KR101472894B1

KR101472894B1 - 다층 안테나 급전구조

Info

Publication number: KR101472894B1
Application number: KR1020130028901A
Authority: KR
Inventors: 안병철; 방재훈; 조성래; 고형석
Original assignee: (주)맥테크놀러지; 충북대학교 산학협력단; 고형석
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-12-17
Also published as: KR20140115417A

Abstract

본 발명은 상부층에 다수의 방사소자가 형성되고 하부층에 방사소자 급전회로망이 형성되는 다층 안테나 급전구조에 관한 것으로서, 다수의 방사소자가 형성되는 상부층과, 상기 각 방사소자에 소정의 크기와 위상을 갖는 전력을 공급하기 위한 급전회로망이 형성되어 있는 하부층과, 상기 하부층의 급전회로망과 상부층의 방사소자를 전기적으로 연결함과 함께 상기 방사소자의 임피던스 정합을 위해 상기 하부층에 형성되는 급전도선과, 상기 급전도선을 감싸며 상부층과 하부층의 간격을 일정하게 유지하고 상기 급전도선과 함께 사용되어 상부층과 하부층을 기계적으로 견고하게 고정하기 위한 유전체봉과, 상기 방사소자의 임피던스 정합을 위해 하부층의 급전회로망과 일체형으로 형성된 단락도선, 상기 급전도선을 상부층과 하부층에 연결하기 위한 금속패드 및 비아홀과, 상기 금속패드 및 비아홀을 통해 상기 방사소자를 연결하는 방사소자 연결선 및 급전회로망 연결선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 안테나 급전구조{FEEDING STRUCTURE MULTI-LAYERED ANTENNA}

본 발명은 방사소자가 형성된 상부층과 급전회로망이 형성된 하부층으로 구성된 다층 안테나에 있어서, 방사소자의 급전도선과 단락도선을 제공하며 동시에 상부층과 하부층을 견고하게 지지하도록 한 다층 안테나 급전구조에 관한 것이다.

일반적으로 무선인식, 위성측위, 지그비(ZigBee)와 같은 무선 센서망 등의 용도로는 편파 부정합 손실이 적은 원편파 안테나를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 무선통신 단말기용 안테나에 있어서 설치공간 최소화를 위한 안테나의 소형화, 주변물체 영향을 줄이기 위한 단방향 방사 패턴, 단말기 휴대성 향상을 위한 안테나 경량화 등이 요구된다.

이러한 안테나 경량화를 위해 인쇄회로 패치(patch), 세라믹 패치, 나선(helix) 및 와선(spiral) 등을 이용하여 원편파 안테나를 구현할 수 있다. 그러나 이들 소자는 상기 무선통신 단말기용 안테나의 요구사항을 모두 만족하지는 못한다.

상기 인쇄회로 패치의 경우 기판 유전율의 한계로 인해 소형화에 제약이 따르며, 단방향 방사 패턴을 위해 큰 접지판을 사용해야 한다. 상기 세라믹 패치의 경우 고유전율 재료의 사용으로 소형화는 가능하지만 대역폭이 작으며 무겁다는 단점이 있다. 상기 나선형 및 와선형 안테나는 소형화에 한계가 있다.

전술한 무선통신 단말기용 안테나의 요구사항을 만족하는 구조로서 다층 안테나가 있다. 다층 안테나는 2개 또는 4개의 소형화된 방사소자(radiator)가 형성된 상부층과 방사소자 급전을 위한 급전 회로망이 형성된 하부층을 포함하여 2층 또는 그 이상의 다층으로 구성된다. 방사소자와 급전 회로망이 별개의 층에 형성됨으로써 안테나 면적이 감소되고 이에 따라 안테나 소형화가 가능하게 된다.

