KR20100002558A

KR20100002558A - 슬롯을 이용한 이중 대역 안테나

Info

Publication number: KR20100002558A
Application number: KR1020080062493A
Authority: KR
Inventors: 김형석; 장세욱; 고재형; 한운수
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-07
Also published as: KR100973102B1

Abstract

이중 대역 안테나는 적어도 하나의 미앤더 라인 형상인 도체 기판, 상기 도체 기판과 연결되고 슬롯을 포함하는 마이크로스트립 기판, 및 상기 마이크로스트립 기판에 배치되어 주회로 기판과 접속되는 접속부를 포함하되, 상기 도체 기판의 미앤더 라인의 길이와 상기 마이크로스트립 기판의 길이의 합을 통해 제1 공진 주파수를 제공하고, 상기 슬롯을 통해 제2 공진 주파수를 제공한다. 본 발명인 안테나는 기존의 소형 안테나의 크기로 높은 이득을 가지고 저주파 대역과 고주파 대역에서 모두 사용할 수 있으며, 소형 안테나가 이용되는 분야에 폭넓게 응용될 수 있다.

이중 대역, 미앤더 라인, 슬롯, 저주파 대역, 고주파 대역, 소형 안테나

Description

슬롯을 이용한 이중 대역 안테나{Dual-band antenna using slots}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다중 대역화된 소형안테나가 이용될 수 있는 분야, 특히 RFID분야에서 활용성이 높은 이중 대역 안테나에 관한 것이다.

RFID(Radio Frequency Identification)라고 하는 전파 식별 기술은 저주파(LF), 고주파(HF), 초고주파(UHF) 및 마이크로파(M/W) 대역의 무선전파를 사용하며 각 대역의 전파 특성에 따라 동물추적, 교통카드, 물품관리, 전자화폐 등 다양한 분야에 선택적으로 적용되고 있다. RFID는 리더기 측 안테나, 트랜시버(흔히 리더/리더기에 통합된다)와 전파식별카드 또는 태그라고도 불리는 트랜스폰더인 3가지로 구성된다. RFID 구성 요소로서의 리더기측 안테나는 트랜스폰더를 활성화하기 위한 신호를 전달하기 위해 무선 주파수 전파를 사용한다. 트랜스폰더가 활성화되면, 트랜스폰더는 가지고 있던 데이터를 상기 리더기측 안테나로 전송한다.

리더기는 각 나라의 실정에 맞도록 정해진 특정 반송파 주파수에서 작동하도록 요구되는데, 다중 태그를 식별하는 다중 서비스용 단말기의 경우는 두가지 이상의 주파수 대역에서 동작하는 특성을 가지고 있다. 이에 따라 하나의 단말기에 다 른 대역 특성을 갖는 다수의 안테나를 장착할 수 있으나, RFID의 적용 단말기의 크기가 점점 소형화되어 그 적용범위가 나날이 확장되고 있는 현재의 유비쿼터스 트랜드에 비추어 볼 때, 다수의 안테나 장착은 그 적용이 불가능하다. 따라서 이중대역의 공진 주파수를 갖는 소형 안테나가 요구되는 실정이다. 이러한 대안으로써 정합회로로 구성된 이중 대역 안테나가 사용된다.

도 1은 종래의 정합회로로 구성된 이중 대역 안테나의 평면도이다.

종래의 정합회로로 구성된 이중 대역 안테나의 일례는 사각형상의 루프 형태를 갖는 방사부(10)를 포함하는 루프 안테나이다. 전자파를 방사하는 방사부(10) 및 안테나의 입력 리액턴스를 조절하기 위한 정합회로(20)를 포함하며, 회로기판 등에 소정 간격을 두고 장착된다. 방사부(10)는 하나의 도체 와이어 또는 스트립라인이 복수회 절곡되어 형성되는 내측 루프(14)와 외측 루프(12)를 포함한다. 외측 루프(12)는 그 일측이 개방되어 있고, 개방된 양 단부는 회로기판을 향해 절곡되어 있다. 외측 루프(12)의 양 단부는 내부회로 기판에 설치된 도시되지 않은 공진부와 연결된다. 정합회로(20)는 인덕터(21a, 21b), 방사부 연결부(22), 저항(23a 내지 23c), 내부회로 연결부(24) 및 캐패시터(25a 내지 25f)를 포함하며, 내부 회로와 안테나간 임피던스 정합을 수행한다. 이러한 정합회로(20)는 일반적으로 서비스 사업자에 따른 주파수에 맞도록 설계되어 있다. 정합회로(20)를 통해 서로 다른 둘 이상의 주파수 신호를 수신할 수 있다 하더라도 정합회로(20)에서 각 주파수에 따른 임피던스 정합이 정확히 이루어지지 않는 경우 수신된 신호의 선택도가 낮아져서 정상적으로 신호를 복원하기 어려워지는 문제가 발생한다. 이는 정합회로의 최 적화를 위해서 방사성능, 반사 손실 등이 고려되어야 하나 각 수동소자들의 특성에 따라 구성해야 하므로 이를 만족하기 어렵기 때문이다. 또한, 인덕턴스는 소자의 크기에 비례하는 특성이 있으므로 정합회로로 구성된 안테나는 소형화에 불리한 작용을 한다.

