KR101006934B1 - 프린트형 폴디드 역 ｆ 안테나 - Google Patents

프린트형 폴디드 역 ｆ 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프린트형 폴디드 역 F 안테나에 관한 것으로서, 저자세에서도 임피던스 매칭이 용이하도록 입력 임피던스가 높은 폴디드 다이폴 구조를 모노폴로 변형시킨 프린트형 역 F 안테나를 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소정의 유전율을 가지며, 접지면이 양면상에 형성되어 있는 기판; 및 상기 기판의 앞면에 형성되어 있는 제 1 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 1 소자와, 급전선로가 연장 형성되어 상기 제 1 소자의 중단에 연결되는 제 2 소자와, 상기 기판의 뒷면에 형성되어 있는 제 2 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 3 소자를 포함하는 방사소자; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
폴디드, 임피던스 매칭, 저자세

Description

프린트형 폴디드 역 Ｆ 안테나{THE FOLDED INVERTED F ANTENNA OF PRINT TYPE}
본 발명은 프린트형 폴디드 역 F 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입력 임피던스가 큰 특성을 갖는 폴디드 구조를 적용되어 있으며, 블루투스 안테나 대역에 적합하며 저자세를 유지할 수 있는 프린트형 폴디드 역 F 안테나에 관한 것이다.
최근 정보화 사회의 발달과 더불어 새로운 형태의 정보 매체들이 등장하고 있고 개발도 급속하게 이루어지고 있다. 이러한 정보기기들은 휴대의 특성 때문에 무선 형태가 바람직하며, 정보교환은 일반적으로 안테나를 통해 이루어진다. 따라서 안테나는 전파 매개로 다른 정보기기들과 연결되어지는 정보의 출입구 역할을 하는 무선 휴대 정보기기에 가장 중요한 부분 중의 하나이다.
현재, 무선휴대 정보기기들의 데이터를 근거리에서 손쉽게 교환할 수 있는 통신 방법에는 블루투스 시스템이 있다. 블루투스 시스템은 컴퓨터 및 통신 산업계의 규격으로서 근거리에 놓여 있는 컴퓨터와 이동단말기 및 가전제품 등을 무선으로 연결하여 쌍방향으로 실시간 통신을 가능하게 해주는 규격을 말하거나 그 규격 에 맞는 제품을 이르는 말이다.
휴대폰과 노트북 컴퓨터에 우선적으로 적용되는데, 휴대폰의 응용분야는 무선헤드셋과 인터넷 접속, 인터콤, 무선전화, 휴대폰의 복합기능을 갖는 전화를 들 수 있다. 복합기능의 경우, 집에서는 무선전화기 모드로 자동전환되며, 사무실 등에서는 사설 교환망과 연결되어 인터콤으로 사용할 수 있다. 무선헤드셋의 경우, 휴대폰을 꺼내지 않고 전화를 걸거나 받을 수 있다. 또한 휴대폰으로 자판기를 이용하거나 지하철 승차시 요금을 자동적으로 지불하는 등 휴대폰을 이용한 전자상거래에도 적용된다.
노트북 컴퓨터의 경우에는 휴대폰을 통한 인터넷 접속을 들 수 있다. 또한 휴대폰과 노트북 컴퓨터 간의 데이터 교환이 가능해진다. PCMCIA 카드나 USB Dongle 형태의 제품으로 보급되거나 신규 출시되는 노트북 컴퓨터에는 본체 내에 내장될 수도 있다.
