내장형 안테나의 대역폭 향상에 관한 연구 = Study on Bandwidth Enhancement of an Internal Antenna

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Multi-band internal antenna for mobile handsets is designed and fabricated in this thesis. As a mobile handset becomes miniature and its designs become more fashionable, demand for internal antennas is rapidly growing. Various type of mobile handsets with internal antennas are released by many foreign vendors. Recently, multi-band antenna is required for the global roaming service. Therefore, the internal antenna needs to be miniaturized and operate in multi-band. When the antenna is miniaturized, the impedance matching, bandwidth, and radiation pattern of the antenna have to be carefully considered. For multi-band operation, radiator of the antenna requires some slots, parasitic elements, or additional radiating elements. In this thesis, multi-band operation is realized by enhancement of bandwidth, which uses a matching circuit and quality factor of the antenna. Also, the radiator is formed in a multi-layer in order to minimize its size. The proposed antenna is designed to keep current distributions symmetric on its radiator and ground plane. Thus, an omni-directional radiation pattern can be achieved in high frequency band. The proposed antenna consists of a feed, a λ/4 short circuit, the stacked radiating patch and the connecting plate. The measured bandwidths (VSWR 3:1) are satisfied for GSM(880～960 MHz)/GPS(1565～1585 MHz)/DCS(1710～1880 MHz)
/USPCS(1850～1990 MHz)/UMTS(1885～2200 MHz) bands. The radiation patterns in all the band are omni-directional. The maximum and average gains in H-plane are obtained -1.07 dBi/-1.92 dBi in GSM band and 1.92 dBi/-0.58 dBi in the other bands, respectively.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 이동 통신 단말기에 적용 가능한 다중 대역 내장형 안테나를 설계 및 제작하였다. 최근 단말기 사업자들은 단말기의 소형화와 단말기 디자인의 다양화 등의 이유로 내장형 안테나에 대한 관심이 점점 커지고 있으며 이미 외국의 유수 단말기 사업자들은 내장형 안테나가 구현된 다양한 디자인의 단말기를 선보이고 있다. 또한 글로벌 로밍서비스를 요구하고 있어 다중대역에서 동작하는 안테나를 필요로 하고 있다. 이에 따라 보다 소형화된 그러면서 다중 대역으로 동작하는 내장형 안테나가 요구되고 있는 것이다. 하지만 단말기의 디자인을 위해 안테나의 크기를 쉽게 감소시킬 수 없는 것이 안테나의 부피는 이득과 비례하며, 안테나와 그라운드 간의 이격거리에 따른 안테나의 Q값은 임피던스 대역폭과 관계, 그리고 안테나와 그라운드 위에서의 전류 분포는 방사패턴을 결정하기 때문이다. 다중대역으로 동작하는 안테나를 구현하기 위해 방사체의 변형, 기생패치, 추가 방사체의 구현 등이 아닌 안테나의 Q값과 정합회로를 사용함으로써 안테나의 최대 대역폭을 얻어 다중 대역 동작이 가능하게 하였다. 그리고 방사체를 적층으로 구현하여 물리적인 크기를 줄였으며, 높은 주파수 대역에서의 전방향성의 특성을 이루기 위해 안테나와 그라운드의 전류 분포를 균일하게 형성되도록 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나는 급전점과 단락회로, 적층으로 구현된 방사 패치, 연결부로 구성되며, VSWR 3:1을 기준으로 GSM(880～960 MHz), GPS(1565～1585 MHz), DCS(1710～1880 MHz), USPCS(1850～1990 MHz), UMTS(1885～2200 MHz) 대역을 만족한다. 방사패턴은 전 주파수 대역에서 전방향성 특성을 보이며, 수평면 최대 이득과 평균 이득은 낮은 주파수 대역에서 -1.07 dBi/-1.92 dBi, 높은 주파수 대역에서는 1.92 dBi/-0.58 dBi 얻었다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 전송 선로 공진기 3
• 2-1 전송 선로 공진기의 unloaded Q 5
• 2-2 직접 커플링 공진기의 QE와 QL 한계 6
• 2-3 인덕티브 커플링 단락 선로 공진기 8
• 2-4 캐패시티브 커플링 개방 선로 공진기 9
• 제3장 다중 대역 내장형 안테나 12
• 3-1 전기적 소형 안테나의 특징 12
• 3-2 다중 대역 내장형 안테나의 구현 방법 15
• 3-2-1 고차모드를 이용한 다중 대역 안테나 15
• 3-2-2 추가 방사체를 이용한 다중 대역 안테나 19
• 3-2-3 두 개의 current path를 이용한 다중 대역 안테나 23
• 3-2-4 기생패치를 이용한 다중 대역 안테나 25
• 제4장 다중 대역 내장형 안테나 설계 및 제작 29
• 4-1 안테나의 설계 목표 및 규격 29
• 4-2 안테나의 설계 이론 30
• 4-2-1 대역폭 확장 방법 29
• 4-2-2 전방향성의 방사 특성을 구현하는 방법 36
• 4-3 제안된 안테나의 구조 및 시뮬레이션 결과 41
• 4-4 안테나의 제작 및 성능 테스트 48
• 제5장 결 론 54
• 참고문헌 56