KR101200308B1 - 무선 ｕｓｂ 동글용 평면형 안테나 - Google Patents

무선 ｕｓｂ 동글용 평면형 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 USB 동글용 평면형 안테나에 관한 것으로서 유전체 기판, 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면, 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치, 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치, 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치, 수평 복사패치로 급전하는 급전부, 및 제1 수직 복사패치로부터 연장 형성되어, 접지면의 한 변에 수평한 형태로 구성된 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하며, Wibro 대역(2.3-2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4-2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5-2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605-2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4-2.485 GHz, 5.15-5.825 GHz) 등의 다양한 서비스를 단일 안테나로서 이용 가능하다.

Description

무선 ＵＳＢ 동글용 평면형 안테나{Plannar antenna for the use of wireless USB dongle}
본 발명은 평면형 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Wibro 대역(2.3-2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4-2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5-2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605-2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4-2.485 GHz, 5.15-5.825 GHz) 등의 다양한 서비스를 단일 안테나로서 이용 가능한 무선 USB 동글용 평면형 안테나에 관한 것이다.
최근 무선 통신의 발달과 더불어, 이동 중에도 다양한 서비스를 이용할 수 있는 모바일 기기에 대한 관심과 수요가 급증하고 있다. 모바일 기기는 무선 초고속 인터넷인 Wibro(Wireless Broad-band Internet) 위성디지털 멀티미디어방송 S-DMB(Satellite Digital Multimedia Broadcasting), 무선랜 WLAN(Wireless Local Area Network), Bluetooth 등을 포함하는 수많은 무선 인터페이스를 필요로 한다. 이러한 다양한 인터페이스를 하나의 단말기로 제공하기 위해서는 다수의 안테나가 설치되어야 한다. 하지만 제공하는 인터페이스의 증가로 시스템이 차지하는 공간이 증가하므로 안테나 장착 공간은 더욱 협소해 지고 있다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위해 안테나의 초소형 및 내장형 안테나에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 더불어 PCS(Personal Communication System)단말기, UMPC(Ultra-Mobile PC)와 같은 핸드헬드(hand-held)단말기의 급속한 수요와 함께 다중 대역을 커버할 수 있으면서도 경량화가 가능한 안테나 기술이 각광을 받고 있다.
최근에는 통신 단말기뿐만 아니라, PDA, 노트북 컴퓨터, 내비게이션 장치 등과 같은 소형 모바일 기기들이 USB(Universal Serial Bus)포트를 사용하여 유무선 통신을 할 수 있게 되었다. 다시 말해 사용자는 무선 통신을 위해서 소형 기기의 USB 포트에 무선 통신이 가능한 USB 동글(dongle) 장치를 결합시켜 무선 네트워크에 접속하거나, 디지털 멀티미디어 방송을 시청할 수 있게 되었다. 무선 USB 기술의 전송 속도는 3m 내에서 유선 USB 2.0 규격의 속도와 같은 480Mbps, 10m 이내에서 110Mbps을 목표로 하기 때문에 사용자는 무선 USB 동글 장치를 이용하여 Wibro, WLAN 등의 다양한 무선 서비스에 빠르고 쉽게 이용할 수 있다. 기존 기술에도 다중대역의 신호 송수신 장치 및 이러한 송수신 장치에 이용되는 다중대역 안테나 구조를 제안한 바 있다. 하지만 이러한 기술은 상대적으로 규모가 큰 전용 통신 단말기에 최적화되도록 설계되어 무선 USB 동글 장치와 같은 소형 모바일 기기에 적용하기 힘들다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 Wibro 대역(2.3-2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4-2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5-2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605-2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4-2.485 GHz, 5.15-5.825 GHz) 등의 다양한 서비스를 단일 안테나로서 이용 가능한 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면; 상기 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치; 및 상기 수평 복사패치로 급전하는 급전부를 포함하는 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 급전부에서 상기 제1 수직 복사패치까지의 거리를 조절하여 임피던스 매칭을 하고, 대역폭을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1 수직 복사패치와 상기 제2 수직 복사패치 간의 간격을 조절하여 복사패치 간의 커플링을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제2 수직 복사패치와 상기 접지면 사이의 간격을 조절하여 상기 제2 수직 복사패치와 상기 접지면 간의 상호 결합 양을 조절할 수 있다.
