KR20060096258A - 소정 주파수 대역 신호를 필터링하는 초광대역 안테나, 및,이를 이용한 초광대역 신호 수신 시스템 - Google Patents

소정 주파수 대역 신호를 필터링하는 초광대역 안테나, 및,이를 이용한 초광대역 신호 수신 시스템 Download PDF

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Abstract

소정 주파수 신호를 필터링하는 초광대역 안테나가 개시된다. 본 초광대역 안테나는, 외부 전자기 에너지를 공급받는 급전부, 급전부를 통해 급전된 전자기 에너지에 의해 여기(excitation, 勵起)되어 소정의 전자기파를 방사하는 방사체(radiator), 및, 방사체 상에서, 전자기파에 의해 형성되는 전계의 방향과 평행한 방향으로 제작되어, 소정 주파수 대역 신호의 송수신을 차단하는 스터브를 포함한다. 이 경우, 스터브는 제거하고자 하는 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이로 제작한다. 이에 따라, 해당 주파수 대역 신호가 필터링된다. 결과적으로, 초광대역 신호 수신 시스템의 구성을 간단하게 함으로써, 크기를 줄이는 동시에 파워 로스 및 노이즈 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
초광대역 안테나, 방사체, λ/4 스터브

Description

소정 주파수 대역 신호를 필터링하는 초광대역 안테나, 및, 이를 이용한 초광대역 신호 수신 시스템 { Ultra wide band antenna for filtering predetermined frequency band signal, and, ultra wide band signal receiving system therewith }
도 1은 종래의 초광대역 안테나를 이용한 수신 시스템의 구성을 나타내는 블럭도,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성에 대한 모식도,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 게인 특성을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 리턴 로스 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성에 대한 모식도,
도 6A 및 도 6B는 본 초광대역 안테나에서 사용되는 스터브 형태의 일 예를 나타내는 모식도,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 신호 수신 시스템의 구성을 나타내는 블럭도,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성을 나타내는 전면도,
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성을 나타내는 배면도,
도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성을 나타내는 수직 단면도, 그리고,
도 11 내지 도 13은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 주파수 특성을 설명하기 위한 S-파라미터 그래프이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 초광대역 안테나 400 : 매칭부
500 : 증폭부 110 : 기판
120 : 제1 금속막 130 : 제2 금속막
140 : 제1 스터브 150 : 제2 스터브
160 : 급전부 170 : 테이퍼형 슬롯
국내특허출원 10-2003-0029130호, 10-2002-0080795호 등에서 본원 발명이 속하는 기술분야의 배경지식이 기재되어 있다.
본 발명은 초광대역 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 λ/4 길이의 스터브가 삽입된 방사체를 이용하여 소정 주파수 대역 신호의 송수신을 차단하는 초광대역 안테나에 관한 것이다.
안테나란 전기적 신호를 소정의 전자기파로 변환하여 자유공간(free space)으로 방사하거나 그 반대의 동작을 수행하는 부품을 의미한다. 또한, 초광대역(Ultra Wide-Band, UWB) 기술은 RF 반송파를 사용하지 않고 임펄스 신호를 직접 송수신하는 무선 전송 기술을 의미한다. 초광대역(Ultra Wideband, UWB) 안테나는 3.1∼10.6 ㎓ 대의 주파수 대역을 사용하여 임펄스 신호를 송수신할 수 있는 안테나를 의미한다.
이러한 초광대역 기술은 기존의 협대역 통신과 달리 매우 넓은 주파수 대역을 사용하면서 초저전력을 이용하여 고속 데이터 전송을 이룰 수 있는 통신방법이다. 따라서, 현재 급속하게 발전하고 있는 WPAN을 비롯한 홈네트워킹 등에 적용될 수 있다.
도 1은 초광대역 안테나를 이용한 수신 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1에 따르면, 종래의 수신 시스템은 초광대역 안테나(10), 필터부(20), 매칭부(30), 및, 증폭부(40)를 포함한다.
초광대역 안테나(10)는 상술한 바와 같이 3.1∼10.6 ㎓ 주파수 대역 내의 신호를 수신한다.
