KR100287997B1 - 무선근거리통신망용평면모노폴안테나 - Google Patents

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Abstract

무선 근거리통신망에 사용되는 평면 모노폴 안테나가 개시된다. 본 발명에 의한 무선 근거리통신망용 평면 모노폴 안테나는, 금속성의 접지면을 구비하는 콤포넨트 사이드 기판패턴과, 절연체로 이루어져 상기 기판패턴을 지지하기 위한 절연 기판패턴 및 솔더 사이드 기판패턴을 구비하는 무선 근거리통신망용 평면 모노폴 안테나에 있어서, 상기 솔더 사이드 기판에서 상기 마이크로스트립 전송선의 일부에 접속되어 안테나의 패턴을 평면상에서 90도 이상의 각도변화를 한 번 이상 반복하여 형성시킨 모노폴 안테나를 포함하여, 상기 모노폴 안테나의 길이는 모노폴 방식으로서의 길이를 유지하면서 단순한 모노폴 안테나에 비해 비정합성이 개선됨에 따라 효율적 전자파 방사가 가능하고, 소형의 PCMCIA 타입 무선 LAN 어댑터에 적합한 소형 안테나가 제공된다.

Description

무선 근거리통신망용 평면 모노폴 안테나{Plane monopole antenna for wiress local area network}
본 발명은 무선 근거리통신망(LAN; Local Area Network)에 적합한 안테나에 관한 것으로, 더 상세하게는 무선 LAN 시스템을 구성하기 위한 무선 LAN 어댑터에 적합하게 사용될 수 있는 평면 모노폴 안테나에 관한 것이다.
외장형 무선 LAN 안테나는 내장형 무선 LAN 안테나에 비하여 크기에 대한 제약이 적기 때문에 안테나의 길이가 파장의 1/2 정도인 평면형 다이폴 안테나를 사용하는 것이 가능하지만 궁극적으로는 전체 안테나의 크기에 제한을 받기 때문에 다이폴 안테나를 장착하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 전체 안테나의 크기에 있어 소형을 유지할 수 있도록 하기 위해 안테나의 길이가 파장의 1/4 정도인 평면형 모노폴 안테나를 사용하는것이 보다 바람직하다. 그러나, 일반적으로 1/4 파장길이의 모노폴 안테나는 길이가 파장의 1/4 정도라는 것 외에 접지면이 모노폴 안테나와 수직인 방향으로 무한히 펼쳐져 있어야 이론적으로 제시되는 특성을 얻을 수 있다. 상기 평면형 모노폴 안테나는 다이폴 안테나의 한쪽을 제거하고 제거된 쪽의 반공간을 금속으로 완전히 채워 넣음으로써 다이폴 안테나와 유사한 특성을 얻도록 설계되는 것이 일반적이다.
도 1에 종래의 평면형 모노폴 안테나에 대한 기판패턴의 구조도를 도시하였다. 도 1을 참조하면, 종래의 평면형 모노폴 안테나는, 접지면(102)이 부착된 콤포넨트 사이드 기판패턴(104)과, 마이크로 스트립 전송선(106) 단부에 직선형의 모노폴 안테나(108)가 연결된 솔더 사이드 기판패턴(110) 및 절연기판(112)으로 구성된다.
상기와 같은 종래의 평면형 모노폴 안테나는 무선 LAN카드의 크기가 유한하여 접지의 크기가 반공간에서 무한한 이론적인 모노폴 안테나의 특성을 만들어 낼 수가 없기 때문에 모노폴 안테나와 다이폴 안테나의 중간적인 성능을 나타내고, 또한 마이크로스트립 전송선(106)을 따라 진행하게 되는 신호가 갑작스럽게 접지면 끝을 만나게 됨으로써 불연속 캐패시턴스 성분에 접하게 되는 효과가 발생한다. 상기 캐패시턴스 성분으로 인해 임피던스 매칭이 불량하게 됨으로써 상기 신호를 포함하는 전자파가 상기 임피던스 불일치와 유한한 접지면 때문에 결국 당해분야의 기술자에 의해 이해되어지는 바와 같이 전압 정지파율(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)이 커져서 상기 전자파의 방사가 효율적으로 이루어지지 못한다는 단점이 있다. 또한, 통상 무선 LAN 어댑터가 소형인 PCMCIA 타입이기 때문에 안테나의 길이를 확장시키는데 제한이 있다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 평면형 모노폴 안테나에 있어서 상기 안테나의 길이는 모노폴 안테나로서 소형이면서도 비정합성이 개선된 무선 LAN용 안테나를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 평면형 모노폴 안테나에 대한 기판패턴을 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 평면 모노폴 안테나에 대한 기판패턴을 도시한 구조도이다.