하부층의 급전 회로망을 사용하여 상부층의 각 방사소자에 적절한 위상(phase) 차를 가지는 전력을 공급함으로써 요구되는 편파 및 방사 패턴 특성을 가지며 작고 가벼운 무선통신 단말기용 안테나를 구현할 수 있다. 하부층 아랫면에는 급전 회로망과 방사소자에 접지(ground)를 제공하는 접지판이 형성된다. 이 경우 적절한 대역폭 특성과 이득 특성을 얻기 위해 상부층과 하부층 사이에 일정한 간격을 둘 필요가 있다.

전술한 다층 안테나 구조는 소형·경량화된 원편파 안테나 구현에 적합하며 약 10dB의 전후방비를 가지는 단방향 방사패턴을 제공한다.

다층 안테나에 있어서 상부층과 하부층은 인쇄회로 공정 또는 수치제어 기계가공법을 이용하여 튼튼하고 정밀하게 제작할 수 있다. 이 경우 상부층의 방사소자와 하부층의 급전 회로망을 연결하기 위한 '다층 안테나 급전구조'가 중요한 기술적 과제가 된다. 다층 안테나 급전구조는 방사소자와 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 기능, 상부층과 하부층을 기계적으로 견고하게 조립하는 기능, 방사소자 임피던스 정합용 단락선로(short-circuited line)를 제공하는 기능 등 총 3가지 기능을 동시에 수행해야 한다.

다층 안테나 급전구조의 중요성은 소형화된 역 F형(inverted-F) 안테나의 사례에서 확인할 수 있다. 소형 다층 안테나에는 흔히 역 F형 모노폴이 사용된다. 역 F형 안테나(100)는 도 1에 도시된 것과 같이 수평도선(110), 급전도선(120), 단락도선(130) 및 접지판(150)으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 역 F형 안테나(100)의 여기(excitation)는 급전도선 하단과 접지판 사이의 공극(gap)(140)에 전류원 또는 전압원을 인가하여 이루어진다.

상기 수평도선(110)과 급전도선(120)이 합해져서 다이폴(dipole) 안테나의 양극도선의 역할을 하며 접지판(150)은 음극도선의 역할을 한다. 상기 수평도선(110)과 급전도선(120)에 흐르는 전류와 접지판(150)에 흐르는 전류의 조합에 의해 전자파가 공간으로 방출된다.

역 F형 안테나(100)에서 접지판(150)은 안테나 구조의 일부로서 접지판 없이는 안테나가 동작하지 않으며 접지판(150)의 크기에 따라 안테나의 방사패턴과 입력 임피던스가 달라진다.

상기 단락도선(130)은 아래에서 설명한 것과 같이 역 F형 안테나(100)의 임피던스 정합을 위해 사용된다. 전송선로의 종단이 접지와 연결되었을 때 '단락되었다(short-circuited)'고 하며 단락된 선로를 단락선로 또는 단락도선이라 한다.

상기 수평도선(110)과 급전도선(120) 길이의 합이 동작 주파수에서의 파장의 약 1/4배가 되는 공진 주파수에서 역 F형 안테나(100)는 고전적인 모노폴(monopole) 안테나로 동작한다.

역 F형 안테나(100)의 수평도선(110)이 적절한 길이를 가지며 접지판(150)에 수직으로 설치될 경우 안테나 입력 임피던스는 30~40Ω의 실수 값이 된다. 그러나 도 1에서와 같이 수평도선(110)이 접지판(150)에 평행하게 설치되는 경우에는 전기도체로 된 접지판(150)이 안테나의 전기장을 단락시키기 때문에, 안테나 임피던스가 3~4Ω의 실수부와 큰 음수 값(예: -500Ω에서부터 -200Ω)의 허수부를 가지게 된다. 이 임피던스 값을 안테나 급전용 전송선의 특성 임피던스인 50~100Ω으로 변환하기 위해 단락도선(130)이 사용된다.

