KR101128872B1 - 원편파 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동축 커넥터 및 직렬 전력 분배기를 이용하여 초소형 및 초경량의 안테나를 갖도록 한 소형 통신 모듈 및 단말기에 적용 가능한 원편파 안테나에 관한 것으로서, 일정한 간격으로 배치되는 복수 개의 수평 모노폴 방사 소자를 갖는 상부 인쇄 회로 기판과, 상기 상부 인쇄 회로 기판과 일정한 간격을 갖고 대응되게 설치된 급전 회로망이 형성된 하부 인쇄 회로 기판과, 상기 상부 인쇄 회로 기판의 각 수평 모노폴 방사 소자와 상기 하부 인쇄 회로 기판의 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 복수 개의 동축 커넥터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

원편파 안테나{Circular-Polarized Antenna}

본 발명은 원편파 안테나에 관한 것으로, 특히 소형 통신 모듈 및 단말기에 적용 가능한 초소형 및 초경량이며 우수한 특성을 가지는 원편파 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 위성을 활용한 방송, 통신, 인터넷 산업이 폭발적으로 성장하고 있으며 이는 21세기 정보화 사회의 핵심 매체로 자리 잡아가고 있다. 이미 위성 안테나를 비롯하여 위성방송 수신 설비 산업이 발달하여 왔다.

이는 특히 최근의 GPS(Global Positioning System, 전지구 측위 시스템) 분야 및 위성 DMB(Digital Multimedia Broadcasting, 디지털 멀티미디어 브로드캐스팅) 분야에서 두드러지게 발전하고 있다.

또한, 반도체의 발달과 통신 기술의 발달로 점차 소형화, 경량화 되어감에 따라 그 응용 범위가 광범위해져 차량용은 물론이고 개인 휴대용 장비에서의 GPS 및 DMB 수신 기능 등 그 사용이 일반화되어 가고 있는 추세이다. 이러한 위성 통신 분야 외에 RFID(Radio Frequency Identification: 무선 인식 시스템) 분야는 유비쿼터스 사회를 앞당길 핵심 분야이다. RFID 시스템에 적용되는 다수의 태그와 리더 안테나는 고효율, 고성능을 요구하고 있다.

안테나가 위성으로부터 양질의 정보를 수신하거나, RFID 시스템에서 태그와 리더기 간의 정확한 정보 전달을 위해서는 원편파 특성, 넓은 빔폭, 높은 F/B비(front-back ratio), 그라운드 및 단말기의 위치 및 형태에 따른 성능 변화의 최소화 등 많은 요구 조건을 만족해야 한다.

소형 안테나의 원편파 구현을 위한 종래 방법은 고유전율 세라믹 소체 위에 모서리 부분이 절단된 금속 사각형 패치 안테나를 설치하고 패치상의 적절한 위치에서 동축선 프로브로 급전하는 것이다.

이와 같은 구조는 통상적으로 매우 많은 응용 범위를 갖고 있으며 세라믹 소체의 유전율을 제어함에 따라 다양한 크기의 안테나를 구현할 수 있다.

세라믹 안테나의 단점은 소체 자체의 비중에 비해 무게가 무겁고, 대역폭이 매우 작으며 유전율이 높을 경우 제작 과정에서 안테나를 개별적인 튜닝 작업이 요구된다는 것이다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 흔히 적절히 배치된 2개 혹은 4개의 방사 소자와 원편파 특성을 얻기 위한 급전 회로망이 요구된다. 안테나 원편파 구현을 위한 급전 회로망 구현시 전력 분배기, 쿼드려쳐 하이브리드 회로 등이 필요하며 이에 따라 추가적인 공간이 요구되며 전체 구조가 커지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 소형 수평 모노폴, 방사소자 급전용 동축 커넥터 및 직렬 전력 분배기를 이용한 원편파 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 초소형 및 초경량의 특성을 가지며 소형 통신 모듈 및 단말기에 적용 가능한 원편파 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제시한 원편파 안테나는 일정한 간격으로 배치되는 복수 개의 수평 모노폴 방사 소자를 갖는 상부 인쇄 회로 기판과, 상기 상부 인쇄 회로 기판과 일정한 간격을 갖고 대응되게 설치된 급전 회로망이 형성된 하부 인쇄 회로 기판과, 상기 상부 인쇄 회로 기판의 각 수평 모노폴 방사 소자와 상기 하부 인쇄 회로 기판의 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 복수 개의 동축 커넥터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 원편파 안테나는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 복수 개의 수평 모노폴 방사 소자가 형성된 상부 인쇄 회로 기판과 급전 회로망이 형성된 하부 인쇄 회로 기판을 전기적으로 연결하는 복수 개의 동축 커넥터를 통해 기구적으로 견고한 구조를 가질 수 있다.

