KR100810291B1 - 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나 - Google Patents

전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 길이가 대략 λ。/4 (단, λ。는 자유공간에서의 파장길이) 이고, 스파이럴 형태, 폴디드(folded) 형태와 나선(helix) 형태 중 어느 하나의 형태를 갖는 스트립 선로 프로브 및 이와 단락된 패치를 전자기적으로 결합한 형태의 모노폴 안테나를 개시하고, 집중소자를 이용한 안테나의 등가모델을 제시한다. 스트립 선로는 모노폴 안테나로써 인덕턴스 성분을 가지는 직렬 RLC 공진회로로 등가화 되며, 단락된 패치는 스트립 선로에 의해 전자기적으로 결합되며 캐패시턴스 성분을 가지는 모노폴 안테나로써 병렬 RLC 공진회로로 등가화 된다. 본 발명의 안테나는 직렬 공진회로의 공진과 커플링에 의해 급전되는 병렬 공진회로의 공진이 결합하여 넓은 주파수 대역폭을 가지게 된다. 그러므로 직렬 공진회로와 병렬 공진회로의 인덕턴스와 캐패시턴스를 조정함으로써 공진주파수의 조절이 가능하게 되고, 안테나의 응용 목적에 따라서 이중대역 안테나와 넓은 대역폭의 단일대역 안테나로써 설계 할 수 있다.
모노폴, 패치, 단락핀, RLC

Description

전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나 {Small Broadband Monopole Antenna with Electromagnetically Coupled Feed}
본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.
도 1(a), 1(b), 1(c)는 각각 사각 스파이럴 스트립선로 급전 모노폴 안테나의 정면도, 측면도, 사시도이다.
도 2(a)와 2(b)는 각각 원형 스파이럴 스트립선로 급전 모노폴 안테나의 정면도와 측면도 이다.
도 3(a), 3(b), 3(c) 및 3(d)는 폴디드 스트립선로 급전 모노폴 안테나의 사시도, 부분 상세도, 정면도 및 측면도이다.
도 4는 안테나의 등가모델이다.
도 5는 스파이럴 스트립 선로 급전의 임피던스 특성과 단락된 패치가 결합된 안테나의 임피던스 특성을 나타낸다.
도 6은 단락핀의 지름의 변화에 따른 반사손실을 나타낸다.
도 7은 스파이럴 스트립 선로 높이의 변화에 따른 임피던스 변화를 나타낸다.
도 8은 스파이럴 급전선의 길이 변화를 나타낸다.
도 9(a)와 9(b)는 각각 등가회로와 EM 시뮬레이션의 비교에 의해 얻어진 반사손실과 임피던스 특성변화를 나타낸다.
도 10(a)와 10(b)는 원형 스파이럴 스트립 선로 급전 안테나의 특성을 알 수 있는 반사손실과 임피던스 특성변화를 나타낸다.
도 11(a)와 11(b)는 폴디드 스파이럴 스트립 선로 급전 안테나의 특성을 알 수 있는 반사손실과 임피던스 특성변화를 나타낸다.
도 12(a)와 12(b)는 각각 x-z 평면과 y-z 평면에서 1.95 GHz에서 계산된 안테나의 복사패턴을 나타낸다.
도 13(a)와 13(b)는 각각 x-z 평면과 y-z 평면에서 2.1 GHz에서 계산된 안테나의 복사패턴을 나타낸다.
도 14는 x-y 평면에서 계산된 안테나의 복사패턴을 나타낸다.
도 15a 내지 도 15d 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 단락핀의 수를 변화시킨 경우의 구조도이다.
도 16a 내지 도 16b 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 사각 패치에 연결된 단락 핀의 수를 변화시켰을 때 안테나의 반사손실과 임피던스 변화를 도시한 예시도이다.
도 17 은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 단락핀과 급전 프로부 사이의 거리 조절에 따른 입력 임피던스의 특성 변화를 도시한 설명 예시도이다.
도 18 은 본 발명의 실시예에 따른 2개의 단락핀을 가진 안테나 구조에서 단 락핀 간의 거리 조절에 따른 전류 분포를 도시한 설명 예시도이다.
도 19a 내지 도19b 는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 단락핀을 가진 안테나 구조에서 단락핀 간의 거리 조절에 따른 반사손실과 임피던스 변화를 도시한 설명 예시도이다.
도 20 은 <표 4>에서 나타낸 사각 패치에 연결된 단락핀의 수에 따른 최적화된 안테나의 반사손실을 도시한 예시도이다.
도 21은 단락핀이 한개인 경우의 안테나의 복사 패턴을 1.8 GHz(a), 2.0 GHz(b)로 나누어 도시한 것이다.
도 22는 단락핀이 2개인 경우의 안테나의 복사 패턴을 2.1 GHz(a), 2.4 GHz(b)로 나누어 도시한 것이다.
도 23은 단락핀이 3개인 경우의 안테나의 복사 패턴을 2.3 GHz(a), 2.7 GHz(b)로 나누어 도시한 것이다.
도 24는 세 개의 단락핀을 가진 경우의 또다른 실시예에 따른 구조도이다.
도 25는 네 개의 단락핀을 가진 경우의 실시예에 따른 구조도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10, 30, 50, 150, 240, 250: 패치
12, 32, 151, 241, 251: 스파이럴 스트립선로
52: 폴디드 스트립선로
14, 34, 54, 153, 243, 253: 프로브
16, 36, 56, 152, 242, 252: 단락핀
18a, 18b, 38a, 38b, 58a, 58b, 156a, 156b: 유전체 기판
20, 40, 60, 158: 접지면
22, 42, 62, 159: 동축선
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 프로브 급전된 스트립 선로와 단락된 패치를 전자기적으로 결합한 구조의 모노폴 안테나에 관한 것이다.
현재의 무선 통신 시스템은 이동통신단말기(Cellular Phone), 개인휴대통신(PCS), 아이엠티-2000(IMT-2000), 개인휴대정보단말기(PDA)등 다양하게 빠른 속도로 발전하고 있으며, 시장규모 또한 급속도로 성장하고 있다. 최근에 활발히 연구, 개발되고 있는 3세대 이동통신인 IMT-2000에서는 기존 2세대, 2.5세인 Cellular, PCS에서 제공되는 음성과 저속데이터는 물론 고속데이터와 멀티미디어 서비스를 제공한다. 이와 같은 다양한 이동통신 시스템의 성장과 더불어 고성능의 소형 개인 휴대용 단말기가 연구되고 있으며, 단말기의 소형화를 위해서는 내장형 소형 안테나의 장착이 필수적이라고 할 수 있다.
기존의 대부분의 단말기에는 헬리컬 안테나와 모노폴 안테나와 같은 외장형 retractable 안테나가 사용되고 있으나, 외장형 인입/인출(retractable) 안테나는 단말기의 소형화에 문제점으로 지적되고 있다. 외장형 안테나의 문제점을 해결하기 위해 연구되고 있는 내장형 소형 안테나는 판형 역 F 안테나(planar inverted F antenna: PIFA)와 단락 마이크로스트립 안테나(short-circuit microstrip antenna) 등이 제안되었다.
