KR20040054107A - Small planar antenna with ultra wide bandwidth and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초 광대역(Ultra Wide Band) 통신 시스템에서 근거리망 이동통신 단말기에 탑재될 수 있는 안테나와 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 초 광대역 무선통신시스템의 송수신 안테나로서 활용가능한 전방향성 평면 안테나에 관한 것이다. 또한, 본 발명이 제시하는 안테나는 초 광대역의 주파수 대역폭을 수용하는 것은 물론이고 휴대 및 이동이 가능하도록 간단한 구조로 소형화하면서 전파 복사가 양호하고 어느 방향에서도 통신이 가능한 전방향성 패턴의 특성을 갖는다.The present invention relates to an antenna that can be mounted in a local area mobile communication terminal in an ultra wide band communication system and a method of manufacturing the same. Specifically, the present invention relates to an omni-directional planar antenna that can be used as a transmit / receive antenna of an ultra-wideband wireless communication system. In addition, the antenna proposed by the present invention not only accommodates an ultra wide frequency bandwidth but also has a characteristic of an omnidirectional pattern that can be miniaturized in a simple structure to be portable and mobile while having good radio wave radiation and communication in any direction.
초 광대역 통신은 특성 임펄스 응답(characteristic impulse response)을 이용한 시간 영역의 전자기학 분야의 연구에서 비롯된 것으로, 다른 통신시스템에 영향을 주지 않기 위하여 신호에너지를 초 광대역으로 분산하여 송신함으로써, 다른 협대역 신호에 간섭을 주지 않고 통신을 할 수 있도록 하는 것이다. 이런 통신 방식에 사용될 수 있는 종래의 안테나 종류를 보면 나비 넥타이형(bow-tie) 안테나,나선형(spiral) 안테나, 대수 주기(log-periodic) 안테나, 비발디(vivaldi) 안테나, 광대역 혼 안테나 그리고 자기 보상(self-complementary) 구조를 갖는 주파수 독립안테나 및 전파를 방사하기 위한 도체 도선의 중간이나 종단에 진행파의 반사를 막기 위해 정합 부하(저항)가 연결된 진행파형 안테나 등이 있다. 이러한 종류의 안테나는 광대역 특성은 갖고 있으나 안테나 구조가 크고 복잡하며, 저 가격의 대량 생산이 용이하지 않고 특히 지향성 패턴을 가지기 때문에 이동통신용 또는 소형 단말기용으로는 적합하지 않는 많은 문제점을 지니고 있다.Ultra-wideband communication comes from the study of the electromagnetic field of the time domain using the characteristic impulse response, and transmits the signal energy in ultra-wideband transmission to other narrowband signals so as not to affect other communication systems. It is to allow communication without interference. Conventional antenna types that can be used for this type of communication include bow-tie antennas, spiral antennas, log-periodic antennas, vivaldi antennas, broadband horn antennas and magnetic compensation. Frequency independent antennas with self-complementary structures and traveling wave antennas with matching loads (resistors) connected to the middle or termination of conductor conductors for radiating radio waves to prevent reflection of traveling waves. This type of antenna has many characteristics that are not suitable for a mobile communication or a small terminal because the antenna structure has a wideband characteristic but the antenna structure is large and complicated, and low-cost mass production is not easy and especially has a directional pattern.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 정합회로가 필요하지 않고, 초 광대역 통신 시스템에 적합하게 입력 임피던스의 주파수 대역폭이 초 광대역 특성을 가지며, 단말기에 장착될 수 있도록 염가로 양산이 가능하고, 소형이면서 간단한 구조를 가지며, 이동하면서 또는 근거리의 어느 장소에서도 통신을 할 수 있는 전방향성 패턴을 갖는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, in order to solve this problem, the present invention does not require a matching circuit, and the frequency bandwidth of the input impedance has an ultra-wideband characteristic so that it can be mass-produced at low cost so that it can be mounted on a terminal. It is an object of the present invention to provide an antenna having a compact and simple structure, and having an omnidirectional pattern that can communicate with each other while moving or at a short distance.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 입체 구조도이다.1 is a three-dimensional structural diagram of an ultra-wideband small planar antenna according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 정면도이다.2 is a front view of an ultra-wideband small planar antenna according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 측면도이다.3 is a side view of an ultra-wideband small planar antenna according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 앞면을 도시한 평면도이다.4 is a plan view showing the front of an ultra-wideband small planar antenna according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 뒷면을 도시한 평면도이다.FIG. 5 is a plan view illustrating a rear surface of an ultra-wideband small planar antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 초 광대역 소형 평면형 안테나의 앞면 형상의 다양한 예를 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating various examples of the front shape of the ultra-wideband small planar antenna of the present invention.
