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KR101039812B1 - 슬롯 유형의 평면 안테나 - Google Patents

슬롯 유형의 평면 안테나 Download PDF

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KR101039812B1
KR101039812B1 KR1020030033601A KR20030033601A KR101039812B1 KR 101039812 B1 KR101039812 B1 KR 101039812B1 KR 1020030033601 A KR1020030033601 A KR 1020030033601A KR 20030033601 A KR20030033601 A KR 20030033601A KR 101039812 B1 KR101039812 B1 KR 101039812B1
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slot
feed line
antenna
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베르나르 드니
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프랑소와즈 르볼제
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톰슨 라이센싱
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Abstract

본 발명은 주어진 주파수에서 동작하도록 크기가 설정되며 슬롯이 급전선(feed line)의 단락 회로면에 있도록 위치한 급전선(12)에 의해 공급되는 폐곡선으로 구성되는 슬롯(11)을 포함하는 기판에 수용되는 평면 안테나(planar antenna)에 관한 것이다. 이 안테나는, 슬롯(11) 상에서 병렬로, 평면 안테나의 동작 주파수 대역을 변경하기 위해서 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 있을 수 있는 적어도 하나의 스위칭 수단(13)을 포함한다. 이 안테나는 국내 무선 네트워크에 특히 적합하다.

Description

슬롯 유형의 평면 안테나 {IMPROVEMENT TO PLANAR ANTENNAS OF THE SLOT TYPE}
도 1은 종래 기술에 따르는 환상 슬롯 유형의 평면 안테나를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 안테나의 등가 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 평면도.
도 4a 및 4b는 도 3의 안테나의 등가 회로도.
도 5는, 다이오드의 양쪽 상태(ON 또는 OFF)에 대해서, 다이오드가 슬롯에 대해 개방-회로면에 있을 때, 도 3에서의 안테나의 주파수의 함수로서 반사 계수를 나타내는 도면.
도 6은 다이오드의 다양하게 가능한 위치를 보여주는, 본 발명에 따르는 안테나의 개략적인 평면도.
도 7은 다이오드의 다양하게 가능한 위치에 대해서 주파수의 함수로서 반사 계수를 제공하는 곡선을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 다른 실시예를 따르는 단락 회로면의 양측 상에 두 개의 다이오드를 구비한 환상 슬롯-유형 안테나의 개략적인 평면도.
도 9는 다이오드의 양쪽 상태에 대해서, 도 8에서의 안테나에 대해 주파수의 함수로서 반사 계수를 제공하는 도면.
< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 기판 11: 환상 슬롯
12, 14: 급전선 13, 13': 다이오드
본 발명은 평면 안테나에 관한 것이며, 더 상세하게는 무선 네트워크, 특히 개별 주파수 대역에서 동작하는 무선 네트워크에 적합한 슬롯 유형의 멀티대역 평면 안테나에 관한 것이다.
모바일 또는 국내 무선 네트워크(domestic wireless network)를 전개시키는 범주에서, 안테나의 설계는 다양한 주파수가 이러한 네트워크에 할당되는 방식으로부터 유래하는 특수한 문제와 직면한다. 예컨대, IEEE802.11a 또는 하이퍼랜2 표준에서 국내 무선 네트워크의 경우에, 5 GHz 대역에서 동작하는 두 개의 개별 주파수 블록이 아래의 표에 보여지는 바와 같이, 다양한 오퍼레이터에 할당된다.
