KR100555396B1 - 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나 - Google Patents

무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 랜(wireless LAN)에 사용되는 안테나로서, 서로 다른 주파수 대역에서 효율적으로 동작할 수 있는 듀얼 밴드 동작 특성과 각 주파수 대역에서 전방향성 방사 특성을 갖는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나를 개시한다. 상기 안테나는 서로 평행하는 두 표면을 갖는 평면적 유전체 기판과; 기판의 일 표면에 배치되는 것으로, 기판의 종방향 중심선상에 배치되는 제1 급전선과, 제1 급전선에 각각 연결되며 일부는 고 주파수 대역, 바람직하게 4.9 ~ 5.85 GHz 범위에서, 다른 일부는 저 주파수 대역, 바람직하게 2.4 ~ 2.5 GHz 범위에서 동작하도록 설계된 다수의 방사 소자를 포함하는 제1 도전 패턴과; 기판의 다른 표면에 배치되는 것으로, 기판의 종방향 중심선상에 배치되는 제2 급전선과, 제2 급전선에 연결되며, 각각은 형태면에서 제1 도전 패턴 상의 각 다이폴 소자에 대하여 상ㆍ하 대칭적으로 배치된 다수의 방사 소자를 포함하는 제2 도전 패턴으로 이루어 진다. 급전부는 제1 급전선 상의 그라운드부와 기판 및 제2 급전선을 관통하여 형성된 급전홀이며, 동축 전송 케이블은 그 외부 도체가 제1 급전선 상의 그라운드부에 접촉되고 심선이 제2 급전선 상에 접촉되는 관계로 제공된다.
안테나, 무선 랜, 듀얼밴드, 옴니

Description

무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나{Dual-band omnidirectional antennas for wireless LAN}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나를 사용한 무선 랜 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 안테나의 정면도.
도 3은 도 1에 도시된 안테나의 배면도.
도 4는 도 1에 도시된 안테나를 정면에서 투시하여 보인 도면.
도 5는 2 GHz에서 6 GHz 까지의 전 대역에서 도 1의 안테나의 정재파비(VSWR)를 측정한 결과를 보여주는 그래프.
도 6은 2.4 GHz에서 도 1의 안테나의 방사 패턴을 측정하여 나타낸 도면으로, (a)는 수평 패턴을, (b)는 수직 패턴을 보여주는 도면.
도 7은 5.75 GHz에서 도 1의 안테나의 방사 패턴을 측정하여 나타낸 도면으로, (a)는 수평 패턴을, (b)는 수직 패턴을 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10. 무선 통신 장치 12. 동축 전송 케이블
14. 외부 도체 15. 심선
16. 안테나 18. 기판
20. 기판 앞면 22. 기판 뒷면
24,36. 도전 패턴 28a,28b,30a,30b,40a,40b,42a,42b. 방사 소자
26, 38. 급전선 32. 그라운드부
34,44. 스터브 46. 급전홀
48. 도전 핀
본 발명은 무선 랜(LAN)에 사용되는 안테나에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 두 개의 주파수 대역에서 동작할 수 있는 듀얼밴드 동작 특성과 각 주파수 대역에서 전방향성 방사 특성을 갖는 듀얼밴드 옴니 안테나에 관한 것이다.
무선 랜(WLAN: Wireless Local Area Networks)은 일반적으로 무선 통신 장치를 이용하여, 빌딩 내부 지역들간, 빌딩과 다른 빌딩간 또는 빌딩과 외부 지역간에 디지털 데이터(digitally-formatted data)를 무선으로 송ㆍ수신하는데에 사용된다. 이러한 무선 랜 시스템에는, 상기 주파수 대역들에 대하여 동작하는 안테나가 무선 통신 장치용으로 필요하게 된다.
