KR100921494B1 - 다중 공진 광대역 소형 안테나 - Google Patents

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Abstract

초소형, 초광대역, 다중 대역 안테나가 개시된다. 초소형, 초광대역 및 다중대역을 제공하기 위하여 안테나는 마이크로스트립 기판에 비규칙적인 복합적 구조로 배열된 여러가지 모양의 다각형들로 구성된 도체 또는 슬롯들을 포함한다.

Description

다중 공진 광대역 소형 안테나{Multi resonant broadband compact antenna}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초소형, 다중대역 및 초광대역을 제공할 수 있는 안테나의 구조에 관한 것이다.

종래 마이크로스트립 패치 안테나는 일정한 형태의 정형화된 모양과 일정 배열 규칙을 가진 안테나이다. 일반적인 정형화된 안테나 설계 기술은 안테나 크기가 주파수 파장에 의해 결정되며 협대역의 단일 대역 안테나로 동작하므로, 다중 대역 및 초광대역 안테나를 실현할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 초소형, 초광대역, 다중 대역을 가능하게 하는 안테나를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 안테나의 일 실시예는, 마이크로스트립 기판; 및 내부에 일정면적을 가진 도체와 만나는 적어도 하나 이상의 직선 또는 곡선형태의 도체로 구분되는 각 영역에 슬롯들이 배열되는 제1형태 및 내부에 일정면적을 가진 슬롯과 만나는 적어도 하나 이상의 직선 또는 곡선 형태의 슬롯으로 구분되는 각 영역에 도체들이 배열되는 제2형태 중 어느 하나의 형태를 가지는 상기 기판상의 복사소자;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 안테나의 다른 실시예는, 마이크로스트립 기판; 및 제1 수직방향 슬롯과, 상기 제1 수직방향 슬롯과 마주보는 제2 수직방향 슬롯과, 상기 제1 수직방향 슬롯의 왼쪽에 배열된 적어도 하나 이상의 수직 또는 수평 방향 슬롯들과, 상기 제2 수직방향 슬롯의 오른쪽에 상기 제1 수직방향 슬롯의 왼쪽에 배열된 슬롯들과 대칭되는 위치에 배열된 슬롯들을 포함하는 제1형태 및 제1 수직방향 도체와, 상기 제1 수직방향 도체와 마주보는 제2 수직방향 도체와, 상기 제1 수직방향 도체의 왼쪽에 배열된 적어도 하나 이상의 수직 또는 수평 방향 도체들과, 상기 제2 수직방향 도체의 오른쪽에 상기 제1 수직방향 도체의 왼쪽에 배열된 도체들과 대칭되는 위치에 배열된 도체들을 포함하는 제2형태 중 어느 하나의 형태를 가지는 상기 기판상의 복사소자;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 종래 안테나의 협대역 특성으로 인하여 각 주파수에 따른 별도의 안테나를 사용하던 것을 하나의 안테나로 통합 운영이 가능하며, 초소형, 초경량의 기구적인 장점으로 인해 개인 휴대가 용이하다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 안테나에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른, 다양한 모양의 슬롯들이 배열되어 구성된 단위 복사소자로 이루어진 안테나 형상의 일 예를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 안테나 형상의 상부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 안테나 형상의 하부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 하나 이상의 단위 복사소자로 구성된다. 본 실시 예에서, 안테나에는 여러 가지 모양의 슬롯들이 배열된 단위 복사소자가 2열로 배열된 경우를 도시하였으나, 1열이나 3열 이상으로 배열될 수 있음은 물론이다. 안테나에 배열된 단위 복사소자들은 내부 슬롯 사이의 폭(이하, "W"라 함)을 기준으로 2W이하의 간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 단위 복사소자의 외곽 모양은 사각형을 기준으로 각 모서리 부분을 다시 사각형 모양의 도체로 슬롯의 일부 모양을 모따기한 형태이나, 원형, 육각형 등 다양한 모양으로 구현될 수 있음은 물론이다. 또한 도 1에 도시된 단위 복사소자들의 배열은 하나의 실시 예이며, 단위 복사소자들의 배열 형태는 다양한 모양으로 변형될 수 있음은 물론이다. 단위 복사소자의 배열시 도 1의 위쪽에 사각형 형태의 단위 복사소자들의 배열 간격과 도 1의 아래쪽의 E자 형태의 단위 복사 소자들의 배열간격은 서로 상이하게 배열될 수 있다.

