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문제 정의
- 본 논문에서는 일반적으로 많이 사용되었던 크기 혹은 형상 재구성을 통한 안테나 구현이 아닌, 급전부의 정합 회로 재구성을 통하여 안테나의 특성을 조절할 수 있는 새로운 형태의 재구성 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 핀-다이오드(BAR64-02L, Infineon) 3개를 이용하여 HSDPA 대역(2.
- 본 논문에서는 정합 회로의 재구성을 이용하여 2가지 모드로 동작하는 재구성 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 급전부는 단일 T-정합 회로와 병렬 T-정합 회로가 재구성되어 삽입될 수 있도록 polyacrylate기판 양면을 이용하여 구현하였으며, 안테나 본체에 DC 바이어스 선로를 인쇄하여 RF 스위치 역할을 하는 핀-다이오드 ON-OFF 상태를 조절하였다.
제안 방법
- 최적 설계된 변수를 바탕으로 안테나 성능을 검증하기 위해 제안된 재구성 안테나를 제작하였다. 두께 2 mm를 가지는 투명한 polyacrylate 기판의 하단에 RF switch 역할을 하는 3개의 핀-다이오드를 장착하였으며, DC 바이어스의 간섭을 제거하기 위한 칩인덕터(NLCV25, TDK)를 DC 급전 선로의 끝단에 삽입하였다. DC 급전 선로는 안테나 도전 선로와의 커플링 특성을 최소화하기 위해 15 mm의 이격 거리를 두고 제작하였다.
- T-정합 회로를 이용한 급전 방식은 주변 유전체에 의해 비교적 적은 성능 열화를 보이면서도 광대역 특성을 도출할 수 있어 기판 인쇄형 안테나에 유리한 장점을 가진다. 따라서 제안된 안테나의 급전 방식은 T-정합 회로와 이를 응용한 병렬 T-정합 회로가 핀-다이오드에 의해 선택적으로 재구성되어 사용될 수 있도록 설계하였으며, 정합 회로의 회로 모델을 그림 1에 나타내었다. 모든 RF switch(스위치, SW)가 열려있을 때 재구성 안테나는 Mode 1이 되며, 이때 정합 회로는 단일 T-정합 회로로 구현되어 HSDPA 대역에서 동작한다.
- 제안된 안테나는 상단의 T-정합 회로와 하단의 T-정합 회로가 polyacrylate 기판 양면에 위치하도록 하였으며, 비아-홀로 상․하단의 정합 회로를 연결하였다. 또한, 안테나가 무선단말기에 장착될 때, 급전 선로에 의한 공진 주파수 이동을 고려하여 접지면을 확보하였다. 설계 변수는 상단의 T-정합 회로의 크기(x1, x2, x4, y1), 하단의 T-정합 회로의 크기(x2, x4, y1), 비아-홀의 위치(x1, x3, x4), 방사부의 길이(x5)가 사용되었다.
- 먼저 Mode 1이 HSDPA 대역에서 공진하게 하기 위해 안테나의 방사부의 길이를 파장의 λ/4가 되도록 한 후, T-정합 회로를 상단기판에 삽입하여 정합 특성을 개선하였다.
- 모든 RF switch(스위치, SW)가 열려있을 때 재구성 안테나는 Mode 1이 되며, 이때 정합 회로는 단일 T-정합 회로로 구현되어 HSDPA 대역에서 동작한다. 모든 SW가 닫혔을 때는 재구성 안테나가 Mode 2가 되며, 이 때 정합 회로는 병렬 T-정합 회로로 구현되어 WiBro․WiFi 대역에서 공진하도록 하였다. 안테나가 Mode 1로 동작할 때 입력단 반사계수(Γ)는 단일 T-정합 회로의 ABCD 매트릭스 (식 (1))를 [S] 매트릭스(식 (2))로 변환한 후 식 (3)을 이용하여 구할 수 있다.
- 5～2 mm까지 좌우로 변경시키며 이득 변화 민감도를 관찰하였다. 비아홀의 위치가 정합 회로의 임피던스를 변화시켜 이득 성능에 높은 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 따라서 설계된 재구성 안테나의 성능을 추가 개선하기 위해 최적화 알고리즘(genetic algorithm)과 EM 시뮬레이터를 연동하여 비아-홀의 위치를 최적화하였다[5]. 최적 설계된 재구성 안테나의 설계 변수를 표 1에 정리하였다.
