KR20220037735A - 다중 대역 안테나 - Google Patents

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KR20220037735A
KR20220037735A KR1020200120570A KR20200120570A KR20220037735A KR 20220037735 A KR20220037735 A KR 20220037735A KR 1020200120570 A KR1020200120570 A KR 1020200120570A KR 20200120570 A KR20200120570 A KR 20200120570A KR 20220037735 A KR20220037735 A KR 20220037735A
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이승우
장태인
정연하
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한국전력공사
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Abstract

실시예는, 다중대역 안테나에 관한 것으로서, U구조 및 스파이럴 구조의 패치안테나를 이용하여 UHF(Ultra High Frequency) 신호를 검출하여 부분방전을 진단하기 위한 안테나 다중대역 안테나에 관한 것이다.

Description

다중 대역 안테나{MULTIBAND ANTENNA}
실시예는 UHF(Ultra High Frequency)에서 사용 가능한 다중대역 특성을 가지는 안테나에 관한 것으로서, 상세하게는 전력기기의 절연결함에 의하여 일어나는 전극 사이에 교락하지 않는 방전에 따른 전자파를 검출하여 부분방전을 진단하기 위한 안테나에 관한 것이다.
장시간 운전하는 전력기기에서는 열적, 전기적, 기계적, 환경적인 복합 열화로 인하여 절연재료 내부에 보이드(void)가 발생하고, 이로 인하여 열화가 지속되다가 최종적으로 절연 파괴 상태가 된다. 이러한 전력기기의 사고를 미연에 방지하고 예방하기 위한 점검 및 진단 방법으로 전력기기(케이블, 접속함, GIS 등)에 센서를 부착하여 열화 정도를 측정하는 접촉식 감시 장치와, 접촉식 및 비접촉식으로 구분되는 휴대용 점검 장비를 이용한다.
이러한 감시 장치는 지락 및 서지 유입시 대전류에 의해 센서가 소손되거나 파손될 우려가 있기 때문에 사고의 위험성이 항상 존재하며, 설치 후에도 지속적으로 관리가 필요하다는 단점이 있다.
다른 점검 및 진단 방법으로써, 절연파괴 상태에 도달하는 것을 방지하기 위해 열화 특성을 정밀하게 분석하며, 절연 열화 특성을 분석하기 위해 부분방전(partial discharge)의 측정시험을 수행할 수 있다. 부분방전 특성상 광대역에서 수ns 주기로 발생하여 측정이 용이하지 못한 단점이 있으며, 종래에는 HFCT(High Frequency Current Transformer)센서를 사용하여 부분방전 신호를 검출하였으나, 검출감도가 매우 낮은 문제점이 있다.
또한, 지중송전선로의 부분방전을 검출하기 위하여 기존의 전기적 검출법, 음향 검출법, 발생가스 검출법 등이 사용되고 있다. 하지만, 전기적 검출법은 서지 인입 등 큰 방전이 발생할 경우 측정 장치에 과도한 전류가 흘러서 회로 및 장비를 소손시킬 수 있으며, 음향 검출법은 전기적 검출법에 비해 감도가 낮다. 또한, 발생가스 검출법은 장시간동안 가스가 축적된 경우에도 발생량이 매우 작다는 문제점이 있다. 이에 반해 전자파 검출법은 전자파의 반사, 산란, 회절, 굴절의 특성으로 거의 모든 에너지가 전류로 변화하여 도체에 도통할 수 있으며, 비접촉식으로 검출 감도가 좋고 검출 범위가 넓기 때문에 하나의 센서로 광범위한 측정이 가능하고, 다수의 센서를 사용할 경우 위치 추정도 가능하다. 또한, 외부 노이즈의 영향이 적어 GIS 부분방전 검출에 많이 이용된다.
전자파 검출법에 사용되는 센서로, 현재는 접속함 접지선, SVL 연결선에만 CT 센서를 부착하여 사용하거나 RF 센서를 사용한다. 따라서, 이러한 기존의 센서와 비교하여 접속함에 자유자재로 붙일 수 있으며, 성능이 우수한 센서 개발이 필요하다.
