KR20120028575A - 광대역 헬리컬 안테나 - Google Patents

광대역 헬리컬 안테나 Download PDF

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Abstract

광대역 헬리컬 안테나가 개시된다. 개시된 헬리컬 안테나는 실린더 형태의 제1 유전체 구조물; 상기 유전체 구조물의 외부에 권치되며 급전점과 전자기적으로 결합되는 헬리컬 엘리먼트; 상기 헤리컬 엘리먼트가 권치된 제1 유전체 구조물 외부를 둘러싸는 실린더 형태의 제2 유전체 구조물; 상기 제2 유전체 구조물의 제1 부분을 둘러싸도록 형성되며 전기적으로 플로팅 상태의 제1 도전성 밴드; 및 상기 제2 유전체 구조물의 제2 부분을 둘러싸도록 형성되고 전기적으로 플로팅 상태이며 상기 제1 도전성 밴드와 전기적으로 이격되는 제2 도전성 밴드를 포함한다. 개시된 안테나에 따르면, 헬리컬 엘리먼트의 피치가 줄어들더라도 광대역 특성을 확보할 수 있으며, 적절한 대역폭을 가지면서 그 구조가 소형화될 수 있는 장점이 있다.

Description

광대역 헬리컬 안테나{Wide-Band Helical Antenna}
본 발명의 실시예들은 헬리컬 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광대역 특성을 가지는 헬리컬 안테나에 관한 것이다.
이동통신 단말기 또는 방송수신 단말기 등과 같은 단말기 관련 기술이 발전함에 따라 단말기들은 점차 소형화 및 경량화되고 있고, 그 구조에 있어서도 슬림화가 요구되고 있다. 이와 같은 사이즈의 소형화가 계속적으로 요구되는 것에 비해 단말기의 기능은 더욱 다양화될 것이 요구되고 있다.
이와 같이, 단말기의 소형화 및 다기능화에 따라 단말기 내에서 안테나가 차지하는 공간이 최소화될 것이 요구되고 있으며, 이는 안테나의 설계에 대한 부담을 가중시키고 있다.
아울러, 근래에는 다양한 주파수 대역에 대한 서비스를 하나의 단말기에서 수용할 수 있는 컨버전스(Convergence) 단말기로 발전하는 추세이며, 이에 따라 안테나는 광대역 특성 및 다중 대역 특성이 가장 중요한 요소로 작용하고 있다. 예를 들어, 하나의 안테나로 블루투스(Bluetooth)와 같은 근거리 통신 서비스, 이동 통신 서비스 및 무선 랜(WLAN) 서비스와 같은 다양한 대역의 서비스를 지원할 수 있는 안테나가 요구되고 있다.
이와 같은 요구를 해결하고자 안테나 크기를 줄임과 동시에 전파 특성 규격을 맞추기 위하여 전기적 길이를 연장시킬 수 있는 헬리컬 엘리먼트를 이용한 헬리컬 안테나(Helical Antenna)에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래의 헬리컬 안테나에 이용되는 헬리컬 엘리먼트를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 헬리컬 안테나에 이용되는 헬리컬 엘리먼트는 피치(pitch) 사이의 간격(S), 한 회전당 헬리컬 엘리먼트의 길이(L), 헬리컬 엘리먼트의 직경(A), 권선수(N), 헬리컬 엘리먼트의 전체 크기(H) 등과 같은 파라미터에 의해 정의된다.
