KR100652016B1 - 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(ｕｗｂ) 안테나 - Google Patents

노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(ｕｗｂ) 안테나 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 다양한 형태로 CPW(Coplanar Waveguide) 부분(partial) 그라운드(Ground)를 설계하고, 패치면 상단에 다양한 형태로 매칭 스터브를 설계하여 임피던스 매칭을 하며, 패치면에 다양한 모양의 슬롯을 두어서 슬롯의 길이와 두께를 조절함으로써, 원하는 대역만을 필터링시키고, 소형화, 경량화 및 제작비용이 저렴하며 초광대역(UWB) 특성을 가질 수 있도록 한, 반원형 초광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 초광대역(UWB) 안테나에 있어서, 신호의 송신 또는 수신을 위한 패치면; 상기 패치면 상단에 위치하여 임피던스 매칭을 하기 위한 매칭 스터브; 접지를 위한 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드; 및 상기 패치면과 연결되어 급전을 하기 위한 코플라나 도파관(CPW) 급전 라인을 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 초광대역(UWB) 안테나 등에 이용됨.
반원형 초광대역(UWB) 안테나, 코플라나 도파관(CPW) 급전, 매칭 스터브, 노치 기능

Description

노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(ＵＷＢ) 안테나{A Planar Half-disk UWB Antenna}
도 1 은 종래의 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 초광대역(UWB) 안테나의 구조도,
도 2 는 본 발명에 따른 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 일실시예 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 반사손실을 나타낸 일실시예 설명도,
도 4 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 위상(phase) 특성을 나타낸 일실시예 설명도,
도 5 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 이득을 나타낸 일실시예 설명도,
도 6a 내지 도 6d 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 방사패턴을 나타낸 일실시예 설명도,
도 7a 내지 도 7e 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드를 나타낸 일실시예 설명도,
도 8a 내지 도 8c 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 코플라나 도파관(CPW) 매칭 스터브를 나타낸 일실시예 설명도,
도 9a 내지 9h 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 슬롯을 나타낸 일실시예 설명도,
도 10a 내지 10c 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 반사손실을 나타낸 일실시예 설명도,
도 11a 내지 11c 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 독립적인 제어(independent control) 파라미터 변화를 나타낸 일실시예 설명도,
도 12a 내지 12c 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 효율을 나타낸 일실시예 설명도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 201 : 패치면 101, 200, 400, 401, 402 : 매칭 스터브
102 : 코플라나 도파관(CPW) 사각 그라운드
103, 202 : 유전체 104, 204 : 코플라나 도파관(CPW) 급전라인
203, 300, 301 ~ 304 : 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드
500, 501 ~ 507 : 슬롯
본 발명은 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB : Ultra-Wide Band) 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 형태로 코플라나 도파관(CPW : Coplanar Waveguide) 부분(partial) 그라운드(Ground)를 설계하고, 패치면 상단에 다양한 형태로 매칭 스터브를 설계하여 임피던스 매칭을 하며, 패치면에 다양한 모양의 슬롯을 두어서 슬롯의 길이와 두께를 조절함으로써, 원하는 대역만을 필터링시키고, 소형화, 경량화 및 제작비용이 저렴하며 초광대역(UWB) 특성을 가질 수 있도록 한, 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역 안테나에 관한 것이다.
2002년 2월 미국 연방통신위원회(FCC: Federal Communication Commission)에서 군사용 통신 시스템 및 레이더 기술에만 제한적으로 적용되는 초광대역(UWB : Ultra Wide Band) 무선통신 기술을 상업적 이용을 허가함으로써, 차세대 초고속 근거리 무선 전송방식의 새로운 대안으로 초광대역(UWB) 통신 시스템이 세계적으로 많은 주목을 받고 있다. 이러한 시대적 흐름에 따라 개인통신 관련 표준화를 담당하고 있는 IEEE 산하 802.15.3 워킹그룹(Working Group)에서 미래 WPAN(Wireless Personal Area Networks)을 위한 고율의 물리층 확장(High-rate Physical layer extension for future WPAN)의 IEEE 802.15.3 MAC을 위한 대체 PHY(Alternative PHY for IEEE 802.15.3 MAC)으로 초광대역(UWB)의 표준화로 추진되고 있다.
초광대역(UWB)통신은, 디지털 정보 신호를 1ns이하의 짧은 펄스 신호를 사용하여 중심주파수에 대해 25% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 통신을 말한다. 초광 대역(UWB) 통신의 장점은 1Gbyte이상 초고속 통신이 가능하며, 3.1GHz ~ 10.6GHz 사이의 초광대역을 가진다. 또한, 낮은 송신전력을 사용함으로써 배터리가 기존 무선 통신 방식보다 수십 배 이상 오래 사용할 수 있고, 중간 주파수를 사용하지 않아 송수신 장치도 소형화할 수 있다.
