KR100797172B1 - 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나로서, 루프형태로 형성된 방사부; 방사부의 일측으로부터 루프의 내측으로 연장된 연장부와, 연장부의 단부로부터 수회 절곡된 절곡부를 갖는 정합회로;를 포함한다. 이에 의해, 루프 안테나의 설치를 위한 필요공간을 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 정합회로의 설계 변경이 간편하다.

루프 안테나, 방사부, 정합회로, 커패시터, 인덕터, LC공진회로, Meander 라인, 스텁(Stub)

Description

정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나{LOOP-ANTENNA HAVING A MATCHING CIRCUIT ON IT}

도 1은 본 발명에 따른 루프 안테나의 평면도,

도 2는 도 1의 정합회로의 등가회로도,

도 3(a) 내지 도 3(d)는 도 1의 정합회로의 위상변화에 따른 전기장 및 전류 변화를 보인 도면,

도 4는 도 1의 루프 안테나에서 연장부의 길이(T1) 조절에 따른 공진 주파수의 변화를 보인 그래프,

도 5는 도 1의 루프 안테나에서 절곡부의 폭(T3) 조절에 따른 공진 주파수의 변화를 보인 그래프,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 S11특성을 보인 그래프,

도 7(a) 내지 도 7(c)는 도 1의 루프 안테나의 방사특성을 보인 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 방사부 20 : 정합회로

21 : 연장부 25 : 절곡부

30 : 저항조절부

본 발명은 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 정합회로를 안테나내에 형성함으로써, 정합회로의 설계와 변경이 용이하며, 안테나의 크기를 축소할 수 있도록 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 루프 안테나는, 사각형, 원형 등의 루프 형상으로 형성되며, 안테나의 길이에 따라 다양한 분야에 사용되고 있다.

루프 안테나는 입력 저항이 작은 특성을 가지며, 일반적인 안테나의 입력 저항인 50Ω에 정합시키기 위해서는 루프 안테나의 설계시 길이를 고려하여야 한다.

정사각형 형상의 루프 안테나의 경우, 임피던스 커브를 살펴보면, 루프의 길이가 한 파장에 인접하여야 입력 저항이 50Ω에 근접하게 되고, 입력 리액턴스는 0에 근접하게 된다. 즉, 루프 안테나의 길이를 한 파장으로 설계해야 하여야 루프 안테나에 공진이 발생한다.

또한, 루프 안테나는 루프 안테나의 길이에 따라 방사패턴이 달라진다. 예를 들어, 루프 안테나의 길이가 한 파장보다 짧은 경우에는 루프 안테나의 평면방향을 따라 방사가 일어나고, 루프 안테나의 길이가 한 파장보다 긴 경우에는 루프 안테나의 평면에 대해 수직한 방향으로 방사가 일어난다. 따라서, 루프 안테나의 방사패턴을 조절하고자 하는 경우에는 루프 안테나의 길이를 조절하면 된다.

그런데, 이렇게 루프 안테나의 길이를 한 파장보다 짧거나 길게 형성하여 방 사패턴을 조절하는 경우, 루프 안테나의 특성상 입력 저항과 입력 리액턴스는 정합시키기 어렵다. 따라서, 루프 안테나의 길이를 한 파장보다 짧거나 길게 형성할 경우에는, 입력 저항과 입력 리액턴스의 정합을 위한 별도의 정합회로를 구비하여야 한다.

그러나, 별도의 정합회로를 구비할 경우, 정합회로의 설치를 위한 공간이 필요하다. 뿐만 아니라, 정합회로를 디바이스에 장착한 후 타 회로소자와의 작용으로 인해 정합회로의 설계를 변경해야 하는 경우, 정합회로의 설계를 변경하기가 용이하지 아니하다는 단점이 있다.

이에 따라, 루프 안테나의 설계시 정합회로가 차지하는 공간을 최소화함으로써, 루프 안테나가 설치된 기기의 크기를 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 정합회로의 설계를 용이하게 변경할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 설치 공간을 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 정합회로의 설계를 용이하게 변경할 수 있는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 루프형태로 형성된 방사부; 및, 상기 방사부의 일측으로부터 상기 루프의 내측으로 연장된 연장부와, 상기 연장부의 단부로부터 수회 절곡된 절곡부를 갖는 정합회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 방사부는 일측이 개방되어 있고, 상기 개방된 일단부는 급전점이 되고 타단부는 쇼트점이 되며, 상기 연장부는 상기 개방된 일측에 대항되는 영역으로부터 연장된 한 쌍의 연장선으로 형성된 것이 바람직하다.

