KR100850504B1 - 루프 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 루프 안테나에 있어서, 상기 루프 안테나는 도전성 라인으로 형성되며, 상기 라인에 적어도 하나의 인덕터가 개재되는 루프 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 동작 시 전체적으로 동일 방향의 전류가 흐르는 제 1 도체; 상기 제 1 도체와 전기적으로 접속되고 동작 시 상이한 방향의 전류가 흐르는 제 2 도체; 및 상기 제 2 도체에 접속되어 페이즈 딜레이 효과를 가져오는 제 1 인덕터를 포함하는 루프 안테나를 제공한다.
본 발명은 인덕터를 이용하여 루프 안테나를 소형화할 수 있다. 보다 상세히, 종래 대형 루프 안테나에서 방사에 영향을 주지 않는 라인을 페이즈 딜레이 효과만을 주는 전송선로로 해석하여, 상기 전송선로에 인덕터를 개재하여 페이즈 딜레이를 줌으로써 전송선로의 길이를 줄여 루프 안테나의 크기를 소형화할 수 있다.
루프 안테나, 인덕터
Description
도 1은 루프 안테나를 도시한 도면.
도 2는 루프 안테나에서의 전류 흐름을 도시한 도면.
도 3은 길이 l의 전송선로 가운데 인덕터를 부착했을 때의 등가회로.
도 4는 L1, L2 값에 따른 안테나의 S11을 비교한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 200 : 루프 안테나
210 : 급전 220 : 인덕터
본 발명은 수동소자를 집적화시켜 소형화된 루프 안테나를 제안한다. 보다 상세히, 대형 루프 안테나에서 방사에 영향을 주지않는 부분에 두개의 인덕터를 부착하여 안테나를 소형화하고, 부착된 인덕터의 인덕턴스를 조정하여 안테나의 입력 저항을 정합함으로써 안테나의 소형화에 따른 성능 감소를 최소화한 루프 안테나를 제안한다.
최근 무선 이동 시스템의 소형화 추세에 따라 이동 통신 시스템에 탑재되어 야 할 안테나를 소형화, 경량화하는 기술이 끊임없이 이슈가 되고 있으며 많은 연구 결과가 발표되고 있다. 종래 발표된 소형화 방법에는 고유전체를 사용하는 방법, 프랙탈 이론을 이용하는 방법, 패치에 슬롯을 삽입하는 방법, 단락 핀을 이용하는 방법, 그라운드 모양을 변형하는 방법 등이 있다. 안테나의 소형화란 물리적인 크기를 작게 하는 것만을 의미하는 것이 아니라 주파수에 따른 파장에 비해 그 크기가 작다는 것을 의미하는 것으로 전기적으로 소형화된 안테나를 의미하는 것이다. 안테나가 소형화되면 이득과 안테나의 효율이 감속하고 안테나의 입력 저항이 매우 낮아지며, 리액턴스가 커져서 안테나의 Q 값이 커지며, 이에 따라 대역폭도 크게 감소한다.
최근 Left-Handed Material을 이용하여 크기를 λ/10 이상 줄인 안테나가 발표되고 있다. 최근 토론토(Toronto) 대학에서 LH 전송선로를 구현하기 위해 집중 소자인 인덕터와 캐패시터를 활용하여 전송선로 양쪽에 구성되는 방사체 사이의 거리를 크게 줄인 안테나가 발표되었다.
보다 소형의 안테나가 요구되면서, 이와 같이 수동소자를 집적화시켜 안테나의 크기를 보다 소형화시킬 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 인덕터를 이용하여 루프 안테나를 소형화하는 것을 목적으로 한다. 보다 상세히, 종래 대형 루프 안테나에서 방사에 영향을 주지 않는 라인을 페이즈 딜레이 효과만을 주는 전송선로로 해석하여, 상기 전송선로에 인덕터를 개재 하여 페이즈 딜레이를 줌으로써 전송선로의 길이를 줄여 루프 안테나의 크기를 소형화하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 루프 안테나에 있어서, 상기 루프 안테나는 도전성 라인으로 형성되며, 상기 라인에 적어도 하나의 인덕터가 개재되는 루프 안테나를 제공한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 인덕터의 인덕턴스 값을 개별적으로 조정하여 입력 저항값을 정합시킬 수 있다.
