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문제 정의
- 안테나가 차지할 수 있는 PCB 면적이 한정되어 있으므로 주어진 PCB의 면적에 적합한 파라미터를 적절히 조합하는 과정이 필요하다. 본 논문에서는 무선 리모컨 모듈에 사용하는 주파수인 418MHz용 안테나를 설계하기 위해 헬리컬 패턴의 길이와 부가패턴의 길이를 변화하여 최적화 과정을 통해 안테나의 설계가 진행되었다. 본 논문에서 사용된 PCB유전체 기판은 비유전율 εr=4.
- 본 논문에서는 정상모드 헬리컬 안테나를 유사하게 대체할 수 있는 인쇄형 안테나로써 헬리컬 형태를 PCB 윗면(top) 도체 패턴과 아랫면(bottom) 도체 패턴을 비아로 연결하는 구조인 굴곡형(bent) 모노폴 인쇄형 안테나를 제안한다. 그러므로 제안된 안테나의 구조는 접지면(ground), 급전선로, 헬리컬, 부가패턴의 네 부분을 가지게 된다.
제안 방법
- 리모컨은 사람이 손을 잡은 상태에서 사용하기 때문에 실험조건도 마찬가지로 사람이 직접 무선 리모컨을 손을 잡은 상태에서 실험을 진행하였다. RF 리모컨에서 신호를 보내면 수신부에서 신호를 받고 이 신호를 셋탑 박스를 통하여 TV의 동작 상태를 확인하였다. 무선 리모컨에서 총 9회 연속적인 신호를 보내면 셋탑 박스와 연결된 TV에서 채널이 9회 변경되는 것을 모니터링 하여 통신의 성공 여부를 확인하였다.
- 727dB로 좋지 않은데, 그 이유는 모노폴 안테나의 길이가 1/2 파장 이상으로 길어져 안테나의 입력 임피던스가 증가되어 반사계수가 증가되었기 때문으로 사료된다. 그러므로 이와 같은 반사 손실을 개선하기 위하여 L형 정합 회로망을 사용하기로 하였고, 모의실험 결과 직렬 인덕턴스가 5.6nH 및 병렬 캐패시턴스가 12pF인 역 L형 정합회로망[5]이 설계되었고, 그 결과 반사손실 모의실험 결과를 그림 7에 제시하였다. 그림 7에서 볼 수 있는 바와 같이 정합회로 사용에 의해 반사손실이 18.
- 본 논문에서는 정상모드 헬리컬 안테나를 유사하게 대체할 수 있는 인쇄형 안테나로써 헬리컬 형태를 PCB 윗면(top) 도체 패턴과 아랫면(bottom) 도체 패턴을 비아로 연결하는 구조인 굴곡형(bent) 모노폴 인쇄형 안테나를 제안한다. 그러므로 제안된 안테나의 구조는 접지면(ground), 급전선로, 헬리컬, 부가패턴의 네 부분을 가지게 된다. 접지면은 RF 신호 인가 및 모듈 구성부품 실장을 위해 사용되고, 급전선로 부분은 PCB 윗면에만 위치하게 되며 RF 모듈로부터 전달된 신호를 헬리컬 형태의 패턴으로 전달하는 역할을 하게 된다.
- 그림 1에서는 기존의 무선 리모콘 내부에 사용되고 있는 정상모드 헬리컬 안테나의 실제 사진을 제시하였고, 그림 2에서는 이를 유사하게 대체하기 위해 본 논문이 제안하는 굴곡형 모노폴 안테나의 구조를 제시하였다. 그림 2에서 알 수 있듯이 본 논문에서 설계하고자 하는 안테나의 구조는 무선 리모컨에서 주로 사용하고 있는 코일 형태의 헬리컬 구조를 RF 모듈용 PCB의 윗면, 아랫면에 위치한 도체 패턴과 비아를 연결하여 모듈 일체형으로 설계하였다.
- 그림 1에서는 기존의 무선 리모콘 내부에 사용되고 있는 정상모드 헬리컬 안테나의 실제 사진을 제시하였고, 그림 2에서는 이를 유사하게 대체하기 위해 본 논문이 제안하는 굴곡형 모노폴 안테나의 구조를 제시하였다. 그림 2에서 알 수 있듯이 본 논문에서 설계하고자 하는 안테나의 구조는 무선 리모컨에서 주로 사용하고 있는 코일 형태의 헬리컬 구조를 RF 모듈용 PCB의 윗면, 아랫면에 위치한 도체 패턴과 비아를 연결하여 모듈 일체형으로 설계하였다. X와 Y는 안테나의 전체 크기이며 C는 RF 모듈의 부품실장 부분이다.
