KR101043994B1 - 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 복잡하지 않은 구조를 가지면서 다중 대역 및 광대역을 구현할 수 있는 유전체 공진기 안테나를 제공하는 것이다. 상기 안테나는 접지판, 상기 접지판과 소정 이격되어 배열된 방사체, 상기 접지판과 상기 방사체 사이에 위치하며, 소정 유전체로 구성된 유전체 공진부, 상기 접지판과 상기 방사체 사이에 결합되는 접지핀, 및 상기 방사체로 급전하는 급전핀을 포함한다. 여기서, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판, 상기 접지핀, 상기 방사체 및 상기 급전핀에 의해 형성되는 루프 전류에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하고, 상기 접지판은 유전체 기판 위에 금속 재질이 형성된 구조를 가지며, 상기 접지판 중 일부분 위에는 금속 재질이 존재하지 않고, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판 중 상기 금속 재질이 존재하지 않는 부분에 위치한다.
PIFA, 유전체, 공진기

Description

유전체 공진기 안테나{DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}
본 발명은 유전체 공진기 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 루프 전류에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하는 유전체 공진부를 포함하는 유전체 공진기 안테나, 특히 평판형 역 에프 안테나에 관한 것이다.
이동통신단말기용 안테나는 이동통신 중 공중의 RF 신호를 내부로 수신하거나 내부의 RF 신호를 외부로 출력하는 장치로서, 상기 이동통신단말기에 필수적으로 요구되는 구성 요소이다.
최근, 상기 이동통신단말기의 소형화 추세에 따라 외장형 안테나보다는 내장형 안테나에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히, 상기 이동통신단말기가 음성 통화 외에 와이브로(Wibro), DMB 등과 같은 다양한 기능들을 구현하는 추세이므로, 소형을 만족시키면서 상기 기능들을 만족시키는 대역폭들이 구현되어야 한다.
따라서, 최근에는 다중 대역을 구현할 수 있는 안테나들이 많이 개발되고 있으며, 이동통신단말기용으로는 아래의 도 1에 도시된 바와 같은 평판형 역 에프 안테나(Planar Inverted F Antenna, PIFA)가 일반적으로 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 평판형 역 에프 안테나를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 평판형 역 에프 안테나는 접지판(100), 방사체(102), 급전핀(104) 및 접지핀(106)으로 이루어진다.
방사체(102)는 급전핀(104)을 통하여 소정 전력이 급전되면 특정 공진 주파수를 구현시킨다. 다만, 상기 평판형 역 에프 안테나는 하나의 공진 주파수만을 구현하므로, 방사체(102)의 패턴을 미앤더 형상로 구현하거나 방사체(102)에 슬릿을 형성하는 기술 등이 사용하여 다중 대역을 구현하는 기술들이 제안되었다.
그러나, 이러한 기술들은 다중 대역을 구현할 수는 있지만, 상기 안테나의 구조를 복잡하게 하고 공진 주파수, 대역폭, 이득 등과 같은 특성들을 결정하는 파라미터값들을 독립적으로 조율하기가 어려웠다.
본 발명의 목적은 복잡하지 않은 구조를 가지면서 다중 대역 및 광대역을 구현할 수 있는 유전체 공진기 안테나, 특히 평판형 역 에프 안테나를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나는 접지판; 상기 접지판과 소정 이격되어 배열된 방사체; 상기 접지판과 상기 방사체 사이에 위치하며, 소정 유전체로 구성된 유전체 공진부; 상기 접지판과 상기 방사체 사이에 결합되는 접지핀; 및 상기 방사체로 급전하는 급전핀을 포함한다. 여기서, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판, 상기 접지핀, 상기 방사체 및 상기 급전핀에 의해 형성되는 루프 전류에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하고, 상기 접지판은 유전체 기판 위에 금속 재질이 형성된 구조를 가지며, 상기 접지판 중 일부분 위에는 금속 재질이 존재하지 않고, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판 중 상기 금속 재질이 존재하지 않는 부분에 위치한다.
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본 발명에 따른 유전체 공진기 안테나, 특히 평판형 역 에프 안테나가 방사체로의 급전시 형성되는 루프 전류에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하는 유전체 공진부를 포함하므로, 상기 안테나는 2개 이상의 공진 주파수들을 구현할 수 있으며, 즉 다중 대역 및 광대역을 구현할 수 있다. 특히, 상기 유전체 공진부를 접지판과 방사체 사이에 위치시켜서 공진 주파수를 구현하므로, 상기 안테나의 구조가 간단할 수 있다.
또한, 상기 유전체 공진부의 사이즈 및 유전율을 가변시켜 다양한 공진 주파수들을 구현할 수 있으므로, 공진 주파수, 대역폭, 이득 등과 같은 특성들을 결정하는 파라미터값들을 조율하기가 상대적으로 용이하였다.
