KR100714201B1

KR100714201B1 - 초 광대역 안테나

Info

Publication number: KR100714201B1
Application number: KR1020050032237A
Authority: KR
Inventors: 곽원일; 박성욱
Original assignee: 한국정보통신대학교 산학협력단
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: KR20050050055A

Abstract

본 발명은 광대역 주파수에서 안테나 공진을 유도하며 특정 주파수에서의 특성을 개선하는데 적합한 초 광대역 안테나(Ultra wide-band antenna)에 관한 것으로, 유전체 기판과, 유전체 기판 전면에 형성된 직육면체 형태의 패치 구조인 전면 금속도체와, 유전체 기판 전면의 일측에 형성되어 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급전용 금속도체와, 유전체 기판 전면의 타측에 형성되는 접지용 금속도체와, 유전체 기판 배면에 형성된 직육면체 형태의 패치 구조인 배면 금속도체와, 전면 금속도체 및 배면 금속도체를 원통형 또는 반원통형으로 관통하고 그 측면이 금속으로 도포되어 전면 금속도체와 배면 금속도체를 전기적으로 단락시켜 안테나의 유도성 성분을 증가시키는 비아홀을 포함한다. 본 발명에 의하면, 급전 부분의 금속도체와 접지 부분의 금속도체가 동일한 평면상에 존재하고 전면 및 배면 금속도체가 직육면체 패치 구조이기 때문에 안테나 소형화에 크게 기여할 수 있다. 이렇게 소형화된 크기에도 불구하고 본 발명은 넓은 공진 대역을 지니고 있을 뿐만 아니라 여러 개의 튜닝 포인트(tuning point)를 선정할 수 있기 때문에, 필요한 사용 주파수 대역에서의 선택적 사용이 가능하다.

마이크로스트립 라인, 반사손실, V.S.W.R.

Description

초 광대역 안테나{ULTRA WIDE-BAND ANTENNA}

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 초 광대역 안테나의 일 형태,

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 초 광대역 안테나의 다른 형태,

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도,

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도,

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도,

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도,

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도,

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 변형 가능한 금속도체 구조의 예시도,

도 9a는 도 3a 내지 도 3e의 초 광대역 안테나에 대한 반사손실(return loss)을 나타낸 그래프,

도 9b는 도 3a 내지 도 3e의 초 광대역 안테나에 대한 V.S.W.R. 특성을 나타낸 그래프,

도 9c는 도 3a 내지 도 3e의 초 광대역 안테나에 대한 방사패턴 특성을 나타낸 그래프,

도 10a 및 도 10b는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에 대한 반사손실, V.S.W.R. 특성을 각각 나타낸 그래프,

도 10c 및 도 10d는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에 대한 방사패턴 특성을 각각 나타낸 그래프,

도 11a 및 도 11b는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에서 헬리컬 형태의 금속도체(624)와 안테나 전면 금속도체(610) 상의 비아홀 중 급전 부분의 비아홀을 제거한 경우의 리턴 손실, V.S.W.R. 특성을 각각 나타낸 그래프,

도 11c 및 도 11d는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에서 헬리컬 형태의 금속도체(624)와 안테나 전면 금속도체(610) 상의 비아홀 중 급전 부분의 비아홀을 제거한 경우의 방사패턴 특성을 각각 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300, 400, 500, 600, 700 : 안테나

302, 402, 502, 602, 702 : 급전용 금속도체

304, 404, 504, 604 : 케이블

306, 406, 506, 606, 706 : 접지용 금속도체

308, 408, 508, 608, 708 : 유전체 기판

310, 410, 510, 610, 710 : 안테나 전면 금속도체

312, 412, 512, 612, 712 : 비아홀

314, 414, 514, 614, 714 : 안테나 배면 금속도체

416, 516, 716 : 마이크로스트립 라인

520 : 커넥터

522 : 슬롯

624 : 헬리컬 형태의 금속도체

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 특히 광대역 주파수에서 안테나 공진을 유도하며 특정 주파수에서의 특성을 개선하는데 적합한 초 광대역 안테나(Ultra wide-band antenna)에 관한 것이다.

안테나, 예를 들면 이동통신 서비스에 사용되는 안테나는 전자기파를 자유공간 또는 임의의 매질 속에서 수신하거나 통신기에서 발생한 전기적인 신호를 외부로 전달하는 역할을 하는데, 대표적인 안테나 모델로서 대략 파장의 1/4 정도 길이를 갖는 다이폴(dipole) 또는 모노폴(monopole) 형태를 들 수 있다.

