충북대학교 정보통신공학부(School of Information and Communication Engineering, Chungbuk National University)
․Manuscript received May 2, 2012 ; Revised August 27, 2012 ; Accepted September 3, 2012. (ID No. 20120502-054)
․Corresponding Author : Nam Kim (e-mail : [email protected])
http://dx.doi.org/ 10.5515/KJKIEES.2012.23.10.1117 ISSN 1226-3133 (Print)
연결된 패치 형태의 모노폴 안테나 설계 및 안테나 탑재 방향에 따른 SAR 분석
Design of the Linked Patch Monopole Antenna and Its SAR Analysis along with Antenna Direction
양 주 헌․이 승 우․김 남 Joo-Hun Yang․Seungwoo Lee․Nam Kim
요 약
본 논문에서는 GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100 서비스에서 이용 가능한 모노폴 안테나를 설계하였다.
안테나의 전면 패치와 후면 패치를 연결하여 저주파 대역 특성을 얻었으며, 전면 패치에 슬릿의 크기를 조절함 으로써 저주파 공진 대역을 얻을 수 있었다. 제안된 안테나의 크기는 40×98×1.6 mm
3이며, 제작에 사용된 기판의 두께는 1.6 mm
3이고, 유전율 4.4의 FR-4 기판을 사용하였다. 안테나를 제작 및 측정한 결과, 반사 손실 10 dB을 기준으로 156 MHz(828～984 MHz)와 708 MHz(1.476～2.184 GHz)의 대역폭 특성을 획득하였고, 방사 패턴은 E-field와 H-field에서 전방향성 특성을 보였다. 설계된 안테나의 전자파 인체 흡수율을 분석하기 위해 바(bar) 형태의 휴대전화 단말기에 안테나를 탑재하여 입력 전력 0.25 W에서 1 g과 10 g의 평균 SAR를 계산 및 측정 하였다. 또한, 단말기 내의 안테나 탑재 방향을 네 가지 경우로 나누어 각 방향의 SAR 값 변화를 확인하였고, SAR 값이 상대적으로 높은 안테나 방향을 확인하였다. 모든 경우에서 1 g 및 10 g 평균 최대 SAR 기준치인 1.6 W/kg과 2.0 W/kg을 만족하였다.
Abstract
In this paper, the monopole antenna for satisfying GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100 services is designed. We can get the characteristic of the low frequency bands by connecting the front patch to the back patch of the antenna and get the low frequency resonance band using a front patch slit. The proposed antenna total volume is 40×98×1.6 mm
3, and it is designed on the FR-4 substrate having a relative dielectric constant of 4.4. As measurement result after fabrication, showed that the resonant frequency bandwidths are 156 MHz(828～984 MHz), 708 MHz(1.476～2.184 GHz) based on the return loss of 10 dB, and the radiation patterns show as the omnidirectional shapes for the E-field and H-field. For analyzing the human effects, the proposed antenna is mounted on the mobile-phone case. The averaged peak SAR over 1 g and 10 g is simulated and measured when the input power is 0.25 W. We have checked the varia- tion of the SAR values when the antenna is mounted 4 different directions, then checked the direction having a relatively higher SAR. The results also satisfied the limiting SAR values which are 1.6 W/kg and 2.0 W/kg averaged over 1 g and 10 g tissues respectively.
Key words : Linked Patch Antenna, Via-Hole, SAR
Ⅰ. 서 론
정보 통신 기술과 이동 통신 기술이 나날이 발전 하면서 그에 따른 통신 기기들도 계속 발전하고 있 다. 이동 통신 기술의 발달로 PCS, WCDMA, DMB, WiFi 등의 다양한 서비스를 위한 복합 단말기가 나 타나고 있으며, 최근에는 LTE 서비스의 상용화가 이 루어졌다. 이와 같은 다양한 휴대 전화 서비스를 이 용하기 위해서는 이중 대역 또는 다중 대역을 만족 하는 단말기 안테나의 지속적인 개발이 필요하다.
