KR20080085572A - 극초단파용 소형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나는 마이크로스트립 기판; 상기 마이크로스트립 기판 상면의 일 측에 형성되며 공진시키고자 하는 대역의 무선 신호가 입력되는 급전부; 상기 마이크로스트립 기판 상면에서 상기 급전부가 위치한 측의 반대 측에 형성되며 공진을 유도하는 복사부; 및 상기 마이크로스트립 기판의 상면에 일정한 폭을 가지면서 길이 방향으로 형성되며 상기 입력된 신호가 상기 급전부로부터 상기 복사부로 전달되는 경로를 제공하는 급전선;을 포함하는 것을 특징으로 하며, 단순화된 접힘 구조의 패치와 접지면 사이의 유도결합 현상을 이용하여 광대역 특성을 확보하였고 매칭 회로단을 삽입하여 향후 공진 주파수 튜닝에도 이점이 있다

Description

극초단파용 소형 안테나{Antenna for ultra high frequency }

도 1a는 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나를 정면에서 바라본 정면도이다.

도 1b는 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나를 옆에서 바라본 측면도이다.

도 1c는 본 발명에 의한극 초단파용 소형 안테나를 뒤에서 바라본 배면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 매칭 회로부의 일 실시예를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나를 상용 EM 시뮬레이터인 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보여주는 도면이다.

도 4는 상기 시뮬레이션을 바탕으로 계산한 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 이득 특성을 정리한 도면이다.

본 발명은 유럽형 이동방송(DVBH, Digital Video Broadcasting for Handheld) 수신을 위한 극초단파용 소형 안테나에 관한 것이다.

안테나는 무선통신에서 통신의 목적을 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유지시키기 위해 공중에 가설한 도선으로서, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다. 안테나는 사용하는 주파수에 따라 모양이 여러 가지로 달라지는데, 안테나가 효율적으로 동작하도록 안테나를 사용하고자 하는 주파수로 공진시키게 된다. 하지만, 세계적으로 다양한 무선통신 표준이 존재하며, 각각은 상이한 주파수 대역을 사용하므로 하나의 단말기로 이들 모두의 주파수 대역에서 사용하기 위해서는 안테나가 다수의 공진 주파수를 가져야 한다. 또한, 현대 사회에서 필수품으로 되어가고 있는 무선 통신기기 중 휴대폰과 같은 휴대형 무선 통신기기가 소형화, 경량화 되면서 안테나 또한 소형화, 경량화되는 추세에 있다. 소형화 뿐만 아니라 다중 대역 혹은 광역 안테나들에 대한 수요가 급증하고 있다. 따라서, 안테나의 성능을 더욱 향상시키면서 크기는 보다 작게 하려는 연구가 활발하다.

DVBH 서비스가 이루어지는 주파수 대역은 UHF 대역(470-702 MHz)으로서 40%의 광대역 특성을 지닌다. DVBH 서비스를 이용하여 이동중에 TV 나 영화, 음악, 뉴스 등과 같은 데이터 방송을 시청할 수 있기 때문에, 우리 나라의 DMB 서비스와 유사한 성격을 가진다. 그러나 UHF 대역의 긴 파장 특성으로 인해 일반적인 PIFA(Planar Inverted-F Antenna;평판형 역 에프 안테나) 나 휩(whip) 안테나로는 전기적으로 소형화 된 내장형 안테나의 구현이 매우 어렵다. PIFA구조를 이용한 단말기 내장형 다중 대역 안테나의 연구는 이미 상당히 진척되어 상용화되고 있고 있 으나, DVBH 와 같이 UHF 대역의 광대역 특성을 가지는 안테나의 연구는 미비한 실정이다.

