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KR101319246B1 - 루프 안테나 및 이의 제조 방법 - Google Patents

루프 안테나 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101319246B1
KR101319246B1 KR1020120036345A KR20120036345A KR101319246B1 KR 101319246 B1 KR101319246 B1 KR 101319246B1 KR 1020120036345 A KR1020120036345 A KR 1020120036345A KR 20120036345 A KR20120036345 A KR 20120036345A KR 101319246 B1 KR101319246 B1 KR 101319246B1
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KR
South Korea
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loop antenna
radiator
loop
antenna
present
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KR1020120036345A
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Inventor
김당오
김채영
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

본 발명은 루프 안테나(loop antenna)에 관한 것으로, 전파를 송수신하는 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하는 루프 안테나에 있어서, 상기 방사체는 고차의 힐버트 곡선(Hilbert curve) 구조를 포함함을 특징으로 하는 루프 안테나를 개시한다. 이에 따라, 다중 대역 전송을 지원할 수 있으며, 플렉서블(flexible) 안테나로서 활용될 수 있다.

Description

루프 안테나 및 이의 제조 방법{LOOP ANTENNA AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 루프 안테나(Loop antenna), 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근의 무선통신기술의 급속한 발전과 함께, 무선전파의 전송효율을 높이기 위한 일환으로, 모노폴(Monopole) 안테나, 다이폴(Dipole) 안테나, 패치(Patch) 안테나, 파라볼라(Parabolic) 안테나, 헬리컬(Helical) 안테나, 루프(Loop) 안테나 등, 다양한 구조를 갖는 안테나들이 제안되고 있다. 이러한 안테나들 중 루프 안테나(Loop antenna)는 제작이 간단하고, 접지면에 흐르는 공진전류가 적어 안테나 성능의 저하를 줄일 수 있는 잇점을 갖고 있다.
한편, 데이터 통신 수요의 폭발적인 증가로 인하여, 2.4/5.2/5.8GHz 주파수의 무선랜(WLAN; Wireless Local Area Network) 대역과, 3.3~3.8GHz 주파수의 와이맥스(WiMAX; Worldwide interoperability for Microwave Access) 대역을 포함하는 다중 대역을 통한 전송 특성이 요구되고 있다. 그런데, 기존의 루프 안테나는 단일 대역의 전송만을 지원할 수 있어, 다중 대역을 통해 전파를 전송하기 위해서는 서로 다른 전송 대역을 지원하는 복수의 루프 안테나를 사용하여야 한다. 이와 함께, 기존의 루프 안테나의 경우, 특정 방향에 대하여 약한 전계 강도 특성을 보이는 널(null)이 발생할 수 있다. 이러한 루프 안테나의 널 현상은 무지향성(omni-directional) 방사 패턴을 요하는 전송 시스템에서 전파 방사 성능을 제한하는 요인이 된다.
뿐만 아니라, TFT LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitting Diode) 등과 같은, 유연성을 갖는 재료로 된 플렉서블 디스플레이(flexible display) 소자의 수요가 급증하면서, 평판형(low-profile)과 소형화와 함께, 플렉서블 특성을 갖는 안테나가 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다중 대역의 전송을 지원할 수 있는 루프 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 널(null)이 없는 무지향성(omni-directional) 방사 패턴을 갖는 루프 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 원형 편파 특성을 갖는 루프 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 안테나의 변형시 안테나 인자의 변화가 최소화되는 플렉서블(flexible) 특성을 갖는 루프 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 과제들은 이하의 기재로부터 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 루프 안테나는, 전파를 송신 또는 수신하는 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하는 루프 안테나에 있어서, 상기 방사체는 2차 이상의 차수를 갖는 고차 힐버트 곡선(Hilbert curve) 구조를 포함함을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는, 상기 방사체는 상기 힐버트 곡선 구조로 이루어진 루프 형태의 금속 박막이 소정 곡률 반경을 갖도록 벤딩된 구조로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는, 2.4GHz 주파수를 포함하는 제1 WLAN 대역, 3.4GHz 주파수를 포함하는 WiMAX 대역, 및 5GHz 주파수를 포함하는 제2 WLAN 대역의 삼중 대역을 통해 전파를 송신 및 수신함을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 양상에 의한 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 제조 방법은 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하는 루프 안테나를 제조하는 방법에 있어서, 2차 이상의 차수를 갖는 고차 힐버트 곡선(Hilbert curve) 구조의 루프 형태를 갖도록 금속 박막을 제조함으로써 상기 방사체를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나에 의하면, 루프 안테나를 이용하여 다중 대역의 전송을 지원할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나에 의하면, 널(null)이 없는 무지향성(omni-directional) 방사 패턴을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나에 의하면, 원형 편파 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 안테나 변형시 안테나 인자의 변화가 작아, 플렉서블(flexible) 안테나로서 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 정면도이다.
