KR100777792B1 - 다중대역 평면 안테나 - Google Patents

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KR100777792B1
KR100777792B1 KR1020027018018A KR20027018018A KR100777792B1 KR 100777792 B1 KR100777792 B1 KR 100777792B1 KR 1020027018018 A KR1020027018018 A KR 1020027018018A KR 20027018018 A KR20027018018 A KR 20027018018A KR 100777792 B1 KR100777792 B1 KR 100777792B1
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프랑소와 르볼제
알리 루지
앙리 푸르데
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톰슨 라이센싱
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Abstract

본 발명은, 제 1 주파수(f1)로 동작하도록 크기가 정해지는(R1) 제 1 슬롯(1a)으로서, 이 슬롯이 급전 라인의 단락회로 평면에 놓이도록 배치된(Im1) 급전 라인(12)에 의해 급전되는 제 1 슬롯(1a)과, 제 2 주파수(f2)에서 동작하도록 크기가 정해지며(R2) 상기 급전 라인(Im2)에 의해 급전되는 적어도 하나의 제 2 슬롯(11)을 포함하는 다중대역 평면 안테나에 관한 것이다.

Description

다중대역 평면 안테나{MULTIBAND PLANAR ANTENNA}
본 발명은 광대역 및/또는 다중대역 평면 안테나에 관한 것이며, 좀더 상세하게는 이동 또는 실내(domestic) 무선 네트워크에 매칭되는 안테나에 관한 것이다.
이동 또는 실내 무선 네트워크의 개발 구조 내에서, 안테나의 디자인은, 이들 네트워크에 할당된 여러 주파수로부터 발생하는 특정한 문제에 직면하고 있다. 상세하게는, 아래의 대강의 표 1에 제시된 바와 같이, 무선 기술은 많이 있으며, 이들이 사용되는 주파수는 훨씬 더 많다.
기술 응용분야 주파수 대역(GHz)
GSM 이동 전화 0.9
DCS 1800 이동 전화 1.8
UMTS 범용 이동 시스템 1.9-2.0-2.1
DECT-PHS 실내 네트워크 1.8
블루투쓰 실내 네트워크 2.4-2.48
홈 RF 실내 네트워크 2.4 ISM
유럽 BRAN/ HYPERLAN2 실내 네트워크 (5.15-5.35)(5.47-5.725)
US-IEEE 802.11 실내 네트워크 2.4
US-IEEE 802.11a 실내 네트워크 (5.15-5.35)(5.725-5.825)
따라서, 지난 20년 동안 운영자와 사용 나라 둘 모두에 의존하는 주파수 대역 상에서 수행되는 다양한 이동 전화시스템의 출현을 보아왔다. 좀더 최근에는, 특정한 기술의 경우 대륙마다 다른 여전히 개발중인 규격 및 주파수 대역을 갖는 무선 실내 네트워크의 개발을 목도하여 왔다.
사용자의 관점에서, 이러한 다수의 대역은, 이것이 각 네트워크에 대해 서로 다른 접속 디바이스를 사용하는 것을 수반하는 한 이들의 서비스를 얻는데 장애 요소가 될 수 있다. 이로 인해, 제조자의 관점에서의 현재의 경향은 이들을 몇 몇 기술 또는 표준과 부합하게 함으로써 디바이스의 호스트를 감소시키는 것을 목적으로 한다. 그에 따라, 이제 몇 년 전부터 900MHz GSM 및 1.8GHz DCS 둘 모두로의 접속을 제공하는 이중 대역 전화의 출현을 보게 되었다. 게다가, 무선 실내 네트워크 영역 내의 다양한 표준이, 고려중인 표준에 따라 매우 멀리 떨어져 있거나 인접한 주파수 대역의 분할(dividing up)을 유도하고 있다.
