제10권, 제4호 (2011년 8월) pp.65～70
데이터통신 단말기용 PIFA 및 IFA 결합 안테나
PIFA and IFA Hybrid Antenna for the Data Communication Terminal
천 문 규* 손 태 호**
(Moon-Kyu Chun) (Tae-Ho Son)
요 약
본 논문에서는 PIFA(Planer Inverted F Antenna)와 IFA(Inverted F Antenna)를 결합한 스마트 폰과 같은 데이터통신 단말 기용 안테나를 설계하고 이를 제작하였다. 1개의 급전구조를 가지면서 PIFA와 IFA가 동시에 동작하도록 함으로써 다중 대역특성을 갖도록 하였다. 베어보드에 제작된 안테나는 GSM900/USPCS/WCDMA 대역에서 VSWR 3:1 특성을 만족하였 다. 평균이득과 효율은 GSM900 대역에서 -2.19∼-3.63 dBi 및 43.31∼60.33 %가 측정되었다. 또한 USPCS /WCDMA 대역 에서는 -2.16∼-10.67 dBi 및 8.56∼60.78 %의 효율특성을 갖는다.
Abstract
In this paper, we designed and implemented a PIFA(Planer Inverted F Antenna) and IFA(Inverted F Antenna) hybrid antenna for the data communication terminal such as smart phone. Studied hybrid antenna has multi-band characteristics by the simultaneous operation both PIFA and IFA under a feeding structure. VSWR measurement of implemented antenna was satisfied 3:1 over GSM900/USPCS/WCDMA band. Measured average gains and efficiencies were -2.19~-3.63 dBi and 43.31~60.33 % for the GSM900 band, and -2.16~-10.67 dBi and 8.56~60.78 % for the USPCS/WCDMA band.
Key words : PIFA, IFA, hybrid antenna
* 주저자 : 순천향대학교 정보통신공학과 석사과정
** 공저자 : 순천향대학교 정보통신공학과 교수
†논문접수일 : 2011년 6월 13일
†논문심사일 : 2011년 7월 27일
†게재확정일 : 2011년 7월 28일
Ⅰ. 서 론
현재 스마트 폰으로 불리는 3G 이동통신은 음성 뿐만 아니라 데이터 이동통신 등을 서비스하고 있 다. 이러한 무선 통신 기술의 급속한 발전과 멀티 시스템의 요구로 이동 통신 단말기용 안테나는 소 형화 및 다중 대역 동작이 요구된다[1]. 스마트 폰 은 물론 향후 데이터 통신 목적의 단말기는 그간의
피쳐폰 형태인 폴더(folder) 및 슬라이드(slide) 타입 과는 달리 바(bar) 타입이면서 안테나의 수납공간도 줄어들고 있다. 이로 인한 안테나의 소형화는 이득 및 효율의 감소, 협대역 특성으로 인하여 다중 대역 동작을 어렵게 하고 있다[2-3]. 더구나 <그림 1>과 같이 넓은 액정과 기판 및 키패드로 인하여 안테나 후면은 일부 면적만 접지 면이 없는 형태를 하고 있기 때문에 방사에 큰 지장을 초래한다. 현재 스마
<그림 1> 스마트 폰 구조의 예시
<Fig. 1> Examples of the structure smart phones
트 폰은 대부분 변형된 IFA가 적용되어지고 있다 [4-5]. 이러한 IFA는 다중 구부림으로 전류의 방향 을 바꾸기 때문에 전류 상쇄 작용을 일으키며, 안테 나 후면이 접지로 가려 효율 및 이득특성이 2G 폰 보다 떨어지는 단점을 보이고 있다.
또한 데이터 통신을 해야 하는 스마트 폰 입장에 서는 안테나의 특성 저하는 시스템의 통신특성 저 하를 초래하게 된다. 따라서 기존의 IFA 형태가 아 닌 새로운 형태의 내장형 안테나 연구가 필요하다.
본 논문은 하나의 급전으로 2가지 안테나가 동시 에 동작하는 혼합 안테나에 관한 연구이다. 기존 PIFA와 IFA를 혼합한 안테나를 설계한다. 폰 세트 의 접지 형태에 맞춘 베어보드(bare board)에 안테나 를 적용하여 설계하고 제작한다. 제작된 안테나는 입력 정재파특성, 방사특성, 이득 및 효율특성을 측 정하고 이를 고찰한다.
Ⅱ. 안테나 구조 및 설계
본 논문에서는 비유전율() 4.4, 손실 탄젠트(tan
) 0.019와 전 후면이 그라운드 처리된 체적 45×91
×1 mm³인 베어보드를 사용한다. 이 베어보드 위에 실제 스마트 폰과 같은 조건으로 맞추기 위해 폴리 카보네이트 재질의 체적 49×16×8 mm³ 인 캐리어 (carrier)를 약 2/3정도 얹어 놓고 안테나를 설계한다.
