KR101871695B1 - 전방향성 안테나 - Google Patents

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KR101871695B1
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최인태
신호섭
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군산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 5.15∼5.25 GHz, 5.25∼5.35 GHz 및 5.725∼5.825 GHz를 포함하는 5 GHz 대역에서 -10 dB 이하의 반사 손실(return loss)값을 가지면서도, 크기가 작고, 무게가 가볍고, 제작 비용이 적게 드는 전방향성 안테나를 제공한다.

Description

전방향성 안테나{Omnidirectional Antenna}
본 발명에 따른 실시예는 전방향성 안테나에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
무선 인터넷을 지원하기 위해, 국제전기전자공학회(IEEE)에서는 1997년 2.4 GHz ISM(industrial scientific and medical) 대역에서 2 Mbps의 전송률을 지원하는 IEEE 802.11 표준을 승인하기 시작하였다.
더욱 빠른 데이터 전송을 원하는 사용자들이 많아짐에 따라 IEEE 802.11b의 2.4 GHz(2.4∼2.484 GHz) 대역보다 더욱 넓은 대역폭을 갖는 5 GHz 주파수 대역을 사용하기에 이르렀다. IEEE의 802.11a에서 정의되는 5 GHz 주파수 대역은 5.15∼5.25 GHz, 5.25∼5.35 GHz 및 5.725∼5.825 GHz이며, 이 대역의 WLAN(wireless LAN)은 최대 54 Mbps의 전송률을 지원한다.
한편, 대용량 멀티미디어 서비스가 제공되는 주요 단말기가 TV나 데스크탑 PC에서 스마트폰으로 바뀜에 따라, 스마트폰에 장착되는 안테나의 구조는 작고 가벼운 형태로 진화하고 있다.
최근에 출시되는 이동통신 단말기에는 마이크로스트립(microstrip) 구조의 안테나가 많이 이용되고 있다. 마이크로스트립 구조의 안테나는 저렴하고 견고하며 대량생산이 가능하다는 장점을 갖고 있지만, 좁은 대역폭(narrow bandwidth)과 낮은 안테나 효율을 갖는 것이 단점이다.
마이크로스트립 안테나의 급전 구조 중 동일평면 도파로(coplanar waveguide; CPW) 급전 구조 방식은 마이크로스트립 선로(microstrip line) 급전에 비해 분산 특성이 작다. 또한, 광대역 특성을 얻기 쉬우며, 접지면과 동일한 면에 급전 구조를 구현함으로써 급전 손실을 줄일 수 있다.
무선랜 기기, 블루투스 등과 같은 통신기기들과 마이크로웨이브 오븐 등의 전자기기들의 사용 증가는 이미 2.4 GHz 대역에서의 통신에 여러 장애를 일으키고 있다.
따라서 ISM 대역의 또 다른 주파수 대역인 5.15∼5.25 GHz, 5.25∼5.35 GHz 및 5.725∼5.825 GHz를 포함하는 5 GHz 대역에서 사용할 수 있으면서도, 크기가 작고, 무게가 가벼우며 제작이 쉬운 전방향성(omnidirectional) 안테나가 필요하다.
