KR19990010968A - 듀얼밴드 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 듀얼밴드 안테나는 인덕터와, 상기 인덕터의 양 끝단에 접속된 제1 및 제2방사요소와, 상기 제1방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부와 인덕터 그리고 상기 제2방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부를 감싸는 유전체 물질과, 상기 유전체 물질과 상기 제1 및 제2방사요소의 해당 부분 및 인덕터를 고정시켜 지지하고, 상기 유전체 물질과 함께 캐패시턴스를 형성하는 금속 링으로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

듀얼밴드 안테나
본 발명은 이동통신용 안테나에 관한 것으로, 특히 구성이 간단하고 쉬우며 사용이 편리할 뿐만 아니라 가격이 저렴하고 성능이 우수한 특성을 가진 듀얼밴드 안테나에 관한 것이다.
이동통신에 있어서 안테나의 역할은 송신전력의 절약과 주파수의 유효 이용으로 집약될 수 있다. 이동통신의 급속한 발달과 더불어 기존에 사용한 시스템의 용량 포화 현상이 일어나게 되었고 그 해소 책으로 새로운 방식의 시스템이 개발되어 설치되고 있는 상황이다. 그러므로 기존 시스템과 신규 시스템의 연동관계를 고려하지 않을 수 없다.
실제로 국내에서는 기존 CDMA(Code Division Multiple Access)방식과 신규 PCS(Personal Communication System)방식과의 연동, 미국에서는 기존 AMPS(Advanced Mobile Phone Service)방식과 US(United States) PCS방식의 연동, 유럽에서는 기존 GSM(Groupe Speciale Mobile)방식과 신규 DECT(Digital European Cordless Telephone)방식 혹은 상기 GSM을 1,800MHz 대역에 적용한 DCS(Digital Communication System) 1800방식과의 연동을 필요로 하고 있는데, 이러한 연동방식을 듀얼밴드(dual band)방식이라 한다. 다시 말해서, 듀얼밴드방식은 상기한 바와 같이 각기 다른 두 방식 즉 주파수 대역이 서로 다른 시스템을 연동시키는 방식이다.
그런데 지금까지는 듀얼밴드 시스템에 사용될 수 있는 단말기용 소형 안테나를 두 대역별로 각각 사용함으로써 불편함과 자재비 상승을 초래하여 왔고 단말기의 소형·경량화에도 장애 요소가 되어 왔다. 이러한 이유로 두 대역에 겸용할 수 있는 듀얼밴드 안테나를 개발하기에 이르렀다.
미합중국 특허번호 제4,509,056호에는 동조 슬리브 쵸크를 이용하는 다중 주파수 안테나(Multi-Frequency Antenna Employing Tuned Sleeve Chokes)가 개시되어 있다. 도 1은 상기 동조 슬리브 쵸크를 이용하는 다중 주파수 안테나의 실시 예로서, 이중(dual) 주파수에서 동작하는 모노폴(monopole) 안테나의 단면 구성을 나타낸 것이다. 이 안테나는 주파수가 하모닉(harmonic)으로 분리되지 않고 주파수비가 1.25 이상으로 분리되어 동작하는 시스템에서 효과적으로 동작한다. 도시한 바에 따르면, 동축선(coaxial feed line)(2)의 내부 도체(8)와 슬리브 쵸크(12i)는 방사요소(radiating element)로 동작한다. 상기 슬리브 쵸크(12i)의 피드 포인트(feed point)쪽은 단락(short)되어 있고 그 반대쪽은 개방(open)되어 있다. 상기 내부 도체(8)와 슬리브 쵸크(12i)의 길이는 원하는 주파수에서 최대의 효율을 낼 수 있을 정도로 하는데, 정확히 '1/4 파장(wavelength: λ)'을 만족하지는 않는다. 상기 내부 도체(8)와 슬리브 쵸크(12i) 사이의 커플링(coupling)은 상기 쵸크(12i)의 개방 끝(open end) 부분에서 일어난다. 즉 '='일 때는 높은(high) 임피던스로 작용하여 상기 내부 도체(8)와 슬리브 쵸크(12i) 사이에는 커플링이 거의 일어나지 않고, '＜'가 아닐 때는 로우 임피던스로 동작하여 커플링이 일어난다. 상기 쵸크(12i)는 상기 내부 도체(8)와 외부 도체(6)와의 단락된전송(transmission)라인으로 동작하도록 하며, 두 도체 사이에 유전체 물질(dielectric martial)(16i)을 넣어 전기적 길이를 조정한다. 상기 유전체 물질(16i)의 유전율(dielectric constant)은 전기적 길이를 맞추기 위해 선택된다. 이와 같이 유전체 물질을 이용하여 상기 내부 도체(8)와 외부 도체(6)가 무한대 임피던스가 되게 하는 것은 두 도체의 길이를 주파수에 무관하게 할 수도 있다. 즉 유전체 물질로 커플링의 양을 조절할 수 있다. 상기 내부 도체(8)와 외부 도체(6)로 이루어지는 구조는 동축 전송라인으로 간주할 수 있고, 그 특성 임피던스는 다음 수학식1로 표시된다.
