본 논문에서는 이동 통신 단말기에 적합한 소형 광대역 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 프린트된 사각형 모노폴 형태와 그라운드 면에 얇은 미앤더 선로로 연결된 기생 소자로 구성되며, 실제 단말기 환경에 맞춰서 45 mm${\times}$90 mm 크기를 갖는 두께 0.8 mm이고, 유전율 4.4인 FR-4 기판을 이용하여 시스템 기판을 이용하여 설계하였다. 실제 제작한 안테나의 크기는 10.5 mm${\times}$12.5 mm${\times}$0.8 mm이며, 반사 손실 -10 dB 대역폭은 2,200~6,000 MHz, 이득은 2.86~4.01 dBi을 가짐을 측정을 통해 확인하였다. 따라서 제안된 안테나는 국내 WiBro 서비스 대역(2,300~2,380 MHz)과 WLAN 대역(IEEE 802.11b/g/n: 2,400~2,480 MHz, IEEE 802.11a: 5,150~5,825 MHz) 그리고 국외 mobile WiMAX 대역(IEEE 802.16e: 2,500~2,690 MHz, 3,400~3,600 MHz)을 지원하는 단말기 안테나로 적합하다.
본 논문에서는 이동 통신 단말기에 적합한 소형 광대역 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 프린트된 사각형 모노폴 형태와 그라운드 면에 얇은 미앤더 선로로 연결된 기생 소자로 구성되며, 실제 단말기 환경에 맞춰서 45 mm${\times}$90 mm 크기를 갖는 두께 0.8 mm이고, 유전율 4.4인 FR-4 기판을 이용하여 시스템 기판을 이용하여 설계하였다. 실제 제작한 안테나의 크기는 10.5 mm${\times}$12.5 mm${\times}$0.8 mm이며, 반사 손실 -10 dB 대역폭은 2,200~6,000 MHz, 이득은 2.86~4.01 dBi을 가짐을 측정을 통해 확인하였다. 따라서 제안된 안테나는 국내 WiBro 서비스 대역(2,300~2,380 MHz)과 WLAN 대역(IEEE 802.11b/g/n: 2,400~2,480 MHz, IEEE 802.11a: 5,150~5,825 MHz) 그리고 국외 mobile WiMAX 대역(IEEE 802.16e: 2,500~2,690 MHz, 3,400~3,600 MHz)을 지원하는 단말기 안테나로 적합하다.
In this paper, we propose a small broadband antenna for mobile device. The proposed antenna consists of a printed rectangular monopole antenna and a parastic element connected to ground using narrow meander line and it is designed on a FR-4 substrate that has a thickness of 0.8 mm and a dielectric c...
In this paper, we propose a small broadband antenna for mobile device. The proposed antenna consists of a printed rectangular monopole antenna and a parastic element connected to ground using narrow meander line and it is designed on a FR-4 substrate that has a thickness of 0.8 mm and a dielectric constant of 4.4. The FR-4 substrate's size is 50 mm${\times}$90 mm comparable to the real mobile device. The fabricated antenna's size is 12.5 mm${\times}$10.5 mm${\times}$0.8 mm and the measurement shows -10 dB return loss bandwidth of 2,200~6,000 MHz and gains of 2.86~4.01 dBi. Accordingly, the proposed antenna can support mobile device for WiBro(2,300~2,380 MHz), WLAN(IEEE 802.11b/g/n: 2,400~2,480 MHz, IEEE 802.11a: 5,150~5,825 MHz), and mobile WiMAX(IEEE 802.16e : 2,500~2,690 MHz, 3,400~3,600 MHz) service bands.
In this paper, we propose a small broadband antenna for mobile device. The proposed antenna consists of a printed rectangular monopole antenna and a parastic element connected to ground using narrow meander line and it is designed on a FR-4 substrate that has a thickness of 0.8 mm and a dielectric constant of 4.4. The FR-4 substrate's size is 50 mm${\times}$90 mm comparable to the real mobile device. The fabricated antenna's size is 12.5 mm${\times}$10.5 mm${\times}$0.8 mm and the measurement shows -10 dB return loss bandwidth of 2,200~6,000 MHz and gains of 2.86~4.01 dBi. Accordingly, the proposed antenna can support mobile device for WiBro(2,300~2,380 MHz), WLAN(IEEE 802.11b/g/n: 2,400~2,480 MHz, IEEE 802.11a: 5,150~5,825 MHz), and mobile WiMAX(IEEE 802.16e : 2,500~2,690 MHz, 3,400~3,600 MHz) service bands.
