KR20100017116A - 초광대역 안테나 - Google Patents

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KR20100017116A
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딘 켐프
마크 노리스
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아이티아이 스코틀랜드 리미티드
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Abstract

초광대역 안테나는 기판(21)을 포함한다. 상기 기판 위에 적층된 금속층은 그 내부에 정의된 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 세로 축(X0)의 양쪽에 정렬되며, 상기 세로 축(X0)은 상기 안테나의 피드에 대응한다. 상기 제1 및 제2 비금속 영역은 상기 제1 세로 축을 향하여 테이퍼되어 보우타이 패턴을 형성한다. 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 적어도 하나의 튜닝 슬롯(31, 33)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 튜닝 슬롯(31, 33)은 제1 축(X1, X2) 각각을 중심으로 하여 정렬되고, 상기 제1 축(X1, X2)은 상기 세로 축(X0)과 평행하며, 그리고 여기서 상기 적어도 하나의 튜닝 슬롯은 그것의 축(X1, X2) 각각을 따라 신장되어 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 각각에 의해 정의된 비금속 영역 외부에 비금속 영역을 형성한다. 적어도 한 쌍의 튜닝 슬롯들(31, 33)과 함께 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)의 테이퍼링은 상기 안테나가 사이즈를 줄이면서도 적어도 UWB 주파수 범위에서 동작할 수 있게 해준다.

Description

초광대역 안테나{ULTRA WIDEBAND ANTENNA}
본 발명은 초광대역 안테나에 관한 것이며, 특히 휴대용 디바이스에서 사용하기 위한 저가의 초광대역 안테나에 관한 것이다.
초광대역(Ultra-wideband)은 3.1 내지 10.6 GHz의 매우 광범위한 주파수 범위에 걸쳐서 디지털 데이터를 전송하는 무선 기술이다. 이러한 기술은 일반적으로 -41 dBm/MHz 보다 작은 초저 전송 전력(ultra low transmission power)을 사용하며, 이에 따라 기존의 Wi-Fi, GSM 및 블루투스(Bluetooth)와 같은 다른 전송 주파수 아래에 글자 그대로 숨을 수 있다. 이는 초광대역이 다른 무선 주파수 기술들과 공존할 수 있음을 의미한다. 하지만, 이러한 기술은 통신 거리를 전형적으로 5 내지 20 미터로 제한하는 한계를 갖는다.
초광대역(UWB)에는 두가지 방식이 있는데, 하나는 UWB 특성들을 사용하여 펄스 파형들로부터 신호를 구성하는 시간-도메인 방식이고, 다른 하나는 다중 (주파수) 대역에 대해 종래의 FFT 기반의 직교 주파수 분할 멀티플렉싱(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)을 이용하는 주파수 도메인 변조 방식( MB-OFDM으로 일컬어짐)이다. 이들 두 가지 접근 방식은 모두 매우 넓은 대역폭을 커버(cover)하는 스펙트럼 성분들을 발생시키고(이에 따라 초광대역이라 칭해짐), 그에 따라 대역폭이 중심 주파수의 20 퍼센트 이상을 차지하게 되며, 일반적으로 적어도 500MHz에 이른다.
매우 넓은 대역폭과 연관되는 초광대역의 이러한 특성들은, UWB가 집 또는 사무실 환경에서 고속의 무선 통신을 제공하기 위한 이상적인 기술임을 의미하며, 여기서 통신 디바이스들은 서로 20m 범위 내에 있다.
도 1은 초광대역 통신을 위한 다중 대역 직교 주파수 분할 멀티플렉싱(Multi Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, MB-OFDM) 시스템에서의 주파수 대역들의 구성을 보여준다. MB-OFDM 시스템은 각각 528 MHz의 14개의 서브 대역들을 포함하며, 그리고 액세스 방법으로서 서브 대역들 간에 매 312ns 마다 주파수 호핑(frequency hopping)을 이용한다. 각 서브 대역 내에서는, OFDM 및 QPSK 또는 DCM 코딩을 이용하여 데이터를 전송한다. 주목할 사항으로서, 5 GHz 부근의 서브 대역(현재는 5.1-5.8GHz)은, 기존의 협대역 시스템들, 예를 들어 802.11a WLAN 시스템, 보안 에이젼시 통신 시스템(security agency communication system), 또는 항공 산업과의 간섭을 피하기 위해 블랭크(blank) 상태로 남는다.