필터부(20)는 초광대역 안테나(10)로부터 수신되는 신호 중 5.15 ∼ 5.825 GHz 주파수 대역 내의 신호를 제거하는 역할을 한다. 5.15 ∼ 5.825 GHz 주파수 대역은 WLAN 통신 서비스 규격(HIPERLAN/2, IEEE 802.11a 등)에서 사용하는 주파수 대역이다. 따라서, WLAN 신호와의 간섭이 생길 수 있기 때문에, 이 대역 내의 신호는 필터부(20)를 이용하여 제거하게 된다. 이를 위해, 필터부(20)는 소정 주파수 대역을 제외한 나머지 신호만을 패스시키는 노치 필터(notch filter)로 구현할 수 있다.
매칭부(30)는 안테나의 임피던스 및 급전케이블(미도시)의 임피던스를 매칭시켜주는 역할을 한다. 증폭부(40)는 수신된 신호를 증폭하여 후단으로 출력해주는 역할을 한다. 수신 시스템의 기타 구성 요소에 대한 설명은 생략한다.
이러한 종래의 수신 시스템에서 초광대역 안테나(10) 및 필터부(20)는 각각 별개의 회로로 구현되었다. 이에 따라, 수신 시스템의 전체 크기가 커진다는 문제점이 있었다. 또한, 수신 시스템의 구성요소가 많기 때문에 파워 로스가 크며, 시스템 구조가 복잡해진다는 문제점이 있었다. 따라서, 소정 주파수 대역 내의 신호를 제거할 수 있는 필터 기능을 겸비한 초광대역 안테나에 대한 연구의 필요성이 제시되었다.
본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 λ/4 길이의 스터브가 삽입된 방사체를 구비함으로써, 소정 주파수 대역 신호를 제거할 수 있는 초광대역 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 소정 주파수 대역 신호를 제외한 초광대역 신호 를 수신하는 안테나를 이용함으로써, 소형으로 구현되며 파워 로스 및 노이즈 특성이 향상되는 초광대역 신호 수신 시스템을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 안테나는, 외부 전자기 에너지를 공급받는 급전부, 상기 급전부를 통해 급전된 전자기 에너지에 의해 여기(excitation, 勵起)되어 소정의 전자기파를 방사하는 방사체(radiator), 및, 상기 방사체 상에서, 상기 전자기파에 의해 형성되는 전계의 방향과 평행한 방향으로 제작되어, 소정 주파수 대역 신호의 송수신을 차단하는 소정 길이의 스터브를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방사체는, 기판, 상기 기판 상에 적층된 제1 금속막, 상기 기판 상에 적층된 제2 금속막, 및, 상기 기판 상에서 상기 전자기파의 방사방향으로 점점 넓어지는 형태로 제작되어, 상기 제1 및 제2 금속막을 구분하는 테이퍼형 슬롯을 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 스터브는, 상기 제1 금속막 상에서 일단이 상기 테이퍼형 슬롯 방향으로 오픈된 형태로 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제1 스터브, 및, 상기 제2 금속막 상에서 일단이 상기 테이퍼형 슬롯 방향으로 오픈된 형태로 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제2 스터브를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 급전부는, 상기 기판 하부 표면에 제작되어, 상기 전자기 에너지를 공급받는 하부 급전부, 및, 소정 형태로 패터닝된 상기 금속막으 로 구성되며, 상기 전자기 에너지를 커플링하는 상부 급전부를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 급전부는, 상기 하부 급전부 및 상기 상부 급전부가 각각 복수개의 가지 형태로 제작된 멀티-암 구조로 제작되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 방사체는, 기판, 상기 기판 상에서 원형으로 제작되어, 상기 전자기파를 옴니 방향으로 방사하는 금속막, 및, 상기 급전부로부터 커플링되어 공급되는 전자기 에너지를 상기 금속막으로 전달하는 CPW(Co-Planar Wave) 라인을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 스터브는, 상기 금속막 상에서 상기 CPW 라인을 기준으로 좌측에 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제1 스터브, 및, 상기 금속막 상에서 상기 CPW 라인을 기준으로 우측에 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제2 스터브를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 상기 방사체는, 기판 및 상기 기판 상부 표면 상에서 가장 자리에 적층되며, 상기 기판 상부 표면 중 소정 영역을 노출시켜 홀을 형성하는 금속막을 포함한다.
