KR20090022257A

KR20090022257A - 안테나

Info

Publication number: KR20090022257A
Application number: KR1020070087436A
Authority: KR
Inventors: 권홍일
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-04
Also published as: KR101371862B1

Abstract

실시예에 따른 안테나는 루프 형태로서 중간 부분이 이격되어 두 부분으로 분리되고, 제1주파수신호를 공진시키는 제1도전체부; 및 상기 제1도전체부 양단으로부터 연장형성되고, 두 갈래로 분기된 금속라인을 포함하여 제2주파수신호를 공진시키는 제2도전체부를 포함한다.

실시예에 의하면, 하나의 안테나를 통하여 다중대역신호를 동시에 처리할 수 있으므로 RFID 리더/태그와 같은 다양한 RF송수신 장치에 탑재될 수 있으며, 따라서 생산공정과 비용이 절감되는 등 생산성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 다중대역신호를 처리하기 위하여 여러 개의 안테나를 탑재할 필요가 없으므로 RF송수신 장치의 사이즈를 최소화할 수 있게 된다.

안테나, RFID, 유전체판, 접지판, 도전체부, 슬롯

Description

안테나{Antenna}

실시예는 안테나에 대하여 개시한다.

안테나는 전압/전류로 표현되는 전기적 신호와 전기장/자기장으로 표현되는 전자기파를 상호 변환해주는 장치로서, 안테나 외부의 전자기장의 변화와 안테나 내부의 도선상의 전기적 신호를 상호 연동시키게 된다.

RFID(Radio Frequency IDentification) 송수신 장치는 무선 주파수를 사용하여 태그(tag)가 가지고 있는 정보를 비접촉식으로 인식하거나 기록하는 장치로서, 이를 이용하면 태그가 부착된 물건이나 동일, 사람 등을 인식, 추적, 관리할 수 있게 된다. 이러한 RFID 송수신 장치는 고유한 식별정보를 가지고 있으며 물건이나 동물 등에 부착되는 태그(Tag 또는 Transponder)와, 상기 태그가 가지고 있는 식별정보를 읽거나 기록하기 위한 리더(Reader 또는 Interrogator)를 포함한다.

상기 RFID 송수신 장치는 RFID 채널에 할당된 다양한 주파수 채널에 따라 그 이용 용도가 결정되는데, 주파수 채널은 크게 UHF(약 900MHz) 대역과 마이크로파(약 2GHz) 대역으로 나눌 수 있으며 각각의 주파수 대역을 처리할 수 있도록 송수신 장치가 구분되어 개발된다.

특히, 각각의 주파수 대역에 맞도록 안테나 역시 차별화된 제품으로 탑재되는데 패치형 안테나, 다이폴형 안테나, 슬롯형 안테나 등이 사용될 수 있으며, 주파수 대역에 따라 그 구조 및 크기가 상이하다.

따라서, RF 송수신 장치의 주파수에 따라 다양한 안테나 제품을 생산하여야 하고, 다중대역신호를 처리하는 송수신 장치의 경우 여러개의 안테나를 구비해야 하므로 회로 설계가 어려우며 제품 사이즈를 최소화하는데 어려움이 있다.

실시예는 다중대역신호를 동시에 처리할 수 있고, 사이즈가 최소화된 안테나를 제공한다.

실시예에 따른 안테나에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 하나의 안테나를 통하여 다중대역신호를 동시에 처리할 수 있으므로 다양한 RFID 리더/태그와 같은 다양한 RF송수신 장치에 탑재될 수 있으며, 따라서 생산공정과 비용이 절감되는 등 생산성이 향상되는 효과가 있다.

둘째, 다중대역신호를 처리하기 위하여 여러 개의 안테나를 탑재할 필요가 없으므로 RF송수신 장치의 사이즈를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 하나의 RF송수신 장치로 여러 개의 주파수 채널을 감시할 수 있고, 전파 수신 효율이 향상되므로 RFID시스템, 유비쿼터스센서네트워크(USN; Ubiquitous Sensor Network)시스템 등과 같은 RF 네트워크(시스템)를 효율적으로 구축할 수 있게 된다.

첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 안테나에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 실시예에 따른 안테나(100)의 구조를 도시한 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 안테나(100)의 일부 구조를 도시한 상면도이다.

도 1과 도 2에 의하면, 실시예에 따른 안테나(100)는 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)를 포함하는 안테나부(110), 칩소자(113), 연결부재(114), 유전체층(120), 접지층(130)을 포함한다.

상기 안테나(100)는 단일 안테나 구조를 통하여 다중 대역의 주파수신호를 송수신할 수 있는 것을 특징으로 하며, 다양한 RF 통신 시스템에 이용될 수 있으나, 실시예에서는 RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템에 사용된 것으로 한다.

