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문제 정의
- 본 논문에서는 960 MHz와 1.8 GHz 대역에 사용할 수 있는 이중대역 초소형 안테나 구조를 제안하였다. 제안된 안테나는 기존의 역 F 안테나의 방사하는 안테나 부를 한번 꼬아 이중 대역을 구현하고, 기생선을 넣어 추가적인 공진을 형성하여 광대역 특성을 갖는 안테나이다.
- 본 논문에서는 휴대 단말기에 집적하기 에 적합한 초소형 안테나 구조를 제시하며, 다중대역에서 공진을 일으키는 안테나를 제안한다. 휴대단말기의 서비스별 동작대역은 GSM 890-960 MHz, DCS 1, 710-1, 880 MHz, US-PCS 1, 850-1, 990 MHz, W- CDMA 1, 920-2, 170 MHz이며, 본 논문에서는 GSM 과 DCS에 초점을 둔다.
제안 방법
- 이중대역 꼬인 역 F 안테나는 기존의 역 F 안테나를 한번 꼬고, 기생선을 추가한 구조이다. PCB에 역 F 안테 나의 꼬인 구조를 구현하기 위하여역 F 안테나를 PCB 앞면에 에칭을 하고, PCB 뒷면에는 꼬인 구조를 에칭을 한 후 앞면의 역 F 안테나의 끝 부분과 뒷면의 꼬인 구조 사이를 비아를 통하여 연결을 하였다. 그리고 기생선은 PCB 뒷면에 구현이 되었으며 '7'자 모양으로 에칭을 하였고, 그라운드와 비아를 통하여 연결을 하였다.
- 11). 그림 1의 안테나 각 방향(x-y, x-z, y-z) 에대해서 theta 성분과 phi 성분으로 나누어 측정을 하였으며, 시뮬레이션치와 비교를 하였다. 측정된 방사 패턴은 시뮬레이션에 비해 교차 편파(cross polari- zation)이 상대적으로 크게 나왔으며, 주편파는 유사한 값을 가진다.
- 97 GHz 근처의 기생 선에 의한 공진은 변화하지 않고, 기생선과는 무관하게 꼬언역 F 안테나에 의한 두 개의 공진주파수만감소하였다. 기생선과 shorting 스터브 간의 간격(灯 을 조절하면서 안테나의 반사계수를 살펴보았다(그림 5). 첫 번째 공진과 두 번째 공진은 변화가 없으며, 기생선에 의한 세 번째 공진만 영향을 받는다.
- 측정 시 대역폭이 시뮬레이션보다 낮은 이유는 기생선에 의한 공진과 꼬인 역 F 안테나의 높은 공진이 근접한 곳에서 형성되었기 때문이다. 기생선에 의한 공진과 꼬인 역 F 안테나에 의한 공진을 확인하기 위하여 안테나를 재설 계해 보았다. 재설계한 안테나의 구조는 그림 8에 도시하였다.
- 꼬인 루프의 가로 직경을 오른쪽으로 크게 변화시키면서 岛의 변화를 살펴보았다(그림 4). 꼬인 루프의 왼쪽은 고정하였으며, 그림 4에서 화살표 방향으로 길이 8)를 길게 하여 루프의 크기가 커지도록 하였다.
- 그리고 기생선은 PCB 뒷면에 구현이 되었으며 '7'자 모양으로 에칭을 하였고, 그라운드와 비아를 통하여 연결을 하였다. 안테나 급전 (feeding point)은 역 F 안테나와 동일한 급전 방식으로 그라운드와 급전선 사이에 하였다. 급전선은 왼쪽에 그라운드와 연결된 안테나선으로부터 거리(a) 가 4 mm 떨어져 있다.
- 안테나가 최대 효율을 갖는 983 MHz와 1, 779 MHz에서 시뮬레이션 및 측정방사 패턴을 살펴보았다(그림 11). 그림 1의 안테나 각 방향(x-y, x-z, y-z) 에대해서 theta 성분과 phi 성분으로 나누어 측정을 하였으며, 시뮬레이션치와 비교를 하였다.
