Recently, the rapid growth in mobile communication systems has led to an explosive demand for the development of a small antenna with multi-band functions. Planar Inverted-F Antennas (PIFA) or shorted patch antennas have the attractive features of low profile and light weight in mobile phones as internal antennas. However, for the recent trend such as penta-band (GSM850, GSM900, DCS, PCS, WCDMA2100), the size of PIFA may be too large to cover above all bands simultaneously for practical applications. Especially, in the low frequency bands such as GSM850/GSM900, it is very hard to achieve a wideband performance ranging from 824MHz to 960MHz.
In this paper, I propose a wideband built-in antenna solution using novel feed structure for mobile antenna. Generally, the feed part of the PIFA antenna could be substituted as an inductive circuit equivalently. To compensate the inductance of the feed structure, I propose various capacitive-loading feed structure for wideband built-in antenna solution.
First, I propose the advanced PIFA solution with a folded feed structure to increase the parasitic capacitance. Using the proposed design scheme, miniature built-in antenna solution can cover the GSM850, GSM900, DCS, PCS, WCDMA2100, WiBro, Bluetooth and Mobile WiMax bands within $38.5mm\times18mm\times6t$ antenna size
Second, I propose an ultra wideband built-in antenna with an advanced feed solution including compact coupling feed structure which is implemented between the feed pin and radiators. This feed structure uses a folded finger coupling structure to increase the coupling energy between feed and radiator element. Using the proposed design scheme, we can use a capacitive-loading feed structure with a folded coupling structure instead of inductive PIFA antenna feed mechanism.
Last, to maximize the EM coupling coefficient between the feed structure and radiator element, I suggest the slow-wave feed structure for the ultra wideband antenna solution. In this paper, I propose interdigital slow-wave feed structure because it is one of the most attractive solution in terms of compact slow-wave structure in the industrial area. Using this proposed feed structure, an octa-band built-in PIFA antenna that covers the GSM850, GSM900, DCS1800, PCS1900, WCDMA2100, WiBro2350, Bluetooth, and WiMAX2500 is implemented, too.
The measured results of the fabricated built-in antenna are validated by the simulated using CST or SEMCAD 12.
본 논문에서는 차세대 이동통신 대역용 GSM850(824MHz$\sim$894MHz), GSM900(880MHz$\sim$960MHz), DCS(1710MHz$\sim$1880MHz), PCS(1850MHz$\sim$1990MHz), WCDMA(1920MHz$\sim$2170MHz), WIBro(2300MHz$\sim$2390MHz), Bluetooth(2450MHz), Mobile WiMAX(2550MHz) 대역에 대해 5중~8중 대역을 동시에 지원 가능한 소형 내장형 안테나를 설계 및 제작하였다. 일반적으로 PIFA 내장형 안테나 기술은 소형의 박막 구조로 근래에 많이 사용되고 있으나 상기의 광대역 특성을 동시에 만족하기 힘든 단점이 있다. 특히 저주파대역의 GSM850 및 GSM900 의 경우 동시에 만족하기가 매우 어려운 단점이 있다. 이러한 내장형 안테나의 대역폭은 주로 급전 방법에 의해 그 대역폭이 결정되어진다. 특히 내장형 PIFA 안테나 구조의 경우, 단락 핀과 급전 핀과의 일정 거리에 의해 임피던스가 강제 매칭되므로 해당 구조가 갖는 주요한 전기적 성분을 최적화하는 것이 중요한 핵심 기술이다.
따라서 본 논문에서는 우선 다층 절곡 구조의 급전구조를 이용해 용량성 기생 성분을 발생시키고 이를 이용해 전형적인 PIFA 급전구조에서의 유도성 기생 성분을 상쇄하여 광대역을 구현하는 급전 방법을 제안하였다. 다증 절곡을 통해 각 층간의 용량성 성분을 최대화시키고 구현된 각 층간에 다양한 슬롯을 이용하여 다중전류 경로를 유도할 수 있다. 제안된 기술을 이용할 경우, 안테나 하단에 접지면이 전영역 존재하는 조건에서 $38\times17.5\times6 mm^3$ 의 안테나 체적으로 GSM850, GSM900, DCS, PCS, WCDMA, WiBro, Bluetooth, 등 7개 대역을 동시에 만족하도록 설계하였다. 특히 구현된 안테나의 경우, SAR 및 head phantom effect 및 Hand effect에 대해서도 단말기 회사에서 요구하는 수준의 특성을 만족하고 있음을 확인하였다.
또한 본 논문에서 구현된 개선된 기술로서는, 지연파 구조를 이용한 광대역 안테나 설계 기술을 또한 제안하였다. 일반적으로 PIFA 기술을 이용한 전형적인 내장형 안테나 기술은 직접 급전 방법을 사용하고 안테나의 대역폭은 Chu-Harrington에 의해 기술적으로 소형 안테나의 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 소형 안테나 기술의 한계를 극복하기 위해 간접 급전을 이용한 커플링 급전 구조를 제안하였다. 특히 작은 영역에서 높은 커플링 상관 함수를 가지기 위해 인터디지탈 지연파 구조 (interdigital slow-wave)를 안테나 급전 영역에 이용하였고, 본 기술을 적용할 경우, -6dB(VSWR. 3:1) 기준으로 저주파 대역에서는 837MHz~1097MHz(BW:260MHz) 29%의 광대역 특성을 얻었으며, 고주파 대역에서는 1710MHz~2600MHz (BW:890MHz) 41%의 광대역 특성을 측정으로 확인할 수 있었다. 따라서 본 기술을 이용할 경우, GSM850, GSM900, DCS, PCS, WCDMA, WiBro, Bluetooth 및 Mobile WiMax까지 8중 대역을 동시에 지원할 수 있는 초 광대역 내장형 안테나 기술임을 확인 할 수 있다.