또한, 상기 인덕터는 상기 라인에 흐르는 표면 전류의 세기가 가장 큰 지점에 개재된다.
또한, 상기 인덕터는 방사에 영향을 미치지 않고 페이즈 딜레이 효과만을 주는 라인의 일부에 개재된다.
또한, 본 발명은 동작 시 전체적으로 동일 방향의 전류가 흐르는 제 1 도체; 상기 제 1 도체와 전기적으로 접속되고 동작 시 제 2 도체 상의 각 부분에서 서로 다른 방향의 전류가 흐르는 제 2 도체; 및 상기 제 2 도체에 접속되어 페이즈 딜레이 효과를 가져오는 제 1 인덕터를 포함하는 루프 안테나를 제공한다.
여기서, 상기 제 1 인덕터는 상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체 사이에 접속된다.
또한, 상기 제 2 도체와 전기적으로 접속되고 동작 시 전체적으로 동일 방향 의 전류가 흐르는 제 3 도체; 및 상기 제 2 도체와 상기 제 3 도체 사이에 접속되어 페이즈 딜레이 효과를 가져오는 제 2 인덕터를 더 포함한다.
본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 루프 안테나를 도시한 도면이다.
도 1은 종래 대형 루프 안테나와 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 구조와 파라미터 값을 나타낸다. 도 1의 (A)는 대형 루프 안테나(200)의 구조이며, (B)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 루프 안테나(200)로 FR4 유전체 기판(100) 위에 직사각형 형태의 루프 안테나(200)를 구성하고, 라인 (c)의 가장자리를 끊어서 인덕터(220)를 부착한 구조이다. 급전(210)은 라인 (a)와, (d) 사이에서 발생한다.
도 2는 루프 안테나에서의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 2의 (A)는 종래 대형 루프 안테나의 전류 분포를 (B)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 전류분포를 나타낸다. (A)에서 대형 루프 안테나의 방사체 역할을 하는 부분은 좌우에 있는 길이가 짧은 라인 (a), (b)이다. (a), (b) 상에 동일한 위상으로 전류가 형성되어, 상기 두 라인이 웨이브(wave)를 방사하는 역할을 한다. 라인(c),(d)는 중앙에서 전류의 방향이 바뀌며, 실제 방사에는 영향을 미치지 못한다. (B)에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나 역시 동일한 형태의 전류분포를 보인다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 방사는 대형 루프 안테나와 동일한 원리로 이루어진다고 할 수 있다. 대형 루프 안테나의 경우 (a)+(c)와, (b)+(d)의 길이가 공진주파수에 대해서 약 반파장이 되어 전체 라인의 길이가 약 한파장이 된다. 대형 루프 안테나에서 라인 (c)와 (d)는 방사에 영향을 주지 않고, 페이즈 딜레이(phase delay) 효과만을 주는 전송선로로 생각할 수 있다. 즉 이 전송선로에 의한 페이즈 딜레이를 라인을 이용해서 주지 않고 인덕터를 이용하면 도 1의 (B)에서 '가로(w)'의 길이를 줄일 수 있어 안테나를 소형화할 수 있다. 인덕터의 효과를 극대화하기 위해 인덕터의 위치는 도 2의 (B)에서와 같이 라인 (c)와 (d)에서 흐르는 표면 전류의 세기가 가장 큰 가장자리에 위치한다.
도 3은 길이 l의 전송선로 가운데 인덕터를 부착했을 때의 등가회로이다.
도 3을 참고하여, 페이즈 딜레이 효과를 확인하기 위하여 S21을 구해본다. 도 3에서 Z0는 전송선로의 특성 임피던스이며, Y0는 특성 어드미턴스이다. β는 전송선로의 전파 상수이다. 인덕터 좌우의 전송선로의 길이는 l/2이다. Z는 인덕터이며, 이의 임피던스 Z=jωL이 된다. 이 때 L은 인덕턴스 값이다.