본 발명의 실시예들은 크기가 작고, 무게가 가벼우면서도 제작 비용이 낮은 5 GHz 주파수 대역에서 사용이 가능한 전방향성 안테나를 제공하는 데에 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 x방향의 기 설정된 폭, y방향의 기 설정된 길이 및 z방향의 기 설정된 두께를 갖도록 형성된 유전체 기판(dielectric substrate); 상기 유전체 기판 상에 서로 다른 x방향 폭과 서로 다른 y방향 길이를 갖는 다수의 직사각형 복사부를 포함하여 형성되어 전자기파(electromagnetic wave)를 제공하는 제 1 금속 재질의 복사부(radiation unit); 상기 복사부와 동일한 평면 상에서 상기 복사부의 일단과 연결되어 상기 복사부에 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 공급하도록 형성되는 제 2 금속 재질의 급전부(feeding unit); 상기 복사부와 동일한 평면 상에서 상기 유전체 기판을 y방향으로 이등분하는 선을 중심으로 일측에 형성되는 제 3 금속 재질의 제 1 접지부(ground unit); 상기 제 1 접지부와 동일한 평면 상에서 상기 유전체 기판을 y방향으로 이등분하는 선을 중심으로 상기 일측의 반대쪽에 형성되는 제 4 금속 재질의 제 2 접지부; 및 상기 제 2 접지부와 동일한 평면 상에서 상기 제 1 접지부의 상단 및 상기 제 2 접지부의 상단과 연결되어 상기 제 1 접지부 및 상기 제 2 접지부와 함께 상기 복사부를 둘러싸도록 형성되는 제 5 금속 재질의 제 3 접지부를 포함하는 전방향성 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 5.15∼5.25 GHz, 5.25∼5.35 GHz 및 5.725∼5.825 GHz를 포함하는 5 GHz 대역에서 사용 가능한 전방향성 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 측면에 의하면, 유사한 성능을 보이는 종래의 폴디드 슬롯(folded slot) 안테나보다 67% 정도 크기가 작은 전방향성 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 3 직사각형 복사부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실(return loss) 특성 모의실험(simulation) 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 5 직사각형 복사부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 2 직사각형 복사부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 1 하접지부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 1 하접지부와 제 1 중접지부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 2 중접지부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 2 상접지부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 3 우접지부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
도 10은 도 1에 도시한 구조를 최적화하여 실제 제작한 전방향성 안테나의 (a)평면도 및 (b)배면도이다.
도 11은 도 1에 도시한 구조를 최적화하여 실제 제작한 전방향성 안테나의 측정 결과와 모의실험 결과를 나타낸다.
도 12, 도 13 및 도 14는 각각 도 1에 도시한 구조를 최적화하여 실제 제작한 전방향성 안테나의 xz 평면(plane) 복사패턴(radiation pattern), yz 평면 복사패턴 및 xy 평면 복사패턴 측정 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 일 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅰ), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나를 설명하면 다음과 같다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 구조를 나타낸다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나는 제 1 접지부(110), 제 2 접지부(120), 제 3 접지부(130), 급전부(140), 복사부(150) 및 유전체 기판(160)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 기판(160, dielectric substrate)은 유리 섬유 및 합성 수지를 사용하여 4.2의 유전율(permittivity) 및 0.019의 손실 탄젠트(loss tangent)를 갖도록 형성된다. 유전체 기판(160)의 크기는 20.0 mm × 16.0 mm × 1.0 mm가 되도록 제작하였다. x방향의 폭이 20.0 mm이고, y방향의 길이가 16.0 mm이며 z방향의 두께가 1.0 mm이다. 유전체 기판(160)의 유전율, 손실 탄젠트 및 크기는 이에 한정되지는 않는다.
복사부(150, radiation unit)는 유전체 기판(160) 상에 서로 다른 x방향 폭과 서로 다른 y방향 길이를 갖는 다수의 직사각형 복사부를 포함하여 형성된다. 복사부(150)는 급전부(140)로부터 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 공급받아 전자기파(electromagnetic wave)의 형태로 변환하여 공기 중으로 방출한다.
다수의 직사각형 복사부는 구리(copper), 알루미늄(aluminum), 은(silver) 또는 금(gold) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 재질로 형성된다. 하나의 원소를 포함하는 단일 금속 물질일 수도 있고, 적어도 두 개의 원소를 포함하는 합금(alloy)일 수도 있다.
급전부(140, feeding unit)는 복사부(150)와 동일한 평면 상에 복사부(150)의 일단과 연결되도록 금속 재질로 형성된다. 급전부(140)는 복사부(150)와 동일한 재질의 금속으로 동일한 공정 과정을 통해 형성될 수 있다.
급전부(140)는 외부로부터 전자기 에너지를 공급받기 위해, 동축(coaxial) 형상의 케이블과 연결될 수도 있고, 접지-신호-접지(ground-signal-ground; GSG) 형태의 프로브와 연결될 수도 있다. 급전부(140)는 외부로부터 공급받은 전자기 에너지를 복사부(150)로 전달한다.
제 1 접지부(ground unit, 110)는 복사부(150)와 동일한 평면 상에 유전체 기판(160)을 y방향으로 이등분하는 선을 중심으로 일측에 형성된다. 제 1 접지부(110)는 금속 재질로 형성된다.