도 3은 도 2의 평면형 모노폴안테나의 전기적 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 도 2의 평면형 모노폴안테나에서의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 임피던스 다이어그램이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 타실시예에 의한 평면 모노폴 안테나로서 변형된 모노폴안테나 패턴들을 도시한 구조도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
202...접지면, 203, 209...SMA형 커넥터 접속부,
204...콤포넨트 사이드 기판패턴, 206...마이크로스트립 전송선,
208...지그재그형 모노폴 안테나, 210...솔더 사이드 기판패턴,
212...절연 기판패턴, S...신호단자,
G...접지단자.
상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 무선 근거리통신망용 평면 모노폴 안테나는, 금속성의 접지면을 구비하는 콤포넨트 사이드 기판패턴과, 절연체로 이루어져 상기 기판패턴을 지지하기 위한 절연 기판패턴 및 솔더 사이드 기판패턴을 구비하는 무선 근거리통신망용 평면 모노폴 안테나에 있어서, 상기 솔더 사이드 기판에서 상기 마이크로스트립 전송선의 일부에 접속되어 안테나의 패턴을 평면상에서 90도 이상의 각도변화를 한 번 이상 반복하여 형성시킨 모노폴 안테나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 콤포넨트 사이드 기판패턴은 상기 접지면상에 외부 안테나를 접속하기 위하여 하나 이상의 커넥터를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 커넥터는 4 구의 접지 단자와 1 구의 신호 단자를 구비하는 SMA 형의 커넥터인 것이 바람직하다.
이하 유첨 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 실시예에 의한 평면 모노폴 안테나의 구조도를 도시하였다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 평면 모노폴 안테나는, 금속성의 접지면(202)과 외부 안테나(미도시)와 접속하기 위한 2개의 SMA형 커넥터 접속부(203)가 구비된 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)과, 마이크로스트립 전송선(206) 끝에 지그재그형 모노폴 안테나(208)와 외부의 안테나(미도시)와 접속하기 위한 2개의 SMA형 커넥터 접속부(209)가 구비된 솔더 사이드 기판패턴(210)과, 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)과 솔더 사이드 기판패턴(210)을 지지하기 위한 에폭시 재질의 절연 기판패턴(212)을 포함하며, 지그재그형 모노폴 안테나(208)는 패턴의 평면상에서 180도의 각도변화를 6회 반복하여 형성된다. 또한, SMA형 커넥터 접속부(203, 209)는 4 구의 접지단자와 1 구의 신호단자를 구비하고 솔더 사이드 기판패턴(210)에 형성되어 있는 SMA형 커넥터 접속부(209)의 신호단자는 마이크로스트립 전송선(206)에 접속된다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 의한 평면 모노폴 안테나는, 솔더 사이드 기판패턴(210)에 지그재그형의 모노폴안테나(208)가 형성되어 있음에 따라 외부로 방사되는 2.4 기가헤르쯔(GHz)의 주파수를 갖는 전자파가 모노폴안테나(208)의 구부러진 부분에서 상기 전자파의 시간에 따른 변화를 저지하는 방향으로 전위차를 유기시키기 때문에 소정의 턴(turn)수를 갖는 코일을 따라 전류가 흐를 때 상기 전류의 시간에 따른 변화를 억제하는 방향으로 전위차가 발생하는 특성을 나타내는 인덕턴스로 작용하게 된다.
