KR20080027052A

KR20080027052A - 쿼드리필러 나선형 안테나 구조

Info

Publication number: KR20080027052A
Application number: KR1020060092473A
Authority: KR
Inventors: 민상보; 송영옥; 이세희
Original assignee: 민상보; 송영옥; 이세희
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-03-26
Also published as: KR100863573B1

Abstract

본 발명은 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 제공하기 위한 것으로, 기둥(10)과; 상기 기둥(10) 위에 형성된 기둥 상판부(12)와; 상기 기둥(10)에 형성된 제 1 방사소자(13)와; 상기 기둥 상판부(12)에 형성되고, 한 쪽 끝은 상기 제 1 방사소자(13)와 전기적으로 연결되며, 다른 한 쪽 끝은 서로 간에 개방되어 개방된 QHA 안테나(1)를 형성하는 제 2 방사소자(15); 및 상기 제 1 방사소자(13)와 전기적으로 연결되고, 상기 기둥(10)에 형성된 임피던스 개선부(17);를 포함하여 구성함으로서, 두 개의 방사소자를 결합하여 소형화를 이루고 끝이 피더기판부에 접지된 가지를 제 1 방사소자에 연결하여 안테나의 입력 임피던스를 개선하여 소형화로 인해 저하된 방사패턴, 방사효율, 축비, 안테나 이득을 보상할 수 있게 되는 것이다.

QHA, 헬리컬, GPS, RFID, 위성, DMB, 안테나, 세라믹

Description

쿼드리필러 나선형 안테나 구조 {Structure of a Quadrifilar Helical or Spiral Antenna}

도 1은 도 1은 종래 위성 통신용 패치 안테나의 구조도이다.

도 2는 종래 헬리컬 안테나의 구조도이다.

도 3은 종래 QHA 안테나의 구조도이다.

도 4는 종래 QHA 안테나의 개략도이다.

도 5는 종래 QHA 안테나의 구성을 보인 사시도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 세라믹 원형 실린더를 이용한 1/4 또는 3/4 파장 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 보인 사시도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 세라믹 원형 실린더를 이용한 1/2 또는 1파장 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 보인 사시도이다.

도 8은 도 6 및 도 7에서 기둥의 다양한 구성예를 보인 도면이다.

도 9는 도 6 및 도 7에서 기둥과 제 1 방사소자의 다양한 구성예를 보인 도면이다.

도 10은 도 9에서 제 1 방사소자의 다양한 구성예를 보인 도면이다.

도 11은 도 6 및 도 7에서 기둥과 제 2 방사소자의 다양한 구성예를 보인 도면이다.

도 12는 도 11에서 제 2 방사소자의 다양한 구성예를 보인 도면이다.

도 13은 도 12에서 제 2 방사소자가 좌우 반전된 형태로 구성된 예를 보인 도면이다.

도 14a 내지 도 14h는 도 6에 따른 다양한 구조의 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 보인 사시도이다.

도 15a 내지 도 15d는 도 7에 따른 다양한 구조의 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 보인 사시도이다.

도 16은 도 6 및 도 7에서 기둥부, 제 1 방사소자, 피더 기판부의 구성예를 보인 도면이다.

도 17은 도 6 및 도 7에서 상판에 급전하는 구조를 보인 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 개방된 QHA 구조

10 : 기둥 12 : 기둥 상판부

13 : 제 1 방사소자 15 : 제 2 방사소자

17 : 임피던스 개선부 19 : 피더 기판부

2 : 단락된 QHA 구조

20 : 기둥 22 : 기둥 상판부

23 : 제 1 방사소자 25 : 제 2 방사소자

27 : 임피던스 개선부 29 : 피더 기판부

30 : 기둥(속이 채워진 경우) 30A : 기둥(속이 빈 경우)

4 : QHA 구조 4A : QHA 구조

4B : 상판 급전의 경우 4C : 하판 급전의 경우

40A ~ 40C : 기둥 43A ~ 43H : 제 1 방사소자

46A : 급전부

50, 52A : (다양한) 기둥 52 : 기둥 상판부

55 : 제 2 방사소자(한 쪽 끝이 서로 연결된 경우)

55A : 제 2 방사소자(한 쪽 끝이 서로 개방된 경우)

59, 59A : 피더 기판부

7 : 쿼드리필러 안테나 7A : 쿼드리필러 안테나

70 : 기둥(유전체, 기판, 세라믹) 70A : 기둥(플라스틱 사출)

73 : 제 1 방사소자(패턴인쇄)

73A : 제 1 방사소자(와이어 또는 프레스 안테나)

74 : 접촉부(납땜) 79 : 피더 기판부

79A : 그라운드부(GND) 79B : 피더 회로부

79C : LNA 그라운드부 79D : LNA 회로부

80 : 기둥 82 : 기둥 상판부

83 : 제 1 방사소자 85 : 제 2 방사소자

87 : 임피던스 개선부 88 : 2차 피더부

88A : 제 1 급전점 88B : 제 2 급전점

89 : 1차 피더부

[1] Kilgus, C.C, "Multielement Fractional Turn Helices", IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-16, No. 4, July PP.400-501 (1968)

