KR101495910B1 - 휴대 단말기용 광대역 헬리컬 안테나 - Google Patents

Abstract

휴대 단말기용 광대역 헬리컬 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 헬리컬 방사체; 및 상기 헬리컬 방사의 나선 구조 내부에 삽입되는 도체 패턴을 포함하되, 상기 도체 패턴은 접지와 전기적으로 결합된다. 개시된 안테나에 의하면, 헬리컬 안테나의 협대역 특성을 개선할 수 있으며, 특히 DMB 신호의 안정적인 수신에 효과적으로 활용될 수 있다.

광대역, 헬리컬, 안테나

Description

휴대 단말기용 광대역 헬리컬 안테나{Wide Band Hellical Antenna for Poertable Terminal}

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단말기용 광대역 헬리컬 안테나에 관한 것이다.

이동통신 기술이 발전하면서 다양한 서비스들이 휴대용 단말기를 통해 제공되고 있다. 휴대용 단말기는 주변 환경에 따라 변화되는 전파 환경에서도 일정 수준 이상의 수신율 및 서비스 품질을 확보하기 위해 안테나를 구비하게 되는데, 휴대용 단말기에 구비되는 안테나는 가입된 서비스의 사용 주파수 대역에 따라 길이 등 상이한 규격을 가지게 된다.

휴대용 단말기의 안테나는 내장형 안테나와 외장형 안테나로 분류될 수 있으며, 내장형 안테나로는 루프 안테나, 역 L형 안테나, 평판형 역 F 안테나(Planter Inverted F Antenna) 등이 사용되고 있으며, 외장형 안테나로는 헬리컬 안테나 등이 사용되고 있으며, 헬리컬 안테나는 내장형으로 사용되기도 한다.

휴대용 단말기를 통해 제공되는 다양한 서비스 중 최근 각광받고 있는 서비스로 VHF 대역의 방송 신호를 수신하여 서비스하는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)와 DVB-H(Digital Video Braodcasting-Handhelds)가 있다.

DMB 서비스는 DMB 전용 단말기, 노트북, 휴대폰, 차량용 단말기, PDA, PMP 등의 휴대용 단말기에 제공되고 있으며, 위성 DMB 서비스와 지상파 DMB 서비스로 분류된다.

지상파 DMB 서비스의 경우 174MHz ~ 216MHz의 주파수 대역을 사용하고, 위성 DMB 서비스의 경우에는 2.630GHz ~ 2.655GHz의 대역을 사용한다.

일반적으로 안테나의 길이는 다이폴 안테나의 경우 파장의 1/2, 모노폴 안테나의 경우 파장의 1/4로 길이가 설정되며, 주파수 대역이 높을수록 안테나의 길이가 짧아지고 주파수 대역이 낮을수록 안테나의 길이가 길어진다.

저주파 대역을 사용하는 지상파 DMB 서비스의 안테나는 기존의 800MHz 이상을 사용하는 일반적인 휴대 단말 서비스에 비해 대역폭이 크게 낮기 때문에 DMB 주파수 대역에 맞는 안테나 장치가 요구되며 DMB용 안테나로는 소형화에 적합한 헬리컬 안테나가 널리 사용되고 있다.

그러나, 소형화된 헬리컬 안테나는 큰 입력 리액턴스로 인해 대역폭이 좁아지는 문제점이 있었으며, 이러한 협대역 특성은 안정적인 신호 수신을 방해하는 주요한 요인으로 작용하였다. 특히, 핸드 이펙트, 해드 이펙트 등과 같은 외부 요인에 의해 공진 주파수 대역이 변경되는 상황이 발생할 경우, 기존 헬리컬 안테나의 협대역 특성으로 인한 문제는 더욱 심화되었다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 광대역 특성을 가지는 헬리컬 안테나를 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 보다 안정적으로 DMB 신호의 수신이 가능한 헬리컬 안테나를 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 헬리컬 방사체; 및 상기 헬리컬 방사의 나선 구조 내부에 삽입되는 도체 패턴을 포함하되, 상기 도체 패턴은 접지와 전기적으로 결합되는 광대역 헬리컬 안테나가 제공된다.

