KR101173151B1 - 소형 안테나에서 동작하게 디자인된 방사 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 풀무(bellows)처럼 생긴 N번 폴딩된 전도성 스트립(strip)을 포함하는 전기적으로 소형인 안테나(50)내에서 동작하기 위해 디자인된 방사(radiating) 소자에 관한 것이다. 본 발명은 크기를 증가시킴이 없이 안테나의 효율의 향상을 가져 온다.

Description

소형 안테나에서 동작하게 디자인된 방사 소자{RADIATING ELEMENT DESIGNED TO OPERATE IN A SMALL ANTENNA}

도 1은 표준적인 루프 안테나를 도시하는 도면.

도 2는 전도성 스트립의 단면을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명에서 구현하는 것처럼 폴딩되기 이전의 전도성 소자를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에서 구현하는 것처럼 폴딩된 후의 전도성 소자를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명에 따라 루프 안테나를 도시하는 도면.

도 6은 본 발명의 특별한 일실시예에서 폴딩되기 이전의 전도성 소자를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명의 특별한 일실시예에서 폴딩 후의 전도성 소자를 도시하는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 루프 안테나 11: 방사 소자

20: 전도성 스트립 30: 방사 소자

50: 안테나 60: 방사 소자

61: 플라스틱 기판 62: 금속화 층

63: 유전층

본 발명은 전기적으로 소형 안테나에서 동작하도록 디자인된 방사 소자와 관련이 있다.

이와 같은 전기적으로 소형 안테나는, 즉, 이것들이 송수신하는 신호의 파장보다 실질적으로 더 작은 크기를 가지며, 특별히 FM 라디오 전파의 휴대용 수신시 사용된다. 따라서, 이러한 안테나는 휴대성 제약을 충족시키기 위해 작은 치수의 유닛에서 통합될 수 있어야만 한다.

현재, 안테나를 구현하기 위해 사용된 타입 또는 기술과 상관없이, 안테나는 파장 정도의 최소한의 치수를, 그리고 정확하게 동작할 수 있기 위해서는 일반적으로 파장의 1/4 보다 커야 한다.

FM 주파수의 경우, 파장은 대략 100 MHz에서 3 미터이고, FM 라디오 대역은 이 수치 근처에서 퍼진다. 예를 들면, 프랑스에서는, FM 대역은 88 MHz 내지 108 MHz의 범위이다. 효과적인 수신을 위하여, 방위와 길이가 조정되는 윕(whip) 안테나가 일반적으로 사용되는데, 최상의 수신을 위해 이것은 일반적으로 100 MHz에서 4분의 1의 파장을 위해 75 cm이다. 하지만, 이러 타입의 안테나는 휴대용으로는 사용할 수 없다. 그러므로, 루프 타입 안테나가 사용되는데, 이것은 효율이 일반적으 로 매우 떨어지는 전기적으로 소형 안테나이다. 이것은 다음의 공식

에 의해 표현되는데, 여기서

는 방사 저항이고,

은 손실 저항이다.

효율성을 향상시키기 위해서 사용되는 기술은, 최상의 결합 상태를 제공하면서, 안테나가 차지하는 부피를 증가시킴으로 방사 저항을 증가시키는 것으로 이루어져 있다. 한 실례는, IEEE Trans. Ant. Propagation의 1975년 7월 AP23 볼륨에 실린 해롤드 윌러(Harold Wheeler)가 쓴 "소형 안테나(Small Antennas)" 논문에서 보여진다. 방사 소자를 위해 사용된 전도성 재질이 허용할 만한 전도성을 가지고, 절연 손실이 낮게 되자마자, 저항 손실은 방사 저항과 관련하여 일반적으로 낮게 유지된다. 이것은 효율이 낮을 경우는 아닌데, 이것은 소형 안테나를 위한 경우이다.

따라서, 이것은 전기적으로 작은 안테나에서 사용될 수 있고, 정확한 안테나 효율을 얻을 수 있는 방사 소자를 제안하는 것을 포함한다.

본 발명은 풀무 모양의 N번 폴딩되고 루프 형태의 전도성 스트립으로 구성된 전기적으로 소형 안테나인 밴드 타입 안테나와 관련이 있다.

풀무 모양으로 전도성 스트립을 규칙적으로 폴딩할 시, 효율은 N배 만큼 증가하게 된다고 관찰된다. 폴딩은, 동일 크기의 안테나를 가지고 얻어지고 표준 전도성 스트립을 가지고 구현된 것과 비슷한 크기로, 안테나의 전체적인 치수를 유지 시킨다. 풀무 모양의 폴딩은 직선 및 평행일 수 있거나, 또는 이용 가능한 부피에 따라, 고려할 안테나 형태 인자에 따라, 직선이나 평행이 될 수 없다.

일실시예에서, 폴딩 각도는 방사 소자의 임피던스를 조정할 수 있도록 결정된다.

