KR100758998B1 - 근거리 통신용 패치 안테나 - Google Patents

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KR100758998B1
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은, 근거리 통신용 패치 안테나에 관한 것으로서, 유전체의 일측면 일부영역에 부착된 적어도 하나의 제1방사부와, 유전체내에 배치되며 상기 제1방사부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 제2방사부를 포함하는 방사부, 유전체의 타측면에 배치된 적어도 하나의 제1그라운드부와, 유전체의 일측면에 배치된 적어도 하나의 제2그라운드부를 포함하며, 제1그라운드부와 제2그라운드부는 상호 전기적으로 연결되는 그라운드를 포함한다. 이에 의해, 패치 안테나의 크기가 획기적으로 감소되고, 넓은 대역폭, 고 이득, 방향성을 갖게 된다.
패치 안테나, RFID, 방향성, 고 이득, 소형화, 방사부, 그라운드, 비아홀

Description

근거리 통신용 패치 안테나{PATCH ANTENNA FOR LOCAL AREA COMMUNICATION}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 근거리 통신용 패치 안테나의 사시도,
도 2는 도 1의 패치 안테나의 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근거리 통신용 패치 안테나의 사시도,
도 4a는 도 1의 패치 안테나를 2.45GHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 S11 그래프,
도 4b는 도 1의 패치 안테나를 2.45GHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 방사패턴,
도 5a는 도 3의 패치 안테나를 910MHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 S11 그래프,
도 5b는 도 3의 패치 안테나를 910MHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 방사패턴이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 101 : 패치 안테나 10, 110 : 방사부
10a, 110a : 제1방사부 10b, 110b : 제2방사부
12, 22 : 비아홀 15, 115 : 유전체
20, 120 : 그라운드 20a, 120a : 제1그라운드부
20b, 120b : 제2그라운드부
본 발명은 근거리 통신용 패치 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소형화, 고 이득, 넓은 대역폭, 방향성을 갖는 근거리 통신용 패치 안테나에 관한 것이다.
최근 정보통신기술을 발달로 인해, 통신기기들의 소형화와 이동성이 강조되고 있다. 특히 이동통신 단말기는, 그 기능이 다양화되면서, 이동통신 단말기 고유의 기능인 통신기능 이외에, WLAN을 통한 무선 인터넷 접속 기능, 지상파와 위성을 통해 제공되는 프로그램을 시청할 수 있는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 기능, GPS 위성을 이용한 위치인식기능, 카메라, MP3, RFID와 같은 기능을 부가하여 사용자에게 다양한 서비스를 제공하고 있다.
이 중, RFID 시스템과 이동통신과의 결합으로 mRFID(mobile RFID)라는 새로운 기술과 서비스가 발전되고 있다. mRFID 기술은 이동통신 단말기에 전자태그, 리더, 안테나 및 처리모듈을 장착함으로써, 타 전자태그로부터 정보를 읽어들여 사용자에게 유용한 정보서비스를 제공하거나, 이동통신 단말기내의 전자태그를 통해 타 기기에 이동통신 단말기로부터의 정보를 전달할 수 있다.
한편, mRFID 기술에서 사용되는 RFID용 안테나는, 국내에서는 908.5 내지 914MHz 대역에서, 유럽에서는 2.45GHz 대역에서 무선신호를 송수신하는데 반해, 이 동통신 단말기 자체의 통신을 위한 안테나는 850MHz 대역의 무선신호를 송수신한다. 따라서, 국내에서는 RFID용 무선신호의 대역과, 이동통신용 무선신호의 대역은 그 차이가 비교적 크지는 않지만, 기존의 이동통신 단말기에 사용되고 있는 이동통신용 안테나는 협대역이기 때문에 RFID용 무선신호까지 송수신하기는 어렵다. 그리고 유럽의 경우에는 RFID용 무선신호의 대역과 이동통신용 무선신호의 대역의 차이가 많이 나기 때문에 하나의 안테나를 사용하기는 더욱 어렵다. 이에 따라, mRFID 기술의 구현을 위해 종래의 이동통신 단말기의 경우, RFID용 안테나와, 이동통신용 안테나를 각각 별도로 장착하여 사용하고 있다.
