KR102531736B1 - 이중 오픈 링 웨어러블 안테나 - Google Patents

이중 오픈 링 웨어러블 안테나 Download PDF

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KR102531736B1
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wearable antenna
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윤태열
뚜안 뚜 레
김용덕
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 솔리드 재질로 구현되는 상부 기판, 상부 기판의 상부면에 링 형상으로 형성되되, 일부 영역이 개방되도록 제1 슬릿이 형성된 내부 오픈 링 방사체, 상부 기판의 상부면에 내부 오픈 링 방사체와 동일 중심을 갖고 더 큰 반경을 갖는 링 형상으로 형성되되, 일부 영역이 개방되도록 제2 슬릿이 형성된 외부 오픈 링 방사체, 상부 기판의 하부면에 형성되고, 입력 포트에서 인가된 급전 신호를 상부 기판을 관통하는 2개의 비아를 통해 2개의 오픈 링 방사체 각각으로 전달하는 급전부, 상부 기판의 하부면으로부터 기지정된 간격만큼 이격되어 배치되고 플렉시블 재질로 구현되는 하부 기판 및 하부 기판의 하부면에 형성되는 접지면을 포함하여, 3중 대역 특성을 가지며, 고이득, 고효율 및 낮은 SAR을 갖는 웨어러블 안테나를 제공한다.

Description

이중 오픈 링 웨어러블 안테나{Dual-Open-Ring Wearable Antenna}
본 발명은 웨어러블 안테나에 관한 것으로, 이중 오픈 링 웨어러블 안테나에 관한 것이다.
최근 신체 훈련, 병사 추적, 의료 및 활동 모니터링 시스템과 같은 다양한 응용 프로그램에서 요구되는 오프-바디(off-body) 통신을 위한 웨어러블 안테나가 주목받고 있다. 웨어러블 안테나는 신체 센서에서 수집된 데이터를 외부 장치 또는 데이터베이스로 전송하는 데 주로 사용되고 있다. 이러한 웨어러블 안테나는 소형, 고이득, 고효율, 지향성 방사 패턴, 낮은 전자파 흡수율(specific absorption rate: SAR)을 가져야 할 뿐만 아니라, 착용자에게 편안함을 제공할 수 있어야 한다.
기존에는 다양한 응용 프로그램에 대응하기 위해 넓은 대역폭을 갖는 단일 웨어러블 안테나를 주로 이용하였으나, 넓은 대역폭의 안테나를 사용하는 경우 다른 무선 시스템과의 간섭이 발생한다는 문제가 있다.
한국 등록 특허 제10-2273255호 (2021.06.30 등록)
본 발명의 목적은 3중 대역 웨어러블 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고이득, 고효율 및 낮은 SAR을 갖는 웨어러블 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 편안한 착용감을 제공할 수 있는 오프-바디 통신을 위한 웨어러블 안테나를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 안테나는 솔리드 재질로 구현되는 상부 기판; 상기 상부 기판의 상부면에 링 형상으로 형성되되, 일부 영역이 개방되도록 제1 슬릿이 형성된 내부 오픈 링 방사체; 상기 상부 기판의 상부면에 상기 내부 오픈 링 방사체와 동일 중심을 갖고 더 큰 반경을 갖는 링 형상으로 형성되되, 일부 영역이 개방되도록 제2 슬릿이 형성된 외부 오픈 링 방사체; 상기 상부 기판의 하부면에 형성되고, 입력 포트에서 인가된 급전 신호를 상기 상부 기판을 관통하는 2개의 비아를 통해 상기 2개의 오픈 링 방사체 각각으로 전달하는 급전부; 상기 상부 기판의 하부면으로부터 기지정된 간격만큼 이격되어 배치되고 플렉시블 재질로 구현되는 하부 기판; 및 상기 하부 기판의 하부면에 형성되는 접지면을 포함한다.
상기 제1 슬릿과 상기 제2 슬릿은 서로 수직으로 연장되는 방향으로 형성될 수 있다.
상기 급전부는 상기 제1 슬릿과 상기 제2 슬릿 사이의 각도 차에 대응하는 각도 범위를 갖는 원호 형상으로 형성되는 원호 라인; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 입력 포트가 연결되는 상기 2개의 오픈 링 방사체의 중심 위치로부터 상기 원호 라인의 일단까지 연장되어 형성되는 급전 라인; 및 상기 원호 라인의 양단에서 상기 내부 오픈 링 방사체와 상기 외부 오픈 링 방사체 각각에서 상기 제1 및 제2 슬릿에 의해 개방된 영역측 일단까지 연장되는 2개의 연장 라인을 포함할 수 있다.
