KETI-RD-199968



최종연구개발결과보고서

CDMA 단말기용 Retractable 안테나개발

(The Development of Retractable Antenna

for CDMA Portable Terminal)





1999. 12.












주관연구기관 전자부품연구원

정 보 통 신 부


제 출 문

정보통신부장관 귀하

본 보고서를 "CDMA 단말기용 Retractable 안테나 개발"과제의 최종보고서로 제출합니다.

1999. 12.

개발사업 주관기관 : 전자부품연구원

개발사업총괄책임자 : 김 종 규 책임연구원

참 여 연 구 원 : 박 인 식 선임연구원

이 규 복 선임연구원

서 호 석 전임연구원

윤 종 섭 위촉연구원


요 약 서

1. 제 목

CDMA 단말기용 Retractable 안테나 개발

2. 연구개발의 목적 및 중요성

가. 연구개발의 목적

최근 급속히 사용자가 증가하는 Analog/Digital Cellular 및 PCS 서비스에 사용되는 개인 휴대통신용 단말기에 장착되는 Retractable 안테나는 현재 전량 수입에 의존하고 있다. 이러한 단말기에 사용되는 RF 핵심부품 중 하나인 소형 안테나를 독자적으로 개발함으로서 원활한 부품수급 및 국산화에 따른 가격 경쟁력 강화를 목적으로 하고 있다.

나. 연구개발의 중요성

현재 국내의 이동통신은 이미 Analog, Digital Cellular 서비스 및 PCS가 1000만명 이상의 가입자를 확보하고 있으며, 급속히 증가하고 있는 추세이며 이러한 이동통신 서비스에는 그 가입자 수에 비례하는 개인휴대용 단말기가 필요하다. 이러한 단말기용 RF 부품 분야의 설계 및 제작기술이 취약한 국내 상황에서는 많은 부분의 핵심 부품들을 전량 수입에 의존하여 단말기 시스템을 생산하고 있는 실정이다. 따라서 현재 상용화된 Cellular, PCS 및 향후 서비스 예정인 IMT-2000 등에 사용되는 단말기용 핵심부품의 개발은 필수적이라 하겠다.

이러한 개인 휴대 단말기 RF 회로의 첫단이면서 동시에 마지막단으로 사용되면서 단말기 성능에 결정적인 영향을 미치는 Retractable 안테나는 국내 기술 개발이 거의 없으며 이로 인해 수입에 의존하고 있는 실정이다. 이러한 핵심부품인 Retractable 안테나의 설계, 제작 및 측정 기술 개발을 더 이상 지연할 경우 선진 외국 기술에 대한 종속도가 더욱 심화되어 현재 상용화된 서비스뿐만이 아니라 급속히 발전하는 차세대 휴대통신용의 개발은 더욱 힘들어질 것이다. 또한 점차 증가하는 이동통신 시장의 시장규모로 판단할 때 수입대체 등의 효과 또한 클 것이므로 빠른 시일 안에 국산화하여야 한다.

3. 연구개발의 내용 및 범위

본 과제의 최종 연구 목표는 CDMA 단말기에 장착되는 소형 Retractable 안테나를 실제로 개발하고 제작하는 것이다.

수 행 세 부 과 제

내 용

안테나 설계 및 제작

- 안테나 전용 시뮬레이터를 이용한 설계 기술

- Cellular, PCS 단말기용 안테나 시제품 제작

- 업체 기술이전 및 생산 공정

안테나 측정 기술

- 소형 안테나 성능 측정을 위한 기술 개발

- Gain, VSWR 측정기술

- 방사패턴 측정기술

전자파의 SAR 연구

- 인체 모델에 대한 정확한 SAR 연구

- 단말기 형태별 평균 및 최대 SAR 연구


4. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의

가. 연구개발 결과

- 특허 조사 및 분석

본 연구에서는 CDMA Cellular등에 사용되는 Retractable 안테나 개발을 위해 국내·외에 출원된 특허 조사를 선행하였다. 독자적인 특허권을 가지지 못한 상태에서 제작된 부품은 어디에도 장착되지 못하고 있는 실정이므로 기존에 선진외국에서 출원된 특허를 검색 및 분석함으로서 제작 후 발생할 수 있는 특허분쟁을 사전에 방지하고자 하였다.

- 단말기용 안테나 설계 및 제작 기술 개발

본 과제에서는 안테나 전용 시뮬레이터를 이용하여 단말기용 안테나의 설계에 필수적인 3차원에서의 안테나 시뮬레이션 기법을 연구하였으며, 현재 단순화된 단말기 모형에서의 소형 안테나 설계가 가능하다. 이를 바탕으로 Cellular, PCS, GSM 단말기용 안테나를 제작하였다.

- 안테나 성능 측정 기술 개발

다른 모든 RF 부품들과 마찬가지로 소형 안테나 또한 그 특성을 측정하고 평가하는 방법의 연구가 필수적이다. 본 과제에서는 단말기용 안테나의 Gain, VSWR 및 방사패턴을 정확히 측정하는 기술을 연구하였으며, Near Field 측정방법에 의한 실내에서의 안테나 성능 측정 능력을 갖추었다.

나. 활용에 대한 건의

CDMA 단말기용 안테나 개발에 필요한 특허조사 및 분석 자료는 Cellular, PCS, GSM 등 여러 방식이 이동통신 서비스에 사용되는 단말기용 안테나 개발의 선행 자료로서 활용될 수 있다. 또한 소형 안테나의 3차원에서의 시뮬레이션 기술과 안테나 성능 측정기술은 직접 제품 개발에 필수적이다. 이러한 기술로서 실제 단말기용 안테나를 제작하였으며, 좋은 결과를 얻었다. 현재 실시계약업체에 기술이전을 하였으며, 단말기 제조업체별로 적합한 안테나를 생산하고 있다.

4. 기대효과

- 이동통신 개인휴대용 단말기 장착용 소형안테나 특허 분석 결과 확보

- 3차원에서의 소형 안테나 설계 및 시뮬레이션 기술 확보

- 단말기용 소형 안테나 제작 기술 확보

- 단말기에 장착된 소형 안테나의 성능 측정 기술 확보


Summary

In this research, we designed, manufactured and tested for the mobile phone antennas. We designed and simulated dual helix antenna, multi layed antenna that used for IE3D, HFSS software.

The antennas were manufactured for several kind of the phone type(Cellular, PCS, GSM) each one. This antennas were tested with phones by near field measurement system in an anechoic chamber. We obtained good results for antenna gain, VSWR, radiation pattern, power efficiency and etc.

The result, a dual helix antenna is superior to a multi layed antenna in electrical characters. The antenna was tested mechanical and environmental reliability as commercial goods for unconditional damage in using.

Finally, we simulated SAR(Specific Absorption Ratio) effect to human body. We used human head and shoulder model and male some kind of phone models. We discovered a folder type phone less than Bar type phone in SAR value.

In chapter 2∼4, there are result of patent research, basic antenna theories and technique. In chapter 5, there are design and manufacture method for new style antennas. In chapter 6, we described about measurement method and results. In chapter 7, there are SAR modeling and research result.

The characteristic of an antenna is superior with advanced nations's.


<Contents>

Chapter 1 Introduction

Chapter 2 Abstract of Antenna for Cellular Phone

Section 1 Composition of CDMA Phone

Section 2 Antenna Theory

Chapter 3 Structures of Cellular Phone antenna

Section 1 Helical and Monopole Composition Type

Section 2 PIFA and Planar Antenna Structure

Section 3 SMD Type Antenna Structure

Section 4 Other Structures

Chapter 4 Characteristics of Antenna on the Phone

Section 1 Antenna with Finite Ground

Section 2 Deviation Value for Phone Size and Antenna Position

Chapter 5 Design and Manufacture Retractable Antenna

Section 1 New Structure Retractable Antenna

Section 2 Each Parts of Retractable Antenna for Cellular Phone

Section 3 Dual Helix Antenna

Section 4 Design and Manufacture multi Layed Antenna

Chapter 6 Characteristics Measurement of Retractable Antenna

Section 1 Brief Script for measurement

Section 2 Measurement method

Section 3 Measurement Dual Structure Antenna

Section 4 Measurement and Analysis for multi Layed Antenna

Chapter 7 SAR of Retractable Antenna

Section 1 Importance and Problem of Electromagnetic Wave

Section 2 SAR Problem of Cellular Phone

Section 3 SAR Simulation with Human Body Model

Chapter 8 Measurement of Mechanical·Environment Characteristics

Section 1 Measurement of Mechanical ·Environment Characteristics

Section 2 Mechanical Characteristic Test

Section 3 Environment Characteristic Test

Chapter 9 Conclusion

[Reference]


<목 차>

제 1 장 서 론

제 2 장 단말기용 안테나 개요

제 1 절 CDMA 단말기의 구성요소

제 2 절 안테나 기본 이론

제 3 장 단말기용 안테나 종류

제 1 절 Helical 및 Monopole 안테나 결합형

제 2 절 PIFA 및 평면 안테나 구조

제 3 절 SMD 형태 안테나 구조

제 4 절 기타 변형 구조

제 4 장 단말기에 장착된 안테나 기본 특성

제 1 절 유한 접지면상의 안테나 기본 특성

제 2 절 단말기 형태 및 안테나 위치에 따른 변화

제 5 장 Retractable 안테나 설계 및 제작

제 1 절 새로운 구조의 Retractable 안테나

제 2 절 단말기용 Retractable 안테나 부위별 기능

제 3 절 이중구조 헬리컬 안테나

제 4 절 적층형 헬리컬 안테나 설계 및 제작

제 6 장 Retractable 안테나 성능 측정

제 1 절 성능 측정 개요

제 2 절 성능 측정 방법

제 3 절 이중 구조 안테나 성능 측정

제 4 절 적층형 헬리컬 안테나 성능 측정 및 분석

제 7 장 Retractable 안테나의 SAR 특성

제 1 절 전자파 문제 및 중요성

제 2 절 단말기 SAR 문제

제 3 절 인체 모델을 이용한 SAR 시뮬레이션

제 8 장 기계적·환경적 특성 측정

제 1 절 기계적·환경적 특성 측정

제 2 절 기계적 특성 시험

제 3 절 환경적 특성 시험

제 9 장 결 론

[참고 문헌]

<표 목차>

<표 4-1. 기준 단말기 형태 및 안테나 위치>

<표 4-2. 기준 단말기 형태 및 높이 변화>

<표 5-1. 단말기용 안테나 주요 부위별 기능>

<표 5-2. 설계된 헬리컬 안테나 전기적 사양>

<표 5-3. 적층형 헬리컬 안테나 파라미터>

<표 6-1. 성능 측정을 위한 주파수 대역>

<표 6-2. Cellular용 안테나 성능 측정>

<표 6-3. PCS용 안테나 성능 측정>

<표 7-1. 국제방사선방호협회(IRPA) 직업인 안전기준값>

<표 7-2. 미국국가표준협회(ANSI) 안전기준값>

<표 7-3. 일본 전파방호지침 안전기준값>

<표 7-4. 미국 FCC 휴대전화 등에 대한 강제규정>

<표 7-5. 인체 모델 주요 부위별 주파수 특성>

<표 7-6. 휴대전화 모델링>

<표 7-7. SAR 계산 결과>

<표 7-8. 각 나라별 전자기파에 대한 인체안전지침>

<그림 목차>

<그림 2-1. CDMA 단말기 기본 Block Diagram>

<그림 2-2. 안테나에서 에너지의 변환>

<그림 2-3. 다이폴에서의 복사>

<그림 2-4. 안테나 주위의 Field 영역 구분>

<그림 2-5. Angular 좌표계에서의 안테나 패턴 및 Lobe>

<그림 2-6. 안테나 시스템의 임피던스>

<그림 2-7. Electric 및 Magnetic Conductor에 대한 영상정리>

<그림 2-8. 길이가 λ/4인 Monopole 안테나의 등가 모델>

<그림 2-9. Dipole 안테나 좌표계>

<그림 2-10. Dipole 안테나의 복사패턴>

<그림 2-11. /10 크기의 소형 Monopole 안테나 동작원리>

<그림 2-12. /10 크기의 소형 Monopole 안테나 복사패턴>

<그림 2-13. 길이가 /4인 Monopole 안테나 동작원리>

<그림 2-14. 접지면을 가지는 Helical 안테나 구조>

<그림 2-15. Normal Mode Helical 안테나 방사패턴>

<그림 2-16. Normal Mode Helical 안테나의 등가모델>

<그림 2-17. 용량성 평판 안테나>

<그림 2-18. 기본적인 단말기용 안테나 정합회로(Ⅰ)>

<그림 2-19. 기본적인 단말기용 안테나 정합회로(Ⅱ)>

<그림 3-1. Helical 및 Monopole 안테나 결합형 기본 구조>

<그림 3-2. Helical(하측) 및 Whip(상측) 결합형 기본 구조>

<그림 3-3. 구조 1의 Whip 안테나의 구조>

<그림 3-4. Extended 위치에서 Helical(상측) 및 Whip(하측) 결합형>

<그림 3-5. PIFA(Planar Inverted F Antenna)>

<그림 3-6. SMD 형태의 Chip 안테나, Mursta사 제품>

<그림 3-7. 고정된 헬리컬과 이동형 헬리컬을 합한 변형 구조>

<그림 3-8. 아래쪽에 헬리컬이 고정된 형태의 새로운 변형구조>

<그림 4-1. 유한의 그라운드 평면을 가지는 모노폴 안테나>

<그림 4-2. 유한 평면상의 Monopole 안테나 복사패턴>

<그림 4-3. 금속성 단말기 모델 상의 Monopole 안테나 해석 구조>

<그림 4-4. 최적화 전의 Monopole 안테나 VSWR>

<그림 4-5. 최적화 전의 Monopole 안테나 복사패턴(VSWR:9.5 이하) >

<그림 4-6. 최적화 후의 Monopole 안테나 VSWR>

<그림 4-7. 최적화된 Monopole 안테나 복사패턴(VSWR:1.5 이하)>

<그림 4-8. Helical 안테나가 장착된 단말기>

<그림 4-9. 헬리컬 안테나 복사패턴(VSWR : 10 이상)>

<그림 4-10. 헬리컬 안테나 복사패턴(VSWR : 1.5 이하)>

<그림 4-11. Monopole 및 Helical 안테나가 동시에 장착된 모습>

<그림 4-12. Monopole+Helical 안테나 복사패턴(VSWR : 2.5 이하)>

<그림 4-13. 단말기 상단에 장착되는 안테나 위치>

<그림 4-14. 안테나 설치 위치별 VSWR>

<그림 4-15. 안테나의 설치 위치별 방사특성>

<그림 4-16. 단말기의 높이에 따른 VSWR>

<그림 4-17. 단말기 높이 변화에 따른 방사특성>

<그림 5-1. 이중구조 안테나 기본 개념도>

<그림 5-2. 적층형 안테나의 기본 개념도>

<그림 5-3. 단말기용 안테나 주요 부위별 명칭>

<그림 5-4. 이중 Helical 안테나의 구조>

<그림 5-5. 유한 접지면에 의한 방사패턴 변화, 1.8GHz>

<그림 5-6. 설계된 안테나의 방사패턴>

<그림 5-7. 설계된 안테나의 VSWR>

<그림 5-8. 헬리컬 부위별 제작 부품>

<그림 5-9. Whip 부위별 제작 부품>

<그림 5-10. 헬리컬 안테나 구조도>

<그림 5-11. 적층형 헬리컬 안테나>

<그림 5-12. 수평 금속선 패턴도>

<그림 5-13. HP-HFSS 시뮬레이션 Set-Up>

<그림 5-14. 시뮬레이션에 의한 적층형 헬리컬 안테나의 VSWR>

<그림 5-15. 시뮬레이션에 의한 적층형 헬리컬 안테나의 복사패턴>

<그림 5-16. 적층형 헬리컬 안테나의 적층 공정>

<그림 5-17. 세라믹 적층형 헬리컬 안테나 제작용 유전체 시트>

<그림 5-18. 제작된 세라믹 적층형 헬리컬 안테나 사진>

<그림 5-19. 적층형 헬리컬 안테나의 적층 공정>

<그림 5-20. 에폭시 적층형 헬리컬 안테나의 PCB Layout>

<그림 5-21. 제작된 에폭시 적층형 헬리컬 안테나 사진>

<그림 6-1. Near Field 측정 장비를 이용한 측정 방법 개요도>

<그림 6-2. 측정을 위한 피측정 안테나 설치>

<그림 6-3. Retractable Position에서의 주파수 특성>

<그림 6-4. Extended Position에서의 주파수 특성>

<그림 6-5. Cellular용, Retractable Position, phi=0>

<그림 6-6. Cellular용, Extended Position, phi=0>

<그림 6-7. Cellular용, Retractable Position, phi=90>

<그림 6-8. Cellular용, Extended Position, phi=90>

<그림 6-9. Retractable Position에서의 주파수 특성>

<그림 6-10. Extended Position에서의 주파수 특성>

<그림 6-11. PCS용, Retractable Position, phi=90>

<그림 6-12. PCS용, Extended Position, phi=90>

<그림 6-13. 세라믹 적층형 헤리컬 안테나의 VSWR 특성>

<그림 6-14. 세라믹 적층형 헬리컬 안테나의 방사패턴>

<그림 6-15. 에폭시 적층형 헬리컬 안테나의 VSWR 특성>

<그림 6-16. 에폭시 적층형 헬리컬 안테나의 방사패턴>

<그림 7-1. 인체에 대한 전자기파 영향 분류>

<그림 7-2. 인체 두상 모델>

<그림 7-3. 인체 모델에 장착된 단말기>

<그림 7-4. 인체 모형에 결합된 Bar 형태의 단말기 VSWR>

<그림 7-5. 인체 모형에 결합된 폴더 형태의 단말기 VSWR>

<그림 8-1. 외관 비틀림 시험>

<그림 8-2. 커버 장력 시험>

<그림 8-3. Whip Bending 시험>

<그림 8-4. Whip Bending 내구성 시험>

<그림 8-5. Whip 장력 시험>

<그림 8-6. 온도 주기 특성 시험 방법>

<그림 8-7. 진동 시험 방법>


제 1 장 서 론

정보화의 눈부신 발전으로 현대사회는 하루가 다르게 변해가고 있다. 많은 정보들을 정확하고 신속하게 전달하기 위한 대표적인 수단이 이동통신 시스템이다. 이러한 국내 이동통신 가입자는 이미 천만명을 훨씬 넘었고, 나아가서는 B-WLL, IMT-2000 등의 고기능 통신서비스가 실현될 전망이다.

이와 같은 이동통신 서비스에는 많은 단말기 부품들을 필요로 한다. 특히 단말기용 안테나와 같은 핵심 부품 등은 아직도 많은 부분을 수입에 의존하고 있다. 따라서 국내 이동통신 단말기용 안테나 개발은 필수적인 것이라고 볼 수 있겠다. 본 연구에서는 이동통신 단말기용 안테나 종류, 동작원리 등을 설명하였고, Helical 안테나가 단말기의 장착 위치에 따라 변하는 안테나 특성 등을 시뮬레이션 하였다. 그리고 본 연구를 통하여 출원된 특허를 토대로 Retractable 안테나 2종(이중 헬리컬, 적층형)을 설계, 제작, 특성을 측정하여 상용화 완료하였다. 또한 전자기파가 인체에 미치는 영향 등을 분석해보는 SAR(Specific Absorption Ratio)를 시뮬레이션 프로그램을 통하여 측정하였다. 본 연구는 지적재산권 확보에서부터 상용화 제품까지를 개발 완료하였다는 점에서 큰 의미가 있다고 보며, 이동통신부품 국산화에 일조 할 수 있으리라 사료된다.


제 2 장 단말기용 안테나 개요

제 1 절 CDMA 단말기의 구성요소

이동통신 서비스에 사용되는 단말기의 기본구조는 그림 (2-1)의Block도와 같다. Block도에 표시된 것과 같이 안테나는 입·출력 신호를 서로 분리시켜 주는 Duplexer에 연결되어 있다. 보통 단말기의 외부면 상단에 장착되어 있는 소형 안테나는 신호출력 상태에서는 시스템의 최종단으로 동작하고, 신호를 수신할 때는 시작단으로 사용되는 등 두 개의 역할을 동시에 하게된다. 이와 같이 안테나는 단말기에 장착되어 RF 대역으로 변조된 신호의 시작과 끝이 되는 시점으로서 무선통신에 있어서 기본이 되는 부품이며, 안테나 자체의 성능이 시스템 전체의 성능에 많은 영향을 미치게 된다.

