A Study of Flexible T-DMB Antenna Using Rectangular Stub and Matching Circuit

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DOI : 10.5515/KJKIEES.2011.22.2.236

「본 연구는 금오공과대학교 2008년 학술연구비에 의하여 연구된 논문임.」

금오공과대학교 전자공학부(Department of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

*한국전자통신연구원 융합부품소재연구부문 전자종이기술연구팀(The Convergence Components & Materials Research Laboratory, ETRI)

․논 문 번 호 : 20101126-05S

․교 신 저 자 : 이영훈(e-mail : [email protected])

․수정완료일자: 2011년 1월 25일

매칭 회로와 구형 Stub를 이용한 Flexible T-DMB 안테나 구현에 관한 연구

A Study of Flexible T-DMB Antenna Using Rectangular Stub and Matching Circuit

김호진․이선현․이영훈․이상석*

Ho-Jin Kim․Seon-Hyeon Lee․Young-Hun Lee․Sang-Seok Lee*

요 약

본 논문에서는, Glass 안테나의 특성과 휴대성 및 제작상의 장점이 있는 다이폴 형태의 Flexible T-DMB 안테 나를 제안하였다. 차량의 전면 유리 최외각에 위치하는 안테나를 구현하기 위하여 차체의 영향에 따른 안테나의 특성과 안테나의 부착 위치에 따라 달라지는 안테나 특성을 고려하여 급전 선로 사이에 매칭 회로를 추가하여 안테나의 입력 정합 특성을 높였다. 차량의 전면 유리에서의 실험 결과, T-DMB(174～216 MHz) 대역에서 안테 나의 입력 반사 손실은 —6 dB 이하를 기준으로 모두 만족하였으며, 위치 변화에도 T-DMB 대역을 만족하였다.

Abstract

In this paper, we proposed flexible T-DMB dipole-shaped antenna that has strength of glass antenna and also has portability and ease of production. The input impedance of antenna according to vehicle body-effect was considered in order to install the antenna on the top of the front window. Installation position of on-glass antennas are changeable defends on driver, so we proposed Interdigital capacitor in feeding point to achieve matching characteristic with no position limit. The measurement result showed good return loss characteristic-below —6 dB in the T-DMB frequency band and maintained fixed resonant frequency.

Key words : T-DMB, Interdigital Capacitor, Glass Antenna, Rectangular Stub

Ⅰ. 서 론

최근 국내외적으로 활발히 추진되고 있는T-DMB (174～216 MHz)는 현대인의 다양하고 빠른 정보 습 득과 정보 교환을 위해 이동성이 뛰어난 소형 TV,

PMP, 휴대전화, 차량 등 다양한 형태로 그 활용 범

위가 점차 넓어지고 있다. 특히 현대인에게 중요한 이동 수단인 차량에서 탑승자의 정보 습득의 증대를

위한 시청각이 가능한T-DMB 시스템이 상용화되고 있다^[1],[2].

모노폴 형태의 폴 안테나는 1950년 이후로 AM 방송 수신에 적용된 이후로 VHF와UHF 대역을 수 신하는 안테나로 널리 이용됐으며, 물리적인 이점으 로 수신 성능이 뛰어난 장점을 갖고 있다. 소형화 및 사용 목적에 따라서 샤크 안테나, 마이크로 안테나 등의 여러 형태로 발전하였다. 그러나 차량의 외부

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에 설치함으로써 자동차의 고유한 디자인 감성을 훼 손함과 아울러, 바람에 의한 영향과 외부의 환경에 의하여 안테나 특성이 변하게 된다^[3]～[5].

최근 연구가 활발하게 진행 중인 프린트 형태의 글라스 안테나는 차량의 내부에 설치함으로써 외부 영향으로부터 보호받게 되고, 영구적으로 사용할 수 있음은 물론 제조상의 이점과 가격 면에서 경쟁력을 가진다. 그러나 차체와 근접하기 때문에shadow eff- ects의 영향을 받게 되며, 유리에 의한 영향으로 비 교적 낮은 안테나 효율을 갖는다^[6]～[8].

