KR20090096914A - 평면형 폴디드 모노폴 안테나 - Google Patents

평면형 폴디드 모노폴 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평면형 폴디드 모노폴 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기파를 방사하도록 사각루프의 방사부를 이루는 사각루프의 중심부를 외부와 개방하고, 개방된 일정 부분을 내부로 굴곡시켜 선로간의 커패시턴스를 증가시키고 안테나의 물리적인 크기를 약 20%정도 최소화할 수 있는 평면형 폴디드 모노폴 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 CPW(coplanar waveguide)에 의한 급전부와, 상기 급전부와 연결된 전자기파를 방사하기 위한 방사부를 포함한 평면형 모노폴 안테나에 있어서, 상기 방사부는, 사각루프의 일측변이 절개되어 개방부를 형성하고, 상기 개방부로부터 사각루프의 내측으로 절곡된 결합선로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
급전부, 방사부, 모노폴 안테나, 유전체, DMB, 이동통신

Description

평면형 폴디드 모노폴 안테나{PLANAR TYPE FOLDED MONOPOLE ANTENNA}
본 발명은 평면형 폴디드 모노폴 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기파를 방사하도록 사각루프의 방사부를 이루는 사각루프의 중심부를 외부와 개방하고, 개방된 일정 부분을 내부로 굴곡시켜 선로간의 커패시턴스를 증가시키고 안테나의 물리적인 크기를 약 20%정도 최소화할 수 있는 평면형 폴디드 모노폴 안테나에 관한 것이다.
무선통신기술의 빠른 발전으로 음성 및 멀티미디어 통신의 고속 송수신이 가능한 동작 주파수의 대역이 날로 넓어지고 있다. 따라서 양질의 무선통신 서비스를 위하여 광대역 안테나의 개발이 통신기술의 핵심요소가 되고 있고, 개인 휴대 단말기의 소형화와 집적화에 따라 안테나 역시 소형, 경량, 다기능 특성 및 대량생산이 요구되고 있다.
현재 이동통신에서 단말기용 안테나로 많이 사용되고 있는 안테나는 모노폴 및 패치 안테나이며, 패치형 안테나는 제작이 용이하기 때문에 안테나 소자로 널리 사용되고 있다.
상기 패치형 안테나는 대역폭이 수% 정도로 협대역인 문제가 있으며, 패치의 크기가 공진 주파수의 파장에 λ/2 정도로 소형의 휴대용 통신장비에 장착시키기 어려운 문제점과, 다양한 디자인을 요청하는 소비자의 취향에 부흥하기 어려운 문제점이 있다.
상기 모노폴 안테나는 안테나 접지판을 확보하면서 접지판 반대편의 이미지효과를 이용하는 안테나를 의미한다. 모노폴 안테나는 전방향 특성 및 일정한 편파 특성의 장점을 갖는다.
이러한 모노폴 안테나로는 휩 안테나, 헬리컬 안테나, 슬리브 안테나, N형 안테나 등과 같이 대부분 외장형 구조를 갖추고 λ/4 길이를 유지하는 구조를 갖는다. 이들은 안테나의 크기를 줄이기 위해 안테나 끝 부분에 디스크 형식의 탑 로드(top loaded)를 부가하든가 혹은 민더(meander) 타입으로 안테나를 꼬거나, 혹은 헬리컬 안테나처럼 감아서 올리는 기법을 활용하여 그 크기를 줄이고 있다.
도 11a 및 도 11b는 종래의 평판형 폐루프구조의 모노폴 안테나로, CPW 급전부(40)와, 사각루프의 방사부(20) 및 접지부(30)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 급전부(40)와 방사부(20) 및 접지부(30)는 유전체기판(10) 상에 인쇄되어 사용될 수 있다.
