KR101697356B1 - 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조 - Google Patents

주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조 Download PDF

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문병귀
윤용현
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조에 관한 것으로, 기존에 사용되던 주파수 재구성 안테나의 문제점을 최소화하기 위해 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 구조의 그라운드 부분을 사용하여 두 종류의 필터(변형된 사각 광대역 필터, 추가적인 공진 저지 필터)를 설계하였으며, 필터의 공진주파수를 변화시켜 안테나의 주파수 재구성 범위를 확장시켰다. 총 주파수 재구성 범위는 696 ~ 2692 MHz(Percent bandwidth : 119%)이며, 인지무선 기술에 효과적으로 적용 가능할 것으로 예상된다. 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 인지무선(CR, Cognitive Radio) 기술에 적용할 수 있는 광대역 주파수 재구성 특성을 갖는 CPW 급전 구조의 평판형 모노폴 안테나를 제안하여 안테나의 주파수 가변의 유연성을 가져와 더 넓은 주파수 가변 범위를 확보하여 인지무선 기술에 효율적으로 적용 가능한 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나의 특징을 가진다.

Description

주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조{Wideband reconfigurable antenna with expanding frequency variable range}
본 발명은 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 주파수 재구성 안테나의 문제점을 최소화하기 위해 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 구조의 그라운드 부분을 사용하여 두 종류의 필터(변형된 사각 광대역 필터, 추가적인 공진 저지 필터)를 설계하여 필터의 공진주파수를 변화시켜 안테나의 주파수 재구성 범위를 확장시켰으며, 인지무선(CR, Cognitive Radio) 기술에 적용할 수 있는 광대역 주파수 재구성 특성을 갖는 CPW 급전 구조의 평판형 모노폴 안테나를 제안하여 안테나의 주파수 가변의 유연성을 가져와 더 넓은 주파수 가변 범위를 확보하여 인지무선 기술에 효율적으로 적용 가능한 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나를 제공하는, 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조에 관한 것이다.
최근, 이동통신 시스템(Mobile communication systems)이 급격하게 발전됨에 따라 이동통신 서비스 수요가 급증하게 되었다. 미국의 정보통신 회사인 Cisco에 따르면 무선 통신의 수요의 급증뿐만 아니라 사용자들이 더 좋은 음질과 화질을 갖는 고 용량의 데이터 송수신을 요구하기 때문에 데이터 트래픽의 급증으로 인한 망 과부하가 예상되며, 2018년에는 16 Exabyte 이상의 높은 수치에 다다를 것으로 예측하고 있다. 따라서, 제한된 주파수 상황에서 무선 통신 사용자들의 수요와 요구를 만족시키기 위해 이에 대한 대책이 필요하다.
현재 주파수를 일정 사업자에게 경매를 통해 분배하는 주파수 할당 방식은 시간·공간적으로 주파수를 분할하여 공급하지 않기 때문에 비효율적인 주파수 활용이 되고 있다. 비효율적인 주파수 사용에 대한 가장 대표적인 예는 TV 화이트 스페이스(TVWS, TV white space, TV 유휴 대역)가 있으며, 지역방송이 송출되는 경우 다른 지역으로 그 전파를 송출하지 않기 때문에 지역방송을 송출하는 지역을 제외한 다른 지역에서는 사용하지 않는 주파수가 된다. 또한, 방송시간에 의해 새벽시간에 방송 송출을 하지 않게 되는 경우 그 시간대에는 주파수가 사용되지 않게 된다. 이렇게 시간·공간적으로 낭비되고 있는 잉여 주파수를 사용하는 것이 인지무선(CR, Cognitive Radio) 기술이다.
인지무선(CR)은 주파수의 사용 권한을 가지고 있는 우선사업자가 사용하는 시스템과 함께 주파수를 공유하여 함께 사용하는 개념이다. 인지무선 기술은 스펙트럼 센싱, 스펙트럼 분석, 스펙트럼 결정의 세 가지의 인지 사이클을 갖게 되며, 그 과정은 다음과 같다.
1. 스펙트럼 센싱: 현재 사용하지 않아 CR 기술을 적용할 수 있는 스펙트럼을 감지하고, 그 주파수 환경과 정보를 인지하여 비어있는 스펙트럼을 찾는 과정
2. 스펙트럼 분석: 스펙트럼 센싱으로 찾아진 스펙트럼의 환경과 통신하는 기본적인 기능들을 실시간으로 분석하는 과정
3. 스펙트럼 결정: 센싱을 통해 얻어진 주파수 스펙트럼에서 통신에 필요한 Data rate, 전송 모드, 주파수 대역폭 등 분석된 환경들을 적용하고 결정하는 과정
위의 인지무선 사이클을 보았을 때, 광대역에 걸친 스펙트럼 센싱을 통해 비어 있는 주파수를 찾는 과정이 중요하다. 따라서, 인지무선 기술에 사용되는 안테나는 또한 광대역 특성을 가져야 한다. 하지만, 일반적인 광대역 안테나를 통해 인지무선 기술을 사용할 경우, 다른 통신 주파수들과의 간섭으로 인한 혼선이 발생한다. 이를 해결하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 주파수만 선택적으로 사용할 뿐 아니라 광대역에 걸쳐 주파수 가변이 가능한 안테나의 연구가 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나를 제안하고자 한다.
