KR101052903B1 - 소형 초광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 울트라 와이드밴드 대역 통신용으로 사용할 수 있는 소형 초광대역 안테나에 관한 것으로서, 유전체 소재로 된 기판과, 기판의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 연장되되 일정 폭으로 연장된 급전부와, 급전부와 이격되게 기판 상면에서 급전부를 향하는 방향을 따라 점진적으로 폭이 좁아지게 형성된 제1경사부분과, 제1경사부분의 종단에서 급전부를 향하는 방향을 따라 양측이 외측으로 만곡된 호형 곡률을 갖게 형성된 호형부분과, 호형부분의 종단에서 급전부를 향하는 방향을 따라 점진적으로 폭이 좁아지게 형성된 제2경사부분을 갖는 구조로 형성된 방사체와, 기판 저면에 형성된 접지면과, 방사체와 급전부를 연결하는 선로를 구비한다. 이러한 소형 초광대역 안테나에 의하면, UWB의 넓은 대역폭 전체에 대해 임피던스 매칭이 원할하면서도 경량화 및 소형화가 가능한 장점을 제공한다.

모노폴, 안테나, UWB

Description

소형 초광대역 안테나{Compact Band-notched Ultra Wideband Antenna}

본 발명은 소형 초광대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 울트라 와이드밴드(UWB; Ultra Wideband) 대역 통신용으로 소형화할 수 있으면서 광대역에 대해 임피던스 매칭 특성이 좋은 소형 초광대역 안테나에 관한 것이다.

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

UWB 통신방식은 기존 무선랜에 비해 5~10배 빠른 100~500 Mbps의 무선 전송 속도를 가지며, 1/3 이하의 저 전력을 사용한다는 장점으로 인해 향후 홈 네트워크 완성 및 유비쿼터스 시장을 선점할 수 있는 차세대 전송 기술로 각광받고 있다. 이러한 UWB 통신방식은 광대역에서 저 전력으로 동작하므로 UWB용으로 사용하기 위한 안테나는 기본적으로 넓은 주파수 범위에서 양호한 임피던스 매칭 및 방사 패턴을 유지하여야 하며, 저가로 제작하기 쉽고 통신 응답이 안정적일 것이 요구된다. 또한 UWB 전 대역에 걸쳐 신호의 분산을 최소화하고 양호한 방사 패턴을 얻기 위해 선형 위상 응답을 가져야 하며, 소형화 추세에 있는 무선 통신 시스템의 요구 조건을 맞추기 위해서는 무엇보다도 안테나의 소형화가 이루어져야 한다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, UWB 시스템에 사용할 수 있도록 초광대역 특성을 갖으면서도 광대역 전체에 걸쳐 임피던스 매칭이 원할하고, 소형화가 가능한 소형 초광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소형 초광대역 안테나는 유전체 소재로 된 기판과; 상기 기판의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 연장되되 일정 폭으로 연장된 급전부와; 상기 급전부와 이격되게 상기 기판 상면에서 상기 급전부를 향하는 방향을 따라 점진적으로 폭이 좁아지게 형성된 제1경사부분과, 상기 제1경사부분의 종단에서 상기 급전부를 향하는 방향을 따라 양측이 외측으로 만곡된 호형 곡률을 갖게 형성된 호형부분과, 상기 호형부분의 종단에서 상기 급전부를 향하는 방향을 따라 점진적으로 폭이 좁아지게 형성된 제2경사부분을 갖는 구조로 형성된 방사체와; 상기 기판 저면에 형성된 접지면과; 상기 방사체와 상기 급전부를 연결하는 선로;를 구비한다.

바람직하게는 상기 방사체의 양측 호형부분의 대응되는 상기 기판의 저면에 링형태로 각각 형성된 제1 및 제2 기생루프;를 더 구비한다.

또한, 상기 접지면은 상기 급전부의 일측과 대응되는 상기 기판 저면에서 상기 급전부보다 넓은 폭으로 형성되고, 상기 급전부와 상기 접지면의 길이는 동일하 게 적용된다.

