KR100649703B1 - 헬리컬 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형화조건에서 임피던스매칭을 실현할 수 있는 헬리컬 안테나에 관한 것으로서, 접지판과, 상기 접지판의 일면과 소정의 간격을 갖는 평행한 면에 형성된 복수의 제1 절곡형 소자와, 상기 제1 절곡형 소자와 소정의 간격을 갖는 평행한 면에 형성된 복수의 제2 절곡형 소자와, 각각 상기 제1 절곡형 소자의 일단에 접속된 일단과 급전점이 되는 타단을 갖는 복수의 제1 수직형 소자와, 상기 제1 절곡형 소자의 타단과 상기 제2 절곡형 소자의 일단 사이를 접속하는 복수의 제2 수직형 소자와, 상기 제1 절곡형 소자의 일단으로부터 연장되어 상기 접지판에 연결된 복수의 임피던스 매칭소자를 포함하며, 상기 제1 및 제2 절곡형 소자와 제1 및 제2 수직형 소자는 각각 복수의 헬리컬 안테나요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나를 제공한다.

헬리컬 안테나(helical antenna), 임피던스 매칭(impedence matching), 유전체 본체(dielectric body)

Description

헬리컬 안테나{HELICAL ANTENNA}

도1은 종래의 헬리컬 안테나를 나타내는 분해사시도이다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 헬리컬 안테나의 투시도이다.

도3a 및 도3b은 본 발명의 바람직한 실시형태에 채용된 유전체층 평면에 구현된 패턴을 도시한다.

도4는 도2에 도시된 헬리컬 안테나의 측단면도이다.

도5는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 헬리컬 안테나의 VSWR특성을 나타내는 그래프이다.

도6a 및 도6b는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 헬리컬 안테나의 방사특성(방사지향성, 축비특성)을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

20: 헬리컬 안테나 21: 유전체 본체

22: 접지판 23: 제1 절곡형 소자

24: 제2 절곡형 소자 25: 제1 수직형 소자

26: 제2 수직형 소자 28: 임피던스 매칭라인

29: 제3 수직형 소자

본 발명은 헬리컬 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형화된 조건에서 임피던스 정합문제를 해결한 헬리컬 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 이동방송시스템에 사용되는 안테나에는 위성으로부터 신호를 양호한 수신레벨에서 수신하기 위해서 수평면방향으로 무지향성이고, 수직면 방향에서는 넓은 각을 갖는 방사지향성 및 우수한 상반구의 축비특성이 요구된다.

이러한 방사지향성 및 축비특성을 기대할 수 있는 대표적인 안테나로서 4 권선형 헬리컬 안테나가 있다. 일본 특허공개공보 2003-347831호에는 이러한 방사지향성 및 축비특성을 얻으면서 저자세화를 도모할 수 있는 4 권선형 헬리컬 안테나를 제안하고 있다. 상기 4 권선형 헬리컬 안테나는 도1에 도시되어 있다.

도1과 같이, 상기 4 권선형 헬리컬 안테나는 반사판의 이면과 소정의 간격을 갖는 제1 기판 상에 형성된 4개의 제1 나선형 소자와 상기 제2 기판 상에 형성된 4개의 제2 나선형 소자를 포함한다. 상기 제1 나선형 소자는 일단이 급전점으로 제공되는 제1 수직형 소자과 연결되며, 상기 제1 나선형 소자와 상기 제2 나선형 소자는 상기 제2 수직형 소자에 의해 연결된다.

이와 같이, 도1에 도시된 헬리컬 안테나는 반사판에 대해 평행한 제1 및 제2 나선형 소자와, 수직인 직선소자로 안테나를 구성함으로써 저자세화를 구현하는 동 시에 상반구에 걸쳐 우수한 축비특성과 넓은 지향성을 보장할 수 있다.

