KR20120129295A - Reverse Triangle Antenna for Ultra Wide Band Communications - Google Patents

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KR20120129295A KR1020110047461A KR20110047461A KR20120129295A KR 20120129295 A KR20120129295 A KR 20120129295A KR 1020110047461 A KR1020110047461 A KR 1020110047461A KR 20110047461 A KR20110047461 A KR 20110047461A KR 20120129295 A KR20120129295 A KR 20120129295A
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Abstract

PURPOSE: A reverse triangle antenna for ultra wide band communications is provided to interrupt the WLAN band by inserting a slot of simple structure into the patch radiator. CONSTITUTION: A patch radiator(13) of reverse triangle transceives a signal on rectangular dielectric substrate(11) of rectangular shape. The first and second ground plane(15a, 15b) have trapezoidal shapes. Both sides of a feeding line(17) are separated from the first and second ground planes to perform the power feed about the patch radiator. The first and second ground planes comprise the top side, the lower side, and the outer inclined plane and the inner inclined surface.

Description

초광대역 통신용 역삼각형 초광대역 안테나{Reverse Triangle Antenna for Ultra Wide Band Communications}Reverse Triangle Antenna for Ultra Wide Band Communications

본 발명은 초광대역 통신용 역삼각형 초광대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, UWB 통신시스템의 동작 대역에서 사용 가능하도록 접지면 양측에 각각 특성 제어가 용이한 경사면을 부여하여 대역폭을 확장하고, 방사 패치에 비교적 간단한 형태의 슬롯들을 삽입하여 WLAN 대역을 저지할 수 있는 초광대역 통신용 역삼각형 초광대역 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an inverted triangular ultra-wideband antenna for ultra-wideband communication, and more particularly, to extend the bandwidth by providing inclined planes with easy property control on both sides of the ground plane for use in the operating band of the UWB communication system. The present invention relates to an inverted triangular ultra wideband antenna for ultra wideband communication, which can insert a relatively simple slot into a patch to block a WLAN band.

초광대역(UWB: Ultra Wide Band) 통신 시스템은 2002년 2월 미국 FCC(Federal Communications Commission)가 UWB(Ultra Wide Band)의 민간 사용 규제를 해제함에 따라 유, 무선 통신과 위치 정보 및 레이더 시스템 등에 본격적인 상용화가 가능하게 되었다.The Ultra Wide Band (UWB) communications system was introduced in February 2002 by the US Federal Communications Commission (FCC), which banned the UWB (Ultra Wide Band) from civilian use. Commercialization is possible.

초광대역(UWB) 통신 시스템은 '중심 주파수 20% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술'로 정의된다. 일반적으로는 3.1 GHz ~ 10.6 GHz대역에서 100 Mbps 이상의 전송속도를 가지며 저 전력으로 초고속 통신을 수행하는 근거리 무선 통신으로 규정되어 있다. Ultra-wideband (UWB) communication systems are defined as `` wireless transmission technologies that occupy more than 20% of the central frequency. In general, it is defined as short-range wireless communication that has a transmission speed of 100 Mbps or more in the 3.1 GHz to 10.6 GHz band and performs high speed communication at low power.

초광대역(UWB) 통신 시스템은 이러한 사항을 만족하기 위해 3.1 GHz ~ 10.6 GHz의 광대역 안테나가 필요하며, 파장이 약 28 ~ 96mm이므로 소형의 안테나가 요구된다.Ultra-wideband (UWB) communication systems require broadband antennas from 3.1 GHz to 10.6 GHz to meet these requirements, and require a small antenna because the wavelength is about 28 to 96 mm.

UWB의 주요 활용 분야는 대용량 고속 전송을 요구하는 가전/방송 시스템인 가전제품(Consumer Electronics)과 컴퓨터/인터넷 작업을 위한 주변기기 간 자료 교환인 퍼스널 컴퓨팅(Personal Computing)을 들 수 있다. 또한 PDP/PMP 등의 모바일 멀티미디어(Mobile Multimedia) 기기를 사용한 모바일 멀티미디어와 통신기기/영상기기 사이의 고속 동영상 전송, 그리고 Wireless USB 등을 들 수 있다. 이처럼 다양한 분야에서 UWB가 사용됨에 따라 최근에는 UWB 통신 시스템용 평면형 모노폴과 다이폴 안테나들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.UWB's main applications include personal computing, which is a data exchange between consumer electronics, a consumer electronics / broadcasting system that requires high-capacity, high-speed transmission, and peripherals for computer / internet operations. In addition, high-speed video transmission between a mobile multimedia using a mobile multimedia device such as PDP / PMP and a communication device / video device, and Wireless USB. As UWB is used in various fields, researches on planar monopole and dipole antennas for UWB communication systems have been actively conducted.

UWB 통신 시스템에 사용되는 안테나는 광대역 임피던스 정합, 일정한 방사패턴, 일정한 군지연, 작은 크기 등의 조건을 만족해야 한다. 이를 위해 두꺼운 도선을 사용하거나 다중공진을 이용하거나 자기유사구조, 자기보상구조의 원리를 이용하거나 공진특성이 안테나의 길이에 의한 것이 아닌 각에 의하여 나타나는 것을 이용한다. 또한, WiMax, Wireless Lan IEEE 802.11a/n과 같은 다른 무선시스템 등과 전파간섭을 일으키지 않아야 한다.Antennas used in UWB communication systems must satisfy conditions such as broadband impedance matching, constant radiation pattern, constant group delay, and small size. To this end, use thick conductors, multiple resonances, or the principle of a self-similar structure, a self-compensation structure, or use a resonant characteristic represented by an angle rather than an antenna length. In addition, it should not cause interference with other wireless systems such as WiMax and Wireless Lan IEEE 802.11a / n.

보우 타이(Bow-tie) 안테나는 다이폴 안테나의 대역폭을 넓히기 위해 도선의 지름을 점차 굵게 진행해 나가는 쌍원추 안테나의 평면형으로 전류가 핀의 끝부분에서 갑자기 종단되어 제한된 대역폭을 가지기 때문에 UWB 전 대역에 사용하기에 만족스럽지 않다. 또한, 기존에 PTMA(Planar Triangle Monopole Antenna) 관련 논문에서도 제한된 대역폭을 가져, UWB 전 대역에서 동작하지 않는다. Bow-tie antenna is a planar type of twin-cone antenna that progressively thickens the conductor diameter to increase the bandwidth of the dipole antenna. It is used for the entire UWB band because current has a limited bandwidth by suddenly terminating at the end of the pin. Not satisfactory below. In addition, existing papers on PTMA (Planar Triangle Monopole Antenna) have limited bandwidth and do not operate in the entire UWB band.

종래의 초광대역 안테나로서 J. M. Johnson and Y. Rahmat-Samii에 의해 발표된, "The tab monopole"(IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 45, no. 1, pp. 187-188, Jan. 1997 참조) 안테나는 평면 접지면 구조위에 테이퍼 형태의 방사소자로 이루어져 있으며 급전선의 형태는 CPW로 구성되어 있다. UWB 시스템은 3.1 GHz ~ 10.6 GHz 대역에서 -10 dB를 만족하여야 하나 상기 종래 기술은 1.8 GHz ~ 3.5 GHz에서 -10 dB를 만족하므로 대역폭이 좁아 UWB 시스템에서 사용할 수 없다.See "The tab monopole" (IEEE Trans.Antennas Propag., Vol. 45, no. 1, pp. 187-188, Jan. 1997, published by JM Johnson and Y. Rahmat-Samii as a conventional ultra-wideband antenna). The antenna consists of a tapered radiating element on a flat ground plane structure and the feeder is composed of CPW. The UWB system should satisfy -10 dB in the 3.1 GHz to 10.6 GHz band, but the prior art satisfies the -10 dB in the 1.8 GHz to 3.5 GHz and thus cannot be used in the UWB system due to the narrow bandwidth.

또한, 최근에는 802.11a/n WLAN, WiMax 주파수 대역 등의 저지를 위하여 CSRRs(Complementary split ring resonators)를 이용한 논문들이 발표되어 있으나, 안테나의 설계가 복잡한 구조를 제안하고 있다.In addition, although papers using CSRRs (Complementary split ring resonators) have been recently published for the prevention of 802.11a / n WLAN and WiMax frequency band, the antenna design has been complicated.

공개특허 제2006-28953호에는 사다리꼴 모양의 패치, 정합 스터브, CPW 급전 방식 및 사각형 슬롯을 이용함으로써, 초소형, 경량, 저가의 광대역 특성을 갖고 5GHz WLAN 대역(5.15-5.35GHz)에서 노치 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제안하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-28953 has a trapezoidal patch, matching stub, CPW feeding method, and a rectangular slot, so that it has a small size, light weight, low cost broadband characteristics, and a notch characteristic in a 5 GHz WLAN band (5.15-5.35 GHz). An ultra-wideband antenna is proposed.

또한, 공개특허 제2006-117161호에는 신호의 송신 또는 수신을 위한 반원형의 패치면, 패치면 상단에 위치하여 임피던스 매칭을 하기 위한 매칭 스터브, 접지를 위한 코플라나 도파관 부분 그라운드, 및 패치면과 연결되어 급전을 하기 위한 코플라나 도파관(CPW) 급전 라인을 포함하는 초광대역(UWB) 안테나를 제안하고 있다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-117161 discloses a semicircular patch surface for transmitting or receiving a signal, a matching stub for impedance matching located at an upper side of the patch surface, a coplanar waveguide part ground for grounding, and a connection with a patch surface. To provide a coplanar waveguide (CPW) feed line for power feeding.

공개특허 제2005-114964에는 사각 모양의 패치와, 신호가 입출력되는 신호선과; 상기 패치와 신호선을 매칭시키는 매칭 스터브와, 상기 신호선 좌우에 형성된 그라운드 전극이 기판의 패치면에 구성된 CPW 급전형 초광대역 패치 안테나를 제안하고 있다.Patent Publication No. 2005-114964 has a rectangular patch and a signal line for inputting and outputting signals; A matching stub for matching the patch with a signal line and a ground electrode formed on the left and right sides of the signal line have been proposed for a CPW feeding type ultra wide band patch antenna.