일반적으로 이중 대역 안테나는 입력 정재파비가 1.5 이하, 수직 및 수평 편파 포트간의 격리도는 15dB 이상의 조건을 만족시켜야 한다. 특히, RFID시스템에 적용하기 위해서는 무지향성의 특성을 가져야 하므로 3dB 이상의 이득을 가져야 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 소형 안테나의 크기로 3dB 이상의 이득을 가지고 저주파 대역과 고주파 대역에서 모두 사용할 수 있는 이중 대역 안테나를 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 대역 안테나는 적어도 하나의 미앤더 라인 형상인 도체 기판; 상기 도체 기판과 연결되고, 슬롯을 포함하는 마이크로스트립 기판; 및 상기 마이크로스트립 기판에 배치되어 주회로 기판과 접속되는 접속부를 포함하되, 상기 도체 기판의 미앤더 라인의 길이와 상기 마이크로스트립 기판의 길이의 합을 통해 제1 공진 주파수를 제공하고,상기 슬롯을 통해 제2 공진 주파수를 제공한다.

상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 슬롯은 일정한 폭과 길이를 갖는 도체 패턴으로서, 상기 도체 기판상에 배치되는 제1 측면부, 상기 제1 측면부와 이격되어 배치되는 제2 측면부 및 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하는 중앙부를 포함하고, 상기 제1 측면부의 길이, 상기 제2 측면부의 길이, 상기 중앙부의 위치, 상기 제1 측면부의 폭, 상기 제2 측면부의 폭 및 상기 중앙부의 폭 중 적어도 어느 하나를 조정하여 상기 제2 공진 주파수를 조절한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수를 제공하는 이중 대역 안테나의 설계 방법은 상기 제1 공진 주파수에 따라 도체 기판상의 미앤더 라인의 길이 및 마이크로스트립 기판의 길이를 결정하는 단계; 및 상기 제2 공진 주파수에 따라 상기 마이크로스트립 기판상의 슬롯의 형태를 결정하는 단계를 포함한다.

상기에서와 같이 본 발명은 다수의 미앤더 라인 형상의 도체 기판과 한 면에 슬롯을 구비한 마이크로스트립 기판이 결합된 안테나로서, 기존의 소형 안테나의 크기로 높은 이득을 가지고 저주파 대역과 고주파 대역에서 모두 사용할 수 있으며, 소형 안테나가 이용되는 분야에 폭넓게 응용될 수 있다. 나아가, 본 발명은 다중 서비스용 단말기에 리더기 측 안테나로 장착되어 전파 식별 기술이 적용되는 서비스의 폭을 넓힐 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 실시예에서는 RFID분야에서 활용도가 높은 주파수 대역인 433MHz 및 2.45GHz에서 -15dB 이상의 반사계수 및 3dB 이득을 가지고 작동하는 안테나를 제공한다. 여기서, 이중 대역인 433MHz 및 2.45GHz은 예시이다. 본 발명의 실시예에서 433MHz는 저주파수인 공진 주파수(이하 '제1 공진 주파수'라 한다)의 예시가 될 수 있고, 2.45GHz는 고주파수인 공진 주파수(이하 '제2 공진 주파수'라 한다)의 예시가 될 수 있다. 필요에 의해 변경된 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주 파수에서 작동하는 안테나를 본 발명의 실시예에 따라 제공할 수 있다. 본 실시예에서 반사계수(S11)는 그 절대값을 기준으로 크기를 표현하였다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 구조를 나타낸 평면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나(100)는 임의의 두께를 갖는 도체 기판(110), 마이크로스트립 기판(120) 및 접속부(130)를 포함한다. 도체 기판(110)는 도시된 바와 같이 적어도 하나의 미앤더 라인 형상이다. 여기서, 미앤더 라인은 지그재그형상으로 필요한 길이만큼 연장된다. 마이크로스트립 기판(120)은 도체 기판(110)과 연결되고, 일 면에 H 자 형태의 슬롯(123)을 포함한다. 마이크로스트립 기판(120)은 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 기판이다. 바람직하게는, 도체 기판(110)은 마이크로스트립 기판(120)의 좌측 상단 모서리와 우측 상단 모서리 중 어느 하나에 연결된다. 접속부(130)는 마이크로스트립 기판(120)에 배치되어 주회로 기판과 접속된다.

