Asymmetric Dipole Antenna for Pen-Type Wireless Presenter Having Metallic Cylinder Case as a Radiating Element

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ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

금속 원통 케이스를 방사소자로 활용한 펜타입 무선 프리젠터용 비대칭 다이폴 안테나

Asymmetric Dipole Antenna for Pen-Type Wireless Presenter Having Metallic Cylinder Case as a Radiating Element

방 지 훈․김 영 민․유 태 훈

Ji Hoon Bang․Young Min Kim․Tae Hoon Yoo 요 약

본 논문에서는 금속 케이스를 접지 방사체로 활용한 비대칭 다이폴 안테나를 제안하고, 이를 ISM 대역(2.4～2.48 GHz) 에서 동작하는 펜타입 무선 프리젠터에 적용하였다. 제안한 비대칭 다이폴 안테나는 긴 원통 모양의 금속 케이스 상단에 수직모드 헬리컬 코일이 장착된 구조로, 접지면인 금속 케이스를 방사소자로 동작하게 하여 헬리컬 안테나의 좁은 대역 폭과 낮은 이득을 증가시켰다. 또한, 특수 제작된 인체 팬텀을 사용하여 사람이 무선 프리젠터의 금속 케이스를 손으로 잡을 때 안테나의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 측정 결과, 제안한 안테나는 자유공간에서 반사손실 —10 dB를 기준으로 2.3～2.5 GHz까지 200 MHz의 대역폭을 가지며, 5 dBi의 최대이득을 나타내었다. 사람 손이 금속 케이스에 접촉 한 경우에는 2.24～2.72 GHz까지 480 MHz의 대역폭이 측정되었고, 최대이득은 3 dB만큼 낮아진 2 dBi로 측정되었다.

Abstract

In this paper, we propose an asymmetric dipole antenna utilizing the metal case as a ground radiator for a pen-type wireless presenter which operates in the ISM frequency band(2.4～2.48 GHz). A normal mode helix mounted on the top end of the long metallic cylinder case which acts as the ground plane takes the form of the asymmetric dipole structure in the proposed antenna. The metallic cylinder case which performs as a radiating element increases the inherent narrow bandwidth and low gain of the helix. The effects of the hand contacts with the metal case on the antenna performance are measured and analyzed with a specially designed human phantom. Expe- rimental results show that the —10 dB return loss bandwidth of the proposed antenna in free space(no hand contact) is 200 MHz that ranges from 2.3 to 2.5 GHz and the maximum gain is measured to be 5 dBi. Under the normal operating condition where the metal case is contacted with a human hand, the bandwidth is 480 MHz from 2.24 to 2.72 GHz. The maximum gain is 2 dBi, lowered by 3 dB due to the hand contact.

Key words: Asymmetric Dipole Antenna, Normal Mode Helical Antenna, Helix, Human Phantom, Ground Radiator



「이 연구는 2015학년도 동양미래대학교 학술연구비의 지원으로 연구되었음.」

동양미래대학교 정보통신공학과(Department of Information & Communications Engineering, Dongyang Mirae University)

․Manuscript received August 17, 2016 ; Revised October 10, 2016 ; Accepted October 19, 2016. (ID No. 20160817-089)

․Corresponding Author: Tae Hoon Yoo (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론 제품의 외장 재료로 금속(metal)이 많은 관심을 끌면서 최근에는 스마트 폰, 노트북, 오디오 등 주변의 다양한 전

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자 제품의 케이스로 금속이 사용되고 있다. 이러한 흐름 에 발맞추어 각종 소형 무선기기에도 케이스의 재료로 금속의 사용이 시도되고 있다. 그러나 여러 가지 제약 사 항들로 인해 실제로 소형 무선기기에 금속 케이스가 적 용된 사례는 많지 않다. 특히 무선 프리젠터(wireless presenter)의 경우, 미적인 관점에서 금속 사용의 필요성이 대 두되고 있지만, 현재 출시되어 있는 금속 소재 제품은 페 이지 넘김 기능 없이 레이저 포인터(laser pointer) 기능만 을 가진 것뿐이다. 이는 금속 케이스가 전파를 차폐하므 로 안테나를 내장시킬 수 없기 때문이다. 따라서 페이지 넘김 기능도 가지는 프리젠터가 되려면 금속 케이스 외 부의 아주 좁은 공간만을 활용하여 안테나를 설계할 수 밖에 없다. 하지만 안테나의 크기와 성능 사이에는 근본 적이 한계가 있어서 안테나의 전기적 크기가 작아지면 방사효율과 대역폭의 감소는 불가피하다^[1].

