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문제 정의
- 이 식에서 앞 절에서 언급한 바와 같이 전원 임피던스와 부하 임피던스가 모두 50 Ω일 때로 계산하면 역시 식 (4)와 같이 표현되며, 역시 동일한 결과를 얻게 된다. 마지막으로 포트 3을 추가하면 식 (6)과 같은 전력 전달 인덱스를 정의할 수 있으며, 본 논문에서는 이것을 이용하여 안테나로부터 전송선로 부하로 전달되는 전력의 많고 적음을 표현하고자 한다[1].
- 따라서 제품 자신의 안테나에서 방사되는 전자파가 제품 자신의 내부 회로에 미치는 영향을 확인하기 위해서, 현재에는 제품을 제작한 후에야 오동작을 확인하고 있으며, 그러나 이러한 방법은 제작 후에 테스트를 통하여 수정하는 실정이므로, 이것은 물질적으로나 시간적으로나 많은 손실을 수반한다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 안테나가 인접 전송선로에 미치는 노이즈 전력을 예측하기 위한 방법을 제안한다.
제안 방법
- 그림 1은 임의의 다이폴 안테나의 입력포트 1개와 임의의 전송선로의 출력포트 2개를 포함한 3포트 시스템을 나타내며, 그림 (a)와 (b)는 각각 등가회로 및 개념도를 나타낸다. Ansys사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 그림 1(b)와 같은 임의의 다이폴 안테나와 전송선로를 디자인한 후 S-파라미터를 추출하였으며, 그림 1(a)와 같이 Agilent사의 ADS(Advanced Design System)를 이용하여 구성한 안테나와 전송선로의 등가모델에 앞서 추출한 S-파라미터를 안테나 단과 전송선로 단 사이에 삽입하여 각 단의 전원 임피던스와 부하 임피던스를 변화시켜가면서 안테나에서 전달되는 전력을 수식적으로 확인하였다. 전송선로 양단의 임피던스 변화와 안테나의 내부 임피던스 변화에 따른 전력 전달의 특성을 다음 절에 기술한다.
- 3-3장과 같은 방법으로 전송선로를 시계방향으로 90° 회전시켜 전체적으로 수직 방향으로 스캐닝이 될 수 있도록 진행하였다.
- 5 mm 떨어진 거리에서의 방사 패턴을 나타내었다. 4 cm의 다이폴 안테나는 900 MHz 주파수에 맞춘 안테나 크기가 아니기 때문에 안테나의 이득이 현저하게 낮지만, 본 논문에서는 실제 모바일 기기 구동주파수에 맞추어 진행하였고, 또 근거리에서의 방사량의 크기는 별로 차이가 없기 때문에 4 cm의 다이폴 안테나를 이용하여 진행하였다.
- 3장에서는 기본적인 다이폴 안테나를 이용하여 실제로 원거리에서 안테나의 위치를 수평과 수직 방향으로 변화시켜가면서 PCB 위의 전송선에 전달되는 전력 이득의 크기를 측정하여 그 크기를 비교하였다. 4장에서는 실제 제품에서 발생하는 상황을 구현하기 위하여 근거리장의 방사 패턴을 이용하여 진행하였으며, 마찬가지로 PCB 위에서 안테나의 위치를 수평과 수직 방향으로 변화시켜가면서 전송선로에 전달되는 전력 이득의 크기를 비교하였다. 또, EM Simulation을 통하여 안테나를 수평, 수직 방향으로 이동해 가면서 원거리/근거리의 전송선로로 전달되는 전력 전달 인덱스를 추출하였으며, 이것과 앞서서 실시한 실제 실험 결과와의 비교를 통해서 본 논문에서 제안한 전력전달 예측 방법이 타당함을 입증하였다.
