KR100424051B1 - 마이크로 칩 안테나 - Google Patents

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KR100424051B1
KR100424051B1 KR10-2001-0054565A KR20010054565A KR100424051B1 KR 100424051 B1 KR100424051 B1 KR 100424051B1 KR 20010054565 A KR20010054565 A KR 20010054565A KR 100424051 B1 KR100424051 B1 KR 100424051B1
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Abstract

본 발명은 광대역에서의 -10dB 이하의 반사손실을 얻을 수 있고, 정재파비가 1:1.1508∼1.2804 이하로서 양호하며, 입력 임피던스가 50Ω에 근사하고, 복사패턴이 전방향에 대하여 이루어져 휴대 단말기 및 블루투스에서부터 각종 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 이용될 수 있고, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판 위에 설계할 수 있으며, 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System), IMT-2000 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 휴대용 단말기 상호간 또는 무선 랜의 신호를 송수신하는 데에 매우 용이하게 사용할 수 있는 마이크로 칩 안테나에 관한 발명이다.

Description

마이크로 칩 안테나{MICRO CHIP ANTENNA}
본 발명은 마이크로 칩 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역에서의 통신기기에 적합한 반사손실 및 정재파비를 얻을 수 있고 전방향에 대한 복사패턴을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 안테나의 크기를 극소화시킬 수 있으며 휴대용 단말기 및 블루투스를 비롯한 각종 무선통신 장비에 소형으로 내장시킬 수 있는 마이크로 칩 안테나(Micro Chip Antenna)에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신에서 주로 사용되고 있는 주파수는 150∼900㎒ 대역에서 활용되고 있으나 최근에는 그 수요의 급증으로 1∼3㎓ 대역인 준 마이크로파 대역의 주파수에서도 실시되고 있는 상태이다.
준 마이크로파 대역의 활용은 이미 PCS가 1.7∼1.8㎓ 대역에서 상용화되고 있으며, 2000년대에는 통화지역이 전 세계 어느 지역에서나 가능한 GMPCS(1.6㎓), IMT2000(2㎓) 등의 차세대 이동통신 시스템에도 적용될 예정이다.
휴대 전화기의 급속한 발전으로 소형화 및 고급화됨에 따라 정보통신의 출입문이라 할 수 있는 안테나의 중요성은 자연스럽게 부각되었고, 그러한 예로 마이크로 칩 안테나는 이 분야에서 특별한 연구의 대상으로 떠오르고 있다.
통상적으로 마이크로 칩 안테나는 유전율이 낮을수록, 기판이 두꺼울수록 효율이 좋다. 그리고 주파수가 낮을 경우에는 효율이 낮고, 주파수가 높을 경우에는 효율이 높기 때문에 준 마이크로파 대역과 같은 비교적 높은 주파수에서 적용할 수있는 마이크로 칩 안테나는 휴대 전화기가 추구하고 있는 소형화 제약 조건을 만족할 수 있는 최소한의 안테나라 할 수 있다.
한편, 통상의 마이크로 칩 안테나는 넓은 그라운드 패치 위에 공진길이가 λ/2인 방사패치가 공진형태를 이루고 있으며 구조적으로 어레이 형태를 취하고 있다. 그리고, 급전점의 좌우측에 패치와 그라운드 패치 사이에 전기력선이 형성되기 때문에 급전점의 좌우측 그라운드 패치를 짧게 할 경우에는 전기력선 형성에 제한을 받게 되고, 그에 따라 이득이 떨어지는 결과를 초래하여 소형화에 어려움이 따르기도 한다.
또한, 마이크로 칩 안테나는 그라운드 패치 위에 유전체를 형성하고, 이 유전체의 상면에 장방형 또는 원형의 방사패치를 부착한 간단한 구조의 평면 안테나로서 대역폭이 좁고 효율이 낮다는 단점이 있기도 한다. 그러나, 가격이 저렴하고 소형 및 경량으로 제작할 수 있어 대량생산에 적합하다는 이점이 있다.
더불어, 마이크로 칩 안테나는 밴딩이 자유로와 각종 장치나 부품에 일정형상으로 감을 수 있고 고속으로 움직이는 물체에 용이하게 부착할 수 있으므로, 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 널리 이용되고 있다.
