KR20090065649A - 입체형 ｕｗｂ 안테나 - Google Patents

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KR20090065649A
KR20090065649A KR1020070133057A KR20070133057A KR20090065649A KR 20090065649 A KR20090065649 A KR 20090065649A KR 1020070133057 A KR1020070133057 A KR 1020070133057A KR 20070133057 A KR20070133057 A KR 20070133057A KR 20090065649 A KR20090065649 A KR 20090065649A
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염찬규
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(주)에이스안테나
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Abstract

본 발명은 입체형 초광대역(UWB) 안테나에 관한 것으로서, 이와 같은 본 발명에 의한 입체형 초광대역 안테나는, 소정의 폭과 길이로 형성된 코플라나 도파관(CPW) 구조의 급전선과, 상기 급전선과 연결되어 외곽선이 변형된 반원형으로 형성된 방사체와, 상기 급전선의 좌우측에 소정 간격을 유지하면서 배치되고 상기 방사체의 변형된 반원형의 외곽선과 대칭되는 곡선형으로 외곽선이 형성된 제1 및 제2 접지면, 및 PCB에 고정되기 위한 저면부와, 상기 저면부의 좌우측에 인접되어 형성되는 좌우측부면을 구비하는 육면체로 형성된 유전체 구조물을 포함하여 구성되며, 상기 급전선, 상기 방사체, 및 상기 제1 및 제2 접지면이 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 및 좌우측부면을 따라 굴곡되어 형성된다. 따라서, 본 발명은, 초광대역 안테나를 입체 구조로 형성함으로써 안테나 크기를 소형화하고, 안정적인 표면 실장이 가능하도록 하여 조립 작업의 자동화와 양산성의 증대가 가능하다.
입체형 초광대역(UWB) 안테나, 반원형 방사체, 곡선형 접지면, 육면체 유전체, 급전패드, 접지패드, 전도성패드

Description

입체형 ＵＷＢ 안테나{SOLID ULTRA-WIDE BAND ANTENNA}
본 발명은 초광대역(Ultra-Wide Band; UWB) 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 입체형 UWB 안테나에 관한 것이다.
UWB 통신 시스템은 수 GHz 대역폭에 이르는 매우 짧은 펄스를 이용하여 신호를 고속으로 전송할 수 있는 시스템이다. UWB 통신 시스템은 다른 통신 시스템에 영향을 주지 않기 위하여 신호 에너지를 초광대역으로 분산하여 송신함으로써 다른 협대역(narrow band) 신호에 간섭을 주지 않고 통신할 수 있다.
또한, UWB 통신 시스템은 IEEE 802.11이나 블루투스(Bluetooth)에 비하여 월등히 높은 공간적인 용량(spatial capacity)을 제공할 수 있어서 최근 활발히 개발되고 있는 근거리 무선 통신망에 매우 적합하다.
최근 기반 기술의 급진적인 발전과 더불어 UWB 통신에 대한 표준화에서 시제품까지 다양한 형태로 UWB 통신에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
안테나 분야에서도 최근 내장형 안테나 기술에 대한 연구와 관심이 커지고 있고, 무선 통신에 적합한 이동 단말기는 그 크기가 점점 작아지고 있는 추세이다.
도 1은 종래 UWB 안테나의 구조를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 UWB 안테나는, 급전선과, 신호를 송신 또는 수신하기 위한 반원형의 패치면과, 접지를 위한 사각형의 접지면을 포함하여 형성되며, 상기 급전선, 상기 패치면, 및 상기 접지면이 유전체 상에 평면 구조로 형성된다.
이동 단말기의 소형화를 위하여 보다 작은 소자에 대한 개발은 필연적이나, 종래 UWB 안테나의 경우, 평면형 구조로 인하여 안테나의 크기를 줄이기 어려운 문제점이 있다.
종래 UWB 안테나의 경우, UWB 안테나에 급전을 하기 위해서는 시스템 또는 단말기로부터의 물리적 급전이 가능하도록 별도의 구조물을 재설계해야 하는 번거로움이 있다.
종래 UWB 안테나는 접지면이 사각형으로 형성되고 패치면이 반원형으로 형성됨으로써, 특정 주파수에서 임피던스 특성이 좋지 않으며 여전히 협대역성의 주파수 특성을 갖는 문제점이 있다.