더불어, 부분방전 전자파에 대해 UHF 측정은 도체로 이루어진 안테나를 사용하여 300MHz~3,000MHz의 UHF 신호를 검출하므로 해당 대역에서 사용 가능한 안테나가 필요한 문제점이 있다.
실시예에 따른 다중대역 안테나는, 부분방전의 전자파의 UHF대역 신호를 검출할 수 있는 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 실시예에 따른 다중대역 안테나는, 소형, 경량의 안테나를 이용하여 유입 서지(surge) 진단시 편의성 및 활용성을 높이기 위한 것이다.
실시예는 다중대역 안테나로서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 위에 배치되고 도전체로 형성된 패치 안테나, 그리고 상기 패치 안테나로 신호를 전송하기 위한 급전선로를 포함하며, 상기 패치 안테나는, 제1 서브 안테나 및 제2 서브 안테나를 포함하고, 상기 제1 서브 안테나 및 상기 제2 서브 안테나는 U-구조이며, 상기 제1 서브 안테나 및 상기 제2 서브 안테나의 배치에 따라 공진 특성이 결정된다.
또한, 실시예에 따른 제2 서브 안테나는, 상기 제1 서브 안테나가 180°회전한 형상으로서, 상기 제1 서브 안테나와 상기 제2 서브 안테나는 서로 대칭되도록 배치된다.
또한, 실시예에 따른 제2 서브 안테나는, 상기 제1 서브 안테나의 하부로부터 제1 거리만큼 이격되어 배치된다.
또한, 실시예에 따른 패치 안테나는, 제3 서브 안테나를 포함하며, 상기 제3 서브 안테나는, 상기 제1 서브 안테나의 상부로부터 제2 거리만큼 이격되어 배치된다.
또한, 실시예에 따른 다중대역 안테나는, 상기 제3 서브 안테나의 유무 및 상기 제2 거리에 따라 상기 다중대역 안테나의 공진 특성이 결정된다.
또한, 실시예에 따른 제3 서브 안테나는. 2개의 스파이럴 구조가 상기 급전선로를 기준으로 대칭적으로 배치된다.
또한, 실시예에 따른 제1 서브 안테나는, 상기 급전선로와 수직으로 배치되는 제1 도선, 상기 제1 도선의 일단에, 상기 제1 도선과 수직으로 배치되는 제2 도선, 그리고 상기 제1 도선의 타단에, 상기 제1 도선과 수직으로 배치되는 제3 도선을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 제2 서브 안테나는, 상기 급전선로와 수직으로 배치되는 제4 도선, 상기 제4 도선의 일단에 상기 제4 도선과 수직으로 배치되는 제5 도선, 그리고 상기 제4 도선의 타단에 상기 제4 도선과 수직으로 배치되는 제6 도선을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 제3 서브 안테나는, 상기 급전선로와 수직으로 배치되는 제7 도선, 상기 제7 도선의 일단에, 상기 제7 도선과 수직으로 배치되는 제8 도선, 상기 제7 도선의 타단에, 상기 제7 도선과 수직으로 배치되는 제9 도선, 상기 제8 도선의 타단에, 상기 제8 도선과 수직으로 배치되는 제10 도선, 상기 제9 도선의 타단에, 상기 제9 도선과 수직으로 배치되는 제11 도선, 상기 제10 도선의 타단에, 상기 제10 도선과 수직으로 배치되는 제12 도선, 그리고 상기 제11 도선의 타단에, 상기 제11 도선과 수직으로 배치되는 제13 도선을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 다중대역 안테나는, 상기 급전선로를 기준으로, 상기 제8 도선과 상기 제9 도선이 대칭되며, 상기 제10 도선과 상기 제11 도선이 대칭되며, 상기 제12 도선과 상기 제13 도선이 대칭된다.
또한, 실시예에 따른 급전선로는, 마이크로스트립 구조이며, 폭이 3.8mm이고 높이가 138mm이다.