본 발명에 따른 소형 초광대역 안테나에 의하면, UWB의 넓은 대역폭 전체에 대해 임피던스 매칭이 원할하면서도 경량화 및 소형화가 가능한 장점을 제공한다.

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

도 1은 본 발명에 따른 안테나를 나타내 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 안테나를 분리하여 나타내 보인 분리 사시도이고, 도 3은 도 1의 안테나의 평면도와 저면도를 함께 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 안테나(10)는 기판(11), 급전부(20), 선로(40), 방사체(30), 제1 및 제2 기생루프(51)(52) 및 접지면(60)을 갖는 구조로 되어 있다.

기판(11)은 유전체 소재로 된 것을 적용한다.

기판(11)은 유전상수(ε_r)가 3 내지 6 범위 내에 있는 유전체 소재로 된 것을 적용하고, 바람직하게는 기판(11)은 유전상수가 4.2인 것을 사용한다.

또한, 기판(11) 소재로서는 FR-4, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, 테프론, 에폭시, LTCC 등이 사용될 수 있다.

기판(11)은 사각 판 형태로 형성된 것이 적용되었다.

급전부(20)는 기판(11)의 상면(11a) 일단에서 기판(11)을 좌우로 대칭 분할하는 중심선을 따라 타단 방향으로 폭이 동일한 직사각형 형태로 연장되게 형성되어 있다.

방사체(30)는 기판(11) 상면(11a)에 급전부(20)와 이격되게 형성되어 있다.

방사제(30)는 급전부(20)를 향하는 방향으로 종단의 폭이 좁은 변형 사다리꼴 형태로 형성되어 있다.

방사체(30)의 형상을 구분하면, 급전부(20) 맞은편에서 급전부(20)를 향하는 방향으로 제1경사부분(31), 호형부분(32) 및 제2경사부분(33)을 갖는 구조로 되어 있다.

제1경사부분(31)은 기판(11) 상면(11a)에서 급전부를 향하는 방향을 따라 양측이 대칭적으로 점진적으로 폭이 좁아지게 형성되어 있다.

호형부분(32)은 제1경사부분(31)의 종단 즉, 양측 가장자리라인의 연장방향을 따라 급전부(20)를 향하는 방향으로 양측이 외측으로 만곡된 호형 곡률을 갖게 형성되어 있다.

호형부분(32)은 제1경사부분(31)의 종단 즉, 양측 가장자리라인의 연장방향에 대해 외측으로 반원형으로 형성된 구조로 되어 있다.

호형부분(32)은 4.16 내지 5.53GHz 대역에서 안테나(10)의 임피던스를 원할하게 매칭시키는 역할을 한다.

제2경사부분(33)은 호형부분(32)의 종단에서 상기 제1경사부분(31)의 양측 가장자리라인의 연장방향과 일치하는 경사선을 따라 급전부(20)를 향하는 방향으로 점진적으로 폭이 좁아지게 형성되어 있다.

선로(40)는 급전부(20)의 중심선을 따라 급전부(20)와 방사체(30)를 연결한다.

제1 및 제2 기생루프(51)(52)는 기판(11) 저면(11b)에 형성되어 있고, 상부 방사체(30)의 제1 및 제2 호형부분(32a)(32b)의 곡률 중심과 각각 일치되는 위치에서 링형태로 각각 형성되어 있다.

제1 및 제2 기생루프(51)(52)는 UWB 대역중 높은 대역 즉, 10GHz 부근의 임피던스 매칭을 위해 적용되었다.

접지면(60)은 급전부(20)와 대응되는 기판(10) 저면(11b)에 제1 및 제2 기생루프(51)(52)와 이격되어 급전부(20)보다 넓은 폭으로 형성되어 있다.

접지면(60)의 길이는 급전부(20)와 동일하게 적용되는 것이 바람직하다.

안테나(10)는 급전부(20)의 중심선을 기준으로 방사체(30), 제1 및 제2기생루프(51)(52) 및 접지면(60)이 좌우 대칭인 구조로 되어 있다.

