KR100449851B1 - 광대역 단축형 안테나 엘리먼트 및 그를 이용한 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광대역성을 유지하면서도 전기적으로 작은 길이 및 굵기를 갖는 광대역 단축형 안테나 엘리먼트 및 그를 이용한 안테나에 관한 것으로, 도전체로 이루어지며, 그 하단이 접지면의 급전부 측에 배치되어 광대역 특성을 갖도록 하는 팽이형 부재; 상기 팽이형 부재의 상면에서 직립하게 상방으로 구비되되, 상기 팽이형 부재의 직경보다 작은 직경을 갖으며, 도전체로 이루어진 중심 부재; 및 상기 중심부재의 상단에 구비되되, 상기 중심부재의 직경보다 큰 직경을 갖는 도전체로 이루어져 전기적인 길이가 짧은 상태에서도 공진주파수가 출현하도록 하는 갓머리 부재를 포함하는 광대역 단축형 안테나 엘리먼트 및 그를 이용한 안테나를 제공하며, 핸드폰 등과 같은 통신기기의 경량화 및 소형화에 이용된다.
Description
본 발명은 광대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역성을 유지하면서도 전기적으로 작은 길이 및 굵기를 갖는 광대역 단축형 안테나 엘리먼트 및 그를 이용한 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 휴대폰용 안테나 또는 무선도난 방지용 지구국용 안테나 등과 같이 보다 얇고 소형의 구조를 갖추어야 하는 무선기기에 있어서, 길이 및 굵기가 작은 안테나 엘리먼트의 개발은 매우 중요한 문제이다. 종래의 모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나에 적용되는 안테나 엘리먼트로서, 길이와 굵기가 일정한 일자형 안테나 엘리먼트, 차량용이나 라디오용으로 많이 사용되고 있는 길이를 자유롭게 조절할 수 있는 튜너블 안테나 엘리먼트(tunable antenna element), 단부에 갓머리 도체가 부착된 갓머리 안테나 엘리먼트(end cap element), 원통형 파이프 도체 내부에 굵은 원통형 도체를 넣어 광대역성을 지니는 슬리브 안테나용 엘리먼트 등이 사용되고 있다.
상기 슬리브 안테나는 원통형 파이프 도체 내부에 굵은 원통형 도체를 넣어 제작되어야 하므로 제작상의 어려움이 항시 존재하는 문제점을 지니고 있으며, 상기한 길이와 굵기가 일정한 일자형 엘리먼트 및 튜너블 안테나 엘리먼트를 이용하여 모노폴 안테나를 제작할 경우에는, 이용전파의 1/4파장에 근사한 길이를 유지해야 하기 때문에 길이 및 직경이 커지는 문제점이 수반된다.
도1은 이용전파의 1/4파장보다도 짧은 길이로 작동이 가능하도록 한 종래의 갓머리 안테나 엘리먼트의 정면도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 종래의 갓머리 안테나 엘리먼트는 급전부에 연결되는 중심 엘리먼트(102)의 상단에 갓머리 도체(101)가 부착된 구조로 이루어진다. 즉, 상기 갓머리 도체(101)의 직경이 중심 도체(102)의 직경에 비해 소정 비율(약 2배) 이상으로 더 크게 형성되면 이용전파의 1/4파장보다도 적은 길이에서 공진 주파수 특성을 갖게 되는다. 그러나, 광대역 특성은 상기 갓머리 도체(101)의 직경 보다는 중심 도체(102)의 반경에 의해 결정되므로, 광대역 특성을 갖추기 위해서는, 도1에 도시된 종래의 갓머리 안테나 엘리먼트와 같이, 상기 중심 도체(102)의 굵기가 굵어질 수 밖에 없으며, 이에 따라 상기 갓머리 도체(101)의 반경도 그에 상당하는 만큼 커져야 하는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 종래의 안테나들을 두께가 얇은 휴대폰에 장착하는 경우에는 안테나 엘리먼트의 이미지 평면을 확보하기가 어려워 안테나 복사효율이 극도로 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기적으로 길이 및 굵기에 있어서 작은 크기를 갖으면서도 광대역성을 유지할 수 있도록 한 광대역 단축형 안테나 엘리먼트를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 휴대폰에 장착할 경우, 보다 얇은 휴대폰에 장착되어도 안테나의 높은 복사효율을 유지하고, 인체의 두부에 유기되는 전파흡수율(SAR)을 저감시킬 수 있도록 한 안테나를 제공하는 것에 다른 목적이 있다.