또한, 실시예에 따른 유전체 기판의 크기는, 폭은 60mm이고 높이는 140mm이며, 두께는 1mm이고, 상기 유전체 기판은, 유전율이 4.6[F/m]인 FR-4 기판이며, 상기 유전체 기판의 일면은, 접지면을 포함하고, 상기 접지면은 폭은 60mm, 높이는 60mm이고, 상기 패치 안테나는 0.1mm 두께의 도전체로 구성되며, 상기 패치 안테나를 구성하는 상기 제1 도선 내지 제13 도선은 폭이 3.8mm이다.
또한, 실시예에 따른 제1 도선 및 상기 제4 도선의 길이는 55.6mm이고, 상기 제2 도선, 상기 제3 도선, 상기 제5 도선 및 상기 제6 도선의 길이는 10mm이다.
또한, 실시예에 따른 제7 도선의 길이는 54mm이고, 상기 제8 도선 및 상기 제9 도선의 길이는 15mm이며, 상기 제10 도선 및 상기 제11 도선의 길이는 20mm이고, 상기 제12 도선 및 상기 제13 도선의 길이는 10mm이다.
실시예에 따른 다중대역 안테나는, 부분방전의 전자파의 UHF대역 신호를 검출할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 다중대역 안테나는, 소형, 경량의 안테나를 이용하여 유입 서지(surge) 진단시 편의성 및 활용성을 높일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 다중대역 안테나의 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 다중대역 안테나의 후면도이다.
도 3은 실시예에 따른 다중대역 안테나의 측면도이다.
도 4는 실시예에 따른 다중대역 안테나의 공진특성 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 다중대역 안테나의 구성도이다.
도 6은 실시예에 따른 다중대역 안테나의 공진특성 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 다중대역 안테나의 공진특성 그래프이다.
도 8은 566MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 정면도이다.
도 9는 566MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 평면도이다.
도 10은 868MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 정면도이다.
도 11은 868MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 평면도이다.
도 12는 1214MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 정면도이다.
도 13은 1214MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 1을 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나의 구성을 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)는 유전체 기판(100)을 포함한다. 유전체의 일면에는 패치 안테나와 급전선로가 부착될 수 있다.
유전체 기판은 유전률이 4.6[F/m]인 FR-4 기판을 사용할 수 있으며, 폭(W1)은 60mm, 높이(H1)는 140mm로 설정될 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 유전률과 기판의 종류, 폭(W1)과 높이(H1)는 목표하는 공진 특성 및 사용 용도에 따라 변경할 수 있다.
급전선로(200)는 마이크로스트립(Microstrip) 급전 구조를 가질 수 있다. 마이크로스트립 급전 구조를 사용함으로써, 대역폭을 증가시킬 수 있다. 마이크로스트립 급전 구조는 다이폴 안테나 등과 비교하여 대역폭이 넓기 때문에 광대역화 연구가 가능하다. 광대역 특성을 획득하고, 사용되지 않는 대역의 반사특성을 제거하기 위한 방법 중 하나로 패치 안테나를 기본으로 사용되지 않는 주파수 대역에 대한 슬롯(slot)을 만들어 리액턴스(L) 성분 및 커패시턴스(C) 성분을 조절하여 필요 없는 부분을 제거하는 기법이 사용된다.
급전선로(200)는 폭(W2)을 3.8mm로, 높이(H2)는 122mm로 설정할 수 있으며, 두께 0.1mm의 도전체를 이용하여 구성될 수 있다. 급전선로(200)의 폭(W2)는 임피던스 매칭을 50[Ω]으로 계산하여 설정된 폭이며, 급전선로는 말단에서 각각 분리되어 안테나 방사체(300, 400)에 전압을 인가한다.
상술한 급전선로(200)의 수치에 관하여, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 폭(W2)과 높이(H2) 및 두께와 사용되는 도전체의 종류는 목표하는 공진 특성 및 사용 용도에 따라 변경할 수 있다.
패치 안테나(300)는 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)를 포함하며, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)는 U-구조 패치 안테나로 구성될 수 있다. 이 때, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)의 길이 및 제1 거리(D1)를 변경하여 다중대역 안테나(1)의 공진 특성을 조절할 수 있다.