상기 단락도선(130)은 역 F형 안테나뿐만 아니라 입력 임피던스가 작은 실수 값을 가지며 큰 음의 허수 값을 가지는 소형 안테나의 임피던스 정합에 널리 사용된다. 안테나의 임피던스 정합을 위해 수평도선(110)의 길이, 접지판(150)과 수평도선(110) 사이의 간격 등에 따라 단락도선(130)을 조정해야 한다. 그러므로 단락도선(130)은 안테나의 한 구성품으로 취급되며 안테나 설계과정에서 단락도선(130)의 위치와 형상이 결정된다.

도 1의 역 F형 안테나에 있어서 수평도선(110)을 반복되는 'ㄹ'자 형상(이를 미앤더(meander) 형상이라 함) 또는 나선 형상으로 하여 그 길이를 크게 감소시킬 수 있다. 급전도선(120) 부근의 적절한 위치에 단락도선(130)을 연결할 경우 안테나의 동작 주파수가 크게 감소되어 결국 안테나가 더욱 소형화되는 효과를 얻을 수 있다.

다층 안테나 급전구조의 기존 형태로서 '동축선 구조'(대한민국 등록특허 10-1128872)와 '인쇄회로 구조'(W.-I. Son, H.-L. Lee, M.-Q. Lee, S.-B. Min and J.-W. Yu, "Compact square quadrifilar spiral antenna with circular polarization for UHF mobile reader," Proc . Asia - Pacific Microw . Conf ., 2010, pp. 2271-2274)가 있다.

'동축선 구조'(200)는 본 발명의 출원인 일부를 포함한 발명인들에 의한 대한민국특허 제10-1128872호 ‘원편파 안테나’에 설명되어 있으며, 이의 구조는 도 2와 같다. 도 2의 구조는 상부층 방사소자(도 2에는 표시되지 않음)와 하부층 급전회로망을 연결하기 위한 내부도체(210), 내부도체를 둘러싸는 외부도체(220), 내부도체와 외부도체 사이의 간격을 유지시켜 주는 절연체(230), 방사소자 임피던스 정합용으로 상부층에 구현된 단락도선(도 2에 표시되지 않음)의 종단을 외부도체에 연결하기 위한 금속핀(260), 외부도체를 하부층 아랫면의 접지판(도 2에 미표시)에 연결하기 위한 3개의 금속핀(271, 272, 273), 상부층 지지판(240), 하부층 지지판(250) 등으로 구성된다. 방사소자 임피던스 정합용 단락도선의 종단은 외부도체(220)를 통해 접지판에 연결된다.

도 2의 구조에 있어서 내부도체(210) 상단과 하단, 단락도선 종단과 외부도체를 연결하기 위한 금속핀(260), 외부도체를 하부층의 접지판에 연결하기 위한 3개의 금속핀(271, 272, 273) 등 총 6개 부위의 납땜이 요구되며, 또한 상부층에 형성된 방사소자 숫자만큼의 정밀가공된(동축선 특성 임피던스의 정확한 관리를 위해 필요함) '동축선 구조'(200)가 요구되므로, 기존 기술인 도 2의 구조는 안테나 제조비용을 크게 상승시키는 요인으로 작용한다.

한편 '인쇄회로 구조'는 '동축선 구조'의 내부도체(210)를 인쇄된 도선으로 대체한 것이다. 상부층과 하부층 사이에 수직으로 설치된 인쇄회로 형태의 급전도선에 의해 방사소자와 급전회로망이 연결된다. 급전도선의 중간에서 이와 병렬로 방사소자 임피던스 정합용 단락도선이 하부층 방향으로 형성되며 그 종단은 하부층의 접지판과 연결된다.

상기 '인쇄회로 구조'에 있어서, 방사소자가 급전회로망에 전기적으로 연결되는 데에는 문제가 없으나, 인쇄회로 기판만으로는 충분한 기계적 강도를 얻지 못하므로, 상부층과 하부층을 견고하게 고정하기 위한 별도의 지지구조가 필요하다는 단점이 있다.