도 2a는 2차의 차수를 갖는 힐버트 곡선의 형상을 나타낸 도면이다.
도 2b는 3차의 차수를 갖는 힐버트 곡선의 형상을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 루프 안테나의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 주파수별 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 곡률 반경을 갖는 루프 안테나들의 주파수별 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 xz-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 yz-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 xy-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 2.45 GHz 공진주파수에서의 표면전류 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 3.35 GHz 공진주파수에서의 표면전류 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 5.5 GHz 공진주파수에서의 표면전류 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일반적인 사각 루프 안테나를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 사각 루프 안테나의 주파수별 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 8에 도시된 사각 루프 안테나의 xz-평면, 및 yz-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 11은 안테나 인자를 얻기 위한 평면파 모의실험의 변수들을 나타내는 개념도이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 사각 루프 안테나에 대한 xz-평면(φ=0°)상에서의 각도 θ에 따른 2.45 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 사각 루프 안테나에 대한 xz-평면(φ=0°)상에서의 각도 θ에 따른 3.35 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 사각 루프 안테나에 대한 xz-평면(φ=0°)상에서의 각도 θ에 따른 5.5 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 사각 루프 안테나에 대한 yz-평면(φ=90°)상에서의 각도 θ에 따른 2.45 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 사각 루프 안테나에 대한 yz-평면(φ=90°)상에서의 각도 θ에 따른 3.35 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 사각 루프 안테나에 대한 yz-평면(φ=90°)상에서의 각도 θ에 따른 5.5 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나와, 도 8에 도시된 루프 안테나에 대한 2.45 GHz, 3.35 GHz 주파수에서의 각도 θ에 따른 축비를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 구성요소, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나(Loop antenna)는 전파를 송신 및 수신하는 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하되, 상기 방사체는 힐버트 곡선(Hilbert curve) 형상의 루프 구조로 형성됨으로써, 다중 대역을 통한 전파 송수신이 가능하며, 널(null)이 없는 무지향성(omni-directional) 방사 패턴과, 원형 편파의 특성에 의해 방사 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는 힐버트 곡선 구조의 금속 필름(박막)이 소정 곡률 반경으로 벤딩된 구조의 방사체를 포함함으로써, 안테나 변형에 따른 안테나 인자의 변화가 크지 않으며, 플렉서블(flexible) 안테나로서 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 정면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 루프 형태의 방사체(11), 및 방사체(11)에 전원을 공급하는 급전부(12)를 포함한다. 방사체(11)는 전파를 송신 또는 수신한다. 방사체(11)는 금속 박막(111)으로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예는 방사체(11)가 사각형 모양의 루프 형태로 이루어져 있지만, 사각형 모양의 루프 형태로 제한되는 것은 아니며, 방사체(11)는 원형, 타원형, 또는 직사각형 등의 다른 모양으로 형성될 수도 있다. 급전부(12)는 입력 임피던스를 튜닝(tuning)하기 위한 정합면(121)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 방사체(11)가 고차 힐버트 곡선(Hilbert curve) 형상의 루프 구조로 형성된다. 힐버트 곡선은 1891년 힐버트에 의해 제안되었으며, 이는 주로 공간-채움(space-filling) 곡선으로써 사용되었다. 힐버트 곡선은 프랙탈 차원을 갖는 재귀적 형태의 도형 중의 하나로서, 이의 핵심 이론은 주어진 면적을 선으로 채울 때의 효율적인 선의 배치에 관한 것이었다. 본 발명의 실시예는 이러한 힐버트 곡선을 루프 안테나에 적용한 것으로, 힐버트 곡선의 배치된 선의 길이가 길수록 공진주파수가 낮아지므로, 안테나의 소형화에 유리한 잇점을 갖는다.