블루투스 시스템용 안테나는 시스템의 위치, 자세와 무관하게 전방향의 방사패턴이 필요하며 또한, 대량생산이 가능하고 경제성이 있어야 한다. 블루투스 시스템용 안테나로 적합한 형태로는 프린트형 역 F 안테나가있다. 프린트형 역 F 안테나는 수직, 수평소자에 의해 2개의 전방향성 방사패턴을 형성하는 장점을 가지고 있다. 하지만, 프린트형 역 F 안테나의 극저자세로 임피던스 매칭을 시키기 위해서는 한계가 있으며, 수평소자가 접지면과 가까워질수록 급전점이 수직소자 쪽으로 가까워진다는 특성이 있어 임피던스 매칭을 시키기에 보다 정밀한 제작이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 저자세에서도 임피던스 매칭이 용이하도록 입력 임피던스가 높은 폴디드 다이폴 구조를 모노폴로 변형시킨 프린트형 역 F 안테나를 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
본 발명은 프린트형 폴디드 역 F 안테나에 관한 것으로서, 소정의 유전율을 가지며, 접지면이 양면상에 형성되어 있는 기판; 및 상기 기판의 앞면에 형성되어 있는 제 1 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 1 소자와, 급전선로가 연장 형성되어 상기 제 1 소자의 중단에 연결되는 제 2 소자와, 상기 기판의 뒷면에 형성되어 있는 제 2 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 3 소자를 포함하는 방사소자; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상기와 같은 본 발명에 따르면, 입력 임피던스가 큰 특성을 갖는 폴디드 구조를 적용함으로써, 블루투스 안테나 대역에 적합하며 저자세를 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 폴디드 다이폴의 방사소자의 간격에 따른 입력 임피던스 특성을 알아볼 것이며, 다음으로 '프린트형 폴디드 역 F 안테나'를 설계하기에 앞서 평면상 역 F 안테나와 평면상 폴디드 역 F 안테나에 대하여 특성을 비교하도록 한다. 마지막으로 프린트형 역 F 안테나와 프린트형 폴디드 역 F 안테나의 특성을 비교하도록 한다.
일반적으로 안테나가 금속 도체에 가까워지면 입력 임피던스가 작아져 효율이 저하되고 방사가 잘 되지 않는다. 따라서, 안테나를 저자세의 구조로 설계하기 위해서는 높은 입력 임피던스를 가지고 있는 안테나를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 안테나로 구조가 간단하고 쉽게 설계할 수 있는 폴디드 다이폴 안테나가 있다. 폴디드 다이폴 안테나는, 다이폴 안테나(73Ω)에 비해 약 4배의 입력 임피던스(300Ω)를 가지고 있다.
도 1a 는 본 발명의 일실시예에 따른 폴디드 다이폴 안테나의 구조를 보인 일예시도이다. 이때, 폴디드 다이폴의 전체 길이를 1λ로 일정하게 유지하면서 간격(D:0.009~0.25λ)을 변화시켰을시 입력 임피던스는, 도 1b 에 도시된 바와 같이 간격(D)이 가까워질수록 상호 임피던스에 의해 저항성분이 증가하며 캐패시턴스 성분은 감소하는 것을 알 수 있다.
앞서 서술한 본 발명의 특징적인 목적에서와 같이, 본 발명에서는 입력 임피던스가 높은 폴디드 다이폴 안테나를 1/4λ 모노폴 구조에서 역 F 형 구조 변형시켜 저자세의 안테나를 설계하도록 한다. 이에 따라, 다음에서는 평면상 역 F 안테나와 평면상 폴디드 역 F 안테나의 특성을 비교하도록 한다.
평면상 역 F 안테나(100)와 평면상 폴디드 역 F 안테나(200)는 설계 주파수 2.45GHz로, 도 2a 및 도 2b 에 도시된 바와 같이 150mm × 150mm 크기의 접지면 위에 제작되었다. 각각의 안테나 모두 선로의 폭은 2mm이며 수직소자와 급전선의 간격(G)는 1mm로 고정시켰다.
이때, 평면상 역 F 안테나(100)의 수평소자 길이는 23mm(0.19λ)이며 수직소자의 길이 즉, 접지면으로 부터의 높이는 8mm(0.065λ)였다.
평면상 폴디드 역 F 안테나(200)의 경우, 수평소자의 길이는 23mm(0.19λ), 선로의 간격 1mm로 설계 하였으며 안테나의 높이는 평면상 역 F 안테나보다 3.5mm 낮아진 4.5mm(0.028λ)로 설계하였다. 이는 평면상 폴디드 역 F 안테나(200)가 높은 임피던스를 가지고 있어, 평면상 역 F 안테나(100)보다 안테나의 높이가 낮아진 것이다. 평면상 역 F 안테나(100)의 경우 안테나의 높이를 6mm로 낮출 경우 임피던스 매칭이 잘 되지 않았다.
이에 따른 각각의 반사손실을 살피면, 도 2c 에 도시된 바와 같이 평면상 역 F 안테나(100)는 설계주파수 2.45GHz에서 반사손실은 -42.5dB, -10dB 대역폭은 130MHz(5.3%)을 나타내었고 시뮬레이션도 비슷한 결과를 보였다(도 2c 의 (a)참조).
