Mobile communication antennas account for a significant portion of the antennas used by the general population and many businesses. The applications which use mobile antennas are found throughout a wide variety of the private, commercial and business sectors. As the mobile communication market is growing and being diversified, the antennas with the characteristics of a very small size, high efficiency, and high gain as well as a revolutionary design are being required. By requiring the aesthetic design and miniaturization of the antenna, the internal antenna (intenna) is spotlighted. However, it is needed to higher capacities than the external type antenna. Comparing with those type, it is difficult to optimize the parameters of the internal antenna performance, such as an impedance bandwidth, radiation patterns, and gain.
In this thesis, various internal mobile antennas implemented inside real systems for wireless communications are proposed. By studying the antenna characteristics and performances, various interests and researches are explained such as motivations of the antenna, the design processes of the antenna, the principles of the antenna working, the application for commercial wireless devices, and $\It{etc}$..
Firstly, a novel miniature wideband internal antenna with dual monopole radiation elements for operating at multi-band handset applications is suggested. It consists of two radiation monopole elements with parallel connection in the limited handset interior space. The proposed antenna can be easily placed in practical handsets because of the small size of 20 $\times$ 17 $\times$ 3.5 $mm^{3}$. The measured bandwidth of the proposed antenna shows about 1 GHz from 1.71 GHz (DCS band) to 2.71 GHz (Bluetooth band) with VSWR below 2. It also resonates at GPS band of 1.57542 GHz. The electrical and structural characteristics of the proposed antenna make it attractive for use in mobile handset applications.
Secondly, a compact internal antenna of the modified planar inverted F antenna (PIFA) type with a parasitic patch is proposed. It also considers the influences of the handset case, battery, and head. A low profile design is implemented on both the top and bottom sides of the FR-4 substrate. The proposed antenna, with a small size of 27.5 $\times$ 12 $\times$7 $mm^{3}$, can be easily placed in the actual handset. The measured band-widths of the proposed antenna with handset case and battery (VSWR$\le$ 2) can cover 140 MHz (1.74 - 1.88 GHz) in KPCS (Korean PCS) band and 90 MHz (2.40 - 2.49 GHz) in Bluetooth band. The proposed antenna placed in the handset case and battery is investigated with and without the presence of the phantom head. The radiation patterns of the far-field characteristics are strong influenced by the phantom head while retaining a slight variation in VSWR value. Additionally, the proposed antenna is also considered with a SAR value in the case of applying it to the head and hand. Numerical simulation and experiment results of the antenna's electrical performance are investigated by considering the antenna, the phone case, battery, phantom head, and hand.
Thirdly, a planar monopole UWB antenna with a staircase shape and small volume (25 $\times$ 26 $\times$ 1 $mm^{3}$) is proposed. With the use of a half-bowtie radiation element, the staircase-shape, and a modified ground plane structure, the proposed UWB antenna has a very wide impedance bandwidth measured at about 11.6 GHz (2.9 GHz - 14.5 GHz, bandwidth ratio about 1:5) below VSWR 2 including the WLAN band notched in the vicinity of 5 GHz. An omni-directional radiation pattern is obtained. The group delay which is an indication of linearity between two proposed antennas is less than 1 ns. The electrical characteristics in terms of frequency and time domains and physical ones of the proposed antenna make it attractive for use in ultra wideband systems.
Fourthly, a printed dual-band meander-line dipole antenna for WLAN devices is proposed. Two separate dipoles with asymmetric arm lengths are printed on a FR-4 dielectric substrate and fed by a 50$\omega coaxial cable. A non-uniform meander-line arm is designed to resonate at the frequencies of 2.4 GHz and 5 GHz bands. WLAN operation bands of the proposed antenna consist of 2.4 GHz band (2.4 GHz - 2.53 GHz for IEEE 802.11b), and 5GHz bands (5 GHz - 6.5 GHz for IEEE 802.11a in the US and HIPERLAN/2 (High PERformance LAN - Type 2) in Europe). The radiation pattern is approximately omni-directional at each associated frequency band. The proposed antenna has a compact and small size to be easily placed in a notebook computer, and it can provide a sufficient bandwidth for the applications of IEEE 802.11a/b and HIPERLAN/2 bands.
