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문제 정의
- 그러나 RF시스템과 내장형 안테나 간의 상호 간섭효과는 내장형 안테나의 이득을 감소시켜 수신효율을 나쁘게 할 뿐만 아니라, RF 부품에도 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 RF front- ends를 구성하는 시스템 전반에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 안테나 접지와 시스템 접지를 같이 구성하는 이중접지 구조를 제안하였다[1]-[4].
- 본 논문에서는 4세대 이동통신 대역인 3400 ~ 3600[MHz]을 포함하고 고이득 광대역 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 휴대 단말기에 적용되는 모노폴 형태의 이중접지 구조와 사다리꼴 급전구조를 사용하여 내장형 안테나를 설계 및 제작하였다. 또한 안테나의 소형화를 위해서 방사소자에 간단한 구조의 슬롯을 삽입함으로써, 전류의 전기적인 길이를 증가시켜 안테나의 크기를 줄일 수 있었다.
- 본 논문에서는 4세대 이동통신용 이중접지 내장형 고이득, 광대역 안테나를 설계 및 제작하였다.
제안 방법
- 마이크로스트립 패치를 이용하여 3400 ∼ 4200[MHz]에서 사용할 수 있는 고이득 및 광대역 내장형평판 안테나를 설계 및 제작하였다.
- 이때, 이중접지 구조를 사용함으로써 시스템과 결합을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다. 먼저 일반형 급전구조와 사다리꼴형 급전구조를 비교하였으며, 단일접지 구조와 이중접지 구조를 비교하였다. 비교 데이터를 기초하여 가장 이상적인 사다리꼴형 급전구조와 이중접지 구조를 적용시킨 후에 슬롯의 삽입으로 전류의 이동경로를 길어지게 하여 더욱 광대역화와 소형화를 할 수 있었다.
- 4세대 이동통신 서비스는 초당 100만 비트전송속도의 서비스가 끊기지 않는 기지국간 통화 연동 ‘핸드오버’ 기술을 적용하여 고속 이동 중에 100[Mbps], 정지 및 저속 이동 중에 1 [Gbps]까지 대용량 초고속 데이터 통신이가능하다. 세계전파통신회의(WRC-07)에서 4세대 이동통신용 주파수 분배를 논하는 연구의제(Agenda 1.4)를 다루고, 4세대 이동통신용주파수 분배를 확정하기로 하였다. 450 ~ 470, 790 ~ 806/698 ~ 806, 2300 ~ 2400, 3400 ~ 3600[MHz]의 4개 대역이 후보대역으로 논의되었고 공유가능성 및 기술개발이 활발히 진행되고 있다.
- 시뮬레이션에 의해 최적으로 설계되어진 이중접지 내장형 안테나는 제작이 간편하여 직접 수작업으로 제작하였으며, 방사체와 접지면의 유동에 의한 안테나 파손을 막기 위해서 유전율이 매우 낮은 foam(εr ≒ 1.03)으로 고정하여 제작하였다.
- 하지만 사다리꼴형 급전구조를 적용한 후에 이중접지 구조로 하였을 경우 원래의 공진 주파수 대역이 약 250 [MHz]정도 하향하였으며 일부대역에서는 VSWR ≦ 2를 만족하지 못하는 대역을 포함하고 있었다. 이를 해결하여 4세대 이동통신용으로 사용할 수 있는 안테나를 설계하기 위해서 방사체에 슬롯을 삽입하였다. 슬롯을 삽입한 결과 전류의 이동경로를 길게하여 길이 연장효과를 가져와 방사체의 크기를 줄일 수 있게 되었으며 대역을 만족할 수 있었다.
- 제작된 안테나는 Hewlett-Packard사의 8753ES VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 입력 반사손실과 입력 임피던스를 측정하였으며, 안테나의 방사패턴을 측정하기 위해 far-field 측정이 가능한 anechoic chamber에서 측정하였다.