이러한 구조들은 설계가 간단한 장점이 있지만, 대역폭이 좁은 문제점이 있다. PIFA 안테나와 단락 마이크로스트립 안테나의 대역폭의 문제를 해결하기 위하여 2선식 정상모드 헬리컬 안테나 (nomal mode helical antenna: NMHA), 이중 스트립 미엔더라인 안테나, 이중선로 PIFA 안테나와 PIFA 안테나에 기생 패치를 적층시키는 방법들이 제안되었다. [이들 안테나에 관한 자세한 사항은 1) K. Noguchi, M. Misusawa, T. Yamaguchi, and Y. Okumura, "Increasing the bandwidth of a meander line antenna consisting of two strips," IEEE AP-S Int. Symp. Digest, pp. 2198-2201, vol. 4, Montreal, Canada, July 1997; 2) K. Noguchi, M. Misusawa, M. Nkahama, T. Yamaguchi, Y. Okumura, and S. Betsudan, "Increasing the bandwidth of a normal mode helical antenna consisting of two strips," IEEE AP-S Int. Symp., pp. 782-785, vol. 2, Atlanta, USA, June 1998; 3) M. Olmos, H. D. Hristov, and R. Feick, "Inverted-F antennas with wideband match performance," Electron. Lett., vol. 16, no. 38, pp. 845-847, Aug. 2002; 4) S. Sakai and H. Arai, "Directivity gain enhancement of small antenna by parasitic patch," IEEE AP-S Int. Symp., pp. 320-323, vol. 1, Atlanta, USA, June 1998. 등을 참조하기 바람.] 이중 미앤더라인 안테나는 2선식 NMHA와 PIFA 안테나보다 넓은 주파수 범위에서 전송선로 모드인 밸런스 모드(balance mode)에 의한 리액턴스 성분을 복사모드인 언밸런스 모드(unbalance mode)로써 상쇄시킬 수 있으나 넓은 대역폭을 얻기는 어렵다.
넓은 대역폭을 얻기 위한 또 다른 방법으로는 L-스트립 급전 또는 L-프로브 급전에 단락면(shorting wall)을 가지는 패치를 결합시켜 동작시키는 방법과 PIFA 안테나와 단락된 기생 패치를 전자기적으로 연결시키는 방법 등이 있다. [이에 관한 보다 자세한 사항은 1) C. L. Lee, B. L. Ooi, M. S. Leong, P. S. Kooi, and T. S. Yeo, "A novel coupled fed small antenna," Asia-Pacific Microwave Conf., pp. 1044-1047, vol. 3, Taipei, Taiwan, Dec. 2001; 2) Y. X. Gou, K. M. Luk, and, K. F. Lee, "L-probe proximity-fed short-circuited patch antennas," Electron. Lett., vol. 24, no. 35, pp. 2069-2070, Nov. 1999; 3) Y. J. Wang, C. K. Lee, W. J. Koh, and Y. B. Gan, "Design of small and broad-band internal antennas for IMT-2000 mobile handsets," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, no. 8, Aug. 2001을 참조하기 바람.] 이러한 구조는 30% 이상의 대역폭을 만족시킬 수 있으나, L-스트립 급전선과 단락된 패치가 공진주파수의 약 λ。/4의 길이를 가져야 하므로 안테나의 크기를 감소시키는 것에 한계가 있다.
한편, 본 발명의 배경이 되는 선행 특허 기술도 몇 가지 있다. 나선형 안테나 및 다이폴/모노폴 안테나(System including spiral antenna and dipole or monopole antenna)라는 제목의 미국특허번호 제5,456,469호에는 진행파를 이용한 주파수 독립안테나인 스파이럴 안테나와 주파수 종속 안테나인 다이폴 안테나를 연결한 것이 개시된다. 그런데 스파이럴 형태의 급전만으로는 안테나라고 말하기는 어렵고, 그러므로 두 개의 안테나를 연결한 형태의 안테나 구조와는 기본적인 차이를 갖는다. 다른 예로서, 안테나 장치와 휴대용 무선통신장치(Antenna apparatus and a portable wireless communication apparatus)라는 제목의 미국특허번호 제6,452,558호는 PIFA(planar inverted F antenna) 안테나와 모노폴 안테나를 접촉시켜서 연결한 구조로써 다이버시티 안테나로 설계한 것을 개시한다. 수신 안테나를 두개를 씀으로써, 전파를 수신하는 경로를 두개로 만들게 되어 무선 수신단에서, 같은 신호가 서로 다른 여러 크기와 위상을 가지고 수신되는 페이딩 현상을 보정할 수 있도록 설계 한 것이다. 또 다른 예로서, 이중 폴드된 모노폴 안테나(Double-folded monopole)이라는 제목의 미국특허번호 제5,289,198호는 와이어 모노폴 안테나를 접어서 구성한 안테나를 개시한다. 이 안테나는 전체 길이가 공진주파수의 1.0 λ。의 길이를 가지고, 동작 자체가 진행파를 이용한다. 전자기적 커플링을 이용하여 단락된 패치를 모노폴 안테나로서 동작시키기 않는 특징이 있다. 나아가, 또한 "이동 단말기용 소형 인쇄 나선형 안테나"라는 제목의 한국특허출원번호 제10-2001-7000246호가 제시하는 안테나 구조는 스파이럴 형태로 구현한 모노폴 안테나로서, 접지포스트를 이용하여 스파이럴 형태의 모노폴 안테나에 직접 연결하여 임피던스를 정합 하는 방식을 취한다. 이들 안테나들은 이하에서 설명할 본 발명의 안테나와는 기본적으로 다른 구조와 특성을 가진다.
본 발명은 안테나 자체의 병렬 캐패시턴스와 직렬 인덕턴스의 조절에 의하여 단일의 광 대역폭 또는 이중 대역폭의 구현이 용이하며, 소형이면서도 공진 주파수가 낮고, 별도의 정합회로가 없이도 임피던스 정합을 이룰 수 있는 구조의 모노폴 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 길이가 대략 0.25 λ。(단, λ。는 자유공간에서의 파장 길이) 인 스트립 선로와 단락된 패치를 전자기적으로 결합하여 급전하는 구조를 가지며, 프로브에 의해 급전되는 상기 스트립 선로에 의한 직렬공진과 상기 단락된 패치가 상기 스트립 선로와의 커플링에 의해 발생하는 병렬공진이 결합하여 넓은 주파수 대역폭을 갖는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나가 제공된다.
상기 안테나에 있어서, 상기 스트립 선로는 그 형태가 스파이럴(spiral) 형태, 나선(helix) 형태 그리고 직선의 스트립 선로를 접어서 구현된 폴디드(folded) 형태 중 어느 하나이다.
안테나 크기의 소형화와 넓은 대역폭을 얻기 위하여, 캐패시턴스 성분의 모노폴 안테나로 동작하는 단락된 패치를 전자기적으로 결합하는 것이 바람직하다.
삭제
보다 넓은 대역폭을 얻기 위해, 급전된 스트립 선로에 의한 공진주파수와 단락된 패치에 의한 공진주파수의 조절이 가능하므로 각각의 공진이 인접한 주파수에서 발생하도록 설계하는 것이 바람직하다. 나아가 공진이 서로 다른 주파수에서 발생하도록 하여서 이중대역을 가지도록 설계 할 수도 있다.
본 발명이 제안하는 안테나는 소형 안테나로서 급전된 스트립 선로와 단락된 패치가 각각의 공진주파수에서 전방향성의 모노폴 복사패턴을 가진다. 따라서 이동통신 단말기의 내장형 안테나와 구내통신에서 허브, 컴퓨터의 위치에 제약 없이 데이터를 송수신 할 수 있으므로 무선 근거리통신망(Wireless LAN) 등에 사용하기 적합하다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 여러 가지 구조의 모노폴 안테나를 개시한다.
도 1의 (a), (b), (c)는 그 첫 번째 예로서, 사각 모양의 스파이럴 스트립 선로(12)를 사용하는 모노폴 안테나의 구조를 도시한다. 도 1의 (a)는 평면도이고, 도 1의 (b)는 측면도이며, 도 1의 (c)는 사시도이다.
도 1의 (a), (b) 및 (c)를 참조하면, 스파이럴 스트립 선로(12)는 직사각형의 형태이다. 상기 스파이럴 스트립 선로(12)의 총 길이는 ls 이며 선로폭은 ws 이다. 상기 스파이럴 스트립 선로(12)는 접지면(20)으로부터 hf 의 높이를 가지며, 지름이 φ1인 프로브(14)에 의해 급전된다. 상기 프로브(14)의 지름 φ1은 스파이럴 스트립 선로(12)의 폭 ws보다 크다. 따라서 상기 스파이럴 스트립 선로(12)의 끝 단에는 소형 사각형의 패치(24)를 구비하고, 상기 패치(24)를 사용하여 상기 프로브(14)가 연결된다. 이하 설명에서는 상기 프로브(14)를 통해 급전이 이루어지는 스트립 선로를 급전된 스트립 선로라 칭한다.
