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문제 정의
- 본 논문에서는 크기가 매우 작고 제작이 용이하며 구조가 간단한 블루투스용 초소형 안테나를 설계하고 제작하였다. 인쇄형 역 F 형 안테나의 설계 방법에 따라 고려해야 할 각각의 변수에 대한 안테나의 특성 변화를 분석하고 최적화 과정을 통해 안테나를 설계한 후 제작 및 측정을 통해 이론치와 비교하여 정확성을 검증하였다.
제안 방법
- 변형된 역 F 안테나의 구조 및 변수를 그림 2에 제시하였다. L, Hi, 그림 2의 길이의 합, 즉 안테나의 길이는 28.5mm로 2.4GHz의 약 1/4 파장의 길이를 갖도록 설정하고 변수에 따른 안테나 특성 변화를 해석하였다.
- 이 안테나의 특징은 공진에 필요한 안테나의 실장 면적을 작게 할 수 있다는 점이다. 그리고 급전 부와 단락 부의 위치 조정 및 공진주파수와 복사구조에 관한 변수 조정을 통해 안테나를 최적 설계하였다. 제안된 안테나는 기판 인쇄형 안테나로서 변형된 역 F형 구조로 설계되었다.
- 안테나 소형화 기법으로는 인쇄형 역 F형 안테나의 구조를 토대로 미앤더 선로 형태로 변형하는 방법을 사용하였다. 미앤더 선로는 안테나 도선을 구부려 접어서 크랭크 모양으로 만든 것으로 안테나의 길이, 폭 접어진 단수, 도선의 폭 도선의 간격 등에 의하여 안테나의 파라미터가 결정된다.
- 안테나 소형화에 앞서 기본 인쇄형 역 F 안테나의 급전부와 정합부의 위치를 바꾸어 변형된 역 F안테나를 설계하고 구조에 따른 변화를 해석하였다. 사용한 기판 FR-4 에폭시 기판으로서 1.
- 앞에서 제시한 역 F 안테나 구조를 토대로 안테나 길이 L 부분을 미앤더 선로형태로 변형함으로써 안테나의 크기를 크게 줄였다. 이때, 구조에 따른 변수를 지정하여 각 변수의 변화에 따른 특성 변화의 추이를 해석하고 그 결과를 이용하여 최적화 값을 도출하였다.
- 있다. 역 F 안테나의 반사 계수 특성에 영향을 미치는 주요 변수 도출 후 나머지 변수의 조정을 통해 최적화된 역 F 안테나를 설계하였다. 최적화된 역 F 안테나의 변수값은 표 1과 같고 최적화된 안테나의 반사 계수는 그림 5와 같다.
- 안테나의 크기를 크게 줄였다. 이때, 구조에 따른 변수를 지정하여 각 변수의 변화에 따른 특성 변화의 추이를 해석하고 그 결과를 이용하여 최적화 값을 도출하였다.
- 이 중 블루투스용 내장형 안테나에 관한 연구는 인쇄형 역 F 안테나, 평판형 역 F 안테나, 그리고 칩 안테나에 관한 연구가 주로 이루어져 왔으며 이 중 인쇄형 역 F 안테나는 블루투스 모듈에 내장이 가능하고 제조공정이 비교적 간단하여 저가 시스템을 지향하는 블루투스 시스템에 적합하다. 인쇄형 역 F 안테나의 소형화에 관한 다양한 연구가 진행되어 왔으며 대부분 기본 역 F 안테나의 형태를 구부리거나 변형시킨 형태가 제시되고 있다본 논문에서는 블루투스 헤드셋을 비롯해 최근 점점 소형화되고 있는 단말기의 크기를 고려해 안테나의 크기를 최소화 하는데 중점을 두었다.
- 제작하였다. 인쇄형 역 F 형 안테나의 설계 방법에 따라 고려해야 할 각각의 변수에 대한 안테나의 특성 변화를 분석하고 최적화 과정을 통해 안테나를 설계한 후 제작 및 측정을 통해 이론치와 비교하여 정확성을 검증하였다.