상기 도체 패턴은 미앤더 형태를 가질 수 있다.

상기 헬리컬 방사체는 휴대용 단말기의 급전부와 전기적으로 결합된다.

상술한 헬리컬 안테나는 제1 기판 및 제2 기판을 더 포함하며, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 유전체 재질이고, 상기 도체 패턴은 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 위치할 수 있다.

상기 헬리컬 방사체는 상기 제1 기판 및 제2 기판을 감싸는 형태로 형성될 수 있다.

상기 제1 기판 및 제2 기판에는 다수의 비아홀이 형성되며, 상기 헬리컬 방사체는 상기 비아홀을 통해 헬리컬 구조를 형성할 수 있다.

상기 헬리컬 방사체에의 일단에는 휴대용 단말기의 급전부와 결합되기 위한 급전 라인이 형성되며, 상기 접지 패턴의 일단에는 휴대용 단말기의 접지와 결합되기 위한 접지 라인이 연장된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 기판; 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 위치하는 도체 패턴; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판을 감싸도록 형성되는 헬리컬 방사체를 포함하되, 상기 도체 패턴은 접지와 전기적으로 결합되는 광대역 헬리컬 안테나가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 헬리컬 방사체; 및 상기 헬리컬 방사체의 내부에 삽입되며 상기 헬리컬 방사체와의 전자기적인 상호작용에 의한 캐패시턴스를 형성시키는 캐패시턴스 형성 소자를 포함하되, 상기 캐패시턴스 형성 소자는 접지와 전기적으로 연결되는 광대역 헬리컬 안테나가 제공된다.

본 발명에 의하면, 헬리컬 안테나의 협대역 특성을 개선할 수 있으며, 특히 DMB 신호의 안정적인 수신에 효과적으로 활용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휴대 단말기용 광대역 헬리컬 안테나를 상세하게 설명한다.

본 발명을 설명하기에 앞서 헬리컬 안테나에 대해 먼저 살펴보기로 한다. 도 1은 헬리컬 안테나의 기하학적 구조를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 헬레컬 안테나는 도체가 나선형태로 감아져 있는 안테나이며 도 1에 도시된 구조는 가장 전형적인 헬리컬 안테나의 구조이다.

도 1에서, D는 나선의 지름이고, 나선의 원주 길이는 πD이고, S는 권선 간격이고, h는 헬리컬 안테나 축의 길이이고, d는 나선 도체의 지름이다. S=0일 때 헬리컬 안테나는 루프 안테나로 축소되며, D=0일 때 선형 안테나가 된다.

헬리컬 안테나는 두 가지 모드에서 동작한다. 두 가지 모드는 정상 모드와 축 모드이다. 정상 모드로 동작할 때, 헬리컬 안테나는 축의 법선 방향으로 가장 강한 방사 패턴을 형성한다. 이는 헬리컬의 나선의 지름이 파장에 비해 작을 때 일어난다.

축모드는 헬리컬 안테나의 축을 따라 최대 방사를 형성한다. 축모드에 의한 방사는 나선의 원주가 파장 정도일 때 발생한다.

정상 모드로 동작하는 헬리컬 안테나는 소형 단말기의 안테나로 널리 사용되고 도선의 길이는 파장의 1/4이며, 안테나는 접지면에 대해 급전된 모노폴 안테나와 같이 동작한다.

이러한 안테나의 방사 패턴은 전방향성이며, 나선형 도선이 전기적 단형 안테나에서 고유 캐패시턴스 성분을 제거하는 경향이 있는 인덕터로 동작한다.

안테나의 입력 임피던스 Z는 다음의 수학식 1과 같이 입력 저항(R) 및 입력 리액턴스(X)로 구성된다.

한편, 안테나의 대역폭은 안테나의 Q 값과 연관되며, 다음의 수학식 2와 같은 관계가 있다.

위 수학식 2에서, B는 대역폭이고, f_c는 공진 주파수이다.

