KR20090105478A - 이중 대역용 소형 모노폴 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 대역용 소형 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 유전체 소재로 된 기판과, 기판의 상면에 미앤더 형태로 굴곡지어 상방으로 연장되게 형성된 메인 방사부와, 메인 방사부의 연장방향과 교차하는 방향을 따라 메인 방사부에서 수평상으로 연장된 수평부분과, 수평부분의 종단에서 상방으로 연장된 수직부분을 갖는 보조 방사부와, 메인 방사부의 하부에서 하방으로 연장되게 형성되어 커넥터와 접속되는 커넥터 접속부를 구비한다. 이러한 이중 대역용 소형 모노폴 안테나에 의하면, 커넥터와 직접 접속에 의해 접지면을 생략할 수 있어 구조가 단순화되면서도, ISM 통신의 이중 대역에서 동작할 수 있는 장점을 제공한다.

모노폴, 이중 대역, ISM

Description

이중 대역용 소형 모노폴 안테나{compact monopole antenna for dual band}

본 발명은 이중 대역용 소형 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 상세하게는 이중 아이에스엠(ISM) 대역에서 동작할 수 있으면서도 소형화할 수 있는 이중 대역용 소형 모노폴 안테나에 관한 것이다.

빠른 속도로 변화하는 정보화사회에서 무선 통신기술과 무선통신 사업이 나날이 발전하는 현실에서 통신 시스템의 효율적인 이동성의 확보를 위하여 통신기기가 소형화됨에 따라 안테나 역시 기존의 고 이득 특성을 만족하면서도 소형 경량화할 수 있는 구조가 요구되고 있다.

일반적으로 헬리컬(Helical), 미엔더(Meander) 라인, 마이크로 스트립, 역-F(Inverted-F) 안테나 등의 구조를 이용한 안테나들이 주류를 이루고 있다.

이러한 안테나들이 갖는 구조적 특성을 이용하여 다중대역 혹은 광대역 특성을 갖도록 하기 위한 안테나 연구가 다양하게 진행되고 있다. 특히, 다양한 통신대역을 갖는 ISM(Industial Scientific and medical) 통신 대역에 대해 다중 대역을 지원할 수 있으면서도 소형화가 가능한 안테나가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이중 대역에서 동작할 수 있으면서도 소형화할 수 있는 구조의 이중 대역용 소형 모노폴 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 SMA 커넥터와 직접 접속가능하면서도 소형화할 수 있는 이중 대역용 소형 모노폴 안테나를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중 대역용 소형 모노폴 안테나는 유전체 소재로 된 기판과; 상기 기판의 상면에 미앤더 형태로 굴곡지어 상방으로 연장되게 형성된 메인 방사부와; 상기 메인 방사부의 연장방향과 교차하는 방향을 따라 상기 메인 방사부에서 수평상으로 연장된 수평부분과, 수평부분의 종단에서 상방으로 연장된 수직부분을 갖는 보조 방사부와; 상기 메인 방사부의 하부에서 하방으로 연장되게 형성되어 커넥터와 접속되는 커넥터 접속부;를 구비한다.

바람직하게는 상기 메인 방사부와 상기 커넥터 접속부는 기본 동작파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이로 형성되어 있고, 상기 보조 방사부는 상기 기본 동작파장에 대응되는 기본 주파수에 대해 적용하고자 하는 하모닉 주파수의 반파장의 길이에 해당하는 위치에 형성된다.

또한, 상기 커넥터 접속부는 상기 메인 방사부의 굴곡 패턴의 폭 보다 넓은 폭으로 형성된다.

더욱 바람직하게는 상기 메인 방사부와 상기 커넥터 접속부는 기본 주파수 2.45GHz에 대응되는 길이로 형성되어 있고, 상기 보조 방사부의 길이는 4.8mm로 형성된다.