[2] Kilgus, C.C, "Resonant Quadrifilar Helix", IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-17, No. 3, May PP. 349-351 (1969)

[3] Bricker, R.W., "A Shaped Beam Antenna for Satellite Data Communication", IEEE AP-S Int. Symp. Digest, October pp. 121-126 (1976)

[4] Patton, W.T., "The Backfire Bifilar Helical Antenna", Antenna Laboratory Resort 61, AD289084, Univ. of Illinois, Urbana, IL, September 1962

[5] Kilgus, C.C, "Resonant Quadrifilar Helix Design", Microwave Journal, Vol. 13, No. 12, December pp. 49-54 (1970)

[6] Adam, A.T, R.K. Greenough, R.F. Wallenberg, A. Mendlovics, and C. Lumjiak, "The Quadrifilar Helix Antenna", IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. Ap-22, No. 2, March pp. 173-178 (1974)

[7] 대한민국 특허청 출원번호 제 20-2006-0003127 호 (출원일 : 2006년 02월 03일), "휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈"

[8] 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2004-0014926 호 (출원일 : 2004년 03월 05일), "휴대 무선통신 장치용 안테나"

[9] 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2000-7008943 호 (출원일 : 2000년 08월 16일), "적응성 멀티필러 안테나"

[10] 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2002-7003119 호 (출원일 : 2002년 03월 08일), "적응형 멀티필러 안테나"

[11] 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2005-0067681 호 (출원일 : 2005년 07월 26일), "핸드셋 쿼드리파일러 나선형 안테나 기계적 구조들"

[12] 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2005-0022253 호 (출원일 : 2005년 03월 17일), "네 개의 나선형 방사체 구조를 가진 안테나"

본 발명은 쿼드리필러 나선형(Quadrifilar Helix Antenna, QHA) 안테나 구조에 관한 것으로, 특히 두 개의 방사소자를 결합하여 소형화를 이루고 끝이 피더기판부에 접지된 가지(branch)를 제 1 방사소자에 연결하여 안테나의 입력 임피던스를 개 선함 으로서 소형화로 인해 저하된 방사패턴, 방사효율, 축비, 안테나 이득을 보상하기에 적당하도록 한 쿼드리필러 나선형 안테나 구조에 관한 것이다.

일반적으로 위성을 활용한 방송, 통신, 인터넷 산업이 폭발적으로 성장하고 있으며 이는 21세기 정보화 사회의 핵심 매체로 자리 잡아가고 있다. 이미 위성 안테나를 비롯하여 위성방송 수신 설비 산업이 발달하여 왔고, 이는 특히 최근의 GPS (Global Positioning System, 전지구 측위 시스템) 분야 및 위성 DMB (Digital Multimedia Broadcasting, 디지털 멀티미디어 브로드캐스팅) 분야에서 두드러지게 발전하고 있다. 또한 반도체의 발달과 통신 기술의 발달로 점차 소형화, 경량화 되어감에 따라 그 응용 범위가 광범위해져 차량용은 물론이고 개인 휴대용 장비에서의 GPS 및 DMB 수신 기능 등 그 사용이 일반화되어 가고 있는 추세이다.

도 1은 종래 위성 통신용 패치 안테나의 구조도이다.

그래서 종래의 위성 신호 수신을 위한 안테나의 대표적인 예로서 패치 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 평면 형상을 한 안테나를 말하며, 평면 속에 안테나 회로를 구성하고 있었다.

이러한 종래 방식은 작고, 가벼우며 가격이 저렴하고 집적이 쉽다는 장점이 있으나 지향성 안테나의 특성상 위성 신호 수신을 위해서는 안테나의 정면이 늘 위쪽을 향하도록 설치해야 하며 그에 따라 자동차의 경우 루프 또는 대쉬 보드 등에 장착되어야 하는 등과 같이 설치에 제약이 많다는 단점이 있었다. 이러한 설치의 제한은 디자인 적용시 한계를 가지며, 휴대할 경우 마찰이나 액세서리 및 장착 위치 등에 의하여 수신 레벨이 떨어질 수 있다는 문제점을 가진다.

이러한 문제점을 보완하기 위한 안테나로 등장한 것이 종래의 헬리컬 안테나(helix antenna)를 응용한 QHA(Quadrifilar Helix Antenna)이다.

도 2는 종래 헬리컬 안테나의 구조도이다.

도시된 바와 같이 헬리컬 안테나는 전기적으로 λ/4 파장의 길이를 갖는 스프링 형태로 된 코일(21)을 감고 있는 안테나를 말하는 것으로 동축 급전선의 중심 도체에 나선형의 도체를 연결하고 동축 케이블(23)의 외부 도체는 접지 평면(25)과 연결한 형태의 안테나이다. 헬리컬 안테나는 같은 주파수에서 다이폴 안테나 및 모노폴 안테나 등에 비해 훨씬 작은 크기로 구현될 수 있다는 장점을 가진다.

