KR20040051002A - 인쇄형 다중대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄형 다중대역 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 유전체 기판과 상기 유전체 기판의 하부의 일부분에 배치된 접지면을 구비하며, 다중대역에서 동작하도록 하기 위한 인쇄형 다중대역 안테나는, 상기 유전체 기판의 상부에 배치되며, 역 L 형상을 가지는 제 1방사소자; 및 상기 유전체 기판의 상부에 상기 제 1 방사소자의 일측에 배치되고, 역 F 형상을 가지는 제 2방사소자를 포함하되, 상기 제 1 및 제 2방사소자의 일부분은 상기 접지면의 상부에 위치하고, 상기 제 2방사소자의 끝부분에 회로적으로 부하장하로 동작하는 제 1 및 제 2부방사소자가 결합된 것을 특징으로 한다.

Description

인쇄형 다중대역 안테나{Printed Multiband Antenna}

본 발명은 인쇄형 다중대역 안테나에 관한 것으로서, 특히 이동 통신 시스템. 무선 랜(Wireless LAN; WLAN) 시스템 및 위치 추적 시스템(Global Positioning System; 이하, 간단히 'GPS'라 함) 등 여러 서비스를 동시에 지원할 수 있는 인쇄형 다중대역 안테나에 관한 것이다.

이동 통신 및 무선 통신의 급속한 발달과 더불어, 하나의 단말기로 다양한이동 및 무선 서비스를 지원하려는 움직임이 커지고 있다.

현재 하나의 단말기로 아날로그와 디지털 셀룰러 이동전화를 동시에 지원하는 다중모드(Multi-mode) 단말기와 셀룰러 이동 전화에 GPS 기능을 결합하여 위치추적과 네비게이션(Navigation) 기능을 할 수 있도록 한 단말기가 선보이고 있으며, 셀룰러 이동전화를 이용한 무선 인터넷이나 무선랜을 통한 보이스 온 인터넷 프로토콜(Voice on Internet Protocol; 이하, 간단히 'VoIP'라 함) 기술 전화 서비스 등도 선보이고 있다.

이러한 다양한 이동 및 무선 서비스는 새로운 기술의 등장과 서비스 제공자들의 발빠른 대응, 그리고 사용자의 편의성을 증대시키려는 노력 등과 맞물려 하나의 단말기로 통합되려고 하고 있다.

그러나, 이러한 다양한 이동 및 무선 서비스는 그 동작 주파수 대역이 서로 다르기 때문에 그러한 통합형 단말기에 적합한 다중대역 안테나에 대한 요구가 커지고 있는데, 단말기용 다중대역 안테나로는 대표적으로 구조 내에서 피치를 달리하는 헬리컬 안테나(대한민국 특허, 출원번호 제1999-7002947호 참조)나, 다수의 방사소자를 가지는 안테나(대한민국 특허, 출원번호 제2002-7001447호 참조) 또는 최근에 등장한 프렉탈 구조(미합중국 특허 제6,104,349호 참조) 등이 있다.

앞으로 등장할 것으로 예상되는 이동전화, GPS, 무선랜을 모두 지원하는 통합형 단말기에 적합한 다중대역 안테나의 원리에 대하여, 이하 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 무선 단말 내에서 안테나가 연결되는 방식을 설명하기 위한 개략도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 이동전화, GPS, 무선랜을 모두 지원하는 통합형 단말기에 적합한 다중대역 안테나는 이동전화와 무선랜(또는 GPS)이 각각 동시에 서비스 될 수 있도록 서로 다른 포트(port)를 통해 급전되는 다중 방사소자 구조(110)가 되어야 할 것으로 보이며, 무선랜과 GPS주파수 대역을 지원하는 방사소자(150)의 경우 다중대역을 형성할 수 있는 구조가 되어야 한다.

또한 단말기 이외에 노트북과 같은 이동식 단말에 부착되어 사용될 경우를 대비해 작고 얇은 형태를 유지하는 것이 바람직할 것으로 보이는데, 이 경우 이동식 단말은 이동 중에는 이동 전화망으로, 무선랜이 접속 가능한 지역에서는 무선랜망으로 무선 데이터를 송수신 할 수 있다는 장점이 있으므로, 이에 적합할 수 있어야 한다.

