KR100535257B1 - 이중 공진형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 공진형 안테나에 대한 것이다.

본 발명에 의하면, 두 개의 주파수 영역을 사용하는 시스템에서 낮은 주파수 대역에서의 이득 특성 보장을 반파장 위상 변환기를 이용하여 고이득 특성을 가지도록 선형 배열방식으로 구성되는 안테나를 중심으로, 높은 주파수 보장을 위한 판 형태의 모노폴 안테나가 대칭형으로 구성되도록 하여, 두 개의 주파수 영역에서 동일한 이득 특성을 가지고 동작할 수 있게 함으로써, 안테나 설치 비용을 줄이고, 동일한 서비스 제공이 가능하도록 한다.

Description

이중 공진형 안테나{double resonance antenna}

본 발명은 이중 공진형 안테나에 대한 것으로, 특히 무선 랜 시스템과 같이 두 개의 주파수 영역을 이용하는 시스템에서 두개의 주파수 대역의 서비스를 모두 커버할 수 있도록 하는 이중 공진형 안테나에 대한 것이다.

현재의 무선 랜 서비스는 2.4GHz와 5.7GHz으로 두개의 저주파수 및 고주파수 대역에서 실시되고 있다. 따라서, 이러한 두개의 주파수 대역에서 모두 적용이 가능한 이중 공진 안테나의 개발은 매우 활성화되고 있다.

도 1은 일반적인 무선 랜 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 무선 랜 시스템은 무선 랜 영역(110)과, 랜 백본망(120)으로 구성되며, 랜 백본망(130)에는 네트워크를 통하여 PC(131) 또는 네트워크 프린터(132) 등이 연결되며, 랜 백본망(130)과 연결되어 무선 랜 서비스를 위한 AP(Access Point)(120)가 구성되고, AP(120)와의 무선 통신을 하는 무선 랜 영역(110)은 무선 랜 통신을 위한 PCMCIA RF(Personal Computer Memory card International Association Radio Frequency) 모뎀(113)과 무선 랜카드를 장착한 PC(111) 및 PDA(Personal Digital Assistant)(112) 등을 포함한다.

상기한 무선 랜 시스템에서 두개의 주파수 대역의 서비스를 동시에 가능하도록 하는 이중 공진 안테나를 설계하기 위한 방법으로는 일반적으로 두개의 공진 소자를 사용하여 두개의 서로 다른 주파수 대역에서 동작하게 설계하는 것과, 전체의 구조에서 낮은 주파수에서 동작하며 전체의 구조에서 일부만의 변화로 높은 주파수에서 동작하게 하는 설계방법이 이용된다.

그러나, 상기한 설계방법으로 설계된 이중 공진안테나는 낮은 주파수의 이득 특성이 1.6dBi 이고, 높은 주파수의 이득 특성이 4.3dBi 를 나타내어 낮은 주파수에서 상대적으로 낮은 이득 특성을 나타내며, 이는 실제 전파공간에 설치시 적합하지 않은 특성으로 나타낸다.

상기한 이중 공진 안테나를 설계하는 종래의 기술로는 대한민국 특허 공개번호 10-2002-0041610(무선 통신 시스템에서 다중대역 옴니 안테나)에서 하나의 안테나만을 이용하여 여러 주파수 대역의 무선 통신 서비스를 제공할 수 있도록 하는 옴니 안테나를 제안하였다.

상기한 기술은 원통 구조를 이용하여 이중 대역에서 동작하도록 설계된 안테나로 높은 주파수 특성에서도 옴니의 특성을 나타낼 수 있도록 제안된 기술이다.

그러나, 상기한 기술은 수평면상에서 전방향성을 가져야하는 무선 랜 시스템의 액세스 포인트용 안테나로는 적합하지 않은 문제가 있다.

상기한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 무선 랜 시스템에서 이용되는 두개의 주파수대역을 동시에 사용하는 시스템에서 각각의 주파수 영역에서 동작하는 안테나를 설치하는데 들어가는 비용을 절감하기 위한 이중 공진형 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 수평면상에서 전 방향성을 가지는 이중 공진형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 하나의 특징에 따른 이중 공진형 안테나는, 제 1 주파수 대역에서 동작하는 복수의 제 1 공진 소자를 선형 배열하여 구성된 다이폴 형태의 제 1 안테나와, 각각 판 형태를 가지며, 제 2 주파수 대역에서 동작하는 복수의 제 2 공진 소자를, 상기 제 1 안테나를 중심으로 대칭으로 배열되게 구성되며, 상기 제 1 안테나의 접지 전력면과 결합되는 모노폴 형태의 제 2 안테나를 포함한다.

