KR101837384B1 - 이중대역 안테나 - Google Patents

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KR101837384B1
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김재희
안치형
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한국철도기술연구원
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Abstract

이중대역 안테나가 개시된다. 본 발명의 이중대역 안테나는 안테나, 안테나를 접지와 연결시키는 단락부, 안테나에 전기신호를 입력하는 급전부; 및 안테나에 배치되어 안테나가 이중대역에 동작하도록 하는 직렬공진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중대역 안테나{DUAL BAND ANTENNA}
본 발명은 이중대역 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직렬공진부를 이용하여 이중대역에서 동작하도록 하는 이중대역 안테나에 관한 것이다.
역 F 안테나(Inverted F Antenna;IFA)는 구조가 간단하고 안테나의 길이가 파장/4로 작기 때문에 이동성을 강조하는 모바일 통신에는 필수적으로 적용되고 있다.
역 F 안테나는 안테나의 길이로 주파수를 튜닝할 수 있고 단락 핀(shorting pin)의 위치로 매칭을 할 수 있어 단일 대역에서 설계 방법은 잘 정립되어 있다.
그러나 소형화를 위한 연구와 다중대역에서 동작하기 위한 연구는 현재까지도 진행이 되고 있다. 단일대역에서 역 F 안테나를 소형화하는 방법은 제한된 공간안에 안테나의 길이를 최대한 길게 하는 방법과 안테나의 구조를 이용하여 로딩효과를 주는 방법이 있다.
다중대역에 동작하는 역 F 안테나를 설계하는 방법으로는 고주파 대역에서 동작하기 위한 브랜치를 추가하는 방법이 있다.
브랜치를 추가하는 방법은 브랜치의 길이, 부착위치 및 브랜치의 모양에 따라 두 번째 대역에서 공진주파수를 조절할 수 있다.
다만, 브랜치가 첫 번째 공진주파수에도 영향을 미치므로 상호 관계를 고려하여 Tri and error로 여러번 시도하면서 최적화하여야 한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-0787229호의 '이중 대역 역 에프 평판안테나'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 안테나의 단부에 직렬공진부를 부착하여 이중대역에서 동작하는 소형의 이중대역 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 이중대역 안테나는 안테나; 상기 안테나를 접지와 연결시키는 단락부; 상기 안테나에 전기신호를 입력하는 급전부; 및 상기 안테나에 배치되어 상기 안테나가 이중대역에 동작하도록 하는 직렬공진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 직렬공진부는 캐패시터 소자 및 인덕터 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 직렬공진부의 공진주파수는 이중대역 안테나의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 인덕터 소자는 상기 캐패시터 소자와 상기 급전부 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 이중대역 안테나의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수를 조절하는 튜닝부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 인덕터 소자의 상기 급전부측에 배치되어 두 번째 공진주파수를 변화시키는 제2 주파수 튜닝부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 직렬공진부는 인덕터 소자, 및 상기 안테나와 상기 접지가 이격되어 형성되는 갭 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 직렬공진부의 공진주파수는 이중대역 안테나의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 인덕터 소자는 상기 갭 캐패시터와 상기 급전부 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 이중대역 안테나의 첫 번째 공진주파수 및 두 번째 공진주파수를 조절하는 튜닝부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 튜닝부는 상기 갭 캐패시터에 배치되어 첫 번째 공진주파수를 변화시키는 제1 주파수 튜닝부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 튜닝부는 상기 인덕터 소자의 상기 급전부측에 배치되어 두 번째 공진주파수를 변화시키는 제2 주파수 튜닝부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이중대역 안테나는 이중대역, 예를 들어 2.4GHz 및 5.8GHz에서 동시에 동작할 수 있다.
본 발명의 이중대역 안테나는 기존의 PCB(Printed Circuit Board)에 안테나 패터닝을 하고 소자를 탑재할 수 있도록 하여 제작 비용을 감소시키고, PCB 패터닝 공정에서도 손쉽게 설계될 수 있고, PCB 일체형 내장형으로도 제작될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나의 일 예를 나타낸 구조도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 연결된 소자에 의한 공진 길이를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터를 구현한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 소자 위치를 조정한 예를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 세부 튜닝을 위한 이중대역 안테나의 구조도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나의 성능 비교를 위한 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 안테나와 직렬 공진로딩 안테나의 공진주파수를 나타낸 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 매칭을 위한 인덕터 소자의 위치에 따른 임피던스 변화를 나타낸 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 세부튜닝 길이 변화에 의한 공진주파수 변화를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나의 일 예를 나타낸 구조도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 연결된 소자에 의한 공진 길이를 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터를 구현한 일 예를 나타낸 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 소자 위치를 조정한 예를 나타낸 도면이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 세부 튜닝을 위한 이중대역 안테나의 구조도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나는 안테나(20), 단락부(30), 급전부(40) 및 직렬공진부(60)를 포함한다.
