KR100777665B1 - 다중 대역의 소형 프랙탈 안테나 - Google Patents

Abstract

다중 대역의 소형 프랙탈 안테나가 개시된다.

개시된 프랙탈 안테나는, 마이크로스트립 기판; 상기 기판의 상면의 일부에 형성된 것으로, 제1 공진 주파수를 구현하기 위한 다각형 형태의 복사 패치; 적어도 하나 이상의 공진 주파수를 구현하기 위해 상기 복사 패치에 형성된 프랙탈 형상의 슬롯: 상기 기판의 하면에 위치되는 접지면; 상기 접지면에서부터 상기 기판을 통해 복사 패치까지 결합된 급전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 프랙탈 형상의 슬롯을 이용하여 다중 대역을 구현하고, 동일한 기판 상에 복사 패치와 접지면을 구비하여 안테나를 소형화한다.

Description

다중 대역의 소형 프랙탈 안테나{Small fractal antenna for multi-band operation}

도 1은 종래의 프랙탈 안테나를 도시한 것이다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프랙탈 안테나의 평면도이다.

도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프랙탈 안테나의 배면도이다.

도 3은 도 2a의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이다.

도 4는 도 2a에 도시된 프랙탈 안테나의 공진 주파수를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 y-z 평면과 x-y 평면에 대해 제1 공진 주파수 대역에서의 복사 패턴을 보여준 것이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 y-z 평면과 x-y 평면에 대해 제2 공진 주파수 대역에서의 복사 패턴을 보여준 것이다.

도 7a 및 도 7b는 각각 y-z 평면과 x-y 평면에 대해 제3 공진 주파수 대역에서의 복사 패턴을 보여준 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 설명>

1...기판, 2...복사 패치

3,4,5...슬롯, 6...급전부

7...접지면

본 발명은 프랙탈 형상을 이용하여 다중 대역의 특성을 가지면서도 소형화된 다중 대역 프랙탈 안테나에 관한 것이다.

안테나는 무선통신에서 통신의 목적을 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유지시키기 위해 공중에 가설한 도선으로서, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다. 안테나는 사용하는 주파수에 따라 모양이 여러 가지로 달라지는데, 안테나가 효율적으로 동작하도록 안테나를 사용하고자 하는 주파수로 공진시키게 된다. 하지만, 세계적으로 다양한 무선통신 표준이 존재하며, 각각은 상이한 주파수 대역을 사용하므로 하나의 단말기로 이들 모두의 주파수 대역에서 사용하기 위해서는 안테나가 다수의 공진 주파수를 가져야 한다.

또한, 현대 사회에서 필수품으로 되어가고 있는 무선 통신기기 중 휴대폰과 같은 휴대형 무선 통신기기가 소형화, 경량화 되면서 안테나 또한 소형화, 경량화되는 추세에 있다. 소형화 뿐만 아니라 다중 대역 혹은 광역 안테나들에 대한 수요가 급증하고 있다. 따라서, 안테나의 성능을 더욱 향상시키면서 크기는 보다 작게 하려는 연구가 활발하다. 이러한 요구에 부응하여 프랙탈 구조를 이용한 새로운 형태의 안테나가 그 중 한 분야로 각광받고 있다.

프랙탈이란 부분이 전체를 닮는 자기 유사성(Self-Symmetry)과 순환성을 특징으로 갖는 형상을 말한다. 곡선의 어떤 한 부분을 확대했을 때 전체 곡선과 정확히 일치하는 현상을 자기 유사성이라고 한다. 칸토로 집합, 코흐 커브(Koch curve), 시어핀스키(Sierpinski) 삼각형 등이 그러한 예이며, 자연계에서도 이러한 형상을 쉽게 찾아볼 수 있으므로, 구현 가능한 프랙탈 형상은 매우 다양하다. 특히, 시어핀스키 가스켓은 평판의 삼각형 도체면에 삼각형의 슬롯이 프랙탈의 규칙성을 가지고 존재하므로 안테나로 만들 경우 슬롯에 의한 다중 공진이 유발되어 다중 대역 안테나로서의 응용 가능성이 있다. 더 나아가 무선 통신 휴대기기 분야에서의 회로적인 발전 추세와 더불어, 근래에는 기존의 외장형 안테나가 가지고 있는 단점을 보완하면서 소비자의 욕구 만족을 위한 대안으로서, 내장형 안테나를 탑재한 세련된 디자인을 가진 슬림한 휴대기에 대한 수요가 증가되고 있다.