이러한 초광대역(UWB) 기술은 휴먼 인터페이스를 비롯하여 미래 정보 가전용 홈 네트워크, WPAN(Wireless Personal Area Networks), WLAN(Wireless Local Area Network) 등에 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 또한, 자동차용으로 ITS(Intelligent Transport System) 통신, 산업분야에서는 물류, 공장 기계의 컨트롤, 의료용 기기, 재난 구조용, 개인 휴대 이동 통신기기 등의 폭넓은 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
초광대역(UWB) 통신시스템 구현을 위한 핵심 기술인 초광대역 안테나 개발은 쉽지 않으며, 현재 전세계적으로 많은 연구가 진행 중에 있다. 특히, 이동성을 보장하기 위해서 안테나의 크기는 작아야 하고, 제작하기 쉽고 저렴해야 한다. 또한, 주파수에 독립적으로 임피던스가 일정한 값을 갖는 구조를 가지고, 펄스 신호의 왜곡이 적어야 한다.
초광대역(UWB) 안테나를 구현하기 위한 다양한 급전방식 중 코플라나 도파관(CPW : Coplanar Waveguide) 급전방식은 마이크로스트립 선로에 비해 분산이 적고 광대역 특성을 얻을 수 있으며 접지면과 동일한 면에 급전라인을 구현함으로써 급전 손실을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고, 비아홀(Via-hole)을 사용하지 않고 수동소자나 능동소자의 직/병렬 부착이 용이하여 회로를 소형화할 수 있 다. 이는 단순히 공정상의 장점뿐만 아니라, 밀리미터파(millimeter wave) 등의 영역에서 비아홀(Via-hole) 등에 의한 기생효과 역시 줄일 수 있다.
도 1 은 종래의 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 초광대역(UWB) 안테나의 구조도이다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 종래의 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 초광대역(UWB) 안테나는, 패치면(100), 매칭 스터브(101), 코플라나 도파관(CPW) 사각 그라운드(102), 유전체(103), 코플라나 도파관(CPW) 급전라인(104)을 포함한다.
이러한 구성을 갖는 종래의 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 초광대역(UWB) 안테나는, 일반적인 사각 패치 모양으로, 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나와 비교해 볼 때, 전류의 흐름을 원활하지 못하고 협대역성을 갖는 문제점이 있다.
특히, 초광대역(UWB) 통신은 1ns이하의 짧은 펄스를 가지고 통신을 하므로, 그룹딜레이(Group delay)의 영향을 많이 받게 된다. 이 그룹딜레이(Group delay)의 편차가 커질수록, 펄스의 왜곡은 더욱 심해진다. 이러한 왜곡 정도를 위상(Phase)을 통해 알 수가 있다. 따라서, 위상(Phase)은 초광대역(UWB) 안테나의 성능 분석을 측정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 따라서, 위상(Phase) 문제를 해결하기 위해 통과 대역폭에서 복사 패턴의 위상이 선형특성을 가질 수 있도록 설계되어야 한다. 이런 점을 고려하여 확장된 코플라나 도파관 급전방식을 이용한 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 필요성이 절실히 요구된다.
본 발명은 상기 요구에 부응하기 위해 제안된 것으로, 다양한 형태로 CPW(Coplanar Waveguide) 부분(partial) 그라운드(Ground)를 설계하고, 패치면 상단에 다양한 형태로 매칭 스터브를 설계하여 임피던스 매칭을 하며, 패치면에 다양한 모양의 슬롯을 두어서 슬롯의 길이와 두께를 조절함으로써, 원하는 대역만을 필터링시키고, 소형화, 경량화 및 제작비용이 저렴하며 초광대역(UWB) 특성을 가질 수 있도록 한, 반원형 초광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 초광대역(UWB) 안테나에 있어서, 신호의 송신 또는 수신을 위한 패치면; 상기 패치면 상단에 위치하여 임피던스 매칭을 하기 위한 매칭 스터브; 접지를 위한 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드; 및 상기 패치면과 연결되어 급전을 하기 위한 코플라나 도파관(CPW) 급전 라인을 포함한다.
