KR100824382B1 - 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나 - Google Patents

정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나에 관한 것으로서, 루프형태로 형성된 방사부; 및, 상기 방사부의 내측에서 상기 방사부의 중앙영역을 향해 돌출연장된 연장부를 갖는 정합회로;를 포함한다. 이에 의해, 정합회로를 위한 별도의 공간이 필요하지 아니하므로, 루프 안테나를 설치한 기기의 크기를 축소시킬 수 있다. 그리고, 정합회로를 이용하여 입력 리액턴스의 변화를 조절하여 공진 주파수를 변경함으로써, 정합회로의 설계 변경이 간편하다.
다이폴, 안테나, 폴디드, 루프, 방사부, 정합회로, 커패시터 형상

Description

정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나{FOLDED DIPOLE LOOP ANTENNA HAVING A MATCHING CIRCUIT ON IT}
도 1은 본 발명에 따른 폴디드 다이폴 루프 안테나의 평면도,
도 2(a)는 도 1의 튜닝부의 길이C2에 따라 변화하는 스미스차트궤적,
도 2(b)는 도 1의 연장부와 내측 루프와의 거리L에 따라 변화하는 스미스차트궤적,
도 3(a)은 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나에서 정합회로를 제거한 경우의 스미스 차트 궤적,
도 3(b)는 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나의 스미스 차트 궤적,
도 4는 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나의 전류의 흐름,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴디드 다이폴 루프 안테나의 S11특성을 보인 그래프,
도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나의 방사특성을 보인 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 방사부 11 : 외측 루프
15 : 내측 루프 20 : 연장부
30 : 튜닝부
본 발명은 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 정합회로를 일체로 형성하여 안테나의 입력 리액턴스 및 입력 임피던스를 조절할 수 있으며, 안테나의 크기를 축소할 수 있도록 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 루프 안테나는, 사각형, 원형 등의 루프 형상으로 형성되며, 안테나의 길이에 따라 다양한 분야에 사용되고 있다.
루프 안테나는 입력 저항이 작은 특성을 가지며, 일반적인 안테나의 입력 저항인 50Ω에 정합시키기 위해서는 루프 안테나의 설계시 길이를 고려하여야 한다.
정사각형 형상의 루프 안테나의 경우, 임피던스 커브를 살펴보면, 루프의 길이가 한 파장에 인접하여야 입력 저항이 50Ω에 근접하게 되고, 입력 리액턴스는 0에 근접하게 된다. 즉, 루프 안테나의 길이를 한 파장으로 설계해야 하여야 루프 안테나에 공진이 발생한다.
또한, 루프 안테나는 루프 안테나의 길이에 따라 방사패턴이 달라진다. 예를 들어, 루프 안테나의 길이가 한 파장보다 짧은 경우에는 루프 안테나의 평면방향을 따라 방사가 일어나고, 루프 안테나의 길이가 한 파장보다 긴 경우에는 루프 안테나의 평면에 대해 수직한 방향으로 방사가 일어난다. 따라서, 루프 안테나의 방사패턴을 조절하고자 하는 경우에는 루프 안테나의 길이를 조절하면 된다.
그런데, 이렇게 루프 안테나의 길이를 한 파장보다 짧거나 길게 형성하여 방사패턴을 조절하는 경우, 루프 안테나의 특성상 입력 저항과 입력 리액턴스는 정합시키기 어렵다. 따라서, 루프 안테나의 길이를 한 파장보다 짧거나 길게 형성할 경우에는, 입력 저항과 입력 리액턴스의 정합을 위한 별도의 정합회로를 구비하여야 한다.
그러나, 별도의 정합회로를 구비할 경우, 정합회로의 설치를 위한 공간이 필요하다. 뿐만 아니라, 정합회로를 디바이스에 장착한 후 타 회로소자와의 작용으로 인해 정합회로의 설계를 변경해야 하는 경우, 정합회로의 설계를 변경하기가 용이하지 아니하다는 단점이 있다.