도 2는 2차의 프랙탈 차수를 갖는 힐버트 곡선(a)과, 3차의 프랙탈 차수를 갖는 힐버트 곡선(b)의 형상을 예시하는 도면이다. 도 2에서 보여지는 바와 같이, 힐버트 곡선의 프랙탈 차수가 2차에서 3차로 증가됨에 따라 전체 선의 길이, 즉 모든 세그먼트(segment)들의 길이의 총합은 증가한다. 이 때, 모든 세그먼트들의 길이의 총합은 아래의 수학식 1 내지 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112012027877749-pat00001
Figure 112012027877749-pat00002
여기서, S 는 모든 세그먼트들의 길이의 총합을, L 은 힐버트 곡선 영역의 가장자리 길이를, d 는 각 세그먼트(segment)의 길이를, n 은 힐버트 곡선의 프랙탈 차수를 나타낸다. 수학식 1 내지 수학식 2로부터, 힐버트 곡선의 차수를 증가시킴에 따라 힐버트 곡선이 차지하는 공간 내에서 전체 선의 길이는 증가됨을 알 수 있다. 따라서, 루프 안테나에 힐버트 곡선을 적용함으로써, 고정 공간 내에서 높은 임피던스를 구현할 수 있고, 이에 따라 공진주파수를 낮추어 소형화를 이룰 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 3차의 차수를 갖는 힐버트 곡선 형상으로 형성된 루프 구조의 금속 박막(111)으로 방사체(11)를 이루고, 이를 급전부(12)를 통해 폐곡선 구조로서 구현한 것이다. 이 때, 급전부(12)는 힐버트 곡선 구조의 금속 박막(111)의 양측 종단부(112a,b)로부터 소정 길이(p)만큼 연장하여 간격(s)을 갖는 급전점(Feeding Point)(FP)을 기준으로 폐곡선 루프를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 방사체(11)가 고차의 프랙탈 차수(fractal order)를 갖는 힐버트 곡선 구조로 형성되어 있어, 다중 대역을 통해 무선전파를 송신 또는 수신할 수 있으며, 널(null)이 없는 무지향성(omni-directional)의 방사 패턴 및 원형 편파 특성에 의하여 안테나의 방사 성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 방사체의 설치를 위한 유전체 기판을 반드시 필요로 하지 않으며, 방사체(11)가 고차의 힐버트 곡선 구조를 갖는 금속 박막(111)만으로 구현될 수도 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 방사체(11)가 고차의 프랙탈 차수(fractal order)를 갖는 힐버트 곡선 구조로 형성되어 있어, 안테나 변형에 대한 안테나 특성의 변화가 크지 않아, 플렉서블(flexible) 안테나로서 활용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 루프 안테나의 사시도이다. 도 3에 도시된 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 방사체(11), 및 급전부(12)를 포함한다. 도 3에 도시된 실시예의 구성들 중에서 도 1에 도시된 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 3에 도시된 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 루프 형태의 금속 박막(111)이 소정 곡률 반경으로 벤딩된 구조를 갖는 방사체(11)를 포함한다. 도 3에서, 도면부호 'W' 는 방사체(11)의 폭을 나타내고, 도면부호 'r' 은 방사체(11)의 벤딩에 대응하는 곡률 반경을 나타낸다. 방사체(11)의 곡률 반경 r 은 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다. 여기서, 힐버트 곡선 영역의 가장자리 길이를 'L' 이라 하고, 금속 박막의 폭을 'hw' 라 하면, W = L + hw 이다.
