이동통신 기술의 발달로 많은 양의 데이터를 고속으로 전송해야 하기 때문에 다중 안테나 기술은 필수적이라고 할 수 있습니다. 다중 안테나 기술(MIMO Antenna)는 다수의 안테나를 사용하여 전송 효율을 높이게 되는데, 다수의 안테나를 근접한 거리에서 사용하게 되면 서로간에 신호 간섭으로 인해 성능 열화가 발생할 수 있습니다. 그러나 모바일에서 제공하는 기능들이 많아지면서 한정된 공간 안에 다수의 안테나들을 위치 시켜야 하기 때문에 부품간 거리가 가까워지는 것은 피할 수 없는 실정입니다. 그렇기 때문에 한정된 공간에서 다중 안테나를 활용하는 경우에는 다양한 안테나 위치에서의 안테나 특성을 확인할 수 있는 시뮬레이션의 역할이 매우 중요해지고 있습니다. 뿐만 아니라 핸드폰과 같이 인체에서 가깝게 사용되는 전자기기의 경우 전자파 흡수율인 SAR(Specific Absorption Rate) 요소가 매우 중요하기 때문에 안테나 해석과 더불어 전자파 흡수율에 대한 해석 필요성도 매우 커지고 있습니다.

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다중 안테나를 구성하는 단일 안테나 설계

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그림 1은 Antenna Magus에서 제공하는 다양한 안테나 구조입니다. 모바일 폰과 같이 물리적 구조가 한정된 조건에서는 안테나 구조에 따라 특성이 다르기 때문에 다양한 구조의 안테나로 테스트 해보는 것이 중요합니다. Antenna Magus의 경우 안테나 모델링에 대해 350개 이상의 데이터베이스를 제공하기 때문에 안테나 구조에 따른 특성을 비교분석을 하기에 매우 용이합니다. 본 해석 프로세스에서는 모바일 안테나로 주로 활용되는 평면 인버트 F 안테나 (Planar Inverted F Antenna, PIFA)에 대해 설계해 보겠습니다.

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그림 2는 Antenna Magus에서 제공하는 안테나 응용 분야입니다. Antenna Magus는 안테나 데이터베이스와 더불어 상용 주파수 항목들에 대해서도 응용 분야별로 제공하고 있습니다. 설계하고자 하는 안테나의 목표 설계 스펙이 0.9GHz, 1.9GHz 이중 대역에서 동작하는 모바일 안테나이므로 모바일 커뮤니케이션 응용분야의 GSM (Global System for Mobile Communications) 0.9GHz 대역을 선택하여 설계합니다.

그림 3은 Antenna Magus로 설계한 PIFA의 구조 및 해석 결과입니다. Antenna Magus의 경우 설계된 안테나의 해석 결과를 S 파라미터 및 3차원 방사패턴으로 보여줍니다. 그러나 안테나 구조에 분포하는 표면 전류 결과나 전자기장 결과에 대해서는 분석할 수 없기 때문에, 더욱 심도 있는 분석을 위해서는 CST MWS(MICROWAVE STUDIO)을 활용하여 추가적인 해석을 진행해야 합니다. CST MWS는 고주파 영역에서의 전자기장 해석을 위한 툴로써 안테나를 비롯한 다양한 RF 소자들에 대해 3차원 영역에서 해석할 수 있기 때문에 3 표면 전류, 전자기장 분포, 안테나 방사패턴과 같은 해석결과를 3차원으로 얻어낼 수 있습니다. 또한, Antenna Magus는 설계된 구조를 CST MWS 파일 포맷으로 내보내기 기능을 제공하기 때문에 어려움 없이 CST MWS로 불러와서 해석할 수 있습니다.

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그림 4는 CST MWS에서 설계된 단일 안테나를 나타냅니다. 목표 설계 주파수가 0.9GHz, 1.9GHz 이중 대역이므로 그림 4(a)에 나타낸 Antenna Magus를 통해 설계된 단일 공진 안테나에 4(b)와 같이 1.9GHz에서 동작하는 공진 경로를 CST MWS를 통해 추가적으로 모델링 하였습니다.

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​그림 5. CST MWS의 단일 안테나 해석 결과

그림 5는 CST MWS로 해석한 단일 안테나의 해석 결과를 나타냅니다. 그림 5(a)에 나타낸 것처럼 Antenna Magus로 설계한 0.9GHz 공진에 추가로 1.9GHz대역에서 공진 하는 것을 확인할 수 있습니다. 또한, 그림 5(b)처럼 안테나 구조에 분포하는 표면 전류와 전자기장 결과를 3차원으로 확인 가능합니다.