다중 대역 구현을 위한 종래의 프랙탈 안테나가 미국공개특허 US 2005/0110688호에 개시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 프랙탈 안테나는 사각형의 접지면(101) 위에 슬롯(103)을 가지는 복사 패치(102)가 구비된 모노폴 안테나이다. 이러한 모노폴 안테나는 유한한 접지면의 영향으로 인해 복사 패턴에 리플이 많이 생기고, 접지면과 패치 면적 때문에 전체 안테나의 면적이 크게 증가되어 휴대기기에 내장하기 어렵다. 또한, 일반적인 프랙탈 안테나의 경우 프랙탈을 형성할 때 단계별 축적도(scale factor)가 고정되어 있으므로 슬롯의 형상이 일정하여 공진 주파수의 조절이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 급전 구조를 개선하여 기판 형태로 제작 가능하게 함으로써 소형화되고, 가변적인 축적도를 사용하여 공진 주파수의 조절이 가능한 다중 대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다중 대역의 소형 프랙탈 안테나는, 마이크로스트립 기판; 상기 기판의 상면의 일부에 형성된 것으로, 제1 공진 주파수를 구현하기 위한 다각형 형태의 복사 패치; 적어도 하나 이상의 공진 주파수를 구현하기 위해 상기 복사 패치에 형성된 프랙탈 형상의 슬롯: 상기 기판의 하면에 위치되는 접지면; 상기 접지면에서부터 상기 기판을 통해 복사 패치까지 결합된 급전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복사 패치는 직각 삼각형 형태를 가질 수 있다.

상기 슬롯은 제2 공진 주파수를 구현하기 위해 직각 삼각형 형태를 가질 수 있다.

상기 슬롯은 제3 공진 주파수를 구현하기 위해 직각 삼각형 및 이등변 삼각형 형태를 가질 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 프랙탈 안테나에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 프랙탈 안테나는 도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하면 기판(1)의 상면 일부에 제1 공진 주파수를 구현하기 위한 다각형 형태의 복사 패치(2)와, 적어도 하나 이상의 공진 주파수를 구현하기 위해 상기 복사 패치(2)에 형성된 프랙탈 형상의 슬롯(3,4,5)을 포함한다. 본 발명에서는 복사 패치(2)와 슬롯을 이용하여 다중 대역을 구현하며, 상기 기판(1)의 하면에는 접지면(7)이 구비된다.

상기 기판(1)으로는 마이크로스트립 기판이 사용될 수 있으며, 예를 들어 FR4 기판으로 제작함으로써 제작이 용이하고, 저렴한 비용으로 대량 생산을 할 수 있다. 본 발명에서는 동일한 기판 상에 복사 패치와 접지면을 형성함으로써 전체 두께를 1mm 이하로 줄여 소형화된 평판형 안테나를 제공할 수 있다.

상기 복사 패치(2)는 그 자체로 하나의 공진주파수를 가지며, 복사 패치(2)의 형태 및 크기를 조절하여 제1 공진 주파수를 조절할 수 있다. 복사 패치(2)는 다각형 형태 예를 들어, 삼각형 형태 또는 직각 삼각형 형태로 이루어질 수 있으며, 삼각형 패치의 크기는 패치의 높이와 플레어 각도(flare angle)에 의해 결정된다. 복사 패치의 높이가 클수록 또는 플레어 각도가 클수록 복사 패치의 크기가 증가되며, 제1 공진 주파수는 감소한다. 반대로, 복사 패치의 크기가 감소하면, 제1 공진 주파수는 증가한다.

상기 슬롯은 복수 개로 구성되어 2차 이상의 공진 주파수를 구현하기 위한 것으로, 프랙탈 형상 예를 들어 삼각형 형태를 가질 수 있다. 도 2a에서는 제1, 제2 및 제3 슬롯(3)(4)(5)을 구비한 예를 도시하였다. 제1 슬롯(3)은 제2 공진 주파수를 구현하기 위한 것으로, 슬롯의 형태 및 크기를 변화시켜 제2 공진 주파수를 조절할 수 있다. 상기 제2 및 제3 슬롯(4)(5)은 제3 공진 주파수를 구현하기 위한 것으로, 예를 들어 제2 슬롯(4)은 직각 삼각형 형태를 가지고, 제3 슬롯(5)은 이등 변 삼각형 형태를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 슬롯의 축소도를 조절하여 원하는 공진 주파수를 얻을 수 있다.

일반적으로 프랙탈 형상의 축소도 값이 커지면 상대적으로 높은 주파수에서 공진이 일어나고 반대로 축소도 값이 작아지면 상대적으로 낮은 주파수에서 공진이 일어난다. 종래의 프랙탈 안테나 형상은 삼각형 패치 내부의 플레어 각도와 높이가 일정하게 구성되어 삼각형 패치의 크기에 따라서 공진 주파수가 결정되어 공진 주파수를 가변 할 수 없는 단점을 가지고 있으나, 본 발명에서는 삼각형 내부의 플레어 각도와 높이를 가변하여 공진 주파수를 조절할 수 있다. 즉, 종래에는 최 외곽의 삼각형 패치의 중간 지점들을 연결하여 내부 삼각형 패치를 구성함으로써 삼각형 패치의 크기가 고정이 되고 이에 따라서 공진 주파수도 고정되었으나 본 발명에서는 삼각형 패치의 높이와 플레어 각도의 조절이 가능하다.