상기 스파이럴 스트립 선로(12)의 길이인 ls 와 접지면(20)으로부터의 상기 스파이럴 스트립 선로(12)까지의 높이인 hf 의 합은 공진주파수에서의 약 0.24 λ。를 이루게 된다. 일반적으로 접지면(20)에 수직한 방향으로 세워서 구현한 모노폴 안테나의 경우 공진주파수의 약 0.25 λ。의 공진 길이를 가지게 된다. 그러므로 스파이럴 형태로 급전을 구현함으로써 최소의 부피에서 최대의 공진길이를 가지는 모노폴 안테나로 설계할 수 있다.
또한, 스파이럴 스트립 선로(12)는 직렬 RLC 회로로 등가화 시킬 수 있다. 직렬 RLC 회로에서 R은 복사저항, L은 스파이럴 스트립 선로(12)와 프로브(14)의 직렬 인덕턴스, C는 스파이럴 스트립 선로(12)의 캐패시턴스이다. 그러나 스파이럴 스트립 선로(12)의 크기를 감소시키기 위하여 수직 방향으로의 높이를 줄이고 스파이럴 형태로 구성하면서 급전의 복사저항이 감소하게 된다. 그러므로 스파이럴 스트립 선로(12)의 공진주파수는 수직형태의 모노폴과 비교하여 공진 특성이 저하되게 된다.
상기 스파이럴 스트립 선로(12)의 공진 특성을 향상시키고 공진 대역폭을 향상시키기 위하여 패치(10)는 급전된 스파이럴 스트립 선로(12)와 전자기적으로 결합된다. 상기 패치(10)는 사각형 형태로서 길이 L, 폭 W, 높이 h이며, 중앙지점이 지름 φ2의 단락핀(16)에 의해 접지면(20)으로 연결된다. 즉 상기 패치(10)는 상기 단락 핀(16)을 통해 접지면(20)에 단락된다. 이하 상기 단락 핀(16)을 통해 접지면(20)에 단락된 패치를 단락된 패치라 칭한다.
상기 단락된 패치(10)의 크기를 감소시키기 위하여 패치(10)의 하면에는 고유전율의 유전체 기판(18a)이 부가된다. 상기 프로브(14)와 상기 단락핀(16) 사이의 간격은 d로 한다. 상기 단락된 패치(10)는 스파이럴 스트립 선로(12)의 임피던스 정합 특성을 향상시킴과 동시에 급전선으로부터 전자기적 결합의 영향으로 공진을 일으키게 되어 캐패시턴스 성분의 패치(10)가 결합된 모노폴 안테나로서 동작하게 된다. 또한, 상기 단락된 패치(10)는 병렬 RLC 공진회로로 등가화 된다. 그러므로 스파이럴 스트립 선로 급전 안테나는 직렬 공진을 가지는 스파이럴 스트립 선로(12)와 병렬 공진을 가지는 상기 단락된 패치(10)에 의해 각각 모노폴 안테나로서 동작하게 된다. 안테나는 스트립 선로(12)와 상기 단락된 패치(10)의 인덕턴스와 캐패시턴스를 조절함으로써, 공진특성의 조절이 가능하다. 이러한 특성을 이용하여 넓은 단일 대역 또는 이중 대역 특성을 가지도록 안테나를 설계 할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 모노폴 안테나의 두 번째 예로서 원형 스파이럴 스트립 선로(32)에 의한 급전 모노폴 안테나의 구조를 도시한다.
도 2를 참조하면, 원형 스파이럴 스트립 선로(32)의 회전수는 1회로 한다. 그리고 상기 원형 스파이럴 스트립 선로(32)의 총 길이는 ls 이며, 선로폭은 ws 이다. 상기 원형 스파이럴 스트립 선로(32)는 접지면(40)으로부터 hf 의 높이에서 지름이 φ1인 프로브(34)에 의해 급전된다. 상기 원형 스파이럴 스트립 선로(32)의 길이 ls 와 접지면(40)으로부터 상기 원형 스파이럴 스트립 선로(32)까지의 높이인 hf 의 합은 공진주파수에서의 약 0.24 λ。를 이루게 된다.
상기 프로브(34)에 의해 급전되는 상기 원형 스파이럴 스트립 선로(32)와 전자기적으로 결합된 단락된 원형 패치(30)는 지름 2 ρ, 높이 h이다. 상기 원형 패치(30)의 중앙지점은 지름 Φ2의 단락핀(36)에 의해 접지면(40)으로 연결된다. 상기 단락핀(36)과 상기 프로브(34) 사이의 간격은 d로 된다. 도 1의 경우와 마찬가지로, 원형 패치(30)의 하면에는 고유전율의 유전체 기판(38a)이 부가된다.
스파이럴 형태의 스트립 선로를 약간 변형하면 나선형(helix type)의 스트립 선로를 만들 수도 있다. 다만, 나선형으로 만들더라도 스트립 선로의 길이는 약 0.24 λ。와 같게 해야 한다.
세 번째 예로서, 도 3(a) 내지 3(d)는 폴디드 스트립 선로(52)에 의한 급전 모노폴 안테나의 구조를 도시한다.
상기 폴디드 스트립 선로(52)의 형태는 도 3(a)의 사시도에 도시된 바와 같이 직선의 스트립 선로(52)를 접어서 구현한 형태로서, 상판 스트립 선로(52a)와 하판 스트립 선로(52b)로 구성된다. 그리고 상기 상판 스트립 선로(52a)와 상기 하판 스트립 선로(52b)는 별도의 스트립 선로에 의해 연결된다. 상기 상판 스트립 선로(52a)와 상기 하판 스트립 선로(52b)을 연결하는 별도의 스트립 선로는 ws 의 폭을 가진다. 그리고 상기 상판 스트립 선로(52a)와 상기 하판 스트립 선로(52b)의 수직 간격은 hf2 이다.
상기 폴디드 스트립 선로(52)는 접지면(60)으로부터 hf 의 높이에서 지름 Φ1의 프로브(54)에 의해 급전이 이루어진다. 상기 폴디드 스트립 선로(52)의 총 길이와 접지면(60)으로부터 상기 폴디드 스트립 선로(52)까지의 높이 hf 의 합은 공진주파수에서의 약 0.26 λ。를 이루게 된다.
도 3(c)는 단락된 패치(50)를 폴디드 스트립 선로(52)와 전자기적으로 결합시킨 안테나의 평면도이다.
도 3(c)에서 단락된 패치(50)는 길이 L, 폭 W 의 사각형 패치이고, 접지면(60)에서의 높이 h를 가지며, 중앙지점은 지름 Φ2인 단락핀(56)을 이용하여 접지면(60)과 연결된다. 상기 단락핀(56)과 상기 폴디드 스트립 선로(52)에 연결된 프로브(54) 사이의 간격은 d로 정한다. 앞의 경우와 마찬가지로, 상기 단락된 패치(50)의 하면에는 고유전율의 유전체 기판(58a)이 부가된다.
도 1 내지 도 3에서 나타낸 안테나 구조들은 직렬 RLC 공진회로로 동작하는 스트립 선로 급전과 병렬 RLC 공진회로로 동작하는 패치를 전자기적으로 결합한 형태로서 동일한 동작원리를 가지게 된다.
다음으로 본 발명에 따른 모노폴 안테나의 설계 방안과 특성을 설명하기로 한다. 본 발명자는 안테나 설계를 위한 전자기(EM) 시뮬레이션은 질란드(Zeland)사의 IE3D 장비로 수행하였다. 패치(10)의 하면에 부가되는 유전체 기판(18a)으로는 비유전율 εr1=10.2이고 두께 h 1 =1.27 mm인 RT Duroid 6010 기판을 사용하고, 접지면(20)의 상면에 부가되는 유전체 기판(18b)으로는 비유전율 εr2=3.38을 가지며 두께 h 2 =0.813 mm인 RO 4003 기판을 사용하여 무한 그라운드(infinite-ground)에서 시뮬레이션을 하였다. 또한 안테나의 등가모델 구현을 위한 회로 설계는 애질런트(Agilent)사의 ADS를 이용하여 시뮬레이션 하였다.
