KR101598853B1 - 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나에 관한 것으로서, 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 상면 일측에 형성되는 상면 접지체와, 상기 유전체 기판의 상면 다른 일측에 형성되는 패치형의 제 1 방사체와, 상기 패치형 방사체의 상부에 탑재되고, 유전체 칩의 상면과 하면의 적어도 일부영역에 도전층이 형성된 칩 구조물의 제 2 방사체 및 상기 제 1 방사체의 급전을 위한 전송선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 널 포인트가 감소하여 우수한 방사특성을 구현하면서도 안테나의 두께를 얇게 유지할 수 있어 우수한 방사특성을 가지면서도 얇은 두께의 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나{PATTERN ANTENNA HAVING IMPROVED RADIOACTIVE CHARACTERISTIC}

본 발명은 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 패치형 안테나의 상부에 칩 안테나 구조물을 형성함으로써 컴팩트한 사이즈에서도 우수한 방사특성을 구현할 수 있는 안테나 기술에 관한 것이다.

안테나는 송신할 때는 송신기에 의해 변조된 교류전압을 전자기파로서 대기 중에 방사(emitting)하고, 반대로 수신할 때는 전자기파를 수신기에 의해 평가된 교류전압으로 변환시키는 기능을 수행하는 것으로서, 형상에 따라서 I형, T형, 역L형, 역F형 등 많은 종류가 있다.

모노폴 안테나로서, 패턴 안테나가 널리 사용된다. 패턴 안테나는 마이크로스트립 안테나의 일종으로 형태는 패치형, 라인형, 미앤더라인형이 있다. 패턴 안테나는 제작이 용이하고 박형인 장점이 있으나, 주파수 대역이 좁고 동손이나 방사손이 큰 단점이 있으며, 그에 따라 방사전력이 약하고 많은 널(NULL)이 존재하는 문제점이 있다.

이러한 패치형 모노폴 안테나의 단점을 해결하기 위한 방안으로서 한국등록특허 제0707242호에는 유전체 칩 안테나가 제안된 바 있다.

도 1은 이러한 종래기술에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이다.

상기 종래기술에 의한 유전체 칩 안테나는 PCB 기판(100) 상에 유전체 칩 안테나(110)를 탑재한 것으로서, 유전체 칩(110)은 유전체(S)의 상면과 하면에 금속도체가 형성되어 있는 구조를 갖는다.

그러나, 유전체 칩 안테나는 충분한 방사특성을 구현하기 위해서는 어느 정도의 크기가 필요하므로 안테나의 두께가 커지는 단점이 있다.

상기 종래기술에서는 이러한 단점을 해결하기 위해 매우 복잡한 패턴 구조를 가지고 있고, 이는 공정의 복잡성 및 단가 상승의 문제를 가져오며, 상기 선행문헌에 의하더라도 안테나 소형화 추세에 부응하기에는 사이즈 축소에 다소 어려움이 있는 것이 현실이다.

한국등록특허 제0707242호 : 유전체 칩 안테나

본 발명은 이러한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 넓고 매우 얇은 두께를 갖는 패치 안테나의 상부에 소형의 칩 안테나를 탑재함으로써 얇은 두께를 유지하면서도 우수한 방사특성을 구현할 수 있도록 하는 것이 주된 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 미리 설정된 패턴으로 형성되는 패치형의 제 1 방사체와, 상기 패치형 방사체의 상부에 탑재되고, 유전체 칩의 상면과 하면의 적어도 일부영역에 도전층이 형성된 칩 구조물의 제 2 방사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나가 제공된다.

여기서, 상기 유전체 칩의 하면에 형성되는 도전층은 상기 제 1 방사체와 동일한 패턴으로 형성되고, 상기 유전체 칩의 상면에 형성되는 도전층은 패치형으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 상면 일측에 형성되는 상면 접지체와, 상기 유전체 기판의 상면 다른 일측에 형성되는 패치형의 제 1 방사체와, 상기 패치형 방사체의 상부에 탑재되고, 유전체 칩의 상면과 하면의 적어도 일부영역에 도전층이 형성된 칩 구조물의 제 2 방사체 및 상기 제 1 방사체의 급전을 위한 전송선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나가 제공된다.

