[논문]메탈 프레임 커플링을 이용한 웨어러블 디바이스용 다중대역 안테나 설계

이경학; 한민석

doi:10.17661/jkiiect.2017.10.6.522

초록
AI-Helper

논문에서는 메탈 프레임 커플링을 이용한 웨어러블 디바이스용 다중대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 $45mm{\times}35mm$ 크기의 메탈 프레임을 이용한 안테나와 접지면 이중 커플링 구조를 가지고 있다. 본 논문에서 제안한 다중대역 안테나는 웨어러블 디바이스와 같은 소형 디바이스에 최적화 된 구조이다. 메탈 프레임을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나 체적을 축소시키고 VSWR 3:1 이하 기준으로 저주파 대역에서 70 MHz (870~40 MHz), 고주파 대역에서 280 MHz (1600~880 MHz) 과 280 MHz (1900~170 MHz) 임피던스 대역폭을 만족한다. 또한, 무선 성능 지표들인 TRP/TIS 측정을 통해 웨어러블 디바이스 적용 가능성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a multi-band antenna for wearable devices using metal frame coupling. The proposed antenna has a $45mm{\times}35mm$ antenna using metal frame and a ground dual coupling structure. The proposed multi-band antenna in this paper is optimized for small devices such a...

In this paper, we propose a multi-band antenna for wearable devices using metal frame coupling. The proposed antenna has a $45mm{\times}35mm$ antenna using metal frame and a ground dual coupling structure. The proposed multi-band antenna in this paper is optimized for small devices such as wearable devices. By using the metal frame as a part of the antenna, the volume of the antenna is reduced and satisfies under VSWR 3:1 impedance bandwidth of 70 MHz (870 ~ 940 MHz) in low frequency band, 280 MHz (1600 ~ 1880 MHz) and 280 MHz (1900 ~ 2170 MHz) in high frequency band. It also verified the applicability of wearable devices by measuring wireless performance indicators such as TRP/TIS.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 무선 통신 기능을 갖는 메탈 프레임 커플링 기반 웨어러블 디바이스용 다중대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 45 mm X 35 mm 크기의 메탈 프레임을 이용한 안테나와 접지면 이중 커플링 구조를 가지고 있다.

제안 방법

그림 2를 통해 본 논문에서 제안하고자 하는 메탈 프레임 커플링을 이용한 다중대역 안테나 구조를 살펴보면 제안된 안테나는 45 mm X 35 mm 크기의 메탈 데코 프레임을 이용한 안테나와 접지면 2중 커플링 구조를 가지고 있다. 또한, 웨어러블 디바이스와 같은 소형디바이스에 최적화 된 구조로 메탈 프레임을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나 체적을 축소시켜 300 mm³ 최소한의 공간에 원하는 대역을 모두 만족하는 다중대역 안테나를 구현할 수 있다.
그림 4는 제안된 안테나의 동작 특성을 확인하기 위해 고주파 시뮬레이션 Tool을 활용해 저주파 대역과 고주파 대역을 구분해서 각각의 전기장 분포를 살펴보았다. 저주파 대역의 경우, 메탈 프레임 링과 저주파 대역 (LTE Band5(850), Band8(900)) 커플링 영역에 전기장이 집중적으로 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
스마트 워치를 손목에 거치할 때 기존에 사용되는 지그를 사용하면 안테나 편파가 틀어져서 측정 신뢰성이 부족하여 자유공간 특성 대비 특성 차이가 매우 심할 뿐 아니라 현장 검증 결과와 동떨어진 특성이 나타난다. 따라서, 정확한 성능 평가를 위해서는 안테나 간의 편파를 잘 맞춰줘야 하기 때문에 그림 7과 같이 CTIA 규격의 손 팬텀을 이용하여 소스(Source) 안테나와 스마트 워치 안테나 사이의 편파정렬을 위해 90도 직각을 이룰 수 있도록 하고 유전율이 공기와 가까운 유전체를 가진 거치대를 사용하였다.
본 논문에서는 웨어러블 디바이스와 같은 소형디바이스에 최적화 된 구조로 메탈 프레임을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나 체적을 축소시켜 300mm3 최소한의 공간에 저주파 대역 (LTE Band5(824∼894 MHz), LTE Band8 (905∼960 MHz)) 과고주파 대역 (LTE Band3 (1710∼1880MHz), 3G UMTS(Universal Mobile Telecommunications System) Band1 (1920∼2170 MHz))에 모두 적용 가능한 다중대역 안테나를 제안하고 실제 손 팬텀(Hand Phantom)에 장착 후 무선 성능을 나타내는 지표인 TRP(Total Radiated Power)/TIS(Total Isotropic Sensitivity) 측정을 통해 성능 검증을 진행 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 무선 통신 기능을 갖는 메탈 프레임 커플링 기반 웨어러블 디바이스용 다중대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 45 mm X 35 mm 크기의 메탈 프레임을 이용한 안테나와 접지면 이중 커플링 구조를 가지고 있다. 또한, 제안된 안테나는 웨어러블 디바이스와 같은 소형디바이스에 최적화 된 구조로 메탈 프레임을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나 체적을 축소시켜 300 mm³최소한의 공간에 원하는 대역을 모두 만족하는 다중대역 안테나를 구현할 수 있다.