이러한 문제로 인해 최근에 금속 케이스를 방사체(radiator)로 활용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그 가운데 금속 케이스에 슬롯을 삽입한 구조^[2]와 다중입력 다중출 력(MIMO) 시스템을 활용한 구조^[3]등이 있으나, 이들 방 법에는 각각 케이스 구조의 변형을 피할 수 없고, 설계가 복잡해지는 단점이 있다. 또한, 공통적으로 적용 범위가 평평한 형태의 금속 케이스로 국한되고, 제작비용이 증가 하여 소형 무선기기용 안테나로는 적합하지 않다.

금속 케이스를 방사체로 활용하면 인접한 물체에 의해 안테나의 특성이 쉽게 변한다는 문제점도 발생한다^[4]. 특 히 사람 손이 방사체로 사용되는 금속 케이스에 직접 접 촉하면 케이스에 형성되는 전류분포에 직접적인 영향이 가해져 안테나의 동작 주파수와 방사특성이 크게 변한다.

이처럼 무선 제품의 금속 케이스를 방사체로 사용하는 것은 쉽지 않다. 하지만 안테나 설계 초기부터 금속 케이 스의 효과를 분명히 이해하고, 안테나와 케이스의 설계를 동시에 수행하여 최적화하면 오히려 전체 방사체의 면적 이 넓어지는 효과를 거둘 수 있으므로 소형 무선기기에 서는 금속 케이스를 사용하는 것이 안테나의 성능 측면 에서 장점으로 작용될 수 있다^[5].

본 논문에서는 금속 케이스를 접지 방사체로 활용한 비대칭 다이폴 구조의 안테나를 제안하였다. 제안한 안테 나는 금속 케이스의 구조가 단순한 원통 모양이어서 설

계가 간편하며, 비교적 높은 이득과 넓은 대역폭을 갖는 다는 장점이 있다. 제안한 안테나의 성능을 확인하기 위 해 이 구조를 펜타입(pen-type) 무선 프리젠터에 적용하여 ISM 대역(2.4～2.48 GHz)에서 동작하도록 설계하였다. 설 계 과정에서 ISM 대역에서 전기적으로 인체와 비슷한 특 성을 갖는 팬텀(phantom)^[6]을 사용하여 케이스에 사람 손 이 접촉해도 요구 성능이 만족되도록 하였다. 제안한 안 테나는 ANSYS사의 HFSS^[7]와 DYMSTEC사의 SEMCAD X^[8]을 사용하여 성능을 분석하였고, 측정결과와 비교, 검 증하였다.

Ⅱ. 비대칭 다이폴 안테나 설계

그림 1(a)는 금속 케이스를 갖는 펜타입 무선 프리젠터 의 구성도로 위부터 차례대로 캡, 알루미늄 케이스, 금속 덮개(metal cover)로 이루어져 있다. 케이스 내부의 빈 공

(a) 금속 케이스 펜타입 무선 프리젠터 구성도

(a) Schematic of pen-type wireless presenter having metal case

(b) 제안한 비대칭 다이폴 안테나 구조

(b) Asymmetric dipole antenna structure of the proposed antenna

그림 1. 무선 프리젠터 구성 및 제안한 안테나 구조

Fig. 1. Schematic of wireless presenter and structure of the proposed antenna.

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간은 레이저 다이오드가 장착된 PCB와 배터리가 대부분 을 차지한다.