이 테이프의 폴딩은 안테나의 동작에 정전 요소를 야기 하며, 작은 치수일 때, 이것은 강한 유도성을 갖게 된다. 따라서, 이것은 임피던스 정합을 가능하게 해준다.

일실시예에서, 전도성 스트립은 박판 금속 스트립이다.

일실시예에서, 상기 전도성 스트립은 얇은 플라스틱 재질로 제조된 기판의 한 면에 구현된 금속화 층에 의해 구성된다.

본 발명의 다른 특성들과 이점은 이 설명은 첨부된 도면을 참조하는 다른 비제한적인 실시예의 설명을 읽을 때 알 수 있다.

도 1은 주변 길이 L과 폭 w의 방사 소자(11)을 포함하는 주변 길이 L의 표준적인 루프 안테나(10)을 보여 준다. 예를 들면, 방사 소자(11)는 두께 e와 폭 w의 전도성 스트립(20)이고, 이 전도성 스트립의 단면은 도 2에서 보여 진다.

이와 같은 안테나는 전통적으로 휴대용 장치에서 FM 주파수를 수신하기 위해 사용된다. 참으로, 휴대용 장치에서, 100 MHz에서 3 m 정도되는 파장의 길이를 가진 안테나를 사용하는 것은 불가능하다. 루프 안테나는 요컨대 길이 L이 파장보다 훨씬 작은 전기적으로 소형 안테나이다. 이것의 낮은 전기적 치수를 고려해 볼 때, 이 안테나의 효율은 일반적으로 낮다. 이것은 다음의 수학식:

에 의해 표현되는데, 여기서

는 방사 저항이고,

은 손실 저항이다.

본 발명은 안테나의 크기를 수정하지 않고 손실 저항을 감소시킴으로서 안테나의 효율을 향상시킬 것을 제안한다.

도 3은 본 발명의 따라 폴딩을 하기 전의 방사 소자(30)을 보여 준다. 이 방사 소자(30)는 폭 W, 길이 L, 두게 e의 전도성 스트립이다.

본 발명에 따라, 이 스트립은 도 4에서 보여진 것처럼 풀무 모양으로 N번 폴딩하여 만든다.

마지막으로, 루프 안테나의 예에서, 일단 방사 소자(30)가 폴딩되면, 이것은 주변 거리가 L과 같고 폭이 w=W/N인 루프 안테나 형태가 된다. 필요할 경우, 폭 w는 수정될 수 있다.

본 발명에 따라 이런 방식으로 얻어지고, 따라서 주변 거리 L과 폭 w의 치수를 가진 안테나는 도 1에서 보여진 크기의 표준 루프와 거의 일치하는 방사 저항을 갖는다. 참으로, 방사 저항은 안테나의 형태 및 동일한 부피에 의해 주로 결정된다.

예를 들면, 상기 안테나는 다음과 같은 치수로 제조될 수 있다: W = 50 mm; N = 10; e = 0.1 mm; L = 10 cm.

폭 w와 두께 e의 전도성 스트립을 통과하는 전류는, 도 2에서 보이고 다음 수학식에 의해 정의된 대로, 피부 깊이(skin depth)라고 알려진 δ의 두께를 가진 표면과 근접한 얇은 층에 한정된 채로 남아 있는다:

, 여기서

는 Hz 단위의 동작 주파수이고,

H/m, 그리고

는 재질의 전도성이다(구리의 경우

S/m).

따라서, 100 MHz의 주파수에서 구리 도체를 위해, 피부 깊이는 6.6 μm이다. 이 전도성 스트립은 반드시 2δ보다 큰 두께 e여야만 한다. 일반적인 e와 δ의 수치를 고려 할 때, 이 조건은 폭넓게 충족된다.

이리하여 손실 저항은 다음과 같고:

, 여기서

는 상기 스트립을 위한 효과적 전도성 표면이고 즉,

이다.

그러므로, 도 5에서 보여진 대로 손실 저항은 본 발명에 따른 루프 안테나의 경우:

이고, 도 1에서 표시된 표준적인 루프 안테나의 경우는

이다.

그러므로, W > W/N >> e의 경우, 일반적으로 선택되는 수치 W = 500 x e 및 N = 10을 위해 폭넓게 구현되는 조건은,

및

이다. 따라서, 이 수학식은

이다.

그래서 본 발명은 손실 저항을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 이것은 저항 손실과, 만약 필요하다면, 절연 손실이 무시할 수 없는 경우의 안테나에 쓸모 있 고, 이것은 효율이 일반적으로 낮은 소형 안테나에 해당되는 것이다.

따라서, 루프 타입 안테나를 위해 얻어지는 표준 효율인 대략 -20 dB에서 안테나의 효율을 위해, 저항 손실의 감소는 저항 손실에 거의 비례하는 안테나의 효율의 향상을 가능하게 한다.

참으로,

은

이고, 여기서

이고 그러므로

이고

이다.