평면상 폴디드 역 F 안테나(200)의 반사손실은 설계주파수에서 -21dB, -10dB 대역폭은 77.5MHz(3.16%)로 양호한 임피던스 매칭 특성은 얻었다. 하지만 안테나의 높이가 낮아짐으로 인해 평면상 역 F 안테나에 비해 -10dB 대역폭이 다소 줄어들었다(도 2c 의 (b)참조).
도 2d 에는 평면상 역 F 안테나(100)의 실측된 방사패턴 특성을 나타내었다. 수평소자 및 수직소자의 방사패턴은 접지면 때문에 방사패턴이 상향하는 효과를 나타냈다. 또한, 수직소자 방사패턴은 xy plane에서 즉, 수직소자의 H-plane에서 전방향성 방사패턴을 형성하였다. 이렇게 측정된 평면상 역 F 안테나(10)의 최대 이득은 수평소자의 zy plane에서 0.51dBd로 나타났다. 수평소자 zx plane과 zy plane의 반전력 빔폭은 각각 101°, 144°의 특성을 얻었다.
도 2e 에는 평면상 폴디드 역 F 안테나(200)의 실측된 방사패턴 특성을 나타내었다. 평면상 폴디드 역 F 안테나(200)는 평면상 역 F 안테나(100)와 동일한 방사패턴 형태를 유지하였다. 수직소자의 xy plane 방사패턴은 전방향성 방사패턴을 형성하였다. 하지만, 평면상 역 F 안테나의 xy plane 평균이득 -3.62dBd 보다 평면상 폴디드 역 F 안테나는 1.03dB 감소 하였다. 그 이유는 수직소자의 방사소자 길이가 줄어들어 나타나는 현상이다. 평면상 폴디드 역 F 안테나의 최대이득(수평소자 zy plane)은 0dBd로 측정되었다. 또한 수평소자 zx plane과 zy plane의 반전력 빔폭은 각각 92°, 134°의 특성을 얻었다.
이와 같은 결과로 볼 때, 평면상 폴디드 역 F 안테나(200)를 이용하면 평면상 역 F 안테나(100)에 비해 이득은 다소 줄어들었지만 안테나의 높이를 낮출 수 있다는 것을 확인하였다. 다음에서는 이러한 결과를 이용하여 프린트형 역 F 안테나에 동일하게 적용하도록 한다.
도 3a 내지 도 3c 에는 프린트형 역 F 안테나(300)와 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400) 구조를 나타내었다. 두 안테나는 중심주파수 2.45GHz에서 설계되었고 60mm(가로)×60mm(세로)×1.6mm(두께)의 FR-4(εr=4.6) 기판을 사용하였으며, CoPlanar 급전방식을 채택하였다.
또한, 접지면의 접지면적을 늘리기 위해, 기판의 앞면에 형성된 제 1 접지면과, 뒷면에 형성된 제 2 접지면을 short pin으로 전기적으로 단락시켰다. 본 실시예에서 기판의 재질 및 급전방식을 구체적으로 예시하였으나, 본 발명이 그 재질 및 급전방식에 한정되는 것은 아니다.
도 3a 내지 도 3c 를 참조하여 프린트형 역 F 안테나(300)와 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)의 구조 및 특성을 설명하면 다음과 같다.
프린트형 역 F 안테나(300)는 기판(310) 및 방사소자(320)를 포함한다.
기판(310)은 전술한 바와 같이 소정의 유전율을 가지며, 접지면이 양면상에 형성되어 있다.
방사소자(320)는 기판(310)의 앞면에 형성되어 있는 제 1 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 1 소자(321)와, 급전선로가 연장 형성되어 상기 제 1 소자(321)의 중단에 연결되는 제 2 소자(322)와, 기판(310)의 뒷면에 형성되어 있는 제 2 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 3 소자(323)를 포함한다.
여기서, 제 1 소자(321) 및 제 2 소자(322)는 동일 평면상에 형성되어 전체적으로 역 F 형상을 나타낸다. 제 1 소자(321)의 길이는 19mm(0.15λ)이며, 제 1 소자(321)와 제 1 접지면과의 간격(H1)은 4mm(0.032λ)이다.
