실습 05 역 F형 안테나

(주의) 설계, 제작, 측정 모두 1인 1조로 수행

1. 실습 목적

ㅇ Microwave Studio 사용법 숙달

- 안테나에 의한 전기장, 자기장, 안테나 도체상의 전류 분포 animation 확인 방법습득

- Parameter sweep 방법 습득

ㅇ 모노폴 안테나, 역F형 안테나 동작원리 학습

ㅇ 역F형 안테나 설계기술 습득

2. 역 F형 안테나(IFA, inverted-F antenna) 기초이론

ㅇ 역 F형 안테나: 소형 모노폴의 일종

ㅇ 용도: 이동전화기(스마트폰) 내장형 안테나, USB 동글 안테나, 블루투스 안테나, 무선 마우스 안테나, 소형 유전체 칩안테나로 널리 사용됨.

ㅇ 역 F형 안테나 구조

(그림) 역 F형 안테나 구조

- 모노폴: 다이폴이 두개 도선 중 아래 쪽 한개를 넓은 금속 접지판(ground plane)으로 대체한 안테나. 다이폴의 경우 공중에 띄워서 설치해야 하는 단점이 있다. 그러나 모노폴은 인쇄회로 기판의 접지면, 통신단말기 몸체 , 차량/항공기 몸체, 지면과 같은 기존 구조를 접지로 하여 안테나를 설치할 수 있는 장점이 있다.

(그림) 무전기(136-174MHz) 케이스 상부에 설치된 모노폴 안테나('whip' 안테나라 부름)

(그림) 군용 장갑차 뒷부분에 설치된 군통신용(1.6-30MHz) 모노폴 안테나

(그림) 항공기 통신용(225-400MHz)으로 항공기 상부 중앙에 설치되 모노폴 안테나('blade' 안테나라 부름)

(그림) AM 라디오 방송용 모노폴 안테나(타워 안테나, 안테나 타워라 부름)

- 공진 다이폴이 길이가 L(가는 도선의 경우 0.46파장)일 경우 무한 접지평면 위의 공진 모노폴 길이는 L/2 (가는 도선의 경우 0.23 파장)이다. 이 경우 모노폴의 입력 임피던스는 다이폴의 1/2이다. 가는 다이폴 공진 임피던스 = 72Ω, 가는 모노폴 공진 임피던스 = 36Ω

(그림) 다이폴 임피던스와 모노폴 임피던스 관계

- 다이폴의 방사패턴은 상하대칭 누운 8자 형. 무한 접지면상의 모노폴은 누운 8자형에서 아래 절반을 제거한 형태. 모노폴의 경우 다이폴과 동일한 전력을 상부 반구면 공간으로만 방사하므로 모노폴의 이득이 다이폴 이득의 2배(3dB 증가)가 된다.

(그림) 다이폴 이득과 모노폴 이득

- 역 L형 안테나: 모노폴의 높이를 줄이기 위해 모노폴의 도선을 역 L자 형으로 변형. 이 경우 임피던스 정합이 잘 안될 수 있다.

- 임피던스 정합: 안테나의 입력 임피던스 Z_i가 전송선의 특성임피던스 Z₀(예: 동축선의 특성임피던스 50Ω)가 유사한 값이어서 반사계수 S₁₁의 크기가 작은 경우(0.1 이하)

- 임피던스 정합의 필요성: 임피던스 정합이 되지 않으면 입사전력 P_i 대비 반사전력 P_r이 아래 식에서와 같이 증가하고 안테나에 전달된 전력 P_t는 감소하게 된다.

- 안테나의 임피던스 대역폭 기준인 반사계수가 −10dB일 경우 |S₁₁| = 10^−10/20 = 0.3162, 경우 |S₁₁| ² = 10^−20/20 = 0.1이 되어 입사전력의 10%가 반사된다.

- 역 F형 안테나: 역 L형 안테나에 임피던스 정합부를 추가한 구조. 이 경우 모노폴 수평부 길이(L₂)를 역 L형 안테나의 수평부 길이 L₁보다 훨씬 작게 할 수 있다.

