KR100601730B1

KR100601730B1 - 광대역 특성의 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나

Info

Publication number: KR100601730B1
Application number: KR1020040032722A
Authority: KR
Inventors: 박익모; 이윤호
Original assignee: 아주대학교산학협력단
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2006-07-14
Also published as: KR20050107881A; US20050248499A1; US6967631B1

Abstract

본 발명은 미앤더 구조를 이용하여 광대역 특성을 가지면서도 소형화가 용이한 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나를 개시한다. 유전체 기판의 하부면에는 접지도체판이 접합되어 있고 상부면의 가운데에는 대칭형의 방사상 교차 스트립이 배치된다. 다중 방사부의 각 방사부재는 방사상 교차 스트립의 각 끝부분마다 하나씩 연결되어 직립된다. 하나의 방사부재는 수직선폭이 테이퍼 된 수직 스트립부와 그 위에 미앤더 구조로 된 미앤더 스트립부가 적어도 한 단 이상 연결된다. 방사상 교차 스트립의 중심으로 급전이 되면, θ=90° 평면에 흐르는 전류 성분들은 서로 상쇄되고, 즉 다중 방사부에서 복사되는 신호는 θ=0° 축상에서 서로 상쇄되고, θ가 증가하면서 복사이득이 커지게 되어 코니컬 빔 복사패턴을 제공한다. 2.9 GHz ∼10.85 GHz의 넓은 대역폭을 얻을 수 있었으며, 전방향으로 동일한 이득을 갖는 우수한 모노폴 복사패턴을 갖는다.

Description

광대역 특성의 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나 {Multiple Meander Strip Monopole Antenna with Broadband Characteristic}

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1a, 1b 및 1c는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 기본 구조를 도시하는 입체도, 상면도, 정면도이다.

도 2a는 본 발명의 변형 실시예에 따른 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 기본 구조를 도시하는 입체도이고, 도 2b는 미앤더링 회수 N이 5인 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 정면도이다.

도 3은 본 발명의 안테나를 여러 가지 형태로 변형한 경우의 안테나 구조를 도시한다.

도 4는 본 발명의 변형 실시예에 따른 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나에 있어서 미앤더 회수 N=1, 2, 3에 대한 계산된 반사손실을 도시한다.

도 5a, 5b, 5c는 미앤더 회수 N이 N=5인 안테나 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나에 있어서 설계변수 h ₁ , a, h ₂ 에 따른 반사손실의 변화를 나타낸다.

도 6은 표 3의 설계값으로 제작한 안테나의 반사손실을 나타낸다.

도 7a와 7b는 4 GHz에서 φ=0°, φ=45° 단면에 대한 안테나의 측정된 E-평면 복사패턴을 계산된 결과와 비교하여 나타낸다.

도 8a와 8b는 7 GHz에서 φ=0°, φ=45° 단면에 대한 안테나의 측정된 E-평면 복사패턴을 계산된 결과와 비교하여 나타낸다.

도 9a와 9b는 10 GHz에서 φ=0°, φ=45° 단면에 대한 안테나의 측정된 E-평면 복사패턴을 계산된 결과와 비교하여 나타낸다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

100: 안테나

110a, 110b, 110c, 110d: 방사부재

110: 다중 방사부

112: 수직 스트립부

114: 미앤더 스트립부

120: 십자형 교차 스트립

130: 유전체 기판

140: 접지도체판

150: 급전신호의 공급지점

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높이를 줄여 소형화할 수 있는 구조를 갖는 폴디드 멀티스트립 모노폴 안테나에 관한 것이다.

최근 UWB (Ultra WideBand) 통신과 관련하여 기술 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 차세대 무선통신의 핵심으로 대두되고 있는 UWB 통신에서는 일반적인 무선 통신 방식에서 기저대역 (baseband) 신호를 전송하기 위해 사용하는 반송파(carrier)를 사용하지 않고 신호의 시간 폭이 1 나노 초(nano second)에서 수 피코 초 (pico second) 밖에 되지 않는 낮은 전력의 펄스(pulse)를 사용한다. 넓은 주파수 대역에 걸쳐 낮은 전력의 신호를 전송하기 때문에 기존의 시스템보다 전력 소비량이 적으며, 가용 주파수 대역을 따로 할당하지 않고 기존의 협대역 시스템에 이용되고 있는 주파수 대역을 공유함으로써 한정된 주파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다. 또한 매우 정교한 물체 추적 능력은 레이더(Radar)나 GPRS(Ground Penetration Radar System) 등의 이미징(imaging) 시스템에 사용할 수 있고, 일반 무선 랜에 비해 10배 이상에 달하는 데이터 전송속도의 구현이 가능하다.