그런데, 이렇게 RFID용 안테나와 이동통신용 안테나를 각각 마련할 경우, 이동통신 단말기의 크기가 커질 수 밖에 없다. 이는 이동통신용 안테나의 크기마저도 소형화 및 집적화함으로써, 이동통신 단말기의 크기를 소형화하려는 현재 이동통신 단말기의 발전방향에 역행하는 것이다. 이에 따라, RFID용 안테나를 보다 소형화함으로써, 이동통신 단말기의 크기가 커지는 것을 방지할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.
한편, 일반적으로 안테나는 넓은 대역폭과 고 이득의 특성을 가지는 것이 바람직하며, 이에 더하여 RFID용 안테나과 같이 특정목적을 갖는 근거리 안테나는 방향성을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 넓은 대역폭, 고 이득, 방향성을 갖는 안테나를 개발하여야 할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 소형화, 넓은 대역폭, 고이득, 방향성을 갖는 근 거리 통신용 패치 안테나를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 유전체의 일측면 일부영역에 부착된 적어도 하나의 제1방사부와, 상기 유전체내에 배치되며 상기 제1방사부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 제2방사부를 포함하는 방사부; 및, 상기 유전체의 타측면에 배치된 적어도 하나의 제1그라운드부와, 상기 유전체의 일측면에 배치된 적어도 하나의 제2그라운드부를 포함하며, 상기 제1그라운드부와 제2그라운드부는 상호 전기적으로 연결되는 그라운드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1방사부와 제2방사부는 적어도 하나의 비아홀에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1그라운드부와 제2그라운드부는 적어도 하나의 비아홀에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1방사부는 상기 유전체의 일측면의 중앙영역에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제2방사부는 상기 유전체내에 상기 제1방사부의 양측면에 대응되도록 배치되는 한 쌍의 도체판으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 제1그라운드부는 상기 유전체의 타측면에 대응되는 크기로 형성될 수 있다.
상기 제2그라운드부는 상기 제1방사부와 소정 간격을 두고 상기 제1방사부의 양측면에 배치되는 한 쌍의 도체판으로 형성될 수 있다.
상기 각 비아홀은, 상기 제1방사부의 상기 제2그라운드부를 향한 단부 영역과, 상기 제2방사부를 형성하는 각 도체판의 상기 제1방사부를 향한 단부 영역을 연결하는 것이 바람직하다.
상기 각 비아홀은, 상기 제1그라운드부의 양 단부 영역과, 상기 제2그라운드를 형성하는 각 도체판의 외각 단부 영역을 연결하는 것이 바람직하다.
상기 방사부와, 상기 그라운드는 각각 프루브에 의해 전원을 공급받을 수 있다.
상기 제1방사부와 제2방사부는 도체판에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
제1그라운드부와 제2그라운드부는 도체판에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 근거리 통신용 패치 안테나는, 이동통신 단말기에 설치되는 RFID 안테나와 같이, 근거리에서 방향성을 가지고 통신할 경우에 사용되며, 무선 라우터(WIRELESS ROUTER)와 같이 단거리 통신에 사용하는 다양한 통신기기에도 적용할 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 근거리 통신용 패치 안테나의 사시도이고, 도 2는 도 1의 패치 안테나의 단면도이다.
본 근거리 통신용 패치 안테나(1)는, 육면체 형상으로 형성된 유전체(15)와, 그라운드(20)와, 방사부(10)를 포함한다.