- 기존의 무선 리모컨에 주로 사용하고 있는 정상모드 헬리컬 안테나를 PCB 일체형으로 제작하여 실제 리모컨 제품에 적용하여 제작 및 측정해 보았다. 본 논문의 안테나를 제작하여 무선 리모컨에 적용해본 결과 기존 정상모드 헬리컬 안테나를 대체하여 사용할 수 있는 정도의 거리와 통신 신뢰성이 확인되었다.
- 다음은 부가 패턴 길이 변화에 따른 공진주파수의 변화를 살펴보기 위해 부가패턴을 x축 및 y축 방향으로 증가시켜 공진주파수를 확인하였다. 마찬가지로 헬리컬 패턴의 턴 수 n=22, 헬리컬 패턴 사이의 거리 xoff=1.
- 두 안테나의 성능 비교를 위해 동일한 조건에서 동작 가능 거리를 확인하였다. 동작 가능 거리의 확인은 실내 환경(아파트), 및 실외 환경(아파트 실외) 두 가지 경우에 대해 거리 테스트를 진행하였다. 리모컨은 사람이 손을 잡은 상태에서 사용하기 때문에 실험조건도 마찬가지로 사람이 직접 무선 리모컨을 손을 잡은 상태에서 실험을 진행하였다.
- 최종적으로 본 논문의 굴곡형 모노폴 안테나를 기존 헬리컬 안테나와의 실거리 테스트의 성능을 비교 실험하였다. 두 시료의 성능 비교를 위해 동일한 조건에서 송신 전력의 측정과 함께 실거리 테스트를 확인하였다.
- 두 안테나의 성능 비교를 위해 동일한 조건에서 동작 가능 거리를 확인하였다. 동작 가능 거리의 확인은 실내 환경(아파트), 및 실외 환경(아파트 실외) 두 가지 경우에 대해 거리 테스트를 진행하였다.
- 본 논문이 제안하는 굴곡형 모노폴 안테나의 공진주파수는 헬리컬 패턴의 길이와 부가패턴의 길이에 의한 총 길이에 의해서 결정된다. 따라서 본 논문에서 제안한 안테나의 최적 설계는 먼저 설계하고자 하는 사용 주파수에 적합한 패턴의 길이 결정이 필요하게 된다. 안테나가 차지할 수 있는 PCB 면적이 한정되어 있으므로 주어진 PCB의 면적에 적합한 파라미터를 적절히 조합하는 과정이 필요하다.
- 본 논문이 제안한 안테나의 구조는 헬리컬 형태를 PCB의 윗면 도체패턴과 아랫면 도체패턴을 비아로 연결하여 PCB 일체형화 한 것이다. 또한, 수평으로 부가패턴을 추가하여 안테나의 공진길이를 관내 파장의 반파장 길이로 하여 공진주파수를 낮추어 최적 설계하였다.
- 동작 가능 거리의 확인은 실내 환경(아파트), 및 실외 환경(아파트 실외) 두 가지 경우에 대해 거리 테스트를 진행하였다. 리모컨은 사람이 손을 잡은 상태에서 사용하기 때문에 실험조건도 마찬가지로 사람이 직접 무선 리모컨을 손을 잡은 상태에서 실험을 진행하였다. RF 리모컨에서 신호를 보내면 수신부에서 신호를 받고 이 신호를 셋탑 박스를 통하여 TV의 동작 상태를 확인하였다.
- 그림 6에서 보는 바와 같이 RF 모듈과 메인 PCB가 커넥터로 연결된 상태이다. 모의실험을 진행하기 위해 편의상 버니어켈리퍼스를 이용해 수치를 측정하여 간략화한 케이스와 메인 PCB를 모의실험에 적용하여 실험을 진행하였다.
- RF 리모컨에서 신호를 보내면 수신부에서 신호를 받고 이 신호를 셋탑 박스를 통하여 TV의 동작 상태를 확인하였다. 무선 리모컨에서 총 9회 연속적인 신호를 보내면 셋탑 박스와 연결된 TV에서 채널이 9회 변경되는 것을 모니터링 하여 통신의 성공 여부를 확인하였다. 아파트 실내에서는 5m에서 11m 까지 3m 씩 거리를 변경하면서 실험하였고 아파트 실외에서는 15m에서 30m까지 5m 씩 거리를 변경하여 3번씩 실험하였다.
- 본 논문이 제안하는 굴곡형 모노폴 안테나의 공진주파수는 헬리컬 패턴의 길이와 부가패턴의 길이에 의한 총 길이에 의해서 결정된다. 따라서 본 논문에서 제안한 안테나의 최적 설계는 먼저 설계하고자 하는 사용 주파수에 적합한 패턴의 길이 결정이 필요하게 된다.