이 경우, 상기 급전부는, 상기 기판 하부 표면 상에 제작되는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 금속막은 외부 그라운드 단자와 연결되며, 상기 급전부를 통해 전자기 에너지가 유입되면, 상기 홀을 통해 전자기파를 방사할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 스터브는, 상기 홀 내부에 위치하며, 일단이 상기 금속막과 접하고 타단이 상기 홀 내부를 향하는 방향으로 오픈되는 제1 스터브 및 상기 홀 내부에 위치하며, 일단이 상기 금속막과 접하고 타단이 상기 홀 내부를 향하는 방향으로 오픈되어 상기 제1 스터브와 평행한 형태로 배치되는 제2 스터브를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 스터브는 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 급전부는, 상기 기판 하부 표면 중 중심 영역에 위치하며, 멀티-암 구조를 가지는 제1 급전부 및 상기 기판 하부 표면 중 가장 자리로부터 상기 중심 영역까지 연장되어, 상기 제1 급전부에 연결되는 제2 급전부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초광대역 신호 수신 시스템은, 소정 주파수 대역의 신호를 제외한 초광대역 주파수 신호를 수신하는 안테나, 상기 안테나의 임피던스를 소정 크기로 매칭시키는 매칭부, 및, 상기 안테나에 의해 수신된 신호를 증폭하는 증폭부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 안테나는, 전자기파를 소정 방향으로 방사하는 방사체(radiator), 및, 상기 방사체 상에서 상기 전자기파에 의해 형성되는 전계의 방향과 평행한 방향으로 제작되어, 상기 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 적어도 하나의 스터브를 포함할 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2에 따르면, 본 초광대역 안테나는, 기판(110), 제1금속막(120), 제2금속막(130), 제1스터브(140), 제2스터브(150), 급전부(160), 및, 테이퍼형 슬롯(170)을 포함한다.
기판(110)은 통상의 유전체 기판을 사용할 수 있다.
기판(110) 상부 표면에는 제1 금속막(120) 및 제2 금속막(130)이 적층된다. 제1 및 제2 금속막(120, 130)은 테이퍼형 슬롯(taper type slot : 170)을 기준으로 좌우로 구분된다. 테이퍼형 슬롯(170)은 일 방향으로 점점 폭이 넓어지는 형태를 가진다. 제1 및 제2 금속막(120, 130)과 테이퍼형 슬롯(170)은 전자기파를 소정 방향으로 방사하는 방사체가 된다.
급전부(160)는 외부 전자기 에너지를 공급받아서, 방사체로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 급전부(160)는 상부 급전부(161) 및 하부 급전부(162)를 포함한다. 하부 급전부(162)는 기판 하부 표면에 소정의 도전 물질로 제작되어, 외부 단자와 연결된다. 이에 따라, 외부 단자로부터 전자기 에너지를 공급받게 된다. 한편, 상부 급전부(161)는 기판 상부 표면의 제1 및 제2 금속막(120, 130)이 소정 형태로 제거됨으로써 제작된다. 이에 따라, 하부 급전부(162)에 인가되는 전자기 에너지를 커플링 하여 테이퍼형 슬롯(170)으로 전달한다.
테이퍼형 슬롯(170)으로 전달된 전자기 에너지는 테이퍼형 슬롯(170)의 우측 끝 부분에서 공기중의 전자기파로 변환되어 방사된다. 즉, 전자기파의 방사 방향은 테이퍼형 슬롯(170) 폭이 넓어지는 방향이 된다.
한편, 급전부(160)는 멀티-암 구조로 제작될 수 있다. 즉, 하부 급전부(162) 의 일단은 복수개의 가지로 갈라진 형태로 제작되며, 상부 급전부(161)도 제1 및 제2 금속막(120, 130)을 복수개의 가지 형태로 패터닝한 형태로 제작된다. 이에 따라, 초광대역 신호를 송수신할 수 있게 된다.
제1 및 제2 스터브(140, 150)는 제1 및 제2 금속막(120, 130) 상에 각각 제작된다. 이 경우, 제1 및 제2 스터브(140, 150) 각각은 1/4파장 길이로 제작된다. 또한, 제1 및 제2 스터브(140, 150)는 전자기파에 의해 형성되는 전계 방향과 평행하게 제작되며, 제1 및 제2 스터브(140, 150) 각각의 일단은 테이퍼형 슬롯(170) 방향으로 오픈(open)시키게 된다. 도 2에서 방사방향은 하부에서 상부로 향하게 되고, 전계 방향은 방사 방향에 수직한 방향이 된다. 파장은 아래의 수식으로 표현될 수 있다.
