60 GHz WLAN/WPAN 시스템을 위한 광대역 원형편파 특성을 갖는 마이크로스트립 패치 배열 안테나 설계에 관한 연구 = A circularly polarized broadband microstrip patch antenna array for WLAN/WPAN system at 60 GHz
저자
발행사항
서울 : 광운대학교 대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 광운대학교 대학원 : 전파공학과 2016. 2
발행연도
2016
작성언어
한국어
DDC
621.3848 판사항(22)
발행국(도시)
서울
형태사항
ix, 73 p. : 삽도, 표 ; 26 cm.
일반주기명
지도교수 : 이병제
참고문헌 수록
소장기관
Recently there is a growing interest in the wireless short-range communications, such as uncompressed high definition video streaming, wireless USB, and wireless ad-hoc, with high data rate at the wide unlicensed frequency band around 60 GHz. The high data rate (3 Gbps or higher) by using the wide bandwidth (5~9 GHz) can be achieved at this frequency band within the short range of 10 m.
For achieving the broad impedance bandwidth and the high gain for 57~66 GHz, several antenna arrays had been designed by using the low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology with the multilayer structure. The LTCC manufacturing process has advantage of a high reliability, a low loss, and a low fabrication tolerance in designing RF/Microwave component. Although it can provide the high-precision pattern on each layers, it requires a high manufacturing cost and a complex fabrication process with increased antenna volume. For the commercialization of the 60 GHz WLAN/WPAN system, an antenna should be designed with low fabrication cost and low profile. Compare to the LTCC process, the conventional printed circuit board (PCB) technology with single layer structure results in low cost, low profile, and easy fabrication. However, it gives a narrow impedance bandwidth, so that a 60 GHz antenna that has a single layer structure with PCB process needs to improve the impedance bandwidth and CP bandwidth.
In this thesis, a new structure of a patch array antenna is proposed with a single layer PCB process, and it gives better performance than that of the conventional LTCC antenna. In order to achieve broad impedance bandwidth with a single layer structure, a patch antenna is proposed using the conner stub and bent slot structure to realize dual resonance. The proposed antenna consists of the 4×4 array structure and the novel series sequential rotate feed network to obtain a high gain for the WLAN/WPAN system. It has also a lower line loss and wider circular polarization (CP) operation. It is designed on the single layer Teflon substrate by using single layer PCB process, so that it gives a low manufacturing cost and a low profile characteristic. The broad impedance bandwidth, CP bandwidth and high gain are obtained to be suitable for short range and high data rate wireless communication applications for the 60 GHz WLAN/WPAN system.
최근 60 GHz 비허가 대역을 활용하여 실시간 무압축 데이터 스트리밍, 무선 USB, 무선 ad-hoc 등의 높은 데이터 전송률을 가지는 근거리 무선통신에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 60 GHz 비허가 대역은 넓은 주파수 대역폭 (5~9 GHz)를 사용하여 10 m 이내의 근거리에서 높은 데이터 전송률 (3 Gbps 이상)을 구현할 수 있다.
57~66 GHz 대역에서 넓은 임피던스 대역폭과 높은 안테나 이득 특성을 달성하기 위해 LTCC (Low temperature co-fired ceramic) 공정을 적용한 배열 안테나들이 연구되고 있다. LTCC 공정은 RF/Microwave의 소자를 설계하는데 있어 높은 신뢰성과, 낮은 손실, 낮은 공정오차의 장점을 가지며 각 층에 고 정밀 패턴을 구현할 수 있다. 그러나 높은 공정가격과 복잡한 공정과정이 요구되고, 적층구조에 따른 안테나의 부피가 늘어나는 단점을 가지고 있다. 따라서 60 GHz WLAN/WPAN 시스템의 상용화를 위해서는 안테나의 공정가격을 절감하고 소형화를 이루어야 한다. LTCC 공정과 비교하여 일반적인 PCB 공정기술은 단층구조로써 낮은 공정가격과 낮은 부피, 간단한 공정과정을 가진다. 그러나 단층구조의 안테나는 좁은 임피던스 대역폭을 가지게 된다. 따라서 PCB 공정을 적용한 단층구조의 60 GHz 안테나에서 넓은 임피던스 대역폭과 원형편파 대역폭을 확보하는 것이 요구되고 있다. 본 논문에서는 단층구조의 PCB 공정을 적용한 새로운 형태의 마이크로스트립 패치 배열 안테나 구조를 제안하였고 이는 기존 LTCC 공정을 적용한 안테나에 비해 우수한 성능을 나타낸다.
본 논문에서는 단층구조에서 넓은 임피던스 대역폭을 만족하기 위해 스터브와 꺾인 슬랏을 적용하여 듀얼 공진을 확보하는 단일 안테나를 제안하였다. 따라서 단층구조의 좁은 임피던스 대역폭 특성을 극복하였다. 60 GHz WLAN/WPAN 시스템의 높은 이득 특성을 구현하기 위해 4×4 배열구조와 새로운 형태의 직렬 Sequential rotate 급전 구조를 제안하였다. 이는 낮은 급전선로 손실과 넓은 원형편파 대역 특성을 가진다.
제안된 원형편파 마이크로스트립 패치 배열안테나는 PCB 공정을 적용하여 Teflon 기판 위에 단층구조 형태로 설계되었다. 따라서 낮은 공정가격과 낮은 안테나 부피 특성을 가진다. 또한 넓은 임피던스 대역폭, 원형편파 대역폭과 높은 안테나 이득을 만족한다. 따라서 제안된 안테나는 근거리에서 높은 전송속도를 가지는 무선통신인 60 GHz WLAN/WPAN 시스템에 적용할 수 있다.
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