http://dx.doi.org/ 10.5515/KJKIEES.2012.23.6.716 ISSN 1226-3133 (Print)
「이 연구는 LG디스플레이(주)의 연구비 지원으로 연구되었음.」
경북대학교 전자공학과(School of Electronics Engineering, Kyoungpook National University)
․Manuscript received February 28, 2012 ; Revised April 13, 2012 ; Accepted April 23, 2012. (ID No. 20120228-020)
․Corresponding Author : Kang Wook Kim (e-mail : [email protected])
LCD 구동 모듈과 WWAN 안테나 간의 전자기 간섭 감소에 대한 연구
Reduction of Electromagnetic Interference between the LCD Driving Module and WWAN Antennas
김인복․박진현․강일흥․김홍준․우동식․김강욱 In-Bok Kim․Jin-Hyun Park․Il-Heung Kang․Hong-Joon Kim․
Dong-Sik Woo․Kang Wook Kim 요 약
본 논문에서는 WWAN 대역의 노트북 안테나와 LCD 구동 모듈 간의 전자기 간섭이 노트북의 무선 통신에
끼치는 영항을 분석하고, 이러한 간섭을 줄이기 위한 대책을 논의하였다. LCD 구동 모듈에 의한 잡음원을 모의 하기 위해 다중 대역 안테나를 설계, 제작하였고, 이를 사용하여 노트북 내에서 전자기 간섭에 의한 효과를 시뮬 레이션 및 모델 실험을 통해 분석하였다. 그 결과, 노트북의 구조에 기인한 특정 주파수 대역에서 더 많은 잡음 이 전달될 수 있음을 확인하였다. 또한, 구조물 변화에 의한 잡음 전달의 감소를 위해 구조물에 격벽을 세우고, 그 크기를 변경하며 전자기 간섭을 분석하였으며, 이러한 구조 변경이 통신 대역 내의 전자기 간섭을 감소시킬 수 있음을 보여주었다.
Abstract
In this paper, we analyzed the RF interactions between WWAN antennas and an LCD driving module inside the cover of a notebook computer, and discussed reduction method of RF coupling. In order to simulate the RF noise source from the LCD driving module, a multi-band antenna was designed and used with a simplified notebook model to test the RF coupling phenomena. We verified that the RF noise coupling is enhanced at certain frequencies due to cavity structure formed inside the notebook computer. Also, we showed that conductive barrier walls, which are inserted inside the notebook, could be effective in reducing RF coupling.
Key words : RF Coupling, EM Interference, WWAN Antenna, Notebook, LCM
Ⅰ. 서 론
최근 노트북에서 내부에 장착된LCD 구동 회로 모듈(이하 LCM: Liquid Crystal Module)로부터 발생 하는RF 잡음이 무선 통신용 안테나에 유입되어 통
신 장애를 일으키는 등 전자파 간섭과 관련된 문제 점이 종종 발생하고 있다. 노트북 내부에 여러 무선 통신 방식을 지원하기 위해 설치된 광대역 안테나들 은 노트북의 구조상LCM과 매우 가까운 곳에 위치 하여 있고, 노트북 커버 내의 밀집된 공간으로 인하
파수 영역까지 고조파 잡음을 발생하게 된다. 따라 서 노트북의 경우와 같이 제한된 좁은 공간에 배치 되어 있는 고속 데이터 전송 모듈 및 무선 통신 안테 나 간의 전자기적 간섭 문제는 실질적인 문제로서 현재 이슈가 되어 연구가 진행되고 있다[1].
그러나 좁은 공간 내에서의 전자기적 결합 문제 는 근거리장과 원거리장의 중간 영역에서 발생하기 때문에 간단한 모델이나 계산으로의 해석에 어려움 이 있다. 따라서 3차원의 전자기적 해석을 사용하여 LCD 구동 회로에서 발생하는 잡음이 안테나 및 케 이블에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 메커니즘적 인 분석이 필수적이다.
