KR100871919B1

KR100871919B1 - 무선통신 시스템용 내장형 안테나

Info

Publication number: KR100871919B1
Application number: KR1020070076374A
Authority: KR
Inventors: 이경문; 정봉식; 고재평; 오동준; 양재우
Original assignee: 양재우
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2008-12-05

Abstract

본 발명은 무선통신 시스템용 내장형 안테나에 관한 것으로서, 인쇄회로기판의 한쪽 면에 복사패치의 선로가 스파이럴 구조로 인쇄되고 반대쪽 면에 접지도체가 인쇄된다. 복사패치의 가장 바깥 선로의 특정 위치에는 급전부가 연결되고, 단락판이 복사패치의 가장 바깥 선로의 끝단과 접지도체를 연결한다. 접지도체는 단락판의 폭에 해당하는 만큼을 제외하고 복사패치와 겹치지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 안테나는 두 개 이상의 공진주파수를 갖도록 복사패치의 선로 중간에 삽입된 하나 이상의 칩 인덕터를 더 포함할 수 있으며, 차량의 전자제어장치를 비롯하여 RFID, 이동통신 단말기 등과 같이 무선통신 안테나를 필요로 하는 다양한 기술 분야에 적용 가능하다.

안테나, 평면 역F형 안테나(PIFA), 스파이럴 복사패치, 급전부, 단락판, 공진주파수

Description

무선통신 시스템용 내장형 안테나{INTERNAL ANTENNA FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 무선통신 시스템용 내장형 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인쇄회로기판 상에 평면 역F형 안테나(Planar Inverted-F Antenna; PIFA)의 구조로 형성되는 내장형 스파이럴(spiral) 안테나에 관한 것이다.

최근, 다양한 분야에서 무선인식(Radio Frequency IDentification; RFID) 기술을 적용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 일환으로 원격자동승차(Remote Keyless Entry; RKE) 시스템 또는 스마트키(smart key) 시스템에도 RFID 기술이 적용되고 있는 추세이다. 이들 시스템은 차량 탑승자의 편의를 위해 자동차 키 없이도 원격으로 차량 도어를 개폐하고 시동을 걸 수 있는 차량 무선통신 시스템이다.

이러한 차량 무선통신 시스템용의 주파수 대역으로는 현재 315MHz(미국), 433MHz(유럽, 한국), 447MHz(한국) 대역 등이 사용되고 있다. 또한, 이러한 시스템의 리더기(reader) 역할을 하는 전자제어장치(Electronic Control Unit; ECU)의 안테나로는 주로 헬리컬(helical) 안테나 혹은 모노폴(monopole) 안테나가 사용되고 있다. 이들 안테나는 그 크기가 대략 50~100㎜ 정도로서 리더기에 비해 비교적 큰 편이며, 리더기 본체와 분리된 형태로 별도 제작되고 있다. 따라서 종래의 차량 무선통신 시스템용 안테나는 통상적으로 차량 외부에 장착되거나 시스템과 별도로 설치되어 사용되고 있다.

본 발명은 무선통신 시스템용 안테나의 크기를 줄여 소형화하고, 소형화된 안테나를 무선통신 시스템에 일체용으로 제작하여 대량생산에 유리하도록 하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 전방향성 복사 특성을 가지며 임피던스 정합이 용이한 무선통신 시스템용 안테나를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 다중대역 특성을 가지는 무선통신 시스템용 안테나를 제공하기 위한 것이다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 무선통신 시스템용 내장형 안테나는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판의 한쪽 면에 스파이럴 구조로 선로가 인쇄되는 복사패치와, 상기 인쇄회로기판의 반대쪽 면에 인쇄되는 접지도체와, 상기 복사패치의 가장 바깥 선로의 특정 위치에 연결되는 급전부와, 상기 복사패치의 가장 바깥 선로의 끝단과 상기 접지도체를 연결하는 단락판을 포함하여 구성된다.

