The swollen use of mobile telecommunication devices brought about apprehensions for potential risks from that they are always carried on human body whether it is working or waiting on. And the commissions FCC and ICNIRP have settled the recommended limitation of electromagnetic coupling level between devices and human body for guaranteeing public safety.
In the similar context of risk assessment for RF exposure by mobile phone, PERFORM B was a project that addresses replications of in vitro and in vivo studies that were recommended by the WHO agenda.
The half of this thesis was dedicated for describing how to design and evaluate the two different RF exposure prototypes used for this replication studies. Firstly, a wheel type small exposure setup which has been widely used in the biological effect studies was developed and evaluated. Secondly, a mainly head exposure setup for mice was introduced. The aim of this study was to develop plausible exposure setups which have the same or more exposure performances with rather tiny equipments scale.
If we range over a part of RF absorption and risk assessment for living body, the latter half of this thesis was allowed for showing how successful radiation could be with small and embedded mobile phone antennas which are electrically and mechanically compatible for recent mobile phone use.
Firstly, a small antenna using a new magneto-dielectric carrier is proposed for the next mobile applications. With an intrinsic longer wave length and adjacent conventional communication channels of Cellular 800 (824-894 MHz), LTE handsets would be recommended to behave from 704 MHz to 894 MHz for US low band LTE services. If we need the GSM scheme with a single device, the system should drive an additional 136MHz and the total bandwidth comes to be 256MHz from 704MHz to 960MHz. Considering about 30% wide bandwidth, the antenna should increase its impedance capacitance for diverse wavelengths by novel design of the antenna radiator and dielectric carrier within a limited ground dimension. In this letter, a newly promoted ferrite carrier developed for mobile phone antennas is introduced and validated with designing a small broadband antenna for LTE application.
Secondly, an antenna composed of a rail-like structure connected to a feed line and ground plane is introduced and implemented in a mobile phone with a front metal decoration. The antenna achieves a total radiated power of more than 26dBm in the EGSM band, 26-27.7dBm in the DCS/PCS bands, and 21dBm in the WCDMA band. The proposed rail antenna implemented in a mobile phone with an outer metal decoration is comparable to conventional planar inverted-F antennas implemented in mobile phones with general plastic outer housing.
Lastly, a quad-band folded slot antenna with a monopole feed line embedded in a conductive housing structure (the LCD bracket of a mobile phone) is proposed. The performance of the proposed antenna is evaluated through simulation and measurement, demonstrating that it can provide total radiation efficiencies of more than 40% in the EGSM900, DCS, PCS, and WCDMA1 bands. Over these four bands, the total radiated power (TRP) of a prototype mobile phone using the antenna is 28.5, 27.1, 27.5, and 21dBm, respectively, while the total isotropic sensitivity (TIS) is 102.7, 104.3, 103.8, and 107.3dBm, respectively; all of these values satisfy Cellular Telecommunication and Internet Association (CTIA) requirements for over-the-area-(OTA) testing standards. The radiation performance of the proposed antenna in the calling mode is tested and shown to be within satisfactory limits; similarly, the specific absorption rates (SARs) of the prototype mobile phone are also found to be within standard SAR limits.
21세기에 이르러 폭발적으로 증가해 온 전자파 통신 기기의 사용은, 습관적 또는 필요에 의해 기기를 몸에 지니고 다녀야 하는 불가피한 상황과 항상 기기로부터 전자파가 방사되고 있다는 전제를 근거로 그 잠재적인 위협으로부터 자유로울 수 없었다. 이동통신의 시작과 거의 동시에 시작된 이 오랜 논쟁의 과정에서 실제로 몇몇 역학 및 실험조사는 장기적인 전자파 노출의 폐해를 검증하였고, 2011년 국제 암 연구소에서 휴대폰 전자파를 발암 가능 물질 2B등급으로 규정하면서 전자파 노출에 대한 사용자의 우려는 정점을 찍기에 이르렀다. 이에 대해 FCC, ICNIRP 등은 1990년 중반부터 휴대폰 방사에 대한 국부 흡수율(SAR) 기준을 제안하여 제조사들로부터 따르게 하였으며 이와 함께 범세계적인 연구기관들에 의해 생물학적, 심리학적 실험 및 검증이 현재에도 계속 진행 중에 있다. 그 중 하나였던 Perform B는 WHO (World Health Organization)의 권고로 시작된 Replication 과제이며 그 근거는 Lai et al., 1994, Bioelectromagnetics, 15: 95-104 에 있다. 이는 전자파 노출이 쥐의 운동성 및 판단력 감퇴에 미치는 영향을 재현하는데 그 목적을 두고 있으며 ITIS (The Research Foundation on Information Technologies in Society of Swiss Federal Institute of Technology in Zurich) 소속으로 본인이 담당했던 과제는 쥐에 대한 RF 노출 시스템의 설계 및 분석적 검증이었다. 본 논문에서 두가지 RF 노출 시스템을 제안하였는데, 첫 번째는 일반적으로 동물 임상에서 많이 쓰여온 Wheel 타입 RF 노출 시스템의 Mini version으로 소규모 실험실 실험을 목적으로 개발되었다.
