KR100924126B1 - 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 공진 안테나에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 다중 공진 안테나는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판에 부착되고, 미리 설정된 유리수의 범위를 가지는 배율 중 적어도 둘 이상의 배율을 사용하여 기본 형상을 차원 분할하고, 상기 차원 분할된 기본 형상이 서로 결합되어 이루어진 프랙탈 복사 소자와, 상기 프랙탈 복사 소자에 급전하는 급전부 및 상기 유전체 기판에 부착되고, 상기 급전부에 대응되는 크기와 위치를 가지는 그라운드를 포함한다.

다중 공진 안테나, 프랙탈 복사 소자, 급전부, 그라운드

Description

프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나{MULTI BAND ANTENNA USING FRACTAL STRUCTURE}

본 발명은 다중 대역 안테나(multi band antenna)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 안테나는 전자기파를 공중으로 송신하거나 공중으로부터 전자기파를 수신하는 역할을 한다. 이러한 상기 안테나는 통신 단말기의 소형화 및 다기능화의 추세에 따라 소형화, 광대역화 및 다중 대역화되고 있다. 상기 다중 대역화된 안테나, 즉 다수의 공진 주파수를 사용하는 다중 대역 안테나의 종류로 평면형 역 에프 안테나(Planar Inverted F Antenna, 이하 PIFA라 칭함), 미앤더 라인 안테나(Meander Line Antenna), 힐버트 모노폴(hilbert mono pole) 안테나가 있다.

도 1은 일반적인 PIFA의 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, PIFA는 회로 기판으로부터 공급되는 전류가 급전부(130)를 통해서 복사 소자(120)에 전달되고, 복사 소자(120)를 순환한 전류가 다시 단락 부(140)를 통해 회로 기판으로 들어오게 되면서 회로 전송 라인이 형성된다. 상기 형성된 회로 전송 라인은 공기 중의 전파를 수신하거나 공기중으로 전파를 방사하는데 이용된다.

상기 단락부(140)는 전파를 복사 소자(120) 중간 부분에서 그라운드(110)로 단락 시켜주는 기능을 한다. 상기 그라운드(110)는 PIFA의 공통 전압 기준점으로 사용되며, 급전부(130)의 크기 및 위치와 대응되는 크기 및 위치를 가질 수 있다. 상기 PIFA는 급전부(130)와 단락부(140) 사이의 거리와 형태 등에 따라 상이한 공진 특성을 가지게 된다. 상기 PIFA가 다중 공진 특성을 나타나기 위해서는 복사 소자(120)를 다수개의 서로 다른 크기로 구분하여 합체하여야 한다. 하지만, 상기 복사 소자(120)를 다수개의 서로 다른 크기로 구분하여 합체하는 경우, 안테나 복사 효율의 급격한 감소와 이득 감소 등의 문제를 초래한다.

도 2는 일반적인 미앤더 라인 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 미앤더 라인 안테나는 수직한 마이크로스트립(microstrip)을 'ㄷ' 형태 및 역 'ㄷ' 형태로 구부려 소형화한 안테나이다. 상기 미앤더 라인 안테나는 구부리는 횟수가 많아질수록 광대역 특성을 얻을 수 있다. 하지만, 상기 미앤더 라인 안테나 역시 상술한 바와 같은 PIFA와 같은 문제점이 존재한다.

도 3 및 도 4는 각각 일반적인 힐버트 격자 구조를 가지는 모노폴 안테나의 정면도 및 측면도이다.

도 3 및 4를 참조하면, 힐버트 격자 구조를 가지는 모노폴 안테나는 유전체 기판위에 위치하고 있으며, 급전부를 통해 전류가 공급된다. 상기 모노폴 안테나는 힐버트 곡선으로 알려진 연속적인 프랙탈(fractal) 공간 채움 곡선(space-filling curve)의 형태로 형성된다. 여기서, 상기 프랙탈은 일부 구조가 전체 구조와 비슷한 형태로 되풀이되는 구조를 의미한다. 즉, 상기 프랙탈은 자기 유사성(self-similarity)과 순환성(recursiveness)을 가지는 기하학적 구조를 의미한다.