14개의 서브 대역들은 5개의 대역 그룹으로 조직화되는바, 4개의 대역 그룹은 3개의 528 MHz 서브 대역들을 갖고, 1개의 대역 그룹은 2개의 528 MHz 서브 대역을 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 대역 그룹은 서브 대역 1, 서브 대역 2 및 서브 대역 3을 포함한다. 예시적인 UWB 시스템은 대역 그룹의 서브 대역들 간에 주파수 호핑을 이용하며, 이에 따라 제 1 데이터 심볼은 대역 그룹의 제 1 주파수 서브 대역에서 제1의 312.5ns의 지속 시간 간격에서 전송되고, 제 2 데이터 심 볼은 대역 그룹의 제 2 주파수 서브 대역에서 제2의 312.5ns의 지속 시간 간격에서 전송되며, 그리고 제 3 데이터 심볼은 대역 그룹의 제 3 주파수 서브 대역에서 제3의 312.5ns의 지속 시간 간격에서 전송된다. 따라서, 각각의 시간 간격 동안, 데이터 심볼은 528 MHz의 대역폭을 갖는 각각의 서브 대역에서 전송되는 바, 예를 들어 3960 MHz에 중심을 둔 528 MHz 기저대역 신호를 갖는 서브 대역 2에서 전송된다.
초광대역의 기술적 특성들은 그것이 데이터 통신 분야의 애플리케이션들에서 활용되고 있음을 의미한다. 예를 들어, 다음과 같은 환경들에서 케이블을 대체하는 것에 초점을 둔 다양한 애플리케이션들이 존재한다.
- PC와 주변 기기들, 즉, 하드 디스크 드라이브, CD 라이터(writer), 프린터, 스캐너 등과 같은 외부 디바이스들 간의 통신.
- 무선 수단, 무선 스피커 등에 의해 접속되는 디바이스 및 텔레비젼과 같은 홈 엔터테인먼트.
- 예를 들어 이동 전화, PDA, 디지털 카메라 및 MP3 플레이어 등과 같은 휴대용 디바이스들과 PC 간의 통신.
그러한 애플리케이션들과 관련된 넓은 대역폭 및 높은 데이터 속도는 초광대역 범위 전체에 대해 뛰어난 특성을 가진 안테나를 필요로 한다. 그 결과, 많은 초광대역 시스템들이 스마트 안테나 또는 안테나 어레이(array)와 같은 복잡한 안테나 솔루션을 채택한다.
그러나, 스마트 안테나 또는 안테나 어레이들은 상대적으로 크고 비싼 경향이 있으므로, 이러한 타입의 안테나들은 작은 휴대용 디바이스들에서 사용하기에는 적합하지 않다.
모든 정해진(legislated) 대역 주파수들에 걸쳐 일관되게(consistently) 동작할 수 있으면서, 작은 풋프린트(footprint)를 가지고, 대량 생산에 적합하고, 또한 저 비용(low cost)인 안테나 설계가 필요하다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 기판과, 그리고 상기 기판 위에 적층(deposition)된 금속층을 포함하는 초 광대역 안테나가 제시된다. 상기 금속층은 그 내부에 정의된 제1 및 제2 비금속 영역을 포함하며, 상기 제1 및 제2 비금속 영역은 세로 축(longitudinal axis)의 양쪽에 정렬되고, 상기 세로 축은 안테나의 피드 축(feed axis)에 대응한다. 상기 제1 및 제2 비금속 영역은 상기 세로축을 향하여 테이퍼(taper)되어 보우타이(bowtie) 패턴을 형성한다. 상기 제1 및 제2 비금속 영역 각각은 적어도 하나의 튜닝 슬롯을 포함하며, 상기 적어도 하나의 튜닝 슬롯은 제1 축을 중심으로 하여 정렬되고, 상기 제1 축은 상기 세로 축에 평행하며, 그리고 여기서 상기 적어도 하나의 튜닝 슬롯은 그 각각의 축을 따라 신장하여, 제1 또는 제 2 비금속 영역 각각에 의해 정의된 비금속 영역의 외부에 비금속 영역을 형성한다.
본 발명에 따른 안테나는 적어도 전체 UWB 주파수 범위(즉, 적어도 3.1 내지 10.6 GHz)에서 주파수들을 전송하고 수신할 수 있는 이점을 가진다. 또한, 본 안테나 구조는 소비자 제품에 통합되기 위한 컴팩트한 풋프린트를 가진다.
바람직하게, 안테나 기판은 FR4 PCB로 만들어진다. 이는 저 비용의 이점을 가지며, 주요 PCB 공정들 및 기법들과 호환된다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 그리고 그것이 어떻게 실행되는지 보다 명확하게 보여주기 위하여 다음의 도면들이 단지 예시로서 참조된다.
