Ⅰ. 서 론

현대 휴대폰 및 ITS 단말기 등과 같은 이동통신 용 단말기는 넓은 화면 및 집적회로의 적용은 물론 많은 서비스밴드의 수용 등으로 단말기 내는 빈 공 간이 거의 없는 아주 복잡한 상태이다. 더구나 접지 상태인 넓은 LCD화면과 배터리는 안테나의 방사에 큰 지장을 초래하고 있다. 접지로 둘러싸인 단말기 안테나는 대역이 좁게 되고 10% 이하의 낮은 방사 효율을 가지게 한다[1-3]. 따라서 단말기 설계 때 안 테나를 위한 접지를 배제한 공간을 마련하고 있다. 그러나 앞에서 나타낸 바와 같이 그 공간이 매우 협소하여 안테나의 특성지장을 초래하고 있다. 따 라서 이러한 문제점을 해소하기 위하여 단말기 내 부 작은 빈 공간을 보조안테나의 공간으로 사용하 기 위한 연구가 최초로 시작되었다[4].

본 연구는 주안테나와 부안테나를 단말기에 설 치하여 광대역 주파수밴드 특성을 보이는 연구이 다. 주안테나를 단말기 상단에 설치하고 부안테나 를 하단 모퉁이에 설치한다. 두 안테나는 전송선으 로 연결하여 함께 동작하도록 한다. 안테나는 모노 폴(monopole)과 IFA가 합쳐진 하이브리드(hybrid)안 테나[5-8]로 구성한다. 주안테나와 부안테나의 전류 가 연속적임을 보이기 위하여 주파수별 전류밀도 특성을 나타낸다. 안테나의 주요 변수인 주안테나 모노폴 길이 및 개방 스텁(open stub) 길이 변화에 따른 반사손실 특성변화를 알아본다. 더불어 부안 테나의 모노폴 길이 변화에 따른 반사손실 특성변 화도 알아본다.

안테나의 설계는 LTE700(704~787MHz)/CDMA(82 4~894MHz),GSM(880~960MHz)/DCS(1710~1880MHz) PCS(1850~1990MHz), WCDMA(1920~2170MHz) 6중 이동통신 서비스대역에서 동작하도록 HFSS를 이용 하여 설계하고 이를 휴대폰 단말기 크기의 베어보 드(bare board)에 구현한다. 구현된 안테나를 측정하 여 이론치와 비교하며, 그 결과를 고찰한다.

II. 주안테나, 부안테나의 구조

<그림 1>은 본 연구의 주안테나와 부안테나를 나타낸 그림이다. 그림에서 보듯이 보드 상단에는 주안테나가 있고 하단 한쪽에 부안테나가 있다. 두 안테나의 연결은 50ohms 특성임피던스를 갖는 길 이 88mm의 마이크로스트립 선로로 연결되는 구조 이다. 본 연구에서 사용된 기판의 크기는 실제 휴대 폰에 적용되는 기판 크기인 가로x세로 = 60x132mm 이고, 두께는 0.8mm이다.

주 및 부안테나는 각각 모노폴 안테나에 급전된 다. 모노폴로부터 원으로 표시된 것과 같이 커플링 (coupling) 구조에 의해 IFA가 급전됨으로써 모노폴 과 IFA가 동시에 동작하게 된다. 이에 관한 연구는 그간 많이 발표[5-8]되었으므로 본 연구에서는 더 이상 설명하지 않기로 한다. 안테나 수납공간의 크 기는 주안테나 및 부안테나 각각 가로x세로가 60x13mm 및 40x14mm이다.

다음은 주 및 부안테나의 주요 길이 변화별 반사 손실 특성변화를 알아보기로 한다. <그림 2>에서 나타낸 주안테나 모노폴의 끝부분 A 길이가 8, 12, 16mm일 때 주파수별 반사손실 즉, 공진특성을 나 타낸 것은 <그림 3>과 같다.

<그림 2>에서 길이 A부분은 모노폴의 끝부분이 다. 따라서 길이 8, 12, 16mm 변화에 따른 공진주파 수 변화는 아주 미미하다. 그러나 하이브리드 특성 이 갖는 낮은 밴드 중 높은 주파수 부분이 모노폴 에 의해 작동됨을 잘 보여주고 있고, 길이가 길수록 공진주파수가 하향됨을 보이고 있다.[5][8] 또한 주 안테나의 모노폴 부분은 높은 밴드에는 거의 영향 을 주지 않고 있음을 잘 나타내주고 있다.