상기 유전체층(120)은 안테나부(110), 칩소자(113), 연결부재(114)가 실장되는 층으로서, RF신호의 효율적인 방사를 위하여 정사각형, 직사각형 등의 사각형 구조를 가질 수 있으며, 유전체 기판(예: FR-4) 또는 절연체(예; 절연 필름) 등으로 형성될 수 있다.

상기 유전체층(120)이 유전체 기판으로 형성되는 경우, 유전체 기판면의 동박을 식각하여 상기 제1도전체부(112), 제2도전체부(111)의 형상을 구성할 수 있고, 유전체층(120)의 유전율(예; 3.5~4.7)에 따라 안테나(100)의 용량성 리액턴스를 조절할 수 있다.

또한, 상기 유전체층(120)이 절연 필름을 사용하여 형성되는 경우, PET 필 름, 폴리이미디(PI), 폴리에틸렌나프타레이트(PEN), 폴리염화비닐(PVC), 아세테이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄산 칼슘을 가진 폴리 프로필렌 등의 재질이 사용될 수 있으며, 상기 제1도전체부(112), 제2도전체부(111)는 절연 필름 면에 도전물질이 도포됨으로써 형성될 수 있다.

상기 안테나부(110)는 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)를 포함하여 이루어지는데, 상기 제1도전체부(112)는 유전체층(120)의 중간 영역에 형성되고 루프 형태로서 중간 부분이 이격되어 두 부분으로 분리된 구조를 갖는다(이하, 루프 형태의 이격된 두 부분 중 상측 부분을 "제1슬롯(112a)", 하측 부분을 "제2슬롯(112b)"이라 한다).

상기 제1슬롯(112a)과 제2슬롯(112b)의 폭은 슬롯(112a, 112b)에 의한 커패시턴스와 도전체부(111, 112)의 특성 임피던스에 따라 결정된다.

상기 제2도전체부(111) 역시 두 부분으로 이루어지며, 각 부분은 제1금속라인(111a)과 제2금속라인(111b)을 포함하여 이루어진다.

상기 제1금속라인(111a)은 제1도전체부(111) 끝단으로부터 연장형성된 직선형 라인 형태를 이루고, 제2금속라인(111b)은 제1금속라인(111a)으로부터 두 갈래로 분기된 형태를 이룬다.

또한, 제2금속라인(111b)은 분기된 라인이 루프 형태를 이루며, 분기된 라인이 만나는 지점에 이격 영역(111c)을 포함한다.

상기 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)는 급전되는 전류가 흐르는 선로로서, 소정의 폭(가령, 0.8~1.2mm)을 가지는 마이크로스트립 라인 또는 도전성 물 질이 도포되어 형성될 수 있다.

상기 제1슬롯(112a)과 제2슬롯(112b)을 통하여 각각 두 부분으로 분리된 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)는 슬롯(112a, 112b) 영역을 기준으로 대칭 구조를 이루며, 루프 형태의 제1도전체부(112)는 제2도전체부(111)보다 짧게 형성된다.

따라서, 상기 제1도전체부(112)는 상대적으로 고대역인 제1주파수신호를 공진시키고 제2도전체부(111)는 저대역인 제2주파수신호를 공진시킨다.

상기 제1도전체부(112)의 제1슬롯(112a)은 칩소자(113)를 통하여 연결되어 전류를 급전받거나 외부로부터 수신된 신호를 칩소자(113)로 전달하는 부분이고, 제2슬롯(112b)은 제1슬롯(112a)으로부터 급전된 전류가 양측으로 전달되어 제1주파수신호가 공진되는 부분이다.

상기 칩소자(113)는 RF 송수신 회로, 제어로직 및 메모리 등이 내장될 수 있으며, 상기 안테나(100)를 통해 이중 주파수 대역으로 RF 주파수를 송/수신하게 된다. 상기 칩소자(113)의 RF 신호는 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)를 통하여 흐르면서 방사되고, 상기 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)는 수신되는 RF신호를 칩소자(113)로 전달한다.

상기 칩소자(113)는 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111) 사이에 연결됨에 있어서, 전기적인 극성에 대한 방향성이 없으며, 칩소자(113)가 극성 없이 동작되므로 급전 전류는 제1도전체부(112)의 양측 방향으로 흐른다.

상기 연결부재(114)는 칩소자(113)와 제1도전체부(112)의 제1슬롯(112a)을 연결시키는 구성부로서, 전도성 패드, 리드 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 칩소 자(113)와 제1슬롯(112a)의 전기적인 접속은 플립 칩 본딩 또는 와이어 본딩 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.

