KR100296489B1 - 무선단말기용안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 단말기용 안테나에 관한 것으로, 특히 비유전율이 높은 유전체를 이용하여 길이가 짧고 고이득을 제공하도록 한 무선 단말기용 안테나에 관한 것이다.

본 발명은 중심 부분이 비어 있고 일정 길이를 가지는 외부 도체와; 상기 외부 도체의 내부에 설치되는 내부 도체와; 상기 외부 도체와 내부 도체 사이에 제1비유전율을 가지는 내부 유전체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 다르게는, 본 발명은 상기 내부 도체에 연결된 동축 케이블 내부 도체와; 상기 동축 케이블 내부 도체를 일정 간격을 두고 둘러싸고 있는 동축 케이블 외부 도체와; 상기 동축 케이블 내부 도체와 동축 케이블 외부 도체 사이에 제3비유전율을 가지는 임피던스 정합 유전체와; 상기 임피던스 정합 유전체의 양단에 제2비유전율을 가지는 동축 케이블 내부 유전체를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

무선 단말기용 안테나

본 발명은 무선 단말기용 안테나에 관한 것으로, 특히 비유전율이 높은 유전체를 이용하여 길이가 짧고 고이득을 제공하도록 한 무선 단말기용 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 현재 사용하고 있는 무선 단말기용 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이, 단말기 상단에 고정되어 사용하는 헬리컬 안테나(11)와, 단말기 내부에 내장되어 있다가 사용할 때에 밖으로 뽑아 사용하는 λ/4의 모노폴 안테나(12)로 이루어져 있다. 여기서, 해당 모노폴 안테나(12)를 뽑아서 사용하는 경우에 해당 헬리컬 안테나(11)와 동시에 안테나의 역할을 수행하게 된다. 이렇게 해당 헬리컬 안테나(11)와 모노폴 안테나(12)를 동시에 사용할 수 있으므로 높은 이득을 얻을 수 있지만 안테나 패턴에 많은 영향을 주며, 또한 해당 모노폴 안테나(12)의 길이가 길기 때문에 해당 모노폴 안테나(12)가 단말기 내부에 들어갈 수 있는 공간이 단말기 내부에 별도로 제공되어야 한다.

상술한 바와 같이 구성된 무선 단말기용 안테나의 동작을 다음과 같이 살펴본다.

해당 헬리컬 안테나(11)와 λ/4의 모노폴 안테나(12)는 모두 전류 급전으로 전류가 안테나에 유기되면 해당 전류에 의하여 전자파가 방사되도록 해 준다.

만약, 해당 모노폴 안테나(12)를 단말기 내부에서 뽑지 않고 사용하는 경우에는 해당 헬리컬 안테나(11) 단독으로 사용되어지고 해당 공진 주파수는 수신 측에 맞추어져 있다.

그리고, 해당 모노폴 안테나(12)를 단말기 내부에서 뽑아 사용하는 경우에는 해당 헬리컬 안테나(11)와 모노폴 안테나(12)가 동시에 사용되어지고 해당 공진 주파수는 송신 측에 맞추어지게 된다.

또한, 해당 헬리컬 안테나(11) 단독으로 사용할 때보다 해당 모노폴 안테나(12)와 동시에 사용할 때가 안테나의 이득이 높아지므로, 전계 강도가 낮은 장소에서는 해당 모노폴 안테나(12)를 뽑아 사용하여야 양호한 품질로 통신할 수 있게 된다.

다시 말해서, 상술한 바와 같이 동작을 수행하는 무선 단말기용 안테나는 단말기의 내부에 λ/4의 모노폴 안테나(12)가 내장되어 있다가 밖으로 뽑아 사용하고 헬리컬 안테나(11)는 단말기 상단에 고정되어 사용되어진다.

그런데, 해당 모노폴 안테나(12)를 뽑아서 사용하는 경우에 해당 헬리컬 안테나(11)와 동시에 안테나의 역할을 수행하게 되나, 이때 전체 안테나의 길이가 길어지고 외부에 도출되어 사용 시에 사용자에게 불편함을 주게 된다.

