KR20060028953A - 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 사다리꼴 모양의 패치, 정합 스터브, CPW 급전 방식 및 사각형 슬롯을 이용함으로써, 초소형, 경량, 저가의 광대역 특성을 갖고 5GHz WLAN 대역(5.15-5.35GHz)에서 노치 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나에 있어서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상면의 중앙선 상단에 위치한 사다리꼴 모양의 사다리꼴 패치, 상기 유전체 기판 상면의 중앙선 하단에 위치하여 상기 사다리꼴 패치로 급전하기 위한 급전 수단, 상기 사다리꼴 패치 및 상기 급전 수단 사이에 위치하여 임피던스를 정합시키기 위한 정합 수단 및 상기 유전체 기판 상면의 상기 급전 수단의 측면에 위치한 접지 수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 초광대역 안테나 시스템 등에 이용됨.

초광대역 안테나, CPW(Coplanar Waveguide), UWB(Ultra-Wide Band), 비아홀

Description

사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나{Trapezoid Ultra Wide Band Patch Antenna}

도 1은 종래의 초광대역 안테나의 일실시예로서, 만곡 T자 형상의 모노폴 안테나의 구성도,

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 구성도,

도 3은 도 2의 안테나의 반사 손실을 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 4는 도 2의 안테나의 이득을 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 5는 도 2의 안테나의 그룹 딜레이를 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 6은 도 2의 안테나의 감쇠율을 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 7은 도 2의 안테나의 송/수신 특성을 측정하기 위하여 생성한 송신 신호의 파형을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 2의 안테나가 수신한 상기 송신 신호에 상응하는 수신 신호를 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 9는 도 2의 안테나의 복사 패턴을 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 10은 도 2의 안테나의 사각형 슬롯(105) 유무에 따른 VSWR을 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 11은 도 2의 안테나의 사각형 슬롯(105)의 길이에 따른 VSWR을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 사다리꼴 패치 101 : 정합 스터브

102 : 접지면 103 : CPW 급전선

104 : 기판 105 : 사각형 슬롯

본 발명은 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나로서, 보다 상세하게는 사다리꼴 모양의 패치를 이용한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전형 초소형 초광대역(Ultra-Wide Band, UWB) 안테나에 관한 것이다.

UWB 통신 시스템은 미국 국방부가 1960년대에 처음 군사적 목적으로 개발한 무선기술로서, 수~수십 GHz대의 매우 넓은 주파수 대역을 사용해 사용전력이 낮으며, 전송속도는 현재 가장 빠른 WLAN 표준인 IEEE 802.11a(54Mbps) 보다 10배 이상 빠른 500Mbps~1Gbps에 달한다.

이러한 UWB 통신 시스템 분야에서 가장 중요한 요소인 초광대역 안테나는 관 심 대역의 전 주파수에 대하여 안테나 패턴이 무지향성이고 위상의 변화가 작아야 하며, 펄스 통신 시 신호의 왜곡이 없어야 하고 관심 대역에서 감쇠가 일정해야 하며, 특히 이동성을 보장하기 위해서는 안테나의 크기가 작아야 하고, 제작이 용이하여야 하며 제작비용도 저렴해야 할 것이 요구된다.

또한, UWB 통신 시스템에서 사용하는 주파수 대역은 3.1 ~ 10.6Ghz로서 WLAN 주파수 대역(5.15~5.35GHz)을 포함하기 때문에, WLAN 주파수 대역(5.15~5.35GHz)과의 간섭이 발생할 우려가 있다. 따라서, 초광대역 안테나는 WLAN 주파수 대역의 신호를 송/수신하지 못하도록 5.15~5.35GHz에서 노치(notch) 특성을 가져야한다.

도 1은 종래의 초광대역 안테나로서, 만곡 T자 형상의 모노폴 안테나의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 초광대역 안테나는 기판(20)의 윗면에 위치한 만곡 T자형 패치(10)의 안테나 모양이 매우 복잡하고 기판(20)의 뒷면에 접지면(40)을 두어서 비아홀(via hole)(30)을 사용하기 때문에 기생성분에 의한 급전 손실이 커지고 안테나를 소형으로 제작하기 어렵다.

또한, 상기 종래의 만곡 T자 형상의 모노폴 안테나는 노치(notch) 특성의 구현을 위한 구성요소가 없기 때문에, WLAN 주파수 대역(5.15~5.35GHz)과의 간섭이 발생할 수밖에 없는 문제가 있다.

