KR100847144B1 - Ｐｃｂ 프린트 타입의 듀얼 밴드 패치 안테나 및 이를일체화한 무선통신 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 IEEE 802.15.4/4a 무선통신 시스템에 적용할 수 있는 PCB 프린트 듀얼 밴드 패치 안테나와 상기 안테나를 일체화한 무선통신 모듈에 관한 것으로, 기판, 상기 기판의 상부에 형성된 그라운드 패턴, 상기 그라운드 패턴과 일정 간격을 갖고 상기 기판 상부에 형성되어 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상으로 이루어진 슬롯에 의해 입력 암과 주 방사부로 구분되고 상기 주방사부의 개방단과 입력암이 상기 슬롯을 기준으로 마주보는 방사패치, 상기 방사패치의 입력 암에 연결되어 방사패치로 전류 신호를 인가하는 급전부로 이루어진 것을 특징으로 하는 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나 및 상기 안테나와 동일 PCB 기판상에 무선통신 칩을 비롯한 무선소자들을 일체로 마운트시킴으로써, 이에 의하여 고효율 및 광대역의 듀얼 밴드 패치 안테나가 구현 가능하고, 최소의 크기를 갖으며, 비용이 저렴한 무선통신 모듈을 제공할 수 있다.
IEEE 802.153.4/4a, 듀얼밴드 안테나, 무선통신 모듈, PCB 프린트 안테나

Description

ＰＣＢ 프린트 타입의 듀얼 밴드 패치 안테나 및 이를 일체화한 무선통신 모듈{PCB printed typed dual band antenna and Wireless communication module bodied with the PCB printed typed dual band antenna on PCB}
도 1은 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나를 일체화한 무선 통신 모듈을 도시한 상면도,
도 2는 도 1의 듀얼 밴드 패치 안테나의 부분 확대도,
도 3은 본 발명에 의한 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나를 일체화한 무선 통신 모듈의 다른 예를 나타낸 분해 사시도,
도 4는 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 반사 손실 설계 곡선,
도 5(a),(b)는 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 900MHz 대역에서의 H-Plane과 E-Plane 방사 패턴,
도 6(a),(b)은 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 2000MHz 대역에서의 H-plane과 E-Plane 방사 패턴, 그리고
도 7은 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 반사 손실 특성곡선이다.
본 발명은 PCB프린트 타입의 듀얼 밴드 패치 안테나 및 이를 일체화한 무선통신 모듈에 관한 것으로, 특히 고성능, 저비용이며, IEEE 802.15.4/4a의 두 주파수 대역에 모두 사용가능한 PCB프린트 타입의 듀얼 밴드 패치 안테나 및 이를 일체화한 무선통신 모듈에 관한 것에 관한 것이다.
무선 이동 통신 기술이 발전하면서 무선 휴대이동통신 시스템 및 무선 센서 시스템을 내장한 가전 제품들이 등장하고 있으며, 안테나는 이러한 무선 통신 제품의 성능을 결정하는 주요 통신 부품이다.
한편, 물체의 감지 및 제어 (예로써, 홈 오토메이션 및 오피스내의 자동 센서 등) 시스템을 위해 IEEE 802.15.4/4a 무선통신 시스템은 그 영역을 점차 확대하고 있으며, 현재 IEEE 802.15.4 무선통신 시스템의 경우 2400MHz 대역을 중심으로 한 제품의 출시가 이루어지고 있다. 그러나 2400MHz 대역 IEEE 802.15.4 시장은 기존의 무선랜 주파수와 간섭 현상이 발생할 수 있으므로, 국내에서는 900MHz 대역을 위한 IEEE 802.15.4 시스템의 개발을 진행중이다. 따라서, IEEE 802.15.4 및 향후 적용될 IEEE 802.15.4a 시스템을 위한 900/2400MHz 의 두 대역을 커버하는 듀얼밴드 안테나의 도입은 필수적이다.
