KR100878706B1 - 다중공진 광대역 안테나 - Google Patents

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Abstract

다중공진 광대역 안테나가 개시된다. 다중공진 광대역 안테나는 십자가 모양, 빗살무늬 모양 및 번개무늬 모양 중 적어도 하나의 프랙탈 격자 구조를 8각형 모양 또는 체크무늬 모양 배열한 프랙탈 복사소자를 이용함으로써 안테나 복사효율 및 광대역 특성을 향상시키고 초소형으로 제작될 수 있다.
프랙탈 격자 구조, 복사소자

Description

다중공진 광대역 안테나{Multi-resonant broadband antenna}
도 1은 종래의 PIFA의 구조를 도시한 도면,
도 2에 종래의 Meander Line 구조를 도시한 도면,
도 3 및 도 4는 종래의 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 일 실시예의 정면도 및 측면도를 도시한 도면,
도 5는 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 반사손실 특성을 도시한 도면,
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 일 실시예의 구성을 도시한 정면도 및 측면도,
도 8은 도 6에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면,
도 9 내지 도 23은 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예들을 도시한 도면, 그리고,
도 24 내지 도 26은 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 전기적 특성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다중 주파수 대역(Multi resonant)에서 공진하는 광대 역(broadband) 안테나에 관한 것이다.
현재 주로 사용되고 있는 다중 대역 안테나로는 PIFA(Planner Inverted F Antenna)(도 1), Meander Line 구조(도 2)의 안테나와 와 적층형 패치 안테나 등이 있다.
도 1은 종래의 PIFA의 구조를 도시한 도면이다.
그라운드(11) 위에 역 F 형태로 구성되며, 급전부(13)와 단락부(14)로 나뉘어진다. 단락부(14)는 안테나의 복사소자(12) 부분에서 그라운드(11)로 단락시켜주는 역할을 하며, 급전부(13)와 단락부(14) 사이의 거리와 형태 등에 따라 상이한 공진 특성을 갖게 된다. 이러한 PIFA(10)에서 다중 공진 특성을 구현하기 위해서는, 안테나 상부의 복사소자(12)의 형태를 여러 개의 서로 다른 크기로 나누어 합성한다. 즉, 단일 대역 특성을 갖는 여러 개의 안테나를 조합하여 사용한다. 이러한 PIFA(10)는 다중 대역 특성을 갖는 소형 안테나를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 PIFA 구조를 이용하여 여러 개의 안테나를 합성하는 경우, 안테나 복사효율의 급격한 감소와 이득 감소 등의 문제가 발생한다. 따라서, 현실적으로 3중 공진 이상의 다중 대역 안테나로 사용하기에는 적합하지 않다.
도 2에 도시된 Meander Line 구조를 이용하는 경우에도 PIFA 안테나와 유사한 특성을 나타낸다.
즉, 종래에는 다중 대역의 소형 안테나를 구성하기 위하여 PIFA와 Meander Line 구조를 사용하며, 단일 대역 특성을 갖는 여러 개의 안테나를 조합해서 사용한다. 그러나 이러한 구조를 다중 공진으로 구성하는 경우 안테나의 복사효율이 급 격히 저하되는 단점을 가지므로, 3중 공진 이상의 다중 공진 안테나로 사용하기에는 안테나 성능에 문제가 발생할 수 있다.
적층형 패치 안테나 구조를 이용한 다중 공진 안테나는 서로 다른 크기의 패치 복사소자를 위 아래 방향으로 배열하여 사용하는 구조로서, 안테나 크기가 커지는 단점을 가지며, 구조적인 한계로 인하여 3중 공진 이상의 다중 대역 안테나로 사용하기에는 적합하지 않다.
도 3 및 도 4는 종래의 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 일 실시예의 정면도 및 측면도를 도시한 도면이고, 도 5는 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 반사손실 특성을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 힐버트 격자구조 모노폴 안테나는 다중 대역 주파수 특성을 구현할 수 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 공진 주파수 대역이 좁게 형성되는 단점을 가지며, 안테나를 소형화하는 경우 각각의 공진 주파수 대역이 더욱 좁아지게 되고 안테나 효율도 낮아진다. 또한 사용하고자 하는 특정 주파수 대역에 맞추어 안테나를 설계하는 데에도 기술적인 한계가 존재한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다중 주파수 대역에서 사용 가능한 광대역, 고효율의 안테나를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 일 실시예는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 앞면에 위치하고, 십자가 모양 및 빗살무늬 모양 중 적어도 하나의 프랙탈 격자 구조로 배열된 프랙탈 복사소자; 상기 유전체 기판의 앞면에 위치하고, 상기 프랙탈 복사소자에 급전하는 급전부; 및 상기 유전체 기판의 뒷면 중 상기 급전부와 대응되는 위치에 존재하는 그라운드;를 포함한다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나에 대해 상세히 설명한다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 일 실시예의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도 8은 도 6에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나는 유전체 기판(600), 그라운드(610), 급전부(620) 및 프랙탈 복사소자(630)로 구성된다.
유전체 기판(600)은 용이하게 구할 수 있는 재질의 마이크로스트립 기판(예를 들어, RF4 또는 굴곡성이 우수한 얇은 필름 형태)이다. 그라운드(610)는 유전체 기판(600)의 뒷면에 위치한다. 급전부(620)는 프랙탈 복사소자(630)에 급전을 하기 위한 급전 선로로 구성되며, 급전 선로는 유전체 기판(600)의 앞면에 위치한다. 급전부(620)가 위치한 유전체 기판(600)의 뒷면에는 그라운드(610)가 위치하며, 프랙탈 복사소자(630)가 위치한 유전체 기판(600)의 뒷면에는 그라운드(610)가 존재하지 아니한다.
도 6 및 도 8을 참조하면, 프랙탈 복사소자(630)는 십자가 모양의 프랙탈 격자 구조를 8각형 모양으로 배열한 모양이다. 프랙탈 복사소자의 전체 크기는 40x40mm 이내의 초소형으로 구현될 수 있으며, 유전체 기판(600)의 후면에 부착되는 그라운드(610)는 복사소자가 장착되는 통신 장비(휴대폰 또는 통신 단말 등)에 도체로 구성된 외부 케이스를 형상화한 것이다.
본 발명은 십자가 모양(도 6 내지 도 18 참조), 빗살무늬(도 18 및 도 19 참조)의 프랙탈 격자 무늬를 차원 분할하고 이를 다시 배열하는 구조의 복사소자를 사용함으로써 다중 주파수 대역 및 광대역 특성을 갖는 안테나를 구현한다. 또한 본 발명은 차원 분할된 프랙탈 격자 무늬와 배열 구조를 다시 변형하여 안테나 복사효율 및 광대역 특성을 향상시킨다.