본 논문에서는 글라스 안테나의 장점과 프린트의 형태 혹은 탈부착할 수 있는 형태, 안테나와 급전 선 로와의 단순한 구조를 가지는 flexible T-DMB 안테 나에 대해 제안하였다. 제안된 안테나는 차량의 전 면 유리 최외각에 위치할 수 있어 탑승자의 시야에 서 완벽하게 벗어날 수 있으며, 다이폴 형태의 안테 나를 이용하여 급전이 차체와 별개로 이루어져 사용 자의 기호에 따라 쉽게 탈부착할 수 있다.

제안된 안테나는 높은 도전율을 갖고 차체의 영 향 때문에 입력 임피던스에 대한 변화가 크며 설계 에 중요한 요소가 된다. 이처럼 제한된 위치에서 안 테나의 특성을 최적화하기 위해 정합 특성을 개선하 는 방법에 대해 고찰하였다.

Ⅱ. 실험 환경 분석

차량용되는T-DMB 안테나는 도체로 이루어진 차 체와 안테나가 배치되는 유리면이 가장 큰 안테나 설계 요소가 되며, 제안된 안테나는 그림1과 같이 차량의 전면유리 최외각 부분으로 그 위치를 제안하 여 안테나의 구조나 위치가500 mm×100 mm로 제한 된다. 1.7～1.4 m 범위의 긴 파장을 가진 안테나는 위치 특성상0.1 λ 이내에 존재하는 차체의 윗면과 옆면에 가장 큰 영향을 받게 된다. 이러한 안테나의 가까운 거리에 도체 특히0.1 λ 이내 거리에서의 평 행한 도체 영향은 안테나의 입력 임피던스 변화에 상당히 많은 영향을 끼친다. 0.2 λ 이내의 거리에서 많은 변화를 보이고, 그 이후의 거리에서는 일정한 주기를 보이며 자유공간에서의 임피던스와 유사한 형태를 보인다^[9].

곡면의 연속으로 이루어진 차체에 대한 모델은

그림 1. 제안된 안테나 위치 Fig. 1. Proposed antenna-position.

(a) 차체의 등가 모델

(a) Equivalent model for vehicle body

(b) 모의 실험 대 측정 결과

(b) Simulated result versus measured result 그림 2. 차체의 등가 모델과 모의실험 대 측정 결과 Fig. 2. Equavalent model for vehicle body and experi-

mental result.

평행한 그라운드 모델과 일치한다고 할 순 없지만, 실험적인 데이터와Ansoft사의HFSS를 이용한 모의 실험을 통해 유사한 평판 모델로 등가화 하였다. 이 때 차량의 모델은 해석의 속도 향상을 위해 안테나 의 입력 임피던스에 가장 큰 영향을 끼치는 요소들 로 간소화하였다. 또한, 차량 내부에서 안테나가 위 치할 수 있는 최외각에 안테나를 부착하였을 때 안 테나와 상단 도체와의 거리는 약50 mm 정도의 거 리가 자연스럽게 떨어지게 된다. 모의실험에 이용된 차량의 모델은 그림 2와 같으며, 차량에 적용하여 여러 실험 결과를 통해 모의실험과 유사한 변화의

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y x

(a) 안테나의 위치 변화 (a) Variation of position

(b) 입력 임피던스의 변화 (b) Variation of input impedance

그림 3. 안테나의 위치 변화에 따른 입력 임피던스

변화

Fig. 3. Variation of input impedance vs. variation of position.

추이를 확인하였다. 그림2(b)는 그림5(c)의type d의 그림6(a)의 중심(Gap_r=6 mm, Gap_c=3.5 mm)과 위 치5 각각의 모의실험 결과와 측정 결과를 통해 그 정확도를 예측할 수 있다.