Figure 112005075849226-PAT00001
수학식 1에서 λg는 파장, f는 제거하고자 하는 주파수 대역의 중심 주파수, c는 광속, εr은 유전율을 의미한다. 제1 및 제2 스터브(140, 150)가 방사체 내부에 제작됨으로써, 소정 주파수 대역의 전자기 에너지의 흐름을 차단하여, 해당 주파수 대역 신호를 제거할 수 있게 된다.
한편, 도 2의 초광대역 안테나를 구성하는 제1 및 제2 금속막(120, 130), 제1 및 제2 스터브(140, 150), 상부 급전부(161), 및, 테이퍼형 슬롯(170)은, 기판 (110) 상부 표면에 금속 물질을 적층한 후, 패터닝하는 방식으로 일괄적으로 제작할 수 있게 된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 정의된 W1, W2, L1, L2, Wm, Lm, Ws, Ls가 각각 37mm, 6.5mm, 35mm, 20mm, 1.13mm, 5.06mm, 0.26mm, 6.8mm으로 두고, 실험을 한 결과가 도 3 및 도 4에 도시되고 있다.
먼저, 도 3은 도 2의 초광대역 안테나의 게인(Gain) 특성을 알아보기 위한 그래프이다. 도 3에 따르면, 5GHz ~ 6GHz 대역 사이에서 게인이 -2.7[dBi]까지 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이는 제1 및 제2 스터브(140, 150)에 의해 5GHz ~ 6GHz 대역의 주파수 신호가 차단되기 때문이다.
도 4는 도 2의 초광대역 안테나의 주파수 대비 리턴 로스(Return loss) 특성을 알아보기 위한 그래프이다. 제1 및 제2 스터브(140, 150)가 제작되지 않은 종래의 초광대역 안테나의 리턴 로스 특성은 그래프 a로 표현된다. 그래프 a에 따르면, 2GHz 이상 10GHz 대역에서 리턴 로스가 -10dB 이하로 나타나고 있다. 즉, 초광대역 신호 전부를 수신하고 있음을 알 수 있다.
한편, 제1 및 제2 스터브(140, 150)가 제작된 본 초광대역 안테나의 시뮬레이션 실험 결과에 따른 리턴 로스 특성은 그래프 b로 표현된다. 그래프 b에 따르면, 5GHz ~ 6GHz 사이에서 리턴 로스가 -10dB 이상으로 0dB에 가까운 값을 나타내고 있다. 즉, 이 주파수 대역 신호를 차단하고 있음을 알 수 있다.
본 초광대역 안테나를 실제 사용하여 실험해본 결과에 따른 리턴 로스 특성 은 그래프 c로 표현되는 바, 그래프 c에 따르더라도 5GHz ~ 6GHz 사이의 신호를 차단하고 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 5에 따른 초광대역 안테나는 기판(210), 금속막(220), 급전부(230), 및, CPW 라인(240)을 포함한다.
급전부(230)는 외부 전자기 에너지를 수신하는 역할을 한다.
CPW 라인(240)은 급전부(230)와의 사이에서 소정 슬롯(270)을 사이에 두고 제작되며, 급전부(230)에서 수신한 전자기 에너지를 커플링하여 금속막(220)으로 전달하는 역할을 한다.
금속막(220)은 CPW 라인(240)을 통해 전달되는 전자기 에너지를 전자기파 형태로 방사하게 된다. 이 경우, 금속막(220)은 기판(210) 상에서 원형으로 제작되어, 옴니 디렉션 방사 패턴(omni-directional radiation pattern)을 가지게 된다. 즉, 기판(210), 금속막(220), CPW 라인(240)이 방사체(radiator)로써 동작하게 된다.
한편, 금속막(220) 상에서 CPW 라인(240)을 기준으로 좌측에는 제1 스터브(250), 우측에는 제2 스터브(260)가 제작된다. 제1 및 제2 스터브(250, 260)는 각각 λ/4 길이를 가지게 된다. λ는 제거하고자 하는 주파수 대역의 중심 주파수에 대응되는 파장을 의미한다.
