Design of Compact Wideband Loop Antenna with Horizontal Slits for Terrestrial DTV and UHD TV Applications

https://doi.org/10.12673/jant.2020.24.6.581 Received 9 November2020; Revised 23 November 2020 Accepted (Publication) 15 December 2020 (30 December 2020)

*Corresponding Author; Junho Yeo Tel : +82-53-850-6642

E-mail : [email protected]

지상파 DTV 및 UHD TV용 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나 설계

Design of Compact Wideband Loop Antenna with Horizontal Slits for Terrestrial DTV and UHD TV Applications

여 준 호

· 이 종 익

1

대구대학교 ICT융합학부

2

동서대학교 융합전자공학과 Junho Yeo

· Jong-Ig Lee

[요 약]

본 논문에서는 수평 슬릿이 추가된 지상파 디지털 TV(DTV) 및 UHD TV용 광대역 루프 안테나의 설계 절차와 방법을 제안하였 다. 제안된 루프 안테나는 정사각형 루프와 두 개의 원형 섹터로 구성되는 기존의 광대역 루프 안테나에 소형화하기 위해 두 개의 원형 섹터에 수평 슬릿을 추가하였다. 급전을 위해 아래쪽 원형 섹터의 중앙에 동일면 도파관(CPW; coplanar waveguide) 전송선로 가 삽입되었다. CPW 급전선로는 DTV 및 UHD TV 응용을 위해 75 옴 포트 임피던스를 사용하여 설계되었으며, 임피던스 정합을 개선하기 위해 중심신호선의 끝이 점점 가늘어지게 설계되었다. 최종 설계된 안테나는 두께가 0.8 mm인 FR4 기판에 제작하였다.

특성 실험 결과, 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave) < 2인 대역이 444.3 820.1 MHz로 DTV 대역(470 698 MHz)과 UHD TV 대역(698 771 MHz)에서 동작하는 것을 확인하였다.

[Abstract]

In this paper, the design process and method for a compact wideband loop antenna for terrestrial digital TV (DTV) and ultra high definition (UHD) TV applications was proposed. Horizontal slits were added on the two circular sectors of the proposed loop antenna in order to miniaturize the existing wideband loop antenna consisting of a square loop and two circular sectors. A CPW transmission line was inserted in the center of the lower circular sector as a feed line. The CPW feed line was designed using the 75 ohm port impedance for DTV and UHD TV applications, and a tapered center-signal line was designed to improve the impedance matching. The final designed antenna was fabricated on an FR4 substrate with a thickness of 0.8 mm. The experiment results show that the proposed compact loop antenna operates in the frequency band of 444.3 820.1 MHz for a VSWR < 2, which fully covers the DTV and UHD TV bands.

Key word : Compact wideband loop antenna, Horizontal slits, Circular sectors, Digital TV, Ultra high definition TV.

1

School of ICT Convergence, Daegu University, Gyeongsangbuk-do 38453, Korea

2

Department of Applied Electronics Engineering, Dongseo University, Busan 47011, Korea

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org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial

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original work is properly cited.

Ⅰ. 서 론

2000년 12월에 확정된 “지상파 방송의 디지털 전환을 위한 종합계획”에 따라 지상파 DTV 방송은 디지털 신호를 이용하 여 선명한 고화질의 방송을 무료로 수신할 수 있게 하기 위해 2001년 10월 이후 수도권부터 시작하였고, 2004년 7월 광역시 권역으로 확장하였다. 2005년 12월에는 도청소재지 지역, 2006 년 7월에는 전국 시ㆍ군 지역으로 확대되었다. 2012년 12월말 에는 아날로그 TV 방송을 종료하여 완전한 DTV방송 시대를 시작하였다[1].