제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)은 서로 마주보는 형태, 즉 대칭되는 형태로 배치될 수 있다. 또한, 제2 서브 안테나(320)은 제1 서브 안테나(310)가 180°회전한 형상일 수 있으며, 제2 서브 안테나(320)은 제1 서브 안테나(310)의 하부 방향으로 제1 거리(D1)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 제1 거리(D1)는 제1 서브 안테나(310)에서 가장 돌출된 부분과 제2 서브 안테나(320)에서 가장 돌출된 부분 사이의 거리를 의미한다.
패치 안테나(300)는 두께 0.1mm의 도전체로 구성되며, 폭을 3.8mm로 설정할 수 있다. 즉, 제1 도선(L1) 내지 제6 도선(L6)을 두께 0.1mm, 폭 3.8mm의 도전체로 구성할 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 목표하는 공진 특성 및 사용 용도에 따라 변경할 수 있다.
마이크로스트립 패치 안테나 구조를 사용함으로써 안테나의 소형화 및 경량화가 가능하다. 안테나의 소형화를 위하여 평면형 모노폴(monople) 구조를 적용할 수 있다. 원하는 대역에서 공진을 발생시키기 위해서는 제1 서브 안테나(310) 또는 제2 서브 안테나(330)의 전체 길이가 원하는 공진 주파수에 대응하는 파장(λ)의 1/4 길이의 물리적 구조가 필요하다. 즉, 제1 서브 안테나(310) 또는 제2 서브 안테나(320)의 총길이는 1/4 λ가 되어야 한다. 따라서, 안테나의 소형화를 위해서는 물리적 길이를 줄여야 하므로, 안테나의 구조를 U자형으로 구성함으로써, 안테나의 총 길이는 유지하면서 안테나의 전체 단면적을 줄일 수 있다.
제1 서브 안테나(310)는 급전선로(200)와 수직으로 배치되는 제1 도선(L1), 제1 도선(L1)의 일단에, 제1 도선(L1)과 수직으로 배치되는 제2 도선(L2) 및 제1 도선(L1)의 타단에, 제1 도선(L1)과 수직으로 배치되는 제3 도선(L3)를 포함한다.
제2 서브 안테나(320)는 급전선로(200)와 수직으로 배치되는 제4 도선(L4), 제4 도선(L4)의 일단에, 제4 도선(L4)과 수직으로 배치되는 제5 도선(L5) 및 제4 도선(L4)의 타단에, 제4 도선(L4)과 수직으로 배치되는 제6 도선(L6)를 포함한다.
또한, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)는 대칭되는 형상으로 배치된다. 따라서, 제1 도선(L1)과 제4 도선(L2)이 대칭되고, 제2 도선(L2)과 제5 도선(L5), 제3 도선(L3)과 제6 도선(L6)이 서로 대칭되어 배치된다.
이 때, 제1 서브 안테나와(310) 제2 서브 안테나(310)의 폭을 급전선로의 폭과 같이 3.8mm로 설정할 수 있다. 또한, 제1 도선(L1)과 제4 도선(L4)의 길이를 55.6mm로, 제2 도선(L2), 제3 도선(L3), 제5 도선(L5), 제6 도선(L6)의 길이는 10mm로 설정할 수 있다. 또한, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)에 따라 다중대역 안테나(1)의 공진 특성이 620MHz~670Mhz, 1150MHz~1282MHz에서 발생한다.
하지만, 실시예가 상술한 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)의 수치로 한정되는 것은 아니며, 목표하는 공진 특성과, 사용 용도에 따라 수치를 변경하여 적용할 수 있다.
제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)을 감소시키는 경우, 다중대역 안테나(1)의 공진 주파수가 높아진다. 반면, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)을 증가시키는 경우, 다중대역 안테나(1)의 공진 주파수가 낮아진다.
이하, 도 2를 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나의 구성을 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 후면도이다.
도 2를 참조하면, 유전체 기판(100)에서 패치 안테나가 부착되지 않은 후면에는 접지면(110)이 포함될 수 있다. 접지면은 유전체 기판(100)의 하단에 위치할 수 있으며, 높이(H2)는 60mm, 폭은 유전체 기판(100)과 동일한 60mm로 설정할 수 있다. 하지만, 실시예가 상술한 높이(H2)와 폭의 수치로 한정되는 것은 아니며, 목표하는 공진 특성 및 사용 용도에 따라 변경할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나의 구성을 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 측면도이다.
