KR100921493B1 - 다중 공진 광대역 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 공진 광대역 안테나에 관한 것으로, 본 발명에 따른 다중 공진 광대역 안테나는 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조를 차원 분할하여 2 암 스파이럴 형태로 배열함으로써 광대역, 고효율의 초소형 안테나를 구현할 수 있다.
스파이럴, 안테나, 프랙탈

Description

다중 공진 광대역 안테나{Multi resonant broadband antenna}
본 발명은 다중 공진 광대역 안테나에 관한 것으로, 더 상세하게는 더 상세하게는 프랙탈 구조를 이용한 다중공진 광대역 안테나에 관한 것이다.
현재 주로 사용되고 있는 다중 대역 안테나로는 도 1에 도시된 PIFA(Planner Inverted F Antenna), 도 2에 도시된 Meander Line 구조의 안테나와 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 나누어진다. 단락부(14)는 안테나의 복사 소자(12) 부분에서 그라운드(11)로 단락시켜주는 역할을 하며, 급전부(13)와 단락부(14) 사이의 거리와 형태 등에 따라 상이한 공진 특성을 나타낸다. 이러한 PIFA(10)에서 다중 공진 특성을 구현하기 위해서는, 안테나 상면의 복사 소자(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 복사 효율의 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 공진 특성을 나타내도록 구성하는 경우 안테나의 복사 효율이 급격히 저하되는 단점을 가지므로, 3중 공진 이상의 다중 공진 안테나로 사용하기에는 안테나 성능에 문제가 발생할 수 있다.
또한, 적층형 패치 안테나 구조를 이용한 다중 공진 안테나는 서로 다른 크기의 패치 복사 소자를 위 아래 방향으로 배열하여 사용하는 구조로서, 안테나 크기가 커지는 단점을 가지며, 구조적인 한계로 인하여 전술한 PIFA와 Meander Line 구조와 마찬가지로 3중 공진 이상의 다중 대역 안테나로 사용하기에는 적합하지 않다.
도 3 및 도 4는 종래의 힐버트 격자구조 모노 폴 안테나의 일 실시 예의 정면도 및 측면도이고, 도 5는 힐버트 격자구조 모노 폴 안테나의 반사손실 특성을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 힐버트 격자구조 모노 폴 안테나는 다중 대역 주파수 특성을 구현할 수 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 공진 주파수 대역이 좁 게 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 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다중 주파수 대역과 광대역 특성을 갖는 초소형 안테나를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 다중 공진 광대역 안테나는 제1 유전체 기판; 상기 제1 유전체 기판의 상면에 위치하는 급전부; 상기 제1 유전체 기판의 하면 중 상기 급전부와 대응되는 위치에 존재하는 그라운드; 상기 급전부의 상면에 적층된 제2 유전체 기판; 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조가 차원 분할되어 상기 제2 유전체 기판의 상면에 배열된 제1 프랙탈 복사 소자; 상기 제1 프랙탈 복사 소자의 상면에 적층된 제3 유전체 기판; 및상기 제3 유전체 기판의 상면에 배열되고, 상기 제1 프랙탈 복사 소자와 동일한 형태의 제2 프랙탈 복사 소자를 포함하고, 상기 제1 프랙탈 복사 소자는 2암 스파이럴 형태의 제1 암이고, 상기 제2 프랙탈 복사 소자는 상기 2암 스파이럴 형태의 제2 암인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 및 개선 사항은 종속항에 개시된다.
본 발명에 따른 다중 공진 광대역 안테나는 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조를 차원 분할하여 2 암 스파이럴 형태로 배열함으로써 광대역, 고효율의 초소형 안테나를 구현할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 6 내지 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 양면 유전체 기판을 이용한 다중 공진 광대역 안테나의 측면도이고, 도 7은 양면 유전체 기판을 이용한 다중 공진 광대역 안테나의 투시도이고, 도 8은 양면 유전체 기판을 이용한 다중 공진 광대역 안테나 중에서 프랙탈 복사 소자의 확대도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다중공진 광대역 안테나는 유전체 기판(600), 그라운드(610), 급전부(620) 및 프랙탈 복사 소자(630)를 포함한다.