본 발명의 무선통신 시스템용 내장형 안테나에서, 상기 접지도체는 상기 단락판의 폭에 해당하는 만큼을 제외하고 상기 복사패치와 겹치지 않는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 무선통신 시스템용 내장형 안테나는 두 개 이상의 공진주파수를 갖도록 상기 복사패치의 선로 중간에 삽입된 하나 이상의 칩 인덕터를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 급전부는 상기 복사패치에 연결되는 상대적으로 작은 크기의 제1 급전부와, 상기 제1 급전부에 연결되는 상대적으로 큰 크기의 제2 급전부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 인쇄회로기판은 예컨대 차량 전자제어장치의 인쇄회로기판일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 무선통신 시스템용 내장형 안테나는 사각형 스파이럴 구조를 이용하여 소형화할 수 있고, 평면 역F형 안테나의 개념을 적용하여 추가적인 소형화를 가능하게 하며 임피던스 정합을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 안테나는 기존의 전자제어장치 인쇄회로기판의 일부 영역에 인쇄 방식으로 형성함으로써 대량생산에 유리한 이점이 있다. 아울러, 본 발명의 안테나는 전방향성 복사 특성을 가지므로 차량 무선통신 시스템용으로 적합할 뿐만 아니라, 하나의 안테나로 여러 주파수대역을 수용할 수 있는 다중대역 특성을 가진다. 본 발명의 안테나는 RFID, 이동통신 단말기 등과 같이 무선통신 안테나를 필요로 하는 다양한 기술 분야에 효과적으로 적용할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

한편, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.

도 1은 차량 전자제어장치의 인쇄회로기판 상에 형성된 본 발명에 따른 차량용 내장형 안테나의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 차량용 안테나는 차량 전자제어장치(예컨대, 원격자동승차 시스템의 리더기)의 인쇄회로기판(110, PCB) 상에 형성된 내장형 안테나이다. 인쇄회로기판(110)의 대부분 영역에는 RF단을 포함하는 기존의 신호처리부(200)가 형성되어 있고, 나머지 일부 영역에 안테나가 형성된다. 안테나는 복사패치(120, radiation patch)와 접지도체(130) 등으로 구성된다. 전자제어장치와 일체형으로 제조하기 위해 복사패치(120)는 인쇄회로기판(110)의 한쪽 면에, 접지도체(130)는 인쇄회로기판(110)의 반대쪽 면에 각각 인쇄 방식으로 형성된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 내장형 안테나의 사시도이고, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 절단한 단면도이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 실시예의 안테나(100)는 인쇄회로기판(110), 복사패치(120), 접지도체(130), 급전부(140, 142), 단락판(150)으로 구성된다.

인쇄회로기판(110)은 전술한 바와 같이 차량 전자제어장치의 인쇄회로기판이며, 그 일부 영역을 그대로 이용한다. 인쇄회로기판(110)은 일례로 비유전율이 4.4이고 두께가 약 1.6㎜인 FR4 에폭시(epoxy) 소재로 이루어진다.

복사패치(120)는 사각형 스파이럴(spiral) 구조이다. 즉, 복사패치(120)는 나선형으로 회전하면서 안쪽으로 감기는 형태를 취한다. 복사패치(120)의 선로 폭과 선로 사이의 간격은 각각 1mm 내외이다. 복사패치(120)의 공진주파수는 복사패치(120)의 가로세로 길이(Wp, Lp)와 감기는 횟수, 즉 선로의 전체 길이에 따라 결정된다. 아래의 표 1은 복사패치(120)의 공진주파수, 가로세로 길이, 감긴 횟수의 관계를 예시적으로 보여준다.

[표 1]

공진주파수	가로 길이(Wp)	세로 길이(Lp)	감긴 횟수
315MHz	29㎜	15㎜	4번
433MHz	20.8㎜	15㎜	4번
447MHz	22.6㎜	13㎜	3번

본 실시예의 안테나(100)는 평면에 대해 전방향성(omni-directional) 복사패턴을 가지는 것이 바람직하다. 이는 차량 운전자가 소지하고 있는 리모콘과의 원활한 무선통신을 위해 차량을 중심으로 평면상의 모든 방향에 대하여 일정 거리에서 일정 레벨 이상의 전파를 수신해야 하기 때문이다. 따라서 인쇄회로기판(110) 상에 인쇄된 복사패치(120)가 전방향성 복사패턴을 가지려면 복사패치(120)의 반대쪽에는 접지도체(130)가 없는 것이 바람직하다. 즉, 인쇄회로기판(110)의 양쪽 방향으로 복사가 이루어지도록 접지도체(130)는 가능한 한 복사패치(120)와 겹치지 않는 범위에서 인쇄회로기판(110)의 반대쪽 면에 인쇄된다. 이 경우 안테나의 공진주파수가 높아지는 경향이 있으므로 이를 고려하여 사각형 스파이럴 선로의 전체 길이를 조절하여 공진주파수를 맞추어야 한다.

