KR100826402B1 - 광대역 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시 형태는, 유전체 바디와, 상기 유전체 바디 내에 배치되며 일단이 급전부에 연결되는 주방사체, 및 상기 유전체 바디 내에서 상기 주방사체와 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 주방사체와 용량 결합을 이루는 적어도 하나의 기생방사체를 포함하는 광대역 안테나를 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 극성액체가 충전된 밀폐용기와, 상기 밀폐용기 내에 배치되며 일단이 급전부에 연결되는 주방사체, 및 상기 밀폐용기 내에서 상기 주방사체와 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 주방사체와 용량 결합을 이루는 적어도 하나의 기생방사체를 포함하는 광대역 안테나를 제공한다.
안테나(antenna), 기생(parastic), 방사체(radiator), 유전체(dielectric)

Description

광대역 안테나{BROAD-BAND ANTENNA}
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광대역 안테나의 사시도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 안테나의 사시도이다.
도3a 내지 도3c는, 모노폴 방사체로만 이루어진 안테나와 모노폴 방사체와 기생방사체로 이루어진 안테나의 주파수에 따른 안테나 특성의 차이를 나타낸 그래프이다.
도4a 및 도4b는 모노폴 방사체만을 사용한 안테나와 기생방사체가 포함된 안테나의 전계 분포를 나타내는 도면이다.
도5a 내지 도5c는 기생방사체의 위치 및 기생방사체의 수에 따른 안테나 내부 및 외부의 전계분포의 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11 : 급전부 12 : 주방사체
13 : 기생방사체 14 : 유전체 바디
24 : 극성액체 25 : 밀폐용기
26 : 기판
본 발명은 광대역 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안테나의 대역 및 이득을 개선하기 위해 주방사체와 이격되어 배치되는 기생방사체를 포함하는 안테나에 관한 것이다.
무선 단말기는 통신 신호를 송수신하기 위한 다양한 형태의 안테나를 포함한다. 과거에는 간편함과, 광대역, 넓은 방사패턴 및 저렴한 비용등의 이유로 모노폴(monopole) 및 다이폴(dipole) 안테나를 주로 사용하였다.
통신기술이 발달함에 따라 무선 단말기의 크기를 상당히 줄일 수 있게되어, 휴대가 용이한 핸드 헬드(hand held) 무선 단말기에 장착되는 안테나의 크기는 점점 소형화되고 있는 추세이다.
헬리컬 안테나는 핸드헬드 무선 단말기의 크기 문제에 대한 해결책을 제시한다. 이러한 종류의 안테나는 나선형으로 권선된 전도체를 포함하는 안테나로서, 전도체를 축을 중심으로 권선함에 따라, 1/4파장, 또는 1/2파장 나선형 안테나의 축 길이가 비교대상인 1/4 파장 모노폴 안테나의 길이보다 상당히 작아지므로, 모노폴 안테나를 사용할 수 없는 곳에 헬리컬 안테나를 사용하는 경우가 많다. 이러한 헬리컬 안테나는 모노폴 안테나보다 소형이지만, 동일한 유효 전기길이를 나타낼 수 있다.
무선통신 단말기의 발달에 따라 휴대전화를 이용해 방송파를 수신할 수 있게 되었다. 이 경우에는 소형화의 문제와는 반대로 저주파 대역의 방송 주파수를 수신하기 위해 상대적으로 긴 길이를 갖는 안테나가 필요하게 된다.
저주파 대역의 안테나는 주파수대비 일정크기의 방향성을 유지하지 않으면 협대역, 저이득이 발생하게 된다. 이는 안테나 특성을 결정하는데 안테나 방향성이 중요한 역할을 하기 때문이다.
안테나에서 요구되는 소형화된 안테나로 광대역, 고이득을 만족시키는 것은 상당히 어려운 문제이다. 안테나 수신 주파수가 저주파일수록 안테나 공진길이를 연장시키어 주파수를 낮추는 방식을 택하고 있는데, 이는 공진 주파수를 낮출수는 있으나 디자인구조상 존재하는 캐패시턴스 성분으로 인하여 이득이 저하되는 현상이 발생된다.
T-DMB나 DVB-H 대역의 공진 주파수를 소형화된 공간에 실현하기 위해서 헬리컬 구조나, 스파이럴 형태의 디자인으로 공진 주파수를 낮추는 방법은 부분구간만의 이득을 만족시킬 수 있다.