통상, 넓은 대역에서의 공진을 유도할 수 있는 안테나는 혼(Horn) 안테나, 비발디(Vivaldi) 안테나 등이 있으나, 이러한 종류의 안테나는 광대역 특성은 지니고 있는 반면, 안테나 구조가 크고 복잡하며 저 가격의 대량 생산이 용이하지 않고 특히 지향성 패턴을 가지기 때문에 소형 기기의 제품 적용에는 적합하지 않다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래 기술의 일환으로, 국내공개특허공보 제2004-0054107호에서 입력 임피던스 정합 회로가 필요치 않고 입력 임피던스의 주파수 대역폭이 초 광대역 특성을 지니는 소형 평면형 안테나 제조 기술이 제안된 바 있다.

국내공개특허공보 제2004-0054107호에 개시된 초 광대역 소형 평면형 안테나 제조 기술을 간략히 살펴보면, 기판의 앞면에는 모노폴 형태의 방사 소자가 있고, 다른 뒷면에는 두 개 이상의 모노폴이 연결된 형태의 방사 소자가 대칭되게 있으며, 이 중앙에는 앞면의 모노폴 방사 소자의 급전 선로가 형성되게 소정 폭을 갖는 소정 길이의 선로가 구성되도록 함으로써 간단한 구조의 초 광대역 소형 안테나를 제공한다.

이와 같은 종래의 안테나 구조는 급전 구조상 안테나 일측 종단에서 급전이 이루어지고 있으며 유전체를 기준으로 급전 부분의 금속 도체와 접지 부분의 금속 도체가 서로 다른 평면상에 존재하는 것을 특징으로 한다.

한편, 도 1a 및 도 1b는 종래의 초 광대역 소형 안테나에 대한 다른 기술을 설명하기 위한 것으로서, Schantz, H.G.; Wolenec, G.; Myszka, E.M., III 등에 의해 제안된 논문 "Frequency notched UWB antennas ; Ultra Wide-band Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 16-19 Nov. 2003, Pages : 214 - 218"의 내용을 일부 발췌한 것이다.

도 1a는 이 논문에서 제시하고 있는 안테나 구조를 나타낸 것이며, 도 1b는 이 논문에서 제시하고 있는 안테나 특성을 나타낸 그래프이다. 도 1a 및 도 1b에서와 같이, 이 논문에서 제안하는 안테나는 하나의 유전체의 동일 평면상에 원형의 패치에 슬롯(slot)을 주어 안테나 광대역 공진을 유도하고 있다.

다른 한편, 도 2a 및 도 2b는 종래의 초 광대역 소형 안테나에 대한 또 다른 기술을 설명하기 위한 것으로서, Yazdandoost, K.Y.; Kohno, R. 등에 의해 제안된 논문 "Ultra wide-band antenna ; Communications Magazine, IEEE, Volume:42, Issue: 6, June 2004, Pages : S29 - S32"의 내용을 일부 발췌한 것이다.

도 2a는 이 논문에서 제시하고 있는 안테나 구조를 나타낸 것이며, 도 2b는 이 논문에서 제시하고 있는 안테나 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 이 논문에서 제안하는 안테나는 하나의 유전체의 동일 평면상에 나팔 모양의 패치를 통해 안테나 광대역 공진을 유도하고 있다.

이상과 같은 종래의 안테나 구조는 넓은 대역에서의 공진을 유도하면서 이동통신 기기에 적합하도록 소형화되었다는 점이 주목할 만 하나, 사용자가 원하는 사용 환경에서 쉽게 안테나를 최적화할 수 없으며 그 크기에 있어서 여전히 불만족스런 부분이 존재한다는 단점을 지니고 있다.

예컨대, 안테나는 수동 소자로서 다른 회로와는 달리 주변 환경에 따라 그 특성의 차이가 심하기 때문에 적용 환경에 따라 그 구조를 다양하게 변화시킬 필요가 있으며, 전자기술의 급격한 발전으로 향후 이동통신 단말기의 크기가 점점 더 소형화된다는 점을 감안할 때 안테나 크기의 소형화는 지속적으로 연구 개발되어져 야 할 과제이다.