도 3은 종래 QHA 안테나의 구조도이다.

QHA 타입 안테나는 이동통신 단말기나 GPS 수신기와 같은 휴대 무선 통신 장치에서 위성 통신을 위해 사용되는 안테나의 한 형태이다. 안테나는 원형으로 편파되는 방사를 제공하며 단부가 단락된 1/4 파장 구조나 반파장 구조를 가지는 것으로 설계될 수 있다. 도면을 참조하여 설명하면, QHA는 급전부(31)와 단락부(37)를 형성하고 그 사이를 전기적으로 연결하기 위해 접지부(35)를 구성한다. 급전부와 단락부의 일면에 전기적으로 연결된 4개의 방사 소자(33)들을 포함하여 구성하며 급전부는 4개의 방사 소자에 90도의 위상차를 가지고 급전할 수 있도록 배열되어 원형으로 편파된 방사 패턴을 제공하게 된다.

이러한 도 1 내지 도 3은 종래기술의 문헌 정보 [7](이하에서는 문헌 번호만을 기재함)에 기재된 내용이다.

쿼드리필러 안테나는 브로드 각 영역(Broad Angular Region)에서 원편파를 제공하기 위한 전기적인 미소 안테나이다. 안테나는 일반적으로 네 개의 헬리스(Helice)로 구성되며, 각 헬릭스(Helix)는 유전체 실린더 또는 어떤 유전체 디스크 지지대의 원주 표면상에 동일하게 놓여지고, 네 개의 위상이 인가된 같은 진폭의 신호가 각각 급전된다. 또한 쿼드리필러는 네 개의 위상으로 급전된 두 개의 orthogonal bifilars로 설명될 수 있는데, 여기서 바이필러(bifilar)는 two- element 헬리컬 안테나이다.

쿼드리필러 안테나는 많은 연구자들에 의해 발전되어 왔는데, Kilgus는 half-turn의 전류분포를 제시하였고, half-wavelength quadrifilar는 루프 다이폴 안테나의 전류분포와 유사함을 보였다.([1], [2]) 이 해석으로부터 Kilgus는 정규화된 방사 필드를 설명하는 식을 유도하고, sphere 외부에 존재하는 원편파를 제시하였다.([2])

그리고 QHA에서는 dielectric support piece가 중요한데, 헬리컬 소자들을 지지하기 위해 cylindrical foam, hollow dielectric tube, 또는 periodic dielectric spacer가 사용된다. 이들 유전체 물질들은 방사에 요구되는 위상 속도를 만족시키기 위해 low loss tangent와 low permittivity를 가져야 한다.([3])

쿼드리필러 헬릭스는 1) top에서와 2) bottom에서 급전(Feeder)된다. 1)의 경우에서 helix 소자는 top에서 급전되고, 이 소자들은 ground plane 위의 bottom에서 단락된다. 전자기파는 급전점을 향하여 방사하고, 이러한 배열을 backfire quadrifilar helix라 한다. Patton은 backfire bifilar가 conical 형태의 빔을 만들고 안테나의 크기가 증가함에 따라 빔이 backfire에서 broadside로 주사되는 것과 turn 수가 1로 감소할 때 front-to-back ratio가 unity로 떨어지는 것을 보였다.([4]) Kilgus는 short backfire quadrifilar helice에 대한 설계 기술을 제공했다.([5]) 2) bottom에서 급전될 경우, 쿼드리필러 헬리컬 안테나는 ground plane을 향하여 급전하며, forward 방향으로 방사되어 이를 forward-fire quadrifilar helix라 부른다. Adam은 이를 위한 설계 데이터를 제공했다.([6])

이러한 QHA 안테나에 대해 출원된 기술을 중심으로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 [8]의 "휴대 무선통신 장치용 안테나"에서 제안된 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 구조를 보인 것이다.

그래서 1/4파장 쿼드리필러 헬릭스 구조를 형성하기 위한 4개의 방사 소자(33)들을 포함하되, 상기 방사 소자(33)들의 각각은 휴대무선통신 장치의 무선회로에의 전기적 연결을 위해 배열된 제 1 단부에 존재하며, 상기 방사 소자(33)들의 각각은 다른 3개의 방사 소자들의 대응하는 제 2 단부에 전기적으로 연결된 상기 제 1 단부와 마주한 제 2 단부에 존재하여, 4개의 방사 소자(33)들에 대한 단락부(37)를 형성하는 휴대 무선통신 장치용 안테나부로서, 상기 휴대 무선통신 장치에의 전기적 연결을 위한 접지와 상기 단락부(37) 사이에 배열되되, 상기 쿼드리필러 헬릭스 구조의 내부를 따라 동축으로 배열되는 접지부(35)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 종래 QHA 안테나의 개략도로서, [9]의 "적응성 멀티필러 안테나"와 [10]의 "적응형 멀티필러 안테나"에 기재된 내용이다.

