As the demands on the compact and multi-functional electronic devices increase, there are two trends in the wireless communication systems. One is the downsizing of the devices. Another is the development of the adaptive systems. However, the space allowed for the antennas is limited. Many techniques for antenna miniaturization while retaining the antenna performance and developing antennas that have functions of multiband, wideband, tunable operation have been investigated and these issues are still technical challenges.
This thesis presents techniques of the antenna miniaturization and multi-functional ferrite antennas utilizing a static magnetic bias.
First of all, A quasi-Yagi antenna with the miniaturized transition for 2.4 GHz applications has introduced and experimentally investigated. A composite right/left-handed transmission line and planar artificial transmission line were used to design the microstrip-to-coplanar strip transition and to balance the output of the transition over a wider frequency range. A key feature of the proposed transition is the smallest occupied area, which is 0.087 $lambda_{g}^{2}$. The 3 dB back-to-back insertion loss bandwidth is around 84 %. Based on the proposed transition, a quasi-Yagi antenna was designed. The bandwidth for VSWR < 2 is 30.3 %. The antenna offers excellent end fire radiation performance. The maximum gain and front-to-back ratio are 5.1 dBi and 21 dB, respectively. The antenna occupies less space, which enables the integration of more circuit components.
Secondly, a magneto-dielectric material based compact multi-band internal antenna covering nine bands (LTE/GSM/GPS/DCS/PCS/UMTS) has introduced and experimentally investigated for mobile handsets. In order to design wide- and multi-band antenna, a coupled-fed feeding scheme and a commercially available magneto-dielectric material (MF-112) were employed. The magneto-dielectric material has low loss properties up to 3 GHz. A T-shaped monopole feeding line generating parasitic capacitance is applied. It plays an important role to shift the resonances, especially in the low band. The overall size of the antenna is only 0.0875 $lambda_0$ x 0.0375 $lambda_0$ x 0.01 $lambda_0$. The antenna offers an acceptable radiation performance and is suitable for applications to modern mobile phones.
Third of all, theoretical models of a cylindrical ferrite resonator antenna with a static magnetic bias along the z-axis have introduced. The simple models provide first and second order solutions, which lead to reasonably accurate predictions for the $HE_{11δ}$ mode splitting behavior. The characterization of a ferrite material was performed. Based on the measured material parameters, the cylindrical ferrite resonator antenna operating at 9.25 GHz was designed. Two split and orthogonal modes of the antenna are successfully achieved and verified. The presented theory is shown to correlate well with the measured results. The mode splitting behavior involves three tunabilities: frequency. bandwidth, and polarization. The operating frequency of the prototype antenna can be chosen in the range from 8.46 to 10.155 GHz. The polarization can be switched from linear to circular. The bandwidth can be extended from 6 to 12.3 %. The antenna offers an acceptable radiation performance while retaining a good impedance matching.
Fourth of all, theoretical models of a cylindrical hybrid resonator antenna with a static magnetic bias along the z-axis have introduced. The hybrid resonator consists of an annular ring ferrite and a cylindrical dielectric. The simple models provide first and second order solutions, which lead to reasonably accurate predictions for the $HE_{11δ}$ mode splitting behavior. The cylindrical hybrid resonator antenna operating at 9.5 GHz was designed. Two split and orthogonal modes of the antenna are successfully achieved and verified. The presented theory is shown to correlate well with the measured results. The mode splitting behavior involves three tunabilities: frequency. bandwidth, and polarization. The operating frequency of the prototype antenna can be chosen in the range from 9.16 to 9.84 GHz. The polarization can be switched from linear to circular. The bandwidth can be extended from 7.3 to 12.7 %. The antenna offers an acceptable radiation performance while retaining an acceptable impedance matching.
Finally, a novel cylindrical resonator antenna configuration has proposed. In the proposed configuration two resonances including the full- and half-cylindrical $HE_{11δ}$ -like modes can coexist simultaneously at different frequencies by placing a metallic post array in the resonator. Moreover, compared with the conventional $HE_{11δ}$ mode cylindrical dielectric resonator antenna having the same size, the proposed antenna operates in lower frequency band (miniaturization) and showed improved bandwidth.
컴팩트, 다기능 전자 기기의 요구 및 수요가 증가함에 따라 무선 통신 시스템에서는 두 가지 중요한 트랜트가 있다. 그 중 하나는 RF 소자들의 소형화이다. 또 다른 하나는 스마트 시스템의 개발이다. 하지만 안테나에 허용되는 공간은 점점 줄어들고 있는 실정이다. 특히 안테나는 시스템에서 많은 공간을 차지한다. 안테나의 성능은 안테나의 크기와 밀접한 연관을 가지고 있다. 따라서, 기존 안테나의 성능을 유지하며 안테나를 소형화 할 수 있는 많은 연구와 다중 대역, 광 대역, 튜너블 기능을 가진 안테나의 많은 연구가 진행되었으며, 앞서 언급한 문제는 여전히 기술적 도전이 요구된다.
본 논문에서는 안테나 소형화 기법과 DC 자기 바이어스를 이용한 다기능 페라이트 안테나에 관하여 제안하고 있다.
