KR20080026720A - 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴안테나 - Google Patents

Abstract

자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나가 개시된다. 이 안테나는 안테나의 주요 몸체부를 이루는 유전체 기판; 유전체 기판의 한쪽 면에 전체적으로 부채꼴로 형성되어 무선 신호를 송수신하며, 그 부채꼴의 영역 내에는 서로 다른 크기의 다수의 부채꼴 홈이 형성되어 있는 전도성 재질의 방사면부; 부채꼴의 방사면부의 하단 꼭짓점 부위에 연접되어 방사면부와 일체로 형성되며, 상기 방사면부로부터 신호를 내보내거나 방사면부로 신호를 받아들이기 위한 신호 입출력부; 및 유전체 기판의 다른 쪽 면의 일정 영역에 걸쳐 형성되며, 기준전위 설정을 위한 접지를 위한 접지면부를 포함한다.

이와 같은 안테나에 의하면, 다수의 자기유사형 부채꼴 홈의 형성 및 방사면부의 라디안 각의 조정에 의해 여러 주파수 대역(예, IEEE 802.11 표준의 2.4GHz, 5GHz 대역에서의 WiFi와 국내 2.3Ghz대역의 Wibro(mobile WiMax)에서 모두 입력 정재파비(VSWR)가 2 이하인 임피던스 정합 특성을 얻을 수 있다.

자기유사형, 다중밴드, 평판형, 모노폴, 안테나

Description

자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나{Multiband planar monopole antenna with self-similar sectoral slots}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 전체적인 구조를 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 반사 손실 대역폭 특성을 보여주는 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 2.2GHz 주파수 대역에서의 방사패턴을 보여주는 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 3.7GHz 주파수 대역에서의 방사패턴을 보여주는 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 7.1GHz 주파수 대역에서의 방사패턴을 보여주는 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 10.7GHz 주파수 대역에서의 방사패턴을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...유전체 기판 120...방사면부

121,122,123...부채꼴 홈 130...신호 입출력부

140...접지면부 120a...꼭짓점 부위

본 발명은 평판형 모노폴(monopole) 안테나에 관한 것으로서, 특히 2.3GHz Wibro(wireless broadband)(모바일 와이맥스(WiMAX)), 2.4GHz 및 5GHz 대역의 WiFi (wireless fidelity) 대역을 포함하는 다중 대역에서 동작하는 엑세스(access) 장비 및 단말기를 지원할 수 있는 자기유사형(self-similar) 부채꼴 홈(sectoral slot)을 갖는 다중밴드(multiband) 평판형 모노폴 안테나에 관한 것이다.

2000년대 이후 무선 멀티미디어 통신 시장의 성장으로 다양한 대역에서 적용되는 소출력 무선응용 서비스들이 등장하게 되었다. 이에 따라 지역에 관계없이 하나의 단말기로 다양한 통신망에 접속 가능한 로밍(roaming) 서비스가 확산되었고, 다중 대역 특성을 고려한 단말기들이 생산되기 시작하였다. 특히, 최근 들어 다중대역 단말기 시장의 급격한 성장으로 다중 대역 특성을 지닌 단말기 안테나의 필요성이 대두하고 있다. 예를 들면, 2.4GHz와 5.8GHz 대역에서 동작하는 무선랜 단말기를 지원하는 이중 안테나를 응용한 제품들이 선을 보이고 있다.

이처럼 이중밴드(dual band) 또는 다중밴드를 지원하는 안테나 기술은 크게 다중 암(arm)을 사용하는 방법, 다중 급전을 사용하는 방법, 그리고 다중 모드 (mode)를 형성하는 방법이 있다. 다중 암을 사용하는 방법은 다중 공진(resonance)을 개별적으로 조절할 수 있다는 장점이 있으나, 각 암 사이 간섭이나 연결구조 등 의 해석이 복잡하고 여러 대역을 지원하기 위해 많은 암을 배치해야 하므로 안테나의 크기가 커지는 단점이 있다.

