KR20080050267A - 초광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초광대역 안테나에 관한 것으로, 초소형화하면서도 생산 비용은 획기적으로 감소할 수 있도록 하기 위하여, 기판의 전면상에, 상단은 사각형태를 가지고 하단은 사다리형태를 가지는 방사패치; 파이(π)형태로 구현되며 상기 방사패치의 최하단과 결합되는 정합 스터브; 직사각형태로 구현되어 상기 정합 스터브의 최하단과 결합되는 CPW 급전선; 및 상기 CPW 급전선의 최하단에 결합되는 정합 스텝을 포함하여 구성되며, 이에 의하여 초광대역 안테나를 초소형화시키고 제작비용도 감소시켜 줄 수 있도록 한다.

초광대역 안테나, 정합 스터브, 정합 스텝, 방사패치

Description

초광대역 안테나{Ultra-Wide Band antenna}

본 발명은 초광대역(Ultra-Wide Band, 이하 UWB) 안테나에 관한 것으로, 특히, 초소형으로 제작이 가능한 UWB 안테나에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-071-03, 과제명: 초고속 멀티미디어 전송 UWB 솔루션 개발].

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 무선랜(WLAN) 표준인 IEEE 802.11a(54Mbps) 보다 10배 이상 빠른 500Mbps~1Gbps에 달한다.

이러한 UWB 통신 시스템 분야에서 가장 중요한 요소인 UWB 안테나는 관심 대역의 전 주파수에 대하여 안테나 패턴이 무지향성이고 위상의 변화가 작아야 한다.

또한 펄스 통신 시 신호의 왜곡이 없어야 하고 관심 대역에서 감쇠율이 일정해야 하며, 특히 이동성을 보장하기 위해서는 안테나의 크기가 작아야 하고, 제작이 용이하여야 하며 제작비용도 저렴해야 할 것이 요구된다.

도1은 종래의 기술에 따른 UWB 안테나로서, CPW 급전선로를 이용한 패치 안테나의 구성도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 종래의 UWB 안테나는 기판(100)의 전면에 부착되는 방사 패치(101)의 크기가 주파수에 의해 한정되어 안테나의 물리적 크기가 커지며, 급전선(102)만으로는 작은 크기와 성능을 동시에 얻을 수 없는 단점이 있다.

따라서 종래에는 안테나 크기를 줄이기 위해 유전율이 매우 높은 기판을 사용하는데, 이는 안테나 제작 단가가 매우 높아진다는 단점이 있다.

상기에서와 같이 종래의 UWB 안테나는 초소형화하기가 힘들 뿐 만 아니라 생산 비용 또한 높아지는 문제를 가진다.

본 발명의 일 측면에 따르면 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로써, 기판의 전면상에, 상단은 사각형태를 가지고 하단은 사다리형태를 가지는 방사패치; 파이(π)형태로 구현되며 상기 방사패치의 최하단과 결합되는 정합 스터브; 직사각형태로 구현되어 상기 정합 스터브의 최하단과 결합되는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전선; 및 상기 CPW 급전선의 최하단에 결합되는 정합 스텝을 포함하는 초광대역 안테나를 제공한다.

그리고 이때의 상기 정합 스터브, 상기 CPW 급전선, 및 상기 정합 스텝에 대해 소정 거리 이격되도록 상기 기판의 전면 하단부에 부착된 접지면들을 더 포함한다.

상기 방사패치는 사다리형태로 구현되는 제1 영역을 통해 입력 신호의 흐름을 원활히 한 후, 사각 형태로 구현되는 제2 영역을 통해 상기 입력 신호를 방사하는 것을 특징으로 한다.

상기 정합 스터브는 상기 방사패치와 상기 급전선간의 임피던스를 정합하여 상기 입력 신호의 초광대역 특성을 유도하며, 상기 정합 스터브의 돌출 영역들간의 거리를 조절하여 정합 비율을 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 정합 스텝은 상기 입력 신호의 초광대역에서의 낮은 주파수를 정합하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판은 후면에 접지가 없는 CPW 급전구조를 가지도록 구현하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명의 초광대역 안테나는 방사패치의 형태를 변경하고 별도의 정합 스터브와 정합 스텝을 구비하도록 하여, 기판의 유전율 변경하지 않고 안테나 크기를 초소형화하더라도 UWB 안테나의 광대역 특성을 안정적으로 지원할 수 있다. 따라서 초광대역 안테나를 초소형화시키고 제작비용도 감소시켜 줄 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

