KR101181466B1

KR101181466B1 - 프랙탈 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR101181466B1
Application number: KR1020077019992A
Authority: KR
Inventors: 벤야민 알모그; 로렌트 하빕
Original assignee: 엘타 시스템즈 리미티드
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2012-09-10
Also published as: CA2596545A1; DE602006002252D1; ES2313606T3; ATE405003T1; US20060170604A1; CA2596545C; EP1849210A1; KR20070107740A; AU2006211097A1; WO2006082577A1; AU2006211097B2; EP1849210B1; US7113141B2

Abstract

다이폴 프랙탈 안테나 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 안테나는 급전 단자(22)에 연결됨과 동시에 상기 급전 단자로부터 공동 평면 내의 중심 축선(O)을 따라 연장되는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암(21A, 21B)을 포함한다. 각 방사 아암의 적어도 일부는 프랙탈 형상을 구비한다. 상기 안테나는 또 하나의 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 적어도 2개의 점을 다른 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 대응하는 2개의 점에 연결하도록 구성된 적어도 한 쌍의 전기 분기선(23, 24)을 더 포함한다. 상기 다이폴 프랙탈 안테나는 상기 급전 단자에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암을 동축 케이블에 연결하도록 구성된 밸룬을 더 포함할 수 있다.

프랙탈, 다이폴, 안테나

Description

프랙탈 다이폴 안테나{Fractal dipole antenna}

본 발명은 안테나, 특히 프랙탈 안테나에 관한 것이다.

소형 치수의 안테나가 심미적인 이유, 안전상의 이유, 유체역학적 이유 및 기타 이유에 의해 바람직한 특징인 사용 분야가 많다. 또, 평면이 아닌 부위에 대한 안테나의 표면 부합성(surface conformability) 또는 장착 가능성이 바람직한 특징인 사용 분야도 있다.

예를 들면, 휴대 장치(예, 휴대전화, PDA, 랩탑 컴퓨터, 등)에 있어서는 안테나를 장착하기 위한 공간에 한정되어 있으므로 안테나의 크기를 축소시킬 필요가 있다. 항공기에 장착된 안테나에 있어서, 유체역학적 특성상에 미치는 안테나의 영향을 감소시키기 위해 기체의 표면을 초과하여 안테나가 돌출하는 것을 최소화해야 한다.

프랙탈 안테나는 본 기술 분야에서 성능을 감소시키지 않고 안테나의 치수를 크게 감소(예, 2배 내지 4배의 치수 감소)시키기 위한 해결책으로 알려져 있다. 또, 상기 프랙탈 개념은 다중 주파수 대역을 얻기 위해 그리고 자기상사성(自己相似性; self-similarity)에 의해 각 단일 주파수 대역의 폭을 증가시키기 위해 안테나에 적용할 수 있다. 프랙탈 안테나의 편파(polarization) 및 위상정합(phasing) 도 가능하다.

상기 안테나 형상의 자기상사성은 표면 및/또는 체적을 굴곡변형이나 성형함으로써 또는 복수의 슬롯 및/또는 홀을 도입함으로써 프랙탈 형상으로 형성하여 얻을 수 있다. 전형적인 프랙탈 안테나는 시어핀스키 가스켓(Sierpinski gasket), 시어핀스키 카펫(Sierpinski carpet), 민코프스키 패치(Minkovski patches), 만델브로트 트리(Mandelbrot tree), 코치 커브(Koch curve), 코치 아일랜드(Koch island) 등과 같은 프랙탈 형상에 기초한 것이다(참조: 예, 엔. 코헨(N. Cohen)에게 허여된 미국특허 제US6,127,977호 및 US6,452,553호).

도 1A 내지 도 1D에는 다수의 전형적인 프랙탈 안테나가 예시되어 있다.

특히, 종래에는 안테나의 치수를 감소시키기 위해 모노폴 및 다이폴의 구성시 트리아딕 코치 커브(Triadic Koch curve)를 사용해 왔다. 예를 들면, 코치 다이폴 안테나의 길이는 동일 주파수에서 동작하는 표준 반파장 다이폴(regular half-wave dipole)의 아암의 길이에 비해 1.9의 인수만큼 축소된다. 코치 타이폴의 방사 패턴은 프랙탈의 치수(fractal dimension)가 1보다 크므로 표준 다이폴의 방사 패턴과 약간 다르다.

안테나 부재로서 검토된 프랙탈 트리 구조는 도 1C에 예시되어 있다. 상기 프랙탈 트리에 의해 통상 다중 광대역 성능을 달성할 수 있고 안테나의 치수를 축소시킬 수 있음이 밝혀졌다.

도 1D는 시어핀스키 가스켓 프랙탈 형상에 기초한 시어핀스키 모노폴의 일례를 도시한 것이다. 상기 시어핀스키 가스켓은 주 삼각형의 중앙으로부터 역 삼각 형을 제거하여 구성한 것이다. 기판으로부터 역 삼각형을 제거하면 3개의 동일한 삼각형이 남고, 이들 각 삼각형의 치수는 원래의 삼각형의 치수의 반이 된다. 이들 남아 있는 삼각형에서 위와 같은 삼각형 제거 작업을 반복한다. 도면상의 가스켓은 5회의 반복(five iterations)을 통해 구성되었으므로 안테나 상에서 시어핀스키 가스켓의 5스케일 버전(five-scaled version)을 발견할 수 있다. 최소 치수의 삼각형은 단일 삼각형이다.