- 본 논문에서는 노이즈 소스원인 안테나와 전송선로 사이에서 발생하는 커플링을 안테나의 위치를 바꾸어 가며 S-파라미터를 추출하여 예측할 수 있었다. EM simulation을 이용하여 임의의 다이폴 안테나와 임의의 전송선로의 모델을 해석한 후, 추출한 S-파라미터를 등가회로에 삽입하였고, 전송선로의 등가회로의 부하 임피던스와 전원 임피던스를 변화시켜 가며 전달되는 전력을 분석해 본 결과, 부하 임피던스와 전원 임피던스의 영향이 없는 전력 전달 인덱스를 정의하였으며, 이것을 안테나로부터 전송선로로 전달되는 전력의 크기 비교에 사용하였다. 또한, 수평/수직 형태의 전송선로와 꺾은 형태의 전송선로를 이용하여 인접한 거리에 안테나를 두고, 전송선로 부하에 전달된 전력을 EM simulation 결과와 VNA 장비를 이용하여 실험한 결과가 거의 일치하였고, 꺾인 형태의 전송선로에 전달되는 전력이 수평/수직의 전송선로의 경우보다 약 10～100배 정도 더 전력이 전달됨을 확인하였다.
- 각 단의 임피던스에 따라서 전달되는 전력량의 차이를 비교하기 위하여, 그림 1의 회로에서 안테나의 전원 임피던스 값과 전송선로의 포트 2와 포트 3의 양 끝 부하의 값을 변화시켜 가며 식 (1)과 식 (2)를 적용하여 안테나에서 전송선로로 전달되는 전력을 확인하였다. 식 (1)은 안테나 전원단에서의 출력전력을 나타내며, Psupply는 안테나의 전원에서 공급되는 전력이고, Ps는 안테나의 전원 임피던스에서 소비되는 전력이며, Pin은 안테나에서 다음 단, 즉 전송선로로 실제 전달되는 신호전력을 뜻한다.
- 75 GHz)로 구동한 경우와 비교해서 방사 이득 측면에서 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다. 따라서 본 4장의 인접한 거리에서의 근거리장 해석도 40 mm 크기의 다이폴 안테나를 900 MHz로 구동하여 진행하였다.
- 본 3장에서는 VNA(Vector Network Analyzer)를 이용하여 전송선로로부터 충분히 멀리 떨어진 원거리에서 안테나의 위치를 변화시켜가며 각 위치마다 전송선로로 전달되는 전력 전달 인덱스를 구하였다. 사용된 안테나는 가장 간단한 구조인 다이폴 안테나이며, 이것의 입력 단을 포트 1로 지정하였고, 전송선로의 양 끝을 각각 포트 2, 3으로 지정한 후, 노이즈 소스원인 다이폴 안테나가 임의의 좌표를 따라 좌, 우로 이동해가며 전달되는 전력을 전력 전달 인덱스인 식 (6)을 이용하여 계산하였다.
- 본 논문에서는 노이즈 소스원인 안테나와 전송선로 사이에서 발생하는 커플링을 안테나의 위치를 바꾸어 가며 S-파라미터를 추출하여 예측할 수 있었다. EM simulation을 이용하여 임의의 다이폴 안테나와 임의의 전송선로의 모델을 해석한 후, 추출한 S-파라미터를 등가회로에 삽입하였고, 전송선로의 등가회로의 부하 임피던스와 전원 임피던스를 변화시켜 가며 전달되는 전력을 분석해 본 결과, 부하 임피던스와 전원 임피던스의 영향이 없는 전력 전달 인덱스를 정의하였으며, 이것을 안테나로부터 전송선로로 전달되는 전력의 크기 비교에 사용하였다.
- 소스원으로서 전송선로에 영향을 주게 될 다이폴 안테나의 중심 주파수는 4G 통신에서 주로 사용되는 GSM 대역인 900 MHz에 맞추어 진행하였다. 하지만 900 MHz에 맞추어 다이폴 안테나를 제작하려면 #식에 의해 안테나의 총 길이가 16.
- 수직 전송선로 역시 수평 전송선로와 마찬가지로 50 Ω으로 정합된 직선형태의 Ground가 있는 CPW로 같은 전송선로를 사용하였고, 수평 전송선로의 경우에서 전송선로를 시계방향으로 90° 회전시켜 전체적으로 수직 방향으로 스캐닝이 될 수 있도록 진행하였다.
