KR100820374B1

KR100820374B1 - 차세대 이동통신 휴대 단말기를 위한 와이어 안테나

Info

Publication number: KR100820374B1
Application number: KR1020070012384A
Authority: KR
Inventors: 김정일; 윤동원
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-04-08

Abstract

본 발명은 루프(loop)와 모노폴(monopole) 안테나의 형태들을 접목한 새로운 와이어 안테나에 관한 것이다. 제1 평면에 위치하는 한 쌍의 급전선과, 제1 평면과 직교하는 제2 평면에 위치하며 상기 급전선의 일단부와 연결되는 직사각 루프 형상의 제1 와이어부와, 제2 평면에 위치하며 제1 와이어부의 일 측에서 연장되는 "┌" 형상의 제2 와이어부를 포함하는 와이어 안테나는 경량화가 가능하고 필요에 따라서 방사 특성의 개선을 위해 방사체 자체의 변경이 용이하다는 이점이 있다.

이동통신 시스템, 휴대 단말기, 안테나

Description

차세대 이동통신 휴대 단말기를 위한 와이어 안테나 {Wire Antennas for Handset Terminals for the Next Generation Mobile Communications}

도 1은 종래의 내장형 평판 패치 안테나가 휴대 단말기 PCB 기판 위에 장착된 상태를 나타내는 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 와이어 안테나가 휴대 단말기 PCB 기판위에 장착된 상태를 도시하는 사시도.

도 3은 본 발명의 일실시 예인 모노폴 타입 와이어 안테나(Monopole-Type Wire Antenna, MTWA)의 제1 대역에서의 정재파비 (VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명의 일실시 예인 인버티드 F 와이어 안테나(Inverted-F Wire Antenna)의 제2 대역에서 정재파비를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 모노폴 타입 와이어 안테나의 제1 대역에서의 엘리베이션(elevation) 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 모노폴 타입 와이어 안테나의 제1 대역에서의 애지무스(azimuth) 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 인버티드 F 와이어 안테나의 제2 대역에서의 엘리베이션 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프.

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 인버티드 F 와이어 안테나의 제2 대역에서의 애지무스 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프.

본 발명은 와이어 안테나(Wire Antenna)에 관한 것이다.

일반적으로 휴대용 전화기, PDA(Personal Digital Assistants) 또는 휴대용 컴퓨터와 같은 휴대 단말기에 사용되는 안테나는 단말기 케이스의 안쪽에 위치하는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 상단이나 하단에 평판형 패치 안테나를 대부분 인테나(intenna)의 형태로 탑재하여 사용하고 있다.

이와 같은 방법은 현재의 이동통신 시스템에 필요한 성능을 만족시키는 데 충분히 이용 가능하였으나, 앞으로의 이동통신 시스템의 단말기에 있어서는 점점 경량화/소형화를 추구하는 추세에 있으므로 이에 대비한 와이어 안테나의 활용은 매우 필요하다.

와이어 안테나의 활용으로 인해, 우선 평판 형태로 일정한 부피를 차지하는 방사체가 와이어인 선의 형태로 바뀌므로 우선 경량화에 있어서 훨씬 우수한 이점을 가진다. 그리고 와이어 안테나는 향후에 시스템의 목적에 따라 조정이 필요할 때마다 방사체 자체의 변경이 용이하다는 이점도 가진다.

도 1은 종래의 이동통신용 휴대 단말기에 주로 사용되고 있는 평판형 패치 인테나의 한 형태를 나타내고 있다.

이와 같은 패치 인테나(110)는 휴대폰과 같은 단말기(120)의 기구물의 안쪽에 탑재되어 원하는 동작 주파수 밴드에서 방사 성능을 만족시키며 기지국과의 통신을 가능하게 한다.

하지만 이와 같은 패치 안테나(110)는 정해진 부피 안에서 방사체가 면의 형태를 가지므로 실제 방사체의 전체 무게는 선의 형태를 가지는 방사체 보다 일반적으로 무거울 수밖에 없다. 그리고 일단 통신 단말기 안에 탑재되면 새로운 안테나로 교체하지 않는 한, 사용 목적에 따라 방사체 자체의 조정이 매우 힘들다는 문제점을 가진다.

본 발명은 종래의 패치 안테나에 대해 상대적으로 경량화를 추구할 수 있는 와이어 안테나를 제공한다.

본 발명은 동작 주파수를 용이하게 이동시킬 수 있는 와이어 안테나를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 와이어 안테나는, 제1 평면(예를 들어, 도 2에서 xz 평면)에 위치하는 한 쌍의 급전선과, 제1 평면과 직교하는 제2 평면(예를 들어, 도 2에서 xy 평면)에 위치하며 상기 급전선의 일단부와 연결되는 사각 형상의 제1 와이어부와, 제2 평면에 위치하며 제1 와이어부의 일 측에서 연장되는 "┌" 형상의 제2 와이어부를 포함한다.