시어핀스키 가스켓 프랙탈 형태에 기초한 다양한 모노폴 안테나의 거동은 바라단(Varadan) 등에게 허여된 미국특허 제US6,525,691호; 씨. 프엔트-발라아다 등(C. Puente-Baliarda)에 의해 발표된 논문("On the Behavior of the Sierpinski Multiband Fractal Antenna " by C. Puente-Baliarda, et al., IEEE Transact. Of Antennas Propagation, 1998, V. 46, No. 4, PP. 517-524); 및 제이. 솔러(J. Soler) 등에 의해 발표된 논문("Novel Combined Multiband Antenna Elements Inspired on Fractal Geometries " by J. Soler, et al., 27^th ESA Antenna Workshop on Innovative Periodic Antennas: Electromagnetic Bandgap, Left- handed Materials, Fractals and Frequency Selective Surfaces, 9-11 March 2004 Santiago de Compestele, Spain, PP.245-251)에 개시되어 있다. 상기 문헌에는 프랙탈 구조의 기하학적 자기상사성이 전자기 거동으로 변환된다는 것이 설명되어 있다. 상기 안테나는 약

의 주파수에 정합되는 것이 밝혀졌다. 여기서, c 는 진공 내에서의 광속, h 는 최대 치수의 가스켓의 높이, δ는 ~2 , 그리고 n 은 자연수이다. 특히, 상기 안테나의 최소 동작 주파수는 최대 가스켓의 높이에 의해 결정된다.
단락된(shorted) 단축형 프랙탈 시어핀스키 모노폴 안테나는 시.티.피.송(C. T. P. Song)이 개시하였다. 이 안테나는 공지의 시어핀스키 가스켓 구조의 1/2만을 사용하여 가역 L 안테나와 유사한 방식으로 그라운드 면에 평행하게 절첩된다. 상기 안테나는 이 안테나의 원격 단부에 배치되는 단락 핀(shorting pin)을 구비한다.
프랙터스(Fractus)의 국제특허출원 제WO 03/034538호에는 2개의 상이한 부품, 즉 전도성 표면 및 부하 구조를 구비하는 로디드 안테나(loaded antenna)가 개시되어 있다. 상기 전도성 표면은 프랙탈 형상과 근사한 다각형이고, 공간이 충전되거나 다층(multilevel)인 형상을 구비한다. 상기 부하 구조는 상기 전도성 표면에 연결된 전도성 스트립 또는 일련의 전도성 스트립으로 구성된다. 상기 부하 스트립은 상기 전도성 표면의 주위의 적어도 일점에 직접 연결해야 한다. 부하 구조의 추가에 의해 상기 안테나는 다중 대역 성능의 특징을 가질 수 있다. 상기 로디드 안테나의 다중 대역 특성(대역의 수, 대역 사이의 간격, 정합 레벨 등)은 부하 표면 및/또는 전도성 표면의 형상을 개조함으로써 조절할 수 있다.

다양한 프랙탈 루프 안테나도 본 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들면, 미국특허 제US6,300,914호에는 다중 주파수 대역에서 동작하는 광대역 안테나가 개시되어 있다. 상기 안테나는 종렬 접속(cascade connected), 직렬 접속 또는 병렬 접속된 복수의 프랙탈 부재로부터 형성된다. 각 프랙탈 부재들은 그 프랙탈 부재의 동일 평면 내에서 절첩(folded)되어 톱니형 패턴을 형성한다.

프랙탈 안테나 기술 분야의 상기 종래의 기술에도 불구하고, 광대역 성능, 표면 부합성, 및 축소된 개구 및 두께(예, 이동 통신 장치의 외면에 플러시 장착(flush mounting)하는데 적합한 두께)와 같은 특성을 모두 구비하는 안테나를 제공하기 위해 개량의 필요성이 여전히 존재한다.

본 발명은 종래의 안테나 기술의 결점을 부분적으로 제거하고, 급전 단자에 연결됨과 동시에 이 급전 단자로부터 연장되는 한 쌍의 방사 아암을 포함하는 새로운 프랙탈 다이폴 안테나를 제공하는 것이다. 상기 한 쌍의 방사 아암은 안테나의 중심 축선을 따라 대향 배치된다. 각 방사 아암의 적어도 일부는 프랙탈 형상을 구비한다. 하나의 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 적어도 2 개의 점을 상기 다른 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 대응하는 2 개의 점에 접속하도록 적어도 한 쌍의 전기 분기선이 배치된다. 본 명세서에서 사용된 "프랙탈 부분 내에서"라는 용어는 프랙탈 부분의 가장자리를 포함하는 의미이다. 예를 들면, 상기 2개의 점은 상기 중심 축선에 대하여 각 방사 아암의 프랙탈 부분의 양측 가장자리에서 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 2개의 방사 아암은 전도성 재료의 고체 시이트로부터 절단된다. 전기 분기선은 와이어나 기타 독자적으로 사용되는 전도성 재료로 형성할 수 있다.

본 발명의 타 실시예에 따르면, 상기 안테나는 비전도성 재료로 구성된 기판을 더 포함한다. 상기 2개의 방사 아암은 기판의 적어도 일면 상에 적층된 전도성 재료의 층으로서 형성된다. 이 경우, 프랙탈 다이폴 안테나는 예를 들면 표준 회로 인쇄기법을 이용하여 제조할 수 있다. 상기 기판의 표면상에 적층되는 전도성 층을 에칭 처리하여 방사 아암의 방사 프랙탈 형상을 형성할 수 있다. 또는, 전착 기법을 사용하여 프랙탈 전도성 층을 형성할 수도 있다. 따라서, 상기 2개의 전기 분기선은 상기 기판의 표면상에 배치된 전도성 재료의 층으로 된 스트립으로서 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방사 아암의 프랙탈 형상은 시어핀스키 가스켓이다. 상기 프랙탈 형상의 자기상사성의 반복률은 2보다 크게 할 수 있다. 이 경우, 급전 단자는 각 삼각형 시어핀스키 가스켓 부분의 꼭지점에 배치된다. 또, 상기 2개의 점은 예를 들면 삼각형 시어핀스키 가스켓 부분의 밑변의 꼭지점에서 선택될 수 있다.

