KR20100018749A - Uwb microstrip patch antenna - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A UWB(Ultra-Wideband) microstrip patch antenna is provided to increase a gain and a bandwidth by forming a radiator with a Y shape. CONSTITUTION: A UWB microstrip patch antenna includes a dielectric substrate, a radiator(110), a feeder(120), and a ground(130). The dielectric substrate has a preset dielectric constant. The radiator with a Y shape is formed on one side of the dielectric substrate. The feeder is a coaxial feeder line or partial ground plate. The ground is formed on the other side. At least one L-slot(141,142) is inserted into the radiator for limiting a WLAN(Wireless Local Area Network) frequency band.

Description

초광대역 마이크로스트립 패치안테나{UWB MICROSTRIP PATCH ANTENNA}Ultra Wideband Microstrip Patch Antenna {UWB MICROSTRIP PATCH ANTENNA}

초광대역 마이크로스트립 패치안테나가 개시된다. 특히, 초광대역(Ultra-Wideband: UWB)에서 동작하는 더 작고 얇은 Y 형상의 마이크로스트립 안테나에 WLAN 주파수 대역을 제한하기 위한 초광대역 마이크로스트립 패치안테나가 개시된다.An ultra-wideband microstrip patch antenna is disclosed. In particular, an ultra-wideband microstrip patch antenna for limiting the WLAN frequency band to a smaller, thinner Y-shaped microstrip antenna operating in ultra-wideband (UWB) is disclosed.

초광대역 시스템은 중심 주파수의 20 % 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 500 MHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술 시스템으로 정의한다.Ultra-wideband systems are defined as systems that occupy more than 20% of the bandwidth of the center frequency or wireless transmission technology systems occupying more than 500 MHz.

2002년 2월 미국 연방통신위원회 (FCC: Federal Communication Commission)가 UWB (3.1GHz ～ 10.6 GHz)의 상용 사용을 인가함으로서 미국의 군사용 무선 기술로 개발되어 오던 기술이 일반 통신에 개방되었다. 이 기술은 반송파를 이용하지 않고 펄스 변조한 신호를 그대로 공간에 복사한다. UWB는 기존의 무선 통신의 영역 이외에 거리의 계측 (location awareness)이나 레이더 기술에도 응용이 가능하다.In February 2002, the Federal Communications Commission (FCC) approved the commercial use of UWB (3.1 GHz to 10.6 GHz), opening the door to general telecommunications technology that had been developed for US military wireless technology. This technique copies a pulse-modulated signal into space without using a carrier wave. UWB can be applied to location awareness and radar technology in addition to the conventional wireless communication area.

UWB 시스템은 디지털 부호 정보를 나노 세컨드 (10-9) 이하의 매우 짧은 폭 을 가지는 임펄스 신호로 변환해서 무선으로 전송하는 기술로 광 통신과 같은 수백 Mbps의 초고속 통신이 가능하며, 매우 낮은 송신 전력의 사용으로 배터리가 기존 무선 통신 방식보다 수십 배 이상 오래 사용할 뿐 아니라, 송수신 장치도 획기적으로 소형화 할 수 있어 기존의 무선 통신 한계를 극복할 수 있는 기술로 기대되고 있다. UWB 시스템의 신호는 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있으므로 주파수 영역에서의 전력 밀도 값을 아주 작은 값으로 할 수 있어 다른 통신 신호가 존재하는 주파수에 중첩되어 사용하더라도 간섭을 거의 주지 않을 수 있다는 점에 착안하고 있다. 초기에 제안된 UWB 통신 신호는 아주 짧은 신호 펄스를 사용함으로써 넓은 주파수 대역을 얻었으나 현재는 CDMA (Code Division Multiple Access: 부호 분할 다중 접속), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 직교 주파수 분할 다중)등의 여러 가지 변형된 형태의 UWB 방식이 있다. UWB system is a technology that converts digital code information into an impulse signal having a very short width of less than nanoseconds (10-9) and transmits it wirelessly, and enables high-speed communication of hundreds of Mbps such as optical communication, The battery is expected to be used as a technology that can overcome the limitations of the existing wireless communication as it can use the battery tens of times longer than the conventional wireless communication method, and can also dramatically reduce the size of the transceiver. Since the signals of UWB systems can use a wide frequency band, the power density value in the frequency domain can be set to a very small value, so that even if it is superimposed on a frequency where other communication signals exist, it can give little interference. have. Initially, the UWB communication signal was obtained by using a very short signal pulse. However, UWB communication signals have been widely used, but currently, CDMA (Code Division Multiple Access), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), etc. There are several variants of UWB.