또한, 상기 '인쇄회로 구조'에 있어서 납땜으로 급전도선을 상부층과 하부층에 연결하고 단락도선을 하부층에 연결할 때, 납땜된 부위가 충분한 강도를 가지게 하려면, 상부층, 하부층, 급전도선의 납땜 부위에 부수적인 금속을 설치하여 납이 접촉되는 면적을 크게 해야 하기 때문에 구조가 복잡해 진다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 상부층과 하부층으로 구성된 다층 안테나에 있어서, 하부층의 급전회로망을 이용하여 상부층에 설치된 다수의 방사소자에 전력을 공급하며, 방사소자 임피던스 정합용 단락도선을 제공하기 위한 다층 안테나 급전구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 '동축선 구조'와 '인쇄회로 구조' 등 기존 방법에 있어서 구조의 복잡성, 기계적 강도의 취약성, 저렴하지 않은 가공비용 및 조립비용 등과 같은 문제를 해결하기 위해, 하부층 급전회로망과 상부층 방사소자를 전기적으로 연결하며 이와 동시에 상부층과 하부층을 기계적으로 견고히 조립하기 위한 급전도선과 이를 둘러싼 유전체봉, 급전회로망과 일체형으로 형성되어 방사소자의 임피던스를 정합하기 위한 단락도선, 상기 급전도선을 안테나의 상부층과 하부층에 연결하기 위한 금속패드(pad)와 비아홀(via hole), 그리고 방사소자 연결선로와 급전회로망 연결선로 등으로 구성된 다층 안테나 급전구조를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조는 다수의 방사소자가 형성되는 상부층과, 상기 각 방사소자에 소정의 크기와 위상을 갖는 전력을 공급하기 위한 급전회로망이 형성되어 있는 하부층과, 상기 하부층의 급전회로망과 상부층의 방사소자를 전기적으로 연결함과 함께 상기 방사소자의 임피던스 정합을 위해 상기 하부층에 형성되는 급전도선과, 상기 급전도선을 감싸며 상부층과 하부층의 간격을 일정하게 유지하고 상기 급전도선과 함께 사용되어 상부층과 하부층을 기계적으로 견고하게 고정하기 위한 유전체봉과, 상기 방사소자의 임피던스 정합을 위해 하부층의 급전회로망과 일체형으로 형성된 단락도선, 상기 급전도선을 상부층과 하부층에 연결하기 위한 금속패드 및 비아홀과, 상기 금속패드 및 비아홀을 통해 상기 방사소자를 연결하는 방사소자 연결선 및 급전회로망 연결선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 급전도선과 이를 둘러싸는 유전체봉을 다층 안테나에 적용할 경우 기존 방법에 비해 그 구조가 단순하고 납땜의 숫자가 줄어들기 때문에 가공비와 조립비를 대폭 줄일 수 있다.

둘째, 급전회로망 일체형 단락도선을 다층 안테나에 적용할 경우 안테나를 더욱 소형화할 수 있으며, 다층 안테나의 급전구조를 단순화할 수 있다. 또한 단락도선 종단 접지를 위한 납땜이 필요 없으므로 안테나 제조에 필요한 작업공수를 줄일 수 있다.

셋째, 다층 안테나에 적용할 경우 안테나 제조비용을 줄이고 제품의 품질 신뢰도를 높일 수 있다.

