KR20120001968A - 초소형 광대역 모노폴 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상하부로 적층된 상부 방사체와 하부 방사체를 비아(via)를 통해 상호 연결하여 상부 방사체와 하부 방사체 간의 커플링(coupling) 결합을 통해 안테나의 크기를 줄이면서 광대역의 대역폭을 구현할 수 있는 초소형 광대역 모노폴 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명은 모노폴 안테나에 있어서, 상부 방사체와, 서로 분리되어 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 상부 방사체의 길이방향으로 양측 종단부와 적어도 일부가 각각 중첩되도록 배치된 제1 및 제2 하부 방사체와, 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합을 위해 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체를 각각 연결하는 제1 및 제2 접속부재를 구비하는 모노폴 안테나를 제공한다.
따라서, 본 발명은 상하부로 적층된 상부 방사체와 제1 및 제2 하부 방사체를 비아를 통해 상호 연결함으로써 상부 방사체와 제1 및 제2 하부 방사체 간에 커플링 결합을 증대시켜 모노폴 안테나의 크기를 줄이면서 광대역의 대역폭을 구현할 수 있다.

Description

초소형 광대역 모노폴 안테나{MICRO WIDEBAND MONOPOLE ANTENNA}

본 발명은 이동통신단말기의 내장형 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상하부로 적층된 상부 방사체와 하부 방사체를 비아(via)를 통해 상호 연결하여 상부 방사체와 하부 방사체 간의 커플링(coupling) 결합을 통해 안테나의 크기를 줄이면서 광대역의 대역폭을 구현할 수 있는 초소형 광대역 모노폴 안테나에 관한 것이다.

무선통신 기술의 발전으로 음성 및 멀티미디어 통신의 고속 송수신이 가능한 이용주파수의 대역이 날로 넓어지고 있다. 따라서, 무선통신의 양질의 서비스를 위하여 광대역 안테나의 개발이 통신 기술의 핵심요소가 되고 있다. 개인 휴대 단말기의 소형화와 집적화에 따라 안테나 역시 소형 경량, 다기능 특성 및 대량생산이 요구되고 있다.

현재의 이동통신단말기에서는 패치형 안테나가 많이 사용되고 있다. 패치형 안테나는 경량화 및 저비용 그리고 제작이 용이하기 때문에 안테나 소자로 널리 사용되고 있으나 대역폭이 좁은 협대역의 문제를 가지고 있으며, 패치의 크기가 공진 주파수의 파장에 λ/2 정도로 소형의 휴대용 통신장비에 장착시키는 데는 많은 어려움이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 구조들이 제안되었다. 일례로 기생 패치를 안테나 주변에 배치한 구조는 동작 주파수 범위를 넓혀 광대역을 구현하였으나 안테나 크기의 증가를 야기시켰다. 이러한 구조는 휴대의 편의성을 위해 최근 점점 소형화되는 추세와 맞지 않기 때문에 이를 해결하기 위하여 여러 가지 설계 기법이 시도되었다. 또한, 안테나의 크기를 줄이기 위해서도 다양한 방법들이 시도되었는데, 가장 간단한 방법으로는 고유전율의 유전체를 사용하여 안테나의 크기를 감소시키는 방법이다. 그러나, 이 방법은 안테나의 대역폭과 이득을 감소시키는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 상하부로 적층된 상부 방사체와 하부 방사체를 비아(via)를 통해 상호 연결하여 상부 방사체와 하부 방사체 간의 커플링(coupling) 결합을 통해 안테나의 크기를 줄이면서 광대역의 대역폭을 구현할 수 있는 모노폴 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 모노폴 안테나에 있어서, 상부 방사체와, 서로 분리되어 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 상부 방사체의 길이방향으로 양측 종단부와 적어도 일부가 각각 중첩되도록 배치된 제1 및 제2 하부 방사체와, 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합을 위해 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체를 각각 연결하는 제1 및 제2 접속부재를 구비하는 모노폴 안테나를 제공한다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 접속부재는 각각 서로 이격되어 배치된 2개의 비아로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 비아들은 서로 동일한 크기로 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 비아들은 원형 또는 다각형으로 형성되고, 이웃하는 것끼리는 서로 동일한 거리로 이격될 수 있다.

바람직하게, 상기 모노폴 안테나의 대역폭은 상기 비아들 간의 이격되는 거리와 상기 비아들 각각의 크기에 따라 조정되는 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합에 의해 조정될 수 있다.

바람직하게, 상기 모노폴 안테나의 대역폭은 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 중첩되는 면적에 따라 조정되는 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합에 의해 조정될 수 있다.

바람직하게, 상기 모노폴 안테나의 대역폭은 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 이격되는 거리를 조정함으로써 조정되는 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합에 의해 조정될 수 있다.

