KR20090065882A - 소형 초광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 울트라 와이드밴드 대역 통신용으로 사용할 수 있는 소형 초광대역 안테나에 관한 것으로서, 유전체 소재로 된 기판과, 기판의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 연장되되 일정 폭으로 연장된 제1수평부분과, 제1수평부분의 종단에서 타단 방향으로 점진적으로 폭이 좁아지게 연장된 경사부분을 갖는 급전부와, 급전부와 이격되게 기판 상면에 형성된 상부 방사체와, 기판 저면에 형성되며 상부 방사체와 연결된 하부 방사체와, 기판 저면에 하부 방사체와 이격되게 형성된 접지면과, 상부 방사체와 급전부를 연결하는 선로를 구비한다. 또한, 접지면은 급전부의 일측과 대향되는 기판 저면의 일단으로부터 일정폭으로 타단 방향으로 연장된 제2수평부분과, 제2수평부분의 종단으로부터 타측방향으로 내측으로 만곡된 호형 곡률을 갖는 라운딩부를 갖으며, 라운딩부의 종단으로부터 라운딩부와 제2수평부분의 가장자리를 따라 인입되게 슬릿이 형성되어 있다. 이러한 소형 초광대역 안테나에 의하면, 2.97 GHz에서 11.15 GHz 까지의 넓은 대역폭을 갖으면서도 대역 저지 특성을 제공하고, 경량화 및 소형화가 가능한 장점을 제공한다.

모노폴, 안테나, UWB

Description

소형 초광대역 안테나{Compact Band-notched Ultra Wideband Antenna}

본 발명은 소형 초광대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 울트라 와이드밴드(UWB; Ultra Wideband) 대역 통신용으로 소형화할 수 있으면서 대역 저지 특성을 갖는 소형 초광대역 안테나에 관한 것이다.

UWB 시스템은 무선 홈 네트워크 등 차세대 개인 영역 무선 통신(Wireless Personal Area Network; WPAN) 분야에 널리 적용될 것으로 예상된다. 특히, 2002 년 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission;FCC)는 기존의 협대역 시스템이나 W-CDMA와 같은 광대역 시스템과의 구분을 위해 중심 주파수의 25% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 1.5 GHz 이상의 점유 대역폭을 갖는 무선 전송 기술을 UWB라고 정의하고, 3.1 ~ 10.6 GHz의 주파수 대역에서 최대 -41.3 dBm/MHz 의 방사 전력 제한을 두었다. UWB 통신방식에서 방사 전력을 낮은 레벨로 제한한 것은 타 시스템과의 간섭을 최소화하며, 허가없이 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

UWB 통신방식은 기존 무선랜에 비해 5~10배 빠른 100~500 Mbps의 무선 전송 속도를 가지며, 1/3 이하의 저 전력을 사용한다는 장점으로 인해 향후 홈 네트워크 완성 및 유비쿼터스 시장을 선점할 수 있는 차세대 전송 기술로 각광받고 있다. 이러한 UWB 통신방식은 광대역에서 저 전력으로 동작하므로 UWB용으로 사용하기 위한 안테나는 기본적으로 넓은 주파수 범위에서 양호한 임피던스 매칭 및 방사 패턴을 유지하여야 하며, 저가로 제작하기 쉽고 통신 응답이 안정적일 것이 요구된다. 또한 UWB 전 대역에 걸쳐 신호의 분산을 최소화하고 양호한 방사 패턴을 얻기 위해 선형 위상 응답을 가져야 하며, 소형화 추세에 있는 무선 통신 시스템의 요구 조건을 맞추기 위해서는 무엇보다도 안테나의 소형화가 이루어져야 한다.

또한 무선 LAN에 관한 표준인 IEEE 802.11a 및 HYPERLAN/2는 UWB의 사용 주파수 대역에 포함되는 5.15 ~ 5.85 GHz 대역을 사용한다. 이들 표준은 큰 전력의 신호를 사용하므로 UWB 시스템과 간섭을 일으킬 수 있다. 따라서 UWB 시스템에 있어서는 무선 LAN과 중첩되는 대역을 저지시키는 기능도 필요하다.

즉, UWB 시스템은 종래의 통신 시스템에 비해 넓은 주파수 대역을 사용하므로, 이에 적합한 광대역 특성을 갖으면서 대역 저지 특성을 갖는 안테나의 개발이 요구된다.