제1 및 제2 스터브(250, 260)는 전계(E-field)가 형성되는 방향에 평행하게 제작된다. 즉, 도 5에서 전계는 상하 방향으로 형성되므로, 제1 및 제2 스터브 (250, 260)도 상하 방향으로 제작되게 된다. 도 5에서, 스터브의 폭 및 길이는 제거하고자 하는 주파수 대역 폭, 및, 중심주파수에 따라서 달라지게 된다. 즉, 스터브(250, 260)의 폭 SW가 커지게 되면, 제거되는 주파수 대역 폭도 커지게 된다. 스터브 길이 L이 커지게 되면, 중심 주파수의 크기도 커지게 된다. 이에 따라, 스터브(250, 260) 폭 및 길이를 조정함으로써, 제거하고자 하는 주파수 대역을 튜닝할 수 있게 된다.
도 6A 및 도 6B에 따르면, 본 초광대역 안테나의 방사체 부분에 제작된 스터브의 형태를 나타낸다. 먼저, 도 6A에서는 스터브(320)가 방사체(310) 상에서 바 형태로 제작된다. 도 6A의 스터브 구조는 도 2 및 도 5에 도시된 바 있다.
도 6B에서는 스터브(320')가 방사체(310) 상에서 "ㄱ" 또는 "ㄴ" 형태로 제작된다. 이러한 스터브 구조는 스터브 제작 위치에 따라 임의로 선택할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 신호 수신 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 7에 따르면, 본 초광대역 신호 수신 시스템은 초광대역 안테나(100), 매칭부(400), 및, 증폭부(500)를 포함한다.
초광대역 안테나(100)는 상술한 도 2 또는 도 5의 구조로 제작함으로써, 소정 주파수 대역의 신호를 차단하는 필터 기능까지 구비하게 된다.
매칭부(400)는 초광대역 안테나(100)의 임피던스를 소정 크기로 매칭시키는 역할을 수행한다. 즉, 매칭부(400)는 급전 케이블의 임피던스의 크기와 동일해지도록 매칭시킨다.
증폭부(500)는 초광대역 안테나(100)를 통해 수신된 신호를 증폭하는 역할을 수행한다. 증폭부(500)는 저잡음 증폭기(Low noise amplifier)로 구현될 수 있다.
초광대역 안테나(100)가 필터 기능까지 구비하게 되는 바, 본 초광대역 신호 시스템은 별도의 필터를 포함할 필요가 없게 된다. 이에 따라, 전체 시스템의 구성이 도 1에 비해 간단해짐을 볼 수 있다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초 광대역 안테나의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 8 내지 도 9에 따르면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초 광대역 안테나는 급전부(440), 기판(400), 금속막(420), 홀(410), 스터브(430)를 포함한다.
도 8은 제3 실시 예에 따른 초 광대역 안테나의 전면을 나타내는 모식도이다. 도 8에 따르면, 초광대역 안테나의 전면에는 금속막(420), 홀(410), 스터브(430)가 배치된다. 홀(410)은 금속막(420)이 적층되지 않은 기판(400) 영역을 의미한다. 즉, 기판(400) 일 표면 상의 가장 자리에 금속막(420)이 위치하고, 금속막(420) 중 소정 영역에서 기판(400) 부분이 노출되어 홀(hole : 410)을 형성한다. 도 8에 따르면, 홀(410)은 직사각형 형태로 구현되며, 기판(400) 상에서 중심 영역에 제작된다. 하지만, 홀(410)의 형태, 크기, 위치 등은 설계 목적에 따른 실시 예 별로 달라질 수 있다.
금속막(420)에 그라운드 단자가 연결되고, 기판(400) 하부에 위치한 급전부(440)에 급전이 이루어지면, 홀(410) 영역에서 전자기파 방사가 이루어진다. 즉, 기판(400), 금속막(420), 홀(410)은 방사체로서 동작한다. 방사 방향은 홀(410) 표면에 수직한 방향이 된다.
