KR102288148B1 - 안테나 모듈 - Google Patents

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KR102288148B1 KR1020150057841A KR20150057841A KR102288148B1 KR 102288148 B1 KR102288148 B1 KR 102288148B1 KR 1020150057841 A KR1020150057841 A KR 1020150057841A KR 20150057841 A KR20150057841 A KR 20150057841A KR 102288148 B1 KR102288148 B1 KR 102288148B1
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈은 하부 접지면, 상기 하부 접지면 상에 배치되는 유전체층, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되는 상부 접지면을 포함하는 접지부, 그리고 상기 접지부의 측면에 배치되며, 패치(patch)층, 상기 패치층 상에 배치되는 유전체층, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되며, 힐버트 커브 프랙탈(Hilbert curve fractal) 구조를 가지는 안테나층을 포함하는 안테나부를 포함한다.

Description

안테나 모듈{ANTENNA MODULE}
본 발명은 안테나 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ISM 밴드에 적용 가능한 안테나 모듈에 관한 것이다.
ISM(Industry-Science-Medical) 밴드는 무선통신 분야 이외에 산업, 과학, 의료 분야에서 전파를 구조파 에너지원으로 사용하기 위하여 지정된 주파수 대역이다. 장치의 소형화 및 경량화 추세에 따라, ISM 밴드를 이용하는 장치에 내장되는 안테나 모듈은 소형으로 설계될 필요가 있다.
도 1은 ISM 밴드를 위한 민더 타입(Meander type) PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 안테나의 한 예이고, 도 2는 ISM 밴드를 위한 모노폴 타입(Monopole type) 안테나의 한 예이다. 민더 타입 PIFA 안테나의 크기는 약 27mm*17mm이고, 모노폴 타입 안테나의 크기는 약 26mm*19mm이다. 예시된 두 가지 경우 모두 ISM 밴드인 2.4GHz 대역에 필요한 공진 주파수를 얻기 위하여 λ/4파장의 길이에 해당하는 안테나 배선 공간이 필요하므로, 안테나의 크기를 줄이는데 한계가 있다.
또한, ISM 밴드를 위한 BLE(Bluetooth Low Energy) 안테나의 경우, 안테나의 길이를 확보하기 위하여 하부 면을 활용하여 설계함으로써 크기를 약 20mm*11mm까지 줄일 수는 있지만, 유전율의 영향으로 인해 주파수 편이가 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 ISM 밴드에 적용 가능한 소형의 안테나 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈은 하부 접지면, 상기 하부 접지면 상에 배치되는 유전체층, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되는 상부 접지면을 포함하는 접지부, 그리고 상기 접지부의 측면에 배치되며, 패치(patch)층, 상기 패치층 상에 배치되는 유전체층, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되며, 힐버트 커브 프랙탈(Hilbert curve fractal) 구조를 가지는 안테나층을 포함하는 안테나부를 포함한다.
상기 접지부와 상기 안테나부는 정전용량성 결합(capacitive coupling)될 수 있다.
상기 패치층은 상기 하부 접지면에 연결될 수 있다.
상기 패치층과 상기 하부 접지면은 비아(via)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 패치층과 상기 하부 접지면의 연결 위치에 따라 주파수가 가변될 수 있다.
상기 안테나층은 상기 접지부에 연결될 수 있다.
상기 안테나층에 의하여 유도 부하(inductive loading)될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈은 유전체층, 상기 유전체층 상에 배치되는 접지면, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되며, 상기 접지면의 측면에 형성되는 안테나층을 포함하며, 상기 안테나층은 상기 접지면에 연결되는 급전 라인, 상기 급전 라인에 연결되는 유도 부하(inductive loading) 영역, 그리고 상기 유도 부하 영역으로부터 연장되는 끝단을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, ISM 밴드에 적용 가능한 소형의 안테나 모듈을 얻을 수 있다. 또한, 안테나 모듈의 주파수 편이가 가능하다.
도 1은 ISM 밴드를 위한 민더 타입(Meander type) PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 안테나의 한 예이다.
도 2는 ISM 밴드를 위한 모노폴 타입(Monopole type) 안테나의 한 예이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 상면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 S11 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 안테나 모듈을 나타낸다.
도 7 내지 8은 도 6의 안테나 모듈에 대한 S11 측정 결과를 나타낸다.
도 9 내지 11은 도 6의 안테나 모듈에 대한 이차원 방사 패턴 실측 결과를 나타낸다.
도 12는 도 6의 안테나 모듈에 대한 삼차원 방사 패턴 실측 결과를 나타낸다.
도 13은 도 6의 안테나 모듈에 대한 방사 효율을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈의 상면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈의 하면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈의 측면도이다.
도 17은 도 15의 안테나 모듈의 P1에서 패치층과 하부 접지면이 연결된 경우의 S11을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 18은 도 15의 안테나 모듈의 P3에서 패치층과 하부 접지면이 연결된 경우의 S11을 시뮬레이션한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 상면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 측면도이다.