상기 안테나는 임피던스 변환을 의미하는 급전 단자에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 방사 아암을 동축 케이블에 연결하도록 구성된 밸룬을 더 포함한다. 상기 방사 아암의 임피던스는 상기 동축 케이블의 임피던스와 정합되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밸룬은 비전도성 기판의 제1측면 및 제2측면 상에 각각 배치된 전도성 재료의 제1층 및 전도성 재료의 제2층을 포함한다. 이들 각 층은 협폭의 스트립 및 광폭의 스트립을 포함한다. 상기 협폭의 스트립 및 광폭의 스트립은 상기 방사 아암에 대해 근접 단부 및 원격 단부를 구비한다. 상기 광폭 스트립들은 그들의 근접 단부에서 상호 연결된다. 각 협폭의 스트립은 그 근접 단부에서 대응하는 방사 아암의 급전점에 연결되고, 그 원격 단부에서 브릿지 스트립을 통해 동일 전도성 층의 대응하는 광폭 스트립에 연결된다. 본 실시예에 따르면, 상기 제1층의 협폭의 스트립은 상기 제2층의 광폭의 스트립의 하측에 위치하고, 상기 제2층의 협폭의 스트립은 상기 제1층의 광폭의 스트립의 상측에 위치한다.

본 발명의 안테나는 종래 기술의 많은 장점을 구비함과 동시에 종래 기술상의 다수의 결점을 극복한다.

본 발명에 따른 안테나는 공지의 안테나가 다중 대역 성능을 발휘하는 주파수 범위 내에서 하나의 광대역 성능을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는 예를 들면 회로 인쇄 기법을 사용하여 용이하고 효율적으로 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는 내구성 및 신뢰성이 있는 구조를 가진다.

본 발명에 따른 안테나는 장착 대상물의 표면에 플러시 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는 장착 대상물의 표면에 깊은 홈을 형성하지 않고 매립되도록 비교적 얇게 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는 장착 대상물의 복잡한 형상의 표면 및 외형에 용이하게 부합될 수 있다. 특히, 항공기의 기체나 기타의 구조물에 용이하게 부합될 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.

요약하면, 본 발명에 광범위한 일 관점에 따르면,

급전 단자에 접속됨과 동시에 상기 급전 단자로부터 중심 축선을 따라 연장되는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암으로서, 상기 각 방사 아암의 적어도 일부가 프랙탈 형상을 가지는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암; 및

상기 하나의 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 적어도 2 개의 점을 상기 다른 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 대응하는 2 개의 점에 접속하도록 구성된 적어도 한 쌍의 전기 분기선을 포함하는 다이폴 안테나가 제공된다.

본 발명의 다른 일반적인 관점에 따르면,

상기 안테나는 상기 급전 단자에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암을 동축 케이블에 연결하도록 구성된 밸룬을 더 포함한다.

상기 전자 장치의 예에는 통신 장치(예, 데이터 링크, 휴대전화, PDA, 리모컨 장치), 레이더, 원격 측정 기지, 방해 전파 기지 등이 포함된다. 그러나, 이들에 한정되지 않는다. 본 발명의 다이폴 안테나를 장착한 상기 전자 장치는 약 20 MHz 내지 40 GHz의 주파수 범위 내에서 동작하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 광범위한 관점에 따르면,

한 쌍의 대향 배치된 방사 아암으로서, 급전 단자에 접속됨과 동시에 그 급전 단자로부터 중심 축선을 따라 연장되고, 각 방사 아암의 적어도 일부는 프랙탈 형상을 구비하는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암을 형성하는 단계; 및

하나의 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 적어도 2점을 다른 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 대응하는 2점에 연결하도록 구성된 적어도 한 쌍의 전기 분기선을 형성하는 단계를 포함하는 다이폴 안테나 제조 방법이 제공된다.

상기 제조 방법은 상기 급전 단자에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 다이폴 안테나를 동축 케이블에 연결하도록 구성된 밸룬을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이상 본 발명의 중요 특징에 대해 다소 광범위하게 개략적으로 설명하였으나, 후술하는 실시예를 통해 본 발명 및 본 기술 분야에서의 본 발명의 공헌에 대해 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 추가의 세부사항 및 장점은 후술하는 실시예에 개시된다.

본 발명을 이해시키고 본 발명의 구현 방법을 보여주기 위해, 이하 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1A 내지 도 1D는 공지된 프랙탈 안테나의 전형적인 예시도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 프랙탈 다이폴 안테나의 평면도;

도 3은 본 발명의 타 실시예에 따른 예시적인 프랙탈 다이폴 안테나의 평면도;

도 4A, 도 4B 및 도 4C는 여러 가지 형상을 가지는 안테나의 입력 반사(리턴 로스; return loss) 계수의 주파수 의존성의 예시를 나타내는 그래프;

도 5A, 도 5B 및 도 5C는 여러 가지 형상을 가지는 안테나의 전기장 평면(E-평면) 내에서의 방사 패턴의 전후 방향 단면(front to back cut)의 예시도;

도 6A, 도 6B 및 도 6C는 여러 가지 형상을 가지는 안테나의 자기장 평면(H-평면) 내에서의 방사 패턴의 전후 방향 단면의 예시도;

도 7A는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 개략 측면도;

도 7B는 본 발명의 타 실시예에 따른 안테나의 개략 측면도;

도 7C는 기판의 타측면 상에 형성된 복수의 전도성 층의 접속 예시도;

도 8A는 본 발명의 타 실시예에 따른 프랙탈 다이폴 안테나의 일례의 평면도;

도 8B 및 도 8C는 각각 본 발명의 타 실시예에 따른 이격된 방사 아암을 구 비한 프랙탈 다이폴 안테나의 개략 평면도 및 분해 사시도; 및

도 9는 본 발명의 안테나를 구비하는 전자 장치의 개략도이다.