<그림 2>는 본 논문에서 제안하는 안테나 형태이
다. <그림 2(a)>는 전체적인 측면도이고, <그림 2(b)>
는 안테나를 펼친 전개도이다. <그림 2>와 같이 안 테나는 후면 접지에 영향을 받는 면적에 PIFA를 설 계하고 후면에 접지가 없는 면적에 IFA를 설계한다.
(a) 측면도 (a) Side view
(b) 전개도 (b) Development view
<그림 2> 제안된 안테나 구조
<Fig. 2> Geometry of proposed antenna
본 연구의 안테나 구조는 하나의 급전으로 후면 접지로 가리는 면적을 IFA대신 PIFA를 사용하여 면방사체로서의 장점과 더불어 IFA의 다중공진 특 성을 갖게 함으로써 안테나의 대역특성과 효율 및 이득특성을 양호하게 하는 장점을 갖게 된다. 급전 은 기본적으로 PIFA에 급전한다. IFA의 동작은 PIFA면적 중에서 전계가 가장 강한지점에서 IFA를 시작점으로 잡아, IFA의 급전이 되도록 한다. PIFA 로부터 급전을 받은 IFA는 IFA 원리에 따라 <그림 2(b)>와 같이 단락 스텁을 갖는다. 최적의 설계를
<그림 5> 제작된 안테나
<Fig. 5> Implemented antenna
기호 길이(mm) 기호 길이(mm)
W 23 Gap2 11
L 8 L1 68
Gap1 2 L2 31
<표 1> 설계된 안테나의 제원
<Table 1> Dimensions of designed antenna
<그림 3> L1 변화에 따른 VSWR
<Fig. 3> VSWR due to L1 variation
<그림 4> L2 변화에 따른 VSWR
<Fig. 4> VSWR due to L2 variation
<그림 6> 시뮬레이션 및 측정된 VSWR
<Fig. 6> Measured reflection characteristics of implemented antenna
위하여 논문에서는 여러 변수 중 안테나 대역특성 에서 가장 민감한 2종류인 IFA의 길이 L1과 개방 스텁 길이 L2 길이 변수에 대한 반사손실을 나타내 었다. 반사 손실 시뮬레이션은 Ansoft사의 HFSS로 시뮬레이션 하였다.
<그림 3>에서 IFA의 L1의 길이가 길어질수록 공 진 주파수가 낮아짐을 알 수 있다. 이는 안테나 길 이가 공진과 연관이 있음을 잘 나타내주고 있다.
L2 길이의 변화는 낮은 주파수 변화는 없고 높은 주파수 대역에서만 변화를 보이고 있다. 개방 스텁 이 높은 주파수대역의 특성에 영향을 주고 있음을 나타내주고 있다.
Ⅲ. 안테나 제작 및 측정
<그림 3>과 <그림 4>에 나타난 결과를 중심으로 설계하여 제작한 안테나는 <그림 5>와 같다. 제작 은 설계된 안테나를 동 테이프를 이용하여 제작하
였다. 설계된 안테나의 주요 치수는 <표 1>과 같다.
<표 1>에 나타낸 W와 L은 PIFA의 폭과 길이이 며 Gap1 및 Gap2는 IFA와 PIFA의 간격 및 IFA의 단락 스텁 위치이다. 본 제원은 제작 후 약간의 튜 닝과정을 거친 값이다.
<그림 6>은 시뮬레이션 데이터와 네트워크 분석 기로 측정한 안테나의 VSWR 측정 결과이다. 튜닝 후 제원대로 시뮬레이션 했으며 측정 결과와 WCD MA 대역에서 차이가 있었다. <그림 7>은 시뮬레이 션에서 각 낮은 주파수대역과 높은 주파수대역에서
의 전류밀도를 보여준다.
<그림 7>에서 낮은 주파수 대역에서는 L2가 거 의 동작하지 않음을 알 수 있었다. 이는 L2의 길이 변화가 낮은 주파수 대역에 영향을 미치지 않음을 보여준다. 높은 주파수(2110Mhz)에서는 L2와 L1간 의 전류상쇄가 커 낮은 전류밀도로 이득 및 효율에 서 떨어지는 현상을 보였다.
