KR100862533B1 - 다중대역 안테나 - Google Patents

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KR100862533B1
KR100862533B1 KR1020070057814A KR20070057814A KR100862533B1 KR 100862533 B1 KR100862533 B1 KR 100862533B1 KR 1020070057814 A KR1020070057814 A KR 1020070057814A KR 20070057814 A KR20070057814 A KR 20070057814A KR 100862533 B1 KR100862533 B1 KR 100862533B1
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conductive pattern
band
antenna
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feeding
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김현학
박종권
이정남
이재찬
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삼성전기주식회사
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    • H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave

Abstract

본 발명은, 일면 및 상기 일면에 대향하는 타면을 갖는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일면에 형성되며 일단은 외부의 급전라인에 연결되는 급전용 도전 패턴과, 상기 급전용 도전 패턴의 타단에 연결되는 제1 도전 패턴과, 상기 급전용 도전 패턴의 타단에 연결되며 상기 제1 도전 패턴과 전저기적 결합을 이루는 제2 도전 패턴과, 상기 유전체 기판의 타면의 일부영역에 형성되는 접지면, 및 상기 유전체 기판의 타면에 상기 접지면와 소정간격 이격되어 형성되며, 소정의 넓이를 갖는 제3 도전 패턴을 포함하는 다중대역 안테나를 제공한다.
안테나(antenna), 미앤더(meander), 마이크로 스트립(microstrip)

Description

다중대역 안테나{MULTI BAND ANTENNA}
도 1은, 종래기술에 따른 패치 안테나의 사시도 및 저면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 다중 대역 안테나의 평면도 및 저면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 다중 대역 안테나의 평면도 및 저면도이다.
도 4의 (a)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 다중 대역 안테나에서 반사손실에 대한 계산치 및 측정치의 그래프이다.
도 4의 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에서 제3 도전 패턴의 유무에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 제3 도전 패턴의 면적의 변화에 따른 반사손실을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나에서 상기 접지면과 제3 도전 패턴 사이의 거리에 따른 반사손실을 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 바람직한 실시형태와 마이크로스트립 라인이 없는 경우의 이득을 비교한 그래프이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나의 주파수 대역에 따라 방사특성을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
20 : 유전체 기판 21 : 제1 도전 패턴
22 : 제2 도전 패턴 23 : 급전용 도전 패턴
24 : 제3 도전 패턴 25 : 접지면
본 발명은, 다중 대역 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 대역에서 작동할 수 있도록 복수개의 도전 패턴 및 접지면을 사용하는 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
이동통신 서비스가 시작되면서 휴대단말기의 개발 또한 가속화되어 다양한 서비스를 요구하는 소비자를 만족시키기 위해서 최근의 휴대단말기는 소형화, 경량화, 및 다기능화 되어 가고 있다. 이 추세는 안테나 개발 시에도 많은 영향을 주게 되어 단말기 안테나 역시 소형, 경량화, 다기능화되는 추세이다. 휴대단말기의 소형화에 초점이 맞추어지면서 내장형 안테나를 도입하였으며, 이러한 내장형 안테나 로 패치 안테나가 많이 사용된다.
도 1의 (a) 및 (b)는, 종래의 패치 안테나의 사시도 및 저면도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 유전체 기판(100) 위에 도전 패턴(101)이 형성되고, 상기 도전 패턴(101)의 일단에 급전용 도전 패턴(102)이 연결되어 있다. 상기 급전용 도전 패턴(102)은 50Ω의 저항을 갖도록 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 유전체(100)의 저면에는 일부영역에 접지면(104)이 형성된다. 상기 접지면은, 상기 급전용 도전 패턴(102)과 상호 작용하여 안테나로 작용할 수 있다.
이러한 마아크로스트립 라인 구조를 갖는 안테나는 대량생산이 가능하고 높이가 낮고 견고하여 휴대폰 및 무선 통신기기의 내장형 안테나로 적합하다.