- 그리고 부가패턴부는 PCB의 윗면에만 위치하며 안테나의 공진 주파수를 조정하는 역할을 하게 된다. 본 논문이 제안하는 굴곡형 모노폴 인쇄형 안테나의 주된 차이점은 기존의 모노폴 안테나의 공진길이가 1/4 파장인 것과는 달리 1/2 파장으로 하여 헬리컬 구조 부분에서의 전류분포가 최대가 될 수 있도록 설계를 하는 것이다. 또한 모노폴 안테나의 공진길이가 길어짐에 따라서 안테나의 입력임피던스가 증가하게 되므로[3] 정합회로 설계가 반드시 필요하다는 점이다.
- 본 논문에서는 418MHz에서 동작되는 홈시어터용 무선 리모컨 안테나에 이용 할 수 있는 굴곡형 모노폴 안테나를 설계 및 제작 하였다. 본 논문이 제안한 안테나의 구조는 헬리컬 형태를 PCB의 윗면 도체패턴과 아랫면 도체패턴을 비아로 연결하여 PCB 일체형화 한 것이다. 또한, 수평으로 부가패턴을 추가하여 안테나의 공진길이를 관내 파장의 반파장 길이로 하여 공진주파수를 낮추어 최적 설계하였다.
- 무선 리모컨에서 총 9회 연속적인 신호를 보내면 셋탑 박스와 연결된 TV에서 채널이 9회 변경되는 것을 모니터링 하여 통신의 성공 여부를 확인하였다. 아파트 실내에서는 5m에서 11m 까지 3m 씩 거리를 변경하면서 실험하였고 아파트 실외에서는 15m에서 30m까지 5m 씩 거리를 변경하여 3번씩 실험하였다. 실내 및 실외 환경에서 3번씩 변경하여 채널 변경 횟수를 세어본 결과 실내 및 실외 환경에서 통신이 100% 성공하였다.
- 외장 케이스를 고려하고, 메인 PCB를 앞서 그림 4에 제시된 안테나를 포함한 RF 모듈들이 연결된 상태에서 모의실험을 진행하였다. 표 1에서는 외장 케이스 및 주 PCB를 실장한 상태에서 부가패턴 길이 변화(그림 4에서 No.
- 또한 모노폴 안테나의 공진길이가 길어짐에 따라서 안테나의 입력임피던스가 증가하게 되므로[3] 정합회로 설계가 반드시 필요하다는 점이다. 이를 위해 먼저 상용 전자장 수치해석 툴(tool)인 MWS(Microwave Studio)[4]를 이용한 모의실험을 통해 설계 파라미터들을 최적화하여 안테나를 설계하고 실제 무선 리모컨에 설계된 안테나를 적용하여 기존 정상모드 헬리컬 안테나의 출력 비교를 위한 실거리 비교를 확인해보고자 한다.
- 최종적으로 본 논문의 굴곡형 모노폴 안테나를 기존 헬리컬 안테나와의 실거리 테스트의 성능을 비교 실험하였다. 두 시료의 성능 비교를 위해 동일한 조건에서 송신 전력의 측정과 함께 실거리 테스트를 확인하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 사용된 PCB유전체 기판은 비유전율 εr=4.3인 FR4기판을 사용하였고, 편의상 패턴의 총 길이 변화의 일관성을 유지하기 위해 헬리컬 패턴간의 거리인 xoff 및 헬리컬 턴수 n을 굴곡형 모노폴의 총 길이가 418MHz에서 대략 1/2파장이 될 수 있도록 각각 1.5mm 및 22회로 선택하여 고정된 값으로 하였다.
- 본 논문에서는 418MHz에서 동작되는 홈시어터용 무선 리모컨 안테나에 이용 할 수 있는 굴곡형 모노폴 안테나를 설계 및 제작 하였다. 본 논문이 제안한 안테나의 구조는 헬리컬 형태를 PCB의 윗면 도체패턴과 아랫면 도체패턴을 비아로 연결하여 PCB 일체형화 한 것이다.
- mh은 평면 헬리컬 안테나의 길이, n은 헬리컬의 턴 수, xoff는 헬리컬 패턴 간의 거리, fy2는 부가패턴의 길이이다. 본 논문에서는 무선 리모컨용 모듈에 바로 적용 할 수 있도록 현재 사용되고 있는 RF 모듈의 PCB에 안테나를 설계하였고 RF모듈 PCB 크기는 X=36mm, Y=40.5mm, C=18.6mm 로 실제 크기를 선택하였다.
- 본 논문의 안테나는 현재 국내 “O”사의 북미 수출용 무선 리모컨 17개 모델에 적용되어 생산, 수출되고 있다.