(a) 낮은 주파수(930Mhz)
(b) 높은 주파수(1930Mhz)
(c) 높은 주파수(2110Mhz)
<그림 7> 전류밀도
<Fig. 7> Current density
(a) GSM900
(b) USPCS/WCDMA
<그림 8> 측정된 2D 방사패턴
<Fig. 8> Measured 2D radiation patterns
<그림 8>은 무반사실에서 측정한 GSM900, USPCS, WCDMA 대역의 H면 방사패턴이다. 측정 에 사용된 무반사실 챔버는 단말기 회사가 공인하 는 MTG사 챔버이다. 그림에서 보듯이 단말기가 가 져야 할 H면 전 방향 특성을 가지고 있음을 볼 수 있다. <그림 9>은 3D 방사패턴이다. <표 2>는 각 주파수에서 평균이득과 효율이다. 이 값은 방사패 턴 측정 시 자동으로 산출된 값이다. GSM900 대역 에서 -2.19∼-3.63 dBi의 평균이득 및 43.31∼60.33
%의 효율을 가지며, USPCS /WCDMA 대역에서 -2.16∼-10.67 dBi의 평균이득 및 8.56∼60.78 %의 효율을 갖는다. 효율특성 중 WCDMA 대역인 2110 및 2170MHz에서 특성이 저조한 것은 이 대역에서 의 전류상쇄가 특히 많은 것으로 이를 개선하기 위
한 지속적인 연구가 필요하다고 생각된다.
(a) 낮은 주파수(930Mhz)
(b) 높은 주파수(1930Mhz)
<그림 9> 측정된 3D 방사패턴
<Fig. 9> Measured 3D radiation patterns
Frequency [MHz]
Average gain [dBi]
Efficiency [%]
880 -3.18 48.10
910 -2.54 55.68
930 -2.19 60.33
960 -3.63 43.31
1850 -2.16 60.78
1880 -2.24 59.70
1910 -2.96 50.55
1930 -3.38 45.95
1990 -5.37 29.02
2110 -10.67 8.56
2170 -6.68 21.49
<표 2> 안테나의 평균 이득 및 효율
<Table 2> Gain and efficiency of antenna
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 스마트 폰 등과 같은 데이터통신 단말기에 적용하기에 적합한 혼합 안테나를 설계하 였다. PIFA와 IFA가 혼합된 안테나를 연구하였다.
시스템의 급전은 PIFA에 급전하고 PIFA로부터 IFA 가 급전을 받아 두 안테나가 동시에 동작하게 하였 다. 실제 스마트 폰 구조와 유사하게 적용한 베어보 드에 설계한 안테나를 실현하고 이를 측정하였다.
제작된 안테나는 880∼960 MHz, 1,850∼2,170 MHz 에서 VSWR 3:1(return loss 6.02 dB)이하로 GSM900, USPCS 및 WCDMA를 만족하였다. 안테나의 H면 방사패턴은 무지향성 특성을 보이며, 설계한 대역 에서 -10.67∼-2.16 dBi의 평균이득 특성을 보였다.
본 연구 결과로 이동 통신 단말기 안테나의 연구 및 적용에 유용할 것으로 기대된다.
참 고 문 헌
[1] D. M. Nashaat and H. A. Elsadek, “Single feed compact quad-band PIFA antenna for wireless communication applications,” IEEE Transactions
on Antenna and Propagation, vol. 53, no. 8,
pp.2631-2635, Aug. 2005.[2] H. A. Wheeler, “Fundamental limitations of small antennas,” Proc. IRE, vol. 35, pp.1479-1484, Dec.
1947.
[3] Kin-lu Wong, Planar Antennas for Wireless
Communications, Wiley interscience, 2003.
[4] 손태호, “휴대폰용 접힌 모노폴 안테나,” 대한민 국 실용신안특허 제0304442호, 2003.
[5] 손태호 외, “GSM/DCS Dual 밴드용 접힌 모노폴 안테나,” 춘계 마이크로파 및 전파학술대회, 27(1), pp.145-148, 2004. 5.
저자소개 천 문 규 (Chun, Moon-Kyu)
2010년 2월 : 순천향대학교 정보기술공학부 (공학사)
2010년 2월 ～ 현 재 : 순천향대학교 정보통신공학과 (공학석사)
손 태 호 (Son, Tae-Ho)
1979년 2월 : 한양대학교 전자통신공학과 (공학사) 1986년 2월 : 한양대학교 전자통신공학과 (공학석사) 1990년 2월 : 한양대학교 전자통신공학과 (공학박사) 1980년 ～ 1981년 : 영국 Ferranti사 연구원
1978년 ～ 1987년 : 금성정밀(주) 연구소 근무 1992년 ～ 1994년 : 천문우주연구원 객원연구원 1999년 ～ 2000년 : University of lllinois 연구교수 2000년 ～ 2003년 : (주)닛시텔레콤 위촉 연구소장 2002년 ～ 2006년 : (주)에스비텔콤 기술고문 2005년 ～ 2008년 : (주)하이트랙스 기술고문 2006년 ～ 2009년 : (주)동원 위촉 연구소장
2007년 ～ 현 재 : (주)스카이크로스코리아 기술고문 1990년 ～ 현 재 : 순천향대학교 정보통신공학과 교수
