KR20110112226A - 안테나 급전 구조체 및 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 저주파 루프, 중간 주파수 루프 및 고주파 루프를 가지는 안테나 급전 구조체를 제공하고, 상기 중간 주파수 루프에서 루프 자체의 인덕턴스와 용량성 소자 사이에 공진을 일으키되, 그 공진 주파수를 상기 루프의 넓이와 용량성 소자의 값을 이용하여 제어할 수 있도록 함으로써, 안테나가 광대역 특성을 가지도록 하며, 나아가 원하는 대역의 안테나를 용이하게 설계할 수 있도록 한다.

Description

안테나 급전 구조체 및 안테나{Antenna Feeding Structure and Antenna}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안테나로부터 방사되는 RF 신호를 제공하기 위한 급전 구조체 및 이를 이용한 안테나에 관한 것이다.
안테나는 공중의 RF 신호를 단말기 내부로 수신하거나, 단말기 내부의 신호를 외부로 송신하는 장치이며, 무선 기기에 있어서 외부와의 통신을 위해 필수적인 요소이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 안테나를 나타낸 구성도이다. 도 1 을 참조하면, 종래 기술에 따른 안테나(10)는 급전부(11)와, 방사체(12a, 12b)로 이루어진다. 종래 기술에 따른 안테나(10)에 있어서, 급전부(11)는 직접 방사체(12a, 12b)에 연결되며, 급전부(11)에서 제공되는 신호가 방사체(12a, 12b)를 통해 외부로 전송된다. 이때, 방사체(12a, 12b)는 무선통신 기기의 그라운드를 이용하거나, 별도의 방사체로 구성될 수 있다. 한편, 일부(12a)는 별도의 방사체를 이용하고, 일부(12b)는 그라운드 면을 방사체로 이용할 수 있다.
도 1 에 따른 안테나는 별도의 급전 구조체 없이 급전부(11)로부터 전기적인 신호를 전기적인 방식만으로 직접 방사체(12a, 12b)에 제공하게 되므로, 급전 구조체를 가지는 안테나에 비해 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
도 2 는 종래 기술에 따른 급전 구조를 가지는 안테나를 나타낸 것이다. 도 2 를 참조하면, 종래 기술에 따른 안테나(20)는 급전부(21)와, 방사체(22a, 22b)와, 급전 루프(25)를 형성하기 위한 도전 선로(24)로 이루어진다.
도 2 에 따른 안테나(20)는 도전 선로(24)를 이용하여 급전 루프(25)를 형성함으로써, 전기적인 급전 이외에 자기적인 커플링에 의한 급전을 수행할 수 있게 되므로, 급전 루프(25)를 가지지 않는 도 1 의 안테나(10)에 비해서 향상된 성능을 가진다. 그러나, 급전 루프(25)를 가지는 안테나라고 하더라도, 높은 주파수 영역에서 성능이 저하된다는 문제점이 있다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
급전부(21)로부터 제공된 RF 전류가 급전 루프(25)에 흐르게 되면, 등가 자기 전류가 생성된다. 등기 자기 전류(Im)는 수학식 1 과 같이 표현된다.
Figure pat00001
수학식 1 에서,
Figure pat00002
은 길이
Figure pat00003
을 가지는 등가 자기 전류, ω 는 RF 전류의 각주파수, μ 는 투자율, S 는 급전 루프의 면적, I(ω) 는 급전부에 의해 제공되는 RF 전류를 의미한다.
급전 루프(25)에 발생한 등가 자기 전류(Im)는 급전 루프(25)에 발생한 자속으로 볼 수 있으며, 급전 루프(25)에 발생한 자속과 등가 자기 전류(Im)는 수학식 2 와 같은 관계를 가진다.
Figure pat00004
수학식 2 에서, ψ 는 급전 루프(25)에 발생한 총 자속을 의미한다.
