KR20110054423A - 다중 대역 안테나 - Google Patents

Abstract

커플링(coupling) 효과를 이용한 다중 대역 안테나가 개시된다. 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나는, 커플링 영역 내에서 급전부와 연결되고 일단이 접지부와 연결된 제1 방사체와, 일단이 접지부와 연결되고 타단이 오픈(open)된 제2 방사체를 포함할 수 있다. 이에 의하면, 단일 안테나로 다이폴 형태의 커플링 효과를 이용하여 다중 대역 안테나를 구현할 수 있다.

다중 대역 안테나, 다이폴, 커플링

Description

다중 대역 안테나{Multi-band antenna}

본 발명은 다중 대역 안테나에 관한 것으로,더욱 상세하게는 커플링(coupling) 효과를 이용한 다중 대역 안테나에 관한 것이다.

이동통신 기술의 급속한 발전과 더불어 무선 통신 기기들은 소형화, 다기능화되어 가고 있으며, 휴대 단말기의 소형화에 초점이 맞추어지면서 소형 안테나가 도입되고 있다.

아울러, 무선 통신 기술의 급속한 발전으로 인하여 개인 휴대 통신, 무선 화상 통신, 휴대 인터넷 통신 등 새로운 서비스가 출현되고 있으며, 그 사용 빈도도 급속히 증가하고 있다.

이에 따라 단일 단말에 구비된 하나의 안테나에서 여러 주파수 대역의 서비스를 처리할 수 있도록 하는 다중 대역 안테나 개발이 필수적인 요소로 등장하고 있다. 또한, 전술한 서비스는 주로 휴대 단말기에서 많이 이용되기 때문에, 소형 경량 단말기에 적합한 소형 다중 대역 안테나의 연구 개발이 요구된다.

다이폴 안테나의 경우 효율적인 동작을 위하여 그 길이가 다이폴 안테나의 공진 주파수에 비례되는 것이 전형적이다. 예를 들면, 다이폴 안테나는 전송 파장 의 1/4, 1/2, 또는 3/4인 길이를 가질 수 있다.

이러한 단일의 다이폴 안테나가 다수의 공진 주파수용으로는 효율적으로 동작할 수 없는데, 그 이유는 다이폴 안테나의 길이가 변해야 하기 때문이다.

하지만, 전술한 것과 같이 휴대 단말기에서 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 통해 동작할 필요가 있다. 이러한 휴대 단말기는 무선 장치가 접속하고 있는 서비스의 유형에 의존하여 다양한 공진 주파수를 지닐 수 있다. 따라서, 안테나 구조는 다양한 공진 주파수 대역 모두에서의 RF 에너지의 효율적인 전송 및 수신이 가능하여야 한다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은 커플링 효과를 이용하여 단일 안테나로 다중 대역 안테나를 구현할 수 있는 다중 대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 전체적인 안테나 이득 및 효율을 크게 감소시키지 않으면서도 안테나의 크기를 소형화할 수 있어 모바일 기기에 적용 가능한 다중 대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 광대역 안테나의 고차모드(higher mode) 방사(방사 빔의 널(null))를 억제시킬 수 있는 다중 대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 모바일 기기 내 벽면 유전체를 이용하여 소형이면서도 모바일 기기 내부의 회로와의 간섭을 줄일 수 있는 다중 대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 커플링 영역 내에서 급전부와 연결되고 일단이 접지부와 연결된 제1 방사체; 및 일단이 접지부와 연결되고 타단이 오픈(open)된 제2 방사체를 포함하는 다중 대역 안테나가 제공된다.

상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체는 폴디드(folded) 구조를 가질 수 있다.

상기 제1 방사체의 폴디드 부분과 상기 제2 방사체의 폴디드 부분이 상기 커플링 영역 내에서 소정 간격을 가지고 대향되어 위치할 수 있다.

상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체는 상기 커플링 영역을 기준으로 서로 대칭될 수 있다.

