KR101420206B1 - 기생 방사부를 갖는 안테나 - Google Patents
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Abstract
기생 방사부를 갖는 안테나를 제공한다. 본 기생 방사부를 갖는 안테나는, 그라운드, 그라운드와 동일 평면상의 다른 영역에 배치되어 있는 방사부 및 그라운드와 선택적으로 연결되어 안테나 방사부 역할을 수행하는 기생 빙사부를 포함하고, 제1 모드인 경우, 방사부에서 전자기파가 공진하고, 제2 모드인 경우, 방사부 및 기생 방사부에서 전자기파가 공진한다. 이에 의해, 모노폴 안테나 및 다이폴 안테나로 변환가능한 안테나를 제공함으로써, 송수신 전력의 환경에 적응적으로 대처할 수 있게 된다.
모노폴 안테나, 다이폴 안테나
Description
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기생 방사부를 갖는 안테나에 관한 것이다.
데스크탑 컴퓨터(desktop computer)에서나 가능했던 기능들이 근래 들어서는 휴대용 컴퓨터(portable computer)에서 가능해지고 있다. 오늘날의 경량(light-weight)이기는 하지만 강력한 기능을 가지는 이동용 컴퓨터들(mobile computers), 예를 들면, 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 노트북 컴퓨터(notebook computer), 팜탑 컴퓨터(palmtop computer) 및 PDA(personal digital assistance), 태블렛 PC는, 계산 집약적인 어플리케이션들(compute-intensive applications)을 실행할 수 있다.
그리고, 데스크탑 컴퓨터에서는 PCI 인터페이스 방식의 어댑터 카드를 교체 또는 추가할 수 있다. 그러나, 휴대용 컴퓨터의 물리적인 구조에 의해 부과되는 공간(space) 및 전원 소모(power consumption)의 범위는, 휴대용 컴퓨터의 무게(weight) 때문에 확장하는 데에 그 한계가 있다.왜냐하면, 휴대용 컴퓨터는 상기와 같은 이유 때문에 확장 슬롯의 수에 제한을 받기 때문이다.
그러나, 최근, 휴대용 컴퓨터는 데스크 탑 컴퓨터에 비해 확장성이 떨어지는 면을 보완하기 위해 무선랜 카드를 통해 다수의 외부기기와 무선으로 데이터 통신이 가능하게 되었다.
이러한 무선랜 카드로는 PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association) 타입, USB(Universal Serial Bus) 타입 및 PCI(Peripheral Component Interconnect) 타입이 있다. PCMCIA 타입의 무선랜 카드는 노트북 사용자용으로 PCMCIA 카드 슬롯에 삽입하여 사용하고, USB 타입의 무선랜 카드는 노트북이나 데스크탑의 USB 포트에 연결하여 사용하며, PCI 타입의 카드는 데스크 탑의 PCI 카드 슬롯에 장착하여 사용한다.
한편, 무선랜 카드를 구성하는 중요한 요소로 안테나를 들 수 있는데, 무선랜 카드에 포함된 안테나의 크기는 무선랜 카드 및 휴대용 컴퓨터에 구비되어 있는 그라운드에 비해 상대적으로 작다. 그리하여, 안테나에서 송수신되는 빔의 방향이 그라운드로 치우치는 현상이 발생하게 되고, 그라운드에서의 전자기파 손실이 발생하게 되어 안테나의 평균 이득(average gain)이 감소됨으로써, 안테나의 성능 저하를 초래하게 된다. 특히, 수신 전력이 큰 경우에는 빔이 그라운드로 지향되더라도 데이터 통신상의 문제가 발생하지 않을 수 있지만, 수신 전력이 작은 경우, 휴대용 컴퓨터가 외부기기와 통신이 용이하지 않을 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 목적은, 송수신 전력의 환경 변화에 따라 모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나로서 기능할 수 있도록 기생 방사부를 갖는 안테나를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 기생 방사부를 갖는 안테나는, 그라운드; 상기 그라운드와 동일 평면상의 다른 영역에 배치되어 있는 방사부; 및 상기 그라운드와 선택적으로 연결되어 안테나 방사부 역할을 수행하는 기생 빙사부;를 포함하고, 제1 모드인 경우, 상기 방사부에서 전자기파가 공진하고, 제2 모드인 경우, 상기 방사부 및 상기 기생 방사부에서 전자기파가 공진한다.
