한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 3, pp. 891-895, 2010 광대역의이중대역동작을위한 PMP 용소형 / 부착형 DVB-H 안테나 염인수 1, 정창원 1* 1 서울산업대학교 NID 융합기술대학원 Compact & Contact DVB-H Antenna with Broad Dual-band operation for PMP Applications In Su Yeom 1 and Chang Won Jung 1* 1 Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul Nation University of Technology 요약본논문에서는듀얼밴드 (UHF: 470-862 Mhz, L: 1452-1492 MHz) DVB-H 안테나를제작하였다. 제안된안테나는입력임피던스매칭회로를이용한평판형역 F 안테나 (PIFA) 로구성되었다. 매칭회로는안테나의 UHF 대역 (470-862 MHz: 63%) 성능을향상시켰다. 제시된안테나는전방향적특징을보이고 PMP에적용가능한충분한이득 ( 최대이득이 470-860 MHz에서 1.70dBi) 을보인다. 안테나는소형으로제작되었으며크기를줄이기위해유전체로써사용되어진 PMP 케이스 (ε r = 3.2) 에부착되었다. Abstract A dual-band (UHF: 470-862 MHz, L: 1452-1492 MHz) digital video broadcasting-handheld (DVB-H) antenna is presented. The proposed antenna is composed of a planar inverted F-shape antenna (PIFA) with an input impedance matching circuit. The matching circuit improves antenna performance in the broad UHF bands (470-862 MHz: 63%). The proposed antenna has omni-directional patterns and sufficient gain (Ave. peak gain is about 1.70 dbi over 470-862 MHz) for the PMP applications. The antenna is contact with a PMP case (ε r=3.2) which is used as a substrate for the size reduction and compact design. Key Words : DVB-H; PIFA; Impedance Matching Circuit; Omni-Directional Radiation; PMP Applications 1. 서론 디지털비디오방송 (DVB-H) 은모바일상에서텔레비전의방송을위한새로운표준이며, 2008년 EU에서공식적으로승인되었다. 최근에휴대용장치를위한모바일 TV가중요한이슈가되고있고, 특히유럽뿐아니라전세계적으로 DVB-H가사용될예정이다. DVB-H표준은 UHF대역 IV,V (470-862MHz) 그리고 L band (1452-1492MHz) 이다 [1]. UHF 대역의 1/4파장의길이가진공중에약 90-160mm이기때문에모바일장치에사용하기에는 DVB-H 안테나의크기는너무크다. DVB-H 안테나의충분한안테나이득이 470MHz에서 -10dBi, 702MHz에 서 -7dBi이다[1]. 최근에 DVB-H 서비스를위해다양하게설계된안테나들이소개되어지고있다 [2-10]. 참고문헌 [2-5] 에서제안된 DVB-H 안테나는단지폴더형태의휴대폰상에서만동작된다. 또한참고문헌 [6, 7] 에서제시한모노폴안테나는방사체와그라운드사이의갭 (gap) 이안테니의입력임피던스매칭에중요한역할을하고있다는것을보여준다. 그러나장비의입력임피던스와안테나의모양이다양하기때문에여러휴대폰에적용하기가어렵다. 파라스틱암 (parasitic arms) 을포함한소형의안테나를참고문헌 [8-9] 에소개하였다. 파라스틱암 (parasitic arms) 을포함한안테나역시기판에포함된회로에의해쉽게영향을받는단점을가지고있다. 마지막 본논문은서울산업대학교교내학술연구과제로수행되었음. * 교신저자 : 정창원 (changwoj@snut.ac.kr) 접수일 10년 01월 07일수정일 (1차 10년 03월 02일, 2차 10년 03월 17일 ) 게재확정일 10년 03월 18일 891
