4G 대역 안테나와 5G대역 안테나 성능비교Performance Comparison of 4G Band Antenna to 5G Band Antenna이영우(Lee young woo)요약 ?본 논문에서는 현재 주로 사용되어지는 4G 대역 및 5G 대역인 850Mhz 및 3.5Ghz의 주파수 특성을 확인하기 위하여 각 대역에 해당하는 Dipole, Microstrip Patch Antenna를 ANSYS사의 HFSS 프로그램을 이용하여 설계하고 시뮬레이션을 진행하였으며, 설계한 파라미터를 토대로 제작하여 Network Analyzer를 이용하여 제작한 안테나의 특성을 확인하였다.실험은 HFSS 프로그램을 이용하여 설계된 Microstrip Patch Antenna와 유전체인 유리, 실리콘 그리고 강자성체인 철판을 이용하여, 안테나가 전파를 방사하는 과정에서 매질이 가로막을 경우 주파수별 특성을 확인하였으며, 850Mhz대역에서는 매질에 따른 영향이 적어 안정적인 반면, 3.5Ghz 대역에서는 매질의 유전율 및 투자율에 따라 반사손실이 크게 감소되는 것을 확인할 수 있었다.Abstract - In this paper, to identify frequency characteristics of 850Mhz and 3.5Ghz, the 4G band and 5G band currently used, the corresponding Dipole, Microstrip Patch Antenna for each band was designed and simulated using a program called HFSS by ANSYS. After producing the antenna based on the parameters designed, the characteristics of the antenna produced using the Network Analyzer were verified.The experiment used Microstrip Patch Antenna, wf the antenna emitting radio waves, frequency-specific characteristics were identified when objects were blocked radio waves.In the 850Mhz band, the effects of objects were low and stable, while in the 3.5Ghz band, reflective losses were significantly reduced according to the genetic and investment rates of the objects.Key Words : Dipole, Microstrip Patch Antenna, S11[dB], (Key Word 는 영문으로 작성)1. 서 론오늘날 우리사회는 4G에서 5G로 들어서기 시작하였고, 이로 인해 여러 기술이 5G를 중점으로 변화해 가고 있다.5G 통신은 최대 20 Gbps의 전송속도, 100 Mbps의 이용자 체감 전송 속도, 1 ms의 전송 지연, 106 기기 수/km2의 최대 기기 연결 수 등의 초고속, 저지연, 초연결을 핵심으로 한다.그림 1. 이동통신의 발전 과정그러나 이는 5G의 꽃이라 불리우는 28Ghz이상의 대역을 사용하여야 구현이 가능하며 현재는 3.5Ghz 대역만을 사용하고 있으나 현재 이 조차도 중계기가 완벽히 설치되지 않아 5G대역을 이용하는데 여러 불편함을 겪고 있다.본 논문에서는 현재 주로 사용 되어지는 5G 주파수인 3.5Ghz대역과 4G 주파수중 하나인 850Mhz 대역에 해당하는 다이폴 및 마이크로스트립 패치 안테나를 각각 설계하고 제작하여 특성을 확인하고, 4G와 5G(3.5Ghz)의 주파수에는 어떤 차이가 있는지를 여러 매질을 이용하여 확인하였다.2. 안테나 설계 및 제작안테나를 설계하기 위해 4G와 5G대역 주파수로는 4G = 850Mhz를, 5G = 3.5Ghz 대역으로 주파수를 설정하였으며, 시뮬레이션 프로그램으로는 ANSYS 사의 HFSS 프](=Return Loss[dB])가 10[dB] 이하가 되도록 설정하였다.2.1 Microstrip Patch Antenna 설계패치 안테나의 경우 길이 L과 폭 W는 유전율varepsilon _{r}, 중심 주파수f _{r}, 유전체기판의 두께 h,의 3가지 파라미터를 통해 결정되므로, 적절한 유전율, 두께를 갖는 유전체 기판 위에 설계하여야한다.제안된 마이크로스트립 패치 안테나는 비유전율 4.4 두께 1.6㎜를 갖는 FR-4 기판에 설계하였으며, 이득을 높이기 위해 Inset Feeding 방식을 사용하였다.