상기 원호 라인은 외측 반경이 상기 내부 오픈 링 방사체의 내측 반경보다 작을 수 있다.
상기 2개의 연장 라인은 선폭이 상기 원호 라인과 상기 급전 라인의 선폭보다 작을 수 있다.
상기 2개의 연장 라인 중 제1 연장 라인은 상기 원호 라인의 타단으로부터 상기 내부 오픈 링 방사체의 일단까지 연장되어 형성되고, 상기 2개의 비아 중 제1 비아를 통해 상기 내부 오픈 링 방사체의 일단에 전기적으로 연결되며, 제2 연장 라인은 상기 원호 라인의 일단으로부터 상기 외부 오픈 링 방사체의 일단까지 연장되어 형성되고, 상기 2개의 비아 중 제2 비아를 통해 상기 외부 오픈 링 방사체의 일단에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 연장 라인의 길이와 상기 원호 라인의 각도 범위는 상기 급전 라인에 연결되는 상기 입력 포트와 임피던스 매칭되도록 결정될 수 있다.
상기 웨어러블 안테나는 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 관통하여, 상기 외부 오픈 링 방사체의 타단과 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 비아를 더 구비할 수 있다.
상기 상부 기판은 상기 하부 기판을 관통하여 상기 상부 기판의 하부면에 형성된 급전부로 급전 신호를 인가하는 입력 포트에 의해 지지되어, 상기 하부 기판과 기지정된 간격을 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 안테나는 서로 다른 방향으로 개방된 내부 오픈 링과 외부 오픈 링 방사체를 포함하는 이중 오픈 링 구조로 구성되어 3중 대역 특성을 가질 수 있다. 또한 서로 이격된 상부 기판과 하부 기판을 구비하여 고이득, 고효율 및 낮은 SAR을 가지며, 착용자에게 편안한 착용감을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 분해 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 측단면도를 나타낸다.
도 3은 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 상면도를 나타낸다.
도 4는 급전부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 급전부의 S 파라미터를 나타낸다.
도 6은 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 동작을 설명하기 위한 안테나 구성을 나타낸다.
도 7은 도 6 및 본 실시예에 다른 웨어러블 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다.
도 8은 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 전류 분포를 나타낸다.
도 9는 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나와의 비교를 위해 슬릿 방향이 상이한 안테나의 구성을 나타낸다.
도 10은 도 9의 웨어러블 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 분해 사시도를 나타내고, 도 2는 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 측단면도를 나타내며, 도 3은 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 상면도를 나타낸다. 그리고 도 4는 급전부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나는 크게 상부 구조와 하부 구조로 구분될 수 있다. 상부 구조에는 상부 기판(10), 2개의 오픈 링 방사체(20, 30) 및 급전부(40)가 포함된다.
상부 기판(10)은 딱딱한 재질의 솔리드 기판으로 구현되고, 상부면에 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)가 형성되고, 하부면에는 급전부(40)가 형성된다. 여기서 상부 기판(10)은 웨어러블 안테나의 고이득, 고효율을 달성하기 위해, 낮은 손실 탄젠트(loss tangent)를 갖는 재질로 구현될 수 있다. 여기서는 일 예로 상부 기판(10)을 유전율(ε)이 2.2이고, 손실 탄젠트(tanδ)가 0.0009이며, 두께가 1.52인 TLY-5 기판으로 구현하는 것으로 가정한다.
2개의 오픈 링 방사체(20, 30)는 상부 기판(10)의 상부면에서 동일한 중심을 갖고 서로 다른 내측 반경(r1, r2: 여기서 r1 < r2)를 가지며 각각 기지정된 폭(w1, w2)을 갖는 링 형상으로 형성된다. 여기서는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30) 중 상대적으로 짧은 내측 반경(r1)을 갖는 오픈 링 방사체(20)를 내부 오픈 링 방사체라고 하고 상대적으로 긴 내측 반경(r2)을 갖는 오픈 링 방사체(20)를 외부 오픈 링 방사체라고 한다.
그리고 내부 오픈 링 방사체(20)의 내측 반경(r1)과 폭(w1) 및 외부 오픈 링 방사체(30)의 내측 반경(r2)에 의해 내부 오픈 링 방사체(20)의 외측과 외부 오픈 링 방사체(30)의 내측 사이의 간격(g3)은 r3 - (r1 + w1)이다.