제 2 접지부(120)는 제 1 접지부(110)와 동일한 평면 상에, 즉, 복사부(150)와 동일한 평면 상에 유전체 기판(160)을 y방향으로 이등분하는 선을 중심으로 제 1 접지부(110)가 형성된 쪽의 반대쪽에 형성된다. 제 2 접지부(120)는 제 1 접지부와 동일한 금속 재질을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 제 1 접지부(110)와 제 2 접지부(120)는 복사부(150)를 중심으로 선대칭을 이룬다.
제 3 접지부(130)는 제 1 접지부(110) 또는 제 2 접지부(120)와 동일한 평면 상에 금속 재질로 형성된다. 제 3 접지부(130)는 제 1 접지부(110)의 y축 최상단 및 제 2 접지부의 y축 최상단과 각각 연결되어, 제 1 접지부(110)와 제 2 접지부(120)를 전기적으로 연결한다.
전기적으로 연결된 제 1 접지부(110), 제 2 접지부(120) 및 제 3 접지부(130)는 복사부(150)를 둘러싸는 형태를 갖는다.
제 1 접지부(110), 제 2 접지부(120), 제 3 접지부(130), 급전부(140) 및 복사부(150)는 동일한 노광(exposure), 현상(development) 및 식각(etching) 공정을 통해 동일한 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위해 각각의 구성요소를 더욱 세분화한다.
도 1b를 참조하면, 복사부(150)는 제 1 직사각형 복사부(151), 제 2 직사각형 복사부(153), 제 3 직사각형 복사부(155), 제 4 직사각형 복사부(157) 및 제 5 직사각형 복사부(159)를 포함한다.
제 1 직사각형 복사부(151)는 급전부(140)를 Lf에서 Lg1을 뺀 값만큼 y방향으로 연장함으로써 형성된다. 따라서 제 1 직사각형 복사부(151)는 급전부(140)의 x방향 폭과 동일한 x방향 폭을 지닌다. 여기서, 제 1 직사각형 복사부(151)의 x방향 폭은 1.50 mm이며, y방향 길이는 2.50 mm이다.
제 2 직사각형 복사부(153)는 제 1 직사각형 복사부(151)와 x방향 폭 및 y방향 길이가 다른 직사각형 금속 패턴을 제 1 직사각형 복사부(151)의 상단에 이어 전기적으로 연결되도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 2 직사각형 복사부(153)의 x방향 폭인 W1 및 y방향 길이인 L1은 각각 5.00 mm 및 2.50 mm가 되도록 설계된다.
제 3 직사각형 복사부(155)는 제 2 직사각형 복사부(153)와 x방향 폭 및 y방향 길이가 다른 직사각형 금속 패턴을 제 2 직사각형 복사부(153)의 상단에 이어 전기적으로 연결되도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 3 직사각형 복사부(155)의 x방향 폭인 W2 및 y방향 길이인 L2는 각각 7.00 mm 및 2.00 mm가 되도록 설계된다.
제 4 직사각형 복사부(157)는 제 3 직사각형 복사부(155)와 x방향 폭 및 y방향 길이가 다른 직사각형 금속 패턴을 제 3 직사각형 복사부(155)의 상단에 이어 전기적으로 연결되도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 4 직사각형 복사부(155)의 x방향 폭은 제 2 직사각형 복사부(155)의 x방향 폭 및 y방향 길이와 같도록 설계된다. 즉, 제 4 직사각형 복사부(155)의 x방향 폭은 5.00 mm이며, y방향 길이는 2.50 mm이다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 4 직사각형 복사부(157)의 x방향 폭과 y방향 길이가 제 2 직사각형 복사부(153)의 x방향 폭 및 y방향 길이와 같도록 설계되었지만, 이 값들은 이에 한정되지 않는다.
제 5 직사각형 복사부(159)는 제 4 직사각형 복사부(157)와 x방향 폭 및 y방향 길이가 다른 직사각형 금속 패턴을 제 4 직사각형 복사부(155)의 상단에 이어 전기적으로 연결되도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 5 직사각형 복사부(159)의 x방향 폭인 W3 및 y방향 길이인 L3는 각각 2.00 mm 및 2.00 mm가 되도록 설계된다.
