KR100970710B1 - 비대칭 슬롯을 갖는 ｃｐｗ급전 광대역 슬롯 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나에 관한 것으로서, 접지용 도체로 구성되어 접지기능을 수행하는 접지면과, 내부에 형성된 슬롯안테나를 에두르는 장방형 구조로 슬롯안테나 하부 중앙에 좌측개방단 및 우측개방단을 형성하고, 접지면 하측으로부터 수직으로 좌측개방단과 연결되어 슬롯안테나 내측으로 소정길이 연장되는 제1 CPW급전슬롯과, 접지면 하측으로부터 수직으로 우측개방단과 연결되어 슬롯안테나 내측으로 소정길이 연장되는 제2 CPW급전슬롯으로 이루어진 CPW급전슬롯을 포함하는 슬롯과, 접지면을 지지하는 기판으로 구성되되, 제1 CPW급전슬롯과 제2 CPW급전슬롯이 슬롯안테나 내측으로 인입·인출됨으로써, 각각의 인셋 길이가 조절되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, CPW급전슬롯의 인셋(inset) 길이를 조절하여 안테나의 광대역 특성을 임의로 조정 가능하게 함과 아울러 다층구조 및 기생소자를 배제하고 CPW급전슬롯의 길이만을 조절하는 간단한 설계를 통해 제작공정 시간이 단축되어 대량생산을 용이하며, 사용 용도에 따라 용이하게 변경 설계ㆍ제작할 수 있다.

CPW, 급전선, 슬롯, 광대역, 안테나, 비대칭, 인셋

Description

비대칭 슬롯을 갖는 ＣＰＷ급전 광대역 슬롯 안테나{COPLANAR WAVEGUIDE FED SLOT WIDEBAND ANTENNA HAVING ASYMMETRY SLOT}

본 발명은 광대역 슬롯 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안테나의 광대역 특성을 임의로 조정 가능하게 함과 아울러 간단한 설계를 통해 제작공정의 단순화를 도모하는 기술에 관한 것이다.

근래에 무선인터넷 환경에 있어서 고속 데이터 전송 요구의 증대에 따라 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 또는 UWB(Ultra Wide Band)가 가능한 고속 무선 시스템이 개발되고 있으며, 이러한 고속 무선통신은 고성능 안테나의 성능 여하에 따라 데이터 전송의 품질이 좌우된다.

일반적으로 하나의 단말로 다수의 서비스를 제공하는 단말장치에 구비되는 안테나는 단위소자로서 가장 큰 부피를 차지하게 되는데, 이러한 안테나가 단말장치의 소형, 경량, 박형의 구조와 기능 및 성능을 좌우하는 결정적인 역할을 하게 된다.

그러나, 자체 구조 및 방사 메커니즘으로 인하여 주파수가 낮을수록 대역폭이 좁아지고, 이중 및 다중대역 설정이 용이치가 않다. 때문에 실제 다중모드 무선 통신용 단말기에 적용하기 위해선 좁아진 대역폭 및 이중ㆍ다중대역 설정 문제를 선결해야만 한다.

근래에 이러한 문제점을 개선함과 아울러 협대역 통신으로부터 인터넷과 멀티미디어와 같은 광대역 통신으로의 서비스 변화에 부합하는, 다중대역 복합 시스템에 대한 개발과 이에 따른 다중모드에 유연한 안테나의 개발이 절실히 요구되고 있다.

현재 광대역 통신에 보편적으로 사용되고 있는 마이크로스트립 안테나는 저자세(Low Profile) 및 완전 평면의 구조를 갖으며, 제작이 쉽고 안테나의 기능을 쉽게 다양화 및 지능화할 수 있어 이동통신 기기에 많이 사용되고 있으나, 1% 내지 2% 정도의 협대역 특성과 낮은 이득, 표면파의 발생 및 유효전력의 한계성에 의해 실제 사용에는 많은 제약이 수반된다.

최근 이러한 마이크로스트립 안테나를 대체하기 위한 대표적인 광대역 안테나로, 접지면과 방사체가 같은 평면에 위치한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 슬롯 안테나에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 이러한 기술은 대한민국 등록특허 제2007-0643478호 '대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나'(이하, '선행특허')외에 다수 개시된 상태이다.

상기 선행특허의 초광대역 안테나는, 기판의 상면에 형성된 방사체와, 기판의 저면에 형성된 접지면 및 방사체에 접속된 급전부를 포함하고, 접지면에 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하며, 구체적으로 안테나의 대역 저지 특성을 갖도록 'U' 형상의 슬롯을 방사체에 형성함과 아울러 저지 대역의 중심 주파수가 5 GHz 내 지 6 GHz를 갖도록 구성한다.