차체의 각 부분에 대한 입력 임피던스의 변화를 살펴보기 위하여 유리면에서 200 MHz로 공진하는 안테나1은x 방향으로2는y 방향으로 점점 떨어뜨 렸을 때 입력 임피던스를 그림3과 같이 모의실험을 통해 확인하였다. 위와 같은 변화는 차체의 일정 각 도의 변화에도 평판 접지와 같은 형태로 안테나에 영향을 끼침을 알 수 있다.

(a) 안테나의 위치

(a) Position of antenna on glass

(b) 안테나의 반사 손실 (b) Return loss of antenna 그림 4. 안테나의 위치에 따른 반사 손실

Fig. 4. Return loss of antenna with antenna position.

또한, 그림4와 같이 각 위치에 따른 안테나의 반 사 손실을 통해 차체에 대한 입력 임피던스의 영향 을 정리할 수 있다. 그림 4에서4번의 위치와 같이 유리의 중심에서200 MHz로 공진하는 안테나가2번 위치와 같이 차체의 윗면과 평행하게 놓이면 낮은 resistance와 높은 reactance 때문에 반사 손실이 커지 게 되며, 3번 위치와 같이 차체에 옆면과 수직으로 높이면 공진점이 이동하며 넓은 대역 특성이 있는 것을 확인할 수 있다. 1번 위치와 같이 제안된 위치 에 안테나를 놓았을 때 넓은 대역 특성을 유지하면 서 공진 특성이 향상되는 것을 볼 수 있으며, 이를 통 해 안테나 설치에 대한 가능성을 확보할 수 있었다.

(4)

표 1. 안테나 모델별 특성

Table 1. Characteristic of proposed antennas.

Position Bandwidth [MHz]

최소 반사 손실 Freg.

[MHz]

Mag [dB]

1 42(162.5～205) 174 —18.43 2 4.5(193.5～198) 195.5 —5.18 3 43(166～209) 189.5 —11.60

4 31(186～217) 200 —33.55

Ⅲ. Flexible T-DMB 안테나 설계

3-1 설계 배경

구조가 간단하며 차체와 별개로 동작하는 안테나 의 구현을 위해 기본 형태는 다이폴 구조를 이용하 였다. 유리면과 차체를 고려하였을 때 표1의type a 모델과 같은 기본적인half-wave 다이폴은 그 선로의 길이만 약500 mm를 이루어 제한된 위치에 적용하 기에 구조의 크기가 적당하지 않다. 따라서 표 1에

type b와 같이 미앤더 형태의 구조를 적용하여 공진

구조를 적용하여 방사체를 일정한 규격으로 소형화 하였으며, 소형화에 의해 발생한 리액턴스의 영향으 로 대역폭이 감소한 부분^[9]을 보상하기 위해type c 와 같이 이중 공진 구조의 형태를 통해 대역폭의 증 가에 대해 기대를 했지만 큰 개선을 얻지 못하였다.

Type d는 역시 이중 공진을 통해 대역을 넓히며

추가되는 공통 모드의 스텁을 통해 방사 효율 향상 을 기대하였으며, 같은 조건 - 물리적인 크기, 같은

위치 등-에서type c보다 수신 성능이 뛰어남을 확

인하였다. 이때 수신 성능은 실제 동작테스트를 통 해 이루어졌다.

이 같은 비교 실험을 통해서 제안된 위치에 대한

그림 5. 제안된 안테나 배열

Fig. 5. Configuration of proposed antennas.

표 2. 안테나 모델별 특성

Table 2. Characteristic of proposed antennas.

Type 기대 효과 결과

a - Dimension: 500 mm

b Electrical small Dimension: 420 mm c Dual resonance Same as type b

d

Electrical samll, dual resonance, controlling

reactance

Frequency shift, good matching chacracteristic, improved radiation

characteristics

모의 실험 환경과의 비교 안테나의 방사 여부 등을 확인할 수 있었다. 그러나 안테나가 위치에 상관없 이 유연하게 적용될 수 있어야 하므로 위치 변화에 따른 입력 임피던스의 변화를 확인해 보았다.