- 기본적으로 안테나로부터 전송선로로 전달되는 전력은 안테나의 내부 임피던스와 전송선로의 부하 임피던스의 변화에 따라서 달라지며, 이것에 따라서 변화하는 전달 전력의 변화를 2장에서 기술하였다. 여기에서는 안테나와 전송선로 사이의 S 파라미터를 EM 시뮬레이션으로 추출한 후 안테나에서부터 전송선로로 전달되는 전력을 계산하였으며, 이것을 토대로 하여 S 파라미터의 제곱의 형태로 표현되는 전력 전달 인덱스를 정의하였다. 3장에서는 기본적인 다이폴 안테나를 이용하여 실제로 원거리에서 안테나의 위치를 수평과 수직 방향으로 변화시켜가면서 PCB 위의 전송선에 전달되는 전력 이득의 크기를 측정하여 그 크기를 비교하였다.
대상 데이터
- 67 cm이 돼야 하는데, 사실상 이 크기는 전송선로 길이에 비해 너무 커 시뮬레이션 상으로나 실험상으로나 진행이 어렵기 때문에, 전체적인 크기를 줄인 다이폴 안테나를 사용할 필요성이 생겼다. 따라서 본 논문에서는 임의로 4 cm로 줄인 다이폴 안테나를 사용하였으며, 이 때 공진 구동 주파수는 3.75 GHz이다. 그림 3(a)에 3D Simulator로 확인한 다이폴 안테나의 3.
- 본 논문에서 사용되는 수평 전송선로로는 50 Ω으로 정합된 직선 형태의 Ground가 있는 CPW(Coplanar Wave-guide)를 사용하였으며, 전송선로의 x축의 길이는 80 mm이고, y축의 길이는 25 mm이다.
- 본 3장에서는 VNA(Vector Network Analyzer)를 이용하여 전송선로로부터 충분히 멀리 떨어진 원거리에서 안테나의 위치를 변화시켜가며 각 위치마다 전송선로로 전달되는 전력 전달 인덱스를 구하였다. 사용된 안테나는 가장 간단한 구조인 다이폴 안테나이며, 이것의 입력 단을 포트 1로 지정하였고, 전송선로의 양 끝을 각각 포트 2, 3으로 지정한 후, 노이즈 소스원인 다이폴 안테나가 임의의 좌표를 따라 좌, 우로 이동해가며 전달되는 전력을 전력 전달 인덱스인 식 (6)을 이용하여 계산하였다. 이 값이 가장 클 때의 위치가 안테나로부터 전송선로로 전달되는 전력량이 가장 큰 지점이다.
이론/모형
- 수평 전송선로로는 3-2장에서와 동일한 직선 형태의 Ground가 있는 CPW(Coplanar Waveguide)를 사용하였으며, 같은 방법으로 시뮬레이션과 실험을 동시에 진행하였다.
성능/효과
- 이것은 복잡한 안테나의 근거리장 패턴과 상대적으로 복잡한 전송선로의 모양이 결합된 결과로 물리적으로 유의함을 확인할 수 있다. 결과적으로 안테나의 위치를 변화시키는 스캐닝과 함께 S-파라미터를 이용하여 전송선로에 전달되는 전력을 예측하는 방법이 타당하다는 것을 알 수 있다. 현재 모바일 기기 내에는 여러 개의 안테나가 내장되어 있는데, 이 방법을 이용하면 Multi-Antenna와 전송선로 사이의 커플링도 예측 가능할 것으로 보이는 등, 여러 가지 경우에 사용이 가능할 것으로 사료된다.
- 4장에서는 실제 제품에서 발생하는 상황을 구현하기 위하여 근거리장의 방사 패턴을 이용하여 진행하였으며, 마찬가지로 PCB 위에서 안테나의 위치를 수평과 수직 방향으로 변화시켜가면서 전송선로에 전달되는 전력 이득의 크기를 비교하였다. 또, EM Simulation을 통하여 안테나를 수평, 수직 방향으로 이동해 가면서 원거리/근거리의 전송선로로 전달되는 전력 전달 인덱스를 추출하였으며, 이것과 앞서서 실시한 실제 실험 결과와의 비교를 통해서 본 논문에서 제안한 전력전달 예측 방법이 타당함을 입증하였다.
