Ⅰ. 서 론
최근 모바일 단말기는 LTE (Long Term Evolution) 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용 화되어 다양한 서비스를 제공하고 있다. 사용자의 요구에 따라 다양한 서비스를 제공하기위해 발전된 이동통신 서비스는 현재 국가별, 통신사 별로 사용 중인 이동통신 주파수 대역이 다르기 때문에 각각 의 주파수에서 특성을 만족하는 안테나의 설계가 필요하다[1]. 그러므로 단일구조로 다중 대역을 만 족하는 광대역 안테나를 설계할 경우, 기기 제조시 의 범용성을 향상 시킬 수 있다. 이에 따라 단말기 안테나는 LTE 뿐만 아니라 2세대 및 3세대 이동통 신 대역을 포함하는 다중 대역의 서비스를 제공해 야만 하며 이를 위한 연구가 필요하다[2-7]. 하지만 휴대 단말기의 제한된 공간 내에서 Low-band의 LTE 안테나를 설계하는 것은 낮은 효율과 좁은 대 역폭 등의 이유로 매우 어려운 일이다. 이러한 문제 점을 극복하기 위해 재구성 안테나에 대한 연구가 진행되고 있다. 재구성 안테나는 단일 방사체로 여 러 개의 주파수 대역에서 동작하므로 안테나의 크 기를 줄일 수 있고 주파수 조절 능력으로 인해 넓 은 유효 대역폭을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 모든 주파수 대역에서 유사한 방사특성과 안테나의 이득 을 얻을 수 있다.
주파수 재구성을 위해 연구되었던 소자로는 광 전자 스위치, 바랙터 다이오드, SPDT 스위치 등의 소자들이 있다. 광전자 스위치의 경우 수명이 짧고 효율이 낮아지는 단점을 가지며, 바랙터 다이오드 는 동작전압이 높고, 낮은 캐패시턴스 성분을 갖기 어려우며, 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점 을 가진다. SPDT 스위치의 경우 높은 삽입손실과 신뢰성에 대하여 문제가 되어왔다[8-10].
제안한 RF 스위치는 고출력, 높은 격리도, 낮은 삽입손실, 고속 스위칭 등의 이점을 가지므로 본 논 문에서는 일반적인 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 의 구조로 High-band (PCS/DCS/ WCDMA)를 만족하 는 특성을 확보한 후, RF 스위치를 이용하여 SW1 과 SW2 상태를 선택하여 Low-band의 LTE 대역과 GSM 대역을 선택하여 사용할 수 있는 주파수 재구 성 안테나를 제안하였다.
제안된 RF 스위치를 이용한 이동통신 단말기용 재구성 안테나의 주파수 선택 특성을 검증하기 위 하여 CST社의 MWS를 이용하여 모의실험을 하였 다. 모의실험을 통하여 안테나의 특성을 분석하고 그 결과를 바탕으로 우수한 특성을 갖도록 최적화 설계를 진행하였다. 최적화된 안테나는 안테나 전 문 업체에서 안테나의 특성을 측정하였고, 측정한 결과를 분석함으로써 주파수 재구성 안테나가 이동 통신 단말기용 안테나로 적용할 수 있음을 확인하 였다.
Ⅱ. 안테나 설계
제안된 안테나는 PIFA 구조를 사용하여 기존 이 동통신 대역인 High-band (PCS/DCS/WCDMA)의 성 능을 확보하였다. Low-band의 특성을 확보하기 위 하여 방사체 단락점 끝 부분에 RF 스위치를 부착하 여 SW1 상태에서는 GSM 대역에서 동작하고, SW2 상태에서는 LTE 대역에서 동작하게 설계 하였다.
그림 1은 제안된 재구성 안테나의 모습을 나타내 었다. 그림 1(a)는 방사체의 펼쳐진 모습과 각 파라 미터를 도시하였고, 그림 1(b)는 설계된 안테나의 정면과 측면 구조를 도시하였으며, 그림 1(c)는 설 계된 안테나의 3D 구조를 나타내었다. 방사체는 52 × 10 mm2의 크기와 3 mm 두께의 유전율 4.4를 갖 는 FR-4(epoxy) 기판을 사용하였다. 접지면은 52 × 100 mm2의 크기를 갖는다.
