KR101426446B1

KR101426446B1 - 초광대역 안테나 장치

Info

Publication number: KR101426446B1
Application number: KR1020110096359A
Authority: KR
Inventors: 김동환
Original assignee: 삼성탈레스 주식회사
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2014-08-05
Also published as: KR20130032635A

Abstract

본 발명은, 초광대역 안테나 장치에 있어서, 기판; 상기 기판의 일면에 제공되는 방사 패치; 상기 방사 패치의 일측에 제공되는 스터브(stub); 상기 기판의 타면에 제공되는 동축 선로; 및 상기 방사 패치를 상기 동축 선로에 연결하는 단일평면 도파로 구조의 마이크로스트립 전송 선로를 포함하고, 상기 기판의 타면에서 상기 방사 패치가 배치된 영역에 대응하는 영역의 주위에 그라운드 면이 형성되는 안테나 장치를 개시한다.

Description

초광대역 안테나 장치 {ULTRA WIDE BAND ANTENNA DEVICE}

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히, 초광대역 특성을 가지면서 휴대용 단말기에 장착될 수 있을 정도로 소형화가 용이한 초광대역 안테나 장치에 관한 것이다.

초광대역 통신은 대체로 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 이루어지는 무선 통신을 지칭하는 것으로서, 군사용 목적으로 제한된 범위에서만 주로 활용되어 왔다. 2000년대에 들어 이러한 주파수 대역의 상업적 사용이 허용되어 상용화가 가능해졌다. 초광대역 통신 기술은 무선 주파수(radio frequency) 반송파 대신에 1nsec 이하의 폭이 좁은 펄스 신호를 이용하여 정보를 전송하는 기술로서, 펄스의 특성으로 인하여 광대역에 걸쳐 기저대역 잡음과 같이 낮은 전력 스펙트럼이 존재하기 때문에, 현재 상용화된 다른 무선 통신 시스템과의 간섭 없이 송수신이 가능하다. 또한, 대역폭을 광대역으로 취할 수 있기 때문에, 현재 상용화된 무선 통신 시스템과 비교하여 현저하게 빠른 전송 속도를 확보할 수 있다.

초광대역 통신을 상용화하기 위해서는, 이동성을 보장할 수 있는 초광대역 안테나 장치가 필수적으로 요구된다. 이동성을 보장하기 위해서는, 이동통신 단말기로 대표되는 휴대용 단말기에 탑재할 수 있도록 소형화되어야 하며, 제작이 용이하고 저렴하면서, 펄스 신호의 왜곡이 적어야 할 것이다. 이러한 초광대역 안테나 장치는 국내 공개특허 제2005-10549(2005. 01. 28. 공개), 국내 등록특허 제980,779호(2010. 09. 01.) 등을 통해 다양하게 제안되고 있다.

그러나 이미 개발되어 있는 초광대역 안테나 장치는 상용화된 휴대용 단말기에 내장할 수 있을 정도로 소형화되지 못하였으며, 또한, 단말기에 내장하는 경우에는 안테나 효율과 대역폭의 저하, 누설 전류 등으로 인한 안테나 특성이 왜곡되는 등의 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 소형화가 용이하여 휴대용 단말기에 내장할 수 있는 초광대역 안테나 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 휴대용 단말기에 내장하더라도 효율과 대역폭 및 방사 특성 등을 충분히 확보할 수 있는 초광대역 안테나 장치를 제공하고자 한다.

이에, 본 발명은, 초광대역 안테나 장치에 있어서,

기판;

상기 기판의 일면에 제공되는 방사 패치;

상기 방사 패치의 일측에 제공되는 스터브(stub);

상기 기판의 타면에 제공되는 동축 선로; 및

상기 방사 패치를 상기 동축 선로에 연결하는 단일평면 도파로 구조의 마이크로스트립 전송 선로를 포함하고,

상기 기판의 타면에서 상기 방사 패치가 배치된 영역에 대응하는 영역의 주위에 그라운드 면이 형성되는 안테나 장치를 개시한다.

상기 기판은 유전체 기판임이 바람직하며, 상기 동축 선로 및 마이크로스트립 전송 선로의 특성 임피던스는 50[Ω]임이 바람직하다.

상기 마이크로스트립 전송 선로의 일단부는 일단에 근접할수록 그 폭이 점차 감소하여 상기 스터브에 접속하는 테이퍼 형상일 수 있다.

상기 방사 패치는, 상기 마이크로스트립 전송 선로에 연결된 제1 패치부; 상기 제1 패치부의 둘레 중 적어도 일부분을 둘러싸게 제공되는 제2 패치부; 및 상기 제1, 제2 패치부 사이에 형성되는 슬롯을 포함할 수 있다.

