KR20040043754A

KR20040043754A - 다이폴 안테나의 임피던스 매칭 방법

Info

Publication number: KR20040043754A
Application number: KR1020020072104A
Authority: KR
Inventors: 최재호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-05-27

Abstract

본 발명은 간단한 방법에 의하여 다이폴 안테나의 임피던스 매칭을 수행하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 가변주파수를 이용하여 파장을 산출하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 산출된 파장과 고정된 길이를 이용하여, 다이폴 안테나 양단의 암(arm)에서 방사되는 전자파의 경로차가 반파장이 되도록 슬롯의 폭을 산출하는 제2단계로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의하면, 간단한 구성에 의하여 다이폴 안테나 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.

Description

다이폴 안테나의 임피던스 매칭 방법{Method of Impedence Matching for Dipole Antenna}

본 발명은 다이폴 안테나에 관한 것으로, 특히 주파수의 변화에 대응하여 간단하고 용이한 방법으로 임피던스 매칭을 할 수 있는 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법에 관한 것이다.

일반적으로 안테나는 무선통신에서 통신의 목적을 달성하기 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나, 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유기시키기 위해 공중에 가설한 도선 즉, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다.

그리고, 안테나는 보통 고주파 회로에 접속해서 사용되고 있는 하나의 특수한 전기회로라고도 할 수 있다. 송신안테나는 고주파 회로의 전력을 능률적으로 전파에너지로 변환해서 이것을 공간에 복사(radiation)하며, 수신안테나는 입력되는 전파의 에너지를 효율적으로 전력으로 변환해서 전기회로에 전달한다.

상기와 같이 안테나는 전기회로와 전파간의 에너지 변환기 역할을 하며, 그 변환 능률이 좋아지도록 그 크기와 모양을 적절하게 설계한다.

안테나를 효율적으로 작동시키기 위해서는 안테나를 사용하는 주파수에 공진시킬 필요가 있는데, 단파나 초단파에서는 파장이 짧으므로 1/2파장의 안테나를 쓰고 있다.

그리고, 안테나에는 제품에 내장하기 위해서, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 형태로 제작된 다이폴 안테나가 있다.

상기 다이폴 안테나는, 임의의 길이의 끝이 개방된 평행의 도선에 교류를 접속했을 경우 전기력선이 도선과 평행하게 나타나고, 양 도선을 180°만큼 벌리면 다이폴 안테나(Dipole Antenna)가 되는데, 다이폴 안테나는 전기력선이 축을 중심으로 대칭이 되게 부포하며 그 한쪽의 길이가 1/4 파장인 것이 반파장(λ/2) 다이폴 안테나이다.

일반적으로 저손실, 경량 및 광대역 특성을 갖는 마이크로스트립 다이폴 안테나는 UHF 극초단파대와 마이크로웨이브 대역에서 운용되는 탐지레이더, 셀룰러폰 기지국 또는 위성통신 등의 분야에 널리 사용되고 있다.

안테나에서 임피던스 매칭이 매우 중요한데, 매칭이란 안테나의 임피던스와 급전선의 임피던스를 같게 해주는 것으로, 매칭이 이루어지면 부하에 최대의 전력이 공급될 수 있으며 손실이 줄고 정재파비가 낮아지는 효과가 있다.

종래에는 임피던스 매칭을 위하여 임피던스 변환기를 사용했는데, 이는 별도의 변환기를 사용하여야 하는 불편한 점이 있어서, 문제점으로 제기되어 오고 있는 상태다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로, 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법의 목적은, 다양한 주파수 변화에 대응하여 임피던스 매칭을 할 수 있는 다이폴 안테나의 임피던스 매칭 방법을 제공하는데 있다.

도 1은, 다이폴 안테나가 프린트된 PCB의 투시 사시도.

도 2는, 다이폴 안테나가 프린트된 PCB의 상면 사시도.

도 3은, 다이폴 안테나가 프린트된 PCB의 하면 사시도.