현대 거의 모든 단말기의 안테나는 휴대하기 편리한 내장형이고, 다중 대역 서비스를 만족하면서 얇고 소형화된 설계가 요구된다. 내장형 안테나는 단말기 내부에 장착되어 외부에 노출되지 않아 소형화가 가 능하여 사용이 편리하며, 낮은 SAR 특성을 나타낸 다. 그러나 좁은 대역폭과 단말기 내부의 요소와 간 섭이 발생할 수 있으며, 인체의 손과 머리 등으로 인 해 안테나 특성이 달라질 수 있는 단점이 있다. 이러 한 조건을 만족시키기 위한 내장형 안테나의 형태로 는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna), 미앤더, 평판형 안테나 등 다양한 변형방법을 사용하여 원하는 특성 을 구현하고 있다[1]～[6]. PIFA는 이중 대역 또는 다중 대역 내장형 안테나에 많이 적용되었다. 비록 소형 이고 경량의 장점이 있지만 제한된 안테나의 높이에 따라 협대역이 되는 단점이 있다. 평판형 안테나는 광대역 또는 이중 대역에서 많이 적용되고, 제작이 용이하며, 저렴하기 때문에 대량 생산의 장점이 있 다. 하지만 전체적인 안테나의 크기가 커지는 단점 이 있기 때문에, 안테나의 크기를 줄이기 위해 유전 율이 높은 기판을 사용하거나, 적층 구조, 또는 안 테나의 구조를 변형시키는 방법 등이 연구되고 있 다[7],[8].
본 논문에서는 모노폴 안테나 구조를 이용하여 안테나 패치의 전면과 후면이 서로 연결된 형태로 GSM900(880～960 MHz), DCS1800(1.710～1.880 GHz), PCS1900(1.850～1.990 GHz), UMTS2100(1.920～2.170 GHz) 대역을 만족하는 안테나를 설계하였다. 전면 부의 안테나 패치만 있을 경우, 오직 1.6～2.05 GHz 의 대역폭을 갖는 주파수 특성이 있다. 하지만 저주 파 대역을 확보하기 위해서 좀 더 많은 안테나의 길 이가 필요했는데, 이를 해결하고자 전면에서 후면으
로 연결된 형태를 선택하였다. 안테나의 연결을 위 해서 기판을 따라 꺾어진 ‘ㄷ’자 형태와 via-hole을 이용하는 방법이 있는데, 모의실험을 통해 분석한 결과, 꺾어진 형태보다 via-hole을 이용한 주파수 특 성 결과가 좋음을 확인하였다. 안테나 전면부 패치 의 오른쪽 하단에 지름1 mm의 via-hole을 만들었고, 그 내부로 금속 핀을 삽입하여 후면의 패치와 연결 되도록 하였다. 기판과 패치 사이에는 안테나의 견 고성을 위해 스티로폼을 이용하였다. 안테나의 주파 수 특성에 영향을 주는 파라미터들의 최적화 과정을 통해 결과 값을 얻었으며, 제작을 통하여 안테나의 반사 손실 및 방사 패턴을 측정하였다. 또한, 이동 통신 대역을 만족하는 안테나임을 고려하여 전자파 흡수율(Specific Absorption Rate: SAR)을 시뮬레이션 과 측정을 통하여 분석하였다.
Ⅱ. 안테나 설계 및 측정
2-1 안테나 구조
제안된 안테나의 기본 구조는 평판형 모노폴 형 태이고, 급전 선로를 따라 방사 패치가 기판 앞에 있 으며, 반대쪽에는 그라운드가 있다. 모노폴 안테나 는 안테나의 길이가 λ/4에서 공진 주파수가 발생하 여 소형화가 가능하지만, 임피던스 대역폭이 협대역 이라는 단점이 있다. PIFA 형태의 경우, 대역폭 개선 을 위해 안테나 높이를 증가시키는 방법, 기생 소자 를 이용하는 방법, 정합 회로를 사용하는 방법, 낮은 유전율을 갖는 기판을 사용하는 방법, 적층 방식 등 여러 가지 기술들이 연구되고 있다[9],[10]. 본 논문에 서는 후면 방사 패치를 추가하여 저주파 공진을 생 성하여 주파수 특성을 증가시켰으며, 안테나의 높이 를 변경하여 추가 공진 대역의 대역폭과 매칭을 향 상시켰다. 그림 1은 제안된 안테나의 전체적인 구조 를 보여준다.
