CHAPTER 08 특별주제 Special Topics

이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 8.2 전기적 소형 안테나 8.1 8.1.1 기본 이론과 임피던스 대역폭 8.1.2 안테나 크기를 줄이는 방법 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 8.2 8.2.1 개요 8.2.2 휴대전화용 안테나 8.2.3 안테나 다이버시티 8.2.4 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 8.3 8.3.1 서론 8.3.2 다중대역 안테나 8.3.3 광대역 안테나

8.4 RFID 안테나 8.5 재구성 안테나 8.6 요약 8.4.1 개요 8.4.2 근거리장 시스템 8.4.3 원거리장 시스템 8.5.1 개요 8.5.2 스위칭 기술과 가변 부품 기술 8.5.3 공진 모드 스위칭/조정 8.5.4 급전회로 스위칭/조정 8.5.5 기계적 재구성 요약 8.6

학습목표 안테나 분야에서 관심의 초점이 되는 몇 가지 주제들을 살펴본다. 전기적 소형 안테나 이동통신용 안테나 안테나 다이버시티 다중대역 안테나 초광대역 안테나 무선주파수 인식 재구성 안테나

8.1 전기적 소형 안테나

기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나의 크기와 성능 사이에는 Trade-off와 근본적인 한계가 있음 전기적 소형 안테나의 조건 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나의 크기와 성능 사이에는 Trade-off와 근본적인 한계가 있음 안테나 크기가 너무 작아지면 대역폭은 좁아지고 효율은 낮아짐 안테나에 수동회로를 추가로 연결하면 대역폭을 어느 정도는 높일 수 있으나 한계가 있으며, 수동회로 자체가 가진 손실이 안테나에 더해짐 전기적 소형 안테나의 조건 r은 안테나를 꼭 맞게 둘러싸는 구의 반지름 λ = 파장

기본 이론과 임피던스 대역폭 기울기 파라미터 양호도와 비대역폭 안테나 크기와 부무하 양호도와 효율의 근본적인 한계 검토 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 기울기 파라미터 양호도 Q는 저항과 주파수에 대한 리액턴스의 도함수로 나타낼 수 있음 안테나의 Q를 안테나의 임피던스와 주파수에 따른 임피던스의 변화율로 부터 구할 수 있음 양호도와 비대역폭 양호도와 비대역폭 사이의 관계를 유도하는데 특히 최대 대역폭을 얻기 위한 기준을 중점적으로 분석 안테나 크기와 부무하 양호도와 효율의 근본적인 한계 검토 수동회로를 사용하여 확장할 수 있는 대역폭의 한계 정리

기본 이론과 임피던스 대역폭 기울기 파라미터 직렬 기울기 파라미터(series slope parameter) 𝒙 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 기울기 파라미터 직렬 기울기 파라미터(series slope parameter) 𝒙 병렬 기울기 파라미터(parallel slope parameter) 𝒃 𝑿 : 리액턴스, 𝑩 : 서셉턴스 전송선로와 같은 분포 회로를 집중소자로 이루어진 직렬 또는 병렬 등가회로로 파라미터를 사용하여 나타낼 수 있음

기본 이론과 임피던스 대역폭 [그림 2-21]의 직렬 공진회로를 사용한 직렬 기울기 파라미터 𝒙 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 [그림 2-21]의 직렬 공진회로를 사용한 직렬 기울기 파라미터 𝒙 양호도에 대한 일반적인 수식을 𝒙=𝑸𝑹로 쓸 수 있다 따라서 양호도를 기울기 파라미터를 사용하여 나타낼 수 있다

기본 이론과 임피던스 대역폭 회로가 공진상태에 놓여있지 않아도 무방함 전기적 소형안테나의 경우 병렬 공진 특성을 나타냄 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 회로가 공진상태에 놓여있지 않아도 무방함 전기적 소형안테나의 경우 병렬 공진 특성을 나타냄 병렬 공진회로의 경우, 양호도를 기울기 파라미터를 사용하여 나타내면 다음과 같다 기울기 파라미터는 직렬 공진 임피던스 특성을 분명하게 나타내는 안테나에 사용 안테나 문제의 경우, 임피던스 대역폭 (전력 전달 대역폭)을 구하기 위해서는 부하 양호도가 필요

기본 이론과 임피던스 대역폭 임피던스 대역폭 어떤 안테나를 직렬 공진회로로 나타낼 수 있는 경우 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 임피던스 대역폭 대역폭은 신호원을 이상적이라고 가정 신호원에서 부하로 전달되는 전력의 양을 기준으로 정의 어떤 안테나를 직렬 공진회로로 나타낼 수 있는 경우 신호원과 안테나가 연결된 회로를 위와 같이 직렬 공진회로로 등가화할 수 있다

기본 이론과 임피던스 대역폭 𝒁 𝟎 =𝒌 𝑹 𝑨 일 때, 안테나로의 전달계수 이 식을 𝑿 𝑨 에 대해 정리하면, 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 𝒁 𝟎 =𝒌 𝑹 𝑨 일 때, 안테나로의 전달계수 𝑹 𝑨 : 안테나의 저항 𝑿 𝑨 : 안테나의 리액턴스 𝒁 𝟎 : 신호원의 특성 임피던스 𝒌 : 비례상수 이 식을 𝑿 𝑨 에 대해 정리하면, 이 식은 식 (2.63)을 통해 주파수 응답과 관계되므로,

기본 이론과 임피던스 대역폭 𝑸 𝟎 : 공진 Q 방정식으로부터 𝒘 𝟏 , 𝒘 𝟐 를 얻을 수 있다. 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 𝑸 𝟎 : 공진 Q 방정식으로부터 𝒘 𝟏 , 𝒘 𝟐 를 얻을 수 있다. 두 해의 차이로부터 비대역폭을 구하면, 𝒌=𝟏 (즉 𝒁 𝟎 = 𝑹 𝑨 )인 경우에는 식을 간단히 할 수 있다. 𝝆 𝟐 =𝟎.𝟓 (3 dB 전달 대역폭)로 하면,

기본 이론과 임피던스 대역폭 이 식을 식 (2.66)과 비교하면 전달(부하) 대역폭은 2배가 됨 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 이 식을 식 (2.66)과 비교하면 전달(부하) 대역폭은 2배가 됨 3 dB 전달 대역폭은 공진 시 부하 Q의 역수와 같음 결과적으로 부하의 저항과 신호원의 저항이 같을 때, 부하가 있을 때의 Q는 무부하 Q의 ½

기본 이론과 임피던스 대역폭 최대 대역폭을 얻기 위한 최적 임피던스 식 (8.10)을 최대로 만드는 𝒌를 구함 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 최대 대역폭을 얻기 위한 최적 임피던스 식 (8.10)을 최대로 만드는 𝒌를 구함 𝒌에 대해 미분하면, 이 식을 0으로 만드는 𝒌값, 이 식은 Q에 무관함 𝝉 𝟐 은 항상 1보다 작으므로 대역폭을 최대로 하려면 𝒁 𝟎 > 𝑹 𝑨

