KR20090056198A - 안테나 - Google Patents

Abstract

실시예에 의한 안테나는 나선 형태의 제1 슬롯이 형성된 적어도 하나의 제1 안테나부; 및 상기 제1 슬롯과 역방향을 가지는 나선 형태의 제2 슬롯이 형성된 적어도 하나의 제2 안테나부를 포함하는 안테나부를 포함한다.

실시예에 의하면, 태그와 같은 소형 무선 장치에도 원형 편파 특성을 가지는 안테나를 용이하게 구현할 수 있고, 다양한 슬롯 구조를 통하여 원형 편파 성분의 신호를 강하게 할 수 있으므로 안테나의 송수신 성능을 극대화할 수 있다.

다이폴 안테나, 루프 안테나, 원형 편파, 직선 편파, 슬롯

Description

안테나{Antenna}

실시예는 안테나에 관하여 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.

무선 송수신 장치는 안테나를 필수적으로 구비하며, 안테나는 통신 능력을 좌우하는 매우 중요한 구성요소이다.

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

이와 같은 RFID 송수신 장치의 경우 이동성을 가지므로, 안테나는 다양한 환경 요인을 고려하여 설계되어야 한다.

안테나는 종류에 따라 고유의 편파(Polarization)를 가지는데, 편파란 전자기파의 진행방향에 대한 전계 필드(Electric field)의 극성 방향을 의미한다.

안테나의 편파 방향이 틀어지는 경우 송수신 성능이 저하되며, 가령, 수평 편파와 수직 편파와 같이 편파 방향이 직교하는 경우에는 에너지 교류가 불가능하게 된다.

가령, RFID 태그의 경우 다이폴 안테나, 루프 안테나가 사용되는데, 다이폴 형태의 태그 안테나로는 도체가 프린트된 필름형 안테나가 많이 사용된다.

이러한 형태로 설계된 태그 안테나는 직선편파(linear polarization)특성을 갖으므로, 태그의 위치나 각도에 따라 인식율이 현저한 차이를 가지며, 이동되는 통신 대상이 안테나의 통신 영역을 벗어나기 쉽다. 특히 직선 편파의 방향이 직교하는 경우 태그가 인식되지 못하는 상황이 빈번히 발생된다.

실시예는 태그와 같은 소형 무선 장치에도 용이하게 구현할 수 있으며, 원형 편파 특성을 가짐으로써 송수신 성능이 향상된 안테나를 제공한다.

실시예에 의한 안테나는 나선 형태의 제1 슬롯이 형성된 적어도 하나의 제1 안테나부; 및 상기 제1 슬롯과 역방향을 가지는 나선 형태의 제2 슬롯이 형성된 적어도 하나의 제2 안테나부를 포함하는 안테나부를 포함한다.

실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 태그와 같은 소형 무선 장치에도 원형 편파 특성을 가지는 안테나를 용이하게 구현할 수 있다.

둘째, 다양한 슬롯 구조를 통하여 원형 편파 성분의 신호를 강하게 할 수 있으므로 안테나의 송수신 성능을 극대화할 수 있다.

셋째, 박막 구조의 도전체에 슬롯 구조를 형성하여 원형 편파 특성을 구현할 수 있으므로, 안테나를 다양한 무선 장치에 탑재할 수 있고, 대량 생산이 가능하며 생산 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

넷째, 실시예에 따른 안테나를 이용하면 소형이면서도 저렴하며 안정된 통신이 가능한 태그 제품을 제조할 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 안테나에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 안테나는 안테나부(110), 유전체부(120), 접지부(130), 칩소자(140), 연결부재(150)를 포함하여 구성되며, 상기 안테나부(110)는 제1 안테나부(112), 제2 안테나부(116), 제3 안테나부(114), 제4 안테나부(118)을 포함한다.

상기 안테나(100)는 다양한 RF 통신 시스템에 이용될 수 있으나, HF 대역 또는 UHF 대역의 신호를 처리하는 RFID(Radio Frequency IDentification) 시스템에 사용된 것으로 한다.

상기 유전체부(120)는 안테나부(110), 칩소자(140), 연결부재(150)가 실장되는 층으로서, RF신호의 효율적인 방사를 위하여 정사각형, 직사각형 등의 사각형 판구조를 가질 수 있으며, 유전체 기판 또는 절연체 등으로 형성될 수 있다.

