KR100577188B1 - Ｉｓｍ 대역용 이중대역 평면 역-ｆ 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ISM 대역용으로 사용되는 이중대역 평면형 역-F 안테나에 관한 것으로서, 특히 접지면의 한쪽 면상에 형성되는 패치의 가장 자리에 2개의 단락판을 설치하여 상기 패치와 접지면을 단락시키고, 상기 패치의 일부를 절단하여 단일 슬롯을 형성함으로써, 하나의 안테나로 ISM 대역용 이중대역 안테나를 구현할 수 있고, 2개의 단락판을 사용하여 안테나를 소형화할 수 있으며, 제 1 공진 주파수와 제 2 공진 주파수의 대역은 독립적으로 조절이 가능하다. 또한, 단일 슬롯을 사용하므로 설계가 간단하고 제작이 용이하다.

ISM, 이중 대역

Description

ＩＳＭ 대역용 이중대역 평면 역-Ｆ 안테나{Dual-band PIFA for ISM band}

도 1은 종래의 PIFA의 일 예를 보인 도면

도 2는 종래의 PIFA의 다른 예를 보인 도면

도 3은 도 2의 패치에 슬롯을 첨가하여 이중 대역을 구현한 예를 보인 도면

도 4는 본 발명에 따른 ISM 대역용 PIFA의 일 예를 보인 도면

도 5는 도 4의 패치에 단일 슬롯을 형성하여 본 발명에 따른 IMS 대역용 이중 대역 PIFA를 구현한 예를 보인 도면

도 6은 도 5의 PIFA를 직접 제작하여 네트워크 분석기로 반사 손실을 측정한 결과를 보인 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

401 : 접지면 402 : 패치

403,405 : 단락판 404 : 급전부

501 : 슬롯

본 발명은 이동 및 무선 통신용 안테나에 관한 것으로서, 특히 ISM(Industrial, Scientific, Medical) 대역용으로 사용되는 이중대역 평면형 역-F 안테나에 관한 것이다.

무선 통신의 지속적인 성장에 따라서 개인 기지국(personal base stations), 휴대용 핸드셋(portable handsets) 및 다른 통신 단말기들이 소형화 및 경량화되고 다양한 기능을 수행할 수 있도록 요구되고 있다. 이러한 통신 단말기는 대부분의 전자 회로 및 무선(RF) 회로의 집적화 및 소형화를 통해 그 크기가 상당히 감소되었다. 따라서, 안테나도 고효율(high efficiency), 소형화, 광대역 또는 다중 대역 특성을 요구한다. 이러한 요구에 따라서 평면형 역-F 안테나(planar inverted-F antenna; PIFA)가 널리 사용되고 있다. 상기 PIFA는 내장형 안테나의 전형적인 예로서 매우 간단한 구조를 가지며 지난 수 년 동안 많은 주목을 받아 왔다. 이러한 PIFA는 반 파장 패치 안테나의 중앙부를 단락함으로써 면적을 절반으로 줄인 구조로서

공진형 안테나이다. 이러한 PIFA의 장점은 부피가 작고 가벼우며, 구현하기가 쉽다는 것이며, 또한 개인 기지국, 휴대용 핸드셋 및 다른 통신 단말기 상에 탑재하기에 적합하도록 낮은 프로파일 구조(low profile structure)를 갖는다는 것이다.

도 1은 종래의 PIFA의 일 예를 나타낸 도면으로서, 단락벽(shorting wall)(101)을 사용하여 안테나 크기를 줄이는 일반적인 기술로서,

크기까지 안테나 크기를 줄일 수 있다. 도 1을 보면, 단락벽(101), 패치(102), 및 접지면(103)으로 구성되어 있고, 급전부(104)의 전류 급전을 통하여 패치(102)와 접지면(103) 을 방사소자로 사용하고 있다. 상기 단락벽(101)은 접지면(12) 위의 일정 길이로 패치(102)의 한 변을 지지한다.