아울러, 상기 유전체 공진부가 그의 상부에 위치하는 방사체의 전기적 길이를 증가시키므로, 일반적인 안테나와 동일한 공진 주파수를 구현하더라도 상기 방사체의 사이즈는 상기 일반적인 안테나에 비하여 작을 수 있다. 즉, 상기 방사체의 사이즈가 감소할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형상에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있 을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나를 도시한 회로도 이다.
본 실시예의 유전체 공진기 안테나는 간단한 구조를 가지면서 다중 대역 및 광대역을 구현하는 안테나로서, 예를 들어 이동통신단말기에 사용되는 평판형 역 에프 안테나(Planar Inverted-F Antenna, PIFA)이다. 다만, 상기 안테나는 평판형 역 에프 안테나로 제한되지는 않으나, 이하 설명의 편의를 위하여 상기 안테나를 평판형 역 에프 안테나로 가정하겠다.
도 2(A)를 참조하면, 본 실시예의 유전체 공진기 안테나는 접지판(200), 방사체(202), 급전핀(204), 접지핀(206) 및 유전체 공진부(208)를 포함한다.
접지판(200)은 기판 상에 금속 재질(도전체 물질)이 도금된 형태로 구현되며, 예를 들어 이동통신단말기 내의 접지(미도시)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 기판은 유전체 재질로 이루어질 수 있으며, PCB, FR4 기판 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 접지판(200) 중 일부분(212)은 도 2(A)에 도시된 바와 같이 금속 재질이 존재하지 않을 수 있다. 즉, 접지판(200)은 금속 재질이 존재하는 부분(210)과 금속 재질이 존재하지 않는 부분(212)으로 이루어질 수 있다.
방사체(202)는 접지판(200)과 소정 거리만큼 이격된 상태로 배열되며, 바람직하게는 접지판(200)과 평행하게 배열되며, 금속 재질로 이루어진다. 이러한 방사체(202)는 급전핀(204)을 통하여 소정 전력이 급전되면 소정 방사 패턴을 발생시켜 외부로 RF 신호를 출력하거나 외부의 RF 신호를 수신한다.
급전핀(204)은 전력이 공급되는 통로로서, 예를 들어 50Ω의 급전 선로(미도시)와 연결되어 상기 급전 선로를 통하여 입력되는 전력을 방사체(202)로 제공한다. 즉, 급전핀(204)은 방사체(202)로의 급전 통로이다.
접지핀(206)은 접지판(200)과 방사체(202) 사이에 결합되어 방사체(202)를 접지판(200)에 전기적으로 연결시킨다. 특히, 접지핀(206)은 도 2(A)에 도시된 바와 같이 접지판(200) 중 금속 재질이 존재하는 부분(210)과 전기적으로 연결된다. 결과적으로, 방사체(202)로 전력이 급전될 때 도 2(B)에 도시된 바와 같이 접지판(200), 급전핀(204), 방사체(202) 및 접지핀(206)을 통하여 하나의 루프 전류(Loop Current, 220)가 형성된다. 이 경우, 루프 전류(220)에 의해 자기장(222)이 유도된다.
유전체 공진부(208)는 유전체, 바람직하게는 높은 비유전율을 가지는 유전체로 이루어지며, 접지판(200) 중 금속 재질이 존재하지 않는 부분(212)과 방사체(202) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 유전체 공진부(208)는 방사체(202)와 직접적으로 접촉할 수도 있고 소정 거리만큼 이격되어 위치할 수도 있다.
이러한 유전체 공진부(208)는 도 2(B)에 도시된 바와 같이 접지판(200), 급전핀(204), 방사체(202) 및 접지핀(206)을 통하여 형성된 루프 전류(220)에 의해 여기된다. 상세하게는, 루프 전류(220)에 의해 자기장(222)이 발생되며, 이러한 자기장(222)이 전류 소스로서 작용하여 유전체 공진부(208)를 여기시킨다. 즉, 유전체 공진부(208)는 마그네틱 전류 소스(222)에 의해 급전된다. 이 경우, 유전체 공진부(208)에 소정 크기의 변위 전류가 흐르게 되며, 상기 변위 전류에 의해 특정 공진 주파수가 구현된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방사체(202)가 상대적으로 Wibro 대역 등과 같은 낮은 주파수 대역의 공진 주파수를 구현하는 반면에, 유전체 공진부(208)은 WLAN 대역 등과 같은 상대적으로 높은 주파수 대역의 공진 주파수를 구현할 수 있다.