이때, 상기 슬롯은 기 설정된 주파수 대역의 특성 파장의 1/4 길이임이 바람직하다.

상기와 같은 안테나 장치는 상기 마이크로스트립 전송 선로의 양측에 각각 제공되는 그라운드 패치를 더 구비할 수 있으며, 상기 그라운드 패치는 상기 마이스크로스트립 전송 선로와 수직하는 방향으로 연장됨이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 초광대역 안테나 장치는 소형화가 가능하여, 상용화된 휴대용 단말기에 탑재하더라도 단말기의 소형화에 장애가 되지 않으면서, 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 2.0 이하의 전압정재파비(VSWR)를 만족하는 특성을 가지고 있다. 따라서 현재의 이동통신 서비스에 추가의 주파수 대역에서 다양한 무선 통신 기능을 휴대용 단말기에 탑재하는 것이 용이한 장점이 있다. 또한, 방사 패치에 슬롯을 형성할 경우, 슬롯의 길이에 따라 특정 주파수에 대한 대역 저지 특성을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초광대역 안테나 장치를 나타내는 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치를 다른 방향에서 바라본 모습을 나타내는 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치를 도식적으로 나타내는 도면,
도 4는 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 방사 패치 및 그 급전 구조를 나타내는 도면,
도 5는 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 방사 패치와 그라운드 면 사이 간격에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프,
도 6은 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 동축 선로 급전 위치에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프,
도 7은 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 스터브 길이에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프,
도 8은 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 스터브 폭에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프,
도 9는 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 마이크로스트립 전송 선로의 테이퍼 구조에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프,
도 10은 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 전압정재파비를 나타내는 그래프,
도 11 내지 도 15는 주파수 대역에 따른 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 방사 패턴을 각각 나타내는 그래프,
도 16은 도 1에 도시된 초광대역 안테나 장치의 대역 저지 특성을 설명하기 위한 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초광대역 안테나 장치(100)는 기판(101)의 일면에 방사 패치(121), 스터브(127), 마이크로스트립 전송 선로(123)를 배치하고, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)를 통해 타면에 제공되는 동축 선로(131)와 방사 패치(121)를 연결하고, 타면에는 상기 방사 패치(121)가 배치된 영역에 대응하는 영역의 주위에 그라운드 면(111)을 형성한다.

상기 기판(101)은 유전체 기판이 바람직하며, 비유전율이 4.9(loss tangent = 0.025)인 FR4기판을 40mm×100mm×1mm(폭×길이×두께) 내외의 크기로 제작하여 휴대용 단말기에 수용할 수 있게 된다. 이때, 상기 방사 패치(121) 등을 설치하기 위하여, 상기 기판(101)의 일면에는 20mm×11mm의 영역을 확보하며, 상기 방사 패치(121)의 크기는 10mm×11mm로 제작하여 상기 기판(101)의 일면에 확보된 영역 내에 배치할 수 있다. 상기 방사 패치(121)가 배치되는 영역은 상기 기판(101)의 일면에서 일측 모서리에 접하게 설정하였으며, 상기 기판(101)의 타면에는 상기 방사 패치(121)가 배치되는 영역과 대응되는 영역의 주위에, 더 바람직하게는, 상기 방사 패치(121)가 배치되는 영역과 대응되는 영역을 제외한 전체 영역에 상기 그라운드 면(111)이 형성된다.

상기 방사 패치(121)는 무선 신호를 방사하거나 수신하는 것으로서, 인쇄회로 방식으로 상기 기판(101)의 일면에 형성되거나, 동박 등을 적절한 형상으로 제작하여 상기 기판(101)의 일면에 부착할 수 있다.

상기 방사 패치(121)에 급전을 제공하기 위해, 50[Ω]의 특성 임피던스를 가지는 상기 동축 선로(131)가 상기 기판(101)의 타면에 접속되는데, 상기 동축 선로(131)와 상기 방사 패치(121) 사이에 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)가 배치되어 상기 방사 패치(121)의 급전 선로를 형성한다. 상기 마이크로스트립 전송 선로(123) 또한 50[Ω]의 특성 임피던스를 가지는 것이 바람직하다.

상기 마이크로스트립 전송 선로(123)와 상기 방사 패치(121)를 연결함에 있어, 상기 방사 패치(121)의 일측에서 상기 방사 패치(121)와 상기 마이크로스트립 전송 선로(123) 사이에 상기 스터브(127)를 배치함이 바람직하다. 상기 스터브(127)는 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)와 방사 패치(121) 사이에서 임피던스 정합을 이루어 상기 안테나 장치(100)의 광대역 특성을 확보하게 된다.