이와 같은 코일 형태의 헬리컬 엘리먼트를 이용하는 경우, 안테나의 전체적인 크기는 줄이는 동시에 헬리컬 엘리먼트의 인덕턴스 특성을 이용하여 전파의 송수신에 필요한 전기적 길이는 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 안테나의 전체 크기(H)를 일정하게 유지하면서 전기적 길이를 보다 연장하거나 또는 동일한 전기적 길이를 유지하면서 안테나의 전체 크기(H)를 보다 소형화 하는 경우 피치 사이의 간격(S)이 감소되어야 하는데, 이 경우, 피치 사이의 간격(S)의 감소에 의해 헬리컬 안테나의 동작 대역폭(BW: Bandwidth)도 함께 줄어들게 된다. 이는 앞서 설명한 안테나의 광대역 특성을 악화시키는 문제를 발생시킨다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 헬리컬 엘리먼트의 피치가 줄어들더라도 광대역 특성을 확보할 수 있는 헬리컬 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 커플링 구조를 가지는 헬리컬 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 적절한 대역폭을 가지면서 그 구조가 소형화될 수 있는 헬리컬 안테나를 제안한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 실린더 형태의 제1 유전체 구조물; 상기 유전체 구조물의 외부에 권치되며 급전점과 전자기적으로 결합되는 헬리컬 엘리먼트; 상기 헤리컬 엘리먼트가 권치된 제1 유전체 구조물 외부를 둘러싸는 실린더 형태의 제2 유전체 구조물; 상기 제2 유전체 구조물의 제1 부분을 둘러싸도록 형성되며 전기적으로 플로팅 상태의 제1 도전성 밴드; 및 상기 제2 유전체 구조물의 제2 부분을 둘러싸도록 형성되고 전기적으로 플로팅 상태이며 상기 제1 도전성 밴드와 전기적으로 이격되는 제2 도전성 밴드를 포함하는 것을 광대역 헬리컬 안테나.가 제공된다.
상기 제2 도전성 밴드는 상기 급전점과 반대 방향으로 상기 제1 도전성 밴드와 이격된다.
상기 급전점과 상기 제1 도전성 밴드의 이격 거리 및 상기 제1 전도성 밴드의 폭에 의해 방사되는 RF 신호의 대역폭이 조절된다.
상기 제1 전도성 밴드와 상기 제2 전도성 밴드의 이격 거리 및 상기 제2 전도성 밴드의 폭에 의해 방사되는 RF 신호의 공진점이 조절된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 급전점과 전자기적으로 결합되는 헬리컬 엘리먼트; 상기 헬리컬 엘리먼트와 전기적으로 이격되며 상기 헬리컬 엘리먼트의 제1 부분을 둘러싸도록 형성되는 제1 전도성 밴드; 상기 헬리컬 엘리먼트와 전기적으로 이격되며 상기 헬리컬 엘리먼트의 제2 부분을 둘러싸도록 형성되고 상기 제1 전도성 밴드와 전기적으로 이격되는 제2 전도성 밴드를 포함하는 광대역 헬리컬 안테나가 제공된다.
본 발명에 따른 헬리컬 안테나는 헬리컬 엘리먼트의 피치가 줄어들더라도 광대역 특성을 확보할 수 있으며, 적절한 대역폭을 가지면서 그 구조가 소형화될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 헬리컬 안테나에 이용되는 헬리컬 엘리먼트를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 분해 사시도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도를 도시한 도면.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 분해 사시도를 도시한 도면이고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도를 도시한 도면이다. .
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나는 제1 유전체 구조물(200), 헬리컬 엘리먼트(202), 제2 유전체 구조물(204), 제1 도전성 밴드(206), 제2 도전성 밴드(208) 및 캡(210)을 포함한다.
제1 유전체 구조물(200)은 유전체 재질로 이루어지며 실린더 형상을 가질 수 있다. 일례로, 제1 유전체 구조물(200)은 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
제1 유전체 구조물(200)에는 헬리컬 엘리먼트(202)가 결합된다. 헬리컬 엘리먼트(202)는 제1 유전체 구조물(200)의 외부에 결합된다. 물론, 헬리컬 엘리먼트(202)는 제1 유전체 구조물(200)의 내부에 빈 공간을 형성하고 해당 내부의 빈 공간에 결합될 수도 있을 것이다.
헬리컬 엘리먼트(202)는 일정 방향으로 권취되는 코일 형상을 가진다. 헬리컬 엘리먼트의 길이, 권선 수 및 피치는 방사되는 신호의 주파수 및 대역폭에 의해 결정된다.
헬리컬 엘리먼트(202)는 RF 신호 방사를 위해 급전 신호가 인가되는 급전점(A)과 전자기적으로 연결된다. 일례로, 헬리컬 엘리먼트(202)의 일단에 급전 핀이 결합되어 헬리컬 엘리먼트(202)에 RF 신호의 급전이 이루어질 수 있다.