인지무선은 낭비되는 주파수의 효율적인 사용 뿐 아니라 재난이나 전쟁으로 인해 통신소와 공공시설이 타격을 입을 경우 다른 주파수를 임시적으로 사용하는 재난안전통신망에 사용될 뿐만 아니라 사용하는 주파수를 변화시켜 도청이나 감청을 방지할 수 있는 정보보호 기술 등에서 다양하게 사용 가능하다. 따라서, 이러한 광대역 시스템의 특징을 가지는 인지무선에 사용할 수 있는 광대역 주파수 재구성 안테나의 연구가 필요하다.
인지무선 기술에 사용할 수 있는 광대역 재구성 안테나에 대한 연구가 지속되고 있으며, 특히 더 넓은 주파수 가변 범위를 얻기 위한 연구와 개발이 이루어지고 있다. 기존에 연구된 주파수 재구성 안테나의 대부분은 방사체 부분에 가변 소자를 통해 안테나의 공진 주파수를 변화시키는 방식을 사용하였다. 하지만 이 경우 공진에 큰 영향을 미치는 방사체 부분에 가변 소자를 비롯한 추가적인 요소들이 들어가기 때문에 원하지 않는 커플링으로 인한 문제와, 구조적 한계를 가지고 오는 점 등이 문제가 되고 있다.
주파수 재구성 안테나의 경우, 가변 소자를 통해 안테나의 공진 주파수를 변화시키기 때문에 가변 소자를 안테나의 특성에 맞게 선택해야 한다. 기존 연구에서 사용되는 가변 소자는 PIN 다이오드, MEMS, MOSFET 등이 있으며, 이들의 경우 결론적으로 ON/OFF에 따른 특성만을 제공하여 충분한 가변 범위를 확보하기 위해 소자의 개수가 많아지기 때문에 안테나 효율이 좋지 못한 점과 많아진 소자들로 인해 DC 바이어스 회로가 복잡하다는 단점들이 있다. 하지만, 버랙터 다이오드(Varactor diode)를 사용하게 될 경우 하나의 소자로 다양한 커패시턴스(Capacitance) 값을 조절할 수 있기 때문에 사용되는 가변 소자의 개수를 줄일 수 있다.
최근, 무선통신망의 확대와 무선 통신서비스의 수요 증가로 인해 주파수 부족, 통신 속도 저하, 주파수 간섭 등의 문제들이 야기되고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 시간·공간적으로 낭비되는 잉여 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 인지무선 기술이 개발 중에 있으며, 광대역에 걸쳐 미사용 주파수를 찾고, 이를 사용해야 한다. 따라서, 인지무선용 안테나는 광대역 특성을 가져야 하며, 다른 통신 대역과의 주파수 간섭을 최소화해야 하기 때문에 협대역 특성을 가져야 한다. 이 두 가지 특성을 만족하기 위해, 광대역에 걸친 주파수 재구성 안테나가 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 기존에 사용되던 주파수 재구성 안테나의 문제점을 최소화하기 위해 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 구조의 그라운드 부분을 사용하여 두 종류의 필터(변형된 사각 광대역 필터, 추가적인 공진 저지 필터)를 설계하여 필터의 공진주파수를 변화시켜 안테나의 주파수 재구성 범위를 확장시켰으며, 인지무선(CR, Cognitive Radio) 기술에 적용할 수 있는 광대역 주파수 재구성 특성을 갖는 CPW 급전 구조의 평판형 모노폴 안테나를 제안하여 안테나의 주파수 가변의 유연성을 가져와 더 넓은 주파수 가변 범위를 확보하여 인지무선 기술에 효율적으로 적용 가능한 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나를 제공하는, 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
제안된 안테나는 기존에 사용되던 주파수 재구성 안테나의 문제점을 최소화하기 위해 CPW 급전 구조의 그라운드 부분을 사용하여 두 종류의 필터를 설계하였으며, 필터의 공진주파수를 변화시켜 안테나의 주파수 재구성 범위를 확장시킬 수 있었다. 총 주파수 재구성 범위는 696 ~ 2692 MHz(Percent bandwidth : 119%)이며, 인지무선 기술에 효과적으로 적용 가능할 것이라 예상된다.
본 발명은 안테나의 방사를 위한 공진에 큰 영향을 미치는 방사체 부분에 추가적인 소자나 기법을 최소화하여 기존의 문제점들을 해결할 뿐 아니라 안테나의 주파수 가변의 유연성을 가져와 더 넓은 주파수 가변 범위를 얻어 인지무선 기술에 효율적으로 사용 가능한 안테나를 제공한다.
본 발명의 주파수 재구성 안테나에 사용되는 가변 소자는 버랙터 다이오드를 사용하여 소자의 개수를 최소화해 간단한 DC 바이어스 회로를 설계하여 안테나의 손실을 낮춘다. 또한, 다양한 커패시턴스 값 조절을 통해 필터의 주파수 가변의 유연성을 가져와 주파수 선택적 특성을 잘 만족하여 인지무선 기술에 효과적으로 사용가능 할 것이라 예상한다.