바람직하게, 상기 모노폴 안테나의 공진 주파수는 상기 상부 방사체의 길이와 폭을 조정함으로써 조정될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 상하부로 적층된 상부 방사체와 제1 및 제2 하부 방사체를 비아를 통해 상호 연결함으로써 상부 방사체와 제1 및 제2 하부 방사체 간에 커플링 결합을 증대시켜 모노폴 안테나의 크기를 줄이면서 광대역의 대역폭을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나를 도시한 정면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나를 도시한 평면도.
도 4는 제안된 모노폴 안테나의 최적화된 조건에서의 반사손실 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 5는 제안된 모노폴 안테나의 최적화된 조건에서의 방사패턴 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 6은 실제 제작된 모노폴 안테나의 반사손실를 도시한 도면.
도 7은 실제 제작된 모노폴 안테나의 특성을 무반사실을 이용하여 측정한 도면.
도 8은 실제 제작된 모노폴 안테나의 방사패턴을 도시한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 그리고, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함(또는, 구비)한다' 및/또는 '포함(또한, 구비)하는'으로 언급된 구성 요소 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나의 구조를 설명하기 위하여 도시한 사시도이고, 도 2는 앞에서 바라본 정면도이며, 도 3은 위에서 바라본 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나는 상부 방사체(10), 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b), 제1 및 제2 접속부재(30a~30d)를 구비한다.

상부 방사체(10)는 직사각형 형태의 판형 구조로 이루어질 수 있다. 상부 방사체(10)의 길이(L1)와 폭(W)은 방사효율과 공진주파수를 결정하는 중요한 요소로 작용하게 된다. 따라서, 바람직하게 상부 방사체(10)의 길이(L1)는 9.2~11.2mm, 더욱 바람직하게는 10.2mm로 형성한다. 폭(W)은 1.5~2.5mm, 더욱 바람직하게는 2mm로 형성한다.

제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 상부 방사체(10)와 적층 구조로 형성되며, 적어도 일부가 상부 방사체(10)의 양측 종단부와 각각 중첩되도록 배치된다. 제1 하부 방사체(20a)는 급전부(40)와 연결된다. 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 서로 일정 거리로 이격되어 배치된다. 이때, 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)의 거리(L3)는 모노폴 안테나의 공진주파수와 대역폭을 결정하는 중요한 요소로 작용하게 된다. 바람직하게, 거리 'L3'는 7.5~8.5mm, 더욱 바람직하게는 8mm로 형성한다. 또한, 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 동일한 길이(L2)로 형성하며, 바람직하게 길이 'L2'는 0.6~1.6mm, 더욱 바람직하게는 1.1mm로 형성할 수 있다.

모노폴 안테나의 대역폭은 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b) 간에 이격되는 거리를 조정함으로써 조정되는 상부 방사체(10)와 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b) 간의 커플링 결합에 의해 조정될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b) 간의 이격거리가 작을수록 상부 방사체(10)와 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b) 간에 중첩되는 면적이 증대되고, 이로 인해 상부 방사체(10)와 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b) 간에 커플링 결합이 증대되어 모노폴 안테나의 대역폭은 증가한다.

상부 방사체(10), 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 유전율이 7.8인 그린 시트를 LTCC(Low Temperature Co-firing Ceramic) 공정을 이용하여 제작된 세라믹 에 형성할 수 있다. 즉, 상부 방사체(10)는 세라믹의 상면에 방사체 패턴을 형성하여 형성하고, 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 세라믹의 배면에 패턴을 형성하여 형성한다.

제1 및 제2 접속부재(30a~30d)는 상부 방사체(10)와 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b) 간의 커플링 결합을 통해 안테나의 광대역을 구현하기 위하여 상부 방사체(10), 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)를 각각 상호 연결한다. 즉, 제1 접속부재(30a, 30b)는 상부 방사체(10)와 제1 하부 방사체(20a)를 상호 연결하고, 제2 접속부재(30c, 30d)는 상부 방사체(10)와 제2 하부 방사체(20b)를 상호 연결한다.

제1 및 제2 접속부재(30a~30d)는 비아(via)로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 제1 및 제2 접속부재(30a~30d)는 각각 서로 이격되어 배치된 2개의 비아로 이루어진다. 이러한 비아들은 LTCC 세라믹 내부에 도전재료를 증착한 후 패터닝하여 형성할 수 있다.

제1 접속부재(30a, 30b)를 구성하는 2개의 비아는 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 이들의 크기 및 이격거리는 대역폭을 결정하는 중요한 요소로 작용하게 된다. 따라서, 바람직하게 비아의 높이(H)는 0.55~0.65mm, 더욱 바람직하게는 0.6mm로 하고, 비아들 간의 간격은 0.9~1.1mm, 더욱 바람직하게는 1mm로 이격되도록 형성한다.

