KR100920012B1 - 위상제어 루프안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상제어형 루프안테나에 관한 것으로서, 유전체기판상에 에칭기법이나 프린트기법으로 루프안테나용 동박패턴을 제작함에 있어, 루프에서 발생하는 전자계가 서로 동위상이 되게 배치하여, 기존의 루프코일 안테나에서 발생하는 전자계가 서로 충돌하여 원만한 방사가 되지않는 것에 비해, 본 발명에서 구현하는 위상제어형 루프코일에서는 각 루프코일이 서로 동위상으로 배치되어 전자계가 원만하게 방사되어, 방사 손실이 없고 방사 효율이 뛰어나게 된다. 또한 복수 개의 각 루프코일의 길이를 서로 달리함으로 인해, 각 루프코일의 길이가 달라짐에 따라 공진주파수가 달라지고, 이러한 공진점이 다른 루프코일을 밀결합 시킴으로 인해 공진주파수 대역을 넓게 할 수 있고, 원하는 대역만큼 조절할 수가 있게 된다

위상제어, 루프안테나, 유전체기판, 박막, 에칭, 프린팅

Description

위상제어 루프안테나{Phase Controlled Loop Antenna}

본 발명은 루프코일을 이용한 루프안테나에 관한 것으로, 특히 루프코일의 배치를 적절하게 함으로 인해 각 루프코일에서 발생하는 전자계의 방사의 흐름을 원활하게 하여 효율 높은 루프안테나를 구현하는 방법에 관한 것이다.

최근에 무선통신기에 사용되는 통신기의 크기가 소형화되고 경량화되어 이동용으로 사용이 급증하고 있는 가운데, 안테나의 크기는 사용주파수의 파장에 비례하는 관계로 크기의 소형화가 곤란한 단점이 있다. 이 때문에 지상파 DMB용의 안테나의 경우에는 안테나를 통신기 단말기의 외부에 부착하여 이동성 및 취급성이 나쁘고, 외관상 디자인이 매끄럽지 못하며 단말기의 외관 디자인에 한계가 있는 등의 문제점이 있다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 루프안테나를 사용하는 경우가 있으나, 루프안테나의 경우에는 루프의 코일성분인 인덕턴스와 콘덴서 성분을 이용하여 공진특성을 얻게 되는데 이때에는 공진점이 샤프하여 공진대역폭이 좁고, 게인이 낮은 단 점이 있다.

이러한 이유는 루프코일의 배치방식에서 그 원인을 찾을 수가 있는데, 도 1에서 나타난 루프코일에서 루프코일의 단면을 AA'와 같이 자르면 도 2a 및 도 2b와 같이 루프코일에서 패턴의 전류방향을 알 수가 있다. 도 2a와 같은 루프코일의 전류방향에서는 플레밍의 법칙에서 알 수가 있듯이 전류가 나갈 때는 전계가 방사되고, 자계는 시계 방향으로 회전하게 된다. 이때 모든 루프코일의 방향이 모두 전류가 나가는 방향으로 향하게 되어 이때 각 루프에서 나오는 전계가 서로 인접한 루프에서 나오는 전계와 서로 부딪쳐 충돌하게 된다.

또한, 도 2b와 같이 서로 같은 방향으로 향하는 루프들에서 나오는 자계는 모두 시계 방향으로 회전하게 되는데 이때 인접한 루프에서 나오는 자계들이 서로 부딪치게 되어 충돌이 발생한다. 이러한 현상으로 인해 복수 개의 루프를 인접시켜 놓은 경우에는 각 루프에서 나오는 전계와 자계가 서로 충돌하여 원만한 방사가 일어나지 않아 전파방사 효율이 떨어지게 된다.

이 때문에 루프안테나의 특성은 방사 효율이 떨어지며 안테나의 삽입손실이 나빠 매칭에 손실이 많이 발생한다. 또한 루프안테나의 특성을 개선하거나 특정한 주파수에 맞추기 위하여 콘덴서를 부착하여 공진특성을 이용하는 경우도 있는데, 이때에는 공진점이 샤프하게 되어 사용주파수의 범위가 매우 좁아 지상파 DMB나 TV 등 광대역 통신기의 안테나로는 부적합한 특성을 가지게 된다.

