KR101113888B1 - Ｕｗｂ 통신용 소형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초광대역(ultra wideband)통신 등과 같이 전자기 임펄스를 이용한 통신에 사용될 수 있는 임펄스 송수신용 광대역 안테나에 관한 것으로, 특히 방사체의 구조를 변화시켜 광대역 특성을 갖도록 한 UWB 통신용 소형 안테나에 관한 것이다. UWB 통신용 안테나는 절연성 기판의 일면에 형성된 도체 및 절연성 기판의 타면에 형성된 방사체를 포함한다. 방사체는 외부의 급전선을 통해 전류가 인가되면 여기하여 에너지를 방사하며, 방사체는 반원 모양으로 형성된 제1 영역과, 제1 영역의 반대편에 직사각형 모양으로 형성된 제2 영역을 포함하고, 제2 영역에는 직사각형 모양을 가지는 복수의 제1 탭들과, 이보다 작고 직사각형 모양을 가지는 복수의 제2 탭들이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

ＵＷＢ 통신용 소형 안테나{Small size antenna for ultra wide band communication}

도 1은 종래의 마이크로 스트립 안테나의 평면도 이다.

도 2는 종래의 UWB 통신용 안테나의 평면도 이다.

도 3은 본 발명에 따른 UWB 통신용 소형 안테나가 포함된 안테나 테스트 보드를 보이는 도면이다.

도 4는 도 3에 도시된 UWB 통신용 소형 안테나의 사시도이다.

도 5a는 UWB 통신용 소형 안테나의 전면을, 도 5b는 UWB 통신용 소형 안테나의 후면을 보이는 평면도이다.

도 6은 도 4에 도시된 UWB 통신용 소형 안테나의 정재파비를 나타내는 그래프이다.

도 7은 도 6의 정재파비를 스미트차트로 표현한 도면이다.

본 발명은 초광대역(ultra wideband)통신 등과 같이 전자기 임펄스를 이용한 통신에 사용될 수 있는 임펄스 송수신용 광대역 안테나에 관한 것으로, 특히 방사 체의 구조를 변화시켜 광대역 특성을 갖도록 한 UWB 통신용 소형 안테나에 관한 것이다.

초광대역(UWB)란 3.1～10.6㎓대의 주파수 대역을 사용하면서 10m～1㎞의 전송거리를 보장하는 기술이다.

잘 알려진 바와 같이, 임펄스 무선통신은 기존의 협대역 통신과 달리 매우 넓은 주파수 대역을 사용하며 초저전력을 이용해 고속 데이터 전송을 이룰 수 있는 통신방법이다. 만일 임펄스를 이용한 무선통신이 보편화되어 이동 통신 단말기에 적용되어야 한다면 안테나의 소형화는 필수적이다.

도 1은 한국특허공보 KR2005-0071968에 개시된 극소형 초광대역 마이크로 스트립 안테나이다. 도 1에 도시된 안테나는 유전체 기판 상부에 외부전원에서 공급되는 전자기 에너지를 공급하는 급전선과, 급전선에서 입력받은 전자기 에어지를 방사하는 주방사체와 부방사체로 구성되어, 주방사체와 부방사체를 노치구조로 형성하여 사용하고자 하는 주파수 대역의 임피던스 정합이 용이하도록 하고 있다. 도 1에 도시된 안테나는 성능이 좋은 반면, 그 크기가 큰 단점이 있다.

도 2는 한국특허공보 KR2005-2210549에 개시된 초광대역 안테나이다. 도 2에 도시된 안테나는 패치안에 에어 갭 탭을 형성하여 주파수를 조정하여 안테나의 크기를 줄이고, 인쇄회로 기판의 반대편에 형성되는 그라운드 영역의 크기를 줄여 광 대역 특성을 얻을 수 있으며, 패치와 급전선 사이에 임피던스 매칭을 위해 복수의 매칭 스터브를 형성하여 넓은 대역폭 특성을 얻을 수 있도록 하고 있습니다. 도 2에 도시된 안테나는 세라믹(ceramic)을 사용하여 크기를 작게 만들었으나 성능 면에서 한계를 보이며, 가격이 비싼 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 경제성을 고려하여 FR4 PCB 재질을 사용하면서, 종래에 제시된 안테나보다 사이즈를 작게 함과 동시에, 주파수, 이득 및 효율을 극대화 할 수 있는 UWB 통신용 소형 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 상기 기술적인 과제를 해결하기 위한 UWB 통신용 소형 안테나는 절연성 기판; 상기 절연성 기판의 일면에 형성된 도체; 및 상기 절연성 기판의 타면에 방사체를 형성한다. 본 발명에서 안테나는 급전선을 통해 마이크로파가 공급되면 여기하여 에너지를 방사하는 방사체를 포함하며, 상기 방사체는 반원 모양으로 형성된 제1 영역과, 상기 제1 영역의 반대편에 직사각형 모양으로 형성된 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역에는, 직사각형 모양을 가지는 복수의 제1 탭들과, 상기 제1 탭들보다 작고 직사각형 모양을 가지는 복수의 제2 탭들이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 방사체는 상기 급전선을 기준으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 방사체는 장변의 길이가 8mm, 단변의 길이가 5mm인 것을 특징으로 한다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 UWB 통신용 소형 안테나가 포함된 안테나 테스트 보드(300)를 보이는 도면으로, 도 3a는 안테나 테스트 보드(300)의 앞면을, 도 3b는 안테나 테스트 보드(300)의 뒷면을 도시하고 있다.