도2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 UWB 안테나의 구성도이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 UWB 안테나는 기판(200), 상단은 사각형태를 가지고 하단은 사다리형태를 가지도록 구현되어 기판 전면 상단부에 부착된 방사패치(201), 파이(π)형태로 구현되며 방사패치(201)의 최하단과 결합되도록 기판(200)의 전면에 부착된 정합 스터브(202), 직사각형태로 구현되어 정합 스터브(202)의 최하단과 결합되도록 기판(200)의 전면에 부착된 CPW 급전선(203), CPW 급전선(203)의 최하단에 결합되도록 기판(200)의 전면에 부착된 정합 스텝(204), 정합 스터브(202), CPW 급전선(203), 및 정합 스텝(204)에 대해 소정 거리 이격되도록 기판 전면 하단부에 부착된 접지면들(205a, 205b)로 이루어진다.

바람직하게는 방사패치(201)의 크기는 약 20 × 10.5㎟ 정도, 사다리꼴의 각도는 약 120ㅀ 정도, 접지면(205, 206)의 크기는 약 8.6 × 6㎟ 정도, 기판(200)의 크기가 약 20 × 20㎟ 정도로 구현되도록 한다.

그리고 기판(200)은 후면에 접지가 없는 CPW 급전구조를 가지며 높이가 0.8mm인 FR-4 에폭시(유전율 = 4.5, 손실 탄젠트(loss tangent) = 0.025)로 구현하도록 한다.

이하, 각 구성요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.

상단은 사각형태를 가지고 하단은 사다리형태를 가지도록 구현된 방사패치(201)는 사다리형태로 구현된 패치면을 통해 신호의 흐름을 원활히 흐르도록 하며, 사각형태로 구현된 패치면을 통해 사다리꼴 패치에서 유입되는 신호를 무지향성(omni-directional)으로 자유공간에 방사시킨다.

정합 스터브(202)는 방사패치(201)와 CPW 급전선(203)간의 임피던스 정합을 수행하여, 초광대역 특성을 유도한다.

이때, 정합 스터브(202)는 돌출 영역간(202a,202b)간의 거리를 조절하여 정합의 비율을 조절할 수 있다. 또한 돌출 영역들(202a,202b)의 형태를 사각형, 사다리꼴, 역사다리꼴, 삼각형 중 하나로 구현할 수 있다.

CPW 급전선(203)은 UWB 안테나의 유입된 신호를 방사패치(201)는 급전한다. 이때, CPW 급전선(203)은 상기와 같이 정합 기능을 제공하는 정합 스터브(202)를 사용함으로써, 광대역 특성을 가지게 되어 패치 안테나의 단점인 협대역성을 보완한다.

그리고 정합 스텝(204)은 UWB 주파수 대역에서의 낮은 주파수를 정합한다.

이에 본 발명의 UWB 안테나는 신호가 유입되는 경우, 다음과 같이 동작하여 유입된 신호를 자유공간에 방사한다.

먼저, 정합 스텝(204)은 UWB 안테나에 유입된 신호내 낮은 주파수는 정합한 후, CPW 급전선(203)을 거쳐 스터브(202)로 전달한다.

정합 스터브(202)는 전달되는 신호를 방사패치(201)에 적합하도록 임피던스 정합한 후 방사패치(201)로 전달하고, 방사패치(201)는 사다리형태로 구현된 패치면을 통해 신호의 흐름을 원활히 한 후, 사각형태로 구현된 패치면을 통해 전방향으로 방사시킨다.

이와 같이, 본 발명의 UWB 안테나는 변형된 형태를 가지는 방사패치(201), 정합 스터브(202), 및 정합 스텝(204)을 이용하여 신호의 감쇄율을 최소화하고, 신호를 정합시켜 준다. 이에 UWB 안테나는 초소형화되더라도 UWB 안테나의 광대역 특 성을 안정적으로 지원할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 UWB 안테나의 광대역 특성을 측정한 도표들을 참조하여, 본 발명의 광대역 특성을 상세히 설명하기로 한다.

도3은 본 발명에 따른 UWB 안테나의 반사 손실을 상용 전자기 시뮬레이터인 HFSS로 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.

도3을 참조하면, 본 발명에 따른 UWB 안테나의 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)는 2:1 지점인 -10dB 이하인 지점에서 약 3.1~11GHz이상의 대역폭을 가진다.

