KR101798779B1 - Uwb용 pifa 안테나 - Google Patents

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김윤남
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

UWB용 PIFA 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 방사체; 상기 기판 상부에 형성되며 상기 방사체와 결합되는 급전 핀; 상기 기판 상부에 형성되며 상기 방사체와 결합되고 접지와 전기적으로 연결되는 접지 핀; 상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 접지면에는 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 상기 방사체 전체와 상하로 오버랩되는 사이즈를 가진다. 개시된 안테나는, 작은 사이즈 및 낮은 프로파일로 제작 가능한 장점이 있다.

Description

UWB용 PIFA 안테나{PIFA Antenna for UWB}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 UWB 대역에서 사용되는 PIFA 안테나에 관한 것이다.
최근 한정된 주파수 자원의 효율적인 이용을 위해 낮은 출력과 빠른 데이터 전송 속도를 지원하는 장점을 가진 UWB(Ultra-wideband) 통신 시스템의 도입으로 다양한 방식의 광대역 안테나 개발이 활발히 이루어지고 있다.
짧은 거리 전송을 위해 고안된 WPAN(Wireless Personal Area Networks)의 UWB 통신 방식은 오디오, 비디오 또는 광대역 데이터 전송을 위한 장치의 유선 접속 방식을 탈피하여 초고속 무선 연결을 지원함으로써 사용자들의 활동성을 높이는 차세대 통신기술로 자리잡고 있다.
UWB 시스템은 다른 장거리 전파기술인 Wi-Fi, WiMAX나 셀룰러 광범위 통신을 보완한다. 이는 호스트 장비에서 나온 데이터를 10m 이내에 있는 다른 장비들에게 전달하는데 이용되며, 기존의 WLAN(Wireless Local Area Network) 방식보다 10배 정보 빠른 500Mb/s 이상의 전송 속도를 지원한다.
일반적인 UWB 통신 방식은 중심 주파수의 20% 이상의 대역을 점유하거나 최소한 500MHz 이상의 대역의 스펙트럼을 가진 무선 통신방식으로 정의된다. 이러한 UWB 통신방식은 넓은 스펙트럼과 낮은 출력을 가지면서 높은 전송속도와 다른 통신방식의 주파수 대역과의 전파 방해를 줄일 수 있게 한다.
UWB 통신 시스템을 구현하기 위해서, UWB 안테나는 3.1GHz ~10.6GHz의 광대역 임피던스 특성, 위상 선형성과 안테나 이득의 일정함을 만족하면서 동시에 시운 제작과 낮은 비용으로 구현해야 한다.
UWB 안테나 설계에 있어서 안테나의 크기와 이득은 트레이드 오프 관계에 있다.
한편, PIFA 안테나는 접지 구조를 이용한 대표적인 이동통신 단말기용 안테나로서 급전핀과 단락핀이 방사체에 동시에 연결되는 안테나로서 안테나의 높이를 줄이고 작은 사이즈로 구현될 수 있으며 용이한 임피던스 매칭이 가능한 안테나이다. PIFA 구조의 안테나는 위와 같은 장점이 있으나 높은 Q값으로 인해 대역폭이 좁다는 단점이 있으며, 따라서 PIFA 구조의 안테나는 다양한 장점에도 불구하고 초과대역 특성을 요구하는 UWB 안테나로 사용되지 못하였다.
본 발명에서는 작은 사이즈 및 낮은 프로파일로 제작 가능한 UWB용 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 PIFA 구조를 가지는 UWB용 안테나를 제안한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 방사체; 상기 기판 상부에 형성되며 상기 방사체와 결합되는 급전 핀; 상기 기판 상부에 형성되며 상기 방사체와 결합되고 접지와 전기적으로 연결되는 접지 핀; 상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 접지면에는 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 상기 방사체 전체와 상하로 오버랩되는 사이즈를 가지는 UWB용 PIFA 안테나가 제공된다.
상기 급전 핀과 상기 접지 핀의 일부는 상기 슬롯과 상하로 오버랩된다.
상기 접지 핀은 상기 접지면과 비아홀을 통해 전기적으로 연결된다.
상기 급전 핀은 급전 선로와 전기적으로 연결된다.