다중 급전의 경우에는 각각의 공진 특성을 조절하기는 용이하나 이 방법 역시 대역의 수가 증가함에 따라 안테나의 크기나 각 급전점 간의 간섭 등이 심각한 문제가 될 수 있다. 이에 비해 다중 모드를 형성하는 방법은 단일의 암에서 여러 개의 공진을 생성해 내는 방법으로 크기나 대역별 간섭문제는 적으나 대역특성 조절이 힘들고 특정대역의 대역폭이 좁을 수 있다는 단점이 있다.

본 발명은 이상에서와 같은 문제점들을 감안하여 창출된 것으로서, 다수의 자기유사형 부채꼴 홈의 형성 및 방사면부의 라디안(radian) 각의 조정에 의해 다중 밴드 특성을 얻을 수 있고, 소형화를 위한 마이크로스트립(microstrip) 형태의급전선부를 적용함에 있어 입력 임피던스의 미세 정합을 가능하게 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

여기서, 상기 마이크로스트립과 관련하여 부연 설명을 해보면 다음과 같다.

전형적인 통신 선로 구조인 마이크로스트립 기판은 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 그라운드(ground)로 처리하고, 그 바로 위에 일정 두께의 유전체 기판을 올린 후 유전체 위에 선로 형상을 구현한 회로구조이다. 이를 통해 신호선과 그라운드 간의 거리와 매질 특성이 균일하게 배치되고, 선로와 그라운드 사이의 전자파 필드(field) 에너지에 신호를 보존하며 전송하게 된다. 마이크로스트립이 저주파와 차별되는 중요한 특성은 선로와 그라운드 간의 매질 조건을 항상 균일하게 고 정하는 것이라고 볼 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 특징에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나는,

안테나의 주요 몸체부를 이루는 유전체 기판;

상기 유전체 기판의 한쪽 면에 전체적으로 부채꼴로 형성되어 무선 신호를 송수신하며, 그 부채꼴의 영역 내에는 서로 다른 크기의 다수의 부채꼴 홈이 형성되어 있는 전도성 재질의 방사면부;

상기 부채꼴의 방사면부의 하단 꼭짓점 부위에 연접되어 방사면부와 일체로 형성되며, 상기 방사면부로부터 신호를 내보내거나 방사면부로 신호를 받아들이기 위한 신호 입출력부; 및

상기 유전체 기판의 다른 쪽 면의 일정 영역에 걸쳐 형성되며, 기준전위 설정을 위한 접지를 위한 접지면부를 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 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.

이제 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 전체적인 구조를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나(100)는 유전체 기판(110), 방사면부(120), 신호 입출력부(130), 접지면부(140)를 포함한다.

유전체 기판(110)은 안테나의 주요 몸체부를 이룬다.

방사면부(120)는 상기 유전체 기판(110)의 한쪽 면(여기서, 편의상 전면으로 정함)에 전체적으로 부채꼴로 형성되어 무선 신호를 송수신하며, 그 부채꼴의 영역 내에는 서로 다른 크기의 다수의 부채꼴 홈(sectoral slot)(121,122,123)이 형성된다.

여기서, 바람직하게는 이상과 같은 서로 다른 크기의 다수의 부채꼴 홈(121,122,123)은 자기유사형(self-similar)(하나의 특정 형태(여기서는 부채꼴)에 대해 그와 유사한 형태가 반복되는 것)으로 형성되고, 방사상으로 배열된다. 예컨대, 배열 차수(n)에 따라 서로 다른 크기로 ∑(8^n-1)개의(즉, 1차구조:1개의, 2차구조: 9개의, 3차구조: 73개의) 부채꼴 홈(121,122,123)이 부채꼴의 영역 내에 방사상으로 배열되는 것이다. 그러나, 이상과 같이 자기유사형의 다수의 부채꼴 홈(121,122,123)이 방사상으로 질서정연하게 배열되는 것이 어떤 절대적인 의미를 갖는 것은 아니다. 다만, 이와 같은 배열은 어떤 특정 목적(예를 들면, 다중 대역을 지원함)이나 대상(안테나가 적용될 어떤 장치나 시스템), 혹은 설계 기준에 부합하기 위한 하나의 최상의 실시예인 것이다. 따라서, 경우에 따라서는 상기 자기유사형의 다수의 부채꼴 홈(121,122,123)이 여러 가지 다양한 형태로 배열될 수도 있다.