노트북 내에서의 이러한 전자기적 간섭 문제의 원인에 대한 분석과 그 해결 방법에 대해 지속적인 연구가 필요하다. LCM에서 발생하는 잡음이 안테나 및 케이블에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 분석을 통하여 전자기 간섭에 대한 감소 대책을 세울 수 있 을 것이다. 궁극적으로는 전자기적 간섭에 대한 문 제점을 근본적으로 이해하여, 이를 효과적으로 차단 하는 방안을 찾을 수 있을 것이다.
본 논문에서는 이러한 연구를 위해 다음과 같은 방법을 제시하였다. 1) LCM에서 발생하는 RF 잡음 과 안테나의 각 주파수 구간별 스펙과의 연관성을 판단하고, 2) RF 잡음과 안테나와의 결합 정도를 파 악하기 위하여 노트북 커버, LCM 및 안테나를 3D EM 시뮬레이터로 모델화하고, LCM의 위치에서 광 대역RF 신호를 복사하게 하여 수신 안테나로 전력
그림 1. 노트북의 LCM 및 통신용 안테나
Fig. 1. LCD driving circuit and communication ante- nnas in a notebook computer.
Ⅱ. 본 론
2-1 노트북 모델의 잡음 측정
노트북의LCM에서 발생하는 잡음의 크기와 위치 를 파악하기 위해 근거리장 측정을 수행하였다[6]. 이 실험을 통해 잡음의 주요 발생원이 T-con(Timing Controller)과 LED 구동 소자라는 것을 확인하였으 며, 표 1에서 확인할 수 있듯 다양한 대역에 포함되 는 잡음이 LCM에서 발생한다.
LCM에서 발생하는 잡음 대역이 GSM 850(869～
894 MHz), GSM 900(925～965 MHz) 및 GSM 1800 (1,805～1,880 MHz) 등의 WWAN 주파수 대역과 겹 치는 부분에서 잡음 신호의 크기가 일정 이상 커질 경우 안테나의 정상적인 동작을 방해하는 간섭 신호 로 동작하게 된다. 따라서 잡음 신호의 주파수 대역 과 크기를 모의실험을 통해 분석하였다[7]
.
2-2 WWAN 안테나 설계
그림2(a)는 잡음의 결합 과정 분석을 위한 모의실 험을 위하여 참고문헌 [5]에서 제시한 형상으로 설 계한 노트북용 WWAN 안테나이다[3]～[5]. 설계에 사 용된 기판은 0.8 mm 두께의 FR4이며, 접지판은 폭
표 1. LCM에서 발생하는 잡음 Table 1. The noise of generated LCM.
T-Con LED 구동 소자
잡음 대역
WWAN이 영향을 받는
대역
잡음 대역
WWAN이 영향을 받는
대역 910 MHz,
960 MHz, 1,010 MHz, 1,060 MHz, 1,110 MHz, 1,160 MHz, 1,280 MHz, 1,490 MHz, 1,860 MHz
925～965 MHz, 1,805～1,880
MHz
광대역 잡음 (800～1,780
MHz)
869～984 MHz, 925～965
MHz
(a) 제작된 WWAN 안테나 (a) Fabricated WWAN antenna
(b) 안테나 측정 결과 (b) Measured results of antenna 그림 2. 제작된 WWAN 안테나 및 특성
Fig. 2. Fabricated WWAN antenna and measured results.
(Wg) 100 mm이고, 길이(lg)는 60 mm인 두께 0.2 mm 의 구리판을 이용하였다[2].
제작된 안테나는 그림 2(b)에서 확인할 수 있듯 GSM900(880～960 MHz) 대역과 GSM1800/1900(1,710
～1,990 MHz) 대역을 포함하는 870～960 MHz, 1,630
～2,150 MHz 대역에서 —6 dB 이하의 반사 손실을 가진다. T형태의 모노폴 안테나와 슬롯 안테나를 이 용하여 필요한 대역에서의 공진을 일으키며, 인덕턴 스 값을 보상하기 위해 커플링을 이용하여 급전하 였다.
2-3 실험 구성 및 결과
LCM에서 발생하는 잡음이 노트북의 안테나와 결
그림 3. 간략화된 노트북 모델
Fig. 3. Simplified notebook computer model.
합되는 과정을 분석하기 위하여, 그림 3과 같이 LCM의 위치에 설계한 안테나를 위치하게 하고, 이 안테나에 광대역RF 신호를 인가하는 노트북 모형 을 제작하여 안테나 사이의 결합도를 측정하였다.