그리고 무선통신 휴대기기 분야에서의 회로적인 발전 추세와 더불어, 근래에는 기존의 외장형 안테나가 가지고 있는 단점을 보완하면서, 소비자의 욕구만족을 위한 대안으로서 내장형 안테나를 탑재한 세련된 디자인의 휴대기가 사용자의 편리성과 더불어 최근에 대두되고 있는 상황이다. 다중 대역의 특성을 가지면서 소형화 하여 휴대 무선기기에 탑재가능 한 안테나에 대한 소요는 꾸준히 제기되어 왔고, 현재 상당한 수준의 내장화에 성공하여 슬림형 휴대기기에 까지 적용되고 있다. 그러나 DVBH와 같이 새로운 형태에 서비스에 대응하기 위한 소형의 광대역 안테나는 기존의 PIFA 나 휩(whip) 안테나로는 구현이 어려운 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유럽형 이동방송(DVBH, Digital Video Broadcasting for Handheld) 수신을 위한 극초단파용 소형 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접힌 형태의 복사 소자와 슬롯이 형성된 접지면을 이용함으로써 광대역의 특성을 가지면서도 소형화된 DVBH용 수신 안테나를 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나는 마이크로스트립 기판; 상기 마이크로스트립 기판 상면의 일 측에 형성되며 공진시키고자 하는 대역의 무선 신호가 입력되는 급전부; 상기 마이크로스트립 기판 상면에서 상기 급전부가 위치한 측의 반대 측에 서 형성되며, 상기 마이크로스트립 기판의 배면방향으로 굽혀지되 상기 마이크로스트립 기판의 배면과 접촉하지 않도록 하여 상기 마이크로스트립 기판의 배면과 일정한 공간을 형성하여 공진을 유도하는 복사부; 및 상기 마이크로스트립 기판의 상면에 일정한 폭을 가지면서 길이 방향으로 형성되며 상기 입력된 신호가 상기 급전부로부터 상기 복사부로 전달되는 경로를 제공하는 급전선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 다른 일 실시예에서 상기 광대역 평면 안테나는 적어도 하나 이상의 가변 에너지 저장 소자로 이루어지며 한 쪽 포트는 상기 급전부에 연결되고, 다른 쪽 포트는 상기 급전선에 연결되는 투 포트(two ports) 수동 매칭 회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 다른 일 실시예에서 상기 마이크로스트립 기판은 그 배면의 끝에서부터 상기 공진이 일어나기에 적합한 길이만큼 아래쪽에서 반원모양을 가지는 절연 영역을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 다른 일 실시예에서 상기 복사부는 상기 마이크로스트립 기판의 배면에서 상기 복사부로부터 상기 급전부 방향으로 상기 공진이 일어나기에 적합한 길이만큼 아래쪽에서 반원모양을 가지는 절연 영역을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명한다. 도 1a는 본 발명에 의한 DVBHDigital Video Broadcasting for Handheld 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나를 앞에서 바라본 정면도이고, 도 1b는 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나를 옆에서 바라본 측면도이며, 도 1c는 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나를 뒤에서 바라본 배면도이다. 그리고 도 2는 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나의 매칭 회로부의 일 실시예를 보여주는 도면이다. 한편 도 3은 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나를 상용 EM 시뮬레이터인 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보여주는 도면이며, 마지막으로 도 4는 상기 시뮬레이션을 바탕으로 계산한 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나의 이득 특성을 정리한 도면이다.

먼저 도 1a 내지 1c를 참조하면서 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 구성을 살펴본다. PCB 기판(101)의 상면에 50 옴(ohm) 급전선(102)을 패턴 처리(패터닝;patterning)하고, 그 급전선(102)의 종단부는 굽힘 구조(106)를 가진 3차원 직사각형 패치, 즉 복사부(103)로 연결된다. 여기서 복사부(103)는 마스크가 제거된 즉 동박이 노출된 상태로 이루어진다. 도 1b를 참조하면서 측면에서 바라본 모습을 살펴본다. 마이크로스트립 기판의 측면(107)과 복사부가 굽혀져 있는 모습(106), 그리고 그 굽혀진 일측면과 마이크로스트립 기판의 측면(107)이 일정한 거리(d1)만큼 떨어져서 공간을 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 103과 106은 서로 별개의 것이 아니고 복사부(103)가 마이크로스트립 기판(101)의 배면으로 굽혀져 있는 것으로서, 그 배면과 일정한 거리(d1, 111)만큼 떨어져 일정한 공간을 형성한다. 이러한 형태는 복사 소자와 후면의 접지면 사이의 결합 현상을 유도해 광대역의 공진 현상으로 유도한다. 굽혀지는 모습, 즉 직각 형태로 굽혀지든지 일정한 곡률반경을 가지면서 원형으로 굽혀지든지 그 모습은 불문한다. 배면과의 거리(d1)가 증가할수록 공진현상이 뚜렷해지나 안테나 두께와 서로 trade off 의 관계가 있다. 따라서 적절한 거리(d1) 을 정하는 것이 중요하다. 그리고 더욱 향상된 반사계수 특성과 튜닝(tuning)을 위해 급전 프루브(105)와 급전선(102) 사이에 매칭 회로부(104)를 두는 것이 바람직하다. 안테나 후면에는 슬롯(109)이 있는 접지면(110)이 형성되어 있다.

도 1c를 보면 도 1a를 뒤에서 바라본 것으로서, 복사부(108)와 연접해서 접지면(110)에는 'U' 자 형태의 슬롯(109)이 형성되어 있으며, 이는 안테나 크기를 소형화하는데 기여한다. 108 영역은 마이크로스트립 기판의 배면에서 도 1a에 도시된 복사부(103)가 연속적으로 형성된 영역을 보여준다. 도 1c에서 'U' 자 형태의 슬롯(109)은 마이크로스트립 기판의 배면중에서 접지면(110)과 연접해 있으며 동박이 제거된, 즉 절연 상태로 형성된다. 거리(d2)가 증가할수록 공진 주파수는 저주파 대역으로 치우친다. DVBH 대역에서 공진이 유도되도록 적절한 슬롯의 길이(d2)를 선정한다.