Figure 112012027877749-pat00003
본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 벤딩(bending) 구조의 곡률 반경을 변화시키더라도 안테나의 변형에 따른 안테나 인자 변화가 크지 않으며, 다중 대역 특성이 유지될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나(10)는 플렉서블(flexible) 안테나로서 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 루프 안테나의 제조는 2차 이상의 차수를 갖는 고차 힐버트 곡선 구조의 루프 형태를 갖도록 금속 박막을 제조하여 방사체를 형성함으로써 수행될 수 있다. 이 때, 소정 곡률 반경으로 벤딩된 구조를 갖도록 금속 박막을 제조함으로써 방사체를 형성할 수도 있고, 대안적으로 평면 형태의 금속 박막으로 이루어지는 방사체를 형성한 이후에 금속 박막을 소정 곡률 반경을 갖도록 벤딩함으로써, 벤딩된 구조의 방사체를 형성할 수도 있다.
이하에서는 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나의 성능을 분석하기 위해, 도 4 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 주파수별 반사손실, 방사 패턴, 안테나 인자, 축비 등의 특성들에 대해 설명한다. 이 때, 실험 툴로서는 루프 안테나의 설계를 위해 CST사의 마이크로웨이브 스튜디오(Microwave Studio)가 사용되었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 주파수별 반사손실 S11 을 나타낸 그래프이다. 이 때, 루프 안테나의 곡률 반경 r 은 55mm , 힐버트 곡선의 프랙탈 차수 n 은 3 , 힐버트 곡선 영역의 가장자리 길이 L 은 26.6mm , 각 세그먼트의 길이 d 는 3.8mm , 금속 박막의 폭 hw 는 1.4mm , 정합면의 높이 g 는 11.4mm , 방사체와 급전면 사이의 거리 p 는 5.1mm , 급전점의 간격 s 는 1.2mm 로 하였다. 힐버트 곡선 영역의 가장자리 길이 L 은 2.45GHz 주파수에서 0.2λ(λ=전파의 파장)로, 3.45GHz 주파수에서 0.3λ로, 5.5GHz 주파수에서 0.5λ로 설계될 수 있다. 반사손실(return loss)은 신호 전송시 입사 전력과 반사 전력의 비를 의미하며, 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112012027877749-pat00004
여기서, S11 은 반사손실을, Pi 는 입사 전력을, Pr 은 반사 전력을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는 약 2.4GHz 주파수의 WLAN 대역(W1), 약 5GHz 주파수(5.2/5.8GHz)의 WLAN 대역(W3), 및 약 3.4GHz 주파수의 WiMAX 대역(W2)의 삼중 대역에서 -10dB 이하의 반사손실을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 WLAN 과, WiMAX 의 다중 대역에서 동작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 곡률 반경을 갖는 루프 안테나들의 주파수별 반사손실을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는 방사체의 벤딩(bending) 정도, 즉 곡률 반경 'r' 에 따라 반사손실 값 자체는 변화되지만, 공진 주파수는 목표 대역을 유지되는 것을 관찰할 수 있다. 이것은 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 안테나의 변형에 유연한 대역 특성을 가지며, 다양한 벤딩(bending) 구조물에 적용될 수 있음을 의미한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 xz-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 yz-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프, 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 xy-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다. 방사 패턴(radiation pattern)은 안테나로부터의 방사 전력을 방향의 함수로서 나타낼 수 있다. 이 때, xy-평면은 도 1을 기준으로 루프 안테나의 방사체 면과 평행한 평면을, xz-평면은 도 1을 기준으로 루프 안테나의 종단면과 평행한 평면을, yz-평면은 도 1을 기준으로 루프 안테나의 횡단면과 평행한 평면을 의미한다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는 특정 방향에 대하여 약한 전계 강도 특성을 보이는 널(null)이 없고, 방사 패턴이 대체적으로 원형에 가까워 WLAN/WiMAX 통신 시스템에 필요한 무지향성 방사 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나의 최대 이득은 2.45GHz 주파수에서 3.96dBi (방사 효율 0.88) , 3.35GHz 주파수에서 2.88dBi (방사효율 0.96) , 그리고 5.5GHz 주파수에서 3.84dBi (방사효율 0.92) 로서, 삼중 대역에서 모두 방사 효율이 우수하였다. 