KR101044136B1 - 개방종단 폴디드 슬롯 안테나 - Google Patents

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Abstract

단일 폴디드 슬롯 안테나와 비교하여 효과적으로 안테나의 입력 임피던스를 낮추어 광대역 안테나로 활용이 용이한 1/2파장 공진 폴디드 슬롯 안테나의 일단을 개방하도록 형성하여 자기벽(magnetic wall) 효과에 의해 평면 안테나를 1/2 크기로 소형화할 수 있는 개방종단의 1/4파장 공진 폴디드 슬롯 안테나가 개시된다. 상기 폴디드 슬롯 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 하부에 형성되며, 그 일 변에서 양단이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯에 의해 두 영역으로 분리된 접지층; 상기 유전체 기판의 상부에 형성되며 상기 접지층의 일 영역과 비어 콘택을 통하여 연결되어 RF신호를 급전하는 급전부재; 및 상기 접지층의 타 영역 및 상기 급전부재의 일단에 연결되며, 외부의 송수신장치와 RF신호를 송수신하는 커넥터를 포함한다. 상기 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯은, 안테나 동작 주파수 파장에 따라 설계된 장변 및 단변을 갖는 'ㅁ'자형 슬롯을 갖는 폴디드 슬롯 안테나에서, 상기 'ㅁ'자형 슬롯의 장변 또는 단변 상의 전계 분포가 최대가 되는 지점을 분할하여 형성되는 슬롯이다.
개방종단, 1/4파장 폴디드 슬롯 안테나, 자기벽

Description

개방종단 폴디드 슬롯 안테나{Open-ended folded slot antenna}
본 발명은 개방종단 폴디드 슬롯 안테나에 관한 것으로, 특히, 기존의 폴디드 슬롯 안테나의 중심선 절단을 통해 슬롯의 일단을 개방하도록 형성하여 자기벽(magnetic wall) 효과에 의해 폴디드 슬롯 안테나를 소형화할 수 있는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 폴디드 슬롯 안테나는 크기가 작고 무게가 가벼우며, 집적화가 쉬워 대량 생산이 용이하고 다양한 형태로 만들 수 있으며, 직접회로와의 호환성이 우수하고 동작 대역폭이 넓으며 높은 방사효율 등의 장점에 따라 주로 마이크로웨이브 대역에서 운용되는 탐지레이더, 셀룰러폰 기지국 또는 위성 통신 등의 분야에 널리 사용되고 있다.
이러한 폴디드 슬롯 안테나는 마이크로스트립 라인의 급전선을 통하여 외부로부터 RF 신호가 급전되고 접지층에서 급전선의 위치를 중심으로 세로길이는 짧고 가로 길이가 긴 대칭형의 직사각루프 형상의 슬롯이 형성되며, 이를 통하여 RF 신호를 방사한다. 여기서, 폴디드 슬롯 안테나는 장변의 길이가 동작주파수 파장(λg)의 0.5배로 형성된다.
그러나, 이와 같은 종래의 폴디드 슬롯 안테나는 직사각루프 형상의 슬롯이 형성되기 때문에 접지층에 형성되는 슬롯에 의한 방사부재의 면적이 슬롯의 형상대비 효율적이지 못한 문제점이 있다.