이러한 UWB 시스템에서 소형으로 제조가 가능하고, 협소한 대역폭을 해결하는 대역특성과 충분한 이득을 가질 수 있는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 대한 필요성이 증가하고 있다.In such UWB systems, there is an increasing need for ultra-wideband microstrip patch antennas that can be manufactured in a small size and have sufficient bandwidth characteristics and sufficient gains to solve narrow bandwidths.

또한, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 있어, WLAN 주파수 대역을 제한할 수 있는 기술에 대한 연구가 필요하다.In addition, in the ultra-wideband microstrip patch antenna, there is a need for a technique for limiting the WLAN frequency band.

Y 형상의 방사체를 갖고, L-슬롯이 삽입된 마이크로스트립 패치안테나를 제공함으로써, UWB 시스템에 적합하고, WLAN 주파수 대역을 제한할 수 있는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나를 제공하고자 한다.By providing a microstrip patch antenna having a Y-shaped radiator and inserted with an L-slot, it is intended to provide an ultra-wideband microstrip patch antenna suitable for a UWB system and capable of limiting a WLAN frequency band.

본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나는 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일측면에 형성된 Y 형상의 방사체, 상기 방사체의 하단부로부터 상기 일측면의 하단부로 연결되는 급전부 및 상기 유전체 기판의 타측면에 형성된 접지부를 포함한다.Ultra-wide band microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention, a dielectric substrate having a predetermined dielectric constant, a Y-shaped radiator formed on one side of the dielectric substrate, the rapid connection from the lower end of the radiator to the lower end of the one side And a ground formed on the other side of the dielectric substrate.

Y 형상의 방사체를 갖고, L-슬롯이 삽입된 마이크로스트립 패치안테나를 제공함으로써, UWB 시스템에 적합하고, WLAN 주파수 대역을 제한할 수 있는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나를 제공할 수 있다.By providing a microstrip patch antenna having a Y-shaped radiator and inserted with an L-slot, it is possible to provide an ultra-wideband microstrip patch antenna suitable for UWB systems and capable of limiting the WLAN frequency band.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 상단부를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an upper end portion of an ultra-wide band microstrip patch antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역(Ultra-Wideband: UWB) 마이크로스트립 패치안테나는 Y 형상의 방사체(110), 급전부(120), 접지 부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, an ultra-wideband (UWB) microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention may include a Y-shaped radiator 110, a power feeding unit 120, and a grounding unit 130. Can be.

방사체(110)는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 협소한 대역폭을 해결하기 위한 대역특성과 충분한 이득을 갖도록 Y 형상으로 구현될 수 있다.The radiator 110 may be implemented in a Y shape so as to have a band characteristic and sufficient gain to solve the narrow bandwidth of the ultra-wideband microstrip patch antenna.

본 발명의 일실시예에 따르면, 방사체(110)에는 WLAN 주파수 대역(5.15~5.825 GHz)을 제한하기 위해 적어도 하나의 L-슬롯(slot)(141, 142)이 삽입될 수 있다.According to one embodiment of the invention, at least one L-slot (141, 142) may be inserted into the radiator 110 to limit the WLAN frequency band (5.15 ~ 5.825 GHz).

도 1에 도시된 실시예에서는 방사체(110)에 두 개의 L-슬롯(141, 142)이 삽입되어 있다. In the embodiment shown in FIG. 1, two L-slots 141, 142 are inserted into the radiator 110.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 급전부(120)는 임피던스 매칭 및 회로 집적을 위해, 동축 급전선(the coaxial probe)으로 구현될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the feeder 120 may be implemented as the coaxial probe for impedance matching and circuit integration.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 접지부(130)는 넓은 대역폭의 획득을 위해 부분 접지(partial ground)판으로 구현될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the ground unit 130 may be implemented as a partial ground plate for obtaining a wide bandwidth.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나는 UWB 시스템의 대역폭인 3.1~10.6GHz을 만족하기 위해 3.8GHz, 9.2GHz에서 두 번의 공진할 수 있도록 방사체(110)의 Y 모양과 상기 부분 접지판의 길이 및 폭, 그리고 급전부(120)의 위치를 시뮬레이션을 통해 최적화하여, 설계할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ultra-wideband microstrip patch antenna and the Y shape of the radiator 110 so as to resonate twice in 3.8GHz, 9.2GHz to satisfy the bandwidth of 3.1 ~ 10.6GHz of the UWB system The length and width of the partial ground plate and the position of the power feeding unit 120 may be optimized by simulation.

