본 논문에서는 커플링 급전 구조를 사용하여 모든 이동 통신 대역을 만족하는 단말기용 모노폴+IFA(Inverted F Antenna) 하이브리드 안테나를 설계하고 이를 제작하였다. 1개의 급전 구조를 가지면서도 커플링을 이용하여 모노폴과 IFA가 동시에 동작하도록 함으로써 넓은 대역 특성을 갖도록 하였다. 안테나는 저가격 실현을 위해 carrier 부품이 없는 PCB embedded 형태로 설계하였다. 베어 보드로 제작된 안테나는 LTE/CDMA/GSM900/DCS/USPCS/WCDMA/WiBro/WiFi 대역에서 VSWR 2.5:1 특성을 만족하였다. 평균 이득과 효율은 LTE, CDMA, GSM-900 대역에서 -3.98~-0.09 dBi 및 40.03~97.99 %가 측정되었다. 또한, DCS, USPCS, WCDMA, WiBro, WiFi 대역에서는 -3.90~-1.01 dBi 및 40.70~79.31 %의 효율 특성을 가짐으로써 LTE를 포함한 휴대폰 전 대역 안테나로 사용될 수 있음을 보였다.
본 논문에서는 커플링 급전 구조를 사용하여 모든 이동 통신 대역을 만족하는 단말기용 모노폴+IFA(Inverted F Antenna) 하이브리드 안테나를 설계하고 이를 제작하였다. 1개의 급전 구조를 가지면서도 커플링을 이용하여 모노폴과 IFA가 동시에 동작하도록 함으로써 넓은 대역 특성을 갖도록 하였다. 안테나는 저가격 실현을 위해 carrier 부품이 없는 PCB embedded 형태로 설계하였다. 베어 보드로 제작된 안테나는 LTE/CDMA/GSM900/DCS/USPCS/WCDMA/WiBro/WiFi 대역에서 VSWR 2.5:1 특성을 만족하였다. 평균 이득과 효율은 LTE, CDMA, GSM-900 대역에서 -3.98~-0.09 dBi 및 40.03~97.99 %가 측정되었다. 또한, DCS, USPCS, WCDMA, WiBro, WiFi 대역에서는 -3.90~-1.01 dBi 및 40.70~79.31 %의 효율 특성을 가짐으로써 LTE를 포함한 휴대폰 전 대역 안테나로 사용될 수 있음을 보였다.
In this paper, we designed and implemented a Monopole+IFA(Inverted F Antenna) hybrid antenna using the coupled feeding structure for the all band mobile phone. Studied antenna has wide band characteristics by the simultaneous operation both monopole and IFA under the coupled feeding structure. An an...
In this paper, we designed and implemented a Monopole+IFA(Inverted F Antenna) hybrid antenna using the coupled feeding structure for the all band mobile phone. Studied antenna has wide band characteristics by the simultaneous operation both monopole and IFA under the coupled feeding structure. An antenna has designed PCB embedded type without antenna carrier component for the low in cost. Implemented antenna has within 2.5:1 for VSWR under LTE/CDMA/GSM900/DCS/USPCS/WCDMA/WiBro/WiFi in all band for the mobile services Measured average gains and efficiencies were -3.98~-0.09 dBi and 40.03~97.99 % for the LTE, CDMA, GSM900 band, and -3.90~-1.01 dBi and 40.70~79.31 % for the DCS, USPCS, WCDMA, WiBro, WiFi band. It's shown that studied antenna can be applied to all band mobile phone antenna including LTE.