슬롯(123)은 일정한 폭과 길이를 갖는 도체 패턴으로서, 마이크로스트립 기판(120)상에 배치되는 제1 측면부(123a), 제1 측면부(123a)와 이격되어 배치되는 제2 측면부(123b) 및 제1 측면부(123a)와 상기 제2 측면부(123b)를 연결하는 중앙부(123c)를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나는 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수인 이중 대역에서 정상적으로 동작하여야 한다. 도체 기판(110)인 미앤더 라인 총 길이와 마이크로스트립 기판(120)의 길이를 합친 전체 길이에 의해 제1 공진 주파수 가 결정되고, 마이크로스트립 기판(120)의 슬롯(123)으로 제2 공진 주파수가 결정된다. 본 발명의 실시예에서 안테나(100)의 폭은 임의로 정할 수 있다.

우선, 본 발명의 실시예에 따라 제1 공진 주파수에 따른 안테나의 설계에 관하여 설명한다.

도 3은 마이크로스트립 기판의 길이에 따른 임피던스를 나타낸 스미스차트이며, 도 4는 미앤더 라인 폭에 따른 임피던스를 나타낸 스미스차트이다. 도 3을 참조하면, 마이크로스트립 기판(120)의 길이를 증가시킴에 따라 화살표로 표시된 바와 같이 50Ω에서 멀어졌다. 이에 반해 도 4를 참조하면, 도체 기판(110)인 미앤더 라인 폭을 증가시킴에 따라 화살표로 표시된 바와 같이 50Ω에 가까워졌다. 마이크로스트립 기판(120)의 길이와 도체 기판(110)의 미앤더 라인은 독립적으로 정합할 수 있다.

일반적으로 안테나가 원하는 주파수를 송수신하려면 안테나 길이는 1/2파장이어야 한다. 본 발명의 실시예와 같이 미앤더 라인 형상을 가지는 안테나는 모서리 부분에서의 손실과 평행한 각 미앤더 라인간의 간섭 현상 때문에 대략 1파장(λ)의 길이를 가진다. 도체 기판(110)인 미앤더 라인 총 길이와 마이크로스트립 기판(120)의 길이를 합친 전체 길이는 1 파장(λ)의 길이 내에서 정합을 하게 되며, 파장(λ)는 다음 수학식 1과 같다.

여기서, f 는 공진 주파수(Hz), c = 3 × 10⁸(m/s)이다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 스미스차트를 이용하여 도체 기판(110)의 미앤더 라인 폭과 각 미앤더 라인간의 간격 및 마이크로스트립 기판(120)의 길이를 정해 임피던스 정합을 하였다. 이렇게 결정된 마이크로스트립 기판(120)의 길이는 45 mm이다. 그런 다음, 미앤더 라인 총 길이를 조절하여 제1 공진 주파수를 얻게 되었다. 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에서 제1 공진 주파수로써 433MHz는 예시이며, 마이크로스트립 기판(120)의 길이와 도체 기판(110)의 미앤더 라인의 다른 조합으로 433MHz이 아닌 다른 대역의 주파수를 공진 주파수로 가질 수 있다.

다음으로, 제2 공진 주파수에 따른 안테나의 설계에 관하여 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나는 마이크로스트립 기판(120)에 슬롯(123)을 적용하여 이중 대역 공진이 가능해지며, 슬롯(123)의 폭, 길이, 위치 변화에 따라 제2 공진 주파수의 반사계수(Return loss)를 조절할 수 있었다.