도 3을 참조하면, 유전제 기판(100)의 두께(T1)은 패치 안테나(300)의 두께(T2) 및 접지면(110)의 두께(T3)보다 두껍게 설정할 수 있다. 구체적으로, 유전체 기판(100)의 두께(T1)는 1mm로, 패치 안테나(300)의 두께(T2)는 0.1mm로, 접지면(110)의 두께(T3)는 0.1mm로 설정할 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 유전체 기판(100), 패치 안테나(300) 및 접지면(110)의 두께(T1, T2, T3)는 사용하는 소재, 사용 목적 등에 따라 변경할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나의 공진특성을 설명한다.
도 4는 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진특성 그래프이다.
도 4를 참조하면, x축은 주파수 대역을 나타내며, y축은 다중대역 안테나(1)의 반사 손실을 나타낸다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320)에 의해 다중대역 안테나(1)는 2개의 주파수 대역에서 공진 특성이 나타난다.
제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 2mm인 경우, 다중대역 안테나(1)의 공진 특성이 620MHz~670Mhz, 1150MHz~1210MHz에서 발생한다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 8mm인 경우, 다중대역 안테나(1)의 공진 특성이 600MHz~650Mhz, 1180MHz~1230MHz에서 발생한다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 12mm인 경우, 다중대역 안테나(1)의 공진 특성이 570MHz~620Mhz, 1160MHz~1220MHz에서 발생한다.
제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 2mm인 경우, 620MHz~670Mhz에서 다중대역 안테나(1)의 반사 손실은 -22dB ~ -23dB 사이의 값을 가지며, 1150MHz~1210MHz에서는 -22dB ~ -25dB 사이의 값을 가진다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 8mm인 경우, 600MHz~650Mhz에서 다중대역 안테나(1)의 반사 손실은 -20dB ~ -24dB 사이의 값을 가지며, 1180MHz~1230MHz에서는 -17dB ~ -20dB 사이의 값을 가진다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 12mm인 경우, 570MHz~620Mhz에서는 다중대역 안테나(1)의 반사 손실은 -18dB ~ -20dB 사이의 값을 가지며, 1160MHz~1220MHz에서는 -16dB ~ -19dB 사이의 값을 가진다.
따라서, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)을 감소시킴으로써, 다중대역 안테나(1)의 공진 주파수가 높아지도록 설정할 수 있다. 반면, 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)을 증가시키는 경우, 다중대역 안테나(1)의 공진 주파수가 낮아질 수 있도록 설정할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 구성을 설명한다.
도 5는 실시예에 따른 다중대역 안테나의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 패치 안테나(300)는 제3 서브 안테나(330)을 더 포함할 수 있다. 즉, 도 1의 다중대역 안테나(1)에 제3 서브 안테나(330)를 추가할 수 있다.
제3 서브 안테나(330)는 스파이럴 구조를 가진다. 구체적으로, 급전선로(200)을 기준으로 두 개의 스파이럴 구조가 대칭적으로 배치되는 형태를 가진다. 제3 서브 안테나(330)는 제7 도선(L7) 내지 제13 도선(L13)으로 구성된다. 제7 도선(L7)은 급전선로(200)와 수직으로 배치되며, 제8 도선(L8)은 제7 도선(L7)의 일단에, 제7 도선(L7)과 수직으로 배치된다. 제9 도선(L9)은 제7 도선(L7)의 타단에, 제7 도선(L7)과 수직으로 배치된다. 제10 도선(L10)은 제8 타단(L8)의 다단에, 제8 도선(L8)과 수직으로 배치된다. 제11 도선(L11)은 제9 도선(L9)의 타단에, 제9 도선(L9)과 수직으로 배치된다. 제12 도선(L12)은 제10 도선(L10)의 타단에, 제 10 도선(L10)과 수직으로 배치된다. 제13 도선(L13)은 제11 도선(L11)의 타단에, 제11 도선(L11)과 수직으로 배치된다.
