내장형 안테나의 설계 및 제작

목차

◈ 서 론 ◈
1. 동기
2. 배경 및 목표
2.1 배경
2.2 목표

◈ 본 론 ◈
1. 안테나
1.1 안테나(Antenna)란?
1.2 안테나의 기본이론
1.3 안테나 무선통신의 원리
1.4 안테나 종류
2. 설계 및 제작
2.1 이중 공진 안테나 설계
2.1.1 안테나 기본구조
2.1.2 Mitering 기법
2.2 시스템 그라운드의 영향
2.3 이중대역 임피던스 정합
2.3.1 d1
2.3.2 d2
3. 결과
3.1 제작된 안테나의 실제 모습
3.2 반사 손실 비교
3.3 Radiation pattern 측정

◈ 결 론 ◈

◈ 참고문헌 ◈

본문내용

그라운드를 추가함으로서 DCS 영역의 대역폭은 줄어들었지만, 목표에서 벗어나지 않았으며 GSM 영역에서 대역폭을 크게 늘려서 두 개의 대역 모두에서 만족할 만한 결과를 얻을 수 있었다.
제작을 할때는 시스템 그라운드를 동판으로 만들었다. 시스템 그라운드의 최적값을 Simulation을 통해서 얻어 냈지만, 길이에 따른 변화를 보기 위해 길게 만들었고, 조금씩 잘라가면서 최적값을 찾아내는 방법을 택했다. 이를 통해 얻어낸 값이 Fig.2(b)에 나오는 55mm 이다.
또한 Fig.2(b)를 자세히 보면, 안테나가 뒷면에 있는 것을 확인할 수 있는데, (왼쪽 윗부분) 이것은 실제 통화시를 고려하여 안테나의 mainlobe가 머리 반대편으로 향하게 함으로서, 인체에 미치는 영향을 최소화 하기 위함이었고, 또한 안테나가 받는 인체로부터의 영향을 최소화 하기 위해서 추구한 방법이었다.
2.3 이중대역 임피던스 정합
이중대역 안테나를 만들기 위해서, 두 개의 공진 포인트가 필요했고, 따라서 이중대역 임피던스 정합은 필수적이었다. 가장 크게 영향을 미친 두 개의 parameter의 값을 이용하여 세부적인 튜닝을 수행했다.
2.3.1. d1
Fig.1(a)에서 d1의 길이를 변화시킴으로서 다음과 같은 경향을 볼 수 있었다.
Fig.4 반사 손실 비교
d1의 값이 변화에 DCS 영역은 거의 변화가 없지만, d1의 길이가 길어질수록 GSM 영역의 peak point가 점점 저주파 대역으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 또한 대역폭도 좁아지는 경향을 보였다. GSM 대역에서는 최소 80MHz의 대역폭이 필요했고, 여러번의 simulation과 제작을 통해 최적값 8.5mm를 찾아냈다.
2.3.2. d2
Fig.5 반사 손실 비교
d2값의 변화는 GSM 영역과 DCS 영역 모두의 변화를 일으켰다. DCS 영역의 peak point가 d2의 길이가 길어짐에 따라서 점점 낮은 주파수 쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 그와 동시에 GSM 영역의 대역폭이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 특이한 점은, GSM의 왼쪽 그래프 부분은 움직이지 않고 고정된 상태로 있는 것인데, GSM의 peak point가 그래프의 왼쪽부분을 타고 올라가는 것처럼 보인다.
d1과 d2의 이런 영향을 이용하여, d2를 이용하여 DCS영역을 맞추고, d1을 바꿔서 GSM영역을 수정하는 방식으로 튜닝을 하였다.
3. 결과
3.1 제작된 안테나의 실제 모습
(a) 정면
(b) 측면
Fig.6 제작된 안테나 사진
제작한 안테나를 폴더형 핸드폰과 같이 찍은 사진이다. 전화기와 비교해서 길이가 전체적으로 작지만 내부에 추가되는 것들을 고려했을때 적용이 가능한 크기라고 할 수 있다.
3.2 반사 손실 비교
Fig.7 반사 손실 비교
위의 그래프는 최적값을 이용하여 simulated 된 반사손실 값과 그것을 바탕으로 제작된 안테나의 측정값을 같이 그려놓은 그래프이다. 제작시에 peak point의 S11 값이 추가적으로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 또한 그래프가 양 옆으로 더 벌어지는 것을 볼 수 있다. 최종 제작을 하기 전에, 많은 제작을 시도했었고, simulation 제원과 비교를 했었기 때문에 이런 경향을 일찍이 발견할 수 있었다. 따라서 어느 지점 이후부터는, 제작시의 이런 경향을 염두에 두고 simulation을 맞춰갔고, 결과를 얻는데 많은 도움이 되었다.
3.3 Radiation pattern 측정
(a) GSM (920MHz)
(b) DCS (1740 MHz)
Fig.8 Radiation pattern
위의 그래프에서 실선은 E-field의 값을, 점선은 H-field의 값을 나타낸다. Radiation pattern은 전체적으로 고르게 나왔다. GSM 영역은 만족할 수 있지만, DCS 영역에서는 몇몇 구간에서 찌그러지는 것을 발견할 수 있었다. (null point 발생)
◈ 결 론 ◈
PIFA의 단점을 보완하는 monopole 형식의 microstrip antenna를 통해서 많은 장점을 얻어냈다. 또한 mobile handset에 바로 적용할 수 있는 크기의 이중대역 안테나를 만들었다. 임피던스 정합은, 기본 안테나 패치에서 슬릿을 이용하였고, 입력단에 mitering 기법을 이용하여 불연속성을 감소시켜서 성능을 개선할 수 있었다.
목표로 한 제원을 만족시키기는 하지만 개선해야 할 것은 아직 남아있다. 먼저, 핸드폰의 open 상태를 가정하여 진행했는데, 누구나 알다시피 핸드폰은 항상 열린 상태가 아니다. 오히려 닫혀있는 시간이 열려있는 시간보다 훨씬 많다. 닫힌 폴더를 simulation 했을때, 주파수의 이동은 없었지만 전체적인 반사손실값이 -5dB 이상이 되는 것을 볼 수 있었다.
또한 실제 핸드폰 환경에 대한 고려가 필요하다. 이번 작품은 안테나와 함께 존재하게될 외부액정이나 카메라등의 영향은 전혀 고려하지 않았다. 또한 핸드폰 케이스 안에 들어갔을 경우에는 전체적으로 값이 안좋아질 것이므로, 그것을 감안한다면 목표치보다 훨씬 낮은 반사손실 값이 필요하다.
핸드폰 내부를 볼 기회가 없었기 때문에, 작품이 핸드폰에 숨어있는 구조와 비슷한지는 의문이다. 이번 작품의 경우, 폴더의 윗부분과 아랫부분을 연결하는데에 있어서 시스템 그라운드를 연장시켜 같은 동판으로 만들었는데, 나중에 알게된 사실이지만, 핸드폰은 그렇게 되어있지 않다고 한다. (경첩이 사용된다고 한다.) 전반적인 핸드폰 구조에 대한 무지가 졸업작품을 진행하는데 있어서 약간의 어려움으로 다가왔었다.
◈ 참고문헌 ◈
[1] Microwave Engineering, David M. Pozar, 2nd Edition
[2] Antenna Theory, Analysis and Design, Constantine A. Balanis, 2nd Edition
[3] A Low-Profile Planar Monopole Antenna for Multiband Operation of Mobile Handsets, Kin-Lu Wong, Senior Member, IEEE, Gwo-Yun Lee, and Tzung-Wern Chiou
[4] www.rfdh.com,

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