KR20100094190A - 다중 공진 광대역 안테나 - Google Patents
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Abstract
안테나에 있어서, 제1방향으로 연장되어 있는 제1부와, 제1부의 단부로부터 제1방향과 교차하는 방향으로 연장 형성되는 제2부와, 제2부의 단부로부터 연장 형성되며 제1부와 마주보게 배치되는 제3부로 이루어지는 도선부를 포함하고, 상기 제1부와 상기 제3부의 길이는 상이한 것이 개시되어 있다.
Description
본 발명은 다중 공진이 가능하며, 광대역 기능을 수행할 수 있는 안테나에 관한 것이다.
안테나(antenna)는 전압 또는 전류로 표현되는 전기적 신호와 전기장 또는 자기장으로 표현되는 전자기파를 서로 변환해 주는 역할을 하는 전자 장치이다. 안테나는 특정 영역대의 전자기파를 송신 혹은 수신하기 위한 변환장치이다. 안테나는 라디오 주파수대의 전기 신호를 전자기파로 바꾸어 발신하거나 그 반대로 전자기파를 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다. 라디오나 텔레비젼등 방송과 전파를 이용한 무전기, 무선LAN 양방향 커뮤니케이션 장치 그리고 레이다와 우주 탐사용 전파망원경등에 널리 쓰이고 있다. 주로 지상 혹은 공중의 대기중이나 우주 공간에서 작동하며 물속이나 땅속에서는 작동에 제한을 받는다.
물리적으로 안테나는 어떤 전압이 변조된 전류와 함께 가해질때 발생하는 전자기장을 방사하는 전도체의 배열이다. 또는 전자기장의 영향에 의해 안테나 안에 유도되는 전류와 전압이 그 말단사이에서 발생하는 것을 말한다.
안테나의 종류로는 다이폴 안테나, 모노폴 안테나, 패취 안테나, 혼 안테나, 파라볼릭 안테나, 헬리컬 안테나, 슬롯 안테나 등이 있다. 현재 소형 전자기기의 발달로 인하여 소형화할 수 있는 모노폴 안테나 또는 패취 안테나가 많이 사용된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다중 공진을 형성하며, 대역폭을 넓힐 수 있는 안테나를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따라, 안테나는 제1방향으로 연장되어 있는 제1부와, 상기 제1부의 단부로부터 제1방향과 교차하는 방향으로 연장 형성되는 제2부와, 상기 제2부의 단부로부터 연장 형성되며 상기 제1부와 마주보게 배치되는 제3부로 이루어지는 도선부를 포함하고, 상기 제1부와 상기 제2부의 길이는 상이하다.
상기 안테나는 상기 도선부의 일단과 연결되어 상기 도선부에 급전하는 급전부를 더 포함한다.
상기 제1부와 상기 제3부는 미앤더 라인으로 형성된다.
상기 제1부와 상기 제3부의 직교 방향에서 보는 경우, 상기 제1부의 미앤더 라인 형상과 상기 제3부의 미앤더 라인 형상이 어긋나서 배치된다.
상기 제1부의 미앤더 라인 형상과 상기 제3부의 미앤더 라인 형상이 상기 제1방향으로 어긋나서 배치된다.
상기 제1부의 미앤더 라인 형상과 상기 제3부의 미앤더 라인 형상의 상기 제1방향으로 어긋나는 폭이 조절된다.
상기 안테나의 주파수 대역과는 다른 주파수대역을 가지며, 상기 도선부의 일단에 연결되는 안테나를 더 포함한다.
상기 안테나는 모노폴 안테나(monopole antenna)이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴 안테나를 나타내는 도면이다.
