ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
리액티브 소자를 이용한 광대역 PIFA 설계 Wide Bandwidth PIFA Design Using Reactive Element
조하석․문성진․박경남․이재석․김형동
Ha-Seok Jo․Sung-Jin Moon․Kyong-Nam Park․Jae-Seok Lee․Hyeong-Dong Kim 요 약
본 논문에서는 USB Dongle에 적용 가능하고 Wibro(2.3～2.4 GHz), Wi-Fi(2.4～2.5 GHz), LTE7(2.5～2.7 GHz) 대역을 지원하는 광대역 안테나 설계 기법을 제안한다. 제안된 안테나는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 구조를 기본으로 설계 되었고, 리액티브 소자를 이용하여 임피던스 조절이 가능하고, 급전 구조와 방사체 간의 커플링을 조절하여 광대역을 실현하였다. 그 결과, 유전율이 4.4인 FR-4 PCB에서 15×5 mm의 협소한 공간에서 안테나의 대역폭은 반사계수 —10 dB 기준으로 약 1 GHz 대역폭을 실현했다. 측정된 반사 손실, 대역폭과 방사 패턴은 시뮬레이션 값과 잘 일치하였다.
Abstract
In this paper, the broadband antenna design, which can be applied to USB Dongle, supporting Wibro(2.3～2.4 GHz), Wi-Fi(2.4～2.5 GHz) and LTE7(2.5～2.7 GHz) is proposed technique. The proposed antenna was designed similar to PIFA type antennas. Reactive elements were used to control the input impedance and wideband characteristics were achieved by controlling coupling between the feed structure and the radiator. As a result, the antenna printed on FR-4 PCB(=4.4, tan =0.02) occupying an area of 15×5 mm was able to achieve bandwidth of 1 GHz from 2.1 to 3.1 GHz under VSWR=2. Measured return loss characteristics, bandwidth and radiation patterns were in good agreement with the simulated results.
Key words: Reactive Element, Broadband, Planar Inverted-F Antenna, Bandwidth, Radiation Pattern
「이 연구는 미래부가 지원한 2013년 정보통신․방송(ICT) 연구개발사업의 연구 결과로 수행되었음.」
한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(Department of Electronics and Computer Engineering, Hanyang University)
․Manuscript received November 4, 2013 ; Revised January 3, 2014 ; Accepted February 24, 2014. (ID No. 20131104-108)
․Corresponding Author: Hyeong-Dong Kim (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
이동 통신의 기술이 비약적인 발전을 거듭해오면서 단 순히 전화나 문자 메시지를 주고받는데 그쳤던 과거의 통신 서비스에 비해 오늘날은 다양한 서비스의 제공을 통해서 소비자의 욕구를 충족시키고 있고, 통신 기술의 발전과 더불어 신호의 송신과 수신에 있어 핵심적인 디 바이스인 안테나의 설계 기술 또한 발전해 왔다. 단말기 의 안테나는 내장 및 소형화시키기 위해 접힌 모노폴 안
테나(folded monopole antenna) 및 PIFA(Planar Inverted F Antenna)가 연구되고 있으며, 접힌 모노폴 안테나는 대역 폭 특성은 좋지만 환경 변화에 민감하다는 단점을 가졌 고, PIFA 안테나는 소형화시키기 쉬운 반면에 이득이 작 은 단점을 가지고 있다[1]. 제안된 안테나는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 타입으로 고안되었고, 이것은 현재도 휴대 단말기용 안테나로써 널리 사용되는 구조 중 하나 이다. 또한, 다양한 서비스와 시스템의 지원을 위해서 다 중 대역 및 광대역의 주파수 범위에서 동작하는 안테나
의 개발이 중요시 되고 있고, 그 방안으로써 복수의 방사 체 가지를 연결시키는 방법이나[2],[3] PIFA의 패치에 기생 의 방사체를 근접시키는 방법[4],[5]등이 연구가 되고 있다.
그 밖의 다양한 시도가 수행[6],[7]되고 있지만, 단순히 다른 주파수 영역에서 공진하는 복수의 가지 구조 방사체의 크기와 길이를 조절하여 연결시키는 방법은 서로 다른 길이의 방사체 가지로부터 연유한 공진들 사이에 병렬 공진(parallel resonant)이 발생되기 때문에 광대역화를 이 루기 어려운 점이 있다[8].
이러한 어려움을 해결하기 위해 본 논문에서는 PIFA의 급전 구조와 방사체 사이에 커패시터, 방사체와 몸체 사 이에 인덕터를 삽입함으로써 광대역을 이룰 수 있는 새 로운 타입의 PIFA 구조를 제안한다. 또한, 이를 ANSYS사 의 HFSS 시뮬레이션 툴로 안테나를 설계하였고, 제작된 안테나를 Agilent사의 PNA Series Network Analyzer를 사 용하여 반사 손실을 측정하였으며, 무반사 전파 암실에서 회로 안테나의 방사 특성과 이득을 측정하여 성능을 검 증하였다.