도 3 등가회로의 인덕터 좌우의 전송선로의 특성을 ABCD 행렬(matrix)을 이용해 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
각 네트워크(network)를 직렬(cascade) 연결하여 세 개의 투포트(two port) 네트워크를 수학식 2의 토탈 ABCD 행렬로 나타낸다.
상기 수학식 2에서 표현한 ABCD 행렬을 S 행렬로 변환하여 하기 수학식 3과 같이 S21을 구할 수 있다.
상기 수학식 3의 인덕턴스 L 값이 지수함수 내에 포함된 tan(Y0ωL/2)가 음 수가 되지 않는 범위에 있다면, L에 의해 전송선로의 페이즈 딜레이가 증가된다. 따라서 전송 선로에 인덕터를 부착하여 전송선로의 물리적 길이를 줄일 수 있다. 즉, 도 1의 (B)의 안테나의 라인 (c) 혹은 (d) 위에 인덕터를 부착하여 상기 라인의 길이를 줄일 수 있다. 이는 곧 안테나의 공진 주파수가 감소함을 의미한다.
이하에서는 몇 가지 다른 설계 파라미터를 가지는 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 시뮬레이션 결과를 살펴보고, 이를 토대로 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 설계 방법에 대해서 살펴본다.
도 1의 (B)에서 L1, L2 인덕턴스 값을 변화시켰을 때 공진 주파수 및 입력 저항값을 표 1에 나타내었다. 사용한 안테나의 가로(w)*세로(h) 길이는 40mm * 10mm 이다.
L1(nH) | L2(nH) | Freq.(GHz) | Zreal(Ω) | 대역폭(%) |
0 | 0 | 2.67 | 13.32 | |
8 | 0 | 2.43 | 74.87 | |
0 | 8 | 2.3 | 11.2 | |
12 | 22 | 1.64 | 50.16 | 5.3 |
27 | 100 | 1.02 | 51.17 | 5.8 |
상기 표 1의 두번째 행은 인덕터를 달지 않은 결과이다. 이 경우 2.67 GHz에서 공진하고 입력저항이 13.32Ω이 된다. 공진 주파수에 비해 방사에 영향을 주는 라인의 전기적 길이 h가 상대적으로 작아서 입력 저항이 작다.
L1와 L2가 공진주파수와 입력 저항에 미치는 영향을 알기 위해 L1만 8nH, L2만 8nH를 연결하고 그 변화를 살펴보았다. 두 경우 모두 공진주파수는 감소하며, 그 감소폭은 유사하다. 상기 설명한 바와 같이 L1, L2 값에 의해 전송선로 페이즈 딜레이가 크게 증가하여 공진주파수가 감소한 것이다. L1만 연결할 경우는 공진 주파수에서의 입력 저항값이 78.87Ω으로 크게 증가하였다. 반면에 L2만 연결한 경우는 입력 저항값이 11.2Ω으로 감소하였다. 이는 L1의 인덕턴스 값을 증가시켜 입력 저항을 증가시킬 수 있고, L2의 인덕턴스 값을 증가시켜 입력 저항을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
즉, 비대칭 인덕턴스를 가지는 인덕터를 달아 안테나의 입력 임피던스를 정합할 수 있다. 도 1의 (B)에서 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 라인 (c)에 부착되는 두 인덕터인 L1와 L2의 인덕턴스 값을 비대칭으로 두어 입력 저항을 정합하였다. L1이 12nH, L2가 22nH일 경우 공진주파수는 1.64GHz가 되고 입력저항은 50Ω이 된다. L1와 L2 값을 더 증가시켜 L1을 27nH, L2를 100nH로 두면 공진주파수는 1GHz로 더 감소하며 입력저항은 51Ω이 된다.
도 4는 L1, L2 값에 따른 안테나의 S11을 비교한 도면이다.