종래 기술에 따른 패치안테나는 이동통신 단말기의 소형화에는 유익하지만, 대역이 좁고 이득이 낮은 단점이 있으며, 휴대서비스의 다양화로 인해 하나의 안테나로 현재 서비스되는 모든 주파수 대역을 만족할 수 있는 안테나의 개발이 요구되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은, 하나의 안테나로 복수개의 주파수 대역 특성을 나타낼 수 있는 다중대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한 다.
본 발명은, 일면 및 상기 일면에 대향하는 타면을 갖는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일면에 형성되며 일단은 외부의 급전라인에 연결되는 급전용 도전 패턴과, 상기 급전용 도전 패턴의 타단에 연결되는 제1 도전 패턴과, 상기 급전용 도전 패턴의 타단에 연결되며 상기 제1 도전 패턴과 전자기적 결합을 이루는 제2 도전 패턴과, 상기 유전체 기판의 타면의 일부영역에 형성되는 접지면, 및 상기 유전체 기판의 타면에 상기 접지면와 소정간격 이격되어 형성되며, 소정의 넓이를 갖는 제3 도전 패턴을 포함하는 다중대역 안테나를 제공한다.
상기 급전용 도전 패턴은, 상기 유전체 기판의 일방향의 중심부에 형성될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴은 미앤더 라인 형태이며, 이 때 상기 급전용 도전 패턴에서 연장된 선을 중심으로 좌우 대칭을 이루는 두 개의 미앤더 라인으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전패턴은, 상기 급전용 도전 패턴에서 연장된 선을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 전체 미앤더 라인의 중심점이 상기 급전용 도전 패턴에 연결될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴은, GSM 대역의 주파수 특성을 나타내도록 형성될 수 있다.
상기 제2 도전 패턴은, U 라인 형태일 수 있으며, 이 때 상기 급전용 도전 패턴에서 연장된 선을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 중심점이 상기 급전용 도전 패턴에 연결될 수 있다.
상기 제2 도전 패턴은, 상기 제1 도전 패턴과 상호 작용하여 DCS 대역의 주파수 특성을 나타내도록 형성될 수 있다.
상기 제3 도전 패턴은, 상기 제2 도전 패턴이 형성된 영역과 중첩되는 영역에 형성될 수 있다.
상기 제3 도전 패턴은, 직사각형일 수 있다.
상기 제3 도전 패턴은, 상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴과 상호 작용하여 ISM, 및 WiMAX 대역의 주파수 특성을 나타내도록 형성될 수 있다.
상기 접지면은, 상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴이 형성된 영역과 중첩되지 않는 영역에 형성될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 다중 대역 안테나의 평면도 및 저면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 다중 대역 안테나는, 유전체 기판(20), 상기 기판 상에 형성되는 제1 도전 패턴(21), 제2 도전 패턴(22), 제3 도전 패턴(24), 및 접지면(25)을 포함한다.
상기 유전체 기판(20)은, 소정의 유전율을 갖고 있다. 상기 유전체 기판과 상기 유전체 기판의 일면 및 타면에 형성된 상기 제1 내지 제3 도전 패턴 및 접지면에 의해 마이크로스트립 안테나가 형성될 수 있다.
상기 유전체 기판(20)의 일면에는 외부의 급전라인과 일단이 연결되는 급전용 도전 패턴(23)이 형성된다.
상기 급전용 도전 패턴(23)은 일단(23a)이 외부의 급전라인에 연결되고, 타단(23b)은 방사체인 제1 도전 패턴(21) 및 제2 도전 패턴(22)에 연결된다.
상기 급전용 도전 패턴(23)은 50Ω의 저항을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 급전용 도전 패턴 내의 저항값은, 상기 급전용 도전 패턴의 넓이 및 폭에 따라 조절할 수 있다.
상기 급전용 도전 패턴(23)은 상기 유전체 기판(20)의 일영역의 중심부에 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는 직사각형태의 유전체 기판의 일면의 중심부에 상기 급전용 도전 패턴(23)이 위치하도록 형성하였다.
