2.4-ghz zigbee 통신용 원편파 패치 안테나 최적 설계 및...

2.4-GHz ZigBee 통신용 원편파 패치 안테나 최적 설계 및 구현Optimum Design and Implementation of a Circularly-Polarized Patch Antenna for 2.4-GHz ZigBee Applications

저자(Authors)

홍기표, 노재우, 서무현, 안병철Ki-Pyo Hong, Jae-Woo Noh, Mu-Hyun Seo, Bierng-Chearl Ahn

출처(Source)

한국정보기술학회논문지 14(8), 2016.08, 55-62 (8 pages)Journal of Korean Institute of Information Technology 14(8), 2016.08, 55-62 (8 pages)

발행처(Publisher)

한국정보기술학회Korean Institute of Information Technology

URL http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE06767757

APA Style 홍기표, 노재우, 서무현, 안병철 (2016). 2.4-GHz ZigBee 통신용 원편파 패치 안테나 최적 설계 및구현. 한국정보기술학회논문지, 14(8), 55-62.

이용정보(Accessed)

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충북대학교203.255.70.***2016/09/20 19:20 (KST)

http://www.dbpia.co.kr/Publication/PLCT00000958

http://www.dbpia.co.kr/Issue/VOIS00281102

http://www.dbpia.co.kr/Publication/PLCT00000958

http://www.dbpia.co.kr/Issue/VOIS00281102

http://www.dbpia.co.kr/Publisher/IPRD00010353

Journal of KIIT. Vol. 14, No. 8, pp. 55-62, Aug 31, 2016. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 55

* 충북대학교 전파통신공학전공학과

** 충북대학교 전파통신공학전공학과(교신저자)접 수 일: 2016년 07월 14일수정완료일: 2016년 08월 09일

게재확정일: 2016년 08월 12일

ž Received: July 14, 2016, Revised: Aug. 09, 2016, Accepted: Aug. 12 2016ž Corresponding Author: Bierng-Chearl Ahn Director of Applied EM Lab, Chungbuk National University, 52 Naesudong-ro Cheongju City, Chungbuk Province, 361-763, Korea Tel.: +82-43-261-3194, Email: [email protected]

2.4-GHz ZigBee 통신용 원편파 패치 안테나 최적 설계 및 구현

홍기표*, 노재우*, 서무현*, 안병철**

Optimum Design and Implementation of a Circularly-Polarized

Patch Antenna for 2.4-GHz ZigBee Applications

Ki-Pyo Hong*, Jae-Woo Noh*, Mu-Hyun Seo*, and Bierng-Chearl Ahn**

요 약

철도차량 하부에 설치된 무선센서 노드와 철도 객실 내부에 설치된 무선센서 노드 간 통신경로는 편파회선

이 큰 비가시 경로이다. 이 경우 원편파 안테나가 유리하다. 본 논문에서는 철도 객실 내부 ZigBee 센서 노드

용 원편파 패치 안테나를 제시하였다. 제안된 안테나는 사각형 패치, 패치 급전회로, 금속 케이스 등으로 구성

된다. 뒷면에 패치가 인쇄된 FR-4 기판을 금속 케이스 뚜껑으로 사용함으로써 FR-4 기판이 레이돔 역할을 하

도록 하였다. 패치급전 회로는 방사가 적은 GCPW 형식의 전력분배기와 90° 위상지연 선로로 구성되며 패치

기판 아래에 별도의 기판에 구현하였다. 측정 결과 제안한 안테나는 2.45GHz에서 7.5dB의 이득, 3dB의 축비,

2.4-2.5GHz에서 -10dB 이하의 반사계수를 가짐을 확인하였다.

Abstract

A communication path between a sensor node installed underneath a railway cabin and a sensor node installed inside a cabin is a non-line-of-sight link with a high degree of polarization rotation, in which case circularly polarized antennas are advantageous. This paper presents a circularly-polarized patch antenna for a ZigBee sensor node operating inside a railway cabin. The proposed antenna consists of a rectangular patch, a patch feed circuit, and a metal case. An FR-4 circuit board is employed as a radome by using it as a lid of the metal case and by printing the patch on its backside. The patch feed circuit is realized with a power divider and a 90° phase delay line in a GCPW having low radiation and placed beneath the patch circuit board. Measurements show that the proposed antenna has a gain of 7.5dB and an axial ratio of 3dB at 2.45GHz, and a reflection coefficient of less than -10dB at 2.4-2.5GHz.