이때, 기판(310)은 급전선로 즉, 제 2 소자(322)의 주연부에 해당하는 제 1 접지면이 절개되어 제 2 소자(322)의 양측에 형성된다.
한편, 본 발명의 특징적인 일양상에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)를 도 3b 및 도 3c 를 참조하여 살펴보도록 한다.
도 3b 는 본 발명에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나의 앞면을 보여주는 일예시도이며, 도 3c 는 본 발명에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나의 뒷면을 보여주는 일예시도이다.
도시된 바와 같이, 프린트형 역 F 안테나(400)는 기판(410) 및 방사소자(420)를 포함한다.
기판(410)은 소정의 유전율을 가지며, 접지면이 양면상에 형성되어 있다.
방사소자(420)는 도 3b 에 도시된 바와 같이, 기판(410)의 앞면에 형성되어 있는 제 1 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 1 소자(421)와, 급전선로가 연장 형성되어 상기 제 1 소자(421)의 중단에 연결되는 제 2 소자(422)와, 도 3c 에 도시된 바와 같이, 기판(410)의 뒷면에 형성되어 있는 제 2 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 3 소자(423)를 포함한다.
여기서, 제 1 소자(421) 및 제 2 소자(422)는 동일 평면상에 형성되어 전체적으로 역 F 형상을 나타낸다.
이때, 기판(410)은 급전선로 즉, 제 2 소자(422)의 주연부에 해당하는 제 1 접지면이 절개되어 제 2 소자(422)의 양측에 형성된다.
본 발명의 특징적인 일양상에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)는, 방사소자(420)를 폴디드 형으로 구성하기 위해, 제 1 접지면으로부터 연장되는 제 1 소자(421)의 종단과, 상기 제 1 소자(421)의 종단과 서로 맞닿아 보이며 제 2 접지면으로부터 연장되는 제 3 소자(423)의 종단은 short pin을 통해 연결된다.
이때, 제 1 소자(421)의 길이는 19mm(0.15λ), 제 1 소자(421)와 제 1 접지면과의 간격(H2)은 1mm(0.008λ)로 낮추었다.
이에 따른 각각의 반사손실을 살피면, 도 4a 의 (a) 에 도시된 바와 같이 프린트형 역 F 안테나(300)는 설계주파수 2.45GHz에서 반사손실은 -13dB, -10dB 대역폭은 215MHz(8.7%)을 나타내었고 시뮬레이션 결과와 비슷한 결과를 보였다. 마찬가지로 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)의 반사손실은 (b) 에 도시된 바와 같이 설계주파수에서 -15dB, -10dB 대역폭은 115MHz(4.7%)로 나타냈고 두 안테나 모두 양호한 임피던스 매칭 특성을 얻을 수 있었다.
도 4b 및 도 4c 에 프린트형 역 F 안테나(300)와 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)의 방사패턴 특성을 비교하여 나타내었다.
방사패턴은 두 안테나 모두 비슷한 형태를 유지 하였다. 도 4b 에 도시된 바와 같이 프린트형 역 F 안테나(300)의 최대이득은 -1.39dBd(수직소자 zx plane)로 나타냈다.
한편, 도 4c 에 도시된 바와 같이 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)의 최대이득은 -0.52dBd(수직소자 zx plane)의 특성을 얻었다. 하지만, 프린트형 역 F 안테나(300)의 평균 이득은 -2.3dBd, 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)의 경우 -3.7dBd로 1.4dB 감소하였다. 이는 안테나의 높이가 낮아져 나타나는 현상이다.
또한, 두 구조 모두 수직소자의 zx plane에서 전방향성 방사패턴을 얻었으며, 프린트형 역 F 안테나(300)는 수평소자의 zy plane에서도 전방성 방사패턴을 형성한다. 이들 결과로부터 프린트형 폴디드 역 F 안테나가 저자세를 위한 안테나로 설계하기에 적합함을 확인하였다.
본 발명에서 설계된 안테나의 제특성을 다음의 [표 1] 에 정리하였다.
