KR101349519B1

KR101349519B1 - 안테나

Info

Publication number: KR101349519B1
Application number: KR1020070118881A
Authority: KR
Inventors: 권홍일
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2014-01-08
Also published as: KR20090052410A

Abstract

실시예에 따른 안테나는 유전체층; 상기 유전체층의 상면에 형성되고, 상기 유전체층의 일측단을 따라 형성된 제1 안테나층, 상기 제1 안테나층으로부터 상기 유전체층의 타측 끝단까지 형성된 제2 안테나층 및 제3 안테나층을 포함하는 안테나층; 상기 제2 안테나층 및 상기 제3 안테나층과 연결되고 상기 유전체층의 타측에 형성된 접지 연결층을 포함한다.

실시예에 의하면, 소형이면서도 접지면이 넓게 확보된 PIFA 구조를 통하여 안테나의 송수신 성능을 향상시킬 수 있고, 태그와 같이 제한된 배치 공간을 가지는 장치에 용이하게 안테나를 장착할 수 있는 효과가 있다. 또한, 단락핀을 이용하여 안테나의 임피던스를 조절할 수 있으므로, 단일 안테나 제품으로 태그칩의 다양한 임피던스를 매칭시킬 수 있는 효과가 있다.

안테나, PIFA, 임피던스 정합, PEC, 안테나층, 유전체층, 도전체층

Description

안테나{Antenna}

실시예는 안테나에 대하여 개시한다.

안테나는 전압/전류로 표현되는 전기적 신호와 전기장/자기장으로 표현되는 전자기파를 상호 변환해주는 장치로서, 안테나 외부의 전자기장의 변화와 안테나 내부의 도선상의 전기적 신호를 상호 연동시키게 된다.

RFID(Radio Frequency IDentification) 송수신 장치는 무선 주파수를 사용하여 태그(tag)가 가지고 있는 정보를 비접촉식으로 인식하거나 기록하는 장치로서, 이를 이용하면 태그가 부착된 물건이나 사람 등을 인식, 추적, 관리할 수 있게 된다. 이러한 RFID 송수신 장치는 고유한 식별정보를 가지고 있으며 물건이나 동물 등에 부착되는 태그(Tag 또는 Transponder), 태그가 가지고 있는 식별정보를 읽거나 기록하기 위한 리더(Reader 또는 Interrogator)를 포함한다.

특히, 이동성을 전제로 하는 태그의 경우 크기에 제약을 가지므로 안테나를 배치설계하는데 많은 어려움이 있다.

예를 들어, 다이폴 형태의 태그 안테나로는 도체가 프린트된 필름형 안테나가 많이 사용되는데, 이러한 태그 안테나는 접지면에 부착되면 단락 상태가 되어 안테나로서의 기능을 수행할 수 없게 된다.

또한, 용량성 임피던스를 가지는 태그 칩과의 공액 정합을 위하여, 태그 안테나는 유도성 임피던스를 가져야 하나 필름형 태그 안테나의 구조로는 이를 구현하기 어렵다.

따라서, 태그 칩제품의 종류에 맞추어 태그 안테나 역시 다양한 크기 및 형태의 제품으로 생산되어야 하므로 생산 효율이 저하되고 대량 생산이 어려워지는 문제점이 있다.

현재, 태그 안테나의 접지 구조를 개선하여 접지면을 일체형으로 제작하여 확장한 제품이 개발되고 있으나, 단락 상태를 회피하기 위하여 일정한 높이를 확보해야 하는 등 크기가 크고 가격이 고가이므로, 저렴하고 작은 사이즈의 태그 제품을 생산하는데 제약이 된다.

실시예는 임피던스 조절이 용이하고, 소형이면서도 접지면이 넓게 확보되어 송수신 성능이 향상된 안테나를 제공한다.

실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 소형이면서도 접지면이 넓게 확보된 PIFA 구조를 통하여 안테나의 송수신 성능을 향상시킬 수 있고, 태그와 같이 제한된 배치 공간을 가지는 장치에 용이하게 안테나를 장착할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 단락핀을 이용하여 안테나의 임피던스를 조절할 수 있으므로, 단일 안테나 제품으로 태그칩의 다양한 임피던스를 매칭시킬 수 있는 효과가 있다.