상기한 바와 같이 복사 패치의 형상 및 크기를 조절하여 제1 공진 주파수 대역은 885-966 MHz 범위에 있도록 하고, 제1 슬롯의 형상 및 크기를 조절하여 제2 공진 주파수는 1714-1850 MHz 범위에 있도록 하며, 제3 공진 주파수는 제2 및 제3 슬롯의 형상 및 크기를 조절하여 2470-2631 MHz 범위에 있도록 한다. 본 발명에서는 기판상에 복사 패치와 슬롯을 구비하여 다중 대역을 구현함과 아울러 안테나를 소형화시킨다. 도 3에서는 3중 대역을 구현한 안테나의 예를 도시하였으나 3중 대역 이상의 다중 대역을 구현할 수 있음은 물론이다. 소형화에 따라 휴대 통신 기기에 내장 가능한 이점이 있다.

한편, 본 발명에서는 프랙탈 형상의 대칭성을 이용하여 종래 프랙탈 안테나 에 비해 전체 안테나의 크기를 50% 정도 줄일 수 있다. 다시 말하면, 도 1에 도시된 안테나에서는 삼각형 형태의 프랙탈 형상을 이용하여 다중 대역을 구현하고 있으나 본 발명에서는 이러한 삼각형 형태의 1/2인 직각 삼각형 형태의 패치와 슬롯을 이용하여 다중 대역을 구현한다.

본 발명에서는 기판(1)의 상면에는 복사 패치(2)가 구비되고, 기판의 하면에는 접지면(7)이 구비된다. 상기 접지면(7)의 크기와 형태에 따라서 안테나의 공진 주파수 대역이 달라진다. 한편, 접지면의 크기와 위치에 따라 공진 주파수와 대역폭이 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 접지면(7)은 상기 복사 패치(2)가 위치된 영역과 중첩되지 않는 영역에 구비될 수 있다. 또는, 복사 패치보다 작은 크기의 접지면을 복사 패치의 아래쪽에 위치하도록 하는 것도 가능하다.

또한, 상기 접지면(7)에서부터 상기 기판(1)을 통해 복사 패치(2)까지 급전부(6)가 결합된다.

도 4는 상기와 같이 구성된 안테나를 시뮬레이션한 결과로서, 제1 공진 주파수는 900 MHz이고, 제2 공진 주파수는 1800 MHz이며, 제3 공진 주파수는 2500 MHz로 나타났다.

도 5a 및 도 5b는 각각 y-z 평면과 x-y 평면에 대해 제1 공진 주파수 대역에서의 복사 패턴을 보여준 것으로, 전류의 흐름이 복사 패치와 접지면의 전 영역을 따라 형성되어 다이폴 안테나의 특성을 보인다. 도 6a 및 도 6b는 각각 y-z 평면과 x-y 평면에 대해 제2 공진 주파수 대역에서의 복사 패턴을 보여준 것으로, y-z 평 면 방향으로 균등한 복사 패턴을 가진다. 그리고, 전체 이득이 1차 공진 주파수 대역보다 증가하였다. 도 7a 및 도 7b는 각각 y-z 평면과 x-y 평면에 대해 제3 공진 주파수 대역에서의 복사 패턴을 보여준 것으로, 주파수가 증가함에 따라 x-y 평면상에서의 복사 패턴에서 지향성을 보이고 있다.

본 발명에 따른 프랙탈 안테나는 프랙탈 형상의 슬롯을 이용하여 다중 대역 을 구현하고, 프랙탈 형상의 대칭성을 이용하여 전체 프랙탈 형상의 절반만을 활용함으로써 크기를 크게 줄여 소형화할 수 있다. 또한, 동일한 기판 상에 복사 패치와 접지면을 형성하여 종래의 모노폴이나 PIFA(Planar Inverted F Antenna)형 안테나에 비해 높이를 줄임으로써 전체적인 부피를 감소시킨다. 따라서, 상용 통신 및 군 통신용 다중 대역 안테나에 널리 응용될 수 있으며, PCB 기판을 이용하여 생산 비용을 낮출 수 있으며, 휴대 무선 기기의 내장형 다중 공진 안테나에 적용될 수 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (5)

1. 마이크로스트립 기판;

   상기 기판의 상면 일부에 부착된 것으로, 제1 공진 주파수를 구현하기 위한 다각형 형태의 복사 패치;

   적어도 하나 이상의 공진 주파수를 구현하기 위해 상기 복사 패치에 형성된 프랙탈 형상의 슬롯:

   상기 기판의 하면에 위치되는 접지면;

   상기 접지면에서부터 상기 기판을 통해 복사 패치까지 결합된 급전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 프랙탈 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 복사 패치의 높이와 플레어 각도를 조절하여 단계별 축적도를 조절하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 프랙탈 안테나.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 복사 패치는 직각 삼각형 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 프랙탈 안테나.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 슬롯은 제2 공진 주파수를 구현하기 위해 직각 삼각형 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 프랙탈 안테나.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 슬롯은 제3 공진 주파수를 구현하기 위해 직각 삼각형 및 이등변 삼각형 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 프랙탈 안테나.

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