한국전자파학회 논문 번역(한국어 원본)본 논문은 diversity mode와 directional mode를 스위치 할 수 있는 planar 안테나 구조를 제안하였다. 네 개로 나누어진 평면조각을 폈을 경우에는 diversity mode 에서 동작하고, 쌓았을 경우에는 directional mode 로 동작하도록 설계하였다. 제안된 평면형 안테나 구조는 먼저 네 개의 안테나 요소들을 한 평면에 배열했을 경우 diversity mode 로 동작한다. 네 개의 안테나의 feeding 방향을 서로 직교 배열하여 38 dB 이상의 높은 isolation 를 얻을 수 있었다. 한편 네 개의 안테나 요소들을 수직으로 적층 배치한 구조는 Directional mode 로 동작한다. 적층 된 안테나를 형성하는 네 개의 안테나 요소들은 Yagi-Uda antenna 구조를 따르며 Reflector, Driver, Director로 각각 동작하면서 높은 Gain을 갖도록 하였다. 특별히, 네 개의 안테나 요소에 두 가지의 다른 feeding 방법과 구부러진 feeding line을 사용하여 성능을 극대화 시켰으며, diversity mode와 비교해보면, 약 5.5 dBi의 gain이 증가된 것을 확인할 수 있었다. 2.4GHz에서 동작하는 제안된 안테나는 simulation and measurement results 일치하는 것을 확인하였으며, 그 성능 또한 입증하였다.
지금은 무한한 정보의 시대를 지내고 있다. 이와 함께 많은 사용자들은 편리한 정보의 접근을 원하고 있으며, 이를 위해 기존보다 나은 통신 환경을 요구하고 있다. 특히, 최근의 무선통신 시장을 살펴보면, 스마트 플랫폼의 확장과 관련된 유ㆍ무선 통신기기가 점점 늘어나고 있으며, 이에 따른 데이터 사용량이 기하급수적으로 증가하는 것을 알 수가 있는데, 이와 같은 전개는 결국 데이터 트래픽의 포화현상과 함께 정보의 접근이 어려워지는 현상으로 번질 우려가 있다. 따라서 보다 나은 무선통신 환경의 구축은 불가피하며 이 문제를 해결하기 위한 많은 노력이 진행되고 있다. 그 중에서도, 정보의 효율적 접근을 위한 매개체로써 안테나가 핵심 기술로 다루어지고 있다. 만약, 하나의 안테나 구조가 무선통신 환경에 따라 동작하는 여러 가지의 모드를 갖는다면, 안테나는 많은 양의 데이터를 빠르고 유기적으로 처리할 수 있게 되어 데이터의 접근 환경을 보다 개선할 수 있게 된다. 현재 이와 같은 기술은 무선통신 장치들에 있어 기본적인 서비스가 되어가고 있으며 더욱 효과적인 방법들을 위해 많은 연구가 진행되고 있다 [1],[2].
현재의 무선통신 환경은 전파의 진행함에 있어 complexity을 가지고 있다. 특히, 도시 혹은 시외의 지역에서 송신부와 수신부 사이에서는 여러 구조물과 많은 RF 신호들이 공존하고 있는데, 이 때문에 송신된 신호는 수신부에 도달하기 전에 signal의 attenuation와 distortion, phase의 변화 그리고 time delay 등이 유발된다. 이러한 문제를 가진 무선통신환경에서 무선 연결의 품질과 reliability 향상을 위해 도입된 기술이 바로 diversity antenna 이다 [3],[4]. 이 기술은 만일 하나의 신호가 주변 환경으로 인해 감쇄된다면 다른 패스로 진행하는 신호가 이를 보상해주는 특징을 가지고 있다. 기존에는 한정된 패스 안에서 주파수와 전력을 증가시켜 통신 capacity을 높였지만, 점점 더욱 많은 양의 데이터를 더욱 빠르게 처리하기를 원하는 시장의 요구로 인해 이 기술은 한계에 부딪힐 수밖에 없었다. 이러한 기술적 요구에 의해 diversity antenna 기술은 연구가 활발히 진행 중에 있으며 특히, Multiple Input Multiple Output (MIMO) 기술은 현재 이동 통신기술의 필수 기술로 사용되고 있다 [5],[6],[7]. 기본적으로 diversity antenna는 네 가지의 방식으로 구현할 수 있다. pattern diversity, polarization diversity, frequency diversity, spatial diversity로 구분된 기법들은 각각의 통신 환경에 맞게 사용되고 있다 [8],[9].
