KR100888605B1 - 광대역 프랙탈 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 공진 광대역 프랙탈 안테나에 관한 것으로, 역브이 모양(∧)의 프랙탈 구조를 가진 도체가 반복하여 배열됨으로써 소정의 기하학 도형으로 형상화된 복사소자; 상기 복사소자에 전자기파를 공급하는 급전부; 및 상기 복사소자와 급전부가 부착되는 유전체부를 포함하는 안테나를 제공함으로써, 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 극대화하고, 이를 통한 안테나 복사효율을 증가시킬 수 있으며, 파장대비 소형화된 안테나를 구현할 수 있게 되므로 다중 주파수 대역에서 사용 가능한 광대역 안테나를 초소형으로 구성할 수 있다.
Description
도 1은 종래의 평판형 역에프 안테나의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 미앤더 라인 안테나의 구조를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 종래의 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 정면도 및 측면도이다.
도 5는 종래의 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 주파수별 반사계수를 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 1 실시예의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도 8은 도 6에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 9는 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 2 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 10은 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 11은 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 3 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 12는 도 11에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 13은 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 4 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 14는 도 13에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 15 및 도 16은 각각 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 5 실시예 의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도 17은 도 15에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 18 및 도 19는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 1 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 20 및 도 21은 도 9에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 2 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 22 및 도 23은 도 11에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 3 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 24 및 도 25는 도 13에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 4 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 26 및 도 27은 도 15에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 5 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 광대역 안테나에 관한 것으로, 특히 다중 주파수 대역에서 공진하면서 크기는 소형인 안테나에 관한 것이다.
도 1은 종래의 평판형 역에프 안테나의 구조를 도시한 것이다. 평판형 역에프 안테나는 그라운드(110), 방사 안테나 도체(120), 급전부(130), 및 단락부(140)로 구성된다.
평판형 역에프 안테나(Planar Inverted F Antenna)는 회로기판으로부터 공급되는 전류가 급전부(130)를 통해서 방사 안테나 도체(120)에 전달되고, 방사 안테나 도체(120)를 순환한 전류가 다시 단락부(140)을 통하여 회로 기판으로 들어오게 되면서, 회로 전송 라인이 형성되는데 이 회로 전송 라인으로 인하여 공기 중의 전파를 수신하거나, 공기 중으로 전파를 방사하게 된다. 급전부(130)는 회로기판으로부터 방사 안테나 도체(120)로 전류 또는 전자기파가 공급되는 통로이다. 단락부(140)는 방사 안테나 도체(120) 중간 부분에서 그라운드(110)로 단락시켜주는 역할을 한다. 그라운드(110)는 평판형 역에프 안테나의 공통 전압 기준점으로 사용되는 부분이다. 평판형 역에프 안테나는 급전부(130)과 단락부(140) 사이의 거리와 형태 등에 따라 상이한 공진 특성을 갖게 된다. 평판형 역에프 안테나에서는 다중 공진 특성을 구현하기 위해서 방사 안테나 도체(120)의 형태를 여러 개의 서로 다른 크기로 나누어 합성한다. 그러나 여러 개의 방사 안테나 도체를 합성하는 경우 안테나 복사효율의 급격한 감소와 이득 감소 등의 문제를 가지고 있었다.
도 2는 종래의 미앤더 라인(meander line) 안테나의 구조를 도시한 것이다. 미앤더 라인 안테나는 수직한 마이크로스트립(microstrip)을 'ㄷ'형태로 구부림으 로써 소형화한 안테나이다. 'ㄷ'형태로 구부리는 횟수가 많아질수록 광대역 특성을 얻을 수 있다. 미앤더 라인 안테나 역시 평판형 역에프 안테나와 마찬가지의 문제점이 있었다. 한편, 적층형 패치 안테나 구조를 이용한 다중 공진 안테나의 경우 서로 다른 크기의 복사소자를 위 아래 방향으로 배열하여 사용하는 구조이기 때문에 안테나의 크기가 커지는 문제점이 있으며, 구조적인 한계로 인하여 3중 공진 이상의 다중 대역 안테나로 사용하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다.