공개특허 제2005-120442호에는 기판상에 직선형태로 프린트된 급전선과, 그 급전선 끝단에 형성된 원형 또는 타원형의 복사소자와, 상기 복사소자 및 급전선 양측 또는 배면에 상기 복사소자 주변이 급전선을 향해 곡선형으로 테이퍼지도록 형성된 접지면으로 구성되어, 임피던스를 점진적으로 변화시킴으로써 하한주파수와 상한주파수의 비가 30:1 이상의 초광대역 특성을 가지며, 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향성 코니컬 빔 복사패턴을 나타내는 변형된 접지면을 이용한 초광대역 프린티드 모노폴 안테나를 제안하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-120442 discloses a feeder line printed on a substrate in a straight line, a circular or elliptical radiation element formed at an end of the feeder line, and the radiation element is curved toward the feeder line on both sides or the rear of the radiation element and the feeder line. Consists of a ground plane formed to taper into a shape, and by changing the impedance gradually, the ratio of the lower limit frequency to the upper limit frequency has an ultra-wideband characteristic of 30: 1 or more, and a modified omnidirectional conical beam radiation pattern similar to that of a general monopole antenna. An ultra wide band printed monopole antenna using a ground plane is proposed.

상기한 공개특허는 매칭 스터브(또는 정합 스터브)를 사용하여 임피던스 매칭을 실시하고 있고, 사각형 또는 원형이나 타원형 패치를 이용하고 있어 안테나 특성 구현을 위한 정밀한 패턴 형성이 용이하지 못하고, 소형화가 어려운 문제가 있다. The above-mentioned patent discloses impedance matching using a matching stub (or matching stub), and uses a square, circular or elliptical patch, and thus it is not easy to form a precise pattern for implementing antenna characteristics, and it is difficult to miniaturize. have.

따라서, 본 발명은 UWB 통신시스템의 동작 대역인 3.1 GHz ~ 10.6 GHz에서 사용 가능하도록 접지면 양측에 각각 특성 제어가 용이한 경사면을 부여하여 대역폭을 넓힌 초광대역 통신용 역삼각형 초광대역 안테나를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention provides an inverted triangular ultra-wideband antenna for ultra-wideband communication by widening the bandwidth by giving inclined planes with easy characteristics control on both sides of the ground plane so that they can be used in the operating band of the UWB communication system, from 3.1 GHz to 10.6 GHz. have.

본 발명의 다른 목적은 안테나의 설계과정을 간편화하기 위하여 방사 패치에 비교적 간단한 형태의 슬롯들을 삽입하여 WLAN 대역을 저지할 수 있는 초광대역 통신용 역삼각형 초광대역 안테나를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an inverted triangular ultra-wideband antenna for ultra-wideband communication that can block WLAN band by inserting slots of a relatively simple form into the radiation patch to simplify the design process of the antenna.

본 발명의 또 다른 목적은 방사 패치와 접지면이 좌우 대칭 구조로 되어 있어 완전자계벽을 이용하여 초광대역의 주파수 대역을 만족하면서도 소형으로 제작 가능한 초광대역 통신용 역삼각형 초광대역 안테나를 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide an inverted triangular ultra-wideband antenna for ultra-wideband communication that can be manufactured in a small size while satisfying the ultra-wideband frequency band by using a magnetic field wall with a radial patch and a ground plane symmetrically structured. .

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 사각형상의 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일 표면에 형성되며, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치; 각각 사다리꼴 영역과 직사각형 영역이 조합된 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면; 및 양측면이 상기 제1 및 제2 접지면의 직사각형 영역과 간격을 두고 형성되어 상기 방사 패치에 대한 급전이 이루어지는 포폴라너 도파관(CPW) 급전선을 포함하며, 상기 제1 및 제2 접지면은 각각 사다리꼴 영역의 외측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제1경사각, 내측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제2경사각, 및 아랫변과 윗변 사이의 높이를 조정하여 안테나의 대역폭을 설정함과 동시에 방사 패치와 급전선 사이의 임피던스 매칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a rectangular dielectric substrate; An inverted triangular radiation patch formed on one surface of the dielectric substrate and configured to transmit / receive a signal; First and second ground planes each having a trapezoidal area and a rectangular area in a combined shape and spaced apart from each other; And a poplarner waveguide (CPW) feed line formed at both sides of the first and second ground planes at intervals from the rectangular areas of the first and second ground planes to feed the radiating patch, wherein the first and second ground planes are each trapezoidal. The first inclination angle formed between the outer inclined surface and the lower side of the region, the second inclination angle formed between the inner inclined surface and the lower side, and the height between the lower side and the upper side are adjusted to set the bandwidth of the antenna, An ultra-wide band antenna is provided, which performs impedance matching between feed lines.

본 발명에 따른 초광대역 안테나는 상기 역삼각형상의 방사 패치에 삽입되어 WLAN 대역을 저지하기 위하여 역 T자형 대역저지 슬롯을 더 포함할 수 있다.The ultra-wideband antenna according to the present invention may further include an inverted T-shaped band blocking slot inserted into the inverted triangular radiation patch to block the WLAN band.

상기 대역저지 슬롯은 역삼각형상의 방사 패치의 상단으로부터 수직으로 형성된 선형의 수직 슬롯과, 상기 수직 슬롯의 하단으로부터 좌우로 직각으로 연장된 수평 슬롯으로 구성될 수 있다.The band blocking slot may include a linear vertical slot formed vertically from an upper end of an inverted triangular radial patch, and a horizontal slot extending right and left from a lower end of the vertical slot.

또한, 상기 대역저지 슬롯에서 상기 수평 슬롯의 길이가 감소할수록 저지 대역폭이 줄어들고, 상기 수직 슬롯의 길이가 증가할수록 저지 대역폭이 증가하고, 수직 슬롯의 길이가 감소할수록 저지 대역폭이 감소함과 동시에 저지 주파수가 높아진다.In addition, as the length of the horizontal slot decreases in the band blocking slot, the stop bandwidth decreases. As the length of the vertical slot increases, the stop bandwidth increases, and as the length of the vertical slot decreases, the stop bandwidth decreases and at the same time the stop frequency. Becomes higher.

이 경우, 상기 대역 저지 슬롯의 두께는 1.0mm, 수평 슬롯의 길이는 16.9mm, 수직 슬롯의 길이는 4.9mm로 설정될 수 있다.In this case, the thickness of the band blocking slot may be set to 1.0mm, the length of the horizontal slot is 16.9mm, the length of the vertical slot is 4.9mm.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 직사각형상의 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일 표면에 형성되며, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치; 각각 사다리꼴 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면; 및 양측면이 상기 제1 및 제2 접지면과 간격을 두고 형성되어 상기 방사 패치에 대한 급전이 이루어지는 포폴라너 도파관(CPW) 급전선을 포함하며, 상기 제1 및 제2 접지면은 각각 사다리꼴 형상의 외측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제1경사각, 내측 경사면과 아랫변의 평행선 사이에 형성되는 제2경사각, 및 아랫변과 윗변 사이의 높이를 조정하여 안테나의 대역폭을 설정함과 동시에 방사 패치와 급전선 사이의 임피던스 매칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나를 제공한다.According to another feature of the invention, the present invention is a rectangular dielectric substrate; An inverted triangular radiation patch formed on one surface of the dielectric substrate and configured to transmit / receive a signal; First and second ground planes each formed in a trapezoidal shape and spaced apart from each other; And a poplarner waveguide (CPW) feed line formed at both sides with a gap from the first and second ground planes to feed the radiating patch, wherein the first and second ground planes are each trapezoidally shaped. The first inclination angle formed between the inclined surface and the lower side, the second inclination angle formed between the parallel side of the inner inclined surface and the lower side, and the height between the lower side and the upper side are adjusted to set the bandwidth of the antenna and at the same time between the radiation patch and the feed line. It provides an ultra-wideband antenna, characterized in that for performing impedance matching.

상기 제1 및 제2 접지면은 각각 역삼각형 방사 패치의 경사면과 대향한 부분에 내측 경사면이 배치되어 있으며, 상기 내측 경사면과 아랫변이 만나는 부분에는 급전선이 코폴로나 도파관(CPW) 구조를 형성하도록 급전선과 형행한 수직면이 구비되어 있는 것이 바람직하다.Each of the first and second ground planes has an inner inclined surface disposed at a portion opposite to the inclined surface of the inverted triangular radial patch, and the feed line forms a co-polo or waveguide (CPW) structure at a portion where the inner inclined surface and the lower side meet. It is preferable that the vertical surface parallel to the feed line is provided.

또한, 상기 안테나는 완전자계벽을 이루는 y-z 평면의 대칭면을 중심으로 수직컷으로 잘라 한쪽 면을 개방면으로 하여 수직컷한 직각삼각형 방사 패치를 구비하는 것이 바람직하다.In addition, the antenna is preferably provided with a right-angled triangular radiation patch cut into a vertical cut centered on the symmetrical plane of the y-z plane constituting the complete magnetic field wall, one side as an open surface.

또한, 상기 완전자계벽을 따라 1/2 절단된 개방면에 급전선이 직접 노출되지 않도록 기판이 남겨져 있는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the substrate is left so that the feed line is not directly exposed to the open surface half cut along the complete magnetic field wall.

더욱이, 상기 역삼각형 방사 패치의 높이는 동작 대역의 최저 주파수의 λ/4 길이에 대응하여 설정되는 것이 바람직하다.Furthermore, the height of the inverted triangular radiation patch is preferably set corresponding to the λ / 4 length of the lowest frequency of the operating band.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 접지면 양측에 각각 경사면을 부여하여 대역폭을 넓힘에 의해 UWB 통신시스템의 동작 대역인 3.1 GHz ~ 10.6 GHz에서 사용 가능하도록 하였다.As described above, in the present invention, the inclined planes are provided on both sides of the ground plane to widen the bandwidth so that they can be used at 3.1 GHz to 10.6 GHz, which are operating bands of the UWB communication system.

또한, 본 발명에서는 안테나의 설계과정을 간편화하기 위하여 패치면에 비교적 간단한 형태의 슬롯들을 삽입하여 WLAN 대역을 저지할 수 있도록 하였다.In addition, in the present invention, slots of a relatively simple shape are inserted into the patch surface in order to simplify the design process of the antenna, thereby preventing the WLAN band.

더욱이, 본 발명에서는 방사 패치와 접지면이 좌우 대칭 구조로 되어 있어 완전자계벽을 이용하여 초광대역의 주파수 대역을 만족하면서도 소형으로 제작 가능하다.Furthermore, in the present invention, the radiation patch and the ground plane have a symmetrical structure, and can be manufactured in a small size while satisfying the ultra wide band of frequency bands by using a magnetic field wall.