제한된 위치 내에서 사용자가 선택할 수 있는 범 위는 무한하지만, 적합성 고려를 위해6가지의 범위 를 그림 6과 같이 선택하였으며, 이 범위는 차체가 영향을 미치는 최외각의 경우들이므로 위6가지 위 치에서 모두 적응 가능할 경우 제안된 위치의 모든 경우를 만족할 것으로 기대된다. Gap_r, Gap_c는 차 량 내부에서 전면유리에 대해 측정된 이격 거리를 나타낸다. 표2의type c, type d 구조의 위치에 따른 임피던스 변화를 그림7(a)에서 확인할 수 있다. 1과 4와 같은 위치에서 반사 손실이 크며2번3번과 같 은 경우 원하는 대역보다 낮은 주파수 대역으로 공 진주파수가 이동한 것을 알 수 있다. 그림 7(c)에서

는type d 구조의 안테나의VSWR 특성 변화를 확인

할 수 있다. 가장 정합이 잘된 위치에 비해1, 4번 위

치의 VSWR 특성은 상당히 많은 부분이 변했음을

확인할 수 있다. 예상했듯이 그림 3, 4에서와 같이

그림 6. 제안 가능한 안테나 위치 Fig. 6. Possible position of antenna.

(5)

(a) Type c

(b) Type d

(c) Characteristics of VSWR - type d

그림 7. C, D 타입의 6가지 위치에 따른 반사 손실

측정 결과와 위치에 따른 VSWR 특성 변화

Fig. 7. Measured result of input impedance of antenna according to variable position - type c, d and characteristic of VSWR of type d.

표 3. 위치별 이격 거리

Table 3. Distance length at each position.

Position Gap_r(cm) Gap_c(cm)

1 3.7 1.0

2 5.5 1.5

3 9.7 2.0

4 3.7 4.2

5 6.0 5.0

6 9.3 5.5

위치에 따라 차체의 윗면은 직렬 인덕턴스와 같은 영향 차체의 옆면은 직렬 커패시턴스와 같은 형태로 입력 임피던스에 영향을 끼침을 실험을 통해 다시 한 번 확인할 수 있었다. 또한, 상하로는 약80 mm, 좌우로는 약40 mm의 작은 폭으로 안테나를 이동하 였음에도 불구하고 큰 변화 폭을 갖는다는 것을 알 수 있다. 안테나의 구조에 따라 매칭 특성이 좋은 위 치가 다르며 매칭 특성이 좋은 특정 위치에서 T- DMB(174～216 MHz) 대역을 평균 —5 dB 이하의 반 사 손실에서 만족한다.

3-2 Interdigital Capacitor를 이용한 매칭

3-1절에서 제안한 안테나는 위치 특성에 따라 입 력 임피던스의 변화폭이 컸으며, 이는 차량의 상단 과 측면의 몸체의 영향임을 알 수 있었다. 각 부분의 영향이 인덕턴스와 커패시턴스의 영향이 크므로 입 력부에 직렬 형태의 커패시턴스를 추가하여 리액턴 스를 조절하는 것이 그림 8의 microstrip conductor pattern이다. 이interdigital capacitor는finger의 개수에 따라 혹은 길이에 따라capacitance가 조절되며, 길이 는1/4 λ보다 작은 형태이다^[10].

그림 9(b)와 같이 안테나의 위치 변화를 통해 표

1의type d 형태의 안테나와 커패시터가 추가된 회로

의 리액턴스 변화를 살펴보았다. 그림9(a) move 2와 같이 차체의 상단 부분에 의해 리액턴스의 변화가 큰 것을 확인할 수 있으며, 커패시터가 추가된 회로

그림 8. 제안된 flexible T-DMB antenna Fig. 8. Proposed flexible T-DMB antenna.

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(a) 안테나의 위치 변화 (a) Variation of structure's position

(b) 리액턴스의 변화 (b) Variation of reactance 그림 9. 위치 변화 시 리액턴스 변화

Fig. 9. Variation of reactance versus variation of position.

