[논문 리뷰] A Novel Compact Dual-Band Antenna Design for WLAN Applications

Peshal Nayak, Ramu Endluri외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 12.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 28인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 이중 대역 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN 운영을 위한 T형 및 F형 복사 요소를 갖춘 작고 평면적인 11×6.5 mm² 모노폴 안테나를 제안한다. T형 요소는 직접 공급을 통해 5.2/5.8 GHz 대역을 자극하고, F형 요소는 T형 요소에 전자기 커플링을 통해 2.4 GHz 대역을 자극한다. 이로 인해 2.4 GHz와 5.2 GHz에서 각각 89% 및 87%의 복사 효율을 달성하며, 독립적인 주파수 튜닝과 전방위성 복사 패턴을 실현한다.

ABSTRACT

A novel and compact dual band planar antenna for 2.4/5.2/5.8-GHz wireless local area network(WLAN) applications is proposed and studied in this paper. The antenna comprises of a T-shaped and a F-shaped element to generate two resonant modes for dual band operation. The two elements can independently control the operating frequencies of the two excited resonant modes. The T-element which is fed directly by a 50 $Ω$ microstrip line generates a frequency band at around 5.2 GHz and the antenna parameters can be adjusted to generate a frequency band at 5.8 GHz as well, thus covering the two higher bands of WLAN systems individually. By couple-feeding the F-element through the T-element, a frequency band can be generated at 2.4 GHz to cover the lower band of WLAN system. Hence, the two elements together are very compact with a total area of only 11$ imes$6.5 mm$^{2}$. A thorough parametric study of key dimensions in the design has been performed and the results obtained have been used to present a generalized design approach. Plots of the return loss and radiation pattern have been given and discussed in detail to show that the design is a very promising candidate for WLAN applications.

연구 동기 및 목표

• 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN 응용을 위한 컴팩트하고 고성능의 이중 대역 안테나를 설계하기 위해.
• 다른 복사 요소를 사용하여 2.4 GHz 및 5.2/5.8 GHz 대역의 주파수를 독립적으로 튜닝하기 위해.
• 우수한 임피던스 매칭 및 복사 특성을 유지하면서 크기를 최소화하기 위해.
• 기타 주파수에서의 이중 대역 운영을 위한 일반화된 설계 방법론을 개발하기 위해.

제안 방법

• T형 복사 요소는 50 Ω 마이크로스트립 선로에 의해 직접 공급되어 5.2/5.8 GHz 대역을 자극한다.
• F형 복사 요소는 T형 요소에 전자기 커플링을 통해 2.4 GHz 대역을 자극하기 위해 결합된다.
• 주요 치수(예: f3, g, f6)의 매개변수 연구를 수행하여 하향 및 상향 주파수 대역을 독립적으로 튜닝한다.
• 주파수 재구성 가능성을 위해 가이드 파장(λg)과 길이 비율(t2:t4, f2:f3:f6)을 기반으로 일반화된 설계 접근법을 유도한다.
• 반사 손실(S11), 복사 패턴 및 복사 효율을 평가하기 위해 Ansoft HFSS를 사용해 시뮬레이션을 수행한다.
• 대칭을 유지하며, 상대 투자율 εr = 4.4인 표준 FR4 기판을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2.4 GHz 및 5.2/5.8 GHz WLAN 대역을 모두 커버하는 컴팩트한 평면 이중 대역 안테나를 설계할 수 있는가?
• RQ2 T형 요소와 F형 요소를 사용하여 하향 및 상향 주파수 대역을 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 두 대역 모두에서 우수한 임피던스 매칭 및 전방위성 복사 패턴을 달성할 수 있는가?
• RQ4 다른 이중 대역 주파수로의 튜닝을 위한 일반화된 설계 방법론을 수립할 수 있는가?
• RQ5 기존의 모노폴 및 PIFA 기반 설계에 비해 제안된 구조가 상당한 크기 감소를 달성하는가?

주요 결과

• 안테나는 크기가 단지 11×6.5 mm²로, 대부분의 기존 이중 대역 WLAN 안테나보다 작다.
• 하향 대역은 S11 < -10 dB 조건에서 2.27–2.58 GHz를 커버하며, 2.4 GHz WLAN 대역을 완전히 포함한다.
• 상향 대역은 S11 < -10 dB 조건에서 4.92–5.49 GHz를 커버하며, 5.2 GHz 및 5.8 GHz WLAN 대역을 모두 포함한다.
• 2.4 GHz 및 5.2 GHz에서의 복사 패턴은 전방위성 특성을 보이며, WLAN 응용에 이상적이다.
• 2.4 GHz에서 89%의 복사 효율, 5.2 GHz에서 87%의 복사 효율을 달성하여 높은 성능을 나타낸다.
• 매개변수 연구 결과 f3는 상향 대역을 튜닝하고 f6는 하향 대역을 독립적으로 튜닝함을 확인하여, 탄력적인 설계가 가능하다.