위 수학식 2로부터 확인되듯이, 안테나의 대역폭은 안테나의 Q 값과 반비례 관계에 있으며, 헬리컬 안테나의 대역폭을 향상시키려면 Q 값이 낮게 설정될 수 있도록 하여야 한다.

한편, 안테나의 Q 값은 다음의 수학식 3과 같이 포현된다.

위의 수학식 3과 같이, 안테나의 Q 값은 저항과 리액턴스의 비로 표현되며, Q 값을 낮게 하기 위해서는 입력 저항을 증가시키거나 리액턴스를 감소시킬 필요가 있다.

본 발명에서는 리액턴스를 감소시킴으로써 안테나의 Q 값을 감소시켜 보다 큰 대역폭이 확보될 수 있는 헬리컬 안테나 구조를 제안한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 분해 사시도를 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나는 헬리컬 방사체(200), 제1 기판(202), 제2 기판 (204) 및 도체 패턴(206)을 포함할 수 있다.

도 1에서, 헬리컬 방사체(200)는 제1 기판(202) 및 제2 기판(204)을 바디로 활용하여 제1 기판(202) 및 제2 기판(204)을 감싸는 형태로 형성된다. 헬리컬 방사체의 길이는 사용 주파수 대역에 의해 결정될 수 있다.

제1 기판(202) 및 제2 기판(204)은 유전체 재질이며 제1 기판(202) 및 제2 기판(204)에는 도체 패턴(206)이 삽입된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 기판 및 제2 기판으로는 일반적인 PCB 기판 및 FR4 기판 등이 사용될 수 있으며, 이 외에도 다양한 유전체를 재질로 한 기판이 사용될 수 있을 것이다. 또한, 기판의 개수 역시 원하는 두께에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

기판 사이, 즉 헬리컬 방사체(200) 내부에 존재하는 도체 패턴(206)은 접지와 전기적으로 연결된다.

도 2 및 도 3에는 다수에 걸쳐 절곡된 미앤더 형태의 도체 패턴이 도시되어 있다. 도체 패턴을 미앤더 형태로 형성한 것은 도체 패턴의 전기적 길이를 길게 형 성하기 위함이며 도체 패턴의 형태가 도 2 및 도 3과 같은 미앤더 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 일자 형태의 도체 패턴, 웨이브 형태의 도체 패턴 등 다양한 형태의 도체 패턴이 사용될 수 있을 것이다.

또한, 헬리컬 방사체(200)는 단말기 내부의 급전 선로와 전기적으로 연결되며 RF 신호를 급전받는다.

도 2 및 도 3과 같이 헬리컬 방사체 내부에 접지와 전기적으로 연결된 도체 패턴을 형성할 경우 헬리컬 방사체와 도체 패턴에는 전자기적인 상호 작용이 발생하며, 접지와 전기적으로 연결된 도체 패턴은 일종의 기생 방사 소자로서 동작한다. 또한, 헬리컬 방사체와 도체 패턴 사이에는 캐패시턴스가 형성되며, 이는 전체적인 캐패시턴스를 증가시킨다.

전술한 바와 같이, 헬리컬 안테나는 입력 임피던스에서 인덕턴스가 지배적인(Dominant) 성분으로 작용한다.

헬리컬 안테나의 대역폭을 증가시키기 위해서는 리액턴스의 값을 감소시켜야 하며, 인덕턴스 성분이 지배적인 성분으로 작용하는 헬리컬 안테나에서 리액턴스 값을 감소시키려면 캐패시턴스 성분을 증가시켜 인덕턴스 성분을 끌어내릴 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명에서는 헬리컬 방사체 내부에 접지와 연결되는 도체 패턴을 삽입하고 도체 패턴과 헬리컬 방사체 사이의 전자기적인 상호작용에 의해 캐패시턴스를 증가시키는 구조를 제안하는 것이다.

