KR100592561B1

KR100592561B1 - 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나

Info

Publication number: KR100592561B1
Application number: KR1020040079980A
Authority: KR
Inventors: 김병국; 고황곤; 백석현; 채지훈; 김봉규; 박완철; 서정훈; 정대현; 조윤훈
Original assignee: 코마테크 주식회사
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-06-26
Also published as: KR20060031091A

Abstract

본 발명에서, 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나를 개시한다.

본 발명에 따르면, 유전체 기판의 상측면 상부로 소정 폭의 전송로를 갖는 서로 다른 길이의 제 1 안테나와 제 2 안테나가 'U'자형으로 프린트되며, 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나 사이에서 급전점(Feeding Point)을 형성하고, 상기 유전체 기판의 상측면 하부로는 그라운드 플랜(Ground Plane)을 형성하며, 상기 유전체 기판의 하측면 상부로는 고이득 안테나를 구현하기 위한 반사판을 형성하고, 상기 그라운드 플랜과 상기 급전점에는 동축 케이블과 접촉되기 위한 각각의 접지패드가 형성된다. 또한, 상기 제 1 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₁)와 제 2 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₂)는 각각으로 21 ~ 25mm 및 10 ~ 14mm이고, 상기 그라운드 플랜에 대응하는 패턴의 길이(L_G)는 16 ~ 18mm로 패턴되고 폭(W)은 6 ~ 10mm인 것을 포함한다.

따라서, 본 발명은 무선 LAN 대역인 2.4 ~ 2.5 및 4.9 ~ 6.0 GHz 듀얼 밴드(Dual Band)를 제공함에 따라, 본 발명을 통해 약 300MHz의 대역을 추가로 넓혀 방사패턴의 향상을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 안테나의 구조적 측면을 이용하여 셀룰러, GSM, DCS, PCS, IMT 2000 대역을 모두 확보함으로서, 인쇄 기판형 안테나의 사용 범위를 확대하여, 무선 LAN과 함께 다양한 시스템의 중계기 안테나까지 적용할 수 있는 효과를 제공한다.

안테나, 모노폴, 커플링, 무선 LAN, 간극, 급전점, PCB, 유전체

Description

모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나{PCB TYPE ANTENNA HAVING MONOPOLE STRUCTURE}

도 1a, 1b는 종래 마이크로 스트립 패치 안테나의 5.8 ~ 6.0GHz 대역에서의 H-Plane을 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명이 적용된 안테나를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 안테나 구조를 나타낸 사시도이다.

도 4는 도 3의 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 정재파비(VSWR)을 나타낸 그래프이다.

도 6a 내지 도 6c는 각 주파수 대역별 H-Plane을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정재파비(VSWR)을 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 각 주파수 대역별 H-Plane을 나타낸 그래프이다.

<주요 도면에 대한 부호의 설명>

301 : 인쇄기판 303 / L₁ : 제 1 안테나

305 / L₂ : 제 2 안테나 307 : 급전점(Feeding Point)

309 : 그라운드 플랜 F_D : 간극

본 발명은 인쇄기판형 안테나(PCB ANTENNA) 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모노폴(MONOPOLE) 안테나의 특성과 커플링 구조를 이용하여 무지향성 복사특성을 나타내고, 복사 이득과 대역폭을 확보할 수 있는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나에 관한 것이다.

현재 세계적으로 아날로그·디지털 통신기술의 급속한 발전으로 셀룰러, PCS, GSM, PHS 및 인공위성을 이용한 Iridium 서비스 등 다양한 종류의 이동통신서비스가 시행되고 있으며, 국내에서도 셀룰러, PCS 및 CT-2 등이 상용 서비스 중에 있다. 무선통신서비스에 이용되는 개인휴대 단말기는 소형화, 다기능화, 경량화 및 저전력화를 목표로 발전되어 왔으며, 기지국 및 단말기에 필수적인 안테나는 신호 입출력의 처음과 끝을 담당하며 통화품질을 결정하는 핵심 부품으로서 기본 이론 및 설계기술의 난이도가 높은 분야이다.

이와 같이, 현재의 이동통신 서비스에 이용되는 개인휴대 단말기는 급속한 성장으로 그에 따른 RF 모듈 및 안테나 역시 빠르게 발전해가며 소형화, 경량화 되고 있는 추세이다. 지금까지 제안되고 있는 안테나는 헬리컬(Helical), 미엔더(Meander) 라인, 마이크로 스트립, 역-F(Inverted-F) 안테나 등의 구조를 이용한 안테나들이 주류를 이루고 있다.