Ⅱ. 안테나 구조 및 동작 원리 분석 제안된 안테나의 구조를 그림 1에 나타내었다. 안테나
그림 1. 제안된 안테나 구조 Fig. 1. Proposed antenna structure.
는 유전율 4.4, 두께 1.6 mm의 FR-4 PCB 기판으로 제작되 었다. 몸체의 크기는 USB Dongle에서 사용되는 크기인 15×40 mm이고, 안테나의 크기는 15×5 mm이며, 구조는 소형이면서 제작이 쉬운 급전과 단락이 있는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)이다. 대역폭 특성을 개선하기 위하여 급전 구조와 방사체 사이에 리액티브 소자 L과 C를 각각 하나씩 사용하였고, 임피던스는 급전 구조와 방사체 사이 에 존재하는 커패시터(C)로 조절하며, 아래 식 (1)은 임피 던스의 변화율을 나타내고, 식 (1)을 통해서 커패시터가 커지면 임피던스가 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고 여 기서 는 각주파수이며, 는 공진 주파수이다.
(1)(a) 안테나 구조 (a) Antenna structure
(b) 커플링의 변화 (b) Changing the coupling 그림 2. 안테나 커플링의 비교
Fig. 2. Comparison of the antenna coupling.
그림 2는 급전 구조와 방사체의 결합되는 정도에 따라 커플링의 변화를 비교한다. 그림 2(a)에서 급전 구조와 방 사체의 결합정도를 CP로 나타내었고, 그림 2(b)에서 CP 값이 커질수록 커플링이 커지는 것을 확인할 수 있다. 제 안한 안테나에서는 방사체와 그라운드 사이에 존재하는 인덕터(L)를 통해서 급전 구조와 방사체 간의 커플링을 조절한다.
그림 3에서 실선으로 표시된 그래프는 리액티브 소자 를 삽입하지 않은 PIFA만의 주파수에 따른 반사 손실 특 성을 나타낸다. 리액티브 소자를 삽입하지 않은 구조로부 터 중심 주파수 2.3 GHz와 4.6 GHz에서 각각 첫 번째와 두 번째 공진을 얻었다. 여기서 주목해서 관찰할 2.3 GHz 부근에 형성된 공진은 —9 dB의 반사 손실 특성을 가지 고 있고, 좁은 대역폭을 가지고 있다.
본 논문에서는 2.3 GHz 부근에 생성된 공진의 대역폭 특성을 개선하기 위해 그림 1과 같이 PIFA의 급전 구조 와 방사체 사이에 커패시터를 삽입하고, 방사체와 그라운 드 사이에 인덕터를 삽입하는 구조를 제안하였다. 커패시 터와 인덕터를 삽입할 경우, 급전 구조와 커패시터, 인덕 터를 둘러싸는 또 다른 루프가 형성된다. 특히 리액티브 소자와 단락핀으로 구성되어진 루프가 2.5～3 GHz 사이 에서 공진을 일으키게 되고, 커패시터로 임피던스를 조절 하며, 인덕터를 통하여 커플링을 조절하여 광대역의 안테 나를 설계할 수 있다. 2.5～3 GHz 사이에 생성된 공진으
그림 3. PIFA와 제안한 안테나의 반사 손실 비교
Fig. 3. Comparison of the return loss between PIFA and pro- posed antenna.
(a) 캐패시터 값의 변화 (a) Changing the capacitor value
(b) 인덕터 값의 변화
(b) Changing the inductor value
그림 4. 리액티브 소자의 변화에 따른 임피던스 비교
Fig. 4. Variation of impedance by changing the value of the reactive component.
로 대역폭 특성 향상의 효과를 보이기 위해 리액턴스 구 조의 유무에 따른 반사 손실 비교를 그림 3에 나타내었 다. 리액티브 소자 삽입을 통해서 2.3 GHz 부근의 대역폭 특성을 향상시킬 수 있었고, 그 결과 —10 dB 기준 대역 폭 특성을 기존보다 1 GHz 만큼 넓힐 수 있었다.
