KR20060100158A

KR20060100158A - 수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나

Info

Publication number: KR20060100158A
Application number: KR1020050021872A
Authority: KR
Inventors: 김영일; 이성수; 박익모; 정종호; 문영민
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-20
Also published as: US20060256015A1; US7268730B2; KR100680728B1

Abstract

수직 접지면을 가지는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나가 개시된다. 본 발명에 따른 수직 접지면을 가지는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나는 단락된 사각 디스크 아래에 폴디드 스트립 선로를 위치시킴으로써 소형(0.085λ₀×0.085λ₀×0.085λ₀)으로 구현할 수 있으며, 단락된 사각 디스크의 공진과 사각 폴디드 스트립선로 급전의 공진을 결합함으로써 중심 주파수 2.313 GHz에서 VSWR≤2를 기준으로 약 37.6%의 넓은 대역폭을 이룰 수 있다. 또한, 수직한 접지면에 의한 복사패턴의 왜곡현상을 개선하기 위하여 접지면에 직사각형의 슬릿을 삽임합으로써 후방복사가 3 dBi이상 감소된다. 설계한 안테나는 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향성의 복사패턴을 보이며 이득은 대역폭 내에서 약 2.6 dBi의 값을 갖는다.

모노폴, 패치, 단락핀, RLC, 수직 접지면

Description

수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나{The small broadband monopole antenna having the perpendicular ground plane with electromagnetically coupled feed}

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직 접지판을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 도면으로서, 도 1a 내지 도 1c는 각각 본 안테나의 평면도, 측면도 및 사시도,

도 2는 디스크의 단락핀의 지름 변화에 따른 반사손실 특성을 도시한 그래프,

도 3은 폴디드 급전 선로의 길이 l _S 의 변화에 따른 안테나 반사손실의 특성을 도시한 그래프,

도 4는 폴디드 스트립 선로의 높이 변화에 따른 반사손실 특성을 도시한 그래프,

도 5a 및 도 5b는 단락핀과 프로브의 간격 변화에 따른 안테나의 특성 변화를 도시한 그래프,

도 6은 도 1에 도시된 안테나와 종래의 모노폴 안테나에서의 반사 손실의 특성 변화를 도시한 그래프,

도 7a 내지 7c는 대역폭 내에서 안테나의 E_θ복사패턴을 도시한 그래프,

도 8a 및 도 8b는 접지면의 수직 길이에 따른 안테나의 복사 패턴을 도시한 그래프,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 접지면에 슬릿이 삽입된 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 도면,

도 10은 도 9에 도시된 안테나의 반사손실을 도시한 그래프, 그리고

도 11a 내지 도 11c는 도 9에 도시된 안테나의 E_θ복사패턴을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *

100: 본 발명의 일실시예에 따른 수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나

10: 디스크 12: 사각 폴디드 스트립 선로

14: 프로브 15: 패치

16: 단락핀 18a, 18b: 제1, 제2 유전체 기판

19: 수직 접지판 20: 마이크로스트립 라인

50a, 50b: 제1, 제2 슬릿

900: 본 발명의 다른 일실시예에 따른 수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급 전 소형 광대역 모노폴 안테나

본 발명은 수직한 접지면에 연결된 단락된 사각 디스크와 폴디드 스트립 선호 급전의 전자기적 결합에 의해 확장된 대역폭을 가지는 소형 디스크-로디드 모노폴 안테나에 관한 것이다.

현재 이동통신의 기능이 급속하게 발달하여 단말기에서 영화나 TV 시청이 가능해지고, 카메라, MP3 재생과 같은 기능이 부가됨에 따라 이동통신 단말기는 이제 통신의 도구만이 아니라 여가 시간을 즐기는 수단의 하나로 바뀌고 있다. 또한 PDA 등과 같이 하나의 단말기에서 이동통신기능과 WLAN 등의 기능을 동시에 사용할 수 있는 다중 대역, 다기능의 통신 단말기가 개발됨에 따라서, 단말기용 안테나 역시 여러 통신 대역에서 하나의 안테나로 사용할 수 있는 소형의 크기와 넓은 대역폭, 그리고 고 이득의 특성을 가지는 안테나가 요구되고 있다.

현재 단말기에 적용하기 위한 내장형 소형 안테나는 모노폴 형태의 안테나와 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 안테나를 중심으로 많이 연구되고 있는데, PIFA 안테나의 경우 안테나 평면에 수직한 방향으로 최대 이득을 가지게 되므로 이동 통신 시스템과 같이 불특정한 방향에서 신호가 들어오는 경우에는 안테나의 위치에 따라 통화 감도, 데이터 전송속도 등의 성능의 차이가 크게 나타나게 된다. [이들 안테나에 관한 자세한 사항은 1) Y. B. Kwon, J. I. Moon, and S. O. Park, "An internal triple-band inverted-F antenna," IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett., vol. 2, pp. 341-344, 2003; 2) M. F. Abedin and M. Ali, "Modifying the ground plane and its effect on planar inverted-F antenna (PIFAs) for mobile phone handsets," IEEE Antennas Wireless Propagat . Lett., vol. 2, pp. 226-229, 2003; 3) J. Fuhl, P. Nowak, and E. Bonek, "Improved internal antenna for hand-held terminals," Electron. Lett., vol. 30, no. 22, pp. 1816-1818, Oct. 1994. 등을 참조하기 바람.]

