KR20060070516A

KR20060070516A - 초단파 및 극초단파 대역용 프린트패턴 루프 안테나

Info

Publication number: KR20060070516A
Application number: KR1020060050133A
Authority: KR
Inventors: 신현우
Original assignee: 신현우
Priority date: 2006-06-03
Filing date: 2006-06-03
Publication date: 2006-06-23

Abstract

본 발명은 초단판(VHF) 및 극초단파(UHF) 대역용 프린터패턴 루프 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는 유전체 기판 위의 안테나패턴은 스트립선로(strip line) 형태로 인쇄한 후 엣칭(etching)하고, 이의 스트립선로의 형태는 나선(spiral)형 또는 그리드(grid)형으로 구성하여 면적이 작은 유전체 기판에 상기의 안테나를 배치시켜 VHF, UHF 대역의 파장이 긴 주파수의 전파를 높은 효율로 전달할 수 있는 것이 특징이다. 바람직하게는 작은 면적의 유전체 기판 위에 나선형의 사각패턴 및 원형패턴스트립선로(strip line)를 엣칭기법으로 제작하고, 스트립선로의 전체길이(L)는 사용하는 주파수의 파장에 비례하도록 하고, 스트립선로폭(w)과 스트립선로폭의 일정배수인 선로와 선로사이의 간격(d), 유전체기판의 두께(t), 유전율(εr)의 상관관계를 이용하여 낮은 주파수에서 공진되는 루프 안테나를 제작하고, 나선형의 패턴으로 방사시켜 스트립선로 종단은 RF회로와 연결되고, RF 회로의 출력은 이 안테나를 통하여 전파로 방사케 한다. 따라서 소형의 유전체 기판 위에 원형, 혹은 사각패턴의 나선형으로 프린트하여 루프안테나로 제작하여 지상파 DMB안테나, 휴대폰안테나, GPS안테나 등과 같이 다양한 주파수용의 안테나로 이용될 수 있다.

프린트패턴, 루프안테나, 스트립선로안테나, 지상파 DMB안테나, 휴대폰 안테나, GPS 안테나

Description

초단파 및 극초단파 대역용 프린트패턴 루프 안테나{Printed Pattern Loop Antenna for VHF and UHF band}

도 1: 루프안테나의 전체 구조

도 2: 루프안테나의 하부면

도 3: 안테나 구조에 대한 주요 파라메터

도 4: 지상파 DMB용 200MHz 대역의 3차원 빔패턴

도 5: 지상파 DMB용 200MHz 대역의 방사패턴

도 6: 셀폰(cell phone)용 900MHz 대역의 3차원 빔패턴

도 7: 셀폰(cell phone)용 900MHz 대역의 방사패턴

도 8: GPS용 1.5GHz 대역의 3차원 빔패턴

도 9: GPS용 1.5GHz 대역의 방사패턴

도 10: 이중 나선형의 루프안테나 실시예

도 11: 사각 나선형의 루프안테나 실시예

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

11: 동박의 스트립선로, 12: 유전체기판, 13: 스루홀(through hole), 14: 그라운드용 동박면, 15: 콘덴서(condensor), 16: 급전부

종래의 VHF/UHF 대역의 무선통신기의 안테나는 다이폴안테나(dipole antenna), 로드안테나(rod antenna), 야기안테나(yagi antenna) 등이 많이 사용되고 있었다. 상기의 안테나들은 그 크기가 매우 크고 무거워 송수신 장치의 외부에 부착하여 이동시에는 매우 불편한 단점이 있었다. 뿐만 아니라 이러한 안테나들은 전파가 방사되는 방사패턴이 특정한 모양을 가져 안테나로부터 위치되는 각도에 따라 전파의 강도가 달라져 통신상태가 서로 위치되는 각도에 따라 변화하는 문제점이 발생한다.