또한, 종래의 폴디드 슬롯 안테나는 슬롯이 형성된 접지면과 수직방향으로의 전파방사가 최대가 되나, 이는 가정용 AV 시스템의 리모콘과 같이 본체를 수평으로 사용하는 경우에는 최대 출력 방사방향이 본체의 상하, 즉, 폴디드 슬롯 안테나의 수직방향이 되므로 효율적이지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 동일 주파수 대역에 대하여 폴디드 슬롯 안테나를 소형화할 수 있는 동시에 접지면과 수평방향의 전파방사 지향성을 가지는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 하부에 형성되며, 그 일 변에서 양단이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯에 의해 두 영역으로 분리된 접지층; 상기 유전체 기판의 상부에 형성되며 상기 접지층의 일 영역과 비어 콘택을 통하여 연결되어 RF신호를 급전하는 급전부재; 및 상기 접지층의 타 영역 및 상기 급전부재의 일단에 연결되며, 외부의 송수신장치와 RF신호를 송수신하는 커넥터를 포함하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나를 제공한다. 본 발명의 개방종단 폴디드 슬롯 안테나에서, 상기 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯은, 안테나 동작 주파수 파장에 따라 설계된 장변 및 단변을 갖는 'ㅁ'자형 슬롯을 갖는 폴디드 슬롯 안테나에서, 상기 'ㅁ'자형 슬롯의 장변 또는 단변 상의 전계 분포가 최대가 되는 지점을 분할하여 형성되는 슬롯이다.
바람직하게는 상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 수직으로 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯은 개방된 일단을 갖는 변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장의 0.2~0.22배일 수 있다.
바람직하게는 상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 동일방향으로 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 급전부재는 마이크로스트립 라인일 수 있다.
본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나는 폴디드 슬롯을 접지층의 일단에서 개방하여 자계벽을 형성함으로써 동일 주파수대역의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 소형화할 수 있고, 안테나의 접지면과 수평방향으로의 전파방사 효율이 우수한 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도(a), 저면도(b) 및 측단면도(c)이고, 폴디드 슬롯 안테나의 구조를 비교하기 위한 도면(d)이다.
개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 외부의 송수신기(미도시)에 연결되는 커넥터(110)와, 커넥터(110)의 일단에 연결되며, 유전체 기판(130)의 상부에 배치되는 급전부재(120)와, 유전체로 이루어진 유전체 기판(130)과, 유전체 기판(130)의 하부에 형성되며, 일변에서 양단이 개방되는 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯(142)에 의해 두 영역으로 분할되는 접지층(140)을 포함한다. 접지층(140)의 일 영역은 상기 커넥터(110)에 전기적으로 연결되고, 상기 접지층(140)의 타 영역은 급전부재(120)와 비어콘택을 통해 전기적으로 연결된다. 이러한 전기적 연결구조를 통해 접지층(140)의 두 영역의 사이의 슬롯은 직접 여기되어 방사부재로서 동작한다.
개방 종단을 갖는 슬롯에 의한 소형화
커넥터(110)는 외부의 송수신기(미도시)와 전기적으로 연결되며 급전부재(120)의 일단에 연결되어 RF 신호를 송수신한다.
급전부재(120)는 도전성 금속으로 이루어지고, 바람직하게는 마이크로스트립 라인으로 형성되며, 일단은 커넥터(110)에 전기적으로 연결되고, 타단은 비어 콘택(122)을 통하여 접지층(140)과 전기적으로 연결된다.
이러한 급전부재(120)는 커넥터(110)를 통하여 입력되는 RF 신호를 방사부재로 급전한다.
유전체 기판(130)은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 고유의 유전율을 가지며, 일정 두께로 형성되어 급전부재(120)와 접지층(140)에 의한 RF 신호를 도파한다.
접지층(140)은 구리 등의 도전성 금속으로 형성되며 송수신기에 장착시 접지와 연결된다.
이 접지층(140)에는 방사부재인 슬롯(142)이 형성되는데, 슬롯(142)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 접지층(140)의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성되며, 급전부재(120)를 통하여 입력되는 RF 신호를 외부로 방사한다.