여기서, 방사 효율(radiation efficiency)은 안테나에서 방사되는 전파의 전력과 안테나에 공급되는 전력의 비를 의미한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 2.45 GHz 공진주파수에서의 표면전류 분포를 나타낸 그래프, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 3.35 GHz 공진주파수에서의 표면전류 분포를 나타낸 그래프, 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 5.5 GHz 공진주파수에서의 표면전류 분포를 나타낸 그래프이다. 도 7a 내지 도 7c에서 밝은 색은 분포된 전류의 세기가 작음을 나타내며, 어두운 색은 전류의 세기가 큰 것을 나타낸다. 도 7a 내지 도 7c의 도시로부터, 2.45GHz 주파수와 3.35GHz 주파수의 경우, 5.5GHz 주파수보다 많은 공진 전류가 힐버트 곡선에 집중된다. 5.5GHz 주파수에서는 힐버트 곡선의 많은 세그먼트들이 안테나의 길이로써 개별적인 역할을 하지 못할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나의 방사 패턴 및 수신 성능의 우수성을 비교하기 위해, 도 8에 도시된 바와 같은 단일 대역에서 동작하는 기존의 사각 루프 안테나를 비교대상으로 하여 실험을 하였다. 사각 루프 형상의 루프 안테나를 비교대상으로 한 이유는 기존의 원형 루프 안테나와 동작 특성이 유사하며, 전형적인 루프 안테나 군(群)의 대표성을 갖기 때문이다. 이 때, 급전 방식은 본 발명의 실시예에 따른 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나(Flexible Hilbert-curve loop antenna)와, 기존의 사각 루프 안테나 모두 동일하게 하였다.
기존의 사각 루프 안테나는 단일 대역에서 동작하므로, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나와의 공정한 비교를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나의 동작 주파수들에 각각 대응되는 3개의 대역(2.45GHz/3.35GHz/5.5GHz)에서 동작하는 사각 루프 안테나 3개를 각각 설계하였다. 설계된 3개의 사각 루프 안테나의 치수(Dimension)는 아래의 표 1과 같이 하였다. 각 설계된 사각 루프 안테나의 주파수별 반사손실이 도 9에 도시되어 있다.
주파수 대역
(GHz)		 치수 (mm)
A B C
2.45 48.8 26 2.5
3.35 37 19.1 2.5
5.5 22 11.8 1.5
도 10은 도 8에 도시된 사각 루프 안테나의 xz-평면, 및 yz-평면상에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프로서, 2.45 GHz 주파수대역에서 동작하는 사각형 루프 안테나의 방사패턴 특성을 나타낸 것이다. 이는 기존의 루프 안테나의 전형적인 방사 패턴 특성을 나타내는 것으로, 나머지 3.35GHz 주파수대역과, 5.5GHz 주파수대역에서 동작하는 사각 루프 안테나 역시 유사한 특성을 갖는다.
전술한 도 6에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 모든 평면상에서의 방사 패턴에서 널(null)이 발생하지 않은 것과 달리, 기존의 사각 루프 안테나는 도 10에 도시된 바와 같이, xz-평면상에서의 방사 패턴의 경우 θ = 90° 및 θ = 270° 에서 널(null)이 발생함을 알 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나가 무지향성(omni-directional) 방사 패턴을 가지며, 기존의 사각 루프 안테나보다 우수한 방사 특성을 갖는다는 것을 보여주는 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나의 무지향성 수신 특성을 확인하기 위하여, 안테나 인자 K 를 분석하였다. 안테나 인자(Antenna factor)는 공간상의 전자기장(입사 전장)의 세기와 측정장치에 나타나는 측정량(유기된 전압)과의 관계를 나타내는 상수이다. 안테나 인자는 무선 통신의 수신 감도와 직결되며, WLAN/WiMAX 통신 시스템 성능에 많은 영향을 미치는 중요한 성능 지표 중의 하나이다. 안테나 인자를 구하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나와 기존의 사각 루프 안테나의 급전점에 50옴 부하저항을 연결하고, 안테나 구조의 최외곽에서 평면파를 송신하여 안테나의 부하저항에 인가되는 전압을 구하였다. 이와 같이 얻어진 전압을 통하여 안테나 인자 K 를 아래의 수학식 5를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112012027877749-pat00005
여기서, VA 는 루프 안테나에 유기된 전압(V)을, Ei 는 입사 전장의 크기(V/m)를 나타낸다. 이를 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나와 기존의 사각 루프 안테나에 대하여 각각 평면파 입사 방향의 변화에 따른 안테나 인자의 변화량 결과를 얻을 수 있다.
