Due to the rapid progress in the wireless communication technology and the ever increasing demand for multisystem applications, there is a growing trend toward the design of a multisystem handset. Recently, there are two major trends of mobile terminals. First one is multi-functions, second one is small and slim size handsets. Also mobile antenna has been an internal type. Furthermore, the antenna must have small, high efficiency, multiband, broadband, and low cost characteristics. For them, many antenna engineers have been researching about multi-wideband and small sized antenna. Especially, PIFA structure was very popular for antenna engineers due to the compactness, low profile, ease of manufacture and good electrical performance. Since PIFA has narrow operation frequency range, so many kinds of technique have been studied to make wide band and multi-band PIFA such as slot, parasitic patch, matching stub or capacitive load. Not only these technique but also tunable antenna technology can be another solution to overcome the disadvantages of PIFA.
In this thesis, novel PIFA type varactor tunable antennas are proposed for mobile handset. There are several techniques for tunable antenna have proposed before such as, MEMS, PIN diode and varactor diode technique. Among them, varactor diode technique has good advantages of frequency tuning because varactor diode technique is based on the variation of capacitance so continues frequency shifting can be achieved.
Firstly, a novel PIFA type varactor tunable antenna with U-shaped slot is proposed. This antenna occupies a compact volume of 40mm $times$ 15mm $times$ 8mm. A varactor diode is integrated between the slot and bias feeding strip line for tuning the operating frequency. This antenna covers from 1.64GHz to 2.05GHz refer to the dc bias voltage from 0V to 20V. The frequency tuning range covers DCS(1710~1880MHz), PCS(1750~1870MHz) and PCS(USA) (1850~1990MHz). This antenna was fabricated on FR4(Er=4.6) substrate with thickness of 1mm. The proposed antenna has almost omni-directional radiation patterns. The maximum gain is 1.85 dBi at the frequency of 1.8GHz.
Secondly, a PIFA type varactor tunable antenna with PIL patch feed is described. The antenna consists of a main patch with L-shaped slit in left part, PIL patch with feed strip-line with width of 1mm for wideband operation. The frequency range is from 1.65GHz to 2.51GHz, 4.95GHz to 5.45GHz, include DCS(1710-1880MHz), PCS(1850-2200MHz), UMTS(1900-2200), WiBro(2300-2400MHz), ISM(2400-2485MHz), and 802.11a WLAN(5150-5350MHz) band. The radiation patterns are omni-directional for all commercial bands. The maximum gain is about 4dBi at 2.4GHz. This antenna has a compact volume of 27mm $times$ 11mm $times$ 5mm that is enough small and slim size for slim mobile handsets.
Finally, a PLL Synthesizer for accurate antenna measurement of radiation patterns is described. The radiation characteristics of the handset antenna are greatly affected by the coaxial cables connected to a network analyzer. The cable for feeding affects to the current flows of antenna surface and the near field of the antenna. This disturbance causes the deviation of the original radiation patterns. Thus this paper investigates the radiation patterns with and without the feeding cable at 1.8~1.9GHz. Moreover, this paper compared with CST simulation result with them.
최근 들어, 무선 통신 시장의 급격한 성장에 따라서 이동 통신 단말기 의 다양한 발전이 이루어지고 있다. 휴대용 전화를 비롯한 각종 기기들은 점점 소형화, 다기능화, 경량화되는 추세이며 특히 내장형 안테나를 사용하여 디자인을 개선하고 전체 단말기의 크기를 줄이는 것이 일반적인 흐름이다. 따라서 이러한 시장의 방향에 맞추어 Intenna, 즉 내장형 안테나의 개발이 필수적인 요소가 되었다. 아울러 하나의 안테나로 여러대역을 사용할 수 있는 다중대역 또는 광대역 안테나의 중요성도 점점 부각되고 있다.
본 논문에서는 이러한 안테나 개발의 추세에 발맞추어 이동 통신 단말기에 내장이 가능한 소형의 크기와 다양한 대역의 주파수에서 동작하거나 선택적으로 동작주파수를 변환시킬 수 있는 튜너블 안테나에 대해 2 가지 안테나 구조를 제안하고, 실험결과를 명시하였다.
첫번째로, U 자형 슬롯을 가진 PIFA 구조의 Varactor 다이오드 튜너블 안테나 구조를 제안하였다. 이 안테나는 VSWR$\lt$-2 조건에서 DCS, PCS, PCS(USA) 대역을 만족시키며 대역폭 1.64~2.05GHz 의 22.16%의 광대역 특성을 보여준다. 전 대역에서 평면 무지향성 방사패턴을 나타내며 최대 이득은 1.8GHz 에서 1.85dBi 이다. 이 안테나는 40mm x 16mm x 8mm 의 크기를 가지며 상용 이동통신용 단말기에 충분히 내장될 수 있는 크기를 가지고 있다.
두번째로 PIL 패치형 급전선을 가지는 다중대역 PIFA 구조의 Varactor 다이오드 튜너블 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 기본적으로 이중 대역 특성을 가지고 동작하며, 패치상의 L 자형 슬롯과 패치하단에 부착된 PIL 패치형 급전선에 의해 광대역 특성을 가진다. 하측대역은 VSWR$\lt$2.5 를 만족하는 1.65GHz 에서 2.51GHz 에 이르는 넓은 동작범위를 나타내며, 상측대역은 다이오드에 인가된 전압에 의해 4.95GHz 에서 5.45GHz 의 동작범위를 보여준다. 이 안테나는 현재 상용 주파수대역중 DCS, PCS, UMTS, WiBro, ISM 그리고 IEEE 802.11a WLAN 총 6 개의 상용 대역을 포함한다. 또한 최근 들어 떠오르고 있는 슬림폰과 같은 얇은 구조의 단말기에도 적용될수 있도록 작은 27mm x 11mm x 5mm 의 크기를 가지고 있다. 최대 이득은 2.4GHz 에서 약 4dBi 의 우수한 특성을 보여준다.
마지막으로 안테나의 방사패턴과 이득 측정시에 급전 케이블이 미치는 영향에 대해 조사하고 결과를 비교해보았다. 이 실험은 내부에 전원을 가진 모노폴 안테나와 케이블로 연결된 모노폴 두가지 경우를 비교함으로 이루어졌으며, 결과 급전 케이블이 패턴에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 작은 전력을 다루는 소형 안테나의 측정에 있어서 정확한 결과를 얻기위해서는 이러한 영향을 반드시 고려해야만 한다.
본 논문에서 제안된 두 가지 튜너블 안테나는 방사 패턴 측정시의 정확도를 높이기 위해 직류전원 공급회로를 직접 기판에 집적하여 측정의 효율과 정확성을 높일 수 있도록 제작되었다. 앞으로 튜너블 안테나 기술과 광대역 안테나 기술이 접목되고 더욱 소형화된다면 단말기의 다기 능화와 소형화에 크게 기여할 수 있을것이다. 또한 급전 케이블의 영향을 반드시 고려하여야 한다. 그리고 이를 최소화해야만 더욱 정확한 안테나 특성을 얻을 수 있다.