모노폴 안테나는 보통의 반파장 다이폴 안테나와 달리 λ/4 길이의 소자를 접지한 형태의 안테나를 의미한다. 현재 이동통신용 개인휴대 단말기에 대부분 장착되어 있는 안테나 중 하나가 Whip 형태의 모노폴 안테나이다. 단말기와 같은 경우, 단말기의 접지(ground)를 이용하여 모노폴 형태로 만듦으로써, 안테나의 길이를 줄일 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 안테나는 모노폴 안테나의 도선부(101, 102, 103)를 소정의 지점에서 구부린 안테나이다. 도선부는 제1방향으로, 예를 들어 x 방향으로 연장되어 있는 제1부(101)와 제1부(101)의 단부로부터 제1방향과 교차하는 방향, 예를 들어 직교하는 경우에는 y 방향으로 연장 형성되는 제2부(102)와 제2부(102)의 단부로부터 연장 형성되며 상기 제1부와 마주보게 배치되는 제3부(103)로 이루어진다. 도 1에 표시된바와 같이 제2부(102)와 제1부(101) 또는 제3부(103)가 직교할 필요는 없다. 바람직하게는, z 방향에서 내려다 보았을 때, 제1부(101)와 제3부(103)는 평행하게 배치되어 있다. 안테나의 도선부를 구부림으로써 안테나의 크기도 줄일 수 있다. 예를 들어, 기존 900MHz 모노폴 안테나의 경우, 84mm 이상의 공진 길이가 필요하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 30mm 길이에서도 적용이 가능해 질 수 있다. 이로써, 크기의 감소로 인하여 소형화 무선 기기에도 적용이 가능한다. 제1부(101)와 제3부(103)의 길이는 서로 상이(相異)해야한다. 도 2에서, 제1부(101)의 전압분포(104)와 제3부(103)의 전압분포(105)가 도시되어 있다. 또한, 도 1에 도시하지는 않았지만, 안테나는 도선부의 일단과 연결되어 상기 도선부에 급전하는 급전부를 더 구비할 수 있다.
도 2는 도 1에서 도시된 안테나의 부분에 따른 전압분포의 차이를 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제3부(103)보다 길이가 긴 제1부(101)의 전압분포(201)와 제3부(103)의 전압분포(202)가 도시되어 있다. 서로 다른 길이로 인하여 제1부(101)의 전압분포(201)와 제3부(103)의 전압분포(202)가 차이가 난다. 이와 같은 비대칭 전압분포로 인하여 션터 커패시턴스(shunt capacitance) 또는 병렬 커패시턴스가 형성된다. 형성된 션터 커패시턴스는 상기 안테나의 기존의 공진주파수와 다른 공진주파수를 하나 더 생성한다. 즉, 이중공진주파수를 가지게 된다. 공진이란 구조적 또는 전기적으로 주파수 선택 현상을 의미한다. 안테나는 안테나의 끝단을 특정 주파수에서 공진하게 함으로써, 신호가 어떤 전자기장 형태의 에너지가 형성되어 외부로 나가게된다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 안테나의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 3a는 안테나의 도선부(300)에 션트 커패시터(340)가 생성됨을 나타내는 도면이다. 이를 등가회로로 표현하는 경우에는 도 3b와 같이 나타난다.
기존 안테나의 등가회로는 도시하지는 않았지만, 인덕터와 커패시터가 연결된 구조로 나타난다. 이때, 공진주파수는 자기적 에너지와 전기적 에너지가 동일하 게 되는 주파수이다.
수학식 1은 기존 안테나의 등가회로에서의 자기적 에너지를 나타내는 식이다.
수학식 2는 기존 안테나의 등가회로에서의 전기적 에너지를 나타내는 식이다.
수학식 1 및 수학식 2에서 L은 인덕턴스의 값, C는 커패시턴스의 값, ω는 주파수, I는 인덕터와 커패시터에 흐르는 전류를 의미한다. 자기적 에너지와 전기적 에너지가 동일하게 되는 주파수가 공진주파수이므로, 수학식 1과 수학식 2로부터 수학식 3과 같은 공진주파수(ωo)를 구할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a의 안테나의 등가회로를 나타내는 도면이다. 도 3a에서 안테나의 일 부분(310, 320, 330)이 각각 R, L, C로 구성된 등가회로로 표현되었다. 도 3b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 등가회로로부터 공진주파수를 구할 수 있다. 이 경우, 도 3b에서의 총 전기적 에너지는 수학식 2에서 구한 전기에너지에 션트 커패시터(C4)에 대한 전기에너지를 더한 값이 된다. 그 결과로서, 도 4a 내지 도 4c에 나타난 바와 같이 2개의 공진점을 가지는 안테나를 구현할 수 있다.