아울러, 일반적인 UWB 안테나의 경우에는 제품화에 필요한 연결, 조립 또는 실장 방식이 고려되어 있지 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하고자 제안된 것으로, 본 발명의 목적은, 유전체를 입체 구조로 형성하고, 곡선형의 외곽선을 가진 개구면으로 형성된 방사체와 곡선형의 접지면을 상기 유전체의 입체 형상에 따라 입체 구조로 형성함으로써 입체 구조를 갖는 UWB 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 급전과 안테나 구조물의 안정적인 부설을 위한 외부 전극과 SMT(serface mounting technology; 표면 실장 기술)에 의한 표면 실장이 가능한 패드를 UWB 안테나에 생성함으로써 UWB 안테나의 제품화에 필요한 연결, 조립 또는 실장이 용이한 입체형 UWB 안테나를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 입체형 UWB 안테나는, 소정의 폭과 길이로 형성된 코플라나 도파관(CPW) 구조의 급전선과; 상기 급전선과 연결되어 외곽선이 변형된 반원형으로 형성된 방사체와; 상기 급전선의 좌우측에 소정 간격을 유지하면서 배치되고 상기 방사체의 변형된 반원형의 외곽선과 대칭되는 곡선형으로 외곽선이 형성된 제1 및 제2 접지면; 및 PCB에 고정되기 위한 저면부와, 상기 저면부의 좌우측에 인접되어 형성되는 좌우측부면을 구비하는 육면체로 형성된 유전체 구조물을 포함하여 구성되고, 상기 급전선, 상기 방사체, 및 상기 제1 및 제2 접지면이 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 및 좌우측부면을 따라 굴곡되어 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, PCB에 고정되기 위한 저면부와 상기 저면부의 좌우측에 인접되는 좌우측부면을 구비하는 육면체로 유전체 구조물을 형성하고, CPW 구조의 급전선, 상기 급전선과 소정 간격으로 이격되어 상기 급전선의 좌우측에 배치되는 제1 및 제2 접지면, 및 상기 급전선과 연결되어 변형된 반원형으로 형성된 방사체를, 상기 유전체 구조물의 상기 저면부와 상기 좌우측부면을 따라 굴곡되도록 형성함으로써, UWB 안테나를 입체형으로 형성하여 안테나의 크기를 소형화하는 효과가 있다.
본 발명은 급전선과, 상기 급전선으로부터 연장되어 변형된 반원형으로 형성되는 방사체, 및 상기 급전선과 소정 간격으로 이격되어 상기 급전선의 좌우에 배치되고 외곽선이 곡선형인 제1 및 제2 접지면을, 입체 구조로 형성된 유전체와 일체화되도록 일례로 세라믹 공정을 이용하여 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유전체를 3-5의 유전율을 갖는 물질로 육면체로 형성하고 급전선, 제1 및 제2 접지면, 및 방사체를 유연성을 갖는 PCB로 형성한 후 유전체와 급전선, 제1 및 제2 접지면, 및 방사체를 서로 접착함으로써 입체형 UWB 안테나를 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 유전체 구조물의 저면부의 좌우측에 인접되는 좌우측부면들이 상기 저면부로부터 절곡되어 인접하기 때문에, 상기 절곡의 위치에 대응되는 방사체 및 제1 및 제2 접지면의 외곽선에 불연속점이 발생될 수 있으나, 지수함수, 사인함수, 코사인함수 중 하나의 함수를 이용하여 방사체 및 접지면의 외곽선을 곡선형으로 형성하기 때문에, 방사체 및 접지면의 불연속점을 제거하는 효과가 있다.
본 발명은 입체형 UWB 안테나의 급전선 및 접지면이 외부 보드의 급전면 및 접지면에 연결되도록, 입체형 UWB 안테나의 급전선 및 접지면의 해당 부분을 패드로 형성함으로써 급전을 위한 별도의 구조물이 필요없으며 접지 기능과 표면 실장 기능을 동시에 이루는 효과가 있다.
본 발명은 방사체 상에 전도성 패드를 형성하고, 외부 보드 상에서 상기 전도성 패드와 대응되는 위치에, 전기적으로 개방된 전도성 패드를 구비함으로써, 입 체형 UWB 안테나의 안정적인 표면 실장이 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명은 칩 형태로 표면 실장이 가능하기 때문에 안테나의 조립 작업의 자동화가 가능한 효과가 있으며, 조립 작업의 자동화를 통하여 양산성의 증대가 가능한 효과가 있다.
본 발명은 UWB 안테나를 입체 구조로 형성함으로써 안테나 크기의 소형화를 달성하고 안테나의 소형화로 인하여 이동 단말기 내에서의 설계 자유도와 공간 효율성을 높이는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 PCB에 고정되기 위한 저면부와, 상기 저면부의 좌우측에 인접되어 형성되는 좌우측부면을 구비하는 육면체로 유전체 구조물을 형성하고, 급전선, 방사체, 및 제1 및 제2 접지면을 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 및 좌우측부면을 따라 굴곡되도록 형성한다. 상기 급전선은 소정의 폭과 길이를 갖도록 형성된다. 상기 방사체는, 상기 급전선으로부터 연장되어 변형된 반원형으로 형성된다. 상기 제1 및 제2 접지면은, 상기 급전선의 좌우측에 소정 간격을 유지하면서 배치되고, 상기 방사체의 외곽선과 대칭되는 곡선형으로 외곽선이 형성된다.
또한 본 발명은 급전과 안테나 구조물의 안정적인 부설을 위한 외부 전극과 SMT(serface mounting technology; 표면 실장 기술)에 의한 표면 실장이 가능한 패드를 입체형 UWB 안테나에 구비한다.
도 2는 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나와 외부 보드 간의 연결 구조의 일례를 나타낸다.
외부 보드, 즉, 단말기의 PCB(printed circuit board; 인쇄회로기판)(100)는, 급전을 위한 급전 선로(101)와, 접지를 위한 2개의 접지 보드(102), 및 전기적으로 개방된 보드(103)를 포함한다. 2개의 접지 보드(102)는 급전 선로(101)의 양측에 각각 위치한다. 상기 전기적으로 개방된 보드(103)는 입체형 UWB 안테나(200)가 안정적으로 표면 실장될 수 있도록 4개의 전도성 패드들(도 2에는 도시되지 않음)을 구비한다. 상기 4개의 전도성 패드들은 후술되는 도 3 및 도 5의 제1 및 제2 접지 패드(302,303)와 제1 및 제2 전도성 패드(304,305)에 서로 연결된다. 따라서 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 경우 SMT(serface mounting technology; 표면 실장 기술)에 의한 표면 실장이 용이하게 된다.