한편, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)에서 안테나의 크기(한국 지상 DMB, 200MHz 대역)는 모노폴 안테나가 약 37cm에 이르고 있어, 사용의 불편함을 초래하고 있다. 이동통신용 휴대폰의 경우, 안테나로 인해 주머니에 휴대가 불편하고, 휴대폰의 미관을 저해하고, 제조 공정의 복잡성이 증가하는 등으로 인해 발생 하는 문제점을 해결할 수 있는 소형 모노폴 안테나에 대한 요구가 증대되고 있는 추세이고, 최근 λ/10 이하의 크기를 유지하는 소형 모노폴 안테나가 제시되고 있는데, 대표적인 안테나로는 디스크 모노폴 안테나에 헬리컬 안테나와 같은 인덕턴스 소자를 부과하여 구현하는 기술이 소개되었으며, 이러한 구조는 광대역성을 유지하나 구조가 다소 복잡하고 휴대폰과 같이 주어진 케이스 공간에 구현하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단일 면에 안테나부와 급전부를 동시에 수용할 수 있는 CPW(coplanar waveguide)급전과 방사체인 모노폴 구조를 사각 루프형태로 변형하여 안테나의 크기를 최소화한 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 제공하는 것이다.
다시 말해, 사각루프구조의 전자기 특성에 의한 방사부의 중앙부분에서는 전류 값이 영(zero)에 가까워 루프의 중앙부를 개방하여 방사체 내부로 접어 넣어 안테나의 물리적인 크기를 최소화하며, 루프 선로에 의해 증가한 인덕턴스값을 루프 중심부 선로의 결합에 의한 커패시턴스에 의해 리액턴스값을 최소화하여 안테나 효율을 증가시켜, 위성 DMB 대역에서 이용될 수 있는 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 제공하는 목적이 있다.
본 발명은 CPW(coplanar waveguide)에 의한 급전부와, 상기 급전부와 연결된 전자기파를 방사하기 위한 방사부를 포함한 평면형 모노폴 안테나에 있어서, 상기 방사부는, 사각루프의 일측변이 절개되어 개방부를 형성하고, 상기 개방부로부터 사각루프의 내측으로 절곡된 결합선로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 개방부는, 상기 급전부와 대향되는 변에 형성되고, 상기 결합선로는 상기 급전부와 평형하게 형성되고, 바람직하게는 상기 결합선로는, 6mm 내지 9mm이고, 상기 개방부는 0.4mm 내지 1.2mm로 형성된다.
또한, 상기 평면형 폴디드 모노폴 안테나는, 비유전율 4.6, 두께 0.8mm 인 RF-4기판이고, 상기 결합선로는 6mm이고, 상기 개방부는 0.8mm인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 위성DMB 대역(2.6~2.655GHz)의 주파수 대역을 충족시킬 수 있는 CPW 급전에 의한 인쇄형 사각루프 모노폴 안테나를 제공할 수 있다.