최근에는 휴대용 통신기가 발달하여 움직이면서 VHF/UHF 대역의 전파를 사용하는 서비스가 급증하고 있는데, 예를 들면 휴대폰이나 GPS(Global Positioning System) 등이 있으며, 더욱이 지상파 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)서비스의 경우에는 사용주파수가 200MHz 대역으로 전파의 파장이 수 미터나 되어 안테나의 크기가 매우 커서 휴대용 통신기로의 제작이 어려워진다. 이러한 지상파 DMB나 휴대폰, GPS단말기와 같은 낮은 주파수에서 휴대용통신기용의 안테나를 위한 소형으로 제조가 손쉽고 생산단가가 매우 낮으며, 제품생산공정이 간단하여 생산시 불량이 거의 없는 안테나의 개발이 필요하다.

VHF 및 UHF용 안테나를 만들기 위해서는 사용주파수의 파장에 해당하는 길이의 라디에이터(radiator)가 필요하다. 그러나 주파수가 낮은 VHF 대역의 파장은 수 미터에 해당하여 휴대폰과 같은 작은 프린트기판 위에 삽입하기는 매우 어렵다.

본 발명은 상기의 기술적 과제를 해결하기 위해 일정한 유전율을 가진 유전체기판을 인쇄회로기판(Printed Circuit Board;PCB)의 엣칭기법으로 스트립선로형 안테나 패턴을 제작하여 이의 제작공정을 용이하게 하고, 스트립선로의 길이를 회전하는 나선형태로 제작하여 무선통신주파수 파장에 맞는 길이로 배치하고, 방사패턴이 어느 각도에도 일정하도록 나선형 루프 안테나(spiral type loop antenna)로 제작하도록 한다.

또한 바람직하게는 안테나의 방사패턴은 어느 각도에서도 일정하게 방사가 되도록 하기 위해 유전체 기판의 중심점으로부터 바깥 방향으로 일정한 간격으로 회전하면서 스트립선로를 나선형태로 유지하면서 배치하고, 유전체 기판의 중심부의 스트립선로 종단부분은 유전체 기판의 하부면으로 스루홀(through hole)을 가공하여 기판 하부의 회로와 연결하여 급전시키도록 한다.

상기와 같은 나선형태의 안테나를 제작할 경우에는 인쇄된 동박 패턴위로 전파가 방사되고 안테나 방사패턴이 인쇄된 기판 위로 일정한 강도로 방사되어 어느위치에서나 수신되는 전파의 강도는 일정하게 된다. 나선형으로 이어지는 패턴의 총 선로길이는 통신에 사용하는 주파수의 파장에 비례하게 하여 정합(matching)을 유지하여 사용주파수가 잘 전파되도록 한다.

또한 본 발명에서는 VHF대나 UHF대와 같은 낮은 주파수에서도 크기가 매우 작아 지상파 DMB나 휴대폰과 같은 소형의 휴대용 단말기에 사용할 수 있는 소형의 안테나를 구현하는 기술에 있다. 안테나의 길이는 파장에 비례함으로, 주파수가 낮 아지면 파장이 커져 안테나의 크기가 매우크게 되나, 본 발명에서는 파장의 그 길이에 해당하는 라디에이터를 스트립패턴으로 기판 위에 프린트하고, 길이를 늘리면서 면적을 적게 하기 위하여 기판 위에 나선형으로 회전하는 모양으로 인쇄하여 전체 길이는 길게 하면서 면적을 줄일 수 있는 방법으로 안테나 라디에이트(radiator)를 구성한다.

바람직하게는 기판으로는 유전체기판을 사용하며 기판 밑에는 그라운드용 동박면을 부착하고, 기판 위에는 안테나 라디에이트(radiator)를 패턴기법으로 스트립을 엣칭하여 제작한다. 라디에이트(radiator)에 해당하는 스트립선로를 기판의 중심에서 시작하고, 중심부의 시작점은 기판 밑의 그라운드와 스루홀(through hole)을 가공하여 연결하고, 중심점에서부터 나선형으로 동심원을 만들어 스트립선로를 길게 연장시켜 안테나 라디에이트(radiator)를 만든다.