셋째, 가공이 용이한 단순한 인쇄기판 형태로 PIFA 구조를 제작할 수 있으므로, 안테나의 이용분야를 확대할 수 있고 대량 생산이 가능하며 생산 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

넷째, 실시예에 따른 안테나를 이용하면 소형이면서도 저렴한 태그 제품을 제조할 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 안테나에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 제1 실시예에 따른 안테나(100)의 구조를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 안테나(100)는 안테나층(110), 유전체층(120), 접지 연결층(130), 접지층(140), 쇼팅(shtrting)핀(170)을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 안테나층(110)은 제1 안테나층(112), 제2 안테나층(114), 제3 안테나층(116)을 포함하며, 상기 제3 안테나층(116)은 상부 제3 안테나층(116a), 하부 제3 안테나층(116b)을 포함한다.

상기 안테나(100)는 다양한 RF 통신 시스템에 이용될 수 있으나, 실시예에서는 900 MHz 대역의 주파수를 이용하는 RFID(Radio Frequency IDentification) 태그에 사용된 것을 예시한다.

상기 유전체층(120)의 상면에 안테나층(110)이 형성되고, 측면에 접지 연결층(130)이 형성되며, 하면에 접지층(140)이 형성된다.

또한, 상기 유전체층(120)은 RF신호의 효율적인 방사를 위하여 정사각형, 직사각형 등의 사각형 구조를 가질 수 있으며, 유전체 기판(예: FR-4) 또는 절연체(예; 절연 필름) 등으로 형성될 수 있다.

상기 유전체층(120)이 유전체 기판으로 형성되는 경우, 기판 면의 동박을 식 각하여 상기 안테나층(110), 접지 연결층(130), 접지층(140)이 형성될 수 있으며, 유전체층(120)의 유전율(예; 3.5~4.7)에 따라 안테나(100)의 용량성 리액턴스를 조절할 수 있다.

또한, 상기 유전체층(120)이 절연 필름을 사용하여 형성되는 경우, PET 필름, 폴리이미디(PI), 폴리에틸렌나프타레이트(PEN), 폴리염화비닐(PVC), 종이, 아세테이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄산 칼슘을 가진 폴리 프로필렌, 아크릴로니틀릴 부타디엔 스틸렌(ABS) 또는 플라스틱 등의 재질이 사용될 수 있으며, 상기 안테나층(110), 접지 연결층(130), 접지층(140)은 절연 필름 면에 도전물질이 도포됨으로써 형성될 수 있다.

실시예에서 상기 유전체층(120)은 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board) 공정을 통하여 형성된 것으로 한다.

상기 제1 안테나층(110)은 상기 유전체층(120)의 상면에 형성되고, 상기 유전체층(120)의 일측단을 따라 라인 형태로 형된다.

상기 제2 안테나층(114)과 제3 안테나층(116)은 상기 제1 안테나층(110)으로부터 상기 유전체층(120)의 타측 끝단까지 수직하게 연장형성되는데, 상기 제2 안테나층(114)은 제1 안테나층(110)의 라인 끝단으로부터 연장형성된다.

또한, 상기 제3 안테나층(116)은 제2 안테나층(114)의 옆 그리고 제1 안테나층(110)의 중간 부분에 형성되는데, 상기 제2 안테나층(114)과 수평을 이루어 나란히 형성된다.

상기 제2 안테나층(114)과 제3 안테나층(116) 사이의 간격은 커패시턴스 성 분을 유발하며, 각 안테나층(112, 114, 116)이 가지는 특성 임피던스에 따라 조정될 수 있다.

예를 들어, 상기 특성 임피던스는 각 안테나층(112, 114,116)의 길이, 폭, 두께 등에 따라 차별화될 수 있다.

상기 안테나층(110)은 칩소자(150)로부터 전달된 전류 또는 대기 중의 에너지 신호에 의한 전류가 흐르는 선로로서, 소정의 폭을 가지는 마이크로스트립 라인 또는 도전성 물질이 도포되어 형성될 수 있다.

가령, 상기 안테나층(110)은 0.8~1.2mm의 폭을 가지는 마이크로스트립 라인으로 형성될 수 있다.

상기 제3 안테나층(116)은 칩소자(150)가 배치되는 피딩 포인트(feeding point)를 형성하기 위하여, 중간 부분이 분리되어 이격 영역을 형성한다.

