infatuation

휴대폰 안테나의 종류와 특성 본문

Study/ICE

휴대폰 안테나의 종류와 특성

화령 2008. 9. 28. 19:33

이동통신공학 첫 과제
2008년 9월 26일까지 제출 :)

검색하니까 레포트 월드, 해피 캠퍼스만 나오는 통에 레포트따위 사지 않기에  구글을 여기저기 뒤집고 다닌 결과 많은 자료를 얻었습니다. ㅎㅎ
EIC : 전자정보센터  이 사이트에 가면 안테나뿐만아니라 많은 자료들있다.
관련자료로 첨부한것들은 EIC카페에 가입해서 아이디와 비밀번호를 만들어야 볼수 있는 자료들입니다.
참고자료는 최신것으로 찾으려고 했으나..2004년도 것도 있고 2006년도 것도 있고..;;

[ 휴대폰 안테나 참고 자료 ] 

그리고 전자정보센터 사이트에서 찾은것뿐만아니라  PPT 자료들과 문서자료들 찾아서 정리했다.
단순히 검색해서 정리하는건데도 시간 많이 걸린다는... ㅠㅠ



1. 이동통신용 안테나의 변천

최근 무선 통신 산업의 발달로 인해 이동통신용 안테나 기술 역시 빠르게 발전해왔다. 이동통신용 단말기의 소형화, 경량화 됨에 따라 안테나도 점점 소형화, 경량화 되어가는 추세이다. 하지만 이동통신의 초기에는 안테나에 전자유도나 정전유도가 사용되었다. 안테나의 변천과정은 기술 발전 정도에 따라 크게 5세대로 나눌 수 있다.

1세대 안테나

사용주파수가 낮아 대부분이 소형, 선형 안테나였다. 하지만, 전파의 이용이 증가함에 따라, 모노폴에 해당하는 하나의 수직도선이나 수직도선을 중도에서 수평으로 구부린 역 L형이 많이 사용되었다. 루프 안테나는 최초의 휴대 무선기기에 사용되었다.

2세대 안테나

2차 세계대전 중에 전자기기의 기술발전으로 인해 소형화와 뛰어난 성능을 가진 안테나가 등장하게 되었다. 전기적 소형화와 더불어 물리적인 소형화가 이루어진 시기라고 할 수 있다.

3세대 안테나

고주파 기술의 진보로 말미암아 무선기기의 소형화와 안테나의 소형화가 빠르게 진행되던 시기이다. 안테나의 소형화와 박형화가 요구됨에 따라 프린트 안테나, Micro strip Antenna등이 개발 되었다.

4세대 안테나 는 기능적인 소형 안테나가 주를 이룬다. 5세대 안테나소형화는 물론이며, 기능화, 지능화로 발전된 형태를 취할 것이라 예상되고 있다. 최근 이동통신의 멀티미디어화와 광대역화에 따라 능동안테나 또는 초 광대역 안테나 기술이 개발되고 있다.


2.
이동통신용 안테나의 정의

안테나란 전파를 송시하고 수신하기 위한 장치를 의미한다. 바꾸어 말하면 전기신호 및 전자파신호를 변환하는 장치로서 공중의 RF신호를 이동통신단말기 내부로 수신하거나 내부의 신호를 공중으로 내 보내는 역할을 한다. 안테나는 사용 주파수에 따라 장중파용(3~300kHz), 단파용(3~30kHz), 초단파용(30~3,000kHz), 그리고 극 초단파용(3~30kHz)으로 나눌 수 있다. 또한 응용분야에 따른 분류를 살펴보면, 위성방송관련 안테나, 이동통신용 안테나, TV 및 기타 안테나 등이 있다. 이 중에서 이동통신용 안테나는 기지국 및 단말기에 쓰이는 안테나로서 신호 입출력의 처음과 끝을 담당하여 통화품질을 결정하는 핵심 부품중의 하나이다.



3. 이동통신 단말기용 안테나 종류

이동통신 단말기용 안테나로는 일반적으로 주파수 대역에 상관없이 Whip형의 모노폴(Monopole) 안테나가 주로 사용되었으며, 휴대용 단말기의 형태나 동작 주파수에 따라 내장형의 페라이트 안테나 또는 수직모드 Helical Antenna도 널리 사용되고 있는 상태이다. 또한 소형 안테나로는 짧은 형태의 Whip, 수직모드 헬릭스(Normal Mode Helix)나 작은 루프 안테나 등이 주로 사용되고 있다.  휴대폰용 안테나는 주파수 대역별 또는 안테나의 휴대폰 내 실장 위치에 따라 분류 될 수 있는데 실장 위치에 따른 분류로 외장형 안테나와 내장형 안테나로 분류 할 수 있다.