이상과 같은 부채꼴 홈(121,122,123)은 또한 배열 차수(n)가 1 증가함에 따라 그 크기가 일정한 비율(예컨대, 1/m)로 감소하여 형성되는데, 바람직하게는 1/3의 비율로 감소하여 형성된다. 이러한 비율은 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예의 안테나가 적용되는 대상(어떤 장치나 시스템)이나 주어진 목적에 따른 설계 기준에 최적으로 부합하기 위한 하나의 실시예이다.

한편, 이상과 같이 부채꼴 홈(121,122,123)을 자기유사형의 방사상으로 배열함으로써 각 부채꼴 홈(121,122,123)의 가장자리(edge)에는 전하가 집적되게 되며, 이는 마치 루프(loop) 안테나가 주기적으로 배열되어 있는 구조와 동일한 역할을 하여 전방향성 방사효율을 높일 수 있게 된다. 또한, 부채꼴의 방사면부(120)는 그 라디안 각(부채꼴의 호가 이루는 각)을 변화시킴으로써 임피던스 정합 특성을 조절할 수 있다. 예컨대, 여러 주파수 대역(예를 들면, IEEE 802.11표준의 2.4GHz, 5GHz 대역에서의 WiFi와 국내 2.3GHz 대역의 Wibro)에서 모두 입력 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio) 2 이하인 임피던스 정합 특성을 얻을 수 있도록 조절할 수 있다. 이와 같은 방사면부(120)는 전도성 재질(예를 들면, 동판)로 구성된다. 여기서, 상기 정재파비와 관련하여 조금 더 설명을 부가해 보기로 한다.

정재파(Standing Wave)는 진행파가 어떤 경계면을 기준으로 반사되어 돌아온 파와 합쳐지면서 발생한 정지된 파동을 의미한다. 정재파비(VSWR)는 입력면 정재파의 최소값과 최대값의 비로서, 정재파가 얼마나 큰가를 나타내는 지표로, 정재파비가 1에 가까울수록 반사가 일어나지 않는 것으로 볼 수 있다.

신호 입출력부(130)는 상기 부채꼴 형태의 방사면부(120)의 하단 꼭짓점 부위 (120a)에 연접되어 방사면부(120)와 일체로 형성되며, 상기 방사면부(120)로부터 신호를 내보내거나 방사면부(120)로 신호를 받아들이는 역할을 한다. 이와 같은 신호 입출력부(130)는 특정 저항값(예를 들면, 50Ω)을 갖도록 구성되며, 이는 상기 방사면부(120)에서의 급격한 임피던스의 변화를 막기 위한 것이다. 이러한 신호 입출력부(130)도 전도성 재질로 구성된다.

접지면부(140)는 상기 유전체 기판(110)의 다른 쪽 면, 즉 상기 방사면부(120)가 형성되어 있는 면(전면)의 반대편면(후면)의 일정 영역(후면 하단에서 일정 높이만큼의 스트라이프(stripe)형 영역)에 걸쳐 형성되며, 기준전위(0전위) 설정을 위한 접지를 위한 것이다. 여기서, 이와 같은 접지면부(140)의 상단과 상기 신호 입출력부(130)의 상단 간에는 도시된 바와 같이 소정의 높이차(Lt)를 두는 것이 바람직하다. 이와 같이 높이차를 둠으로써 미세 임피던스 정합의 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

여기서, 또한 이상에서와 같은 유전체 기판(110), 방사면부(120), 신호 입출력부(130) 및 접지면부(140)를 각각 개별적으로 마련하여 위에서 설명한 바와 같이 전체적으로 하나의 안테나 구조체를 제작할 수도 있지만, 시중에서 판매되는 기성 제품(유전체 양면에 동판이 각각 부착되어 전체적으로 하나의 기판을 구성함)을 이용하여 제작할 수도 있다.