- 설계 변수는 상단의 T-정합 회로의 크기(x1, x2, x4, y1), 하단의 T-정합 회로의 크기(x2, x4, y1), 비아-홀의 위치(x1, x3, x4), 방사부의 길이(x5)가 사용되었다. 상단 T-정합 회로의 설계 변수(x1, x2, x4, y1)와 하단 T-정합 회로의 설계 변수(x2, x4, y1)는 각각 매칭 회로의 Z1, Z2, Z3의 인덕턴스 값, Za, Zb, Zc의 커패시턴스 값에 비교적 많은 영향을 미치는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 제안된 재구성 안테나의 성능을 예측하기 위해서 EM 시뮬레이터(FEKO suite 6.
- 제안된 안테나는 두개의 단일 T-정합 회로가 polyarcylate(두께 2 mm, εr=3.25, tan δ=0.016)의 상단과 하단에 인쇄되어 3개의 비아-홀로 연결된 구조를 가지며, 3개의 핀-다이오드를 삽입하여 모든 다이오드가 OFF 상태일 때 Mode 1, 모든 다이오드가 ON 상태일 때 Mode 2로 동작할 수 있도록 하였다.
- 그림 2는 본 논문에서 제안한 재구성 안테나 구조이다. 제안된 안테나는 상단의 T-정합 회로와 하단의 T-정합 회로가 polyacrylate 기판 양면에 위치하도록 하였으며, 비아-홀로 상․하단의 정합 회로를 연결하였다. 또한, 안테나가 무선단말기에 장착될 때, 급전 선로에 의한 공진 주파수 이동을 고려하여 접지면을 확보하였다.
- 본 논문에서는 일반적으로 많이 사용되었던 크기 혹은 형상 재구성을 통한 안테나 구현이 아닌, 급전부의 정합 회로 재구성을 통하여 안테나의 특성을 조절할 수 있는 새로운 형태의 재구성 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 핀-다이오드(BAR64-02L, Infineon) 3개를 이용하여 HSDPA 대역(2.1～2.2 GHz), WiBro․WiFi 대역(WiBro band: 2.3～2.4 GHz, WiFi band: 2.4～2.5 GHz)의 2가지 모드에서 공진하도록 설계하였으며, 각 모드에 따라 단일 T-정합 회로(HSDPA: Mode 1) 혹은 병렬 T-정합 회로(WiBro․ WiFi: Mode2)로 동작하도록 하여 안테나의 소형화 및 광대역 특성을 도출하였다. 제안된 안테나는 두개의 단일 T-정합 회로가 polyarcylate(두께 2 mm, εr=3.
- 본 논문에서는 정합 회로의 재구성을 이용하여 2가지 모드로 동작하는 재구성 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 급전부는 단일 T-정합 회로와 병렬 T-정합 회로가 재구성되어 삽입될 수 있도록 polyacrylate기판 양면을 이용하여 구현하였으며, 안테나 본체에 DC 바이어스 선로를 인쇄하여 RF 스위치 역할을 하는 핀-다이오드 ON-OFF 상태를 조절하였다. Mode 1은 안테나에 장착된 3개의 핀-다이오드가 모두 OFF 상태일 때 기판의 상단에 위치한 단일 T-정합 회로가 급전부에 삽입되어 HSDPA 대역에서 동작할 수 있도록 하였으며, Mode 2는 DC 바이어스에 의해 하단에 위치한 T-정합 회로가 동작하여 병렬 T-정합 회로를 가지는 안테나로 재구성되어 WiBro ․WiFi 대역에서 공진할 수 있도록 하였다.
- Mode 1은 안테나에 장착된 3개의 핀-다이오드가 모두 OFF 상태일 때 기판의 상단에 위치한 단일 T-정합 회로가 급전부에 삽입되어 HSDPA 대역에서 동작할 수 있도록 하였으며, Mode 2는 DC 바이어스에 의해 하단에 위치한 T-정합 회로가 동작하여 병렬 T-정합 회로를 가지는 안테나로 재구성되어 WiBro ․WiFi 대역에서 공진할 수 있도록 하였다. 제안된 안테나의 성능을 추가 개선하기 위해 FEKO EM 시뮬레이터와 최적화 알고리즘을 연동하여 비아-홀의 위치와 설계 변수를 도출하였으며, 최적화된 안테나를 제작 및 성능을 측정하였다. 측정 결과, 제작된 안테나의 대역폭은 HSDPA 대역(Mode 1)에서 26.
- 제안된 재구성 안테나의 성능을 예측하기 위해서 EM 시뮬레이터(FEKO suite 6.0)를 사용하였으며, 보다 정확한 성능 예측을 위해 핀-다이오드의 ON-OFF 상태에 따른 임피던스 값(2.1 Ω)과 커패시턴스 값(0.17 pF)을 EM 시뮬레이션에 적용하였다[4].