상기 마이크로스트립 전송 선로(123)를 상기 스터브(127)와 연결함에 있어서, 상기 스터브(127)에 연결되는 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 일단부(125)는 그 일단에 근접할수록 폭을 점차 감소시켜 테이퍼 형상을 가지게 함이 바람직하다. 이러한 마이크로스트립 전송 선로(123)의 형상은 상기 방사 패치(121)의 입력 임피던스와 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 임피던스 간의 급격한 변화를 완화시켜 신호 전송 특성을 향상시키게 된다. 더욱이, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 양측에 각각 그라운드 패치(113)를 배치하여 단일 평면 도파로 구조를 이루게 한다면, 상기 안테나 장치(100)의 신호 전송 특성을 더 향상시킬 수 있다. 상기 그라운드 패치(113)는 테이퍼 형상을 가지는 부분, 즉, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 일단부(125) 양측에 각각 배치하는 것이 바람직하다. 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 타단은 상기 동축 선로(131)에 접속된다.

한편, 상기 방사 패치(121)에 슬롯(121c)을 형성하여 대역 저지 특성을 확보할 수 있다. 상기 슬롯(121c)은 상기 방사 패치(121)를 가로지르게 연장되어 상기 방사 패치(121)를 두 부분으로 분할하게 된다. 따라서 상기 방사 패치(121)는 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)에 연결된 제1 패치부(121a)와 상기 제1 패치부(121a)의 둘레 중 적어도 일부분을 둘러싸게 제공되는 제2 패치부(121b)로 이루어지되, 상기 제1, 제2 패치부(121a, 121b) 사이에 상기 슬롯(121c)이 배치된다. 상기 슬롯(121c)을 형성함에 있어서, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)와 연결되는 방향을 제외하고, 나머지 3면에서 상기 제1 패치부(121a)는 상기 제2 패치부(121b)에 의해 둘러싸이게 형성함이 바람직하다.

상기 슬롯(121c)에 의해 감쇄되는 주파수 대역은 상기 슬롯(121c)의 길이에 의해 결정된다. 구체적으로, 감쇄하고자 하는 주파수 대역의 특성 파장의 1/4 길이로 상기 슬롯(121c)을 형성하게 된다. 예를 들면, 5.8GHz 대역의 신호를 감쇄하고자 한다면, 해당 주파수 대역의 특성 파장의 1/4에 해당하는 7mm의 길이로 상기 슬롯(121c)을 형성하는 것이다. 상기와 같은 슬롯(121c)을 형성함으로써, 해당 주파수 대역에서는 전류가 반대로 흐르게 된다.

도 5는 상기 방사 패치(121)와 상기 그라운드 면(111) 사이의 간격, 즉, 도 3의 'I'로 지시된 길이에 따른 상기 안테나 장치(100)의 반사 손실을 주파수 대역별로 나타내는 그래프로서, 상기한 간격(I)이 그래프에 지시된 g_w 값으로 나타내지며, mm 단위이다. 대략 10mm 이상이면, 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위 내에서는 -10[dB] 이하의 반사 손실을 나타냄을 알 수 있으며, 상기한 간격(I)의 최적값으로는 10mm로 설정된다.

도 6은 상기 동축 선로(131)의 급전 위치, 실질적으로, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 길이(L)에 따른 상기 안테나 장치(100)의 반사 손실을 주파수 대역별로 나타내는 그래프로서, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 길이(L)은 strip_feed 값으로 나타내지며, mm 단위이다. 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 길이(L)가 4~6mm이면, 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위 내에서는 -10[dB] 이하의 반사 손실을 나타냄을 알 수 있으며, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 길이(L)의 최적값으로는 5.5mm로 설정된다.

도 7은 상기 스터브(127)의 길이, 구체적으로, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 길이 방향에서의 상기 스터브(127) 길이에 따른 상기 안테나 장치(100)의 반사 손실을 주파수 대역별로 나타내는 그래프로서, 상기 스터브(127) 길이는 patch_l2 값으로 나타내지며, mm 단위이다. 측정한 모든 길이에서, 즉, 상기 스터브(127)의 길이가 0.5~1.5mm인 범위에서는 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 -10[dB] 이하의 반사 손실을 나타냄을 알 수 있으며, 상기 스터브(127)의 길이의 최적값은 1mm로 설정된다.

도 8은 상기 스터브(127)의 폭에 따른 상기 안테나 장치(100)의 반사 손실을 주파수 대역별로 나타내는 그래프로서, 상기 스터브(127) 폭은 patch_w3 값으로 나타내지며, mm 단위이다. 상기 스터브(127)의 폭이 대략 7mm 이상이라면 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위 내에서는 -10[dB] 이하의 반사 손실을 나타냄을 알 수 있으며, 상기 스터브(127)의 폭의 최적값은 9mm로 설정된다.