이러한 통합형 단말기에 적합한 다중대역 안테나를 개발하기 위해서는 인쇄형 안테나 구조가 고려대상이 될 수 있는데, 인쇄형 안테나의 경우 가볍고 저렴하며 대량생산과 다른 고주파 회로와의 집적이 용이한 장점이 있다.

이하, 인쇄형 안테나 중 일반적인 인쇄형 역 에프(F) 안테나에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나의 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 인쇄형 역 F형 안테나는, 인쇄형 모노폴보다 전체 높이가 작으며, 임피던스 정합이 용이하며, 수직 및 수평 편파 모두를 만들어 낼 수 있고, 매우 얇고 유연한 기판을 사용할 경우 신체에 착용 가능한 기기분야(wearable applications)에서 사용될 수 있는 장점이 있다.

현재 다중대역 특성을 가지는 인쇄형 역 F형 안테나의 종래 기술로는 , 논문 1[Salonen, P.; Rantanen, J.,“A dual-band and wide-band antenna on flexible substrate for smart clothing,” IEEE IECON2001, Vol. 1, pp. 125-130, 2001], 논문 2[Mingyan Fan; Zhenghe Feng; Xuexia Zhang, “Dual frequency double-branch printed inverted-F antenna,” IEEE AP-S2002, Vol. 3, pp. 508-511, 2002] 및 논문 3[Yen-Liang Kuo; Yuan-Tung Cheng; Kin-Lu Wong, “Printed inverted-F antennas for applications in wireless communication,” IEEE AP-S2002, Vol. 3, pp. 454-457, 2002]이 각각 제시되어 있다.

여기서 각 논문에 제시된 다중대역 인쇄형 역 F형 안테나의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

상기 논문 1은 높은 공진 주파수와 낮은 공진 주파수를 각각 얻기 위한 짧은 길이와 긴 길이의 암(arm)이 단락부에서 분기되어 적층형으로 연결되어 이중대역으로 동작하는 역 F형 안테나를 제시하고 있으며, 상기 논문 2는 높은 공진 주파수와 낮은 공진 주파수를 각각 얻기 위한 짧은 직선형의 암(arm)과 긴 미앤더(meander)형 암이 급전선에서 분기되어 연결되어 이중대역으로 동작하는 역 F형 안테나를 제시하고 있다.

또한, 상기 논문 3은 높은 공진 주파수와 낮은 공진 주파수를 각각 얻기 위한 짧은 길이와 긴 길이의 암(arm)이 단락부와 급전선에서 동시에 분기되어 적층형으로 연결되어 이중대역으로 동작하는 역 F형 안테나를 제시하고 있다.

그러나, 상기 논문들은 이중대역으로만 동작할 수 있는 안테나를 제시하고 있으므로, GPS와 2.4GHz, 5.7GHz 대역의 무선랜을 동시에 지원할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 상기 논문들에서 제시된 약 λ/4의 방사부 길이는 제일 낮은 동작 주파수인 GPS 주파수 대역(1.575GHz)에서 비교적 큰 물리적 크기를 형성한다는 문제점이 있다.

뿐만 아니라 이동전화 주파수 대역을 지원할 또 다른 방사소자(상기 도 2의 110)를 작은 공간 내에 효과적으로 위치시킬 수 있는 기술이 요구된다 할 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 삼중대역 특성을 가지는 동시에, 그 물리적인 크기를 줄일 수 있는 인쇄형 다중대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 무선 단말 내에서 안테나가 연결되는 방식을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 다중대역 인쇄형 안테나의 제 1실시예 사시도,

도 4는 상기 도 3의 제 1방사소자의 제 2공진 주파수를 형성하는 부분을 설명하기 위한 일실시예 상세 구조도,

도 5는 상기 도 2의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 그래프,

도 6은 상기 도 4의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 일실시예 그래프,

도 7은 상기 도 3의 제 1방사소자의 제 3공진 주파수를 형성하는 부분을 설명하기 위한 일실시예 상세 구조도,

도 8은 상기 도 7의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 일실시예 그래프,

도 9는 상기 도 3의 제 2방사소자의 일실시예 상세 구조도,

도 10은 상기 도 3의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 일실시예 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 인쇄형 다중대역 안테나의 제 2실시예 사시도,