이외에도 마이크로 칩 안테나는, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판 위에 설계할 수 있는 특징을 또한 지니고 있다.
이러한 마이크로 칩 안테나는 원형 편파를 요구하는 위성통신에서 원형 또는장방형 방사패치에 한 개 또는 두 개의 급전 포인트를 갖도록 설계할 수 있고, 도플러 레이더(doppler radar), 전파 고도계(radio altimeter), 미사일 원격 측정기, 무기, 환경기계의 사용과 원격감지, 복합 안테나의 전송소자, 위성조종 수신기, 생물의학의 방사체 등에도 이용할 수 있으며 그 이용분야가 갈수록 증가되고 있는 추세이다.
한편, 오늘날 정보화의 급속한 발달에 따라 자동차용 전화, 포킷 벨, 코드레스 전화 등의 이동통신 단말기가 급속히 보급되고 있는 데, 이러한 이동통신의 장비 역시 소형화되어 감에 따라 안테나의 크기 또한 필연적으로 작아질 수밖에 없는 현실이다.
도 1은 일반적인 마이크로 칩 안테나를 나타내는 측면도이다.
통상의 마이크로 칩 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 방사패치(1)의 양단이 개방되어 있어서 그 전류분포가 0이 되고, 전압분포는 최대치를 갖는다. 그리고, 급전위치는 급전선로(2)의 저항값에 따라 전류분포의 값과 전압분포의 값에 대한 비로 결정된다.
또한, 전기력선(3,5)은 수직성분과 수평성분으로 나누어 생각할 수 있으며, 수직성분은 위상이 반대여서 상쇄되고 수평성분만 동위상으로 어레이되어 존재하게 된다.
이러한 마이크로 칩 안테나에 있어서 그라운드 패치(6)의 길이를 짧게 형성할 경우에는 전기력선(3,5)이 미치는 범위가 제한되어 결국 이득이 감쇠되므로 그라운드 패치(6)를 짧게 하는 방식으로는 안테나를 소형화할 수 없다.
일반적으로 마이크로 칩 안테나는 VHF/UHF 대역의 유니트로서 작고 가벼우며 콤팩트한 구조가 요망되고 있고, 현재 소형화로 개발된 변형된 마이크로 칩 안테나의 예로서는 QMSA(Quarter-Wavelength Micro-Strip Antenna), PMSA(Post-loading Micro-strip Antenna), WMSA(Window-attached Micro-Strip Antenna), FVMSA (Frequency-Variable Micro-Strip Antenna) 등의 종류가 있다. 이들 PMSA, WMSA, FVMSA는 QMSA로부터 부분적으로 변형된 것들이며, 상호 기본적으로 유사한 방사패턴을 지니고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 QMSA의 구성을 나타낸 사시도로서, 소형 무선장비의 한정된 용적 내에 탑재시킬 수 있도록 소형화된 안테나를 제공하기 위하여 방사패치(23)와 그라운드 패치(21)의 폭(W)을 동일하게 구성하고, 방사개구(22)의 반대방향에 그라운드 패치(21)를 신장시켜 사용하는 특징을 갖고 있다.
즉, 도 2에 도시된 QMSA는 λg(관내파장)/2로 된 그라운드 패치(21)에 순차로 유전체(22)와 방사패치(23)가 부착되어 있고, 그라운드 패치(21)의 일측이 방사패치(23)에 단락되어 있으며, 방사패치(23)의 길이는 λg/4로 구성하여 일정한 주파수 영역을 갖도록 설계되어 있다.
더불어, 급전선(24)의 외부도체가 그라운드 패치(21)에 접지되어 있고, 급전선(24)의 내부도체(중심도체)는 그라운드 패치(21)와 유전체(22)를 통과해 방사패치(23)에 접속되어 있다(일본전자정보학회 Vol.J71-B, 1988.11.). 유전체(22)는 대표적으로 폴리에틸렌(εr=2.4), 테프론(εr=2.5) 또는 에폭시-화이버글라스(εr=3.7)가 사용될 수 있다.