기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.14)를 식 (8.10)에 대입하면 최적 비 대역폭 𝑩 𝑭 최적 을 구할 수 있음 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.14)를 식 (8.10)에 대입하면 최적 비 대역폭 𝑩 𝑭 최적 을 구할 수 있음 이 식은 공진 주파수에서 최적 저항을 갖는 직렬 또는 병렬 공진 안테나로부터 얻을 수 있는 최대 비대역폭임 시스템 대역폭과 목표 반사계수는 보통 알고 있는 값이므로 안테나 Q를 계산가능 시스템 대역폭과 안테나 Q를 알고 있는 경우에는 동작대역에 걸쳐 얻을 수 있는 최소 반사계수를 구하는 것이 바람직함 식 (8.15)를 다시 쓰면,

기본 이론과 임피던스 대역폭 𝝆 에 대한 2차 방정식을 풀어 양의 해를 구할 수 있음 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 𝝆 에 대한 2차 방정식을 풀어 양의 해를 구할 수 있음 식 (8.17)을 식 (8.14)에 대입하면 다음 식을 얻을 수 있음 이 식을 이용하면 필요한 대역폭에 걸쳐 반사계수를 최소로 하는데 필요한 안테나 저항을 구할 수 있다 대역폭을 최적화하거나 반사계수를 최적화하거나 특정한 Q 값을 얻기 위해 안테나의 크기를 알아야 한다

기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나 크기, Q, 효율의 근본적인 한계 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나 크기, Q, 효율의 근본적인 한계 선형편파 안테나(가장 낮은 차수의 TM 모드를 가정)의 공진 시 최소 𝑸 𝟎 r : 안테나를 둘러싸는 구의 최소 반지름 𝜷 : 파수(wave number) η 𝑨 : 안테나 효율 안테나는 외부 부품을 사용하여 공진이 될 수 있음 식 (8.19)의 Q는 안테나와 부품이 결합된 Q이다 식 (8.1)로부터 소형 안테나의 경우 𝜷𝒓<𝟏 즉, 𝟏 𝜷𝒓 < 𝟏 𝜷𝒓 𝟑 이므로

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나 크기, Q, 효율의 근본적인 한계를 나타내는 그래프

기본 이론과 임피던스 대역폭 대역폭 확장의 한계 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 대역폭 확장의 한계 이중조정 방법으로 직렬 공진회로에 동일한 공진 주파수를 가진 병렬회로를 병렬로 연결하면 대역폭이 증가한다는 사실을 쉽게 증명할 수 있음 직렬로 연결된 부품들에 저장, 소모된 에너지 병렬로 연결된 부품들에 저장, 소모된 에너지 두 식을 다음 식에 대입

기본 이론과 임피던스 대역폭 [ ] 대괄호 항 : 직렬 리액턴스에 저장된 에너지 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 [ ] 대괄호 항 : 직렬 리액턴스에 저장된 에너지 { } 중괄호 항 : 병렬(이중조정) 리액턴스에 저장된 에너지 I : 회로의 직렬회로 부분에 흐르는 전류 따라서 식을 간단히 쓰면 다음과 같다.

기본 이론과 임피던스 대역폭 𝑸 𝑨 : 직렬 부분의 Q 𝑸 𝑴𝑬 : 병렬로 연결된 부분의 Q 회로의 컨덕턴스 : 𝟏 𝑹 𝑨 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 𝑸 𝑨 : 직렬 부분의 Q 𝑸 𝑴𝑬 : 병렬로 연결된 부분의 Q 회로의 컨덕턴스 : 𝟏 𝑹 𝑨 직렬회로와 병렬회로의 Q는 서로 더해지므로 회로 전체의 Q는 증가 하지만 회로에서 병렬과 직렬 부분의 공진 주파수가 같으면 회로의 임피던스 대역폭은 증가 대역폭과 Q가 동시에 증가하는 것은 두 사이에 엄격한 관계가 존재하지 않는다는 것을 나타냄 앞에서 유도한 수식은 안테나 임피던스를 직렬 또는 병렬 공진회로로 모델링할 수 있는 경우에만 조심스럽게 적용가능

기본 이론과 임피던스 대역폭 보데, 파노의 대역폭 확장의 일반화 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 보데, 파노의 대역폭 확장의 일반화 직렬 또는 병렬 공진회로에 최적 대역폭 확장회로(무한개의 부품으로 구성)가 연결될 때, 이 결합 회로에서 최대로 얻을 수 있는 비대역폭 𝑩 𝑭 ∞ 𝝆 : 선택한 최대 반사계수 무한 차수의 대역폭 확장회로에 의한 대역폭의 확장률 𝑭 ∞ 는 다음과 같이 식 (8.23)과 식 (8.15)의 비로 쓸 수 있음

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나가 직렬 또는 병렬 RLC 회로로 잘 모델링 되는 경우, 앞에서 주어진 안테나 (선형편파)와 대역폭 확장의 한계에 대한 수식을 결합하면 다음 식을 얻을 수 있음 무한히 많은 소자 (이상적인 회로)로 정합된 경우, 주어진 안테나 크기로부터 얻을 수 있는 최대 가능 대역폭은 이 관계식을 사용하여 구할 수 있음 하지만 위 식은 지나치게 이상적인 관계식 이 식은 안테나를 꼭 맞게 둘러싸는 반지름 r 내부에 저장되는 에너지가 없다고 가정 하지만 실제 대역폭 확장회로에는 손실이 있다

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭

기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나의 어드미턴스 𝒀 𝑨 는 다음 식으로 주어짐 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 안테나의 어드미턴스 𝒀 𝑨 는 다음 식으로 주어짐 대역의 두 경계점(주파수 대역의 양쪽 끝 주파수)에서 안테나의 서셉턴스가 0이 되도록 조정하면 최적의 이중조정이 이뤄짐 그림에서 수평선과의 교차점이 최적 이중조정 상태를 나타냄 안테나가 최적으로 이중조정된 경우, 반사계수 값이 최대가 되는 점은 언제나 저항축(수평)상에 위치

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭

기본 이론과 임피던스 대역폭 최적 이중조정인 교차점에서의 저항 𝑹 𝑪 는 다음 식으로 주어진다 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 최적 이중조정인 교차점에서의 저항 𝑹 𝑪 는 다음 식으로 주어진다 여기서 𝑿 𝑨𝑬 는 대역의 두 경계점(양쪽 끝 주파수 𝒇 𝟏 , 𝒇 𝟐 )에서의 리액턴스임 그러면, 최적 기준 임피던스는, 비대역폭 형태로 표시된 식 (2.63)을 사용하면 다음 식을 얻을 수 있다 식 (8.29)를 식 (8.28)에 대입

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 이 식을 이용하면 특성 임피던스가 주어질 때, 최적의 이중조정을 위해 필요한 안테나의 저항 값을 구할 수 있음 식 (8.30)과 식 (8.18)을 비교하면 반사계수를 최적이 되게 하는 안테나 저항 값은 이중조정회로가 있는 경우와 없는 경우가 서로 같음 필요한 저항값을 구한 후에는 필요한 이중조정회로의 부품값을 구해야함 식 (8.26)과 식(8.28)을 이용하면 대역의 양쪽 끝 주파수에서 안테나의 경계점 서셉턴스 𝑩 𝑨𝑬 는,

