KR101177505B1

KR101177505B1 - Ｕｗｂ용 광대역 안테나

Info

Publication number: KR101177505B1
Application number: KR1020110013013A
Authority: KR
Inventors: 기영기; 오의교; 서경식
Original assignee: 호남대학교 산학협력단
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-08-28
Also published as: KR20120093020A

Abstract

본 발명은 UWB용 광대역 안테나에 관한 것으로서, 유전체 소재로 된 기판과, 기판의 상면에 기판의 양단으로부터 이격되는 위치상에서 길이방향을 따라 일정폭으로 연장된 급전선과, 기판의 상면의 일단으로부터 급전선을 향하는 방향으로 연장되되 급전선의 일단과 대향되는 부분에 급전선의 일단의 일부가 이격되게 진입되는 삽입홈을 갖게 기판의 상면에 형성된 접지면과, 급전선의 타단으로부터 급전선의 연장방향을 따라 일체로 연장되되 급전선보다 넓은 제1폭으로 연장된 제1부분과, 제1부분으로부터 상기 제1부분보다 넓은 제2폭으로 연장된 제2부분을 갖는 방사체를 구비한다. 이러한 UWB용 광대역 안테나에 의하면, 3.168 GHz에서 7.290 GHz 까지의 넓은 대역폭을 갖으면서도 경량화 및 소형화가 가능한 장점을 제공한다.

Description

ＵＷＢ용 광대역 안테나{broadband antenna for Ultra Wide band}

본 발명은 UWB용 광대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 울트라 와이드밴드(UWB; Ultra Wideband) 대역 통신용으로 소형화할 수 있으면서 광대역화 할 수 있는 UWB용 광대역 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.

종래의 UWB용 안테나로는 원형이나 타원형, 사각형의 광대역 모노폴 안테나, 슬롯과 혼 구조, 삼각뿔 구조의 모노폴 또는 다이폴 안테나, 평면 UWB 안테나나 판상다이폴 안테나 등 다양한 구조가 알려져 있다. 이러한 안테나 중 외장형 안테나는 단말기, 혹은 통신 모듈의 디자인에 대한 자유도, 안테나의 견고성, 안테나 단가, 인체에 미치는 전자파 영향 등의 단점이 있기 때문에 내장형 타입의 안테나로 발전해 가고 있는 추세이다.

이러한 요구를 만족하기 위해 다양한 형태의 다중 공진을 이용한 다중대역 내장형 안테나들이 제안되었다. 이에 따라 현재 사용되는 모든 무선 및 이동 통신 대역을 포함하는 광대역 단말기용 내장형 안테나가 소개되었지만 실제 단말기에 적용하기에는 방사체가 차지하는 면적이 큰 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, UWB 시스템에 사용할 수 있도록 광대역 특성을 갖으면서도 소형화가 가능한 UWB용 광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 UWB용 광대역 안테나는 유전체 소재로 된 기판과; 상기 기판의 상면에 상기 기판의 양단으로부터 이격되는 위치상에서 길이방향을 따라 일정폭으로 연장된 급전선과; 상기 기판의 상면의 일단으로부터 상기 급전선을 향하는 방향으로 연장되되 상기 급전선의 일단과 대향되는 부분에 상기 급전선의 일단의 일부가 이격되게 진입되는 삽입홈을 갖게 상기 기판의 상면에 형성된 접지면과; 상기 급전선의 타단으로부터 상기 급전선의 연장방향을 따라 일체로 연장되되 상기 급전선보다 넓은 제1폭으로 연장된 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 상기 제1부분보다 넓은 제2폭으로 연장된 제2부분을 갖는 방사체;를 구비한다.

바람직하게는 상기 접지면은 상기 삽입홈이 내측으로 인입되게 사각 형상으로 형성되어 있고, 상기 제1부분과 상기 제2부분도 사각형상으로 형성된다.

또한, 상기 급전선은 상기 기판의 길이방향의 중심선을 따라 형성되어 있고, 상기 접지면과 상기 방사체는 상기 급전선의 연장방향을 기준으로 상기 급전선의 연장방향에 직교하는 방향에 대해 대칭되는 형상으로 형성된다.

