KR20120085380A - Meander Monopole Antenna - Google Patents

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KR20120085380A KR1020110006660A KR20110006660A KR20120085380A KR 20120085380 A KR20120085380 A KR 20120085380A KR 1020110006660 A KR1020110006660 A KR 1020110006660A KR 20110006660 A KR20110006660 A KR 20110006660A KR 20120085380 A KR20120085380 A KR 20120085380A
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안병철
민동현
이순천
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A meander monopole antenna is provided to miniaturize the antenna by a via hole electrically connecting the front surface and the back surface of the meander monopole antenna. CONSTITUTION: A monopole line is formed on the front surface and the back surface of a meander monopole antenna. A via hole electrically connects two monopole lines. A feed line connects a meander monopole(100) to the sending end and the receiving end of a communication circuit. An antenna feeder(200) has a gap between the feed line and an earth plate(300). The width of the earth plate is designed with a proper value for an isotropy horizontal pattern. The meander monopole is arranged on the center of the earth plate.

Description

미앤더 모노폴 안테나{Meander Monopole Antenna}Meander Monopole Antenna

본 발명은 모노폴 안테나에 관한 것으로, 특히 근거리 무선 통신 모듈 및 단말기에 적용 가능한 초소형 및 초경량이며 등방성 수평 패턴 및 상하 대칭적 수직 패턴을 가지는 선형편파 안테나에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a monopole antenna, and more particularly, to a linearly polarized antenna having an ultra-small and ultra-light, isotropic horizontal pattern and vertically symmetrical vertical pattern applicable to a short range wireless communication module and a terminal.

ZigBee 통신은 저전력, 저가형의 무선센서 네트워크에 기반을 둔 기술로서 빌딩 자동화, 산업제어, 조명 장치 등으로 널리 활용되고 있다. 또한 ZigBee는 기기간 센서 네트워크를 구성하여 기기의 제어와 관리를 수행할 수 있는 WPAN(Wireless Personal Area Network)의 최적의 기술로 평가받고 있으며 시장 성장성이 높은 기술이다.ZigBee communication is a technology based on low-power, low-cost wireless sensor networks and is widely used in building automation, industrial control, and lighting devices. In addition, ZigBee is regarded as the optimal technology of the Wireless Personal Area Network (WPAN), which can be used to control and manage the device by forming a sensor network between devices, and has high market growth.

상기 ZigBee 통신 모듈에서는 흔히 회로보드 상에 일체형으로 설치되는 인쇄형 안테나가 사용된다. 양호한 ZigBee 통신을 위해 안테나의 역할이 중요하며 보통 지향성 안테나와 무지향성 안테나가 병용되고 있다. 무지향성 안테나의 경우 모든 방향으로 동일하게 방사되는 등방성(isotropic) 패턴을 가지는 것이 이상적이다. 그러나 이러한 안테나의 구현은 이론적으로 불가능하므로 등방성 수평패턴과 넓은 빔폭의 상하 대칭적 수직 패턴을 가지는 안테나를 사용하게 된다.In the ZigBee communication module, a printed antenna that is integrally installed on a circuit board is often used. The role of the antenna is important for good ZigBee communication, and directional antennas and omnidirectional antennas are commonly used together. For omnidirectional antennas it is ideal to have an isotropic pattern that radiates equally in all directions. However, since the implementation of such an antenna is theoretically impossible, an antenna having an isotropic horizontal pattern and a vertical beam symmetrical vertical pattern having a wide beam width is used.