본 발명은 상술한 필요성을 감안하고 연구 개발함으로써 얻어진 결과물로서, 안테나의 급전 부분의 금속도체와 접지 부분의 금속도체가 서로 동일한 평면상에 존재하도록 하고 비아 홀 또는 측면 금속도체를 사용하여 크기를 최소화한 초 광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 직육면체의 패치 형태로 금속도체 패턴을 동일 평면상에 형성하고 비아 홀 또는 측면 금속도체를 사용하여 크기를 최소화한 초 광대역 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 직육면체 패치 형태에 부가하여 적어도 하나 이상의 변형된 패치 구조를 금속도체 패턴에 적용함으로써 다양한 환경에 적응적으로 대처할 수 있는 초 광대역 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 안테나 상에 헬리컬(Helical) 형태의 금속도체 또는 패턴을 적용함으로써 특정 대역에서의 주파수 특성을 개선하도록 한 초 광대역 안테나를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초 광대역 주파수 대역폭과 전방향성 방사 패턴 특성을 갖는 안테나로서, 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 전면에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 전면 금속도체와, 상기 유전체 기판 배면에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 배면 금속도체와, 상기 유전체 기판 전면의 일측에 형성되어 상기 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급 전용 금속도체와, 상기 유전체 기판 전면의 타측에 형성되는 접지용 금속도체와, 상기 전면 금속도체 및 상기 배면 금속도체를 관통하며 그 측면이 금속으로 도포되는 비아홀을 포함하는 초 광대역 안테나를 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시예에 따르면, 초 광대역 주파수 대역폭과 전방향성 방사 패턴 특성을 갖는 안테나로서, 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 전면에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 전면 금속도체와, 상기 유전체 기판 배면에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 배면 금속도체와, 상기 유전체 기판 전면 및 배면의 일측에 마이크로스트립 라인 형태로 형성되어 상기 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급전용 금속도체와, 상기 유전체 기판 배면에 일부 형성되는 접지용 금속도체와, 상기 접지용 금속도체에 상기 급전용 금속도체를 포함하도록 형성되어 상기 안테나 특성을 조절하는 슬롯을 포함하는 초 광대역 안테나를 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시예에 따르면, 초 광대역 주파수 대역폭과 전방향성 방사 패턴 특성을 갖는 안테나로서, 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 전면에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 전면 금속도체와, 상기 전면 금속도체와 고정 연결되는 헬리컬 형태의 금속도체와, 상기 유전체 기판의 배면 제 1 영역에 상기 전면 금속도체와 대향되게 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 1 배면 금속도체와, 상기 유전체 기판의 배면 제 2 영역에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 2 배면 금속도체와, 상기 유전체 기판의 전면 일측에 형성되어 상기 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급전용 금속도체와, 상기 유전체 기 판의 전면 타측에 형성되는 접지용 금속도체와, 상기 전면 금속도체 및 상기 제 1 배면 금속도체를 원통형으로 관통하고 그 측면이 금속으로 도포되는 비아홀을 포함하는 초 광대역 안테나를 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시예에 따르면, 초 광대역 주파수 대역폭과 전방향성 방사 패턴 특성을 갖는 안테나로서, 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 전면 제 1 영역에 형성된 제 1 전면 금속도체와, 상기 유전체 기판의 전면 제 2 영역에 헬리컬 형태로 패턴 형성된 제 2 전면 금속도체와, 상기 유전체 기판의 배면 제 1 영역에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 1 배면 금속도체와, 상기 유전체 기판의 배면 제 2 영역에 헬리컬 형태로 패턴 형성된 제 2 배면 금속도체와, 상기 유전체 기판의 전면 일측에 형성되어 상기 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급전용 금속도체와, 상기 유전체 기판의 전면 타측에 형성되는 접지용 금속도체와, 상기 제 2 전면 금속도체 및 상기 제 2 배면 금속도체를 원통형으로 관통하고 그 측면이 금속으로 도포되는 비아홀을 포함하는 초 광대역 안테나를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 초 광대역 안테나 구조를 나타낸 도면이다.

먼저, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도로서, 유전체 기판(308)을 기준으로 안테나(300) 전면(前面)에 급전용 금속도체(302)가 마련되며, 이 급전용 금속도체(302)는 케이블(304) 내부의 급전용 금속도체(302')와 접속된다. 즉, 본 실시예에 따른 안테나의 급전구조는 안테나(300)의 전면이 급전되는 구조이며, 적용환경에 따라 케이블(304)을 연결하여 사용 가능하다.

도 3b는 도 3a의 전면도이며, 도 3c는 도 3a의 배면도이다. 도 3b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나는 급전용 금속도체(302)와 접지용 금속도체(306)가 안테나 전면 금속도체(310) 상에 공존함을 특징으로 한다. 이러한 구조에 의하면, 안테나의 크기를 보다 더 최소화할 수 있을 것이다.

이때, 도 3a와 같은 구조의 안테나를 PCB 상에 적용하였을 경우에는, 급전용 금속도체(302)는 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되며, 접지용 금속도체(306)의 위치는 가변된다.

도 3d 및 도 3e는 도 3a의 안테나에 비아홀 또는 측면 금속도체를 적용한 경우의 전면도 및 배면도이다.