도1은 종래의 광대역 안테나를 도시한 정면도.
도2a 및 도2b는 본 발명에 따른 광대역 단축형 안테나 엘리먼트의 일실시예 구성을 도시한 사시도 및 정면도.
도3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 광대역 단축형 안테나가 플립형 휴대폰에 적용된 상태를 도시한 사시도, 측단면도 및 정단면도.
도4는 본 발명에 따른 광대역 단축형 안테나 엘리먼트를 플립형 휴대폰의 PCB에 직접 장착하여 SAR 감소 및 접지면 확보를 구현한 적용예를 도시한 분해사시도.
도5a 내지 도5c는 본 발명에 따른 광대역 단축형 안테나가 폴더형 휴대폰에 적용된 상태를 도시한 사시도, 측단면도 및 정단면도.
도6은 본 발명에 따른 광대역 단축형 안테나 엘리먼트를 폴더형 휴대폰의 PCB에 직접 장착하여 SAR 감소 및 접지면 확보를 구현한 적용예를 도시한 분해사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201: 팽이형 엘리먼트 202: 중심 엘리먼트
203: 갓머리 엘리먼트 204: 동축코넥터 급전부
205: 엘리먼트 접지면
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 도전체로 이루어지며, 그 하단이 접지면의 급전부 측에 배치되어 광대역 특성을 갖도록 하는 팽이형 부재; 상기 팽이형 부재의 상면에서 직립하게 상방으로 구비되되, 상기 팽이형 부재의 직경보다 작은 직경을 갖으며, 도전체로 이루어진 중심 부재; 및 상기 중심부재의 상단에 구비되되, 상기 중심부재의 직경보다 큰 직경을 갖는 도전체로 이루어져 전기적인 길이가 짧은 상태에서도 공진주파수가 출현하도록 하는 갓머리 부재를 포함하는 광대역 단축형 안테나 엘리먼트를 제공한다.
또한, 본 발명은 도전체로 이루어지며, 그 하단이 접지면의 급전부 측에 배치되어 광대역 특성을 갖도록 하는 팽이형 부재; 상기 팽이형 부재의 상면에서 직립하게 상방으로 구비되되, 상기 팽이형 부재의 직경보다 작은 직경을 갖으며, 도전체로 이루어진 중심 부재; 및 상기 중심부재의 상단에 구비되되, 상기 중심부재의 직경보다 큰 직경을 갖는 도전체로 이루어져 전기적인 길이가 짧은 상태에서도 공진주파수가 출현하도록 하는 갓머리 부재를 포함하며, 상기 팽이형 부재가 통신기기에 구비된 회로기판의 전면 및 후면 중의 적어도 일측에 인접한 위치에 배치되고, 상기 갓머리부재는 회로기판의 측단 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 단축형 안테나를 제공한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도2a는 본 발명에 따른 광대역 단축형 엘리먼트의 일실시예 구성을 도시한 사시도이고, 도2b는 그 단면도이다.