이러한 UWB 통신 기술에서는 3.1 GHz에서 10.6 GHz까지의 넓은 주파수 대역을 사용하기 때문에 넓은 주파수 범위의 신호를 송, 수신 할 수 있는 광대역 안테나가 반드시 필요하다. 또한 기술발전에 따른 통신 장비들의 소형화에 발맞추어 소형 안테나가 필수적으로 요구된다. 따라서 UWB 통신 기술에 적합한 광대역 특성을 만족하는 동시에 소형화가 가능한 안테나의 개발이 절실히 필요하다.

UWB의 대역폭을 만족하는 광대역 특성을 갖는 안테나로는 바이코니컬 (biconical) 안테나, 혼(horn) 안테나, 리플렉터(reflector) 안테나, 스파이럴(spiral) 안테나, 대수주기(log periodic) 안테나 등이 있다. 그러나 바이코니컬 안테나와 혼 안테나, 리플렉터 안테나의 경우 비교적 큰 크기로 인하여 소형 안테나에 대한 요구를 만족시키기 어려우며, 스파이럴 안테나와 대수주기 안테나의 경우는 단일 주파수나 협대역의 사인파(sinusoidal wave)가 아닌 광대역의 주파수 신호로 이루어진 임펄스 신호(impulse signal)에 대하여 저주파와 고주파 간의 복사 시간차에 따른 분산(dispersion)이 발생하게 되어 송/수신 신호에 왜곡(distortion)을 초래하게 된다.

본 발명은 UWB 통신 대역폭을 만족하는 광대역 특성을 가지면서 소형화가 가능한 구조로 된 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나 (multiple meander strip monopole antenna)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 유전체 판으로 된 기판; 상기 기판의 상부 표면의 가운데 부분에 배치되며, 다수의 브랜치 스트립이 상기 기판 표면상에서 정다각형의 외심에서 각 꼭지점까지의 연장선상에 배치된 방사상 교차 스트립; 및 평편한 도체스트립으로 구성 된 수직 스트립부와 상기 수직 스트립부의 상단에 일체로 연결되는 미앤더 스트립부로 구성되는 방사부재를 상기 방사상 교차 스트립의 브랜치스트립 개수만큼 포함하며, 상기 미앤더 스트립부는 '

'형상의 도체스트립 단독으로 구성된 1단식 미앤더 스트립 또는 '

'형상의 도체스트립의 끝에 미앤더 형태로 연결되는 적어도 하나의

형상의 도체 스트립으로 구성되는 다단식 미앤더 스트립이며, 상기 방사부재들의 미앤더 스트립부는 상부 끝단이 서로 연결되지 않은 개방된 구조이고, 상기 방사부재들은 상기 수직 스트립부를 통해 상기 방사상 교차 스트립의 각 브랜치스트립의 끝부분에 각각 하나씩 연결되어 상기 기판에 대하여 직립되도록 배치된 다중 방사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나가 제공된다. 이 안테나는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 한 종류이다.

상기 안테나에 있어서, 특히 미앤더 스트립부는 '

'형상으로 절곡된 도체스트립의 끝에 미앤더 형태로 연결되는

형상의 도체 스트립을 적어도 하나 더 포함하여 다단식 미앤더 스트립부를 이루는 것이 바람직하다. 이 안테나 구조는

형태의 스트립이 반복적으로 연결된 복수의 미앤더링 된 구조라는 점에서 전형적인 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나 구조로 볼 수 있다. 미앤더링 횟수가 증가함에 따라 대역폭이 증가하는 특성을 나타낸다. 이러한 안테나 구조를 이용하여 UWB 통신 대역(3.1 GHz∼10.6 GHz)을 만족하는 2.9 GHz∼10.82 GHz의 광대역 특성을 갖는 안테나 설계가 가능하다. 이 안테나는 우수한 전방향 복사 패턴(omnidirectional radiation pattern)은 전방향 통신이 요구되는 무선 랜(Wireless LAN)이나 무선 팬 (WPAN: Wireless Personal Area Network) 등에 적합하다.

