[논문]접지면 위의 스터브를 이용한 LTE-PIFA의 격리도 개선 연구

박찬진; 민경식

doi:10.5515/kjkiees.2013.24.4.374

접지면 위의 스터브를 이용한 LTE-PIFA의 격리도 개선 연구
A Study on Isolation Improvement of LTE-PIFA Used Stub Structure on Ground Plane 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.24 no.4, 2013년, pp.374 - 383

박찬진 (한국해양대학교 전파공학과) , 민경식 (한국해양대학교 전파공학과)

초록
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본 논문은 Main 안테나와 LTE 대역을 커버하는 Sub 안테나로 구성되어 있는 휴대단말기의 접지면에 스터브를 삽입하여 격리 특성을 향상시킬 수 있는 설계법을 제안한다. 제안된 안테나의 공진 길이를 보상하고 높은 격리 특성을 실현하기 위해, 한 쌍의 스터브가 전류가 수렴되는 접지면 위에 삽입되었다. LTE class 13 대역에서 스터브가 없는 안테나의 모의 실험된 격리 특성은 약 -5 dB였으나, 두 개의 스터브를 가진 제안된 안테나의 격리 특성은 LTE class 13의 uplink(777~787 MHz)와 downlink(746~756 MHz)에서 약 -12 dB와 약 -15 dB의 높은 격리 특성을 나타냈다. 제작된 두 개의 스터브를 가진 안테나의 평균 이득은 약 -2 dBi 이상으로 상업용 휴대단말기에 요구되는 -4 dBi보다 좋은 결과를 보였다. 측정된 산란 파라미터 특성과 방사 패턴은 모의 실험결과와 합리적인 일치를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a design for improvement of isolation characteristics by the inserted stub structure on ground plane of a handy terminal which is composed of a main antenna and a sub antenna covered LTE bandwidth. In order to compensate for a resonance length of proposed antenna and to realize a high isolation characteristic, a pair of stub was inserted and located on ground plane that currents from two antennas were converged. A simulated isolation characteristic of antenna without stub at the LTE class 13 band was about -5 dB, but its characteristics of proposed antenna with two stubs at uplink(777~787 MHz) and downlink(746~756 MHz) of the LTE class 13 band were about -12 dB and -15 dB, respectively. An average gain of a fabricated antenna with two stubs was observed about -2 dBi above and it showed good results with comparison of business condition that the average gain of commercial handy terminal has to appear -4 dBi above. The measured S-parameter characteristics and radiation patterns showed a reasonable agreement with the simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

두 안테나는 같은 그라운드를 사용하고 있으며, 안테나가 동작함에 있어서 두 안테나의 급전으로부터 흐르는 전류의 방향이 반대방향이기 때문에 양호한 격리 특성을 얻기 위해서는 충분한 전기적 길이가 요구되나, 그림 5로부터 알 수 있는 것처럼, 충분한 전기적 길이를 갖지 못하고 있다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 A와 B의 위치로 전류가 수렴되는 것을 이용하여 이 부분에 스터브를 삽입하여 전류의 흐름을 원활하게 함과 동시에 전류의 방향을 독립시켜줌으로써 격리도를 개선하고자 하였다.
본 논문에서는 두 안테나가 공동으로 접지된 그라운드 사이의 전류 분포와 방향을 분석하여 전류의 전기적 길이를 증가시켜 두 안테나 사이의 격리도를 개선하는 설계법을 제안하였다. 목표 주파수 대역은 LTE class 13(746～787 MHz)이고, 휴대단말기에 요구되는 VSWR 3:1을 기준으로 하였다.
본 논문은 접지면에 스터브를 삽입하여 휴대단말기에 있는 Main 안테나와 LTE 대역을 커버하는 Sub안테나 사이의 양호한 격리도를 얻기 위한 방법을 제안하였다. Main 안테나와 Sub 안테나는 역F 안테나 구조를 사용하였고, LTE class 13에서 동작하는 동일한 구조의 안테나를 사용하였다.
그림 15로부터 알 수 있는 또 다른 사실은 격리도를 개선하기 위해 스터브를 사용하면 대역폭의 증가와 4 dB 이상의 격리도 개선 효과가 얻어진다는 것을 알 수 있다. 이를 확인하기 위해 스터브가 없는 안테나와 두 개의 스터브를 가진 안테나를 제작하여 비교를 통해 격리도 개선의 결과를 입증하고자 하였다. 제작된 안테나의 산란 특성은 Anritsu 사의 VNA (Vector Network Analyzer 37369D)에 의해 측정되었고, 안테나의 방사 패턴과 이득은 7×20×6 m 크기의 전파 암실에서 측정되었다.

