In this paper, a design method for a planar dipole pair antenna for an operation in the frequency band of 470-806 MHz for terrestrial indoor digital TV (DTV) is studied. The proposed antenna is composed of two planar dipoles connected through conducting strips, and the antenna is fed by a microstrip line. By employing different lengths of dipoles, a broadband characteristics is obtained, and the antenna is size-reduced by bending both ends of the longer dipole. The effects of design parameters on the antenna performance are examined by simulation, and the parameters are adjusted for terrestrial DTV band use. A prototype of the antenna for indoor DTV reception is fabricated on an FR4 substrate with a size of 240 mm × 139.5 mm and tested experimentally. The experiment results show that the frequency band for a VSWR < 2 ranges 458-864 MHz(61.4%), and it corresponds fairly well with the simulated band of 448-868 MHz(63.8%).
지상파 디지털 TV (DTV)는 아날로그 TV에 비해 2배 이상 뛰어난 품질의 선명한 화면을 제공하고 다양한 응용 서비스가 가능하다. DTV는 최근 10여 년간 급속히 보급되었고, 2013년 이후 대한민국에서는 아날로그 방송이 전면 종료된 상태이다. 현재 DTV 방송용으로 할당된 주파수 대역은 UHF 대역(470-806 MHz)으로서 주파수 범위가 매우 넓어서, 수신용 안테나는 광대역특성을 갖도록 설계하여야 한다. DTV용 안테나에 대한 기존 연구들 대부분이 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, PMP 등 이동이 가능한 휴대기기용 안테나에 대한 것들[1-3]이었던 것과는 대조적으로 가정용 DTV 안테나에 대한 연구는 그리 많지 않았다. 휴대기기용 안테나에 대한 연구들에서 급전선의 특성 임피던스를 50옴으로 가정하는 반면 가정용 실내 DTV의 포트 임피던스는 75옴으로 차이가 있음에 유의하여야 한다[4-7].
PCB 기판 상에 구현되는 일반적인 평면 다이폴 안테나는 대역폭이 충분히 넓지 않지만 최근 연구들에서와 같이 급전구조를 변형[8-10]하거나 길이가 다른 이중다이폴을 연결[11]하여 광대역 특성을 얻을 수 있다. 본연구에서는 DTV 수신용 광대역 평면 다이폴 안테나를 설계하고자 한다. DTV용 주파수 대역에서 동작이 가능하도록 길이가 다른 두 개의 평면 다이폴을 연결하여 광대역 특성을 얻도록 한다. 안테나의 크기를 250 mm × 150 mm 이내로 제한하고, FR4 기판상에 마이크로 스트립(microstrip; MS)으로 급전되도록 설계한다. 안테나의 크기를 소형화하기 위해 길이가 긴 다이폴의 양끝을 구부린다. 두 개의 다이폴은 도체 스트립으로 연결되고 안테나는 MS 선로로 급전된다. 여러 가지 파라미터들이 안테나의 특성에 미치는 영향을 관찰하고 DTV용 주파수 대역에서의 동작에 적합하도록 파라미터들을 최적화한다. 샘플 안테나를 FR4기판에 제작하고 반사계수와 복사특성을 측정하여 본 연구의 타당성을 검증한다.
그림 1은 본 연구에서 제안된 평면 안테나 구조이다. 두께 1.6 mm인 FR4 기판(비유전율 4.4, 손실탄젠트 0.025)의 양면에 두께 36 μm의 동박으로 안테나 형상이 인쇄된다. 안테나는 길이가 다른 2개의 다이폴
불평형 선로인 MS 선로와 평형 선로인 PS 선로 간의 양호한 광대역 정합특성을 얻기 위해서는 밸런(balun)을 구성하여야 하지만, 일반적으로 밸런을 위한 별도의 공간이 필요[12,13]하므로, 본 연구에서는 안테나 소형화를 위해 그림 1에서 제시된 바와 같이 단순한 형태의 변환회로를 구성하였다.
제안된 안테나 구조의 특성을 시뮬레이션을 통해 점검해 보기 위해 상용 전자기 문제 해석 툴인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하였으며, 많은 시뮬레이션 과정을 거쳐서 DTV 대역용으로 적합하도록 파라미터값들을 조정하였다.