나아가 상기 다중 방사부의 각 방사부재들은 동일한 구조를 갖고 상기 기판의 상부표면상에서 상기 방사상 교차 스트립의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 배치에 의해, 급전 지점이 상기 방사상 교차 스트립의 중심에 위치하는 경우 상기 미앤더 스트립부의 구성부 중에서 상기 기판과 평행한 부분에 흐르는 전류 성분들은 서로 상쇄되어, 상기 다중 방사부에서 복사되는 신호는 θ=0°축 상에서 서로 상쇄되고 θ가 증가하면서 복사이득이 커지게 되어 코니컬 빔 복사패턴을 제공할 수 있게 된다.

상기 방사상 교차 스트립은 선폭과 길이가 동일한 N개의 브랜치 스트립들이 360°/N 의 등각도로 배치된 방사상 교차 스트립인 것이 바람직하다.

상기 수직 스트립부는 임피던스 매칭을 위해 수직 선폭이 테이퍼링 된 형태로 된 것이 바람직하다. 수직 스트립부가 테이퍼링 된 구조는 주파수에 따른 임피던스의 변화를 완화시켜 광대역 특성을 얻는 데 기여한다.

또한, 위의 안테나 구조에 있어서 임피던스 정합을 통해 반사손실을 최소화하기 위해, 상기 수직 스트립부와 상기 미앤더 스트립부의 길이의 합은 정합 시키고자 하는 주파수의 λ₀/4인 것이 바람직하다.

시작주파수의 λ₀/4 길이에 대한 상기 다중 방사부의 높이의 비는 60% 이하인 것이 바람직하다. 안테나의 높이를 낮게 하여 소형화에 유리한 구조를 얻기 위함이다.

안테나로서 완전한 구성을 취하기 위해, 상기 유전체 기판의 하부 표면에 접합된 접지도체판을 더 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 기판과 상기 접지도체판은 원형인 것이 바람직하다. 원형의 접지도체판을 사용하면 접지도체판에서의 전류의 흐름을 전방향으로 동일하게 해줌으로써 교차편파를 줄이고 전방향성 복사패턴 특성을 강화하는 데 유리하기 때문이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 제1 실시예에 따른 안테나의 구조와 동작원리를 설명한다. 도 1a, 1b 및 1c는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 기본 구조를 도시하는 입체도, 상면도 정면도이다. 제 1 실시예에 따른 안테나(100)는 수직한 스트립의 끝 부분을 '

' 형태로 구부림으로써 전체적인 안테나 높이를 감소시킬 수 있으며, 평행한 스트립 사이에서 발생하는 커패시턴스 (capacitance) 성분이 협대역 모노폴 안테나에서 지배적인 인덕턴스 (inductance) 성분을 보상해 줌으로써 대역폭을 크게 개선시킬 수 있는 폴디드 멀티스트립 모노폴 안테나 구조이다.

구체적으로, 이 안테나(100)는 도체 스트립으로 된 네 개의 방사부재(110a, 110b, 110c, 110d)로 된 다중 방사부(110), 도체 스트립이 십자형으로 교차된 십자형 교차 스트립(120), 유전체로 된 기판(130)을 포함한다. 안테나의 구성에는 접지면이 필요한데, 이 접지면은 안테나의 설치 조건에 따라서 외부의 접지면을 활용할 수도 있으나, 본 발명의 안테나의 일 구성요소로서 내포할 수도 있다. 도시된 안테나는 유전체 기판(130)의 그 저면에 도체판으로 된 접지도체판(140)을 더 부가하여 안테나 평면을 구성한 경우이다. 십자형 교차 스트립(120)은 유전체 기판(130)의 상면의 대략 가운데에 배치된다. 동축선을 통해 제공될 급전신호의 공급지점(150)은 접지도체판(140)을 통해 십자형 교차 스트립(120)의 한 가운데를 향하도록 위치한다. 네 개의 방사부재(110a, 110b, 110c, 110d)는 동일한 크기와 구조를 가지며, 십자형 교차 스트립(120)의 네 개의 브랜치스트립 끝부분에 각각 하나씩 연결되어 안테나 평면상에서 사방으로 구조적 대칭을 이루도록 배치된다. 각 방사부재(110a, 110b, 110c, 110d)는 유전체 기판(130) 면에 수직으로 직립하여 수직 스트립부(112)와 '

' 형상으로 절곡되어 수직 스트립부(112)의 상단에 일체로 연결되는 미앤더 스트립부(114)로 구성된다. 수직 스트립부(112)는 높이가 h₁ 이며 기판(130)상의 십자형 교차 스트립(120)과 서로 폭이 다른 미앤더 스트립부(114)를 연결하기 위하여 유전체 기판(130)으로 내려가면서 선폭이 가늘어지는 테이퍼링(tapering) 된 구조를 가진다. 미앤더 스트립부(114)의 수평부들은 모두 동일한 크기 aⅩb를 갖는다.

