[논문]커패시터 구조를 급전 루프에 삽입한 광대역 PIFA 안테나 설계

김승우; 박상규; 김형동

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.10.1103

커패시터 구조를 급전 루프에 삽입한 광대역 PIFA 안테나 설계
Design of PIFA with Capacitor Structure Inserted into Feeding Loop 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.10 = no.161, 2010년, pp.1103 - 1108

김승우 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 박상규 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 김형동 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과)

초록
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본 논문에서는 PIFA의 급전점과 단락점을 둘러싸는 급전 루프 내부에 커패시터 구조를 삽입하는 새로운 타입의 4중 대역(GSM900/DCS/PCS/W-CDMA) PIFA 설계를 제안한다. 커패시터의 삽입을 통해서 병렬 공진점인 2.01 GHz에서의 반사 계수 -2.73 dB를 -6.26 dB로 낮추는 효과를 얻을 수 있었다. 병렬 공진에서의 좋지 못한 방사 특성을 개선시킴으로써 고차 대역(DCS/PCS/W-CDMA)에서의 광대역 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new type of PIFA with a capacitor structure inserted into the feeding loop. It operates in GSM900, DCS, PCS, and W-CDMA frequency bands. By inserting the capacitor, it shows the effect of lowering the return loss from -2.73 dB to -6.26 dB at the parallel frequency, 2.01 GHz. The improvement of the poor radiation property near the parallel resonance frequency leads to a broadband operation in the upper band, DCS, PCS, and W-CDMA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PIFA의 급전 루프 안에 커패시터를 삽입함으로써 병렬 공진 부근의 좋지 못한 방사 성능을 개선시킬 수 있는 구조가 제안되었다. 병렬 공진시 증가된 전류가 커패시터를 통해서 PIFA의 패치로 유입되었고, 이 증가된 공급 전류의 영향으로 방사 성능이 향상되었다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로써, 본 논문에서는 그림 1과 같이 PIFA의 급전점과 단락점을 둘러싸는 루프 안에 커패시터를 삽입하는 구조를 제안하였다. 커패시터 구조를 삽입할 경우, 급전 루프 안에는 커패시터와 단락 핀을 둘러싸는 또 다른 루프가 형성된다.
이러한 주파수 광대역화의 어려움을 해결하기 위해 본 논문에서는 PIFA의 급전점과 단락점을 둘러싸는 루프 안에 커패시터 구조를 삽입함으로써^[8] 고차 대역(DCS/PCS/W-CDMA)에서 광대역을 이룰 수 있는 새로운 타입의 PIFA 구조를 제안한다. GSM 대역에서 공진하는 길이가 긴 방사 가지의 두 번째 직렬 공진과 고차 대역에서 공진하는 상대적으로 길이가 작은 방사 가지의 직렬 공진 사이에서 발생하는 병렬 공진에서의 좋지 못한 방사 성능을 개선시켰고, 따라서 고차 대역의 광대역 특성을 얻을 수 있었다.

제안 방법

그림 6에는 선택된 특정 주파수에서의 측정된 안테나 방사 패턴을 나타내었다. 총 4개의 주파수를 선택하였고, 각각 가지 구조 1의 첫 번째 공진(0.92 GHz), 가지 구조 1의 두 번째 공진(1.80 GHz), 가지 구조 1과 가지 구조 2 사이의 병렬 공진(2.01 GHz), 가지 구조 2의 직렬 공진(2.15 GHz)점이다. 우선 GSM900 대역의 방사 성능을 살펴보기 위해 중심 주파수 0.

대상 데이터

그라운드의 크기는 40×79 mm2이고, PIFA 패치의 부피는 39.5×14×6 mm3이다.
제안된 안테나의 구조를 그림 1에 나타내었다. 안테나는 유전율 4.4, 두께 1.6 mm의 FR-4 PCB 기판으로 제작되었다. 그라운드의 크기는 40×79 mm²이고, PIFA 패치의 부피는 39.