이러한 단말기용 안테나는 단방향성 안테나가 장착되어 있는 무선호출기나 주로 산업현장 등에서 사용되는 고정식 안테나가 부착된 무전기와는 달리 양방향 통신이 가능하여야 하고 휴대가 간편하여야 하는 등의 목적에 의해 주로 수납가능형 안테나인 Retractable 안테나를 사용한다. 수납이 가능한 안테나로서 가장 흔히 사용되는 형태는 단파 라디오에 장착되어 있는 것이 있는데 초기에는 단말기에도 사용이 되었지만 현재는 좀더 길이를 짧게 하면서도 성능을 현저히 높일 수 있는 방법들이 많이 연구되고 있다. 시판되고 있는 단말기들의 안테나는 보통 신호대기 상태와 통화상태에서 각각 적합한 두 개의 안테나가 조합된 형태이다. 이러한 안테나는 단말기의 형태에 따라 장착했을 때 많은 성능 차이를 보이며, 이것을 보상해주기 위해서 안테나와 Duplexer 사이에 정합회로를 설치하는데 단말기에서는 안테나와 떨어진 별개의 회로가 아닌 안테나와 하나의 부품으로 생각해야 한다. 이 회로는 안테나 자체가 가지고 있는 Reactance 성분을 상쇄시켜주며 또한 임의 모양의 단말기에 안테나가 부착될 때 정합이 되지 않으므로 발생되는 성능 저하를 막기 위해 설치되며 나 T 형태를 기본으로 하여 Inductor 와 Capacitor로 구성된다.

제 2 절 안테나 기본 이론

1. 안테나의 기본 작동 원리

안테나는 전자기파를 자유공간 또는 임의 매질 속으로 복사 또는 수신할 수 있는 부품으로 정의할 수 있다. 좀더 자세히 설명하자면 전자파를 복사시키기 위해 사용할 때는 전송선로를 따라 이동된 전자파(Guide Wave)를 자유 공간의 복사파로 변환하고, 수신모드로 사용하는 경우에는 자유공간의 전자파를 전송선로로의 Guide Wave로 변환하는데 사용되는 전자기파 변환기로 정의 할 수 있다. 이를 간단한 전자공학적인 표현으로 하면 일반 회로에서 전압과 전류로 표현되는 전자에너지를 자유공간으로의 전자파 에너지로 변화 또는 그 반대의 목적으로 사용되는 전자기파 변환기인 것이다.

이러한 안테나를 처음 실험적으로 증명한 사람은 H.R. Hertz로서 그는 송신 안테나로서 양끝에 부하를 장치한 반파장 다이폴 안테나를 사용하고, 일정 정도 거리를 두고 설치되어 있는 수신용의 사각형 Loop 안테나를 이용하여 반파장 다이폴 안테나의 중심부의 틈 사이에 불꽃이 일어날 때 Loop 안테나의 중심부 틈 사이에서 불꽃이 일어난다는 것을 증명하였다. 즉 안테나 복사전력의 실체를 증명한 것이며, 오늘날 많은 부분에 사용되는 안테나들도 이 같은 반파장 다이폴 안테나들의 발전된 형태이다.

이러한 복사는 도체 내부에서 전자들이 이동할 때 가속도 운동을 하게 됨으로서 일어난다. 즉 모양에 변형이 없는 균일한 도체에서 전자들이 일정한 속도로 운동을 하게 되면 복사는 일어나지 않는다. 하지만 전자들의 속도가 시간에 따라 변하거나 전자들이 운동하는 도체의 모양이 변하게 되면 즉시 복사를 하게 된다. 즉 원자를 구성하고 있는 핵 주위의 전자들이 일정한 괘도를 그리면서 운동을 할 때 에너지의 흡수나 방사가 없지만 그 괘도를 이탈 할 때는 에너지의 방사 또는 흡수가 일어나는 것과 흡사한 현상인 것이다.

그림 (2-2)는 신호공급원으로부터 전송선으로 연결된 안테나에 신호가 전달될 때 각 부분별 에너지의 변화모습과 각 영역의 명칭을 설명한 그림이다. 동축선로와 같은 전송선상에서 안테나 입력단까지의 TEM Wave를 변환이 없고 그대로 전송된다는 의미에서 Guided Wave라 부르며, 에너지의 변환이 시작되는 안테나부를 Transition Region 그리고 변환된 에너지가 대기중으로 나가는 전체부위를 복사영역이라고 한다.

다이폴 안테나와 같이 유한한 길이를 가지는 균일한 직선 도체를 복사원으로 이용할 경우 내부의 전자들은 균일한 속도로 운동을 하는 것 같지만 사실은 양 종단이 개방상태이므로 급격하게 방향을 전환하고 또한 전원 공급의 극성 변화로 상하 또는 좌우 변환 운동을 하는 것이기 때문에 안테나 전체면에서 복사가 발생하는 것이다. 이것을 좀 더 자세하게 설명하면 다음과 같다. 그림 (2-3-a)와 같이 길이가 인 다이폴 안테나에서 전기적 성질을 가진 + 전하와 -전자가 양끝단에 위치하고 있다. 이 상태에서 전하와 전자는 최대 가속점에 도달하게 되어 순간적으로 전류는 0이 된다. 그리고 나서 전원의 극성 변화로 서서히 방향을 바꾸어 서로를 향해 가속도가 줄어들면서 움직이기 시작하고 두 전하가 중앙지점을 통과하게 된다. 이렇게 양극성을 띈 전하가 중앙지점을 통과하면서 그림(2-3-c)에서와 같은 모양으로 전장이 공간으로 떨어져 나가고 반대방향을 가지는 새로운 전장이 형성된다. 이때 두 전하체는 가속도가 0이 되며 순간전류는 최대가 된다. 중앙지점을 통과한 두 전하는 처음과는 반대의 끝 부분에 다시 도착하게 되며 위에서 설명한 것과 같은 방법으로 계속적인 상하 반복 가속운동을 함으로서 전자파의 연속적인 복사가 이루어지게 된다.

2. Field Regions

안테나가 복사를 할 때 그 주위의 영역은 크게 세 종류로 나눌 수 있는데 첫째 Reactive Near-Field 영역, 둘째 Fresnel(Radiation Near-Field) 영역 그리고 마지막으로 Far Field 영역이다. Field의 특징 및 구조가 각 영역의 경계를 지나면서 급격하게 변화가 일어나는 것은 아니지만 세 가지 영역들 사이에는 큰 특징을 나타내는 차이가 있다.

⊙ Reactive Near-Field 영역

복사되는 Field 보다 Reactive Field가 우세한 영역으로 그림 (2-4)에 표시된 것과 같이 안테나와 바로 근접한 부분으로 정의된다. 파장이 이고 안테나의 가장 긴 면의 길이가 D일 때 보통 안테나의 길이 내의 영역으로 정의되며 통상 한 파장보다 짧은 거리에 존재하는 영역을 지칭한다. 이 영역에서는 에너지가 복사되지 않고 마치 축적되어 있는 상태이고 안테나와 측정용 Probe 사이의 Coupling이 심하여 이 영역내의 Field를 측정하는 것은 대단히 어렵다. 실제 통신에서는 거의 사용되지 않고 있으며 Aperture 안테나의 신호급전이나 단말기용 안테나의 Coupling을 이용한 급전 방법 등에 이러한 영역이 제한적으로 사용되고 있다.

⊙ Fresnel 영역

Reactive 영역에 비해서는 복사전자계의 값이 우세하고 Field 분포가 그림 (2-4)의 중간부분처럼 안테나로부터 거리에 따라서 변하는 영역으로 Reactive 영역과 Far Field 영역의 사이로 정의된다. 최대 위상오차를 Radian으로 할 때 방사상의 거리 R이 을 만족하는 영역으로 정의되는데 일반적으로 안테나로부터

이상이다. 현재 상용서비스가 이루어지는 Analog/Digital Cellular의 주심주파수를 850MHz로 볼 때 는 약 1m가 되며, PCS의 중심주파수를 1.8GHz로 두면 는 약 50cm이다.

⊙ Far-Field 영역

Fraunhofer 영역이라고 하는데 각도에 따른 Field 분포가 안테나로부터의 거리에 따라서 변하지 않으며 복사파를 평면파로 가정할 수 있는 영역으로, 전력밀도의 허수부가 실수부에 비해 무시할 수 있을 정도로 작아서 복사 전력 값이 우세하다. 최대 위상오차를 Radian으로 할 때 이 영역은 일반적으로 인 영역으로 정의된다. 이 영역에서는 전자계 성분들이 방사방향에 따라 횡단면 성분만을 가지게 되므로 Field 패턴 즉 복사패턴이 안테나로부터의 거리에 관계없이 일정하다.

보통 안테나의 특성 및 성능을 평가하는 각종 파라미터들을 논의 할 때는 이 Far Field 영역에서의 값들로서 정의되며, 실제 무선 통신에서 사용되는 모든 수식이나 측정값들은 모두 이 영역에서의 값들이다. 이 영역에서의 안테나 파라미터 중 복사파 크기 패턴의 형태는 대단히 중요한 것으로서 실제로 Far Field가 형성되는 위치에서 복사파를 측정하는 방법과 Fresnel 영역을 조금 벗어난 곳에서 측정한 데이터를 일정 수식에 의해 처리함으로서 얻는 방법 등이 있는데 최근 기술의 발달로 두 가지 방법 모두 일정 오차 내에서 동일한 결과를 나타낸다.

3. 안테나 파라미터

안테나의 성능과 특징을 규정하고자 할 때 사용되는 여러 가지 중요한 파라미터들 중에서 본 과제와 관련이 있으며 앞으로의 보고서 내용 전개에 필요한 기본적인 것들을 아래에 설명한다.

⊙ 안테나 패턴

Far Field에서 측정한 각각의 안테나 파라미터 정보를 그래프적으로 나타낸 것을 안테나 패턴이라고 한다. 보통 가장 중요한 안테나 패턴으로는 Field의 크기, 위상, 지향도 같은 것을 표시한 것이 있으며, 이 같이 패턴으로 나타내는 방법으로서 파라미터들을 구 좌표계에서의 와 ø 의 함수로서 3차원적으로 표시하거나 Angular 좌표계에서 2차원적으로 표시하는 방법 등이 있다. 본 보고서에서는 안테나의 성능 측정값들을 그래프적으로 나타내기 위해 Far Field 영역에서의 Field 크기를 그림 (2-5)와 같은 Angular 좌표를 이용하였다.

⊙ Main Lobe

최대 복사패턴의 방향을 포함하는 복사 Lobe로 정의되며 보통 안테나를 설계할 때 원하는 방향으로의 최대 에너지 전송 등을 나타낼 때 이용된다. 단말기용 소형 안테나는 이상적일 때 Elevation 방향을 Angular 좌표에서 Field의 크기를 나타낼 때 그림 (2-5)와 같이 2개의 Main Lobe를 가진다. 하지만 실제적으로 제작되어 사용되고 있는 소형 안테나 및 대부분의 안테나는 어느 정도 Side Lobe를 가지게 된다.

⊙ Side Lobe

그림 (2-5)의 Elevation 패턴의 30°방향과 같이 원하는 방향으로의 복사 Lobe 즉 main Lobe와는 다른 방향으로 복사되는 Lobe를 전체적으로 나타내는 표현이다. 즉, 에너지 전송이라는 측면에서 살펴볼 때 전송하고자 하는 방향이 아닌 다른 방향으로의 에너지 전송을 뜻하는 것이므로 손실을 나타낸다. 이러한 Side Lobe는 안테나의 구조, 급전 방법, 설치 공간, 배열방법 등에 의해 신호의 보강 및 간섭효과에 의해 발생하게 되는데 Main Lobe와 Side Lobe와의 비를 dB로 나타낸 것이 Side Lobe Lebel 이다. 특수한 경우를 제외하고는 안테나 설계 및 제작에 있어서 Side Lobe는 복사 에너지의 불필요한 감소를 나타내는 것으로 최소한으로 줄여야 한다. 단말기에 장착된 소형 안테나에서 발생하는 Side Lobe는 두 가지의 서로 다른 안테나들의 간섭효과와 단말기 자체의 접지면 효과에 의해 발생하는 것으로 판단된다.

⊙ 입력 임피던스

안테나 단자에서 안테나에 의하여 발생하는 임피던스로서 다른 회로와 마찬가지로 안테나 단자에서 전압과 전류의 비로 나타낸다. 하지만 주파수가 높은 상태에서 전압 및 전류의 측정은 힘들기 때문에 보통 전장과 자장의 비율로서 표현되는데 보통은 복소량으로 나타내며 그림 (2-6)과 같이 등가회로로 나타낼 수 있다. 일반적인 회로이론에서와 마찬가지로 신호급전단과 안테나의 입력임피던스는 서로 정합이 될 때 최대신호전송이 가능하며 단말기용 소형 안테나는 다른 RF 회로들과 마찬가지로 50 을 표준으로 선택하고 있으나 단말기 본체에 장착될 때 단말기 모양에 따라 정합도가 떨어지게 되므로 정합회로를 이용하여 50 에 근접시킨다.

⊙ 복사효율

전원부에서 안테나로 전송된 총 에너지와 안테나로부터 복사된 총 에너지의 비율로 정의되는 양으로서 안테나의 성능을 나타내는 중요한 파라미터이다. 이상적인 경우 복사효율은 1이 되지만 안테나는 자체 손실을 가지고 있는 수동부품이므로 실제적으로는 0과 1사이의 값을 가지게 된다. 그림 (2-6)의 등가회로에서 복사효율은 와 같이 임피던스의 비율로 간단히 표현된다.

⊙ VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)

부하쪽으로 진행하는 에너지파와 부하쪽에서 반사되어 나오는 에너지파에 의해 발생하는 Standing Wave의 최대값과 최소값의 비로서 안테나와 급선부위의 정합정도를 나타내는데 사용된다. 손실이 없는 라인에서 어떤 주파수 을 가지는 라는 신호가 어떤 방향으로 진행하고 있을 때 이와 반대방향으로 같은 주파수의 신호 가 반사될 때 VSWR 관계식은 다음과 같다.

(2-1)

여기에서 은 각각 신호가 진행중인 라인에서의 최대 Field 세기를 나타낸다. VSWR을 이용한 다음식을 이용하면 쉽게 안테나로 급전되는 에너지의 효율을 계산할 수 있다.

반사파워(%) (2-2)

⊙전력밀도

단위가 Watt/m2 인 것에서 알 수 있듯이 단위면적당 안테나로부터 복사되는 전자파의 전력 밀도를 나타내며 복소량으로 주어진다. E Field와 H Field로 전력밀도 를 표현하면 다음과 같다.

(2-3)

수식 (2-3)을 풀이했을 때 복사되는 것 보다 에너지가 마치 안테나 주위에 모여있는 형태인 Reactive Near-Field 영역에서는 실수부의 값이 크다. 그리고 특히 실수부 값을 목사밀도(Radiation Density)라고 하며 안테나의 성능을 평가하는 또 다른 파라미터이다.

⊙ 복사세기

단위 입체각 당 안테나로부터 복사되는 전력의 양으로 표현되며 일반적으로 Far Field 영역에서 구해지는데 그 값은 로 나타낸다.

⊙ 빔폭(Beam Width)

Field의 세기를 복사패턴으로 나타냈을 때 복사세기가 같은 두 방향 사이의 각으로 정의되는데 복사세기가 최대치의 반(-3dB)이 될 때 Half Power Beam Width라고 정의한다. Main Lobe의 빔폭이 좁다는 것은 원하는 한 지점에 한정하여 에너지를 집중시킬 수 있다는 것이다. 위성 송 ·수신용 안테나, 기지국 대 기지국 통신 안테나 또는 정밀분해력을 가지는 레이더 등에 사용되는 안테나는 모두 빔폭이 일반적으로 매우 좁다. 이와 같은 안테나를 제작하기 위해서는 파라볼라 안테나 등의 반사판 면적을 증가시키거나 많은 수의 일반 안테나를 Array 기법에 의해 배치하는 방법들로 구현한다. 하지만 전방향 통신을 위해서 이동통신용 서비스에 사용되는 안테나, 특히 단말기용 안테나는 빔폭이 상당히 넓고 무지향성을 가져야만 한다.

⊙ 지향성 (Directivity)

안테나 성능을 나타내는 파라미터들 중에서 가장 중요한 것 중 하나로서 안테나로부터 에너지가 원하는 방향으로 어느 정도의 양이 복사되는지를 가리키는 파라미터이다. 이를 좀더 수식적으로 나타내면 다음과 같다.

(2-4)

여기에서 는 복사되기를 원하는 임의의 방향을 나타낸다.

지향성이 높은 안테나로는 일반적으로 혼 안테나, 접시형 안테나, Yagi 안테나 등이 있으며, 지향성이 낮은 안테나 즉 무지향성 안테나로는 반파장 다이폴 안테나가 대표적이라고 할 수 있다. 단말기용 소형 안테나는 지향성이 매우 낮아야 하며, 이상적으로는 전 공간으로 일정하게 복사되는 완전 무지향성 안테나여야 한다. 하지만 이상적인 지향성 안테나 및 무지향성 안테나는 실제적으로 구현하기가 불가능하기 때문에 단말기용 안테나는 가급적 Half Power Beam Width를 크게 설계하여 가능한 한 무지향성에 가깝게 하는 것이 중요하다.

⊙ 이득 (Gain)

지향성과 함께 안테나를 정의하는 가장 중요한 요소 중 하나로서, 측정하고자 하는 방향으로의 안테나 복사세기 및 안테나가 전원으로부터 받아들인 전력을 전 공간으로 무지향성의 성능을 가진다고 가정했을 경우 복사세기와의 비를 나타내었고, 이득에서는 입력전력의 비로 나타낸다는 것이다. 입력 전력이 열손실, 유전체손실 등과 관계없이 모두 복사된다면 입력 전력은 같다. 하지만 안테나에서는 어느 정도의 손실이 발생하기 때문에 일반적으로는 복사전력이 입력전력값 보다 작다.

안테나에서 원하는 복사방향이 구체적으로 표시되어 있지 않을 때에는 최대복사방향과 입력전력의 비를 표시하여 최대이득이라고 한다.

⊙ 편파(Polarization)

복사되는 방향에서 볼 때 E Field(Vector 량)의 크기가 변하는 모양을 정의하는 파라미터로서 선형편파, 타원편파 및 원편파로 분류한다. 선형편파는 복사되는 방향에서 볼 때 E Field가 하나의 직선상에서 그 크기가 변화하는 것을 말한다. 원편파 및 타원편파는 복사방향에서 볼 때 E-Field의 크기가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 형태를 말한다. 일반적으로 직선편파와 원편파는 타원편파의 한가지 특수한 형태라고 할 수 있다.

현재 이동통신 단말기 및 기지국에 사용되는 안테나는 모두 직선편파 방식을 사용하고 있다. 하지만 원편파가 직선편파에 비해 주위환경 및 잡음 등에 강한 특징이 있기 때문에 차세대 이동통신 서비스에서는 원편파를 이용한 Diversity 안테나를 사용할 수 있는 방법도 연구되어야 할 것이다.

4. 영상정리와 가역정리

⊙ 영상정리 (Image Theorem)

안테나 해석 문제에 있어서 가장 흔히 존재하고 또한 가장 큰 영향을 미치는 주위물체로는 접지면 (Ground)이 있다. 접지면이 있는 상황에서 복사하고 있는 안테나 문제를 다룰 때는 해석과정을 보다 쉽게 하기 위해서 실제의 전자기 문제를 균일한 매질로 채워져 있는 무한 공간으로 복사하는 안테나로 재구성된 등가문제로 대치할 수 있는 영상정리를 사용한다. 이상적인 경우 전기적으로 등가인 문제는 접지면의 외부에 대해서만 실제 문제의 해로서의 전자계와 동일한 값을 주게 된다. 이러한 해석과정은 가끔 근사적이기는 하지만 정확한 해를 얻을 수 있는데 이 과정에서는 접지 표면에서의 반사현상을 고려하기 위해 가상적인 복사원인 Image를 도입하여 접지면을 대체하게 된다. 즉, 도체면 주위에 존재하는 안테나와 같은 복사원의 전자기적인 해석은 도체 표면에서의 반사, 굴절 등으로 해서 그 해석이 복잡하고 어렵다. 하지만 그러한 도체표면을 원래의 복사원과 유사한 다른 복사원으로 대체할 수 있어 두 복사원의 관계를 쉽게 정의할 수 있다면 문제는 보다 간단하고 쉽게 해석될수 있을 것이다. 이때의 Image의 갯수와 각 Image들의 크기와 위상은 접지면의 구조와 전기적인 매질 특성에 따라 결정된다.

그림 (2-7)은 Electric Conductor 및 Magnetic Conductor에 대한 기본적인 Image를 나타내고 있다.

Image 정리를 도입하여 문제를 간단히 해석할 수 있는 한가지 예로서 이동통신 단말기 및 AM 라디오 중계 기지국에 많이 사용되는 길이의 Monopole 안테나를 생각해 볼 수 있다. 넓은 지표면 위에 보통 설치되는 AM 중계용 안테나는 길이의 Monopole 안테나이지만 지표면이 무한 접지면 효과를 가져오기 때문에 Image 정리를 적용하면 길이를 가지는 Dipole 안테나가 균일 매질속에 존재할 때와 거의 동일한 값을 가진다는 것을 쉽게 알 수 있어 설계가 매우 간단해진다. 또한 단말기 상단에 위치하는 Monopole 안테나도 상단의 금속성 표면이 충분히 넓어진다면 일반 대기 중에 존재하는 Dipole 안테나와 같은 효과를 가진다는 것을 쉽게 생각 할 수 있다. 마찬가지로 단말기 상당에 길이의 Monopole 안테나가 장착될 때 유한 면적을 가지는 접지면 효과에 의해 안테나의 방사패턴 등이 변화 할 것이라는 것을 예상할 수 있다.