도 5(a), 도 5(b) 및 5(c)는 제2 공진 주파수 생성을 설명하기 위해 도 2의 마이크로스트립 기판(120)만을 확대한 평면도이다.

도 5(a)를 참조하면, 제1 측면부(123a), 제2 측면부(123b) 및 중앙부(123c)의 폭을 각각 증가시킴에 따라 제2 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 S11값이 증가되었다. 하지만 제1 공진 주파수의 S11값는 감소되었다. 먼저, 제2 공진 주파수의 S11값 및 제1 공진 주파수의 S11값의 조합으로부터 중앙부(123c)의 폭을 1 mm로 결정하였다. 그런 다음, 제1 측면부(123a) 및 제2 측면부(123b)의 폭을 증가시켰더 니 제2 공진 주파수는 감소하지만 제2 공진 주파수의 S11값은 증가되었다. 중앙부(123c) 보다 제1 측면부(123a) 및 제2 측면부(123b)의 폭이 클수록 제2 공진 주파수의 S11값이 더 좋아졌다.

도 5(b)를 참조하면, 제1 측면부(123a), 제2 측면부(123b) 및 중앙부(123c)의 폭을 고정시키고 중앙부(123c)의 위치만을 변화시켰다. 중앙부(123c)의 위치는 마이크로스트립 기판(120)의 길이의 절반인 22.5 mm일 때 제2 공진 주파수의 S11값이 최적이었다.

도 5(c)를 참조하면, 제1 측면부(123a), 제2 측면부(123b) 및 중앙부(123c)의 폭과 중앙부(123c)의 위치를 고정시키고, 제1 측면부(123a) 및 제2 측면부(123b)의 길이만을 변화시켰다. 이러한 두 슬롯(123a, 123b)의 길이가 마이크로스트립 기판(120)의 길이에 가까워질수록 제2 공진 주파수의 S11값이 증가되고 제2 공진 주파수는 감소되었다. 따라서, 제1 측면부(123a) 및 제2 측면부(123b)의 길이는 마이크로스트립 기판(120)의 길이인 45 mm에 가깝게 결정하였다. 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에서 제2 공진 주파수로써 2.45GHz는 예시이며, 제1 측면부(123a), 제2 측면부(123b) 및 중앙부(123c)의 다른 조합으로 2.45GHz이 아닌 다른 대역의 주파수를 공진 주파수로 가질 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 설계 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 제1 공진 주파수를 결정한다.(S610) 본 발명의 실시예에서 제1 공진 주파수는 433MHz이다.

상기 결정된 제1 공진 주파수에 따라 도체 기판의 미앤더 라인 폭과 길이 및 마이크로스트립 기판의 길이를 결정한다.(S620) 구체적으로, 도체 기판의 미앤더 라인 폭, 마이크로스트립 기판의 길이 각각의 조합으로써 임피던스 정합을 한다. 그런 다음, 미앤더 라인 총 길이를 결정한다.

다음으로, 제2 공진 주파수를 결정한다.(S630) 본 발명의 실시예에서 제2 공진 주파수는 2.45GHz이다.

상기 결정된 제2 공진 주파수에 따라 제1 측면부, 제2 측면부, 중앙부의 폭과 길이 및 마이크로스트립 기판내 중앙부의 위치를 결정한다.(S640) 바람직하게는, 먼저 중앙부의 폭을 결정한다. 그런 다음, 제1 측면부 및 제2 측면부의 폭을 결정한다. 결정된 제1 측면부, 제2 측면부 및 중앙부의 폭으로 마이크로스트립 기판내 중앙부의 위치를 결정한다. 다음으로, 제1 측면부 및 제2 측면부의 길이를 결정한다.

다음으로 본 발명의 실험예 및 이에 따른 효과에 대하여 설명한다.

제1 공진 주파수로써 433MHz 및 제2 공진 주파수로써 2.45GHz인 이중 대역에서 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사계수 및 이득을 살펴본다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 시뮬레이션에 의한 반 사계수를 나타낸 공진 그래프이다.

도 7을 참조하면, 433MHz에서 반사계수(S11)은 -22.52dB이며, 10dB의 대역폭은 약 18MHz인 특성을 얻었다. 2.45GHz에서 반사계수(S11)은 -23.71dB이며, 10dB의 대역폭은 약 70MHz인 특성을 얻었다.