기술 응용 주파수 대역(GHz)
유럽 BRAN/HYPERLAN2 국내 네트워크 (5.15-5.35)(5.47-5.725)
US-IEEE 802.11a 국내 네트워크 (5.15-5.35)(5.725-5.825)
단일 표준 또는 양쪽 표준에 대해서 동시에 이든지, 양쪽 주파수 대역을 커버하기 위해서, 다양한 해결책이 제시되었다. 가장 명료한 해결책은 동시에 양쪽 주파수 대역을 커버하는 넓은 주파수 대역을 가진 안테나를 이용하는 것이다. 이 유형의 넓은-주파수-대역 안테나는 일반적으로 복잡한 구조이며 고가이다. 또한 넓은-대역 안테나의 이용은, 5.35 GHz 및 5.47 GHz 사이에 있는 특정 응용에 할당되지 않는 대역을 또한 포함하며, 안테나에 의해 커버되는 대역을 통해서 동작할 수 있는 재머(jammer) 및 잡음 대역폭으로 인한 수신기의 성능 저하와 같은, 다른 단점을 가진다. 넓은-주파수-대역 안테나를 이용하는 것은 대역 외부 송신 전력 마스크 또는 프로파일, 즉 할당된 대역 내부뿐만 아니라 이 대역 외부에서 송신되도록 허용되는 최대 전력을 따르기 위해서, 송신기에 대해 더 엄격한 필터링 제약을 포함한다. 이는 추가적인 손실 및 장비에 대한 추가 비용을 수반한다.
무선 네트워크에서, 주어진 순간에, 안테나는 두개의 대역 중 하나 또는 다른 하나에 있는 약 20 MHz 의 폭을 가지는 채널을 더 커버한다. 넓은-주파수-대역 안테나와 연관되는 단점을 피하는 것을 가능하게 만드는 하나의 해결책은 전자적으로 튜닝될 수 있는 주파수를 가지는 안테나를 이용하는 것일 수 있다.
도1에 도시된 바와 같은, 주어진 주파수(f)에서 동작하는 환상 슬롯(1)으로 구성되는 평면 안테나가 또한 알려져 있으며, 슬롯은 급전선(feed line)(2)에 의해 공급된다. 더 상세하게는, 양 쪽 면상에 금속화된 보통의 인쇄 회로로 구성되는 기판 상에서, 원형일 수 있지만 임의의 폐쇄(closed) 형태를 가질 수 있는 환상 슬롯(1)은 안테나의 접지면을 구성하도록 의도된 측면 상에 통상적으로 에칭하여 생성된다. 급전선(2)은 전자기 커플링에 의해 에너지를 슬롯(1)에 공급하고자 의도된다. 예컨대, 도시된 실시예에서, 이는 슬롯(1)으로부터 기판의 다른 측면 상에 위치하며, 이 슬롯을 형성하는 원형에 대해 방사상으로 배향되는, 마이크로스트립 기술로 생성되는 라인으로 구성된다.
이 실시예에서, 안테나의 마이크로스트립 라인-환상 슬롯 전이는, 슬롯(1)이 라인 단락 회로면, 즉 전류가 가장 강한 영역에 있도록 알려진 방식으로 생성된다. 그러므로,
Figure 112008036049116-pat00001
, 여기서
Figure 112008036049116-pat00002
은 라인의 관내 파장이며, k는 홀수인 정수이다. 길이(
Figure 112008036049116-pat00003
)는 라인(2)의 50Ω매칭을 달성하기 위해서 선택된다. 이러한 경우에, 슬롯(1)의 원주(p)는 슬롯에서의 관내 파장의 배수(m)와 동일하도록 선택되며, m은 양의 자연수이다. 그러므로, P=2πR=mλ이며, 여기서 λ는 슬롯에서의 관내 파장이다. 이러한 경우에, 다양한 모드의 공진 주파수는 실제로 주파수(f)의 배수이며, 이 모드는 기본 모드, 고차 모드 등등에 해당한다.
그러므로 이러한 유형의 안테나는 도 2에 도시된 바와 같은 병렬 RLC 회로에 의해 공진 주파수(f) 주위에서 모델링될 수 있다. 그러므로 관계식(
Figure 112010014597483-pat00004
)은 ω=2πf인 공진 주파수에서 획득되며, f는 공진 주파수와 동일하다.