- 주파수 소요 대역이 넓은 대역폭을 만족시키기 위하여 Trapezoid형 급전구조와 이중접지 구조를 사용하였으며, 방사소자에 슬롯을 삽입하였다. 이때, 이중접지 구조를 사용함으로써 이득이 향상하여 RF front-ends를 구성하는 시스템 전반에 미치는 영향을 최소화하고 수신효율을 증가시킬 수 있었으며, 시스템과의 결합을 용이하게 할 수 있었다.
- 1에 나타내었다. 주파수 소요 대역이 넓은 대역폭을 만족시키기 위하여 사다리꼴형 급전구조와 이중접지 구조를 사용하였으며, 방사소자에 슬롯을 삽입하여 소형화를 하였다. 이때, 이중접지 구조를 사용함으로써 시스템과 결합을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
- 05 [mm] 두께의 도체를 사용하였고, Ground는 FR4 기판을 사용하였다. 최적 설계된 안테나는 그 제작 방법이 간단하여 인쇄회로 기판은 사진식각법으로 동 테이프는 수작업으로 제작하였다.
대상 데이터
- 안테나의 설계는 상용 시뮬레이터인 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다. 설계된 내장형 평판안테나의 동작 특성을 살펴보면, 입력 반사손실 -10[dB] (VSWR 2:1)를 기준으로 3340 ∼ 4610 [MHz](BW = 1270 [MHz] (33.
- 최적으로 설계된 안테나는 공기층에 의해 분리되어진 방사패치와 접지면의 유동에 의한 안테나의 파손을 막기 위해서 foam(εr ≒ 1.03)으로 고정하였으며, 방사패치는 0.05 [mm] 두께의 도체를 사용하였고, Ground는 FR4 기판을 사용하였다.
데이터처리
- 방사패턴의 측정은 far-field 측정이 가능한 anechoic chamber에서 이루어졌으며, 데이터는 Orbit사의 Midas 3.0프로그램을 사용하여 검출하였다. 3400, 3600, 3800, 4000, 4200 [MHz]에 대하여 방사특성을 측정한 결과 무지향성의 특성을 얻을 수 있었으며, E-plane에서 4.
성능/효과
- 3400, 3600, 3800, 4000, 4200 [MHz]에 대하여 방사특성을 측정한 결과 무지향성의 특성을 얻을 수 있었으며, E-plane에서 4.7 ∼ 6.1 [dBi], H-plane에서 2.1 ∼ 4.3 [dBi]라는 높은 이득 결과를 얻을 수 있었다.
- 그 결과 공진주파수에 가장 큰 영향을 미치는 설계변수는 방사체의 길이(PL) 임을 알 수 있었으며, 방사체의 폭(PW)는 공진주파수에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 세 개의 슬롯으로부터 방사체의 끝단까지의 거리(d1, d2, d3) 변화에 따른 입력 반사손실을 살펴보면, d1은 이중공진 중에서 높은 쪽 공진주파수를 결정하는 중요한 변수이고, d2는 공진주파수에 큰 영향을 주지 않으며, d3는 이중공진 중에서 낮은 쪽공진주파수를 결정하는 중요한 변수임을 알 수 있었다.
- 따라서 본 논문에서 사용한 설계방식이 기존의 내장형 평판 안테나의 이득과 대역폭을 개선하는데 효과가 있음을 확인하였으며, 제작된 안테나는 4세대 이동통신용 시스템에서 충분히 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 논문에서는 4세대 이동통신 대역인 3400 ~ 3600[MHz]을 포함하고 고이득 광대역 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 휴대 단말기에 적용되는 모노폴 형태의 이중접지 구조와 사다리꼴 급전구조를 사용하여 내장형 안테나를 설계 및 제작하였다. 또한 안테나의 소형화를 위해서 방사소자에 간단한 구조의 슬롯을 삽입함으로써, 전류의 전기적인 길이를 증가시켜 안테나의 크기를 줄일 수 있었다.