그리고, 상기 방사부를 급전하는 급전부;를 포함하고, 상기 급전부는 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드에서 상기 방사부를 급전시키며, 상기 그라운드는 상기 제2 모드에서 상기 기생 방사부를 급전시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기생 방사부는, 상기 제1 모드인 경우, 상기 그라운드와 연결되지 않으며, 상기 제2 모드인 경우, 상기 그라운드와 연결되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 모드에서 공진하는 전자기파의 주파수 대역은 제2 모드에서 공진하는 전자기파의 주파수 대역과 같은 것이 바람직하다.
또한, 상기 방사부 및 상기 기생 방사부 모드 스트립 라인의 형상이며, 상기 제2 모드에서, 상기 방사부와 상기 기생 방사부는 특정 각도 기울어져 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제2 모드에서, 상기 방사부는 상기 기생 방사부와 직각인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 모드에서, 상기 방사부 및 상기 기생 방사부는 동일 평면상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 1 모드에서, 상기 방사부와 상기 기생 방사부는 서로 이격되어 나란한 방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 모노폴 안테나 및 다이폴 안테나로 변환가능한 안테나를 제공함으로써, 송수신 전력의 환경에 적응적으로 대처할 수 있게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무선 통신부(110)를 포함하는 휴대용 컴퓨터에 대한 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 휴대용 컴퓨터는 탈부착이 가능한 무선 통신부(110), 중앙처리장치(180), 전원공급부(185) 및 표시부(190)를 포함한다. 그리고, 무선 통신부(110)는 방사부(122), 기생 방사부(124), 모드 변환부(130), 전력 연산부(140), 제어부(145), RF 송수신부(150), AD 컨버터(160) 및 커넥터(170)를 포함한다.
방사부(122) 및 기생 방사부(124) 각각의 길이는 공진 전자기파에 대한 파장의 1/4이고, 스트립라인 형상인 것이 바람직하다. 방사부(122)는 무선 통신부(110)와 항상 연결되어 있어 있지만, 기생 방사부(124)(122)는 무선 통신부(110)와 선택적으로 연결되어 있다. 그리하여 기생 방사부(124)가 무선 통신부(110)와 연결되어 있지 않는 경우에는 안테나 소자로서 역할을 수행하지 않지만, 무선 통신부(110)와 연결되어 있는 경우에는 안테나 소자로서 역할을 수행한다.
구체적으로, 기생 방사부(124)가 무선 통신부(110)와 연결되어 있지 않으면, 방사부(122)만 안테나 소자 역할을 수행하기 때문에 무선 통신부(110)의 안테나는 모노폴 안테나가 된다. 그러나, 기생 방사부(124)가 무선 통신부(110)와 연결되면, 방사부(122) 뿐만 아니라, 기생 방사부(124)가 안테나 소자 역할을 수행하기 때문에 무선 통신부(110)의 안테나는 다이폴 안테나가 된다.
본 발명과 관련하여 무선 통신부(110)의 모드는 모노폴 모드와 다이폴 모드로 분리될 수 있다. 모노폴 모드는 방사부(122)만 안테나 소자 역할을 수행하여 데이터 송수신을 하고, 다이폴 모드는 방사부(122)와 함께 기생 방사부(124)가 안테나 소자(120) 역할을 수행하여 데이터 송수신을 수행한다. 하지만, 모노폴 모드 및 다이폴 모드는 모두 동일 주파수 대역의 데이터를 송수신한다. 다만, 송수신되는 데이터의 전력이 낮은 경우, 무선 통신부(110)는 다이폴 모드에서 데이터를 송수신하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 다이폴 모드로 데이터를 송수신하게 되면, 안테나 방사부(122)에서 방사되는 빔의 패턴이 무선 통신부(110)의 그라운드와 반대방향으로 형성될 수 있기 때문에 모노폴 모드보다 안테나의 평균 이득의 감소를 방지할 수 있게 된다.
모드 변환부(130)는 앞서 설명한 바와 같이, 모노폴 모드와 다이폴 모드를 스위칭하는 기능을 수행한다.
전력 연산부(140)는 안테나 소자(120)에서 송수신되는 전력의 크기를 연산하고, 연산된 결과를 제어부(145)로 인가한다. 또한, 전력 연산부(140)는 안테나 소 자(120)에서 송수신되는 데이터를 RF 송수신부(150)로 인가한다.
RF 송수신부(150)는 라디오 주파수를 이용하여 후술할 AD 컨버터(160)가 변환한 아날로그신호를 안테나를 통해 송신하거나, 아날로그 신호를 안테나를 통해 수신하여 AD 컨버터(160)를 거쳐 휴대용 컴퓨터에 전달한다.