도 1은 초광대역 통신을 위한 MB-OFDM(multi-band orthogonal frequency division multiplexing)의 주파수 배열을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 투시도를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나의 평면도를 도시한다. 그리고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나의 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나(20)를 도시한다. 안테나(20)는 기판(21) 위에 형성된 평면 안테나이다. 안테나(20)는 "X" 방향으로 약 30mm, "Y" 방향으로 약 31mm의 풋프린트를 가진다. 본 명세서의 나머지 부분에서 기술되는 다른 치수들을 포함하여, 이러한 치수들은 단지 예시로서 제공되는 것이며, 본 발명이 서로 다른 치수를 가진 안테나 배열들에 대해 동일하게 적용가능하다는 것이 이해될 것이다. 상기 치수(dimension) 및 공차(tolerance)는 저 비용의, 그러나 대량 생산 기법들에 호환되는 견고한 광대역 성능을 가지는 안테나 구조를 제공하는 제조 기법들과 관련된 예로서 제공된다.
기판(21)은 적절한 물질(예를 들어, FR4와 같은 PCB 물질)로 구성된다. FR4 기판 물질은 저가이고 제조하기 쉽다는 이점을 가진다. FR4는 직조 유리 강화 에폭 시 레진 라미네이트(woven glass reinforced epoxy resin laminate)이며, PCB 라미네이트들을 위한 일반적인 베이스 물질이다. FR4 라미네이트는 기계적, 전기적, 그리고 열적 특성들 사이에서 적당히 절충된 특성을 보여준다. 치수적 안정성은 구조(construction) 및 레진 함유량(resin content)에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 4.4 내지 5.2의 범위인 유전 상수(dielectric constant)는 유리-레진 비율에 의존한다. 이 값은 레진 함유량이 증가하고 주파수가 증가함에 따라 감소된다. 따라서, 안테나 기판으로서의 FR4의 사용은 통상적으로 낮은 초단파 대역(lower microwave band)의 주파수들로 제한되는바, 이는 유전체 손실(dielectric loss)이 대개 FR4를 높은 주파수들에 대해 부적합하게 만들기 때문이며, 이것은 그러한 애플리케이션들(고주파수)에 대해 다른 기판 물질들이 사용된다는 것을 의미한다. 그러나, 이후에 기술될 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나 구조 및 설계는, FR4 물질로 이루어진 기판을 사용하는 안테나(20)가 초광대역 주파수 범위에서의 사용에 적합하다는 것을 의미한다.
기판(21)은 금속 컨덕터(예를 들어 1온스의 구리 코팅)로 단면 코팅된다. 도 2에 도시된 기판(21)은 약 1.6mm의 두께 D를 가지지만, 금 또는 알루미늄과 같은 다른 전도성 물질들이 사용될 수 있는 것과 마찬가지로, 다른 두께들도 사용될 수 있다. 기판의 두께는 주파수 대역에 걸쳐 반사 손실(return loss)에 영향을 줄 것이라는 점이 이해될 것이다. 그러므로, 도 2의 실시예의 구조는 FR4와 같은 상용의 기성(commercial off-the-shelf) 물질들과 호환되기 위해 필요한 공차와 관련하여 기술될 것이며, 다른 물질로 만들어진 기판을 사용한 안테나에 본 발명이 적용될 때 그러한 공차 및 치수는 달라질 수 있다.
안테나 구조는 기판 표면 위의 금속 코팅부 내에 비금속 영역들을 생성함으로써 형성된다. 특히, 기판(21) 위의 금속 코팅부가 처리되어 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)이 제공되며, 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 대응하는 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)을 가지고, 상기 제1 및 제2 비금속 채널은, 제1 및 제2 비금속 영역을 안테나 피드에 가장 인접한 기판의 에지(edge)와 연결한다.
도 2의 실시예에서, 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 일반적으로 꼭지점(apex)을 서로 마주하는 삼각형의 형상이며, 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)과 함께 보우타이 형상의 튜닝 슬롯(tuning slot)을 가진 안테나 구조를 정의한다. 당업자는, 삼각형 형상의 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)이 꼭지점을 향해 테이퍼되는 다른 형상(예를 들어, 도면에 도시된 삼각형 대신 만곡 형상의 프로파일(curved shaped profile))을 가진 비금속 영역들에 의해 대체 될 수 있음을 이해할 것이다.