⊙ 가역정리(Reciprocity Theorem)

가역의 정리는 멕스웰의 방정식으로부터 유도된 것으로 전자기파 문제를 해석하는데 널리 사용되고 있다. 선형이고 등방성인 매질 안에 두 가지의 복사원 , , 가 각각 존재하고 이 복사원들이 동일한 주파수의 전자계 , , 를 각각 복사한다고 가정한다. 이 때 각각의 복사원과 복사전자계 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립된다.

·( × - × ) = · + · - · - · (2-5)

이 식의 양변에 두 복사원을 모두 포함하는 체적에 대해 체적적분을 행하고 발산절리를 적용한 후 체적표면을 무한면으로 가져가면 다음과 같은 관계식을 얻는다.

· - · ) ( · - · ) (2-6)

이 수식을 일정한 거리를 두고 떨어져 있는 두 개의 안테나 Ant1, Ant2에 적용한다. 첫 번째 경우 , 으로 표현되는 안테나 Ant1이 송신용으로 사용되고 안테나 Ant2가 수신용으로, 두 번째 경우는 , 로 표현되는 안테나 Ant2가 송신용으로 사용되고 Ant1이 수신용으로 사용된다고 하자. 이 때 두 안테나를 각각의 단자가 안테나 Ant1, Ant2의 단자를 의미하는 2단자망으로 다루면 2단자의 상호 임피던스는 동일하게 된다는 것을 유도할 수 있다. 또한 이 등식으로부터 안테나가 선형이고 등방성인 매질에서 복사할 때 송·수신 패턴이 동일함을 증명할 수 있다.

5. Monopole Antenna 해석

현재 이동통신용 개인휴대 단말기에 대부분 장착되어 있는 안테나 중 하나가 Whip 형태의 Monopole 안테나이다. Monopole 안테나는 그 구조가 간단하고 무지향성 안테나이기 때문에 수납형 안테나로서 가장 적합한 형태라고 할 수 있다. 이러한 Monopole 안테나의 특성을 구하기 위한 해석 방법과 동작원리를 설명한다.

가. Image 정리를 이용한 방법

접지면을 사용신호의 파장보다 넓게 했을 때 Image 정리를 적용하여 그림 (2-8)과 같이 소형 Dipole 안테나로 근사화 시킨 후 균일 매질속의 Dipole 안테나를 해석하면 Monopole와 동일한 결과를 얻을 수 있다.

그림 (2-9)와 같이 안테나의 급전점이 공간좌표축의 원점에 위치하고 x-y 평면에 수직으로 각각 의 길이를 가지는 Dipole의 경우 안테나의 지름과 급전점에서의 간격이 사용되는 신호의 파장에 비해 무시할 정도로 작기 때문에 전류의 분포는 아래 식과 같다.

(2-7)

그림 (2-9)와 같은 유한한 길이를 가지는 Dipole 안테나를 z축 방향으로 n 개의 미소한 크기 합으로 분해하고 n의 수를 증가시키면 로 근사화 할 수 있다. 이 때 Far Field 영역에서의 E 및 H Field를 구하기 위해 다음과 같은 균일한 전류분포 를 가지는 미소 Dipole의 Field 공식을 도입한다.

(2-8)

위 식에 로 근사화된 안테나의 각 부분별 전류분포 과 Field점까지의 거리 R을 대입하면 Far Field에서의 의 각 성분별 근사식은 다음과 같다.

(2-9)

E Field를 구하기 위하여 Far Field 근사법을 이용해서 수식의 위 상항에는 크기항에는 대입한 후 적분을 취하면 다음과 같다.

(2-10)

앞서 가정한 Dipole 안테나의 전류분포식을 대입하여 적분항을 두 개로 분리하면 다음과 같다.

(2-11)

위의 식을 적분하기 위하여 아래와 같은 적분 공식을 도입한다.

(2-12)

여기서 = 로 각각 대입하여 정리하면 다음과 같은 Far Field에서의 전장 E를 구할 수 있다.

(2-13)

같은 방법과 순서에 의해 H Field를 구할 수 있으나 Far Field에서의 E, H의 상호관계식을 이용하면 아래와 같이 쉽게 계산할 수 있다.

(2-14)

다음으로 복사패턴을 구하기 위해서 먼저 Dipole의 Poynting vector를 식 (2-13)과 식 (2-14)을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

(2-15)

이식에 복사세기 관계식 를 적용하면 식 (2-16)과 같은 결과식을 얻을 수 있으며 에 대한 극좌표계에 도시하면 그림 (2-10)과 같다.

(2-16)

그림 (2-10)에서 안테나의 길이가 점점 증가할 때 Main Lobe는 점점 더 좁아지게 되는데 3 dB 빔폭을 살펴보면 길이가 에 비해 무시할 정도로 작을 때는 약 90˚, 일 때는

약 87˚, 일 때 78˚그리고 와 같아지면 약 47.8˚이다. 만약 안테나의 길이가 보다 커지게 되면 Side Lobe들이 발생하게 되어 특수한 경우가 아니면 통신용으로는 부적합하다.

이와 같은 결과를 통해 길이가 의 변형인 단말기용Monopole 안테나의 복사패턴은 빔폭이 약 78˚를 가져야 하지만 금속면으로 근사화할 수 있는 단말기 표면의 영향 등에 의해 변화된다.

나) Monopole 안테나의 복사원리

도체 평면상에 존재하는 Monopole 안테나에 고주파 신호가 급전되었을 때 에너지가 어떤 방법에 의해 어떤 모양으로 복사되는지를 보기 위해서 파장에 비해 길이가 아주 짧은 형태와 파장을 고려해야 할 정도의 길이를 가지는 2가지 형태에 있어서의 복사원리를 설명한다.

⊙ 초소형 ( ) Monopole 안테나

그림 (2-11) (a) ∼(g)는 사용 파장에 비해 아주 작은 안테나의 전장 모양을 설명하기 위해 반파장 동안의 동작을 도시한 것이다. 반파장 다음의 동작은 도시한 그림과 동일하므로 생략하였다.

시간에 따라 변하는 와 같은 전압 신호가 동축선을 통해 내부 금속선은 안테나의 입력단, 외부 접지선은 안테나가 설치되어 있는 접지면에 연결되는 형태로 급전된다고 가정한다. 그림 (a)는 신호원으로부터 전압이 입력단으로 인가되는 순간을 나타낸 것이다. 이때 안테나의 높이가 파장에 비해 매우 작기 때문에 안테나와 급전선 내부도체는 전원에 의해 충전되는 Capacitor로 생각 할 수 있다. 인가 전압이 증가할수록 전원은 안테나와 급전선 내부도체에 점점 더 많은 양의 전하를 충전하게 되며 주기가 지나면 그림 (b)에 도시된 것과 같이 충전양은 최고점에 다다르게 된다. 이 상태에서는 전하들이 더 이상 안테나와 급전선 내부도체 쪽으로 이동하지 않지만 접지면 상에서 안테나로부터 멀어지는 전자들의 이동은 계속된다. 이러한 처음 주기 후에는 전원에서 공급되는 전압의 크기가 줄어들게 되며 접지면 상의 전자들과 안테나의 전하들은 다시 전원쪽으로 이동하게 되며 다음 주기가 지나면 안테나는 완전히 방전된다. 이러한 반주기 동안에 접지면상에서의 전자 운동은 크게 두 가지로 분리된다. 첫째, 두 번째 주기 동안에 전장을 형성하고 있던 전자와 전하들이 전원쪽으로 다시 되돌아가는 형태로서 안테나 주위에 Reactive 영역이 형성되는 것을 설명할 수 있는 부분이다. 두 번째로는 안테나에서 멀어지는 방향으로 운동하던 전자가 일정 관성에 의해 그 방향으로 계속적으로 운동하는 것으로 Far Field를 형성하는 것이다. 이때 관성 운동에 의해 멀어져 가는 전자와 안테나의 전하 사이에 의해 형성된 전장은 전원쪽으로 되돌아가는 힘에 의해 그림 (b)와 (e)에서 보는 것처럼 안테나와 가까운 부위에서 둘로 분리되어 각각 전원쪽과 안테나에서 멀어지는 방향으로 형성된다. 이런 반복적인 효과에 의해 그림 (g)와 같이 안테나에서 멀어지는 방향으로 전장이 형성된다.

이러한 구조의 소형 Monopole 안테나는 하나의 축전기와 같이 동작하기 때문에 전원에서 공급되는 에너지는 적은 부분만이 복사에 의해 대기중으로 방사되고 대부분은 다시 전원쪽으로 돌아가게 된다. 이러한 두 종류의 에너지의 비는 안테나의 입력단의 손실이 없다고 가정할 때 안테나의 입력임피던스를 결정하게 된다.

⊙ 길이가 인 Monopole 안테나

길이가 파장에 비해 아주 짧은 Monopole 안테나인 경우에는 전장의 형성이 두 종류의 전하가 접지면에서 분리됨으로서 발생하는 것이었지만 안테나의 길이가 이상이 될 때는 이와는 다른 두 전하의 결합(Compensation)에 의해 복사가 이루워진다.

그림 (2-13) (a)는 전원으로부터 공급받은 신호에 의해 안테나가 전자들로 충전된 상태에서의 전장 분포이다. 이때는 전자 및 전하가 충·방전 될 때 움직여야 하는 안테나의 길이가 상대적으로 크기 때문에 전원의 극성이 " + "로 바뀌어도 안테나에 충전된 전자들이 그림 (b)와 같이 그대로 일정시간 존재하게 된다. 이러한 상태에서 그림(c)와 같이 입력단자쪽으로 내려오는 전자와 전원으로부터 공급되는 전하가 안테나의 어느 부위에서 만나게 되는데 -극성의 전자와 +극성의 전하 사이의 반발력 사이의 균형을 잡아주는 자속의 변화율이 크지 않기 때문에 전자와 전하는 결합을 하게 되고 그림 (d)와 같이 접지면과 가까운 부위에서부터 안테나로부터 분리된 전장이 형성된다. 이와 같은 현상은 안테나 내부에 남아있던 전자들이 완전 방전이 일어날 때까지 일어나며 그림 (f)에서와 같은 안테나로부터 분리된 전장 분포가 형성된다.

이와 같은 의 길이를 가지는 Monopole 안테나는 전원으로부터 공급받은 에너지를 상당부분 복사하고 정도의 길이를 가지는 Monopole 안테나와 비교할 때 Near Field 영역의 Reactive 파워는 작다. 이와 같은 사실로부터 Monopole 안테나를 에너지의 복사체로서 사용하기 위해서는 일정 길이 이상이 되어야만 한다는 것을 알 수 있으며, 실제 제품들은 소형 단말기의 크기에 적합하고 복사성능 또한 우수한 의 길이를 가지는 안테나의 변형들이 대부분이다.

6. Helical Antenna 해석

Monopole 안테나와 더불어 구조가 가장 간단하고 실용적인 안테나의 형태 중 하나인 Helical 안테나는 그림 (2-14)와 같이 도선을 나사선 모양으로 구부려 Helix의 형태로 사용하는 안테나를 말한다. 대부분 이 Helix는 접지면 위에 장착되는데 신호급전점으로 사용되는 동축선로의 중심부와 Helix의 입력단, 외부접지도체와 접지면을 각각 연결하여 사용하게 된다.

일반적으로 Helical 안테나의 구조는 그림 (2-14)와 같이 회전수 N, Loop의 직경 D, 각각의 회전 간격 S 등의 Parameter로 표현되는데 이것을 이용하여 전체 안테나의 길이를 다음과 같은 식으로 표현 할 수 있다.

(2-17)

이러한 Helical 안테나는 복사패턴의 형태에 따라 크게 축에 수직인 방향으로 복사를 하는 Normal (Broadside) Mode와, 축방향으로 지향성을 가지는 Axial(Endfire) Mode로 구분할 수 있다. 이동통신용 단말기에는 Normal Mode가 사용되고 있는데 그 방사패턴은 그림(2-14)와 같이 Helix의 수직 평면에서 최대가 되고 Helix의 축 방향으로 최소가 된다.

그림 (2-16)에서 Helix의 구조는 8자 모양의 Dipole과 Small Loop안테나와 유사함을 알수 있다. Normal Mode로 동작하기 위한 Helix의 크기는 사용하고자 하는 신호의 파장에 비해 매우 작아야 한다. ( )

Helix의 구조는 경사각 가 0°로 근접될 때는 직경 D를 가지는 Loop와 Dipole의 형태를 갖고 이러한 구조적 특성으로 인하여 작은 Helix 안테나로부터 방사된 Normal Mode Far-Field는 Dipole의 와 Loop의 성분으로 표현된다.

Normal 모드에서 Helical 안테나는 그림 (2-16)과 같이 N 개의 작은 Loop안테나와 N 개의 작은 Dipole 안테나가 직렬로 연결된 것으로 생각 할 수 있고, 이러한 구조에서 방사된 전체 필드는 Dipole과 Loop 필드의 합으로 표현될 수 있다. 그림과 같이 각 Loop의 수평 평면은 Dipole의 축과 서로 직교하고, Loop와 Dipole의 중심 축은 Helix의 중심축과 일치한다.

Normal 모드에서는 Helix의 크기가 사용신호의 파장보다 매우 작기 때문에 내부에 분포하는 전류는 일정하다고 가정 할 수 있으며 이 경우 Far-field 패턴은 Loop와 Dipole의 수에 무관하게 나타난다. 그러므로 그 특성은 반경 D의 작은 Loop와 S의 작은 Dipole에서 방사된 필드의 합으로 간단하게 표현될 수 있다.

길이 S의 작은 Dipole로부터 방사된 Far-Field에서의 E Field 는 식 (2-18), 직경 D의 loop로부터 방사된 E field 는 식 (2-19)와 같이 표현된다.

(2-18)

(2-19)

식 (2-18)과 식 (2-19)를 비교해 보면 두 E Field 성분 사이에 90°의 위상차가 존재함을 알수 있는데 이것은 원편파 또는 타원편파를 구성하는 두 직교 성분이 되는 것으로 Helical 안테나의 또 하나의 중요한 특성이다. 성분의 크기 비는 축비(Axial Ratio)로 정의 되고 Helical의 구조에 대해서 다음과 같이 표현된다.

(2-20)

위 식에서 축비는 D와 S의 변화에 따라 0과 사이의 값을 갖게 되는데 만약 축비가 0이면 =0가 되는데 이것은 수평 편파를 갖는 전파가 방사됨을 의미하는 것으로 Helix가 Loop 형태일 경우를 나타낸다. 축비가 의 값을 가지는 경우에는 =0가 되며 이때 방사된 전파는 수직 편파의 특성을 갖는데 이것은 Helix가 수직 Dipole 형태일 경우이다. 원 편파의 경우 두 직교 성분의 크기가 같기 때문에 축비가 1의 값을 갖고 다음과 같은 조건을 만족할 때 발생할 수 있다.

(2-21)

Helix의 구조가 위의 조건을 만족할 때, 방사된 필드는 = 0°만을 제외한 모든 방향에 대하여 원편파의 특성을 갖게 되는데 Helix의 크기가 위의 어떠한 조건이라도 만족하지 않을 경우 방사된 필드는 원편파의 특성을 가질 수 없다. 이러한 Helical 안테나 그 크기가 파장에 비해 매우 작을 때 Normal Mode로 동작하게 되지만, 이때 방사 특성은 안테나의 구조에 따라 민감하게 변화되므로 정확한 안테나의 크기를 찾는 것을 Helical 안테나의 설계에 있어 매우 중요하며 어려운 작업이다.

7. 안테나 정합회로

안테나 자체 길이의 연장효과를 얻기 위하여 주로 안테나 양단에 어느 정도 부피를 가지는 용량도체를 사용하는데, Small 안테나에서는 안테나 한쪽끝을 기표면에 접지함으로써 마치 지구를 하나의 용량도체로 사용한다. 그림 (2-17-a)와 같이 안테나 상단부의 용량도체를 원형판으로 하고, 지표를 평면으로 놓으면 Small 안테나의 일종인 용량성 평판 안테나가 된다.

여기에서 지표면을 무한 평면의 도체로 가정하면 Image Theory에 의해 그림 (2-17-b)와 같은 등가모델을 얻을 수 있다. 이 같은 등가모델은 Capacitor와 유사한 특성을 가질 것이라는 것은 쉽게 추측할 수 있다. 단말기용 안테나에서는 안테나가 지표면과 같은 무한대의 접지면을 가지는 것이 아니여서 Image Theory를 적용하기는 무리가 있으나 이와 같은 효과에 의해 용량 성분이 발생한다. 또한 안테나를 원하는 주파수 대역에서의 임피던스로 설계 및 제작을 하였더라도 임의 모양의 단말기에 장착하게 되면 안테나 자체뿐만 아니라 단말기 단자사이와의 Capacitance 및 Inductance 성분에 의해 안테나 파라미터 값들이 변하게 된다. 이러한 기생되는 Reactance 값들을 상쇄시키고 정합특성을 개선하여 복사효율을 증대시키기 위해 정합회로가 안테나와 Duplexer사이에 위치하게 된다. 보통 정합회로는 Inductor와 Capacitor로 이루워지는데 최소한의 수로 이루워진 기본 구조는 아래 그림 (2-18) 및 그림 (2-19)와 같다.

그림 (2-18)은 안테나의 입력임피던스( )값이 스미스차트의 상단에 존재할 때 정합을 시키는 4가지 방법에 대해 설명한 것이다. 이러한 정합회로에 사용되는 L, C Chip들은 매우 높은 주파수 대역에서 동작이 가능하여야 한다. 그림 (a)는 를 우선 병렬로 C성분을 달아주어 동일한 컨덕턴스 원을 따라 아래쪽으로 이동시키고 직력 L값에 의해 50Ω점으로 이동시키는 방법이다. 그림 (b)는 직렬 C성분으로 동일한 저항 원을 따라 아래로 이동시키고 난 후 병력 L성분으로 정합을 시켰다. 그림 (c), (d)는 L성분이 없이 C성분 두 가지로 정함을 이룬 경우이고 그림(d)는 그와 반대의 수준으로 정함을 이루웠다. 그림 (2-19)는 가 스미스차트의 아래쪽에 위치할 때 정합시키는 4가지 방법으로서 정합의 기본적인 방법은 위에서 설명한 것과 유사하다.

이렇게 간단히 두 개의 L, C 성분으로서 정합을 이루는 것을 설명하였지만 실제적인 문제에서는 하나가 사용될 수도 있고 더욱 복잡하게 정함을 시켜야 하기 때문에 3개 이상이 사용될 수도 있다. 하지만 그림 (2-19)의 (c), (d)와 같이 Chip형의 L만으로 단말기용 안테나를 정합시키는 것보다는 가능한 상황에서는 가격이 저렴한 C 성분만을 이용한 정합이 경제성이 높다.




제 3 장 단말기용 안테나 종류

제 1 절 Helical 및 Monopole 안테나 결합형

전 세계적으로 가장 많이 채택되고 있는 형태로서, 기본형의 구조는 길이가 각각 /4의 변형인 Helical 안테나와 Monopole 형태의 Whip 안테나로 구성된다. 주로 신호대기 상태 및 전파환경이 양호할 때는 Helical 안테나가 단독으로 동작하며, 전파환경이 열악한 곳에서는 Whip형 인출된 상태에서 Whip 단독 또는 두 개의 안테나가 동시에 동작한다. 그림 (3-1)과 같이 Helical 안테나의 위치에 따라 크게 두 종류로 구분되며 신호 급전 및 두 안테나의 결합 방식에 따라 많은 변형이 있다.

그림 (3-1-a) 형태의 안테나는 이동통신용 안테나 전문 제작회사인 스웨덴의 Allgon사 제품이 대표적이며, Helical과 Monopole 안테나의 아래쪽 급전점이 동일한 금속 커넥터에 연결되어 있다. 미국 Motorola사는 기본 형태는 동일하지만 급전방법을 달리한 안테나를 제작하여 자사의 단말기 일부 모델에 장착하여 사용하고 있으며, 초기 국내 셀룰라 단말기 모델들은 전량 이 같은 형태의 Allgon사 안테나를 사용하였다. 그림 (3-1-b) 형태의 안테나는 몇몇 PCS 단말기 모델에 일본의 TOKO 등에서 생산되는 제품이 장착되면서 국내 제품에 사용되어 졌으며, Motorola사는 자체 개발한 안테나를 자사의 StarTAC 모델 등에 이용하고 있다.

1. Helical 고정형 안테나

■ 구조적 특징

- 길이를 가지는 Helical 안테나 상단에 수납이 가능한 Whip형 Monopole 안테나가 설치되어 있음.

