KR100603596B1

KR100603596B1 - 평면형 역 에프 안테나

Info

Publication number: KR100603596B1
Application number: KR1020030072082A
Authority: KR
Inventors: 김병찬; 윤재훈; 최형도
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2006-07-24
Also published as: CN1890839A; US7589692B2; WO2005038984A1; KR20050036395A; US20070132640A1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 패치의 한쪽 끝 부분을 선형적으로 좁아지는 테이퍼 형상으로 하고, 그 테이퍼 형상의 패치에 물결 형태의 골을 형성함으로써, 주파수 대역폭을 확장하는 동시에 그 크기를 소형화할 수 있도록 하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 접지면, 상기 접지면을 통하여 급전하기 위한 급전 수단, 상기 접지면과 제 1패치 사이에 배치되어 상기 제 1패치를 상기 접지면에 연결하기 위한 단락 수단과, 상기 단락 수단의 일측에 상기 접지면과 평행하도록 배치되어 상기 급전 수단으로부터 공급되는 전류를 유기하기 위한 상기 제 1패치를 구비하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에 있어서, 상기 제 1패치는 그 한 쪽 끝이 선형적으로 감소하는 테이퍼 형상이며, 상기 테이퍼 형상에 소정의 길이와 폭을 가지는 복수의 물결 형상의 골이 형성된 것을 특징으로 함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 무선 통신 단말기 등에 이용됨.

평면형 역 에프 안테나, 테이퍼 형상, 물결 형태, 골, 대역폭

Description

평면형 역 에프 안테나{Planar Inverted F Antenna}

도 1은 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 구조도.

도 2는 본 발명에 따른 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 제 1실시예 구조도.

도 3은 본 발명에 따른 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 제 2실시예 구조도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110, 210, 240, 310 : 패치 120, 220 : 단락판

130, 230 : 급전선 140, 250 : 접지면

본 발명은 평면형 역 에프 안테나에 관한 것으로, 특히 평면형 역 에프 안테나의 방사패치의 형태를 변형하여 무선 통신 단말기에 적용할 수 있도록 하는 평면형 역 에프 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 평면형 역 에프 안테나(PIFA)는 마이크로스트립 안테나가 변형 된 구조로서, 그 명칭은 'F'자를 거꾸로 놓은 모양에서 유래되었다. 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 기본 구조를 도 1을 참조하여 설명하기로 하자.

도 1은 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)는, 길이가 L_P이고 폭이 W_P인 사각형 패치(Rectangular Radiation Patch)(110), 단락판(Shorting Plate)(120), 급전선(Feeding Line/Probe)(130) 및 접지면(Ground Plane)(140)으로 구성되어 있다.

상기 단락판(120)은 그 높이와 폭이 각각 h와 ω로서, 상기 접지면(140)과 상기 패치(110)의 사이에 부착되어 상기 패치(110)와 상기 접지면(140)을 연결시켜주는 역할을 한다.

안테나의 급전은 상기 접지면(140)을 통해 상기 패치(110)에 연결되어 있는 상기 급전선(130)을 통해 이루어진다.

상기와 같은 구조를 가지는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)는 그 구조가 간단하고 저자세(Low Profile)이며, 제작이 용이하고, 또 제작비용이 적게 들기 때문에 무선 통신 분야의 다양한 응용분야에의 적용 가능성이 매우 높다.

그렇지만, 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)는 그 크기가 마이크로스트립 안테나의 일반적인 크기인 1/2 파장보다는 작긴 하지만, 대략 사용 파장의 1/4 정도로서, 소형의 단말기에 적용하기에는 그 크기가 여전히 크기 때문에 이를 극복하기 위한 기술이 반드시 필요한 실정이다.

그러나, 소형화를 위하여 단순히 크기를 줄이고 높이를 낮추면 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 특성상 대역폭도 줄어들기 때문에 소형화를 시킬 경우에도 대역폭을 확대 또는 유지하는 기술도 추가적으로 필요하게 된다.