설계된 안테나의 전체 크기는 40×98×1.6 mm3이 며, 유전율 4.4인 FR-4 기판을 사용하였다. 후면에는 40×64 mm2의 그라운드가 있으며, 전면에는 40×15 mm2의 안테나 패치가 있다. 전면 패치의 구조는 기 본적인 사각형 패치에 매칭 특성을 향상시키기 위하 여 계단 형태로 사각형을 변형하였으며, 저주파 대 역의 중심 주파수를 조절하기 위한 슬릿을 추가하였
(a) 앞면 (b) 뒷면 (c) 옆면 (a) Front (b) Back (c) Side 그림 1. 제안된 안테나의 전체적인 구조 Fig. 1. Structure of the proposed antenna.
다. 또한, 후면의 패치와 연결하기 위한 지름 1 mm 의via-hole이 오른쪽 하단에 위치하고 있다. 안테나 급전 선로는 기판의 두께와 유전율, 금속 박막의 두 께를 고려하여 폭 1.8 mm의 50 Ω 마이크로스트립 라인으로 설계하였다. 실제 업체에서 안테나 설계시 기판의 좌측이나 우측에 급전을 하지만, 기존의 위 치에서 좌측이나 우측으로 급전 위치를 변경하게 되 면 선로 길이를 비롯하여 전류 흐름의 변화로 인해 주파수 특성이 변하는 것을 확인하여 본 논문에서는 가장 일반적인 형태의 마이크로스트립 급전 구조를 사용했다.
λ/4의 안테나 길이를 만족하는 모노폴 구조에서 GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100 주파수 대역 을 만족하기 위한 중심 주파수인900 MHz에서 안테 나의 물리적 길이는 약83 mm이고, 1,900 MHz에서 약40 mm이다. 전면과 후면 패치를 연결하고, 슬릿 을 만들어 길이를 만족시켰으며, 슬릿의 길이 조절 을 통해 공진 주파수 대역을 확보할 수 있었다. 안테 나 폭과 슬릿의 길이 등이 안테나 공진 특성에 영향 을 주기 때문에 이들을 가변 파라미터로 정하여 그 변화를 살펴보았다.
2-2 안테나 설계
제안된 안테나는 EM 시뮬레이터인 SEMCAD-X
그림 2. 안테나 후면의 유무에 따른 반사 손실 결과 Fig. 2. Return loss results with or without the back
patch of the antenna.
를 이용하여 설계 및 해석을 하였다. 그림 2는 기본 적인 평면형 모노폴 안테나를 설계한 후에 후면 패 치의 유무에 따른 반사 손실 결과 값을 나타낸 것이 다. 그림 2에서 안테나의 후면 패치 부분이 없는 경 우 1.6～2.05 GHz의 대역폭 특성만을 나타냈다. 하 지만900 MHz의 저주파 대역을 만족시키기 위해서 는 안테나의 길이가 물리적으로 길어져야 한다. 이 를 해결하기 위해 안테나의 전면에 via-hole을 만들 고 금속 핀을 삽입하여 후면의 패치와 연결시켜 안 테나의 전체적인 길이를 길게 하고, 저주파 대역의 공진이 발생하도록 유도하였다. 후면 패치의 경우, 전면의 패치와 간섭을 최소화하기 위해 전면 패치 부분의 크기만큼 공간을 만들어‘ㄴ’자 형태로 설계 했기 때문에 1.72 GHz의 변화는 거의 없었다.