2013년부터 디지털 전환 이후 미사용 아날로그 방송 주파수 대역 정리에 대한 요구와 이동통신 및 재난 통신을 위해 추가 대역 요구를 반영하여 임시로 사용하던 DTV 채널을 축소하여 470 698 MHz로 재배치하였다. 이를 통해 확보된 700 MHz 대 역(698 806 MHz)은 재난, 이동통신, UHD 방송용으로 사용 하고 있다. 2017년 5월에 수도권 지역부터 개시된 지상파 UHD 방송의 주파수는 700 MHz 대역(698 710 MHz, 753 771 MHz)을 사용하고 있으며, 2017년말 주요 광역시 및 강원권에 시작되었고 2021년까지 전국 시군지역으로 단계적으로 확대할 예정이다. 강원지역과 울산광역시는 기존의 3개 DTV 대역을 UHD 방송 대역으로 활용하고 있다[2].

따라서, 지상파 DTV 및 UHD TV 수신용 안테나는 DTV 주 파수 대역인 470 771 MHz(48.5%)에서 신호를 수신해야 하므 로 광대역 주파수 특성을 가져야 하며, 안테나의 편파는 대지면 을 기준으로 수평편파를 사용하여야 한다[3]. 안테나의 입력 임 피던스는 방송용 동축케이블을 사용하므로 75 옴을 기준으로 설계하여야 한다[4].

지상파 수신용 안테나로 많이 사용하는 안테나 종류에는 루 프 안테나, 다이폴 안테나, 대수주기 다이폴 배열 안테나, 야기 안테나 등이 있다. 야기 안테나와 대수 주기 다이폴 배열 안테 나는 여러 개의 다이폴을 사용하여 이득은 높으나 지향성을 가 져 수신 방향을 확인하여 안테나의 위치를 조정해야 한다 [5],[6]. 반면에, 무지향성인 다이폴 안테나와 루프 안테나는 모 든 방향에서 수신이 가능하나 이득이 낮은 단점이 있다[7]-[9].

SPECTRUM사의 실내용 원형 루프 안테나는 급전부에 입력 임피던스 정합을 위해 두께 13 mm의 밸런(balun)이 사용되어 돌출되어 있고, 크기는 255 mm × 240 mm이다[8]. 최근 기판의 동일면에서 급전 케이블 연결과 임피던스 정합을 쉽게 하기 위 해 두 개의 원형 섹터를 정사각형 루프에 추가하여 중앙 급전점 을 연결하는 CPW-급전 안테나가 제안되었다[9].

본 논문에서는 수평 슬릿이 추가된 지상파 디지털 TV(DTV) 및 UHD TV용 광대역 루프 안테나의 설계 방법을 제안하였다.

제안된 루프 안테나는 정사각형 루프와 두 개의 원형 섹터로 구 성되는 기존의 광대역 루프 안테나에 소형화하기 위해 두 개의 원형 섹터에 수평 슬릿을 추가하였다. CPW 급전선로는 DTV 및 UHD TV 응용을 위해 75 옴 포트 임피던스를 사용하여 설계 되었으며, 전체 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 중간

부분에서 점점 가늘어지게 설계되었다. 안테나의 특성 분석을 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 시뮬레이션하였다. 최종 설계된 소 형 광대역 루프 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 0.8 mm) 에 제작하여 특성을 비교하였다 .

Ⅱ. 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나 구조와 설계 방법

그림 1에는 제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의 구조가 나타나 있다 . 정사각형 루프와 두 개의 원형 섹터는 기판의 한 면에 인쇄되어 있다 . 아래쪽 원형 섹터에는 중심신호선이 가늘어지는 CPW 급전선로가 삽입되었고 중앙 급전점에서 CPW 급전선로의 중심신호선이 위쪽 원형 섹터와 연결되었다 . 두 개의 원형 섹터와 정사각형 루프가 만나는 모 서리 부분에는 슬릿을 추가하여 루프의 길이를 증가시키고 이 를 통해 좀 더 낮은 주파수에서 동작하도록 하였다 . 정사각형 루프의 선폭은 w

이고, 길이와 폭은 각각 L과 W이다.