일반적인 프랙탈의 차원 분할 구조 형태를 사용하지 않고 변형된 구조를 사용하는 이유는 단위 면적당 안테나의 구성 선로의 길이를 확장하여 안테나를 소형화하고, 안테나를 주파수 파장 대비 초소형화했을 경우 발생할 수 있는 안테나 복사효율을 극대화시키기 위한 것이다.
도 9 내지 도 23에 도시된 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예들은 모두 유전체 기판, 그라운드, 급전부 및 프랙탈 복사소자로 구성되며, 프랙탈 복사소자의 모양을 제외한 나머지 구성들의 기능 및 작용은 도 6에서 설명한 구성과 동일하므로 각 실시예에서 프랙탈 복사소자를 제외한 나머지 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 9는 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 10은 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 프랙탈 복사소자(900)는 도 6에 도시된 프랙탈 복사소자(630)와 같은 모양의 제1 프랙탈 복사소자(910)의 크기를 축소한 제2 플랙탈 복사소자(920)를 제1 프랙탈 복사소자(910) 안에 배치하고, 제2 프랙탈 복사소자(920)보다 크기가 더 작은 제3 프랙탈 복사소자(930)를 제2 프랙탈 복사소자(920)안에 배치한 3중 구조이다. 즉, 도 9의 실시예에 따른 프랙탈 복사소자(900)는 도 6에 도시된 기본 프랙탈 복사소자(630)의 크기를 여러 단위로 축소하여 겹겹히 배치한 구조이다. 프랙탈 복사소자(900)는 도 9 및 도 10에 도시된 3중 구조 외에 2중 구조 및 4중 구조 이상의 구조로 생성될 수 있음은 물론이다. 3중 구조를 구성하는 각 프랙탈 복사소자(910,920,930)는 하나의 급전선로로 연결된다.
도 11는 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 12은 도 11에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 도 11의 실시예에 따른 프랙탈 복사소자는 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자의 변형된 형태이다. 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자는 완전한 폐루프 형태이지만, 본 실시예의 프랙탈 복사소자는 급전부가 위치한 부분(1110)이 개방된 형태이다. 본 실시예에서는 급전부가 위치한 부분(1110)이 개방된 예를 들었으나, 개방된 부분은 급전부가 위치한 곳 이외의 다른 부분이 될 수 있음은 물론이다.
도 13은 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 14는 도 13에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 도 13의 실시예에 따른 프랙탈 복사소자(1300)는 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자(900)의 변형된 형태이다. 본 실시예는 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자에 "ㄱ"자 모양(1310)으로 4 방향에 각각 십자가 모양의 프랙탈 격자구조를 추가 부착한 형태이다. 추가된 "ㄱ"자 모양(1310)은 폐루프를 형성하지 아니한다.
도 15는 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 16은 도 15에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 도 15의 실시예에 따른 프랙탈 복사소자(1500)는 도 13에 도시된 프랙탈 복사소자(1300)에서 "ㄱ"자로 추가된 프랙탈 격자 구조(1310)를 완전한 폐루프 형태(1510)로 구성한 형태이다.
도 17은 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 18은 도 17에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 도 17의 실시예에 따른 프랙탈 복사소자(1700)는 십자가 모양의 프랙탈 격자 구조를 체크 무늬로 배열한 형태이다.
도 19는 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 20은 도 19에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 도 19의 실시예에 따른 프랙탈 복사소자(1900)는 빗살무늬 모양과 십자가 모양의 프랙탈 격자 구조를 함께 이용하여 체크 무늬 형태로 배열한 형태이다. 체크무늬의 선과 선이 만나는 부분(1920)은 십자가 모양의 프랙탈 격자구조를 적용하고, 그 이외의 부분(1910)은 빗살무늬 모양의 프랙탈 격자구조를 적용한다. 이와 달리 선과 선이 만나는 부분은 빗살무늬 모양의 프랙탈 격자 구조를 적용하고, 그 외의 부분은 십자가 모양의 프랙탈 격자구조를 적용할 수 있으며, 이 외의 변형도 가능함은 물론이다.
도 21은 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 다른 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 22는 도 21에 도시된 프랙탈 복사소자의 상세 구성을 도시한 도면이고, 도 23은 도 21에 도시된 프랙탈 복사소자의 단위 소자를 도시한 도면이다.
도 21 내지 도 23을 참조하면, 본 실시예에 따른 프랙탈 복사소자(2100)는 십자가 모양의 프랙탈 격자소자를 체크 무늬 형태로 배열한 구조에서, 체크무늬 중간 부분(즉, 프랙탈 격자 구조가 배열되지 않은 체크 무늬 중간 중간의 빈 공간)(2110)에 또 다른 십자가 모양의 프랙탈 격자 구조를 삽입하고, 중간에 삽입된 프랙탈 격자 구조를 체크 무늬로 배열된 프랙탈 격자구조와 4방향 면이 연결되도록 배치한 형태이다.
도 24 내지 도 26은 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 전기적 특성을 도시한 도면이다.
도 24는 800~3000MHz 대역에서 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 반사손실 특성을 도시한 도면이고, 도 25는 800~3000MHz 대역에서 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 이득 특성을 도시한 도면이고, 도 26은 20~1600MHz 대역에서 본 발명에 따른 다중공진 광대역 안테나의 이득 특성을 도시한 도면이다.
도 24 내지 도 26을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 안테나의 각 실시예들은 약 100MHz 이상의 대역에서 통신 휴대 단말에 내장 가능한 초소형 안테나로 구현가능한 전기적 특성을 나타냄을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
종래 프랙탈 안테나의 경우 차원 분할을 할 때 정수 배로 크기가 작아지거나 커지는 구조를 배열함으로써 면적당 복사소자의 크기를 극대화하지 못하는 단점이 있었으나, 본 발명의 프랙탈 안테나는 종래의 프랙탈 안테나의 모양을 변형하여 배열함으로써 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 극대화하고 이를 통한 안테나 복사효율을 증가시켰으며, 주파수 파장대비 소형화된 안테나를 구현한다.