상기 비아는 원형으로 형성한다. 그러나, 본 실시예에서 비아의 형상이 원형에 국한된 것은 아니며, 다각형으로 형성할 수 있다. 비아를 원형으로 형성하는 경우에 있어서, 바람직하게 비아의 지름(Φ)은 0.2~0.3mm, 더욱 바람직하게는 0.25mm로 형성한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 모노폴 안테나에서는 주요 방사요소인 상부 방사체(10), 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 제1 및 제2 접속부재(30a~30d)를 통해 상호 연결되며, 이를 통해 상부 방사체(10), 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)는 서로 간의 커플링 결합을 통해 광대역의 대역폭을 구현하게 된다. 또한, 방사체가 상하로 적층되어 있어 안테나의 크기를 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 모노폴 안테나는 미도시된 유전체 기판을 더 포함할 수도 있다. 유전체 기판(미도시)의 재료로는 비교적 단가가 저렴한 'FR-4'가 사용될 수 있다. 물론, 유전체 기판의 재료는 이에 국한되는 것은 아니며 에폭시(epoxy), 듀로이드(duroid), 테프론(teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 및 에어폼(air form) 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 모노폴 안테나는 50Ω의 급전라인에 정확한 임피던스 매칭을 위하여 2.2nH의 칩 인덕터(chip inductor)와 22pF의 칩 캐패시터(chip capacitor)가 연결되어 간단한 매칭회로를 더 구성할 수 있다. 또한, 추가적인 매칭 스터브(matching stub)를 이용하여 초소형 광대역의 안테나 특성을 구현할 수 있다.

실시예

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나의 상부 방사체(10)와 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)의 전체적인 길이와 폭, 비아의 간격을 하기 표 1과 같이 최적화하고, 접지단의 조건은 21×33mm² 크기의 FR-4 기판을 사용하여 CPWG(Coplanar Waveguide with Ground) 방식으로 50Ω의 급전라인을 급전하였다.

구성요소	L	L1	L2	L3	W	D	H	Φ
길이(mm)	11	10.2	1.1	8	2	1	0.6	0.25

표 1과 같이 상부 방사체(10)의 가로길이(길이방향) 'L1'은 10.2mm, 폭(세로방향) 'W'은 2mm로 설계하였고, 제1 및 제2 하부 방사체(20a, 20b)의 길이 'L2'는 ()mm, 폭 'W'은 2mm로 설계하였으며, 비아 간의 간격 'D'는 1mm, 지름 'Φ'는 0.25mm로 설계하였다. 또한, 상부 방사체와 하부 방사체 간의 간격, 즉 비아의 높이 'H'는 0.6mm로 설계하였다.

도 4는 표 1과 같이 최적화된 조건에서의 반사손실 값의 시뮬레이션 결과 그래프이고, 도 5는 방사패턴 값의 시뮬레이션 결과 그래프이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션 결과 임피던스 대역폭(부하와 전압정재파비(VSWR) 2:1)은 약 1.8GHz의 대역폭을 얻었으며, 방사패턴 또한 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

도 6은 표 1과 같은 최적화된 조건으로 실제 제작된 모노폴 안테나의 반사손실 그래프를 도시한 도면이고, 도 7은 제작된 모노폴 안테나를 무반사실(anechoic chamber)을 이용하여 안테나의 특성을 측정한 데이터를 도시한 표이며, 도 8은 원하는 주파수 대역 내에서 측정된 3차원 방사패턴을 도시한 도면이다. 도 6 및 도 및 도 7과 같이, 원하는 대역 2.3~3.5GHz에서 80% 이상의 안테나 효율과 4.75~5.58dBi의 최고 이득값을 구할 수 있었다. 또한, 도 8과 같이, 양호한 방사패턴을 얻을 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 따라서, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

10 : 상부 방사체
20a : 제1 하부 방사체
20b : 제2 하부 방사체
30a, 30b : 제1 접속부재
30c, 30d : 제2 접속부재
40 : 급전부

Claims (8)

1. 모노폴 안테나에 있어서,
   상부 방사체;
   서로 분리되어 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 상부 방사체의 길이방향으로 양측 종단부와 적어도 일부가 각각 중첩되도록 배치된 제1 및 제2 하부 방사체; 및
   상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합을 위해 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체를 각각 연결하는 제1 및 제2 접속부재
   를 구비하는 모노폴 안테나.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 접속부재는,
   각각 서로 이격되어 배치된 2개의 비아로 이루어진 모노폴 안테나.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 비아들은,
   서로 동일한 크기로 형성된 모노폴 안테나.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 비아들은,
   원형 또는 다각형으로 형성되고, 이웃하는 것끼리는 서로 동일한 거리로 이격된 모노폴 안테나.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나의 대역폭은,
   상기 비아들 간의 이격되는 거리와 상기 비아들 각각의 크기에 따라 조정되는 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합에 의해 조정되는 모노폴 안테나.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나의 대역폭은,
   상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 중첩되는 면적에 따라 조정되는 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합에 의해 조정되는 모노폴 안테나.
   
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나의 대역폭은,
   상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 이격되는 거리를 조정함으로써 조정되는 상기 상부 방사체와 상기 제1 및 제2 하부 방사체 간의 커플링 결합에 의해 조정되는 모노폴 안테나.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나의 공진 주파수는,
   상기 상부 방사체의 길이와 폭을 조정함으로써 조정되는 모노폴 안테나.

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