KR102358643B1 - 이중대역 안테나 - Google Patents

Abstract

이중대역 안테나가 개시된다. 이중대역 안테나는, 기판의 전면에 형성되며, 제1 공진 주파수를 가지는 제1 안테나부; 및 상기 기판의 후면에 형성되며, 제2 공진 주파수를 가지는 제2 안테나부를 포함하되, 상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부는 동일한 구조를 가지는 미앤더 라인이 각각 형성된다.

Description

이중대역 안테나{A dual-band antenna}

본 발명은 2.45와 5.85GHz WBAN(Wireless Body Area Network)를 위한 이중대역 안테나에 관한 것이다.

최근에는 웨어러블 전자기기가 WBAN 기술 내의 특허인 생체정보 추적으로 의료서비스를 제공함으로서 넓게 퍼지고 있다. 특히, 웨어러블 안테나는 평평함, 소형, 가벼움, 유연함, 통신의 신뢰도를 유지하기 위한 전자기기와의 원활한 집적화, 착용시 편안함이 요구된다.

2.45GHz와 5.85GHz에서의 WBAN이 가능한 이중대역 안테나는 절단된 다이아몬드형, 사각형 패치, 삼각형 평판 역F 안테나(PIFA), 원형 패치, 사각형 링, 사분면 패치, 동일평면도파로 급전(CPW-fed) 모노폴, 자전 다이폴과 같은 다양한 모양으로 연구되어왔다. 지향성 패턴형 안테나 또는 인공자기컨덕터(AMC)과 같은 전자기밴드갭(EBG) 들은 전자파흡수율을 낮추기 위해 많이 사용된다.

종래의 웨어러블 안테나의 경우 크기가 매우 큰 단점이 있다. 이로 인해 전자 회로 집적화에 어려움이 있으며, 결론적으로 종래의 웨어러블 안테나를 사용하기 부적합한 문제점이 있다.

본 발명은 2.45와 5.85GHz WBAN(Wireless Body Area Network)를 위한 이중대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 웨어러블 WBAN에 적합한 이중대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이중대역 안테나가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판의 전면에 형성되며, 제1 공진 주파수를 가지는 제1 안테나부; 및 상기 기판의 후면에 형성되며, 제2 공진 주파수를 가지는 제2 안테나부를 포함하되, 상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부는 동일한 구조를 가지는 미앤더 라인이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나가 제공될 수 있다.

상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부에 각각 형성된 미앤더 라인의 크기는 상이할 수 있다.

상기 제1 안테나부는, 제1 방사체; 상기 제1 방사체를 급전시키는 급전단부; 및 상기 제1 방사체와 상기 제2 급전단부 사이에 위치되는 제1 미앤더 라인(meander line)을 포함하되, 상기 제1 미앤더 라인은, 상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부의 이중 대역 공진 주파수 중 높은 주파수의 공진 모드를 낮은 주파수로 변환할 수 있다.

상기 제1 방사체는 반전된 "L"형상의 슬릿이 에칭되어 형성되며, 상기 제1 방사체의 길이는 상기 제1 공진 주파수 주변에서의 공진 모드를 결정할 수 있다.

상기 "L" 형상의 슬릿은 상기 제1 공진 주파수로의 공진 모드를 결정하는 상기 제1 방사체의 사이즈 조절을 위해 형성될 수 있다.

상기 제1 방사체는 "I" 형상의 모노폴이다.

상기 제2 안테나부는, 접지; 상기 제2 공진 주파수로 공진되는 제2 방사체; 및 상기 접지와 상기 제2 방사체를 연결하는 제2 미앤더 라인을 포함하되, 상기 제2 미앤더 라인은 입력 임피던스를 조절할 수 있다.

상기 제2 방사체는 반전된 "U" 형상의 스트립선로이다.

상기 반전된 "U"형상의 제2 방사체 중 일단만 상기 제2 미앤더 라인을 통해 상기 접지와 연결되며, 타단은 상기 접지와 연결되지 않을 수 있다.

