MOBILE ANTENNA DESIGNS USING GROUND RADIATION

Abstract

이 논문은 그라운드를 방사체로 활용하는 휴대 단말기 안테나 설계 기법을 제시한다. 일반적으로, 안테나의 크기가 작아질수록 높은 품질인자 (quality factor)가 매우 높아져 방사성능의 저하가 발생하며, 휴대 단말기의 안테나 크기는 몹시 작으므로 높은 방사 성능을 얻기가 어렵다. 따라서 이를 극복하기 위해, 단말기내에 가장 큰 도체인 그라운드를 방사체로 활용하는 것이 유리하다. 그라운드는 낮은 품질 인자 특성을 가지므로 대역폭이 넓고 방사저항이 높은 특징을 가진다. 그라운드를 방사체로 효율적으로 활용하기 위해서는 안테나와 그라운드의 결합이 매우 중요하다. 그라운드와 안테나가 강하게 결합하는 기술을 연구하기 위해, 안테나와 그라운드 간의 결합에 의해 결정되는 입력 임피던스는 특성 모드 이론 (TCM : Theory of Characteristic Mode)와 안테나와 그라운드의 결합으로 계산된 2-port network 이론을 이용하여 논의된다. 특성 모드 이론은 임의의 모양의 도체의 형태 및 크기에 의해 변화하는 고유한 특성을 수학적으로 분석하였다. 그라운드의 공진주파수는 특성모드의 고유 값이 0이 되는 주파수이며, 일반적인 직사각형의 도체 그라운드는 첫번째 공진 주파수에서 반 파장 다이폴 전류 분포를 갖는다. 급전의 구성 및 주파수에 의해 여기 된 특성 모드의 크기가 바뀜으로 방사성능이 결정되며, 안테나의 모양, 위치와 동작주파수에 따라 특성모드와의 결합이 변화하므로 안테나의 방사성능에 영향을 미치게 된다. 이 논문에서는 그라운드의 특성 모드를 분석하여 그라운드를 방사체로 활용하는 안테나를 연구하였다. 그라운드의 특성 모드와의 결합을 위한 안테나의 구조는 루프 구조로 형성되며 그라운드 특성 모드의 자기장이 강한 부분에서 방사 성능이 최적화된다. 이 논문의 도입부인 제 1장에서는 통신기술의 발달에 따른 휴대 단말기 안테나 기술의 변화에 대해 논의하고 있다. 제 2장에서는 초소형 안테나의 기본 이론, 휴대 단말기 안테나의 방사 특성, 그라운드 특성모드 이론, 루프형 그라운드 방사 안테나에 대해 논의 한다. 제 3장에서는 슬롯 안테나의 위치에 따른 방사 성능 변화를 통해 그라운드 특성 모드와의 결합을 분석하고 논의한다. 제 4장에서는 이중 대역 루프형 그라운드 방사 안테나를 제시하고 동작 원리에 대하여 논의한다. 제 5장에서는 메탈림 특성 모드를 활용한 단일 대역 그라운드 방사 안테나를 제시하며, 메탈림 특성 모드의 공진 주파수 제어에 따른 방사 성능의 변화를 분석한다. 제 6장에서는 메탈림 특성 모드를 활용한 이중 대역 그라운드 방사 안테나를 제시하며, 메탈림 특성 모드들의 공진 주파수를 제어하여 저주파수 대역과 고주파수 대역에서 임피던스 대역폭을 획기적으로 증대 시키는 기술에 대하여 논의한다.; This dissertation introduced mobile antenna designs using ground radiation. Generally, as the size of the antenna compacts, it occurs a decrease of radiation performance by higher the quality factor, and mobile antenna, characterizing the compact size, is difficult to achieve high radiation performance. To overcome this problem, it is advantageous to utilize the ground as a radiator. The ground is the largest conductor in the mobile device, has low-quality characteristic so it has wide bandwidth and high radiation resistance. For efficiently use the ground as radiator, the coupling between the antenna element and the ground is very important. In order to study the technique to strong coupling, the input impedance determined by the coupling between the antenna and the ground is discussed using the Theory of Characteristic Mode (TCM) and the 2-port network theory. The TCM mathematically analyzed the unique characteristics by shape and size of the arbitrary ground. The resonance frequency of the ground is the frequency at which the eigenvalue of the characteristic mode is zero, and the typical rectangular conductor has a half-wavelength dipole current distribution at the first resonance. The radiation performance is determined by the variation of the excited mode through the configuration and frequency of feed. In other words, depending on the shape, position and operating frequency of the antenna, the coupling with characteristic mode is varied, which affect the radiation performance. This dissertation proposed mobile antenna designs using ground as a radiator based on analyzing the ground characteristic mode. The structure of the antenna for coupling with the characteristic mode of the ground is formed by the loop structure with lumped capacitor and the radiation performance is optimized in the area where the magnetic field of the ground characteristic mode is strong. Chapter 1, the introduction of this dissertation, discusses the changes in mobile device antenna technology due to the development of wireless communication technology. Chapter 2 discusses the basic theory of electrically small antenna, the radiation characteristics of mobile device antenna, ground characteristic mode theory and the loop-type ground radiation antenna. Chapter 3 analyzes the coupling with ground characteristic mode through radiation performance variation according to the position of the slot antenna. Chapter 4 presents the dual-band loop-type ground radiation antenna and discusses the operation mechanism. Chapter 5 presents a single-band ground radiation antenna using the metal rim characteristic mode and analyzes the variation in radiation performance due to the resonance frequency control of the metal rim mode. Finally, chapter 6 presents dual-band ground radiation antenna using the metal rim characteristic mode and discusses the technology that dramatically enhances radiation performance in low band and high band by controlling the resonance frequencies of the metal rim modes.