In this paper, we designed and implemented a Monopole+IFA(Inverted F Antenna) hybrid antenna using the coupled feeding structure for the all band mobile phone. Studied antenna has wide band characteristics by the simultaneous operation both monopole and IFA under the coupled feeding structure. An antenna has designed PCB embedded type without antenna carrier component for the low in cost. Implemented antenna has within 2.5:1 for VSWR under LTE/CDMA/GSM900/DCS/USPCS/WCDMA/WiBro/WiFi in all band for the mobile services Measured average gains and efficiencies were -3.98~-0.09 dBi and 40.03~97.99 % for the LTE, CDMA, GSM900 band, and -3.90~-1.01 dBi and 40.70~79.31 % for the DCS, USPCS, WCDMA, WiBro, WiFi band. It's shown that studied antenna can be applied to all band mobile phone antenna including LTE.
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문제 정의
그림 7 하이브리드 안테나에 대한 특성으로 모노폴의 길이와 IFA의 길이는 가장 낮은 주파수인 LTE 대역 특성이 나오도록 길이를 조절하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 급격하게 변화되어 손쉽게 얻을 수 있는 모노폴과 IFA의 길이에 따른 특성 변화보다는 부차적으로 대역변화를 유도할 수 있는 open stub의 길이 L, 모노폴의 브랜치인 L1 및 L2 길이 변화에 따른 특성 변화를 나타내었다.
모노폴+IFA 하이브리드 안테나의 설계에 앞서, 두 안테나를 1개의 급전 구조를 가지면서도 커플링을 적용하여 동시에 작동하는 원리를 나타내고자 한다.
본 논문에서는 모노폴+IFA의 하이브리드 안테나를 설계하고 이를 제작하였다. 안테나는 기본적으로 모노폴에 급전되며, 커플링에 의해 IFA가 동작하는 구조를 제안하였다.
본 논문에서는 커플링 급전 구조를 사용하여 1개의 급전으로 동시에 모노폴과 IFA 안테나를 동작시키는 하이브리드 안테나를 제안한다. LTE(704～787 MHz), CDMA(824～894 MHz), GSM900(880～960 MHz), DCS(1710～1,880 MHz), USPCS(1,850～1,990 MHz), WCDMA(1,920～2,170 MHz), WiBro(2,330～2,360 MHz), WiFi(2,400～2,499 MHz) 대역에서 동작하는 안테나를 HFSS 시뮬레이션 툴로 설계하고, 이를 제작한다.
제안 방법
본 논문에서는 커플링 급전 구조를 사용하여 1개의 급전으로 동시에 모노폴과 IFA 안테나를 동작시키는 하이브리드 안테나를 제안한다. LTE(704～787 MHz), CDMA(824～894 MHz), GSM900(880～960 MHz), DCS(1710～1,880 MHz), USPCS(1,850～1,990 MHz), WCDMA(1,920～2,170 MHz), WiBro(2,330～2,360 MHz), WiFi(2,400～2,499 MHz) 대역에서 동작하는 안테나를 HFSS 시뮬레이션 툴로 설계하고, 이를 제작한다. 제작된 안테나를 네트워크 분석기와 무반사 챔버에서 방사 특성을 측정하여 이동 통신 단말기용 안테나로서 사용 가능성을 보인다.
이는 open stub의 회로적 동작으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 stub의 길이를 3 mm에서 9 mm까지 2 mm씩 늘려가며 VSWR 특성을 시뮬레이션하여 이를 비교를 하였다. 그림에서 보듯이 길이 L이 9 mm일 때 가장 좋은 특성을 보이고 있다.
본 논문에서는 모노폴+IFA의 하이브리드 안테나를 설계하고 이를 제작하였다. 안테나는 기본적으로 모노폴에 급전되며, 커플링에 의해 IFA가 동작하는 구조를 제안하였다. 제안된 안테나는 모노폴의 대역 특성과 IFA의 대역 특성을 모두 가지는 하이브리드 된 광대역 특성을 가짐을 나타내었다.