안테나의 이득 및 주파수 성능을 측정하는 안테나 테스트 보드(300)의 장변의 길이는 20mm, 단변의 길이는 15mm로 형성된다.

도 3a에서 테스트 보드(300)의 앞면에는 UWB 통신용 소형 안테나(310) 및 급전선(320)이 형성되어 있다. 도 3a 에 도시된 바와 같이, UWB 통신용 소형 안테나(310)의 장변의 길이는 8mm, 단변의 길이는 5mm의 크기로 형성되어 그 사이즈가 종래보다 훨씬 더 작아졌음을 알 수 있다. 급전선(320)은 외부 전원(미도시)으로부터 공급되는 마이크로파를 UWB 통신용 소형 안테나(310)에 공급한다. 도 3b에서 테스트 보드(300)의 뒷면에는 일부가 그라운드 영역(330)으로 형성되어 있다.

도 4는 도 3에 도시된 UWB 통신용 소형 안테나(310)의 사시도가 도시되어 있으며, 절연성 기판(410)을 중심으로 절연성 기판(410)의 상면에는 도체(420)가 형성되어 있고, 절연성 기판(410)의 하면에는 방사체(430)가 형성되어 있다.

본 발명에서 기판(410)의 재료는 가격이 저렴하고 절연성이 우수한 FR4 PCB 재질을 사용함으로써 제작비용을 줄이고 대량생산이 용이하도록 한다. 기판은 FR4 이외에 고저항 실리콘, 유리, 알루미나(alumina), 테프론(Teflon), 에폭시(epoxy), LTCC(low temperature co-fired ceramic) 등이 사용될 수도 있다.

도 5a는 UWB 통신용 소형 안테나(310)의 기판(410) 상면에 형성된 도체(420)를, 도 5b는 UWB 통신용 소형 안테나(310)의 기판(410) 하면에 형성된 방사체(430) 을 나타내는 평면도 이다.

도 5a와 같이 UWB 통신용 소형 안테나(310) 기판(410)의 상면을 도체(420)로 형성하여 안테나의 이득 및 방사 효율을 높였다.

도 5b는 UWB 통신용 소형 안테나(310) 기판(410)의 후면에 방사체(430)를 형성하여 안테나를 형성한다. 본 발명에서 방사체(430)는 급전선(320)을 기준으로 좌우 대칭되어 있다. 그리고 본 발명에서 방사체(430)는 반원모양의 제1영역(431) 및 직사각형 모양의 제2영역(432)으로 형성되며, 직사각형 모양의 제2영역(432)에는 직사각형 모양의 복수의 제1탭(432-1)들 및 직사각형 모양의 복수의 제2탭(432-2)들이 형성된다.

본 발명에서, 방사체(430)의 모양은 다양한 형태가 있을 수 있으나, 바람직하게는 방사체(430)는 도 5b에 도시된 바와 같이 제1영역(반원모양)(431) 및 제2영역(직사각형모양)(432)를 합성한 구조를 형성한다.

제1영역(431)의 모양이 사각형일 경우, 대역폭이 협소하고, 임피던스 매칭이 어려우며, 전류의 방향이 급격히 변화함에 따라서 안테나 끝단에 손실이 발생하는 단점이 있다.

제1영역(431)의 모양이 삼각형일 경우, 사각형일 때에 비해 대역폭은 넓으나, 삼각형이 이루는 각에 따라서 임피던스 매칭이 민감하게 반응하고, 원하는 만큼의 광대역을 얻기 어렵다. 또한 패턴 오차에 따라서 불량률이 높아 제작의 어려움이 있다.