본 발명에 따른 다이폴 안테나의 원리 및 동작은 이하의 도면을 참조한 설명에 의해 더욱 용이하게 이해할 수 있다. 이들 도면은 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하려는 의도로 해석되어서는 안 된다.

이하의 다수의 도면에서 대응되는 부분들은 동일한 참조번호로 표시하였다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프랙탈 다이폴 안테나(20)의 개략도이다. 모든 도면들은 도시를 간단히 하기 위해 정확한 축적 및 비례에 따라 도시되지 않았다.

본 프랙탈 다이폴 안테나(20)는 급전 단자(22)에 접속된 한 쌍의 방사 아암(21A, 21B)을 포함하고 있다. 상기 급전 단자(22)는 상기 방사 아암(21A, 21B)에 각각 접속된 한 쌍의 급전선(29A, 29B)을 포함하고 있다.

상기 방사 아암(21A, 21B)은 상기 급전 단자(22)로부터 축선(O)을 따라 반대 방향으로 연장해 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 방사 아암(21A, 21B)은 프랙탈 형상을 가진다. 일반적인 경우, 각 방사 아암의 적어도 일부는 프랙탈 형상을 구비해야 한다.

본 실시예에 따르면, 상기 방사 아암(21A, 21B)의 프랙탈 형상은 시어핀스키 가스켓이다. 상기 방사 아암(21A, 21B)은 공동 평면 상에 위치하는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 필수 사항이 아니다.

상기 급전선(29A, 29B)은 방사 아암(21A, 21B)에 각각 대응하는 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓의 꼭지점에서 선택된 급전점(22A, 22B)에 접속되어 있다. 상기 프랙탈 형상의 자기상사성의 반복률(iteration ratio)은 2보다 크게 할 수 있다. 일반적으로 상기 방사 아암의 프랙탈 형상은 시어핀스키 가스켓 형상으로 제한되지 않는다. 상기 프랙탈 형상의 예에는 시어핀스키 카펫, 민코프스키 패치, 코치 아일랜드 등이 포함된다. 그러나, 이들 형상에 제한되지 않는다. 필요한 경우, 상이한 자기상사성 패턴들을 조합하여 사용할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓은 정삼각형이다.

본 발명의 타 실시예에 따르면, 상기 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓은 이등변 삼각형이다.

상기 안테나(20)는 중심 축선(O)의 양측에 배치된 제1 전기 분기선(23) 및 제2 전기 분기선(24)을 구비하고 있다. 일반적으로, 상기 제1 및 제2 전기 분기선은 방사 아암(21A) 내에서 선택된 대향하는 2개의 점(25A, 26A)을 방사 아암(21B) 내에서 선택된 대향하는 2 개의 점(25B, 26B)에 각각 연결하도록 구성되어 있다.

도 2에 도시된 실시예에 따르면, 상기 2개의 점(25A, 26A)은 방사 아암(21A)의 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓의 밑변(base)에 위치한 꼭지점에서 선택되고, 한편 2개의 점(25B, 26B)은 방사 아암(21B)의 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓의 밑변에 위치한 꼭지점에서 선택된다. 도시된 바와 같이, 상기 2 개의 점(25A, 26A) 및 2 개의 점(25B, 26B)은 축선(O)에 대해 대칭을 이루고 있다.

본 발명은 상기 2 개의 점(25A, 26A)의 위치에 한정되지 않는다. 필요한 경우, 상기 전기 분기선(23)은 상기 축선(O)의 일측에서 방사 아암(21A)의 가장자리(27A) 상에서 선택된 임의의 점과 방사 아암(21B)의 대응하는 가장자리(27B) 상에서 선택된 임의의 점을 연결할 수 있다. 따라서, 상기 전기 분기선(24)(이 분기선은 축선(O)을 중심으로 반대 측에 배치된다)은 방사 아암(21A)의 가장자리(28A) 상에서 선택된 임의의 점과 방사 아암(21B)의 대응하는 가장자리(28B) 상에서 선택된 임의의 점을 연결할 수 있다.

필요한 경우, 방사 아암(21A, 21B)을 연결하기 위해 한 쌍 이상의 전기 분기선을 사용할 수 있다. 예를 들면, 방사 아암(21A) 내에서 선택된 4개(짝수) 이상의 점과 방사 아암(21B) 내에서 선택된 대응하는 개수의 점을 연결하기 위해 2 개 이상의 전기 분기선을 축선(O)을 중심으로 양측에 배치할 수 있다. 도 3은 방사 아암(21A, 21B)이 두 쌍의 전기 분기선에 의해 연결되는 프랙탈 다이폴 안테나(30)의 일례를 도시한 것이다. 이 경우, 제1쌍의 분기선(23, 24)은 도 2에 도시된 연결 상태와 유사하게 방사 아암(21A, 21B)의 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓의 밑변의 꼭지점들을 연결하고 있다. 따라서, 제2쌍의 분기선(31, 32)은 방사 아암(21A)의 가장자리(27A, 28A) 상에서 선택된 점(33A, 34A)과 방사 아암(21B)의 가장자리(27B, 28B) 상에서 선택된 점(33B, 34B)을 연결하고 있다.