본 발명에 따른 와이어 안테나는 다음과 같은 실시 예를 추가적으로 갖는다. 예를 들면, 제1 와이어부는 직사각 형상을 갖을 수 있고, 제2 와이어부는 제1 와이어부의 일 측에서 일직선으로 형성된 돌출부와, 돌출부에서 수직으로 형성된 연장부를 구비할 수 있다.

그리고 제1 와이어부와 제2 와이어부는 동일한 단면 지름을 갖을 수 있으며, 연장부의 길이와 제1 와이어부의 가로 길이는 동일할 수 있다. 또한, 한 쌍의 급전선은 상호 평행할 수 있으며, 급전선 중의 하나는 그라운드 기판에 단락될 수 있다. 그리고 와이어 안테나는 2937 MHz ~ 3150 MHz 또는 3305 MHz ~ 3440 MHz 주파수 대역에서 사용 가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 와이어 안테나(300)의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 와이어 안테나(300)는, 한 쌍의 급전선(311, 313), 급전선(311, 313)에 대해 수직인 평면에 위치하는 직사각형 형상의 제1 와이어부(330), 그리고 제1 와이어부(330)의 일측에서 연장되어 형성되며 "┌"형상을 갖는 제2 와이어부(350)를 포함한다. 급전선(311, 313)은 도 2에서 xz 평면에 위치하고, 제1 와이어부(330) 및 제2 와이어부(350)는 xy 평면에 위치한다. 또한, 도 2에는 급전선(311)과 연결되며, RF 신호가 안테나에 실리는 시작점의 신호 발생기(signal generator)(360)가 도시되어 있다.

급전선(311, 313), 제1 와이어부(330) 및 제2 와이어부(350)는 모두 일정한 직경을 갖는 와이어(wire)에 의해 형성된다. 와이어는 일반적으로 동(Cu) 또는 금(Au) 등과 같은 도전성 물질에 의해 형성되며 원형이나 사각형의 단면을 갖는다. 면으로 형성되는 종래의 평판형 안테나에 비해 와이어로 형성된 와이어 안테나는 그 무게를 줄일 수 있기 때문에 휴대용 단말기 등에 사용하기 적합하다. 또한, 와이어 안테나는 종래의 평판형 안테나에 비해 사용 목적 등에 따라서 안테나 자체의 변경이 용이하다는 장점을 가진다.

와이어 안테나(300)는 일반적으로 캐리어(carrier)(미도시) 등에 고정되어 휴대용 단말기 등에 탑재된다. 캐리어에는 인쇄회로기판 등에 장착되어 있다.

급전선(311, 313)은, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, xz 평면에서 상호 평행하게 형성되어 있다. 와이어 안테나(300)가 모노폴 타입 와이어 안테나(Monopole-Type Wire Antenna, MTWA)인 경우 급전선(313)은 그라운드 기판(370)에 단락(short)되지 않고, 인버티드 F 와이어 안테나(Inverted F Wire Antenna, IFWA)인 경우에는 급전선(313)은 그라운드 기판(370)에 점접촉되어 단락(short)된다. 급전선(313)이 그라운드 기판과 단락되는 경우, 즉 인버티드 F 와이어 안테나인 경우 와이어 안테나(300)의 주파수가 낮은 쪽으로 이동되는데, 이에 대해서는 아래에서 실험을 통해 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

제1 와이어부(330)는 xz 평면에 직교하는 xy 평면에 위치하며 급전선(311, 313)의 일단부에서 연장되어 전체적으로 사각 형상을 갖는다. 도 2에 도시되어 있는 제1 와이어부(330)는 가로의 길이가 세로에 비해 큰 직사각형으로, 각각 40mm, 8mm로 형성된다.

제2 와어이부(350)는 제1 와이어부(330)의 일측(331)에서 세로 방향으로 형성된 돌출부(351) 및 돌출부(351)의 일단부에서 수직으로 제1 와이어부(330)의 가로 방향으로 형성된 연장부(353)로 이루어져서 전체적으로 "┌" 형상을 갖는다. 그리고 제2 와이어부(350)와 제1 와이어부(330)는 "6" 형태의 와이어 안테나(300)를 형성한다.

돌출부(351)의 길이는 제1 와이어부(330)의 세로 길이보다 클 수 있으며, 연장부(353)의 길이는 제1 와이어부(350)의 가로 길이와 동일할 수 있다.

이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 와이어 안테나(300)의 주파수 밴드의 이동에 대해 설명하기로 한다.

와이어 안테나(300)의 치수는 도 2에 도시된 바와 같다(단위는 mm). 그리고 와이어 안테나(300)는 동(Cu)에 의해 형성되며 0.65mm의 직경을 갖는다. 그리고 휴대 단말기의 인쇄회로기판을 형상화한 그라운드 기판(370)이 도시되어 있다. 이와 같은 형태의 모노폴 타입 와이어 안테나(MTWA)의 안테나 입력 임피던스는 도 3에 보인 바와 같다. 한편 우측에 위치한 급전선(313)의 1mm 공간을 그라운드 기판(370)과 단락시킴으로써 동작 주파수 밴드를 낮은 쪽으로 이동 시키는 효과가 있다. 이때의 안테나를 인버티드 F 와이어 안테나(inverted-F wire antenna, IFWA)라고 부른다.

