KR100669262B1

KR100669262B1 - 임피던스 변환을 이용한 광대역 ｃｐｗ 안테나

Info

Publication number: KR100669262B1
Application number: KR1020040021925A
Authority: KR
Inventors: 김진우; 박성욱
Original assignee: 학교법인 한국정보통신학원
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2007-01-15
Also published as: KR20040052561A

Abstract

본 발명은 광대역 CPW 안테나에 관한 것으로, 유전체 기판, 유전체 기판의 상면의 중앙선 하단에서 상부로 소정 폭 및 소정 길이로 연장되어 형성되는 중심 선로, 중심 선로의 단부에서 폭이 확장되면서 상부로 연장되는 만곡 T자 형상의 모노폴 안테나, 중심 선로의 양측에 대칭적으로 형성되고, 모노폴 안테나의 만곡 T자 형상의 하부 곡선부와 이루는 슬롯의 간격이 선형적으로 증가하는 측면 그라운드 도체, 중심 선로의 양측에 대칭적으로 형성되고, 측면 그라운드 도체의 일측에 연장되며, 유전체 기판의 상면 하부에 소정의 폭으로 형성되는 상면 그라운드 도체, 및 유전체 기판의 하면에 형성되는 하면 그라운드 도체를 포함하여, 모노폴 안테나 및 측면 그라운드 도체의 슬롯 간격의 변화에 의한 임피던스 변화를 이용하여 안테나의 대역폭을 확장시킨다.

Description

임피던스 변환을 이용한 광대역 ＣＰＷ 안테나{Ultra-Wide Band CPW Antenna Using a Coplanar Waveguide Impedance Transformer}

도1은 본 발명에 따른 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나의 분리 사시도,

도2는 본 발명에 따른 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나의 평면도 및 배면도,

도3은 선형 임피던스 변환을 이용하는 선로의 임피던스 매칭을 예시하고,

도4는 코플래나 웨이브가이드(CPW)의 단면도,

도5는 도4의 구조를 갖는 임피던스 변환 코플래나 웨이브가이드(CPW)의 주파수 대 정재파비의 관계를 도시하고,

도6은 본 발명의 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나의 성능을 도시하고,

도 7은 본 발명의 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나를 이용하여 주파수 별 방사 패턴을 측정한 결과를 보여주고, 그리고

도 8은 본 발명의 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나를 이용할 경우의 주파수별 이득을 도시하고 있다.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

10: 모노폴 안테나 20: 측면 그라운드 도체

30: 상면 그라운드 도체 40: 유전체 기판

50: 비아홀 60: 하면 그라운드 도체
12 : 중심 선로

본 발명은 CPW 안테나에 관한 것으로, 상세하게는 임피던스 변환을 이용하여 광대역폭을 갖도록 구성한 마이크로 스트립 CPW 안테나에 관한 것이다.

마이크로 스트립은 일반적으로 밑면을 하나의 금속판을 이용하여 그라운드로 처리하고, 금속판 위에 일정 두께의 유전체 기판을 올린 후, 유전체 기판 위에 선로를 형성시킨 구조를 갖는다.

이러한 구조를 이용하는 마이크로 스트립 안테나에 있어서, 대역폭(bandwidth)은 유전체 기판의 유전율이 감소함에 따라 또는 유전체 기판의 두께가 증가함에 따라 증가한다. 기본 형태의 마이크로 스트립 안테나의 대역폭은 1% 내지 2% 정도를 가지지만, 낮은 유전율의 두꺼운 기판에 대해서는 5% 내지 10%의 대역폭을 갖는다. 한편, 동축 급전 마이크로 스트립 안테나에서 커플링(coupling)을 이용하는 기생 복사소자(patch)를 적층하여 사용할 경우 약 20%까지 대역폭을 증가시킬 수 있고, U-슬롯을 사용하는 경우에는 40%까지 대역폭 을 확장시킬 수 있다. 그러나, 적층형의 경우 그 제조 상의 복잡함으로 인해 단가가 상승하는 문제가 있고, 적층형 및 U-슬롯을 적용할 경우에도 전방향으로 방사되는 무지향성을 획득하기가 어렵다.