또한 전체 안테나패턴의 선로길이는 사용하는 주파수에 해당하는 파장에 비례하게 하며, 스트립선로의 선폭(w)과 전체 선로의 길이(L), 회전하는 선로 사이의 간격(d), 유전체기판의 유전율(εr), 유전체기판의 두께(t) 등이 루프코일(coil)의 유도성리액턴스(ωL) 성분을 구성하게 하며, 유전체기판의 유전율과 기판의 두께는 용량성리액턴스(1/ωC) 성분을 형성하게 되어, 이러한 파라메터들이 구성되어 공진을 형성한다. 이러한 공진주파수는 특정한 주파수를 방사할 수 있는 안테나를 구성하게 되고, 이의 공진주파수와 사용하는 전파의 주파수를 일치시킴으로 효율 좋고 소형의 낮은 주파수의 이동형 무선통신기를 만들 수 있다.

본 발명에서는 상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 낮은 주파수대의 안테나를 구현하기 위해서 테프론 소재의 유전체기판(12)(유전율 εr=2.3, 두께(t) 0.5mm)을 사용하여, 기판의 양면에는 두께 0.018mm의 동박이 부착된 양면 기판을 지름 30mm크기로 둥글게, 혹은 사각형으로 절단하고, 기판의 밑면의 동박(14)은 그대로 두고, 윗면 동박에 포토레지스터(photo register) 방법으로 스트립선로(11)를 제작하였다. 도 1은 본 발명에 있어서 루프안테나를 대표한 도면이며, 도 2는 루프안테나의 후면을 도시한 것이다.

바람직하게는 스트립선로의 폭 w는 0.2mm로 하고, 스트립선로의 시작점은 기판의 중심에서부터 시작하여 2520°각도 나선형태로 회전시켰으며, 스트립의 시작점인 기판의 중심에 스루홀(through hole)(13)을 가공하여 기판의 밑면인 그라운드용 동박면(14)와 스트립선로의 시작점을 연결하였다.

바람직하게는 유전체기판(12)의 중심에서 스루홀(13)로 그라운드(14)와 연결된 점에서 시작한 스트립선로(11)는 나선형(spiral)의 모양으로 둥글게 원형으로 바깥쪽으로 연결해 나가거나, 사각형 모양으로 바깥쪽으로 연장시켜 연결해 나가도록 하였다. 나선형으로 원형, 혹은 사각형으로 연결해 나가면서 스트립선로(11)와 선로(11)의 간격(d)는 선로 폭의 3배 이상으로 하여 스트립선로(11)간의 상호유도작용을 방지하였다.

또한 기판(12)의 중심에서 시작하여 바깥쪽으로 나선형으로 연장시켜 배치한 스트립선로의 전체 길이(L)는 사용하는 주파수의 파장에 비례하게 하고, 유전체 기 판의 유전율(εr)과 기판의 두께(t)는 스트립선로(12)의 유도성리액턴스(ωL)와 용량성리액턴스(1/ωC)성분으로 나타나게 됨으로 공진주파수를 결정하기 위하여 스트립선로의 길이와 기판의 두께(t) 및 유전율(εr)을 적절하게 선택/조절하여 사용하였다. 도 3은 안테나 구조에 대한 주요 파라메터를 나타낸 것이다.

이때 스트립선로의 길이와 간격(d), 선로폭(w)과 유전체 기판의 유전율(εr) 및 두께(t) 등이 공진주파수를 결정하는 루프안테나를 형성하게 되는데, 스트립선로의 길이(L)가 기판의 크기에 비해 충분히 길기 때문에 소형으로 낮은 주파수대인 VHF, UHF 대역의 안테나를 만들수 있게 된다.

또한 유전체 기판(12)의 크기를 극단적으로 적게 할 필요가 있는 경우나 사용주파수가 매우 낮아 기판내부의 면적(a×b)에 스트립선로를 형성하여 사용주파수의 파장을 형성할 수가 없는 경우에는 스트립선로의 끝부분에 콘덴서(15)를 부착하여 강제 공진을 시켜 보다 적은 기판형 루프 안테나를 구현할 수가 있으며 매우 낮은 주파수의 루프 안테나를 구현할 수가 있게 된다.