인쇄형 안테나 구현 시 소형화를 위해 인쇄형 모노폴 안테나가 널리 사용된다. 인쇄형 소형 모노폴의 경우 보통 수평 방향으로는 등방성 방사패턴을 가지나 수직 방향으로는 방사패턴이 기판방향으로 치우치는 상하 비대칭적 방사패턴을 가진다. 이 경우 수직 방향 통신 각도 범위가 제한되어 임의의 각도에서 통신이 불능한 상태가 된다. 이와 같은 이유로 소형이면서 수직 방향으로 상하 대칭적 방사 패턴을 가지는 인쇄형 안테나가 요구된다.Printed monopole antennas are widely used for miniaturization of printed antennas. Printed small monopoles usually have an isotropic radiation pattern in the horizontal direction but have a vertically asymmetric radiation pattern in which the radiation pattern is biased in the direction of the substrate. In this case, the vertical communication angle range is limited and communication is impossible at any angle. For this reason, there is a need for a printed antenna having a small and vertically symmetrical radiation pattern in the vertical direction.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 소형 미앤더 모노폴, CPW(Coplanar Waveguide)에 의한 모노폴 급전, 적절한 크기로 설계된 접지판을 가지는 미앤더 모노폴 안테나에 관한 것이다. 본 발명은 초소형, 초경량, 등방성 수평 패턴 및 상하 대칭적 수직 패턴을 가지며 소형 근거리 통신 모듈에 적용 가능한 선형편파 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above conventional problems, and relates to a meander monopole antenna having a small meander monopole, monopole feeding by CPW (Coplanar Waveguide), a ground plate designed in an appropriate size. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a linearly polarized antenna having an ultra-small, ultra-light, isotropic horizontal pattern and vertically symmetrical vertical pattern and applicable to a small short range communication module.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 안테나 도선을 'ㄹ' 자형으로 반복하여 구부림으로써 안테나 길이를 감소시키는 미앤더 기술을 적용하였으며 상기의 미앤더 선로를 회로 기판 양면에 걸쳐 구현함으로써 안테나 길이를 더욱 감소시켰다. 선로 간 간격이 일정한 미앤더 구조와 모노폴 급전부가 형성된 미앤더 모노폴 앞면과, 상기 미앤더 모노폴 앞면과 일정한 간격을 갖고 대응되게 설치된 미앤더 모노폴 뒷면과, 상기 미앤더 모노폴 앞면의 선로와 상기 미앤더 모노폴 뒷면의 선로를 전기적으로 연결하는 비아 홀, 등방성 수평 패턴과 상하 대칭적 수직 패턴 구현을 위해 적절한 크기로 설계된 접지판 등을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in the present invention, a meander technique for reducing antenna length by repeatedly bending an antenna lead in a 'd' shape has been applied, and the antenna length is realized by implementing the meander line on both sides of a circuit board. Further reduced. A meander monopole front surface having a meander structure with a constant distance between lines and a monopole feeding unit, a meander monopole rear surface installed to correspond to the meander monopole front at a predetermined interval, and a line of the meander monopole front surface and the meander monopole It is characterized in that it comprises a via hole for electrically connecting the line on the back side, a ground plate designed for an appropriate size to implement an isotropic horizontal pattern and vertical symmetrical vertical pattern.

본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나는 다음과 같은 효과가 있다.The meander monopole antenna according to the present invention has the following effects.

첫째, 모노폴 선로가 형성된 미앤더 모노폴 앞면과 미앤더 모노폴 뒷면을 전기적으로 연결하는 비아 홀을 통해 안테나를 소형화할 수 있다.First, the antenna can be miniaturized through a via hole that electrically connects the meander monopole front surface formed with the monopole line and the back side of the meander monopole.

둘째, 기존 세라믹 안테나와 칩 안테나에 비해 추가 제작과정이 없으므로 안테나 제작비와 설치비를 줄일 수 있다.Second, there is no additional manufacturing process compared to the conventional ceramic antenna and chip antenna, thereby reducing the antenna manufacturing cost and installation cost.

셋째, 초소형이며 초경량 구조의 제약 조건 하에서 등방성 수평 패턴, 상하 대칭적 수직 패턴, 우수한 반사손실 및 대역폭 특성을 가지는 안테나를 구현할 수 있다.Third, it is possible to implement an antenna having an isotropic horizontal pattern, vertically symmetrical vertical pattern, excellent return loss, and bandwidth characteristics under the constraints of a very small and ultra-lightweight structure.

도 1은 본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나의 앞면 전체 형상을 나타낸 구조도
도 2는 미앤더 모노폴 안테나의 뒷면 전체 형상을 나타낸 구조도
도 3는 도 1의 미앤더 모노폴 형상을 타나낸 구조도
도 4은 도 3의 미앤더 모노폴 CPW(Coplanar Waveguide) 급전부의 형상을 나타낸 구조도
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나의 반사 계수, 수평 방향 패턴 및 수직 방향 패턴 특성을 나타낸 그래프1 is a structural diagram showing the entire front surface of a meander monopole antenna according to the present invention
Figure 2 is a structural diagram showing the overall shape of the back of the meander monopole antenna
3 is a structural diagram showing a meander monopole shape of FIG.
4 is a structural diagram showing the shape of the meander monopole CPW (Coplanar Waveguide) feeder of FIG.
5 to 7 are graphs showing the reflection coefficient, the horizontal pattern and the vertical pattern characteristics of the meander monopole antenna according to the present invention

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a meander monopole antenna according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나의 앞면 전체 형상을 나타낸 구조도이고, 도 2은 도 1의 미앤더 모노폴 안테나의 뒷면 전체 형상을 나타낸 구조도이고, 도 3은 도 1의 미앤더 모노폴 앞면 및 뒷면의 형상을 나타낸 구조도이며, 도 4는 도 1의 미앤더 모노폴 앞면의 CPW(Coplanar Waveguide) 급전부를 나타낸 구조도이다.1 is a structural diagram showing the entire front surface of a meander monopole antenna according to the present invention, Figure 2 is a structural diagram showing the entire back shape of the meander monopole antenna of Figure 1, Figure 3 is a front of the meander monopole antenna of Figure 1 and 4 is a structural diagram showing a shape of a back side, and FIG. 4 is a structural diagram illustrating a coplanar waveguide (CPW) feeding unit of the front side of the meander monopole of FIG. 1.