그림에서 보듯이 안테나는 기판과 동일한 PCB 상에 구현되어 있다. 즉, 기존에 널리 적용되어진 형태인 캐리어 구조물에 의한 안테나 장착 형태가 아닌 PCB와 일체되는 PCB embedded 안테나로 제작하였다. 이는 캐리어 부품을 없애고 더불어 PCB 제작 공정 때 안테나를 동시에 만듦을 가능하게 함으로써 안테나 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 불량률도 줄일 수 있는 장점을 가지고 있으므로 향후 연구에도 추천할 만한 방식이라 할 수 있다.
대상 데이터
제안된 안테나는 모노폴의 대역 특성과 IFA의 대역 특성을 모두 가지는 하이브리드 된 광대역 특성을 가짐을 나타내었다. FR4 기판에 embedded된 안테나를 설계하고, 이를 제작하였다. 제작된 안테나를 측정한 결과는 VSWR 2.
설계를 위한 제원으로 안테나는 비유전율(Er) 4.4, 손실 탄젠트(tan δ) 0.019, 두께(t) 1 mm를 갖는 FR4 PCB 기판에 설계하였다.
제작된 안테나에 대한 효율 및 이득 특성은 MTG사 무반사실 챔버(chamber)에서 측정하였다. 주파수 별로 측정된 결과는 표 2와 같다.
성능/효과
5:1 기준으로 700～1,000 MHz 대역폭을 가지며, LTE, CDMA 및 GSM900 서비스 대역을 모두 만족하고 있다. 높은 대역에서는 VSWR 2.5:1 기준으로 1,710～2,500 MHz 대역폭을 가지며, DCS, US- PCS, WCDMA, WiBro 및 WiFi 대역가지 모두 만족하고 있음을 보여 주고 있다.
99 %의 효율이 측정되었다. 또한, DCS, USPCS, WCDMA, WiBro 및 WiFi 대역에서는 평균 이득 —3.90～—1.01 dBi 및 효율 40.70 ～79.31 %의 양호한 특성을 보였다.
또한, DCS, USPCS, WCDMA, WiBro 및 WiFi 대역에서는 평균 이득 —3.90～—1.01 dBi 및 효율 40.70～79 %의 특성을 가짐으로써 휴대폰 안테나 적용에 충분한 특성을 보이고 있다.
방사 측정으로는 LTE 및 CDMA, GSM900 대역에서 —3.98～—0.09 dBi의 평균 이득 및 40.03～97.99 %의 효율이 측정되었다.
안테나는 기본적으로 모노폴에 급전되며, 커플링에 의해 IFA가 동작하는 구조를 제안하였다. 제안된 안테나는 모노폴의 대역 특성과 IFA의 대역 특성을 모두 가지는 하이브리드 된 광대역 특성을 가짐을 나타내었다. FR4 기판에 embedded된 안테나를 설계하고, 이를 제작하였다.
FR4 기판에 embedded된 안테나를 설계하고, 이를 제작하였다. 제작된 안테나를 측정한 결과는 VSWR 2.5:1 기준으로 LTE/CDMA/GSM900/DCS/USPCS/WCDMA/WiBro/WiFi 대역까지 모두을 만족하였다. 방사 측정으로는 LTE 및 CDMA, GSM900 대역에서 —3.
후속연구
본 연구 결과는 LTE 대역이 포함된 이동 통신 단말기 안테나의 연구 및 적용에 유용할 것으로 기대된다.
즉, 기존에 널리 적용되어진 형태인 캐리어 구조물에 의한 안테나 장착 형태가 아닌 PCB와 일체되는 PCB embedded 안테나로 제작하였다. 이는 캐리어 부품을 없애고 더불어 PCB 제작 공정 때 안테나를 동시에 만듦을 가능하게 함으로써 안테나 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 불량률도 줄일 수 있는 장점을 가지고 있으므로 향후 연구에도 추천할 만한 방식이라 할 수 있다.