도 3에는 도 2의 평면형 모노폴안테나의 전기적 등가회로를 도시하였다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 평면형 모노폴안테나는 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)의 접지면(202)에서 절연기판(212)까지의 콤포넨트 사이드 패턴측 임피던스는 등가적으로 제 1 저항 ZR1과 불연속 캐패시턴스 ZC로 나타낼 수 있으며, 솔더 사이드 기판패턴(210)의 마이크로스트립 전송선(206)에서 모노폴안테나(208)까지의 솔더 사이드 기판패턴측 임피던스는 등가적으로 제 2 저항 ZR2와 인덕턴스 ZL로 나타낼 수 있다.
도 4에는 도 2의 평면형 모노폴안테나에서의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 임피던스 다이어그램을 도시하였다. 도 4를 참조하면, 도 2의 평면형 모노폴안테나는 ω를 무선 LAN 사용주파수 f에 대한 각주파수 2πf라 할때, 마이크로스트립 전송선(206)에서 접지면(202)까지의 경로에서는 해당경로까지의 저항성분 ZR1과 크기가 ┃ 1/ωC ┃이고 위상이 θc인 캐패시턴스 성분 Zc의 합으로 나타내어지는 Z1의 임피던스를 갖고, 마이크로스트립 전송선(206)에서 모노폴 안테나(208)까지의 경로에서는 상기 경로까지의 저항성분 ZR2와 크기가 ┃ ωL ┃이고 위상이 θL인 상술한 인덕턴스 성분 ZL의 합으로 나타내어지는 Z2의 임피던스를 갖는다. 즉, 콤포넨트 사이드 패턴측의 임피던스 Z1및 솔더 사이드 패턴측의 임피던스 Z2는 각각,
Z1= ZR1+ Zc
Z2= ZR2+ ZL
과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시예에서는 상술한 바와 같이 모노폴안테나(208)가 지그재그의 채찍 형태로 이루어져 있음으로 모노폴 안테나(208)의 몸체에는 인덕턴스 성분이 발생하게 되는데, 특히 무선 LAN 사용 주파수인 2.4GHz의 고주파 대역에서는 인덕턴스 성분 ZL이 증대된다. 또한, 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)의 접지면(202)에서 솔더 사이드 기판패턴(210)의 마이크로스트립 전송선(206), 모노폴안테나(208)까지의 경로를 통해 전자파가 방사될 때 상기 경로의 토탈 임피던스 ZTOTAL은, Z1과 Z2의 벡터적인 합, 즉,
ZTOTAL= Z1+ Z2
와 같이 나타낼 수 있으며, 전자파가 원활하게 전달되기 위해 전달을 방해하는 임피던스인 ZTOTAL은 작을수록 바람직하며, 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)과 솔더 사이드 기판패턴(210)사이의 경계면에서 진행되는 전자파가 반사되지 않기 위해서는 Z1과 Z2는 동일할 것, 다시 말해서, 임피던스가 매칭될것이 요구된다. 본 발명의 실시예에서는 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)의 접지면(202)에서의 불연속 캐패시턴스 성분 Zc가 포함된 콤포넨트 사이드 패턴측의 임피던스 Z1= ZR1+ Zc가, 솔더 사이드 기판패턴(210)의 지그재그형 모노폴 안테나(208)에 의한 인덕턴스 성분 ZL에 의해 솔더사이드 패턴측 임피던스 Z2= ZR2+ ZL이 되어, Z1과 Z2의 임피던스의 차이가 줄어들게 되고, 토탈 임피던스 ZTOTAL도 또한 도시된 바와 같이 벡터적인 합에 의해 줄어들게 된다. 따라서, 평면 모노폴안테나의 토탈 임피던스가 감소하고, 콤포넨트 사이드 기판패턴(204)과 솔더 사이드기판패턴(210)사이에서 임피던스가 매칭됨으로써 효율적인 전자파 방사가 가능한 소형 안테나의 역할을 수행할 수 있게된다.