장래에, 한편으로는 디지털 비트율의 폭발적 증가(explosion)에 관련되고, 다른 한편으로는 주파수 부족에 관련되는 주파수 스펙트럼에 대한 훨씬 더 많은 요구가 여러 주파수 대역에서 및/또는 광대역의 주파수에 걸쳐서 동작할 수 있는 장비를 출현시킬 것이다.
게다가, 집밖에 있을 때는 이동 전화로 사용될 수 있고, 집에 돌아왔을 때는 실내 네트워크의 일부분을 형성하는 실내 장비 항목으로 사용될 수 있는 휴대용 장비, 즉 셀룰러 네트워크/실내 네트워크 호환 장비를 개발하는 것이 유리할 것이다.
그에 따라, 이러한 호환성을 얻기 위해 여러 주파수 대역에서 동작하며, 게다가 꽤 콤팩트한 안테나를 개발할 필요가 발생했다.
도 1에 도시된 대로, 주어진 주파수(f)로 동작하는 환상 슬롯(1)으로 구성된 평면 안테나가 현재 알려져 있다. 이 환상 슬롯(1)은 마이크로스트립 라인(microstrip line)(2)에 의해 급전된다.
다음의 시뮬레이션과 시험을 통해서, 만약 마이크로스트립 라인/방사 슬롯 변환이 이 슬롯이 라인의 단락회로 평면, 즉 전류가 가장 큰 지점에 놓이도록 만들어진다면, 환상 슬롯은 공진이 기본 주파수의 모든 짝수 배에서 나타나는 <<패치>> 유형의 라인-급전 구조와 대조적으로 이러한 주파수의 모든 홀수 배에서 공진을 나타낼 것임이 분명하게 되었다. 이러한 동작 방식은 도 1에 도시된 바와 같이 안테나를 제조하는데 사용되는 다음의 디자인 규칙을 정당화한다.
이 경우,
Figure 112002043734670-pct00001
Figure 112002043734670-pct00002
Zant.
Figure 112002043734670-pct00003
300Ω
이고, 이때,
Figure 112002043734670-pct00004
와
Figure 112002043734670-pct00005
은 슬롯에서 및 마이크로스트립 라인 아래에서의 파장이며, Zant는 안테나의 입력 임피던스이다. 게다가, I'm은 50Ω에서 매칭을 생성하는데 필요한 마이크로스트립 라인의 길이를 나타내며, Ws와 Wm은 각각 슬롯의 폭과 마이크로스트립 라인의 폭이다.
따라서, R=7mm, Ws=0.25mm, Im=9.26mm일 때 <<CHUKOH FLO>> 기판(
Figure 112002043734670-pct00006
= 2.6 - tan
Figure 112002043734670-pct00007
= 0.002 - h = 0.8mm - 구리 th = 15㎛) 상에 만들어지고, 5.8GHz의 기본 주파수(f)로 동작하는 도 1의 유형의 안테나의 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이 주 파수 동작이 관찰된다. 그러므로, 공진은 5.8GHz(f)에서 관찰되고 그 뒤이어 대략 17GHz, 즉 3f에서 제 2 공진이 관찰되고, 반사계수의 형태는 11GHz 영역에서 평탄하게 유지한다.
전술한 속성에 기초하여, 본 발명은 간단하고 콤팩트한 디자인의 새로운 광대역 및/또는 다중대역 평면 안테나 구조를 제안한다.
따라서, 본 발명의 요지는, 제 1 주파수(f1)에서 동작하도록 크기가 정해지는 제 1 슬롯으로서 이 슬롯이 급전 라인의 단락회로 평면에 놓이도록 배치된 급전 라인에 의해 급전되는 제 1 슬롯을 포함하는 유형의 다중대역 평면 안테나이며, 이 평면 안테나는 제 2 주파수(f2)에서 동작하도록 크기가 정해지며 상기 급전 라인에 의해 급전되는 적어도 하나의 제 2 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다중대역 동작을 가능케 하는 본 발명의 특징에 따라, 제 2 슬롯이 급전 라인의 단락회로 평면에 놓인다.