헬리컬 엘리먼트(202)는 본 발명의 헬리컬 안테나의 방사체로서 동작하여 RF 신호의 송수신 동작을 수행한다.
제2 유전체 구조물(204)은 상기 헬리컬 엘리먼트(202)가 결합된 제1 유전체 구조물(200) 외부에 결합된다. 제2 유전체 구조물(204)은 제1 유전체 구조물(204)에 비해 직경이 큰 실린더 형상을 가지며, 제1 유전체 구조물 외부에 결합되기 위해 외부에 공동이 형성될 수 있다.
제2 유전체 구조물(204) 역시 세라믹 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 유전체 구조물(204)의 외벽에는 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)가 결합된다. 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)는 전도성 재질로 이루어지며 일례로 헬리컬 엘리먼트(202)와 동일한 재질일 수 있다.
제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)는 제2 유전체 구조물(204)의 외부에 결합됨으로써 헬리컬 엘리먼트(202)와는 전기적으로 이격된다.
제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)는 헬리컬 엘리먼트(202)와 전기적으로 연결되지 않는 동시에 급전점 및 접지와도 전기적으로 연결되지 않는다. 즉, 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)는 플로팅(Floating) 상태로 존재하는 것이다.
제1 도전성 밴드(206)와 제2 도전성 밴드(208)는 헬리컬 엘리먼트(202)와 전자기적인 커플링이 가능한 구조이며, 헬리컬 엘리먼트(202)와 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)와의 전자기적인 상호 작용에 의해 헬리컬 엘리먼트만이 구비되는 기존의 헬리컬 안테나에 비해 뛰어난 광대역 특성을 가지는 헬리컬 안테나의 구현이 가능하다.
제1 도전성 밴드(206)는 헬리컬 엘리컨트(202)와의 상호 작용을 통해 헬리컬 안테나의 대역폭을 증가시키는 기능을 한다. 제1 도전성 밴드(206)에 의해 확대되는 대역폭은 제1 도전성 밴드(206)의 위치 및 폭에 의해 결정된다. 설계자는 제1 도전성 밴드(206)의 폭 및 위치를 조절하면서 원하는 대역 특성을 갖도록 제1 도전성 밴드의 폭 및 위치를 결정할 수 있다.
제1 도전성 밴드(206)에 의해 대역폭이 조절되는 메인 파라미터는 제1 도전성 밴드의 위치로서 구체적으로 제1 도전성 밴드(206)와 급전점(A)과의 거리이다. 제1 도전성 밴드(206)의 폭은 미세 튜닝 파라미터로 활용될 수 있다.
이와 같이, 헬리컬 엘리먼트와 이와 이격되어 플로팅 상태로 존재하는 도전성 부재(제1 도전성 밴드)와의 전자기적인 상호 작용에 의해 대역폭의 조절이 가능하며, 이는 헬리컬 안테나의 피치를 줄이더라도 제1 도전성 밴드(206)를 통해 원하는 대역폭 특성을 가지도록 하는 것이 가능하다는 것을 의미한다.
그런데, 제1 도전성 밴드(206)에 의해 대역폭이 조절될 때 헬리컬 엘리먼트에 의해 방사되는 RF 신호의 공진 주파수가 함께 변경되는 문제점이 있다. 제1 도전성 밴드(206)에 의해 대역폭이 확장되면서 공진 주파수는 보다 고주파 대역으로 이동하게 되는 현상이 발생한다.
제2 도전성 밴드(208)는 제1 도전성 밴드(206)에 의해 변경된 방사 신호의 공진점을 조절하는 기능을 한다. 제2 도전성 밴드(208)는 제1 도전성 밴드와 소정 거리 이격되어 제2 유전체 구조물(204)에 결합되며, 이때 제2 도전성 밴드는 제1 도전성 밴드(206)와 급전점의 반대 방향으로 이격된다. 즉, 제2 도전성 밴드(208)는 제1 도전성 밴드(206)와 급전점과 멀어지는 방향으로 이격되어 설치된다.
