KR100901496B1 - 초광대역 모노폴 내장 안테나 - Google Patents

Abstract

초광대역 모노폴 내장형 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판상의 일부 영역에 형성되는 접지부; 상기 유전체 기판상에 상기 접지부와 소정거리 이격되어 상기 접지부와 동일평면에 결합되는 급전부; 상기 급전부의 일단에 결합되며 상기 유전체 기판상에 수직으로 형성되는 제1 스터브; 상기 제1 스터브와 결합되며 상기 유전체 기판상에 소정 거리 이격되어 위치되는 방사체; 및 상기 방사체와 결합되며 상기 유전체 기판에 수직으로 형성되는 제2 스터브를 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 소형의 무선 장비에 적용될 수 있도록 기판에서 안테나가 차지하는 면적을 최소화할 수 있으며, 제조 원가를 줄일 수 있도록 단순한 구조로 구현이 가능한 장점이 있다.

초광대역, USB, 안테나

Description

초광대역 모노폴 내장 안테나{Ultra Wide Band Monopole Internal Antenna}

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초광대역 무선 통신에 사용되는 USB용 소형 모노폴 안테나에 관한 것이다.

초광대역(UWB) 시스템은 미국 연방통신위원회(FCC: Federal Communication Comission)의 정의에 따라 중심 주파수의 25% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 500MHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술 시스템으로 2002년 2월 UWB(3.1GHz ~ 10.6GHz)의 상용 사용을 인가함으로써 미국의 군사용 무선 기술로 개발되어 오던 기술이 일반 통신에 개방된 것이다.

UWB 기술은 반송파를 이용하지 않고 펄스 변조한 신호를 그대로 공간에 복사한다. UWB는 기존의 무선 통신의 영역 이외에 거리의 계측이나 레이더 기술에도 응용이 가능하다.

UWB 시스템은 디지털 부호 정보를 나노 세컨드 이하의 매우 짧은 펄스 폭을 가지는 임펄스 신호로 변환해서 무선으로 전송함으로써 광 통신과 같은 100Mbps 이상의 초고속 통신이 가능하며, 매우 낮은 송신 전력을 사용하여 배터리가 기존 무선 통신 방식에 비해 수십 배 이상 오래 사용될 뿐만 아니라 송수신 장치도 소형화 할 수 있어 기존의 무선 통신 한계를 극복할 수 있는 기술로 기대되고 있다.

UWB 시스템의 신호는 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있으므로 주파수 영역에서의 전력 밀도 값을 아주 작은 값으로 할 수 있어 다른 통신 신호가 존재하는 주파수에 중첩되어 사용하더라도 간섭을 거의 주지 않을 수 있다는 점에 착안하고 있다.

초기에 제안된 UWB 통신 신호는 아주 짧은 신호 펄스를 사용함으로써 넓은 주파수 대역을 얻었으나 현재는 CDMA, OFDM 등의 여러 가지 변형된 형태의 UWB 방식이 제안되었다.

UWB 시스템은 이미 다른 시스템이 사용하고 있는 주파수를 이용해 데이터를 송수신할 수 있고 또한 매우 낮은 전력으로 고속의 통신이 가능하며, 장애물 투과 특성이 우수한 장점이 있다. 이와 같은 장점으로 인해, UWB 시스템은 무선 홈 네트워크 등 차세대 개인 영역 무선 통신 분야에 널리 적용될 것으로 예상된다.

UWB 시스템은 3.1 내지 10.6 GHz의 상당히 넓은 주파수 대역을 사용하므로 UWB 안테나는 이에 상응하는 광대역 특성을 가질 필요가 있다. 이러한 안테나는 일반적인 협대역 안테나보다 큰 부피를 차지한다. 이러한 특성은 안테나가 영역이 부족한 휴대용 무선 장치에 적용된다는 측면에서 실용적인 애플리케이션 구현에 상당한 장애로 작용한다.