즉, 제7 도선(L7), 제8 도선(L8), 제10 도선(L10) 및 제12 도선(L12)이 하나의 스파이럴 구조를 형성한다. 또한, 대칭적으로, 제7 도선(L7), 제9 도선(L9), 제11 도선(L11) 및 제13 도선(L13)이 다른 하나의 스파이럴 구조를 형성한다. 따라서 급전선로(200)를 기준으로 제8 도선(L8)과 제9 도선(L9)이 대칭되고, 제10 도선(L10)과 제11 도선(L11)이 대칭되며, 제12 도선(L12)과 제13 도선(L13)이 대칭된다.
도 1에서 상술한 바와 같이 패치 안테나(300)가 두께 0.1mm의 도전체로 구성되며, 폭을 3.8mm로 설정할 수 있다. 따라서, 제3 서브 안테나(330) 또한 두께가 0.1mm인 도전체를 사용하며, 폭을 3.8mm로 설정할 수 있다. 즉, 제7 도선(L7) 내지 제13 도선(L13)을 두께 0.1mm, 폭 3.8mm의 도전체로 구성할 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 목표하는 공진 특성 및 사용 용도에 따라 변경할 수 있다. 또한, 스파이럴 구조의 변형에 따라 도선을 제거하거나 추가할 수 있다.
제3 서브 안테나(330)는 제1 서브 안테나(310)의 상부로부터 제2 거리(D2)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 제3 서브 안테나(330)의 유무 및 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)에 따라 다중대역 안테나(1)의 공진특성이 결정된다.
이하, 도 6을 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진 특성을 설명한다.
도 6은 실시예에 따른 다중대역 안테나의 공진 특성 그래프이다.
도 6를 참조하면, 도 6의 그래프는 제3 서브 안테나(330)의 유무에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진 특성을 나타낸다. x축은 주파수 대역을 나타내며, y축은 다중대역 안테나(1)의 반사 손실을 나타낸다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 8mm이면서, 제3 서브 안테나(330)가 없는 경우와 제3 서브 안테나(330)가 있는 경우의 공진 특성 그래프이다.
L1은 제3 서브 안테가(330)가 없는 경우이고, L2는 제3 서브 안테나(330)가 있는 경우의 공진 특성 그래프이다. L1의 경우, 620~670MHz와 1150~1282MHz에서 공진 특성이 발생한다. L2의 경우, 520MHz~600MHz, 820~900MHz 및 1150~1282MHz에서 공진 특성이 발생한다.
L1의 경우 620~670MHz에서 반사 손실이 -20dB ~ -24dB 사이의 값을 가지며, 1150~1282MHz에서는 -19dB ~ -22dB 사이의 값을 가진다. L2의 경우, 520MHz~600MHz 에서 반사 손실이 -28dB ~ -31dB 사이의 값을 가지며, 820~900MHz 에서는 반사 손실이 -21dB ~ -25dB 사이의 값을 가지고, 1150~1282MHz에서는 반사 손실이 -19dB ~ -23dB 사이의 값을 가진다.
따라서, 제3 서브 안테나(330)가 없는 경우, 2개의 주파수 대역에서 공진 특성이 발생하지만, 제3 서브 안테나(330)가 있는 경우, 3개의 주파수 대역에서 공진 특성이 발생한다. 그러므로 제3 서브 안테나(330)에 유무에 따라서 다중 대역 안테나(1)의 공진 대역을 변경할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진 특성을 설명한다.
도 7은 실시예에 따른 다중대역 안테나의 공진 특성 그래프이다.
도 7를 참조하면, 도 7의 그래프는 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진 특성을 나타낸다. x축은 주파수 대역을 나타내며, y축은 다중대역 안테나(1)의 반사 손실을 나타낸다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 8mm이면서, 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)를 조절하는 경우의 공진 특성 그래프이다.
제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 2.0mm인 경우, 546MHz~686MHz, 790~830MHz 및 1148~1281MHz에서 공진 특성이 발생한다. 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 3.5mm인 경우, 546MHz~686MHz, 863~873MHz 및 1148~1281MHz 에서 공진 특성이 발생한다. 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 5.0mm인 경우, 546MHz~686MHz, 870~930MHz 및 1148~1281MHz 에서 공진 특성이 발생한다.
