[논문]결합계수 및 공진 주파수 조절이 가능한 내장형 PIFA에 관한 연구

이상현; 이문우

doi:10.9708/jksci.2010.15.10.099

결합계수 및 공진 주파수 조절이 가능한 내장형 PIFA에 관한 연구
A Study on Coupling Coefficient and Resonant Frequency Controllable Internal PIFA 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.15 no.10, 2010년, pp.99 - 104

이상현 (한국폴리텍I대학 서울정수캠퍼스 유비쿼터스통신학과) , 이문우 (한국폴리텍I대학 서울정수캠퍼스 유비쿼터스통신학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 PIFA의 방사체와 접지면의 물리적 변화없이 안테나의 결합 계수와 공진 주파수를 조절할 수 있는 이동 통신 단말기용 내장형 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 하나의 단락점에 추가된 인덕턴스에 따라 급전점과 단락점 사이의결합계수 뿐만 아니라 안테나의 공진 주파수도 조절한다. 제안된방법은 전계의 세기가 약한단락점에 인덕터를 연결하여 안테나의 성능 변화를 최소화 했다. PIFA의 단락점과 접지면 사이에 추가된 인덕터의 값이 0nH ~ 3.3nH로 변할 때 조절 가능한 공진 주파수 범위는 1650MHz ~ 1830MHz (약 180MHz)이고 인덕터의 값이 커질수록 안테나의 결합계수는 커진다. 이를 통하여 이동 통신 단말기의 형태 및 사용자의 환경에 따른 임피던스 및 공진 주파수의 변화를 전기적으로 조절하여 부정합에 의한 손실을 최소화했고 안테나 방사 성분의 어떠한 변형 없이 10%의 크기 감소효과를 얻을 수 있다. 1650MHz ~ 1830MHz의 주파수 영역에서 측정된 PIFA의 이득 감소는 0 ~ 3.3nH의 인덕터 값의 변화에 따라 0.93dB 이내이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the internal antenna for mobile communication handset which is able to control both coupling coefficient and resonant frequency without any major modification of radiator and ground plane of PIFA(Planner Inverted F Antenna). The resonant frequency as well as amount of coupling between feeding point and shorting post can be adjusted by changing inductance. Because the inductor is connected on shorting post where the strength of electric field is weak, the performance reduction of the proposed antenna is very small enough to neglect. For the variation of the inductance value within 3.3nH, the resonant frequency of antenna can have operating range of 1650MHz ~ 1830MHz. And as be increased the inductance, the coupling coefficient of antenna is over coupled. This means that it can be electrically controlled the resonant frequency and input impedance of antenna by inductance and minimized the mismatch loss. Size reduction of 10% for PIFA is obtained without any major modifications of antenna elements. For the frequency range from 1650 to 1830MHz, reduction of the measured antenna gain is within 0.93dB as varying the value of inductance from 0 to 3.3nH.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 종류의 안테나들의 입력 임피던스는 급전 위치에서의 전계와 자계의 비로 결정되므로 임의의 임피던스를 전기적으로 조절하여 정합하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 본 논문에서는 안테나 방사체 및 그라운드의 물리적인 변형없이 효과적으로 입력 임피던스 및 공진 주파수를 조절하여 부 정합에 의한 손실을 줄일 수 있는 안테나를 제안하였다.
본 논문에서는 이동 통신 단말기 내장형 안테나에서 일반적으로 가장 많이 사용되는 PIFA의 단락점과 그라운드 사이에 집중형 소자인 인덕터를 추가하여 안테나의 결합계수와 공진 주파수를 조절하여 단말기의 형태 및 사용자의 환경등의 영향에 따른 부정합 손실을 최대한 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 제안된 방법은 전계의 세기가 약한 지점인 단락점에 인덕터를 사용하여 안테나의 성능에 미치는 영향을 최소화했다.