제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 및/또는 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)은 바람직하게는 축 X0(본 명세서에서는 안테나의 피드축에 대응하여 "수직 축" 또는 "세로 축"으로 지칭됨)에 대해 대칭이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 각각은 일반적으로 삼각형 영역들 내에 형성된 적어도 하나의 튜닝 슬롯(31a, 33a; 31b, 33b)을 포함한다. 도 2에서, 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 각각은, 각각의 제 1 튜닝 슬롯(31a, 31b)과, 각각의 제2 튜닝 슬롯(33a, 33b)을 가지는 것으로 도시된다. 상기 튜닝 슬롯은 제1 및 제2 비금속 영역의 테이퍼와 함께, 안테나가 사이즈를 줄이고도, 여전히 초광대역 디바이스들에서 요구되는 고넓은 범위의 주파수들에서 사용될 수 있게 해준다. 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)은 도 3에서 보다 자세히 기술된다. 제1 및 제2 비금속 영역들(22a, 22b)에 의해 형성된 비금속 영역들, 비금속 채널들(23a, 23b), 그리고 복수의 튜닝 슬롯들은 다음의 금속 영역들(즉, 다양한 비금속 영역들의 형성 후 기판 위에 남아있는 금속 영역들)을 형성한다.
제1 금속 영역은, 사용 중에 안테나 피드 포인트(28)로부터 양의 신호(positive signal)를 수신하도록 연결되는, 동일 평면상의 안테나 피드 영역(24)에 대응한다. 안테나 피드 영역(24)은 제1 방사부(radiating portion)(25)에 연결되며, 상기 제1 방사부는 일반적으로 삼각형의 형상이고 그 꼭지점(apex)이 안테나 피드 영역(24)에 연결되어있다. 제1 방사부(25)는 각각 제1 및 제2 에지부(27a, 27b)을 통해 제2 및 제3 방사부(26a, 26b)에 연결된다. 사용 중, 제2 및 제3 방사 부(26a, 26b)가 안테나 신호의 접지 연결(ground connection)에 연결된다. 도 2에서, 안테나는 SMA 종단 런처 피드(SMA end launcher feed)(29)에 연결되는 것으로 도시되며, 상기 SMA 종단 런처 피드는 일반적으로 인터나 신호를 안테나 구조체에 연결(예를 들어, 동축 케이블을 사용하여)하기 위해 사용된다. 제1 금속 영역(24)(즉, 제1 및 제2 비금속 채널들(23a, 23b)에 의해 정의됨)은 높은 안테나 임피던스를 한정된 50옴의 단일 종단 소스와 인터페이스(interface)시키기 위한 임피던 스 변환기로서 작동한다.
금속 코팅은, 제1 및 제2 금속 영역(22a, 22b), 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b), 그리고 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)을 형성하기 위하여, 예를 들어, PCB 밀링(milling) 머신을 사용하여 제거될 수 있으며, 상기 PCB 밀링 기계는 0.25mm만큼 작은 지름의 커터(cutter)를 사용하여, 0.1mm의 정밀도로 FR4의 1 oz의 표면 구리를 정교하게 밀링할 수 있다. 안테나의 기하구조는 캐드 입력에 의해 DFX 포맷 또는 Gerber 포맷으로 정의 될 수 있으며, 밀링 머신으로 입력되기 위하여 기계가 판독가능한 포멧으로 변환된다. 다양한 사이즈의 머신 라우터들을 사용하여 기판 물질을 정교하게 컷팅하는 것이 또한 가능하다.
PCB를 생산하기 위해 사용되는 공정들 또는 화학 물질들을 사용한 금속층의 식각 가능성을 포함하여 대안적인 기법들이 또한 비금속 부분들을 생성하는 데에 사용될 수 있다.
종래의 안테나 설계와는 대조적으로, 본 발명의 보우타이는 비금속 물질로 이루어진다(즉, 보우타이 자체가 전도성 물질로 이루어진 종래의 보우타이 구성과 비교됨). 안테나가 구조체(예를 들어, 레이돔(radome))에 의해 에워싸일때(enclosed), 또는 안테나가 대상에 매우 근접할 때, 안테나의 튜닝이 요구될 수 있다. 본 구조의 다양한 피처들의 상호의존성의 관점에서, 안테나를 튜닝하는 것은 완성된 기하구조의 미세한 변경을 수반할 수 있다.
위에서 기술된 안테나는 비금속 영역들(22a, 22b)의 전체적인 테이퍼와 의도적으로 설계된 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)의 상보 작용(complementary action)으로 인하여, 적어도 전체 UWB 주파수 범위에서 사용되기에 적합하다. 이러한 피처들은 순수 방사 모드(pure radiation mode)를 용이하게하며, 구조체 내에 머물려하는 잔류 에너지(residual energy)의 양을 최소화시켜준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 설계도의 평면도이다.