제 1 직사각형 복사부(151), 제 2 직사각형 복사부(153), 제 3 직사각형 복사부(155), 제 4 직사각형 복사부(157) 및 제 5 직사각형 복사부(159)를 포함하는 복사부(150)는 3개의 서로 다른 주파수 대역을 수용하기 위해 전술한 형상으로 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 복사부(150)는 5.15∼5.25 GHz, 5.25∼5.35 GHz 및 5.725∼5.825 GHz의 세 가지 주파수 대역을 수용하기 위해 설계되었다.
제 1 접지부(110)는 제 1 하접지부(112), 제 1 중접지부(114) 및 제 1 상접지부(116)를 포함한다.
제 1 하접지부(112)는 급전부(140)가 위치하는 y방향 최하측에 형성된다. 제 1 하접지부(112)는 유전체 기판(160)의 x방향 중앙에 위치하는 급전부(140)를 중심으로 급전부(140)와 일정 거리(Gap1)를 두도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 1 하접지부(112)의 x방향 폭인 Wg1은 7.85 mm가 되도록 설계되었지만, 이 값은 동작 주파수 및 공진 주파수(resonance frequency)에 맞춰 변경될 수 있다. 바꿔 말하면, 급전부(140)의 폭인 Wf, 제 1 하접지부(112)의 x방향 폭인 Wg1 및 제 2 하접지부(122)의 x방향 폭인 Wg1은 임피던스(impedance)를 정합(matching)시킬 수 있는 최적의 값으로 변경될 수 있다. 유전체 기판의 물질, 유전체 기판의 두께, 제 1 접지부(110), 제 2 접지부(120), 제 3 접지부(130), 급전부(140) 및 복사부(150)의 형상 및 재질 등의 모든 요소들이 임피던스 정합에 영향을 미칠 수 있다.
제 1 중접지부(114)는 제 1 하접지부(112)의 y방향 상측 일부와 접하여 전기적으로 연결되도록 형성된다. 제 2 중접지부(114)의 x방향 폭은 제 1 하접지부(112)의 x방향 폭보다 작다. 제 1 중접지부(114)의 좌측 끝단은 제 1 하접지부(112)의 좌측 끝단과 동일한 y좌표를 갖도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제 1 중접지부(114)의 x방향 폭은 6 mm, y방향 길이는 Lg2에서 Lg1을 뺀 값인 2.50 mm가 되도록 설계되었다.
제 1 상접지부(116)는 제 1 중접지부(114)의 y방향 상측 일부와 접하여 전기적으로 연결되도록 형성된다. 제 1 상접지부(116)의 x방향 폭은 제 1 중접지부(114)의 x방향 폭보다 작도록 설계된다. 제 1 상접지부(116)의 좌측 끝단은 제 1 중접지부(114)의 좌측 끝단과 동일한 y좌표를 갖도록 형성된다.
제 2 접지부(120)는 복사부(150)를 중심으로 제 1 접지부(110)와 선대칭되도록 형성되기 때문에, 제 2 하접지부(122), 제 2 중접지부(124) 및 제 2 상접지부(126)는 각각 제 1 하접지부(112), 제 1 중접지부(114) 및 제 1 상접지부(116)에 대응되도록 설계된다.
복사부(150)의 위치를 제 1 접지부(110), 제 2 접지부(120) 및 제 3 접지부(130)와의 상대적 위치를 고려하여 도 1b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
복사부(150)는 x축에 평행하면서 제 1 상접지부(116) 또는 제 2 상접지부(126)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 제 1 중접지부(114) 또는 제 2 중접지부를(124)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나도록 설계된다.
제 1 직사각형 복사부(151)는 x축에 평행하면서 제 1 중접지부(114) 또는 제 2 중접지부(124)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 제 1 상접지부(116) 또는 제 2 상접지부(126)를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않도록 설계된다.
제 2 직사각형 복사부(153)는 x축에 평행하면서 제 1 중접지부(114) 또는 제 2 중접지부(124)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 제 1 상접지부(116) 또는 제 2 상접지부(126)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나도록 설계된다.
제 3 직사각형 복사부(155)는 y축에 평행하면서 제 1 중접지부(114) 또는 제 2 중접지부(124)를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않으며, y축에 평행하면서 제 1 하접지부(116) 또는 제 2 하접지부(126)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만난다.
제 4 직사각형 복사부(157)는 y축에 평행하면서 제 1 중접지부(114) 또는 제 2 중접지부(124)를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않으며, y축에 평행하면서 제 1 하접지부(116) 또는 제 2 하접지부(126)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만난다.
