WO2010098564A2

WO2010098564A2 - 개방종단 폴디드 슬롯 안테나

Info

Publication number: WO2010098564A2
Application number: PCT/KR2010/001119
Authority: WO
Inventors: 김의중; 이영순
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2010-09-02
Also published as: KR20100096380A; WO2010098564A3; KR101044136B1

Abstract

본 발명은 개방종단 폴디드 슬롯(folded-slot) 안테나에 관한 것으로, 단일 슬롯 안테나와 비교하여 효과적으로 안테나의 입력 임피던스를 낮추어 광대역 안테나로 활용이 용이한 1/2파장 공진 폴디드 슬롯 안테나의 일단을 개방하도록 형성하여 자기벽(magnetic wall) 효과에 의해 평면 안테나를 1/2 크기로 소형화할 수 있는 개방종단의 1/4파장 공진 폴디드 슬롯 안테나를 제공한다. 이를 위한 본 발명은 유전체 기판과; 상기 유전체 기판의 하부에 형성된 접지층과; 상기 유전체 기판의 상부에 형성되며 상기 접지층과 비어 콘택(via contact)을 통하여 연결되어 RF신호를 급전하는 급전부재와; 상기 급전부재의 일단에 연결되어 외부의 송수신장치와 RF신호를 송수신하는 커넥터와; 상기 접지층의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯을 통해 상기 RF 신호를 방사하는 방사부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 동일 주파수대역의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 소형화할 수 있고, 안테나의 측면에 대한 전파방사 효율이 우수한 효과가 있다.

Description

개방종단 폴디드 슬롯 안테나

본 발명은 개방종단 폴디드 슬롯 안테나에 관한 것으로, 특히, 기존의 폴디드 슬롯 안테나의 중심선 절단을 통해 슬롯의 일단을 개방하도록 형성하여 자기벽(magnetic wall) 효과에 의해 폴디드 슬롯 안테나를 소형화할 수 있는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 폴디드 슬롯 안테나는 크기가 작고 무게가 가벼우며, 집적화가 쉬워 대량 생산이 용이하고 다양한 형태로 만들 수 있으며, 직접회로와의 호환성이 우수하고 동작 대역폭이 넓으며 높은 방사효율 등의 장점에 따라 주로 마이크로웨이브 대역에서 운용되는 탐지레이더, 셀룰러폰 기지국 또는 위성 통신 등의 분야에 널리 사용되고 있다.

이러한 폴디드 슬롯 안테나는 마이크로스트립 라인의 급전선을 통하여 외부로부터 RF 신호가 급전되고 접지층에서 급전선의 위치를 중심으로 세로길이는 짧고 가로 길이가 긴 대칭형의 직사각루프 형상의 슬롯이 형성되며, 이를 통하여 RF 신호를 방사한다. 여기서, 폴디드 슬롯 안테나는 긴변의 길이가 동작주파수 파장(λ_g)의 0.5배로 형성된다.

그러나, 이와 같은 종래의 폴디드 슬롯 안테나는 직사각루프 형상의 슬롯이 형성되기 때문에 접지층에 형성되는 슬롯에 의한 방사부재의 면적이 슬롯의 형상대비 효율적이지 못한 문제점이 있다.

또한, 종래의 폴디드 슬롯 안테나는 슬롯이 형성된 접지면과 수직방향으로의 전파방사가 최대가 되나, 이는 가정용 AV 시스템의 리모콘과 같이 본체를 수평으로 사용하는 경우에는 최대 출력 방사방향이 본체의 상하, 즉, 폴디드 슬롯 안테나의 수직방향이 되므로 효율적이지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 동일 주파수 대역에 대하여 폴디드 슬롯 안테나를 소형화할 수 있는 동시에 접지면과 수평방향의 전파방사 지향성을 가지는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유전체 기판과; 상기 유전체 기판의 하부에 형성된 접지층과; 상기 유전체 기판의 상부에 형성되며 상기 접지층과 비어 콘택을 통하여 연결되어 RF신호를 급전하는 급전부재와; 상기 급전부재의 일단에 연결되어 외부의 송수신장치와 RF신호를 송수신하는 커넥터와; 상기 접지층의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯을 통해 상기 RF 신호를 방사하는 방사부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 수직으로 형성될 수 있다.

바람직하게는 상기 슬롯은 긴변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장의 0.2~0.22배일 수 있다.

바람직하게는 상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 동일방향으로 형성될 수 있다.

바람직하게는 상기 급전부재는 마이크로스트립 라인일 수 있다.

본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나는 폴디드 슬롯을 접지층의 일단에서 개방하여 자계벽을 형성함으로써 동일 주파수대역의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 소형화할 수 있고, 안테나의 접지면과 수평방향으로의 전파방사 효율이 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 저면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 측단면도이다.