각각의 공진은 급전선을 따라 연결되는 전면 패 치의 아래 부분에서 1.72 GHz의 공진이 발생하고, 전면 패치의 아래 부분을 따라 후면 패치로 이어지 면서0.98 GHz의 공진이 발생하였다. 이를 바탕으로 주파수 대역은 반사 손실10 dB을 기준으로 0.928～
1.03 GHz, 1.57～2.08 GHz의 이중대역을 얻을 수 있 었다. 그러나 GSM 900 MHz의 대역을 만족시키기 위해서0.928～1.03 GHz의 주파수 대역을 아래쪽으 로 이동시킬 필요가 있었다. 우선 저주파 대역의 전 류 분포를 알고자 모의실험을 통하여 그 결과를 확 인하였다.
그림3은 모의실험을 통한 안테나의 저주파 대역 전류 분포도를 나타낸 것이다. 전류 분포 분석 결과,
그림 3. 저주파 대역의 전류 분포도
Fig. 3. Current distribution at the low frequency band.
포트에 인가된 전류가 마이크로스트립 급전선을 따 라서 안테나 전면 패치의 오른쪽 아래 부분에 분포 가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 안테나 에 흐르는 전류의 이동 경로를 길게 한다면 전기적 인 길이가 길어지기 때문에 저주파 대역의 이동도 가능할 것이다.
그림4와 5는 전류의 이동 경로를 길게 하기 위해 안테나 패치에 슬릿을 추가하여 슬릿의 길이(sl)와 슬릿의 폭(sw)에 각각 가변 파라미터 값을 부여하고, 수치에 따른 반사 손실의 변화를 나타낸 것이다. 이
때h는 2 mm로 고정시켰다. 그림 4에서 슬릿의 폭을
1 mm로 고정시킨 후 슬릿의 길이 sl이3 mm씩 길어 질수록1.5～2 GHz 대역은 변하지 않고, 0.9～1 GHz 의 중심 주파수 대역이 점점 왼쪽으로 약12 MHz씩 이동하였다. 그림 5에서 슬릿의 길이를 3 mm로 고
그림 4. 안테나 슬릿의 길이에 따른 반사 손실 변화 Fig. 4. Return loss for varying the length of the slit.
그림 5. 안테나 슬릿의 폭에 따른 반사 손실 변화 Fig. 5. Return loss for varying the width of the slit.
정시킨 후 슬릿의 폭sw를 변화시켰으며, 슬릿의 폭 sw가3 mm씩 넓어질수록 0.9～1 GHz의 중심 주파수 대역이 왼쪽으로 약12 MHz씩 이동하였다. 따라서 슬릿의 길이와 폭을 조절함으로써 저주파 대역의 공 진 주파수를 조절할 수 있다.
그림6은 기판과 안테나 패치 후면 사이의 간격 h 를 조절하면서 반사 손실의 변화를 나타낸 것이다.
기판 사이의 간격이 너무 가까울 때에는 패치 전면 과의 간섭으로 인하여 특히 저주파 대역의 특성이 나빠진 것을 확인할 수 있었다. 하지만 h가 2 mm 이 상으로 되었을 때 반사 계수의 크기가10 dB 이상을 만족하는 저주파 대역이 확보되었는데, 이것은 안테 나 사이의 간섭이 작아진 것이라고 볼 수 있다. 그리
그림 6. 기판과 안테나의 후면 패치 사이 간격에 따
른 반사 손실 변화
Fig. 6. Return loss for varying the gap between the
substrate and the back patch.
그림 7. 후면 패치의 길이 b
w에 따른 반사 손실 변화 Fig. 7. Return loss for varying the b
wlength of the
back patch.
고 전체적인 반사 손실 값을 보면 임피던스 매칭이 향상된 것을 알 수 있다.
그림7은 후면의 누운 ‘ㄱ’ 형태 안테나 패치의 가 로 길이에 따른 반사 손실 변화를 나타낸 것이다. bw
를 변화시켰을 때 점점 길이가 길어질수록 전체적인 주파수 대역은 왼쪽으로 이동하였다. 15 mm와 20 mm일 때 전면 패치와 후면 패치가 서로 겹치는 구 간이기 때문에 간섭으로 인해 고주파 부분에서 변화 가 일어났지만, 25 mm 이상이 되었을 때 고주파 대 역은 변화가 거의 없었고, 저주파 대역의 변화만 있 었다.