여기서, 상기 유전체 기판의 하면 일측에 형성되는 하부 접지체가 더 포함되고, 상기 전송선로는 상기 유전체 기판의 하면에 상기 하부 접지체와 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부 접지체는 하부 접지면과 상기 하부 접지면으로부터 상기 유전체 기판의 저면을 따라 연장형성되는 접지선로와, 상기 전송선로와 하부 접지면 간에 탑재되는 제 1 매칭소자부를 포함하고, 상기 전송선로의 선단과 상기 접지선로의 선단 간에 선택적으로 탑재되는 도체가 더 포함되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 유전체 기판의 다른 일측에 형성되는 메탈 플레이트와, 상기 메탈 플레이트와 상기 하부 접지체 간에 선택적으로 탑재되는 제 2 매칭소자부를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따르면 널 포인트가 감소하여 우수한 방사특성을 구현하면서도 안테나의 두께를 얇게 유지할 수 있어 우수한 방사특성을 가지면서도 얇은 두께의 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나의 상부 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나의 저부 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나의 분해 사시도이다.
도 5는 제 2 방사체의 안테나 형성 구조를 도시한 예들이다.
도 6은 일반적인 패턴 안테나와 본 발명의 안테나의 VSWR을 비교한 그래프이다.
도 7은 일반적인 패턴 안테나와 본 발명의 안테나의 자계 특성을 비교한 그래프이다.
도 8은 일반적인 패턴 안테나와 본 발명의 안테나의 전계 특성을 비교한 그래프이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나의 상부 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나의 저부 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나의 분해 사시도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 패턴 안테나는 유전체 기판(1)과 유전체 기판(1)의 상하면에 형성된 구조층을 포함하여 구성된다.

유전체 기판(1)은 상부 구조층과 하부 구조층 간의 전기적 접속을 위한 비아홀(V)이 형성된 PCB 기판이 사용될 수 있다.

상부 구조층은 유전체 기판(1)의 상면 일측에 형성되는 상부 접지면(2)과 유전체 기판(1)의 상면 중 상부 접지면(2)과 이격되도록 형성되는 제 1 방사체(3)를 포함하여 구성된다.

제 1 방사체(3)는 패치형, 라인형, 미엔더 라인형 중의 어느 하나의 패턴으로 형성될 수 있으며, 이 중에서 패치형 안테나와 같은 넓은 면적으로 구현된 방사체가 사용되는 것이 바람직하다. 방사특성은 패턴의 면적에 비례하므로 방사체가 평면 구조를 갖는 경우 전계 분포가 크게 형성되어 안테나의 방사특성(송신특성, 수신특성)이 향상될 수 있다.

상부 접지면(2)은 제 1 방사체(2)가 형성되지 않은 부분에 형성된다.

제 1 방사체(2)의 일측 상부에는 상면과 하면의 적어도 일부영역에 도전층이 형성된 유전체 칩 구조물의 제 2 방사체(10)가 탑재되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 패턴 안테나의 방사체는 넓고 얇은 형상의 패치 안테나의 상부에 일정 두께를 갖는 칩 안테나를 탑재함으로써 유전체(S)를 통해 2개의 방사체가 공간적으로 분리된 구조를 갖는다.

일반적인 모노폴 안테나는 두께가 매우 얇은 형태를 띄므로 Null 포인트가 많이 존재하고 방사거리가 작은 단점이 있으나, 본 발명에서는 제 1 방사체(패치 안테나)에서 방사되는 전력을 유전체(S)를 통해 제 2 방사체(10)로 커플링시켜 외부로 방사함으로써 Null 포인트를 감소시키고 방사전력을 증가시켜 방사거리를 향상시킬 수 있게 되는 것이 특징이다.

제 2 방사체(10)에서 유전체(S)의 도체 형성 패턴은 제 1 방사체(2)의 패턴 유형에 따라 그에 맞는 형태로 형성된다. 도 5 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 방사체(2)의 패턴이 패치형인 경우 유전체(S)의 상하면 도체 패턴은 모두 패치형으로 형성하고, 도 5(b)와 같이 제 1 방사체(2)의 패턴이 라인형인 경우 유전체 칩(S)의 상면은 패치형 도전층으로 형성하고 하면은 제 1 방사체(2)와 동일한 라인형 도전층으로 형성된다. 또한 도 5(c)와 같이 제 1 방사체(2)의 패턴이 미엔더 라인형인 경우 유전체 칩(S)의 상면은 패치형 도전층으로 형성하고 하면은 제 1 방사체(2)와 동일한 미앤더 라인형 도전층으로 형성된다.