도 7은 본 발명의 초 광대역 소형 평면형 안테나의 뒷면 형상의 다양한 예를 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating various examples of a backside shape of the ultra-wideband small planar antenna of the present invention.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 반사손실을 분석한 그래프도 이다.8 is a graph illustrating reflection loss of an ultra-wideband small planar antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 E-plane 복사패턴을 분석한 패턴도이다.9 is a pattern diagram of an E-plane radiation pattern of the ultra-wideband small planar antenna according to the exemplary embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 초 광대역 소형 평면형 안테나의 H-plane 복사패턴을 분석한 패턴도이다.FIG. 10 is a pattern diagram of an H-plane radiation pattern of an ultra-wideband small planar antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 특징에 따른 안테나는 유전체 기판과; 상기 기판 앞면에 형성된 모노폴 형태의 제 1 방사 소자와; 상기 기판 뒷면에 형성된 적어도 두 개의 모노폴 형태의 제 2 방사 소자들과; 상기 기판 뒷면에 형성되며 상기 제 2 방사 소자들과 접속된 접지면과; 상기 기판 앞면에 형성되며 상기 제 1 방사 소자와 접속된 제 1 선로와; 상기 기판 뒷면에 형성되며 상기 접지면에 접속된 제 2 선로를 포함한다.An antenna according to a feature of the present invention includes a dielectric substrate; A first radiating element having a monopole shape formed on the front surface of the substrate; At least two monopole-shaped second radiating elements formed on a rear surface of the substrate; A ground plane formed on a rear surface of the substrate and connected to the second radiating elements; A first line formed on the front surface of the substrate and connected to the first radiating element; And a second line formed on the back side of the substrate and connected to the ground plane.
또한, 상기 제 1 선로는, 입력 콘넥터의 안테나 입력 부분과 접속되며, 마이크로스트립 선로 (microstrip line)형태의 급전 선로를 구성하게 된다.In addition, the first line is connected to the antenna input portion of the input connector, and constitutes a feed line in the form of a microstrip line.
또한, 상기 제 2 선로는, 상기 제 2 방사 소자보다 짧은 길이의 사각형 형상으로 상기 제 2 방사 소자들의 중앙에 배치되어 반사 손실을 감소시키게 된다.In addition, the second line is disposed in the center of the second radiating elements in a rectangular shape having a length shorter than that of the second radiating element to reduce the reflection loss.
또한, 상기 유전체 기판은 휘어지거나 구부러진 형상을 가질 수 있다.In addition, the dielectric substrate may have a curved or bent shape.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification.
본 발명의 실시예에 따른 소형 안테나는 작은 조각의 기판으로 한 쪽면(앞면)에는 모노폴(monopole) 형태의 도체 박막 방사소자가 있고, 다른 쪽(뒷면)에는 두개 이상의 모노폴이 연결된 형태의 방사 소자가 대칭되게 있으며 이 중앙 부분에는 윗면의 모노폴 방사 소자의 급전 선로가 형성되게 폭을 갖는 일정 길이의 선로로 구성되어 있으며, 앞면의 방사소자와 뒷면의 방사소자사이에는 유전체가 채워져 있는 회로 기판 형태이다.A small antenna according to an embodiment of the present invention is a small piece of substrate, one side (front) has a mono-pole conductive thin film radiating element, the other side (rear) has a radiating element connected to two or more monopoles It is symmetrical and consists of a line of a certain length having a width so that a feed line of a monopole radiating element on the upper side is formed, and a dielectric is filled between the radiating element on the front side and the radiating element on the back side.
이제 본 발명의 실시예에 따른 안테나에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.An antenna according to an embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 소형 평면형 안테나의 입체 구조도이다.도 1의 안테나는 유전체(60) 기판의 앞면에 형성된 구성 요소는 사선으로 표시되고, 뒷면에 형성된 구성 요소는 평행선으로 표시되도록 도시된다. 안테나의 앞면에는 입력 단자와 정합 연결되게 선로 폭이 좁은 마이크로스트립(micro strip) 급전 선로(20)가 배치되고, 이어서 직사각형 모노폴 형태의 방사소자(10)가 배치된다. 안테나의 뒷면에는, 서로 대칭의 형태를 가지며 연결된 두개의 직사각형 모노폴 형태의 방사소자(30)가 배치되며, 중앙에 있는 사각형 급전 선로(40)가 배치된다.1 is a three-dimensional structural diagram of a small planar antenna according to an embodiment of the present invention. In the antenna of FIG. 1, components formed on the front surface of the dielectric 60 substrate are represented by diagonal lines, and components formed on the back surface are represented by parallel lines. Shown to be. On the front side of the antenna, a micro strip feed line 20 having a narrow line width is disposed to be matched with the input terminal, and then a radiating element 10 having a rectangular monopole type is disposed. On the back of the antenna, two rectangular monopole radiating elements 30 having symmetrical shapes and connected to each other are arranged, and a rectangular feed line 40 in the center is disposed.