도 1의 실시예에서 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 최적화 설계를 위한 시뮬레이션 결과는 괄호와 같다. (L1 = 18.5mm, L2 = 10.5mm, L3 = 6.75mm, L4 = 5mm, W1 = 10mm, W2 = 3.75mm, W3 = 2.5mm, W4 = 3.37mm, W5 = 3mm, SW = 1.5mm, SL1 = 0.5mm, SL2 = 4mm, FW = 5mm, FL = 0.7mm, GW = 7mm, GL = 6mm)In the embodiment of Figure 1, the simulation results for the optimization design of the ultra-wideband microstrip patch antenna are shown in parentheses. (L1 = 18.5mm, L2 = 10.5mm, L3 = 6.75mm, L4 = 5mm, W1 = 10mm, W2 = 3.75mm, W3 = 2.5mm, W4 = 3.37mm, W5 = 3mm, SW = 1.5mm, SL1 = 0.5mm, SL2 = 4mm, FW = 5mm, FL = 0.7mm, GW = 7mm, GL = 6mm)

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 측면부를 도시한 도면이다.2 is a view showing a side portion of the ultra-wideband microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나는 방사체(210), 유전체 기판(220) 및 접지부(230)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the ultra-wideband microstrip patch antenna according to the embodiment of the present invention may include a radiator 210, a dielectric substrate 220, and a ground 230.

본 발명의 일실시예에 따르면, 방사체(210)는 도 1에서 도시된 바와 같이 Y 형상으로 구현될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the radiator 210 may be implemented in a Y shape as shown in FIG.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 방사체(210)에는 도 1에서 도시된 바와 같이 적어도 하나의 L-슬롯이 삽입될 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, at least one L-slot may be inserted into the radiator 210 as shown in FIG. 1.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 유전체 기판(220)는 유전율 2.17, 두께 1.57mm 인 TLY-5A-06 20-C1/C1 양면 기판을 이용하여, GND을 밀착시킴으로써 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나를 좀 더 소형화할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, according to the exemplary embodiment of the present invention, the dielectric substrate 220 may adhere to GND by using a TLY-5A-06 20-C1 / C1 double-sided substrate having a dielectric constant of 2.17 and a thickness of 1.57 mm. By doing so, the ultra-wideband microstrip patch antenna can be further miniaturized.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 접지부(230)는 부분 접지판으로 구현될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the ground portion 230 may be implemented as a partial ground plate.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 방사체(210) 및 접지부(230)는 유전체 기판(220)의 전면부 및 후면부에 배치되고, 서로 이격될 수 있다. 이에 대해, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 유전체 기판(220)을 중심으로 방사체(210)가 유전체 기판(220)의 전면부에 배치되고, 접지부(230)가 유전체 기판(220)의 후면부에 배치되도록 나타내고 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the radiator 210 and the ground portion 230 may be disposed on the front portion and the rear portion of the dielectric substrate 220, and may be spaced apart from each other. On the contrary, FIG. 2 illustrates that, in accordance with an embodiment of the present invention, the radiator 210 is disposed on the front surface of the dielectric substrate 220 with respect to the dielectric substrate 220, and the ground portion 230 is disposed on the dielectric substrate 220. It is shown so that it is arrange | positioned to the back part.

이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 초광대 역 마이크로스트립 패치안테나의 성능을 살펴보기로 한다.Hereinafter, the performance of the ultra-wide band microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 반사계수를 측정한 그래프이다.Figure 3 is a graph measuring the reflection coefficient of the ultra-wide band microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 적어도 하나의 L-슬롯을 삽입한 경우, 반사계수(Return Loss)를 측정한 결과를 나타낸 그래프(310) 및 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 상기 적어도 하나의 L-슬롯을 삽입하지 않은 경우, 반사계수를 측정한 결과를 나타낸 그래프(320)가 도시되어 있다.Referring to FIG. 3, when at least one L-slot is inserted into an ultra-wideband microstrip patch antenna, a graph 310 showing a result of measuring a return loss and the ultra-wideband microstrip patch antenna are shown. When at least one L-slot is not inserted, a graph 320 showing the results of measuring the reflection coefficient is shown.

상기 측정 결과를 살펴보면, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 L-슬롯이 삽입되어 있는 경우(310)와 L-슬롯이 삽입되어 있지 않은 경우(320) 각각 반사계수 -10dB인 지점은 2.96~12.65GHz 및 2.93~10.72GHz의 대역폭이 측정되었다. 하지만, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 L-슬롯이 삽입되어 있는 경우(310)에만 WLAN 주파수 대역인 4.92-5.93GHz 대역이 반사계수 -10dB 지점에서 제한되었다. 따라서, 적어도 하나의 L-슬롯은 WLAN 주파수 대역을 제한하는데 필요함을 알 수 있다.Looking at the measurement results, when the L-slot is inserted into the ultra-wideband microstrip patch antenna (310) and the L-slot is not inserted (320), the points having a reflection coefficient of -10 dB are respectively 2.96 to 12.65 GHz. And 2.93-10.72 GHz bandwidth were measured. However, only when the L-slot is inserted into the ultra-wideband microstrip patch antenna (310), the 4.92-5.93 GHz band, which is a WLAN frequency band, is limited at a reflection coefficient of -10 dB. Thus, it can be seen that at least one L-slot is needed to limit the WLAN frequency band.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 방사패턴을 측정한 도면이다.4 is a diagram illustrating a radiation pattern of an ultra-wide band microstrip patch antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 azimuth 방사패턴(410) 및 elevation 방사패턴(420)을 측정한 도면이 도시되어 있다. Referring to FIG. 4, there is shown a diagram measuring the azimuth radiation pattern 410 and the elevation radiation pattern 420 of the ultra-wideband microstrip patch antenna.