그림 1(c)에서 나타낸 바와 같이 급전선과 방사 체가 연결되어 짧은 방사 길이를 갖는 영역에서는 High-band에서 광대역 안테나로 동작하게 되고, 긴 방사 길이를 갖는 영역에서는 High-band에서 동작 하게 된다. 그리고 접지선 끝에는 RF 스위치를 연 결하여 SW1은 바로 접지면과 연결되어 GSM 대역 에서 동작이 가능하도록 하였으며, SW2에는 인덕 터(1.5 nH)를 연결하여 공진주파수를 낮춰 LTE 대 역에서 동작이 가능하도록 하였다.
Ⅲ. 안테나 제작 및 측정
제안된 안테나는 앞 절에서 설계한 최적의 파라 미터 값으로 제작 하였으며, 제작된 시작품의 정면 도를 그림 2와 같이 나타내었다.
그림 3은 실제 제작된 안테나의 VSWR≤3:1 기 준으로 측정된 VSWR 특성을 나타내었다. 그림에서 와 같이 High-band의 모든 주파수 대역을 만족함을 볼 수 있으며, SW1 상태일 때 Low-band에서 대역 폭 782-907 MHz로 GSM 대역을 만족시켰으며, SW2 상태에서는 대역폭 738-861 MHz로 LTE 대역 을 만족시켰다. 이를 통해 GSM 대역과 LTE 대역을 선택함을 확인할 수 있다.
그림 4와 5은 SW1 상태 일 때와 SW2 상태일 때 각각의 주파수별 방사패턴을 보여준다. 이때 효율 은 SW1 상태일 때 33.73-66.91 %을 얻었으며, SW2 상태일 때 24.09-54.36 %을 얻었다. 제안된 안테나 는 전 대역 모두 H-plane에서 이동 통신 장치의 내 장형 안테나로서 효율적인 전방향성 방사패턴이 측 정되었다.
그림 6은 746-2170 MHz 에서 측정된 안테나의 이득을 나타내었다. 이득은 SW1 상태일 때 0.04 -4.68 dBi를 나타내었으며, SW2의 경우 이득은 0.92-1.53 dBi를 얻었다.
Ⅳ. 결 론
본 논문은 RF 스위치를 사용하여 LTE 대역과 GSM을 선택할 수 있는 RF 스위치를 이용한 이동 통신 단말기용 재구성 안테나에 관한 연구이다.
제안된 안테나는 PIFA 구조를 사용하여 기존 이 동통신 대역의 성능을 확보한 후 RF 스위치의 상태 에 따라 SW1 상태에서는 GSM 대역에서 동작하고, SW2 상태에서는 LTE 대역에서 동작할 수 있는 주 파수 재구성 안테나를 설계하였다. 안테나는 VSWR < 3:1을 기준으로 High-band의 모든 이동통신 서비 스 대역을 만족시키고, Low-band에서 대역폭 782-907 MHz로 GSM 대역을 만족시켰으며, 이때 이득은 0.04-4.68 dBi를 얻었다. SW2 상태에서는 대 역폭 738-861 MHz로 LTE 대역을 만족시켰으며, 이 때 이득은 0.92-1.53 dBi를 얻었다. 이는 현재 이동 통신에서 사용 중인 대역뿐만 아니라 LTE 대역의 낮은 대역에서도 동작이 가능함을 확인 할 수 있었 다. 이득과 방사효율 또한 SW1과 SW2상태 모두 우 수한 특성을 보이고, 전 대역 모두 H-plane에서 전 방향성 방사특성을 나타내었다. 따라서 본 논문에 서 제안한 주파수 재구성 안테나는 현재 양산되고 있는 이동통신 단말기용 안테나에 비해 모든 대역 에서 우수한 특성을 가짐을 확인하였다.
제안된 안테나는 하나의 안테나로 LTE를 포함하 는 모든 이동통신 서비스를 지원함으로써 제한된 단말기 내부의 공간을 효율적으로 활용 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이 기술을 바탕으로 고속 이 동환경에서 주파수를 선택 할 수 있게 됨으로써 다 양한 차량 안전 및 교통 서비스를 제공 할 수 있을 것으로 판단된다.