성능/효과

01 GHz에서의 커패시터 삽입 효과를 그림 3을 통해서 나타내었다. 그림 3의 (b)는 커패시터를 삽입했을 경우 병렬 공진 점에서의 전류 분포를 나타내고 있는데, 커패시터를 삽입하지 않은 그림 3의 (a) 경우보다 훨씬 증가된 전류가 커패시터를 통해서 PIFA의 패치로 공급되고 있음을 확인할 수 있다. 성능 향상의 효과를 보이기 위해 커패시터 구조의 유무에 따른 반사 손실 비교를 그림 2에 나타내었다.
고차 대역(DCS/PCS/W-CDMA)에서 광대역을 이룰 수 있는 새로운 타입의 PIFA 구조를 제안한다. GSM 대역에서 공진하는 길이가 긴 방사 가지의 두 번째 직렬 공진과 고차 대역에서 공진하는 상대적으로 길이가 작은 방사 가지의 직렬 공진 사이에서 발생하는 병렬 공진에서의 좋지 못한 방사 성능을 개선시켰고, 따라서 고차 대역의 광대역 특성을 얻을 수 있었다.
고차 대역의 측정된 안테나 효율을 토대로, 그림 2에서 나타낸 반사 손실의 성능 향상이 실제 안테나의 방사 성능의 향상으로 이어짐을 확인할 수 있었다. 결과적으로 본 논문에서 제안하는 설계가 실제 방사 성능 면에서도 고차 대역의 광대역 확보가 가능한 구조임을 확인할 수 있다.
주파수가 높아짐에 따라 PIFA 패치에서의 방사가 커지므로 전 방향성이 약화됨을 확인할 수 있다. 고차 대역의 측정된 안테나 효율을 토대로, 그림 2에서 나타낸 반사 손실의 성능 향상이 실제 안테나의 방사 성능의 향상으로 이어짐을 확인할 수 있었다. 결과적으로 본 논문에서 제안하는 설계가 실제 방사 성능 면에서도 고차 대역의 광대역 확보가 가능한 구조임을 확인할 수 있다.
H-평면의 그래프를 통해서 전 방향성의 방사 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 다음으로, 고차 대역 DCS/PCS/W-CDMA의 방사 특성으로서 1.80 GHz에서 1.84 dBi, 58.21 %, 2.01 GHz에서 2.08 dBi, 56.30 %, 2.15 GHz에서 4.64 dBi, 67.80 %의 peak gain과 효율이 각각 측정되었다. 주파수가 높아짐에 따라 PIFA 패치에서의 방사가 커지므로 전 방향성이 약화됨을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 PIFA의 급전 루프 안에 커패시터를 삽입함으로써 병렬 공진 부근의 좋지 못한 방사 성능을 개선시킬 수 있는 구조가 제안되었다. 병렬 공진시 증가된 전류가 커패시터를 통해서 PIFA의 패치로 유입되었고, 이 증가된 공급 전류의 영향으로 방사 성능이 향상되었다. 커패시터 삽입의 유무에 따른 반사 손실을 비교함으로써 성능 향상을 검증하였고, 시뮬레이션 데이터와 실제로 제작된 안테나의 측정 결과 비교함으로써 제안된 안테나의 제작 가능성을 확인하였다.
그림 5는 커패시터를 삽입한 구조의 시뮬레이션 결과와 실제 제작 후 측정한 결과를 비교하고 있다. 시뮬레이션은 Ansoft사의 HFSS를 이용하였고, 결과를 통해 시뮬레이션과 측정값이 상당히 일치함을 확인할 수 있다.
15 GHz)점이다. 우선 GSM900 대역의 방사 성능을 살펴보기 위해 중심 주파수 0.92 GHz를 선택하였고, 그 결과 안테나 peak gain은 1.62 dBi, 효율은 73.48 %로 측정되었다. H-평면의 그래프를 통해서 전 방향성의 방사 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
위와 같이 커패시터를 삽입하지 않은 PIFA 구조만을 분석함으로써 2 GHz 근처에 형성된 병렬 공진이 고차 대역 광대역 확보를 방해하고 있음을 확인할 수 있다. 일반적으로 길이가 다른 복수 개의 가지를 통해서 각각의 방사체로부터의 공진 주파수를 인접시킴으로써 광대역을 얻고자 하는 경우, 중심 주파수 사이에는 높은 VSWR을 갖는 병렬 공진점이 발생한다.
성능 향상의 효과를 보이기 위해 커패시터 구조의 유무에 따른 반사 손실 비교를 그림 2에 나타내었다. 커패시터 구조의 삽입을 통해서 2.01 GHz 부근의 방사 성능을 향상시킬 수 있었고, 그 결과 반사 손실 값을 기존보다 3.53 dB 떨어뜨릴 수 있었다.