유전체(15)는 육면체 형상으로 형성되며, 상호 마주보는 한 쌍의 면이 다른 면들보다 넓게 형성되어 있다. 여기서, 넓게 형성된 한 쌍의 면을 각각 유전체(15)의 상면과 바닥면으로 칭한다.
그라운드(20)는 유전체(15)의 바닥면에 배치된 제1그라운드부(20a)와, 유전체(15)의 상면에 배치된 제2그라운드부(20b)를 포함하며, 제1그라운드부(20a)와 제2그라운드부(20b)는 도체판으로 형성된다.
제1그라운드부(20a)는 유전체(15)와 동일한 크기의 사각판상으로 형성되어 유전체(15)의 바닥면에 부착되어 있다. 제2그라운드부(20b)는 한 쌍의 도체판으로 형성되며, 각 제2그라운드부(20b)는 직사각형상으로 형성된다. 그리고 각 제2그라운드부(20b)는 일측 모서리의 길이가 유전체(15)의 일측면과 동일한 길이를 갖는 직사각형상으로 형성되며, 각 제2그라운드부(20b)는 유전체(15)의 상면에 상호 대향되는 한 쌍의 모서리에 배치된다.
이러한 제1그라운드부(20a)와 한 쌍의 제2그라운드부(20b)는 비아홀(22)에 의해 상호 전기적으로 연결된다. 비아홀(22)은 각 제2그라운드부(20b)의 유전체(15) 모서리에 인접한 영역에서 유전체(15)를 관통하도록 설치되어 제1그라운드부(20a)까지 연장되며, 제2그라운드부(20b)의 길이방향을 따라 다수의 비아홀(22)이 설치된다.
방사부(10)는, 유전체(15)의 상면에 부착된 제1방사부(10a)와, 유전체(15)내에 삽입된 제2방사부(10b)를 포함하며, 제1방사부(10a)와 제2방사부(10b)는 전기적으로 연결되어 있다.
제1방사부(10a)는 유전체(15)의 상면 중앙영역에 부착되며, 한 쌍의 제2그라 운드부(20b)의 사이에 배치되고, 제1방사부(10a)는 각 제2그라운드부(20b)로부터 각각 소정 거리 이격되어 있다. 이러한 제1방사부(10a)는 각 제2그라운드부(20b)와 동일한 길이로 형성되며, 설계에 따라 그 길이를 조절할 수 있음은 물론이다.
제2방사부(10b)는 유전체(15)내에 유전체(15)의 상면과 바닥면의 중간 영역에 삽입된다. 제2방사부(10b)는 한 쌍의 도체판으로 형성되며, 유전체(15)내에서 제1방사부(10a)의 양측면에 대응되는 영역에 배치된다. 즉, 제2방사부(10b)는 유전체(15)내에서 제1방사부(10a)와 각 제2그라운드부(20b) 사이에 배치된다.
이러한 제1방사부(10a)와 제2방사부(10b)는, 비아홀(12)에 의해 상호 전기적으로 연결되어 있다. 비아홀(12)은 제1방사부(10a)의 각 제2그라운드부(20b)를 향한 한 쌍의 단부 영역과, 각 제2방사부(10b)의 제1방사부(10a)를 향한 단부 영역을 연결하도록 형성된다. 그리고 비아홀(12)은 제1방사부(10a)와 각 제2방사부(10b)의 길이방향을 따라 다수개가 일렬로 배치된다.
한편, 이러한 패치 안테나(1)의 일측에는 각각 그라운드(20)와 방사부(10)에 전원을 공급하기 위한 동축케이블(30)이 연결되어 있다. 동축케이블(30)의 외측 프루브(30b)는 그라운드(20)에 전원을 공급하고, 내측 프루브(30a)는 방사부(10)에 전원을 공급한다.