기판(130)의 하판에 위치한 급전단(150)과 미앤더 스트립부(114)는 전기적으로 서로 연결된다. 그러나 도 1a에 도시된 바와 같이 각 방사부재(110a, 110b, 110c, 110d)의 미앤더 스트립부(114)는 상부 끝단이 서로 연결되지 않은 개방된 형태(즉, 각 방사부재가 폐루프를 형성하지 않는 구조)이다. 이러한 점은 도 2a 등의 다른 실시예에서도 동일하게 견지된다. 테이퍼링 된 구조는 주파수에 따른 임피던스의 변화를 완화시켜 광대역 특성을 얻는 데 기여한다. 즉, 테이퍼링 된 수직 스트립부(112)와 접은 형태의 미앤더 스트립부(114)를 직렬로 연결함으로써 주파수에 따른 임피던스 변화가 작아져 폴디드 멀티스트립 모노폴 안테나는 광대역 특성을 갖게 된다.

수직 스트립부(112)와 미앤더 스트립부(114)의 길이의 합은 대략 정합 시키고자 하는 주파수의 λ₀/4로 하는 것이 바람직하다. 네 개의 방사부재(110a, 110b, 110c, 110d)가 대칭적으로 배치되므로, 각각의 방사부재에 신호가 동위상으로 인가되고, 그에 따라 상하로 서로 마주보는 두 방사부재(110a와 110d) 간에는 각 방사부재(110a와 110d)의 미앤더 스트립부(114)의 수평부에 흐르는 전류 (달리 말하면, 미앤더 스트립부(114)의 구성부 중에서 θ=90°인 평면 즉, 유전체 기판(130) 면과 평행인 부분에 흐르는 전류)는 서로 180° 역위상이 된다. 그 결과, θ가 0°인 선상에서는 방사 신호가 서로 상쇄되고 스트립의 수직한 부분에 의한 복사가 지배적이 된다. 좌우로 서로 마주보는 두 방사부재(110b와 110c) 간도 같은 결과가 나타난다. 이러한 특성에 의해 안테나(100)는 전방향성 코니컬 빔 복사패턴을 갖게 된다.

접지도체판(140)은 원형으로 하는 것이 바람직하다. 모노폴 안테나의 경우 사각형의 접지도체판을 사용하게 되면 교차편파가 커지고 각각의 수평단면 패턴의 복사이득이 달라지기 때문이다. 원형의 접지도체판을 사용하면 접지도체판에서의 전류의 흐름을 전방향으로 동일하게 해줌으로써 교차편파를 줄이고 전방향성 복사패턴 특성을 강화하는 데 유리하다.

일반적인 모노폴 안테나는 인덕턴스 성분이 지배적이기 때문에 부족한 커패시턴스 성분을 보상해 줌으로써 광대역 특성을 얻을 수 있다. 원통형 모노폴의 경우 원통 반지름을 증가시키거나, 모노폴의 끝에 패치 등을 부착시켜 커패시턴스 성분을 증가시켜 줌으로써 대역폭을 증가시킬 수 있으나, 안테나의 전체적인 높이를 줄이는 데에는 한계가 있다. 하지만 본 발명에 따른 안테나(100)는 '

' 모양의 각 방사부재(110a, 110b, 110c, 110d)의 미앤더 스트립부(114)에서 발생하는 커패시턴스 성분으로 인하여 광대역 특성을 갖게 되며, 안테나의 전체적인 높이를 많이 줄일 수 있으므로 안테나 설치 시 요구되는 공간적인 제한을 감소시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 다른 안테나의 구조와 동작원리에 대하여 설명하기로 한다. 도 2a는 본 발명의 변형 실시예에 따른 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 기본 구조를 도시하는 입체도이고, 도 2b는 미앤더링 회수 N이 5인 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 정면도이다. 제 2 실시예에 따른 안테나(200)는 위의 제1 실시예에 따른 폴디드 멀티스트립 모노폴 안테나를 기본 구조로 하여 미앤더 스트립부(114)의 위에

모양 스트립을 한 단 이상 미앤더링 형태로 더 연결한 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나 구조이다. 이에 의해 보다 더 넓은 대역폭의 구현이 가능하다. 도면에서 N은 미앤더링 회수를 나타낸다. 제1 실시예의 안테나(100)는 N=1이 되며, 이를 기준으로

모양의 스트립을 한번 씩 더 연결할 때마다 N은 1이 증가하게 된다. 도 2a 및 2b는 N이 이하의 설명에서는 N 번 미앤더링 된 안테나를 N으로 표시하였다.