또한, 실시예에 따른 안테나(100)는 상기 칩소자(130)의 종류에 따라 RFID 태그(트랜스폰더) 또는 RFID 리더용으로 이용될 수 있으며, 이용 환경에 따라 다양한 크기로 제작될 수 있는데, 예를 들면, 상기 유전체층(120)과 접지층(130)의 크기는 약 140mm×20mm, 두께는 약 1mm 정도로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제1도전체부(112)와 제2도전체부(111)는 약 1mm의 폭 및 0.5mm의 두께로 형성될 수 있으며, 이때 도전체부(111, 112)의 두 부분이 이루는 폭 및 두께, 급전 길이는 서로 같거나 다를 수도 있다.

도 3은 실시예에 따른 안테나(100)에서 제1주파수신호가 공진되는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면이고, 도 4는 실시예에 따른 안테나(100)에서 제1주파수신호가 공진되는 경우 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면이며, 도 5는 실시예에 따른 안테나(100)에서 공진되는 제1주파수신호의 대역을 측정한 그래프이다.

루프 형태를 가지는 상기 제1도전체부(112)는 약 2GHz 대역의 신호(제1주파수신호)를 공진시키게 되며, 따라서 슬롯(112a, 112b)에 의하여 양분되는 제1도전체부(112)의 각 부분은 약 3cm에 해당하는 λ(2GHz 대역의 주파수 파장)길이의 절반, 약 1.5cm의 길이를 갖도록 형성된다.

따라서, 칩소자(113)로부터 급전되는 전류가 약 2GHz 대역의 신호에 해당하는 경우, 전류는 제2도전체부(111)로 흐르지 않고 대부분 제1도전체부(112)를 따라 흐르게 되며(도 2의 A 표시선 참조) 제2슬롯(112b)에서 공진이 발생된다.

이와 같은 제1도전체부(112)의 공진 과정은 도 3에 모식화되어 있다.

또한, 도 5를 보면, 제1도전체부(112)에서 공진되는 제1주파수신호의 대역이 측정되어 있는데, 약 2.3846GHz 내지 2.5231GHz 대역(C)에서 공진이 일어나고 이때의 대역폭(BW)은 약 0.13846GHz이며, 이는 2.319~2.516GHz의 대역을 가지는 액티브(Active) RFID 주파수 대역을 만족시키는 수치임을 알 수 있다.

도 5에서 y축은 전력 수치(dB)를 나타내고 x축은 주파수 수치(Hz)를 나타낸다.

도 4에 도시된 방사패턴은, 실시예에 따른 안테나(100)를 수직으로 위치하고 신호 발생원을 각 축 방향으로의 각도(θ,Φ)를 0도부터 90도까지 순차적으로 이동하면서 측정한 것인데, 루프 안테나의 특성을 관찰할 수 있으며 방사 패턴 상에 표시된 영역들은 전력 이득의 차이를 나타낸다.

참고로, 측정 시 주파수 효율은 0.9806(참고로, 1에 근접될수록 높은 효율임)이며, 이득(dB)은 S 파라미터(S1.1; 입력 포트와 출력 포트가 동일함을 의미)에서 4.627 dB로 측정되었다.

도 6은 실시예에 따른 안테나(100)에서 제2주파수신호가 공진되는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면이고, 도 7은 실시예에 따른 안테나(100)에서 제2주파수신호가 공진되는 경우 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면이며, 도 8은 실시예에 따른 안테나(100)에서 공진되는 제2주파수신호의 대역을 측정한 그래프이다.

상기 제2도전체부(111)는 약 800MHz 내지 900MHz 대역의 신호를 공진시키게 되며, 따라서 상기 제1도전체부(112)의 슬롯(112a, 112b)에 의하여 양분되는 제2도 전체부(111)의 각 부분은 약 32cm에 해당하는 λ(800MHz 내지 900MHz 대역의 주파수 파장)길이의 1/4, 약 8cm의 길이를 갖도록 형성된다.

상기 제2도전체부(111)의 제2금속라인(111b)은 제1금속라인(111a)으로부터 "T"자형으로 분기되고, 분기된 두개의 라인은 2회 굴곡되어 루프 형태를 이루게 되므로 그 길이를 크게 축소시킬 수 있다.

즉, 제2도전체부(111)의 제2금속라인(111b)은 방사종단부의 기능을 하며, 끝단이 접흰 다이폴(folded dipole) 형태를 이룬다.

이와 같은 구조를 통하여, 상기 도전체부의 전체 가로 길이(l1)는 약 16cm에서 약 9cm로 축소될 수 있으며, 제2도전체부(111)의 루프 형태의 세로 길이(l2)는 약 3cm 정도로 형성될 수 있다.