본 발명을 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 종래의 협대역 특성을 갖는 마이크로 스트립 안테나의 대역폭을 증가시킴과 동시에, 제조가 용이하며 어느 장소에서나 장착 가능한 선형 극성의 무지향성 소형 안테나를 설계할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 이를 통해, 각 무선 서비스 업체들의 모든 주파수 대역을 포함하는 단일 무지향성 안테나의 개발 요구에 부응하고, 도시 내에 난립한 안테나를 통합하며, UWB(ultra wide band) 시스템용 안테나의 특성을 동시에 만족시키는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유전체 기판을 사이에 두고 상면에 만곡 T자 형상의 중심 선로 및 중심 선로의 양 측면에 물방울이 튀는 형태로 형성되는 측면 그라운드 도체, 그리고 하면에 일측이 절단된 형태의 하면 그라운드 도체로 구성되며, 상면에 구비되는 중심 선로와 측면 그라운드 도체 사이의 슬롯 간격이 선형 또는 지수적으로 증가되고, 상면의 측면 그라운드 도체의 일부와 하면의 그라운드 도체의 일부가 유전체 기판에 형성된 비아홀에 의하여 서로 연결되는 광대역 마이크로 스트립 CPW 안테나를 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나의 분리 사시도이다. 도1에 도시된 바와같이, 본 발명의 안테나는 모노폴 안테나(10), 중심 선로(12), 측면 그라운드 도체(20), 상면 그라운드 도체(30), 유전체 기판(40), 비아홀(50), 하면 그라운드 도체(60) 등으로 구성된다.

중심 선로(12)는 평평한 수면에 물방울이 떨어진 후 수면의 법선 방향으로 되튀는 경우에 형성되는 물방울 형태의 모노폴 안테나(10)와 연결된다. 즉, 모노폴 안테나(10)는 상부에서 하부로 내려가면서 폭이 좁아지는 만곡 T자 형상을 갖는다. 만곡 T자 형상의 모노폴 안테나(10)는 임피던스가 변환된다. 중심 선로(12)는 동축 케이블을 급전선으로 사용하는 경우, 동축 케이블의 중심 도체에 연결된다.

측면 그라운드 도체(20)는 평평한 수면에 되튄 물방울이 양측으로 갈라져 다시 수면으로 떨어지는 경우에 형성되는 물방울 형태를 갖는 그라운드 도체로서, 중심 선로(12)의 양측에 대칭적으로 형성되어 있다. 모노폴 안테나(10)로 기능하는 시작부분(도 2참조, h₅의 위쪽 점선)부터 모노폴 안테나(10)와 측면 그라운드 도체(20) 사이의 간격을 선형적 또는 지수적으로 증가시켜 임피던스를 변환시킨다. 간격(도 2참조, h₃)의 선형적 증가는 서로 다른 크기의 원을 동일 축, 즉 도 2에 도시된 점선의 서로 다른 위치에 제공하여 얻을 수 있다. 원의 배치는 안테나의 급전 구조 규모에 따라 달라지므로, 주파수 사용 대역에 따른 안테나의 급전 구조의 크기에 따라 최적화시킨다. 측면 그라운드 도체(20)는 상면 그라운드 도체(30), 비아홀(50) 및 하면 그라운드 도체(60)에 연결되며, 동축 커넥터의 외부 도체에 연결된다.

상면 그라운드 도체(30)는 유전체 기판(40)의 상면의 하부측 전체를 소정 폭으로 도포하여 형성된다.

유전체 기판(40)은 소정의 유전율 및 소정의 두께는 갖는 비도전성 물질로 이루어진다.

비아홀(50)은 유전체 기판(40)을 상하로 관통하는 통공으로서, 상면 그라운드 도체(30)와 하면 그라운드 도체(60)를 상하로 연결한다. 비아홀(50)은 중심 선로(12)에서 모노폴 안테나(10)가 시작되는 부분까지 형성되어 있으며, 상면 그라운드 도체(30) 전체 및 측면 그라운드 도체(20)의 일부가 하면 그라운드 도체(60)에 연결되도록 분포된다. 측면 그라운드 도체(20)의 일부 및 상면 그라운드 도체(30)를 하면 그라운드 도체(60)와 비아홀(50)에 의하여 연결하면 도체에서 전파 위상이 변화되는 것을 막을 수 있다.

