본 논문은 유한차분 시간영역(FDTD) 해석법을 이용하여 모노폴 안테나 및 평면형 도체판이 탑재된 이동통신 단말기의 방사 특성에 대해 해석하였다. 플라스틱 케이스가 코팅되 도체 박스 위에 탑재된 모노폴 안테나는 집중회로 소자를 이용하여 급전시켰다.51mm의 길이를 갖는 모노폴 안테나에 플라스틱 케이스가 코팅되지 않는 구조의 이동통신 전화기는 공진 주파수 877MHz에서 동작하는 특성을 보였고, ${\varepsilon}_r=2$인 플라스틱 케이스를 몸체에 코팅할 경우 824MHz로 공진 주파수는 낮아지고 대역폭은 1.5배 정도로 넓어지는 특성을 보였다. 몸체에 평면형 구조의 방사체를 부착할 경우 원역장에서의 이득에 대한 방시패턴이 다소 비등방적인 모양을 나타내었다. 평면형 안테나인 PIFA에 플라스틱 케이스가 코팅된 이동통신 전화기는 PCS 이동통신 전화기의 사용 가능한 주파수대 1.52GHz 부근에서 공진이 이루어졌다. 전계강도에 대한 방사패턴에서 20dB 이하로 방사되는 방향의 각도가 모노폴 안테나의 42 $^{\circ}$에 비해 14 $^{\circ}$ 정도로 전계강도의 미약한 부분이 더 좁은 각으로 나타났다.
본 논문에서는 UWB(Ultra-wideband) 통신시스템용 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 구조의 안테나를 설계 및 제작한다. 초광대역 특성을 구현하기 위하여 두개의 평면형 모노폴 안테나의 상호결합을 이용한다. 안타나의 파라미터(평면형 모노폴의 폭과 두 모노폴 간의 간격) 조정을 통한 모노폴 쌍의 상호결합을 최적화하여 초 광대역 특성을 갖도록 한다. 그리고, 모노폴 쌍 안테나의 상호결합 효과를 확인하기 위해 모노폴 방사소자 사이의 수평부분 길이를 조정한 2개의 UWB 안테나를 제작하여 측정한다. 측정결과, 2개의 안테나 모두 UWB 전대역$(3.1\sim10.6GHz)$뿐 아니라 훨씬 넓은 주파수 대역에서 양호한 결과를 보인다.
본 논문에서는 기존의 3차원 구조의 슬리브모노폴 안테나(Sleeve monopole Antenna)를 모노폴과 접지면상의 작은 기생모노폴의 형태로 단순화하여도 비슷한 특성을 보이는 것을 확인하고 PCB상에 보다 광대역인 평면 슬리브모노폴 안테나의 설계 방법에 대해 다룬다. 설계 및 제작된 슬리브안테나는 평면형으로 메인 모노폴과 이에 근접하는 작은 사각형 슬리브로 구성되고 기존의 3차원 슬리브안테나와 비슷한 전방향(omni-directional)특성과 기존보다 46% 더 넓은 대역폭을 나타내었다.
본 논문에서는 집적회로 구성을 위 한 초광대역(ultra wideband: UWB) coplanar waveguide(CPW) 급전 L자 평면형 모노폴 안테나 구조를 제시한다. 제안된 CPW 급전 초광대역 L자 평면형 모노폴 안테나는 유전체 기판(${\varepsilon}_{r}=3.38,\;@10\;GHz$)을 이용하여 설계 및 제작되었으며 안테나의 $50{\Omega}$ 급전 선로와 방사면이 RFIC 설계에 적합하도록 동일한 평면 위에서 인쇄되었다. 설계된 안테나의 임피던스 대역폭($VSWR{\leq}2$)은 3.0 GHz로부터 11.0 GHz였으며 전형적인 모노폴 안테나의 방사 패턴이 측정되었다. 안테나의 임피던스 대역폭에 해당하는 주파수 이득(gain)은 $1.4{\sim}4.6\;dBi$로 측정되었고 RFIC 설계에 적합한 초광대역 안테나로 동작하고 있음을 확인할 수 있었다.