LTE(704～787 MHz), CDMA(824～894 MHz), GSM900(880～960 MHz), DCS(1710～1,880 MHz), USPCS(1,850～1,990 MHz), WCDMA(1,920～2,170 MHz), WiBro(2,330～2,360 MHz), WiFi(2,400～2,499 MHz) 대역에서 동작하는 안테나를 HFSS 시뮬레이션 툴로 설계하고, 이를 제작한다. 제작된 안테나를 네트워크 분석기와 무반사 챔버에서 방사 특성을 측정하여 이동 통신 단말기용 안테나로서 사용 가능성을 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
접힌 모노폴 안테나의 단점은?
안테나의 소형화를 위해 접힌 모노폴 안테나(folded monopole antenna) 및 IFA(Inverted F Antenna)가 연구되어 왔는데, 접힌 모노폴 안테나는 광대역 특성을 갖는 반면 접지 환경의 변화에 민감하고, IFA는 작은 크기로 구현이 가능하나, 안테나 이득이 작은 단점을 갖고 있다. 하지만 이들 안테나도 휴대폰 내에서 원하는 대역 특성을 만족하기가 무척 힘들어 아직도 연구 개발이 진행 중에 있다.
외부 정합 구조를 사용하는 방법은 어떤 문제점이 있나?
휴대폰 내장형 안테나에서 대역 특성을 개선시키기 위한 방법으로는 기생 소자(parasitic element)나 브랜치 소자(branch element)를 사용하는 방법과[2],[3] , 외부 정합 구조를 사용하는 방법이 있다[4],[5] . 기생 소자나 브랜치 소자를 사용하는 경우, 부가적인 공간이 필요하며[6] , 정합 구조를 사용하는 경우 역시 별도의 회로 공간이 필요하며, 삽입 손실이 증가하는 문제점이 있다[7] .
휴대폰 내장형 안테나에서 대역 특성을 개선시키기 위한 방법은 무엇이 있나?
휴대폰 내장형 안테나에서 대역 특성을 개선시키기 위한 방법으로는 기생 소자(parasitic element)나 브랜치 소자(branch element)를 사용하는 방법과[2],[3] , 외부 정합 구조를 사용하는 방법이 있다[4],[5] . 기생 소자나 브랜치 소자를 사용하는 경우, 부가적인 공간이 필요하며[6] , 정합 구조를 사용하는 경우 역시 별도의 회로 공간이 필요하며, 삽입 손실이 증가하는 문제점이 있다[7] .
참고문헌 (7)
김상원, 최학근, 박재현, "커플링 급전 구조를 사용한 역 F형 안테나 설계", 한국전파학회논문지, 27(7), pp. 726-733, 2010년 7월.
H. Nakano, N. Ikeda, Y. Wu, R. Suzuki, H. Mimaki, and J. Yamauchi, "Realization of dual-frequency and wide-band VSWR performances using normal- mode helical and inverted-f antennas", IEEE Transactions on Antenna and Propagation, vol. 46, no. 6, pp.788-793, Jun. 1998.
D. Liu, B. Gaucher, "A branched inverted-F antenna for dual band WLAN application", IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium, vol. 1, pp. 2623-2626, Jun. 2004.
J. Ollikainen, O. Kivekas, C. Icheln, and P. Vainikainen, "Internal multiband handset antenna realized with an integrated matching circuit", in Proc. 12th Int. Conf. Antennas and Propagation, vol. 57, no. 8, Aug. 2009.
J. Villanen, C. Icheln, and P. Vainkainen, "A coupling element-based quad-band antenna structure for mobile terminals" Microwave Optical Technology Letter, vol. 49, no. 6, pp. 1277-1282, Jun. 2007.
C. Wood, B. Sc, "Improved bandwidth of microstrip antennas using parasitic elements", IEEE Proc, vol. 127, no. 4, Aug. 1980.
Kin-Lu Wong, Chin-Hong Huang, "Bandwidth -enhanced internal PIFA with a coupling feed for quadband operation in the mibile phone", Microwave Optical Technology Letter, vol. 50, no. 3, Mar. 2008.
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