하면 그라운드 도체(60)는 동축 케이블의 외부 도체가 연결되는 그라운드 도체로서, 상면 그라운드 도체(30)에 대응되는 부분과 중앙부에서 중심 선로(12) 방향으로 일정 길이 및 일정 폭으로 돌출되어 단부가 절단된 형태를 갖는다.

도2는 본 발명에 따른 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나의 평면도 및 배면도이다. 도2의 안테나 구조는 본 발명의 광대역 CPW 안테나를 실제 구현한 예이다. 유전체 기판(40)의 상면에는 모노폴 안테나(10), 중심 선로(12), 측면 그라운드 도체(20), 상면 그라운드 도체(30) 등이 형성되어 있다.

도2에서, 유전체 기판은 2.4mm 두께 및 3.2의 유전율을 갖는 테프론을 사용한다. 정사각형 형태의 유전체 기판의 일측변 길이(L)는 160mm, 반경 r₁ 및 r₂ 는 각각 50mm 및 30mm, W₁=13.9mm, W₂=132.2mm, h₁=3.2mm, h₂=30mm, h₄=35mm, 그리고 h₅=70mm이다.

이상의 구조를 갖는 마이크로 스트립 모노폴 안테나의 작용을 설명하면 다음과 같다.

마이크로 스트립 선로를 이용한 임피던스 정합방법에는 λ/4 선로 삽입방법이 있다. 이는 서로 다른 실수 임피던스를 갖는 고주파 부하를 전송라인 임피던스에 큰 손실없이 매칭시키는 간단하고도 유용한 방법이다. 여기서, λ/4 선로가 복수개로 쓰일수록 사용될 수 있는 주파수 대역폭은 증가한다. λ/4 선로를 무한대로 사용하는 것으로 가정하면, 연속된 만곡 T자 형상의 라인이 형성된다. 이것이 만곡 T자 선로 임피던스 매칭법이다.

입력 임피던스 50Ω과 자유공간의 고유 전파 임피던스 377Ω이 얼마나 넓은 주파수 대역에서 반사손실 없이 사용될 수 있는 가가 안테나의 광대역성을 나타내 므로, 입력선로 임피던스 50Ω과 고유 전파 임피던스 377Ω을 안테나의 크기 내에서 매칭시키도록 한다.

다음의 식(1)은 도3에서 임피던스 Z₀ 와 Z_L 에 대하여 반사계수(Γ)를 계산하는 공식이다. (여기서, L은 길이를 의미함)

반사계수 공식- 식(1)

.

즉, 상기 식 (1) 은 임피던스가 Z₀ 에서 Z_L로 변할 경우, 길이 L에 따라 반사계수 값이 얼마나 변하는 지를 보여준다. 선형 임피던스 변환을 위하여 선형 임피던스 변환 공식, 즉 Z(z)=az+Z₀ 를 반사계수 공식, 식 (1)에 대입하면, 다음의 식 (2)가 계산된다.

식(2)

.

식(2)는 도4의 CPW 구조에 대하여 각 주파수에서의 β(전파상수)값을 계산 대입하면, 도 5와 같은 임피던스 변환 안테나의 주파수 대 정재파비의 그래프를 얻을 수 있다. 도5에서, 500㎒부터 정재파비(VSWR)가 2미만으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 이러한 광대역 임피던스 매칭법을 안테나에 실현하기 위해서는 선형적으로 혹은 지수 함수적으로 슬롯 크기를 증가 시켜야 한다. 이러한 방법 중 좁은 공간 상에서 획득 가능한 방법은 동일 축 상에서 서로 다른 중심 위치를 갖는 원형 구조를 이용하여 한정된 규모 내에서 최대한 긴 슬롯을 얻는 것이다. 하지만, 이와 같은 방법을 적용했을 때 도2에서처럼 안테나가 중심 선로로부터 시작되는 부분은 근사적으로 선형적인 슬롯 간격을 얻을 수 있지만, 공간상의 제약으로 인해 무한히 긴 선로를 획득할 수 없으므로 선로 마지막 부분의 슬롯 간격은 지수 함수적인 임피던스 변환 선로로 설계되어야 한다.