기존의 IEEE 802.15.4 무선통신 시스템에 적용된 안테나는 외장형 모노풀 및 헬리컬 안테나를 주로 사용하고 있으며, 싸이즈를 감소하기 위한 세라믹 칩 안테나가 응용시제품에 적용되고 있다. 그러나 외장형 안테나는 외부 환경 요소에 의한 특성 변형이 쉽고, 내장형 세라믹 칩 안테나의 경우 이득특성의 저하로 무선 통신 시스템의 성능을 저하시킨다. 더하여, 상기의 안테나들의 경우 IEEE 802.15.4/4a 무선통신 모듈과 안테나가 분리되어 추가 비용이 발생하는 단점을 갖는다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 900MHz 와 2400MHz 대역의 독립적인 IEEE 802.15.4/4a 통신 시스템 각각에 사용 가능한, PCB 프린트 타입의 듀얼 밴드 패치 안테나 및 이를 이용한 고효율 저비용의 무선통신 모듈을 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나는, 기판, 상기 기판의 상부에 형성된 그라운드 패턴, 상기 그라운드 패턴과 일정 간격을 갖고 상기 기판 상부에 형성되어 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상으로 이루어진 슬롯에 의해 입력 암과 주 방사부로 구분되고 상기 주방사부의 개방단과 입력암이 상기 슬롯을 기준으로 마주보는 방사패치 및 상기 방사패치의 입력 암에 연결되어 방사패치로 전류 신호를 인가하는 급전부로 구성된다.
또한, 상기 본 발명에 의한 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나에 있어서, 상기 기판의 하부에 상기 주방사부와 겹쳐지지 않도록 형성되어, 기판에 형성된 비아홀을 통해 주방사부의 개방단에 연결되는 하부 패턴을 더 포함하는 것을 특 징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나에 있어서, 상기 방사패치의 입력 암과 상기 그라운드 패턴, 그리고 상기 개방단과 상기 그라운드 패턴간에 동일한 이격구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나에 있어서, 상기 급전부는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식을 통해 전기적 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나에 있어서, 상기 하부 패턴은 'ㄱ' , 'ㄴ', '1' 중 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 무선통신 모듈은, 기판, 상기 기판의 상부에 형성된 그라운드 패턴, 상기 그라운드 패턴과 일정 간격을 갖고 상기 기판 상부에 형성된 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나 및 상기 그라운드 패턴에 둘러쌓여 상기 기판 상부에 형성된 무선통신 소자로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 무선통신 모듈에 있어서, 상기 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나는, 상기 그라운드 패턴과 일정 간격을 갖고 상기 기판 상부에 형성되어 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상으로 이루어진 슬롯에 의해 입력 암과 주 방사부로 구분되고 상기 주방사부의 개방단과 상기 입력암이 상기 슬롯을 기준으로 마주보는 방사패치 및 상기 방사패치의 입력 암에 연결되어 방사패치로 전류 신호 를 인가하는 급전부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 무선통신 모듈에 있어서, 상기 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나는, 상기 기판의 하부에 상기 주방사부와 겹쳐지지 않도록 형성되어, 기판에 형성된 비아홀을 통해 주방사부의 개방단에 연결되는 하부 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 무선통신 모듈에 있어서, 상기 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나는, 상기 방사패치의 상기 입력 암과 상기 그라운드, 그리고 상기 개방단과 상기 그라운드간에 동일한 이격구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 무선통신 모듈에 있어서, 상기 급전부는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식을 통해 전기적 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명에 의한 무선통신 모듈에 있어서, 상기 하부 패턴은 'ㄱ' , 'ㄴ', '1' 중 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일 한 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나를 일체화한 무선 통신 모듈의 상면부를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 상기 무선통신 모듈(100)은 PCB 기판(110)에 마운트된 무선통신 칩(120), 크리스탈 발진기(130), 그 외 소자들(140), 그라운드 패턴(150) 그리고 방사패치(160)을 포함한다.
상기 무선통신 칩(120)은 IEEE 802.15.4/4a에 의해 무선 송수신 처리를 수행하도록 구성된 칩으로써 단일칩 또는 SoC(system on chip)로서 구현될 수 있다.
상기 그라운드 패턴(150)은 상기 PCB 기판(110)의 동일 평면에서 상기 무선통신 칩(120) 및 크리스탈 발진기(130)를 'ㄷ' 형상 내지는 다른 대체 가능한 형상으로 둘러싸고 있으며, 상기 방사패치(160)와는 일정한 이격거리를 유지하고 있다.