본 발명의 역삼각형 초광대역 안테나는 PCB에 실장할 수 있어 대량생산에 용이하며 전체적인 시스템 크기를 줄일 수 있고 외관상 안테나를 보이지 않게 할 수 있다.The inverted triangular ultra-wideband antenna of the present invention can be mounted on a PCB to facilitate mass production, reduce the overall system size and make the antenna invisible in appearance.

또한, 본 발명은 UWB 통신시스템의 동작 대역인 3.1 GHz ~ 10.6 GHz에서 사용가능하며, 전 동작 대역에서 전방향성 방사패턴을 나타내며 -5 dBi이상의 이득을 갖는다. 넓은 대역폭을 갖는 시스템이나 여러 대역을 함께 사용하는 시스템을 설계할 때 용이하다. In addition, the present invention can be used in the operating band of 3.1 GHz ~ 10.6 GHz of the UWB communication system, exhibits an omnidirectional radiation pattern in all operating bands and has a gain of -5 dBi or more. It is easy to design a system with a wide bandwidth or a system using multiple bands together.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나를 나타내는 평면도,
도 2는 도 1의 급전선 부분에 대한 확대도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 초광대역 안테나의 실물 사진,
도 4는 본 발명의 제1실시예에서 접지면의 경사각(α)의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 초광대역 안테나의 시뮬레이션 및 실물에 대한 반사 손실을 비교하여 나타낸 그래프,
도 6은 안테나의 이득 측정방법을 나타낸 구성도,
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 제1실시예에 따른 초광대역 안테나의 3GHz, 4GHz, 5GHz에서 XY-평면과 XZ-평면의 방사패턴,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나의 xz-평면과 yz-평면에서의 자계분포를 나타낸 그림,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따라 자계벽을 이용하여 제1실시예의 안테나를 1/2로 축소시킨 초광대역 안테나로서 자계분포도를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 제1실시예와 비교하여 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나를 나타내는 평면도,
도 12는 도 11의 부분 확대도,
도 13a는 본 발명의 제3실시예에서 경사각(α)의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프,
도 13b는 본 발명의 제3실시예에서 경사각(β)의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프,
도 13c는 본 발명의 제3실시예에서 Hg의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 대역저지 슬롯이 추가된 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나를 나타내는 평면도,
도 15는 본 발명의 제4실시예에서 Ws의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명의 제4실시예에서 Hs의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프,
도 17은 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 실물 비교사진,
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 초광대역 안테나의 시뮬레이션 및 실물에 대한 반사 손실을 비교하여 나타낸 그래프,
도 19는 본 발명의 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 시뮬레이션 및 실물에 대한 반사 손실을 비교하여 나타낸 그래프,
도 20a 내지 도 20h는 각각 3.1 GHz, 5.5 GHz, 8.4 GHz, 10.6 GHz에서 XZ-평면 및 XY-평면에 대한 모의실험과 측정한 안테나의 방사패턴을 나타낸 그래프,
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 군지연(group delay) 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a plan view showing an ultra-wideband antenna having an inverted triangle radiation patch according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 2 is an enlarged view of the feeder line part of FIG. 1;
3 is a real picture of an ultra-wideband antenna according to a first embodiment of the present invention,
4 is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of the inclination angle α of the ground plane in the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a graph illustrating a simulation of an ultra-wideband antenna according to a first embodiment of the present invention and comparison of reflection loss with respect to the real object; FIG.
6 is a configuration diagram showing a method of measuring gain of an antenna;
7A to 7F illustrate radiation patterns of an XY-plane and an XZ-plane at 3 GHz, 4 GHz, and 5 GHz of the ultra-wideband antenna according to the first embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing magnetic field distribution in the xz-plane and the yz-plane of an ultra-wideband antenna having an inverted triangular radiation patch according to the first embodiment of the present invention;
9 is a diagram showing a magnetic field distribution diagram as an ultra-wideband antenna in which the antenna of the first embodiment is reduced to 1/2 by using a magnetic field wall according to a second embodiment of the present invention;
10 is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the second embodiment of the present invention in comparison with the first embodiment,
11 is a plan view showing an ultra-wideband antenna having an inverted triangle radiation patch according to a third embodiment of the present invention;
12 is a partially enlarged view of FIG. 11;
FIG. 13A is a graph illustrating return loss of an ultra-wideband antenna according to a change in an inclination angle α in the third embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 13B is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of the inclination angle β in the third embodiment of the present invention;
FIG. 13C is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of Hg in the third embodiment of the present invention; FIG.
14 is a plan view showing an ultra-wideband antenna having an inverted triangular radiation patch with a band blocking slot according to a fourth embodiment of the present invention;
15 is a graph illustrating return loss of an ultra-wideband antenna according to a change in Ws in the fourth embodiment of the present invention;
16 is a graph showing the return loss of the ultra-wideband antenna according to the change of Hs in the fourth embodiment of the present invention;
17 is a real comparison picture of the ultra-wideband antenna according to the third and fourth embodiments of the present invention;
FIG. 18 is a graph illustrating a simulation of an ultra-wideband antenna according to a third embodiment of the present invention and comparison of reflection loss with respect to the real;
FIG. 19 is a graph illustrating simulation of an ultra-wideband antenna according to a fourth exemplary embodiment of the present invention and comparison of return loss with respect to the real;
20A to 20H are graphs illustrating radiation patterns of antennas measured and measured for XZ-plane and XY-plane at 3.1 GHz, 5.5 GHz, 8.4 GHz, and 10.6 GHz, respectively.
FIG. 21 is a graph illustrating group delay characteristics of an ultra-wideband antenna according to a fourth embodiment of the present invention.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It can be easily carried out.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1. 제1실시예1. First Embodiment

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나를 나타내는 평면도, 도 2는 도 1의 급전선 부분에 대한 확대도이다.1 is a plan view showing an ultra-wideband antenna having an inverted triangular radiation patch according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is an enlarged view of the feeder line portion of FIG.

A. 안테나 구조A. Antenna Structure

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 초광대역 안테나(10)는 직사각형상의 유전체 기판(11)의 일 표면에, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치(13), 각각 사다리꼴 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면(15a,15b) 및 양측이 상기 제1 및 제2 접지면(15a,15b)과 소정의 간격을 두고 상기 방사 패치(13)에 대한 급전이 이루어지는 급전선(17)이 실장된 구조를 가지고 있다.1 and 2, the ultra-wideband antenna 10 according to the first embodiment of the present invention, the reverse triangular radiation for transmitting and receiving signals on one surface of the rectangular dielectric substrate 11 The patches 13, each of which has a trapezoidal shape and are spaced apart from each other, have first and second ground planes 15a and 15b disposed on both sides, and both sides have a predetermined distance from the first and second ground planes 15a and 15b. It has a structure in which the feed line 17, which is fed to the spinning patch 13 is mounted.

상기 제1 및 제2 접지면(15a,15b)은 각각 윗변(151), 아랫변(152), 외측 경사면(153) 및 내측 경사면(154)을 포함한다. 또한, 상기 제1 및 제2 접지면(15a,15b)은 각각 역삼각형 방사 패치(13)의 경사면(131)과 대향한 부분에 내측 경사면(154)이 배치되어 있으며, 상기 내측 경사면(154)과 아랫변(152)이 만나는 부분에는 급전선(17)이 코폴라나 도파관(CPW; Coplanar Waveguide) 구조를 형성하도록 급전선(17)과 형행한 수직면(155)이 구비되어 있으며, 그 결과 제1 및 제2 접지면(15a,15b)의 수직면(155)과 급전선(17)과의 사이에 동일한 폭의 갭(Gap)이 형성되어 있다. The first and second ground planes 15a and 15b include an upper side 151, a lower side 152, an outer inclined surface 153, and an inner inclined surface 154, respectively. In addition, the first and second ground planes 15a and 15b have inner inclined surfaces 154 disposed on portions opposite to the inclined surface 131 of the inverted triangular radiation patch 13, respectively, and the inner inclined surfaces 154. At the portion where the lower side 152 meets, the feed line 17 is provided with a vertical surface 155 parallel to the feed line 17 so as to form a coplanar waveguide (CPW) structure. A gap Gap of the same width is formed between the vertical plane 155 of the two ground planes 15a and 15b and the feed line 17.

본 발명의 제1실시예에서 제1 및 제2 접지면(15a,15b)은 외측 경사면(153)과 아랫변(152) 사이에 형성되는 제1경사각(α), 내측 경사면(154)과 아랫변(152)의 평행선 사이에 형성되는 제2경사각(β)에 의해 사다리꼴 형상의 정의될 수 있으며, 이는 방사 패치(13)의 특성에 영향을 미치어 후술하는 바와 같이 안테나의 대역 확장에 영향을 미친다. In the first embodiment of the present invention, the first and second ground planes 15a and 15b are formed with the first inclination angle α formed between the outer inclined surface 153 and the lower side 152 and the inner inclined surface 154 and the lower side. The trapezoidal shape may be defined by a second inclination angle β formed between parallel lines of the sides 152, which affects the characteristics of the radiation patch 13 and thus affects the band extension of the antenna as described below. Crazy

또한, 안테나의 급전은 기판(11)의 한 평면에 방사 패치(13)와 제1 및 제2 접지면(15a,15b)이 함께 존재하는 CPW(Coplanar Waveguide) 구조를 이용하며, CPW 급전선(17)의 임피던스는 전 주파수 대역에서 53Ω으로 설계하였으며, 역삼각형 방사 패치(13)의 높이(HPatch)는 동작 대역인 3.1GHz ~ 10.6GHz 내에서 최저 주파수인 3.1GHz의 λ/4 길이에 대응하여 조정하였다.In addition, feeding of the antenna uses a coplanar waveguide (CPW) structure in which the radiation patch 13 and the first and second ground planes 15a and 15b coexist on one plane of the substrate 11, and the CPW feedline 17 The impedance of) is designed as 53Ω in all frequency bands, and the height (H Patch ) of the inverted triangle radiation patch 13 corresponds to the λ / 4 length of the lowest frequency of 3.1GHz within the operating band of 3.1GHz to 10.6GHz. Adjusted.

