Design of Compact Monocone Antenna with Wideband Characteristics

Abstract

최근, 산업, 군용, 그리고 상업 무선 통신 시스템에 대한 수요가 급격히 늘어남에 따라, 소형 크기를 갖는 광대역 안테나에 대한 필요성 이 대두되고 있다. 모노콘 안테나는 광대역 특성과 전방향성 방사패턴 특성으로 인해 이러한 응용분야에 적합한 안테나 이다. 모노콘 안테나에 대한 수많은 연구들이 진행되었음에도 불구하 고, 모노콘 안테나를 설계할 때 극복해야할 두가지 도전과제가 있다. 첫 번째로는, 모노콘 안테나를 설계할 때, 광대역 특성을 유지하면서 가능한 파장대비 높이가 작게 되도록 설계하는 것이 요구된다. 상업 및 군용 장 비의 제한된 설계 공간으로 인해, 낮은 높이 특성을 갖는 안테나 기술이 꾸준히 요구되고 있다. 하지만 안테나의 종횡비가 줄어들수록 모노콘 안 테나의 대역폭도 줄어들기 때문에, 저자세 광대역 모노콘 안테나 설계기 술은 도전과제라고 할 수 있다. 두번째로, 모노콘 안테나는 주어진 안테 나 크기에 대하여 최대 대역폭을 갖도록 설계되어야 한다. 왜냐하면 안 테나 크기는 오직 안테나 효율 혹은 대역폭의 소모를 통해 작게 설계가 가능하기 때문에 사용된 안테나의 물리적인 공간을 얼마나 효율적으로 사용하는지에 대한 분석이 필수적이다. 본 논문에서는 정해진 안테나 크기 내에서 최대 대역폭을 갖는 안테나를 설계하였다. 먼저, 기생 슬리브를 이용한 저자세 광대역 모노콘 안테나가 제 안되었다. 제안된 안테나는 모노콘 안테나, 4개의 구부러진 단락핀, 4개의 기생 슬리브, 그리고 내/외부 원형 슬리브로 구성된다. 구부러진 단락핀 을 모노콘 상부와 접지면 사이에 부착시킴으로써, 저자세 특성이 달성되 었다. 더욱이, 기생 슬리브와 원형 슬리브는 모노콘 안테나의 임피던스 매칭 특성을 향상시켰다. 제안된 안테나는 810 MHz에서 5340 MHz의 광 대역 동작 범위를 가지며, 전방향성 방사패턴 특성을 보여준다. 제안된 안테나는 다른 광대역 기술을 사용한 참고 논문 안테나와 안테나의 크기, -10 dB 반사계수, 그리고 비대역폭 특성을 비교하였다. 두번째로, 원통형 기둥이 부착된 광대역 모노콘 안테나가 제안되 었다. 제안된 안테나는 두개의 원통형 기둥, 두개의 보조 원통형 기둥이 부착된 모노콘 방사체, 링 슬롯이 식각된 원형 디스크, 단락 핀으로 구성 된다. 저주파수 대역은 단락 핀을 원형 디스크와 접지면 사이에 연결시 킴으로써 확장되었으며, 원통형 기둥을 통해 중간 대역의 임피던스 매칭 특성, 보조 원통형 기둥을 통해 고주파 대역의 임피던스 매칭 특성을 향상시켰다. 제안된 안테나는 520 MHz에서 2160 MHz의 광대역 동작 범위 를 가지며, 전방향성 방사패턴 특성을 보여준다. 안테나 크기에 따른 최 대 대역폭 효율곱 제한치 계산을 통해, 제안된 안테나가 이론적 제한치 곡선 상에 위치한 것을 확인하였다.| Recently, as the demand for industrial, military, and commercial wireless communication systems has grown rapidly, the need for wideband antennas with compact size has increased drastically. Monocone antennas are attractive for military, industrial, and commercial wireless communication systems because monocone antennas have omnidirectional radiation pattern with wide impedance bandwidth characterisitcs. However, despite tremendous studies on monocone antennas, there are two challenges that should be overcome for the rational design of a monocone antenna. First, the design of a monocone antenna should ensure that its height is, as low as possible compared to the wavelength, while maintaining its wideband characteristics. This is because a monocone antenna is highly required for the limited space of applications in commercial and military sectors. However, as the bandwidth of the monocone antenna decreases as the aspect ratio decreases with a decrease in the aspect ratio, designing a low-profile wideband monocone has been a challenging issue. Second, the monocone antenna should be designed to have the maximum bandwidth at a given antenna size. Particularly. because there is a trade-off relationship between the antenna size and bandwidth or efficiency, it is essential to analyze the efficient utilization of the physical space by the antenna. In this dissertation, compact monocone antennas with wideband characteristics is proposed. Firstly, a low-profile wideband monocone antenna with bent shorting strips is proposed. The proposed antenna consisted of a monocone antenna radiator, bent shorting strips, parasitic sleeves, and outer circular sleeves. A low-profile property is achieved by loading the bent shorting strips from the cone hat to the ground plane. In addition, the impedance matching characteristic is improved by loading the parasitic sleeves and inner and outer circular sleeves. The proposed antenna has a operating frequency band ranging from 810 MHz to 5340 MHz with omnidirectional radiation. In addition, the antenna size, -10 dB reflection coefficient bandwidth, and fractional bandwidth performance of the proposed antenna are compared to those antennas reported in the reference papers using different wideband techniques. Second, a wideband monocone antenna with cylindrical posts is proposed. The proposed antenna consisted of a monocone antenna, two shorting pins, two cylindrical posts, two sub-cylindrical posts. In addition, the proposed antenna consisted of a monocone radiator with cylindrical/sub-cylindrical posts attached to the ground plane, a circular disk with a ring slot, and shorting pins. The low frequency band of the antenna is expanded by connecting the circular disk and the ground plane with shorting pins. In addition, the impedance characteristics of the middle band are improved using the cylindrical posts and the impedance characteristics of the high frequency band are improved using the sub- cylindrical posts. The antenna has a operating frequency band ranging from 520 MHz to 2160 MHz with omnidirectional radiation. The calculation of the maximum bandwidth efficiency product limit according to the size of the antenna, revealed that the efficiency of the proposed antenna is close to the theoretical limit.