두 부분으로 분리된 제3 안테나층(116)의 부분 중 상부 제3 안테나층(116a)은 상기 제1 안테나층(112)과 연결되고, 하부 제3 안테나층(116b)은 접지 연결층(130)과 연결된다.

상기 칩소자(150)는 제3 안테나층(116)에 형성된 이격 영역에 다이본딩되고, 연결부재(152)를 통하여 상부 제3 안테나층(116a) 및 하부 제3 안테나층(116b)과 전기적으로 연결된다.

상기 칩소자(150)는 RF 송수신 회로, 제어로직 및 메모리 등이 내장될 수 있으며, 상기 안테나(100)를 통해 RF 주파수를 송수신한다.

상기 칩소자(150)는 상부 제3 안테나층(116a)과 하부 제3 안테나층(116b)과 연결됨에 있어서, 전기적인 극성에 대한 방향성이 없으며, 칩소자(150)가 극성 없이 동작되므로 급전 전류는 제3 안테나층(116)의 양측 방향으로 흐른다.

상기 연결부재(152)는 칩소자(150)와 제3 안테나층(116)을 연결시키는 구성부로서, 전도성 패드, 리드 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 칩소자(150)와 제3 안테나층(116)의 전기적인 접속은 플립 칩 본딩 또는 와이어 본딩 방식 등으로 다양하게 이루어질 수 있다.

또한, 실시예에 따른 안테나(100)는 상기 칩소자(150)의 종류에 따라 RFID 태그 또는 RFID 리더용으로 이용될 수 있으며, 이용 환경에 따라 다양한 크기로 제작될 수 있는데, 예를 들면, 상기 유전체층(120)의 크기는 약 140mm×20mm, 두께는 약 1mm 정도로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 안테나층(110)은 약 1mm의 폭 및 0.5mm의 두께로 형성될 수 있다.

상기 접지 연결층(130)은 상기 제1 안테나층(112)이 형성된 유전체층(120)의 끝단과 상호 대향하는 끝단 측면에 형성되며, 상기 제2 안테나층(114) 및 상기 하부 제3 안테나층(116b)과 연결된다.

상기 접지 연결층(130)은 그 크기에 제한이 없으나, 제1 안테나층(112)보다 길게 형성되는 것이 좋으며, 상기 끝단 측면 전체에 형성될 수도 있다.

상기 접지층(140)은 유전체층(120)의 하면에 형성되며, 접지 연결층(130)과 연결된다.

즉, 상기 안테나층(110)은 변형된 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 구조를 이루며, 대역폭(band width), 공진 주파수에서의 반사 손실(Return Loss), 임피던 스 매칭 효율 등의 요인에 따라 형태가 조정될 수 있다.

또한, 상기 안테나층(110)이 접지 연결층(130), 접지층(140)과 연결되는 구조는 PIFA의 일부가 유전체층(120)을 사이에 두고 굴곡된 구조로서 유전체층(120) 하면에 접지면을 넓게 확보할 수 있으므로 안테나 성능을 크게 개선시킬 수 있다.

이와 같이 플래너(planar) 형태의 PIFA 구조를 이용한 실시예에 따른 안테나(100)는 변형 및 가공이 용이한 장점을 가진다.

상기 접지층(140)은 넓을 수록 안테나 성능에 좋은 영향을 주므로, 최소한 유전체층(120) 상면의 안테나층(110)이 형성된 영역보다 넓게 형성되는 것이 좋다.

상기 단락핀(170)은 비아홀 구조로 하나 이상 형성될 수 있으며, 상기 유전체층(120)을 관통하여 상기 제2 안테나층(114)과 접지층(140)을 전기적으로 연결시킨다.

상기 단락핀(170)은 안테나층(110)의 전류 분포에 영향을 주어 성능을 향상시키며, 단락핀(170)의 크기, 개수, 위치에 따라 임피던스 조절이 용이하므로 칩소자(150)의 다양한 임피던스를 매칭시킬 수 있다.

즉, 실시예에 따른 안테나(100)에 의하면, 안테나층(110)의 기본 구조를 변형하지 않고 쇼핑핀(170) 구조만을 변형함으로써 다양한 칩소자 제품의 규격을 충족시킬 수 있다.

도 2는 제2 실시예에 따른 안테나의 일부 구조를 도시한 상면도이다.