또한, 이를 CST Microwave StudioTM를 이용한3D EM 시뮬레이션의 결과와도 비교하였다.
간략화된 노트북의 모델인 그림 3의 구성에서는 LCM의 패널이 있는 경우와 제거하였을 경우의 두 경우에 대해 수신 안테나(Antenna 1, 2)와 잡음(An- tenna 3) 사이의 결합도를 분석하였다. 그 결과, 그림 4(a)와 4(b)에서와 같이 LCM의 패널이 장착된 경우 에 특정 주파수에서의 결합도가 강해지는 것을 확인 할 수 있었다.
그림4에서 특정 주파수의 경우 결합도가 크게 증 가하거나 감소하는 문제가 노트북 내에서의 송신 및 수신 안테나의 성능 때문인지 혹은 노트북 구조의 문제인지를 확인하기 위하여, 안테나를 제외한 구조 물 자체를 이용하여 실험을 수행하였다.
그림 5(a)에서는 LCM 패널을 이루는 구성 부품 을 보여주고 있는데, 이 요소들 중에서 잡음원과 WWAN 대역 안테나 간의 결합도를 증가시키는 요 소를 찾기 위하여 구성 부품을 하나씩 제거해 가며 수신 안테나와 잡음원 사이의 결합도를 살펴보았다.
그 결과, 그림 5(b)에서 보여주는 것 같이 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함한 LCD 패널을 제거한 경우와 casetop을 제거한 경우, 결합도가 감소하였음을 확인 할 수 있었다. 나머지 도전율이 낮은 물질의 경우에 는 모의실험과 측정에서 아무런 구성 요소도 제거하 지 않은LCM의 경우와 비교했을 때 결합 정도의 변 화가 크지 않았다. 또한, 측정에서도 마찬가지로 ITO를 포함한 LCD 패널을 제거한 경우와 casetop을 제거한 경우, 특정 대역에서 오차가 발생하지만, 대 체적으로 공진되는 정도가 줄어들었음을 볼 수 있
(a) 안테나 1의 결합도 측정 결과
(a) The characteristic of RF coupling into antenna 1
(b) 안테나 2의 결합도: 시뮬레이션 결과 및 측정 결과 (b) The characteristic of RF coupling into antenna 2 그림 4. LCM 패널 유무에 따른 RF 결합도 특성 Fig. 4. RF coupling with or without LCM pannel.
다. 그러므로 노트북의 LCM 패널 구성 요소 중 ITO 를 포함하고 있는 LCD 패널과 casetop이 LCM에서 발생하는 잡음과 수신 안테나 간의 결합도를 증가시 킴을 확인할 수 있었다.
2-4 잡음의 결합도 감소 대책
앞선 실험을 통하여LCM 패널의 전도율이 큰 일 부 금속성의 구성 요소와 금속성 재질의 노트북 케 이스로 이루어지는 cavity 구조가 공진을 일으키고, 공진 주파수 대역의 잡음이 수신 안테나와 결합하여 수신 안테나의 성능을 저해하는 것으로 확인하였다.
이러한 잡음의 결합도를 감소시키기 위한 방법 중 두 가지를 제시하였다. 제시된 방법을 3D EM 시뮬
(a) LCM 패널 구성 요소 (a) Constituents of the LCM panel
(b) LCM 패널의 각 구성 요소 유무에 따른 RF 결합도 특성 (b) RF coupling due to various components of the LCM panel 그림 5. LCM 패널의 구성 요소와 각 요소 유무에
따른 결합도 특성
Fig. 5. Characteristic of EM coupling due to various components of the LCM pannnel.
레이터를 통하여 확인하였다.
첫 번째 방법은 노트북 케이스의 재질을 금속이 아닌 물질로 변경하는 것이다. 이제까지의 시뮬레이 션과 측정을 통하여 구동 회로에서 발생되는 잡음이 금속성 재질의 노트북 케이스와LCM 패널의 금속 성 구성 요소에 의해 수신용 안테나의 작동에 영향 을 준다는 것을 알 수 있었다. 따라서 금속성 물질을 제거하여 잡음이 외부로 방사되도록 유도하여 수신 용 안테나로 전달되는 잡음의 정도를 감소시킨다면
그림 6. 노트북 커버의 재질을 고무로 변경했을 때의 RF 결합도
Fig. 6. RF coupling characteristics with the rubber co- ver.
