KR100420489B1 - 소형 평면 패치 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휴대용 단말기에 사용되는 안테나에 관한 것으로, 특히 휴대용 단말기의 외장에 장착되는 외장형 안테나를 대신하여 기존의 모노폴 안테나와 특성은 유사하지만 모노폴 안테나에 비해 그 크기가 작고 넓은 대역폭을 가지며 단말기의 내부에 장착되는 소형 평면 패치 안테나에 관한 것이다.
Description
본 발명은 휴대용 단말기에 사용되는 안테나에 관한 것으로, 특히 단말기 내부에 장착되고, 종래의 모노폴 안테나의 특성과 유사하며 소형으로 넓은 대역폭을갖는 소형 평면 패치 안테나에 관한 것이다.
현재 휴대용 단말기에 사용되는 안테나들은 모노폴 안테나, 헬리컬 안테나가 대표적으로 이들은 단말기 외장에 장착된 외장형 안테나(external antenna)이다. 상기 외장형 안테나는 대역폭이 넓은 장점은 있으나 단말기의 외부에 장착되기 때문에 파손의 위험성이 크고 단말기 전체의 크기를 증가시킨다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 내장형 소형 안테나의 개발이 진행되고 있다. 상기 내장형 안테나로 많이 연구되고 있는 안테나로는 판형 역 F안테나(PIFA: Planar Inverted-F Antenna)와 단락 마이크로스트립 안테나(short circuit Microstrip Antenna) 등이 있다. 상기 판형 역 F안테나의 기하학적 구조는 도9에 도시된 바와 같이 접지면(21) 상에 일정 거리가 이격되어 방사판(22)이 형성되고, 상기 접지면(21)과 방사판(22)을 쇼트판(23)에 의해 연결하는 구조를 갖는다.
그러나 상기 안테나들은 제작 비용이 적게 들고 입력단 설계가 간편하다는 장점은 있으나 대역폭이 좁다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 외장형 안테나와 내장형 안테나의 장점을 살리면서 문제점을 해결하기 위하여 외장형 안테나인 모노폴 안테나의 특성과 유사하며, 모노폴 안테나에 비해 크기가 작고 넓은 대역폭을 갖는 소형 평면 패치 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전파를 방사하기 위한 상판 패치와, 상기 상판 패치 하부에 형성되는 제 1유전체와, 상기 제 1유전체 하부에 형성되며 상기 상판 패치와 동일한 크기의 하판 패치와, 상기 상판 패치와 하판 패치를 전기적으로 연결하기 위한 다수 개의 비아와, 상기 하판 패치의 하부에 형성되며 상기 제 1유전체와 다른 유전율을 갖는 제 2유전체로 구성된 방사소자와, 상기 방사소자 하부에 설치되며 전기를 공급하기 위한 급전선이 형성된 유전체 기판과, 상기 유전체 기판에 형성된 급전선과 상기 방사소자의 하판 패치를 연결하기 위한 또 다른 비아와, 상기 제 2유전체와 유전체 기판 사이에 형성되며 상기 비아를 관통시키기 위한 홀이 형성되어 있는 접지면과, 상기 접지면과 상기 방사소자의 하판 패치를 전기적으로 단락시켜 방사소자의 크기를 줄이기 위한 다수 개의 단락핀으로 구성된 급전부를 포함하는 소형 평면 패치 안테나를 특징으로 한다.
도1a은 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 분해 사시도.
도1b는 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 평면도.
도1c는 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 측면도.
도2는 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나에 사용된 단락핀 수에 따른 안테나 특성 변화를 나타낸 그래프.
도3은 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나에 사용된 단락핀의 직경에 따른 안테나 특성 변화를 나타낸 그래프.
도4는 중심 주파수 5.8 GHz에서 최적화된 소형 평면 패치 안테나의 반사 손실 특성를 나타낸 그래프.
도5a는 중심 주파수 5.8 GHz에서 최적화된 소형 평면 패치 안테나의 xz-cut 방사패턴을 나타낸 그래프.
도5b는 중심 주파수 5.8 GHz에서 최적화된 소형 평면 패치 안테나의 yz-cut 방사패턴을 나타낸 그래프.
도6은 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 단락핀에 사용되는 칩 저항과 대역폭의 관계를 나타낸 그래프.
도7은 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 단락핀에 5 Ω의 칩 저항을 사용한 안테나에 증폭기를 집적화했을 때의 안테나 특성과 집적화하지 않았을 때의 안테나 특성을 나타낸 그래프.
도8은 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 중심 주파수 5.8 GHz에서 안테나에 증폭기를 집적화했을 때와 하지 않았을 때의 안테나 특성을 나타낸 그래프.