이때 상기은 유전율이고, D는 외부 도체의 직경(diameter)이며, d는 내부 도체의 직경이다. 내부 도체(8)와 외부 도체(6) 사이의 입력 임피던스는 다음 수학식2로 나타내어진다.
여기서,이고, α는 감쇠 계수(attenuation factor)이며, β는 지연(propagation) 상수이고,는 전송라인 길이이며, ZL은 부하(load) 임피던스이다.
그런데 도시된 바에 따르면 구조상 내부 도체(8)와 외부 도체(6)가 가까이 접하고 있어서 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)가 존재하여 안테나의 효율을 저하시킨다. 그러므로 안테나의 효율을 저하시키기 위해서는 기생 캐패시턴스를 줄여야 하는데, 도 1의 구조에서는 외부 도체(6)의 직경을 줄여야 한다. 전술한 수학식1에 따르면, 외부 도체(6)의 직경을 줄이는 것은 결국 쵸크(12i)의 특성 임피던스를 줄이는 것이 된다. 이렇게 줄여진 쵸크(12i)의 특성 임피던스는 결국 커플링의 양을 변화시켜서 안테나의 성능을 저하시키게 된다. 이러한 이유로 커플링의 양에 영향을 주지 않음과 동시에 쵸크(12i)의 특성 임피던스를 외부 도체(6)의 직경을 줄이기 전과 같이 하려면 내부 도체(8)의 직경을 줄이는 수밖에 없다. 하지만 내부 도체(8)의 직경을 줄이는 것은 안테나의 대역폭을 줄이는 결과를 가져오게 된다. 결국 이렇게 제작된 안테나는 시스템에서 요구하는 주파수 대역을 충분히 커버(cover)하지 못하게 된다.
또한 도시한 바에 따르면, 커플링의 양을 조절하기 위해서 유전체 물질을 사용하므로 적당한 커플링을 위해서는 유전율과 유전체 물질의 치수(dimension)가 선택되어져야 한다.
따라서 본 발명의 목적은 접지(ground)와 외부 도체 사이의 기생 캐패시턴스를 최소화하여 성능을 향상시키고 대역폭을 넓힌 듀얼밴드 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 구성이 간단하고 쉬우며 소형화되고 사용이 편리할 뿐만 아니라 가격이 저렴하고 성능이 우수한 특성을 가진 듀얼밴드 안테나를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 본 듀얼밴드 안테나는 인덕터와, 상기 인덕터의 양 끝단에 접속된 제1 및 제2방사요소와, 상기 제1방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부와 인덕터 그리고 상기 제2방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부를 감싸는 유전체 물질과, 상기 유전체 물질과 상기 제1 및 제2방사요소의 해당 부분 및 인덕터를 고정시켜 지지하고, 상기 유전체 물질과 함께 캐패시턴스를 형성하는 금속 링으로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 동조 슬리브 쵸크를 이용하는 다중 주파수 안테나의 일 실시 예로서, 이중 주파수에서 동작하는 모노폴 안테나의 단면 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼밴드 안테나의 단면 구성을 나타낸 도면
도 3은 도 1 및 도 2의 안테나에 대한 등가회로를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼밴드 안테나의 정재파비를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼밴드 안테나의 스미스 챠트를 나타낸 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼밴드 안테나의 단면 구성을 나타낸 도면이다. 본 듀얼밴드 안테나는 인덕터(40)와, 상기 인덕터(40)의 양 끝단에 접속된 막대(rod) 형태의 제1 및 제2방사요소(radiating element)(32a, 32b)와, 상기 제1방사요소(32a)중 상기 인덕터(40)에 접속된 일부와 인덕터(40) 그리고 상기 제2방사요소(32b)중 상기 인덕터(40)에 접속된 일부를 감싸는 유전체 물질(35)과, 상기 유전체 물질(35)과 상기 제1 및 제2방사요소(32a, 32b)의 해당 부분과 인덕터(40)를 고정시켜 지지하고, 상기 유전체 물질(35)과 함께 캐패시턴스를 형성하는 도전성 지지 대, 예를 들어 금속 링(metal ring)(42)으로 구성된다.