도 1은 기본적인 역 F형 안테나의 사시도
도 2는 다층 안테나 급전을 위한 기존 기술인 '동축선 구조'의 사시도
도 3은 본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조의 사시도
도 4a는 본 발명이 적용되는 다층 안테나의 상부층 윗면의 평면도
도 4b는 본 발명이 적용되는 다층 안테나의 상부층을 위에서 투시할 경우 상부층 아랫면의 평면도
도 5a는 본 발명이 적용되는 다층 안테나의 하부층 윗면의 평면도
도 5b는 본 발명이 적용되는 다층 안테나의 하부층을 위에서 투시할 경우 하부층 아랫면의 평면도
도 6a는 예시로서 본 발명이 적용된 소형 2층 원편파 안테나의 사시도
도 6b는 예시로서 본 발명이 적용된 소형 2층 원편파 안테나의 하부층 윗면의 평면도

이하, 본 발명의 실시예에 따른 다층 안테나 급전구조에 대해 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성품의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다. 또한 문장의 간결성을 위해, 앞 뒤의 문맥으로 볼 때, 지칭하는 구성품이 무엇인지 쉽게 이해할 수 있는 경우에는, 구성품 명칭 다음에 붙이는 괄호와 구성품 번호를 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조(300)의 사시도이다. 도 3과 함께 도 6a와 도 6b의 실시예를 참조하여 설명한다.

본 발명은 도 6a에 나타낸 것과 같이 1개 또는 그 이상의 방사소자(450)가 있는 상부층(400)과, 상기 방사소자(450)에 소정의 크기와 위상으로 전력을 공급하기 위한 급전회로망(550)이 있는 하부층(500) 또는 그 이상의 층으로 구성된 다층 안테나 구조에 있어서, 상기 하부층(500)에 구성된 급전회로망(550)과 상기 상부층(400)에 구성된 방사소자(450)를 연결하며 방사소자 임피던스 정합용 단락도선을 제공한다.

도 3에서, 안테나 급전구조(300)가 가려지는 것을 방지하기 위해 상부층(400)을 생략하였다. 하부층(500)은 다층 안테나 급전구조(300) 주변의 일부만 표시하였다.

본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조는 상부층(400)의 방사소자(450)와 하부층(500)의 급전회로망(550)을 연결하기 위한 급전도선(310), 상기 급전도선(310)을 감싸며 상부층(400)과 하부층(500)의 간격을 정확히 유지하고 상기 급전도선(310)과 함께 사용되어 상부층(400)과 하부층(500)을 기계적으로 견고하게 고정하기 위한 유전체봉(330)과, 상기 방사소자(450)의 임피던스 정합을 위해 하부층(500)의 급전회로망(550)과 일체형으로 인쇄회로 공정에 의해 형성된 단락도선(350)과, 상기 급전도선(310)을 상기 상부층(400)에 연결하기 위한 금속패드(321,323) 및 비아홀(322)과, 상기 급전도선(310)을 상기 하부층(500)에 연결하기 위한 금속패드(341,343) 및 비아홀(342)과, 그리고 방사소자 연결선(329)과 급전회로망 연결선(349)을 포함하여 구성된다.

상기 급전도선(310)은 전기 전도도가 우수한 구리 또는 알루미늄과 같은 금속재료로 만들어지며, 부식을 방지하고 땜납이 표면에 잘 부착되도록 그 표면은 도금(예: 금도금)으로 처리된다.

납땜으로 급전도선(310)을 상부층(400)과 하부층(500)에 연결하기 위해 급전도선(310)의 윗면은 상부층(400) 윗면보다 약간 높게 하고 급전도선(310)의 아랫면은 하부층(500) 아랫면보다 약간 낮게 한다.

상기 유전체봉(330)이 상부층(400)과 하부층(500) 사이에서 약간의 압력을 받은 상태에서 빈 틈 없이 조립되도록 납땜으로 급전도선(310)을 상부층(400)과 하부층(500)에 견고히 고정한다.

상기 급전도선(310)과 이를 둘러싸는 유전체봉(330)이 함께 작용하여 상부층(400)과 하부층(500)의 간격을 정확히 유지하며 동시에 두 층을 견고히 조립한다.

상기 급전도선(310)의 직경은 상부층(400)과 하부층(500)이 견고하게 조립되고, 안테나 사용 시 발생할 수 있는 충격으로 인해 안테나가 변형되거나 손상되지 않도록 충분히 큰 값으로 한다.

