1. 서 론

다중 대역을 지원하는 지능형 무선 통신 시스템은 하드웨어의 복잡도 증가와 다양한 안테나 빔의 제어를 통해 시스템 성능의 향상을 요구하고 있다. 모바일 단말의 안테나는 단일 부품 설계 수준을 넘어 서브 시스템으로 구성된 모듈 형태의 설계가 대세를 이루게 되었다. 특히 전자기 신호의 방사체이자 공진기인 안테나는 이러한 환경에서 주변의 서브 시스템 및 부속 회로들과 동시에 설계되고 있다^(1,2).

대부분의 RF 수동 소자가 그러하듯 안테나도 공진기의 특성을 이용한 공진주파수 인근 대역에서의 에너지 전달을 목적으로 한다. 여기서 순수한 공진 특성을 나타내는 Q-factor도 부가된 급전선 혹은 회로가 연결되어 로딩(loading) 되었는지 여부에 따라 loaded Q, unloaded Q로 구분하여 고려한다. 안테나도 사용을 위해 입출력 포트를 연결해야 온전한 디바이스로 작동할 수 있으므로 부하 즉 급전선이 연결된 공진기의 공진 특성을 따로 고려하는 것이다⁽³⁾. 따라서 공진기 자체의 특성뿐 아니라 입출력 전송선로와 연결된 부하를 고려하여 함께 설계하는 것이 일반적이다. 그러나 일반적으로 안테나의 설계시 50Ω 급전선을 공진기 형태의 안테나 방사체와 동시에 설계하여 안테나 방사 공진체 자체의 공진 특성을 무시하는 현상이 발생하게 된다. 안테나는 1포트 수동 공진 회로이지만, 출력이 자유공간으로의 방사를 전제로 한 2포트의 방사체라는 점을 고려하면 전자기 에너지의 전달 주파수인 공진주파수는 급전선이 제거된 안테나 공진기만의 공진 특성을 관찰하여 설계되어야 한다.

따라서 방사되는 에너지의 극대화를 위해 공진 주파수와 공진 특성 정합이 중요하다. EM 시뮬레이터를 활용하여 설계하는 최근의 연구 개발 동향에서는 흔히 발생할 수 있는 설계 과정이나, 안테나 공진 특성과의 미스 매치가 발생하는 경우가 빈번하며, 안테나 시스템 설계 시 로딩된 안테나의 부하 영향을 순수 공진 특성으로 보는 착시 현상이 발생하게 된다.

본 논문에서는 안테나 설계 과정에서 급전선을 제외한 안테나 방사 공진체의 특성을 우선 고려한 설계 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 급전선 특성을 제거하기 위한 디임베딩(de-embedding) 방법과 안테나 방사 공진체만의 임피던스 측정에 의한 안테나 매칭 방식을 제시하고, 기존 방식에 의한 안테나 설계 방식과 비교를 통한 본 제안 설계 방법의 효과를 검증하였다.

본 논문의 구성은 안테나 방사 공진체 임피던스 측정을 통한 설계를 제시한 서론에 이어, 회로 시뮬레이터를 사용한 간단한 디임베딩 방법과 안테나 급전선을 디임베딩한 방사 공진체 자체 입력 임피던스를 측정하였다. 제안된 방법에 의한 평면 사각 패치 안테나를 설계하고, 설계된 패치 안테나와 비교군을 위해 설계한 일반 패치 안테나를 제작하여 동작 특성과 성능을 측정 비교함으로써 본 제안 설계 방법의 효과를 검증하였으며, 결론에서 유사한 수동 공진기 기반 디바이스의 효과적인 설계 방법 및 적용 방안 등을 제시하였다.

2. 안테나 방사체의 공진기 임피던스 측정

회로 시뮬레이터를 이용한 간단한 방법의 디임베딩 방법을 이용하여 안테나 시스템에 연결된 서브 시스템으로서의 급전선을 디임베딩하여 안테나 공진기만의 입력 임피던스 측정 방법에 대해 기술하였다. 본 장에서 제시한 방법 이외에도 다양한 디임베딩 방법에 의해 측정이 가능하다^(4-7).

그림 1은 1:j 트랜스포머를 이용한 디임베딩 방법에 대해 설명하고 있다. 패치 안테나 공진기(DUT)의 측정을 위해 부가된 서브시스템인 급전선(Feedline)을 포함한 전체 시스템의 1포트 입력 임피던스를 측정하고, 제거하고자 하는 서브 시스템의 2포트 특성을 별도로 측정한다. 전체 안테나 시스템에 감은 수 비 (turn ratio)가 1:j인 가상의 트랜스포머, 좌우를 뒤집은 2포트 서브시스템, j:1 트랜스포머를 순서대로 직렬 연결한다. 연결된 3개의 회로는 산술적으로 패치 안테나 시스템에 포함되어 있는 서브시스템 (급전선) 특성 함수의 역함수 (inverse function)을 만들어 주어 안테나 공진기만의 특성을 계산하는 디임베딩의 효과를 볼 수 있다. 이는 측정된 안테나 시스템의 특성과 디임베딩하고자 하는 서브 시스템의 특성 측정 결과로부터 회로 시뮬레이터를 이용하면 간단히 얻을 수 있다^(2,8).