도 1의 안테나 구조는 도 4의 등가모델로 나타낼 수 있다. 도 1의 안테나에서 사각 스파이럴 스트립 선로(12 또는 80)는 λ。/4의 모노폴 안테나로 동작하게 되고, 직렬 RLC 공진회로로 등가화 시킬 수 있게 된다. 사각 스파이럴 스트립 선로(12 또는 80)를 직선의 스트립 선로로 가정하면, 스트립 선로의 인덕턴스 L strip (nH)의 초기 설계값은 다음과 같이 구할 수 있다. 아래의 <수학식 1> 내지 <수학식 2>에 관한 보다 자세한 설명은 "C. S. Walker, Capacitance, Inductance, and Crosstalk Analysis, Boston: Artech House Inc., 1990"에 기재되어 있다.
Figure 112006058007617-pat00001
Figure 112006058007617-pat00002
여기서 w s 와 l s 은 사각 스파이럴 스트립 선로(12)의 폭과 총길이이다. 또한 K g 는 보정계수(correction factor)이고, h f 는 스트립 선로의 높이를 나타낸다. 스파이럴 스트립 선로 급전의 프로브를 비아(via)로 가정하면, 프로브(14)에서의 인덕턴스 L probe (nH)는 다음과 같이 구할 수 있다. 이에 관한 보다 구체적인 내용은 "M. E. Goldfard and R. A. Pucel, 'Modeling via hole grounds in microstrip', IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol. 1, no. 6, pp.135-137, June 1991"를 참조하기 바란다.
Figure 112006058007617-pat00003
Figure 112006058007617-pat00004
여기서, μ0는 투과율 (permeability in vacuum), Φ1은 프로브(14)의 지름, hf 는 프로브(14)의 높이를 나타낸다. 그러므로 프로브(14)와 스파이럴 스트립 선로(12)의 전체 인덕턴스 Lse 는 Lstrip 와 Lprobe 의 합으로 나타낼 수 있다.
단락된 패치(10 또는 70)는 급전에서 커플링 되어 동작하는 캐패시턴스 성분의 모노폴 안테나로서, 병렬 RLC 공진회로로 동작한다. 단락핀(16)의 인덕턴스는 식 (3)을 사용하여 구할 수 있다. 단락된 패치(10)와 접지면(20) 사이의 유전율을 자유공간(εr=1)이라고 가정하면, 병렬 RLC 공진회로에서 패치(10)의 캐패시턴스 C p (pF)와 패치(10) 외부 캐패시턴스 C pe (pF)의 초기 설계값은 다음 식을 사용하여 구할 수 있다. 이에 관한 자세한 사항은 "C. H. Friedman, 'Wide-band matching of a small disk-loaded monopole', IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-33, No. 10, pp. 1142-1148. Oct. 1985."와 "H. Foltz, J. S. McLean, and L. Bonder, 'Closed-form lumped element models for folded, disk-loaded monopoles', IEEE AP-S Int. Symp., pp. 576-579, vol. 1, 2002."를 참조하면 된다.
Figure 112006058007617-pat00005
Figure 112007066570106-pat00006
상기 수학식 5와 상기 수학식 6에서 ε0는 유전율(permittivity)을 의미한다.
위에서 나타낸 수학식을 이용하여 사각 스파이럴 스트립 선로(12)가 가지는 직렬 인덕턴스와 단락된 패치(10)가 가지는 병렬 캐패시턴스의 초기 설계값을 결정할 수 있다. 그러나 초기 설계식에는 패치(10)와 접지면(20) 사이의 유전율 변화, 단락된 패치(10)에서 급전선에 의한 캐패시턴스의 변화와 스파이럴 스트립 선로(12)와 단락된 패치(10) 사이에서의 커플링 영향 등이 고려되어 있지 않다. 그러므로 위의 식들만으로는 정확한 결과를 얻기가 어렵기 때문에 시뮬레이션을 통하여 최적화가 필요하다. 등가회로의 최적화를 위하여 회로 시뮬레이션(circuit-simulation)을 사용하여 결합계수(coupling factor) ) Kc를 0.551로 결정하고, 각각의 변수 값들을 결정할 수 있다.
도 2와 도 3의 안테나 구조에서도 동일한 동작원리를 가지게 되므로 등가회로는 같게 된다. 위에서 언급한 여러 가지 실시예에 있어서, 스트립 선로의 길이는 안테나의 디자인 안에 따라 0.24 λ。 또는 0.26 λ。로 계산되기도 하는데, 대 략 0.24 λ。~ 0.26 λ。의 길이면 바람직한 설계 특성을 얻을 수 있고 이론적으로는 0.25λ。의 길이가 최적임을 밝혀두고자 한다.
도 5에는 도 1의 사각 스파이럴 스트립 선로에 대한 급전 자체의 임피던스 변화와 스파이럴 스트립 선로에 단락된 패치가 결합된 안테나의 임피던스의 변화를 나타낸다. 도 1(a)에서 사각 스파이럴 스트립 선로(12)의 길이는 ls =37.2 mm이고, 프로브(14)의 높이는 hf =7.5 mm이다. 단락된 패치(10)는 길이 L=11.0 mm, 폭 W=11.0 mm, 높이 h=11.0 mm, 단락핀(16)의 지름 Φ2는 1.6 mm이며 사각 스파이럴 스트립 선로(12)에 연결된 프로브(14)와 단락된 패치(10)의 단락핀(16) 사이의 간격 d=3.6 mm이다. 상기 사각 스파이럴 스트립 선로 급전은 공진주파수가 2.0 GHz인 모노폴 안테나이다. 실선으로 표시된 사각 스파이럴 스트립 선로의 임피던스 변화를 살펴보면, 프로브에 의한 급전을 스파이럴 형태로 함으로써 최소의 부피에서 최대의 물리적 공진 길이를 가질 수 있으므로 모노폴 안테나 구조의 크기를 감소시킬 수 있으나, 공진주파수의 파장에 비해서 급전의 높이가 낮기 때문에 복사저항이 낮아져 스파이럴 스트립 선로 자체의 공진 특성은 그다지 좋은 것은 아님을 알 수 있다. 사각 스파이럴 스트립 선로에 단락된 패치를 연결하였을 때의 임피던스의 변화를 살펴보면, 스파이럴 스트립 선로의 직렬 공진과 급전으로부터 커플링되어 동작하는 단락된 패치의 병렬 공진이 결합되어 이중 공진의 형태로 나타나게 되는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 1의 안테나에서 패치(10)의 단락핀(16) 지름 변화에 따른 안테나 의 반사손실 특성 변화를 나타낸다. 단락핀과 프로브의 간격은 d=3.6 mm로 고정하고 프로브의 지름은 Φ2=0.86 mm 이고, 스파이럴 스트립 선로(12)의 크기와 높이는 도 1에서와 동일한 경우이다. 패치(10)의 크기는 길이 L=11.0 mm, 폭 W=11.0 mm, 높이 h=11.0 mm 이다. 패치의 단락핀(16) 지름이 1.4 mm, 1.6 mm, 1.8 mm로 증가함에 따라서 낮은 공진주파수 f L 이 1.83 GHz에서 1.95 GHz까지 높아지게 되고, 높은 공진주파수 f H 는 약 2.1 GHz로 유지된다. 단락된 패치(10)는 f L 의 공진주파수를 가지게 되고 f H 는 스파이럴 스트립 선로(12)의 공진주파수가 된다. 패치의 단락핀(16)의 지름이 증가함에 따라서 단락핀(16)에서의 리액턴스는 캐패시티브한 값을 가지게 된다. 그러므로 단락된 패치의 공진주파수는 높아지게 되므로, 단락된 패치(10)의 공진 주파수 f L 을 높은 주파수로 이동시키게 된다.