본 발명의 광대역 단축형 엘리먼트는 도2a 및 도2b에 도시된 바와 같이, 구리, 황동, 알루미늄, 철 등과 같은 도전체로 이루어지며, 광대역 특성을 갖도록 하기 위한 팽이형 부재(201)와; 상기 팽이형 부재(201)의 상면에서 직립하게 상방으로 형성되되, 상기 팽이형 부재(201)의 직경보다 작은 직경을 갖으며, 구리, 황동, 알루미늄, 철 등과 같은 도전체로 이루어진 중심 부재(202)와; 상기 중심부재(202)의 상단에 구비되며, 전기적인 길이가 짧은 상태에서도 공진주파수가 출현하도록 하는 구리, 황동, 알루미늄, 철 등으로 이루어진 갓머리 부재(203)로 구성된다.
여기서, 상기 팽이형 부재(201)의 하단은 접지면(205)에 구비된 동축 커넥터 급전부(204)에 접촉된다.
또한, 상기 팽이형 부재(201), 중심 부재(202) 및 갓머리 부재(203)는 서로에 대해 각각 분리 및 결합이 가능하게 나사결합된다. 이에 따라, 상기 중심부재(202)의 길이가 가변적이 되어 공진주파수를 조절할 수 있게 된다.
또한, 상기 팽이형 부재(201)와 중심 부재(202)를 일체로 하고, 갓머리 부재(203)와 중심 부재(202)가 나사결합되도록 하거나, 상기 갓머리 부재(203)와 중심 부재(202)를 일체로 하고, 팽이형 부재(201)와 중심 부재(202)가 나사결합되도록 하여 상기 중심부재(203)의 길이가 가변적이 되도록 할 수도 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 광대역 단축형 안테나 엘리먼트의 사용상태를 설명하면 다음과 같다.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 광대역 단축형 안테나 엘리먼트가 모노폴 안테나로 사용되어 플립형 핸드폰에 적용된 예를 도시한 사시도, 측단면도 및 정단면도이다.
도3a 내지 도3c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 안테나 엘리먼트가 모노폴 안테나로 사용되면, 핸드폰 내부의 도체로 이루어진 엘리먼트 접지면(205) 상에 구비된 동축코넥터 급전부(204)에 상기 팽이형 부재(201)의 하단이 접촉되면서 휴대폰의 상부 일측에 장착되며, 이미지효과에 따른 복사전자파를 발생시키게 된다.
또한, 도4에 도시한 바와 같이, 핸드폰의 PCB(220) 상에 도체로 이루어진 "ㄱ"자형 반사판(221)이 구비되며, 상기 팽이형 부재(201)의 하단에는 커넥터 내부핀(207)이 구비되고, 상기 접지면(205)에는 상기 커넥터 내부핀(207)이 삽입되는 커넥터(208)가 구비된다. 또한, 상기 중심 부재(202)의 외부에는 휴대폰 사용시 안테나 엘리먼트의 손접촉에 의한 특성 변화를 방지하고, 안테나 엘리먼트를 휴대폰케이스에 고정시키기 위한 유전체(226)가 설치되며, 상기 유전체(226)는 중심부재(202)를 감싸는 구조로 이루어진다.
이때, 상기 팽이형 부재(201)가 상기 급전부(204)로부터 상측으로 갈수록 직경이 커지는 형태로 이루어져 광대역 특성을 갖출 수 있게 되며, 상기 중심 부재(202)가 작은 직경을 갖으므로, 상대적으로 갓머리 부재(203)의 직경을 작게 할 수 있고, 안테나 엘리먼트의 전체적인 길이를 줄일 수 있게 되는 것이다.
이를 검증하기 위한 실험결과에 따르면, 기존 휩스안테나가 확보하고 있는 주파수대역폭(최대 150MHz)보다도 넓은 광대역 특성을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 예를 들어, 상기 팽이형 부재(201)의 굵기가 0.6mm인 경우에 2GHz에서 정재파비가 1.2이하인 350MHz의 대역폭을 갖는 것으로 측정되었다. 특히, IMT-2000과 같은 광대역 송수신 주파수대역폭(300MHz)을 지원할 수 있는 구조를 지니고 있으며, 전기적인 길이가 작아지므로 인해, 안테나를 뽑지않아도 일반 휴대폰에 있어서 1/4파장 휩스안테나를 뽑았을 때의 안테나 효율 및 이득을 유사하게 유지할 수가 있다. 또한, 상기 팽이형 부재(201)의 전류가 흐르는 표면적이 넓게 확보되어 PCB(220) 및 반사판(221) 사이의 캐패시턴스 결합량을 증가시켜, 휴대폰을 얇게 제작하여도 복사효율이 증가하는 특성을 얻을 수가 있다.