- 본 논문이 제안한 굴곡형 모노폴 안테나가 실제 무선 리모컨 내부에 실장된 실물 사진을 그림 10에 제시하였다. 그림 10은 실제로 국내 “O”사에서 직접 제작되어 북미지역으로 수출되는 무선리모컨의 한 모델 내부에 기존의 정상모드 헬리컬 안테나와 본 논문의 안테나 실장의 모습을 비교하여 제시한 그림이다.
- 안테나의 제작에는 유전율이 4.3인 FR4기판을 사용하였으며, 제작된 RF모듈의 크기는 36×40.5×1.572mm3이다.
이론/모형
- 572mm3이다. 제작된 안테나의 반사손실을 측정하기 위하여 Agilent E8538A VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하였다. 측정된 반사손실은 그림 9에 모의실험 결과와 비교하여 제시하였다.
성능/효과
- 그림 4에서는 안테나의 총 길이를 증가시키기 위해 모의실험에 사용되어진 부가패턴 모양을 제시하였고, 각각의 부가패턴 모양에 따른 공진주파수의 변화를 그림 5에 제시하였다. 그 결과 부가패턴의 길이가 증가할수록 공진주파수가 낮아짐을 알 수 있다.
- 그림 3에서는 헬리컬 패턴의 총 길이에 의한 특성 변화를 확인하기 위해 mh 변화에 따른 반사손실 특성의 모의실험 결과를 제시하였다. 그 결과 헬리컬 패턴의 길이가 길어질수록 공진주파수가 낮아짐을 알 수 있다.
- 측정된 반사손실은 그림 9에 모의실험 결과와 비교하여 제시하였다. 모의실험에서 422MHz이었던 공진주파수가 제작된 인쇄형 안테나를 측정한 결과에서는 416MHz로 약 6MHz 낮은 주파수로 이동되어 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 모의실험 결과와 측정결과간의 오차는 모의실험에서 외장케이스 및 메인 PCB의 정확한 치수를 적용하지 못하고 버니어 캘리퍼슬르 이용하여 측정한 수치를 적용하였기 때문에 나타난 오차라고 생각된다.
- 기존의 무선 리모컨에 주로 사용하고 있는 정상모드 헬리컬 안테나를 PCB 일체형으로 제작하여 실제 리모컨 제품에 적용하여 제작 및 측정해 보았다. 본 논문의 안테나를 제작하여 무선 리모컨에 적용해본 결과 기존 정상모드 헬리컬 안테나를 대체하여 사용할 수 있는 정도의 거리와 통신 신뢰성이 확인되었다. 이로써, 현재 사용 중인 정상모드 헬리컬 안테나의 실장에 따른 별도의 납땜 공정이 없어 비용 절감이 가능하며 PCB에 직접 안테나를 제작함으로써 균일한 RF 성능을 갖는 제품 생산이 가능하다고 사료된다.
- 아파트 실내에서는 5m에서 11m 까지 3m 씩 거리를 변경하면서 실험하였고 아파트 실외에서는 15m에서 30m까지 5m 씩 거리를 변경하여 3번씩 실험하였다. 실내 및 실외 환경에서 3번씩 변경하여 채널 변경 횟수를 세어본 결과 실내 및 실외 환경에서 통신이 100% 성공하였다. 무선 리모컨의 기존 헬리컬 안테나와 굴곡형 모노폴 안테나의 동작 거리 결과 비슷한 수준의 성능을 나타내었다.
- 그와는 달리 비교적 간섭이 없는 z축 방향(상,하 방향)으로 복사세기가 증가되어 지향성을 가지며, 특히 간섭이 없는 x축 방향(좌,우 방향)으로 그림 11(b)와 같이 x-z평면에서 무지향성을 가짐을 알 수 있다. 이러한 방사패턴은 무선리모컨이 IR리모컨과는 달리 시선확보가 필요 없어야 되므로 본 논문의 안테나가 가지는 방사패턴은 최종 사용자 관점에서 유리한 점으로 작용할 것으로 사료된다.
- 측정 결과 제작된 안테나는 약 3% 정도의 공진 주파수 오차가 발생하였으며, 모든 방향으로 방사가 발생하면서 수평방향의 양 측면 부분에서 주된 방사가 일어나는 방사특성을 가졌다. 이와 같은 방사패턴 형태는 시선 확보 필요가 없어야 되는 무선 리모컨에 유리한 점으로 작용할 것으로 사료된다.
후속연구
- 무선 리모컨의 기존 헬리컬 안테나와 굴곡형 모노폴 안테나의 동작 거리 결과 비슷한 수준의 성능을 나타내었다. 이는 본 논문에서 제안하는 형태의 안테나를 RF모듈의 PCB에 일체형으로 제작하여 무선 리모컨 제품에 실제 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
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