KR100636705B1

KR100636705B1 - 광대역 모노폴 안테나

Info

Publication number: KR100636705B1
Application number: KR1020040042821A
Authority: KR
Inventors: 신용선; 박성욱
Original assignee: 한국정보통신대학교 산학협력단
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2006-10-19
Also published as: KR20040062913A

Abstract

본 발명은 단말기에 내장되어 다중 대역 요구에 만족할 수 있는 광대역 모노폴 안테나에 관한 것이다.

이를 위해 광대역 모노폴 안테나는, 기판 상의 급전 신호선과 반대 방향에 설치되어 안테나를 지지하는 지지대, 지지대의 상면에 설치되어 다중 공진을 발생시켜 안테나 역할을 수행하는 안테나용 도체, 및 안테나용 도체와 급전 신호선을 연결하기 위해 기판과 소정 기울기를 갖도록 설치되어 상기 안테나용 도체로 전류를 공급하고 안테나의 광대역 특성을 조정하는 조정용 도체를 포함하고 있다.

이와 같이 하면, 본 발명은 비유전율이 높지 않은 지지대와 급전 부분에 추가되는 사다리꼴 형태의 조정용 도체로 인해 실제 단말기에 내장할 수 있을 정도로 소형화 및 경량화 되고, 안테나의 대역폭을 상당히 향상시켜 다양한 통신 서비스를 동시에 제공할 수 있도록 하고, 광대역 특성으로 다중 대역 요구에 적합하며 방사 패턴도 전방향성을 갖고, 제작이 간편하고 튜닝 작업이 용이해진다.

광대역 모노폴 안테나, 급전 신호선, 다중 대역,

Description

광대역 모노폴 안테나 { INTERNAL BROADBAND MONOPOLE ANTENNA }

도 1은 종래 기술에 따른 제1 실시예의 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 2는 종래 기술의 제2 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 3a 및 도 3b는 종래 기술에 따른 제3 실시예의 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 평면도를 도시한 것이다.

도 5는 도 4의 'A'방향에서 바라본 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 측면도를 도시한 것이다.

도 6은 도 4의 'B'방향에서 바라본 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 측면도를 도시한 것이다.

도 7은 도 4의 일부 구성요소인 안테나용 도체의 구조를 도시한 것이다.

도 8은 도 4의 일부 구성요소인 조정용 도체의 구조를 도시한 것이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 조정용 도체의 기울기 변화에 따른 광대역 특성을 도시한 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 조정용 도체의 윗변과 아랫변의 길이 비율 변화에 따른 광대역 특성을 도시한 그래프이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 안테나용 도체의 너비 변화에 따른 광대역 특성을 도시한 그래프이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나를 단말기에 장착한 상태를 도시한 것이다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나를 단말기에 장착한 경우에 실험치와 계산치의 결과를 비교한 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

본 발명은 광대역 모노폴 안테나에 관한 것으로, 특히 소형의 다중 대역을 커버할 수 있는 광대역 모노폴 안테나에 관한 것이다.

최근 이동통신 및 위성통신의 급속한 발달로 정보화 사회에서 무선통신의 역할이 더욱 중요하게 되었다. 이러한 무선 통신 기술은 음성위주의 협대역 통신에서 인터넷, 멀티미디어와 같은 광대역 통신으로 빠르게 변화하고 있다.

이동 통신 서비스에 이용되는 개인 휴대 단말기는 소형화, 경량화, 다기능화 되고 있다. 그에 따라 무선 통신 기술의 기반을 형성하면서 휴대 단말기에 장착되는 안테나는 단말기 내의 안테나 장착 공간이 점점 작아지고 있어 소형의 다중 대 역을 커버할 수 있어야 한다.

