이 논문은 휴대 단말기의 내장형 FM(Frequency Modulation) 라디오 안테나의 설계에 관하여 기술하고 있다. 설계 안테나의 동작 주파수에서의 임피던스를 조절하기 위해서 집중 정수 소자인 R과 L칩 소자를 사용하였다. 안테나 후면의 패치와 스터브는 설계 안테나의 정확한 공진 주파수치 조절과 소형화를 위해 추가하였다. 제작된 안테나의 크기, 측정된 반사 손실, 임피던스, 대역폭, 이득은 각각 $40{\times}70{\times}1$ mm, 99 MHz에서 -23 dB, $55-j7{\Omega}$, -10 dB 이하 22 MHz($88{\sim}110$ MHz), -15 dBi이고, 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 특히 제작된 안테나의 측정 이득은 설계 주파수 대역 내에서 기존의 이어폰 안테나의 이득과 유사한 값을 보였다. 측정된 방사 패턴도 계산된 무지향성 패턴과 잘 일치하였다.
이 논문은 휴대 단말기의 내장형 FM(Frequency Modulation) 라디오 안테나의 설계에 관하여 기술하고 있다. 설계 안테나의 동작 주파수에서의 임피던스를 조절하기 위해서 집중 정수 소자인 R과 L칩 소자를 사용하였다. 안테나 후면의 패치와 스터브는 설계 안테나의 정확한 공진 주파수치 조절과 소형화를 위해 추가하였다. 제작된 안테나의 크기, 측정된 반사 손실, 임피던스, 대역폭, 이득은 각각 $40{\times}70{\times}1$ mm, 99 MHz에서 -23 dB, $55-j7{\Omega}$, -10 dB 이하 22 MHz($88{\sim}110$ MHz), -15 dBi이고, 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 특히 제작된 안테나의 측정 이득은 설계 주파수 대역 내에서 기존의 이어폰 안테나의 이득과 유사한 값을 보였다. 측정된 방사 패턴도 계산된 무지향성 패턴과 잘 일치하였다.
This paper describes a design of internal frequency modulation(FM) radio antenna fur mobile terminal. In order to control of impedance at an operating frequency of the designed antenna, the lumped constant elements of R and L chip components are used. Patch and stubs located at antenna backside are ...
This paper describes a design of internal frequency modulation(FM) radio antenna fur mobile terminal. In order to control of impedance at an operating frequency of the designed antenna, the lumped constant elements of R and L chip components are used. Patch and stubs located at antenna backside are added to control an exact resonance frequency and miniaturization. A fabricated antenna sire, the measured return loss, impedance, bandwidth, and gain are $40{\times}70{\times}1$ mm, -23 dB at 99 MHz, $55-j7{\Omega}$, 22 MHz($88{\sim}110$ MHz) below -10 dB, and -15 dBi, respectively. These measured results show a good agreement with simulated results. Especially, the measured gain of fabricated antenna is similar with value of a conventional ear-phone antenna in the designed frequency band. The measured radiation pattern agrees well with the calculated omni-directional pattern.
This paper describes a design of internal frequency modulation(FM) radio antenna fur mobile terminal. In order to control of impedance at an operating frequency of the designed antenna, the lumped constant elements of R and L chip components are used. Patch and stubs located at antenna backside are added to control an exact resonance frequency and miniaturization. A fabricated antenna sire, the measured return loss, impedance, bandwidth, and gain are $40{\times}70{\times}1$ mm, -23 dB at 99 MHz, $55-j7{\Omega}$, 22 MHz($88{\sim}110$ MHz) below -10 dB, and -15 dBi, respectively. These measured results show a good agreement with simulated results. Especially, the measured gain of fabricated antenna is similar with value of a conventional ear-phone antenna in the designed frequency band. The measured radiation pattern agrees well with the calculated omni-directional pattern.
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문제 정의
사용자의 대용량 멀티미디어 서비스 제공과 휴대 제품의 슬림화 동향에 견주어 보면 FM 라디오 서비스를 위한 단말기 내장형 안테나의 개발이 시급하나, 매우 낮은 주파수 대역으로 인해 개발이 매우 어려운 실정이다미风 안테나는 기본적으로 제공하고자 하는 서비스의 주파수에 맞추어 동작하기 때문에 FM 라디오의 경우, 주파수가 낮아 안테나의 크기가 매우 커지게 되므로, 이를 휴대단말기의 크기에 맞추어 내장형의 소형화를 하기란 매우 어렵다. 본 논문에서는 휴대단말기 내장형으로 적합한 소형 FM 라디오 안테나를 기판의 가장자리를 이용하여 캐패시턴스 성분을 얻고, 저항과 인덕턴스 칩을 이용하여 강제 공진을 하는 방법의 설계를 제안하고, 그 특성에 대해 서술하였다
이 논문에서는 휴대단말기의 내장형 FM 라디오용 안테나를 설계하였다. 안테나를 소형화 하면서 휴대 단말기에 내장하기 위하여 R과 L칩 소자를 이용하여 저주파수 정합을 얻을 수 있었다.