- EM simulation을 이용하여 임의의 다이폴 안테나와 임의의 전송선로의 모델을 해석한 후, 추출한 S-파라미터를 등가회로에 삽입하였고, 전송선로의 등가회로의 부하 임피던스와 전원 임피던스를 변화시켜 가며 전달되는 전력을 분석해 본 결과, 부하 임피던스와 전원 임피던스의 영향이 없는 전력 전달 인덱스를 정의하였으며, 이것을 안테나로부터 전송선로로 전달되는 전력의 크기 비교에 사용하였다. 또한, 수평/수직 형태의 전송선로와 꺾은 형태의 전송선로를 이용하여 인접한 거리에 안테나를 두고, 전송선로 부하에 전달된 전력을 EM simulation 결과와 VNA 장비를 이용하여 실험한 결과가 거의 일치하였고, 꺾인 형태의 전송선로에 전달되는 전력이 수평/수직의 전송선로의 경우보다 약 10～100배 정도 더 전력이 전달됨을 확인하였다. 이것은 복잡한 안테나의 근거리장 패턴과 상대적으로 복잡한 전송선로의 모양이 결합된 결과로 물리적으로 유의함을 확인할 수 있다.
- 그림 2의 결과에서부터 안테나로부터 전송선로의 부하단으로 전달된 전력량이 안테나의 전원단에서 공급하는 전력량에 비해서, 이 경우에서는, 10- 6 ∼ 10- 7 정도로 매우 미비함을 확인할 수 있으며, 그 이유는 안테나가 방사되는 과정에서 대부분의 전력이 공기 중에서 퍼져나가면서 유실되기 때문이고, 그 중에 극히 일부가 전송선로의 부하에 전달이 된다고 할 수 있다. 또한, 안테나로부터 전송선로의 부하로 전달되는 전력량은 안테나의 전원 임피던스와 부하 임피던스가 변화하는 것에 따라서 그다지 크게 변화하지 않음을 확인할 수 있다. 특히 그림 2에서 Pin과 Ps를 5가지 부하의 변화에 따라서 모두 표현한 것임에도 불구하고, 마치 하나의 곡선으로 보이는 것은 전송선로의 부하 임피던스의 변화가 안테나 회로의 Pin과 Ps에 영향을 주지 않음을 의미한다.
- 스캐닝이 끝난 뒤, 추출한 S-파라미터 식 (6)을 이용하여 전력 전달 인덱스를 구하였고, 이것을 그림 5에 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 전송선로 부하에 전달되는 전력이 안테나의 위치에 변화에 따라서 거의 차이가 없음을 확인할 수 있으며, 컬러바를 확인하면 안테나 입력 전력에 비하여 약 10- 8 정도의 전력이 전달되는 것을 알 수 있다. 다.
- 안테나로부터 전송선로에 전달되는 최대전력을 기준으로 삼는다면(worst case analysis) 부하가 25 ∼ 500 Ω일 때에는 전달되는 전력을 기준으로 삼을 수 있고, 이 때 이들의 대푯값으로 50 Ω을 선택하여 사용할 수 있게 된다. 이상과 같은 분석 결과에 따라서 안테나에서 전송선로로 전달되는 전력은, 그림 2의 (b)와 같이, 전원 임피던스와 전송선로의 양쪽 부하 단을 각각 50 Ω으로 설정하여 진행하는 것이 타당하다고 사료된다.
- 그림 7에서 확인할 수 있듯이, 원거리장에서는 평면파의 파형으로 전달되어 전송선로로 인가되지만, 근거리장에서는 패턴이 측정되는 위치마다 전자기장의 방향이 다르기 때문에, 근거리장에서 전달되는 경로를 따라 전송선로로 전력 전달이 되며, 이는 어떻게 어느 방향으로 전달될지 예측하기는 쉽지 않다. 하지만 본 논문에서 제안하는 방법과 같이 측정 또는 시뮬레이션을 수행하면, 근거리장에서 전달되는 전력을 안테나의 위치에 따라서 비교하여 쉽게 예측이 가능하다.
후속연구
- 결과적으로 안테나의 위치를 변화시키는 스캐닝과 함께 S-파라미터를 이용하여 전송선로에 전달되는 전력을 예측하는 방법이 타당하다는 것을 알 수 있다. 현재 모바일 기기 내에는 여러 개의 안테나가 내장되어 있는데, 이 방법을 이용하면 Multi-Antenna와 전송선로 사이의 커플링도 예측 가능할 것으로 보이는 등, 여러 가지 경우에 사용이 가능할 것으로 사료된다.
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