본 발명의 안테나의 대표적인 구조는 앞서 언급하였듯이 네 개의 브랜치 스트립들이 서로 90°의 등각도로 배치된 십자형 교차 스트립을 채용한 구조이나, 교차 스트립의 구조를 다르게 한 안테나 구조도 가능하다. 도 3은 본 발명의 안테나를 여러 가지 형태로 변형한 경우의 안테나 구조를 도시한다. 도시된 바와 같이, 세 개의 브랜치 스트립들이 120°의 등각도로 배치된 Y형 교차 스트립을 채용하는 구조(도 3a), 또는 5개 또는 6개의 브랜치 스트립들이 72° 또는 60°의 등각도로 배치된 방사상 교차 스트립을 채용하는 구조(도 3b와 3c)도 가능하다. 교차 스트립의 형태를 십자형이 아닌 다른 형태 예컨대 Y형 교차 스트립(320), 5지형 교차 스트립(420), 또는 6지형 교차 스트립(520)과 같은 형태로 변형함에 따라, 방사부재의 개수 또는 교차 스트립의 브랜치스트립 개수에 맞게 가져갈 필요가 있다. 이를 일반화시켜 표현하면, 방사상 교차 스트립은 X개의 브랜치 스트립을 포함할 수 있고, 이들 브랜치 스트립은 360°/X 의 등각도로 배치되고, 방사부재 또한 X개로 된다. 다만, 이러한 구조 변형에 있어서도, θ가 0°인 선상에서는 방사신호가 서로 상쇄되도록 하기 위해서는 교차 스트립의 브랜치스트립들은 등각도로 이격되어야 함은 물론이고, 동일한 선폭과 길이를 가질 필요가 있다. 또한 각 방사부재(310a~310c, 410a~410e, 510a~510f)도 동일한 구조와 크기를 가질 필요가 있다. 채용하는 방사부재의 미앤더링 회수 N은 1이상으로 한다.

본 발명자들은 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 실제로 설계하고 특성을 측정하여 보았다.

[표 1. 안테나 설계변수]

(단위 : mm)
수평부의 길이	a	4.5
수평부의 길이	b	4.5
방사부재의 높이	h₁	8
방사부재의 높이	h₂	1.5
기판 두께	d	1.6
십자 스트립의 크기	S₁	1
십자 스트립의 크기	S₂	6
원형 접지도체판의 반경	R	30

테이퍼링 된 수직 스트립부(112)의 길이 h₁ =8 mm, 미앤더 스트립부(114)의 평행한 상부 및 하부 스트립 사이의 간격 h₂ =1.5 mm, a=4.5 mm로 설계 되었다. 원형 접지도체판의 반지름 R이 30 mm일 때 4.55 GHz∼8.4 GHz까지 약 1.85:1의 측정 대역비를 얻을 수 있었으며, 이때 접지도체판을 제외한 방사부재는 15(W)Ⅹ15(W)Ⅹ 9.5(H) ㎣의 크기를 갖는다. 안테나의 접지도체판은 비유전율 ε_r 이 2.2인 RT Duroid 5880 기판을 사용하였으며 기판의 두께 d는 1.6 mm로 하였다. 실제로 적용한 안테나 설계변수 값은 표 1에 정리되어 있다. 그리고 표 1의 설계변수를 갖는 제1 실시예에 따른 안테나에 h₂ 와 동일한 높이(1.5 mm)와 a와 동일한 길이(4.5 mm)를 갖는

모양 스트립을 반복 연결한 제2 실시예의 안테나에 대하여 N에 따른 반사손실의 변화를 알아보았다. 미앤더 회수 N=1, 2, 3에 대한 계산된 반사손실을 도 4에 나타내었다.

