KR100702328B1

KR100702328B1 - 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나

Info

Publication number: KR100702328B1
Application number: KR1020050034429A
Authority: KR
Inventors: 유병훈; 성원모; 최재훈; 노양운
Original assignee: 주식회사 이엠따블유안테나
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2007-04-03
Also published as: CN101164199A; KR20060112050A

Abstract

대역 저지 특성을 갖는 초광대역(UWB) 통신용 안테나가 개시된다. 초광대역 안테나는 마이크로스트립 급전을 이용한 패치 안테나로서, 저주파 대역에서의 대역폭 확장을 위해 방사체에 스터브를 형성한다. 또한, 접지면에 스텝을 형성함으로써 중간 주파수 대역에서의 안테나 특성을 향상시키고, 초광대역 특성을 얻는다. 본 발명의 안테나는 방사체에 역 U 형상의 슬롯을 형성함으로써 UNII 대역에서 대역 저지 특성을 구현한다. 한편, 본 발명의 안테나는 작은 면적의 접지면을 포함하여 전방향성의 방사 패턴을 갖는다.

UWB 안테나, 대역 저지, 역 U 형 슬롯, 스텝, 스터브

Description

대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나{ULTRA-WIDEBAND ANTENNA HAVING A BAND NOTCH CHARACTERISTIC}

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 상면도.

도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 저면도.

도 3 은 본 발명의 일 실시형태의 안테나의 방사체에서의 전류의 흐름을 모식적으로 도시하는 도면.

도 4 는 스터브의 길이(α) 변화에 따른 주파수 대 반사 계수의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프.

도 5 는 접지면의 스텝 형성에 따른 주파수 대 반사 계수의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프.

도 6 은 슬롯의 길이(L_slot) 에 따른 주파수 대 정재파비(VSWR)를 나타낸 그래프.

도 7 은 본 발명의 구현예의 안테나의 주파수 대 이득의 측정값을 나타낸 그래프.

도 8 은 본 발명의 구현예의 안테나의 주파수에 따른 방사 패턴을 나타낸 그 래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 방사체 12 : 기판

14 : 급전부 16 : 슬롯

18 : 스터브 20 : 접지면

22 : 스텝

본 발명은 초광대역(Ultra-Wideband; UWB) 통신 시스템용 안테나에 관한 것으로, 특히 5 GHz 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나에 관한 것이다.

초광대역 통신 시스템은 중심 주파수의 25% 이상 또는 1.5 GHz 이상의 대역폭을 갖는 통신 시스템으로 정의된다. 초광대역 통신은 임펄스 신호와 같이 넓은 주파수 대역에 걸쳐 전력이 확산되어 있는 신호를 이용한다. 즉, 수 나노 초 내지 피코 초의 폭(duration)을 갖는 펄스를 사용함으로써, GHz 단위의 넓은 주파수 대역에 전력을 확산시키는 것이다. 이는 5 MHz 정도의 대역폭을 갖는 광대역 CDMA 통신에 비해 훨씬 넓은 대역폭을 갖는 통신 방식이다.

UWB 통신 시스템에서는 짧은 펄스를 이용하여 정보를 전달하기 위하여 신호를 변조하게 되는데, 펄스 자체의 광대역 특성을 유지하면서 OOK(On-Off Keying), PAM(Pulse Amplitude Modulation) 또는 PPM(Pulse Position Modulation) 등의 변조 방식을 이용한다. 그러므로, UWB 시스템에서는 반송파(carrier)를 필요로 하지 않게 되어 시스템의 구성이 단순하고 구현이 용이하게 된다. 또한, 매우 넓은 대역에 걸쳐 전력이 확산되므로 각각의 주파수 성분은 매우 낮은 전력을 갖게 되어, 좁은 주파수 대역을 이용하는 다른 통신 시스템과의 간섭이 매우 적으며, 감청이 어려워 통신 보안 유지에 적합하다. 또한, UWB 시스템은 매우 낮은 전력으로 고속의 통신이 가능하고, 장애물 투과 특성이 우수하다는 등의 장점을 갖는다.

