DOI : 10.5515/KJKIEES.2011.22.6.605
「이 연구는 2009학년도 금오공과대학교 대학 연구비의 지원으로 연구되었음.」
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 : 20110214-016
․교 신 저 자 : 이영훈(e-mail : [email protected])
․수정완료일자: 2011년 6월 14일
Common Mode Stub를 이용한 Flexible T-DMB 안테나 구현
Design Flexible T-DMB Antenna with Common Mode Stub
이선현․김호진․이상석*․이영훈
Seon-Hyeon Lee․Ho-Jin Kim․Sang-Seok Lee*․Young-Hun Lee 요 약
본 논문에서는 차량 앞유리에 탈부착이 가능한 다이폴 형태의T-DMB 수신용 안테나를 설계하였다. 안테나
의 구조는 동박과 급전선의 매우 간단한 구조를 가지며, 운전자의 시야에서 완벽히 벗어날 수 있도록 차량 유리 의 테두리 쪽에 존재한다. 차체의 특성과 안테나의 입력 임피던스 특성을 고려하여 제안된 미앤더 형태의 다이 폴 안테나는T-DMB 주파수 대역(174～216 MHz)을 만족한다. Common Mode Stub를 추가한 Flexible 안테나는 차량 앞유리에서 부착되는 위치에 상관없이 안테나의 입력 반사 손실은 —5 dB 이하를 가지는 것이 가장 큰 특징이다.
Abstract
In this paper, we designed detachable T-DMB receiver antenna on the windshield of the car. Designed antenna is composed of only copper and feeders. To escape completely from driver's sight, it exists edging of windshield. Proposed antenna by considering body of properties and characteristics of the antenna input impedance have T-DMB frequency band(174～216 MHz). Proposed flexible antenna with Common Mode Stub is satisfied characteristics less than —5 dB antenna input return loss regardless of installation position on windshield.
Key words : T-DMB, Glass Antenna, Rectangular Stub, Common Mode Stub
Ⅰ. 서 론
최근 자동차 산업이 발전함에 따라서 사용자들은 이동하는 차량 내에서도 쉽고 편리하게 라디오, 텔 레비전, 네비게이션, 휴대전화 서비스 등과 같은 정 보와 오락 콘텐츠를 제공을 원한다[1]. T-DMB 시스 템 도입이 상용화됨에 따라 차량의 수신 안테나에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 T-DMB용 안테 나로는 해리컬 안테나, 샤크 안테나, 폴 안테나 등 여러 종류가 사용되고 있다. 위와 같이 차량 외부에 설치해야 하는 안테나들은 자동차의 외관에 영향을
주고, 일부는 공정이 어려워 높은 단가를 요구하기
도 한다. On-glass 안테나는 자동차 외관을 변형시키
지 않고, 더 가볍고, 더 나은 신뢰성 때문에 이전의 수신 안테나는on-glass 안테나로 대체되고 있다. 그 러므로 자동차 산업은 점점 광대역on-glass 안테나 에 주목하고 있다[2],[3].
본 논문에서는 실용성이 높고 안테나의 부착 위 치에 따른 특성 변화를 실험하기 위해, 자동차 앞유 리에 인쇄하는 제작 방식이 아닌 탈부착이 가능한 안테나를 제안하였다. 동박으로 구현된 제안된 안테 나는 탈부착 기능과 쉬운 급전 방식을 가지기 위해
다이폴 구조로 제안되었다. 다이폴 안테나의 입력부 임피던스는 근접한 도체의 영향을 크게 받으므로[4]
차량의 전면 유리에 부착되는 위치에 따라 안테나
급전부의
S-parameter
특성이 크게 변화한다. 이를 실제 차량 환경에서의 실험을 통해 차량의 전면 유리 에 적용되는 다이폴의 입력부 특성과 환경 변화에 따른 정합 특성 개선 방법에 대해 고찰하였다.