그러므로, 이동 통신 단말기에는 전 방향성의 복사 패턴을 가지는 모노폴 형태의 안테나가 적합하다. 그러나, 모노폴은 0.25λ의 공진 길이를 가지게 되므로 내장형 안테나로 응용하기 위해서는 구조의 소형화가 가장 중요하다. 모노폴 안테나의 소형화를 위하여 가장 널리 사용되고 있는 방법은 안테나를 폴디드(folded) 형태로 변형시키는 것이다. [이들 안테나에 관한 자세한 사항은 4)F. S. Chang, S. H. Yeh, and K. L. Wong, "Planar monopole in wrapped structure for low-profile GSM/DCS mobile phone antenna," Electron. Lett., vol. 38, no. 11, pp. 499-500, May 2002; 5)P. L. Teng and K. L. Wong, "Planar monopole folded into a compact structure for very-low-profile multi-band mobile phone antenna," Microwave Opt. Technol . Lett., vol. 33, no. 1, pp. 22-25, Apr. 2002; 6)C. Y. Chiu, P. L. Teng, and K. L. Wong, "Shorted, folded planar monopole antenna for dual-band mobile phone," Electron. Lett., vol. 39, no. 18, pp. 1301-1302, Sept. 2003; 7)B. Sun, Q. Liu, and H. Xie, "Compact monopole antenna for GSM/DCS operation of mobile handsets," Electron. Lett., vol. 39, no. 22, pp. 1562-1563, Oct. 2003; 8)K. L. Wong, Planar Antennas for Wireless Communications. New York: Wiley, 2003, pp. 26-71. 등을 참고하기 바람.]

그러나, 스트립 선로를 미앤더 등의 폴디드 형태로 함으로써 안테나의 물리적 크기를 감소시킬 수는 있지만, 안테나의 대역폭은 좁아지게 된다. 따라서, 폴디드 모노폴 형태의 안테나들은 급전선에서 서로 다른 공진 길이를 가지는 모노폴을 연결시켜 이중대역 안테나로 응용하는 것이 대부분이다. 모노폴 안테나의 또 다른 소형화 방법으로는 폴디드 형태의 단락된 평면 모노폴과 급전 패치를 전자기적 결합력을 이용하여 급전한 구조가 있다. [ S. H. Yeh, Y. Y. Chen, and K. L. Wong, "A low-profile, bent and shorted planar monopole antenna with reduced backward radiation for mobile phones," Microwave Opt. Technol . Lett., vol. 33, no. 2, pp. 146-147, Apr. 2002. 참고 바람.] 이러한 구조는 높이를 중심 주파수의 0.1λ로 낮출 수는 있으나, 대역폭은 10% 이하로 좁게 나타난다.

최근에는 △-형태로 테이퍼(taper)된 스트립 선로를 반복적으로 접어서 적층시킴으로써 안테나의 높이를 감소시킨 구조가 제안되었다. [I. F. Chen and C. M. Chiang, "Multi-folded tapered monopole antenna for wideband mobile handset applications," Electron. Lett., vol. 40, no. 10, pp. 577-578, May 2004.를 참조 바람.] 이 구조는 안테나의 높이가 중심 주파수를 기준으로 0.09λ이며, 13%의 대역폭을 가진다. 그러나, 지금까지 살펴본 다양한 모노폴 안테나들은 구조의 높이를 감소시킬 수 있어서 내장형 안테나로는 적합하겠지만, 광대역 통신에 응용하기 에는 대역폭이 좁은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 수직한 접지면에 연결된 단락된 사각 디스크와 폴디드 스트립선로 급전의 전자기적 결합에 의해 확장된 대역폭을 가지는 수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나 제공하기 위함이다.