도 2를 참조하면, 단위 복사소자는 그 중심에 일정 면적의 도체와, 그 도체 와 만나는 적어도 하나 이상의 직선 형태의 도체를 포함한다. 본 실시 예에서는, 중심에 일정 면적의 도체가 위치하는 경우를 나타내었으나 그 중심에서 다소 벗어나거나 일정 방향에 치우쳐 존재할 수도 있는 등 단위 복사 소자의 내부 중 어느 한 곳에 위치할 수 있음은 물론이다. 중심의 도체는 다각형 형태이나, 원형 등 다양한 모양으로 변형 가능하다. 단위 복사소자는 직선 또는 곡선 형태의 도체로 인해 구분되는 각 영역에 적어도 하나 이상의 슬롯들을 포함한다. 예를 들어, 직선 형태의 도체는 가로 방향, 세로 방향, 대각선 방향 등 다양한 방향에서 중심의 도체와 만날 수 있다. 각 영역의 슬롯들은 비규칙적으로 배열되며, 슬롯의 모양은 삼각형, 사각형, 오각형 등을 포함하는 n 각형의 모양 또는 임의 모양의 폐루프 모양일 수 있다.

예를 들어, 사각형 형태의 단위 복사소자에는, 다각형 형태의 도체가 중심에 위치하고, 중심의 도체와 가로 및 세로 방향으로 만나는 두 개의 직선 모양의 도체들이 위치한다. 이 경우 4 개의 영역이 생기며, 각 영역에 배열되는 슬롯들은 임의 모양으로 비규칙적이므로 각 영역의 슬롯 모양은 다른 영역의 슬롯 모양과 서로 상이하다.

도 3을 참조하면, 단위 복사소자는 수직 방향의 슬롯과 그 슬롯에 수평 방향으로 연결된 한 개 이상의 슬롯들로 구성된다. 수직 방향 슬롯과 수평 방향 슬롯들은 연결되어 있거나 일정 간격으로 분리되어 배열될 수 있다. 또한 단위 복사소자는 가운데를 중심으로 양쪽의 슬롯들의 배열모양은 대칭적일 수 있다. 본 실시 예의 단위 복사소자의 경우, 가운데를 중심으로 마주보는 수직 방향 슬롯이 배열되 고, 마주보는 수직 방향 슬롯으로부터 각각 수평 방향 슬롯과 수직 방향 슬롯들이 서로 대칭되는 위치에 배열된다. 즉 가운데를 중심으로 왼쪽에 위치한 수직방향 슬롯의 왼쪽방향으로 수평 방향 슬롯과 수직 방향 슬롯이 배열되고, 가운데를 중심으로 오른쪽에 위치한 수직방향슬롯으로부터 오른쪽 방향으로 왼편의 슬롯 배열과 대칭되는 슬롯들이 배열된다.

예를 들어, 단위 복사소자의 수직 방향 및 수평방향 슬롯들은 "E" 형태로 배열된다. 슬롯들은 E 형태를 기준으로 변형된 여러 가지 모양들로 구성된다. 단위 복사소자는 E 형태가 180도 회전한 모양이거나, E 형태의 일 측에 다각형 슬롯들이 다시 연결된 모양이거나, 여러 개의 E 형태 슬롯들이 단절되어 배열되거나 서로 연결되어 배열된 모양일 수 있다.

특히 도 3의 경우 단위 복사소자의 가운데를 중심으로 양쪽의 슬롯들의 모양이 대칭된다. 다만 단위 복사소자를 여러 개 배열한 안테나의 경우 그 안테나의 중심을 기준으로 양쪽의 단위 복사소자의 모양이 대칭된다. 여기서 대칭이라 함은 양쪽의 모양이 완전히 동일한 경우뿐만 아니라 서로 대칭되는 위치에 유사한 모양의 슬롯들이 존재하는 경우도 포함되는 것으로 정의한다. 예를 들어, 도 3의 안테나에서 2열로 배열된 단위 복사소자 옆에 사각형 형태의 슬롯들은 동일한 모양이 아니나 대칭되는 위치에 각각 존재한다.

도 4는 본 발명에 따른, 다양한 모양의 도체들이 배열되어 구성된 단위 복사소자로 이루어진 안테나 형상의 일 예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 안테나 형상의 상부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시 된 안테나 형상의 하부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 도 1과 같이 하나 이상의 단위 복사소자로 구성된다. 안테나에는 여러 가지 모양의 도체들이 배열된 단위 복사소자가 2열로 배열된다.