도 12는 상기 도 11의 일실시예 배면도,

도 13은 본 발명에 따른 인쇄형 다중대역 안테나의 수평평면에서의 방사패턴을 설명하기 위한 일실시예 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

300, 301, 302, 303 : 변형된 역 F형 안테나

306, 307, 1101, 1102 : 역 L형 안테나

308 : 접지면

309 : 유전체 기판

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유전체 기판과 상기 유전체 기판의 하부의 일부분에 배치된 접지면을 구비하며, 다중대역에서 동작하도록 하기 위한 인쇄형 다중대역 안테나에 있어서, 상기 유전체 기판의 상부에 배치되며, 역 L 형상을 가지는 제 1방사소자; 및 상기 유전체 기판의 상부에 상기 제 1 방사소자의 일측에 배치되고, 역 F 형상을 가지는 제 2방사소자를 포함하되, 상기 제 1 및 제2방사소자의 일부분은 상기 접지면의 상부에 위치하고, 상기 제 2방사소자의 끝부분에 회로적으로 부하장하로 동작하는 제 1 및 제 2부방사소자가 결합된 것을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나를 제공한다.

또한, 본 발명은 유전체 기판과 상기 유전체 기판의 하부의 일부분에 배치된 접지면을 구비하며, 다중대역에서 동작하도록 하기 위한 인쇄형 다중대역 안테나에 있어서, 제 1항 내지 제 6항의 제 2방사소자를 포함하되, 제 1방사소자는 동일 평판형 도파관(CPW) 급전의 역 L형 형상을 가지며, 상기 유전체 기판의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나를 제공한다.

본 발명은 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나의 방사부 일부(상기 도 2의 210) 끝에서 양쪽으로 분기되어 연결된 새로운 금속 선로를 가지는 것을 특징으로 하며, 이 양쪽으로 분기되어 연결된 새로운 2개의 금속 선로는 각각 새로운 공진 주파수를 형성하면서, 동시에 기본적인 역 F형 안테나에서 형성된 공진 주파수를 감소시키는 역할을 하는데, 그 결과 전체적인 안테나의 물리적인 크기를 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 이동전화 주파수 대역에서 동작하는 방사소자인 인쇄형 역 L형 안테나를 변형된 인쇄형 역 F형 안테나와 겹쳐지지 않으면서도 작은 공간 내에서 좋은 전기적 특성을 유지하도록 효과적으로 공간적 배치를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 대하여 상세한 설명을 함에 있어서, 삼중대역을 설명하기 위하여, 이동 전화, 무선랜 및 GPS 대역을 일예로 설명하였으나, 이는 본 발명에 따른 안테나가 다중대역 특성을 갖는 것을 설명하기 위한 일실시예일 뿐, 다른 주파수 대역에서도 활용할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 인쇄형 다중대역 안테나의 제 1실시예 사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 인쇄형 다중대역 인쇄형 안테나는, RF 신호를 전송하는 접지면(308) 위의 전송선로(300, 306)와, 이와 연결된 분기형의 안테나 구조(301, 302, 303, 304 및 307)가 유전체 기판(309) 위에 포토 에칭 기법으로 형성되어 있고, 안테나 구조의 일부(304)가 상기 접지면(308)과 단락이 되도록 단락핀(305)을 통해 연결되도록 형성되어 있다.

이하, 편의를 위하여 상기 도 3에 도시된 변형된 역 F형 안테나(300, 301, 302 및 303)를 제 1방사소자, 역 L형 안테나(306 및 307)를 제 2방사소자라 한다.

도 4는 상기 도 3의 제 1방사소자의 제 2공진 주파수를 형성하는 부분을 설명하기 위한 일실시예 상세 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2공진 주파수를 형성하는 부분은, 상기 도 2와 같은 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나로부터 부가적인 공진 특성을 얻기 위해 그 형태가 변형되는 구조를 가진다.