제1영역(431)의 모양이 다각형일 경우, 앞서 언급한 사각형 또는 삼각형에 비하여 광대역화가 가능하지만, 이또한 각도 조절에 따라서 임피던스 매칭이 어렵고, 패턴의 오차에 따라서 불량률이 높아 제작의 어려움이 있다.

제1영역(431)의 모양이 스텝형 구조인 경우, 이는 광대역화 하는 방법 중에 하나로 널리 사용되지만, 스텝과 스텝 사이의 간격 및 스텝의 길이에 따라서 매우 민감하게 영향을 미치며, 패턴의 오차에 따라서 불량률이 높아 제작의 어려움이 있다.

따라서, 본원발명에서는 방사가 원할하여 광대역 임피던스 매칭이 가능하고 다른 구조에 비하여 패턴의 오류 및 불량률이 적은 반원형 모양의 제1영역(431)을 형성하게 되었다.

도 5b에 도시된 바와 같이 방사체(430)의 제1영역(431)을 반원모양으로 형성하여 급격한 임피던스를 줄여서 안테나의 대역폭이 넓어지도록 한다. 그리고 방사체(430)의 제2영역(432)을 사각형 모양으로 형성하여, 다른 구조(다각형 또는 원형)일 경우보다 유효 방사면적을 최대화 하면서 사이즈를 최소화 하였다. 제2영역(432)의 모양도 원형, 삼각형, 사각형 다각형 등이 있으나, 직사각형 모양으로 형성하는 것이 바람직하다.

제2영역(432)에 형성되는 직사각형 모양의 복수의 제1탭(432-1)들 및 직사각형 모양의 복수의 제2탭(432-2)들은 그 개수가 증가하면 전기적 길이가 증가되나, 대역폭의 변화는 무관하며, 저주파로 하향 이동하게 되고, 그 개수가 감소하면 전기적 길이가 감소되어 주파수가 상향 이동하게 된다. 본 발명에서 제1탭(432-1)들의 크기가 제2탭(432-2)들의 크기보다 크도록 형성되어 있다.

이와 같이 제1탭(432-1)들 및 제2탭(432-2)들의 개수로 주파수를 조정하여 UWB 통신 주파수 대역인 3.1～10.6 GHz에 근접하도록 설계한다.

도 6는 도 4에 도시된 UWB 통신용 소형 안테나(310)의 정재파비를 나타내는 그래프로써, 4～6 GHz 사이의 주파수 대역에서 정재파비가 감소되므로 본 발명의 UWB 통신용 소형 안테나(310)는 UWB 대역을 만족한다. 도 7은 도 6의 정재파비를 스미트차트로 표현한 도면으로 정류화된 전류를 인가시켰을 때 방사되는 주파수의 궤적과 각 주파수별 크기와 위상을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 UWB 통신용 안테나는 가전산업, PC 산업, 휴대폰, PDA, 의료기기, 자동차 산업 등에 폭 넓게 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 초광대역 통신용 안테나 재료로 가격이 저렴한 FR4 PCB 재질을 사용함으로써 제작비용을 줄이고 대량생산이 용이하도록 할 수 있고, 방사체의 일 영역을 반원모양으로 형성하여 급격한 임피던스 변화를 줄여 대역폭을 넓힐 수 있고, 방사체의 나머지 영역에 직사각형 모양으로 크기가 다르게 형성된 복수개의 제1 탭들 및 제2 탭들을 형성하여 주파수를 하향이동시킴으로서, 안테나의 사이즈를 작게하면서, 높은 호화성 및 손쉽게 안테나 튜닝을 수행할 수 있는 효과를 창출한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 절연성 기판;

   상기 절연성 기판의 일면에 형성된 도체; 및

   상기 절연성 기판의 타면에 형성되며, 외부로부터 급전선을 통해 전류가 인가되는 접속부와 상기 인가되는 전류에 의하여 여기하여 에너지를 방사하는 방사체를 포함하며,

   상기 방사체는, 반원 모양으로 형성된 제1 영역과, 상기 제1 영역의 반대편에 직사각형 모양으로 형성된 제2 영역을 포함하고,

   상기 제2 영역에는, 직사각형 모양을 가지는 복수의 제1 탭들과, 상기 제1 탭들보다 작고 직사각형 모양을 가지는 복수의 제2 탭들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 UWB 통신용 안테나.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방사체는

   상기 급전선을 기준으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 하는 UWB 통신용 안테나.
3. 제 1항에 있어서, 상기 방사체는

   장변의 길이가 8mm, 단변의 길이가 5mm인 것을 특징으로 하는 UWB 통신용 안테나.
4. 삭제

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