Ⅱ. 실험 환경
제안된 안테나는 그림1(a)에서 볼 수 있듯이 차 량 전면 유리의 최외각에 적용된다. 이 때문에 운전 자 시야에서 완전하게 벗어날 수 있으며, 차량 내부 에 있으므로wind noise의 영향이 없고 강한 내구성 을 가진다.
그림1(b)는 차량 앞유리에 부착되는 안테나의 위 치를 나타낸 것이다. 안테나가 적용될 수 있는 공간 은 룸미러와 같은 차량 앞유리에 존재하는 물체의 영향 때문에T-DMB 안테나가 전면 유리에 적용 가
(a) 안테나 적용 모습 (a) The application of antenna
(b) 안테나 부착 위치 (b) Antenna installation position 그림 1. 안테나 적용 모습과 부착 위치
Fig. 1. The application and installation position of an- tenna.
능한 공간은 약500×100 mm2로 제한된다. 또한, 제 한된 공간 안에서 어떤 위치에서도 안테나의 T- DMB 수신 성능을 확보해야 하므로 그림 1(b)와 같 이6개의 구역으로 나누어 안테나가 적용되는 공간 을 제안하였다.
차체와 안테나의 거리는 안테나의 입력 임피던스 의 변화를 유도하고, 유리는 공진 주파수의 이동을 유도한다[5]. 그러므로 차체는 안테나의 입력부에 큰 영향을 미치게 된다. 차량과 안테나의 모의 해석은 Ansys사의 HFSS tool을 이용하였으며, 차체 자동차 앞유리, 상단 프레임, 조수석 쪽 측면의 프레임만을 고려하여 환경을 설정하였다.
Ⅲ. 비교 안테나 특성 분석
표1은 제안된 안테나의 설계 과정을 배열한 것이 다. ‘Ⅱ. 실험 환경’에서 설명된 실험 환경을 적용하 고, 차량 앞유리의 같은 위치에 적용한 상태에서 모 의 실험하였다.
표1(a) basic dipole은3 mm 선로 폭과560 mm 길 이를 가진다. 전체적인 길이가 매우 길어서 차량 앞 유리에 적용하기 어렵다.
표1(b) meander style dipole은 안테나 소형화 기법 의 하나인meander-line[6]을 이용하여(a)를 미앤더 형
표 1. 안테나 모델별 특성
Table 1. Characteristic of proposed antennas.
(a) Basic dipole
Total length: 560 mm(very large) (b) Meander style dipole
Total length: 437 mm To Reduce the physical length (c) Rectangular stub dipole
Add rectangular stub Double band / Larger bandwith (d) Common mode stub dipole
Add common mode stub Stable caracteristic
태의 다이폴로 변형하였다. 미앤더 안테나는 구조상 전류밀도가 커지기 때문에 대역폭이 좁아진다[7]. 임 피던스 대역폭을 증가시키는 방법으로는 전류가 흐 르는 경로의 수를 증가시켜 같은 방향의 전류 분포 를 증가시키는 것이 대표적이다[8],[9]미앤더 형태 적 용 때문에 감소한 대역폭을 보완하기 위해 급전 부 분과 양 끝단에 이중 라인으로 구성하여 전류가 흐 르는 경로의 수를 증가시켰고, 총 길이는437 mm로 (a)에 비하여 약 110 mm 감소하였다.
표1(c) rectangular stub dipole은(b)의 안테나 요소 에L형의 스터브를 추가한 것이다. L형 스터브 추가 는 선로 사이의 커플링을 증가시켜 안테나의 전기적 인 길이 또한 증가하게 한다.
표1(d) common mode stub dipole은 제안된 안테나 로(c)에 직선 모양의 스터브를 더 추가한 것이다. 다 이폴 입력 임피던스는 특히 평행한 접지 환경과 같 은 차량의 상단 몸체의 영향을 크게 받는다.
참고문헌[10]에서 차량의 몸체에 따른 입력 임피 던스 변화에 대해 안테나에capacitive한 성분을 추가 시켰을 때, 제안된position 1～6에서 비교적 균일한 공진 대역 특성을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 표1 (c) 안테나에stub를 추가하여 차량 환경에서 안 테나의 입력 임피던스 특성을 확인하였다.