기본 이론과 임피던스 대역폭 이중조정회로의 경계점 서셉턴스 𝑩 𝑴𝑬 는 다음 식으로 주어짐 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 이중조정회로의 경계점 서셉턴스 𝑩 𝑴𝑬 는 다음 식으로 주어짐 𝑳 𝑴 : 이중조정회로의 인덕턴스 최적 이중조정이 되려면 𝑩 𝑨𝑬 와 𝑩 𝑴𝑬 는 상쇄되어야 하므로 크기는 서로 같고 부호는 반대가 되어야 함. 따라서 식 (8.31)과 식 (8.32)를 같게 놓으면, 이중조정회로의 공진 주파수는 안테나의 공진 주파수와 같으므로 이중조정 회로의 커패시턴스는 다음과 같이 구할 수 있음

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 지금까지 유도한 식을 이용하여 반사계수가 주어질 때 한 개의 이중조정회로로 얼만큼 대역폭을 확장할 수 있는지에 대해 알아본다 이중조정을 하지 않은 경우에 반사계수는 대역의 두 경계점( 𝒇 𝟏 , 𝒇 𝟐 )에서 가장 좋지 않은 값(큰 값)을 갖음 이 반사계수 값은 식 (8.28)을 사용하면, 식 (8.29)를 이용하여 식을 간단히 표현

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 지금까지 유도한 식을 이용하여 반사계수가 주어질 때 한 개의 이중조정회로로 얼만큼 대역폭을 확장할 수 있는지에 대해 확인 이중조정을 한 경우에 가장 좋지 않은 반사계수는, 식 (8.29)를 사용하여 간단화

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 따라서 이 식으로부터 대역폭이 정해진 경우, 이중조정 후의 반사계수 𝝆 𝑫𝑻 와 이중조정 전의 반사계수 𝝆 최적 사이의 관계를 알 수 있음 식 (8.38)을 정리하면 이중조정 후 대역폭 𝝆 𝑭𝑫𝑻 는, 𝝆 : 설계자가 선정하는 목표 반사계수의 크기 이 식을 이중조정회로가 없을 때 얻을 수 있는 최저 대역폭인 식 (8.15)와 비교 하면, 이중조정의 대역폭 확장률 𝑭 𝑫𝑻 는,

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 반사계수에 따른 대역폭 확장률과 식 (8.24)로 주어진 최대로 가능한 대역폭 확장률의 변화 그래프

기본 이론과 임피던스 대역폭 확장률은 반사계수가 작을수록 큼 특히 이중대역회로로 최대 확장률의 절반 정도를 얻을 수 있음 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 확장률은 반사계수가 작을수록 큼 특히 이중대역회로로 최대 확장률의 절반 정도를 얻을 수 있음

기본 이론과 임피던스 대역폭 지금까지 모든 부품은 손실이 없는 것으로 가정하여 해석 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 지금까지 모든 부품은 손실이 없는 것으로 가정하여 해석 지금부터 이중조정회로만을 한정하여 부품손실을 고려 이중조정 부품이 가진 손실 = 𝑹 𝑴 이중조정회로의 양호도 𝑸 𝑴 안테나 저항 값이 식 (8.30)으로 정해진 최적값이며, 이러한 최적 상태가 이중조정회로의 유한한 q 값에 의해 바뀌지 않는다고 가정

기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.24)를 식(8.41)에 대입하면, 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.24)를 식(8.41)에 대입하면, 앞에서 협대역 ~ 중대역인 경우 중괄호 { } 안에 들어있는 항의 값이 약 2임을 구하였고, 이를 이용하고 식 (8.43)을 𝑮 𝑴 에 대해 정리하면,

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.26)과 식 (8.28)을 사용하면 대역 경계점(정합이 가장 좋지 않은 상태)에서 안테나의 컨덕턴스를 다음 식으로 쓸 수 있다 따라서 최소 효율 η 𝑴𝒊𝒏 𝑫𝑻 는 다음과 같다

기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.46)에서 높은 효율을 얻으려면 이중조정회로의 Q는 안테나의 Q보다 훨씬 커야 함 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 식 (8.46)에서 높은 효율을 얻으려면 이중조정회로의 Q는 안테나의 Q보다 훨씬 커야 함 예로, 이중대역 휴대전화에 사용되는 안테나의 Q는 일반적으로 15정도이며 대역 경계점에서의 최소 효율은 77% 이중조정회로를 사용한 경우, 대역 경계점 부정합 효율은 92% 최소 효율과 부정합 효율을 결합한 대역 경계점 효율은 71%

기본 이론과 임피던스 대역폭 이중조정회로가 없는 경우의 부정합 효율을 계산하면 71% 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 이중조정회로가 없는 경우의 부정합 효율을 계산하면 71% 이중조정회로에 의한 효율(삽입 손실) 개선효과가 이중조정회로로 인한 부정합(반사손실)에 의해 상쇄되기 때문에 개선효과가 없는 것으로 나타남 이중조정회로에 의해 안테나의 반사손실이 개선되면, 그 다음에 연결되어 있는 RF 회로들을 차례로 거치면서 누적되는 손실이 줄어듦 또한 이중조정회로는 필터링의 기능도 어느 정도 수행함 결과적으로 대역폭 확장을 위해 공진회를 사용하는 경우에는 공진회로의 Q가 안테나 Q보다 높아야 함

8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 더욱 높은 대역폭 확장 효과를 얻기 위해 여러 단으로 연결한 고차 대역폭 확장 회로의 경우, 각 단은 기울기 파라미터가 커야 하며, 각 단의 손실을 증가시켜야 함 이때, 각 단의 손실은 누적되기 때문에 고차 대역폭 확장회로는 높을 Q를 가진 공진회로가 됨 단일 공진기로도 최대로 가능한 대역폭 확장률의 절반 정도를 얻을 수 있으므로 고차 회로는 큰 효과가 없음 휴대전화와 같은 개인용 기기에서는 사용방식에 따라 구동점 임피던스가 달라지는데, 고차 대역폭 확장회로는 민감하므로 임피던스가 변하면 성능저하가 발생할 수 있음

기본 이론과 임피던스 대역폭 검토사항 및 결론 (1) 안테나 대역폭을 구하는 데 사용되는 수식확인 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 검토사항 및 결론 (1) 안테나 대역폭을 구하는 데 사용되는 수식확인 양호도를 저항과 리액턴스의 도함수로 구할 수 있음 직렬/병렬 공진회로로 표시된 안테나는 공진상태에서 부정합 되어있을 때 최적 대역폭을 가짐 직렬 공진회로의 저항값은 공진 주파수에서 시스템 임피던스보다 낮은 값이 되어야 하고, 병렬 공진회로의 경우에는 그 반대가 되어야 함 수동 대역폭 확장의 한계, 안테나의 크기, 대역폭, 효율의 한계를 확인