도 5는 폴디드 슬롯 안테나의 구조를 비교하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 반사손실(return loss)을 모의실험(simulation)한 결과 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 반사손실을 측정한 결과 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 X-Z평면상의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 Y-Z평면상의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 X-Y 평면상의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.3㎓에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.5㎓에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 14는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 평면도(a) 및 저면도(b)이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 저면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 측단면도이다.

개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 외부의 송수신기(미도시)에 연결되는 커넥터(110)와, 커넥터(110)의 일단에 연결되며, 유전체 기판(130)의 상부에 배치되는 급전부재(120)와, 유전체로 이루어진 유전체 기판(130)과, 유전체 기판(130)의 하부에 형성되는 접지층(140)과, 접지층(140)에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯(142)으로 이루어진 방사부재를 포함한다.

개방 종단을 갖는 슬롯에 의한 소형화

커넥터(110)는 외부의 송수신기(미도시)와 전기적으로 연결되며 급전부재(120)의 일단에 연결되어 RF 신호를 송수신한다.

급전부재(120)는 도전성 금속으로 이루어지고, 바람직하게는 마이크로스트립 라인으로 형성되며, 일단은 커넥터(110)에 전기적으로 연결되고, 타단은 비어 콘택(122)을 통하여 접지층(140)과 전기적으로 연결된다.

이러한 급전부재(120)는 커넥터(110)를 통하여 입력되는 RF 신호를 방사부재로 급전한다.

유전체 기판(130)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 고유의 유전율을 가지며, 일정 두께로 형성되어 급전부재(120)와 접지층(140)에 의한 RF 신호를 도파한다.

접지층(140)은 구리 등의 도전성 금속으로 형성되며 송수신기에 장착시 접지와 연결된다.

이 접지층(140)에는 방사부재인 슬롯(142)이 형성되는데, 슬롯(142)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 접지층(140)의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성되며, 급전부재(120)를 통하여 입력되는 RF 신호를 외부로 방사한다.

여기서, 슬롯(142)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 그 개방측이 급전부재(120)의 길이방향과 수직으로 형성되며, 긴변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장(λ_g)에 1/4파장보다 작은 0.2~0.22배인 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 슬롯(142) 길이는 동작 주파수를 고려하여 설정되는 것이 바람직하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 점선으로 표시된 부분(143)을 포함하면 일반적인 폴디드 슬롯 안테나 구조가 된다. 즉, 본 발명에서는 x-x' 선을 기준으로 절단된 형태를 이용하는데, 일반적인 폴디드 슬롯 안테나에서 슬롯(142)의 긴변 상의 전계 분포는 x-x' 선 지점에서 최대가 되며, 좌우 대칭 형태를 갖기 때문에 이 선을 일종의 자계벽(magnetic wall)으로 볼 수 있게 된다.

이와 같은 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)에 RF 신호가 인가되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 슬롯(142)의 개방단(x-x'선)을 중심으로 대칭한 슬롯 이미지(image)가 형성된다. 즉, 도전성 금속으로 이루어진 접지층(140) 상에 형성된 슬롯(142)과 이와 대칭으로 공기층 상에 슬롯 이미지가 형성되어 기존의 폴디드 슬롯 안테나와 유사한 기능을 갖는다.

보다 상세하게는 슬롯(142)의 개방종단은 인가된 RF 신호에 의해 자기벽이 형성되고 이에 따라 기존의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 대략 절반의 길이를 갖는 슬롯으로도 공진 주파수의 변화 없이 동일한 대역폭을 가질 수 있어 안테나의 소형화가 가능하다.

한편, 상기에서는 커넥터(110)를 통하여 입력된 RF 신호를 방사부재인 슬롯(142)을 통하여 방사되는 경우만을 기술하였으나, 이와 반대로 슬롯(142)을 통해 인가된 RF 신호를 유기하여 급전부재(120) 및 커넥터(110)를 통하여 외부의 장치로 출력할 수도 있다.

개방 종단에 의한 접지면과 수평방향 방사 효율 우수

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 실험예를 설명한다.

실험에서 급전부재(120)와 수직인 슬롯(142)의 길이는 동작 주파수(λ_g)의 하한에서 약 0.21λ_g가 되도록 설정하였다.

도 6은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 반사손실(return loss)을 모의실험(simulation)한 결과 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 반사손실을 측정한 결과 그래프이며, 도 8은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 X-Z평면상의 방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 Y-Z평면상의 방사패턴을 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에서의 X-Y 평면상의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 모의실험 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 주파수 대역은 2.16~4.17㎓이며 대역폭은 대략 2.1㎓으로 비교를 위해 제시된 종래의 폴디드 슬롯 안테나(슬롯의 길이가 약 0.5λ_g)의 주파수 주파수대역(2.23~3.9㎓), 대역폭(1.67㎓)에 비해 넓어진 것으로 나타났다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)를 실측한 결과 역시 모의실험 결과와 유사하였다.