도 2에서 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)이 기판(21) 표면 위의 금속 코팅 내에 형성되며, 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 대응하는 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)을 가지고, 상기 비금속 채널들은 상기 제1 및 제2 비금속 영역들(22a, 22b)을 안테나 피드에 가장 인접한 기판의 에지에 연결한다.
제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 그리고 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)은 바람직하게는 세로 축 X0(즉, 안테나 피드 축에 대응되는 축)에 대해 대칭적이다.
제1 쌍의 튜닝 슬롯(31a, 31b)이 각각 제1 쌍의 축(X1a, X1b) 위에 형성된다. 제1 쌍의 튜닝 슬롯(31a, 31b)은 제1 쌍의 축(X1a, X1b) 위에 정렬되며, 따라서, 튜닝 슬롯(31a, 31b)은 그것들 각각의 축(X1a, X1b)을 따라 신장되어, 제1 및 제2 비금속 영역들(22a, 22b) 각각에 의해 정의된 비금속 영역의 외부에, 비금속 영역을 형성한다.
제2 쌍의 튜닝 슬롯(33a, 33b)이 각각 제2 쌍의 축(X2a, X2b) 위에 형성된다. 제2 쌍의 튜닝 슬롯(33a, 33b)은 제2 쌍의 축(X2a, X2b) 위에 정렬되며, 따라서, 튜닝 슬롯(33a, 33b)은 그것들 각각의 축(X2a, X2b)을 따라 신장되어, 제1 및 제2 비금속 영역들(22a, 22b) 각각에 의해 정의된 비금속 영역의 외부에, 비금속 영역을 형성한다.
도 3의 실시예에서, 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)의 각각의 단부들은 축Y0에 평행하지 않으므로, 결과적으로 튜닝 슬롯들이 사다리꼴(trapezium or trapezoid) 형상을 가지는 것으로 도시된다. 그러나, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b) 각각의 단부들이 축 Y0에 평행하게끔 정렬되어, 결과적으로 튜닝 슬롯들이 사각형 형상을 가질 수 있음에 주목해야 한다.
도 3의 실시예에서, 비금속 영역(22a)의 상측 경사(즉, 축 Y1a를 따르는 경사)의 크기는 비금속 영역(22a)의 하측 경사(즉, 축 Y2a를 따르는 경사)의 크기보다 크다. 유사하게, 비금속 영역(22b)의 상측 경사의 크기는 그것의 하측 경사의 크기보다 크다. 상술한 바와 같이, 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)의 단부(end)는 축 Y0에 평행하지 않게끔 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 튜닝 슬롯들의 단부는, 각각의 축(Y1a, Y2a, Y1b, Y2b)에 평행하게끔 배열된다.
이제, 제1 쌍 및 제2 쌍의 튜닝 슬롯들(31a/31b, 33a/33b)의 치수들이 기술될 것이다. 이 치수들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범주에서 벗어남 없이 다른 치수들이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
제1 쌍의 각각의 튜닝 슬롯(31a/31b)은 약 2.83mm±10%의 너비 SW1와, 약 1.00mm±10%의 높이 SH1를 가진다. 상기 높이 SH1는 튜닝 슬롯(31a/31b)의 단부가 상기 비금속 영역들(22a/22b) 각각에 의해 정의된 삼각형 형상의 에지와 만나는 곳으로부터 제공됨을 알 수 있다. 각각의 튜닝 슬롯(31a/31b)은 각각의 제1 및 제2 비금속 채널들(23a, 23b)로부터 거리(SL1)에 위치된다. 상기 거리 SL1은 약 2.83mm±10% 이다.
제2 쌍의 각각의 튜닝 슬롯(33a/33b)은 약 2.98mm±10%의 너비 SW2와, 약 2.30mm±10%의 높이 SH1를 가진다. 상기 높이 SH2는 튜닝 슬롯(33a/33b)의 단부가 상기 비금속 영역들(22a/22b) 각각에 의해 정의된 삼각형 형상의 에지와 만나는 곳으로부터 제공됨을 알 수 있다. 제2 쌍의 각각의 튜닝 슬롯(33a/33b)은 각각의 제1 및 제2 비금속 영역들(22a, 22b)로부터 거리(SL2)에 위치된다. 상기 거리 SL2은 약 2.14mm±10% 이다.
제1 쌍의 튜닝 슬롯(31a/31b)은 제2 쌍의 튜닝 슬롯(33a/33b)으로부터 약 2.70mm±10%의 거리 SS1만큼 떨어져있다.