- 주로 신호대기 및 전파강도가 높을 때 사용되어지는 Retracted 위치에서는 Helical 안테나가 단독으로 동작하며 통화시나 전파강도가 약할때에는 Whip형 안테나부가 Helical 안테나부의 중심부를 관통하여 Extended 위치로 올라가서 두 안테나가 동시에 동작한다.

- Helical 안테나단과 Whip 안테나가 전기적으로 직접 연결 또는 EM(Electromagnetic) Coupling에 의해 연결되어 있다. 이때 결합도는 전기적 도전체에 의한 직접 연결 방법을 채택할 때 더욱 크다.

■ 신호공급 방법

크게 현재 상용화되어 있는 Allogon사 방식과 Motorola사의 방식으로 나눌 수 있으며 그 특징은 아래와 같다.

- Allogon 방식

* Retracted 위치 : Helical 안테나 하단부에 전기적인 연결에 의해 신호 공급이 이루워지며 Whip 안테나는 전기적 Open 상태로 동작을 하지 않음

* Extended 위치 : Helical 및 Whip 안테나 하단부가 동시에 하나의 신호원과 전기적 접촉을 형성하여 동시 급전 및 동작이 이루워 짐

- Motorola 방식

* Retracted 위치 : Helical 안테나가 전기적으로 신호원과 접촉되어 신호의 급전이 이루워지며 Whip 안테나는 Open 되어 동작을 하지 않음

* Extended 위치 : Helical 안테나가 전기적으로 신호원과 접촉되어 신호급전이 이루워지며 Whip 안테나는 EM Coupling에 의해 Helical부와 연결되어 두 안테나 동시 동작

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 장점

- 상대적으로 부피가 큰 Helical 안테나부가 단말기 상단에 고정되어 있으므로 비교적 단말기 진동에 둔감

- Helical 및 Whip 안테나의 신호공급을 상태에 따라 분리ㆍ결합할 수 있으므로 응용된 설계가 가능

■ 다른 구조화 비교한 상대적인 단점

- Retracted 상태에서 안테나 상호간의 간섭을 줄이기 위해 Whip 안테나 상단 부위에 Helical 안테나의 높이만큼의 비전도성 코팅부위를 설치해야 하기 때문에 그림 (3-3)에서 보는 것처럼 전체적인 안테나 길이가 길어짐

- 단말기 상부에 항상 돌출 부위가 형성되어 휴대하기에 불편함

■ 대표적 제조회사 및 사용현황

- 국내 Analog/Digital Cellular 휴대전화 : Allgon사 제품 100%

- PCS 폰 및 CT-2 폰 일부 제조회사 : Allgon사 제품

- 모토롤라 및 몇몇 선진외국업체는 자체 설계한 구조의 안테나 사용

2. Extended 위치에서 Helical(상측) 및 Whip(하측) 결합형

본 구조는 국내의 및 몇몇 회사의 단말기와 CT-2 단말기에 장착되고 있는 형태로서 앞에서 설명한 Helical 안테나가 아래쪽에 위치하는 형태에 비해서는 사용빈도가 적은 편이다.

기본형의 구조는 Retracted 위치에서 동작하는 전기적 길이가 인 Helical 안테나가 의 길이를 가지는 Monopole 형태의 Whip 안테나 상단에 고정되어있다. Extended 위치에서는 Helical 안테나가 외부로 돌출 되는 Whip안테나의 상측에 형성되고 단말기와 분리된다. 이때 급전은 Whip안테나의 하측부분의 단말기의 신호원과 전기적 접촉이 이루어짐으로서 가능해진다. 이와 같은 구조의 단말기용 안테나를 생산하여 공급하는 업체는 Galtronic사와 국내 업체가 있다. 하지만 이러한 안테나는 급전방식 등 구조적인 단점으로 인해 크게 보급되어 있지는 않은 상황이다. 그림 (3-4)는 이러한 구조를 가지는 안테나의 기본적인 형태를 나타내고 있으며 이와 같은 형태 안테나들의 기본적인 특징은 다음과 같다.

■ 구조적 특징

- 두 종류의 안테나가 항상 연결되어 있으며 Retracted 상태에서는 Helical 안테나부가 단말기 상단에 장착되어 있으나 Extended 상태에서는 단말기와 분리되어 외부로 돌출된 Whip 안테나의 상부에 위치함

- Retracted 상태에서는 Helical 안테나부가 단말기의 신호 급전부와 EM Coupling에 의해 연결됨.

- Extended 상태에서는 Whip 안테나의 하측부가 단말기의 신호 급전부와 전기적으로 접촉되어 신호의 급전이 이루워지며 Whip 안테나의 상단부와 Helical부는 전기적 또는 EM Coupling에 의해 연결됨.

■ 신호공급 방법

이 같은 구조의 안테나는 아래와 같이 크게 두 가지 방법에 의해 신호급전이 이루워지며 EM Coupling을 사용하기 때문에 결합도가 다소 낮다.

- Retracted 및 Extended 상태 모두 Whip 안테나 하단부에서 급전되고 Helical부와 Whip 안테나는 EM Coupling 또는 전기적 접점에 의해 연결

- Retracted 상태에서는 단말기의 신호급전부위와 Helical 안테나가 EM Coupling에 의해 연결되고 Whip 하단부는 접지, Extended 상태에서는 Whip 하단부에 급전되고 Helical부는 EM Coupling 또는 전기적 접점에 의해 Whip 하단부에 급전되고 Helical 부는 EM Coupling 또는 전기적 접점에 의해 Whip 안테나부와 연결됨

위의 두 가지 방법 중 첫 번째 방법은 신호 급전이 항상 전기적인 접점에 의해 이루워지기 때문에 급전시 감쇠가 줄어들지만 Retracted 상태에서 단말기 내부에 위치하고 있는 Whip 안테나의 방사신호가 단말기 내부의 회로에 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있다. 두 번째 방법은 Retracted 상태에서는 EM Coupling에 의해 단말기 출력단에서 안테나로 신호의 전달이 이루워지기 때문에 전기적으로 직접 연결하는 방법에 비해 감쇄가 일어난다. 하지만 단말기 내부에 위치하는 Whip 안테나의 에너지 방사가 없기 때문에 내부회로에 미치는 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다.

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 장점

- 하단부에 항상 Helical 안테나가 위치하는 구조에 비해 Whip 안테나의 길이가 상대적으로 줄어든다.

- 방사패턴의 중심부를 비교적 쉽게 안테나 최상부에 형성시켜 인체에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 단점

- 부피가 큰 Helical 안테나부가 Extended 상태에서 단말기와 분리되어 윗쪽에 높게 위치하게 되므로 단말기 움직임 등에 의해 쉽게 움직인다.

- 급전방식이 비교적 복잡하고 신호 연결에 있어 감쇄가 일어날 수 있다.

- 단말기 상부에 돌출부가 항상 형성되어 있어 휴대하기가 불편하다.

■ 대표적 제조회사 및 사용현황

- TOKO사 제품이 현재 국내 PCS 단말기 일부모델에 장착되어 시판중임

- 국내 업체가 생산하고 있는 제품이 일부 CT-2 단말기에 장착되어 있음 - Galtronics 등 선진업체들이 계속적으로 연구개발 중임

제 2 절 PIFA 및 평면 안테나 구조

소형 평면 안테나를 단말기에 적용한 형태로서, Helical 안테나가 조합된 구조의 단점인 통화대기 상태에서도 항상 단말기의 상단 부위에 돌출부가 형성되는 것을 피하기 위해 제시된 방법이다. 설계 방법들에 따라 복사패턴의 형태가 달라지며 단말기들의 상단 또는 측면 내부에 부착시킴으로서 휴대성을 높일 구조이다. 그러나, Helical 안테나와는 달리 단말기에 장착되었을 때 어느 정도의 지향성을 가지므로 전방향 통신이 기본조건인 이동통신서비스에 적용하기 위해서는 많은 보완이 있어야 할 것이라 생각된다. 그림 (3-5-a)는 단일 구조 PIFA를 단말기 측면에 장착하는 방법을 예시한 것이며 (b)는 실제 케이스화된 제품이다.

무지향성 방사패턴을 형성하기 위하여 2개의 PIFA를 단말기 양 측면에 부착하는 형태와 선형편파에 적합하면서 단말기 상단과 같니 수평면에 장착 할 수 있는 방법 등이 활발히 연구 중에 있다. 또한 두 개의 PIFA를 상·하로 겹친 2중 구조가 최근에 발표되고 있는 등 Dual Band용으로의 활용 방법이 연구되고 있다.

■ 구조적 특징

- 얇은 평판형으로서 단말기의 어느 부위에도 평판형 안테나가 설치 가능함.

- 두 개 이상을 설치하여 Diversity, Array 안테나 등으로 사용이 가능함으로 안테나 성능을 향상시킬 수 있다.

- Whip 안테나가 Retracted 상태에 있을 때 단말기의 돌출부위를 완전히 제거하여 휴대할 시 편리성을 높일 수 있다.

■ 신호 공급 방법

- Whip안테나 Retracted 상태 : PIFA등의 평판형 안테나는 항상 신호가 급전되고 Whip 안테나는 입력단자가 Open된 상태에서 단말기 내부로 삽입

- Whip안테나 Extended 상태 : PIFA 및 Whip안테나로 동시에 신호가 급전되며 평판형 안테나의 위치에 따라 다점방식 급전

- 두 종류의 안테나 Extended 또는 Retracted 상태에 따라 한 종류만 급전

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 장점

- 단말기 상단부위의 돌출부위를 감소시키므로 개인의 휴대 편리성 증가

- Array 안테나로의 구성이 가능하므로 평판형 안테나 자체의 성능 향상

- Diversity 방식을 사용할 수 있으므로 전파환경이 열악한 곳의 성능 향상

- 얇은 소형판을 단말기 내부에 장착하고 추가적인 보호코팅 등이 감소하므로 서 기존제품보다 무게를 감소시킬 수 있다.

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 단점

- 평판형 안테나는 최대 전방향 180°를 향하는 지향성 안테나이기 때문에 이동통신 단말기가 요구하는 무지향성 안테나로의 동작이 어렵다.

- 2가지 이상의 평판형 안테나를 사용하여 성능을 향상시킬 경우 다점 신호급전 등으로 인하여 구조가 복잡해진다.

■ 기술 발전 양상 및 현재 사용 현황

- 단말기 안테나의 최대약점인 돌출부위를 제거할 수 있다는 점에서 차세대 단말기에 장착될 것이 유력하기 때문에 거의 모든 선진업체들이 연구 중

- 현재는 Allgon사 등에서 헬리컬이 하측에 고정되는 형태의 안테나를 성능 향상 및 Diversity 효과 등을 얻기 위해서 부수적으로 설치하고 있음

제 3 절 SMD 형태 안테나 구조

기존의 발전된 다층기판 및 유전체 제조공법을 응용하여 적은 부피내에 안테나를 형성시키는 방법으로 앞서 설명한 3가지 구조와는 설계 및 제조기술이 완전히 다른 형태이다. 초기에는 고유전율 세라믹 기술을 이용하여 모노폴 및 Helical 안테나를 소형으로 형성하는 형태였으나 최근에는 발전된 패턴 기술을 이용한 다양한 제품들이 개발되고 있다. 그림 (3-6)은 일본 Murata 보유하고 있는 SMD 부품 개발기술을 응용하여 개발한 제품들이다.

크기가 가로 ·세로 약 1.5cm 이하의 초소형 SMD 형태로 구현된 것이기 때문에 단말기의 어느 부분이라도 실장이 가능하다. 또한 양산성이 매우 우수하고 기존의 안테나들을 단말기에 실장할 때와는 달리, SMD 부품들을 회로기판에 접착하는 방법을 그대로 사용할 수 있다. 또한 현재 사용되는 안테나 제품들이 단말기 외부로 돌출되는 단점을 극복할 수 있는 제품이기 때문에 차세대 안테나로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 평판 안테나와 만찬가지로 단말기 본체에 장착되었을 때 지향성을 가지는 특성 때문에 현재 상용화되고 있는 이동통신서비스에 사용하기 위해서는 상당한 어려움이 있다. 차후 새로운 이동통신서비스가 시작될 때 각 기지국망을 설계하는 방법이다. 기지국 안테나의 방향, 송수신 전력 및 망 관리가 진전된다면 수요가 급속히 늘어날 것으로 판단된다.

잠재하고 있는 시장성의 규모가 엄청나기 때문에 세계 각국의 안테나전문 회사 및 부품회사들이 많은 노력을 기울이고 있는 핵심 기술 분야로서, 국내 에서도 시급히 연구개발에 착수하여야 할 것이다.

■ 구조적 특징

- 세라믹 제조공법 및 마이크로스트립라인 기술을 응용한 패턴 설계 기법을 이용한 SMD 형태의 안테나

- 기존의 SMD 생산 기술을 응용하여 양산성을 크게 향상시킬 수 있음

- 초소형이며 다른 SMD 부품 장착기술을 이용하여 단말기에 실장하는 것이 용이하다.

■ 신호 공급 방법

- 신호원 및 접지는 일반적인 다른 형태의 SMD 부품과 마찬가지로 단말기 상단에 형성된 신호단자와 전기적 접점으로 연결

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 장점

- 단말기 상단부위의 돌출 부위를 완전히 제거하므로 서 단말기의 소형화 및 경량화가 가능

- Array, Diversity 방식을 이용한 안테나구성이 쉽다

- SMD 부품생산기술을 이용하여 양산이 가능하므로 가격경쟁력이 높다

■ 다른 구조와 비교한 상대적인 단점

- 구조상 전방향 80°를 지향성 안테나이기 때문에 이동통신 단말기가 요구하는 무지향성 안테나로의 동작이 어렵다.

- 방사효율이 상대적으로 저하되므로 서비스 망을 작게 설계해야 한다.

- Array 기술들을 사용하여 무지향성 안테나를 구현하여 성능을 향상시키기에는 다점 신호급전 등으로 인하여 구조가 복잡해진다.

■ 대표적 제조회사 및 사용 현황

- 일본 Murata사의 제품이 일부 PHS 단말기에 장착되어 사용중이며 기타 다른 서비스용 단말기들에 시험 장착되고 있음

- 차세대 무선 서비스를 위해 국내외 업체 및 연구소에서 지속적인 연구 중

제 4 절 기타 변형 구조

특허분석 결과 현재 출원되어 있는 단말기용 소형 안테나 구조중 위에서 설명한 4가지를 제외하고도 많이 있으나 실제 사용하기는 힘든 구조이거나 4개의 구조를 혼합시킨 것들이었다.

이런 구조들 중에서 현재 사용되거나 개발 중인 것들 중에서 헬리컬의 위치를 아래쪽에 고정시킨 형태와 상하로 이동하는 형태를 합쳐놓은 그림 (3-7)과 같은 변형구조가 있다. Retracted 위치에서는 그림과 같이 2개의 헬리컬 안테나가 같이 동작하게 된다. 이때 아래쪽 헬리컬 안테나는 단말기와 전기적으로 연결되어 직접 신호급전을 받아 안테나로 동작하는 동시에 윗쪽 헬리컬 안테나로 전자기적 결합에 의해 신호를 급전시킨다. 이때 윗쪽 헤리컬 안테나와 연결된 Whip 안테나의 아래쪽은 접지선과 연결된다. Extended 위치에서는 Whip 안테나가 외부로 돌출되면서 윗쪽 헬리컬 안테나가 아래쪽과 분리된다. 이때는 아래쪽 헬리컬 안테나와 Whip 안테나의 아래쪽 부분이 동시에 단말기와 전기적으로 연결되어 신호급전이 이루워지며 윗쪽 헬리컬 안테나는 Whip 안테나와 전자기적으로 연결된다.

또 다른 새로운 구조로는 모토롤라 단말기기에 사용한 구조로서 헬리컬이 아래쪽에 고정된 형태에서 Whip 안테나를 그림 (3-8)과 같이 변형한 것이다. 아래쪽에 헬리컬 안테나를 고정시켜 사용하는 것은 같지만 Whip 안테나는 Extended 위치에서 단말기 신호공급점과 직접 전기적으로 접점되는 것이 아니라 헬리컬 안테나와 전자기적으로 연결되어 있다. 또한 Whip 안테나가 하나의 탄력성 높은 도체선으로 구성되는 것이 아니라 가는 도체선을 긴 스프링 모양으로 만들어 탄력성을 높여서 사용하였다.




제 4 장 단말기에 장착된 안테나 기본 특성

제 1 절 유한 접지면 상의 안테나

1. 시뮬레이션의 필요성

제작하고자 하는 구조체 및 회로에 있어서 이론을 토대로 하여 컴퓨터를 이용한 수치해석 프로그램으로 결과를 예측하는 것이 시뮬레이션이다. 시뮬레이션을 이용할 경우 직접 제작하여 원하는 값을 얻기 위한 계속적인 튜닝 과정을 현저히 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 안테나 시뮬레이터는 현재 상용화되고 있는 고주파 영역의 회로설계용과는 달리 개발이 늦게 이루워져 왔다. 특히 3차원 공간에서의 분석이 가능한 제품의 수는 극히 제한 적이

다. 하지만 최근에 HFSS, Maxwell 등 몇 가지 제품이 나오고 있다. 본 과제에서는 MOMrl법을 이용하여 2차원 및 3차원 안테나의 시뮬레이션이 가능한 IE3D를 이용하여 단말기 본체에 장착된 Monopole 안테나, Helical 안테나 그리고 이두가지 혼합 안테나 등 이동통신용 단말기에 사용되는 3가지 형태의 안테나를 시뮬레이션 하였다. 또한 단말기 윗면의 넓이, 단말기의 높이 등의 변화에 대한 헬리컬 안테나의 성능 변화를 시뮬레이션 하여 실제 단말기용 안테나 제작시 유용한 정보를 도출하였다.

2. 시뮬레이션을 행한 구조 설명

실제 사용되고 있는 단말기의 내부구조는 전자기 차폐를 위하여 각 회로 부분별로 금속성 차폐를 하고 있으며. 단말기 케이스의 내부면도 금속성 도료와 얇은 금속판 등을 이용하여 외부 환경과 전자기적으로 차폐되어 있으므로 금속성 육각기둥에 여러 가지의 안테나가 설치되어 있다고 가정할 수 있다. 시뮬레이션을 행한 안테나 구조는 Monopole, Helical, Monopole+Helical 그리고 육각기둥 모양으로 근사된 단말기의 각 면이 안테나에 미치는 영향을 알아보기 위해 우선 단말기의 윗면만이 존재할 때 Monopole 안테나가 설치된 구조를 선택하였다. 이 같은 구조를 선택한 것은 현재 상용화되고 있는 안테나들의 기본 구조이고, 또한 시뮬레이션 결과를 토대로 샘플 단말기용 안테나의 측정값들을 비교하여 새로운 구조의 단말기용 안테나를 설계하는데 기초자료로 사용하기 위함이다.

이러한 단말기에 설치되어 있는 안테나의 방사패턴 등을 해석하기 위해서는 우선 신호원이 될 수 있는 것들을 파악하여야 한다. 신호원은 안테나 자체에 급전되는 신호전류 분포가 가장 중요하며 안테나로부터 방사되는 에너지에 의해 유도되는 단말기 도체표면상의 전류 분포도 역시 또 다른 신호원으로 생각할 수 있다. 또한 단말기에 장착되는 안테나의 위치와 단말기 자체의 외부 모양 등도 방사패턴의 특성에 큰 영향을 미친다. 이 같은 사항들을 고려하여 실제 단말기와 유사한 구조를 형성하기 위해 단말기 본체를 직육면체의 완전 도체라고 가정하고, 상단의 한쪽 끝에 지금이 아주 작은 도체로 이루워진 안테나가 존재하는 구조를 선택하였다. 수치해석을 행하기 위한 전 단계로서 상단을 제외한 나머지 5개면은 전류분포가 비교적 고르며 돌출부위가 없는 직사각형인 형태이므로 모두 균일한 크기의 사각형으로 Mesh를 형성하였다. 상단 면은 금속인 안테나가 돌출되어 있으며 안테나로부터 방사되는 에너지로 인하여 전류가 상당히 복잡하게 분포되므로 정교하고 서로 다른 모양과 크기의 삼각형으로 Mesh를 형성시키는 방법을 이용했다. 시뮬레이션을 수행 할 때 정합회로를 사용하지 못하였기 때문에 광대역에서 VSWR 값을 2이하로 최적화시키지 못하고 일정한 중심 주파수에서 최적화를 수행하였다. 결과 값은 각 구조별로 VSWR 값이 클 때와 작을 때의 소형 안테나 특성을 나타내는 대표적인 파라미터인 극좌표계에서의 Elevation 패턴을 도시하였다. 일반적으로 안테나 입력단의 VSWR값이 1에 가까울수록 성능이 우수하나 실제 단말기에 장착시켰을 때 값을 낮추기가 어렵고 정합회로가 복잡해진다. 이 같은 이유 때문네 VSWR 값이 높을 때와 낮을 때의 복사패턴을 비교·분석하여 VSWR에 따른 영향을 분석하였다.