이와 같은 장점 때문에 UWB 시스템은 무선 홈 네트워크 등 차세대 개인 영역 무선 통신(Wireless Personal Area Network; WPAN) 분야에 널리 적용될 것으로 예상되고 있다. 특히, 2002 년 2 월 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission; FCC)는 3.1 GHz 이상의 주파수 대역에 대하여 UWB 통신 방식을 상업적으로 이용할 수 있도록 승인하여, UWB 시스템의 상용화가 가속되고 있다.

UWB 시스템은 종래의 통신 시스템에 비해 넓은 주파수 대역을 사용하므로, 이에 적합한 광대역 특성을 갖는 소형의 안테나의 개발이 필수적이다. UWB 시스템용 안테나로서는 혼 안테나, 바이코니컬(bi-conical) 안테나 등이 알려져 있으며, Time Domain Corporation 의 미국 특허 제 6,621,462 호 및 Xtreme Spectrum, Inc. 의 미국 특허 제 6,590,545 호등에 다른 형태의 UWB 안테나가 개시되어 있다.

그러나, 이들 안테나는 그 크기가 커 소형·경량의 안테나를 필요로 하는 분 야에는 적절하지 않다는 문제점이 있다.

다른 UWB 시스템용 안테나는 엘지전자 주식회사의 한국 특허 출원 제 2003-49755 호, 한국전자통신연구원의 한국 특허 출원 제 2002-77323 호에 개시되어 있다. 이들 특허출원은 상대적으로 크기가 작고 광대역 특성을 갖는 평면 안테나 또는 역 L 형 안테나를 개시한다.

무선 LAN 에 관한 표준인 IEEE 802.11a 및 HYPERLAN/2 는 UWB 가 사용할 수 있는 주파수 대역에 포함되는 5.15 ~ 5.825 GHz 대역(UNII, Unlicensed National Information Infrastructure 대역)을 무선 LAN에 사용하도록 하였다. 이들 표준은 큰 전력의 신호를 사용하므로 UNII 대역에서 UWB 시스템과 간섭을 일으킬 수 있다. 따라서, UWB 시스템에 있어서는 무선 LAN 과 중첩되는 UNII 대역의 사용이 제한된다.

그러나, 상기의 미국 특허 및 한국 특허출원에 개시된 안테나들은 초광대역 특성만을 가질 뿐, 사용이 제한되는 주파수 대역에서의 대역 저지 특성을 갖지 않는다. 그러므로, 이들 안테나를 실제로 적용하기 위해서는 무선 LAN과 중첩되는 주파수 대역에 대해 높은 양호도(Quality factor)를 갖는 대역 저지 필터를 추가적으로 사용하여야 한다. 그러나, 대역 저지 필터를 추가하는 것은 비용을 증가시킬 뿐 아니라, 장비의 소형화 및 경량화에 제약을 주며, 매우 짧은 펄스를 사용하는 UWB 시스템에서는 펄스의 왜곡을 일으켜 성능의 저하를 유발하는 문제점이 있었다.

본 발명은 UWB 시스템에 사용할 수 있는 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 UNII 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 소형으로 제조가 가능하며 대량 생산이 가능한 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기판, 상기 기판의 상면에 형성된 방사체, 상기 기판의 저면에 형성된 접지면, 및 상기 방사체에 접속된 급전부를 포함하는 안테나에 있어서, 상기 방사체에 형성된 스터브를 구비하고, 상기 접지면에 스텝이 형성되며, 상기 안테나가 대역 저지 특성을 갖도록 상기 방사체에 반파장 공진 구조를 갖는 슬롯이 형성된, 초광대역 안테나가 제공된다.

바람직하게는, 상기 스터브는 30°~ 60°의 길이를 갖는다.

삭제

또한, 상기 슬롯은 역 U 형상인 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 기판의 비유전율이 ε_r 이고, 저지 대역의 중심 주파수 f_c에 대응하는 파장이 λ_c 일 때, 상기 슬롯의 길이는

이다.

또한, 상기 슬롯의 길이는 13 ~ 16 mm 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 접지면은 상기 방사체와 중첩되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 급전부는 마이크로스트립 급전선인 것이 바람직하다.