본 발명에 따른 이중 대역용 소형 모노폴 안테나에 의하면, 커넥터와 직접 접속에 의해 접지면을 생략할 수 있어 구조가 단순화되면서도, ISM 통신의 이중 대역에서 동작할 수 있는 장점을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 대역용 소형 모노폴 안테나를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 대역용 소형 모노폴 안테나를 나타내 보인 사시도 이고, 도 2는 도 1의 모노폴 안테나의 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이중 대역용 소형 모노폴 안테나(100)는 기판(101), 메인 방사부(110), 커넥터 접속부(120) 및 보조 방사부(130)를 갖는 구조로 되어 있다.

기판(101)은 직사각 판형 형태의 것이 적용되었다.

기판(101)은 유전상수(ε_r)가 3 내지 6 범위 내에 있는 유전체 소재로 된 것을 적용하고, 바람직하게는 유전상수가 4.2인 FR-4 소재로 된 것을 적용한다.

메인 방사부(110)는 기판(101)의 상면에 상방을 따라 미앤더 형태로 굴곡지 어 연장되게 형성되어 있다.

메인 방사부(110)의 형태는 직사각형 형태로 수직상으로 연장된 영역 중 좌측과 우측에서 지그재그 형태로 4개의 노치를 갖게 노치 형성영역이 삭제된 형태로 형성된 구조로 되어 있다. 즉, 메인 방사부(101)를 구분하면, 후술되는 커넥터 접속부(120)의 좌측 상단에서 상방으로 연장되되 우측 부분이 내측으로 함몰되게 제1노치(111a)를 갖게 형성된 제1부분(111)과, 제1부분(111)에서 상방으로 연장되되 좌측부분이 내측으로 함몰되게 제2노치(112a)를 갖게 형성된 제2부분(112)과, 제2부분(112)에서 상방으로 연장되되 우측부분이 내측으로 함몰되게 제3노치(113a)를 갖게 형성된 제3부분(113)과, 제3부분(113)에서 상방으로 연장되되 좌측부분이 내측으로 함몰되게 제4노치(114a)를 갖게 형성된 제4부분(114)을 갖는 구조 되어 있다.

여기서, 제4부분(114)의 길이는 제1 내지 제3 부분(111 내지 113) 각각의 길이 보다 길게 연장되게 형성되어 있다.

커넥터 접속부(120)는 메인 방사부(110)의 하단의 우측단에서 하방으로 연장된 직사각형 형태로 형성되었다.

커넥터 접속부(120)는 SMA 커넥터(200)의 내선(220)과 접속될 수 있는 길이를 적용하면 된다.

여기서, 메인 방사부(110) 및 커넥터 접속부(120)의 전체 연장길이는 적용하고자 하는 기본 동작 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이로 형성한다.

보조 방사부(130)는 메인방사부(110)의 중간에서 메인 방사부(110)의 연장방 향과 직교하는 우측방향을 따라 수평상으로 연장된 수평부분(131)과, 수평부분(131)의 종단에서 상방으로 연장된 수직부분(132)을 갖는 구조로 형성되어 있다.

여기서 보조 방사부(130)는 커넥터 접속부(120)와 메인 방사부(110)에 의해 결정되는 기본 동작 주파수와는 다른 하모닉 주파수에 대해 안테나(100)가 이중으로 동작할 수 있도록 적용된 것으로 오픈 지점인 커넥터 접속부(120)의 하단으로부터 메인 방사부(110)로 이어지는 선로 상의 길이 중 적용하고자 하는 하모닉 주파수에 대응되는 파장(λ*)의 λ*/2에 해당하는 위치에 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 도시된 SMA 커넥터(200)는 금속 소재로 된 사각 플랜지(210)와, 사각 플랜지(210)의 중앙을 관통하여 설치된 내선(220)을 갖는 구조로 되어 있고, 이 경우 커넥터(200)의 사각 플랜지(210)를 접지면으로 사용할 수 있어 안테나(100)에 별도로 접지면을 형성하지 않아도 되는 장점을 제공한다.