- 안테나의 각 파라미터가 반사계수(S1)에 어떤 영향을 미치는지 알기 위하여 안테나에 여러 가지 변수를 지정하여 파라미터스터디를 해보았다. 꼬인 루프의 가로 직경을 오른쪽으로 크게 변화시키면서 岛의 변화를 살펴보았다(그림 4).
- 0025 人의 크기를 갖는 초소형안테나이다. 안테나의 공진을 일으키는 모드를 확인하기 위하여 전류 분포를 살펴보았다(그림 3). 총 세 개의 공진 모드 중 첫 번째 공진모드는 안테나의 전체 길이가 약파장 /4에 해당하는 주파수인 950일어난다.
- 재설계한 안테나의 구조는 그림 8에 도시하였다. 안테나의 그라운드 크기를 실제 바 타입 핸드폰에, 가깝게 세로로 80 mm로 하였으며, 기존의 안테나에 M 낮은 공진주파수 튜닝을 위하여 안테나 끝 부분을 굽혀 길이를 확장하는 구조를 취하였다. 재설계한 안테나를 시뮬레이션 및 측정을 하였으며, 이를 그림에 도시하였다.
- 안테나의 그라운드 크기를 실제 바 타입 핸드폰에, 가깝게 세로로 80 mm로 하였으며, 기존의 안테나에 M 낮은 공진주파수 튜닝을 위하여 안테나 끝 부분을 굽혀 길이를 확장하는 구조를 취하였다. 재설계한 안테나를 시뮬레이션 및 측정을 하였으며, 이를 그림에 도시하였다. 5n<-5 dB 기준으로 하였을 때 낮은 주파수 공진은 시뮬레이션과 측정 각각 922-967 MHz와 913-950 MHz로 45 MHz, 37 MHz의 값을 각각 가졌고, 높은 주파수의 대역폭은 시뮬레이션과 측정이 각각 1, 543〜1, 983 MHz와 1, 551-2, 021 MHz로 440 MHz, 470 MHz의 값을 가졌다.
- 제안된 구조는 CST 2006b를 이용하여 시뮬레이션 하였으며, 삼중 공진을 일으키는 구조이다. 기생선을 제외한 꼬인 역 F 안테나는 이중대역 안테나로 동작하게 되고, 기생선을 추가하므로 인해 추가적인 공진을 형성하여 세 개의 공진을 형성한다.
- 제안된 안테나의 구조와 제안된 구조에서 기생 선을 제외한 구조의 반사계수를 시뮬레이션 하였다 (그림 2). 꼬인 역 F 안테나를 구현하므로 인해서 950 MHz와 1.
- 제안된 안테나의 성능을 평가하기 위하여 제작 (그림 6) 및 측정을 하였다. 제작된 안테나의 설계 파라미터는 표 1의 값을 사용하였디 ' 이중대역 꼬인 역 F 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 曲값을 그림 7 에 도시하였다.
- 파장/4에 해당하는 지점에서 발생하게 되며, 전류가 주로 기생 선에 생기게 된다. 파장/4에 기생선의 공진을 유발하기 위하여 기생선의 한쪽 끝을 접지면에 연결하여 모노 폴과 같은 형태를 취하도록 하였다. 기생선은 안테나의 field가 커플링이 되어 공진을 야기하게 된다.
- 일으키는 안테나를 제안한다. 휴대단말기의 서비스별 동작대역은 GSM 890-960 MHz, DCS 1, 710-1, 880 MHz, US-PCS 1, 850-1, 990 MHz, W- CDMA 1, 920-2, 170 MHz이며, 본 논문에서는 GSM 과 DCS에 초점을 둔다. 안테나의 기본 구조는 II 장에서 설명을 하며, 안테나에 형성되는 공진모드 및 임피던스에 영향을 미치는 요인은 HI장에서 설명한다.
대상 데이터
- 1에도시하였다. 안테나는 비유전율(异) 4.2, 손실 탄젠트(tan Q 0.02, 두께(f) 0.8 mm이며, 양면이 구리(도전율, <7=5.8x107)로도금된 FR4 기판에 설계되었다. 이중대역 꼬인 역 F 안테나는 기존의 역 F 안테나를 한번 꼬고, 기생선을 추가한 구조이다.
