[논문]전기-자기계 방사체 결합형 노트 PC용 안테나

김용진; 김진환

doi:10.5370/kieep.2010.59.1.024

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is presented on the antenna design for notepc platform. We present the antenna with combination of electric-magnetic radiator for dual-band Wireless Local Area Network (WLAN) service and a High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) service. Due to the limited antenna space in notepc platfo...

This paper is presented on the antenna design for notepc platform. We present the antenna with combination of electric-magnetic radiator for dual-band Wireless Local Area Network (WLAN) service and a High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) service. Due to the limited antenna space in notepc platform, the antennas for various wireless communication service should be located at a very small area. In this paper, the magnetic-type radiator works for high frequency band (1.7 - 2.1 GHz) application and the electric-type radiator works for low frequency band (820 - 960 MHz) application. This combination produces wide-band characteristics in the high frequency band. Simulation and experimental results of input impedance and gain characteristics of the proposed antenna are presented. There are good agreements between the simulated and measured S11 and gain values.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Ground plane 의 사이즈는 실제 노트 PC platform 보다 작은 사이즈로 시뮬레이션 하였으며, 이는 시뮬레이션시의 계산 시간을 줄이기 위함 이었다. 따라서, 실제 측정 값과는 다소의 차이가 있을 수 있으나, 이것은 실제 측정시의 세부 tuning 을 통하여 해결하고자 한다.
이러한 결합형 구조의 안테나 설계는 UWB 안테나 설계를 위하여 근래에 연구되고 있으며, 지향성 안테나 beam pattern 의 요구가 증대되는 통신 서비스 개발에 맞추어 연구가 활발히 진행되고 있다 [8-9]. 본 논문에서는 이러한 결합형 구조를 이용하여, 노트 PC 쪽으로 방사되는 이득을 줄이고, 수신을 위한 공간상으로의 방사 이득을 높임으로써, 전체적인 시스템의 수신 강도를 높이고자 하였다. 본 논문에서는 ansoft 사의 HFSS 전자장 해석 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 안테나를 제작하여 실제 노트북 platform mock-up 에 장착하여 측정 하였다.
본 논문에서는 전기계 안테나인 PIFA 안테나와 자기계 안테나인 Loop 안테나 결합형 구조를 가지는 노트북용 안테나를 제안했다. 결합형 구조의 안테나는 f = 900 MHz, 2 GHz, 3.
본 측정 환경에 의해서, cable loss 에 의한 S11 의 감쇠가 예상되며, 시뮬레이션 모델과 다른 ground 환경을 사용함으로서, 보다 실제 환경에 가까운 측정을 구현 하고자 하였다. 노트북 내에서의 안테나의 위치는 그림에 보였듯이 우측 구석의 상단부에 위치한다.

제안 방법

본 논문에서는 ansoft 사의 HFSS 전자장 해석 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 안테나를 제작하여 실제 노트북 platform mock-up 에 장착하여 측정 하였다.또한, 안테나의 방사 이득값은 기존의 상용 PIFA 안테나의 이득과 비교하였다.
본 논문에서는 이러한 결합형 구조를 이용하여, 노트 PC 쪽으로 방사되는 이득을 줄이고, 수신을 위한 공간상으로의 방사 이득을 높임으로써, 전체적인 시스템의 수신 강도를 높이고자 하였다. 본 논문에서는 ansoft 사의 HFSS 전자장 해석 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 안테나를 제작하여 실제 노트북 platform mock-up 에 장착하여 측정 하였다.또한, 안테나의 방사 이득값은 기존의 상용 PIFA 안테나의 이득과 비교하였다.
안테나의 사이즈 소형화 및 광대역화, meta-material 과 같은 새로운 재료적 접근법등의 많은 노력이 진행되고 있다. 본 논문에서는 전기적 방사 성능을 가지는 PIFA 형 안테나와 자기계 방사 성능을 가지는 loop 형 안테나의 결합형으로 주어진 공간 안에 두 안테나의 적절한 조합으로 하나의 급전부를 가지면서 1.7 GHz - 2.1 GHz 대역의 high frequency band 에서는 loop 안테나가 동작을 하고, 820 MHz - 960 MHz 대역에서는 노트북 안테나에서 많이 사용되고 있는 PIFA 형 안테나로 동작하는 구조를 제안한다. 소형 안테나 구현의 경우, 전기계 방사체의 capacitive 한 임피던스 특성과 자기계 방사체의 inductive 한 임피던스 특성의 결합을 통하여 구현하고자 하는 안테나의 임피던스 특성이 기존의 제1 공진점 이하주파수 대역에서 이루어짐으로써, 안테나의 사이즈를 줄일수 있게 된다 [8-9].
노트북 내에서의 안테나의 위치는 그림에 보였듯이 우측 구석의 상단부에 위치한다. 시뮬레이션에서 안테나는 정 중앙에 위치하였으나, mock-up 의 노트북 개폐를 위한 장치로 인하여 부득이 하게 위치를 수정 장착하여 측정 하였다.
제안된 결합형 안테나의 설계를 위하여 먼저 자기계 방사체를 가지는 loop 안테나를 설계 하였다. 목적 주파수 1.