바람직하게는, 이 안테나는 주파수(fi)에서 동작하도록 각각 크기가 정해진 N개의 슬롯을 포함하고, 이때 i는 1에서 N까지 변화하며, 각 슬롯은 급전 라인의 단락회로 평면에 놓이도록 상기 급전 라인에 의해 급전된다.
광대역 동작을 가능케 하는 본 발명의 또 다른 특징에 따라, 두 슬롯은 한 지점에서 코탄젠트관계이고, 급전 라인은 이 지점과 일직선으로 위치되거나(level with this point) 두 슬롯이 동심원형인 경우 이 지점과 반대에 위치된다.
일실시예에 따라, 각 슬롯의 길이는, 슬롯이 상기 주파수(fi)에서 공진하도록 선택된다. 각 슬롯은 동일하거나, 동일하지 않은 형태일 수 있고, 한 지점에 대해 대칭일 수 있다. 바람직하게는, 각 슬롯은 원형이거나 정사각형이다. 슬롯에는 원형 편광된 파를 방사하게 하는 수단이 제공될 수 있다. 이들 수단은, 예컨대 노치(notch)로 구성된다. 이 경우, 급전 라인의 위치에 따라, 오른쪽 또는 왼쪽 원형 편광된 파장이 생성될 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 제공된, 여러 실시예에 대한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1은 이미 설명한 바와 같이 알려진 환상 슬롯 안테나의 개략적인 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 안테나의 경우에 반사계수를 주파수의 함수로 제공하는 곡선을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 이중 주파수 평면 안테나의 개략적인 평면도.
도 4는 도 3에 따른 안테나의 경우에 반사계수를 주파수의 함수로 제공하는 곡선을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 3중 주파수 평면 안테나의 개략적인 평면도.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광대역 평면 안테나의 개략적인 평면도.
도 7은 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6의 안테나의 대역폭을 제공하는 다양한 곡 선을 도시한 도면.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 발명의 안테나에 사용될 수 있는 슬롯의 여러 형태를 개략적으로 도시한 도면.
도면에 대한 설명을 간단히 하기 위해, 동일한 요소는 동일한 참조번호를 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 주파수 안테나는 제 1 기본 주파수(f1)에서 동작하도록 선택된 반경(R1)을 갖는 제 1 환상 슬롯(10)을 포함한다. 그러므로, 반경(R1)은
Figure 112002043734670-pct00008
와 같으며, 여기서
Figure 112002043734670-pct00009
은 슬롯(10)에서의 파장이다. 슬롯(10)은 폭(Ws1)을 갖는다. 안테나는 또한 제 2 기본 주파수(f2)에서 동작하도록 선택된 반경(R2)을 갖는 제 2 환상 슬롯(11)을 포함하며, 반경(R2)은
Figure 112002043734670-pct00010
과 같다. 이 실시예에서, f2는 2f1에 근접하도록 선택되지만, 기타 비율이 고려될 수 있다.
본 발명에 따라, 두 개의 환상 슬롯(10 및 11)은 하나의 마이크로스트립 라인(12)에 의해 급전된다. 이 마이크로스트립 라인은 슬롯이 급전 라인의 단락회로 평면에 놓이도록 배치된다. 그러므로, 급전 라인(12)은 슬롯(11)을 k(
Figure 112002043734670-pct00011
m2/4)와 같은 길이(Im2) 만큼 지나 연장하고, 슬롯(10)을 k(3
Figure 112002043734670-pct00012
m2/4)=k(
Figure 112002043734670-pct00013
m1/4)와 같은 길이(Im1)만큼 지나 연장하며, 여기서
Figure 112002043734670-pct00014
m2는 주파수(f2)에서 마이크로스트립 라인 아래의 파장이며,
Figure 112002043734670-pct00015
m1은 주파수(f1)에서의 파장이며, k는 홀수 정수이다. 게다가, 길이(Im')는 대략 300Ω인 임피던스(Zant)를 50Ω에 매칭시키는데 필요한 라인의 길이이다. 이 라인은 폭(Wm)을 갖는다. 일반적으로, 슬롯이 단락회로 평면에 놓이게 하는 라인의 길이는 k
Figure 112002043734670-pct00016
m/4와 같고, 여기서
Figure 112002043734670-pct00017
m은 슬롯에 한정된 동작 주파수에서 마이크로스트립 라인 아래에서의 파장이며, k는 홀수 정수이다.