또한, 상기 반사판(221)에 의해 PCB(220)위에 설치되는 각종 소자(저항기, 캐패시터, 칩 등)들과의 전기적 결합이 최소화되며, 동시에 안테나 급전부에서 발생되는 전자파를 PCB(220)가 차폐시켜 두부의 전자파흡수율(SAR)을 감소시키는 기능을 갖게 된다.
도5a 내지 도5c는 근래에 개발된 SAR 감소용 폴더형 휴대폰의 모노폴 안테나에 본 발명에 의한 광대역 단축형 안테나 엘리먼트를 설치한 예를 나타낸 사시도, 측단면도 및 정단면도이다.
도시한 바와 같이, 상기 SAR 감소용 폴더형 휴대폰의 모노폴 안테나는 스피커가 설치되는 폴더형 휴대폰 덮개(240)에 전파흡수체(241) 및 도체로 이루어진 얇은 전파흡수체 반사판(242)을 설치하여 안테나로부터 발생되는 복사전자파 중에서 두부로 향하는 전자파를 중간에서 차폐시킬 수 있도록 함으로써, 매우 큰 SAR 저감 효과를 나타내게 된다. 상기 폴더형 휴대폰 본체(230)에는 엘리먼트 반사판(232)이 설치된 PCB(231)와 안테나를 분리하여 장착함으로써, 휴대폰의 두께를 얇게 제작할 수 있도록 하였으며, 좁은 공간에 광대역성 부재 실장 기술이 가능하도록 하였고, 안테나를 빼지 않아도 뺀 것과 같은 안테나 복사효율을 갖출 수 있도록 하였다. 전술한 플립형 휴대폰에서처럼 휴대폰 사용시 안테나 엘리먼트의 손접촉에 의한 전기적인 특성 변화를 방지하고 동시에 부재를 휴대폰 케이스에 고정시킬 수 있도록 한 접촉 방지용 유전체(226)가 설치되며, 상기 접촉방지용 유전체(226)는 중심 부재(202)와 갓머리 부재(203)를 동시에 감싸고 있는 형태로 이루어진다. 여기서, 상기 갓머리 부재(203)의 경우 갓머리 부분의 직경이 크므로 얇게 유전체로 코팅 처리하는 것이 바람직하다.
도6은 본 발명에 의한 광대역 단축형 안테나 엘리먼트를 폴더형 휴대폰의 PCB(231)에 직접 장착하여 SAR을 감소시키고 접지면을 확보한 예를 나타낸 분해사시도로서 그 실질적 구성은 전술한 플립형 휴대폰에 적용된 경우와 동일하므로 생략한다.
한편, 본 발명의 광대역 단축형 안테나 엘리먼트는 모노폴 안테나 뿐 아니라 다이폴 안테나에도 적용된다. 이러한 경우 전술한 모노폴 안테나의 경우와 동일하게 광대역 특성을 갖으면서도 길이 및 폭에 있어서 전기적으로 작은 안테나를 제공할 수가 있다.