상기 급전 선로가 동축 케이블일 경우 상기 동축 케이블의 내심은 상기 급전 핀과 전기적으로 연결되고 상기 동축 케이블의 외심은 상기 접지 핀 및 상기 접지면 중 적어도 하나와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 안테나에 따르면, 작은 사이즈 및 낮은 프로파일로 제작 가능한 UWB용 안테나를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나의 상부 평면도를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나의 하부 평면도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하기 위한 제1 레퍼런스 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하기 위한 제2 레퍼런스 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하기 위한 제3 레퍼런스 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나와 제1 레퍼런스 안테나, 제2 레퍼런스 안테나 및 제3 레퍼런스 안테나의 반사 계수를 도시한 그래프.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나의 상부 평면도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나의 하부 평면도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나는 기판(100), 기판(100)상에 형성되는 방사체(110), 급전핀(120), 단락핀(130) 및 접지면(140)을 포함할 수 있다.
방사체(110), 급전핀(120) 및 단락핀(130)은 기판(100) 상부에 형성될 수 있으며, 접지면(140)은 기판 하부에 형성될 수 있다.
기판(100)은 유전체 재질로 제작되며, RF 신호의 방사에 필요한 유전율을 제공한다. 기판(100)의 재질은 요구되는 유전율에 따라 당업자에 의해 선택될 수 있다. 일례로, FR4 재질의 기판 등이 사용될 수 있을 것이다.
도 1에는 직사각형 형태의 기판(100)이 도시되어 있으나 이는 예시적인 구조에 불과하며 기판(100)의 형상은 필요에 따라 변경될 수 있다. 일례로, 기판(100)은 점유 면적을 줄이기 위해 다수에 걸쳐 절곡된 구조를 가질 수도 있을 것이다.
기판(100)상에 결합되는 방사체(110), 급전핀(120), 단락핀(130) 및 접지면(140)은 금속 재질로 이루어지며, 알려진 다양한 방식으로 기판(100)에 결합될 수 있다.
일례로, 에칭, 프린팅, 패터닝과 같은 다양한 방식으로 금속 재질의 방사체(110) 등을 기판(100)에 결합시킬 수 있다.
급전핀(120)은 급전 선로와 결합되어 급전 신호를 방사체(110)에 제공한다. 급전핀(120)은 방사체에 비해 좁은 폭을 가지는 핀 형상을 가진다. 급전 선로로 동축 케이블이 사용될 경우 급전핀(120)은 동축 케이블의 내심과 전기적으로 결합되어 급전 신호를 제공할 수 있다.
단락핀(130)은 전기적으로 접지 전위를 가지며 방사체(110)와 결합된다. 단락핀(130)은 기판(100) 하부의 접지면(140)과 전지적으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단락핀(130)은 비아 홀(미도시)을 통해 접지면(140)과 전기적으로 연결될 수 있다.
단락핀(130) 및 접지면(140) 중 어느 하나는 급전 선로의 접지와 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 급전 선로가 동축 케이블일 경우 동축 케이블의 외심이 단락핀(130) 및 접지면(140) 중 어느 하나에 결합될 수 있다.
단락핀(130)은 PIFA 안테나의 특징적인 구성 요소로서 방사체(110)가 급전 및 전위와 동시에 연결되는 구조를 가진다.
방사체(110)는 급전핀(120) 및 단락핀(130)과 결합되어 급전 선로로부터 제공되는 RF 신호를 외부에 방사하거나 외부로부터 전송되는 RF 신호를 수신한다.
방사체(110)의 사이즈는 방사 주파수에 의해 결정된다. 낮은 주파수의 신호를 방사할 경우 방사체(110)의 사이즈는 상대적으로 커진다.
PIFA 안테나는 로우 프로파일 및 소형 사이즈로 구현될 수 있고 높은 이득을 가지나 협대역 특성을 가지는 문제점이 있으나, 본 발명에서는 슬롯 접지면 구조를 통해 UWB 대역에서 방사할 수 있는 PIFA 안테나를 제안한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 접지면의 구조가 도시되어 있으며, 도 2를 참조하면, 슬롯(200)이 형성되어 있다. 이때, 슬롯(200)은 PIFA 안테나의 방사체 전체와 상하로 오버랩되도록 형성된다. 즉, 방사체(110) 전체가 슬롯(200) 영역 내에 위치하도록 슬롯은 비교적 큰 사이즈로 형성된다. 도 2에는 직사각형 형태의 슬롯이 형성되어 있으나 슬롯의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
슬롯(200)이 방사체(110) 전체와 상하로 오버랩되도록 형성될 때 UWB 대역의 주파수를 방사할 수 있는 광대역 특성을 가지게 된다. 슬롯(200)은 방사체(110) 영역과 오버랩되면 광대역 특성을 가질 수 있으며 급전핀(120) 및 단락핀(130) 영역과는 오버랩되지 않아도 무방하다.
도 1에 슬롯 영역은 점선으로 표시되어 있으며, 방사체 전체가 슬롯 영역 내에 포함되나 급전핀(120) 및 단락핀(130)과는 일부 영역에서만 오버랩된다.
