Ⅰ. 서 론
다중대역 특성을 갖는 휴대 단말기 내장형 안테 나의 종류로는 모노폴, IFA(Inverted F Antenna), PIFA(Planar IFA), 칩(chip), 브랜치 라인(branch-line) 등이 있으나, 현재 협소한 안테나 공간에 따른 소 형 안테나 구현 및 다중밴드 특성의 용이함을 위 해 IFA가 널리 적용되고 있다.[1-4] 한국의 T-DMB (Terrestrial-Digital Multimedia Broadcasting, 174 ~ 216MHz) 및 유럽의 DVB-H(Digital Video Broadcasting -Handheld, 470~862MHz)와 같은 방송 서비스가 휴 대 단말기에 제공되고, 700M대 낮은 주파수밴드의 LTE(Long Term Evolution)서비스에 따라 더욱 낮은 주파수 특성의 안테나가 필요하게 되었다. 현재 낮 은 주파수를 쓰고 있는 방송 서비스를 위해 모노 폴과 같은 외장형 안테나가 적용되고 있다. 더불어 700MHz대역의 LTE서비스를 위하여서는 내장형 안테나가 2개 이상 필요한 MIMO(Multi Input Multi Output)시스템을 사용하므로 낮은 주파수 공진 및 넓은 대역특성을 갖는 안테나의 연구가 진행되고 있다.[5,6]
본 연구는 지난 호에 이어서 루프안테나를 휴대 단말기 안테나로 사용될 수 있음을 보이는 연구이 다. 지난 호는 사각형 루프 상단에 브랜치 라인 (branch line)을 접속한 BLA를 소개하였다.[7] 본 연구에서는 원형 루프에 연장선을 넣음으로써 공진 주파수를 낮출 수 있음을 보인다. 더불어 휴대 단말 기용 주파수까지 낮출 수 있음을 보이기 위하여 기 본 사각형 루프 상단과 좌우양단에 연장 루프를 넣 어 이를 ELA(Extended Loop Antenna)라 하고, 원 하는 대역을 얻을 수 있음을 보인다. 모든 설계를 위해 사용된 툴(tool)은 Ansoft사 HFSS가 사용된다. 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 베어보드(bare board)에 캐리어(carrier) 위에 CDMA(824-894MHz), GSM(890-960MHz), DCS(1.71-1.88GHz), USPCS (1.85 -1.99GHz), WCDMA(1.92-2.17GHz)의 5중 대역 ELA 를 설계하고 이를 구현한다. 구현된 ELA에 대한 네 트워크 및 방사특성을 측정하여 설계치와 비교하고 이를 고찰한다.
II. 루프 연장선에 의한 공진특성
휴대 단말기용 ELA 설계에 앞서 루프안테나에 연장선을 넣을 경우 공진주파수가 어떻게 변화하는 가를 나타내고자 한다. <그림 1>은 예를 위한 그림 으로, 기본 원형 루프안테나(a) 및 연장 루프안테나 (b)에 대한 그림 이다.
<그림 1>에서 루프의 반경은 25mm이고 주변은 공기이며, 루프의 재질은 완전도체로 하였다. 루프 반경이 25mm이므로 루프의 총 길이는 157mm가 되 며, 공진은 2GHz에서 발생하게 된다.[8] 이를 HFSS 시뮬레이션한 그림 은 다음 <그림 2>와 같다.
<그림 2>에서 보듯이 원형 루프안테나는 1.98GHz에서 공진이 발생하고, 2배 주파수인 3.95GHz 에서 두 번째 공진이 발생하고 있다. 이에 반해 연 장 루프안테나의 경우 공진주파수는 1.49GHz 에서, 두 번째 공진은 2.94GHz에서 발생하고 있다. 이는 연장선에 의한 효과가 약 500MHz 공진을 낮추게 된 것을 잘 나타내 주고 있다. 이는 연장선이 루프 안테나의 길이에 영향을 주므로 공진주파수가 낮아 졌다고 말할 수 있다. 연장선의 폭도 공진에 영향을 주지만, 본 연구에서는 공진 하향화 특성효과만 나 타내므로 폭에 의한 영향은 나타내지 않기로 한다.
III. 휴대 단말기용 ELA 설계 및 제작
3-1 ELA 설계
II장에서 보듯이 루프 길이의 연장이 공진주파수 를 낮출 수 있으므로 본 연구에서는 휴대 단말기를 위한 안테나로 설계하기로 한다. 설계는 휴대 단말 기 크기인 FR-4 재질의 베어보드(bare board)를 사용 하며, 휴대 단말기와 같이 보드 위에 캐리어(carrier) 를 탑재한다. 캐리어가 4각형이므로 루프도 사각형 루프를 기본으로 한다. 베어보드 크기는 가로x세로 x높이가 각각 45x101x6mm3이다. 높이는 보드의 두 께 1mm와 캐리어의 높이 5mm가 합쳐진 것이다. 캐리어의 크기는 40x19x5mm3이며, 재질은 비유전 율이 3인 폴리카보네이트이다.