본 발명의 안테나는 공지된 임의의 방법을 사용하여 본 안테나를 사용하는 외부 전자 장치(정보원 또는 수신기)에 부합되는 방법으로 급전할 수 있다. 예를 들면, 어떤 외부 장치(도시생략)는 한 쌍의 급전선(29A, 29B)의 단부에 커넥터(도 시생략)를 설치함으로써 상기 방사 아암(21A, 21B)에 연결될 수 있다. 상기 연결부 및 외부 장치 사이에는 동축 케이블 또는 기타 임의의 전송선(도시생략)이 체결된다.

후술되는 바와 같이, 어떤 외부 장치는 밸룬(balun)을 통해 방사 아암에 연결될 수도 있다.

전술한 안테나를 제조하기 위해 다양한 제조방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 한 쌍의 방사 아암(21A, 21B)은 전도성 재료로 구성된 고체 시이트(solid sheet)를 절단하여 제조할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전기 분기선(23, 24) 및 상기 한 쌍의 급전선(29A, 29B)은 와이어 또는 기타 단독으로 사용되는 전도성 재료로 형성할 수 있다.

타 실시예에 따르면, 상기 안테나는 비전도성 재료로 제조된 기판상에 설치할 수 있다. 비전도성 재료의 예로는 테플론(Teflon; 예, 로저스 시(Rogers Cie)사 제품인 듀로이드(Duroid)), 에폭시(Epoxy; 예, FR4) 등이 포함된다. 그러나, 이들 재료에 한정되지 않는다. 이것은 안테나의 전체적인 두께를 얇게 할 수 있으므로 안테나 설계상의 중요한 특징이다. 따라서, 필요한 경우 본 실시예의 박판 안테나는 장착 대상(예, 통신장치)의 표면에 플러시(flush) 장착하거나 장착 대상의 외면 내에 삽입(inset)할 수 있다.

도 7A는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판(71) 상에 장착된 안테나(20)의 개략 측면도이다. 본 실시예에 따르면, 한 쌍의 방사 아암(21A, 21B)은 상기 기판(71)의 일면 상에 적층되는 전도성 재료의 층으로서 형성되어 있다.

도 7B는 본 발명의 타 실시예에 따라 기판(71) 상에 장착된 안테나(20)의 개략 측면도이다. 본 실시예에 따르면, 상기 방사 아암(21A)은 기판(71)의 일면 상에 적층되는 전도성 재료의 층으로서 형성되어 있고, 상기 방사 아암(21B)은 기판(71)의 타면 상에 중첩되는 전도성 재료의 층으로서 형성되어 있다.

도 7A 및 도 7B에 도시된 다이폴 안테나는 임의의 표준 회로 인쇄 기법을 이용하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판의 표면에 적층되는 전도성 층은 에칭 처리에 의해 방사 아암의 방사 프랙탈 형상을 형성할 수 있다. 또는, 전착기법을 이용하여 상기 프랙탈 전도성 층을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전기 분기선(23, 24) 및 한 쌍의 급전선(29A, 29B)은 상기 기판(71)의 표면상에 배치된 전도성 재료의 층으로 구성된 스트립으로서 형성될 수 있다.

상기 방사 아암(21A, 21B)이 기판(71)의 양측면 상에 형성되는 경우, 기판(71)의 양측에 배치된 전도성 층을 연결하기 위해 관통공(via)을 이용할 수 있다. 도 7C는 기판(71)의 일측면 상에 형성된 방사 아암(21)과 기판(71)의 타측면 상에 배치된 분기선(27)을 관통공(72)을 이용하여 연결한 것을 보여주는 예시도이다. 상기 관통공은 예를 들면 상기 기판(71)에 천공된 속이 빈 보어의 형태로서, 그 내면 상에 전도성 코팅을 구비하는 것으로 구성할 수 있다. 타 실시예에 따르면, 상기 보어 내에는 예를 들면 금속 핀과 같은 전도성 재료를 충전시킬 수 있다.

도 4A 및 도 4B는 도 2에 도시된 안테나의 입력 반사(리턴 로스) 계수(S ₁₁ )의 주파수 의존성 및 분기선(23, 24)을 포함하지 않는 유사한 안테나의 입력 반사 (리턴 로스) 계수(S ₁₁ )의 주파수 의존성을 나타내는 예시적 그래프이다. 이들 그래프는 두께가 1.6 mm이고, 유전체의 유전율이 2.2(테플론(예, Duroid))의 유전율과 일치함)인 기판상에 인쇄된 안테나의 특성을 시뮬레이션(simulation)하여 얻어진 것이다. 밑변 및 양 측변의 길이가 각각 9 cm 및 6 cm인 이등변 삼각형 형태의 최대 삼각형 시어핀스키 가스켓이 선택되었다. 도면에 도시된 바와 같이, 공지의 다이폴 프랙탈 안테나에 2 개의 분기선(23, 24)을 추가함으로써 주파수/리턴 로스 특성을 변경할 수 있다. 특히, 저주파수 대역은 고주파수 측으로 약간 이동하고, 고주파수 대역은 거의 동일 위치를 유지하고 있다. 또, 이들 양 주파수 대역의 리턴 로스는 -10dB 미만을 유지하고, 고주파 대역에서는 대폭 감소한다.