KeywordsZigBee antenna, NLOS communication, patch, circular polarization

http://dx.doi.org/10.14801/jkiit.2016.14.8.55

충북대학교 | IP: 203.255.70.*** | Accessed 2016/09/20 19:20(KST)

56 2.4-GHz ZigBee 통신용 원편파 패치 안테나 최적 설계 및 구현

Ⅰ. 서 론

최근 자동차, 기차 등의 안전관리 및 중요 부품

상태의 확인을 위해 ZigBee 통신을 이용한 스마트

센서 네트워크의 활용이 증대되고 있다[1][2]. 특히

세계적으로 고속철도의 보급이 증대됨에 따라 ICT 기술을 활용한 안전관리 기술이 활발히 연구되고

있다[3]. 고속철도 하부에 자가 발전형 ZigBee 송신

모듈을 설치하고 필요한 데이터를 수집하여 객실

내의 ZigBee 수신 모듈에 데이터를 전송하고자 할

때, 편파의 회전이 심하여 원편파 안테나를 사용하

는 것이 유리하다[4]. 원편파 특성과 더불어 안테나

가 높은 F/B(Front-Back Ratio)와 주변 환경에 따른

성능변화의 최소화 등이 요구된다. 안테나의 원편파 구현에 있어 패치 안테나 방식

이 용이하며, 이를 위한 종래 방법으로 패치를 2점내지 4점에서 급전하는 방법 등이 있다[5][6]. 1점급전패치의 경우 축비 대역폭이 매우 협소한 단점

이 있으며 이를 극복하기 위해 2점 내지 4점 급전

패치를 사용한다. 2점 또는 급전 안테나의 원편파

구현을 위해 패치 급전점 간 동일한 크기와 90°위상차를 갖는 신호를 공급하는 급전 회로망이 요구

된다[7][8].본 논문에서는 고속철도 ZigBee 통신용으로 객실

내부에서 사용하기 편리한 원편파 패치 안테나를

설계, 제작, 측정하였다. 제안한 안테나는 2점 급전

원편파 패치, 패치 급전회로 및 금속 케이스로 구성

된다. 안테나 설계에는 상용 전자장 해석 소프트웨

어인 CST 사의 Microwave StudioTM를 이용하였다.

아래에서 안테나의 최적 설계와 설계의 타당성을

확인하기 위한 제작 및 측정 결과를 상세히 제시

한다.

Ⅱ. 원편파 패치 안테나 설계

고속철도 차량 하부에 설치된 ZigBee 송신 모듈

로부터 양질의 정보를 수신하거나, 객차 내부에 설

치된 ZigBee 수신 모듈과의 안정적인 통신링크 형

성에 적합한 안테나로서 표 1과 같은 규격을 만족

하는 원편파 패치 안테나를 설계하였다.

표 1. 제안된 안테나 설계 규격

Table 1. Design specifications of the proposed antenna

항 목 규격

중심 주파수 2.45GHz

대역폭 100MHz

반사계수 -10dB 이하

이득 7dB 이상

축비 3dB 이하

전후방비 15dB 이상

그림 1은 제안한 안테나의 구성품 별로 분해하였

을 때 밑에서 본 모습이다. 제안한 안테나는 레이돔

역할을 하며 패치가 인쇄된 상부기판, 접지판과 급

전 회로망이 있는 하부기판, 그리고 금속 케이스로

구성된다. 상부기판은 밑면에 패치를 인쇄한 후 금

속 케이스의 뚜껑으로 고정되어 레이돔 역할도 수

행한다. 안테나 사용 시 주변 환경에서 인접구조의

영향을 최소화하기 위해 안테나를 금속 케이스에

설치하였다.패치는 4개의 (홈)슬릿과 모서리 부근에 설치된

4개의 급전패드를 통하여 급전되는 사각 패치를 적

용하였다. 2개의 급전패드에서 90°의 위상차를 갖는

두 신호가 용량성 결합 방식으로 패치에 인가된다. 나머지 2개 패드는 금속봉으로 연결된 접지면과 단

락되며 안테나의 축비특성을 향상시키는 역할을 한

다. 상부기판은 4개 모서리에서 볼트에 의해 금속

케이스에 조립된다.