3.유한 평면 위의 Monopole 안테나

단말기 상단을 제외한 나머지 5개의 금속면들이 안테나의 복사패턴에 어떤 영향을 미치는지 알 수 있는 비교값을 얻기 위해 그림 (4-1)과 같이 상단과 똑같은 크기의 도체면 위에 Monopole 안테나가 장착되어 있는 구조의 특성을 시뮬레이션 하였다. 이 경우에는 안테나의 복사 에너지에 의해 도체판에 유도되는 전류의 분포가 육면체와는 달리 각 모서리 부분에서 불연속이 일어나기 때문에 정확한 계산을 위하여 안테나의 신호 입력부위와 함께 다른 부위보다 좀더 많은 Mesh를 형성하였다. 결과 데이터는 그림 (4-1)에 표시한 것과 같이 구좌계표+ , 점에서 를 각각 에서 까지 표시한 극좌표에 Elevation 복사패턴으로 나타내었다.

그림 (4-2)는 중심 주파수 890MHz에서 안테나의 길이가 이고 VSWR이 1.9일 때의 Far Field Elevation 복사패턴을 나타낸 것이다. 그림 (a), (b)는 각각 , 인 위치에서 각각의 우측 평면이 값을 에서 180°까지, 좌측 평면은 값을 에서 -180°까지 변화시킬 때의 값을 나타낸 것이다. 이때 어느 방향에서 값을 구하더라도 복사패턴은 Main Lobe 만이 존재하고 Side Lobe는 나타나지 않는 것을 알 수 있다.

그림 (a)좌평면의 Lobe가 아래쪽으로 치우쳐 있으며 우평면쪽 Lobe는 반대로 위쪽으로 향하고 있는 것을 볼 수 있다. 이것은 안테나를 중심으로 접지면에 넓은 쪽으로는 반사 및 유도전류에 의해 복사가 윗쪽으로 이루워지고, 좁은 쪽으로는 모서리에 유도되는 전류양과 합쳐져서 아래쪽으로 Loberk 향하고 있다고 판단된다. 그림 (b)는 좌·우 평면의 Lobe가 약간 윗쪽을 향하여 서로 대칭적인 Monopole 안테나 고유의 특성을 나타내고 있는데 이것은 안테나를 중심으로 접지면이 대칭적으로 분포하여 양쪽으로의 접지면이 (a)에 비해 줄어들었기 때문으로 판단된다.

이렇게 유한한 도체평면상의 의 길이를 가지는 Monopole 안테나는 설치된 위치가 정확히 유한 접지면이 중앙이 아니여서 각 복사 방향에 대해 접지면의 영향이 다르게 나타나며, 이로 인해서 복사패턴이 좌·우로 정확히 대칭이 되지는 않지만 Side Lobe가 발생하지 않고 ø평면상으로 무지향성인 특성을 그대로 유지하고 있다.

4. 단말기 모형에 Monopole 안테나가 장착된 경우

기본적인 구조는 그림 (4-3)과 같으며 주파수는 현재 Cellular 서비스 대역인 800∼900MHz대를 선택하였으며 안테나 길이는 초기값으로 중심주파수 850MHz에서 의 길이를 가지게 하였다.

VSWR은 안테나에서 신호크기 성분의 정합상태를 나타내는데 사용되는데 그림 (4-4)는 최적화가 되지 않은 상태에서의 주파수별 VSWR 변화를 보여주고 있다. 이렇게 VSWR이 평균 9.5의 값을 가질 때 식 (2-2)로 부터 안테나 입력단자로 급전되는 전체파워의 반사비율을 계산하면 다음과 같다.

그림 (4-5)는 주파수가 870MHz일 때의 Elevation 복사패턴으로서 이미 알고 있는 Monopole 안테나와 비슷한 모양을 보이지만 위에서 알 수 있듯이 반사되는 파워의 비율이 65.5%가 넘고 있기 때문에 실제적으로 사용할 수 없다는 것을 쉽게 알 수 있다.

그림 (4-6)은 Monopole 안테나의 길이 및 상단에서의 위치 등을 변화시켜 VSWR값이 평균 1.5 아하의 값을 가지게 했을 때의 주파수별 값이다.

VSWR의 평균값이 1.5일 때 위에서와 같이 반사되는 파워를 계산하면 다음과 같이 4%라는 것을 알 수 있다.

이와 같이 안테나의 입력 단자로 급전되는 파워의 96%가 복사되므로 서 효율면에서는 뛰어나다는 것을 알 수 있다.

그림 (4-5)와 그림 (4-7)에서 , 일 때 Elevation 복사 패턴을 보면 좌·우 Main Lobe가 그림 (4-2)와 같이 아래쪽과 윗쪽으로 치우쳐져 있는 것을 볼 수 있지만 대부분의 main Lobe 가 그림 (4-2)와는 달리 좀더 아래쪽 반평면으로 치우친 것을 알 수 있다. 이와 같이 단말기에 장착된 안테나의 복사특성은 안테나가 장착되어 있는 금속면 뿐만 아니라 나머지 5개 금속면쪽으로도 E Field가 접속되는 등의 영향을 받기 때문에 6면 모두를 접지면으로 생각하여야 한다.

또한 부근에서 그림 (4-2)와는 달리 에서는 비교적 큰 Side Lobe가 발생하였으며 그 크기는 그림 (4-7)과 같이 VSWR값이 낮아져 복사표율이 좋아졌을 때 더욱 크다. 이것은 VSWR이 개선되어 복사효율이 커져 안테나로부터 복사되는 에너지가 높을 때 단말기의 각면에 유기되는 전류분포가 좀더 복잡하고 그 크기가 증가되어 안테나 자체의 복사에 더 큰 영향을 미치기 때문이라 판단된다.

3. Helical 안테나 시뮬레이션

그림 (4-8)은 금속면으로 구성된 육면체로 근사화한 단말기 상단에 중심 주파수에 대한 의 길이를 가지는 Helical가 장착된 구조이며 좌표계는 앞에서 논한 Monopole 안테나에서 사용된 것과 동일하다. 이 같은 구조는 Retractable 안테나가 Retracted 위치에서 Helical 안테나만이 동작하는 것과 동일한 형태이다.

아래의 그림 (4-9)는 VSWR의 값이 10 이상일 경우, 그림 (4-10)은 VSWR값이 평균 1.5일때의 복사패턴을 나타낸 것이다. VSWR값이 높을 경우 인 점에서의 Elevation 복사패턴을 인 좌측평면의 Lobe가 찌그러진 형태이나 VSWR이 개선된 그림 (4-10)의 경우에는 Dipole 안테나의 경우처럼 상·하로 조금씩 Lobe가 휘어진 형태이다. 두 경우 모두 Side Lobe는 나타나지 않고 있으며 에서의 Lobe들은 좌·우 대칭적인 모양을 보이고 있다.

4. Monopole 및 Helical 안테나가 동시에 설치된 경우

일반적으로 많이 사용되는 단말기의 Retractable 안테나 구조 중 그림 (4-11)은 Monopole 안테나가 Extended 위치에 있고 Helical 안테나가 아래쪽에 있는 구조이다.

그림 (4-12)는 신호 급전점에서의 VSWR이 평균 2.5일 때의 Elevation 복사패턴을 나타낸 것이다. 두 종류의 안테나가 동시에 장착되어 있는 구조에서 정합회로를 사용하지 못하였기 때문에 VSWR 값을 낮게 하기가 어려웠다. 그림에서와 같이 Monopole 안테나의 영향에 의해 Side Lobe가 크게 생기고 있으며 단말기 본체의 접지 효과에 의해 Lobe 들이 아래로 향하고 있음을 알 수 있다. 전체적인 모양은 Monopole 안테나의 패턴고과 비슷하였고 ø평면상으로 복사가 무 지향성으로 이루어지고 있음을 알 수 있다.

제 2 절 단말기 형태 및 안테나 위치에 따른 변화

제 1절에서 단말기의 윗면뿐만이 아니고 옆면에 의한 안테나 성능 변화에 대해서 알아보았다. 하지만 단말기용 안테나는 장착되는 위치 및 단말기의 높이에 의해서도 영향을 받게 된다. 이러한 모든 점을 모두 고려하여 안테나를 제작하기는 어렵지만 변화 추이를 알게 되면 단말기 설계 시작 단계에서부터 쉽게 접근할 수 있을 것이다. 제 2 절에서는 위에서 언급한 변화량에 대해서 보다 많이 영향을 받는 헬리컬 안테나에 대해서 단말기 윗면의 장착 위치 및 단말기 높이를 변화시키면서 성능의 차이를 연구하였다.

1. 안테나 장착 위치에 따른 변화

Cellular 대역의 헬리컬 안테나를 IE3D 시뮬레이터를 이용하여 단말기 윗면에서의 안테나 급전 위치에 변화에 따른 성능 변화를 알아본다. 이를 위해서 단말기의 크기 등을 현재 상용화된 제품에 준하여 설정하였으며, 여기에 맞는 헬리컬 안테나를 설계하여 기준으로 선정하였다. 표(4-1)은 기준이 되는 단말기 형태 및 설계된 안테나의 사양이다.

안테나는 대표적으로 네 개의 위치를 선정하여 시뮬레이션 하였다. 그림 (4-13)은 단말기 상단에 안테나가 설치된 위치를 나타내고 있다.

■VSWR

그림 (4-14)는 각 위치에 대한 VSWR값을 나타내고 있다. 헬리컬 안테나가 단말기의 모서리인 1번에 위치할 때가 주파수 특성이 좋음을 알 수 있으며, 중간 위치인 4번에 있을 때가 가장 성능이 떨어짐을 알 수 있다. 모서리 위치에 안테나를 장착 할 때의 또 다른 장점은 단말기 내부 회로 구성상 중심부를 관통하는 홈을 만들기 어렵기 때문이다.

■복사패턴

그림 (4-15)과 같이 복사패턴의 경우 ①번 및 ②번 위치에 헬리컬 안테나가 있을 때, 제 1절에서 살펴본 것과 같이 단말기 윗면의 좌우 비대칭으로 인하여 일정 부분 찌그러진 복사패턴을 얻을 수 있다. ③번 및 ④번 위치에 헬리컬 안테나가 있을 때 단말기 윗면이 좌우 대칭이므로 정확한 나비모양을 갖는 (Omnidirectional)복사패턴을 얻을 수 있다.

■결론

주파수 특성 및 복사패턴을 볼 때 단말기에 안테나를 장착할 때는 가급적 모서리 부위를 선택하는 것이 성능 면에서 우수할 것이라 예상된다.

2.단말기 높이의 변화에 따른 안테나 특성

Cellular 대역의 헬리컬 안테나를 단말기 윗면에서의 안테나 급전 위치를 모서리 부위를 고정시킨 후 단말기 높이를 변화시키면서 성능 변화를 알아본다. 이를 위해 표(4-2)와 같이 단말기 안테나의 성능이 최대가 되게 설계를 하여 기준으로 선정하고, 서로 다른 4개의 높이에 대해서 시뮬레이션을 수행하였다.

■VSWR

그림 (4-16)와 같이 단말기의 높이에 대한 헬리컬 안테나의 VSWR 특성은 단말기가 안테나에 비해서 높을수록 좋으며, 중심주파수는 단말기 높이가 높을수록 낮아지게 된다. 단말기의 크기는 헬리컬 안테나의 높이에 비하여 3-4배 정도의 크기를 가지는 것이 좋다.

■방사패턴

그림 (4-17)는 단말기의 높이를 110mm를 기준으로 하여 4가지 높이에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 단말기의 높이가 작을 때는 이상적인 나비모양 복사패턴에 비해 많이 기울어지고 있고 단말기의 높이가 높아질수록 기울어짐이 작아지는 것을 볼 수 있다.




제 5 장 Retractable 안테나 설계 및 제작

제 1 절 새로운 구조의 Retractable 안테나

현재 상용화된 단말기용 안테나는 신호대기 상태에서 주로 사용되는 Helical 안테나와 통화용 안테나인 Whip 안테나가 결합된 Retractable 안테나이다. Helical 안테나는 주로 하나의 코일로 구성되며, Whip 안테나는 길이를 가지는 Monopole 안테나이다. 이러한 안테나는 그 구조적 한계로 인해서 주파수대역, 효율 및 양산화 등에 문제점이 있다. 이러한 단점 및 한계점을 극복하기 위하여 다음과 같은 새로운 구조의 안테나를 제안하였으며, 설계, 제작 및 측정을 수행하였다. 첫째 그림 (5-1)과 같은 2중구조를 가지는 헬리컬 안테나로서 주파수 대역 및 2중 대역에서 사용할 수 있도록 고안되었다.

둘째, 그림 (5-2)와 같은 적층형 헬리컬 안테나를 이용한 Retractable 안테나로서 세라믹 또는 일반 유전체 기판을 사용하여 실제 제작에 있어 높은 양산성을 가지도록 고안되었다.

제 5장에서는 단말기용 안테나를 구성하는 중요 부위별 기능 및 성능 등에 대해서 알아본다. 그리고 위에서 언급한 두 가지 새로운 종류의 안테나의 설계, 제작 및 특성과 안테나 제작에 필요한 부분별 부품 및 완성된 시제품에 대하여 설명한다.

제 2 절 단말기용 Retractable 안테나 부위별 기능

단말기용 Retractable 안테나는 그림 (5-3)과 같이 크게 여덟 개의 부분으로 나눌 수 있으며, 이들은 각각 분리되어 제작된 후 조립 과정을 거쳐 하나의 제품으로 완성된다. 각 부분별 기능 및 특성은 표 (5-1)과 같다.

<표 5-1. 단말기용 안테나 주요 부위별 기능>


기능 및 조건

비 고

헬리컬 Wire

■헬리컬 안테나 동작용 금속 Wire

■모양의 변형이 없고 도전율 우수

니켈, 은, 금 등의 도금

헬리컬 Bibbin

■헬리컬 모양 지지대

■중심부 Whip을 위한 관통부위

동일 제질

우레탄, PVC

etc.

헬리컬 외부 커버

■헬리컬 보호용 외부 커버

■Bobbin 외부에 밀착 사출

Whip Wire

■ Whip 안테나 동작용 금속 Wire

■도전율이 우수한 형상기억 합금

■ 외부에 PVC 몰딩

-

Whip Top

■Whip 상부 일부분에 장착

■Whip 안테나 Retracted 위치

→ 헬리컬과 E/M Coupling 분리

■상단 평판형 부위

→ Whip 삽입시 Stopper로 동작

복원력 우수

우레탄, PVC,

나일론, etc.

Whip Stopper

■Whip의 인출시 커넥터에 고정

■Whip-Connector 완전 분리 방지

■Whip 안테나 급전 부위

-

Whip Tension Spring

■Whip-Connector 접합 부위

■일정량의 접합력 유지

→ 인출력, 삽입력 결정

복원력 우수

정밀 가공

Connector

■안테나 및 단말기 연결

■외부 나사선 → 결합ㆍ분리 편리

■안테나의 급전 시작 부위

니켈합금 도금

제 3 절 이중구조 헬리컬 안테나

1. 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션

상용화된 단말기와 유사한 형태를 유지하기 위해 그림 (5-4)와 같이 단말기 본체에 장착된 2중 구조 헬리컬 안테나를 모델링 하였다. 그림 (5-4)는 두 개의 헬리컬 안테나가 단말기 상단에 같은 축을 가지면서 동일한 방향으로 감겨있는 형태이다. 급전은 안테나 하단의 같은 축을 가지면서 동일한 방향으로 감겨있는 형태이다. 급전은 안테나 하단의 같은 점에서 동축선로에 의해 이루어지고 있으며, 헬리컬 안테나의 루프들은 절연제 코팅을 이용해 전기적으로 분리되어 있다.

먼저 유한한 3차원 접지면 상에 안테나가 장착될 때, 실제로 어떠한 현상이 나타나는지를 확인하기 위하여 이상적인 경우와 단말기 모델에 장착된 상태에서의 방사패턴을 비교하였다. 그림(5-5-a)는 무한 평면상에서의 단일 헬리컬 안테나의 방사패턴이며, 그림 (5-5-b)는 단말기 모델 위에 장착된 후 변형된 방사 패턴을 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 유한 접지면 상에 정착된 안테나는 방사패턴에 있어서 많은 변화를 나타내고 있다. 이 같은 현상은 제 4장에서 설명한 것과 같이 안테나에 급전된 전류 분포가 단말기의 각 면들에 새로운 전류 분포를 형성시키며, 이러한 전류 분포들이 상호 간섭을 일으키면서 복사를 하기 때문이다, 따라서 소형 안테나의 설계는 단말기 형태 및 사용되는 재질을 고려하여 최적화 설계를 하여야 한다.

설계된 2중 헬리컬 안테나의 Azimuth 패턴은 원형 방사패턴 특성을 나타내며, Elevation 패턴은 나비모양이 되도록 최적화 시켰다. 그림 (5-6)는 설계된 안테나가 단말기 본체에 장착된 상태에서 Cellular 및 PCS 대역에서 각각 시뮬레이션 된 Elevation 방사패턴을 나타낸 것인데, 두 주파수 대역 모두에서 우수한 전방향성 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 표 (5-2)은 Cellular, PCS에서 동작하도록 설계된 안테나의 전기적 사양이다.

<표 5-2. 설계된 헬리컬 안테나 전기적 사양>


중심주파수

감은 수(N)

높이

반지름

Cellular

859MHz

11

28mm

2.0mm

PCS

1810MHz

4.25

15mm

2.0mm

그림 (5-7)은 각 주파수 대역에서 설계된 안테나의 VSWR값을 나타내고 있다. Cellular 대역에서의 값이 PCS 보다 우수하게 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 PCS가 Cellular 보다 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 변형으로 설계하였을 때 헬리컬 안테나의 전체 길이가 접지면이 단말기 상단에 보다 근접하게 된다. 유한 도체면을 가지는 안테나는 안테나 자체뿐만이 아니라 근접하게 된다. 유한 도체면을 가지는 안테나는 안테나 자체뿐만이 아니라 접지면에 유기되는 전류 성분에 의해 성능이 변화한다. 이와 같은 이유로 PCS용 헬리컬 안테나 높이가 접지면인 단말기 상단에 보다 근접하게 되어, 안테나 금속선 자체뿐만이 아닌 유기전류에 의한 영향을 Cellular 안테나보다 많이 받기 때문으로 판단된다. 이러한 VSWR 성능 저하에 따른 에너지 손실은 단말기 내부에 정합회로를 설계ㆍ 장착함으로서 개선할 수 있다. 실제 제작된 안테나 시제품의 성능 측정은 제 6 장에서 살펴보도록 한다.

2. 제작 및 시제품

가. 제작방법

가. 제작 단계별 제작 부품

■ 헬리컬 안테나

■ Whip Wire, Stopper, Top 부위, Tension Spring

나. 시제품

제 4 절 적층형 헬리컬 안테나 설계 및 제작

1. 적층형 헬리컬 안테나 구조 및 해석

현재 사용되고 있는 이동통신 단말기용 안테나는 크게 모노폴 안테나부와 헬리컬 안테나부로 구성되어 있다. 헬리컬 안테나부는 주로 탄성이 큰 금속을 사용하여 전기적으로 /4의 길이를 가지며 그림 (5-10)과 같은 스프링 형태로 제작되어 모형의 변형, 파손 및 산화에 의한 성능의 저하를 방지하기 위해 외부에 플라스틱 계열의 비전도성 물질로 코팅한 후 사용되고 있다. 하지만 이 같이 제작하기 위해서 사용되는 탄성이 큰 금속은 일반 구리 등에 비해 가격이 비싸다. 또한 중앙부위에 모노폴 안테나가 이동할 수 있도록 구멍이 형성되는데 이러한 부위 및 외곽 부위 및 외곽 부위를 동시에 정밀하게 코팅하는 것은 어려운 작업이다. 이런 코팅 작업을 줄이기 위해 플라스틱 뚜껑을 이용해 헬리컬 안테나부를 보호하는 형태도 사용되고 있으나 이러한 방법은 보호부 파손의 위험이 크며 안테나는 산화 방지가 되는 금속선을 사용하여야 한다.

본 연구에서는 이런 문제점들을 해결하고 제조공정을 단순하게 하기 위하여 기존 헬리컬 안테나 대체용으로 그림 (5-11)과 같은 적층형 구조를 갖는 헬리컬 안테나를 제안한다. 그림(5-11)의 적층형 헬리컬 안테나는 다수의 수평패턴 유전체 시트를 가지고 있으며, 각각의 유전체 시트상에 2개의 개방 단부를 갖는 루프형태로 적층된 수평 금속성 패턴(수직비아 유전체 시트)를 가지고 있다. 수평 금속선 패턴은 동일한 회전방향으로 패턴화 되어 있으며 각각의 수평 금속선 패턴의 모양은 회전이 종료되는 개방 단부의 위치에서 다음 유전체 시트의 회전 패턴이 회전방향을 따라 시작되는 방식으로 패턴화 되어 있다. 또한 유전페 시트들의 최상부에는 유전체 물질로 된 커버 시트가 배치된다. 이들 유전체 시트는 적층 공정을 통하여 고압 및 고온에서 일체화함으로써 헬리컬 안테나 몸체와 같은 구조로 형성되며, 헬리컬 안테나의 높이는 사용주파수, 수평유전체 패턴 및 수직 유전체 층의 길이에 따라 변하며 이동통신 안테나에 사용 될 경우 대략 5내지 15mm의 길이를 갖는다.

