KR20110092579A - 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근거리장 및 원거리장에서 모두 사용할 수 있는 원형 편파 특성을 갖는 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서 접지면의 상부에 구비되는 제 1 유전체 기판의 저면에 삼각형의 패치 본체를 형성하고, 제 1 유전체 기판의 상부에는 제 2 유전체 기판을 구비하며, 제 2 유전체 기판에는 복수 개의 서브 패치를 형성하여, 삼각형의 패치 본체가 특정 주파수 대역에서 원형편파 특성을 가지면서 강한 복사이득을 형성하고, 복수 개의 서브 패치가 안테나의 표면으로부터 일정한 높이에서 강하고 균일한 수직자계 분포를 갖도록 한다.

Description

마이크로스트립 안테나{Micro strip antenna}

본 발명은 근거리장 및 원거리장에서 모두 사용할 수 있는 원형 편파 특성을 갖는 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.

수동형 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템은 동작 원리에 따라 상호결합방식(Mutual Coupling)과 역산란방식(Back Scattering)으로 구분된다.

상기 상호결합방식은 HF(High Frequency) 대역에서 출입 인증시스템, 교통카드 시스템 등으로 널리 사용되고 있으며, 근접 자계를 이용하여 태그와 리더 안테나가 정보를 주고받으므로 주변 유전체에 의한 영향이 적다. 그러나 태그의 인식 거리가 매우 짧고, 인식 속도 또한 고주파대역 RFID에 비해 상대적으로 느린 단점을 가지고 있다.

그리고 상기 역산란방식은 UHF(Ultra High Frequency) 대역에서 전자파의 복사와 산란을 이용하므로 상기 상호결합방식보다 인식거리가 길고 데이터의 처리 속도가 빠르며, 안테나의 물리적 크기를 크게 축소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

그러나 상기 역산란방식은 아직 RFID 시스템의 수신 신뢰성이 기존 상호결합 방식에 비해 떨어져 다양한 응용에 적용되기에 한계를 가진다.

상기 RFID 리더 안테나의 수신 신뢰성을 높이기 위하여, HF 대역의 상호결합 방식과 UHF 대역의 역산란 방식의 장점들을 취합한 UHF 대역 근거리장 리더 안테나에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

일반적인 UHF 대역 근거리장 안테나는 안테나의 개구면에서 자계를 형성하기 위해 반파장보다 짧은 길이의 결합 선로를 루프 형태로 배열하거나, 두 개의 패치에 반대방향으로 전류가 흐르게 하여 두 패치 사이에 강한 수직자계를 가지게 하는 구조 등을 주로 사용한다.

그러나 이러한 안테나들은 개구면에서 수직으로 강한 수직자계를 형성하여 근거리장용 태그는 잘 인식하지만, 원거리장 영역에서는 태그를 인식하지 못하는 단점을 가지고 있다.

그러므로 본 발명이 해결하려는 과제는 새로운 형태의 삼각형 패치와 서브 패치 구조를 이용하여 근거리장에서 강하고 균일한 수직자계를 형성하며, 동시에 원거리장 영역에서 정면으로 일정한 이득과 원형편파 특성을 가지며, 동작하는 마이크로스트립 안테나를 제공한다.

또한 본 발명은 개구면으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 표면에서 수직자계가 강하고 균일한 세기를 가지고 동작하는 마이크로스트립 안테나를 제공한다.

또한 본 발명은 안테나 정면 방향에서 원형편파 특성이 나타나는 마이크로스트립 안테나를 제공한다.

또한 본 발명은 안테나 정면에서 강한 복사이득을 가지며 동작하는 마이크로스트립 안테나를 제공한다.

또한 본 발명은 삼각형의 패치 본체와 서브 패치가 소정의 유전율을 가지는 기판 위에 인쇄가 가능한 마이크로스트립 패치로 구성되어 저렴하고, 대량생산이 용이하도록 하는 마이크로스트립 안테나를 제공한다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않고, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 마이크로스트립 안테나는 원거리장에서 원형 편파 특성을 만족하면서 강한 복사이득을 가지고 동작하기 위해 삼각형의 패치 본체와, 근거리장에서 균일한 자계 세기를 가지도록 하는 복수 개의 서브 패치를 구비하고, 상기 삼각형의 본체 패치 및 서브 패치는 대량 생산이 용이하도록 유전체 위에 인쇄가 가능한 구조를 갖는다.