또한 본 실시예에서 내부 오픈 링 방사체(20)와 외부 오픈 링 방사체(30) 각각에는 중심에서 외부 방향으로 기지정된 폭(g1, g2)을 갖는 슬릿(slit)(21, 31)이 형성되어, 슬릿(21, 22)에 의해 링의 일부 영역이 개방된 오픈 링 구조로 형성된다. 이때 내부 오픈 링 방사체(20)와 외부 오픈 링 방사체(30) 각각에 형성되는 슬릿(21, 31)은 서로 다른 방향으로 연장되도록 형성된다. 일 예로 본 실시예서는 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 오픈 링 방사체(20)의 제1 슬릿(21)과 외부 오픈 링 방사체(30)의 제2 슬릿(31)이 서로 수직 방향(90도)으로 연장되도록 형성될 수 있다. 여기서 제1 슬릿(21)과 제2 슬릿(31)이 서로 수직 방향으로 연장되도록 형성되는 것은 본 실시예의 웨어러블 안테나가 입력 임피던스에 매칭되어 요구되는 3개의 주파수 대역에서 동작할 수 있도록 하기 위함이다.
여기서 내부 오픈 링 방사체(20)와 외부 오픈 링 방사체(30)는 각각 기지정된 주파수의 신호를 방사하도록 설계되고, 서로 다른 반경(r1, r2)을 갖는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)는 급전부(40)와 전기적으로 연결된 상태이다. 따라서 2개의 오픈 링 방사체(20, 30) 중 하나가 방사체로 동작하는 동안 나머지 하나는 부하로 동작할 수 있다.
급전부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 기판(10)의 하부면에 형성되며, 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)의 일단으로 급전 신호를 공급할 수 있도록 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)의 개방된 일단측에 대응하는 구조로 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 급전부(40)는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)의 중심 위치에 대응하는 상부 기판(10)의 하부면에 일단이 형성되고 타단이 외부 방향으로 기지정된 길이만큼 연장되어 형성되는 급전 라인(41)과 급전 라인(41)의 타단으로부터 기지정된 각도 범위(α)만큼 원호 형상으로 연장되어 형성되는 원호 라인(42)을 포함한다. 이때, 급전부(40)의 원호 라인(42)은 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 오픈 링 방사체(20)의 내측에 서로 중첩되지 않도록 형성된다. 따라서 원호 라인(42)의 내측 반경(r3)과 선폭(w3)의 합으로 계산되는 원호 라인(42)의 외측 반경(r3 + w3)이 내부 오픈 링 방사체(20)의 내측 반경(r1)보다 작아야 한다((r3 + w3) < r1). 여기서 원호 라인(42)의 각도 범위(α)는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에서 슬릿(21, 31)에 의해 개방된 일단 사이의 각도로 설정된다. 여기서는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)의 2개의 슬릿(21, 31)이 서로 90도 각도 방향으로 형성되므로, 원호 라인(42)은 90도 각도 범위(α)로 연장되는 형태로 형성된다.
급전 라인(41)에서 오픈 링 방사체(20, 30)의 중심에 대응하는 위치의 일단은 급전 포인트(Feed point)로 작용한다. 따라서 동축 케이블 등과 같은 입력 포트(80)를 통해 급전 라인(41)의 일단으로 급전 신호가 인가된다. 급전 라인(41)은 인가된 급전 신호를 원호 라인(42)으로 전달하기 위한 구성이므로, 타단이 외부 오픈 링 방사체(30)의 일단 방향으로 연장되도록 원호 라인(42)의 외측 반경(r3 + w3)까지의 길이를 가질 수 있다. 그리고 급전 라인(41)의 선폭은 원호 라인(42)과 동일(w3)할 수 있다.
