KR20110017985A - 삼중 대역 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 삼중 대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체기판과, 상기 유전체 기판 상단에 사다리꼴 형상의 방사 패치에 상단이 짧은 ‘H’형상으로 형성한 PCS 주파수 생성용 슬롯과, 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯 내에 ‘┏┓’형상으로 형성한 WLAN 주파수 생성용 슬롯과, 상기 방사패치 하단 중앙에 연결하여 형성한 정합용 스터브와, 상기 정합용 스터브 하단 중앙으로 연결되어 전류를 공급하는 CPW 급전선, 및 상기 CPW 급전선 양쪽으로 임피던스 정합을 용이하도록 하는 접지면;으로 구성하는 다중 대역 안테나에 관한 것이다.
UWB(Ultra-Wide Band), PCS, WLAN, 안테나.

Description

삼중 대역 안테나{TRIPLE-BAND ANTENNA}
본 발명은 UWB(Ultra-Wide Band), PCS, WLAN 주파수 대역에서 사용 가능한 삼중대역 안테나에 관한 것이다.
PCS는 2.5세대 이동 통신이라 불리며, 14.4kbps의 전송속도로 데이터를 전달하므로 문자서비스와 화상서비스 등 다양한 부가 서비스를 제공하는 장점이 있다.
UWB 통신 시스템은 미국 국방부가 1960년대에 처음 군사적 목적으로 개발한 무선기술로서, 수~수십 GHz대의 매우 넓은 주파수 대역을 사용해 사용전력이 낮으며, 전송속도는 현재 가장 빠른 WLAN 표준인 IEEE 802.11a(54Mbps) 보다 10배 이상 빠른 500Mbps~1Gbps에 달한다.
도 1은 종래의 UWB 안테나를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 사다리꼴 형태의 안테나는 유전체 기판(10)에 사다리꼴 형태의 방사패치(20)를 구비하고, 상기 방사패치(20)를 연결하는 정합용 스터브(30)를 하부에 형성하고, 상기 스터브(30) 하부방향으로 급전선(40)을 형성하며, 상기 급전선(40)의 양쪽으로 접지면(50)을 형성한다.
상기와 같이 UWB 통신 시스템 분야에서 가장 중요한 요소인 광대역 안테나는 관심 대역의 전 주파수에 대하여 안테나 패턴이 무지향성이고 위상의 변화가 작아야 하며, 펄스 통신 시 신호의 왜곡이 없어야 하고 관심 대역에서 감쇠율이 일정해야 하며, 특히 이동성을 보장하기 위해서는 안테나의 크기가 작아야 하고, 제작이 용이하여야 하며 제작비용도 저렴해야 할 것이 요구된다.
그러나, 상기의 사다리꼴 형태의 안테나는 UWB 주파수 대역에서만 사용해야 하고 또 다른 WLAN 주파수 대역과 PCS주파수 대역을 만족하기 위해서는 PCS 및WLAN 주파수 대역을 만족하는 안테나를 따로 구비하여야 하는 단점이 있다.