도 5A 및 도 5B는 도 2에 도시된 안테나의 전기장 평면(E-평면) 내의 방사 패턴 및 분기선(23, 24)을 포함하지 않는 유사한 안테나의 방사 패턴의 전후 방향 단면의 예시도이다. 따라서, 도 6A 및 도 6B는 도 2에 도시된 안테나의 자기장 평면(H-평면) 내의 방사 패턴 및 분기선(23, 24)을 포함하지 않는 유사한 안테나의 방사 패턴의 전후 방향 단면의 예시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 공지의 다이폴 프랙탈 안테나에 2 개의 분기선(23, 24)을 추가하면 안테나의 방사 거동이 크게 변화되지 않는다.

도 8A는 본 발명의 추가의 실시예에 따른 안테나(80)의 평면도이다. 상기 안테나(80)는 그 급전 단자(22)의 위치에 배치되는 밸룬(81)을 포함한다. 이 밸룬은 상기 한 쌍의 방사 아암(21A, 21B)을 동축 케이블(820)에 연결하여 평형 급전을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 밸룬(81)에 대해서는 도 8B 및 도 8C를 참조하여 설명한다. 도 8B 및 도 8C는 각각 이격된 방사 아암을 구비한 평면도 및 프랙탈 다이폴 안테나의 분해 사시도이다. 본 실시예에 따르면, 상기 방사 아암(21A, 21B)은 비전도성 기판(도 8B 및 도 8C에서는 도면을 간단히 하기 위해 도시를 생략함)의 양측면 상에 형성되어 있다.

상기 밸룬 및 방사 아암은 모두 동일 기판상에 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 필수 사항이 아니다. 상기 밸룬(81)은 상기 기판의 일측면 상에 형성된 전도성 재료로 구성된 제1층(82A) 및 상기 기판의 타측면 상에 형성된 전도성 재료로 구성된 제2층(82B)를 포함하고 있다. 상기 제1 및 제2 전도성 층은 예를 들면 협폭의 스트립(83A, 83B) 및 광폭의 스트립(84A, 84B)과 같은 2 개의 평행한 스트립의 형태를 구비한다. 상기 협폭의 스트립(83A, 83B)은 각각 근접 단부(831A, 831B) 및 원격 단부(832A, 832B)를 구비한다. 또, 상기 광폭의 스트립(84A, 84B)은 각각 근접 단부(841A, 841B) 및 원격 단부(842A, 842B)를 구비한다.

상기 밸룬(81)은 상기 협폭의 스트립(83A)의 근접 단부(831A)의 위치에서 상기 방사 아암(21A)의 급전점(22A)에 연결되어 있다. 마찬가지로, 상기 밸룬(81)은 상기 협폭의 스트립(83B)의 근접 단부(831B)의 위치에서 상기 방사 아암(21B)의 급전점(22B)에 연결되어 있다.

상기 광폭의 스트립(84A, 84B)의 근접 단부(841A, 841B)는 예를 들면 관통 공(86)을 이용하여 상호 연결된다. 상기 관통공(86)은 기판에 천공된 보어의 형태로서, 내부에 전기 전도성 재료를 충전한 보어의 형태로 형성할 수 있다.

상기 협폭의 스트립(83A) 및 광폭의 스트립(84A)의 원격 단부(832A, 842A)는 브릿지 스트립(bridging strip; 85A)을 이용하여 상호 연결되어 있다. 마찬가지로, 상기 협폭의 스트립(83B) 및 광폭의 스트립(84B)의 원격 단부(832B, 842B)는 브릿지 스트립(85B)을 이용하여 상호 연결되어 있다.

상기 협폭의 스트립(83A, 83B)의 폭은 상기 광폭의 스트립(84A, 84B)의 폭에 비해 적어도 2배 이상 좁게 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 필수 사항이 아니다. 상기 브릿지 스트립(85A, 85B)의 폭은 동축 케이블(도시생략)에 안테나(80)를 연결하기 위해 설치된 커넥터(도시생략)를 상기 브릿지 스트립이 홀딩할 수 있는 폭으로 형성되어 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전도성 층은 제1층(82A)의 협폭의 스트립(83A)이 제2층(82B)의 광폭의 스트립(84B)의 하측에 위치하도록 상기 기판상에 인쇄되어 있다. 또, 상기 제2층(82B)의 협폭의 스트립(83B)은 제1층(82A)의 광폭의 스트립(84A)의 상측에 위치해 있다.

위와 같은 구성에 있어서, 제2층(82B)의 광폭의 스트립(84B)은 제1층(82A)의 협폭의 스트립(83A)을 위한 그라운드 면(ground plane)으로서 작용하고, 반대로 제1층(82A)의 광폭의 스트립(84A)은 제2층(82B)의 협폭의 스트립(83B)을 위한 그라운드 면으로서 작용한다.

광대역 동작시 최대 에너지 전달을 달성하기 위해, 방사 아암(21A, 21B)의 임피던스는 상기 동축 케이블의 임피던스와 정합되어야 한다. 이 같은 임피던스의 정합을 얻기 위해, 상기 협폭 및 광폭 스트립의 폭은 필요한 수치로 조절될 수 있다.

도 4C는 도 8B 및 도 8C에 도시된 안테나의 입력 반사(리턴 로스) 계수의 주파수 의존성을 나타내는 예시적인 그래프이다. 상기 주파수 의존성을 도 4A 및 도 4B에 도시된 대응하는 곡선과 비교해 보면, 공지의 다이폴 프랙탈 안테나에 2 개의 분기선(23, 24) 및 밸룬을 추가하면 리턴 로스 특성이 크게 변경될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 경우, 공지의 프랙탈 안테나 및 2 개의 분기선을 구비하는 프랙탈 안테나에 대해 2 개의 대역이 모니터된 1-3GHz의 주파수 대역 내에서 하나의 광 주파수 대역(broad frequency band)이 관측된다.