각각의 에지부(27a, 27b)는 약 33mm±10%의 너비이다. 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)은 안테나 피드가 제공되는 점 근처에서, 축 X0로부터 거리 S1 만큼 떨어져있다. 거리 S1은 약 4.17mm±10%이다. 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)이 제1 및 제2 비금속 영역들(22a, 22b)의 꼭지점 근처에서 축 X0로부터 거리 S2만큼 떨어져있다. 거리 S2는 약 1.28mm±10%이다. 상기로부터, 안테나 피드 근처의 피드 분리(feed separation)가 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 근처의 피드 분리보다 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 구성은 안테나 피드 점으로부터 세로 축 X0를 따라 제1 방사부(25)에 도달할때까지 점진적으로 좁아지는 동일 평면상의 안테나 피드 영역(24)을 정의한다.
상술한 바와 같이, 위에서 제공된 치수 및 공차는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이, 첨부된 청구항들에서 정의되는 것에 따라 다른 변형들이 가능하다는 것이 이해될 것이다.
공차로 인한 반사 손실 대한 영향은 상술한 디자인의 예시적인 안테나 치수들에서 수치적으로 기술되었다. 안테나가 디자인의 전체 성능에 기여하는 다수의 최적화된 변수들로 구성된다는 것이 이해될 것이다. 하기의 표 1은 도 3과 관련하여 설명된 변수들의 공차에 의해 야기되는 성능 변화를 표시한다.
변수 설명 값(mm) 최악의 경우 반사 손실의 저하(dB)
SH2 튜닝 슬롯 높이2 2.30±10% 1.1
S1 피드 분리1 4.17±10% 1.0
SL2 튜닝 슬롯 길이2 2.14±10% 0.6
SS1 슬롯 분리 2.70±10% 0.6
S2 피드 분리2 1.28±10% 0.3
EG 에지 갭 0.33±10% 0.2
SH1 튜닝 슬롯 높이1 1.00±10% 0.1
SW2 튜닝 슬롯 너비2 2.98±10% 0.1
SL1 튜닝 슬롯 길이1 2.83±10% 0.05
SW1 튜닝 슬롯 너비1 2.83±10% 0.05
[표 1] 보우타이 슬롯 안테나의 공차 분석
상기 표는 이러한 값들에 대한 최악의 경우의 반사 손실의 저하를 제공한다. 파라미터들은 반사 손실에 대한 그것들의 저하 영향 순서로 배치된다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 이 분석의 임계 파라미터(critical parameter)는 튜닝 슬롯 특 성들, 특히, 제2 쌍의 튜닝 슬롯들(33a, 33b)과 피드 분리 S1 이다. 제2 쌍의 튜닝 슬롯(33a, 33b) 치수들은 저주파 및 고주파 영역들 모두에서 상당한 영향을 미치며, 여기에서의 변화는 반사 손실의 1dB 저하까지 야기할 수 있다. 이러한 변화는 제2 슬롯들(33a, 33b)의 공진 특성(resonant behaviour)이 변경되고 따라서 전체 성능에 부정적인 영향을 미치는 것에 기인한다.
동일 평면상의 안테나 피드 영역(24)이 변경된다면, 반사 손실이 1.1dB까지 저하될 수 있는 유사한 저하 효과가 또한 발생한다. 이러한 저하는 동일 평면 상의 안테나 영역(24)과 안테나 피드의 임피던스 사이의 불일치(일반적으로, 50Ω)가 증가되었기 때문이다. 제1 쌍의 튜닝 슬롯들(31a, 31b) 또는 에지 갭(27a, 27b)과 같은 표 1에 열거된 다른 변수들은 안테나의 성능에 보다 적은 영향을 끼친다. 그러나, 공차 분석은 정규 디자인의 ±10%로 제한되었으며, 이 값을 증가시키는 것은 더 많은 저하를 야기시킬 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
위의 바람직한 실시예에서 기술된 평면 안테나는 작은 사이즈라는 이점을 가지면서도, 적어도 전체 UWB 주파수 범위(즉, 적어도 3.1 내지 10.6GHz의 범위)에서 주파수들을 전송 및 수신할 수 있다. 이는 하나 이상의 쌍의 튜닝 슬롯들(31a/31b 및/또는 33a/33b)과 함께 비금속 영역(22a, 22b)의 테이퍼를 조합함으로써 달성된다.
본 안테나 구조는 또한 매우 저가의 FR4 PCB 물질을 사용하여 제조될 수 있으며, 대다수의 PCB 공정들 및 기법들과 호환된다는 이점을 가진다. 또한, 본 안테나 구조는 컴팩트한 풋프린트를 가지며, 소비자 제품에 통합될 수 있는 낮은 프로 파일을 가진다.