이때, 상기 제 1 주파수 대역은 상기 제 2 주파수 대역보다 낮은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반파장 위상 변환기는, 코일 형태로 제 1 공진 소자 사이에 구성되는 것을 특징으로 한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 첨부된 도면은 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 본 발명의 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 2는 선형 배열 다이폴 안테나의 기본 구조를 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 선형배열 안테나는 안테나 소자에 해당하는 위치들이 직선상에 놓여있는 1차원 배열의 안테나로, 두개의 직선으로 된 도체 소자를 서로 나란히 설치하고 전파를 발신 또는 수신하도록 하는 안테나이다.

안테나 소자를 배열하는 방법으로는 각 소자가 옆으로 배열되는 사이드 바이 사이드 배열(Side by Side array)과, 일직선상에 배열되는 코리니어 배열(Collinear array)로 나눌 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 낮은 주파수의 이득 특성을 개선하기 위하여 두 개의 주파수에서 동등한 이득 특성을 나타내는 코리니어 배열의 방법을 이용한다.

또한 코리니어 배열의 고이득 기법은 반파장 위상 변환기를 사용하여 진공소자를 연결해서 선형 배열함으로써, 전류의 마이너스(-)위상을 반전시켜, 고이득 특성을 갖도록 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 낮은 주파수 이득을 위한 안테나로 코리니어 배열법을 이용하여 선형배열 다이폴 안테나를 구성한다.

상기한 다이폴 안테나의 각 소자간의 길이는 접지면부터 λ/4, λ/2, λ/2, λ/2의 크기를 가지며 이득 결정은 선형 배열하는 단수에 비례하게 된다. 이때 λ는 각 소자의 공진 주파수에 대응하는 파장을 나타낸다.

상기한 선형 배열의 다이폴 안테나의 방사패턴은 도 3에 나타낸 바와 같다.

도 3은 선형 배열 다이폴 안테나의 방사패턴을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 선형배열의 다이폴 안테나의 수평면 측과, 수직면 측에서 본 방사패턴을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 수평면에서 전방향 방사 패턴을 가지는 선형 배열의 다이폴 안테나의 배열을 낮은 주파수 공진에 이용한다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이중 공진형 안테나의 낮은 주파수를 위한 선형배열 다이폴 안테나를 구성하고 나면, 높은 주파수를 위한 안테나를 구성한다.

높은 주파수를 위한 안테나로는 낮은 주파수를 위한 선형 배열 다이폴 안테나의 주위에 판형태의 모노폴 안테나를 대칭형으로 4개 구성하는데, 모노폴 안테나는 4개의 소자의 합으로 전기적 크기가 구성되기 때문에, 그 크기가 크지 않아도 광대역의 특성을 가지도록 설계가 가능하다.

모노폴 안테나의 공진 주파수에 대응하는 안테나 크기는 다음과 같다.

도 4는 모노폴 안테나의 공진 주파수에 따른 크기를 나타낸다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 주파수인 2.4GHz 및 5.7GHz를 위해 필요로 하는 모노폴 안테나의 크기를 λ/4로 할 때, 높은 대역의 공진 주파수를 위한 모노폴 안테나가 낮은 대역을 위한 모노폴 안테나보다 그 크기가 작음을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 이를 적용하여 높은 대역을 위해서 모노폴 안테나를 이용 한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따라, 낮은 대역을 위한 선형배열 다이폴 안테나와, 높은 대역을 위해 대칭으로 구성되는 판형의 다수개의 모노폴 안테나를 이용한 두개의 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진형 안테나를 설계하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나의 구조를 측면에서 나타낸 블록도이다.

도 5를 참조하면, 낮은 주파수를 위한 선형배열의 다이폴 안테나(510)를 중심으로 높은 대역을 위한 판형태의 모노폴 안테나(520)가 4개 대칭형으로 구성된다.