도 3은 도 2의 Gz의 변화에 대한 이득율의 변화를 보인 것으로, 여기서, 0(dB)은 가장 기본적인 반파장 다이폴 안테나의 이득을 나타낸다. Gz는 방사 증가율을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다. 도 4는 도 2의 안테나의 전체 길이(L)에 대한 이득 변화율을 나타내고 있으며, 도 5는 도 2의 방사패치(23)의 폭(W)에 대한 이득율을 나타내고 있다.
도 6은 도 2의 QMSA의 방사특성을 측정한 것으로, (가)는 XY면, (나)는 YZ면, (다)는 ZX면을 나타낸다. 도 6의 (가),(나),(다)에 도시된 바와 같이 도 2의 QMSA는 방사패턴이 거의 전방향으로 전파되고 있는 전계 안테나임을 알 수 있다. 이 QMSA의 방사특성은 안테나의 매개변수를 안테나의 전체 길이(L) = 7.67cm, Gz = 2.79cm, 방사패치(23)의 폭(W) = 3cm, 유전체(22)의 두께(t) = 0.12cm, 유전율(εr) = 2.5(테프론)로 한 경우의 예이다.
한편, 복잡한 도시환경 속에서 정재파 분포가 최소점에 가깝게 위치할 때, 전계 안테나는 신호의 회절과 반사 등으로 인하여 송수신 감도가 저하되어 통신의 방해를 받게 된다.
따라서, 현재의 무선장비 시스템에서는 이를 극복하기 위하여 공간 다이버시티, 지향성 다이버시티, 편파 다이버시티 등을 활용하고 있고, 멀티패스에 의한 저수신 감도를 해결하기 어렵기 때문에 2개 이상의 안테나를 설치하기도 한다.
한편, 변형된 마이크로 칩 안테나인 PMSA(미 도시됨)는 방사패치의 양측에 2개의 방사 개구면이 형성되어 있고, QMSA 안테나의 단락말단 대신에 유전체를 통해 그라운드 패치와 방사패치에 단락 포스트가 접속되어 있으며, 이로부터 일정 지점에 급전선이 위치되도록 구성한 것으로서, 2개의 개구면이 존재하지만 그 방사패턴은 실질적으로 QMSA와 유사하게 나타난다.
또한, 변형된 마이크로 칩 안테나인 WMSA(미 도시됨)는 QMSA의 방사패치의 일정 지점에 슬릿(slit)을 형성하여 리액턴스 성분을 갖도록 함으로써 방사패치의 길이를 짧게 할 수 있도록 설계된 것이고, FVMSA(미 도시됨)는 리액턴스 부하값의 변화에 의해 QMSA의 공진 주파수를 전자적으로 변경시킬 수 있도록 제안된 안테나이다.
그러나, 이와 같이 다양한 종래의 변형된 마이크로 칩 안테나(MSA), 즉, QMSA, PMSA, WMSA, FVMSA는 그라운드 패치를 작게 할 경우 방사 개구면이 좁아지기 때문에 이득이 오히려 감쇠되어 그 크기를 소형화시킬 수가 없고, 휴대용 무선장비로 사용할 경우에는 전계 안테나가 이용되고 있기 때문에 건물의 벽면 또는 건물내의 각종 금속물질 등에 의해 전계강도가 저하될 뿐만 아니라 멀티패스 간섭에 의한 수신감도가 저하되는 커다란 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 휴대용 단말기 및 블루투스를 비롯한 각종 무선통신 장비에 소형으로 내장시킬 수 있도록 광대역에서의 통신기기에 적합한 반사손실을 얻을 수 있고 정재파비가 양호하며 전방향에 대한 복사패턴을 구현할 수 있는 마이크로 칩 안테나를 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 칩 안테나를 나타내는 측면도.
도 2는 종래 기술에 따른 QMSA(Quarter-Wavelength Micro-Strip Antenna)를 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 Gz에 대한 이득 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 도 2의 안테나 전체길이(L)에 대한 이득 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 도 2의 방사패치 폭(W)에 대한 이득 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 도 2의 방사 특성도로서, (가)는 XY 방향, (나)는 YZ 방향, (다)는 ZX 방향.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나를 나타내는 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나를 나타내는 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나를 나타내는 저면도.
