Ⅰ. 서 론
요즘 휴대 단말기는 데이터통신을 근간으로 하 고 있다. 3G 및 4G 단말기는 물론 2G 단말기까지 도 데이터 서비스를 시행하고 있기 때문이다. 이러 한 데이터통신을 위하여 MIMO시스템이 적용되고 있어서 휴대 단말기에는 여러 개의 안테나가 소요 되고 있다. 더구나, 기존의 많은 상용 이동서비스와 함께 동작하도록 설계됨으로써 단말기 안테나는 다 중대역 특성을 가져야 한다. 이러한 서비스의 다양 성에 따라 단말기 내 공간이 더욱 협소하게 되어 안테나의 공간에도 많은 제약이 따르고 있다. 이는 대역폭을 좁게 하고 안테나의 평균이득 및 방사효 율을 저하시키는 요인이 되고 있다. LTE(Long Term Evolution)가 상용화됨에 따라 MIMO시스템 의 4G 서비스가 현재 제공되고 있다. 그러나 LTE700 대역은 주파수가 낮은 관계로 MIMO시스 템 적용이 용이하지 못한 실정이다. 이는 스마트폰 크기가 0.25~0.35 파장의 작은 공간에 700MHz대 안테나를 2개 이상 설치하기가 매우 어렵기 때문이 다. 이에 따라 소형임에도 낮은 대역을 커버하고, 효율이 높은 안테나에 관한 연구가 진행되고 있다 [1-4].
본 연구는 LTE700을 포함하는 휴대 단말기용 MIMO안테나 설계에 관한 연구이다. 안테나의 광 대역화를 위해 하이브리드 안테나를 사용한다.[4-6] 시스템 급전을 모노폴에 급전하고 커플링을 이용하 여 IFA가 동작하도록 함으로써 모노폴과 IFA가 동 시에 동작하여 광대역특성을 갖도록 한다. 안테나 의 소형화를 얻기 위해 방사도체가 기판과 수직으 로 형성되는 Vlade기법을 적용한다.[6,7] 하이브리 드 안테나를 기판 상하면에 설치하고 대각선 급전 의 MIMO안테나로 설계한다. LTE700(704~787MHz), CDMA(824~894MHz), GSM(880~960MHz), DCS (1710 ~1880MHz), PCS(1850~1990MHz), WCDMA (1920~ 2170MHz) 6중 이동통신 서비스대역에서 동작하는 하이브리드 MIMO 안테나를 설계하고 이를 베어 보드(bare board)에 구현한다. 구현된 안테나를 측 정하여 이론치와 비교하며, 이를 고찰한다.
II. 하이브리드 안테나의 구조
<그림 1>은 본 연구의 안테나인 하이브리드 안 테나의 구조에 대한 그림을 나타낸 것이다.
<그림 1>에서 안테나는 가로x세로 69.5x14.5mm 크기이다. 안테나의 방사도체는 <그림 1-b>와 같이 기울였을 때 그림과 같이 기판과 수직으로 세워진 Vlade 구조이다. Vlade 구조는 안테나도체를 세움으 로써 소형화에 유리한 것은 이미 알려진 사실이다 [6,7]. <그림 1>에서 안테나에 대한 시스템의 급전 은 좌하단에 급전된다. +급전은 2가닥의 모노폴에 급전되고, 동그라미로 그려진 원 부분의 커플링을 거쳐 단락 및 개방 스텁(stub)을 갖는 IFA로 커플링 된다. 따라서 1개의 급전으로 모노폴과 IFA가 동작 하는 하이브리드가 된다. 이러한 커플링구조의 하 이브리드는 소형의 안테나임에도 불구하고 700MHz 대의 낮은 대역 공진특성과 광대역 특성을 가지고 있다. 위 안테나는 IFA가 단락 스텁뿐만 아니라 개 방 스텁을 포함하고 있다. 단락 스텁의 경우 단말기 제조회사에서 설계재원으로 주어지기 때문에 설계 변수로서 역할을 하지 못한다. 따라서 본 연구에서 는 개방 스텁을 설계 변수로 적용하였다. 개방 스텁 길이에 따른 특성변화는 뒤에 나타내기로 한다.