또한, 상기와 같이 세 주파수 대역을 만족하기 위해서는 각각 주파수 대역에 맞는 안테나를 구비하게 되어 부피가 커진다는 단점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 UWB 안테나를 이용하여 PCS 및 WLAN 주파수 대역을 동시에 얻는 삼중 대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 삼중 대역 안테나를 구현하되 초소형 및 경량화 하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 삼중 대역 안테나는 사다리꼴 형상의 방사 패치를 갖는 안테나에 있어서, 유전체기판 (Dielectric Substrate)과; 상기 방사 패치에 상단이 짧은 ‘H’ 형상으로 형성한 PCS 주파수 생성용 슬롯과; 상기 방사 패치에 ‘┏┓’형상으로 형성한 WLAN 주파수 생성용 슬롯과; 상기 방사패치 하단 중앙에 연결하여 형성한 정합용 스터브와; 상기 정합용 스터브 하단 중앙으로 연결되어 전류를 공급하는 CPW 급전선; 및 상기 CPW 급전선 양쪽으로 임피던스 정합을 용이하도록 하는 접지면;으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 방사패치는 3.1GHz 내지 5.2GHz 대역에서 공진을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯은 슬롯의 길이와 폭이 1.75GHz~1.87GHz 대역에서 공진을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 WLAN 주파수 생성용 슬롯은 슬롯의 길이와 폭이 2.45GHz 대역에서 공진을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 방사패치는 대칭을 이루는 다각형 또는 원형으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯 및 WLAN 주파수 생성용 슬롯은 슬롯의 길이 또는 두께를 가변하여 주파수 대역을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯은 ‘H’ 형상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 WLAN 주파수 생성용 슬롯은 ‘┏┓’ 형상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 삼중 대역 안테나의 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯의 양쪽 바 사이 중앙에 WLAN 주파수 생성용 슬롯을 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 Lower UWB 통신시스템이 요구하는 주파수 대역폭(3.1GHz 내지 5.2GHz)과 PCS주파수 대역폭(1.75GHz 내지 1.87GHz), WLAN 주파수 대역폭(2.45GHz)을 동시에 만족하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 UWB 주파수 대역폭과 PCS 및 WLAN 주파수 대역폭을 만족하기 위해 구비되는 세 개의 안테나를 소형화 및 경량화하는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 삼중 대역 안테나는 유전체기판(Dielectric Substrate, 110), 방사패치(120), 정합용 스터브(130), PCS 주파수 생성용 슬롯(140), WLAN 주파수 생성용 슬롯(150), CPW 급전선(170), 및 접지면(160)으로 구성한다.
유전체기판(110)은 높이가 1.6mm인 FR-4 epoxy를 사용하여 유전율은 4.4이며, loss tangent는 0.025이다.
또한, 유전체기판(110)은 후면에 접지가 없는 CPW 급전구조로 이루어져 있다.
방사패치(120)는 사다리꼴로 형성하되 더욱 상세하게는 사다리꼴의 형상 상단에 직사각형의 형상을 결합한 형상으로 형성하여 전류의 흐름을 원활하게 흐르게 한다. 이때, 상기 직사각형의 형상은 사다리꼴 형상의 길이가 긴 변에 결합한다.
또한, 상기 방사패치(120)의 구조는 상기와 같이 설명한 사다리꼴 구조에 한정하지 아니하고, 상기 방사패치(120)는 대칭을 이루는 다각형 또는 원형으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 방사패치(120)는 3.1GHz 내지 5.2GHz 대역에서 공진을 형성한다.
정합용 스터브(130)는 상기 방사패치(120) 하단 중앙에 연결하여 형성한다. 이때, 상기 정합용 스터브(130)는 사다리꼴 형상의 방사패치(120)의 길이가 짧은 변에 연결하여 형성한다.
상기와 같이, 방사패치(120) 하단에 임피던스 정합을 이루기 위해 정합용 스터브(130)를 사용함으로써 광대역 특성을 가지게 되어 패치 안테나의 단점인 협대역성을 보완한다.
PCS 주파수 생성용 슬롯(140)은 상기 방사 패치(120)에 상단이 짧은 ‘H’ 형상으로 결합하여 형성하며, 이에 한정하지 아니 하고 다른 실시 예로 하단이 짧은 ‘H’형상으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)은 양쪽 바(Bar)에 해당하는 SL1의 길이 변화에 따라 주파수 대역을 변화 할 수 있다.
이때, 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)은 슬롯의 길이와 폭이 1.75GHz~1.87GHz 대역에서 공진을 형성한다.
WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)은 상기 방사 패치(120)에 ‘┏┓’형상으로 결합하여 형성하며, 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)과 같이 한정하지 아니 하고 ‘┗┛’형상으로 형성할 수 있다.