(a)

(b)

그림

1. 제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나

Fig. 1. Geometry of proposed compact wideband loop

(a) (b)

(c) (d)

그림

2. 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의 설계

Fig. 2. Design process for compact wideband loop

두 원형 섹터 사이의 간격은 g

이고, 사각형 루프 길이의 절 반이 되도록 원형 섹터의 반지름을 정하였다. CPW 급전선로 의 입력 포트쪽의 중심신호선의 폭은 w

이고, 중앙 급전점과 만나는 지점에서의 중심신호선의 폭은 w

이다. 75 옴 입력 임 피던스와 정합시키기 위해 입력 포트쪽의 중심신호선과 접지 면 사이의 간격 g

를 설계하였다. 전체 대역에서 임피던스 정 합을 위해 아래쪽 원형 섹터의 중간 부분에서 CPW 급전선로 의 중심신호선의 폭이 w

에서 w

로 가늘어지게 설계하였으며 이 부분의 길이는 l

이다. l

는 가늘어지는 중심신호선이 끝나 는 부분에서 위쪽 원형 섹터 사이의 거리이고 폭 w

로 유지된 다. 루프와 원형 섹터가 만나는 모서리에 추가된 슬릿의 길이 와 폭은 각각 l

와 w

이다. 수평 슬릿은 원형 섹터의 중심으로 부터 수평 방향으로 l

만큼 떨어진 지점에서 시작하여 원형 섹 터의 호 근처에서 간격이 1 mm 정도 되도록 하였으며, 원형 호 와 비슷한 모양을 만들기 위해 끝은 사선 모양으로 처리하였 다. 각 수평 슬릿의 폭은 w

이고, 수평 슬릿 사이의 간격은 g

이 다. 안테나 설계를 위해 비유전율(ε

) 4.4, 두께(h) = 0.8 mm, 손 실 탄젠트(tan δ) = 0.025인 FR4 기판을 사용하였다.

표 1에 제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테 나의 최종 설계변수들이 나타나 있다. 주요 설계변수인 수평 슬릿의 시작 위치, 수평 슬릿의 길이와 폭, 가늘어지는 중심신 호선의 폭 등을 변화시켜 입력 임피던스, 입력 반사계수, 복사 패턴 등의 안테나 특성을 분석하여 최종 설계변수를 결정하였 다.

표

1. 제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의

Table 1. Final design parameters of proposed compact

Parameter Value(mm) Parameter Value(mm)

L

189

1

W

189

16.8

wf

1.5

1

gf

0.54

8

wc

0.5

1

g1

3

23.6

r1

94.5

25.1

lst

13

0.8

wst

5

(a)

(b)

그림

3. 그림 2의 안테나 성능 비교: (a) 입력 반사계수, (b) 이득 Fig. 3. Performance comparison for antennas in Fig. 2: (a)

input reflection coefficient, (b) gain.

제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의 설

계과정을 설명하기 위해 4가지 안테나 구조를 그림 2에 나타

내었다. 그림 2(a)는 수평 슬릿이 없는 기존의 CPW-급전 광대

역 루프 안테나이고 , 그림 2(b)는 수평 슬릿만 추가된 기존의

광대역 루프 안테나이다 . 그림 2(c)는 수평 슬릿과 임피던스

정합을 위해 가늘어지는 중심신호선이 추가된 기존의 광대역

루프 안테나이고, 그림 2(d)는 제안된 소형 광대역 루프 안테

나이다. 제안된 소형 광대역 루프 안테나는 그림 2(c)의 루프

안테나를 지상파 DTV 및 UHD TV 주파수 대역(470—771

MHz)으로 동작시키기 위해 사각 루프의 길이를 줄이고 수평

슬릿의 시작 위치, 길이와 폭을 조정하였다.