즉, 안테나의 개방부분을 방사체 내부로 접음으로 안테나의 크기를 약 20%정도 축소할 수 있고, 안테나의 이득은 3.1[dBi]대역, 주파수 대역폭은 VSWR2를 기준하여 시뮬레이션 및 측정 결과 값이 900MHz(2.63.56[GHz]) 대역폭을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명을 측정한 결과 방사패턴 모양은 전계 및 자계 패턴이 전방향 방사패턴에 근사함을 확인하였다. 따라서 본 발명은 와이어에 의한 루프 안테나에 비하여 급전방법 및 제작이 간편하고 또한 소형화할 수 있는 장점을 갖는 것으로, 위성DMB의 이동통신용 단말기에 유용하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 상세히 설명한다. 상기 도면의 구성 요소들에 인용부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 정면도 및 저면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 실물사진이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나에서 절곡된 선로 변화에 의한 시뮬레이션 반사계수를 보인 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나에서 개방부(SG) 간격의 변화에 따른 시뮬레이션 반사계수를 보인 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 임피던스를 보인 그래프이고, 도 6a는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 입력임피던스의 시뮬레이션이며, 도 6b는 종래의 평판형 폐루프구조 모노폴 안테나를 측정한 스미스챠트이고, 도 7은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나 및 종래의 모노폴 안테나의 반사계수를 측정한 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 시뮬레이션 및 반사계수를 측정한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 시뮬레이션한 방사패턴이며, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 벡터해석기를 통한 측정결과화면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나는 상기 도 1 내지 도 10b에 도시된 바와 같이, 일정 두께의 유전체기판(10)의 상부면 하측에 부착되는 접지부(30)와, 상기 접지부(30)를 분할하면서 CPW(coplanar waveguide)에 의한 급전부(40)와, 상기 급전부(40)와 연결된 사각루프 형상의 방사부(20)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 방사부(20)는, 사각루프의 일측변이 절개되어 개방부(SG)를 형성하고, 상기 개방부(SG)로부터 사각루프의 내측으로 절곡된 결합선로(50)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 개방부(SG)는, 상기 급전부(40)와 대향되는 변에 형성되고, 상기 결합선로(50)는 상기 급전부(40)와 평형하게 형성되고, 바람직하게는 상기 결합선로는, 6mm 내지 9mm이고, 상기 개방부는 0.4mm 내지 1.2mm로 형성된다.
상기 유전체기판(10)은 비전도성 물질로 이루어지고, 단가가 비교적 저렴한 FR-4를 사용할 수 있다. 물론, 유전체 기판(10)은 이에 국한되는 것은 아니며, 에폭시(epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC 및 에어폼(Air form) 중 어느 하나를 선택해서 사용할 수 있다. 여기서 상기 유전체기판(10)은 비유전율 4.6이고, 두께 0.8mm 인 RF-4기판을 사용한다.
본 발명은 도 11a에 도시된 바와 같은 종래의 평판형 폐루프구조 모노폴 안테나에서, 전자기 특성이 0(Zero)에 가까운 루프중앙부분(25)을 방사루프 내부로 L2만큼 접어 결합선로(50)를 형성하고, 형성된 결합선로(50) 간의 결합이 일어나도록 한 구조이다.
또한, CPW에 의한 급전부(40)와 방사부(20)로 구성된 평면사각 루프는 50Ω 이다. 여기서 H는 유전체 기판의 높이이고, t는 도체의 두께를 나타낸다.
원하는 주파수에서 공진이 일어날 수 있도록 사각루프 안테나의 길이를 동작 주파수의 λ/3와 λ/4 범위에서 최적화 하였으며, 본 발명의 모노폴 안테나의 해석을 위하여 ansoft사의 HFss 6.0을 사용하여 해석하였다.
도 3은 개방부(SG)의 접혀진 결합선로(50)의 길이(L2) 변화에 의한 반사계수 특성으로 6mm ~ 9mm까지 1mm의 간격으로 변화시켰을 때의 반사계수를 보인 그래프로 6mm에서 최대 공진 특성이 있는 것을 알 수 있다. 즉, L2의 길이가 증가할수록 공진 주파수가 낮은 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있는데, 이는 안테나의 일반 이론에 일치하고 있다. 여기서, 반사 손실이란 입력단에 들어간 전력이 반사되어 발생한 손실을 의미하는 것으로 반사계수 S11의 값을 dB로 표시한 것이다. 반사 손실은 입력단에서의 임피던스 매칭(impedance matching)이 얼마나 잘 되어 있는지를 나타내는 지표로서 활용된다.
도 4는 개방부(SG)의 간격 변화, 즉 방사체의 중앙부 결합부의 간격을 변화시켰을 때 반사계수이며, 0.4mm ~ 1.2mm까지 변화하였을 때 주파수의 이동에는 변화를 주지 않고 공진 특성에 변화를 보인다. 이는 결합거리에 의한 커패시턴스 변화에 의한 공진 조건이 만족된 까닭으로 사료된다.