상기 급전도선(310)을 둘러싸는 유전체봉(330)은 테플론과 폴리카보네이트와 같은 전기적 손실이 적은(손실탄젠트 값이 작은) 재료를 사용하여 기계가공법 또는 금형을 이용한 성형법에 의해 정밀하게 제작된다. 상기 유전체봉(330)의 높이는 안테나 설계 단계에서 결정되는 상부층(400)과 하부층(500) 사이의 간격과 같게 한다.

상기 유전체봉(330)의 내부직경은 상기 급전도선(310)의 직경보다 미세하게 크게 하여(예를 들면, 0.02㎜) 급전도선(310)이 유전체봉(330)에 잘 끼워 지게 한다. 납땜으로 급전도선(310)을 상부층(400)과 하부층(500)에 견고하게 연결하고, 상기 유전체봉(330)이 적절한 압력을 받으며 상부층(400)과 하부층(500) 사이에 끼어 있게 한다.

상기 유전체봉(330)의 외부직경은 상부층(400)과 하부층(500)을 견고하게 지지할 수 있도록 충분히 큰 값으로 한다.

상기 방사소자 연결선(329) 종단의 금속패드(321)와 상부층(400) 아랫면의 금속패드(323), 상기 두 금속패드(321, 323)의 중심에서 면에 수직으로 형성된 비아홀(322)은 상기 급전도선(310)을 방사소자(450)에 납땜으로 연결하기 위한 것이다.

상기 상부층(400) 윗면 금속패드(321)의 외부직경은 납땜에 의해 급전도선(310)이 상부층(400)에 견고하게 고정될 수 있도록 충분한 값으로 한다.

상기 비아홀(322, 342)은 인쇄회로를 구성하는 기본요소 중의 하나로서 기판면과 수직으로 형성된 일정한 직경의 구멍으로서 그 벽에는 인쇄회로 공정에 의해 적절한 두께의 금속이 증착된다.

상기 비아홀(322, 342)의 직경은 급전도선이 마찰 없이 통과되며, 급전도선(310) 표면과 비아홀(322, 342) 벽 사이의 빈 틈에 녹은 땜납이 잘 스며들 수 있도록 급전도선(310)의 직경보다 미세하게 큰 값(예를 들면, 0.05㎜)으로 한다. 상부층 아랫면의 금속패드(323)는 비아홀(322) 벽에 증착된 금속막을 비아홀 입구에서 지지함으로써 금속막의 벗겨짐을 방지하기 위한 것이다.

상기 급전도선(310)의 윗부분을 상부층 윗면의 금속패드(321)에 납땜으로 연결함으로써 급전도선(310)이 방사소자(450)에 연결되게 한다. 납땜 과정에서 녹은 납이 급전도선(310) 표면과 비아홀(322) 벽 사이의 공간을 채우게 되며 이로써 급전도선(310)이 상부층(400)에 견고하게 고정된다.

상기 급전도선(310)의 아랫부분은 급전회로망 연결선(349)과 방사소자 임피던스 정합용 단락도선(350)에 간접적으로 연결된다. 상부층(400)의 경우와 마찬가지로, 납땜으로 급전도선(310)을 하부층(500)에 연결하기 위해, 하부층 금속패드(343)와 하부층(500)을 관통하는 비아홀(342)이 사용된다. 하부층 금속패드(343)가 하부층 접지판(520)과 전기적으로 절연되도록, 상기 금속패드(343) 둘레에 적절한 폭의 원형고리(344) 모양으로 접지판 금속이 제거된다.