또한, WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)은 SL2의 길이 변화에 따라 주파수 대역을 변화 할 수 있다.
이때, 상기 WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)은 슬롯의 길이와 폭이 2.45GHz 대역에서 공진을 형성한다.
또한, 상기 WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)은 상기 PCS 주파수 생성용 슬 롯(140)의 양쪽 바(Bar) 사이 중앙에 위치하며, 개구된 방향을 일방향으로 한다.
또한, 상기 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)과 WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)은 방사배치(120)의 광대역 특성과 삼중 대역 특성을 유도한다.
상기 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)과 WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)은 슬롯의 길이 또는 두께를 가변하여 주파수 대역을 변화시키며 더욱 상세한 내용은 이하의 도 5 및 도 6을 참조한다.
CPW 급전선(170)은 상기 정합용 스터브(130) 하단 중앙으로 연결되어 전류를 공급한다.
접지면(160)은기 CPW 급전선(170)을 기준으로 양쪽에 대칭이 되도록 형성하여 임피던스 정합을 용이하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 삼중 대역 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도3에 도시한 바와 같이, HFSS(High Frequency Structure Simulator) 및 MWS와 같은 시뮬레이터를 이용하여 반사손실을 나타내면 S11 < -10dB일 때 PCS 주파수 대역인 1.75 내지 1.87GHz와, WLAN 주파수 대역인 2.45GHz 및 Lower UWB 주파수 대역인 3.1 내지 5.2GHz를 만족하는 모습을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 VSWR특성을 나타낸 그래프이다.
도 4 역시 HFSS(High Frequency Structure Simulator) 및 MWS와 같은 시뮬레이터를 이용하여 안테나의 VSWR을 나타낸 것으로 본 발명의 실시 예에 따른 삼중 대역 안테나의 VSWR은 2:1지점인 -10dB이하인 지점에서 원하는 PCS 주파수 대역, WLAN 주파수 대역, 및 Lower UWB 주파수 대역에서의 대역폭을 갖는 특성을 나타낸 다.
도 5는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 SL1의 변화에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도2에 도시한 삼중 대역 안테나의 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)의 길이 변화에 다른 반사손실로써, SL1의 변화에 따라 크게 변화되지는 않지만, SL1의 길이를 줄이면 저주파 대역으로 이동하고,
반대로 SL1의 길이를 늘리면 주파수 대역이 고주파 대역으로 이동하는 것을 알 수 있어 주파수 대역을 조절하고자 할 때, SL1길이의 조절로 용이하게 주파수 대역을 변화 할 수 있다.
또한, 상기 SL1는 상단이 짧은 ‘H’형상 또는 하단이 짧은 ‘H’형상의 PCS 주파수 생성용 슬롯(140)에서 양쪽 바(bar)에 해당한다.
도 6은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 SL2의 변화에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 6 역시 도2에 도시한 삼중 대역 안테나의 WLAN 주파수 생성용 슬롯(150)의 길이 변화에 따른 반사손실로써, 도 5와 마찬가지로 SL2의 길이를 줄이면 저주파 대역으로 이동하고,
반대로 SL2의 길이를 늘리면 주파수 대역이 고주파 대역으로 이동하는 것을 알 수 있어 주파수 대역을 조절하고자 할 때, SL2길이의 조절로 용이하게 주파수 대역을 변화 할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 Path Loss|S21| dB을 나타낸 그래 프이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 Path Loss|S21| dB를 측정하기 위해, 도2에 도시한 본 발명의 실시 예를 두 개 설계하여 서로 대략 30cm 정도 이격시킨 상태에서 S21의 감쇠량을 측정하였다.
측정한 결과 도 7에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시 예인 삼중 대역 안테나는 관심 대역에서 거의 일정한 감쇠율을 가지는 것을 알 수 있다. 이는, UWB 통신에서 펄스 통신을 하기 때문에 S21의 감쇠율이 일정해야 함이 바람직하다.