또한, 도2에서 모노폴 안테나(10)가 시작되는 부분(h₅로 표시된 점선, 즉 중심선로가 끝나는 부분)에서 하면 그라운드 도체(60)가 종단되는데(truncated), 도2에서 종단된 하면 그라운드 도체의 폭(W)을 넓일수록 주파수에 따른 정재파비의 변화가 감소한다. 한편, 하면의 그라운드 도체(60)가 있는 경우와 없는 경우의 임피던스 차이는 불과 수 Ω에 불과 하므로 임피던스 매칭에 큰 문제없이 안테나의 에너지가 방사될 수 있다.

도6은 본 발명의 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나의 성능을 도시한 것으로, 정재파비(VSWR)를 2 이하로 설정할 때, 주파수 대역폭이 820MHz ∼ 1.32GHz, 1.75GHz ∼ 12GHz 가 됨을 보여주고 있다. 측정된 주파수가 12GHz이지만 그 이상의 주파수에서도 가능할 것으로 예측된다. 이론적으로는 500MHz 부터 정재파비 2 이하의 값을 얻도록 설계되었지만, 실제적으로는 공간상의 한계를 극복하기 위해 지수 함수적인 종단과 그 선형적인 부분과의 연결부위에서 부자연스러운 연결이 중간대역 주파수의 단절을 야기한 것으로 판단되며, 따라서, 선형적 부분과 지수함수적 부분이 기하학적으로 자연스럽게 연결되면 중간 대역의 단절이 사라질 것으로 보인다.

도 7은 본 발명의 임피던스 변환을 이용한 광대역 CPW 안테나를 이용하여 주 파수 별 방사 패턴을 측정한 결과를 보여주고 있다. 이 패턴은 주파수가 5GHz 부근까지 모노폴 안테나의 방사패턴과 동일한 효과를 얻는 무지향성 안테나임을 나타낸다.

본 발명에 의하면, 종래의 협대역 특성을 갖는 마이크로 스트립 안테나의 대역폭을 증가시킴과 동시에, 제조가 용이하며 어느 장소에서나 장착 가능한 선형 극성의 무지향성 소형 안테나를 설계할 수 있다. 또한, 각 무선 서비스 업체들의 모든 주파수 대역을 포함하는 단일 무지향성 안테나의 개발 요구에 부응할 수 있고, 도시 내에 난립한 안테나를 통합 및 UWB(ultra wide band) 시스템용 안테나의 특성을 동시에 만족시킬 수 있다.

Claims

유전체 기판;

상기 유전체 기판의 상면의 중앙선 하단에서 상부로 소정 폭 및 소정 길이로 연장되어 형성되는 중심 선로;

상기 중심 선로의 단부에서 폭이 확장되면서 상부로 연장되는 만곡 T자 형상의 모노폴 안테나;

상기 중심 선로의 양측에 대칭적으로 형성되고, 상기 모노폴 안테나의 만곡 T자 형상의 하부 곡선부와 이루는 슬롯의 간격이 선형적으로 증가하는 측면 그라운드 도체;

상기 중심 선로의 양측에 대칭적으로 형성되고, 상기 측면 그라운드 도체의 일측에 연장되며, 상기 유전체 기판의 상면 하부에 소정의 폭으로 형성되는 상면 그라운드 도체; 및

상기 유전체 기판의 하면에 형성되며, 상기 중심 선로가 끝나는 지점에서 종단(truncated)되는 하면 그라운드 도체를 포함하여,

상기 모노폴 안테나와 상기 측면 그라운드 도체 사이에 형성되는 슬롯은 선형적 증가 부분의 후반부에 지수적으로 증가하는 부분을 포함하여 공간적 제약을 극복하고, 상기 모노폴 안테나 및 상기 측면 그라운드 도체의 슬롯 간격의 변화에 의한 임피던스 변화를 이용하여 안테나의 대역폭을 확장시키는 것을 특징으로 하는 광대역 CPW 안테나.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유전체 기판은

상기 상면 그라운드 도체와 상기 하면 그라운드 도체가 겹치는 부분에서 다수의 비아홀을 형성하여, 상기 상면 그라운드 도체와 상기 하면 그라운드 도체를 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 광대역 CPW 안테나.
삭제