납땜으로 급전도선(310)의 아랫부분을 하부층(500) 아랫면의 금속패드(343)에 연결한다. 이때 녹은 납이 급전도선(310) 표면과 하부층 비아홀(342) 벽 사이의 빈 공간을 채우게 되어 급전도선(310)이 하부층(500)에 견고하게 고정된다. 하부층(500) 윗면의 금속패드(341)는 급전회로망 연결선(349), 단락도선(350)과 연결되며 또한 비아홀(342)과 하부층 아랫면의 금속패드(343)와도 연결된다. 따라서 납땜으로 상기 급전도선(310)이 하부층 아랫면의 금속패드(343)와 하부층 비아홀(342)에 연결되면, 급전도선(310)은 자연적으로 급전회로망 연결선(349)과 단락도선(350)에 연결된다.

방사소자의 임피던스 정합을 위한 단락도선(350)은 인쇄회로 공정에 의해 급전회로망(550)과 함께 일괄적으로 하부층 윗면에 형성된다. 단락도선(350)의 길이와 폭은 방사소자(450) 설계과정에서 결정된 최적값으로 한다. 단락도선(350)의 종단에는 비아홀(352)과 비아홀 지지용 금속패드(351)가 연결된다. 단락도선(350) 종단의 비아홀(352)은 인쇄회로 공정에 의해 급전회로망(550) 제작과정에서 일괄적으로 제작된다. 비아홀(352) 벽의 금속이 하부층(500) 아랫면의 접지판(520)과 연결됨으로써 단락도선(350)의 종단이 하부층(500) 아랫면 접지판(520)에 연결된다.

위와 같이 방사소자 임피던스 정합용 단락도선(350)을 인쇄회로 공정을 이용하여 하부층(500)의 급전 회로망(550)과 일체형으로 동시에 제작함으로써 다층 안테나 급전구조(300)가 간단해지며, 단락도선(350) 종단의 납땜이 필요 없게 되어 안테나 제작에 필요한 작업공수를 줄일 수 있다. 또한 상기 단락도선(350)을 급전회로망(550) 주변의 빈 공간에 배치함으로써 기존 방법보다 안테나를 소형화에 더 적합한 구조를 얻는다.

도 4a는 다층 안테나 상부층(400)의 윗면을 나타낸 평면도이다. 도 4a에 예시로서 원편파 구현을 위해 방사소자(450) 4개가 순차적으로 90도씩 회전되어 배치된 경우를 보였다. 역 F형 미앤더 모노폴 등 다양한 안테나 소자가 방사소자가 사용될 수 있다. 도 4a에서 방사소자(450)를 나타내는 사각형은 방사소자가 차지하는 공간을 나타낸 것이며 실제 방사소자의 형상은 아니다.

전술한 바와 같이 급전도선(310)의 윗부분은 상부층 윗면의 금속패드(321)에 납땜으로 연결된다. 상기 상부층(400)에 4개의 방사소자(450)가 배치되는 경우, 본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조가 4개의 방사소자에 동일하게 적용된다.

도 4b는 다층 안테나 상부층(400)을 윗방향에서 투시했을 때의 상부층(400)의 아랫면을 보인 것으로서 비아홀(322) 지지용 금속패드(323)를 제외한 모든 금속이 인쇄회로 공정에 의해 제거된다.

도 5a는 다층 안테나 하부층(500)의 윗면을 나타낸 평면도이다. 여기서 급전회로망(550)은 그것이 차지하는 공간을 표시한 것이며 실제 급전회로망의 형상은 아니다. 도 5a에 급전회로망 구성의 일례가 도시되어 있다. 상부층(400)의 4개 방사소자(450)에 전력을 공급하기 위해 4개의 연결선로(349)가 급전회로망(550)에 연결된다. 상기 급전회로망(550) 주변에 급전회로망 연결선로(349), 단락도선(350), 금속패드(341, 351), 비아홀(342, 352) 등이 형성된다. 단락도선 종단에는 비아홀(352)과 금속패드(351)가 형성된다.

도 5b는 다층 안테나 하부층(500)을 윗방향에서 투시하였을 때 하부층의 아랫면을 보인 평면도로서, 하부층의 아랫면에는 급전도선 납땜을 위한 금속패드(343)가 형성되고, 이 금속패드를 접지판(520)으로부터 절연시키기 위해 금속패드 둘레의 접지판 금속이 원형고리(344) 형태로 제거된다. 또한 단락도선(350)의 종단을 하부층 접지판(520)에 연결하기 위한 비아홀(352)이 형성된다.