한편, 90도 각도 범위로 연장되는 원호 라인(42)의 양단 각각에는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30) 각각의 일단까지 연장되는 2개의 연장 라인(43, 44)이 더 형성된다. 여기서 2개의 연장 라인(43, 44)은 급전 라인(41)의 선폭(w3)보다 좁은 선폭(w4)으로 형성될 수 있다. 그리고 2개의 연장 라인(43, 44) 중 제1 연장 라인(43)은 원호 라인(42)의 타단에서 내부 오픈 링 방사체(20)의 일단까지 연장되도록 형성되고, 제2 연장 라인(44)은 원호 라인(42)의 타단, 즉 급전 라인(41)의 타단에서 외부 오픈 링 방사체(30)의 일단까지 연장되도록 형성된다. 이때 2개의 연장 라인(43, 44) 각각은 원호 라인(42)의 양단으로부터 내부 오픈 링 방사체(20)와 외부 오픈 링 방사체(30) 각각의 일단에서의 폭(w1, w2)의 중심까지 연장되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 연장 라인(43)의 길이(l1)는 원호 라인(42)의 외측 반경(r3 + w3)으로부터 내부 오픈 링 방사체(20)의 내측 반경(r1)까지의 거리 및 내부 오픈 링 방사체(20)의 폭(w1)의 1/2 길이의 합으로 ((w1)/2 + r1 - (r3 + w3))가 될 수 있다. 유사하게 제2 연장 라인(44)의 길이(l2)는 ((w2)/2 + r2 - (r3 + w3))가 될 수 있다.
그리고 일단이 원호 라인(42)에 연결된 제1 및 제2 연장 라인(43, 44) 각각에서 타단은 상부 기판(10)을 관통하여 형성된 제1 및 제2 비아(via)(71, 72)를 통해 대응하는 오픈 링 방사체(20, 30) 각각의 일단과 전기적으로 연결된다.
급전 라인(41)과 원호 라인(42) 및 2개의 연장 라인(43, 44)의 선폭(w3, w4)과 길이(l1, l2), 원호 라인(42)의 내측 반경(r3) 및 각도 범위(α) 등은 급전 신호가 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에 동일한 크기의 밸런스 신호로 제공되도록 조절될 수 있다. 특히 2개의 연장 라인(43, 44)의 길이(l1, l2)와 원호 라인(42)의 각도 범위(α)에 따라 입력 임피던스가 가변되므로, 연장 라인(43, 44)의 길이(l1, l2)와 원호 라인(42)의 각도 범위(α)를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 여기서 원호 라인(42)의 각도 범위(α)는 곧 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에서 슬릿에 의해 개방된 일단 사이의 각도 차이이고, 연장 라인(43, 44)의 길이(l1, l2)의 길이는 원호 라인(42)의 외측 반경에 의해 조절되므로, 임피던스는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)의 슬릿 사이의 각도 차와 원호 라인(42)의 외측 반경으로 조절되는 것으로 볼 수도 있다.
즉 급전부(40)는 상부 기판(10) 하부면의 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)의 중심 위치에서 입력 포트(80)를 통해 급전 포인트로 인가된 급전 신호가 입력 포트(80)의 임피던스(예를 들면 50Ω)에 매칭되어 제1 및 제2 비아(71, 72)를 통해 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에 균등한 크기로 전달되도록 한다.
한편 본 실시예에서 하부 구조는 상부 기판(10)의 하부면으로부터 기지정된 간격(h) 만큼 이격되어 배치되고, 하부 기판(50)과 접지면(60)을 포함한다.
하부 기판(50)은 플렉시블한 직물 기판으로 구현될 수 있으며, 여기서는일 예로 3mm 두께의 펠트를 하부 기판(50)으로 이용하였다. 그리고 접지면(60)은 하부 기판(50)의 하부면에 형성되며, 하부 기판(50)과 마찬가지로 플렉시블한 특성을 갖는 전도성 직물이 이용될 수 있다.
기존에 웨어러블 안테나에서 기판은 착용자의 편의를 위해 잘 휘어지는 플렉시블 기판을 주로 이용하였다. 이는 잘 휘어지지 않는 기판을 이용하는 경우, 웨어러블 안테나의 특성상, 착용자에게 불편함을 야기할 수 있기 때문이다. 그러나 플렉시블 기판은 높은 손실 탄젠트를 가져 안테나 성능이 저하된다는 문제가 있다. 이에 본 실시예에서는 착용자에게 밀착될 수 있는 하부 기판(50)은 플렉시블 기판으로 구현한다. 반면, 하부 기판(50)으로부터 이격되어 착용자에게 밀착되지 않으면서 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)가 배치되는 상부 기판(10)은 낮은 손실 탄젠트를 가져 높은 이득 및 효율을 달성할 수 있도록 하는 솔리드 기판으로 구현하여, 착용자에게 불편함을 야기하지 않도록 하면서도 안테나의 성능이 유지되도록 한다. 뿐만 아니라 상부 기판(10)이 하부 기판(50)과 이격되어 솔리드하게 구현되므로, 웨어러블 안테나의 실장 및 운용 시 상부 기판(10)의 상부면과 하부면에 각각 형성되는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)와 급전부(40)가 변형되지 않도록 하여 웨어러블 안테나가 특성을 유지할 수 있도록 한다.