이러한 안테나(100)에서 보조 방사부(130)의 유무에 따른 특성을 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

도 3 및 도 4는 보조 방사부(130)가 생략된 구조의 비교 대상 안테나에 대해 기본 동작 주파수와 하모닉 주파수에서의 전류분포를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 안테나의 길이가 λ/4가 되는 기본 동작 파장에 해당하는 기본 동작 주파수에서의 전류분포는 선로의 연장방향을 따라 위상의 부호가 바뀌지 않기 때문에 전류는 화살표로 표기한 바와 같이 안테나 전체에 걸쳐 같은 방향으로 흐르게 된다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이 동작주파수와 하모닉 관계에 있는 하모닉 주파수, 예를 들면, 안테나의 길이가 하모닉 주파수에 해당하는 파장(λ*)의 λ*3/4에 해당할 경우 안테나의 오픈 지점에서 λ*/2 지점에서 위상의 부호가 바뀌게 되기 때문에 오픈지점을 기준으로 λ*/2의 위상과 나머지 λ*/4의 위상은 반대가 되어 전류는 이지점에서부터 서로 반대가 된다.

한편, 이와는 다르게 보조 방사부(130)가 더 구비된 경우 도 5에 도시된 바와 같이 메인 방사부(110)와 커넥터 접속부(120)는 앞서 설명된 바와 같이 안테나(100)의 전류분포는 진행방향을 따라 위상의 부호가 바뀌지 않기 때문에 전류는 화살표로 표기한 바와 같이 안테나 전체에 걸쳐 같은 방향으로 흐르게 된다. 또한, 기본 동작 주파수에서 보조 방사부(130)는 기재된 화살표 방향을 통해 이해될 수 있는 바와 같이 양 모서리에서 서로 반대 방향의 전류분포가 형성되어 실질적으로 전류가 거의 흐르지 않게 됨으로써 기본 동작주파수에 거의 영향을 미치지 않는다. 한편, 하모닉 주파수에서는 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 위상이 바뀌는 지점에 형성된 보조 방상부(130)의 양 모서리에서 같은 방향의 전류분포가 형성된다. 따라서, 하모닉 주파수에서의 전류분포는 커넥터 접속부(120)와 메인 방사부(110) 뿐만아니라 보조 방사부(130)까지 확장되게 분포함으로써 하모닉 주파수의 전기적인 길이가 길어지게 되고, 그 결과 동작 주파수가 낮아 지게 된다. 결과적으로 보조 방사부(130)의 길이 조정에 의해 기본 동작 주파수는 변하지 않으면서도 하모닉 주파수는 변화시킬 수 있어 주파수간 비를 조절할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 안테나(100)의 동작주파수 특성을 확인하기 위해 유전상수 4.2인 FR-4 소재로 된 두께 0.8 mm, 가로 4mm 및 세로 30mm의 기판(110)에 도전소재를 인쇄기법에 의해 도 1에 도시된 구조로 제작하였다.

제작된 안테나(110)에서 커넥터 접속부(120)의 선폭은 1.8mm 길이는 8mm로 형성하고, 메인 방사부(120)는 선폭(d) 0.8mm 및 길이 22.5mm의 형상에서 노치형성부분에 의해 제거되는 부분이 길이 4mm, 깊이 0.25mm로 되게 하여 형성하고, 보조 방사부(130)의 선폭은 0.5mm 길이는 2.45 및 5.8GHz에서 각각 동작하도록 4.8mm를 적용하였다. 여기서, 커넥터 접속부(120) 및 메인 방사부(110)의 전체 길이는 2.45GHz를 기본 동작주파수로 할 수 있도록 기본 동작파장의 1/4에 해당하는 길이를 적용하였다.

또한, SMA 커넥터(200)의 플랜지(210)는 가로 12.7mm, 세로 12.7mm이고, 내선(220)의 직경은 1.2mm, 길이는 5mm인 것이 적용되었다.

이하에서는 이렇게 제작된 안테나(100)의 성능을 실험한 결과를 설명한다.

먼저, 도 7은 보조 방사부(130)의 길이 변화에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프이다.