본 발명은 초광대역(UWB) 통신 시스템에 적용될 수 있는 소형, 경량, 제작비용이 저렴한 초광대역 안테나를 구현하고자 한다. 특히, 위상 문제를 해결하기 위 해 통과 대역폭에서 복사패턴의 위상이 선형 특성을 가지도록 설계되어야 하는 점을 고려하여, 확장된 반원 구조를 갖는 초광대역(UWB) 안테나를 제안한다.
이를 위해, 본 발명에서는 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드 변화와 매칭 스터브 변화를 통해 초광대역(UWB) 안테나의 성능을 개선시킬 수 있다. 또한, 패치면에 슬롯을 두어 슬롯의 길이와 두께를 조절하면 원하는 대역만을 필터링시키는 독립제어(independent control)가 가능한 노치 기능을 갖는 초광대역(UWB) 안테나를 구현할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 반원의 지름에 의해 저주파의 반사특성이 개선되고 아래 잘려진 그라운드 면에 의해 고주파 반사특성이 결정되어 안테나가 대역통과 필터(BPF)처럼 동작하게 된다.
상술한 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단하는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 일실시예 구조도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 본 발 명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나는, 임피던스 매칭을 하기 위한 매칭 스터브(200), 신호를 송신 또는 수신하기 위한 패치면(201), 기판의 유전체(202), 접지를 위한 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드(203), 급전을 위한 코플라나 도파관(CPW) 급전 라인(204)을 포함한다.
본 발명에 따른 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 반원형 초광대역(UWB) 안테나에 사용된 기판의 일예로, 유전율이 4.5이고, 로스 탄젠트(loss tangent)가 0.002이고, 두께가 0.762mm인 "로저스(Rogers)사"의 TMM4 기판을 사용하였으며, 사용된 전체 기판 크기는 30×30
Figure 112005059117923-pat00001
이다.
본 발명에 따른 코플라나 도파관(CPW) 급전구조를 이용한 반원형 초광대역(UWB) 안테나는, 일반적인 사각 패치 모양보다는, 전류의 흐름을 원활하게 할 수 있는 반원형 모양으로 하여 패치 안테나의 단점인 협대역성을 보완하였다.
도 3 은 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 반사손실을 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나ㄴ는 2.6GHz에서 12.2GHz까지(fractional bandwidth 130%)의 대역폭에서
Figure 112005059117923-pat00002
이 -10dB 이하로 초광대역(UWB) 전체 대역(3.1GHz ~10.6GHz)을 만족함을 알 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 위상(phase) 특성을 나타낸 일실시예 설명도이다.
초광대역(UWB) 통신은 펄스를 이용한 통신 방식이므로 펄스의 왜곡은 초광대 역(UWB) 통신의 통화 품질을 떨어뜨리는 중요한 문제로 작용할 수 있다. 따라서, 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 위상(phase) 측정 결과 원영역장(far-field)에서 펄스 왜곡이 적은 선형 위상(Phase) 특성을 만족함을 알 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 이득을 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 이득이 2.4dBi에서 5.2dBi로 이득 변화량이 2.8dBi을 나타낸다. 이것은 초광대역(UWB) 안테나가 모든 방향에서 송ㆍ수신이 가능하기 위해서 무지향성이라는 조건을 만족함을 의미한다.
도 6a 내지 도 6d 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 방사패턴을 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 6a 내지 도 6d 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나는 3GHz(도 6a 참조), 5GHz(도 6b 참조), 7GHz(도 6c 참조), 9GHz(도 6d 참조)에서 모든 방향으로 송/수신이 가능한 무지향성을 가짐을 알 수 있다.
도 7a 내지 7e 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드를 나타낸 일실시예 설명도이다.
초광대역(UWB) 안테나 성능 개선을 위해 기존의 코플라나 도파관(CPW) 고정된 사각 그라운드 방식에서 탈피하여, 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드 개념을 도입하였다. 이에, 도 7a 내지 도 7e 에 도시된 바와 같이, 다양한 형태 의 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드(300, 301 ~ 304)를 구현할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c 는 본 발명에 따른 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 코플라나 도파관(CPW) 매칭 스터브를 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 8a 내지 도 8c 에 도시된 바와 같이, 임피던스 매칭을 개선시키기 위해서, 상기 도 1 의 종래의 코플라나 도파관(CPW) 급전 라인(104)과 패치면(도 100) 사이가 아닌 패치면(201) 상단에 매칭 스터브(400, 401, 402)를 추가할 수 있다.
도 9a 내지 9h 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 슬롯을 나타낸 일실시예 설명도이다.