이에 따라, 루프 안테나의 설계시 정합회로가 차지하는 공간을 최소화함으로써, 루프 안테나가 설치된 기기의 크기를 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 정합회로의 설계를 용이하게 변경할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 정합회로를 일체로 형성하여 기기의 크기를 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 입력 리액턴스의 변화를 조절함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 루프형태로 형성된 방사부; 및, 상기 방사부의 내측에서 상기 방사부의 중앙영역을 향해 돌출연장된 연장부를 갖는 정합회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방사부는, 동일한 형상으로 형성된 내측 루프와 외측 루프로 형성될 수 있다.
상기 외측 루프는, 일측이 개방되어 있고, 상기 개방된 일단부는 급전점이 되고 타단부는 쇼트점이 될 수 있다.
상기 내측 루프는, 상기 외측 루프의 상기 급전점과 쇼트점에 대항되는 영역으로부터 상기 외측 루프의 내측으로 절곡되어 상기 외측 루프의 내측면을 따라 연장되어 형성될 수 있다.
상기 연장부는 상기 내측 루프의 중앙영역을 향해 상호 대향되도록 배치되며 그 자유단부가 소정 간격만큼 이격된 한 쌍의 연장라인으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 각 연장라인은 동일 선상에 형성될 수 있다.
상기 각 연장부의 자유단부에는 상기 각 연장부의 길이방향의 가로로 소정 길이만큼 연장된 튜닝부가 형성된 것이 바람직하다.
상기 튜닝부의 길이를 감소시킬수록 공진 주파수가 낮아지는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 폴디드 다이폴 루프 안테나의 평면도이다.
본 폴디드 다이폴 루프 안테나(Folded Dipole Loop Antenna)는, 전자파를 방사하는 방사부(10)와, 루프 안테나의 입력 리액턴스를 조절하기 위한 정합회로(20,30)를 포함하며, 회로기판 등에 소정 간격을 두고 장착된다.
방사부(10)는, 사각형, 원형 등으로 형성된 루프 형태로 형성되며, 도 1에는 일예로서 사각형상의 루프 형태를 갖는 방사부(10)가 도시되어 있다.
방사부(10)는 하나의 도체 와이어 또는 스트립라인이 복수회 절곡되어 형성되는 내측 루프(15)와 외측 루프(11)를 포함하며, 외측 루프(11)는 그 일측이 개방되어 있고, 개방된 양 단부는 회로기판을 향해 절곡되어 있다. 외측 루프(11)의 양 단부는 회로기판에 설치된 도시않은 공진부와 연결되며, 일단부는 급전점(5)이 되고 타단부는 쇼트점(7)이 된다. 급전점(5)은 공진부로부터 전류를 공급받고, 쇼트점(7)은 방사부(10)에 잔류하는 전류를 공진부로 제공한다. 내측 루프(15)는, 급전점(5)과 쇼트점(7)에 대항되는 외측 루프(11)의 일측부로부터 외측 루프(11)의 내측으로 절곡된 다음, 외측 루프(11)의 내측면을 따라 외측 루프(11)와 소정 간격을 두고 루프 형태로 배치된 도체 와이어 또는 스트립라인으로 형성되며, 외측 루프(11)와 동일한 형상으로 형성된다.
이러한 방사부(10)는, 종래의 다이폴 안테나를 복수회 절곡하여 루프 형태로 형성된 폴디드 다이폴 안테나를 구성한다.
이러한 방사부(10)의 내부에는 정합회로(20,30)가 구성되어 있다.
정합회로(20,30)는, 방사부(10)의 내측 루프(15)의 일측으로부터 연장된 연장부(20)와, 연장부(20)의 자유단부에 형성된 튜닝부(30)를 포함한다.