한편, 바람직하게는 상기 방사체는 원형이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명한다. 구체적인 안테나의 형상 및 관련된 수치를 개시하지만, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이나 변경이 가능함은 당업자가 용이하게 인식할 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 초광대역 안테나의 상면도 및 저면도이다.

본 실시형태의 안테나는 기본적으로는 마이크로 스트립 패치 안테나로서, 기판(12), 기판 상면에 형성된 원형의 방사체(10), 방사체(10)에 접속된 급전부 (14) 및 기판 하면에 형성된 접지면(ground plane; 20)을 포함한다. 방사체(10) 에는 역 U(inverted-U) 형상의 슬롯(slot; 16)이 형성될 수 있으며, 접지면(20)의 상부 양단에는 스텝(22)이 형성될 수 있다. 또한, 방사체(10)에는 스터브(18)가 형성될 수 있다.

본 실시형태의 안테나는 일차적으로 원형의 방사체(10)를 채용하여 광대역 특성을 얻는다. 또한, 저주파 대역에서의 대역폭 확장을 위하여 방사체(10)에 스터브(18)를 형성할 수 있다. 스터브(18)의 형성에 의하여 방사체(10)의 전기적 길이가 증가되므로, 저주파(즉, 장파장) 대역에서의 안테나 특성을 향상시킬 수 있으 며, 스터브(18)의 길이를 조절함으로써 대역폭 확장 정도를 조절할 수 있다. 본 실시형태에서는 방사체(10)와 동심원 상에 스터브(18)를 형성하였으나 이는 하나의 실시형태에 불과하며, 스터브(18)의 길이가 동일하다면 스터브(18)는 다양한 형태를 취할 수 있다.

한편, 중간 주파수 대역(약 6 GHz 내지 10 GHz)에서의 안테나 특성의 향상은 접지면(20)에 스텝(22)을 형성함으로써 얻어질 수 있다. 접지면(20)은 급전부(14) 및 방사체(10)와의 커플링에 의하여 안테나의 임피던스 매칭에 영향을 주므로, 접지면(20)의 형태를 변화시킴으로써 안테나의 임피던스(따라서, 대역폭)를 변화시킬 수 있다. 본 실시형태에서는 접지면(20)에 스텝(22)을 형성시킴으로써 중간 대역에서의 안테나 특성을 향상시켰다. 그러나, 당업자는 스텝(22) 이외의 형태로 접지면(20)을 변화시켜도 안테나 특성의 향상이 가능함을 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 범위에 속한다.

한편, 본 실시형태에 있어서 접지면(20)은 방사체(10)와 중첩되지 않도록 기판(12) 저면의 일부에만 형성된다. 따라서, 방사체(10)에 의해 방사되는 전자기파가 접지면(20)에 의해 차폐됨이 없이 방출될 수 있으며, 일반적인 모노폴 (monopole) 안테나와 유사한 전방향성의 방사 패턴을 얻을 수 있다.

본 실시형태의 안테나에 있어서, 대역 저지 특성은 방사체(10)에 형성된 역 U 자형 슬롯(16)에 의해 나타난다. 슬롯(16)에 의한 대역 저지 특성을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3 은 방사체에서의 전류의 흐름을 모식적으로 나타내는 도면이다. 방사체 (10)에 공급된 전류는 슬롯(16)에 의해 진행이 방해되므로, 전류는 슬롯(16)을 우회하여 흐르게 된다. 이 경우, 도 3 에 도시된 바와 같이 슬롯(16) 내측에서 흐르는 전류와 슬롯(16) 외측에서 흐르는 전류는 서로 반대의 방향을 가지게 되므로, 이들 전류에 의해 발생되는 전자기장은 상쇄될 수 있다. 즉, 슬롯(16)이 반파장 공진 구조(half wave resonant structure)를 구성하여 해당 파장에서의 방사가 억제될 수 있는 것이다.

