KR101974688B1 - 다이폴 espar 안테나 - Google Patents

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KR101974688B1
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

본 발명은, CPW(Coplanar Waveguide) 구조로 이루어지며, 데이터 신호(data signal)을 출력하는 능동 소자(active element) 및 상기 데이터 신호의 복사패턴(radiation pattern)에 대한 조향 및 형태가 가변 되도록, 상기 능동 소자의 둘레에 배치된 복수의 기생 소자(parasitic element)를 포함하고, 상기 능동 소자는, 서로 교차로 결합된 제1, 2 기판, 상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 전송 라인(transmission line) 및 상기 제1, 2 기판 각각에 상기 전송 라인과 이격되게 패터닝된 그라운드 라인(ground line)을 포함하는 다이폴 ESPAR 안테나를 제공한다.

Description

다이폴 ESPAR 안테나{DIPOLE ESPAR ANTENNA}
본 발명은 다이폴 ESPAR 안테나에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 안테나 구조가 견고하고 임피던스(impedance) 정합이 용이한 다이폴 ESPAR 안테나에 관한 것이다.
최근 초고속 통신의 흐름에 따라 급속히 증가하는 데이터 트래픽을 해결하는 통신 서비스를 위해 스마트 안테나의 많은 연구가 진행 중에 있다.
일반적으로 스마트 안테나인 배열안테나, 디지털 빔 포밍(Digital Beamforming) 안테나의 경우 배열소자마다 Frequency Down Converter, low-noise amplifier, A/D converter, D/A converter 등이 필요하기 때문에 전력 소모가 크며, 가격 또한 비싸다.
ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator, 이하 'ESPAR'로 칭함) 안테나는 단일 RF 체인과 여러 개의 기생 소자(Parasitic element)를 갖는 안테나이다.
단일 RF 체인인 ESPAR 안테나를 사용할 경우, 다수 RF 체인을 사용하는 안테나 또는 배열 안테나보다 복잡도와 전력소모를 줄일 수 있다.
ESPAR 안테나에 포함되는 기생 소자들은 리액턴스(reatance) 부하가 연결되어 있으며, ESPAR 안테나의 패턴은 기생 소자들 각각에 연결된 리액턴스 값에 의해 조절된다.
최근 들어, 원통형 구조를 갖는 다이폴 ESPAR 안테나에 사용되는 동축 케이블(coaxial cable)의 유연성에 따른 구조적 결함 및 임피던스 정합을 용이하게 하기 위한 연구가 진행 중에 있다.
본 발명의 목적은, 안테나 구조가 견고하고 임피던스(impedance) 정합이 용이한 다이폴 ESPAR 안테나를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나는, CPW(Coplanar Waveguide) 구조로 이루어지며, 데이터 신호(data signal)을 출력하는 능동 소자(active element) 및 상기 데이터 신호의 복사패턴(radiation pattern)에 대한 조향 및 형태가 가변 되도록, 상기 능동 소자의 둘레에 배치된 복수의 기생 소자(parasitic element)를 포함하고, 상기 능동 소자는, 서로 교차로 결합된 제1, 2 기판, 상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 전송 라인(transmission line) 및 상기 제1, 2 기판 각각에 상기 전송 라인과 이격되게 패터닝된 그라운드 라인(ground line)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1, 2 기판은, 에폭시 기판(FR-4)일 수 있다.
또한, 상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 상기 전송 라인은, 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 상기 그라운드 라인은, 서로 이격 배치될 수 있다.
여기서, 상기 전송 라인은, 제1 폭을 갖는 제1 전송 라인 및 상기 제1 전송 라인과 연결되며, 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭을 갖는 제2 전송 라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전송 라인의 길이는, λ/2 보다 작은 4.5mm 내지 5.5mm 이며, 상기 제1 전송 라인의 폭은, 2.5mm 내지 3.5mm 이고, 상기 제2 전송 라인의 폭은, 1mm 내지 1.5mm 일 수 있다.
또한, 상기 그라운드 라인의 폭은, 1.5mm 내지 2.5mm 일 수 있으며, 상기 그라운드 라인 및 상기 제2 전송 라인 사이의 갭(Gap)은, 0.4mm 내지 0.6mm 일 수 있다.
여기서, 상기 기생 소자의 폭은, 3.5mm 내지 4.5mm 일 수 있다.