AD 컨버터(160)는 기저대역 아날로그 (Base Band Analog)부품으로 마련되며, RF 송수신부(150)가 안테나 소자(120)를 통해 수신한 소정의 아날로그 IF(Intermediate Frequency) 신호를 기저대역 주파수 영역으로 다운 컨버팅하고 기저대역 신호를 디지털 신호로 변경해 주는 수신컨버터회로(164)와, 중앙처리장치(180)로부터의 디지털 데이터를 전달받아 아날로그 기저대역신호로 변환하고 다시 IF 주파수 영역으로 업 컨버팅하여 RF 송수신부(150)를 통해 송신하는 송신컨버터회로(162)를 포함한다.
커넥터(170)는 휴대용 컴퓨터의 버스 라인과 전기적으로 연결되어 전원공급부(185)로부터 무선 통신부(110)로 전달되는 전원을 인가받는다. 또한, 커넥터(170)는 AD 컨버터(160)에서 디지털 신호로 변환된 데이터를 버스 라인을 통해 중앙처리장치(180)로 전달하며, 중앙처리장치(180)로부터의 디지털 신호를 버스 라인을 통해 전달받아 AD 컨버터(160)의 송신컨버터회로(162)로 전달한다.
제어부(145)는 무선 통신부(110)내에 마이컴 형태로 마련되어 무선 통신부(110)의 기능블럭들을 제어한다. 뿐만 아니라, 제어부(145)는 전력 연산부(140)로부터 인가받은 전력 연산 결과를 표시부(190)에 표시할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 모노폴 모드 및 다이폴 모드 에서 안테나를 도시한 도면이다. 본 안테나는 그라운드(220), 급전부(240) 및 안테나 소자(260)를 포함하며, 안테나 소자(260)는 방사부(262) 및 기생 방사부(264)를 포함한다.
그라운드(220)는 무선 통신부(110)를 포함하는 회로기판의 일측에 판상으로 형성된다. 그리고, 급전부(240)는 그라운드의 가장자리 일측에 배치되어 방사부(262)를 급전시킨다. 방사부(262)는 급전부(240)와 연결되며, 그라운드(220)와 동일 평면상의 X축 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 한편, 안테나가 모노폴 모드인 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기생 방사부(264)는 그라운드(220)의 X축 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 모노폴 모드에서 기생 방사부(264)는 그라운드(220) 및 급전부(240)와 연결되지 않도록 그라운드(220), 급전부(240) 및 방사부(262)와 소정 간격 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 기생 방사부(264)는 방사부(262)와 동일 평면상에 나란하게 배치되는 것이 바람직하다. 기생 방사부(124)가 방사부(122)와 소정 간격 이격되도록 배치되기 위해서, 기생 방사부(264)와 방사부(262)사이에 매개체(미도시)이 마련될 수도 있다.
그러나, 안테나가 다이폴 모드인 경우, 도 2b에 도시된 바와 같이, 기생 방사부(264)는 그라운드(220)와 연결되며 그라운드(220)의 Z축 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 그리하여, 급전부(240)가 방사부(262)에 전류를 공급하게 되면, 기생 방사부(264)에도 급전부(240)가 공급하는 전류와 반대 전하의 전류가 흐르게 되어 기생 방사부(264)도 안테나 소자 역할을 수행하게 된다. 기생 방사부(264)에 전류가 공급됨으로써, 안테나 소자의 길이는 방사부(262) 및 기생 방사부(264)의 길 이의 합인 λ/2(여기서, λ는 공진 전자기파의 파장이다.)가 된다. 이런 관점에서, 기생 방사부(264)가 안테나 소자 역할을 수행하는 경우 본 발명의 안테나를 다이폴 모드의 안테나라고 한 것이다.
도 3a는 기생 방사부가 없는 안테나를 도시한 도면이고, 도 3b는 기생 방사부가 없는 안테나의 리턴 로스를 도시한 그래프이다. 도 3a에 도시된 기생 방사부가 없는 안테나는 모노폴 안테나이고, 도 3a의 안테나에는 -10dB을 기준으로 약 2.2GHz 내지 2.4GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 공진하게 된다.