상술한 바와 같은, 힐버트 격자 구조를 가지는 모노폴 안테나는 다중 공진 주파수 특성은 구현할 수 있으나, 안테나를 소형화 할수록 공진 주파수 대역이 좁아지게 되고, 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 최대화하지 못하는 문제점이 존재한다. 즉, 공진 주파수 대역의 개수를 늘리기 위해서는 안테나의 크기가 지나치게 커지게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 프랙탈 구조를 이용하여 안테나 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 최대화 할 수 있는 다중 대역 안테나를 제안한다.

또한, 본 발명은 프랙탈 구조를 이용하여 안테나 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 최대화하면서도 안테나 크기를 최소화 할 수 있는 다중 대역 안테나를 제안한다.

본 발명에 따른 다중 대역 안테나는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판에 부착되고, 미리 설정된 유리수의 범위를 가지는 배율 중 적어도 둘 이상의 배율을 사용하여 기본 형상을 차원 분할하고, 상기 차원 분할된 기본 형상이 서로 결합되어 이루어진 프랙탈 복사 소자와, 상기 프랙탈 복사 소자에 급전하는 급전부 및 상기 유전체 기판에 부착되고, 상기 급전부에 대응되는 크기와 위치를 가지는 그라운드를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 유리수의 범위를 가지는 배율을 사용하여 기본 형상을 차원 분할하고, 차원 분할된 기본 형상이 서로 결합됨으로써 다중 공진 주파수를 가지는 안테나를 구성할 수 있다. 이렇게 구성된 안테나는 종래의 안테나에 비해 더 많은 개수의 다중 공진 주파수 및 다중 대역을 구현할 수 있는 이점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 프랙탈 구조를 이용하여 단위 면적당 안테나 면적의 크기를 최대화하는 다중 대역(multi band) 안테나를 제안한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나는 자연상에 존재하는 실제의 나무(tree) 구조와 유사하다. 즉, 상기 다중 대역 안테나는 줄기(trunk)(510)와, 상기 줄기(510)와 연결되는 복수개의 가지(branch)(520)와, 상기 복수개의 가지(520) 각각에 연결된 단위 복사 소자(530)로 구분된다. 상기 단위 복사 소자(530)는 복수개가 될 수 있으며, 잎대롱(leaf-stock)(530-1)과 잎(530-2)으로 구분된다. 구체적으로 상기 줄기(510)는 일정한 면적을 가지고, 유전체 기판(도시하지 않음)상에 길이 방향으로 형성된다. 상기 가지(520)는 상기 줄기(510)보다 작은 면적을 가지며, 일단부가 상기 줄기(510)의 상단 또는 측면에 연결된다. 상기 잎대롱(530-1)의 일단부는 상기 가지(520)의 상단부 또는 측면에 연결되며, 타단부는 상기 잎(530-2)에 연결된다.

상기 줄기, 가지, 잎대롱 및 잎은 프랙탈 복사 소자를 구성하며, 상기 프랙탈 복사 소자의 전체 크기는 120ⅹ500(mm) 이내가 될 수 있다.

도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 정면도 및 측면도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나는 유전체 기판(600, 700), 상기 유전체 기판(600, 700)의 전면(도 6의 정면도에서는 전면, 도 7의 측면도에서는 상부에 해당함)에 위치하는 급전부(610, 710), 상기 유전체 기판(600, 700)의 후면(도 6의 정면도에서는 후면, 도 7의 측면도에서는 하부에 해당함)에 위치하는 그라운드(620, 720), 상기 급전부(610, 710)에 의해 급전되는 프랙탈 복사 소자(630, 730)로 이루어진다. 상기 프랙탈 복사 소자(630, 730)는 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 가진다. 여기서, 상기 급전부(610, 710)는 도 5에서 줄기(510)의 일부가 된다.

상기 유전체 기판(600, 700)은 FR(frequency ratio)-4 또는 굴곡 성능이 우수한 얇은 필름 형태의 마이크로스트립 기판이 사용된다.

상기 급전부(610, 710)는 프랙탈 복사 소자(630, 730)에 전류를 공급하기 위한 급전 선로로 구성되며, 상기 급전 선로는 상기 유전체 기판(600, 700)의 전면에 위치한다.