본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나는, CPW(Coplanar Waveguide) 구조를 갖는 능동 소자를 사용함으로써, 기생 소자간의 배열 간격을 좁혀서 배열할 수 있으며, 임피던스 정합이 용이해 지며, 안테나가 좀더 견고한 구조를 가질 수 있도록 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 다이폴 ESPAR 안테나를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 'A'를 확대한 확대도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 능동 소자를 x 방향에서 바라본 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 반사 손실(return loss) 특성을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 계산된 반사 손실(return loss)과 측정된 반사 손실 특성을 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 복사 패턴(radiation pattern) 특성을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 계산된 복사 패턴(radiation pattern)과 측정된 복사 패턴 특성을 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 직교 기저 패턴(orthogonal basis pattern) 특성을 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 측정된 직교 기저 패턴(orthogonal basis pattern) 특성을 나타낸 도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나를 나타낸 사시도, 도 2는 도 1에 나타낸 다이폴 ESPAR 안테나를 나타낸 분해 사시도, 도 3은 도 2에 나타낸 'A'를 확대한 확대도 및 도 4는 도 2에 나타낸 능동 소자를 x 방향에서 바라본 정면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 다이폴 ESPAR 안테나(100)는, 능동 소자(Active element, 110) 및 복수의 기생 소자(Parasitic element, 120)를 포함할 수 있다.
실시 예에서, 복수의 기생 소자(120)는 능동 소자(110)의 둘레를 감싸도록 4개로 구성된 것으로 설명하지만, 이에 한정을 두지 않는다.
먼저, 다이폴 ESPAR 안테나(100)는 4개의 측면부, 즉 4개의 기생 소자(120)로 이루어져 능동 소자(110)가 삽입 배치되는 케이스(case)를 형성하는 것으로 설명하지만, 케이스의 형태, 구조 등에 대하여 한정을 두지 않는다.
능동 소자(110)는 CPW(Coplanar Waveguide) 구조로 이루어지며, 데이터 신호(data signal)을 출력할 수 있으며, CPW 구조로 이루어짐에 따라 견고한 구조를 이룰 수 있어 안정감을 증가시킬 수 있다.
이때, 능동 소자(110)는 제1, 2 기판(132, 134)을 포함하는 기판(130), 제1, 2 기판(132, 134) 각각에 패터닝된 전송 라인(transmission line, 136) 및 제1, 2 기판(132, 134) 각각에 전송 라인(136)과 이격되게 패터닝된 그라운드 라인(ground line)을 포함할 수 있다.
실시 예에서, 기판(130)는 서로 교차 결합된 제1, 2 기판(132, 134)을 포함하는 것으로 나타내었으나, 하나의 기판으로 형성되거나, 4개의 기판으로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
또한, 제1, 2 기판(132, 134) 각각에는 2개의 전송 라인(136) 및 2개의 그라운드 라인(138)이 형성되는 것으로 설명하지만, 이에 한정을 두지 않는다.
여기서, 제1, 2 기판(132, 134)는 에폭시 기판(FR-4)일 수 있으며, 에폭시 기판 외에 다른 유전체 기판이 사용될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
이때, 제1, 2 기판(132, 134) 각각에 패터닝된 전송 라인(136)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 전송 라인(136)들은 커넥터(미도시)에 의해 서로 전기적으로 연결되거나, 또는 전송 라인(136)들은 제1, 2 기판(132, 134)에 형성된 비아홀(미도시)을 통하여 서로 직접 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
전송 라인(136)의 길이(d)는 λ/2 보다 작은 4.5mm 내지 5.5mm 일 수 있다.
여기서, 전송 라인(136)의 길이(d)는 4.5mm 미만이거나, 또는 5.5 mm 보다 길면, 전송 라인(136)으로 급전되어 출력되는 데이터 신호(미도시)의 한 주기가 달라지게 되어, 상기 데이터 신호의 복사 패턴(radiation pattern)이 낮아질 수 있다.
여기서, 전송 라인(136)은 제1 폭(w1)을 갖는 제1 전송 라인(136a) 및 제1 전송 라인(136)과 연결되며, 제1 폭(w1)보다 좁은 제2 폭(w2)을 갖는 제2 전송 라인(136b)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 폭(w1)은 2.5mm 내지 3.5mm 이고, 제2 폭(w2)는 1mm 내지 1.5mm 일 수 있다.
즉, 제1 폭(w1)은 2.5mm 미만이거나, 또는 3.5mm 보다 넓으면, 급전되는 데이터 신호에 대한 신호세기가 낮아지거나, 또는 신호세기가 높아져 간섭이 발생될 수 있다.