도 10은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나를 나타내는 측면도.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나의 표면실장 상태를 설명하기 위한 기판을 포함한 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나를 설명하기 위한 스미스 챠트(Smith Chart).
도 15는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나를 설명하기 위한 복사패턴(Radiation Pattern).
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 마이크로 칩 안테나 10 : 유전체
21 : 제 1 스트립라인 22 : 제 2 스트립라인
30 : 상부 연결패턴 40 : 하부 방사패치
50 : 슬롯 60 : 접지면
70 : 급전홀 71 : 도체
72 : 급전패턴 200 : 기판
81 : 비그라운드 면 82 : 그라운드 면
91 : 시그널 라인 92 : 그라운드 라인
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
직사각체를 이루는 유전체 상면의 전체 길이(ℓ) 중 그 일단에서 13∼16％의 길이(ℓ1)만큼 이격된 지점으로부터 27∼30％의 길이(ℓ2)까지 더 연장된 거리와, 상기 유전체 상면의 폭방향의 일측면으로부터 전체 폭(W)에 대하여 58∼62％의 폭(W2)까지 스트립된 제 1 스트립라인과; 상기 유전체 상면의 전체 길이(ℓ) 중 그 일단에서 13∼16％의 길이(ℓ1)만큼 이격된 지점으로부터 41∼45％의 길이(ℓ3)까지 더 연장된 거리는 상기 유전체 상면의 폭방향의 타측면으로부터 전체 폭(W)에 대하여 23∼27％의 폭(W1)까지 스트립되고, 상기 유전체 상면의 전체 길이(ℓ) 중 그 타단에서 6∼9％의 길이(ℓ4)만큼 이격된 지점으로부터 34∼38％의 길이(ℓ5)까지 더 연장된 거리는 상기 유전체 상면의 폭방향의 타측면으로부터 전체 폭(W)에 대하여 47∼53％의 폭(W3)까지 스트립되는 제 2 스트립라인에 의하여 구현된 상부 연결패턴과:
상기 유전체 하면의 전체 길이(ℓ)에 대하여 그 일단으로부터 62∼66％의 길이(ℓ6)까지는 상기 유전체 하면의 폭방향의 타측면으로부터 35∼39％의 폭(W4)만큼, 상기 유전체 하면의 전체 길이(ℓ)에 대하여 그 일단으로부터 84∼87％의 길이(ℓ7)까지는 상기 유전체 하면의 폭방향의 일측면으로부터 61∼64％의 폭(W5)까지 씌워지는 하부 방사패치와:
상기 하부 방사패치로부터 상기 유전체 하면의 전체 길이(ℓ)와 전체 폭(W)에 대하여 각각 6∼8％의 길이(ℓ8)와 12∼14％의 폭(W6)만큼 스트립된 슬롯과:
상기 슬롯을 사이에 두고 상기 하부 방사패치와 이격되면서 상기 상부 연결패턴에 단락된 상태로 상기 유전체의 하면에 씌워지는 접지면과:
상기 유전체 하면의 폭방향의 타측면에 위치한 상기 접지면의 범위 내에 상하방향으로 뚫려져 도체가 도금된 급전홀을 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이들 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)를 나타내는 사시도로서 직사각체의 유전체(10)의 상면에 상부 연결패턴(30)이 씌워지고, 유전체(10)의 하부 방사패치(40) 및 접지면(60)이 구비된 모습을 도시하고 있다.
더욱 구체적으로, 도 8의 평면도, 도 9의 저면도 및 도 10의 측면도에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)에 적용된 상부 연결패턴(30)은 제 1 스트립라인(strip line; 21) 및 제 2 스트립라인(22)에 의하여 구현된다.