초광대역(UWB) 통신 주파수 대역(3.1GHz ~ 10.6GHz) 내에 IEEE 802.11a(5.15GHz ~5.825GHz) 주파수 대역이 포함되어 상호 간섭 문제가 발생할 수 있다. 이를 개선하기 위해서, 패치면(201)에 슬롯을 두어서 슬롯의 길이와 두께를 조절하면 원하는 대역만을 필터링시키는 독립제어(independent control)가 가능한 노치 기능을 갖는 다양한 모양(500, 501 ~ 507)의 초광대역(UWB) 안테나를 구현할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 반사손실을 나타낸 일실시예 설명도로서, 노치 기능을 갖는 안테나와 노치 기능이 없는 안테나의 반사손실을 나타낸 것이다.
도 10a 내지 도 10c 에 도시된 바와 같이, IEEE 802.11a(5.15GHz ~5.825GHz) 대역에서 필터링되는 현상을 확인할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 독립적인 제어(independent control) 파라미터 변화를 나타낸 일실시예 설명도이다.
직사각형 슬롯(rectangular slot)의 경우 시뮬레이션 결과, 폭(W)이 17.4mm일 때, 최적 설계가 되었다. 즉, 도 11a 에 도시된 바와 같이, 직사각형(rectangular) 슬롯 길이를 길게 할수록, 주파수가 저주파로 이동되는 현상을 확인할 수 있다.
또한, 헷 슬롯(hat-shaped slot)의 경우 시뮬레이션 결과, 폭(W)은 13.4mm, L을 2.3mm로 하였을 때 최적 설계가 되었다. 즉, 도 11b 에 도시된 바와 같이, 헷(Hat) 슬롯 길이(L)를 길게 할수록, 주파수가 저주파로 이동되는 현상을 볼 수 있다.
또한, 원형 슬롯(circle-shaped slot)의 경우 시뮬레이션 결과, 외부원의 지름(R1)이 6.3mm, 내부원의 지름(R2)이 5.8mm, 원형 슬롯 간격을 0.5mm로 하였을 때 최적 설계가 되었다. 즉, 도 11c 에 도시된 바와 같이, 원형 슬롯 간격을 넓게 할수록, 주파수가 고주파로 이동하는 현상을 확인할 수 있다. 따라서, 측정 결과를 참조하여 차단하고자 하는 주파수 대역을 슬롯의 길이나 두께 변화를 통해 원하는 주파수 대역만을 차단시킬 수 있다.
도 12a 내지 12c 는 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나의 효율을 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 12a 내지 12c 에 도시된 바와 같이, 다른 주파수 대역에서는 90% 이상의 효율을 나타내지만, 본 발명에 따른 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나가 IEEE 802.11a 대역에서 효율이 급격히 감소됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 다양한 형태로 CPW(Coplanar Waveguide) 부분(partial) 그라운드(Ground)를 설계하고, 패치면 상단에 다양한 형태로 매칭 스터브를 설계하여 임피던스 매칭을 하며, 패치면에 다양한 모양의 슬롯을 두어서 슬롯의 길이와 두께를 조절함으로써, 초광대역(UWB) 통신 시스템이 요구하는 주파수 대역폭(2.6GHz~12.2GHz)을 만족시키며, 독립적 제어(independent control)가 가능한 노치 기능을 갖는 초광대역 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 이동성(mobility)을 확보하기 위해서 초소형이고, 이득변화량이 평탄하며, 방사패턴이 무지향성을 만족하는 초광대역 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고품질의 통화 성능을 위해서 원영역장(far-field)에서 펄스 왜곡 적은 위상(Phase) 선형 특성이 되도록 구현할 수 있으며, 제작이 쉽고 대량생산이 가능한 코플라나 도파관(CPW) 급전방식을 채택함으로써 제작 공정상의 이 점이 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 초광대역(UWB) 안테나에 있어서,
    신호의 송신 또는 수신을 위한 패치면;
    상기 패치면 상단에 위치하여 임피던스 매칭을 하기 위한 매칭 스터브;
    접지를 위한 코플라나 도파관 부분(CPW partial) 그라운드; 및
    상기 패치면과 연결되어 급전을 하기 위한 코플라나 도파관(CPW) 급전 라인
    을 포함하는 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치면은,
    반원 모양인 것을 특징으로 하는 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치면은,
    여러 형태의 슬롯을 포함하여, 상기 슬롯의 길이와 두께를 조절함으로써 원하는 대역만을 필터링시키는 독립제어(independent control)가 가능한 것을 특징으 로 하는 노치 기능을 갖는 반원형 초광대역(UWB) 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 슬롯은,
    직사각형, 헷(Hat)형, 원형 중 하나인 것을 특징으로 하는 반원형 초광대역(UWB) 안테나.
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