제안한 안테나는 그림 1(b)에서 보듯이, 두 개의 방사 소자가 서로 비대칭을 이루고 있는 다이폴 구조이다. 본 논문에서는 안테나의 두 폴(pole)을 각각 주방사소자(main radiating element)와 부방사소자(sub-radiating element) 로 구분하였다. 주방사소자는 전체 안테나의 동작 주파수 를 결정짓는 전기적 소형 안테나(electrically small antenna)이며, 알루미늄 금속 케이스와 내부 PCB의 접지면은 부방사소자에 해당된다.

2-1 주방사소자(Main Radiating Element)의 설계 그림 1에서 보듯이, 주방사소자 안테나는 금속 케이스 위쪽 바깥에 위치한 좁고 낮은 캡 내부에 내장이 가능하 면서 동시에 레이저 빔의 진행경로를 방해하지 않는 형 태여야 한다. 이를 고려하여 본 논문에서는 주방사소자로 수직모드 헬리컬 안테나(normal mode helical antenna)를 선택하였다. 헬리컬 안테나는 총 길이가 약^/4에 해당하 는 주파수에서 첫 번째 공진이 일어나는데, 공진 특성은 반파장 다이폴이나 ^/4 모노폴과 비슷하면서도 사이즈 (높이)가 더 작다는 이점이 있다.

그림 2(a)는 주방사소자인 헬리컬 안테나의 구조이다.

헬리컬 안테나의 한 권선을 펼치면 그림 2(b)와 같이 되므로 파라미터들 사이의 관계는 다음과 같다^[9].

  (1)

tan  (2)

^_^ ^^__^^ (3)

(a) 헬리컬 안테나의 구조 (b) 헬리컬의 한 권선 (a) Structure of helix (b) One uncoiled turn of helix 그림 2. 헬리컬 안테나의 구조

Fig. 2. Structure of helical antenna.

_ ×^_^^×^__^^× (4) 여기서 는 권선간격, 는 권선지름, 은 권선 수, 은 한 권선의 길이, 는 총 권선길이, 는 권선둘레, ^는 피치각, ^는 권선 도체의 지름이다. 동작주파수를 설계 목표에 따라 ISM 대역의 ^=2.43 GHz로 설정하면, 는

/4 길이인 30.86 mm로 계산된다. 이 길이가 되는 다양한

,   파라미터 조합으로^=2.43 GHz에서 동작하는 헬리컬 안테나를 설계조건에 맞춰 설계할 수 있다.

2-2 부방사소자(Sub-Radiating Element)의 설계

주방사소자인 헬리컬 안테나는 그림 3과 같이 금속 재 질인 원통 위에 놓여 있다. 이 형태는 헬리컬과 원통 금속 케이스를 각각 방사소자로 갖는 비대칭 다이폴 안테나 구조이다.

일반적으로 다이폴 안테나의 특성은 두 개의 이상적인 모노폴 안테나가 결합된 것으로 간주하여 해석할 수 있 다^[10]. 이 방법을 적용하여 주방사소자인 헬리컬 안테나와 부방사소자인 원통 케이스를 각각 별도의 모노폴 안테나 로 분리해 분석한 결과가 그림 4이다. 여기서는 헬리컬 안테나의 치수를 ^=0.47 mm,  =5.5 mm,  =5.5 mm, 

=2회, ^{  °}로 하고, 원통 케이스의 치수는 지름

_  mm, 높이^  mm로 한 다음, 시뮬레이션 을 수행하여 안테나의 입력 임피던스를 구해 보았다. 그 림 4에서 파란색 점선과 빨간색 점선은 원래의 비대칭 다 이폴 안테나의 입력 임피던스를 직접 구한 결과이다. 검 은색 실선과 빨간색 실선은 비대칭 다이폴을 두 개의 모

그림 3. 두 개의 모노폴 안테나로 분리한 비대칭 다이폴 안테나 Fig. 3. Separation of asymmetric dipole into two monopo-

les.