도 3d 및 도 3e에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나(300)는 안테나 전면 금속도체(310)와 안테나 배면 금속도체(314)간이 원통 모양으로 관통되고, 이 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(312)을 형성하여 안테나 전면 금속도체(310)와 안테나 배면 금속도체(314)가 전기적으로 단락됨을 특징으로 한다.

즉, 안테나 배면 금속도체(314)가 안테나 전면 금속도체(310)와 비아홀(312)로 전기적으로 단락됨으로써, 본 실시예에 따른 안테나(300)는 유도성 성분 (Inductive Component)을 증가시키고 공진 주파수를 낮추면서 안테나의 소형화에 보다 더 기여할 수 있다. 이때, 도 3d 및 도 3e에서는 비아홀(312)이 원형인 것으로 기술하였으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니며, 비아홀의 목적이 전면 금속도체와 배면 금속도체간의 전기적 단락을 유도하기 위한 것이기 때문에 다른 형태, 예를 들면 반원 형태의 비아홀을 사용하여도 무방하다.

한편, 도 3d 및 도 3e의 안테나 구조는, 이동 통신 서비스를 적용하기 위해 안테나 전면 및 배면을 원통 모양으로 관통하고 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(312)로 안테나 전면 금속도체(310)와 안테나 배면 금속도체(314)를 전기적으로 단락하였으나, 이와 같은 구조는 안테나 설계시 안테나가 직육면체 유전체 기판(308)(솔리드 형태)인 경우에 적용하는 방법이며, 전면 금속도체와 배면 금속도체가 유전체 기판(308)이 아닌 "공기층"으로 형성되는 경우에는 비아홀을 이용한 방법이 아닌 금속도체의 단순한 전기적 단락으로도 본 실시예의 적용이 가능할 것이다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나 구조를 나타낸 도면이다.

먼저, 도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도로서, 유전체 기판(408)을 기준으로 안테나(400) 전면에 급전용 금속도체(402)가 마련되며, 이 급전용 금속도체(402)는 외부 케이블(404)과 접속된다. 즉, 본 실시예에 따른 안테나의 급전구조는 안테나(400)의 전면이 급전되는 구조이며, 적용환경에 따라 케이블(404)을 연결하여 사용 가능하다. 상술한 도 3의 실시예와 다른 점 은, 외부 케이블(404)이 안테나(400)의 가로 방향으로 접속된다는 것이다.

도 4b는 도 4a의 전면도이며, 도 4c는 도 4a의 배면도이다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나는 급전용 금속도체(402)와 접지용 금속도체(406)가 안테나 전면 금속도체(410) 상에 공존함을 특징으로 한다. 이러한 구조에 의하면, 안테나의 크기를 보다 더 최소화할 수 있을 것이다.

이때, 도 3b의 실시예와 비교하면, 본 실시예는 마이크로스트립 라인(416) 형태의 급전 선로를 구성하고 있다는 점이다. 즉, PCB 상에 본 실시예에 따른 안테나 구조를 적용할 경우에는 마이크로스트립 라인(416)(또는 CPW(Co-Planar Waveguide)으로 설계되어 이를 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되는 금속도체와 안테나 상의 금속도체(410)를 단락시켜 급전할 수 있다. 도면부호 418은 이러한 마이크로스트립 라인(416)과 전면 금속도체(410)간을 전기적으로 단락시켜 50Ω 매칭을 위한 이격거리를 나타낸다.

또한, 도 4a와 같은 구조의 안테나를 PCB 상에 적용하였을 경우에는, 급전용 금속도체(402)는 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되며, 접지용 금속도체(406)의 위치는 가변된다.

도 4d 및 도 4e는 도 4a의 안테나에 비아홀 또는 측면 금속도체를 적용한 경우의 전면도 및 배면도이다.

도 4d 및 도 4e에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나(400)는 안테나 전면 금속도체(410)와 안테나 배면 금속도체(414)간이 원통 모양으로 관통되고, 이 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(412)을 형성하여 안테나 전면 금속도체(410)와 안테나 배면 금속도체(414)가 전기적으로 단락됨을 특징으로 한다.

즉, 안테나 배면 금속도체(414)가 안테나 전면 금속도체(410)와 비아홀(412)로 전기적으로 단락됨으로써, 본 실시예에 따른 안테나(400)는 유도성 성분을 증가시키고 공진 주파수를 낮추면서 안테나의 소형화에 보다 더 기여할 수 있다. 이때, 도 4d 및 도 4e에서는 비아홀(412)이 원형인 것으로 기술하였으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니며, 비아홀의 목적이 전면 금속도체와 배면 금속도체간의 전기적 단락을 유도하기 위한 것이기 때문에 다른 형태, 예를 들면 반원 형태의 비아홀을 사용하여도 무방하다.