제2 도전성 밴드(208)에 의해 조절되는 RF 신호의 공진 주파수는 제1 도전성 밴드(206)와 제2 도전성 밴드(208)의 이격 거리 및 제2 도전성 밴드(208)의 폭에 의해 정해진다.
제2 도전성 밴드(208)는 제1 도전성 밴드(206)에 의해 고주파 대역으로 이동한 공진 주파수를 끌어내린다. 제2 도전성 밴드(208)에 의한 공진 주파수 변화의 메인 파라미터는 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)의 거리이며 제2 도전성 밴드(208)의 폭은 공진 주파수를 미세하게 튜닝하는 요소로 활용할 수 있다.
상술한 실시예에서 제1 유전체 블록(200) 및 제2 유전체 블록(204)은 급전점과 결합되는 헬리컬 엘리먼트(202)와 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)를 전기적으로 이격시키기 위한 구조물의 일례이며, 헬리컬 엘리먼트(202)와 제1 도전성 밴드(206) 및 제2 도전성 밴드(208)를 이격시키기 위한 다양한 형태의 구조물이 이용될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
또한, 상술한 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 도시된 안테나를 덮는 하우징을 사출 성형함으로써 안테나를 이루는 각 구성 요소들을 고정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 실린더 형태의 제1 유전체 구조물;
    상기 유전체 구조물의 외부에 권치되며 급전점과 전자기적으로 결합되는 헬리컬 엘리먼트;
    상기 헤리컬 엘리먼트가 권치된 제1 유전체 구조물 외부를 둘러싸는 실린더 형태의 제2 유전체 구조물;
    상기 제2 유전체 구조물의 제1 부분을 둘러싸도록 형성되며 전기적으로 플로팅 상태의 제1 도전성 밴드; 및
    상기 제2 유전체 구조물의 제2 부분을 둘러싸도록 형성되고 전기적으로 플로팅 상태이며 상기 제1 도전성 밴드와 전기적으로 이격되는 제2 도전성 밴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전성 밴드는 상기 급전점과 반대 방향으로 상기 제1 도전성 밴드와 이격되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 급전점과 상기 제1 도전성 밴드의 이격 거리 및 상기 제1 전도성 밴드의 폭에 의해 방사되는 RF 신호의 대역폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 밴드와 상기 제2 전도성 밴드의 이격 거리 및 상기 제2 전도성 밴드의 폭에 의해 방사되는 RF 신호의 공진점이 조절되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  5. 급전점과 전자기적으로 결합되는 헬리컬 엘리먼트;
    상기 헬리컬 엘리먼트와 전기적으로 이격되며 상기 헬리컬 엘리먼트의 제1 부분을 둘러싸도록 형성되는 제1 전도성 밴드;
    상기 헬리컬 엘리먼트와 전기적으로 이격되며 상기 헬리컬 엘리먼트의 제2 부분을 둘러싸도록 형성되고 상기 제1 전도성 밴드와 전기적으로 이격되는 제2 전도성 밴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 도전성 밴드는 상기 급전점과 반대 방향으로 상기 제1 도전성 밴드와 이격되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 급전점과 상기 제1 도전성 밴드의 이격 거리 및 상기 제1 전도성 밴드의 폭에 의해 방사되는 RF 신호의 대역폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전도성 밴드와 상기 제2 전도성 밴드의 이격 거리 및 상기 제2 전도성 밴드의 폭에 의해 방사되는 RF 신호의 공진점이 조절되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 헬리컬 엘리먼트는 실린더 형태의 제1 유전체 구조물에 권치되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
    실린더 형태의 제1 유전체 구조물;
    상기 유전체 구조물의 외부에 권치되며 급전점과 전자기적으로 결합되는 헬리컬 엘리먼트;
    상기 헤리컬 엘리먼트가 권치된 제1 유전체 구조물 외부를 둘러싸는 실린더 형태의 제2 유전체 구조물;
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 도전성 밴드 및 상기 제2 도전성 밴드는 상기 헬리컬 엘리먼트가 권치된 제1 유전체 구조물 외부를 둘러싸는 실린더 형태의 제2 유전체 구조물에 결합되는 것을 특징으로 하는 광대역 헬리컬 안테나.
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