도9는 종래의 판형 역 F 안테나를 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 상판 패치 12 : 하판 패치
13 : 유전체 기판 14 : 접지면
15 : 비아 16 : 단락핀
17 : 급전선 18 : 비아 관통홀
21 : 접지면 22 : 방사판
23 : 쇼트판
: 제 1유전체(air 포함): 제 2유전체(air포함)
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 소형 안테나는 전기적 길이에 비해 크기가 작은 안테나로, 안테나 자체의 높은 Q값 때문에 대역폭이 좁다는 문제점이 있어 소형 안테나를 설계할 때는 낮은 Q값을 갖도록 설계하는 것이 선행되어야 하는데 맥렌(Mclean)이 조사한 바에 의하면 최소 Q값은 안테나를 포함하는 가상 구의 최소 부피와 관계가 있다고 알려져 있다.
도1a 내지 도1c는 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나에 관한 것으로, 상기 Q값 이론을 바탕으로 가상 구에 최대 전기적 길이를 갖도록 설계한 안테나이며, 크게 방사소자와 급전부로 구성된다.
먼저, 방사소자는 전파를 방사하기 위한 상판 패치(11,Upper Patch)와, 상기 상판 패치 하부에 형성되는 제 1유전체()와, 상기 제 1유전체() 하부에 형성되며 상기 상판 패치(11)와 동일한 크기로 형성된 하판 패치(12, Lower Patch)와, 상기 상판 패치(11)와 하판 패치(12)를 전기적으로 연결하기 위한 다수 개의 비아(15)와, 상기 하판 패치(12)의 하부에 형성되며 상기 제 1유전체()와 다른 유전율을 갖는 제 2유전체()로 구성된다.
또한 급전부는 상기 방사소자 하부에 설치되며 전기를 공급하기 위한 급전선(17)이 형성되어 있으며, 상기 제 1유전체와 제 2유전체와는 다른 유전율을 갖는 유전체 기판(13)과, 상기 유전체 기판(13)에 형성된 급전선(17)과 상기 방사소자의 하판 패치(12)를 전기적으로 연결하기 위한 또 다른 비아(15)와, 상기 제 2유전체()와 유전체 기판(13) 사이에 형성되며 상기 비아(15)를 관통시키기 위한 홀(18)이 형성되어 있는 접지면(14)과, 상기 상기 방사소자의 하판 패치(12)를 전기적으로 단락시켜 방사소자의 크기를 줄이기 위해 접지면과 연결되는 다수 개의 단락핀(16)으로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 소형 평면 패치 안테나의 한 실시예로서, 상기 상판패치(11)및 하판 패치(12)의 크기를 폭(W)은 4 mm, 길이(L)는 5 mm로 형성하고, 상기 상판 패치 하부의 제 1유전체()와 하판 패치 하부의 제 2유전체()는 유전율 1.07을 가지며, 두께는 제 1유전체의 두께(h1)는 3 mm이고, 제 2유전체의 두께(h2)는 2 mm로 형성한다. 또한, 상기 상판 패치와 하판 패치를 전기적으로 연결하는 비아를 3개 설치한다. 이때 비아의 지름은 0.5 mm, 비아 사이의 간격()은 1.3 mm 이다.
다음에 급전부를 구성하는 유전제 기판(13)은 RT/Duroid 6006으로 유전율() 6.15이고, 두께()가 0.635 mm로 형성하며, 상기 유전체 기판의 일정부분에 마이크로스트립 급전선을 형성하여 전기를 공급한다. 또한, 상기 방사소자의 하판 패치(12)와 접지면(14)은 두 개의 단락핀(16)에 의해 연결되며 단락핀 사이의 간격은로 정의한다. 또한, 상기 급전부의 급전선으로부터 하판 패치에 전기를 공급하기 위해 비아를 설치하며 상기 단락핀과 비아 사이의 간격은이라 정의한다.
상기와 같이 형성된 소형 평면 패치 안테나의 전기적 길이는 두 패치의 길이와 두 패치를 연결하는 비아의 높이 그리고 하판 패치와 접지면을 연결하는 단락핀의 높이로 얻을 수 있다.
또한, 상판 패치와 하판 패치에 흐르는 전류가 180°위상차를 갖기 때문에 안테나의 방사패턴이 모노폴의 방사패턴과 유사하게 된다.
또한, 상술한 바와 같은 소형 평면 패치 안테나에 있어서, 상판 패치와 하판패치 하부에 위치하는 제1 및 제2 유전체를 상기 패치의 크기보다 작게 형성할 수도 있다.
도2는 상기 실시예에서 단락핀의 수에 따라 각 경우를 최적화 시켰을 때의 안테나 반사 손실 특성을 나타낸 것으로, 모든 경우 단락핀의 지름은 0.5 mm이고, 최적화된 결과는 각 경우에 따라와을 변화시켜 최대 대역폭을 얻도록 구성하였을 경우 단락핀의 수가 증가할수록 공진 주파수가 높아짐을 알 수 있다.