상기와 같은 필요성을 해결하기 위한 기술이, 논문1[Terry Kinchung Lo and Yeongming Whang, "Design of Small-Size Wide-Bandwidth Microstrip-Patch Antennas", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol.45, pp.75-83, February. 2003] 및 논문2[Kathleen L. Virga and Yahya Rahmat-Samii, "Low Profile Enhanced-Bandwidth PIFA Antennas for Wireless Communications Packaging", IEEE TRANSACTION ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, vol.45, No.10, pp.1879-1888, October, 1997]에 개시되어 있다.

상기 논문1의 기술은 대역폭을 확장하기 위해 사각형 형태의 패치에 여러 가지 형태('L'혹은 'U' 형태)의 슬롯을 뚫고 다양한 급전방법을 사용하여, 슬롯의 크기와 길이에 따라 대역폭을 향상시킬 수 있도록 하였다.

그러나, 상기 논문1의 기술은 대역폭을 개선하는데 그 중점을 두고 있어, 대역폭을 증가시키기 위한 설계가 오히려 복잡해지는 문제점이 있다.

한편, 상기 논문2의 기술은 대역폭을 확장하기 위하여, 이중 공진 발생에 의해 대역폭이 증가되도록 메인 패치 이외에 부가적인 패치를 추가하고, 패치를 두 부분으로 분리하여 튜닝 다이오드로 연결함으로써, 기존 형태보다 대역폭이 증가될 수 있도록 하였다.

그러나, 상기 논문2의 기술 역시, 대역폭을 개선하는데만 중점을 두고 있 어, 설계가 오히려 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 패치의 한쪽 끝 부분을 선형적으로 좁아지는 테이퍼 형상으로 하고, 그 테이퍼 형상의 패치에 물결 형태의 골을 형성함으로써, 주파수 대역폭을 확장하는 동시에 그 크기를 소형화할 수 있도록 하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 접지면, 상기 접지면을 통하여 급전하기 위한 급전 수단, 상기 접지면과 제 1패치 사이에 배치되어 상기 제 1패치를 상기 접지면에 연결하기 위한 단락 수단과, 상기 단락 수단의 일측에 상기 접지면과 평행하도록 배치되어 상기 급전 수단으로부터 공급되는 전류를 유기하기 위한 상기 제 1패치를 구비하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에 있어서, 상기 제 1패치는 그 한 쪽 끝이 선형적으로 감소하는 테이퍼 형상이며, 상기 테이퍼 형상에 소정의 길이와 폭을 가지는 복수의 물결 형상의 골이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 소형화를 위해 패치의 한쪽 끝이 선형적으로 좁아지는 형태(Linearly-Tapered Type)를 가지는 비대칭형 구조로 만드는 동시에 패치상에 테이퍼 라인을 따라 물결 형태의 골(Corrugated Type)을 형성시킴으로써, 주파수 대역폭을 현재 무선 통신 단말기용으로 사용하고 있는 모노폴 안테나 수준으로 유지하면서 소형화가 가능하도록 하였다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 제 1실시예 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)는, 주패치(210), 보조패치(240), 단락판(220), 급전선(230) 및 접지면(250)을 구비하고 있다.

본 발명의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에서, 상기 단락판(220)은 상기 접지면(250)과 상기 주패치(210) 사이에 부착되어 있으며, 상기 접지면(250)을 통하여 상기 주패치(210)에 연결되어 있는 상기 급전선(230)을 통해 급전될 수 있다. 이는 상기 도 1의 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)와 동일하다고 할 수 있다.

그러나, 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)와 달리, 상기 주패치(210)는 그 형태가 선형적으로 끝이 좁아지는 테이퍼 형태(Linearly Tapered Type)이며, 또 한 그 폭과 길이가 각각 w_C 및 h_C인 물결 형태의 골(Corrugation)이 테이퍼 라인을 따라 형성되어 있다.

상기 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에서 대역폭을 증가시키기 위해서는, 방사 소자인 패치상에 가급적 다양한 전류의 흐름(Path of Current)을 유도하여 다양한 주파수의 전류가 패치상에서 공진할 수 있도록 하여야 하는데, 본 발명에서는 사각형 방사소자의 한쪽을 테이퍼 형태로 구현하여, 종래의 사각형 패치에 비해 다양한 전류의 흐름을 추가하여 대역폭이 향상되도록 하였다.