상기 제1 및 제2방사요소(32a, 32b)는 소정의 홈(39)을 가지며, 상기 홈(39)에는 상기 금속링(42)의 내부를 채우고 있는 유전체 물질(35)이 투입되고, 상기 금속링(42)으로부터 상기 유전체 물질에 수평으로 가해지는 일정한 힘에 의해 상기 제1 및 제2방사요소(32a, 32b)의 지지 구조가 더욱 굳게 형성되도록 한다. 제2방사요소(32a)의 다른 쪽은 그라운드판(20)에 접속된 동축선(2)의 내부 도체(8)에 접속된다. 참조부호 37a, 37b는 상기 제1 및 제2방사요소(32a, 32b)와 인덕터(40)의 결합부분을 나타내는 것으로, 납땜을 예로 들 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2의 안테나에 대한 등가회로를 집중정수회로의 형태로 나타낸 것이다. 도시된 바에 따르면, 제1 및 제2방사요소(32a, 32b) 사이의 커플링은 캐패시터(C)와 인턱터(L)로 표현된다.
상기 도 2 및 도 3에 따르면, 상기 제1방사요소(32a)와 상기 제2방사요소(32b)의 커플링 양은 상기 인덕터(35)와 상기 유전체 물질(35) 그리고 금속 링(42)을 이용하여 조절할 수 있다. 본 실시예에 따른 안테나의 전체 길이를 결정하는 요소로는 상기 제1방사요소(32a)와 상기 제2방사요소(32b) 그리고 그들 사이에 연결된 인덕터(40) 및 주파수 대역에 의해 결정된다. 구체적으로, 상기 전체 길이는 낮은 주파수의 파장(λL)에 의해 결정되며, 이때의 방사요소는 상기 제1방사요소(32a)이고 길이는 낮은 주파수 대역의 중심주파수에서 λL/4 혹은 5λL/8를 가진다. 높은 주파수의 방사요소는 상기 제2방사요소(32b)인데, 높은 주파수 대역의 중심주파수에서 λh/4 혹은 5λh/8의 길이를 가진다. 본 실시 예에서는 낮은 주파수 대역을 824MHz∼894MHz, 높은 주파수 대역은 1,750MHz∼1,870MHz 정도로 하고 있지만, 낮은 주파수가 F이면 상대적으로 높은 주파수는 1.25F 정도가 되도록 설정하여 변형 가능하다.