도 7에는, 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)에 따라 546MHz~686MHz 대역에서 반사 손실 값이 다른 것으로 도시되어 있으나, 이는 3개의 그래프가 모두 546MHz~686MHz 대역에서 공진 특성이 발생하는 것을 나타내기 위한 것이다.
제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 2.0mm인 경우, 546MHz~686MHz에서 다중대역 안테나(1)의 반사 손실은 -29dB ~ -32dB 사이의 값을 가지고, 790~830MHz에서는 반사 손실이 -28dB ~ -32dB 사이의 값을 가지며, 1148~1281MHz에서는 반사 손실이 -18dB ~ -22dB 사이의 값을 가진다.
제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 3.5mm인 경우, 546MHz~686MHz에서 다중대역 안테나(1)의 반사 손실은 -29dB ~ -33dB 사이의 값을 가지고, 863~873MHz 에서는 반사 손실이 -19dB ~ -23dB 사이의 값을 가지며, 1148~1281MHz에서는 반사 손실이 -18dB ~ -22dB 사이의 값을 가진다.
제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 5.0mm인 경우, 546MHz~686MHz에서 다중대역 안테나(1)의 반사 손실은 -29dB ~ -33dB 사이의 값을 가지고, 870~930MHz 에서는 반사 손실이 -16dB ~ -20dB 사이의 값을 가지며, 1148~1281MHz에서는 반사 손실이 -18dB ~ -22dB 사이의 값을 가진다.
따라서, 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)에 의해 800MHz~900MHz 대역의 공진 대역이 변한다. 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 감소하는 경우, 다중대역 안테나(1)의 800MHz~900MHz사이의 공진 주파수가 감소한다. 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 증가하는 경우, 다중대역 안테나(1)의 800MHz~900MHz사이의 공진 주파수가 증가한다.
이하, 도 8 내지 도 13을 참조하여 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진 특성을 설명한다.
도 8은 566MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 정면도이다.
도 9는 566MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 평면도이다.
도 10은 868MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 정면도이다.
도 11은 868MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 평면도이다.
도 12는 1214MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 정면도이다.
도 13은 1214MHz에서 실시예에 따른 다중대역 안테나의 방사 패턴의 평면도이다.
도 8 내지 도 13을 참조하면, 564~586MHz, 863~873MHz, 1148~1281MHz 대역에서의 방사특성을 확인하기 위해 공진 주파수의 중간 주파수에서 방사 패턴을 나타낸 도면이다. 제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 8mm이면서, 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 3.5mm 인 경우, 다중대역 안테나(1)의 방사패턴이 도시된다.
제1 서브 안테나(310)와 제2 서브 안테나(320) 사이의 거리(D1)가 8mm이면서, 제3 서브 안테나(330)와 제1 서브 안테나(310) 사이의 거리(D2)가 3.5mm 인 경우, 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)는 564~586MHz, 863~873MHz, 1148~1281MHz 대역에서 방사패턴은 전방향(omni-directional) 특성을 나타낸다. 566MHz에서 이득은 1.979dBi이고, 868MHz에서 이득은 1.981dBi이고, 1214MHz에서 이득은 2.45dBi이다.