본 발명은 상기 종래의 루프코일 배치 방식에서 문제가 되는 전자계 방사 효율의 저하를 막고, 루프코일의 배치를 위상제어 함으로 인해 고효율의 전자계 방사특성을 얻고, 루프코일들의 길이를 서로 조금씩 달리함으로 여러 개의 주파수에서 공진되게하여 대역폭을 넓혀 통신 대역이 넓은 TV나 지상파 DMB 등 광대역 통신기의 안테나로 사용하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유전체기판 위에 에칭 혹은 패턴인쇄 방법으로 동박패턴을 루프패턴의 길이를 λ/4 주기로 인근 루프패턴의 방향을 역방향으로 배치하여 위상을 제어할 수 있게 형성하여 전자계의 방사특성을 개선하고, 루프패턴의 숫자를 복수 개로 하여 각 루프패턴의 길이를 다르게 하면서, 각 루프코일이 밀결합 특성을 갖게 하여 공진점이 복수 개로 되면서 밀결합 공진특성을 가지게 하여 광대역 안테나로서 특성을 가지게 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 루프안테나 패턴의 형성방법은 인근 루프패턴의 방향을 루프패턴의 길이를 λ/4 주기로 서로 역방향으로 조절함으로 인근 하는 루프코일 간의 전자계가 동위상으로 형성되어 전자계의 방사특성효율을 높이고 각 루프코일의 길이를 서로 다르게 하여 공진주파수를 다르게 하고 그 간격을 조절하여 밀결합 특성을 얻어 광대역 특성을 얻을수 있는 효과가 있다.

또한, 이러한 루프코일을 유전체기판 위에 동박을 에칭하여 형성하거나, 얇은 필름이나 종이 위에 도전성 잉크를 사용한 프린팅 기법으로 루프패턴을 제작할 수가 있어, 공정이 단순하고 제조가 손쉬운 효과가 있다.

본 발명의 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 3에서와 같이 유전체기판(30) 위에 동박으로 루프패턴을 구현하는데, 사용주파수의 λ/4 길이의 각 루프패턴(31, 32)을 간격 d로 서로 밀착하여 λ/2 길이의 하나의 루프로 형성하고, 상기 루프패턴 중간에 절곡점을 두어 방향을 전환하여 루프의 끝점이 루프의 시작점 근처로 오게 유전체기판(30)의 바깥 주위로 형성한다. 이렇게 구현한 상기 루프패턴을 1차 루프패턴(31, 32)이라고 칭하고, 상기 1차 루프패턴과 간격 d 보다 큰 간격 dd를 두고 상기 1차 패턴과 동일한 방향으로 근접시켜 사용주파수의 λ/4 길이의 각 루프패턴(33, 34)를 이용하여 사용주파수의 λ/2 길이의 2차 루프패턴(33, 34)를 형성한다. 이때 각 차수의 루프패턴의 길이는 사용하는 기본주파수의 λ/2 근처로 정해진다.

상기 방법으로 루프패턴을 형성하게 되면 급전점에 연결된 1차 루프패턴의 처음 반의 루프패턴(31)을 중심으로 밖으로 방사되는 모양으로 방사되며, 처음 반의 루프패턴(31)과 간격 d를 가지고 대칭이 나머지 반의 루프패턴(32)에서는 위상이 90도 반대가 되므로 인해 루프패턴(32)을 중심으로 전계가 들어오는 모양으로 방사된다. 이러한 λ/2 길이의 하나의 루프패턴(31, 32)이 인접하게 되면 λ/4 길이의 처음 반의 루프패턴(31)에서는 나가는 전계와, λ/4 길이의 나머지 반의 루프패턴(32)에서는 들어오는 전계가 서로 하나의 그룹으로 형성되어, 나가는 전계와 들어오는 전계가 조화롭게 자연스러운 그룹이 형성된다. 또 다음의 2차 루프패턴은 1차 루프패턴사이의 간격 d 보다 큰 간격 dd를 가지고 형성되는데, 2차 루프패턴은 상기 1차 루프패턴과 180도 위상차이를 가지게 되므로 인해, 2차 루프패턴의 λ/4 길이의 처음 반의 루프패턴(33)에서 발생되는 전계는 들어오는 모양으로 방사되고 2차 루프패턴의 λ/4 길이의 나머지 반의 루프패턴(34)에서 발생되는 전계는 나가는 모양으로 방사되어 두 루프패턴들(33, 34) 사이에서 발생되는 전계는 조화롭게 하나의 방향으로 나가게 된다.