<그림 1> 안테나에 대한 설계 특성으로는 많은 것이 있으나, 본고에서는 특히 중요한 3가지에 대 한 변화를 나타내고자 한다. 먼저 모노폴과 IFA의 길이가 그림의 길이와 10mm, 20mm 짧아질 때 변 화에 따른 반사손실 특성의 변화를 나타내면 다음 <그림 2>와 같다.
<그림 2>에서 길이가 짧을수록 800MHz대 낮은 대역에서는 큰 변화는 없지만 대역폭이 좁아져 낮 은 주파수 적용이 불가하게 나타나고 있다. 또한 높 은 주파수대역에서는 1700MHz대역을 벗어나 높은 주파수로 공진이 옮아지는 것을 알 수 있다. 모노폴 과 IFA 하이브리드 안테나의 경우 IFA 길이에 의해 낮은 주파수를 맞추고, 모노폴의 길이로 대역특성 을 맞추고 있다. 그러나 Vlade를 적용하여 선로 간 격이 좁을 경우, 모노폴과 IFA가 길이에 대해 구분 이 잘 되지 않고 서로 종속적으로 변화하기 때문에 설계가 쉽지 않다.[7] 따라서 다른 연구와 같이 모 노폴 및 IFA길이에 따른 변화를 나타내지 않고 <그 림 2>에서와 같이 두 안테나 길이가 함께 변화할 때 특성을 나타낸 것이다.
다음은 IFA 선로 간격인 <그림 1>의 B부분 변화 에 따른 반사손실 특성을 시뮬레이션하여 나타낸다.
<그림 3>은 IFA 선로 폭을 3~5mm, 1mm간격으 로 했을 때 반사손실 변화를 나타낸 것이다. 그림에 서 보듯이 공진주파수 특성은 거의 변화가 없으나, 대역폭과 반사손실 크기에 변화를 주고 있다. 폭이 넓어질수록 대역폭이 좁아지고 반사손실이 나빠짐 을 알 수 있다. 이는 IFA 선로 폭인 B부분이 증가 하면 모노폴과 가까워져 간섭을 일으키기 때문으로 사료된다.
개방 스텁의 길이를 2, 8, 14mm로 6mm 간격으로 늘리면 <그림 4>에서와 같이 높은 주파수 대역에서 공진주파수가 낮아짐을 알 수 있다. 이는 개방 스텁 의 길이가 높은 주파수에 영향을 미침을 나타내고 있다. 하지만 낮은 주파수대역에는 그다지 영향을 미치지 않고 있다.
<그림 4>는 <그림 1>의 C부분인 IFA의 개방 스 텁 길이 변화에 따른 반사손실 특성을 시뮬레이션 한 것이다.
III. MIMO 안테나 설계 및 제작
II장에서 시행한 시뮬레이션을 토대로 LTE700, CDMA, GSM, DCS , PCS 및 WCDMA의 6중 이동 통신 서비스대역에서 동작하는 하이브리드 MIMO 안테나를 설계하고 이를 베어보드에 구현한다. 베 어보드에의 구현은 비록 실제 단말기 상황과는 다 르지만, 선행연구 안테나에 대한 구현에서는 업계 에서도 널리 사용하는 방법이다. 본 연구에서 사용 된 베어보드의 치수는 가로x세로x높이가 114x 69.5x 0.8mm이다. 이는 기존 4G 상용제품의 보드 크기와 동일한 치수이다. MIMO시스템 적용을 위 하여 안테나를 <그림 5>와 같이 보드 상하에 위치 시키고 대각선으로 급전한다. 대각선 급전방식은 MIMO안테나에서 널리 적용하는 방식이다.[3]
<그림 5>와 같이 설계한 MIMO 안테나에 대한 치수별 제원은 다음 <표 1>과 같다.
<표 1>과 같이 최종 설계된 안테나를 FR4 기판 을 이용하여 구현한 그림은 다음 <그림 6>과 같다.