높은 주파수 대역의 중심주파수에서 λh/4의 길이를 가지는 제2방사요소(32b)의 위쪽 부분에 연결된 인덕터(40)와 유전체 물질(35) 및 금속링(42)은 도 3과 같은 L, C 공진회로를 발생시키고, 공진하게 되어 높은 임피던스를 가지게 되므로 제1방사요소(32a)와는 커플링이 일어나지 않는다. 반면에 낮은 주파수 대역에서는 상기 제2방사요소(32b)의 위쪽 부분에 연결된 L, C 공진회로가 상대적으로 낮은 값을 가지게 된다. 그러므로 상기 제1방사요소(32a)와 커플링이 일어나 상기 제1 및 제2방사요소(32b)가 서로 결합하여 낮은 주파수 대역의 안테나를 형성한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼밴드 안테나의 정재파비(standing wave ratio: SWR)를 나타낸 도면으로, 삼성전자(주)에서 생산하는 CDMA방식 휴대폰(모델명: SCH-100)에 대한 실험치이다. △1의 경우 0.8240GHz에서 정재파가 1.1732이고 △2의 경우 0.8940GHz에서 정재파가 1.2542인 바, CDMA방식 송·수신을 위한 849MHz∼894MHz를 양호하게 커버할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼밴드 안테나의 스미스 챠트(Smith chart)를 나타낸 도면이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 안테나는 듀얼밴드인 GSM/DECT, GSM/DCS1800, AMPS 혹은 CDMA(824-894MHz)/PCS 시스템에 그 사용이 가능하고, 주파수 분리가 1/4λ의 정수배가 되지 않아도 인덕터와 유전체 물질의 치수(dimension) 또는 계수(constant)를 변화시킴으로써 듀얼밴드 안테나를 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한 안테나의 길이가 5/8λl인 경우는 안테나의 길이가 증가되지만 안테나의 방사 패턴이 등방향성이 되고, 이득이 증가되어 차량과 같은 이동체의 안테나로 사용 가능하다. 또한 본 발명은 접지와 외부 컨덕터 사이의 기생 캐패시턴스를 최소화함으로써 안테나의 성능을 향상시키는 장점이 있다. 또한 외부 컨덕터를 사용하지 않으므로 안테나의 무게 및 부피 감소를 가져오는 장점도 있다.

Claims (10)

  1. 듀얼밴드 안테나에 있어서,
    인덕터와,
    상기 인덕터의 양 끝단에 접속된 막대형 제1 및 제2방사요소와,
    상기 제1방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부와 인덕터 그리고 상기 제2방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부를 감싸는 유전체 물질과,
    상기 유전체 물질과 상기 제1 및 제2방사요소의 해당 부분 및 인덕터를 고정시켜 지지하고, 상기 유전체 물질과 함께 캐패시턴스를 형성하는 금속링으로 구성됨을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2방사요소는 소정의 홈을 가지며, 상기 홈에는 상기 금속링의 내부를 채우고 있는 유전체 물질이 투입되어 상기 금속링에 의한 상기 제1 및 제2방사요소의 지지 구조가 형성되도록 구성함을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  3. 제1항 혹은 제2항중 어느 하나의 항에 있어서,
    제2방사요소의 다른 쪽은 그라운드판에 접속된 동축선의 내부 도체에 접속되도록 구성함을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  4. 듀얼밴드 안테나에 있어서,
    인덕터와,
    상기 인덕터의 양 끝단에 접속된 제1 및 제2방사요소와,
    상기 제1방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부와 인덕터 그리고 상기 제2방사요소중 상기 인덕터에 접속된 일부를 감싸는 유전체 물질과,
    도체로서 상기 유전체 물질과 함께 캐패시턴스를 형성하며, 상기 유전체 물질과 상기 제1 및 제2방사요소의 해당 부분 및 인덕터를 고정시켜 지지하는 도전성 지지대로 구성됨을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2방사요소는 소정의 홈을 가지며, 상기 홈에는 상기 유전체 물질이 투입되고, 상기 도전성 지지대에 의해 상기 유전체 물질에 수평으로 가해지는 일정한 힘에 의해 상기 제1 및 제2방사요소의 지지 구조가 형성되도록 구성함을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  6. 제4항 혹은 제5항중 어느 하나의 항에 있어서,
    소정의 주파수에서는 상기 제2방사요소만큼의 길이를 갖는 안테나로 동작하고, 상대적으로 낮은 주파수 대역에서는 상기 제1 및 제2방사요소가 커플링되어 상기 제1 및 제2방사요소를 합한 길이의 안테나로 동작함을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 낮은 주파수 대역은 824MHz∼894MHz이고, 상대적으로 높은 주파수 대역은 1,750MHz∼1,870MHz임을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 안테나는 해당 주파수 대역의 중심주파수에서 1/4 파장의 길이를 가짐을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 안테나는 해당 주파수 대역의 중심주파수에서 5/8 파장의 길이를 가짐을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 낮은 주파수 대역은 824MHz∼894MHz이고, 상대적으로 높은 주파수 대역은 1,750MHz∼1,870MHz임을 특징으로 하는 듀얼밴드 안테나.
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