KR100406284B1 - 벌크(Ｂｕｌｋ) 형태의 유전체를 이용한아이엠티-2000(ＩＭＴ-2000) 단말기용 소형 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 무선 통신기기인 IMT-2000 서비스를 위한 휴대형 단말기내에 실장(Built-in)하기 위하여 DRAs(Dielectric Resonator Antennas)방식의 안테나를 구현함에 있어 소형화와, 안테나 자체로서 가져야 할 이득과 대역폭, 더불어 이동통신 단말기에 요구되는 방사패턴을 가지도록 하기 위해 벌크(Bulk) 형태의 유전율을 가지는 매체를 이용한 소형의 안테나 장치에 관한 것으로,
일반적인 육면체 형태의 유전체 매체를 방사소자로 이용하여 소형의 고감도 안테나를 구현하였으며, 이러한 소형화와 슬림화에 의해 종래의 통신기기 외부로 돌출된 모노폴 형태의 안테나가 가지는 단점인 디자인상의 불편이나, 파손의 위험, 공간적인 제약등을 극복할 수 있으며, 특히 PCB 기판상에 다른 RF 모듈과 같이 실장 가능함으로써 제조상의 장점을 취할수 있고, 모노폴 안테나가 omni-directional 한 방사패턴을 가짐으로서 인체 두부로 많은 전자파의 영향을 방사패턴을 조정하여 제어할 수 있는 장점을 가져 올 수 있다.

Description

벌크(Ｂｕｌｋ) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(ＩＭＴ-2000) 단말기용 소형 안테나 장치{Mini-Antenna for International Mobile Telecommunication-2000 Terminal Equipment for Bulk Type Dielectric}
본 발명은 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 통신기기인 IMT-2000 서비스를 위한 휴대형 이동통신 단말기내에 실장(Built-in)하기 위한 DRAs(Dielectric Resonator Antennas)방식의 안테나를 구현하기 위하여 소형화시키고, 안테나 자체로서 가져야 할 이득과 대역폭을 구현하며, 이동통신 단말기에서 요구되는 방사패턴을 갖도록 하기 위해 벌크(Bulk) 형태의 유전율을 가지는 매체를 이용한 소형의 안테나 장치에 관한 것이다.
종래에 벌크 형태의 유전체 안테나는 고 유전율의 매체를 사용하여 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 구조가 간단하며, 패치 안테나에 비해 높은 방사효율을 갖고, 다른 공진 모드를 이용하여 방사패턴을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 육면체 구조에서는 구(Spherical) 또는 실린더(Cylindrical) 모양의 DRAs에 존재하는 모드 축퇴(縮退)(Mode Degeneracy)나, 하이브리드 모드(Hybrid-Mode)를 육면체 공진기 안테나에서는 세 면의 크기와 급전 위치를 적절히 선택함으로서, 안테나 측면에서 크로스 폴(Cross-Pol) 크기를 향상시키는 모드 축퇴(Mode-Degeneracy)를 피할 수 있다. 육면체 공진기 안테나의 대역폭은 패치 안테나와 비교하여 비교적 넓고, 종횡비에 따라 좌우되므로 대역폭 제어에도 유리한 장점을 가진다.
이와 같은 육면체 유전체 안테나(Rectangular DRAs)에 관련된 선행기술로는 미국특허 US 5,952,972 "Broadband Nonhomogeneous Multisegmented Dielectric Resonator Antenna System"에 마이크로 스트립으로 급전되는 DRAs에 임계결합(臨界結合; Critical Coupling)을 얻기 위해 방사 유전체 아래에 고유전체를 부착한 다중화한 적층구조가 제시되었고, 유전체 안테나의 대역폭을 확장시키기 위해서 마이크로 스트립 급전의 유전체 일부분을 제거한 노치 형태의 DRAs를 주요 요지로 하는 기술이 제시되었다.