대상 데이터

58 λ). 시뮬레이션을 위한 ground plane 의 경우, 사이즈는 62 mm x 140 mm 이다. 제안된 loop 안테나의 길이의 경우, ground plane 을 고려한 최단거리로 계산하면, 142 mm (f = 2GHz에서 0.

성능/효과

5 GHz에서 보여 진다. 3개의 공진 주파수를 가지는 특성은 시뮬레이션과 동일한 결과를 보였으나, 주파수의 경우는 약간 shift 된 특성을 나타낸다. 이것은 LCD 창에 따른 ground 조건의 변화, 안테나 장착 위치의 변화에 의해서 나타난 결과로 생각된다.
본 논문에서는 전기계 안테나인 PIFA 안테나와 자기계 안테나인 Loop 안테나 결합형 구조를 가지는 노트북용 안테나를 제안했다. 결합형 구조의 안테나는 f = 900 MHz, 2 GHz, 3.5 GHz에서 공진특성을 보이며, 2GHz 대역에서는 450 MHz 의 광대역 특성을 보였다. 안테나 사이즈는 2840 mm³ 의 크기를 가진다.
기존 안테나와 측정 결과를 비교하면, 저주파 대역에서는 900 MHz 이후의 이득값은 비슷하나, 이전 대역의 이득 값은 약 -3dB 정도 떨어지는 성능을 보인다. 그러나 고주파 대역 (2GHz 대역) 에서는 공진 주파수의 shift 를 고려하면 제안된 안테나가 동등한 이득 값을 가지면서 약 400 MHz 이상의 광대역 특성을 보이고 있다. 이것은 전기계 안테나와 자기계 안테나의 결합에 따른 광대역 특성을 보여준다고 생각되어 진다 [8-9].
측정 결과는 vertical polarization 를 기준으로 azimuthal plane (H-plane, x-y 평면) 의 측정 결과이다. 기존 안테나와 측정 결과를 비교하면, 저주파 대역에서는 900 MHz 이후의 이득값은 비슷하나, 이전 대역의 이득 값은 약 -3dB 정도 떨어지는 성능을 보인다. 그러나 고주파 대역 (2GHz 대역) 에서는 공진 주파수의 shift 를 고려하면 제안된 안테나가 동등한 이득 값을 가지면서 약 400 MHz 이상의 광대역 특성을 보이고 있다.
측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 보였으며 유사한 결과를 나타내었다. 방사 이득의 경우, 기존 상용 안테나와 성능을 비교 하였으며, f = 900 MHz 대역에서는 동등한 성능을 보였으며, f = 2 GHz 대역에서는 광대역의 특성을 보였다.
시뮬레이션 방사 패턴의 경우, 저주파 대역에서는 PIFA 의 특성을 보이며, 고주파 대역에서는 loop 안테나의 특성을 보인다. 최대 방사 이득의 경우, f = 950 MHz 에서 2.54 dBi 의 특성을 보이며, f = 1.94 GHz에서 2.47 dBi 의 특성을 보였다.