한편, 상기 접지면과 동일한 유전체 기판 면에 상기 제1 복사패치와 상기 제2 복사패치가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제1 수직 복사패치의 일부의 폭이 다른 부분의 폭보다 좁은 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 수직 복사패치의 일부의 폭이 다른 부분의 폭보다 좁은 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면; 상기 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치; 상기 수평 복사패치로 급전하는 급전부; 및 상기 제1 수직 복사패치로부터 연장 형성되어, 상기 접지면의 한 변에 수평한 형태로 구성된 스터브를 포함하는 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 수직 복사패치와 상기 제2 수직 복사패치 사이의 거리를 조절하여 복사패치 간의 커플링을 조절할 수 있다.
또한, 상기 스터브의 길이가 길어질수록 상기 안테나의 물리적인 길이가 증가하여 상기 안테나의 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동한다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면; 상기 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치; 상기 제1 수직 복사패치와 상기 제2 수직 복사패치를 연결하는 연결패치; 상기 수평 복사패치로 급전하는 급전부; 및 상기 제1 수직 복사패치로부터 연장 형성되어, 상기 접지면의 한 변에 수평한 형태로 구성된 스터브를 포함하고, 상기 수평 복사패치, 상기 제1 수직 복사패치, 상기 제2 수직 복사패치, 상기 연결패치, 및 상기 스터브의 두께가 일정한 것을 특징으로 하는 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 수직 복사패치의 길이가 길어질수록 상기 안테나의 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동한다.
또한, 상기 스터브의 길이가 길어질수록 상기 안테나의 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동한다.
본 발명에 따르면, USB 동글 기판의 동일한 일면에만 접지면 및 복사 패치를 형성함으로써, 초소형 다중 대역 안테나 제조 공정이 간단하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 USB 동글 기기를 소형화시키는데 문제시되었던 안테나를 소형화함으로써 USB 동글 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면, 우수한 방사특성을 가진 평면형 모노폴 안테나를 변형한 접힌 미앤더 패치 안테나를 사용하여 2 GHz와 5 GHz의 이중 광대역 공진을 발생시킨다. 따라서 Wibro 대역(2.3-2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4-2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5-2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605-2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4-2.485 GHz, 5.15-5.825 GHz) 등의 다양한 서비스를 단일 안테나로서 이용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 안테나의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 안테나의 제1 수직 복사패치와 제2 수직 복사패치 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR(Voltag Standing Wave Ratio) 특성을 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 안테나의 급전부와 제1 수직 복사패치 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 안테나의 제2 수직 복사패치와 접지면 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 안테나의 시뮬레이션 결과와 제작된 안테나의 VSWR 특성을 비교한 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 안테나의 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 안테나의 제1 수직 복사패치와 제2 수직 복사패치 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR(Voltag Standing Wave Ratio) 특성을 나타낸 것이다.
도 8은 도 6에 도시된 안테나의 스터브의 길이를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 9는 도 6에 도시된 안테나의 시뮬레이션과 제작된 안테나의 VSWR특성을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 평면형 안테나의 구성도이다.
도 11은 도 10에 도시된 제2 수직 복사패치의 길이를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 12는 도 10에 도시된 스터브의 길이를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 13은 도 10에 도시된 안테나의 시뮬레이션과 제작된 안테나의 VSWR특성을 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 방사 패턴이다.