본 발명은 종래의 칩(Chip) 형태의 안테나가 가지는 협대역 문제점을 해소하기 위하여, 방사소자를 이루는 유전체 매체의 구조를 변형하고, 신호의 급전구조에 의한 특성의 개선뿐만 아니라, RF회로와 결합된 형태의 결합형 소형 RF모듈의 설계에 있어서 안테나의 소형화 및 슬림화를 구현할 수 있도록 단락판을 방사소자의 유전체에 삽입하여 기존의 일반적인 L-밴드의 육면체 유전체 안테나(DRAs)보다 더욱 소형화하고 슬림화하여 각종 휴대형 통신기기 등에 적용이 용이하도록 하기 위한 것이다.
따라서, 본 발명은 L-밴드인 IMT-2000 주파수 대역에서 사용할 수 있는 소형 단말기용 안테나 장치로, 유전율을 가지는 매체를 방사소자로 이용한 직사각형 육면체 벌크(Bulk) 구조에 대역폭을 확장시키기 위해서 노치(Notch; 금이 새겨진) 형태의 구조를 접목시키고, 소형의 안테나 장치를 위해 전기적인 단락판을 부설함으로서 소형화를 가능케 하며, 우수한 안테나의 이득과 대역폭, 및 이동통신용 단말기에서 요구되는 방사패턴을 가지도록 하기 위한 소형의 안테나 장치를 제공하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 프로브 급전부의 단점인 프로브 자체가 가지는 인덕턴스 성분을 상쇄하기 위하여 프로브와 튜닝 패치 사이에 커패시턴스 성분을 만들어 임피던스 특성을 향상시키고 공진 주파수를 튜닝하기 위한 것이 다른 목적이다.
도 1은 일반적인 아이솔레이티드 육면체(Isolated Rectangular) 유전체 안테나(Dielectric Resonator Antennas; DRAs)의 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 DRAs 방식의 전체 구조도,
도 3은 본 발명의 DRAs 방식 안테나의 평면도,
도 4는 본 발명의 DRAs 방식 안테나의 반사손실 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 DRAs 방식 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 프로브 길이에 따른 반사손실 특성을 나타낸 그래프,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 시뮬레이션 상에 나타난 방사 패턴을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 네트워크 분석기를 통해 측정한 반사 손실값을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 네트워크 분석기를 통해 측정한 스미스 차트를 나타낸 그래프.
♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣
100: 접지면(Ground) 200: 방사소자(유전체)
201: 튜닝 패치(메탈 스트립) 202: 단락판
300: 급전부
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 벌크(Bulk) 형태의 유전체 매체를 이용한 육면체 유전체 안테나(DRAs) 방식의 IMT-2000 단말기용 소형 안테나 장치에 있어서, 안테나 장치의 RF신호처리부로부터 고주파 신호를 안테나부로 전달을 하기 위한 급전부와, 상기 급전부로 전달된 무선 주파수신호(RF)를 방사하기 위한 방사소자와, 상기 방사소자에 고정되어 급전부와의 일정한 거리를 유지함으로써 유기되는 커패시터 성분으로 안테나의 특성 임피던스를 변화시키기 위한 튜닝 패치와, 상기 방사소자와 접지면 사이에 부설하는 단락판을 포함하는 매질로 구성된 것을 특징으로 하는 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치를 제공한다.
이하 본 발명에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 자유 공간상에 급전 네트워크를 제외한 아이솔레이티드(Isolated) 육면체 유전체 안테나(DRAs)의 종횡비에 따른 공진 주파수와 대역폭과의 관계를 나타내기 위한 수식을 제시하기 위한 육면체 유전체 안테나(DRAs)의 전체 구조를 나타내고 있다. 급전 네트워크를 제외한 육면체 아솔레이티드 유전체 안테나(Isolated DRAs)의 공진 주파수를 결정하는 수식은 다음과 같다.
a, b 〉d인 조건을 사용하면모드가 가장 낮은 주파수임을 알 수 있고, z방향으로의 자기 포텐셜을 갖는모드를 여기시킬 수 있다.