안테나의 급전은 스파이럴 복사패치(120)의 가장 바깥 선로를 통해 선로 급전 방식으로 RF 신호를 제공하는 것이다. 이를 위해 급전부(140, 142)는 복사패치(120)와 마찬가지로 인쇄회로기판(110)의 동일면에 인쇄된다. 급전부는 예시된 바와 같이 제1 급전부(140)와 제2 급전부(142)로 이루어질 수 있다. 제1 급전부(140)는 복사패치(120)에 연결되어 급전점의 위치를 설정해주며, 제2 급전부(142)는 제1 급전부(140)에 연결되어 급전 라인의 연장이 용이하도록 해준다. 예컨대, 제1 급전부(140)는 가로세로 1㎜의 정사각형이고, 제2 급전부(142)는 가로세로 2㎜의 정사각형이다.

스파이럴 복사패치(120)의 가장 바깥 선로의 끝단은 단락판(150)을 통해 인쇄회로기판(110) 반대쪽 면의 접지도체(130)에 연결되어 평면 역F형 안테나(Planar Inverted-F Antenna; PIFA)의 형태로 구성된다. 단락판(150)의 폭은 복사패치(120)의 선로 폭과 같고(즉, 1㎜ 내외), 단락판(150)의 길이는 인쇄회로기판(110)의 두께에 해당한다(즉, 약 1.6㎜). 한편, 접지도체(130)는 전술한 바와 같이 복사패치(120)와 겹치지 않는 것이 바람직하지만, 단락판(150)을 통해 복사패치(120)와 연결되어야 하므로, 단락판(150)의 폭에 해당하는 만큼 겹칠 수밖에 없다.

이상 설명한 구성을 가지는 안테나(100)에서, 인쇄회로기판(110)으로부터 공급된 전류는 급전부(140, 142)를 통해 복사패치(120)로 전달되고, 복사패치(120)를 순환한 전류는 다시 단락판(150)과 접지도체(130)를 통해 인쇄회로기판(110)으로 들어오게 된다. 이렇게 하여 형성된 회로전송라인으로 인해 공기 중의 전파를 수신하거나 공기 중으로 전파를 방사하게 된다.

한편, 급전부(140, 142)가 복사패치(120)에 연결되는 지점, 즉 급전점(feed point)의 위치는 단락판(150)으로부터의 거리(Fw)를 고려하여 결정한다. 그리고 이 거리(Fw)는 안테나(100)의 공진주파수와 임피던스 정합을 고려하여 결정한다. 이 길이(Fw)의 변화는 공진주파수의 변화보다 임피던스 정합에 더 큰 영향을 주므로 본 발명의 PIFA 구조는 임피던스 정합이 쉽도록 하는 장점을 갖는다. 예를 들어, 안테나(100)의 공진주파수가 315MHz이기 위해서는 Fw가 20.5mm의 값을 갖는다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 315MHz 안테나의 주파수 특성 그래프이다. 즉, 도 4는 도 2에 도시된 구조로 공진주파수가 315MHz인 안테나를 제작하여 측정한 주파수 특성을 보여주고 있다.

도 4에서, m1은 인쇄회로기판과 동일한 재질의 기판에 안테나를 제작하여 측정한 공진주파수이고, m2와 m3은 인쇄회로기판 상에 안테나를 인쇄하고 스마트키 시스템의 리더기 케이스(case)에 삽입하기 전후에 측정한 공진주파수이다. m2는 m1에 비해 공진주파수가 8.2MHz 낮고, m3은 m2에 비해 공진주파수가 5.8MHz 낮아짐을 볼 수 있다. 이 실험예에 따르면, 내장형 안테나를 설계할 때에는 인쇄회로기판과 리더기 케이스를 고려해야 함을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실험예에 따른 315MHz 안테나의 방향별 수신거리 측정 그래프이다.

