Implementation of miniaturized printed UWB antennas

Abstract

최근 무선통신 시스템의 비약적인 발전으로 인하여 넓은 대역폭과 소형 및 저가 안테나에 대한 수요가 증가하고 있다. 소형 안테나의 성능은 기존 안테나와 동일해야 하며, 안테나의 크기는 중요한 설계 변수가 된다. 또한, 광 대역 마이크로스트립 안테나는 시스템 용량을 향상시키는 장점을 갖는다. 일반적으로 넓은 대역폭을 확보하기 위해 DGS (Defective Ground Structure), 슬롯 및 스터브가 삽입된 방사 패치, 변형된 급전 선로 방식 등의 다양한 유형의 안테나가 연구되고 있다. 이러한 방식은 대역폭 및 이득의 향상을 목적으로 하고 있다. 본 논문에서 제안한 UWB 안테나는 UWB 안테나의 설계조건을 만족하며 소형화하기 위하여 두 종류의 안테나를 제작하였다. 첫 번째 제안한 안테나의 경우는 패치 안테나 설계를 기반으로 하여 방사패치에 일정하게 반복되는 구조를 삽입하고 접지면에는 일정한 크기의 슬롯을 삽입하여 요구사항을 충족하였다. 시뮬레이션 분석을 통해, U-슬롯이 삽입된 패치 안테나는 UWB 시스템의 요구사항을 만족하였으며, 높은 주파수 대역에서 공진을 확인할 수 있었다. 두 번째는 제안한 안테나의 경우는 모노폴 안테나에 변형된 급전 선로와 하단에 추가로 삽입된 도체 구조와 함께 설계하였다. 서로 다른 마이크로스트립 라인의 폭은 패치에 연결되며, 임피던스 정합 네트워크로 작동하여 50 Ω의 요구사항을 만족한다. 상단에는 급전선과 방사 패치로 구성되며, 하단에는 부분 접지 및 비 대칭 도체 슬롯으로 구성된다. 제안한 안테나는 유한 요소법의 고주파 구조 시뮬레이션 툴(HFSS)을 사용하여 설계하였으며, 반사계수, VSWR, 방사 패턴, 이득 및 그룹지연 분석을 통해 성능을 검증하였다. 설계된 안테나는 FR4 및 DuroidTM을 사용하여 제작하였으며, 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 유사한 결과를 확인할 수 있었다.|The increasing demand of wideband compact size, light weight and low cost antenna for many wireless communication applications in recent years has been topic of research. The performances of compact size antennas are same as large antenna with less manufacturing cost and easy to handle advantages. Hence reduction in antennas size became an important design parameter. Also wideband microstrip antennas have the advantages of enhancing the system capacity for transmission as well as for reception. The proposed work in this thesis is focusing on design of Ultra wideband (UWB) antenna with significant size reduction and unique feature. Various types of printed antennas along with several bandwidth enhancement techniques has been released for example slots or stub of some fixed wavelength in radiation patch, defective ground structures (DGS), and modified feed line. Mainly these methods focused on the surface current density with purpose of bandwidth and gain enhancement. In present work, two different types of antenna have been discussed. The basic geometry of microstrip patch is modified by incorporating defective ground structures (DGS) technique and symmetrical and unsymmetrical slots in radiating patch. The proposed work is initiated with the design of simple patch antenna. The iterations of different lengths have been done in the radiating patch and ground structure is modified by inserting some slots intentionally to make size reduction and easy fabrication and full fill the desired requirement. Through the process of analysis and simulations, it was seen that patch antenna with U-slot in ground plane can resonate at higher frequency with suitable impedance matching fulfilling the UWB requirement. Similarly, in the second proposed monopole antenna, modified feed line technique is applied along with backed conductor on bottom side. Three different width microstrip lines are used to feed the radiating patch which also acts as impedance matching network to match the 50 Ω requirement. The top most layer consist of a feed line and radiating patch while bottom layer consist of a partial ground and unsymmetrical conductor backed plane slots. The antennas are design using finite element method based High Frequency Structure Simulator (HFSS) and their performance are demonstrated in term of reflection coefficient , VSWR , radiation pattern , gain and group delay. The designed antennas are fabricated on FR4 substrate and Duroid ™ respectively. Very minor deviations observed among simulation and fabrication results due to environmental inaccuracies. Furthermore, designed antennas have bandwidth of (antenna 1 BW: 2.9 ~ 17.5 GHz), (antenna 2 BW: 4.3 ~ 13.4 GHz). Thus the antenna with small size, unique shape and wideband functionality are beneficial to cope with rapid growth of wireless communications systems applications. Especially, in the recent development of short/medium-range communication technologies, a multitude of services for indoor application scenario can be designed. Depending on the application scenarios, location information can be given with different level of accuracy by using antenna as transceivers. Both transmitters and receivers can be equipped with any types of directional antennas or adaptive array type antennas.