여기에서, 션트 커패시터에 대한 전기적 에너지의 값은 수학식 4와 같을 수 있다.
수학식 4에서 b는 상수이며, C4는 션트 커패시터의 커패시턴스이다. 이와 같은 경우에도, 전기적 에너지와 자기적 에너지의 값이 같아지는 주파수가 공진주파수가 된다. 즉, Wm=We+We'가 되어야 한다. 따라서, 전기적 에너지와 자기적 에너지가 같은 경우에 대한 공진주파수를 구하는 식은 수학식 5와 같다.
수학식 5에서 A, B, D는 상수값이며, C4는 션트 커패시터의 커패시턴스이다. 따라서, 수학식 5로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 공진주파수(ωo)의 값을 두 개를 가지게 되는 것을 알 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 션트 커패시턴스 값에 따른 공진주파수를 나타내는 도면이다.
도 4a는 공진주파수의 값이 두 개인 경우이다. B1과 B2는 공진주파수 대역의 대역폭을 나타낸 값이다. 도 4b는 션트 커패시턴스의 값이 0인 경우를 나타내는 경우이다. 션트 커패시턴스의 값이 0인 경우에는 하나의 공진주파수만을 가진다. 도 4c는 안테나의 제1부(101)와 제3부(103)의 중첩 정도에 의해 나타나는 C4 값이 적은 경우를 나타내는 경우로, 공진주파수의 값들이 근접해있다. 즉, C4가 매우 작은 값을 가지는 경우, 두 개의 공진주파수는 근접한 값을 가지게 된다. 그리고 C4 값을 튜닝에 의하여 임의의 값으로 조절을 할 경우, 공진주파수의 값이 어느 정도 중첩되어서 대역폭이 늘어나는 효과를 가지게 된다. 도 4c에서의 대역폭 B4는 도 4a 또는 도 4b의 대역폭보다 늘어난 대역폭을 가지게 된다. 이로써, 기존 라디오 디바이스(radio device) 또는 안테나를 소형화함으로써 유발된 문제점이었던 협대역화 문제를 해결할 수가 있다. 이 경우, 고속하향패킷접속(High Speed Downlink Packet Access; HSDPA) 서비스 밴드뿐만 아니라 GSM 대역 등을 이용하는 기기에도 적용이 가능하다. 결론적으로 도 1의 도선부에서 제3부(103)의 길이를 조절하는 경우 형성 된 두 개의 공진점에 대하여 커패시턴스를 조절하여 두 개의 공진점을 상호 중첩시킴으로써 늘어난 대역폭을 가질 수 있다. 따라서, 미앤더 라인 형태를 가짐으로써 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 소형화된 안테나의 경우 일반적으로 주파수 대역이 협대역으로 형성되나, 적정한 주파수에서 다중으로 형성된 협대역의 주파수를 상기 제1부의 미앤더 라인과 제3부의 미앤더 라인의 어긋나는 폭의 양을 조절하여 광대역화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 1에 도시하고 있는 안테나의 제1부(101) 및 제3부(103)를 미앤더 형상으로 변형한 것이다. 도 1의 제2부(102)에 대응하는 것은 높이(h)가 나타내는 부분이다. 미앤더 형상은 안테나 소자(element)를 구부린 'ㄷ'형태를 갖는 여러 개의 섹션으로 구성된다. 제1부(101)에 해당하는 미앤더 형상을 상위 미앤더 형상이라 칭하고, 제3부(103)에 해당하는 미앤더 형상을 하위 미앤더 형상이라고 칭하겠다. 상하 미앤더 형상들의 미앤더 섹션간의 간격(p)과 미앤더 섹션간의 길이(d)는 동일할 수 있다. 또한, 미앤더 형상의 라인 폭들(x1, x2)은 동일할 수 있다. 상위 미앤더 형상의 총 길이와 하위 미앤더 형상의 총 길이가 다른 경우, 비대칭 전압분포로 인하여 션트 커패시턴스가 발생한다. 션트 커패시턴스가 발생함으로써, 또 다른 공진주파수가 발생한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상위 미앤더라인 형상과 하위 미앤더라인 형상의 직교 방향에서 보는 경우, 상위 미앤더 라인 형상과 하위 미앤더 라인 형상이 어긋나서 배치될 수 있다. 즉, 상위 미앤더라인 형상의 y 방향 미앤더 섹션과 하위 미앤더라인 형상의 y 방향 미앤더 섹션이 x 방향으로 어긋나서 배치될 수 있다. 