도 7은 도 1의 사각 스파이럴 스트립 선로에 대한 급전 높이를 변화시킨 안테나의 임피던스 변화를 나타낸다. 단락핀(16)의 지름이 1.6 mm 일 때, 스파이럴 급전 선로(12)의 높이 hf 를 6.5 mm에서 8.5 mm로 높이면 단락된 패치(10)와 스파이럴 스트립 선로(12)의 간격이 줄어들게 된다. 그러므로 패치와 스파이럴 스트립 선로의 커플링이 증가하게 되므로 임피던스 궤적은 커지게 되고 스파이럴 스트립 선로의 인덕턴스가 증가하여 임피던스 궤적은 스미스 차트에서 위로 움직이게 된다.
도 8은 도 1의 사각 스파이럴 스트립 선로 급전의 길이를 변화시킨 안테나의 반사손실을 나타낸다. 패치(10)의 길이 L과 폭 W는 11.0 mm이고, 패치의 높이 h=11.0 mm로 하여, 급전부의 스파이럴 길이 L s 를 35.2 mm에서 39.2 mm까지 변화시켰다. 그 결과 스파이럴의 길이를 증가시킴으로써 스파이럴 스트립 선로의 인덕턴스가 증가하게 되어 공진주파수 f H 는 2.19 GHz에서 2.05 GHz로 낮아진다. 도 6, 도 7 그리고 도 8의 결과로부터 단락된 패치(10)와 스파이럴 급전의 변수들을 조정함으로써 인덕턴스와 캐패시턴스를 변화시켜 공진주파수 f L 과 f H 의 조절이 가능함을 알 수 있다. 스파이럴 스트립 선로와 단락된 패치의 공진주파수를 인접하게 위치시켜 넓은 단일 대역을 얻을 수 있고, 서로 다른 주파수에 위치시켜 이중대역을 이룰 수 있도록 설계할 수 있다.
<표 1>은 사각 스파이럴 스트립선로 급전 모노폴 안테나의 최적화된 설계변수를 예시한 것이다.
설계변수 길이 (mm)
사각 스파이럴 스트립선로 급전 ls 37.2
ws 0.5
a 1.3
b 1.3
d 3.6
hf 7.5
Φ1 0.86
단락된 패치 L 11.0
W 11.0
h 11.0
h1 1.27
h2 0.813
h3 8.917
Φ2 1.6
도 9는 도 1의 안테나에서 등가회로와 EM 시뮬레이션을 통하여 얻은 최적화 된 안테나의 반사손실과 임피던스 변화를 나타낸다. 그리고 <표 1>은 최적화된 안테나 설계변수의 예를 나타낸다. 도 9(a)의 반사손실에서 등가회로를 회로 시뮬레이터(circuit simulator)를 이용하여 계산한 결과와 EM 시뮬레이션을 비교하여 보면 공진주파수가 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. EM 시뮬레이션에서 안테나는 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)≤2를 기준으로 1.835 GHz에서 2.17 GHz까지 약 16.5%의 대역폭을 나타낸다. 도 9(b)는 임피던스의 변화를 비교한 것을 보여준다. 결과를 살펴보면 두 계산값이 유사하게 나타나게 된다. 등가회로와 EM 시뮬레이션에서 변수 조정에 대해 임피던스의 변화가 약간의 차이를 보이는 것은 등가회로에서는 변수의 조정에 대해 인덕턴스의 변화만을 고려하였는데, EM 시뮬레이션에서는 인덕턴스의 변화 이외에 캐패시턴스의 변화와 전자기적 현상까지 고려하여 계산된 결과이기 때문이다. 그러나 결과로부터 등가회로를 통하여 인덕턴스와 캐패시턴스를 변화시킴으로써 안테나의 특성을 조정할 수 있음을 알 수 있다.
<표 2>는 원형 스파이럴 스트립 선로 급전 모노폴 안테나의 최적화된 설계변수를 나타낸 것이다.
설계변수 길이 (mm)
원형 스파이럴 스트립선로 급전 l s 31.5
w s 0.4
a 1.3
b 1.3
d 3.4
h f 8.0
Φ1 0.86
단락된 패치 2ρ 11.0
h 11.0
h 1 1.27
h 2 0.813
h 3 8.917
Φ2 1.6
도 10은 도 2의 원형 스파이럴 스트립 급전 모노폴 안테나에서 EM 시뮬레이션을 통하여 얻은 최적화된 안테나의 반사손실(Return Loss)과 임피던스 변화를 나타낸다. 그리고 <표 2>는 최적화된 안테나 설계변수의 예를 보여준다. 도 10(a)의 반사손실을 보면 VSWR≤2를 기준으로 1.965 GHz에서 2.34 GHz까지 약 17.4%의 대역폭을 나타낸다. 도 10(b)는 임피던스의 변화를 비교한 것을 보여준다. 원형 스파이럴 스트립 선로를 이용하는 안테나와 사각 스파이럴 스트립 선로를 이용하는 안테나의 결과를 비교하여 보면 원형 스파이럴 스트립 선로를 이용하는 안테나의 공진이 더 높은 주파수에서 나타나게 된다. 이것은 원형 패치의 캐패시턴스가 사각 패치의 캐패시턴스보다 적은 값을 가지게 되어 공진주파수가 상승한 결과이다.
도 11은 도 2의 폴디드 스트립 선로 급전 모노폴 안테나에서 EM 시뮬레이션을 통하여 얻은 최적화된 안테나의 반사손실과 임피던스 변화를 나타낸다. 표 3에 최적화된 안테나 설계변수의 예를 나타낸다. 도 10(a)의 반사손실을 보면 VSWR≤2를 기준으로 1.835 GHz에서 2.165 GHz까지 약 16.5%의 대역폭을 나타낸다. 도 10(b)는 임피던스의 변화를 비교한 것을 보여준다. 폴디드 스트립 선로 안테나의 결과에서 사각 스파이럴 스트립 선로 급전 모노폴 안테나와 유사한 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 12와 도 13는 도 1의 사각 스파이럴 스트립 선로 급전 모노폴 안테나에서 대역폭 내의 주파수인 1.95GHz와 2.1GHz에서 x-z 평면과 y-z 평면으로 절단한 복사패턴의 단면도이다. 1.95GHz와 2.1GHz에서 θ=0°방향으로는 복사가 이루어지지 않고 θ=65°방향으로 전방향성의 복사가 이루어지는 모노폴 형태의 복사패턴을 가지게 된다. 또한 대역폭 내에서 복사패턴은 주빔 방향에 대하여 동일편파와 교차편파의 차이는 30 dB 이상의 우수한 선형편파를 가지게 된다. x-z 평면과 y-z 평면을 비교하였을 때 y-z 평면에서 교차편파가 높게 나타나는 것은 안테나 구조의 비대칭성에 의한 영향이다. 도 14는 1.95 GHz와 2.1 GHz에서 주빔 방향인 θ=74°에서 안테나에 수평인 x-y 평면으로 절단한 복사패턴이다. 주빔 방향에 대하여 θ의 변화에 따라 안테나 평면에 대하여 Eθ가 전방향성의 복사패턴을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 모노폴 형태의 전방향성의 복사패턴은 지상용 이동통신에 적합한 복사패턴 특성이다. 주빔 방향인 θ=65°방향으로의 안테나의 이득은 대역폭에서 2 dBi 이상의 값을 가지게 된다.
그리고 <표 3>은 폴디드 스트립선로 급전 모노폴 안테나의 최적화된 설계변수를 나타낸 것이다.
설계변수 길이 (mm)
폴디드 스트립 선로 급전 l s1 6.1
l s2 6.5
l s3 6.2
l s4 2.45
w s 0.3
a 1.3
b 1.3
d 2.6
h f1 9.1
h f2 1.2
Φ1 0.86
단락된 패치 L 11.0
W 11.0
h 11.0
h 1 1.27
h 2 0.813
h 3 8.917
Φ2 1.6
본 발명의 또 다른 실시예로는 단락핀의 개수에 따라 안테나의 특성이 변화하는 여러 가지 구조의 모노폴 안테나를 개시한다.
도 15a 내지 도 15d 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 단락핀의 수를 변화시킨 경우의 구조도이다.