그림 (5-12)는 그림 (5-11)의 수평 금속성 패턴을 따로 도시한 것으로 수평편파를 송수신하기 위하여 360˚의 원형에 가까울수록 좋지만 를 약간 주어 개방시켰다. 그림 (5-12)의 구조에서 알 수 있듯이 수평 금속선 패턴은 수평 방향으로 원형을 유지하여 통상의 헬리컬 안테나 구조를 가지는 한편, 수직 금속선 패턴은 수직 방향으로 통상의 모노폴 안테나 구조를 가지므로, 수평편파 및 수직편파를 동시에 송수신할 수 있는 무지향성 안테나 특성을 갖게 된다. 적층형 헬리컬 안테나 몸체에 형성된 금속패턴의 전체 길이는 동작 중심 주파수에 /4이고, 사용되는 유전체에 따라 그 길이가 조절된다.

헬리컬 안텐나는 복사패턴의 형태에 따라 축에 수직인 방향으로 복사를 하는 노말모드(normal mode)와 축방향으로 지향성을 가지는 축모드(axial mode)로 구분할 수 있다. 이동통신용 단말기에는 복사패턴이 안테나를 중심으로 도너스 모양을 갖고, 수직절단면(elevation)으로는 나비모양, 수평절단면(azimuth)으로는 원 모양을 갖는 노말 모드가 사용된다. 노말 모드 헬리컬 안테나는 작은 루프 안테나와 소형 다이폴 안테나가 직렬로 연결된 것으로 생각할 수 있고, 복사되는 전체 필드는 루프와 다이폴 필드의 합으로 표현될 수 있으며, far-field에서의 전계는 식 (5-1)과 같이 구해진다.

(5-1)

여기에서 는 소형 다이폴의 특성을, 는 작은 루프의 특성을 나타낸다. 식 (5-1)과 같이 헬리컬 안테나는 90°의 위상차를 가지는 두 개의 전계성분을 가지게 되는데, 이는 단말기가 어떤 위치에 존재하더라도 신호를 수신할 수 있는 장점이 된다.

2. 적층형 헬리컬 안테나 설계 및 시뮬에이션

적층형 헬리컬 안테나에 대한 시뮬레이션은 3차원 시뮬레이션 틀이 HP社의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하였다. helix는 지름이 0.4mm인 구리선을 사용하였으며, 유전체 봉의 두께 및 비유전율은 시뮬레이션을 통하여 최적화하였다. 금속선 패턴의 총 길이는 /4로 설정하였고, 수평 금속선 패턴의 지름 및 개방된 각 ( )과 수직 금속선 패턴의 지름을 변화시킴에 따라 헬리컬을 감는 수와 총 헬리컬의 높이가 달라지는데 이 또한 여러 경우에 대하여 시뮬레이션을 통해 최적화하였다.

그림 (5-13)은 HP-HFSS 시뮬레이션 Set-Up 화면을 보여준다. 또한, 이를 통해 설계된 PCS용 적층형 헬리컬 안테나 구조에 대한 파라미터는 <표5-3>과 같다.

비유전율이 1인 공기일때는 수평금속선 패턴을 4층을 사용하여야 PCS 대역의 헬리컬 안테나를 설계할 수 있지만, 비유전율이 2 이상의 유전체판을 사용할 경우 수평금속선 패턴의 수는 3회로 줄어들었으며, 표(5-3)의 구조에 대하여 시뮬레이션된 VSWR 및 복사패턴 특성을 그림 (5-14)와 그림 (5-15)에 나타냈다.

적층형 헬리컬 안테나를 시뮬레이션한 결과, 1.8GHz에서 VSWR은 -6.9dB, 이득은 -0.12dBi를 나타냈으며, 복사패턴은 Elevation과 Azimuth 특성을 통하여 이동통신 단말기용 헬리컬 안테나에서 요구되는 무지향성(Omnidirection)특성을 잘 나타냄을 알 수 있다.

3. 적층형 헬리컬 안테나의 제작

본 연구에서 적층형 헬리컬 안테나의 제작은 두 가지 방법을 고려하였다. 첫째는 유전체로서 세라믹 Green Sheet를 이용한 방법이고 둘째는 다층기판용으로 가장 많이 사용되는 에폭시(FR-4) 기판을 이용한 방법이다. 세라믹 적층공정을 이용한 헬리컬 안테나의 제작은 다양한 유전율을 갖는 세라믹 Green Sheet를 사용할 수 있고, 아주 얇은 (수십∼수백 ㎛) 세라믹 Green Sheet를 사용하므로 수직 방향의 두께조절이 용이한 반면 공정장비 및 공정이 까다로운 단점을 갖는다. 에폭시 기판을 이용한 헬리컬 안테나의 제작은 가격 및 양산성에서 유리하지만 두께조절이 어려운 단점을 갖는다.

가. 세라믹 적층공정을 이용한 헬리컬 안테나의 제작

세라믹 Green Sheet를 이용한 적층형 헬리컬 안테나의 제작 공정을 도시하면 그림 (5-16)과 같으며, 공정 순서를 자세히 기술하면 다음과 같다.

1) Material preparation

적층형 헬리컬 안테나를 제작하기 위한 재료들은 매우 다양하나 크게 Tape casting을 위한 재료와 Screen printing을 위한 재료로 구분할 수 있다. Tape casting을 위한 재료의 경우 분말과 용제와 첨가제를 포함하는 바인더로 나눌 수 있다. 이중 분말의 경우 Ferro사의 분말을 주로 사용하였다. Ferro사의 분말은 저온에서 은(Ag) 전극과의 동시소성이 가능하고 유전율이 낮으며 우수한 절연저항 값을 갖는 분말이다. 바인더로는 Ferro사의 종합 바인더인 B-73225를 사용하였다.

Screen printing을 위해서는 전극(Silver conductor)과 Screen printer가 필요한데, 특히 전극의 경우 Ferro사의 전극 FX 33-254를 사용하였으며, Screen Mask를 이용하여 프린팅 하였다. 프린터의 경우 C.W. Price사의 Screen Printer를 사용하였으며 Snap-off, Squeeze 속도, 압력 등을 조절하여 사용하였다.

2) Ball Milling

세라믹 슬러리를 만들기 위한 단계로서 분말 : 바인더 = 30∼70 : 70∼30의 비율로 섞고 3∼5배의 볼을 장입하여 볼밀을 행하였다. 특히 바인더의 양에 따른 소결특성을 확인하고자 분말 : 바인더 = 50:50, 60:40, 65:35로 각각 달리하여 탈지공정을 진행하였다. 이때 볼밀속도은 볼밀 Jar의 직경에 반비례하여 20L의 Jar를 30∼70rpm의 속도로 행하였다.

또한 Tape Casting시 요구되는 슬러리의 점도를 맞추기 위하여 탈포를 행하였는데 탈포후 점도가 10,000pcs가 되도록 하였다. 또한 탈포후 24시간 동안 숙성하여 슬러리가 Stress를 받지 않도록 하였다.

3) Tape casting

Tape Casting 공정은 적층형 부품을 제작하기 위한 공정중 가장 예민한 공정중의 하나이다. 사용된 장비는 Yokoyama사의 Tape caster 장비이며, 우선 탈포된 슬러리를 Caster의 댐으로 이송하여 Blade 부분을 통과 할 수 있도록 하였다. 이때 슬러리는 실리콘이 코팅된 PE Film 위에 위치하게 되고 0.1∼1m/min의 Feeding Rate로 이송되었다. 이때 이송방향과 반대방향으로 60∼100℃의 열풍을 불어 Green Sheet가 잘 건조될 수 있도록 하였다.

4) Cutting & Punching

제작된 Green sheet를 80℃ 오븐에서 건조하여 잔존용재의 양을 낮추었으며 용도에 맞게 10×10 로 잘라 Handling이 용이하도록 하였다. 제작된 Green Sheet의 두께는 85㎛, 100㎛, 110㎛ 등으로 사용시 두께 조절이 용이하도록 하였다. 이후 Sheet 가 통전을 위한 Viahole을 형성하기 위하여 UHT사의 Viahole Puncher를 사용하여 Punching을 수행하였다.

5) Screen Printing

Viahole이 형성된 Green Sheet에 은(Ag) Paste를 채워 적층을 통하여 수직 금속성 패턴의 형성이 가능하도록 하였고, Sheet 위에 수평금속성 패턴으로서 은(Ag)을 프린팅 하여 안테나를 형성할 수 있도록 하였다. Screen Printing의 경우 Squeeze 속도 , 입력, 전극의 점도, Screen Mask의 mesh 등의 변수를 고려하여 실험을 통하여 최적화하였다.

사용된 Viahole용 Paste는 Dupont사의 6141을 사용하였고, Screen Paste는 Dupont사의 l6141D를 사용하였으며, Screen Printing 후에 80℃에서 약 10분 동안 건조하였다.

6) Collating & Stacking

적층형 헬리컬 안테나 제작시 패턴의 정확도에 가장 많은 영향을 미치는 공정으로서 Green sheet에 Guide용 Viahole을 뚫어 각 층간이 연결될 수 있도록 하였다. Collating & Stacking 공정은 70℃의 온도에서 20Ton의 압력으로 초기에는 1분, 이후에는 30초 동안 Lamination을 수행하였다.

7) 소결 공정

소결 공정은 승온속도와 유지시간이 가장 중요한 변수이다. 적층형 헬리컬 안테나의 제작은 400℃까지는 1℃/min의 속도로 상승하여 400℃에서 2시간 동안을 유지하고, 450℃까지 1℃/min의 속도로 상승시킨 후 450℃에서 2시간 동안 유지하고, 500℃까지 1℃/min의 속도로 상승시킨 후 500℃에서 1시간 동안 유지하고 850℃까지 3℃/min의 속도로 상승시킨 후 850℃에서 20분간 유지하고 5℃/min으로 온도를 하강시켜 소결공정을 완료하였다.

8) Termination

소결된 적층형 헬리컬 안테나를 회로내에 적용할 수 있도록 안테나의 Feeding 부위에 단자를 입혀주는 공정으로는 Ag Paste로 Feeding 부위를 형성한 후 납땜이 잘 되도록 도금을 수행하였다.

세라믹 적층공정은 소결과정을 거치므로 Green Sheet가 소결 후에 일정 비율로 수축하게 되며, 그 수축율이 가장 중요한 공정 파라메터 중의 하나이다.

본 연구실의 세라믹 공정의 수축율은 수평방형으로 16.5%이며, 수직방향으로 42.5%의 수축율을 갖는다. Mask 제작시 수평방향으로 수축율을 고려하여 각층의 Mask를 제작하였다.

세라믹 Green Sheet를 사용하여 Via Punching 후 Ag Paste를 사용하여 Viahole Filling 및 Screen Printing을 수행한 각 층의 Green Sheet를 아래 그림 (5-17)에 나타냈다.

설계된 최종 안테나의 두께는 5.5mm이며, 세라믹의 수직방향 수축율 (42.5%)을 감안 할 때 약 8.15mm의 두께를 갖도록 얇은 Green Sheet를 적층하여야 한다. 본 연구실의 Green Sheet는 최대 110 μm의 두께를 가지므로 약 100여장 이상을 수직으로 적층하여 8.15mm의 두께를 갖도록 제작하였으며, 소결 공정을 통하여 약 6.5mm의 헬리컬 안테나를 제작하였다. 또한 Routing 공정을 통하여 각 셀응 원통형으로 절단하였으며, 제작된 세라믹 적층형 헬리컬 안테나의 사진을 그림 (5-18)에 나타냈다.

나. 에폭시 기판을 이용한 적층형 헬리컬 안테나의 제작

에폭시 기파을 이용한 적층형 헬리컬 안테나의 제작 공정을 도시하면 그림(5-19)과 같으며, 공정 순서를 자세히 기술하면 다음과 같다.

에폭시 적층형 헬리컬 안테나의 제작공정은 일반적인 다층기판의 제작공정과는 다른 복잡한 공정을 거쳐 제작되었다. 그 이유는 내부의 Non-Through 수직금속 패턴(Via)의 제작이 어렵기 때문이다. 내부의 수직금속 패턴은 일반적인 다층기판 공정의 전체 기판을 상하로 관통하는 Viahole과는 달리 내부의 1층과 2층, 2층과, 3층 및 3층과 4층 사이에만 존재하는 Non-Through Hole Via 이기 때문이다.

헬리컬 안테나의 제작공정은 첫째로 각층의 수평 금속성 패턴을 에칭공정을 통하여 각각 제작한다. (1차 수평 패턴층, 2차 수평 패턴층, 3차 수평 패턴층), 1차 수평 패턴층은 양면기판으로 제작하여 아랫면에 커넥터에 연결될 부분에 연결용 패턴을 형성한다. 2차 및 3차 수평 패턴층은 단면기판으로 제작한다.

첫째, 1차 수평 패턴층에 Through Viahole을 형성하고 Copper로 도금하여 1차 수평패턴층에 1차 수직 금속패턴(Viahole)을 형성한다. 그리고 1차 수평패턴층의 상층에 2차 수평패턴층을 적층한다. 적층된 1,2차 패턴층에 수직으로 2차 수평패턴층만을 관통하는 Viahole을 형성하고 Copper로 도금하여 2차 수직 금속패턴 층을 형성한다. 그 후 적층된 1,2차 수평패턴층에 3차 수평 패턴층을 적층한다. 최종적으로 1.2.3차 적층된 패턴층 위에 Cover 층을 적층하여 6층으로 헬리컬 안테나는 내부에 휩이 관통할 수 있도록 관통 홀을 제작하고, 최종적으로 외각을 원형으로 Routing하여 원통형의 적층형 헬리컬 안테나를 제작하였다.

에폭시 적층형 헬리컬 안테나를 제작하기 위한 각 층별 PCB 패턴도 및 Drill도를 아래 그림 (5-20)에 나타냈다.

에폭시 기판을 이용하여 제작된 에폭시 적층형 헬리컬 안테나의 시제품 사진을 그림 (5-21)에 나타냈다. 제작된 헬리컬 안테나는 지름 6.5mm, 높이는 5.5mm를 갖는 소형의 헬리컬 안테나이다.




제 6 장 Retractable 안테나 성능 측정

제 1 절 성능 측정 개요

단말기 제작에 소요되는 여러 가지 부품들과 마찬가지로 안테나를 설계 및 제작하는 것과 함께 성능을 측정하는 것도 매우 중요하다. 특히 안테나는 단말기의 최종단 및 시작단이 되는 부분으로 실제적인 에너지 변환에 의한 신호의 수신과 송신이 일어나는 곳이기 때문에 단말기의 성능을 결정하는 중요한 부분이다.

다른 일반 부품들과는 달리 현재 서비스 중인 824∼894MHz 대역 Cellular 용 및 1.75∼1.87MHz 대역의 PCS용 단말기 안테나는 그 사용 파장이 비교적 크기 때문에 성능을 측정하기 위해서는 상당히 넓은 전자기 차폐 및 흡수체가 설치된 공간이 필요하다. 또한 측정에 직접 사용되는 복사에너지를 측정하는 Scan 장비와 측정된 정보로부터 우리가 원하는 값을 추출해 낼 수 있는 Processer 및 계측기 등이 필요하다.

제 2 절 성능 측정 방법

1. Far Field 측정방법

안테나 측정에 널리 사용되어 오던 고전적인 방법으로서 고정된 안테나에 신호를 인가하고 완전히 Far Field가 형성될 정도의 충분히 멀리 떨어져 있는 곳에서 Spectrum Analyzer등을 이용하여 넓은 공간상에서 직접 패턴을 측정하는 방법이다. 이 방법을 이용하여 실내에서 안테나의 특성을 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 안테나의 사용 파장에 최소한 수십배 이상의 직선 거리를 확보할 수 있는 전자파 차폐실이 있어야 하지만 파장이 30∼40cm인 Cellular 대역의 안테나를 측정하고자 하면 피측정용 안테나와 측정용 안테나 사이의 간격이 10m가 넘는 차폐실이 필요하며 이 같은 시설을 구축하기 위해서는 엄청난 시설비가 필요하며 이러한 이유로 이해서 국내의 안테나 제조 업체 및 여러 연구소에서 쉽게 Far Field 방법에 의한 실내 안테나 측정실을 갖추지 못하고 있는 실정이다. 또 다른 방법으로서는 주위에 큰 건물이나 인공구조물 등과 같은 장애물이 없는 운동장과 같은 넓은 대지에서 측정하는 것이 있다. 이 방법 또한 현실적으로 외부에 시설 및 환경을 구축하기가 힘들기 때문에 국내에는 현지 이 같은 방법으로 측정할 수 있는 곳이 드문 실정이며 선진외국에서는 군사적인 목적 등과 같은 실제 환경에서의 성능평가를 위해 사용되어지고 있다.

이와 같이 Far Field에서 안테나의 성능을 측정하는 방법은 어떠한 S/W적인 처리를 거치지 않고 직접 원하는 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있으나 실제적으로 그러한 환경을 구축하기가 힘들기 때문에 설계, 제작 및 측정을 연속적으로 반복하여야 하는 개발단계에서는 이용하기가 힘들다. 하지만 주파수가 X-Band 등과 같이 높아져 파장이 짧은 안테나의 성능 평가 등에는 사용되어지고, 비교적 작은 공간을 차지하여 실내에 설치가 쉽고 정확도를 검증 받은 Near Field Measurement 방법이 많이 사용되어지고 있는 추세이다. 이 방법은 비교적 짧은 거리(3 이상)에서 측정한 값을 소프트웨어적으로 처리하여 Far Field에서 원하는 데이터를 구하는 방법이다.

2. Near Field 장비를 이용한 측정방법

최근 몇 년만에 안테나 측정에 널리 사용되고 있는 방법으로 전자파 차단 및 흡수체가 설치된 비교적 작은 실내 공간에서 특수하게 설계된 측정장비와 신호처리용 S/W를 이용하여 안테나의 성능을 측정하는 방법이다. 개발 초기에는 이러한 방법에 의해 처리된 데이터에 대한 정밀도가 다소간의 논란이 있었으나 현재는 측정된 값들에 대한 정밀도가 향상되고 Far Field 방법에 비해 측정공간이 협소해도 가능하기 때문에 측정자 1명에 의해 모든 측정 장비가 제어될 수 있는 등 많은 장점이 있어 널리 이용되고 있는 추세이다. 이러한 Near Field 측정방법이라는 것은 Far Field방법에 비해 상대적으로 가까운 거리에서 측정한다는 것을 지칭하는 것으로서 안테나의 Near Field 영역에서 측정한다는 것을 아니다. 엄밀하게 말하면 Fresnel 영역과 Far Field 영역의 경계 부위에서 측정이 행해진다. 측정된 값들은 우리가 원하는 Far Field 영역에서의 데이터를 얻기 위해서 신호제어용 장치와 S/W에서 FFT(Fast Fourier Transform) 등을 거쳐 최종적으로 Far Field에서의 크기. 위상 등 각종 파라미터 값 등으로 계산되어진다.

이와 같은 측정시스템은 우선 원하는 주파수 대역에서 피측정용 안테나에 신호를 급전하고 복사되는 에너지의 크기를 동시에 읽을 수 있는 Network Analyzer 두 개의 측정 단자에 안테나와 Scanner를 연결한다. Scanner는 측정 하고자하는 주파수와 안테나패턴의 종류에 따라 그 크기가 정해진다. 이때 Scanner는 피측정용 안테나에서 복사되는 에너지의 크기 및 Phase를 각 공간 좌표별로 정확히 샘플링하는 것으로서 이러한 Scanner에서 신호를 직접 측정하는 부분은 기본적으로 도파관형태의 Probe이데 측정 안테나의 크기, 편파상태 및 형태 등에 따라서 Probe 대신 다른 종류의 안테나를 사용할 수도 있다. Scanner를 정확히 측정하고자 하는 각 공간좌표별로 정확히 이동시키는 장치가 컨트롤러이다. Scanner, Network Analyzer 및 컴퓨터제어기는 그림 (6-1)과 같니 각각 GPIB Card 및 케이블, 각각의 동기를 맞추기 위한 신호연결선 그리고 RF 신호의 연결을 위한 동축케이블 등으로 연결되어 있다.

3. 측정 샘플 및 환경

현재 상용화된 Cellular 서비스용 단말기 3종과 PCS용 단말기 1종 등 총 4종류의 안테나 성능을 측정하였다. 단말기용 안테나와 같은 무지향성 소형 안테나의 성능을 평가할 때 가장 중요한 것이 안테나의 중심축과 평행한 평면으로의 복사 특성을 나타내는 Elevation 패턴이며 Horizental 패턴을 Elevation 패턴을 정확히 측정하게 되면 부수적으로 알 수 있게 되는데 일반적으로 거의 완전한 원의 형태를 가진다. 이와 같은 안테나의 Gain은 일반적인 단말기용 안테나일 경우 최대 1dBi가 넘지 않는데 이를 측정하기 위해서는 800MHz∼1.9GHZ 대역에서 게인이 15dBi 정도인 Standard Gain Horn 안테나가 필요하다. 하지만 이러한 금속성의 Horn형 안테나는 그 크기가 1.5×0.8×0.5m에 가깝고 무게가 수십 kg이 나가는 대형으로서 구입 및 직접 제작이 용이하지 않기 때문에 Gain 측정은 생략하였다.