- 비교 데이터를 기초하여 가장 이상적인 사다리꼴형 급전구조와 이중접지 구조를 적용시킨 후에 슬롯의 삽입으로 전류의 이동경로를 길어지게 하여 더욱 광대역화와 소형화를 할 수 있었다. 마지막으로 슬롯의 각 파라메타들의 변화에 따른 입력 반사손실을 비교, 분석하여 최종적으로 가장 이상적인 안테나를 설계할 수 있었다.
- 방사패턴 특성을 확인한 결과 E-plane과 H-plane 모두 전 주파수대역 내에서 거의 무지향성의 특성을 나타내었으며, E-plane에서 3.9 ∼ 5.9 [dBi], H-plane에서 2.4 ∼ 4.7 [dBi]라는 높은 이득 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
- 먼저 일반형 급전구조와 사다리꼴형 급전구조를 비교하였으며, 단일접지 구조와 이중접지 구조를 비교하였다. 비교 데이터를 기초하여 가장 이상적인 사다리꼴형 급전구조와 이중접지 구조를 적용시킨 후에 슬롯의 삽입으로 전류의 이동경로를 길어지게 하여 더욱 광대역화와 소형화를 할 수 있었다. 마지막으로 슬롯의 각 파라메타들의 변화에 따른 입력 반사손실을 비교, 분석하여 최종적으로 가장 이상적인 안테나를 설계할 수 있었다.
- 설계된 내장형 평판안테나의 동작 특성을 살펴보면, 입력 반사손실 -10[dB] (VSWR 2:1)를 기준으로 3340 ∼ 4610 [MHz](BW = 1270 [MHz] (33.4%))라는 광대역 특성을 나타내었다.
- 그 결과 공진주파수에 가장 큰 영향을 미치는 설계변수는 방사체의 길이(PL) 임을 알 수 있었으며, 방사체의 폭(PW)는 공진주파수에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 세 개의 슬롯으로부터 방사체의 끝단까지의 거리(d1, d2, d3) 변화에 따른 입력 반사손실을 살펴보면, d1은 이중공진 중에서 높은 쪽 공진주파수를 결정하는 중요한 변수이고, d2는 공진주파수에 큰 영향을 주지 않으며, d3는 이중공진 중에서 낮은 쪽공진주파수를 결정하는 중요한 변수임을 알 수 있었다. 세 개의 슬롯의 길이(SL1, SL2, SL3) 변화에 따른 입력 반사손실을 살펴보면, SL1의 길이가 증가할수록 공진주파수가 높아지는 것을 확인 할 수 있었고, SL2의 길이가 증가하면 대역폭이 차츰 넓어지다가 일정길이(SL2 = 17 [mm]) 이상이 되면 공진특성이 불명확해 지는 것을 확인 할 수 있었으며, SL3의 길이가 증가할수록 이중공진 중에서 높은 쪽 공진주파수의 특성을 좋게 할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 세 개의 슬롯으로부터 방사체의 끝단까지의 거리(d1, d2, d3) 변화에 따른 입력 반사손실을 살펴보면, d1은 이중공진 중에서 높은 쪽 공진주파수를 결정하는 중요한 변수이고, d2는 공진주파수에 큰 영향을 주지 않으며, d3는 이중공진 중에서 낮은 쪽공진주파수를 결정하는 중요한 변수임을 알 수 있었다. 세 개의 슬롯의 길이(SL1, SL2, SL3) 변화에 따른 입력 반사손실을 살펴보면, SL1의 길이가 증가할수록 공진주파수가 높아지는 것을 확인 할 수 있었고, SL2의 길이가 증가하면 대역폭이 차츰 넓어지다가 일정길이(SL2 = 17 [mm]) 이상이 되면 공진특성이 불명확해 지는 것을 확인 할 수 있었으며, SL3의 길이가 증가할수록 이중공진 중에서 높은 쪽 공진주파수의 특성을 좋게 할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 앞서 설명한 각 슬롯의 끝단에 표면전류분포가 증가하여 슬롯의 길이가 공진주파수를 결정하는데 큰 영향을 준다는 것을 확인하였다.