상기 그라운드(620, 720)는 상기 유전체 기판(600, 700)의 후면에 위치한다. 또한, 상기 그라운드(620, 720)는 상기 급전부(610, 710)의 그라운드 기준면, 즉 급전 선로의 임피던스 결정을 위한 기준면으로 이용된다.

상기 프랙탈 복사 소자(630, 730)는 도 5에 도시한 단위 복사 소자(530)를 미리 설정된 유리수 값을 가지는 배율(바람직하게는 0.3~4배)을 사용하여 확대 및 축소를 한다. 상기 확대 및 축소를 차원 분할이라 한다. 즉, 상기 단위 복사 소자(530)는 확대 또는 축소 배율로 차원 분할되어 가지(520) 및 나무를 구성한다.

즉, 본 발명에서는 기본 형상인 단위 복사 소자(530)를 미리 설정된 배율을 사용하여 차원 분할을 수행하고, 이렇게 수행된 차원 분할을 통해 나무 모양의 형상을 가지는 다중 대역 안테나가 완성된다. 상기 완성된 다중 대역 안테나는 단위 면적당 안테나 면적의 크기가 최대화 되어 안테나 복사 효율이 증가되며 주파수 파장 대비 안테나가 소형화 될 수 있다. 또한, 단위 복사 소자(530)을 미리 설정된 배율을 사용하여 차원 분할 함으로써 각각의 주파수에서 공진을 일으키는 형상들이 다양해지므로종래의 다중 대역 안테나에 비해 안테나에서 사용할 수 있는 공진 주파수의 개수가 많아지게 된다.

상술한 바와 같이, 차원 분할을 적용한 프랙탈 형태의 안테나를 만드는 이유는, 안테나 실효 길이가 다수개의 공진 주파수의 파장과 연관성을 가지도록 함으로써 파장 대비 소형 안테나로 만들고, 복사 효율을 극대화시키면서 광대역을 만족하기 위함이다.

도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나에서 프랙탈 복사 소자의 일부를 확대 도시한 도면이다.

도 8a 내지 8c를 참조하면, 도 8a에서 참조부호 801은 프랙탈 복사 소자를 구성하는 일부이며, 상기 참조부호 801을 확대 도시한 도면이 도 8b이다. 즉, 도 8a는 줄기, 가지 및 잎으로 구성된 프랙탈 복사 소자이며, 도 8b 역시 줄기, 가지 및 잎으로 구성된 프랙탈 복사 소자이다. 도 8b에서 참조부호 803은 프랙탈 복사 소자의 일부인 잎이며, 이를 확대 도시한 도면이 도 8c이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 도 8c에 해당하는 단위 복사 소자를 미리 설정된 배율로 확대 및 축소하는 차원 분할을 통해 도 8b의 형상이 완성되고, 이를 다시 미리 설정된 배율로 확대 및 축소하는 차원 분할을 통해 도 8a의 형상이 완성된다.

한편, 도 8c에 해당하는 단위 복사 소자와, 상기 단위 복사 소자의 차원 분할을 통해 생성된 또 다른 단위 복사 소자간의 결합(coupling)력은 상기 단위 복사 소자들간에 겹쳐지는 공유면적이 결합전 상태의 단위 복사 소자 면적대비 공유면적 1/10 이내에서 넓을수록 커진다. 이와 관련해서는 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단위 복사 소자간의 겹침에 따른 결합력을 비교 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, (a)는 제1단위 복사 소자와 상기 제1단위 복사 소자를 1 미만의 배율로 축소시킨 제2단위 복사 소자간에 일정 거리가 존재한다. 이에 반해, (b)는 제1 단위 복사 소자와 제2단위 복사 소자간에 하나의 점 형태로 겹쳐있다. (c)는 제1단위 복사 소자와 제2단위 복사 소자가 특정 각도로 일정 면적(1/10 이내 의 공유면적)으로 겹쳐있다. 이러한 경우, (a)의 결합력이 가장 낮으며, (c)의 결합력이 가장 높다. (c)와 같이 기본 형상들간에 1/10 이내의 공유면적을 가지며 겹쳐지는 형태로 프랙탈 복사 소자를 구현할 경우, 결합력을 최대로 하여 파장 대비 안테나의 길이를 줄이면서 다중 공진 특성을 가질 수 있는 이점이 있다.