또한, 상기 안테나를 단말기 세트에 내장시 케이스에 의한 캐패시턴스 성분으로 인하여 안테나 이득이 저하되는 문제점이 생긴다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은, 저주파 대역의 공진 주파수와 이득과의 관계를 보완하기 위하여 캐패시턴스 성분을 줄이면서 이득을 개선시킬 수 있도록 기생방사체를 추가하는 단순구조의 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시 형태는, 유전체 바디와, 상기 유전체 바디 내에 배치되며 일단이 급전부에 연결되는 주방사체, 및 상기 유전체 바디 내에서 상기 주방사체와 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 주방사체와 용량 결합을 이루는 적어도 하나의 기생방사체를 포함하는 광대역 안테나를 제공한다.
상기 유전체 바디를 덮는 플라스틱 튜브인 레이돔(radome)을 더 포함할 수 있다.
상기 주방사체 및 기생방사체의 형태는 다양하게 구현될 수 있으며, 바람직하게는 모노폴 또는 헬리컬 형태의 방사체를 사용할 수 있다.
상기 기생방사체가 배치되는 형태에 따라 안테나의 특성을 튜닝할 수 있으며, 상기 기생방사체는 상기 주방사체와 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 극성액체가 충전된 밀폐용기와, 상기 밀폐용기 내에 배치되며 일단이 급전부에 연결되는 주방사체, 및 상기 밀폐용기 내에서 상기 주방사체와 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 주방사체와 용량 결합을 이루는 적어도 하나의 기생방사체를 포함하는 광대역 안테나를 제공한다.
상기 주방사체 및 기생방사체는 다양하게 구현될 수 있으며, 모노폴 또는 헬리컬 형태의 방사체를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 기생방사체가 배치되는 형태에 따라 안테나의 특성을 튜닝할 수 있으며, 상기 기생방사체는 상기 주방사체와 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 기생방사체는, 상기 밀폐용기에 접촉되게 배치될 수도 있으며, 상기 극성액체 내에 배치될 수도 있다. 상기 기생방사체가 극성액체 내에 배치되는 경우에는 상기 기생방사체를 상기 극성액체 내에 고정하기 위한 절연기판을 더 포함할 수 있다. 상기 절연기판은 세라믹 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 극성액체는, 극성 용액과 에틸렌 글리콜계 액체의 혼합용액을 사용할 수 있으며, 상기 극성액체를 담기 위한 상기 밀폐용기는, 플라스틱 튜브인 레이돔(radome)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 주방사체 및 기생방사체는 상기 극성액체와 접촉되지 않도록 그 표면에 절연물질이 도포될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 광대역 안테나의 사시도이다.
본 실시예에 따른 광대역 안테나(10)는, 주방사체(12), 기생방사체(13), 유전체 바디(14)를 포함한다.
상기 주방사체(12)는, 일단이 급전부(11)에 연결되고 타단은 개방된 모노폴 형태의 방사체이다. 상기 급전부(11)를 통해 전달된 전류신호는 상기 타단부로 흐르게 되고 상기 주방사체(12)를 흐르는 전류에 의해 상기 주방사체(12) 주위에 방사패턴이 형성된다.
상기 주방사체(12)는, 구리와 같은 전기적인 전도성 재료의 연속 와이어나 스트립을 포함하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 모노폴 형태의 주방사체를 사용하였으나, 상기 주방사체의 형태는 다양하게 구현될 수 있다.
본 실시예의 광대역 안테나는, 상기 주방사체(12)에 인접하게 배치되며, 상기 주방사체(12)와 직접 전기적으로 접촉하지 않는 기생방사체(13)를 포함한다. 상기 기생방사체(13)는 상기 주방사체(12)에 평행하고, 상기 주방사체(12)의 길이방향과 동일한 방향으로 연장되어 있다. 본 실시예에서는 모노폴 형태의 기생방사체를 사용하였으나 헬리컬 형태 또는 다른 형태의 기생방사체가 사용될 수도 있다. 또한 상기 기생방사체가 배치되는 위치, 형태 및 갯수도 다양하게 변형될 수 있다.
상기 주방사체(12)와 기생방사체(13)는 유전체 바디(14)에 의해 물리적으로 절연되어 있다.
