KR101142083B1 - 스파이럴 슬롯 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스파이럴 슬롯 안테나를 개시한다. 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나는, 도전층이 피복된 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 중심으로부터 스파이럴 형상으로 상기 도전층이 제거되어 형성된 스파이럴 슬롯; 및 상기 도전층의 표면에 무한 발룬(infinite balun) 구조로 형성되어 상기 스파이럴 슬롯의 중심으로 에너지를 공급하는 급전 라인;을 포함하되, 상기 급전 라인은 상기 스파이럴 슬롯의 형상에 대응하는 형상으로 상기 스파이럴 슬롯의 중심에 수평으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

스파이럴 슬롯 안테나{Spiral slot antenna}

본 발명은 스파이럴 슬롯 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높이 제약이 적고, 광대역 특성과 원형 편파 특성을 갖는 스파이럴 슬롯 안테나에 관한 것이다.

최근 위성통신, 이동통신, RFID(Radio Frequency Identification)와 같은 분야에 대한 관심이 집중되면서 무선신호 송수신에 필수적인 안테나에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 안테나는 공진 특성을 이용하여 특정 주파수를 대기중으로 방출하거나 대기중으로부터 특정 주파수를 수신하는 수단이다. 특히, 안테나는 전자 회로적인 특성보다는 구조 특성에 영향을 많이 받는다. 안테나는 구조 형태에 따라 다이폴 안테나, 루프 안테나, 스파이럴 안테나 등이 있다.

이 중에서 스파이럴 안테나는 1953년 E.M. Turner에 의해 제안된 주파수 독립 안테나(Frequency independent antenna)로서 소형의 구조이며 광대역 정합특성을 지니고 있고 원형 편파를 얻을 수 있는 장점이 있다. 종래의 스파이럴 안테나는 스파이럴 중심에 대하여 대칭적인 구조를 지니기 때문에 모든 주파수 영역에서 스파이럴 평면에 수직 방향으로 원형 편파의 주빔을 가진다. 일반적인 스파이럴 안테나 구조에서 중심을 바깥쪽으로 이동시킨 편심 스파이럴 안테나는 주빔이 원형 편파를 나타내기는 하지만, 주빔의 방향이 안테나 평면에 수직하지 않고 경사지게 된다. 이와 같은 특성은 자동차나 비행기 등의 표면에 부착할 경우 효과적일 수 있으며, 단일 소자만으로 수직에서 기울어진 방향으로 원형 편파를 복사할 수 있다.

이러한 스파이럴 안테나는 스파이럴 중심 부분에서 급전을 해야 했기 때문에 안테나의 중앙으로부터 수직으로 급전하였다. 그러나, 수직 급전 방법의 경우에는 스파이럴이 평면 구조일지라도 수직으로 급전하는 구조로 인해 부피가 증가하게 되고, 급전부의 정합을 위하여 별도의 발룬(balun)을 설계해야 하는 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 스파이럴 슬롯의 중심에 무한 발룬 구조의 급전 구조를 평면상에서 구현함으로써, 높이의 제약이 적고, 광대역 특성과 원형 편파 특성을 갖는 스파이럴 슬롯 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나는, 도전층이 피복된 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 중심으로부터 스파이럴 형상으로 상기 도전층이 제거되어 형성된 스파이럴 슬롯; 및 상기 도전층의 표면에 무한 발룬(infinite balun) 구조로 형성되어 상기 스파이럴 슬롯의 중심으로 에너지를 공급하는 급전 라인;을 포함하되, 상기 급전 라인은 상기 스파이럴 슬롯의 형상에 대응하는 형상으로 상기 스파이럴 슬롯의 중심에 수평으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 급전 라인은 상기 도전층의 표면에 솔더링되어 결합된다.

바람직하게, 상기 급전 라인은 상기 스파이럴 슬롯의 중심으로 서로 대칭되게 향하는 한 쌍의 동축선으로 이루어진다.

바람직하게, 상기 급전 라인의 동축선은 내부도체, 유전체 및 외부도체로 이루어지고, 상기 스파이럴 슬롯의 중심에서 각각의 동축선 중 어느 한 쪽의 내부도체가 다른 쪽의 외부도체에 연결된다.