기본 이론과 임피던스 대역폭 검토사항 및 결론 (2) 이상적인 소자로 정합된 경우, 얻을 수 있는 최대 가능 대역폭 확인 가능 8.1 전기적 소형 안테나 기본 이론과 임피던스 대역폭 검토사항 및 결론 (2) 이상적인 소자로 정합된 경우, 얻을 수 있는 최대 가능 대역폭 확인 가능 고차 회로를 휴대전화와 같은 장치에 응용하는 경우, 장치와 사용자 사이의 상호작용 으로 인해 임피던스가 변화하기 때문에 고차 회로는 적합하지 않음 따라서 일반적으로 이중조정만으로 충분하며 고차 대역폭 확장회로로 효과를 얻을 가능성은 별로 없음

안테나 크기를 줄이는 방법 안테나 크기를 줄이는 방법 정상부 부가(top loading) 방법 정합(matching) 방법 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 안테나 크기를 줄이는 방법 정상부 부가(top loading) 방법 정합(matching) 방법 리액턴스 부가(reactive loading) 방법 유전체 부가(dielectric loading) 방법

8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 정상부 부가방법 안테나의 높이를 줄임

안테나 크기를 줄이는 방법 꼭대기 부분에 흐르는 전류와 이 전류에 의해 접지에 유도되는 전류는 상쇄됨 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 꼭대기 부분에 흐르는 전류와 이 전류에 의해 접지에 유도되는 전류는 상쇄됨

안테나 크기를 줄이는 방법 안테나의 방사저항은 안테나의 분포하는 전류를 작은 전류요소들로 잘게 나누어 계산 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 안테나의 방사저항은 안테나의 분포하는 전류를 작은 전류요소들로 잘게 나누어 계산

안테나 크기를 줄이는 방법 직사각형 모양(일정한 크기)의 전류분포를 갖는 길이가 𝛅𝒍인 미소전류요소에 의한 방사저항 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 직사각형 모양(일정한 크기)의 전류분포를 갖는 길이가 𝛅𝒍인 미소전류요소에 의한 방사저항 이 식을 이용하여, 전기적으로 소형인 선형 안테나를 N개의 미소전류요소로 나누어 구한 방사저항 길이가 𝑵𝜹𝒍이며 삼각형 모양의 전류분포를 갖는 안테나의 방사저항

안테나 크기를 줄이는 방법 길이(높이)가 아주 작은 모노폴의 전류분포는 삼각형 전류분포로 근사화 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 길이(높이)가 아주 작은 모노폴의 전류분포는 삼각형 전류분포로 근사화 모노폴과 높이가 같은 𝑵𝛅𝒍 정상부 부가형 안테나의 경우에는 방사를 일으키는 전류분포는 직사각형에 가까우므로 방사저항은, 따라서 정상부 부가방법을 사용하면 공진 주파수를 유지하면서 안테나의 높이를 낮출 수 있음 같은 높이의 모노폴 안테나보다 방사저항을 크게 할 수 있음

8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 정상부 부가방법의 예

안테나 크기를 줄이는 방법 정합방법 대부분의 전기적 소형 안테나는 방사저항이 낮고 용량성 리액턴스가 큼 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 정합방법 대부분의 전기적 소형 안테나는 방사저항이 낮고 용량성 리액턴스가 큼 안테나의 입력 임피던스를 시스템 임피던스에 정합시키기 위해 사용

안테나 크기를 줄이는 방법 리액턴스 부가방법 주로 소형 안테나의 공진 주파수를 낮추는 데 사용 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 리액턴스 부가방법 주로 소형 안테나의 공진 주파수를 낮추는 데 사용 소형 안테나는 큰 커패시턴스를 가지므로 이에 대항하기 위해 필요한 인덕턴스를 만들어주는 것이 리액턴스 부가방법임 구불구불한 구조를 통해 전류들이 저마다 반대방향으로 흐르는 전류의 짝을 형성 하여 전자기장이 원거리장에서 상쇄됨

안테나 크기를 줄이는 방법 평명형 안테나에 적용되는 리액턴스 부가방법 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 평명형 안테나에 적용되는 리액턴스 부가방법 안테나 구조에서 도체를 도려내 슬롯과 노치를 만들면 전류의 경로가 길어져 공진주파수가 낮아짐

안테나 크기를 줄이는 방법 유전체 부가방법 유전율이 높은 물질을 사용하면 저속파 구조가 되므로 공진기를 작게 만들 수 있음 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 유전체 부가방법 유전율이 높은 물질을 사용하면 저속파 구조가 되므로 공진기를 작게 만들 수 있음 안테나가 작다는 것은 그만큼 대역폭이 좁다는 의미

안테나 크기를 줄이는 방법 유전상수를 증가시키면 안테나의 크기를 작게 만들 수 있음 8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 유전상수를 증가시키면 안테나의 크기를 작게 만들 수 있음 GPS의 대역폭은 아주 좁으므로 안테나의 크기를 크게 줄여도 별로 문제가 되지 않음 대신 크기가 작아지면 안테나의 효율이 불가피하게 낮아짐(그림 8-17)

8.1 전기적 소형 안테나 안테나 크기를 줄이는 방법 GPS용 패치 안테나의 크기에 따른 효율 측정결과 변화

8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향

개요 초창기 이동 송수신기 사진 이동통신 시스템 워키토키 호출시스템 이동전화 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 개요 초창기 이동 송수신기 사진 이동통신 시스템 워키토키 호출시스템 이동전화

휴대전화용 안테나 휴대전화 주파수 대역 이동통신 시스템의 약어 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 휴대전화 주파수 대역 이동통신 시스템의 약어 GSM : Global System for Mobile Communications DCS : Digital Cellular System PCS : Personal Communications System UMTS : Universal Mobile Telecommunications System AWS : Advanced Wireless Service

휴대전화용 안테나 저전력 무선통신 주파수 대역 이동통신 시스템의 약어 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 저전력 무선통신 주파수 대역 이동통신 시스템의 약어 UNII : Unlicensed National Information Infrastructure HIPERLAN : High Performance Radio Local Area Network

휴대전화용 안테나 휴대전화에 사용되는 안테나 선정 휴대전화에 사용되는 안테나 종류 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 휴대전화에 사용되는 안테나 선정 보통 미적인 면과 전자파 인체흡수율(SAR)을 고려하여 정한다 SAR은 휴대전화 사용자의 몸에 흡수되어 소모되는 단위부피당 에너지의 최댓값 휴대전화에 사용되는 안테나 종류 모노폴 안테나(휩 안테나) 수직 모드 헬리컬 안테나 구불구불 안테나 평면형 역 F 안테나

휴대전화용 안테나 휴대전화의 안테나 유형과 배치 방식 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 휴대전화의 안테나 유형과 배치 방식

휴대전화용 안테나 대표적인 안테나 종류 모노폴 안테나 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 대표적인 안테나 종류 모노폴 안테나 안테나와 사용자의 머리 사이의 간격을 충분히 떨어뜨릴 수 있어 SAR를 낮출 수 있음 높은 효율을 얻을 수 있음