전술한 안테나는 간결한 구조를 가지며 생산하기 쉽다는 특별한 이점을 제공한다. 다이오드의 등가 회로, 특히 PIN 다이오드는 다이오드가 OFF 상태에 있을 때 용량성 회로이거나, 다이오드가 ON 상태에 있을 때 유도성 회로이라는 것이 당업자에게 또한 알려져 있다.
그러므로, 본 발명은 환상 슬롯 유형의 평면 안테나의 개선에 관한 것이며, 이는 넓은-주파수-대역 안테나와 연관되는 어려움 및 단점을 피하는 동시에 복수의 주파수 대역의 커버리지(coverage)를 제공하는 것을 가능하게 한다.
그러므로, 본 발명은 슬롯이 급전선의 단락 회로면에 있도록 위치한 급전선에 의해 공급되며 주어진 주파수에서 동작하도록 크기가 결정된 폐곡선으로 구성되는 슬롯을 포함하는 기판에 수용되는 평면 안테나에 관한 것으로, 평면 안테나의 동작 주파수 대역의 폭 및 중심 주파수를 변경하기 위해서 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 있을 수 있는 복수의 스위칭 수단을, 슬롯 상에 병렬로, 포함하는 것을 특징으로 한다.
스위칭 수단은 바람직하게, 주파수의 연속적인 조정을 허용하는 버랙터 (varactor) 또는 다이오드로 구성된다. 대안적인 실시예에 따라서, 다이오드는 적어도 버랙터와 병렬로 배치된다. 또한, 스위칭 수단은 최소 값을 주는 슬롯에 대해 전기적 단락 회로면과 최대 값을 주는 슬롯에 대해 전기적 개방 상태 평면 사이에, 안테나에 대해 바람직한 공진 주파수의 함수로서, 병렬로 배치된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 아래의 주어진 설명을 판독함으로서 명료해질 것이다.
도면의 설명을 간략하게 하기 위해서, 동일한 요소는 동일한 참조번호를 갖는다.
본 발명의 제 1 실시예가 먼저 도 3 내지 5를 참조하여 설명될 것이다. 그러므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 평면 안테나는 기판(10) 상에 알려진 방식으로 생성된 환상 슬롯(11)으로 구성된다. 이 환상 슬롯(11)은 급전선(12), 더 상세하게는 무선 주파수 공급단에 연결된 마이크로스트립 라인에 의해 공급된다. 더 나아가, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속화된 홀에 의해 종료되는 급전선(14)는 안테나의 연속적인 제어를 제공한다. 이러한 유형의 안테나는 측정을 위해 생성되었다. 이러한 경우에, 안테나는 높이(h=0.81 mm), 유전 상수 (dielectric constant)(
Figure 112008036049116-pat00005
=3.38), 및 탄젠트(δ=0.0022)를 가지는 RO4003 기판 상에 생성된다. 이러한 경우에, 알려진 방식으로 금속화된 기판은 길이(L=35 mm) 및 폭(W=30mm)의 접지면을 형성한다. 환상 슬롯은 반지름(R=6.7 mm) 및 폭(WS=0.4 mm)을 가진다. 마이크로스트립 라인(12)은 슬롯(11)이 급전선의 단락 회로면에 있도록 위치한다. 그러므로, 급전선(12)은 길이(
Figure 112008036049116-pat00006
) 만큼 슬롯(11)과 중첩하며, 여기서
Figure 112008036049116-pat00007
은 라인에서의 관내 파장이며 k는 홀의 정수이다. 본 발명의 경우에,
Figure 112008036049116-pat00008
=8.5mm 이다. 라인(12)의 폭은 Wm=0.3 mm 이다. 더 나아가, 급전선(12)은 커넥터의 표준 임피던스에 매칭된 50Ω임피던스의 길이에 의해 종료되어 그 결과 L50Ω=4.8 mm 및 W50Ω=1.85 mm 가 된다.