후자의 기성제품을 이용하여 제작하는 경우, 설계자에 의해 상기 방사면부(120)에 대응하는 마스크를 미리 제작하여 양면 동판의 기판의 한쪽 면에 위치시키고, 광을 조사하여 포토 레지스트(photo resist)를 이용한 식각(etching) 공정으로 도 1에 도시된 바와 같은 다수의 부채꼴 홈(121,122,123)을 갖는 부채꼴의 방사면부(120)를 어렵지 않게 형성할 수 있게 된다.

한편, 도 2는 이상에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 반사 손실(return loss) 대역폭 특성을 보여주는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나는 2.3GHz 대역의 WiBro, 무선랜 접근점을 위한 무선랜 표준의 2.4GHz 대역과 5GHz 대역에서 모두 정재파비(VSWR)가 2 이하인 특성을 얻고 있음을 알 수 있다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나의 4개의 서로 다른 주파수 대역에서의 각각의 방사패턴을 보여주는 것으로서, 도 3은 2.2GHz, 도 4는 3.7GHz, 도 5는 7.1GHz, 그리고 도 6은 10.7GHz에서의 방사패턴을 보여주는 도면이다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나는, 그 방사패턴이 모두 1.3dBi 이상의 이득 특성을 얻음을 알 수 있다. 도 3 내지 도 6의 방사패턴 특성곡선도에서 실선으로 도시된 방사패턴은 동일편파(co-polarization)를 나타내고, 점선으로 도시된 방사패턴은 직교편파(cross-polarization)를 나타낸다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나는 다수의 자기유사형 부채꼴 홈의 형성 및 방사면부의 라디안 각의 조정에 의해 여러 주파수 대역(예, 802.11표준의 2.4GHz, 5GHz 대역에서의 WiFi와 국내 2.3GHz대역의 Wibro(mobile WiMax)에서 모두 입력 정재파비(VSWR)가 2 이하인 임피던스 정합 특성을 얻을 수 있으며, 이에 따라 현재 서비스중인 2.3GHz대역 WiBro, 2.4GHz 및 5GHz대역 무선랜 통신서비스 등의 송수신 안테나로 활용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 안테나의 주요 몸체부를 이루는 유전체 기판;

   상기 유전체 기판의 한쪽 면에 전체적으로 부채꼴로 형성되어 무선 신호를 송수신하며, 그 부채꼴의 영역 내에는 서로 다른 크기의 다수의 부채꼴 홈이 형성되어 있는 전도성 재질의 방사면부;

   상기 부채꼴의 방사면부의 하단 꼭짓점 부위에 연접되어 방사면부와 일체로 형성되며, 상기 방사면부로부터 신호를 내보내거나 방사면부로 신호를 받아들이기 위한 신호 입출력부; 및

   상기 유전체 기판의 다른 쪽 면의 일정 영역에 걸쳐 형성되며, 기준전위 설정을 위한 접지를 위한 접지면부를 포함하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 부채꼴 홈은 자기유사형(self-similar)으로 방사상으로 배열된 것을 특징으로 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 다수의 부채꼴 홈은 배열 차수(n)에 따라 서로 다른 크기로 ∑(8^n-1)개 가 부채꼴의 영역 내에 방사상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.
4. 제3항에 있어서,

   상기 배열 차수(n)가 1 증가함에 따라 상기 부채꼴 홈의 크기가 1/m 의 비율로 감소하는 것을 특징으로 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.
5. 제4항에 있어서,

   상기 1/m 의 비율에서 m=3인 것을 특징으로 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.
6. 제4항에 있어서,

   상기 접지면부의 상단과 상기 신호 입출력부의 상단 간에는 미세 임피던스 정합을 위해 소정의 높이차(Lt)를 갖도록 접지면부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 접지면부의 상단과 상기 신호 입출력부의 상단 간에는 미세 임피던스 정합을 위해 소정의 높이차(Lt)를 갖도록 접지면부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유사형 부채꼴 홈을 갖는 다중밴드 평판형 모노폴 안테나.

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