스터브(430)는 제1 스터브(431) 및 제2 스터브(432)를 포함한다. 제1 스터브(431) 및 제2 스터브(432)는 모두 홀 (410) 내부 영역에 제작된다. 또한, 각 스터브(431, 432)의 길이는 중심 주파수의 1/4 파장 길이로 설계된다. 스터브(430)의 개수 및 제작 위치는 설계 목적에 따른 실시 예 별로 달라질 수 있다. 즉, 도 8에 따르면, 제1 및 2 스터브(431, 432) 두 개만이 제작되었으며 홀(410) 내부에서 하측 방향에 위치하고 있으나, 1개 또는 3 개 이상의 스터브를 제작할 수도 있으며 홀(410) 상측 방향에 위치하는 형태로 제작할 수도 있다.
도 9는 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 후면 구성을 나타내는 모식도이다. 도 9에 따르면, 초광대역 안테나의 후면에는 급전부(440)가 배치된다. 급전부(440)는 제1 급전부(441) 및 제2 급전부(442)를 포함한다.
제1 급전부(441)는 기판(400) 후면에서 중심 영역에 위치한다. 제2 급전부(442)는 기판(400) 후면 상에서 가장 자리 영역과 중심 영역을 연결하는 형태로 제작되어, 제1 급전부(441)에 접한다. 이에 따라, 외부 단자와 연결되어 제1 급전부(441)로 전자기 에너지를 급전할 수 있게 된다. 이러한 상태에서 기판(400) 전면에 위치한 금속막(420)을 접지시키면, 제1 급전부(441)로 급전된 전자기 에너지는 기판(400)을 통과하면서 커플링되어 홀(410)을 통해 전자기파 형태로 방사된다. 이 경우, 스터브(430)에 의해 소정 주파수 대역 신호가 차단된다.
도 9에서는 제1 급전부(441)가 두 개의 암(arms)을 가지는 멀티-암 구조로 제작된다. 구체적으로는 제1 급전부(441)가 "┗┛"형태로 제작되었음을 알 수 있다. 하지만, 제1 급전부(441)는 "┗┻┛"나 "┻"와 같은 다양한 형태의 멀티-암 구 조로 제작될 수 있다.
도 10은 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 10에 따르면, 초광대역 안테나는 기판(400) 전후면 측에 각각 방사체 및 급전부(440)가 구비된다. 기판 전면 상에 위치한 제1 및 제2 스터브(431, 432) 간의 거리보다 제1 급전부(441)의 두 암 사이의 거리가 더 좁은 형태로 제작된 상태임을 알 수 있다. 또한, 도 9에 따르면, 제2 급전부(442)는 육각형 형태로 제작된다. 즉, 기판(400) 가장 자리에 접하는 면과 L5만큼 떨어진 영역까지는 4각형 형태로 제작되고, L5 ~ L4 사이의 영역에서는 사다리꼴 형태로 제작된다. 이에 따라, 제2 급전부(442)가 제1 급전부(441)에 접하는 폭 W4가 제2 급전부(442)가 기판(400) 가장 자리에 접하는 폭 W6에 비해 상대적으로 작은 것을 볼 수 있다.
도 8 내지 도 10에서 제1 및 제2 스터브(431, 432)의 폭, 제작 위치, 제1 및 제2 급전부(441, 442)의 형태, 크기 등에 따라서 저지 대역의 주파수가 달라질 수 있다. 따라서, 설계 목적에 따라 제1 및 제2 스터브(431, 432), 제1 급전부(441), 제2 급전부(442) 등의 형태, 크기 및 제작 위치는 다르게 설계될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 각 구성요소의 크기는 아래 표와 같이 설계 될 수 있다.
파라미터 L1 L2 L3 L4 L5 L6 W1 W2 W3 W4 W5 W6 SL SW1 SW2
크기(mm) 26 14 8 6.3 2 3 30 21.8 0.5 0.2 0.5 3.2 7.55 0.3 0.4
표 1에서 L1 및 W1은 초광대역 안테나의 세로 및 가로 길이, L2 및 W2는 홀(410)의 세로 및 가로 길이, L4는 제2 급전부(442) 중 사다리꼴 형태로 제작된 부분의 세로길이, L5는 제2 급전부(442) 중 직사각형 형태로 제작된 부분의 세로길이, L6은 제1 급전부(441) 중 암 간의 거리, W3은 암의 폭, W4는 제1 급전부(441)과 접하는 제2 급전부(442) 폭, W5는 제2 급전부(442)와 접하는 제1 급전부(441) 영역의 폭, W6은 기판(410) 가장자리에 접하는 제2 급전부(442) 폭, SL은 제1 및 제2 스터브(431, 432)의 길이, SW1은 제1 및 제2 스터브(431, 432)의 폭, SW2는 제1 및 제2 스터브(431, 432) 각각과 금속막(420) 간의 거리를 의미한다.