자계의 방사 흐름도 이와 같이 동위상으로 형성되는데, 도 3에서 절단된 BB'을 단면으로 나타낸 자계의 흐름이 도 4b에 나타나 있다. 유전체기판(30) 위에 에칭된 한 쌍의 루프패턴인 1차 루프패턴(31, 32)의 간격 d를 유지하면서 배치되어 있고, 상기 1차 루프패턴의 처음 반의 루프패턴(31)에서 방사되는 자계의 방향은 시계 방향으로 형성된다. 이때 밀접한 간격 d를 유지하면서 상기 1차 루프패턴의 나머지 반의 루프패턴(32)에서 방사되는 자계의 형태는 반시계 방향으로 상기 1차 루프패턴의 처음 반의 루프패턴에서 방사되는 자계 방향과 정반대로 형성되는데, 이 경우 인근 간격 d에서는 두 개의 자계들이 서로 같이 밑으로 동일한 방향으로 향하게 되어 동위상이 되어 자연스럽게 아래 방향으로 조화롭게 흐르게 된다. 또한 간격 dd의 간격을 가지고 형성되어 있는 2차 루프패턴(33, 34)도 처음 반의 루프패턴(33)에서 방사되는 자계의 방향은 시계 방향으로 형성된다. 이때 다시 밀접한 간격 d를 유지하면서 2차 루프패턴의 나머지 반의 루프패턴(34)에서 방사되는 자계의 형태는 반시계 방향으로 상기 인근의 2차 루프패턴의 처음 반의 루프패턴(33)에서 방사되는 자계의 방향 방향과 정반대로 형성되는데, 이 경우 두 루프패턴 사이의 간격 d에서는 두 개의 자계들이 서로 같이 밑으로 동일한 방향으로 향하게 되어 동위상이 되어 자연스럽게 조화롭게 흐르게 된다. 1차 루프패턴(31, 32)과 2차 루프패턴(33, 34)과는 간격 dd가 있어 이 dd를 d 보다 충분히 크게 유지함으로 인해 1차 루프패턴(31, 32)과 다음의 2차 루프패턴(33, 34)은 서로 영향을 주지 않게 조절한다.

루프패턴을 안테나로서 특성을 가지게 하기 위해서는 루프패턴의 길이와 파장과의 상관관계를 정의해야 하는데, 도 5에서 유전체기판(30) 위에 4차의 루프패턴을 직선으로 형성시키고, 첫 번째 루프의 길이를 L1과 L2로 나타내고, 두 번째 루프패턴을 L3와 L4, 세 번째의 루프패턴을 L5, L6으로 네 번째 루프패턴을 L7, L8로 나타내어, 안테나의 공진특성을 살펴보면 각 L의 길이가 공진주파수의 λ/4 로 일치하고 각 차수의 한 조의 루프패턴의 합계 길이는 사용주파수의 λ/2 가 됨을 알수가 있어, 식 L=β(λ/4)로 나타낼 수가 있다.

이렇게 하여 루프안테나 루프패턴의 길이와 공진주파수와의 관계데이터를 표 1과 같이 나타낼 수가 있다.

안테나의 루프코일 길이와 공진주파수와의 관계

루프코일 길이 L(mm)	100	200	300	400	500
공진주파수(MHz)	761	384	265	199	159

이 표 1에서 알 수가 있듯이 루프패턴의 길이가 길면 공진주파수가 낮아지고, 루프패턴의 길이가 짧아지면 공진주파수가 높아지는 것을 알 수가 있다. 여기서 루프패턴의 길이 L을 100mm~500mm까지 변화시켜 얻어지는 공진주파수는 761MHz~159MHz로 변화됨을 알 수가 있다. 이때 β는 결합계수로서 유전체기판의 두께와 유전율, 루프패턴의 간격 d와 다음 루프패턴 간의 간격 dd와의 상호결합에 의하여 구해진다.