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다중 안테나 설계 및 성능 분석

​다중 안테나 구조에서 근접한 안테나 간의 간섭이 심할 경우 각 안테나로 전달되는 정보를 제대로 인식하지 못할 수 있습니다. 그렇기 때문에 다중 안테나를 설계 시에는 S11(반사 손실)도 중요하지만 S21(격리도) 특성도 중요하게 보는 요소 중 하나입니다. 격리도 특성을 나타내는 S21의 의미하는 바는 안테나 1번에서 안테나 2번으로 유기되는 신호량을 의미 하기 때문에 S21의 값이 크면 안테나 간의 간섭이 많다는 의미이고, S21이 작으면 안테나 간의 간섭이 적다는 의미입니다.

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그림 6은 앞 절에서 설계한 이중 대역 단일 안테나를 PCB 상단(안테나 1)과 하단(안테나 2)에 위치 시킨 형태로 설계한 다중 안테나 구조와 그때의 S 파라미터 결과입니다. 그림에서와 같이 1.9GHz의 격리도 값은 -21dB로 준수한 편이지만, 0.9GHz의 격리도 값은 -3.9dB로, 1.9GHz에 비해 매우 열화 된 특성을 나타내고 있습니다. 여기서 -3.9dB는 인가된 신호의 40%가 상대 안테나로 유기 된다는 의미입니다. 이런 격리도 특성은 S 파라미터 결과로도 확인할 수 있지만, 3차원 전기장 결과로도 확인해 볼 수 있습니다.

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그림 7은 안테나 1번이 동작할 때의 전기장 분포를 나타낸 결과입니다. 1.9GHz 대역의 경우 안테나 1번이 동작할 때 안테나 2번에서는 전기장이 약하게 분포하지만, 0.9GHz 안테나가 동작할 때에는 안테나 2번에 강한 전기장이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 그러나 다중 안테나 특성을 결정하는 요인이 격리도 특성만 있는 것은 아닙니다. 격리도 외에도 근접한 안테나의 방사 패턴 간섭도를 나타내는 상관계수 (Envelope Correlation Coefficient)와 다이버시티 이득이 있습니다. 상관계수가 낮을수록 상대 안테나와의 간섭도가 적다는 의미이므로 다이버시티 이득은 높게 나타납니다. 그래서 다중 안테나를 분석할 때 격리도 특성으로 안테나 간의 간섭도를 판단하기도 하지만 상관계수와 다이버시티 이득도 함께 분석하여 다중 안테나 간의 간섭도에 대해 더욱 심도 있게 분석하기도 합니다.

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​그림 8. 설계된 다중 안테나의 상관계수 및 다이버시티 이득 결과

그림 8은 앞장에서 설계한 이중 대역 다중 안테나의 상관계수 및 다이버시티 이득 결과입니다. 0.38GHz 대역에서의 상관계수 결과와 다이버시티 이득 결과를 비교해보면 앞에서 설명한 대로 상관계수가 낮을 때 다이버시티 이득이 높게 나타나는 것을 알 수 있습니다. 이처럼 상관계수 및 다이버시티 이득 결과를 통해 주파수 별 간섭도를 분석할 수 있습니다.

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그림 9는 앞에서 설계된 이중 대역 다중 안테나를 휴대폰 케이스와 함께 모델링한 구조와 해석 결과를 나타냅니다. 고주파 대역에서 동작하는 안테나의 경우 주변 기구물에 의해 저주파 대역보다 성능에 영향을 많이 받기 때문에 안테나 단품에 대한 해석과 더불어 안테나가 장착 될 기구물과 함께 해석하는 것이 중요합니다. 그림 9에서 알 수 있듯이 휴대폰 케이스의 영향으로 1.9GHz 대역의 공진 주파수가 2GHz 근처까지 천이 된 것을 확인 가능합니다. 이처럼 주변 기구물에 의해 안테나의 특성이 변할 수 있기 때문에 최종적으로는 안테나가 장착 될 기구물과 함께 해석 및 분석 하는 것이 필요합니다.

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매칭 회로를 활용한 안테나 성능 디버깅

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주변 기구물에 의해 변경된 특성을 디버깅 할 때에는 특성 변화의 원인이 되는 기구물과 함께 디버깅 해야 합니다. 그러나 주변 기구물이 복잡할수록 해석 시간이 길어 지기 때문에 매 순간 기구물과 함께 해석하는 것은 개발기간 관점에서 큰 손실입니다. 그래서 CST STUDIO SUITE에서는 CST DESIGN STUDIO (DES)를 활용한 연계 해석 기능을 제공하고 있습니다. CST DES는 3차원 모델을 부품화 시켜 주변 회로와 함께 빠르게 해석하기 때문에 주변 회로 변경에 의해 결과가 어떤 영향을 받는지 경향성 분석에 매우 용이합니다.