그래서 QHA는 4개의 나선형 필러멘트(10 ~ 40)와 8개의 방사상 필러멘트(50 ~ 120)를 포함한다. (다른 실시예에서는 6개의 각을 이루도록 스페이싱된 나선형 필러멘트를 사용할 수 있으며, 또한 짝수 개의 각을 이루도록 스페이싱된 나선형 필러멘트를 사용할 수 있다.) 나선형 필러멘트는 도 4에 도시된 바와 같이 꼬여져(intertwined) 있으며, 서로에 대해 90도로 안테나의 세로축 주위에 배치된다. 4개의 방사상 필러멘트(50 ~ 80)는 상부에 배치되고 90 ~ 120은 나선형의 하부에 배 치되어 나선형 필러멘트와 접속되며 두 개의 바이필러(bifilar) 루프를 형성한다. 안테나는 두 개의 피드들 사이에서 90도 위상차로 일 세트의 방사상 필러멘트(90, 110)에 공급된다. 피드에 대한 안테나의 상단부에서의 방사상 필러멘트(50 ~ 80)는 나선형 필러멘트의 공진 길이와 필요한 응답에 따라 부분적으로 쇼트되거나 오픈된 회로일 수 있다.

도 5는 종래 QHA 안테나의 구성을 보인 사시도로서, [11]의 "핸드셋 쿼드리파일러 나선형 안테나 기계적 구조들"과 [12]의 "네 개의 나선형 방사체 구조를 가진 안테나"에 기재된 내용이다.

그래서 실린더 형상을 가진 QHA(10)의 하부(20)에서 상부(22)로 퍼져 있는 필러 와인딩(Winding)(12, 14, 16, 18)을 포함한다. 도 5는 반대 위치에 배치된 필러들(12, 16)이 전도성 브리지(23)에 의해 전기가 통하도록 연결되고, 필러들(14, 18)이 전도성 브리지(24)에 의해 전기가 통하도록 연결되어 있는 QHA를 나타낸다. 필러(12/16)를 통하여 전파하는 신호는 원하는 원형 신호 분극을 만들기 위해 필러(14/18)를 통하여 전파하는 신호와 직각 위상 관계가 있다. 각각의 필러들(12, 14, 16, 18)은 원형 또는 직사각형의 단면을 가지는 도선 또는 유전체 상에 전도성 줄 또는 선을 가진 전선과 같은 전도성 요소를 포함한다.

전도성 브리지들은 동작 주파수에서 1/4 파장의 짝수 배에 해당하는 필러 길이를 가지는 QHA와 함께 사용되지만, 필러의 길이가 1/4 파장의 홀수 배를 포함하는 경우에는 일반적으로 사용되지 않는다. 각각의 전도성 브리지(23, 24)(또한, 크로스바로 지칭됨)는 전도성 테이프 스트립(Strip)을 포함한다.

이처럼 종래의 QHA는 물리적으로 작고 가벼워서 휴대용 위성통신기기에 응용이 용이하고, 가격이 저렴하여 위성 라디오나 위성 모바일 폰 시스템 등의 분야에서 각광을 받고 있다.

QHA는 위성이 천정에서 지평선 사이에 있을 때 더 높은 안테나 이득을 가지는 방사패턴을 보이기 때문에 특히 위성 통신 시스템에 유리하다.

QHA가 우수한 원형편파를 방사하기 위해서는 비교적 정확한 직교신호를 인가해 주어야 하며, 이를 위해서 우수한 성능을 갖는 피딩 네트워크(feeding network)가 필요하다.

그리고 쿼드리필러 나선형 안테나들은 UHF, L 및 S 주파수 대역들에서 동작하는 통신 및 항법 수신기들에 사용된다. 나선형의 모양에 따라 QHA(Quadrifilar Helixal Antenna) 또는 QSA(Quadrifilar Sprial Antenna)가 있다. 제한된 대역폭을 갖는 공진 QHA는 GPS, XM radio, Sirius, 위성 DMB, UHF-RFID 리더의 안테나로 사용된다. QHA는 상대적으로 작은 크기 우수한 원편파 커버리지 및 상반구 시야(upper hemisphere)의 대부분에 걸쳐서 낮은 축비(axial ratio)를 갖는다. QHA가 공진 안테나이기 때문에, 이의 크기들은 통상 협대역 주파수에 대해 최적의 성능을 제공하도록 선택된다.

그러나 이러한 쿼드리필러 나선형 안테나들이 휴대용 단말기 등에 적용하기 위해서는 소형화된 QHA 안테나가 필요한데, 안테나의 소형화로 인한 문제점은 방사패턴, 방사효율, 축비(axial ratio), 안테나 이득이 저하된다는 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 두 개의 방사소자를 결합하여 소형화를 이루고 끝이 피더기판부에 접지된 가지를 제 1 방사소자에 연결하여 안테나의 입력 임피던스를 개선하여 소형화로 인해 저하된 방사패턴, 방사효율, 축비, 안테나 이득을 보상할 수 있는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는, 기둥과; 상기 기둥 위에 형성된 기둥 상판부와; 상기 기둥에 형성된 제 1 방사소자와; 상기 기둥 상판부에 형성되고, 한 쪽 끝은 상기 제 1 방사소자와 전기적으로 연결되며, 다른 한 쪽 끝은 서로 간에 개방되어 개방된 QHA 안테나를 형성하는 제 2 방사소자; 및 상기 제 1 방사소자와 전기적으로 연결되고, 상기 기둥에 형성된 임피던스 개선부;를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명, 쿼드리필러 나선형 안테나 구조의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 두 개의 방사소자를 결합하여 소형화를 이루고 끝이 피더기판부에 접지된 가지를 제 1 방사소자에 연결하여 안테나의 입력 임피던스를 개선하여 소형화로 인해 저하된 방사패턴, 방사효율, 축비, 안테나 이득을 보상하고자 한 것이다.