도 4의 결과에서 N이 증가하면서 방사부재의 전체적인 길이가 길어지게 되므로 안테나의 공진 길이가 증가하여 정합 주파수가 점점 낮아지고, 대역폭은 넓어지는 것을 알 수 있다. 도 4의 N에 따른 시작 주파수 f_L 과 상한 주파수 f_H , 방사부재(110)의 전체적인 높이 H와 단일 복사 소자의 스트립 전체 길이 S, 시작 주파수 f_L 의 λ_o/4 길이에 대한 안테나의 높이 비율(HR:Height Ratio) 및 대역비를 표 2에 정리하여 나타내었다.

표 2에서 N=1, 2, 3에 대한 시작 주파수 f _L 의 λ_o/4 길이를 기준으로 한 안테나 높이 비율 HR은 50%에서 60% 사이이며, 대역비가 각각 1.8:1, 2.2:1, 2.4:1로 N이 증가함에 따라 대역폭이 점점 증가하고 있다. 이러한 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나의 특성은 와이어의 길이를 증가시키고, 구부리는 횟수를 늘려 안테나를 소형화 할수록 대역폭이 줄어드는 와이어(wire) 모노폴 안테나의 특성과는 대조되는 것이다.

[표 2. N에 대한 특성 비교]

	f _L (GHz)	f _H (GHz)	H(mm)	S(mm)	HR(%)	대역비
N=1	4.7	8.4	9.5	18.5	59.5	1.8:1
N=2	3.48	7.82	11	24.5	51.1	2.2:1
N=3	3.15	7.6	12.5	30.5	52.5	2.4:1

이와 같은 다중 미앤더 스트립 안테나의 기본적인 특성을 바탕으로 하여 UWB 통신에 사용하기 적합한 대역폭을 갖는 N=5에 대하여 특성을 분석하고 설계, 제작하였다. 안테나 특성을 계산하는 데에는 상용 EM 시뮬레이터인 CST사의 MicroWave Studio를 사용하였으며, 안테나의 반사손실을 측정하는 데에는 HP 8510C 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)를 사용하였다.

제안한 N=5를 구성하는 주요 설계변수를 도 2b에 나타내었다. 도 2b에 나타낸 안테나의 여러 설계 변수들 가운데 안테나의 전체적인 높이를 결정하는 h_n (n=1∼6)과 수평한 스트립 부분인 수평부의 길이 a는 안테나의 정합 특성을 결정짓는 주요 설계 변수로 작용한다. 각각의 설계변수가 반사손실에 미치는 영향을 알아보기 위하여 주요 설계변수에 따른 특성 변화를 도 5a~5c에 나타내었다. 도 5a, 5b, 5c는 각각 안테나 설계변수 h₁ , a, h₂ 에 따른 반사손실의 변화를 나타낸다.

도 5a에서 h₁ 의 길이에 따라 안테나의 정합 주파수 대역이 상, 하로 이동되는 것을 볼 수 있으며, 전체적으로 반사손실의 변화가 작고 대역폭이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 도 5b에서 a의 변화에 따른 시작 주파수의 변화와 8 GHz 이하의 주파수에서의 반사손실의 변화는 거의 없으며, 고주파 영역에서의 변화가 비교적 크게 나타나고 있다. 도 5c에서 높이 h₂ 의 변화에 따른 안테나의 특성은 h₁ 과 마찬가지로 정합 주파수 대역을 변화시키며, h₂ 를 조절함으로써 고주파에서의 정합특성을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다. 높이 h₃ ∼h₆ 역시 h₂ 와 유사한 영향을 미치며, 마주보는 방사부재 간의 간격이 넓어져 W가 커질수록 전체적인 정합특성은 나빠진다. 도 5a~5c의 결과로부터 안테나의 정합 주파수 대역을 결정짓는 주요 변수는 안테나의 전체적인 높이를 이루는 h_n 이며, 수평부의 길이 a가 안테나의 공진 길이에 미치는 영향은 h_n 에 비하여 작고, a와 높이 h₂ ∼h₆을 조절함으로써 고주파 영역의 정합특성을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 5a~5c의 결과는 다른 N의 값을 가진 미앤더 스트립 모노폴 안테나 구조에 대해서도 동일하게 적용된다. 이와 같은 특성을 갖는 설계변수들의 최적화 과정을 통하여 구한 안테나의 설계변수 값들을 표 3에 나타내었다. 도 5a~5c의 결과들은 변화시키고자 하는 설계변수 값을 제외한 나머지 설계변수들을 표 3과 동일하게 하여 계산한 것이다.