본 발명의 제1실시예에 따른 안테나(10)는 기판(11)의 유전율 6.15, 기판 두께 0.64mm, 방사 패치(13)와 제1 및 제2 접지면(15a,15b)을 형성하는 도체 두께 0.035, 손실탄젠트 0.0025인 Taconic사의 RF-60A를 사용하였고, 전체 크기는 64(W) × 34(H)mm2이며 각 파라미터에 대한 설정값은 하기 표 1과 같다.The antenna 10 according to the first embodiment of the present invention has a dielectric constant of 6.15, a substrate thickness of 0.64mm, a conductor thickness forming the radiation patch 13 and the first and second ground planes 15a and 15b. Taconic's RF-60A with 0.035 and 0.0025 loss tangent was used. The overall size is 64 (W) × 34 (H) mm 2 and the setting values for each parameter are shown in Table 1 below.

도 1 및 도 2에서 미설명 부재번호 WPatch는 방사 패치(13)의 폭, WFeed는 급전선(17)의 폭, HFeed는 급전선의 길이를 지칭한다.In FIG. 1 and FIG. 2, reference numeral W Patch denotes the width of the radiation patch 13, W Feed denotes the width of the feed line 17, and H Feed denotes the length of the feed line.

파라미터parameter 설정값Setting value 파라미터parameter 설정값Setting value WW 64.0mm64.0mm WGND W GND 51.6mm51.6 mm HH 34.0mm34.0mm HGND H GND 9.0mm9.0mm WPatch W Patch 58.0mm58.0 mm WFeed W feed 1.3mm1.3 mm HPatch H Patch 31.0mm31.0mm HFeed H feed 1.8mm1.8mm αalpha 48.0°48.0 ° γγ 8.0mm8.0mm ββ 38.5°38.5 ° GapGap 0.3mm0.3mm

안테나 설계는 Ansoft사의 HFSS를 시뮬레이션 도구로 이용하였다.The antenna design uses Ansoft's HFSS as a simulation tool.

도 4는 표 1의 모든 파라미터를 고정하고 제1경사각(α)만 변화하여 시뮬레이션한 반사 손실(Return Loss) 값을 나타낸 것이다. 제1경사각(α)에 따라서 전체적인 안테나의 특성이 변화한다. 제1경사각(α)이 48°를 기준으로 커지면 고주파 대역의 특성이 나빠지고, 작아지면 저주파 대역의 특성이 나빠진다. 그러므로 48°근처에서 최적의 반사 손실을 가짐을 알 수 있다. 그러나, 이 결과는 다른 파라미터들을 고정시키고 나온 것으로, 제2경사각(β)이 변하거나 윗변(151; γ)의 길이가 변하면 제1경사각(α)이 48°일 때 최적의 반사 손실을 갖는 것을 보장하지 않으며 도 4에서 보이는 48°를 기준으로 한 고주파 대역과 저주파 대역의 변화는 예측할 수 없다.FIG. 4 shows the return loss values simulated by fixing all parameters in Table 1 and changing only the first inclination angle α. The characteristics of the overall antenna change according to the first inclination angle α. When the first inclination angle α becomes larger by 48 °, the characteristics of the high frequency band become worse, and when the first inclination angle α becomes smaller, the characteristics of the low frequency band become worse. Therefore, it can be seen that the optimum return loss is around 48 °. However, this result is fixed with other parameters, and it is found that if the second inclination angle β is changed or the length of the upper side 151 (γ) is changed, it has an optimal reflection loss when the first inclination angle α is 48 °. It is not guaranteed and changes in the high frequency band and the low frequency band based on the 48 ° shown in FIG. 4 are unpredictable.

또한, α, β, γ는 설정값의 변화에 따라 반사손실 특성이 나빠지는 대역이 존재한다. α의 경우 설정값이 작아지면 4.5 ~ 6.5GHz의 반사손실 특성이 나빠지므로, 45 ~ 51° 범위로 설정되는 것이 바람직하다. β의 경우 설정값이 작아지면 6GHz 이상의 대역에서 반사손실 특성이 나빠지므로, 33 ~ 40° 범위로 설정되는 것이 바람직하다. γ의 경우는 α, β의 설정값에 종속되어 있으므로 α, β의 설정값에 의해 결정되며, 7 ~ 9mm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.Further, α, β, and γ have bands in which return loss characteristics deteriorate with a change in a set value. In the case of α, since the return loss characteristic of 4.5 to 6.5 GHz deteriorates as the set value becomes smaller, it is preferable to set it in the range of 45 to 51 °. In the case of β, since the return loss characteristics deteriorate in the band of 6 GHz or more when the set value is small, it is preferable to set it in the range of 33 to 40 degrees. In the case of gamma, since it depends on the set values of α and β, it is determined by the set values of α and β, and is preferably set in the range of 7 to 9 mm.

접지면 높이(HGND)는 설정값이 커지면 저주파 대역(~ 6GHz)의 반사손실 특성이 전체적으로 나빠지며, 설정값이 작아지면 고주파 대역(~ 6GHz)의 반사손실 특성이 전체적으로 나빠지며, 8.7 ~ 9.5mm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.As the ground plane height (H GND ) becomes larger, the return loss characteristic of the low frequency band (~ 6 GHz) becomes worse overall, and as the set value becomes smaller, the return loss characteristic of the high frequency band (~ 6 GHz) worsens overall, and 8.7 to 9.5 It is preferably set in the mm range.

접지면 폭(WGND)은 설정값이 커지면 고주파 대역(6GHz ~)의 반사손실 특성이 전체적으로 나빠지며, 설정값이 작아지면 저주파 대역(~ 6GHz)의 반사손실 특성이 전체적으로 나빠지며, 50 ~ 54mm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.As the ground plane width (W GND ) is increased, the return loss characteristic of the high frequency band (6GHz ~) is bad as a whole, and when the setting value is smaller, the reflection loss characteristic of the low frequency band (~ 6GHz) is bad as a whole, and 50 ~ 54mm It is preferable to set the range.

갭(Gap)은 패치면 급전선(선로부분)의 임피던스를 결정하므로 변화할 경우 전체적인 임피던스 변화가 나타난다. 값이 작아질수록 급전선(선로부분)의 임피던스가 낮아지며, 값이 커질수록 급전선의 임피던스가 커지며, 0.2 ~ 0.5mm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.The gap (Gap) determines the impedance of the patch feed line (line part), so if it changes, the overall impedance change appears. The smaller the value, the lower the impedance of the feeder line (line part), and the larger the value, the larger the impedance of the feeder line, it is preferably set in the range of 0.2 ~ 0.5mm.

B. 안테나 제작 및 측정B. Antenna Fabrication and Measurement

도 3은 샘플 제작된 안테나의 실물 사진을 보여주고 있다. 제작된 안테나의 반사손실, 방사패턴은 Anritsu사의 Vector Network Analyzer 37397C를 이용하여 전자파 무반사실에서 측정하였다.Figure 3 shows a real picture of the sampled antenna. The return loss and radiation pattern of the fabricated antenna were measured in an electromagnetic anechoic chamber using Anritsu's Vector Network Analyzer 37397C.

도 5는 Ansoft사의 HFSS를 시뮬레이션 도구로 이용한 결과와 도 3에 도시된 실물 안테나의 반사손실 측정치를 비교한 것으로서, UWB 시스템에서 사용하는 주파수 대역인 3.1GHz ~ 10.6GHz에서 반사 손실은 -10dB 이하를 만족함을 보이고 있으며 시뮬레이션 결과(점선)와 샘플(실선)의 측정치가 유사함을 보이고 있다.FIG. 5 compares the results of using Ansoft's HFSS as a simulation tool and the measurement of the return loss of the real antenna shown in FIG. 3. The return loss is less than -10 dB in the frequency band 3.1 GHz to 10.6 GHz used in the UWB system. Satisfaction is shown and the simulation results (dotted line) and the sample (solid line) measurements are similar.

도 6은 이득 비교법을 이용한 안테나 이득 측정법을 나타낸 것이다. 이득을 알고 있는 표준 안테나(Standard Antenna)를 증폭기(AMP)를 통하여 송신단(TX)에 연결하고, 이득을 알지 못하는 측정하고자 하는 피측정 안테나(Measurement Antenna)를 수신단(RX)에 연결한 후, 네트웍 아날라이저(Network Analyzer)로 수신 전력을 측정하였다. 측정하고자 하는 피측정 안테나의 이득은 표준 안테나 이득에 수신 전력의 비를 곱하여 계산하였다.6 shows an antenna gain measurement method using a gain comparison method. After connecting a standard antenna having a gain to a transmitting end TX through an amplifier AMP, and a measuring antenna to be measured without knowing the gain to a receiving end RX, the network Received power was measured with a network analyzer. The gain of the antenna to be measured is calculated by multiplying the ratio of the received power by the standard antenna gain.

도 7a 내지 도 7f는 제작된 안테나를 전자파 무반사실에서 상기한 이득 비교법을 이용하여 측정한 방사 패턴이다. 도시된 방사 패턴은 3, 4, 5GHz에서 XY-평면과 XZ-평면의 방사 패턴을 나타냈으며, -5dB 이상의 이득을 보이고 있으며 모노폴 안테나의 방사패턴 형태를 나타내고 있다.7A to 7F are radiation patterns measured by using the gain comparison method described above in the electromagnetic anechoic chamber. The radiation pattern shown shows radiation patterns of XY-plane and XZ-plane at 3, 4, and 5 GHz, gains of -5 dB or more, and the radiation pattern of the monopole antenna.

본 발명의 제1실시예에 따른 안테나(10)는 역삼각형 모노폴 UWB 안테나로서, 안테나의 크기는 64 × 34mm2이며, 제안된 안테나는 UWB 대역인 3.1GHz ~ 10.6GHz를 만족하였고, 반사 손실(Return Loss)은 -10dB 이하를 만족하였다.Antenna 10 according to the first embodiment of the present invention is an inverted triangle monopole UWB antenna, the size of the antenna is 64 × 34mm 2 , the proposed antenna satisfies the UWB band 3.1GHz ~ 10.6GHz, the return loss ( Return Loss) is less than -10dB.

또한, 제1 및 제2 접지면(15a,15b)에 외측 경사면(153) 및 내측 경사면(154)을 부여하여 전체 안테나 특성을 변화시킬 수 있음을 알 수 있으며, 이를 이용하여 안테나의 대역 확장 효과를 얻었다. In addition, it can be seen that the overall antenna characteristics can be changed by providing the outer inclined surface 153 and the inner inclined surface 154 to the first and second ground planes 15a and 15b. Got.

2. 제2실시예2. Second Embodiment

안테나의 소형화 방법 중에는 완전전계벽이나 완전자계벽의 특성을 이용할 수 있는데 양자 모두 단순히 물리적인 대칭면을 이용하는 것이 아니라 전자기장적인 대칭면과 그 면의 전자계적인 성질을 규명하여 이용하는 방법이다. Among the miniaturization methods of the antenna, the characteristics of the complete electric field wall or the full magnetic field wall can be used. Both of them use the electromagnetic symmetry plane and the electromagnetic properties of the plane instead of simply using the physical symmetry plane.