이러한 본 발명의 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는 모바일폰, RFID(Radio Frequency IDentification), GPS(Global Positioning System), 위성수신 DMB(Digital Multimedia Broadcasting), PDA(Personal Digital Assistant), PC(Personal Computer), LCD(Liquid Crystal Display) 네비게이션 단말기 등에 적용된다.

이제, 본 발명의 제 1 실시예는 도 6을 참조하여 기술될 것이다. 휴대 장치용 안테나의 끝이 개방(open)된 필러(filar)가 전송 주파수의 대략 1/4 파장 또는 3/4파장의 길이를 갖는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 포함한다. 이것은 이하에서 개방된 QHA구조로서 언급될 것이다.

이 개방된 QHA구조(1)는 피더 기판부(19), 기둥(10), 기둥의 옆면에 구현된 제 1 방사 소자(13), 기둥 상판부(12), 기둥 상판부에 구현된 제 2 방사소자(15)로서 형성된다.

피더 기판부(19)는 제 1 방사소자(13)에 90도의 위상차로 시계방향 혹은 반시계방향으로 급전하는 급전 회로부, 안테나 방사소자와 피딩회로와의 임피던스 정 합을 하는 매칭회로부로 형성된다.

기둥(10)은 원형, 사각형, 다각형 등의 다양한 모양을 가지며, 유전체, 기판, 공기, 세라믹 등의 다양한 매질을 갖는다.

기둥 상판부(12)는 원형, 사각형, 다각형 등의 다양한 모양을 가지며, 유전체, 기판, 공기, 세라믹 등의 다양한 매질을 갖는다.

제 1 방사소자(13)는 제 2 방사소자(15)와 전기적으로 연결되어 있다. 제 1 방사소자(13)와 제 2 방사소자(15)는 직선, 사선, 나선형 등의 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

제 1 방사소자(13)에 안테나의 입력 임피던스를 개선하는 임피던스 개선부(17)가 제 1 방사소자(13)에서 가지(branch)를 내어 끝이 피더기판 부(19)의 접지부에 전기적으로 연결된다. 임피던스 개선부(17)의 길이, 폭, 그리고 제 1방사소자(13)와의 접촉위치에 따라 안테나의 임피던스를 변화시킨다.

본 발명의 개방형 QHA 구조(1)에서 제 1 방사소자(13)의 길이를 변경하거나, 원형 기둥(10)의 유전율이나 두께를 변경하거나, 제 2 방사소자(15)의 길이를 변경하거나, 기둥 상판부(12)의 유전율이나 두께를 변경하거나, 임피던스 개선부(17) 의 길이, 폭, 접촉 위치를 변경하여 안테나의 주파수를 조정할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제 2 실시예는 도 7을 참조하여 기술한다. 휴대장치용 안테나의 끝이 단락(short)된 필러가 전송 주파수의 대략 1/2파장 또는 1파장의 길이를 갖는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 포함한다. 이것은 이하에서 단락된 QHA 구조로서 언급될 것이다.

이 단락된 QHA 구조(2)는 피더 기판부(29), 기둥(20), 기둥의 옆면에 구현된 제 1 방사 소자(23), 기둥 상판부(22), 기둥 상판부(22)에 구현된 제 2 방사소자(25)로서 형성된다. 피더 기판부(29)는 제 1 방사소자(23)에 90도의 위상차로 시계방향 혹은 반시계방향으로 급전하는 급전 회로부와 안테나 방사소자와 피딩회로와의 임피던스 정합을 하는 매칭회로부로 형성된다. 기둥(20)은 원형, 사각형, 다각형 등의 다양한 모양을 가지며, 유전체, 기판, 공기, 세라믹 등의 다양한 매질을 갖는다. 기둥 상판부(22)는 원형, 사각형, 다각형 등의 다양한 모양을 가지며, 유전체, 기판, 공기, 세라믹 등의 다양한 매질을 갖는다.

제 2 방사소자(25)는 한쪽 끝은 제 1 방사소자(23)와 다른 한쪽 끝은 서로 간에 연결되어 있다. 제 1 방사소자(23)와 제 2 방사소자(25)는 직선, 사선, 나선형 등의 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

제 1 방사소자(23)에 안테나의 입력 임피던스를 개선하는 임피던스 개선부(27)가 제 1 방사소자(23)에서 가지를 내어 끝이 피더 기판부(29)의 접지부에 전기적으로 연결된다. 임피던스 개선부(27)의 길이, 폭, 그리고 제 1 방사소자(23)와의 접촉위치에 따라 안테나의 임피던스를 변화시킨다.