도 4에는 다음의 특징을 갖는 도 3에 도시된 바와 같은 구조의 반사계수가 도시되어 있다.
R1=16.4mm Ws1=0.4mm Im1=20mm f1=2.4GHz
R2=7.4mm Ws2=0.4mm Im2=9.25mm f2=5.2GHz
이 경우에, 마이크로스트립 라인은 폭(Wm=0.3mm)과 길이(I'm=20mm)를 가진다. 이 조립체는 기판(R4003)(
Figure 112002043734670-pct00018
=3.38, h=0.81mm) 상에 제조되어진다.
전술한 구조로 얻어진 시뮬레이션 결과치가 도 4에 도시되어 있다. 새로운 토폴로지(topology)의 이중 주파수 동작이 2.4GHz(S11=-22dB)에서 매우 양호한 매칭을 가지며 5.2GHz에서 완전히 정확하게 매칭하는 S11(S11=-12dB)을 가짐을 주목하기 바란다.
게다가, 전술한 구조를 통해, 2.4GHz에서의 방사가 슬롯 단독의 방사와 유사하며, 완전히 대칭을 이룸이 따라서 관찰된다. 5.2GHz에서, 방사의 약간의 비대칭이 주목되며, 이러한 비대칭은 그러나 매우 제한된 정도로 유지된다.
도 5에는 3-대역 모드로 동작하는 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 기본 주파수(f1, f2, f3)에서 동작하는 세 개의 환상 슬롯(21, 22, 23)은 동일한 마이크 로스트립 라인(20)에 의해 급전된다. 상술한 디자인 규칙을 사용하여 슬롯은 제조된다. 따라서, 각 환상 슬롯의 반경은, Ri(i=1, 2, 3) =
Figure 112002043734670-pct00019
si/2
Figure 112002043734670-pct00020
와 같이 되며,
Figure 112002043734670-pct00021
si는 각 슬롯의 파장이다. 이와 유사하게, 단락회로 평면은 Im3=k(
Figure 112002043734670-pct00022
3/4), Im2=k(
Figure 112002043734670-pct00023
2/4) 및 Im1=k(
Figure 112002043734670-pct00024
1/4)가 되도록 배치되며, 여기서
Figure 112002043734670-pct00025
1,
Figure 112002043734670-pct00026
2,
Figure 112002043734670-pct00027
3은 각각 주파수(f1, f2 및 f3)에서 마이크로스트립 라인 아래의 파장이며, k는 홀수 정수이다. 길이(I'm)는 50Ω에 매칭하는데 사용된다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c에는 본 발명에 따른 평면 안테나의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b의 경우, 두 개의 환상 슬롯(R'1 및 R'2)이 한 지점에서 통합된다. 이들은 인접한 주파수에서 동작하도록 크기가 정해진다. 따라서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 안테나는 지점(A)에서 코탄젠트 관계인 두 개의 환상 슬롯(R'1 및 R'2)을 포함한다.
이 실시예에서, 두 개의 슬롯(R'1 및 R'2)은 지점(A) 측의 공통 라인에 의해 급전된다. 두 개의 슬롯은 공급 라인의 단락회로 평면에 대체로 놓이며, 길이(I'm 및 I'm')는 I'm이 k
Figure 112002043734670-pct00028
'm/4와 같도록 선택되며,
Figure 112002043734670-pct00029
'm은 마이크로스트립 라인 아래의 파장이고, k는 홀수 정수이며, I'm'은 50Ω으로의 매칭을 가능케 한다.
