This work presents a platform based design methodology to widen bandwidth of 4G LTE or later generation mobile devices. The platform based mobile antenna design methodology is an revolutionary approaches based on antenna platform composed of the antenna aperture and the impedance matching network (IMN), which is a systematic engineering method. Based on an equivalent RLC circuit model of antennas on a small chassis, this thesis proposes a dual-frequency antenna with a simultaneous dual-frequency bandwidth widening method. Moreover, the proposed method is applicable to a triple-frequency antenna.
For a given chassis dimension, it provides the optimized antenna aperture which can potentially be wideband tuned by IMN. For a systematical design, a semi-empirical modeling of an inverted-L antenna (ILA) on a small chassis is proposed. The ILA is the best antenna aperture platform due to its lowest quality factor for a given antenna area. The chassis and antenna radiators can be expressed in the form of an equivalent RLC circuit. The equivalent RLC circuit provides a means of understanding the physical operation of antennas and enables the design of an appropriate impedance matching network systematically. Moreover, it is possible to understand the physical behavior of an antenna and the physical limitations of bandwidth widening methods. The small chassis model provides physical insight into the contributions of the CR and the AR on the overall antenna characteristics. As a result, the RLC model enables a platform-based design methodology for mobile antennas without annoying trial and error methods that require considerable amounts of time and effort.
The proposed antenna consists of two ILAs (inverted-L antenna) and an IMN (impedance matching network). The bandwidth widening method based on the IMN design enables the multiple-frequency bandwidths to be simultaneously widened for the purpose of supporting the carrier aggregation technology. The proposed IMN consists of an L-section transformer and a multiple-frequency series-parallel resonators. The L-section transformer facilitates the impedance of an arbitrary load to increase with a constant transforming factor with respect to the frequency through the exact equivalent RLC circuit of an L-section transformer. After the impedance transforming, the multiplenot-frequency series-parallel resonators can simultaneously widen the bandwidths in each band. For arbitrary input impedance of ILA, bandwidths in each of the low-band (0.7 - 1 GHz) / high-band (1.6 - 2.3 GHz) or the low-band (0.7 - 1 GHz) / middle-band (1.5 - 2.1 GHz) / high-band (2.6 - 2.8 GHz) can be simultaneously widened with the proposed impedance matching network (IMN), and the corresponding design is quite systematical. Therefore, the IMN can be designed for ILAs with various form factors. For an ILA with a height of 8 mm, the measured bandwidths of the dual-frequency antenna ensuring that the total efficiency Etot is greater than -3 dB are 365 MHz and 715 MHz in the low- and high-bands, respectively, with implementation of up to Lv. 2.
본 연구는 4G LTE 및 차세대 무선통신을 위한 플랫폼 기반 안테나 설계 방법론에 대한 것이다. 플랫폼 기반 안테나 설계 방법은 안테나 aperture들의 무수히 많은 수천 개의 폼팩터에 대하여 수 개의 플랫폼으로 분류하고, 각각의 플랫폼에 대하여 최적화된 안테나 aperture와 임피던스 매칭 네트워크의 설계로 이루어진다. 작은 샤시에 설계된 안테나의 등가 RLC회로를 바탕으로 안테나의 모델링을 통하여 임피던스 매칭 네트워크의 체계적 설계가 가능하다. 또한 제안하는 방법은 이중 대역 안테나 및 삼중 대역 안테나의 각각의 대역폭들을 동시에 광대역화 할 수 있다. 따라서 4G LTE 및 차세대 통신에서 요구되는 carrier aggregation 기술을 지원할 수 있다.
주어진 샤시의 크기에 대하여, 본 연구는 임피던스 매칭 네트워크에 의하여 광대역화가 가능하도록 최적합한 안테나 aperture를 제시한다. Inverted-L antenna (ILA)형태가 가장 적합한 형태이며, 작은 샤시에 설계된 ILA의 모델링은 안테나 aperture 뿐만이 아니라 임피던스 매칭 네트워크의 체계적 설계가 가능하기 위한 초석이 된다. 작은 샤시와 안테나 aperture의 각각의 고유 RLC 등가회로로부터 이 둘 간의 물리적 커플링 현상을 RLC 회로로 제시하였고, 따라서 작은 샤시, 안테나 aperture, 커플러의 세 부분이 모두 통합된 등가 모델을 제시하였다. 이 모델은 RLC 회로로 구성되어 있으며, 따라서 모바일 안테나의 동작에 대한 물리적 의미를 파악하는 데에 해석적 접근을 가능하게 한다. 더 나아가 안테나 aperture의 정확한 입력 임피던스를 제공함으로써 효율적인 임피던스 매칭 네트워크 설계가 가능해진다. 모바일 안테나의 등가모델으로부터 광대역화의 이론적 한계 또한 알 수 있다. 따라서 플랫폼 기반 모바일 안테나 설계 방법론은 제안하는 모델링을 통하여 많은 시간과 노력이 요구되는 trial and error 방법을 지양하고 체계적 설계를 실현시킬 수 있다.
제안하는 모바일 안테나는 두 ILA(inverted-L antenna)와 임피던스 매칭 네트워크로 구성된다. 제안하는 임피던스 매칭 네트워크에 기반한 대역폭 광대역화는 다중 대역의 대역폭들을 동시에 광대역화한다. 임피던스 매칭 네트워크는 두 단계로 설계된다. 첫째, L-section impedance transformer로 임의의 antenna aperture의 임피던스를 증가 시길 수 있다. 이때 증가 비율은 주파수에 무관한 일정한 값을 갖는다. 또한, L-section impedance transformer의 정확한 RLC 등가모델을 제시함으로써, 임의의 로드 임피던스에 대하여 응용이 가능하다. 둘째, L-section impedance transformer의 후단에는 다중대역 series-parallel resonators가 광대역 매칭을 한다. 이때 다중대역 각각의 대역폭이 동시에 광대역화 된다. 이중대역 series-parallel resonators는 low-band (0.7 - 1 GHz) / high-band (1.6 - 2.3 GHz)를, 삼중대역 series-parallel resonators는 low-band (0.7 - 1 GHz) / middle-band (1.5 - 2.1 GHz) / high-band (2.6 - 2.8 GHz)를 동시에 광대역화 한다. 이러한 L-section impedance transformer와 다중대역 series-parallel resonators의 조합은 RLC회로를 기반의 설계 방법을 제시하고 임의의 임피던스에 대하여 동시 광대역 매칭이 가능하게 한다. 더 나아가 이는 다양한 폼팩터의 안테나에 대하여 광대역화가 가능함을 의미한다. 높이 8mm의 두 ILA에 대하여 제안하는 임피던스 매칭 네트워크를 적용하였을 경우, 최종 방사효율이 -3 dB이상을 유지하는 대역폭은 low-band에서 365 MHz, high-band에서 715 MHz로 측정이 되었다. 이는 기존의 안테나 설계 방법과 비교하여, low-band및 high-band에서 각각 3배 및 2배의 대역폭 향상을 가능하게 한다.
위에서 논의된 안테나 설계 방법과 더불어 가변대역 안테나를 위한 가변대역 임피던스 매칭 네트워크와 주변 field 변화에 실시간 대응하여 안테나의 매칭을 자기 스스로 변화하는 기능까지 확장하여 궁극적인 플랫폼 기반 모바일 안테나 설계가 완성될 것이다.