KR100997540B1

KR100997540B1 - Ｕｗｂ용 소형 모노폴 안테나

Info

Publication number: KR100997540B1
Application number: KR1020080052264A
Authority: KR
Inventors: 정진우; 이현진; 임영석
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2010-11-30
Also published as: KR20090126085A

Abstract

본 발명은 UWB용 소형 평면 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 유전체 소재로 판형으로 형성되어 있고 상하로 관통되는 접속용 관통홀이 형성된 기판과, 접속용 관통홀 주위를 에워싸게 기판의 상면에 형성된 급전부와, 급전부와 이격되어 기판의 상면에 급전부보다 확장된 크기의 사각 형태로 형성된 방사부와, 급전부와 방사부를 상호 연결하는 연결부와, 기판의 하부에서 기판에 형성된 관통홀을 통해 내선이 삽입되어 급전부와 결합되는 SMA커넥터를 구비한다. 이러한 UWB용 소형 모노폴 안테나에 의하면, SMA커넥터와 직접 접속에 의해 접지면을 생략할 수 있어 구조가 단순화되면서도 소형화할 수 있고, UWB 통신 대역에 대응하는 광대역에서 동작할 수 있는 장점을 제공한다.

모노폴, UWB, SMA커넥터, 접지면, 안테나

Description

ＵＷＢ용 소형 모노폴 안테나{compact monopole antenna for Ultra Wideband}

본 발명은 UWB용 소형 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 상세하게는 SMA커넥터를 이용하여 소형화할 수 있으면서도 광대역에서 동작하는 UWB용 소형 모노폴 안테나에 관한 것이다.

UWB(Ultra Wideband) 통신 시스템은 무선 홈 네트워크 등 차세대 개인 영역 무선 통신(Wireless Personal Area Network;WPAN) 분야에 널리 적용될 것으로 예상되고 있다. 특히, 2002년 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission;FCC)는 기존의 협대역 시스템이나 W-CDMA와 같은 광대역 시스템과의 구분을 위해 중심주파수의 25% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 1.5GHz 이상의 점유 대역폭을 갖는 무선 전송 기술을 UWB(Ultra Wideband)라고 정의하고, 3.1 내지 10.6GHz의 주파수 대역에서 최대 -41.3dBm/MHz의 방사전력 제한을 두었다. 방사 전력을 낮은 레벨로 제한한 것은 타 시스템과의 간섭을 최소화하며, 허가없이 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

UWB 통신방식은 기존 무선랜에 비해 5 내지 10배 빠른 100 내지 500Mbps의 무선 전송 속도를 가지며, 1/3 이하의 저전력을 사용한다는 장점으로 인해 향 후 홈 네트워크 완성 및 유비쿼터스 시장을 선점할 수 있는 차세대 전송 기술로 각광받고 있다. 따라서, UWB용 통신시스템은 광대역에서 저전력으로 동작하므로 이에 적용되는 안테나는 기본적으로 넓은 주파수 범위에서 양호한 임피던스 매칭 및 방사 패턴을 유지하여야 하며, 저가로 제작하기 쉽고 통신 응답이 안정적일 것이 요구된다. 또한 UWB 전대역에 걸쳐 선로의 분산을 최소화하고, 양호한 방사 패턴을 얻기 위해 선형 위상 응답을 가져야 하며, 소형화 추세에 있는 무선 통신 시스템의 요구 조건을 맞추기 위해서는 무엇보다도 소형화가 이루어져야 한다.

즉, UWB 시스템은 종래의 통신 시스템에 비해 넓은 주파수 대역을 사용하므로 이에 적합한 광대역 특성을 갖는 소형 안테나의 개발이 필수적이다.