디임베딩이 필요한 급전선(Feedline) 성분을 [A, B, C, D]의 매트릭스로 하면 좌우 반전된 flipped feedline와 양단 1:j 트랜스포머의 특성을 모두 연결하면 급전선 성분의 역함수를 아래 식 (1)과 같이 얻을 수 있다. 따라서 그림 1의 좌측 회로 연결 특성을 모두 계산하면 패치 공진기 (Patch Resonator)의 특성만을 측정하게 된다.

본 논문에서는 이와 같은 방법을 이용하여 일반적인 설계 방법에 의한 패치 안테나 입력 임피던스와 공진 주파수를 측정하였다. 그림 2(a)에서는 패치 안테나와 일반적인 inset을 이용한 급전선 정합 회로 설계를 보이고 있다. 50 Ω 급전선은 50 Ω 선폭(m)과 정합을 위한 inset (i)에 의해 정합을 한다. 일반적으로 패치 안테나는 W x L의 직사각형 캐비티 모델로 설계되며, 사각 패치 가장자리는 이론적으로 개방 회로(Open circuit)로 무한대 입력 임피던스를 갖고 중심부는 전기적으로 단락 회로(Short circuit)를 가지므로 0 Ω의 임피던스를 갖는다⁽⁹⁾. 따라서 inset(i)의 크기를 증가시키면서 적정 임피던스(일반적으로 50 Ω)를 찾아 정합하게 된다.

이때 안테나 공진기의 사각형 캐비티 구조에 변형이 가해지며 공진 주파수 임피던스 등이 변화하게 된다. 또한 설계시 급전선을 포함하여 측정할 경우 급전선 임피던스와 급전선 길이에 따른 또 다른 공진 요인으로 인해 패치 안테나 자체의 임피던스와 공진 주파수를 오인할 가능성이 있다.

본 연구에서는 일반적인 설계 방법에 의한 급전선을 포함한 안테나 급전선에서의 회로적 특성 (Z)과 그림 2(b)와 같이 앞서 설명한 디임베딩 방법에 의해 급전선을 제거한 안테나 공진기 자체의 임피던스와 공진 주파수 특성 (Z)를 측정하였다. Z는 EM 시뮬레이션에 의해 직접 얻은 결과이며, Z는 안테나 전체와 급전선 각각의 시뮬레이션 결과을 얻은 뒤 앞서 소개한 디임베딩 방법에 의해 급전선 영향을 제거한 패치만의 특성을 구하였다. 측정 결과를 아래 표 1에서 보이고 있다.

일반적인 경우에서와 마찬가지로 inset 길이를 증가시켜 안테나 중심부로 급전 위치를 증가시킬수록 안테나의 임피던스가 감소하는 것을 볼 수 있다. 일반적인 경우 i = 13 mm까지 inset을 증가시켜야 50 Ω 인근의 임피던스 특성이 관찰됨을 알 수 있다. 이때 공진 주파수는 약 10 MHz 이격되는 것을 관찰할 수 있으며, 일반적인 설계의 경우 매칭이 된 i = 13 mm에서 안테나 사이즈를 변경하여 주파수를 수정하게 된다. 반면 디임베딩에 의해 안테나 자체의 공진 특성은 i = 9mm에서 설계 주파수인 2.400 GHz에 도달하였음을 알 수 있다. 따라서 급전선이 제거된 패치 안테나의 i = 9 mm로 inset된 캐비티 모델은 2.400 GHz의 공진주파수를 찾을 수 있다.

3. 방사체 공진기 임피던스 측정에 의한 안테나 설계

앞에서 측정된 공진주파수와 입력 임피던스를 이용하여 패치 안테나 급전선을 설계하였다. 먼저 기존의 설계 방식에 따라 공진기의 급전선을 포함하여 관찰한 입력 임피던스에 정합한 안테나(Conventional ANT)를 그림 3(a)와 같이 설계하였다. 50 Ω 급전선을 사용하여 i = 13 mm까지 inset 하였다. 이 경우 공진주파수가 2.39 GHz로 변형되는 것을 관찰할 수 있으며, 일반적인 경우 이 과정에서 사각 패치의 크기를 조정하여 주파수와 정합을 맞추는 설계 방법을 취하게 된다. 본 실험에서는 제안 설계 방법에 의한 안테나의 대조군으로 사용하여 성능을 평가해야 하므로 패치 사이즈 변화 없이 2.390 GHz의 공진주파수로 실험을 진행하였다.