이 때, 슬롯(16)의 길이를 조절함으로써 전자기장이 상쇄되는 파장을 결정할 수 있다. 일반적으로 자유공간 파장 λ 의 전자기파는 유전체 내에서

(ε_r 은 유전체의 비유전율) 의 파장으로 전달되므로, 중심 주파수 f_c(파장 λ_c) 에서 대역 저지 특성을 갖도록 하기 위한 슬롯의 길이(L_slot)는 다음 식으로 주어진다.

이와 같이, 본 실시형태에 있어서 방사체(10)에 슬롯(16)을 형성함으로써 안테나에 대역 저지 특성을 부가할 수 있으며, 슬롯 길이를 적절하게 결정하여 저지 대역의 중심 주파수를 조정함으로써 UNII 대역에서의 대역 저지 특성을 유도할 수 있다. 또한, 슬롯(16)의 폭을 조절함으로써 저지 대역의 대역폭을 조정할 수 있으 며, 일반적으로 슬롯 (16) 의 폭이 넓어질수록 저지 대역의 대역폭이 증가하는 경향을 나타낸다.

이상 역 U 자형 슬롯과 관련하여 본 실시형태를 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 개시된 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 슬롯이 적용될 수 있음은 당업자가 용이하게 인식할 수 있을 것이다.

한편, 본 실시형태의 안테나는 급전부(14)로서 마이크로스트립 급전을 채택한 패치 안테나를 기본 구조로 하여, 안테나의 경량화 및 소형화를 달성하였으며 대량생산에 적합한 구조를 갖는다. 또한, 기판(12)으로서는 FR4, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, 테프론, 에폭시, LTCC 등이 사용될 수 있으며, 특히 FR4 기판을 사용하여 제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나를 실제로 구현하여 성능을 시험하였다. 구현한 안테나는 도 1 및 2 에 도시된 바와 동일한 구성을 갖고, 각 부분의 치수는 다음 표와 같다. 각 치수는 mm 단위로 주어진다. 한편, 급전부(14)는 폭 2.6 mm 의 54 Ω 마이크로스트립 급전을 사용하였으며, 기판(12)으로서는 두께 1.6 mm, 비유전율 4.4 의 FR4 기판을 사용하였다. 표에서 α 는 스터브의 길이를 나타낸다.

L	W	R	α (°)	G_L
30	26	7	30 ~ 60	11.5
W₁	W₂	L_S	W_S	L_slot
0.5	1	3	1	13 ~ 16

도 4 는 방사체(10)에 형성된 스터브(18)의 길이(α) 변화에 따른 주파수 대 반사 계수(S₁₁ 파라미터)의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이다. 초기에 본 실시형태의 원형 방사체(10)는 4.8 GHz 에서 최초 공진하도록 설계되었다. 이에 비해, 스터브(18)가 형성된 경우에는 공진 주파수가 변화하며, 스터브의 길이(α)가 증가할수록 공진 주파수의 변화가 커지는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 스터브의 길이가 길어질수록 낮은 주파수에서의 반사계수 특성이 향상되는 것을 볼 수 있었다. 구체적으로, 단순한 원형 방사체의 경우에는 3.7 GHz 이상에서 -10 dB 이하의 반사 계수를 갖고 있으나, 스터브(18)가 형성된 경우에는 -10 dB 의 반사계수를 갖는 주파수가 3.7 GHz 이하로 낮아지는 경향을 보인다. 따라서, 스터브(18)의 형성에 의하여 저주파수 대역에서의 대역폭 확장 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

도 5 는 접지면의 스텝(22) 형성에 따른 주파수 대 반사 계수의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이다. 두 곡선 모두 길이 45°의 스터브를 형성한 방사체를 사용하였으며, 접지면(20)의 형태만을 달리하였다. 스텝(22)은 모두 1 mm 의 폭을 가지며, 기판의 하방으로 갈수록 높이가 증가하여, 각각 1 mm, 1.5 mm, 2 mm 및 2.5 mm 의 높이를 갖도록 형성하였다.

