[논문]휴대 단말기용 브랜치 루프안테나

손태호

doi:10.12815/kits.2013.12.1.058

초록
AI-Helper

본 논문에서는 일반 루프안테나를 개조한 BLA(Branch Loop Antenna)를 소개하고, 휴대 단말기에 적용될 수 있음을 보인다. 브랜치 소자를 사각형 루프안테나에 추가하고, 길이를 조절하여 낮은 공진 주파수를 얻는다. 공진주파수 2.5GHz를 갖는 단일 루프의 경우, 같은 크기의 BLA로 공진을 900MHz대로 낮춘다. 다중 공진은 BLA의 접속위치와 길이로부터 얻는다. 2중 밴드 BLA에 대한 구현 및 측정으로부터, GSM900밴드에서 75MHz의 -10dB 밴드폭, 평균이득 -3.03~-1.46dBi 및 49.73~71.39% 효율을 얻었고, DCS1900밴드에서 90MHz의 -6dB 밴드폭, 평균이득 -8.14~-2.17dBi 및 15.34~60.62% 효율을 얻었다. 또한 H면 무지향 패턴 특성을 보였다. 이들 특성은 휴대 단말기 안테나로 적용될 수 있는 좋은 특성이다.

Abstract ▼ AI-Helper

It's introduced a BLA(Branch Loop Antenna) that is modified from conventional loop, and verified antenna performances for applying to mobile handset. Branch elements are added to a rectangular loop, and low resonance is obtained by the length of the branch line. When resonance frequency of a single ...

It's introduced a BLA(Branch Loop Antenna) that is modified from conventional loop, and verified antenna performances for applying to mobile handset. Branch elements are added to a rectangular loop, and low resonance is obtained by the length of the branch line. When resonance frequency of a single loop is 2.5GHz, BLA had near 900 MHz under the same antenna size. Multiple resonances are established by the locations of branch connection and their lengths. By the implementation and measurement for the dual band BLA, it's showed 75MHz -10dB bandwidth and -3.03~-1.46dBi average gains with 49.73~71.39% efficiencies at GSM900 band, and 90MHz -6dB bandwidth and -8.14~-2.17dBi average gains with 15.34~60.62% efficiencies at DCS1900 band. And H-plane radiation patterns were omni-directional. These performances are good for the mobile handset antenna.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 루프안테나에 브랜치 라인을 연결하여 공진주파수를 낮춤으로써 휴대 단말기용 안테나에 적용할 수 있음을 보였다. 안테나의 주요 길이를 변수로 하여 공진특성을 시뮬레이션하였다.
본 연구는 루프안테나에 관한 연구이다. 기본 루프안테나가 갖는 1파장 공진주파수[7]를 낮추기 위하여 사각형 루프 상단에 브랜치 라인(branch line)을 접속한다.
본 연구는 베어보드 상에 안테나를 설계하고 이를 구현한 것이다. 향후 실제 단말기에 장착하는 BLA에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 생각한다.

제안 방법

먼저 휴대 단말기용 BLA 설계에 앞서 루프안테나 및 BLA의 공진특성을 비교한다. <그림 1>은 기본 사각형 루프안테나를 베어보드 위 캐리어에 구현한 그림이다.
브랜치 라인의 추가는 선로의 길이를 길게 함으로서 결국, 안테나 전류의 패스를 늘리는 효과로 공진주파수를 낮출 수 있다. 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 베어보드(bare board)에 캐리어(carrier) 위에 2중 공진 BLA(Branch Loop Antenna)를 설계한다. BLA는 GSM900(Global System for Mobile communication, 890~960MHz) 및 DCS1900 (Digital Communication System, 1850~ 1900MHz) 대역에서 동작하는 안테나로 설계한다.
안테나의 주요 길이를 변수로 하여 공진특성을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과를 토대로 2단 BLA를 설계하고 이를 베어보드 상 캐리어 위에 구현하였다. 구현된 안테나에 대한 반사계수 및 방사특성을 측정한 결과 GSM900밴드에서 75MHz의 -10dB 밴드폭과 평균이득 -3.
본 논문에서는 루프안테나에 브랜치 라인을 연결하여 공진주파수를 낮춤으로써 휴대 단말기용 안테나에 적용할 수 있음을 보였다. 안테나의 주요 길이를 변수로 하여 공진특성을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과를 토대로 2단 BLA를 설계하고 이를 베어보드 상 캐리어 위에 구현하였다.
설계를 위한 시뮬레이션 툴은 Ansoft사 HFSS를 사용한다. 제작된 안테나에 대해 방사패턴과 이득 및 효율 특성을 측정한다. 측정된 특성을 설계치와 비교하고 이를 고찰한다.
최적화된 안테나 제원을 이용하여 모바일 서비스인 GSM900 및 DCS1900 대역용 BLA 안테나를 제작하였다. 제작된 BLA의 사진은 <그림 11>에 나타내었다.
제작된 안테나에 대해 방사패턴과 이득 및 효율 특성을 측정한다. 측정된 특성을 설계치와 비교하고 이를 고찰한다.

