KR101925979B1

KR101925979B1 - 소형 안테나

Info

Publication number: KR101925979B1
Application number: KR1020170031780A
Authority: KR
Inventors: 이현진
Original assignee: 동강대학교산학협력단
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-12-06
Also published as: KR20180104903A

Abstract

본 발명은 크기를 소형화하고, 다양한 주파수 대역 및 광대역을 구현하기 위해 베이스 기판, 베이스 기판 상에 배치된 피딩 전극, 피딩 전극에 연결되며, 피딩 전극으로부터 일 방향을 향하여 연장된 한 쌍의 전송 전극, 한 쌍의 전송 전극의 각 단부에 연결된 한 쌍의 타원형 방사 전극, 및 피딩 전극으로부터 전송 전극을 향하여 연장되며, 피딩 전극과 전송 전극의 사이의 임피던스를 매칭하는 매칭 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소형 안테나{The small antenna}

본 발명은 소형 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 협소한 안테나 공간에 대한 한계를 극복하면서 다중 밴드 특성을 가지는 소형 안테나에 관한 것이다.

최근 소형 안테나를 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 기기에서 사용되고 있다. 대부분의 모바일 기기에서 사용되고 있는 주파수 대역은 3GPP(3^rdGeneration Partnership Project)에서 발표한 Release 8 표준을 따르고 있다. 이 표준에 따르면 주파수 대역이 1.4 ~ 3.7 GHz 사이에서 다양하게 나뉘어져 있다. 또한, 현재 국가별, 통신사별로 사용 중인 주파수 대역이 다르기 때문에 각각의 주파수 특성을 만족하는 다중밴드 안테나의 설계가 필요하다.

종래 기술에 따르면, 다중 대역 특성을 만족하기 위하여 slot을 이용하는 방법과 기생패치를 이용하는 방법이 있다. 종래 기술에 따르면, 안테나 구조가 복잡하거나, 급전부의 변형이 주변 소자들에 영향을 주기 때문에 설계가 어려운 문제점이 있다.

특히, 모바일 기기의 디자인 문제와 추가 모듈 삽입으로 안테나의 공간이 지속적으로 좁아지고 있다. 따라서, 줄어드는 안테나 설계 공간의 한계를 극복하면서 다중밴드의 주파수 특성을 가지는 소형 안테나의 설계가 중요하다.

대한민국 공개특허공보 10-2009-0071785(공개일 2009.07.02.) "내장형 멀티 밴드 안테나를 구비한 휴대용 단말기"

본 발명의 일 실시 예는, 협소한 안테나 공간에 대한 한계를 극복하고, 넓은 동작 대역을 포함하는 소형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나는, 베이스 기판, 베이스 기판 상에 배치된 피딩 전극, 피딩 전극에 연결되며, 피딩 전극으로부터 일 방향을 향하여 연장된 한 쌍의 전송 전극, 한 쌍의 전송 전극의 각 단부에 연결된 한 쌍의 타원형 방사 전극, 및 피딩 전극으로부터 전송 전극을 향하여 연장되며, 피딩 전극과 전송 전극의 사이의 임피던스를 매칭하는 매칭 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 매칭 전극은, 베이스 기판 상 서로 이격된 제 1 내지 제 3 꼭짓점, 제 1 꼭짓점과 제 2 꼭짓점을 잇는 제 1 직선, 제 1 꼭짓점과 제 3 꼭짓점을 잇는 제 2 직선, 및 제 2 꼭짓점과 제 3 꼭짓점을 잇는 곡선으로 정의되는 것을 특징으로 한다.

또한, 곡선은 전송 전극의 연장 방향을 따라 지수적으로 감소 또는 증가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 피딩 전극은, 제 1 피딩 전극과, 제 1 피딩 전극으로부터 소정 간격(W1) 이격된 제 2 피딩 전극, 및 제 2 피딩 전극을 사이에 두고 제 1 피딩 전극과 마주보며, 제 2 피딩 전극으로부터 소정 간격(W1) 이격된 제 3 피딩 전극을 포함하는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식이며, 한 쌍의 전송 전극은, 그 중 어느 하나가 제 2 피딩 전극에 연결되며, 다른 하나는 제 1 피딩 전극 또는 제 3 피딩 전극에 연결된 CPS(Coplanar Strip) 전송 방식인 것을 특징으로 한다.