이러한 안테나들이 갖는 구조적 특성을 이용하여 다중대역 혹은 광대역 특성 을 갖도록 하기 위한 안테나 연구가 진행되어 왔지만, 그 특성이 소형화, 경량화로 인한 대역폭 감소가 문제점으로 제시되고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위해 지속적인 개발이 진행 중에 있고, 최근 들어서는 세라믹과 같은 높은 유전율을 이용하여 안테나의 소형화를 위한 방법이 다양하게 연구되고 있다. 그러나, 협대혁성과 실제 단말기에 사용함에는 많은 문제점이 발생되고 있으며, 이를 살펴보면 다음과 같다.

사실상 가장 많이 쓰이는 PCB 안테나는 구조적으로 마이크로 스트립 패치 안테나(Microstrip patch antenna)이며, 세부 구조로는 Square 또는 Helical이 대부분이다. 이와 같은 구조를 갖는 안테나는 도 1a, 1b에 도시된 Radiation pattern과 같이, E-Plane에서 최대 Gain(이득) 즉, 3.59 dBi가 측정되고 있다. 그러나, 평균 Gain(이득)은 -3.28 dBi이고, H-Plane의 Gain(이득)은 매우 낮은 상태를 나타내고 있다.

즉, 5.8 ~ 6.0 GHz의 E-Plane에서는 안테나에 의해 방사되는 전장의 세기가 등방향으로 균일하게 분포되지 못하고 있으며, 5.8 ~ 6.0 GHz의 H-Plane에서는 자장에 의한 방사(放射)의 세기가 등방향성을 다소 갖고 있으나 매우 낮은 레벨을 보이게 되어 실질적인 안테나의 기능성이 저하되는 문제점이 야기되고 있는 것이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 셀룰러, GSM, DCS, PCS, IMT 2000에서 사용되는 주파수 대역을 모두 확보할 수 있는 안테나를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무지향성 복사와 넓은 광대역 특성을 갖는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 2.4GHz 내지 5GHz 대역에서 높은 이득을 제공하고, H-Plane 패턴과 평균 Gain(이득)을 향상시킬 수 있는 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나는, 모노폴(Monopole) 구조의 유전체 기판(PCB) 안테나에 있어서, 상기 유전체 기판의 상측면 상부로 소정 폭의 전송로를 갖는 서로 다른 길이의 제 1 안테나와 제 2 안테나가 'U'자형으로 프린트되며, 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나 사이에서 급전점(Feeding Point)을 형성하고, 상기 유전체 기판의 상측면 하부로는 그라운드 플랜(Ground Plane)을 형성하며, 상기 유전체 기판의 하측면 상부로는 고이득 안테나를 구현하기 위한 반사판을 형성하고, 상기 그라운드 플랜과 상기 급전점에는 동축 케이블과 접촉되기 위한 각각의 접지패드가 형성된는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제 1 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₁)와 제 2 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₂)는 각각으로 21 ~ 25mm 및 10 ~ 14mm이고, 상기 그라운드 플랜에 대응하는 패턴의 길이(L_G)는 16 ~ 18mm로 패턴되고 폭(W)은 6 ~ 10mm인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₁)와 제 2 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₂)는 각각으로 59 ~ 63mm 및 16 ~ 20mm로 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나와 상기 그라운트 플랜(Ground Plane)사이로 간극(F_D)을 형성하며, 상기 간극(F_D)은 파장과 비례하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나의 각 패턴 길이 L₁, L₂를 조절하여 공진 포인트를 조절하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 2는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나가 적용된 무선 LAN용 안테나를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 LAN용 안테나는 소정의 무선 인터넷 장치로 구성되는 정합장치와 접속되기 위한 노브(101)와, 상기 노브(101)와 연장되는 안테나 바디(103)와, 소정 주파수 대역의 전파신호를 방사하기 위한 인쇄기판형 안테나가 내장되는 안테나 하우징(107) 및 상기 안테나 하우징(107)과 안테나 바디(103)와의 회동 체결구조를 형성하기 위한 회동부(105)를 갖는다. 상기 노브(101)는 체결핀을 보유하며, 상기 체결핀은 동축 케이블(Coaxial cable)을 통해 상기 인 쇄기판형 안테나의 급전점(Feeding point)과 접속된다. 상기 동축 케이블은 유전율 2.26인 폴리에틸렌을 사용한 폴리에틸렌 동축 케이블이 가능하며, 특성 임피던스는 50Ω이 바람직하다.