Fifthly, a internal planar inverted-F antenna (PIFA) for 2.4/5 GHz Bluetooth and WLAN applications is presented. The proposed antenna has a small ground plane with the achievement of impedance bandwidth of 110 MHz (2.38 - 2.49 GHz) in the Bluetooth band and 900 MHz (5.1 - 6.0 GHz) near 5 GHz in WLAN band within 2:1 voltage standing wave ratio (VSWR), and an approximately omni-directional radiation pattern is obtained. It also shows a good antenna gain. Moreover, it is also installed inside the laptop housing and is investigated with the effect of it. According to this situation, those radiation element and ground plane should be modified. The radiation patterns are changed by a laptop housing, specially conductor-like materials such as a LCD and electric circuit. Its measured gain is 3.08 dBi at 2.4 GHz, and 6.48 dBi at 5.8 GHz, respectively. These features make it alternative for use in dual-band WLAN antennas.
Finally, we proposed a compact and broadband internal antenna for DVB-H band applicationa, which are PIFA , spiral monopole, and embedded monopole antenna. Unlike most PIFA structures, this antenna is not placed on a ground plane. The spiral monopole type is supported by polycarbonate material and has a similar shape with a PIFA type. In case of the embedded monopole antenna, we utilized maximally small space inside an existing handset case. There is a potential possibility to obtain the specification of DVB-H system although it is difficult to implemented inside a handset case or other mobile devices because the center frequency of this band is very low.
최근 이동통신 시장이 다양해지고 발전함에 따라서 안테나의 혁신적인 디자인과 크기와 더불어 초소형, 고효율, 고이득의 특성을 가지는 안테나를 요구하고 있다. 외부 돌출형 외장형 안테나에서 좀 더 미적인 측면과 소형화의 요구에 의해서 점점 안테나가 내부로 들어가고 있는 추세이다. 이로 말미암아 미적인 측면과 안테나 보호 측면에서 그 장점을 찾을 수 있으나 기존의 외장형의 성능을 얻기 위해서 더욱 엄격한 안테나 성능이 요구된다. 기존의 전형적인 외장형 안테나에 비해 내장형 안테나 설계는 시스템 장치 내부 공간의 제약으로 임피던스 대역폭, 방사 패턴 그리고 이득 등의 각종 파라미터들을 최적화 시키기가 더 복잡해진 것이 현실이다. 본 논문에서는 각종 다양한 이동통신 시스템의 다중 대역을 위한 내장형 안테나 설계 기술과 단말기 주변 소자와 인체 두부가 안테나 성능에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
첫번째로 제안한 안테나는 광대역(1.57542GHz, 1.71 2.71GHz; 1GHz[VSWR$\le$2]) 내장형 안테나로서 GPS, DCS, KPCS, UPCS, IMT-2000 그리고 Bluetooth band에서 모두 사용할 수 있는 안테나이다. 높이도 3.5mm밖에 되지 않아 내장형으로 적합한 구조이며 핸드폰이 사용되는 지역에 따라서 사용 대역이 달라지므로 똑 같은 핸드폰을 수출하더라도 지역마다 안테나의 모양이나 크기가 변해야 하는 불편함을 해소하기 위해서 지역에 따라서 구조 변경이 필요없는 광역 안테나를 고안하였다. 대역을 넓히기 위해서 모노폴 공진 경로를 3차원 병렬로 2개를 서로 연결하여 대역을 넓히도록 하였으며(안테나 바로 위에는 다른 시스템 모듈을 위치시킬 수 없지만, 또 다른 방사 소자는 위치가 가능함.) 상측 모노폴 방사 소자에서 2개의 공진 경로로 또 나누어 지므로 광대역을 유도할 수 있었다. 처음에는 미엔더 모노폴(meander monopole type) 타입으로 안테나 설계를 시작하였으나, 비록 크기는 줄일 수 있으나 미엔더 타입의 단점인 좁은 대역폭을 극복하기 위해서 또 다른 공진 경로를 입체적으로 병렬 연결시켰다. 추가된 공진 경로에 의해 넓은 대역폭을 얻을 수 있었다.