3.0GHz에서 11.0GHz까지 측정하였으며 대표적으로 7.0GHz에서 3-dB 빔 폭은 Azimuth와 Elevation이 각각 72.85°와 88.59°로 빔 폭을 얻었다.Measurements ranged from 3.0 GHz to 11.0 GHz, with typical 3-dB beam widths of 72.85 ° and 88.59 ° for Azimuth and Elevation, respectively.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 이득을 측정한 그래프이다.5 is a graph measuring the gain of an ultra-wideband microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 적어도 하나의 L-슬롯이 삽입된 경우의 이득(510) 및 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 적어도 하나의 L-슬롯이 삽입되지 않은 경우의 이득(520)을 측정한 그래프가 도시되어 있다.Referring to FIG. 5, a gain 510 when at least one L-slot is inserted into the ultra-wideband microstrip patch antenna and at least one L-slot is not inserted into the ultra-wideband microstrip patch antenna. A graph measuring the gain 520 is shown.

3.1GHz에서 11GHz까지 측정한 결과, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 이득이 2.47~4.58 dBi로 측정되었다. 그리고, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 적어도 하나의 L-슬롯을 삽입된 경우(510)에만 WLAN 대역에서 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 이득이 -3.80dBi까지 떨어지는 모습을 볼 수 있다.  As a result of measuring from 3.1 GHz to 11 GHz, the gain of the ultra-wideband microstrip patch antenna was measured to be 2.47 to 4.58 dBi. The gain of the ultra-wideband microstrip patch antenna drops to -3.80 dBi in the WLAN band only when at least one L-slot is inserted into the ultra-wideband microstrip patch antenna (510).

도 5의 측정 결과로 미루어, 상기 초광대역 마이크로스트립 패치안테나에 적어도 하나의 L-슬롯을 삽입함으로써, WLAN 주파수 대역을 제한할 수 있음을 알 수 있다.From the measurement results of FIG. 5, it can be seen that the WLAN frequency band can be limited by inserting at least one L-slot into the ultra-wideband microstrip patch antenna.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 상단부를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an upper end portion of an ultra-wide band microstrip patch antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 측면부를 도시한 도면이다.2 is a view showing a side portion of the ultra-wideband microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 반사계수를 측정한 그래프이다.Figure 3 is a graph measuring the reflection coefficient of the ultra-wide band microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 방사패턴을 측정한 도면이다.4 is a diagram illustrating a radiation pattern of an ultra-wide band microstrip patch antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 마이크로스트립 패치안테나의 이득을 측정한 그래프이다.5 is a graph measuring the gain of an ultra-wideband microstrip patch antenna according to an embodiment of the present invention.

Claims (5)

소정의 유전율을 갖는 유전체 기판;A dielectric substrate having a predetermined dielectric constant; 상기 유전체 기판의 일측면에 형성된 Y 형상의 방사체;A Y-shaped radiator formed on one side of the dielectric substrate; 상기 방사체의 하단부로부터 상기 일측면의 하단부로 연결되는 급전부; 및A feeding part connected to a lower end of the one side from a lower end of the radiator; And 상기 유전체 기판의 타측면에 형성된 접지부;A ground part formed on the other side of the dielectric substrate; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나.Ultra-wide band microstrip patch antenna comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 방사체는,The radiator, 적어도 하나의 L-슬롯(slot)이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나.An ultra-wideband microstrip patch antenna, characterized in that at least one L-slot is inserted. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 급전부는,The feed section, 동축 급전선(coaxial probe)으로 구현된 것임을 특징으로 하는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나.An ultra-wideband microstrip patch antenna, characterized in that it is implemented as a coaxial probe. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 방사체 및 상기 접지부는 상기 유전체 기판의 전면부 및 후면부에 배치 되고, 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나.And the radiator and the ground portion are disposed on the front and rear portions of the dielectric substrate and spaced apart from each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 접지부은,The ground portion, 부분 접지(partial ground)판으로 구현된 것임을 특징으로 하는 초광대역 마이크로스트립 패치안테나.An ultra-wideband microstrip patch antenna, characterized in that it is implemented with a partial ground plate.
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