도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 안테나는 제1실시예와 거의 유사하나, 제4 안테나층(118a, 118b)이 더 형성된 점이 상이하다.

설명의 편의를 위하여, 제1 실시예와 반복되는 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하였다.

상기 제4 안테나층(118a, 118b)은 상기 제2 안테나층(114) 및 상기 제3 안테나층(116)이 형성되지 않은 제1 안테나층(112)의 양측 끝단 중 적어도 하나의 끝단이 1회 이상 굴곡되어 연장형성된다.

제2 실시예에서, 제2 안테나층(114)의 반대측 제1 안테나층(112)의 끝단에 상기 제4 안테나층(118a, 118b)이 형성되는데, 제4 안테나층(118a, 118b)은 제1 안테나층(112)의 끝단이 1차 굴곡되어 아래측으로 수직하게 연장형성되고(118a 부분), 연장형성된 부분이 2차 굴곡되어 제1 안테나층(112)과 수평하게 연장형성되어(118b 부분) 이루어진다.

상기 제4 안테나층(118a, 118b)은 3차 이상 굴곡되어 내부로 꼬인 구조 또는 계단형 구조 등을 가질 수도 있으나, 상기 안테나층(110)의 선로에 형성되는 전자계 영역은 서로 상쇄되는 경우가 있으므로, 도 2에 도시된 제4 안테나층(118a, 118b)은 이러한 요인을 고려하여 설계된 것이다.

도 3은 제3 실시예에 따른 안테나의 일부 구조를 도시한 상면도이다.

도 3을 참조하면, 제3 실시예에 따른 안테나는 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예와 거의 유사하나, 제1 실시예에 비하여 제5 안테나층(118c)이 더 형성된 점, 제2 실시예에 비하여 제4 안테나층(118a, 118b) 대신 제5 안테나층(118c)이 형성된 점이 상이하다.

설명의 편의를 위하여, 제1 실시예 및 제2 실시예와 반복되는 설명은 생략하 기로 하며, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하였다.

상기 제5 안테나층(118c)은 상기 제2 안테나층(114) 및 상기 제3 안테나층(116)이 형성되지 않은 제1 안테나층(112)의 양측 끝단 중 적어도 하나의 끝단이 판형태로 연장형성된다.

제3 실시예에서, 제2 안테나층(114)의 반대측 제1 안테나층(112)의 끝단에 상기 제5 안테나층(118c)이 형성되는데, 제5 안테나층(118c)은 제1 안테나층(112)의 끝단이 판형태를 이루어 형성된다.

상기 제5 안테나층(118c)은 원형, 다각형 등 다양한 판형태를 이룰 수 있으나, 전자계 신호의 상쇄 현상 및 방사 형태를 고려하여 사각 형태로 형성되는 것이 좋다.

상기 소자칩(150)과의 간섭 현상이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 상기 제5 안테나층(118c) 및 3 안테나층(116) 사이에 소정 간격이 확보되는 것이 좋다.

도 4는 제1 실시예에 따른 안테나(100)의 단락핀(170)이 있는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면이고, 도 5는 제1 실시예에 따른 안테나(100)의 단락핀(170)이 없는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면이다.

도 4와 도 5를 비교하면, 단락핀(170)이 있는 경우, 제2 안테나층(114)과 제3 안테나층(116) 전체 영역에 걸쳐 전류가 고르게 분포됨을 알 수 있으며, 이로 인하여 제1 안테나층(112)을 통하여 방사되는 전류 신호의 세기가 더욱 강해짐을 알 수 있다.

이는 단락핀(170)이 접지층(140)과 연결됨으로써 그라운드 성분을 강화시키 기 때문이다.

도 6은 제1 실시예에 따른 안테나(100)에서 신호가 공진되는 경우 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면이다.

도 6에 도시된 방사 패턴은, 제1 실시예에 따른 안테나(100)를 수직으로 위치하고 신호 발생원을 각 축 방향으로의 각도(θ,Φ)를 0도부터 90도까지 순차적으로 이동하면서 측정한 것인데, 패치 안테나의 특성을 관찰할 수 있으며 방사 패턴 상에 표시된 영역들은 전력 이득(dB)의 차이를 나타낸다.

