KR101152217B1 - 광대역 통합 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 통합 안테나에 관한 것이다. 본 안테나는 반사판 상에 직립 고정되고, 양면에 각각 저주파 방사부와 고주파 방사부가 형성된 기판과, 상기 기판 상의 저주파 방사부에 급전하는 컨넥터를 포함하며, 상기 고주파 방사부는 EM 커플링 방식으로 급전되도록 설계된다. 본 발명에 따르면, 국소형으로 제작 가능하며 저주파에서 고주파까지 원하는 각 대역에서 공진가능한 안테나를 제작할 수가 있다.

Description

광대역 통합 안테나 {Wideband Integrated Antenna}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 특히 실내에서 사용할 수 있는 소형의 광대역 통합 안테나에 관한 것이다.

안테나의 소형화 또는 광대역을 구현하기 위하여 통상 역에프 구조의 안테나가 사용되고 있다. 그러나 이 안테나는 어느 정도의 높이 이하로 줄이게 되면 대역폭이 현저히 떨어지기 때문에 안테나의 사이즈를 줄이는데 한계가 있다. 또 대역폭을 크게 하기 위하여는 방사소자의 면적이 넓은 평면 역에프 구조를 취하여야 하는데, 이 경우 평면적으로 많은 공간이 요구되며 마이크로스트립 기판상에 구현되기 어려울 뿐만 아니라 이 구조 역시 높이가 어느 정도 낮아지면 대역폭을 넓게 할 수가 없다.

따라서 안테나 장치가 복수의 주파수 대역에 대응하기 위하여는 역시 복수의 안테나를 탑재하고 있어야 하고, 그러면 많은 공간을 필요로 하게 됨에 따라 소형화 요구에 대응할 수 없게 된다.

그리하여 소형의 광대역 안테나로서 개발된 것이 한국특허 제946623호, 제958846호에 개시된 안테나이다. 도 1a를 참조하면, 이 안테나는 반사판(1) 상에 수직 및 동축으로 설치되는 원통형 저주파 및 고주파 방사소자(2,3)를 구비하며, 나아가 각 대역폭을 확장하기 위하여 각 방사소자(2,3)에 근접한 기생소자(4,5)를 포함하여 구성된다. 그러나 이들은 설계가 복잡하고, 각 방사소자 및 기생소자의 형태적 특성상 안테나의 사이즈를 줄이는데 한계가 있다.

한편, 무선통신 장치에 내장되는 칩형 안테나가 있다. 예컨대 한국공개특허 제2011-66838호에 개시된 안테나가 그것인데, 도 1b를 참조하면, 유전체(6)의 일면에 폴더 L형 안테나(7)를, 다른 일면에 광대역 모노폴 안테나(8)를 연이어 설계하고 그 사이에 전원공급부(9)를 배치하여 각 안테나(7,8)에 직접 급전하는 것이다. 그러나 이 구조의 안테나는 실제로 각 주파수 대역에 대응하는 설계가 쉽지 않으며, 특히 낮은 주파수 대역에서는 적합하지 않은 단점이 있다. 한편, 이러한 형태의 안테나는 통신기기 내장용으로서 별도의 구조물에 설치되기도 어렵다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 저주파수 및 고주파수의 각 대역(multi-band)에서 공진하는 광대역 안테나로서 초소형으로 설계 및 제작할 수 있으며, 또한 간편하게 설치하여 사용할 수 있는 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

참고로, 본 발명은 중소기업청의 2011년 중소기업기술개발사업에 관련한 국책과제의 일환으로 수행된 것이다.

본 발명의 광대역 통합 안테나는,

반사판과;

상기 반사판 상에 직립 고정되고, 양면에 각각 저주파 방사부와 고주파 방사부가 형성된 기판과;

상기 기판 상의 저주파 방사부에 급전하는 컨넥터를 포함하며;

상기 고주파 방사부는 EM 커플링 방식으로 급전되는 것;

을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 저주파 방사부는 적어도 하나의 모노폴 소자와 기생소자를 포함한다. 또한, 상기 고주파 방사부는 역삼각형 구조의 와이드(wide) 모노폴 소자이다. 한편, 상기 반사판 상에는 내부의 기판을 커버하는 레이돔이 장착될 것이다.