도 3 및 도 4는 종래의 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 정면도 및 측면도이다. 힐버트 모노폴 안테나는 유전체 위에 위치하고 있으며, 급전부에 의해서 전자기파가 공급된다. 힐버트(hilbert) 모노폴 안테나는 힐버트 곡선(hilbert curve)로 알려져 있는 연속적인 프랙탈 공간 채움 곡선(space-filling curve)의 형태로 형성되어 있다.
도 5는 종래의 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 주파수별 반사계수를 나타낸 그래프이다. 반사계수(S11)가 -10dB 이하이면, 일반적으로 수신이 양호하다고 받아들여진다. 도 5를 참조하면, 1.5GHz에서 공진이 발생하기는 하지만, 반사계수가 -10dB 이하인 주파수의 폭이 좁은 것을 알 수 있다. 즉, 힐버트 격자구조 모노폴 안테나의 경우 다중 공진 주파수 특성은 구현할 수 있으나 각각의 공진 주파수 대역이 좁게 형성되고, 안테나를 소형화할수록 공진 주파수의 대역이 좁아지게 되고, 안테나의 효율도 낮아지게 되는 문제점이 있었다.
종래의 도 1 내지 도 4에 도시된 안테나들은 도 5에서 살펴본 바와 같이 파장과 대비하여 소형의 크기로 다중 공진의 특성을 가지지 못함과 동시에 유효한 대 역폭을 확보하지 못한다는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 파장 대비 소형화된 크기를 가지고, 다중 주파수 대역에서 사용 가능한 광대역 안테나를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나는 역브이 모양(∧)의 프랙탈 구조를 가진 도체가 반복하여 배열됨으로써 소정의 기하학 도형으로 형상화된 복사소자; 상기 복사소자에 전자기파를 공급하는 급전부; 및 상기 복사소자와 급전부가 부착되는 유전체부를 포함한다.
프랙탈 구조란 전체 구조를 구성하는 부분들이 상기 전체 구조와 비슷한 형상를 취하는 구조를 말한다. 즉, 자기 유사성을 갖는 기하학적 구조를 프랙탈 구조라고 한다. 프랙탈 구조는 부분과 전체가 똑같은 모양을 하고 있다는 자기 유사성(self-similarity)과 순환성(recursiveness)이라는 속성을 갖고 있다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 1 실시예의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도 8은 도 6에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나는 프랙탈 복사소자(610), 급전부(620), 그라운드부(630), 및 유전체부(640)로 구성된다.
프랙탈 복사소자(610)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조가 반복적으로 배열되어 원형으로 형상화된 복사소자이다. 상기 복사소자(radiating element)란 자체 적으로 전파를 복사하거나 수신할 수 있는 안테나의 기본적인 부분을 말한다. 프랙탈 복사소자(610)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조를 소정의 횟수만큼 차원 분할한 후, 반복적으로 배열하여 원형을 형성할 수도 있다. 상기 차원 분할에 의해서 형성되는 구조는 안테나의 실효길이가 여러 개의 공진 주파수의 파장과 연관성을 가지도록 설계할 수 있도록 하여 파장 대비 소형 안테나로 만들고, 복사 효율을 극대화시키면서 광대역을 만족하는 구조의 설계를 가능하게 한다. 도 6 및 도 7에 도시된 프랙탈 복사소자(610)는 1회 차원분할된 역브이 모양을 반복적으로 배열하여 원형을 형성한 것이다. 도 6 및 도 7에 도시된 프랙탈 복사소자는 폐루프로 형성되었으나 개루프로 형성될 수도 있다. 프랙탈 복사소자(610)는 유전체부(640)의 전면에 위치하고, 급전부(620)와 연결된다. 프랙탈 복사소자(610)의 전체 크기는 1GHz 주파수의 파장에 대한 일반적인 복사소자의 유효 길이를 15cm라고 할 때 40mm*40mm 이내가 될 수 있다.