그림 7. 격벽이 있는 노트북 모델
Fig. 7. Simplified notebook model with barrier walls.
수신용 안테나의 작동 오류를 줄일 수 있을 것이다.
그림6과 같이 노트북 케이스의 재질을 알루미늄에 서 고무로 변경하여 시뮬레이션을 해본 결과, 잡음 결합도가 많이 감소하는 것을 알 수가 있었다. 이러 한 방법은 외부의 잡음에 쉽게 노출되는 치명적인 단점이 있으나, 전파 흡수체를 이용하여 외부의 잡 음을 차단할 수 있을 것이다.
두 번째 방법은 노트북 내부에 격벽을 세우는 것 이다. 그림 7과 같이 잡음원과 수신용 안테나 사이 에 횡단면으로 금속 재질의 격벽을 세웠다. 이 격벽 은 물질과 상관없이 전도성을 가진 금속물질이면 잡 음의 결합도 감소를 위해 격벽으로 사용하기 적절하 며, 세워진 격벽에는 작은 슬롯을 추가하였다[8]～[10]. 이 슬롯의 크기는 WWAN 대역의 최고 주파수인
(a) 격벽이 하나인 경우의 RF 결합도 (a) RF coupling with one partition wall
(b) 격벽이 두 개인 경우의 RF 결합도 (b) RF coupling with two partition walls 그림 8. 케이스 내부에 격벽을 위치시킨 경우의 cavi-
ty 특성
Fig. 8. RF coupling characteristics with barrier walls inside the notebook case cover.
2.17 GHz의 λ/4 길이에 해당하는 34.56 mm보다 매 우 작은6 mm이며, 이는 필터로 동작을 하여 잡음원 에서 발생하는 관측 대역 내의 다양한 크기의 주파 수들이 수신용 안테나로 전달되는 것을 막아준다.
그림8은 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 그림 8(a)는 하나의 격벽(Case 1)을 설치하여 RF 결합도를 시뮬레이션한 결과이고, 그림 8(b)는 RF 결합도의 추가적인 감소를 위하여 두 개의 격벽(Case 2)을 설 치하여 구한 결과이다. 결과에서 확인할 수 있듯 슬 롯을 포함한 격벽을 노트북 케이스의 횡단면에 세우
감소되는 것을 확인할 수 있다.
Ⅲ. 결 론
본 논문에서는 노트북 안테나와LCM간의 RF 결 합 메커니즘을 이해하고, 이 RF 잡음에 의한 통신 장애를 줄이기 위한 대책을 마련하고자 하였다. 이 를 위해 잡음원과 수신 안테나의 모델이 되는 다중 대역 안테나를 설계, 제작하였고, 이 안테나를 사용 하여 간략화한 노트북 모델로서 전자기 간섭에 의한 효과를 시뮬레이션 및 실험을 통하여 분석하였다.
LCM에서 발생되는 잡음은 실험을 통해 수신 안테 나 대역인WWAN 대역에 포함되는 주파수를 가졌 다. 또한, 금속 재질의 노트북 케이스와 LCM을 구성 하는 물질 중 금속성을 띄는 판들에 의해cavity 구 조가 형성되어 공진을 일으키고, 공진 주파수 대역 의 잡음이 수신용 안테나에 영향을 미쳐RF 결합도 가 증가함을 확인할 수 있었다. 잡음의 결합도를 감 소시키기 위한 대책으로 노트북 케이스 내의 횡단면 에 격벽을 세우는 경우RF 잡음의 결합도가 감소하 는 것을 확인하였다.
본 연구를 통하여 노트북 내부 혹은 집적된 전자 장비 내부의 좁은 공간에 고속 데이터 전송 모듈이 있을 때RF 잡음의 결합현상에 대한 이해를 증진시 킬 수 있었고, 고속 데이터 전송 모듈과 무선 통신 안테나 간의 전자기적 간섭 문제를 해결하는데 도움 이 될 것으로 생각된다.