상기 급전부에 의해 급전된 RF 신호로 인해 상기 제1 방사체에 형성되는 제1 전류의 흐름에 따라 선택적으로 커플링(coupling)되어 선택적으로 상기 제2 방사체에 제2 전류가 형성될 수 있다.

상기 제2 방사체에 상기 제2 전류가 형성되는 경우 상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체가 하나의 다이폴 안테나와 같이 동작할 수 있다. 또는 상기 제2 방사체에 상기 제2 전류가 형성되지 않는 경우 상기 제1 방사체가 하나의 다이폴 안테나와 같이 동작할 수 있다.

공진 주파수 중 하나는 상기 제1 방사체의 길이에만 상응하며, 다른 하나는 상기 제1 방사체의 길이 및 상기 제2 방사체의 길이의 합에 상응할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 커플링 효과를 이용하여 단일 안테나로 다중 대역 안테나를 구현할 수 있다.

또한, 전체적인 안테나 이득 및 효율을 크게 감소시키지 않으면서도 안테나의 크기를 소형화할 수 있어 모바일 기기에 적용가능하다.

또한, 광대역 안테나의 고차모드 방사(방사 빔의 널)를 억제시킬 수 있다.

또한, 모바일 기기 내 벽면 유전체를 이용하여 소형이면서도 모바일 기기 내부의 회로와의 간섭을 줄일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 다중 대역 안테나(1)는 2개의 폴디드(folded) 구조의 방사체(10, 20)를 포함한다.

제1 방사체(10)는 일단이 접지부(40)와 연결되고, 타단이 급전부(30)와 연결된다. 제2 방사체(20)는 일단이 접지부(40)와 연결되고, 타단은 오픈(open)되어 있다. 따라서, 다중 대역 안테나(1)로의 급전은 제1 방사체(10)를 통해서만 이루어진다.

제1 방사체(10)의 폴디드 부분(12)과 제2 방사체(20)의 폴디드 부분(22)은 커플링 영역(50)을 중심으로 소정 간격만큼 이격되어 있으며, 상기 간격을 중심으로 대칭되는 구조를 가지고 있다.

커플링 영역(50)은 제1 방사체(10)의 폴디드 부분(12)과 제2 방사체(20)의 폴디드 부분(22)이 가장 근접한 부분으로, 제1 방사체(10)에 형성된 전류에 따라 제2 방사체(20)에 전류가 유도되는 자기장에 의한 커플링(coupling)이 발생하는 공간이다.

여기서, 제1 방사체(10)는 급전부(30)를 통해 RF 신호가 급전되는 루프(loop)로서 동작하며, 제2 방사체(20)는 제1 방사체(10)에 형성된 전류의 흐름에 따라 커플링(coupling)되는 루프로서 동작하게 된다.

즉, 제1 방사체(10)에 형성된 전류의 방향에 따라 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20)가 함께 안테나로서 기능하거나 제1 방사체(10)만이 안테나로서 기능할 수 있다. 이에 대해서는 관련 도면을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에 있어서 제1 공진 주파수 대역에서의 전류 분포를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 전류 흐름을 가지는 다중 대역 안테나의 커플링 영역 내에 형성되는 전자기장을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 방사체(10)에 급전된 RF 신호에 의해 제1 공진 주파수 대역에서의 제1 전류(I1)는 급전부(30)에 연결된 타단으로부터 접지부(40)에 연결된 일단으로 향하는 흐름을 가진다.

제1 전류(I1)의 흐름에 의해 제2 방사체(20)에는 커플링 영역(50) 내에서 제1 전류(I1)와 같은 방향(도 2를 기준으로 할 때 하측에서 상측으로 흐르는 방향)으로 흐르는 제2 전류(I2)가 커플링에 의해 유도된다.

따라서, 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20)에 각각 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)가 흐르게 되며, 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20) 전체가 하나의 다이폴 안 테나와 같이 동작하게 된다.

전자기적인 커플링으로 인해 제2 방사체(20)에 제2 전류(I2)가 유도되고, 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20)가 하나의 다이폴 안테나와 유사한 전류 분포를 가짐을 확인할 수 있다.