또한, 타원형 방사 전극은 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 안테나의 크기를 소형화 할 수 있다. 또한, 다양한 주파수 대역의 수신이 가능하며, 광대역 대역폭을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 소형 안테나의 제 1 동작 예를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 소형 안테나의 동작을 설명하는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 소형 안테나의 제 2 동작 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 따른 소형 안테나의 동작을 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매칭 전극을 적용하지 않은 소형 안테나를 도시한 도면이다.
도 7은 도 1 및 도 6에 따른 소형 안테나의 동작을 비교하기 위한 그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)는 베이스 기판(100), 피딩 전극(200), 한 쌍의 전송 전극(300), 한 쌍의 타원형 방사 전극(400) 및 매칭 전극(500)을 포함한다.

피딩 전극(200)은 베이스 기판(100) 상에 배치된다. 한 쌍의 전송 전극(300)은 피딩 전극(200)에 연결되며, 피딩 전극(200)으로부터 일 방향을 향하여 연장된다. 한 쌍의 방사 전극(400)은 한 쌍의 전송 전극(300)의 각 단부에 연결된다. 매칭 전극(500)은 피딩 전극(200)과 전송 전극(300)에 연결되며, 피딩 전극(200)으로부터 전송 전극(300)을 향하여 연장된다. 매칭 전극(500)은 피딩 전극(200)과 전송 전극(300)의 사이의 임피던스를 매칭하여, 임피던스 부정합을 제거할 수 있다. 이에 의해, 불연속적인 값을 연속적으로 개선할 수 있다..

따라서, 동작 주파수의 대역폭을 확장시키고, 피딩 전극(200)의 길이를 줄여서 안테나의 공진 대역 특성을 개선할 수 있다. 또한, 안테나 전체 크기를 최소화시킬 수 있다.

베이스 기판(100)은 바람직하게 두께(유전체 두께) 1.52 mm, 유전율 6.2, 손실 탄젠트 0.02 를 포함하는 유전체 특성을 가지는 FR-4 기판을 포함한다. 베이스 기판(100)의 유전율과 유전체 두께는 후술하는 피딩 전극(200) 등의 설계에 있어 매우 중요한 요소이다. 일 실시 예로, 베이스 기판(100)은 40 * 30 ㎟의 크기를 가질 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)는 CPW 급전 방식과 CPS 전송 방식을 적용한다. 이를 위해, 소형 안테나(10)는 베이스 기판(100)의 일면에 배치된 피딩 전극(200)과 동일 면에 배치된 한 쌍의 전송 전극(300)을 포함한다. 구체적으로, 피딩 전극(200)은 제 1 피딩 전극(210), 제 1 피딩 전극(210)으로부터 소정 간격(W) 이격된 제 2 피딩 전극(230), 및 제 2 피딩 전극(230)을 사이에 두고 제 1 피딩 전극(210)과 마주보는 제 3 피딩 전극(250)을 포함한다. 제 3 피딩 전극(250)은 제 2 피딩 전극(230)으로부터 소정 간격(W) 이격된다. 한편, CPS 전송 방식을 위해 한 쌍의 전송 전극(300)이 필요하다. 여기서, 한 쌍의 전송 전극(300) 중 어느 하나는 제 2 피딩 전극(230)에 연결되며, 다른 하나는 제 1 피딩 전극(210) 또는 제 3 피딩 전극(250)에 연결된다.

CPW 급전 방식과 CPS 전송 방식은 베이스 기판(100)의 일면에만 적용되는 기술이다. 즉, 피딩 전극(200), 전송 전극(300), 타원형 방사 전극(400) 및 매칭 전극(500)은 모두 베이스 기판(100)의 동일 면에 배치된다. 즉, 베이스 기판(100)의 일면에 모든 전극이 배치되기 때문에, 베이스 기판(100)에 실장되는 소자들이 전부 일면에 깨끗하게 마운팅 될 수 있다. 따라서, 베이스 기판(100)에 via 홀을 뚫을 필요가 없으며, shunt 소자들이 간편하게 배치될 수 있다. 결국, 공정이 단순하고 용이할 수 있으며, millimeter wave 등의 영역에서 via 홀 등에 의한 기생효과 역시 줄일 수 있다.

여기서, 피딩 전극(200)의 임피던스는 피딩 전극(200)의 두께(t1, ㎛), 베이스 기판(100)의 유전율과 유전체 두께(t2, mm), 주파수(GHz), 제 2 피딩 전극(230)의 폭(D1, mm) 및 소정 간격(W1, mm)에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 소형 안테나(10)는 상술한 조건들을 바탕으로 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)는 소형화 및 1.4 ~ 3.7GHz 대역의 주파수 특성의 개선을 그 목적 및 효과로 한다. 이를 위해, 베이스 기판(100)은 상술한 유전체 특성을 가진다. 또한, 피딩 전극(200)는 10㎛ 에서 60㎛ 두께를 가지며, 제 2 피딩 전극(230)은 3.6 mm 폭을 가지고, 소정 간격(W1)는 0.1mm 에서 0.5mm 일 수 있다.