두 번째는 Rectangular Waveguide 를 이용하여 쥐의 두부만을 전자파에 노출시키는 시스템이다.
상기 시스템 설계에 있어 기술의 핵심은 정량의 전자파가 예상했던 동물의 기관별로 흡수되어야 하며 그 입력 파워 및 흡수량을 실시간으로 모니터링 할 수 있어야 한다. 또한 double blind 조건에 따라 실험자는 시스템의 동작에 대해 아는 바가 없도록 알고리즘화 되어 있어야 한다.
아이러니하게도 본 논문의 두 번째 대주제는 위 첫 번째 대주제인 Risk Assessment 분야의 발단이자 원인인 휴대폰 방사성능 개선 및 안테나의 소형화 및 공간 활용 극대화에 대한 연구이다. 휴대폰은 신제품이 나올 때 마다 그 두께가 점점 얇아져 왔고 반면 내부는 증가한 기능을 수행하는 H/W로 인해 빈틈없이 채워져 왔다. 그 중 안테나는 적정의 공간을 확보하지 못하면 성능 열화와 직결되는 가장 물리적인 부분으로 소형화는 물론, 디자인 및 기구에 대한 전기적, 구조적 Compatibility가 설계의 핵심 조건이 되어가고 있다. 즉 안테나는 더 이상 단일 부품이 아닌 기구이자 기기이며 디자인으로 간주되고 설계되어야 하는 추세이다. 이에 본 논문에서는 세가지 관점에서 세가지 안테나를 설계하였다.
첫 번째는 안테나 자체를 소형화시키는 시도로 유전율 및 투자율을 가지고 있는 Magneto-dielectric의 특성을 활용하여 704MHz 에서 960MHz 까지의 (3G 및 LTE) 광대역을 소형(42ⅹ5ⅹ4 mm, 42ⅹ5ⅹ2 mm ) 단일 안테나로 동작하도록 설계 하였다.
두 번째는 최근 휴대폰 외장재료로 많이 쓰이고 있는 금속 Decoration을 고려한 안테나 설계이며 본 논문에서는 ‘Rail Antenna’ 라고 칭하고 있는 일종의 커플링 안테나를 제안하였다. 두 개의 수평 elements 중 하나는 휴대폰 금속바디 및 외장 금속 Decoration 과 전기적으로 연결되어 Radiator 역할을 하고, 하나는 Coupling Feeder 역할을 한다. Coupling feeding 을 하는 이유는 전류 Path 의 다양성을 추구하여 광대역이나 Multi-band matching 을 이루기 위함이다. 휴대폰의 최 외곽 공간을 안테나 위치로 이용하는 이유는 휴대폰 내부 구조를 감안하여 최대 방사 개구부를 확보할 수 있는 조건이기 때문이다. 단, 이번 실험을 통해 본 구조가 상대적으로 손 영향을 많이 받는 구조임에 제품화를 위해서는 손에 대한 특성 개선이 과제로 남게 되었다.
세 번째는 안테나가 금속 구조 안으로 embedded 되어 독립부품의 개념에서 벗어난 구조로 금속 LCD Bracket 이나 외곽 금속 decoration 과 폰 바디 사이에 생기는 가는 Slot영역을 안테나로 응용하였다. 일반적인 반파장 Slot 안테나의 경우, 휴대폰용으로 쓰기엔 협대역이며 특히 폰 크기상 꺾여야만 하는 Slot 구조일 경우, 성능확보가 더욱 어려워진다. 이에 Slot을 따라가는 가는 Mono-pole feeder 를 추가하여 Coupling feeding을 유도하였는데 이는 앞서 설명한 Rail 안테나의 등가구조라고 할 수 있으며 실제로 전기적 Reciprocity이론으로부터 응용하였다. 본 안테나의 장점은 안테나의 두께가 거의 없어진다는 점과 금속평면이 휴대폰의 최 외곽까지 차지한다 하여도 방사에 지장을 초래하지 않는다는 점이다. 즉 안테나 높이를 필요로 하지 않는 초슬림폰 설계가 가능하다는 결과를 보여준다. 단, LCD 주변에 최소한 1mm 폭 이상의 Slot 공간을 확보하여 디자인 및 기구설계가 이루어져야 하는 제약조건이 따르나 이는 모멘텀 측면에서 디자이너가 결정할 부분이다. 실제 휴대폰에서 EGSM900, DCS, PCS, WCDMA1 모든 대역에 대해 40% 이상의 효율을 얻었고 기타 CTIA OTA 기준을 Pass 하였으며 Rail Antenna 와 달리 손 영향 측정에서도 심각한 열화 반응을 보이지 않았다.