본 발명에 따라서, 다이오드(13), 즉 제시된 실시예에서 HP 다이오드(Ref: HSMP-489B)와 같은 PIN 다이오드는 슬롯(11)상에 병렬로 위치한다. 도 3의 실시예에서, 이 다이오드(13)는 슬롯(11)의 개방 회로면에 위치한다. 이 다이오드(13)는 OFF 상태 또는 ON 상태 중 어느 한 상태에 있도록 허용하기 위한 (미도시된) 제어 회로에 연결되어 있다.
병렬로 다이오드가 제공되는 환상 슬롯을 가지는 유형의 안테나의 동작은 도 4a 및 4b를 참조하여 더 상세하게 이제 설명될 것이다.
다이오드가 OFF 상태에 있다면 이 다이오드의 동작은 용량성 동작을 하므로, 도 4a에서 그와 등가인 회로, 즉 Ce=C+Cd가 되도록 값을 가지는 커패시턴스(Ce )를 주는 병렬 연결된 두개의 커패시터(C 및 Cd)가 이 경우에 달성된다. 알려진 방식으로, 이 회로의 공진 주파수(f')는 조건(
Figure 112003018803928-pat00009
이며,
Figure 112003018803928-pat00010
)에 의해 주어진다. Ce는 어떠한 다이오드도 없는 슬롯에 해당하는 값(C)보다 더 높은 값을 가지므로, 이로부터 주파수(f')가 임의의 다이오드가 없는 슬롯의 주파수(f)보다 더 낮다는 것이 유추될 수 있다.
ON 상태에 있은 다이오드는 유도성 동작을 가지므로, 도 4b에서 그와 등가인 다이어그램이 획득되며, 여기서 두개의 인덕턴스(L 및 Ld)는 병렬연결되어 있다. 이러한 경우에, 등가 인덕턴스의 값(Le)은 Le=LLd/(L+Ld)와 등가이다. 이 회로에서, 동작 주파수(f'')는 새로운 공진 조건(
Figure 112003018803928-pat00011
이며
Figure 112003018803928-pat00012
)에 의해 주어진다. Le 는 L보다 작으므로, 주파수(f'')는 어떤 다이오드도 없는 슬롯의 주파수(f)보다 더 높다는 것이 유추될 수 있다. 다이오드(13)의 상태를 제어하면, 그러므로 도 3의 안테나의 공진 주파수를 제어하는 것이 가능하다.
그러므로 병렬 연결된 복수의 다이오드를 넣는 효과는:
1/ OFF 상태에 있는 다이오드에 대해 획득된 저주파수(f')와 어떤 다이오드 도 없는 경우의 주파수(f) 사이의 차이를 증가시킬 것이며,
2/ ON 상태에 있는 다이오드에 대해 획득되는 고주파수(f'')와 임의의 다이오드의 부재시 주파수(f)사이의 차이를 증가시킬 것이다.
그러므로, 임의의 다이오드 부재시의 슬롯의 공진 주파수에 대해 다소 대칭적이며 다소 넓은 대역에서 도 3의 안테나의 공진 주파수를 제어하는 것이 가능하다.
도 5의 곡선은 도 3의 안테나 구조에 대해서, OFF 상태로부터 ON 상태로 PIN 다이오드(13)를 스위칭하는 것은 OFF 상태에 있는 다이오드에 대해 대략 4.8 GHz 의 주파수로부터 ON 상태의 다이오드의 대해 대략 7.1 GHz 의 주파수로 변경하는 것을 가능하게 한다는 것을 명확하게 보여준다.
슬롯에 다이오드 또는 다이오드들을 배치시켜 생성된 효과는 이제 도 6 및 7을 참조하여 보여질 것이며, 이 효과는 슬롯의 동작 주파수상에 영향을 미친다.