상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부는 커플링될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나를 제공함으로써, 2.45와 5.85GHz WBAN(Wireless Body Area Network) 가능한 조건을 만족할 수 있으며, 특히 웨어러블 WBAN에 적합한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 안테나부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 안테나부를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 반사 계수, 유도성 제1 미앤더 라인이 없는 안테나, 반전된 "L" 형상 슬릿이 없는 안테나, 유도성 제2 미앤더 라인이 없는 안테나의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 별 표면 전류 분포를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부러진 안테나의 반사 계수를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파흡수율 시뮬레이션을 위한 신체 조직위의 안테나에 대한 시각적 설명을 위해 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나를 예시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신체 조직에 대한 반사 계수를 측정한 결과를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 이득 측정 결과를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 2.45GHz와 5.85GHz에서 측정된 반사패턴을 도시한 도면.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 안테나부를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 안테나부를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 반사 계수, 유도성 제1 미앤더 라인이 없는 안타네, 반전된 "L" 형상 슬릿이 없는 안테나, 유도성 제2 미앤더 라인이 없는 안테나의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 전류 분포를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부러진 안테나의 반사 계수를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파흡수율 시뮬레이션을 위한 신체 조직위의 안테나에 대한 시각적 설명을 위해 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나를 예시한 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신체 조직에 대한 반사 계수를 측정한 결과를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 이득 측정 결과를 도시한 도면이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 2.45GHz와 5.85GHz에서 측정된 반사패턴을 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이중대역 안테나는 반-유연하며, 2.2의 유전율과 0.009의 손실탄젠트를 가지는 Rogers RT/Duroid 5880 유전체 기판에 설계되는 것을 가정하나 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나(100)는 유전체 기반의 상면에 제1 안테나부(110)가 형성되고, 하면에 제2 안테나부(120)가 각각 형성될 수 있다.

제1 안테나부(110)와 제2 안테나부(120)는 각각 서로 다른 공진 주파수로 공진되도록 동작되며, 서로 상이한 형상의 방사체를 포함할 수 있다.

또한, 제1 안테나부(110)와 제2 안테나부(120)는 동일한 구조를 가지며, 사이즈가 상이한 미앤더 라인(meander line)이 각각 형성될 수 있다. 제1 안테나부(110)와 제2 안테나부(120)에 형성된 각각의 미앤더 라인은 유사한 위치에 형성될 수 있다. 이하 도 2 내지 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 제1 안테나부(110)의 상세 구조가 도시되어 있다. 도 2를 참조하여 제2 안테나부(120)에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 제1 안테나부(110)는 급전단부(210), 제1 방사체(220) 및 제1 미앤더 라인(230)을 포함한다.

급전단부(210)는 50옴의 임피던스를 가지는 마이크로 선로로 구성될 수 있다. 급전단부(210)를 통해 제공되는 급전 신호가 제1 방사체(220)로 제공될 수 있다.

제1 방사체(220)는 제1 공진 주파수로 동작될 수 있다. 예를 들어, 제1 공진 주파수는 5.85GHz일 수 있다.

제1 방사체(220)는 "I" 형상의 모노폴일 수 있다.

제1 방사체(220)는 제1 미앤더 라인(230)을 통해 급전단부(210)와 연결되어 급전될 수 있다.

제1 방사체(220)의 길이는 제1 공진 주파수 주변에서의 공진 모드를 결정할 수 있다. 제1 방사체(220)는 반전된 "L"형상의 슬릿(240)이 에칭 형성될 수 있다.

여기서, "L"형상의 슬릿은 제1 방사체(220)의 사이즈 조절을 위해 사용될 수 있다.

만일 "L" 형상의 슬릿이 제1 방사체(220)에 형성되지 않은 경우 이중대역 안테나의 공진 주파수를 비교하기로 한다.

도 4에서 보여지는 바와 같이, 반전된 "L"형상의 슬릿이 제1 방사체(220)에 형성되지 않은 경우, 이중대역 안테나(100)는 2.45GHz와 8.9GHz 주변에서 공진 주파수를 가지는 것을 알 수 있다.

결과적으로 반전된 "L"형상의 슬릿이 이중 대역 주파수 중 높은 주파수에서의 공진 모드에 강한 영향을 주는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4에는 제1 미앤더 라인이 없는 경우의 이중대역 안테나의 공진 주파수가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 방사체(220)는 유도성 제1 미앤더 라인(230)이 없는 경우, 2.45Gz와 6.05GHz의 공진 주파수를 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 제1 미앤더 라인(230)은 높은 주파수의 공진 모드를 낮은 주파수로 변환하는 것을 알 수 있다.