또한, 제2 폭(w2)은 1mm 미만이거나, 또는 1.5mm 보다 넓으면, 제1 전송 라인(136a)으로 급전되는 데이터 신호에 대한 전송 손실이 증가되거나, 또는 전송 손실이 감소될 수 있으나 사이즈가 커질 수 있다.
그라운드 라인(138)의 폭(w3)은 1.5 mm 내지 2.5 mm일 수 있으며, 1.5 mm 미만이거나 또는 2.5 mm 보다 넓으면 데이터 신호 송신 또는 수신 시에 잡음이 발생될 수 있다.
그라운드 라인(138) 및 제2 전송 라인(136b) 사이의 갭(Gap, w4)은 0.4mm 내지 0.6mm이며, 0.4 mm 미만 또는 0.6 mm 이면 간섭 손실이 발생될 우려가 높다.
여기서, 기생 소자(120)는 측면 기판(122) 및 측면 기판(122) 상에 패터닝된 포지티브 패턴(positive pattern, 124) 및 네거티브 패턴(negative pattern, 126)을 포함할 수 있다.
기생 소자(120)는 포지티브 패턴(124) 및 네거티브 패턴(126)으로 구분된 평판형 다이폴 구조로 이루어질 수 있다.
측면 기판(122)은 소정의 비유전율을 갖는 FR-4 재질이며, 상기 비유전율은 4.1 내지 4.4일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
포지티브 패턴(124) 및 네거티브 패턴(126)은 측면 기판(122) 상에 동박(copper)을 배치하여 형성할 수 있다.
다이폴 ESPAR 안테나(100)는 기생 소자(120)의 리액턴스를 가변시키기 위하여, 포지티브 패턴(124) 및 네거티브 패턴(126)에 솔더링(soldering)되는 가변 소자(variable element)를 포함할 수 있다.
상기 가변 소자는 능동 소자(110)에서 급전된 데이터 신호의 복사패턴(radiation pattern)에 대한 조향 및 형태가 가변 되도록, 리액턴스 값을 가변시킬 수 있다.
즉, 상기 가변 소자는 입력된 전압에 의해 저항값이 가변되어 기생 소자(120)의 리액턴스를 가변시킬 수 있다.
여기서, 기생 소자(120), 즉 포지티브 패턴(124) 및 네거티브 패턴(126)의 폭(wg)는 3.5mm 내지 4.5mm 일 수 있으며, 능동 소자(110)에 형성된 전송 라인(136) 및 그라운드 라인(138)에 의해 결정될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 반사 손실(return loss) 특성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나(100)와 종래의 원통형 다이폴 구조의 능동소자를 포함하는 ESPAR 안테나에 대한 반사 손실(return loss)를 비교한 도이다.
도 5에 나타낸 반사 손실은 상술한 두 개의 ESPAR 안테나에 적용되는 능동 소자 및 기생 소자의 길이가 서로 동일한 것으로 측정된 그래프이다.
즉, 빔 공간(Beam space) MIMO에 사용되는 ESPAR 안테나는 능동 소자와 기생 소자 사이의 거리가 원통형 다이폴 구조의 능동소자를 갖는 배열 안테나에 비하여 매우 가깝기 때문에 mutual coupling이 강하게 나타나므로, 임피던스 정합(impedance matching)이 어렵다.
하지만, 본 발명의 CPW 구조를 갖는 능동소자를 포함하는 다이폴 ESPAR 안테나는 임피던스 정합에 유리한 구조를 사용하여 기생 소자의 폭 조절, 전송 라인과 그라운드 라인의 갭 조절을 통해 좋은 특성을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 계산된 반사 손실(return loss)과 측정된 반사 손실 특성을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나에 대하여, 계산된 반사손실과 측정된 반사손실 특성을 비교한 도이다.
여기서, 다이폴 ESPAR 안테나의 능동 소자 및 기생 소자 사이의 배열 간격이 λ/16 이기 때문에 제작상의 오차로 인하여 공진주파수에서 반사 손실(return loss) 값이 차이가 나타나지만, 계산된 반사손실에 대한 공진특성과 측정된 반사 손실에 대한 공진특성이 유사함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 복사 패턴(radiation pattern) 특성을 나타낸 도이다.
도 7은 중심주파수 2.45GHz에서 종래의 원통형 다이폴 구조를 갖는 능동 소자를 포함하는 ESPAR 안테나와 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나의 복사 패턴(radiation pattern) 특성을 비교한 도이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 종래의 원통형 다이폴 ESPAR 안테나의 gain은 5.5dBi이며, 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나의 gain은 5.2dBi로 다소 떨어지는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나의 gaim은 CPW 구조를 갖는 능동 소자가 FR-4 에폭시 재질의 PCB로 구현되어 발생된 손실이다.