도 15는 최적화된 설계 파라미터를 바탕으로 제작된 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 실제 USB 동글 장치에 적용되는 플라스틱 케이스에 실장한 사진이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명은 무선 USB 동글용 다중대역 안테나에 관한 것으로 특히, 접힌(folded) 미앤더 패치를 이용하여 구현된 초소형 안테나에 관한 것이다. 본 발명에서는 안테나의 소형화뿐만 아니라 다중대역의 특성을 유도하기 위해 기존 모노폴 안테나를 수정한 접힌 미앤더 패치를 사용하여 2 GHz와 5 GHz의 이중 공진 서비스 대역을 유도한다. 따라서 Wibro 대역(2.3-2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4-2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5-2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605-2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4-2.485 GHz, 5.15-5.825 GHz)등의 다양한 서비스를 단일 안테나로 이용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 USB 동글용 평면형 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면; 상기 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치; 상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치; 상기 수평 복사패치로 급전하는 급전부; 및 상기 제1 수직 복사패치로부터 연장 형성되어, 상기 접지면의 한 변에 수평한 형태로 구성된 스터브를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 안테나의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 평면형 안테나는 유전체 기판(110), 접지면(120), 수평 복사패치(130), 제1 수직 복사패치(140), 제2 수직 복사패치(150), 및 급전부(160)로 구성된다.
유전체 기판(110)은 유전율 4.6, loss tangent가 0.025, 두께가 1 mm인 글래스 에폭시(FR-4)를 사용할 수 있으며, 전체 크기는 10 mm(W) * 50 mm(L)로 하는 것이 바람직하다.
접지면(120)은 유전체 기판(110)의 일면에 형성되어 있다.
수평 복사패치(130)는 접지면(120)의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성되어 있다. 수평 복사패치(130)의 폭(W1)은 일정한 것이 바람직하다.
제1 수직 복사패치(140)는 접지면(120)의 한 변에 수직하게 형성되고, 수평 복사패치(130)의 일단과 연결된다. 도 1b를 참조하면, 제1 수직 복사패치(140)의 폭은 구간(L1, L2, L3, L4, b)에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다.
제2 수직 복사패치(150)는 접지면(120)의 한 변에 수직하게 형성되고, 제1 수직 복사패치(140)의 일단과 연결된다. 도 1b를 참조하면, 제2 수직 복사패치(150)의 폭 역시 구간(L1, L2, L3, L4, b)에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다.
기존의 평면형 모노폴 안테나의 경우 λ/4 길이에서 공진 주파수를 발생시키고, 다중 서비스 지원을 위해 다수의 안테나가 필요하기 때문에 부피가 큰 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에서는 접힌 미앤더 패치 안테나(130, 140, 150)의 형태를 구현하여 안테나가 차지하는 면적을 줄이고, 다중 대역 형성을 위해 복사패치를 변형시킨다.
한편, 본 발명에 따른 초소형 다중 대역 안테나는 유전체 기판(110)과 상기 유전체 기판(110)의 일면에 형성된 복사 패치(130, 140, 150)와, 복사 패치(130, 140, 150)와 유전체 기판(110)의 동일한 일면에 형성된 접지면(120)을 포함한다. 이렇게 유전체 기판(110)의 일면에만 복사 패치(130, 140, 150)와 접지면(120)을 형성함으로써, 제조 공정이 단순화되고 제조 비용이 절감될 수 있다. 또한, 우수한 방사특성을 가진 평면형 모노폴 안테나를 변형한 단일 접힌 미앤더 패치 안테나를 사용하여 2 GHz와 5 GHz의 이중 광대역 공진을 발생시킬 수 있다.
접힌 미앤더 패치 안테나의 전체 길이는 25 mm로서 평면형 모노폴 안테나 특성에 따라 2 GHz에서 공진 주파수를 발생시킨다. 하지만 안테나의 공진 주파수는 안테나의 길이 및 간격, 패치의 슬릿에 영향을 받기 때문에 이를 고려해야 한다.
다시 도 1b를 참조하면, 복사패치의 길이 및 복사패치 간의 간격에 따른 파라미터를 제시하였다.
d는 접힌 미앤더 패치 안테나 사이, 즉 제1 수직 복사패치(140)와 제2 수직 복사패치 사이의 거리이고, d을 조절함으로써, 수직 복사패치간의 커플링을 조절할 수 있다.
a는 급전부(160)와 접힌 미앤더 패치 사이의 거리, 즉 급전부(160)와 제1 수직 복사패치(140) 사이의 거리로서 임피던스 매칭을 통해 대역폭을 조절할 수 있다.
b는 제2 수직 복사패치(150)의 구간(L1, L2, L3, L4, b) 중 마지막 구간의 길이이다. 즉, b는 제2 수직 복사패치(150)가 제1 수직 복사패치(140)와 연결된 부분의 반대편 끝단에 해당하는 구간길이를 나타낸다.