목표 가변 주파수 대역은 699~2690 MHz이며, 이는 일반적으로 폭넓게 사용되고 있는 이동통신 기기를 포함한 무선 통신을 위해 사용되는 주파수 대역이다. 이 목표 주파수 대역은 118%의 넓은 주파수 대역폭으로, 인지무선 기술에 필요한 광대역 주파수 가변 특성을 만족하기 위한 목표 주파수 대역으로 적합하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조는 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상에 형성되며, CPW 급전선의 좌우측에 각각 구비되며, 격리된 사각형 구조의 CPW 급전의 그라운드; 상기 유전체 기판 상에 형성되며, 모노폴 안테나의 방사체의 중심부 하단에 구비되며, 좌측 사각형 구조의 그라운드와 우측 사각형 구조의 그라운드 사이를 지나는 상기 방사체에 대한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전의 급전선; 및 상기 유전체 기판 상에 형성되며, 상기 CPW 급전의 급전선의 일단에 위치한 모노폴 안테나의 방사체;를 포함하며, 추가적으로 좌측 사각형 구조의 그라운드와 우측 사각형 구조의 그라운드에 급전선을 기점으로 각각 대칭적으로 필터부를 더 구비하며,
상기 필터부는 상기 CPW 급전의 그라운드 부분에 구비되고, 필터의 설계된 공진주파수 대역에서 상기 CPW 급전의 급전선을 통해 흐르는 대부분의 전류가 그라운드 지역에 집중되어 방사체로의 전류흐름을 저지하는 변형된 사각 광대역 필터; 각각의 변형된 사각 광대역 필터에 삽입하여 커패시턴스 값을 가변하여 필터의 공진 주파수가 가변시켜 안테나의 공진 주파수 대역이 변하게 하여 광대역 주파수 재구성 안테나를 구현하기 위한 버랙터 다이오드; 상기 버랙터 다이오드에 DC 성분을 인가하여 동작시키기 위해 형성된 가변 소자의 급전을 위한 틈; 3 GHz 부근에서 소자들로 인해 인가된 커패시턴스 값에 의해 발생한 원하지 않는 공진을 억제시키기 위해 상기 변형된 사각 광대역 필터 아래쪽에 x축 선상의 대칭적으로 위치된 추가적인 공진 저지 필터; 상기 가변 소자의 급전을 위한 틈을 상기 CPW 급전의 그라운드에 둘 경우 안테나의 특성이 변화하기 때문에 상기 CPW 급전의 급전선을 통해 들어오는 RF 성분은 통과시키고, DC 성분은 통과하지 못하게 하여 변하는 특성을 보상하는 DC 저지 커패시터; 및 DC 전원 공급기로 RF 신호 성분이 넘어가는 것을 억제하는 RF 저지 인덕터를 포함한다.
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상기 안테나의 방사체는 광대역 팔각 평판형 모노폴 안테나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 안테나의 방사체는 상면이 다각형 하면이 역삼각형 구조의 오각형, 타원형, 원형, 또는 역삼각형 중 어느 하나의 형태의 모노폴 안테나를 사용하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
상기 안테나의 방사체는 광대역 팔각 평판형 모노폴 안테나의 방사체를 구비하며, 반사손실은 VSWR 2:1 이하의 값을 기준으로 693 ~ 3216 MHz(Percent bandwidth: 129%)까지의 넓은 광대역 공진 주파수 대역을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 변형된 사각 광대역 필터는 필터 주 공진 대역과 하모닉(Harmonic) 공진 대역에서 안테나의 공진이 발생하지 않아 필터의 두 공진 성분 사이에서만 안테나의 공진주파수 대역이 생성되며, 상기 모노폴 안테나의 방사체의 광대역 공진주파수 대역에서 필터링되어 협대역 주파수 대역은 필터의 공진 주파수의 변화에 따라 가변되고, 버랙터 다이오드(varactor diode)를 사용하여 필터의 공진주파수를 가변시켜 광대역 주파수 재구성 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 변형된 사각 광대역 필터에서, λg/4 길이를 갖는 필터를 사용할 경우 하모닉 공진은 3λg/4의 파장 길이를 갖는 주파수에서 생성되며, 그에 따른 안테나의 공진 주파수 대역은 필터의 두 공진 사이에서 발생하게 되는데, 인지무선 기술에서 사용될 안테나에서 요구되는 다른 통신 주파수와의 간섭 최소화를 만족할 만큼의 협대역 성분을 갖지 못하게 되며, 필터의 공진 주파수를 일반적인 λg/4 길이를 갖는 필터보다 광대역으로 설계하게 되면 안테나의 공진 주파수 대역은 협대역화 되고, 이를 위해 변형된 사각 광대역 필터를 설계하여 필터로의 전류의 흐름을 분산시켜 더 넓은 필터의 공진 주파수 대역을 얻도록 설계하여 결과적으로 제안된 주파수 재구성 안테나의 공진 주파수는 상기 변형된 사각 광대역 필터를 통해 타 주파수 대역과의 간섭이 저감 가능한 협대역 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 버랙터 다이오드에 DC 성분을 인가하여 동작시키기 위해 상기 가변 소자의 급전을 위한 틈을 형성하고, 상기 버랙터 다이오드의 애노드, 캐소드 부분에 전위차를 주기 위해 설계되었으며, 상기 버랙터 다이오드의 애노드 쪽에는 DC 전원 공급기의 그라운드 부분에 접지시키고, 캐소드 쪽에는 DC 전원을 인가하고, 상기 버랙터 다이오드는 2 ~ 25V까지 인가 전압을 가변할 경우 커패시턴스는 45 ~ 2.8pF까지 변화하며, 상기 가변 소자의 급전을 위한 틈을 상기 CPW 급전의 그라운드에 둘 경우 안테나의 특성이 변화하기 때문에 68nF의 DC 저지 커패시터를 통해 CPW 급전의 급전선을 통해 들어오는 RF 성분은 통과시키고, DC 성분은 통과하지 못하게 하여 변하는 특성을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 RF 저지 인덕터는 27nH의 RF 저지 인덕터를 사용하며, DC 급전선에 두어 DC 전원 공급기로 RF 신호 성분이 넘어가는 것을 억제하는 것을 특징으로 한다.