또한, 해당 헬리컬 안테나(11)를 사용하기 위하여 단말기 상단의 외부 일부분이 돌출되어야 하고 해당 모노폴 안테나(12)를 사용하기 위하여 단말기 내부에 들어갈 수 있는 공간이 확보되어야 할뿐만 아니라, 단말기의 소형화로 주머니 속에 휴대할 경우에 해당 단말기가 옆으로 눕혀져 단말기를 급히 꺼내어 사용할 시에는 해당 헬리컬 안테나(11)에 걸려 사용자에게 불편함을 준다.

그리고, 단말기의 크기가 소형화로 가는 추세에 λ/4의 모노폴 안테나(12)를 내장할 공간이 부족하게 되어 해당 모노폴 안테나(12)의 길이가 짧아져야 하므로, 이로 인한 이득 감소로 단말기의 성능 저하를 유발할 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비유전율이 높은 유전체를 이용하여 고이득을 실현하고 기존의 헬리컬 또는 모노폴 안테나에 비해 길이를 혁신적으로 감소 시킴으로써, 단말기의 소형, 경량화하여 휴대의 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라 광대역 특성을 구비하여 송수신 주파수 대역에서 안정적인 주파수 특성을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 이동 단말기에 부착된 모노폴 안테나와 헬리컬 안테나를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 단말기용 안테나를 나타낸 기본 구조도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 단말기용 안테나를 나타낸 상세도.

도 4는 도 3에 있어 안테나의 특성을 주파수 대 VSWR로 나타낸 그래프.

도 5는 도 3에 있어 안테나의 이득 패턴을 나타낸 도면.

도 6은 도 3에 있어 파라메터의 예시 값에 따른 안테나의 VSWR 특성을 나타낸 그래프.

도 7은 도 3에 있어 파라메터의 예시 값에 따른 안테나의 이득 패턴을 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 원통형 구조물의 외부 도체

22 : 원통 구조물의 내부 도체

23 : 원통 구조물의 내부 유전체

24 : 동축 케이블의 내부 도체

25 : 동축 케이블의 외부 도체

26 : 동축 케이블의 내부 유전체

27 : 임피던스 정합 유전체

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 중심 부분이 비어 있고 일정 길이를 가지는 원통 구조물 외부 도체와; 상기 원통 구조물 외부 도체의 내부에 설치되는 원통 구조물 내부 도체와; 상기 원통 구조물 외부 도체와 원통 구조물 내부 도체 사이에 있는 제1비유전율을 가지는 내부 유전체와; 상기 원통 구조물 내부 도체에 연결된 동축 케이블 내부 도체와; 상기 동축 케이블 내부 도체를 일정 간격을 두고 둘러싸고 있는 동축 케이블 외부 도체와; 상기 동축 케이블 내부 도체와 동축 케이블 외부 도체 사이의 일부 영역에 있는 제2비유전율을 가지는 동축 케이블 내부 유전체를 포함하는데 있다.

한편, 상기 내부 유전체는 상단면을 개방시켜 두고 하단면을 상기 원통 구조물 외부 도체와 동일한 금속으로 폐쇄하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부 유전체는 하단면을 일정 간격으로 단말기 상단면과 이격시킨 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 단말기용 안테나는 도 2 및 3에 도시한 바와 같이, 원통형 구조물의 외부 도체(21)와, 원통 구조물의 내부 도체(22)와, 제1비유전율(ε_r1)을 가지는 원통 구조물의 내부 유전체(23)와, 동축 케이블의 내부 도체(24)와, 동축 케이블의 외부 도체(25)와, 제2비유전율(ε_r2)을 가지는 동축 케이블의 내부 유전체(26)와, 정합구조물 길이(L₂)와 제3비유전율(ε_r3)을 가지는 임피던스 정합 유전체(27)를 구비하여 이루어진다. 여기서, 해당 'G'로 표시된 부분은 해당 안테나와 단말기의 몸체가 접속하는 접지면을 나타낸 것이다.

상기 외부 도체(21)와 내부 도체(22)는 원통 구조물 길이(L₁)를 가지며, 상기 외부 도체(21)는 외부도체반지름(b)을 가지고 상기 내부 도체(22)는 내부도체반지름(a)을 가지며, 상기 외부 도체(21)와 내부 도체(22)는 단말기의 접지면(G)에서 일정한 간격(d)으로 이격되어 있다. 여기서, 상기 외부 도체(21)와 내부 도체(22)가 원통형으로 설명되었지만 본 발명의 다른 실시예로 다른 형태로도 적용 가능함을 알아야 한다.