그림 1. 제안한 안테나 구조 (밑에서 본 모습)

Fig. 1. Structure of the proposed antenna (view from

below)



패치에 90° 위상차를 갖는 신호가 하부기판 뒷면

의 급전회로에서 공급된다. 급전회로는 방사가 적은

GCPW(Grounded Coplanar Waveguide)를 이용하여 구

현하였으며 T-형 전력분배기와 90° 위상 지연선로

로 구성된다. 급전회로 방사에 의한 축비특성 악화

를 방지하기 위해 급전회로를 하부기판 뒷면에 설

치하였다.그림 2는 상부기판 뒷면에 인쇄된 패치의 설계

변수이다. 상부기판은 크기가 80×80×1mm이고 유전

율 4.6, 손실 탄젠트 0.02인 FR-4 기판을 이용하였다. 패치의 각 모서리를 적절히 절단한 후 모서리 가

까이에 4개의 패드를 배치하였다. 4개의 패드 중 2개의 패드는 급전용, 나머지 2개의 패드는 단락용으

로 사용된다. 두 급전점 사이의 분리도를 향상시키

기 위해 패치에 4개의 가는 홈(슬릿)을 설치하였다. 그림 3은 하부기판에 구현된 패치 급전회로의 설

계변수이다. 하부기판 크기(zw1 x zw1)는 상부기판의

급전패드 및 단락패드와의 전기적 연결에 있어서

충분한 간격을 위해 50x50mm로 하고 기판 제원으

로는 상부기판과 동일한 것(FR-4)을 사용하였다. 그림 3(a)에서 보인 것과 같이 하부기판의 윗면에는

패치의 접지면과 급전을 위한 동축 케이블이 위치

한다. 급전회로에 연결된 금속봉이 접지면에 닿지

않고 급전패드에 연결되도록 접지면과 원형 갭으로

분리된 비아홀을 적용하였다. 급전 동측선의 외부도

체는 접지면에 연결되며 내부도체는 급전회로의 급

전점 비아홀에 연결된다.그림 3(b)의 하부기판의 밑면은 GCPW 급전회로

이다. 평행 도파관 모드에 의한 손실을 방지하기 위

해 선로 주변에 촘촘히 다수의 비아홀이 배치된

GCPW 선로를 이용하였으며 선로의 특성임피던스

는 100Ω이다. 동축선 내부도체가 연결되는 급전점

에서 나오는 신호를 2개로 분할된 후 한 신호는 선

로 길이가 1/4 파장 더 긴 경로를 거쳐 90° 위사지

연이 되어 종단 비아홀에 연결된 급전봉으로 전파

된다. 다른 신호는 90° 위상지연 없이 급전봉으로

전파된다. 급전회로 출력단 비아홀은 금속봉을 통해

상부기판의 급전패드에 연결된다.제안한 안테나의 최적설계를 위해 주요 변수에

따른 패치의 특성변화를 분석하였다.

그림 2. 패치의 설계변수

Fig. 2. Design parameters of the patch

(a) 윗면 (Upper surface)

(b) 아랫면 (Lower surface)

그림 3. 패치 급전회로 설계변수

Fig. 3. Design parameters of the patch feed circuit

그림 4는 방사패치 슬릿의 길이(sl)에 따른 반사

계수와 축비패턴의 분석 결과이다. 슬릿의 길이가

8.5mm이하인 경우와 10.5mm이상인 경우 패치의 크

기가 변화되면서 중심 주파수의 위치가 이동함을

알 수 있다.