따라서, 실시예에 따른 다중대역 안테나(1)의 공진 주파수 특성은 반사손실 -10dB 기준으로 546~586MHz, 863~873MHz, 1148~1281MHz 대역에서 이용 가능하다. 또한, UHF 대역 중 이동통신 주파수와의 간섭영향을 회피하기 위하여 UHF 대역 중 이동통신 주파수 대역에서는 공진이 발생하지 않도록 다중대역 안테나(1)을 구성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 다중대역 안테나 100: 유전체 기판
200: 급전선로 300: 패치 안테나
110: 접지면 310: 제1 서브 안테나
320: 제2 서브 안테나 330: 제3 서브 안테나

Claims (14)

  1. 유전체기판,
    상기 유전체 기판 위에 배치되고 도전체로 형성된 패치 안테나, 그리고
    상기 패치 안테나로 신호를 전송하기 위한 급전선로
    를 포함하며,
    상기 패치 안테나는,
    제1 서브 안테나 및 제2 서브 안테나를 포함하고,
    상기 제1 서브 안테나 및 상기 제2 서브 안테나는 U-구조이며, 상기 제1 서브 안테나 및 상기 제2 서브 안테나의 배치에 따라 공진 특성이 결정되는, 다중대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 서브 안테나는,
    상기 제1 서브 안테나가 180° 회전한 형상으로, 상기 제1 서브 안테나와 상기 제2 서브 안테나는 서로 대칭되도록 배치되는, 다중대역 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 서브 안테나는,
    상기 제1 서브 안테나의 하부에서 제1 거리만큼 이격되어 배치되는, 다중대역 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 패치 안테나는,
    제3 서브 안테나를 포함하며,
    상기 제3 서브 안테나는,
    상기 제1 서브 안테나의 상부에서 제2 거리만큼 이격되어 배치되는, 다중대역 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 서브 안테나의 유무 및 상기 제2 거리에 따라 상기 다중대역 안테나의 공진 특성이 결정되는, 다중대역 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 서브 안테나는,
    2개의 스파이럴 구조가 상기 급전선로를 기준으로 대칭적으로 배치되는, 다중대역 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 서브 안테나는,
    상기 급전선로와 수직으로 배치되는 제1 도선,
    상기 제1 도선의 일단에, 상기 제1 도선과 수직으로 배치되는 제2 도선, 그리고
    상기 제1 도선의 타단에, 상기 제1 도선과 수직으로 배치되는 제3 도선
    을 포함하는, 다중대역 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 서브 안테나는,
    상기 급전선로와 수직으로 배치되는 제4 도선,
    상기 제4 도선의 일단에 상기 제4 도선과 수직으로 배치되는 제5 도선, 그리고
    상기 제4 도선의 타단에 상기 제4 도선과 수직으로 배치되는 제6 도선
    을 포함하는, 다중대역 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 서브 안테나는,
    상기 급전선로와 수직으로 배치되는 제7 도선,
    상기 제7 도선의 일단에, 상기 제7 도선과 수직으로 배치되는 제8 도선,
    상기 제7 도선의 타단에, 상기 제7 도선과 수직으로 배치되는 제9 도선,
    상기 제8 도선의 타단에, 상기 제8 도선과 수직으로 배치되는 제10 도선,
    상기 제9 도선의 타단에, 상기 제9 도선과 수직으로 배치되는 제11 도선,
    상기 제10 도선의 타단에, 상기 제10 도선과 수직으로 배치되는 제12 도선, 그리고
    상기 제11 도선의 타단에, 상기 제11 도선과 수직으로 배치되는 제13 도선을 포함하는, 다중대역 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 급전선로를 기준으로,
    상기 제8 도선과 상기 제9 도선이 대칭되며,
    상기 제10 도선과 상기 제11 도선이 대칭되며,
    상기 제12 도선과 상기 제13 도선이 대칭되는, 다중대역 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 급전선로는,
    마이크로스트립 구조이며,
    폭이 3.8mm이고 길이가 138mm인, 다중대역 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 기판의 크기는, 폭은 60mm이고 높이는 140mm이며, 두께는 1mm이고,
    상기 유전체 기판은, 유전율이 4.6[F/m]인 FR-4 기판이며,
    상기 유전체 기판의 일면은, 접지면을 포함하고,
    상기 접지면은 폭은 60mm, 높이는 140mm이고,
    상기 패치 안테나는 0.1mm 두께의 도전체로 구성되며,
    상기 패치 안테나를 구성하는 상기 제1 도선 내지 제13 도선은 폭이 3.8mm인, 다중대역 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 도선, 상기 제4 도선의 길이는 55.6mm이고,
    상기 제2 도선, 상기 제3 도선, 상기 제5 도선 및 상기 제6 도선의 길이는 10mm인, 다중대역 안테나.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제7 도선의 길이는 54mm이고,
    상기 제8 도선 및 상기 제9 도선의 길이는 15mm이며,
    상기 제10 도선 및 상기 제11 도선의 길이는 20mm이고,
    상기 제12 도선 및 상기 제13 도선의 길이는 10mm인, 다중대역 안테나.

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