안테나
비교항목		 평면상 역 F 안테나 평면상 폴디드 역 F 안테나 프린트형 역 F 안테나 프린트형 폴디드 역F 안테나
설계주파수[GHz] 2.45
반사손실[dB] -42.5 -21 -13 -15
-10dB 대역폭[MHz] 130(5.3%) 77.5(3.1%) 215(8.7%) 115(4.7%)
최대이득[dBd] 0.51 0 -1.39 -0.4
평균이득[dBd]
(수직소자 zx plane)		 -3.62 -4.65 -2.3 -3.7

-3dB BW
(수평소자)		 zx plane 101° 92° -
zy plane 144° 134° -
[표 1] 설계된 안테나의 제특성 비교
본 발명에서는 블루투스용 안테나를 '프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)'로 구현하였다. 또한, 안테나의 저자세 구조를 설계하기 위해서 높은 입력 임피던스를 가지고 있는 폴디드 구조를 이용하여 프린트형 역 F 안테나를 프린트형 폴디드 역 F 안테나로 제작, 측정하였다. 프린트형 역 F 안테나(300)의 설계에 비해 프린트형 폴디드 역 F 접지면에서 안테나까지의 높이는 4mm(0.032λ)에서 1mm(0.008λ)낮추어 이득에는 큰 변화가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 프린트형 폴디드 역 F 안테나(400)는 블루투스 안테나 대역에 적합한 안테나로 저자세를 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1a 는 본 발명의 일실시예에 따른 폴디드 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 일예시도.
도 1b 는 본 발명의 일실시예에 따른 폴디드 다이폴 안테나의 입력 임피던스 변화를 보여주는 그래프.
도 2a 는 본 발명의 일실시예에 따른 평면상 역 F 안테나에 관한 구성도.
도 2b 는 본 발명의 일실시예에 따른 평면상 폴디드 역 F 안테나에 관한 구성도.
도 2c 는 본 발명의 일실시예에 따른 평면상 역 F 안테나와 평면상 폴디드 역 F 안테나의 반사손실을 나타내는 그래프.
도 2d 는 본 발명의 일실시예에 따른 평면상 역 F 안테나의 방사패턴을 나타내는 그래프.
도 2e 는 본 발명의 일실시예에 따른 평면상 폴디드 역 F 안테나의 방사패턴을 나타내는 그래프.
도 3a 는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트형 역 F 안테나에 관한 구성도.
도 3b 는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나의 앞면을 보여주는 일예시도.
도 3c 는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나의 뒷면을 보여주는 일예시도.
도 4a 는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트형 역 F 안테나와 프린트형 폴디 드 역 F 안테나의 반사손실을 나타내는 그래프.
도 4b 는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트형 역 F 안테나의 방사패턴을 나타내는 그래프.
도 4c 는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트형 폴디드 역 F 안테나의 방사패턴을 나타내는 그래프.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
300: 프린트형 역 F 안테나 400: 프린트형 폴디드 역 F 안테나
310,410: 기판 320,420: 방사소자
321,421: 제 1 소자 322,422: 제 2 소자
323,423: 제 3 소자

Claims (6)

  1. 프린트형 폴디드 역 F 안테나에 있어서,
    소정의 유전율을 가지며, 접지면이 양면상에 형성되어 있는 기판(410); 및
    상기 기판(410)의 앞면에 형성되어 있는 제 1 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 1 소자(421)와, 급전선로가 연장 형성되어 상기 제 1 소자(421)의 중단에 연결되는 제 2 소자(422)와, 상기 기판(410)의 뒷면에 형성되어 있는 제 2 접지면으로부터 역 'L' 자로 연장 형성되는 제 3 소자(423)를 포함하는 방사소자(420); 를 포함하되,
    상기 기판(410)은,
    상기 제 2 소자(422)의 주연부에 해당하는 제 1 접지면이 절개되어 제 2 소자(422)의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 접지면으로부터 연장되는 제 1 소자(421)의 종단과, 상기 제 1 소자(421)의 종단과 서로 맞닿아 보이며 제 2 접지면으로부터 연장되는 제 3 소자(423)의 종단은, short pin을 통해 연결되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 접지면과 제 2 접지면은,
    short pin을 통해 전기적으로 단락되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 소자(421)와 제 2 소자(422)는 동일 평면상에 형성되어,
    전체적으로 역 F 형상을 나타내는 것을 특징으로 하는 프린트형 폴디드 역 F 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 소자(421)의 길이는 19mm이며, 상기 제 1 소자(421)와 제 1 접지면과의 간격(H2)은, 1mm인 것을 특징으로 하는 프린트형 폴디드 역 F 안테나.
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