성능/효과

제안된 안테나는 45 mm X 35 mm 크기의 메탈 프레임을 이용한 안테나와 접지면 이중 커플링 구조를 가지고 있다. 또한, 제안된 안테나는 웨어러블 디바이스와 같은 소형디바이스에 최적화 된 구조로 메탈 프레임을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나 체적을 축소시켜 300 mm³최소한의 공간에 원하는 대역을 모두 만족하는 다중대역 안테나를 구현할 수 있다. 제안된 다중대역안테나는 저주파 대역 (LTE Band5(824∼894MHz), LTE Band8(905∼960 MHz)) 과 고주파 대역 (LTE Band3(1710∼1880MHz), 3G UMTS Band1(1920∼2170 MHz)) 의 주파수 대역을 만족하는 결과를 보였다.
또한, 웨어러블 디바이스와 같은 소형디바이스에 최적화 된 구조로 메탈 프레임을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나 체적을 축소시켜 300 mm³ 최소한의 공간에 원하는 대역을 모두 만족하는 다중대역 안테나를 구현할 수 있다. 제안된 다중대역 안테나는 저주파 대역 (LTE Band5(850), LTE Band8(900)) 과 고주파 대역 (LTE Band3(1800), 3G UMTSBand1(2100)) 을 모두 만족한다.
제안된 다중대역안테나는 저주파 대역 (LTE Band5(824∼894MHz), LTE Band8(905∼960 MHz)) 과 고주파 대역 (LTE Band3(1710∼1880MHz), 3G UMTS Band1(1920∼2170 MHz)) 의 주파수 대역을 만족하는 결과를 보였다.
최종적으로 제안된 안테나는 VSWR 3:1 이하 기준으로 저주파 대역에서 70 MHz (870∼940 MHz), 고주파 대역에서 280 MHz (1600∼1880 MHz) 과 280 MHz (1900∼2170 MHz) 임피던스 대역폭을 만족한다.