한편, b의 길이에 따라 제2 수직 복사패치(150)와 접지면(120) 사이의 거리가 변화하게 된다. 즉, b의 길이가 길어짐에 따라 제2 수직 복사패치(150)와 접지면(120) 사이의 거리가 가까워지게 된다. 따라서, b의 길이가 길어지는 것에 비례하여, 접힌 미앤더 패치 안테나와 그라운드 사이의 상호 결합에 의한 간섭 변화(커플링)가 증가한다.
급전부(160)는 수평 복사패치(130)와 접지면(120) 사이에 0.5 mm 간격을 두고 50-Ω 동축 케이블로 수평 복사패치(130)로 급전한다. 이때, 수평 복사패치(130)와 접지면(120)은 동일한 면에 위치한다.
도 2는 도 1에 도시된 안테나의 제1 수직 복사패치와 제2 수직 복사패치 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR(Voltag Standing Wave Ratio) 특성을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, a=2.5mm이고, b=2mm이고, d를 변화시켰을 때 VSWR 특성이 도시되어 있다.
d을 조절하면, 접힌 미앤더 패치 안테나의 간격, 즉 제1 수직 복사패치(140)와 제2 수직 복사패치(150) 간의 커플링을 조절할 수 있다. d가 0.5 mm, 1.5 mm, 2.5 mm로 커질수록 VSWR의 주파수 특성은 저주파수 대역으로 이동하지만, 5 GHz WLAN의 대역을 지원하지 못한다.
도 3은 도 1에 도시된 안테나의 급전부와 제1 수직 복사패치 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, d=0.5 mm, b=2 mm 일 때 a의 길이 변화에 따른 VSWR 특성이 도시되어 있다. a는 급전부(160)와 제1 수직 복사패치(140) 사이의 거리이고, 임피던스 매칭을 통하여 대역폭을 조절할 수 있다. a가 4.5 mm, 3.5 mm, 2.5 mm로 작아질수록 2 GHz의 서비스 대역을 유지하면서도 5 GHz의 서비스 대역폭을 조절할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 안테나의 제2 수직 복사패치와 접지면 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
b를 변화시킴으로써, 접힌 미앤더 패치 안테나와 접지면 사이의 상호 결합 양을 조절할 수 있다. b의 길이가 짧아질수록 2 GHz, 5 GHz의 공진 주파수 특성이 저주파수 대역으로 이동한다.
시뮬레이션된 파라미터를 바탕으로 HFSS의 유전자 알고리즘(genetic algorithm)을 사용하여 최적화 파라미터를 추출한 결과는 표 1과 같다.
Figure 112011067188118-pat00001
도 5는 도 1에 도시된 안테나의 시뮬레이션 결과와 제작된 안테나의 VSWR 특성을 비교한 결과를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 측정 결과(measurement)는 VSWR<2 인 공진 주파수가 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 안테나의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 평면형 안테나는 유전체 기판(610), 접지면(620), 수평 복사패치(630), 스터브(635), 제1 수직 복사패치(640), 제2 수직 복사패치(650), 및 급전부(660)로 구성된다.
도 1에 도시된 평면형 안테나와 도 6에 도시된 평면형 안테나의 차이점을 중심으로 이하 설명하기로 한다.
유전체 기판(610)은 유전율이 4.6, loss tangent가 0.025인 글래스 에폭시(FR-4) 기판을 사용할 수 있다. 유전체 기판(610)의 전체 크기는 10 mm(W) * 50 mm(L) * 0.8 mm(t)으로 하는 것이 바람직하다.