한편 무선 랜은, 사용 주파수에 관한 국제표준 상, 사용 주파수가 2.4 GHz로 대표되는 IEEE802.11b 시스템과 사용 주파수가 5.725 GHz로 대표되는 IEEE802.11a 시스템으로 분리되어 있다. 그리고 현재 무선 랜 시스템에서 사용되는 있는 장치에는 두 개의 안테나가 제공되어 있는 것이 보통이다. 즉, 2 GHz 대의 주파수 대역에서 동작하는 안테나와 5 GHz 대의 주파수 대역에서 동작하는 안테나가 별도로 제공된다. 이러한 더블 안테나 체계는 무선 랜 장치를 양 시스템에 호환적으로 사용할 수 있도록 하기 위한 것이지만, 구조적으로 경제적으로 매우 불리하다. 그러므로 양 시스템에서 공용될 수 있는 안테나 즉, 양 시스템에서 각각 사용되는 서로 다른 주파수 대역에서 모두 동작할 수 있는 소위, 듀얼밴드(dual-band) 안테나의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한편, 무선 랜 장치는 개인용 컴퓨터 상호간 또는 개인용 컴퓨터와 서버, 프린터 등과 같은 다른 장치간의 통신을 가능하게 한다. 이 때 개별적 스테이션(individual stations)은 다른 스테이션에 비하여 랜덤하게 위치될 수 있다. 따라서 상기 듀얼밴드 안테나는 또한 전방향성(omnidirectional) 안테나일 것이 요구된다.
안테나 관련 기술 분야에서, 듀얼밴드 동작 특성을 갖도록 설계된 세라믹 패치 안테나가 개시된 바 있다. 패치 안테나는 전형적으로 세라믹 기판과, 기판의 일측 표면 상에 형성되는 금속성 패치(metalized patch)와, 기판의 반대쪽 표면에 배치되는 그라운드 면(ground plane)을 포함한다. 이러한 세라믹 패치 안테나는 실제적으로 소형화가 가능하지만, 그 가격이 다이폴 안테나에 비하여 매우 비싼 경향이 있다. 또한, 특수한 컨넥터 및 케이블 등이 필요하기 때문에 설치 비용의 추가 부담이 수반된다. 특히, 패치 안테나는 지향성 방사 특성을 갖기 때문에 전방향성 방사 특성을 필요로 하는 무선 랜용 안테나로 사용하기에는 적합하지가 않다.
본 발명의 주요한 목적은 서로 다른 주파수 대역에서 효율적으로 동작할 수 있는 듀얼밴드 동작 특성과 각 주파수 대역에서 전방향성 방사 특성을 갖는, 소위듀얼밴드 옴니 안테나(dual-band omnidirectional antenna) 를 제공하고자 하는 것이다.
추가적으로, 본 발명의 목적은 소형ㆍ저가로 제작 가능하며, 설치가 간편한 듀얼밴드 옴니 안테나를 제공하고자 하는 것이다.
무선 랜 시스템에서 무선 통신 장치와 함께 사용되는 듀얼밴드 옴니 안테나(이하 '안테나')를 개시한다. 상기 안테나는 평면적 유전체 기판과, 그 양 표면에 각각 배치되는 두 개의 도전 패턴을 갖는다. 각 도전 패턴은 종방향 중앙선상의 급전선과 급전선의 좌ㆍ우에 배치되는 방사 소자들을 포함한다. 각각의 도전 패턴 상에는 고 주파수 대역에서 동작하도록 설계된 방사 소자들과, 저 주파수 대역에서 동작하도록 설계된 방사 소자들이 적절한 형태로 배치된다. 급전부는 대향된 두 개의 급전선과 그들 사이의 기판을 일렬로 관통하여 형성된 급전홀이며, 하나의 동축 전송 케이블이 그 외부 도체가 하나의 도전 패턴 상의 급전선에 접촉하고 심선이 급전홀을 통과하여 다른 도전 패턴 상의 급전선에 접촉하도록 제공된다.
상기 안테나는 두 개의 서로 다른 주파수 대역에서 효율적으로 동작할 수 있는 듀얼밴드 동작 특성과 각 주파수 대역에서 전방향성 방사 특성을 갖는다. 또한 무선 통신 장치의 외부 뿐만 아니라 내부에도 설치될 수 있는 정도로 소형 제작이 가능하다.