그러므로, 도 6은 예컨대 마이크로스트립 라인(12)에 의해 공급되는 환상 슬롯(11)을 개략적으로 도시한다. 이 도면에서, 다이오드는, 다이오드(13)에 대해서 말하자면, 개방 회로면에 해당하는 위치와 다이오드(13')에 대해서 말하자면 단락 회로에 해당하는 위치 사이의 다양한 위치에서 슬롯 내에 병렬로 삽입된다. 다른 다이오드는 예를 들면 단락 회로면으로부터 22°, 45°및 60°로 위치된다. 다이오드와 공진 슬롯(11)의 커플링은 이 경우에 변경되며, 이는 OFF 상태의 경우에, 등가 커패시턴스의 정확한 값 또는 ON 상태의 경우에 인덕턴스의 정확한 값을 변경한다. 다이오드(13')가 전기적 단락 회로면에 위치하면, 이로 인해 이는 제로 임피던스와 병렬로 (상태에 따라, 유도성 또는 용량성인) 임피던스에 기여한다. 그러므로 그 영향은 최소화된다. 다이오드(13)가 개방 회로면에 위치하면, 반대로, 이는 무한 임피던스와 병렬로 임피던스에 기여하며 이의 효과는 최대이다. 획득된 다양한 결과가 도 7에 도시되어 있으며, 이 도면은 GHz 단위로 주파수의 함수로서 dB로 반사 계수(S11)를 제공한다.
도 8 및 9는 본 발명의 대안적인 실시예를 나타낸다. 도 8은 도 3에서처럼 마이크로스트립 라인(12)에 의해 공급되는 슬롯 안테나(11) 및 안테나의 연속적인 값을 제어하는 마이크로스트립 라인(14)으로 구성되는 평면 안테나를 도시한다. 이 경우에, 도 8에 도시된 바와 같이, 두 개의 다이오드(15A, 15B)가 SC 평면으로 언급되는 슬롯에 대한 단락 회로면의 양측에서 슬롯 상에 병렬로 삽입된다. 이 실시예에서, 두 개의 다이오드(15A 및 15B) 사이의 거리(d)는 2.8 mm와 동일하다. 다이오드가 이 경우에 OFF 상태로부터 ON 상태로 변경한다면, 동작 주파수는, GHz 의 주파수의 함수로서 dB로 반사 계수(S11)를 제공하는 도 9에 제시된 바와 같이 5.54 GHz 로부터 5.94 GHz로 변경한다. 그러므로 500 MHz의 주파수 시프트가 관찰된다.
더 나아가 방사 다이어그램 측정이 도 8에 제시된 바와 같은 안테나 모델을 가지며 앞서 주어진 치수를 가지는 울림이 없는 챔버(anechoic chamber)에서 수행되었다. 이 경우에 다이오드는 안테나 슬롯의 기본 방사를 교란하지 않는다는 것이 발견되었다.
본 발명은 스위칭 수단으로서 PIN 다이오드를 참조하여 설명되었다. 다른 스위칭 수단, 특히 주어진 주파수 범위에서 공진 주파수의 준-연속적인 제어를 허용 하는 버랙터가 이용될 수 있다는 것이 당업자에게 명료하다. 구체적으로, 버랙터는 단말기에 인가되는 전압의 함수로서 감소하는 접합 커패시턴스(OFF-상태 다이오드)를 제어하는 것을 가능하게 하는 (전형적으로 리버스 바이어싱된 다이오드인) 전자 성분이다. 그러므로 버랙터의 바이어스 전압을 연속적으로 변경하여 안테나의 공진 주파수를 변경하는 것을 가능하게 한다. 버랙터는 하나 이상의 범위를 통해서 준-연속적인 주파수 제어를 허용하기 위해서, 적어도 하나의 PIN 다이오드와 연관될 수 있다. 더 나아가 슬롯은 환상 형태 이외의 다른 닫혀진 형태를 가질 수 있다. 이는 정사각형, 삼각형, 직사각형과 같은 다각형을 가질 수 있다. 그러므로 전술한 본 발명은, 특히 IEEE802.11a 또는 하이퍼랜2 표준에 해당하는 다수의 주파수 대역에서 동작할 수 있는 간결하면 저가의 평면 안테나를 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 평면 안테나에 관한 것이며, 더 상세하게는 무선 네트워크, 특히 개별 주파수 대역에서 동작하는 무선 네트워크에 대해 적합한 슬롯 유형의 멀티대역 평면 안테나에 효과적이다.