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문제 정의
본 논문에서는 WLAN/Mobile Wimax 대역의 이동 통신 단말기용 소형 광대역 안테나를 설계, 제작하였다. 제안된 안테나는 실제 단말기 시스템 기판의 크기를 고려하여 설계되었고, 서로 다른 평면에 위치한 모노폴 안테나와 미앤더 선로를 통해 그라운드에 연결된 기생 소자로 구성되며, 기준 모노폴 안테나 설계와 함께 기생 소자와 그라운드 스텝 효과에 따른 변화를 제시하였다.
본 논문에서는 기판을 중심으로 기판 윗 면에 배치된 사각형 모노폴 안테나와 아랫 면에 배치된 기생 소자를 얇은 미앤더 선로를 통해서 그라운드에 연결한 형태를 가진 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 기본 안테나 소자와 기생 소자를 이용하여 소형화 하였고, 그라운드 효과를 활용한 임피던스매칭을 이용하여 광대역 구현이 가능함을 시뮬레이션 툴 HFSS를 이용하여 설계, 검증하고 측정을 통해 확인하였다.
제안 방법
5 mm로 고정하였다. 그리고 기생 소자와 그라운드는 폭 0.2 mm인 얇은 선로를 이용하여연결하였으며, 선로를 통하여 높은 인덕턴스 값의 발생과 동시에 그라운드로의 전류 흐름을 유도한다. 이 얇은 선로의 길이 변화에 따른 반사 손실 변화를 확인하였으며, 선로 길이가 11 mm일 때 주파수 2.
9 GHz의 대역폭을 가진다. 기준 안테나보다 낮은 주파수에서의 동작을 위하여 기생 소자를 추가하여 실험하였다. 기생 소자는 모노폴 안테나를 기준으로 왼쪽 하단(그라운드와 동일한 평면)에 위치시켰다.
또한, 모노폴 안테나의 우측 아랫 면에 위치한 그라운드 스텝 변화를 통해 특정 대역의 대역폭을 개선할 수 있다. 따라서 본 안테나 설계에서는 기본 모노폴 안테나와 기생 소자간의 영향, 기생 소자와 그라운드를 연결한 미앤더 선로의 길이, 그리고 그라운드 스텝 변화에 따라 각각 특성을 확인하고 최적의 변수 값을 제시하였다.
그라운드 스텝은 기준 안테나의 오른쪽하단에 계단형 모양으로 위치시켰다. 안테나와 스텝의 y축으로의 간격은 0.5 mm로 고정한 상태에서 그림 1(c)의 그라운드 스텝 높이 변수 Step_h의 값을 변화시키면서 반사 손실 특성을 확인하였다.
본 논문에서는 WLAN/Mobile Wimax 대역의 이동 통신 단말기용 소형 광대역 안테나를 설계, 제작하였다. 제안된 안테나는 실제 단말기 시스템 기판의 크기를 고려하여 설계되었고, 서로 다른 평면에 위치한 모노폴 안테나와 미앤더 선로를 통해 그라운드에 연결된 기생 소자로 구성되며, 기준 모노폴 안테나 설계와 함께 기생 소자와 그라운드 스텝 효과에 따른 변화를 제시하였다. 제안된 안테나는 크기 10.
대상 데이터
8 mm인 FR4 기판을 사용하였고, 전체 크기는 상용 단말기의 그라운드 크기와 비슷한 45×90 mm로 제작되었다. 급전은 마이크로스트립 선로에 50 ohm SMA 커넥터를 이용하였다. 제작된 안테나의 반사 손실 시뮬레이션 결과와 함께 측정 결과를 그림 9에 나타내었다.
안테나 설계에 사용된 기판은 유전율 4.4를 가지고 두께가 0.8 mm인 FR-4 기판이며, 실제 단말기 사이즈를 고려하여 45 mm×90 mm 크기의 기판을 이용하여 설계 하였다.