상위 미앤더라인 형상의 y 방향 미앤더 섹션과 하위 미앤더라인 형상의 y 방향 미앤더 섹션의 폭(w)을 조절하여 도 4(c)에 도시되어 있는 것과 같은 대역폭을 넓힐 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 대역폭을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 안테나의 공진주파수가 900MHz인 경우, 정제파비(Voltage Standing Wave Ratio; VSWR) 5.0을 기준으로 할때, 약 140MHz의 대역폭을 확보할 수 있다. 900MHz의 공진주파수를 가지는 경우 대략 120MHZ 정도의 대역폭을 가진다. 따라서, 약 15% 정도의 대역폭을 더 확보할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 안테나(710)의 주파수 대역과는 다른 주파수대역을 가지는 다른 안테나(720)를 연결한 것이다. 예를 들어, 도 5에 도시된 안테나(710)의 주파수 대역이 900MHz인 경우, 다른 안테나(720)는 2GHz의 주파수 대역을 가지는 안테나일 수 있다. 이 경우, 여러 서비스 대역을 지원 가능하다. 또한, 다른 안테나(720)도 도 1 또는 도 5에 나타난 안테나와 같은 형태로 만들어, 주파수 대역을 넓힐 수도 있다. 따라서, 여러 서비스 대역을 각각 대역폭을 넓혀 지원할 수도 있다. 이와 같은 실시예는 HSDPA 또는 m-WIMax 등 여러 서비스 대역을 지원가능하며, 여러 모바일 기기에도 적용가능하여 자유도를 높일 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본 질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴 안테나를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 도시된 안테나의 부분에 따른 전압분포의 차이를 도시한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 안테나의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 션트 커패시턴스 값에 따른 공진주파수를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 대역폭을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나를 도시한 도면이다.
Claims (6)
- 제1방향으로 연장되어 있는 제1부와, 상기 제1부의 단부로부터 제1방향과 교차하는 방향으로 연장 형성되는 제2부와, 상기 제2부의 단부로부터 연장 형성되며 상기 제1부와 마주보게 배치되는 제3부로 이루어지는 도선부를 포함하고,상기 제1부와 상기 제3부의 길이는 상이한 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 제1부와 상기 제3부는 미앤더 라인으로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제2항에 있어서,상기 제1부와 상기 제3부의 직교 방향에서 보는 경우, 상기 제1부의 미앤더 라인 형상과 상기 제3부의 미앤더 라인 형상이 어긋나서 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제3항에 있어서,상기 제1부의 미앤더 라인 형상과 상기 제3부의 미앤더 라인 형상이 상기 제1방향으로 어긋나서 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제4항에 있어서,상기 안테나의 주파수 대역과는 다른 주파수대역을 가지며, 상기 도선부의 일단에 연결되는 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제4항에 있어서,상기 안테나는 모노폴 안테나(monopole antenna)인것을 특징으로 하는 안테나.
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