상기 자기 포텐셜 pi_mz를 이용하여 방사소자 내부의 필드는 다음과 같이 구할 수 있다.
상기필드 성분을 제외한 나머지 방향의 필드 성분은 전자기장(Far Field)에서 서로 상쇄되는 방향으로 필드를 형성하기 때문에만이 방사에 주로 기여하게 된다. 방사소자의 경계면와에서 마그네틱 월(Magnetic Wall) 경계조건을 적용하면 전파상수와는 다음과 같이 쓸 수 있다.
또한, 유전체 도파관 모델(Dielectric Waveguide Model; DWM)을 사용하여 전파상수를 얻기 위해 초월방정식(Transcendental Equation)을 사용할 수 있다.
또한 x, y, z 각 방향으로의 전파상수 kx, ky, kz는 다음식도 동시에 만족해야 한다.
여기서, k0는 자유 공간에서 전파상수이다.
상기 수학식 1 내지 수학식 10을 통하여 임의의 설계 주파수에서 유전체 매체의 유전율을 고정시키면, 아이솔레이티드 육면체 유전체 안테나(Isolated DRAs)의 크기에 따른 공진 주파수를 구할 수 있고, 역으로 특정의 공진 주파수를 얻기 위한 유전체 매체의 크기를 결정할 수 있다.
상기 εr이 매우 크다고 가정하면, 유전체 안테나(DRAs)의 공진 주파수는에 비례하게 되나, IMT-2000 서비스의 특성인 광대역 조건을 만족하지 못하게 되므로 적정한 유전체 매체의 유전율값을 선택해야 된다.
도 2는 본 발명의 전체 구조도이다.
안테나 방사소자(200)는 고주파신호를 주고받는 역할을 하는 주요 구성요소로, 급전부(300)로 전달된 무선 주파수신호(RF)를 방사하기 위한 것이고, 급전부(300)는 RF신호를 공급하는 것이며, 단락판(202)은 상기 방사소자(200)와 접지면(100) 사이에 연결되어 안테나를 소형화하였다.
튜닝 패치(메탈 스트립)(201)는 상기 방사소자(200)에 고정되어 급전부(300)와의 일정한 거리를 유지함으로써 유기되는 커패시터 성분으로 안테나의 특성 임피던스를 변화시키기 위한 것이다.
상기 방사소자(200)인 방사 유전체는 프로브 급전부(300)와 적정한 거리를유지하여 커패시턴스 성분을 만들어 임피던스 특성을 향상시켜 안테나의 효율을 증가시키기 위한 기술이 적용되었다. 또한, 상기 방사소자(200)는 광대역을 구현하기 위해 금이 새겨진(Notched) 안테나 구조를 갖는 것이다.
또한, 상기 방사소자(200)와 접지면(100)과의 사이에 부설되는 단락판(202)은 고유전율을 가지는 매체이고, 상기 단락판(202)은 방사소자(200)의 전체 면적을 줄임과 동시에 이동통신 단말기에 내장(Built-in)이 용이하도록 최적화시킨 것이다.
이와 같이 고유전율의 유전체 매체인 방사소자(200)와 전기적인 단락판(202)을 이용하여 소형화가 가능하도록 하고, 광대역 특성을 얻기 위하여 금이 새겨진 노치(Notch) 형태의 구조적 변형을 채용함으로서 안테나의 크기를 더욱 소형화 할 수 있으며, 휴대용 이동통신 단말기기에 내장형(Built-in Type)으로 구현이 가능하도록 하였다.
따라서 IMT-2000용 고감도 소형 단말기 안테나 적용이 가능하고, 기존의 돌출형태의 모노폴 안테나의 공간적 한계와 기계적 충격에 의한 손실을 대폭 줄일 수 있는 특성을 가지고 있다.