상기 도 2의 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나는, 꺾여진 형태로 인해 인쇄형 모노폴보다 전체 높이를 감소할 수 있는데, 접지면과 평행한 부분(210)에 의해 발생하는 캐패시턴스(Capacitance)를 단락회로 스터브(220, 230)를 통해 보상할 수 있다.

이때 길이 L1에 의해 그 공진 주파수가 결정되며, 길이 L2와 h1은 주로 임피던스 정합에 관련된다.

도 5는 상기 도 2의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 도 2의 L1에 의해 그 공진 주파수(f1)가 결정될 수 있다.

만약, 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나의 끝부분에 도 4와 같이 부가적인 선로(302)를 결합하면 새로운 공진 주파수가 발생할 수 있다.

도 6은 상기 도 4의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 부가적인 선로(302)의 결합에 의하여, 기존의 제 1공진 주파수(f1) 이외에, 새로운 제 2공진 주파수(f2)가 발생하였음을 알 수 있다.

이 때, 상기 부가적인 선로(302)는 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나에 부하장하(Reactive Loading) 역할을 하게 되는데, 그 결과 제 2공진 주파수(f2)가 형성되고, 기본 구조의 공진 주파수(f1)도 부가적인 선로가 없을 경우보다 약 15% 정도 감소하게 된다. 이것은 전체적인 안테나의 물리적인 길이가 줄어들 수 있음을 의미하는 것이다.

도 7은 상기 도 3의 제 1방사소자의 제 3공진 주파수를 형성하는 부분을 설명하기 위한 일실시예 상세 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3공진 주파수를 형성하는 부분은, 이중공진 특성을 가지는 상기 도 4의 구조에 또 다른 부가적인 선로(303)를 선로 302의 반대쪽으로 형성한 것이다.

도 8은 상기 도 7의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 새로운 부가적인 선로(303)의 결합에 의하여, 기존의 제 1 및 제 2공진 주파수(f1 및 f2) 이외에, 새로운 제 3공진 주파수(f3)가 발생하였음을 알 수 있다.

이 때, 또 다른 부가적인 선로(303)도 역시 부하장하의 역할을 하게 되고, 그 결과 설계하고자 하는 주파수 대역에서 공진현상이 일어나도록 조절할 수 있다.

두 개의 부가적인 선로(302, 303)로 인한 제 1공진 주파수(f1)의 감소는 약 25% 정도이다.

상기 부가적인 선로(302, 303)의 길이는 제 2 및 제 3공진 주파수에 따라 결정될 수 있다.

도 9는 상기 도 3의 제 2방사소자의 일실시예 상세 구조도이다.

상기 제 2방사소자는, 2.4GHz와 5.7GHz 대역의 무선랜, 그리고 GPS를 동시에 지원할 수 있는 제 1 방사소자와 함께, 작은 공간 내에서 같이 위치될 이동전화 주파수 대역을 지원할 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2방사소자는 제 1방사소자와 달리캐패시턴스를 보상해줄 단락회로 스터브를 갖고 있지 않은데, 이에 따라 임피던스 정합을 위하여 부가적인 정합 회로를 가지거나, 상기 접지면(308)으로부터 그 높이(h2)를 크게 하여야 한다.

이 높아진 역 L형 안테나인 제 2방사소자는 배치 공간의 측면에서 변형된 인쇄형 역 F형 안테나인 제 1방사소자와 함께 작은 공간에 놓여질 수 있는 가능성을 커지게 한다.

그리고 일반적인 모노폴보다 전체 높이는 작게 유지할 수 있고, 수평 및 수직 편파 모두를 만들어 내기 때문에 안테나의 편파 다이버시티(polarization diversity) 효과 역시 기대할 수 있다.