그림 10은 CST MWS에서 설계된 3차원 구조가 CST DES에서 회로 모델로 구현 된 모습입니다. CST DES의 경우 CST MWS에서 모델링 된 3차원 구조를 회로로 구현할 수 있기 때문에 CST MWS와 CST DES의 연계 해석을 통해 안테나 주변 구조 변화에 따른 경향성 분석 결과를 매우 빠르게 볼 수 있습니다.

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그림 11. 매칭회로가 적용된 안테나 구조 및 해석 결과

그림 11(a)는 설계된 이중 대역 다중 안테나에 매칭 회로를 적용한 모습입니다. 앞서 그림 9에서 나타낸 것처럼 휴대폰 케이스에 의해 안테나 공진 주파수가 1.9GHz에서 2GHz로 천이 되었기 때문에 공진 주파수를 다시 목표 주파수인 1.9GHz 대역으로 천이 시켜야 합니다. 공진 주파수의 경우 구조를 구성하는 R, L, C 성분에 의해 결정되기 때문에 부품화 된 3차원 구조 앞뒤로 L, C로 구성된 매칭 회로를 추가하여 해석하였습니다. 그때의 결과는 그림 11(b)에 나타낸 것처럼 매칭 회로에 의해서 휴대폰 케이스와 함께 모델링 된 다중 안테나의 공진 주파수가 1.9GHz 대역으로 다시 천이 된 것을 확인 가능합니다.

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전자파 흡수율 해석 및 분석

모바일 폰의 경우 인체 두부에 가깝게 사용하는 기기이기 때문에 전자파가 인체에 영향을 미치는 정도를 나타내는 전자파 흡수율 (SAR) 규격이 매우 중요합니다. CST MWS는 이런 전자파 흡수율에 대해서도 분석할 수 있는 기능을 제공하고 있으며, 전자파 흡수율 분석에 필요한 인체 모델까지 함께 제공하고 있기 때문에 안테나 분석에 이어 전자파 흡수율분석까지 함께 진행하는데 있어서 매우 큰 강점이 있습니다. 앞장에서 설계한 다중 안테나를 기반으로 전자파 흡수율에 대한 해석을 진행하였으며 그때의 구조 및 결과를 그림 12에 나타내었습니다.

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그림 12와 같이 안테나에서 방사되는 전자기장이 인체에 어떤 영향을 주는지 3차원 환경에서 분석할 수 있기 때문에 전자파 흡수율 정도를 전체적인 구조에서뿐만 아니라 특정 평면에서도 관찰할 수 있습니다. 또한 특정 평면에서 전자파 흡수율의 값을 수치로 보여주기 때문에 어느 위치에서 얼마의 값이 나오는지 직관적으로 분석할 수 있습니다. 이처럼 안테나로부터 방사되는 전자기장이 인체 두부에 어떤 형태로 분포해 있는지 효과적으로 분석할 수 있습니다.

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맺음말

​지금까지 CST MWS 및 CST DES를 활용하여 모바일용 다중 안테나를 설계해 보았습니다. 다중 안테나의 경우 근접한 안테나 간의 간섭도가 안테나 성능을 결정하는 매우 중요한 요소 중 하나입니다. 그렇기 때문에 3차원 해석을 통한 안테나 성능 분석이 매우 중요합니다. 그래서 본 사례에서는 CST MWS를 활용하여 S 파라미터 결과와 전자기장 분포 결과, 상관계수 및 다이버시티 이득과 같은 다양한 관점에서 안테나 간섭도에 대해 분석하였고, CST DES와 연계 해석을 통해 근접한 기구에 의해 변화 된 특성을 디버깅 하였습니다.

뿐만 아니라, 모바일 폰처럼 인체 두부에 근접하게 사용하는 전자기기들의 경우, 전자파 흡수율 특성이 매우 중요하기 때문에 CST MWS를 통해 전자파 흡수율 해석에 대해서도 진행하였습니다.

이처럼 CST Studio Suite은 안테나 설계시에 꼭 확인해야 하는 요소들에 대해 효과적으로 분석할 수 있는 기능들을 제공하고 있고, 3D 기구물도 완벽하게 외부로부터 불러들여오기 때문에 안테나 설계 및 분석을 매우 효율적으로 진행할 수 있습니다.

본 자료는 다쏘시스템 블로그의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : 다쏘시스템 블로그