단락부(30)는 안테나(20)를 접지(10)와 연결시킨다.
급전부(40)는 안테나(20)와 연결되어 안테나(20)에 전기 신호를 입력한다. 급전부(40)는 단락부(30)와 직렬공진부(60) 사이에 배치된다.
안테나(20)는 일측이 단락부(30)를 통해 접지(10)와 연결되고 타측에 직렬공진부(60)가 배치되어 이중대역에서 동작한다.
직렬공진부(60)는 안테나(20)에 배치된다. 직렬공진부(60)는 인덕터 소자(LS) 및 캐패시터부를 포함한다. 캐패시터부는 캐패시터 소자(CS)와 갭 캐패시터 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 갭 캐패시터에 대해서는 후술한다.
인덕터 소자(LS)는 안테나(20)에 배치되되, 이중대역에서의 임피던스 매칭을 위하여 캐패시터 소자(CS)와 급전부(40) 사이에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나는 상기한 바와 같이 안테나(20)에 인덕터 소자(LS)와 캐패시터 소자(CS)가 연결됨에 따라 이중대역에서 동작하게 되며, 이때 첫 번째 공진은 2.3GHz에서 발생하고, 두 번째 공진은 5.8GHz에서 발생한다.
특히, 안테나(20)의 단부에 인덕터 소자(LS)와 캐패시터 소자(CS)가 연결됨에 따라 그 로딩효과로 인하여 첫 번째 공진과 두 번째 공진이 일어나는 주파수가 변화하게 된다. 이 경우, 직렬공진부(60)의 공진주파수는 설계하려는 안테나(20)의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수 사이에 위치하도록 한다.
직렬공진부(60)는 공진주파수보다 낮은 주파수에서는 캐패시티브한 임피던스값을 가지고, 공진주파수가 높은 구조에서는 인덕티브한 임피던스를 가진다.
직렬공진부(60)에서는 인덕터 소자(LS)의 값 또는 캐패시터 소자(CS)의 값에 의해 설정되는 공진주파수에 따라 인덕터 소자(LS)를 로딩한 효과 및 캐피시터를 로딩한 효과를 얻을 수 있다.
도 2 를 참조하면, 안테나(20)의 단부에 캐패시터 소자(CS)가 연결될 경우 공진이 일어나는 안테나(20)의 길이(l)는 파장(λ)/4 이하가 된다. 참고로, 도 2 에서 Short는 단락부(30)이다.
안테나(20)의 단부에 인덕터 소자(LS)가 연결될 경우 공진이 일어나는 안테나(20)의 길이(l)는 파장/4 초과 파장/2 이하가 된다.
만약, 직렬공진부(60)의 인덕터 소자(LS)와 캐패시터 소자(CS)가 이루는 공진주파수가 안테나(20)의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수 사이에 위치하면, 첫 번째 공진은 캐패시터 소자(CS)가 연결된 것과 동일한 효과를 가져 파장/4 이하에서 형성되고, 두 번째 공진은 파장/4 초과 파장/2 이하에서 형성됨으로써, 안테나(20)는 그 크기가 감소되면서도 이중대역에서 동작할 수 있게 된다.
예를 들어, 직렬공진부(60)의 캐피시터의 값이 0.1pF에서 0.05pF으로 변경될 경우, 5.8GHz의 공진은 그대로 유지되는 반면에 첫 번째 공진주파수가 2.57GHz로 상향된다.
한편, 캐패시터부로는 상기한 바와 같이 캐패시터 소자(CS)가 안테나(20)의 단부에 배치될 수 있으나, 도 3 에 도시된 바와 같이 안테나(20)의 단부와 접지(10)가 이격 배치됨으로써 상기한 캐패시터 소자(CS)와 동일한 효과를 구현할 수 있다. 즉, 안테나(20)와 접지(10)가 금속소자로 형성되고 일정한 간격을 두고 배치되어 형성되는 갭 캐패시터가 채용될 수 있으며, 이러한 갭 캐패시터는 캐패시터 소자(CS)와 동일한 효과를 구현한다.
