KR101803101B1 - 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나 및 급전 방법 - Google Patents

광대역 급전 구조체를 가지는 안테나 및 급전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도성 소자와 도전 선로로 이루어진 폐루프를 가지는 급전 구조체를 이용하여, 용량성 소자에 의한 캐패시턴스와 폐루프에 의한 인덕턴스가 공진을 일으키고, 공진 주파수에서 폐루프에 발생하는 자속이 방사체에 커플링되도록 함으로써, 광대역 주파수 특성을 가지는 안테나를 제공한다. 또한, 복수의 대역에서 광대역 특성을 가지는 안테나를 제공한다.

Description

광대역 급전 구조체를 가지는 안테나 및 급전 방법{Antenna Having Wideband Feeding Structure and Feeding Method}
본 발명은 안테나 및 안테나 급전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광대역 급전을 위한 급전 구조체를 가지는 안테나 및 급전 구조체를 이용하여 안테나에 급전하는 방법에 관한 것이다.
안테나는 공중의 RF 신호를 단말기 내부로 수신하거나, 단말기 내부의 신호를 외부로 송신하는 장치이며, 무선 기기에 있어서 외부와의 통신을 위해 필수적인 요소이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 단일 대역 안테나를 나타낸 설명도이다. 도 1 을 참조하면, 종래 기술에 따른 단일 대역 안테나(10)는, 접지 전위를 제공하며, 방사체로서의 기능을 수행하는 그라운드(11)와, 급전부(12)와, 접지핀(13)과, 방사체(14)를 포함하여 이루어진다. 또한, 급전부(12)는 급전원(121)과 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자(122)로 이루어진다.
도 2 는 도 1 에 따른 안테나의 주파수 특성을 나타낸 것이다. 도 1 에 따른 안테나의 방사체(14)는 낮은 주파수에서 공진이 일어나도록 설계된 것이다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 주파수 780MHz 에서 공진이 일어나고, 740 ~ 815MHz 의 대역폭을 가지도록 설계할 수 있다.
도 3 은 종래 기술에 따른 다중 대역 안테나를 나타낸 설명도이다. 도 3 을 참조하면, 종래 기술에 따른 다중 대역 안테나(30)는, 그라운드(31)와, 급전부(32)와, 접지핀(33)과, 제 1 방사체(34) 및 제 2 방사체(35)를 포함하여 이루어진다. 또한, 급전부(32)는 급전원(321)으로 이루어지거나, 급전원(321)과 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자(322)를 포함하여 이루어진다.
도 4 는 도 3 에 따른 안테나의 고주파수 영역의 특성을 나타낸 것이다. 도 3 에 따른 안테나의 제 1 방사체(34)를 낮은 주파수에서 공진이 일어나도록 설계하면, 낮은 주파수 영역에서는 도 2 에 도시된 바와 같이, 780MHz 영역에서 공진이 일어나도록 하고, 740 ~ 815MHz 의 대역폭을 가지도록 할 수 있다. 한편, 도 3 에 따른 안테나의 제 2 방사체(35)는 높은 주파수 영역에서 공진이 일어나도록 설계할 수 있다. 따라서, 도 4 에 도시된 바와 같이, 1.8GHz 에서 공진이 발생하도록 설계할 수 있다.
도 2 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 안테나는 광대역 특성을 가지지 못하는 문제점이 있다. 또한, 도 4 에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 안테나는 고주파수 영역에서 공진이 일어나기는 하지만, 안테나 특성이 좋지 않다는 것을 알 수 있다.
종래 기술에 따르면, 안테나의 방사체의 공진 특성을 향상시킴으로써 보다 안테나의 성능을 개선시키려고 노력하였다. 그러나, 안테나 방사체의 구성만을 변경시키는 것 만으로는 안테나의 성능을 개선시키는데 한계가 있었다.
따라서, 보다 더 간단하면서도 효율적으로 안테나의 성능을 개선하는 방법이 필요하게 되었다.
본 발명은, 간단한 모양을 가지면서도 광대역 안테나로 동작이 가능하도록 하는 급전 구조체 및 이를 이용한 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 간단한 모양을 가지면서도 다중대역 안테나로 동작이 가능하도록 하는 급전 구조체 및 이를 이용한 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 급전 구조체를 이용한 광대역 급전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 방사체의 공진 주파수에 인접한 주파수에 급전 구조체에 의한 공진이 발생하도록 하고, 급전 구조체에 의해 발생하는 자속을 이용하여 안테나 방사체를 여기시킴으로써 안테나가 광대역 특성을 가질 수 있도록 한다.