상기 안테나 하우징(107)을 장착되는 인쇄기판형 안테나는 모노폴(Monopole) 구조를 갖고 있으며, 커플링 구조를 포함한다. 도 3은 본 발명에 따른 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나를 도시하고 있으며, 상기 인쇄기판의 상측면과 배면을 동시에 도시하고 있다. 도시된 안테나의 인쇄기판(PCB)은 유전체 기판으로써, 소정의 유전율 및 소정의 두께는 갖는 비도전성 물질로 이루어지며, 바람직하게는 유전율 4.6, 두께 1.0mm의 FR-4 기판을 사용할 수 있다. 한편, 상기 인쇄기판(PCB)는 에폭시(Epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트 및 에어폼(Air form) 중 어느 하나가 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 인쇄기판(PCB)는 소형화된 안테나가 최적의 공진 주파수를 갖기 위해 유전체의 비유전율을 높일 수 있다.

이와 같은 인쇄기판(PCB)은 상측면 상부로 소정 폭의 전송로를 갖는 서로 다른 길이의 제 1 안테나(303)와 제 2 안테나(305)가 'U'자형으로 프린트되며, 상기 제 1 안테나(303) 및 제 2 안테나(305) 사이에서 급전점(Feeding Point)을 형성한다. 상기 인쇄기판(PCB)의 상측면 하부로는 그라운드 플랜(Ground Plane:309)을 보유하고, 상기 인쇄기판(PCB)의 하측면 상부로는 고이득 안테나를 구현하기 위한 반사판(313)을 형성한다. 상기 그라운드 플랜(309)과 급전점(307)에는 상기 동축 케이블과 접촉되기 위한 각각의 접지패드(311)가 형성된다.

도 4는 본 발명에 따른 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나의 패턴을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 제 1 안테나(303)에 대응하는 패턴의 길이(L₁)과 제 2 안테나(305)에 대응하는 패턴의 길이(L₂)는 서로 다른 길이를 갖고 동일한 두께로 형성된다. 본 발명에서는 상기 제 1 안테나(303) 및 제 2 안테나(305)의 각 패턴 길이를 21 ~ 25mm 및 10 ~ 14mm로 설정하고 있으나, 최적의 방사패턴을 갖기 위한 실험적 설계에 따라 각 패턴의 길이는 23mm 및 12mm가 바람직하다. 또한, 상기 그라운드 플랜(309)에 대응하는 패턴의 길이(L_G)는 모노폴 안테나를 구현하기 위해, 이론적으로 무한 평판을 형성해야 하나 인쇄기판(PCB)에 구현하기 위해 16 ~ 18mm의 길이로 패턴되고 폭(W)은 6 ~ 10mm로 패턴된다. 바람직하게는, 상기 그라운드 플랜(309)에 대응하는 패턴의 길이(L_G)는 18mm이고, 그라운드 플랜(309)에 대응하는 패턴 폭(W)은 8mm가 적절할 것이다.

상기 제 1 안테나(303) 및 제 2 안테나(305)는 서로 다른 크기의 공진 소자를 사용하는 것으로, 낮은 주파수에서 동작하는 모노폴 안테나와 높은 주파수에서 공진 특성을 가지는 모노폴 안테나를 동시 급전한다. 따라서, 상기 제 1 안테나(303) 및 제 2 안테나(305)의 각 패턴 길이 L₁, L₂를 조절하여 공진 포인트를 조절할 수 있다. 또한, 높은 주파수의 공진에서 대역을 확보하기 위해서, L₁,L₂ 및 L_G 사이의 간극(F_D)을 조절할 수 있으며, 상기 간극(F_D)은 파장과 비례하도록 설계한 다.

상기 제 1 안테나(303) 및 제 2 안테나(305)의 각 패턴 폭은 상호 동일하고, 상기 제 1 안테나(303) 및 제 2 안테나(305)의 각 패턴 길이 L₁, L₂는 서로 다른 길이를 갖도록 함에 따라 공진 임피던스와 리액턴스 성분을 달리하여 이중 공진을 유도할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 인쇄기판형 안테나는 도 5에 도시된 바와 같이, 2.4 ~ 2.5GHz와 4.9 ~ 6.0GHz까지 매우 넓은 광대역 특성을 나타내는 정재파비(VSWR)를 갖는다. 도면의 ⓐ는 2.400000000 GHz에서 정재파비 1.8271:1을나타내고, 도면의 ⓑ는 2.483500000 GHz에서 정재파비 1.1696:1을 나타낸다. 도면의 ⓒ는 4.900000000 GHz에서 정재파비 1.9700:1을 나타내며, 도면의 ⓓ는 5.100000000 GHz에서 정재파비 1.4598:1을 나타내고, 도면의 ⓔ는 5.825000000 GHz에서 정재파비 1.5456:1을 나타낸다. 그리고, 도면의 ⓕ는 6.00000000 GHz에서 정재파비 1.8936:1을 나타내고 있다.