첫 번째로 2.4 GHz 어플리케이션을 위한 소형화된 트랜지션을 탑재한 quasi-Yagi 안테나를 소개하며, 실험적으로 검증을 하였다. CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선로와 평면형 인공 전송선로를 활용하여 마이크로스트립-Coplanar strip 트랜지션을 개발하였고, 그 결과 트랜지션 출력은 보다 넓은 주파수 대역에서 180° 위상차를 유지하였다. 제안한 트랜지션이 차지하는 공간은 0.087 $lambda_{g}^{2}$ 이며, 이는 다른 개발된 트랜지션과 비교하여 매우 작은 것을 알 수 있다. 트랜지션의 삽입 손실 3dB 대역폭은 84 %이다. 개발된 트랜지션을 기반으로 quasi-Yagi 안테나를 디자인 하였다. 안테나의 -10dB 대역폭은 30.3 % 이고, 안테나는 동작대역에서 뛰어난 방사 성능을 보였다. 안테나 이득은 5.1 dBi이며, 안테나의 전후비 (front-back ratio)는 21 dB이다. 안테나는 적은 공간을 차지하며, 이는 보다 많은 다른 소자를 집적할 수 있음을 나타낸다.
두 번째로 아홉 개의 주파수 대역을 커버하는 MD (Magneto-Dielectric) 물질 기반 컴팩트, 다중 대역 내장형 안테나를 소개하였다. 안테나의 다중 대역 및 광 대역 특성을 얻기 위하여 Coupled 급전 방식과 상용화된 MD 물질 (MF-112)을 활용하였다. MD 물질은 3 GHz 보다 낮은 주파수 대역에서 낮은 손실을 보여, 이동통신대역 휴대 단말기용 안테나 개발을 위해 적합한 것으로 판명되었다. 또한, 기생 캐패시턴스를 유도하는 T자 모양의 급전선로를 적용하여 공진 주파수를 낮은 주파수 대역으로 이동시켰다. 안테나의 전체 크기는 0.0875 $lambda_0$ x 0.0375 $lambda_0$ x 0.01 $lambda_0$ 이며, 동일 크기를 갖는 유전체 안테나보다 우월한 특성을 갖는 것을 확인하였다. 제안한 안테나는 동작 대역에서 납득할 만한 방사 성능을 보였으며, 이는 근래의 휴대 단말기용 안테나로 적합하다.
세 번째로 원통형 페라이트 공진기 안테나를 소개하였다. 안테나는 z 축 방향의 DC 자기장 내에 위치할 경우, 페라이트의 투자율 텐서 특성에 의해 모드 분리 현상이 관찰되었다. 이처럼 모드 분리 현상 해석을 위해 안테나의 1, 2차 이론적 모델을 제시하였다. 제안한 이론적 모델은 $HE_{11δ}$ 모드 분리 현상을 예측하는데 효과적 이었다. 실험적 검증을 위해 첫 번째로 실험에 사용한 리튬 페라이트의 물질 특성 측정을 수행하였다. 측정된 물질 파라미터를 기반으로 9.25 GHz에서 동작하는 원통형 페라이트 공진기 안테나를 설계하였다. 두 개의 분리되고, 직교하는 모드를 성공적으로 관찰하였다. 제안한 이론적 모델은 측정된 결과와 잘 일치하였다. 모드 분리 현상은 주파수, 대역폭, 편파 조정 기능을 수반한다. 제작된 프로토타입 안테나의 동작 주파수는 8.46 GHz에서 10.155 GHz 사이에서 선택 할 수 있으며, 안테나의 대역폭은 6 %에서 12.3 %로 확장 가능하다. 또한, 안테나 편파는 선형 편파에서 원형 편파로 조정이 가능하다. 제안한 안테나는 좋은 임피던스 매칭을 유지한 채 우수한 방사 성능을 제공하였다.
네 번째로 원통형 하이브리드 공진기 안테나를 소개하였다. 3장과 마찬가지로 안테나는 z 축 방향의 DC 자기장 내에 위치한다. 하이브리드 공진기는 링 모양의 페라이트와 원통형 유전체로 구성된다. 원통형 페라이트 공진기 안테나와 유사하게 모드 분리 현상이 관찰되었다. 이를 해석하기 위하여 안테나의 1, 2차 이론적 모델을 제시하였다. 리튬 페라이트와 알루미나를 이용하여 9.5 GHz에서 동작하는 프로토타입 안테나를 제작하였다. 두 개의 분리되고, 직교하는 모드를 성공적으로 관찰하였다. 제안한 이론적 모델은 측정된 결과와 잘 일치하였다. 앞서 언급하였듯이 모드 분리 현상은 3가지 특성을 수반한다. 프로토타입 안테나의 동작 주파수는 9.16 GHz에서 9.84 GHz 사이에서 선택 할 수 있으며, 안테나의 대역폭은 7.3 %에서 12.7 %로 확장 가능하다. 또한, 안테나 편파는 선형 편파에서 원형 편파로 조정 가능하다. 제안한 구조를 갖는 안테나는 원통형 페라이트 공진기 안테나와 달리 유전체의 크기 및 유전율을 조정함에 따라 안테나 동작 주파수와 주파수 튜닝 영역을 제어할 수 있는 장점을 가졌다.
마지막으로 원통형 유전체 공진기 안테나의 소형화 기법을 제안하였다. 제안한 구조는 두 개의 공진 점을 갖는데, 이는 기존 $HE_{11δ}$ 모드와 반원형 $HE_{11δ}$ 모드이고 서로 다른 주파수에서 공진한다. 이는 기존의 원통형 유전체 공진기 안테나에 금속 포스트 배열을 추가함으로써 가능해진다. 게다가, 기존 동일 크기의 원통형 유전체 공진기 안테나와 비교하여 낮은 주파수 대역에서 동작하며 대역폭이 향상되었고, 이를 실험적으로 검증하였다.