한편, 도 4d 및 도 4e의 안테나 구조는, 이동 통신 서비스를 적용하기 위해 안테나 전면 및 배면을 원통 모양으로 관통하고 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(412)로 안테나 전면 금속도체(410)와 안테나 배면 금속도체(414)를 전기적으로 단락하였으나, 이와 같은 구조는 안테나 설계시 안테나가 직육면체 유전체 기판(408)(솔리드 형태)인 경우에 적용하는 방법이며, 전면 금속도체와 배면 금속도체가 유전체 기판(408)이 아닌 "공기층"으로 형성되는 경우에는 비아홀을 이용한 방법이 아닌 금속도체의 단순한 전기적 단락으로도 본 실시예의 적용이 가능할 것이다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나 구조를 나타낸 도면이다.

먼저, 도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도 로서, 유전체 기판(508)을 기준으로 안테나(500) 전면에 급전용 금속도체(502)가 마련되며, 이 급전용 금속도체(502)는 외부 커넥터(520)와 접속된다. 즉, 본 실시예에 따른 안테나의 급전구조는 안테나(500)의 전면이 급전되는 구조이며, 적용환경에 따라 커넥터(520)를 연결하여 사용 가능하다.

도 5b는 도 5a의 전면도이며, 도 5c는 도 5a의 배면도이다.

도 5b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나는 안테나 전면 금속도체(510) 상에 급전용 금속도체(502)가 형성되는 구조이며, 이 급전용 금속도체(502)는 마이크로스트립 라인(516)에 의해 전면 금속도체(510)와 전기적으로 단락된다.

도면부호 518은 이러한 마이크로스트립 라인(516)과 전면 금속도체(510)간을 전기적으로 단락시켜 50Ω 매칭을 위한 이격거리를 나타낸다.

또한, 전면 금속도체(510) 상의 우측에는 도 5b에 도시한 바와 같이 제1비아홀(512')이 형성된다. 상술한 바와 마찬가지로, 이러한 제1비아홀(512')은 안테나(500)의 전면/배면을 원통 모양으로 관통하는 것으로, 원통형 측면에 금속으로 도포되어 안테나 전면의 금속도체와 배면의 금속도체를 전기적으로 단락시키는 역할을 한다.

도 5c는 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 배면도로서, 급전용 금속도체(502)와 접지용 금속도체(506)가 서로 동일한 평면상에 공존함을 특징으로 한다. 이러한 구조에 의하면, 안테나의 크기를 보다 더 최소화할 수 있을 것이다. 이때, 접지용 금속도체(506)는 유전체 기판(508)의 일정 부분에 형성되며, 접지용 금속도체(506) 내에는 급전용 금속도체(502)를 포함하도록 슬롯(522)을 형성하여 안테나(500)의 주파수 특성을 조절하도록 한다.

도 5d 및 도 5e는 도 5a의 안테나(500)에 제2비아홀 또는 측면 금속도체를 적용한 경우의 전면도 및 배면도이다.

도 5d 및 도 5e에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나(500)는 안테나 전면 금속도체(510)와 안테나 배면 금속도체(514)간이 원통 모양으로 관통되고, 이 원통형 측면에 금속으로 도포된 제2비아홀(512)을 형성하여 안테나 전면 금속도체(510)와 안테나 배면 금속도체(514)가 전기적으로 단락됨을 특징으로 한다.

즉, 안테나 배면 금속도체(514)가 안테나 전면 금속도체(510)와 제1 및 제2비아홀(512)(512')로 전기적으로 단락됨으로써, 본 실시예에 따른 안테나(500)는 유도성 성분을 증가시키고 공진 주파수를 낮추면서 안테나의 소형화에 보다 더 기여할 수 있다.

이때, 도 5b 내지 도 5e에서는 비아홀(512)(512')이 원형인 것으로 기술하였으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니며, 비아홀의 목적이 전면 금속도체와 배면 금속도체간의 전기적 단락을 유도하기 위한 것이기 때문에 다른 형태, 예를 들면 반원 형태의 비아홀을 사용하여도 무방하다.