한편, 급전 루프(25)에 발생한 총 자속은 수학식 3 과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 3 에 따르면, 급전부(21)에서 제공되는 RF 전류의 주파수가 증가함에 따라, 급전 루프(25)에서 발생하는 총 자속의 양은 감소한다는 것을 알 수 있다. 즉, 급전 루프(25)에서 발생하는 총 자속의 양이 감소한다는 것은 등가 자기 전류(Im)가 감소한다는 것을 의미한다. 따라서, 높은 주파수에서는 등가 자기 전류(Im)가 줄어들어 효율적으로 방사체(22a, 22b)에 RF 신호를 급전할 수 없으므로, 도 3 에 도시한 안테나는 높은 주파수에서 성능이 저하되므로, 대역이 좁아지는 문제점이 있었다.
그럼에도 불구하고, 종래 기술의 안테나들은 안테나 성능을 향상시키기 위한 효율적인 급전 구조체를 제시하지 못하고, 주로 방사체의 설계를 변경함으로써 좋은 특성을 가지는 안테나를 설계하려고 노력하였다.
그러나, 안테나의 특성을 향상시키기 위해 방사체의 모양을 복잡하게 변화시킬수록 제조 비용이 증가할 뿐 아니라, 방사체의 어떤 요소에 의해 안테나의 어떤 특성이 변화하는지 정확하게 파악하지 못함으로써, 안테나 설계 자체가 복잡하고 어려워지는 문제점이 있었다.
본 발명은, 간단한 모양을 가지면서도 광대역 안테나로 동작이 가능하도록 하는 급전 구조체와, 이를 이용한 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 저주파 루프, 중간 주파수 루프 및 고주파 루프를 가지는 안테나 급전 구조체를 제공하고, 상기 중간 주파수 루프에서 루프 자체의 인덕턴스와 용량성 소자 사이에 공진을 일으키되, 그 공진 주파수를 상기 루프의 넓이와 용량성 소자의 값을 이용하여 제어할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 급전 구조체를 가지는 안테나는 간단한 구조를 가지면서도 광대역 특성을 가지는 효과가 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 안테나를 나타낸 구성도이다.
도 2 는 종래 기술에 따른 급전 구조를 가지는 안테나를 나타낸 것이다.
도 3 은 본 발명에 따른 급전 구조체를 적용한 안테나를 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 급전 구조체의 실시예들을 나타낸 것이다.
도 5(a) 는 종래 기술에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 일례를 나타낸 것이다.
도 5(b) 는 본 발명에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 제 1 실시예를 나타낸 것이다.
도 6 은 도 5(a) 에 따른 안테나와 도 5(b)에 따른 안테나의 특성을 비교한 것이다.
도 7 은 본 발명에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 제 2 실시예를 나타낸 것이다.
도 8 은 본 발명에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 제 3 실시예를 나타낸 것이다.
도 3 은 본 발명에 따른 급전 구조체를 적용한 안테나를 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 급전부(31)와, 방사체(32a, 32b)와, 급전부(31)와 용량성 소자(38)를 포함하여 이루어지는 제 1 루프(36)와, 용량성 소자(38)와 도전 선로(34)를 포함하여 이루어지는 제 2 루프(35)와, 급전부(31)와 도전선로(34)를 포함하여 이루어지는 제 3 루프(37)를 포함하여 이루어진다.
이때, 각 루프들(36, 35, 37)은 방사체(32a, 32b)에 RF 신호를 급전하기 위한 구조체 이므로, 이를 급전 구조체라고 할 수 있다.
도 3 에 따른 안테나의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
저주파 영역에서는 제 1 루프(36) 쪽의 임피던스가 증가하므로, 주로 제 3 루프(37) 쪽으로 전류가 흐르게 되고, 주로 제 3 루프(37)에 의해 발생한 자속이 방사체(32a, 32b)에 제공된다.
또한, 고주파 영역에서는 제 3 루프(37) 쪽의 임피던스가 증가하므로, 주로 제 1 루프(36) 쪽으로 전류가 흐르게 되고, 주로 제 1 루프에 의해 발생한 자속이 방사체(32a, 32b)에 제공된다.
한편, 중간 주파수 영역에서는 제 2 루프(35) 자체에 의해 제공되는 인덕턴스와 용량성 소자(38)에 의해 제공되는 캐패시턴스로 인해 공진이 발생하게 되고, 주로 공진에 따라 발생한 자속이 방사체(32a, 32b)에 제공된다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 안테나는, 서로 다른 주파수 영역에서 강한 자속을 발생시키는 3 개의 루프를 가지므로, 결과적으로 광대역 급전을 수행할 수 있게 된다.