상기 유전체부(120)가 FR-4와 같은 유전체 기판으로 형성되는 경우, 유전체 기판면의 동박을 식각하여 상기 안테나부(110)를 구현할 수 있고, 유전체부(120)의 유전율(예; 3.5~4.7)에 따라 안테나부(110)의 용량성 리액턴스를 조절할 수 있다. 가령, 실시예에서 상기 유전체부(120)는 약 4.6의 유전율을 가질 수 있다.

또한, 상기 유전체부(120)가 절연 필름과 같은 절연체를 사용하여 형성되는 경우, PET 필름, 폴리이미디(PI), 폴리에틸렌나프타레이트(PEN), 폴리염화비닐(PVC), 아세테이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄산 칼슘을 가진 폴리 프로필렌 등의 재질이 사용될 수 있으며, 상기 안테나부(110)는 절연 필름 면에 도전물질이 도포됨으로써 형성될 수 있다.

상기 안테나부(110)는 다수의 슬롯이 형성된 원형 금속층으로 이루어진다.

상기 원형 금속층은 십자형의 슬롯에 의하여 사사분면으로 분리되고, 분리된 원형 금속층은 각각 상기 제1 안테나부(112) 내지 제4 안테나부(118)를 형성한다.

상기 제1 안테나부(112)는 원형 금속층의 제1 사분면에 형성되고, 상기 제3 안테나부(114)는 제2 사분면에 형성된다. 그리고, 상기 제2 안테나부(116)는 원형 금속층의 제3 사분면에 형성되고, 상기 제4 안테나부(118)는 제4 사분면에 형성된다.

상기 제1 안테나부(112)는 나선 형태의 제1 슬롯(119a)이 형성되어 우측 원형편파(RHCP; Right Hand Circular Ploarization) 신호를 송수신한다.

상기 제2 안테나부(116)는 나선 형태의 제2 슬롯(119b)이 형성되어 좌측 원형편파(LHCP; Left Hand Circular Polarization) 신호를 송수신하는데, 상기 제1 슬롯(119a)과 제2 슬롯(119b)의 나선형 궤도는 역방향을 이룬다.

도 2는 실시예에 따른 안테나에 의하여 송신되는 좌측 원형편파 신호 및 우측 원형편파 신호의 형태를 모식화한 도면이다.

도 2에서, x축과 y축이 이루는 면은 안테나부(110)가 이루는 면에 해당되고, z축은 안테나부(110)의 상측으로 신호가 송신되는 방향을 나타낸다.

도 2의 (a) 도면은 제2 슬롯(119b)의 신호, 즉 좌측 원형편파 신호의 진행을 도시한 것이고, (b) 도면은 제1 슬롯(119a)의 신호, 즉 우측 원형편파 신호의 진행을 도시한 것이다.

상기 제1 슬롯(119a)은 내측으로부터 시작하여 오른손의 파지 방향으로 나선형 궤도를 이룬다. 이는 도 2의 (b) 도면에 도시된 신호의 진행 방향과 동일하다.

상기 제2 슬롯(119b)은 내측으로부터 시작하여 왼손의 파지 방향으로 나선형 궤도를 이룬다. 이는 도 2의 (a) 도면에 도시된 신호의 진행 방향과 동일하다.

이하, 상기 제1 안테나부(112) 및 상기 제3 안테나부(114) 사이에 형성된 슬롯을 "제3 슬롯(111)"이라 하고, 상기 제3 안테나부(114) 및 상기 제2 안테나부(116) 사이에 형성된 슬롯을 "제4 슬롯(113)"이라 한다.

또한, 상기 상기 제2 안테나부(116) 및 상기 제4 안테나부(118) 사이에 형성된 슬롯을 "제5 슬롯(115)"이라 하고, 상기 제4 안테나부(118) 및 상기 제1 안테나부(112) 사이에 형성된 슬롯을 "제6 슬롯(117)"이라 한다.

도 1에 도시된 것처럼, 제3 슬롯(111) 내지 제6 슬롯(117)은 십자 형태를 이룸으로써 전류 흐름 및 에너지 방향을 교차(cross)시키고 안테나부(110)로부터 공진되는 신호가 원형편파의 특성을 가지도록 한다.