하지만, 이러한 헬리컬 안테나는 임피던스 매칭을 구현하기가 어렵다. 특히, 휴대용 단말기 등에 실장하도록 LTCC와 같은 유전체구조로 소형화된 경우에, 특성 임피던스(통상 50Ω)의 매칭을 취하기가 매우 어렵다. 이러한 임피던스 매칭의 곤란성은 헬리컬 안테나를 휴대용 단말기에 적용하는 소형화된 칩 안테나를 구현하는데 큰 장애로 인식되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 원하는 방사지향성과 축비특성을 유지하면서 소형화 조건에서도 임피던스 매칭이 용이한 새로운 헬리컬 안테나를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

접지판과, 상기 접지판의 일면과 소정의 간격을 갖는 평행한 면에 형성된 복수의 제1 절곡형 소자와, 상기 제1 절곡형 소자와 소정의 간격을 갖는 평행한 면에 형성된 복수의 제2 절곡형 소자와, 각각 상기 제1 절곡형 소자의 일단에 접속된 일단과 급전점이 되는 타단을 갖는 복수의 제1 수직형 소자와, 상기 제1 절곡형 소자의 타단과 상기 제2 절곡형 소자의 일단 사이를 접속하는 복수의 제2 수직형 소자 와, 상기 제1 절곡형 소자의 일단으로부터 연장되어 상기 접지판에 연결된 복수의 임피던스 매칭소자를 포함하며, 상기 제1 및 제2 절곡형 소자와 제1 및 제2 수직형 소자는 각각 복수의 헬리컬 안테나요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나를 제공한다.

바람직하게, 상기 헬리컬 안테나는 소형화 칩 안테나로 구현될 수 있도록 복수개의 유전체층이 적층된 본체를 가질 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 절곡형 소자, 상기 제1 및 제2 수직형 소자 및 상기 임피던스 매칭소자는 상기 유전체층에 형성된 도전패턴 또는 비아홀과 같은 도체구조로 형성될 수 있다.

실시형태에 따라, 상기 제1 및 제2 절곡형 소자는 다양한 형태일 수 있으며, 대표적으로 나선형 또는 직각으로 절곡된 각형 구조일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 복수의 헬리컬 안테나 요소는 대칭구조를 갖는다. 이로써 보다 넓은 각의 방사지항성을 보장할 수 있다.

본 실시형태는 상기 제1 및 제2 절곡형 소자와 제1 및 제2 수직형 소자가 각각 4개이며, 4개의 헬리컬 안테나 요소가 각각 90°위상으로 틸팅된 4 권선형 헬리컬 안테나일 수 있다.

본 발명에서 제안된 임피던스 매칭소자는 소형화를 위한 효율적인 공간활용 을 위해서, 상기 안테나의 중심을 향해 연장된다. 이러한 임피던스 매칭소자는 상기 제1 절곡형 소자로부터 그와 동일한 평면을 따라 연장된 매칭라인과, 상기 매칭라인을 상기 접지판과 연결하는 제3 수직형 소자를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 임피던스 매칭소자의 매칭라인과 상기 제1 절곡형 소자는 동일한 평면 상에 일체로 형성될 수 있다. 이 경우에, 급전점이 제공되는 제1 수직형 소자의 위치에 따라 상기 매칭라인의 길이가 결정될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 헬리컬 안테나(20)의 투시도이다. 여기에 도시된 헬리컬 안테나는 4 권선형 헬리컬 안테나형태를 예시하며, 각 유전체층 상면의 패턴구현과 측단면구조는 도3a 및 도3b와 도4가 참조될 수 있다.

도2를 참조하면, 상기 헬리컬 안테나(40)는 접지판(22)이 하면에 배치되며, 복수의 유전체층(21a,21b)으로 이루어진 유전체 본체(21)를 포함한다. 상기 제1 유전체층(21a) 상면에 4개의 제1 절곡형 소자(23)가 형성되고, 상기 제2 유전체층(21b) 상면에 4개의 제2 절곡형 소자(23)가 형성된다. 본 실시형태에서, 제1 및 제2 절곡형 소자(23,24)는 직각으로 절곡된 각형구조로 예시되어 있으나, 일정한 다 른 각도로 절곡된 구조 또는 나선형 구조로 형성될 수도 있다. 상기 제1 및 제2 절곡형 소자(23,24)는 유전체층(21a,21b) 상면에 형성되는 도전패턴일 수 있으며, 상기 제1 및 제2 수직형 소자(25,26)는 상기 유전체층(21a,21b)을 관통하는 비아홀로 이해될 수 있다.