제 5 직사각형 복사부(159)는 y축에 평행하면서 제 1 중접지부(114) 또는 제 2 중접지부(124)를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않으며, y축에 평행하면서 제 1 하접지부(116) 또는 제 2 하접지부(126)를 지나는 적어도 하나의 직선과 만난다.
제 2 직사각형 복사부(153)는 제 4 직사각형 복사부(157)의 x방향 폭과 동일한 x방향 폭을 가질 수 있다. 또한, 제 2 직사각형 복사부(153)는 제 4 직사각형 복사부(157)의 y방향 길이과 동일한 y방향 길이를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나에서는 제 2 직사각형 복사부(153) 및 제 4 직사각형 복사부(157)의 x방향 폭은 5.00 mm이며, y방향 폭은 2.50 mm이다.
제 3 접지부(130)는 제 3 좌접지부(132), 제 3 중접지부(134) 및 제 3 우접지부(136)을 포함한다.
제 3 좌접지부(132)는 x방향으로 길게 형성된다. 제 3 좌접지부(132)의 좌측 단부는 제 1 접지부(110)에 포함되는 제 1 상접지부(116)의 상측 단부와 전기적으로 연결된다. 제 3 좌접지부(132)의 우측 단부는 제 3 중접지부(134)의 좌측 단부와 전기적으로 연결된다.
제 3 우접지부(136)는 x방향으로 길게 형성된다. 제 3 우접지부(136)의 우측 단부는 제 2 접지부(120)에 포함되는 제 2 상접지부(126)의 상측 단부와 전기적으로 연결된다. 제 3 우접지부(136)의 좌측 단부는 제 3 중접지부(134)의 우측 단부와 전기적으로 연결된다.
제 3 좌접지부(132)의 x방향 폭 및 y방향 길이는 제 3 우접지부(134)의 x방향 폭 및 y방향 길이와 동일하게 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 3 좌접지부(132) 및 제 3 우접지부(136)의 y방향 길이인 Wg4는 0.50 mm이다. 제 3 좌접지부(132) 및 제 3 우접지부(136)의 x방향 폭은 8.00 mm이다. 그러나 이 값들은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 값들일 뿐, 이에 한정되지 않는다.
제 3 중접지부(134)의 y방향 길이는 제 3 좌접지부(132) 또는 제 3우접지부(136)의 y방향 길이보다 크도록 설계된다.
또한, 제 3 중접지부(134)는 제 5 복사부(159)와 일정 간격을 두도록 형성된다. 제 3 중접지부(134)와 제 5 복사부(159)의 x방향 폭은 동일하도록 설계될 수 있다. 제 3 중접지부(134)의 두께는 제 3 중접지부(134)와 제 5 복사부(159) 사이의 간격인 Gap2가 원하는 값을 갖도록 설계된다.
제 1 접지부(110), 제 2 접지부(120) 및 제 3 접지부(130)는 동일한 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 급전부(140)와 복사부(150)는 동일한 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 선택될 수 있는 금속은 구리, 알루미늄, 은 또는 금 등, 전기전도도(conductivity)가 높은 금속들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 3 직사각형 복사부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실(return loss) 특성 모의실험(simulation) 결과를 나타낸다.