현재, UWB 안테나로서 혼 안테나, 바이코니컬 안테나 등이 널리 알려져 있으나 이러한 안테나들은 안테나 영역이 부족한 소형의 휴대용 무선 장치에 적용되기에는 적절하지 않은 문제점이 있었다.

한편, USB(Universal Serial Bus)는 새로운 기술로 계속 진화하여 무선 기술과 결합함으로써 무선 사설망(Wireless Personal Area Network)에서의 PC, 주변 기기, 가전 기기 및 이동통신 기기 등의 다양한 분야의 전자 장비에 적용될 전망이다.

USB-IF(USB Implements Forum)에서 2004년 9월 규격을 개발하기 시작하여 2005년 5월 무선 USB 1.0 규격을 표준화하였으며, 무선 USB의 기본적인 전송 기술은 UWB 무선 플랫폼 기반으로서 표준화가 진행되고 있다.

기존에 제안된 UWB용 USB 안테나들은 소형의 장치에 적용되기에는 부피가 큰 문제점이 있었으며 복잡한 구조로 인하여 단가 상승의 문제점 및 대량 생산의 어려움이 있었다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 소형의 무선 장비에 적용될 수 있도록 기판에서 안테나가 차지하는 면적을 최소화할 수 있는 소형의 초광대역 모노폴 내장 안테나를 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제조 원가를 줄일 수 있도록 단순한 구조의 초광대역 모노폴 내장 안테나를 제안하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판상의 일부 영역에 형성되는 접지부; 상기 유전체 기판상에 상기 접지부와 소정거리 이격되어 상기 접지부와 동일평면에 결합되는 급전부; 상기 급전부의 일단에 결합되며 상기 유전체 기판상에 수직으로 형성되는 제1 스터브; 상기 제1 스터브와 결합되며 상기 유전체 기판상에 소정 거리 이격되어 위치되는 방사체; 및 상기 방사체와 결합되며 상기 유전체 기판에 수직으로 형성되는 제2 스터브를 포함하는 초광대역 모노폴 내장 안테나가 제공된다.

상기 방사체는 직사각형 판의 형태일 수 있다.

상기 제1 스터브의 폭은 상기 방사체에 비해 좁은 것이 바람직하다.

상기 제1 스터브의 폭을 조절함으로써 임피던스 매칭 및 대역폭 조절이 수행된다.

상기 방사체와 수직으로 결합되는 상기 제2 스터브에 의해 대역폭이 확장된 다.

상기 급전부는 직사각형 형태의 금속판을 포함하며, 상기 제1 스터브보다 폭이 좁은 것이 바람직하다.

상기 급전부는 기판에 프린팅될 수 있다.

상기 제1 스터브는 상기 급전부에 납땜 방식으로 결합되며, 상기 제1 스터브, 상기 방사체 및 상기 제2 스터브는 일체형으로 형성될 수 있다.

상기 급전부, 제1 스터브, 방사체 및 제2 스터브는 일체형으로 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 소형의 무선 장비에 적용될 수 있도록 기판에서 안테나가 차지하는 면적을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제조 원가를 줄일 수 있도록 단순한 구조로 구현이 가능한 장점이 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 초광대역 모노폴 내장 안테나의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나의 사시도를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나는 기판(100), 접지부(102), 급전부(104), 제1 스터브(106), 방사체(108), 제2 스터브(110)를 포함할 수 있다.

도 1에서, 기판(100)은 유전체 재질로 이루어지며 다른 구성 요소들이 결합되는 안테나의 몸체로서의 기능을 한다.

다양한 유전체 재질이 기판(100)에 적용될 수 있으며, 범용적으로 사용되는 FR4 기판을 사용하여 제작이 용이하고 생산 비용을 낮추는 것이 바람직하다. 도 1에는 직사각형의 기판이 도시되어 있으나, 기판의 형태 및 사이즈는 안테나 환경에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판은 약 0.8 mm의 두께를 가질 수 있다.