제안 방법

07)을 이용하여 방사체의 전체 높이 h=6 mm를 확보하였다. 또한 제안된 안테나의 각각의 단락점과 접지면 사이에 그림 2와 같이 인덕터를 추가하여 안테나 성능의 변화를 비교하였다.
첫 번째 방법은 단락점에 인덕터를 추가하는 것이고, 두 번째 방법은 개방점에 캐패시터를 추가하는 것이다. 본 논문에서는 그 중에서 단락점에 인덕터를 추가하는 방법을 선택하였다. 일반적으로 전도 전류 형태의 에너지가 안테나로부터 (특히 효율 변화)를 위해 개방점에 캐패시터를 연결하는 방법보다 전압이 낮은 지점, 즉 전계의 세기가 약한 지점인 단락점에 인덕터를 연결하는 방법이 더 효과적이기 때문이다.
본 논문은 위의 이론을 이용하여 기존의 PIFA 구조의 접지면과 단락점 사이에 인덕터를 추가하는 방법을 적용하여 안테나의 소형화에 따른 성능 변화를 시뮬레이션과 측정을 통해 비교 및 분석하였다.
제안된 안테나는 하나의 급전점과 단락점을 가지는 일반적인 PIFA 형태이다. 안테나의 입력 임피던스 및 공진 주파수의 조절은 전계의 세기가 약한 단락점과 그라운드 사이에 인덕터를 연결하여 인덕턴스의 값에 따라 입력 임피던스와 공진 주파수를 효과적으로 조절할 수 있도록 설계되었다. 제안된 안테나는 등가회로를 통한 안테나 구조 분석과 EM 시뮬레이터를 이용한 계산결과를 토대로 설계 되었으며, 제작되어진 안테나는 에질런트사의 네트워크 아날라이져 E5071B와 전자파 무반사실을 이용하여 각각의 인덕터 값에 따른 안테나의 특성 변화를 비교 및 분석하였다.
본 논문에서는 이동 통신 단말기 내장형 안테나에서 일반적으로 가장 많이 사용되는 PIFA의 단락점과 그라운드 사이에 집중형 소자인 인덕터를 추가하여 안테나의 결합계수와 공진 주파수를 조절하여 단말기의 형태 및 사용자의 환경등의 영향에 따른 부정합 손실을 최대한 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 제안된 방법은 전계의 세기가 약한 지점인 단락점에 인덕터를 사용하여 안테나의 성능에 미치는 영향을 최소화했다.
안테나의 입력 임피던스 및 공진 주파수의 조절은 전계의 세기가 약한 단락점과 그라운드 사이에 인덕터를 연결하여 인덕턴스의 값에 따라 입력 임피던스와 공진 주파수를 효과적으로 조절할 수 있도록 설계되었다. 제안된 안테나는 등가회로를 통한 안테나 구조 분석과 EM 시뮬레이터를 이용한 계산결과를 토대로 설계 되었으며, 제작되어진 안테나는 에질런트사의 네트워크 아날라이져 E5071B와 전자파 무반사실을 이용하여 각각의 인덕터 값에 따른 안테나의 특성 변화를 비교 및 분석하였다.
제안된 안테나는 하나의 급전점과 단락점을 가지는 일반적인 PIFA 형태이다. 안테나의 입력 임피던스 및 공진 주파수의 조절은 전계의 세기가 약한 단락점과 그라운드 사이에 인덕터를 연결하여 인덕턴스의 값에 따라 입력 임피던스와 공진 주파수를 효과적으로 조절할 수 있도록 설계되었다.
안테나의 물리적인 구조의 변화없이 인덕턴스 성분 혹은 캐패시턴스 성분의 변화로서 공진 주파수를 조절할 수 있는 방법은 크게 두 가지로 보고되어왔다. 첫 번째 방법은 단락점에 인덕터를 추가하는 것이고, 두 번째 방법은 개방점에 캐패시터를 추가하는 것이다. 본 논문에서는 그 중에서 단락점에 인덕터를 추가하는 방법을 선택하였다.

대상 데이터

FR4 유전체 아래에는 두께 h2 = 5mm인 foam(εr =1.07)을 이용하여 방사체의 전체 높이 h=6 mm를 확보하였다.
제안된 안테나의 접지면은 1mm의 두께를 가지는 FR4(εr = 4.7) 기판을 이용했다.

성능/효과

PIFA 형태에서 추가된 인덕터에 의해 안테나의 방사소자의 크기 변화 없이 커플링 값을 조절할 수 있었고 공진 주파수의 조절을 통해 약 10% 정도의 안테나 크기 감소 효과를 얻을 수 있다.

