KR101533193B1 - 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나 - Google Patents

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Abstract

유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 기판; 상기 기판상에 배치되는 제1 방사체 및 제2 방사체; 및 상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 제1 방사체는 제1 방사 아암 및 제2 방사 아암이 중앙에서 직교하는 크로스 형태를 가지고, 상기 제2 방사체는 제3 방사 아암 및 제4 방사 아암이 중앙에서 교차하는 크로스 형태를 가지며, 상기 제1 방사 아암 내지 상기 제4 방사 아암은 동일한 지점에서 교차하고 상기 교차 지점에 커플링 방식으로 급전 신호가 제공된다. 개시된 안테나는 단일 구조로 사이즈를 증가시키지 않으면서 평면형 안테나의 이중 대역 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나{Planar Antenna Having Monopole-like Radiation Pattern}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나에 관한 것이다.
모노폴과 같은 유사 모노폴 방사 특성을 가지면서 평면형 구조를 가지는 안테나에 대한 연구가 인체 착용형 장치와 같은 다양한 장치에서 활용하기 위해 연구되고 있다.
인체 착용형 장치는 사용자의 신체 또는 사용자의 옷에 결합되어 동작하는 장치로서 스마트 워치와 같은 착용형 스마트 장치 및 신체의 이상 신호를 감지하는 각종 의료 장비를 포함한다.
이러한 인체 착용형 장치들은 인체에 착용되어야 하므로 로우 프로파일 구조를 가져야 하며 이에 따라 이러한 장치에 사용되는 안테나도 평면형 구조가 요구되고 있다.
기존의 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나는 TM01, T02, TMS1과 같은 고차 모드를 사용한다. TM01, T02 안테나의 경우, djnsgud 구조의 패치를 사용하며, 원형 패치의 중심에 직접 급전을 수행한다.
그러나, 이와 같은 평면형 안테나는 임피던스를 매칭하는데 어려움이 있었으며 이중 대역 방사 특성을 구현하는데 어려움이 있었다. 기존의 유사 모노폴 방사 특성을 위한 평면형 안테나는 원형 구조의 방사체를 가지기에 이중 대역의 방사 특성을 구현하려면 별도의 방사체를 요구하여 결과적으로 안테나의 사이즈를 증가시키는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 단일 구조로 이중 대역 특성을 구현할 수 있는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 사이즈를 증가시키지 않으면서 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 임피던스 매칭을 용이하게 수행할 수 있는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나를 제안한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판상에 배치되는 제1 방사체 및 제2 방사체; 및 상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 제1 방사체는 제1 방사 아암 및 제2 방사 아암이 중앙에서 직교하는 크로스 형태를 가지고, 상기 제2 방사체는 제3 방사 아암 및 제4 방사 아암이 중앙에서 교차하는 크로스 형태를 가지며, 상기 제1 방사 아암 내지 상기 제4 방사 아암은 동일한 지점에서 교차하고 상기 교차 지점에 커플링 방식으로 급전 신호가 제공되는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나가 제공된다.
상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암의 길이와 상기 제3 방사 아암과 상기 제4 방사 아암의 길이는 상이하다.
상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암의 배치 각도와 상기 제3 방사 아암 및 상기 제4 방사 아암의 배치 각도는 상이하다.
SMA 커넥터의 중심 도체가 상기 제1 방사 아암 내지 상기 제4 방사 아암의 교차 지점과 소정 거리 이격되어 급전 신호를 제공하며, 상기 SMA 커넥터의 외부 도체는 상기 접지면과 전기적으로 결합된다.
상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암은 상기 기판의 수평 라인을 기준으로 0도 및 90도로 배치되고, 상기 제3 방사 아암 및 상기 제4 방사 아암은 상기 기판의 수평 라인으로 기준으로 +45도 및 -45도로 배치된다.
상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암은 중심에서 끝단으로 갈수록 폭이 증가하는 테이퍼 구조를 가진다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 상기 기판상에 배치되며 크로스 형태의 구조를 가지는 제1 방사체; 상기 기판상에 배치되며 크로스 형태를 가지고 상기 제1 방사체와는 다른 각도로 배치되며 상기 제1 방사체와 크로스 교차 지점을 공유하는 제2 방사체; 및 상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체의 공유되는 크로스 교차 지점에 커플링 방식으로 급전 신호가 제공되는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나가 제공된다.