(1)  외장형 안테나

외장형 안테나로는 Helical Antenna, Monopole(Whip), Retractable(Helical + Whip) Antenna, 그리고 Sleeve Dipole Antenna동이 있다.

       Helical Antenna

금속선을 나사선 모양으로 감아 만든 안테나로서 나선의 구성에 따라 축형 모드와 노멀 모드 헬리컬 안테나로 분류된다. 나사선을 한번 감은 길이를 파장 정도로 봤을 때, 나사선의 축 방향으로 원편파 전파가 방사되는 것을 이용한 것이다. 한번 감은 길이가 파장보다 매우 작을 경우에는 직각 방향으로 방사되는데 단말기에 사용되는 Helical Antenna는 대개 이 형태이다. 상당히 넓은 주파수 범위에 걸쳐 높은 이득을 얻을 수 있는 것이 특징이며 리액턴스 부하를 연결하여 대역폭을 확장하는 방법을 사용하기도 한다. 같은 주파수에서 다이폴이나 모노폴 등에 비해 훨씬 작은 크기로 만들 수 있는 장점이 있으며, 만드는 방법에 따라 다양한 특성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.


 Monopole(Whip) Antenna
보통의 파장 다이폴 안테나와 달리 파장 길이의 소자를 접지한 형태이다. 이동통신 기기에서는 보통 회로의 접지면(GND)에 연결하여 접지하게 된다. 이렇게 접지를 하게 되면 영상이론에 의해 나머지 파장의 소자가 존재하지 않아도 존재하는 것과 같은 효과가 발생하게 된다. 따라서 전력 패턴은 기본적으로 수직 반파장 다이폴 안테나와 동일하다. 안테나와 평행한 면에서의 패턴은 8자 모양이며 수직한 면에서는 무지향성으로서 입체적으로는 도너츠 형태가 된다. 구조가 간단하고 수평면에서 방향성이 없으므로 이동통신에 적합한 안테나로서, 단말기 외장형 안테나로 많이 사용한다. 흔히 말하는 Whip 안테나는 모노폴 안테나의 일종으로서 안테나 재질이 유연하고 잘 휘어지도록 되어 있다.


    Retractable(Helical + Whip) Antenna

헬리컬 안테나와 Whip 안테나를 동시에 사용함으로써 광대역 안테나를 구성하는 방식이라 할 수 있다. 신축가능형 안테나로 지칭할 수 있는 이 안테나는 평상시에는 헬리켈 안테나의 동작만으로도 통화가 가능하지만, 휴대폰 사용자가 통화감도가 낮아진다고 생각되는 경우에 내장된 선형의 모노폴 안테나를 꺼내어 사용할 수 있도록 제작되어 있다.

-       선형의 Whip은 모노폴 안테나가 가지고 있는 고유의 특성 및 성능을 간직하고 있기 때문에 헬리컬 안테나에 비해 최고 1.5dB 이상의 방사이득을 가지며 대역폭 또한 월등한 것이 특징이다.

-       Retracted 상태 동작 원리수납상태에서 헬리컬의 길이는 f0에서 약 의 길이를 갖고, Inductive Coupling으로 연결되어 효율이 나타나며 Whip과 헬리컬이 떨어져 있으므로 작동은 하지 않는다.

-       Extended 상태에서 Whip 길이는 f0에서 약 의 길이를 갖고, 헬리컬 길이 또한 f0에서 약 길이를 가지며 헬리컬과 Whip Short가 되지 않은 상태에서 Inductive Coupling으로 작동하며 Extended의 길이가 의 반 파장 Dipole과 같은 효율을 나타낸다.

 

          Sleeve Dipole Antenna

중간 부분이 동심원 Sleeve 에 의해 둘러싸인 형태의 안테나이다. 핸드셋 근처의 급전 케이블 위에 1/4 파장의 모자처럼 생긴 Sleeve 를 사용함으로써 손실이 없고 효율적이나, 대역폭의 제약 및 케이블의 전력 감소를 초래하는 단점이 있다. Sleeve 형 바룬(balun) RF케이블 바깥 표면의 불필요한 전류를 줄이는 역할을 한다.