좀더 자세히, 본 발명의 특징에 따른 이중 공진형 안테나의 구조를 나타내면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 낮은 주파수용의 선형배열 다이폴 안테나(511, 512, 513)가 각각 /2, /2, /4로 선형으로 연결되어 구성되며, 상기 선형배열 다이폴 안테나(511, 512, 513)를 중심으로 판형의 모노폴 안테나(521~524)가 높은 주파수에 대해 /4의 길이로 4개 대칭형으로 구성된다.

이때, 안테나의 크기는 각 소자의 공진 주파수에 대응하는 파장 , 에 좌우되는데, 2단으로 선형 배열시 코일부분으로 나타난 곳은 낮은 주파수에서의 고이득 특성을 갖도록 하기 위해 이용된 반파장 위상 변환기(512)로 전류의 마이너스(-)위상을 반전하여 고이득 특성을 갖도록 하는 것이 가능하다.

도 6에 나타난 바와 같이 코일 형태의 반파장 위상 변환기(512)를 이용할 경우 코일의 펼친 길이는 낮은 주파수의 /2 이며, 최 상단(511)의 소자 길이 역시 낮은 주파수의 /2 길이로 구성된다. 이때, 도 6에 표시된 코일(512)부분의 높이 /4는 코일로 감겨있는 경우의 길이를 나타낸 것이다.

여기사, 양 옆에 배치된 모노폴 안테나는 높은 주파수의 공진 소자의 접지면과의 전체 높이는 /4로 정해진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따를 경우, 가장 밑단의 안테나 소자(513)는 낮은 주파수에 의해 /4보다 작은 크기로 0.98 ×/4로 되고, 양 옆에 공진 소자(521, 522, 523, 524)들은 높은 주파수의 0.72×/4로 되는 경우 가장 바람직한 특성을 갖는 것이 실험적으로 확인 되었다. 따라서, 상기 안테나 소자(513)의 길이는 낮은 주파수의 0.98 ×/4에서 /4 사이의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 양옆의 모노폴 안테나 소자(521, 522, 523, 524)는 0.72×/4에서 /4 사이의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 중심 안테나(510)와, 외각 부위의 안테나(520)간의 거리는 높은 공진 주파수의 0.38×의 거리를 유지하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 선형배열 이중 공진형 안테나를 이용하여 실험한 결과를 나타내면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 반사계수 값을 나타내고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 임피던스 궤적을 나타내며, 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 낮은 주파수에서의 이득 특성을 나타내고, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 높은 주파수에서의 이득 특성을 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 값 중에서 저주파 대역인 2.4GHz 대역과 고주파 대역인 5.7GHz 대역에서 주변 값보다 현저하게 낮은 값을 나타내므로 두 대역에서 전송량은 최대가 되어 안테나 동작이 가능함을 알 수 있다.

그리고, 도 8의 임피던스 궤적에서는, 주파수 대역인 2.4GHz 대역과 고주파 대역인 5.7GHz에서 그래프의 중앙인 1 지점에 가깝게 위치되어 안테나 동작이 가능함을 알 수 있다.

도 9a와 도 9b는 각각 저주파 대역인 2.4GHz 대역과 고주파 대역인 5.7GHz 대역에서의 이중 공진형 안테나의 이득 특성이 최고 5dB로 이중 공진형 안테나가 두 대역에서 동일한 이득 특성을 나타내는 것을 보여준다.

도 7 내지 도 9b를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이중 공진형 안테나의 선형배열 다이폴 안테나(510)와, 판형의 모노폴 안테나(520)의 접지면으로부터의 높이, 길이, 폭 등에 적합한 수치를 적용하여 제작된 것이 도 6에 나타나는 안테나이며, 실제의 모습은 도 10과 같이 보여질 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나의 실제 제작 모형을 나타낸다.

이때, 각각의 특성은 제작된 선형배열 이중 공진형 안테나에 네트워크 분석기를 연결하여 측정한 수치이다.

상기한 모의실험에도 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나는 중앙의 선형배열 다이폴 안테나와, 선형배열 다이폴 안테나를 중심으로 하는 판형의 대칭 구조를 가지는 모노폴 안테나에 의하여 무선 랜 시스템에서의 두 개의 주파수대역에서 동등한 고 이득 특성을 갖도록 성능 개선이 가능하며, 서로 다른 주파수 영역을 이용하는 두 개의 무선 랜 시스템간의 연동이 가능하도록 한다.