ELA의 구조는 <그림 3>과 같다. <그림 3(a)>는 베어보드 위 캐리어에 탑재된 안테나의 형상이고, <그림 3(b)>는 이해를 돕기 위한 것으로, 안테나를 펼쳤을 때에 대한 평면도이다. 평면도에서 보듯이 사각형 루프 상단 및 좌우양단에 연장 루프를 추가 함으로써 <그림 1>과 같은 연장 특성을 갖도록 한 것이다. 캐리어 측면에 연장 루프를 설치하기 때문 에 길이를 무한정 크게 할 수는 없지만 캐리어 측 면인 안테나 높이를 최대한 활용하면 공진주파수를 최대한 낮출 수 있다. 따라서 사각형 루프 및 연장 루프의 크기를 최대 크기로 고정한 상태에서 본 논 문에서의 설계 변수는 연장 루프를 연결하기 위한 위치로 하여 위치를 찾기 위한 시뮬레이션을 수행 하였다.
<그림 4>는 상단에 있는 연장 루프에 대한 연결 점 위치를 좌측, 중앙 및 우측에 있을 때를 각각 c1, c2 및 c3라 했을 때에 대한 반사손실 시뮬레이션 값을 나타낸 것이다. 이때 좌우 연장 루프의 연결점 은 중앙에 두었다. 그림 에서 보듯이 900MHz 근처 의 낮은 대역에서는 연결점과 거의 무관한 특성을 보이고 있다. 그러나 높은 대역에서는 상당한 차이 를 보인다. c1 연결점의 경우 너무 낮은 주파수에서 공진이 형성되고, 이에 반해 c3 연결점인 경우는 높 은 주파수 쪽으로 이동하는 경향이 나타난다. 따라 서 중앙인 c2가 가장 적절함을 알 수 있다.
<그림 5>는 우측에 있는 연장 루프에 대한 연결 점을 상단, 중앙 및 하단에 있을 때를 각각 r1, r2 및 r3라 할 때에 대한 반사손실을 시뮬레이션한 그 림 이다. 시뮬레이션 결과는 낮은 대역에서는 연결 점 위치와 무관하게 나타나고 있다. 그러나 높은 대 역에서는 하단 연결이 보다 낮은 주파수에서 공진 이 일어나며, 상단 및 중앙 연결은 2GHz 이하에서 는 거의 같은 특성을 보이다가 2GHz 이상에서는 중앙보다 상단이 더 촘촘하게 공진이 발생함을 알 수 있다. 좌측 연장 루프의 경우도 우측 때와 같은 현상을 보인다. 이는 좌우가 같은 형상이기 때문으 로 생각된다. 따라서 본 논문에서는 좌측의 경우는 생략하기로 한다.
이상과 같은 시뮬레이션으로 특성을 분석하여 설계한 ELA의 제원은 다음 표와 같다.
3-2 ELA의 제작 및 측정
<표1>과 같이 최종 설계된 ELA를 제작한 그림 은 다음 <그림 6>과 같다. 베어보드 및 캐리어의 크기 와 재질은 앞에서 나타낸 바와 같고, 안테나 선로는 뒷면에 접착제가 있는 동판을 잘라서 구현하였다.
<그림 7>은 <그림 6>과 같이 구현된 안테나의 반사손실을 측정하여 시뮬레이션 치와 비교한 그림 이다. 측정된 반사손실에서 대역은 설계치보다 약 간 더 넓어 진 것을 볼 수 있다. 시뮬레이션 한 대 역폭이 실제보다 좁게 나오는 것은 HFSS를 포함한 일반 툴에서 나타나는 일반적인 현상이다. 이러한 현상은 시뮬레이션 환경이 실제와 다른데서 기인되 는 것으로 휴대 단말기의 경우 대역폭에서 상당한 차이를 보이고 있다. 왜냐하면 단말기의 경우 안테 나에 영향을 미치는 소자와 요인들이 워낙 많기 때 문에 시뮬레이션 환경에 이들을 모두 정확하게 적 용하지 못하기 때문이다.