는 리액턴스 성분이 거의 0에 가까운 것을 확인할 수 있다. 그림10과 같이smith chart의 궤적을 통해 위치에 따른 각 안테나의 임피던스 특성을 확인할 수 있다.

3-3 Flexible T-DMB Antenna 측정 결과 제안한Flexible T-DMB 안테나는 그림11과 같이 제작되었으며, 그림 6의6가지 경우의 위치에 적용 하였을 때 입력 반사 손실을 그림12와 같이 나타냈 다. 대부분 시뮬레이션 결과와도 일치하였으며, 평균

—7 ～—6 dB 기준으로T-DMB(174～216 MHz)를 만 족 하였다. 표4에서 안테나의 부착 위치에 따른174

(a) 1번 위치에서의 반사 계수 (a) Return loss of position 1

(b) 4번 위치에서의 반사 계수 (b) Return loss of position 4

그림 10. Flexible 안테나, type d 안테나의 스미스 궤 적 비교

Fig. 10. Comparison with input impedance of flexible antenna and d type antenna.

그림 11. 제안된 안테나 Fig. 11. Proposed antenna.

MHz와215 MHz에서 입력 반사 손실의 정확한 크기

를 알 수 있다.

(7)

표 4. 위치에 따른 안테나 반사 손실 특성 Table 4. Return loss of antennas at each position.

Position 174 MHz 215 MHz

1 —9.79 dB —4.96 dB

2 —10.36 dB —5.70 dB

3 —8.30 dB —6.33 dB

4 —17.50 dB —4.96 dB

5 —12.40 dB —5.19 dB

6 —7.13 dB —6.80 dB

(a) Position 1 (b) Position 2

(c) Position 3 (d) Position 4

(e) Position 5 (f) Position 6

그림 12. 제안한 모든 위치에서 안테나의 입력 임피

던스 측정 결과

Fig. 12. Experimental and simulated result on proposed position.

안테나의 방사 특성은Ansys의HFSS를 통해 확인 하였으며, 전 방사 특성이 중요한 요소^[11]인데, 이를

(a) 180 MHz (b) 200 MHz

(c) 215 MHz

(d) Structure

그림 13. 안테나의 방사 패턴 모의실험 결과 Fig. 13. Simulated result of radiation pattern of propo-

sed antenna.

만족한다. 180, 200, 215 MHz의 세 가지 채널에서 최 대1～2 dBi, 최소 —9～—8 dBi의 방사 이득을 가짐 을 확인하였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 차체의 도체 특성을 이용하여 안 테나의 입력 임피던스의 조절을 통해 T-DMB 대역 을 만족하는 안테나를 제안하였으며, 특히 위치의 변화에도 입력 임피던스의 안정을 통해 휴대성이 뛰 어난 게 특징이다. 안테나는 동박과 케이블만으로 구성되어 매우 단순한 구조를 가지며, 차량의 전면 유리 중에서도 필름으로 라미네이팅된 부분에 있어 신호 전송 거리를 최소화할 수 있으며, 탑승자의 시 야에서도 완벽하게 사라지게 된다. 안테나의 수신

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성능은 네비게이션에 연결하여 주행 테스트를 통해 확인하였으며, 구미 지역의 대부분 지역에서 끊임이 없이 수신 가능하였고 차량의 위치나 방향 변화에도 영상이 끊임이 없이 디스플레이 되는 것을 확인하 였다.

무한한 변수를 가진 차체와 안테나의 영향에 대 해 아직 많은 개선의 여지가 남아 있으며, 객관적인 방사 특성에 대한 분석을 통해 안테나에 적용된 구 형stub나interdigital capacitor의 영향 등은 향후 연구 해야 할 과제이다.

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김 호 진

2010년 2월: 금오공과대학교 전자 공학부(공학사)

2010년 3월～현재: 금오공과대학교 전파통신공학과 석사과정 [주 관심분야] 마이크로웨이브 안

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