도 3 내지 4를 참조하면, 안테나 모듈(300)은 접지부(310) 및 안테나부(320)를 포함한다. 접지부(310)는 하부 접지면(312), 하부 접지면(312) 상에 배치되는 유전체층(314), 그리고 유전체층(314) 상에 배치되는 상부 접지면(314)을 포함한다. 도시되지 않았으나, 상부 접지면(314) 상에는 칩(chip)이 실장될 수 있다. 그리고, 안테나부(320)는 접지부(310)의 측면에 배치되며, 패치(patch)층(322), 패치층(322) 상에 배치되는 유전체층(324), 유전체층(324) 상에 배치되며, 힐버트 커브 프랙탈(Hilbert curve fractal) 구조를 가지는 안테나층(326)을 포함한다. 여기서, 안테나층(326)은 힐버트 커브 프랙탈 구조(400), 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)로부터 연장되는 일단으로부터 분기되어 접지부(310)에 연결되는 급전 라인(410), 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)로부터 연장되는 일단으로부터 분기되어 접지부(310)에 연결되는 신호 라인(420) 및 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)로부터 연장되어 방사하는 끝단(430)을 포함한다. 이때, 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)는 급전 라인(410)과 끝단(430) 사이의 가운데 영역에 형성될 수 있다. 이와 같이, 안테나층(326)이 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)를 가지고, 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)가 급전 라인(410) 및 말단(430) 사이에 형성되면, 고정된 공간에 들어가는 전체 배선의 길이가 증가하게 되어, 전류가 흐르는 길이가 길어지므로, 유도 부하(inductive loading)될 수 있다. 이에 따라, 힐버트 커브 프랙탈 구조(400)는 유도 부하 영역과 혼용될 수 있다. 또한, 안테나층(326)이 힐버트 커브 프랙탈 구조를 가지면, 단위 구조가 수회 반복되므로, 인덕턴스 값을 정량적으로 예측할 수 있다.
한편, 유전체층(314) 및 유전체층(324)은 서로 연결되는 일체의 유전체층이며, FR(fiberglass) 또는 글래스 에폭시 등의 유전 소재를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나의 시뮬레이션 결과 및 제작 결과를 설명한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 S11 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 안테나 모듈을 나타내고, 도 7 내지 8은 도 6의 안테나 모듈에 대한 S11 측정 결과를 나타낸다. 그리고, 도 9 내지 11은 도 6의 안테나 모듈에 대한 이차원 방사 패턴 실측 결과를 나타내며, 도 12는 도 6의 안테나 모듈에 대한 삼차원 방사 패턴 실측 결과를 나타낸다. 그리고, 도 13은 도 6의 안테나 모듈에 대한 방사 효율을 나타내고, 표 1은 도 6의 안테나 모듈에 대한 삼차원 방사 효율 및 피크 게인을(peak gain) 나타낸다.
주파수(MHz) 2220 2240 2260 2300 2320 2340 2360 2380 2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600 2620
효율(dB) -9.53 -9.34 -8.59 -7.34 -6.65 -6.08 -4.88 -4.44 -4.18 -3.34 -3.06 -3.23 -4.22 -4.77 -5.84 -7.38 -7.38 -7.67 -8.19 -9.39
효율(%) 11.15 11.63 13.84 18.45 21.65 24.66 32.49 35.98 38.22 46.37 49.47 47.53 37.88 33.32 26.06 18.28 18.30 17.09 15.18 11.52
피크 게인(dB) -5.50 -5.01 -3.99 -2.84 -2.22 -1.70 -.069 -0.18 0.13 1.04 1.27 1.02 -0.08 -0.77 -1.82 -3.13 -3.15 -3.55 -4.14 -5.41
도 5, 도 7 내지 8을 참조하면, ISM 대역인 2.4GHz 부근에서 반사율(S(1, 1))이 -25dB이하임을 알 수 있다.
또한, 도 9 내지 12를 참조하면, 2.44GHz의 주파수 대역에서 XY 평면의 방사 패턴에 대한 평균 게인이 -3.77dB이고, XZ 평면의 방사 패턴에 대한 평균 게인이 -3.97dB이며, YZ 평면의 방사 패턴에 대한 평균 게인이 -4.85dB인 것으로 보아, 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈은 무지향성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 13 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈의 수신측에서의 방사 효율은 ISM 대역인 2.4GHz 내지 2.48GHz에서 높게 나타남을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈의 상면도이고, 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈의 하면도이며, 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 모듈의 측면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 14 내지 15에서 유전체층을 생략하고 도시한다.
도 14 내지 16을 참조하면, 안테나 모듈(300)은 접지부(310) 및 안테나부(320)를 포함한다. 접지부(310)는 하부 접지면(312), 하부 접지면(312) 상에 배치되는 유전체층(314), 그리고 유전체층(314) 상에 배치되는 상부 접지면(314)을 포함한다. 도시되지 않았으나, 상부 접지면(314) 상에는 칩이 실장될 수 있다. 그리고, 안테나부(320)는 접지부(310)의 측면에 배치되며, 패치(patch)층(322), 패치층(322) 상에 배치되는 유전체층(324), 유전체층(324) 상에 배치되며, 힐버트 커브 프랙탈(Hilbert curve fractal) 구조를 가지는 안테나층(326)을 포함한다. 이때, 패치층(322)의 크기는 힐버트 커브 프랙탈 구조의 크기에 대응하도록 형성될 수 있다. 즉, 힐버트 커브 프랙탈 구조는 패치층(322) 상에 놓일 수 있다.
한편, 접지부(310) 및 안테나부(320)는 정전용량성 결합(capaticive coupling)된다. 이에 따라, 안테나부(320)의 주파수 가변이 용이해질 수 있다.
구체적으로, 도 14 내지 15에 나타난 바와 같이, 안테나부(320)의 패치층(322)은 접지부(310)의 하부 접지면(312)에 연결될 수 있다. 여기서, 패치층(322)과 하부 접지면(312)의 연결 위치에 따라 주파수가 가변될 수 있다. 즉, 도 15에 나타난 바와 같이, 패치층(322)과 하부 접지면(312)이 P1, P2, P3 중 어느 위치에서 연결되는지에 따라 주파수가 가변될 수 있다.
이때, 패치층(322)과 하부 접지면(313)은 비아(via)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 도 16과 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 모듈이 세트 PCB 상에 탑재된 경우, 패치층(322)과 하부 접지면(313) 각각에 대응하는 위치에 비아(via, 340)를 형성하고, 세트 PCB 하면에 전극 및 저항(350)을 배치하여 패치층(322)과 하부 접지면(313)을 연결할 수 있다.
도 17은 도 15의 안테나 모듈의 P1에서 패치층과 하부 접지면이 연결된 경우의 S11을 시뮬레이션한 그래프이고, 도 18은 도 15의 안테나 모듈의 P3에서 패치층과 하부 접지면이 연결된 경우의 S11을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 17 내지 18을 참고하면, 패치층(3220과 하부 접지면(313)의 연결 위치가 P1에서 P3로 변화한 경우, 이득 손실 없이 주파수가 약 100MHz 편이됨을 알 수 있다.
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.
300: 안테나 모듈
310: 접지부
312: 하부 접지면
314: 유전체층
316: 상부 접지면
320: 안테나부
322: 패치층
324: 유전체층
326: 안테나층