이렇게 직선의 루프패턴을 형성시킬 경우에는 서로 공진점이 일치하여 광대역 특성을 얻기가 곤란하나, 도 3이나 도 6과 같이 직선의 모양이 아닌 둥글게 혹은 삼각형, 사각형 등의 모양으로 변형하게 되면 각 루프패턴의 길이가 서로 다르게 된다. 즉 도 5와 같은 직선의 루프패턴에서는 L1=L2=L3=L4 로 되나, 도 3과 도 6과 같이 루프패턴을 변형시켜 패턴을 형성시킨 경우에는 L1>L2>L3>L4 의 형태로 변하게 되어 내부로 갈수록 길이가 줄어들게 되어, 공진주파수가 서로 다르게 된다. 즉 가장 바깥쪽의 1차 루프패턴인 L1 및 L2가 형성하는 공진주파수는 그 길이에 맞게 낮은 주파수에서 형성이 되고, 2차 루프패턴인 L3 및 L4, 3차 루프패턴인 L5와 L6, 4차 루프패턴인 L7과 L8 등 안으로 들어가는 루프일수록 공진주파수가 높게 된다. 이러한 서로 다른 공진주파수들을 서로 밀결합 시키게 되면 서로 다른 인근의 공진주파수들이 결합하여 광대역 특성을 가지게 된다.

이 길이가 서로 다른 루프패턴을 이용한 밀결합 효과의 광대역 특성을 표 2에서 확인할 수가 있다. 여기서 t=0.4mm이고 사이즈가 20×20mm 인 유전체기판 위에 에칭기법으로 루프패턴을 형성시켜, w=0.7mm, d=0.01mm, dd=0.06mm로 하고, L을 75mm로 하여 감은 루프 차수 N의 변화에 따른 대역폭 변화 및 그때의 S11 변화 데이터이다.

여기서 루프차수 N이 많을수록 밀결합 효과에 의한 대역폭이 넓어짐을 확인할 수가 있으며, 특히 감은 루프차수 N이 짝수인 경우의 대역폭이 넓으며 S11이 좋아지는 것을 확인할 수가 있다.

이러한 밀결합 특성을 얻기 위하여 루프패턴의 폭 w와 각 루프 간의 루프패턴 간격 d와 루프패턴들 간의 간격 dd를 적절하게 조절할 필요가 있는데, 하나의 루프 간격인 d는 가능한 밀착을 시켜 결합도를 높여 전자계 흐름을 원활하게 하고, 루프패턴들 간의 간격인 dd는 전자계의 흐름이 서로 방해받지 않게 가능한 한 멀리 띄운다. 이렇게 루프패턴을 배치함으로 인해 각 루프패턴에서 발생하는 전자계가 서로 동위상으로 되고, 각 루프패턴에서 공진하는 공진점이 밀결합 특성을 갖게 되어 대역폭이 넓은 안테나를 형성하게 된다. 대역폭을 늘리기 위해서는 루프패턴의 턴수를 늘리고 결합도를 조정하여 원하는 대역폭과 방사 효율을 설정할 수가 있게 된다.

기존의 루프안테나와 상기 기법을 이용하여 위상제어 루프안테나를 설계하고, 시뮬레이션 한 결과 다음과 같은 특성을 얻어 비교한다.

도 7과 같이 기존의 루프안테나를 유전체기판 위에 형성하고 시뮬레이션하면 도 8 및 도 9와 같이 방사되는 전자계가 서로 인접한 루프패턴에서 방사되는 전자계와 서로 영향을 받아 서로 뭉쳐 하나의 그룹을 형성하고 효율적인 방사가 되지 못하는 것을 확인할 수가 있다.

이와 반해 상기 기법을 이용하여 도 10과 같이 위상제어 루프안테나를 제작하였다. 사용한 유전체기판은 기판 두께가 0.4mm, 비유전율이 2.5, 크기가 20mm×20mm 위에 폭 w=0.7mm, 인접 패턴의 간격 d=0.01mm, 그룹 패턴 간격 dd=0.06mm 로 제작하여 시뮬레이션을 하였다. 이 위상제어 루프안테나를 시뮬레이션하면 반사특성은 도 11과 같이 원하는 800MHz 대역에서 -10dB 이하로 내려가는 것을 알 수가 있으며, 그 대역도 80MHz 이상 얻어지는 것을 확인할 수가 있다. 또한 전계 및 자계의 방사 특성도 각 루프 패턴에서 나오는 전자계가 서로 뭉치지 않고, 인접한 패턴에서는 서로 전자계가 동위상이 되어 하나의 쌍을 이루어 원활하게 방사되는 것을 도 12 및 도 13에서 확인할 수가 있으며, 이러한 인접한 패턴의 쌍들의 루프에서 방사되는 전자계가 dd 간격에서 서로 원활하게 흐르는 것을 도 12 및 도 13에서 확인할 수가 있으며, 최종적으로 얻어지는 안테나 패턴(Far-Field)에서 게인이 +1dBi 이상 얻어지는 것을 도 14에서 확인할 수가 있다.