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 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 광대역 단축형 안테나 부재로 모노폴안테나 혹은 다이폴 안테나를 제작할 때, 굵기가 작은 갓머리로도 공진주파수를 형성시킬 수 있어 가볍고, 폭 및 길이가 작은 안테나 엘리먼트를 제공할 수 있으며, 휴대폰에 장착되는 경우, 폴더형 휴대폰 및 플립형 휴대폰을 얇게 제작하는 경우 접지면을 확보하지 못해 발생되는 접지면 안테나 효율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전기적으로 짧은 안테나를 구현할 수 있으므로, 휴대폰 본체로부터 안테나를 빼지 않아도 일반 모노폴 안테나의 복사효율과 같은 특성의 안테나를 제공할 수 있으며, PCS 대역에 적용하는 경우에는 휴대폰의 케이스로부터 돌출된 안테나 길이를 1.5 cm 이하로 유지시킬 수 있어, 안테나의 돌출부를 최소화시키면서도 기존 다이폴 안테나와 동일한 복사효율을 얻을 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 매우 얇은 휴대폰 제작이 가능해지며, 휴대폰의 배터리 사용시간을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (9)
- 도전체로 이루어지며, 그 하단이 접지면의 급전부 측에 배치되어 광대역 특성을 갖도록 하는 팽이형 부재;상기 팽이형 부재의 상면에 직립되게 구비되되, 상기 팽이형 부재의 직경보다 작은 직경을 갖으며, 도전체로 이루어진 중심 부재; 및상기 중심부재의 상단에 구비되되, 상기 중심부재의 직경보다 큰 직경을 갖는 도전체로 이루어져 전기적인 길이가 짧은 상태에서도 공진주파수가 출현하도록 하는 갓머리 부재를 포함하는 광대역 단축형 안테나 엘리먼트.
- 제1항에 있어서,상기 팽이형 부재와 중심 부재가 서로에 대해 탈착이 가능하되, 그 결합길이를 조절할 수 있도록 나사결합되는 구조로 이루어진 광대역 단축형 안테나 엘리먼트.
- 제1항에 있어서,상기 중심 부재와 갓머리 부재가 서로에 대해 탈착이 가능하되, 그 결합길이를 조절할 수 있도록 나사결합되는 구조로 이루어진 광대역 단축형 안테나 엘리먼트.
- 제1항에 있어서,상기 팽이형 부재, 중심 부재 및 갓머리 부재가 각각 서로에 대해 탈착이 가능하되, 그 결합길이를 조절할 수 있도록 나사결합되는 구조로 이루어진 광대역 단축형 안테나 엘리먼트.
- 제1항에 있어서,상기 팽이형 부재, 중심 부재 및 갓머리 부재가 일체형 구조로 이루어진 광대역 단축형 안테나 엘리먼트.
- 도전체로 이루어지며, 그 하단이 접지면의 급전부 측에 배치되어 광대역 특성을 갖도록 하는 팽이형 부재;상기 팽이형 부재의 상면에서 직립하게 상방으로 구비되되, 상기 팽이형 부재의 직경보다 작은 직경을 갖으며, 도전체로 이루어진 중심 부재; 및상기 중심부재의 상단에 구비되되, 상기 중심부재의 직경보다 큰 직경을 갖는 도전체로 이루어져 전기적인 길이가 짧은 상태에서도 공진주파수가 출현하도록 하는 갓머리 부재를 포함하며, 상기 팽이형 부재가 통신기기에 구비된 회로기판의 전면 및 후면 중의 적어도 일측에 인접한 위치에 배치되고, 상기 갓머리부재는 회로기판의 측단 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 단축형 안테나.
- 제6항에 있어서,상기 팽이형 부재의 하단에 수직하게 구비되며, 도전체로 이루어지되, 통신기기의 회로기판의 접지면에 연결되는 접지판을 더 포함하는 광대역 단축형 안테나.
- 제7항에 있어서,도전체로 이루어지며, 상기 접지판의 일측단에 수직하게 구비되어 안테나와 회로기판상에 장착된 구동소자를 차폐시키는 반사판을 더 포함하는 광대역 단축형 안테나.
- 제6항에 있어서,비전도성 재질로 이루어지며, 상기 중심 부재와 갓머리 부재의 외면에 부착되어 외부 물체와의 접촉에 의한 안테나 특성의 변화를 방지하는 접촉방지용 유전체를 더 포함하는 광대역 단축형 안테나.
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