[표 3] 안테나의 설계값

(단위: mm)
설계변수		설계값
W	-	14
a	-	4
b	-	4.5
H	-	14
h _n	h ₁	6.5
	h ₂	3.5
	h ₃	1
	h ₄	1
	h ₅	1
	h ₆	1
R	-	50

표 2와 표 3으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 안테나는 전체적인 스트립의 길이에 비하여 실효 공진 길이(effective length)가 비교적 짧다. 이는 스트립 사이에 발생하는 결합 (coupling) 때문에 안테나의 전기적 길이(electrical length)가 짧아지기 때문이며, N이 증가하거나 높이 h₂ ∼h₆ 이 작아져 수평부 사이의 간격이 좁아질수록 실효 공진 길이는 더욱 짧아진다. 안테나의 유전체기판(130)은 두께 1.6 mm이고 비유전율 ε_r 이 2.2인 RT Duroid 5880 기판을 사용하였으며, 방사부재는 두께가 0.1 mm인 동판을 이용하여 제작하였다.

표 3의 설계값으로 제작한 안테나의 반사손실을 도 6에 나타내었다. 도 6에서, 제작한 안테나의 측정 반사손실의 전체적인 경향은 계산된 결과와 잘 일치하고 있으나, 계산된 반사손실에서 10 GHz 부근에서 발생하는 공진이 약 1 GHz 정도 저주파 쪽으로 이동되어 있고, 측정 대역폭은 조금 더 넓게 나타나고 있다. 이는 본 발명의 안테나의 미앤더 스트립부(214)의 수평부들 사이의 간격(h₃ ∼h₆ )이 1 mm 정도로 좁기 때문에 발생한 제작상의 오차로 인한 결과로 예상된다. 안테나의 측정 대역폭은 시작 주파수 2.9 GHz부터 상한 주파수 10.8 GHz 까지 이다. 표 3에서 알 수 있듯이 접지도체판을 제외한 안테나가 차지하는 부피는 14(W)Χ14(W)Χ 14(H) ㎣이다. 안테나는 계산된 반사손실의 시작 주파수(3 GHz)의 λ_o/4 길이인 25 mm와 비교하여 약 56% 정도의 높이를 갖는다. 본 발명의 안테나는 최근 주목을 받고 있는 UWB 통신의 주파수 대역인 3.1 GHz∼10.6 GHz를 포함하는 광대역 특성을 가지면서도 일반적인 광대역 모노폴 안테나에 비하여 크기가 소형이라는 것을 알 수 있다. 결론적으로, 본 발명에 따른 안테나는 UWB 통신에 필요한 광대역/소형 안테나에 대한 요구를 잘 만족한다고 할 수 있다.

도 2a에 도시된 안테나(200)는 유전체 기판(130)상에 위치한 십자(+) 모양 스트립의 정중앙에 동축선 급전되기 때문에 각각의 방사부재(210a~210d)에 입력 신호가 동위상으로 인가되고 서로 마주보는 미앤더 스트립부(214) 간의 수평부에 흐르는 전류는 180° 역위상이 된다. 180°의 위상차로 인하여 네 개의 미앤더 스트립부(214)에서 복사되는 신호는 θ=0° 축상에서 서로 상쇄되고, θ가 증가하면서 복사이득이 커지게 되어 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나는 코니컬 빔 복사패턴을 갖게 된다.

도 7a와 7b는 4 GHz에서 φ=0°, φ=45° 단면에 대한 안테나(200)의 측정된 E-평면 복사패턴을 계산된 결과와 비교하여 나타내고 있다. 마찬가지로 도 8a와 8b 는 7 GHz에서 φ=0°, φ=45° 단면에 대한 안테나의 측정된 E-평면 복사패턴을 계산된 결과와 비교하여 나타내고 있고, 도 9a와 9b는 10 GHz에서 φ=0°, φ=45° 단면에 대한 안테나의 측정된 E-평면 복사패턴을 계산된 결과와 비교하여 나타내고 있다. 이들 측정 도면에서, 측정한 안테나의 복사이득과 패턴 경향이 계산 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 동일 편파는 계산 결과와 큰 차이 없이 잘 일치하고 있으나, 교차편파의 경우 계산된 결과에서는 -40 dBi 이하로 거의 발생하지 않은 것에 비해 측정 결과에서는 제작, 측정상의 오차로 인하여 비교적 크게 나타나고 있다. 도 1a에 도시된 N=1의 폴디드 멀티스트립 모노폴 안테나(100)와 마찬가지로 φ=45° 단면 복사패턴과 φ=0° 단면 복사패턴이 거의 동일한 이득을 가지며, 계산된 H-평면 복사패턴에서 최대 복사이득과 최소 복사이득의 차가 0.1 dBi 이내인 우수한 전방향 복사특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 수직한 스트립을 '