제1 실시예에 따른 안테나(100)의 경우, 접지 성분이 보강된 제1 안테나층(112)을 축으로 하여 형성된 방사 패턴의 형태가 거의 원형에 가까움을 확인할 수 있다.

참고로, 측정 시 정재파비(VSWR)는 -24.73이며, 이득(dB)은 S 파라미터(S1.1; 입력 포트와 출력 포트가 동일함을 의미)에서 3.348 dB로 측정되었다.

도 7은 제1 실시예에 따른 안테나(100)에서 공진되는 신호의 대역을 측정한 그래프인데, y축은 전력 수치(dB)를 나타내고 x축은 주파수 대역(Hz)을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 안테나층(110)에서 공진되는 주파수신호의 대역이 측정되어 있는데, 약 0.90239 GHz 내지 0.91833 GHz 대역(A)에서 공진이 일어나고 이때의 대역폭(BW)은 약 0.01694 GHz이다

이와 같은 제1 실시예에 따른 안테나(100)의 공진 주파수 대역은 북미형 RFID(902~930MHz), 한국형 RFID(908.5~915MHz) 주파수 대역을 모두 포함하는 수치 이다.

따라서, 실시예에 따른 안테나(100)를 이용하면, RFID 통신 채널에 할당된 다수의 주파수 대역을 충족시킬 수 있으며, 따라서 다양한 용도로 이용되는 RFID 태그 또는 RFID 리더와 같은 RFID 송수신 시스템에 활용될 수 있다.

한편, 상기 측정된 주파수 대역 중 "A" 부분은 단락핀(170)이 있는 경우의 측정치이고 "B" 부분은 단락핀(170)이 없는 경우의 측정치로서, 단락핀(170)이 없는 경우 S파라미터가 현저히 작아짐을 알 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 제1 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 사시도.

도 2는 제2 실시예에 따른 안테나의 일부 구조를 도시한 상면도.

도 3은 제3 실시예에 따른 안테나의 일부 구조를 도시한 상면도.

도 4는 제1 실시예에 따른 안테나의 단락핀이 있는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면.

도 5는 제1 실시예에 따른 안테나의 단락핀이 없는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면.

도 6은 제1 실시예에 따른 안테나에서 신호가 공진되는 경우 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면.

도 7은 제1 실시예에 따른 안테나에서 공진되는 신호의 대역을 측정한 그래프.

Claims

유전체층;

상기 유전체층의 상면에 형성되고, 상기 유전체층의 일측단을 따라 형성된 제1 안테나층, 상기 제1 안테나층으로부터 상기 유전체층의 타측 끝단까지 형성된 제2 안테나층 및 제3 안테나층을 포함하는 안테나층;

상기 제2 안테나층 및 상기 제3 안테나층과 연결되고 상기 유전체층의 타측에 형성된 접지 연결층을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 접지 연결층은 상기 유전체층의 타측 끝단의 측면에 형성되고,

상기 접지 연결층과 연결되고, 상기 유전체층의 하면에 형성된 접지층을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제2 안테나층은 상기 제1 안테나층의 일측 끝단으로부터 연장형성되고,

상기 제3 안테나층은 상기 제2 안테나층과 수평을 이루어 나란히 연장형성된 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제2 안테나층 및 상기 제3 안테나층이 형성되지 않은 제1 안테나층의 양측 끝단 중 적어도 하나의 끝단이 1회 이상 굴곡되어 연장형성된 제 4안테나층을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제2 안테나층 및 상기 제3 안테나층이 형성되지 않은 제1 안테나층의 양측 끝단 중 적어도 하나의 끝단이 판형태로 연장형성된 제5 안테나층을 포함하는 안테나.
제2항에 있어서,

상기 유전체층을 관통하여 형성되고, 상기 제2 안테나층 및 상기 접지층을 전기적으로 연결시키는 하나 이상의 단락핀을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서, 상기 제3 안테나층은

상기 제1 안테나층과 연결된 상부 제3 안테나층;

상기 상부 제3 안테나층과 이격되고, 상기 접지 연결층과 연결된 하부 제3 안테나층을 포함하는 안테나.
제7항에 있어서,

상기 상부 제3 안테나층 및 상기 하부 제3 안테나층은 이격 영역에 배치된 칩소자와 전기적으로 연결된 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나층은

PIFA 구조를 이루어 형성되는 안테나.