더욱 바람직하게는 UWB 밴드그룹 1 ~ 3에 해당하는 3.168 내지 7.290 GHz 대역에서 동작할 수 있도록 상기 기판은 FR-4소재로 형성되고, 상기 급전선의 폭은 0.65mm, 길이는 2.45mm, 상기 방사체의 제1부분은 폭 2.0mm, 길이 1.1mm, 제2부분은 폭10mm, 길이 8.9mm이고, 상기 삽입홈과 상기 급전선 사이의 이격폭은 0.25mm이고, 상기 접지면의 폭은 16mm 길이는 24.45mm로 형성된다.

본 발명에 따른 UWB용 광대역 안테나에 의하면, 3.168 GHz에서 7.290 GHz 까지의 넓은 대역폭을 갖으면서도 경량화 및 소형화가 가능한 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 UWB용 광대역 안테나를 나타내 보인 사시도이고,
도 2는 도 1의 UWB용 광대역 안테나의 평면도이고,
도 3은 도 1의 안테나에서 급전선의 폭과 급전선과 접지면 사이의 간격에 따른 반사손실을 비교해 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 도 1의 안테나에서 제1부분의 길이변화에 따른 반사손실을 비교해 나타내 보인 그래프이고,
도 5 내지 도 7은 상호 다른 중심주파수 대역에서의 방사패턴을 나타내 보인 그래프이다.

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

도 1은 본 발명에 따른 UWB용 광대역 안테나를 나타내 보인 사시도이다.

도 1을 참조하면, 안테나(10)는 기판(11), 급전선(20), 접지면(30), 방사체(40)를 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 4.4인 것을 사용한다.

또한, 기판(11) 소재로서는 FR-4, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, 테프론, 에폭시, LTCC 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 FR-4소재로 된 것을 적용한다.

기판(11)은 사각 판 형태로 형성된 것이 적용되었다.

급전선(20)은 기판(11)의 상면(11a)에 기판(11)의 양단으로부터 이격되는 위치상의 중앙부분에서 길이방향을 따라 기판(11)을 좌우로 대칭 분할하는 중심선 즉, 기판(11)의 길이방향에 대한 중심선을 따라 일정폭(w)으로 스트립 상으로 연장되게 형성되어 있다.

접지면(30)은 기판(11)의 상면(11a)의 일단으로부터 급전선(20)을 향하는 방향으로 연장되어 사각형태로 형성되되 급전선(20)의 일단과 대향되는 부분에 급전선(20)의 일단의 일부가 이격되게 진입되는 삽입홈(33)을 갖게 기판(11)의 상면(11a)에 형성되어 있다.

방사체(30)는 급전선(20)의 타단으로부터 급전선(20)의 연장방향을 따라 일체로 연장되되 급전선(20)보다 넓은 제1폭(h)으로 연장된 제1부분(41)과, 제1부분(41)으로부터 제1부분(41)보다 넓은 제2폭(d)으로 급전선(20)으로부터 멀어지는 방향으로 연장된 제2부분(42)을 갖는 형상으로 형성되어 있다.

여기서 제1부분(41)은 사각형상으로 형성되어 있고, 제2부분(42)도 제1부분(41)보다 큰 사각형상으로 형성되어 있다.

이러한 구조에서 방사체(40)는 정사각형 형태에서 급전선(20)의 타단과 제2부분(42) 사이에 제1부분(41)이 남겨지게 일부가 제거된 형상 즉, 도 2에서 g와 f로 표기된 부분에 의해 구획되는 영역이 제거된 형성으로 되어 있고 제거된 부분이 슬릿기능을 하게 된다.

따라서, 방사체(40)와 접지면(30)간의 이격거리가 슬릿기능을 하는 부분에 의해 조절되어 주파수를 조절할 수 있다.

또한, 안테나(10)는 급전선(20)의 중심선을 기준으로 접지면(30), 방사체(40)가 좌우 대칭인 구조로 있고, 광대역 특성을 위해 기판(11) 상면(11a)에 급전선(20)과, 접지면(30)이 동시에 존재하는 구조인 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 구조로 되어 있다.