도 15a 내지 도 15c 에 도시된 안테나는 여러 개의 단락핀을 연결한 사각 패치(150)와 프로브(153) 급전된 사각 스파이럴 스트립선로(151)로 구성되어 있다.
여기서 도 15a 부터 도 15c 는 각각 1개, 2개 그리고 3개의 단락핀을 사각 패치(150)에 연결한 구조의 정면도이고, 도 15d 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 측면도이다.
여기서, 사각 패치(150)는 길이 L, 폭 W의 사각형의 형태이며, h의 높이에 위치하고 있다. 사각 패치(150)와 연결된 단락핀은 1개일 때는 패치의 중앙에 위치 하였으며(152), 2개 이상일 때는 패치의 중앙에서 y축 방향으로 배열하여 접지면과 연결시켰다(154, 155). 그리고 단락핀은 동일한 지름 을 가지고 배열 간격은 g이다.
그리고 사각 스파이럴 스트립 선로(151)는 총 길이 ls , 폭은 ws 를 가지며, 높이 hf 에서 지름이 Φ1인 프로브(153)에 의해 급전된다. 이때, 프로브(153)의 지름이 사각 스파이럴 스트립 선로(151)의 폭보다 크기 때문에 사각 스파이럴 스트립 선로(151)의 끝단에는 한 변의 길이가 a인 소형 정사각형 패치를 사용하여 프로브(153)와 연결하였다. 상기 단락핀(152, 154 및 155 중의 하나)과 상기 프로브(153)는 d의 거리로 떨어져 전자기적으로 연결되어 있다. 그리고 도 15d를 참조하면, 도 1의 실시예에서와 마찬가지로 패치(150)의 아래 하면에는 고유전율의 유전체 기판(156a)이 부가되며, 접지면의 상면 역시 유전체 기판(156b)가 부가된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 설명을 위해 상기의 도 1에서와 같은 데이터를 이용하여 시뮬레이션하기로 한다.
도 16a 내지 도 16b 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 사각 패치에 연결된 단락 핀의 수를 변화시켰을 때 안테나의 반사손실과 임피던스 변화를 도시한 예시도이다.
여기서, 사각 패치의 크기는 L=W=11.0 mm이며 단락핀의 지름 =1.0 mm이다. 그리고 사각 패치에 1개의 단락핀을 연결하였을 경우에는 사각 패치의 정중앙에 단락핀을 위치시켰고, 다수의 단락핀을 연결하였을 때는 단락핀을 사각 패치의 중심에서 y축 방향으로 g=3.0 mm의 간격으로 배열하였다. 또한, 사각 스파이럴 스트립 선로는 총 길이 ls =29.68 mm와 선폭 ws =0.5 mm이고, 사각 스파이럴 스트립 선로와 연결된 프로브는 지름 φ1=0.86 mm와 높이 hf =8.4 mm이며, 프로브와 단락핀 사이의 간격은 d=3.9 mm 이다.
여기서, 단락핀의 수가 증가함에 따라서 사각 패치에서 단락핀이 차지하는 면적이 증가하여 패치의 캐패시턴스는 감소하게 된다. 그러므로 도 16a에서 도시하고 있는 바와 같이, 안테나의 반사손실(Return Loss)에서는 단락핀의 수가 1개에서 3개로 증가함에 따라 안테나의 중심주파수가 약 1.69 GHz에서 2.19GHz 그리고 2.51 GHz로 상승한다.
이와 같은 중심주파수의 상승으로 프로브와 단락핀의 간격 그리고 사각 스파이럴 스트립선로와 패치 사이의 간격이 전기적으로 멀어지게 되므로, 이들 사이의 커플링이 감소하게 된다.
도 16b 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 단락핀 수의 증가에 따른 인피던스 특성을 도시한 스미스 차트이다.
도 16b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 단락핀 수의 증가로 인한 캐패시턴스의 감소는 안테나의 임피던스 궤적을 캐패시티브한 영역에서 인덕티브한 영역으로 이동시키게 되며, 커플링의 감소는 임피던스 궤적의 크기를 작아지게 하는 것을 알 수 있다.
이상의 도 15 내지 도 16에서 살펴본 바와 같이 단락핀의 수를 증가시킴으로써 반사손실과 입력 임피던스의 특성을 변화시킬 수 있다.
또한, 단락핀의 위치를 변화시킴으로써 그와 같은 변화를 줄 수 있는데, 이에 대해서는 이하의 도 17 내지 도 19를 통해 설명하기로 한다.
도 17 은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 단락핀과 급전 프로부 사이의 거리 조절에 따른 입력 임피던스의 특성 변화를 도시한 설명 예시도이다.
도 17는 사각 패치에 2개의 단락핀이 간격 g=3.0 mm로 배열되었을 때, 단락핀과 급전 프로브 사이의 거리 d를 조절함에 따라 안테나의 입력 임피던스 특성이 변화하는 것를 나타낸 것이다.
본 도면에 따른 실시예에서 단락된 사각 패치의 크기, 사각 스파이럴 스트립 선로 급전의 길이와 높이 등의 내용은 도 16a 내지 도 16b에서 예시한 바와 동일하도록 설정한다. 그리고 거리 d를 변수로 하여 안테나의 입력 임피던스 특성 변화를 살펴본다.
여기서, 도 17에 도시된 바에 따르면, 거리 d는 단락된 사각 패치와 급전 프로브의 전자기적 결합 정도를 결정하게 되고, 안테나의 입력 임피던스를 변화시키게 되어 대역폭에 영향을 준다.
좀 더 상세히는, 단락핀과 프로브의 거리 d가 1.9 mm일 때는 단락된 사각 패치 모노폴와 프로브 급전 스파이럴 스트립 선로 모노폴 사이의 전자기적 결합이 발생하지 않게 되어 임피던스 궤적의 크기가 작다. 그런데 두 모노폴의 거리가 증가하면서 전자기적 결합은 점차 강하게 나타나게 되고, d=7.9 mm일 때 결합력은 최대 가 되어 임피던스 궤적이 가장 크게 나타나게 된다. 그러나 거리가 7.9 mm보다 증가하면 전자기적 결합력은 다시 약해져서 도시된 바와 같이 10.9mm 또는 13.9 mm에서는 임피던스 궤적이 작아진다.
그러므로 사각 패치의 단락핀과 급전 프로브의 간격을 조절하여 전자기적 결합력을 변화시킴으로써, 안테나가 최대의 대역폭을 가지도록 설계할 수 있음을 알 수 있다.
도 18 은 본 발명의 실시예에 따른 2개의 단락핀을 가진 안테나 구조에서 단락핀 간의 거리 조절에 따른 전류 분포를 도시한 설명 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 2개의 단락핀을 가진 안테나 구조는, 사각 패치에 2개의 단락핀을 연결한 구조로 사각 스파이럴 스트립 선로는 총 길이 l s =23.73 mm와 선폭 w s =0.5 mm이고, 스파이럴 스트립 선로의 높이 h f =8.5 mm이며, 프로브와 단락핀 사이의 간격은 d=4.2 mm로 한다.
이와 같은 구조에서 단락핀의 배열 간격 g에 따른 사각 패치에서의 전류 분포는 도 18(a) 내지 도 18(c)와 같다.
두 단락핀의 배열 간격이 2.5mm인 도 18(a), 4.5mm인 도 18(b), 6.5mm인 도 18(c)를 참조하여 각각의 공진주파수에서 사각 패치의 전류분포를 살펴보면, 각각의 경우에서 패치의 중앙(즉 단락핀 사이)에서는 전류가 거의 흐르지 않고 패치의 가장자리로부터 단락핀을 향해서만 흐르게 되어 전류가 흐르게 되는 경로가 짧아지게 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 급전 프로브와 전자기적으로 결합된 두개의 단락핀에서는 동위상으로 전류가 흐르게 되어 두개의 단락핀에서의 전위차는 0이 된다.