제안 방법

L′1이 116 mm일 때, LTE 13 대역에서 반사 손실이 —10 dB 이하의 값을 가지며, 격리도 또한 LTE class 13의 관심 대역(uplink: 777～787 MHz , downlink: 746～756 MHz)에서 —12 dB와 —15 dB의 높은 격리도 특성을 얻을 수 있기 때문에 L′1을 116 mm 로 선택을 하였다.
목표 주파수 대역은 LTE class 13(746～787 MHz)이고, 휴대단말기에 요구되는 VSWR 3:1을 기준으로 하였다. Main 안테나과 Sub 안테나는 안테나의 소형화에 용이한 역 F 구조(Planer Inverted-F type Antenna: PIFA)를 사용하였고, 이를 HFSS 상용 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나를 설계하였다. 제작된 안테나를 VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 산란 파라미터를 측정하였고, 무 반사 전파암실에서 안테나의 방사 특성과 이득을 측정하여 성능을 검증하였다.
그림 2는 설계된 Main 안테나와 Sub 안테나 구조를 나타낸다. 기존의 서비스에 사용되는 멀티밴드를 수용하면서도 저주파수 대역인 LTE class 13에서 동작하는 PIFA 구조의 Main 안테나를 그림 2와 같이 설계를 하고, 이 안테나를 동시에 Sub 안테나로 활용하였다. 이유는 LTE에서만 동작하는 안테나를 사용하는 것과 비교하여 특성의 차이가 크지 않았으며, 특성의 차이는 오히려 Sub 안테나의 위치에 의존하는 것을 확인하였다^[7].
제안된 Main 안테나와 Sub 안테나는 동일한 구조이며, —10 dB 선을 기준으로 757～782 MHz의 반사 손실 대역폭을 가지고 773 MHz에서 약 —4 dB의 매우 나쁜 격리도 값을 갖는다. 따라서 나쁜 격리도의 문제를 해결할 필요가 있으며, 이를 위해 먼저 그림 4와 같이 안테나의 표면에 흐르는 전류의 방향과 밀도를 살펴보았다.
많은 컨텐츠를 편리하게 사용하기 위해 휴대 단말기의 Display가 커짐으로 인해 국내 휴대 단말기 제조업체의 휴대 단말기 크기를 참고로 하여 크기를 69×140×7.8 mm로 하였고, 비유전율이 4.4인 FR4 - epoxy 기판을 접지면으로 설계에 고려하였다.
본 논문에서는 제작을 용이하게 하기 위하여 하우징으로 사용되는 Polyamide(εr=4.1) 대신, FR4-epoxy(εr=4.4) 하우징을 제작하여 스터브 1과 2가 있는 경우와 스터브가 없는 경우에 대해 시뮬레이션과 측정을 행하였다.
같은 주파수에서 동작하는 두 개의 안테나가 동일한 그라운드를 사용하고 있기 때문에 안테나의 공진하는 전기적 길이가 부족하여 상호 전류가 강한 간섭과 결합으로 인하여 스터브를 삽입하지 않았을 때, 약 —5 dB의 나쁜 격리 특성을 보인다. 안테나의 공진 길이를 보상하고 높은 격리 특성 값을 얻기 위해, 접지면 위의 전류가 수렴되는 두 부분에 두 개의 스터브를 삽입 하였다. 그 결과, LTE class 13의 관심 대역의 uplink 와 downlink에서 각각 약 —12 dB와 약 —15 dB의 높은 격리도 특성을 나타냈다.
Main 안테나과 Sub 안테나는 안테나의 소형화에 용이한 역 F 구조(Planer Inverted-F type Antenna: PIFA)를 사용하였고, 이를 HFSS 상용 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나를 설계하였다. 제작된 안테나를 VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 산란 파라미터를 측정하였고, 무 반사 전파암실에서 안테나의 방사 특성과 이득을 측정하여 성능을 검증하였다.