안테나는 유전율이 4.4이고, 높이가 0.8 mm인 FR4 기판을 사용하였고, 전체 크기는 상용 단말기의 그라운드 크기와 비슷한 45×90 mm로 제작되었다.
그림 10은 각 통신 대역의 중심 주파수에서 제작된 안테나의 XY 평면, YZ 평면, 그리고 XY 평면 상의 총 이득 패턴(E total)을 측정한 결과를 보여주고 있다. 측정은 충북 오창읍 충북 테크노파크 소재의 (주)맥테크놀로지 사의 전자파 무반사실에서 측정하였다. 이 그림 10에서 보듯이 모든 대역에서 전 방향성 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
데이터처리
본 논문에서는 기판을 중심으로 기판 윗 면에 배치된 사각형 모노폴 안테나와 아랫 면에 배치된 기생 소자를 얇은 미앤더 선로를 통해서 그라운드에 연결한 형태를 가진 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 기본 안테나 소자와 기생 소자를 이용하여 소형화 하였고, 그라운드 효과를 활용한 임피던스매칭을 이용하여 광대역 구현이 가능함을 시뮬레이션 툴 HFSS를 이용하여 설계, 검증하고 측정을 통해 확인하였다. Ⅱ장에서는 안테나의 구조와 설계, Ⅲ장에서 제작 및 측정 결과에 대해 설명하고, Ⅳ장에서 결론을 맺는다.
측정은 Anritsh사의 Vector Network Analyzer 3739D를 이용하였으며, 측정 결과 —10 dB 반사 손실 대역폭은 2.2∼6.
성능/효과
그림 5에서 보듯이 미앤더 선로가 아닌 일직선(턴수 0, 길이 2 mm)으로 연결했을 때부터 미앤더 턴수를 4회, 길이 14 mm까지 늘려가면서 안테나의 반사 손실을 확인하였는데, 그 결과 미앤더 턴 수(길이)가 증가할수록 동작 주파수가 낮아짐과 동시에 4∼5 GHz 대역의 반사 손실 특성 또한, 개선되는 것을 확인하였다.
또한, 이득 측정 결과, 전대역에서 평균 이득 —2.22∼— 1.2 dBi, 최대 이득 2.86∼4.01 dBi의 이득을 가지며, 전반적으로 전방향성의 복사 패턴 특성을 가짐을 측정을 통해 확인하였다.
제안된 안테나는 크기 10.5 mm×12.5 mm×0.8 mm로 소형이며, 반사 손실 —10 dB 대역폭은 2.2∼6 GHz로 광대역 특성을 가짐을 측정을 통해 확인하였다.
제작된 안테나는 전 대역에서 평균 이득 —2.22∼—1.25 dBi, 최대 이득 2.86∼4.01 dBi의 이득을 가짐을 알 수 있다.
제작된 안테나의 대역폭은 측정 결과, 국내 wibro 대역(2,300∼2,390 MHz)과 WLAN 대역(IEEE 802.11 b/g/n: 2,400∼2,480 MHz, IEEE 802.11a : 5150∼5,825 MHz) 그리고 국외 Mobile Wimax 대역(802.16e: 2,500∼2,690 MHz, 3,400∼3,600 MHz)을 모두 포함한다.
후속연구
01 dBi의 이득을 가지며, 전반적으로 전방향성의 복사 패턴 특성을 가짐을 측정을 통해 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 소형 광대역 안테나는 Wibro 및 WLAN 서비스와 Mobile WiMAX 서비스를 제공하는 단말기에 적용이 가능할 것으로 기대한다.
그림 1(c)의 그라운드 스텝 높이 변수 Step_h의 값을 변화시키면서 반사 손실 특성을 확인한 결과, 스텝 높이가 커질수록 3 GHz 대역의 반사 손실 특성이 개선됨을 보여주었다. 하지만 4.5 mm 이상으로 커지게 되면 5 GHz 이상에서는 대역폭 확보가 되지 않음을 확인하였고, 보다 넓은 광대역 특성을 얻기 위해서는 그라운드 스텝 높이와 함께 앞에서 설명한 기생 소자와 그라운드를 연결한 미앤더 선로의 길이를 조절하여 최적의 결과를 가져오는 변수를 선택해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
4세대 이동 통신 서비스를 위한 단말기는 어떤 서비스를 포함해야 하는가?