둘째, 기존 세라믹 패치에 비해 무게를 경량화함으로써 휴대용 통신 단말기의 무게를 크게 줄일 수 있다.

셋째, 초소형이며 초경량 구조의 제약 조건 하에서 우수한 이득, 축비, 대역폭 특성을 가지는 안테나를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 원편파 안테나의 형상을 나타낸 사시도
도 2 및 도 3은 도 1의 상부 인쇄 회로 기판 및 하부 인쇄 회로 기판을 각각 나타낸 평면도
도 4는 도 3의 하부 인쇄 회로 기판의 배면을 나타낸 배면도
도 5는 도 1의 동축 커넥터를 나타낸 사시도
도 6 내지 도 8은 본 발명에 의한 원편파 안테나의 반사 계수, 고각 방향 패턴 및 고각 방향 축비 특성을 나타낸 도면

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 원편파 안테나를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 원편파 안테나의 형상을 나타낸 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 상부 인쇄 회로 기판 및 하부 인쇄 회로 기판을 각각 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 3의 하부 인쇄 회로 기판의 배면을 나타낸 배면도이고, 도 5는 도 1의 동축 커넥터를 나타낸 사시도이다.

본 발명에 의한 원편파 안테나는 도 1에 도시한 바와 같이, 가장 자리를 따라 일정한 간격으로 배치되는 복수 개의 수평 모노폴 방사 소자(110)를 갖는 상부 인쇄 회로 기판(100)과, 상기 상부 인쇄 회로 기판(100)과 일정한 간격을 갖고 대응되게 구성되고 급전 회로망(210)이 형성된 하부 인쇄 회로 기판(200)과, 상기 상부 인쇄 회로 기판(100)의 각 수평 모노폴 방사 소자(110)와 상기 하부 인쇄 회로 기판(200)의 급전 회로망(210)을 전기적으로 연결하는 복수 개의 동축 커넥터(300)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 상부 인쇄 회로 기판(100)은 도 2에 도시한 바와 같이, 4각형의 구조를 갖고, 4각형의 가장자리를 따라 일정한 간격을 갖고 복수 개의 수평 모노폴 방사 소자(110)가 배치되어 있다.

상기 각 수평 모노폴 방사 소자(110)를 구현함에 있어서 원편파 특성과 안테나 크기를 고려하여 다수의 수평 모노폴 방사 소자를 상부 인쇄 회로 기판(100)의 테두리에 배치하였다.

상기 각 수평 모노폴 방사 소자(110)는 일측의 최종단에 임피던스 정합을 위한 단락점(120)이 구성되어 있고, 상기 단락점(120)과 인접한 각 수평 모노폴 방사 소자(110)의 종단 부분에 급전점(130)이 구성되어 있다.

상기 수평 모노폴 방사 소자(110)의 소형화를 위해 도 2에 나타낸 바와 같이 미앤더(meander) 형상을 적용할 수 있으나, 본 발명에 따르면 직선형을 포함한 다양한 형상의 수평 모노폴 소자를 적용할 수 있다.

상기 각 수평 모노폴 방사 소자(110)의 형태는 동일하다. 아울러 상기 각 수평 모노폴 방사 소자(110)가 4각형 구조와 4개의 가장자리를 따라 형성되는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 원 또는 다각형의 구조상에 일정한 간격을 갖도록 배치할 수도 있다.

상기 하부 인쇄 회로 기판(200)은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 소형화에 적합한 직렬 급전 방식으로 이루어진 급전 회로망(210)을 구성하는 것으로, 하나의 입력 포트(211)와 4개의 출력 포트(212)로 이루어져 있다.

상기 급전 회로망(210)은 상기 상부 인쇄 회로 기판(100)에 형성된 각 수평 모노폴 방사 소자(110)에 크기가 동일하며 순차적으로 90도의 위상차를 가지는 신호를 공급하기 위해 구성되어 있다.