캐패시터부가 캐패시터 소자(CS)로 구현될 경우 캐패시터 소자(CS)의 값은 설정되어 있으나, 갭 캐패시터의 경우 도 3 에 도시된 바와 같이 안테나(20)와 접지(10) 간의 간격(gc)이 조절될 수 있는 바, 갭 캐패시터의 캐패시터 값은 세부적으로 조절될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 안테나(20)의 단부의 직렬공진부(60)에 의해 안테나(20)가 이중대역에서 동작하더라도, 동작 성능이 향상되기 위해서는 안테나(20)의 입력 임피던스가 이중대역에서 모두 매칭되어야 한다.
이를 위해, 인덕터 소자(LS)의 위치는 다양하게 조절될 수 있다.
이중대역에서 임피던스 매칭이 이루어지기 위해서는, 인덕터 소자(LS)는 안테나(20)의 단부와 급전부(40) 사이에 위치하여야 한다.
예를 들어, 인덕터 소자(LS)는 도 3 에 도시된 바와 같이 안테나(20)의 단부로부터의 거리(b)가 조절되거나 또는 도 4 에 도시된 바와 같이 단락부(30)와의 거리(a)가 조절될 수 있다.
더욱이, 인덕터 소자(LS)는 수동소자로써 기 설정된 값을 가지고 있으므로 모든 주파수에서 사용될 수 없고, self resonance frequency 이하에서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나에서, 그 설계 주파수에 따른 적합한 인덕터 소자(LS)가 제작될 수 없거나 또는 사용될 수 없는 인덕터 값이 필요로 하는 경우가 발생될 수 있다.
따라서, 안테나(20)에는 튜닝부(50)가 배치될 수 있으며, 이 튜닝부(50)는 안테나(20)에 대한 좀 더 정밀한 세부 주파수 튜닝이 이루어지도록 한다.
도 5 를 참조하면, 튜닝부(50)는 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수를 세부적으로 조절하는 것으로써, 제1 주파수 튜닝부(51)와 제2 주파수 튜닝부(52)를 포함하며, 금속으로 형성된다.
제1 주파수 튜닝부(51)는 안테나(20)의 단부에 배치되며, 첫 번째 공진주파수를 하향시킨다. 이 경우 제1 주파수 튜닝부(51)는 안테나(20)의 단부에 안테나(20)와 나란하게 배치됨으로써 안테나(20)의 단부의 면적을 증가시켜 캐패시터 값을 형성하는 면적을 증가시킨다. 이와 같이 안테나(20)의 단부에 제1 주파수 튜닝부(51)가 부착됨으로써, 갭 캐패시터의 캐패시터 값이 조절될 수 있어 첫 번째 공진주파수이 조절될 수 있다.
즉, 제1 주파수 튜닝부(51)는 안테나(20)의 단부에 배치되고 다양한 길이와 구조로 제작되어 그 캐패시터 값을 조절함으로써, 첫 번째 공진주파수를 조절한다.
제2 주파수 튜닝부(52)는 인덕터 소자(LS)의 전방, 즉 인덕터 소자(LS)와 급전부(40) 측에 배치되며, 두 번째 공진주파수를 하향시킨다. 이 경우 제2 주파수 튜닝부(52)의 길이(c)는 접지(10)와의 거리가 조절되도록 다양하게 제작될 수 있으며, 이와 같이 제2 주파수 튜닝부(52)와 접지(10) 간의 거리가 조절됨으로써, 두 번째 공진주파수가 조절될 수 있게 된다.
즉, 제2 주파수 튜닝부(52)는 인덕터 소자(LS)의 급전부(40) 측에 배치되고 다양한 길이와 구조로 제작되어 접지(10)와의 간격이 조절됨으로써, 두 번째 공진주파수를 조절한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나의 성능 비교를 위한 안테나 구조를 나타낸 도면이고, 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 안테나와 직렬 공진로딩 안테나의 공진주파수를 나타낸 도면이다.
도 6 을 참조하면, 유전율 4.4의 FR4 기판에 기존의 역 F 안테나와 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나가 도시되었다.
도 6 에 도시된 접지(10)는 가로(Wg)와 세로(Lg)의 길이는 각각 50mm와 100mm이고, 기판의 두께(t)는 1mm이다.