도 2는 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나의 매칭 회로부의 일 실시예를 보여주는 도면으로서, 급전 프루브(105)와 복사 소자(103) 사이에 삽입하여 더 향상된 매칭 특성을 구현할 수 있다. 이를 위하여 인덕터와 캐패 시터로 이루어지는 필터 형태를 가지며, 가변 소자들을 사용하여 향후 안테나가 실장되었을 때 주변 소자의 영향에 의한 공진 특성 변화를 반영하여 적절히 튜닝하는 데에도 이점이 있다. 도 2에 도시한 매칭회로는 일 예일 뿐이며 상이한 여러 가지 형태로 구성이 가능하다. 구체적인 값은 공진 주파수에 따라 상이할 수 있으며 그 값을 구하는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 그 설명을 생략한다.

또한 마이크로스트립 기판을 일반적인 마이크로스트립 안테나 제작에 널리 이용되고 있는 FR4 기판을 사용하는 것이 제작의 용이성면이나 비용면에서 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나는 평면 구조를 이용하여 구현이 단순하면서도 광대역에서 동작이 가능하다.

본 발명에 의한 극초단파용 소형 안테나의 장점 및 특징을 도 4 및 도 5를 참조하면 쉽게 알 수 있다. 도 4는 본 발명에 의한 안테나를 상용 EM 시뮬레이터인 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 시뮬레이션 한 결과이다. 반사계수 기준을 -1dB 로 하였을 때, 460-796 MHz 사이의 공진 특성을 보여 준다. 반사계수 기준을 -1dB 로 한 이유는 DVBH 수신 이득 요건을 충분히 만족시키기 때문이다.

도 5는 위에서와 같은 시뮬레이션을 바탕으로 계산한 DVBH 안테나의 이득 특성이다. DVBH 안테나의 이득요건은 가장 낮은 주파수인 470MHz 에서는 -10dBi 이상, 최상향 주파수인 702 MHz 에서는 -7dBi 이상의 특성을 가질 것을 권고하고 있다. 본 발명에서 제시한 안테나의 경우 470MHz에서 -5.21dBi, 702MHz 에서는 -0.9dBi 로서 권고안 보다 5dBi 이상 높은 수준이므로, 수신 안테나로서 타당한 설계라 할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 DVBH 방식을 위한 극초단파용 소형 안테나는 단순화된 접힘 구조의 패치와 접지면 사이의 유도결합 현상을 이용하여 광대역 특성을 확보하였고 매칭 회로단을 삽입하여 향후 공진 주파수 튜닝에도 이점이 있다. 또한 'U'자 형태의 슬롯을 접지면에 형성하여 전체 안테나 크기를 소형화 하였다.

따라서 본 발명은 상용 DVBH 통신용 광대역 안테나로서 소형화 되어 가볍고 저렴한 기술로 생산할 수 있다. 또한, 향후 휴대 무선기기 내장형 광대역 안테나로서 크게 기여할 수 있다.

Claims (3)

1. 마이크로스트립 기판;

   상기 마이크로스트립 기판 상면의 일 측에 형성되며 공진시키고자 하는 대역의 무선 신호가 입력되는 급전부;

   상기 마이크로스트립 기판 상면에서 상기 급전부가 위치한 측의 반대 측에 서 형성되며, 상기 마이크로스트립 기판의 배면방향으로 굽혀지되 상기 마이크로스트립 기판의 배면과 접촉하지 않도록 하여 상기 마이크로스트립 기판의 배면과 일정한 공간을 형성하여 공진을 유도하는 복사부; 및

   상기 마이크로스트립 기판의 상면에 일정한 폭을 가지면서 길이 방향으로 형성되며 상기 입력된 신호가 상기 급전부로부터 상기 복사부로 전달되는 경로를 제공하는 급전선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 극초단파용 소형 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 극초단파용 소형 안테나는

   적어도 하나 이상의 가변 에너지 저장 소자로 이루어지며 한 쪽 포트는 상기 급전부에 연결되고, 다른 쪽 포트는 상기 급전선에 연결되는 투 포트(two ports) 수동 매칭 회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극초단파용 소형 안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로스트립 기판은

   상기 마이크로스트립 기판의 배면에서 상기 복사부로부터 상기 급전부 방향 으로 상기 공진이 일어나기에 적합한 길이만큼 아래쪽에서 반원모양을 가지는 절연 영역을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 극초단파용 소형 안테나.

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