또한 스트립선로(11)의 끝부분은 통신기의 RF회로와 연결할 수 있게 급전부(16)를 패턴인쇄하여 제작하고, 기판의 밑부분인 그라운드용 동박면(14)과 같이 급전시킨다.

본 발명에 있어서, 상기 루푸안테나를 이용하여 지상파 DMB용 200MHz 대역, 셀 폰용 900MHz 대역, GPS용 1.5GHz 대역, GPS용 1.5GHz 대역에서의 3차원 빔패턴과 방사패턴을 시뮬레이션 한 그림이다.

또한 본 발명에 있어서, 보다 다양한 형태의 나선형 루프안테나를 제작할 수 있음을 도 10과 도 11에 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 VHF, UHF 대역용 프린트패턴 루프 안테나에 의하면, 나선형 루프안테나에서 방사된 안테나의 방사패턴은 프린트 기판의 중심에서 일정하게 전파가 방사되는 효과를 얻을 수가 있으며, 안테나의 빔폭도 일정하고, 어느 특정 방향으로 치우치지 않는 전방향 안테나를 제작할 수가 있다.

또한 상기 유전체기판 위에 길게 회전시켜 배치된 스트립선로의 길이(L), 유전체기판의 유전율(εr), 유전체기판의 두께(t), 스트립선로의 폭(w) 및 간격(d)은안테나의 공진주파수를 결정하는 유도성리액턴스(ωL)와 용량성리액턴스(1/ωC)로 등가되고, 이는 공진하는 루프안테나로 변환되는 데, 유도성리액턴스(ωL)의 위치가 동심원의 내부에서 외부까지 그 위치가 폭넓게 변하기 때문에 공진주파수의 Q값은 매우 낮아 VHF 대역의 낮은 주파수에서부터 UHF대역의 높은 주파수에까지 겸용으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한 소형의 유전체 기판 위에 원형, 혹은 사각패턴의 나선형으로 프린트하여 루프안테나로 제작하여 지상파 DMB안테나, 휴대폰안테나, GPS안테나 등과 같이 다양한 주파수용의 안테나로 이용될 수 있다. 이는 방사패턴이 프린트 기판위로 나선형으로 회전하면서 패턴의 길이가 길어 파장이 긴 저주파수용의 안테나에 공진이 가능케하며, 스트립선로의 패턴은 유도성리액턴스(ωL)와 용량성리액턴스(1/ωC)성 분을 만들어 내어 각각 위치가 다른 관계로 공진주파수가 넓고, Q가 낮아 VHF 등의 낮은 주파수에서부터 마이크로파용 주파수대역까지 다양하게 사용할 수가 있다.

Claims

두께 t와 넓이(a×b)를 가지는 유전체 기판 위에 엣칭기법으로 선로폭 w을 가지는 동박 스트립선로패턴을 인쇄하여, 중심으로부터 사각 나선형으로 유전체 바깥으로 선로를 이어나가고, 선로의 총길이 L은 사용하는 주파수의 파장에 비례하게 엣칭하는 사각스트립선로 패턴 루프안테나;

두께 t와 넓이(a×b)를 가지는 유전체 기판 위에 엣칭기법으로 일정한 선로폭 w을 가지는 동박 스트립선로패턴을 인쇄하여, 중심으로부터 원형 나선형으로 유전체 바깥으로 선로를 이어나가면서, 선로의 총길이 L은 사용하는 주파수의 파장에 비례하게 엣칭하는 원형스트립선로패턴 루프안테나의 구조 및 방법
제 1항에 있어서,

유전체 기판위에 안테나용 선로를 엣칭할 때, 사용주파수의 파장에 비례하는 길이를 확보하기 위해 엣칭하는 선로폭 w을 가능한 좁게 하여 기판의 중심에서부터 바깥쪽으로 나선회전시켜 상대적으로 긴 선로폭 w을 확보, 유지하는 원형 및 사각 스트립패턴 루프안테나의 구조 및 방법
제 1항에 있어서,

