다중대역 소형 칩 안테나의 설계 방법

Abstract

현재 사용되고 있는 이동 통신 서비스는 기존의 음성 통화뿐만 아니라 DMB(Digital Multimedia Broadcasting), GPS(Global Position System), 무선 인터넷 등의 다양한 서비스를 제공하고 있으며, 이러한 서비스를 만족하기 위해 휴대 단말기 또한 다기능, 고성능, 슬림화로 발전 되어가고 있다. 휴대단말기 무선 성능의 핵심 부품인 안테나 또한 다양한 서비스 대역에 사용할 수 있도록 광대역, 고효율, 다중대역을 요구하고 있지만 안테나 주위에 많은 부품들이 추가되고, 디자인 면에서도 휴대단말기가 슬림화되어 안테나 설계 공간이 작아져 무선 성능 확보에 어려움이 있다. 또한 휴대단말기를 사용할 때 사용자의 손 또는 머리가 가까워짐에 따라 안테나 특성이 변화하여 무선성능이 감소하는데 이러한 무선 성능에 대한 검증 절차 없이 안테나를 설계 했을 때에는 휴대단말기 디자인이 변경되는 등 제작 일정에 차질이 생겨 출시가 늦어지는 경우가 많이 발생되고 있다. 이러한 무선 성능에 대한 문제점을 해결하기 위해서는 인체의 영향을 최소화하기 위한 안테나의 소형화 기술 및 대역폭 확장 그리고 방사성능 개선에 대한 기술 확보는 필수적이다. 본 논문에서는 휴대 단말기의 공간 활용을 높이기 위한 안테나의 소형화 방법으로 안테나와 안테나 하단 후면 그라운드와의 커플링 이용하는 방법과 다중 방사체 구조를 활용하는 방법을 제시하고자 한다. 우선 후면 그라운드를 이용한 소형화 방법을 검증하기 위한 테스트PCB는 4.2유전율을 갖는 FR 4기판을 사용하였고 그라운드의 사이즈는 80.0mm×40.0mm×1.0mm으로 하였다. 또한 임피던스 정합을 개선하기 위해 안테나가 위치하는 부분의 접지면은 제거하였고, 안테나 급전을 위해 안테나와 접지면 사이의 간격을 1.0mm로 유지하였다. 또한 사용주파수의 조절 및 임피던스 매칭을 위해 급전 위치 및 접지면의 위치를 한쪽 패드외부로 배치한 역 에프 구조로 설계하였다. 방사체는 LCP 유전체로 둘러싸여 있으며 방사체로 사용되는 도체의 두께는 0.2mm로 하였으며 안테나의 크기는 상용 제품에서 요구되는 크기인 6.0mm ×3.0mm×1.2mm로 하였다. 또한 “S”자 모양의 방사체를 갖는 좌우 대칭형 칩 안테나를 설계 및 제작하였다. 제작된 칩 안테나는 Wi-Fi 대역에서 정재파비 > 3:1 기준 300MHz (대역폭: 12.2%, 2.3~2.6 GHz)의 임피던스 대역폭과 1.42dBi의 첨두치 이득(Peak Gain)을 얻었다. 다음으로, 다중 방사체 구조를 이용한 소형화 설계를 위해 테스트 PCB는 4.2의 유전율을 갖는 FR4 기판을 사용하였고, 그라운드의 사이즈는 100.0mm× 40.0mm×1.0mm이다. 임피던스 정합을 개선하기 위해 안테나가 위치하는 부분의 접지면은 제거하였고, 안테나 급전을 위해 안테나와 접지면 사이의 간격을 3.0mm로 유지하였다. 또한 사용주파수의 조절 및 임피던스 매칭을 위해 급전 위치 및 접지면의 위치를 한쪽 패드 외부로 배치한 역 에프 구조로 설계하였다. 방사체는 LCP 유전체로 둘러싸여 있으며 방사체로 사용되는 도체의 두께는 0.2mm로 설계하였으며 안테나의 크기는 28.0mm×6.0mm ×4.0mm로 하였다. 측정 결과, 자유공간 상태에서 기존 안테나와 제안된 칩 안테나의 성능 차이가, 출력파워는 셀룰러 밴드에서 0.7dBm 정도 기존 성능이 좋았고, US PCS 밴드에서도 0.5dBm 정도 기존 성능이 좋았다. 하지만 수신감도는 셀룰러 밴드에서 1.0dBm, US PCS 밴드에서는 1.3dBm 정도 제안된 칩 안테나의 성능이 좋다는 것을 알 수 있었다. 또한 실제 필드 조건인 핸드/헤드와 같은 인체영향 상태에서의 성능 절감의 차이는, 셀룰러 밴드에서 기존 안테나는 출력파워 3.7dBm / 수신감도 3.3dBm 이었고, 제안된 칩 안테나는 출력파워 1.87dBm, 수신감도 3.82dBm이었다. 또한 US PCS 밴드에서 기존 안테나는 출력파워 8.4dBm / 수신감도 7.9dBm 이었고, 제안된 칩 안테나는 출력파워 3.65dBm, 수신감도 3.77dBm이었다. 여기서 알 수 있듯이 제작된 칩 안테나는 기존 안테나보다 저주파수 대역에서의 출력파워 성능은 조금 열화되지만 고주파수 대역에서는 전체적으로 성능이 좋다는 것을 알 수 있었다. 또한 실제 필드조건인 인체영향 상태에서의 액티브 성능은 저주파수/고주파수 대역 모두 기존 안테나 성능보다 좋다는 것 알 수 있었다. 특히 출력파워보다는 수신감도에서, 저주파수 대역보다는 고주파수 대역에서 좀 더 좋은 성능을 보인다는 것을 알 수 있었고, 또한 기존 안테나의 크기는 34.0mm×11.0mm ×6.0mm이었으나 제안한 칩 안테나의 크기는 28.0mm×6.0mm ×4.0mm로, 기존 안테나 대비 50% 이상 소형화 되었음을 알 수 있었다. 또한 제작된 칩 안테나는 기존의 내장형 안테나와 같은 착탈식 장착이 아닌 표면실장 방식을 사용하여 양산성을 크게 향상시켰다. 하지만 앞으로 이동통신 기술은 매우 빠른 속도로 변화와 진보를 하고 있기 때문에 새로운 주파수가 추가 되어 발전해 나갈 것이며, 휴대단말기 또한 소비자가 원하는 다양한 구조로 변화할 것이다. 이러한 다양한 요구를 만족하기 위해서는 추가적인 소형화 구조 및 대역폭 확장에 대한 연구는 꾸준히 진행 되어야 할 것이다.