도 5를 참조하면, 단위 복사소자는 그 중심에 일정 면적의 슬롯과, 그 슬롯과 만나는 적어도 하나 이상의 직선 또는 곡선 형태의 슬롯을 포함한다. 단위 복사소자는 직선 또는 곡선 형태의 슬롯으로 인해 구분되는 각 영역에 적어도 하나 이상의 도체들을을 포함한다. 각 영역의 도체들은 비규칙적으로 배열되며, 도체의 모양은 삼각형, 사각형, 오각형 등을 포함하는 n 각형의 모양 또는 임의 모양의 폐루프 모양일 수 있다.

또한 도 6을 참조하면, 단위 복사소자는 수직 방향 도체와 그 도체에 수평 방향으로 연결된 하나 이상의 도체들로 구성된다. 단위 복사소자는 가운데를 중심으로 양쪽이 대칭되는 도체들을 포함한다. 도체들은 E 형태를 기준으로 변형된 여러 가지 모양들로 구성된다.

이와 같이, 도 4 내지 도 6에 도시된 안테나는 도 1 내지 도 3에 도시된 각 안테나의 모양에서 슬롯이 도체로, 도체가 슬롯으로 바뀐 경우이므로 도 1 내지 도 3에 대한 설명은 도체와 슬롯의 표현만 달리하여 도 4 내지 도 6에 대한 설명으로 사용될 수 있음은 물론이다. 따라서 도 1 내지 도 3의 설명과 중복되는 설명은 이하 생략한다.

도 1 내지 도 6에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 단위 복사소자에는 그 내부에 n 개의 작은 슬롯이 존재하는 경우와 n 개의 작은 도체가 존재하는 경우가 있다. 따라서 단위 복사소자 내부에 n 개의 작은 슬롯이 존재하는 경우에, 그 각각의 슬롯은 인접한 슬롯과 커플링 현상을 일으켜서 슬롯 자체가 갖는 공진 특성과 n 개의 슬롯과의 상호 커플링에 의한 공진 특성을 동시에 나타낸다. 또한 단위 복사소자 내부에 n 개의 작은 도체가 존재하는 경우에, 그 각각의 도체는 인접한 도체와 커플링 현상을 일으켜서 도체 자체가 갖는 공진 특성과 n 개의 도체와의 상호 커플링에 의한 공진 특성을 동시에 나타낸다.

따라서 배열된 개개의 슬롯 또는 도체는 유사성은 있지만 모양이 서로 다른 형태로 구현되어 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 단위 복사소자 내의 슬롯 또는 도체의 각각은 다각형, 십자가, 사선 등 여러 모양이 유사한 모양 또는 상이한 모양으로 배열된다.

본 발명에 따른 안테나는 평면형 마이크로스트립 기판을 이용하여 제작가능하며, 3차원 구조 또는 동판이나 알루미늄판 등을 이용하여 스트립 구조로도 제작 가능하다.

본 발명에 따른 안테나는 58*8*1.6mm의 초소형이며, 도 7에 도시된 바와 같이 100MHz~40GHz까지 사용가능하다. 따라서 종래 안테나의 협대역 특성으로 인하여 각 주파수에 따른 별도의 안테나를 사용하던 것을 하나의 안테나로 통합 운영이 가능하며, 초소형, 초경량의 기구적인 장점으로 인해 개인 휴대가 용이하다.

또한, 본 발명에 따른 안테나는 종래 통신용 안테나 대비 1/10 이하의 크기로 초소형화할 수 있으며, 종래 협대역 대형 안테나 대비 우수한 이득 특성을 구현하며, 이러한 특성은 도 9에 도시되어 있다. 또한, 도 8의 3차원 복사패턴 측정 결과에서 알 수 있듯이 우수한 무지향 특성을 나타낸다.

도 10 내지 도 15는 본 발명에 따른 안테나를 소형으로 다중 대역, 초광대역 안테나로 구현할 수 있음을 보여주는 예를 도시한 도면이다. 도 10 내지 도 15는 설명의 편의를 위해 안테나의 제3공진 특성까지만을 나타내었다.

도 10은 안테나의 낮은 주파수 대역의 제1 공진 소자의 공진 특성을 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 낮은 주파수 대역에서 공진하는 제1 공진 소자는 제2 공진 소자 및 제3 공진 소자와 커플링을 일으켜 자기 공진 주파수 이외의 주파수에서 공진을 일으키며, 제2 공진 소자 및 제3 공진 소자에 의한 주파수 편이 형상도 생긴다. 그러므로 도 10에 도시된 바와 같이 제1 공진 소자는 2 개 이상의 공진 특성을 구현한다.