그림8은 후면 패치의 bw를40mm로 고정시킨 후, 세로길이bl을 변화시켰을 때 길이가 점차 길어질 수 록 고주파 대역의 약2.1 GHz는 거의 고정된 상태에
그림 8. 후면 패치의 길이 b
l에 따른 반사 손실 변화 Fig. 8. Return loss for varying the b
llength of the
back patch.
표 1. 제안된 안테나의 최적화된 파라미터
Table 1. Optimized parameters of the proposed ante- nna.
Parameter Length[mm] Parameter Length[mm]
W 40 b
w40
L 98 b
w214
w
f1.8 b
l15
s
w1 h 2
s
l12 G
l64
서 저주파 대역이 왼쪽으로 이동하였다.
이러한 모의실험을 통한 결과를 바탕으로 하여 최적화된 파라미터 값을 얻을 수 있었고, 실제 안테 나에 적용된 파라미터는 표1과 같다. 최적화된 파 라미터로 계산하여 얻어진 결과의 공진 주파수 대역 은0.878～0.961 GHz 대역과 1.61～2.1 GHz의 이중 대역으로 GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100 대 역을 포함하는 결과를 확인할 수 있었다.
2-3 안테나 제작 및 측정
그림9는 제작된 안테나의 실제 모습이며, 그림 10 은 계산치와 측정치를 비교하여 나타낸 그래프이다.
계산된 결과의 공진 주파수 대역은 0.87～0.96 GHz, 1.61～2.1 GHz이고, 측정된 결과의 공진 주파수 대 역은0.828～0.984 GHz, 1.476～2.184 GHz로 두 결과 모두 GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100 대역을 모두 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 계산
(a) 앞면 (b) 뒷면 (c) 옆면 (a) Front (b) Back (c) Side 그림 9. 제작된 안테나의 사진
Fig. 9. Photograph of the fabricated antenna.
그림 10 . 제안된 안테나의 계산치와 측정치의 반사 손실 결과 비교
Fig. 10. Comparison of simulated and measured return loss results for the proposed antenna.
그림 11. 측정된 이득 결과 Fig. 11. Measured gain result.
결과와 측정 결과가 대체로 유사한 것을 확인할 수 있었다. 그림 11은 측정된 결과의 최대 이득 변화율 을 나타낸 것이다. 각각의 서비스를 만족하는 대역 에서 이득이 높게 나왔으며, 최대 이득은 약 6.1 dBi 이다.
그림12는 각 대역 중심 주파수의 측정된 방사 패 턴 결과를 나타내고 있다. E-plane의 경우 이상적인 8자 형태는 아니지만 그와 유사하게 가운데가 오목 하게 들어간 형태를 나타내고 있다. H-plane에서도 대체적으로 등방성 패턴과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
Ⅲ. SAR 계산 및 측정
전자기기의 사용이 늘어나고, 기기에서 방출되는
(a) E-평면(y-z 평면) (a) E-plane(y-z plane)
(b) H-평면(x-z 평면) (b) H-plane(x-z plane) 그림 12. 측정된 방사 패턴
Fig. 12. Measured radiation patterns.
전자파의 인체 영향에 대한 연구가 진행되고 있다.
특히 휴대전화 같은 경우, 사람들이 가장 많이 사용 하고, 인체의 머리 부분에 가장 밀착하여 사용하는 기기이기 때문에 더욱 관심이 높다. 이에 따라 일부 국가나 국제기구에서 인체의 전자파 흡수율(Specific Absorption Rate: SAR)로 기준을 정하고 있다. 우리나 라의 경우, 전자파 흡수율은 인체조직 1 g에 대하여 평균SAR 값을 1.6 W/kg 최대 기준치로 적용하고 있 다[11]. 본 논문에서는 제안한 안테나를 휴대전화 안 테나로 고려하여SAR 계산 및 측정을 하였다. 우선 SAR 해석 툴을 이용해 휴대전화 단말기를 모델링 하였고, 내부에 설계된 안테나를 탑재시켰다. 머리의 오른쪽에 접촉시켜 안테나의 방향에 대한SAR 값을
표 2. 인체 두부 모델의 파라미터
Table 2. Parameters of the human head phantom.