휴대전화용 안테나 헬리컬 안테나 헬리컬 안테나 파라미터 C : 권선의 둘레 S : 권선 사이의 간격 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 헬리컬 안테나 헬리컬 안테나 파라미터 C : 권선의 둘레 S : 권선 사이의 간격 L : 권선을 폈을 때의 길이 𝜽 : 피치 각, 𝒕𝒂𝒏𝜽= 𝑺 𝑪

휴대전화용 안테나 유사 모노폴 안테나 평면형 역 F 안테나 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 유사 모노폴 안테나 크기를 줄이기 위해 직선형 모노폴에 리액턴스를 부가하는 방법을 사용한 구조 헬리컬 안테나는 일반적으로 휴대전화 케이스 외부에 설치하지만, 유사 모노폴 안테나는 휴대전화 케이스 내부에 위치 평면형 역 F 안테나 휴대전화에서는 SAR이 낮은 내부 안테나가 필요하며 적합한 형태가 PIFA 구조 PIFA는 모노폴 안테나 또는 반파장 패치 안테나에서 변화한 형태

휴대전화용 안테나 반파장 패치 안테나에서 PIFA로의 점진적 변화 과정 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 반파장 패치 안테나에서 PIFA로의 점진적 변화 과정 먼저 프로브로 급전하는 반파장 패치 안테나에서 전기장이 0인 선을 따라 short 시킴( 𝑻𝑴 𝟎𝟎𝟏 ) 안테나의 크기는 절반으로 줄어들지만 공진 주파수는 변함이 없음 (방사가 패치 한쪽 끝에서만 일어나므로 지향성은 낮아짐) 이러한 구조를 완전 단락회로 PIFA(FS-PIFA)로 명명 이 단락회로를 간단히 단락핀이나 단락 탭으로 대체하면 공진 주파수를 더욱 낮출 수 있음(인덕턴스 증가) PIFA 구조

휴대전화용 안테나 PCB의 영향 SAR 규정은 열이 생체에 미치는 영향을 근거로 하고 있다 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 PCB의 영향 SAR 규정은 열이 생체에 미치는 영향을 근거로 하고 있다 단위 질량당 흡수전력의 개념을 사용하여 정의한다 이 식을 전기장을 써서 나타내면 다음과 같다

8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 SAR 시뮬레이션 SAR를 시뮬레이션하기 위해 사용자의 머리를 대신하는 납작한 직육면체 모양의 인체모형(팬텀) 옆에 안테나를 위치시킴 PCB와 팬텀 표면 사이의 간격을 5 mm로 유지

휴대전화용 안테나 PIFA 안테나의 SAR이 유사 모노폴 안테나보다 낮음을 확인 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 PIFA 안테나의 SAR이 유사 모노폴 안테나보다 낮음을 확인

휴대전화용 안테나 PIFA 의 경우에는 PCB가 차폐효과를 발휘하고, 안테나와 팬텀의 거리가 유사 모노폴보다 멀기 때문 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 PIFA 의 경우에는 PCB가 차폐효과를 발휘하고, 안테나와 팬텀의 거리가 유사 모노폴보다 멀기 때문

8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 PCB와 같은 평면 위에 놓여 있는 안테나 도체를 팬텀에서 멀리 떨어뜨리지 않으면 머리 부근에 강한 SAR을 발생시킴

휴대전화용 안테나 다중경로와 평균 유효이득 다중경로와 산란체 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 다중경로와 평균 유효이득 다중경로와 산란체 다중경로 : 무선신호가 두 개 이상의 여러 경로를 경유하여 수신기에 도달하는 현상 산란체 링 모델 : 이동국은 부근에 있는 물체들의 높이보다 낮은 곳에 있어서 여러 가지 경로로 들어오는 신호를 수신하며, 근처의 물체나 구조물로부터 전파가 반사 또는 재방사되는 상황

휴대전화용 안테나 신호 페이딩 수신기에 들어오는 다중경로 성분들은 합성됨 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 신호 페이딩 수신기에 들어오는 다중경로 성분들은 합성됨 이동국이 움직이면 다중경로의 성분 벡터들은 각각 𝒖 𝒊 만큼 회전 따라서 보강간섭과 소멸간섭이 일어나면서 신호 페이딩 현상이 발생

8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 평균 유효이득(MEG) 이득은 한 방향에 대해서만 명시되기 때문에, 다중경호 환경에서는 환경에 따라 달라지는 더욱 정확한 이득이 필요함 𝑮 𝜽 , 𝑮 𝝋 : 𝜽, 𝝋 방향에 대한 안테나 전력이득 X : 교차편파 비인 𝑷 𝝋 𝑷 𝜽 , 즉 𝝋 방향으로 편파된 등방성 안테나로 수신되는 전력과 𝜽 방향으로 편파된 등방성 안테나로 수신되는 전력의 비 𝒑 𝜽 , 𝒑 𝝋 : 𝜽, 𝝋 방향으로 편파된 입사 평면파의 각도 밀도 함수

휴대전화용 안테나 도래각 PDF의 모델 파라미터 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 도래각 PDF의 모델 파라미터

8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 휴대전화용 안테나 각도밀도 함수 MEG가 높으려면 안테나 방사패턴은 입사하는 다중경로의 각도 밀도분포와 교차편파비와 잘 일치해야 함. 수평방향(𝝋) 분포는 균일하다고 가정 수직방향(𝜽)는 다음과 같이 가우스 분포를 따르는 것으로 간주 𝒎 𝜽 , 𝒎 𝝋 : 𝜽, 𝝋 방향으로 편파된 입사 평면파의 각도 PDF의 평균 𝝈 𝜽 , 𝝈 𝝋 : 𝜽, 𝝋 방향으로 편파된 입사 평면파의 PDF의 표준편차

안테나 다이버시티 안테나 다이버시티란? 다중경로 페이딩의 해로운 영향을 제거하기 위해 둘 이상의 안테나를 사용하는 방법 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 안테나 다이버시티란? 다중경로 페이딩의 해로운 영향을 제거하기 위해 둘 이상의 안테나를 사용하는 방법

안테나 다이버시티 안테나 다이버시티 조건 상관성 제거 방법 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 안테나 다이버시티 조건 신호들 사이에는 상관성이 없어야 한다. 즉 둘 이상의 신호들은 서로 다른 시간/위치에서 페이드를 가져야 함 신호들을 합성하는 방법을 알아야 함 상관성 제거 방법 편파 다이버시티(polarization diversity) 공간 다이버시티(spatial diversity) 방사패턴 다이버시티(radiation pattern diversity)

안테나 다이버시티 상관성 제거 방법 편파 다이버시티 공간 다이버시티 방사패턴 다이버시티 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 상관성 제거 방법 편파 다이버시티 서로 수직으로 편파된 안테나 패턴을 사용 수직으로 편파된 두 안테나에서는 다중경로 성분들에 대해 서로 다른 벡터 합성이 이루어지므로 수신 신호 사이의 상관성이 제거됨 공간 다이버시티 공간상에 두 개 이상의 안테나를 서로 떨어뜨려 놓는 방법 안테나에 수신되는 다중경로 성분들의 위상은 서로 다르다 방사패턴 다이버시티 안테나 방사패턴의 크기와 위상을 잘 조정하여 서로 겹치지 않게 하는 방법 서로 다른 다중경로 성분들이 합성됨