또한 상기 서브 패치는 본체에 흐르는 전류와 반대 방향으로 전류가 유기되어 삼각형의 본체 패치의 중앙에 발생하는 약한 수직자계 영역을 보완하고, 표면에 강하고 균일한 수직자계를 형성하는 역할을 한다.

따라서 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 마이크로스트립 패치의 간단한 구조로 원형편파 특성이 특정 주파수 대역에서 형성되고, 동시에 안테나의 개구면에서 일정한 거리만큼 떨어진 표면에서 강하고 균일한 수직자계 세기를 가져 근거리장 및 원거리장에서 동시에 사용할 수 있다.

그러므로 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 제 1 유전체 기판과, 상기 제 1 유전체 기판에 형성되고, 방사전류가 급전되는 삼각형의 패치 본체와, 상기 제 1 유전체 기판의 상부에 적층되는 제 2 유전체 기판과, 상기 제 2 유전체 기판에 형성되고, 상기 삼각형의 패치 본체에서 전류가 유기되어 수직자계를 형성하는 서브 패치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 상기 제 1 유전체 기판의 하부에 구비되는 접지면과, 상기 접지면에 구비되고, 송수신하는 신호가 급전되는 동축케이블 연결부와, 상기 동축케이블 연결부와 상기 삼각형의 패치 본체의 급전부를 전기적으로 연결하는 급전선을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 서브 패치는 2개 이상 복수 개가 평행하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 서브패치는 다각형 또는 호형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수 개의 서브 패치들 사이의 위치에 대응되는 상기 제 1 유전체 기판의 위치에 복수 개의 접지 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수 개의 접지 패턴은 다각형 또는 호형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 삼각형의 패치 본체는 내면에 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 삼각형의 패치 본체는 세 개의 모서리 부위를 라운드로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 삼각형의 패치 본체 및 상기 서브 패치는 상기 제 1 유전체 기판 및 상기 제 2 유전체 기판에 마이크로스트립으로 인쇄되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 마이크로스트립 안테나는 삼각형의 패치 본체와 복수 개의 서브 패치를 구비하여, 삼각형의 패치 본체는 특정 주파수 대역에서 원형편파 특성을 가지면서 강한 복사이득을 형성하고, 복수 개의 서브 패치는 안테나의 표면으로부터 일정한 높이에서 강하고 균일한 수직자계 분포를 갖도록 한다.

그러므로 근거리장 영역에서 강하고, 균일한 수직자계를 형성하고, 이와 동시에 원거리장에서 일정한 이득과 원형편파 특성을 가지게 된다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 일부 도면에서 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
도 1a는 삼각형 패치만 있을 경우에 수직자계 분포를 EM 시뮬레이션하여 보인 도면,
도 1b는 삼각형 패치에 역방향 선로를 삽입하였을 경우에 수직자계 분포를 EM 시뮬레이션하여 보인 도면이다.
도 2a는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 일 실시 예의 구성을 보인 사시도,
도 2b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 일 실시 예의 구성을 보인 측면도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나에서 ωt=0° 및 ωt=180°일 경우에 삼각형의 패치 본체 및 서브 패치로 흐르는 전류 특성을 보인 도면,
도 4는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 반사손실 특성을 보인 도면,
도 5는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 원형편파 특성을 보인 도면,
도 6a는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 x-z 평면에서의 복사이득 특성을 보인 도면,
도 6b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 y-z 평면에서의 복사이득 특성을 보인 도면,
도 7은 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 수평 및 수직 방향의 인식거리 특성을 측정하여 보인 도면,
도 8a 및 도 8b는 마이크로스트립 안테나의 근거리장 영역의 시뮬레이션 값 및 측정값을 보인 도면,
도 9는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 근거리장 태그와의 인식거리 특성을 보인 도면,
도 10은 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 다른 실시 예의 구성을 보인 측면도, 및
도 11은 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 또 다른 실시 예의 구성을 보인 측면도이다.

이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.

따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.

도 1a는 삼각형 패치만 있을 경우에 수직자계 분포를 EM(Electromagnetic) 시뮬레이션하여 보인 도면이고, 도 1b는 삼각형 패치에 역방향 선로를 삽입하였을 경우에 수직자계 분포를 EM 시뮬레이션하여 보인 도면이다.

도 1a를 참조하면, 다양한 패치 안테나의 근접자계를 관찰한 결과 삼각형 구조의 패치일 경우 사각형 또는 원형 구조의 패치에 비하여 수직자계가 없는 수직자계 널(Null) 영역이 다소 적게 발생되는 것이 확인되었다.