이때, 상기 선형 배열 다이폴 안테나에 중앙에 반파장 위상 변환기를 사용하여 낮은 주파수에서의 고이득 특성을 갖도록 하여 기존의 낮은 주파수에서 보장되지 않던 이득 특성을 보상하도록 한다.

또한, 상기한 낮은 주파수에서의 고이득 특성을 얻기 위한 반파장 위상 변환기는 도 6에 나타난 바와 같은 용수철 형태가 아닌, 다른 모양을 이용하여 사용하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외에 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 공진형 안테나는, 낮은 주파수와 높은 주파수를 이용하는 무선 랜과 같은 시스템에서 하나의 안테나가 두개의 주파수 대역에서 동일한 이득 특성을 가지면서 동작하도록 하기 위하여, 낮은 주파수 대역에서의 이득 특성 보장을 반파장 위상 변환기를 이용하여 고이득 특성을 가지도록 선형 배열방식으로 구성되는 안테나를 중심으로, 높은 주파수 보장을 위한 판 형태의 모노폴 안테나가 대칭형으로 구성되도록 하여, 두개의 주파수 대역에서 동일한 이득 특성을 나타내어, 두 시스템간의 연동이 가능하며, 안테나 제작에 대한 비용 절감 효과가 있다.

도 1은 일반적인 무선 랜 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 2는 선형 배열 다이폴 안테나의 기본 구조를 나타낸 블록도이다.

도 3은 선형 배열 안테나의 방사패턴을 나타낸다.

도 4는 모노폴 안테나의 공진 주파수에 따른 크기를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나의 구조를 측면에서 나타낸 블록도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 값을 나타낸다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 임피던스 궤적을 나타낸다.

도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 낮은 주파수에서의 이득 특성을 나타낸다.

도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 실험 결과 중 높은 주파수에서의 이득 특성을 나타낸다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 선형배열 이중 공진형 안테나의 실제 제작 모형을 나타낸다.

Claims (9)

1. 각각 다른 두 개의 주파수 대역에서 동작하는 안테나에 있어서,

   제 1 주파수 대역에서 동작하는 복수의 제 1 공진 소자를 선형 배열하여 구성된 다이폴 형태의 제 1 안테나와,

   각각 판 형태를 가지며, 제 2 주파수 대역에서 동작하는 복수의 제 2 공진 소자를, 상기 제 1 안테나를 중심으로 대칭으로 배열되게 구성되며, 상기 제 1 안테나의 접지 전력면과 결합되는 모노폴 형태의 제 2 안테나

   를 포함하는 이중 공진형 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 주파수 대역은 상기 제 2 주파수 대역보다 낮은 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 안테나는,

   다수의 제 1 공진 소자를 선형으로 배열하여 구성하고, 상기 각각의 제 1 공진소자를 반파장 위상 변환기를 이용하여 연결된 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 안테나는,

   4개의 제 2 공진소자가 서로 대향하여 배치되어 구성되는 이중 공진형 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 안테나의 제 2 공진소자는 원기둥 형태인 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 반파장 위상 변환기는, 코일 형태로 제 1 공진 소자사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.
7. 제 3항에 있어서,

   상기 제 1 안테나는 공진시의 파장 에 대하여,

   접지 전력면에서 안쪽으로 배열되는 제 1 공진소자의 길이가 0.98×/4 에서 /4의 범위에서 결정되며,

   접지 전력면에서 바깥쪽으로 배열되는 제 1 공진소자의 길이가 /2이며,

   상기 각각의 제 1 공진소자들을 연결하기 위한 반파장 위상기는 신장된 길이가 /2이며, 수축된 길이가 /4

   인 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 안테나는 공진시의 파장 에 대하여,

   각각의 제 2 공진소자의 길이가 0.72×/4에서 /4사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.
9. 제 1 항에 있어서,

   제 2 안테나의 공진시의 파장이 일 경우, 상기 제 1 안테나와 상기 제 2 안테나 간의 거리는 0.38 ×인 것을 특징으로 하는 이중 공진형 안테나.