그리고 하부 기판(50)은 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에서 상대적으로 크기가 큰 외부 오픈 링 방사체(30)의 외측 반경(r2 + w2)보다 큰 폭(ws > r2 + w2)을 갖도록 형성될 수 있다.
접지면(60)은 하부 기판(50)의 하부면에 형성되어 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에서 착용자 방향으로 방사된 신호를 차단함으로써, 착용자의 전자파흡수율(SAR)이 낮아지도록 한다. 또한 접지면(60)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 기판(10)과 하부 기판(50)을 모두 관통하는 제3 비아(73)를 통해 외부 오픈 링 방사체(30)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서 제3 비아(73)는 외부 오픈 링 방사체(30)와 접지면(60)을 연결함으로써, 추가적인 인덕턴스를 제공하여 안테나의 크기가 작아지도록 한다. 또한 제3 비아(73)는 상부 기판(10)을 지지하는 지지대 역할을 함께 수행하여 웨어러블 안테나의 구조적 안정성이 향상되도록 한다.
기본적으로 상부 기판(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 구조의 하부 기판(50) 및 접지면(60)을 관통하여 삽입되는 동축 케이블과 같은 입력 포트(80) 또는 별도의 지지 구조체에 의해 지지되어 하부 구조와 기지정된 간격(h) 만큼 이격되어 배치될 수 있다. 이때 제3 비아(73)는 추가로 구비된 보조 지지대 역할을 수행하여 상부 기판(10)이 하부 구조와 안정적으로 기지정된 간격을 유지할 수 있도록 한다.
도 5는 도 4의 급전부의 S 파라미터를 나타낸다.
본 실시예에는 웨어러블 안테나가 ISM(Industrial, Specific and Medical) 응용 프로그램을 위한 2.45GHz와 군사용 응용 프로그램을 위한 3.0GHz 및 WiMAX 응용 프로그램을 위한 3.445GHz의 3가지 주파수 대역 모두에서 이용될 수 있는 3중 대역 안테나로 동작하도록 한다.
이에 도 5에서는 급전부(40)는 3.0GHz에서 최적화되도록, 원호 라인(42)의 내측 반경(r3)과 선폭(w3)이 각각 5.5mm 및 3.5mm이고, 제1 및 제2 연장 라인(43, 44) 각각의 길이(l1, l2)는 13mm 및 3.6mm이며, 제1 및 제2 연장 라인(43, 44)의 선폭(w4)은 동일하게 0.5mm로 설계하여 시뮬레이션하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 급전부(40)는 2 ~ 4Ghz 범위에서 입력 포트(80)에 대한 반사 손실(S11)이 -10dB 미만으로 나타나고, 내부 오픈 링 방사체(20)와 외부 오픈 링 방사체(30) 각각에 대한 전송 손실(S21, S31)은 거의 동일하게 -3.5 ㅁ 0.5dB를 갖는다는 것을 알 수 있다. 즉 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에 균등한 크기의 급전 신호를 전달할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 동작을 설명하기 위한 안테나 구성을 나타내고, 도 7은 도 6 및 본 실실시예에 따른 웨어러블 안테나의 반사 손실 특성을 나타내며, 도 8은 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나의 전류 분포를 나타낸다.
도 6 및 도 7에서는 본 실시예의 웨어러블 안테나에서 각 구성 요소에 의한 동작특성을 살펴보기 위해, 본 실시예의 웨어러블 안테나와 구성 요소의 조합을 변경하였다. 도 6 (a)는 외부 오픈 링 방사체(30)를 제거하여 내부 오픈 링 방사체(20)만을 구비하는 안테나(Ant1)를 나타내고, 도 6의 (b)는 내부 오픈 링 방사체(20)를 제거하여 외부 오픈 링 방사체(30)만을 구비하고 접지면(60)과 연결되지 않은 안테나(Ant2)를 나타낸다. 그리고 도 6의 (c)는 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)를 모두 구비하지만, 외부 링 방사체(30)의 타단과 접지면(60)을 연결하는 제3 비아(73)를 제거한 안테나(Ant3)를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 내부 오픈 링 방사체(20)만을 구비하는 안테나(Ant1)는 반파장 안테나로 동작하며, 3.4GHz 및 4.0 GHz에서 임피던스가 매칭되어 낮은 반사 손실을 갖는다. 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 내부 오픈 링 방사체(20)에서 링 구조는 3.4GHz에서 TM11 모드를 발생시키고, 제1 슬릿(21)은 4.0GHz 부근에서 공진 모드(resonant mode)를 발생시킨다.
