Ⅰ. 서 론

최근무선 기술의 빠른 발전에 의해서 휴대전화, 노트북, 태블릿 PC 등과 같은 소형 휴대용 기기가 많은 분야에서 사용되고 있다. 이러한 기기들의 보 급 확대와 대용량의 다양한 컨텐츠가 개발되면서 데이터의 고속 전송 및 수신 능력은 휴대기기가 갖 추어야할 필수 조건이 되었으며 기기의 성능을 판 정하는 척도가 되고 있다[1]. 따라서 새로운 모바일 환경에 적합한 새로운 안테나 개발이 요구되고 있 으며, 4세대 이동 통신 서비스를 위한 단말기는 LTE, WiMAX 서비스 외에도 이동 통신망, WLAN, 블루투스, GPS 및 DMB 등의 서비스를 포함해야 하고, 이에 따라 하나의 단말기 안에 다수의 안테나 가 구현되어야 한다. 하지만 단말기의 크기는 제한 되어있고 제공하는 서비스가 증가하면서 시스템이 복잡해지고 부피가 증가하면서 상대적으로 안테나 장착 공간은 줄어들고 있기 때문에 안테나의 소형 화가 요구되고 있는 실정이다[2]. 안테나를 소형화 시키면 안테나 복사 패턴은 무지향성에 가까운 특 성을 갖게 되며, 안테나 이득도 낮아지고, 안테나 입력 저항은 매우 작아지고 리액턴스는 매우 커져 안테나의 대역폭이 매우 좁아지게 된다. 이러한 문 제점을 극복하면서 크기가 소형인 안테나를 개발하 는 것은 결코 쉬운 일이 아니기 때문에 최근에는 칩 기술이나 높은 유전율의 세라믹을 이용하기도 한다. 그러나 높은 유전율의 유전체를 사용하면 안 테나의 크기를 매우 축소할 수 있으나, 유전체 손실 에 의한 효율의 저하는 여전히 문제가 되고 있다 [3][4]. 따라서 본 논문에서는 IEEE 802.11의 무선랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭 넓은 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 마이크로스트립 패치 안 테나를 설계하였다. 안테나 설계시 PSO[5] 알고리 즘을 적용하여 기존 안테나의 단점이었던 안테나의 낮은 입력저항, 대역폭, 안테나의 이득 등을 개선하 였으며 안테나 제작 시 발생하게 되는 매개변수 검 출 오류를 최소화 하였다.

Ⅱ. 관련연구

1. WLAN 시스템

WLAN란 단순히 하나의 기술이 아니라 여러 개 의 다양한 기술들이 모여 WLAN이라고 하는 하나 의 큰 카테고리를 이루고 있는 것이다. 현 산업 표 준은 2.4GHz ISM밴드를 사용하고 있는 IEEE 802.11b 이다. 같은 밴드를 사용하고 있는 것으로는 블루투스가 있고, IEEE 802.11a와 ETSI BRAN HiperLan2와 같은 WLAN 기술들은 5GHz 밴드에서 개발되었다 [6]. 현재 2.4GHz대역에 주를 이루는 WLAN 기술이 점차 5GHz대역으로 발전되고 있으 며, 부품개발 및 관련 기술개발이 활발히 진행되고 이미 상용화 제품이 출시되고 있어, 점차 2.4GHz대 역에서 5GHz대역의 WLAN의 세대 변화를 준비하 고 있다. WLAN 기술의 가장 중요한 표준은 현재 IEEE 802.11 관련 기술로 집중되고 있으며, 초기 IEEE 802.11b의 기술에서 <그림 1>과 같이 IEEE 802.11x 등 을 통한 인증표준 등 새롭게 표준화가 완료 및 진행되고 있다[7].

2. WLAN 안테나의 특징

WLAN 기능을 내장한 단말의 설치 위치와 방향 에 구애 받지 않고 떨어진 장소에 있는 통신 상대 와 안정적으로 통신을 수행할 수 있는 성능이 반드 시 필요하다. 이를 위해 단말에 내장된 안테나의 반 사손실, VSWR, 방사특성, 안테나의 사이즈가 중요 한 매개변수로 적용된다. 특히 VSWR 특성은 WLAN 멀티밴드 특성을 만족하고, 동작 주파수 대 역 내에서 10dB 이하의 반사손실이 유지되어야 한 다. 방사특성은 휴대기기의 이동성, 통신 장소의 통 신상황 등 사용 환경이 항상 변화하기 때문에, 전 방위에 걸쳐 균일한 감도가 요구된다. 전파가 방사 되는 방향이 균일하면 통신 대상이 어느 방향에 있 더라도 단발의 방향에 상관없이 안정된 통신을 할 수 있기 때문이다. 또한, 고속으로 안정된 통신을 할 수 있도록 높은 이득도 요구된다. 즉, 안테나의 이득이 높을수록 보다 멀리 있는 상대와 안정적으 로 통신을 할 수 있기 때문에 이를 만족하기 위한 안테나의 소형화가 필수적이다[11][12].