하부 구조층은 유전체 기판(1)의 저면 일측에 형성되는 하부 접지면(4a)과 하부 접지면(4a)으로부터 유전체 기판(1)의 저면을 따라 연장형성되는 접지선로(4b)를 포함하는 하부 접지체(4)와, 유전체 기판(1)의 저면 중 접지선로(4b) 부근에 형성되는 전송선로(5)와, 전송선로(5)와 하부 접지면(4a) 간에 탑재되는 제 1 매칭소자부(6)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전송선로(5)와 접지선로(4b)는 일정간격을 두고 평행하게 형성된다. 제 1 매칭소자부(6)는 리액터, 커패시터 등의 임피던스 소자로서, 임피던스 소자의 L과 C 값을 이용하여 안테나 주파수와 임피던스를 조정할 수 있다.

전송선로(5)는 유전체 기판(1)에 형성된 비아홀(V)을 통해 유전체 기판(1) 상부의 제 1 방사체(3)에 전기적으로 연결된다.

전송선로(5)의 선단과 접지선로(4b)의 선단은 도체 즉 0옴 저항을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 전송선로(5)의 선단과 접지선로(4b)의 선단 간이 연결되어 있지 않은 경우에는 전송선로(5)만이 비아홀(V)을 통해 제 1 방사체(3)에 연결되므로 평판형 모노폴 안테나로서 동작하게 되고, 전송선로(5)의 선단과 접지선로(4b)의 선단이 0옴 저항을 통해 서로 전기적으로 연결되는 경우에는 제 1 방사체(3)가 전송선로(5)와 접지선로(4b)에 모두 접속되는 역F형 안테나로서 동작하게 된다.

따라서, 전송선로(5)의 선단과 접지선로(4b)의 선단 간의 전기적 연결 여부를 결정하는 것만으로 본 발명의 안테나는 모노폴 안테나 또는 역F형 안테나 중 어느 한 형태의 안테나를 용이하게 제작할 수 있게 된다.

일반적인 역F형 안테나는 전송선로와 접지체를 접속하고, 접속점으로부터 길레 라인을 연결하여 전체적인 안테나의 주파수와 임피던스를 조정하게 되나, 크기가 제한된 면적에서는 라인을 길게 연결하는데 한계가 있다. 이러한 라인 길이의 한계를 보완하기 위해서는 또 하나의 접지체를 형성하여 안테나의 주파수와 임피던스를 조정하는 방법을 고려할 수 있다. 이러한 경우 접지체와 보조 접지체 간의 간격을 일정하게 유지하는 것이 중요한데, 본 발명에서는 상부 접지면(2)과 하부 접지면(4a)이 유전체 기판(1)이 일정 두께를 갖는 스페이서로 작용을 하므로 별도의 소체를 사용할 필요가 없는 장점이 있다.

그러나, 본 발명의 안테나가 역F형 안테나로 사용되는 경우에는 제 1 매칭소자부(6)만으로는 충분한 방사 특성을 얻을 수 없는 경우가 발생한다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 유전체 기판(1)의 저면 다른 일측에 형성되는 메탈 플레이트(7)와, 메탈 플레이트(7)와 하부 접지면(4a) 간에 탑재되는 제 2 매칭소자부(8)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 안테나를 모노폴 안테나 형태로 사용하고자 하는 경우에는 하부 접지면(4a)과 메탈 플레이트(7) 간에 제 2 매칭소자부(8)를 탑재하지 않을 수 있다. 반면, 본 발명의 안테나를 역F형 안테나 형태로 사용하고자 하는 경우에는 하부 접지면(4a)과 메탈 플레이트(7) 간에 반드시 제 2 매칭소자부(8)를 탑재하여 충분한 방사 특성을 얻을수 있도록 하여야 한다.

그리고, 본 발명의 안테나를 모노폴 안테나 형태로 사용하고자 하는 경우에도 하부 접지면(4a)과 메탈 플레이트(7) 간에 제 2 매칭소자부(8)를 탑재하고 메탈 플레이트(7)의 두께 조절을 통해 모노폴 안테나의 방사 특성을 개선하는 것도 가능하다.