접지부(102)는 접지 전압을 제공하며 기판(100)의 상부에 결합된다. 접지부(102)는 일반적인 금속체를 이용하여 구현될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 기판 상부의 일부 영역에 구현되고 일정 길이와 넓이를 가지는 직사각형의 형태로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 접지부(102)의 세로 길이는 27.5mm, 접지부(102)의 가로 길이는 18mm로 설정될 수 있다.

급전부(104)는 RF 신호의 급전을 수행하며 기판(100)의 상부에 결합된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 급전부(104)는 직사각형 형태의 금속판으로 구현될 수 있다. 급전부는 접지부와 소정 거리 이격되어 접지부와 동일 평면인 기판의 상부에 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상부의 급전부에는 RF 전송 선로 중 동축 케이블의 내부 도체가 전기적으로 결합되어 급전이 이루어질 수 있다. 한편, 동축 케이블의 외부 도체는 접지부(102)와 전기적으로 결합될 수 있다.

방사체(108)는 UWB 방식을 사용하는 RF 신호의 송수신을 수행한다. 방사체(108)는 기판(100)으로부터 소정 거리 이격되어 위치하며, 제1 스터브(106) 및 제2 스터브(110)가 방사체(108)가 기판(100)로부터 소정 거리로 이격되어 위치할 수 있도록 지지부로서의 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 방사체(108)는 기판 영역 중 접지부(100)가 형성되지 않은 영역에서 소정 거리 이격되어 위치하는 것이 바람직하다. 방사체 하부에 접지부를 형성하지 않는 구조를 통해 전자기파의 방사 공간을 확장함으로써 광대역 신호의 송수신에 적합하게 동작하도록 하는 것이 바람직하다.

도 1에는 방사체(108)가 직사각형 형태인 경우가 도시되어 있으나 공지된 다양한 형태의 방사체가 적용될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다. 예를 들어, 라인 형태의 방사체, 역 L 형태의 방사체 및 미앤더 형태의 방사체 등 다양한 형태의 방사체가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초광대역 신호의 송수신을 위해 방사체의 가로 길이는 16mm, 세로 길이는 11mm로 설정될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전부, 제1 스터브, 방사체 및 제2 스터브를 펼친 전개도를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 급전부(104), 제1 스터브(106), 방사체(108) 및 제2 스터브(110)는 순차적으로 결합된 상태이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 급전부(104)는 기판상에 프링팅되며, 제1 스 터브(106)가 납땜 등의 방식에 의해 제1 스터브(106)가 급전부(104)와 결합하되 제1 스터브(106), 방사체(108) 및 제2 스터브(110)는 일체형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 급전부(104), 제1 스터브(106), 방사체(108) 및 제2 스터브(110) 모두가 일체형으로 형성될 수도 있을 것이다.

보다 안정적인 지지 구조를 위해서는 급전부(104)가 기판에 프린팅되는 구조가 바람직하다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 방사체(108)의 일 측면에는 제1 스터브(104)가 결합된다. 또한, 제1 스터브(104)는 기판의 상부에 결합되는 급전부(102)의 끝단에 기판과 수직 방향으로 결합된다.

제1 스터브(106)는 구조적으로 방사체(108)가 기판과 소정 거리 이격되어 위치하도록 지지부로서의 기능을 함과 동시에 임피던스 매칭 소자로서의 기능을 한다.

본 발명에서, 급전부(104)와 제1 스터브(106)는 결합된 구조를 가지고 있으며, 급전부(102)와 기판에 수직으로 위치하는 제1 스터브(106)를 구비함으로써 용이한 임피던스 매칭이 가능하도록 한다. 임피던스의 매칭은 제1 스터브(106)의 폭 및 길이를 조절함으로써 이루어질 수 있다.

또한, 제1 스터브(106)는 안테나의 대역폭을 조절하는 특성을 갖는다. 제1 스터브(104)의 폭은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 대역폭과 연관되며, 이 폭을 조절함으로써 안테나의 대역폭을 조절할 수 있다.