모노폴 안테나는 등방성의 방사패턴을 가지며, 대역폭이 넓다는 장점 때문에 현재 휴대용 단말기의 안테나로 널리 이용되고 있다. 이러한 모노폴 안테나(monopole antenna)의 다양한 구조를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 1은 종래 기술에 따른 제1 실시예의 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 1을 참고하면, 종래 기술에 따른 제1 실시예의 광대역 모노폴 안테나는 기판(10)의 전면에 금속 도체가 도포된 제1 접지면(11)이 설치되고, 제1 접지면(11)의 상부 즉, 금속 도체로 도포되어 있지 않은 부분을 기판패턴(12)이라 하며, 제1 접지면(11)의 중앙부에는 수직으로 이어져 전기적 신호를 안테나에 급전하기 위한 급전 신호선(13)이 설치되며, 제1 접지면(11)의 단부에는 점차적으로 단차를 지며 폭이 넓어지는 금속 도체의 안테나(14)가 설치된다.

이때, 제1 실시예의 광대역 모노폴 안테나는 기판(10)의 배면에 제 3 접지면(15)을 추가하여 광대역 특성을 가진다.

제3 접지면(15)의 추가는 궁극적으로 안테나(14)의 크기를 줄이는 효과가 있기 때문에 안테나(14)의 크기를 전기적으로 증가시키는 방법으로 슬릿(16)을 사용한다.

위와 같은 구조로 형성되는 제1 실시예의 광대역 모노폴 안테나는 제3 접지면(15)의 크기나 슬릿(16)의 길이를 조절함으로써 적당한 광대역 또는 반사손실을 얻을 수 있다.

도 2를 참고하면, 제2 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 구조는 기판 위에 길이가 다른 두개의 스트립 모노폴을 프린트하여 이중 공진을 이용한 듀얼 밴드 안테나로 구성하고, 두개의 모노폴 안테나 중앙에 마이크로스트립 라인을 급전시킨다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 제3 실시예의 광대역 모노폴 안테나는 길이와 넓이가 서로 다른 2개의 모노폴을 이용하여 듀얼 밴드를 형성시키고, 그라운드에 스트립 라인으로 급전되어 있고 테이퍼(taper) 미앤더 라인을 이용하여 박스 형태로 접어서 소형화시킨다.

위에서 살펴본 바와 같이, 종래 기술에 따른 광대역 모노폴 안테나는 대부분 기판 위에 원하는 형태의 패턴을 형성시켜 제작하고 있어 안테나의 공진주파수를 조절하기 위한 튜닝 작업이 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술에 따른 광대역 모노폴 안테나는 실제 단말기에 장착시 점유하는 공간이 넓어 공간 활용도가 떨어지기 때문에 단말기의 소형화에 부적합하다는 문제점이 있다.

특히, 종래 기술에 따른 제3 실시예의 광대역 모노폴 안테나는 안테나를 지지할 수 있는 지지대가 없어 외부 충격에 의해 모양이 변형되거나 파손될 우려가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 개인 휴대 단말기에 내장되도록 소형화 및 경량화 되고, 다중 대역을 커버할 수 있는 광대역 모노폴 안테나를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 안테나의 급전 부분에 사다리꼴 형태의 조정용 도체를 추가한다.

본 발명의 특징에 따른 광대역 모노폴 안테나는, 안테나가 실장되는 기판의 하면에 설치된 접지 도체, 및 상기 기판의 상면에 설치되어 전기적 신호를 안테나에 급전하기 위해 소정 길이를 갖는 급전 신호선를 포함하는 광대역 모노폴 안테나에 있어서, 상기 기판의 상면에 설치된 상기 급전 신호선과 반대 방향에 설치되어 상기 안테나를 지지하는 지지대; 상기 지지대의 상면에 부착되어 다중 공진을 발생시켜 안테나 역할을 수행하는 안테나용 도체; 및 상기 안테나용 도체와 급전 신호선을 연결하기 위해 상기 기판과 소정 기울기를 갖도록 설치되어 상기 안테나용 도체로 전류를 공급하고, 상기 안테나의 광대역 특성을 조정하는 조정용 도체를 포함한다.