Claims (6)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 앞면에 위치하고, 십자가 모양 및 빗살무늬 모양 중 적어도 하나의 프랙탈 격자 구조로 배열된 프랙탈 복사소자;
    상기 유전체 기판의 앞면에 위치하고, 상기 프랙탈 복사소자에 급전하는 급전부; 및
    상기 유전체 기판의 뒷면 중 상기 급전부와 대응되는 위치에 존재하는 그라운드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중공진 광대역 안테나.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 프랙탈 복사소자는,
    상기 프랙탈 격자 구조가 8각형 모양으로 배열된 기본 구조가 적어도 하나 이상이 배열되는 것을 특징으로 하는 다중공진 광대역 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 프랙탈 복사소자는 상기 8각형 모양의 일부영역이 개방된 것을 특징으로 하는 다중공진 광대역 안테나.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 프랙탈 복사소자는,
    상기 8각형 모양의 4개의 꼭짓점에 각각 "ㄱ"자 모양의 프랙탈 격자구조가 추가되고, 상기 추가된 "ㄱ"자 모양의 프랙탈 격자구조의 끝 부분은 개방 또는 폐루프가 형성되며, 상기 "ㄱ"자 모양의 프랙탈 격자구조가 추가된 전체 외형은 사각형인 것을 특징으로 하는 다중공진 광대역 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 프랙탈 격자 구조가 체크무늬 모양으로 배열되는 것을 특징으로 하는 다중공진 광대역 안테나.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 프랙탈 복사소자는,
    상기 체크무늬의 선과 선이 만나는 영역에는 십자가 모양의 프랙탈 격자 구조가 배열되고, 상기 영역을 제외한 나머지 영역에는 빗살무늬 모양의 프랙탈 격자 구조가 배열되는 것을 특징으로 하는 다중공진 광대역 안테나.
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