제2 스터브(110)는 구조적으로 제1 스터브(106)와 같이 구조적으로 방사 체(108)가 기판과 소정 거리 이격되어 위치하도록 지지부서로서의 기능을 수행한다. 제2 스터브(110)는 방사체의 타측면에 결합되어 기판(110)과 수직으로 결합함으로써 제1 스터브(106)와 제2 스터브(110)는 별도의 지지를 위한 구성 요소 없이 방사체(108)가 접지가 형성되지 않은 기판 위에 안정적으로 위치할 수 있도록 한다.

제2 스터브(110)는 확장된 방사체로서의 기능을 수행한다. 방사체(108)뿐만 아니라 이와 수직으로 결합되는 제2 스터브(110)가 확장 방사체로서의 기능을 수행함으로써 기판과 이격되어 평행하게 위치되는 방사체(108)의 사이즈를 보다 소형으로 구현할 수 있다. 제2 스터브(110)가 확장된 방사체로 동작함으로써 방사체(108)만 존재하는 경우에 비해 대역폭이 실절적으로 확장될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나의 반사 손실을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, -10dB를 임계값으로 설정할 때 박스로 표시된 3.1GHz ~ 10.6GHz의 대역에서 적절한 방사가 이루어짐을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스터브의 폭이 조절될 때 반사 손실을 도시한 도면이다.

도 4에는 제1 스터브의 폭이 6mm. 7mm 및 8mm인 경우의 반사 손실의 변화가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 스터브 폭에 따라 -10dB를 임계값으로 설정한 대역폭이 가변되는 것을 확인할 수 있는 바 제1 스터브의 폭을 조절함으로써 안테나의 대역을 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

도 5에서, (a)는 중심 주파수가 3GHz인 경우의 방사 패턴을 도시한 것이고, (b)는 중심 주파수가 6GHz인 경우의 방사 패턴을 도시한 것이며, (c)는 중심 주파수가 9GHz인 경우의 방사 패턴을 도시한 것이다.

초광대역 시스템의 USB에 장착되는 안테나는 소형일뿐만 아니라 방사 패턴이 전방향성을 가질 것이 요구된다.

도 5를 참조하면, 초광대역(UWB) 통신 서비스 대역에서 방사 패턴이 전방향성을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 방사 패턴이 일반적인 모노폴 안테나의 방사패턴과 유사한 것을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나의 사시도를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전부, 제1 스터브, 방사체 및 제2 스터브를 펼친 전개도를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나의 반사 손실을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스터브의 폭이 조절될 때 반사 손실을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 내장 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면.

Claims (9)

1. 유전체 기판;

   상기 유전체 기판상의 일부 영역에 형성되는 접지부;

   상기 유전체 기판상에 상기 접지부와 소정거리 이격되어 상기 유전체 기판상에 형성되는 급전부;

   상기 급전부의 일단에 상기 유전체 기판과 수직을 이루도록 결합되어 임피던스 매칭 소자로 동작하는 제1 스터브;

   상기 제1 스터브의 상단에 결합되며 상기 유전체 기판상에 소정 거리 이격되어 위치되는 방사체; 및

   상기 방사체의 하면에 상기 유전체 기판과 수직을 이루도록 결합되어 확장된 방사체로서 동작하는 제2 스터브를 포함하되,

   상기 방사체는 상기 접지부가 형성되지 않은 상기 유전체 기판상에 소정 거리 이격되어 위치되는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 내장 안테나.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 스터브의 폭은 상기 방사체의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 내장 안테나.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 급전부는 상기 제1 스터브보다 폭이 좁은 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 내장 안테나.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 제1 스터브는 상기 급전부에 납땜 방식으로 결합되며, 상기 제1 스터브, 상기 방사체 및 상기 제2 스터브는 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 내장 안테나.
9. 제1항에 있어서,

   상기 급전부, 제1 스터브, 방사체 및 제2 스터브는 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 내장 안테나.

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