본 발명의 다른 목적은 접지면에 형성되는 복귀전류의 영향에 의해 발생하는 복사패턴의 왜곡을 줄일 수 있도록 수직한 접지면에 직사각형의 슬릿을 삽입하여 접지면에서의 전류 분포를 변화시킨 수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나 안테나를 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 접지판을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나에 의하면, 소정 길이를 갖는 스트립 선로 프로브와 단락된 패치를 전자기적으로 결합하여 급전하는 구조로 이루어지고, 상기 스트립 선로 급전에서의 직렬공진과 상기 단락된 패치가 상기 스트립 선로 급전에 의해서 커플링되어 발생하는 병렬공진이 결합하여 넓은 주파수의 대역폭을 가지며, 접지면이 상기 스트립 선로 및 상기 단락된 패치와 수직방향에 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 접지면이 상기 스트립 선로 및 상기 단락된 패치와 수직방향에 위치하는 구조는, 상기 스트립 선로가 제2 유전체 기판의 일면에 형성된 소정 지름의 마이크로스트립 라인에 의해 프로브 급전되며, 상기 단락된 패치는 단락핀을 통 하여 상기 제2 유전체 기판의 다른 면에 형성된 수직 접지판의 상단에 접속되는 구조인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제2 유전체 기판은, 상기 스트립 선로 및 상기 단락된 패치에 수직한 방향에 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 본 발명에 따른 안테나는 상기 수직 접지판의 좌측 상단 및 우측 상단으로부터 소정 수직 거리만큼 떨어진 위치에 각각 직사각형 형태로 대칭적으로 배열된 복수의 제1, 제2 슬릿;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 슬릿은, 상기 수직 접지판에 흐르는 복귀전류의 흐름을 변화시켜 상기 수직 접지판 자체 복사에 의한 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 슬릿은, 접지면 방향으로의 후방복사를 감소시켜 안테나의 전방 방향으로 이득을 향상시키는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 단락된 패치는 커패시턴스 성분의 모노폴로 동작하고, 상기 스트립 급전 선로는 인덕턴스 성분의 모노폴로 동작하는 것에 의해, 상기 단락된 패치의 커패시턴스 성분을 상기 스트립 급전 선로의 인덕턴스 성분으로 보상하여 줌으로써 넓은 대역의 대역폭을 얻을 수 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스트립 선로 급전의 공진과 상기 단락된 패치의 공진이 서로 다른 주파수에서 발생하도록 하여서 이중대역을 가지도록 설계되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스트립 선로 프로브의 형태는 스파이럴(spiral) 형태, 나선(helix) 형태 그리고 직선의 스트립 선로를 접어서 구현된 폴디드(folded) 형태 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 단락된 패치와 상기 스파이럴 스트립 선로와의 사이에 배치되는 제1 유전체 기판을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직 접지면을 갖는 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 도면으로서, 도 1a 내지 도 1c는 각각 본 안테나의 평면도, 측면도 및 사시도이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 접지면은 x-z평면에 위치하고 있으며 길이 A=80 mm, 폭 B=90 mm의 직사각형의 형태로 되어 있다. 접지면에 사용된 제2 유전체기판(18b)은 비유전율 ε_r2=3.38, 두께 t=0.508 mm인 RO 4003 이다. 안테나(100)는 접지면의 한쪽 끝단에 연결되어 있으며, z축 방향으로 접지면에 수직하게 세워져 있다.

사각 디스크(10)는 길이 L, 폭 W, 높이 h이며, 디스크(10)의 중앙지점을 지름 φ1의 단락핀(16)을 이용하여 접지면과 연결하였다. 또한, 단락된 사각 디스크(10)의 크기를 감소시키기 위하여 사각 디스크(10)의 하면에는 고유전율의 제1 유전체 기판(18a)이 삽입된다. 제1 유전체 기판(18a)은 비유전율 ε_r1=10.2이고, 두께 h1=1.27 mm인 RT/Duroid 6010 기판이다.

사각 스트립 선로(12)는 폴디드 형태로써 선로(12)의 총 길이는 ls를 가지고 선로(12)의 폭은 w _s 이며, 접지면의 끝단으로부터 h _f 의 떨어진 높이에서 지름 φ2인 프로브(14)를 사용하여 접지면의 마이크로스트립 급전 선로(20와 연결하였다.

이 때, 사각 폴디드 스트립 선로(12)의 폭이 프로브(14)의 지름보다 일반적으로 좁게 되므로 각각의 끝단을 길이 a를 가지는 정사각형의 소형 패치(15)를 사용하여 연결하였다. 그리고 사각 디스크(10)의 단락핀(16)과 폴디드 스트립선로(12) 급전부의 수직한 프로브(14) 사이의 간격은 d만큼 떨어져 전자기적으로 결합시켰다. 안테나의 급전을 위한 마이크로스트립 급전선로(20)는 50 Ω의 특성 임피던스를 가지도록 선로의 폭을 wf=1.2 mm로 하였다.