도 4는, 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭을 위한 다이폴 안테나 설명도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

2 ; RF회로 10 ; PCB

12 ; PCB 상면 14 ; PCB 하면

16 ; 피드선 18 ; 비어홀

30 ; 다이폴 안테나 31, 32 ; 암

34 ; 슬롯 W ; 슬롯폭

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법은, 가변주파수를 이용하여 파장을 산출하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 산출된 파장과 고정된 길이를 이용하여, 다이폴 안테나 양단의 암(arm)에서 방사되는 전자파의 경로차가 반파장이 되도록 슬롯의 폭을 산출하는 제2단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하면 주파수가 변화에 대응하여 간단한 방법에 의하여 임피던스 매칭을 할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법은, 상기 제 2 단계의 스롯의 폭이, 수학식(2L + W + 1 = λ/2, L은 다이폴 안테나의 길이, λ는 파장, W는 슬롯의 폭)에 의해서 산출되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하면 λ/2 다이폴 안테나를 간단한 구성과 방법으로 임피던스 매칭을 할 수 있게 된다.

다음은 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법에 대한 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 기초로 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭을 위한 PCB 다이폴 안테나의 구성에 대하여 기술한다.

도 1은 다이폴 안테나가 프린트된 PCB의 투시 사시도이고, 도 2는 다이폴 안테나가 프린트된 PCB의 상면 사시도이고, 그리고, 도 3은 다이폴 안테나가 프린트된 PCB의 하면 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)(10)은 RF회로(2)가 마련되어 있는 상면(12)과 다이폴 안테나(30)가 마련되어 있는 하면(14)으로 구성되며, 재질은 유전상수 ε= 4.4인 유전체이다.

상기 PCB 상면(12)에 마련된 RF회로(Radio Freq uency Circuit)(2)는 무선송수신을 위한 소자가 구비되어 있다.

상기 RF회로(2)에는 피드선(feed line)(16)이 연결된다. 상기 피드선(16)은 RF회로(2)의 전력을 하기하는 다이폴 안테나(30)로 전송한다.

상기 피드선(16)의 종단부에는 비어홀(via hole)(18)이 연결된다. 상기 비어홀(18)은 상기 PCB 상면(12)과 PCB 하면(14)을 연결한다. 즉, 상기 PCB 상면(12)에 있는 피드선(16)과 PCB 하면(14)에 있는 다이폴 안테나(30)를 연결하여 RF회로(2)의 전력을 다이폴 안테나(30)로 전송한다. 그리고, 상기 비어홀(18)이 전도성 재질로 되어 있음은 물론이다.

상기 비어홀(18)에는 다이폴 안테나(30)가 연결된다. 상기에서 기술한 바와 같이 다이폴 안테나(30)는 PCB 하면(14)에 마련되어 있다. 상기 다이폴 안테나 (14)는 RF회로(2)에서 상기 비어홀(18)을 통해서 입력되는 전력을 방사(radiation)한다.

다음은 다이폴 안테나(30)의 구성을 상세하게 기술한다. 상기 다이폴 안테나(30)는 180°각을 유지하고 있는 2개의 암(arm)(31, 32)과 슬롯(slot)(34)과 슬롯 폭(slot width)(W)로 구성된다.

상기 암(31, 32)는 비어홀(18)에서 입력된 전력을 방사하거나, 외부의 전자파를 수신하는 기능을 수행한다. 그리고, 상기 슬롯(34)은 암(31)에서 입력되는 전자파가 비어홀(18)까지 가는 경로와 암(32)에서 입력되는 전자파가 비어홀(18)까지 진행하는 경로의 차를 λ/2를 유지하도록 한다.

그리고, 상기 슬롯 폭(W)은 다이폴 안테나 임피던스 매칭에 관여한다.

다음은, 상기와 같은 구성을 가지는 PCB(10)에 프린트된 다이폴 안테나의 임피던스 매칭 방법에 대하여 기술한다.

도 4는 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭을 위한 다이폴 안테나 설명도이다. 도 4에서 L은 다이폴 안테나(30)의 길이이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 한쪽 암(arm)의 길이는 각각 λ/4이고, 급전점인 비어홀(18)에서 점 A, B를 거쳐서 C 점까지의 거리는 위상차 180도가 나는 λ/2이다

그리고, 상기 비어홀(18)에서 점 A, B를 거쳐서 점 C까지의 거리가 λ/2이면 임피던스 매칭이 일어난다. 즉, 다음과 같은 수식이 반파장 다이폴 안테나에서 성립한다.