다시 정리하면, 제1 미앤더 라인(230)은 급전단부(210)와 제1 방사체(220)를 연결하며, 제1 방사체(220)를 급전시키되, 이중대역 주파수 중 높은 주파수의 공진 모드를 낮은 주파수로 변환하는 역할을 한다.

또한, 제1 방사체(220)에 형성된 반전된 "L"형상의 슬릿은 제1 방사체(220)가 제1 공진 주파수를 가지도록 제1 방사체(220)의 사이즈 조절을 위해 사용될 수 있다.

도 3에는 제2 안테나부(120)의 상세 구조가 도시되어 있다. 도 3을 참조하여 제2 안테나부(120)에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

제2 안테나부(120)는 기판을 중심으로 제1 안테나부가 형성된 기판의 반대면에 형성될 수 있다. 제2 안테나부(120)는 접지부(310), 제2 방사체(320) 및 제2 미앤더 라인(330)을 포함하여 구성된다.

제2 방사체(320)는 반전된 "U"형상으로 형성되며, 제2 공진 주파수를 가진다.

또한, 제2 방사체(320)는 제2 미앤더 라인(330)을 통해 접지부(310)와 연결될 수 있다. 이때, 반전된 "U"형상 중 일단만 제2 미앤더 라인(330)을 통해 접지부(310)와 연결되며, 타단은 제2 미앤더 라인(330)과 연결되지 않으며 접지부(310)와도 연결되지 않는다.

반전된 "U"형상 중 제2 미앤더 라인(330)을 통해 연결되는 일부 영역은 제1 안테나부(110)에 형성된 제1 미앤더 라인(230)을 통해 연결되는 제1 방사체(220)와 기판을 중심으로 중첩되도록 형성될 수 있다.

따라서, "I"형상의 모노폴과 반전된 "U"형상의 스트립 선로가 중심으로부터 상쇄될 수 있다.

또한, 제2 안테나부(120)에 형성된 제2 미앤더 라인(330)은 입력 임피던스를 조절하는 역할을 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제2 미앤더 라인(330)이 없는 경우, 입력 임피던스가 변질되는 것을 알 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에서는 이중대역 안테나의 각 구성의 사이즈는 Ls = 19, Ws = 12, Gs = 0.2, Hs = 8, W1 = 3, W2 = 2, W3 = 2, D0 = 1, D1 = 4, D2 = 14.3, D3 = 13.5, D4 = 10, D5 = 12 단위: mm 인 것을 가정하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 2.45GHz와 5.85GHz WBAN을 위한 이중대역 안테나의 총 크기는 0.15 x 0.1 x 0.004

(

는 2.45GHz에서의 파장)일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나의 표면 전류 분포를 도시한 도면이다. 도 5에서 보여지는 바와 같이, 2.45GHz에서 강한 전류 분포가 반전된 "U"형상 스트립 라인을 따라 집중되며, "I"형상 모노폴에서는 약한 전류가 집중되며, 제2 미앤더 라인에서 강한 전류 분포가 관찰되는 것을 알 수 있다.

반면, 5.85GHz의 경우 "I"형상 모노폴에서 강한 전류가 관찰되며, 제1 미앤더 라인(230), 제2 미앤더 라인(330), "I"형상 모노폴과 반전된 "U"형상 스트립 라인 사이의 중첩 영역에서 최대 전류 분포가 관찰되는 것을 알 수 있다. 또한, 2.45GHz와 5.85GHz에서 각각 제2 미앤더 라인(330)에서 강한 전류 분포가 관찰되는데 이는 제2 미앤더 라인(330)이 안테나 입력 임피던스 매칭에 영향을 미치는 것을 의미한다.

도 6은 이중대역 안테나의 구부러진 반경이 20, 40, 60nm일 때와 평평한 조건에서의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.

도 6에서 보여지는 바와 같이, 모든 굽힘 곡률에 대해 2.45 및 5.85GHz에서 무시할 수 있는 정도의 작은 주파수 변화가 관찰된다. 이는 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나가 웨어러블에 적용하기에 적합함을 알 수 있다.