본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나(200)는 단말기의 PCB(100)의 전기적으로 개방된 보드(103) 상에 실장된다. 이와 같은 경우에, PCB(100)의 급전 선로(101)는 입체형 UWB 안테나(200)의 급전선과 연결되고 PCB(100)의 접지 보드(102)는 입체형 UWB 안테나(200)의 접지면과 연결되도록 입체형 UWB 안테나(200)가 실장된다.
본 발명의 입체형 UWB 안테나를 형성하는 방법은 여러 가지가 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 입체형 UWB 안테나는, 급전선, 접지면, 및 방사체와 유전체 구조물을 일체형으로 형성된 경우를 나타내고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 입체형 UWB 안테나는, 급전선, 접지면, 및 방사체를 유전체 구조물과 접착하여 형성된 경우를 나타낸다.
일례로, 유연성 있는 PCB(Flexible Printed Circuit Board; F-PCB)로 형성하고 상기 급전선, 접지면, 및 방사체를 유전체 구조물과 서로 접착함으로써 형성한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나의 구조를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나(200)는, 소정의 폭과 길이로 형성된 코플라나 도파관(CPW) 구조의 급전선(220)과, 상기 급전선(220)과 연결되어 외곽선이 변형된 반원형으로 형성된 방사체(230)와, 상기 급전선(220)의 좌우측에 소정 간격을 유지하면서 배치되고 상기 방사체(220)의 변형된 반원형의 외곽선과 대칭되는 곡선형으로 외곽선이 형성된 제1 및 제2 접지면(240)(241), 및 PCB에 고정되기 위한 저면부(A)와, 상기 저면부(A)의 좌우측에 인접되어 형성되는 좌우측부면(B)(C)을 구비하는 육면체로 형성된 유전체 구조물(210)을 포함하여 구성되고, 상기 급전선(220), 상기 방사체(230), 및 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241)이 상기 유전체 구조물(210)의 상기 저면부(A) 및 좌우측부면(B)(C)을 따라 굴곡되어 형성된다.
상기 급전선(220), 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241), 및 상기 방사체(230)는, 상기 유전체 구조물(210)의 상기 저면부(A) 및 상기 좌우측부면(B)(C)을 따라 굴곡되어 일체적으로 형성된다.
상기 급전선(220), 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241), 및 상기 방사체(230)가 상기 유전체 구조물(210)에 일체화되어 형성된, 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나(200)의 형성 방법에 대하여 설명한다. 일례로, 세라믹 공정을 이용하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나(200)를 형성하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, PCB에 고정되기 위한 저면부(A)와 상기 저면부(A)의 좌우측에 인접되는 좌우측부면(B)(C)을 구비하고, 상기 좌우측부면(B)(C) 중 하나와 상기 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 면이 이루는 각도가 0도 초과 90도 이하의 범위에서 결정되어 형성되는 육면체로 유전체 구조물(210)이 형성되도록, 상기 육면체와 일치하는 형태의 금형을 제작한다.
그런 다음, 세라믹 원료와 결합제를 혼합하여 컴파운딩(반죽)한 후 상기 금형에 찍어 세라믹 구조물을 형상화한다. 형상화된 세라믹 구조물은 유기물 성분과 무기물 성분을 모두 포함하는 상태이다. 약 1300도 이상으로 가열하는 1차 소성 과정을 통하게 되면 무기물 성분이 제거되면서 원하는 육면체의 형상으로 세라믹 구조물이 만들어진다. 세라믹 구조물의 육면체 형상에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 상세히 후술하겠다.
그런 다음 세라믹 구조물의 저면부 및 저면부의 좌우측에 인접되는 좌우측부면들의 표면에, 도 3에 도시된 제1 및 제2 접지면(240)(241), 상기 급전선(220), 및 상기 방사체(230)의 형상과 같은 안테나 패턴의 형상으로 전도성 페이스트를 바른다.
약 700도 이상으로 가열하는 2차 소성 과정을 통하게 되면, 전도성 페이스트의 무기물 성분이 제거되면서 전도성 물질이, 세라믹 구조물의 저면부의 표면 및 좌우측부면들의 표면에 밀착하게 된다.
그런 다음, 상기 2차 소성 과정을 통하여 상기 세라믹 구조물의 저면부의 표면 및 상기 좌우측부면들의 표면에 굴곡되어 형성된 안테나 패턴을 따라, 니켈, 구리, 금 등의 전도성 물질을 최종적으로 도금한다.
이와 같이 형성된 세라믹 유전체 구조물은 일례로 3 ~ 5의 유전율을 갖는다.
따라서, 이와 같은 세라믹 공정에 의하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나가 형성된다.
참고로, 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나에서, 제1 및 제2 접지면(204)(241) 및 방사체(230)가 금속으로 도금되어 형성되기 때문에, 점선으로 표시된 301, 302, 303, 304 및 305 부분들은 별도로 구비되지는 않은 것이며, 표면 실장의 경우에 점선으로 표시된 부분들과 단말기 보드의 FR4 보드(예컨대, 도 2에 도시된 보드(103)) 상에 구비된 해당 위치의 패드들과 각각 연결될 수 있음을 나타낸 것이다.