Ⅲ. CPW 급전을 이용한 WLAN용 다중대역 마이크로스트립 패치 안테나 설계

1. 안테나 설계 및 실험 환경

본 논문에서는 WLAN 대역에서 사용이 가능하 고 태그의 크기를 소형화 시키면서 다양한 방사패 턴을 확보하고, 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확 보 할 수 있도록 CPW 급전을 이용한 마이크로스트 립 패치 안테나를 설계하였다. CPW 급전 구조는 마이크로파용 집적회로를 제작할 때 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결할 수 있다. 또한 중앙 스 트립 선로와 슬롯(s)의 폭을 변화시켜 원하는 다양 한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용 할 수 있는 파라미터가 더 많아서 집적회로의 제작 에 유리한 구조로 되어있다. 이와 같이 CPW는 단 일평면 위에 선로와 접지면이 동시에 존재하고, 선 로와 접지면 사이의 간격에 따라 특성이 변하게 되 므로 마이크로스트립 선로에 비해 분산 즉, 주파수 변화에 따른 유효유전율 변화가 적다[13]. CPW는 <그림 2>와 같이 스트립 라인의 폭(w)에 급전을 주 면 중앙의 컨덕터가 방사역할을 하고, 두 간격의 S 사이에 존재하는 컨덕터는 접지역할을 하는 구조로 되어 있다. 즉, 유전체 아래에 접지면이 없고, 단일 평면상에 전송선로 및 접지면이 존재하는 구조로 구성된다.

또한 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위 하여 패치에 슬롯을 삽입한 형태로 설계하였다. CPW 급전 선로 구성 시 등각매핑(Conformal Mapping) 방 법을 이용한 CPW 해석을 이용하여 먼저 실효 유전 율과 50Ω에 맞는 CPW 급전 선로의 폭, 선로의 길 이와 접지면의 간격을 결정 하였다. <그림 3>은 설 계된 안테나의 구조를 나타낸 것이다. 안테나 설계 에 사용된 기판은 설계에 사용된 기판은 좁은 대역 폭에서 안테나의 소형화를 위하여 유전율 4.3를 가 지고 두께가 0.8 mm인 FR-4 기판을 사용하였으며, 안테나 설계에 사용된 유전체 재료는 실리콘을 사 용하였다. 또한 실제 단말기 사이즈를 고려하여 35 mm×65mm 크기의 기판을 이용하였고, 안테나가 5GHz 대역에서의 공진을 위해 안테나의 상단부에 슬롯을 삽입하였다.

안테나 설계 시 태그 칩의 입력 리액턴스 성분이 커패시티브한 값을 가지므로, 태그 안테나가 광대 역 특성을 갖기 위해서 태그 안테나의 입력 임피던 스가 태그 칩과 유사한 낮은 입력 저항 값을 갖고 입력 리액턴스는 인덕티브한 성분을 가져 임피던스 공액 정합이 잘 이루어지도록 하였다. 또한 그라운 드에 사용되는 상단, 하단 패치는 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있도록 대칭이 될 수 있 는 크기로 설계하였다. 이 때, 패치의 소자는 선형 변단면으로 되어있으며, 폭 (w)와 길이 (L), 패치와 패치 사이의 폭 (g), 패치와 CPW 선로사이의 폭 (d) 는 PSO 알고리즘을 적용하여 최적의 값을 설정 하 였으며, 패치에 삽입되는 슬롯은 실험을 통해 최적 의 값을 설정하였다. <그림 4>는 적용된 PSO 알고 리즘의 체계도를 나타낸 것으로 수행절차는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

<그림 5>는 삽입된 슬롯의 폭 (S_w )의 변화에 따 른 반사손실 및 축비를 나타낸다. 그림에서 보인 바 와 같이 공진 주파수는 S_w의 크기에 따라 커다란 변화를 보인다. 이때, S_w가 증가하면 안테나의 공진 주파수는 감소하지만 대역폭과 최소 축 비율은 S_w 의 변화에 대하여 작은 변화를 보인다. 이는 매우 유용한 결과로서 대역폭이나 축 비율에 큰 영향을 주지 않고 단지 S_w의 값을 조정하여 공진 주파수를 변경할 수 있음을 알 수 있었다. S_w의 길이 변화를 측정한 결과 모든 경우 WLAN의 주파수 범위에 만 족하였으며, S_w = 15mm가 일 때 반사손실이 가장 적게 나타나 S_w = 15mm로 선정하였다.

<그림 6>은 삽입된 슬롯의 길이 (S_L )의 변화에 따른 반사손실 및 축비를 나타낸다. 안테나설계 시 S_L의 길이가 안테나에 미치는 효과는 S_w의 경우 보다 미약하게 나타났으며, 안테나의 양호한 임피 던스 매칭과 축비를 위한 S_L = 5mm일 때 반사손실 이 가장 적게 나타나, S_L = 5mm로 설정하였다.