초고주파 신호가 입력되는 입력 단자는 급전 선로인 동축 선로와 연결되는데, 단자 콘넥터(connector)(50)의 중심 도선은 앞면의 방사소자 급전 선로(20)에 연결되고, 콘넥터(50)의 외곽 접지 도선은 뒷면의 접지면(70)에 연결된다.The input terminal through which the microwave signal is input is connected to the coaxial line, which is a feed line. The center lead of the terminal connector 50 is connected to the front radiation element feed line 20, and the outer ground lead of the connector 50 is connected. Is connected to the ground plane 70 on the back.
이하, 도 1의 정면도인 도 2, 측면도인 도 3, 기판의 앞면 세부 평면도 도 4, 뒷면 세부 평면도 도 5를 통해 본 발명의 실시예에 따른 안테나가 초 광대역 특성을 갖는 동작 원리를 기술한다.Hereinafter, an operating principle in which an antenna according to an exemplary embodiment of the present invention has ultra-wideband characteristics will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG.
본 발명의 실시예에 따른 안테나의 특성을 살펴보면, 입력 임피던스 대역폭은 중심 주파수에 대하여 70% ~ 100% 정도이며, 주파수 범위 내에서 중심 주파수보다 적은 주파수에서 공진이 한번 발생되고 중심 주파수 보다 큰 주파수에서 다시 한번 공진이 발생되는 즉, 이중 공진이 발생된다.Looking at the characteristics of the antenna according to an embodiment of the present invention, the input impedance bandwidth is about 70% to 100% with respect to the center frequency, the resonance occurs once at a frequency less than the center frequency within the frequency range and at a frequency greater than the center frequency Once again resonance occurs, ie double resonance occurs.
중심 주파수보다 적은 주파수의 공진은 앞면의 긴 직사각형 모노폴 방사소자(10)에서 일어나서 전파가 방사되고, 이때의 뒷면의 방사소자(30)는 정합 스터브(matching stub)역할을 한다. 중심 주파수보다 큰 주파수의 공진은 뒷면의 연결된 두개의 직사각형 모노폴 방사소자(30)에서 일어나서 전파가 방사되고, 이때의 앞면 소자(10)는 정합 스터브 역할을 수행하며, 중심 주파수대에서는 앞면과 뒷면의 방사소자들이 복합적으로 전파를 방사한다. 앞면과 뒷면의 방사소자 길이는 각 공진 주파수에서 파장의 1/4정도에 해당된다. 뒷면의 중심 부분에 있는 작은 길이의 사각형 급전 선로(40)는 앞면의 급전 선로(20)를 형성하기 위한 것으로 안테나의 반사 손실(Return Loss)을 줄이는 역할을 수행한다. 뒷면의 두개의 방사 소자(30)간의 간격(g1)은 반사 손실을 줄이는 역할을 하지만 중심 주파수보다 높은 주파수의 공진에 상당한 영향을 줌으로 적절한 간격을 유지해야 한다. 그리고 입력 단자의 접지와 연결되는 뒷면의 접지면(70)은 입력 콘넥터(50)를 부착할 수 있는 정도의 크기(grnd)를 유지해야 한다. 한편, 도 1의 도시된 실시예에는 뒷면에 연결된 방사 소자가 2개이지만, 더 많은 방사 소자로 구성된다면 역시 더 많은 공진들이 일어날 것이다.Resonance of a frequency lower than the center frequency occurs in the long rectangular monopole radiating element 10 on the front side, and radio waves are radiated, and the radiating element 30 on the back side serves as a matching stub. Resonance of a frequency larger than the center frequency occurs in two rectangular monopole radiating elements 30 connected to the rear side, and the radio waves are radiated. At this time, the front element 10 serves as a matching stub. The devices emit radio waves in combination. The length of the radiating element on the front and back is about one quarter of the wavelength at each resonant frequency. The rectangular feed line 40 having a small length in the center portion of the rear side serves to form the feed line 20 on the front side and serves to reduce return loss of the antenna. The spacing g1 between the two radiating elements 30 on the back serves to reduce the reflection loss but must maintain a proper spacing as it significantly affects the resonance of frequencies higher than the center frequency. And the ground plane 70 of the rear surface connected to the ground of the input terminal should maintain the size (grnd) to the extent that can be attached to the input connector (50). On the other hand, although there are two radiating elements connected to the rear side in the illustrated embodiment of FIG. 1, more resonances will also occur if composed of more radiating elements.