(2) 내장형 안테나

내장형 안테나의 종류로는 PIFA(Planer inverted F Antenna), Small Loop Antenna, Chip Antenna, SMD(Surface Mounted Device) Antenna, 그리고 DRA(Dielectric Resonator Antenna) 등이 있다. 외장형 안테나와는 달리 단말기 내부에 장착되어 안테나 특성을 나타내는 내장형 안테나(Inner Antenna)Intenna라고도 한다.

내장형 안테나의 장, 단점

장점

단점

단말기 외부에 장착된 안테나를 내장함으로써 단말기의 소형화가 가능해짐.

사용의 편리함.

낮은 SAR(Specific Absorption Rate)특성

저가의 안테나 개발 가능

외장형 안테나에 비하여 좁은 대역폭

Cover RF 부품에 의한 방사 패턴의 왜곡

사용자의 Hand Effect가 크게 작용

 

      PIFA(Planer Inverted F Antenna) : 평면형 역(반전형) F 안테나

소형 평면 안테나를 단말기에 적용한 형태로서 Helical Antenna가 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 부착시킴으로써 휴대성을 높인 구조이다. PIFA는 얇은 평판형 안테나로서 단말기의 어느 부위에도 안테나 설치가 가능하고 두 개 이상 설치하여 Diversity, Array 안테나 등으로 사용이 가능하다. Whip 안테나가 Retracted 상태에 있을 때 단말기의 돌출부위를 완전히 제거하여 휴대할 시 편리성이 높아진다는 특징이 있다.
다른 구조와 비교해 봤을 때 상대적으로 단말기 상단 부위의 돌출부위를 감소시키므로 개인의 휴대 편리성이 증가 되고 Array 안테나로의 구성이 가능하므로 평판형 안테나 자체의 성능이 향상된다. 그리고 Diversity 방식을 사용할 수 있으므로 전파환경이 열악한 곳에서 성능향상을 기대할 수 있다. 하지만 평판형 안테나는 최대 전방향 180도를 향하는 지향성 안테나이기 때문에 이동통신 단말기가 요구하는 무지향성 안테나로의 동작이 어렵고 2가지 이상의 평판형 안테나를 사용하여 성능을 향상시킬 때 다점 신호급전 등으로 인하여 구조가 복잡해 지는 단점이 있다.

  Small Loop Antenna

루프 안테나의 축소형이라 할 수 있는 이 안테나는 축방향으로 지향성이 날카롭고 개구면도 넓으며 광대역성의 장점을 가진다.

Chip Antenna
반도체 칩 형태로 만든 안테나로 무게와 크기가 작아 다른 구조물 안에 내장할 수 있다..
이 제품들은 모노폴 형태의 무지향성 다층 세라믹 안테나로서 2.4Ghz대역에서 쓰이며 블루투스(Blue tooth)뿐만 아니라 무선 LAN에도 사용 가능하다. 또한 2Ghz대역 및 5Ghz대역 안테나도 개발되었다. 이 안테나는 크기가 8.0  3.0  1.2mm 무게는 0.1g에 불과하다. 따라서 다른 구조물 안에 내장할 수 있는 형태이며 PCB 장착 시에 PIFA 안테나의 1/4크기에 불과하지만 광대역( 400Mhz)과 고이득(-1dB)이 실현되고 있다. 단말기의 외형 설계나 안테나 관련 부품 설계에 높은 융통성을 부여하며, 설계 기간을 크게 단축시키는 장점이 있다


DRA : Dielectric Resonator Antenna
유전체 공진기 안테나로 칩 안테나와 마찬가지로 소형 크기인데 DRA는 유전체를 사용하여 그 공진 현상을 이용함으로써 안테나의 제 특성을 얻는다. 내장형 안테나로서 활발히 개발되고 있다.


SMD : Surface Mounted Device Antenna
표면실장 안테나라고 불리며, 다층 기판 및 유전체 제조공법을 응용하여 작은 부피 내에 안테나를 형성시킨 것이다.
우선 초소형 SMD형태로 구현된 것이기 때문에 단말기의 어느 부분이라도 실장이 가능하며 양산성이 매우 우수하고 기존의 안테나들을 단말기에 부착할 때 와는 달리 다른 SMD 부품들을 회로기판에 접착하는 방법을 그대로 사용할 수 있다. 하지만 평판 안테나와 마찬가지로 지향성을 가지는 안테나이기 때문에 가지는 지향성의 약점과 방사효율이 기존 제품에 비해 좋지 않다는 단점이 있다. 하지만, 휴대 편리성과 자유로운 디자인 설계가 가능하다는 장점이 있어 일본의 무리타사와 핀란드의 Nokia사가 출시해 왔다.