한편, CPW 급전방식을 이용한 안테나는 패치 안테나의 일종으로 마이크로 스 트립선로에 비해 분산이 적고 광대역 특성을 얻을 수 있으며 접지면과 동일면에 급전구조를 구현함으로서 급전손실을 줄일 수 있다. 또한, 비아홀(via-hole)을 사용하지 않을 수 있고, 수동소자나 능동소자의 직병렬 부착이 용이하여 회로를 소형화 할 수 있으며, 신호선과 그라운드(Ground)가 동일 평면상에서 전계를 이루어 좀더 TEM 모드에 가깝게 만들 수 있다.

이러한 CPW 구조의 가장 큰 장점은 신호선과 그라운드가 같은 면에 존재하기 때문에, 표면에 실장되는 소자들이 전부 위쪽 면에서 깨끗하게 마운팅될 수 있다는 점이다.

또한, 뒷면의 그라운드로 비아(via)를 뚫을 필요가 없기 때문에, 션트(shunt) 소자들을 간편하게 배치할 수 있는 효과로 인하여, 공정이 단순해지는 이점 뿐만 아니라, 밀리미터파 영역에서 비아(via) 등에 의한 기생효과 역시 줄일 수 있는 장점이 있다.

따라서, CPW는 수 ~ 수십 GHz 이상의 회로에서 주로 이용되는 경향이 있으며, 초광대역 패치 안테나의 급전 방식에 매우 적합한 구조이다.

본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 사다리꼴 모양의 패치, 정합 스터브, CPW 급전 방식 및 사각형 슬롯을 이용함으로써, 초소형, 경량, 저가의 광대역 특성을 갖고 5GHz WLAN 대역(5.15-5.35GHz)에서 노치 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나에 있어서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상면의 중앙선 상단에 위치한 사다리꼴 모양의 사다리꼴 패치, 상기 유전체 기판 상면의 중앙선 하단에 위치하여 상기 사다리꼴 패치로 급전하기 위한 급전 수단, 상기 사다리꼴 패치 및 상기 급전 수단 사이에 위치하여 임피던스를 정합시키기 위한 정합 수단 및 상기 유전체 기판 상면의 상기 급전 수단의 측면에 위치한 접지 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나는 사다리꼴 패치(100)에 CPW 급전선(103)과 정합용 스터브(101)을 이용하여 구현한 UWB 안테나로서, 본 실시예에서는 사다리꼴 패치(100)의 크기는 30*18㎟, 접지면(102)의 크기는 13.35*10㎟, 유전체 기판(104)의 크기는 30*30㎟로 구현하였다.

또한, 기판(104)은 높이가 0.762mm인 "Rogers"사의 TMM 4(유전율 = 4.5, loss tangent = 0.002)를 사용하였으며, 기판(104) 후면에 접지가 없는 CPW 급전구조로 초광대역 특성을 구현하였다.

사다리꼴 패치(100)의 모양은 사다리꼴로서 사각형보다 전류의 흐름을 원활하게 할 수 있어 일반적인 사각 패치보다 넓은 광대역 특성을 가진다.

CPW 급전선(103)과 사다리꼴 패치(100)와의 임피던스 정합을 이루기 위해 정합용 스터브(101)를 사용함으로써, 광대역 특성을 가지게 되어 패치 안테나의 단점인 협대역성을 보완하였다.

한편, 접지면(102)의 면적을 조정해서 광대역 특성을 갖게 할 수 있다. 즉, 접지면(102)의 높이를 사다리꼴 패치(100)에 근접한 거리까지 접근시키면 안테나의 정재파비(VSWR)가 작아지고, 사다리꼴 패치(100)에서 멀어지면 안테나의 VSWR이 커진다.

또한, 접지면(102)을 사다리꼴 패치(100)가 있는 안테나 전면부에 위치시켜 안테나의 급전 손실을 줄였고, 그 결과 비아홀을 사용하지 않고 수동소자와 능동소자의 직병렬회로를 용이하게 구현할 수 있어 기존의 안테나보다 공간 활용을 용이하게 하였다.

한편, 사각형 슬롯(105)을 이용하여 5GHz WLAN 대역(5.15-5.35GHz)에 노치를 가지도록 하는 안테나를 구현하였다. 사각형 슬롯(105)의 치수는 18*0.15㎟이다.

도 3은 도 2의 안테나의 반사 손실을 회로망 분석기로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 VSWR은 2:1 지점인 -10dB 이하인 지점에서 약 2.7~8.3GHz의 대역폭을 가진다. 안테나의 프랙셔널 대역폭(fractional bandwidth)은 약 100%이다.

도 4는 도 2의 안테나의 이득을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 이득은 관심 대역에서 이득의 변화량이 약 3dBi 정도이다.