원형 구조를 갖는 평면 모노폴 UWB 안테나에서 접지면의 구조와 크기에 따른 입력 반사계수 특성의 변화를 연구하고, UWB 안테나가 장착되는 응용 기기에 따른 최적 접지면 구조와 크기를 제시하였다. 기준이 되는 원형 모노폴 안테나를 UWB 주파수 대역에서 동작하도록 반경 R 을 설계하였으며, 이 원형 모노폴을 수평면 접지 구조의 중심점에 올리고 시뮬레이션과 측정을 수행하여 양호한 결과를 얻었다. 연구 결과, 원형 모노폴의 반경이 작을 때 접지면의 적정 크기와 모노폴의 반경이 클 때 접지면의 최소 크기를 규정할 수 있었다.
본 논문에서는 모노폴 안테나를 변형한 평면형 모노폴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 루프구조 중심부를 개방하고 일정 부분을 내부로 접어서 안테나의 선로간의 커페시턴스를 증가하여 리액턴스 값을 최소화하였으며, 또한 안테나의 크기를 약 20%정도 최소화하였다. 제안된 안테나는 단일 평면으로 구현할 수 있는 CPW(Coplanar waveguide) 급전방법을 이용하였다. 안테나의 이득은 최대 3.1[dBi]이며 대역폭은 $VSWR{\le}2$를 기준하여 900MHz ($2.6{\sim}3.56GHz]$)로 29.9% 대역폭을 얻었다. 이는 S-DMB대역을 충족시킬 수 있다.
본 논문에서는 접지면에 역 T형 노치를 넣은 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나에서는 대역폭을 늘리기 위하여 내부 패치와 외부 패치의 폭들을 점차 넓히는 방향으로 변화를 주었고, 그라운드에 가로와 세로 slit의 길이가 비슷하고 폭은 약 2배 정도 차이가 있는 노치를 넣어 설계 및 모의실험을 하였다.
본 논문에서는 T자형의 방사체를 가지는 초광대역 평면형 모노폴 안테나를 제안하고, 방사체와 그라운드 표면에 흐르는 전류 분포를 분석하였다. 측정된 임피던스 대역폭은 VSWR 2 미만 기준으로 3.1${\~}$11 GHz이고, 이는 UWB 대역을 만족한다. 제안된 안테나의 주파수에 따른 표면 전류 분포를 분석하여 제안된 안테나는 두개의 90도 굽은 비대칭적인 다이폴이 대칭으로 놓여 있는 안테나로 동작함을 설명하였다. 이 안테나의 표면 전류 분포가 방사 패턴에 영향을 미치는 양상이 다이폴의 경우와 유사하며, 그라운드 평면의 길이와 너비는 다이폴의 굵기와 길이에 해당한다. 이러한 해석이 다른 일반적인 평면형 모노폴 안테나에도 적용 가능함을 보였다. 끝으로 그라운드 평면의 모서리를 테이퍼링을 하여 공진 주파수를 낮추는 예과 방사체에 역 U자 슬랏을 추가하여 특정 대역을 저지하는 예를 제시하고 이를 표면 전류를 이용하여 설명하였다.
본 논문에서는 전류 흐름을 확장하는 방법을 통해 PCS/IMT-2000/WLAN 단말기용 광대역 평면형 모노폴 안테나를 설계하였다. 일반적인 평면형 모노폴 안테나의 단점인 협대역 특성을 보완하기 위하여 이중 공진을 갖는 안테나에 다이아몬드 형태의 패치를 추가, 전류의 흐름을 다양하게 만들어 광대역 특성을 얻었다. 또한, 다양한 설계 파라미터들을 이용하여 주파수 특성을 최적화 하였다. 제작된 안테나는 -10 dB 이하에서 $1.66{\sim}3.04\;GHz$(58.72 %)로 PCS/IMT-2000/WLAN 대역을 모두 만족하는 광대역 특성을 얻었다.
본 논문에서는 FMC(Fixed Mobile Convergence) 서비스를 위해 셀룰라 통신대역, WiBro 통신과 WLAN(IEEE802.11b/g) 통신, 5GHz대역 WLAN (IEEE802.11a) 통신에 사용될 삼중대역 평면형 모노폴 안테나를 설계하였다. 안테나의 크기를 줄이기 위해 저역과 중역 방사소자를 구부리고, 필요한 대역폭을 얻기 위해 방사소자 폭을 증가시켜 여러가지 형태의 안테나를 설계하고 실험적으로 고찰하였다. 제작된 안테나의 방사특성(대역폭과 방사패턴)은 HFSS로 계산된 것과 유사한 특성을 가지고 안테나 크기는 11% 감소되고 대역폭은 8000MHz 대역에서 $30%{\sim}40%$ 증가되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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