제안 방법
이는 칩의 위치가 임피던스 매칭에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 따라서 본연구에서는 칩의 위치를 R으로 정하여 설계하였다.
이는 FM 라디오 주파수 대역이 88〜108 MHz로 매우 낮은데, 마이크로 스트립 선로를 가장자리에 배치함으로써 선형 안테나와 같은 효과를 나타내 기 위 함이 다. 또한, 실제 사용에 있어서 손으로 휴대단말기를 쥐었을 경우, 근 방계 유도 현상에 의해 인체가 저주파수의 보조적 안테나 역할을 해 줌으로써 성능을 향상시킬 수 있다는 경험을 고려하여 설계 위치를 정하였다. 그리고 나머지 도체는 안테나의 그라운드로써 사용하였다.
안테나를 설계하였다. 안테나를 소형화 하면서 휴대 단말기에 내장하기 위하여 R과 L칩 소자를 이용하여 저주파수 정합을 얻을 수 있었다. 후면 패치와 단락 스터브를 이용하여 대역폭을 조절하고 등가적인 길이의 연장 효과를 구함으로써 안테나를 소형화시켰다 제안된 안테나의 크기는 40x70 mm, 반사손실은 99 MHz에서 -23 dB, 임피던스는 55-/7 Q, 대 역폭은 -10 dB를 기준으로 22 MHz(88〜110 MHz),방사 패턴은 무지향성을 보였으며, 이득은 FM 라디오 대역에서 최대 -15 dBi의 특성을 보였다.
R 성분은 임피던스의 실수부를 50 Q, L 성분은 허수부를 0 Q으로 정합하기 위함이며, 그림 1(b)에 보인 바와 같이 칩을 고려한 설계를 하였다. 정합을 위해 사용된 R과 L 소자의 값은 계산으로부터 48 Q, 215nH이다 먼저 최적화된 칩의 손실 특성을 가지는 위치를 찾기 위해 그림 1(b)에서 보는 바와 같이 칩의 위치를 그라운드와 근접한 곳(R), 안테나부의 중간지점(3), 안테나 끝단(0)으로 나누어서 시뮬레이션을 하였다. 그림 2에서 보는 바와 같이 칩의 위치가 각각 R, P2, P3일 때 안테나의 공진 주파수는 각각 125 MHz, 89 MHz, 131 MHz였다.
02인 FR-4 유전체 기판을 사용하여 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나는 Amitsu사의 네트워크 분석기(37369D, 40 MHz 〜40 GHz)로 반사 손실, 임피던스 특성을 측정하였으며, 대형 전파 암실(20x 7x6.6 杯)에서 방사 패턴과 이득을 측정하였다.
대상 데이터
그림 10에 제작된 안테나의 사진을 나타내었다. 안테나의 설계를 위해 Ansoft사의 HFSS를사용하였으며, 유전율이 4.4, 두께가 1 mm, 손실 탄젠트가 0.02인 FR-4 유전체 기판을 사용하여 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나는 Amitsu사의 네트워크 분석기(37369D, 40 MHz 〜40 GHz)로 반사 손실, 임피던스 특성을 측정하였으며, 대형 전파 암실(20x 7x6.
임피던스는 54+/3 Q, -10 dB 이하 대역폭은 20 MHz(88-108MHz)였다. 안테나의 크기를 60 mm 동시에 그라운드 크기를 57 mm까지 줄일 수 있으나, 대역폭을 -10 dB 이하 값을 기준으로 하였기 때문에 FM 라디오 주파수 대역을 만족하는 70 mm를 선택하였다
따라서 유도성 특성을 증가시켜줄 필요가 있다. 이를 위해서는 안테나의 크기를 크게 하여야 하지만 한정된 휴대단말기의 크기 때문에 집중정수 소자인 R, L칩을 사용하였다. R 성분은 임피던스의 실수부를 50 Q, L 성분은 허수부를 0 Q으로 정합하기 위함이며, 그림 1(b)에 보인 바와 같이 칩을 고려한 설계를 하였다.