(4)

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -200

-100 0 100 200 300 400 500

f [GHz]

Impedance [Ohm]

asymmetric dipole antenna(imag) asymmetric dipole antenna(real) sum of two monopole antennas(imag) sum of two monopole antennas(real)

그림 4. 비대칭 다이폴의 입력 임피던스와 두 모노폴의 합성

입력 임피던스 비교

Fig. 4. Comparison of input impedance characteristics bet- ween asymmetric dipole and sum of two mono- poles in Fig. 3.

노폴 안테나로 분리해서 각각 입력 임피던스를 구하고 나서 이들을 합성한 결과이다. 그림을 보면 두 결과의 전 체적인 경향이 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 다만 주파 수가 2.5 GHz를 넘어서는 구간에서는 두 결과가 약간의 오차를 보였는데, 이는 주방사소자와 부방사소자 사이의 커플링이 증가하기 때문인 것으로 보인다.

그림 4의 결과에서 알 수 있듯이, 제안한 안테나의 입 력 임피던스 특성은 주방사소자와 부방사소자의 특성이 합성된 것이므로 주방사소자뿐 아니라, 부방사소자인 원 통 도체를 적절히 설계하는 것이 매우 중요하다. 원통의 높이 ^가 미치는 영향을 파악하기 위해 원통 지름^

은 11 mm로 고정하고, ^에 따른 안테나의 특성 변화를 시뮬레이션을 통해 살펴보았다. 그림 5(a)를 보면 원통 높 이 ^에 따라 입력 저항 값이 상당히 달라짐을 알 수 있 다. 반면에 그림 5(b)에서 보듯이, 입력 리액턴스 값은^

에 따라 상대적으로 덜 민감함을 알 수 있다. 따라서 원통 높이^를 적절히 조절하면 목표로 하는 동작 주파수에 서 원하는 입력 저항 값을 갖게 하여 임피던스 정합을 이 룰 수 있음을 알 수 있다.

2-3 제안한 안테나의 최적 구조 및 파라미터 그림 6은 본 논문에서 제안한 그림 1(b)의 비대칭 다이 폴 안테나 구조가 적용된, 금속 케이스를 갖는 펜타입 무

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 50 100 150 200

f [GHz]

Resistance [Ohm]

cylinder height = 1 λ cylinder height = 0.66 λ cylinder height = 0.5 λ cylinder height = 0.25 λ cylinder height = 0.1 λ

(a) 입력 저항 (a) Input resistances

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300

f [GHz]

Reactance [Ohm]

cylinder height = 1 λ cylinder height = 0.66 λ cylinder height = 0.5 λ cylinder height = 0.25 λ cylinder height = 0.1 λ

(b) 입력 리액턴스 (b) Input reactances

그림 5. _{원통의 높이(}_)에 따른 입력 임피던스의 변화 Fig. 5. Simulated input impedances for different cylinder hei-

ghts, _.

그림 6. 제안한 펜타입 무선 프리젠터용 비대칭 다이폴 안테나 의 상세 구조

Fig. 6. Detailed structures of the proposed asymmetric dipole antenna for pen-type wireless presenter.

(5)

표 1. 제안한 안테나의 최적 파라미터 값

Table 1. Optimized parameter values of the proposed antenna.

파라미터 값 파라미터 값

 5.931 mm  10.5 mm

 4.375 mm  11.5 mm

 2 회  4.5 mm

_ 0.47 mm  123 mm

 1.8 mm _(radome) 3.1

 38.279 mm  8.75 mm

 13.2 동작주파수 2.4～2.48 GHz

선 프리젠터의 상세 구조이다. 주방사소자인 헬리컬을 보 호하기 위해 레이돔(캡)이 설치된 것을 볼 수 있다. 지금 까지의 모든 시뮬레이션 결과와 분석결과를 종합하여 표 1과 같이 최적의 안테나 파라미터를 구하였다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 측정 3-1 비대칭 다이폴 안테나 제작 및 측정

그림 7은 표 1과 같이 구한 최적 설계 파라미터에 맞춰 실제로 제작한 펜타입 무선프리젠터용 안테나의 실물 사 진이다. 안테나의 주방사소자인 헬리컬은 스테인리스 강 (stainless steel)으로 만든 지름 ^=0.47 mm인 도선으로 제작하였다. 부방사소자인 원통 케이스는 알루미늄(alu- minum) 재질을 사용하여 제작하였다. 레이돔(radome)은 상대 유전율(^)이 3.1인 폴리스티렌(polystyrene)을 사용 하였다. 측정은 R&B사의 네트워크분석기(ZNB8)을 사용 하여 수행하였다.