도 5는 도 2의 안테나의 그룹 딜레이를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 감쇠율을 측정하기 위하여, 도 2의 안테나 두개를 제작하여, 하나는 회로망 분석기의 포트 1에 연결하 고 다른 하나는 포트 2에 연결하여 서로 15cm 정도 이격시킨 상태에서 S21의 그룹 딜레이를 측정하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나는 관심 대역에서 그룹 딜레이의 변화량은 약 1ns이하이다.

도 6은 도 2의 안테나의 감쇠율을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 그룹 딜레이를 측정하기 위하여, 도 2의 안테나 두개를 제작하여, 하나는 회로망 분석기의 포트 1에 연결하고 다른 하나는 포트 2에 연결하여 서로 15cm 정도 이격시킨 상태에서 S21의 감쇠량를 측정하였다.

UWB통신에서는 펄스 통신을 하기 때문에 S21의 감쇠율이 일정해야 하는데, 도 6에 도시된 바와 같아, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나는 관심 대역에서 거의 일정한 감쇠율(-20dB)을 가지는 것을 알 수 있다.

도 7은 도 2의 안테나의 송/수신 특성을 측정하기 위하여 생성한 송신 신호의 파형을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 2의 안테나가 수신한 상기 송신 신호에 상응하는 수신 신호를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 송/수신 특성을 측정하기 위하여, 도 2의 안테나 두개를 제작하여, 하나는 펄스 발생기에 연결하여 송신용 안테나로 동작시킴으로써 도 7에 도시된 펄스 신호를 송신하도록 하고, 다 른 하나는 수신용 안테나로 동작시켜 송신된 신호를 수신하도록 하여, 디지털 오실로스코프로 수신 파형을 측정하였다.

이 때, 두 안테나간의 거리는 15cm로 유지하였고, 펄스 발생기의 소스 신호는 중심 주파수가 4GHz이고 펄스 폭이 255ps인 펄스 신호이다.

도 7과 도 8을 비교해 보면 알 수 있듯이, 신호의 레벨만 낮아진 채로 신호의 일그러짐이 거의 없으며 펄스 폭도 거의 동일하다.

도 9는 도 2의 안테나의 복사 패턴을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나의 복사 패턴은 H-플레인(plane)(XZ-plane)에서는 거의 옴니 디렉셔널(omni-directional) 특성을 가지고 E-플레인(plane)에서는 다이폴 안테나의 패턴과 유사함을 알 수 있다.

도 10은 도 2의 안테나의 사각형 슬롯(105) 유무에 따른 VSWR을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나는 간단한 사각형 슬롯(105)을 구비함으로써, 5GHz WLAN 대역(5.15-5.35GHz)에 노치 특성을 갖게 되는 것을 알 수 있다.

도 11은 도 2의 안테나의 사각형 슬롯(105)의 길이에 따른 VSWR을 측정한 결 과를 나타내는 도면으로서, 사각형 슬롯(105)의 길이에 따른 노치 특성의 변화를 보여준다.

도 11에 도시된 바와 같이, 사각형 슬롯(105)의 길이(L)가 18mm, 17mm 및 16mm로 변화함에 따라 노치의 위치가 변화됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나는 사각형 슬롯(105)의 길이를 조정함으로써, 원하는 대역에서 노치 특성을 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

사다리꼴 모양의 패치, 정합 스터브 및 CPW 급전 방식을 이용함으로써, 소형/경량의 UWB 통신용 초소형 초광대역 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 사다리꼴 모양의 패치, 정합 스터브 및 CPW 급전 방식을 이용함으로써 UWB 안테나를 용이하고 경제적으로 구현하여 UWB통신 시스템에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 사각형 슬롯을 이용함으로써, 5GHz WLAN 대역(5.15-5.35GHz)에 노치(notch) 특성을 가질 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나에 있어서,

   유전체 기판;

   상기 유전체 기판 상면의 중앙선 상단에 위치한 사다리꼴 모양의 사다리꼴 패치;

   상기 유전체 기판 상면의 중앙선 하단에 위치하여 상기 사다리꼴 패치로 급전하기 위한 급전 수단;

   상기 사다리꼴 패치 및 상기 급전 수단 사이에 위치하여 임피던스를 정합시키기 위한 정합 수단; 및

   상기 유전체 기판 상면의 상기 급전 수단의 측면에 위치한 접지 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 사다리꼴 패치의 하부에 위치하여 소정의 주파수 대역에서 노치 특성을 구현하기 위한 슬롯

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   안테나 급전 방식은 CPW 급전방식인 것을 특징으로 하는 사다리꼴 모양의 초광대역 패치 안테나.

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