표 1에는 DTV 대역용으로 설계된 안테나의 파라미터 값들이 제시되어 있다. 이 값들을 기준으로 하여 몇가지 중요한 파라미터 값들을 적절히 변화시키며 안테나 특성변화에 미치는 영향을 관찰해 보고자 한다.
[표 1.] DTV 수신용으로 설계된 안테나의 파라미터 값들
DTV 수신용으로 설계된 안테나의 파라미터 값들
그림 2는 다이폴
그림 3은 두 다이폴 간 연결 스트립의 간격
그림 4는 연결 스트립의 폭
그림 5는 두 다이폴 사이의 간격
그림 6은 DTV용으로 최적화된, 표 1의 파라미터 값들을 갖는, 안테나의 VSWR과 이득특성을 보여 준다. VSWR이 2 이하인 주파수 대역은 448-868 MHz(63.8%, 대역폭 420 MHz)로서 DTV용 대역(470-806MHz)을 포함하고, 대역 내 안테나의 배열 축 방향(x 방향)으로의 이득은 2 dBi 이상으로 유지되는 양호한 특성을 보인다.
그림 7은 최적화된 안테나의 표면 전류분포로서 저주파 대역인 500 MHz에서는 긴 다이폴
그림 8은 최적화된 안테나의 복사패턴으로서 안테나의 배열 축(x 축)에 근접한 방향으로 지향성을 갖는 것을 볼 수 있다. 저주파 500 MHz에서는 배열 축에 대해 거의 대칭적인 패턴을 보이지만 고주파 800 MHz에서는 비대칭적인 패턴을 보인다. 고주파 대역의 비대칭적인 복사패턴은 그림 7(b)에서 보는 바와 같이 비대칭적인 전류분포에서 기인한다.
최적화된 안테나를 FR4 기판 상에 그림 9와 같이 제작하였다. DTV용 안테나는 포트 임피던스가 75옴으로서 F-type 커넥터로 75옴 동축 케이블을 통해 DTV 포트에 연결된다.
그림 10은 안테나를 급전하는 MS 포트 종단에 SMA커넥터를 납땜으로 연결하고 임피던스를 Vector Network Analyzer (N5230A, Agilent사)로 측정한 후 75옴 선로에 대한 VSWR을 계산한 것이다. VSWR이 2이하인 대역은 458-864 MHz로서 시뮬레이션(448-868 MHz)과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
그림 11은 전파 무반사실에서 측정된 제작된 안테나의 복사패턴이며, 저주파에서는 전형적인 다이폴의 패턴을 보이고, 고주파에서는 배열 축 방향으로 약간 지향성을 갖는 패턴을 보인다. 안테나 이득은 측정결과DTV 대역 내에서 2 dBi이상으로 확인되었다.
그림 12는 제작된 안테나를 동축 케이블을 통해 DTV 포트에 연결한 후 건물 실내에서 수신 성능을 테스트 한 것이다. 건물(동서대 전자정보관)과 송신소(황령산) 간의 거리는 8 km 정도이고, 5층 건물로 가려진 건물 뒤편에 있어서 가시선 (LOS; Line of sight) 상에 있지 않아서 직접 수신은 불가능한 여건 하에 성능을 시험한 것이지만 지상파 5개 방송 모두 양호하게 수신할 수 있었다.
본 논문에서는 지상파 DTV 수신용 광대역 평면 이중 다이폴 안테나 설계 방법에 대해 연구하였다. 제안된 안테나는 길이가 다른 두 개의 스트립 다이폴로 구성되고, 두 개의 다이폴은 도체 스트립에 의해 연결된다. 긴 다이폴의 끝 부분은 구부려 소형화하였고 안테나는 75옴 마이크로스트립 선로로 급전된다.
다이폴의 길이, 연결 스트립의 폭, 길이 및 간격 등이 안테나 특성에 미치는 영향을 관찰하였고, 디지털 TV수신에 적합하도록 파라미터 값들을 최적화하였다. FR4 기판 상에 240×139.5