또한, 모바일 인터넷이 활성화 됨에 따라 좀 더 빠른 이동 통신망에 대한 수요 증가로 인해 4세대 이동 통신 서비스에 대한 논의가 활발하다[1]. 4세대 이동 통신 서비스는 현재 LTE, WiMAX 서비스가 예정되어 있고, 이에 따라 새로운 모바일 환경에 적합한 새로운 안테나 개발이 요구되고 있으며, 4세대 이동 통신 서비스를 위한 단말기는 LTE, WiMAX 서비스 외에도 이동 통신망, WLAN, 블루투스, GPS 및 DMB 등의 서비스를 포함해야 하고, 이에 따라 하나의 단말기 안에 다수의 안테나가 구현되어야 한다. 하지만 단말기의 크기는 제한되어 있고 제공하는 서비스가 증가하면서 시스템이 복잡해지고 부피가 증가하면서 상대적으로 안테나 장착 공간은 줄어들고 있다[2].
본 논문에서 제안한 WLAN/Mobile Wimax 대역의 이동 통신 단말기용 소형 광대역 안테나는 어떤 성능을 가지고 있는가?
5 mm×0.8 mm로 소형이며, 반사 손실 —10 dB 대역폭은 2.2∼6 GHz로 광대역 특성을 가짐을 측정을 통해 확인하였다. 또한, 이득 측정 결과, 전대역에서 평균 이득 —2.22∼— 1.2 dBi, 최대 이득 2.86∼4.01 dBi의 이득을 가지며, 전반적으로 전방향성의 복사 패턴 특성을 가짐을 측정을 통해 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 소형 광대역 안테나는 Wibro 및 WLAN 서비스와 Mobile WiMAX 서비스를 제공하는 단말기에 적용이 가능할 것으로 기대한다.
WiMAX는 무엇을 기반으로 하는가?
이와 같은 문제를 해결하기 위해 소형의 내장형 안테나에 대한 연구와 다수의 서비스를 제공하기 위한 다중 대역 또는 광대역 안테나의 연구도 활발히 진행되고 있다[3]∼[8]. 그중 4세대 이동 통신 기술로 소개된 WiMAX(Worldwide interoperability for Microwave Access)는 IEEE 802.16 표준을 기반으로 한다. 앞에서 언급한 것처럼 단말기 내부에 여러 안테나가 장착되어야 하기 때문에 WiMAX용 안테나는 작은 체적과 최적, 최소의 실장 공간이 요구된다[9].
참고문헌 (9)
윤현영, "LTE vs WiMAX: 차세대 이동 통신 동향", 전파방송통신저널, pp. 76-87, 2010년 7월.
최재훈, 김정표, 한민석, "안테나 최근 기술동향 - 휴대 단말기용 안테나를 중심으로", 한국전자파학회지 전자파기술, 20(6), 2009년 11월.
W. L. Schroeder, A. A. Vila, and C. Thome, "Extremely small, wide-band mobile phone antennas by inductive chassis mode coupling", The 9th European Conference on Wireless Technology, pp. 407-410, Sep. 2006.
H. W. Hsieh, Y. C. Lee, K. K. Tiong, and J. S. Sun, "Design of a multiband antenna for mobile handset operations", IEEE Antennas Propagation Letters, vol. 8, pp. 200-203, Apr. 2009.
C. Lin, K. Wong, and S. Yeh, "Wideband EMC chip antenna for WLAN/WiMAX operation in the sliding mobile phone", Microwave Opical. Technol. Lett., vol. 48, no. 7, pp. 1362-1366, Jul. 2006.
M. A. Antoniade, G. V. Eleftheriades, "A compact and broadband NRI-TL metamaterial monopole antenna", 2009 13th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics and the Canadian Radio Sciences Meeting, pp. 1-4, 2009.
W. X. Li, X. Liu, and S. Li, "Desgin of broadband and multiband planar inverted-F antenna", 2010 International Conference on Communications and Mobile Computing, vol. 2, pp. 12-14, Apr. 2010.
P. Lai, K. Wong, "Capacitively FED hybrid monopole/slot chip antenna for 2.5/3.5/5.5 GHz WiMAX operation in the mobile phone", Microwave Opical. Technol. Lett., vol. 50, no. 10, pp. 2689-2694, Oct. 2008.
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