- 이를 해결하여 4세대 이동통신용으로 사용할 수 있는 안테나를 설계하기 위해서 방사체에 슬롯을 삽입하였다. 슬롯을 삽입한 결과 전류의 이동경로를 길게하여 길이 연장효과를 가져와 방사체의 크기를 줄일 수 있게 되었으며 대역을 만족할 수 있었다. 하지만 방사체에 많은 슬롯이 삽입되는 경우 이득이 감소하여 안테나의 방사효율이 저하되게 되므로 슬롯의 위치 및 개수를 적절히 선택하여 삽입하여야 한다.
- 시뮬레이션에 의해서 사다리꼴형 급전구조가 일반형 급전구조보다 대역폭 특성이 좋으며 단일접지 구조보다 이중접지 구조가 대역폭 특성이 좋다는 것을 확인 하였다. 하지만 사다리꼴형 급전구조를 적용한 후에 이중접지 구조로 하였을 경우 원래의 공진 주파수 대역이 약 250 [MHz]정도 하향하였으며 일부대역에서는 VSWR ≦ 2를 만족하지 못하는 대역을 포함하고 있었다.
- 주파수 소요 대역이 넓은 대역폭을 만족시키기 위하여 Trapezoid형 급전구조와 이중접지 구조를 사용하였으며, 방사소자에 슬롯을 삽입하였다. 이때, 이중접지 구조를 사용함으로써 이득이 향상하여 RF front-ends를 구성하는 시스템 전반에 미치는 영향을 최소화하고 수신효율을 증가시킬 수 있었으며, 시스템과의 결합을 용이하게 할 수 있었다.
- 세 개의 슬롯의 길이(SL1, SL2, SL3) 변화에 따른 입력 반사손실을 살펴보면, SL1의 길이가 증가할수록 공진주파수가 높아지는 것을 확인 할 수 있었고, SL2의 길이가 증가하면 대역폭이 차츰 넓어지다가 일정길이(SL2 = 17 [mm]) 이상이 되면 공진특성이 불명확해 지는 것을 확인 할 수 있었으며, SL3의 길이가 증가할수록 이중공진 중에서 높은 쪽 공진주파수의 특성을 좋게 할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 앞서 설명한 각 슬롯의 끝단에 표면전류분포가 증가하여 슬롯의 길이가 공진주파수를 결정하는데 큰 영향을 준다는 것을 확인하였다.
- 제작된 안테나의 입력 반사손실과 입력 임피던스는 Hewlett- Packard사의 3753ES VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정하였으며, 그 결과 입력 반사손실(Return loss) ≤ -10 dB (VSWR ≤ 2)를 기준으로 3499 ∼ 4743 [MHz], (BW = 1244 [MHz] (32.7%))라는 광대역 특성을 나타내었다.
후속연구
- 1948년 Chu 박사는 일반적인 형태의 소형 안테나를 둘러싸고 있는 최소반경의 작은 구면으로 구성된 가우시안 구면을 설정하고 그러한 가우시안 구면 외부의 field를 가우시안 구면에서의 multipolar field expansion 사용하여 설명하였다. 안테나의 구조가 파장에 비하여 작아질수록 Q값이 급격히 증대되기 때문에 소형 안테나 주위에 축적된 리액티브 에너지가 복사에 의하여 소모되는 에너지에 비하여 매우 크게 되어 복사체로서의 실용성을 기대할 수 없다는 한계성을 제시하였다. Wheeler와 Chu의 연구결과는 소형 안테나에서 얻을 수 있는 특성의 한계에 대한 조건들의 설명을 개념적으로 접근하였다.
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