KR20080108847A - 굴곡형 모노폴 안테나 - Google Patents

Abstract

실시예에 따른 굴곡형 모노폴 안테나는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판에 설치되어, 전기신호를 발생시키는 RF 모듈; 상기 RF 모듈과 연결되어 상기 전기신호가 전달되는 급전선; 및 상기 급전선과 연결되어 인가된 전기신호에 의해 전계를 발생시키기 위한 패턴부로서, 메인 패턴부와 서브 패턴부;가 포함되고, 상기 메인 패턴부는 상기 인쇄회로기판을 관통하여 형성된 비아 패턴을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 안테나는 기존에 사용되던 헤리컬 안테나를 PCB에 구현한 것으로써 다음과 같은 특징을 갖는다.

먼저, 안테나를 별도 제작하지 않고 RF 모듈 PCB에 직접 제작하기 때문에 생산 공정을 간소화 할 수 있게 된다. 그리고 안테나의 실장을 위해 필요한 공간을 최소화 할 수 있으며 외부 환경에 따른 안테나의 형태 및 성능 변화를 줄일 수 있게 된다.

모노폴 안테나

Description

굴곡형 모노폴 안테나{Bent monopole antenna}

도 1은 본 실시예에 따른 인쇄회로기판의 상부면을 나타내는 도면.

도 2와 도 3은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 실시예에 따른 메인 패턴부를 설명하기 위한 개략적인 사시도.

도 5는 상기 메인 패턴부를 구성하는 단위 패턴의 형상을 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 방사패턴을 3차원으로 도시한 도면.

도 7은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 반사손실 특성을 나타내는 그래프.

도 8은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 수평방향 방사패턴을 나타내는 도면.

도 9는 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 수직방향 방사패턴을 나타내는 도면.

본 발명은 헤리컨 안테나와 조합된 굴곡 형태를 갖는 평판 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 특히 RF 모듈 PCB에 도체패턴을 이용하여 제조되는 굴곡형 모노폴 안테나에 대한 것이다.

안테나는 RF 모듈에서의 신호를 전달하는 전송선과 전파 방사를 위한 방사부, 그리고 임피던스 정합 및 방사패턴의 조절이 가능한 유사 기생소자(effective parasitic element)로 구성된다.

헤리컬 안테나는 특정 주파수에서 안테나의 크기를 소형화할 수 있으며, 높은 효율을 갖기 때문에 소형 무선 기기들에 널리 사용되는 안테나이다. 그러나, 스프링과 유사한 형태를 갖는 헤리컬 안테나를 이용하기 위해서는 제품 내부에 안테나 실장을 위한 공간이 반드시 확보되어야 하고, 또한 별도의 조립 과정이 요구되는 불편함이 있다.

그리고, 외부 환경에 따라 안테나의 형태가 변경되거나 성능이 변화될 가능성이 있기 때문에, 안테나의 별도 조립과정에서 안테나의 성능 편차가 나타날 수도 있다.

본 발명은 종래의 헤리컬 안테나를 RF 모듈 PCB에 일체형으로 제작된 모노폴 안테나를 제안하며, 모노폴 안테나에 요구되는 전기적 길이(electrical length)인 1/4 파장을 제한된 공간에 설치될 수 있도록 나선 형태로 굴곡된 모노폴 안테나를 제안하는 것을 목적으로 한다.

또한, 헤리컬 안테나 구조와 유사하게 PCB 양면에 도체 패턴을 두고, 이를 비아(via)를 이용하여 연결시킴으로써, 안테나에 요구되는 전기적인 길이를 제한된 PCB내에서 구현될 수 있는 모노폴 안테나를 제안한다.

또한, 리모콘과 같이 PCB와 수평 방향으로의 전파 방사가 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여 평판 헤리컬 구조와 함께 굴곡된 형태를 갖는 유사 기생소자를 사용하여 효율적인 전파의 방사가 이루어질 수 있는 모노폴 안테나를 제안한다.