또한, 급전 구조체에 의한 공진이 두개 이상의 주파수에서 발생하도록 함으로써, 안테나가 다중 대역 특성을 가질 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 급전 구조체를 가지는 안테나는 간단한 구조를 가지면서도 광대역 특성을 가지는 효과가 있다.
본 발명에 따른 급전 구조체를 간단한 구조를 가지면서도 다중대역 특성을 가지는 효과가 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 단일 대역 안테나를 나타낸 설명도이다.
도 2 는 도 1 에 따른 안테나의 주파수 특성을 나타낸 것이다.
도 3 은 종래 기술에 따른 다중 대역 안테나를 나타낸 설명도이다.
도 4 는 도 3 에 따른 안테나의 고주파수 영역의 특성을 나타낸 것이다.
도 5 는 본 발명에 따른 안테나를 위한 급전 구조체를 나타낸 제 1 일실시예 설명도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 안테나의 급전 구조체의 여러가지 실시예들을 나타낸 것이다.
도 7 은 도 5 에 도시된 급전 구조체를 적용한 본 발명에 따른 안테나를 나타낸 제 1 실시예 설명도이다.
도 8 은 도 7 의 실시예에 따른 안테나의 주파수 특성을 나타낸 것이다.
도 9 는 본 발명에 따른 안테나를 위한 급전 구조체를 나타낸 제 2 실시예 설명도이다.
도 10 은 도 9 에 도시된 급전 구조체의 동작 원리를 설명하기 위한 설명도이다.
도 11 은 도 9 에 도시된 급전 구조체를 적용한 본 발명에 따른 안테나를 나타낸 제 2 실시예 설명도이다.
도 12 는 도 11 의 실시예에 따른 안테나의 주파수 특성을 나타낸 것이다.
도 5 는 본 발명에 따른 안테나를 위한 급전 구조체를 나타낸 제 1 일실시예 설명도이다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나를 위한 급전 구조체는 급전부(51)와, 용량성 소자(53)와, 급전부의 양단과 용량성 소자(53)의 양단을 연결하는 제 1 도전 선로(52)와, 용량성 소자(53)와 급전부(51)의 양단을 연결하는 제 2 도전 선로(54)로 이루어진다.
급전부(51)는 RF 신호를 제공하는 급전원만으로 이루어지거나, 급전원 및 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자를 포함하여 구성할 수도 있다.
한편, 용량성 소자(53)의 양단을 연결하는 제 2 도전 선로(54)는 용량성 소자(53)와 함께 일정한 넓이(S)를 가지는 폐루프를 형성한다.
도 5 에 도시된 급전 구조체의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. RF 환경에서는, 용량성 소자(53)와 제 2 도전 선로(54)가 형성하는 폐루프는(56)에는 도전 선로 및 루프에 의한 인덕턴스가 발생한다. 이러한 인덕턴스와 용량성 소자(53)가 특정한 주파수에서 공진을 일으키게 된다. 공진 주파수에 있어서, 폐루프(56)에 흐르는 전류는 폐루프를 통해 자속을 발생시키며, 폐루프에 의해 발생된 자속은 안테나 방사체에 제공된다.
도 6 은 본 발명에 따른 안테나의 급전 구조체의 여러가지 실시예들을 나타낸 것이다. 도 6 에는 여러가지 형태의 안테나 급전 구조체들이 도시되어 있으나, 공통적으로 도 5 에서 설명한 특징을 가진다. 즉, 도전 선로(64)와 용량성 소자(63)는 폐루프(66)를 형성하고, 폐루프(66)에 의한 인덕턴스와 용량성 소자(63)에 의한 캐패시턴스가 공진을 일으킨다. 또한, 폐루프(66)에서 발생하는 자속은 안테나 방사체에 제공될 수 있다.
한편, 도 6 의 실시예 중 (e), (f), (g), (h) 에는 용량성 소자(63)와 도전 선로(64) 뿐 아니라, 유도성 소자(65)가 폐루프(66)를 형성하고 있다. 여기서, 유도성 소자(65)는 폐루프(66)에서 발생하는 인덕턴스를 보강하기 위한 것이다. 즉, 원하는 주파수에서 공진이 발생하도록 하기 위해, 폐루프(66)에서 발생하는 인덕턴스만으로 부족한 경우에, 이를 보충하기 위해 집중회로 소자에 의한 인덕턴스를 추가하는 것이다.