도 6a는 본 발명이 적용된 소형화된 2층 원편파 안테나의 일례를 보인 사시도이다. 이 안테나는 915MHz 대역 휴대형 무선인식 단말기 내장형 안테나로서 이의 최외각 치수는 3.5×3.5×0.6㎤(이를 915MHz의 파장으로 표현하면 0.107파장×0.107파장×0.021파장이 됨)로서 고도로 소형화된 것이다.

상기 하부층(500)에 구현된 도 6b의 급전회로망(550)을 이용하여 상부층(400)에 형성된 4개의 역 F형 미앤더 모노폴 방사소자(450)를 급전하기 위해 본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조(300)가 적용되었다. 안테나를 소형화하기 위해 역 F형 모노폴의 수평도선을 미앤더 형태로 하였으며, 급전회로망(550)의 직렬형 전력분배기 선로를 미앤더 형태로 하여 급전회로망(550)을 소형화하였다. 본 발명에 의한 다층 안테나 급전구조는 일반적인 다층 안테나에 적용될 수 있으며 특히 도 6a와 같은 소형화된 다층 안테나 적용될 때 그 진가가 발휘된다

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

310 : 급전도선 330 : 유전체봉
350 : 단락도선 321, 343 : 급전도선 납땜용 금속패드
322, 342, 352 : 비아홀 323, 341 : 비아홀 지지용 금속패드
400 : 상부층 450 : 방사소자
329 : 방사소자 연결선 500 : 하부층
550 : 급전회로망 349 : 급전회로망 연결선

Claims

다수의 방사소자가 형성되는 상부층과,
상기 각 방사소자에 소정의 크기와 위상을 갖는 전력을 공급하기 위한 급전회로망이 형성되어 있는 하부층과,
상기 하부층의 급전회로망과 상부층의 방사소자를 전기적으로 연결함과 함께 상기 방사소자의 임피던스 정합을 위해 상기 하부층에 형성되는 급전도선과,
상기 급전도선을 감싸며 상부층과 하부층의 간격을 일정하게 유지하고 상기 급전도선과 함께 사용되어 상부층과 하부층을 기계적으로 견고하게 고정하기 위한 유전체봉과,
상기 방사소자의 임피던스 정합을 위해 하부층의 급전회로망과 일체형으로 형성된 단락도선, 상기 급전도선을 상부층과 하부층에 연결하기 위한 금속패드 및 비아홀과,
상기 금속패드 및 비아홀을 통해 상기 방사소자를 연결하는 방사소자 연결선 및 급전회로망 연결선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 안테나 급전구조.
제 1 항에 있어서, 상기 급전도선을 상기 상부층과 하부층에 납땜으로 연결하는 것을 특징으로 하는 다층 안테나 급전구조.
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제 1 항에 있어서, 상기 방사소자의 임피던스 정합을 위한 단락도선 및 그 종단의 비아홀이 상기 하부층의 급전회로망과 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 안테나 급전구조.
제 1 항에 있어서, 상기 급전도선은 전기 전도도가 우수한 금속 재료로 형성되고, 표면이 도금 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 안테나 급전구조.
제 1 항에 있어서, 상기 급전도선을 상기 상부층과 하부층에 연결하기 위해 상기 급전도선의 윗면은 상부층 윗면보다 높게 하고 상기 급전도선의 아랫면은 하부층 아랫면보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 안테나 급전구조.
제 1 항에 있어서, 상기 유전체봉은 테플론과 폴리카보네이트와 같은 전기적 손실이 적은 재료로 형성되고, 상기 유전체봉의 내부 직경은 상기 급전도선의 직경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 안테나 급전구조.