급전부(620)는 프랙탈 복사소자(610)에 전자기파가 공급되는 통로이다. 급전부(620)는 유전체부(640)의 전면에 위치하고, 프랙탈 복사소자(610)에 연결된다.
그라운드부(630)는 공통의 전위 기준점으로 되는 부분이다. 그라운드부(630)는 유전체부(640)의 후면에 위치하고, 프랙탈 복사소자(610)가 위치한 유전체부(640)의 후면에는 위치하지 아니한다. 그라운드부(630)는 프랙탈 복사소자(610)가 장착되는 통신 장비(휴대폰 또는 통신 단말)에 도체로 구성된 외부 케이스를 형상화한 것이다.
유전체부(640)는 전자기파가 전계와 자계를 구성하면서 진행하는 통로이다. 유전체부(640)에는 급전부(620), 그라운드부(630), 및 프랙탈 복사소자(610)가 연결되어 있다. 유전체부(640)는 마이크로스트립(microstrip) 기판일 수 있다. 마이크로스트립 기판은 흔히 구할 수 있는 재질의 저가 마이크로스트립 기판(FR4 또는 굴곡성이 우수한 얇은 필름 형태)이 될 수 있다.
이하, 프랙탈 복사소자를 제외한 제 2 실시예 내지 제 4실시예를 구성하는 급전부, 그라운드부, 유전체부는 제 1 실시예를 구성하는 급전부, 그라운드부, 유전체부와 기능과 작용이 동일하므로, 프랙탈 복사소자를 제외한 나머지 구성에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다. 제 2 실시예 내지 제 4 실시예에서의 안테나도 도 7과 같은 구조와 동일하게 유전체부의 양면에 구성된다.
도 9는 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 2 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 10은 도 9에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나는 프랙탈 복사소자(910), 급전부(920), 그라운드부(930), 및 유전체부(940)로 구성된다.
프랙탈 복사소자(910)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조가 반복적으로 배열되어 원형으로 형상화된 복사소자들이 서로 다른 크기로 소정의 갯수만큼 존재하고, 상기 복사소자들이 동심원의 형태로 구성되어 있다. 프랙탈 복사소자(910)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조를 소정의 횟수만큼 차원 분할한 후, 반복적으로 배열하여 원형으로 형성될 수도 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 프랙탈 복사소자(910)는 1회 차원분할된 역브이 모양을 반복적으로 배열하여 원형으로 형상화된 5개의 복사소자들로 구성되어 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 프랙탈 복사소자(910)는 폐 루프로 형성되었으나 개루프로 형성될 수도 있다. 프랙탈 복사소자(910)는 유전체부(940)의 전면에 위치하고, 급전부(920)와 연결된다. 프랙탈 복사소자(910)를 구성하는 상기 복사소자들은 하나의 급전부(920)에 의하여 급전된다.
도 11은 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 3 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 12는 도 11에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나는 프랙탈 복사소자(1110), 급전부(1120), 그라운드부(1130), 및 유전체부(1140)로 구성된다.
프랙탈 복사소자(1110)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조가 반복적으로 배열되어 사각형으로 형상화된 복사소자라는 점이 제 1 실시예와의 차이점이고, 다른 기능과 작용은 동일하다.
도 13은 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 4 실시예의 구성을 도시한 정면도이고, 도 14는 도 13에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나는 프랙탈 복사소자(1310), 급전부(1320), 그라운드부(1330), 및 유전체부(1340)로 구성된다.
프랙탈 복사소자(1310)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조가 반복적으로 배열되어 사각형으로 형상화된 복사소자들로 구성되어 있다는 점이 제 2 실시예와의 차이점이고, 다른 기능과 작용은 동일하다.