단락된 사각 디스크(10)는 사각 스트립 선로(12) 급전의 임피던스 정합 특성을 향상시킴과 동시에 급전선으로부터 전자기적 결합의 영향으로 공진을 일으키게 되어 커패시턴스 성분의 사각 디스크(10)가 결합된 모노폴 안테나로서 동작하게 된다. 또한, 단락된 사각 디스크(10)는 커패시턴스와 사각 디스크(10)와 인덕턴스 성분의 단락핀(16)을 가지는 병렬 RLC 공진회로로 등가화된다. 그러므로, 사각 스트립 선로 급전 안테나는 직렬 공진을 가지는 사각 스트립 선로(12) 급전과 사각 스트립 선로(12)와 전자기적으로 결합하여 병렬 공진을 하는 단락된 사각 디스크(10)가 각각 모노폴 안테나로서 동작하게 된다. 안테나는 스트립 선로(12) 급전과 단락된 사각 디스크(10)의 인덕턴스와 커패시턴스의 조절에 의해서 공진 특성의 조절이 가능하게 되며, 이러한 특성을 이용하여 넓은 단일 대역 또는 이중 대역 특성을 가지도록 안테나를 설계할 수 있다. 한편, 도 1에서 스트립 급전 선로는 폴디드 형태 로 구현되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 나선(helix) 형태, 스파이럴 형태 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 1에 도시된 안테나 구조들은 직렬 RLC 공진회로로 동작하는 스트립 선로 급전과 병렬 RLC 공진회로인 단락된 사각 디스크를 전자기적으로 결합한 형태로서 동일한 동작원리를 가지게 된다.

다음으로 본 발명에 따른 모노폴 안테나의 설계 방안과 특성을 설명하기로 한다. 본 발명자는 안테나 설계 및 제작을 위한 전자기(EM) 시뮬레이션은 FEM(Finite Element Method) 방식을 기반으로 한 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하여 유한 접지면(finite-ground) 상에서 계산하였다.

전자기적 결합 급전 디스크-로디드 모노폴 안테나는 기본적으로 각각의 공진 주파수를 가지는 단락된 사각 디스크 모노폴과 폴디드 스트립 선로 급전 모노폴 안테나가 전자기적으로 결합된 구조이다. 안테나에서 단락핀의 지름(φ1), 폴디드 스트립 선로의 길이(l _S ), 급전 프로브의 높이(h _f ) 등은 안테나의 공진 주파수를 변화시켜 대역폭에 영향을 주게 되고, 단락된 사각 디스크 모노폴과 폴디드 스트립선로 급전 모노폴 사이의 간격은 두 모노폴 사이의 전자기적 결합 세기에 영향을 준다.

일반적으로 단락된 사각 디스크 모노폴은 낮은 공진주파수를 결정하고 폴디드 스트립선로 급전 모노폴은 높은 공진주파수를 결정한다. 두 공진주파수가 가까이 있으면 광대역 특성이 나타나고 멀리 떨어져 있으면 이중 공진 특성이 나타나게 된다.

도 2는 디스크의 단락핀의 지름 변화에 따른 반사손실 특성을 도시한 그래프이다. 사각 디스크의 크기는 L=W=11.0 mm이며 접지면으로부터 높이 h=11.0 mm에 위치하는 것으로 가정한다. 또한, 폴디드 스트립선로 급전부는 스트립선로의 길이 l _s =21.9 mm, 폭 w _s =0.3 mm이고 폴디드 스트립선로와 연결된 프로브는 지름 φ ₂ =0.86 mm와 높이 h _f =8.4 mm이다.

도 2를 참조하면, 단락된 사각 디스크 모노폴에 의해 결정되는 낮은 공진 주파수는 단락핀의 지름이 1.2 mm일 때 1.89 GHz를 가지게 된다. 그러나 지름이 1.6 mm와 2.0 mm로 증가하게 되면 공진 주파수는 2.02 GHz, 2.11 GHz로 높아지게 된다.

반면에 폴디드 스트립선로의 길이에 의해 결정되는 높은 공진 주파수는 단락핀의 지름 증가에 따라서 2.53 GHz에서 2.47 GHz까지 공진 주파수가 낮아지게 되지만, 낮은 쪽의 주파수 변화와 비교하면 거의 변화가 없다. 또한, 단락핀의 지름이 증가하여 낮은 공진 주파수가 점차 높아지게 되면 두 공진 주파수의 결합에 의하여 정합 특성은 향상되지만, 안테나의 대역폭이 감소하게 된다.

도 3은 폴디드 급전 선로의 길이 l _S 의 변화에 따른 안테나 반사손실의 변화를 도시한 그래프이다. 변수에 따른 특성의 비교를 위하여 ls를 제외한 다른 설계 변수들은 도 2에서와 동일하도록 하였다. 도 3을 참조하면, 폴디드 스트립선로의 길이 ls를 19.9 mm에서 23.9 mm로 2.0 mm씩 변화시키면 폴디드 스트립선로 급전 모노폴의 공진 길이를 증가시켜 공진 주파수가 낮아지게 된다. 반사손실을 살펴보면, 폴디드 스트립선로 길이의 증가에 따라서 높은 공진 주파수는 2.70 GHz에서 2.39 GHz로 내려가는 것을 알 수 있다. 하지만 단락된 사각 디스크 모노폴에 의해 결정되는 낮은 공진 주파수는 폴디드 스트립선로의 길이가 19.9 mm, 21.9 mm 일 때 약 2.0 GHz, 그리고 23.9 mm에서 약 1.95 GHz로써 폴디드 스트립선로의 길이 변화에 관계없이 거의 일정한 주파수를 유지하게 된다.