도 7과 같은 방식으로 시뮬레이션된 전자파흡수율을 계산하였다. 예로 들어진 신체 조직은 피부, 지방, 근육 총 3가지로 구성된다. 시뮬레이션된 전자파흡수율의 최대값은 2.45GHz에서 0.919W/kg으로 1g보다 낮고 0.0517W/kg으로 10g보다 낮다. 또한 5.85GHz에서는 0.118W/kg으로 1g보다 낮고 0.0536W/kg으로 10g보다 낮다. 따라서 2.45GHz와 5.85GHz에서의 전자파흡수율은 미국과 유럽의 제한 기준보다 낮다.

도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제작된 이중대역 안테나가 예시되어 있다. 도 9에는 자유공간과 인체의 다른 부분에서 측정된 주파수를 비교한 결과가 예시되어 있다. 자유 공간에서 측정된 주파수는 2.4-2.54GHz와 5.72-5.94GHz를 달성하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 자유공간에서 측정된 주파수와 인체의 다른 부분에서 측정된 주파수가 일치하는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 안테나가 2.45GHz와 5.85GHz WBAN 적용 요구 사항을 충족하여 웨어러블에 적합한 것을 알 수 있다.

도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 이득을 측정한 결과가 예시되어 있다. 2.45GHz 주변의 낮은 공진 모드에서 측정 된 피크 이득 범위는 1.7 ~ 2.1dBi이며, 한편 5.85GHz 부근의 더 높은 공진 모드에서 측정 된 피크 이득은 3.3 ~ 3.5dBi 범위이다. 측정 된 이득 값은 신체 WBAN 애플리케이션에 적합하며, 2.45 및 5.85 GHz에서 측정 된 방사 효율은 각각 86 % 및 91 %이다.

도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 2.45GHz 및 5.85GHz에서 측정된 방사 패턴이 예시되어 있다. 2.45GHz에서 xz 평면에서 쌍극자 형 패턴과 무 지향성 패턴을 가지는 것을 알 수 있다. 한편, 5.85GHz에서는 x-z에서 무 지향성 패턴을 나타내고 y-z 평면에서 다이폴 형 패턴을 나타내는 것을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 이중대역 안테나
110: 제1 안테나부
120: 제2 안테나부

Claims (10)

1. 기판의 전면에 형성되며, 제1 공진 주파수를 가지는 제1 안테나부; 및
   상기 기판의 후면에 형성되며, 제2 공진 주파수를 가지는 제2 안테나부를 포함하되,
   상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부는 각각 미앤더 라인이 형성되되, 상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부에 각각 형성된 상기 미앤더 라인은 동일한 구조로 서로 상이한 크기로 형성되되,
   상기 제1 안테나부에 형성되는 미앤더 라인은 상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부의 이중 대역 공진 주파수 중 높은 주파수의 공진 모드를 낮은 주파수로 변환하며,
   상기 제2 안테나부에 형성된 미앤더 라인은 입력 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 안테나부는,
   제1 방사체;
   상기 제1 방사체를 급전시키는 급전단부; 및
   상기 제1 방사체와 상기 급전단부 사이에 위치되는 제1 미앤더 라인(meander line)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 방사체는 반전된 "L"형상의 슬릿이 에칭되어 형성되며,
   상기 제1 방사체의 길이는 상기 제1 공진 주파수 주변에서의 공진 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 "L" 형상의 슬릿은 상기 제1 공진 주파수로의 공진 모드를 결정하는 상기 제1 방사체의 사이즈 조절을 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
6. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 방사체는 "I" 형상의 모노폴인 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 안테나부는,
   접지;
   상기 제2 공진 주파수로 공진되는 제2 방사체; 및
   상기 접지와 상기 제2 방사체를 연결하는 제2 미앤더 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제2 방사체는 반전된 "U" 형상의 스트립선로인 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
9. 제8 항에 있어서,
   상기 반전된 "U"형상의 제2 방사체 중 일단만 상기 제2 미앤더 라인을 통해 상기 접지와 연결되며, 타단은 상기 접지와 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
   
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나부와 상기 제2 안테나부는 커플링되는 것을 특징으로 하는 이중대역 안테나.
    
    

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