유전체 기판위에 안테나용 선로를 엣칭할 때, 사용주파수의 파장에 비례하는 길이를 확보하기 위해 엣칭하는 선로폭 w을 가능한 좁게 하여 나선회전 시킬 때, 회전시 선로간격을 선폭의 수배로 하여 인접하는 선로사이가 가까워져 상호유도 효과가 일어나지 않게 간격 d를 유지하는 사각, 원형 스트립패턴 루프안테나의 구조 및 방법
제 1항에 있어서,

유전체 기판위에 안테나용 스트립선로를 엣칭할 때 스트립의 시작점에 스로홀(through hole)을 가공하여 기판밑의 그라운드용 도박면과 접속하고 나선형으로 사각형 혹은 원형으로 회전시키면서 바깥쪽으로 길게 배치시켜 총길이 1을 사용주파수의 파장과 비례하게 하고, 종단부분을 급전시켜 RF 송/수신 회로와 연결하는 사각, 원형 스트립패턴 루프안테나의 구조 및 방법
제1항에 있어서,

유전체 기판위에 안테나용 스트립선로를 엣칭할 때 스트립의 시작점에 스로홀을 가공하여 기판밑의 그라운드용 동박면과 접속하고 나선형으로 사각형 혹은 원형으로 회전시키면서 바깥쪽으로 길게 배치시켜 총길이를 사용주파수의 파장과 비례하게 하고;

스트린선로 끝부분을 급전시켜 RF 송/수신 회로와 연결하는 스트립선로 루프패턴 안테나에 있어서, 사용주파수를 결정하기 위하여 스트립선로의 길이 L 및 선로폭w, 유전체 기판의 두께 t 및 유전율 εr 을 조정하여 공진주파수를 조절하는 사각, 원형 스트립루프 패턴 안테나의 구조 및 방법
유전체 기판 위에 엣칭기법으로 선로폭 w을 가지는 동박패턴을 인쇄하여, 중심으로부터 사각혹은 원형 나선형으로 유전체 바깥으로 선로를 이어나가면서, 선로의 총길이는 사용하는 주파수의 파장에 비례하게 엣칭하고, 일정한 넓이의 유전체 기판위에 안테나용 선로를 엣칭할 때, 사용주파수의 파장에 비례하는 길이를 확보하기 위해 엣칭하는 선로폭을 가능한 좁게 하여 나선회전 시킬 때, 회전시 선로간격을 선폭의 수배로 하여 인접하는 선로사이가 가까워져 상호유도 효과가 일어나지 않게 일정한 간격을 유지하는 사각, 원형 패턴 안테나에서 그 회전 방향을 시계방향 및 반시계 방향으로 인쇄하는 스트립패턴 루프안테나.
유전체 기판 위에 엣칭기법으로 일정한 선로폭을 가지는 동박패턴을 인쇄하여, 중심으로부터 안테나의 양 라디에이터를 사각혹은 원형 나선형으로 양방향으로 유전체 바깥으로 선로를 이어나가면서, 선로의 총길이 L은 사용하는 주파수의 파장에 비례하게 엣칭하고, 양 끝중 한끝은 그라운드용 동박면과 연결하고, 나머지 한끝은 RF송/수신기와 연결 급전시키는 사각, 원형 스트립패턴 루프안테나.
유전체 기판위에 안테나용 스트립선로를 엣칭할 때 스트립의 시작점에 스루홀을 가공하여 기판밑의 그라운드용 동박면과 접속하고 나선형으로 사각형 혹은 원형으로 회전시키면서 바깥쪽으로 길게 배치시켜 총길이를 사용주파수의 파장과 비례하게 하고; 마지막 끝부분을 급전시켜 송/수신 회로와 연결하는 스트립루프 패턴 안테나에 있어서, 사용주파수를 임의로 조절하기 위하여 스트립선로의 마지막 끝부분에 콘덴서를 부착하여 강제적으로 공진시켜 공진주파수를 조절하는 사각, 원형 스트립루프 패턴 안테나의 구조 및 방법
유전체기판에 있어서, 하부면은 그라운드용 동박면으로 프린트하거나, 동박면을 프리트하지 않는 것이 특징인 사각, 원형 스트립루프 패턴 안테나의 구조 및 방법