또한, 한 쌍의 전송 전극(300)의 임피던스는 베이스 기판(100)의 유전율과 유전체 두께(t2, mm), 주파수(GHz), 한 쌍의 전송 전극(300)의 사이의 거리(W2, mm), 및 전송 전극(300)의 폭(D2)에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 소형 안테나(10)는 상술한 조건들을 바탕으로 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)는 소형화 및 1.4 ~ 3.7GHz 대역의 주파수 특성의 개선을 그 목적 및 효과로 한다. 이를 위해, 베이스 기판(100)은 상술한 유전율과 유전체 두께(t2)를 가진다. 또한, 한 쌍의 전송 전극(300)의 사이의 거리(W2)는 0.1mm 에서 0.5mm 일 수 있다. 전송 전극(300)은 3.6 mm의 폭을 가질 수 있다. 추가적으로, 전송 전극(300)은 25.8 mm 의 길이(D2의 수직한 방향)를 가질 수 있다.

매칭 전극(500)은 피딩 전극(200)의 임피던스와 한 쌍의 전송 전극(300)의 임피던스 사이의 부정합을 제거할 수 있다. 이에 의해, 불연속적인 값을 연속적으로 개선할 수 있다. 따라서, 동작 주파수의 대역폭을 확장시키고, 피딩 전극(200)의 길이를 줄여서 소형 안테나(10)의 공진 대역 특성을 개선할 수 있다. 또한, 안테나 전체 크기를 최소화시킬 수 있다.

일 실시 예로, 매칭 전극(500)은 베이스 기판(100) 상 서로 이격된 제 1 내지 제 3 꼭짓점(C1, C2, C3), 제 1 꼭짓점(C1)과 제 2 꼭짓점(C2)을 잇는 제 1 변(L1), 제 1 꼭짓점(C1)과 제 3 꼭짓점(C3)을 잇는 제 2 변(L2), 및 제 2 꼭짓점(C2)과 제 3 꼭짓점(C3)을 잇는 곡선(L3)으로 정의될 수 있다. 여기서, 곡선(L3)은 전송 전극(300)의 연장 방향을 따라 지수적으로 감소 또는 증가한다. 이에 의해, 피딩 전극(200)과 전송 전극(300)의 사이의 임피던스 부정합을 제거할 수 있다. 즉, 피딩 전극(200)에서 전송 전극(300)으로 갈수록, 임피던스는 지수적으로 증가 또는 감소할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 소형 안테나(10)의 제 1 동작 예를 설명하는 도면이다.

도 1 및 2를 참조하면, 매칭 전극(500)의 곡선(L3)은 다음과 같은 방식으로 지수적 변화에 유사하면서도 용이하게 형성할 수 있다.

우선, 전송 전극(300)과 피딩 전극(200)의 사이에 정사각형 도체 패턴(P)이 형성될 수 있다. 여기서, 정사각형 도체 패턴(P)은 소정 길이의 변(R)을 가진다. 이후, 소정 길이의 변(R)을 반지름으로 하는 원과 중첩되는 정사각형 도체 패턴(P)을 에칭으로 제거하면, 매칭 전극(500)이 형성된다. 이와 같은 방법으로, 매칭 전극(500)은 지수적 변화에 유사한 곡선(L3)을 가져, 임피던스 부정합을 최소화할 수 있다. 또한, 임피던스 부정합을 최소화할 수 있는 매칭 전극(500)이 매우 용이하게 형성될 수 있다. 여기서, 소정 길이의 변(R)은 18 mm 임이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)는 다이폴 안테나를 적용하되, 그 크기를 축소시킬 수 있는 타원형 방사 전극(400)을 포함한다. 여기서, 타원형 방사 전극(400)은 21.5 mm의 장경(DW)과 10.5 mm의 단경(DH)을 가질 수 있다. 이로써, 안테나의 크기를 소형화 할 수 있다.

도 3은 도 2에 따른 소형 안테나(10)의 동작을 설명하는 그래프이며, 도 4는 도 1에 도시된 소형 안테나(10)의 제 2 동작 예를 설명하는 도면이고, 도 5는 도 4에 따른 소형 안테나(10)의 동작을 설명하는 그래프이다.