한편, 도 5b 내지 도 5e의 안테나 구조는, 이동 통신 서비스를 적용하기 위해 안테나 전면 및 배면을 원통 모양으로 관통하고 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(512)(512')로 안테나 전면 금속도체(510)와 안테나 배면 금속도체(514)를 전기적으로 단락하였으나, 이와 같은 구조는 안테나 설계시 안테나가 직육면체 유전체 기판(솔리드 형태)인 경우에 적용하는 방법이며, 전면 금속도체와 배면 금속도체가 "공기층"으로 형성되는 경우에는 비아홀을 이용한 방법이 아닌 금속도체의 단순한 전기적 단락으로도 본 실시예의 적용이 가능할 것이다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도로서, 헬리컬(Helical) 형태의 금속도체를 적용한 경우이다.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나(600)는 유전체 기판(608)을 기준으로 그 일측이 외부 케이블(604)과 접속되며, 그 타측이 헬리컬 형태의 금속도체(624)와 연결된다. 이와 같은 헬리컬 형태의 금속도체(624)를 적용함으로써, 특정 대역에서의 주파수 특성을 개선할 수 있다.

도 6b는 도 6a의 전면도이며, 도 6c는 도 6a의 배면도이다. 도 6b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초 광대역 안테나(600)는 급전용 금속도체(602)와 접지용 금속도체(606)가 안테나 전면 금속도체(610) 상에 공존함을 특징으로 한다. 이러한 구조에 의하면, 안테나의 크기를 보다 더 최소화할 수 있을 것이다.

또한, 도 6b 및 도 6c에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 안테나(600)에 비아홀 또는 측면 금속도체를 적용하였다. 즉, 안테나 전면 금속도체(610)와 안테나 배면 금속도체(614)간이 원통 모양으로 관통되고, 이 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(612)을 형성하여 안테나 전면 금속도체(610)와 안테나 배면 금속도체(614)가 전기적으로 단락됨을 특징으로 한다.

즉, 안테나 배면 금속도체(614)가 안테나 전면 금속도체(610)와 비아홀(612) 로 전기적으로 단락됨으로써, 본 실시예에 따른 안테나(600)는 유도성 성분을 증가시키고 공진 주파수를 낮추면서 안테나의 소형화에 보다 더 기여할 수 있다. 이때, 도 6b 및 도 6c에서는 비아홀(612)이 원형인 것으로 기술하였으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니며, 비아홀의 목적이 전면 금속도체와 배면 금속도체간의 전기적 단락을 유도하기 위한 것이기 때문에 다른 형태, 예를 들면 반원 형태의 비아홀을 사용하여도 무방하다.

한편, 도 6b 및 도 6c의 안테나 구조는, 이동 통신 서비스를 적용하기 위해 안테나 전면 및 배면을 원통 모양으로 관통하고 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(612)로 안테나 전면 금속도체(610)와 안테나 배면 금속도체(614)를 전기적으로 단락하였으나, 이와 같은 구조는 안테나 설계시 안테나가 직육면체 유전체 기판(608)(솔리드 형태)인 경우에 적용하는 방법이며, 전면 금속도체와 배면 금속도체가 유전체 기판(608)이 아닌 "공기층"으로 형성되는 경우에는 비아홀을 이용한 방법이 아닌 금속도체의 단순한 전기적 단락으로도 본 실시예의 적용이 가능할 것이다.

다른 한편, 배면 금속도체(614')의 경우는, 다른 금속도체와 전기적으로 단락되지 않고 전기적인 결합(Coupling)이 형성되어 입력 임피던스의 용량성 성분(Capacitive Component)을 증가시켜 안테나 복사 효율을 향상시키고 공진 대역을 확장할 수 있게 해준다.

이때, 배면 금속도체(614)의 경우는, 사용 환경에 따라 다양한 목적으로 설계될 수 있으며, 배면 금속도체(614)상에서 급전 부분의 비아홀을 제거함으로써 안 테나 유도성 성분을 증가시키거나, 제거하지 않음으로써 용량성 성분을 증가시킬 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초 광대역 안테나의 사시도로서, 각각 전면과 배면을 나타낸다.

도 7의 실시예는 상술한 실시예들과 마찬가지로 유전체 기판(708)을 기준으로 급전용 금속도체(702)와 접지용 금속도체(706)가 안테나 전면 금속도체(710) 상에 공존함을 특징으로 한다. 이러한 구조에 의하면, 안테나의 크기를 보다 더 최소화할 수 있을 것이다. 상술한 도 6의 실시예와 다른 점은, 헬리컬 형태의 금속도체를 사용하지 않는 대신, PCB 상에 금속패턴을 헬리컬 형태로 설계하였다는 것이다. 다만, 이러한 헬리컬 형태의 금속패턴은 전면 금속도체(710)의 일부에 형성되도록 한다.

또한, 본 실시예는 마이크로스트립 라인(716) 형태의 급전 선로를 구성하고 있으며, PCB 상에 본 실시예에 따른 안테나 구조를 적용할 경우에는 마이크로스트립 라인(716)(또는 CPW)으로 설계되어 이를 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되는 금속도체와 안테나 상의 금속도체(710)를 단락시켜 급전할 수 있다.