이리하여, 상기 안테나의 효율은 손실 저항 R_ohm에 역비례한다. 이런 조건들에서, 손실 저항 R_ohm을 인수 10으로 나눔으로 상기 안테나의 효율을 10 dB만큼 향상시키게 된다.

따라서, 본 발명은, 안테나의 부피를 아주 작게 유지하면서, 소형 안테나, 특히 루프 타입 안테나의 효율을 크게 향상시킨다.

하나의 유익한 실예시예서, 폴딩 각도는 안테나의 임피던스 값을 조정하기 위해 결정된다. 따라서, 본 발명은 안테나의 임피던스 정합을 향상시킨다. 참으로, 소형 루프에 의해 발생하는 임피던스는 높은 유도성을 가지는데, 이것은 정합(matching)을 어렵게 한다. 스트립의 폴딩은 루프의 유도 행태를 감소시키고 따라서 임피던스 정합을 보다 쉽게 만드는 효과를 갖는 용량성 요소를 생기게 한다. 용량성 요소는 또한 폴딩 각도에 의해 조정될 수 있다. 참으로, 금속 스트립의 폴딩은 V자 모양의 정전 소자를 형성하고, 그리고 정전 용량은 폴딩 각도(폴딩된 스트 립 각각의 V자 형태의 두 금속 부분들 사이의 각도)에 따라 변화할 수 있다는 것을, 축전기의 정전 용량의 알려진 계산을 가지고 유추하여 볼 수 있다(C = εS/e, 여기서 ε는 유전체의 유전율, S는 도체판의 표면, e는 유전체 두께).

도 6과 도 7에 예시된 일실시예에서, 방사 소자(60)는 하나의 지지대(support)로서, 예를 들면 한 면(62)위에 금속화되고 아마도 또 하나의 얇은 유전층(63)으로 덮여 있는, 유연한 폴리에스테르 막과 같은, 얇은 플라스틱 재질의 기판(61)을 사용한다. 따라서, 전도성 스트립은 절연막의 두 층 사이에 끼워지게 된다. 두께 e는 따라서 대략 수백 미크론 정도이다. 따라서, 구성된 방사 소자(60)는 그리고 나서 도 7의 부분도에서 보여진 대로 본 발명에 따라 폴딩 된다. 손실 저항의 감소와 상기 안테나를 구현하는 것의 용이성뿐만 아니라, 유전체 때문에 기인된 정전 효과의 증가도 관찰된다. 따라서, 지지대 재질과 좀 더 특별히 유전체의 유전율의 선택은 용량성 효과와, 따라서, 안테나의 임피던스 정합을 제어하기 위한 추가적인 유연성을 제공한다. 게다가, 두 개의 유전층(61과 63)의 재질은 서로 다를 수 있고, 여전히 더 높은 유연성을 제공할 수 있다.

본 발명은 설명된 실시예에 제한되지 않고, 당업자는 다른 실시예의 변형이 존재한다는 것을 인식할 것이며, 예를 들면, 금속 스트립은 본 발명에서 보여진 것처럼 지그재그형으로 폴딩된 박판 금속의 스트립일 수 있고, 폴딩 프로파일은 형태, 규칙성, 주기성, 명백히 단일 혹은 복수가 될 수 있는 루프의 길이와 프로파일 측면에서 변형이 가능하다.

본 발명은, 풀무처럼 생긴 N번 폴딩된 전도성 스트립을 포함하는 전기적으로 작은 안테나(50) 내에서 동작하기 위해 디자인된 방사 소자에 관한 것이다. 본 발명은 치수를 증가시키지 않고 안테나 효율의 향상을 얻는다.

Claims (6)

1. 밴드 타입 안테나에 있어서,

   길이 L, 폭 W를 갖는 전도성 스트립(30)이 폴딩된 방사 소자를 포함하고, 길이 L, 폭 w를 갖는 밴드를 얻기 위해 상기 전도성 스트립이 길이(L)를 따라 풀무 모양으로 N번 폴딩되고, 상기 전도성 스트립이 루프 형태로 폴딩되며, 여기서, w≤W/N인, 밴드 타입 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴딩된 각도가 안테나의 임피던스를 조정하기 위해 결정되는 것을 특징으로 하는, 밴드 타입 안테나.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전도성 스트립(30)은 박판 금속 스트립인 것을 특징으로 하는, 밴드 타입 안테나.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전도성 스트립(30)은 얇은 플라스틱 재질의 기판(61)의 한쪽 면에 구현된 금속화 층(62)으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 밴드 타입 안테나.
5. 제 4항에 있어서, 상기 금속화 층(62)은 얇은 절연층(63)으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는, 밴드 타입 안테나.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 밴드 타입 안테나는 밴드의 주변 길이 L, 밴드폭 W를 가지고, 여기서 w=W/N, 이 W는 상기 스트립의 초기 폭, N은 폴딩된 횟수인 것을 특징으로 하는, 밴드 타입 안테나.

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