Ⅳ. 제안된 안테나 모의 실험
제안된 안테나는 동박과 급전을 이루는 황동만으 로 이루어진다. 그림2는 안테나의 급전부를 나타낸 것으로coaxial cable과 연결을 위해 황동 재질의 구 조물을 이용하였다.
Common mode stub의 유무에 따른 안테나의 위치 별 정합 특성을 모의 실험하였다. 그림3은 입력 임 피던스 비교에 쓰인 파라미터 설명으로 ‘stub_w',
그림 2. 급전부 Fig. 2. Feeding point.
(a) 'stub_w' 파라미터 설명 (a) Explanation of parameter 'stub_w'
(b) 'move_x', 'move_y' 파라미터 설명
(b) Explanation of parameter 'move_x' and 'move_y' 그림 3. 안테나 파라미터 설명
Fig. 3. Explanation of antenna parameter.
'move_x', 'move_y'가 있다. Stub_w=0일 때 안테나의 구조는 rectangular stub dipole와 같다. 그 이상의 값 을 가지게 되면common mode stub dipole가 된다.
‘move_x'와'move_y'는 안테나 전체 구조를 이동하 는 파라미터이며, 안테나가 차량 내부의 앞유리의 최외각에 위치하면 move_x=40 mm, move_y=20 mm 가 된다. 값이 증가할수록 안테나는 그림3(b)에 표 시된 화살표 방향으로 이동하게 된다.
그림 4는 안테나가 차체로부터move_x 방향으로 40 mm 떨어진 상태에서 move_y 방향으로 20～80 mm로 안테나가 측면 프레임에서 멀어질 때, 입력 임피던스의 성분을 비교한 그래프이다. 그림 4에서 실선으로 표시된stub_w=0의 경우는 나머지의 경우 를 비교할 때 레지스턴스, 리액턴스 성분 모두 큰 변 화를 보인다. 즉, common mode stub dipole에 비해 rectangular stub dipole이 위치에 따른 임피던스 변화 량이 크다.
그림5는 안테나가move_y 방향으로20 mm 떨어
(a) 레지스턴스 비교
(a) Comparison of the resistance
(b) 리액턴스 비교
(b) Comparison of the reactance
그림 4. Move_x=40 mm일 때 195 MHz에서의 입력 임피던스 비교
Fig. 4. Comparison of the input impedance at 195 MHz (move_x=40 mm).
진 상태에서, move_x 방향으로40～130 mm로 안테 나가 상단부 프레임에서 멀어질 때, 입력 임피던스 의 성분을 비교한 그래프이다. 그림 4와 유사하게 그림 5에서 실선으로 표시된 stub_w=0 mm의 경우 나머지의 경우를 비교할 때 레지스턴스, 리액턴스
(a) 레지스턴스 비교
(a) Comparison of the resistance
(b) 리액턴스 비교
(b) Comparison of the reactance
그림 5. Move_y=20 mm일 때 195 MHz에서의 입력 임피던스 비교
Fig. 5. Comparison of the input impedance at 195 MHz (move_y=20 mm).
성분 모두 변화량이 크다.
먼저 추가된 common mode stub의 유무만으로도 위치에 따른 안테나의 입력 임피던스의 변화 폭이 상당한 차이를 보이며, common mode stub를 추가한 이후에는 임피던스 변화량이 적지만, 선로의 두께와
(a) XY-plane 이득 패턴 (a) XY-plane gain pattern
(b) XZ-plane 이득 패턴 (b) XZ-plane gain pattern
그림 6. 안테나 타입별 이득 패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 6. The simulation results of antenna gain pattern
for each type.
추가된 stub의 두께가 같아지는 경우 즉, stub_w=4 mm일 때 입력 임피던스의 변화 폭이 가장 적다.