한편, UWB 안테나용으로 이용하기 위해 소형 평면 모노폴 형태를 갖되 방사체 혹은 접지면에 계단형, 원형 그리고 일정한 각도를 갖는 노치(Nortch)를 삽입하는 방법을 이용한 안테나가 최근 많이 연구되고 있다. 그러나 이들 안테나는 일반적으로 안테나 급전에 필요한 50옴(Ω) SMA 커넥터에 비교하여 그 크기가 매우 커 실사용에 적절하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위해 창안된 것으로서, SMA 커넥터를 이용하여 소형화할 수 있으면서 UWB 시스템에 사용할 수 있도록 초광대역 특성을 갖으면서 1나노초 이하의 그룹 딜레이를 만족하여 UWB 통신에 효율적으로 적용가능한 UWB용 소형 모노폴 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 UWB용 소형 모노폴 안테나는 유전체 소재로 판형으로 형성되어 있고 상하로 관통되는 접속용 관통홀이 형성된 기판과; 상기 접속용 관통홀 주위를 에워싸게 상기 기판의 상면에 형성된 급전부와; 상기 급전부와 이격되어 상기 기판의 상면에 상기 급전부보다 확장된 크기의 사각 형태로 형성된 방사부와; 상기 급전부와 상기 방사부를 상호 연결하는 연결부와; 상기 기판의 하부에서 상기 기판에 형성된 상기 관통홀을 통해 내선이 삽입되어 상기 급전부와 결합되는 SMA커넥터;를 구비한다.

바람직하게는 상기 급전부는 상기 관통홀을 에워싸며 상기 내선과 접속되는 링형 접속패드 부분과; 상기 접속패드 부분과 일체로 형성되어 상기 연결부 방향으로 연장된 스트립부분;으로 형성된다.

또한, 상기 SMA 커넥터는 상기 내선을 에워싸는 절연부와, 상기 절연부 주위에 도전소재로 형성된 플랜지부;를 구비하고, 상기 플랜지부는 상기 기판과 대향되는 면이 판형으로 형성된 것이 적용된다.

상기 플랜지부의 상기 기판과 대향되는 면은 사각판 형태로 형성되되 모서리부분이 경사지게 모처리된 경사부분을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 급전부는 상기 기판과 대향되는 상기 SMA 커넥터의 플랜지부의 길이의 1/2의 길이를 갖도록 형성된다.

본 발명에 따른 UWB용 소형 모노폴 안테나에 의하면, SMA커넥터와 직접 접속에 의해 접지면을 생략할 수 있어 구조가 단순화되면서도 소형화할 수 있고, UWB 통신 대역에 대응하는 광대역에서 동작할 수 있는 장점을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 UWB용 소형 모노폴 안테나를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 UWB용 소형 모노폴 안테나를 분리하여 나타내 보인 분리 사시도 이고, 도 2는 도 1의 UWB용 소형 모노폴 안테나의 평면도이고, 도 3은 UWB용 소형 모노폴 안테나의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, UWB용 소형 모노폴 안테나(100)는 기판(110), 급전부(121), 방사부(125), 연결부(127) 및 SMA커넥터(130)를 구비한다.

기판(110)은 직사각 판형 형태의 것이 적용되었다. 바람직하게는 기판(110)의 모서리는 경사지게 모따기 처리된 경사면(113)을 갖도록 형성된다. 경사면(113)의 경사각도는 45°가 되게 형성하는 것이 바람직하다.

기판(110)은 유전상수(ε_r)가 3 내지 6 범위 내에 있는 유전체 소재로 된 것을 적용하고, FR-4, 고정항 실리콘, 유리, 알루미나, 테프론, 에폭시, LTCC 등이 사용될 수 있다.

바람직하게는 기판(110)은 유전상수가 4.4인 FR-4 소재로 된 것을 적용한다.

기판(110)에는 상하로 관통되는 접속용 관통홀(112)이 형성되어 있다.

급전부(121), 연결부(127) 및 방사부(125)는 도전소재로 인쇄방식에 의해 기판(110)에 형성되는 것이 바람직하다.

급전부(121)는 기판(110)의 접속용 관통홀(112) 주위를 에워싸게 기판(110)의 상면에 형성되어 있다.

급전부(121)를 구분하면, 관통홀(112)을 에워싸며 후술되는 SMA커넥터(130)의 내선(134)과 접속되는 링형 접속패드부분(123)과, 접속패드 부분(123)과 일체로 형성되며 접속패드 부분(123)을 이분하는 지점에서부터 연결부(127) 방향을 따라 사각 형상으로 연장되게 형성된 스트립부분(122)을 갖는 구조로 되어 있다.

방사부(125)는 급전부(121)와 이격되어 기판(110)의 상면에 급전부(121)보다 확장된 크기의 사각 형태로 형성되어 있다. 직사각 형태의 방사부(125)는 광대역 동작을 유도하기에 유리하다.

연결부(127)는 급전부(121)와 방사부(125)를 상호 연결하며 급전부(121)와 방사부(125)의 중심선을 따라 형성되어 있다. 연결부(127)는 임피던스 매칭에 매우 중요한 부분을 담당하기 때문에 폭과 길이를 적절하게 적용하여야 한다.