본 발명은 안테나를 설계함에 있어서, 하나의 기판과 하나의 컨넥터를 이용하여 저주파 방사부와 고주파 방사부를 형성하고, 각 방사부에 다이렉트 및 EM 커플링을 동시에 이용하여 급전을 수행하도록 한다. 따라서 본 발명에 따르면, 저수파에서 고주파까지의 영역에서 방사가 가능한 광대역 안테나를, 초소형으로 설계 및 제작할 수 있다. 또한 제작된 안테나는 반사판을 이용하여 간편하게 설치 사용할 수가 있다.

도 1a,b는 종래 안테나의 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 안테나의 사시도.
도 3은 도 2의 정면도.
도 4는 도 2의 배면도.
도 5는 도 2 안테나의 저주파 대역 V.S.W.R
도 6은 도 2 안테나의 고주파 대역 V.S.W.R
도 7은 도 2 안테나의 저주파 대역 방사패턴
도 8은 도 2 안테나의 고주파 대역 방사패턴

이상 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 2 이하의 도면에서, 부호 10은 본 발명에 따른 통합 안테나를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 통합 안테나(10)는 반사판(11)과 기판(12) 및 급전 컨넥터(13)를 포함하여 이루어진다. 부호 14는 상기 반사판(11) 상에 장착되어, 내부의 기판(12) 및 방사소자를 커버하는 레이돔이다.

상기 반사판(11)은 기판(12) 상의 방사소자로부터 복사되는 신호를 반사시키는 통상의 반사판이다. 이 반사판(11)이 그라운드의 기능을 충분히 하기 위해서는 상당한 면적을 가져야 하지만, 그것은 본 발명의 소형화 취지에 부합하지 않는다. 따라서 본 실시예에서는 상기 반사판(11)이 외부의 도체(18)에 전기적으로 연결되도록 하여 그라운드를 충분히 확보한다.

도면에서 상기 도체(18)는 반사판(11)을 고정시키기 위하여 구비되는 고정볼트(19)에 연결된 와이어이다.

상기 기판(12)은 반사판(11) 직립하고 브라켓(15) 등으로 고정되는 PCB 기판이다. 이 기판(12)의 전면 및 배면에 각각 저주파 방사부(16)와 고주파 방사부(17)의 패턴이 형성되어 있다. 구체적으로는, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 상기 저주파 방사부(16)는 적어도 하나의 모노폴 소자(21)와 L형 소자 또는 폴더 L형 소자(24)를 포함한다. 도 3을 참조하면, 상기 모노폴 소자(21)는 기판(12) 전면(F)의 하단부에 형성되는 급전부(27)에서 연장된 제1소자(22)와 제2소자(23)를 포함하며, L형 소자(24)는 역시 급전부(27)에 연결된 제1소자(25)와 제2소자(26)를 포함한다.

실제 용도면에서:

모노폴 제1소자(22)는 소방무선(440~450MHz);

모노폴 제2소자(23)는 TRS(806~867MHz), Cellular(824~894MHz);

L형 제1소자(25)는 TDMB(180~210MHz);

L형 제2소자(26)는 FM(88~108MHz);

의 저주파 각 대역에서 공진하도록 설계된다.

한편 상기 저주파 방사부(16)의 급전 패턴은 기판(12)의 사이즈를 최소화할 수 있는 장점이 있는 반면에, 캐패시턴스 값이 부족하게 되어 안테나의 정재파 특성이 나빠지고 대역 폭이 좁아지는 문제가 있다. 이에 부족하게 된 캐패시턴스 값은 상기한 저주파 방사부(16)의 주변에 인접하게 설계된 C-커플 패턴의 기생소자(30a,30b)로 보상된다. 그리고 각 저주파 소자(22,23,25,26)의 대역폭이 넓어지는 효과가 있다.

다음, 상기 고주파 방사부(17)는 적어도 하나의 모노폴 제3소자(28)이며, 실제로 패턴 형태이든 소자 형태이든 그 형태에 한정되지는 않을 것이다. 도 4를 참조하면, 이 고주파 방사부(17)는 구체적으로 기판(12)의 배면(R)에 형성된 역삼각형 구조의 와이드(wide) 모노폴 소자이다. 바람직하게 상기 고주파 방사부(17)는 전면의 저주파 방사부(16)에 EM 커플링 방식으로 연결되어 있다. 도면에서 상기 제3소자(28)는 기판(12) 배면의 하단부에서도 전면 급전부(27)에 대응하는 위치에 형성되는데, 이로써 고주파 방사부(17)의 EM 커플링 급전을 가장 원활하게 할 수 있다.