중간 주파수 영역에서 발생하는 공진에 관해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 공진이 발생하는 주파수는 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
수학식 4 에서, f 는 공진주파수, Lf 은 전류 루프에 의해 제공되는 인덕턴스, C 는 용량성 소자(38)의 캐패시턴스를 의미한다.
한편, 전류 루프에 의해 제공되는 인덕턴스는 수학식 5 와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
수학식 5 에서, μ 는 투자율, S 는 전류 루프의 면적을 의미한다.
따라서, 중간 주파수 대역의 전류 루프에 해당하는 제 2 루프(35)의 면적과 용량성 소자(38)의 캐패시턴스를 조절함으로써, 공진이 발생되는 주파수를 결정할 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 급전 구조체를 적용하면, 광대역 특성을 가질 뿐 아니라, 대역의 중심 주파수를 조절 가능 함으로써, 원하는 대역에서 광대역 특성을 가지도록 할 수 있게 된다.
도 4 는 본 발명에 따른 급전 구조체의 실시예들을 나타낸 것이다. 도 4 를 참조하면, 여러가지 형태의 급전 구조체들이 도시되어 있으나, 모두 다음과 같은 본 발명의 특징을 가진다.
즉, 세 개의 루프를 형성하되, 제 1 루프(41)는 고주파에 해당하는 루프로서 급전부와 용량성 소자를 포함하고, 제 2 루프(42)는 중간 주파수에 해당하는 루프로서 용량성 소자와 용량성 소자의 양단을 연결하는 도전 선로(혹은 유도성 소자)를 포함하고, 제 3 루프(43)는 저주파에 해당하는 루프로서 급전부와 급전부 양단을 연결하는 도전 선로(혹은 유도성 소자)를 포함한다.
도 4 에는 급전원과 연결된 매칭 소자가 없는 경우의 예들을 도시하였으나, 급전원과 매칭소자가 연결될 수 있다. 이때 매칭소자는 리액턴스 성분을 가지는 집중회로 소자(인덕터 혹은 캐패시터)이며, 급전원에 직렬 또는 병렬로 연결된다.
한편, 중간 주파수에 해당하는 제 2 루프(42)는 원하는 주파수에서 공진 조건을 만족하여야 하는데, 공진 조건에 필요한 인덕턴스는 전류 루프에 의해서만 제공되거나, 전류 루프 및 집중회로 소자(유도성 소자)에 의해서 제공된다. 이때, 전류 루프에 의해 제공되는 인덕턴스는 제 2 루프(42)의 면적에 의해 결정된다. 전류 루프 및 유도성 소자에 의해 제공되는 전체 인덕턴스는 수학식 6 과 같다.
Figure pat00008
수학식 6 에서, Ltotal 은 전체 인덕턴스를 의미하고, Lf 는 전류 루프에 의해 제공되는 인덕턴스를 의미하며, Llump 는 유도성 소자에 의해 제공되는 인덕턴스를 의미한다.
따라서, 전류 루프 뿐 아니라 집중회로 소자(유도성 소자)에 의해서도 인덕턴스가 제공되는 경우, 공진 주파수에 관한 수학식 4 는 수학식 7 과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
도 5(a) 는 종래 기술에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 일례를 나타낸 것이다. 도 5(a) 에 도시된 안테나는 도 2 에 도시된 급전 구조체가 적용된 안테나의 일예를 나타낸 것이다.
종래 기술에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나(51)는 급전부(511)와, 방사체(512a)와, 접지 전위를 제공할 뿐 아니라 방사체로서 동작하는 접지면(512b)과, 급전 루프(515)를 형성하기 위한 도전 선로(514)로 이루어진다.
도 5(b) 는 본 발명에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 제 1 실시예를 나타낸 것이다. 도 5(b) 에 도시된 안테나는 도 4(a) 에 도시된 급전 구조체가 적용된 안테나의 일예를 나타낸 것이다.