표1은 본 발명의 실시예와 같이 구성된 소형 평면 패치 안테나에 있어서 단락핀 수에 따른 공진 주파수의 대역폭 변화 값을 나타낸 것이다.
| 단락 핀 수 | y 0 (mm) | y 1 (mm) | f r (GHz) | Bandwidth (MHz) | Fractional bandwidth (%) |
| 1 | 1.5 | 1.5 | 5.73 | 625 | 10.86 |
| 2 | 0.5 | 1.7 | 5.9 | 695 | 11.73 |
| 3 | 0.5 | 1.5 | 5.93 | 620 | 10.41 |
| 4 | 0.5 | 1.5 | 6.015 | 425 | 7.05 |
다음에 도3은 상기 실시예와 같이 구성된 소형 평면 패치 안테나에서 단락핀의 직경에 따라 각 경우를 최적화 시켰을 때의 안테나 반사 손실 특성을 나타낸 것으로, 모든 경우 단락핀 수를 2개로 하고, 단락핀의 직경을 각각 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm로 변경될 경우를 나타낸 것이다. 이 경우에도 각 경우에 따라와을 변화시켜 최대 대역폭을 얻도록 최적화 시켰다. 도 3의 그래프에서 알 수 있듯이 단락핀의 직경이 증가할수록 안테나의 공진 주파수와 대역폭이 증가한다.
표2는 상기 실시예의 안테나에서 단락핀의 직경 변화에 따른 공진 주파수와대역폭의 변화값을 나타낸 것이다.
| 직경 (mm) | y 0 (mm) | y 1 (mm) | f r (GHz) | Bandwidth (MHz) | Fractional bandwidth (%) |
| 0.2 | 0.5 | 2.5 | 5.75 | 575 | 9.96 |
| 0.3 | 0.5 | 2 | 5.8 | 620 | 10.64 |
| 0.5 | 0.5 | 1.7 | 5.9 | 695 | 11.73 |
상기 도2와 도3 그리고 표1과 표2에 나타낸 결과를 토대로 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 설계시 초기 설계할 수 있는 방법을 얻을 수 있다.
그 방법은 수학식1과 수학식2를 통해 설명된다.
상기 수학식 1과 수학식2에서 N은 단락핀의 수이고는 단락핀 사이의 거리이며,은 급전선과 하판 패치를 연결하는 비아와 단락핀 사이의 간격을 나타낸다. 또한, D는 단락핀의 직경을 나타내며, α는 보정상수로 D의 영향을 받으며 2와 3.5 사이의 값을 갖는다.
따라서 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나를 초기 설계할 때, 수학식1을 통해 단락핀의 수와 단락핀의 위치를 결정할 수 있으며, 수학식 2를 통해 급전 위치(급전선과 하판 패치를 연결하는 비아의 위치)를 대략적으로 결정할 수 있다. 이렇게 초기 설계 후 튜닝(tuning)을 통해 최적화 할 수 있다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 소형 평면 패치 안테나가 중심 주파수 5.8GHz에서 최적화된 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸 것으로, 단락핀의 수는 2개이며, 단락핀의 직경은 0.5 mm,=0.6 mm,=1.4 mm인 경우이다. 이와 같은 안테나는 VSWR＜2를 기준으로 중심 주파수 5.8 GHz에서 부분 대역폭이 11.62%를 갖는다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 실시예에 따른 소형 평면 패치 안테나가 중심 중파수 5.8 GHz에서의 방사패턴을 나타낸 것으로, 도5a는 안테나의 xz-cut 방사패턴이며, 도5b는 yz-cut 방사패턴을 나타낸 것이다. 또한 그래프에서는 안테나의 동일 편파(col-polarization)를 나타내며,는 안테나의 교차 편파(cross-polarization)을 각각 나타내는 것으로 그래프에서 알 수 있듯이 안테나의 동일 편파는 모노폴 안테나의 방사패턴과 유사하게 나타낸다. 또한, 교차 편파는 하판 패치와 급전선을 연결하는 비아와 단락핀의 위치 그리고 두 패치를 연결시키는 비아들의 위치 때문에 생긴 패치 위의 표면 전류인성분에 의해 발생되며, -20dB 이하의 값을 갖는다. 따라서 안테나의 최대 이득(maximum gain)은 5.302 dBi이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나는 단락핀을 사용하여 안테나의 전기적 길이가 반 파장이 아닌 1/4 파장에서 공진하기 때문에 종래의안테나에 비해 그 크기를 줄일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나는 설계 변수에 따라 안테나의 공진 특성과 대역폭을 조사하여 초기 설계시 용이한 설계 방안을 제시할 수 있으며, 또한 중심 주파수 5.8 GHz에서 VSWR＜2를 기준으로 부분 대역폭이 11.62%이며, 그때 안테나의 크기가 4 mm ×5.5 mm ×5.6 mm인 소형 평면 패치 안테나를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나에서는 높은 유전율을 갖는 유전체를 사용함으로써 안테나의 크기를 줄일 수 있다. 하지만 높은 유전율을 갖는 유전체를 사용함에 따라 대역폭이 감소되는 단점이 있다. 이를 보상하여 주기 위해 본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나의 접지면과 안테나를 단락시키는 단락핀에 칩 저항을 사용하여 대역폭 감소를 보상하였다. 칩 저항값에 따른 대역폭의 영향은 도6과 같다.