Claims (9)

  1. PCB(printed circuit board) 상에 배치되는 안테나 모듈에 있어서,
    하부 접지면, 상기 하부 접지면 상에 배치되는 유전체층, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되는 상부 접지면을 포함하는 접지부, 그리고
    상기 접지부의 측면에 배치되며, 패치(patch)층, 상기 패치층 상에 배치되는 유전체층, 그리고 상기 유전체층 상에 배치되며, 힐버트 커브 프랙탈(Hilbert curve fractal) 구조를 가지는 안테나층을 포함하는 안테나부
    를 포함하고,
    상기 패치층과 상기 하부 접지면은 상기 PCB에 형성된 비아 및 상기 PCB의 하면을 통하여 전기적으로 연결되는 안테나 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접지부와 상기 안테나부는 정전용량성 결합(capacitive coupling)되는 안테나 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 패치층과 상기 하부 접지면의 연결 위치에 따라 주파수가 가변되는 안테나 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안테나층은 상기 접지부에 연결되는 안테나 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나층에 의하여 유도 부하(inductive loading)되는 안테나 모듈.
  8. PCB(printed circuit board) 상에 배치되는 안테나 모듈에 있어서,
    유전체층,
    상기 유전체층 상에 배치되는 접지면, 그리고
    상기 유전체층 상에 배치되며, 상기 접지면의 측면에 형성되는 안테나층을 포함하며,
    상기 안테나층은 상기 접지면에 연결되는 급전 라인, 상기 급전 라인에 연결되는 유도 부하(inductive loading) 영역, 그리고 상기 유도 부하 영역으로부터 연장되는 끝단을 포함하고,
    상기 유전체층 및 상기 접지면 아래에 배치되는 하부 접지면과 상기 유전체층 및 상기 안테나층 아래에 배치되는 패치층을 더 포함하고,
    상기 패치층과 상기 하부 접지면은 상기 PCB에 형성된 비아 및 상기 PCB의 하면을 통하여 전기적으로 연결되는 안테나 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유도 부하 영역에는 힐버트 커브 프랙탈 구조로 배선되는 안테나 모듈.
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