병렬 공진시 증가된 전류가 커패시터를 통해서 PIFA의 패치로 유입되었고, 이 증가된 공급 전류의 영향으로 방사 성능이 향상되었다. 커패시터 삽입의 유무에 따른 반사 손실을 비교함으로써 성능 향상을 검증하였고, 시뮬레이션 데이터와 실제로 제작된 안테나의 측정 결과 비교함으로써 제안된 안테나의 제작 가능성을 확인하였다.
6 mm로 고정시켰다. 커패시턴스 크기를 결정하는 구조의 변화를 통해서 coupling의 정도를 조절할 수 있고, 최적화된 성능을 나타내는 길이 L과 개수 N을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PI- FA타입의 안테나가 고안된 이유는 무엇인가?	위와 같이 급격하게 발전하는 무선 통신 기술과 더불어, 신호의 송신과 수신에 있어 핵심적인 디바이스인 안테나의 설계 기술 또한 발전해 왔다. 과거의 외장형 안테나를 내장 및 소형화시키기 위해 PI- FA(Planar Inverted-F Antenna) 타입의 안테나가 고안되었고, 이것은 현재도 휴대 단말기용 안테나로써 널리 사용되는 구조 중 하나이다. 또한, 보다 다양한 서비스와 시스템의 지원을 위해서 다중 대역 및 광대역의 주파수 범위에서 동작하는 안테나의 개발이 중요시 되어 왔다.
	PIFA 타입의 안테나에서 광대역화를 이룰 수 있는 방안으로 무엇을 생각해 볼 수 있는가?	현재 널리 쓰이고 있는 PIFA 타입의 안테나에서 광대역화를 이룰 수 있는 방안으로써 단순히 다른 주파수 영역에서 공진하는 복수의 가지 구조 방사체의 길이와 크기를 조절하여 연결시키는 방법을 생각해 볼 수 있다. 하지만 이러한 방사체 가지의 단순 연결은 서로 다른 길이의 방사체 가지로부터 연유한 공진들 사이에 병렬 공진(parallel resonance)가 발생되기 때문에 광대역화를 이루기 어려운 점이 있다[7].
	다중 대역 및 광대역의 주파수 범위에서 동작하는 안테나의 개발을 위해 어떠한 방법들이 있었는가?	또한, 보다 다양한 서비스와 시스템의 지원을 위해서 다중 대역 및 광대역의 주파수 범위에서 동작하는 안테나의 개발이 중요시 되어 왔다. 그 방안으로써 복수의 방사체 가지를 연결시키는 방법이나[1],[2] PIFA의 패치에 기생의 방사체를 근접시키는 방법[3],[4] 등이 연구가 되었고, 그 밖의 다양한 시도가 수행[5],[6]되었다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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김상준, 이대헌, 박천석, "이동 통신 광대역 PIFA 안테나 설계 및 해석", 한국전자파학회논문지, 14(8), pp. 855-862, 2003년 8월.

원문보기 상세보기
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상세보기
P. Linberg, E. Ojefors, "A bandwidth enhancement technique for mobile handset antennas using wavetraps", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 8, pp. 2226-2233, Aug. 2006.

상세보기
B. S. Yarman, Design of Ultra Wideband Antenna Matching Networks, Springer, 2008.
김형동, 전신형, 최형철, "분기 캐패시터를 이용한 역-F 안테나", 특허 제10-2009-0077306호, 2009년.
I. J. Bahl, Lumped Elements for RF and Microwave Circuits, Artech House, 2003.
A. M. Niknejad, Electromagnetics for High-Speed Analog and Digital Communication Circuits, Cambridge University Press, 2007.

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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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