두번째로는 내장형 핸드폰 안테나 자체의 특성만을 연구하는데 그치지 않고 주변 환경의 영향까지 고려한 안테나 시스템을 연구함으로써 실제 상용폰에도 적용 시킬 수 있도록 설계하였다. 먼저 안테나 단품으로 이중 대역(PCS 1.75 1.87 GHz, Bluetooth 2.4 2.4835 GHz[VSWR$\le$2]) 안테나를 먼저 고안한 후, 그것을 실제 사용되고 있는 상용 핸드폰 케이스에 설치하여 그 변화된 추이를 고려하여 실제 사용할 수 있도록 수정되어야 하는 요소를 연구하였다. 우선 안테나의 구조적인 특징은 보통의 이중 대역 안테나는 이중 대역을 발생시키기 위해서 한 평면에 2개의 공진 경로를 동시에 구현하는 것이 보통이다. 그러나 제안된 안테나는 우전체 기판(FR-4)의 양면을 모두 공진 경로로 이용하여 크기 축소 효과를 얻을 수 있었으며, 여분의 공간에 기생 패치(Parasitic Matching)를 측면 도금 방식을 이용하여 임피던스 매칭(Impedance Matching)의 효과를 얻을 수 있었으며 상측 면은 PCS 대역 공진을, 하측 면은 Bluetooth 대역의 공진을 얻을 수 있었다. 하지만 실제로 본 안테나를 실제 상용 핸드폰 케이스에 적용시키면 케이스 및 배터리의 유전율 및 도전율에 의해 공진 주파수는 저주파 쪽으로 이동하고 임피던스 매칭은 틀어진다. 이것을 극복하기 위해서 안테나 형태와 접지면의 변화를 고려하여 실제 상용 핸드폰에 적용시키는 과정까지 연구하였다. 본 논문에서 제안한 안테나는 PCS 대역을 담당하는 상측과 Bluetooth 대역을 담당하는 하측으로 이루어진 방사소자의 구조적 특성상 실제 핸드폰 케이스 및 배터리에 가까운 상측 방사소자가 그 주변 환경에 큰 영향을 보였으며, 상대적으로 FR-4 기판에 둘러 싸여있는 하측 방사소자는 그 영향이 작았음을 확인하였다. 그리고 직접 제작하지 않고도 시뮬레이션에서 예측할 수 있도록 실제 측정 데이터를 기준으로 시뮬레이션 데이터와 비교하여 상용 핸드폰 케이스 및 배터리에 물질 상수인 유전율 및 도전율을 추출해 낼 수 있었다. 그리고 여기에서 그치지 않고 앞에서 언급했던 안테나를 더욱 발전시켜 안테나가 인체에 의해 특성이 어떻게 변하며, 또 인체는 그 안테나에 의해 어떠한 영향을 받는지에 관한 논문으로서, 요즘 한참 이슈가 되고 있는 인체 전자파 흡수율 데이터를 측정과 시뮬레이션으로 추출하여 비교하였으며, 핸드폰과 머리 사이의 위치에 따라서, 그리고 손으로 핸드폰을 어떻게 잡느냐에 따라서 인체 전자파 흡수율이 어떻게 변하는가에 대해 연구하였다. 특히 아직까지 손을 고려한 논문이 그리 많지 않은 상황에서 머리 및 손과 핸드폰 안테나와의 상호 영향을 연구함으로써 한 차원 높은 안테나 연구로 판단된다. IEEE에서 공인한 인체 머리 모델을 이용한 실제 측정과 시뮬레이션 데이터와의 유사성을 바탕으로 아직 공인되지 않은 인체 손모델을 같은 세팅으로 시뮬레이션해서 그 변화를 확인하였으며, 신뢰도도 높일 수 있었다. 이렇게 실제 통화를 고려하여 안테나 파라미터 상에 단말기 주변 소자와 인체에 미치는 영향을 분석하고 예측함으로써 이동통신 단말기와 그 안테나의 설계 절차를 간소화시킬 수 있다.