상기 접지도체는 상기 기판의 하면에 안테나용 도체와 겹쳐지지 않을 정도의 길이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 지지대는 폴리카보네이트 재질로 형성되고, 상기 지지대는 상기 기판 위에 고정되는 2개의 받침대, 및 상기 받침대 위에 형성되어 상기 안테나용 도체가 부착되는 안착면이 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 안테나용 도체는 적어도 3개의 다른 공진주파수가 발생하도록 제1 길이를 갖는 제1 도체부, 제2 길이를 갖는 제2 도체부, 및 제3 길이를 갖는 제3 도체부로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 안테나용 도체의 제1 도체부, 제2 도체부, 및 제3 도체부는 동일한 너비를 갖으며 일체형으로 형성되고, 상기 제1 도체부 및 제2 도체부는 일측 끝단부가 평행하도록 타측 끝단이 서로 연결되어 있고, 상기 제3 도체부는 상기 제1 도체부와 직각이 되도록 상기 제2 도체부의 소정 영역에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 조정용 도체는 일측 끝단이 상기 안테나용 도체와 연결되고, 타측 끝단이 상기 급전 신호선과 연결되도록 사다리꼴 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 조정용 도체는 윗변의 길이와 아랫변의 길이가 2.0~3.0 : 0.5~1.5 비율로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 기판과 34°≤기울기≤36° 기울기를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 조정용 도체는 상기 윗변과 아랫변의 길이 비율, 상기 기판과의 기울기를 변화시켜 광대역 특성이 조정되도록 하는 것이 바람직하고, 상기 안테나용 도체는 너비 변화를 통해 광대역 특성이 조정되도록 하는 것이 바람직하다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여 기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나에 대하여 도 4를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 것이고, 도 7은 도 4의 일부 구성요소인 안테나용 도체의 구조를 도시한 것이며, 도 8은 도 4의 일부 구성요소인 조정용 도체의 구조를 도시한 것이다.

도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나는, 안테나가 실장되는 기판(100), 기판(100)의 하면에 설치된 접지 도체, 기판(100)의 상면에 설치되어 전기적 신호를 안테나에 급전하기 위해 소정 길이를 갖는 급전 신호선(200), 기판(100)의 상면에 설치되는 지지대(300), 안테나용 도체(400), 및 조정용 도체(500)를 포함한다.

접지도체(250)는 도 5에 도시된 바와 같이 기판(100)의 하면에 안테나용 도체(400)와 겹쳐지지 않을 정도의 길이로 안테나용 도체(400)와 반대 방향에 설치된다.

급전 신호선(200)은 마이크로스트립 라인으로 조정용 도체(500)의 일측 끝단과 단락되어 안테나로 급전한다.

지지대(300)는 도 6에 도시된 바와 같이 급전 신호선(200)의 반대 방향 쪽 기판(100)의 상부에 비유전율이 높지 않은 폴리카보네이트 재질로 형성되는데, 기 판(100) 위에 고정되는 2개의 받침대, 및 2개의 받침대 위에 안테나용 도체(400)가 부착되는 안착면을 가지고 있다.

위에서, 2개의 받침대와 안착면은 일정한 두께의 일체형으로 형성되어 있다. 이러한 지지대(300)는 'ㄷ'자형을 90도 회전시킨 모양을 갖는다.

안테나용 도체(400)는 공진주파수가 서로 다른 주파수에서 발생하도록 길이를 조절한 제1 내지 제3 도체부(410, 420, 430)로 이루어진다.

안테나용 도체(400)를 도 7을 참고하여 더욱 자세히 살펴보면, 안테나용 도체(400)는 지지대(300)의 안착면 위에 부착되고, 제1 내지 제3 도체부(410, 420, 430)는 1~3mm 내 동일한 너비를 갖지만 서로 길이를 달리하여 일체형으로 형성된다. 이때, 제1 내지 제3 도체부(410, 420, 430)는 2mm의 너비를 갖는 것이 바람직하다.

제1 도체부(410)는 제1 길이를 갖고, 제2 도체부(420)는 제2 길이를 갖으며, 제3 도체부(430)는 제3 길이를 갖는데, 제1 내지 제3 도체부(410, 420, 430)는 제2 길이＞ 제1 길이 ＞제3 길이 순으로 형성되지만 작업자가 원하는 공진현상을 발생시키기 위해 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.

그리고 제1 도체부(410)의 일측 끝단에 제2 도체부(420)가 'ㄴ'자형으로 연결되어 제1 도체부(410)와 제2 도체부(420)의 타측 끝단이 서로 평행하도록 하고, 제3 도체부(430)는 제2 도체부(420)의 소정 영역에 직각으로 연결되고 제1 도체부(410)와 분리되도록 형성된다.