또한, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 안테나(700)에 비아홀 또는 측면 금속도체를 적용하였다. 즉, 안테나 전면 금속도체(710)와 안테나 배면 금속도체(714)간이 원통 모양으로 관통되고, 이 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(712)을 형성하여 안테나 전면 금속도체(710)와 안테나 배면 금속도 체(714)가 전기적으로 단락됨을 특징으로 한다.

즉, 안테나 배면 금속도체(714)가 안테나 전면 금속도체(710)와 비아홀(712)로 전기적으로 단락됨으로써, 본 실시예에 따른 안테나(700)는 유도성 성분을 증가시키고 공진 주파수를 낮추면서 안테나의 소형화에 보다 더 기여할 수 있다. 이때, 도 7a 및 도 7b에서는 비아홀(712)이 원형인 것으로 기술하였으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니며, 비아홀의 목적이 전면 금속도체와 배면 금속도체간의 전기적 단락을 유도하기 위한 것이기 때문에 다른 형태, 예를 들면 반원 형태의 비아홀을 사용하여도 무방하다.

한편, 도 7a 및 도 7b의 안테나 구조는, 이동 통신 서비스를 적용하기 위해 안테나 전면 및 배면을 원통 모양으로 관통하고 원통형 측면에 금속으로 도포된 비아홀(712)로 안테나 전면 금속도체(710)와 안테나 배면 금속도체(714)를 전기적으로 단락하였으나, 이와 같은 구조는 안테나 설계시 안테나가 직육면체 유전체 기판(708)(솔리드 형태)인 경우에 적용하는 방법이며, 전면 금속도체와 배면 금속도체가 유전체 기판(708)이 아닌 "공기층"으로 형성되는 경우에는 비아홀을 이용한 방법이 아닌 금속도체의 단순한 전기적 단락으로도 본 실시예의 적용이 가능할 것이다.

다른 한편, 배면 금속도체(714')의 경우는, 다른 금속도체와 전기적으로 단락되지 않고 전기적인 결합이 형성되어 입력 임피던스의 용량성 성분을 증가시켜 안테나 복사 효율을 향상시키고 공진 대역을 확장할 수 있게 해준다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 변형 가능한 금속도체 구조의 예 시도이다. 본 발명에서는 이와 같이 다양한 금속패턴들 중 임의의 하나를 가변적으로 선택 적용하여 초 광대역 안테나를 구현할 수 있다. 이때, 도 8의 금속패턴들은 안테나의 전면 금속도체 및 배면 금속도체에 동일하게 적용 가능한 것을 특징으로 한다.

도 9a는 도 3a 내지 도 3e의 초 광대역 안테나에 대한 반사손실(return loss)을 나타낸 그래프이며, 도 9b는 도 3a 내지 도 3e의 초 광대역 안테나에 대한 V.S.W.R.(Voltage Standing Wave Ratio : 정재파비) 특성을 나타낸 그래프, 도 9c는 도 3a 내지 도 3e의 초 광대역 안테나에 대한 방사패턴 특성을 나타낸 그래프이다.

도 9a 내지 도 9c에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 제안한 안테나는 넓은 대역에서 사용이 가능하며, 공진 대역에서 방사 패턴이 전방향성(Omni-direction)을 가지기 때문에 방사 패턴 특성이 양호함을 알 수 있다.

이러한 특성들은 도 4 및 도 5의 실시예에도 동일하게 적용되며, 단지 도 4 및 도 5의 실시예는 사용자 요구에 따라 금속패턴의 형태를 다양하게 적용하기 위해 설계된 것이다.

도 10a 및 도 10b는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에 대한 반사손실, V.S.W.R. 특성을 각각 나타낸 그래프이며, 도 10c 및 도 10d는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에 대한 방사패턴 특성을 각각 나타낸 그래프이다.

도 10a 내지 도 10d에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 안테나는 사용자가 원하는 주파수에서 공진을 유도하도록 구조 변경됨으로써 특정 대역에서 사 용이 가능하며, 공진 대역에서 방사 패턴이 전방향성을 가지기 때문에 방사 패턴 특성이 양호함을 알 수 있다.

이러한 특성들은 도 7의 실시예에도 동일하게 적용되며, 단지 도 7의 실시예는 헬리컬 형태의 금속도체를 사용하지 않고 PCB 상에 금속패턴을 유사하게 하여 제조 공정상의 수작업 향상에 도움이 되도록 설계된 것이다.