상기 급전용 도전 패턴의 일단(23b)에는 제1 도전패턴(21)이 연결된다. 제1 도전 패턴(21)은 미앤더 라인 형태를 갖는다. 여기서, 상기 제1 도전 패턴(21)은 상기 급전용 도전 패턴(23)에서 연장된 선(p)을 중심으로 좌우 대칭을 이룬다.
상기 제1 도전 패턴(21) 내의 전류의 흐름을 살펴보면, 상기 급전용 도전패턴(23)과 연결되는 부분(21c)으로 전류가 급전되어 서로 대칭을 이루는 미앤더 라인(21a, 21b)의 양 쪽으로 흐르게 된다. 즉, 전류의 흐름에서는 상기 제1 도전 패턴(21)은 두 개의 미앤더 라인(21a, 21b)이 결합된 것으로 볼 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(21)은, GSM 대역(880 ~ 960 ㎒)의 주파수 특성을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴의 다른 형태를 도 3에 나타내었다.
도 3의 (a)를 참조하면, 제1 도전 패턴(31)은 급전용 도전 패턴(33)에서 연장된 선(p)을 중심으로 좌우 대칭을 이룬다. 따라서, 상기 제1 도전패턴(31)이 상기 급전용 도전 패턴(33)과 연결되는 부분(31c)은, 상기 미앤더 라인 형태의 제1 도전패턴(31)의 중심점이 될 수 있다.
상기 급전용 도전 패턴의 일단(23b)에는 제2 도전 패턴(22)이 연결될 수 있다. 상기 제2 도전 패턴(22)은, U 자 형태를 가지며, 상기 급전용 도전 패턴(23)의 연장선을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 상기 U자형 도전 패턴의 중심점(22c)이 상기 급전용 도전 패턴(23)의 일단(23b)에 연결될 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(22) 내에서의 전류 흐름을 살펴보면, 상기 급전용 도전 패턴으로부터 급전된 전류는 각각 상기 U 자형 도전 패턴(22)의 양단을 따라 흐르게 되고, 상기 U 자형 도전 패턴의 양단(22a, 22b)에서 방사하게 된다. 이 때, 상기 제2 도전 패턴의 양단(22a, 22b)에서의 방사 신호와, 상기 제1 도전 패턴(21)을 흐르는 신호 사이에 전자기적 커플링이 일어나게 되어, 상기 제2 도전 패턴(22)은 특정한 대역의 주파수 특성을 나타낼 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제2 도전패턴(22)은 상기 제1 도전 패턴(21)과 상호 작용하여 DCS 대역(1.7 ~ 1.88 ㎓)의 주파수 특성을 나타내도록 형성하였다.
도 2의 (b)를 참조하면, 상기 유전체 기판(20)의 저면에는 접지면(25) 및 제3 도전 패턴(24)이 형성될 수 있다.
상기 접지면(25)은 외부의 접지라인과 연결되어 안테나의 접지부로 작동할 수 있다. 상기 접지면(25)은, 상기 유전체 기판(20)의 일면에 형성된 급전용 도전 패턴(23), 제1 도전패턴(21) 및 제2 도전패턴(22)과 전자기적 결합에 의해 마이크로스트립 안테나를 구성할 수 있다.
상기 접지면(25)과 소정 간격(d) 이격되어 소정의 면적을 갖는 제3 도전 패턴(24)이 형성될 수 있다.
상기 제3 도전 패턴(24)은 소정의 면적을 갖도록 사각형, 삼각형, 원형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는, 소정의 길이(Lg) 및 폭(Wg)을 갖는 직사각형의 형태로 형성될 수 있다.
상기 제3 도전 패턴(24)은, 상기 유전체 기판(20)의 전면에 형성된 제1 도전 패턴(21) 및 제2 도전 패턴(22)과 물리적으로 연결되어 있지는 않으나, 전자기적 결합을 일으킨다. 상기 전자기적 결합에 의해 상기 제3 도전 패턴(24)은 하나의 방사체로 작동할 수가 있다.