도 15 및 도 16은 각각 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 5 실시예의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도 17은 도 15에 도시된 프랙탈 복사소자의 확대도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나는 프랙탈 복사소자(1510), 급전부(1520), 그라운드부(1530), 및 제 1 유전체부(1540)로 구성된다. 프랙탈 복사소자(1510)는 제 1 프랙탈 복사소자(1511), 제 2 유전체부(1512), 및 제 2 프랙탈 복사소자(1513)로 구성된다.
제 1 프랙탈 복사소자(1511)는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조가 반복적으로 배열되어 원형으로 형상화된 복사소자들이 서로 다른 크기로 소정의 갯수만큼 존재하고, 상기 복사소자들이 동심원의 형태로 구성되어 있다. 도 17을 참조하면, 가장 바깥쪽에 있는 복사소자를 제 1 복사소자라고 했을 때, 제 1 복사소자, 제 2 복사소자 및 제 3 복사소자와 제3 복사소자보다 직경이 더 작은 두 개의 복사소자들이이 제 1 프랙탈 복사소자(1511)를 구성한다. 상기 제 1 내지 3 복사소자는 도체이다.
제 2 유전체부(1512)는 제 1 프랙탈 복사소자(1511) 중 제 3 복사소자에 의해 지지된다. 제 2 유전체부(1512)는 제 1 유전체부(1540)의 유전률과 다르게 할 수 있다.
제 2 프랙탈 복사소자(1513)는 제 2 유전체부(1512) 위에 위치하고 있으며, 제 4 복사소자, 제 5 복사소자, 및 제 6 복사소자로 구성된다. 도체로부터 상기 제 1 복사소자, 상기 제 2 복사소자, 및 상기 제 3 복사소자를 제거한 후 남아 있는 부분으로 상기 제 4 복사소자, 상기 제 5 복사소자, 및 상기 제 6 복사소자를 만들 수 있다. 상기 제 4 내지 6 복사소자는 도체이다.
상기 제 1 내지 제 3 복사소자는 역브이(∧) 모양의 프랙탈 구조를 소정의 횟수만큼 차원 분할한 후, 반복적으로 배열하여 원형으로 형상화될 수 있다. 상기 제 4 내지 제 6 복사소자는 상기 차원분할된 제 1 내지 제 3 복사소자를 소정의 도체에서 제거한 후 남아 있는 부분으로 만들 수 있다. 도 15 및 도 17에 도시된 프랙탈 복사소자(1510)는 1회 차원분할된 역브이 모양의 프랙탈 구조를 나타내고 있다. 도 15 및 도 17에 도시된 프랙탈 복사소자는 폐루프로 형성되었으나 개루프로 형성될 수도 있다. 프랙탈 복사소자(1510)는 제 1 유전체부(1540)의 전면에 위치하고, 급전부(1520)와 연결된다. 제 1 프랙탈 복사구조(1511)의 복사소자들은 하나의 급전부(1520)에 의해 연결된다.
도 18 및 도 19는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 1 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다.
일반적으로 반사계수가 -10dB 이하이면, 수신이 양호하다고 받아들여진다. 안테나는 기본적으로 포트가 입력포트 하나뿐인 1포트 장치이다. 따라서 안테나에서는 입력 반사계수를 의미하는 S11값으로부터 안테나의 특성을 파악할 수 있다. 원하는 주파수에서 S11이 더 밑으로 깊게 파일수록 안테나의 복사효율이 높고 매칭도 잘 되었다는 의미이며, 푹 파인 계곡이 넓을수록 안테나가 다룰 수 있는 주파수의 대역폭이 넓다는 의미이다. 도 18을 참조하면, 공진 주파수가 1GHz이고 -10dB 이하의 반사계수를 갖는 주파수의 폭은 약 250MHz 정도임을 알 수 있다.