도 10은 상기 도 3의 안테나의 전압 정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2방사소자가 동시에 존재하는 본 발명의 인쇄형 다중대역 안테나의 전압 정재파비(VSWR)에 따라, 2.4GHz와 5.7GHz 대역의 무선랜과 GPS를 지원함과 동시에, 이동 전화대역(f0) 역시 지원할 수 있음을 알 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 인쇄형 다중대역 안테나의 제 2실시예 사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2실시예는, 제 2방사소자로 상기 도 3의 마이크로스트립 선로 급전의 인쇄형 역 L형 안테나 대신 동일 평판형 도파관(CoPlanar Waveguide; 이하, 간단히 'CPW'라 함) 급전(1101)의 인쇄형 역 L형 안테나(1102)를 사용할 수 있다.

도 12는 상기 도 11의 일실시예 배면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 인쇄형 다중대역 안테나는, 역 L형 안테나(1102)가 상기 접지면(308)과 같은 면에 위치하므로, 제 1방사소자와 제 2방사소자 간의 상호결합(Mutual Coupling)의 영향을 줄일 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 인쇄형 다중대역 안테나의 수평평면에서의 방사패턴을 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 안테나의 수평평면(Azimuth Plane, xy-평면)에서 방사패턴은, 주파수 증가에 따른 안테나 구조의 전기적 크기 증가로 인해 방사패턴이 조금씩 찌그러지고는 있지만, 일반적인 단말기 안테나의 방사패턴 형태를 유지하고 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 기본적인 인쇄형 역 F형 안테나의 끝에 부하장하의 기능을 하는 부가적인 두 선로를 결합함으로써, 새로운 두 공진 주파수를 형성하는 동시에, 기존의 공진 주파수를 감소시켜 전체적인 안테나의 물리적인 크기를 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 변형된 인쇄형 역 F형 안테나와 가까이 놓여진, 반사판으로부터의 높이가 높아진 인쇄형 역 L형 안테나가 부가적인 임피던스 정합회로 없이도 임피던스 정합이 가능하도록 함으로써, 전체적인 안테나의 물리적인 크기를 작게 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 얇은 유전체 기판 위에 인쇄형 방식으로 제작함으로써, 무게가 가볍고, 제조 과정이 단순하며, 제작비가 싸면서, 다른 고주파 회로와 집적이 용이하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이동전화 서비스를 위한 방사소자와 무선랜, GPS 서비스를 위한 방사소자를 분리함으로써, 두 서비스가 동시에 제공될 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 유전체 기판과 상기 유전체 기판의 하부의 일부분에 배치된 접지면을 구비하며, 다중대역에서 동작하도록 하기 위한 인쇄형 다중대역 안테나에 있어서,

   상기 유전체 기판의 상부에 배치되며, 역 L 형상을 가지는 제 1방사소자; 및

   상기 유전체 기판의 상부에 상기 제 1 방사소자의 일측에 배치되고, 역 F 형상을 가지는 제 2방사소자를 포함하되,

   상기 제 1 및 제 2방사소자의 일부분은 상기 접지면의 상부에 위치하고,

   상기 제 2방사소자의 끝부분에 회로적으로 부하장하로 동작하는 제 1 및 제 2부방사소자가 결합된 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2방사소자는,

   상기 유전체 기판 위에 포토 에칭 기법으로 형성된 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1방사소자는,

   반사판으로부터의 높이가 높은 형상으로, 상기 제 2방사소자의 일부분과 그 형상이 대칭되도록 배치되는 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2방사소자는,

   상기 접지면과 단락되도록 단락핀을 통해 연결되도록 형성된 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2부방사소자는,

   상기 제 2방사소자에 대하여 상기 제 1부방사소자의 반대쪽에 배치되는 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2부방사소자는,

   각각 공진 주파수에 의해 그 길이가 결정되는 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.
7. 유전체 기판과 상기 유전체 기판의 하부의 일부분에 배치된 접지면을 구비하며, 다중대역에서 동작하도록 하기 위한 인쇄형 다중대역 안테나에 있어서,

   제 1항 내지 제 6항의 제 2방사소자를 포함하되,

   제 1방사소자는 동일 평판형 도파관(CPW) 급전의 역 L형 형상을 가지며, 상기 유전체 기판의 하부에 배치되는 것

   을 특징으로 하는 인쇄형 다중대역 안테나.