도 2 및 도 3에는 기판을 몸체로 활용하고 기판 사이에 캐패시턴스의 증가를 위한 도체 패턴이 삽입되는 경우가 도시되어 있으나 이와 같은 본 발명의 원리는 다양한 구조로 응용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 가장 일반적인 나선형 형태의 헬리컬 방사체(400)에 도체 패턴(402)이 삽입되어 있는 경우가 도시되어 있다. 이때 헬리컬 방사체(400)의 일단은 급전선과 전기적으로 연결되며, 도체 패턴(402)은 접지와 전기적으로 연결되고, 헬리컬 방사체(400)와 도체 패턴(402)은 전기적으로 이격된다.

도 4와 같은 구조에서도 헬리컬 방사체(400)와 도체 패턴(402) 사이의 전자기적인 상호작용에 의한 캐패시턴스의 증가로 인해 보다 광대역의 안테나 구현이 가능하다.

도 2 내지 도 4에 도시된 실시예 외에도 비아홀을 이용하여 헬리컬 방사체를 구현하는 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다.

예를 들어, 도 2 및 도 3과 같이 기본적으로 기판 사이에 도체 패턴이 삽입되는 구조에서 헬리컬이 기판을 감싸는 형태가 아닌 비아홀을 통해 연결되는 구조로 헬리컬 방사체를 형성한 경우에도 동일한 효과를 달성할 수 있을 것이다.

상술한 실시예들 이외에도 대역폭 증가를 위해 헬리컬 방사체의 나선 내부에 접지와 결합되는 도체 패턴을 삽입하는 다양한 구조들이 본 발명의 범주의 속한다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 급전 구조 및 단말기 기판과의 결합 형태의 일례를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1 기판 및 제2 기판 사이에 존재하는 도체 패턴의 일단으로부터는 접지 라인(500)이 연장되며, 헬리컬 방사체의 일단으로부터는 급전 라인(502)이 연장된다.

급전 라인(502)은 단말기 기판에 형성된 급전 회로와 전기적으로 결합되며, 접지 라인(500)은 단말기 기판에 존재하는 접지와 전기적으로 연결된다. 물론, 급전 선로로 동축 케이블이 사용될 때 급전 라인(502)은 동축 케이블의 내부 도체와 전기적으로 결합되고 접지 라인은 동축 케이블의 외부 도체와 전기적으로 결합될 수도 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 S11 파라미터를 도시한 도면이고, 도 7은 접지와 전기적으로 연결되는 도체 패턴이 삽입되지 않은 종래의 헬리컬 안테나의 S11 파라미터를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 임계값이 6으로 설정될 때 도 6에 도시된 S11 파라미터의 대역폭이 도 7에 도시된 S11 파라미터의 대역폭에 비해 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 증가된 대역폭은 핸드 이펙트 및 헤드 이펙트와 같이 외부적인 환경에 의해 공진 주파수 등이 변경되는 경우에도 보다 안정적인 신호의 수신이 가능하도록 하며 헬리컬 안테나의 외부에 추가적으로 다른 엘리먼트를 결합하지 않고 내부에 도체 패턴을 삽입하는 구조이므로 전체적인 사이즈에 변화를 주지 않으면서도 광대역 효과를 달성할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 헬리컬 안테나의 기하학적 구조를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 구조를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 분해 사시도를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 구조를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 급전 구조 및 단말기 기판과의 결합 형태의 일례를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 헬리컬 안테나의 S11 파라미터를 도시한 도면.

도 7은 접지와 전기적으로 연결되는 도체 패턴이 삽입되지 않은 종래의 헬리컬 안테나의 S11 파라미터를 도시한 도면.

Claims (9)

1. 제1 기판;

   상기 제1 기판 하부에 결합되어 상기 제1 기판과 적층 구조를 형성하는 제2 기판;

   급전부와 전기적으로 연결되는 헬리컬 방사체; 및

   상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 삽입되는 도체 패턴을 포함하되,

   상기 도체 패턴은 접지와 전기적으로 결합되며 상기 헬리컬 방사체와는 물리적으로 이격되고,

   상기 헬리컬 방사체는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 감싸도록 형성되며, 상기 제1 기판 및 제2 기판에의 측부에는 다수의 비아홀이 형성되고, 상기 헬리컬 방사체는 상기 비아홀을 통해 헬리컬 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도체 패턴은 미앤더 형태인 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images