본 실시예에 따른 안테나는 급전부(521)와, 방사체(522a)와, 접지 전위를 제공할 뿐 아니라 방사체로서 동작하는 접지면(522b)과, 급전부(521)와 용량성 소자(528)를 포함하여 이루어지는 제 1 루프(526)와, 용량성 소자(528)와 도전 선로(524)를 포함하여 이루어지는 제 2 루프(525)와, 급전부(521)와 도전선로(524)를 포함하여 이루어지는 제 3 루프(527)를 포함하여 이루어진다.
이때, 각 루프들(526, 525, 527)은 방사체(522a, 522b)에 RF 신호를 방사체에 급전하기 위한 구조체 이므로, 이를 급전 구조체라고 할 수 있다.
본 발명에 따른 급전 구조체를 가지는 안테나의 공진 주파수 제어는 다음과 같은 방식으로 수행할 수 있다.
먼저, 도 5(b)에 도시된 안테나에 대하여, 수학식 5 에 따라, 제 2 루프에 의한 인덕턴스를 산출하면 수학식 8 과 같다.
Figure pat00010
또한, 수학식 4 에 따라, 제 2 루프에 의한 공진 주파수를 산출하면, 수학식 9 와 같다.
Figure pat00011
도 6 은 도 5(a) 에 따른 안테나와 도 5(b)에 따른 안테나의 성능을 비교한 설명도이다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 종래 기술에 따른 안테나보다 광대역 특성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 수학식 7 에 의해 계산된 공진 주파수 2.47 GHz 부근에서 실제로 공진이 일어날 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 급전 구조체를 가지는 안테나는 광대역 특성을 가질 뿐 아니라, 필요에 따라 공진 주파수를 제어함으로써, 원하는 대역을 가지는 안테나를 용이하게 설계할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 제 2 루프의 면적과, 용량성 소자의 캐패시턴스를 변화시킴으로써 원하는 대역을 가지는 안테나를 설계할 수 있게 된다. 또한, 제 2 루프의 면적에서 발생하는 인덕턴스가 작은 경우에는, 제 2 루프에 유도성 소자를 추가함으로써, 원하는 대역을 가지는 안테나를 설계할 수 있게 된다.
도 7 은 본 발명에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 제 2 실시예를 나타낸 것이다.
본 실시예에 따른 안테나(70)는 방사체로서 동작하는 그라운드(71) 및 캐패시터(72)와, 그라운드(71)를 제거한 영역인 클리어런스(73)와, 클리어런스(73) 내에 형성된 급전 구조체(700)을 포함하여 이루어진다.
한편, 급전 구조체(700)는 제 1 루프(710), 제 2 루프(730) 및 제 3 루프(720)를 포함하여 이루어진다. 제 1 루프(710)는 급전부(75)와 용량성 소자(74)를 포함하여 이루어진다. 한편, 제 2 루프(730)는 용량성 소자(74)와, 도전 선로의 역할을 수행하는 그라운드(71)를 포함하여 이루어진다. 또한, 제 3 루프(720)는 급전부(75)와 도전선로의 역할을 수행하는 그라운드(71)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예에 따른 급전 구조체(700)도 저주파 루프에 해당하는 제 3 루프(720)와, 중간 주파수 루프에 해당하는 제 2 루프(730)와, 고주파 루프에 해당하는 제 1 루프(710)로 이루어지며, 공진 주파수는 제 2 루프(730)의 면적과 캐패시터(74)의 캐패시턴스에 의해 결정된다.
도 8 은 본 발명에 따른 급전 구조체가 적용된 안테나의 제 3 실시예를 나타낸 것이다.
본 실시예에 따른 안테나(80)는 방사체(82a, 82b)와 급전구조체(800)가 이격되어 있는 경우를 나타낸 것이다. 즉, 방사체(82a, 82b)와 급전구조체(800)는 이격되어 있으나, 급전 구조체(800)로부터 발생한 자속에 의해 방사체(82a, 82b) (또는 방사체(82a, 82b)에 연결된 방사체 루프(84))와 급전 구조체(800)가 커플링된다. 따라서, 급전 구조체(800)가 전자기적인 방식으로 방사체(82a, 82b)에 RF 신호를 급전할 수 있다.