도 11은 안테나 인자를 얻기 위한 평면파 모의실험의 변수들을 나타내는 개념도이다. 입사 전장의 크기는 1(V/m) 로 고정되었으며, 입사 평면파의 수직방향은 도 11에 도시된 좌표축의 안테나의 중심을 바라보는 방향으로 설정하였다. 평면파의 입사 방향은 구 좌표계의 φ 가 0°인 경우와, 90°인 경우의 2가지로 하였으며, 각각의 경우에 대해 θ 를 변수로 실험을 수행하였다. 여기서, θ 는 루프 안테나에 대한 평면파의 횡방향 회전각도를, φ 는 루프 안테나에 대한 평면파의 종방향 회전각도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나와, 기존의 사각 루프 안테나를 대상으로, 3개의 동작 주파수에 대하여 실험을 수행하였다. 비교 대상 안테나들의 물리적 길이가 서로 다르기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나와 기존의 사각 루프 안테나의 공정한 비교를 위해, 입사 평면파의 방향에 대한 안테나 인자의 변화 정도로부터 안테나 성능을 평가할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나와, 기존 사각 루프 안테나에 대한 xz-평면(φ=0°)상에서의 각도 θ에 따른 안테나 인자를 나타낸 그래프로서, 각각 2.45 GHz 주파수, 3.35 GHz 주파수, 5.5 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸다. 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나의 경우, φ = 0°에 해당하는 xz-평면에서 안테나 인자의 변화량이 10~20 [dB/m] 으로 작다. 이에 반해, 기존의 사각 루프 안테나의 경우, 안테나 인자의 변화량이 40~50 [dB/m] 정도로서, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나 대비 상대적으로 안테나 인자의 변화가 큰 것으로 나타난다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나와, 기존 사각 루프 안테나에 대한 yz-평면(φ=90°)상에서의 각도 θ에 따른 안테나 인자를 나타낸 그래프로서, 각각 2.45 GHz 주파수, 3.35 GHz 주파수, 5.5 GHz 주파수에서의 안테나 인자의 변화를 나타낸다. 도 13a 내지 도 13c를 참조하면, φ = 90°에 해당하는 yz-평면에서, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 안테나 인자의 변화량이 2.8~3.3 [dB/m] 수준으로 낮다. 이에 반해, 기존의 사각 루프 안테나는 안테나 인자의 변화량이 4.4~4.7 [dB/m] 정도로서, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나의 경우보다 안테나 인자 변화량이 크다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나가 기존의 루프 안테나보다 전방향성(omni-directional) 수신 특성이 더 우수함을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나와, 기존 사각 루프 안테나에 대한 2.45GHz, 3.35GHz 주파수에서의 각도 θ에 따른 축비를 나타낸 그래프이다. 축비(Axial ratio; AR)는 안테나의 편파 특성, 또는 전파의 편파 특성을 나타내는 지수로서, 안테나로부터 방사되는 타원 편파의 장축 방향 전계 강도와 단축 방향 전계 강도와의 비를 나타낸다. 기존의 사각 루프 안테나의 경우, 축비가 매우 높은 선형 편파 특성을 나타내지만, 본 발명의 실시예에 따른 힐버트 곡선 구조의 루프 안테나는 'AR < 4dB' 인 원형 편파(circularly polarized wave)의 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
2.45GHz 및 3.35GHz 주파수에서 원형 편파 특성이 나타나는 것은 이 주파수에서 힐버트 곡선의 세그먼트들이 안테나로써 역할을 하기 때문이다. 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 안테나로부터 방사되는 전파의 주 로브(lobe) 중심 방향, 즉 조준(boresight) 방향이 아닌, 다른 방향으로 원형 편파 특성이 나타날 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 방사체의 루프 구조에 힐버트 곡선(Hilbert curve) 형상이 도입됨으로써, 다중 대역을 통한 전파의 송수신이 가능하며, 널(null)이 없는 무지향성(omni-directional) 방사 패턴 및 원형 편파의 특성에 의해 방사 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 2.4GHz 주파수의 제1 WLAN 대역, 