도 6b의 실시예에 따라, 두 개의 환상 슬롯이 지점(B)에서 코탄젠트 관계이며, 지점(B)의 반대측의 급전 라인에 의해 급전된다.
이 경우, 길이(I"m2 및 I"m1)는 슬롯(R'1 및 R'2)이 급전 라인의 단락회로 평면에 대체로 놓이도록 선택된다. 길이(I"m')는 50Ω으로의 매칭을 생성하도록 선 택된다. 도 6c의 경우, 두 개의 환상 슬롯(R'1 및 R'2)은 동심원 형태이다. 이들은 예컨대 마이크로스트립 기술을 사용하여 공통 급전 라인에 의해 급전된다. 이 경우, 길이(Im1 및 Im2)는 슬롯(R'1 및 R'2)이 라인의 단락회로 평면에 근접하게 놓이며, Im'은 50Ω으로의 매칭을 가능케 하도록 선택된다.
전술된 여러 토폴로지의 연구는 참조(IE3D)하에서 알려진 시뮬레이션 소프트웨어의 도움으로 수행되었다. 모든 경우, 접지 평면과 기판의 크기는 무한대인 것으로 가정된다. 테스트된 여러 구성의 기하학적 특징이 아래의 표2에 제시되어 있다. 멀티슬롯 토폴로지의 사용은 대역폭을 상당히 증가시킴으로써 수행됨을 주목하기 바란다. 대역폭은 사실 단일 슬롯의 경우인 380MHz에서 동심원 형태 및 포개진(nested) 이중 슬롯 구조의 경우인 470MHz 및 450MHz까지에 이른다.
안테나 유형 슬롯의 크기(mm) 마이크로스트립 라인의 특징(mm) 주파수(GHz) 대역폭 -10dB(MHz)
단일 슬롯 R=6.5 Im=8.25 5.88 380(6.55%)
2개의 동심원형 슬롯 R'1=7.1 R'2=6.5 Im1=9.1-Im2= 8.25-Im'=8.8 5.84 470(8%)
3개의 동심원형 슬롯 R1=7.1 R2=6.5 R3=7.7 I'm1=9.15-I'm2=8.55 I'm3=9.75 I"m=8.8 5.8 550(9.8%)
급전 라인의 반대측에 있는 2개의 포개진 슬롯 R'1=7.1 R'2=6.5 I"m1=9.15- I"m2=7.95- I"m'=8.25 5.72 450(7.8%)
3개의 포개진 슬롯 R1=7.1 R2=6.5 R3=7.7 I"m1=9.15- I"m2=7.95 I"m3=10.34 I"m'=8.25 5.59 500(8.9%)
표 2: 안테나의 기하학적 및 전자기적 특징
제 3 슬롯을 추가함으로써 더 증가될 수 있다. 이때, 단일 슬롯의 경우의 6.55%에 비해 대략 9%의 대역이 얻어진다. 모든 경우에, 대역 최대화가 동심원형 슬롯 구성을 통해 얻어진다. 그러나, 이러한 토폴로지는 구조의 동작 주파수의 1GHz 아래에서 스퓨리어스(spurious) 공진을 야기한다(도 7 참조바람). 응용에 의해 부과되는 스펙트럼 제한(spectral constraints)에 따라 동심원형 슬롯보다 이때 더 바람직할 수 있는 포개진 슬롯 구성의 경우에는 그렇지 않다. 방사의 관점에서, 여러 토폴로지는 단일 환상 슬롯을 통해 종래에 얻어지는 패턴과 효율을 계속 유지한다.