그림 4와 그림 5는 임피던스를 조절하는 파라미터인 커패시터(C)와 커플링을 조절하는 파라미터인 인덕터(L) 의 변화에 따른 임피던스와 반사 손실 변화를 시뮬레이 션을 통해서 나타낸 그래프이다. 커패시터 C값을 변화시 킨 그림 4(a), 그림 5(a)에서는 인덕터 L값을 1.2 nH로 고 정하였고, 인덕터 L값을 변화시킨 그림 4(b), 그림 5(b)에 서는 커패시터 C값을 0.75 pF으로 고정시켰다. 리액티브 소자 값의 변화 2를 통해서 임피던스와 반사 손실을 조절
(a) 커패시터 값의 변화
(a) Changing the capacitor value
(b) 인덕터 값의 변화
(b) Changing the inductor value
그림 5. 리액티브 소자의 변화에 따른 반사손실 비교
Fig. 5. Variation of return loss by changing the value of the reactive component.
할 수 있고, 최적화된 성능을 나타내는 소자 값을 얻을 수 있었다.
Ⅲ. 측정 및 결과
그림 6은 제안된 안테나의 시뮬레이션 결과와 실제 제 작 후 측정한 결과를 비교한 것이다. 제작된 안테나의 반 사 손실은 시뮬레이션을 통해 구해진 값과 유사한 특성 을 보이고 있다. 측정된 반사 손실은 약 20 MHz 정도의
그림 6. 측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 반사손실 비교
Fig. 6. Comparison of the return loss between measured and simulated data.
주파수 천이를 보이고 있으나, 의도한대로 안테나의 대역 폭은 1.02 GHz(2.08～3.1 GHz)로 유사하다.
그림 7에는 특정 주파수에서 측정된 안테나 방사 패턴 을 나타내었다. 총 3개의 주파수를 선택하였고, 각각 Wi- bro(2.3～2.4 GHz), Wi-Fi(2.4～2.5 GHz), LTE7(2.5～2.7 GHz) 대역의 방사 성능을 살펴보기 위해 Wibro, Wi-Fi, LTE7의 중심주파수인 2.35 GHz, 2.45 GHz, 2.6 GHz를 선택하였 다. 그 결과, 안테나의 peak gain은 1 dB, 효율은 59.32 % 로 측정되었고, 그래프를 통해서 전 방향성의 방사 패턴 을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 다음으로 각 주파수 별 peak gain은 2.35 GHz에서 1 dB, 효율은 58.34 %, 2.45 GHz에서 peak gain은 1.22 dB, 효율은 61.35 %, 2.6 GHz에 서 peak gain은 1.1 dB, 효율은 58.86 %로 각각 측정되었 다. 일반적인 PIFA 구조에 리액티브 소자를 추가하여 직 렬공진을 추가하고, 커플링과 임피던스를 조절함으로써 안테나의 대역폭 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었 다. 결과적으로 본 논문에서 제안하는 설계가 광대역과 방사 성능 또한 향상시킬 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 PIFA에 리액티브 소자를 삽입함으로써 기존 안테나의 크기를 늘리지 않고 2.3 GHz에서 발생한 공진의 좋지 못한 반사 손실과 대역폭 성능을 개선시킬
(a) 2.35 GHz
(b) 2.45 GHz
(c) 2.6 GHz 그림 7. 측정된 방사 패턴 Fig. 7. Measured radiation patterns.
수 있는 구조가 제안되었다. 리액티브 소자를 급전 구조 와 방사체 사이에 삽입하면서 직렬공진이 2.5～3 GHz 사
이에 생성되었고, 리액티브 소자 값을 조절하여 반사 손 실 —10 dB 기준으로 대역폭 특성의 향상을 통해 방사 성 능 또한 향상되었다. 리액티브 소자 유무에 따른 반사 손 실을 비교함으로써 대역폭 특성 향상을 검증하였고, 시뮬 레이션 데이터와 실제로 제작된 안테나의 측정 결과, 비 교함으로써 제안된 안테나의 제작 가능성을 확인하였다.
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조 하 석
2013년 2월: 남서울대학교 전자공학과 (공 학사)
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이 재 석
2007년 2월: 대진대학교 정보통신공학부 (공학사)
2009년 2월: 한양대학교 전자컴퓨터통신 공학과 (공학석사)
2014년 2월: 한양대학교 전자컴퓨터통신 공학과 (공학박사)
[주 관심분야] 안테나 설계, 마이크로파 회로 설계
김 형 동
1984년 2월: 서울대학교 전자공학과 (공학 사)
2986년 2월: 서울대학교 전자공학과 (공학 석사)
1992년 5월: University of Texas at Austin 전기공학과 (공학박사)
1989년 5월∼1992년 5월: University of Texas at Austin (Research Assistant)
1992년 6월∼1993년 1월: University of Texas at Austin (Post- doctoral Fellow)
1993년 3월∼현재: 한양대학교 융합전자공학부 교수
[주 관심분야] 모바일 안테나 설계 및 해석, 마이크로파 회로, 전자파 해석