한편, 도 4a 및 도 4b는 기생 방사부를 갖는 안테나의 리턴 로스를 도시한 그래프이다. 도 4a는 안테나가 모노폴 모드 즉, 기생 방사부가 도 2a에 도시된 바와 같이 배치되어 있는 경우의 리턴 로스를 도시한 그래프이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 모노폴 모드의 안테나에서도 -10dB을 기준으로 약 2.2GHz 내지 2.4GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 공진한다. 그리하여, 기생 방사부를 방사부와 함께 배치시킨다고 하더라도 안테나의 성능을 저하시키지 않음을 알 수 있다.
반면, 도 4b는 안테나가 다이폴 모드 즉, 기생 방사부가 도 2b에 도시된 바와 같이 배치되어 있는 경우의 리턴 로스를 도시한 그래프이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다이폴 모드의 안테나에서도 -10dB을 기준으로 약 2.2GHz 내지 2.4GHz의 주파수를 갖는 전자기파가 공진하게 된다. 뿐만 아니라, 모노폴 모드의 안테나보다 작은 리턴 로스값을 갖게 되어 안테나의 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
그리하여, 수신 전력이 높은 경우에는 안테나를 모노폴 모드 또는 다이폴 모 드 중 어느 하나로 이용하여도 무방하지만, 수신 전력이 낮은 경우에는 안테나를 다이폴 모드로 이용하게 되면, 안테나 성능의 저하를 방지할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 안테나의 방사 패턴을 E-Field(XZ평면)에서 도시한 그래프이다. 도 5a는 기생 방사부가 없는 모노폴 안테나의 방사 패턴을 E-Field에서 도시한 그래프인데, 방사 패턴이 그라운드 방향으로 치우쳐져 있음을 확인할 수 있다. 방사 패턴이 그라운드 방향으로 치우쳐져 있기 때문에 안테나의 평균 게인을 저하시키는 문제가 있다.
도 5b는 모노폴 모드에서 기생 방사부가 있는 안테나의 방사 패턴을 E-Field에서 도시한 그래프이다. 본 발명의 모노폴 모드의 안테나도 기생 방사부가 없는 모노폴 안테나와 마찬가지로 방사 패턴이 그라운드 방향으로 치우쳐져 있어서, 안테나 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, 수신 전력이 높은 경우 방사 패턴이 그라운드 방향으로 기울어짐으로 인한 성능 저하는 미비하므로, 수신 전력이 높은 환경에서는 모노폴 모드로 안테나를 이용할 수 있다.
도 5c는 다이폴 모드에서 기생 방사부가 있는 안테나의 방사 패턴을 E-Field에서 도시한 그래프이다. 본 발명의 다이폴 모드의 안테나에 대한 방사 패턴이 다이폴 안테나 사이로 기울어지게 된다. 그리하여 방사 패턴이 그라운드로 기울어져는 현상을 억제할 수 있게 되고, 안테나의 성능 저하를 방지할 수 있게 된다.
이와 같은 방식으로, 방사 패턴을 제어함으로써, 안테나의 수신 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 다이폴 모드의 안테나 를 도시한 도면이다. 도 6a에 도시된 바와 같이 기생 방사부는 방사부와 동일 평면상에 배치되어 있지 않아도 무방하다. 즉, 다이폴 모드에서 기생 방사부의 일단은 그라운드와 연결되어 있고, 기생 방사부와 방사부의 합 벡터(610)가 그라운드의 반대방향이 되도록 기생 방사부가 배치되는 것이 바람직하다. 도 6b는 도 6a에 도시된 다이폴 모드의 안테나에 대한 리턴 로스를 나타낸 그래프이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 기생 방사부가 방사부와 동일 평면상에 배치되어 있지 않아도 기생 방사부와 방사부가 동일 평면상에 배치되어 있을 때와 마찬가지로 동일 공진 주파수 대역의 전자기파가 안테나소자에서 공진한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명이 적용된 무선 통신부의 사시도를 간략히 도시한 도면이다. 도 7a 및 도 7b의 무선 통신부는 MIMO(Multi Input Multi Output) 안테나를 이용하여 데이터 통신을 수행한다. 무선 통신부는 크게 기능 블럭들(예를 들어, RF 송수신부(150) 등)이 구비되어 있는 제1 기판(710), 방사부(760)가 마련되어 있는 제2 기판(720) 및 기생 방사부(780)가 마련되어 있는 제3 기판(730)을 포함한다. 그리고, 그라운드(미도시)는 제1 기판(710)의 아랫면에 배치되고, 방사부(760)는 제2 기판(720)의 아랫면에 배치되며, 기생 방사부(780)는 제3 기판(730)의 윗면에 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 급전부(740)는 제2 기판(720)의 아랫면에 그라운드(미도시)와 방사부(760) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
전파 수신 환경이 좋은 곳에서는 사용자는 도 7a에 도시된 바와 같은 모노폴 모드의 상태에서 무선 통신부(110)를 이용한다. 그러나, 전파 수신 환경이 나빠지면, 사용자는 도 7b에 도시된 바와 같은 다이폴 모드의 상태에서 무선 통신부를 이 용하는 것이 바람직하다. 무선 통신부를 다이폴 모드로 변환함에 있어서, 기생 방사부(780)가 그라운드와 접지되고 방사부(760)와 직각이 되도록, 제3 기판(730)을 제1 기판(710)과 제2 기판(720) 사이에 수직으로 세우는 것이 바람직하다. 상기와 같은 안테나의 모드 변환을 사용자가 표시부(190)에 표시되어 있는 전파 수신 상태를 보고 수동으로 할 수 있다. 그러나, 무선 통신부(110) 내의 제어부(145)가 전파 수신 상태에 따라 자동으로 모드가 변환되도록 모드 변환부(130)를 제어할 수 있음도 물론이다.