종래의 UWB 안테나로는 혼 안테나, 바이코니컬(bi-conical) 안테나 등이 알려져 있으며, 급전부를 2~3개로 나누어 평면형 방사체에 급전하는 방법, 방사체와 그라운드에 계단형, 원형, 그리고 일정한 각도를 갖는 노치(Notch)를 삽입하는 방법을 이용한 안테나가 최근 많은 연구 되고 있다.

그러나 이들 안테나는 일반적으로 안테나 급전에 필요한 50 옴 SMA 커넥터에 비교하여 그 크기가 커 실사용에 적절하지 않다는 문제점이 있다. 또한 사용이 제 한되는 주파수 대역에서 대역 저지 특성을 갖지 않아 이들 안테나를 실제로 적용하기 위해서는 대역 저지 필터를 추가적으로 사용하여야 하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, UWB 시스템에 사용할 수 있도록 초광대역 특성을 갖으면서도 소형화가 가능한 소형 초광대역 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 무선 LAN 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 소형 초광대역 안테나를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소형 초광대역 안테나는 유전체 소재로 된 기판과; 상기 기판의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 연장되되 일정 폭으로 연장된 제1수평부분과, 상기 제1수평부분의 종단에서 타단 방향으로 점진적으로 폭이 좁아지게 연장된 경사부분을 갖는 급전부와; 상기 급전부와 이격되게 상기 기판 상면에 형성된 상부 방사체와; 상기 기판 저면에 형성되며 상기 상부 방사체와 연결된 하부 방사체와; 상기 기판 저면에 상기 하부 방사체와 이격되게 형성된 접지면과; 상기 상부 방사체와 상기 급전부를 연결하는 선로;를 구비한다.

바람직하게는 상기 상부 방사체와 상기 하부 방사체는 상기 기판을 상하 방향으로 관통하는 비아홀을 통해 충진된 도전체에 의해 상호 접속된다.

또한, 상기 접지면은 상기 급전부의 일측과 대향되는 상기 기판 저면의 일단으로부터 일정폭으로 타단 방향으로 연장된 제2수평부분과, 상기 제2수평부분의 종 단으로부터 타측방향으로 내측으로 만곡된 호형 곡률을 갖는 라운딩부를 갖는 구조로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 라운딩부의 종단으로부터 상기 라운딩부와 상기 제2수평부분의 가장자리를 따라 인입되게 연장된 슬릿;을 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 상부 방사체와 하부 방사체의 폭은 동일하고, 상기 급전부와 상기 접지면의 길이는 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기판은 유전율이 4.2이고, 두께가 1.6mm, 가로 12.7mm 및 세로 22mm로 형성되고, 상기 급전부의 폭은 3.19mm, 길이는 8mm, 경사부분의 경사도는 45도이고, 상기 상부 방사체는 폭 9.5mm, 길이 11.5mm, 상기 하부 방사체는 폭 9.5mm, 길이 7mm, 상기 라운딩부의 곡률반경은 3mm, 상기 슬릿의 길이는 8.5mm,상기 접지면의 길이는 8mm가 적용된다.

본 발명에 따른 소형 초광대역 안테나에 의하면, 2.97 GHz에서 11.15 GHz 까지의 넓은 대역폭을 갖으면서도 대역 저지 특성을 제공하고, 경량화 및 소형화가 가능한 장점을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소형 초광대역 안테나를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나를 분리하여 나타내 보인 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 안테나의 평면도와 저면도를 함께 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 안테나(10)는 기판(11), 급전부(20), 선로(40), 상부 방사체(30), 하부 방사체(50), 도전체(17) 및 접지면(60)을 갖는 구조로 되어 있다.

기판(11)은 유전체 소재로 된 것을 적용한다.

기판(11)은 유전상수(ε_r)가 3 내지 6 범위 내에 있는 유전체 소재로 된 것을 적용하고, 바람직하게는 기판(11)은 유전상수가 4.2인 것을 사용한다.

또한, 기판(11) 소재로서는 FR-4, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, 테프론, 에폭시, LTCC 등이 사용될 수 있다.

기판(11)은 사각 판 형태로 형성된 것이 적용되었고, 참조부호 12는 상부 방사체(30)와 하부 방사체(50)를 결선시키기 위한 도전체(17)가 충진되게 삽입되기 위해 상하방향으로 관통되게 형성된 비아홀이다.