상기 안테나의 방사체는 CPW 급전방식을 이용한 안테나에 CPW 급전의 그라운드 부분에 x축 선상의 대칭적으로 상기 변형된 사각 광대역 필터를 적용하고, 각각의 변형된 사각 광대역 필터에 상기 버랙터 다이오드를 삽입하여 커패시턴스 값을 가변하며, 그 결과 필터의 공진 주파수가 변함에 따라 안테나의 공진 주파수 대역이 변하는 것을 특징으로 한다.
상기 추가적인 공진 저지 필터는 3GHz 부근에서 소자들로 인해 인가된 커패시턴스 값에 의해 원하지 않는 공진을 억제시키기 위해 상기 변형된 사각 광대역 필터 아래쪽에 x축 선상의 대칭적으로 위치되며, 상기 추가적 공진 저지 필터의 길이는 3GHz 부근의 공진을 억제시키면서 최대 가변 주파수인 2.7GHz 부근의 공진에 대한 영향을 저감시키기 위해 4GHz에서 전기적인 λg/4 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나에서, 주파수 재구성 안테나에 사용되는 가변 소자는 상기 버랙터 다이오드를 사용하여 복잡한 DC 급전선을 최대한 간단하게 하였고 소자의 개수를 최소화해 간단한 DC 바이어스 회로를 설계하여 안테나의 손실을 낮추었으며, 상기 버랙터 다이오드에 가해지는 전압에 따라 커패시턴스 값이 정해지기 때문에 원하는 주파수를 정밀하게 선택할 수 있으며, 다양한 커패시턴스 값 조절을 통해 필터의 주파수 가변의 유연성을 가져와 주파수 선택적 특성을 만족하여 인지무선 기술에 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 기존에 사용되던 주파수 재구성 안테나의 문제점을 최소화하기 위해 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 구조의 그라운드 부분을 사용하여 두 종류의 필터(변형된 사각 광대역 필터, 추가적인 공진 저지 필터)를 설계하였으며, 필터의 공진주파수를 변화시켜 안테나의 주파수 재구성 범위를 확장시켰으며, 인지무선(CR, Cognitive Radio) 기술에 적용할 수 있는 광대역 주파수 재구성 특성을 갖는 CPW 급전 구조의 평판형 모노폴 안테나를 제안하여 안테나의 주파수 가변의 유연성을 가져와 더 넓은 주파수 가변 범위를 확보하여 인지무선 기술에 효율적으로 적용 가능한 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나의 특징을 가진다.
본 발명에서 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 기존에 사용되던 주파수 재구성 안테나의 문제점을 최소화하기 위해 CPW 급전 구조의 그라운드 부분을 사용하여 두 종류의 필터(변형된 사각 광대역 필터, 추가적인 공진 저지 필터)를 설계하였으며, 필터의 공진주파수를 변화시켜 안테나의 주파수 재구성 범위를 확장시킬 수 있었다. 총 주파수 재구성 범위는 696 ~ 2692 MHz(Percent bandwidth : 119%)이며, 인지무선 기술에 효과적으로 적용 가능할 것이라 예상된다.
주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 안테나의 방사를 위한 공진에 큰 영향을 미치는 방사체 부분에 추가적인 소자나 기법을 최소화하여 기존의 문제점들을 해결할 뿐 아니라 안테나의 주파수 가변의 유연성을 가져와 더 넓은 주파수 가변 범위를 얻어 인지무선 기술에 효율적으로 사용 가능한 안테나를 제공한다.
본 발명의 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 기존의 연구들에 비해 넓은 주파수 재구성 범위를 갖기 때문에 하나의 안테나로 인지무선 기술에 필요한 영역을 확보할 수 있는 큰 장점이 있다. 또한, 주파수 재구성 안테나에 사용되는 가변 소자는 버랙터 다이오드를 사용하여 복잡한 DC 급전선을 최대한 간단하게 하였고 소자의 개수를 최소화해 간단한 DC 바이어스 회로를 설계하여 안테나의 손실을 낮추게 하였다. 또한, 버랙터 다이오드에 가해지는 전압에 따라 커패시턴스 값이 정해지기 때문에 원하는 주파수를 정밀하게 선택할 수 있는 장점이 있으며, 다양한 커패시턴스 값 조절을 통해 필터의 주파수 가변의 유연성을 가져와 주파수 선택적 특성을 잘 만족하여 인지무선 기술에 효과적으로 사용 가능할 것으로 예상된다.
주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 설계가 간편한 평판형 모노폴 안테나 구조이기 때문에 광대역 방사체 또는 필터를 다양한 구조를 통하여 변형이 가능하고(도 12), 이를 통해 조건에 맞는 안테나의 특성을 확보 가능한 장점을 가지고 있다. 또한, 원하는 주파수 범위 만큼 버랙터 다이오드 모델을 변화시킬 수 있기 때문에 다양한 분야에서 사용될 수 있는 광대역 주파수 재구성 안테나가 될 수 있을 것으로 예상된다.
본 발명에서 제안된 광대역 재구성 안테나 구조는 단순한 구조뿐만 아니라 버랙터 다이오드의 가변 소자를 사용함으로써 간단한 DC 급전 회로를 가질 뿐만 아니라 2개의 가변 소자로 광대역의 가변 범위를 확보한 장점을 가진다. 이러한 장점은 기존의 재구성 안테나의 가변 소자로 인한 높은 손실을 보완할 뿐만 아니라 방사에 큰 영향을 미치는 방사체 부분이 아닌 CPW 급전 구조의 그라운드를 활용하였기 때문에 낮은 손실과 높은 공간 효율성의 장점을 가진다.