여기서, 상기 입력 포트(211)는 상기 하부 인쇄 회로 기판(200)의 중앙에 위치되고, 상기 각 출력 포트(212)는 상기 입력 포트(211)를 중심으로 상기 하부 인쇄 회로 기판(200)의 각 모서리 부분에 위치되어 있다.

상기 입력 포트(211)는 소형 통신 모듈 및 단말기의 내부에 설치시 동축 케이블이 직접 연결되는 부분이며, 상기 출력 포트(212)는 상기 방사 소자 급전용 동축 커넥터(300)와 연결되는 부분이다.

상기 중앙에 위치하는 입력 포트(211)로부터 입사되는 전력은 다수의 출력 포트(212)에 동일 전력과 순차적으로 90도의 위상차를 가지도록 분배된다.

상기 하부 인쇄 회로 기판(200)에는 가장자리를 따라 복수 개의 비아홀(219)이 형성되어 존재하는 좁은 금속 띠(220)가 설치되어 있고, 상기 각 출력 포트(212)의 주위에 복수 개의 동축 커넥터 결합공(218)이 형성되어 있다. 상기 금속 띠(220)와 상기 비아홀(219)은 하부 인쇄 회로 기판(200)상에 여기될 수 있는 표면파가 하부 인쇄 회로 기판(200) 모서리로 방사되는 것을 억제하기 위한 것이다.

상기 급전 회로망(210)은 직렬 급전 방식에 의해 구성되는 전송 선로(213,214,215,216)를 갖는데, 상기 각 전송 선로(213,214,215,216)는 서로 다른 임피던스를 갖는다. 상기 각 전송 선로(213,214,215,216)와 출력 포트(212)는 동일 임피던스를 갖는 가지 선로(217)를 통해 연결되어 있다.

상기 입력 포트(211)에서 입사되는 전력은 각기 다른 임피던스를 가진 전송 선로(213,214,215,216)와 출력 포트(212)로 연결되는 상기 가지 선로(217)의 직렬 구조를 통하여 동일 크기로 분기된다.

상기 가지 선로(217)의 특성 임피던스는 상기 각 수평 모노폴 방사 소자(110) 연결용 동축 커넥터(300)의 적용을 위해 동일하게 한다.

상기 각 전송 선로(213,214,215,216)의 길이는 상기 출력 포트(212)에서 순차적으로 90도의 위상차를 갖도록 한다.

상기 각 전송 선로(213,214,215,216)는 안테나 소형화를 위해 미앤더 구조로 구현할 수 있다.

상기 동축 커넥터(300)는 상부 인쇄 회로 기판(100)에 위치하는 각 수평 모노폴 방사 소자(110)의 급전점(130)과 하부 인쇄 회로 기판(200)의 각 출력 포트(212)를 전기적으로 연결하는 역할과 기구적으로 결합하는 역할을 동시에 수행한다.

상기 동축 커넥터(300)는 도 5에 도시한 바와 같이, 중앙부를 관통하여 일측과 타측이 돌출되는 내심(310,320)과, 상기 내심(310,320)을 둘러싸는 원통형의 테프론 유전체(330)와, 상기 테프론 유전체(330)를 감싸는 원통형의 외부 도체(340)와, 상기 외부 도체(340)의 상부 및 하부에 상기 외부 도체(340)보다 넓은 면적을 갖고 사각형 형태를 갖는 상부 도체(350) 및 하부 도체(360)와, 상기 상부 도체(350)의 일측 모서리에 돌출된 형태로 형성되는 임피던스 정합용 단락핀(370)과, 상기 하부 도체(360)의 모서리 부분에 돌출된 형태로 형성되는 다수의 기판 고정용 핀(370)을 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 외부 도체(340), 상부 도체(350), 하부 도체(360), 임피던스 정합용 단락핀(370) 및 기판 고정용 핀(370)은 일체형 구조로 이루어져 있다.

상기 동축 커넥터(300)의 내심(310,320) 중에서 상부로 돌출된 내심(310)은 상기 상부 인쇄 회로 기판(100)의 각 수평 모노폴 방사 소자(110)의 급전점(130)과 납땜에 의해 결합된다.