여기서, 첫 번째 공진 주파수 대역은 제1 방사체(10)의 길이(L1)와 제2 방사체(20)의 길이(L2)의 합에 상응한다.

예를 들어, 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20) 전체가 반파장 다이폴 안테나로서 동작하는 경우에 하기의 수학식 1과 같은 관계를 만족시킬 수 있다. 여기서, λ1은 첫 번째 공진 주파수 대역에서의 파장이다.

λ1/2 = L1+L2

도 3을 참조하면, 커플링 영역(50) 내에 있는 제1 방사체(10)에 흐르는 제1 전류(I1)의 방향과, 제2 방사체(20)에 흐르는 제2 전류(I2)에 의한 전기력선 분포가 도시되어 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에 있어서 제2 공진 주파수 대역에서의 전류 분포를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 전류 흐름을 가지는 다중 대역 안테나의 커플링 영역 내에 형성되는 전자기장을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 제1 방사체(10)에 급전된 RF 신호에 의해 제1 전류(I1')는 접지부(40)에 연결된 일단 및 급전부(30)에 연결된 타단으로 향하는 흐름을 가진 다.

이 경우 커플링 영역(50) 내에 있는 제1 방사체(10)의 폴디드 부분(12)에 흐르는 제1 전류(I1')에 의한 커플링이 발생하지 않으며, 제1 방사체(10)에 상응하는

루프와 제2 방사체(20)에 상응하는 루프가 서로 전기장에 의한 오픈(open) 상태가 되어 제2 방사체(20)에는 유도 전류가 발생하지 않는다.

따라서, 제2 공진 주파수 대역에 대해서 제2 방사체(20)는 전혀 기능하지 않으며, 중간 부분에서 방향이 서로 반대인 제1 전류(I1')가 형성되는 제1 방사체(10)가 하나의 다이폴 안테나로서 동작하게 된다.

여기서, 두 번째 공진 주파수 대역은 제1 방사체(10)의 길이(L1)에 상응한다.

예를 들어, 제1 방사체(10)가 반파장 다이폴 안테나로서 동작하는 경우에 하기의 수학식 2와 같은 관계를 만족시킬 수 있다. 여기서, λ2는 두 번째 공진 주파수 대역에서의 파장이다.

λ2/2 = L1

도 5를 참조하면, 커플링 영역(50) 내에 있는 제1 방사체(10)에 흐르는 제1 전류(I1')의 방향과, 제2 방사체(20)에 흐르는 제2 전류(I2')에 의한 전기력선 분포가 도시되어 있다. 자기장에 의한 커플링이 발생하지 않음으로 인해 전기적으로 오픈된 상태가 되고, 제2 방사체(20)에 유도 전류가 발생하지 않아 제1 방사체(10)만이 하나의 다이폴 안테나로서 동작하게 된다.

본 발명에서 수학식 1과 수학식 2의 관계를 기초로 할 때 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20)가 모두 관여하는 제1 공진 주파수 대역이 제1 방사체(10)만이 관여하는 제2 공진 주파수 대역에 비해 낮게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 반사손실(return loss) 그래프이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에서의 첫 번째 공진 주파수 대역에서의 방사 패턴(radiation pattern)을 도시한 도면이고, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에서의 두 번째 공진 주파수 대역에서의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

일 실시예에 따른 다중 대역 안테나는 2.4GHz(WLAN 11b) 대역에서 대역폭 100MHz를 가지고, 5.5GHz(WLAN 11a) 대역에서 대역폭 800MHz를 가지며 동작함을 확인할 수 있다.

즉, 제1 방사체(10)와 제2 방사체(20)가 모두 관여하는 첫 번째 공진 주파수는 2.4GHz이며, 제1 방사체(10)만이 관여하는 두 번째 공진 주파수는 5.5GHz이다.