도 2는 종래의 PIFA의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 부분 단락판(partial shorting plate)(201)을 사용하여 안테나의 크기를 줄이고 있다. 즉, 부분 단락판(201)을 사용할 경우 단락판(205)의 길이와 위치에 따라 공진 주파수가 달라지며 단락판(205)의 길이가 짧을수록 공진 주파수가 낮아진다. 그리고 안테나 크기는 반 파장 패치 안테나의 1/3정도까지 줄일 수 있다.

그러나, 상기된 종래의 PIFA는 초소형, 콤팩트를 지향하는 개인 기지국, 휴대용 핸드셋 및 다른 통신 단말기에 탑재하기에는 아직도 너무 크고, 이중 주파수 대역에 동조될 수 없는 문제점이 있다.

이때, 이중대역을 구현하기 위해서 PIFA에서 쓰는 기법은 PIFA의 기본 패치(301) 위에 도 3과 같이 슬롯(302)을 첨가하여 이중 대역을 구현한다. 즉, PIFA의 기본 패치(301)에 슬롯(302)을 만들어서 전류가 흐르는 길이를 길게 만들어 주게 되면 보다 낮은 주파수에서 공진을 하게 된다. 그리고 슬롯의 모양에 따라서 공진하는 주파수가 다중으로 생성될 수도 있는데, 슬롯의 모양으로는 보통 U자형 슬롯(302)을 첨가한다.

그러나, 상기된 도 3에서 슬롯(302)은 기본 패치 상(301)에 정해진 모양대로 홈을 파서 형성한 것이므로 이중 대역의 주파수가 서로 영향을 미치면서 결정된다. 즉, 한 대역의 주파수를 결정할 때 다른 대역의 주파수도 같이 이동하므로 각 공진 주파수를 정확히 결정하기가 어렵다.

본 발명의 목적은 패치의 가장 자리에 2개의 단락판을 사용함으로써, 안테나의 크기를 줄이는 ISM 대역용 이중 대역 PIFA를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 패치의 일부를 제거하여 단일 슬롯을 형성함으로써, 하나의 안테나로 이중 대역을 지원하면서 제 1, 제 2 공진 주파수를 독립적으로 결정할 수 있도록 하는 ISM 대역용 이중대역 PIFA를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ISM 대역용 이중 대역 PIFA는, 접지면과, 상기 접지면의 한쪽 면상에 형성되는 패치와, 상기 패치의 가장 자리에 설치되어 상기 패치와 접지면을 단락시키는 제 1, 제 2 단락판과, 상기 패치의 일부를 절단하여 형성하는 단일 슬롯을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1, 제 2 단락판은 상기 패치가 TM₁₀₀ 모드에서 전계가 0이 되는 지점에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1, 제 2 단락판의 각 폭이 패치의 폭보다 좁게 설계되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 단락판의 넓이와 패치의 크기로 제 1 공진 주파수(2.4GHz)를 결정하고, 상기 제 2 단락판의 넓이와 단일 슬롯의 폭과 길이로 제 2 공진 주파수(5.8GHz)를 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 4는 본 발명에 따른 ISM 대역용 이중 대역 PIFA의 일 실시예를 나타낸 도면으로서, 안테나의 크기를 줄이기 위해 패치(402)가 TM₁₀₀ 모드에서 전계가 0이 되는 지점에 2개의 단락판(403, 405)을 설치하여 패치(402)와 접지면(401)을 단락시킨 구조이다. 즉, 도 4는

마이크로 스트립 안테나의 가장 자리에 2개의 단락판(403, 405)를 사용하여 안테나 크기를 줄인 구조이다. 여기서, 상기 제 1, 제 2 단락판(403, 405)의 폭(L1,L2)이 패치(402)의 폭(P1)보다 좁을 때, 안테나의 인덕턴스 성분이 증가하여 공진 주파수가 낮아져 안테나의 크기를 소형화할 수 있다.

즉, 본 발명은 ISM 대역용 이중대역 PIFA를 구현하기 위해서 먼저 도 4와 같이 제 1 공진 주파수(2.4GHz)에서 동작하는 PIFA를 설계한다. 도 4의 특징은 기존의 PIFA와 다르게 2개의 단락판(403, 405)을 사용한다는 것이다. 이때, 설계된 안테나 치수는 상용 툴인 CST사의 MWS를 이용하여 구하였다. 시뮬레이션 결과 2.4GHz에서 VSWR 2:1인 곳에서 186MHz(7.75%)의 대역폭을 갖는다.