중간 주파수 대역의 제2 공진 소자와 높은 주파수 대역의 제3 공진 소자도 도 10에서 설명한 낮은 주파수 대역의 제1 공진 소자와 동일한 공진 특성을 가진다.

도 11은 안테나의 중간 주파수 대역의 제2 공진 소자의 두 가지 공진 특성을 도시한 도면이고, 도 12는 도 11의 공진 소자의 특성을 합성한 경우를 도시한 도면이다.

도 13은 안테나의 높은 주파수 대역의 제3 공진 소자의 공진 특성에 대해 도시한 도면이고, 도 14는 도 13의 공진 소자의 특성을 합성한 경우를 도시한 도면이다.

도 15는 도 10 내지 도 14에 도시된 공진 특성을 모두 합성한 경우를 도시한 도면이다.

도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 소형으로 초광대역, 다중대역 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 도 10 내지 도 15에서 설명의 편의를 위해 제1,2,3차 공진에 대해서만 도시하였으나, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 단위 복사소자 내에서는 n개의 슬롯들이 존재하는 경우에 각 슬롯에 n차 공진이 발생하게 되어 도 7과 같은 초광대역 특성을 구현할 수 있고, n개의 또는 도체들이 존재하는 경우에 각 도체에 n차 공진이 발생하게 되어 도 7과 같은 초광대역 특성을 구현할 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.

도 1은 본 발명에 따른, 다양한 모양의 슬롯들이 배열되어 구성된 단위 복사소자로 이루어진 안테나 형상의 일 예를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 안테나 형상의 상부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면,

도 3은 도 1에 도시된 안테나 형상의 하부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른, 다양한 모양의 도체들이 배열되어 구성된 단위 복사소자로 이루어진 안테나 형상의 일 예를 도시한 도면,

도 5는 도 4에 도시된 안테나 형상의 상부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면,

도 6은 도 4에 도시된 안테나 형상의 하부 단위 복사소자들을 확대 도시한 도면,

도 7는 본 발명에 따른 안테나의 반사손실 측정 결과를 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 안테나의 복사패턴 측정 결과를 도시한 도면,

도 9는 본 발명에 따른 안테나의 주파수에 따른 이득 측정 결과를 도시한 도면, 그리고,

도 10 내지 도 15는 본 발명에 따른 안테나를 소형으로 다중 대역, 초광대역 안테나로 구현할 수 있음을 보여주는 예를 도시한 도면이다.

Claims (9)

  1. 마이크로스트립 기판; 및
    내부에 일정면적을 가진 도체와 만나는 적어도 하나 이상의 직선 또는 곡선형태의 도체로 구분되는 각 영역에 슬롯들이 배열되는 제1형태 및 내부에 일정면적을 가진 슬롯과 만나는 적어도 하나 이상의 직선 또는 곡선 형태의 슬롯으로 구분되는 각 영역에 도체들이 배열되는 제2형태 중 어느 하나의 형태를 가지는 상기 기판상의 복사소자;를 포함하고,
    상기 복사 소자를 적어도 2 개 이상 배열하되, 상기 배열되는 복사소자들 사이의 간격은 상기 복사 소자 내부의 슬롯 또는 도체들 사이 간격의 2배 이하인 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 마이크로스트립 기판; 및
    제1 수직방향 슬롯과, 상기 제1 수직방향 슬롯과 마주보는 제2 수직방향 슬롯과, 상기 제1 수직방향 슬롯의 왼쪽에 배열된 적어도 하나 이상의 수직 또는 수평 방향 슬롯들과, 상기 제2 수직방향 슬롯의 오른쪽에 상기 제1 수직방향 슬롯의 왼쪽에 배열된 슬롯들과 대칭되는 위치에 배열된 슬롯들을 포함하는 제1형태 및
    제1 수직방향 도체와, 상기 제1 수직방향 도체와 마주보는 제2 수직방향 도체와, 상기 제1 수직방향 도체의 왼쪽에 배열된 적어도 하나 이상의 수직 또는 수평 방향 도체들과, 상기 제2 수직방향 도체의 오른쪽에 상기 제1 수직방향 도체의 왼쪽에 배열된 도체들과 대칭되는 위치에 배열된 도체들을 포함하는 제2형태 중 어느 하나의 형태를 가지는 상기 기판상의 복사소자;를 포함하고,
    상기 복사 소자를 적어도 2 개 이상 배열하되, 상기 배열되는 복사소자들 사이의 간격은 상기 복사 소자 내부의 슬롯 또는 도체들 사이 간격의 2배 이하인 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나.
  9. 삭제
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