위에서 기재되거나 또는 기재되지 않은 본 발명에 따른 안테나의 특성과 효과는 이하에서 도면을 참조하여 설명하는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명백해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나(16)를 사용한 무선 통신 장치(10)를 예시한다. 무선 랜 시스템은 무선 통신 장치(10) 이외에도 컴퓨터나 프린터 기타 랜 기능을 가진 장치들을 포함한다. 도면에서, 상기 안테나(16)는 무선 통신 장치(10)의 외부에 설치되고 하우징(H)으로 보호되는 것을 예시하고 있으나, 상기 안테나(16)는 평면적이고 소형으로 제작 가능하기 때문에 무선 통신 장치(10)의 내부에 설치될 수도 있다.
상기 안테나(16)는 그 앞면과 뒷면에 각각 소정의 도전 패턴(conductive pattern)(24,36)이 배치될 수 있는 유전체 기판(18)을 포함한다. 상기 기판(18)은 1-10, 바람직하게는 4.5 값의 비유전율(relative dielectric constant)을 가지며, 바람직하게 1.5-2.5mm의 두께를 갖는다. 상기 기판(18)은 평면적이며, 실질적으로 서로 평행하고 각각의 표면에 도전 패턴(24,36)이 배치되는 앞면(20)과 뒷면(22)을 갖는 것으로 규정할 수 있다.
여기에서 설명되는 도전 패턴(24,36)은 기판(18) 표면에 약 0.2-0.3mm 두께의 동박을 입힌 다음 불필요한 부분을 화학적으로 부식시켜 제거하고 필요한 패턴만을 기판 상에 남기는 통상의 에칭(etching) 기법으로 형성한 것이다. 그러나 상기 도전 패턴(24,36)은 일반적인 와이어 도체를 이용하여 배치될 수도 있을 것이다.
도 2-4에서 상기 도전 패턴(24,36)에 대하여 상세히 예시한다. 도 2를 참조하면, 기판(18)의 앞면(20)에 배치되는 제1 도전 패턴(24)은 기판(18)의 종방향 중심선상에 배치되는 제1 급전선(26)과, 그 일단이 상기 제1 급전선(26)의 좌ㆍ우에 연결되어 있는 다수의 방사 소자들(28a,28b,30a,30b) 및 제1 급전선(26) 상에 형성된 그라운드부(32)와 스터브(34)를 포함한다.
각 방사 소자(28a,28b,30a,30b)는 일정한 모양으로 구부러져 형성되며, 각각은 모노폴 안테나(monopole antenna)로서 하나의 방사체(radiator)이다. 구부러진 모양은 도면에서 예시된 L-모양에 한정되는 것은 아니며, 예를들어 J-모양 또는 F-모양 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
상기 방사 소자들(28a,28b,30a,30b)은, 고 주파수 대역, 실제로는 4.9-5.85 GHz에서 동작할 수 있도록 설계된 방사 소자들(28a,28b)과, 저 주파수 대역, 실제로 2.4-2.5 GHz에서 동작할 수 있도록 설계된 방사 소자들(30a,30b)을 포함한다. 여기에서, 각 방사 소자들(28a,28b,30a,30b)은 동일한 폭을 가지며, 그 중 저 주파 수 대역에서 동작하는 방사 소자들(30a,30b)은 고 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자들(28a,28b)에 비하여 보다 길게 설계된다.
바람직하게, 같은 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자끼리(28a-28b, 30a-30b)는 제1 급전선(26)에 대하여 좌ㆍ우 대칭적 쌍으로 배치된다. 그리고 고 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자 쌍(28a-28b)은 일정한 간격을 가지고 수직적으로 반복되는 어레이, 보다 바람직하게는 4단 어레이(four-array) 형태로 배치되며, 저 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자 쌍(30a-30b)은 어레이 형태로 배치된 방사 소자 쌍(28a-28b) 중 어느 하나와 동일한 위치에서 그 방사 소자 쌍(28a-28b)의 외측에 배치된다. 이 때 저 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자 쌍(30a-30b)의 위치는 반복 측정에 의하여 고 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자 쌍(28a-28b)과의 상호 간섭이 최소화되는 보다 최적의 위치인 것으로 판명된 결과에 따라 선택될 수 있다.