(a)

(b)

(c)

그림

4. 제안된 안테나의 복사 패턴: (a) 500 MHz, (b) 600

Fig. 4. Radiation patterns of proposed antenna at: (a) 500

그림 2의 4가지 안테나 구조들에 대한 입력 반사계수와 이득 특성을 그림 3에 비교하여 나타내었다. 그림 2(a)에 나타나 있 는 수평 슬릿이 없는 기존의 CPW-급전 광대역 루프 안테나의 주요 설계변수는 L = W = 210 mm, w

= 1.5 mm, g

= 0.54 mm, g

= 3 mm, w

= 1 mm이다. 시뮬레이션 결과, 입력 반사계수의 주파수 대역이 VSWR < 2를 기준으로 455.1—1,241.4 MHz(92.7%)이고, 지상파 DTV 및 UHD TV 주파수 대역에서 이득은 2.6—3.8 dBi이다. 그림 2(b)와 같이 수평 슬릿을 원형 섹터에 추가한 경우 주파수 대역이 낮은 주파수로 이동하였으 나 임피던스 정합이 나빠져서 VSWR < 2인 주파수 대역이 432.2—514.5 MHz(17.4%)로 줄어들었고, 이 대역에서 이득도 2.2—2.78 dBi로 감소하였다. 이때, 수평 슬릿의 설계변수는 l

= 10 mm, w

= 9 mm, g

= 1 mm, w

= 4.5 mm이다. 임피던스 정 합을 향상시키기 위해 그림 2(c)와 같이 가늘어지는 중심신호 선을 추가한 경우 , VSWR < 2인 주파수 대역이 399.4—684.5 MHz(52.6%)로 시작 주파수가 더 낮은 주파수로 이동하고 대역 폭도 증가하였다. 이 경우, 가늘어진 중심신호선의 설계변수는 w

= 0.5 mm, l

= 26.3 mm, l

= 27.8 mm이다. 그림 2(c) 안테나

의 동작 주파수 대역을 지상파 DTV 및 UHD TV 주파수 대역으 로 이동하기 위해 표 1의 설계변수로 정사각형 루프의 길이를 줄이고 수평 슬릿의 시작 위치, 길이와 폭을 조정한 결과, VSWR < 2인 주파수 대역이 448.3— 796.5 MHz(55.9%)로 지상 파 DTV 및 UHD TV 주파수 대역보다 넓게 동작함을 알 수 있 다 . 제안된 소형 광대역 루프 안테나의 길이는 기존의 광대역 루프 안테나와 비교할 때 210 mm에서 189 mm로 10% 감소하 였다. 이 대역에서의 이득은 2.6—3.6 dBi로 낮은 주파수에서는 기존의 루프 안테나와 비슷하나 높은 주파수에서 조금 감소함 을 알 수 있다 .

제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의 500 MHz, 600 MHz, 700 MHz에서의 복사 패턴이 그림 4에 나타나 있다. 이 주파수 대역에서 루프 안테나의 무지향성 패턴이 일 정하게 유지됨을 알 수 있다.

Ⅲ. 제작 및 실험 결과

제안된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의 성 능 검증을 위해 FR4 기판(ε

= 4.4, h = 0.8 mm, tan δ = 0.025)을 이용하여 그림 5와 같이 제작하였다.

그림 6은 제작된 소형 광대역 루프 안테나의 입력 반사계수 와 이득 특성을 시뮬레이션 결과와 비교하여 나타내었다 . Agilent사의 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 제작된 소형 광대역 루프 안테나의 입력 반사계수를 측정하였다. 제작 된 안테나의 이득은 전파무반사실에서 최대 복사 방향인 +z축 방향으로 측정하였다.

그림

5. 제작된 안테나 사진

Fig. 5. Photograph of fabricated antenna.

그림

6. 제작된 안테나의 성능 비교: (a) 입력 반사계수, (b) 이득 Fig. 6. Performance comparison of fabricated antenna: (a)

input reflection coefficient, (b) gain.

입력 반사계수 측정 결과, VSWR < 2를 기준으로 주파수 대 역이 444.3—820.1 MHz (59.4%)로 시뮬레이션 결과(448.3—

796.5 MHz) 보다 조금 증가하였다. 이득은 500 MHz, 600 MHz, 700 MHz, 750 MHz에서 측정하였으며 2.7—3.4 dBi로 시뮬레 이션 결과(2.9—3.6 dBi) 보다 조금 낮게 나왔다.