- 안테나의 입력 임피던스: 안테나 입력단에서 안테나 동작 주파수 신호의 전압을 전류를 나눈 값으로 회로부품의 경우와 임피던스의 정의는 동일하다.

- 전송선(안테나 급전선)의 특성 임피던스: 전송선 상에서 부하(예: 안테나) 방향으로 진행하는 입사 전압파(voltage wave)와 입사 전류파(current wave)의 비. 입사 전압파와 부하에서 반사되어 반대방향으로 진행하는 반사 전압파의 합이 전송선 상의 총전압이다. 전송선 입력단에서의 총전압을 총전류로 나눈 값이 전송선이 연결된 부하의 입력 임피던스 이다.

ㅇ 역 F형 안테나 임피던스 정합이론

무한히 큰 도체 평판에서 동작하는 모노폴의 급전점에서의 입력 임피던스 Z_i는 다음 공식으로 주어진다.

L: 모노폴 길이(m)

d: 모노폴 도선 반경(m)

(안테나 동작주파수에서의 파수[wave number])

모노폴의 길이가 파장의 0.1 배 이하인 경우 입력 임피던스의 실수부는 50Ω 보다 훨씬 작은 값이 되며 허수부는 50Ω 보다 크기가 훨씬 큰 음의 값(용량성 부하)이 된다.

예: L = 0.75m, d = 0.001m, f = 30MHz → Z_i = 4.4 − j 1608 (Ω), L = 0.075 λ

큰 음의 허수부를 제거하고 실수부를 50Ω이 되게 하기 위해 아래 그림의 D에서와 같이 모노폴의 하단에 직렬 인덕터 L₁과 병렬 인덕터 L₂ (또는 커패시터)를 사용한다.

(그림) 역F형 안테나 임피던스 정합원리

(그림) 역F형 안테나 임피던스 정합원리를 스미스 도표로 표현한 것

A점: Z_i / Z₀ = 0.2 − j3.6

B 점: Z_i / Z₀ = 0.2 − j0.6 + j3.2 = 0.2 − j0.4

C점: Y_i / Y₀= Z₀/ Z_i = 1 + j2

D 점: Y_i / Y₀= Z₀/ Z_i = 1 + j2 − j2 = 1 → Z_i = 50Ω (Z₀ = 50Ω)

설계공식:

(모노폴 입력임피던스, Microwave Studio와 같은 시뮬레이션 툴로 계산하거나 측정하여 구함)

(인덕터 L₁ 추가 후 안테나 임피던스)

- 스미스 도표(Smith Chart): 부하 또는 임의의 임피던스 Z를 전송선의 특성임피던스 .Z₀로 정규화한 값을 반사계수 복소수 평면에 일정한 저항궤적, 일정한 리액턴스 궤적 형태로 표현한 것.

반사계수는

스미스 도표의 횡축은 이며 종축은 이다.

(그림) 스미스 도표의 기초

ㅇ 역 F형 안테나 설계 사례: 기판 FR-4 (유전상수 4.3, 손실탄젠트 0.02, 두께 약 1mm)

1) 2.4GHz IFA

(그림) 인쇄형 2.4GHz 역 F형 안테나 설계 예

2) 2.4GHz IFA

(그림) 방사기 미앤더 형태인 역 F형 안테나 설계 예

3) 2.4GHz IFA

(그림) 소형 역 F형 안테나 설계 예

4) 2.4GHz IFA

(그림) 초소형 역 F형 안테나 설계 예

3. 설계

1) Microwave Studio를 이용하여 아래 치수와 같이 역 F형 안테나 구조를 구성하라. Microwave Studio에서의 좌표축이 아래 그림의 좌표축과 일치하게 하라. 급전은 아래 그림에서 'Feed'로 표기된 부분에 discrete port 인가한다. 아래 치수는 최종설계 치수가 아니라 대략적으로 정한 초기 설계치수이다.