본 발명은 다중공진을 일으키는 대칭적인 형태의 역삼각형 방사 패치를 갖는 초광대역 안테나를 설계하고, 공진모드와 각 모드별 전자기적 필드패턴을 분석하여 수직방향의 대칭면에서의 완전자계벽을 도출하여 초광대역 안테나를 초소형화한다. 즉, 초광대역 안테나의 역삼각형 방사 패치의 좌우 대칭면이 완전자계벽을 이루므로 그 면을 중심으로 잘라 한쪽면을 개방면으로 하여 직각삼각형 패치를 형성할 수 있다. The present invention designs an ultra-wideband antenna having a symmetrical inverted triangular radiation patch that causes multiple resonances, and analyzes the resonance mode and the electromagnetic field pattern for each mode to derive the complete magnetic field wall in the symmetrical plane in the vertical direction. Miniaturize broadband antennas. That is, since the left and right symmetrical surfaces of the inverted triangular radiation patch of the ultra-wideband antenna form a complete magnetic field wall, the triangular patch can be formed by cutting the surface about one side and making one side open.

이를 이용해, 완전자계벽을 개방면으로 하여 직각삼각형 패치를 형성하면 1/2 방사 패치가 형성되므로 소형화된 초광대역 안테나를 형성할 수 있다. 즉, 역삼각형 초광대역 안테나에서 한 개의 완전자계벽을 도출하고 한 개의 자계벽을 적용하여 1/2로 소형화된 직각삼각형 초광대역 안테나를 제작할 수 있다. By using this, when a right triangle patch is formed with the full magnetic field wall as an open surface, a half radiating patch is formed, thereby miniaturizing an ultra-wideband antenna. That is, one full magnetic field wall can be derived from the inverted triangular ultra-wideband antenna, and a rectangular triangular ultra-wideband antenna can be fabricated by minimizing to 1/2 by applying one magnetic field wall.

도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나의 xz-평면과 yz-평면에서의 자계분포를 나타낸 그림, 도 9는 본 발명의 제2실시예에 따라 자계벽을 이용하여 제1실시예의 안테나를 1/2로 축소시킨 초광대역 안테나를 나타내는 평면도 및 자계분포도, 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 제1실시예와 비교하여 나타낸 그래프이다.8 is a diagram showing magnetic field distributions in the xz-plane and the yz-plane of an ultra-wideband antenna having an inverted triangular radiation patch according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a second embodiment of the present invention. 10 is a plan view and a magnetic field distribution diagram showing an ultra-wideband antenna in which the antenna of the first embodiment is reduced to 1/2 by using a magnetic field wall, and FIG. 10 shows the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the second embodiment of the present invention. It is a graph compared with.

도 8은 본 발명의 제1실시예의 안테나에 대한 x-z, y-z 평면에서의 자계분포를 나타낸 것으로, 자계의 분포는 y-z평면에 대해 모두 수직을 나타내고 있으므로, 이 면은 완전자계벽(perfect magnetic wall : PMW)이다. FIG. 8 shows the magnetic field distribution in the xz and yz planes of the antenna of the first embodiment of the present invention. Since the magnetic field distributions are all perpendicular to the yz plane, this plane is a perfect magnetic wall. PMW).

완전자계벽인 경우 하기의 수학식 1 내지 4를 만족해야 한다. In the case of a complete magnetic field wall, the following Equations 1 to 4 must be satisfied.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, D는 전속밀도, B는 자속밀도, E는 전계, H는 자계이며 n은 수직성분의 벡터값이다.Where D is the flux density, B is the magnetic flux density, E is the electric field, H is the magnetic field, and n is the vector value of the vertical component.

전술한 역삼각형 초광대역 안테나는 자계(H-field)가 y-z평면에 수직방향으로 생성되고, 전계(E-field)가 y-z 평면에 접선방향으로 생성되어 수학식 3 및 4를 만족하고, y-z 평면을 중심으로 안테나의 구조와 매질의 완전한 대칭을 이루고 있어 경계면에서 전속밀도(D)와 자속밀도(B), 수직성분의 백터값(n)은 변화가 없어 수학식 1 및 2도 만족한다. In the aforementioned inverted triangular ultra-wideband antenna, a magnetic field (H-field) is generated in a direction perpendicular to the yz plane, and an electric field (E-field) is generated in a tangential direction in the yz plane, satisfying Equations 3 and 4, and the yz plane The structure of the antenna and the symmetry of the medium are fully symmetrical, so that the flux density (D), the flux density (B), and the vector value (n) of the vertical component are not changed at the interface, so that Equations 1 and 2 are also satisfied.

이처럼 상기한 제1실시예의 역삼각형 초광대역 안테나는 수학식 1 내지 4를 모두 만족하므로 y-z 평면은 완전자계벽을 이루고 있음을 알 수 있다. 따라서, 그 완전자계벽을 이루는 y-z 평면의 대칭면을 중심으로 수직컷으로 잘라 한쪽 면을 개방면으로 하여 수직컷한 직각삼각형 초광대역 안테나를 제조할 수 있다. As described above, since the inverted triangular ultra-wideband antenna of the first embodiment satisfies Equations 1 to 4, it can be seen that the y-z plane forms a complete magnetic field wall. Therefore, it is possible to manufacture a right-angled triangular ultra-wideband antenna cut vertically with respect to the symmetrical plane of the y-z plane constituting the complete magnetic field wall and cut vertically with one side open.

완전자계벽은 완전전계벽과 쌍대 관계로서 완전자계벽의 면을 개방면으로 대체하면 도 9와 같이 방사 패치가 직각삼각형으로 이루어지는 1/2 크기의 소형화된 초광대역 안테나를 형성할 수 있다.The perfect magnetic field wall is a dual relationship with the perfect electric field wall, and if the surface of the perfect magnetic field wall is replaced by an open surface, as shown in FIG. 9, a miniaturized ultra wide band antenna having a size of 1/2 having a right triangle is formed.

따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 초광대역 안테나(10a)는 대략 정사각형상의 유전체 기판(11a) 위에, 신호를 송/수신하기 위한 직각삼각형상의 방사 패치(13a), 사다리꼴 형상으로 이루어지며 간격을 두고 배치된 제1 접지면(15a) 및 일측이 상기 제1 접지면(15a)과 소정의 간격을 두고 상기 방사 패치(13a)에 대한 급전이 이루어지는 급전선이 형성되어 있으며, 상기 급전선에는 동축 콘넥터(19)의 코어가 연결되고, 제1 접지면(15a)에는 동축 콘넥터(19)의 접지선이 연결된다.Therefore, the ultra-wideband antenna 10a according to the second embodiment of the present invention has a rectangular triangular radiation patch 13a for transmitting / receiving a signal on a substantially square dielectric substrate 11a, a trapezoidal shape, and an interval therebetween. The first ground plane (15a) disposed on the side and one side of the first ground plane (15a) at a predetermined distance from the feed line for feeding the feed to the radiating patch (13a) is formed, the feed line is a coaxial connector A core of 19 is connected, and a ground line of the coaxial connector 19 is connected to the first ground plane 15a.

또한, 직각삼각형 초광대역 안테나의 완전자계벽을 이용하여 그 완전자계벽을 따라 1/2로 소형화시킬 때, 수직컷한 직각삼각형 초광대역 안테나는 급전선(17)이 외부로 노출되어 안테나의 임피던스 실수값이 변화하게 된다. 따라서, 급전선(17)이 개방면과 직접 맞닿는 문제점을 해결하기 위해 기판(11a)을 남겨놓았다. 즉, 완전자계벽을 따라 1/2 절단된 개방면에 급전선(17)이 직접 노출되지 않도록 기판(11a)이 남겨져 있음을 알 수 있다. In addition, when miniaturizing the half of the rectangular triangular ultra-wideband antenna to half along the magnetic field wall, the vertically cut rectangular triangular ultra-wideband antenna has the feed line 17 exposed to the outside, so that the impedance of the antenna The value will change. Therefore, in order to solve the problem that the feed line 17 is in direct contact with the open surface, the substrate 11a is left. That is, it can be seen that the substrate 11a is left so that the feed line 17 is not directly exposed to the open surface halved along the complete magnetic field wall.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실(실선)을 제1실시예의 반사 손실(점선)과 비교하여 나타낸 그래프로서, 서로 유사한 특성을 나타내고 있으며, 제2실시예에 따른 초광대역 안테나는 임피던스가 높아지는 현상이 있으나 전체적인 특성이 유지되는 것을 알 수 있다.FIG. 10 is a graph showing the reflection loss (solid line) of the ultra-wideband antenna according to the second embodiment of the present invention in comparison with the reflection loss (dotted line) of the first embodiment, and shows similar characteristics to each other. According to the ultra-wideband antenna, the impedance may be increased, but the overall characteristics may be maintained.

상기와 같이 본 발명의 제1실시예의 안테나는 대칭 구조로 되어 있어 자계벽 조건을 이용하여 크기를 반으로 줄일 수 있다.As described above, the antenna of the first embodiment of the present invention has a symmetrical structure, so that the size can be reduced in half by using magnetic field wall conditions.

3. 제3실시예3. Third Embodiment

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나를 나타내는 평면도, 도 12는 도 11의 부분 확대도, 도 13a는 본 발명의 제3실시예에서 경사각(α)의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프, 도 13b는 본 발명의 제3실시예에서 경사각(β)의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프, 도 13c는 본 발명의 제3실시예에서 Hg의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a plan view illustrating an ultra-wideband antenna having an inverted triangular radiation patch according to a third embodiment of the present invention. FIG. 12 is a partially enlarged view of FIG. 11 and FIG. 13A is an inclination angle α in the third embodiment of the present invention. Figure 13b is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of Fig. 13b is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of the inclination angle β in the third embodiment of the present invention, Figure 13c In the third embodiment, it is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of Hg.

