In the recent time, the industry of mobile handsets has been developed, from mobile devices having the simple operation of voice communications to them containing a large number of functions. Around the worldwide, both communications and broadcasting are fused into one, DVB-H (Digital Video Broadcast) which is the European terrestrial digital broadcasting is not only simple broadcasting technique but also various kinds of services such as anytime, anywhere, anynetwork, anydevice, anyservice, which are supported for customers. RF technique, antenna, and wireless communications technique are required to satisfy demands and qualifications of wideband mobile communications. Especially, antenna technique which is able to operate wideband frequency in mobile communications is the most important core skill to synthesize broadcasting, satellite communications, and mobile communications and to realize a super-highway and wideband wireless multimedia services. As the DVB-H broadcasting service which is a next generation of mobile industry comes into mobile devices, techniques of receiving performance improvement, wideband and multiband operation are needed. The antenna part of DVB-H handsets is the most critical factor in mobile devices because the main reason for a failure of analog TV handset is inferiority of receiving performance. The DVB-H antenna including high effectiveness is hard to miniaturize for a built-in type due to its low frequency operating bands. Fundamentally, the physical length of an antenna structure has to be longer than $\lambda/4$. In the DVB-H applications, an antenna physical length has to be approximately 300 mm. We need a novel concept of internal antenna with various analysis to solve this problem.
In this paper, several types of the novel monopole antennas with wideband techniques for the DVB-H mobile broadcasting service in handsets are presented. We studied problems of the frequency shift, bad performance, and bad effectiveness in the small internal antenna. As a results, we have overcome these problem and so we have a position of advantage in future work of antenna industry.
There is a demand of the service which enables to communicate anywhere in whole world. The techniques which help single handset provide several different services are being developed. The antennas built-in mobile handsets for multiservices have to satisfy established physical size and can normally behave at more than two different operating frequencies. For this reason, research and development of antenna structure for multiple operations in mobile handsets are so hard. Especially, in the antenna part the center frequencies are different with and stand apart from each other. Furthermore, because of each center frequency is not a multiple number of mutual harmonic factors, previous antenna structures with impedance matching circuits are not able to use more than two different operating frequencies. As well, because of a space limitation in the mobile handsets, it is impossible to install more than two different antenna for multiple operating frequencies. For these reason, research and development about multi-band operating antenna for mobile handsets are being progressed.
In this paper, various types of the novel multi-band operating antennas are proposed with using both mechanical and electrical methods and studied about antenna characteristics such as operating frequencies, bandwidth, radiation pattern, and gain.
이동통신 단말기 산업은 최근 10 년간 급속도로 발전해 왔으며, 단순한 음성 통신에서 시작하여 지금은 수많은 기능들이 내재된 단말기들로 끊임 없이 진화하고 있다. 세계적으로 새로운 광대역 통신과 방송의 융합이 진행되고 있는 가운데, 특히 유럽의 지상파 디털 방송인 DVB-H (Digital Video Broadcast)는 단순한 방송 기술의 차원을 넘어 미래 ‘ 유비쿼터스 정보통신·방송 네트워킹’ 이 지향하는 5 Any (Anytime, Anywhere, Anynetwork, Anydevice, Anyservice)와 같은 이념을 반영하여 소비자들에게 다양한 서비스를 제공할 것으로 전망하고 있다. 이와 같은 광대역 이동 무선 멀티미디어 서비스 수요와 품질을 충족하기 위한 핵심 RF, 안테나 부품 및 무선 기술의 발전이 요구되고 있으며, 특히 다양성을 수용할 수 있는 안테나 기술 개발은 고정 통신, 방송, 위성 통신, 이동 통신서비스의 기술적인 통합과 초고속 광대역 이동 무선 멀티미디어 서비스를 실현하는 데 매우 중요한 정보통신 핵심 기술로 부각되고 있다. 특히, 차세대 이동통신 서비스 산업인 DVB-H 방송이 단말기 내에 들어오면서 원활한 방송 수신과 광대역화 및 다중 대역 서비스가 가능하기 위해 고효율의 특성을 갖는 소형, 경량의 내장형 안테나 기술이 요구되고 있다. 종전에 등장했던 아날로그 TV 휴대폰이 시장에서 빛을 보지 못하고 실패한 주된 이유가 수신률 불량에 있었다는 점에서 안테나가 DVB-H 폰에서 차지하는 중요성은 그 어느 때 보다 더 커지고 있다. 하지만 지상파 디지털방송인 DVB-H 의 경우 기존 공중파 방송과 거의 같은 저주파 대역을 사용하고 있기 때문에 고성능이면서 단말기 내에 장착되도록 소형화 하는 것은 쉽지 않다. 기본적으로 안테나는 사용주파수 파장의 4 분의 1 크기는 되어야 하는데 DVB-H 는 적어도 안테나 길이가 30~40cm 정도는 되어야 하는 문제점이 존재하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 기존 구조를 탈피하여 다각도의 분석을 통한 새로운 개념의 안테나 도입이 필요하다. 이에 본 연구에서는 한정된 단말기 공간에서 새로운 형태로 변형된 모노폴 타입의 DVB-H 유럽형 지상파 방송 수신용 안테나를 제안하고 중심 주파수, 대역폭, 방사 패턴, 방사 이득 등 안테나의 특성을 만족하고 실제 이동통신 단말기 내에서 효율적 통신 및 더욱 감도 높은 통신이 가능하도록 제안된 내장형 DVB-H 안테나를 단말기에 적용하여 안테나 성능 변화에 대한 연구를 진행하였다. 또한 안테나의 단말기 실장시 주파수 편이 문제, 통화 열화 문제, 효율 증대 문제를 동시에 고려한 일원화된 주파수 가변 안테나를 개발함으로 소형 안테나에 있어서 부각되는 문제점들을 극복하고, 향후 안테나 산업에 있어서 기술적 우위를 점할 수 있도록 하였다.
