역-F 안테나

역-F 안테나()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(, 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 
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.  모노폴보다 작고 길이가 짧다는 장점이 있지만, 임피던스가 매우 낮다는 단점이 있다. 베이스에서 급전할 경우 일반적으로 몇 옴에 불과하지만, 베이스에서 급전되는  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.

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.

 평면형 구현 
파일:KeyBoardWithoutGroundPlane.png접지면이 없는 보드파일:KeyBoardWithGroundPlane.png접지면이 있는 보드파일:KeyFeedPin.png안테나 급전 핀파일:KeyGroundPin.png접지 핀
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()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.

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.

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 
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

 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

 각주 

 참고 문헌 
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분류:마이크로파 기술