연장부(20)는, 내측 루프(15)의 일측으로부터 방사부(10)의 중앙영역을 향해 연장된 한 쌍의 연장라인으로 형성된다. 각 연장라인은, 급전점(5)과 쇼트점(7)이 형성된 외측 루프(11)의 일변과, 외측 루프(11)와 내측 루프(15)가 연결되는 일변에 이웃하는 내측 루프(15)의 한 쌍의 변으로부터 각각 연장된다. 각 연장라인은, 상호 동일선상에 형성되며, 각 연장라인의 자유단부는 소정 간격을 두고 이격되어 있다.
튜닝부(30)는, 각 연장라인의 단부에 형성되는 한 쌍의 튜닝라인으로 형성되며, 각 튜닝라인은 각 연장라인의 길이방향을 따라 소정 길이 연장되어 형성된다. 이러한 튜닝부(30)는 커패시터 형상으로 형성되며, 연장부(20)와 함께 정합회로(20,30)로서 동작한다.
도 2(a)는 도 1의 튜닝부(30)의 길이C2에 따라 변화하는 스미스차트 궤적이고, 도 2(b)는 도 1의 연장부(20)와 내측 루프(15)와의 거리L에 따라 변화하는 스미스차트 궤적이다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 튜닝부(30)의 길이를 조절하면, 스미스차트 궤적이 변화한다. L을 고정시킨 상태에서 C2를 각각 8mm와 16mm로 조절하여 스미스차트의 궤적을 측정하면, C2의 값이 클수록 스미스 차트의 변화폭이 커짐을 관찰할 수 있다. 이는 안테나의 리액턴스 곡선에서 커패시터의 용량이 작아질수록 공진주파수가 낮아지기 때문이다.
한편, C2를 고정시킨 상태에서 L의 길이를 조절하면, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, L의 길이에 따라서는 스미스 차트가 거의 변화하지 않음을 알 수 있다. 이는 연장부(20)와 튜닝부(30)의 루프내에서의 위치는 중요하지 아니하며, 단지 연장부(20)와 튜닝부(30)가 루프내에 존재한다는 것과, C2값이 중요하다는 것을 나타낸다.
도 3(a)은 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나에서 정합회로(20,30)를 제거한 경우의 스미스 차트 궤적이고, 도 3(b)는 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나의 스미스 차트 궤적이다.
도 3(a)와 도 3(b) 각각에 나타난 스미스 차트 궤적은 그 형태가 거의 동일하다. 이는 정합회로(20,30)가 존재 유무에 상관없이 폴디드 다이폴 루프 안테나의 저항값은 거의 변함이 없음을 뜻한다.
그러나, 정합회로(20,30)가 존재하지 않는 도 3(a)와, 정합회로(20,30)가 존재하는 도 3(b)를 비교해 보면, 양자의 공진 주파수가 다름을 알 수 있다. 정합회로(20,30)를 갖는 안테나의 공진 주파수가 정합회로(20,30)를 갖지 않는 안테나의 공진 주파수보다 낮아진다. 이는 정합회로(20,30)가 안테나 내부에서 입력 리액턴스를 기존에 비해 더 급격하게 변화시킴으로써, 공진 주파수를 낮추기 때문이다.
도 4는 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나의 전류의 흐름을 보이고 있다.
본 폴디드 다이폴 루프 안테나는, 도시된 바와 같이, 정합회로(20,30)에 의해 전류 경로가 이분화된다. 그 중 하나는 내측 루프(15)와 외측 루프(11)를 따라 흐르는 메인전류 경로이고, 다른 하나는 각 연장라인과 각 튜닝라인을 따라 흐르는 보조전류 경로이다. 이 때, 내측 루프(15)와 외측 루프(11)는 다이폴 안테나를 수회 절곡시킨 형태이므로, 다이폴 안테나의 안테나 모드에서와 마찬가지로, 다이폴 안테나의 길이 방향, 즉, 내측 루프(15)와 외측 루프(11)의 둘레방향을 따라 메인전류가 흐른다. 이에 반해, 정합회로(20,30)는 급전점(5)에 인접한 일측 연장라인으로부터 쇼트점(7)에 인접한 타측 연장라인으로 보조전류가 흐르며, 이러한 보조전류는 피드백 역할을 한다.