도 1a는 본 발명에 따른 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a의 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조를 유전체 기판 상에 형성된 방사체부, 그라운드부, 급전부, 및 필터부로 구성한 도면이다.
도 2는 도 1a의 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에서 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 예상 반사 계수를 나타낸 도면이다.
도 4는 추가적 공진 저지 필터(5)가 삽입되지 않은 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
도 5는 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 제안된 안테나의 각 대역에서의 안테나 효율을 나타낸 도면이다.
도 7은 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 제작된 안테나의 실제 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에서 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 전류 분포 특성[(a): 1.5 GHz, (b): 2.65 GHz ]을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에서 제안된 안테나의 세부 구조인 변형된 사각 광대역 필터와 일반적인 선형 필터에 대한 1.5 GHz에서의 전류 분포를 나타낸다.
도 11, 12 및 13은 본 발명에서 제안된 안테나의 방사체에서의 방사 패턴[YZ면]의 특성을 나타낸 도면이다.
도 14는 변형 가능한 안테나의 방사체의 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조를 나타낸 도면이다. 도 1b는 도 1a의 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조를 유전체 기판 상에 형성된 방사체부, 그라운드부, 급전부, 및 필터부로 구성한 도면이다.
도 2는 도 1a의 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조는 FR-4, εr= 4.4 인 유전체 기판(10); 상기 유전체 기판(10) 상에 형성되며, CPW 급전선(3)의 좌우측에 각각 구비되며, 격리된 사각형 구조의 CPW 급전의 그라운드(2); 상기 유전체 기판(10) 상에 형성되며, 모노폴 안테나의 방사체(1)의 중심부 하단에 구비되며, 좌측 사각형 구조의 그라운드와 우측 사각형 구조의 그라운드의 그 사이를 지나는 상기 방사체(1)에 대한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전의 급전선(3); 및 상기 유전체 기판(10) 상에 형성되며, 상기 CPW 급전의 급전선(3)의 일단에 위치한 모노폴 안테나의 방사체(1);를 포함하는 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나를 제공하며,
추가적으로 좌측 사각형 구조의 그라운드와 우측 사각형 구조의 그라운드에 급전선을 기점으로 각각 대칭적으로 필터부를 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 1b를 참조하면, 필터부는 상기 CPW 급전의 그라운드(2) 부분에 구비되고, 필터의 설계된 공진주파수 대역에서 상기 CPW 급전의 급전선(3)을 통해 흐르는 대부분의 전류가 그라운드 지역에 집중되어 방사체로의 전류흐름을 저지하는 변형된 사각 광대역 필터(4); 각각의 변형된 사각 광대역 필터(4)에 삽입하여 커패시턴스 값을 가변하여 필터의 공진 주파수가 가변시켜 안테나의 공진 주파수 대역이 변하게 하여 광대역 주파수 재구성 안테나를 구현하기 위한 버랙터 다이오드(7); 상기 버랙터 다이오드(7)에 DC 성분을 인가하여 동작시키기 위해 형성된 가변 소자의 급전을 위한 틈(6); 3GHz 부근에서 소자들로 인해 인가된 커패시턴스 값에 의해 발생한 원하지 않는 공진을 억제시키기 위해 상기 변형된 사각 광대역 필터(4) 아래쪽에 x축 선상의 대칭적으로 위치된 추가적인 공진 저지 필터(5); 상기 가변 소자의 급전을 위한 틈(6)을 CPW 급전의 그라운드(2)에 둘 경우 안테나의 특성이 변화하기 때문에 상기 CPW 급전의 급전선(3)을 통해 들어오는 RF 성분은 통과시키고, DC 성분은 통과하지 못하게 하여 변하는 특성을 보상하는 DC 저지 커패시터(8); 및 DC 전원 공급기로 RF 신호 성분이 넘어가는 것을 억제하는 RF 저지 인덕터(9);를 포함한다.
도 3은 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 예상 반사 계수를 나타낸 도면이다.
본 발명에서 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나는 광대역 팔각 평판형 모노폴 안테나의 방사체(1)를 가지며, 반사손실은 VSWR 2:1 이하의 값을 기준으로 693~3216 MHz(Percent bandwidth: 129%)까지의 넓은 광대역 공진 주파수 대역을 갖는다. 여기에 CPW(Coplanar Waveguide) 급전의 그라운드(2) 부분에 필터를 삽입하게 되면 필터의 설계된 공진주파수 대역에서 급전선을 통해 흐르는 대부분의 전류가 그라운드 지역에 집중되어 방사체로의 전류흐름을 저지한다. 따라서, 필터 주 공진 대역과 하모닉(Harmonic) 공진 대역에서 안테나의 공진이 발생하지 않아 필터의 두 공진 성분 사이에서만 안테나의 공진주파수 대역이 생성된다. 모노폴 안테나의 방사체(1)의 광대역 공진주파수 대역에서 필터링되어 협대역 주파수 대역은 필터의 공진 주파수의 변화에 따라 가변되고, 이는 버랙터 다이오드(varactor diode)를 사용하여 필터의 공진주파수를 가변시켜 광대역 주파수 재구성 안테나를 구현할 수 있게 된다.