상기 유전체 바디(14)는 테프론(teflon), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyeurethane) 등의 유전물질을 사용함이 바람직하다. 이는 상기 주방사체(12)와 기생방사체(13)가 직접 전기적으로 접촉되는 것을 방지하고 상기 방사체 사이의 최적 간격을 유지할 수 있게 한다.
상기 실시예에 따른 안테나의 작동을 살펴보면, 급전부(11)를 통해 유입된 전류신호는 주방사체(12)를 흐르게 되고 방사된다. 상기 주방사체(12)를 흐르는 전류의 주파수에 따라서 상기 기생방사체(13)는 상기 주방사체(12)와 용량성 결합을 이루게 된다. 높은 주파수일수록 상기 주방사체(12)와 기생방사체(13)가 이루는 용량성 결합이 증가하여, 상기 주방사체(12)에서 방사된 전류신호는 상기 기생방사체(13)를 흐르게 되고 다시 주방사체(12)로 돌아오게 된다.
즉, 상기 기생방사체(13)는 상대적으로 낮은 주파수에서는 상기 주방사체(12)와 절연되지만, 상대적으로 높은 주파수에서는 상기 주방사체(12)와 전기적으로 연결된 것처럼 작동한다.
이러한 주방사체(12)와 기생방사체(13)의 용량성 결합의 크기는 주로 상기 방사체 사이의 간격에 의존한다. 즉, 상기 주방사체(12)와 기생방사체(13) 사이의 간격이 좁아지면, 캐패시턴스 성분이 증가하게 되고, 상기 방사체를 흐르는 전파의 주파수는 작아지게 된다. 따라서, 상기 방사체 사이의 간격을 조절함으로써 안테나 의 특성을 변화시킬 수 있다.
도2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광대역 안테나의 사시도이다.
도2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 광대역 안테나(20)는, 극성액체(24)가 충전된 밀폐용기(25), 주방사체(22), 기생방사체(23)를 포함한다.
상기 주방사체(22)는, 일단이 급전부(21)에 연결되고 타단은 개방된 모노폴 형태의 방사체이다. 상기 급전부(21)를 통해 전달된 전류신호는 상기 타단부로 흐르게 되고 상기 주방사체(22)를 흐르는 전류에 의해 상기 주방사체(22) 주위에 방사패턴이 형성된다.
상기 기생방사체(23)는, 상기 주방사체(22)와 소정 간격 이격되어 배치된다. 상기 기생방사체(23)가 배치되는 위치는 자유롭게 조절할 수 있으며 그 위치 및 간격을 조절하여 안테나 특성을 튜닝할 수 있다.
상기 기생방사체(23)를 상기 극성액체(24)내에 배치할 경우, 상기 기생방사체(23)를 고정시키기 위해 기판(26)이 사용될 수 있다. 상기 기판(26)은 주방사체(22)와 기생방사체(23)에 직접 접촉되므로 이러한 접촉에 의해 상기 주방사체(22)와 기생방사체(23)가 전기적으로 연결되지 않도록 절연성의 세라믹 기판을 사용함이 바람직하다.
상기 기판(26)은 상기 주방사체(22) 및 기생방사체(23) 사이의 이격 간격을 일정하게 유지할 수 있다. 견고한 고정을 위해 복수개의 기판을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 기판(26)에 복수개의 고정홈을 설치하여 상기 기생방사체(23)의 배치 간격 및 위치를 조절할 수 있다.
상기 극성액체(24)는, 상기 주방사체(22)와 기생방사체(23)를 물리적으로 절연시키는 역할을 한다.
본 실시예에서 채용되는 극성액체(24)는 상당히 낮은 도전성을 갖는 물이 주로 사용될 수 있으며, 필요에 따라 전해질 또는 자성체 분말을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 극성액체(24)와 관련된 사항은 특허출원 2005-0070730호의 명세서 전반에 기재된 사항이 본 명세서에 참고로 결합될 수 있다. 바람직하게, 극성액체(24)는 에틸렌 글리콜계 액체를 더 포함할 수 있다. 에틸렌 글리콜계 액체는 부동액으로서 예를 들어 물과 혼합되어 0°미만의 낮은 온도에서 냉각되지 않으므로, 저온환경에서의 안정적인 안테나 특성을 보장할 수 있다.