도 4는 폴디드 스트립 선로의 높이 변화에 따른 반사손실 특성을 도시한 그래프이다. 폴디드 스트립 선로의 높이 변화는 프로브의 길이를 변화시키므로, 폴디드 스트립선로의 길이 변화와 마찬가지로 스트립선로 급전 모노폴의 공진 주파수에 영향을 주게 된다. 폴디드 스트립선로의 높이가 증가함에 따라서 급전 프로브 길이가 증가하게 되므로, 높은 공진 주파수가 2.635 GHz에서 2.405 GHz로 내려가게 된다. 반면에 낮은 쪽의 공진 주파수는 7.9 mm와 8.4 mm일 때는 약 2.0 GHz를 유지하지만 8.9 mm일 때는 1.88 GHz로 내려가며 정합이 잘 되지 않게 된다. 도 3과 도 4의 결과를 비교하여 보면 폴디드 스트립선로 급전 모노폴의 공진길이 변화는 이중 공진 중에서 높은 공진 주파수에 영향을 주게 되며, 이 때 프로브의 수직 길이에 따른 공진 주파수의 변화가 폴디드 스트립선로의 수평 길이에 의한 공진 주파수의 변화보다 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

도 5는 단락핀과 프로브의 간격 변화에 따른 안테나의 특성 변화를 도시한 그래프이다. 단락핀과 프로브 사이의 간격은 두 모노폴 사이의 전자기적 결합력에 영향을 주게 된다.

도 5a의 반사손실의 변화를 살펴보면, 단락핀과 프로브의 간격이 1.8 mm에서 7.8 mm로 증가함에 따라서 안테나의 공진 주파수는 전체적으로 낮아지게 된다. 그 리고 간격 1.8 mm에서 안테나는 정합이 잘 이루어지지 않지만, 단락핀과 프로브의 간격이 4.8 mm로 증가하면서 정합 특성은 향상되어 넓은 대역폭을 이루게 된다. 그러나, 단락핀과 프로브의 간격이 4.8 mm보다 증가하여 7.8 mm가 되면 안테나의 반사손실 특성은 다시 나빠지게 된다.

도 5b의 임피던스 특성 변화를 살펴보면, 단락핀과 프로브의 간격이 1.8 mm일 때 두 모노폴 구조 사이의 전자기적 결합력이 크게 발생하여(over coupling) 임피던스 궤적은 정합영역을 벗어나서 위치하여 있게 된다. 단락핀과 프로브의 간격이 4.8 mm일 때 두 모노폴 사이에서의 전자기적 결합력이 적절하게 발생하여 (critical coupling) 임피던스 궤적은 정합영역에 위치하게 되고, 이 때 안테나는 가장 넓은 대역폭을 이룬다. 그러나, 단락핀과 프로브의 간격이 7.8 mm가 되면 전자기적 결합력은 약해지게 되어 (under coupling) 임피던스 궤적은 정합영역을 벗어나게 된다.

도 6은 도 1에 도시된 안테나와 종래의 모노폴 안테나에서의 반사 손실의 특성 변화를 도시한 그래프이다. 상기 그래프에서는 앞에서 살펴본 설계변수에 따른 특성 변화들을 바탕으로 최적화된 안테나의 계산된 반사손실과 측정된 반사손실을 나타내었으며, 최적화된 안테나의 설계 변수는 표 1과 같다.

	설계변수	길이(mm)
단락된 디스크	L	11.0
	W	11.0
	h	11.0
	h ₁	1.27
	φ ₁	1.6
사각 폴디드 스트립 선로 급전	l _S	21.9
	w _S	0.3
	a	1.4
	d	4.8
	h _f	8.4
	φ ₂	0.86

한편, 종래의 프로브 급전 사각 디스크-로디드 모노폴 안테나는 디스크의 중앙에 급전 프로브가 연결된 구조로써 사각 디스크의 크기는 본 발명에서 제안한 안테나의 디스크 크기와 동일하고, 디스크의 중앙 지점과 접지면의 50 Ω 선로는 지름 1.6 mm의 프로브를 이용해 급전하였다. 사각 디스크에 사용된 기판의 유전율과 두께 그리고 접지면의 크기 역시 본 발명에서 제안한 안테나와 동일하게 하였다.

종래의 프로브 급전 사각 디스크-로디드 모노폴 안테나의 경우(곡선 ①) 계산된 대역폭은 VSWR≤2를 기준으로 하여 2.13 GHz에서 2.43 GHz까지 중심주파수 2.28 GHz에서 약 13.16%를 얻었다. 이에 비하여 본 발명에서 제안한 안테나의 계산된 대역폭(곡선 ②)은 1.947 GHz에서 2.74 GHz까지 중심주파수 2.343 GHz에서 약 33.84%이다. 제작하여 측정한 안테나의 대역폭(곡선 ③)은 1.90 GHz에서 2.682 GHz까지 중심주파수 2.291 GHz에서 약 34.13%로써, 종래의 프로브 급전 사각 디스크-로디드 모노폴 구조의 결과와 비교하였을 때 제안한 안테나는 약 2.6배 확장된 대역폭을 이루게 된다.