본 실시예에 따른 안테나(80)의 급전 구조체(800)는 급전부(81)와 용량성 소자(83)를 포함하여 이루어지는 제 1 루프(810)와, 용량성 소자(83)와 도전선로로 이루어지는 제 2 루프(820)와, 급전부(81)와 도전선로로 이루어지는 제 3 루프(830)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예에 따른 급전 구조체(800)도 저주파 루프에 해당하는 제 3 루프(830)와, 중간 주파수 루프에 해당하는 제 2 루프(820)와, 고주파 루프에 해당하는 제 1 루프(810)으로 이루어지며, 공진 주파수는 제 2 루프(820)의 면적과 캐패시터(83)의 캐패시턴스에 의해 결정된다.
본 발명은, 기본적으로, 급전부와 방사체로 이루어진 안테나 구조에 있어서, 급전부로부터 입력되는 RF 신호를 보다 효율적으로 방사체에 전달하기 위한 급전 구조체에 관한 것이다. 따라서, 본 발명의 설명에 있어서 급전부는 급전원과 임피던스 매칭을 위한 매칭회로를 포함한다. 예를 들어, 급전원에 임피던스 매칭을 위한 리액턴스 소자를 연결할 수 있는데, 이러한 경우에 급전원과 리액턴스 소자를 급전원이라고 할 수 있다.
임피던스 매칭회로가 구조상 본 발명의 급전 구조체와 유사할 수도 있으나, 이는 임피던스 변환을 위한 것일 뿐, 안테나 방사체를 여기시키기 위한 급전 구조체가 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 자명하다. 즉, 본 발명은 루프 면적 및 루프에 포함된 캐패시터의 캐패시턴스를 조절함으로써 보다 용이하게 안테나의 특성을 제어할 수 있는 급전 구조체에 관한 것이다.
11, 21, 31, 511, 521, 75, 81 : 급전부
12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 512a, 512b, 522a, 522b, 82a, 82b : 방사체

Claims (10)

  1. 안테나 방사체를 여기시키기 위한 안테나 급전 구조체에 있어서,
    급전부와 용량성 소자를 포함하는 제 1 루프;
    용량성 소자와 상기 용량성 소자의 양단을 직접 연결하는 도전 선로를 포함하는 제 2 루프; 및
    급전부와 상기 도전 선로를 포함하는 제 3 루프
    를 포함하여 이루어지되,
    상기 제 2 루프의 공진 주파수는 상기 제 2 루프의 면적 및 상기 용량성 소자의 캐패시턴스 값에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 루프의 면적에 따라, 상기 공진 주파수 형성을 위한 인덕턴스 값이 정해지는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 루프는 고주파 전류 루프로 동작하는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 루프는 저주파 전류 루프로 동작하는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  5. 안테나 방사체를 여기시키기 위한 안테나 급전 구조체에 있어서,
    급전부과 용량성 소자를 포함하는 제 1 루프;
    용량성 소자와 상기 용량성 소자의 양단에 연결되는 유도성 소자를 포함하는 제 2 루프; 및
    급전부과 상기 도전 선로를 포함하는 제 3 루프
    를 포함하여 이루어지되,
    상기 제 2 루프의 공진 주파수는 상기 제 2 루프의 면적과 상기 유도성 소자의 인덕턴스 값 및 상기 용량성 소자의 캐패시턴스 값에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 루프의 상기 공진을 위한 인덕턴스는 상기 제 2 루프의 면적과 상기 유도성 소자의 인덕턴스 값에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 루프는 고주파 전류 루프로 동작하는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 루프는 저주파 전류 루프로 동작하는 것을 특징으로 하는 안테나 급전 구조체.
  9. 안테나 방사체를 여기시키기 위한 안테나 급전 구조체를 가지는 안테나에 있어서,
    급전부;
    안테나 방사체; 및
    안테나 급전 구조체
    를 포함하여 이루어지되,
    상기 안테나 급전 구조체는,
    급전부과 용량성 소자를 포함하는 제 1 루프;
    용량성 소자와 상기 용량성 소자의 양단을 직접 연결하는 도전 선로를 포함하는 제 2 루프; 및
    급전부과 상기 도전 선로를 포함하는 제 3 루프
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 안테나의 대역은 상기 제 2 루프의 면적에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 안테나의 대역은,
    상기 제 2 루프 면적에 따른 인덕턴스와 상기 용량성 소자의 캐패시턴스 값에 따른 공진 주파수에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 안테나.
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