도 2 내지 5를 참조하면, 타원형 방사 전극(400)은 스위칭 소자(410)를 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 스위칭 소자(410)는 PIN 다이오드를 포함할 수 있다. PIN 다이오드는 순방향 바이어스에 의해 통전되고, 역방향 바이어스에 의해 개방된다. 즉, 스위칭 소자(410)의 개방 또는 통전에 따라 다양한 주파수 대역의 수신이 가능한다.

도 2 및 3을 참조하면, 스위칭 소자(410)는 순방향 바이어스에 의해 통전될 수 있다. 타원형 방사 전극(400)은 완전한 타원 형상을 가질 수 있다. 이때, 주파수에 따른 반사계수를 도 3을 통해 살펴보면(-10 dB 기준), 스위칭 소자(410)가 통전되는 경우 낮은 주파수 대역에서 공진이 발생될 수 있다.

도 4 및 5를 참조하면, 스위칭 소자(410)는 역방향 바이어스에 의해 개방될 수 있다. 이 경우, 타원형 방사 전극(400)은 불완전한 타원 형상을 가질 수 있다. 즉, 타원형 방사 전극(400)이 개방되어 완전한 이중 다이폴 구조가 형성된다. 이때, 전송 전극(300)의 단부에서 개방된 스위칭 소자(410)까지의 거리가 시계 방향 또는 반시계 방향에 따라 달라진다. 따라서, 다이폴 구조에서 폴의 길이가 서로 다르다. 이에 의해, 이중 공진이 발생되고, 공진 대역(B1, B2)이 광대역을 이룰 수 있다.

즉, 스위칭 소자(410)의 개방 또는 통전에 따라 다양한 주파수 대역에서 공진이 발생될 수 있으며, 큰 대역폭을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매칭 전극(500)을 적용하지 않은 소형 안테나(10)를 도시한 도면이고, 도 7은 도 1 및 도 6에 따른 소형 안테나(10)의 동작을 비교하기 위한 그래프이다.

도 6 및 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 매칭 전극(500)의 적용 여부에 따른 소형 안테나(10)의 성능을 비교할 수 있다. -10 dB을 기준으로, 매칭 전극(500)이 배치된 경우 더 큰 대역폭(B1, B2)을 가짐을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 안테나(10)는 이중 공진으로 광 대역폭(B2)을 얻을 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 소형 안테나
100 : 베이스 기판
200 : 피딩 전극
300 : 전송 전극
400 : 타원형 방사 전극
500 : 매칭 전극

Claims

베이스 기판;
베이스 기판 상에 배치된 피딩 전극;
피딩 전극에 연결되며, 피딩 전극으로부터 일 방향을 향하여 연장된 한 쌍의 전송 전극;
한 쌍의 전송 전극의 각 단부에 연결된 한 쌍의 타원형 방사 전극; 및
피딩 전극으로부터 전송 전극을 향하여 연장되며, 피딩 전극과 전송 전극의 사이의 임피던스를 매칭하는 매칭 전극을 포함하고,
타원형 방사 전극은 스위칭 소자를 포함하며,
상기 스위칭 소자는
전송 전극의 단부에서 스위칭 소자까지의 거리가 시계 방향 또는 반시계 방향에 따라 달라지도록 상기 방사 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 소형 안테나.
제 1 항에 있어서,
매칭 전극은,
베이스 기판 상 서로 이격된 제 1 내지 제 3 꼭짓점;
제 1 꼭짓점과 제 2 꼭짓점을 잇는 제 1 직선;
제 1 꼭짓점과 제 3 꼭짓점을 잇는 제 2 직선; 및
제 2 꼭짓점과 제 3 꼭짓점을 잇는 곡선으로 정의되는 소형 안테나.
제 2 항에 있어서,
곡선은 전송 전극의 연장 방향을 따라 지수적으로 감소 또는 증가하는 소형 안테나.
제 1 항에 있어서,
피딩 전극은, 제 1 피딩 전극과, 제 1 피딩 전극으로부터 소정 간격(W1) 이격된 제 2 피딩 전극, 및 제 2 피딩 전극을 사이에 두고 제 1 피딩 전극과 마주보며, 제 2 피딩 전극으로부터 소정 간격(W1) 이격된 제 3 피딩 전극을 포함하는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식이며,
한 쌍의 전송 전극은, 그 중 어느 하나가 제 2 피딩 전극에 연결되며, 다른 하나는 제 1 피딩 전극 또는 제 3 피딩 전극에 연결된 CPS(Coplanar Strip) 전송 방식인 소형 안테나.
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