이 때, 테이퍼 형상을 결정하는 A 및 B는 서로 다른 길이일 수 있으며, 설계를 목표로 하는 공진주파수에 따라 결정할 수 있다. 또한, 선형적으로 감소하는 정도 역시 공진주파수에 따라 결정할 수 있다.

또한, 테이퍼 라인을 따라 형성되어 있는 물결 형태의 골은, 패치를 관통하여 흐르는 전류의 흐름을 보다 길게 만들어줌으로써 패치의 전기적인 길이(Electrical Length)를 늘릴 수 있는 효과가 있다.

상기 물결 형상의 골의 폭 w_C, 길이 h_C 및 그 개수는 공진주파수에 따라 결정할 수 있으며, 다수의 골이 형성되어 있는 경우 각 골의 길이와 폭은 서로 다를 수도 있다.

상기 보조패치(240)는, 상기 주패치(210)의 전기적 길이를 연장하는 기능을 담당하는 것으로, 상기 도 2의 보조패치(240)는 상기 주패치(210)의 너비 방향의 끝부분에 배치되며, 그 길이 h_S가 상기 단락판(220)의 높이 h보다 짧다.

상기 보조패치(240)의 길이 h_S 및 폭 w_S는 공진주파수에 의해 결정될 수 있다.

상기 단락판(220)은 공진주파수를 맞추기 위한 튜닝 과정에서 임의의 길이 h 및 폭 ω를 가질 수 있으며, 또한, 길이 방향(C) 또는 너비 방향(D)의 어느 곳이라도 배치가 가능하다.

또한, 상기 급전선(230)의 위치 역시 임의대로 배치할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 와이어가 상기 주패치(210)에 직접 연결되는 프로브 방식의 급전선을 일예로 설명하였으나, 커플링을 이용하는 방식 등 그 급전 방식을 다양하게 변화시킬 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 평면형 역 에프 안테나(PIFA)의 제 2실시예 구조도로서, 상기 도 2에서 보조패치(240)의 위치를 상기 주패치(210)의 길이 방향의 끝부분에 배치한 일예(310)이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 패치의 한 쪽 끝을 선형적으로 좁아지는 테이 퍼 형상으로 하고, 그 위에 물결 형태의 골을 형성함으로써, 비슷한 체적을 가지는 종래의 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에 비해 대역폭이 확장되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 패치의 한 쪽 끝을 선형적으로 좁아지는 테이퍼 형상으로 하고, 그 위에 물결 형태의 골을 형성함으로써, 그 크기를 파장의 1/4 이하가 되도록 설계가 가능하고, 그에 따라 무선 통신 단말기와 같은 소형의 무선기기에 충분히 적용할 수 있으며, 나아가 그 응용 분야의 다양한 확장이 가능하도록 하는 효과가 있다.

Claims

접지면, 상기 접지면을 통하여 급전하기 위한 급전 수단, 상기 접지면과 제 1패치 사이에 배치되어 상기 제 1패치를 상기 접지면에 연결하기 위한 단락 수단과, 상기 단락 수단의 일측에 상기 접지면과 평행하도록 배치되어 상기 급전 수단으로부터 공급되는 전류를 유기하기 위한 상기 제 1패치를 구비하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA)에 있어서,

상기 제 1패치는 그 한 쪽 끝이 선형적으로 감소하는 테이퍼 형상이며,

상기 테이퍼 형상에 소정의 길이와 폭을 가지는 복수의 물결 형상의 골이 형성된 것

을 특징으로 하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA).
제 1항에 있어서,

상기 제 1패치의 너비 방향 또는 길이 방향 중 어느 하나의 끝부분에 배치되고, 소정의 길이 및 폭을 가지며, 상기 제 1패치의 전기적 길이를 연장하기 위한 제 2패치

를 더 포함하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA).
제 2항에 있어서,

상기 제 2패치는,

그 길이가 상기 단락 수단의 높이보다 짧은 것을 특징으로 하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA).
제 2항에 있어서,

상기 제 2패치의 길이 및 폭은,

공진주파수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA).
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 테이퍼 형상이 선형적으로 감소하는 정도, 상기 물결 형상의 골의 길이, 폭 및 그 개수는,

공진주파수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 평면형 역 에프 안테나(PIFA).