그림

7. 제작된 안테나의 복사 패턴: (a) 500 MHz, (b) 600

Fig. 7. Radiation patterns of fabricated antenna: (a) 500

그림 7은 제작된 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테 나의 y-z면과 z-x면에서의 복사 패턴에 대한 측정 결과를 500 MHz, 600 MHz, 700 MHz에서 시뮬레이션 결과 비교하였고, 측정 주파수에서 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다 .

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 지상파 DTV 및 UHD TV 수신을 위해 수평 슬릿이 추가된 소형 광대역 루프 안테나의 설계 방법을 제안 하였다 . 소형화를 위해 기존 광대역 루프 안테나의 두 개의 원 형 섹터에 수평 슬릿을 추가하였다. 수평 슬릿을 추가하였을 때 나빠지는 임피던스 정합을 향상시키기 위해 끝이 점점 가 늘어지는 중심신호선을 가지는 CPW 급전선로를 설계하였다.

두께가 0.8mm인 FR4 기판에 제작된 안테나는 VSWR < 2 를 기준으로 주파수 대역이 444.3 820.1 MHz으로 DTV 대역 과 UHD TV 대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 이득은 2.7

3.4 dBi로 측정되었다.

제안된 소형 광대역 루프 안테나는 기존의 루프 안테나와 비 교할 때 크기가 10% 감소하였다. 또한, 원형 섹터의 도체 부분 에 수평 슬릿이 추가되어 필름형으로 제작하여 사용할 경우 안 테나의 투명도를 개선할 수 있다 .

References

[1] UHD Korea [Internet]. Available: http://uhdkorea.

org/?page_id=31123

[2] Digital conversion, channel reallocation, and DTV KOREA [Internet]. Available: http://tech.kobeta.com/wp-content/

uploads /2016/10/21602.pdf

[3] A. Punchihewa, “Tutorial on digital terrestrial television broadcasting,” in Proceeding of 5th International Conference on Information and Automation for Sustainability (ICIAFs), Colombo: Sri Lanka, pp. 58-63, Dec. 2010.

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

[4] O. T. C. Chen and C. Y. Tsai, “CPW-fed wideband printed dipole antenna for digital TV applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 59, No.

12, pp. 4826-4830, Dec. 2011.

[5] J. I. Lee, J. Yeo, and Y. K. Cho, “Broadband compact quasi-Yagi antenna for indoor digital TV,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 55, No. 12, pp. 2859-2863, Dec. 2013.

[6] SPECTRUM PRODUCT. LP49 [Internet]. Available:

http://www.spectrum.co.kr/shop/product10.php?c1=1&c2=1

&product=p

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[8] SPECTRUM PRODUCT. K-Vesta [Internet]. Available:

http://www.spectrum.co.kr/shop/product10.php?c1=1&c2=1

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[9] J. Yeo and J. I. Lee, “CPW-fed wideband loop antenna for indoor digital TV applications,” Journal of Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 21, No. 8, pp. 1492-1497, Aug. 2017.

여 준 호 (Junho Yeo)

1992년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학사) 1994년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학석사) 2003년 8월 : 미국 Pennsylvania State University 전기공학과 (공학박사) 1994년 3월 ~ 1999년 6월 : 국방과학연구소 연구원 2003년 9월 ~ 2004년 6월 : 미국 Pennsylvania State University 박사 후 과정

2004년 8월 ~ 2007년 2월 : 한국전자통신연구원 RFID 시스템연구팀 선임연구원 2007년 3월 ~ 현재 : 대구대학교 ICT융합학부 교수

※ 관심분야 : RFID 및 광대역 안테나, 고감도 마이크로파 센서, Chipless RFID 이 종 익 (Jong-Ig Lee)

1992년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학사) 1994년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학석사) 1998년 8월 : 경북대학교 전자공학과 (공학박사) 1998년 3월 ~ 12월 : 금오공과대학교 연구교수 1999년 3월 ~ 현재 : 동서대학교 융합전자공학과 교수

※ 관심분야 : 평면 안테나, 전자파 산란