또한, 상기 제1 절곡형 소자(23)의 일단은 각 제1 수직형 소자(25)의 일단에 연결된다. 여기서, 상기 제1 수직형 소자(25)의 타단은 급전점과 연결된다. 상기 제1 절곡형 소자(23)의 타단과 상기 제2 절곡형 소자(24)의 일단은 상기 제2 수직형 소자(26)에 의해 연결된다. 이로써, 4개의 헬리컬 안테나 요소가 구성될 수 있다.

본 발명에서는 헬리컬 안테나의 임피던스 매칭을 위해서, 급전점을 제공하는 제1 수직형 소자(25)가 연결된 제1 절곡형 소자(23)의 일단으로부터 연장되어 접지판과 연결된 임피던스 매칭소자(28,29)를 포함한다. 즉, 이러한 구조는 급전부근의 일부가 접지된 역 F 안테나와 유사한 특성을 제공함으로써 헬리컬 안테나(20)의 매칭문제를 해결하는 것으로 이해될 수 있다.

본 실시형태와 같이, 특히 헬리컬 안테나를 적층체(21)인 칩형태로 구현한 경우에, 임피던스 매칭소자는 상기 제1 절곡형 소자(23)로부터 그와 동일한 평면을 따라 연장된 매칭라인(28)과, 상기 매칭라인(28)을 상기 접지판(21)과 연결하는 제3 수직형 소자(29)로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 헬리컬 안테나는 도2에 도시된 바와 같이, 중심방향으로 4개의 헬리컬 안테나구조가 대칭구조를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 대칭구조는 방사지향성을 넓은 각의 대칭구조로 유지하는데 유익하다. 본 실시형태와 같이, 4개의 헬리컬 안테나를 채용하는 경우에, 유전체 본체(21)는 정방형 구조인 것이 대칭구조를 구현하는데 바람직하다.

본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 배열은 도3a 및 도3b를 참조하여 보다 명확하게 이해될 수 있다.

도3a을 참조하면, 하부 유전체층(21a) 상에 형성된 제1 절곡형 소자(23)가 도시되어 있다. 상기 제1 절곡형 소자(23)는 동일한 패턴으로 각각 0°, 90°, 180°및 270°로 배치된다.

도3b에 도시된 상부 유전체층(21b) 상에는 제2 절곡형 소자(24)가 중심을 기준으로 90°씩 위상차이를 가지면서 동일한 패턴으로 형성된다. 또한, 제1 및 제2 절곡형 소자(23,24)는 동일한 공간에서 최대한 길이를 확보하기 위해서, 그 면의 변에 인접하도록 형성된다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 급전점(F)을 제공하는 제1 수직형 소자(25)에 연결된 제1 절곡형 소자(23)는 상기 제2 수직형 소자(26)에 의해 제2 절곡형 소자(24)에 연결된다. 이로써, 4개의 권선형 헬리컬 요소가 정사각형인 유전체층(21a,21b)에서 대칭구조를 가질 수 있다.

이러한 구조에서 임피던스 매칭라인(28)은 제1 절곡형 소자(23)의 일단으로 부터 연장되어 형성되고, 상기 매칭라인(28)의 단부는 도4에 도시된 바와 같이 제3 수직형 소자(29)에 의해 접지판(23)에 연결된다. 바람직하게, 상기 4개의 매칭라인은 동일하게 중심을 향해 매칭된다. 앞서 설명된 바와 같이, 주로 각 소자가 변을 따라 형성되므로, 상기 매칭라인(28)은 공간활용 측면에서 중심을 향해 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 광각의 방사지향성을 위한 구조적 대칭구조를 유지하기 위해서, 4개의 매칭라인(28)도 동일한 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 또한, 도시된 바와 같이, 상기 매칭라인(28)은 제1 절곡형 소자(23)와 함께 동일한 면을 따라 형성될 수 있다.

나아가, 매칭라인(28)은 별도로 제조되어 부착되는 구조일 수 있으나, 제1 절곡형 소자와 일체화된 라인일 수 있다. 이 경우에는 매칭라인(28)의 길이는 급전점 위치를 정의하는 제1 수직형 소자(25)의 위치에 따라 결정되며, 이에 따라 안테나의 공진길이도 조정될 것이다.