그러나 삼각형의 패치를 사용하여 수직자계 널 영역을 감소시킬 수는 있으나 특정 영역에서는 여전히 수직자계의 강도가 약하여 근거리장용 태그를 안정적으로 인식하지 못하는 문제점을 가진다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 도 1b에 도시된 바와 같이 삼각형 패치에 역방향 전류가 흐르는 선로를 삽입하였다. 역방향 전류의 선로를 사용하면 두 선로 사이에 강한 수직자계를 형성시켜 근거리장용 리더 안테나에 적합한 자계특성을 얻을 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 일 실시 예의 구성을 보인 사시도 및 측면도이다. 여기서, 부호 100은 접지면이다. 상기 접지면(100)에는 송수신하는 신호를 급전하기 위한 동축케이블 연결부(110)가 구비된다.

상기 접지면(100)의 상부에는 제 1 유전체 기판(120)이 구비된다. 상기 제 1 유전체 기판(120)은 예를 들면, 두께가 1.6㎜이고, 유전율이 4.2인 FR-4를 사용한다.

상기 제 1 유전체 기판(120)의 저면에는 삼각형의 패치 본체(130)가 스트립 라인으로 인쇄된다. 상기 삼각형의 패치 본체(130)는 정삼각형, 이등변 삼각형 또는 세 변의 길이가 모두 다른 삼각형으로 형성할 수 있다.

상기 삼각형의 패치 본체의 일측 모서리에는 급전부(140)가 형성되고, 그 급전부(140)가 급전선(142)을 통해 상기 동축케이블 연결부(110)에 연결된다.

상기 제 1 유전체 기판(120)의 상부에는 제 2 유전체 기판(150)이 구비된다. 상기 제 2 유전체 기판(140)은 상기 제 1 유전체 기판(120)과 같이 예를 들면, 두께가 1.6㎜이고, 유전율이 4.2인 FR-4를 사용한다.

상기 제 2 유전체 기판(150)의 저면에는 직사각형을 이루는 복수 개의 서브 패치(160)가 스트립 라인으로 인쇄된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 삼각형의 패치 본체(130)가 특정 주파수 대역에서 원형편파 특성을 가지면서 강한 복사이득을 형성한다.

그리고 상기 복수 개의 서브 패치(160)는 간단한 직사각형 모양을 가짐에도 불구하고 안테나의 표면으로부터 일정한 높이에서 강하고 균일한 수직자계 분포를 가지는 역할을 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나에서 ωt=0°(여기서, ω는 2πf이고, f는 주파수이며, t는 시간이다) 및 ωt=180°일 경우에 삼각형의 패치 본체 및 서브 패치로 흐르는 전류 특성을 보인 도면이다.

ωt=0°일 경우에 도 3a에 도시된 바와 같이 삼각형 패치 본체(130)와 서브 패치(160)가 만나는 부분에서 삼각형 패치 본체(130)의 전류가 위쪽으로 흐를 경우에 서브 패치(160)로 흐르는 전류의 방향은 아래쪽으로 향하고 있음을 알 수 있다.

그리고 ωt=180°일 경우에 도 3b에 도시된 바와 같이 삼각형 패치 본체(130)와 서브 패치(160)가 만나는 부분에서 삼각형 패치 본체(130)의 전류가 아래쪽으로 흐를 경우에 서브 패치(160)로 흐르는 전류의 방향은 위쪽으로 향하고 있음을 알 수 있다.

따라서 삼각형 패치 본체(130)에 흐르는 전류의 방향과 서브 패치(160)에 흐르는 전류의 방향이 상호간에 역방향으로 흘러 삼각형 패치 본체(130)와 서브 패치(160)의 사이에 강한 수직 자계를 형성하고, 대각선 방향으로의 음영 구역을 줄이게 되는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 반사손실 특성을 보인 도면으로서 점선은 시뮬레이션한 값이고, 실선은 실제 측정값이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 -10㏈를 기준으로 900∼950㎒의 대역폭(5%)을 갖는다.

도 5는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 축비(Axial ratio) 특성을 보인 도면으로서 점선은 시뮬레이션한 값이고, 실선은 실제 측정값이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 3㏈를 기준으로 902∼920㎒의 원형 편파 대역폭(2.1%)을 갖는다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 x-z 평면 및 y-z 평면에서 복사패턴 값을 측정하여 보인 도면으로서 점선은 시뮬레이션한 값이고, 실선은 실제 측정한 값이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 시뮬레이션한 값과 실제 측정한 값이 모두 정면 방향인 0°의 방향으로 약 6 dBi의 복사 이득 값을 갖는다.