조직 타입
900 MHz
밀도 [kg/m
3] 상대 유전율
[ε
r]
전도도 [S/m]
SAM liquid 41.5 0.97
1,000
SAM shell 3.7 0
계산하였으며, 측정도 동일한 방법으로 실시하여 결 과를 비교하였다.
3-1 SAR의 계산
전자파 흡수율은 주로 무선 주파수 대역에서 노출 원과 피노출체 간의 정량화를 위한 것이다. 일반적 으로 생체조직에 흡수되는 단위질량 당 에너지율을 말하며, 그 분포를 계산하기 위한 식은 다음과 같다.
Wkg
이 식에서 σ는 인체 조직의 전기전도도(S/m), ρ 는 인체 조직의 밀도(kg/m3), E는 실효 전계 강도 (V/m)를 말한다. SAR를 계산하기 위해 인체 두부 표 피가 포함된 균질 모델을 사용하였고, 모의 인체 모 델의 파라미터는 전자파 흡수율 측정 기준을 참고하 였다[12]. 표 2는 인체 두부 모델의 조직 값을 나타내 고 있다.
SAR 계산을 위해 휴대전화 단말기를 모델링하여 설계한 안테나를 모델링한 단말기 안에 탑재시켰다.
실제 휴대전화의 경우, 카메라, LCD, 버튼, 배터리, PCB 기판, 스피커, 외부 케이스 등 여러 가지 부품들 이 존재하지만, 본 논문에서는 케이스, LCD, 버튼만 을 고려하여 SAR 계산을 하였다[13],[14].
3-2 SAR 모의 실험 및 측정
SAR는 피 방사체에 대한 휴대전화 단말기의 안 테나 위치나 거리 등 여러 외부 요인에 따라서 다른 값을 갖게 된다[15]. 이와 같은 점을 고려하여 단말기 안의 안테나 방향을 변경하면서 SAR 값의 변화를 알아보았다.
바(bar) 형태의 휴대전화 단말기 전자파 흡수율 측정 기준은 그림13과 같으며, 모델링 시 고려된 단
(a) 전면 (b) 후면
(a) Front view (b) Back view 그림 13. 휴대전화 단말기 모델링
Fig. 13. Modeling of the handset.
표 3. 모델링된 휴대전화 단말기의 재료 파라미터 Table 3. The material parameters of the modeled hand-
set.
상대유전율 [ε
r] 전도도 [S/m]
LCD 3 0.01
단말기 케이스 3.5 0.02
버튼 3.5 0.02
PCB 유전체 4.5 0.07
말기의 크기는 58×115×9 mm3이다.
모델링된 휴대전화 단말기의 각 부분 재료 파라 미터는 표 3과 같다[16]. 실험을 위해 전자파 흡수율 측정 기준에 따라 모의 인체 모델 중 머리 부분의 오 른쪽과 접촉 위치에서 계산을 하였다. 그림 14는 머 리 팬텀에 모델링된 단말기를 접촉시킨 모습을 나타 내고 있다. 그림 13에 표기된 A를 그림 14의 머리 팬 텀의 기준점(reference point)중 오른쪽 귀 기준점(RE)
그림 14. 머리 팬텀과 모델링된 단말기의 위치 Fig. 14. The head phantom and the mounted position
of the modeled handset.
(a) 1번째 배치 (b) 2번째 배치 (c) 3번째 배치 (d) 4번째 배치 (a) 1st arrangement (b) 2nd arrangement (c) 3rd arrangement (d) 4th arrangement
그림 15. 안테나 배치에 따른 사진
Fig. 15 . Photograph of the antenna arrangement.