접지면(620)은 유전체 기판(610)의 일면에 형성되어 있으며, 접지면(620)의 크기는 10 mm * 40 mm이다.
수평 복사패치(630), 스터브(635), 제1 수직 복사패치(640), 및 제2 수직 복사패치(650)로 구성된 안테나 패치의 크기는 10 mm * 9.5 mm이다.
도 6b를 참조하면, 접힌 미앤더 패치(630, 640, 650)와 스터브(635)로 구성되어있다. 안테나 패치(630, 635, 640, 650)와 접지면(620)은 동일면에 위치하여 있고, 급전부(660)는 50-Ω 동축 케이블로 안테나 패치에 급전한다.
스터브(635)는 제1 수직 복사패치(640)로부터 연장 형성되어, 접지면(620)의 한 변에 수평한 형태로 구성되어 있다.
도 7은 도 6에 도시된 안테나의 제1 수직 복사패치와 제2 수직 복사패치 사이의 거리를 변화시킬 때의 VSWR(Voltag Standing Wave Ratio) 특성을 나타낸 것이다.
d는 제1 수직 복사패치(640)와 제2 수직 복사패치(650) 사이의 거리, 즉 두 접힌 복사패치 간의 거리이며, 도 7은 d를 변화시켰을 때 VSWR 특성을 나타낸다.
d를 변화시킴으로써, 복사패치 간의 커플링 변화를 확인할 수 있다. b=5 mm 일 때, d가 0.4 mm, 1.2 mm, 2 mm로 커질수록 VSWR<2 기준으로 2 GHz 대역의 서비스는 유지하지만, 대역폭은 41.3%(2.19 GHz - 3.33 GHz), 38.96%(2.17 GHz - 3.22 GHz), 36.81%(2.15 GHz - 3.12 GHz), 38.96%(2.17 GHz-3.22 GHz) 감소한다.
그리고 5 GHz대역의 공진 주파수는 d가 커질수록 4.95 GHz, 5.05 GHz, 5.1 GHz로 저주파수 대역으로 이동하여 5 GHz WLAN 대역을 만족시킨다.
도 8은 도 6에 도시된 안테나의 스터브의 길이를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 스터브(635) 길이인 b를 변화시켰을 때 VSWR 특성이 변화하는 것을 도시하고 있다. d=2 mm일 때, b가 0 mm, 3mm, 5 mm로 커질수록 VSWR<2 기준으로 5 GH대역의 공진 주파수가 5.5 GHz, 5.3 GHz, 5.1 GHz로 이동한다. 이는 b의 길이가 커질수록 안테나의 물리적인 길이가 증가하여 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동하게 된다는 것을 의미한다.
시뮬레이션을 통하여 추출한 최적화 파라미터는 표 2와 같다.
Figure 112011067188118-pat00002
도 9는 도 6에 도시된 안테나의 시뮬레이션과 제작된 안테나의 VSWR특성을 비교한 그래프이다.
측정결과 VSWR<2 기준으로 2.1 GHz - 3.1 GHz(34%)와 5.12 GHz - 6 GHz(15.83%)을 만족하므로 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.
따라서 제작된 안테나는 Wibro 대역(2.3 - 2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4 - 2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5 - 2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605 - 2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4 - 2.485 GHz, 5.15 - 5.825 GHz)을 동시에 지원할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 평면형 안테나의 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 평면형 안테나는 유전체 기판(1010), 접지면(1020), 수평 복사패치(1030), 스터브(1035), 제1 수직 복사패치(1040), 제2 수직 복사패치(1050), 연결패치(1055), 및 급전부(1060)로 구성된다.
도 6에 도시된 평면형 안테나와 도 10에 도시된 평면형 안테나의 차이점을 중심으로 이하 설명하기로 한다.
도 10에 도시된 평면형 안테나는 접힌 미앤더 패치의 두께를 일정하게 했을 때의 형상이다. 즉, 수평 복사패치(1030), 스터브(1035), 제1 수직 복사패치(1040), 제2 수직 복사패치(1050), 및 연결패치(1055)의 두께가 일정하게 형성되어 있다.