도 7은 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 수평 및 수직 방향의 인식거리 특성을 측정하여 보인 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 수평 및 수직 방향에서 유사한 인식거리를 가지고 있음을 알 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 근거리장의 자계 특성을 측정하여 보인 도면으로서 도 8a는 시뮬레이션한 값이고, 도 8b는 실제로 측정한 값이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 근거리장의 자계 특성은 시뮬레이션한 값과 실제로 측정한 값이 거의 유사한 세기를 가지며 동작함을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 근거리장 태그와의 인식거리 특성을 보인 도면이다. 높은 유전율을 가지는 액체를 시약 통 안에 채운 후 시약 통의 바닥에 근거리장용 태그를 부착하였으며, 안테나의 개구면을 13×13 구역으로 나누어 각각 구간에 대해 인식거리를 측정하였다.

측정 결과 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 최대 인식거리는 약 10㎝이고, 평균 4.5㎝ 이상의 인식거리를 가져 개구면 전체에서 근거리장 태그를 안정적으로 인식하며 동작한다.

도 10은 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 다른 실시 예의 구성을 보인 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 다른 실시 예는 상기 서브 패치(160)를 2개 이상 복수 개를 형성하여 구성할 수도 있다.

도 11은 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 바람직한 또 다른 실시 예의 구성을 보인 도면이다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 안테나의 다른 실시 예는 상기 복수 개의 서브 패치(160)들 사이의 위치에 대응되는 상기 제 1 유전체 기판(120)의 저면에 복수 개의 접지 패치(170)를 형성하여 구성할 수도 있다.

한편 상기에서는 본 발명의 삼각형의 패치 본체(130)를 형성함에 있어서, 바람직한 실시 예들을 예로 들어 설명하였다. 본 발명을 실시함에 있어서는 이에 한정되지 않고, 삼각형의 패치 본체(130)의 내면에 슬롯을 형성하여 구성할 수도 있고, 삼각형의 패치 본체(130)의 세 모서리 부위를 날카롭게 형성하지 않고, 라운드로 형성할 수도 있다.

또한 상기 복수 개의 서브 패치(160) 및 복수 개의 접지 패치(170)를 직사각형으로 형성하는 것을 예로 들러 설명한 것으로서 본 발명을 실시함에 있어서는 상기 복수 개의 서브 패치(160) 및 복수 개의 접지 패치(170)를 다각형이나, 호형을 비롯하여 여러 가지의 형상으로 형성할 수 있다.

이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 접지면 110 : 동축케이블 연결부
120 : 제 1 유전체 기판 130 : 삼각형의 패치 본체
140 : 급전부 142 : 급전선
150 : 제 2 유전체 기판 160 : 복수 개의 서브 패치
170 : 복수 개의 접지 패치

Claims (9)

1. 제 1 유전체 기판;
   상기 제 1 유전체 기판에 형성되고, 방사전류가 급전되는 삼각형의 패치 본체;
   상기 제 1 유전체 기판의 상부에 적층되는 제 2 유전체 기판; 및
   상기 제 2 유전체 기판에 형성되고, 상기 삼각형의 패치 본체에서 전류가 유기되어 수직자계를 형성하는 서브 패치;를 포함하여 구성된 마이크로스트립 안테나.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 유전체 기판의 하부에 구비되는 접지면;
   상기 접지면에 구비되고, 송수신하는 신호가 급전되는 동축케이블 연결부; 및
   상기 동축케이블 연결부와 상기 삼각형의 패치 본체의 급전부를 전기적으로 연결하는 급전선;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 서브 패치는;
   2개 이상 복수 개가 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 서브패치는;
   다각형 또는 호형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
5. 제 3 항에 있어서, 상기 복수 개의 서브 패치들 사이의 위치에 대응되는 상기 제 1 유전체 기판의 위치에;
   복수 개의 접지 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 복수 개의 접지 패턴은;
   다각형 또는 호형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 삼각형의 패치 본체는;
   내면에 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
8. 제 1 항에 있어서, 상기 삼각형의 패치 본체는;
   세 개의 모서리 부위를 라운드로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
   
9. 제 1 항에 있어서, 상기 삼각형의 패치 본체 및 상기 서브 패치는;
   상기 제 1 유전체 기판 및 상기 제 2 유전체 기판에 마이크로스트립으로 인쇄되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.

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