대상 데이터

MIMO(Multi-Input Multi-Output) 기술은 고용량의 데이터의 빠른 전송을 위한 핵심 기술이며, 휴대단말기에서는 동일한 LTE 서비스 주파수에서 동작하는 두 개의 안테나가 요구된다. LTE 서비스를 위해 사용가능한 주파수는 699～3,800 MHz이며, 총 35개의 채널로 구성되어 있다. 특히, 1 GHz 이하의 주파수는 이동 통신의 다른 서비스를 지원하는 주파수에 비해 저주파수에 해당하며, 이로 인해 긴 파장을 가지며 이 덕분에 넓은 셀 커버리지를 가지므로, 기지국 투자 비용을 줄일 수 있고, 통신 품질 향상의 장점을 갖는다.
Main 안테나와 Sub 안테나는 역F 안테나 구조를 사용하였고, LTE class 13에서 동작하는 동일한 구조의 안테나를 사용하였다.
본 논문에서는 두 안테나가 공동으로 접지된 그라운드 사이의 전류 분포와 방향을 분석하여 전류의 전기적 길이를 증가시켜 두 안테나 사이의 격리도를 개선하는 설계법을 제안하였다. 목표 주파수 대역은 LTE class 13(746～787 MHz)이고, 휴대단말기에 요구되는 VSWR 3:1을 기준으로 하였다. Main 안테나과 Sub 안테나는 안테나의 소형화에 용이한 역 F 구조(Planer Inverted-F type Antenna: PIFA)를 사용하였고, 이를 HFSS 상용 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나를 설계하였다.
제작된 안테나의 산란 특성은 Anritsu 사의 VNA (Vector Network Analyzer 37369D)에 의해 측정되었고, 안테나의 방사 패턴과 이득은 7×20×6 m 크기의 전파 암실에서 측정되었다.