또한, 상기 제3 슬롯(111) 내지 제6 슬롯(117)은 각 안테나부(112, 114, 116, 118) 사이를 일정한 거리로 이격시키고, 제3 안테나부(114)와 제4 안테나부(118)는 제1 안테나부(112)와 제2 안테나부(116)로 급전된 전기신호를 커플링시킬 수 있다.

상기 칩소자(140)는 제1 안테나부(112)와 제2 안테나부(116)와 연결되어 전기신호를 공급하는데, 전술한 대로 제3 슬롯(111) 내지 제6 슬롯(117)에 의하여 원형편파 특성의 신호가 발생될 수 있으며, 제1 슬롯(119a)과 제2 슬롯(119b)에 의하 여 원형편파 신호의 회전성이 더욱 강해질 수 있다.

이렇게 안테나부(110)를 통하여 두가지의 원형편파 신호가 송출되는 경우 두 신호는 상호 영향을 주지 않으면서 빔 패턴을 형성하고, 따라서 하나의 신호만으로 통신을 하는 경우보다 신호 인식률을 높일 수 있다.

또한, 원형 편파를 이용하면, 편파 손실이 적은 효과를 가지므로 신호 인식률을 향상시킬 수 있다.

상기 칩소자(140)는 RF 송수신 회로, 제어로직 및 메모리 등이 내장될 수 있으며, 상기 안테나부(110)를 통하여 RF 주파수를 송수신한다.

상기 칩소자(140)의 RF 신호는 제1 안테나부(112) 및 제2 안테나부(116)를 통하여 흐르면서 방사되고, 상기 제1 안테나부(112) 및 제2 안테나부(116)는 공진된 RF신호를 칩소자(140)로 전달한다.

상기 칩소자(140)는 제1 안테나부(112) 및 제2 안테나부(116)와 연결됨에 있어서, 전기적인 극성에 대한 방향성이 없으며, 칩소자(140)가 극성 없이 동작되므로 급전 전류는 제1 안테나부(112) 및 제2 안테나부(116) 양측으로 흐를 수 있다.

상기 연결부재(150)는 칩소자(140)와 제1 안테나부(112) 및 제2 안테나부(116)를 연결시키는 구성부로서, 전도성 패드, 리드 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 칩소자(140)와 안테나부(110)의 전기적인 접속은 플립 칩 본딩 또는 와이어 본딩 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.

상기 접지부(130)는 상기 안테나부(110)가 형성된 유전체부(120) 면과 다른 면, 즉 유전체부(120)의 하면에 형성된다.

상기 접지부(130)는 안테나부(110)와 유사하게 동박 형태로 형성되거나 전도성 물질이 도포되어 형성될 수 있다.

상기 접지층(130)은 넓을 수록, 신호의 보강 기능이 강화되고 안테나 성능을 향상시키므로, 유전체부(120) 하면의 전체에 형성되는 것이 좋다.

도 3은 실시예에 따른 안테나의 표면 전류의 형태를 모식화한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제3 슬롯(111) 내지 제6 슬롯(117)을 따라 표면 전류가 흐르고, 원형편파 특성을 가지게 된 전류는 제1 슬롯(119a)과 제2 슬롯(119b) 상에서 강한 흐름을 이룬다.

도 4는 실시예에 따른 안테나의 전계 필드를 측정한 도면이다.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 안테나의 전계 필드는 표면 전류와 유사한 형태로 측정되었으며, 전계 에너지가 교차 십자 형태를 이루는 상기 제3 슬롯(111) 내지 제6 슬롯(117)에 여기되어 360도 모든 방향으로 전달되고 있음을 알 수 있다.

도 5는 실시예에 따른 안테나의 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면이다.

도 5에 도시된 방사패턴은, 실시예에 따른 안테나(100)를 수직으로 위치하고 신호 발생원을 각 축 방향으로의 각도(θ,Φ)를 0도부터 90도까지 순차적으로 이동하면서 측정한 것인데, 원형 편파 안테나의 특성을 관찰할 수 있으며 방사 패턴 상에 표시된 영역들은 전력 이득의 차이를 나타낸다.

참고로, 측정 시 주파수 효율은 0.8004(참고로, 1에 근접될수록 높은 효율임)이며, 이득(dB)은 S 파라미터(S1.1; 입력 포트와 출력 포트가 동일함을 의미)에서 1.132 dB로 측정되었다.