안테나에 대한 구현은 PCB(Printed Circuit Board) 로 된 베어보드에 동판을 이용하였다. 커플링 부분 과 Vlade 부분은 납땜으로 땜하였다. <그림 6>과 같 이 구현된 안테나의 측정은 휴대 단말기 안테나 측 정방식인 네트워크 분석기에 의한 반사손실과 무반 사실에서의 방사패턴, 안테나이득 및 효율 등의 방 사특성이다. 먼저 Agilent사 네트워크 분석기에 의 해 측정된 안테나의 반사손실과 설계 시뮬레이션 특성을 비교한 그림은 다음 그림과 같다.
<그림7>에서 보듯이 측정치는 시뮬레이션과 잘 일치하고 있다. 낮은 주파수 대역에서는 700MHz대 LTE대역에서 GSM대역까지, 높은 주파수 대역에서 는 DCS대역에서 WCDMA대역까지 휴대폰 업체의 안테나 규격인 VSWR 3:1(S11 = -6dB)을 잘 만족하 고 있다.
<그림 6>의 구현된 안테나 1과 2에 대한 측정된 세 부적인 반사손실을 나타내면 다음 <그림 8>과 같다.
<그림 8>에서 (a)는 <그림 6>의 안테나1에 대한 반사손실을 측정한 것이고, (b)는 안테나2에 대한 반사손실을 측정한 것이다. <그림 8>에서 조금의 오차가 발생하는 것은 2개의 안테나 제작이 동일하 지 않기 때문이다. 대각선 급전의 경우 제작이 동일 할 경우 특성이 같다. 하지만 2 안테나 모두가 설계 대역인 6중 대역을 VSWR 3:1 혹은 반사손실 – 6dB 내에 있는 넓은 대역특성을 보이고 있다.
MIMO 안테나의 또 다른 중요특성은 2 안테나간 의 분리도(isolation)이다. 분리도의 경우 주파수가 낮을수록 높은 분리도를 얻기 힘들다. 2 안테나 간 분리도를 위한 연구는 많이 있으나 대부분 안테나 사이 접지 모양을 변화시키는 방법에 관한 연구이 다. 휴대 단말기의 경우, 안테나 사이에는 여러 부 품과 시스템이 있기 때문에 이러한 연구결과물을 적용하기 불가하다. MIMO 시스템의 통신채널에서 분리시킬 수 있지만, 근본적으로 시스템적으로는 안테나 간 분리도를 최소 –8dB 요구하고 있다. 본 연구에서 2 안테나 간 분리도를 측정한 그림은 다 음 <그림 9>와 같다.
<그림 9> 2 안테나 간 분리도는 LTE대역의 가장 낮은 주파수인 700MHz에서 –8.14dB이고 WCDMA 대역의 가장 높은 주파수인 2170MHz에서 – 20.418dB이다. 설계 대역인 6중 전체 대역에서는 – 8.14 ~ -25.77dB로써 시스템의 최저 분리도인 –8dB 를 만족하고 있다.
제작 안테나 1에 대한 2D (2 Dimensional) 방사패 턴 특성은 <그림 10>과 같다. <그림 10>은 H면 방 사패턴을 나타낸 것이다. 휴대 단말기 경우 H면, E1면, E2면 방사패턴이 있다. E1 및 E2면 패턴은 그다지 중요하지 않다. 이는 휴대 단말기가 수평방 향으로 무지향 특성을 가져야 하며, 수직방향으로 의 지향성 유무는 중요하지 않기 때문이다.