도 7은 대역폭 내에서 안테나의 E_θ복사패턴을 도시한 그래프로서, 도 7a는 주파수 2.0 GHz, 도 7b는 주파수 2.3 GHz, 도 7c는 주파수 2.6 GHz에서의 안테나의 복사패턴을 도시한다..

안테나는 θ=0° 방향으로는 복사가 이루어지지 않고 특정한 방향으로 최대 복사가 이루어지는 모노폴 형태의 복사패턴을 가지게 된다. 측정한 안테나의 복사패턴을 살펴보면 접지면에 수평한 방향인 x-z 평면에서는 전형적인 모노폴 안테나과 유사한 복사형태가 나타나지만, y-z 평면에서의 복사패턴에서는 특정한 방향으로 널(null)이 발생하고 접지면 방향으로의 후방복사가 증가하여 나타난다.

안테나 전방으로의 이득을 살펴보면 2.0 GHz에서는 대략 θ=45°방향으로 대략 -6.9 dBi가 되고, 2.3 GHz에서는 대략 θ=60°에서 대략 -3.0 dBi의 값을 가지고, 2.6 GHz에서는 대략 θ=65°방향으로 약 -0.5 dBi의 이득 값을 나타내게 된다.

또한, y-z 평면에서 발생하는 널은 2.0 GHz에서는 대략 θ=80° 방향에서 발생하지만 주파수가 상승하여 2.3 GHz가 되면 대략 θ=92° 방향으로 널이 이동하게 된다. 이와 같이 y-z 평면에서 나타나는 복사패턴의 왜곡은 접지면에서 형성되는 복귀전류에 의한 것으로 복귀전류의 흐름에 의해 접지면 자체에서 복사가 발생하게 되고, 이에 따라 안테나의 복사패턴이 왜곡되어서 널(null)이 발생하고 접지면 방향으로의 복사가 증가하게 된다.

도 8은 접지면의 수직 길이에 따른 안테나의 복사 패턴을 도시한 그래프이다. 접지면의 수직 길이에 따른 복사패턴의 영향을 살펴보기 위하여 길이 A에 따른 E _θ 복사패턴 변화를 2.3 GHz를 기준으로 비교하여 나타내었다. 수직 길이 A=30 mm는 중심주파수 2.343 GHz에서 자유공간의 파장길이를 기준으로 약 0.234λ₀이며, A=60 mm, 그리고, 도 7b에 나타낸 90 mm의 길이에서는 각각 0.468λ₀와 0.703 λ₀의 전기적 길이를 가진다.

도 8a의 x-z 평면의 복사패턴을 살펴보면 수직길이 A가 30 mm일 때 우수한 모노폴 형태의 복사패턴을 나타내지만, A가 60 mm로 증가하게 되면 후방복사가 증가하여 θ=127 방향에서 약 3.5 dBi의 최대 이득을 가지게 된다. 도 8b의 y-z 평면에서 보면, 수직 길이 A가 30 mm일 때 안테나 주빔의 방향은 θ=90°가 되며 이득은 약 1.5 dBi이다. 그러나 A=60 mm에서는 약 θ=55°에서 널(null)이 발생하게 되고, θ=120° 방향에서 약 3.8 dBi의 이득을 나타내어 후방복사가 크게 발생한다.

그리고, 도 7b에 나타낸 A=90 mm에서의 복사 패턴을 보게 되면 θ=90° 방향으로 널(null)이 이동하게 되어 수직 길이의 증가에 따라서 널(null)의 발생 지점이 점차 아래로 이동하는 것을 알 수 있다. 복사패턴의 왜곡은 y-z 평면에서 더욱 크게 나타나는데, 이 것은 접지면에 수직한 y축 방향으로 접지면의 복사가 강하게 발생하기 때문이다. 복사패턴의 변화로부터 확인할 수 있듯이 후방복사를 최소화하기 위해서는 접지면의 길이에 따른 복귀전류의 영향을 최소화하여야 하는데, 이를 위해서는 접지면의 수직길이가 0.25λ₀ 이하로 되어야 한다.