그러나 도6의 그래프에서 나타난 것처럼 칩 저항값이 커질수록 안테나의 이득 또한 감소됨을 알 수 있다. 그러므로 안테나의 이득을 고려하여 칩 저항값을 선택하여 한다. 5 Ω의 칩 저항을 사용한 안테나에 증폭기를 집적화 하였을 때의 안테나 특성과 집적화하지 않았을 때의 안테나 특성을 비교하면 도7과 같다.
증폭기를 집적화하지 않았을 때 대역폭은 2.73%(155 MHz)이며 증폭기를 집적화 하였을 때 9.18%(540 MHz)의 대역폭을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 소형 평면 패치 안테나에서는 안테나의 이득을 개선하기 위해 저잡음 전력 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier)를 사용하였다. 안테나의 이득을 높이기 위해 증폭기의 출력단에 안테나를 위치시킨다. 이때 주의해야 할 점은 능동 소자를 안테나와 집적함으로써 능동 소자가 발진하지 않도록 설계를 하여야 한다. 다음 도8은 중심 주파수 5.8 GHz인 안테나에 증폭기를 집적화 했을 때와 하지 않았을 때의 안테나 특성을 나타낸 것이다. 안테나에 증폭기를 집적화하지 않았을 때에 비해 증폭기를 집적화 하였을 때 약 20 MHz의 중심 주파수가 높아졌으며 대역폭은 증폭기를 집적화하지 않았을 때 10.7%이고, 증폭기를 집적화 하면 13.47%의 대역폭을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 소형 평면 패치 안테나는 방사 특성이 종래의 외장형 안테나인 모노폴 안테나와 유사하면서도, 평면형으로 구현되어 안테나의 부피를 크게 줄일 수 있다.
또한, 종래의 내장형 안테나에 비해 넓은 대역폭을 갖기 때문에 무선 휴대용 단말기의 크기를 줄이기 위한 내장형 안테나로의 활용이 가능하다.
Claims (5)
- 전파를 방사하기 위한 상판 패치와,상기 상판 패치 하부에 형성되는 제 1유전체와, 상기 제 1유전체 하부에 형성되며 상기 상판 패치와 동일한 크기의 하판 패치와, 상기 상판 패치와 하판 패치를 전기적으로 연결하기 위한 다수 개의 비아와, 상기 하판 패치의 하부에 형성되며 상기 제 1유전체와 다른 유전율을 갖는 제 2유전체로 구성된 방사소자와;상기 방사소자 하부에 설치되며 전기를 공급하기 위한 급전선이 형성된 유전체 기판과, 상기 유전체 기판에 형성된 급전선과 상기 방사소자의 하판 패치를 연결하기 위한 또 다른 비아와, 상기 제 2유전체와 유전체 기판 사이에 형성되며 상기 비아를 관통시키기 위한 홀이 형성되어 있는 접지면과, 상기 접지면과 상기 방사소자의 하판 패치를 전기적으로 단락시켜 방사소자의 크기를 줄이기 위해 적어도 두 개 이상의 단락핀으로 구성된 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 평면 패치 안테나.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1유전체와 제 2유전체는 상판 및 하판 패치의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 소형 평면 패치 안테나.
- 제 1 항에 있어서,높은 유전율을 갖는 유전체를 사용함에 따른 대역폭 감소를 보상하여 주기 위해 안테나의 접지면과 안테나를 단락시키는 단락핀에 칩 저항을 사용한 소형 평면 패치 안테나.
- 제 1 항 또는 제 3항에 있어서,안테나의 이득을 높이기 위해 증폭기의 출력단에 안테나를 위치시킨 소형 평면 패치 안테나.
- 제 1 항에 있어서,상기 단락핀의 수와 단락핀의 위치는(여기서, N은 단락핀 수,는 단락핀 사이의 거리, W는 패치의 폭)에 의해 결정하고, 급전선과 하판 패치를 연결하는 비아의 위치는,(여기서은 급전선과 하판 패치를 연결하는 비아와 단락핀 사이의 거리, D는 단락핀의 직경, α는 보정상수)에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 소형 평면 패치 안테나.
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