도 5에 도시된 것처럼, 실시예에 의한 안테나(100)는 원형편파 형태를 이루는 전자계 신호의 세기가 강해지고 영역이 넓게 형성됨에 따라 고른 방사 패턴을 가지며, 널 영역이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다.

도 6은 실시예에 따른 안테나의 축비(Axio ratio)를 측정한 그래프이다.

도 6에 측정된 축비는, 약 900 MHz 대역이고, 약 -71.8 dB의 신호를 파필드(far field)에서 측정한 것으로서, 모든 각도에서 균일한 원형편파를 가지고 있음을 확인할 수 있다.

실시예에 의하면, 이처럼 축비가 향상된 원형편파 형태의 신호를 송신할 수 있다.

도 7은 실시예에 따른 안테나에서 공진되는 신호의 대역을 측정한 그래프이다.

도 7의 그래프에서 x축은 주파수(GHz)를 의미하고, y축은 dB 스케일에서의 S 파라미터의 크기를 의미한다.

도 7을 참조하면, 상기 안테나부(110)에서 공진되는 신호(A)가 측정되어 있는데, S 파라미터가 -10.07 dB 이하일 때 안정적인 송수신이 가능하다.

이러한 송수신 품질의 기준에 비추어 볼 때, 상기 안테나부(110)는 약 0.90253GHz 내지 0.92025GHz 대역(d)에서 신호를 공진시키고, 이때의 대역폭(BW)은 약 0.017716 GHz이다.

즉, 실시예에 따른 안테나의 공진 주파수 대역은, VSWR 2.0 기준으로 902 NHz 내지 920MHz의 대역폭을 가지며, 실시예에 따른 안테나는 상기 주파수 대역의 채널을 사용하는 다양한 RF 송수신 장치에 활용될 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 안테나에 의하여 송신되는 좌측 원형편파 신호 및 우측 원형편파 신호의 형태를 모식화한 도면.

도 3은 실시예에 따른 안테나의 표면 전류의 형태를 모식화한 도면.

도 4는 실시예에 따른 안테나의 전계 필드를 측정한 도면.

도 5는 실시예에 따른 안테나의 방사 패턴의 형태를 모식화한 도면.

도 6은 실시예에 따른 안테나의 축비를 측정한 그래프.

도 7은 실시예에 따른 안테나에서 공진되는 신호의 대역을 측정한 그래프.

Claims (8)

1. 나선 형태의 제1 슬롯이 형성된 적어도 하나의 제1 안테나부; 및

   상기 제1 슬롯과 역방향을 가지는 나선 형태의 제2 슬롯이 형성된 적어도 하나의 제2 안테나부를 포함하는 안테나부를 포함하는 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 안테나부는 우측 원형편파 신호를 송수신하고,

   상기 제2 안테나부는 좌측 원형편파 신호를 송수신하는 안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 안테나부는

   상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부 양측에 각각 위치되어 신호를 공진시키는 적어도 하나의 제3 안테나부 및 제4 안테나부를 포함하는 안테나.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 안테나부 및 상기 제3 안테나부 사이에 형성된 제3 슬롯;

   상기 제3 안테나부 및 상기 제2 안테나부 사이에 형성된 제4 슬롯;

   상기 제2 안테나부 및 상기 제4 안테나부 사이에 형성된 제5 슬롯;

   상기 제4 안테나부 및 상기 제1 안테나부 사이에 형성된 제6 슬롯을 포함하는 안테나.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부 사이에 연결되어 전기 신호를 공급하는 칩소자를 포함하는 안테나.
6. 제4항에 있어서,

   상기 안테나부는 원형 금속층으로 형성되고,

   상기 제3 슬롯 및 상기 제5 슬롯은 직선 형태로 연결되고, 상기 제4 슬롯 및 상기 제6 슬롯은 직선 형태로 연결되어 십자 형태를 이루고,

   상기 원형 금속층은 상기 제3 슬롯 내지 제6 슬롯에 의하여 사사분면으로 분리되며, 분리된 사사분면은 각각 상기 제1 안테나부 내지 상기 제4 안테나부를 형성하는 안테나.
7. 제1항에 있어서,

   상기 안테나부가 형성되는 유전체부를 포함하는 안테나.
8. 제7항에 있어서,

   상기 안테나부가 형성된 유전체부 면과 다른 면에 형성된 접지부를 포함하는 안테나.

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