상기 방사 패치(160)는 입력 암(arm)(190), 주방사부(180) 및 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상의 슬롯(170)을 포함한다.
상기 방사 패치(160)와, PCB 기판(110)과 그라운드 패턴(150)에 의해 본 발명에 의한 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나가 구현된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 듀얼 밴드 패치 안테나의 확대도이다. 도 2를 참조하면, 상기 듀얼 밴드 패치 안테나는 무선통신 칩(120)에 연결된 급전부(210), 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상의 슬롯(170)에 의해 입력 암(190)과 주방사부(180)로 구분되는 방사패치(160)를 포함한다.
상기 급전부(210)는 PCB 기판(110)의 가로중앙 부근에 위치하여 상기 무선통신 칩(120)이 송수신하는 전기적 신호를 전달하는 역할을 하며, 상기 전기적 신호의 인가 방식은 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식일 수 있다.
상기 입력 암(190)은 상기 급전부(210)로부터 전달된 전기적 신호를 'ㄱ' 및 'ㄴ' 이 연결된 슬롯(170)형상을 따라 주방사부(180)로 전달하는 역할을 한다.
상기 듀얼 밴드 패치 안테나의 방사패치(160)는 상기 급전부(210)에서 연결되어 형성되며, 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형태의 슬롯(170)을 포함하며, 상기 슬롯(170)에 의해 주 방사부(180)와 상기 입력 암(190)으로 구분되어, 두 주파수 대역에서 공진한다.
예를 들어, 상기 안테나가 IEEE 802.15.4/4a 무선통신 모듈용 안테나일 경우 900MHz 주파수 대역의 공진은 상기 입력 암(190)과 상기 주 방사부(180)와 상기 개방단(270)으로 연결되는 전류 경로에 의해 결정되고, 2400MHz 주파수 대역의 공진은 상기 슬롯(170)을 따라 형성되는 전류 경로에 의해 결정된다.
본 구조의 안테나는 그라운드 패턴(150)과 상기 입력 암(190)의 이격거리와 상기 개방단(270)과 상기 그라운드 패턴(150) 간의 이격거리가 서로 동일하다. 상기 이격거리가 좁아지게 되면 필드의 세기가 증가하게 되며, 상기 이격거리가 동일한 것은 대칭적 구조를 갖게 하기 위함이다. 상기 이격거리는 공진 주파수 및 방사 효율의 주요 요소이기도 하므로 실험적으로 바람직한 값을 설정해야 할 것이다.
또한 상기 방사패치(160)는 안테나의 상기 급전부(210)을 기준으로 상기 입 력 암(190)과 상기 주 방사부(180)의 개방단(270)이 서로 마주보고 있다. 이는 낮은 주파수 대역에서의 공진을 위해 안테나의 길이를 증가시킴과 동시에 방사 효율이 감소하는 것을 방지한다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나를 일체화한 무선 통신 모듈의 분해 사시도이다. 안테나의 공진주파수는 방사면의 전기적 길이와 반비례하므로, 더 낮은 공진주파수를 얻기 위해, 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상의 슬롯을 갖는 방사패치(160)와 기판(110)의 하부에 형성된 하부 패턴(340)을 비아홀(330)을 이용하여 연결하여 안테나의 전기적인 길이를 증가시킬 수 있다.
이와 같이 기판(110) 하부에 형성된 하부 패턴(140)을 통해 전기적 길이를 증가시킴으로써 안테나의 크기를 감소시킬 수 있다.