제 3 직사각형 복사부(155)의 x방향 폭인 W2가 증가함에 따라 공진 주파수가 낮아지고, 반사 손실이 -10 dB 이하가 되는 대역폭이 전체적으로 낮은 주파수 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 제 3 직사각형 복사부(155)의 x방향 폭인 W2가 증가함에 따라 공진 주파수가 낮아지는 이유는 복사부(150) 전체의 전류 경로가 증가했기 때문이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 5 직사각형 복사부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
제 5 직사각형 복사부(159)의 y방향 길이가 증가함에 따라 반사 손실이 커지고, 반사 손실이 -10 dB 이하가 되는 대역폭이 작아지는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 2 직사각형 복사부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
제 2 직사각형 복사부(153)의 x방향 폭이 증가함에 따라 공진 주파수가 약 5.29 GHz에서 5.17 GHz로 감소하며, 반사 손실이 -10 dB 이하가 되는 대역폭이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 1 하접지부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에서 제 1 접지부(110)와 제 2 접지부(120)이 복사부(150)를 중심으로 선대칭이므로, 제 1 하접지부(112)의 y방향 길이와 제 2 하접지부(122)의 y방향 길이가 동시에 증가한다. 제 1 하접지부(112)의 y방향 길이가 증가함에 따라 공진 주파수가 증가하면서 반사 손실 값이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 1 하접지부와 제 1 중접지부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
제 1 중접지부(114)의 y방향 길이에서 제 1 하접지부(112)의 y방향 길이를 뺀 값인 Lg2가 증가함에 따라, 공진 주파수는 약 5.3 GHz에서 5.1 GHz로 감소하며, 반사 손실이 -10 dB 이하가 되는 대역폭은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 2 중접지부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
제 2 중접지부(122)의 x방향 폭이 증가함에 따라 공진 주파수는 약 5.3 GHz에서 약 5.05 GHz로 감소하며, 반사 손실이 -10 dB 이하가 되는 대역폭은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 2 상접지부의 x방향 폭의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
제 1 접지부(110)와 제 2 접지부(120)가 복사부(150)를 중심으로 선대칭이므로, 제 2 상접지부(126)의 x방향 폭을 증가시키면 제 1 상접지부(116)의 x방향 폭도 증가한다. 제 2 상접지부(126)의 x방향 폭을 0.50 mm에서 1.50 mm까지 증가시킴에 따라, 공진 주파수는 약 4.9 GHz에서 5.5 GHz로 증가하였고, 공진 주파수 근처에서의 반사 손실은 약 -13 dB에서 -20 dB이하까지 감소하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 제 3 우접지부의 y방향 길이의 변화에 따른 반사 손실 특성 모의실험 결과를 나타낸다.
제 3 우접지부(136)의 y방향 길이인 Wg4가 0.20 mm에서 0.80 mm로 증가함에 따라, 공진 주파수는 약 5.15 GHz에서 5.28 GHz로 증가하고, 공진 주파수에서의 반사 손실은 약 -15 dB에서 -20 dB로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
표 1에는 도 2에 도시된 전방향성 안테나의 구조 파라미터를 5 GHz 주파수 대역 무선랜 시스템으로의 적용을 위해 최적화하고, 그 최적화된 파라미터 값을 나타내었다.
Figure 112017009952018-pat00001
급전부(140)의 하측 단부로부터 복사부(150)의 상측 단부 즉, 제 5 직사각형 복사부(159)까지의 전류 경로는 약 14.75 mm로서 주파수 5.25 GHz의 λ0/4에 해당하는 14.3 mm와 비슷한 것을 알 수 있다. 전류 경로의 최단 길이는 약 14 mm로서 5.75 GHz의 λ0/4에 해당하는 13 mm와 비슷한 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 여기서, λ0는 진공에서의 파장을 나타낸다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나의 전류 경로 길이가 공진 주파수와 밀접한 관계를 갖는다는 것을 의미한다.
도 10은 도 1에 도시한 구조를 최적화하여 실제 제작한 전방향성 안테나의 (a)평면도 및 (b)배면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나는 포토리소그래피(photolithography) 기술을 이용하여, 노광, 현상 및 식각 과정을 통해서 제작되었다. 유전율이 4.2이고, 손실 탄젠트가 0.019인 유리 섬유와 합성 수지를 포함하는 FR-4를 기판으로 사용하였다. 제작된 안테나의 크기는 20.00 mm × 16.00 mm × 1.0 mm이다.
도 10의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이 모의실험된 안테나와 실제 제작된 안테나의 구조는 동일하며 소형화된 구조임을 알 수 있다.
실제 제작된 안테나의 반사 손실은 안테나 분석기(antenna analyzer, Anritsu S331D)를 이용하여 측정되었으며, 측정 결과와 모의실험 결과를 도 11에 도시하였다.
도 11은 도 1에 도시한 구조를 최적화하여 실제 제작한 전방향성 안테나의 측정 결과와 모의실험 결과를 나타낸다.
4.6 GHz 이하의 주파수 영역과 5.7 GHz 이상의 주파수 영역에서 대체로 일치하는 것을 알 수 있다. 두 결과값의 차이는 제작 오차, 유전율의 오차 및 측정 환경 등에 의한 것으로 판단된다. 측정 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 5.133∼5.982 GHz에서 -10 dB 이하의 반사 손실을 보임으로써, 5 GHz 대역의 무선랜 주파수들을 모두 수용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 12, 도 13 및 도 14는 각각 도 1에 도시한 구조를 최적화하여 실제 제작한 전방향성 안테나의 xz 평면(plane) 복사패턴(radiation pattern), yz 평면 복사패턴 및 xy 평면 복사패턴 측정 결과를 나타낸다.