스터브(stubs)(34)는 제1 급전선(26) 상의 적당한 위치에 1 개 이상으로 배치되며, 제1 급전선(26)의 폭보다는 크게 설계된다. 상기 스터브(34)는 제1 급전선(26)의 임피던스를 각 방사 소자(28a,28b,30a,30b)의 임피던스에 정합시키는 임피던드 매칭 탭으로서의 기능과, 수신된 신호를 지연시켜 전체 위상을 고르게 맞추어 줌으로써 빔 합성이 잘 이루어 질 수 있도록 하는 기능을 한다.
도 3을 참조하면, 기판(18)의 뒷면(22)에 배치되는 제2 도전 패턴(36)은 기판(18)의 종방향 중심선상에 배치되는 제2 급전선(38)과, 상기 제2 급전선(38)에 연결되어 있는 다수의 방사 소자들(40a,40b,42a,42b) 및 제2 급전선(38) 상에 형성 된 스터브(44)를 포함한다.
각각 하나의 방사체를 형성하는 상기 방사 소자들(40a,40b,42a,42b)은 형태면에서 제1 도전 패턴(24) 상의 각 방사 소자(28a,28b,30a,30b)에 대하여 상ㆍ하 대칭적으로 설계 배치된다(도 4 참조). 당연하게, 각 방사 소자(40a,40b,42a,42b)의 동작 주파수 범위는, 형태면에서 대칭적으로 배치된 제1 도전 패턴(24) 상의 각 방사 소자(28a,28b,30a,30b)와 동일하다.
특히 도 4를 참조하면, 부호 46은 급전홀이고, 48은 도전 핀이다. 상기 급전홀(46)은 제1 급전선(26) 상에 형성된 그라운드(32)와 기판(18) 그리고 제2 급전선(38)을 차례로 관통하여 형성된다.
한편, 내부 심선(15)과 외부 도체(14)를 갖는 동축 전송 케이블(12)은, 심선(15)이 급전홀(46)을 통과하여 제2 급전선(38)에 접촉되고, 동시에 외부 도체(14)가 제1 급전선(26)의 그라운드(32)에 접속되는 방법으로 상기 안테나(16)에 제공된다(도 1 참조). 따라서 제1 도전 패턴(24) 상의 방사 소자(28a,28b,30a,30b)와 제2 도전 패턴(36) 상의 방사 소자(40a,40b,42a,42b)는 서로 다른 극성을 띠게 된다. 예를 들어 제1 도전 패턴(24) 상의 방사 소자(28a,28b,30a,30b)의 극성이 (+)이면, 제2 도전 패턴(36) 상의 방사 소자(40a,40b,42a,42b)의 극성은 (-)이다. 이 상태에서 양 극의 빔이 합성됨으로써 전방향(omnidirectional) 방사 패턴을 얻을 수 있다.
도전 핀(48)은 제1 급전선(26)의 끝단과 제2 급전선(38)의 끝단을 상호 접속시키도록 제공된다. 즉, 제1 급전선(26)과 제2 급전선(38)은 도전 핀(48)에 의하여 그들의 끝단에서 쇼트되고 그라운드(32)를 통하여 접지된다.
도 5를 참조하면, 마커(markers)는 주파수 2.40, 2.50, 4.90, 5.45, 5.85 GHz에 각각 위치하고 있으며, 2.4-2.5 GHz 및 4.90-5.85 GHz 범위의 주파수 대역에서 1.5:1 이하의 만족스러운 정재파비(VSWR)가 나타나는 것으로 측정되었다. 따라서 본 안테나(16)가 듀얼밴드 동작 특성을 갖음을 알 수 있다. 그리고 이 측정 결과에서 알 수 있듯이, 본 안테나(16)는 특히 5 GHZ 대의 주파수 대역에서 광대역 특성을 갖는다. 현재 국가별 및 지역별로 랜 시스템에 사용하는 주파수가 예를 들어 2.40-2.50, 4.90-5.15, 5.15-5.45, 5.45-5.70 또는 5.725-5.825 GHz 등으로 매우 다양한 점을 고려하면, 상기 광대역 특성은 본 안테나(16)의 범용적 사용을 보장한다.