이제, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나(200)에서 제1 및 제2 접지면(240)(241), 급전선(220), 및 방사체(230)의 형상에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 유전체 구조물의 입체 구조에 따라 입체적으로 형성되는 제1 및 제2 접지면(240)(241), 급전선(220), 및 방사체(230)의 형상을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 급전선(220)은, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)의 일단부로부터 소정의 폭과 길이로 형성된다. 상기 방사체(230)는, 상기 급전선(220)으로부터 연장되어 변형된 반원형으로 형성되며, 좌우 대칭으로 배치된다. 제1 및 제2 접지면(240)(241)은, 상기 급전선(220)의 좌우측에 소정 간격을 유지하면서 배치되고, 상기 급전선(220)에 인접한 외곽선은 직선형이며, 상기 방사체(230)에 인접한 외곽선은 상기 방사체(230)의 외곽선과 대칭되는 곡선형으로 형성된다.
상기와 같은 급전선(220), 방사체(230), 및 제1 및 제2 접지면(240)(241)이, 유전체 구조물(210)의 저면부(A) 및 좌우측부면(B)(C)을 따라 굴곡되어 형성된다.
변형된 반원형인 상기 방사체(230)의 좌우측 외곽선이 상기 방사체(230)의 길이 방향으로 서로 대칭이므로, 좌우측 외곽선 중 일측 외곽선의 형상만을 설명한다.
상기 방사체(230)의 일측 외곽선은, 상기 급전선(220)의 대응되는 외곽선으로부터 완곡형 곡선으로 연장되어 형성되는 제1 구간(α)과, 상기 제1 구간(α)의 일단으로부터 만곡형 곡선으로 연장되어 형성되는 제2 구간(β), 및 상기 제2 구간(β)의 일단으로부터 만곡형 곡선으로 연장되어 형성되는 제3 구간(γ)을 구비한다. 또한 상기 방사체(230)의 일측 외곽선은, 상기 제3 구간(γ)의 일단으로부터 직선형으로 연장되어, 상기 유전체 구조물(210)의 좌측부면(B)의 모서리와 저면부(A)의 모서리를 따라 형성되는 제4 구간을 구비한다. 상기 제1 내지 제4 구간은 일체로 형성되어 방사체(230)의 일측 외곽선을 형성한다.
상기 방사체(230)의 일측 외곽선을 형성하는 상기 제1 내지 제3 구간(α)(β)(γ)은, 지수 함수, 사인 함수, 코사인 함수 중 하나로 설계될 수 있다.
좀더 상세히는, 상기 제1 구간(α)은, 지수 함수를 기반으로 설계하고, 제2 구간(β)은 임피던스 변화에 따라 사인 함수와 코사인 함수 중 하나로 설계할 수 있다.
상기 방사체(230)를 입체형이 아닌 평면형으로 펼쳐 놓았을 경우에, 상기 방사체(230)의 일측 외곽선을 형성하는 상기 제1 내지 제3 구간(α)(β)(γ), 및 제4 구간과, 상기 방사체(230)의 타측 외곽선을 형성하는 상기 제1 내지 제3 구간, 및 제4 구간은, 일체적으로 형성되어, 변형된 반원형으로 형성된다.
그러나, 본 발명에서는 UWB 안테나의 크기를 소형화하기 위하여, 변형된 반원형의 방사체(230)를 유전체 구조물(210)의 저면부(A) 및 좌우측부면(B)(C) 상에 굴곡진 형태로 형성하게 된다.
본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나는, 방사체(230)가 변형된 반원형으로 형성됨으로써 광대역 임피던스 매칭이 용이하게 된다. 특히 방사체(230)의 제2 구간(β)은 광대역 임피던스 매칭 효과를 높이며 제3 구간(γ)은 반사파 발생을 최소화시키게 된다.
또한, 제1 및 제2 접지면(240(241)의 외곽선의 곡선 형상이 상기 방사체(230)의 외곽선의 곡선 형상과 대칭 구조를 이룸으로써, 광대역 임피던스 매칭 효과를 더욱 높일 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 입체형 UWB 안테나는 광대역의 사용 대역폭을 얻을 수 있다.
도 4에 도시된 안테나 패턴은, 육면체 유전체 구조물을 공정할 때 유전체 구조물의 저면부의 표면과 좌우측부면의 표면에 형성함으로써, 도 3을 참조하여 전술된 바와 같이, 유전체 구조물과 함께 형성될 수 있다.
또한 도 4에 도시된 안테나 패턴은 제1 및 제2 접지면, 급전선, 및 방사체가 하나의 평면 상(일례로 유전체 시트)에서 평면형으로 제조된 후, 후술될 도 5의 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나의 경우와 같이, 유전체 구조물의 저면부 및 좌우측부면의 표면 상에 접착될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나의 구조를 나타낸다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나는, 육면체로 유전체 구조물을 형성하고, 도 4에 도시된 안테나 패턴을 형성하며, 형성된 안테나 패턴을 상기 유전체 구조물에 접착하여 입체형 UWB 안테나를 형성한 경우이다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나에서, 유전체 구조물(210)은, PCB에 고정되기 위한 상기 저면부(A)와, 상기 저면부(A)의 좌우측에 인접되는 좌측부면(B) 및 우측부면(C)을 적어도 포함하고, 상기 좌우측부면(B)(C) 중 하나와 상기 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면이 서로 이루는 각도는, 0도 초과 90도 이하의 범위에서 결정되어 형성되는 육면체로 형성된다.