이러한 구조의 안테나(10)는 적용하고자 하는 기판(11)의 상면(11a)에 도전소재로 앞서 설명된 급전선(20), 접지면(30), 방사체(40)를 프린팅 기법에 의해 인쇄하여 형성하면 된다.

한편, 본 발명에 따른 안테나(10)의 동작 주파수 특성을 확인하기 위해 UWB 밴드그룹 1 ~ 3에 해당하는 3.168 내지 7.290 GHz 대역에서 동작할 수 있도록 유전상수 4.4인 FR-4 소재로 된 두께 1.0mm, 폭 방향인 가로(a) 16.0mm 및 길이방향인 세로(b) 36mm인 기판(11)에 도전소재를 인쇄기법에 의해 도 1에 도시된 구조로 제작하였다.

제작된 안테나(10)의 급전선(20)의 폭(w)은 0.65mm, 길이는 2.45mm이고, 그 밖의 치수는 아래의 표 1 같이 적용하여 제작하였다.

아래의 표 1에서 c는 접지면(30)의 길이이고, d 및 e는 방사체(40)의 제2부분(42)의 폭과 길이이며, f와 h는 제1부분(41)의 길이 및 폭이고, s는 삽입홈(33)과 급전선(20)과의 이격거리이고, k는 삽입홈(33)의 깊이이다.

c(mm)	d(mm)	e(mm)	f(mm)
24.45	10	8.9	1.1
g(mm)	h(mm)	k(mm)	s(mm)
4	2	1.7	0.25

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

먼저, 급전선(20)의 폭(w)과 삽입홈(33)과 급전선(20)과의 이격거리(s)에 따라 특성 임피던스가 조절이 되며 50Ω 임피던스를 갖는 급전선(20)의 폭(W)과 급전선(20)과 접지면(30) 사이의 간격(S)은 컨포멀 매핑 방법에 의해 계산하였고, W=0.5mm, S=0.118mm일 때와 W=1.0mm, S=0.178mm, 그리고 W=1.5mm, S=0.224mm일 경우에 50Ω의 특성 임피던스를 갖는다.

이러한 조건에서 반사손실을 측정한 결과가 도 3에 도시되어 있다.

여기서, 모의실험은 유한 요소법(Finite Element Method: FEM)을 적용한 고주파 수치 해석 프로그램인 HFSS(High Frequency Structure Simulation)를 이용하여 안테나의 주파수에 따른 전자기적 특성을 분석하였다.

도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, W=1.0mm, S=0.118mm일 때와 W=1.5mm, S=0.224일 때 10 GHz 대역에서 공진이 발생하고, W=0.5mm, S=0.118mm일 경우에는 5 GHz 대역에서 공진이 일어나는 것을 볼 수 있다.

제작하고자 하는 안테나(10)의 대역이 UWB Band Group 1 ~ 3(3.168 ~ 7.290 GHz)이기 때문에 중심주파수 5 GHz인 급전선(20)의 폭(W)은 0.65mm로, 급전선(20)과 접지면 사이의 간격(S)은 0.25mm로 선정하였다.

도 4는 안테나의 제1부분의 길이변화에 따른 반사손실을 비교해 나타내 보인 그래프이다. 여기서, 제1부분의 길이(f)를 0.6mm 부터 0.2mm의 간격으로 1.2mm까지 변화시켰을 때에 대해 반사손실을 측정하였고, 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 제1부분(41)의 길이(f)가 길어짐에 따라 3 GHz 대역의 특성이 좋아지는 반면 5 GHz 대역의 특성이 나빠지는 것을 볼 수 있다.

이러한 결과로부터 최종적으로 UWB 밴드그룹(Band Group) 1 ~ 3에 해당하는 3.168 ~ 7.290 GHz를 만족시킬 수 있도록 f값은 1.1mm를 적용하였고, 그 결과 UWB Band Group 1 ~ 3(3.168 ~ 7.290 GHz) 대역에서 임피던스 대역폭(VSWR < 2, -9.54 dB 이하)을 만족하였다.