제 1 스트립라인(21)은 직사각체를 이루는 유전체(10) 상면의 전체 길이(ℓ; 7㎜) 중 그 일단에서 13∼16％의 길이(ℓ1; 1㎜)만큼 이격된 지점으로부터 27∼30％의 길이(ℓ2; 2㎜)까지 더 연장된 거리와, 유전체(10) 상면의 폭방향의 일측면으로부터 전체 폭(W; 4㎜)에 대하여 58∼62％의 폭(W2; 2㎜)까지 스트립되고,
제 2 스트립라인(22)은 유전체(10) 상면의 전체 길이(ℓ; 7㎜) 중 그 일단에서 13∼16％의 길이(ℓ1; 1㎜)만큼 이격된 지점으로부터 41∼45％의 길이(ℓ3; 3㎜)까지 더 연장된 거리는 유전체(10) 상면의 폭방향의 타측면으로부터 전체 폭(W; 4㎜)에 대하여 23∼27％의 폭(W1; 2㎜)까지 스트립되고, 유전체(10) 상면의 전체 길이(ℓ; 7㎜) 중 그 타단에서 6∼9％의 길이(ℓ4; 0.5㎜)만큼 이격된 지점으로부터 34∼38％의 길이(ℓ5; 2.5㎜)까지 더 연장된 거리는 유전체(10) 상면의 폭방향의 타측면으로부터 전체 폭(W; 4㎜)에 대하여 47∼53％의 폭(W3; 3.5㎜)까지 스트립되어 이루어진다.
그리고, 하부 방사패치(40)는 유전체(10) 하면의 전체 길이(ℓ; 7㎜)에 대하여 그 일단으로부터 62∼66％의 길이(ℓ6; 4.5㎜)까지는 유전체(10) 하면의 폭방향의 타측면으로부터 35∼39％의 폭(W4; 1.5㎜)만큼, 유전체(10) 하면의 전체 길이(ℓ; 7㎜)에 대하여 그 일단으로부터 84∼87％의 길이(ℓ7; 6㎜)까지는 유전체(10) 하면의 폭방향의 일측면으로부터 61∼64％의 폭(W5; 2.5㎜)까지 씌워지고, 슬롯(50)은 하부 방사패치(40)로부터 유전체(10) 하면의 전체 길이(ℓ; 7㎜)와 전체 폭(W; 4㎜)에 대하여 각각 6∼8％의 길이(ℓ8; 0.5㎜)와 12∼14％의 폭(W6; 0.5㎜)만큼 스트립된다.
더불어, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)에 적용된 접지면(60)은 슬롯(50)을 사이에 두고 하부 방사패치(40)와 이격되면서 상부 연결패턴(30)에 단락된 상태로 유전체(10)의 하면에 씌워지고, 급전홀(70)은 유전체(10) 하면의 폭방향의 타측면에 위치한 접지면(60)의 범위 내에 상하방향으로 뚫려져 도체(71)가 도금된다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 유전체(10)의 상면에 위치한 급전홀(70)의 주위에 유전체(10)의 전체 길이(ℓ; 7㎜)와 전체 폭(W; 4㎜)에 대하여 각각 13∼16％의 길이(ℓ9; 0.5㎜)와 24∼26％의 폭(W7; 0.5㎜)으로 씌워져 급전홀(70)의 도체(71)에 단락되는 급전패턴(72)을 더 포함한다.
이와 같이 유전체(10)의 상면에 상부 연결패턴(30)이 제 1 스트립라인(21) 및 제 2 스트립라인(22)에 의하여 굴곡을 이루어 씌워지고, 그 하면에 상부 연결패턴(30)과 용량을 구현하면서 하부 방사패치(40)가 씌워지며, 이 하부 방사패치(40)와 이격되어 접지되는 접지면(60)이 구비되므로써 용량을 하부 방사패치(40) 쪽으로 장하시킬 수 있게 되고, 이로써 마이크로 칩 안테나(100)의 크기를 더더욱 소형화시킬 수 있으며, 접지면(60) 쪽보다 용량이 장하되는 하부 방사패치(40) 쪽으로 이득이 더욱 커질 뿐만 아니라, 이득이 더욱 큰 방사패턴을 가질 수 있게 되어 광대역을 필요로 하는 휴대용 단말기 또는 블루투스 서비스 대역에서의 안테나로서 적합하게 활용할 수 있게 된다.
부연하면, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)의 복사이득은 접지면(60) 쪽보다 용량이 장하되는 하부 방사패치(40) 쪽으로 -3∼0dB 정도 더욱 크게 전방향에 대해서 방사패턴을 가질 수 있게 되어 각종 무선장비에 매우 적합하게 사용될 수 있는 것이다.
