Recently, compact circularly polarized (CP) antennas have been widely used in mobile satellite
communications like global positioning system (GPS), satellite digital audio radio service
(SDARS), satellite digital multimedia broadcasting and mobile radio frequency identification
(RFID) system. Generally, CP antennas can be classified into one-port, two-port and four-port CP
antenna. One-port CP antennas have simpler and more compact structure than other CP antennas,
but narrow bandwidth and axial ratio bandwidth below 5 % which is unsuitable to integrate into
portable devices. To overcome this problem, two-port and four-port CP antennas have been also
developed. But, conventional two-port and four-port antennas have complete structure and bulky
size which are unsuitable property to be integrated into portable devices.
In this thesis, a new compact square four-port antenna with circular polarization has been
proposed to overcome this problem.
Firstly, analysis of input impedance for compact four-port antenna is presented. When fourport
antenna is compact, input impedance of each antenna connected at each port is dramatically
decreased due to mutual impedance between antennas. In this thesis, we present input impedance as
relational expression between self-impedance and mutual-impedance and investigate input impedance
decreasing phenomenon. Also, to increase input impedance, we present quadruple inverted-f
antenna (QIFA) which adopts four inverted-f antennas.
Secondly, analysis of design method for compact four-port antenna is presented. When fourport
antenna is compact, the efficiency of antenna is degraded due to mutual coupling between antennas.
In this thesis, we present a new design method for compact four-port CP antenna as relational
expression between reflection coefficient at each antenna and mutual coupling coefficient between antennas.
Thirdly, analysis of axial ratio for compact four-port antenna is presented. We presented axial
ratio of compact four-port antenna as function of ratio of Ey to Ex. Also, axial ratio of compact
two-port antenna is also presented for comparing with axial ratio of compact four-port antenna. By
analyzing axial ratio of compact two-port and four-port CP antenna, we verify that compact fourport
CP antenna has wider axial ratio bandwidth than one-port and two-port CP antenna.
Also, by using above analyzed results, compact four-port CP antenna for GPS receiver is designed
and implemented. Experimental results show that proposed antenna of size 10 × 10 × 12
mm3 (< 0.1λ) has a bandwidth of 20 % , an axial ratio bandwidth of 18 %, a 3-dB beamwidth of
135° and a peak gain of -1 dBic. Field-test using a commercial GPS module shows that proposed
antenna is suitable for using GPS receiver antenna. Compact module-integrated four-port CP antenna
for mobile RFID reader is also designed and implemented. Experimental results show that proposed
antenna of size 80 × 10 × 12 mm3 (< 0.2λ) has a peak gain of 3.3 dBic and a 3-dB beamwidth
of 135°. Also, the hand-effect of the proposed compact four-port CP antenna is analyzed using 3D
simulator and is compared with hand-effect of compact one-port CP antenna. Analyzed results show
that proposed compact four-port CP antenna is more insensitive to hand-effect.
최근 들어서 스마트폰으로 대두되는 휴대기기는 일상생활 속에서 널리 보급되어
삶에 밀접하게 사용되고 있다. 따라서, 휴대기기를 통해 효율적으로 통신을 하기 위해서
고성능 소형 안테나가 최근 들어 가장 중요한 소자로 인식되고 있다. 특히, 위치 제공
서비스인 GPS, 위성 라디오 서비스인 SDARS, 위성 방송 서비스인 SDMB, UHF 이동형
RFID 등의 시스템에서는 고성능 소형 원형편파 안테나가 요구되고 있다. 그러나, 기존의
소형 원형편파 안테나는 좁은 대역폭, 좁은 축비 대역폭, 대형 등의 문제점들을 앉고
있어서 휴대기기에 집적하기에 부적합하였다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하고자 새로운 휴대기기용 정사각형 모양의
소형 4-포트 원형편파 안테나를 제안하였다.