UWB 대역에서 방사가 가능한 초광대역 특성은 방사체 전체가 슬롯과 오버랩될 때 구현될 수 있으며 방사체 전체가 슬롯과 오버랩되지 않을 경우 초광대역 특성을 구현할 수 없다.
이하에서는 본 발명의 UWB용 PIFA 안테나의 특성을 다양한 레퍼런스 안테나와 비교하고 초광대역 특성을 구현 가능하도록 하는 구조에 대해 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하기 위한 제1 레퍼런스 안테나의 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하기 위한 제2 레퍼런스 안테나의 구조를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하기 위한 제3 레퍼런스 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
제1 레퍼런스 안테나는 접지면에 슬롯이 형성되기는 하나 슬롯이 방사체의 일부 영역과만 오버랩되는 안테나이다. 제2 레퍼런스 안테나는 제1 레퍼런스 안테나에 비해 더 작은 사이즈의 슬롯을 가지는 안테나로서 제2 레퍼런스 안테나 역시 슬롯이 방사체의 일부 영역과 오버랩된다. 제3 레퍼런스 안테나는 일반적인 PIFA 안테나로서 접지면에 슬롯이 형성되지 않는 안테나이다.
제1 레퍼런스 안테나 내지 제3 레퍼런스 안테나는 특정 주파수 대역에서 방사하는 안테나로서 기능하기는 하나 광대역 특성을 가지지 않으며 일반적인 PIFA 안테나와 같이 협대역 특성을 가진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 UWB용 PIFA 안테나와 제1 레퍼런스 안테나, 제2 레퍼런스 안테나 및 제3 레퍼런스 안테나의 반사 계수를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 제1 레퍼런스 안테나는 제2 및 제3 레퍼런스 안테나에 비해 광대역 특성을 가지기는 하나 UWB 대역에서의 방사가 불가능함을 확인할 수 있다. 제2 레퍼런스 안테나 및 제3 레퍼런스 안테나는 협대역 특성을 가지며 광대역 안테나로 기능할 수 없음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 UWB 대역에서 방사가 가능하도록 초광대역 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 도 6에서, f1은 기본 공진 주파수이고, f3, f4 및 f5는 고조파 성분이며, f2는 슬롯에 의해 추가적으로 형성되는 공진 주파수이다.
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.

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 형성되는 방사체;
    상기 기판 상부에 형성되며 상기 방사체와 결합되는 급전 핀;
    상기 기판 상부에 형성되며 상기 방사체와 결합되고 접지와 전기적으로 연결되는 접지 핀;
    상기 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되,
    상기 접지면에는 UWB 대역의 주파수를 방사할 수 있는 초광대역 특성을 가지도록 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 상기 방사체 전체와 상하로 오버랩되는 사이즈를 가지며,
    상기 급전 핀과 상기 접지 핀의 일부는 상기 슬롯과 상하로 오버랩되고, 상기 접지 핀은 상기 접지면과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 UWB용 PIFA 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접지 핀은 상기 접지면과 비아홀을 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 UWB용 PIFA 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급전 핀은 급전 선로와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 UWB용 PIFA 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    급전 선로가 동축 케이블일 경우 상기 동축 케이블의 내심은 상기 급전 핀과 전기적으로 연결되고 상기 동축 케이블의 외심은 상기 접지 핀 및 상기 접지면 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 UWB용 PIFA 안테나.


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KR20210032587A (ko) * 2019-09-16 2021-03-25 주식회사 갤트로닉스 코리아 폴더블 디바이스의 안테나

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