유전체 기판(600)은 마이크로스트립 기판, 예를 들면 RF4 또는 굴곡성이 우수한 얇은 필름 형태이다. 유전체 기판(600)은 양면 또는 단면 유전체 기판을 사용할 수 있으며, 바람직하게, 구부러짐 또는 유연성이 우수한 박막형 필름타입의 양면 유전체 기판을 사용한다.
그라운드(610)는 유전체 기판(600)의 뒷면에 위치한다. 또한, 그라운드(610)는 프랙탈 복사 소자(630)에 급전하기 위한 급전부(620)의 그라운드 기준면, 즉 급전 선로의 임피던스 결정을 위한 기준면으로 이용한다.
급전부(620)는 프랙탈 복사 소자(630)에 전력을 공급하기 위한 급전 선로로 구성되며, 급전 선로는 유전체 기판(600)의 앞면에 위치한다. 급전부(620)에 대응하는 유전체 기판(600)의 뒷면에는 그라운드(610)가 위치하며, 프랙탈 복사 소자(630)가 위치한 유전체 기판(600)의 뒷면에는 그라운드(610)가 존재하지 않는다.
도 7을 참조하면, 프랙탈 복사 소자(730)는 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조가 6각형의 별 모양의 형태로 배열한 것이다. 여기서는 6각형의 별 모양의 폐 루프로 배열하고, 다시 이중으로 폐 루프를 배열하였으나, 사각형 또는 원형 등의 모양으로 배열하여 구성할 수 있음은 물론이다. 여기서, 프랙탈(fractal)이란 작은 구조가 전체 구조와 비슷한 형태로 끝없이 되풀이되는 구조를 의미한다. 즉, 부분과 전체가 똑같은 모양을 하고 있다는 "자기 유사성(self-similarity)"과 "순환성(recursiveness)"이라는 속성을 가지는 기하학적 구조이다.
프랙탈 복사 소자(730)의 전체 크기는 40x40mm 이내의 초소형으로 구현될 수 있으며, 유전체 기판(700)의 후면에 부착되는 그라운드(710)는 안테나가 장착되는 통신 장비, 예를 들면 휴대폰 또는 통신 단말 등에 도체로 구성된 외부 케이스를 형상화한 것이다.
도 8을 참조하면, 급전부(810)가 프랙탈 복사 소자(800)에 급전하는 것을 도시하고 있으며, 하나의 급전선로(820 및 830)를 통해서 바깥의 프랙탈 복사 소자와 안쪽의 프랙탈 복사 소자에 각각 급전할 수 있는 구조이다.
도 9 내지 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 하나의 유전체 기판을 더 적층한 다중 공진 광대역 안테나의 측면도이고, 도 10은 유전체 기판을 적층한 다중 공진 광대역 안테나의 프랙탈 복사 소자를 도시한 도면이고, 도 11은 유전체 기판을 적층한 다중 공진 광대역 안테나의 프랙탈 복사 소자와 급전부를 도시한 도면이고, 도 12는 유전체 기판을 적층한 다중 공진 광대역 안테나의 프랙탈 복사 소자와 그라운드를 도시한 도면이고, 도 13은 유전체 기판을 적층한 다중 공진 광대역 안테나의 프랙탈 복사 소자의 확대도이다.
도 9를 참조하면, 도 6에 도시된 구조와 차이점은 제2 유전체 기판(905)을 적층하고, 그 위에 프랙탈 복사 소자(930)가 배치된 구조이다. 또한, 급전부(920)와 그라운드(910)가 프랙탈 복사 소자(930)에 급전하기 위한 제1 도체 홀(940)과 제2 도체 홀(945)을 포함하는 구성이다.
도 10을 참조하면, 제2 유전체 기판(1005) 상면에 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조를 차원 분할하여 2 암 스파이럴(spiral) 형태로 배열한 구조이다. 또한, 프랙탈 복사 소자(1030)의 중심부에 제1 및 제2 도체 홀(1040 및 1045)을 이용하여 급전하는 형태로 구성되어 있다.