본 발명의 단락된 QHA 구조(2)에서 제 1 방사소자(23)의 길이를 변경하거나, 원형 기둥(20)의 유전율이나 두께를 변경하거나, 제 2 방사소자(25)의 길이를 변경하거나, 기둥 상판부(22)의 유전율이나 두께를 변경하거나, 임피던스 개선부(27) 의 길이, 폭, 접촉 위치를 변경하여 안테나의 주파수를 조정할 수 있다.

본 발명의 안테나 임피던스 개선부(17, 27)는 한 끝은 제 1 방사소자(13, 23)에 연결되고 다른 한 끝은 피더 기판부(19, 29)에 접지된 상태에서 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 8은 기둥의 여러 가지 구조를 나타낸 것으로 원형, 사각형, 원뿔, 다각뿔 등 다양한 모양을 가지며 속이 유전체, 공기, 세라믹으로 채워진 경우(30)와 유전체, 세라믹이나 기판으로 구현하는 속이 빈 경우(30A)를 모두 포함한다.

도 9 및 도 10은 다양한 기둥(40A, 40B, 40C)의 옆면에 구현되는 제 1 방사소자(43A ~ 43H)의 다양한 구조를 나타낸다. 기본적으로 4개의 필러로 구성되며 각각은 급전부(46A)로부터 0도, 90도, 180도, 270도의 위상차를 시계 방향과 반시계 반향으로 갖는 신호가 입력된다. 제 1 방사소자의 급전부(46A)는 기둥의 상판에서 급전(4B) 또는 기둥의 하판에서 급전(4C)이 가능하다.

도 11 내지 도 13은 다양한 기둥(50, 52A)의 상판에 구현되는 제 2 방사소자(55, 55A)의 다양한 구조를 나타낸다. 기본적으로 4개의 필러로 구성되며, 각각은 제 1 방사소자와 전기적으로 연결되어 있다. 도 12 및 도 13에서와 같이 4개의 필러의 나머지 한쪽 끝이 서로 연결된 경우(55)와 서로 개방된 경우(55A)가 가능하다. 4개의 필러는 편파의 방향에 따라 시계방향 또는 반시계 방향으로 배열된다. 도 12는 반시계 방향을 나타낸 예이고, 도 13은 시계 방향을 나타낸 예이다.

도 14a ~ 14g와 도 15a ~ 15d는 각각 다양한 형태의 쿼드리필러 나선형 안테나 구조를 나타낸 것으로, 제 1 및 제 2 방사소자의 감아 돌아가는 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향 둘 다 가능하며, 방사 소자의 모양은 수직선, 사선, 나선형, 부분적으로 구부러진 형태 등 그 구현이 다양하다. 기둥의 밑면과 윗면에 양면 또는 다층의 기판(Printed Circuit Board, PCB) 또는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic, 저온 동시 소성 세라믹) 또는 반도체 형태의 안테나 피더, 매칭회로를 구성한다.

도 16은 쿼드리필러 안테나(7, 7A)의 구현시 기둥(70, 70A), 제 1 방사 소자(73, 73A), 피더 기판부(79)의 구현에 관한 내용이다. 패턴 인쇄 기법을 이용하여 안테나를 구현하는 경우(7)에서는 제 1 방사소자(73)는 유전체, 세라믹, 기판으로 구성된 기둥(70)에 패턴 인쇄를 하여 구현한다. 패턴 인쇄의 경우 안테나의 밑면 부분을 L 형태로 구현하여, 기둥의 아래 부분에 납땜용 안테나 패턴(73A)을 두어 피더 기판부(79)에 자동 또는 수동으로 납땜(74)을 할 수 있도록 한다. 와이어를 사용하거나 프레스로 가공하여 안테나 패턴을 구현하는 경우(7A)에 기둥(70A)은 와이어나 프레스로 가공된 안테나를 지지하는 플라스틱 사출의 형태로 구현되며, 안테나의 밑 부분은 수직 형태로 구현되어 피더 기판부(79)에 자동 또는 수동으로 납땜(74)되도록 할 수 있다.

피더 기판부(79)는 다층 기판을 이용하여 구현되며 피더 회로부(79B)와 LNA(Low Noise Amplifier) 회로부(79D)가 하나의 기판에서 구현된다. 다층 기판은 안테나와의 접촉부(74)와 그라운드부(79A)가 맨 위층(79A)에 구현되며, 피더 회로부(79B), LNA 그라운드부(79C), LNA 회로부(79D)로 구성된다.