실제 용도면에서,

상기 고주파 방사용 제3소자(28)는 PCS(1750~1870MHz), IMT(1920~2170MHz), Wibro(2300~2400MHz), WLAN(2400~2500MHz), WiFi(2400MHz, 5800MHz)의 고주파 각 대역에서 공진하도록 설계된다.

상기 급전 컨넥터(13)는 기판(12)의 하단부에 제공되고, 상기 급전부(27)를 통하여 저주파 방사부(16)에 다이렉트 급전한다. 그리고 상기 고주파 방사부(17)는 EM 커플링 방식으로 급전된다. 즉, 본 발명에서는 하나의 안테나 장치에서 다이렉트 급전 및 EM 커플링 급전을 동시에 사용하며, 이에 따라 저주파 및 고주파 대역의 방사가 가능해지는 것이다.

부호 17a는 기판(12) 배면의 어느 일측에 추가적으로 설계되어 별도의 포트로 구현되는 WiFi 통신을 위한 안테나 패턴이다.

도 5 내지 도 8은 W600mm×H240mm×D100mm로 본 발명의 안테나(10)를 제작하고 특성을 측정하여 얻은 결과를 나타낸다. 먼저 도 5 및 도 6을 참조하면, 저주파 및 고주파의 원하는 각 대역에서 만족스러운 정재파비(VSWR)가 나타나는 것으로 측정되었다. 사용주파수 100MHz(FM) 및 고주파 2500MHz(WiFi)에서 안테나 특성을 측정하여 보인 도 7 및 도 8을 참조하면, 고주파 대역에서 부분적으로 약간의 찌그러짐이 나타나지만 양호한 형태의 방사패턴을 나타내었다. 도시하지 않았지만, 다른 저주파 및 고주파 대역에서도 유사한 방사패턴을 나타내었다.

따라서 본 발명의 안테나(10)는 초소형으로 설계 및 제작되면서, 저수파에서 고주파까지의 영역에서 방사가 가능한 광대역 멀티-밴드 안테나임을 확인할 수 있었다.

10. 통합 안테나
11. 반사판 12. 기판
13. 급전 컨넥터 14. 레이돔
15. 브라켓 16. 저주파 방사부
17. 고주파 방사부 18. 외부 도체
19. 고정볼트 21. 모노폴 소자
22. 모노폴 제1소자 23. 모노폴 제1소자
24. L형 소자 25. L형 제1소자
26. L형 제2소자 27. 급전부
28. 모노폴 제3소자 30a,30b. 기생소자

Claims (5)

1. 반사판(11)과, 상기 반사판 상에 직립 고정되고, 양면에 각각 저주파 방사부(16)와 고주파 방사부(17)가 형성된 기판(12)과, 상기 기판 상의 저주파 방사부(16)에 급전하는 컨넥터(13)를 포함하며;
   상기 고주파 방사부(17)는 EM 커플링 방식으로 급전되고;
   상기 저주파 방사부(16)의 주변에는 인접하게 설계된 C-커플 패턴의 기생소자(30a,30b)가 형성된 것;
   을 특징으로 하는 광대역 통합 안테나.
   
2. 반사판(11)과, 상기 반사판 상에 직립 고정되고, 양면에 각각 저주파 방사부(16)와 고주파 방사부(17)가 형성된 기판(12)과, 상기 기판 상의 저주파 방사부(16)에 급전하는 컨넥터(13)를 포함하며;
   상기 고주파 방사부(17)는 EM 커플링 방식으로 급전되도록 하되;
   상기 기판(12)의 전면(F) 하단부에 형성되는 저주파 방사부(16)의 급전부(27)에 대응하여, 상기 고주파 방사부(17)의 모노폴 소자(28)가 기판(12) 배면의 하단부 중에서도 상기 급전부(27)에 대응하는 위치에 형성되어 EM 커플링되는 것;
   을 특징으로 하는 광대역 통합 안테나.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 저주파 방사부(16)는 적어도 하나의 모노폴 소자(21)와 L형 소자 또는 폴더 L형 소자(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 통합 안테나.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 고주파 방사부(17)는 역삼각형 구조의 와이드 모노폴 소자인 것을 특징으로 하는 광대역 통합 안테나.
   
5. 삭제

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