차량에 근접한 환경에서 안테나가 다이폴의 방사 형태를 보이는지 확인하기 위해 이득 패턴을 살펴보 았다. 그림 6은 안테나 이득 패턴의 주편파와 교차 편파를 모의 실험을 통해 나타낸 것이다.
모의 실험 결과를 살펴보면 안테나 타입별 이득 방사 패턴의 차이가 적으며, 또한XY-plane, XZ-pla- ne에서의 주편파 이득 패턴이 모든 방향에 대해 비 교적 무지향성의 특성을 가지는 것을 볼 수 있다.
Ⅴ. 안테나 측정 결과
앞서 그림 1(b)에서 제안한 바와 같이 차량의 전 면 유리에 안테나를 그림7과 같이 부착하여 안테나 의 입력 반사 손실을 측정하였다.
Agilent사의PNA Series Network Analyzer(E8358- A) 장비를 이용해서 반사 손실을 측정하였다.
그림 8과 표 2는 meander style antenna의 위치에 따른 반사계수 측정 결과를 나타낸 것이다. 3번 혹 은5번과 같이 설계가 이루어진 위치에는T-DMB 대 역에서 정합된 특성이지만1번에서6번 위치에서 정 합 특성이 많은 변화를 보인다.
그림 7. 차량 앞유리의 제안된 안테나 Fig. 7. Proposed antenna on windshield.
그림 8. Meander style dipole의 위치에 따른 측정 결과 Fig. 8. Measured results of meander style dipole acc-
ording to position.
표 2. 그림 8의 설명
Table 2. Explanation of Fig. 8.
Position 최소 반사 손실 Bandwidth[MHz]
(—5 dB 기준) Freq.[MHz] Mag.[dB]
p1 200 —13.41 37(174～211)
p2 176 —21.44 66(143～209)
p3 199 —41.47 83(136～219)
p4 195 —7.05 38(175～213)
p5 205 —8.73 60(171～231)
p6 208 —10.46 59(171～230)
그림 9. Rectangular stub dipole의 위치에 따른 측정 결과
Fig. 9. Measured results of rectangular stub dipole acc- ording to position.
표 3. 그림 9의 설명
Table 3. Explanation of Fig. 9.
Position
최소 반사 손실 Bandwidth
[MHz]
(—5 dB 기준) Freq.
[MHz]
Mag.
[dB]
p1 165 —6.63 39(153～192)
p2 168 —8.66 41(153～194)
p3 152 —16.56 83(117～200)
p4 192 —5.96 26(173～199)
p5 168 —38.84 47(153～200) p6 185 —21.92 56(153～209)
그림 9와 표 3은rectangular stub dipole의 위치에 따른 측정 결과를 나타낸 것이다. 위치에 따라 불규 칙한 정합 특성을 보인다. 특히 1, 4번 위치에서 높 은 반사 손실과 좁은 대역폭을 가지고 있고, 4번 위 치를 제외하고 나머지 위치에서의 최소 반사 손실의 주파수 지점은 모두 하향되었다.
앞서 예상했듯이 rectangular stub dipole은 mean- der style antenna와 전체적인 길이가 같고, L형 스터 브의 추가 때문에 공진 주파수가meander style dipo- le에 비해 하향되었다. 안테나의 전체 크기 축소의 가능성을 기대할 수 있다.
그림10과 표4는common mode stub antenna의 위 치에 따른 측정 결과를 나타낸 것이다. 역시 3, 6번 위치에서 정합 특성이 가장 좋으며, 상대적으로1, 4 번 위치의 정합 특성이 좋지 않은 것은 유사하나, 전 체적으로 위치 변화에도 일정한 정합 특성을 보인 다. 모든 위치에서의 주파수 대역은T-DMB 주파수 대역을 포함한다.
그림11과 표5의 모의 실험 결과는 위치에 따라 서 비슷한 경향을 보인다. 1번 위치는 좁은 대역폭 을 가지지만, 나머지 위치에서는 조금씩 차이는 있
지만, T-DMB 주파수 대역을 포함하고 있다.