본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나는 도 1에 도시한 바와 같이, 앞면과 뒷면에 배치되는 모노폴 선로(110)와 두 선로를 전기적으로 연결하는 비아홀(120)을 갖는 미앤더 모노폴(100)과, 미앤더 모노폴(100)을 통신 회로의 송신단과 수신단에 연결하기 위한 급전 선로(210)가 형성되고 급전 선로와 접지판 사이의 간격(220)을 갖는 안테나 급전부(200)과, 접지판(300)으로 구성된다. As shown in FIG. 1, the meander monopole antenna according to the present invention includes a meander monopole 100 having a monopole line 110 disposed at a front side and a back side thereof, and a via hole 120 electrically connecting the two lines; The feeder line 210 for connecting the meander monopole 100 to the transmitting end and the receiving end of the communication circuit is formed, the antenna feeder 200 having a gap 220 between the feeder line and the ground plate, and the ground plate 300 It is composed of

여기서, 상기 미앤더 모노폴(100)은 도 3에 도시한 바와 같이, 앞면 및 뒷면의 양면 구조를 가진다. 실선으로 표시한 부분은 앞면에 적용된 미앤더 선로이며, 점선으로 표시한 부분은 뒷면에 적용된 미앤더 선로이다. 미앤더 모노폴 선로의 총 길이가 동작 주파수에서 0.34 파장일 경우 양호한 임피던스 정합특성을 제공한다. 상기 미앤더 모노폴(100)을 구현함에 있어서 등방성 수평패턴을 위해 접지판(300)의 폭이 적절한 값이 되게 설계함과 동시에 미앤더 모노폴(100)을 접지판 중심에 배치한다. 기 설계된 미앤더 모노폴에 적용하여 접지판(300) 높이를 적절히 설계함으로써 안테나가 상하 대칭적 수직 패턴을 가지도록 한다. Here, the meander monopole 100 has a double-sided structure of the front and back, as shown in FIG. The part indicated by the solid line is the meander line applied to the front side, and the part indicated by the dotted line is the meander line applied to the back side. Good impedance matching is provided when the total length of the meander monopole line is 0.34 wavelength at the operating frequency. In implementing the meander monopole 100, the width of the ground plate 300 is designed to be an appropriate value for an isotropic horizontal pattern, and the meander monopole 100 is disposed at the center of the ground plate. Applied to the pre-designed meander monopole to properly design the height of the ground plate 300 so that the antenna has a vertical symmetric vertical pattern.

안테나 급전부(200)는 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 광대역 확보 및 기판 적용에 적합한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식으로 이루어진 급전 선로(210)와 급전 선로와 접지판 사이의 간격(220)을 구성하는 것으로, 급전 선로(210)와 접지판 사이의 간격(220), 접지판(300)으로 이루어져 있다.As shown in FIGS. 1 and 4, the antenna feeder 200 may include a feed line 210 made of a CPW (Coplanar Waveguide) feed method suitable for securing a broadband and a substrate, and a gap 220 between the feed line and the ground plate. ), A gap 220 between the feed line 210 and the ground plate, and the ground plate 300.

여기서, 상기 안테나 급전부(200)는 미앤더 모노폴(100)의 중앙에 설치되고, 급전 선로(210)는 기판의 통신 회로 송신단과 수신단에 직접 연결되며 접지판(300) 부분은 통신 회로의 접지판에 연결된다. 측정을 위해 동축 케이블을 사용할 수 있으며, 이 때 납땜으로 내부도체는 급전 선로(210)에, 외부도체는 접지판(300)에 연결하여 특성을 확인할 수 있도록 설계되었다. Here, the antenna feed unit 200 is installed in the center of the meander monopole 100, the feed line 210 is directly connected to the communication circuit transmitting and receiving terminal of the substrate and the ground plate 300 part of the ground of the communication circuit Connected to the plate. Coaxial cable can be used for the measurement, and the soldering is designed to connect the inner conductor to the feed line 210 and the outer conductor to the ground plate 300 to check the characteristics.