상술한 선행특허는 슬롯을 내장한 모노폴(monopole) 형태의 방사체와 마이크로스트립 선로를 급전으로 이용한 안테나로서 광대역 특성을 구현하였으나, 안테나의 주파수가 달라질 때 마다 방대한 설계 파라미터를 다시 설계 해야만 하는 문제점을 내포하고 있다.

한편, 광대역 안테나와 관련한 선행 문헌들을 살펴보면, Jin-Sen Che는 마이크로스트립 패치에서 두 직교 모드의 공진 주파수인

와

를 이용하여 기생 커패시턴스 성분을 슬롯 안테나 내부에 배치하는 이중공진 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안된 이중공진 슬롯 안테나는, 낮은 공진 주파수는 슬롯 루프 안테나의 길이에 의해 결정되며, 높은 공진 주파수는 내부 슬롯의 길이에 의해 조정되는 방식으로 양자의 주파수 비는 패치 두 직교 모드의 양측 길이 비와 같다는, 즉 두 개의 서로 다른 주파수가 두개의 직교 편파를 발생시키는 원리이다[1].

그러나, 낮은 공진 주파수와 높은 공진 주파수간의 차이가 매우 크고, 이를 조정하기가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

또한, Elshcrbeni, A. Z.가 제안한 이중공진 안테나는 개방된 두 개의 슬롯 루프와 기생 스터브(stub) 슬롯으로 구성하였는데, 개방된 슬롯의 크기(가로와 세로)를 조절함으로써 다중공진 주파수를 조절하여 원하는 광대역 특성을 얻는 원리로 두 주파수간의 차이를 좁힐 수는있으나, 광대역 특성을 나타내는 대역폭이 매우 작은 단점이 있다[2].

선행 문헌 정보

[1] Jin-Sen Che, "Dual frequency slot antennas fed by capacitively coplanar waveguid", Microwave and Optical Technology Let Vol.32, No.6, pp.452-453, 2002, March.

[2] Elshcrbeni, A. Z. ; Eldck, A. A. ; Baker, B. N. ; Smith, C. E. ; Kai-Fong Lee, "Wideband coplanar patch-slot antennas for radar applications", Antennas and Propagation Society International Symposium, 2002. IEEE, Volume 2, 16-21 June 2002, pp.436-439 Vol.2, 2002, June.

한편, 상술한 선행문헌들 이외의 CPW 급전 슬롯 안테나들은 일반적으로 다이폴 안테나 형태를 지닌 슬롯 안테나 구조를 갖는데, 응용분야에 따라 다양한 구조로 고찰되고 있으며 15% 내지 20% 범위의 임피던스 대역폭을 갖으며, 나비 넥타이형 슬롯 안테나는 한파장 슬롯 안테나 구조를 수정한 형태로서 최대 34%의 대역폭을 얻을 수 있다.

이처럼 서로 다른 공진 주파수를 갖는 한파장 슬롯 안테나와 반파장 슬로 안테나 등 여러 개의 슬롯 안테나를 다양한 구조의 배열로 구성하여 임피던스 대역폭을 증가하는 방법이 제안된바 있으나, 안테나의 면적이 무리하게 커지는 제약이 뒤따르는 문제가 있다.

또한, 안테나의 면적을 최소화하면서도 넓은 대역폭을 얻기 위한 시도로서, 하나의 넓은 사각 슬롯에 여러개의 금속선을 추가하는 방법이 제안된바 있으나, 슬롯 내부에 여러 개의 금속선들에 대한 선폭 및 간격 조절에 따른 변수가 많아 설계가 복잡해지는 문제가 있다.

그리고, 정방형 슬롯 안에 주파수 조절 및 임피던스 정압을 위한 넓은 패치를 적용하는 방법은, 안테나의 임피던스 대역폭과 공진 주파수를 동시에 조절하기 위해 패치 구조 하나로 조절하게 되는데, 이러한 구조는 안테나의 공진 주파수를 조절하기 어렵다는 단점을 갖는다.

이처럼 상술한 바와 같은 방법들은 구조가 복잡하고 제작 공정이 어려워 실제 서비스에 적용하기에는 무리가 따르며, 능동 소자들의 설계에 고주파 단일 집적회로(MMIC : Monolithic Microwave IC)와의 결합이 어려울뿐더러 설계 및 제작이 비효율적이다.