바람직하게, 상기 스파이럴 슬롯은 소정의 유전율을 갖는 유전체층으로 이루어진다.

바람직하게, 상기 스파이럴 슬롯은 2개 이상일 수 있다.

바람직하게, 상기 스파이럴 슬롯은 중심에 연결된 급전 라인을 통해 공급되는 신호가 서로 다른 위상차를 갖는다.

바람직하게, 상기 스파이럴 슬롯은 두께가 중심으로부터 바깥쪽으로 갈수록 넓어지거나 좁아질 수 있다.

바람직하게, 상기 스파이럴 슬롯은 원형, 사각형 또는 삼각형의 스파이럴 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 스파이럴 슬롯의 유전율을 조절함으로써 안테나의 소형화가 가능하다. 또한, 스파이럴 슬롯의 중심에 무한 발룬 구조의 급전 구조를 평면상에서 구현함으로써, 180도 다른 위상차를 갖는 신호의 급전이 가능하며 광대역 특성과 원형 편파 특성이 향상되고, 높이 제약이 적은 안테나 구조 설계가 가능하다.

본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나의 반사 손실을 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나의 구성을 도시하는 평면도이고, 도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 부분 확대 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나의 반사 손실을 나타내는 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나는 도전층(10)이 피복된 유전체 기판(1)과, 상기 유전체 기판(1)의 중심으로부터 스파이럴 형상으로 상기 도전층(10)이 제거되어 형성된 스파이럴 슬롯(20)과, 상기 도전층(10)의 표면에 무한 발룬(infinite balun) 구조로 형성되어 상기 스파이럴 슬롯(20)의 중심으로 에너지를 공급하는 급전 라인(30)을 포함한다.

상기 유전체 기판(1)과 그 표면에 피복된 도전층(10)은 구리와 같은 금속층이 피복된 연성회로기판(Flexible Printed Circuit Board; FPCB)으로 이루어지거나, 소정 형상의 유전체 구조물(기판 또는 블록)에 금속층을 증착시키거나 프린팅하는 방식으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 스파이럴 슬롯(20)은 상기 유전체 기판(1)의 중심으로부터 스파이럴 형상으로 상기 도전층(10)이 제거되어 형성된다. 스파이럴 슬롯(20)은 그 형상이 중심으로부터 바깥쪽으로 아르키메디안 스파이럴(Archimedean spiral) 형상으로 연장되는 형태로 형성된다. 여기서, 스파이럴 슬롯(20)은 도 1에 도시된 원형의 스파이럴이 중심에서 바깥쪽으로 갈수록 그 두께가 넓어지는 형태일 수 있으나, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니며, 스파이럴 슬롯(20)의 두께가 중심에서 바깥쪽으로 갈수록 좁아지는 형태로 형성될 수 있고, 원형의 스파이럴이 아닌 사각형 또는 삼각형 형태의 스파이럴 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 스파이럴 슬롯(20)은 한 쌍의 스파이럴로 형성될 수 있으며, 그 이상으로 3개, 4개의 스파이럴로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 스파이럴 슬롯(20)은 소정의 유전율을 갖는 유전체층으로 이루어질 수 있다. 이는 상기 유전체층의 유전율을 조절함으로써 안테나의 방사 특성을 조절하는 것이 가능하고, 안테나의 크기를 소형화하는데 기여할 수 있다.

상기 급전 라인(30)은 상기 도전층(10)의 표면에 무한 발룬 구조로 형성되어 상기 스파이럴 슬롯(20)의 중심으로 에너지를 공급한다. 여기서, 무한 발룬 구조는 스파이럴 형태의 안테나의 중심으로 대칭되는 전류를 공급할 수 있고 급전 라인에 의한 복사가 발생되지 않아 스파이럴 형태의 안테나 특성을 향상시킬 수 있는 구조이다.