이러한 구조의 안테나(10)는 적용하고자 하는 기판(11)의 상면(11a)과 저면(11b)에 앞서 설명된 급전부(20), 선로(40), 방사체(30), 제1 및 제2기생루프(51)(52) 및 접지면(60)을 도전소재로 프린팅 기법에 의해 인쇄하여 형성하면 된다.

이러한 구조에서 안테나(10)는 방사기능을 하는 방사체(30)의 호형부분(32)에 대응되는 위치에 형성된 제1 및 제2기생루프(51)(52)에 의해 추가적인 전류 경로(current path)가 형성되어 추가적인 공진을 하게 됨으로써 안테나(10)의 임피던 스 대역폭(Impedance bandwidth)은 개선된다.

한편, 본 발명에 따른 안테나(10)의 동작주파수 특성을 확인하기 위해 유전상수 4.2인 FR-4 소재로 된 두께 1.6mm, 가로(L1) 12.7mm 및 세로(L2) 22.5mm의 기판(11)에 도전소재를 인쇄기법에 의해 도 1에 도시된 구조로 제작하였다.

제작된 안테나(10)의 급전부(20)의 폭(w1)은 3mm, 길이(d4)는 7.5mm이고, 선로(40)의 길이는 1.5mm, 폭은 0.3mm이고, 제1경사부분(31)의 상단 폭(d1)은 11mm이고, 제2경사부분(33)의 하단의 폭(d2)은 4mm이고, 제1경사부분(31)의 상단으로부터 제2경사부분(33)의 하단 사이의 거리(d3)는 12mm이고, 호형부분(30)의 곡률반경(R1)은 2.6mm, 접지면(60)의 폭(L1)은 12.7mm, 길이(d6) 7.5mm이고, 제1 및 제2 기생루프(51)(52)의 곡률반경(R2)은 2.6mm, 폭(d5)은 0.2mm로 형성하였다.

또한, 제1경사부분(31)의 모서리로부터 호형부분(30)의 곡률중심까지의 거리(s1)은 8.5mm이다.

한편, 급전용 SMA 커넥터(70)의 급전 경로가 되는 내선(71)은 급전선(20)과 접속되고, 내선(71)과 전기적으로 절연되되 도전소재로 되어 접지기능을 하는 하우징의 표면(72)은 접지면(60)과 접속된다.

이하에서는 이렇게 제작된 안테나(10)의 성능을 실험한 결과를 설명한다.

먼저, 호형부분(32)의 유무에 따른 성능을 알아보기 위해 외형은 앞서 제작예에 적용된 치수를 적용하되 호형부분(32)이 있는 경우와 없는 경우에 대해 주파수대 정재파비(VSWR)을 측정한 결과가 도 4에 도시되어 있다.

도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 호형부분(32)이 없는 경우 4.16 내지 5.53GHz 대역에서 임피던스 매칭이 되지 않아 VSWR이 2이상 높게 나옴을 알 수 있다. 이에 비해 호형부분(32)이 적용된 경우에는 4.16 내지 5.53GHz 대역에서 VSWR이 2 미만으로 낮아짐으로써 원활한 임피던스 매칭을 제공한다.

또한, 호형부분(32)이 있는 경우에도 10GHz 이상에서는 VSWR이 2이상으로 크게 나옴을 알 수 있다. UWB 대역이 3.1 내지 10.6GHz임을 감안할 경우 이러한 결과는 UWB의 전 대역을 커버할 수 없다.

한편, 제1 및 제2 기생루프(51)(52)의 적용유무에 대해 시뮬레이션 한 결과가 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 제 1 및 제2 기생루프(51)(52)가 부가된 경우 호형부분(32)과의 전기적 커플링이 유도 되어, 높은 대역 예를 들면 10GHz 대역이상에서도 추가적인 공진 대역이 발생되어 임피던스 매칭이 이루어지게 한다.

본 안테나(10)에 대해 주파수대 정재파비(VSWR)의 시뮬레이션 값과 측정값을 도 6에 함께 나타내었다.