도 8은 발명에 따른 삼중대역 안테나의 Group Delay[ns]을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 7과 같이 본 발명의 실시 예를 두 개 설계하여 서로 30cm 정도 이격시킨 상태에서 송수신간의 Group Delay를 나타낸 것으로써, 전 대역에서 살펴 보면 Group Delay의 변화율은 약 1ns이하로 나타내는 것을 알 수 있다.
이는 UWB통신이 디지털 정보 신호를 1ns 이하의 짧은 펄스 신호를 사용하여 중심 주파수에 대해 20%이상의 점유 대역폭을 차지하는 것을 의미한다.
도 9는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 1.84GHz방사패턴을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 2.45GHz방사패턴을 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 3.5GHz방사패턴을 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 4GHz방사패턴을 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 4.5GHz방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 삼중 대역 안테나의 복사패턴은 1.84GHz, 2.45GHz, 3.5GHz, 4GHz, 및 4.5GHz의 각각 다른 방사패턴에 따라 다소 차이는 있으나, H-Plane(XZ-plane)에서는 거의 무지향성(omni-directional)특성을 가지고 E-plane(YZ-plane)에서는 다이폴 안테나의 패턴과 유사함을 그래프를 통해 알 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 이중대역 안테나의 Gain[dBi]를 나타낸 그래프이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 삼중 대역 안테나의 이득은 관심 대역에서 이득의 변화량이 UWB 안테나와 비교하여 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 초광대역 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 VSWR특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 SL1의 변화에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 SL2의 변화에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 Path Loss|S21| dB을 나타낸 그래프이다.
도 8은 발명에 따른 삼중대역 안테나의 Group Delay[ns]을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 1.84GHz방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 2.45GHz방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 3.5GHz방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 4GHz방사패턴을 나타낸 그래프이 다.
도 13은 본 발명에 따른 삼중대역 안테나의 4.5GHz방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 이중대역 안테나의 Gain[dBi]를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 유전체기판 120 : 방사패치
130 : 정합용 스터브 140 : PCS 주파수 생성용 슬롯
150 : WLAN 주파수 생성용 슬롯 160 : 접지면
170 : CPW 급전선

Claims (9)

  1. 사다리꼴 형상의 방사 패치를 갖는 안테나에 있어서,
    유전체기판 (dielectric substrate)과;
    상기 방사 패치에 상단이 짧은 ‘H’ 형상으로 형성한 PCS 주파수 생성용 슬롯과;
    상기 방사 패치에 ‘┏┓’형상으로 형성한 WLAN 주파수 생성용 슬롯과;
    상기 방사패치 하단 중앙에 연결하여 형성한 정합용 스터브와;
    상기 정합용 스터브 하단 중앙으로 연결되어 전류를 공급하는 CPW 급전선; 및
    상기 CPW 급전선 양쪽으로 임피던스 정합을 용이하도록 하는 접지면;으로 구성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방사패치는 3.1GHz 내지 5.2GHz 대역에서 공진을 형성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 PCS 주파수 생성용 슬롯은 슬롯의 길이와 폭이 1.75GHz~1.87GHz 대역에서 공진을 형성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 WLAN 주파수 생성용 슬롯은 슬롯의 길이와 폭이 2.45GHz 대역에서 공진을 형성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방사패치는 대칭을 이루는 다각형 또는 원형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 PCS 주파수 생성용 슬롯 및 WLAN 주파수 생성용 슬롯은 슬롯의 길이 또는 두께를 가변하여 주파수 대역을 변화시키는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 PCS 주파수 생성용 슬롯은 ‘H’ 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 WLAN 주파수 생성용 슬롯은 ‘┏┓’ 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 삼중 대역 안테나.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 PCS 주파수 생성용 슬롯의 양쪽 바 사이 중앙에 WLAN 주파수 생성용 슬롯을 위치하는 것을 특징으로 삼중 대역 안테나.
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