유전체 공진부(208)가 공진할 때 방사체(202)는 접지로서 기능하며, 따라서 방사체(202)의 반대 방향에 영상이 존재하는 영상 이론이 적용될 수 있다. 결과적으로, 유전체 공진부(208)는 후술하는 바와 같이 11㎜×9㎜×4㎜의 작은 사이즈와 비유전율 32 값으로 WLAN(5.725㎓ 내지 5.850㎓) 대역을 구현할 수 있다. 다만, 상기 영상 이론은 주지된 이론이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유전체 공진부(208)는 방사체(202)의 하단부에 존재하며, 도 2(A)에 도시된 바와 같이 접지판(200) 위에 위치하면서 접지판(200)의 금속 재질에 따른 경계선, 급전핀(204) 및 접지핀(206)으로부터 소정 거리만큼 이격되어 배열될 수 있다.
요컨대, 본 실시예의 유전체 공진기 안테나, 특히 평판형 역 에프 안테나는 루프 전류(220)에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하는 유전체 공진부(208)를 포함한다. 즉, 상기 유전체 공진기 안테나는 방사체(202) 및 유전체 공진부(208)를 이용하여 적어도 2개의 공진 주파수들을 구현하는 하이브리드 안테나이며, 광대역을 구현한다. 예를 들어, 상기 유전체 공진기 안테나는 방사체(202)를 이용하여 DCS 대역(1.71㎓ 내지 1.88㎓), PCS 대역(1.75㎓ 내지 1.87㎓), W-CDMA 대역(1.92㎓ 내지 2.17㎓), Wibro 대역(1.71㎓ 내지 2.39㎓) 등을 구현하고, 유전 체 공진부(208)를 이용하여 WLAN 대역(5.725㎓ 내지 5.85㎓) 등을 구현할 수 있다.
위에서 설명하지는 않았지만, 유전체 공진부(208)가 방사체(202)의 하부에 위치하므로, 방사체(202)의 전기적 길이가 증가되며, 그 결과 작은 사이즈의 방사체(202)로 더 큰 사이즈의 방사체와 동일한 공진 주파수를 구현할 수 있다. 즉, 유전체 공진부(208)는 방사체(202)와 다른 공진 주파수를 독립적으로 구현할 뿐만 아니라 방사체(202)의 전기적 길이를 증가시켜 방사체(202)의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
위에서는, 본 실시예의 유전체 공진기 안테나로서 평판형 역 에프 안테나를 예로 하였지만, 루프 전류에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하는 유전체 공진부를 포함하는 한 다양한 안테나들에 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나를 도시한 사시도들이다.
도 3(A)를 참조하면, 본 실시예의 안테나에서는 방사체(202)에 슬릿(300)이 추가적으로 형성될 수 있다. 결과적으로, 급전핀(204)을 통하여 인가된 전류가 다중 경로로 분기되므로 방사체(202)에 의해 2개 이상의 공진 주파수들이 구현될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 안테나는 적어도 3개의 공진 주파수들을 구현할 수 있다. 여기서, 슬릿(300)의 형상 및 방사체(202) 자체의 구조는 특정한 형상으로 제한되지 않고 구현하고자 하는 공진 주파수들의 수 및 대역에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
도 3(B)를 참조하면, 위에 설명된 안테나와 달리 본 실시예의 안테나에서는 접지판(200)이 유전체 공진부(208)가 위치하는 부분만을 제외하고 금속 재질로 이루어질 수 있다.
도 3(C)를 참조하면, 본 실시예의 안테나에서는 유전체 공진부(208)의 사이즈가 방사체(202)의 사이즈보다 클 수 있다.
도 3(D)를 참조하면, 본 실시예의 안테나에서는 유전체 공진부(208)가 방사체(202)의 하단부에 위치하지 않고 외곽에 위치할 수도 있다. 물론, 이 경우에도 유전체 공진부(208)는 루프 전류(220)로 인한 마그네틱 전류 소스에 의해 여기된다.
도 3(E)를 참조하면, 본 실시예의 안테나에서는 유전체 공진부(208)가 직육면체 형상이 아닌 원통형 형상을 가질 수 있다. 즉, 유전체 공진부(208)는 루프 전류(220)에 의해 여기되는 한 다양한 형상을 가질 수 있다.
요컨대, 본 발명의 유전체 공진기 안테나에서 접지판(200)의 배열, 방사체(202)의 형상, 유전체 공진부(208)의 위치 및 형상 등은 구현하고자 하는 공진 주파수 및 주파수 대역에 따라 다르게 변형될 수 있다.
도 4는 본 발명의 유전체 공진기 안테나(치수가 표시됨)를 도시한 사시도이고, 도 5는 일반적인 안테나와 도 4의 안테나에 대한 반사계수 특성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 접지판(200)의 사이즈를 25㎜×60㎜로 설정하였고, 방사체(202)의 사이즈를 13㎜×10㎜로 설정하였다. 또한, 유전체 공진부(208)의 사이즈를 11㎜×9㎜×4㎜로 설정하였고, 유전체 공진부(208)의 비유전율을 32로 설정하였 다.