한편, 콤포넨트 사이드 기판패턴(200)의 접지면(203)에 형성된 2개의 SMA형 커넥터 접속부(203, 209)는 접지면(202)의 물리적 형상을 변화시킴으로써 전자파가 통과하는 경로를 미소하게 변화시키는데 무선 LAN에서는 2.4GHz 대역의 고주파를 사용하기 때문에 주파수에 비례하는 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분의 변화도 비례적으로 증가된다. 따라서, 모노폴 안테나(208)의 형태를 적절히 변경함에 의해 상기 형태 변경에 따라 인덕턴스를 조절하여 임피던스 매칭을 하는 것이 어려울 경우, SMA형 커넥터 접속부(203, 209)의 위치나 형상을 변경함에 의해 상술한 바와 같이 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분을 조절하여 보다 정밀하게 임피던스를 매칭시킬 수 있도록 한다.
도 5와 도 6에는 각각 본 발명의 타실시예에 의한 평면 모노폴 안테나로서 변형된 모노폴안테나 패턴들의 구조도를 도시하였다. 도 4를 참조하면 본 발명의 평면 모노폴 안테나로서 변형된 모노폴안테나 패턴은 180도의 각도변화를 9회 반복하여 모노폴안테나를 형성하며 도 2의 실시예에서 설명한 모노폴안테나에 비하여 큰 진폭의 지그재그 형태로 곡선 패턴이 형성되어있다. 상기와 같은 모노폴안테나는 콤포넨트 사이드 기판패턴측의 저항성분이 상대적으로 큰 경우 이에 대응하여 솔더 사이드 기판패턴측의 저항성분을 보다 증가시켜 임피던스 매칭을 하여야 할 경우에 적합하다.
도 5를 참조하면 본 발명의 평면 모노폴 안테나로서 변형된 모노폴안테나는 모노폴안테나의 패턴이 반시계방향으로 나사선 모양의 곡선을 이루면서 감기어 들어가고 다시 시계방향으로 나사선 모양의 곡선을 이루면서 감겨 나오는 형태를 3 번 반복함으로써 도시한 바와 같이 이루어져 있다. 즉, 상기 안테나 패턴은 360도의 각도변화를 6회 반복하여 모노폴안테나를 형성한다. 상기와 같은 모노폴안테나는 곡선부분이 증가됨에 따라 인덕턴스 성분이 증가되는 효과를 달성할 수 있기 때문에 불연속 캐패시턴스 성분이 상대적으로 큰 경우 이에 대응하여 인덕턴스를 보다 증가시켜 임피던스 매칭을 하여야 할 경우에 적합하다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기 모노폴안테나의 구조에서 곡선형의 구조들및 커넥터 접속부의 형상등은 불연속 캐패시턴스의 특성에 따라 적합하게 만들어질 수 있다. 결국, 상술한 명세서의 설명부 및 도면들에서 개시한 교훈의 장점을 가지는 본 발명의 많은 변형 및 다른 실시예들이 당업자에 의해 실시될 수 있으므로 본 발명은 개시된 특정한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명의 범위내에서 다양한 변형들이 첨부된 클레임의 범위내에 포함되어지는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 평면형 모노폴 안테나는 임피던스 매칭 특성이 양호하여 효율적인 전자파 방사가 가능하면서, 안테나의 실효 길이를 기존의 모노폴안테나와 같게 유지하여 소형의 PCMCIA 타입인 무선 LAN 어댑터에 용이하게 적용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 무선 근거리통신망용 평면 모노폴 안테나에 있어서,
    금속성의 접지면을 구비하는 콤포넨트 사이드 기판패턴;
    절연체로 이루어져 상기 기판패턴을 지지하기 위한 절연 기판패턴; 및
    솔더 사이드 기판패턴;을 구비하고
    상기 솔더 사이드 기판은 안테나의 패턴을 평면상에서 90도 이상의 각도변화를 한 번 이상 반복하여 형성시키고 마이크로스트립 전송선의 일부에 접속된 모노폴 안테나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면 모노폴 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 콤포넨트 사이드 기판패턴은 상기 접지면상에 외부 안테나를 접속하기 위하여 하나 이상의 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 모노폴 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 커넥터는 4 구의 접지 단자와 1 구의 신호 단자를 구비하는 SMA형 커넥터인 것을 특징으로 하는 평면 모노폴 안테나.
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