도 7 은 도 5 에 도시된 급전 구조체를 적용한 본 발명에 따른 안테나를 나타낸 제 1 실시예 설명도이다.
도 7 을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 그라운드(71)와, 방사체(74)와, 급전 구조체(78)로 이루어진다.
급전부(72)는 급전원(721)만으로 구성되거나, 급전원(721)에 추가적으로 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자(722)를 부가함으로써 구성될 수 있다.
급전부(72)와, 제 1 도전 선로(77), 용량성 소자(75)와, 제 2 도전 선로(73)는 도 5 에 도시된 형태와 같은 급전 구조체(78)를 형성한다. 본 실시예의 안테나에는 도 5 에 도시된 형태의 급전 구조체(78)를 적용하였으나, 도 6 에 도시된 형태의 급전 구조체 중 어느 하나를 선택하여 적용할 수도 있다.
도 5 에 따른 급전 구조체에 관한 설명에서 명시한 바와 같이, 폐루프(76)의 인덕턴스와 용량성 소자(75)의 캐패시턴스로 인해 특정 주파수에서 공진 현상이 일어난다. 이때, 폐루프(76)는 용량성 소자(75)와 제 2 도전 선로(73)에 의해 형성된다. 공진으로 인한 전류는 폐루프(76)에 자속을 발생시키고, 폐루프(76)에 의해 발생된 자속이 방사체(74)를 여기시키면, 폐루프(76)의 공진주파수에서 방사체(74)를 통해 신호가 외부로 방사된다.
도 8 은 도 7 의 실시예에 따른 안테나의 주파수 특성을 나타낸 것이다. 도 8 에 도시된 그래프와 도 2 에 도시된 그래프를 비교하면, 도 8 에 도시된 그래프의 대역이 도 7 에 도시된 그래프의 대역에 비해 훨씬 넓다는 것을 알 수 있다.
즉, 종래 기술에 따른 안테나에 도 5 에 도시된 형태의 급전 구조체를 적용하게 되면, 도 1 에 따른 안테나 방사체에 의한 공진대역(81) 이외에, 급전 구조체에 의한 공진대역(82)이 더하여지므로, 대역이 넓어지는 효과가 있음을 알 수 있다.
따라서, 공진을 일으키는 요소인 캐패시턴스 값과 인덕턴스 값을 조절하여 종래의 방사체에 의한 공진 주파수 근처에 급전 구조체에 의한 공진대역을 발생시킴으로써, 광대역 안테나를 설계할 수 있게 된다. 이때, 공진 대역 조절에 필요한 캐패시턴스는 집중회로 소자의 캐패시턴스 값을 변화시킴으로써 얻어질 수 있다. 또한, 공진 대역 조절에 필요한 인덕턴스 값은 폐루프의 넓이를 조절하거나, 집중회로 소자인 인덕터를 삽입함으로써 얻을 수 있다.
도 9 는 본 발명에 따른 안테나를 위한 급전 구조체를 나타낸 제 2 실시예 설명도이다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나를 위한 제 2 실시예 급전 구조체는, 급전부(91)와, 제 1 용량성 소자(93)와, 제 2 용량성 소자(95)와, 제 1 도전 선로(92), 제 2 도전 선로(94), 제 3 도전 선로(98)를 포함하여 이루어진다.
급전부(91)는 RF 신호를 제공하는 급전원만으로 이루어지거나, 급전원 및 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자를 포함하여 구성할 수도 있다.
제 1 도전 선로(92)는 급전부(91)의 양단과 제 1 용량성 소자(93)의 양단을 연결한다. 한편, 제 1 용량성 소자(93)의 양단을 연결하는 제 2 도전 선로(94)는 용량성 소자(93)와 함께 일정한 넓이(S1)를 가지는 제 1 폐루프(96)를 형성한다.
한편, 제 1 용량성 소자(93) 및 제 2 용량성 소자(95)와, 이들을 연결하는 제 1 도전 선로(92) 및 제 3 도전 선로(98)는 일정한 넓이(S2)를 가지는 제 2 폐루프(97)를 형성한다.
도 10 은 도 9 에 도시된 급전 구조체의 동작 원리를 설명하기 위한 설명도이다. 도 9 에 도시된 급전 구조체는 제 1 용량성 소자(93)의 캐패시턴스가 제 2 용량성 소자(95)보다 충분히 크다고 가정할 때, 두개의 주요한 공진 대역을 가진다.