도 5C 및 도 6C는 도 8B 및 도 8C에 도시된 안테나에 대한 E-평면 및 H-평면 내에서의 방사 패턴의 전후 방향 단면을 도시한 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 공지의 다이폴 프랙탈 안테나에 2 개의 분기선(23, 24) 및 밸룬(81)을 추가하면 공지의 안테나의 방사 거동이 크게 변화하지 않는다.

도 9는 본 발명의 안테나(20)를 포함하는 전자 장치(90)의 개략도이다. 본 실시예에 따르면, 상기 안테나(20)는 전자 장치(90)의 후면(91) 상에 장착되어 있다.

당업자는 본 발명의 다이폴 안테나를 다양한 분야에 적용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 적용 분야의 목록에는 약 20 MHz 내지 40 GHz의 주파수 대역 내에서 동작하는 다양한 장치가 포함된다. 그러나, 이들 장치에 한정되지 않는다. 특히, 본 발명의 안테나는 통신 장치(예, 휴대전화, PDA, 리모컨 장치, 인공위성 통신장치, 등), 레이더, 원격 측정 기지, 방해 전파 기지 등에 사용할 수 있다.

그러므로, 이상에서 본 발명이 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었으나, 본 설명의 토대가 되는 개념은 다른 구조의 시스템 및 본 발명의 다수의 목적을 달성하기 위한 방법을 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가는 이해할 수 있다.

본 발명의 안테나는 대칭형 및 평면형 안테나의 예에 한정되지 않는다는 것은 명백하다. 필요에 따라, 상기 안테나의 형상은 장착될 대상의 형상에 의해 결정될 수 있다. 마찬가지로, 필요에 따라 상기 방사 아암은 부피를 가지는(3차원적인) 프랙탈 형상을 가질 수 있다.

도 2, 도 3 및 도 8A 내지 도 8C를 참조하여 기술된 상기 단일 부재의 안테나는 각각의 어레이 인자(array factor)의 특성을 취하는 규칙 형태 또는 프랙탈 형태의 어레이 구조(array structure)로서 구현될 수 있다. 또, 필요 시, 상기 어레이 안테나는 다른 소자(예, DSP-구동 스위치)와 함께 칩 상에 모노리틱으로 공동 집적시킬 수 있고, 또 가동 멀티비임(steerable multibeams)을 방사 할 수 있으므로, 전체 어레이를 스마트 안테나(smart antenna)로 제작할 수 있다.

일방 향으로의 방사를 제한하기 위해, 본 발명의 안테나에 주지의 그라운드 면을 설치할 수도 있다. 예를 들면, 상기 그라운드 면은 안테나의 평면에 평행하게 배치함과 동시에, 안테나가 인쇄되어 있는 기판의 일측면에 대면하도록 배치할 수 있다. 위와 같이 구현된 안테나는 안테나의 방사 지향성을 증대시킬 수 있다. 또, 가장 공지된 휴대전화 장치의 양방향 방사와 비교했을 때 휴대전화 사용자 쪽을 향하는 방사량이 대폭 감소되므로 공지의 휴대전화 안테나의 결점을 대폭 제거할 수 있다.

또, 본 발명의 안테나는 상이한 통신 서비스와 관련된 그리고 다양한 주파수 대역에서 동작하는 상이한 통신 장치 사이의 접속성을 위해 요구되는 개발 노력을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 안테나는 단일의 휴대 전화를 사용하여 상이한 휴대전화 서비스와 통신을 할 수 있다.

본 발명의 안테나는 인터넷 전화, 태그 시스템(tag system), 리모콘 장치, 비디오 무선 전화, 인터넷과 휴대전화 사이의 통신에 사용할 수 있다. 본 안테나는 또 컴퓨터 무선 LAN(Local Area Network), PCN (Personal Communication Network) 및 ISM (Industrial, Scientific, Medical Network) 시스템과 같은 다양한 인터시스템(intersystems)에 사용할 수 있다.

본 안테나는 또 LAN과 휴대전화 네트워크 사이의 통신, GPS(Global Positioning System) 또는 GSM (Global System for Mobile communication)에 사용할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 표현 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것으로서 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

따라서, 본 발명의 범위가 전술한 실시예에 의해 제한되지 않는다는 사실은 중요하다. 기타의 변경은 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위 내에서 가능하다.

Claims

급전 단자(22)에 접속됨과 동시에 상기 급전 단자로부터 중심 축선을 따라 연장되는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암으로서, 상기 각 방사 아암의 적어도 일부가 프랙탈 형상을 가지는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암(21A, 21B)을 포함하는 다이폴 안테나에 있어서,