도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나(10b)는 제1실시예와 유사하게, 직사각형상의 유전체 기판(11b)의 일 표면에, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치(13b), 각각 사다리꼴 영역(250a,250b)과 직사각형 영역(252a,252b)이 조합된 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면(15c,15d), 및 양측면이 상기 제1 및 제2 접지면(15c,15d)의 직사각형 영역(252a,252b)과 소정의 간격을 두고 상기 방사 패치(13b)에 대한 급전이 이루어지는 급전선(17b)이 실장된 구조를 가지고 있다.11 and 12, an ultra-wideband antenna 10b having an inverted triangular radiation patch according to a third embodiment of the present invention is similar to the first embodiment, and has a surface of a rectangular dielectric substrate 11b. In addition, the first and the second inverted triangular radiation patch 13b for transmitting / receiving a signal, the trapezoidal regions 250a and 250b and the rectangular regions 252a and 252b, respectively, are arranged at intervals. The second ground plane 15c and 15d, and both sides of the feed to the radiation patch 13b at a predetermined distance from the rectangular areas 252a and 252b of the first and second ground planes 15c and 15d, respectively. The feeder line 17b formed has the structure mounted.

본 발명의 제3실시예에 따른 역삼각형 모노폴 UWB 안테나(10b)는 제1실시예와 비교할 때, 기판(11b)의 폭(W)은 감소하고 높이(H)는 증가한 형태로 가로와 세로의 비율이 변경되고, 방사 패치(13b)는 폭(W)과 높이(H)가 각각 2/3 크기로 축소되며, 제1 및 제2 접지면(15c,15d)은 좌우 대칭이면서 급전선(17b)의 길이가 1.8mm에서 20mm로 증가하는 데 대응하여 각각 사다리꼴 영역(250a,250b)에 직사각형 영역(252a,252b)이 연장 형성되었다.Compared to the first embodiment, the inverted triangle monopole UWB antenna 10b according to the third embodiment of the present invention has the width W of the substrate 11b reduced and the height H increased in width and length. The ratio is changed, the radiation patch 13b has the width W and the height H reduced to 2/3 size, respectively, and the first and second ground planes 15c and 15d are symmetrical with the feed line 17b. The rectangular regions 252a and 252b were formed in the trapezoidal regions 250a and 250b, respectively, in response to the increase of the length from 1.8mm to 20mm.

또한, 제1 및 제2 접지면(15c,15d)의 사다리꼴 영역(250a,250b)은 각각 외측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제1경사각(α), 내측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제2경사각(β) 및 아랫변과 윗변 사이의 높이(Hg)에 의해 정의될 수 있다.In addition, the trapezoidal regions 250a and 250b of the first and second ground planes 15c and 15d are respectively formed with a first inclination angle α formed between the outer inclined plane and the lower side, and a first inclined plane formed between the inner inclined plane and the lower side. It can be defined by the two inclination angle β and the height Hg between the lower side and the upper side.

급전방식을 CPW로 구성할 경우 안테나의 제작이 비교적 간단하고 구조적 특성상 광대역 임피던스 대역폭을 얻을 수 있는 장점이 있다. When the power feeding method is composed of CPW, the antenna is relatively simple to manufacture and has an advantage of obtaining a wideband impedance bandwidth due to its structural characteristics.

상기한 본 발명의 제3실시예에 따른 역삼각형 모노폴 UWB 안테나(10b)의 특성을 확인하기 위하여 하기와 같이 시뮬레이션을 실시하고 특성을 검사하였다.In order to check the characteristics of the inverted triangular monopole UWB antenna 10b according to the third embodiment of the present invention described above, the simulation was performed and the characteristics were examined.

비유전율 6.15, 유전체 두께 0.64mm, 도체 두께 0.035mm, 손실탄젠트 0.0025인 Taconic사의 RF-60A 기판을 사용하였고, 전체 크기는 50.0(W)mm × 43.7(H)mm이며, 각 파라미터에 대한 값은 하기 표 2와 같다. 안테나의 급전은 CPW 급전방식을 이용하며 CPW 구조의 특성임피던스 계산 공식을 이용하여 50Ω의 전송선로를 구성하였다.Taconic's RF-60A substrate with a relative dielectric constant of 6.15, dielectric thickness of 0.64mm, conductor thickness of 0.035mm, and loss tangent of 0.0025 was used.The overall size is 50.0 (W) mm × 43.7 (H) mm, and the value for each parameter is It is shown in Table 2 below. The power feeding of the antenna is CPW feeding method and 50Ω transmission line is constructed by using the characteristic impedance calculation formula of CPW structure.

변수variable 길이(mm)Length (mm) 변수variable 길이(mm)Length (mm) 변수variable value WW 50.050.0 Wf W f 2.02.0 αalpha 41.4°41.4 ° HH 43.743.7 Hf H f 20.020.0 ββ 41.4°41.4 ° Wp W p 36.036.0 gp g p 0.40.4 Hg H g 8.4mm8.4mm Hp H p 19.519.5 gf g f 0.20.2 -- --

제안된 안테나는 도 13a 내지 도 13c에 나타낸 것처럼 α와 β의 경사각과 Hg의 길이 변화에 따라 반사손실 특성이 크게 변화하며 이를 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 시뮬레이션(모의실험)하였다. As shown in Figs. 13A to 13C, the return loss characteristic is greatly changed according to the inclination angles of α and β and the change in the length of Hg, and the simulation is simulated using Ansoft's High Frequency Structure Simulator (HFSS). .

경사각(α)값에 따른 반사손실 특성 변화를 나타낸 도 13a를 살펴보면, 경사각(α)값이 증가할수록 6GHz 이하 대역의 반사손실 특성이 나빠지고 6GHz 이상의 대역에서 반사손실은 개선되었으며, 경사각(α)값이 감소할수록 6GHz 이상 대역의 반사손실 특성이 개선된다.Referring to FIG. 13A, which shows the change in the reflection loss characteristic according to the inclination angle α value, as the inclination angle α value increases, the reflection loss characteristic of the band below 6 GHz is worsened and the reflection loss is improved in the band 6 GHz and above. As the value decreases, the return loss characteristic of the band above 6GHz is improved.

경사각(β)값에 따른 반사손실 특성 변화를 나타낸 도 13b를 살펴보면, 경사각(β)값이 감소할수록 6GHz 이상의 대역에서 반사손실은 좋아졌으며 경사각(β)값이 45° 근처에서 전 대역의 반사손실이 좋아진다.Referring to FIG. 13B showing the change in the reflection loss characteristic according to the inclination angle (β) value, as the value of the inclination angle (β) decreases, the reflection loss is improved in the band of 6 GHz or more, and the reflection loss of the entire band at the inclination angle (β) value near 45 °. This gets better.

Hg값에 따른 반사손실 특성 변화를 나타낸 도 13c를 살펴보면, Hg이 증가할수록 6GHz 이하의 대역의 특성이 나빠지며 8GHz 이상의 대역도 나빠진다. 또한, Hg가 감소하여도 특성이 향상되지 않으므로 Hg값이 최대값과 최소값 사이, 즉 7.5mm 내지 8.5mm 범위에서 최적화된 값이 존재함을 알 수 있다.Referring to FIG. 13C illustrating the change in return loss characteristic according to the H g value, as the H g increases, the characteristics of the band below 6 GHz deteriorate and the band above 8 GHz deteriorates. In addition, even if H g decreases, the characteristic does not improve, and therefore, it can be seen that there is an optimized value in the H g value between the maximum value and the minimum value, that is, in the range of 7.5 mm to 8.5 mm.

또한, gp는 방사 패치와 접지면의 간격을 결정하는 변수로 α, β, Hg의 값들을 간단히 최적화시킨 후 시뮬레이션을 한 결과 gp가 2mm보다 작아지면 8GHz 이상 대역에서 반사손실이 -10dB를 만족하지 못하게 되고, 2mm의 값보다 커지면 4GHz ~ 8GHz의 대역에서 반사손실이 -10 dB를 만족하지 못하게 된다. In addition, g p is a variable that determines the spacing between the radiating patch and the ground plane. By simply optimizing the values of α, β, and H g and simulating, if g p is less than 2mm, the return loss is -10dB in the band above 8GHz. If the value of 2mm is not satisfied, the return loss does not satisfy -10 dB in the band of 4GHz to 8GHz.

본 발명에서는 접지면의 경사각(α), 경사각(β), Hg를 조정하며 광대역 임피던스 정합을 하는데 초점을 두었기 때문에 이러한 상황에 맞게 적절히 gp값을 표 2에 제시된 값으로 정하고 다른 파라미터들을 시뮬레이션으로 최적화하였다.In the present invention, since the inclination angle (α), the inclination angle (β), and H g of the ground plane are adjusted to focus on broadband impedance matching, the g p value is appropriately set to the value shown in Table 2 and other parameters are appropriately set for such a situation. Optimized by simulation.

본 발명의 제3실시예에 따른 역삼각형 모노폴 UWB 안테나(10b)의 샘플 특성 검사는 후술하는 제4실시예의 설명과 함께 이루어진다.Sample characteristic inspection of the inverted triangular monopole UWB antenna 10b according to the third embodiment of the present invention is carried out together with the description of the fourth embodiment to be described later.

도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 대역저지 슬롯이 추가된 역삼각형 방사패치를 구비한 초광대역 안테나를 나타내는 평면도, 도 15는 본 발명의 제4실시예에서 Ws의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프, 도 16은 본 발명의 제4실시예에서 Hs의 변화에 따른 초광대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프이다. 14 is a plan view showing an ultra-wideband antenna having an inverted triangular radiation patch with a band blocking slot according to a fourth embodiment of the present invention, Figure 15 is an ultra-wideband according to the change of Ws in a fourth embodiment of the present invention 16 is a graph showing the reflection loss of the antenna, Figure 16 is a graph showing the reflection loss of the ultra-wideband antenna according to the change of Hs in the fourth embodiment of the present invention.

본 발명의 제4실시예에 따른 초광대역 안테나(10c)는 대역저지 슬롯(20)이 추가된 역삼각형 방사패치(13c)를 구비한 모노폴 UWB 안테나에 관한 것으로, 나머지 구조는 제3실시예와 동일하다.The ultra-wideband antenna 10c according to the fourth embodiment of the present invention relates to a monopole UWB antenna having an inverted triangular radiation patch 13c to which a band stop slot 20 is added. The remaining structure is different from that of the third embodiment. same.