실시예에 따른 굴곡형 모노폴 안테나는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판에 설치되어, 전기신호를 발생시키는 RF 모듈; 상기 RF 모듈과 연결되어 상기 전기신호가 전달되는 급전선; 및 상기 급전선과 연결되어 인가된 전기신호에 의해 전계를 발생시키기 위한 패턴부로서, 메인 패턴부와 서브 패턴부;가 포함되고, 상기 메인 패턴부는 상기 인쇄회로기판을 관통하여 형성된 비아 패턴을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 안테나는 기존에 사용되던 헤리컬 안테나를 PCB에 구현한 것으로써 다음과 같은 특징을 갖는다.

먼저, 안테나를 별도 제작하지 않고 RF 모듈 PCB에 직접 제작하기 때문에 생산 공정을 간소화 할 수 있게 된다. 그리고 안테나의 실장을 위해 필요한 공간을 최소화 할 수 있으며 외부 환경에 따른 안테나의 형태 및 성능 변화를 줄일 수 있게 된다.

또한 기존의 평판 안테나들로 부터의 전파 방사가 PCB와 수직(normal) 방향으로 주되게 나타나는 것과 달리, PCB와 수평(parallel) 방향으로 주된 전파 방사가 이루어지게 된다. 따라서 리모컨과 같이 수평 방향으로의 전파 방사가 필요한 기기에 이용되기에 적합하다. 이러한 안테나의 전파 방사 특성은 평면 헤리컬 구조만 가지고는 확인할 수 없으나 본 발명에서와 같이 헤리컬 구조와 함께 모노폴 형태의 유사 기생 소자를 부가함에 따라 확인할 수 있게 된다.

본 안테나는 3차원 구조를 갖는 헤리컬 안테나를 매우 효과적으로 대체할 수 있으며 헤리컬 및 유사 기생소자의 형태를 적절히 설계함으로써 다양한 주파수에서 사용될 수 있는 안테나의 설계가 가능하게 된다.

특히, 본 발명에서는 인쇄되는 안테나로 구성되며, 안테나의 길이를 길게 형성하여 안테나 이득을 높일 수 있도록 굴곡된 형상의 패턴부가 형성된다.

그리고, 원편파 발생에 유리한 헤리칼 구조를 갖을 수 있으면서, 기생소자(parasitic element)를 갖는 구조를 형성시킴으로써 방사 패턴의 지향성을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 모노폴 안테나가 제공된다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 든다고 할 것이다.

도 1은 본 실시예에 따른 인쇄회로기판의 상부면을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 실시예의 굴곡형 모노폴 안테나(100)는 소정의 RF 회로가 구성되는 부품실장부(110)와, 상기 부품실장부(110)의 전기신호가 공급되는 급전선(120)과, 상기 부품실장부(110)와 급전선(120)이 안착되는 도체판이 포함된다.

또한, 상기 급전선(120)으로 인가되는 전기신호에 의해 전계가 유기되도록 하는 메인 패턴부(40)와 서브 패턴부(130)가 포함되고, 상기 메인 패턴부(40)와 서브 패턴부(130)는 인쇄회로기판에 패턴화되어 형성된다.

그리고, 상기 메인 패턴부(40)는 굴곡된 형상을 갖도록 형성되어 안테나 이득이 높아지게 된다. 상기 메인 패턴부(40)로 인가된 전기신호가 상기 서브 패턴부(40)로도 인가될 수 있도록 연결되어 있으며, 상기 메인 패턴부(40)에 인가된 전기신호보다는 서브 패턴부(130)에 인가되는 전기신호가 전기적 저항에 의하여 작다.

상기 메인 패턴부(40)와 서브 패턴부(130)의 형상에 대해서는 첨부되는 도면을 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 상기 급전선(120)은 안테나에서 전파를 공간에 복사하도록 설계된 구조물인 복사소자에 전기신호를 공급한다. 그리고, 사익 복사소자에 직접 전도성을 연결하거나 무접점 용량성 결합등을 통해 전기신호를 공급하는 것이 가능하다.

또한, 상기 부품실장부(110)는 소정의 전기신호가 상기 급전선(120)에 전달되도록 소정의 전기신호를 특정 RF 채널 주파수로 변환하여 출력하는 장치가 포함된다.