(그림) 역 F형 안테나 설계를 위한 초기치수

2) 위 치수 그대로 1−5GHz 범위에서 시뮬레이션을 수행한 후 |S₁₁|을 관찰하라. |S₁₁|(dB)의 그래프를 보고서에 도시하라(10점)

3) 정합부(위 그림에서 'Matching'으로 표기된 부분) 간격(G, 현재값 6mm)을 조정하여 (이 때 Microwave Studio의 'Parameter Sweep' 기능을 이용하라) |S₁₁|(dB)의 최소값이 최소가 되는 G의 값과 |S₁₁|(dB)의 그래프(1-5GHz)를 보고서에 기록하라(10점)

4) 정합부(위 그림에서 'Matching'으로 표시된 'ㄱ' 자 부분을 제거한 상태에서 |S₁₁|(dB)의 그래프(1-5GHz)를 보고서에 기록하라(10점)

5) 방사부 길이(위 그림에서 L₁)와 정합부 간격 G를 동시에 'Parameter Sweep' 기능으로 조정하여 2.45GHz에서 |S₁₁|(dB)이 최소가 되게하라. 최초에 'Optimization'(최적화 설계) 기능을 사용하라. 이 경우 L₁의 값, G의 값, |S₁₁|(dB)의 그래프(2-3GHz 범위)를 보고서에 기록하라(10점)

6) 다음에 L₁, G 값을 각각 parameter sweep하여 L₁과 G에 따른 반사계수 변화를 보고서 도시하라(10점)

7) 위 5항에서 2.45GHz에서 G_abs, G_theta, G_phi의 3차원 그래프를 보고서에 기록하라(10점)

4. 제작 및 측정

1) 위 3-5항에서 구한 치수대로 안테나를 제작하라. 두께 5mm, 가로×세로 = 45mm ×45mm의 foam board를 한 면 전체 위에 구리 테이프를 단단히 접착시킨다. 접지판('Ground plane'으로 표시된 부분)과 'Radiator', 'Matching', 'Feed' 패턴이 형성되도록 불필요한 부분을 칼로 제거하라. 'Feed'로 표기된 부분에 아래와 같이 동축선을 연결하라. 제작 완성된 안테나의 사진을 보고서에 삽입하라(10점). 아래 그림에서 동축선 윗 부분(가장 끝부분)에서 동축선 외심 종단과 안테나 접지면의 납땜은 전기적 연결을 위한 것이며 아랫 부분에서의 납땜은 기계적 고정을 위한 것이다.

(그림) 역 F형 안테나 제작 및 측정을 위한 동축선 연결

2) 회로망분석기를 사용하여 2−3GHz 범위에 걸쳐서 안테나의 반사계수[|S₁₁|(dB)]를 측정하여 보고서에 삽입하라(10점)

3) 필요시 이득 측정용 다이폴을 제작하여 사용하라. 2.45GHz에서 제작한 안테나의 수직방향이 지면에 수직이 되도록 한 상태에서 회로망분서기와 이득 측정용 다이폴을 사용하여 제작한 안테나의 최대 이득 방향( ), 주편파(co-polarization) 방향(예: z축방향, y축 방향, 방향 등)을 보고서에 기록하라(10점)

4) 2.45GHz에서 제작한 안테나의 이득G(dB)을 측정하여 보고서에 기록하라(10점)

5. 참고자료

1) 역 F형 안테나 실물 사진

(그림) 2.45GHz블루투스 통신모듈에 사용된 역 F형 안테나. 기판(PCB; printed circuit board)과 일체형의 표준형 역 F형 안테나가 적용되었다. 역 F형 안테나 가로대 세로 비는 약 3이다. 3GHz 이하의 주파수에는 유리섬유 강화 에폭시 수지 재료의 FR-4(유전상수 4.3, 손실계수 0.02; 플라스틱 표준 두께 0.8, 1.0, 1.2, 1.6, 2.0, 2.4, 3.2 mm; 금속 표준 두께 0.017, 0.035, 0.070 mm)가 표준으로 사용되고 있다. 기판 플라스틱 색상은 연한 황색이나 회로패턴 인쇄후 기판 표면 전체를 녹색 페인트로 도포하고 부품 번호는 흰색으로 실크스크린 공법으로 인쇄한다.