λg/4 길이를 갖는 필터를 사용할 경우 하모닉 공진은 3λg/4의 파장 길이를 갖는 주파수에서 생성된다. 그에 따른 안테나의 공진 주파수 대역은 필터의 두 공진 사이에서 발생하게 되는데, 인지무선 기술에서 사용될 안테나에서 요구되는 다른 통신 주파수와의 간섭 최소화를 만족할 만큼의 협대역 성분을 갖지 못하게 된다. 여기서, 필터의 공진 주파수를 일반적인 λg/4 길이를 갖는 필터보다 광대역으로 설계하게 되면 안테나의 공진 주파수 대역은 협대역화 된다. 이를 위해 변형된 사각 광대역 필터(4)가 설계되었고, 필터로의 전류의 흐름을 분산시켜 더 넓은 필터의 공진 주파수 대역을 얻도록 설계되었다. 결과적으로, 제안된 주파수 재구성 안테나의 공진 주파수는 변형된 사각 광대역 필터를 통해 타 주파수 대역과의 간섭이 저감 가능한 협대역 특성을 가진다.
버랙터 다이오드(7)에 DC 성분을 인가하여 동작시키기 위해 가변 소자의 급전을 위한 틈(6)을 형성하고, 이는 버랙터 다이오드의 애노드, 캐소드 부분에 전위차를 주기 위해 설계된다. 버랙터 다이오드(7)의 애노드 쪽에는 DC 전원 공급기의 그라운드 부분에 접지시키고, 캐소드 쪽에는 DC 전원을 인가한다. 버랙터 다이오드(7)는 TOSHIBA사의 1SV290을 사용했으며 2 ~ 25V까지 인가 전압을 가변할 경우 커패시턴스는 45 ~ 2.8pF까지 변화한다. 하지만, 가변 소자의 급전을 위한 틈(6)을 CPW 급전의 그라운드(2)에 둘 경우 안테나의 특성이 변화하기 때문에 68nF의 DC 저지 커패시터(8)를 통해 CPW 급전의 급전선(3)을 통해 들어오는 RF 성분은 통과시키고, DC 성분은 통과하지 못하게 하여 변하는 특성을 보상한다. 또한, 27nH의 RF 저지 인덕터(9)를 DC 급전선에 두는 이유는 DC 전원 공급기로 RF 신호 성분이 넘어가는 것을 억제해 주기 위해서다.
팔각 평판형 모노폴 안테나의 방사체(1)에 CPW 급전방식을 이용한 안테나에 CPW 급전의 그라운드(2) 부분에 x축 선상의 대칭적으로 변형된 사각 광대역 필터(4)를 적용하고, 각각의 변형된 사각 광대역 필터(4)에 버랙터 다이오드(7)를 삽입하여 커패시턴스 값을 가변하였다. 그 결과 필터의 공진 주파수가 변함에 따라 안테나의 공진 주파수 대역이 도 4와 같이 변하였다. 도 4는 추가적 공진 저지 필터(5)가 삽입되지 않은 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
하지만, 3GHz 부근에서 소자들로 인해 인가된 커패시턴스 값에 의해 원하지 않는 공진이 생성되었다. 이 공진을 억제시키기 위해 추가적 공진 저지 필터(5)를 사각 광대역 필터(4) 아래쪽에 x축 선상의 대칭적으로 위치시켰다. 추가적 공진 저지 필터(5)의 길이는 3GHz 부근의 공진을 억제시키면서 최대 가변 주파수인 2.7GHz 부근의 공진에 대한 영향을 저감시키기 위해 4GHz에서 전기적인 λg/4 길이를 갖는 11mm로 설계되었다
도 5는 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 제안된 안테나의 각 대역에서의 안테나 효율을 나타낸 도면이다.
팔각 평판형 모노폴 안타네의 방사체에 CPW 급전방식을 이용한 안테나에 CPW 급전의 그라운드(2) 부분에 대칭적으로 변형된 사각 광대역 필터(4)와 그 아래 부분에 추가적 공진 저지 필터(5)를 사용하였고, 대칭적인 변형된 사각 광대역 필터(5)의 각 끝 단에 버랙터 다이오드(7)를 삽입하여 커패시턴스그 결과 필터의 공진 주파수가 변함에 따라 안테나의 공진 주파수 대역이 도 5와 같이 변하였다. 그 결과는 696~2692 MHz(Percent bandwidth: 119%)로 현재 사용 주파수 대역 분배 상황에 적합하도록 인지무선 기술에 효율적으로 사용될 수 있는 광대역 주파수 재구성 안테나를 제안하였고, 도 6에 도시된 바와 같이 각 대역에서 70% 이상의 안테나 효율을 갖는다.
도 7은 본 발명에서 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 제작된 안테나의 실제 측정 결과를 나타낸 도면이다.
제안된 안테나의 실제 제작된 안테나는 도 7과 같으며, 제작 목표와 같이 버랙터 다이오드를 사용하여 DC 바이어스 회로를 최소화 하였다. S-parameter 측정을 위해 버랙터 다이오드에 DC 전원 공급기를 통해 전압차를 주었고, 그에 따른 측정치는 도 8과 같이 나타난다. 각 목표 대역에서 2V, 4.8V, 13.2V, 19.4V, 25V를 주어 주파수를 변화시켰으며, 이 때 공진주파수의 중앙 주파수의 값은 각각 708 MHz, 837 MHz, 1950 MHz, 2443 MHz, 2655 MHz이다. 따라서, 전체적인 안테나의 주파수 가변 범위는 695~2708 MHz(Percent bandwidth: 119%)로 기존의 안테나에 비해 넓은 주파수 가변 범위를 갖는 광대역 재구성 안테나를 제안하였다.