따라서, 멀티슬롯 구조의 광대역 특징은 전술한 새로운 토폴로지에 대해 유효하였다. 방사는 제안된 배치에 의해 방해받지 않는다. 대역 측면에서 가장 효율적인 토폴로지는 동심원형 슬롯 구성에 해당한다. 그러나. 동심원형 슬롯 구성은 스퓨리어스 공진 주파수를 야기한다. 포개진 멀티슬롯 토폴로지의 경우에는 그렇지 않다. 비록 포개진 멀티슬롯 토폴로지가 동심 해결책만큼 광대역이지 않지만, 이것은 그럼에도 불구하고 단일 슬롯에 비해 상당한 주파수 대역을 얻는 것을 가능케 한다.
여러 슬롯 실시예가 이제 도 8a, 도 8b 및 도 8c를 참조하여 설명될 것이다. 도 8a에서, 슬롯은 라인(31)에 의해 급전되는 정사각형(30)으로 구성된다. 도 8b에서, 슬롯(1)은 원형이다. 이것은 라인(2)에 의해 급전되며, 선형 편광된 파를 방사한다. 도 8c에서, 원형 슬롯(1')에는 노치(1")가 제공된다. 이것은 라인(2)에 의해 급전된다. 이 경우, 슬롯은 급전 라인의 위치에 따라 왼쪽 또는 오른쪽일 수 있는 원형 편광을 방사한다. 슬롯의 형태에 상관없이, 전술한 디자인 규칙에 부합해야 하는 점이 당업자에게 명백하다. 일반적으로, 슬롯은 한 지점에 대해 대칭적이어야 하며, 선택된 기본 주파수로 방사하도록 길이를 나타내어야 한다.
본 발명은 마이크로스트립 기술로 제조된 급전 라인에 대해 기술되었지만, 라인은 동일 평면(coplanar) 기술로 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 간단하고 콤팩트한 디자인을 갖는 새로운 광대역 및/또는 다중대역 평면 안테나 구조를 제한하는데 이용된다.

Claims (11)

  1. 환상 슬롯 유형이거나 한 지점에 대해 대칭 형태를 가지며, 그 둘레의 크기(R1, R'1)가 제 1 주파수(f1)에서 동작하도록 정해지는 제 1 슬롯(10)을 기판상에서 포함하는 유형의 다중대역 평면 안테나에 있어서,
    환상 슬롯 유형이거나 한 지점에 대해 대칭 형태를 가지며, 그 둘레의 크기(R2, R'2)가 제 2 주파수(f2)에서 동작하도록 정해지며, 상기 제 1 슬롯(10)과 겹치는 적어도 하나의 제 2 슬롯(11)을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 슬롯은, 최대 전류가 흐르는 구역인 공통 급전 라인(12)의 단락회로 평면에서 각 슬롯을 지나가도록 배치된(lm1, lm2; l'm; l'm1, l'm2) 상기 공통 급전 라인에 의해 급전되는 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
  2. 제 1항에 있어서, 환상 슬롯 유형이거나 한 지점에 대해 대칭 형태를 갖는 N개의 겹쳐진 슬롯(21, 22, 23)을 포함하며, 각 슬롯의 둘레의 크기는 주파수(fi)에서 동작하도록 정해지며, 이때 i는 1에서 N까지 변하며, 각 슬롯은, 최대 전류가 흐르는 구역인 상기 급전 라인(20)의 단락회로 평면에 놓이도록 상기 급전 라인에 의해 급전되는 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯(R'1, R'2)은 한 지점에서 코탄젠트(cotangent) 관계이며, 이 지점 또는 그 직경 방향의 정반대 지점에 급전 라인이 놓이는 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯은 동심원형(concentric)인 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯은 원형 편광된 파를 방사하게 하는 수단(1")이 제공되는 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 수단은 상기 슬롯에 제조된 노치(notch)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급전 라인은 마이크로스트립(microstrip) 라인 또는 동일평면(coplanar) 기술로 제조된 라인인 것을 특징으로 하는, 다중대역 평면 안테나.
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