The wireless communications have been dramatically developed with wireless devices in the last decades. In this competitive mobile phone market, the design of handset devices has been emphasized. In proportion to the importance of handset design, the antenna has been also spotlighted in handset design part. According to recent antenna trend, mobile antenna has been a internal type. Furthermore, the antenna must have small, high efficiency, multiband, broadband, and low cost characteristics. When it is integrated to commercial handset, the antenna should be considered with other handset components such as plastic case, battery, camera, and so on. Accordingly, this tendency of recent antenna design is a real challenge for antenna designer.
In this thesis, several internal mobile antennas for wireless communications are proposed. Through analyzing the antenna characteristics, some motivations are explained such as 'why this antenna is developed', 'how this antenna is designed', 'what this antenna mechanism is', 'how this antenna can be applied for commercial wireless devices', 'which service area this antenna can be applied in', and so on. And the reflectivity level test for anechoic chamber is accomplished for precision measurement. In this reflectivity level test, other motivations are also explained such as 'how the quiet zone can be decided', 'what the proper reflectivity level is', 'where the quiet zone is', and so on.
Firstly, an internal dual band printed antenna for mobile service bands is described. As a modified PIFA type, this antenna has small volume and leads to resonant frequencies with meandered ground line in CDMA and PCS. The proposed antenna dimension is 6$\times$40$mm^{2}$ and total size including PCB is 80$\times$40$mm^{2}$ with 1mm thickness in FR-4 substrate. The operating frequency ranges are 820-970MHz and 1750-1920MHz for VSWR$\lt$2.0 and radiation gains have maximally 0.94 and 1.89dBi for each frequency bands.
Secondly, a printed compact dual band antenna for WLAN service bands in 2.44, 5.2, and 5.8GHz is proposed. This antenna is resonated from asymmetric dipole branches and a meandered radiation patch due to the electrical lengths. Its dimension is 15$\times$40$mm^{2}$ with 1mm thickness in FR-4 substrate. Its bandwidth is 400MHz in 2.4GHz WLAN band(2200-2600MHz) and over 2500MHz in 5GHz WLAN band(4600-7000MHz) for VSWR$\lt$2.0, respectively. The maximum radiation gains in each band are 1.41 and 3.44dBi. Because of removed conductor patch in opposite side of the antenna, it is very useful for mass production with low cost.
Thirdly, the antenna which covers satellite DMB band as well as WLAN band is described. This antenna has a similar structure to prior WLAN antenna model I developed, but it has 20% smaller size and 2dBi higher radiation gain than prior WLAN antenna model. This proposed antenna has another meandered radiation patch to make another current path and additional patch to improve a radiation gain. Its size is 11$\times$36$mm^{2}$ with 1mm thickness in FR-4 substrate. The bandwidth of this antenna is 600MHz in 2.4GHz WLAN band(2200-2600MHz) and over 3000MHz in 5GHz WLAN band(4600-8000 MHz) for VSWR$\lt$2.0,respectively. The radiation gains have 3.24 and 4.46dBi in each 2GHz and 5GHz band.
Fourthly, an internal dual band antenna for WLAN and DMB bands is proposed. As an original PIFA type, it has broadband characteristics due to a couple of current paths like 'E' shape. Moreover, this antenna is applied to commercial handset. This antenna is just composed to metal plate. The size of this antenna is 17$\times$10$mm^{2}$ with 7mm height. In order to maintain the antenna characteristics, this antenna is fixed to acetal supporter. The bandwidth is 290MHz(2400-2690MHz) for VSWR$\lt$2.0. Even though this proposed antenna is applied to commercial handset, it has a high radiation gain characteristics of 2.79 and 2.74dBi in 2.4GHZ WLAN and satellite DMB bands, respectively.
Fifthly, multiband antenna covering GPS, DCS, KPCS, and UPCS bands is described. The radiated mechanism of this antenna is a reverse dipole type using balun for array effect. This antenna has a very wide bandwidth of 26% (1550-2010MHz) for VSWR$\lt$2.0. Its size is 15$\times$32$mm^{2}$ with 1mm thickness in FR-4 substrate. The radiation gain is 1.65, 1.80, 1.78, and 1.84 dBi in GPS, DCS, KPCS, and UPCS,respectively.
Finally, the reflectivity level is measured to understand anechoic chamber characteristics through finding a QZ. There are two methods to measure a reflectivity level which are APC technique and free space VSWR technique. Those methods are very similar except the fact that APC technique is discrete and free space VSWR technique is continuous. In order to achieve an exact experiment result, this reflectivity level test is absolutely needed. The reflectivity level we find is compared with $\It{IEEE}$ standard.
최근 이동통신 시장은 초소형, 고효율, 고이득의 특성을 가지는 안테나를 요구하고 있으며, 또한 안테나의 정확한 설계를 위해 정확한 측정 또한 요구되는 실정이다. 본 논문에서는 이러한 요구를 만족하면서 여러가지 서비스 대역을 포함하는 다중 대역 안테나가 소개되어 그 특성들을 살펴보고 있으며, 또 무반사실에서 안테나의 정확한 측정을 위해 QZ을 확인하기 위한 반사율 측정 방법과 그 결과가 소개되었다.