그림 10. Common mode stub dipole의 위치에 따른 측정 결과
Fig. 10. Measured results of common mode stub dipo- le according to position.
표 4. 그림 10의 설명
Table 4. Explanation of Fig. 10.
Position
최소 반사 손실 Bandwidth
[MHz]
(—5 dB 기준) Freq.
[MHz] Mag.
[dB]
p1 203 —9.36 59(159～218)
p2 187 —12.23 58(161～219) p3 195 —17.33 54(173～227)
p4 216 —9.91 52(165～217)
p5 190 —10.17 60(171～231) p6 189 —15.11 54(168～222)
그림 11. 안테나의 위치 변화에 따른 입력 임피던스 변화
Fig. 11. Variation of input impedance vs. variation of position.
표 5. 그림 11의 설명
Table 5. Explanation of Fig. 11.
Position 최소 반사 손실 Bandwidth[MHz]
(—5 dB 기준) Freq.[MHz] Mag.[dB]
p1 195 —11.53 29(180～209)
p2 172 —14.19 54(159～213)
p3 198 —18.64 52(165～217)
p4 201 —13.95 57(164～221)
p5 168 —10.47 59(156～215)
p6 193 —17.78 35(176～211)
Ⅵ. 결 론
본 논문에서는 탈부착할 수 있는 T-DMB 안테나 를 설계하였다. 제안된 안테나는 직선 구조의 다이 폴 안테나에 미앤더 형식의 구조를 적용하여 전체적 인 크기를 축소하였다. 그리고 안테나 구조의 반복 되는 셀마다 rectangular stub로 물리적 구조를 안정 시키고, common mode stub를 추가하여 신호의 경로 를 증가시켜 대역폭 증가뿐만 아니라 운전자의 시야 를 확보하기 위하여 설정된 자동차의 앞유리 상단의
500×100 mm2공간 범위 내에서 안테나 부착 위치에
상관없이 —5 dB 기준으로T-DMB 안테나 대역(175
～216 MHz)을 가지고 공진점의 위치도 흡사하다.
제안된 안테나의 물리적인 크기는 가로437 mm, 세 로29 mm이다.
경제적인 면에서 원가 절감을 위하여 매칭 회로 나 다른 소자의 추가 없이 급전을 이루었고, 유전체 없 이 자동차 유리의 유전율 만을 고려하여 설계하였다.
T-DMB 방송 수신 실험은 경북 구미 지역에서 실
시하였다. 안테나의 부착 위치에 따라 특성 변화가 크더라도 디스플레이가 양호하지만, 제안된 안테나 인common mode stub 안테나는T-DMB 방송 수신율 이 낮은 곳에서나 주행 중 자동차의 방향 변화에도 끊임없이 디스플레이 되어 방송을 시청하는 데 무리 가 없다. 향후 안테나의 정확한 수신 성능 확인을 위 해open site에서의 수신 감도 측정 및HP를 이루는 제안된 안테나에 대해 cross polarization 특성 등을 실험해야 한다.
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1982년 2월: 충북대학교 전기공학 과(공학사)
1984년 2월: 충북대학교 전기공학 과(공학석사)
1989년 2월: 광운대학교 전기공학 과(공학박사)
1989년 8월～현재: 한국전자통신연 구원 책임연구원
[주 관심분야] RF 수동부품, 평면형 안테나 등
이 영 훈
1986년 2월: 광운대학교 전자공학 과 (공학사)
1988년 2월: 연세대학교 전자공학 과 (공학석사)
1995년 2월: 연세대학교 전자공학 과 (공학박사)
1995년～2002년: 호남대학교 전파 공학과 교수
2002년～현재: 금오공과대학교 전자공학부 교수 2002년～2010년: 한국전자파학회 이사/평의원
2006년 1월～2007년 1월: University of Florida 방문 교수 2010년～현재: 한국전자파학회 영남지부장
[주 관심분야] 마이크로파 및 안테나 공학, RFIC, MMIC, EMI/EMC, 이동 통신 부품 및 시스템