안테나 다이버시티 포락선 상관계수(ECC) 합성 방법 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 포락선 상관계수(ECC) 𝑬 𝒊𝜽 , 𝑬 𝒊𝝋 는 각각 𝒊 번째 안테나의 𝜽 방향, 𝝋 방향 편파의 복소 방사패턴 ECC는 언제나 0~1 사이의 값을 갖음 0에 가까울 수록 상관성이 없으며, 1에 가까울수록 상관성이 높음 합성 방법 스위치전환 합성법(SWC) 선택 합성법(SC) 동일이득 합성법(EGC) 최대비 합성법(MRC)

안테나 다이버시티 합성 방법 합성 방법에 따른 다이버시티 이득 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 합성 방법 합성 방법에 따른 다이버시티 이득

안테나 다이버시티 브랜치의 개수에 따른 MRC와 SC의 다이버시티 이득 변화 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 브랜치의 개수에 따른 MRC와 SC의 다이버시티 이득 변화

안테나 다이버시티 브랜치의 개수에 따른 여러 가지 방법의 평균 SNR 변화 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 브랜치의 개수에 따른 여러 가지 방법의 평균 SNR 변화

8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 브랜치 상관성의 영향 브랜치가 2개인 MRC 시스템에서, 브랜치 전력이 동일하고 신호의 종류는 레일리(Rayleigh)일 때의 브랜치 상관성의 영향

안테나 다이버시티 브랜치 전력이 다른 경우의 영향 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 브랜치 전력이 다른 경우의 영향 브랜치가 2개인 경우, 다이버시티 이득은 일반적으로 두 브랜치 사이의 SNR 차이의 절반으로 줄어듦

안테나 다이버시티 다이버시티 안테나의 실제 예 편파 다이버시티를 이용하기 위해 두 개의 안테나를 서로 수직으로 배치 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 다이버시티 안테나의 실제 예 편파 다이버시티를 이용하기 위해 두 개의 안테나를 서로 수직으로 배치

안테나 다이버시티 패킷 전송에 앞서 프리앰블에서 시간을 확보하는 SC를 사용 시간 다이버시티 사용 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 안테나 다이버시티 패킷 전송에 앞서 프리앰블에서 시간을 확보하는 SC를 사용 시간 다이버시티 사용

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 사람 머리를 구성하는 물질의 전자기 특성 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 사람 머리를 구성하는 물질의 전자기 특성

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 대표적인 손실의 종류 부정합 효율 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 대표적인 손실의 종류 부정합 효율 사람이 휴대전화를 사용할 때 발생하는 임피던스 변화로 부정합 손실 발생 부정합 손실 = 𝟏− 𝝉 𝟐 𝝉 𝟐 : 부정합 효율 (안테나로 들어간 전력과 안테나로 공급한 전력 비)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 자유공간에서의 이중대역 휴대전화 안테나 평균 효율 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 자유공간에서의 이중대역 휴대전화 안테나 평균 효율 통화 자세에서 측정한 이중대역 휴대전화 안테나 평균 효율

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 15명의 사용자에 대한 평균 MEG (1) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 15명의 사용자에 대한 평균 MEG (1)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 15명의 사용자에 대한 평균 MEG (2) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 15명의 사용자에 대한 평균 MEG (2)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 선택된 좌표계에서 사용자의 위치 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 선택된 좌표계에서 사용자의 위치 1800 MHz에서 플립형 전화의 사용자 평균 방사패턴 (1)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 1800 MHz에서 플립형 전화의 사용자 평균 방사패턴 (2) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 1800 MHz에서 플립형 전화의 사용자 평균 방사패턴 (2)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 1800 MHz에서 PIFA-1의 사용자평균 방사패턴 (1) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 1800 MHz에서 PIFA-1의 사용자평균 방사패턴 (1)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 1800 MHz에서 PIFA-1의 사용자평균 방사패턴 (2) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 1800 MHz에서 PIFA-1의 사용자평균 방사패턴 (2)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 GSM 중심 주파수에서 모든 사용자에 대해 평균을 구한 PIFA-1의 방사패턴 (1) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 GSM 중심 주파수에서 모든 사용자에 대해 평균을 구한 PIFA-1의 방사패턴 (1)

인체가 안테나 성능에 미치는 영향 GSM 중심 주파수에서 모든 사용자에 대해 평균을 구한 PIFA-1의 방사패턴 (2) 8.2 이동통신용 안테나, 안테나 다이버시티, 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 인체가 안테나 성능에 미치는 영향 GSM 중심 주파수에서 모든 사용자에 대해 평균을 구한 PIFA-1의 방사패턴 (2)

8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나

다중대역 안테나 설계 방법 고차 공진(higher order resonance) 이용법 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 설계 방법 고차 공진(higher order resonance) 이용법 공진 트랩(resonant traps) 이용법 공진 구조 결합법 기생 공진기(parasitic resonators) 이용법

다중대역 안테나 고차 공진 이용법 모노폴 안테나의 λ 𝟒 씩 길이가 증가할 때 생기는 안테나의 공진 모드 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 고차 공진 이용법 모노폴 안테나의 λ 𝟒 씩 길이가 증가할 때 생기는 안테나의 공진 모드 고차 공진은 패치, 다이폴, 모노폴, 슬롯, 유전체 공진기 등 여러 종류에서 발생

다중대역 안테나 공진 트랩 이용법 모노폴 안테나에 트랩이라고 불리는 병렬 공진회로가 연결 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 공진 트랩 이용법 모노폴 안테나에 트랩이라고 불리는 병렬 공진회로가 연결 트랩에 의해 안테나는 두 개의 주파수 𝒇 𝟏 , 𝒇 𝟐 에서 동작

다중대역 안테나 공진 구조 결합법 두 개 이상의 공진 구조를 서로 가까이 위치시키거나 겹치게 배치 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 공진 구조 결합법 두 개 이상의 공진 구조를 서로 가까이 위치시키거나 겹치게 배치 급전점에 함께 연결하여 다중대역에서 동작 안테나는 두 개의 주파수 𝒇 𝟏 , 𝒇 𝟐 에서 동작

다중대역 안테나 기생 공진기 이용법 하나의 공진 구조만 급전점에 연결 다른 공진 구조는 직접 연결하지 않을 수도 있음 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 기생 공진기 이용법 하나의 공진 구조만 급전점에 연결 다른 공진 구조는 직접 연결하지 않을 수도 있음 두 개의 모노폴 중에서 긴 모노폴만 급전점에 연결되고, 짧은 모노폴은 급전된 모노폴 안테나에서 발생한 근거리장을 사용하여 간접적으로 급전하는 기생결합 방법을 사용