한편, 실시예의 모노폴 안테나의 동작에 대하여 설명하면 아래와 같다.

상기 부품실장부(110)에서는 소정의 신호가 특정 주파수대역을 통해 전송될 수 있도록 하기 위한 전기신호를 상기 급전선(120)에 공급한다. 상기 급전선(120)은 공급된 전기신호가 메인 패턴부와 서브 패턴부에 의해 유기되는 전계의 크기가 최대가 되도록 하여, 상기 패턴부에 유기되는 전계에 의하여 전자파가 방사된다.

따라서, 상기와 같이 기존의 인쇄회로기판에 형성되는 패턴부들에 의하여 유기되는 전계에 의해 형성되는 자기전류를 이용하게 된다.

도 2와 도 3은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

참고로, 도 1에서는 서브 패턴부(130)가 직선형의 형상을 갖도록 도시되어 있으나, 도 2 및 도 3에서는 상기 서브 패턴부(130)가 굴곡된 형상을 갖도록 형성되는 것으로 도시되어 있다. 이러한 상기 서브 패턴부(130)의 형상의 차이는 실시예의 안테나가 적용되는 장치에 따른 것으로서, 상기 서브 패턴부(130)가 상기 메인 패턴부(40)에서 유기되는 전계를 반사시킴으로써 유도되는 방사패턴이 지향성을 갖을 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

즉, 도 2와 도 3에 도시된 것처럼, 상기 서브 패턴부(130)가 굴곡된 형상으로 이루어지는 경우에, 상기 메인 패턴부(40)에서 유기되는 전계는 상기 서브 패턴부(130)에도 유기되어 상기 서브 패턴부(130)에 전류가 흐르도록 하고, 상기 서브 패턴부(130)에 전류가 흐르게 됨에 따라 전계 역시 유기된다. 그리고, 상기 서브 패턴부(130)에 유기된 전계에 의하여 유도된 방사패턴의 방향이 지향성을 갖게 된다.

보다 상세히, 상기 서브 패턴부(130)는 상기 메인 패턴부(40)와 직접 연결되는 제 1 서브 패턴(131)과, 상기 제 1 서브 패턴(131)의 일측으로부터 절곡되는 제 2 서브 패턴(132)으로 이루어지고, 상기 메인 패턴부(40)에 의해 유기되는 전계는 상기 제 2 서브 패턴(132)에 영향을 주어 유도되는 방사패턴의 지향성이 개선된다.

도 2에서, 상기 메인 패턴부(40)의 배열방향을 X방향이라고 한다면, 상기 메인 패턴부(40)로 인가된 전기신호 및 유기된 전계에 의하여 형성되는 전자기파의 방사방향은 X방향에 수직한 방향인 Y방향이 된다.

특히, 상기 서브 패턴부(130)는 유사 기생소자(effective parasitic element)로서 역할을 수행하게 되는 것이며, 유사 기생소자는 안테나의 전기적 길이를 길어지도록 하기 때문에 공진 주파수는 낮아지게 된다. 또한, 커패시턴스 성분을 갖는 헤리컬 구조와 달리 인덕턴스 성분을 갖기 때문에 안테나의 입력 임피던스를 조정할 수 있게 되며, 방사패턴을 조정할 수 있는 소자로서 역할을 수행하게 되는 것이다.

상기 제 1 서브 패턴(131)의 길이는 ld로 도시되어 있고, 제 2 서브 패턴(132)의 길이는 lr로 도시되어 있으며, 이러한 상기 제 1 서브 패턴(131)과 제 2 서브 패턴(132)의 길이를 가변시키는 것에 의해서 유도되는 방사패턴의 방향이나 크기를 조절할 수 있으며, 이는 첨부되는 도면의 실험적인 데이터를 통하여 확인하는 것이 가능하다.

도 3에는 실시예에 따른 메인 패턴부의 구조에 대하여 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 메인 패턴부(40)는 인쇄회로기판의 전면과 후면을 따라 굴곡된 패턴 으로 이루어지고, 인쇄회로기판의 전면과 후면 패턴간의 연결은 비아(via)를 관통하여 형성된 도체에 의하여 전기적으로 연결된다.