상기 하부 패턴(340)은 'ㄱ', 'ㄴ', '1' 중 하나의 형상으로 표현되는 것이 가능하며, 상기 PCB 기판 상부의 방사패치(160)와 완전히 겹쳐지지는 않아야 한다. 이는 방사량이 감소하고 대역폭이 줄어드는 효과를 방지하기 위함이다. 상기 겹침으로 인한 효과에 대해서는 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 이해할 수 있을 것이므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 급전부에서의 반사 손실 특성의 설계 결과를 보인다. 상기 안테나는 VSWR 2:1 을 기준으로 850~1000MHz와 2000MHz 대역에서의 듀얼 공진 특성을 보인다. 상기 설계 결과는 통신 모듈이 80mm의 그라운드 길이를 갖는 경우이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 900MHz 대역에서의 H-Plane과 E-Plane 방사 패턴 설계 결과를 보인다. 도 5(a)는 900MHz 대역에서의 무지향성 H-plane 특성을 보이며, 도 5(b)는 '8'자 모양의 E-plane 특성을 보인다. 최대 이득은 1.5dBi이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 2000MHz 대역에서의 H-plane과 E-Plane 방사 패턴 설계 결과를 보인다. 도 6(a)는 2000MHz 대역에서 입력 암(arm) 방향으로 지향성을 갖는 H-plane 특성을 나타내며, 도 6(b)는 E-plane 특성을 나타낸다. 최대 2.1 dBi의 안테나 특성을 보인다. 설계 결과의 모듈 그라운드는 40mm의 길이를 갖는다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2의 PCB 프린트 타입 안테나의 측정된 반사 손실 특성곡선을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 대략 점 1은 854.2MHz에서 (-)10.325dB, 점 2는 1007.19MHz에서 (-)9.5818dB, 점 3은 1997.19MHz에서 (-)10.081dB 그리고 점 4는 2539.59MHz에서 (-)9.8081dB의 결과를 나타낸다. 즉, 본 발명에 의한 듀얼 밴드 안테나는, -10dB 반사손실(VSWR 2:1)의 특성을 기준으로 저주파 대역인 854~1008MHz와 고주파 대역인 1990~2530MHz의 주파 수 범위에서 광대역의 공진 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 기존의 외장형 및 내장형 세라믹 안테나가 갖는 단점을 보완하여 광대역 고효율의 PCB 프린트 듀얼 밴드 패치 안테나를 무선통신 모듈에 구현가능하게 하고, 상기 안테나와 무선통신 모듈과의 일체화를 통해 저가의 모듈 구현을 가능하도록 한다. 즉, 본 발명의 PCB 프린트 타입 안테나를 사용하면 무선통신 시스템에 안테나를 직접 구현하면서, 듀얼 밴드(예컨대, 이에 한정되는 것은 아니지만, IEEE 802.15.4/4a 무선통신 시스템에 사용될 경우에는 900/2400MHz의 듀얼 밴드)의 광대역 고효율 안테나를 구성할 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 형성된 그라운드 패턴;
    상기 그라운드 패턴과 일정 간격을 갖도록 상기 기판 상부에 형성되어, 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상으로 이루어진 슬롯에 의해 입력 암과 주 방사부로 구분되고, 상기 주방사부의 개방단과 입력암이 상기 슬롯을 기준으로 마주보는 방사패치; 및
    상기 방사패치의 입력 암에 연결되어 방사패치로 전류 신호를 인가하는 급전부로 이루어진 것을 특징으로 하는 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방사패치의 상기 입력 암과 상기 그라운드, 그리고 상기 개방단과 상기 그라운드간에 동일한 이격구조를 갖는 것을 특징으로 하는 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 급전부는
    CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식을 통해 전기적 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나.
  5. 삭제
  6. 기판;
    상기 기판의 상부에 형성된 그라운드 패턴;
    상기 그라운드 패턴과 일정 간격을 갖도록 상기 기판 상부에 형성되어, 'ㄱ' 및 'ㄴ'이 연결된 형상으로 이루어진 슬롯에 의해 입력 암과 주 방사부로 구분되고, 상기 주방사부의 개방단과 입력암이 상기 슬롯을 기준으로 마주보는 방사패치 및 상기 방사패치의 입력 암에 연결되어 방사패치로 전류 신호를 인가하는 급전부를 포함하는 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나; 및
    상기 그라운드 패턴에 둘러쌓여 상기 기판 상부에 형성된 무선통신 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나는
    상기 기판의 하부에 상기 주방사부와 겹쳐지지 않도록 형성되어, 기판에 형성된 비아홀을 통해 주방사부의 개방단에 연결되는 하부 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 PCB 프린트 타입 듀얼 밴드 패치 안테나는
    상기 방사패치의 상기 입력 암과 상기 그라운드, 그리고 상기 개방단과 상기 그라운드간에 동일한 이격구조를 갖는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈.
  10. 제6항에 있어서, 상기 급전부는
    CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식을 통해 전기적 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈.
  11. 삭제
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