그리고, 상기 외부 도체(21)와 내부 도체(22) 사이에 높은 제1비유전율(ε_r1)을 가지는 원통 구조물의 내부 유전체(23)를 채워 놓고 상기 내부 유전체(23)의 윗면은 개방된 구조로 하고 아랫면은 상기 외부 도체(21)와 동일한 금속으로 완전히 막는다.

그리고, 상기 급전 동축 케이블의 외부 도체(25)는 단말기의 접지면(G)에 접속되어 있고 외부도체반지름(c)을 가지며, 상기 급전 동축 케이블의 내부 도체(24)와 외부 도체(25) 사이에 정합구조물 길이(L₂)와 제3비유전율(ε_r3)을 가지는 임피던스 정합 유전체(27)를 삽입시켜 안테나와의 임피던스 정합을 시켜 준다.

그리고, 상기 동축 케이블의 저항은 약 50(Ω)으로 하지만 높은 제2비유전율(ε_r2)을 가지는 동축 케이블의 내부 유전체(26) 사이에 상기 임피던스 정합 유전체(27)를 삽입시켜 사용하여 급전선의 길이를 단축시켜 준다.

상술한 바와 같이 구성된 무선 단말기용 안테나의 동작을 본 발명의 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 안테나 길이는 외부 도체(21) 또는 내부 도체(22)의 원통 구조물 길이(L₁)와 이격 간격(d)을 합한 길이인데, 해당 안테나를 위에서 바라볼 때에 내부가 단락되어 있으므로 내부의 입력 저항이 무한대(∞)가 되도록 'λ_g／4'로 설정하여야 한다.

상기 외부 도체(21)와 내부 도체(22) 사이에 제1비유전율(ε_r1)을 가지는 내부 유전체(23)로 채워져 있는 원통 구조물에 있어서, 해당 전파 상수(β)는 'ω(ε_r1×ε₀×μ₀)^1/2'로 나타내고, 해당 관내 파장(λ_g)은 '3×10⁸×[1/{2πf(ε_r1)^1/2}]'로 나타낸다.

따라서, 아래의 수학식 1과 같은 관계식으로부터 상기 외부 도체(21) 또는 내부 도체(22)의 원통 구조물 길이(L₁)는 상기 제1비유전율(ε_r1)에 반비례하게 된다.

β×L₁= λ_g/4

또한, 상기 내부 유전체(23)를 둘러싸고 있는 외부 도체(21)의 반지름을 'b'라고 하고 상기 내부 도체(22)의 반지름을 'a'라고 하면, 상기 외부 도체(21)와 내부 도체(22) 사이에 제1비유전율(ε_r1)을 가지는 내부 유전체(23)로 채워져 있는 원통 구조물의 저항(Z₀)은 아래의 수학식 2와 같이 계산되어진다.

Z₀= {60/(ε_r1)^1/2}×ln(b/a)

즉, 상기 내부 유전체(23)의 제1비유전율(ε_r1)을 변화시킴으로써, 안테나의 길이와 내부 저항의 변화를 통해 안테나의 공진 주파수를 조절할 수 있다.

따라서, 제1비유전율(ε_r1)이 높은 내부 유전체(23)를 사용함으로써, 기존에 많이 사용하고 있는 λ/4의 모노폴 안테나의 길이에 1/3 또는 1/4 이하로 줄일 수 있다.

한편, 안테나의 접지면(G)과 상기 원통 구조물 간의 이격 간격(d)은 안테나의 이득과 매우 밀접한 관계가 있는데, 해당 이격 간격(d)이 길게 되면 안테나의 이득이 작아지게 되며 반대로 해당 이격 간격(d)이 짧아지면 안테나의 이득이 증가하게 된다. 또한, 해당 이격 간격(d)은 원통형 구조물과 동축 케이블의 저항 불균일을 완충하는 역할을 하게 된다.

상기한 관계식들에 의해 안테나의 특성을 살펴보면, 주파수 대역이 매우 넓은 PCS 대역에서도 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)가 1.5 이하를 만족시키면서 안테나의 길이는 기존의 모노폴 안테나의 길이보다 1/3 정도가 더 작아진다.