- 그리고 급전 부와 단락 부의 위치 조정 및 공진주파수와 복사구조에 관한 변수 조정을 통해 안테나를 최적 설계하였다. 제안된 안테나는 기판 인쇄형 안테나로서 변형된 역 F형 구조로 설계되었다. 본 논문에 있어 안테나의 특성 해석에는 상용 시뮬레이션 툴인 CST#의 MWS를 사용하였으며 제작된 안테나는 Agilent#의 회로망분석기 8720C를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 제안된 안테나는 기판 인쇄형 안테나로서 변형된 역 F형 구조로 설계되었다. 본 논문에 있어 안테나의 특성 해석에는 상용 시뮬레이션 툴인 CST#의 MWS를 사용하였으며 제작된 안테나는 Agilent#의 회로망분석기 8720C를 이용하여 측정하였다.
- 본 논문에서 제시된 초소형 안테나 설계 파라미터는 각 선로의 폭과 길이, 그리고 넓이이다. 그림 6은 초소형 안테나의 구조와 변수를 제시한 것으로 앞에서 최적화 과정을 통해 얻은 #을 제외한 안테나를 이루는 각 선로의 폭이 1 mm, 전체 선로 길이의 합은 1/4 파장의 길이인 약 30mm인 변형된 초소형 역 F 안테나이다.
- 사용한 기판 FR-4 에폭시 기판으로서 1.2mm 의 두께에 비유전율이 44이다. 변형된 역 F 안테나의 구조 및 변수를 그림 2에 제시하였다.
- 제안된 안테나는 9.65mm×5.95mm의 크기를 가지는 초소형 인쇄형 역 F 안테나로서 기존 안테나의 크기인 17.3mmx6mm의 55% 이하로 축소하였으며 VSWR 3.5 기준으로 2.38GHz -2.45GHz 범위의 주파수를 만족시켜 3%의 대역폭을 만족하고 중심주파수에서 최대 VSWR 2.4의 값을 갖는다. 안테나의 방사 패턴은 전 방향에서 수신 가능한 준 등방성 패턴을 보이며 중심 주파수인 2.
- 제작된 안테나의 측정에는 회로망분석기 HP 8720C를 사용하였고 무반사실에서 표준이득 혼 안테나와 회로망분석기를 이용하여 반사계수, 이득, 방사패턴을 측정하여 그림 16과 그림 17에 나타내었다. 그림 16은 실제 제작된 안테나의 반사 계수와 시뮬레이션으로 계산된 반사계수를 비교한 그림으로 시뮬레이션 값과 측정값이 비교적 유사하여 제작된 안테나의 ~5dB 대역폭은 2.
- 최적 설계한 안테나 변수값을 토대로 유전율이 4.4인 FR4 유전체 기판에 인쇄회로 안테나를 제작하였다. 제작된 블루투스용 초소형 안테나를 그림 15에 나타내었다.
- 결과를 그림 14에 제시하였다. 최종 설계된 안테나의 크기는 9.65mmx5.95mm로서 앞 절에서 설계한 기본 역 F 안테나를 원래 크기의 55% 이하로 소형화한 것이다.
성능/효과
- 4GHz 주파수 대역을 이용하여 근거리 무선접속을 구현하기 위한 무선 인터페이스 규격으로서 응용 분야 및 사용 용도가 다양하다. 2.4GHz 주파수 대역은 ISM 주파수 대역으로 국가 인증만 있으면 누구나 사용 가능하므로 좁은 공간에서의 무선접속을 구현하기에 적합하다. 또한 블루투스 시스템은 작고, 저렴하며 저소비 전력을 추구하는 시스템으로 이상의 특징을 갖는 시스템의 구현에 적합하여 일반 컴퓨터를 위한 정보기기, 휴대전화 주변기기 등의 응용분야 외에도 다양한 응용방향에 대하여 주목을 받고 있다.
후속연구
- 23 dBi 이다. 본 논문에서 제안한 블루투스뿐만 아니라 변수 조정을 통해 다른 주파수 대역의 소형 안테나가 요구되는 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
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