또한, 다중의 동작 주파수에 적절한 하나의 급전 망 설계가 안테나 전체 구조 및 방사부 구조의 제한을 초래할 우려가 있어 동작 주파수 및 동작 편파 간에도 높은 분리도를 유지하도록 설계ㆍ제작해야 하는 번거로움을 수반한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, CPW급전슬롯의 인셋(inset) 길이를 조절하여 안테나의 광대역 특성을 임의로 조정 가능하게 하고, 다층구조 및 기생소자를 배제하고 CPW급전슬롯의 길이만을 조절하는 간단한 설계를 통해 제작공정 시간이 단축되어 대량생산을 용이하며, 사용 용도에 따라 용이하게 변경 설계ㆍ제작할 수 있도록 한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나는, 접지용 도체로 구성되어 접지기능을 수행하는 접지면과, 내부에 형성된 슬롯안테나를 에두르는 장방형 구조로 슬롯안테나 하부 중앙에 좌측개방단 및 우측개방단을 형성하고, 접지면 하측으로부터 수직으로 좌측개방단과 연결되어 슬롯안테나 내측으로 소정길이 연장되는 제1 CPW급전슬롯과, 접지면 하측으로부터 수직으로 우측개방단과 연결되어 슬롯안테나 내측으로 소정길이 연장되는 제2 CPW급전슬롯으로 이루어진 CPW급전슬롯을 포함하는 슬롯과, 접지면을 지지하는 기판으로 구성되되, 제1 CPW급전슬롯과 제2 CPW급전슬롯이 슬롯안테나 내측으로 인입됨으로써, 각각의 인셋 길이가 조절되는 것을 특징으로 한다. 즉, 인입된 슬롯부분은 공진이 일어나 방사되는 부분이 아니라 슬롯안테나와 50Ω으로 설계된 CPW급전슬롯과 정합을 이루기 위한 부분이다.

또한, 슬롯은, 외측이 낮은 공진 주파수의 한 파장 길이를 갖도록 총 길이가

이 되도록 하며, 슬롯안테나는 총 길이가

이 되도록 구성되어 높은 공진 주파수의 한 파장 길이로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 기판은, 4.2 내지 4.6의 유전율을 갖으며, 수직으로의 높이는 1.4mm 내지 1.8mm인 것을 특징으로 한다.

그리고, 제1 CPW급전슬롯 및 제2 CPW급전슬롯의 인셋 길이는 서로 비대칭을 이루도록 조정되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, CPW급전슬롯의 인셋(inset) 길이를 조절하여 안테나의 광대역 특성을 임의로 조정 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 다층구조 및 기생소자를 배제하고 CPW급전슬롯의 길이만을 조절하는 간단한 설계를 통해 제작공정 시간이 단축되어 대량생산을 용이하며, 사용 용도에 따라 용이하게 변경 설계ㆍ제작할 수 있는 효과도 있다.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나(A)를 나타내는 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 접지면(100), 슬롯(200) 및 기판(300)을 포함한다. 이때, 슬롯(200)의 상측 길이는

이고, 수직 길이는

이며, 슬롯 내부에 형성된 슬롯안테나(10)의 수직 길이는

이다.

접지면(100)은 접지용 도체로 구성되어 접지기능을 수행한다.

슬롯(200)은 내부에 형성된 슬롯안테나(10)를 에두르는 장방형 구조로 슬롯안테나(10) 하부 중앙에 좌측개방단(11) 및 우측개방단(12)을 형성하며, CPW급전슬롯(210)을 포함한다. 이때, 낮은 공진 주파수 특성을 갖는 슬롯 외부의 총 길이(

)는 낮은 공진 주파수 한 파장의 길이와 같다.

CPW급전슬롯(210)은 접지면(100) 하측으로부터 수직으로 좌측개방단(11)과 연결되어 슬롯안테나(10) 내측으로 소정길이 연장되는 제1 CPW급전슬롯(211)과, 접지면의 하측으로부터 우측개방단(12)과 연결되어 슬롯안테나(10) 내측으로 소정길이 연장되는 제2 CPW급전슬롯(212)을 포함한다. 여기서 슬롯안테나(10) 내측의 총 길이(

)는 높은 공진 주파수 한 파장의 길이와 같다.

기판(300)은 유전율은 4.2 내지 4.6을 갖으며, 수직으로의 높이는1.4mm 내지 1.8mm로 구성되어 접지면(100)을 지지한다.

본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나(A)의 작동양태를 설명하면 다음과 같다.

먼저 상술한바와 같은 CPW급전슬롯(210)을 포함하며, 슬롯안테나(10)을 갖는 장방형의 슬롯(200)을 구성한다.

이때, 슬롯(200) 외부의 총 길이(

)는 낮은 공진 주파수에 맞게하고, 슬롯안테나(10) 내측의 총 길이(

)는 높은 공진 주파수에 대해 한 파장의 길이와 대응되고, 슬롯안테나(10) 내측으로 삽입된 CPW급전슬롯(210)의 총 길이가 높은 공진 주파수 한 파장의 길이와 대응되도록 구성한다. 즉,

는 낮은 공진 주파수의 파장에 관계되고,

는 높은 공진 주파수 파장에 관계된다.