3.3~3.8GHz 주파수의 WiMAX 대역, 5GHz(5.1~5.8GHz) 주파수의 제2 WLAN 대역의 3중 대역에서 동작하는 특성을 가지므로, WLAN/WiMAX 통신 시스템에 적용될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나는 힐버트 곡선 구조의 금속 박막을 소정 곡률 반경으로 벤딩시킨 구조를 가질 수 있으며, 안테나의 변형에 따른 안테나 인자의 변화가 크지 않으며, 안테나 형상이 곡면으로 휘어지더라도 삼중 대역 특성이 유지될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 루프 안테나는 플렉서블(Flexible) 안테나로서 활용이 가능하며, 인체나 외부 물질과 접촉될 수 있는 착용형(wearable) 시스템, RFID 태그(Radio Frequency IDentification tag)를 위한 물품 인식용 라벨 안테나, 그 밖의 휴대용 무선기기 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 루프 안테나 11: 방사체
111: 금속 박막 12: 급전부
121: 정합면

Claims (10)

  1. 전파를 송신 또는 수신하는 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하는 루프 안테나에 있어서,
    상기 방사체는,
    2차 이상의 차수를 갖는 고차 힐버트 곡선(Hilbert curve) 구조를 포함하며,
    상기 급전부는 입력 임피던스를 튜닝(tuning)하기 위한 정합면을 포함하며, 상기 힐버트 곡선 구조의 종단부로부터 연장하여 급전점을 기준으로 폐곡선 루프를 형성함을 특징으로 하는 루프 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방사체는,
    상기 힐버트 곡선 구조로 이루어진 루프 형태의 금속 박막이 소정 곡률 반경을 갖도록 벤딩된 구조로 형성됨을 특징으로 하는 루프 안테나.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 힐버트 곡선 구조는,
    3차의 차수를 갖는 힐버트 곡선 구조인 것을 특징으로 하는 루프 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루프 안테나는,
    다중 대역을 통해 상기 전파를 송신 또는 수신함을 특징으로 하는 루프 안테나.
  6. 전파를 송신 또는 수신하는 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하는 루프 안테나에 있어서,
    상기 방사체는,
    2차 이상의 차수를 갖는 고차 힐버트 곡선(Hilbert curve) 구조를 포함하며,
    상기 루프 안테나는,
    다중 대역을 통해 상기 전파를 송신 또는 수신하며,
    상기 루프 안테나는,
    2.4GHz 주파수를 포함하는 제1 WLAN 대역, 3.4GHz 주파수를 포함하는 WiMAX 대역, 및 5GHz 주파수를 포함하는 제2 WLAN 대역의 삼중 대역을 통해 상기 전파를 송신 또는 수신함을 특징으로 하는 루프 안테나.
  7. 루프 형태의 방사체, 및 상기 방사체에 전원을 공급하는 급전부를 포함하는 루프 안테나를 제조하는 방법에 있어서,
    2차 이상의 차수를 갖는 고차 힐버트 곡선(Hilbert curve) 구조의 루프 형태를 갖도록 금속 박막을 제조함으로써 상기 방사체를 형성하며, 상기 급전부가 입력 임피던스를 튜닝(tuning)하기 위한 정합면을 포함하도록, 그리고 상기 힐버트 곡선 구조의 종단부로부터 연장하여 급전점을 기준으로 폐곡선 루프가 형성되도록 상기 방사체 및 상기 급전부를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 루프 안테나의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 루프 안테나의 제조 방법은,
    상기 금속 박막이 소정 곡률 반경을 갖도록 상기 방사체를 벤딩하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 루프 안테나의 제조 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 방사체를 형성하는 단계는,
    상기 금속 박막이 소정 곡률 반경으로 벤딩된 구조를 갖도록 상기 금속 박막을 제조함으로써 상기 방사체를 형성함을 특징으로 하는 루프 안테나의 제조 방법.
  10. 제7 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사체를 형성하는 단계는,
    3차의 차수를 갖는 힐버트 곡선 구조의 루프 형태를 갖도록 상기 금속 박막을 제조함으로써 상기 방사체를 형성함을 특징으로 하는 루프 안테나의 제조 방법.
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