따라서, 실시예에 따른 안테나(100)에 의하면, 다중 대역의 신호를 동시에 처리할 수 있으며 그 사이즈 역시 크게 감소시킬 수 있게 된다.

한편, 칩소자(113)로부터 급전되는 전류가 약 800MHz 내지 900MHz 대역의 신호에 해당하는 경우, 전류는 제1도전체부(112)로 흐르지 않고 대부분 제2도전체부(111)를 따라 흐르게 되며(도 2의 B 표시선 참조) 외측으로 접흰 제2금속라인(111b)의 끝단에서 공진이 발생될 수 있다.

이와 같은 제2도전체부(111)의 공진 과정은 도 6에 모식화되어 있다.

또한, 도 8을 보면, 제2도전체부(112)에서 공진되는 제2주파수신호의 대역이 측정되어 있는데, 약 0.86667GHz 내지 0.95385GHz 대역(D)에서 공진이 일어나고 이때의 대역폭(BW)은 약 0.087179GHz이다.

이와 같은 제2도전체부(111)의 공진 주파수 대역은 유럽 RFID(860~866MHz), 북미 RFID(902~930MHz), 한국 RFID(908.5~915MHz), 일본 RFID(955~957MHz) 주파수 대역을 모두 포함하는 수치이다.

따라서, 실시예에 따른 안테나(100)를 이용하면, RFID 통신 채널에 할당된 모든 주파수 대역을 충족시킬 수 있으며, 따라서 다양한 용도로 이용되는 RFID 태그 또는 RFID 리더와 같은 RFID 송수신 시스템에 활용될 수 있다.

도 7에 도시된 방사패턴은, 실시예에 따른 안테나(100)를 수직으로 위치시키고 신호 발생원을 각 축 방향으로의 각도(θ,Φ)를 0도부터 90도까지 순차적으로 이동하면서 측정한 것인데, 방사 영역에 따라 차별화된 전력 이득(dB) 및 방사 패턴의 형태를 분석하면 다이폴 안테나의 특성을 관찰할 수 있다.

제2도전체부(111)의 경우 제1도전체부(112)가 상기 안테나부(110)로부터 내측에 위치된 형태로서, 제1도전체부(112)로 소량의 전류가 누설되더라도 영향을 받지않으므로 측정된 방사 패턴의 형태가 거의 원형에 가까움을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 사시도.

도 2는 실시예에 따른 안테나의 일부 구조를 도시한 상면도.

도 3은 실시예에 따른 안테나에서 제1주파수신호가 공진되는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면.

도 4는 실시예에 따른 안테나에서 제1주파수신호가 공진되는 경우 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면.

도 5는 실시예에 따른 안테나에서 공진되는 제1주파수신호의 대역을 측정한 그래프.

도 6은 실시예에 따른 안테나에서 제2주파수신호가 공진되는 경우 표면 전류의 형태를 모식화한 도면.

도 7은 실시예에 따른 안테나에서 제2주파수신호가 공진되는 경우 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 공진되는 제2주파수신호의 대역을 측정한 그래프.

Claims

루프 형태로서 중간 부분이 이격되어 두 부분으로 분리되고, 제1주파수신호를 공진시키는 제1도전체부; 및

상기 제1도전체부 양단으로부터 연장형성되고, 두 갈래로 분기된 금속라인을 포함하여 제2주파수신호를 공진시키는 제2도전체부를 포함하는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제1도전체부는 2GHz 대역의 신호를 공진시키고,

상기 제2도전체부는 800MHz 내지 900MHz 대역의 신호를 공진시키는 안테나.
제1항에 있어서, 상기 제1도전체부는

상기 이격된 부분이 칩소자와 연결되는 안테나.
제1항에 있어서, 상기 제2도전체부는

상기 제1도전체부 양단으로부터 연장형성된 제1금속라인;

상기 제1금속라인으로부터 두 갈래로 분기되고, 분기된 라인이 루프 형태를 이루는 제2금속라인을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서, 상기 제1도전체부는

제1슬롯과 제2슬롯을 포함하고, 상기 이격된 부분을 중심으로 서로 마주보는 "ㄷ"자 형태를 형성하는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 두 부분으로 분리된 제1도전체부 및 상기 제1도전체부 양단에 연결된 제2도전체부는 이격된 중간 부분을 기준으로 대칭 구조를 이루는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제1도전체부 및 상기 제2도전체부가 형성되는 유전판을 포함하는 안테나.
제7항에 있어서,

상기 유전판 아래에 형성되는 접지판을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제1도전체부는 상기 제1주파수신호 파장의 1/2의 길이를 갖고,

상기 제2도전체부는 상기 제2주파수신호 파장의 1/4의 길이를 갖는 안테나.