2 장에서는 제안하는 소형 4-포트 원형편파 안테나에 대한 심층적인 분석이
다양하게 이루어졌다. 첫째, 소형 4-포트 원형편파 안테나의 입력 임피던스에 대한
분석이 이루어졌다. 4-포트 원형편파 안테나가 소형화되면, 안테나 간에 상호 임피던스가
작용하므로 각 안테나의 입력 임피던스가 현저히 작아지게 된다. 따라서, 본 논문에서는
입력 임피던스를 고유 임피던스와 상호 임피던스의 관계식으로 정리하고, 입력
임피던스가 낮아지는 현상을 이론적으로 규명하였다. 또한, 낮아진 입력 임피던스를
증가시키기 위하여 네 개의 역-f 안테나들을 이용한 4 중 역-f 안테나 (QIFA)를
제안하였다.
둘째, 소형 4-포트 원형편파 안테나의 설계 방법에 대한 분석이 이루어졌다. 4-
포트 원형편파 안테나가 소형화되면, 안테나 간에 상호 결합이 발생하여 안테나의
효율이 급격히 낮아지게 된다. 본 논문에서는 각 안테나에서의 반사 계수와 안테나 간의
상호 결합 계수의 관계식으로 표현되는 설계 방법을 이론적인 분석을 통하여
제안하였다. 또한, 제안된 설계 방법을 통하여 고성능 소형 QIFA 를 제안하였다.
셋째, 소형 4-포트 원형편파 안테나의 축비에 대한 분석이 이루어졌다. 소형 4-
포트 원형편파 안테나의 축비를 원거리 장에서 유기되는 Ex 와 Ey 의 비로 정리하고, Ex 와
Ey 를 각각 Ix 와 Iy 의 적분식으로 표현함으로써, Ix 와 Iy 의 비로 소형 4-포트 원형편파
안테나의 축비를 분석할 수 있게 하였다. 그리고 소형 2-포트 원형편파 안테나에서도 동일한 방법으로
축비를 정의하였다. 비교를 통하여 제안하는 소형 4-포트 원형편파 안테나가 소형 1-포트, 2 포트
원형편파 안테나에 비하여 더욱 넓은 축비 대역폭을 제공함을 밝혔다.
3 장에서는 앞서 분석한 내용들을 종합적으로 적용하여 GPS 수신기용 소형 4-
포트 원형편파 안테나를 제안하고, 제작하였다. 제안하는 안테나의 크기는 10 × 10 × 12
mm3 (< 0.1λ) 이며, 20%의 대역폭, 18%의 축비 대역폭, 135 도의 3-dB 빔폭, -1 dBic 의 최대
이득을 제공함을 공인 무반사실에서의 측정을 통하여 알 수 있었다. 상용 GPS 모듈을
이용한 필드 테스트를 통하여, 제안하는 안테나가 다수의 위성을 높은 신호 레벨로
수신함을 확인하였다. 또한, 소형 1-포트, 4-포트 원형편파 안테나에 대한 hand-effect 를
3D 시뮬레이터를 이용하여 분석하였다. 분석 결과 제안하는 소형 4-포트 원형편파
안테나가 hand-effect 에 훨씬 강한 특성을 제공함을 알 수 있었다.
4 장에서는 내부에 모듈이 집적된 소형 4-포트 원형편파 안테나를 이동형 UHF
RFID 리더기 용으로 제안하고, 제작하였다. 기존의 소형 원형편파 안테나와는
차별적으로 제안하는 소형 4-포트 원형편파 안테나는 내부의 공간이 비어있으므로
리더기 모듈을 삽입할 수 있었다. 또한, 2 장에서 제안한 설계 방법을 발전시켜서 모듈이
집적된 소형 4-포트 원형편파 안테나를 고효율로 설계하였다. 제안하는 안테나의 크기는
80 × 80 × 12 mm3 이며, 3.3 dBic 의 최대 이득과 135 도의 3-dB 빔폭을 제공함을 공인
무반사실에서의 측정을 통하여 알 수 있었다. 또한, 상용 RFID 리더기 모듈을 이용하여
tag 와의 인식 거리 테스트가 이루어졌다. 제안하는 안테나는 약 3.5 m 의 인식 거리를
제공하였다.
결론적으로, 제안하는 정사각형 모양의 소형 4-포트 원형편파 안테나는 가장
소형화 되었으면서도, 기존의 안테나보다 더 향상되고 안정된 방사 성능과 축비 성능을
제공하며, 원형편파를 필요로 하는 서비스의 휴대기기에 사용함이 매우 적합함을 알 수
있다.