이 접지(10)에서 기존의 역 F 안테나(a)와 이중대역 안테나(b)를 설계할 영역의 가로(Wa)의 길이는 15mm이고, 세로(La)의 길이는 6mm이다.
기존의 역 F 안테나(a)와 이중대역 안테나(b)의 선폭(WL)은 1mm이고, 급전부(40)와 단락부(30) 간의 거리(dF)는 3mm이다.
도 7 을 참조하면, 기존의 역 F 안테나(a)와 이중대역 안테나(b)의 임피던스를 나타낸 것으로 공진주파수의 변화를 확인할 수 있다.
기존의 역 F 안테나의 구조에 대해서는 공진주파수가 4.1GHz에 형성이 되는 것을 확인할 수 있다.
반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나(b)는 인덕터 소자(LS)와 캐패시터부 각각의 값에 따라 공진주파수가 변화하며 약 2.3Hz와 5.8GHz에서 공진주파수가 형성이 되는 것을 확인할 수 있다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 매칭을 위한 인덕터 소자의 위치에 따른 임피던스 변화를 나타낸 도면이다.
도 8 에서, 실선은 도 4 에 도시된 바와 같이 인덕터 소자(LS)가 안테나(20)의 상단에 위치한 경우이며 점선은 인덕터 소자(LS)가 도 3 에 도시된 바와 같이 안테나(20)의 단부에 위치한 경우이다.
인덕터 소자(LS)가 안테나(20)의 단부에 위치한 경우에 비해 인덕터 소자(LS)가 안테나(20)의 상단에 위치한 경우에, 임피던스(S11)가 두 개의 공진 대역에서 -10dB 이하로 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 이를 토대로 매칭이 잘되는 것을 확인할 수 있다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 세부튜닝 길이 변화에 의한 공진주파수 변화를 나타낸 도면이다.
도 5 에서 안테나(20)의 단부에 부착되는 튜닝부(50)의 길이 d가 증가할 경우, 첫 번째 공진 주파수가 하향되고, 인덕터 소자(LS)의 전방에 부착되는 튜닝부(50)의 길이 c가 증가할 경우, 두 번째 공진주파수가 하향되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나는 이중대역, 예를 들어 2.4GHz 및 5.8GHz에서 동시에 동작할 수 있고, 기존의 PCB(Printed Circuit Board)에 안테나 패터닝을 하고 소자를 탑재할 수 있도록 하여 제작 비용을 감소시키고, PCB 패터닝 공정에서도 손쉽게 설계될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나는 PCB 일체형 내장형으로도 제작될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 접지
20: 안테나
30: 단락부
40: 급전부
50: 튜닝부
51: 제1 주파수 튜닝부
52: 제2 주파수 튜닝부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 안테나;
    상기 안테나를 접지와 연결시키는 단락부;
    상기 안테나에 전기신호를 입력하는 급전부; 및
    상기 안테나에 배치되어 상기 안테나가 이중대역에 동작하도록 하는 직렬공진부를 포함하고,
    상기 직렬공진부는 인덕터 소자, 및 상기 안테나와 상기 접지가 이격되어 형성되는 갭 캐패시터를 포함하며,
    상기 인덕터 소자는 상기 갭 캐패시터와 상기 급전부 사이에 위치하되, 상기 안테나의 단부와 상기 급전부 사이에 위치하며,
    이중대역 안테나의 첫 번째 공진주파수 및 두 번째 공진주파수를 조절하는 튜닝부를 더 포함하며,
    상기 튜닝부는 상기 갭 캐패시터에 배치되어 첫 번째 공진주파수를 변화시키는 제1 주파수 튜닝부, 및 상기 인덕터 소자의 상기 급전부측에 배치되어 두 번째 공진주파수를 변화시키는 제2 주파수 튜닝부를 포함하며,
    상기 제1 주파수 튜닝부는 상기 안테나의 단부에 상기 안테나와 나란하게 배치되어 상기 안테나의 단부의 면적을 증가시키고, 상기 제2 주파수 튜닝부는 상기 접지와의 간격이 조절되게 상기 인덕터 소자와 상기 급전부 측에 배치되며,
    상기 제1 주파수 튜닝부와 상기 제2 주파수 튜닝부는 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 직렬공진부의 공진주파수는 이중대역 안테나의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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