본 안테나 디자인은 또한 6.85GHz의 중심 대역 주파수 주변에서 최적이며, UWB 주파수 대역에 걸쳐 일관적인 특성들을 제공하는 이점을 가진다.
본 발명의 바람직한 실시예는 기판용으로 FR4 PCB물질을 사용하여 기술되었지만, 본 발명은 기판을 형성하는 다른 적합한 물질(예를 들어 더 낮은 손실을 가진 물질들)로도 사용될 수 있음에 유의하여야 한다. 다른 물질들의 사용은, 상이한 물질에 대한 상이한 전기적 특성들(예를 들어, 다른 유전 상수)에 대해 보상하기 위하여 물리적 치수들을 조정할 것을 요구할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 당업자는, 주요 방사(main radiation)가 무선 인터페이스(air interface)를 위한 표면에 있으며, 채널(23a, 23b)로서 도시된 동일평면 도파 전송 라인(coplanar waveguide transmission line)의 짧은 섹션(short section)과는 별도로, 유전체가 상기 치수들을 정의하는데에 있어서 보조적인 역할을 한다는 것 또한 이해할 것이다.
본 발명은 또한 적절한 평면 물질 상에 프리스탠딩(freestanding)되도록 제조되는 안테나를 고려한다. 프리스탠딩 안테나는 기판 위에 금속 코팅부를 제조하고 그 기판을 제거함으로써 형성될 수 있다. 부가적으로, UWB 디바이스의 인클로저(enclosure)의 에지(edge) 주위를 둘러싸도록 설계될 수 있는 가요성(flexible) 물질로부터(또는 가요성 물질 위에) 형성될 수 있다.
위에서 기술된 안테나는 스크린(예를 들어, CRT/LCD 스크린 또는 패브릭 또는 임의의 다른 물질로 만들어진 스크린)의 상부에서 동작하도록 구성될 수 있다. 그러한 구성은 방향성의 개선을 제공한다. 본 안테나는 또한 각면판 반사기(coner reflector) 또는 접시형 반사기(parabolic reflector)의 피드로서 동작하도록 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예들은 사다리꼴 또는 사각형 형상의 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)을 가진 것으로서 기술되었으나, 상기 튜닝 슬롯들이 비금속 영역들(22a, 22b)에 의해 정의된 영역으로부터 바깥쪽으로 신장되는 다른 구조를 가질 수 있음에 유의하여야 한다. 예를 들어, 튜닝 슬롯들(31a, 31b, 33a, 33b)은 삼각형 또는 만곡 형태일 수 있다. 또한, 본 안테나는 위의 실시예들에서 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 개수의 튜닝 슬롯들을 가질 수 있다.
또한, 개시된 실시예들은 비금속 영역들(22a, 22b)의 위 및 아래로부터 바깥쪽으로 신장되는 튜닝 슬롯들을 도시하지만, 상기 튜닝 슬롯들은 비금속 영역(22a, 22b)으로부터 한 방향(예를 들어, 비금속 영역(22a, 22b)의 위 또는 아래)만으로 신장될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
더욱이, 튜닝 슬롯들이 세로 축에 평행한 축들 위에 놓인 것으로서 기술되었지만, 상기 튜닝 슬롯들은 다른 축들에 놓일 수 있으며, 또는 서로에 대해 평행하지 않은 축들 위에 놓일 수 있다.
주목할 사항으로서, 상기 설명된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니라 예시하는 것이며, 그리고 당업자들은 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서 많은 대안적인 실시예들을 설계할 수 있을 것이다. "포함하는"이라는 표현는 청구항에 기재된 것들 이외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않으며, 단수 표현은 복수의 표현을 배제하고, 그리고 단일 유닛이 청구항들에 기재된 몇개의 유닛들의 기능을 수행할 수 있다. 청구항들에서의 참조 부호들은 그 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.

