역-F 안테나

DECT (무선 전화기 및 유사 장치에 사용되는 기술) [[기지국에 있는 역-F 안테나]] **역-F 안테나**(Inverted-F antenna)는 주로 UHF 및 마이크로파 진동수에서 무선 통신에 사용되는 안테나의 한 유형이다. 이는 접지면과 평행하게 연결되고 한쪽 끝이 접지된 모노폴 안테나로 구성된다. 안테나는 접지된 끝에서 어느 정도 떨어진 중간 지점에서 급전된다. 이 설계는 단순한 모노폴 안테나에 비해 두 가지 장점이 있다. 안테나가 더 짧고 작아서 모바일 장치 케이스 안에 포함될 수 있고, 설계자가 급전 회로에 임피던스 매칭을 할 수 있어 별도의 매칭 구성 요소 없이도 효율적으로 전력을 방사할 수 있다. 역-F 안테나는 1950년대에 구부러진 와이어 안테나로 처음 구상되었다. 그러나 가장 널리 사용되는 형태는 공간 절약 특성 때문에 모바일 무선 장치에서 **평면형 역-F 안테나**(planar inverted-F antenna, **PIFA**)로 사용된다. PIFA는 다른 부품을 장착하는 데 사용되는 동일한 인쇄 회로 기판의 일부로 인쇄된 RF 부품을 제조할 수 있게 해주는 널리 사용되는 기술인 마이크로스트립 형태로 인쇄될 수 있다. PIFA는 패치 안테나의 변형이다. 이 안테나와 다른 형태의 역-F 안테나에는 광대역 또는 다중 대역 안테나를 구현하는 많은 변형이 존재한다. 기술에는 결합 공진기와 슬롯 추가가 포함된다.
# 진화와 역사
D''' 역-F 안테나 역-F 안테나는 널리 사용되는 4분의 1파장 모노폴 안테나의 진화형으로, 전도성 접지면 위에 수직으로 장착된 전도성 막대로 구성되며 베이스에서 급전된다. 와이어 F형 안테나는 1940년대에 발명되었다.Waterhouse & Novak, p. 19 이 안테나에서는 급전이 베이스 대신 안테나 길이의 중간 지점에 연결되고, 안테나의 베이스는 접지면에 연결된다. 이렇게 하는 장점은 안테나의 입력 임피던스가 급전 지점과 접지된 끝 사이의 거리에 따라 달라진다는 것이다. 급전 지점과 접지면 사이의 안테나 부분은 본질적으로 단락 스터브처럼 작동한다. 따라서 설계자는 안테나 요소의 급전 지점 위치를 설정하여 안테나를 급전선 임피던스에 맞출 수 있다. 역-L 안테나는 접지면과 평행하게 구부러진 모노폴 안테나이다. \tfrac{1}{4}\lambda 모노폴보다 작고 길이가 짧다는 장점이 있지만, 임피던스가 매우 낮다는 단점이 있다. 베이스에서 급전할 경우 일반적으로 몇 옴에 불과하지만, 베이스에서 급전되는 \tfrac{1}{4}\lambda 모노폴은 36.5 Ω의 임피던스를 갖는다.Hall et al., pp. 197–198 역-F 안테나는 이 두 안테나의 장점을 모두 결합한다. 역-L의 소형화 특성과 F형처럼 급전 회로(종종 인쇄 회로에서 50 Ω)의 임피던스를 맞출 수 있는 능력을 가지고 있다.Yarman, p. 67 역-F 안테나는 1958년 하버드 대학교의 로널드 W. P. 킹이 이끄는 그룹에 의해 처음 제안되었다.King, Harrison & Denton (1958, 1960) 킹의 안테나는 와이어 형태였고 원격 측정을 위해 미사일에 사용될 예정이었다.Prasad & King, pp. 449, 452
# 평면형 구현
} 평면형 역-F 안테나(PIFA)는 마이크로스트립으로 구현된 무선 회로에 사용된다. 마이크로스트립 형식은 현대 RF 전자 장치에서 선택되는 형식이다. 이는 필터와 같은 필요한 분포 정수형 RF 부품을 구현하는 데 사용될 수 있으며, 동시에 인쇄 회로 기판과 동일한 대량 생산 방법이 사용되므로 경제적이다. 인쇄된 역-F 안테나는 고전적인 역-F 형태로 구현될 수 있으며, 일반적으로 안테나 아래의 접지면이 제거된 회로 기판의 한쪽에 위치한다. 그러나 또 다른 접근 방식은 수정된 패치 안테나인 **단락 패치 안테나**(shorted patch antenna)이다. 이 접근 방식에서는 패치의 한쪽 가장자리 또는 중간 지점이 접지 핀 또는 비아를 통해 접지면으로 접지된다. 이는 역-F 안테나와 동일한 원리로 작동한다. 옆에서 보면 F 형태를 볼 수 있는데, 이는 안테나 요소가 수평면에서 매우 넓기 때문이다.Hall et al., pp. 198–199 단락 패치 안테나는 더 넓은 방사 영역 때문에 얇은 선형보다 더 넓은 대역폭을 갖는다.Yarman, p. 68 얇은 선형과 마찬가지로 단락 패치 안테나는 나머지 회로와 동일한 인쇄 회로 기판에 인쇄될 수 있다. 그러나 일반적으로 자체 보드 또는 주 보드에 고정된 유전체에 인쇄된다. 