도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 보조 방사부(130)의 길이가 길어지면 하모닉 주파수에서의 안테나(100)의 전기적 길이는 더욱 증가하기 때문에 하모닉 동작 주파수가 낮아진다. 또한, 기본 주파수에서는 앞서 설명된 바와 같이 변화가 없다. 또한, 보조 방사부(130)의 길이를 3.8mm부터 6.8mm까지 변화를 주었을 때 하모닉 주파수 대역의 중심 주파수는 5.95에서 5.15GHz로 점진적으로 낮아졌다.

한편, ISM 통신용으로 이중 대역 즉, 2.45 및 5.8GHz에서 각각 동작하도록 보조 방사부(130)의 길이를 4.8mm를 적용하였을 때에 대해 반사손실을 시뮬레이션 한 값과, 측정값이 도 8에 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 시뮬레이션 값의 경우 2.45GHz ISM 대역에서는 2.38에서 2.64GHz까지의 10dB 대역폭을 갖고, 5.8GHz ISM 대역에서는 5.54에서 6.9GHz까지의 10dB 대역폭을 만족한다. 또한, 측정값은 2.33 내지 2.66GHz 대역과 5.55 내지 5.97GHz 대역에서 각각 동작하고, 시뮬레이션 값과 유사함을 알 수 있다.

도 9는 제작된 안테나의 방사패턴을 나타낸 그래프이다. 방사 패턴은 2.45GHz와 5.8GHz에서 측정한 것으로 이중 ISM대역의 주요 주파수에서 측정된 것이다. 최대 이득은 2.45GHz에서 1.354dBi 이고, 5.8Ghz 대역에서 2.105dBi 이다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 대역용 소형 모노폴 안테나를 나타내 보인 사시도 이고,

도 2는 도 1의 모노폴 안테나의 평면도이고,

도 3 및 도 4는 보조 방사부가 생략된 구조의 비교 대상 안테나에 대해 기본 동작 주파수와 하모닉 주파수에서의 전류분포를 설명하기 위한 도면이고,

도 5 및 도 6은 보조 방사부를 갖는 본 발명에 따른 안테나에 대해 기본 동작 주파수와 하모닉 주파수에서의 전류분포를 설명하기 위한 도면이고,

도 7은 보조 방사부의 길이 변화에 따른 반사 손실을 나타내 보인 그래프이고,

도 8은 본 발명에 따른 안테나의 반사 손실에 대해 시뮬레이션 값과 측정값을 비교해 나타내 보인 그래프이고,

도 9는 본 발명에 따른 안테나의 방사 패턴을 나타내 보인 그래프이다.

Claims (4)

1. 유전체 소재로 된 기판과;

   상기 기판의 상면에 미앤더 형태로 굴곡지어 상방으로 연장되게 형성된 메인 방사부와;

   상기 메인 방사부의 연장방향과 교차하는 방향을 따라 상기 메인 방사부에서 수평상으로 연장된 수평부분과, 수평부분의 종단에서 상방으로 연장된 수직부분을 갖는 보조 방사부와;

   상기 메인 방사부의 하부에서 하방으로 연장되게 형성되어 커넥터와 접속되는 커넥터 접속부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 이중 대역용 소형 모노폴 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 메인 방사부와 상기 커넥터 접속부는 기본 동작파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이로 형성되어 있고, 상기 보조 방사부는 상기 기본 동작파장에 대응되는 기본 주파수에 대해 적용하고자 하는 하모닉 주파수의 반파장의 길이에 해당하는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 이중 대역용 소형 모노폴 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 커넥터 접속부는 상기 메인 방사부의 굴곡 패턴의 폭 보다 넓은 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 이중 대역용 소형 모노폴 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 메인 방사부와 상기 커넥터 접속부는 기본 주파수 2.45GHz에 대응되는 길이로 형성되어 있고, 상기 보조 방사부의 길이는 4.8mm로 형성된 것을 특징으로 하는 이중 대역용 소형 모노폴 안테나.

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