실습: 역 F형 안테나

1. 이론

ㅇ 역 F 형 안테나 (IFA, inverted-F antenna): 모노폴 안테나의 일종

A: 표준 모노폴 안테나 (높이 약 0.22 파장)

B: 높이 축소 모노폴

C: 역 L형 안테나

D: 역 F형 안테나

ㅇ 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.

ㅇ 용도: 이동전화기(스마트폰) 내장형 안테나, USB 동글 안테나, 블루투스 안테나, 무선 마우스 안테나, 소형 유전체 칩안테나 소자

ㅇ 사례:

- 800-900MHz, 2.4GHz 단가리 통신용 인쇄형 IFA

- 이동전화기 내장 안테나

2. 설계

2.1 기본형 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 최종 설계 치수가 아니라 대략적으로 정한 초기 설계 치수이다.

그림: 역 F형 안테나 설계를 위한 초기 치수

1) 보고서에 실습명, 학번, 성명을 기재하라.

2) 보고서에 안테나 구조 3차원도, 앞 정면도, 뒤 정면도를 도시하라.

3) 보고서에 기판 정보(유전체 두께, 도체 두께, 유전상수, 손실탄젠트), 접지판 크기, 수평부 길이(L), 접지판과 수평부 간격(H), 스트립 폭(W), 단락선로와 급전선로 간격(G), 급전 선로 폭, 급전선로와 접기판 간격을 기록하라. (단위: mm)

4) 위 치수 그대로 1−5GHz 범위에서 시뮬레이션을 수행한 후 |S₁₁|을 관찰하라. |S₁₁|(dB)의 그래프를 보고서에 도시하라(10점). Default settiing으로 그래프를 도시하면 선\이 너무 가늘고 글자가 너무 작아서 품질이 떨어진다. Microwave Studio의 설정을 조정하여 그래프의 품질을 향상시킨 후 보고서에 도시하라. 이것을 아래의 모든 그래프에 적용하라.

5) 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)

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

7) 방사부 길이(위 그림에서 L₁)와 정합부 간격 G를 동시에 'Parameter Sweep' 기능으로 조정하여 2.45GHz에서 |S₁₁|(dB)이 최소가 되게 한후 |S₁₁|(dB)의 그래프(2-3GHz 범위)를 보고서에 기록하라(10점)

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

2.2 동작 주파수 변경 설계

1) 안테나 설계의 'beauty'는 한 개 주파수에서 동작하는 안테나를 설계한 후 다른 주파수에서 동작하는 안테나는 'the principle of frequency scaling'를 적용하여 다른 주파수에서 동작하는 안테나를 간단히 설계할 수 있다는 것이다.

주파수 스케일링 원리: 주파수 f₁에서 동작하는 안테나를 주파수 f₂에서 동작하게 하려면 안테나의 모든 치수를 m = f₁/f₂ 배로 하고 물질 상수는 그대로 둔다.

주파수 스케일링 원리를 적용하여 915MHz에서 동작하는 안테나 형상을 구하고 보고서에 안테나 형상과 반사계수(865-965MHz 범위)를 도시하라 (10점)

2) 위와 같이 설계한 안테나의 경우 기판 두께가 임의 값이므로 구할 수 없다. 따라서 기판 두께를 1mm로 수정한 후 보고서에 안테나 형상과 반사계수(865-965MHz 범위)를 도시하라 (10점)

3) 위 2항에서 위 2.1에서 수행한 방법으로 S11이 최소가 되는 주파수가 정확히 915MHz이 되도록 안테나 치수를 조정한 후 보고서에 안테나 형상과 반사계수(865-965MHz 범위)를 도시하라 (10점)

3. 제작 및 측정 (수강인원 적을 경우 선택)

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)

4. 심화학습 자료

모노폴 안테나

평판 모노폴 안테나

IFA 임피던스 정합

PIFA(planar inverted-F antenna)