또한, 단일 주파수 대역을 이용하는 이동통신서비스와는 달리 전세계 어디서나 통신이 가능한 서비스가 요구되고 있으며, 향후 새로운 형태의 거대한 시장을 형성할 것으로 판단된다. 이를 위해 하나의 단말기를 이용하여 다수의 서로 다른 서비스를 공급받을 수 있는 방법이 개발되고 있다. 이러한 다중 서비스용 단말기에 장착되는 안테나는 기존의 크기를 만족하면서 두 가지 이상의 주파수 대역에서 정상적으로 동작하여야 하기 때문에 개발 및 제작에 어려움이 크다. 특히 안테나의 경우 각각의 밴드들은 그 중심주파수가 다소 어느 정도 떨어져 있으며, 각각의 중심주파수가 서로의 Harmonics 성분에 대해 정수배가 아니기 때문에 기존의 안테나에 정합회로만을 설계하는 것으로는 두 주파수 대역에서 사용하기 어렵다. 또한 소형 안테나는 단말기 외부 면의 최소 면적에 위치해야 하는 특성상 서로 다른 두 가지 형태의 안테나를 장착할 수 없다. 따라서 단말기 내부의 제한된 조건 속에서 다중 밴드용 안테나를 개발하는 이러한 어려움 때문에 단말기 내장형 다중밴드 안테나에 관한 연구는 현재 활발히 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 한정된 단말기 공간에서 다중대역을 수행할수 있는 새로운 3 가지 형태의 안테나 구조를 제안하고 중심 주파수, 대역폭, 방사 패턴, 방사 이득 등 안테나의 특성에 대한 연구를 진행하였다.
첫번째로, 유럽의 지상파 DVB-H 방송을 수신할 수 있는 단말기 내장형 안테나를 제안하였다. 7 가지의 서로 다른 형태의 안테나를 제안하였으며, 다양한 형태의 단말기 환경을 지원할 수 있도록 두 가지 형태의 그라운드에서 내장형 안테나를 개발하였다. 제한된 단말기 공간에 저주파이며 광대역의 성능을 갖는 DVB-H 수신 안테나를 내장하기 위하여 모노폴 형태로 설계하였다. 낮은 주파수에서 공진을 발생시키기 위하여 미엔더 형태의 구조를 응용하였으며 미엔더 형태의 모노폴 안테나의 협대역 특성을 보완하기 위하여 안테나 광대역 구조기법을 접목하여 저주파에서 광대역의 안테나를 구현하였다. 또한, 최적화된 안테나 구조를 제안하여 DVB-H 수신 안테나가 요구하는 성능을 모두 만족하였으며, 단말기에 실장시의 특성 변화를 고려하여 연구하였다.
두번째로, Bluetooth 와 WLAN 의 dual-band 를 지원하는 내장형 안테나를 제안하였다. 동판으로 구성된 patch 의 아랫면에 수직의 동판 슬롯이 삽입되어 서로 다른 주파수에서 다중 공진을 유도하여 원하는 대역을 수행하는 구조이다. 또한, 실제 단말기에 실장을 고려하여 folded feeding 구조를 적용하여 안테나의 물리적인 크기를 줄이므로 단말기 공간의 제한으로 인한 실장상의 어려움을 극복하였다. 제안된 안테나는 저주파 대역에서 170 MHz 와 고주파 대역에서 1650 MHz 의 광대역 특성을 보이고 있으며 저주파와 고주파 대역에서 각각 1.98 dBi, 3.82 dBi 의 최대 방사 이득을 갖는다.
세번째로, 단일 소자의 방사체 DCS, PCS, IMT-2000, UMTS, ISM, and WLAN 의 6 개의 이동통신 서비스 대역을 수행하는 단말기 내장형 Hexaband 안테나를 제안하였다. 방사체에 서로 다른 형태의 전류에 의한 다중 공진을 유도하기 위하여 새로운 형태의 feeding 구조를 적용하여 원하는 6 중 대역을 수행하는 구조이다. 동판 patch 를 folded 구조로 구성하여 전체 안테나의 면적을 소형화 할 수 있었다. 저주파 대역에서 610MHz 와 고주파 대역에서 1170MHz 의 광대역 성능을 보여주고 있으며 저주파와 고주파 대역에서 각각 3.3 dBi 와 4.7 dBi 의 최대 방사이득을 갖는다. 실제의 단말기 내부에 실장 가능한 충분히 작은 크기를 갖는 안테나 구조이다.
마지막으로, 단일 방사체가 WiBro, WiMAX, Bluetooth, S-DMB, WLAN, and ISM 의 6 중 대역을 수행하고 초소형의 두께를 갖는 단말기에 적용할수 있는 높이 1.2 mm 의 단말기 내장형 안테나를 제안하였다. 안테나의 아랫면은 PCB 기판 위에 금속패턴 형태로 설계되었고 윗면은 동판 patch로 구성하였다. PCB 기판 위의 금속패턴을 통하여 안테나와 그라운드에 혁신적인 feeding 구조와 short 구조를 구성하고 있으며 안테나의 윗면과 아랫면을 서로 다른 3 개의 연결구조를 적용하여 안테나의 다중 전류 분포를 생성하여 다중 공진을 유도하였다. 저주파 대역에서 860MHz 와 고주파 대역에서 1390 MHz 의 광대역을 지원하며 저주파와 고주파 대역에서 각각 1.89 dBi 와 4.65 dBi 의 최대 방사이득을 갖는다.