- 제작된 재구성 안테나의 스위칭 특성과 복사 성능을 확인하기 위해 반무반사실 챔버에서 Schwarzbeck Mess사의 BBHA 9120D 광대역 혼 안테나를 해당 주파수 대역의 far-field 조건을 만족하는 1 m가 되는 거리에 배치하여 측정하였다. 그림 5는 Mode 1과 Mode 2의 중심 주파수에서 복사 성능을 나타낸다.
- 최적 설계된 변수를 바탕으로 안테나 성능을 검증하기 위해 제안된 재구성 안테나를 제작하였다. 두께 2 mm를 가지는 투명한 polyacrylate 기판의 하단에 RF switch 역할을 하는 3개의 핀-다이오드를 장착하였으며, DC 바이어스의 간섭을 제거하기 위한 칩인덕터(NLCV25, TDK)를 DC 급전 선로의 끝단에 삽입하였다.
대상 데이터
- 두께 2 mm를 가지는 투명한 polyacrylate 기판의 하단에 RF switch 역할을 하는 3개의 핀-다이오드를 장착하였으며, DC 바이어스의 간섭을 제거하기 위한 칩인덕터(NLCV25, TDK)를 DC 급전 선로의 끝단에 삽입하였다. DC 급전 선로는 안테나 도전 선로와의 커플링 특성을 최소화하기 위해 15 mm의 이격 거리를 두고 제작하였다.
- 또한, 안테나가 무선단말기에 장착될 때, 급전 선로에 의한 공진 주파수 이동을 고려하여 접지면을 확보하였다. 설계 변수는 상단의 T-정합 회로의 크기(x1, x2, x4, y1), 하단의 T-정합 회로의 크기(x2, x4, y1), 비아-홀의 위치(x1, x3, x4), 방사부의 길이(x5)가 사용되었다. 상단 T-정합 회로의 설계 변수(x1, x2, x4, y1)와 하단 T-정합 회로의 설계 변수(x2, x4, y1)는 각각 매칭 회로의 Z1, Z2, Z3의 인덕턴스 값, Za, Zb, Zc의 커패시턴스 값에 비교적 많은 영향을 미치는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
데이터처리
- 제작된 재구성 안테나의 대역폭 특성을 Agilent 8753D 네트워크 분석기를 이용하여 측정하였으며, 측정 결과를 그림 4에 나타내었다. 그림 4(a)는 재구성 안테나의 Mode 1의 반사계수를 나타내며, 실선이 측정 결과이고, 점선이 EM시뮬레이션 결과이다.
성능/효과
- 그림 4(a)는 재구성 안테나의 Mode 1의 반사계수를 나타내며, 실선이 측정 결과이고, 점선이 EM시뮬레이션 결과이다. DC 바이어스가 입력되지 않아 하단에 장착된 3개의 핀다이오드는 OFF 상태로 되며, 재구성 안테나의 급전부에는 T-정합 회로가 삽입되어 HSDPA 대역에서 26.2 %의 반전력 대역폭을 가지는 것을 확인하였다. Mode 2의 반사계수를 측정하기 위해 DC 선로에 1 V의 DC 바이어스를 입력하여 급전부에 병렬 T-정합 회로가 삽입되게 하였으며, 측정 결과 WiBro․WiFi 대역에서 25 %의 반전력 대역폭을 보이는 것을 그림 4(b)에 나타내었다.
- 4 dBi임을 그림 5(b)에 나타내었다. 또한, 핀-다이오드에 의해 2개의 서로 다른 정합 회로가 재구성 안테나에 삽입되어 각 모드에 따른 동작 주파수에서 더 높은 이득 특성을 가지는 것을 확인하였다.
- 016)의 상단과 하단에 인쇄되어 3개의 비아-홀로 연결된 구조를 가지며, 3개의 핀-다이오드를 삽입하여 모든 다이오드가 OFF 상태일 때 Mode 1, 모든 다이오드가 ON 상태일 때 Mode 2로 동작할 수 있도록 하였다. 설계된 안테나에 DC 바이어스를 조절하여 Mode 1과 Mode 2에서의 반사 손실 및 복사 성능을 측정하였으며, 무선 인터넷 용도의 다중 functional 안테나로 사용 가능함을 확인하였다.
- 측정 결과, 제작된 안테나의 대역폭은 HSDPA 대역(Mode 1)에서 26.2%, WiBro․WiFi 대역(Mode 2)에서 25 %임을 확인하였으며, 반무반사실 챔버에서 평균 수직 복사 성능을 측정한 결과, Mode 1(2.1 GHz)과 Mode 2(2.4 GHz)에서 각각 −4.4 dBi, −4.5 dBi임을 보여 제안된 재구성 안테나를 무선 인터넷용 안테나로 사용 가능함을 확인하였다.
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