KR101551721B1

KR101551721B1 - 슬롯을 포함하는 다중 입출력 안테나

Info

Publication number: KR101551721B1
Application number: KR1020140015053A
Authority: KR
Inventors: 양대근; 김당오; 김채영
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-09-11
Also published as: KR20150080391A

Abstract

본 발명은 그라운드 영역과 비그라운드 영역을 포함하는 기판, 비그라운드 영역에 상호 이격하여 형성되는 제1안테나 및 제2안테나, 비그라운드 영역과 소정의 거리만큼 이격하여 그라운드 영역에 형성되는 제1개방 루프 분할 링 공진기 및 제2개방 루프 분할 링 공진기 및 제1개방 루프 분할 링 공진기와 비그라운드 영역 사이에 위치하고, 제1개방 루프 분할 링 공진기와 비그라운드 영역을 연결하는 한 쌍의 슬롯을 포함하는 다중 입출력 안테나에 관한 것이다.

Description

슬롯을 포함하는 다중 입출력 안테나{MIMO ANTENNA WITH SLOT}

본 발명은 슬롯을 포함하는 다중 입출력 안테나에 관한 것이다.

다중 입출력(MIMO: Multi Input Multi Output) 안테나에서는 복수의 안테나가 사용되기 때문에, 안테나 상호 간에 간섭이 발생할 수 있다. 이에 따라, 방사 패턴이 왜곡되거나 각 안테나 소자 간의 상호 결합 현상이 발생할 수 있다.

한편, 제한된 공간에서 다중 입출력 안테나를 구현하기 위해서는 작은 공간 내에 두 개 또는 그 이상의 안테나 소자가 배치되어야 하기 때문에 격리도 특성을 향상시키기에 어려움이 있다.

기존에는 격리도 향상 소자를 안테나와 안테나 사이에 설치하여 3차원 구조의 벽을 쌓는 방법, 변형된 그라운드 구조를 사용하는 방법, 연결선을 추가하는 방법 등을 이용해 격리도 특성을 향상시켜 왔다.

본 발명의 목적은 기존 안테나의 형상 변화없이 격리도가 향상된 다중 입출력 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나는 그라운드 영역과 비그라운드 영역을 포함하는 기판, 상기 비그라운드 영역에 상호 이격하여 형성되는 제1안테나 및 제2안테나, 상기 비그라운드 영역과 소정의 거리만큼 이격하여 상기 그라운드 영역에 형성되는 제1개방 루프 분할 링 공진기 및 제2개방 루프 분할 링 공진기 및 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기와 상기 비그라운드 영역 사이에 위치하고, 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기와 상기 비그라운드 영역을 연결하는 한 쌍의 슬롯을 포함할 수 있다.

실시예에서, 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기와 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기는 상보적 개방 루프 분할링 공진기(Complementary Split Ring Resonator, CSRR)일 수 있다.

실시예에서, 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기는 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기 내부에 위치할 수 있다.

실시예에서, 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기의 갭과 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기의 갭은 서로 반대 방향을 향하도록 형성될 수 있다.

실시예에서, 상기 한 쌍의 슬롯은 각각 일단이 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기의 갭과 연결되고, 타단이 상기 비그라운드 영역과 연결될 수 있다.

실시예에서, 상기 한 쌍의 슬롯의 길이는 1 mm 내지 45 mm 일 수 있다.

실시예에서, 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기 및 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기는 각각 원형 또는 사각형의 링 형상으로 이루어질 수 있다.

실시예에서, 상기 제1안테나 및 상기 제2안테나는 이중대역 모노폴 안테나일 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 다중 입출력 안테나의 격리도 특성을 개선할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 기존의 다중 입출력 안테나의 형상 변화없이 격리도 특성을 개선할 수 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 격리도 개선 효과를 보여주기 위한 도면이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.

본 발명은 다중 입출력 안테나 통신에서 채널 용량을 증가시키기 위해 요구되는 다중 입출력 안테나의 격리도 특성을 개선하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 다중 입출력 안테나의 형상 변화없이, 그라운드 영역에 슬롯을 추가함으로써 격리도 특성이 개선된 다중 입출력 안테나를 제공할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하여, 보다 상세히 설명할 것이다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나(100)는 기판(10), 복수의 안테나(20), 상보적 분할링 공진기(CSRR: Complementary Split Ring Resonator, 30) 및 슬롯(40)을 포함한다.

기판(10)은 이의 상면과 하면에 금속면을 갖는 단일 유전체로 구현될 수 있다. 기판(10)의 일면에는 비그라운드 영역(12)과 그라운드 영역(14)을 포함할 수 있다. 그라운드 영역(14)은 기판(10) 상에 일정 면적을 가지고 형성되며, 분할링 공진기(30)와 슬롯(40)을 포함할 수 있다.

복수의 안테나(20)는 2개 이상의 안테나를 포함할 수 있다. 실시예에서, 복수의 안테나(20) 제1안테나(22) 및 제2안테나(24)를 포함한다.