상기 절곡부는 상기 연장부의 각 연장선의 단부로부터 가로방향으로 복수회 지그재그로 절곡된 한 쌍의 Meander 라인으로 형성되며, 상기 각 Meander 라인의 단부는 상호 연결된 것이 바람직하다.

상기 연장부는 커패시터로 작용하고, 상기 절곡부는 인덕터로 작용하여 LC회로를 구성할 수 있다.

상기 정합회로는 입력 리액턴스 값을 조절할 수 있다.

상기 연장부의 길이를 증가시킬수록 공진 주파수가 낮아질 수 있으며, 상기 연장부의 가로방향으로 형성된 상기 절곡부의 길이를 증가시킬수록 공진 주파수가 낮아질 수 있다.

상기 방사부의 내측을 따라 상기 방사부와 소정 간격을 두고 평행하게 형성된 저항조절부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 저항조절부는, 상기 급전점과 상기 쇼트점으로부터 각각 연장되어 상기 연장부에 인접한 영역까지 형성되는 한 쌍의 조절선으로 형성될 수 있다.

상기 저항조절부는 다이폴(Dipole) 타입의 스텁(Stub)으로 작용하여 입력저항을 조절할 수 있다.

상기 연장부와 상기 절곡부의 총 길이는 약 1λ인 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 루프 안테나의 평면도이다.

본 루프 안테나는, 전자파를 방사하는 방사부(10)와, 루프 안테나의 입력 리액턴스를 조절하기 위한 정합회로(20)를 포함하며, 회로기판 등에 소정 간격을 두고 장착된다.

방사부(10)는, 사각형, 원형 등으로 형성된 루프 형태로 형성되며, 도 1에는 일예로서 사각형상의 루프 형태를 갖는 방사부(10)가 도시되어 있다. 방사부(10)는, 한 파장의 길이를 갖는 도체 와이어 또는 스트립라인으로 형성되며, 그 일측이 개방되어 있고, 개방된 양 단부는 회로기판을 향해 절곡되어 있다. 양 단부는 회로기판에 설치된 도시않은 공진부와 연결되며, 일단부는 급전점(11)이 되고 타단부는 쇼트점(13)이 된다. 급전점(11)은 공진부로부터 전류를 공급받고, 쇼트점(13)은 방사부(10)에 잔류하는 전류를 공진부로 제공한다. 방사부(10)는 약 1λ의 길이를 갖는다.

이러한 방사부(10)의 루프 내측에는 정합회로(20)가 구성되어 있다.

정합회로(20)는, 방사부(10)와 연결된 연장부(21)와, 연장부(21)에 연결되어 수회 절곡된 절곡부(25)와, 방사부(10)의 내측을 따라 형성된 저항조절부(30)를 포함한다.

연장부(21)는 방사부(10)의 일측으로부터 내측으로 연장된 한 쌍의 연장선으로 형성되며, 연장선 중 하나는 급전점(11)에 연결되고, 연장선 중 다른 하나는 쇼트점(13)에 연결된다. 각 연장선은 방사부(10)의 내측을 향해 평행하게 소정 길이(T1)만큼 연장되며, 커패시터로서의 역할을 한다.

절곡부(25)는, 각 연장선의 단부에 연결되어 각 연장선의 가로방향으로 수회 지그재그로 절곡된 한 쌍의 Meander 라인으로 형성되며, 각 Meander 라인의 단부는 상호 연결되어 있다. 이러한 절곡부(25)는 인덕터로 작용한다.

이렇게 연장부(21)는 커패시터로 작용하고, 절곡부(25)는 인덕터로 작용함에 따라, 정합회로(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, LC공진회로를 구성한다.

도 3(a) 내지 도 3(d)는 도 1의 정합회로의 위상변화에 따른 전기장 및 전류 변화를 보인 도면으로서, 도 3(a) 내지 도 3(d)의 상부에 배치된 도면은, 루프 안테나 내부의 전기장 분포를 나타내고, 하부에 배치된 도면은 루프 안테나 내부의 전류 분포를 나타낸다.

