Aesthetical design and marketing aspects have a large impact on the development of mobile phone. Therefore there is a remarkable trend to fully integrate the antenna in the mobile phone. Compared to traditional antennas it is more complicated to master the typical parameters like bandwidth, radiation pattern, and radiation gain of the antenna within the limited antenna volume. Besides, the influence of the user and handset parameters like the housing, LCD, keypad, and battery on the antenna performance causes the design procedure of antenna to be more complicated. This becomes even more critical with respect to multiband functionality which is an essential feature of modem mobile phone. To enable a rapid and efficient design some general relations concerning the physical behavior of an antenna in a small mobile have to be considered.
This thesis focuses on the two most important issues in internal and external antennas for multiband operation of mobile handsets: the design technique of small broadband antenna and investigation of the housing, battery, and human head effect on the antenna performance. A broadband external antenna with tuning patch which facilitates the adjustment of the resonant frequencies and leads to a large bandwidth design is proposed, and for internal type the idea which enables the proposed antenna to operate at multiple bands is presented. Each of these antennas with compact size is built in mobile phone with battery, and by applying to head phantom the variation of the antenna characteristic due to those parameters is investigated.
First of all, a triple-band stubby antenna fed by coaxial probe and the tuning technique are proposed for operating at PCS, IMT-2000, and Bluetooth bands. The proposed antenna shielded by the antenna cover consists of the two radiating elements. The impedance matching and bandwidth for the proposed antenna are mainly affected by the length of the ground patch at the bottom of small substrate. By properly choosing the size of the ground patch, the resonant frequencies can be easily adjusted, and a wide impedance bandwidth of 59.7% (ㅣS11ㅣ$\lt$ -10 dB) which covers the Korean PCS (1750-1870 MHz), IMT-2000 (1920-2170 MHz), and Bluetooth (2402-2483.5 MHz) can be achieved. An omni-directional radiation pattern is obtained, and gains of about 3dBi or more are measured. The electrical characteristics of the proposed antenna make it attractive for use in mobile handset applications.
This paper also demonstrates an internal triple-band antenna fed by a microstrip line for operating PCS, IMT-2000, and Bluetooth bands. By using the two branches of meander line, the desired resonant frequencies can be achieved. A broadband characteristic for each band is optimized by tuning the parts of radiating patch and size of each strip line segments. The measured results of the proposed antenna show the impedance bandwidth of 32%, and it shows omni-directional radiation pattern so that it is applicable to PCS/IMT-2000/Bluetooth triple-band. Also the measured maximum radiation gains have 2.7dBi and 3.1dBi at 2.0GHz and 2.44GHz, respectively. The proposed antenna and substrate are small enough to be built in a practical mobile handset.
Finally, detailed model of the handset case is implemented to investigate the effects of the phone case and battery on the antenna performance. Secondly, the variation of the return loss and radiation patterns from the proposed antenna built in a phone case next to the head phantom is investigated. It is found that the battery and human head exercise a noticeable effect on the antenna input impedance, radiation patterns, and gain for internal configurations. Experimental results are provided which support the computationally obtained conclusions. By analyzing the aspect of those changes on the antenna performance such as the impedance bandwidth, radiation patterns, and gains due to the housing, battery, and head, the design procedure of an antenna can be simplified.
이동통신 단말기 산업이 발달함에 따라 단말기의 혁신적인 디자인과 사이즈와 더불어 그 성능은 중요시되고 있다. 이에 따라, 내장형 안테나에 대한 관심과 기술은 현재의 가장 큰 issue 가 되고 있다. 기존의 전형적인 외장형 안테나에 비해 내장형 안테나 설계는 단말기 내부공간의 제약으로 impedance bandwidth, radiation pattern, 그리고 gain 등의 parameter들을 최적화시키기가 더 복잡해진 현실이다. 또한, 단말기 내부의 LCD, Keypad, 그리고 Battery 등이 내장형 안테나에 미치는 영향들은 그 설계 절차를 한층 더 어렵게 만드는 요인이다. 이러한 측면은 안테나의 multiband 특성을 요구하는 최근의 추세와 함께 중요한 문제가 아닐 수 없다. 따라서, 좁은 공간의 단말기 내부에 실장되는 안테나의 신속하고 효율적이 설계를 위해 위와 같은 parameter 들이 안테나 성능에 미치는 영향 요인들은 반드시 분석되어야 한다.
본 논문에서는 이동 통신 단말기의 multiband operation 을 위한 내장형, 그리고 외장형 안테나 설계 기술과 단말기 주변 소자와 인체 두부가 안테나 성능상에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 첫 번째로, PCS, IMT-2000 Bluetooth 밴드 지원을 위한 광대역 monopole type external antenna를 제안하였다. 제안된 안테나는 두 개의 radiating element 로 이루어지고, 안테나를 지지하는 작은 기판상의 ground patch 의 길이를 조정하여 공진 주파수와 대역폭을 PCS대역부터 Bluetooth대역까지 조정할 수 있다. PCS, IMT-2000, 그리고 Bluetooth의 triple-band를 지원하는 안테나는 59.7% (｜S11｜$\lt$ -10 dB)의 광대역 특성을 갖고, 전 방향 방사패턴(Omni-directional radiation pattern)과 3dBi 이상의 높은 이득을 갖는다.
또한, 본 논문에서는 PCS, IMT-2000, 그리고 Bluetooth의 triple-band를 지원하는 내장형 안테나를 제안하였다. 높이를 갖는 동판 patch 에 slit 을 이용하여 서로 다른 주파수에서 다른 전류 분포를 갖는 두 개의 라인을 형성시킴으로써 원하는 대역을 지원하는 구조이다. 또한, 기판상의 실장의 편의를 고려하여 folded patch 구조를 제안함으로써 실제 단말기 실장상의 어려움을 극복하였다. 32%의 광대역 특성을 보이고, PCS, IMT-2000, 그리고 Bluetooth 의 각 밴드에서 2.5dBi 이상의 높은 이득을 갖는다. 현실적인 단말기 내부에 실장되기에 충분히 작은 크기를 갖는 안테나 구조이다.
마지막으로, 본 논문에서는 위와 같이 설계된 안테나 성능상에 단말기 케이스와 배터리, 그리고 인체 두부가 미치는 영향을 조사하기 위하여 좀 더 현실적인 단말기 모델링을 수행하였다. 설계된 안테나는 단말기 내부에 장착이 되고, 단말기 케이스와 배터리에 대한 impedance bandwidth, radiation pattern, 그리고 gain 의 영향을 조사하고 마지막으로, 실제 통화 시를 고려하여 인체 두부에 단말기를 부착시켜 위와 같은 영향을 정확하게 예측하고 분석하였다. 각각의 측정 데이터는 예측된 결과의 정확성을 보여주었고, 단말기 케이스는 안테나의 공진 주파수를 약 200MHz 이상 하향시킴을 알 수 있었다. 또한, 배터리의 위치는 내장형 안테나로의 영향을 최소화 하기 위해 안테나 위치를 벗어나 접지면 쪽으로 하향 조정되어야 한다는 사실과 인체 두부는 안테나의 공진 주파수를 약 500MHz 이상 하향시키고, 머리의 손실 값에 의해 안테나의 대역폭을 향상시킨다는 결과를 얻었다. 이렇게 실제 통화 시를 고려하여 안테나 parameter 상에 단말기 주변 소자와 인체가 미치는 영향을 분석하고 예측함으로써 이동통신 단말기와 그 안테나의 설계 절차는 좀 더 간소화될 수 있다.