세번째로는 요즘 점차 이슈가 되어가고 있는 UWB 시스템에 사용될 수 있는 초소형 안테나로서 기존의 UWB 안테나보다 훨씬 작은 크기로 UWB 대역에서 사용될 수 있으며 Printed Type으로 제작이 용이하며 비용을 줄일 수 있는 안테나를 제안하였다. 여러가지 새로운 광대역 특성을 얻을 수 있도록 특성에 민감한 부분을 변화시켜서 다른 안테나를 개발할 때, 도움이 될 수 있도록 데이터베이스화하였으며 보통의 UWB 안테나 논문들이 광대역 특성만으로 논문을 제출하는데 반해 본 논문은 UWB 시스템에서 간과할 수 없는 short pulse특성까지 고려하였다. UWB시스템은 short pulse를 주고 받기 때문에 이 pulse의 왜곡이 작아야 하며, 비록 넓은 대역 특성을 얻었더라도 short pulse 특성을 얻지 못하면 실제로 통신할 수가 없는 아주 중요한 요소이다. 이 short pulse를 이용한 통신을 함으로서 벽과 같은 장애물에 의한 반사파를 구분하는데 용이하며, 이것은 주파수 영역에서는 광대역이 되며 낮은 에너지 밀도를 갖게 된다. 측정된 대역폭은 11.6GHz(2.9 14.5GHz[VSWR$\le$2])의 광대역 특성을 얻었으며 증간의 5GHz 대역의 WLAN 대역과의 간섭을 최소화 하기 위하여 기존에는 시스템에서 Band-rejection Filtering 처리로 대역 간섭을 막았으나 본 안테나는 안테나 내부에 슬릿을 이용하여 같은 효과를 얻어서 시스템의 부담을 줄일 수 있는 구조이다.
네번째로는 요즘 한참 수요가 증가하고 있는 Notebook용 내장형 WLAN 안테나로서 기존의 WLAN 안테나와 비교하여 아주 작은 크기로도 기존의 성능을 능가하는 특성을 가지고 있는 안테나이다. 제작도 Printed Type이면서 한 평면에 안테나가 형성되므로 대량 생산 및 생산비 절감에서 큰 효과를 볼 수 있는 구조이다. 보통 하나의 공진 경로에는 공진 포인트가 하나이지만 이 안테나는 하나의 공진경로를 불규칙하게 만들어서 이중 공진을 유도하였다. 따라서 크기 축소에 효과적인 구조이다. 사용 대역은 Bluetooth IEEE802.11b(2.4 2.4835 GHz) 대역과 미국에서 사용되는 802.11a(5.15 5.35GHz, 5.725 5.825 GHz) 그리고 유럽에서 사용되는 HIPERLAN/2(5.15-5.35 GHz, 5,47-5.725)인 WLAN 대역을 모두 만족하는 안테나이다. 측정된 최대이득은 Bluetooth 대역에서 1.65 dBi이고 WLAN 대역에서 2.64 dBi의 값을 얻을 수 있었다.
다섯 번째로 제안한 안테나는 보통의 WLAN 안테나는 모노폴 형식이 대부분이고 이것은 주변의 영향을 많이 받는 단점이 있었다. 그래서 주변 환경에 영향을 적게 받을 수 있는 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 타입의 WLAN 안테나를 고안해 보았다. 그리고 안테나의 각 방사 부분이 어떤 영향을 미치는가에 대한 연구를 하였다. 사용대역은 Bluetooth와 WLAN 대역을 모두 사용할 수 있게 설계되었다. 그리고 여기에 그치지 않고 실제 상용 노트북 컴퓨터의 LCD 우측에 장착하여 변화된 특성을 연구하였으며, 원래 요구된 특성을 얻기 위해 변화된 구조적 특징을 파악하였다.
마지막으로 앞으로 다가올 지상파 방송을 대비하여 DVB-H 시스템을 위한 안테나를 연구하였다. 기존의 외부 돌출형 안테나들은 성능에 있어서는 내장형보다 좋은 특성을 가지지만 미적측면과 안테나 보호에 있어서 점점 내장형으로 연구가 진행되어지고 있다. 하지만 저주파 광대역 특성을 얻어야 하는 관계로 아직까지 많은 시행착오를 겪고 있는 실정이다. 우리는 여기서 PIFA 형태, 소용돌이 형, 그리고 내부 삽입형 monopole 안테나를 제안하였고, 그 가능성을 확인하였다.