디임베딩에 의해 inset 길이 i = 9 mm에서 2.4 GHz의 공진주파수와 87.2 Ω의 입력 임피던스를 갖는 패치를 방사체 공진기로 사용하였다. 이 패치에 급전선과 매칭 회로를 선형 테이퍼 선로를 이용하여 구현하여 50 Ω 매칭의 패치 안테나(Proposed ANT)를 그림 3(b)와 같이 설계하였다. Inset을 사용하지 않을 경우 입력 임피던스가 214.2 Ω으로 매칭 선로를 구현하기 어려운 높은 임피던스였으나, 87.2 Ω은 설계가 용이한 선폭을 구현할 수 있다. 또한 디임베딩에 의해 공진기 자체 입력 임피던스를 알고 있으므로 정확한 정합회로 설계가 가능하다. 이는 사각 패치의 고유 공진 주파수를 일정하게 유지하면서 안테나만의 임피던스를 측정한 결과를 활용 가능한 설계 방법으로 제시하였다.

Inset 길이의 차이에도 두 안테나의 급전선 길이는 동일하게 설정하였으며, 설계된 두 안테나는 모두 급전선 입력단에서 각기 다른 방법에 의해 50 Ω 매칭이 되었다.

설계된 두 안테나를 AnSys사 HFSS EM 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, S11 결과를 그림 4에서 보이고 있다. 기존 방식에 의한 Conventional ANT은 공진주파수 2.39 GHz에서 –12.1 dB의 S11 정합 특성을 나타냈으며, 제안 방식에 의한 Proposed ANT는 2.40 GHz에서 –16.9 dB의 S11을 나타내었다. 대역폭은 –10 dB 기준으로 Conventional ANT은 13.9 MHz, Proposed ANT는 14.3 MHz를 나타내었다. 시뮬레이션 결과 각 안테나는 관찰된 공진주파수에서 공진이 나타났으며, 제안 방식에 의한 설계 결과가 더 좋은 정합 특성을 나타냄을 보이고 있다.

4. 제작 및 측정 결과

설계된 대조군 안테나 (Conventional ANT)와 제안된 디임베딩 방식에 의해 설계된 안테나 (Proposed ANT)의 성능 평가를 위해 제작 및 측정을 수행하였다. 제작은 두께 0.762 mm이며 비유전율은 2.2인 Rogers사의 RT Duroid 5880 기판을 사용하였다. 제작된 안테나 사진을 그림 5에서 보이고 있다.

제작된 두 패치 안테나의 S11 측정값을 그림 6에서 보이고 있다. 시뮬레이션 예상치와 유사하게 비교군 안테나 (Conven- tional ANT)는 2.385 GHz에서 –11.5 dB의 S11을 나타내었으며, 제안된 설계 안테나 (Proposed ANT)는 2.400 GHz에서 –20.0 dB의 S11을 나타내었다.

두 안테나의 방사 패턴과 효율을 MTG사 무반향실(Anechoic chamber)에서 측정하였으며, 그 값을 아래 그림 7에서 보이고 있다. 측정 주파수는 각 안테나의 비교 대상 주파수로 설정하여, Conventioanl ANT는 2.385 GHz에서, Proposed ANT는 2.400 GHz에서 측정되었다. 방사 이득이 지향 방향 기준 각각 7.03 dBi와 4.66 dBi로 2.37 dB 이득 차이를 나타내고 있다. 이를 주파수에 따른 공진 특성과 방사 특성을 살펴보기 위해 주파수에 따른 이득과 방사 효율을 측정하였다. 그림 8은 주파수에 따른 안테나 이득과 방사 효율을 나타내고 있으며, 비교군 안테나의 공진주파수인 2.385 GHz에서 추가 측정을 하여 그래프에 나타내었다. 각각의 공진주파수에서 안테나 방사 효율은 비교군 안테나는 23.74 %인 반면, 제안된 디임베딩 방법에 의한 설계 안테나는 30.47 %의 개선된 방사효율을 나타냄을 알 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 복잡한 안테나 시스템의 설계시 안테나 방사체 공진기의 순수한 공진 특성을 이용한 설계 방법을 간단한 디임베딩 방법을 사용하여 제안하였다. 제안된 방법은 회로 시뮬레이터를 이용한 1:j 트랜스포머로 서브시스템 또는 급전선의 특성을 제거한 안테나 공진기의 고유 임피던스를 측정하고, 이를 이용한 효율적 매칭을 사용함으로써 서브 시스템이나 급전선에 의해 로딩된 공진 특성이 아닌 안테나 구조 자체의 공진 특성을 측정하였다. 패치 안테나의 설계 예제로 과도한 inset으로 인한 공진 패치의 변경을 최소화할 수 있을 뿐 아니라 안테나 공진주파수를 유지한 상태로 매칭이 가능하도록 설계되었다. 제작 및 측정에 의한 검증 결과 기존의 방식에 의한 설계 방법에 비해 높은 방사 효율과 이득을 갖는 안테나를 설계할 수 있음을 증명하였다. 제안된 설계 접근에 의해 최근 복합 설계로 인한 모듈형 서브 시스템 설계에서 공진 회로의 고유 특성 열화를 줄이는 모든 종류의 안테나 효율적 설계 방법으로 적용될 수 있을 것이다.