위에서 언급한 무선통신 환경과는 다르게 환경에 방해 받지 않는 직선거리 (Line of Sight)의 통신환경에서는 directional antenna 가 요구 된다. directional antenna 는 특정한 방향으로 전파를 강하게 송신하거나 수신하는 특성을 가지며 높은 gain을 필요로 하는 경우에도 많이 사용된다. directional antenna로써 Yagi-Uda antenna, log-periodic antenna, corner reflector antenna 등이 있으며, 그 중에서 Yag-Uda antenna 가 현재까지 가장 많이 알려져 있다 [10],[11]. 일반적으로 Yagi-Uda antenna는 세 가지 요소로 구성된다. 반파장의 Driver dipole과, Driver뒤에 위치하며 더 큰 크기를 갖는 Reflector, 그 반대편에 위치하는 Director가 이를 만족하고 있다. 또한 각 구성 요소들은 적당한 파장비율의 간격을 유지하면서 나열되는 것을 필요로 한다. 우리는 본 논문에서 directional antenna 에 필요한 구성 요소들이 적층 구조로 배치된 stacked Yagi-Uda antenna 를 이용한다.
일반적으로 다양한 모드를 갖는 안테나의 스위치 방법은 전기적인 스위치 방법이 사용된다. 이것은 일정한 전압이 가해져서 특정한 위치를 연결, 혹은 단락 시키거나 혹은 가해진 전압이나 전류의 양에 맞게 장치들의 특성을 조절하는 것이다. 이와 같은 기술을 잘 보여주고 있는 것들에는 가변소자 : Diode, Transistor, Micro electro mechanical systems (MEMS), Ferroelectric varactor 등이 있다 [12],[13],[14]. 하지만, 이와 같은 기술은 사용자 입장에서는 사용이 간편한 장점을 가지고 있지만, 반면에 RF 시스템에서의 전기적인 스위치의 사용은 추가적인 loss을 가지는 단점을 가지고 있다. 추가적인 insertion loss 을 보상해 주기 위한 증폭기와 같은 추가의 장치들을 필요로 하는 경우도 있다. 이 외에도 바이어스 구조가 안테나와 함께 구현될 경우 안테나의 방사 성능에 있어서 고려해야 할 부분 또한 발생하게 된다. 따라서 우리는 본 논문에서 전기적 방법을 사용하지 않고 구조의 수동적 변경을 통해 모드를 스위치 할 수 있는 안테나를 제안한다.
본 논문에서는 네 개의 안테나 소자를 쌓고 펼침으로써 모드 변환이 가능한 평면형 안테나 구조를 소개하고자 한다. 네 개의 안테나로 구성된 제안된 안테나는 사용자의 간단한 조작으로 diversity mode 와 directional mode로 변환이 가능한 구조를 가지고 있다. 먼저, 네 개의 안테나 요소들이 안테나 어레이 형태로 펼쳐져 배치되었을 경우에는 polarization diversity mode로 동작한다. 이 경우, 네 개의 안테나 요소들의 feeding 방향을 서로 직교하게끔 배치함으로써 mutual interference 을 최소화 하였다. 이와는 다르게 네 개의 안테나 요소들이 한 방향으로 쌓인 적층 구조로 변환이 되었을 경우에는 directional mode로 동작한다. 이때 네 개의 요소들은 stacked Yagi-Uda antenna의 형태를 가지며, 각각 Driver, Reflector, Director의 역할을 담당하게 된다. 특히 directivity을 높이기 위해 안테나 요소들의 feeding 방식과 feeding line를 새롭게 고려하였으며, 이는 시뮬레이션 과정을 통해 보여주고 있다. diversity mode와 directivity mode는 시뮬레이션과 측정된 결과를 통해 설명할 것이며, 각각의 모드에서 두 결과는 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 먼저 제안된 안테나의 동작원리를 시작으로, diversity mode 와 directional mode에 관한 구체적인 형태와 설명이 순서대로 전개될 것이다. 다음으로 제작된 안테나의 모습과 함께 분석이, 마지막으로 결론으로 마무리 될 것이다. |
한국전자파학회 논문 번역(영어 번역본)The purpose of this is to present diversity and directivity mode-switchable planar antenna. The antenna designed to have four elements, and the two modes can be switched by stacking and unfolding these elements. As for the diversity mode, the four elements are unfolded on the plane for polarization diversity. Because of orthogonal arrangement of the four elements, high isolation over 38 dB can be achieved. On the other hand, the antenna function is changed to be the directional mode when the four elements are folded and stacked. Each element works as a reflector, a driver, and a director as seen in Yagi-Uda antenna principle, indicating that the antenna represents high directivity. Specifically, the curved feed line as well as the two methods of feeding is used to improve the directivity, and, when compared to the diversity mode, 5.5 dBi gain is more achieved. As for the antenna presented at 2.4GHz, the simulation results are consistent with measurement results and the performance is proved.