유전체 기판(1010)은 유전율이 4.6, loss tangent가 0.025인 글래스 에폭시(FR-4) 기판을 사용할 수 있다. 유전체 기판(610)의 전체 크기는 10 mm(W) * 50 mm(L) * 0.8 mm(t)으로 하는 것이 바람직하다.
접지면(1020)은 유전체 기판(1010)의 일면에 형성되어 있으며, 접지면(1020)의 크기는 10 mm * 40 mm이다.
수평 복사패치(1030), 스터브(1035), 제1 수직 복사패치(1040), 및 제2 수직 복사패치(1050), 및 연결패치(1055)로 구성된 안테나 패치의 크기는 10 mm * 9.5 mm이다.
도 10b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 접힌 미앤더 패치(1030, 1040, 1050, 1055)와 스터브(1035)로 구성되어있다. 안테나 패치(1030, 1035, 1040, 1050, 1055)와 접지면(1020)은 동일면에 위치하여 있고, 급전부(1060)은 50-Ω 동축 케이블로 접힌 미앤더 패치에 급전한다.
도 11은 도 10에 도시된 제2 수직 복사패치의 길이를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
L2는 도 10에 도시된 제2 수직 복사패치(1050)의 길이이다. L2가 8 mm에서 8.6 mm, 9.2 mm로 증가할수록 VSWR<2 기준으로 2 GHz 서비스는 유지되지만, 5 GHz의 공진 주파수가 5.35 GHz, 5.2 GHz, 5.05 GHz로 저주파수 대역으로 이동한다.
도 12는 도 10에 도시된 스터브의 길이를 변화시킬 때의 VSWR 특성을 나타낸 것이다.
L3은 도 10에 도시된 스터브(1035)의 길이이다. L3가 0 mm일 때 2 GHz의 서비스 대역은 만족시키지만, 5 GHz의 주파수 대역은 VSWR<2 기준을 만족하지 못한다. L3가 3 mm, 6 mm 커질수록 VSWR<2 기준으로 5.5 GHz, 5.1 GHz로 공진주파수가 저주파수 대역으로 이동한다. 스터브(1035)의 길이가 커질수록 안테나의 물리적 길이도 증가하여, 5 GHz 대역의 공진주파수가 저주파수 대역으로 이동하게 된다. 따라서, L3이 6 mm일 때, 5 GHz의 주파수 대역을 만족함을 알 수 있다.
시뮬레이션을 통하여 추출한 최적화 파라미터는 표 3과 같다.
Figure 112011067188118-pat00003
도 13은 도 10에 도시된 안테나의 시뮬레이션과 제작된 안테나의 VSWR특성을 비교한 그래프이다.
측정결과 VSWR<2 기준으로 2.1 GHz - 3.1 GHz(34%)와 5.14 GHz - 6 GHz(15.43%)을 만족하므로 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.
따라서, 제작된 안테나는 Wibro 대역(2.3 - 2.4 GHz), Bluetooth 대역(2.4 - 2.484 GHz), WiMAX 대역(2.5 - 2.7 GHz), 위성 DMB 대역(2.605 - 2.655 GHz), 및 무선랜 802.11b/g/a WLAN대역(2.4 - 2.485 GHz, 5.15 - 5.825 GHz)을 단일 안테나로 동시에 지원할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 방사 패턴이다.