도 11 및 12를 참조하면, 제2 유전체 기판(1005)의 윗면에는 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조를 차원 분할하여 2 암 스파이럴 형태로 배열한 프랙탈 복사 소자(1130 및 1230)가 존재하며, 제1 유전체 기판(1100 및 1200)의 상측과 하측에는 급전부(1120)와 그라운드(1210)가 구성된다. 급전부(1120)에서 제1 도체 홀(1140)을 이용하여 제2 유전체 기판(1105)의 상측에 존재하는 프랙탈 복사 소자(1130)에 + 급전을 인가하게 되며, 그라운드(1210)에서 제2 도체 홀(1245)을 이용하여 제2 유전체 기판(1205)의 프랙탈 복사 소자(1230)에 - 급전을 인가한다.
도 13을 참조하면, 프랙탈 복사 소자(1330)의 확대한 모양이 도시되어 있으며, 안테나 형태는 도체 홀들을 이용한 2 암 스파이럴 급전 구조를 갖게 되며, 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조가 갖는 다중 공진 특성과 스파이럴 형태 가 갖는 광대역 특성이 결합하여 우수한 특성의 다중 공진 광대역 안테나를 구현할 수 있다.
도 14 내지 19는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 2개의 유전체 기판을 더 적층하고, 2개의 프랙탈 복사 소자를 이용한 다중 공진 광대역 안테나의 측면도이고, 도 15는 제1 프랙탈 복사 소자를 도시한 도면이고, 도 16은 다중 공진 광대역 안테나의 제1 및 제2 프랙탈 복사 소자의 투시도이고, 도 17은 제1 및 제2 프랙탈 복사 소자와 급전부의 투시도이고, 도 18은 제1 및 제2 프랙탈 복사 소자와 그라운드의 투시도이고, 도 19는 제1 및 제2 프랙탈 복사 소자의 확대도이다.
도 14를 참조하면, 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조를 차원 분할하여 2 암 스파이럴 형태로 배열한 복사 소자를 나타내고 있으며, 도 9에 도시된 구조와 차이점은 2개의 유전체 기판, 즉 제2, 3 유전체 기판(1402 및 1404)을 더 적층하고, 각각의 유전체 기판들 상면에 제1, 2 프랙탈 복사 소자를 적층한 것이다.
도 15를 참조하면, 제3 유전체 기판(1504) 상면에 제1 프랙탈 소자(1430)를 배치하고, 제1 도체 홀(1540)을 통하여 급전한다. 도 10에 도시한 프랙탈 복사 소자(1030)와 차이는 1 암으로 구성한 스파이럴 형태의 프랙탈 복사 소자를 배치한 것이다.
도 16을 참조하면, 제3 유전체 기판(1604) 상면에 제1 프랙탈 복사 소자(1645)를 배치하고, 제2 유전체 기판(1602) 상면에 제2 프랙탈 복사 소자를 나누어 구성한 형태이다. 도시한 바와 같이, 2개의 스파이럴 암을 유전체 기판의 상측 면과 하측 면에 나누어 구성함으로써 프랙탈 격자 구조로 구성된 스파이럴 암과 암 간의 간격을 좁혀서 구성할 수 있어서, 하나의 유전체 기판 위에 2개의 스파이럴 암을 배치할 경우에 발생할 수 있는 프랙탈 소자들 간의 단락 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 17 및 18을 참조하면, 각각의 제1 및 제2 프랙탈 복사 소자들에 급전하는 방식이 도시되어 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 급전부(1720)가 제1 도체 홀(1740)을 통해 제3 유전체 기판(1704) 위에 배치한 제1 프랙탈 복사 소자(1730)에 + 급전을 인가한다. 또한, 도 18에 도시된 바와 같이, 그라운드(1810)가 제2 도체 홀(1845)을 통해 제2 유전체 기판(1802) 위에 배치한 제 2 프랙탈 소자(1835)에 - 급전을 인가한다.
도 20 내지 24는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 2개의 유전체 기판을 더 적층하고, 2개의 프랙탈 복사 소자를 이용한 다중 공진 광대역 안테나의 측면도이고, 도 21은 제 1 프랙탈 복사 소자를 도시한 도면이고, 도 22는 제2 프랙탈 복사 소자를 도시한 도면이고, 도 23은 제1 및 제2 프랙탈 복사소자와 급전부의 투시도이고, 도 24는 제1 및 제2 프랙탈 복사 소자와 그라운드의 투시도이다.