다중대역 안테나 실제 예 (휴대전화 PCB에 장착된 소형 헬리컬 안테나) 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 실제 예 (휴대전화 PCB에 장착된 소형 헬리컬 안테나) 전기적으로 소형이므로 첫 번째 공진 주파수에서 리액턴스가 급변 두 번째 공진 주파수에서는 더욱 빠르게 변함 이 안테나는 대역폭이 좁다는 사실을 짐작할 수 있음

다중대역 안테나 실제 예 (이중대역 헬리컬 안테나) 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 실제 예 (이중대역 헬리컬 안테나) 이중대역 휴대전화의 경우, 주파수 비를 바꾸기 위해 헬리컬 안테나의 윗부분의 피치와 아랫부분의 피치를 다르게 설정 낮은 공진 주파수는 헬리컬 전체의 길이로 조정하고, 높은 공진 주파수는 헬리컬 윗부분의 피치로 조정

다중대역 안테나 실제 예 (이중대역 헬리컬 안테나) 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 다중대역 안테나 실제 예 (이중대역 헬리컬 안테나) 피치와 길이가 서로 다른 두 개의 권선(헬리컬)이 서로 겹쳐진 상태로 하나의 급전점에 함께 연결됨 이 안테나는 공진 구조 결합법을 이용

광대역 안테나 광대역 안테나 (평면 구조) Fat monopole 안테나 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 광대역 안테나 광대역 안테나 (평면 구조) Fat monopole 안테나 안테나를 넓게 만들면 구의 내부에서 안테나가 차지하는 영역이 많아지므로 대역폭을 넓힐 수 있음 초광대역 안테나는 보통 평면 구조를 가짐

광대역 안테나 광대역 안테나 (원뿔 구조) 원뿔의 전기적 길이(높이)와 펼침각에 따른 모노폴 안테나의 저항 변화 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 광대역 안테나 광대역 안테나 (원뿔 구조) 원뿔의 전기적 길이(높이)와 펼침각에 따른 모노폴 안테나의 저항 변화

광대역 안테나 광대역 안테나 (원뿔 구조) 원뿔의 전기적 길이(높이)와 펼침각에 따른 모노폴 안테나의 리액턴스 변화 8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 광대역 안테나 광대역 안테나 (원뿔 구조) 원뿔의 전기적 길이(높이)와 펼침각에 따른 모노폴 안테나의 리액턴스 변화

8.3 다중대역 안테나와 초광대역 안테나 광대역 안테나 UWB 안테나의 S11 그래프

8.4 RFID 안테나

개요 RFID 개요 RFID 구성 태그(트랜스폰더) : 사용자 고유정보 저장 기능 판독기(질문기) : 태그에게 데이터를 보내도록 요청, 이어서 태그의 데이터 수신 일반적으로 판독기는 태그에세 전력을 공급하여 태그에는 별도의 전원이 불필요

개요 태그 분류 판독기 분류 수동 태그 : 가격이 싸며, 통달거리가 짧고 전송속도가 느리다 8.4 RFID 안테나 개요 태그 분류 수동 태그 : 가격이 싸며, 통달거리가 짧고 전송속도가 느리다 반능동 태그 : 제한된 용량의 전원을 갖고 있어 비교적 빠른 동작이 가능 능동 태그 : 충분한 용량의 배터리 전원을 가지고 있어서 자신의 존재를 주위의 판독기들에게 통보할 수 있으며 빠른 전송속도로 통신 가능 판독기 분류 모노스태틱 방식 : 안테나 1개를 사용하여 송신과 수신을 하는 방식 바이스태틱 방식 : 송신과 수신에 각각 1개씩 별도의 안테나를 사용하는 방식

개요 RFID 수동 태그와 판독기의 수행동작 순서 판독기가 연속파 신호를 송출하면 근처 태그가 신호를 수신 태그는 수신한 신호를 정류하여 직류전원을 형성 판독기는 변조된 신호를 송출하여 활성화된 태그에게 응답 요청 태그는 요청의 응답으로 판독기로 변조신호 송출

개요 동작 주파수 대역에 따른 RFID 시스템 분류 장파(Low Frequency RFID) : 근거리장 결합 방식 사용(유도성 결합이나 용량성 결합 방식) 단파(High Frequency RFID) 극초단파(Ultra High Frequency RFID) : 원거리장 결합, LF, HF보다 통달거리가 멀다 높은 수준의 성능이 필요한 시스템에 주로 사용

근거리장 시스템 판독기, 태그 안테나로 루프(코일)을 사용 a: 판독기 루프의 반지름 b: 태그 루프의 반지름 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 판독기, 태그 안테나로 루프(코일)을 사용 a: 판독기 루프의 반지름 b: 태그 루프의 반지름 d: 두 루프 사이의 간격 두 루프 사이의 상호 인덕턴스 M

8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 𝑲 𝑫 : 제1종 완전 타원적분 𝑬 𝑫 : 제2종 완전 타원적분

근거리장 시스템 실제 근거리장 시스템 태그 안테나 크기와 기하학적 구조는 보통 응용 분야에 따라 제한을 받음 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 실제 근거리장 시스템 태그 안테나 크기와 기하학적 구조는 보통 응용 분야에 따라 제한을 받음 다중권선 루프도 많이 사용되며, 코일 사이의 상호 인덕턴스는 감은 횟수에 비례

근거리장 시스템 판독기 루프와 태그코일의 상호 결합 왼쪽 회로 : 판독기 오른쪽 회로 : 태그 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 판독기 루프와 태그코일의 상호 결합 왼쪽 회로 : 판독기 오른쪽 회로 : 태그 두 코일 사이의 전력전달은 코일의 인덕턴스에 직렬로 연결된 전류종속 전압원으로 모델링 가능

근거리장 시스템 태그 안테나와 태그 IC의 등가회로 권선 커패시턴스는 루프 인덕터에 병렬로 연결된 형태로 등가화 가능 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 태그 안테나와 태그 IC의 등가회로 권선 커패시턴스는 루프 인덕터에 병렬로 연결된 형태로 등가화 가능 태그 IC는 부하저항과 커패시턴스를 포함 IC는 직렬 등가회로나 병렬 등가회로로 모델링

근거리장 시스템 노턴 등가회로 노턴 등가회로를 통해 회로해석 용이 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 노턴 등가회로 노턴 등가회로를 통해 회로해석 용이 직렬로 연결된 저항 𝑹 𝑺 와 리액턴스 𝑿 𝑺 는 병렬로 연결된 저항 𝑹 𝑷 와 리액턴스 𝑿 𝑷 로 변환할 수 있다. 이때 병렬부품과 직렬부품 사이의 관계는,

근거리장 시스템 노턴 등가회로 인덕터, 저항, 판독기에 의해 유도된 전압원으로 구성된 회로의 노턴 등가회로 공진주파수 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 노턴 등가회로 인덕터, 저항, 판독기에 의해 유도된 전압원으로 구성된 회로의 노턴 등가회로 공진주파수