여기서, 슬롯(142)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 그 개방측이 급전부재(120)의 길이방향과 수직으로 형성된다. 상기 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯(142)은 개방된 일단을 갖는 변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장(λg)에 1/4파장보다 작은 0.2~0.22배인 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 의 슬롯(142) 길이는 동작 주파수를 고려하여 설정되는 것이 바람직하다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 점선으로 표시된 부분(143)을 포함하면 일반적인 장변과 단변을 갖는 'ㅁ'자형 슬롯을 갖는 폴디드 슬롯 안테나 구조가 된다. 본 ㅂ발명의 개방종단 폴디드 슬롯을 갖는 안테나는, 도 2d에 도시된 'ㅁ'자형 슬롯을 갖는 폴디드 슬롯 안테나를 x-x' 선을 기준으로 절단된 형태를 이용한다. 일반적인 'ㅁ'자형 슬롯을 갖는 폴디드 슬롯 안테나에서 슬롯(142)의 장변 상의 전계 분포는 x-x' 선 지점에서 최대가 되며, 좌우 대칭 형태를 갖기 때문에 이선을 일종의 자계벽(magnetic wall)로 볼 수 있게 된다.
본 발명의 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)에 RF 신호가 인가되면, 도 2d에 도시된 바와 같이, 슬롯(142)의 개방단(x-x'선)을 중심으로 대칭한 슬롯 이미지(image)가 형성된다. 즉, 도전성 금속으로 이루어진 접지층(140) 상에 형성된 슬롯(142)과 이와 대칭으로 공기층 상에 슬롯 이미지가 형성되어 기존의 폴디드 슬롯 안테나와 유사한 기능을 갖는다.
보다 상세하게는 슬롯(142)의 개방종단은 인가된 RF 신호에 의해 자기벽이 형성되고 이에 따라 기존의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 대략 절반의 길이를 갖는 슬롯으로도 공진 주파수의 변화 없이 동일한 대역폭을 가질 수 있어 안테나의 소형화가 가능하다.
한편, 상기에서는 커넥터(110)를 통하여 입력된 RF 신호를 방사부재인 슬 롯(142)을 통하여 방사되는 경우만을 기술하였으나, 이와 반대로 슬롯(142)을 통해 인가된 RF 신호를 유기하여 급전부재(120) 및 커넥터(110)를 통하여 외부의 장치로 출력할 수도 있다.
개방 종단에 의한 접지면과 수평방향 방사 효율 우수
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 실험예를 설명한다.
실험에서 급전부재(120)와 수직인 슬롯(142)의 길이는 동작 주파수(λg)의 하한에서 약 0.21λg가 되도록 설정하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 반사손실(return loss)을 모의실험(simulation)한 결과 그래프(a) 및 이의 측정 그래프(b)이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 X-Z평면상의 방사패턴(a) 및 Y-Z평면상의 방사패턴(b) 및 X-Y 평면상의 방사패턴(c)을 나타낸 도면이다.
개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 모의실험 결과, 도 3a에 도시된 바와 같이, 주파수 대역은 2.16~4.17㎓이며 대역폭은 대략 2.1㎓으로 비교를 위해 제시된 종래의 폴디드 슬롯 안테나(슬롯의 길이가 약 0.5λg)의 주파수 주파수대역(2.23~3.9㎓), 대역폭(1.67㎓)에 비해 넓어진 것으로 나타났다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)를 실측한 결과 역시 모의실험 결과와 유사하였다.
한편, 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 방사패턴을 모의실험과 측정을 통해 확인해본 결과, X-Z 평면상의 방사패턴은 도 4a에 도시된 바와 같이, 일반적인 폴디드 슬롯 안테나 또는 마이크로스트립 패치 안테나와 유사한 형태를 갖고 있는 것으로 나타났다. 예를 들면, theta(θ)=0 또는 180도 방향, 즉 접지면과 수직 방향으로 전파의 방사가 효과적임을 알 수 있다.
또한, Y-Z 평면상의 방사패턴은 도 4b에 도시된 바와 같이, theta(θ)=0 또는 180도 방향 보다 theta(θ)=90 방향에서 효율적인 것으로 나타난다. 여기에서 theta=90 방향은 도 2d에서 알 수 있듯이 슬롯(142)의 개방종단이 향하는 방향이다. 따라서 개방 종단 폴디드 슬롯 안테나(100)에서는 슬롯의 개방 종단을 통해 전파의 방사가 이루어지며, 일반적인 폴디드 슬롯 안테나와는 다른 방사패턴을 갖고 있음을 알 수 있다.