1 g, 0.406 W/kg 10 g, 0.274 W/kg 1 g, 0.925 W/kg 10 g, 0.61 W/kg (a) 1번째 배치 (b) 2번째 배치
(a) 1st arrangement (b) 2nd arrangement
1 g, 0.812 W/kg 10 g, 0.503 W/kg 1 g, 0.351 W/kg 10 g, 0.201 W/kg (c) 3번째 배치 (d) 4번째 배치
(c) 3rd arrangement (d) 4th arrangement 그림 16. 입력 전력 0.25 W일 때 안테나의 네 방향에 따른 1 g 및 10 g 평균 SAR
Fig. 16. 1 g and 10 g averaged SARs having the input power of 0.25 W by four arrangement of antenna.
에 위치시키고, 오른쪽 귀(RE)와 입(M)을 이은 기준 선에 휴대전화 중앙선 A-B를 위치시켰다.
SAR 계산은 900 MHz의 주파수로 입력 전력이 0.25 W인 경우에 대해 각각 1 g과 10 g의 평균 SAR 값으로 계산하였다. 그림 15는 안테나의 방향을 네 가지의 경우로 나누어 나타낸 사진이다. 안테나의
구분을 쉽게 하기 위해서 모델링된 단말기는 표기하 지 않았다. 그림 16은 계산된 결과를 나타내고 있다.
1번과 4번인 경우, 안테나의 후면(그라운드가 있는 면)이 얼굴을 향하고 있으며, 1번은 방사 패치가 위 쪽, 4번은 아래쪽에 있다. 안테나의 방사 패치가 위 쪽에 있는 1번인 경우가 4번인 경우보다 평균 SAR
그림 17. SAR 측정 사진
Fig. 17. Photograph of the SAR measurement.
(a) 1번째 배치 (b) 2번째 배치 (a) 1st arrangement (b) 2nd arrangement
(c) 3번째 배치 (d) 4번째 배치
(c) 3rd arrangement (d) 4th arrangement 그림 18 . SAR 측정 결과
Fig. 18. SAR measurement result.
값이 다소 높게 나온 것을 확인할 수 있었다. 2번과 3번인 경우, 안테나의 전면(급전선이 있는 면)이 얼
표 4. SAR 계산값과 측정값 결과 비교
Table 4. Comparison of the simulated and measurement SAR results.
입력 전력 안테나 배향 1st arrangement 2nd arrangement 3rd arrangement 4th arrangement
0.25 [W]
첨두치 조직 질량 1 g 10 g 1 g 10 g 1 g 10 g 1 g 10 g
모의실험
[W/kg] 0.406 0.274 0.925 0.61 0.812 0.503 0.351 0.201
측정
[W/kg] 0.454 0.3 1.068 0.67 0.891 0.556 0.426 0.293
굴을 향하고 있으며, 2번은 방사 패치가 위쪽, 3번은 아래쪽에 있다. 마찬가지로 방사 패치가 위쪽에 있 는2번의 값이 3번보다 높게 나왔다. 또한, 1번과 4 번의 경우보다 더 높은SAR 값이 나온 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 안테나 전면이 얼굴을 향 하고 있을 때 안테나에 전류가 인가되는 급전선과 머리 사이의 간격이 가까워지기 때문에 SAR 값이 크게 나오게 된다. 그리고 방사 패치가 위쪽에 있을 경우에는 방사 패치와 머리가 이루는 각도가 작아 거의 밀착되기 때문에 아래에 있을 때보다 SAR 값 이 크게 나오게 된다.
그림 17은 제작한 안테나를 휴대전화 단말기에 탑재시킨 후 국립전파연구원의ESSAY-3 장비를 이 용하여 SAR를 측정하는 모습이다. 그림 18은 모의 실험과 마찬가지로 안테나의 각 방향에 따른 SAR 측정 결과를 나타내고 있다. 측정 결과, 전반적으로 모의실험 결과와 비슷한SAR 값을 얻을 수 있었다.