급전부(20)는 기판(11)의 상면(11a) 일단에서 기판(11)을 좌우로 대칭 분할하는 중심선을 따라 타단 방향으로 스트립 상으로 연장되게 형성되어 있다.

급전부(20)의 형상을 구분하면, 기판(11)의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 일정 폭으로 연장된 제1수평부분(21)과, 제1수평부분(21)의 종단에서 타단 방향으로 점진적으로 폭이 좁아지게 연장된 경사부분(22)을 갖는 구조로 형성되어 있다.

경사부분(22)의 경사각도는 45°가 적용되는 것이 바람직하다.

상부 방사체(30)는 급전부(20)와 이격되게 기판(11) 상면(11a)에 사각형태로 형성되어 있다.

선로(40)는 급전부(20)의 중심선을 따라 급전부(20)와 상부 방사체(30)를 연결한다.

하부 방사체(50)는 기판(11) 저면(11b)에 형성되어 있고, 상부 방사체(30)와 도전체(17)를 통해 접속되어 있다.

하부 방사체(50)의 형성영역은 상부 방사체(30)의 투영영역 내에 적용하는 것이 바람직하다.

하부 방사체(50)는 급전부(20)의 중심선과 직교되는 방향에 대한 폭이 상부 방사체(30)의 폭과 동일하게 적용되는 것이 바람직하다.

이러한 구조의 하부 방사체(50)에서 급전부(20)의 중심선과 나란한 방향의 길이(PL2)를 조절함으로써 임피던스 매칭을 가능하게 하는 장점도 제공한다.

접지면(60)은 기판(11) 저면(11b)에 급전부(20)와 대향되는 위치상에 하부 방사체(50)와 이격되게 형성되어 있다.

접지면(60)은 급전부(20)의 일측과 대향되는 기판(11) 저면(11b)의 일단으로부터 일정폭으로 타단 방향으로 연장된 제2수평부분(61)과, 제2수평부분(61)의 종단으로부터 타측방향으로 내측으로 만곡된 곡률의 호형 부분(62a)을 갖는 라운딩부(62)를 갖는 구조로 형성되어 있다.

또한, 접지면(60)은 하부 방사체(50)와 대향되는 라운딩부(62)의 종단으로부터 라운딩부(62)와 제2수평부분(61)의 가장자리를 따라 가장자리로부터 이격되는 내측을 따라 인입되게 연장된 2개의 슬릿(63)이 중심선을 따라 대칭되게 형성되어 있다.

슬릿(63)은 5GHz 무선 LAN 대역을 저지하기 위해 적용되었다. 슬릿(63)의 길이는 저지하고자 하는 대역과 관련하여 적용하면 된다.

이러한 슬릿(63)은 적용되는 저지대역에서 공진 구조가 되어, 전류 분포가 슬릿(63) 주위에 모이게 되고, 그 결과 슬릿(63)의 길이에 의해 결정된 저지 대역에서 안테나(10)는 동작하지 않게 된다.

이러한 구조의 접지면(60)은 슬릿(63)에 의해 안테나(10)에 대역 저지 특성을 부가할 수 있으며, 슬릿(63) 길이를 적절하게 결정함으로써 저지 대역의 중심 주파수를 조절할 수 있다. 또한 슬릿(63)의 폭이 넓어질수록 저지 대역폭이 증가하는 경향을 나타낸다.

접지면(60)의 길이는 급전부(20)의 길이와 동일하게 적용하는 것이 바람직하다.

안테나(10)는 급전부(20)의 중심선을 기준으로 상부 방사체(30), 하부 방사체(50) 및 접지면(60)이 기준으로 좌우 대칭인 구조로 있다.

이러한 구조의 안테나(10)는 적용하고자 하는 기판(11)소재에 비아홀(12)을 형성한 다음 도전성 소재를 비아홀(12)에 삽입되도록 충진시켜 도전체(17)를 형성하고, 기판(11)의 상면(11a)과 저면(11b)에 앞서 설명된 급전부(20), 선로(40), 상부 방사체(30), 하부 방사체(50) 및 접지면(60)을 프린팅 기법에 의해 인쇄하여 형성하면 된다.