본 발명의 안테나 특성은 도 4에 도시된 그래프와 같이, PCS 주파수 대역에서 VSWR이 1.5 이하를 만족하여 안테나의 이득은 상기 이격 간격(d)의 길이의 변화에 의해 원하는 대로 설정이 가능하다.

이에, 도 5에 도시된 바와 같이, X ~ Z 평면상에서의 안테나 이득 패턴은 기존의 모노폴 안테나와 매우 유사하나 이득을 2.81(dB)로 기존의 모노폴 안테나보다 조금 높다.

예를 들어, 상기 원통 구조물 길이(L₁)가 3(mm)이고 상기 이격 간격(d)이 15(mm)이고 상기 외부도체반지름(b)이 5(mm)이고 상기 외부도체반지름(c)이 1.65(mm)이고 상기 내부도체반지름(a)이 0.45(mm)이고 상기 제1비유전율(ε_r1)이 20이고 상기 제2비유전율(ε_r2)이 2.4이고 상기 제3비유전율(ε_r3)이 12인 경우, 안테나의 주파수 대 VSWR 특성을 나타내면 도 6과 같이 1.75 ~ 1.87(GHz)의 주파수 대역에서 VSWR이 1.5 이하이며, 안테나의 이득 패턴을 나타내면 도 7과 같이 최대 이득 2.5(dB)를 가진다.

또한, 안테나의 특성을 개선하는 방법으로, 급전 동축 케이블의 내부 도체(24)의 반지름(a)과 급전 동축 케이블의 외부 도체(25)의 반지름(c)의 비인 'c/a'가 매우 높게 설정하고 동축 케이블의 내부 저항은 50(Ω)으로 유지시켜 준다.

여기서, 상기 'c/a'의 비가 커지게 되면 동축 케이블의 입력 저항식인 상기 수학식 2, 즉 'Z₀= {60/(ε_r2)^1/2}×ln(b/a)'에 의해 제2비유전율(ε_r2)이 매우 높은 값을 가지게 된다. 이와 같이, 해당 동축 케이블의 내부 유전체(26)가 매우 높은 제2비유전율(ε_r2)을 가지게 되면 안테나 내부로 들어가는 급전 동축 케이블의 길이와 정합 회로의 길이를 작게 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의해 세라믹과 같은 유전체를 사용하여 종래의 헬리컬 안테나와 모노폴 안테나보다 높은 이득을 얻을 수 있고 안테나의 길이를 매우 짧게 할 수 있으며, 해당 유전체를 금속으로 둘러싸고 있어 파손의 위험이 없고 단말기와의 이격 간격을 두어 고이득 특성을 얻을 수 있도록 함으로써, 단말기의 소형화와 사용자에게 휴대의 편이성을 제공할 수 있으며 좋은 질의 통화를 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 중심 부분이 비어 있고 일정 길이를 가지는 원통 구조물 외부 도체와;

   상기 원통 구조물 외부 도체의 내부에 설치되는 원통 구조물 내부 도체와;

   상기 원통 구조물 외부 도체와 원통 구조물 내부 도체 사이에 있는 제1비유전율을 가지는 내부 유전체와,

   상기 원통 구조물 내부 도체에 연결된 동축 케이블 내부 도체와;

   상기 동축 케이블 내부 도체를 일정 간격을 두고 둘러싸고 있는 동축 케이블 외부 도체와;

   상기 동축 케이블 내부 도체와 동축 케이블 외부 도체 사이의 일부 영역에 있는 제 3비유전율을 가지는 임피던스 정합 유전체와;

   상기 임피던스 정합 유전체기 위치하지 않은 상기 동축 케이블 내부 도체와 동축 케이블 외부 도체 사이의 영역에 있는 제2비유전율을 가지는 동축 케이블 내부 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말기용 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내부 유전체는 상단면을 개방시켜 두고 하단면을 상기 원통 구조물 외부 도체와 동일한 금속으로 폐쇄하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 단말기용 안테나.
3. 제1항에 있어서,

   상기 내부 유전체는 하단면을 일정 간격으로 단말기 상단면과 이격시킨 것을 특징으로 하는 무선 단말기용 안테나.