Claims (27)

  1. 초광대역(ultra wideband) 안테나로서,
    기판(21)과;
    상기 기판 위에 적층된 금속층을 포함하여 구성되며;
    상기 금속층은 그 내부에 정의된 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 세로 축(longitudinal axis)(X0) 양쪽에 정렬(arrangement)되고, 상기 세로 축(X0)은 상기 안테나의 피드 축(feed axis)에 대응하며, 상기 제1 및 제2 비금속 영역은 상기 세로 축(X0)을 향하여 테이퍼(taper)되어 보우타이(bowtie) 패턴을 형성하고,
    상기 제1 및 제2 비금속 영역 각각은 적어도 하나의 튜닝 슬롯(31, 33)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 튜닝 슬롯(31, 33)은 각각 제1 축(X1, X2)을 중심으로 하여 정렬되고, 상기 제1 축(X1, X2)은 상기 세로 축(X0)과 평행하며; 그리고
    상기 적어도 하나의 튜닝 슬롯은 그 각각의 축(X1, X2)을 따라 신장되어, 제1 또는 제2 비금속 영역(22a, 22b) 각각에 의해 정의된 비금속 영역 외부에 비금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 비금속 영역(22a)은 상기 세로 축(X0)에 대한 상기 제2 비금속 영역(22b)의 미러 이미지(mirror image)인것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)은 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)을 상기 기판의 에지(edge)에 연결하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 비금속 채널(23a)은 상기 세로 축(X0)에 대한 상기 제2 비금속 채널(23b)의 미러 이미지인것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)은 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)의 꼭지점(apex) 근처에서 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)과 연결되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  6. 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비금속 채널(23a, 23b)은 상기 세로 축(X0)을 따라 상기 금 속층 내에 동일 평면상의(co-planar) 피드 영역(24)을 형성하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 동일 평면상의 피드 영역(24)은 제1 방사부(radiation portion)(25)와 연결되며, 상기 제1 방사부(25)는 상기 동일평면 피드 영역(24)에 연결된 꼭지점(apex)을 가지는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  8. 제7 항에 있어서,
    제2 및 제3 방사부(26a, 26b)를 더 포함하며, 상기 제2 및 제3 방사부(26a, 26b)는 상기 세로 축(X0) 양쪽에 정렬되고, 상기 기판의 둘레(periphery)를 따라 제공된 에지부(edge portion)(27a, 27b)를 통해 상기 제1 방사부(25)와 연결되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  9. 제6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동일 평면상의 피드 영역(24)은 사용중에 양의(positive) 안테나 신호에 연결되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 방사부(26a, 27b)는 사용중에 상기 안테나 신호의 접지 연결부에 연결되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  11. 선행한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b) 각각은 제1 및 제2 튜닝 슬롯(31a, 31b; 33a, 33b)을 포함하며, 상기 제1 튜닝 슬롯(31a, 31b) 각각은 상기 제1 축(X1a, X1B) 각각을 중심으로 하여 정렬되고, 상기 제2 튜닝 슬롯들 각각은 상기 제2 축(X2a, X2b) 각각을 중심으로 하여 정렬되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  12. 제11 항에 있어서,
    각각의 상기 제1 튜닝 슬롯들(31a, 31b)과 각각의 상기 제2 튜닝 슬롯들(33a, 33b)은 상기 제1 축(X1a, X1b) 각각과 상기 제2 축(X2a, X2b) 각각에 대해 실질적으로 평행인 면(side)을 가지는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 축(X2a, X2b)에 대한 상기 제2 튜닝 슬롯(33a, 33b)의 폭은 상기 제1 축(X1a, X1b)에 대한 상기 제1 튜닝 슬롯의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 초광대 역 안테나.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 튜닝 슬롯(33a, 33b)의 폭은 약 5.36mm 내지 약 6,55mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    제1 튜닝 슬롯(31a, 31b)의 폭은 약 5.09mm 내지 약 6.23mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  16. 제6 항 내지 제15 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 동일 평면상의 피드 영역은 상기 세로 축(X0)을 따라 안테나 피드를 받는 상기 기판의 에지로부터 멀어지면서 점점 좁아지는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 안테나 피드 근처 단부(end)에 있는 상기 동일 평면상의 피드 영역의 폭은 약 7.50mm 내지 약 9.17mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  18. 제16 항 또는 제17 항에 있어서,
    상기 안테나 피드로부터 먼 단부(end)에 있는 상기 동일 평면상의 피드 영역의 폭은 약 2.30mm 내지 약 2.82mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  19. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)은 일반적으로 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)의 상측(upper side) 경사의 크기는 상기 제1 및 제2 비금속 영역(22a, 22b)의 하측(lower side) 경사의 크기보다 크며, 상기 하측은 안테나 피드에 가장 가까운 측(side)인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  21. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 튜닝 슬롯(31a, 31b, 33a, 33b)은 일반적으로 삼각형 형상인것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  22. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 튜닝 슬롯(31a, 31b, 33a, 33b)은 일반적으로 사다리꼴(trapezoidal or trapezium) 형상인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  23. 제1 항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 튜닝 슬롯(31a, 31b, 33a, 33b)은 일반적으로 원의 형상인것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  24. 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,
    상기 기판은 FR4 PCB 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 기판은 평면(planar)인것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  26. 제1 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 가요성(flexible) 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  27. 제1 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 비금속 영역의 형성 후 제거되는 것을 특징으로 하는 초광 대역 안테나.
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