그림 8은 제작한 안테나의 입력 임피던스를 측정한 결

그림 7. 제작한 안테나의 실물 사진 Fig. 7. Photograph of the fabricated antenna.

1 1.5 2 2.5 3

-200 -100 0 100 200 300 400 500

f [GHz]

Impedance [Ohm]

simulated(imag) simulated(real) measured(imag) measured(real)

그림 8. 제안한 안테나의 입력 임피던스 측정 결과와 시

뮬레이션 결과

Fig. 8. Measured and computed input impedances of the proposed antenna.

1 1.5 2 2.5 3

-20 -15 -10 -5 0

f [GHz]

reflection coefficient [dB]

simulated measured measured(tuned)

그림 9. 제안한 안테나의 반사손실 측정 결과와 시뮬레

이션 결과

Fig. 9. Measured and computed return losses of the proposed antenna.

과를 시뮬레이션으로 구한 결과와 비교한 그래프로 주파 수가 2.5 GHz를 넘어서면 입력 저항 값에서 약간 차이를 보였지만, 전체적으로 두 결과가 잘 일치함을 알 수 있다.

입력 저항 값은 2.4～2.48 GHz 대역에서 평균적으로 30 Ω이며, 입력 리액턴스 값은 주파수에 따라 점차 증가하 여 설계 목표 주파수인 2.43 GHz에서 정확히 직렬 공진 이 나타났다.

그림 9는 제작한 안테나의 반사손실(return loss)을 측정 한 결과를 시뮬레이션으로 구한 결과와 비교한 그래프이 다. 반사손실 —10 dB를 기준으로 한 대역폭을 살펴보면 시뮬레이션 결과는 2.3～2.49 GHz이고, 측정 결과는 2.2

～2.4 GHz로 나타났다. 측정 결과가 시뮬레이션 결과에

(6)

-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 -30

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

Theta [ ° ]

Gain [dBi]

simulated measured

-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 -30

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

Theta [ ° ]

Gain [dBi]

simulated measured

(a) =0°, 2.4 GHz (b) =0°, 2.45 GHz

-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 -30

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

Theta [ ° ]

Gain [dBi]

simulated measured

-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 -30

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

Theta [ ° ]

Gain [dBi]

simulated measured

(c) =90°, 2.4 GHz (d) =90°, 2.45 GHz 그림 10. 각 주파수별 방사 패턴

Fig. 10. Radiation patterns for each frequency.

비해 동작 주파수 대역이 100 MHz 정도 낮게 나왔다. 목 표로 하는 ISM 주파수 대역(2.4～2.48 GHz)에 맞추기 위 해 주방사소자의 길이 를 8 mm 정도 감소시킨 결과, 반사손실 —10 dB를 기준으로 한 대역폭이 2.3～2.5 GHz 로 측정되었다.

그림 10은 제작한 안테나의 방사 패턴 측정결과와 시 뮬레이션 결과로, 동작 주파수 대역 내의 두 주파수(2.4 GHz와 2.45 GHz)를 선정하여 비교하였다. 제작한 안테나 의 방사패턴은 수직모드 헬리컬 안테나의 일반적인 방사 패턴 형태와는 달리 ^{ ± °}부근에서 영점(null)이 나 타났다. 이는 주방사소자인 헬리컬뿐만 아니라, 부방사소 자인 금속 케이스에서 상당한 방사가 이루어지기 때문이 다. 측정 결과, 전방( °    °)으로의 최대이득 은 —1.5 dBi이고, 후방( °     °, °  

 °)로의 최대이득은 5 dBi로, 후방으로의 이득 값이 큰 것으로 나타났다. 시뮬레이션 결과와 측정결과는 전체 적으로 잘 일치하였다.