이 실험예는 공진주파수가 315MHz인 사각형 스파이럴 구조의 내장형 안테나를 제작한 후 스마트키 시스템의 리더기 케이스에 삽입하여 차량의 운전석에 설치하고 리더기로부터의 방향에 따라 일정 수신레벨을 갖는 수신거리를 측정한 것이다. 이때 리더기는 인쇄회로기판의 양면이 차량의 앞뒤로 향하도록 운전석에 설치 하였다. 도 5는 차량을 중심으로 2차원 평면상의 수신거리를 8방향에 대해 측정한 결과를 보여준다. 이 실험예에 따르면, 8방향 모두에서 기준거리인 20m 이상으로 수신거리가 측정되므로, 본 실시예의 안테나가 정상적으로 동작함을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 종래의 안테나에 비해 훨씬 소형화시킬 수 있는 이점이 있다. 전술한 표 1의 예를 보더라도, 본 발명의 안테나 크기는 종래의 헬리컬 안테나 크기(50~100㎜)보다 대폭 감소함을 알 수 있다. 또한, 표 1의 예에 기재된 본 발명의 복사패치는 면적이 435㎟, 312㎟, 293.8㎟로서, 그 크기가 115㎜×77㎜(즉, 면적은 8855㎟)인 차량 전자제어장치의 인쇄회로기판(도 1의 110)에서 불과 5% 미만의 영역만을 차지한다. 그러면서도 본 발명의 안테나는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 원하는 특성을 충분히 얻을 수 있다. 더욱이, 본 발명의 안테나는 인쇄회로기판 상의 기존 선로(예컨대, 신호처리부의 선로)와 동시에 제작할 수 있기 때문에, 대량 생산에 유리한 장점을 갖는다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중대역 차량용 내장형 안테나의 사시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 안테나(100)는 복사패치(120)의 선로 중간에 칩 인덕터(160, chip inductor) 삽입하면 이중 공진 특성을 얻을 수 있다. 즉, 단락판(150)으로부터 칩 인덕터(160)까지의 거리에 해당하는 선로 길이에 의해 하나의 공진주파수를 얻게 되고, 스파이럴 선로의 전체 길이에 해당하는 공진주파수가 또 얻게 된다. 이와 같이, 복사패치(120)의 스파이럴 선로 상에 칩 인덕 터(160)를 한 개 이상 배치하면 두 개 이상의 공진주파수를 갖는 다중대역 안테나를 설계할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실험예에 따른 이중대역 차량용 내장형 안테나의 주파수 특성 그래프이다. 즉, 도 7은 315MHz와 433MHz에서 동시에 공진주파수를 갖도록 스파이럴 선로 중간에 칩 인덕터를 삽입하여 설계한 내장형 안테나의 주파수 특성을 보여주고 있다. 특히, 도 7은 도 6의 안테나 구조가 형성된 인쇄회로기판을 케이스에 장착하기 전에 구한 안테나의 공진주파수와 반사손실에 대한 시뮬레이션 결과이다. 이때 칩 인덕터의 인덕턴스가 커질수록 두 공진주파수가 좁아지고, 인덕턴스가 작아질수록 두 공진주파수가 벌어지는 경향을 갖는다.

지금까지 실시예를 통하여 본 발명에 따른 차량 무선통신 시스템용 내장형 안테나에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

즉, 본 발명의 안테나는 차량의 전자제어장치를 비롯하여 RFID, 이동통신 단말기 등에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 무선통신용의 내장형 안테나를 필요로 하는 기술 분야에는 어디든 적용 가능하다. 아울러, 본 명세서에서는 특정 주파수의 안테나를 예로 들어 설명하고 있으나, 예시된 특정 주파수에 국한하여 본 발명의 안 테나가 적용되는 것이 아님은 자명하다.

도 1은 차량 전자제어장치의 인쇄회로기판 상에 형성된 본 발명에 따른 차량용 내장형 안테나의 개략도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 내장형 안테나의 사시도.

도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 절단한 단면도.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 315MHz 안테나의 주파수 특성 그래프.

도 5는 본 발명의 다른 실험예에 따른 315MHz 안테나의 방향별 수신거리 측정 그래프.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중대역 차량용 내장형 안테나의 사시도.

도 7은 본 발명의 또 다른 실험예에 따른 이중대역 차량용 내장형 안테나의 주파수 특성 그래프.

Claims

무선통신 시스템용 내장형 안테나로서,

인쇄회로기판;

상기 인쇄회로기판의 한쪽 면에 스파이럴 구조로 선로가 인쇄되는 복사패치;

상기 인쇄회로기판의 반대쪽 면에 인쇄되는 접지도체;

상기 복사패치의 가장 바깥 선로의 특정 위치에 연결되는 급전부;

상기 복사패치의 가장 바깥 선로의 끝단과 상기 접지도체를 연결하는 단락판;

상기 내장형 안테나가 두 개 이상의 공진주파수를 갖도록 상기 복사패치의 선로 중간에 삽입된 하나 이상의 칩 인덕터;

를 포함하는 무선통신 시스템용 내장형 안테나.
제1항에 있어서,

상기 접지도체는 상기 단락판의 폭에 해당하는 만큼만 상기 복사패치와 겹치지는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템용 내장형 안테나.
삭제
제1항에 있어서,

상기 급전부는 상기 복사패치에 연결되는 상대적으로 작은 크기의 제1 급전부와, 상기 제1 급전부에 연결되는 상대적으로 큰 크기의 제2 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템용 내장형 안테나.
제1항에 있어서,

상기 인쇄회로기판은 차량 전자제어장치의 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템용 내장형 안테나.