상기 하나의 방사 아암(21A)의 프랙탈 부분 내에서 선택된 적어도 2 개의 점(25A, 26A)을 상기 다른 방사 아암(21B)의 프랙탈 부분 내에서 선택된 대응하는 2 개의 점(25B, 26B)에 접속하도록 구성된 적어도 한 쌍의 전기 분기선(23, 24)이제공되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 안테나와 동일한 구조를 구비하지만 상기 적어도 한 쌍의 전기 분기선을 구비하지 않는 다른 안테나를 위해 제공된 주파수 대역에 대해 리턴 로스의 감소하도록 구성되고 동작되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 급전 단자(22)에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암(21A, 21B)을 동축 케이블(82)에 연결하도록 구성된 밸룬(81)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 3 항에 있어서, 복수의 주파수 대역이 상기 안테나와 동일한 구조를 구비하지만 상기 밸룬은 구비하지 않는 다른 안테나에서 관측되는 주파수 대역 내에서 하나의 광폭 주파수 대역을 제공하도록 구성되고 동작되는 것을 특징으로 하는 다 이폴 안테나.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 2점은 상기 중심 축선을 중심으로 한 각 방사 아암의 프랙탈 부분의 대향 가장자리 상에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 비전도성 재료로 제조된 기판을 더 포함하고, 상기 2 개의 방사 아암(21A, 21B)은 상기 기판의 표면 상에 적층되는 전도성 재료의 층으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 6 항에 있어서, 상기 2 개의 방사 아암은 상기 기판의 일측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 6 항에 있어서, 상기 2 개의 방사 아암 중 1 개의 방사 아암은 상기 기판의 일측면 상에 배치되고, 2 개의 방사 아암 중 다른 1개의 방사 아암은 상기 기판의 타측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프랙탈 형상은 시어핀스키 가스켓인 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 9 항에 있어서, 상기 급전 단자는 각 삼각형 시어핀스키 가스켓 부분의 꼭지점에 연결되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 9 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 점은 각 삼각형 시어핀스키 가스켓 부분의 밑변의 꼭지점에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 9 항에 있어서, 상기 프랙탈 형상의 자기상사성의 반복률은 2보다 큰 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 3 항에 있어서, 상기 방사 아암의 임피던스는 동축 케이블의 임피던스와 정합되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 3 항에 있어서, 상기 밸룬(81)은 비전도성 기판의 제1측면 및 제2측면 상에 전도성 재료의 제1층(82A) 및 전도성 재료의 제2층(82B)을 각각 포함하고; 상기 제1층 및 제2층은 각각 협폭의 스트립(83A, 83B) 및 광폭의 스트립(84A, 84B)을 포함하고, 상기 협폭의 스트립 및 광폭의 스트립은 상기 방사 아암에 대해 근접 단부(831A, 831B, 841A, 841B) 및 원격 단부(832A, 832B, 842A, 842B)를 구비하고, 각 협폭의 스트립은 그 근접 단부의 위치에서 대응하는 방사 아암의 급전점(22A, 22B)에 연결되고, 그 원격 단부의 위치에서 브릿지 스트립(85A, 85B)을 통해 동일 전도성 층의 대응하는 광폭의 스트립에 연결되고; 상기 제1층(82A)의 협폭의 스트립(83A)은 상기 제2층(82B)의 광폭의 스트립(84B)의 하측에 위치하고, 상기 제2층(82B)의 협폭의 스트립(83B)은 상기 제1층(82A)의 광폭의 스트립(84A)의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.
제 1 항의 안테나를 포함하는 전자 장치.
제 15 항에 있어서, 상기 급전 단자에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암을 동축 케이블(82)에 연결하도록 구성된 밸룬(81)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 통신 장치, 방해 전파 기지, 레이더, 및 원격 측정 기지를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 다이폴 안테나는 20 MHz 내지 40 GHz의 주파수 범위 내에서 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
한 쌍의 대향 배치된 방사 아암으로서, 급전 단자에 접속됨과 동시에 그 급전 단자로부터 중심 축선을 따라 연장되고, 각 방사 아암의 적어도 일부는 프랙탈 형상을 구비하는 한 쌍의 대향 배치된 방사 아암을 형성하는 단계를 포함하는 다이폴 안테나 제조 방법에 있어서,

하나의 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 적어도 2점을 다른 방사 아암의 프랙탈 부분 내에서 선택된 대응하는 2점에 연결하도록 구성된 적어도 한 쌍의 전기 분기선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 제조 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 급전 단자에 배치됨과 동시에 평형 급전을 제공하기 위해 상기 다이폴 안테나를 동축 케이블에 연결하도록 구성된 밸룬을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 제조 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 한 쌍의 방사 아암을 형성하는 단계는 전도성 재료로 구성된 고체 시이트로부터 상기 방사 아암을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 제조 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 소정의 형태의 비전도성 기판을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 방사 아암은 비전도성 기판의 표면 상에 전기 전도성 재료의 층으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 제조 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 2개의 전기 분기선의 형성 단계는 상기 적어도 2개의 점을 연결하기 위해 비전도성 기판의 표면 상에 전기 전도성 재료의 스트립을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 제조 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 밸룬을 형성하는 단계는

소정 형태의 비전도성 기판을 제공하는 단계;

상기 비전도성 기판의 제1측면 및 제2측면 상에 각각 제1전도성 재료의 층 및 제2전도성 재료의 층을 제공하는 단계를 포함하고;

상기 제1 층 및 제2층은 각각 협폭의 스트립 및 광폭의 스트립을 포함하고, 상기 협폭의 스트립 및 광폭의 스트립은 상기 방사 아암에 대해 근접 단부 및 원격 단부를 구비하고, 각 협폭의 스트립은 그 근접 단부에서 대응하는 방사 아암의 급전점에 연결됨과 동시에 그 원격 단부에서 브릿지 스트립을 통해 동일 전도성 측의 대응하는 광폭의 스트립에 연결되고; 상기 광폭의 스트립들은 그들의 근접 단부에서 상호 연결되고; 상기 제1층의 협폭의 스트립은 상기 제2층의 광폭의 스트립의 하측에 위치하고, 상기 제2층의 협폭의 스트립은 상기 제1층의 광폭의 스트립의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 제조 방법.