한국산학기술학회논문지제 11 권제 3 호, 2010 으로참고문헌 [10] 에서주파수튜닝이가능한안테나를소개하였다. 그러나이역시다이오드의사용에의한시스템의복잡성이증가하는문제점이있다. 형태의방사체를사용하였고, 한개의인덕터와두개의캐패시터로구성된매칭회로를사용하였다. 안테나는 PMP(i-stationU43, Digital-Cube) 상에설계, 제작측정되었다. 제안된안테나는유전체로사용되어진 PMP 케이스 (εr=3.2) 에소형의부착형으로되었기때문에최소화할수있다. 안테나의방사패턴은전형적인모노폴안테나의전방향적특징을보인다. 제안된안테나는소형으로설계되었으며다양한 DVB-H 모바일제품에충족하는광대역듀얼밴드성능을보인다. [ 그림 2] 제작된광대역이중대역 DVB-H 안테나 2. 안테나구성및설계 (c) [ 그림 1] PMP 플랫폼상의제안된광대역 PIFA; 3D 구조 ; 안테나수치 ; (c) 매칭회로와등가회로 본논문에서는 DVB-H 동작주파수영역 (UHF; 470-862MHz and L; 1452-1492MHz.) 을최적화하고 PMP 면에쉽게부착하기위해광대역평면형역 F형안테나 (BPIFA) 를제시하였다. 또한광대역으로동작하고전류흐름을다양화하기위해넓은면적을포함한 PIFA DVB-H 안테나의기본적인구조는 PIFA이며, 크기를최소화하기위해 PMP Mock-up에실장하였다. 그림1 는실제케이스 (PMP, i-station U43) 크기와유전율이같은 PMP Mock-up에실장된 DVB-H 안테나의 3D 모습을보여준다. 그림1 는안테나의구체적인크기를나타내고, 그림 1(c) 는 UHF 대역의광대역을위한 LC 매칭회로를보여준다. PMP Mock-up의유전율은 (εr) 은 3.2 이며, 전체적인크기는 135 80 23 mm3이다. 그라운드오른쪽끝에는 PMP모듈의다른회로구성을위한빈공간이존재한다. 빈공간의전체크기는 GL=35mm GW=30mm 이다. 전형적인모노폴안테나에서 UHF 대역의 1/4파장의길이가진공중에약 90-160mm이고 L-대역의진공중의길이가 50-52mm이다. 제안된안테나의크기와그라운드는각각 L1=35.5mm, L2=50.5mm, W1=12 mm이다. 안테나의기본적인구조는 PIFA형태이고, 크기를줄이고최소화하기위해케이스에부착하였다. 안테나방사체의경우케이스에부착시키기위해구부렸다. 그리고 L 밴드동작을위해방사체에계단형태의슬롯을구성하였고슬롯의크기는 L3=26mm, W2=5.5mm로최적화되었다. 안테나의입력임피던스매칭의향상을위한쇼팅길이는 892
광대역의이중대역동작을위한 PMP 용소형 / 부착형 DVB-H 안테나 SL1=12.5mm, SL2=8.5mm이다. 그러나 PIFA의구조상넓은 UHF 대역을쇼팅라인 (SL) 만으로임피던스매칭을만족시킬수없다. 그결과본논문에서는광대역동작을위해두개의캐시시터와한개의인덕터를매칭회로로사용하였고, 이에따른안테나의입력임피던스는 UHF 대역의넓은주파수범위를향상시켰다. 또한주파수영역과대역폭을가변할수있는 LC매칭회로의조합을구성할수있다. 그림 1(c) 에서는최적화된직력인덕터 (L) 4nH, 직렬캐패시터 (C1) 3pF이고, 병렬캐패시터 (C2) 0.5pF 임을보여준다. 안테나와매칭회로간의연결라인의길이 (SW) 는 15mm이다. 일반적으로방사체와그라운드사이의갭 (gap) 의리액턴스는캡 (gap) 의변화에의해조절되어진다. 그리고이를통해안테나의크기를줄일수있다. 여주고있다. 또한이와같은형태의안테나는쉽게케이스에부착하여제작할수있다. 3. 측정결과 [ 그림 5] 측정된반사손실서 PMP Mock-up 에실장된안테나의방사패턴의측정결과를보여준다. [ 그림 3] LC 매칭회로가포함되어있지않은 DVB-H 안테나 ; LC 매칭회로가포함된 DVB-H 안테나 [ 그림 4] Flexible 과 Metal 타입의 DVB-H 안테나 본논문에서는안테나의소형화를위해이러한갭 (gap) 을최적화하였다. 그림 2는 PMP Mock-up에실장된안테나의모습을보여준다. 그림 3 는 LC 매칭회로가포함된상태의 DVB-H 안테나이고그림 3 는 LC 매칭회로가없는상태에서의 DVB-H 안테나의모습을보여준다. 그림 4에서는 Flexible과 Metal 타입의안테나를보 893