도 3(a)는 45도 위상에서 루프 안테나 내부의 전기장과 전류 분포를 보이고 있으며, 전기장 분포를 보면 커패시터로 작용하는 연장부(21)에만 전기장이 발생하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 135도 위상에서는 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 인덕터로 작용하는 절곡부(25)에서 자기장이 발생하고 있음을 알 수 있다. 그런 다음, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 225도 위상에서는 다시 연장부(21)에서 전기장이 발생하고, 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 315도 위상에서는 절곡부(25)에서 자기장이 발생한다.

이와 같이, 연장부(21)는 커패시터로 작용하고 절곡부(25)는 인덕터로 작용함에 따라, 연장부(21)에서는 전기장이, 절곡부(25)에서는 자기장이 위상변화에 따라 상호 번갈아 가면서 발생하며, 이는 LC공진회로에서 공진이 일어나는 원리와 동일하다. 따라서, 도 3(a) 내지 도 3(d)를 통해 정합회로(20)가 LC공진회로로 동작 하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 연장부(21)와 절곡부(25)의 총 길이는 약 1λ에 이르며, 정재파(standing wave)가 발생하게 된다. 이러한 정합회로(20)를 이용하여 루프 안테나의 입력 리액턴스 값 및 공진 주파수를 조정할 수 있다.

도 4는 도 1의 루프 안테나에서 연장부의 길이(T1) 조절에 따른 공진 주파수의 변화를 보인 그래프이다.

도 4는 연장부(21)의 길이(T1)를 각각 4mm, 8mm, 12mm, 16mm로 형성한 경우의 공진 주파수를 보이고 있다. 연장부(21)의 길이(T1)가 4mm인 경우에는 약 1.15GHz 대역에서 공진 주파수가 형성되고, 8mm인 경우에는 약 1GHz 대역, 12mm인 경우에는 약 0.95GHz 대역, 16mm인 경우에는 약 0.87GHz 대역에서 공진 주파수가 형성된다.

즉, 연장부(21)의 길이(T1)를 길게 할수록 커패시터적인 성질이 더 커지게 되며, 정합회로(20)의 전체 길이가 길어지므로, 공진 주파수 대역이 낮아지게 된다. 이를 통해, 연장부(21)의 길이(T1)를 조절하여 공진 주파수를 이동시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 5는 도 1의 루프 안테나에서 절곡부의 폭(T3) 조절에 따른 공진 주파수의 변화를 보인 그래프이다.

도 5는 절곡부(25)의 길이(T3)를 각각 4mm, 8mm, 12mm, 16mm로 형성한 경우의 공진 주파수를 보이고 있다. 절곡부(25)의 길이(T3)가 4mm인 경우에는 약 1.5GHz 대역에서, 8mm인 경우에는 약 1.2GHz 대역에서, 12mm인 경우에는 약 1GHz 대역에서, 16mm인 경우에는 약 0.9GHz 대역에서 공진 주파수가 형성된다.

즉, 절곡부(25)의 길이(T3)를 길게 할수록 인덕터적인 성질이 더 커지게 되며, 각 Meander 라인의 길이가 길어지므로, 공진 주파수 대역이 낮아지게 된다. 이를 통해, 절곡부(25)의 길이(T3)를 조절하여 공진 주파수를 이동시킬 수 있음을 알 수 있다.

한편, 저항조절부(30)는, 급전점(11)과 쇼트점(13)으로부터 방사부(10)와 평행하도록 루프의 내측으로 절곡된 다음, 방사부(10)의 내측을 따라 연장되어 방사부(10)와 소정 간격을 두고 평행하게 형성된다. 저항조절부(30)의 단부는 연장부(21)에 인접한 영역까지 연장된다. 이에 따라, 저항조절부(30)는 방사부(10)를 따라 'ㄷ'자 형상으로 형성되어 상호 대향되는 한 쌍의 조절선으로 형성된다.