후속연구

제안된 안테나는 이동 통신 단말기에 적용하기 위해 집중형 소자 대신 능동형 가변소자를 사용하여 전기적으로 조절하여 능동적으로 만족할 수 있는 안테나에 대한 연구를 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESA의 임피던스 대역폭은 어떤 값으로 결정되어지는가?	최근 이동 통신 단말기의 가장 주목할 만한 변화는 셀룰러, PCS, 위성통신, WLAN 등과 같은 여러 응용 분야들이 하나의 단말기로 통합되고 있다는 점이다[1]. 하지만 내장형 안테나 들은 단말기의 제한된 공간 내에 설치되어져야 하기 때문에 전기적인 소형 안테나 (ESA : Electrically Small Antenna)로 구현되는 것이 대부분이며, 일반적으로 ESA의 임피던스 대역폭은 Chu와 Wheeler에 의해 정의되어진 방사 Q값으로 결정되어질 수 있다[2],[3]. 결론적으로 ESA의 대역폭은 안테나가 차지하는 부피에 비례하기 때문에 기본적으로 협소한 공간 내에서 집적되는 ESA는 좁은 임피던스 대역폭을 갖게 된다[4].
	하나의 안테나로 다중대역 특성을 가지는 안테나를 설계하는 것이 어려운 이유는?	최근의 이동통신 기술은 여러 응용 분야를 하나의 시스템으로 통합하는 추세이다. 그러나 이러한 시스템의 물리적인 크기는 한정되어 있기 때문에 여러개의 안테나를 구성하기 위해서는 공간적인 제약을 받는다. 따라서 하나의 안테나로 다중대역 특성을 가지는 안테나를 설계하는 것은 매우 어렵다.
	현재 이동 통신 단말기의 내장형 안테나는 어떤 형태로 설계되고 있는가?	또한 사용자의 환경(손, 두부등)에 따른 안테나의 입력 임피던스 및 공진주파수의 변화도 매우 심하다[5],[6]. 현재 이동 통신 단말기의 내장형 안테나 형태는 대부분 PIFA, Monopole 등의 형태들로 설계되어진다. 이러한 종류의 안테나들의 입력 임피던스는 급전 위치에서의 전계와 자계의 비로 결정되므로 임의의 임피던스를 전기적으로 조절하여 정합하는 것은 매우 어려운 일이다.

참고문헌 (11)

H. Tamaoka, H. Hamada, and T. Ueno, "A multiband antenna formobile phones," Furukawa Review, no. 26, 2005.
H. A. Wheeler, "Small Antenna," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. AP-23, pp. 462-469, Jul. 1975.
L. J. Chu, "Physical limitations of omni-directional antennas," J. Appl. Phys., vol. 19, pp. 1163-1175, Dec. 1948.

상세보기
A. K. Skrivervik, J. F. Zurcher, O. Staub, and J. R. Mosig, "PCSantenna design:the challenge of miniaturization," IEEE Antenna and Propagation Magazine, vol. 43, pp. 12-17, Aug. 2001.
Olle Edvardsson, "SDA a new family of small antennas used since long time," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2001., vol 3, pp. 464-467, July 2001.
O. Kivekas, J. Ollikainen, T. Lehtiniemi, Vainikainen, "Bandwidth, SAR, and Efficiency of Internal Mobile Phone Antennas," IEEE Transactions, Electromagnetic Compatibility, vol. 46, pp.71-86, Feb 2004.

상세보기
Olle Edvardsson, "On the influence of capacitive and inductive loading on different types of small patch/PIFA structures for use on mobile phones," Antennas and propagation, IEEE, vol 2, pp. 762-765, April 2001.
Costantine. J, Christodoulou. C. G, Barbin. S. E, "A new reconfigurable multi band patch antenna," Microwave and Optoelectronics Conference, pp. 75-78, Dec. 2007.
Nikolaou. S, Boyon Kim, Vryonides. P, "Reconfiguring antenna characteristics using PIN diodes," Antenna and Propagation, pp. 3748-3752, Jun. 2009.
J. L. Freeman, B. J. Lamberty, and G. S. Andrews,"Optoelectronically reconfigurable monopole antenna," Electronics Letters, vol. 28, Jul. 1992.

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Fan Yang and Y. Rahmat-Samii, "Patch antennas with switchable slots (PASS) in wireless communications: concepts, designs, and applications," Antennas and Propagation Magazine, IEEE, vol. 47, pp. 13-29, Apr. 2005.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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