그러나, 안테나가 이동통신 단말기 등에 실장될 경우 접지면의 수직 길이는 대략 90 mm정도로써 0.25λ₀보다 길어지게 된다. 비록 단말기가 다층 기판을 이용해 접지면을 분할하여 사용하더라도, 각각의 분할된 접지면은 비아 홀 (via hole) 등에 의해서 서로 연결되어 있으므로 안테나는 전체 기판의 수직 길이에 영향을 받게 된다. 그러므로 안테나에서 발생하는 복사패턴의 왜곡을 피하기 어렵게 된다. 이와 같은 복사패턴의 왜곡은 단말기 안테나의 이득을 저하시키게 되고, 결과적으로 통화 품질을 떨어뜨리는 원인이 된다. 최근 발표된 연구 결과에서는 복사패턴의 왜곡을 감소시키기 위하여 접지면에 수동 부하를 연결하는 방법과 접지면에 노치(notch)를 만들어 줌으로써 복사패턴을 향상시키는 방법이 제시되었다. 이러한 방법은 접지면에서의 복귀전류의 흐름을 변화시킴으로써, 접지면에서 발생하는 복사로 인한 복사패턴의 왜곡을 감소시킬 수 있으므로 안테나의 이득 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 그러나, 지금까지 발표된 수직한 접지면을 가지는 안테나의 복사패턴 영향에 관한 연구는 일반적인 0.25λ₀ 길이의 모노폴을 사용한 협대역 안테나 구조에서 이루어진 것으로, 광대역 특성을 가지는 안테나에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

따라서, 이하에서는 광대역 특성을 가지는 소형 디스크-로디드 모노폴 안테나에서 접지면에 대칭적인 형태의 슬릿을 삽입하여 후방복사를 감소시켜 이득 특성이 향상된 안테나 구조를 제시한다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직 접지면에 슬릿이 삽입된 전자기적 결합 급전 소형 광대역 모노폴 안테나의 구조를 도시한 도면이다. 안테나(900)의 복사패턴 왜곡 현상을 해결하기 위하여 수직 접지면(19)의 좌측 상단 및 우측 상단으로부터 동일한 소정의 수직 거리(L_g) 만큼 떨어진 위치에 직사각형 형태의 복수의 제1, 제2 슬릿(50a, 50b)이 대칭적으로 삽입된다. 접지면(19)에 삽입된 복수의 슬릿(50a, 50b)은 길이 l _gs =26.5 mm, 폭 w _gs =2.5 mm이고, 안테나가 있는 z축을 중심으로 접지면(19)의 양쪽에 대칭으로 배열하였다. 수직 접지면(19)의 가로 길이(A)는 80.0mm, 수직 접지면(19)의 세로 길이(B)는 90.0mm, 접지면(19)의 좌측 상단 및 우측 상단에서 제1 슬릿(50a) 및 제2 슬릿(50b)까지의 수직 거리(L _g )는 30.0mm인 것이 바람직하다. 직사각형의 슬릿(50a, 50b)을 삽입함으로써 접지면(19)에서의 복귀전류 분포는 슬릿(50a,50b) 위의 접지면(19)에 집중되어 분포하게 되고, 사각 슬릿(50a,50b)의 아랫부분에서의 복귀전류는 감소하게 된다.

그러므로, 접지면에 의한 복사의 영향이 줄어들게 되어 후방복사가 감소하게 되고 널(null)에 의한 왜곡 현상도 제거시킬 수 있다. 그러므로, 안테나는 도 7에 나타낸 접지면의 수직 길이가 A=30 mm일 경우와 유사한 전류 분포를 접지면에 형성시키게 되며 복사패턴의 특성을 향상시키게 된다.

도 10은 도 9에 도시된 안테나의 반사손실을 도시한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 계산된 대역폭(곡선 ①)은 1.894 GHz에서 2.68 GHz로써 중심주파수 2.287 GHz를 기준으로 약 34.3%를 가지게 된다. 그리고, 측정 결과(곡선 ②)에서는 1.878 GHz에서 2.748 GHz로써 중심주파수 2.313 GHz를 기준으로 약 37.6%의 대역폭을 이루었다.

슬릿이 없는 일반 접지면을 가지는 안테나의 측정 결과와 비교하면, 슬릿을 삽입하였을 때 공진 대역폭의 중심주파수는 약 22 MHz가 상승하였고, 대역폭은 약 3.47%가 증가한다. 그러므로 접지면에 슬릿을 삽입하여도 안테나의 반사손실 특성에는 크게 영향을 미치지 않고 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다.