상기 유전체 구조물(210)의 상세한 형상에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 후술하겠다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나에서 유전체 구조물(210)은, 3-5의 유전율을 갖도록 형성된다. 상기 유전체 구조물(210)은, 일례로 고유전체 플라스틱 물질인 LCP(Liquid Crystal Polymer; 액상 크리스탈 폴리머)로 형성될 수 있으며, 유전율이 3-5인 플라스틱 물질이다. 또한 LCP는 내열 온도가 230도 이상이어서 칩 안테나를 PCB에 실장하는 SMT(Surface Mount Technology) 공정의 경우에 칩 안테나의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나에서, 안테나 패턴이, 즉, 도 4에 도시된 바와 같은 형상의 제1 및 제2 접지면(240)(241), 급전선(220), 및 방사체(230)가 하나의 평면 (일례로 유전체 시트) 상에서 평면형으로 제조된다. 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241), 급전선(220), 및 방사체(230)는, 일례로, 유연성 있는 PCB(Flexible Printed Circuit Board; F-PCB)로 형성된다.
그런 다음, 평면형으로 제조된 제1 및 제2 접지면(240)(241), 급전선(220), 및 방사체(230)는, 육면체의 유전체 구조물(210)의 저면부(A)와 좌우측부면(B)(C)을 따라 접착되어 입체 구조의 UWB 안테나를 형성하게 된다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나는, 급전선(220), 제1 및 제2 접지면(240)(241), 및 방사체(230)가 F-PCB 등으로 형성되기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이, 급전을 위한 외부 전극인 급전 패드(301)와, 접지 및 입체형 UWB 안테나의 안정적인 표면 실장을 위한 제1 및 제2 접지 패드(302)(303), 및 상기 입체형 UWB 안테나의 안정적인 표면 실장을 위한 제1 및 제2 전도성 패드(304)(305)를 추가적으로 배치한다.
상기 급전 패드(301)는, 상기 급전선(220)이 상기 PCB(100) 상의 급전 선로(101)와 연결되도록, 상기 급전선(220)의 측단부에 형성된다.
상기 제1 및 제2 접지 패드(302)(303)는, UWB 안테나(200)의 제1 및 제2 접지면(240)(241)이 상기 PCB(103) 상의 접지 보드들(102)과 연결되도록, 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241)의 소정 위치에 구비된다.
상기 제1 및 제2 전도성 패드(304)(305)는, 입체형 UWB 안테나(200)가 상기 PCB(103)에 안정적으로 표면 실장되도록, 상기 방사체(230)의 소정 위치에 형성되며, 접지 전위에 대하여 개방 전위를 갖는다.
표면 실장을 위하여, 상기 제1 및 제2 접지 패드(301)(302)와 상기 제1 및 제2 전도성 패드(304)(305)는, 도 2에 도시된 바와 같은 PCB(100)의 보드(103)(일례로, FR4 기판) 상에, 상기 제1 및 제2 접지 패드(301)(302)와 상기 제1 및 제2 전도성 패드(304)(305)와 대응되는 위치에 각각 구비된, 전기적으로 개방된 4개의 전도성 패드들과 각각 연결된다.
소정의 폭과 길이를 갖는 급전선(220)은, 상기 유전체 구조물(210)의 저면부(A) 상의 일단부에 접착되어 형성된다.
상기 급전선(220)으로부터 연장되어, 길이 방향으로 대칭으로 형성된 변형된 반원형의 방사체(230)는, 상기 유전체 구조물(210)의 상기 저면부(A)의 일부면 및 상기 좌우측부면(B)(C)의 일부면을 따라 굴곡되도록 부착되어 입체 구조로 형성된다.
상기 급전선(220)의 양측에 소정 간격으로 이격되어 배치되는 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241)은, 상기 유전체 구조물(210)의 상기 저면부(A)의 일부면 및 상기 좌우측부면(B)(C)의 일부면을 따라 굴곡되도록 부착되어 입체 구조로 형성된다.
이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 의한 UWB 안테나는, 각각 제조된 유전체 구조물(210)과 안테나 패턴을 서로 접착함으로써 형성하며, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)와 좌우측부면(B)(C)의 입체 형상에 따른 형상으로 안테나를 형성하여 안테나 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에서는, 급전 패드(301)와 제1 및 제2 접지 패드(302)(303), 및 제1 및 제1 전도성 패드(304)(305)를 입체형 UWB 안테나의 외부에 노출되도록 형성함으로써 급전과 접지를 위한 별도의 구조물 없이도 급전과 접지가 용이하고 안테나의 안정적인 표면 실장이 가능하다.
도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 UWB 안테나와, 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 의한 UWB 안테나는, 형성 과정이 다르지만, 전기적인 안테나 특성은 서로 동일하다.
도 6은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 UWB 안테나의 유전체 구조물(210)의 구조의 일례를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)의 좌우측에 인접되는 측부면들, 즉, 좌측부면(B) 및 우측부면(C)은 각각 평면형이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)는, 입체형 UWB 안테나(200)가 PCB(103)에 고정(실장)되기 위한 것이며, 일례로 사각 평면형이다.