그림 (6-2)는 전자파 차폐물질로 싸여진 지지대 위에 단말기용 안테나가 설치된 모습으로 가로와 세로로 교차되는 점선을 Probe가 안테나로부터 복사되는 에너지를 샘플링하는 접들을 표시한 것으로 실제 측정에서 n=50, m=30으로 하여 총 1500개 이상의 공간좌표에서 신호의 샘플링을 하여 계산용 데이터로 활용하였다. Elevation 패턴을 가 -180° ∼180°까지 변화할 때 측정하기 위해서는 세로축의 길이가 이상적으로는 무한대여야 하는데 실제적으로 측정할 때는 단말기 안테나의 편파를 고려하여 Probe를 설치하고, 단말기를 360°회전시켜가면서 Near Field 측정 데이터를 얻는다. 이러한 방법으로 Cellular PCS의 Tx, Rx 주파수 대역 중 처음과 끝에 해당하는 주파수에 대하여 단말기의 4면에 대한 측정을 각각 행하였다.

제 3 절 이중 구조 안테나 성능 측정

1. 단말기 안테나 성능 측정

단말기용 안테나의 성능 평가를 위한 측정 파라미터는 여러 가지가 있다. 여기서 가장 중요한 안테나 정합정도를 나타내는 VSWR, 입력 임피던스의 변화를 살펴볼 수 있는 Smith Chart 그리고 공간상으로의 복사에너지 모양을 살펴볼수 있는 Elevation 패턴을 측정하였다.

본 과제 수행중 제작한 안테나는 국내 Cellular, PCS용 안테나와 유럽형 GSM 안테나가 있다. 여기서 Cellular와 GSM은 거의 동일한 주파수 대역과 성능을 가지므로 표(6-1)에 표시한 것과 같이 Cellular 및 PCS용 시제품에 대한 측정을 행하였다.

<표 6-1. 성능 측정을 위한 주파수 대역>


사용주파수대역

Elevation 패턴

측정 주파수(MHz)

Cellualr 단말기

Tx

824 ∼ 849 MHz

824, 849, 869, 894

Rx

869 ∼ 894 MHz

PCS 단말기

Tx

1750∼1780 MHz

1750, 1780, 1840, 1870

Rx

1840∼1870 MHz

표 (6-1)에 표시된 것과 같이 VSWR 및 임력입피던스의 측정을 위해서는 Cellular 및 PCS 서비스 주파수 대역보다 좀더 넓은 대역을 선택하여 그 변화하는 형태를 고찰하였다. Elevation 패턴은 Tx 및 Rx 대역의 대표 값으로서 각각 시작점과 끝점의 주파수를 선택하였다. Gain은 대형 Standard Horn 안테나가 구비되어 있지 못하여 측정하지 못하였으나, 단말기에 원래 장착되어 있는 제품과 Field 크기를 비교할 때 동일하거나 우수하였다.

2. Cellular 단말기용 안테나

본 과제에서 제작한 Cellular용 안테나는 국내 A사의 단말기에 적합하도록 설계 및 제작하였으며, 표 (6-2)는 VSWR=2를 기준으로 평균값을 정리한 것이다.

<표 6-2. Cellular용 안테나 성능 측정>


Retracted Position

Extended Position

평균 VSWR

1.8

3.0

Bandwidth 증가율

30%

10%

보통 단말기용 안테나는 Extended 위치에서 VSWR 값이 더욱 우수하나 본 안테나는 A사의 안테나 사양에 맞추어 설계 및 제작을 하였기 때문에 위와 같은 결과를 얻었다. VSWR=2를 기준으로 하여 10∼30% 이상의 주파수 대역 증가를 실현하였으며 Gain은 최고점에서 동일하였다. 보다 넓은 주파수 대역을 구현할 수 있게 됨으로서 실제 양산 공정시 발생하는 중심 주파수의 허용 변동폭의 오차를 크게 할 수 있으므로 보다 제작이 용이하다.

그림 (6-5), (6-6), (6-7), (6-8)은 , 절단면에 대한 Retracted 및 Extended 위치에서의 안테나 방사패턴이다. 그림에서와 같이 모두 Side Lobe가 없이 전방향성 특성을 나타내고 있다. 그리고 제 4장에서 고찰한 것과 같이 에서 Main Lobe가 휘어지는 현상도 시뮬레이션 결과와 같이 나타나고 있는 것을 알 수 있다.

3. PCS 단말기용 안테나

본 과제에서 제작한 PCS용 안테나는 국내 B사의 단말기에 적합하도록 설계 및 제작하였으며, 표(6-3)은 VSWR=2를 기준으로 평균값을 정리한 것이다.

<표 6-3. PCS용 안테나 성능 측정>


Retracted Position

Extended Position

평균 VSWR

1.94

1.91

Bandwidth 증가율

20%

10%

최근 PCS용 단말기는 Whip 안테나를 사용하는 Extended 위치에서의 안테나 정합보다는 헬리컬 안테나만을 사용하는 Retracted 위치에서의 정합에 더 치중하는 편이다. 이것은 PCS 대역에서 Whip 안테나의 길이가 실제적으로 헬리컬 안테나의 길이에 비해 많이 길지 않고 성능 차이에서도 약간의 차이는 있지만 실제적인 경우 도심지역에서 차이가 크게 나지는 않기 때문이다. VSWR=2를 기준으로 하여 10∼20% 이상의 주파수대역 증가를 실현하였으며 Gain은 최고점에서 동일하였다. 보다 넓은 주파수 대역을 구현할 수 있게 됨으로서 Cellular에서와 마찬가지로 양산 공정에서 유리하다.

그림 (6-11), (6-12) , 절단면에 대한 Retracted 및 Extended 위치에서의 안테나 방사패턴이다. 패턴이 정확한 나비모양이 아닌 것은 폴더형으로 단말기를 제작할 경우에 생기는 현상으로 파악된다.

제 4 절 적층형 헬리컬 안테나 성능 측정 및 분석

1. 세라믹 적측형 헬리컬 안테나

앞 절에서 제작된 세라믹 적층공정을 이용한 헬리컬 안테나는 본 연구실의 장비가 수직방향으로 긴 길이(약 10mm)를 갖고 100여장의 얇은 세라믹 Green Sheet의 lamination을 통한 적층공정은 장비의 특성상 제작하기 곤란하여 제작시 많은 어려움을 겪었으며, 제작된 세라믹 적층형 헬리컬 안테나는 적층 공정을 통한 안테나의 제작이 가능함을 검증할 수 있는 모델로 사용하였다.

제작된 헬리컬 안테나에 단말기에 장착하기 위한 Connector를 연결하고 HP 8753D 회로망분석리를 이용하여 VSWR 특성을 측정하였으며, NSI사의 Near Field 안테나 측정시스템을 이용하여 Elevation 및 Azimuth 방사패턴을 측정하였다. 측정된 적층형 헬리컬 안테나의 VSWR 특성과 방사패턴을 아래 그림 (6-13)과 그림(6-14)에 나타냈다.

세라믹 적층형 헬리컬 안테나의 특성은 공진 주파수 1.568GHz에서 VSWR은 1.6213 으로 나타냈다. 안테나가 설계된 1.8GHz보다 낮은 1.57GHz에서 공진한 것은 적층공정시 100여장의 Sheet를 적층함으로서 하층의 패턴이 약간 확장되는 현상을 보여서 길이가 설계 주파수보다 길어진 것으로 추측되며, 대역폭이 협대역 특성을 나타낸 것은 안테나 제작에 사용된 세라믹 Green Sheet의 유전율이 7이므로 다른 유전체에 비하여 대역폭이 줄어든 것으로 추측된다. 측정된 방사패턴은 그림 (6-14)에서 알 수 있듯이 Elevation 과 Azimuth에 대하여 양호한 방사패턴 특성을 나타냈다.

2. 에폭시 적층형 헬리컬 안테나

에폭시 기판을 이용한 적측형 헬리컬 안테나는 세라믹 적층형에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다. 세라믹 기판은 소결을 하여야 하는 공정상의 특성 때문에 안테나와 같은 수직방향의 길이를 크게 하기 위해서는 수축율에 따라 100여장 이상의 Sheet를 사용하여야 하고 Green Sheet의 가격이 비싸며, 크기 조절이 힘들다. 이에 비해 에폭시 기판은 수축율이 작으며 시트의 수도 훨씬 줄어들어 적층 공정이 더 수월하다. 또한 에폭시 기판의 가장 큰 장점은 가격이 저렴하고 양산성이 세라믹에 비하여 훨씬 더 우수한 장점을 가진다.

제작된 헬리컬 안테나에 단말기에 장착하기 위한 Connector를 연결하고 HP 8753D 회로망분석기를 이용하여 VSWR 특성을 측정하였으며, NSI사의 Near Field 안테나 측정시스템을 이용하여 방사패턴을 측정하였다. 측정된 에폭시 적층형 헬리컬 안테나의 VSWR 특성과 방사패턴을 아래 그림 (6-15)과 그림 (6-16)에 나타냈다. 공진 주파수는 1.875GHz 로서 설계주파수와 거의 비슷하였고 공진주파수에서 VSWR은 2.549 특성을 나타냈다. 또한 측정된 방사패턴도 Elevation 과 Azimuth에 대하여 무지향성의 양호한 방사패턴 특성을 나타냈다.

동일한 측정지그를 사용하여 PCS 단말기용 상용 헬리컬 안테나의 특성이 1.842GHz에서 VSWR이 2.495인 점을 감안하면 아주 우수한 특성이라고 생각되며, 단지 대역폭이 상용제품에 비하여 협대역인 특성을 나타냈다. 그 이유는 사용된 에폭시의 유전율이 4.8 로서 상용제품의 2.0 정도에 비하여 크기 때문으로 사료된다. 유전율이 낮은 에폭시 기판을 사용할 경우 양산성이 우수한 적층형 헬리컬 안테나를 제작할 수 있으리라 기대된다.




제 7 장 Retractable 안테나의 SAR 특성

제 1 절 전자파 문제 및 중요성

1. 개요

전자산업의 급격한 성장과 함께 정보화사회로서의 진전으로 인해서 최근 생활환경은 전자, 전지 및 정보 기기가 많이 보급되고 있다. 특히 국내·외의 이동통신 이용자의 수는 최근 3년간 급격한 성장세를 보이고 있으며, 국내에서는 순가입자 증가가 약 100%에 이르고 있다. 이렇게 빠르게 보급되고 있는 정보기기는 기술의 빠른 보급, 정보의 공유화 등 사회적, 기술적으로 많은 장점이 있지만 한편으로 여러 가지 문제점을 발생시키고 있다. 현재의 직장 근무환경은 여러 가지 정보기기들이 서로의 단점을 보완해 주면서 사용되어 지도록 설치되어 있다. 이때 이들 기기로부터 발생되는 각종 전자파들로 인해서 전자파환경이 나빠지며 각종 통신장애. 기기장애 등이 일어나고 있다. 또한 최근 여러 연구기관에서는 일부 전자기기들에서 발생되는 전자파들은 인체에 영향을 주어 각종 질병을 유발하거나 유발할 가능성이 큰 것으로 발표하고 있다. 지금까지 전자파가 기기에 영향을 주어 오동작을 일으키는 사례로는 병원의 각종 의료기기, 공장의 자동화 로봇제어 기기, 운항중인 항공기 및 주유소 기기 등이 있다. 이러한 이유들로 인해서 많은 국가에서 전자기파 장애 등에 대해서 법적으로 규제 사항을 명시하기 시작했으며 최근에는 이러한 규제 사항을 만족하지 못할 경우 제품의 출시가 금지되고 있다. 하지만 전자파의 인체영향에 대한 평가 및 실험이 어렵다는 점과 국가간의 이해 차이에 의해 세계표준 규정의 제정이 힘들다. 국내에서도 1997년 전자파 적합등록 규칙을 제정 시행하고 있다.

2. 이동통신 단말기의 전자파 문제

최근 몇 년 동안 급속한 가입자 증가와 함께 부각되고 있는 이동통신 단말기의 전자파 문제는 크게 두 개로 나누어 생각할 수 있다.

첫째, 단말기는 다른 정보통신기기들과는 달리 안테나를 이용하여 비교적 높은 에너지의 전자기파를 인위적으로 직접 외부에 방사시킨다. 그러므로 단말기는 다른 전자기기에 영향을 미칠 뿐 아니라 그 특성상 사용자의 신체 중 머리부분에 거의 밀착된 상태에서 사용되어지기 때문에 인체에 미치는 영향이 그 어떠한 기기들보다도 높다. 이러한 이유로 세계적으로 단말기 안테나로부터 인체에 흡수되는 에너지의 비율 및 이로 인한 열 상승 효과에 대한 규정을 정하고 있으며 규제요건을 강화하고 있는 추세이다. 그러나 이러한 전자기파에 의한 인체에 유해성은 명확히 규명된 것이 없고 현재 동물실험 등에 의해 연구되고 있다. 또한 실험을 하기 위한 연구진도 의학, 전자공학, 전파공학, 생물학 등 다양하게 이루어져야 하기 때문에 각 국가별로 규정 제정이 힘들고 부분별로 다른 경우가 대부분이다.

둘째, 다른 전자기기와 마찬가지로 단말기 내무 회로들도 전자파 간섭에 의해 영향을 받는다. 이동통신용 단말기는 그 구조의 한계에 의해 안테나가 직접 부착되어 있고. 많은 내부 회로의 동작 주파수와 안테나를 통해 송·수신되는 신호의 주파수가 일치한다. 안테나로부터 발행되는 높은 에너지의 전자파에 의한 내부회로 손상 문제점을 해결하기 위하여 단말기 내부는 각 회로 부분별로 전자파 차폐가 이루어지고 있으며, 단말기 내부 전체는 금속판 또는 금속도료에 의해 완전히 외부와 차폐되어 있다. 특히, 안테나의 수납에 이용되는 공간은 주로 내부 공간이 아닌 배터리 아래 부분에 따로 설치하며. 수납시 휩 안테나는 완전히 급전점으로부터 차단되도록 하고 있다.

제 2 절 단말기 SAR 문제

이동통신서비스에서 최근 중요한 사항으로 부상하고 있는 SAR는 Specific Absorption Ratio 준말로서 전자기파에 의한 생체부위의 열 상승 효과의 정도를 나타내는 용어이다. 인체는 일정한 기초 대사량에 의한 발열량을 유지하고 있는데 외부조건의 변동에 의해 급격히 발열량이 변화하거나 작지만 지속적으로 변화 할 때는 혈액의 순환작용에 의해서 해소되지 못하는 경우가 발생한다. 이러한 경우 신체 부위의 열 상승 효과는 몇 분간에 걸친 연속 통화를 할 때 귀 및 머리 부위가 뜨거워지는 것으로 간단히 확인해 볼 수 있다. 이 경우에 단말기 내부의 송신용 Power Amp. 단에서 발생하는 열이 직접 신체에 전달되는 것도 있지만 전자기파에 의한 열 상승 효과도 포함되어 있다. 그림 (7-1)은 전자기파 효과를 간략히 분류한 것이다.

단말기를 사용함으로서 전자기파가 신체에 미치는 영향은 크게 인체조직이 전자기파에 의해 가열됨으로서 발행하는 열 상승 효과(SAR) 와 인체 고유의 전자파 주파수 및 전류에 대한 교란 및 유도전류에 의한 영향이 있다. 이러한 전자기파에 의한 문제점들은 단말기 내부가 거의 완전 차폐되어 있기 때문에 전적으로 안테나에 의해 발생한다고 할 수 있다. 무선통신기기의 기본 특성상 안테나를 이용한 전자기파의 송·수신에 의해 작동이 되기 때문에 전자파의 이용과 SAR에 의한 문제점은 항상 존재하고 있다고 할 것이다.

표(7-1), (7-2), (7-3)은 국제방사선방호협회, 미국국가 표준협회 및 일본 전파방호지침이 제정하여 권고하고 있는 사항이다. 이들은 강제규정이 아닌 권고사항이지만 미국 및 일본에서 생산되는 휴대 무선기기의 SAR를 규정하고 있는 것으로서 이들 국가에서 생산 및 수출하는 제품은 이 규정을 따르고 있는 것이 현실이다.

<표 7-1. 국제방사선방호협회(IRPA) 직업인 안전기준값>

Frequency (MHz)

E-Field 강도

(V/m)

H-Field 강도

(A/m)

Power Density

(mW/ )

비 고

1∼10

614freq.

1.6/freq.

-

-

10∼400

61

0.16

1

-

400∼2,000

freq./400

Cellular,

PCS

2,000∼300,000

137

0.36

5


<표 7-2. 미국국가표준협회(ANSI) 안전기준값>

Frequency (MHz)

E-Field 강도

(V/m)

H-Field 강도

(A/m)

Power Density

(mW/ )

비 고

3∼30

1,842/freq.

16.3/freq.

(900/f2, 10,000/f)

-

30∼300

61.4

16.3/freq.

(1, 10,000f2)

-

300∼1,000

61.4

0.163

1

Cellular

1,000∼3,000

-

-

freq./300

PCS

3,000∼15,000

-

-

10

-

<표 7-3. 일본 전파방호지침 안전기준값>

Frequency (MHz)

E-Field 강도

(V/m)

H-Field 강도

(A/m)

Power Density

(mW/ )

비 고

3∼30

1842/freq.

4.9/freq.

-

-

30∼300

61.4

0.163

1

-

300∼1,500

freq./300

Cellular

1,500∼300,000

137

0.365

5

PCS

위에서 언급한 내용과는 달리 표(7-4)는 미국 FCC가 휴대무선기기에 대하여 제정한 강제규정이다. 이규정은 1997년 1월부터 자국에 판매되는 제품에 대해 적용되고 있는데, 인체모형내부에 전자파 흡수체를 설치한 후 SAR를 측정하도록 되어있다. 적용주파수는 Pager, Cellular, PCS, GSM등 모든 이동통신 단말기에 적용되도록 설정되어 있다. 이와 같이 무선기기에 강제규정을 두고 있는 나라는 미국 및 스웨덴뿐이며 이들 국가도 일부 기기에 제한적으로 적용하고 있는 실정이다.

<표 7-4. 미국 FCC 휴대전화 등에 대한 강제규정>

적용 대상

주파수

규정값

비 고

휴대용 무선기기

0.1 ∼ 6,000MHz

1,6W/kg

강제규정

전자파에 대한 인체보호기준은 이상에서 살펴본 것과 같이 대부분이 선진국에서 규정, 시행되고 있는 것으로서 현재 우리나라는 이러한 규정의 실정을 위해서 의학, 공학의 전문가들이 연구하고 있는 시점이며, 대부분 외국 규정을 검토, 분석하고 있는 수준에 그치고 있다.

제 7 장에서는 단말기 안테나에 의한 전자기파가 인체 머리부위에 미치는 SAR의 크기에 대해서 알아본다. SAR의 직접 측정은 의료계 및 의학장비가 갖추어져 있는 상태에서 이루어질 수 있는 작업이며, 본 과제에서는 XFDTD(Rencom社)를 이용하여 Bar형 및 폴더형 단말기에 대하여 SAR 효과를 시뮬레이션 하였다.

제 3 절 인체 모델을 이용한 SAR 시뮬레이션

Remcom社의 XFDTD를 이용하여 인체 두상 및 어깨까지의 모델에 휴대 전화기를 장착한 상태에서 SAR를 계산하였다. 그림 (7-2)과 같은 인체 모델은 총 17개의 유전체로 구성한 것으로 2×2×2.5mm의 직육면체를 하나의 단위 Cell로 하여 309×177×161mm를 총 8,805,573개의 Cell을 이용하였다. 17개의 유전체는 실제와 같이 주파수에 따라서 유전율 및 특성이 달라지도록 구성하였으며, 표(7-5)은 주요 부위별 주파수 특성을 나타내고 있다.