그리고, 유전체(10)를 세라믹이 아닌 에폭시 재질을 이용하여 제조비용을 절감할 수 있으며, PCB 가공으로 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 특히 전자파의 영향을 감소시킬 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)의 표면실장 상태를 설명하기 위한 기판(200)을 포함한 사시도로서, 급전홀(70)이 직사각체를 이루는 유전체(10)의 폭방향의 타측면에 상하방향으로 뚫려져 도체(71)가 도금되므로써, 예를 들면 블루투스용 기판(200) 위에 탑재될 경우 표면실장으로서 접속이 가능하고, 시그널 라인(91)으로부터 신호가 공급될 경우 별도의 급전선로를 필요하지 않아 전기력선의 부정(不整)분포를 능동적으로 극복할 수 있게 된다.
여기서, 블루투스용 기판(200)은 도 11에 도시된 바와 같이 그라운드(ground) 면(82)과 비그라운드(non ground) 면(81)으로 나뉘어지고, 마이크로 칩 안테나(100)의 급전홀(70)이 그라운드 면(82)으로부터 회로정합에 의한 신호를 제공하는 시그널 라인(91)에 솔더링 접속되며, 접지면(60)은 기판(200)의 그라운드 면(82)에 접지된 그라운드 라인(92)에 접속되어 전체적으로 기판(200) 위에 표면실장됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 구체적인 실시예를 통하여 구현된 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 각종 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 이용되고, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈 또는 블루투스(bluetooth) 등의 기판(200) 위에 설계할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 실시예로서 휴대용 단말기 또는 불루투스에 적합하게 채용된다.
휴대용 단말기에는 다이폴 안테나, 야기 안테나 등이 주로 사용된다. 다이폴 안테나는 반파장 길이의 공진형 안테나로서 원형의 전방향 방사특성을 가지므로 셀룰러 통신의 가입자 단말기용 안테나와 소형 중계기의 서비스 안테나로 주로 사용되고 있고, 야기 안테나는 다이폴 안테나를 길이방향으로 여러 개 중첩시켜 지향성을 높인 예로서 소형 중계기의 안테나에 이용되고 있다.
그리고, 마이크로 칩 안테나(100)는 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System) 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 기지국과 휴대용 단말기 상호간의 신호를 송수신하는 데에 사용될 수 있다.
한편, 종래에 사용되던 마이크로스트립 적층 안테나는 근본적인 속성이 공진형 안테나이므로 주파수 대역폭이 수％ 이하로 매우 좁고 복사이득이 낮은 단점을 가지고 있으며, 이득이 좋지 않아 여러 장의 패치를 어레이시키거나 적층시켜야만 하기 때문에 안테나의 크기 및 두께가 당연히 커질 수밖에 없고, 이러한 이유로 일반적인 개인 휴대용 단말기나 휴대통신 중계기용 안테나, 기타 무선통신 장비 등의 탑재시 어려움이 따르는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 광범위의 주파수 대역폭을 가질 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 보다 좋게 할 수 있으며 특히 정재파비가 개선되어, 소형의 크기로 다른 휴대용 단말기와 같은 각종 통신장비의 극소화를 구현할 수 있다.
불루투스는 노트북 PC와 휴대전화 등의 이동기기를 간단하게 링크하는 무선 데이터 통신기술로서 2,400∼2,483.5㎒의 주파수 대역에서 주파수 호핑 스펙트럼 확산(FH-SS) 방식을 이용하며, 통신 거리는 약 10∼20m 정도이다.
블루투스는 IrDA와 자주 비교되지만 통신상대와 마주대할 필요가 없고 직물이나 종이 정도로는 차단되지 않는다는 등의 우위점이 있다.
이러한 블루투스에 사용되는 안테나는 여러 형태가 고려될 수 있으나, 소형 디지털 기기에 내장해야할 필요성을 감안할 때 마이크로 칩 안테나(100)가 가장 유력한 대안으로 평가되고 있고, 그에 요구되는 안테나의 성능을 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 안테나 성능으로서 이득이 중요하지만 내장형 안테나의 경우 실장조건에 따라 중심 주파수가 변동되기 쉽기 때문에 블루투스에 사용되는 2,400∼2,483.5㎒에 충분한 마진을 갖도록 커버할 필요가 있으므로 광대역이어야 한다.