In this period of infinite information, users want to access information conveniently, requiring better communication environment. In recent telecommunication market wired and wireless communication appliances are on the increase related to expansion in smart platforms and consequently the data usage is enhanced geometrically. Such development may be led to difficulty in access to information with saturation of data traffic. Thus, it is inevitable to construct better wireless communication environment and sufficient efforts are being conducted to resolve the problem. One of the efforts is to develop antenna of key technology as a medium for efficient access to information. If one antenna structure has several mode working based on the wireless communication environment, it can process more data quickly and organically to improve access to data. Recently such technology is being basic service in wireless communication devices and many researchers are studying to present more effective methods.[1],[2]
The existing wireless communication environment has complexity in wave traveling. There are various structures and RF signals between transmission and reception in urban or suburban areas, and thus transmitted signals are induced of attenuation and distortion of signal, phase changes, and time relay before they reach reception. In this context, diversity antenna has been introduced to improve quality and reliability of wireless connection in wireless communication environment.[3],[4] When this technology is applied, if a signal is diminished by surrounding environment, other signal traveling through other path compensate for it. Communication capacity could be enhanced by increasing frequency and electric power within limited paths in the past, but this technology reached the limit due to market demands requiring faster processing of more data. Because of such technologic demands, diversity antenna has been actively researched, and in particular, the Multiple Input Multiple Output (MIMO) is used as the essential technology of mobile communication.[5],[6],[7] Diversity antenna can be basically materialized by four methods, including pattern diversity, polarization diversity, frequency diversity, and spatial diversity for appropriate communication environment. [8],[9]
Unlike the above-mentioned wireless communication environment, directional antenna is needed in other communication environment such as ling of sight without limitations of environment. Directional antenna strongly transmits or sends wave for specific directions and is commonly used when higher gain is needed. There are several directional antennas such as Yagi-Uda antenna, log-periodic antenna, corner reflector antenna, and Yagi-Uda antenna has been mostly well known. [10],[11] Yagi-Uda antenna generally consists of three elements, including driver dipole of half-wave length, reflector behind and larger than the driver, and director on the opposite side. Each elements need listing with maintaining proper interval of wavelength ratio. In this study we used stacked Yagi-Uda antenna, in which elements needed for directional antenna are folded and stacked.
Electric switching is commonly used as switching method of antenna with several modes. The methods is to connect or disconnect specific positions by adding certain voltage or to control characteristics of devices to fit to the given voltage or current. Tunable elements represent such technology, including Diode, Transistor, Micro electro mechanical systems (MEMS), and Ferroelectric varactor.[12],[13],[14] However, such technologies are advantageous for uses because of being easy to use, while using electric switching in the RF system may have additional loss. It may require other devices such as amplifier to compensate for such additional insertion loss, and what should be considered can occur in emission of antenna when bias structure is materialized with antenna. Thus, we presented antenna whose modes are switchable not by electric methods but by manual transformation of structure.
In this study we provided mode-switchable planar antenna structure by stacking and unfolding four antenna elements. The presented four-element antenna can be switchable from diversity mode to directional mode by simple manipulation of user. When the four elements are unfolded to form antenna array, the antenna is on polarization diversity mode. The feeding of the four antenna elements was orthogonally arranged to minimize mutual interference. Meanwhile, the antenna is on directional mode when the four elements are folded and stacked toward one direction. Then, the four elements are formed to be stacked Yagi-Uda antenna, functioning as Driver, Reflector, and Director. We newly considered feeding methods and feeling line of the antenna elements to improve directivity, showing the processes in the simulation. The diversity mode and the directivity mode were described in the simulation and the measured results, and we identified that the two results were almost consistent in each mode. We would describe operation principles of the presented antenna and specific forms and explanation of the diversity and the directional mode, analyzed the results with the figure of the designed antennal, and lastly, drew conclusion. |
