Ⅰ. 서 론
최근 모바일 단말기는 사용자의 요구에 따라 다 양한 서비스를 제공하며 발전하고 있으며 5세대에 대한 국제적인 논의가 이루어지고 있다. 세대가 거 듭할수록 통신기능 이외의 여러 가지 다양한 서비 스가 하나의 통신 기기에 집약되고 있고 얇고 작은 모양의 디자인이 각광받고 있어 최근 다기능 및 고 도화 기능을 갖춘 얇고 작은 모양의 개인 휴대용 통신기기가 요구되고 있다. 이에 따라 무선이동통 신 시스템 통신기기에 알맞은 얇고 작은 모양의 다 중대역 안테나의 개발이 필요하다.
현재 개인 스마트 휴대용 통신기기에 적합한 다 중대역 안테나로는 역-F (inverted-F)[1-3], 평면 모노 폴 다중대역 안테나[4-6]등이 연구되었다. 역-F (inverted-F)는 소형 및 경량이면서 제작이 쉽고 안 테나 특성이 우수하지만 안테나의 높이가 낮아질수 록 대역폭이 좁아지는 특성을 갖는 단점이 있다. 특 히, 평면 모노폴 다중대역 안테나는 시스템에 비해 작은 크기를 차지하여 회로 기판과 함께 설계 및 제작할 수 있는 장점이 있으나, 4G 모바일 핸드폰 을 위한 낮은 주파수(LTE 700)에서는 서비스 대역 폭을 충분하게 얻지는 못하였다[4-6]. 하지만 본 논 문에서 제안된 안테나는 LTE 700(698-787MHz)을 포함하면서 유사하거나 더 높은 이득을 얻었다.
본 논문에서는 두 개의 슬롯을 이용하여 4G 모바 일 핸드폰 (LTE/GSM/UMTS) 을 위한 작은 hexa-band 커플링 안테나를 제안하였다. 광대역 특성 을 얻기 위해 두 개의 슬롯을 삽입하였고 커플링 패 치를 이용하여 LTE 700 (698-787 MHz), GSM 850 (824-894 MHz), GSM 900 (880-960 MHz), GSM 1800 (1710-1880 MHz), GSM 1900 (1850-1990 MHz) 그리 고 UMTS (1920-2170 MHz)에 만족하는 대역폭을 확 보하였다. 제안된 안테나의 VSWR, 방사패턴 그리고 안테나 이득에 대한 시뮬레이션 및 실제 측정 결과 를 II절에 기술하였고, III절에 결론을 맺었다.
Ⅱ. 안테나 제작 및 측정 결과
본 논문은 4G 휴대 단말기를 위한 hexa-band 대역 에 사용가능한 커플링 안테나에 대하여 설계 및 제 작 하였다. 그림 1은 CST사의 MWS 시뮬레이터를 이용하여 안테나 전체 구조를 나타냈다. 제안한 안 테나는 작은 두 개의 슬롯을 삽입하고 커플링 패치 를 이용하여 hexa-band (LTE700, GSM850, GSM900, GSM1800, GSM1900, UMTS)대역을 포함하는 0.698-0.960GHz와 1.710-2.170GHz 대역폭을 확보하 였다.
제안한 안테나는 εr=4.4, 높이 0.8mm FR4 기판을 모바일 스마트 핸드폰 회로 보드와 같은 크기로 사 용하였고 그라운드의 크기는 50×86mm2, 그라운드 가 없는 크기는 50×12mm2 이다. 또한 두 개의 슬 롯을 갖는 급전 방사패치로서 11×11mm2의 사각 패 치가 위치한다. 사각패치 중앙으로 50-Ω 급전부분 이 있고 그라운드와 사각패치 사이는 3mm의 공간 을 갖는다.
그림 2는 두 개의 슬롯을 갖는 작은 방사패치와 커플링 되는 패치의 사이즈를 나타낸다. 커플링 패치 는 테프론 εr=2.17(Taconic TLY-5A-0620-C1/C1)인 기 판위에서 25×11mm2 크기로 방사패치와 커플링 특성 을 갖게 된다. 제안한 안테나는 CST사의 MWS 시뮬 레이터를 이용하여 안테나 파라미터를 최적화 하였 고 그 값으로 설계 및 제작하였다. VSWR는 에이질 런트 N5230A 회로망 분석기를 사용하여 측정하였다.
그림 3은 제안한 안테나의 실제 제작된 정면도로 서 방사패치 위에 커플링 패치가 위치한 모습을 보 이고 있다. 그림 4는 실제 제작된 제안한 안테나의 측정한 값과 시뮬레이션의 반사계수 특성을 나타내 었다. 제작한 안테나에서 측정된 주파수 대역은 VSWR≤3:1 기준으로 hexa-band (LTE700, GSM850, GSM900, GSM1800, GSM1900, UMTS)대역을 포함 하는 0.698-1.098GHz와 1.607-2.250GHz 대역폭을 확 보하였다.
그림 5는 제안한 안테나의 방사패치에 두 개의 슬롯을 삽입한 경우와 삽입하지 않았을 경우의 시 뮬레이션 반사계수를 비교하였다. 방사패치에 두 개의 슬롯을 삽입했을 때 321MHz (0.648-0.969)와 684MHz (1.668-2.352GHz) 대역폭을 만족하는 모습 을 보인다.
그림 6의 (a)-(d)는 698, 960, 1710, 2170 MHz 에 서의 방사패턴이다. 제안된 안테나는 측정한 모든 대역에서 이동 통신 장치의 내장형 안테나로서 효 율적인 전방향성 방사패턴이 측정되었다.
그림 7은 구현된 안테나의 시뮬레이션 및 측정한 이득을 비교하여 나타내었다. LTE700, GSM850, GSM900 보다 높은 주파수인 GSM1800, GSM1900, UMTS 대역에서 상대적으로 전류가 집중되는 안테 나 구조로 되어 있어 높은 이득이 나타난 것으로 판단된다. 안테나 이득의 측정값은 -0.52-4.68dBi의 이득을 얻었다.
Ⅲ. 결론
본 논문에서는 두 개의 슬롯을 이용한 4G 모바일 단말기용 hexa-band 커플링 안테나를 제안하였다. 그 결과 LTE700, GSM850, GSM900, GSM1800, GSM1900, UMTS를 모두 포함하는 광대역 특성을 얻었다. 제안한 안테나에서 측정된 주파수 대역은 VSWR≤3:1 기준으로 hexa-band대역을 포함하는 0.698-1.098GHz와 1.607-2.250GHz로 확인되었다. 또 한 4G 스마트 안테나에 적용 가능한 -0.52-4.68dBi의 안테나 이득을 얻었으며 전방향성 (Omni-directional) 방사패턴을 나타내었다. 본 논문에서 제안한 안테나 는 hexa-band 안테나로서 특히, LTE 700 대역을 포 함하면서 충분한 이득을 구현하였다. 기존 내장형 안테나로 주로 사용되었던 PIFA 형태 보다 작고 얇 은 안테나 형태를 지니고 있어 점점 소형 경량화하 는 무선통신 단말기에 효과적으로 적용 가능하도록 하였고, 실제 4G 스마트 안테나의 사이즈와 성능이 유사하도록 하였다. 향후 제안된 안테나의 측성결과 를 선행연구로 하여 스마트폰에서의 활용가능성을 위해서는 실제 스마트폰에서의 구현 및 실험이 추 가적으로 필요하다.