상술한 바와 같은, 결합에 의해 파장 대비 안테나 길이를 줄이면서 다중 공진 특성을 가질 수 있다. 즉, 하나의 단위 복사 소자가 공진주파수를 고주파 대역에서 발생시킬 경우, 둘 이상의 단위 복사 소자간의 결합에 의해서는 복사 소자간 결합이전 상태의 각각의 복사 소자 길이보다 복사 소자간 결합이후의 복사 소자 길이가 길어지게 되어 결합이전에 발생한 공진주파수의 파장길이보다 결합이후의 공진주파수의 파장길이가 길어지므로 공진주파수는 상기 고주파 대역보다 낮은 대역에서 발생하게 된다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나의 반사 손실 특성을 도시한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 일반적으로 반사계수가 10dB 이하이면 수신 상태가 양호하다고 판단한다. 하지만, 본 발명에서는 무선통신 단말 외부에 장착되는 안테나 환경으로 반사계수가 5dB 이하에서 안테나가 정상적으로 동작하는 것으로 가정한다. 이러한 가정하에 도 10에서는 0.1GHz부터 3GHz까지 사용 가능한 주파수 폭이 되며, 0.25GHz, 0.5GHz 등이 공진 주파수로 사용될 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 대역 안테나의 이득 특성을 도시한 그래프이다.

도 11을 참조하면, 도 10과 같은 반사 손실 특성을 가지는 상태에서, 0.1GHz부터 3GHz까지의 주파수 대역폭에서 대부분 0dB 이상의 이득값을 가짐을 알 수 있다. 일반적으로, 안테나 이득은 최대전계 방향을 기준으로 등방성(isotropic)의 복사패턴을 대비한 비율을 의미한다. 따라서 안테나 이득이 크다는 의미는, 전자기파를 전달하기를 원하는 특정 방향으로 더욱 강하게 송신할 수 있음을 의미한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 PIFA의 구조를 도시한 도면

도 2는 일반적인 미앤더 라인 안테나의 구조를 도시한 도면

도 3은 일반적인 힐버트 격자 구조를 가지는 모노폴 안테나의 정면도

도 4는 일반적인 힐버트 격자 구조를 가지는 모노폴 안테나의 측면도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 공진 안테나 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 공진 안테나의 정면도

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 공진 안테나의 측면도

도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 공진 안테나에서 프랙탈 복사 소자의 일부를 확대 도시한 도면

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 기본 형상간의 겹침에 따른 결합력을 비교 도시한 도면

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 공진 안테나의 반사 손실 특성을 도시한 그래프

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 프랙탈 구조를 이용한 다중 공진 안테나의 이득 특성을 도시한 그래프

Claims (5)

1. 유전체 기판;

   상기 유전체 기판의 전면에 부착되고, 일정한 면적을 가지고 상기 유전체 기판상에 길이 방향으로 형성된 줄기(trunk)와, 상기 줄기보다 작은 면적을 가지고 일단부가 상기 줄기의 상단부 또는 측면에 연결된 적어도 하나의 가지(branch)와, 상기 적어도 하나의 가지의 일부에 연결된 적어도 하나의 단위 복사 소자로 구성된 프랙탈 복사 소자;

   상기 프랙탈 복사 소자에 급전하며, 상기 줄기의 일부에 구성되는 급전부; 및

   상기 유전체 기판의 후면에 부착되고, 상기 급전부에 대응되는 크기와 위치를 가지는 그라운드를 포함하며,

   상기 단위 복사 소자는 잎대롱(leaf-stock)과 잎으로 구성됨을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 잎대롱의 일단부는 상기 가지의 상단부 또는 측면에 연결되며, 상기 잎대롱의 타단부는 상기 잎에 연결됨을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
4. 제1항에 있어서, 상기 프랙탈 복사 소자 및 급전부는 상기 유전체 기판의 전면에 위치하고, 상기 그라운드는 상기 유전체 기판의 후면 하부에 위치함을 특징으로 하는 다중 대역 안테나.
5. 삭제

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