KR100961188B1 - 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합구조체를 이용한 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 고유전율을 갖는 유전체를 이용한 안테나의 장점인 소형화를 유지하면서 안테나 이득과 효율 및 대역폭을 향상시키기 위하여 저유전율을 갖는 유전체와 고투자율을 갖는 자성체를 다중 수직 주기 구조로 배열한 복합 구조체를 이용한 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 방사패치를 포함하며, 상기 기판은 복수의 층으로 형성되며, 각 층은 막대 형상의 상기 유전체 및 자성체가 서로 번갈아가며 배치되고, 높이 방향으로도 상기 유전체 및 자성체가 번갈아가며 적층되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나를 제공한다.

안테나, 유전체, 자성체, 수직

Description

유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나{ANTENNA USING COMPLEX STRUCTURE HAVING MULTIPLE PERPENDICULAR PERIOD OF DIELECTRIC AND MAGNETIC SUBSTANCE}

본 발명은 종래 고유전율을 갖는 유전체를 이용한 안테나의 장점인 소형화를 유지하면서 안테나 이득과 효율 및 대역폭을 향상시키기 위하여 저유전율을 갖는 유전체와 고투자율을 갖는 자성체를 다중 수직 주기 구조로 배열한 복합 구조체를 이용한 안테나에 관한 것이다.

최근, 지상파 DMB를 비롯한 여러 가지 디지털 멀티미디어 방송 시스템들이 본격적인 서비스 개시를 시작하였다. 이에 대비하여 방송 시스템은 물론이고 이러한 DMB 방송을 수신할 수 있는 휴대 단말기의 개발도 한창 진행되고 있다.

또한, 현재 널리 상용화되어 있는 이동 휴대 전화 시스템과 접목하여 두 가지 서비스를 하나의 휴대 단말기로 동시에 받을 수 있는 복합형 단말기에 대한 개발도 활발히 이루어지고 있다.

그러나, 이러한 DMB 들에 채택된 주파수 대역들은 174~216 MHz로 주로 UHF나 VHF 등의 저주파 대역이고 이로 인하여 몇 가지 휴대 단말기의 개발에 대한 제약 사항들이 발생하였다.

가장 대표적인 것이 휴대 단말기에 기본적으로 사용되는 안테나의 크기에 관한 문제이다.

일반적으로 안테나의 크기는 사용되는 주파수가 낮아질수록 그 크기가 커진다. UHF나 VHF 대역용으로 안테나를 제작하기 위해서는 보통 몇십 센티미터(cm)의 길이를 필요로 한다. 그러나, 이러한 안테나는 휴대용 단말기기에 적용하기 부적합하다. 이에 휴대 단말기용 안테나의 크기를 줄이기 위한 연구 개발도 한창 진행 중에 있다.

기존에 널리 사용되었던 모노폴 형태의 휩 안테나나 헬리컬 안테나는 휴대단말기의 바깥부분으로 돌출되는 구조를 가지고 있기 때문에 최근에는 이러한 형태의 안테나 사용이 지양되고 있고, 안테나를 휴대 단말기 내부에 완전히 집어넣어서 외부로 돌출되지 않는 형태인 내장형 안테나가 많은 관심을 불러 일으킴과 동시에 내장형 안테나를 적용하고 있는 다양한 휴대단말기가 등장하고 있다.

내장형 안테나들 중의 하나가 인쇄회로기판 안테나(Printed Circuit Board Antenna : 이하, "PCB 안테나"라 한다.)이다.

PCB 안테나의 특징은 안테나의 모양이 납작한 형태로 주로 사용하고 코일 형태의 안테나에 비해 회로 구현이 쉽고 저비용이며 공정상의 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 종래의 내장형 안테나인 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.

도 1을 참조하면, 기존의 PCB 안테나는 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB)(10)과 상기 인쇄회로기판(10) 상에 일정 형태로 패터닝된 방사체로서의 역할을 하는 안테나 패턴(20)으로 구성된다. 일반적으로 PCB에 널리 사용되는 재질은 FR4이고, 안테나 패턴은 구리(Cu)로 인쇄한다.

그러나, 도 1에 도시된 내장형 안테나인 PCB 안테나의 경우도 주파수와 안테나 크기의 상관관계에서 벗어나지 못하기 때문에 역시 내장형 안테나의 크기도 현재는 매우 크다. 크기는 점점 소형화 되어가고 있고 기능은 점점 많아지고 있는 현 휴대 단말기의 추세로 볼 때 이러한 내장형 안테나 역시 휴대단말기의 소형화를 제약하는 중대한 하나의 제한 요소로 자리잡고 있다.

특히, DMB용 휴대 단말기의 경우 174~216 MHz의 UHF나 VHF 등의 저주파 대역에서 동작되기 때문에 도 1과 같은 기존의 PCB 안테나를 사용하는데 많은 어려움이 있어 더욱더 작은 크기의 안테나가 절실히 요구된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고유전체를 이용하여 기판을 구성하고, 상기 기판상에 방사패턴을 형성하는 기술이 개발되어 사용되고 있다. 그러나, 고유전체를 이용하여 안테나를 구현하는 경우 안테나의 소형화는 달성할 수 있으나, 안테나의 이득과 대역폭이 감소하는 단점을 피할 수 없다.