추가적으로, 상기 극성액체(24)와 접촉되는 급전라인 및 접지부의 부식을 막기 위해 바람직하게는 부동액 및 부식 방지제를 더 포함하고 상기 부식 방지제는 아질산염, 트리에탄올 아민 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로 선택된 것을 사용할 수 있다.
상기 극성액체가 충전되는 밀폐용기로, 본 실시예에서는 튜브형태의 레이돔(radome)을 사용한다. 본 실시예에서 채용된 튜브형태의 밀폐용기(25)는 내부공간을 가지며, 그 내부공간에는 극성액체(24)가 충전된다. 이러한 튜브형태의 밀폐 용기(25)는 이동통신단말기의 협소한 실장공간에도 적절히 배치될 수 있으며, 자체 길이를 조정하는 방식으로 필요한 수용공간에 쉽게 확보할 수 있다. 또한, 상기 튜브형태의 밀폐용기(25)는 탄성력 또는 복원력이 없는 강성 물질 또는 탄성을 갖는 연성 물질을 사용할 수 있다. 강성물질을 사용하는 경우에는 실장공간의 형태에 따라 적어도 하나의 절곡부를 갖도록 제조될 수 있다. 하지만, 연성물질인 튜브형태의 밀폐용기(25)는 실장공간에 따라 변형가능하므로, 상대적으로 실장이 용이하다는 장점이 있다.
도3a 내지 도3c는, 모노폴 방사체로만 이루어진 안테나와 모노폴 방사체와 기생방사체로 이루어진 안테나의 주파수에 따른 안테나 특성의 차이를 나타낸 그래프이다.
종래 방식의 모노폴 안테나(A), 하나의 기생방사체를 추가한 경우의 안테나(B), 두 개의 기생방사체를 추가한 경우의 안테나(C)에 대해서, 도3a는 30㎑ ~ 3㎓ 대역의 리턴로스(return loss)를 크기값으로 나타낸 것이고, 도3b는 0.1㎓ ~ 1㎓ 구간의 전압정재파비(VSWR)를 나타낸 것이다. 도3c는, 상기 각각의 안테나의 주파수별 이득을 나타낸 그래프이다.
본 실시예에서는, 직경 6mm, 길이 40mm의 튜브형 밀폐용기 내에 극성액체를 충전하고, 상기 극성액체가 충전된 밀폐용기 내에 직경 0.32mm, 길이 40mm의 주방사체 및 상기 방사체와 2mm 이격된 직경 0.32mm, 길이 20mm의 기생방사체를 포함하는 안테나를 사용하였다.
도3a를 참조하면, 모노폴 방사체만을 사용한 경우 930MHz 에서 -13.68dB의 리턴로스값을 가지며, 하나의 기생방사체를 사용한 경우는 약 990MHz 에서 -30dB의 리턴로스값을 갖는다. 또한 두 개의 기생방사체를 사용한 경우는 780MHz 에서 -16.9dB, 990MHz 에서 -21.3dB의 리턴로스값을 갖는다.
도3b를 참조하면, 모노폴 방사체만을 사용한 경우(A)보다 기생방사체를 하나 또는 두 개 추가한 경우 대역이 넓어지고 매칭이 좋아짐을 알 수 있다. 기생방사체 추가시 이중공진을 만들 수 있다. 두 개의 기생방사체 추가시(C) 공진주파수가 780MHz와 990MHz에서 발생하며 모노폴 방사체만을 사용한 경우(A)에 비해 200MHz 대역을 증가시킬 수 있다.
이러한 본 실시예의 특징은 저주파 대역에서 주파수 광대역을 만들기 힘든 물리적 특성을 극복할 수 있는 방안으로 제공될 수 있다.
도3c를 참조하면, 기생방사체가 추가된 안테나의 경우(B,C)가 모노폴 방사체만을 사용한 안테나의 경우(A)에 비해 저주파 대역에서 이득이 개선되는 것을 볼 수 있다. 특히, DVB-H(470~750MHz) 대역에서는 이득이 개선되는 것을 볼 수 있다. 이러한 이득 개선으로 인해 저주파 대역에서의 방향성을 향상시킬 수 있다.
도4a 및 도4b는 모노폴 주방사체만을 사용한 안테나와 기생방사체가 포함된 안테나의 전계 분포를 나타내는 도면이다.