측정 그림 에서 주파수대역은 낮은 대역에서 VSWR 3:1 기준으로 CDMA 및 GSM대역을 만족하 고 있다. 높은 대역에서는 DCS 대역의 1.71GHz 근 처와 WCDMA의 2GHz대역에서 다소 특성이 나쁘 게 나타나고 있다. 그러나 다음의 방사측정 결과는 그렇게 나쁜 결과는 아니게 측정됨으로써 휴대 단 말기 적용에는 문제가 되지 않을 것으로 생각한다.
무반사실에서 측정한 방사패턴, 효율 및 이득특 성 중 방사패턴 특성은 다음 <그림 8>과 같다.
방사패턴의 측정은 H면, E1면 및 E2면이 측정된 다. 여기서 H면 패턴이란 휴대 단말기를 세웠을 때 수평패턴을 말하고, E1면 패턴은 단말기 앞뒤방향 패턴이며, E2면 패턴은 단말기 측면방향 패턴이다. 이는 휴대 단말기 패턴의 정의에 따른 것이다. 휴대 단말기의 경우 E1 및 E2면 패턴은 중요하지 않다. 다만 수평방향으로는 방향과 무관해야 하므로 H면 무지향(omni-directional) 패턴이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 지면상 H면 방사패턴을 <그림 8>에 나 타내었다. <그림 8>의 H면 방사패턴은 CDMA/GSM 대역에서는 거의 무지향성 패턴을 보인다. DCS/ USPCS대역에서도 무지향 패턴이 발생되고 있으나, WCDMA대역에서는 90도 방향으로 약간의 찌그러 짐이 나타나고 있다. 이는 DCS대역 이상의 고주파 에서 나타나는 현상으로 널(null)이 발생하지 않는 한 단말기의 패턴으로서 문제가 되지 않는다. <그 림 8>은 2D (Dimensional)패턴을 나타낸 것이고, 측 정된 3D 패턴은 다음과 같다. <그림 9>의 3D패턴은 CDMA/GSM대역에서 880MHz에서, DCS/USPCS/ WCDMA대역에서는 1.82GHz에서 대표적으로 나타 낸 것이다.
이득 및 효율 측정은 방사패턴 측정과 동시에 이 루어진다. 이를 나타내면 다음 <표2>와 같다.
<표2>에서 나타나는 것은 MTG무반사실 방사패 턴 측정결과로 나오는 표이다. 여기서 Eff는 방사효 율을, Avg.는 평균이득, Peak는 최대이득, θ와 φ는 최대이득이 발생하는 각도를 나타낸 것이다. 휴대 단말기는 최대이득 보다는 평균이득과 이를 환산한 효율을 더 중요하게 여긴다. 이는 단말기 특성상 방 향과 무관하게 통신이 이루어져야 하기 때문이다. 측정결과 CDMA/ GSM밴드에서 평균이득 -3.0~-1.46dBi 및 50.15~71.41%의 양호한 이득 및 효율 특성을 얻 었고, DCS/USPCS/WCDMA밴드에서 평균이득 – 8.28~-1.7dBi 및 14.87~67.68% 효율이 측정되었다. CDMA 및 GSM밴드에서는 일반 단말기의 방사효 율이 30% 정도인 것을 감안하면 양호한 성능을 보 여주고 있다. 그러나 DCS밴드의 1.71GHz와 2GHz대 역의 WCDMA밴드에서는 VSWR특성이 나쁨으로서 방사효율이 낮게 측정되었다. 이 대역에 대한 광대 역화 연구는 향후 진행되어야 할 것으로 사료된다.
IV. 결 론
본 논문에서는 루프안테나를 휴대 단말기에 적 용할 수 있음을 보인 논문이다. 지난 호 BLA에 이 어 루프의 길이를 연장하는 연장 루프에 의해 공진 주파수를 낮추었다. 연장 루프는 캐리어 상단 및 양 측면에 위치하고 최대 크기로 설계하였고, 사각형 루프와의 연결점을 변수로 하여 공진특성을 시뮬레 이션하였다. 시뮬레이션 결과를 토대로 5중 대역에 서 동작하는 안테나를 설계하고 이를 베어보드 상 캐리어 위에 구현하였다. 구현된 안테나에 대한 반 사계수 및 방사특성을 측정한 결과 CDMA/ GSM주 파수 밴드에서 평균이득 -3.0~-1.46dBi 및 50.15~ 71.41%의 양호한 이득 및 효율 특성을 얻었고, DCS/USPCS/ WCDMA 주파수 밴드에서 평균이득 –8.28~-1.7dBi 및 14.87~67.68% 효율특성이 측정되 었다. H면 방사패턴은 거의 무지향 특성을 보였다. 향후 실제 휴대 단말기에 장착하는 연구와 높은 주 파수대역에서 대역특성의 개선에 대한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 생각한다.