상기 유전체 구조물(210)의 상기 저면부(A)의 길이(m)(가로길이)는, 일례로, 최저 대역 공진 주파수의 파장의 1/4에 해당되는 길이로 형성되고, 상기 저면부(A)의 폭(n)(세로길이)은, 일례로, 표면 실장을 위하여 필요한 공간 확보와 상기 급전선(220)과 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241)과의 임피던스 대역 특성 확보에 필요한 길이를 충족하도록 형성된다. 또한 상기 유전체 구조물(210)의 높이(h)는, 상기 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면과, 상기 저면부(A)의 우측에 인접되는 우측부면(B)(또는 상기 저면부(A)의 좌측에 인접되는 좌측부면(C))이 이루는 각도(θ)에 따라 결정된다. 상기 각도(θ)는 0도 초과 90도 이하의 범위에서 결정되도록 설계될 수 있으며, UWB 안테나가 실장된 공간 및 안테나의 공간 효율 특성을 고려하여 결정된다. 따라서, 상기 유전체 구조물(210)의 높이(h)도, UWB 안테나가 실장된 공간 및 안테나의 공간 효율 특성을 고려하여 결정된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물(210)의 좌측부면(B) 및 우측부면(C)이 각각 평면형일 경우에, 상기 저면부(A)의 상하부에 인접되는 측부면들(E)(D)은 일례로, 사각형, 사다리꼴 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 접지면(240)(241), 급전선(220), 및 방사체(230)도, 유전체 구조물(210)의 저면부(A), 좌측부면(B), 및 우측부면(C)이 서로 이루는 입체 형상을 따라서 굴곡되어 형성되게 된다.
도 7은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 UWB 안테나의 유전체 구조물(210)의 구조의 다른 예를 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)의 좌우측에 인접되는 측부면들, 즉, 좌측부면(B) 및 우측부면(C)은 각각 곡면형일 수 있다.
도 7에 도시된 유전체 구조물은, 도 6에 도시된 유전체 구조물과 동일한 방법으로 형성되며, 유전체 구조물의 좌측부면(B) 및 우측부면(C)이 각각 곡면형으로 형성되는 점이 다르다.
도 7에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물의 좌측부면(B) 및 우측부면(C)이 각각 곡면형, 즉, 만곡면형일 경우에, 상기 저면부(A)의 상하부에 인접되는 측부면들(E)(D)은 일례로, 소정 폭의 저면부를 갖는 변형된 반원형이 형성된다. 즉, PCB(100)에 고정되기 위한 저면부(A)가 사각 평면형이고 저면부(A)의 좌우측에 인접되는 좌우측부면(B)(C)이 만곡형의 곡면형이며 저면부(A)와 대면하는 상면부(F)가 평면형일 경우에, 유전체 구조물은 변형된 반원통 구조가 된다.
도 7에 도시된 유전체 구조물의 좌우측부면(B)(C)의 세로 길이는, 도 6에 도시된 좌우측부면(B)(C)의 세로 길이와 동일하도록 형성될 수 있으며, 이와 같이 유전체 구조물의 좌측부면(B) 및 우측부면(C)이 각각 만곡면형으로 형성될 경우에 입체형 UWB 안테나의 전체적인 크기는 더욱 소형화될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나와, 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나는, 전기적인 특성이 서로 동일하고 동작 방식도 동일하기 때문에, 여기서는 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나의 동작만을 설명하기로 한다.
원 신호(original signal)가 PCB(100)의 급전선로(101)를 통하여 UWB 안테나(200)의 급전 패드(301)로 인가되는 경우에, 인가된 신호는, 유전체 구조물(210)의 저면부(A) 상에 CPW 구조로 형성된 급전선(220), 및 제1 및 제2 접지면(240)(241)을 통하여 방사체(230) 측으로 전달된다. 전달된 신호는, 외곽선의 폭이 변하기 시작하는, 변형된 반원형의 방사체(230)를 통하여 방사된다.
좀더 상세히 살펴보면, 일례로 지수 함수(Exponential Function), 사인 함수, 코사인 함수 중 하나로 설계된 방사체(230)의 곡선형 외곽 부위와 제1 및 제2 접지면(241)(241)의 곡선형 외곽 부위에서 방사되기 시작하는 신호는, 최저 공진 주파수 이상의 대역, 일례로, 3GHz 이상의 대역에서 복수 차수의 공진 모드가 형성되면서 광대역 매칭이 이루어짐과 동시에 방사가 이루어진다.
도 8은 본 발명에 의한 UWB 안테나의 입체 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 5 및 도 6을 참조하여 UWB 안테나의 입체 형태를 설명하기로 한다.
UWB 안테나의 길이(m)는, 유전체 구조물(210)의 길이(m)가 결정되는 방법과 같이, 최저 대역 공진 주파수의 파장의 1/4에 해당되는 길이로 결정된다. 변형된 반원형의 방사체를 구비하는 UWB 안테나를 평면 상에 펼쳐 놓았을 경우에 UWB 안테나의 "2 x (a + b)"의 길이는 유전율이 3~5인 경우에 UWB 주파수 특성을 만족하도록 결정된다. 따라서, 입체형 UWB 안테나의 폭은 “2 x (a + b·cosθ)", 즉,“2 x (a + c)”으로 나타내어진다. “(2 x a ) = n"으로 표시되는 길이는 표면 실장을 위하여 물리적으로 필요한 공간 확보와 상기 급전선(220)과 상기 제1 및 제2 접지면(240)(241)과의 임피던스 대역 특성 확보를 충족하도록 결정된다.