도 8(a)는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 433MHz 방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 8(b)는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 2.45GHz 방사패턴을 나타낸 도면이다. 도 8(a)를 참조하면, 433MHz에서의 이득(Gain)은 3.1dBi, 빔폭(HPBW)은 226.9 deg 임을 확인할 수 있다. 도 8(b)를 참조하면, 2.45GHz에서의 이득은 7.1dBi, 빔폭(HPBW)은 110.3 deg 임을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 실측된 반사계수를 나타낸 공진 그래프이다. 도 9을 참조하면, 430MHz에서의 반사계수(S11)은 -18dB이며, 2.5GHz에서의 반사계수(S11)은 -16dB이다. 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나가 목표로 하는 이중 대역에서 정상적으로 작동함을 확인할 수 있었다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

도 3은 마이크로스트립 기판의 길이에 따른 임피던스를 나타낸 스미스차트이다.

도 4는 미앤더 라인 폭에 따른 임피던스를 나타낸 스미스차트이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 시뮬레이션에 의한 반사계수를 나타낸 공진 그래프이다.

도 8(a)는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 433MHz 방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 8(b)는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 2.45GHz 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 안테나의 실측된 반사계수를 나 타낸 공진 그래프이다.

Claims

적어도 하나의 미앤더 라인 형상인 도체 기판;

상기 도체 기판과 연결되고 슬롯을 포함하는 마이크로스트립 기판; 및

상기 마이크로스트립 기판에 배치되어 주회로 기판과 접속되는 접속부를 포함하되,

상기 도체 기판의 미앤더 라인의 길이와 상기 마이크로스트립 기판의 길이의 합을 통해 제1 공진 주파수를 제공하고,

상기 슬롯을 통해 제2 공진 주파수를 제공하는 이중 대역 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 슬롯은 일정한 폭과 길이를 갖는 도체 패턴으로서

상기 마이크로스트립 기판상에 배치되는 제1 측면부, 상기 제1 측면부와 이격되어 배치되는 제2 측면부 및 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하는 중앙부를 포함하고,

상기 제1 측면부의 길이, 상기 제2 측면부의 길이, 상기 중앙부의 위치, 상기 제1 측면부의 폭, 상기 제2 측면부의 폭 및 상기 중앙부의 폭 중 적어도 어느 하나를 조정하여 상기 제2 공진 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 제1 측면부, 제2 측면부 및 중앙부는 H 자 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 제1 측면부 및 제2 측면부의 폭이 각각 중앙부 보다 큰 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 중앙부는 마이크로스트립 기판 길이의 중간에 위치하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 공진 주파수는 433MHz이고, 상기 제2 공진 주파수는 2.45GHz인 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수를 제공하는 이중 대역 안테나의 설계 방법에 있어서,

a) 상기 제1 공진 주파수에 따라 도체 기판의 미앤더 라인의 폭, 길이 및 마이크로스트립 기판의 길이를 결정하는 단계; 및

b) 상기 제2 공진 주파수에 따라 상기 마이크로스트립 기판상의 슬롯의 형태를 결정하는 단계를 포함하되,

상기 슬롯은 상기 마이크로스트립 기판상에 배치되는 제1 측면부, 상기 제1 측면부와 이격되어 배치되는 제2 측면부, 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하는 중앙부를 포함하고,

상기 제1 측면부의 길이, 상기 제2 측면부의 길이, 상기 중앙부의 위치, 상기 제1 측면부의 폭, 상기 제2 측면부의 폭, 상기 중앙부의 폭 중 적어도 어느 하나를 조정하여 상기 제2 공진 주파수를 조절하는 이중 대역 안테나의 설계 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 a)단계는 상기 도체 기판의 미앤더 라인의 폭 및 상기 마이크로스트립 기판의 길이를 결정하는 단계; 및

상기 도체 기판의 미앤더 라인의 길이를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나의 설계 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 b)단계는 상기 중앙부의 폭을 결정하는 단계;

상기 제1 측면부의 폭, 상기 제2 측면부의 폭을 결정하는 단계;

상기 중앙부의 위치를 결정하는 단계; 및

상기 제1 측면부의 길이와 상기 제2 측면부의 길이를 결정하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나의 설계 방법.