근거리장 시스템 노턴 등가회로 𝑪 𝑻 : 합성 커패시턴스 8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 노턴 등가회로 𝑪 𝑻 : 합성 커패시턴스 공진 주파수에서 태그 IC로 전력이 최대로 전달되기 위해서는 ( 𝑹 𝟐𝑷 = 𝑹 𝟏𝑷 ) 부하 양단에 걸리는 전압 𝑹 𝑻 : 𝑹 𝟐𝑷 와 𝑹 𝑰𝑪 의 병렬 합성저항

8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 전형적인 사각형 태그 안테나 코일이 갖는 인덕턴스의 근사식

8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 전형적인 사각형 태그 안테나

8.4 RFID 안테나 근거리장 시스템 안테나 코일 제조기술에 따른 권선지수 변화 여권 속에 내장된 코일 안테나

원거리장 시스템 전 세계 각 지역에서 사용되고 있는 RFID 대역 전 세계에 통용되는 주파수대역을 사용하기 위해서 860~960 MHz에서 동작해야 함

원거리장 시스템 전형적인 원거리장 판독기와 태그 안테나 원거리장 안테나들 사이의 전력 전달 : 프리스 전달공식 이용 8.4 RFID 안테나 원거리장 시스템 원거리장 안테나들 사이의 전력 전달 : 프리스 전달공식 이용 전형적인 원거리장 판독기와 태그 안테나

원거리장 시스템 부정합에 의한 영향과 편파 불일치에 의한 영향 고려 8.4 RFID 안테나 원거리장 시스템 부정합에 의한 영향과 편파 불일치에 의한 영향 고려 시스템의 판독거리 d는 보통 태그 IC에 필요한 최소전력에 의해 결정됨 𝑷 𝑪𝑯𝑰𝑷 : 태그의 동작 전력 판독거리를 늘리기 위해 낮은 태그의 동작전력을 갖도록 설계 태그 안테나의 입력 임피던스는 칩의 입력 임피던스의 켤레복소수 값을 갖도록 설계

8.4 RFID 안테나 원거리장 시스템 병렬 급전 전기적 소형 안테나 중에서 반파장보다 짧은 다이폴 안테나는 용량성이기 때문에 필요한 유도성 리액턴스 값을 제공하지 못함 따라서 임피던스 변환을 통해 원하는 입력 임피던스 값이 되도록 설계

8.5 재구성 안테나

개요 가변 구조 안테나 소프트웨어 정의 무선 기술(SDR) 정의와 한테나 재구성 방법 8.5 재구성 안테나 개요 가변 구조 안테나 안테나의 구조를 바꾸어 공진 주파수, 방사패턴, 임피던스 정합 등 안테나의 특성을 제어할 수 있는 안테나 소프트웨어 정의 무선 기술(SDR) 정의와 한테나 재구성 방법 공진 모드 스위침/조정 방법 급전회로 스위칭/조정 방법 기계적 재구성 방법

스위칭 기술과 가변 부품 기술 스위치의 간략한 등가회로 커패시터와 병렬로 연결된 저항을 추가 8.5 재구성 안테나 스위칭 기술과 가변 부품 기술 스위치의 간략한 등가회로 커패시터와 병렬로 연결된 저항을 추가 SPDT 스위치와 직렬로 연결된 SPDT 스위치의 삽입손실은 주로 온 저항에 (𝑹 𝑶𝑵 ) 의해 결정 격리도는 주로 오프 커패시턴스 (𝑪 𝑶𝑭𝑭 )에 의해 결정 특정 스위치 기술과 DC 전원공급기에 대해 𝑹 𝑶𝑵 𝑪 𝑶𝑭𝑭 곱을 구하면 값이 일정

스위칭 기술과 가변 부품 기술 스위치 기술의 특성 비교 핀 다이오드는 온 저항이 낮다는 장점 8.5 재구성 안테나 스위칭 기술과 가변 부품 기술 스위치 기술의 특성 비교 핀 다이오드는 온 저항이 낮다는 장점 전류가 많이 흐르기 때문에 전력 소모가 크다는 단점 GaAs, InP는 소모 전력이 낮기 때문에 휴대장치에 장점 𝑹 𝑶𝑵 𝑪 𝑶𝑭𝑭 곱은 핀 다이오드와 비슷하지만 큰 전압을 처리할 수 없어 직렬로 사용 MEMS는 온 상태와 오프 상태에서 손실이 없다는 장점 일반적으로 직류 구동전압이 높다는 단점

스위칭 기술과 가변 부품 기술 스위치 이외의 부품 기계적으로 조정 : 로터리 모터로 가변 인덕터나 커패시터 사용 8.5 재구성 안테나 스위칭 기술과 가변 부품 기술 스위치 이외의 부품 기계적으로 조정 : 로터리 모터로 가변 인덕터나 커패시터 사용 버랙터 다이오드 : 크기가 작지만 선형성이 나빠서 전력 소모가 낮은 분야에만 응용 능동부품 : 가변 인덕터나 커패시터의 역할을 하게 할 수 있지만, 부품에서 전력이 소모되고 잡음이 추가되며 비선형 특성을 나타냄 MEMS 기반 가변 커패시터 : 온과 오프 커패시턴스의 비가 큰 스위치(갈바니 스위치)

공진 모드 스위칭/조정 가변 커패시터를 통한 공진 주파수 조정 가변 커패시터로 PIFA 안테나의 공진 주파수를 조정 8.5 재구성 안테나 공진 모드 스위칭/조정 가변 커패시터를 통한 공진 주파수 조정 가변 커패시터로 PIFA 안테나의 공진 주파수를 조정 커패시턴스 값이 증가하면 공진주파수가 감소(대역폭 또한 감소) 커패시터는 전기장이 최대인 점에 설치하면 커패시턴스 변화에 대해 가장 큰 공진 주파수 조정비를 얻을 수 있음 크기가 큰 안테나의 경우 기계적으로 가변 커패시터를 사용 전력 소모가 낮거나 선형성이 중요하지 않으면 버랙터 다이오드를 사용 스위치드 커패시터를 사용할 수도 있음

급전회로 스위칭/기계적 재구성 급전회로 스위칭 조정 기계적 재구성 안테나 급전 회로를 변경하여 재구성 하는 방법 8.5 재구성 안테나 급전회로 스위칭/기계적 재구성 급전회로 스위칭 조정 안테나 급전 회로를 변경하여 재구성 하는 방법 예로 위상배열 안테나의 배열을 구성하는 각 소자에 인가되는 신호의 위상과 진폭을 변화시킬 수 있음 안테나 방사패턴에서 최대 이득 방향, 이득값, 패턴 모양 변화 가능 기계적 재구성 ‘V’ 모양을 이용하여 안테나 빔의 방향을 조정할 수 있음

요약 전기적 소형 안테나 휴대장치 안테나 다중대역 안테나 UWB 안테나 RFID 안테나 재구성 안테나 8.6 요약 요약 전기적 소형 안테나 대역폭 이론과 대역폭 확장 방법 휴대장치 안테나 다중대역 안테나 UWB 안테나 RFID 안테나 재구성 안테나 안테나 다이버시티와 사용자가 안테나의 성능에 미치는 영향

Q & A