후속연구

손에 거치했을 때 LTE Band5(850) TRP 성능을 제외한 나머지 성능은 모두 원하는 목표치를 다 만족한 것을 알 수 있다. 향후 접지면 접촉 불안에서 오는 무선 성능 저하 문제점을 쉴드 캔(Shield Can)과 배터리 메탈 프레임의 접지면 접촉 강화 및 메탈 프레임 구조 개선을 통해 LTE Band5(850) TRP 성능을 2 dB 정도 개선할 예정이다.
향후 접지면 접촉 불안에서 오는 무선 성능 저하 부분은 쉴드 캔과 배터리 메탈 프레임의 접지면 접촉 강화 및 메탈 프레임 구조 개선을 통해 추가적인 성능 개선을 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 대부분의 웨어러블 디바이스 제품는 어떤 제품이 대다수를 차지하는가?	현재 대부분의 웨어러블 디바이스 제품은 스마트워치와 같은 손목시계 형태나 손목 밴드를 중심으로 피트니스와 활동 추적기 등 모바일 헬스 관련 제품이 대다수를 차지하고 있다. 하지만 최근 애플과 삼성전자를 중심으로 자체 LTE (Long Term Evolution) 통신 기능을 탑재하였고 스마트워치 운영체제(Operating System)를 탑재해 스마트폰 없이 자체 LTE 통신으로 음성통화, 메시지 송수신, 앱 다운로드 등이 모두 가능하다.
	안테나의 소형화 방법에는 어떤 것들이 있는가?	하지만, 이를 구현하기 위해서는 아주 작은 공간에 최소 4개 대역을 모두 만족하는 소형의 다중대역 안테나가 필요하다. 이를 위한 안테나의 소형화 방법에는 집중소자 기술을 사용하는 방법, 기하학적 구조를 사용하는 방법, 기생 소자를 사용하는 방법, 메타물질 구조를 이용한 방법 등이 있다[1]~[2]. 또한, 마이크로스트립 급전과 접지면을 사용하여 안테나의 크기를 파장의 1/4로 줄이고, 추가적인 패치를 사용함으로써 기본 패치의 방사를 보충하여 성능을 향상시켜주는 기법을 주로 사용한다[3].
	본 논문에서 제안하는 다중대역 안테나의 무선 성능 저하 문제점을 개선하기 위한 방안은 무엇인가?	손에 거치했을 때 LTE Band5(850) TRP 성능을 제외한 나머지 성능은 모두 원하는 목표치를 다 만족한 것을 알 수 있다. 향후 접지면 접촉 불안에서 오는 무선 성능 저하 문제점을 쉴드 캔(Shield Can)과 배터리 메탈 프레임의 접지면 접촉 강화 및 메탈 프레임 구조 개선을 통해 LTE Band5(850) TRP 성능을 2 dB 정도 개선할 예정이다.

참고문헌 (12)

K. Hiraswa, M. Haneishi, Analysis, Design, and MeaSurement of Small and Low-Profile Antennas, Artech House, London, 1992.
H. Lee, "Design of an Electrically Small Antenna Using Metamaterial Structure", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 3(1), pp. 24-30, Mar 2010.
J. Wang, I. Yoon, S. Hwang, X. Yan, and H. Park, "A Study on Multi-band Antenna for Mobile using Coupling Feeding", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 7(4), pp. 188-194, Dec 2014.

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X. Ren, Y. Yin, W. Hu, and Y. Wei, "Compact triband rectangular ring patch antenna with asymmetrical strips for WLAN/WIMAX applications", Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 24, pp. 1829-1838, 2010.

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M. Han and J. Choi, "Multiple Antenna System for Net Generation Mobile Communication", Journal of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 21, no. 6, pp. 660-669, June 2010.

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J. Shim, "A Novel Monopole Antenna for ISM 2.45 GHz/5.8 GHz Dual Band Characteristics by a Linear Monopole Antenna Combined with a Crossed Planar Monopole Antenna", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 8(6), pp. 515-519, Dec 2015.

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S. Park, N. Kim, S. Rhee, and S. Lee, "Spiral slot antenna fed by coplanar waveguide using magnetic phase difference", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 52, no. 1, pp. 28-30, 2010.

상세보기
J. Chun, "Implementation of Double Resonance in the Cylindrical Monopole", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 6(4), pp. 267-271, Dec 2013.
S. Lee, T. Oh, J. Ha, and Y. Lee, "Design of Dual-Polarization Antenna with High Cross-Polarization Discrimination", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 10(3), pp. 199-205, June 2017.

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G. Lim and Y. Yoo, "A Study on the Properties of UWB Circular Monopole Antenna with Folded Structure", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 8(2), pp. 147-151, Apr 2015.

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W. Choi and H. Lee, "Design of Dual LTE-band MIMO Antenna", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 4(1), pp. 46-52, Mar 2011.
G. Lim, "A study n the Ground Effect in a Ultra-Wideband Planar Monopole Antenna", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, 6(3), pp. 162-167, Sep 2013.

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