즉, UWB 주파수 대역(3.1~10.6GHz)을 충분히 만족시켜 줌을 알 수 있다.

도4는 본 발명에 따른 UWB 안테나의 이득을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.

도4를 참조하면, 본 발명에 따른 UWB 안테나의 이득은 관심 대역에서의 변화량이 약 1.7dBi 정도로, 아주 미소함을 알 수 있다.

도5는 본 발명에 따른 UWB 안테나의 그룹 지연 시간을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명에서는 UWB 안테나의 그룹 지연 시간을 시뮬레이션 하기 위하여, 도2의 UWB 안테나 두 개를 서로 30cm 정도 이격시킨 상태에서 전송 계수(S21)의 그룹 지연을 시뮬레이션 하였다.

계속하여 도5를 참조하면, UWB 안테나의 그룹 지연 시간 변화량은 관심 대역에서 약 0.3ns정도임을 알 수 있다.

도6은 본 발명에 따른 UWB 안테나의 이득 감쇠율을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명에서는 UWB 안테나의 이득변화율을 시뮬레이션 하기 위하여, 도2의 UWB 안테나 두 개를 서로 30cm 정도 이격시킨 상태에서 S21의 이득 감쇠량를 시뮬레이션 하였다.

UWB 통신에서는 펄스 통신 방식으로 신호가 송수신되기 때문에 S21의 이득 감쇠율이 일정해야 하는데, 본 발명에서는 도6에 도시된 바와 같이 관심 대역에서 거의 일정한 이득 감쇠율을 가지는 것을 알 수 있다.

도7은 본 발명에 따른 UWB 안테나의 복사 패턴을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.

도7을 참조하면, 본 발명의 UWB 안테나의 복사 패턴은 H-Plane (XZ-plane)에서는 무지향성 특성을 가지고, E-Plane (YZ-plane)에서는 다이폴(Dipole) 안테나와 유사한 특성을 가짐을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 종래의 기술에 따른 UWB 안테나로서, CPW 급전선로를 이용한 패치 안테나의 구성도,

도2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 UWB 안테나의 구성도,

도3은 본 발명에 따른 UWB 안테나의 반사 손실을 상용 전자기 시뮬레이터인 HFSS로 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면,

도4는 본 발명에 따른 UWB 안테나의 이득을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면,

도5는 본 발명에 따른 UWB 안테나의 그룹 딜레이를 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면,

도6은 본 발명에 따른 UWB 안테나의 감쇠율을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면, 그리고

도7은 본 발명에 따른 UWB 안테나의 복사 패턴을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.

Claims (8)

1. 기판을 가지는 초광대역 안테나에 있어서,

   상기 기판의 전면상에,

   상단은 사각형태를 가지고 하단은 사다리형태를 가지는 방사패치;

   파이(π)형태로 구현되며 상기 방사패치의 최하단과 결합되는 정합 스터브;

   직사각형태로 구현되어 상기 정합 스터브의 최하단과 결합되는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전선; 및

   상기 CPW 급전선의 최하단에 결합되는 정합 스텝을 포함하는 초광대역 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정합 스터브, 상기 CPW 급전선, 및 상기 정합 스텝에 대해 소정 거리 이격되도록 상기 기판의 전면 하단부에 부착된 접지면들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 방사패치는

   사다리형태로 구현되는 제1 영역을 통해 입력 신호의 흐름을 원활히 한 후, 사각 형태로 구현되는 제2 영역을 통해 상기 입력 신호를 방사하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
4. 제1항에 있어서, 상기 정합 스터브는

   상기 방사패치와 상기 급전선간의 임피던스를 정합하여 상기 입력 신호의 초광대역 특성을 유도하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
5. 제4항에 있어서, 상기 정합 스터브는

   상기 정합 스터브의 돌출 영역들간의 거리를 조절하여 정합 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
6. 제4항에 있어서, 상기 정합 스터브는

   상기 정합 스터브의 돌출 영역들을 사각형, 사다리꼴, 역사다리꼴, 삼각형 형태중 하나로 구현하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
7. 제1항에 있어서, 상기 정합 스텝은

   상기 입력 신호의 초광대역에서의 낮은 주파수를 정합하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
8. 제1항에 있어서, 상기 기판은

   후면에 접지가 없는 CPW 급전구조를 가지도록 구현하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.

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