이는 안테나가 공기 유전체에 효과적으로 떠 있어 접지면과의 거리가 더 멀어지거나, 사용된 유전체가 RF 성능에 더 적합한 재료이기 때문이다.Hall et al., pp. 200, 209 PIFA라는 용어는 많은 저자들(예: Sánchez-HernándezSánchez-Hernández, pp. 16–22)에 의해 안테나 요소가 넓고 아래에 접지면이 있는 단락 패치 안테나에 사용된다. 다이어그램의 A와 B처럼 한쪽에 접지면이 있는 얇은 선형 역-F 안테나는 평면형이더라도 단순히 IFA라고 불린다. 어떤 저자는 이러한 유형의 IFA를 인쇄된 역-F 안테나라고 부르지만 여전히 단락 패치 유형에 PIFA라는 용어를 사용한다(예: Hall and WangHall & Wang, p. 96). 단락 패치 안테나의 일반적인 구성은 단락 핀을 한쪽 모서리에 최대한 가깝게 배치하고 급전 핀을 단락 핀에 비교적 가깝게 배치하는 것이다. 이 구성에서 공진 진동수는 대략 다음과 같이 주어진다. : f_0 = \frac {c} {4 (w + b) \sqrt \varepsilon_\mathrm r} :여기서 :f0는 공진 진동수 :w, b는 패치의 너비와 길이 :c는 광속 :εr은 기판의 유전율이다. 이 공식은 안테나가 장치의 케이싱과 같은 근처 유전체의 영향을 받지 않을 때만 유효하다.Yarman, pp. 68–69 만날 수 있는 또 다른 변형은 미앤더 역-F 안테나(MIFA)이다. 안테나를 필요한 전체 길이로 확장할 공간이 부족할 경우, 설계된 전기적 길이를 유지하면서 안테나의 높이를 줄이기 위해 안테나를 미앤더 형태로 만들 수 있다.Kervel, pp. 1, 3–4 이는 러버 더키 안테나에서 발견되는 안테나의 나선형화와 비교될 수 있다.Cohen, p. 43: "Viewing the rubber duck as a 3-D meander line using a helix, it's easy to see that other attempts at miniaturization are possible". 역-F 안테나는 좁은 대역폭을 갖는다. 안테나를 길게 하면 복사 저항이 증가하여 더 넓은 대역폭을 얻을 수 있다. 또 다른 해결책은 두 개의 안테나를 가까이 배치하는 것이다. 이는 결합 공진기가 단독 공진기보다 더 넓은 대역폭을 가지기 때문에 작동한다. 다중 대역 안테나를 생성하기 위한 대부분의 기술은 대역폭을 넓히는 데도 효과적이다.Hall et al., p. 200
# 다중 대역 안테나
2.4GHz 및 5.2GHz 대역에서 네트워크 인터페이스 컨트롤러를 제공하는 [[PC 카드 애플리케이션의 이중 대역 인쇄 역-F 안테나Kin-Lu et al., pp. 223–225]] 다중 대역 안테나의 필요성은 사용되는 주파수 대역이 종종 다를 수 있는 국가 및 네트워크 사이를 이동해야 하는 모바일 장치에서 발생한다. 1997년에 처음 보고된 가장 개념적으로 단순한 설계는 두 개의 PIFA 패치 안테나를 서로 안에 배치하는 것이다.Liu et al., p. 1451 또 다른 기술은 패치에 하나 이상의 스퍼 라인을 삽입하는 것으로, 이는 대역을 넓히는 결합 공진기의 효과를 가져온다. 다른 기술은 여러 모드가 생성되는 것에 의존하며, 이는 더 작은 설계를 가능하게 한다. 이러한 예로는 인터디지털 필터와 유사한 패턴인 C-슬롯 패턴과 다이어그램에서 각각 C와 D로 표시된 밀접하게 얽힌 패턴이 있다.Hall et al., pp. 203–204 **D**: 밀접하게 얽힌 역-F 안테나
# 응용 분야
역-F 안테나는 공간이 중요한 소형 휴대용 무선 장치에 널리 사용된다. 여기에는 GSM, 블루투스, 와이파이와 같은 무선 전송을 사용하는 휴대 전화 및 태블릿 컴퓨터가 포함된다.Hall et al., p. 197 평면형 역-F 안테나는 휴대 전화 설계에서 가장 자주 사용되는 내부 안테나이다.Yarman, p. 67 이 안테나는 차량 텔레매틱스에도 유용하다. 차량 제조업체는 스타일 및 공기역학적 이유로 차량의 윤곽을 따르는 안테나를 사용하는 것을 선호한다. 다중 대역 PIFA는 휴대 전화, 위성 내비게이션, 자동차 라디오의 안테나 급전을 결합하는 데 사용될 수 있다.Hall et al., p. 222 이 안테나는 Inter-Range Instrumentation Group 표준을 지원하는 군사 시험장을 포함한 원격 측정 응용 분야에 사용되었다.Barton, 2017 R자형 이중 대역 PIFA는 군용 차량에 사용하기 위해 제안되었다. 커버할 대역은 225MHz와 450MHz이다. 이 주파수들은 900MHz와 1.8GHz의 휴대 전화 GSM 대역과 같은 비율이므로, 크기를 축소하면 이 응용 분야에도 사용될 수 있다.Ali et al., p. 29