한편, 외부 오픈 링 방사체(30)만을 구비하는 안테나(Ant2)는 도 7에 도시된 바와 같이, 2.1Ghz 부근과 2.8GHz에서 임피던스가 매칭된다. 도 8의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 외부 오픈 링 방사체(30)에서 링은 2.1Ghz 부근에서 기본 모드로 TM11 모드를 발생시키고, 제2 슬릿(31)은 2.8GHz에서 TM1.5.1의 하프 모드를 발생시킨다.
즉 내부 오픈 링 방사체(20)는 3.4GHz와 4.0 GHz에서 동작하고, 외부 오픈 링 방사체(30)는 2.1GHz와 2.8GHz에서 동작할 수 있다.
그리고 도 6의 (c)에 도시된 안테나(Ant3)의 경우, 2개의 오픈 링 방사체(20, 30) 중 하나가 방사체로 동작하는 동안 나머지 하나는 부하로 동작하며, 이로 인해 동작 주파수에 변화가 발생한다. 이에 안테나(Ant3)는 2.1GHz와 2.75 GHz 및 3.45GHz 주파수에서 공진 모드를 발생시킨다. 실제로는 내부 오픈 링 방사체(20)의 4.0 GHz 동작 주파수 또한 변화되지만, 이는 4.0 GHz보다 더 높은 주파수 대역에서 공진 모드가 발생되어 관심 주파수 대역이 아니므로, 여기서는 고려하지 않는다.
한편, 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나에서는 도 6의 (c)에 도시된 안테나(Ant3)에서 외부 오픈 링 방사체(30)의 타단과 접지면(60)을 연결하는 제3 비아(73)가 더 구비된다. 추가로 구비된 제3 비아(73)에 의해 인덕턴스가 증가되며, 이로 인해, 도 7에 도시된 바와 같이, 안테나(Ant3)의 동작 주파수 중 2.1GHz가 2.45GHz로 이동되고, 2.75GHz가 3.0GHz로 이동되어, 본 실시예에 따른 안테나(Prop.antenna)는 2.45GHz, 3.0GHz 및 3.45GHz의 동작 주파수를 가질 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 웨어러블 안테나와의 비교를 위해 슬릿 방향이 상이한 안테나의 구성을 나타내고, 도 10은 도 9의 웨어러블 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 웨어러블 안테나에서는 내부 오픈 링 방사체(20)의 제1 슬릿(21)과 외부 오픈 링 방사체(30)의 제2 슬릿(31)이 서로 수직 방향(90도)으로 연장되는 것으로 설명하였다. 비록 제1 슬릿(21)과 제2 슬릿(31) 사이의 각도는 다양하게 설정될 수도 있으나, 제1 및 제2 슬릿(21, 22)가 동일한 방향(0도 각도)으로 형성되어 각도 차이가 존재하지 않는 경우에는 급전부(40)가 제1 슬릿(21)과 제2 슬릿(31) 각각에 급전 신호를 구분하여 인가할 수 없으므로 구조적으로 구현될 수 없다.
이에 도 9에서는 웨어러블 안테나의 다른 예로서 내부 오픈 링 방사체(20)의 제1 슬릿(21)과 외부 오픈 링 방사체(30)의 제2 슬릿(31)이 180도 각도로 형성된 경우를 도시하였다. 도 9에서와 같이 2개의 오픈 링 방사체(20, 30)에 형성된 제1 슬릿(21)과 제2 슬릿(31)이 서로 180도 각도 차를 갖도록 형성된 경우, 반사 손실은 도 10과 같이 나타난다.
도 10을 참조하면, 2개의 슬릿(21, 31)이 서로 180도 각도로 형성되는 경우, 2.7GHz 대역에서만 동작하고, 나머지 주파수 대역에서는 동작하지 않게 된다. 즉 3.0GHz 및 3.45GHz에서의 공진 주파수가 사라지게 되어 요구되는 3중 대역에서 동작할 수 없다.