Claims (6)

  1. 멀티대역 평면 안테나로서,
    접지면을 구성하는 금속화된 면을 구비하는 기판(10)과,
    상기 기판(10)의 금속화된 면에 형성되고 정해진 주파수에서 동작하도록 크기 설정된 폐곡선으로 이루어진 환상 또는 다각형 슬롯(11)과,
    상기 슬롯(11)의 반대쪽 기판 면에 형성되고 상기 슬롯(11)을 가로질러 배치되어 급전선(12)과 슬롯(11)의 전이부를 형성하며 상기 슬롯(11)에 에너지를 공급하는 급전선(feed line)(12)
    을 포함하며,
    적어도 하나의 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단(13; 13, 13')이 마이크로 스트립의 급전선(12)과 슬롯(11)의 전이부와는 반대쪽 슬롯(11) 상에 있는 전류가 가장 작은 개방 회로면(OC)의 영역에, 또는 상기 개방 회로면(OC)으로부터 단락 회로면(SC)까지 이어지는 여러 다른 위치들에 상기 마이크로 스트립의 급전선(12)과 병렬로 위치하며,
    상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단(13)은 이 수단(13)을 OFF 상태 또는 ON 상태로 하는 것을 가능하게 하는 제어 회로에 연결되어, 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단(13)의 상태를 제어하는 것에 의해 상기 멀티대역 평면 안테나의 공진 주파수를 제어하는 것이 가능한, 멀티대역 평면 안테나.
  2. 멀티대역 평면 안테나로서,
    접지면을 구성하는 금속화된 면을 구비하는 기판(10)과,
    상기 기판(10)의 금속화된 면에 형성되고 정해진 주파수에서 동작하도록 크기 설정된 폐곡선으로 이루어진 환상 또는 다각형 슬롯(11)으로서, 상기 슬롯(11)은 상기 기판(10)의 금속화된 면을 상기 슬롯(11)의 내부에 있는 제 1 금속화된 면과 상기 슬롯(11)의 외부에 있는 접지면을 형성하는 제 2 금속화된 면으로 분리하는, 환상 또는 다각형 슬롯(11)과,
    상기 슬롯(11)의 반대쪽 기판 면에 형성되고 상기 슬롯(11)을 가로질러 배치되어 급전선(12)과 슬롯(11)의 전이부를 형성하며 상기 슬롯(11)에 에너지를 공급하는 급전선(feed line)(12)
    을 포함하며,
    2개의 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단(15A, 15B)이 안테나의 주파수 특성을 제어하는, 상기 슬롯(11)의 외부로부터 상기 슬롯(11)의 내부에 있는 상기 기판(10)의 제 1 금속화된 면으로 이어지고 상기 슬롯(11)의 내부에 있는 상기 제 1 금속화된 면에 전기적으로 연결된 제 2 급전선(14)으로 구현된 단락 회로면(SC)의 양측 슬롯 상에 거리(d)를 두고 병렬로 배치되고,
    상기 2개의 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단(15A, 15B)은 상기 슬롯(11)의 내부에 있는 상기 제 1 금속화된 면을 상기 슬롯(11)의 외부에 있는 접지면을 형성하는 상기 제 2 금속화된 면에 전기적으로 연결하기 위해 이 수단(15A, 15B)을 OFF 상태 또는 ON 상태로 하는 것을 가능하게 하는 제어 회로에 연결되어, 상기 2개의 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단(15A, 15B)의 상태를 제어하는 것에 의해 상기 멀티대역 평면 안테나의 공진 주파수를 제어하는 것이 가능한, 멀티대역 평면 안테나.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 가능한 다이오드 유형의 수단은 PIN 다이오드인 것을 특징으로 하는, 멀티대역 평면 안테나.
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