도 11 내지 도 13은 제3 실시 예에 따른 초광대역 안테나의 주파수 특성을 설명하기 위한 S-파라미터 그래프(S-parameter graph)이다. 도 11 내지 도 13에서 가로축은 주파수 [GHz]를 의미하고, 세로축은 S-파라미터 크기(magnitude) [dB]를 나타낸다.
도 11은, 표 1에 따라 설계된 초광대역 안테나에 있어서 SW1 값을 변화시켰을 경우의 저지대역 폭 변화 특성을 나타낸다. 제1 그래프(510)는 SW1이 1.0mm인 상태, 제2 그래프(520)는 SW1이 0.6mm인 상태, 제3 그래프(530)는 SW1이 0.2mm인 상태에서 측정된 주파수 특성을 나타낸다. 각 그래프(510, 520, 530) 상에서 -10db보다 큰 S-파라미터 크기를 가지는 주파수 대역이 저지 대역(stop band)를 의미한다. 따라서, 각 그래프(510, 520, 530)를 참고하면 SW1이 1.0mm인 상태에서는 4.97-5.94 GHz 대역이 저지 대역이 되고, SW1이 0.6mm인 상태에서는 5.12-5.87 GHz 대역이 저지 대역이 되며, SW1이 0.2mm인 상태에서는 5.28-5.82 GHz 대역이 저지 대역이 된다. 도 11에 따르면, SW1이 작을 수록 저지 대역 폭이 작아짐을 알 수 있다. 이러한 데이터를 참조하여, 스터브(431, 432) 폭을 조절함으로써 설계 목적에 맞는 저지 대역 폭으로 조정할 수 있게 된다.
도 12는 표 1에 따라 설계된 초광대역 안테나에 있어서 SW2 값을 변화시켰을 경우의 저지 대역 폭 변화 특성을 나타낸다. 도 12에서 제1 그래프(610)는 SW2가 1.2mm인 상태, 제2 그래프(620)는 0.8mm인 상태, 제3 그래프(630)는 0.4mm인 상태를 나타낸다. 각 그래프(610, 620, 630)를 참고하면 SW2가 1.2mm인 상태에서는 4.54-6.06 GHz 대역이 저지 대역이 되고, SW2가 0.8mm인 상태에서는 4.83-5.95 GHz 대역이 저지 대역이 되며, SW2가 0.4mm인 상태에서는 5.17-5.87 GHz 대역이 저지 대역이 된다. 도 12에 따르면, SW2가 작을 수록 저지 대역 폭이 작아짐을 알 수 있다. 이러한 데이터를 참조하여, 스터브(431, 432) 위치를 조절함으로써 설계 목적에 맞는 저지 대역 폭으로 조정할 수 있게 된다.