본 발명의 안테나에 따르면, 단일 구조로 사이즈를 증가시키지 않으면서 평면형 안테나의 이중 대역 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 방사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 사시도를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 상부 평면도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 단면도를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 반사 손실을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나에서 고주파 대역의 전류 분포를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나에서 고주파 대역의 전류 분포를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 방사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 사시도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 상부 평면도를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 대역 평면형 안테나는 기판(100), 접지면(110), 제1 방사체(120) 및 제2 방사체(130)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 유전체 재질로 이루어지며 안테나의 몸체부로 동작하며, 기판(100)에는 접지면(110), 제1 방사체(120) 및 제2 방사체(130)가 결합된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상대 유전율 2.2를 갖는 Taconic TLY를 이용한 기판이 이용될 수 있다.
기판(100)의 상하부에는 금속으로 이루어지는 접지면(110), 제1 방사체(120) 및 제2 방사체(130)가 결합되는데, 에칭, 프린팅 등 다양한 방식으로 기판에 금속이 결합될 수 있을 것이다.
접지면(110)은 기판 하부에 결합되어 형성되며, 접지면(110)은 기판(100) 하부의 전 영역에 형성될 수도 있으며 일부 영역에 형성될 수도 있을 것이다.
접지면(110)은 접지와 전기적으로 연결되며 방사를 위한 접지 전압을 제공한다. 일례로, 접지면(110)은 급전을 위한 커넥터(150)의 그라운드 부분(외심)과 전기적으로 연결될 수 있다.
기판(100)의 상부에는 제1 방사체(120) 및 제2 방사체(130)가 형성된다. 제1 방사체(120)은 제1 주파수 대역의 신호를 방사하기 위한 방사체이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 주파수 대역은 2.4GHz ~ 2.485GHz의 ISM 대역일 수 있다.
제1 방사체(120)는 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)이 직교하는 크로스 형태의 구조를 가진다. 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)은 제1 주파수 대역에 상응하는 길이를 가지며, 서로 동일한 길이를 가진다.
제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)은 중앙에서 서로 교차하며 서로 교차하는 중앙에 커플링 방식으로 급전 신호가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)은 그 폭이 중앙에서부터 후단으로 갈수록 점차 늘어나는 테이퍼 구조를 가질 수 있다. 테이퍼 구조는 보다 양호한 임피던스 매칭을 위해 사용될 수 있으며, 필요에 따라 테이퍼 구조가 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)에 적용되지 않아도 무방하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판의 수평 라인을 기준으로 제1 방사 아암(122)은 0도의 각도로 배치되며, 제2 방사 아암(124)은 90도의 각도로 배치된다.
제2 방사체(130)는 제2 주파수 대역의 신호를 방사하기 위한 방사체이다. 제2 주파수 대역은 제1 주파수 대역에 비해 고주파 대역이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 주파수 대역은 5.725GHz ~ 5.875GHz의 ISM 대역일 수 있다.
제2 방사체(130)는 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)을 포함하며, 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)은 서로 직교하는 크로스 형태의 구조를 가지며, 중앙에서 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)은 교차한다.
제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)은 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)과는 다른 방향으로 배치된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제3 방사 아암(132)은 기판(100)의 수평 라인을 기준으로 +45도 각도로 배치되고 제4 방사 아암(134)은 기판의 수평 라인을 기준으로 -45도 각도로 배치된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 안테나는 SMA 커넥터를 이용하여 급전을 수행할 수 있다. 제1 방사 아암(122), 제2 방사 아암(124), 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)은 중앙에서 교차하며, 급전은 다수의 방사 아암(122, 124, 132, 134)이 교차하는 중앙에 급전 신호가 제공되며, 급전 신호를 커플링 방식으로 제공될 수 있다.
SMA 커넥터의 외부 도체는 기판(100) 하부에 결합되는 접지면(110)과 전기적으로 결합되며, 중심 도체는 기판 내부로 삽입되고 제1 및 제2 방사체(120, 130)와는 소정 거리 이격되어 커플링 방식으로 급전 신호를 제공한다.
종래의 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나는 주로 원형 구조의 방사체가 사용되었다. 종래의 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나는 원형 구조의 패치 방사체의 중심에 직접 급전을 하는 안테나가 주로 이용되었으며, TM01모드 또는 TM02 모드를 가지는 것이 일반적이었다.