이렇게 형성된 안테나용 도체(400)는 제1 도체부(410)에서 1/4파장을 만족하는 제1 공진주파수에서 공진이 1차적으로 발생하고, 제2 도체부(420)에서 1/4파장을 만족하는 제2 공진주파수에서 2차적으로 공진이 발생하며, 제3 도체부(430)에서도 1/4파장을 만족하는 제3 공진주파수에서 3차적으로 공진이 발생한다.

안테나용 도체(400)에서는 서로 다른 주파수에서의 3중 공진 현상으로 안테나의 광대역 특성을 나타내도록 한다.

조정용 도체(500)는 안테나용 도체(400)와 급전 신호선(200)을 연결하기 위해 기판(100)과 34°≤기울기≤36°정도 기울어져 설치되고, 안테나용 도체(400)로 전류를 공급하면서 안테나의 광대역 특성을 조정한다. 이때, 조정용 도체(500)는 기판(100)과 34.7°기울어졌을 때 안테나의 사이즈와 광대역 특성이 원하는 스펙에 적합하게 나타난다.

도 8을 참고하여 조정용 도체(500)를 더욱 상세히 살펴보면, 조정용 도체(500)는 사다리꼴 형태로 형성되고, 안테나용 도체(400)와 연결되는 윗변의 길이가 급전 신호선(200)과 연결되는 아랫변의 길이보다 길게 형성되어 있다.

조정용 도체(500)의 윗변의 길이와 아랫변의 길이는 그 비율에 따라 입력 임피던스 값이 변화되어 광대역 특성을 얻는데 큰 영향을 미치므로 대략 2.0~3.0 : 0.5~1.5의 비율을 갖지만, 윗변의 길이와 아랫변의 길이가 2.4:1의 비율이 가장 바람직하다.

이때, 조정용 도체(500)는 안테나의 소형화를 실현시키고 있고, 윗변의 길이와 아랫변의 길이 비를 변화시켜 공진주파수를 원하는 주파수로 조정할 수 있다.

다음, 도 9 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나의 동작에 대하여 자세하게 설명한다.

마이크로스트립 라인의 급전 신호선(200)과 조정용 도체(500)가 단락되면, 지지대(300) 위에 설치되어 있는 안테나용 도체(400)로 전류가 공급된다.

안테나용 도체(400)는 1/4파장을 만족하는 공진주파수에 3중 공진 현상을 일으켜 안테나의 광대역 특성이 나타나도록 한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 조정용 도체의 기울기 변화에 따른 광대역 특성을 도시한 그래프이고, 도 10은 본발명의 실시예에 따른 조정용 도체의 윗변 길이를 3mm, 4mm, 5mm로 변화시키고 아랫변의 길이를 고정하였을 때, 윗변과 아랫변의 길이 비율 변화에 따른 광대역 특성을 도시한 것이며, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 안테나용 도체의 너비 변화에 따른 광대역 특성을 도시한 것이다.

도 9 내지 도 11에 도시된 그래프를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나는 조정용 도체(500)의 기울기, 윗변과 아랫변의 길이 비율, 안테나용 도체(400)의 너비 등을 변화시켜 안테나의 대역폭을 조정할 수 있다.

특히, 도 9는 기판(100)에 대한 조정용 도체(500)의 기울기에 변화를 주었을 때의 특성 비교 그래프로서, 기울기가 25°일때, 34.7°일때, 60°일때를 각각 나타내며, 기울기가 34.7°일 때 안테나의 광대역 특성이 가장 좋아짐을 알 수 있다. 도 10은 조정용 도체(500)의 윗변 길이를 3mm, 4mm, 5mm로 변화시키고 아랫변의 길이를 고정했을 때의 특성 비교 그래프로서, 윗변과 아랫변의 길이 비율이 2.4:1일 때 원하는 광대역 특성을 얻음을 알 수 있다.