도 10(a) 는 낮은 주파수 영역에서 공진이 발생하는 제 1 공진 회로를 나타낸 것이다. 낮은 주파수 영역에서는 제 2 용량성 소자(95) 쪽으로 전류가 거의 흐르지 못하므로, 제 1 폐루프(96)에서 공진이 일어난다. 즉, 제 1 폐루프(96)에 의해 제공되는 인덕턴스와 제 1 용량성 소자(93)에 의해 제공되는 캐패시턴스에 의해 제 1 공진 대역이 형성된다.
도 10(b) 는 높은 주파수 영역에서 공진이 발생하는 제 2 공진 회로를 나타낸 것이다. 높은 주파수 영역에서는 도선의 인덕턴스가 높아져 제 1 폐루프(96) 쪽으로 전류가 거의 흐르지 못하므로, 제 2 폐루프(97)에 의한 공진이 일어난다. 즉, 제 2 폐루프(97)에 의해 제공되는 인덕턴스와 제 1 용량성 소자(93) 및 제 2 용량성 소자(95)에 의해 제공되는 캐패시턴스(주요하게는 제 2 용량성 소자에 의해 제공되는 캐패시턴스)에 의한 공진이 일어난다.
제 1 폐루프(96) 및 제 2 폐루프(97)는 각각의 공진 주파수 대역에서 발생된 자속을 안테나 방사체에 제공한다. 따라서, 안테나 방사체는 각 폐루프의 공진 주파수 대역에서 RF 신호를 외부로 방사하게 된다.
도 11 은 도 9 에 도시된 급전 구조체를 적용한 본 발명에 따른 안테나를 나타낸 제 2 실시예 설명도이다.
도 11 을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나(110)는 그라운드(111)와, 급전부(112)와, 방사체(114)와, 급전 구조체(118)로 이루어진다.
급전부(112)는 급전원(1121)만으로 구성되거나, 급전원(1121)에 추가적으로 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자(1122)를 부가함으로써 구성될 수 있다.
급전부(112)와, 제 1 도전 선로(117)와, 제 1 용량성 소자(115)와, 제 2 도전 선로(113)와, 제 2 용량성 소자(119)와, 제 3 도전 선로(1112)는 도 9 에 도시된 형태와 같은 급전 구조체를 형성한다.
도 9 에 따른 급전 구조체에 관한 설명에서 기재한 바와 같이, 제 1 폐루프(116)에 의해 제 1 공진 주파수에서 공진이 일어난다. 이때, 제 1 폐루프(116)는 제 1 용량성 소자(115)와 제 2 도전 선로(113)에 의해 형성된다. 또한, 공진은 제 1 용량성 소자(115)에 의해 제공되는 캐패시턴스와 제 1 폐루프(116)에 의해 제공되는 인덕턴스로 인해 발생한다.
제 2 폐루프(1111)에 의해 제 2 공진 주파수에서 공진이 일어난다. 이때, 제 2 폐루프(1111)는 제 1 용량성 소자(115), 제 1 도전 선로(117) 일부, 제 3 도전 선로(1112) 및 제 2 용량성 소자(119)에 의해 형성된다. 또한, 공진은 제 2 폐루프(1111)에 의해 제공되는 인덕턴스와 제 1 용량성 소자(115) 및 제 제 2 용량성 소자(119)에 의해 제공되는 캐패시턴스에 의해 발생한다.
각 공진 주파수에서, 공진으로 인한 전류는 각 폐루프(116, 1111)에 자속을 발생시키고, 각 폐루프(116, 1111)에 의해 발생된 자속이 방사체(114)를 여기시키면, 각 폐루프(116, 1111)의 공진 주파수에서 방사체(114)를 통해 신호가 외부로 방사된다.
도 12 는 도 11 의 실시예에 따른 안테나의 주파수 특성을 나타낸 것이다. 도 12 을 참조하면, 두개의 대역에서 모두 광대역 특성이 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 방사체에 의해 제 1 공진 주파수(저주파 영역) 및 제 2 공진 주파수(고주파 영역)에서 공진이 발생하면, 급전 구조체의 공진 주파수를 조절하여 상기 제 1 공진 주파수 및 상기 제 2 공진 주파수 인근에서 공진이 일어나도록 함으로써, 제 1 대역 및 제 2 대역의 대역폭을 넓힐 수 있게 된다.