도 9는 본 발명에서 제안된 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 전류 분포 특성[(a): 1.5 GHz, (b): 2.65 GHz ]을 나타낸 도면이다. 도 9는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나의 전체적인 전류분포이며, 필터의 동작 주파수에서 전류는 방사체에 분포하지 않음으로써 방사가 발생하지 않고, 필터의 동작 주파수와 하모닉 공진 사이에서는 방사체에 전류가 분포하여 이에 따른 안타나가 방사하고 있음을 보인다. (a)는 필터의 동작 주파수인 1.5 GHz에서의 전류분포이고, (b)는 버랙터 다이오드의 커패시턴스 값이 2.845pF으로 LTE7 밴드에서 동작하도록 한 안테나의 공진 주파수인 2.65 GHz에서의 전류분포를 보여준다.
도 10은 본 발명에서 제안된 안테나의 세부 구조인 변형된 사각 광대역 필터와 일반적인 선형 필터에 대한 1.5 GHz에서의 전류 분포를 나타낸다. (a)는 일반적인 선형 필터의 전류 분포를 나타내며, 슬릿을 통해 대부분의 전류가 주요하게 분포하는 것을 확인할 수 있다. (b)는 변형된 사각 광대역 필터(4)로 전류의 흐름이 여러 갈래로 생성되어 전기적 길이가 각각 달라지게 된다. 따라서 광대역 필터 특성을 통해 안테나의 협대역 공진 주파수의 특성을 얻을 수 있었다.
도 11, 12 및 13은 본 발명에서 제안된 안테나의 방사체에서의 방사 패턴[YZ면]의 특성을 나타낸 도면이다.
방사패턴은 가변 주파수 대역에서 통신밴드의 주파수 대역으로 각각 선정하였으며, 제안된 안테나의 특성상 전방향성(omni-directional)한 방사패턴을 보여준다. 따라서, ZX 평면은 등방성의 방사패턴을, YZ 평면은 지향성의 방사패턴을 보여주고 있다.
도 14는 변형 가능한 안테나의 방사체의 예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에서는, 안테나의 방사체는 팔각 평판형 모노폴 안테나를 적용하였지만 이에 한정하지 않으며 다양하게 변형하여 적용 가능하다.
변형 가능한 안테나의 방사체는 상면이 다각형 하면이 역삼각형 구조의 오각형, 타원형, 원형, 또는 역삼각형 중 어느 하나의 모노폴 안테나 구조로 적용 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 팔각 평판형 모노폴 안테나의 방사체
2: CPW 급전의 그라운드
3: CPW 급전의 급전선
4: 변형된 사각 광대역 필터
5: 추가적인 공진 저지 필터
6: 가변 소자의 급전을 위한 틈
7: 버랙터 다이오드
8: DC 저지 커패시터
9: RF 저지 인덕터
10: 유전체 기판(FR-4, εr=4.4)

Claims (12)

  1. 유전체 기판(10);
    상기 유전체 기판(10) 상에 형성되며, CPW 급전선(3)의 좌우측에 각각 구비되며, 격리된 사각형 구조의 CPW 급전의 그라운드(2);
    상기 유전체 기판(10) 상에 형성되며, 모노폴 안테나의 방사체(1)의 중심부 하단에 구비되며, 좌측 사각형 구조의 그라운드와 우측 사각형 구조의 그라운드의 그 사이를 지나는 상기 방사체(1)에 대한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전의 급전선(3); 및
    상기 유전체 기판(10) 상에 형성되며, 상기 CPW 급전의 급전선(3)의 일단에 위치한 모노폴 안테나의 방사체(1);를 포함하는 주파수 재구성 안테나의 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하는 안테나를 제공하며,
    추가적으로 좌측 사각형 구조의 그라운드와 우측 사각형 구조의 그라운드에 급전선을 기점으로 각각 대칭적으로 필터부를 더 구비하며,
    상기 필터부는
    상기 CPW 급전의 그라운드(2) 부분에 구비되고, 필터의 설계된 공진주파수 대역에서 상기 CPW 급전의 급전선(3)을 통해 흐르는 대부분의 전류가 그라운드 지역에 집중되어 방사체로의 전류흐름을 저지하는 변형된 사각 광대역 필터(4); 각각의 변형된 사각 광대역 필터(4)에 삽입하여 커패시턴스 값을 가변하여 필터의 공진 주파수가 가변시켜 안테나의 공진 주파수 대역이 변하게 하여 광대역 주파수 재구성 안테나를 구현하기 위한 버랙터 다이오드(7); 상기 버랙터 다이오드(7)에 DC 성분을 인가하여 동작시키기 위해 형성된 가변 소자의 급전을 위한 틈(6); 3GHz 부근에서 소자들로 인해 인가된 커패시턴스 값에 의해 발생한 원하지 않는 공진을 억제시키기 위해 상기 변형된 사각 광대역 필터(4) 아래쪽에 x축 선상의 대칭적으로 위치된 추가적인 공진 저지 필터(5); 상기 가변 소자의 급전을 위한 틈(6)을 상기 CPW 급전의 그라운드(2)에 둘 경우 안테나의 특성이 변화하기 때문에 상기 CPW 급전의 급전선(3)을 통해 들어오는 RF 성분은 통과시키고, DC 성분은 통과하지 못하게 하여 변하는 특성을 보상하는 DC 저지 커패시터(8); 및 DC 전원 공급기로 RF 신호 성분이 넘어가는 것을 억제하는 RF 저지 인덕터(9)를 포함하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 방사체(1)는 광대역 팔각 평판형 모노폴 안테나를 