도 17은 상판에서 급전을 하는 구조를 나타낸다. 상판에서 급전을 하기 위해서 기둥의 내부에 다층 기판을 두어 2차 피더부(88) 및 안테나 매칭부를 구현한다. 상판에서 급전하는 구조의 경우 급전신호는 제 2 방사소자(85)를 통해 제 1 방사소자(83)로 가해진다. 이때 제 2 방사소자(85)의 모양은 도 12 및 도 13의 끝이 개방된 제 2 방사소자(55A)의 다양한 형태가 가능하며, 이 경우 급전은 안쪽에서 0도, 90도, 180도, 270도로 편파에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 가해진다. 임피던스 개선부(87)가 제 2 방사소자(85)에서 가지로 나와 2차 피더부(88)에 연결된다.

전체적인 피더부는 1차 피더부(89)와 기둥(80)의 내부에 있는 2차 피더부(88)를 통해 구현한다. 2차 피더부(88)에서 급전되는 신호는 제 2 급전점(88B)을 통해 기둥 상판부(82)의 제 2 방사소자(85)에 가해지고, 이 신호는 다시 제 1 방사소자(83)에 가해진다. 1차 피더부(89)에서의 신호는 제 1 급전점(88A)을 통해 2차 피더부(88)에 가해진다.

이처럼 본 발명은 두 개의 방사소자를 결합하여 소형화를 이루고 끝이 피더기판부에 접지된 가지를 제 1 방사소자에 연결하여 안테나의 입력 임피던스를 개선하여 소형화로 인해 저하된 방사패턴, 방사효율, 축비, 안테나 이득을 보상하게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는 두 개의 방사소자를 결합하여 소형화를 이루고 끝이 피더기판부에 접지된 가지를 제 1 방사소자에 연결하여 안테나의 입력 임피던스를 개선하여 소형화로 인해 저하된 방사패턴, 방사효율, 축비, 안테나 이득을 보상할 수 있는 효과가 있게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

Claims

기둥(10)과;

상기 기둥(10) 위에 형성된 기둥 상판부(12)와;

상기 기둥(10)에 형성된 제 1 방사소자(13)와;

상기 기둥 상판부(12)에 형성되고, 한 쪽 끝은 상기 제 1 방사소자(13)와 전기적으로 연결되며, 다른 한 쪽 끝은 서로 간에 개방되어 개방된 QHA 안테나(1)를 형성하는 제 2 방사소자(15); 및

상기 제 1 방사소자(13)와 전기적으로 연결되고, 상기 기둥(10)에 형성된 임피던스 개선부(17);

를 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 기둥의 유전율 변경, 상기 기둥의 두께 변경, 상기 기둥 상판부의 유전율 변경, 상기 기둥 상판부의 두께 변경, 상기 제 1 방사소자의 길이 변경, 상기 제 2 방사소자의 길이 변경, 상기 임피던스 개선부의 길이 변경, 상기 임피던스 개선부의 폭 변경, 상기 임피던스 개선부의 접촉 위치 변경 중에서 하나 이상의 변경을 통해 안테나의 주파수 조정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 기둥(10)은,

유전체, 세라믹, PCB, LTCC 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 기둥(10)은,

플라스틱 사출에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 기둥(10)은,

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중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 기둥 상판부(12)는,

유전체, 세라믹, PCB, LTCC 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 기둥 상판부(12)는,

원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 9각형, 10각형, 11각형, 12각형, 16각형, 32각형, 64각형 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 제 1 방사소자(13)는,

와이어, 프레스 안테나 중에서 하나 이상에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 제 1 방사소자(13)와 상기 임피던스 개선부(17)는,

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,
,
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,
,
,
,

중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1에 있어서,

상기 제 2 방사소자(25)는,

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과 각각에 대해 좌우 반전된 형태 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드 리필러 나선형 안테나 구조.
기둥(20)과;

상기 기둥(20) 위에 형성된 기둥 상판부(22)와;

상기 기둥(20)에 형성된 제 1 방사소자(23)와;

상기 기둥 상판부(22)에 형성되고, 한 쪽 끝은 상기 제 1 방사소자(23)와 전기적으로 연결되며, 다른 한 쪽 끝은 서로 간에 연결되어 단락된 QHA 구조(2)를 형성하는 제 2 방사소자(25); 및

상기 제 1 방사소자(23)와 전기적으로 연결되고, 상기 기둥(20)에 형성된 임피던스 개선부(27);

를 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 기둥의 유전율 변경, 상기 기둥의 두께 변경, 상기 기둥 상판부의 유전율 변경, 상기 기둥 상판부의 두께 변경, 상기 제 1 방사소자의 길이 변경, 상기 제 2 방사소자의 길이 변경, 상기 임피던스 개선부의 길이 변경, 상기 임피던스 개선부의 폭 변경, 상기 임피던스 개선부의 접촉 위치 변경 중에서 하나 이상의 변경 을 통해 안테나의 주파수 조정이 수행되도록 하는 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 기둥(20)은,

유전체, 세라믹, PCB, LTCC 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 기둥(20)은,

플라스틱 사출에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 기둥(20)은,

,
,
,
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,
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,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 기둥 상판부(22)는,

유전체, 세라믹, PCB, LTCC 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 기둥 상판부(22)는,

원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 9각형, 10각형, 11각형, 12각형, 16각형, 32각형, 64각형 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 제 1 방사소자(23)는,