이러한 구조에서 안테나(10)는 방사기능을 하는 상부 방사체(30)와 연결된 하부 방사체(50)에 의해 추가적인 전류 경로(current path)가 형성되어 추가적인 공진을 하게 됨으로써 안테나(10)의 임피던스 대역폭(Impedance bandwidth)은 개선된다.

한편, 본 발명에 따른 안테나(10)의 동작주파수 특성을 확인하기 위해 유전상수 4.2인 FR-4 소재로 된 두께 1.6mm, 가로 12.7mm 및 세로 22mm의 기판(11)에 도전소재를 인쇄기법에 의해 도 1에 도시된 구조로 제작하였다.

제작된 안테나(10)의 급전부(20)의 폭은 3.19mm, 길이는 8mm이고, 슬릿(63)의 폭은 0.3 mm, 선로(40)의 길이는 1.7 mm, 폭은 0.3mm이고, 그 밖의 치수는 아래의 표 1 같이 적용하여 제작하였다.

DW(mm)	DL(mm)	PW(mm)	PL(mm)
12.7	22	9.5	11.5
PL2(mm)	NR(mm)	NL(mm)	GL(mm)
7	3	8.5	8

여기서, 안테나(10)의 넓이(DW)는 12.7 mm 으로 이는 일반적으로 사용되는 50 옴 SMA 커넥터와 같은 면적이고, NR은 라운딩부(62)의 호형부분(62a)에 대한 곡률반경이다.

이하에서는 이렇게 제작된 안테나(10)의 성능을 실험한 결과를 설명한다.

먼저, 하부 방사체(50)의 유무에 따른 성능을 알아보기 위해 외형은 앞서 제작예에 적용된 치수를 적용하되 슬릿(63)이 없는 상태에서 하부 방사체(50)의 유 · 무에 따른 주파수대 정재파비(VSWR)의 시뮬레이션 값을 측정하였고, 그 결과가 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이 상부 방사체(30)만 있는 경우 4.14 ~ 5.15 GHz 까지 VSWR 기준으로 2 이상이다. 이에 반해 하부 방사체(50)가 도전체(17)에 의해 연결되어 있는 경우 UWB 전 대역에서 VSWR 2 이하의 결과를 보여준다. 따라서 하부 방사체(50)에 의하여 UWB 대역에서 매우 양호 임피던스 매칭을 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.

도 4는 도 1의 구조의 안테나(10)에서 슬릿(63)의 길이(NL)에 따른 주파수대 정재파비의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이다. 슬릿(63)이 형성되지 않은 경우 도 3에서 볼 수 있듯이 5GHz LAN 대역에서 대역 저지 특성을 나타내지 않는다. 반면, 슬릿(63)이 형성된 경우의 도 4의 곡선을 살펴보면, 대역 저지 특성이 나타난다. 특히, 길이가 7.5 mm에서 9.0 mm으로 길어질수록 저지 대역의 중심 주파수는 5.97 GHz에서 5.13 GHz 로 감소함을 볼 수 있으며, 슬릿(63)의 길이가 8.5 mm로 주어진 경우에서는 5.0 GHz에서 5.88 GHz 까지의 저지 대역을 가져 5GHz LAN 대역에서 대역 저지 특성이 나타난다.

도 5는 제작된 안테나(10)의 주파수 대 정재파비의 시뮬레이션 값과 측정값을 비교하는 그래프를 나타낸다. 시뮬레이션 값의 경우 3.06 GHz에서 10.88 GHz 까지 UWB 전 대역(3.1 - 10.6 GHz)을 포함하면서 5 GHz 무선 LAN 대역 (5.15 - 5.825 GHz) 을 포함하는 5.00 GHz에서 5.88 GHz 의 저지 대역을 갖는다. 도 5에서 알 수 있듯이 측정값이 시뮬레이션 값과 매우 유사함을 알 수 있다. 측정값은 2.97 GHz에서 11.15 GHz 까지 동작하고 5.13 GHz에서 5.88 GHz 까지의 저지 대역을 갖는다. 이러한 결과에 의해 본 발명에 따라 제조된 안테나(10)는 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나(10)를 구현할 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 안테나의 측정된 그룹 딜레이(Group delay) 값을 나타낸 그래프이다. UWB 통신은 펄스를 이용한 통신 방식이므로 펄스 왜곡 정도를 나타내는 그룹 딜레이는 UWB 안테나 설계에서 중요한 파라미터 중의 하나이다. 원거리(Far-field)에서 위상이 얼마나 선형인지를 알기 위해서 그룹 딜레이가 필요하다. 그룹 딜레이 변화량이 1ns를 초과하면 far-field에서 위상이 비선형 적이게 되고, 그 결과 상당한 펄스 왜곡이 초래된다. 이러한 펄스의 왜곡은 UWB 통신 시스템에 치명적인 문제로 작용할 수 있다.