상기 메인 패턴부(40)의 형상에 대하여 좀더 살펴보기 위하여, 도 4 및 도 5를 개시하여 보기로 한다.

도 4는 본 실시예에 따른 메인 패턴부를 설명하기 위한 개략적인 사시도이고, 도 5는 상기 메인 패턴부를 구성하는 단위 패턴의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 5를 참조하여 보면, 인가된 전기신호에 의하여 전계를 유기하여 전자기파가 방사되도록 하는 메인 패턴부의 단위 패턴(141) 각각은 2개의 인쇄패턴(141a)과, 상기 인쇄패턴(141a)들을 전기적으로 연결하는 비아 패턴(141b)으로 구성된다.

특히, 상기 인쇄패턴(141a) 각각은 인쇄회로기판의 전면(또는 상부면) 또는 후면(또는 하부면)에 패턴되어 형성되고, 상기 비아 패턴(141b)은 인쇄회로기판에 비아홀을 형성시킨 다음에 도체의 금속패턴을 가공하여 형성된다.

이러한 상기 메인 패턴부는 복수의 단위 패턴들로 형성됨에 따라, 제한된 공간내에서 안테나를 길게 형성할 수 있어 안테나 이득을 높일 수 있게 되는 것이다.

도 6은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 방사패턴을 3차원으로 도시한 도면이고, 도 7은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 반사손실 특성을 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 수평방향 방사패턴을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 실시예에 따른 모노폴 안테나의 수직방향 방사패턴을 나타내 는 도면이다.

도 6을 참조하면, 제안되는 실시예의 메인 패턴부와 서브 패턴부간의 전계 유기 및 유사 기생소자의 기능에 따라, 인쇄회로기판과 수직방향으로의 방사에 비해 수평방향으로의 방사가 더 커지게되는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 7을 참조하면, 리턴로스 결과는 사용주파수에서 -20.23dB의 리턴 로스 특성이 나타남을 알 수 있다.

도 8을 참조하면, 제안되는 실시예의 안테나에서 수평방향의 방사패턴은 644MHz의 주파수에서 메인 로브의 크기가 0.6dBi이고, 메인 패턴부가 좌측에 오도록 인쇄회로기판을 배치한 경우에 베인 로브의 방향은 205.0deg이다.

도 9를 참조하면, 제안되는 실시예의 안테나에서 수직방향의 방사패턴은 644MHz의 주파수에서 메인 로브의 크기가 0.6dBi이다.

제안되는 실시예에 의해서, 기존의 헤리컬 안테나를 효과적으로 대체할 수 있으며, 부품이 실장되는 인쇄회로기판의 협소한 공간 내에서도 안테나의 이득을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 서브 패턴부가 유사 기생소자로서 동작을 하게되어, 안테나 방사패턴의 지향성이 보다 개선되는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 인쇄회로기판;

   상기 인쇄회로기판에 설치되어, 전기신호를 발생시키는 RF 모듈;

   상기 RF 모듈과 연결되어 상기 전기신호가 전달되는 급전선; 및

   상기 급전선과 연결되어 인가된 전기신호에 의해 전계를 발생시키기 위한 패턴부로서, 메인 패턴부와 서브 패턴부;가 포함되고,

   상기 메인 패턴부는 상기 인쇄회로기판을 관통하여 형성된 비아 패턴을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 굴곡형 모노폴 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 메인 패턴부는 복수의 단위 패턴들로 이루어지고, 상기 단위 패턴은 상기 인쇄회로기판의 전면과 후면에 각각 형성된 인쇄패턴들과, 상기 인쇄패턴들을 전기적으로 연결하기 위한 비아 패턴들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 굴곡형 모노폴 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 서브 패턴부는 상기 메인 패턴부와 연결되는 제 1 서브 패턴과, 상기 제 1 서브 패턴의 일측으로부터 절곡형성된 제 2 서브 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 굴곡형 모노폴 안테나.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 메인 패턴부와 서브 패턴부는 상기 인쇄회로기판상에서 인쇄된 것을 특징으로 하는 굴곡형 모노폴 안테나.

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