또한, 도 11은 안테나용 도체(400)의 너비를 변화했을 때의 특성 비교 그래프로서 안테나용 도체(400)의 너비가 2mm일 때가 사이즈나 광대역 특성에 있어서 가장 적합한 결과를 얻을 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나를 단말기에 장착한 상태를 도시한 것이고, 도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나를 단말기에 장착한 경우에 실험치와 계산치의 결과를 비교한 주파수 특성을 도시한 것이다.

도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나는 단말기에 내장할 수 있도록 소형화 및 경량화 되어 있고, 실제로 광대역 모노폴 안테나를 단말기에 내장한 경우에 광대역 특성으로 다중 대역을 커버할 수 있으며, 방사 패턴도 전방향성(omni-direction)을 갖고 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 모노폴 안테나는 제작이 간편하고 튜닝(tuning) 작업이 용이하며, 안테나의 대역폭을 41.1% 정도 향상시켜 다양한 통신 서비스를 동시에 제공하는 것이 용이하게 된다.

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

이와 같이, 본 발명에 의한 광대역 모노폴 안테나는 비유전율이 높지 않은 지지대와 급전 부분에 추가되는 사다리꼴 형태의 조정용 도체로 인해 실제 단말기에 내장할 수 있을 정도로 소형화 및 경량화 되고, 안테나의 대역폭을 상당히 향상시켜 다양한 통신 서비스를 동시에 제공할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 의한 광대역 모노폴 안테나는 광대역 특성으로 다중 대역 요구에 적합하며 방사 패턴도 전방향성을 갖고, 제작이 간편하고 튜닝 작업이 용이하다는 효과가 있다.

Claims

안테나가 실장되는 기판의 하면에 설치된 접지 도체, 및 상기 기판의 상면에 설치되어 전기적 신호를 안테나에 급전하기 위해 소정 길이를 갖는 급전 신호선를 포함하는 광대역 모노폴 안테나에 있어서,

상기 기판의 상면에 설치된 상기 급전 신호선과 반대 방향에 설치되어 상기 안테나를 지지하는 지지대;

상기 지지대의 상면에 부착되어 다중 공진을 발생시켜 안테나 역할을 수행하는 안테나용 도체; 및

상기 안테나용 도체와 급전 신호선을 연결하기 위해 상기 기판과 소정 기울기를 갖도록 설치되어 상기 안테나용 도체로 전류를 공급하고, 상기 안테나의 광대역 특성을 조정하는 조정용 도체를 포함하고,

상기 조정용 도체는 일측 끝단이 상기 안테나용 도체와 연결되고, 타측 끝단이 상기 급전 신호선과 연결되도록 사다리꼴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 모노폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 접지도체는 상기 기판의 하면에 안테나용 도체와 겹쳐지지 않을 정도의 길이를 갖도록 형성되는 광대역 모노폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 지지대는 폴리카보네이트 재질로 형성되는 광대역 모노폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 지지대는 상기 기판 위에 고정되는 2개의 받침대, 및 상기 받침대 위에 형성되어 상기 안테나용 도체가 부착되는 안착면이 일체형으로 형성되는 광대역 모노폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 안테나용 도체는 적어도 3개의 다른 공진주파수가 발생하도록 제1 길이를 갖는 제1 도체부, 제2 길이를 갖는 제2 도체부, 및 제3 길이를 갖는 제3 도체부로 형성되는 광대역 모노폴 안테나.
제5항에 있어서,

상기 안테나용 도체의 제1 도체부, 제2 도체부, 및 제3 도체부는 동일한 너비를 갖으며 일체형으로 형성되고, 상기 제1 도체부 및 제2 도체부는 일측 끝단부가 평행하도록 타측 끝단이 서로 연결되어 있고, 상기 제3 도체부는 상기 제1 도체부와 직각이 되도록 상기 제2 도체부의 소정 영역에 연결되는 광대역 모노폴 안테나.
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제1항에 있어서,

상기 조정용 도체는 윗변의 길이와 아랫변의 길이가 2.0~3.0 : 0.5~1.5 비율로 형성되는 광대역 모노폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 조정용 도체는 상기 기판과 34°≤기울기≤36°의 기울기를 갖도록 형성되는 광대역 모노폴 안테나.
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