이러한 사항을 감안할 때 본 실시예에 따라 제조된 안테나(10)는 저지 대역인 5.15 GHz에서 5.85 GHz 까지를 제외하고 UWB 동작 대역인 3.1 GHz부터 10.6 GHz 까지 그룹 딜레이(Group delay)가 1 ns를 초과하지 않음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 안테나에 대해 측정한 전송 손실(transmission loss) 값을 나타낸 그래프이다. 슬릿(63)이 없는 경우 UWB 전 대역에서 양호한 특성을 얻었다. 슬릿(63)이 있는 안테나(10)의 경우 저지 대역에서 전송 손실이 증가하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 본 발명의 실시형태에 따른 대역 저지 특성이 좋다는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 초광대역 안테나를 분리하여 도시한 분리 사디도이고,

도 2는 도 1의 안테나의 평면도와 저면도이고,

도 3은 도 1의 안테나에서 슬릿이 상태에서의 하부 방사체의 유/무에 따른 주파수 대 정재파비(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이고,

도 4는 도 1의 안테나의 슬릿의 길이 변화에 따른 주파수 대 정재파비의 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이고,

도 5는 제작된 도 1의 안테나에 대해 주파수 대 정재파비의 시뮬레이션 값과 측정값을 비교하여 나타내 보인 그래프이고,

도 6은 제작된 도 1의 안테나에 대해 측정된 그룹딜레이(Group delay) 값을 나타낸 그래프이고,

도 7은 제작된 도 1의 안테나에 대해 측정한 전송 손실(transmission loss) 값을 나타낸 그래프이다.

Claims (6)

1. 유전체 소재로 된 기판과;

   상기 기판의 상면 일단에서 중심선을 따라 타단 방향으로 연장되되 일정 폭으로 연장된 제1수평부분과, 상기 제1수평부분의 종단에서 타단 방향으로 점진적으로 폭이 좁아지게 연장된 경사부분을 갖는 급전부와;

   상기 급전부와 이격되게 상기 기판 상면에 형성된 상부 방사체와;

   상기 기판 저면에 형성되며 상기 상부 방사체와 연결된 하부 방사체와;

   상기 기판 저면에 상기 하부 방사체와 이격되게 형성된 접지면과;

   상기 상부 방사체와 상기 급전부를 연결하는 선로;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 상부 방사체와 상기 하부 방사체는 상기 기판을 상하 방향으로 관통하는 비아홀을 통해 충진된 도전체에 의해 상호 접속된 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 접지면은 상기 급전부의 일측과 대향되는 상기 기판 저면의 일단으로부터 일정폭으로 타단 방향으로 연장된 제2수평부분과, 상기 제2수평부분의 종단으로부터 타측방향으로 내측으로 만곡된 호형 곡률을 갖는 라운딩부를 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 라운딩부의 종단으로부터 상기 라운딩부와 상기 제2수평부분의 가장자리를 따라 인입되게 연장된 슬릿;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
5. 제4항에 있어서, 상기 상부 방사체와 하부 방사체의 폭은 동일하고, 상기 급전부와 상기 접지면의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 소형 초광대역 안테나.
6. 제5항에 있어서, 상기 기판은 유전율이 4.2이고, 두께가 1.6mm, 가로 12.7mm 및 세로 22mm로 형성되고,

   상기 급전부의 폭은 3.19mm, 길이는 8mm, 경사부분의 경사도는 45도이고,

   상기 상부 방사체는 폭 9.5mm, 길이 11.5mm, 상기 하부 방사체는 폭 9.5mm, 길이 7mm, 상기 라운딩부의 곡률반경은 3mm, 상기 슬릿의 길이는 8.5mm, 상기 접지면의 길이는 8mm인 것을 특징으로 하는 다중 티자형 소형 광대역 안테나.

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