특성모드 이론을 이용한 다양한 섀시 안테나 설계에 관한 연구

Abstract

본 논문은 특성모드 이론(CMT: Characteristic Mode Theory)을 응용하여, 통신 시스템의 섀시(chassis)를 안테나로 활용할 수 있는 설계방안에 대해 논한다. 모바일 기기, 군용 드론 등 공간제약이 많은 상황에서의 안테나 설계 프로세스를 통해, 특 성모드 이론을 바탕으로 한 설계방법론의 유용성을 검증한다. 최종적으로는 해당 플랫폼을 섀시 안테나로 활용하기 위한 효율적인 H형 커플러(coupler) 구조를 제안 하였고, 섀시 안테나 설계 프로세스를 통해 H형 커플러의 유용성을 검증했다. 이는 차후에, 멀티모드 다중입출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output, 이하 MIMO)시스 템을 위한 단일모드 구현 과정으로도 볼 수 있다. 모바일 기기, VR 기기(HMD: Head Mounted Display) 등과 같이 통신 시스템은 점차로 작아지는 추세를 보이고 있다. 기존에는 dipole 안테나를 접어서 시스템에 장 착하는 folded dipole이 주된 접근법이었으나, 좁은 대역, 낮은 효율, 추가적인 공간 할당 등의 한계가 있었다. 게다가 5G protocol을 위한 MIMO 시스템 설계가 새로운 이슈로 등장하면서, 협소한 공간 내에서 다중 안테나를 효율적으로 설계하고 배치 할 수 있는 방법론이 필요하게 되었다. 최근에는 통신 시스템의 섀시나 기판의 그라운드 자체를 안테나로 활용하는 방 법과 함께 특성모드 이론이 대안으로 주목받고 있다. 특성모드 이론은 이상적인 완전도체(PEC: Perfect Electric Conductor, 이하 도체) 표면에 생성될 수 있는 특성 전류분포(Characteristic current distribution, 이하 특성전류)를 분석하고, 적절한 전원인가(source excitation)를 통해 전류분포를 원하는 형태에 가깝게 디자인하는 설계 방법의 이론적 토대를 제공한다. 그러나 실제로 특성모드 이론을 설계에 적용 하기 위해서는 각 특성전류의 유사도를 파악할 수 있어야 하며, 원하는 특성전류만 강하게 인가할 수 있는 커플러 구조도 필요하다. 따라서 본 논문에서는 다음 두 가지 주제를 다룬다. 1. 두 전류분포의 유사도를 계산할 수 있는 지표(C3: Current Correlation Coefficient) 2. 원하는 모드(desired mode)를 인가할 수 있는 커플러 구조 각각의 유용성을 검증하기 위해, 주제 1에서는 1GHz, 70 mm x 134 mm, 1T, FR-4 모바일 기기에서 다중안테나를 배치하는 케이스를 다루었다. 주제 2에서는, 2.4GHz-ISM, 50 mm x 61.5 mm x 10 mm, 0.5T FR-4 군용 드론에서 제안된 커플러 구조의 섀시를 안테나로 설계하는 프로세스를 다루었다. 결과적으로, 주제 1에서는 두 안테나의 최적위치를 찾고 이를 통해 MIMO 를 구현하여 0.1 이하의 상관계수 (ECC: Envelope Correlation Coefficient, 이하 ECC)를 확보하여 통신용으로 적합 함을 보였다. 주제 2에서는 방사패턴 중 해당 모드가 차지하는 비율이 95% 이상을 차지하여 커플러가 원하는 모드만 제대로 인가하고 있음을 확인하였고, 추가적인 안테나 없이도 섀시만으로 통신할 수 있음을 보였다.

This paper discusses a design method that can utilize a chassis of a communication system as an antenna by applying the Characteristic Mode Theory (CMT). The design methodology based on the CMT is verified through the antenna design process in space constrained situations such as mobile devices and military drones. Finally, we proposed an efficient H-shape coupler structure to utilize the platform as an antenna, and verified its usefulness by dealing with the design process of implementing the chassis as an antenna. This can be seen later as a single-mode implementation for a multi-input multi-output (MIMO) system. Communication systems such as mobile devices and VR devices (head mounted displays) are gradually becoming smaller. In the past, folded dipoles, which are folded dipole antennas and installed in the system, were the main approach, but they had limitations such as narrow band, low efficiency, and additional space allocation. In addition, as the MIMO system design for 5G protocol emerges as a new issue, a methodology for efficiently designing and deploying multiple antennas in a narrow space is needed. Recently, the CMT has attracted attention as an alternative method of utilizing the ground of the chassis or the substrate of the communication system as an antenna. The CMT analyzes the characteristic current distribution (characteristic current) that can be generated on the ideal perfect conductor (PEC) surface, Provides a theoretical basis for the design method of designing the current distribution close to the desired shape. However, in order to apply the CMT to the design, it is necessary to understand the similarity of each characteristic current, and a coupler structure capable of applying only a desired characteristic current is needed. Therefore, this paper deals with the following two subjects. 1. The current correlation coefficient (C3), which can calculate the similarity of two current distributions, 2. Coupler structure that can apply desired mode To demonstrate their usefulness, Topic 1 covered a case of deploying multiple antennas at 1 GHz, 70 mm x 134 mm, 1T, and FR-4 mobile devices. For Topic 2, we discussed the process of designing the chassis as an antenna with the proposed coupler structure in a 2.4 GHz-ISM, 50 mm x 61.5 mm x 10 mm, 0.5T FR-4 military drone. As a result, in the Topic 1, the optimal position of two antennas is found, and MIMO is implemented to secure a correlation coefficient (ECC) of 0.1 or less, which is suitable for communication. In Topic 2, the ratio of the radiation pattern occupied more than 95% of the radiation pattern, confirming that the coupler is properly applying the desired mode, and showed that only the chassis can communicate without additional antenna.