참 고 문 헌
[1] Sung-Kyu Lee, Jung-man Lim, Ki-Seob Lee, On-Sik Choi, Bae-Won Lee, Do-Wan Kim, M. Hayakawa, and Y. Kami, "The solutions of LCD panel(T-Con) EMI noise for wireless integration", Electromagnetic
Compatibility, EMC 2007. IEEE International Sym- posium on, 2007.
tibility. EMC 2008. IEEE International Symposium
on, 2008.[3] Kin-Lu Wong, Chih-Hong Huang, "Bandwidth - en- hanced internal PIFA with a coupling feed for quad-band operation in the mobile phone", Micro-
wave and Optical Technology Letters, vol. 50, no. 3,
Mar. 2008.[4] Zhi Ning Chen, Michael Y. W. Chia, Broadband
Planar Antennas, John Wiley & Sons, 2006.
[5] Kin-Lu Wong, Liang-Che Chou, and Chih-Ming Su,
"Dual-band flat-plate antenna with a shorted parasitic element for laptop applications", IEEE transactions on
Antennas and Propagation, vol. 53, no. 1, pp. 539-
544, Jan. 2005.[6] Kevin P. Slattery, Jeffrey W. Neal, and Wei Cui,
"Near-field measurements of VLSI devices", IEEE
Trans. EMC, vol. 41, no. 4, pp. 374-384, Nov.
1999.
[7] Han-Nien Lin, Ching-Hsien Lin, Ming-Cheng Chang, and Yu-Yang Shih, "Analysis of platform noise eff- ect on WWAN performance", Electromagnetic Com-
patibility(APEMC), 2010 Asia-Pacific Symposium on,
pp. 719-722, 2010.[8] G. L. Matthaei et al., Microwave Filters, Impedance
Matching Networks, and Coupling Structures, Ded-
ham, MA: Artech House Books, 1964.[9] R. Vahldieck, W. J. R. Hoefer, "A new class of op- timized finline and E-plane metal insert filters with improved characteristics", Microwave Symposium Di-
gest, IEEE MTT-S International, pp. 182-184, 1985.
[10] Richard J. Cameron, Raafat Mansour, and Chandra M. Kudsia, Microwave Filters for Communication
Systems : Fundamentals, Design and Applications,
Wiley-Interscience, 2007.김 인 복
2008년 2월: 경북대학교 전자전기 컴퓨터학부 (공학사)
2010년 2월: 경북대학교 전자공학 과 (공학석사)
2010년 3월～현재: 경북대학교 전 자공학과 박사과정
[주 관심분야] 다이오드 검파기, 믹 서 및 주파수 체배기, 마이크로파 및 밀리미터파 안테나 및 시스템 설계
박 진 현
2010년 2월: 경북대학교 전자전기 컴퓨터학부 (공학사)
2010년 3월～현재: 경북대학교 전자 공학과 석사과정
[주 관심분야] 초고주파 시스템 회 로 설계, 마이크로파 안테나 설계
강 일 흥
2010년 2월: 경북대학교 전자전기 컴퓨터학부 (공학사)
2010년 3월～현재: 경북대학교 전자 공학과 석사과정
[주 관심분야] 초고주파 시스템 회 로 설계, 마이크로파 능동 소자 설계
김 홍 준
1997년 2월: 경북대학교 전기공학 과 (공학사)
1999년 12월: University of Southern California 전기공학과 (공학석사) 2006년 5월: University of Wiscon-
sin-Madison 전기공학과 (공학박 사)
2006년 9월～ 2011. 2월: City university of New York 조교 수
2011년 3월～ 현재: 경북대학교 전기공학과 조교수 [주 관심분야] 메타 머티리얼, 비선형 전송선로, 위상변위
기, 위상변위 안테나
우 동 식
2002년 2월: 경북대학교 전자전기 컴퓨터학부 (공학사)
2004년 2월: 경북대학교 전자공학 과 (공학석사)
2004년 3월～현재: 경북대학교 전자 공학과 박사과정
[주 관심분야] 마이크로파 및 밀리 미터파 안테나 및 시스템 설계
김 강 욱