이 때, 메인전류 경로를 흐르는 전류량은 피드백되는 보조전류 경로를 흐르는 전류량에 의해 조절되며, 이는 튜닝부(30)의 길이에 따라 메인전류 경로를 흐르는 전류량이 조절됨을 의미한다. 이러한 전류량의 조절과 위상 변화로 인해 입력 리액턴스의 조절이 가능한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴디드 다이폴 루프 안테나의 S11특성을 보인 그래프이다.
도 5은 방사부(10), 연장부(20), 튜닝부(30)의 길이를 소정의 값을 주어 설계한 일 실시예에 따른 폴디드 다이폴 루프 안테나의 S11 특성을 보이고 있다. 도시된 바와 같이, 본 폴디드 다이폴 루프 안테나는 약 0.91GHz 대역에서 공진 주파수가 형성되며, 이 때, -10dB에서의 대역폭은 0.9035GHz 내지 0.9135GHz 사이의 약 10MHz로 형성된다. 즉, 본 폴디드 다이폴 루프 안테나는 해당 대역에서 안테나로 사용가능하며, 특히 RFID 시스템의 안테나로 적합하다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 1의 폴디드 다이폴 루프 안테나의 방사특성을 보인 그래프이다.
본 폴디드 다이폴 루프 안테나의 평면에서, 연장부(20)의 길이방향을 X축, 튜닝부(30)의 길이(C2)방향을 Y축, 폴디드 다이폴 루프 안테나의 평면에 대해 직각방향을 Z축이라 하면, 도 7(a)는 X-Y축에서 본 방사패턴, 도 7(b)는 Z-X축에서 본 방사패턴, 도 7(c)는 Z-Y축에서 본 방사패턴이다.
도시된 도 7(a) 내지 도 7(c)의 그래프를 보면, 루프 안테나는 각 평면에서 전방향성을 띠고 있다. 이를 통해, 루프 안테나의 내부에 형성된 정합회로(20,30)가 루프 안테나의 방사패턴에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 본 루프 안테나는, 루프 안테나에 일체로 정합회로가 설계되어 있다. 따라서, 정합회로를 위한 별도의 공간이 필요하지 아니하므로, 루프 안테나를 설치한 기기의 크기를 축소시킬 수 있다. 그리고, 튜닝부의 길이를 조절하는 간단한 과정을 통해 입력 리액턴스의 변화를 조절함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 이에 따라, 정합회로의 설계 변경이 간편하다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 루프형태로 형성된 방사부; 및,
    상기 방사부의 내측에서 상기 방사부의 중앙영역을 향해 돌출연장된 한 쌍의연장부를 갖는 정합회로;를 포함하며,
    상기 방사부는, 동일한 형상으로 동일한 평면상에 형성되는 내측 루프와 외측 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 루프는, 일측이 개방되어 있고, 개방된 일단부는 급전점이 되고 타단부는 쇼트점이 되는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내측 루프는, 상기 외측 루프의 상기 급전점과 쇼트점에 대항되는 영역으로부터 상기 외측 루프의 내측으로 절곡되어 상기 외측 루프의 내측면을 따라 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루 프 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연장부는 상기 내측 루프의 중앙영역을 향해 상호 대향되도록 배치되며 상기 연장부의 자유단부가 소정 간격만큼 이격된 한 쌍의 연장라인으로 형성된 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 연장라인은 동일 선상에 형성되는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 연장부의 자유단부에는 상기 각 연장부의 길이방향의 가로로 소정 길이만큼 연장된 튜닝부가 형성된 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 튜닝부의 길이를 감소시킬수록 공진 주파수가 낮아지는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 폴디드 다이폴 루프 안테나.
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