전자파 무반사실에서 측정한 결과 2.3 GHz, 2.5 GHz, 5.3 GHz, 5.5 GHz에서 거의 전방향성의 방사 패턴을 보이는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112011067188118-pat00004
또한, 표 4는 측정된 방사 효율과 이득을 나타낸 것으로 방사효율은 전 주파수대역에서 74% 이상이고, 이득은 2.5 GHz에서 5.89 dBi로 가장 높고, 5.3 GHz에서 3.27 dBi로 가장 낮음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 전 주파수 대역에서 거의 전방향성의 방사 패턴을 보이고, 높은 방사 효율과 고 이득을 가지므로 다중대역 무선 USB 동글용 내장형 안테나로 적합함을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안테나는 5중 대역 서비스를 위한 무선USB 동글용 초소형 다중 대역 안테나로 이용할 수 있다. 특히, 전자 기기에 부착이 쉬운 플러그 앤 플레이 방식의 USB 동글 안테나로 이용이 가능하고, 유전체 단면에만 설계 되어 있기 때문에 간단한 공정을 통해 안테나를 쉽게 제작할 수 있다. 또한 USB 동글 안테나의 실장 환경을 고려한 50 mm * 10 mm * 1 mm크기의 기판에 그라운드가 차지하는 면적은 40 mm * 10 mm이고 나머지 공간에 안테나 패치가 들어있다. 따라서 기존의 USB동글 장치는 단일 대역 안테나에 단일 서비스 대역을 지원했지만, 제작한 안테나는 다중 대역의 특성과 더불어 크기도 50%이상 줄여 소형화뿐만 아니라 휴대성을 높였다. 또한, 제작한 단일 안테나로 WiBro (2.3 - 2.39 GHz), WLAN (2.4 - 2.483 GHz, 5.15 - 5.825 GHz), WiMAX (2.5 - 2.7 GHz, 3.4 - 3.6 GHz), S-DMB (2.605 - 2.655 GHz), ISM/Bluetooth (2.4 - 2.480 GHz) 등 다중 서비스 대역을 동시에 이용할 수 있는 우수성이 있다.
도 15는 최적화된 설계 파라미터를 바탕으로 제작된 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 실제 USB 동글 장치에 적용되는 플라스틱 케이스에 실장한 사진이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
무선 USB 동글용 다중대역 안테나
110 : 유전체 기판 120 : 접지면
130 : 수평 복사패치 140 : 제1 수직 복사패치
150 : 제2 수직 복사패치 160 : 급전부
610 : 유전체 기판 620 : 접지면
630 : 수평 복사패치 635 : 스터브
640 : 제1 수직 복사패치 650 : 제2 수직 복사패치
660 : 급전부 1010 : 유전체 기판
1020 : 접지면 1030 : 수평 복사패치
1035 : 스터브 1040 : 제1 수직 복사패치
1050 : 제2 수직 복사패치 1055 : 연결패치
1060 : 급전부

Claims (8)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면;
    상기 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치;
    상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치;
    상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치;
    상기 수평 복사패치로 급전하는 급전부; 및
    상기 제1 수직 복사패치로부터 연장 형성되어, 상기 접지면의 한 변에 수평한 형태로 구성된 스터브를 포함하는 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 수직 복사패치와 상기 제2 수직 복사패치 사이의 거리를 조절하여 복사패치 간의 커플링을 조절하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 스터브의 길이가 길어질수록 상기 안테나의 물리적인 길이가 증가하여 상기 안테나의 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 수직 복사패치의 일부의 폭이 다른 부분의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 수직 복사패치의 일부의 폭이 다른 부분의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일면에 형성된 접지면;
    상기 접지면의 한 변에 수평한 바(bar) 형태로 구성된 수평 복사패치;
    상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 수평 복사패치의 일단과 연결된 제1 수직 복사패치;
    상기 접지면의 한 변에 수직하게 형성되고, 상기 제1 수직 복사패치의 일단과 연결된 제2 수직 복사패치;
    상기 제1 수직 복사패치와 상기 제2 수직 복사패치를 연결하는 연결패치;
    상기 수평 복사패치로 급전하는 급전부; 및
    상기 제1 수직 복사패치로부터 연장 형성되어, 상기 접지면의 한 변에 수평한 형태로 구성된 스터브를 포함하고,
    상기 수평 복사패치, 상기 제1 수직 복사패치, 상기 제2 수직 복사패치, 상기 연결패치, 및 상기 스터브의 두께가 일정한 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 수직 복사패치의 길이가 길어질수록 상기 안테나의 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 스터브의 길이가 길어질수록 상기 안테나의 공진 주파수가 저주파수 대역으로 이동하는 것을 특징으로 하는 안테나.
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