- 5 mm로 동일하게 하였으며, 그라운드면을 제외한 안테 나의 가로0)는 35 mm, 높이(H)는 8 mm 내 에 구현을 하였다. 안테나의 그라운드의 크기는 가로(竹 40 mm, 세로(Z) 65 mm로 설정하였다. 제안된 크기 내에 안테나의 이중대역 꼬인 역 F 안테나의 최적화된 안테나 설계값은 표 1에 나타내었다.
성능/효과
- 루프의 크기가 커질수록 안테나의 두 공진 주파수가 감소하는 것을 알 수 있다. 1.97 GHz 근처의 기생 선에 의한 공진은 변화하지 않고, 기생선과는 무관하게 꼬언역 F 안테나에 의한 두 개의 공진주파수만감소하였다. 기생선과 shorting 스터브 간의 간격(灯 을 조절하면서 안테나의 반사계수를 살펴보았다(그림 5).
- 재설계한 안테나를 시뮬레이션 및 측정을 하였으며, 이를 그림에 도시하였다. 5n<-5 dB 기준으로 하였을 때 낮은 주파수 공진은 시뮬레이션과 측정 각각 922-967 MHz와 913-950 MHz로 45 MHz, 37 MHz의 값을 각각 가졌고, 높은 주파수의 대역폭은 시뮬레이션과 측정이 각각 1, 543〜1, 983 MHz와 1, 551-2, 021 MHz로 440 MHz, 470 MHz의 값을 가졌다.
- -5 dB를 기준으로 둔 것은 안테나의 방사 효율이 약 60 %가 된다고 가정한다면 전체 효율이 약 40 % 정도의 값을 가질 수 있다고 판단되었기 때이다. 낮은 주파수의 안테나 대역폭은 시뮬레이션과 측정이 각각 929-977 MHz와 966-1, 013 MHz로 48 MHz, 47 MHz의 값을 가졌다. 그리고 높은 주파수의 대역폭은 시뮬레이션과 측정이 각각 1, 641-2, 042 MHz와 1, 721-2, 010 MHz로 401 MHz, 289 MHz였다.
- 대역폭 내에서의 낮은 공진 주파수에서의 측정된 효율은 그림 10(a)에서 살펴볼 수 있듯이 최대 효율 49 %이며, 35 % 이상의 효율을 가진다. 높은 주파수에서의 측정된 효율은 최대 효율 57 % 이며, 넓은 대역에 걸쳐 40 % 이상의 효율을 가지는 것을 확인 가능하다. 시뮬레이션상으로는 대역폭 내에서 최대 효율이 낮은 주파수는 52 % 높은 주파수는 75 %의 값을 가졌다.
- 제작된 안테나의 설계 파라미터는 표 1의 값을 사용하였디 ' 이중대역 꼬인 역 F 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 曲값을 그림 7 에 도시하였다. 시뮬레이션과 즉 정이 유사한 값을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 안테나 대역폭은 안테나 단으로 넘어가는 전력이 약 70 %가 되는 所 <-5 dB 기준으로 하였다. -5 dB를 기준으로 둔 것은 안테나의 방사 효율이 약 60 %가 된다고 가정한다면 전체 효율이 약 40 % 정도의 값을 가질 수 있다고 판단되었기 때이다.
- 높은 주파수에서의 측정된 효율은 최대 효율 57 % 이며, 넓은 대역에 걸쳐 40 % 이상의 효율을 가지는 것을 확인 가능하다. 시뮬레이션상으로는 대역폭 내에서 최대 효율이 낮은 주파수는 52 % 높은 주파수는 75 %의 값을 가졌다.
- 25 人에 동작하는 역 F 안테나에 비해 크기를 소형화시켰다. 안테나를 제작 및 측정을 하였으며 측정된 안테나의 효율은 983 MHz와 1, 779 MHz에서 각각 49 %와 57%의 효율을 가져 휴대 단말기에 적용이 가능하다.
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