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. <그 림 10>에서 주파수 표시를 하지 않은 것은 <표 2> 에 나타난 주파수별 효율 및 평균이득을 보면 알 수 있기 때문이다. <그림 10>의 H면 방사패턴은 LTE/CDMA/GSM의 낮은 주파수대역에서는 무지향 성 패턴을 보인다. DCS/PCS/WCDMA의 높은 주파 수대역에서도 거의 무지향 특성을 보이고 있다. 일 부 대역에서 15도 방향으로 약간의 찌그러짐이 나 타나고 있으나, 이는 높은 주파수 대역에서 나타나 는 현상으로 널(null)이 발생하지 않는 한 패턴으로 서 문제가 되지 않는다. 안테나 2에 대한 방사패턴 도 <그림 10>의 안테나 1 특성과 유사하여 나타내 지 않기로 한다. H, E1 및 E2 방사패턴을 모두 볼 수 있는 안테나 1에 대한 3D 방사패턴을 나타내면 다음 그림과 같다.
<그림 11>의 방사패턴은 지면상 낮은 주파수대 역인 LTE700~GSM의 중심주파수인 830MHz에서, 높은 주파수대역인 DCS~WCDMA의 중심주파수인 1940MHz에서의 3D 방사패턴을 보였다. 안테나 2의 3D 방사패턴 역시 <그림 11>과 같기 때문에 생략 하기로 한다.
이득 및 효율 측정은 방사 패턴 측정과 동시에 이루어진다. 이를 나타내면 다음 <표 2>와 같다.
측정결과 안테나 1은 LTE700/CDMA/GSM밴드 에서 평균이득 –3.76 ~ -2.53dBi 및 42.06 ~ 55.84% 의 효율이 측정되었고, DCS/PCS/ WCDMA밴드에 서는 평균이득 –3.27 ~ -1.31dBi 및 47.08 ~ 73.91% 의 효율을 보였다. 또한 안테나 2는 LTE700/ CDMA/GSM밴드에서 평균이득 –3.67 ~ -2.55dBi 및 42.99 ~ 55.6%의 효율이 측정되었고, DCS/PCS/ WCDMA밴드에서는 평균이득 –2.69 ~ -1.21dBi 및 53.87 ~ 75.6%의 효율을 보였다. <그림 8>의 반사 손실 측정에서 와 같이, 2개 안테나가 같은 구조임 에도 불구하고 방사효율 및 평균이득에서 약간의 오차를 보이고 있는 것은 안테나를 구현할 때 정확 하게 같게 구현하지 못하였기 때문이다. 그럼에도 2개 안테나의 방사특성은 오차범위 내 거의 같게 측정되었다고 볼 수 있다. 이들 특성은 데이터 휴대 단말 이동통신용 뿐만 아니라 차량 ITS(Intelligent Transportation System) 등의 안테나로 적용되기에 충분한 특성이라고 생각한다.
IV. 결 론
본 논문에서는 모노폴과 IFA가 동작하는 하이브 리드 안테나를 이용하여 데이터통신 휴대 단말기를 위한 MIMO안테나를 설계하였다. 시스템 급전은 모 노폴에 급전하고 커플링에 의해 IFA가 동작하도록 하였다. 안테나의 크기를 줄이기 위해 방사도체가 기판과 수직으로 세워진 Vlade기법을 적용하였다. 같은 형태의 2개 안테나를 기판 상하면에 위치시키 고 대각선 급전을 하였다. 안테나 설계는 LTE700의 데이터 통신대역 이외 상용 이동통신대역 모두를 커버하는 LTE700/CDMA/GSM/DCS/PCS/WCDMA의 6중 대역을 만족하도록 설계하였다. 실제 단말기 크기의 베어보드에 구현한 안테나를 측정한 결과 설계대역에서 VSWR 3:1이하를 만족하였다. 방사특 성은 2개 안테나 공히 LTE700/CDMA/GSM밴드에 서 평균이득 –3.67 ~ -2.53dBi 및 42.06 ~ 55.84%의 효율이 측정되었고, DCS/PCS/ WCDMA밴드에서 는 평균이득 –3.27 ~ -1.21dBi 및 47.08 ~ 75.6%의 효율을 보였다. 휴대 단말기 경우 많은 시스템과 부 품이 안테나 주위에 산재하여 특성에 영향을 미치 므로 본 연구결과와 같게 나오지 않겠지만, 이 연구 의 설계방식은 휴대 단말기 설계 실무에 도움을 줄 수 있으리라 생각한다.