상술된 실시형태에서는, 설명의 편의를 위해서, 헬리컬 안테나의 본체가 2개의 유전체층만으로 구성되는 것으로 도시하고 설명하였으나, 당업자라면, 실제 다수의 층으로 구성된 적층체일 수 있으며, 통상의 LTCC공정을 응용하여 원하는 안테나구조를 형성할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도2 내지 도4에 도시된 4 권선형 안테나구조를 50×50㎜로 제조하여, VSWR 특성과 방사특성을 측정하였다.

여기서, 본 실시형태에 채용된 매칭라인은 제1 절곡형 소자와 일체화된 형태로서, 급전점을 제공하는 제1 수직형 소자의 위치를 조정하여 원하는 주파수(약 2.3 ㎓)에 임피던스 매칭을 취할 때에, VSWR특성을 측정하였다. 도5에 도시된 바와 같이, 신호손실이 적게 나타난 것으로 보아, 임피던스(50Ω)에서 매칭을 이룬 것으로 이해할 수 있다.

다음으로, 방사특성이 유지되는 여부를 확인하기 위해서 방사지향성 및 축비특성을 측정하였다.

도6a와 같이, 안테나의 방사지향성은 임피던스 매칭소자의 대칭구조를 유지함으로써 좌우 대칭구조를 유지하면서 넓은 각범위를 갖는 것으로 나타났다. 또한, 도6b와 같이, 우수한 축비특성도 유지됨을 확인할 수 있다. 이와 같이, 역 F 안테나구조와 유사한 변형을 시도한 본 발명의 임피던스 매칭소자에 의해서 4 권선형 헬리컬 안테나의 방사특성이 저하되지 않다는 것이 확인되었다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 헬리컬 안테나 장치는 역 F 안테나구조와 유사하게 급전부근의 일부를 단락시키고, 나아가 이를 대칭구조로 구현함으로써, 원하는 방사지향성과 축비특성을 유지하면서 소형화 조건에서도 임피던스 매칭이 용이하게 실현할 수 있다. 따라서, 우수한 방사특성의 헬리컬 안테나를 소형화된 칩형태로 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 접지판;

   상기 접지판의 일면과 소정의 간격을 갖는 평행한 면에 형성된 복수의 제1 절곡형 소자;

   상기 제1 절곡형 소자와 소정의 간격을 갖는 평행한 면에 형성된 복수의 제2 절곡형 소자;

   각각 상기 제1 절곡형 소자의 일단에 접속된 일단과 급전점이 되는 타단을 갖는 복수의 제1 수직형 소자;

   상기 제1 절곡형 소자의 타단과 상기 제2 절곡형 소자의 일단 사이를 접속하는 복수의 제2 수직형 소자; 및

   상기 제1 절곡형 소자의 일단으로부터 연장되어 상기 접지판에 연결된 복수의 임피던스 매칭소자를 포함하며,

   상기 제1 및 제2 절곡형 소자와 제1 및 제2 수직형 소자는 각각 복수의 헬리컬 안테나요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 헬리컬 안테나는 복수개의 유전체층이 적층된 본체를 가지며,

   상기 제1 및 제2 절곡형 소자, 상기 제1 및 제2 수직형 소자 및 상기 임피던스 매칭소자는 상기 유전체층에 구현된 도체구조인 것을 특징으로 하는 헬리컬 안 테나.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 절곡형 소자는 나선형 또는 직각으로 절곡된 각형인 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
4. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 헬리컬 안테나 요소는 대칭구조를 갖는 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 절곡형 소자와 제1 및 제2 수직형 소자는 각각 4개이며, 4개의 헬리컬 안테나 요소는 각각 90°위상으로 틸팅된 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
6. 제1항에 있어서,

   상기 임피던스 매칭소자는 상기 안테나의 중심을 향해 연장된 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
7. 제1항에 있어서,

   상기 임피던스 매칭소자는 안테나의 중심을 기준으로 대칭구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
8. 제1항에 있어서,

   상기 임피던스 매칭소자는 상기 제1 절곡형 소자로부터 그와 동일한 평면을 따라 연장된 매칭라인과, 상기 매칭라인을 상기 접지판과 연결하는 제3 수직형 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.
9. 제8항에 있어서,

   상기 임피던스 매칭소자의 매칭라인과 상기 제1 절곡형 소자는 동일한 평면 상에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 헬리컬 안테나.

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