접지판(300)은 통신 회로가 실장되는 공간으로 등방성 수평 패턴과 상하 대칭적 수직 패턴을 얻기 위해 그 폭과 높이가 적절한 값이 되게 한다. 예시로 2.4GHz에서 동작하는 안테나의 경우 접지판(300)을 35mm× 35mm의 크기로 하면 적절하다. The ground plate 300 is a space in which a communication circuit is mounted so that its width and height are appropriate values in order to obtain an isotropic horizontal pattern and a vertical symmetric vertical pattern. For example, in the case of an antenna operating at 2.4 GHz, it is appropriate to set the ground plate 300 to a size of 35 mm × 35 mm.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 의해 예시로 제작된 2.4GHz 미앤더 모노폴 안테나의 반사계수, 수평 방향 패턴 및 수직 방향 패턴을 나타낸 그래프이다. 제작된 안테나의 크기는 2.4GHz에서 0.28×0.388×0.012 파장이며, 2.4GHz에서 -30.26dB의 반사계수, 16%의 -10dB 반사계수 대역폭, 최대 2.99dBi 이득, 수평 방향 이득편차 ±1dB, 수직 방향으로 82.5°의 반전력 빔폭을 가진다.5 to 7 are graphs showing the reflection coefficient, the horizontal direction pattern and the vertical direction pattern of the 2.4 GHz meander monopole antenna manufactured by way of example. The fabricated antenna is 0.28 × 0.388 × 0.012 wavelength at 2.4GHz, -30.26dB reflection coefficient at 2.4GHz, -10dB reflection coefficient bandwidth of 16%, up to 2.99dBi gain, horizontal gain deviation ± 1dB, vertical direction It has a half power beamwidth of 82.5 °.

본 발명에 의한 미앤더 모노폴 안테나는 등방성 수평패턴과 상하 대칭적 수직패턴이 요구되는 근거리 무선 통신 모듈의 기판에 일체형으로 제작되며 실장 효과가 뛰어난 초소형 및 초경량 특성을 갖는다.The meander monopole antenna according to the present invention is manufactured integrally with a substrate of a short range wireless communication module requiring an isotropic horizontal pattern and a vertically symmetrical vertical pattern, and has an ultra small size and an ultra-light weight excellent mounting effect.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.On the other hand, the present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, it is possible that various substitutions, modifications and changes within the scope without departing from the technical spirit of the present invention It will be apparent to those skilled in the art.

100 : 미앤더 모노폴 110 : 모노폴 선로
120 : 비아 홀
200 : 안테나 급전부 210 : 급전 선로
220 : 급전 선로와 접지판 사이의 간격
300 : 접지판100: Meander monopole 110: Monopole track
120: via hole
200: antenna feeder 210: feed line
220: distance between the feed line and the ground plate
300: ground plate

Claims (5)

일정한 간격으로 모노폴 선로 및 비아 홀을 갖는 미앤더 모노폴과,
상기 미앤더 모노폴의 앞면과 뒷면을 전기적으로 연결하는 복수개의 비아 홀과,
모노폴 급전용 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 선로와,
적절한 크기의 접지판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미앤더 모노폴 안테나.Meander monopoles with monopole lines and via holes at regular intervals,
A plurality of via holes electrically connecting the front and rear surfaces of the meander monopole;
CPW (Coplanar Waveguide) feed line for monopole feed,
A meander monopole antenna, comprising an appropriately sized ground plane. 제 1 항에 있어서, 상기 모노폴의 크기 축소를 위해 미앤더 구조가 적용되고 미앤더 선로가 상기 기판 앞면 및 뒷면에 배치되는 것을 특징으로 하는 미앤더 모노폴 안테나.The meander monopole antenna of claim 1, wherein a meander structure is applied to reduce the size of the monopole, and meander lines are disposed on the front and rear surfaces of the substrate. 제 1 항에 있어서, 상기 모노폴의 미앤더 선로는 선로 사이의 간격이 일정하게 배치되는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나.The monopole antenna of claim 1, wherein the meander line of the monopole is uniformly spaced between lines. 제 1 항에 있어서, 광대역 확보 및 회로 기판 적용에 적합한 CPW(Coplanar Waveguide) 급전부가 구성되는 것을 특징으로 하는 미앤더 모노폴 안테나.The meander monopole antenna according to claim 1, wherein a coplanar waveguide (CPW) feeding unit suitable for securing a broadband and applying a circuit board is configured. 제 1 항에 있어서, 미앤더 모노폴과 결합하여 등방성 수평 패턴 및 상하 대칭적 수직 패턴을 제공하는 접지판을 특징으로 하는 미앤더 모노폴 안테나.The meander monopole antenna of claim 1, characterized in that the ground plane is combined with the meander monopole to provide an isotropic horizontal pattern and a vertically symmetric vertical pattern.
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