좀 더 정확하게 설명하면 모노폴 타입 와이어 안테나(MTWA)의 동작 주파수 대역폭은 도 3에 보인 바와 같이 3305 MHz부터 3440 MHz 까지 135 MHz이며, 인버티 드 F 와이어 안테나(IFWA)의 경우는 도 4에 보인 바와 같이 2937 MHz부터 3150 MHz 까지 213 MHz의 대역폭을 갖는다.

이상의 본 발명에서 제안된 2가지 형태의 안테나들에 대한 파워 방사 패턴은 도 5 내지 도 8에 나타내었다.

우선 모노폴 타입 와이어 안테나(MTWA)에 대하여 도 2의 좌표 설정을 참조하여 xz 평면에 의해 정해지는 엘리베이션(elevation) 평면에서의 θ 성분의 파워 방사 패턴이 3.4 GHz에서 동작할 때 도 5와 같이 얻어진다. 엘리베이션 평면에서 θ 성분이 φ 성분에 비해서 수십 dB 이상 크므로 θ 성분이 지배적임을 알 수 있다. 반면에 xy 평면에 의해 정해지는 애지무스(azimuth) 평면에서는 φ 성분이 θ 성분에 비해서 수십 dB 이상 크므로 φ 성분이 지배적이고 3.4 GHz에서 도 6은 애지무스 평면에서의 φ 성분 파워 방사 패턴을 나타내고 있다.

여기서 3.4 GHz에서 엘리베이션 평면에서의 θ 성분 방사 패턴의 전후방비 (front-to-back ratio)가 8.47 dB인 것으로 측정되었고, 반전력 방사폭 (half-power beam width)은 61˚로 측정되었다. 그리고 애지무스 평면에서는 φ 성분 방사 패턴의 반전력 방사폭은 117˚로 측정된다.

인버티드 F 와이어 안테나(IFWA)에 대하여는 3.2 GHz에서 엘리베이션 평면에서의 θ 성분의 파워 방사 패턴이 도 7과 같이 얻어진다. 여기서도 θ 성분이 지배적이며 전후방비가 7.53 dB인 것으로 측정되고, 반전력 방사폭은 약 63˚로 측정된다. 그리고 애지무스 평면에서는 φ 성분의 파워 방사 패턴이 도 8과 같이 얻어지며 반전력 방사폭은 약 112˚로 측정된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서 제시된 모노폴 타입 와이어 안테나(MTWA)와 인버티드 F 와이어 안테나(IFWA)의 엘리베이션 평면과 애지무스 평면에서 각각 비슷한 방사 패턴을 가지며 단지 동작 주파수 밴드가 이동되는 효과를 얻을 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 와이어 안테나는 기존의 평판 패치 안테나를 대치하여 와이맥스(WiMax) 등과 같은 차세대 무선 이동 통신 시스템에 사용될 수 있다.

우선 와이어 안테나는 평판 형태의 면의 부피를 차지하는 방사체가 와이어인 선의 형태를 가지므로 우선 경량화에 있어서 훨씬 우수한 이점을 가진다. 그리고 와이어 안테나는 향후에 시스템의 목적에 따라 조정이 필요할 때마다 방사체 자체의 변경이 용이하다는 이점도 가진다. 방사패턴에 있어서는 엘리베이션 평면에서 알 수 있는 바와 같이 매우 큰 전후방비를 참조하여 후방향을 인체 방향으로 사용함으로써 인체방향으로의 전자파 흡수량을 상당히 감소시킬 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

Claims

제1 평면에 위치하는 한 쌍의 급전선과,

상기 제1 평면과 직교하는 제2 평면에 위치하며 상기 급전선의 일단부와 연결되는 사각 형상의 제1 와이어부와,

상기 제2 평면에 위치하며 상기 제1 와이어부의 일 측에서 연장되는 "┌" 형상의 제2 와이어부를 포함하는 와이어 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제1 와이어부는 직사각 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 와이어 안테나.
제2항에 있어서,

상기 제2 와이어부는 상기 제1 와이어부의 일 측에서 일직선으로 형성된 돌출부와, 상기 돌출부에서 수직으로 형성된 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 와이어 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제1 와이어부와 상기 제2 와이어부는 동일한 지름을 갖는 와이어에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 와이어 안테나.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 급전선은 상호 평행한 것을 특징으로 하는 와이어 안테나.
제1항에 있어서,

상기 급전선 중의 하나는 그라운드 기판에 단락된 것을 특징으로 하는 와이어 안테나.
제1항에 있어서,

상기 와이어 안테나는 2937 MHz ~ 3150 MHz 또는 3305 MHz ~ 3440 MHz 주파수 대역에서 사용 가능한 와이어 안테나.