이동 통신 단말기용 근거리장 안테나 설계에 관한 연구 = Study on Near Field Antenna Design for Mobile Handsets
저자
발행사항
서울 : 광운대학교 대학원, 2013
학위논문사항
학위논문(박사)-- 광운대학교 대학원 : 전파공학과 2013. 8
발행연도
2013
작성언어
한국어
DDC
621
발행국(도시)
서울
형태사항
123 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 이병제
소장기관
본 논문은 이동통신 휴대 단말기에 적용이 가능한 근거리장 안테나의 성
능 개선에 관한 연구를 담고 있다. 최근 이동통신 휴대 단말기는 스마트폰
으로 진화하면서 더 많은 기능들을 포함하고 있는데, 특히 NFC(Near-field
Communication) 서비스와 근거리 무선 전력 전송인 WPT(Wireless Power
Transmission)을 이용하는 무선 첪전 서비스에 대한 요구가 커지고 있다. 하
지만 이들 근거리장 안테나는 일반적인 원거리장 안테나와는 설계 개념과
성능 검증 방법이 다르다. 또한 대부분 휴대 단말기의 배터리에 일체형으로
설계되거나, 배터리 커버에 구현이 된다. 따라서 배터리 혹은 LCD 그라운
드, 메인보드 PCB 등의 금속체 영향으로 안테나의 정상적인 성능 확보를
할 수 없다. 하지만 현재까지 근거리장에서 동작하는 루프 안테나의 성능
개선을 위한 연구는 미비하다. 게다가 무선 첪전을 위한 WPT 안테나가
NFC 안테나와 동시에 동작을 하게 되면 NFC 안테나의 성능 감소가 발생
하게 된다. 하지만, 이것 또한 뚜렷한 해결책을 기존의 연구에서는 제시하
고 있지 못하고 있다. 본 논문은 이동통신 휴대 단말기의 근거리장 안테나
의 동작을 분석하고 새로운 구조의 안테나를 제안하여 근거리장 안테나의
성능을 개선하고 있다.
첫 번째, 논문에서는 NFC 안테나의 기본적인 성능 향상을 위한 연구를 진
행 하였다. 기존의 루프 안테나의 한계를 이론적으로 분석하여 새로운 안테
나 구조 Type 1과 2를 제안하였다. Type 1은 루프 안테나의 턴 배열 구조
를 변경하여, 루프 안테나의 턴 수가 증가 할 때 기하급수적으로 증가하는
안테나의 저항 성분을 억제하는 안테나 M1과 M2 구조를 갖는다. 또한
Type 2는 기존 루프 안테나 구조에 추가적인 구조를 삽입하여 자기장의 크
기를 증가시켜 안테나의 성능 향상을 얻었다. Type 1과 2 안테나는 모두
일반적인 루프 안테나 보다 성능 향상을 보인다. 따라서 투자율이 낮은 폴리머 페라이트 자성 소재를 이용하더라도, 기존의 소결체 페라이트를 이용
한 NFC 안테나와 동등 이상의 성능을 만족하였다. Mifare 1k 태그에서 최
대 57 mm를 만족하였고, EMV 시험에서도 모든 영역에서 100 % 규정을
만족하였다.
두 번째, NFC 안테나가 WPT 안테나의 영향을 최소화 할 수 있는 구조를
제안하였다. NFC/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 NFC 안테나는 Type 1 안
테나 구조를 이용하였고, 추가적으로 Type 2 안테나 구조의 Boosting 구조
를 WPT 안테나에 적용하여 스위칭 형태의 안테나 구성을 갖는다. 제안된
안테나의 NFC 모드에서는 Mifare 1k 태그에서 65 mm를 만족하였고, EMV
시험에서도 모든 영역에서 100 % 규정을 만족한다. 또한 WPT 모드에서는
59 %의 시스템 효율을 갖는다.
본 논문에서 최종 제안된 Type 1과 2 안테나, 그리고 NFC/WPT 듀얼 모드
동작이 가능한 안테나는 모두 근거리장 안테나의 성능 개선 방법을 담고
있다. 또한 실제 단말기에 적용되는 공정을 따라 제작이 되었고, 실제 인증
기관의 측정 방법을 따랐기 때문에 실제 상용 단말기에 적용에 어려움이
없을 거라고 판단된다.
This dissertation presents studies on enhancement of a near-field antenna for
mobile handset applications. The recent mobile phone includes additional
functions such as the NFC (Near-field Communication) service and the WPT
(Wireless Power Transmission) service. However, the design concept of a
near-field antenna for these services is somewhat different from that of a
conventional far-field antenna. The major challenge in designing of these
near-field antennas is an influence on the antenna performance due to metallic
devices near to an antenna such as the battery and the LCD ground plane
since most of these near-field antennas are embedded in the battery or the
battery cover. In addition, the performance of an NFC antenna can be
deteriorated when it mounted near to the WPT antenna for the NFC/WPT
dual mode application. However, very few studies on improving the near-field
loop antenna performance for mobile handset applications have been conducted.
In this dissertation, a novel near-field loop antenna for mobile handset
applications is proposed based on the analysis of commercial NFC loop
antennas.
First, the antenna, Type 1, which consists of M1 and M2 antenna where the
sequence of a loop turn is modified, is proposed to improve the near-field loop
antenna performance. Type 1 can avoid the rapid increment in resistance when
the number of loop turns is increased. The antenna, Type 2, have an additional
parasitic closed loop which can enhance the H-field intensity. In the detection
range test for the R/W mode and in the EMV test for the card mode, the proposed NFC antennas, Type 1 and 2, give better antenna performances than
that of conventional NFC loop antennas. Therefore, these propose antennas can
be attached on the ferrite-polymer composite, which has the lower permeability
than that of the conventional sintered ferrite, to meet specifications of the R/W
mode test (57mm at Mifare 1k reference tag) and the card mode test (all
passed at EMV test).
Second, the dual mode NFC and WPT antenna is proposed to reduce the
influence on the NFC antenna performance due to the WPC antenna when two
antennas are located close to each other. The NFC antenna in the dual mode
is designed based on the NFC antenna, Type 1 (M2). The WPT antenna in the
dual mode is designed based on the NFC antenna, Type 2, and it has the
switching network to connect a capacitor. The proposed dual mode NFC and
WPT antenna meets all of specifications of the R/W mode test (65mm at
Mifare 1k reference tag) and the card mode test (all passed at EMV test) in
the NFC mode, and has more than 59% of the system efficiency in the WPT
mode.
This dissertation proposes new NFC antenna structures, Type 1 and 2, and the
dual mode NFC and WPT antenna structure, which give better performance
than that of the conventional antenna. This is verified by the measurement of
fabricated antennas with real manufacturing processes. Therefore, these proposed
near-field antennas can be applicable for practical mobile handset applications.
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