그러나, 이러한 형태의 안테나로는 이중 대역 특성을 구현하기 어려웠으며 이중 대역 특성을 구현하기 위해 별도의 방사체를 요구하였다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 두 개의 방사 아암이 교차하는 크로스 구조의 방사체를 사용한다. 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)이 직교하는 제1 방사체(120)는 각각 기판의 수평 라인을 기준으로 0도 및 90도로 배치되며, 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)이 직교하는 제2 방사체(130)는 각각 기판의 수평 라인을 기준으로 +45도 및 -45도로 배치되어 동일 평면에 두 개의 방사체가 형성될 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명에 의하면 단일 구조로 이중 대역을 가지면서 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 평면형 안테나의 구현이 가능하다.
또한, 제1 방사 아암 내지 제4 방사 아암의 폭을 조절할 수 있기에 기존의 원형 패치에 비해 용이한 임피던스 매칭이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 반사 손실을 도시한 도면이다.
도 4는 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)의 중앙에서 끝단 까지의 길이가 41mm이고, 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)의 중앙에서 끝단까지의 길이가 20mm인 경우의 반사 손실을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 1 주파수 대역인 5.725GHz ~ 5.875GHz에서 방사 대역을 형성하고, 제2 주파수 대역인 2.4GHz ~ 2.485GHz에서 방사 대역을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
도 4와 같이 두 개의 ISM 대역에서 공진할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 평면형 구조를 가지는 인체 착용형 장비에 유용하게 활용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나에서 고주파 대역의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제2 방사체(130)의 제3 방사 아암(132) 및 제4 방사 아암(134)에 전류가 집중되어 제2 방사체(130)를 통해 방사가 이루어지는 점을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나에서 고주파 대역의 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 방사체(120)의 제1 방사 아암(122) 및 제2 방사 아암(124)에 전류가 집중되어 제1 방사체(120)를 통해 방사가 이루어지는 점을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 두 개의 방사 대역에서 원거리장 방사 패턴을 나타내어 유사 모노폴 방사 패턴을 가짐을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판상에 배치되는 제1 방사체 및 제2 방사체; 및
    상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되,
    상기 제1 방사체는 제1 방사 아암 및 제2 방사 아암이 중앙에서 직교하는 크로스 형태를 가지고, 상기 제2 방사체는 제3 방사 아암 및 제4 방사 아암이 중앙에서 교차하는 크로스 형태를 가지며, 상기 제1 방사 아암 내지 상기 제4 방사 아암은 동일한 지점에서 교차하고 상기 교차 지점에 커플링 방식으로 급전 신호가 제공되는 것을 특징으로 하는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암의 길이와 상기 제3 방사 아암과 상기 제4 방사 아암의 길이는 상이한 것을 특징으로 하는 이중 대역 평면형 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암의 배치 각도와 상기 제3 방사 아암 및 상기 제4 방사 아암의 배치 각도는 상이한 것을 특징으로 하는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    SMA 커넥터의 중심 도체가 상기 제1 방사 아암 내지 상기 제4 방사 아암의 교차 지점과 소정 거리 이격되어 급전 신호를 제공하며, 상기 SMA 커넥터의 외부 도체는 상기 접지면과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 평면형 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암은 상기 기판의 수평 라인을 기준으로 0도 및 90도로 배치되고, 상기 제3 방사 아암 및 상기 제4 방사 아암은 상기 기판의 수평 라인으로 기준으로 +45도 및 -45도로 배치되는 것을 특징으로 하는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방사 아암 및 상기 제2 방사 아암은 중심에서 끝단으로 갈수록 폭이 증가하는 테이퍼 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이중 대역 평면형 안테나.
  7. 기판;
    상기 기판상에 배치되며 크로스 형태의 구조를 가지는 제1 방사체;
    상기 기판상에 배치되며 크로스 형태를 가지고 상기 제1 방사체와는 다른 각도로 배치되며 상기 제1 방사체와 크로스 교차 지점을 공유하는 제2 방사체; 및
    상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되,
    상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체의 공유되는 크로스 교차 지점에 커플링 방식으로 급전 신호가 제공되는 것을 특징으로 하는 유사 모노폴 방사 특성을 가지는 이중 대역 평면형 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    SMA 커넥터의 중심 도체가 상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체의 크로스 교차 지점과 소정 거리 이격되어 커플링 방식으로 급전 신호를 제공하며, 상기 SMA 커넥터의 외부 도체는 상기 접지면과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 평면형 안테나.
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CN109904602A (zh) * 2019-03-11 2019-06-18 南京信息工程大学 一种双频段双模式无线体域网天线
CN109904602B (zh) * 2019-03-11 2024-02-06 南京信息工程大学 一种双频段双模式无线体域网天线

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