도 8은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 계산된 복사 패턴(radiation pattern)과 측정된 복사 패턴 특성을 나타낸 도이다.
도 8은 계산된 복사 패턴(radiation pattern)과 측정된 복사 패턴을 비교한 도이다.
도 8에서 나타낸 바와 같이, 계산된 복사 패턴 및 측정된 복사 패턴은 약 3dB의 back lobe 차이는 측정환경에 따라 달라질 수 있으며, main lobe의 형태와 direction은 유사하다는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 직교 기저 패턴(orthogonal basis pattern) 특성을 나타낸 도 및 도 10은 본 발명에 따른 다이폴 ESPAR 안테나의 측정된 직교 기저 패턴(orthogonal basis pattern) 특성을 나타낸 도이다.
도 9(a)는 계산된 종래의 원통형 다이폴 ESPAR 안테나에 대한 직교 기저 패턴(orthogonal basis pattern) 특성을 나타내며, 도 9(b)는 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나에 대한 직교 기저 패턴(orthogonal basis pattern) 특성을 나타낸 도이다.
도 9(a)에 나타낸 종래의 원통형 다이폴 ESPAR 안테나에서 생성된 기저 패턴(basis pattern) 사이의 전력비(power ratio)는 0.89 : 1 : 1이며, 도 9(b)에 나타낸 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나에서 생성된 기저 패턴(basis pattern) 사이의 전력비(power ratio)는 0.93 : 1 : 1 로 나타낼 수 있다.
이때, 도 9(a) 및 도 9(b)에 나타낸 기저 패턴 사이의 전력비(power ratio)는 빔 공간(beam space) MIMO 시스템의 성능을 결정하는 파라미터(parameter)이며, 기저 패턴(basis pattern)의 전력비(power ratio)를 최대한 동일하게 맞추는 것이 성능 향상을 높일 수 있다.
도 10은 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나의 측정된 기저 패턴(basis pattern)을 나타낸 도이다.
도 10은 도 9(b)에서 나타낸 계산된 기저 패턴(basis pattern)의 모양과 다르지만, 계산된 기저 패턴(basis pattern)의 전력비는 0.93 : 1 : 1이고, 측정된 기저 패턴(basis pattern)는 0.9 : 1 : 1이며, 도 9에서 언급한 바와 같이 본 발명의 다이폴 ESPAR 안테나는 빔 공간(beam space) MIMO 시스템에 사용할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. CPW(Coplanar Waveguide) 구조로 이루어지며, 데이터 신호(data signal)을 출력하는 능동 소자(active element); 및
    상기 데이터 신호의 복사패턴(radiation pattern)에 대한 조향 및 형태가 가변 되도록, 상기 능동 소자가 삽입 배치되는 케이스를 형성하는 복수의 기생 소자(parasitic element);를 포함하고,
    상기 능동 소자는,
    서로 교차로 결합된 제1, 2 기판;
    상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 전송 라인(transmission line); 및
    상기 제1, 2 기판 각각에 상기 전송 라인과 이격되게 패터닝된 그라운드 라인(ground line)을 포함하는 다이폴 ESPAR 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1, 2 기판은,
    에폭시 기판(FR-4)인 다이폴 ESPAR 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 상기 전송 라인은,
    서로 전기적으로 연결된 다이폴 ESPAR 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1, 2 기판 각각에 패터닝된 상기 그라운드 라인은,
    서로 이격 배치된 다이폴 ESPAR 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 라인은,
    제1 폭을 갖는 제1 전송 라인; 및
    상기 제1 전송 라인과 연결되며, 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭을 갖는 제2 전송 라인을 포함하는 다이폴 ESPAR 안테나.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전송 라인의 길이는,
    λ/2 보다 작은 4.5mm 내지 5.5mm 인 다이폴 ESPAR 안테나.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 전송 라인의 폭은,
    2.5mm 내지 3.5mm 이고,
    상기 제2 전송 라인의 폭은,
    1mm 내지 1.5mm 인 다이폴 ESPAR 안테나.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 그라운드 라인의 폭은,
    1.5mm 내지 2.5mm 인 다이폴 ESPAR 안테나.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 그라운드 라인 및 상기 제2 전송 라인 사이의 갭(Gap)은,
    0.4mm 내지 0.6mm인 다이폴 ESPAR 안테나.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기생 소자의 폭은,
    3.5mm 내지 4.5mm 인 다이폴 ESPAR 안테나.
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