도 11a 및 도 11b는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에서 헬리컬 형태의 금속도체(624)와 안테나 전면 금속도체(610) 상의 비아홀 중 급전 부분의 비아홀을 제거한 경우의 리턴 손실, V.S.W.R. 특성을 각각 나타낸 그래프이다.

또한, 도 11c 및 도 11d는 도 6a 내지 도 6c의 초 광대역 안테나에서 헬리컬 형태의 금속도체(624)와 안테나 전면 금속도체(610) 상의 비아홀 중 급전 부분의 비아홀을 제거한 경우의 방사패턴 특성을 각각 나타낸 그래프이다.

도 11a 내지 도 11d에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 안테나는 사용자가 원하는 주파수에서 공진을 유도하도록 구조 변경됨으로써 특정 대역에서 사용이 가능하며, 공진 대역에서 방사 패턴이 전방향성을 가지기 때문에 방사 패턴 특성이 양호함을 알 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예를 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 금속도체의 패턴을 다양하게 변형하여 본 발명을 실시할 수 있는 것이 명백하다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.

본 발명에 의하면, 소형화된 안테나 크기에 비해 넓은 공진 대역을 지니고 있는 바, 하나의 안테나를 통해 여러 상용 시스템에 적용이 용이하며 특정 대역에서 사용자의 다양한 욕구를 충족시킬 수 있다. 또한, 공진 주파수를 원하는 주파수로 맞추기 위해서는 "튜닝(tuning)"이라는 공정을 거치게 되는데, 본 실시예에 의하면 이러한 튜닝 작업을 원활하게 하기 위해 여러 개의 튜닝 포인트(tuning point)를 선정할 수 있어 필요한 사용 주파수 대역에서의 선택적 사용이 가능하다. 게다가, 본 발명은 각각의 공진 대역에서의 성능이 양호할 뿐만 아니라 방사 패턴도 전방향성을 지닌다는 효과가 있다.

Claims

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초 광대역 주파수 대역폭과 전방향성 방사 패턴 특성을 갖는 안테나로서,

유전체 기판과,

상기 유전체 기판의 전면에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 전면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 배면 제 1 영역에 상기 전면 금속도체와 대향되게 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 1 배면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 배면 제 2 영역에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 2 배면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 전면 일측에 형성되어 상기 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급전용 금속도체와,

상기 유전체 기판의 전면 타측에 형성되는 접지용 금속도체와,

상기 전면 금속도체 및 상기 제 1 배면 금속도체를 관통하며 그 측면이 금속으로 도포되는 비아홀

을 포함하는 초 광대역 안테나.
제 6 항에 있어서,

상기 비아홀은 상기 전면 금속도체와 상기 제 1 배면 금속도체를 전기적으로 단락시켜 상기 안테나의 유도성 성분을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초 광대역 안테나.
제 6 항에 있어서,

상기 제 2 배면 금속도체는 상기 전면 금속도체와 전기적으로 단락되지 않고 전기적인 결합이 형성되어 입력 임피던스의 용량성 성분을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초 광대역 안테나.
제 6 항에 있어서,

상기 안테나는 외부 케이블에 의해 상기 급전용 금속도체와 전기적으로 단락되며, 상기 전면 금속도체와 고정 연결되는 헬리컬 형태의 금속도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 초 광대역 안테나.
초 광대역 주파수 대역폭과 전방향성 방사 패턴 특성을 갖는 안테나로서,

유전체 기판과,

상기 유전체 기판의 전면 제 1 영역에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 1 전면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 전면 제 2 영역에 헬리컬 형태로 패턴 형성된 제 2 전면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 배면 제 1 영역에 직육면체 형태의 패치 구조로 형성된 제 1 배면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 배면 제 2 영역에 헬리컬 형태로 패턴 형성된 제 2 배면 금속도체와,

상기 유전체 기판의 전면 일측에 형성되어 상기 전면 금속도체를 단락시켜 급전하는 급전용 금속도체와,

상기 유전체 기판의 전면 타측에 형성되는 접지용 금속도체와,

상기 제 2 전면 금속도체 및 상기 제 2 배면 금속도체를 관통하며 그 측면이 금속으로 도포되는 비아홀

을 포함하는 초 광대역 안테나.
제 10 항에 있어서,

상기 비아홀은 상기 제 2 전면 금속도체와 상기 제 2 배면 금속도체를 전기적으로 단락시켜 상기 안테나의 유도성 성분을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초 광대역 안테나.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 배면 금속도체는 상기 제 1 전면 금속도체와 전기적으로 단락되지 않고 전기적인 결합이 형성되어 입력 임피던스의 용량성 성분을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초 광대역 안테나.
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