<표 7-5. 인체 모델 주요 부위별 주파수 특성>

Material

연골

근육

건조 피부

두개골

150MHz

0.498

51.4

0.749

62.68

0.926

63.47

0.479

60.19

0.543

61.50

0.127

19.98

300MHz

0.552

46.77

0.791

58.98

0.975

58.90

0.553

51.90

0.641

49.82

0.149

18.30

500MHz

0.621

44.60

0.844

57.32

1.033

56.89

0.626

48.42

0.728

44.91

0.177

17.45

700MHz

0.679

43.46

0.902

56.50

1.096

55.91

0.695

46.80

0.800

42.75

0.208

16.97

900MHz

0.782

42.65

0.969

55.95

1.167

55.27

0.766

45.80

0.867

41.40

0.242

16.62

1200MHz

0.929

41.72

1.088

55.36

1.290

54.58

0.882

44.82

0.967

40.21

0.298

16.21

1500MHz

1.098

40.93

1.228

54.87

1.435

54.04

1.010

44.11

1.072

39.43

0.362

15.87

1900MHz

1.354

39.98

1.448

54.30

1.662

53.42

1.204

43.37

1.224

38.71

0.456

15.46

2300MHz

1.641

39.10

1.705

53.77

1.925

52.84

1.423

42.75

1.395

38.18

0.559

15.10

※ 각 항복 상단 : Conductivity (S/m), 하단 : 비유전율

SAR 특성을 알아보기 위해 모델을 구성하는데 있어서 어려운 점은 첫째, 기존의 MOM, FEM 등을 이용한 시뮬레이션으로는 3차원이면서 곡면이 많아서 구현하기에 한계가 있다는 것고 둘째, 보다 정밀하게 단말기를 구성하게 되면 현재의 컴퓨터 한계에 의해 수행 시간이 수일에서 수십일까지로 늘어난다는 점이다. 이런 이유로 비교적 구현이 간단하고 수행 시간을 감소시키기 위하여 단말기는 금속으로 구성되는 직각육면체로 모델링 하였으며, 수행 공간은 인체 모델의 약 2배로 제한하였다.

모델링된 단말기는 Cellualr용이며 크게 두 종류로서 그림 (7-3)과 같이 Bar형과 Folder형으로 구성하여 인체 모델과 합체시켰다. 두 가지 모델 모두 인체 모델과의 연관성 및 정확한 결과를 얻기 위하여 2×2×2.5mm인 직육각면체를 기본 단위 Cell로 하였고, 현재 시판중인 휴대전화와 유사한 크기를 가지게 하기 위하여 표 (7-6)과 같이 구성하였다.

<표 7-6. 휴대전화 모델링>


높이

두께

넓이

안테나

Bar Type

100mm

40 Cells

20mm

10 Cells

40mm

20 Cells

80mm

32 Cells

Folder Type

80mm

40 Cells

20mm

10 Cells

40mm

20 Cells

80mm

32 Cells

그림 (7-3)에서와 같이 단말기와 인체는 3차원으로 모델링 하였으며 통화 상태와 동일하게 하기 위하여 귓가에 완전히 접합된 형태로 하였다.

그림 (7-4)는 Bar 형태 단말기의 VSWR 특성을 나타내고 있다. (a)는 인체 모델에 접합시키기 전의 주파수 특성이며, (b)는 귓부위에 접합시킨 후의 VSWR이다. 넓은 주파수 대역에서 안테나의 공진주파수에 대한 정수배율로 공진이 일어나고 있으며, 원하는 Cellular 대역에서는 최저치가 좀더 낮아지지만 대역폭이 감소함을 알 수 있다.

그림 (7-5)는 폴더 형태 단말기의 VSWR 특성을 나타내고 있다. (a)는 폴더를 닫은 상태에서 단말기 자체만의 VSWR 특성이며, (b)는 폴더를 열었을 때 단말기 자체만의 VSWR 특성이다. 닫혀 있는 상태에서는 Cellular 대역에서 정합 특성이 우수하게 나타나고 있지만, 폴더가 열린 상태에서는 특히 Cellular 대역에서의 특성이 나빠지고 있다. 이 같은 현상은 열린 폴더의 길이가 안테나의 길이와 유사하여 폴더와 안테나간의 커플링에 의해 성능이 저하되는 것으로 판단된다. XFDTD는 시뮬레이션이 끝난 후 입력 신호 크기의 절대값을 조절할 수 있으며, 입력 입피던스의 변화량에 의해 효율을 계산하기 때문에 이러한 모델을 이용하여도 SAR 값을 비교하는데는 크게 문제점이 없다고 판단된다. (c)는 폴더를 연 상태에서 귓부위에 접합시킨 후의 VSWR이다. Bar 형태와 마찬가지로 Cellular 대역에서의 주파수 대역폭 감소를 보이고 있으며 정합 상태가 다소 나빠지고 있음을 알 수 있다.

표 (7-7) 은 두가지 형태의 단말기에 대한 SAR 시뮬레이션 결과이다. 입력 전력은 Cellular 평균 출력을 1mW, 최대 출력을 2W라고 가정했을 때 단계별로 변화시켰다. 결과는 인체 모델 전체에 대한 평균 SAR, 최대 SAR 및 최대 1g SAR 이다. 표에서와 같이 평균 SAR 및 최대 1g SAR 값은 입력값에 따라 조금의 차이는 있지만 폴더형태가 Bar 형태에 비해서 낮은 값을 가진다. 하지만 일정 지점에 대한 집중도를 나타내는 최대 SAR는 폴더형태가 높게 나타나고 있다. 폴더는 귀에 밀착되는 부분이 안테나 바로 옆이기 때문에 유도되는 전류량이 많고, Bar 형태는 안테나 하단이 구에 밀착되므로 상대적으로 유도 전류량이 적다. 이로 인해서 전체적인 평균 SAR는 폴더가 낮지만 부위별 최대 SAR는 반대로 폴더가 높게 나오는 것이라 판단된다.

시뮬레이션 결과를 비교·검토할 자료로서 표 (7-8)로 요약한 세계 각국의 전자파 인체안전지침을 이용하였으며. 대부분의 국가에서 평균적인 전신평균 SAR는 최저 0.4W/kg을 초과하지 않는 양으로 규정하고 있다.

시뮬레이션 결과와 비교할 때 평균 SAR 값은 인체안전지침에 만족하고 있지만 부분별 SAR는 상당히 높게 나오고 있음을 알 수 있다. 하지만 인체 안전지침이 보통 인체와 단말기 사이를 2mm 거리를 두고 측정하도록 되어 있어 실제상황과는 조금 거리가 있다. 본 시뮬레이션은 밀착된 상태에서의 값이기 때문에 실제 상황과 좀 더 거리가 있다. 본 시뮬레이션은 밀착된 상태에서의 값이기 때문에 실제 상황과 좀더 근접하였다고 생각되며, 국내 규정 제정시에는 2mm가 아닌 완전 밀착 상태에서의 값으로 정의하여야 할 것이다.


제 8 장 기계적 ·환경적 특성 측정

제 1 절 기계적·환경적 특성 시험의 목적 및 필요성

많은 전자부품 및 제품들은 정해진 규정안에서 기계적·환경적 특성 시험을 받아야 하며, 이 규장들은 국제적으로 정해진 것도 있으나 단말기용 안테나의 경우에는 제조업체마다 조금씩 차이가 있다. 이러한 시험을 행하는 이유는 다음과 같다.

첫째, 단말기용 안테나는 사용자에 따라 차이는 있지만 하루에 수십번씩 삽입 및 인출이 반복된다. 삽입 ·인출 반복과정에는 주로 안테나 끝 쪽에 균일하지 않는 힘이 인가되며, 단말기의 상단에 돌출되어 있기 때문에 외부환경 변화 및 충격에 노출되기 쉽다. 이러한 단말기용 안테나의 지금은 헬리컬 외부 커버 부위가 최대 1cm를 넘지 않기 때문에 만약 외부의 힘이 직접 가해진다면 단위면적당 충격량은 단말기의 다른 부위에 비해 크다.

둘째, 지구상의 많은 지역은 계절에 따른 기후변화 폭이 크고, 건조한 기후와 강우량이 많은 시기가 어느 정도 구분되며, 지역에 따라 내륙 및 해양성 특징이 강하게 나타난다. 이 때문에 온도, 습도, 염도 등의 변화가 지역에 따라 크며 이 같은 상황에서 안테나는 정상적으로 동작하여야 한다. 이러한 이유로 단말기용 안테나의 기계적·환경적 특성 시험을 통한 신뢰성 확보가 중요하다.

다음 장에는 단말기 제조업체에서 요구하는 특성 시험 항목 중 몇 가지 중요한 것에 대하여 시험목적, 시험방법 및 시험 후 요구사항 등을 요약하였다. 본 과제 진행 중에 제작된 시제품들은 모두 이 시험 항목들을 만족하였다.

제 2 절 기계적 특성 시험

1. 커버 비틀림 시험

가. 시험 목적

현재 많이 사용되고 있는 Retractable 안테나는 커넥터 부위가 나사선으로 형성되어 단말기 본체에 쉽게 장착 가능하도록 되어 있다. 이러한 이유로 안테나를 단말기에 장착할 경우 일정 회전력에 대하여 파손 없이 외관 및 성능을 유지하여야 한다. 본 실험은 헬리컬 안테나 외부 커버의 비틀림 강도를 측정하여 커넥터와 안테나와 결합 정도를 알아보기 위한 것이다.

나. 시험 방법

안테나를 시험 장비에 조립하고, 헬리컬의 수직방향으로 힘은 가하지 않은 상태에서 그림(8-1)과 같이 시계방향으로 비틀림 힘을 처음 T =10 N·cm를 가하고 단계적으로 40 N·cm 까지 강도를 증가하며 시험한다. 시험 후 즉시 외부 형태의 변형정도 및 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외형적 손상이 없고 안테나 커버가 돌아가지 않아야 하며, 실험 전 또는 제품의 전기적 사양을 만족하여야 한다.

2. 커버 장력 시험

가. 시험 목적

안테나가 단말기에 장착되어 있을 때 외부의 힘에 의해 단말기로부터 안테나가 이탈 또는 파손되는 경우에 대한 실험이다.

나. 시험 방법

안테나를 그림 (8-2)와 같이 시험장치에 조립하고, 안테나 축에 평행하게 그림 (8-2)와 같이 커버에 30초 동안 장력 F=100N을 인가하고 같은 방법으로 2회 반복한 후 즉시 기계적 특성과 VSWR를 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외형적 손상이 없어야 하고 전기적 사양을 만족하여야 한다.

3. Whip Bending 시험

가. 시험 목적

사용자가 인출·수납 및 외부적 환경에 의해 휩 안테나에 힘을 가해 순간적으로 180°이상 휘어졌을 때 파손 및 변형 정도를 알아보기 위한 실험이다.

나. 시험 방법

그림 (8-3)과 같이 Extended Position에서 반지름 R(예:R = 25.4mm)인 원통에 안테나를 180°로 감은 후 정상복원 상태를 시험하며, 2회 반복 후 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

Whip Antenna가 파손되지 않고, 원래 휩 안테나의 직선성이 유지되어야 하며 전기적 사항을 만족하여야 한다.

4. Whip Bending 내구성 시험

가. 시험 목적

단말기용 휩 안테나는 인출 및 삽입시 좌·우로 휘어지는 현상이 빈번히 발생하며, 이때 휩 안테나의 외형 및 전기적 특성이 변화하지 않아야 한다.

나. 시험 방법

안테나를 그림 (8-4)와 같이 Extended Mode에서 시험 장치에 조립한다. 안테나를 왼쪽과 오른쪽으로 각각 90° 씩, 1주기 6m/sec 주기로 2,500회 반복한다. 500회 때마다 기계적 이상을 측정하며 2.500회 반복 후 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외형 및 전기적 특성의 변화가 없어야 한다.

5. Whip 장력 시험

가. 시험 목적

사용자가 휩 안테나를 인출시 커넥터 부위에 멈춰지게 해주는 Stopper, 헬리컬 안테나부와의 전기적 커플링을 방지해주는 절연부 등의 파손 및 변형 여부를 실험한다.

나. 시험 방법

안테나를 그림 (8-5)와 같이 시험 장비에 조립하고, 안테나 축에 평행하게 하고, 그림 (8-5)와 같이 Whip 안테나의 꼭대기에 30초 동안 장력 Fw=60N을 인가한다. 2회 반복 시험하고 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외형 및 전기적 특성의 변화가 없어야 한다.

6. Whip삽입력/인출력 시험

가. 시험목적

단말기용 안테나는 특수한 제품을 제외하고는 사람이 직접 삽입·인출을 수행한다. 이때 순간적으로 받는 손끝의 느낌을 결정하는 시험으로서 정량화 시키기에 다소 어려움이 있지만, 단말기용 안테나의 성능을 결정하는 중요한 요소이다.

나. 시험 방식

안테나를 2mm/s 속도로 밀어 넣은 후 빼낸다. 안테나가 Released 또는 Locked 되기 전 최대값을 기록한다. 안테나를 불규칙적으로 회전시키면서 1주기 동안 완전히 Retracted/Extended 위치에 오게 한다. 시험에서 각각 200회마다 인출력 과 삽입력의 평균값을 산출하여 표기하며 시험 후 즉시 VSWR을 측정한다. 각 제품마다 차이가 조금씩 있지만 대략적인 값은 다음과 같다.

- Retracted 위치에서 Extended : 0.5 ∼7.0N

- Extended 위치에서 Locking : 0.5 ∼7.0N

- Extended 위치에서 Retraction : 0.5 ∼7.0N

- Retracted 위치에서 Locking : 0.5 ∼7.0N

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외형 및 전기적 특성의 변화가 없어야 한다.

7. 낙하 시험

가. 시험 목적

사용자가 단말기를 휴대하고 있던 중 사고에 의해 바닥으로 떨어뜨리거나, 외부 환경에 의해 그와 유사한 충격을 단말기에 가해질 때 안테나의 성능 변화 여부를 측정한다.

나. 시험 방법

안테나를 단말기 또는 동일한 무게의 시험용 지그의 정 위치에 정착한다. 이때 단말기나 지그는 가장 무거운 배터리 팩을 장착한 상태 또는 같은 무게여야 한다. 안테나를 장착한 단말기를 철판 표면에서 높이 1.5m에서 각각 각도(X축의 '-'방향 또는 '+'방향으로 30°)를 선택하여 1회는 Extended Mode에서 낙하하고 1회는 Retracted Mode에서 낙하한다. 시험 후 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외형 및 전기적 특성의 변화가 없어야 한다.

8. 조립 시험

가. 시험 목적

안테나는 단말기 제조의 최종 단계에서 물리적인 힘으로 장착되는 부품이다. 또한 쉽게 탁찰이 가능하도록 제조되어 있어 사용자가 임의로 분리할 수 있는 부분이기도 하다. 때문에 조립 및 탁찰시 성능에 문제가 없어야 하며 기계적인 문제점이 발생하지 않아야 한다.

나. 시험 방법

안테나 연결상태를 보기 위해 안테나를 단말기에 수동으로 조립하고 해체한다. 500회 중 매회 100회 조립 해체 시험 때마다 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

안테나 연결상태를 보기 위해 500회 반복하여 조립과 해체를 시행하는 동안 조립과 해체 기능이 만족하고, 규정된 전기적 특성을 만족하여야 한다. 시험 후 외형 전기적 특성의 변화가 없어야 한다.

제 3 절 환경적 특성 시험

1. 동작 온도 시험

가. 시험 목적

단말기용 안테나는 사용자가 처해있는 환경의 온도 변화에 대해서도 동일한 성능을 가지도록 제작되어야 한다. 특히 우리나라와 같이 여름과 겨울의 온도차이가 큰 기후에서는 최저온도 및 최고온도의 차이가 크며 이러한 상황을 고려하여 시험 방법을 정하여야 한다.

나. 시험 방법

안테나를 +20℃, 50%RH 상태에 1시간 이상 놓아둔 후, 안테나를 최저온도 TLO=-20℃에서 1시간을 유지하고 VSWR을 측정한다.

안테나를 +20℃, 50%RH 상태에 1시간 이상 놓아둔 후, 안테나를 최고 온도 THI=+80℃에서 1시간을 유지하고 VSWR을 측정하며, 각각 측정시 마다 기계적 외관 검사를 실시한다.

다. 시험 후 요구사항

기계적 손상이 없어야 한다. 송, 수신 주파수 대역 내에서 최대 VSWR이 Extended Mode에서 0.5, Extended Mode에서 0.8 이하로 변화하여야하며 시험 후 특성은 제한 규격 내에 있어야 한다.

2. 온도 주기 특성 시험

가. 시험 목적

단말기용 안테나는 크게 금속선, 커넥터와 같은 금속부위 및 외부 커버 등의 우래탄 재질로 제작된다. 이와 같이 서로 상이한 물질의 조합으로 이루워진 제품은 얼고 녹을 때 균열 및 파손이 발생할 수 있다. 이와 같은 현상을 알아보기 위하여 시험을 수행한다.

나. 시험 방법

안테나를 Chamber 안에 넣은 후 온도 주기를 그림 (8-6)과 같게 한다. 온도를 30분 동안 최저온도 TLO=-40℃에서 일정하게 유지한 후 20초 동안에 최대온도 THI=+85℃로 Chamber의 온도를 상승시키고 30분 동안 THO에서 일정하게 유지시킨다. 이후 20초 동안에 TLO로 Chamber의 온도를 반대로 하강시킨다. 그 과정을 32회 반복한 후 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 +20℃, 50%RH 상태에서 1시간을 완화 후 기계적 손상이 없어야 하고, 규정된 전기적 사양을 만족하여야 한다.

3. 습도 시험

가. 시험 목적

안테나는 우래탄 커버 내에 금속선이 위치하고 있으며, 이들은 모두 니켈 등에 의해 코팅되어 있다. 하지만 습도 및 온도가 급격히 변할 때 부식 및 성능 변화가 발생할 가능성이 있으므로 습도 시험을 수행한다.

나. 시험 방법

안테나를 85% RH, +55℃의 Chamber안에 24시간 동안 놓아둔 후에 안테나를 Chamber안에서 꺼내 +20℃, 50% RH에서 24시간 동안 놓아 둔 후 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구 사항

시험 후 외관상 변형이 없어야 하고 규정된 전기적 사양을 만족해야 한다.

4. 진동 시험

가. 시험 목적

단말기용 안테나는 5∼8개의 부품이 물리적으로 조합된 제품이다. 금형을 제작하여 사출에 의한 제작 방식을 사용하더라도 계속되는 진동 등에 의해 제품에 균열, 이완 및 전기적 성능 저하가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제점들을 사전에 확인하기 위하여 진동시험을 실시한다.

나. 시험 방법

Extended 안테나를 시험장치에 조립한다. 그림 (8-7)과 같이 조립하여 제안된 진동 변수를 주어 X축, Z축 방향으로 각각 30분 동안 진동을 주고 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 진동 시험 변수

PSD(Power Spectral Density) Profile을 사용하여 20∼2000Hz까지 불규칙적으로 진동한다. 20∼80Hz 까지 +3dB/octave 이고, 80Hz∼350Hz 까지 0.053g2/Hz 또는 8g's RMS Level 이고, 마지막으로 350Hz∼2000Hz까지 -3dB/octave이다. PSD 허용오차는 20 ∼1000Hz 까지 ±3dB이고 1000Hz 이상은 ±6dB이다. 분석기 밴드폭은 20 ∼200Hz는 25Hz 대역폭(Band Width), 1000Hz까지 50Hz 대역폭이고, 마지막으로 2000Hz 까지는 100Hz 대역폭이다.

라. 시험 후 요구사항

시험 후 외형에 이상이 없어야 하고 규정된 전기적 성능을 만족해야 한다.

5. 부식 시험

가. 시험 목적

모든 전자부품들과 마찬가지로 단말기용 안테나도 염화나트륨에 의한 부식이 발생할 수 있다. 내륙지방에 비해 바닷가에서 생활하는 사용자들에서 더욱 심각하게 발생할 수 있는 문제점으로서 사전에 방지하여야 한다.

나. 시험 방법

염화나트륨 5%(무게 기준) 수용액에 안테나를 넣고 35℃에서 48시간 동안 유지 한 후 즉시 기계적 특성과 VSWR을 측정한다.

다. 시험 후 요구사항

시험 후 외형에 이상이 없어야 하고 규정된 전기적 성능을 만족해야 한다.


제 9 장 결 론

본 연구에서는 이동통신 단말기용 안테나의 설계, 제작 그리고 특성 측정을 하였다. 설계에 있어서는 이중 헬리컬 안테나 및 적층형 안테나를 IE3D또는 HFSS 등의 설계 툴을 이용하여 설계 및 시뮬레이션을 하였다.

설계된 안테나는 단말기 모델에 따라 제작되었으며, 적층형 안테나는 세라믹 및 에폭시 기판 두 종류로 제작하였다.

단말기 모델별로 제작된 안테나는 단말기에 장착하여 안테나의 특성을 측정 분석하였다. 특성 측정은 무반향전자파 차폐실에서 행하였다. 또한 안테나의 상용화측면에서 기계적, 환경적 특성 측정도 병행하였으며, 그 기준은 현재 단말기 제조업체에서 요구하는 사항으로 하였다.

마지막으로 안테나가 인체에 미치는 영향을 분석하는 측면에서 SAR(Specific Absorption Ratio) 효과를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과 폴더형보다는 Bar형이 SAR 측정치가 높게 나타났다. 이와 같은 안테나의 특성 결과 치들은 선진제품과 비교하여 동등 또는 이상의 특성을 가지는 것으로 나타났다.

이동통신 단말기용 안테나 개발로 이동통신 부품의 국산화에 일조하리라 믿어 의심치 않는다.


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