패치안테나의 폭(W)와 길이(L)은 다음과 같은 수식을 이용하여 구하였다.W= {1} over {2f _{r}} sqrt {{2} over {epsilon _{r} +1}}L= {1} over {2f _{r} sqrt {epsilon _{reff}}} -2 TRIANGLE l유효 유전율 및TRIANGLE lepsilon _{eff} = {epsilon _{r} +1} over {2} + {epsilon _{r} -1} over {2} LEFT [ 1+12 {h} over {W} RIGHT ] ^{-1/2}TRIANGLE l=0.412h {epsilon _{eff} +0.3} over {epsilon _{eff} -0.258} {{W} over {h} +0.264} over {{W} over {h} +0.8}(단위 mm)주파수WLW1L1850Mhz97844163.5Ghz282016표1. Microstrip Patch Antenna 파라미터이와 같은 과정을 통해 구해낸 안테나 규격을 이용하여 Design하고 Simulation을 한 결과는 다음과 같다.그림2. 850Mhz Microstrip Patch Antenna Design그림2.1 850Mhz Microstrip Patch Antenna S11[dB]그림3. 3.5Ghz Microstrip Patch Antenna Design그림3.1 3.5Ghz Microstrip Patch Antenna S11]로 완성 조건을 만족하였다.2.2 Dipole Antenna 설계다이폴 안테나는 케이블 끝 (급전 점)에 2개의 직선 도선(요소)을 좌우 대칭으로 붙인 안테나이며, 각 요소(element)의 길이는 1/4 파장 (전체는 1/2 파장)이다.(단위 mm)1/2파장실제 길이차850Mhz1761640.93[배]3.5Ghz42.85380.89[배]표2. Dipole Antenna 파라미터그림4. 850Mhz Dipole Antenna Design그림4.1. 850Mhz Dipole Antenna S11[dB]그림5. 3.5Ghz Dipole Antenna Design그림5.1. 3.5Ghz Dipole Antenna S11[dB]Microstrip Patch Antenna와 같은 방식으로 규격을 토대로 시뮬레이션 해본 결과 850Mhz Dipole에서는 S11[dB]가 ?17.2[dB], 3.5Ghz Dipole에서는 ?17.3[dB]로 완성 조건을 만족하였다.2.3 안테나 제작2.1 ~ 2.2.1 과정에서 설계한 안테나들의 규격대로 안테나를 제작하고, Network Analyzer를 이용하여 제작한 안테나의 특성을 확인하였다.그림6. 제작한 Microstrip Patch 및 Dipole Antenna그림6에서 볼 수 있는 제작한 안테나들은 왼쪽 2개의 안테나가 Dipole, 오른쪽 2개의 안테나가 Microstrip Patch로 각 안테나들 기준 좌측 안테나가 850Mhz, 우측 안테나가 3.5Ghz 안테나이다.그림6.1. Network Analyzer를 통해 확인한 S11[dB]그림6.1을 확인하면 안테나 규격을 설정하고 HFSS 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 한 바와 같이 각 안테나들이 850Mhz 또는 3.5Ghz 부근에서 S11[dB]가 ?10[dB]이하인 것을 확인하였다.3. 실 험실험은 설계한 안테나들을 이용하여 진행하였으며, 무지향성인 다이폴 안테나보다 지향성인 패치안테나를 사용하는게 특성을 확인하는데 유리하여 설계한 850Mhz 및 3.5Ghz Mic패치안테나가 전파를 방사하는 중 경로에 이러한 매질이 있을 경우 공기중과 비교하여 어떠한 차이점이 있는지 확인하였다.그림7. 850Mhz Radiation Pattern그림7.1 3.5Ghz Radiation Pattern실험을 진행하기에 앞서 방사패턴을 통해 지향성 안테나의 경우 각 주파수대역에서 지향성은 어떠한 차이가 있는지 확인하였고, 확인결과 비교적 고주파인 3.5Ghz의 안테나가 850Mhz의 안테나에 비해 HPBW(Half Power Beam Width)가 좁으며 지향성이 우수하였다.그림8. Glass[850Mhz] 그림8.1 Silicon[850Mhz]공기 중에서 850Mhz Microstrip Patch Antenna는 S11[dB]가 ?24.6[dB]였고, 방사과정에서 유전체인 유리판과 실리콘판을 넣었을 때는 각각 ?24.4[dB], -24.2[dB]로 공기중과 비교하여 큰 차이는 보이지 않았다.그림8.2 Iron[850Mhz]강자성체인 철판을 넣어서 확인하였을 때는 ?20.4[dB]로 반사손실이 17.7%정도 감소하였으나, 여전히 ?20[dB]이하를 유지하였으며, 이로 인해 850Mhz 대역에서는 방사공간에 매질이 있더라도 어느 정도 안정된 특성을 가진 것을 알 수 있다.그림9. Glass[3.5Ghz]그림9.1 Silicon[3.5Ghz]그림9.2 Iron[3.5Ghz]반면, 3.5Ghz Microstrip Patch Antenna의 경우 공기중에서 S11[dB]가 ?34.6[dB]였으나, 유전율 5.5의 유리판을 넣었을 경우 ?25.1[dB]로 반사손실이 27.4%감소하였고, 유전율 11.9의 실리콘판을 넣었을 경우 ?17.1[dB]로 50.5%까지 감소하였으며, 마지막으로 강자성체인 철판을 넣었을 경우에는 ?9.6[dB]로 73.6%까지 크게 감소되는 것을 확인하였다.이로 인해 3.5Ghz 대역에서는 방사공간에 매질이 존재할 경우 안테나 특성이 매우 불안정해지는 것을 알 수 있다.4. 결 론본 논문에서는 850Mhz와 3.5Ghz에 해당였다.
4G 및 5G대역 안테나 설계 및 특성비교
안테나, 4G, Microstrip, dipole, 5G