유전체 구조물(210)의 저면부(A)의 우측에 인접되는 우측부면(B)을 따라 형성된 제1 접지면(240)(또는 방사체(230))과, 상기 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면이 이루는 각도(θ)에 따라 입체형 UWB 안테나의 폭이 결정된다. 상기 각도(θ)는 0도 초과 90도 이하인 범위 내에서 가변 가능하고, 상기 입체형 UWB 안테나가 실장될 공간 및 안테나의 공간 효율 특성을 고려하여 상기 범위 이내에서 결정 가능하다. 따라서, 입체형 UWB 안테나의 높이(h)는 "b" 길이와 상기 각도(θ)에 따라 결정되며, 일례로,“b·sinθ"로 표시될 수 있다.
도 9는 UWB 안테나의 a 길이가 2mm 이상 5mm 이하일 경우, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 특성을 나타낸다.
도 8의 UWB 안테나의 a 길이는, 도 9에 도시된 바와 같이, 일례로, 2mm 이상 5mm 이하의 길이를 가질 수 있으며, 이와 같은 경우에, 본 발명에 의한 UWB 안테나는, UWB 안테나 특성을 유지하게 된다. 급전 패드(301), 제1 및 제2 접지 패드(302)(303), 및 제1 및 제2 전도성 패드(304)(305)의 형성에 필요한 공간 확보와 임피던스 대역 특성 확보를 위해서는, a 길이가 3mm 이상으로 형성되며, 이와 같은 경우에, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면과 상기 방사체(230)의 굴곡된 방사면이 서로 이루는 각도(θ)는, 0도 이상 90도 이하의 범위에서 결정될 수 있다.
도 10은 UWB 안테나의 a 길이가 2mm 이상이고 각도(θ)가 30도일 경우, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 특성을 나타낸다.
일례로, 도 8의 UWB 안테나의 a 길이가, 도 10에 도시된 바와 같이, 일례로, 2mm 이상을 가지며, 각도(θ)가 일례로, 30도일 경우, 본 발명에 의한 UWB 안테나는, UWB 안테나 특성을 유지하게 된다.
도 11은 UWB 안테나의 a 길이가 3mm 이상이고 각도(θ)가 90도일 경우, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 특성을 나타낸다.
일례로, 도 8의 UWB 안테나의 a 길이가, 도 11에 도시된 바와 같이, 일례로, 3mm 이상을 가지며, 각도(θ)가 일례로, 90도일 경우, 본 발명에 의한 UWB 안테나는, UWB 안테나 특성을 유지하게 된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 각도(θ)가 일 례로, 90도이고, a 길이가 2mm일 경우에, 본 발명에 의한 UWB 안테나는, 4GHz 대역의 반사 손실 계수가 -6dB보다 크기 때문에, UWB 안테나 특성을 갖지 못함을 알 수 있다.
도 6에 도시된 형태의 유전체 구조물 상에 안테나 패턴을 형성할 경우에 본 발명에 의한 UWB 안테나의 크기를 결정하는 방법에 대하여 예를 들어 설명하기로 한다.
먼저, 입체형 UWB 안테나가 실장될 공간의 높이를 고려하여 입체형 UWB 안테나의 높이(h)를 결정한다. 안테나의 높이(h)가 결정되면, 유전체 구조물(210)의 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면과 상기 방사체(230)의 굴곡된 방사면이 서로 이루는 각도(θ)(또는 유전체 구조물(210)의 우측부면(C)과 저면부(A)가 서로 이루는 각도라고도 할 수 있다)는, 상기 결정된 높이(h)에 따라 결정될 수 있다.
유전체 구조물(210)의 저면부(A)의 길이(m), 즉, UWB 안테나의 길이(m)는, 최저 대역 공진 주파수의 파장의 1/4에 해당되는 길이로 결정된다.
또한, UWB 안테나의 (a+b) 길이는 유전율이 3~5인 경우에 UWB 주파수 특성을 만족하도록 소정 값으로 미리 설정된다.
급전 패드(301), 제1 및 제2 접지 패드(302)(303), 및 제1 및 제2 전도성 패드(304)(305)의 형성에 필요한 공간 확보와 임피던스 대역 특성 확보를 위하여, UWB 안테나의 a 길이를 결정한다. 따라서, a 길이가 결정되면, b 길이도 따라서 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나에서, 폭은 “2 x (a + b·cos θ)"이고, 길이는 m이며, 높이는 "b·sinθ"이다.