도 4에 도시하지는 않았지만, 도 1에 도시된 일반적인 안테나에서 접지판(100)의 사이즈를 25㎜×60㎜로 설정하였고, 방사체(102)의 사이즈를 13㎜×10㎜로 설정하였다.
이하, 도 1에 도시된 바와 같은 일반적인 안테나와 도 4에 도시된 본 실시예의 안테나에 대한 반사 계수 특성들을 살펴보겠다.
도 5를 참조하면, 유전체 공진부를 포함하지 않는 일반적인 안테나는 반사 계수 특성 곡선(500)에서 보여지는 바와 같이 방사체를 통하여 하나의 공진 주파수만을 구현하는 반면에, 본 실시예의 안테나는 반사 계수 특성 곡선(502)에서 보여지는 바와 같이 방사체(202) 및 유전체 공진부(208)를 이용하여 적어도 2개의 공진 주파수들을 구현함이 확인된다. 여기서, 약 2㎓ 대역의 공진 주파수는 방사체(202)에 의해 구현되고, 고주파 대역인 약 5.7㎓ 대역의 공진 주파수는 유전체 공진부(208)에 의해 구현된다. 즉, 방사체(202)가 DCS 대역, PCS 대역, W-CDMA 대역, Wibro 대역 등을 구현할 때 유전체 공진부(208)는 WLAN 대역 등을 독립적으로 구현할 수 있다.
또한, 방사체(202) 하부에 유전체 공진부(208)가 위치함에 따라 방사체(202)의 전기적 길이가 증가되어 약 2.8㎓의 공진 주파수가 약 2㎓의 공진 주파수로 이동됨에 확인된다. 여기서, 상기 일반적인 안테나에서 약 2㎓의 공진 주파수를 구현하고자 하는 경우에는, 상기 일반적인 안테나의 방사체의 사이즈가 위에 설정된 사이즈보다 더 커져야 한다. 즉, 동일한 공진 주파수를 구현할 때, 본 실시예의 안테 나의 방사체(202)의 사이즈가 상기 일반적인 안테나에서보다 작을 수 있다. 다시 말하면, 본 실시예의 안테나는 방사체(202) 하단부에 유전체 공진부(208)를 위치시켜 방사체(202)의 전기적 길이를 증가시키는 방법을 통하여 방사체(202)의 사이즈를 감소시킨다.
아울러, 본 실시예의 안테나가 일반적인 안테나보다 광대역을 구현함이 확인된다.
요컨대, 본 실시예의 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진부(208)를 사용하여 다중 대역 및 광대역을 구현하고, 방사체(202)의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
위에서는, 유전체 공진부(208)의 비유전율을 32로 설정하였으나, 유전체 공진부(208)는 다른 비유전율로 설정될 수 있다. 물론, 이 경우에는 상기 유전체 공진기 안테나의 공진 주파수가 가변될 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다. 상세하게는, 도 6(A)는 1.71㎓ 대역의 방사 패턴을 도시하였고, 도 6(B)는 2.39㎓ 대역의 방사 패턴을 도시하였으며, 도 6(C)는 5.8㎓ 대역의 방사 패턴을 도시하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 안테나는 전방향성 방사 패턴을 형성하며, 즉 모노폴 안테나와 유사한 방사 패턴을 가지고 있음이 확인된다. 따라서, 본 실시예의 안테나는 이동통신단말기에 내장되어 사용될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 일반적인 평판형 역 에프 안테나를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나를 도시한 사시도들이다.
도 4는 본 발명의 유전체 공진기 안테나(치수가 표시됨)를 도시한 사시도이다.
도 5는 일반적인 안테나와 도 4의 안테나에 대한 반사계수 특성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

Claims (9)

  1. 접지판;
    상기 접지판과 소정 이격되어 배열된 방사체;
    상기 접지판과 상기 방사체 사이에 위치하며, 소정 유전체로 구성된 유전체 공진부;
    상기 접지판과 상기 방사체 사이에 결합되는 접지핀; 및
    상기 방사체로 급전하는 급전핀을 포함하되,
    상기 유전체 공진부는 상기 접지판, 상기 접지핀, 상기 방사체 및 상기 급전핀에 의해 형성되는 루프 전류에 의해 여기되어 특정 공진 주파수를 구현하고, 상기 접지판은 유전체 기판 위에 금속 재질이 형성된 구조를 가지며, 상기 접지판 중 일부분 위에는 금속 재질이 존재하지 않고, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판 중 상기 금속 재질이 존재하지 않는 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판 중 상기 방사체의 하단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 공진부는 상기 접지판과 상기 방사체 사이에 위치하되, 상기 방사체로부터 소정 거리만큼 이격된 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 방사체는 상기 유전체 공진부에 대하여 접지로서 기능하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
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