즉, 본 발명의 제4실시예에 따른 초광대역 안테나(10b)는 제3실시예와 유사하게, 직사각형상의 유전체 기판(11b)의 일 표면에, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치(13c), 각각 사다리꼴 영역(250a,250b)과 직사각형 영역(252a,252b)이 조합된 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면(15c,15d), 및 양측면이 상기 제1 및 제2 접지면(15c,15d)의 직사각형 영역(252a,252b)과 소정의 간격을 두고 상기 방사 패치(13b)에 대한 급전이 이루어지는 급전선(17b)이 실장되어 있으며, 상기 역삼각형상의 방사 패치(13c)에는 WLAN 대역을 저지하기 위하여 역 T자형 대역저지 슬롯(20)이 삽입되어 있다. That is, the ultra-wideband antenna 10b according to the fourth embodiment of the present invention, similar to the third embodiment, has an inverted triangle radiation patch for transmitting / receiving a signal to one surface of the rectangular dielectric substrate 11b. 13c, the trapezoidal regions 250a and 250b and the rectangular regions 252a and 252b are formed in a combined shape, respectively, and the first and second ground planes 15c and 15d, which are spaced apart from each other, and both side surfaces thereof. The feed line 17b, which feeds power to the radiation patch 13b at predetermined intervals from the rectangular areas 252a and 252b of the first and second ground planes 15c and 15d, is mounted, and has an inverted triangle shape. An inverted T-shaped bandstop slot 20 is inserted in the radiation patch 13c to block the WLAN band.

상기 대역저지 슬롯(20)은 역삼각형상의 방사 패치(13c)의 상단으로부터 수직으로 형성된 선형의 수직슬롯(20a)과, 상기 수직 슬롯(20a)의 하단으로부터 좌우로 직각으로 연장된 수평 슬롯(20b)으로 구성되어 있다.The band stop slot 20 is a linear vertical slot 20a vertically formed from an upper end of an inverted triangular radial patch 13c and a horizontal slot 20b extending from right to left at right angles from a lower end of the vertical slot 20a. )

본 발명의 제4실시예는 도 14에 나타낸 것과 같이 제3실시예의 원형(prototype)에 추가된 대역저지 슬롯(20)은 슬롯 라인 공진기의 개념을 적용한 것으로, 공진기의 길이는 역 T자형 대역저지 슬롯(20)에서 수평 슬롯(20b)의 길이(Ws)와 같으며 공진주파수(f0)는 5.5GHz, 슬롯의 두께 0.7mm일 때 Ws의 길이는 주지된 수식을 이용하는 경우 약 19mm로 계산된다. In the fourth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 14, the band stop slot 20 added to the prototype of the third embodiment applies the concept of a slot line resonator, and the length of the resonator is an inverse T-shaped band stop. When the slot 20 is equal to the length Ws of the horizontal slot 20b and the resonant frequency f 0 is 5.5 GHz and the thickness of the slot is 0.7 mm, the length of Ws is calculated to be about 19 mm using the well-known equation. .

그러나, 도 15에 제시된 것과 같이 Ws가 19mm일 경우 저지 대역폭이 원하는 대역인 5.15GHz ~ 5.825GHz보다 넓고, Ws가 감소할수록 저지 대역폭이 줄어드는 특성을 갖는다. 시뮬레이션을 통하여 저지 주파수가 높아지는 WLAN 대역만을 저지하는 최적의 값을 찾아 적용하였다. 또한, 도 16에 나타낸 것과 같이 대역저지 슬롯(20)에서 수직 슬롯(20a)의 길이(Hs)가 증가할수록 저지 대역폭이 증가하며 감소할수록 저지 대역폭이 감소하며 저지 주파수가 높아진다. 상기의 사항들을 고려한 시뮬레이션 결과 대역 저지 슬롯의 두께는 1.0mm, Ws는 16.9mm, Hs는 4.9mm로 최적화되었다.However, as shown in FIG. 15, when Ws is 19 mm, the stop bandwidth is wider than 5.15 GHz to 5.825 GHz, which is a desired band, and as the W s decreases, the stop bandwidth is reduced. Through simulation, we find and apply an optimal value that blocks only WLAN bands with higher stop frequencies. In addition, as shown in FIG. 16, as the length Hs of the vertical slot 20a in the bandstop slot 20 increases, the stop bandwidth increases, and as the decrease decreases, the stop bandwidth decreases and the stop frequency increases. In consideration of the above, the thickness of the band stop slot is optimized to 1.0 mm, Ws to 16.9 mm, and Hs to 4.9 mm.

도 17은 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 실물 비교사진, 도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 초광대역 안테나의 시뮬레이션 및 실물에 대한 반사 손실을 비교하여 나타낸 그래프, 도 19는 본 발명의 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 시뮬레이션 및 실물에 대한 반사 손실을 비교하여 나타낸 그래프, 도 20a 내지 도 20h는 각각 3.1GHz, 5.5GHz, 8.4GHz, 10.6GHz에서 XZ-평면 및 XY-평면에 대한 모의실험과 측정한 안테나의 방사패턴을 나타낸 그래프, 도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 군지연(group delay) 특성을 나타낸 그래프이다.17 is a real comparison picture of the ultra-wideband antenna according to the third and fourth exemplary embodiments of the present invention, and FIG. 18 is a simulation of the ultra-wideband antenna according to the third exemplary embodiment of the present invention and the reflection loss of the real 19 is a graph illustrating a simulation of the ultra-wideband antenna according to the fourth embodiment of the present invention and reflection loss in real life, and FIGS. 20A to 20H are respectively at 3.1 GHz, 5.5 GHz, 8.4 GHz, and 10.6 GHz. FIG. 21 is a graph showing the group delay characteristics of the ultra-wideband antenna according to the fourth embodiment of the present invention.

도 17의 사진에서 좌측은 제3실시예에 따른 초광대역 안테나의 실물 사진, 우측은 제4실시예에 따른 초광대역 안테나의 실물 사진이다. 제작된 안테나의 전체 크기는 두 가지 형태 모두 50.0(W)mm × 43.7(H)mm이다. 안테나의 반사손실, 방사패턴은 Anritsu사의 Vector Network Analyzer 37397C를 이용하여 전자파 무반사실에서 측정하였다.In the photograph of FIG. 17, the left side is a real photo of the ultra wide band antenna according to the third embodiment, and the right side is a real photo of the ultra wide band antenna according to the fourth embodiment. The overall size of the fabricated antenna is 50.0 (W) mm × 43.7 (H) mm in both types. The return loss and radiation pattern of the antenna were measured in an electromagnetic anechoic chamber using Anritsu's Vector Network Analyzer 37397C.

도 18에 나타낸 것처럼 제작된 제3실시예에 따른 실물 안테나에 대한 특성 측정결과(실선) 3.1 ~ 10.6GHz에서 -10dB 이하의 반사손실을 보였고, 이는 시뮬레이션의 결과(점선)와 유사함을 보이고 있다. As shown in FIG. 18, the measurement results of the real antenna according to the third exemplary embodiment (solid line) showed a return loss of less than -10 dB at 3.1 to 10.6 GHz, which is similar to the simulation result (dotted line). .

또한, 도 19에 나타낸 것처럼 제작된 제4실시예에 따른 슬롯이 추가된 실물 안테나의 특성 측정결과(실선) 3.1 ~ 10.6GHz에서 -10dB를 만족하며, 5.15 ~ 5.825GHz의 WLAN 대역이 저지됨을 보였고, 이는 시뮬레이션의 결과(점선)와 유사함을 보이고 있다. In addition, as a result of measuring characteristics of the real antenna with a slot according to the fourth embodiment manufactured as shown in FIG. This is similar to the simulation result (dotted line).

도 20a 내지 도 20h는 각각 XZ-평면과 XY-평면에 대하여 3.1GHz, 5.5GHz, 8.4GHz, 10.6GHz에서 시뮬레이션의 결과와 측정한 안테나의 방사패턴을 나타낸 것이다. 도 20a 내지 도 20h에서 ◇는 제3실시예에 따른 시뮬레이션, ▽는 제3실시예에 따른 실물 안테나, ■는 제4실시예에 따른 시뮬레이션, ▲는 제4실시예에 따른 실물 안테나의 방사패턴을 각각 나타낸다.20A to 20H show the results of the simulation and the radiation pattern of the measured antennas at 3.1 GHz, 5.5 GHz, 8.4 GHz, and 10.6 GHz for the XZ-plane and the XY-plane, respectively. 20A to 20H,? Denotes a simulation according to the third embodiment,? Denotes a real antenna according to the third embodiment, ■ denotes a simulation according to the fourth embodiment, and ▲ denotes a radiation pattern of the physical antenna according to the fourth embodiment. Respectively.

저지 슬롯을 추가한 제4실시예 구조는 5.5GHz에서 제3실시예 구조에 비해 상대적으로 이득 낮음을 알 수 있다. 또한, 제4실시예에 따라 제안된 안테나는 모노폴 안테나의 확장이기 때문에 전방향성 안테나의 방사패턴과 유사한 것을 알 수 있다. 측정결과 전 대역에서 2.4dB ~ 5.3dB의 최대 이득을 가지며 주파수별 평균이득과 최대이득은 하기 표 3에 제시하였다.It can be seen that the fourth embodiment structure in which the jersey slot is added has a lower gain than that of the third embodiment structure at 5.5 GHz. In addition, the proposed antenna according to the fourth embodiment is similar to the radiation pattern of the omnidirectional antenna because it is an extension of the monopole antenna. The measurement results have the maximum gain of 2.4dB ~ 5.3dB in all bands and the average gain and the maximum gain for each frequency are shown in Table 3 below.

주파수frequency 3.1GHz3.1 GHz 5.5GHz5.5 GHz 8.4GHz8.4 GHz 10.6GHz10.6 GHz 평균이득Average gain -0.3dB-0.3 dB -5.8dB-5.8 dB -6.7dB-6.7 dB -1.5dB-1.5 dB 최대이득Maximum gain 2.4dB2.4 dB 0.3dB0.3 dB 2.4dB2.4 dB 5.3dB5.3 dB

도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초광대역 안테나의 군지연(group delay) 특성을 나타낸 그래프로서, double-ridged horn antenna(MTG-drh-020180)를 송신 기준 안테나로 사용하여 측정한 것이다. 측정 결과 WLAN 대역(5.15 ~ 5.825GHz)을 제외한 UWB 전 대역에서 군지연이 1 ns이내에 있음을 보인다.FIG. 21 is a graph illustrating group delay characteristics of an ultra-wideband antenna according to a fourth embodiment of the present invention, measured using a double-ridged horn antenna (MTG-drh-020180) as a transmission reference antenna. . The measurement results show that the group delay is within 1 ns for the entire UWB band except for the WLAN band (5.15 to 5.825 GHz).