표4에서는 입력 전력 0.25 W일 때 1 g과 10 g의 모의실험과ESSAY-3 장비에 의하여 측정된 SAR의 결과를 비교하여 나타내었다. 두 결과를 비교했을 때 모의실험보다 측정값이 조금 높았지만, 그 차이 가 크지 않아 유사하다고 볼 수 있다. 이를 통해 900 MHz가 방사되는 안테나의 메인 패치를 기준으로 보 았을 때, 안테나의 전면이 얼굴을 향하면서 방사 패 치가 위에 위치한2번 경우에서 상대적으로 SAR 값 이 가장 높음을 알 수 있다. 또한, 안테나의 모든 경 우에서 기준치인1 g 평균 SAR 값의 1.6 W/kg과 10 g 평균 SAR 값의 2.0 W/kg을 만족하였다.
표5에서는 실제 휴대폰이 사용될 수 있는 최대전 력인28 dBm일 경우에 대한 1g 및 10g의 평균 최대 SAR 값을 나타내고 있다. 28 dBm일 경우, 전력은 다음 전력 변환 식에 의해서 약0.63 W가 되며, 이에
표 5 . 실제 휴대폰이 갖는 최대 전력 28 dBm에서의 SAR 값
Table 5. Simulated SAR result at the maximum power 28 dBm with realistic mobile phone.
입력 전력 안테나 배향 1st arrangement 2nd arrangement 3rd arrangement 4th arrangement
0.63 [W]
첨두치 조직 질량 1 g 10 g 1 g 10 g 1 g 10 g 1 g 10 g
모의실험
[W/kg] 1.023 0.69 2.331 1.537 2.046 1.267 0.884 0.506
따라 시뮬레이션을 통하여 표5와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
2번과 3번 위치에서 기준치 1.6 W/kg을 초과하였 지만1번과 4번 위치에서는 기준치를 만족하였으며, 4번 위치에서 가장 낮은 SAR 값을 나타냄을 확인 하였다. 또한, 0.25 W일 때보다 약 2.52배가 높은 값 이 나오는 것으로 분석되었다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는GSM900/DCS1800/PCS1900/U-MTS- 2100의 주파수 대역을 포함하는 모노폴 안테나를 설 계 및 제작하였다. 안테나의 전면 패치에서 후면 패 치로 연결하여 저주파 대역의 특성을 얻을 수 있었 고, 전면부 패치에 슬릿을 추가해 저주파 대역의 공 진을 조절할 수 있었다. 제작을 통한 반사 손실 측정 결과, 0.828～0.984 GHz, 1.476～2.184 GHz의 대역폭 을 얻을 수 있었다.
FDTD 방법을 사용하여 SAR 계산을 하였고, 실제 측정을 통해 계산값과 비교 및 분석하였다. 900 MHz 대역에서 입력 전력이 0.25 W일 때 1 g과 10 g 평균 SAR를 분석하였다. 바(bar) 형태의 휴대전화 단말기에 제작된 안테나를 탑재하여 안테나의 방향 에 따른SAR 값의 변화를 비교 및 분석하여 SAR 값 이 상대적으로 높게 나오는 방향을 찾을 수 있었다.
본 연구에서SAR의 계산과 측정 시에 사용된 단 말기의 매질 특성이나 형태, 환경 등의 차이는 분명 히 존재한다. 하지만 이러한 요소를 고려한다면 SAR 계산에 있어서 좀 더 실질적인 데이터를 얻을 수 있을 것이라고 생각된다.
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양 주 헌
2010년 2월: 한밭대학교 전파공학 과 (공학사)
2010년 3월～현재: 충북대학교 정 보통신공학과 석사과정
[주 관심분야] 안테나 설계 및 SAR 분석, 전자파
이 승 우
2003년 2월: 충북대학교 정보통신
공학과 (공학사)
2006년 2월: 충북대학교 정보통신
공학과 (공학석사)
2012년 2월: 충북대학교 정보통신
공학과 (공학박사)
2012년 7월～현재: 충북대학교 리서 치 펠로우
[주 관심분야] 안테나 설계, EMI/ EMC 및 전자파 인체 영 향, 무선전력전송
김 남