도 5 내지 도 7은 UWB 안테나에 대해 각 밴드 그룹의 중심주파수인 3.9GHz 5.554GHz, 6.813GHz에 대한 방사 패턴을 나타낸 것이다. 도 5 내지 도 7에서 E-plane은 θ=90°인 XY 평면이고, H-plane은 Φ=180°인 YZ 평면이다. 각 주파수 대역에서 E-plane은 Φ=0°와 Φ=180°인 부근에서 널(null) 값으로 최소 방사가 일어나고, H-plane의 Φ=0°에서 주 빔이 방사하고 있다. 안테나(10)의 방사패턴은 3.91 GHz에서는 8자 형태를 보이고 5.544 GHz와 6.813 GHz에서는 나비 형태를 나타내고 있어 UWB용 안테나로 적합함을 알 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 안테나(10)는 UWB 대역 중 저역(Low Band) 에서 사용할 수 있을 뿐 아니라 밴드 그룹(Band Group) 1 ~ 3에 해당하는 3.168 ~ 7.290 GHz 대역에서 사용할 수 있다.

또한, 제작된 안테나(10)의 크기는 16mm×36mm의 크기로 소형이면서, 방사체(40) 외부에 슬롯을 인가하여 임피던스 대역폭(VSWR < 2)을 3.16 ~ 7.290 GHz로 향상되었다. 또한, 반사손실과 이득은 3.91 GHz에서 -13.02 dB, 2.7 dBi, 5.544 Ghz에서 -12.79 dB, 4.3 dBi이고 6.813 GHz에서는 -10.15 dB, 4.0 dBi를 갖는다.

이와 같이 본 안테나(10)는 UWB 밴드그룹(Band Group) 1 ~ 3에 해당하는 3.168 내지 7.290 GHz 대역에서 주파수대 정재파비(VSWR)가 2 보다 작고 주파수에 따른 방사패턴이 양호한 특성을 갖는다.

11: 기판 20: 급전선
30: 접지면 40: 방사체

Claims

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유전체 소재로 된 기판과;
상기 기판의 상면에 상기 기판의 양단으로부터 이격되는 위치상에서 길이방향을 따라 일정폭으로 연장된 급전선과;
상기 기판의 상면의 일단으로부터 상기 급전선을 향하는 방향으로 연장되되 상기 급전선의 일단과 대향되는 부분에 상기 급전선의 일단의 일부가 이격되게 진입되는 삽입홈을 갖게 상기 기판의 상면에 형성된 접지면과;
상기 급전선의 타단으로부터 상기 기판 상면에 상기 급전선의 연장방향을 따라 일체로 연장되되 상기 급전선보다 넓은 제1폭으로 연장된 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 상기 제1부분보다 넓은 제2폭으로 연장된 제2부분을 갖는 방사체;를 구비하고,
상기 접지면은 상기 삽입홈이 내측으로 인입되게 사각 형상으로 형성되어 있고, 상기 제1부분과 상기 제2부분도 사각형상으로 형성되어 있고,
상기 급전선은 상기 기판의 길이방향의 중심선을 따라 형성되어 있고, 상기 접지면과 상기 방사체는 상기 급전선의 연장방향을 기준으로 상기 급전선의 연장방향에 직교하는 방향에 대해 대칭되는 형상으로 형성되어 있으며,
상기 기판은 FR-4소재로 형성되고, 두께가 1.0mm, 길이방향인 세로 36mm 및 폭 방향인 가로 16mm로 형성되고, 상기 급전선의 폭은 0.65mm, 길이는 2.45mm, 상기 방사체의 제1부분은 폭 2.0mm, 길이 1.1mm, 제2부분은 폭10mm, 길이 8.9mm이고, 상기 삽입홈과 상기 급전선 사이의 이격폭은 0.25mm이고, 상기 접지면의 폭은 16mm 길이는 24.45mm인 것을 특징으로 하는 UWB용 광대역 안테나.