도 9는 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 테이퍼 형상 단부의 폭, 즉, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)와 상기 스터브(127)가 연결된 부분의 폭에 따른 상기 안테나 장치(100)의 반사 손실을 주파수 대역별로 나타내는 그래프로서, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)와 상기 스터브(127)가 연결된 부분의 폭은 feed_w1 값으로 나타내지며, 단위는 mm이다. 측정한 모든 폭에서, 즉, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 단부 폭이 0.5~1.7mm인 범위에서는 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 -10[dB] 이하의 반사 손실을 나타냄을 알 수 있으며, 상기 마이크로스트립 전송 선로(123)의 단부 폭의 최적값은 0.5mm로 설정된다.

도 10은 상기 안테나 장치(100)에서 슬롯(121c)을 형성하지 않은 상태로 전압정재파비를 주파수 대역별로 나타내는 그래프로서, 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 상기 안테나 장치(100)의 전압정재파비는 2.0 이하로 유지됨을 알 수 있다.

도 11 내지 도 15는 주파수에 따른 상기 안테나 장치(100)의 방사 패턴을 나타내는 그래프들로서, 각 도면의 (a)는 X-Z 평면의 방사 패턴을, (b)는 Y-Z 평면의 방사 패턴을 나타내며, 도 11로부터 순차적으로 3.1GHz, 5GHz, 7GHz, 9GHz, 10.6GHz의 주파수에서의 방사 패턴을 각각 도시한다. 도 11 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 주파수 대역과 방향에 따라 다소 편차는 있지만, 상기 안테나 장치(100)는 대체로 무지향성(ommi-directional)을 가짐을 알 수 있다.

도 16은 상기 슬롯(121c)이 형성된 상기 안테나 장치(100)의 전압정재파비를 나타내는 그래프로서, 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 5.8GHz 대역을 제외하면 상기 안테나 장치(100)의 전압정재파비는 2.0 이하로 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 슬롯(121c)을 형성함으로써, 5.8GHz 대역의 신호가 감쇄되는 것이다.

도 5 내지 도 16을 통해 나타난 바와 같이, 상기 안테나 장치(100)는 상기 방사 패치(121)의 위치, 마이크로스트립 전송 선로(123)의 길이, 스터브(127)의 폭과 길이, 마이크로스트립 전송 선로(123)와 방사 패치(121), 더 구체적으로는 마이크로스트립 전송 선로(123)와 스터브(127) 접속 부분의 폭, 슬롯(121c)의 길이 등을 조절함으로써, 그 방사 특성을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기와 같은 구조의 안테나 장치(100)는 3.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 대체로 2.0 이하의 정압정재파비를 나타내고 있는 바, 휴대용 단말기 등에 탑재하여 실용화가 가능함을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

100: 안테나 장치 101: 기판
111: 그라운드 면 113: 그라운드 패치
121: 방사 패치 123: 마이크로스트립 전송 선로
127: 스터브

Claims

초광대역 안테나 장치에 있어서,
기판;
상기 기판의 일면에 제공되는 방사 패치;
상기 방사 패치의 일측에 제공되는 스터브(stub);
상기 기판의 타면에 제공되는 동축 선로;
상기 방사 패치를 상기 동축 선로에 연결하는 마이크로스트립 전송 선로;
상기 기판의 타면에서 상기 방사 패치가 배치된 영역에 대응하는 영역의 주위에 형성된 그라운드 면;
상기 마이크로스트립 전송 선로의 양측에 각각 제공되는 그라운드 패치를 구비하고,
상기 마이크로스트립 전송 선로의 일단부는 그 폭이 점차 감소하여 상기 스터브에 접속하는 테이퍼 형상이고, 상기 그라운드 패치는 상기 마이크로스트립 전송 선로의 테이퍼 형상 부분의 양측에 각각 제공되며,
상기 방사 패치가 기판의 일면에서 일측 모서리에 접하게 배치되며,
상기 그라운드면이 기판의 타면에 배치되어 상기 기판의 타면 전체 영역 중에서 상기 방사패치의 대응되는 영역을 제외한 영역에 형성됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 기판은 유전체 기판임을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 동축 선로 및 마이크로스트립 전송 선로의 특성 임피던스는 50[Ω]임을 특징으로 하는 안테나 장치.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 방사 패치는,
상기 마이크로스트립 전송 선로에 연결된 제1 패치부;
상기 제1 패치부의 둘레 중 적어도 일부분을 둘러싸게 제공되는 제2 패치부; 및
상기 제1, 제2 패치부 사이에 형성되는 슬롯을 포함함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제5 항에 있어서, 상기 슬롯은 기 설정된 주파수 대역의 특성 파장의 1/4 길이임을 특징으로 하는 안테나 장치.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 그라운드 패치는 상기 마이크로스트립 전송 선로와 수직하는 방향으로 연장됨을 특징으로 하는 안테나 장치.