첫번째로 CDMA와 PCS 대역의 내장형 안테나가 소개되었다. 이 안테나는 변형된 PIFA 구조로 되어있으며 다른 안테나와는 다르게 급전된 방사 패치로부터 공진이 일어나는 것이 아니라 안테나 뒷면의 meander 그라운드를 이용해 공진이 일어나는 방식이다. 뒷면의 그라운드는 각 공진 주파수에 대한 $frac{lambda}{4}$ 전기적 길이를 확보하고 있으며, 전류 흐름을 확인해 보았을 때 각 공진 주파수에 따른 전류 흐름과 위상의 변화를 알 수 있다. 이 안테나는 printed 형식으로 되어 있어 저비용 대량 생산에 유리하며 PCB 기판에 있는 안테나 크기는 6$\times$40$mm^{2}$이며 동작 주파수 범위는 VSWR$\lt$2.0인 조건하에 820MHz에서 970MHz, 1750MHz에서 1920MHz를 각각 CDMA와 PCS 대역을 충분히 확보하고 있다. CDMA와 PCS의 각 서비스 대역에서의 방사 이득은 0.94dBi와 1.89dBi이다.
두번째로는 2.4/5.2/5.8GHz 대역의 무선랜 안테나가 소개되었다. 이 안테나는 비대칭 다이폴 구조를 가지고 있으며 급전점으로부터 2.4GHz 대역 $frac{lambda}{4}$ 전기적 길이의 방사 패치를 가지고 있고 또 그 방사 패치를 5GHz 대역의 $frac{lambda}{4}$ 만큼 접어서 전류에 흐름에 변화를 주어 역시 공진 주파수를 유도하였다. 이 안테나는 뒷면에 도체가 입혀져 있지 않아서 역시 제작이 용이하며 안테나 크기는 15$\times$40$mm^{2}$이고 동적 주파수 범위는 VSWR$\lt$2.0인 조건하에 400MHz(2200-600MHz)와 2MHz(4500-7000MHz) 이상의 대역폭을 가지고 있다. 그리고 2.44GHz와 5.8GHz에서 각각 1.41dBi, 3.44dBi의 방사이득을 가지고 있다.
세 번째로는 앞서 소개된 2.4/5.2/5.8GHz 대역의 무선랜 뿐만 아니라 2.6GH의 위성 DMB까지 포함하는 안테나가 소개되었다. 이 안테나는 앞서 소개된 안테나보다 크기는 20%정도 줄어들었지만 방사이득은 약 2dBi 정도 증가된 안테나이다. 역시 비대칭 다이폴 구조로 되어있어 공진을 유도하는 방식은 앞선 안테나와 비슷하지만 단지 2GHz 대역에서 위성 DMB를 포함하는 광대역 특성을 유도하기 위해 부가적인 방사패치를 추가하였으면 또한 방사 패치 중간 부분에는 그 폭을 넓혀주어 높은 방사 이득을 가질 수 있도록 설계하였다. 전류 분포를 확인해 보았을 때 2.5GHz 에서는 급전 방사 패치에 골고루 분포되어 공진을 유도하는 것을 보았고, 5.8GHz 대역에서는 방사 패치 끝부분의 접혀진 부분에서 전류가 집중되어 $frac{lambda}{4}$의 전기적 길이를 확보하여 공진이 유도됨을 보았다. 안테나 크기는 11$\times$36$mm^{2}$이고 동작 주파수 범위는 VSWR$\lt$2.0인 조건 하에 600MHz(2200-2800MHz)와 2500MHz(4500-7000MHz)이상의 대역폭을 가지고 있다. 그리고 2.5GHz와 5.8GHz에서 각각 3.24dBi, 4.46dBi의 방사 이득을 가지고 있다.
네 번째로는 2.4GHz 무선랜과 2.6GHz의 위성 dMB용 안테나가 소개되었다. 이 안테나는 전형적인 PIFA 구조로 되어있지만 광대역 특징을 가지기 위해 ‘E’ 모양으로 여러갈래의 path를 만들어 주었다. 또 단순히 안테나만을 디자인 하는 것이 아니라 실제 상용 단말기에도 적용하여 그 특성을 파악하였다. 단말기에 적용하였을 때 주파수가 저주파 쪽으로 100MHz에서 200MHz 정도 이동이 된다는 것을 감안하여 안테나를 설계하였으며 실제 단말기에 적용하였을 때는 약 120MHz정도 주파수 이동이 생겨 원하는 서비스 대역을 포함할 수 있었고 또 높은 방사 이득을 얻을 수 있었다. 안테나 크기는 8$\times$17$mm^{2}$이고 PCB로부터 높이는 7mm이다. 동작 주파수 범위는 VSWR$\lt$2.0인 조건하에 290MHz(2400-2690MHz)이고 방사 이득은 2.44GHz와 2.6GHz에서 각각 2.79dBi, 2.74dBi이다.
다섯 번째로는 GPS, DCS, KPCS, UPCS 대역을 포함하는 광대역 안테나가 소개되었다. 이 안테나는 비대칭적인 다이폴 구조와 balun구조를 이용하여 설계되었으며 역 다이폴 형식으로 구성이 되어 배열 효과를 낼 수 있도록 설계되었다. 앞면의 그라운드는 via를 통해 뒤면의 방사 패치와 연결이 되어있다. 안테나 크기는 15$\times$32$mm^{2}$이고 PCB로부터 높이는 7mm로 하였다. 동작 주파수 범위는 VSWR$\lt$2.0인 조건하에 460MHz(1550-2010MHz)이고 방사이득은 GPS,DCS,KPCS,UPCS의 각 서비스 대역에서 1.65dBi, 1.80 dBi, 1,78 dBi, 1.84 dBi이다.
마지막으로 무반사실의 특성을 파악하기 위해 QZ를 찾고 또 반사율을 측정하는 방법이 소개되었다. Discrete한 특징을 가지는 APC 방법과 continuous한 특징을 가지는 VSWR방법이 소개되었다. 여기서 구한 $S_{21}$을 가지고 주어진 식을 통해 반사율을 구하였으며 무반사 실에서 QZ의 위치와 크기를 확인하였다. 실제 구한 값은 $\It{IEEE}$규정과 비교하여 확인하였다.