실시예에서, 제1안테나(22)는 비그라운드 영역(12)의 일측에 형성되고, 제2안테나(24)는 비그라운드 영역(12)의 타측에 형성될 수 있다. 그리고 제1안테나(22)와 제2안테나(24)는 동일한 구조를 가지고 소정의 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 제1안테나(22)와 제2안테나(24)의 거리는 필요에 따라 조정될 수 있다.

도 2를 참조하면, 제1안테나(22) 및 제2안테나(24)의 구조를 확인할 수 있다. 도 2에 도시된 안테나의 구조는 예시적인 것으로, 필요한 주파수 영역에 따라 변형될 수 있다. 실시예에서, 제1안테나(22) 및 제2안테나(24)는 WLAN(Wireless Local Area Network) 등의 주파수 대역에 해당하는 신호를 송수신할 수 있다. 실시예에서, 상기 제1안테나 및 상기 제2안테나는 이중대역 모노폴 안테나일 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 분할 링 공진기(30)는 제1개방 루프 분할 링 공진기(32) 및 제2개방 루프 분할 링 공진기(34)를 포함할 수 있다. 제1개방 루프 분할 링 공진기(32) 및 제2개방 루프 분할 링 공진기(34)는 그라운드 영역(14)에 상보적으로 형성될 수 있으며, 비그라운드 영역(12)과 소정의 거리만큼 이격하여 형성될 수 있다.

실시예에서, 제1개방 루프 분할 링 공진기(32) 및 제2개방 루프 분할 링 공진기(34)는 각각 갭(32a, 34a)이 형성된 금속 링의 형상으로 이루어질 수 있다. 개방 루프 분할 링 공진기(32, 34)는 도 3의 실시예에서 사각 링 형상으로 도시되어 있고, 도 4의 실시예에서 원형 링 형상으로 도시되어 있지만, 다른 형상으로 변형될 수 있다.

실시예에서, 제2개방 루프 분할 링 공진기(34)는 제1개방 루프 분할 링 공진기(32) 내부에 배치될 수 있다. 그리고, 제1개방 루프 분할 링 공진기의 갭(32a)과 제2개방 루프 분할 링 공진기의 갭(34a)은 서로 반대 방향을 향하도록 형성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 슬롯(40)은 그라운드 영역(14)에 형성되며, 제1개방 루프 분할 링 공진기(32)와 비그라운드 영역(12)을 연결하도록 형성될 수 있다. 슬롯(40)은 제1개방 루프 분할 링 공진기의 갭(32a)의 양단과 각각 연결되기 위해 한 쌍으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 슬롯(40)은 1 mm 내지 45 mm 길이를 갖도록 형성될 수 있다.

도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 격리도 개선 효과를 보여주기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 12에서 s11은 반사손실을 의미하고, s21은 전달손실을 의미한다.

도 5는 슬롯 및 분할 링 공진기를 포함하는 본 발명의 다중 입출력 안테나와 슬롯 및 분할 링 공진기를 포함하지 않는 종래의 다중 입출력 안테나의 S파라미터를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 것처럼, WLAN 대역인 2400 MHz 내지 2497 MHz 대역과 5100 MHz 내지 5500 MHz 구역에서 각각 반사손실은 모두 -10 dB 이하가 되어 반사손실 규격을 만족한다. 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 경우, 2400 MHz 내지 2497 MHz 대역에서 격리도에 해당하는 s21 값이 -33 dB로 향상됨을 알 수 있다. 그리고, 공간 다이버시티(Space Diversity)를 이용하여 격리도를 향상한 5100 MHz 내지 5500 MHz 대역에서도 s21 값이 -45 dB이므로, 두 대역 모두에서 높은 격리도를 가짐을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 슬롯 및 분할 링 공진기를 포함하는 다중 입출력 안테나, 슬롯 없이 분할 링 공진기만을 포함하는 다중 입출력 안테나, 그리고 슬롯 및 분할 링 공진기 둘 모두가 없는 다중 입출력 안테나의 격리도 측정 결과를 확인할 수 있다.

도 6에서 확인할 수 있는 것처럼, 슬롯 및 분할 링 공진기가 없는 다중 입출력 안테나의 경우 격리도가 -8 dB이고, 슬롯 없이 분할 링 공진기만을 포함하는 다중 입출력 안테나의 경우 -18 dB이지만 원하는 주파수에서 공진이 일어나지 않고 공진 주파수가 천이됨을 알 수 있다. 이에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나는 격리도가 -32 dB로써, 더 우수한 격리도를 갖는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 슬롯의 길이(L)에 따른 격리도 변화를 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 슬롯의 길이(L)가 짧아질수록 커패시턴스 성분이 작아져서 공진 주파수가 높아지고, 슬롯의 길이(L)가 길어질수록 커패시턴스 성분이 커져서 공진 주파수가 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나는 슬롯의 길이(L)를 조정함으로써 주파수 튜닝을 할 수 있기 때문에 기존의 다중 입출력 안테나에 비해 쉽게 공진 주파수를 조정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 제1안테나와 제2안테나 사이의 거리(D)에 따른 격리도 변화를 나타낸 것이다. 실험에서는 안테나 사이의 거리를 53.2 mm에서 49.2 mm로 점차적으로 좁히면서 격리도를 측정하였다. 도 7에 도시된 것처럼, 제1안테나와 제2안테나 사이의 거리(D)를 49.2 mm로 좁혔음에도 -20 dB보다 더 우수한 격리도 특성을 보여주고 있다. 즉, 제1안테나와 제2안테나 사이의 거리(D)를 좁히더라도 기준치 이상의 격리도를 갖기 때문에 다중 입출력 안테나를 소형화할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 접지면의 크기(G)에 따른 격리도 변화를 나타낸 것이다. 도 9에 도시된 것처럼, 접지면의 크기(G)를 변화시켜도 공진 주파수가 약간 변화할 뿐, 격리도 면에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 접지면의 크기(G)를 줄이더라도 기준 이상의 격리도를 갖기 때문에 다중 입출력 안테나를 소형화할 수 있다.