복사패턴의 측정은 MTG사의 전자파 무반사실(anechoic chamber)에서 수행되었으며 송신 안테나로 표준 혼 안테나(horn antenna)를 사용하였다. 무선랜 시스템에서 사용되는 무선 안테나는 안테나가 어디에 어떠한 방향으로 존재하더라도 수신이 가능해야 하므로, 모노폴(monopole) 안테나처럼 전방향성에 가까운 복사패턴이 요구된다.
도 12, 도 13 및 도 14를 참조하면, xz 평면, yz 평면 및 xy 평면에서 5.25 GHz와 5.75 GHz의 주파수에 대하여 전방향성에 가까운 복사패턴을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나는 무선랜용 안테나로 적합한 것으로 판단할 수 있다.
표 2에는 실제 제작된 전방향성 안테나를 이용하여 측정한 주파수에 따른 효율(efficiency, %), 평균이득(average gain, dBi) 및 최대이득(peak gain, dBi)을 나타내었다.
Figure 112017009952018-pat00002
표 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 안테나는 IEEE 802.11a의 5.15∼5.35 GHz 대역 및 5.725∼5.825 GHz 대역에서 각각 -2.39 dBi부터 -0.66 dBi까지의 평균이득과 3.23∼4.64 dBi의 최대이득 및 57.66∼85.82%의 효율을 나타내어, 무선랜용 안테나로 사용하기에 충분한 이득과 효율을 보이는 것으로 나타났다.
이상의 설명은 본 발명에 따른 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 일 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 일 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 제 1 접지부 112: 제 1 하접지부
114: 제 1 중접지부 116: 제 1 상접지부
120: 제 2 접지부 122: 제 2 하접지부
124: 제 2 중접지부 126: 제 2 상접지부
130: 제 3 접지부 132: 제 3 좌접지부
134: 제 3 중접지부 136: 제 3 우접지부
140: 급전부 150: 복사부
151: 제 1 직사각형 복사부 153: 제 2 직사각형 복사부
155: 제 3 직사각형 복사부 157: 제 4 직사각형 복사부
159: 제 5 직사각형 복사부 160: 유전체 기판

Claims (25)

  1. x방향의 기 설정된 폭, y방향의 기 설정된 길이 및 z방향의 기 설정된 두께를 갖도록 형성된 유전체 기판(dielectric substrate);
    상기 유전체 기판 상에 서로 다른 x방향 폭과 서로 다른 y방향 길이를 갖는 다수의 직사각형 복사부를 포함하여 형성되어 전자기파(electromagnetic wave)를 제공하는 제 1 금속 재질의 복사부(radiation unit);
    상기 복사부와 동일한 평면 상에서 상기 복사부의 일단과 연결되어 상기 복사부에 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 공급하도록 형성되는 제 2 금속 재질의 급전부(feeding unit);
    상기 복사부와 동일한 평면 상에서 상기 유전체 기판을 y방향으로 이등분하는 선을 중심으로 일측에 형성되는 제 3 금속 재질의 제 1 접지부(ground unit);
    상기 제 1 접지부와 동일한 평면 상에서 상기 유전체 기판을 y방향으로 이등분하는 선을 중심으로 상기 일측의 반대쪽에 형성되는 제 4 금속 재질의 제 2 접지부; 및
    상기 제 2 접지부와 동일한 평면 상에서 상기 제 1 접지부의 상단 및 상기 제 2 접지부의 상단과 연결되어 상기 제 1 접지부 및 상기 제 2 접지부와 함께 상기 복사부를 둘러싸도록 형성되는 제 5 금속 재질의 제 3 접지부
    를 포함하되,
    y방향으로 중간에 x방향 폭이 가장 큰 제 3 직사각형 복사부; y방향으로 최하측과 최상측에 각각 x방향 폭이 가장 작은 제 1 직사각형 복사부; x방향 폭이 두 번째로 작은 제 5 직사각형 복사부; y방향으로 상기 제 3 직사각형 복사부와 상기 제 5 직사각형 복사부 사이에 상기 제 3 직사각형 복사부의 x방향 폭보다 작고 상기 제 5 직사각형 복사부의 x방향 폭보다 큰 x방향 폭을 갖는 제 4 직사각형 복사부; 및 y방향으로 상기 제 1 직사각형 복사부와 상기 제 3 직사각형 복사부 사이에 상기 제 1 직사각형 복사부의 x방향 폭보다 크고, 상기 제 3 직사각형 복사부의 x방향 폭보다 작은 x방향 폭을 갖는 제 2 직사각형 복사부를 가지며,
    상기 제 3 접지부는 x방향으로 길게 형성되며, 상기 제 1 접지부의 일단과 전기적으로 연결되는 제 3 좌접지부; x방향으로 길게 형성되며, 상기 제 2 접지부의 일단과 전기적으로 연결되는 제 3 우접지부; 및 상기 제 1 접지부와 연결되지 않는 상기 제 3 좌접지부의 일단 및 상기 제 2 접지부와 연결되지 않는 상기 제 3 우접지부의 일단과 전기적으로 연결되는 제 3 중접지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 직사각형 복사부는,
    상기 제 4 직사각형 복사부의 x방향 폭과 동일한 x방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 직사각형 복사부는,