(그림) 이동전화기 내장형으로 적용된 역 F형 안테나. 스마트폰 이전 형태의 이동전화기에 적용된 내장형 역 F형 안테나. 삼차원 구조의 변형된 역 F형 안테나가 적용되었다. 제일 아래에 있는 안테나는 900MHz 대역과 1800MHz 대역의 이중대역에서 동작한다. 안테나는 얇은 금속판을 프레스 방식으로 제작하여 안테나의 형태를 유지할 전용 플라스틱 틀에 고정하여 이동전화기 내부의 지정된 위치에 설치한다. 현재의 스마트폰에서는 스마트폰 뒷면 틀(프레임) 표면에 레이저 직접 형성(LDP; laser direct patternining) 공정에 의해 안테나 금속패턴을 구현한다. 통신기기 내부에 기기 일체형으로 사용되는 안테나를 내장안테나(인테나, intenna)라 한다. 이동전화기 내장 안테나는 소형이며 우수한 특성을 가져야 하며 이동전화 신호 송수신 시 사람의 머리부분에 분포되는 전자파가 가능한 한 작아야 하므로 고도의 경험이 요구된다. 따라서 개발 역사를 가진 전문 중소기업에서 개발하여 이동전화기 제조회사에 납품하고 있다.

(그림) 900MHz 대역 통신용 역 F형 안테나. 기판일체형으로 인쇄형으로 제작되었으며 역 F형 안테나의 폭을 줄이기 위해 수평 방사부를 고불고불한 (meandered, 미앤더 형) 형태로 변형하였다. 방사부 총길이를 다소 길게한 후 끝에 잘라 냄으로써 원하는 정확한 주파수에서 동작하도록 하였다.

(그림) 3차원 역 F형 안테나 구조가 적용된 유전체 칩안테나. 고유전유율(유전상수 6-90) 유전체 표면과 내부에 3차원 구조의 변형된 역 F형 안테나를 이용하여 크기를 크게 축소한 안테나를 유전체 칩안테나라고 한다. 예로서 미국 Vihay 사의 2.45GHz 대역 칩안테나(모델명 VJ5106W240GXCMT)는 크기가 3.1×1.6×0.6mm이며 표면실장기술(SMT; surface-mount technology)을 적용하여 기판에 자동공정으로 조립가능하다. 이 안테나는 2.45GHz에서 3.1dB의 이득과 100MHz라는 인상적인 특성을 가진다. (참고문헌: Vishay 2.4GHz chip antenna VJ5106W240GXCMT 데이터시트)

2) 역 F형 안테나 참고문헌. 아래 참고문헌을 참조하여 소형화된 역 F형 안테나, 다양하게 변형된 역 F형 안테나의 설계기술를 습득할 수 있다.

박명실: 블루투스용 초소형 안테나 (thesis)

Ssorin: Compact planar inverted-F antenna system for MIMO USB dongle operation in 2.5-2.7GHz band (paper)

Jiang: Design of the low-profile inverted-F antenna with multi-parasitic elements (paper)

Rashid: Design and performance analysis of ultra wideband inverted-F antenna for Wi-Fi, WiMAX, WLAN and military applications (paper)

3) 역 F형 안테나의 변형: 평면형 역 F형 안테나(PIFA; planar inverted-F antenna)

(그림) 평면형 역 F형 안테나(PIFA) 구조. 역F형 안테나의 방사부를 평면으로 하고 단락핀(short pin)이 위치와 급전점(feed point)의 위치를 적절히 하여 광대역 특성을 구현하였다.

(그림) 이동전화기에 적용된 PIFA. 이 안테나들은 광대역과 다중대역에서 동작하며 실제 실장되어 사용되는 상황에서 요구되는 성능을 발휘해야 한다.

(그림) 이동전화기용 이중대역 PIFA 설계 사례. PIFA의 평판 방사부에 다양한 형태의 홈(slit, slot)을 형성하여 다중대역에서 동작하도록 설계하였다[참고문헌: Kim, Hexaband planar inverted-F antenna with novel feed structure for wireless terminals (paper)]