Design of Miniaturization Terminal Antenna for 2.4 GHz WiFi Band with MZR

MZR을 이용한 2.4 GHz WiFi 대역 소형 단말기 안테나 설계

Abstract

In this paper, we implemented an on-board miniaturization antenna operating 2.4 GHz using MZR(Mu Zero Resonator). It is must be operating under the constraint that the size of the small terminal PCB should be $78{\times}38{\times}0.8mm^3$ and the size of the system should be $63{\times}38{\times}0.8mm^3$ and the size of the radiating part should be $15{\times}38{\times}0.8mm^3$. The feeding structure uses a CPW structure for stable feeding and a feeding point at the upper left of the system board. A magnetic field coupling structure is used for coupling the feeding part and the antenna. The resonance frequency of the MZR is determined by the series inductance and capacitance of the cell, so the gap between the cells, the length of the cell, the length of the interdigital capacitor, and the spacing between the radiation part and the ground plane are analyzed. The antenna was designed and fabricated using the results. The total size of the antenna including the feed structure is $20.8{\times}9.0{\times}0.8mm^3$, and the electrical length is $0.1664{\lambda}_0{\times}0.072{\lambda}_0{\times}0.0064{\lambda}_0$. The measurement result for 10 dB bandwidth, gain and directivity are 440 MHz(18.3%), 0.4405 dB, and 2.722 dB respectively. It is confirmed that the radiation pattern has omnidirectional characteristics and it can be applied to ultra small terminal antenna.

본 논문에서는 MZR을 사용하여 2.4GHz WiFi대역에서 동작하는 온 보드(on-board) 초소형 안테나를 구현하였다. 설계한 안테나는 소형 단말기 PCB의 크기가 $78{\times}38{\times}0.8mm^3$이며, 시스템의 크기는 $63{\times}38{\times}0.8mm^3$이고, 방사부의 크기는 $15{\times}38{\times}0.8mm^3$인 제한조건에서 동작하는 초소형 안테나를 구현하였다. 급전구조는 시스템 보드의 좌측 상단에 급전 점을 설정하고, 안정적인 급전을 위해 CPW구조를 사용하였고, 급전부와 안테나의 결합은 자계결합구조를 사용하였다. MZR의 공진주파수는 직렬 커패시터와 셀의 인덕턴스에 의해서 결정됨으로 셀 사이의 갭, 셀의 길이, 인터디지털(interdigital) 커패시터의 길이, 방사부와 접지면의 간격에 대하여 분석하였으며, 그 결과를 사용하여 안테나를 설계 제작하였다. 제작한 안테나는 급전구조를 포함한 안테나의 전체크기는 $20.8{\times}9.0{\times}0.8mm^3$이며, 전기적인 길이는 $0.1664{\lambda}_0{\times}0.072{\lambda}_0{\times}0.0064{\lambda}_0$이다. 측정결과 10 dB 대역폭, 이득과 방향성은 각각 440 MHz(18.3%), 0.4405 dB, 2.722 dB이다. 방사패턴은 전 방향 특성을 가지고 있음을 확인하였으며, 초소형 단말기 안테나에 적용할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 1. Transmission Model of MZR Unit Cell. 그림 1. MZR 단일 셀의 전송선로 모델

Fig. 2. Proposed antenna with 2 MZR cells. 그림 2. 2개의 MZR 셀을 갖는 안테나

Fig. 3. Simulated return loss characteristics for MZR cell structures. 그림 3. 셀의 구조에 따른 반사손실 특성

Fig. 4. Photograph of the proposed antenna. 그림 4. 제작한 안테나 사진

Fig. 5. Measurement values of return loss and radiation pattern of the proposed antenna. 그림 5. 제안한 안테나의 반사손실과 방사 패턴의 측정값

Table 1. Design parameters of the proposed antenna. 표 1. 제안한 안테나의 설계값(unit : mm)

Table 2. Comparisons for theory and measurement results of the proposed antenna. 표 2. 제안한 안테나의 이론값과 실험값 특성 비교