성능/효과
나타낸다. L을 3 mm에서 5 mm까지 변화시켰으며, 4 mm일 때 -10 dB를 기준으로 대역폭 19 MHz(88〜 107 MHz)의 결과를 보였다, 반사 손실 특성은 97 MHz에서 최대 -27 dB, 임피던스는 53+/'2 Q으로 좋은 특성을 보였다.
추가하기 전 모델의 결과이다. 冷의 값을 4 nun에서 10 mm까지 변화시켰을 때, 즉, 照가 증가할수록 안테나의 길이는 증가하여, 등가적으로 유도성 성분인 £의 증가 효과에 의해 저주파수로의 이동이 나타났으며, 이는 안테나의 용량성 성분인 C를 보상하는 효과를 보여주고 있다. 다시 말해서, 안테나의 물리적 길이가 증가하여 공진 주파수가 낮은 주파수대역으로 이동하게 된 것이다.
일점쇄선은 실제로 사용되고 있는 삼성전자에서 개발된 이어폰 안테나의이득을 측정한 것으로 최대 이득 -12 dBi, 100 MHz 에서 -15 dBi로 나타났다. 설계 주파수 대역에서는 제안된 내장형 안테나의 이득과 유사한 값을 보이나, 전체적으로는 제안된 안테나보다 양호한 이득을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 동작 주파수가 저주파수이므로 이어폰의 길이에 따라 이득이 변하며, 길이의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있었다.
57 mm)까지 변화시켰다. 안테나의 길이가 70 mm(그라운드의 길이 67 mm)일 때 99 MHz에서 -28dB로 공진하는 최적의 특성을 보였다. 임피던스는 54+/3 Q, -10 dB 이하 대역폭은 20 MHz(88-108MHz)였다.
FM 주파수 대역에서 최대 이득은 -15 dBi로 측정되었으며, 90〜95 MHz 대역에 서 좋은 특성을 보이고 있다. 일점쇄선은 실제로 사용되고 있는 삼성전자에서 개발된 이어폰 안테나의이득을 측정한 것으로 최대 이득 -12 dBi, 100 MHz 에서 -15 dBi로 나타났다. 설계 주파수 대역에서는 제안된 내장형 안테나의 이득과 유사한 값을 보이나, 전체적으로는 제안된 안테나보다 양호한 이득을 보이는 것을 알 수 있다.
두 개의 스터브를 대칭 형태로 배치함으로써 각각의 스터브에 의한 유도성 성분뿐만 아니라, 두 스터브 간에 발생하는 상호 유도 결합으로 인해 안테나를 보다 더 소형화 할 수 있다. 하지만 스터브 간의 거리가 가까워질수록 안테나의 용량성 성분이 증가하여, 공진 주파수가 다시 높아지는 현상을 보였으며, 스터브 간의 간격이 15 mm일 때 54 MHz에서 -39 dB로 공진하였다 이 결과로부터 스터브간의 간격을 조절함으로써 안테나를 소형화시킬 수 있음을 확인하였다.
안테나를 소형화 하면서 휴대 단말기에 내장하기 위하여 R과 L칩 소자를 이용하여 저주파수 정합을 얻을 수 있었다. 후면 패치와 단락 스터브를 이용하여 대역폭을 조절하고 등가적인 길이의 연장 효과를 구함으로써 안테나를 소형화시켰다 제안된 안테나의 크기는 40x70 mm, 반사손실은 99 MHz에서 -23 dB, 임피던스는 55-/7 Q, 대 역폭은 -10 dB를 기준으로 22 MHz(88〜110 MHz),방사 패턴은 무지향성을 보였으며, 이득은 FM 라디오 대역에서 최대 -15 dBi의 특성을 보였다. 특히 제작된 안테나의 이득은 설계 주파수 대역 내에서 기존의 이어폰 안테나의 이득과 유사한 값을 보였다.
참고문헌 (7)
Yong-Sun Shin, Seong -Ook Park, 'A compact loop type antenna for Bluetooth, S-DMB, Wibro, Wi-Max, and WLAN applications', IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, pp. 320-323, Jun. 2007
B. Jung, J. -S. Lee, M. -J. Park, Y. -S, Chung, F. J. Harackiewicz, and B. Lee, 'TDMB/AMPS/GSM/DCS /PCS/SDMB internal antenna using parasitic element with switching circuit', Electronics Letters, vol. 42, no. 13, pp. 734-736, Jun. 2006
S. D. Eason, R. Libonati, 'UHF fractal antennas', IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 3, Jul. 2001
H. Y. Wang, M. 1. Lancaster, 'Aperture-coupled thin-film superconducting meander antennas;, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no. 5, pp. 829-836, May 1999
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