그리고 사각 패치에 연결된 단락핀의 배열 간격이 좁을 경우에는 패치에서의 전류 분포는 단락핀이 하나일 때와 같이 사각 패치의 사방으로 동일하게 흐르게 된다. 그러나 단락핀의 배열 간격이 넓어질수록 전위차가 없는 두 단락핀 사이의 사각 패치 중앙부분에서는 전류가 흐르지 않는다. 따라서 사각 패치에서 전류분포 면적이 감소하므로 단락된 사각 패치의 공진주파수는 상승하게 된다.
도 19a 내지 도19b 는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 단락핀을 가진 안테나 구조에서 단락핀 간의 거리 조절에 따른 반사손실과 임피던스 변화를 도시한 설명 예시도이다.
도 19a에 도시된 바와 같이 두 개의 단락핀의 배열 간격이 2.5mm, 4.5mm 및 6.5mm로 증가하게 되면 안테나의 공진주파수는 약 2.05 GHz에서 2.4 GHz로 상승하는 것을 알 수 있다. 특히 허수값을 살펴보면 배열 간격이 2.5 mm일 때는 안테나의 리액턴스는 캐패시턴스 성분으로 나타나지만, 6.5 mm로 증가하면서 사각 패치에서의 캐패시턴스가 감소하게 되므로 인덕턴스 성분이 커지게 된다.
그러므로 도 16과 도 19의 결과로부터 사각 패치에 연결된 단락핀의 개수와 배열간격의 변화는 안테나의 리액턴스 값을 변화시키게 되므로 단락핀을 조절함으로써 안테나의 공진주파수를 이동시키는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 사각 패치에 연결된 단락핀 수의 변화와 단락핀의 위치 변화에 따른 특성의 변화를 이용해서 최적화된 안테나를 설계할 수 있다.
설계변수 1-단락핀 2-단락핀 3-단락핀
프로브로 급전된 사각 스파이럴 스트립 선로 ls 40.73 29.68 19.08
hf 6.9 8.4 9.3
d 3.7 3.9 4.4
ws 0.5
a 1.3
φ1 0.86
단락된 사각 패치 L 11.0
W 11.0
h 11.0
h1 1.27
h2 0.813
g 3.0
φ2 1.0
사각 패치의 크기는 L=W=11.0 mm이며 단락핀의 지름 φ2=1.0 mm, 단락핀의 배열 간격 g=3.0 mm로 한 경우에서 사각 패치에 연결된 단락핀이 1개, 2개, 3개로 증가할 때, 각각의 최적화된 안테나 설계 변수를 <표 4>에서 나타낸다.
이때, 단락핀의 수가 증가함에 따라서 사각 스파이럴 스트립 선로의 길이 l s 는 40.73 mm에서 19.08 mm로 감소하게 된다. 이것은 단락핀의 수가 증가함에 따라 안테나의 캐피시턴스가 감소하게 되므로 공진이 잘 일어나기 위해서는 안테나의 인덕턴스도 같이 감소되어야 하기 때문이다.
또한 프로브의 높이 h f 와 단락핀과 프로브 사이의 거리 d를 조절하여 최대의 대역폭을 만족하는 최적화된 설계변수를 결정하였다.
도 20 은 <표 4>에서 나타낸 사각 패치에 연결된 단락핀의 수에 따른 최적화된 안테나의 반사손실을 도시한 예시도이다.
그리고, <표 5>는 도 20에 도시된 바와 같은 사각 패치에 연결된 단락핀의 수에 따른 최적화된 안테나의 특성을 나타낸다.
중심주파수 (GHz) 대역폭 (%) 전기적 부피 (λ。)
1-단락핀 1.9 1.753 GHz~2.047 GHz (15.47%) 0.07λ。×0.07λ。×0.07λ。
2-단락핀 2.233 1.995 GHz~2.471 GHz (21.32%) 0.082λ。×0.082λ。×0.082λ。
3-단락핀 2.54 2.197 GHz~2.897 GHz (27.56%) 0.093λ。×0.093λ。×0.093λ。
도 20과 <표 5>를 참조하면, 사각 패치에 1개의 단락핀을 연결하였을 때 안테나의 대역폭은 VSWR≤2를 기준으로 1.753 GHz에서 2.047 GHz까지이고 중심 주파수 1.9 GHz에서 15.47%를 가지며, 단락핀이 2개일 때는 1.995 GHz에서 2.471 GHz까지이고 중심주파수 2.233 GHz에서 21.32%의 대역폭을 얻었다. 그리고 3개의 단락핀이 연결되어 있을 때 안테나는 대역폭은 2.197 GHz에서 2.897 GHz까지이며 중심주파수 2.54 GHz에서 27.56%를 가지게 된다.
또한, 중심 주파수에서 자유공간의 파장길이 를 기준으로 한 안테나의 전기적 부피는 단락핀이 1개 연결되었을 때 0.07λ。×0.7λ。×0.07λ。이고, 2개 일 때는 0.082λ。×0.082λ。×.082λ。이며, 그리고 3개 일 경우에는 0.093λ。×.093λ。×.093λ。로써 전기적 크기가 작음을 알 수 있다.
이하의 도 21 내지 도 23은 안테나의 단락핀 수가 1개, 2개, 3개일 때 각각의 대역폭 내 주파수에서 x-z 평면과, y-z 평면으로 계산한 복사패턴의 예시도이다.
도 21 내지 도 23에서 안테나는 대략 θ=72°의 주빔방향을 가지며 Φ의 전방향으로 복사가 되는 모노폴 형태의 복사패턴을 가지는 것을 예시한다.
도 21은 단락핀이 한개인 경우의 안테나의 복사 패턴을 1.8 GHz(a), 2.0 GHz(b)로 나누어 도시한 것으로, 단락핀이 증가할수록 안테나의 이득이 증가하게 되는데 단락핀이 1개일 때 최대 이득은 1.8 GHz에서 0.7 dBi, 2.0 GHz에서 1.2 dBi이다.
도 22는 단락핀이 2개인 경우의 안테나의 복사 패턴을 2.1 GHz(a), 2.4 GHz(b)로 나누어 도시한 것으로, 단락핀이 증가할수록 안테나의 이득이 증가하게 되는데 단락핀이 2개일 때 최대 이득은 2.1 GHz에서 3.0 dBi, 2.4 GHz에서 4.0 dBi이다.
도 23은 단락핀이 3개인 경우의 안테나의 복사 패턴을 2.3 GHz(a), 2.7 GHz(b)로 나누어 도시한 것으로, 단락핀이 증가할수록 안테나의 이득이 증가하게 되는데 단락핀이 3개일 때 최대 이득은 2.3 GHz에서 3.5 dBi, 2.7 GHz에서 4.8 dBi이다.
도 24는 세 개의 단락핀을 가진 경우의 또다른 실시예에 따른 구조도이다.
도 15c에 따른 세 개의 단락핀을 가진 경우와는 달리 세 개의 단락핀이 일렬이 아니라 삼각형의 형태를 이룰 수도 있다. 도 24는 삼각형의 형태를 이룬 경우의 예시도이다. 이 경우, 프로브와의 거리 d와 각각의 단락핀 간의 거리 g가 문제가 된다.
이때 프로브와의 거리는 각각의 단락핀 간을 연결한 삼각형의 무게중심을 기준으로 거리를 계산한다. 또한 각각의 단락핀 간의 거리는 일정한 것으로 가정한다.
도 25는 네 개의 단락핀을 가진 경우의 실시예에 따른 구조도이다. 도 25에서도 각각의 단락핀은 일렬로 구비되는 것이 아니고 사각형의 형태로 구비된다.
이 경우도 프로브와의 거리 d는 각각의 단락핀 간을 연결한 사각형의 무게중심을 기준으로 거리를 계산한다. 또한 각각의 단락핀 간의 거리 g는 일정한 것으로 가정한다.
이상에서와 같이 다수의 단락핀은 패치의 중앙에 일렬로 배열되거나, 일정한 형태의 삼각형 또는 사각형으로 구현될 수도 있으나, 궁극적으로는 다수의 단락핀은 패치 위에 랜덤한 형태로 구현될 수 있다. 이와 같이 랜덤한 형태로 구현되는 경우 변수 d와 g는 해당 형태에 따라 얻어진다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위 안에 속함을 밝혀둔다.