' 형태로 구부려 안테나의 소형화와 광대역 특성 구현이 가능한 폴디드 멀티스트립 모노폴 안테나(100)와 이 안테나를 기본 구조로 삼아

모양의 스트립을 반복 연결함으로써 더 넓은 대역폭을 얻을 수 있는 다중 미앤더 멀티스트립 모노폴 안테나(200)를 제안한다. 미앤더링 된 회수 N이 증가하면서 대역폭이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 제안한 N=5의 안테나로부터 3.7:1의 측정 대역비를 얻을 수 있었다. 본 발명의 안테나가 갖는 2.9 GHz ∼10.85 GHz의 대역폭은 최근 주목을 받고 있는 UWB 통신의 가용 주파수 대역인 3.1 GHz∼10.6 GHz을 포함하는 것이며, 이러한 광대역 특성과 더불어 14(W)Χ 14(W)Χ 14(H) ㎣의 방사부재 크기는 현대의 무선통신에서 필수적인 광대역/소형 안테나에 대한 요구를 잘 만족시키고 있다. 또 전방향으로 동일한 이득을 갖는 우수한 전방향 복사특성은 UWB용 무선 랜이나 무선 홈네트워크에 사용되는 액세스 포인트(access point)용 안테나로 활용이 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위 안에 속함을 밝혀둔다.

Claims

유전체 판으로 된 기판;

상기 기판의 상부 표면의 가운데 부분에 배치되며, 다수의 브랜치 스트립이 상기 기판 표면상에서 정다각형의 외심에서 각 꼭지점까지의 연장선상에 배치된 방사상 교차 스트립; 및

평편한 도체스트립으로 구성 된 수직 스트립부와 상기 수직 스트립부의 상단에 일체로 연결되는 미앤더 스트립부로 구성되는 방사부재를 상기 방사상 교차 스트립의 브랜치스트립 개수만큼 포함하며, 상기 미앤더 스트립부는 '
'형상의 도체스트립 단독으로 구성된 1단식 미앤더 스트립 또는 '
'형상의 도체스트립의 끝에 미앤더 형태로 연결되는 적어도 하나의
형상의 도체 스트립으로 구성되는 다단식 미앤더 스트립이며, 상기 방사부재들의 미앤더 스트립부는 상부 끝단이 서로 연결되지 않은 개방된 구조이고, 상기 방사부재들은 상기 수직 스트립부를 통해 상기 방사상 교차 스트립의 각 브랜치스트립의 끝부분에 각각 하나씩 연결되어 상기 기판에 대하여 직립되도록 배치된 다중 방사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항에 있어서, 상기 다중 방사부의 각 방사부재들은 동일한 구조이며 상기 방사상 교차 스트립의 중심으로부터 각 방사부재의 상기 수직 스트립부까지의 거리도 동일한 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항에 있어서, 급전 지점이 상기 방사상 교차 스트립의 중심에 위치하는 경우 상기 미앤더 스트립부의 구성부 중에서 상기 기판과 평행한 부분에 흐르는 전류 성분들은 서로 상쇄되어, 상기 다중 방사부에서 복사되는 신호는 θ=0° 축상에서 서로 상쇄되고 θ가 증가하면서 복사이득이 커지게 되어 코니컬 빔 복사패턴을 제공하는 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 수직 스트립부는 임피던스 매칭을 위해 수직 선폭이 테이퍼링 된 형태로 된 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 수직 스트립부와 상기 미앤더 스트립부의 길이의 합은 정합 시키고자 하는 주파수의 λ₀/4인 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 시작주파수의 λ₀/4 길이에 대한 상기 다중 방사부의 높이의 비는 60% 이하인 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 기판의 하부 표면에 접합된 접지도체판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 7항에 있어서, 상기 접지도체판은 원형인 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방사상 교차 스트립은 선폭과 길이가 동일한 X개의 브랜치 스트립들이 360°/X 의 등각도로 배치된 방사상 교차 스트립인 것을 특징으로 하는 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나.