도 6은 직사각형을 예로든 앞면 방사 소자(10)가 다양한 형태(11 ~ 16)로 제공될 수 있음을 보여준다. 각 방사 소자의 모양에 따라 다양한 초 광대역 특성을 나타낼 수 있다.FIG. 6 shows that the front radiating element 10 may be provided in various forms 11 to 16, for example, as a rectangle. Depending on the shape of each radiating element can exhibit a variety of ultra-wideband characteristics.
도 7은 뒷면 방사 소자(30)에 대응되는 것으로 여러 가지 변형된 모습의 예(21 ~ 26)를 도시하고 있다. 역시 각 방사 소자의 모양에 따라 다양한 초 광대역 특성을 나타낼 수 있다.FIG. 7 shows examples 21 to 26 of various modified shapes corresponding to the backside radiating element 30. Again, it can exhibit various ultra-wideband characteristics depending on the shape of each radiating element.
도 8은, 도 1에 도시된 안테나 구조에 대한 반사 손실(Return Loss)의 분석 결과를 나타낸 것으로서, 10dB 기준의 반사 손실의 주파수 범위는 2.3GHz ~ 5.4GHz으로서 대역폭이 대략 3.1GHz인 것을 알 수 있다. 이 반사 손실 대역폭 대 중심 주파수 비는 80.5%에 해당되므로, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 초 광대역 특성을 갖는 안테나로 볼 수 있다.FIG. 8 shows a result of analyzing the return loss of the antenna structure shown in FIG. 1, and it can be seen that the frequency range of the return loss based on 10 dB is 2.3 GHz to 5.4 GHz, and the bandwidth is approximately 3.1 GHz. have. Since the return loss bandwidth to the center frequency ratio corresponds to 80.5%, the antenna according to the embodiment of the present invention can be regarded as an antenna having ultra-wideband characteristics.
도 9와 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 E-plane 복사패턴과 H-plane 복사패턴의 분석 결과를 각각 보여주고 있다. 도 7a 와 도 7b에서 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 복사 패턴은 모노폴 안테나의 복사패턴과 거의 동일한 것을 관찰할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 전방향성 패턴(Omni-directional Pattern)을 가짐을 알 수 있다.9 and 10 show analysis results of the E-plane radiation pattern and the H-plane radiation pattern of the antenna according to the embodiment of the present invention, respectively. As shown in FIGS. 7A and 7B, it can be observed that the radiation pattern of the antenna according to the embodiment of the present invention is almost the same as that of the monopole antenna. Therefore, it can be seen that the antenna according to the embodiment of the present invention has an omni-directional pattern.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 방사 소자(10, 30)가 각각 정합 스터브오 작용하므로, 별도의 정합회로가 필요하지 않고, 초 광대역의 주파수 대역폭과 전방향성 패턴을 가지며, 단순한 구조인 소형 안테나로서 일반 회로 기판처럼 에칭 제작이 가능하여 대량 생산으로 저 가격 공급을 할 수 있게 된다.Accordingly, the antenna according to the embodiment of the present invention does not require a separate matching circuit because the radiating elements 10 and 30 respectively operate as matching stubs, and have a very wide frequency bandwidth and an omnidirectional pattern. As a small antenna, it can be etched like a general circuit board and can be supplied at low cost in mass production.
이상의 안테나 성능 특성의 언급은 도 1과 같은 안테나 구조를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 한 단말기에 부착하기 위해 안테나 기판을 구부려 만들거나, 도 4와 도 5와 같이 방사 소자 모양 예나 유사한 방사 소자 모양으로 변경하는 것과 같이, 본 명세서의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the aforementioned antenna performance characteristics have been described based on the antenna structure as shown in FIG. 1, the scope of the present invention is not limited thereto. For example, the antenna substrate is bent to attach to one terminal, or FIG. 4. 5 and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the claims of the present invention, such as changing the shape of a radiating element or similar radiating element as shown in FIG. 5, also belonging to the scope of the present invention. will be.
이상에서 설명한 본 발명의 구성을 가진 안테나는, 정합 회로가 필요없이 초 광대역의 주파수 대역폭을 가지며, 근거리의 어느 장소에서도 통신을 할 수 있게전방향성 패턴 특성을 가지며, 안테나 구조가 매우 간단하고 크기는 매우 작아서 이동 단말기에 장착될 수 있으며, 기판 제작으로 대량 생산이 가능하여 저 가격으로 공급할 수 있는 현저한 효과를 구비한다.The antenna having the configuration of the present invention described above has an ultra-wide frequency bandwidth without the need for a matching circuit, has an omnidirectional pattern characteristic so that communication can be performed at any place in a short distance, and the antenna structure is very simple and the size is It is very small and can be mounted on a mobile terminal, and it is possible to mass-produce by manufacturing a substrate, which has a remarkable effect of supplying at a low price.
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