한편, 임피던스 정합은 상기 동축 커넥터(300)의 상부 도체(350)상의 임피던스 정합용 단락핀(370)과 각 수평 모노폴 방사 소자(100) 종단의 단락점(120)을 납땜에 의해 전기적으로 연결하여 이루어지도록 한다.

또한, 상기 하부 인쇄 회로 기판(200)과 동축 커넥터(300)는 개별 출력 포트(212)와 내심(310,320) 중 하부로 돌출된 내심(320)을 납땜으로 연결하고, 하부 도체(360)에 형성된 다수의 지지용 핀(380)이 결합공(218)에 삽입되어 납땜이 이루어진다. 이때 상기 하부 도체(360)와 상기 가지 선로(217)가 닿지 않도록 적절한 간격을 유지한다.

도 6 내지 도 8은 본 발명에 의해 예시로 제작된 원편파 안테나의 반사 계수, 고각 방향 패턴 및 고각 방향 축비 패턴을 나타낸 도면이다. 예시로 제작된 안테나의 크기는 가로×세로×높이가 0.18×0.18×0.04 파장이며, 최대 3dBic 이득, 3dB 이내의 축비 및 2.3%의 대역폭 특성을 가진다.

본 발명에 의해 예시로 제작된 안테나보다 큰 안테나를 구현할 경우 크기에 비례하여 최대 이득과 대역폭이 증가하며 축비가 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 원편파 안테나는 소형 통신 모듈 및 단말기 내부에 실장 효과가 뛰어난 초소형 및 초경량 안테나의 특성을 갖는다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 상부 인쇄 회로 기판 110 : 수평 모노폴 방사 소자
120 : 단락점 130 : 급전점
200 : 하부 인쇄 회로 기판 210 : 급전 회로망
300 : 동축 커넥터

Claims (23)

1. 일정한 간격으로 배치되는 복수 개의 수평 모노폴 방사 소자를 갖는 상부 인쇄 회로 기판과,
   상기 상부 인쇄 회로 기판과 일정한 간격을 갖고 대응되게 설치된 급전 회로망이 형성된 하부 인쇄 회로 기판과,
   상기 상부 인쇄 회로 기판의 각 수평 모노폴 방사 소자와 상기 하부 인쇄 회로 기판의 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 복수 개의 동축 커넥터를 포함하여 구성되고,
   상기 동축 커넥터는 중앙부를 관통하여 일측과 타측이 돌출되는 내심과, 상기 내심을 둘러싸는 원통형의 테프론 유전체와, 상기 테프론 유전체를 감싸는 원통형의 외부 도체와, 상기 외부 도체의 상부 및 하부에 각각 구성되는 상부 도체 및 하부 도체와, 상기 상부 도체의 일측 모서리에 돌출된 형태로 형성되는 임피던스 정합용 단락핀과, 상기 하부 도체의 모서리 부분에 돌출된 형태로 형성되는 기판 고정용 핀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
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4. 제 1 항에 있어서, 상기 각 수평 모노폴 방사 소자는 일측의 최종단에는 단락점이 구성되고, 상기 단락점과 인접한 각 수평 모노폴 방사 소자의 종단 부분에 급전점이 구성되는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 동축 커넥터는 급전 회로망과 방사 소자를 연결하고 임피던스 정합용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 급전 회로망은 직렬 급전 방식에 의해 구성되는 복수개의 전송선로를 갖고, 각 전송선로는 서로 다른 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 급전 회로망은 하나의 입력 포트와 다수의 출력 포트로 이루어진 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
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13. 제 8 항에 있어서, 상기 입력 포트에서 입사되는 전력은 각기 다른 임피던스를 갖는 전송 선로와 출력 포트로 연결되는 가지 선로의 직렬 구조를 통하여 동일 크기로 분기되는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
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17. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 도체, 상부 도체, 하부 도체, 임피던스 정합용 단락핀 및 기판 고정용 핀은 일체형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 각 수평 모노폴 방사 소자의 급전점은 상기 동축 커넥터의 내심과 연결되며, 임피던스 정합은 동축 커넥터의 상부 도체상의 임피던스 정합용 단락핀과 각 수평 모노폴 방사 소자 종단의 단락점을 전기적으로 연결하여 급전점과 단락점 구간의 선로 길이, 폭 조정을 통해 임피던스 정합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 원편파 안테나.
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