도 1은 종래의 루프안테나의 코일 배치방식

도 2a, 도 2b는 종래 루프안테나 코일에서의 전자계 방사 이미지

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 루프 안테나의 패턴 배치 방식

도 4a, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 루프안테나의 전자계 방사 이미지

도 5는 본 발명의 실시 예에서 직선 루프안테나

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 여러 가지 형태의 루프코일 배치도

도 7은 기존 방식의 루프안테나 패턴

도 8은 기존 방식의 루프안테나에서의 전계 방사특성

도 9는 기존 방식의 루프안테나에서의 자계 방사특성

도 10은 본 발명의 위상제어 루프안테나의 패턴

도 11은 본 발명의 위상제어 루프안테나의 S11 특성

도 12는 본 발명의 위상제어 루프안테나의 전계 방사특성

도 13은 본 발명의 위상제어 루프안테나의 자계 방사특성

도 14는 본 발명의 위상제어 루프안테나의 안테나 방사특성(Far-Field)

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

30: 유전체기판 혹은 박막 필름,

31: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 1차 루프패턴의 절반으로서 급전점과 연결된 패턴,

32: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 1차 루프패턴의 나머지 절반,

33: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 2차 루프패턴의 절반,

34: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 2차 루프패턴의 나머지 절반,

35: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 3차 루프패턴의 절반,

36: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 3차 루프패턴의 나머지 절반,

37: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 4차 루프패턴의 절반,

38: 유전체기판 혹은 박막 필름 위에 에칭 혹은 프린팅 된 4차 루프패턴의 나머지 절반

Claims (10)

1. 위상제어형 루프 안테나에 있어서,

   일정모양의 유전체기판 혹은 유전체필름에 간격 d 를 가지고 나란히 두선으로 밀착되어 이루어진 1차 루프패턴;

   간격 d 를 가지고 나란히 두선으로 밀착되며, 1차 루프패턴과 간격 dd 를 가지고 이루어진 2차 루프패턴;

   상기 1차 및 2차 루프패턴의 길이는 동작주파수의 기본주파수의 λ/2 에 상응하는 것을 기본으로 하는 루프패턴;

   상기 1차와 2차 사이의 간격 dd 는 상기 1차 및 2차 루프패턴의 간격 d 보다 크고,

   상기 1차 루프패턴의 일측은 급전부에 연결되고 타측은 2차 루프패턴의 일측에 연결되며, 2차 루프패턴의 타측은 접지부와 연결되는 패턴

   을 포함하는 위상제어형 루프 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 및 2차 루프패턴 선로에는 1개 혹은 2개 이상의 절곡점을 형성하여 1개 혹은 2개 이상의 방향으로 절곡되어, 절곡된 루프패턴이 특정한 모양으로 구현하는 것을 특징으로 하는 위상제어형 루프 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   루프패턴의 차수를 늘리기 위하여 상기 1차와 2차 루프패턴을 한 조로 하고, 상기 1차와 2차 루프패턴과 동일한 형상을 갖는 3차와 4차, 5차와 6차, 그 이상의 복수개의 조를 형성하고, 각 차수의 루프패턴의 일측은 그전차수 루프패턴의 타측과 연결하고 각 차수의 타측은 그다음 차수의 일측과 연결하며, 최종차수의 타측은 접지부와 연결하는 것을 특징으로 하는 위상제어형 루프 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 혹은 2차 루프패턴의 재료는,

   도체인 것을 특징으로 하는 위상제어형 루프 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 유전체 기판은 통신용 회로기판이고, 상기 위상제어 루프 안테나는 회로기판을 연장한 기판 위에 형성하는 것을 특징으로 하는 위상제어형 루프 안테나.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 1차 및 2차 루프패턴(31, 32, 33, 34)에서 루프모양을 정사각형(□) 및 직사각형(

   

   ), 원형(○), 타원형(O), 삼각형(△), 마름모(◇), 별모양(☆) 으로 형성하는 것을 특징으로 하는 위상제어형 루프 안테나.
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