상기 급전 라인(30)은 상기 스파이럴 슬롯(20)의 형상에 대응하는 형상으로 상기 스파이럴 슬롯(20)의 중심에 수평하게 연결되며, 스파이럴 슬롯(20)의 중심으로 서로 대칭되게 향하는 한 쌍의 동축선으로 이루어진다. 이 때, 급전 라인(30)은 상기 도전층(10)의 표면에 솔더링되어 결합되게 된다. 즉, 급전 라인(30)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스파이럴 슬롯(20) 사이 공간의 도전층(10)에 형성되고, 그 형상이 스파이럴 슬롯(20)의 곡선과 동일한 곡선 형상으로 스파이럴 슬롯(20)의 중심으로 서로 대칭되게 이어지는 형태를 갖는다. 이는 급전 라인(30)이 수평으로 연결될 수 있음으로 안테나의 높이 제약이 적은 안테나 구조 설계를 가능하게 한다.

상기 급전 라인(30)은 도 2에 도시된 바와 같이, 급전 라인(30)의 동축선이 내부도체(31), 유전체(32) 및 외부도체(33)로 이루어지고, 상기 스파이럴 슬롯(20)의 중심에서 각각의 동축선 중 어느 한 쪽의 내부도체(31)가 다른 쪽의 외부도체(33)에 연결된다. 이와 같은 구조를 통해, 급전 라인(30)은 상기 스파이럴 슬롯(20)의 중심에 크기가 같고 위상이 정반대인 전류를 급전할 수 있게 된다. 즉, 스파이럴 슬롯(20)은 중심에 연결된 급전 라인(30)을 통해 공급되는 신호가 서로 다른 위상차를 갖게 되는 것이다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나는 스파이럴 슬롯(20)의 중심에 무한 발룬 구조의 급전 라인(30)이 평면상에서 구현됨으로써, 서로 다른 위상차를 갖는 신호의 급전이 가능하며, 높이 제약이 적은 안테나 구조 설계가 가능하다. 또한, 스파이럴 슬롯(20)이 소정의 유전율을 갖는 유전체층으로 구성될 경우 그 유전율을 조절함으로써 안테나의 소형화에 기여할 수 있게 된다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나의 반사 손실을 나타내는 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나는 공진 주파수에서의 반사손실은 -16.25dB를 나타내었으며, 반사 손실 -7dB를 기준으로 보았을 때, 약 5GHz의 넓은 주파수 대역에서 양호한 반사 손실을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 스파이럴 슬롯 안테나는 안테나의 소형화 설계가 가능한 것은 물론이고 넓은 주파수 대역폭을 갖는 광대역 안테나로의 설계가 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 도전층 20 : 스파이럴 슬롯
30 : 급전 라인

Claims (9)

1. 도전층이 피복된 유전체 기판;
   상기 유전체 기판의 중심으로부터 스파이럴 형상으로 상기 도전층이 제거되어 형성된 스파이럴 슬롯; 및
   상기 도전층의 표면에 무한 발룬(infinite balun) 구조로 형성되어 상기 스파이럴 슬롯의 중심으로 에너지를 공급하는 급전 라인;을 포함하되,
   상기 급전 라인은 상기 스파이럴 슬롯의 형상에 대응하는 형상으로 상기 스파이럴 슬롯의 중심에 수평으로 연결되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 급전 라인은 상기 도전층의 표면에 솔더링되어 결합되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 급전 라인은 상기 스파이럴 슬롯의 중심으로 서로 대칭되게 향하는 한 쌍의 동축선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
4. 제3항에 있어서,
   상기 급전 라인의 동축선은 내부도체, 유전체 및 외부도체로 이루어지고, 상기 스파이럴 슬롯의 중심에서 각각의 동축선 중 어느 한 쪽의 내부도체가 다른 쪽의 외부도체에 연결되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
5. 제1항에 있어서,
   상기 스파이럴 슬롯은 소정의 유전율을 갖는 유전체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
6. 제5항에 있어서,
   상기 스파이럴 슬롯은 2개 이상인 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
7. 제6항에 있어서,
   상기 스파이럴 슬롯은 중심에 연결된 급전 라인을 통해 공급되는 신호가 서로 다른 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
8. 제7항에 있어서,
   상기 스파이럴 슬롯은 두께가 중심으로부터 바깥쪽으로 갈수록 넓어지거나 좁아지는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.
9. 제8항에 있어서,
   상기 스파이럴 슬롯은 원형, 사각형 또는 삼각형의 스파이럴 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 슬롯 안테나.

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