상기 제3 도전 패턴(24)은, 상기 제1 도전 패턴(21) 및 제2 도전 패턴(22)으로부터 방사되는 신호를 증폭시켜주는 역할을 할 수 있다. 따라서, 미앤더 라인 방사체의 단점인 협대역 특성 및 낮은 이득을 개선시킬 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제2 도전 패턴이 형성된 영역과 대응되는 영역 상에 상기 제3 도전 패턴(24)을 형성하여, 상기 안테나가 ISM 대역(2.45 ㎓), 및 WiMAX 대역(2.59 ~ 2.69 ㎓)의 주파수 특성을 갖도록 하였다. 상기 제3 도전 패턴(24)의 면적이 변화되면 전체적인 안테나 특성이 변화될 수 있다.
또한, 상기 제3 도체패턴(24)과 상기 접지면(25) 사이의 이격 거리(g)가 변화되면 안테나 특성이 변화될 수 있다.
따라서, 상기 제3 도전 패턴의 면적, 즉 직사각형 형태의 종횡 길이(Lg, Wg), 및 상기 제3 도전 패턴과 접지면 사이의 거리(g)를 변화시켜 안테나의 주파수 대역을 콘트롤 할 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 유전체 기판(20)은 W = 35 mm, L = 40 mm이고, , 상기 제1 도전 패턴(21)에서 MC = 14 mm, ML = 17 mm, MW = 3 mm, FL = 17 mm 이고, 제2 도전 패턴(22)에서 SL = 16 mm, SW = 3 mm 이고, 제3 도전 패턴(24)에서 Lg = 22 mm, Wg = 12 mm, g = 4 mm 이고, GL = 13 mm 를 갖도록 각각 형성하였다.
도 4a는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 다중 대역 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 상기 도 2에서 제시된 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나는, 반사손실이 -10 dB 이하로 나타나는 구간이 각각 약 0.8 ~ 1.0 ㎓, 약 1.7 ~ 1.9 ㎓, 약 2.3 ~ 2.75 ㎓ 대역으로 나타나므로 GSM, DCS, ISM, 및 WiMAX 대역의 주파수 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 따라서 하나의 안테나를 사용하여 다중 대역의 주파수를 송수신할 수 있다.
도 4의 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 제3 도전패턴(24)의 유무에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 4의 (b)를 참조하면, 상기 제3 도전패턴이 없는 경우(A)에 비해 상기 제3 도전패턴이 있는 경우(B)에 DCS 대역(1800 ㎒)에서 공진주파수가 형성되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기 제3 도전패턴(24)에 의해 상기 안테나가 DCS 대역의 주파수 특성을 나타낼 수 있다.
도 5의 (a) 및 (b)는, 상기 바람직한 실시형태의 안테나에서 제3 도전 패턴의 면적 변화에 따른 반사손실의 그래프이다.
도 5의 (a)는, 상기 직사각형 형태의 제3 도전 패턴의 길이(Lg)를 고정시키고 폭(Wg)을 변화시킴에 따른 반사손실의 그래프이다.
도 5의 (b)는, 상기 직사각형 형태의 제3 도전 패턴의 폭(Wg)을 고정시키고 길이(Lg)를 변화시킴에 따른 반사손실의 그래프이다.