2. 실험결과

안테나 설계 및 시뮬레이션 과정을 기반으로 최 적화된 파라미터 값으로 안테나를 설계하였다. 설 계된 안테나의 시뮬레이션은 HFSS를 사용하였으 며, 측정결과 <그림 7>에 나타난바와 같이 안테나 의 반사손실은 -10dB 미만의 S11에 대하여 5.2%였 으며 주파수 범위는 5.08~5.35 GHz의 영역을 보였 다. 이는 5.2 GHz대역폭의 WLAN에서 요구되는 대 역폭을 만족시켰다.

설계한 안테나는 표면과 수직으로 방사가 이루 어지므로 ϕ= 0^o 및 ϕ= 90^o인 경우의 양각 패턴이 중요하다. 그림 8은 안테나의 공진주파수가 5.5GHz 일 때 ϕ= 0^o 및 ϕ= 90^o에서의 이득을 나타낸 것으 로 최대 이득은 현측 방향으로 1.67dBi로 나타났다.

<그림 9>는 안테나의 E-영역 방사패턴을 나타낸 것이다. 안테나의 방사패턴은 공진점인 2개의 주파 수(2.45GHz, 5.5GHz)대역에서 실험하였고, 실험결과 이상적인 안테나의 방사 특성이 나타나는 것을 확 인하였다. 또한 안테나의 일반적인 방사패턴 형태 인 전 방향 패턴이 되는 것을 확인할 수 있으며, 2.45GHz에서 E-영역의 최대 이득은 5.2dBi, 최대 복 사 방향은 25^o로 나타났다. 그림 10은 H-영역의 방 사패턴을 나타낸 것으로 이득은 4.5dBi로 나타나 등 방성 안테나에 비해 지향성이 있는 것으로 판단할 수 있으나, 전 방향에서의 방사가 가능하기 때문에 IEEE 802.11a를 만족하는 WLAN 안테나에 적합한 것을 알 수 있었다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 IEEE 802.11의 무선랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대 역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 소형 마 이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나 제작 시 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결하 며, 중앙 스트립 선로와 슬롯의 폭을 변화시켜 원하 는 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW급전을 사용 하여 안테나를 설계하였다. 또한 안테나 설계 시 소 형화에 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값 을 적용하기 PSO 알고리즘을 적용하여 안테나의 매개변수를 도출하였다. 소형 안테나를 설계하게 될 경우, 최적화 변수가 방향과 범위에 의해 제어되 기 때문에 고정 비율에 의해 변수 사이에서 복잡한 관계를 설정할 수 없다는 단점을 가지고 있어 소형 안테나 설계 시 최적화 된 매개 변수 검출 시 오류 를 발생하게 된다. 따라서 PSO기법을 적용하여 안 테나를 설계하여 기존 방식으로 제작된 소형 안테 나 단점인 낮은 안테나의 입력저항, 대역폭, 안테나 의 이득 등을 개선하였다. 본 논문에서 설계한 안테 나는 국제 WLAN 표준인 IEEE 802.11a를 만족하기 위해 안테나의 공진 주파수를 5.2GHz로 설정하였 고, FR-4 기판을 사용하였으며, 실제 단말기 사이 즈를 고려하여 35 mm×65mm 크기의 기판을 이용 하여 설계하였다. 공진 주파수를 변화시킬 수 있는 S_L = 15mm의 경우 WLAN의 주파수 범위에 만족하 였으며, 이 때, 반사손실이 가작 적게 나타나 S_L = 15mm로 선정하였다. 그리고 안테나의 양호한 임피던스 매칭과 축비를 위한 S_w = 5mm일 때 반사 손실이 가장 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 설계된 안테나는 HFSS를 사용하여 시뮬레이션 하 였다. 측정결과 안테나의 시뮬레이션에 의한 임피 던스 대역폭은 –10dB 미만의 S11에 대하여 5.2% 였으며 주파수 범위는 5.08~5.35GHz의 영역을 보였 다. 또한, 안테나의 측정된 임피던스 대역폭은 5.8% 였으며 주파수 범위는 5.15~5.44GHz의 영역을 보였 고, 이는 5.2GHz 대역폭의 WLAN에서 요구되는 대 역폭을 만족 시켰다. 시뮬레이션에 의한 대역폭 (AR≤3dB)은 70MHz 이며 5.23GHz에서 0.4dB의 최소 AR에 대하여 5.195~5.265 GHz의 주파수 범 위를 만족하는 것을 확인할 수 있었으며, 측정된 축 비는 5.285 GHz에서 1 dB의 최소 AR에 대하여 5.245 ~ 5.315 GHz (1.33%)의 주파수 범위를 나타내 는 것을 확인하였다. 또한, 양호한 LHCP 영역을 확 인 할 수 있으며 넓은 대역 방향 (θ = 0^o )에서 RHCP 보다 약 20dB 정도 크게 나타난 것을 알 수 있다. 또한 안테나의 이득은 5.285GHz에서 6.2dBi으로 나 타나 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 하지만 특정 대역에서 공진이 되는 안테나이기 때문에 사 용의 제한이 있어 차후 연구를 통해 다중대역에서 IEEE 802.11의 WLAN 대역을 모두 만족할 수 있는 안테나를 연구 개발할 것이다.