사용 주파수 2.5 GHz에서 본 안테나(16)의 특성을 측정하여 보인 도 6을 참조하면, 수평 패턴(도 6a)이 대략의 원형 패턴으로 나타나고, 또한 수직 패턴(도 6b)이 주파수 전용 안테나의 전방향 특성인 8-형 패턴으로 나타남으로써, 본 안테나(16)가 전방향성 방사 특성을 갖는 것으로 판명되었다. 최고 이득(peak gain)은 2.33 dBi로 측정되었다.
사용 주파수 5.725 GHz에서 본 안테나(16)의 특성을 측정하여 보인 도 7을 참조하면, 수평 패턴(도 7a)이 대략의 원형 패턴으로 나타나고, 또한 수직 패턴(도 6b)이 주파수 전용 안테나의 전방향 특성인 8-형 패턴으로 나타남으로써, 본 안테나(16)가 전방향성 방사 특성을 갖는 것으로 판명되었다. 이득 평판도는 사용 주파수 2.5 GHz의 경우 보다 우수한 것으로 보이며, 최고 이득(peak gain)은 5.06 dBi로 측정되었다.
본 발명의 안테나(16)는 서로 다른 주파수 대역에서 효율적으로 동작할 수 특성을 갖는다. 따라서 이 안테나(16)는 서로 다른 대역의 주파수를 사용하는 무선 랜 시스템들에 대하여 공용될 수 있는 경제적 효과가 있다. 또한 이 안테나(16)는 마이크로스트립 타입으로 설계되고 하나의 동축 전송 케이블(12)이 사용되도록 함으로써 소형으로 그리고 저가로 제작할 수 있는 이점이 있다.
이상에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의하여 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 수정 및 변경될 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 서로 평행하는 두 표면을 갖는 평면적 유전체 기판과;
    기판의 일 표면에 배치되며, 기판의 종방향 중심선상에 배치되는 제1 급전선과, 각각은 굽은 형태이고 그 일단이 제1 급전선에 연결되며, 일부는 고 주파수 대역에서, 다른 일부는 저 주파수 대역에서 동작하도록 설계된 다수의 방사 소자를 포함하는 제1 도전 패턴과;
    기판의 다른 표면에 배치되며, 기판의 종방향 중심선상에 배치되는 제2 급전선과, 각각은 제2 급전선에 연결되며, 형태면에서 제1 도전 패턴 상의 각 방사 소자에 대하여 상ㆍ하 대칭적으로 배치되는 된 다수의 방사 소자를 포함하는 제2 도전 패턴으로 이루어 지며;
    외부 도체와 심선을 갖는 동축 전송 케이블이, 그 외부 도체가 제1 급전선 상의 그라운드부에 접촉되고 심선이 제2 급전선 상에 접촉되는 관계로 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 급전선 상의 그라운드부와 기판 및 제2 급전선을 차례로 관통하는 급전홀을 더 포함하며, 동축 전송 케이블은 그 심선이 급전홀을 통과하여 제2 급전선 상에 접촉되고 외부 도체가 그라운드부에 접촉되는 관계로 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 제1 급전선과 제2 급전선은 그 들의 끝단을 상호 접속시키는 도전 핀에 의하여 쇼트되는 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 고 주파수 대역은 4.9 ~ 5.85 GHz 범위이고, 상기 저 주파수 대역은 2.4 ~ 2.5 GHz 범위인 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서, 전체 방사 소자는 동일한 폭을 가지며, 그 중 저 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자는 고 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자에 비하여 보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서, 전체 방사 소자 중 같은 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자끼리는 제1 급전선 및 제2 급전선에 대하여 좌ㆍ우 대칭적 쌍으로 배치된 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서, 고 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자 쌍은 제1 급전선 및 제2 급전선 상에서 일정한 간격을 가지고 수직적으로 반복되는 어레이 형태로 배치되며, 저 주파수 대역에서 동작하는 방사 소자 쌍은 상기 어레이 배치된 방사 소자 쌍 중 어느 하나와 동일한 위치에서 그 방사 소자 쌍의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서, 제1 급전선 및 제2 급전선 상에는 한 개 이상의 스터브가 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 랜용 듀얼밴드 옴니 안테나.
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