한편, 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 방사패턴을 모의실험과 측정을 통해 확인해본 결과, X-Z 평면상의 방사패턴은 도 8에 도시된 바와 같이, 일반적인 폴디드 슬롯 안테나 또는 마이크로스트립 패치 안테나와 유사한 형태를 갖고 있는 것으로 나타났다. 예를 들면, theta(θ)=0 또는 180도 방향, 즉 접지면과 수직 방향으로 전파의 방사가 효과적임을 알 수 있다.

또한, Y-Z 평면상의 방사패턴은 도 9에 도시된 바와 같이, theta(θ)=0 또는 180도 방향 보다 theta(θ)=90 방향에서 효율적인 것으로 나타난다. 여기에서 theta=90 방향은 도 5에서 알 수 있듯이 슬롯(142)의 개방종단이 향하는 방향이다. 따라서 개방 종단 폴디드 슬롯 안테나(100)에서는 슬롯의 개방 종단을 통해 전파의 방사가 이루어지며, 일반적인 폴디드 슬롯 안테나와는 다른 방사패턴을 갖고 있음을 알 수 있다.

또한, X-Y 평면상의 방사패턴도 도 10에 도시된 바와 같이, 슬롯의 개방 종단이 향하는 방향(phi=90)으로의 전파 방사가 효율적임을 확인할 수 있다. 즉 접지면과 수직 방향의 전파 방사 효율이 좋은 종래의 경우와는 다르게 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 접지면과 수평방향으로 전파 방사 효율이 우수한 것으로 나타났다.

결론적으로, 본 발명의 실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 종래의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 유사한 동작 대역 및 대역폭을 가지면서도 슬롯의 길이를 축소시켜 소형화할 수 있고, 안테나의 측면방향, 즉, 접지면과 수평방향으로 전파방사 특성이 우수하여 예를 들면, 리모컨과 같은 기기에 적합하다.

또한, 상기 실험예의 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)의 주파수별 특성을 살펴보았다.

도 11은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.3㎓에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.4㎓에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이며, 도 13은 본 발명에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나의 2.5㎓에 대한 3D 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 11 내지 도 13에서 도시된 바와 같이, 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(100)는 슬롯의 형성면에 대하여 수직방향에 대한 전파 방사와 동시에 슬롯의 개방종단 방향, 즉 수평방향의 전파 방사가 나타나고 있음을 알 수 있으며, 주파수가 2.3~2.5㎓로 변화하더라도 방사패턴은 거의 일정함을 알 수 있다.

본 실시예에 따른 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(800)는 슬롯(842)에 의한 방사부재를 제외한 구성이 일실시예와 동일하므로 여기서는 그 설명을 생략한다.

방사부재인 슬롯(842)은 접지층(840)의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성되지만, 도 14에 도시된 바와 같이, 일실시예와는 다르게 짧은 변이 개방되도록 형성된다. 즉, 슬롯(842)의 개방측과 급전부재(820)의 길이방향이 동일방향으로 형성된다.

여기서, 슬롯(842)은 짧은 변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장(λ_g)에 0.1~0.11배인 것이 바람직하다.

이러한 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(800)는 앞서 보인 예에서와 마찬가지로 동작 주파수를 고려하여 슬롯(842)의 길이를 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 개방종단 폴디드 슬롯 안테나(800)는 종래의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 슬롯 길이가 짧게 형성되어 소형화가 가능하고 측면방향의 전파 방사가 우수하여 리모컨과 같은 기기에 적합하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명은 가정용 AV 시스템의 리모콘과 같은 휴대 기기에 적용되어, 폴디드 슬롯을 접지층의 일단에서 개방하여 자계벽을 형성함으로써 동일 주파수대역의 폴디드 슬롯 안테나에 비하여 소형화할 수 있고, 안테나의 접지면과 수평방향으로의 전파방사 효율이 우수한 효과가 있다.

Claims

유전체 기판과;

상기 유전체 기판의 하부에 형성된 접지층과;

상기 유전체 기판의 상부에 형성되며 상기 접지층과 비어 콘택을 통하여 연결되어 RF신호를 급전하는 급전부재와;

상기 급전부재의 일단에 연결되어 외부의 송수신장치와 RF신호를 송수신하는 커넥터와;

상기 접지층의 일단에서 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성된 슬롯을 통해 상기 RF 신호를 방사하는 방사부재;를 포함하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 슬롯은 긴변의 길이가 안테나 동작주파수의 파장에 0.2~0.22배인 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 슬롯의 개방측과 상기 급전부재의 길이방향이 동일방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 급전부재는 마이크로스트립 라인인 것을 특징으로 하는 개방종단 폴디드 슬롯 안테나.