SMA(Sub Miniature type A)커넥터(130)는 기판(110)의 하부에서 기판(110)에 형성된 관통홀(112)을 통해 내선(134)이 삽입되어 급전부(121)의 접속패드부분(123)과 결합되어 있다.

SMA 커넥터(130)는 상방으로 연장된 내선(134)을 에워싸는 절연부(135)와, 절연부 주위에 도전성 금속소재로 형성된 플랜지부(132)를 갖는 구조로 되어 있고, 플랜지부(132)는 기판(110)과 대향되는 면이 판형으로 형성된 것이 적용되었다.

바람직하게는 SMA(Sub Miniature type A)커넥터(130)는 도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이 기판(110)의 하부에서 플랜지부(132)가 밀착되게 결합되며, 내선(134)의 길이는 기판(110)의 두께에 대응되는 길이로 형성한다.

바람직하게는 플랜지부(132)의 기판(110)과 대향되는 면은 사각판 형태로 형성되되 모서리부분이 45°각도로 경사지게 모처리된 경사부분(133)을 갖는 것을 적용한다. 여기서 SMA 커넥터(130)의 경사부분(133)은 UWB대역의 동작을 유도하는 기능을 한다. 도체 내부의 전류분포가 주로 도체의 가장자리에 유도되기 때문에 플렌지부(132)를 관통하게 형성된 보조 결합용 4개의 슬롯(137)은 안테나(100)의 동작에 영향을 미치지 않는다.

또한, SMA커넥터(130)의 사각 플랜지부(132)는 접지면으로 사용할 수 있어 안테나(100)에 별도로 접지면을 형성하지 않아도 되는 장점을 제공한다.

이러한 구조에서 급전부(121)의 길이는 SMA 커넥터(130)의 접지면이 되는 플랜지부(132)의 상면 길이의 1/2이 되게 적용한다.

한편, 본 발명에 따른 안테나(100)의 동작주파수 특성을 확인하기 위해 유전상수 4.4인 FR-4 소재로 된 두께 1.6 mm, 가로__12.7mm 및 세로 27.77mm의 기판(110)에 도전소재를 인쇄기법에 의해 도 1에 도시된 구조로 제작하였다.

제작된 안테나(110)에서 방사부(125)는 폭이 5.5mm 길이가 12.8mm이고, 급전부(121)는 폭이 3.19mm 길이가 6.35mm이고, 기판(110)의 관통홀(112)은 직경이 1.3mm이고, 링형 접속패드 부분(123)의 직경은 1.7mm이고, 연결부(127)의 폭은 0.35mm, 길이는 1.3mm로 적용되었다.

또한, SMA 커넥터(130)의 플랜지부(132)는 가로 12.7mm, 세로 12.7mm이고, 내선(134)의 직경은 1.29mm, 길이는 1.6mm인 것이 적용되었다.

SMA 커넥터(130)의 내선(134)과 링형 접속패드부분(123)은 상호 납땜에 의해 결선하였다.

이하에서는 이렇게 제작된 안테나(100)의 성능을 실험한 결과를 설명한다.

먼저, 도 4는 도 1의 안테나에서 방사부(125)의 너비 변화에 따른 주파수대 정재파비(VSWR)의 시뮬레이션 값을 나타내 보인 그래프이다.

방사부(125)의 너비가 1.5에서 9.5mm까지 변화하면서 안테나(100)의 대역폭이 변화됨을 알 수 있다. 본 안테나(100)의 경우 3.1GHz 내지 10.6GHz의 대역을 만족해야 하기 때문에 너비를 5.5로 적용하였다.