도 5의 (a) 및 (b)에서 보는 바와 같이, 상기 제3 도전 패턴의 폭(Wg)과 길이(Lg)가 변화됨에 따라 상기 안테나의 특성이 변하므로, 상기 제3 도전 패턴의 형태를 조절하여 안테나 특성을 조절할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나에서 상기 접지면(25)과 제3 도전 패턴(24) 사이의 거리(g)에 따른 반사손실의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 실시예에서는, 상기 접지면(25)과 제3 도전 패턴(24) 사이의 거리(g)를 조절하기 위해 상기 접지면(25)의 면적을 조절할 수 있다. 본 실시예와 같이, 상기 접지면(25)과 제3 도전 패턴(24) 사이의 거리를 2mm 에서 4mm 로 증가시킨 경우, 도 6에 나타난 바와 같이 그래프에 따른 반사손실 곡선이 변한다. 따라서, 상기 접지면(25)과 제3 도전 패턴(24) 사이의 거리를 조절하여 안테나 특성을 조절할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나의 이득을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, GSM 대역(920 ㎒), DCS 대역(1800 ㎒), ISM 대역(2450 ㎒), 및 WiMAX 대역(2600 ㎒)에서의 이득이 각각 2.38 dBi 2.5 dBi 2.88 dBi 3.01 dBi 로 나타나는 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, 미앤더 라인 방사체의 단점인 낮은 이득을 보완할 수 있다.
도 8의 (a) 내지 (d)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나의 주파수 대역별 방사특성을 나타내는 그래프이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는, 각각 GSM 대역(920 ㎒), DCS 대역(1800 ㎒), ISM 대역(2450 ㎒), 및 WiMAX 대역(2600 ㎒)에서의 E - plane과 H - plane 의 방사특성을 나타낸다.
상기 각각의 대역에서 모두 H-plane 은 원형 또는 타원형의 모양을 가지며, E-plane은 양 방향으로 퍼진 형태를 갖는 것으로 이는, 일반적인 다이폴 안테나에서의 방사특성과 유사하다. 따라서 본 발명의 실시형태에 따른 안테나는 정상적인 안테나로 작동할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 즉, 제1 도전 패턴, 제2 도전 패턴, 및 제3 도전 패턴의 형태 및 배열은 필요한 주파수 대역에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명에 따르면, 복수개의 주파수 대역 특성을 나타낼 수 있는 하나의 마이크로스트립 안테나를 얻을 수 있으며, 상기 마이크로 스트립 안테나의 구조에서 소형화와 더불어 고이득 및 광대역 특성을 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 일면 및 상기 일면에 대향하는 타면을 갖는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일면에 형성되며 일단은 외부의 급전라인에 연결되는 급전용 도전 패턴;
    상기 급전용 도전 패턴의 타단에 연결되는 제1 도전 패턴;
    상기 급전용 도전 패턴의 타단에 연결되며, 상기 제1 도전 패턴과 전자기적 결합을 이루는 제2 도전 패턴;
    상기 유전체 기판의 타면의 일부영역에 형성되는 접지면; 및
    상기 유전체 기판의 타면에 상기 접지면과 소정간격 이격되어 형성되며, 소정의 넓이를 갖는 제3 도전 패턴
    을 포함하는 다중대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전용 도전 패턴은,
    상기 유전체 기판의 일방향의 중심부에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은,
    미앤더 라인 형태인 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은,
    상기 급전용 도전 패턴에서 연장된 선을 중심으로 좌우 대칭을 이루는 두 개의 미앤더 라인으로 형성된 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 도전패턴은,
    상기 급전용 도전 패턴에서 연장된 선을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 전체 미앤더 라인의 중심점이 상기 급전용 도전 패턴에 연결되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은,
    GSM 대역의 주파수 특성을 나타내도록 형성된 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전 패턴은,
    U 라인 형태인 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 도전 패턴은,
    상기 급전용 도전 패턴에서 연장된 선을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 중심점이 상기 급전용 도전 패턴에 연결되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  9. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 도전 패턴은,
    상기 제1 도전 패턴과 상호 작용하여 DCS 대역의 주파수 특성을 나타내도록 형성된 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도전 패턴은,
    상기 제2 도전 패턴이 형성된 영역과 중첩되는 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도전 패턴은,
    직사각형인 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도전 패턴은,
    상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴과 상호 작용하여 ISM, 및 WiMAX 대역의 주파수 특성을 나타내도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 접지면은,
    상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴이 형성된 영역과 중첩되지 않는 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
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