그리고, MIMO 안테나에 본 발명을 적용하게 되면, 안테나간 방사 패턴을 제어할 수 있게 되어 패턴 상관도(pattern correlation) 특성이 향상된다.
본 실시예에서, 방사부 및 기생 방사부가 스트립 라인 형상인 경우를 일 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 방사부 및 기생 방사부는 다른 형상일 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무선 통신부(110)를 포함하는 휴대용 컴퓨터에 대한 블럭도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 모노폴 모드 및 다이폴 모드에서 안테나를 도시한 도면,
도 3a는 기생 방사부가 없는 안테나를 도시한 도면,
도 3b는 기생 방사부가 없는 안테나의 리턴 로스를 도시한 그래프,
도 4a 및 도 4b는 기생 방사부를 갖는 안테나의 리턴 로스를 도시한 그래프,
도 5a 내지 도 5c는 안테나의 방사 패턴을 E-Field(XZ평면)에서 도시한 그래프,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 다이폴 모드의 안테나를 도시한 도면, 그리고,
도 7a 및 도 7b는 본 발명이 적용된 무선 통신부의 사시도를 간략히 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
120: 안테나 소자 122: 방사부
124: 기생 방사부 130: 모드 변환부
140: 전력 연산부 145: 제어부
150: RF 송수신부 160: AD 컨버터
170: 커넥터 220: 그라운드
240: 급전부 262: 방사부
264: 기생 방사부
Claims (8)
- 그라운드;상기 그라운드와 동일 평면상의 다른 영역에 배치되어 있는 방사부; 및상기 그라운드와 선택적으로 연결되어 안테나 소자 역할을 수행하는 기생 방사부;를 포함하고,제1 모드인 경우, 상기 방사부에서 전자기파가 공진하고,제2 모드인 경우, 상기 방사부 및 상기 기생 방사부에서 전자기파가 공진하는 것을 특징으로 하며,상기 제1 모드에서 공진하는 전자기파의 주파수 대역은 제2 모드에서 공진하는 전자기파의 주파수 대역과 동일한 범위내에 존재하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
- 제 1항에 있어서,상기 방사부를 급전하는 급전부;를 포함하고,상기 급전부는 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드에서 상기 방사부를 급전시키며,상기 그라운드는 상기 제2 모드에서 상기 기생 방사부를 급전시키는 것을 특징으로 하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
- 제 1항에 있어서,상기 기생 방사부는,상기 제1 모드인 경우, 상기 그라운드와 연결되지 않으며,상기 제2 모드인 경우, 상기 그라운드와 연결되는 것을 특징으로 하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 방사부 및 상기 기생 방사부 모두 스트립 라인의 형상이며,상기 제2 모드에서, 상기 방사부와 상기 기생 방사부는 특정 각도 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
- 제 5항에 있어서,상기 제2 모드에서, 상기 방사부는 상기 기생 방사부와 직각인 것을 특징으로 하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
- 제 5항에 있어서,상기 제2 모드에서, 상기 방사부 및 상기 기생 방사부는 동일 평면상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
- 제 1항에 있어서,상기 1 모드에서, 상기 방사부와 상기 기생 방사부는 서로 이격되어 나란한 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기생 방사부를 갖는 안테나.
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