도 11a 내지 도 11c는 도 9에 도시된 안테나의 E_θ복사패턴을 도시한 도면이다. x-z 평면에서 각각의 주파수에 따른 최대 복사방향으로의 측정 이득을 살펴보면, 2.0 GHz에서는 θ=45° 방향으로 3.69 dBi의 값을 가지며, 2.3 GHz에서는 θ=45°에서 2.54 dBi, 2.6 GHz에서는 θ=50에서 3.86 dBi의 값을 가진다. 그리고 y-z 평면에서는 2.0 GHz에서 1.4 dBi (θ=60°), 2.3 GHz에서 3.0 dBi (θ=80°)와 2.6 GHz에서 1.9 dBi (θ=70°)의 이득을 가지게 된다. 또한 복사패턴 결과로부터 y-z 평면의 θ=75°부터 θ=90°사이에서 발생하였던 널(null)이 사라지게 되고, 접지면 방향으로의 후방복사가 감소하는 것을 알 수 있다. 슬릿이 삽입된 접지면을 가지는 안테나의 복사패턴은 일반적인 접지면을 가지는 안테나의 복사패턴과 비교하였을 때 안테나 후방으로의 복사가 3 dBi 이상 감소하게 되고, 안테나의 전방으로 이득을 증가시켜 안테나 특성을 향상시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 안테나의 단락된 사각 디스 크와 사각 폴디드 스트립선로 급전은 전자기적으로 결합되어 있으며 각각의 독립된 공진주파수를 가지게 된다. 그러므로, 안테나는 단락된 디스크와 사각 폴디드 스트립선로 급전의 설계변수를 변화시켜 각각의 공진 주파수에서 발생하는 두 구조의 공진을 결합시킴으로써 넓은 대역폭을 이룰 수 있었다. 또한, 수직한 접지면은 복귀전류의 영향에 의해 접지면 자체의 복사가 발생하게 되는데, 이는 안테나의 복사패턴을 왜곡시키게 된다. 따라서, 복사패턴의 왜곡을 줄이기 위하여 접지면에 직사각형의 슬릿을 삽입하였다. 슬릿은 접지면 끝단으로부터 약 0.25λ₀ 떨어진 지점에 위치하였으며, 복귀전류 분포에 변화를 주게되어 안테나의 후방복사를 감소시키게 된다. 그러므로, 안테나 전방으로의 이득 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

슬릿이 없는 수직한 접지면을 가지는 안테나는 VSWR≤2를 기준으로 1.90 GHz에서 2.682 GHz까지 중심주파수 2.291 GHz에서 약 34.13% 대역폭을 이룬다. 그리고, 접지면에 슬릿이 삽입된 구조는 1.878 GHz에서 2.748 GHz까지 중심주파수 2.313 GHz에서 약 37.6%의 대역폭을 가진다. 이러한 결과는 동일한 물리적 크기를 가지는 일반적인 디스크-로디드 모노폴 안테나 구조와 비교하였을 때 약 2.6배 이상 넓은 대역폭을 가지는 것이다. 안테나는 전 방향성을 가지는 모노폴 형태의 복사패턴을 가지게 되는데 접지면에 삽입한 슬릿에 의해 후방복사를 3 dBi 이상 감소시킬 수 있었으며, 최대 복사 방향으로의 안테나의 이득은 대역폭 내에서 약 2.6 dBi의 값을 가지게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위에 있게 된다.

Claims

소정 길이를 갖는 스트립 선로 프로브와 단락된 패치를 전자기적으로 결합하여 급전하는 구조로 이루어지고, 상기 스트립 선로 급전에서의 직렬공진과 상기 단락된 패치가 상기 스트립 선로 급전에 의해서 커플링되어 발생하는 병렬공진이 결합하여 넓은 주파수의 대역폭을 가지며, 접지면이 상기 스트립 선로 및 상기 단락된 패치와 수직방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제1항에 있어서,

상기 접지면이 상기 스트립 선로 및 상기 단락된 패치와 수직방향에 위치하는 구조는,

상기 스트립 선로가 제2 유전체 기판의 일면에 형성된 소정 지름의 마이크로스트립 라인에 의해 급전되며, 상기 단락된 패치는 단락핀을 통하여 상기 제2 유전체 기판의 다른 면에 형성된 수직 접지판의 상단에 접속되는 구조인 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 제2 유전체 기판은,

상기 스트립 선로 및 상기 단락된 패치에 수직한 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제2항에 있어서,

상기 수직 접지판의 좌측 상단 및 우측 상단으로부터 소정 수직 거리만큼 떨어진 위치에 각각 직사각형 형태로 대칭적으로 배열된 복수의 제1, 제2 슬릿;을 더 포함하는 모노폴 안테나.
제4항에 있어서, 상기 복수의 슬릿은,

상기 수직 접지판에 흐르는 복귀전류의 흐름을 변화시켜 상기 수직 접지판 자체 복사에 의한 영향을 최소화하는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제4항에 있어서, 상기 복수의 슬릿은,

접지면 방향으로의 후방복사를 감소시켜 안테나의 전방 방향으로 이득을 향상시키는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 단락된 패치는 커패시턴스 성분의 모노폴로 동작하고, 상기 스트립 급전 선로는 인덕턴스 성분의 모노폴로 동작하는 것에 의해, 상기 단락된 패치의 커패시턴스 성분을 상기 스트립 급전 선로의 인덕턴스 성분으로 보상 하여 줌으로써 넓은 대역의 대역폭을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 스트립 선로 급전의 공진과 상기 단락된 패치의 공진이 서로 다른 주파수에서 발생하도록 하여서 이중대역을 가지도록 설계된 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 스트립 선로 프로브의 형태는 스파이럴(spiral) 형태, 나선(helix) 형태 그리고 직선의 스트립 선로를 접어서 구현된 폴디드(folded) 형태 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 단락된 패치와 상기 스트립 선로와의 사이에 배치되는 제1 유전체 기판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.