3-2 사람 손의 접촉에 의한 영향

무선 프리젠터는 항상 사람이 맨손으로 잡고 사용하기

때문에 인체에 의한 영향을 반드시 고려해야 한다. 특히 본 논문에서 제안한 안테나 구조는 손과 접촉되는 부분 이 금속으로 된 방사소자이기 때문에 그 영향이 더욱 두 드러지게 나타날 수 있다. 손 접촉이 안테나의 성능에 미 치는 영향을 분석하기 위해 그림 11과 같이 금속 원통 케 이스를 손으로 잡을 때의 검지(index finger)의 위치를, 일 반적으로 잡는 방식(위치 ②)과 그 방식에서 검지가 멀리 떨어진 경우(위치 ①)와 가까이 있는 경우(위치 ③)로 구 분하였다.

그림 12(a)는 검지의 위치 ①, ②, ③에 따른 반사손실 의 변화를 시뮬레이션으로 계산한 결과이다. 시뮬레이션 은 담스테크(DYMSTEC)사의 SEMCAD X 프로그램^[8]의 인체 손 모형을 사용하여 그림 11과 같이 모델링하여 수 행하였다. 그림 12(b)는 실제 검지를 위치 ①, ②, ③에 접 촉하여 측정한 결과로 시뮬레이션 결과와 전체적으로 잘 일치하였다. —10 dB를 기준으로 동작 주파수대역을 살 펴보면 자유공간(비접촉)에서는 2.3～2.5 GHz, ①번 위치 에서는 2.13～2.89 GHz, ②번 위치에서는 2.24～2.72 GHz,

③번 위치에서는 2.34～2.62 GHz로 모든 경우에 목표로 하는 ISM 대역을 충분히 만족하였다. 이로써 제작된 안 테나는 손가락 접촉 위치에 상관없이 양호한 임피던스 정합 성능을 보이고 있음을 알 수 있다.

그림 13은 그림 11의 ②번 위치에 검지를 접촉한 경우 의 안테나 입력 임피던스 측정값을 자유공간 상에서 측 정된 값, 다시 말해 손을 접촉하지 않은 경우의 값과 비교 하여 나타낸 그래프이다. 측정 결과를 살펴보면, 손으로 잡았을 때의 입력 저항 값은 동작 주파수 대역(2.4～2.48

위치 ① 위치 ② 위치 ③

그림 11. 검지의 금속 케이스 접촉 위치

Fig. 11. The contact positions of the index finger with the metal case.

(7)

1 1.5 2 2.5 3 -30

-25 -20 -15 -10 -5 0

f [GHz]

freespace

index finger position(simulated) : ③ index finger position(simulated) : ② index finger position(simulated) : ①

(a) 시뮬레이션 결과 (a) Simulated return losses

1 1.5 2 2.5 3

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

f [GHz]

freespace

index finger position : ③ index finger position : ② index finger position : ①

(b) 측정 결과

(b) Measured return losses

그림 12. 제안한 안테나의 반사손실 측정 결과와 시뮬레

이션 결과

Fig. 12. Measured and computed return losses for different index finger positions.

GHz)에서 평균적으로 43 Ω으로, 자유공간(손 비접촉)에 서 측정된 30 Ω에 비해 약 13 Ω 정도 증가하는 것으로 나타났다. 입력 리액턴스 값은 점차 증가하여 2.46 GHz에 서 공진점이 형성되었다. 이 주파수는 자유공간에서 측정 된 2.43 GHz와 거의 차이가 없다. 결과적으로 금속 원통 케이스를 손으로 잡으면 자유공간에 놓여있을 때에 비해 입력 저항 값은 다소 증가하고, 입력 리액턴스 값은 거의 달라지지 않는다. 본 논문에서는 인체에 의해 나타나는 이러한 현상을 고려하여 자유공간에서의 입력 저항 값이 30 Ω이 되도록 최적 파라미터를 설계하였다.