도 10은 2.45 GHz에서 슬롯 및 분할 링 공진기의 포함 여부에 따른 평균 표면 전류 분포를 나타낸 것이고, 도 11은 공간 다이버시티를 이용한 5.2 GHz에서 평균 표면 전류 분포를 나타낸 것이다. 두 안테나는 접지면을 중심으로 대칭인 표면 전류 분포를 나타내기 때문에, 좌측의 안테나에만 급전한 경우를 나타내었다.

도 10의 좌측 도면을 참조하면, 슬롯 및 분할 링 공진기가 없는 경우, 급전된 전류가 우측 안테나로 유기되는 현상이 확인된다. 이와 달리, 도 10의 우측 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나처럼 슬롯 및 분할 링 공진기를 포함하는 경우, 전류가 우측 안테나로 유기되지 않고 안테나 사이에 위치한 슬롯 및 분할 링 공진기에 유기되어 두 안테나 간의 격리도를 향상시키는 것이 확인된다. 즉, 공통 접지면을 통해 인접 안테나로 유기되는 전류를 슬롯 및 분할 링 공진기가 차단하여 2.45 GHz 대역에서 격리도를 향상시킨다.

도 11을 참조하면, 5.2 GHz에서는 공간 다이버시티를 이용하였기 때문에 슬롯 및 분할 링 공진기와 무관하게 격리도가 기준을 만족함을 알 수 있다.

도 12는 슬롯 및 분할 링 공진기의 포함 여부에 따른 2.45 GHz에서의 방사 패턴을 나타낸 것이다. X-Y 평면, X-Z 평면 및 Y-Z 평면에서의 방사 패턴을 나타내었으며, 대칭구조이므로 좌측 안테나에만 급전한 경우를 나타내었다. 슬롯 및 분할 링 공진기를 포함하더라도 기존의 안테나와 크게 다르지 않은 방사 패턴을 가짐을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 안테나의 안테나 상관계수를 나타낸 것이다. 안테나 간의 거리를 줄임에 따라 2.45 GHz 대역에서의 ECC(Envelop Corelation Coeffieicnt) 변화를 확인할 수 있다. 도 13에 도시된 것처럼, WLAN 대역에서 0.05 이하의 매우 낮은 수치를 확인할 수 있다.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

10: 기판
12: 비그라운드 영역
14: 그라운드 영역
20: 안테나
22: 제1안테나
24: 제2안테나
30: 분할 링 공진기
32: 제1개방 루프 분할 링 공진기
34: 제2개방 루프 분할 링 공진기
40: 슬롯
50: 다중 입출력 안테나

Claims

그라운드 영역과 비그라운드 영역을 포함하는 기판;
상기 비그라운드 영역에 상호 이격하여 형성되는 제1안테나 및 제2안테나;
상기 비그라운드 영역과 소정의 거리만큼 이격하여 상기 그라운드 영역에 형성되는 제1개방 루프 분할 링 공진기 및 제2개방 루프 분할 링 공진기; 및
상기 제1개방 루프 분할 링 공진기와 상기 비그라운드 영역 사이에 위치하고, 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기와 상기 비그라운드 영역을 연결하는 한 쌍의 슬롯;
을 포함하고,
상기 한 쌍의 슬롯은 각각 일단이 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기의 갭과 연결되고, 타단이 상기 비그라운드 영역과 연결되는 다중 입출력 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1개방 루프 분할 링 공진기와 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기는 상보적 개방 루프 분할링 공진기(Complementary Split Ring Resonator, CSRR)인 다중 입출력 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제2개방 루프 분할 링 공진기는 상기 제1개방 루프 분할 링 공진기 내부에 위치하는 다중 입출력 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제1개방 루프 분할 링 공진기의 갭과 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기의 갭은 서로 반대 방향을 향하도록 형성되는 다중 입출력 안테나.
삭제
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 슬롯의 길이는 1 mm 내지 45 mm 인 다중 입출력 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1개방 루프 분할 링 공진기 및 상기 제2개방 루프 분할 링 공진기는 각각 원형 또는 사각형의 링 형상으로 이루어지는 다중 입출력 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1안테나 및 상기 제2안테나는 이중대역 모노폴 안테나인 다중 입출력 안테나.