도 13은 표 1에 따라 설계된 초광대역 안테나에 있어서 SL 값을 변화시켰을 경우의 중심 주파수 변화 특성을 나타낸다. 도 13에서 제1 그래프(710)는 SL이 8.5mm인 상태, 제2 그래프(720)는 7.5mm인 상태, 제3 그래프(730)는 6.5mm인 상태를 나타낸다. 각 그래프(710, 720, 730)를 참고하면 SL이 8.5mm인 상태에서는 5.03 GHz가 중심 주파수가 되고, SL이 7.5mm인 상태에서는 5.53 GHz가 중심 주파수가 되며, SL이 6.5mm인 상태에서는 6.12 GHz가 중심 주파수가 된다. 도 13에 따르면, SL가 작아질수록 중심 주파수 값이 커지는 것을 알 수 있다. 스터브(431, 432) 길이를 조절함으로써 설계 목적에 맞는 저지 대역 폭을 설정할 수 있게 된다. 이상과 같이, 스터브(431, 432)의 위치, 폭, 길이 등을 조절함으로써, 저지 대역 폭을 설계 할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 필터 기능까지 구비한 초광대역 안테나를 간단한 구조로 구현할 수 있게 된다. 이에 따라, 초광대역 수신 시스템의 RF 프런트(front) 단에서 필터를 제거할 수 있게 된다. 결과적으로, 초광대역 수신 시스템을 소형으로 구현할 수 있게 되며, 파워 로스(power loss) 및 노이즈 특성을 향상시킬수 있게 된다. 또한, 소자간 집적화 및 제작 공정 단순화를 이룰 수 있게 되어 경제적인 효율성이 커지게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 소정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (14)

  1. 외부 전자기 에너지를 공급받는 급전부;
    상기 급전부를 통해 급전된 전자기 에너지에 의해 여기(excitation, 勵起)되어 소정의 전자기파를 방사하는 방사체(radiator); 및,
    상기 방사체 상에서, 상기 전자기파에 의해 형성되는 전계의 방향과 평행한 방향으로 제작되어, 소정 주파수 대역 신호의 송수신을 차단하는 소정 길이의 스터 브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는,
    기판;
    상기 기판 상에 적층된 제1 금속막;
    상기 기판 상에 적층된 제2 금속막; 및,
    상기 기판 상에서 상기 전자기파의 방사방향으로 점점 넓어지는 형태로 제작되어, 상기 제1 및 제2 금속막을 구분하는 테이퍼형 슬롯;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스터브는,
    상기 제1 금속막 상에서 일단이 상기 테이퍼형 슬롯 방향으로 오픈된 형태로 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제1 스터브; 및,
    상기 제2 금속막 상에서 일단이 상기 테이퍼형 슬롯 방향으로 오픈된 형태로 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제2 스터브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 기판 하부 표면에 제작되어, 상기 전자기 에너지를 공급받는 하부 급전부; 및,
    소정 형태로 패터닝된 상기 금속막으로 구성되며, 상기 전자기 에너지를 커플링하는 상부 급전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 하부 급전부 및 상기 상부 급전부가 각각 복수개의 가지 형태로 제작된 멀티-암 구조인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는,
    기판;
    상기 기판 상에서 원형으로 제작되어, 상기 전자기파를 옴니 방향으로 방사하는 금속막; 및,
    상기 급전부로부터 커플링된 전자기 에너지를 상기 금속막으로 전달하는 CPW 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스터브는,
    상기 금속막 상에서 상기 CPW 라인을 기준으로 좌측에 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제1 스터브; 및,
    상기 금속막 상에서 상기 CPW 라인을 기준으로 우측에 제작되며, 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 제2 스터브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는,
    기판; 및,
    상기 기판 상부 표면 상에서 가장 자리에 적층되며, 상기 기판 상부 표면 중 소정 영역을 노출시켜 홀을 형성하는 금속막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 기판 하부 표면 상에 제작되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속막은 외부 그라운드 단자와 연결되며, 상기 급전부를 통해 전자기 에너지가 유입되면, 상기 홀을 통해 전자기파를 방사하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스터브는,
    상기 홀 내부에 위치하며, 일단이 상기 금속막과 접하고 타단이 상기 홀 내부를 향하는 방향으로 오픈되는 제1 스터브; 및
    상기 홀 내부에 위치하며, 일단이 상기 금속막과 접하고 타단이 상기 홀 내부를 향하는 방향으로 오픈되어 상기 제1 스터브와 평행한 형태로 배치되는 제2 스터브;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 스터브는 상기 소정 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 기판 하부 표면 중 중심 영역에 위치하며, 멀티-암 구조를 가지는 제1 급전부; 및,
    상기 기판 하부 표면 중 가장 자리로부터 상기 중심 영역까지 연장되어, 상기 제1 급전부에 연결되는 제2 급전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  13. 소정 주파수 대역의 신호를 제외한 초광대역 주파수 신호를 수신하는 안테나;
    상기 안테나의 임피던스를 소정 크기로 매칭시키는 매칭부; 및,
    상기 안테나에 의해 수신된 신호를 증폭하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 신호 수신 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 안테나는,
    전자기파를 소정 방향으로 방사하는 방사체(radiator); 및,
    상기 방사체 상에서 상기 전자기파에 의해 형성되는 전계의 방향과 평행한 방향으로 제작되어, 상기 주파수 대역의 중심 주파수 신호의 1/4 파장 길이를 가지는 적어도 하나의 스터브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 신호 수신 시스템.
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