둘째, 휴대전화와 노트북 PC 등과 같이 추가의 부품을 탑재할 여유가 거의 없는 공간 내에 내장하여야 한다는 점에서 소형화된 내장형 안테나이어야 한다.
셋째, 블루투스의 광범위한 보급이라는 측면에서 저렴한 가격이어야 한다.
이상과 같은 제반조건을 만족할 수 있는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)의 특성을 이하에 더욱 상세하게 설명한다.
도 12는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)의 서비스 대역은 2.400∼2.4835㎓이고, 그 대역폭은 835㎒이상으로 나타나 광대역의 대역폭을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 개인 휴대통신 또는 최소한 83.5㎒의 대역폭을 요구하는 블루투스 서비스 대역에 보다 용이하게 채용할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명의 마이크로 칩 안테나(100)는 적어도 블루투스에서 요구하는 주파수 대역 2.400㎓로부터 2.4835㎓ 사이(실질적으로 도면 12에서 2.400∼2.4835㎓)의 반사손실이 -10dB이하로 구현되어 반사전력에 대한 손실분이 매우 양호하게 나타나고, 더불어 그 대역폭이 약 835㎒정도의 넓은 폭을 유지하여 휴대통신 또는 블루투스 서비스 대역에 매우 적합하게 활용될 수 있는 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프로서, 블루투스의 동작 주파수 대역에서 공진 임피던스 50Ω에 대하여 최대 정재파비가 1:1.1508∼1.2804로 나타나는 것을 보여주고 있다.
즉, 마이크로 칩 안테나(100)에 있어서의 정재파비가 1이 이상적이라 했을 때, 마커 1에서의 정재파비는 1.6677로 나타나고 이때의 주파수는 2.400㎓이다. 그리고, 마커 2에서의 정재파비는 1.1508, 주파수는 2.442㎓, 마커 3에서의 정재파비는 1.2804, 주파수는 2.4835㎓로 각각 나타남을 알 수 있고, 이러한 상태는835(2.4835㎓-2.400㎓)㎒의 대역폭에서의 공진 임피던스 50Ω에 대한 정재파비가 매우 좋게 구현되어 블루투스 서비스 대역에 있어서의 활용 가능성을 더욱 증폭시키고 있음을 알 수 있다.
더불어, 본 발명의 마이크로 칩 안테나(100)의 복사이득은 휴대통신 또는 노트북 PC와 송수신하기 위하여 효율적인 복사가 이루어져야만 하는 데, 이를 위하여 전자파 무반실에서 측정한 결과 전방향에 대하여 -3∼0dB의 복사이득을 얻었다.
도 14는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)를 설명하기 위한 스미스 챠트(Smith Chart)이다.
도 14에 도시된 바와 같이 블루투스의 동작 주파수 대역에서 공진 임피던스를 50Ω으로 기준하였을 때, 마커 1에서는 임피던스가 32.168Ω으로 나타나고, 이때의 주파수는 2.400㎓이다. 그리고, 마커 2에서의 임피던스는 50.635Ω, 주파수는 2.442㎓, 마커 3에서의 임피던스는 54.648Ω, 주파수는 2.4835㎓로 각각 나타남을 알 수 있고, 이러한 상태는 835(2.4835㎓-2.400㎓)㎒의 대역폭에서의 공진 임피던스가 전체적으로 32.168∼54.648Ω을 구현하고 있고, 특히 마커 2 및 마커 3에서의 공진 임피던스는 50Ω의 근사치를 이루어 블루투스 서비스 대역에서의 활용가치를 더욱 높이고 있는 것이다.
도 15는 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)를 설명하기 위한 복사패턴(Radiation Pattern)이다.