<그림 4>는 주안테나 IFA의 개방 스텁이면서 방 사소자 역할을 수행하는 <그림 2>의 B부분 길이를 7.4에서 11.4mm까지 2mm씩의 변화에 따른 반사손 실 특성을 나타낸다. IFA는 모노폴로부터 커플링 구조로 급전을 받는다. 자체 단락(short) 스텁을 갖 는 것이 IFA의 구조특성이며, 단락 스텁의 길이로 는 임피던스 정합에 이용되며, 공진특성은 개방 스 텁의 길이로 얻는다.

<그림 4>에서 보듯이 IFA의 개방 스텁은 낮은 주파수대역은 영향을 주지 않고 높은 대역에 영향 을 주고 있다. 길이가 길어질수록 공진주파수가 낮 아짐은 이론과 잘 부합하고 있음을 보여주고 있다.

<그림 5>는 <그림 2>의 C부분인 부안테나 모노폴 길이 변화에 따른 반사손실 특성을 나타낸 것이다.

부안테나의 모노폴 C부분 길이를 28, 32, 36mm 로 4mm 간격으로 늘리면 낮은 주파수 대역에서 공 진주파수가 하향함을 알 수 있다. 이는 부안테나가 낮은 주파수대역 특성에 영향을 주고 있음을 말해 주고 있다.

안테나의 동작상황을 알아보기 위한 데이터 중 가장 중요한 것은 안테나 상 전류밀도(current density)이다. HFSS에 의해 시뮬레이션 된 본 연구 안테나의 주파수 별 전류밀도는 <그림 6>과 같다.

<그림 6>에서는 주파수 700MHz, 830MHz 및 960MHz에서의 전류밀도를 나타내었다. 그림에서 각각 왼쪽이 주안테나이며, 오른쪽이 부안테나이다. 안테나 전류의 흐름은 낮은 대역에서의 전류밀도가 중요하기 때문에 <그림 6>에서는 LTE부터 GSM대 역 주파수의 시작, 중간 및 끝 주파수에서 전류밀도 를 나타낸 것이다. 주파수 700MHz에서 주안테나의 전류는 IFA에서 발생하고 있으며, 주안테나에서 부 안테나로 전류가 연속적으로 흐름을 잘 나타내주고 있다. 주파수 830MHz에서는 하이브리드안테나 특 성인 모노폴과 IFA가 함께 전류가 흐르는 동작을 보여주고 있고, 주파수 960MHz에서는 모노폴 안테 나가 동작함을 잘 나타내 보이고 있다.

III. 안테나 제작 및 측정

II장에서 시행한 길이별 반사손실 특성변화를 이 용하여 LTE700, CDMA, GSM, DCS, PCS 및 WCDMA의 6중 이동통신 서비스대역에서 동작하는 안테나의 제원을 확정하고 이를 FR-4 베어보드에 구현한다. 베어보드에의 구현은 비록 실제 단말기 상황과는 다르지만, 선행연구 안테나에 대한 구현 에서는 업계에서도 널리 사용하는 방법이다. 본 연 구에서 사용된 베어보드의 치수는 가로x세로x높이 가 60x132x0.8mm이다. 이는 기존 4G 상용제품의 보드 크기와 동일한 치수이다.

설계된 안테나에 대한 치수별 제원은 <그림 2> 에 나타나 있으며, <그림 3> ~ <그림 5>에 나타낸 주요 길이를 표로 나타내면 <표 1>과 같다.

<표 1>과 같이 최종 설계된 안테나를 비유전율 4.5 손실탄젠트 0.019를 갖는 FR4 기판을 이용하여 구현한 그림은 <그림 7>과 같다.

안테나에 대한 구현은 PCB로 된 베어보드에 동 판을 이용하였다. <그림 7>과 같이 구현된 안테나 의 측정은 휴대 단말기 안테나 측정방식인 네트워 크 분석기에 의한 반사손실과 무반사실에서의 방사 패턴, 안테나이득 및 효율 등의 방사특성이다. 먼저 Agilent사 네트워크 분석기에 의해 측정된 안테나의 반사손실과 설계 시뮬레이션 특성을 비교한 그림은 다음 <그림 8>과 같다.

<그림8>에서 보듯이 측정치는 시뮬레이션과 아 주 잘 일치하고 있다. 일반적으로 보드에 구현된 안 테나는 시뮬레이션한 반사손실과 잘 맞는게 상례이 다. 낮은 주파수 대역에서는 700MHz대 LTE대역에 서 GSM대역까지, 높은 주파수 대역에서는 DCS대 역에서 WCDMA대역까지 VSWR 3:1(S11 = -6dB)을 잘 만족하고 있다.