와이어, 프레스 안테나 중에서 하나 이상에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 제 1 방사소자(23)와 상기 임피던스 개선부(27)는,

,
,
,
,
,
,
,
,

중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 11에 있어서,

상기 제 2 방사소자(25)는,

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,
,
,
,
과 각각에 대해 좌우 반전된 형태 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필 러 나선형 안테나 구조.
기둥(80)과;

상기 기둥(80) 위에 형성된 기둥 상판부(82)와;

상기 기둥(80)에 형성된 제 1 방사소자(83)와;

상기 기둥 상판부(82)에 형성되고, 한 쪽 끝은 상기 제 1 방사소자(83)와 전기적으로 연결된 제 2 방사소자(85); 및

상기 제 2 방사소자(85)와 전기적으로 연결되고, 상기 기둥 상판부(82)에 형성된 임피던스 개선부(87);

를 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 기둥의 유전율 변경, 상기 기둥의 두께 변경, 상기 기둥 상판부의 유전율 변경, 상기 기둥 상판부의 두께 변경, 상기 제 1 방사소자의 길이 변경, 상기 제 2 방사소자의 길이 변경, 상기 임피던스 개선부의 길이 변경, 상기 임피던스 개선부의 폭 변경, 상기 임피던스 개선부의 접촉 위치 변경 중에서 하나 이상의 변경을 통해 안테나의 주파수 조정이 수행되도록 하는 특징으로 하는 쿼드리필러 나선 형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 기둥(80)은,

유전체, 세라믹, PCB, LTCC 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 기둥(80)은,

플라스틱 사출에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 기둥(80)은,

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중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 기둥 상판부(82)는,

유전체, 세라믹, PCB, LTCC 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 기둥 상판부(82)는,

원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 9각형, 10각형, 11각형, 12각형, 16각형, 32각형, 64각형 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 제 1 방사소자(83)는,

와이어, 프레스 안테나 중에서 하나 이상에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 제 2 방사소자(85)와 상기 임피던스 개선부(87)는,

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,
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,
,
,
,

중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 21에 있어서,

상기 제 2 방사소자(85)는,

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과 각각에 대해 좌우 반전된 형태 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드 리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1 내지 청구항 30 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 제 1 방사소자(13, 23)와 연결된 피더 기판부(19, 29);

를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 31에 있어서,

상기 피더 기판부(19, 29)는,

상기 제 1 방사소자(13, 23)와 L 형태(73A)로 자동 또는 수동으로 납땜되어 연결되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1 내지 청구항 30 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 제 1 방사소자와 연결되고 다층 기판으로 구현된 피더 기판부(79);

를 더욱 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 33에 있어서,

상기 피더 기판부(79)는,

상기 제 1 방사소자와 연결되는 그라운드부(79)와;

상기 그라운드부(79)의 하층에 연결된 피더 회로부(79B)와;

상기 피더 회로부(79B)의 하층에 형성된 LNA 그라운드부(79C); 및

상기 LNA 그라운드부(79C)의 하층에 형성된 LNA 회로부(79D);

를 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 33에 있어서,

상기 피더 기판부(79)는,

PCB, LTCC, 반도체 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1 내지 청구항 30 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 제 2 방사소자와 연결되고, 상기 기둥의 중간에 다층 기판으로 형성된 2차 피더부(88);

를 더욱 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 36에 있어서,

상기 2차 피더부(88)는,

1차 피더부(89)와 연결된 제 1 급전점(88A); 및

상기 제 2 방사소자와 연결된 제 2 급전점(88B);

을 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 36에 있어서,

상기 2차 피더부(88)는,

PCB, LTCC, 반도체 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1 내지 청구항 30 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

상기 제 1 방사소자와 연결되고 다층 기판으로 구현된 1차 피더부(89); 및

상기 제 2 방사소자와 연결되고, 상기 기둥의 중간에 다층 기판으로 형성된 2차 피더부(88);

를 더욱 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 39에 있어서,

상기 1차 피더부(89)는,

상기 제 1 방사소자와 연결되는 그라운드부(79)와;

상기 그라운드부(79)의 하층에 연결된 피더 회로부(79B)와;

상기 피더 회로부(79B)의 하층에 형성된 LNA 그라운드부(79C); 및

상기 LNA 그라운드부(79C)의 하층에 형성된 LNA 회로부(79D);

를 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 39에 있어서,

상기 1차 피더부(89)는,

PCB, LTCC, 반도체 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 39에 있어서,

상기 2차 피더부(88)는,

상기 1차 피더부(89)와 연결된 제 1 급전점(88A); 및

상기 제 2 방사소자와 연결된 제 2 급전점(88B);

을 포함하여 구성되는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 39에 있어서,

상기 2차 피더부(88)는,

PCB, LTCC, 반도체 중에서 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.
청구항 1 내지 청구항 30 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 쿼드리필러 나선형 안테나 구조는,

모바일폰, RFID, GPS, 위성수신 DMB, PDA, PC, LCD, 네비게이션 단말기 중에서 하나 이상에 적용되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 나선형 안테나 구조.