(a) 반사계수 (Reflection coefficient)

(b) 축비패턴 (Axial ratio pattern) (f=2.4GHz)그림 4. 슬릿의 길이(sl)에 따른 안테나 특성 (f=2.45GHz).

Fig. 4. Antenna performance versus the slit length (sl).(f=2.45GHz)


(b) 축비패턴 (Axial ratio pattern) (f=2.4GHz)그림 5. 슬릿의 폭(s)에 따른 안테나 특성 (f=2.45GHz).Fig. 5. Antenna performance versus the slit width (s).

(f=2.45GHz)


(b) 축비패턴 (Axial ratio pattern) (f=2.4GHz)그림 6. 사각패드 크기(sh)에 따른 안테나 특성

(f=2.45GHz).Fig. 6. Antenna performance versus the square pad size

(sh). (f=2.45GHz)

슬릿의 길이가 9.5mm인 경우 안테나의 중심 주

파수가 2.45GHz로 이동됨을 확인하였다. 또한 슬릿

의 길이에 따라 방사 패치의 수직 방향으로 2.3dB 이하의 축비 값을 얻으며 5dB 이하 축비를 만족하

는 빔폭은 -90°에서 +50°까지 형성된다.그림 5는 방사패치 슬릿의 폭(s)에 따른 반사계수

및 축비패턴의 계산 결과이다. 슬릿의 폭이 0.5mm이하인 경우 각 급전점 간의 분리도를 감소시켜 축

비패턴 성능이 저하된다. 슬릿의 폭이 1.5mm이상

인 경우 패치의 크기가 감소되면서 중심 주파수가

이동하게 되면서 축비패턴의 중심 주파수 또한 변

화된다.그림 6은 방사패치 모서리에 배치된 4개의 사각

패드의 폭(sh)에 따른 특성이다. 사각 패드의 폭은

안테나의 반사계수 및 축비 특성에 큰 영향이 없음

을 알 수 있다. 그림 7은 방사패치의 모서리 부분에 형성된 수직

(혹은 수평)부 길이(w3)에 따른 안테나 특성을 보인

것이다.




(b) 축비패턴 (Axial ratio pattern) (f=2.4GHz)

그림 7. 패치 모서리 수직(수평)부 길이(w3)에 따른

안테나 특성 (f=2.45GHz)

Fig. 7. Antenna performance versus the vertical(horizontal)

length (w3) of the patch. (f=2.45GHz)

설계변수 값(mm) 설계변수 값(mm)

L 80 zw2 2.4

w 35 zl1 36.5

w3 0.7 zl2 25.5

s 1 zl3 7.5

sl 10.2 zp 2

sh 2 zg1 6.76

g 1.06 zg2 40.3

zw1 50

표 2. 최적 설계된 안테나 치수

Table 2. Dimensions for the optimally designed antenna

모서리 부분의 수직(혹은 수평)부 길이를 미세하

게 조정할 경우 안테나의 중심 주파수를 정확하게

일치시킬 수 있다. 또한 안테나의 수직 방향 축비

특성을 최적화할 수 있다. 최적의 수직(혹은 수평)부 길이(w3)를 반영한 패치의 크기는 35×35mm이다.


(b) 축비패턴 (Axial ratio pattern) (f=2.4GHz)그림 8. 2개의 단락용 사각패드와 단락핀의 유무에 따른

안테나 특성 (f=2.45GHz)

Fig. 8. Antenna performance versus two shorting pads

and shorting pins (f=2.45GHz)

그림 8은 방사패치의 모서리에 배치된 4개의 사

각패드 중 2개의 단락용 사각패드의 유무에 따른

특성이다. 2개의 단락용 사각패드가 없을 경우 축비

성능이 저하됨을 알 수 있다. 이에 반사계수의 중심

주파수가 상향 이동하면서 제안된 안테나 설계 규

격에 만족하지 않음을 확인하였다.표 2는 이상의 과정을 통해 최적화된 안테나의

설계 변수를 보인 것이다. 최적 설계된 안테나는 주

파수 2.38-2.52GHz 범위에서 -10dB 이하의 반사계수

를 만족하고 고각 방향 ±95°에서 5dB 이하의 축비

패턴 성능이 만족됨을 알 수 있다.그림 9는 최적 설계된 원편파 패치 안테나의 방

사 패턴 결과이다. 중심 주파수 2.45GHz에서 계산

된 방사 패턴은 좌원편파 특성을 가지며 최대 이득

은 7.51dB이고 고각방향 0°에서 2.5dB의 축비 패턴

과 18.5dB의 전후방비 특성을 갖는다.