도 4를 참조하면, L1와 L2의 인덕턴스 값을 크게 둔 경우의 안테나 공진주파수가 더 낮다. 두 안테나 모두 입력 저항이 잘 정합되었는데, 이는 L1와 L2를 비대칭으로 조정하여 얻은 결과이다.
상기 내용을 토대로 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 설계순서는 다음과 같다. 먼저 주어진 스펙의 크기에 맞게 L1, L2를 부착하지 않은 루프 안테나를 설계한다. 이 안테나의 공진주파수와 입력 저항을 확인한다. 그 값에 따라 적당한 L1와 L2를 결정하여 부착한다. 안테나의 공진주파수와 스펙을 비교하여 L1와 L2 값을 조정한다. 그리고 입력 저항이 50Ω이 되는지 확인한다. 입력 저항값에 따라 L1와 L2값을 조정한다. 이 과정을 반복하여 주어진 스펙에 맞는 안테나를 설계할 수 있다.
여기서 주목할만한 점은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나 형태의 루프 안테나는 모두 안테나의 구조적인 변화를 주지 않고 L1, L2의 인덕턴스만을 조정하여 원하는 공진주파수에서 입력 저항을 50Ω에 정합하는 것이 가능하다는 점이다.
표 2는 동일한 주파수에서 공진하는 두 안테나의 크기를 비교한 결과이다. 인덕터를 연결하지 않은 일반적인 대형 루프 안테나와 L1=27nH, L2=100nH를 부착한 루프 안테나를 비교하였다.
안테나 | Freq.(GHz) | 대역폭(%) | 가로(w)*세로(h) |
종래 대형 루프 안테나 | 1.06 | 6.1 | 0.33λ*0.12λ |
제안된 루프 안테나 | 1.02 | 5.8 | 0.13λ*0.03λ |
대형 루프 안테나와 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 크기를 비교해보면 안테나의 가로(w), 세로(h) 길이가 약 1/3과, 1/4로 감소했다. 따라서 안테나 전체 면적이 약 1/10로 감소했다. 이러한 소형화에도 불구하고 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 대역폭은 종래 대형 루프 안테나의 대역폭에 비해 감소되는 정도가 미미하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 인덕터를 이용하여 루프 안테나를 소형화할 수 있다. 보다 상세히, 종래 대형 루프 안테나에서 방사에 영향을 주지 않는 라인을 페이즈 딜레이 효과만을 주는 전송선로로 해석하여, 상기 전송선로에 인덕터를 개재하여 페이즈 딜레이를 줌으로써 전송선로의 길이를 줄여 루프 안테나의 크기를 소형화할 수 있다.
Claims (7)
- 루프 안테나에 있어서,상기 루프 안테나는 도전성 라인으로 형성되며,상기 라인에 흐르는 표면 전류의 세기가 가장 큰 지점에 적어도 하나의 인덕터가 개재되는 루프 안테나.
- 제 1항에 있어서,상기 적어도 하나의 인덕터의 인덕턴스 값을 개별적으로 조정하여 입력 저항값을 정합시킬 수 있는 루프 안테나.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 인덕터는 방사에 영향을 미치지 않고 페이즈 딜레이 효과만을 주는 라인의 일부에 개재되는 루프 안테나.
- 동작 시 전체적으로 동일 방향의 전류가 흐르는 제 1 도체;상기 제 1 도체와 전기적으로 접속되고 동작 시 제 2 도체 상의 각 부분에서 서로 다른 방향의 전류가 흐르는 제 2 도체; 및상기 제 2 도체에 접속되어 페이즈 딜레이 효과를 가져오는 제 1 인덕터를 포함하는 루프 안테나.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 인덕터는 상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체 사이에 접속되는, 루프 안테나.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2 도체와 전기적으로 접속되고 동작 시 전체적으로 동일 방향의 전류가 흐르는 제 3 도체; 및상기 제 2 도체와 상기 제 3 도체 사이에 접속되어 페이즈 딜레이 효과를 가져오는 제 2 인덕터를 더 포함하는 루프 안테나.
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