이러한 패치 안테나(1)를 제작하는 공정을 간단히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상술한 유전체(15)의 높이의 반 정도 되는 유전체를 2개 마련한다. 하나의 유전체의 상면에 제1방사부(10a)와, 한 쌍의 제2그라운드부(20b)를 프린트하고, 바닥면에는 한 쌍의 제2방사부(10b)를 프린트한다. 그리고, 제1방사부(10a) 와 각 제2방사부(10b)를 비아홀(12)을 이용하여 연결한다.
다른 유전체의 바닥면에는 제1그라운드부(20a)를 프린트한다.
그런 다음, 한 쌍의 유전체를 상호 부착한 다음, 제1그라운드부(20a)와 각 제2그라운드부(20b)를 비아홀(22)을 이용하여 연결한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근거리 통신용 패치 안테나의 사시도이다.
본 실시예의 패치 안테나(101)의 그라운드(120)는, 유전체(115)의 상면에 배치된 한 쌍의 제2그라운드부(120b)와, 유전체(115)의 바닥면에 배치된 제1그라운드부(120a)를 갖는다는 점에서 상술한 실시예의 패치 안테나(101)와 유사한 구조를 갖는다. 다만, 본 실시예의 그라운드(120)는, 제1그라운드부(120a)와 각 제2그라운드부(120b)를 도체판으로 형성된 연결부(122)를 유전체(115)의 측면에 부착하여 연결하고 있다. 즉, 본 실시예의 그라운드(120)는, 하나의 도체판의 양측 단부를 각각 2회 절곡시켜 형성함으로써, 제1그라운드부(120a), 한 쌍의 제2그라운드부(120b), 연결부(122)를 일체로 형성하고 있다.
한편, 본 실시예의 방사부(110)는, 그라운드(120)와 마찬가지로, 제1방사부(110a)와 한 쌍의 제2방사부(110b)를 도체판(112)을 이용하여 연결하고 있으며, 제1방사부(110a)의 크기가 각 제2방사부(110b)의 크기보다 작게 형성되어 있다.
이렇게 도 1 내지 도 3의 구조로 패치 안테나(1,101)를 설계할 경우, 기존의 패치 안테나(1,101)는 방사부(10,110)의 크기와 그라운드(20,120)의 크기가 각각 6cm이상인데 반해, 본 패치 안테나(1,101)는 그 세로폭과 가로폭을 각각 3cm 정도 로 구성할 수 있다. 즉, 패치 안테나(1,101)의 크기를 절반으로 줄일 수 있다.
도 4a는 도 1의 패치 안테나를 2.45GHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 S11 그래프이고, 도 4b는 도 1의 패치 안테나를 2.45GHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 방사패턴이다.
도 4a의 그래프를 살펴보면, 본 패치 안테나(1)의 중심주파수는 2.46GHz이고, -5dB에서의 주파수 대역폭은 284MHz이고, -10dB에서의 주파수 대역폭은 125MHz이며, 이득은 3.96dB로 나타났다. 이러한 결과는 일반적으로 RFID용으로 사용되는 패치 안테나(1)와 동일한 수준이나, 주파수 대역폭의 경우에는 일반적인 패치 안테나(1)보다 넓게 나타난 것이다.
도 4b의 그래프를 살펴보면, 본 패치 안테나(1)의 방사패턴은, Z축의 (+)방향으로 방사가 집중되고 있음을 알 수 있다. 이는 본 패치 안테나(1)가 방향성을 갖는다는 것을 나타내고 있는 것이다. 한편, 본 방사패턴은, 패치 안테나(1) 자체만을 이용하여 실험한 결과로서, 만약, 패치 안테나(1)를 이동통신 단말기 등의 회로기판이나 그라운드(20)에 부착할 경우, 그 방향성의 정도가 보다 높아질 것이다.
도 5a는 도 3의 패치 안테나를 910MHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 S11 그래프이고, 도 5b는 도 3의 패치 안테나를 910MHz 대역에 매칭시켜 설계하였을 때의 방사패턴이다.