도4a 및 도4b를 참조하면, 모노폴 주방사체(42)만으로 된 안테나는 급전부(41)와 반대방향으로 갈수록 전계가 방출되는 방사 영역(47)이 증가하는 패턴을 보이고 있다. 상기 안테나에 기생방사체(43)를 추가한 경우에, 모노폴 주방사체(42)만으로 방사하는 경우에 비해 일정 영역에서 전계강도가 더 강하게 나타남을 알 수 있다.
즉, 상기 주방사체(42) 및 기생방사체(43)를 포함하는 유전체(44)의 외부에는 일정한 형태의 방사패턴이 형성된다. 도4a의 경우, 상기 주방사체(42)가 굴절된 부분에서 적색 스펙트럼이 약간 일그러져 있으나, 도4b에서는 상기 굴절된 부분에도 적색 스펙트럼이 균일하게 형성되는 것을 볼 수 있다.
이로 인하여 기생방사체가 없는 경우보다 기생방사체가 있는 경우에 전체적인 전자기적 유효 면적이 증가된다.
도5a 내지 도5c는 기생방사체의 위치 및 기생방사체의 수에 따른 안테나 내부 및 외부의 전계분포의 시뮬레이션을 나타낸다.
도5a는, 모노폴 주방사체(52)만을 사용하는 안테나의 전계분포를 나타낸다. 이경우, 유전체(54) 내부는 전영역에 거의 동일하게 약한 자계(청색)가 형성되고, 상기 유전체(54)의 외부로 자계가 방출되어 급전부(51)에서 멀어질 수록 상기 유전체(54) 주위의 자계가 강하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
도5b는, 상기 모노폴 주방사체(52)의 일측에 하나의 기생방사체(53)를 배치한 경우의 자계분포를 나타낸다. 상기 주방사체(52) 및 기생방사체(53)를 둘러싸고 있는 유전체(54) 내부에서는 상기 기생방사체(53) 주위에 자계가 형성되고 특히 상기 기생방사체(53)의 양단에서 상기 주방사체(52)와 강한 자기적 결합(적색)이 일어나는 것을 볼 수 있다. 상기 유전체(54)의 외부에 나타나는 자계는 상기 주방사체(52)만을 사용한 경우에 비해 강한 자계가 형성되는 범위가 훨씬 넓어지는 것을 볼 수 있다.
도5c는, 상기 모노폴 주방사체(52)의 양측에 각각 하나의 기생방사체(53)를 배치한 경우의 자계분포를 나타낸다. 상기 주방사체(52) 및 기생방사체(53)를 둘러싸고 있는 유전체(54) 내부에서는 상기 기생방사체(53)가 배치되는 양측에 동일한 형태의 자계가 형성되고 그 크기는 상기 도5b의 경우보다 약하게 형성된다. 또한, 상기 유전체(54)의 외부에 나타나는 자계는 상기 주방사체(52)만을 사용한 경우에 비해 오히려 그 세기 및 영역이 감소된 것을 볼 수 있다.
이러한 실시예에 의해 주방사체의 주위에 배치되는 기생방사체의 위치 및 배치되는 기생방사체의 갯수의 변화에 의해 안테나의 방사특성을 변화시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 기존 안테나의 크기나 형태의 변형 없이 기생방사체를 추가함으로써 대역 및 이득을 개선할 수 있고, 특히 저주파 대역에서 캐패시턴스 성분을 줄이면서 이득을 개선 시킬 수 있는 광대역 안테나를 얻을 수 있다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 극성액체가 충전된 밀폐용기;
    상기 밀폐용기 내에 배치되며 일단이 급전부에 연결되는 주방사체; 및
    상기 밀폐용기 내에서 상기 주방사체와 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 주방사체와 용량 결합을 이루는 적어도 하나의 기생방사체를 포함하는 광대역 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 주방사체는,
    모노폴 또는 헬리컬 형태의 방사체인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기생방사체는,
    모노폴 또는 헬리컬 형태인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 기생방사체는,
    상기 주방사체와 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 기생방사체는,
    상기 밀폐용기에 접촉되게 배치된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 기생방사체는,
    상기 극성액체 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기생방사체를 상기 극성액체 내에 고정하기 위한 절연기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 절연기판은 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 극성액체는,
    극성 용액과 에틸렌 글리콜계 액체의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 밀폐용기는,
    플라스틱 튜브인 레이돔(radome)인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 주방사체 및 기생방사체는 상기 극성액체와 접촉되지 않도록 그 표면에 절연물질이 도포된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
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