2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

0 10 20 30 40 50 60 70

f [GHz]

Impedance [Ohm]

freespace(imag) freespace(real) general hand contact(imag) general hand contact(real)

그림 13. 케이스를 손으로 잡았을 때의 입력 임피던스 측

정 결과

Fig. 13. Measured input impedance changes by hand contact.

인체의 영향으로 안테나는 입력 임피던스와 반사손실 특성이 변하고, 이득이 낮아지는 것이 일반적이다^[10]. 그 림 15는 손이 접촉될 때(②번 위치)와 자유공간상(비접촉) 에서의 방사패턴을 측정한 결과를 비교한 그래프이다. 측 정을 위해 그림 14와 같이 케이스를 잡은 손(②번 위치) 과 유사한 형태로 가공한 팬텀을 사용하였는데, 이 팬텀 은 ISM 대역에서 상대 유전율 ^=52.7이고, 전도율 ^

=1.95인 준 고체형 팬텀이다^[6]. 측정은 그림 14의 오른쪽 과 같은 구성으로 연세대학교 전자파무반향실에서 수행 하였다. 자유공간상에 측정한 최대이득은 5 dBi이고, 모 의 팬텀을 부착하여 측정한 안테나의 최대이득은 2 dBi로 3 dB가 감소하였다. 이는 인체 팬텀이 손실이 있는 유전 체로 작용하여 방사효율이 감소하기 때문이다^[11].

그림 14. 팬텀을 포함한 안테나의 실제 동작 환경에서의

방사패턴 측정

Fig. 14. Photograph of radiation pattern measurement set-up including phantom in real operating environments.

(8)

(a) =0°, 2.4 GHz (b) =0°, 2.45 GHz

(c) =90°, 2.4 GHz (d) =90°, 2.45 GHz 그림 15. 자유공간상(손 비접촉) 방사패턴과 손 접촉시 방

사패턴 측정 결과 비교

Fig. 15. Measured radiation patterns of the proposed antenna with and without hand contact.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 금속을 케이스로 사용하는 소형 무선기 기에 활용할 수 있는 비대칭 다이폴 구조의 안테나를 제 안하였다. 제안한 안테나에서는 케이스를 접지 방사체로 활용하여 향상된 이득 및 대역폭 특성을 갖도록 하였다.

실제로 사람이 무선 프리젠터를 사용하는 상황에서 안테 나가 양호한 성능을 나타낼 수 있도록 ISM 대역에서 전 기적으로 인체와 비슷한 특성을 갖는 팬텀을 활용하여 인체가 안테나의 특성에 미치는 영향을 분석하고, 이를 안테나 설계에 반영하였다. 제안된 안테나를 알루미늄 케 이스의 무선 프리젠터에 실제로 적용하여 제작한 다음 성능을 분석하였다. 측정 결과, 실제 동작환경인 금속 케 이스를 손으로 잡은 상태에서 반사손실 —15 dB를 기준 으로 한 동작 대역폭은 2.37～2.65 GHz로, 목표로 한 ISM 대역(2.4～2.48 GHz) 내에서 매우 우수한 임피던스 정합 특성을 나타내었고, 안테나의 최대 이득은 2 dBi로 측정 되었다. 본 연구 결과는 금속 케이스를 사용하는 다양한 무선기기에 활용될 수 있으며, 안테나의 설치 공간이 제

한된 경우에 접지면을 방사소자로 이용하여 안테나의 성 능을 개선하는 데에 응용할 수 있다. 또한, 향후 사물인터 넷 환경에서 다양한 소형 무선기기에 사용될 안테나를 설계하는 데에도 활용할 수 있다.

감사의 글

본 논문에서 SEMCAD X 시뮬레이션에 도움을 주신 담스테크(주)의 염찬규 부장께 감사드립니다.

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