이상에서 본 발명은 스파이럴 형태와 폴디드(folded) 형태로 이루어진 스트립 선로 급전과 단락된 패치를 전자기적으로 결합한 형태의 모노폴 안테나를 제안하고, 등가모델을 제시하였다. 본 발명의 안테나는, 단락된 패치의 캐패시턴스 성분을 스트립 급전 선로의 인덕턴스 성분으로 보상하여 줌으로써 넓은 대역의 대역 폭을 얻을 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 안테나 설계 변수의 조절에 의해 단락된 패치와 스트립 급전 선로의 공진주파수 조절이 가능하므로 넓은 단일 대역폭과 이중 대역폭의 구현이 용이하다. 즉, 단락된 패치를 스트립선로 급전과의 커플링에 의해 전자기적으로 연결함으로써, 스트립 선로 급전에 의한 공진과 단락된 패치의 공진을 결합하여 넓은 대역폭을 얻을 수 있다. 그러므로 안테나는 스트립 선로와 단락된 패치의 설계변수를 조절함으로써 인덕턴스와 캐패시턴스를 변화시킬 수 있다. 이와 같이 인덕턴스와 캐패시턴스를 조절하여 스트립 선로에 의한 공진과 단락된 패치의 공진을 조절하여 공진주파수를 변화시킴으로써 넓은 대역폭 또는 이중대역 특성을 가지는 안테나로서 설계 할 수 있다.
또한, 단락된 패치는 높은 유전율의 유전체를 사용함으로써 안테나 구조의 크기를 작게 할 수 있다. 스트립 급전 선로는 스파이럴, 폴디드, 헬리컬 형태 등의 변형된 형태로 구현함으로써 최소의 크기에서 최대의 공진길이를 가지도록 하는 설계가 가능하다. 변형된 스트립 급전선로의 총 길이는 공진주파수의 약 0.25 λ。의 길이를 가지게 된다. 즉, 본 발명이 제안하는 안테나 구조는 급전을 위한 스트립 선로를 변형시켜서 최소의 부피에서 공진주파수의 0.25 λ。공진길이를 가지는 모노폴 안테나를 구현함으로써 크기를 소형화 할 수 있다.
나아가, 단락된 패치와 스트립 급전 선로를 전자기적 커플링을 이용하여 임피던스 정합특성을 조절하는 것이 가능하다. 본 발명의 안테나 구조는 안테나 자체에서 단락된 패치의 캐패시턴스와 스트립 급전 선로의 인덕턴스를 조절할 수 있으므로, 별도의 정합회로가 없이도 임피던스 정합특성을 향상시켜서 넓은 대역의 대 역폭을 얻을 수 있다.
사각 스파이럴 스트립 선로 급전 모노폴 안테나와 폴디드 스트립 선로 급전 모노폴 안테나의 경우 중심주파수 2.0 GHz에서 16.5 %의 대역폭을 가지고, 원형 스파이럴 스트립선로 급전 모노폴 안테나는 중심주파수 2.15 GHz에서 17.4%의 대역폭을 얻었다. 안테나는 대역폭 내에서 θ=65° 방향으로 최대 복사를 나타내는 전 방향성의 모노폴의 복사패턴을 가지게 된다. 그러므로 제안한 안테나는 Cellular, PCS, IMT-2000 등 지상용 이동 통신 단말기에 내장형 안테나로써 적합하다고 할 수 있다.

Claims (25)

  1. 모노폴 안테나에 있어서,
    소정의 길이를 가지는 스트립 선로와,
    상기 스트립 선로로 급전하는 프로브와,
    중앙 지점이 단락 핀을 통해 접지 면과 연결된 패치를 포함하며,
    여기서 상기 단락된 패치는 상기 스트립 선로와 전자기적으로 결합하며, 상기 단락된 패치에 의한 공진 주파수와 상기 스트립 선로에 의한 공진 주파수가 서로 상이함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 프로브에 의한 급전은 접지면으로부터 소정 높이에서 이루어지며, 상기 스트립 선로의 길이와 상기 소정 높이의 합은 0.25 λ。(단, λ。는 자유공간에서의 파장길이)임을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스트립 선로는 스파이럴(spiral) 형태, 나선(helix) 형태 그리고 직선의 스트립 선로를 접어서 구현된 폴디드(folded) 형태 중 어느 하나의 형태를 가짐을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스트립 선로는 사각 스파이럴 스트립 선로이고, 접지면으로부터 소정 높이에서 상기 프로브에 의해 급전되고, 상기 사각 스파이럴 스트립 선로의 길이와 상기 소정 높이의 합은 공진 주파수에서의 0.24 λ。(단, λ。는 자유공간에서의 파장길이) 내지 0.26 λ。 사이의 값을 가지며,
    상기 단락된 패치는 사각 형태로써, 상기 사각 스파이럴 스트립 선로보다 더 넓은 면적을 가짐을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 단락된 패치와 상기 스트립 선로 사이에 배치되는 유전체 기판을 더 구비함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 리액턴스를 변화시키는 미리 결정된 수의 단락 핀을 더 구비함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 단락 핀은 상기 단락된 패치 상에서 미리 결정된 형태로 배열됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 대역폭은, 상기 단락 핀과 상기 프로브 간의 거리를 변경함으로써 조정되는 전기적 결합력에 의해 조절됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단락 핀과 상기 프로브 간의 거리는 상기 프로브와 상기 단락 핀의 무게 중심과의 거리와 동일함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 공진 주파수는, 상기 단락 핀들 간의 직선 거리의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 대역 폭은, 상기 단락 핀들 간의 직선 거리의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 공진 주파수는, 상기 단락 핀 수의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 대역 폭은, 상기 단락 핀 수의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 스트립 선로는 원형 스파이럴 스트립 선로이고, 접지면으로부터 소정 높이에서 상기 프로브에 의해 급전되고, 상기 원형 스파이럴 스트립 선로의 길이와 상기 소정 높이의 합은 공진 주파수에서의 0.24 λ。(단, λ。는 자유공간에서의 파장길이) 내지 0.26 λ。 사이의 값을 가지며,
    상기 단락된 패치는 원 형태로써, 상기 원형 스파이럴 스트립 선로보다 더 넓은 면적을 가짐을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 단락된 패치와 상기 스트립 선로 사이에 배치되는 유전체 기판을 더 구비함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 리액턴스를 변화시키는 미리 결정된 수의 단락 핀을 더 구비함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 단락 핀은 상기 단락된 패치 상에서 미리 결정된 형태로 배열됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 대역폭은, 상기 단락 핀과 상기 프로브 간의 거리를 변경함으로써 조정되는 전기적 결합력에 의해 조절됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 단락 핀과 상기 프로브 간의 거리는 상기 프로브와 상기 단락 핀의 무게 중심과의 거리와 동일함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 공진 주파수는, 상기 단락 핀들 간의 직선 거리의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  21. 제 18항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 대역 폭은, 상기 단락 핀들 간의 직선 거리의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  22. 제 18항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 공진 주파수는, 상기 단락 핀 수의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  23. 제 18항에 있어서, 상기 모노폴 안테나의 대역 폭은, 상기 단락 핀 수의 변경에 의해 조정됨을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  24. 제 1항에 있어서, 상기 스트립 선로는 상판 스트립 선로와 하판 스트립 선로 및 상기 상판 스트립 선로와 상기 하판 스트립 선로를 소정 간격 이격되도록 연결하는 스트립 라인을 가지는 폴디드 스트립 선로이고, 접지면으로부터 소정 높이에서 상기 프로브에 의해 급전되고, 상기 폴디드 스트립 선로의 길이와 상기 소정 높이의 합은 공진 주파수에서의 0.24 λ。(단, λ。는 자유공간에서의 파장길이) 내지 0.26 λ。 사이의 값을 가짐을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 단락된 패치와 상기 스트립 선로 사이에 배치되는 유전체 기판을 더 구비함을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
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