사용하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 방사체(1)는 상면이 다각형 하면이 역삼각형 구조의 오각형, 타원형, 원형, 또는 역삼각형 중 어느 하나의 형태의 모노폴 안테나를 사용하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 방사체(1)는 광대역 팔각 평판형 모노폴 안테나의 방사체(1)를 구비하며, 반사손실은 VSWR 2:1 이하의 값을 기준으로 693 ~ 3216 MHz(Percent bandwidth: 129%)까지의 넓은 광대역 공진 주파수 대역을 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변형된 사각 광대역 필터(4)는 필터 주 공진 대역과 하모닉(Harmonic) 공진 대역에서 안테나의 공진이 발생하지 않아 필터의 두 공진 성분 사이에서만 안테나의 공진주파수 대역이 생성되며, 상기 모노폴 안테나의 방사체(1)의 광대역 공진주파수 대역에서 필터링되어 협대역 주파수 대역은 필터의 공진 주파수의 변화에 따라 가변되고, 버랙터 다이오드(varactor diode)를 사용하여 필터의 공진주파수를 가변시켜 광대역 주파수 재구성 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변형된 사각 광대역 필터(4)에서, λg/4 길이를 갖는 필터를 사용할 경우 하모닉 공진은 3λg/4의 파장 길이를 갖는 주파수에서 생성되며, 그에 따른 안테나의 공진 주파수 대역은 필터의 두 공진 사이에서 발생하게 되는데, 인지무선 기술에서 사용될 안테나에서 요구되는 다른 통신 주파수와의 간섭 최소화를 만족할 만큼의 협대역 성분을 갖지 못하게 되며, 여기서, 필터의 공진 주파수를 일반적인 λg/4 길이를 갖는 필터보다 광대역으로 설계하게 되면 안테나의 공진 주파수 대역은 협대역화 되고, 이를 위해 변형된 사각 광대역 필터(4)를 설계하여 필터로의 전류의 흐름을 분산시켜 더 넓은 필터의 공진 주파수 대역을 얻도록 설계하여 결과적으로 제안된 주파수 재구성 안테나의 공진 주파수는 상기 변형된 사각 광대역 필터(4)를 통해 타 주파수 대역과의 간섭이 저감 가능한 협대역 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드(7)에 DC 성분을 인가하여 동작시키기 위해 상기 가변 소자의 급전을 위한 틈(6)을 형성하고, 상기 버랙터 다이오드(7)의 애노드, 캐소드 부분에 전위차를 주기 위해 설계되었으며, 상기 버랙터 다이오드(7)의 애노드 쪽에는 DC 전원 공급기의 그라운드 부분에 접지시키고, 캐소드 쪽에는 DC 전원을 인가하고, 상기 버랙터 다이오드(7)는 2 ~ 25V까지 인가 전압을 가변할 경우 커패시턴스는 45 ~ 2.8pF까지 변화하며,
    상기 가변 소자의 급전을 위한 틈(6)을 상기 CPW 급전의 그라운드(2)에 둘 경우 안테나의 특성이 변화하기 때문에 68nF의 DC 저지 커패시터(8)를 통해 상기 CPW 급전의 급전선(3)을 통해 들어오는 RF 성분은 통과시키고, DC 성분은 통과하지 못하게 하여 변하는 특성을 보상하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 RF 저지 인덕터(9)는 27nH의 RF 저지 인덕터(9)를 사용하며, DC 급전선에 두어 DC 전원 공급기로 RF 신호 성분이 넘어가는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 방사체(1)는 CPW 급전방식을 이용한 안테나에 상기 CPW 급전의 그라운드(2) 부분에 x축 선상의 대칭적으로 상기 변형된 사각 광대역 필터(4)를 적용하고, 각각의 변형된 사각 광대역 필터(4)에 상기 버랙터 다이오드(7)를 삽입하여 커패시턴스 값을 가변하며, 그 결과 필터의 공진 주파수가 변함에 따라 안테나의 공진 주파수 대역이 변하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 추가적인 공진 저지 필터(5)는 3GHz 부근에서 소자들로 인해 인가된 커패시턴스 값에 의해 원하지 않는 공진을 억제시키기 위해 상기 변형된 사각 광대역 필터(4) 아래쪽에 x축 선상의 대칭적으로 위치되며, 추가적 공진 저지 필터(5)의 길이는 3GHz 부근의 공진을 억제시키면서 최대 가변 주파수인 2.7GHz 부근의 공진에 대한 영향을 저감시키기 위해 4GHz에서 전기적인 λg/4 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나에서, 주파수 재구성 안테나에 사용되는 가변 소자는 상기 버랙터 다이오드(7)를 사용하여 복잡한 DC 급전선을 최대한 간단하게 하였고 소자의 개수를 최소화해 간단한 DC 바이어스 회로를 설계하여 안테나의 손실을 낮추었으며, 상기 버랙터 다이오드(7)에 가해지는 전압에 따라 커패시턴스 값이 정해지기 때문에 원하는 주파수를 정밀하게 선택할 수 있으며, 다양한 커패시턴스 값 조절을 통해 필터의 주파수 가변의 유연성을 가져와 주파수 선택적 특성을 만족하여 인지무선 기술에 적용되는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 범위가 확장된 광대역 재구성 안테나 구조.
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