<그림 7>의 구현된 안테나에 대한 측정된 세부 적인 반사손실을 나타내면 <그림 9>와 같다.

<그림 9>는 S11과 스미스차트(smith chart) 및 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)을 나타내는 형식으로 안테나의 반사손실을 세부적으로 분석할 수 있는 데이터들이다. 이러한 형식은 이동통신 단 말기 제조업체와 관련 안테나업체에서 널리 사용하 는 형식이다. <그림 9>에서 보듯이 설계 대역인 6 중 대역을 만족하는 넓은 대역특성을 보이고 있다.

제작 안테나에 대한 2D(Dimensional) 방사패턴 특 성은 <그림 10>과 같다. <그림 10>은 H면 방사패턴 을 나타낸 것이다. 이동통신 단말기 경우 H면, E1 면, E2면 방사패턴이 있다. E1 및 E2면 패턴은 그다 지 중요하지 않다. 이는 휴대 단말기가 수평방향으 로 무지향 특성을 가져야 하며, 수직방향의 방사패 턴은 그다지 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. 120 도 및 210도 방향으로 약간의 찌그러짐이 나타나고 있으나, 이는 높은 주파수 대역에서 나타나는 현상 으로 급전이 치우쳐져 있기 때문에 발생하는 현상 이다. 그러나 널(null)이 발생하거나 크게 찌그러지 지 않는 한 패턴으로서 큰 문제가 되지 않는다. H, E1 및 E2 방사패턴을 모두 볼 수 있는 안테나에 대 한 3D 방사패턴을 나타내면 다음 <그림 11>과 같다.

<그림 11>의 방사패턴은 지면상 낮은 주파수대 역인 LTE700~GSM의 중간주파수인 830MHz에서, 높은 주파수대역인 DCS~WCDMA의 중간주파수인 1940MHz에서의 3D 방사패턴을 보였다. 그림에서 보듯이 H-면은 전방향 특성을 보이고 있으며, 전체 적으로 방사패턴이 등방성 특성을 보임으로써 수평 뿐만 아니라 웬만한 수직방향으로도 송, 수신이 일 정한 특성을 보이고 있다. 이러한 특성은 이동통신 단말기가 가져야하는 특성으로 본 연구 안테나가 양호한 방사특성을 가지고 있음을 말해주고 있다.

이득 및 효율 측정은 방사 패턴 측정과 동시에 이루어진다. 이를 나타내면 <표 2>와 같다.

측정결과 안테나는 LTE700/CDMA/GSM밴드에서 평균이득 -3.78 ~ -2.62dBi 및 41.9 ~ 54.73%의 효율 이 측정되었고, DCS/PCS/ WCDMA밴드에서는 평균 이득 –3.75 ~ -1.84dBi 및 42.19 ~ 65.46%의 효율을 보였다. 이들 특성은 이동통신 단말기용 안테나로 적용되기에 충분한 특성이라고 생각한다.

IV. 결 론

본 논문에서는 주안테나와 부안테나를 만들고 이들을 전송선로로 연결함으로써 이동통신용 단말 기 안테나로 사용될 수 있음을 보였다. 두 안테나는 모노폴과 IFA가 동작하는 하이브리드 안테나를 적 용함으로써 광대역 특성을 갖도록 하였다. 부안테 나를 기판 하단 모퉁이에 위치시켰다. HFSS에 의한 전류밀도 특성을 나타내어 부안테나와 주안테나의 전류가 연속성이 있음을 보였고, 2 안테나가 동시 에 동작함을 보였다. 설계는 모든 상용 이동통신대 역을 포함하는 LTE700/ CDMA/ GSM/ DCS/ PCS/ WCDMA의 6중 대역을 만족하도록 설계하였다. 실 제 단말기 크기의 베어보드에 구현한 안테나를 측 정한 결과 설계대역에서 VSWR 3:1 이하를 만족하 였다. 방사특성은 LTE700/CDMA/GSM밴드에서 평 균이득 -3.78 ~ -2.62dBi 및 41.9 ~ 54.73%의 효율이 측정되었고, DCS/PCS/ WCDMA밴드에서는 평균이 득 –3.75 ~ -1.84dBi 및 42.19 ~ 65.46%의 효율을 보였다. 비록 본 연구 안테나를 베어보드에 구현하 였지만, 실제 휴대 단말기에 적용할 경우 부안테나 를 임의장소에 둘 수 있으므로 공간 활용도를 높일 수 있고 부안테나로도 송수신이 되므로 공간 다이 버스티(diversity) 역할까지 수행할 수 있으리라 생 각한다.