스텝(22)이 형성되지 않은 접지면(20)을 사용한 경우 (점선), 약 6.26 GHz ~ 10.3 GHz 의 중간 주파수 대역에서 반사 계수가 -10 dB 이상의 값을 갖는다. 이에 반해, 스텝(22)이 형성된 경우(실선)에는 중간 주파수 대역에서의 반사 계수가 -10 dB 이하로 감소하여 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 즉, 스텝(22)의 형성에 의하여 중간 주파수 대역에서의 대역폭 확장의 효과가 나타났으며, 결과적으로 3.1 ~ 10.6 GHz 의 UWB 시스템의 사용 대역 전체에 걸쳐 -10 dB 이하의 양호한 반사 계수를 갖는 안테나를 얻었다.

도 6 은 슬롯(16)의 길이(L_slot)에 따른 주파수 대 정재파비(VSWR)를 나타낸 그래프이다. 곡선 a ~ d 는 각각 슬롯 길이(L_slot)가 13 mm, 14 mm, 15 mm 및 16 mm 인 경우의 그래프이다. 전체적으로 3 ~ 11 GHz 의 범위에서 2 이하의 정재파비를 가지므로 초광대역 특성을 보임을 알 수 있으며, 상술한 바와 같이, 슬롯(16)이 형성된 경우 4 내지 7 GHz 범위에서 대역 저지 특성이 나타남을 볼 수 있다. 또한, 상기 수식에서 예측한 바와 같이, 슬롯의 길이(L_slot)가 증가할수록 저지 대역의 중심 주파수가 감소함을 확인하였다. 특히, L_slot=15 mm 인 경우 (곡선 c) 4.9 ~ 6 GHz 범위에서 대역 저지 특성을 보이므로, UNII 대역의 필터링에 적합한 안테나를 얻을 수 있다.

도 7 은 본 구현예의 안테나의 주파수 대 이득의 측정값을 나타낸 그래프이다. 3 ~ 10 GHz 대역 전체에 걸쳐 양호한 이득을 나타내고 있으며, 5 GHz 대역에서는 이득이 급격히 감소하여 대역 저지 특성을 나타내고 있다. 따라서, 본 구현예의 안테나는 UNII 대역에서 타 통신 시스템과의 간섭이 적은 초광대역 안테나로서 적합한 특성을 갖는다.

도 8 은 구현한 안테나의 주파수에 따른 방사 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 8의 (a) 및 (b)는 각각 4 GHz 및 9 GHz 에 대한 방사 패턴을 나타낸다. 상술한 바와 같이 구현한 안테나는 방사체와 중첩되지 않고 면적이 작은 접지면을 이용하므로, 일반적인 모노폴 안테나와 유사하게 전방향성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 따르면, 방사체에 스터브를 형성함으로써 저주파 대역에서 대역폭이 확장된 초광대역 안테나를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 접지면에 스텝을 형성함으로써 중간 주파수 대역에서의 안테나 특성을 향상시키고 안테나의 대역폭을 확장할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 방사체에 슬롯을 형성함으로써 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나를 구현할 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 경량화 및 소형화가 가능하고 대량생산에 적합하면서, 전방향성의 방사 패턴을 갖는 초광대역 안테나를 구현할 수 있다.

Claims

기판, 상기 기판의 상면에 형성된 방사체, 상기 기판의 저면에 형성된 접지면, 및 상기 방사체에 접속된 급전부를 포함하는 안테나에 있어서,

상기 방사체에 형성된 스터브를 구비하고,

상기 접지면에 스텝이 형성되며,

상기 안테나가 대역 저지 특성을 갖도록 상기 방사체에 반파장 공진 구조를 갖는 슬롯이 형성된, 초광대역 안테나.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 슬롯은 역 U 형상인, 초광대역 안테나.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 기판의 비유전율이 ε_r 이고, 저지 대역의 중심 주파수 f_c 에 대응하는 파장이 λ_c 일 때,

상기 슬롯의 길이는
인, 초광대역 안테나.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 슬롯의 길이는 13 ~ 16 mm 인, 초광대역 안테나.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 접지면은 상기 방사체와 중첩되지 않도록 형성된, 초광대역 안테나.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 급전부는 마이크로스트립 급전선인, 초광대역 안테나.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 방사체는 원형인, 초광대역 안테나.