본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 도 15에 도시된 바와 같이 전방향성 복사패턴을 구현하므로 어느 위치에서라도 송수신이 가능하며 방향성 문제를해결할 수 있다. 이때, 본 발명의 마이크로 칩 안테나(100)의 측정은 전기적 장애물이 없는 무반사실 및 전후방 50m 내에 장애물이 없는 필드에서 측정이 이루어져야 하고, 이에 따라 본 자체기술시험에서는 무반사실에서 측정이 이루어졌고 각 마커 포인트의 주전계면과 주자계면의 복사패턴을 측정한 결과 각 측정 주파수에서 주전계면과 주자계면의 복사패턴은 전방향성을 나타내어 블루투스 서비스 대역에 있어서의 송수신용 안테나로서 매우 적합한 것임을 알 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 광대역에서의 -10dB 이하의 반사손실을 얻을 수 있고, 정재파비가 1:1.1508∼1.2804 이하로서 양호하며, 입력 임피던스가 50Ω에 근사하고, 복사패턴이 전방향에 대하여 이루어져 휴대 단말기 및 블루투스에서부터 각종 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 이용될 수 있고, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판(200) 위에 설계할 수 있으며, 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System), IMT-2000 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 휴대용 단말기 상호간 또는 무선 랜의 신호를 송수신하는 데에 매우 용이하게 사용할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 마이크로 칩 안테나(100)는 광범위의 주파수 대역폭을가질 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 좋게 할 수 있으며 정재파비를 개선할 수 있기 때문에 소형의 크기로 각종 통신장비에 내장할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 직사각체를 이루는 유전체(10) 상면의 전체 길이(ℓ) 중 그 일단에서 13∼16％의 길이(ℓ1)만큼 이격된 지점으로부터 27∼30％의 길이(ℓ2)까지 더 연장된 거리와, 상기 유전체(10) 상면의 폭방향의 일측면으로부터 전체 폭(W)에 대하여 58∼62％의 폭(W2)까지 스트립된 제 1 스트립라인(strip line; 21)과; 상기 유전체(10) 상면의 전체 길이(ℓ) 중 그 일단에서 13∼16％의 길이(ℓ1)만큼 이격된 지점으로부터 41∼45％의 길이(ℓ3)까지 더 연장된 거리는 상기 유전체(10) 상면의 폭방향의 타측면으로부터 전체 폭(W)에 대하여 23∼27％의 폭(W1)까지 스트립되고, 상기 유전체(10) 상면의 전체 길이(ℓ) 중 그 타단에서 6∼9％의 길이(ℓ4)만큼 이격된 지점으로부터 34∼38％의 길이(ℓ5)까지 더 연장된 거리는 상기 유전체(10) 상면의 폭방향의 타측면으로부터 전체 폭(W)에 대하여 47∼53％의 폭(W3)까지 스트립되는 제 2 스트립라인(22)에 의하여 구현된 상부 연결패턴(30)과:
    상기 유전체(10) 하면의 전체 길이(ℓ)에 대하여 그 일단으로부터 62∼66％의 길이(ℓ6)까지는 상기 유전체(10) 하면의 폭방향의 타측면으로부터 35∼39％의 폭(W4)만큼, 상기 유전체(10) 하면의 전체 길이(ℓ)에 대하여 그 일단으로부터 84∼87％의 길이(ℓ7)까지는 상기 유전체(10) 하면의 폭방향의 일측면으로부터 61∼64％의 폭(W5)까지 씌워지는 하부 방사패치(40)와:
    상기 하부 방사패치(40)로부터 상기 유전체(10) 하면의 전체 길이(ℓ)와 전체 폭(W)에 대하여 각각 6∼8％의 길이(ℓ8)와 12∼14％의 폭(W6)만큼 스트립된 슬롯(50)과:
    상기 슬롯(50)을 사이에 두고 상기 하부 방사패치(40)와 이격되면서 상기 상부 연결패턴(30)에 단락된 상태로 상기 유전체(10)의 하면에 씌워지는 접지면(60)과:
    상기 유전체(10) 하면의 폭방향의 타측면에 위치한 상기 접지면(60)의 범위 내에 상하방향으로 뚫려져 도체(71)가 도금된 급전홀(70)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 안테나(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체(10)의 상면에 위치한 상기 급전홀(70)의 주위에 상기 유전체(10)의 전체 길이(ℓ)와 전체 폭(W)에 대하여 각각 13∼16％의 길이(ℓ9)와 24∼26％의 폭(W7)으로 씌워져 상기 도체(71)에 단락되는 급전패턴(72)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 안테나(100).
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