도 20 내지 24에는 도 9 내지 13에 도시한 형태의 프랙탈 2 암 스파이럴 안테나를 적층한 형태로 적층된 2 암 스파이럴 복사 소자의 암 구성을 정면에서 투시하여 보면 도 23 및 24와 같이 나타낼 수 있다. 2개의 적층된 프랙탈 스파이럴 암은 서로 다른 암 간격을 사용하여 적층함으로써 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조가 서로 반대 모양으로 적층될 수 있도록 구성함으로써 적층된 개개의 프랙탈 스파이럴 암이 서로 겹치는 면적을 최소화하면서 암과 암 사이의 간격을 확보할 수 있다.
도 25는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 단면 유전체 기판 위에 배치한 제1 및 제2 프랙탈 기생 복사 소자의 정면도이다. 전술한 실시 예들과 마찬가지로, 별 또는 역 V 모양의 프랙탈 구조가 2 암 스파이럴 형태로 구성한다. 여기서, 프랙탈 기생 복사 소자(2500 및 2510)는 프랙탈 복사 소자로부터 전자기파를 받아서 이를 다시 재복사하는 구조이다. 즉, 좁은 간격 내에 프랙탈 복사 소자와 프랙탈 기생 복사 소자가 존재하는 경우, 프랙탈 기생 복사 소자에 의한 전파의 재복사 효과와 프랙탈 복사 소자와 프랙탈 기생 복사 소자의 상호 커플링에 의한 선로 길이 연장 효과를 얻을 수 있다. 이러한 선로 길이 연장 효과는 낮은 주파수 대역에서의 안테나 성능 향상, 반사손실 특성 및 이득 향상, 안테나 소형화에 기여할 수 있다.
도 26은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 단면 유전체 기판 위에 배치한 제1 및 제2 프랙탈 기생 복사 소자(2600 및 2610)의 정면도이다.
도 25 및 26에 도시된 별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조를 차원 분할하여 2 암 스파이럴 형태로 배열한 기생 복사소자를 나타내고 있으며, 기생 복사소자는 다른 모양 또는 같은 모양으로 구성된 프랙탈 복사소자의 상면 또는 하면에 적층하여 안테나의 다중 공진 및 광대역 특성을 강화하는 복사소자로 사용될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 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 한다.
도 1은 종래의 PIFA의 구조를 도시한 도면이다.
도 2에 종래의 Meander Line 구조를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 종래의 힐버트 격자구조 모노 폴 안테나의 일 실시 예의 정면도 및 측면도를 도시한 도면이다.
도 5는 힐버트 격자구조 모노 폴 안테나의 반사손실 특성을 도시한 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 14 내지 19는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 20 내지 24는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 25 및 26은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 다중 공진 광대역 안테나를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 제1 유전체 기판;
    상기 제1 유전체 기판의 상면에 위치하는 급전부;
    상기 제1 유전체 기판의 하면 중 상기 급전부와 대응되는 위치에 존재하는 그라운드;
    상기 급전부의 상면에 적층된 제2 유전체 기판;
    별 모양 또는 역 V 모양의 프랙탈 격자 구조가 차원 분할되어 상기 제2 유전체 기판의 상면에 배열된 제1 프랙탈 복사 소자;
    상기 제1 프랙탈 복사 소자의 상면에 적층된 제3 유전체 기판; 및
    상기 제3 유전체 기판의 상면에 배열되고, 상기 제1 프랙탈 복사 소자와 동일한 형태의 제2 프랙탈 복사 소자를 포함하고,
    상기 제1 프랙탈 복사 소자는 2암 스파이럴 형태의 제1 암이고, 상기 제2 프랙탈 복사 소자는 상기 2암 스파이럴 형태의 제2 암인 것을 특징으로 하는 다중 공진 광대역 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 급전부에서 상기 제1 프랙탈 복사 소자에 급전하기 위한 제1 도체 홀과 상기 그라운드에서 상기 제2 프랙탈 복사 소자에 급전하기 위한 제2 도체 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 공진 광대역 안테나.
  5. 삭제
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