본 발명의 안테나를 모노폴 안테나 형태로 사용하고자 하는 경우, 유전체 기판(1)이 매우 두꺼운 경우에는 메탈 플레이트(7)가 방사 특성에 전혀 영향을 미치지 않으나, 유전체 기판(1)이 매우 얇은 경우에는 메탈 플레이트(7)가 방사특성에 영향을 주는 문제가 발생한다. 출원인의 실험에 의하면 유전체 기판(1)의 두께가 1mm 정도인 경우에는 오히려 모노폴 안테나의 방사 특성이 향상되는 것으로 나타났다.

제 2 매칭소자부(8)는 리액터, 커패시터, 도체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 안테나를 역F형 안테나로서 사용하는 경우 모노폴 안테나로 사용하는 경우보다 널 포인트 등의 방사특성 저하의 문제가 더 많이 발생할 수 있으므로 이 경우 제 2 방사체(10)에 의한 방사특성 효과가 더욱 향상된다.

이하에서는 도 4에서 제 2 방사체(10)가 탑재되어 있지 않은 경우의 역F형의 패턴 안테나와 제 2 방사체(10)가 탑재된 역F형의 패턴 안테나에서의 방사특성을 그래프를 통해 비교하기로 한다.

도 6은 일반적인 패턴 안테나(제 2 방사체가 탑재되어 있지 않은 경우)의 VSWR 특성 그래프를 나타내며, 일반적인 패턴 안테나에 제 2 방사체(10)를 탑재한 경우에도 VSWR 특성 그래프는 도 6과 거의 동일한 것으로 나타나 일반적인 패턴 안테나에 제 2 방사체(10)를 탑재한 후에 VSWR 특성 변화가 거의 없음을 알 수 있다.

도 7은 일반적인 패턴 안테나와 본 발명의 안테나의 자계 특성을 비교한 그래프이고, 도 8은 일반적인 패턴 안테나와 본 발명의 안테나의 전계 특성을 비교한 그래프이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 일반적인 패턴 안테나와 본 발명의 안테나는 자계특성에서는 큰 차이가 없으나, 젼계특성은 큰 차이를 보인다.

즉, 일반적인 패턴 안테나에서는 각 주파수 대역별로 널 포인트가 많이 존재하나 본 발명의 안테나에서는 널 포인트가 감소하여 우수한 무지향성 특성을 나타냄을 알 수 있다.

그리고, 이러한 전계특성 향상에 따라 안테나의 방사전력도 종래에 비해 많이 향상됨을 알 수 있었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 유전체 기판 2 : 제 1 방사체
3 : 상부 접지면 4 : 하부 접지체
4a : 하부 접지면 4b : 접지선로
5 : 전송선로 6 : 제 1 매칭소자부
7 : 메탈 플레이트 8 : 제 2 매칭소자부
9 : 도체 10 : 제 2 방사체
11 : 상부 도체 12 : 하부 도체

Claims (7)

1. 미리 설정된 패턴으로 형성되는 제 1 방사체와;
   상기 제 1 방사체의 상부에 탑재되고, 상면과 하면의 적어도 일부영역에 도전층이 형성된 유전체 칩 구조물의 제 2 방사체를 포함하되,
   상기 제 2 방사체의 하면에 형성되는 도전층은 상기 제 1 방사체와 동일한 패턴으로 형성되고, 상기 제 2 방사체의 상면에 형성되는 도전층은 패치형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상면 일측에 상면 접지체가 형성되고, 상면 다른 일측에 상기 제 1 방사체가 형성되며, 하면 일측에 하부 접지체가 형성되는 유전체 기판과;
   상기 유전체 기판의 하면에 상기 하부 접지체와 이격되도록 형성되어 상기 제 1 방사체에 급전을 제공하는 전송선로가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나.
   
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 하부 접지체는
   하부 접지면과;
   상기 하부 접지면으로부터 상기 유전체 기판의 저면을 따라 연장형성되는 접지선로와;
   상기 전송선로와 하부 접지면 간에 탑재되는 제 1 매칭소자부와;
   상기 전송선로의 선단과 상기 접지선로의 선단 간에 선택적으로 탑재되는 도체와;
   상기 유전체 기판의 다른 일측에 형성되는 메탈 플레이트와;
   상기 메탈 플레이트와 상기 하부 접지체 간에 선택적으로 탑재되는 제 2 매칭소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 방사특성을 갖는 패턴 안테나.
6. 삭제
7. 삭제

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