도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 시뮬레이션 결과는 3.1 ~ 11.33 GHz 까지 UWB 전대역을 커버하고, 측정값은 시뮬레이션 값과 유사하게 3.06 내지 11.47GHz 까지 동작됨을 알 수 있다. 따라서 호형부분(32) 및 제1 및 제2 기생루프(51)(52)에 의하여 UWB 전대역에서 매우 양호한 임피던스 매칭 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 안테나에 대해 측정된 그룹 딜레이(Group delay), 위상(phase) 및 전송손실(transmision loss) 값을 나타낸 그래프이다. UWB 통신은 펄스를 이용한 통신 방식이므로 펄스 왜곡 정도를 나타내는 그룹 딜레이와 위상 그래프는 UWB 안테나 설계에서 중요한 파라미터 중의 하나이다. 원거리(Far-field)에서 위상이 얼마나 선형인지를 알기 위해서 그룹 딜레이가 필요하다. 그룹 딜레이 변화량이 1ns를 초과하면 원거리(far-field)에서 위상이 비선형 적이게 되고, 그 결과 상당한 펄스 왜곡이 초래된다. 이러한 펄스의 왜곡은 UWB 통신 시스템에 치명적인 문제로 작용할 수 있다.

이러한 사항을 감안할 때 본 실시예에 따라 제조된 안테나(10)는 UWB 동작 대역인 3.1 GHz부터 10.6 GHz 까지 그룹 딜레이(Group delay)가 1 ns를 초과하지 않고 위상도 선형적인 것을 알 수 있다. 또한, 전송손실 및 이득이 매우 좋음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 초광대역 안테나를 나타내 보인 사시도이고,

도 2는 도 1의 소형 초광대역 안테나를 분리하여 도시한 분리 사시도이고,

도 3은 도 1의 안테나의 평면도와 저면도이고,

도 4는 도 1의 안테나에서 방사체의 호형부분의 유/무에 따른 주파수 대 정재파비(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이고,

도 5는 도 1의 안테나에서 제 1 및 제2 기생루프의 유/무에 따른 주파수 대 정재파비(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이고,

도 6은 제작된 도 1의 안테나에 대해 주파수 대 정재파비의 시뮬레이션 값과 측정값을 비교하여 나타내 보인 그래프이고,

도 7은 제작된 도 1의 안테나에 대해 측정된 그룹딜레이(Group delay), 위상 및 전송 손실(transmission loss) 값을 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 유전체 소재로 된 기판과;

   상기 기판의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 연장되되 일정 폭으로 연장된 급전부와;

   상기 급전부와 이격되게 상기 기판 상면에서 상기 급전부를 향하는 방향을 따라 점진적으로 폭이 좁아지게 형성된 제1경사부분과, 상기 제1경사부분의 종단에서 상기 급전부를 향하는 방향을 따라 양측이 외측으로 만곡된 호형 곡률을 갖게 형성된 호형부분과, 상기 호형부분의 종단에서 상기 급전부를 향하는 방향을 따라 점진적으로 폭이 좁아지게 형성된 제2경사부분을 갖는 구조로 형성된 방사체와;

   상기 기판 저면에 형성된 접지면과;

   상기 방사체와 상기 급전부를 연결하는 선로와;

   상기 방사체의 양측 호형부분의 대응되는 상기 기판의 저면에 링형태로 각각 형성된 제1 및 제2 기생루프;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 접지면은 상기 급전부의 일측과 대응되는 상기 기판 저면에서 상기 급전부보다 넓은 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 급전부와 상기 접지면의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
5. 제4항에 있어서, 상기 기판은 유전율이 4.2이고, 두께가 1.6mm, 가로 12.7mm 및 세로 22.5mm로 형성되고,

   상기 급전부의 폭은 3mm, 길이는 7.5mm, 상기 제1경사부분의 상단 폭은 11mm이고, 제2경사부분의 하단의 폭은 4mm이고, 제1경사부분의 상단으로부터 상기 제2경사부분의 하단 사이의 거리는 12mm이고,

   상기 호형부분의 곡률반경은 2.6mm, 상기 접지면은 폭 12.7mm, 길이 7.5mm이고, 상기 제1 및 제2 기생루프의 곡률반경은 2.6mm, 폭은 0.2mm인 것을 특징으로 하는 소형 광대역 안테나.

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