도 5는 제작된 본 발명의 안테나의 주파수대 정재파비(VSWR)의 시뮬레이션 값과 측정값을 비교해 나타내 보인 그래프이다. 시뮬레이션 값의 경우 3.09GHz에서 10.72GHz까지의 동작 대역을 나타냈고, 측정값도 시뮬레이션 값과 유사하게 3.06GHz에서 10.8GHz까지의 동작대역폭을 나타냈다. 이러한 결과로부터 본 안테나(100)는 초광대역 즉, UWB 전대역을 커버함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 안테나의 그룹딜레이 값을 나타낸 그래프이다. 측정을 위해서 동일한 안테나(100) 2개를 사용하였고, 각 안테나(100)는 상호 정면~정면, 정면~측면, 그리고 측면~측면을 바로 보게 하여 측정하였다. UWB통신은 펄스를 이용한 통신이므로 펄스 왜곡 정도를 나타내는 그룹딜레이(Group Delay) 값은 안테나 설계에서 매우 중요한 파라미터 중 하나이다. 원거리(Far-Field)에서 위상이 어느 정도 선형인지를 알기 위해 그룹 딜레이가 필요하다. 그룹 딜레이 변화량이 1나노초(1ns)를 초과하면 원거리에서 위상이 비선형적이게 되고, 그 결과 상당한 펄스 왜곡이 초래된다. 이러한 펄스의 왜곡은 UWB통신 시스템에 치명적인 문제로 작용할 수 있다. 본 발명에 따라 제작된 안테나는 도 6의 실험결과를 통해 UWB동작대역인 3.1GHz에서 10.6GHz까지 그룹 딜레이가 1나노초를 초과하지 않음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 안테나에 대해 측정한 전송 손실 값을 나타내 보인 그래프이다. 측정 환경을 도 6의 그룹 딜레이를 측정했을 때와 같이 동일한 두 개의 안테나(100)를 상호 정면~정면, 정면~측면, 그리고 측면~측면 끼리 바로 보게 하여 측정하였다. 측정결과를 통해 알 수 있는 바와 같이 UWB동작대역인 3.1GHz에서 10.6GHz 범위 내에서 양호한 값을 갖음을 알 수 있고, 이러한 결과는 방사 형태가 전방향 특성(Omni-directrion)을 제공함을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 UWB용 소형 모노폴 안테나를 분리하여 나타내 보인 분리 사시도 이고,

도 2는 도 1의 UWB용 소형 모노폴 안테나의 평면도이고,

도 3은 UWB용 소형 모노폴 안테나의 단면도이고,

도 4는 도 1의 구조로 제작된 본 발명의 안테나에서 방사부의 너비 변화에 따른 주파수대 정재파비(VSWR)의 시뮬레이션 값을 나타내 보인 그래프이고,

도 5는 도 1의 구조로 제작된 본 발명의 안테나의 주파수대 정재파비(VSWR)의 시뮬레이션 값과 측정값을 비교해 나타내 보인 그래프이고,

도 6은 본 발명에 따른 안테나의 그룹딜레이 값을 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명에 따른 안테나에 대해 측정한 전송 손실 값을 나타내 보인 그래프이다.

Claims

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유전체 소재로 판형으로 형성되어 있고 상하로 관통되는 접속용 관통홀이 형성된 기판과;

상기 접속용 관통홀 주위를 에워싸게 상기 기판의 상면에 형성된 급전부와;

상기 급전부와 이격되어 상기 기판의 상면에 상기 급전부보다 확장된 크기의 사각 형태로 형성된 방사부와;

상기 급전부와 상기 방사부를 상호 연결하는 연결부와;

상기 기판의 하부에서 상기 기판에 형성된 상기 관통홀을 통해 내선이 삽입되어 상기 급전부와 결합되는 SMA커넥터;를 구비하고,

상기 급전부는 상기 관통홀을 에워싸며 상기 내선과 접속되는 링형 접속패드 부분과, 상기 접속패드 부분과 일체로 형성되어 상기 연결부 방향으로 연장된 스트립부분으로 형성되어 있고,

상기 SMA 커넥터는 상기 내선을 에워싸는 절연부와, 상기 절연부 주위에 도전소재로 형성된 플랜지부를 구비하고,

상기 플랜지부는 상기 기판과 대향되는 면이 가로 12.7mm, 세로 12.7mm인 사각판 형태로 형성되되 모서리부분이 경사지게 모처리된 경사부분을 갖으며,

상기 급전부의 길이는 상기 기판과 대향되는 상기 SMA 커넥터의 플랜지부의 길이의 1/2이며,

상기 방사부는 폭이 5.5mm 길이가 12.8mm이고, 상기 급전부는 폭이 3.19mm 길이가 6.35mm이고, 상기 관통홀은 직경이 1.3mm이고, 상기 링형 접속패드부분의 직경은 1.7mm이고, 상기 연결부의 폭은 0.35mm 길이는 1.3mm인 것을 특징으로 하는 UWB용 소형 평면 모노폴 안테나.