(a) 3차원 패턴 (3D pattern)

(b) 고각 패턴 (phi=0°) (Elevation pattern (phi=0°))

그림 9. 최적 설계된 안테나의 이득패턴 (f=2.45GHz)

Fig. 9. Gain patterns of the optimally designed antenna

(f=2.45GHz)

Ⅲ. 원편파 패치 안테나의 제작 및 측정

최적 설계가 이루어진 안테나는 실제 원편파 안

테나의 성능을 확인하기 위해 제작, 측정하였다. 그림 10은 제작된 원편파 패치 안테나의 형상이다.

그림 11은 제작된 원편파 패치 안테나의 성능 측

정 결과이다. 제작된 원편파 패치 안테나는 동작 주

파수 범위 2.4-2.56GHz에서 -10dB이하의 반사계수

특성을 갖는다.중심 주파수 2.45GHz에서 계산된 방사 패턴은

좌원편파 특성을 가지며 최대 이득은 6.5dB이고 고

각 방향 0°에서 1.2dB의 축비 패턴과 18dB의 전후

방비 특성을 갖는다. 계산 결과와 측정 결과의 차이

는 제작상의 오차에 의한 것으로 판단된다.

그림 10. 제작된 패치 안테나 사진

Fig. 10. Photographic of the fabricated patch antenna


(b) 축비패턴 (Axial ratio pattern) (f=2.45GHz)

(c) 이득패턴 (Gain pattern (f = 2.45GHz))

그림 11. 제작된 패치 안테나의 측정된 성능

Fig. 11. Measured performance of the fabricated patch

antenna



Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 고속철도 ZigBee 통신용 원편파

패치 안테나를 제안하였다. 철도 차량 환경의 비가

시 경로 통신을 위해 원편파 안테나를 적용하였다. 제안한 안테나는 사각형 패치 안테나를 2개의 모서

리에서 근접 결합으로 급전한 구조이며 90도 위상

차를 가지는 전력 분배기를 사용하여 2점을 급전하

였다. 전력 분배기는 상부 패치 안테나 기판과 일정

한 간격을 갖고 접지면으로 동작하는 하부기판에

GCPW 선로 형태로 구현하였다. 최적 설계된 원편

파 패치 안테나는 제작하여 측정한 결과 동작주파

수인 2.4-2.56GHz 범위에서 –10dB 이하의 반사계

수 특성을 보였고, 중심주파수 2.45GHz에서 3dB이하의 축비특성을 보이며, 시뮬레이션과 유사한 결과

를 측정하였다.본 논문에서 제안된 안테나는 통상적으로 매우

많은 응용범위를 갖고 있으며 비가시 경로 ZigBee 통신 시스템에 유용하게 사용할 것이라 판단된다.

References

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저자소개

홍 기 표 (Ki-Pyo Hong)

2015년 2월 : 충북대학교

정보통신공학과(공학사)

2015년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 석사과정

관심분야 : 안테나 설계

노 재 우 (Jae-Woo Noh)








서 무 현 (Mu-Hyun Seo)






안 병 철 (Bierng-Chearl Ahn)

1981년 2월 : 서울대학교

전기공학과(공학사)

1983년 2월 : 한국과학기술원

전기전자공학과(석사)

1992년 12월 : University of

Mississippi 전지전자공학과(박사)

1983년 ~ 1986년 : (주) 금성정밀

주임연구원

1992년 ~ 1994년 : 국방과학연구소 선임연구원

1995년 ~ 현재 : 충북대학교 전파통신공학과 교수

관심분야 : 전자파 응용, 안테나


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