도 5는 시뮬레이션에 의한 임피던스특성으로 허수값의 위상이 0의 범위에서 실효 저항이 특성임피던스 50Ω을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
도 6a는 스미스 차트에 의한 입력임피던스의 값을 나타내었다. 즉, 종래의 평판형 폐루프구조에서 방사체 구조가 루프이므로 그림의 상단부에서 정규화 값에 접근됨을 알 수 있다.
도 7은 본 발명을 종래의 평판형 폐루프구조의 모노폴 안테나와 반사계수를 비교한 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 폐쇄 및 개방 구조의 반사계수는 큰 변화를 얻을 수 없으며, 본 발명의 구조의 경우 리액턴스 값이 0에 근사하게 되어 최대 공진 조건을 만족한 결과로 사료된다.
도 8은 본 발명의 시뮬레이션 결과와 측정결과를 나타낸 것으로 두 특성이 매우 근사하며 반사손실 특성이 양호함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 의한 안테나의 방사 페턴으로 제안한 안테나에서 H-plan의 특성이 약간 우수한 차이를 보이며, E-plan과 H-plan의 방사특성이 모노폴 안테나의 전방향 방사특성을 나타내고 있다.
상술한 바와 같은 이유로 본 발명은 기존의 루프구조 안테나에 비하여 안테나의 크기를 약 20%정도 축소할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 벡터 해석기를 통하여 측정한 안테나의 반사계수이다.
다음 표 1은 본 발명에서 최적화된 변수 값을 나타낸다.
변수 값 변수 값
L1 15[mm] SG 0.8[mm]
W2 9.6[mm] HG 1.4[mm]
L2 6[mm] FW 5[mm]
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 정면도 및 저면도,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 실물사진,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나에서 절곡된 선로 변화에 의한 시뮬레이션 반사계수를 보인 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나에서 개방부(SG) 간격의 변화에 따른 시뮬레이션 반사계수를 보인 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 임피던스를 보인 그래프,
도 6a는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 입력임피던스의 시뮬레이션,
도 6b는 종래의 평판형 폐루프구조 모노폴 안테나를 측정한 스미스챠트,
도 7은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나 및 종래의 모노폴 안테나의 반사계수를 측정한 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나의 시뮬레이션 및 반사계수를 측정한 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 시뮬레이션한 방사패턴,
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시 예에 의한 평면형 폴디드 모노폴 안테나를 벡터해석기를 통한 측정결과화면,
도 11a 및 도 11b는 종래의 평판형 폐루프구조 모노폴 안테나.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 유전체기판 20: 방사부
30: 접지부 40: 급전부
50: 결합선로 SG: 개방부
H: 유전체기판의 두께 t: 도체의 두께
L2: 절곡된 선로길이

Claims (4)

  1. CPW(coplanar waveguide)에 의한 급전부와, 상기 급전부와 연결된 전자기파를 방사하기 위한 방사부를 포함한 평면형 모노폴 안테나에 있어서,
    상기 방사부는, 사각루프의 일측변이 절개되어 개방부를 형성하고, 상기 개방부로부터 사각루프의 내측으로 절곡된 결합선로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평면형 폴디드 모노폴 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개방부는, 상기 급전부와 대향되는 변에 형성되고, 상기 결합선로는 상기 급전부와 평형하게 형성된 것을 특징으로 하는 평면형 폴디드 모노폴 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합선로는, 6mm 내지 9mm이고, 상기 개방부는 0.4mm 내지 1.2mm 인 것을 특징으로 하는 평면형 폴디드 모노폴 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 평면형 폴디드 모노폴 안테나는, 비유전율 4.6, 두께 0.8mm 인 RF-4기판이고, 상기 결합선로는 6mm이고, 상기 개방부는 0.8mm인 것을 특징으로 하는 평면형 폴디드 모노폴 안테나.
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