이렇게 저항조절부(30)가 상호 대향되는 한 쌍의 조절선으로 형성됨에 따라, 다이폴(Dipole) 타입의 스텁(Stub)으로서 작용한다. 이에 따라, 저항조절부(30)는 루프 안테나의 입력저항을 조절할 수 있으며, 입력저항이 낮은 루프 안테나의 특성을 보완함으로써, 연장부(21)의 길이와 절곡부(25)의 길이의 조절에 따른 공진 주파수의 변환시 임피던스의 정합이 가능하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 안테나의 S11특성을 보인 그래프이다.

도 6은 방사부(10), 연장부(21), 절곡부(25), 저항조절부(30)의 길이를 소정의 값을 주어 설계한 일 실시예에 따른 루프 안테나의 S11 특성을 보이고 있다. 도시된 바와 같이, 본 루프 안테나는 약 0.91GHz 대역에서 공진 주파수가 형성되 며, 이 때, -10dB에서의 대역폭은 0.9090GHz 내지 0.9156GHz 사이의 약 6.6MHz로 형성된다. 그리고 본 루프 안테나의 이득은 -0.8732dB로 측정되었다. 즉, 본 루프 안테나는 해당 대역에서 안테나로 사용가능하며, 특히 RFID 시스템의 안테나로 적합하다.

도 7(a) 내지 도 7(c)는 도 1의 루프 안테나의 방사특성을 보인 그래프이다.

루프 안테나의 평면에서, 절곡부(25)의 폭(T3)방향을 X축, 연장부(21)의 길이(T1)방향을 Y축, 루프 안테나의 평면에 대해 직각방향을 Z축이라 하면, 도 7(a)는 X-Y축에서 본 방사패턴, 도 7(b)는 Z-X축에서 본 방사패턴, 도 7(c)는 Z-Y축에서 본 방사패턴이다.

도시된 도 7(a) 내지 도 7(c)의 그래프를 보면, 루프 안테나는 각 평면에서 전방향성을 띠고 있다. 이를 통해, 루프 안테나의 내부에 형성된 정합회로(20)가 루프 안테나의 방사패턴에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 루프 안테나는, 루프 안테나에 일체로 정합회로(20)가 설계되어 있다. 따라서, 정합회로(20)를 위한 별도의 공간이 필요하지 아니하므로, 루프 안테나를 설치한 기기의 크기를 축소시킬 수 있다. 그리고, 연장부(21)의 길이와, 조절부(30)의 폭을 조절하는 간단한 과정을 통해 커패시터 성분과 인덕터 성분을 조절함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 이에 따라, 정합회로(20)의 설계 변경이 간편하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 루프 안테나의 설치를 위한 필요공간을 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 정합회로의 설계 변경이 간편하다.

또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

1. 루프형태로 형성된 방사부;

   상기 방사부의 일측으로부터 루프의 내측으로 연장된 연장부와, 상기 연장부의 단부로부터 수회 절곡된 절곡부를 갖는 정합회로; 및

   상기 방사부의 내측을 따라 상기 방사부와 소정 간격을 두고 평행하게 형성된 저항조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 방사부는 일측이 개방되어 있고, 상기 개방된 방사부의 일단부는 급전점이 되고 타단부는 쇼트점이 되며, 상기 연장부는 상기 개방된 일측에 대항되는 영역으로부터 연장된 한 쌍의 연장선으로 형성된 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 절곡부는 상기 연장부의 각 연장선의 단부로부터 가로방향으로 복수회 지그재그로 절곡된 한 쌍의 Meander 라인으로 형성되며, 상기 각 Meander 라인의 단부는 상호 연결된 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 연장부는 커패시터로 작용하고, 상기 절곡부는 인덕터로 작용하여 LC회 로를 구성하는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 정합회로는 입력 리액턴스 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 연장부의 길이를 증가시킬수록 공진 주파수가 낮아지는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 연장부의 가로방향으로 형성된 상기 절곡부의 길이를 증가시킬수록 공진 주파수가 낮아지는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
8. 삭제
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 저항조절부는, 상기 급전점과 상기 쇼트점으로부터 각각 연장되어 상기 연장부에 인접한 영역까지 형성되는 한 쌍의 조절선으로 형성된 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 저항조절부는 다이폴(Dipole) 타입의 스텁(Stub)으로 작용하여 입력저항을 조절하는 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 연장부와 상기 절곡부의 총 길이는 1λ인 것을 특징으로 하는 정합회로가 일체로 형성된 루프 안테나.

Images