이와 같이 고유전체를 이용한 안테나는 넓은 대역폭과 이득이 요구되는 지상파 DMB를 비롯한 여러 가지 디지털 멀티미디어 방송 시스템에 적합하지 않으며, 따라서 안테나의 소형화와 더불어 넓은 대역폭 및 높은 이득을 만족시킬 수 있는 방법의 개발이 요구되는 실정이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 종래 고유전율을 갖는 유전체를 이용한 안테나의 장점인 소형화를 유지하면서 안테나 이득과 효율 및 대역폭을 향상시키기 위하여 저유전율을 갖는 유전체와 고투자율을 갖는 자성체를 다중 수직 주기 구조로 배열한 복합 구조체를 이용한 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 방사패치를 포함하며, 상기 기판은 복수의 층으로 형성되며, 각 층은 막대 형상의 상기 유전체 및 자성체가 서로 번갈아가며 배치되고, 높이 방향으로도 상기 유전체 및 자성체가 번갈아가며 적층되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나를 제공한다.

바람직하게는, 상기 안테나는 다중대역에서 공진하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체 및 자성체는 정사각형의 단면을 가지고, 상기 유전체 및 자성체의 각 변의 길이는 5 mm 또는 10 mm 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 유전체는 유전율 2.2, 투자율 1.0을 갖고, 상기 자성체는 유전율 16, 투자율 16을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 안테나를 포함하는 무선단말장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 종래 고유전율을 갖는 유전체를 이용한 안테나의 장점인 소형화를 유지하면서 안테나 이득과 효율 및 대역폭을 향상시키기 위하여 저유전율을 갖는 유전체와 고투자율을 갖는 자성체를 다중 수직 주기 구조로 배열한 복합 구조체를 이용한 안테나를 제공한다.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 안테나는 크게 기판(100)과 상기 기판(100) 상에 형성되는 방사패치(200)로 구성되며, 상기 기판(100)은 유전체(110)와 자성체(120)가 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체로 형성된다. 즉, 상기 기판은 복수의 층으로 형성되며, 각 층은 막대 형상의 상기 유전체(110) 및 자성체(120)가 서로 번갈아가며, 배치되고, 높이 방향으로도 상기 유전체(110) 및 자성체가 번갈아가며 적층된다.

보다 상세히, 상기 유전체(110)는 유전율 2.2, 투자율 1.0 정도의 저유전율을 갖는 유전체이며, 상기 자성체(120)는 유전율 16, 투자율 16 정도의 고투자율을 갖는 자성체임이 바람직하다.

일 예로 상기 방사패치(200)의 크기는 170 mm * 170 mm 이고 복합체 기판(100)의 전체 크기는 300 mm * 300 mm * 20 mm 일 수 있다.

이하 도면 및 표를 참조하여 위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 안테나의 동작 특성을 설명한다.

도 3 및 도 4는 다양한 다중 수직 주기 구조로 배열된 복합 구조체 상에 구현한 패치 안테나의 반사손실을 나타낸 도면이다.

보다 상세히, 도 3은 기판(100)을 유전체 5 mm, 자성체 5 mm 주기로 수직 배열한 경우, 도 4는 유전체 10 mm, 자성체 10 mm 주기로 수직 배열한 경우의 반사손실을 나타낸다.

수직 배열한 각각의 경우에 대하여 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체에서 전체 길이는 위에 설명한 바와 같이 300 mm 로 동일하며 각 층은 동일한 주기를 갖는다.

위 경우 다중대역 안테나가 구현되며, 높은 이득과 효율 및 대역폭이 형성됨을 확인할 수 있다.

도 5는 유전율 40 정도인 고유전체를 이용하여 구현한 본 발명의 일 실시예와 동일 크기의 패치 안테나의 반사손실을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 유전체와 자성체가 다중 수직 주기 구조로 배열된 복합 구조체를 가지는 본 발명의 안테나와 비교할 때 종래 고유전체를 이용하여 기판을 구현한 안테나의 경우 대역폭이 협소하고, 효율이 떨어짐을 확인할 수 있다.

위 표 1은 도 3 및 도 4에 개시된 본 발명의 2가지 실시예와 도 5에 개시된 고유전율을 갖는 유전체의 실시예에 대한 안테나 특성을 비교한 것이다.

여기서 비교 데이터는 첫번째 공진 주파수에 대한 대역폭, 이득, 효율을 계산한 것이다. 위 표를 참조하면, 본 발명의 2가지 실시예가 고유전율을 갖는 유전체를 이용한 경우와 비교하여 동일한 안테나 크기에서 대역폭, 이득, 효율 등이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한 각각의 다중 수직 주기 구조에 대하여 급전 위치를 변경함에 따라 다양한 공진 주파수를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명은 저유전율을 갖는 유전체와 고투자율을 갖는 자성체를 다중 수직 주기 구조로 배열한 복합 구조체를 이용하여 안테나 소형화와 동시에 향상된 안테나 이득과 효율 및 대역폭, 다양한 공진 주파수를 갖는 안테나를 설계할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 내장형 안테나인 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나를 도시한 도면.

도 3 및 도 4는 다양한 다중 수직 주기 구조로 배열된 복합 구조체 상에 구현한 패치 안테나의 반사손실을 나타낸 도면.

도 5는 유전율 40 정도인 고유전체를 이용하여 구현한 본 발명의 일 실시예와 동일 크기의 패치 안테나의 반사손실을 나타낸 도면.

Claims (5)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성되는 방사패치를 포함하며,

   상기 기판은 복수의 층으로 형성되며, 각 층은 막대 형상의 유전체 및 자성체가 서로 번갈아가며 배치되고, 높이 방향으로도 상기 유전체 및 자성체가 번갈아가며 적층되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 안테나는 다중대역에서 공진하는 것을 특징으로 하는 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 유전체 및 자성체는 정사각형의 단면을 가지고,

   상기 유전체 및 자성체의 각 변의 길이는 5 mm 또는 10 mm 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 유전체는 유전율 2.2, 투자율 1.0을 갖고,

   상기 자성체는 유전율 16, 투자율 16을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체와 자성체의 다중 수직 주기 구조를 갖는 복합 구조체를 이용한 안테나.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 안테나를 포함하는 무선단말장치.

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