첫 번째 공진 주파수인 2.4GHz에서는 최대 2.5dBi의 안테나 이득을 가지며, 두 번째 공진 주파수인 5.5GHz에서는 최대 5.9dBi의 안테나 이득을 가짐을 확인할 수 있다.

도 6 내지 도 10에 도시된 도면들은 WLAN 11a 및 11b에 적용하기 위한 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에서의 안테나 특성을 도시한 것에 불과하며, 본 발명에 따른 다중 대역 안테나는 제1 방사체(10) 또는/및 제2 방사체(20)의 길이를 조절함으로써 필요로 하는 다양한 공진 주파수 대역을 가지도록 할 수 있을 것이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 제1 방사체(10a, 10b)와 제2 방사체(20a, 20b)는 커플링 영역(50)을 기준으로 서로 대칭되는 구조를 가진다.

제1 방사체(10a, 10b)와 제2 방사체(20a, 20b)는 폴디드 구조를 가지며, 각 방사체(10a, 10b, 20a, 20b)의 폴디드 부분(12a, 12b, 22a, 22b)이 커플링 영역(50) 내에서 서로 소정 간격을 가지고 대향되어 위치한다.

제1 방사체(10a, 10b)는 커플링 영역(50) 내에서 급전부(30)와 연결되어 있는 반면, 대응되는 제2 방사체(20a, 20b)는 커플링 영역(50) 내에서 오픈되어 있다.

각 방사체(10a, 10b, 20a, 20b)의 형상은 L자, 미앤더(meander) 등의 폴디드 구조를 가지는 다양한 형상일 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에 있어서 제1 공진 주파수 대역에서의 전류 분포를 나타낸 도면.

도 3은 도 2에 도시된 전류 흐름을 가지는 다중 대역 안테나의 커플링 영역 내에 형성되는 전자기장을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에 있어서 제2 공진 주파수 대역에서의 전류 분포를 나타낸 도면.

도 5는 도 4에 도시된 전류 흐름을 가지는 다중 대역 안테나의 커플링 영역 내에 형성되는 전자기장을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 반사손실(return loss) 그래프.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에서의 첫 번째 공진 주파수 대역에서의 방사 패턴(radiation pattern)을 도시한 도면.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나에서의 두 번째 공진 주파수 대역에서의 방사 패턴을 도시한 도면.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 도시한 도면.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 도시 한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 다중 대역 안테나

10, 10a, 10b: 제1 방사체

12, 12a, 12b: 제1 방사체의 폴디드 부분

20, 20a, 20b: 제2 방사체

22, 22a, 22b: 제1 방사체의 폴디드 부분

30: 급전부

40: 접지부

50: 커플링 영역

Claims (8)

1. 커플링 영역 내에서 급전부와 연결되고 일단이 접지부와 연결된 제1 방사체; 및

   일단이 접지부와 연결되고 타단이 오픈(open)된 제2 방사체를 포함하는 다중 대역 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체는 폴디드(folded) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 방사체의 폴디드 부분과 상기 제2 방사체의 폴디드 부분이 상기 커플링 영역 내에서 소정 간격을 가지고 대향되어 위치하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
4. 제2항에 있어서,

   상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체는 상기 커플링 영역을 기준으로 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
5. 제1항에 있어서,

   상기 급전부에 의해 급전된 RF 신호로 인해 상기 제1 방사체에 형성되는 제1 전류의 흐름에 따라 선택적으로 커플링(coupling)되어 선택적으로 상기 제2 방사체에 제2 전류가 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 방사체에 상기 제2 전류가 형성되는 경우 상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체가 하나의 다이폴 안테나와 같이 동작하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제2 방사체에 상기 제2 전류가 형성되지 않는 경우 상기 제1 방사체가 하나의 다이폴 안테나와 같이 동작하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
8. 제1항에 있어서,

   공진 주파수 중 하나는 상기 제1 방사체의 길이에만 상응하며, 다른 하나는 상기 제1 방사체의 길이 및 상기 제2 방사체의 길이의 합에 상응하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.

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