후속연구

결합형 안테나의 공진 주파수의 경우, PIFA 형 안테나의 공진 주파수와 Loop 안테나의 공진 주파수가 동시에 공진하는 구조로서 다수의 공진 주파수를 얻고자 하는 안테나 설계에 사용할 수 있다. 또한, 다양한 안테나 beam pattern 의 구현이 요구되어 지는 안테나 설계에도 결합형 안테나의 적용도 증대되리라 생각된다.
이것은 전기계 안테나와 자기계 안테나의 결합에 따른 광대역 특성을 보여준다고 생각되어 진다 [8-9]. 본 논문에서 제안된 구조는 multi-band 를 구현하기 위한 안테나 설계에도 유용하리라 생각된다. 결합형 안테나의 공진 주파수의 경우, PIFA 형 안테나의 공진 주파수와 Loop 안테나의 공진 주파수가 동시에 공진하는 구조로서 다수의 공진 주파수를 얻고자 하는 안테나 설계에 사용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 안테나 구현에 관해 설명하시오.	1 GHz 대역의 high frequency band 에서는 loop 안테나가 동작을 하고, 820 MHz - 960 MHz 대역에서는 노트북 안테나에서 많이 사용되고 있는 PIFA 형 안테나로 동작하는 구조를 제안한다. 소형 안테나 구현의 경우, 전기계 방사체의 capacitive 한 임피던스 특성과 자기계 방사체의 inductive 한 임피던스 특성의 결합을 통하여 구현하고자 하는 안테나의 임피던스 특성이 기존의 제1 공진점 이하주파수 대역에서 이루어짐으로써, 안테나의 사이즈를 줄일수 있게 된다 [8-9]. 따라서, 안테나 장착의 공간을 줄일 수 있으며, 광대역의 특성을 얻을 수 있다.
	안테나와 관련된 산업계 및 학계의 고민이 점점 깊어지고 있는 이유는?	Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) 시스템의 적용이 점점 현실화 되고 있는 시점에서 정해진 안테나 공간 안에서 많은 안테나들의 무선기기 안의 실장은 피할 수 없다［５-7]. 안테나를 실장 할 수 있는 공간은 점점 적어지고, 요구되어 지는 무선 서비스는 점점 많아지면서 안테나와 관련된 산업계 및 학계의 고민은 점점 깊어지고 있다. 안테나의 사이즈 소형화 및 광대역화, meta-material 과 같은 새로운 재료적 접근법등의 많은 노력이 진행되고 있다.
	본 논문에서 제안한 노트북용 안테나의 크기는?	5 GHz에서 공진특성을 보이며, 2GHz 대역에서는 450 MHz 의 광대역 특성을 보였다. 안테나 사이즈는 2840 mm3 의 크기를 가진다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 보였으며 유사한 결과를 나타내었다.

참고문헌 (9)

Junho Yeo, Young Ju Lee and Raj Mittra, "A Novel Dual-band WLAN ANtenna for Notebook Platfprms", 2004 IEEE AP-S International Symposium and URSI National Radio Science Meeting, Monterey (2004).
Chih-Ming Su, Wen-Shyang Chen, and Kin-Lu Wong, "Compact dual-band metal-plate antenna for 2.4/5.2 GHz WLAN operation",Microwave and Optical Technology Letters, vol. 38, issue 2 (2003),pp. 113-115.

상세보기
Cheng-Hao Kuo, Kin-Lu Wong, and Fa-Shian Chang, "Internal GSM/DCS dual-band open-loop antenna for laptop application", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 49, issue 3 (2007), pp. 680-684.

상세보기
D.Liu, and T.J. Beukema, "Developing integrated antenna subsystems for laptop computers", IBM Journal of Research and Development, vol.47, num. 2/3 (2003).
Pasi Suvikunnas and Pertti Vainikaninen, "A Novel MIMO Antenna for Laptop Type Device", Proceedings of the Antenna Measurement Techniques Association, Stone Mountain, Georgia, USA (2004).
Chi-Yuk Chiu and Ross D. Murch, "Dual band antenna tube for MIMO application", 2008 IEEE AP-S International Symposium and URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA (2008).
Hua Zhong and Wenhua Chen, "A Conformal Tri-polarization Antenna", 2008 IEEE AP-S International Symposium and URSI National Radio Science Meeting, San Diego, USA (2008).
D. -H. Kwon, E. V. Balzovsky, Y. I. Buyanov, Y.Kim, and V. I. Koshelev, "Small printed combined electric-magnetic type ultrawideband antenna with directive radiation characteristics," IEEE Trans Antennas Propag 56 (2008), 237-241.

상세보기
김용진, 정창원, 김영봉, 권도훈, "전기-자기계 방사체 결합형 소형 초광대역 안테나," Trans. KIEE. Vol. 58 P. No.1 (2009), 33-37.

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