도 3은 본 발명의 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 평면도를 나타낸 것으로, 프로브 급전부(300)의 위치는 방사소자(200)의 중앙에 위치하고, 튜닝 패치(201)도 방사소자(200)의 상단 중앙에 위치한다.
도 4는 본 발명의 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 반사 손실(S1.1)값을 나타내고 있다. －10dB 기준의 대역폭이 19%로 광대역 특성을 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 임피던스 특성을 그래프로 나타낸 것이다.
또한, 도 6은 본 발명의 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 급전 프로브 길이에 따른 반사손실을 나타내고 있다. 임피던스 매칭을 위한 프로브 길이는 중요한 설계 파라미터임을 알 수 있고, 프로브 길이에 따른 공진 주파수의 변화는 미약함을 확인할 수 있었다.
또한, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 방사 패턴을 나타내고 있다. H-Plane의 방사패턴은 이동통신 단말기에서 요구되는 등방성의 패턴을 만족하고 있음을 확인 할 수 있고, phi =90일 때의 E-Plane 방사패턴은 대칭성을 유지하였다.
도 8의 경우에는 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 반사손실 측정치를 나타낸 것이고, 도 9는 유전체 안테나(DRAs) 방식 안테나의 스미스 차트 측정치를 나타낸 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치는 디지털 통신영역의 시장 요구가 확대됨과 더불어, 무선 이동통신용 통신기기의 소형화에 가장 적합하게 사용할 수 있는 안테나의 적용에 있어서 고유전율을 가지는 벌크(Bulk) 형태의 매질을 방사소자로 이용하였고, 방사소자인 유전체 매체 외관의 적절한 구조개선에 의하여 기존의 방식과 대비하여 더욱 소형화하고 슬림화한 것이며, 이동통신 단말기 안테나에서 요구하는 전기적 특성면에서도 우수한 결과를 얻을 수 있고, 특히 단말기내에 내장(Built-in)할 수가 있어 종래의 모노폴 형태의 돌출형 안테나가 가지고 있는 공간적 한계와 파손의 위험 등과 같은 문제점을 극복할 수 있으며, 최종 제품에서의 자유로운 외관 및 디자인을 구현할 수 있어 이동통신 단말기의 기능 및 신뢰성을 향상시킨 효과가 있다.
이와 같은 본 발명의 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치는 상술한 실시예에만 한정되지 않고, 당업자가 용이하게 변경 또는 치환할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 벌크(Bulk) 형태의 유전체 매체를 이용한 육면체 유전체 안테나(DRAs) 방식의 IMT-2000 단말기용 소형 안테나 장치에 있어서,
    안테나 장치의 RF신호처리부로부터 고주파 신호를 안테나부로 전달하기 위한 급전부와,
    중심부로 상기 급전부가 연장되어 형성되어 있고, 상기 급전부를 통하여 전달된 무선 주파수신호(RF)를 방사하기 위한 고유전율의 방사소자와,
    상기 방사소자에 고정되어 상기 급전부와의 일정한 거리를 유지함으로써 유기되는 커패시터 성분에 의거하여 안테나의 특성 임피던스를 변화시키는 튜닝 패치와,
    상기 방사소자와 접지면 사이에 부설되는 단락판을 포함하는 매질로 구성된 것을 특징으로 하는 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방사소자와 접지면과의 사이에 부설되는 단락판은 고유전율을 가지는 매체인 것을 특징으로 하는 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 방사소자는 광대역을 구현하기 위해 금이 새겨진(Notched) 안테나 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 단락판은 방사소자의 전체 면적을 줄임과 동시에 이동통신 단말기에 내장(Built-in)이 용이하도록 최적화시킨 것을 특징으로 하는 벌크(Bulk) 형태의 유전체를 이용한 아이엠티-2000(IMT-2000) 단말기용 소형 안테나 장치.
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