4. 이동통신용 안테나의 소형화 및 내장화 기술의 발전

이동통신용 안테나 기술은 소형화 및 다기능화에 중점을 두고 있다. 휴대폰 단말기의 크기가 점점 작아지는데 반해 기능적으로는 동영상, voice등의 다양한 서비스를 제공하고 있다. 그러므로, 안테나 역시 기능적으로는 다양해지면서 크기면 에서는 소형화가 요구되고 있는 것이다.

 

(1) 이동통신용 안테나의 소형화 기술

 

초기의 모노폴 형태의 안테나들은 이동통신기기에서 전통적으로 사용되어 왔던 기술로 주로 단말기의 외부에 장착되는 형태로 사용되어 온 것이 보통이다. 하지만 라는 물리적 크기의 안테나를 그대로 장착하기에는 소형화, 기능화되고 있는 이동통신시장의 최근 경향과 소비자들의 요구를 만족시키기에는 부족하다. 그뿐만 아니라, 한정된 배터리로 송신전력의 효율을 극대화시켜 사용시간을 늘려야 한다는 점과 열악한 수신환경에서 원하는 주파수 대역의 신호를 효율적으로 수신해야 한다는 점에서 단말기에 장착되는 안테나의 크기를 공진 길이보다 줄이는 것은 불가능하다. 그리하여, 도입된 것이 안테나의 물리적인 길이를 줄이는 것이다. 대표적인 안테나로는 헬리컬 안테나를 들 수 있는데, 코일이 가지는 인덕턴스(Inductance)를 이용해 물리적 길이를 줄일 수 있다. 하지만 대역폭 및 방사효율의 저하라는 단점이 있어 이를 극복할 수 있는 안테나의 필요성이 대두되고, 신축 가능형 안테나가 개발된 것이다. 신축 가능형 안테나는 앞서 언급한 바와 같이 모노폴 안테나의 특성과 헬리컬 안테나의 특성을 고루 가지고 있는 안테나이다 

신축 가능형 안테나 이외에도 모노폴 구현원리에 기초한 다양한 형태의 소형 안테나 기술이 연구, 개발되었고 그 후 2006년 보편적으로 사용되던 형태가 판금물을 이용한 형태라고 할 수 있다. 형태는 단말기의 디자인이나 업체마다 다양하지만 다중대역을 구현하기 위한 대표적인 방법은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 

이중대역 안테나는 2개의 서로 다른 공진체를 가지는 안테나로서 2개의 이상의 전류경로를 설계하여 서로의 간섭이 공진 구현에 악영향을 주지 않도록 유도, 이중대역 이상의 공진을 구현하는 것이다. 하지만 충분한 공간이 주어지지 못하는 경우에는 대역폭의 감소나 극단적 방사효율의 저하라는 단점이 있다. 
중대역을 구현하기 위한 방법으로 한 개의 공진체를 중간에 전기적인 불연속면을 설계하여 주파수에 따라 안테나내의 경계조건을 달리하는 기술이 있다. 이것은 헬리컬 안테나에서 이중 대역을 구현하는 방법과 동일한 방법으로 다중 대역 구현에 있어서 아주 효율적인 방법 중에 하나이다. 마지막 방법으로는 전자기적인 Coupling을 이용한 방법으로 주된 공진체에 기생(Parasitic) 공진체를 삽입하는 형태로 1700MHz 이상의 대역에서 높은 방사효율과 대역특성을 가진다

 

(2) 이동통신용 안테나의 내장화 기술
 
내장화 안테나는 통화대기 상태에서도 단말기의 상단 부위에 돌출부가 형성되는 것을 피하기 위한 방법이라 할 수 있다. 내장형 안테나는 외장형으로 사용되는 안테나보다 소형화가 더욱 어려운 형태로서, 단말기의 내부에 장착되기는 했으나, 실제로 차지하는 부피는 외장형 안테나 보다 큰 경우도 있다. 안테나의 내장화에 있어서 가장 힘든 점으로는 안테나와 접지면과의 간격이 가까워짐에 따라 발생되는 방사효율 및 대역특성의 악화를 들 수 있다.


 

 

'Study > ICE' 카테고리의 다른 글

DOCSIS 3.0  (0) 2009.04.11
IGMP  (0) 2009.04.11
voice codec & video codec  (0) 2008.09.28
GSM과 CDMA의 차이점  (0) 2008.08.31