대상 데이터

제작된 안테나의 크기는 40×19×5mm이다. 구현된 안테나는 기본 루프 안쪽으로 총 2단의 브랜치 라인을 가지고 있는 2단 BLA이다. 각 브랜 치 사이의 간격 1mm, 기판 접지와 캐리어와의 이격 거리는 2mm, 급전 선로의 폭은 2mm이다.
원하는 공진특성을 얻기 위한 BLA의 설계 변수는 브랜치 라인에서 루프 연결점까지의 거리인 P1, P2 및 급전위치에서 브랜치 라인의 끝점까지의 길이 L1, L2 등이다. 본 연구에서 적용한 브랜치 라인의 선로의 두께 및 간격은 각각 1.0mm이다. 선로 간 간격도 약간의 영향을 미치기는 하지만 설계 변수로 채택할 정도는 아니며 그 변화가 미미하다.
높이는 보드의 두께 1mm와 캐리어의 높이 5mm가 합쳐진 것이다. 안테나 장착을 위해 필요한 캐리어 재질은 비유전율이 3인 폴리카보네이트이다.
제작된 안테나의 크기는 40×19×5mm이다.

이론/모형

따라서 안테나는 2중 공진 특성을 만족하여야 한다. 설계를 위한 시뮬레이션 툴은 Ansoft사 HFSS를 사용한다. 제작된 안테나에 대해 방사패턴과 이득 및 효율 특성을 측정한다.

성능/효과

시뮬레이션 결과를 토대로 2단 BLA를 설계하고 이를 베어보드 상 캐리어 위에 구현하였다. 구현된 안테나에 대한 반사계수 및 방사특성을 측정한 결과 GSM900밴드에서 75MHz의 -10dB 밴드폭과 평균이득 -3.03~-1.46dBi 및 49.73~71.39% 효율을 얻었다. DCS1900밴드에서는 90MHz의 -6dB 밴드폭과 평균이득 -8.
설계한 결과 GSM900 대역은 대역을 모두 커버하고 있으나, DCS1900 대역은 주파수는 맞으나, GSM에 비해 대역이 협소하게 나타나고 있다. 이를 토대로 제작 및 측정함으로써 실측에 의한 대역특성을 나타내기로 한다.
측정결과 GSM밴드에서 평균이득 -3.03~-1.46dBi 및 49.73~71.39% 효율을 얻었고, DCS밴드에서 평균이득 -8.14~-2.17dBi 및 15.34~60.62% 효율이 측정되었다. GSM밴드에서는 생산 휴대 단말기의 방사효율이 30% 정도인 것을 감안하면 양호한 성능을 보여주고 있다.

후속연구

본 연구는 베어보드 상에 안테나를 설계하고 이를 구현한 것이다. 향후 실제 단말기에 장착하는 BLA에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내장형 안테나의 종류는 무엇이 있는가?	이들 안테나는 단말기 내부에 위치한 내장형 안테나로 설계되고 있다. 내장형 안테나의 종류로는 모노폴, IFA(Inverted F Antenna), PIFA(Planar IFA), 칩(chip), 브랜치 라인(branch-line) 등이 있으나, 현재 협소한 안테나 공간에 따른 소형 안테나 구현 및 다중밴드 특성의 용이함을 위하여 IFA가 널리 적용되고 있다[1-4]. 한국의 T-DMB(Terrestrial-Digital Multimedia Broadcasting) 및 유럽의 DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handheld)와 같은 방송 서비스가 휴대 단말기에 제공됨에 따라 더욱 다양한 안테나가 필요하게 되었다.
	1파장 공진주파수를 낮추기 위해 브랜치 라인을 사용하는 이유는 무엇인가?	기본 루프안테나가 갖는 1파장 공진주파수[7]를 낮추기 위하여 사각형 루프 상단에 브랜치 라인(branch line)을 접속한다. 브랜치 라인의 추가는 선로의 길이를 길게 함으로서 결국, 안테나 전류의 패스를 늘리는 효과로 공진주파수를 낮출 수 있다. 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 베어보드(bare board)에 캐리어(carrier) 위에 2중 공진 BLA(Branch Loop Antenna)를 설계한다.
	일반 루프안테나가 휴대 단말기에 적용되기 어려운 이유는 무엇인가?	일반 루프안테나의 경우 1파장 공진특성을 갖기 때문에 900MHz대에서는 크기가 너무 커져 휴대 단말기에 루프안테나를 적용하기는 불가하다[7]. 따라서 현재의 휴대 단말기에는 루프안테나를 실장하지 못하고 있다.

참고문헌 (7)

Kin-lu Wong, Planar Antennas for Wireless Communications, Wiley interscience, 2003
Fang-Hsien Chu and Kin-Lu Wong, "Planar Printed Strip Monopole With a Closely-Coupled Parasitic Shorted Strip for Eight-Band LTE/GSM/UMTS Mobile Phone", IEEE Trans. on Antenna and Propagation, vol. 58, no. 10, pp.3426 -3431, October, 2010

상세보기
Taeho Son, 2007 Design & Analysis for the Mobile Phone Internal Antenna, Technical Note, SCHBIT center, June, 2007
Sanghyuk Seo, Taeho Son, Youngmin Jo, "High Efficiency FPCB Antenna for the Dual Band Mobile Phone", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic and Science, vol. 20, no. 11, pp.1194-1200, Nov., 2009

원문보기 상세보기
Seungjin Lim, Taeho Son, "Hybrid Antenna for the All Band Mobile Phone Service Including LTE", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic and Science, vol. 22, no. 7, pp.737-743, July, 2011

원문보기 상세보기
Taeho Son, Youngmin Jo, "Multiband Miniature FPCB Antenna for the Mobile Phone", Technical Digest of KJJC 2011(Fukuoka), pp.218-220, Nov., 2011
C. A. Balanis, "Antenna Theory Analysis and Design", John Wiley & Sons, 1997

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