결과적으로 제1 슬릿(21)과 제2 슬릿(31) 사이의 각도가 0도인 경우는 구조적으로 구현될 수 없고, 180도인 경우에는 요구되는 동작 특성을 갖지 못한다. 따라서 본 실시예에서는 내부 오픈 링 방사체(20)의 제1 슬릿(21)과 외부 오픈 링 방사체(30)의 제2 슬릿(31)이 서로 90도 각도로 형성되도록 하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 상부 기판 20: 내부 오픈 링 방사체
30: 외부 오픈 링 방사체 21, 31: 슬릿
40: 급전부 41: 급전 라인
42: 원호 라인 43, 44: 연장 라인
50: 하부 기판 60: 접지면
71 ~ 73: 비아 80: 입력 포트

Claims (9)

  1. 솔리드 재질로 구현되는 상부 기판;
    상기 상부 기판의 상부면에 링 형상으로 형성되되, 일부 영역이 개방되도록 제1 슬릿이 형성된 내부 오픈 링 방사체;
    상기 상부 기판의 상부면에 상기 내부 오픈 링 방사체와 동일 중심을 갖고 더 큰 반경을 갖는 링 형상으로 형성되되, 일부 영역이 개방되도록 제2 슬릿이 형성된 외부 오픈 링 방사체;
    상기 상부 기판의 하부면에 형성되고, 입력 포트에서 인가된 급전 신호를 상기 상부 기판을 관통하는 2개의 비아를 통해 상기 2개의 오픈 링 방사체 각각으로 전달하는 급전부;
    상기 상부 기판의 하부면으로부터 기지정된 간격만큼 이격되어 배치되고 플렉시블 재질로 구현되는 하부 기판; 및
    상기 하부 기판의 하부면에 형성되는 접지면을 포함하는 웨어러블 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 슬릿과 상기 제2 슬릿은
    서로 수직으로 연장되는 방향으로 형성되는 웨어러블 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 급전부는
    상기 제1 슬릿과 상기 제2 슬릿 사이의 각도 차에 대응하는 각도 범위를 갖는 원호 형상으로 형성되는 원호 라인;
    상기 상부 기판의 하부면에서 상기 입력 포트가 연결되는 상기 2개의 오픈 링 방사체의 중심 위치로부터 상기 원호 라인의 일단까지 연장되어 형성되는 급전 라인; 및
    상기 원호 라인의 양단에서 상기 내부 오픈 링 방사체와 상기 외부 오픈 링 방사체 각각에서 상기 제1 및 제2 슬릿에 의해 개방된 영역측 일단까지 연장되는 2개의 연장 라인을 포함하는 웨어러블 안테나.
  4. 제3항에 있어서, 상기 원호 라인은
    외측 반경이 상기 내부 오픈 링 방사체의 내측 반경보다 작은 웨어러블 안테나.
  5. 제3항에 있어서, 상기 2개의 연장 라인은
    선폭이 상기 원호 라인과 상기 급전 라인의 선폭보다 작은 웨어러블 안테나.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2개의 연장 라인 중 제1 연장 라인은 상기 원호 라인의 타단으로부터 상기 내부 오픈 링 방사체의 일단까지 연장되어 형성되고, 상기 2개의 비아 중 제1 비아를 통해 상기 내부 오픈 링 방사체의 일단에 전기적으로 연결되며,
    제2 연장 라인은 상기 원호 라인의 일단으로부터 상기 외부 오픈 링 방사체의 일단까지 연장되어 형성되고, 상기 2개의 비아 중 제2 비아를 통해 상기 외부 오픈 링 방사체의 일단에 전기적으로 연결되는 웨어러블 안테나.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연장 라인의 길이와 상기 원호 라인의 각도 범위는 상기 급전 라인에 연결되는 상기 입력 포트와 임피던스 매칭되도록 결정되는 웨어러블 안테나.
  8. 제3항에 있어서, 상기 웨어러블 안테나는
    상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 관통하여, 상기 외부 오픈 링 방사체의 타단과 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 비아를 더 구비하는 웨어러블 안테나.
  9. 제1항에 있어서, 상기 상부 기판은
    상기 하부 기판을 관통하여 상기 상부 기판의 하부면에 형성된 급전부로 급전 신호를 인가하는 입력 포트에 의해 지지되어, 상기 하부 기판과 기지정된 간격을 유지하는 웨어러블 안테나.
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