급전 구조체의 제 1 용량성 소자(115)의 캐패시턴스 값 및 제 1 폐루프(116)의 넓이를 조절하여 제 1 대역폭 부근에서 공진이 일어나도록 하고, 제 2 용량성 소자(119)의 캐패시턴스 값 및 제 2 폐루프(1111)의 넓이를 조절하여 제 2 대역폭 부근에서 공진이 일어나도록 한다.
10, 30, 70, 110 : 안테나
12, 32, 72, 112 : 급전부
14, 34, 35, 74,114 : 방사체
50, 78, 90, 118 : 급전 구조체
56, 66, 76, 96, 97, 116, 1111 : 폐루프
53, 63, 75, 93, 95, 115, 119 : 용량성 소자

Claims (11)

  1. 안테나에 있어서,
    급전 구조체와, 제 1 공진 주파수를 가지며 급전 구조체로부터 제공된 신호를 외부로 방사하는 방사체를 포함하여 이루어지되, 상기 급전 구조체는,
    신호를 제공하는 급전부; 및
    용량성 소자와 도전 선로에 의해 형성된 폐루프를 포함하여 이루어지며,
    상기 폐루프에 의한 제 2 공진 주파수는 상기 제 1 공진 주파수에 인접한 주파수이고,
    상기 제2 공진 주파수에서 상기 폐루프에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속이 상기 방사체로 제공되며,
    상기 폐루프에 발생한 공진에 의한 자속은 상기 방사체에 커플링되어 상기 방사체를 여기시키는 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공진 주파수는 상기 용량성 소자의 캐패시턴스와 상기 폐루프에서 제공되는 인덕턴스에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  4. 안테나에 있어서,
    급전 구조체와,
    제 1 공진 주파수 및 제 2 공진 주파수를 가지며 급전 구조체로부터 제공된 신호를 외부로 방사하는 방사체를 포함하여 이루어지되, 상기 급전 구조체는,
    신호를 제공하는 급전부;
    제 1 용량성 소자와 도전 선로에 의해 형성된 제 1 폐루프; 및
    상기 제 1 용량성 소자와 제 2 용량성 소자 및 도전 선로에 의해 형성된 제 2 폐루프를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 폐루프에 의한 제 3 공진 주파수는 상기 제 1 공진 주파수 근처에서 형성되고,
    상기 제 2 폐루프에 의한 제 4 공진 주파수는 상기 제 2 공진 주파수 근처에서 형성되며,
    상기 제3 공진 주파수에서 상기 제1 폐루프에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속이 상기 방사체로 제공되고,
    상기 제4 공진 주파수에서 상기 제2 폐루프에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속이 상기 방사체로 제공되며,
    상기 제 1 폐루프 또는 상기 제 2 폐루프에서 발생한 공진에 의한 자속은 상기 방사체에 커플링되어 상기 방사체를 여기시키는 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 공진 수파수는 상기 제 1 공진주파수보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 용량성 소자의 캐패시턴스는 상기 제 2 용량성 소자의 캐패시턴스보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  7. 삭제
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 공진 주파수는 상기 제 1 용량성 소자의 캐패시턴스와 상기 제 1 폐루프에서 제공되는 인덕턴스에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 4 공진 주파수는 상기 제 1 용량성 소자 및 상기 제 2 용량성 소자의 캐패시턴스와 상기 제 2 폐루프에서 제공되는 인덕턴스에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광대역 급전 구조체를 가지는 안테나.
  10. 안테나 급전 방법에 있어서,
    용량성 소자 및 도선으로 이루어진 폐루프에 공진을 발생시키는 단계;
    상기 발생된 공진에 따라 상기 폐루프에 발생된 자속이 방사체를 여기시키는 단계;
    상기 공진이 발생한 주파수 대역에서 상기 자속에 의해 방사체가 여기되는 단계; 및
    상기 여기된 방사체에 의해 신호가 방사되는 단계
    를 포함하고,
    상기 폐루프에 의한 공진 주파수에서 상기 폐루프에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속이 상기 방사체로 제공되며,
    상기 폐루프에 발생한 공진에 의한 자속은 상기 방사체에 커플링되어 상기 방사체를 여기시키는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진 주파수는 상기 용량성 소자의 캐패시턴스와 상기 폐루프에서 제공되는 인덕턴스에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 방법
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