이어서 슬롯안테나(10) 내측으로 소정길이 연장된 제1 CPW급전슬롯(211) 및 제2 CPW급전슬롯(212)의 길이(이하, 인셋 길이(

))를 조절하여 슬롯의 낮은 공진 주파수와 슬롯안테나(10)의 높은 공진 주파수간의 정합을 도출하는데, 제1 CPW급전슬롯(211) 및 제2 CPW급전슬롯(212) 각각의 길이가 비대칭을 이루도록 조절될 수 있다.

파라미터(↑)	입력임피던스		공진주파수	비고
	실수부	허수부
	↑	↑	↓	고정
	↓	↓	거의 변화없음
	↓	↓	거의 변화없음
	↑	↓	거의 변화없음	고정, 변화

상기 [표 1]을 참조하면, 공진 주파수를 변화시키는 파라미터, 즉 슬롯안테나(10)의 수직 길이(

), 슬롯안테나(10) 내측으로 연장된 인셋 길이(

), 슬롯의 상측 길이(

) 및 슬롯의 수직 길이

와

을 가감한 길이

를 조절함에 따라 변화되는 공진 주파수를 도출할 수 있다.

그리고 도 2는 CPW급전슬롯(210)의 총 길이(

를 고정하고

를 변화)를 조절함에 따른 반사손실을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 CPW급전슬롯(211) 및 제2 CPW급전슬롯(212)의 인셋 길이(

)가 작아짐에 따라 높은 공진 주파수를 발생시키고, 인셋 길이(

)가 커지면 낮은 공진 주파수를 발생시키는 것을 알 수 있다. 이처럼

길이의 간격과 인셋 길이(

)를 조절하여 슬롯간의 비대칭을 형성함으로써 최적의 공진 주파수를 도출할 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 제1 CPW급전슬롯 및 제2 CPW급전슬롯의 인셋 길이조정에 따른 주파수 특성변화를 나타낸 도면.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

A: 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나

100: 접지면 200: 슬롯

210: CPW급전슬롯 211: 제1 CPW급전슬롯

212: 제2 CPW급전슬롯 300: 기판

10: 슬롯안테나 11: 좌측개방단

12: 우측개방단

Claims (4)

1. 접지용 도체로 구성되어 접지기능을 수행하는 접지면(100);

   내부에 형성된 슬롯안테나(10)를 에두르는 장방형 구조로 상기 슬롯안테나(10) 하부 중앙에 좌측개방단(11) 및 우측개방단(12)을 형성하고, 상기 접지면(100) 하측으로부터 수직으로 상기 좌측개방단(11)과 연결되어 상기 슬롯안테나(10) 내측으로 소정길이 연장되는 제1 CPW급전슬롯(211)과, 상기 접지면 하측으로부터 수직으로 상기 우측개방단(12)과 연결되어 상기 슬롯안테나(10) 내측으로 소정길이 연장되는 제2 CPW급전슬롯(212)으로 이루어진 CPW급전슬롯(210)을 포함하는 슬롯(200); 및

   상기 접지면(100)을 지지하는 기판(300); 으로 구성되되,

   상기 제1 CPW급전슬롯(211)과 제2 CPW급전슬롯(212)이 상기 슬롯안테나(10) 내측으로 인입됨으로써, 각각의 인셋 길이(

   

   )가 조절되는 것을 특징으로 하는 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 슬롯(200)은,

   외측이 낮은 공진 주파수의 한 파장 길이를 갖도록 총 길이가

   

   이 되도록 하며, 상기 슬롯안테나(10)는 총 길이가 (

   

   )이 되도록 구성되어 높은 공진 주파수의 한 파장 길이로 구성되되,

   상기 슬롯안테나(10)의 수직 길이는

   

   이고, 상기 슬롯안테나(10)의 내측으로 연장된 인셋 길이는

   

   이며, 상기 슬롯(200)의 상측 길이는

   

   이고, 상기 슬롯(200)의 수직 길이는

   

   인 것을 특징으로 하는 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 기판(300)은,

   4.2 내지 4.6의 유전율을 갖으며, 수직으로의 높이는 1.4mm 내지 1.8mm인 것을 특징으로 하는 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 CPW급전슬롯(211) 및 제2 CPW급전슬롯(212)의 인셋 길이(

   

   )는 서로 비대칭을 이루도록 조정되는 것을 특징으로 하는 비대칭 슬롯을 갖는 CPW급전 광대역 슬롯 안테나.

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