그리고, 이러한 각 주파수 대역에 상응하는 자장에 의한 방사(放射)의 세기 및 등방향성을 살펴보면, 먼저 도 6a와 같이 2.4 ~ 2.5GHz의 H-Plane을 형성하고, 도 6b와 같이 4.9 ~ 5.25GHz의 H-Plane을 형성하며, 도 6c와 같이 5.725 ~ 6.0GHz의 H-Plane을 형성한다. 이 때, 최대 Gain(이득)은 2.4 및 5GHz 대역에서 각각 3.25 dBi, 4.18dBi의 높은 이득을 얻을 수 있으며, H-Plane 및 평균 Gain(이득)을 향상시키고 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로 상기 패턴(L)의 길이를 148 ~ 152mm로 설정하여, 셀룰러, GSM, DCS, PCS, IMT 2000에서 사용되는 밴드를 모두 확보할 수 있다. 특히, 패턴(L)의 길이를 150mm로 설계하여 그 효율을 높일 수 있는데, 상기 L₁을 59 ~ 63mm로 설정하고 상기 L₂를 16 ~ 20mm로 설정한다. 바람직하게, 상기 L1은 61mm이고 상기 L₂는 18mm가 적절할 것이다. 이와 같이 상기 패턴(L)을 연장함에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 특정 주파수 대역에서 정재파비(VSWR)의 특성을 향상시키고 있다.

즉, 도면의 ⓐ와 같이 824.000MHz에서 2.9329:1을 보이고, 도면의 ⓑ와 같이 960.000MHz에서 2.8729:1을 보이며, 도면의 ⓒ와 같이 1.71000GHz에서 1.9936:1을 나타내고, 도면의 ⓓ와 같이 1.88000GHz에서 1.2491:1을 나타낸다. 따라서, 본 발명에 따른 인쇄기판형 안테나의 패턴(L)을 연장하고 각 안테나의 길이를 재 설정함으로서, 824 ~ 960 MHz에서 3.0 : 1, 1,710 ~ 2,200 MHz에서 2.0 : 1 이하의 특성을 갖게 된다. 또한, 상기 주파수 대역의 H-Plane은 도 8과 같이 도시되며, 이는 상기 셀룰러, GSM, DCS, PCS, IMT 2000 대역에서의 Gain(이득)을 나타낸다.

이상에서 본 발명을 특정한 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정하지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 모노폴과 커플링 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나는, 무선 LAN 대역인 2.4 ~ 2.5 및 4.9 ~ 6.0 GHz 듀얼 밴드(Dual Band)를 제공함에 따라, 본 발명을 통해 약 300MHz의 대역을 추가로 넓힘과 동시에 안테나 이득(게인)의 향상을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 안테나의 구조적 측면을 이용하여 셀룰러, GSM, DCS, PCS, IMT 2000 대역을 모두 확보함으로서, 인쇄 기판형 안테나의 사용 범위를 확대하여, 무선 LAN고 함께 다양한 시스템의 중계기 안테나까지 적용할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

모노폴(Monopole) 구조의 유전체 기판(PCB) 안테나에 있어서,

상기 유전체 기판의 상측면 상부로 소정 폭의 전송로를 갖는 서로 다른 길이의 제 1 안테나와 제 2 안테나가 'U'자형으로 프린트되며, 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나 사이에서 급전점(Feeding Point)을 형성하고, 상기 유전체 기판의 상측면 하부로는 그라운드 플랜(Ground Plane)을 형성하며, 상기 유전체 기판의 하측면 상부로는 고이득 안테나를 구현하기 위한 반사판을 형성하고, 상기 그라운드 플랜과 상기 급전점에는 동축 케이블과 접촉되기 위한 각각의 접지패드가 형성된는 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 유전체 기판은 유전율 4.4 ~ 4.8, 두께 0.8 ~ 1.2mm의 FR-4 기판인 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 유전체 기판은 에폭시(Epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트 및 에어폼(Air form) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 기판은 소형화된 안테나가 최적의 공진 주파수를 갖기 위해 유전체의 비유전율을 높여 제조되는 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₁)와 제 2 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₂)는 각각으로 21 ~ 25mm 및 10 ~ 14mm이고, 상기 그라운드 플랜에 대응하는 패턴의 길이(L_G)는 16 ~ 18mm로 패턴되고 폭(W)은 6 ~ 10mm인 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나의 각 패턴 길이 L₁, L₂를 조절하여 공진 포인트를 조절하는 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나와 상기 그라운트 플랜(Ground Plane)사이로 간극(F_D)을 형성하며, 상기 간극(F_D)은 파장과 비례하는 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₁)와 제 2 안테나에 대응하는 패턴의 길이(L₂)는 각각으로 59 ~ 63mm 및 16 ~ 20mm로 설정되는 것을 특징으로 하는 모노폴 구조를 갖는 인쇄기판형 안테나 구조.