또한, X-Y 평면상의 방사패턴도 슬롯의 개방 종단이 향하는 방향(phi=90)으로의 전파 방사가 효율적임을 확인할 수 있다. 즉 접지면과 수직 방향의 전파 방사 효율이 좋은 종래의 경우와는 다르게 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 접지면과 수평방향으로 전파 방사 효율이 우수한 것으로 나타났다.
결론적으로, 본 발명의 실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 종래의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 유사한 동작 대역 및 대역폭을 가지면서도 슬롯의 길이를 축소시켜 소형화할 수 있고, 안테나의 측면방향, 즉, 접지면과 수평방향으로 전파방사 특성이 우수하여 예를 들면, 리모컨과 같은 기기에 적합하다.
또한, 상기 실험예의 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 주파수별 특성을 살펴보았다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.3㎓(a), 2.4㎓(b) 및 2.5㎓(c)에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c에서 도시된 바와 같이, 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 슬롯의 형성면에 대하여 수직방향에 대한 전파 방사와 동시에 슬롯의 개방종단 방향, 즉 수평방향의 전파 방사가 나타나고 있음을 알 수 있으며, 주파수가 2.3~2.5㎓로 변화하더라도 방사패턴은 거의 일정함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 평면도(a) 및 저면도(b)이다.
본 실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(800)는 슬롯(842)에 의한 방사부재를 제외한 구성이 일실시예와 동일하므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
방사부재인 슬롯(842)은 접지층(840)의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성되지만, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 일실시예와는 다르게 짧은 변이 개방되도록 형성된다. 즉, 슬롯(842)의 개방측과 급전부재(820)의 길이방향이 동일방향으로 형성된다.
여기서, 슬롯(842)은 짧은 변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장(λg)에 0.1~0.11배인 것이 바람직하다.
이러한 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(800)는 앞서 보인 예에서와 마찬가지로 동작 주파수를 고려하여 슬롯(842)의 길이를 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(800)는 종래의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 슬롯 길이가 짧게 형성되어 소형화가 가능하고 측면방향의 전파 방사가 우수하여 리모컨과 같은 기기에 적합하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 사시도이고,
도 2는 도 1의 평면도(a), 저면도(b), 측단면도(c), 및 측단면도(c)이고, 폴디드 슬롯 안테나의 구조를 비교하기 위한 도면(d)이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 반사손실(return loss)을 모의실험(simulation)한 결과 그래프(a) 및 이의 측정 그래프(b)이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 X-Z평면상의 방사패턴(a) 및 Y-Z평면상의 방사패턴(b) 및 X-Y 평면상의 방사패턴(c)을 나타낸 도면이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.3㎓(a), 2.4㎓(b), 2.5㎓(c)에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 평면도(a) 및 저면도(b)이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 개방종단 폴디드 슬롯 안테나 110 : 커넥터
120 : 급전부재 122 : 비어 콘택
130 : 유전체 기판 140 : 접지층
142 : 슬롯

Claims (5)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 하부에 형성되며, 그 일 변에서 양단이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯에 의해 두 영역으로 분리된 접지층;
    상기 유전체 기판의 상부에 형성되며 상기 접지층의 일 영역과 비어 콘택을 통하여 연결되어 RF신호를 급전하는 급전부재; 및
    상기 접지층의 타 영역 및 상기 급전부재의 일단에 연결되며, 외부의 송수신장치와 RF신호를 송수신하는 커넥터를 포함하며,
    상기 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯은, 안테나 동작 주파수 파장에 따라 설계된 장변 및 단변을 갖는 'ㅁ'자형 슬롯을 갖는 폴디드 슬롯 안테나에서, 상기 'ㅁ'자형 슬롯의 장변 또는 단변 상의 전계 분포가 최대가 되는 지점을 분할하여 형성되는 슬롯인 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯은 개방된 일단을 갖는 변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장에 0.2~0.22배인 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 동일방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전부재는 마이크로스트립 라인인 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
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