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 역삼각형 모노폴 형태의 안테나에서 양측에 배치된 제1 및 제2 접지면에 각각 외측 및 내측 경사면을 부여함에 의해 부족한 대역폭을 증가시키고, 방사 패치에 대역 저지 슬롯을 추가하여 WLAN 대역을 저지할 수 있다. As described above, in the present invention, the insufficient bandwidth is increased by providing outer and inner inclined planes to the first and second ground planes disposed on both sides in the inverted triangle monopole type antenna, and a band stop slot is added to the radiation patch. To block the WLAN band.

본 발명의 안테나는 제1 및 제2 접지면에서 사다리꼴 영역의 제1경사각(α), 제2경사각(β) 및 아랫변과 윗변 사이의 높이(Hg)에 의해 임피던스 특성이 변화하는 것을 이용하여 방사 패치와 급전선 사이의 임피던스 매칭을 실시하고 있어, 방사 패치에 별도의 매칭 스터브(또는 정합 스터브)를 형성하는 것을 생략할 수 있다. In the antenna of the present invention, the impedance characteristic is changed by the first inclination angle α, the second inclination angle β of the trapezoidal region and the height Hg between the lower and upper sides of the first and second ground planes. Impedance matching between the radiation patch and the feed line is performed, so that a separate matching stub (or matching stub) can be omitted from the radiation patch.

그 결과, 본 발명에서는 종래의 경우 사각형 또는 원형이나 타원형 방사 패치를 이용하면서 방사 패치와 같이 매칭 스터브(또는 정합 스터브)를 사용하여 임피던스 매칭을 실시하는 것을 생략할 수 있다.As a result, in the present invention, it is possible to omit the impedance matching using a matching stub (or matching stub) like a spinning patch while using a rectangular, circular or elliptical radiation patch.

또한, 본 발명에서는 안테나 특성 구현을 위한 패턴이 원 또는 곡선 구조 대신에 직선 형태로 이루어져 있기 때문에 제작 및 설계가 용이한 형상이므로, 정밀한 특성 구현이 쉽게 이루어질 수 있다. 더욱이, CPW급전 구조를 이용하여 제작이 용이하며 광대역 임피던스 대역폭을 얻을 수 있는 이점이 있다. Further, in the present invention, since the pattern for implementing the antenna characteristics is formed in a straight line instead of a circular or curved structure, the shape is easy to manufacture and design, so that precise characteristics can be easily implemented. Moreover, there is an advantage in that it is easy to manufacture using a CPW feeding structure and obtains a wideband impedance bandwidth.

본 발명은 UWB 통신시스템에서 곧바로 적용 가능할 뿐만 아니라 안테나를 약간 수정하면 LTE, WiMax, 블루투스(Bluetooth), WiFi, GPS, 위성 DMB, 와이브로(WiBro), 지그비(Zigbee) 등에도 적용 가능하여 여러 주파수 대역에 필요한 안테나를 하나의 안테나로 통합하여 사용할 수 있다.The present invention is not only applicable directly to the UWB communication system but also slightly modified antennas can be applied to LTE, WiMax, Bluetooth, WiFi, GPS, satellite DMB, WiBro, Zigbee, etc. It is possible to combine the necessary antennas into one antenna.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.

10-10c: 안테나 11-11b: 기판
13a-13c: 방사 패치 15a-15d: 접지면
17-17b: 급전선 19: 동축 콘넥터
20: 대역 저지 슬롯 20a: 수직 슬롯
20b: 수평 슬롯 131: 경사면
151: 윗변 152; 아랫변
153: 외측 경사면 154: 내측 경사면
155: 수직면 250a,250b: 사다리꼴 영역
252a,252b: 직사각형 영역
10-10c: antenna 11-11b: substrate
13a-13c: radiation patch 15a-15d: ground plane
17-17b: feed line 19: coaxial connector
20: band stop slot 20a: vertical slot
20b: horizontal slot 131: slope
151: upper side 152; Lower side
153: outer inclined surface 154: inner inclined surface
155: vertical plane 250a, 250b: trapezoidal area
252a, 252b: rectangular area

Claims (10)

사각형상의 유전체 기판;
상기 유전체 기판의 일 표면에 형성되며, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치;
각각 사다리꼴 영역과 직사각형 영역이 조합된 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면; 및
양측면이 상기 제1 및 제2 접지면의 직사각형 영역과 간격을 두고 형성되어 상기 방사 패치에 대한 급전이 이루어지는 포폴라너 도파관(CPW) 급전선을 포함하며,
상기 제1 및 제2 접지면은 각각 사다리꼴 영역의 외측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제1경사각, 내측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제2경사각, 및 아랫변과 윗변 사이의 높이를 조정하여 안테나의 대역폭을 설정함과 동시에 방사 패치와 급전선 사이의 임피던스 매칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
Rectangular dielectric substrate;
An inverted triangular radiation patch formed on one surface of the dielectric substrate and configured to transmit / receive a signal;
First and second ground planes each having a trapezoidal area and a rectangular area in a combined shape and spaced apart from each other; And
Two sides are formed at intervals from the rectangular areas of the first and second ground planes to include a popolaner waveguide (CPW) feed line that feeds to the radiating patch;
The first and second ground planes respectively adjust the first inclination angle formed between the outer inclined surface and the lower side of the trapezoidal region, the second inclination angle formed between the inner inclined surface and the lower side, and the height between the lower side and the upper side. An ultra-wideband antenna, characterized in that impedance matching between a radiating patch and a feed line is performed while setting the bandwidth of the antenna.
제1항에 있어서, 상기 역삼각형상의 방사 패치에 삽입되어 WLAN 대역을 저지하기 위하여 역 T자형 대역저지 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.The ultra-wideband antenna according to claim 1, further comprising an inverted T-shaped bandstop slot inserted into the inverted triangular radiation patch to block the WLAN band. 제2항에 있어서, 상기 대역저지 슬롯은 역삼각형상의 방사 패치의 상단으로부터 수직으로 형성된 선형의 수직 슬롯과,
상기 수직 슬롯의 하단으로부터 좌우로 직각으로 연장된 수평 슬롯으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
The method of claim 2, wherein the band blocking slot is a linear vertical slot formed vertically from the upper end of the reverse patch of the inverted triangle,
And a horizontal slot extending at right angles from the lower end of the vertical slot.
제3항에 있어서, 상기 대역저지 슬롯에서 상기 수평 슬롯의 길이가 감소할수록 저지 대역폭이 줄어들고,
상기 수직 슬롯의 길이가 증가할수록 저지 대역폭이 증가하고, 수직 슬롯의 길이가 감소할수록 저지 대역폭이 감소함과 동시에 저지 주파수가 높아지는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
The method of claim 3, wherein the stop bandwidth is reduced as the length of the horizontal slot is reduced in the band blocking slot,
The stop bandwidth increases as the length of the vertical slot increases, and as the length of the vertical slot decreases, the stop bandwidth decreases and the stop frequency increases.
제3항에 있어서, 상기 대역 저지 슬롯의 두께는 1.0mm, 수평 슬롯의 길이는 16.9mm, 수직 슬롯의 길이는 4.9mm로 설정되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.4. The ultra-wideband antenna according to claim 3, wherein the band blocking slot has a thickness of 1.0 mm, the length of the horizontal slot is 16.9 mm, and the length of the vertical slot is 4.9 mm. 직사각형상의 유전체 기판;
상기 유전체 기판의 일 표면에 형성되며, 신호를 송/수신하기 위한 역삼각형상의 방사 패치;
각각 사다리꼴 형상으로 이루어지며 서로 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 접지면; 및
양측면이 상기 제1 및 제2 접지면과 간격을 두고 형성되어 상기 방사 패치에 대한 급전이 이루어지는 포폴라너 도파관(CPW) 급전선을 포함하며,
상기 제1 및 제2 접지면은 각각 사다리꼴 형상의 외측 경사면과 아랫변 사이에 형성되는 제1경사각, 내측 경사면과 아랫변의 평행선 사이에 형성되는 제2경사각, 및 아랫변과 윗변 사이의 높이를 조정하여 안테나의 대역폭을 설정함과 동시에 방사 패치와 급전선 사이의 임피던스 매칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
Rectangular dielectric substrate;
An inverted triangular radiation patch formed on one surface of the dielectric substrate and configured to transmit / receive a signal;
First and second ground planes each formed in a trapezoidal shape and spaced apart from each other; And
Both sides are formed at intervals from the first and second ground plane to include a popolaner waveguide (CPW) feed line that feeds the radiation patch,
Each of the first and second ground planes adjusts a first inclination angle formed between a trapezoidal outer inclined surface and a lower side, a second inclination angle formed between a parallel line of the inner inclined surface and a lower side, and a height between the lower and upper sides. And setting the bandwidth of the antenna and performing impedance matching between the radiating patch and the feed line.
제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 접지면은 각각 역삼각형 방사 패치의 경사면과 대향한 부분에 내측 경사면이 배치되어 있으며, 상기 내측 경사면과 아랫변이 만나는 부분에는 급전선이 코폴로나 도파관(CPW) 구조를 형성하도록 급전선과 형행한 수직면이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.The method of claim 6, wherein the first and the second ground plane has an inner inclined surface is disposed on the portion opposite to the inclined surface of the inverted triangular radiation patch, respectively, the feed line is a co-pollo or waveguide (in An ultra-wide band antenna, characterized in that a vertical plane parallel to the feed line is formed to form a CPW) structure. 제6항에 있어서, 상기 안테나는 완전자계벽을 이루는 y-z 평면의 대칭면을 중심으로 수직컷으로 잘라 한쪽 면을 개방면으로 하여 수직컷한 직각삼각형 방사 패치를 구비하는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.7. The ultra-wideband antenna according to claim 6, wherein the antenna includes a right-angled triangular radiation patch cut into a vertical cut about a symmetrical plane of the y-z plane constituting a complete magnetic field and cut vertically with one side as an open surface. 제8항에 있어서, 상기 완전자계벽을 따라 1/2 절단된 개방면에 급전선이 직접 노출되지 않도록 기판이 남겨져 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.10. The ultra-wideband antenna according to claim 8, wherein the substrate is left in such a way that the feed line is not directly exposed to the open surface half cut along the complete magnetic field wall. 제6항에 있어서, 상기 역삼각형 방사 패치의 높이는 동작 대역의 최저 주파수의 λ/4 길이에 대응하여 설정되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.7. The ultra-wideband antenna according to claim 6, wherein the height of the inverted triangular radiation patch is set corresponding to the λ / 4 length of the lowest frequency of the operating band.
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