도 12는 도 6에 도시된 유전체 구조물을 구비하는 본 발명에 의한 UWB 안테나에서, a 길이가 3.75mm 이고 유전체 구조물의 유전율이 4.4 이며, 유전체 구조물의 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면과 방사체(230)의 굴곡된 방사면이 서로 이루는 각도(θ)가 45도일 경우의 반사 손실 특성을 나타낸다. 반사 손실 파라미터(파라미터 S(1,1))의 크기를 참조하면, 본 발명에 의한 UWB 안테나는, 일례로, 약 3GHz에서부터 약 11GHz 까지의 대역을 포함하는 주파수 대역을 사용할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 도 6에 도시된 유전체 구조물을 구비하는 본 발명에 의한 UWB 안테나에서, a 길이가 3.75mm 이고 유전체 구조물의 유전율이 4.4 이며, 유전체 구조물의 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면과 방사체(230)의 굴곡된 방사면이 서로 이루는 각도(θ)가 45도일 경우, 주파수가 약 3.4GHz일 경우에 본 발명에 의한 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 14는 도 6에 도시된 유전체 구조물을 구비하고, 그 유전체 구조물의 유전율이 4.4 이고, UWB 안테나의 a 길이가 3.75mm 이며, 유전체 구조물의 저면부(A)로부터 수평으로 연장된 평면과 방사체(230)의 굴곡된 방사면이 서로 이루는 각도(θ)가 45도일 경우의 본 발명에 의한 UWB 안테나에서, 주파수가 약 8GHz일 경우에, 상기 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 15는 도 6에 도시된 유전체 구조물을 구비하고, 그 유전체 구조물의 유전율이 4.4 이고, UWB 안테나의 a 길이가 3.75mm 이며, 유전체 구조물의 저면부(A)로 부터 수평으로 연장된 평면과 방사체(230)의 굴곡된 방사면이 서로 이루는 각도(θ)가 45도일 경우의 본 발명에 의한 UWB 안테나에서, 주파수가 약 10GHz일 경우에, 상기 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위한 것이다. 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 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래 UWB 안테나의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나와 외부 보드 간의 연결 구조의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나의 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 급전선, 제1 및 제2 접지면, 및 방사체의 외곽 형상을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 입체형 UWB 안테나의 구조를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 의한 유전체 구조물의 일실시예를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 의한 유전체 구조물의 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 의한 UWB 안테나의 입체 형태를 설명하기 위한 도면.
도 9는 UWB 안테나의 a 길이가 2mm 이상 5mm 이하일 경우, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 특성을 나타내는 도면.
도 10은 UWB 안테나의 a 길이가 2mm 이상이고 각도(θ)가 30도일 경우, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 특성을 나타내는 도면.
도 11은 UWB 안테나의 a 길이가 3mm 이상이고 각도(θ)가 90도일 경우, 본 발명에 의한 입체형 UWB 안테나의 특성을 나타내는 도면.
도 12는 본 발명에 의한 UWB 안테나의 반사 손실 특정을 나타내는 도면.
도 13은 주파수가 약 3.4GHz일 경우에 본 발명에 의한 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면.
도 14는 주파수가 약 8GHz일 경우에 본 발명에 의한 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면.
도 15는 주파수가 약 10GHz일 경우에 본 발명에 의한 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
100:PCB 101: 급전선로
102: 접지보드 200: UWB 안테나
210: 유전체 구조물 220: 급전선
230: 방사체 240,241: 제1 및 제2 접지면
301: 급전패드 302,303: 제1 및 제2 접지 패드
304,305: 제1 및 제2 전도성 패드

Claims (9)

  1. 소정의 폭과 길이로 형성된 코플라나 도파관(CPW) 구조의 급전선과;
    상기 급전선과 연결되어 외곽선이 변형된 반원형으로 형성된 방사체와;
    상기 급전선의 좌우측에 소정 간격을 유지하면서 배치되고 상기 방사체의 변형된 반원형의 외곽선과 대칭되는 곡선형으로 외곽선이 형성된 제1 및 제2 접지면; 및
    PCB에 고정되기 위한 저면부와, 상기 저면부의 좌우측에 인접되어 형성되는 좌우측부면을 구비하는 육면체로 형성된 유전체 구조물을 포함하여 구성되고,
    상기 급전선, 상기 방사체, 및 상기 제1 및 제2 접지면이 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 및 좌우측부면을 따라 굴곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 구조물의 상기 좌우측부면이 평면형인 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 구조물의 상기 좌우측부면은 곡면형인 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전선, 상기 급전선에 인접한 상기 제1 및 제2 접지면의 일부면, 및 상기 방사체의 중앙부는, 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 상에 형성되고,
    상기 제1 및 제2 접지면의 나머지 일부면, 및 상기 방사체의 나머지 좌우측부는, 상기 유전체 구조물의 상기 좌우측부면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 구조물의 상기 저면부의 길이는, 최저 대역 공진 주파수의 파장의 1/4에 해당되도록 결정되고,
    상기 유전체 구조물의 상기 저면부의 폭은, 표면 실장을 위하여 물리적으로 필요한 공간 확보와 상기 급전선과 상기 제1 및 제2 접지면과의 임피던스 대역 특성이 확보되도록 결정되며,
    상기 유전체 구조물의 상기 저면부로부터 수평으로 연장된 면과 상기 좌우측부면 중 하나가 이루는 각도는, 0도 초과 90도 이하의 범위에서 가변 가능한 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 급전선, 상기 방사체, 및 상기 제1 및 제2 접지면은 유연성 있는 PCB(F-PCB)로 형성되며, 상기 급전선, 상기 방사체, 및 상기 제1 및 제2 접지면은 상기 유전체 구조물과 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 입체형 UWB 안테나는,
    상기 급전선과 연결되는 급전 패드와,
    접지 및 표면 실장을 위하여, 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 상의 상기 제1 및 제2 접지면의 소정 위치에 형성되는 제1 및 제2 접지 패드, 및
    표면 실장을 위하여 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 상의 상기 방사체의 소정 위치에 형성되는 제1 및 제2 전도성 패드를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 접지 패드와 상기 제1 및 제2 전도성 패드는, 표면 실장을 위하여 상기 PCB 상에 구비된 전기적으로 개방된 전도성 패드들과 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전선, 상기 제1 및 제2 접지면, 및 상기 방사체는, 세라믹 공정을 이용하여 상기 유전체 구조물의 상기 저면부 및 상기 좌우측부면을 따라 일체화되어 형성된 것을 특징으로 하는 입체형 UWB 안테나.
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