도 5a의 그래프에 나타난 바와 같이, 본 패치 안테나(101)의 중심주파수는 910MHz이고, -5dB에서의 주파수 대역폭은 10MHz이고, -10dB에서의 주파수 대역폭은 4MHz이며, 이득은 1.02dB로 나타났다. 이러한 결과는 본 패치 안테나(101)를 910MHz 대역의 RFID용 안테나로 사용할 수 있음을 보여주는 것이다.
도 5b의 그래프는, 본 패치 안테나(101)의 방사패턴은, Y축 방향의 폭이 좁도록 찌그러져 Z축 방향으로 확장되어 있음을 알 수 있다. 즉, Y축 방향의 방사가 적고, Z축 방향의 방사가 크다는 것을 알 수 있고, 이는 본 패치 안테나(101)가 방향성을 갖는다는 것을 의미한다.
이러한 구성에 따른 본 패치 안테나(1,101)는, 그라운드(20,120)가 유전체(15,115)의 상면과 바닥면에 형성됨에 따라, 패치 안테나(1,101)의 크기를 증가시키는 주범이라 할 수 있는 그라운드(20,120)의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 방사부(10,110)의 일부는 유전체(15,115)의 상면에 배치시키고, 방사부(10,110)의 나머지는 유전체(15,115) 내에 배치시킴으로써, 방사부(10,110)가 차지하는 면적을 감소시킴과 동시에, 유전체(15,115)의 상면에 배치된 제1방사부(10a,110a)에 의해 방사효율을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 패치 안테나(1,101)는 그 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 도 4a 및 도 5a에 나타난 바와 같이, 넓은 대역폭과 고 이득을 가진다. 또한, 도 4b 및 도 5b에 나타난 방사패턴에서 알 수 있는 바와 같이, 방향성을 갖게 되므로, 이동통신 단말기에 설치되는 RFID용 안테나, 무선 라우터 등에 사용하기에 적합하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 패치 안테나의 크기가 획기적으로 감소되고, 넓은 대역폭, 고 이득, 방향성을 갖게 된다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (12)

  1. 유전체의 일측면 일부영역에 부착된 적어도 하나의 제1방사부와, 상기 유전체내에 배치되며 상기 제1방사부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 제2방사부를 포함하는 방사부; 및,
    상기 유전체의 타측면에 배치된 적어도 하나의 제1그라운드부와, 상기 유전체의 일측면에 배치된 적어도 하나의 제2그라운드부를 포함하며, 상기 제1그라운드부와 제2그라운드부는 상호 전기적으로 연결되는 그라운드;를 포함하고,
    상기 유전체의 일측면과 타측면은 서로 반대편에 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1방사부와 제2방사부는 적어도 하나의 비아홀에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1그라운드부와 제2그라운드부는 적어도 하나의 비아홀에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1방사부는 상기 유전체의 일측면의 중앙영역에 배치되는 것을 특징으 로 하는 패치 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2방사부는 상기 유전체내에 상기 제1방사부의 양측면에 대응되도록 배치되는 한 쌍의 도체판으로 형성된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1그라운드부는 상기 유전체의 타측면에 대응되는 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2그라운드부는 상기 제1방사부와 소정 간격을 두고 상기 제1방사부의 양측면에 배치되는 한 쌍의 도체판으로 형성된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 비아홀은, 상기 제1방사부의 상기 제2그라운드부를 향한 단부 영역과, 상기 제2방사부의 상기 제1방사부를 향한 단부 영역을 연결하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 각 비아홀은, 상기 제1그라운드부의 양 단부 영역과, 상기 제2그라운드를 형성하는 각 도체판의 외각 단부 영역을 연결하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사부는 프루브의 내측에 의해 전원을 공급받고, 상기 프루브의 외측은 상기 그라운드에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1방사부와 제2방사부는 도체판에 의해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  12. 제 1 항에 있어서,
    제1그라운드부와 제2그라운드부는 도체판에 의해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
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