    상기 제 4 직사각형 복사부의 y방향 길이과 동일한 y방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 기판은,
    유리 섬유 및 합성 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 재질, 상기 제 2 금속 재질, 상기 제 3 금속 재질, 상기 제 4 금속 재질 및 상기 제 5 금속 재질은,
    구리(copper), 은(silver), 금(gold) 및 알루미늄(aluminum) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 재질과 상기 제 2 금속 재질은,
    동일한 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 금속 재질, 상기 제 4 금속 재질 및 제 5 금속 재질은,
    동일한 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접지부는,
    상기 급전부가 위치하는 y방향 최하측에 형성된 제 1 하접지부;
    상기 제 1 하접지부와 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 하접지부의 x방향 폭보다 작은 x방향 폭을 갖는 제 1 중접지부; 및
    상기 제 1 중접지부와 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 중접지부의 x방향 폭보다 작은 x방향 폭을 갖는 제 1 상접지부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 접지부는,
    상기 급전부가 위치하는 y방향 최하측에 형성된 제 2 하접지부;
    상기 제 2 하접지부와 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 하접지부의 x방향 폭보다 작은 x방향 폭을 갖는 제 2 중접지부; 및
    상기 제 2 중접지부와 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 중접지부의 x방향 폭보다 작은 x방향 폭을 갖는 제 2 상접지부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 접지부는,
    상기 복사부를 중심으로 상기 제 1 접지부와 선대칭인 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 좌접지부의 y방향 길이와 같은 상기 제 3 우접지부의 y방향 길이가 같은 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 중접지부의 y방향 길이는,
    상기 제 3 좌접지부의 y방향 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 중접지부의 x방향 폭은,
    상기 제 5 직사각형 복사부의 x방향 폭과 같은 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 제 1 직사각형 복사부와 동일한 x방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 제 1 하접지부 및 상기 제 2 하접지부와 동일한 y방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 3 직사각형 복사부는,
    y축에 평행하면서 상기 제 1 중접지부를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않으며, y축에 평행하면서 상기 제 1 하접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 복사부는,
    x축에 평행하면서 상기 제 2 상접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 상기 제 2 중접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 직사각형 복사부는,
    x축에 평행하면서 상기 제 2 중접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 상기 제 2 상접지부를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 직사각형 복사부는,
    x축에 평행하면서 상기 제 2 중접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 상기 제 2 상접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 3 직사각형 복사부, 상기 제 4 직사각형 복사부 및 상기 제 5 직사각형 복사부는,
    x축에 평행하면서 상기 제 2 상접지부를 지나는 적어도 하나의 직선과 만나며, x축에 평행하면서 상기 제 2 중접지부를 지나는 어떠한 직선과도 만나지 않는 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
  25. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 재질은,
    상기 제 3 금속 재질과 동일한 금속 재질인 것을 특징으로 하는 전방향성 안테나.
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WO2024090603A1 (ko) * 2022-10-26 2024-05-02 엘지전자 주식회사 안테나 및 차량

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