안테나에서의 이득은 최대전계 방향을 기준으로 등방성(isotropic)의 복사패턴을 대비한 비율을 의미한다. 따라서 안테나의 이득이 크다는 의미는 전자파를 전달하기를 원하는 특정방향으로 더욱 강한 전자기파를 보낼 수 있다는 의미이다. 도 19를 참조하면 공진주파수인 1GHz 근방에서 0dB에 가까운 큰 이득값을 가지는 것을 알 수 있다.
도 20 및 도 21은 도 9에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 2 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 20을 참조하면, 공진 주파수는 1GHz, 2GHz, 및 약 2.35GHz이므로 다중 공진이고, -10dB 이하의 반사계수를 갖는 주파수는 800MHz부터 2.4GHz 사이이다. 도 21을 참조하면, 상기 주파수 폭 800MHz부터 2.4GHz 사이에서는 0dB에 가까운 큰 이득값을 가진다.
도 22 및 도 23은 도 11에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 3 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 22를 참조하면, 공진 주파수는 약 0.9GHz이고, -10dB 이하의 반사계수를 갖는 주파수 폭은 약 250MHz이다. 도 23을 참조하면, 공진주파수인 0.9GHz 근방에서 0dB에 가까운 큰 이득값을 가지는 것을 알 수 있다.
도 24 및 도 25는 도 13에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 4 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 24를 참조하면, 공진 주파수는 1GHz와 2GHz 이므로 다중 공진이고, -10dB 이하의 반사계수를 갖는 주파수는 800MHz부터 2.4GHz 사이이다. 도 25를 참조하면, 상기 주파수 폭 800MHz부터 2.4GHz 사이에서는 0dB에 가까운 큰 이득값을 가진다.
도 26 및 도 27은 도 15에 도시된 본 발명에 따른 광대역 프랙탈 안테나의 제 5 실시예에 있어서의 주파수와 반사계수와의 관계 및 주파수와 이득과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 26을 참조하면, 공진 주파수는 1GHz, 2GHz, 및 약 2.35GHz이므로 다중 공진이고, -10dB 이하의 반사계수를 갖는 주파수는 800MHz부터 2.4GHz 사이이다. 도 27을 참조하면, 상기 주파수 폭 800MHz부터 2.4GHz 사이에서는 0dB에 가까운 큰 이득값을 가진다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 안테나의 복사소자를 소정의 기하학 도형으로 형상화된 프랙탈 복사소자로 구성함으로써, 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 극대화하고, 이를 통한 안테나 복사효율을 증가시킬 수 있으며, 파장대비 소형화된 안테나를 구현할 수 있게 되므로 다중 주파수 대역에서 사용 가능한 광대역 안테나를 초소형으로 구성할 수 있다.
Claims (3)
- 역브이 모양(∧)의 프랙탈 구조를 가진 도체가 반복하여 배열됨으로써 소정의 도형으로 형상화된 복사소자;상기 복사소자에 전자기파를 공급하는 급전부; 및상기 복사소자와 급전부가 부착되는 유전체부를 포함함을 특징으로 하는 광대역 프랙탈 안테나.
- 제 1 항에 있어서,상기 복사소자는 적어도 하나 이상의 서로 닯은 꼴인 도형들로 형상화된 도체들로 구성되고, 상기 도체들 중 제 1 도체 안에 상기 제 1 도체보다 작은 도체를 하나의 평면에 배치함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 프랙탈 안테나.
- 제 1 항에 있어서,상기 복사소자는적어도 하나 이상의 서로 닮은 꼴인 도형들로 형상화된 도체들로 구성되고, 상기 도체들 중 제 1 도체 안에 상기 제 1 도체보다 작은 도체를 하나의 평면에 배치함으로써 형성되는 제 1 복사소자;상기 제 1 복사소자 위에 위치하는 제 2 유전체부;상기 제 2 유전체부 위에 위치하는 제 2 복사소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 프랙탈 안테나.
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