2L + W + 1 = λ/2 .....(1)

상기 식(1)을 이용하면 주파수에 따라서 원하는 임피던스 매칭을 위한 슬롯폭(W) 또는 길이(L)를 구할 수 있다. 즉, 주파수에 대응하는 상기 식(1)을 만족한는 슬롯폭(W) 또는 길이(L)를 구하여 다이폴 안테나를 설계하면 임피던스 매칭이 일어나서 반사는 발생하지 않는다.

다음은 주파수 변화에 따른 임피던스 매칭을 위한 슬롯폭(W)을 구하는 과정을 예를 들어 기술한다. 하기 하는 [예]에서 다이폴 안테나의 길이(L)은 모두 2cm로 고정되어 있다.

[예1] 주파수(f)가 2GHz인 경우

주파수(f)가 2GHz이면, 파장 λ는,

λ= c/f(c; 전자파의 전파속도)에 의하여 15cm가 되고,

길이 L = 2cm이므로, 따라서,

W = 2.5cm

가 된다.

즉, 주파수(f)가 2GHz인 경우, 슬롯폭(W)을 2.5cm로 하면 임피던스 매칭이 일어난다.

[예2] 주파수(f)가 1.9GHz인 경우

주파수(f)가 1.9GHz이면, 파장 λ는,

λ= c/f(c; 전자파의 전파속도)에 의하여 15.789cm가 되고,

길이 L = 2cm이므로, 따라서,

W = 2.8945cm

가 된다.

즉, 주파수(f)가 1.9GHz인 경우, 슬롯폭(W)을 2.8945cm로 하면 임피던스 매칭이 일어난다.

[예3] 주파수(f)가 2.1GHz인 경우

주파수(f)가 2.1GHz이면, 파장 λ는,

λ= c/f(c; 전자파의 전파속도)에 의하여 14.286cm가 되고,

길이 L = 2cm이므로, 따라서,

W = 2.143cm

가 된다.

즉, 주파수(f)가 2.1GHz인 경우, 슬롯폭(W)을 2.1435cm로 하면 임피던스 매칭이 일어난다.

상기에서 알 수 있듯이, PCB(10)에 다이폴 안테나(30)를 프린트할 때는 슬롯폭(W)을 매칭할려는 주파수에 맞게끔 조절해 주면 된다.

한편, 프린트된 안테나의 중심 주파수(center frequency)는 공정범위 (manufacturing tolerance) 등 여러 가지 요소들에 의해 튜닝(tunning)하는데 매우 어려우므로 여분의 슬롯 폭을 만들어야 한다.

그리고, 안테나가 잘 설계되었는지 확인하려면 각각의 암에서 측정한 전류들이 서로 180도의 위상차가 나는지를 확인하면 된다.

상기 본 발명의 일실시예에서는, 길이(L)을 고정시키고 슬롯폭(W)을 변화시켜서 매칭하는 방법을 사용하였으나, 그 역의 경우 슬롯폭(W)이 고정된 상태에서 길이(L)를 주파수(f)에 맞게 변화시키는 방법에 의해서도 임피던스 매칭할 수 있음은 물론이고 본 발명의 기술적 범위에 속함도 물론이다.

상기의 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 일실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

상기와 같은 구성과 동작 과정을 가지는 본 발명에 의한 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법은, 주파수에 변화에 대응하여 간단한 방법에 의하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims

가변주파수를 이용하여 파장을 산출하는 제1단계와;

상기 제1단계에서 산출된 파장과 고정된 길이를 이용하여, 다이폴 안테나 양단의 암(arm)에서 방사되는 전자파의 경로차가 반파장이 되도록 슬롯의 폭을 산출하는 제2단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나의 임피던스 매칭 방법
제 1 항에 있어서, 상기 제2 단계의 슬롯의 폭은 수학식(2L + W + 1 = λ/2, L은 다이폴 안테나의 길이, λ는 파장, W는 슬롯의 폭)에 의해서 산출되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 임피던스 매칭 방법.