그리고, ISM 대역용 이중 대역을 구현하기 위해 상기된 도 4의 구조에 도 5와 같은 단일 슬롯(501)을 첨가하였다. 즉, 패치(402)의 바깥쪽 일부분을 폭(S1)과 길이(S2)만큼 잘라내 단일 슬롯(501)을 형성하였다.

본 발명은 일 실시예로, 상기 접지면(401)의 크기(L*W)는 50*50 mm², 패치(402)의 크기(P1*P2)는 23*23 mm², 슬롯(501)의 길이(S2)는 9mm, 폭(S1)은 2mm로 하여 실험을 하였다. 상기와 같이 설계된 안테나의 시뮬레이션 결과 2.4GHz, 5.8GHz를 중심으로 VSWR이 2:1인 점에서 각각 162MHz(6.8%), 476MHz(8.2%)의 대역폭을 갖는다. 여기서 상기 안테나의 각 부분의 수치는 하나의 예이며, 설계자에 의해 달라질 수 있으므로 상기된 예로 한정되지 않는다.

도 5에서 제 1 단락판(403)의 넓이와 패치(402)의 크기로 제 1 공진 주파수(2.4GHz)를 조절할 수 있으며, 제 2 단락판(405)의 넓이와 슬롯(501)의 구조 즉, 폭과 길이로 제 2 공진 주파수(5.8GHz)를 독립적으로 조절할 수 있다. 즉, 본 발명은 패치(402)에 의해 제1 공진 주파수 대역(2.4GHz)을 커버하고, 단일 슬롯(501)에 의해 제2 공진 주파수 대역(5.8GHz)을 커버할 수 있도록 하는 안테나이다. 이것은 이중 대역 안테나 설계에서 매우 중요한 특성이다.

도 6은 본 발명에 따른 ISM 대역용 이중대역 PIFA를 직접 제작하여 네트워크 분석기(Network Analyzer)로 반사 손실을 측정한 결과이다. 측정 결과를 보면, 제 1 공진 주파수(2.423GHz)에서 VSWR 2:1인 곳에서 대역폭 6.6%을 가지고, 제 2 공진 주파수(5.79GHz)에서 대역폭 8.1%를 가짐을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 크기가 작으면서 ISM 대역에서 동작하는 이중 대역 안테나를 제공할 수 있다.

또한, 소형으로 무선 이동 통신용 단말기 및 블루투스용으로 사용할 수 있으므로, 최소의 면적을 차지하면서도 최대의 성능을 가지는 내장 안테나를 제공할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 ISM 대역용 이중대역 PIFA는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 하나의 안테나로 ISM 대역용 이중대역 안테나를 구현할 수 있다.

둘째, 2개의 단락판을 사용함으로써, 안테나를 소형화할 수 있다.

셋째, 제 1 공진 주파수와 제 2 공진 주파수의 대역은 독립적으로 조절이 가능하다.

넷째, 단일 슬롯을 사용하므로 설계가 간단하고 제작이 용이하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 접지면과, 상기 접지면의 한쪽 면상에 형성되는 패치와, 상기 패치의 가장 자리에 설치되어 상기 패치와 접지면을 단락시키는 제 1, 제 2 단락판과, 상기 패치의 일부를 절단하여 형성하는 단일 슬롯을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ISM 대역용 이중 대역 PIFA 방식의 안테나에 있어서,

   상기 제 1, 제 2 단락판은,

   상기 패치가 TM₁₀₀ 모드에서 전계가 0이 되는 지점에 각각 설치되고,

   상기 제 1, 제 2 단락판의 각각의 폭이 상기 패치의 폭보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 ISM 대역용 이중 대역 PIFA.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 단락판의 넓이와 상기 패치의 크기로 제 1 공진 주파수(2.4GHz)를 결정하고,

   상기 제 2 단락판의 넓이와 상기 단일 슬롯의 폭과 길이로 제 2 공진 주파수(5.8GHz)를 결정하는 것을 특징으로 하는 ISM 대역용 이중 대역 PIFA.
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