한국산학기술학회논문지제 11 권제 3 호, 2010 한참고문헌 [6] (-3 에서 4dBi), 그리고참고문헌 [2] (2.1 에서 2.8dBi) 에나타난안테나보다각각더높은이득을보여준다. 4. 결론 (c) 본논문에서는광대역의이중대역동작을위한 PMP 용소형 / 부착형 DVB-H 안테나를제시하였다. 매칭회로는 UHF대역의대역폭을향상시켰다. 측정된대역폭은 VSWR<3에서 436MHz(474-910MHz, 63%), 23MHz (1437-1460GHz, 1.6%) VSWR<4에서 477MHz (468-945 MHz, 68%), 79MHz (1410-1489 MHz, 5.5%) 이다. 이는대부분나라의 DVB-H 서비스에할당된주파수를만족한다. 최근에대부분의장치들이소형화되어설계되어지고있다. 그결과실제 Mock-up에실장되어진안테나의측정결과와시뮬레이션결과는빈상태 (bare case) 보다중요하고실용적이다. 제안된안테나의구조는쉽게제작되고다양한모바일케이스에수정가능하다. 측정된결과는 DVB-H의주파수영역과이득조건을만족시킨다. 참고문헌 (d) [ 그림 6] 측정된방사패턴 500; 600; (c) 800; (d) 1450 MHz 그림 5는 LC 매칭없이설계된안테나의시뮬레이션결과와매칭회로를포함하여설계된안테나의측정결과사이의비교를보여준다. 두개의공진은 UHF 와L 대역에서분명하게나타난다. 매칭회로를포함한안테나의측정결과는시뮬레이션결과와일치하고, 안테나의대역폭은각각 VSWR3:1에서 436MHz (474-910MHz,63%), 23MHz (1437-1460GHz,1.6%) 그리고 VSWR4:1 에서 477MHz (468-945MHz,68%), 79MHz (1410-1489MHz, 5.5%) 이다. 제안된안테나의측정된대역폭은 DVB-H 서비스대역을만족한다. 그림 6,, (c), 그리고, (d) 는 500, 600, 800, 1450MHz에서측정된 x-y, x-z 평면상의방사패턴은전통적인모노폴안테나와같은전방향적특징을보여준다. 측정된최대이득은 -0.22에서 3.45dBi 사이로 DVB-H 시스템의이득조건 (-10에서 -7dBi) [1] 에만족한다. 제안된안테나가 PMP Mock-up상에실장된상태이지만참고문헌 [8] (0 에서 1.5dBi) 에서빈공간 PCB 상태에서의안테나보다더높은최대이득을보여준다. 또 [1] DVB-H implemented Guidelines: ETSI: TR 102 337V 1.1.1, European Telecommunications Standards Institute. 2005-02. [2] J. Lee, J. Park, B. Yim, Design of the novel DVB-H antenna for mobile handheld Terminal, Microwave opt Technol Lett 49 2345-2350, 2007. [3] K.-L. Wong, Y..-W. Chi, B. Chen, and S. Yang, Internal DTV antenna for folder-type mobile phone, Microwave Opt Technol Lett 48, 1015-1019, 2006. [4] K.-L. Wong, W.-C. Su, and F.-S Chang, Wideband internal folded planar monopole antenna for UMTS/WiMAX folder-type mobile phone, Microwave Opt Technol Lett 48, 324-327, 2006. [5] H. Chio, J. Lee, J. Park, and B. Yim, An internal modified rectangular loop antenna for DVB-H applications, Microwave Opt Technol Lett 50, 1592-1595, 2008. [6] D. H. Choi, H. S. Yun, S. O. Park, Internal antenna with modified monopole type for DVB-H applications, Electron Lett 42, 1436-1438, 2006. [7] S. Jeon, K. Ryu, J. Choi, A novel monopole antenna with parallel structure for DVB-H/SDMB 894
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