성능/효과

그 결과, LTE class 13의 관심 대역의 uplink 와 downlink에서 각각 약 —12 dB와 약 —15 dB의 높은 격리도 특성을 나타냈다.
그림 17의 (a)와 (b)를 그림 15의 모의 실험 결과와 비교해 보면, 주파수의 천이가 발생하고는 있으나, 매우 유사한 경향의 결과를 보이고 있어 설계가 타당하였음을 보여주고 있다. 또한, 스터브를 그라운드에 삽입함으로써 전류의 전기적 길이 제어와 다중 공진의 효과를 구현함으로써 LTE Class 13 대역과 비교하여 비교적 광대역의 반사 손실 특성을 얻었고, 격리도도 개선되었음을 확인하였다. 위에서도 언급하였지만 스터브를 삽입함으로써 약 4 dB 이상의 격리도 개선과 대역폭의 개선 효과를 구현할 수 있었다.
또한, 스터브를 그라운드에 삽입함으로써 전류의 전기적 길이 제어와 다중 공진의 효과를 구현함으로써 LTE Class 13 대역과 비교하여 비교적 광대역의 반사 손실 특성을 얻었고, 격리도도 개선되었음을 확인하였다. 위에서도 언급하였지만 스터브를 삽입함으로써 약 4 dB 이상의 격리도 개선과 대역폭의 개선 효과를 구현할 수 있었다.
제안된 Main 안테나와 Sub 안테나는 동일한 구조이며, —10 dB 선을 기준으로 757～782 MHz의 반사 손실 대역폭을 가지고 773 MHz에서 약 —4 dB의 매우 나쁜 격리도 값을 갖는다.
그 결과, LTE class 13의 관심 대역의 uplink 와 downlink에서 각각 약 —12 dB와 약 —15 dB의 높은 격리도 특성을 나타냈다. 측정된 방사 패턴은 휴대단말기에서 요구되는 무지향성 방사 패턴을 만족하며, 제작된 두 개의 스터브를 가진 안테나의 평균 이득은 약 —2dBi 이상으로 상업용 휴대단말기에 요구되는 —4 dBi보다 좋은 결과를 보였다. 측정된 산란 파라미터 특성과 방사 패턴은 모의 실험 결과와 합리적인 일치를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	높은 용량과 빠른 전송 속도를 갖는 휴대 단말기가 개발된 배경은?	최근 이동 통신 기술이 4세대로 접어들면서, LTE-MIMO 기술로 인해 높은 용량과 빠른 전송 속도를 갖는 휴대 단말기가 개발되고 있다.
	MIMO 기술이란?	MIMO(Multi-Input Multi-Output) 기술은 고용량의데이터의 빠른 전송을 위한 핵심 기술이며, 휴대단말기에서는 동일한 LTE 서비스 주파수에서 동작하는 두 개의 안테나가 요구된다. LTE 서비스를 위해 사용가능한 주파수는 699～3,800 MHz이며, 총 35개의 채널로 구성되어 있다.
	충분한 전기적 길이를 갖지 못하는 문제를 해결하기 위해 본문에서 제안하는 안테나는 어떤 방법을 사용하는가?	두 안테나는 같은 그라운드를 사용하고 있으며, 안테나가 동작함에 있어서 두 안테나의 급전으로부터 흐르는 전류의 방향이 반대방향이기 때문에 양호한 격리 특성을 얻기 위해서는 충분한 전기적 길이가 요구되나, 그림 5로부터 알 수 있는 것처럼, 충분한 전기적 길이를 갖지 못하고 있다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 A와 B의 위치로 전류가 수렴되는 것을 이용하여 이 부분에 스터브를 삽입하여 전류의 흐름을 원활하게 함과 동시에 전류의 방향을 독립시켜줌으로써 격리도를 개선하고자 하였다.

참고문헌 (7)

S. -Y. Suh, V. -K. Nair, D. Souza, and S. Gupta, "High isolation antenna for multi-radio antenna system using a complementary antenna pair", EEE Antennas and Propagation Society(APS), International Symposium(IS), pp. 1229-1232, Jun. 2007.
X. Wang, W. Chen, Z. Feng, and H. Zhang, "Compact dual-polarized antenna combining printed monopole and half-slot antenna for MIMO applications", IEEE Antennas and Propagation Society (APS), International Symposium(IS), pp. 1-4, Jun. 2009.
S. -C. Chen, Y. -S. Wang, C. -W. Ling, and S. -J. Chung, "A new high isolation dual-antennas with miniature decoupling network design", IEEE Antennas and Propagation Society(APS), International Symposium(IS). pp. 3125-3128, Jun. 2007.
C. -Y. Lui, Y. -S. Wang, and S. -J. Chung "Two nearby dual-band antennas with high port isolation", IEEE Antennas and Propagation Society(APS), International Symposium(IS), pp. 1-4 Jun. 2008.
J. Itoh, N. Michishita, and H. Morishita, "A study on mutual coupling reduction between two inverted- F antennas using mushroom-type EBG structures", IEEE Antennas and Propagation Society (APS), International Symposium(IS), pp. 1-4, Jul. 2008.
T. Kokkinos, L. Qian, "Isolation enhancement of monopole antennas and PIFAs on a compact ground plane", 2009 Loughborough Antennas & Propagation Conference, pp. 465-468, Nov. 2009.
C. -J. Park, K. -S. Min, J. -W. Kim, and I. -H. Kim, "Fundamental approach of isolation loss control between two patch antennas for LTE-MIMO mobile handy terminal", Asia-Pacific Microwave Conference( APMC), pp. 1169-1171, Dec. 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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