KR20140093548A - Microstrip chip antenna with top loading structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 근거리 무선 통신장치의 전자파 방사를 위한 소형 마이크로스트립 칩 안테나에 관한 것으로, 특히 무선 통신용 모듈 위에 장착되는, 평판 역F 안테나(PIFA; Planar Inverted F Antenna)의 공진전류 경로를 비균일 미앤더(meander)선로로 형성하고, 상기 미앤더 선로의 끝단에 탑 로우딩 구조를 부착하여 공진주파수를 낮추는 탑 로우딩된 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a small-sized microstrip chip antenna for electromagnetic wave radiation of a short-range wireless communication apparatus, and more particularly to a small-sized microstrip chip antenna for radiating a resonance current path of a planar inverted F antenna (PIFA) and a top-laid meander line radiator in which a top-loading structure is attached to an end of the meander line to lower a resonant frequency.
통신기계에 사용되는 평판 역F 안테나(PIFA; Planar Inverted F Antenna)는 F자를 뒤집어 놓은 것처럼 평판의 접지면 위에 보다 작은 면적의 사각 패치판을 얹은 평판 안테나로서 접지면, 패치, 급전점, 단락핀(또는 단락 스트립)으로 구성된다. Planar Inverted F Antenna (PIFA) used in telecommunication equipment is a planar antenna with a square patch plate of smaller area on the ground plane of the plate as if it is turned upside down. It is a ground plane, patch, feeding point, shorting pin (Or shorting strip).
PIFA는 전류 급전에 의해 패치가 접지면과 공진되면서 복사소자로서 역할을 하며, 패치의 높이/넓이/길이/, 급전점의 위치, 단락핀의 위치에 따라 대역폭, 이득, 공진 주파수 등이 결정되며, PIFA는 돌출부가 없어 휴대폰에 내장시킬 수 있고, 지향성 개선을 위해서는 휴대폰의 양쪽면에 2개를 붙이거나 2개 주파수대의 듀얼 모드를 위해 중첩하는 경우도 있다.
PIFA acts as a radiating element as the patch is resonated with the ground plane by current feeding. Bandwidth, gain, and resonance frequency are determined according to patch height / width / length / feed point position and short pin position. , The PIFA can be embedded in a mobile phone without protruding parts, and in order to improve the directivity, two pieces may be attached to both sides of the mobile phone, or the mobile phone may be superimposed for dual mode of two frequency bands.
일반적인 PIFA의 경우 크기는 동작 주파수의 파장(λ)을 기준으로 λ/4 길이를 갖도록 설계한다. PIFA는 기본적으로 모노폴 안테나의 개념에서 출발하지만 모노폴 안테나와 다른 점은 안테나 방사체가 수평방향이며 방사체가 접지면에 단락 되는 것이다. 급전점을 통해 전류가 방사체에 공급되고, 방사체를 흘러다닌 전류가 단락핀을 통해 접지면으로 돌아올 때 공진하면서 방사가 되는 원리이다.
In the case of a general PIFA, the size is designed to have a length of? / 4 based on the wavelength (?) Of the operating frequency. PIFA basically starts with the concept of a monopole antenna, but it differs from a monopole antenna in that the antenna radiator is horizontal and the radiator is shorted to the ground plane. The principle is that the current is supplied to the radiator through the feed point, and the current flowing through the radiator returns to the ground plane through the shorting pin while resonating.
도1은 일반적인 λ/4 공진길이를 갖는 PIFA의 모습이다. 아무런 성형이 되어있지 않은 기본적인 모습으로, 안테나(10)를 구성하는 안테나 보드(11), 패치(12) 안테나 급전점(13), 접지면 연결점(14), 홀(15)을 구조를 확인할 수 있으며, 큰 체적으로 인하여 지그비(Zigbee)나 블루투스(Bluetooth)용 소형 통신모듈에 장착하기에는 부적합한 모습이다. 도2는 도1 안테나의 주파수 응답 특성을 나타낸 것이다.
1 is a view of PIFA having a general? / 4 resonance length. It is possible to confirm the structure of the
위 도2에 나타난 바와 같이 일반적인 PIFA는 2.4-2.5GHz 대역에서 λ/4 이하의 소형 안테나를 필요로 하는 무선 통신장치에 장착하기에는 부적합하다.
As shown in FIG. 2, the general PIFA is not suitable for mounting in a radio communication apparatus requiring a small antenna of less than? / 4 in the 2.4-2.5 GHz band.
이러한 문제점을 개선하기 위해 λ/4 길이보다 더 작은 공간에서 상승할 수 있는 주파수를 상기 대역에서 공진할 수 있는 조건을 부여하기 위해 선로를 구부려서 설계하는 미앤러링 기법이 도입되었다. In order to solve this problem, a miniering technique has been introduced in which a line is bent and designed to give a condition capable of resonating in a frequency band that can rise in a space smaller than the length of? / 4.
미앤더링은 안테나의 물리적 구조를 구부려 안테나의 전기적 거리를 증가시켜 소형화 할 수 있는 방법으로서, 구부린 선로끼리의 간격이 너무 좁으면 선로의 유도용량을 저해하는 패치간 기생 커패시턴스 결합이 발생하여 효율이 감소하거나 대역폭이 줄어드는 단점을 야기할 수 있는 문제점이 있었다. Meandering is a method of reducing the physical size of the antenna by increasing the electrical distance of the antenna. If the distance between the bent lines is too narrow, parasitic capacitance coupling between the patches, which interferes with the inductive capacity of the line, Or the bandwidth may be reduced.
도3은 도1의 안테나를 미앤더 선로 형태로 바꾼 모습이다. 안테나(20)를 구성하는 안테나 보드(21), 패치(22) 안테나 급전점(23), 접지면 연결점(24), 홀(25)을 구조는 그대로 포함하는 미앤더 선로로 설계함으로써 안테나의 전체적인 크기를 λ/8로 줄였지만, 도 4에 나타난 바와 같이 주파수 응답 특성은 2.55GHz을 나타내므로, 통신기기에서 요구되는 주파수 2.45GHz로 설계하려면 지금보다 크기를 더 키워야 하는 새로운 문제점이 나타났다.
FIG. 3 is a view showing the antenna of FIG. 1 changed into a meander line shape. By designing the
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 선로의 미앤더링과 그 끝을 탑 로우딩 처리하여 기존의 PIFA 크기보다 안테나의 크기를 줄이면서도 주파수의 상승을 막아 주파수를 유지하는 설계구조를 적용하여, 모노폴 안테나와 함께 상용 통신장치에서 많이 사용되는 λ/4 길이의 PIFA 안테나를 2.4∼2.5 GHz에서 대역폭, 이득, 효율을 유지하면서도 점유면적을 절반 이하로 제작가능한 탑 로우딩된 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a designing method of maintaining a frequency by preventing a rise in frequency while reducing antenna size compared to a conventional PIFA size by top- , A PIFA antenna with a λ / 4 length, which is widely used in commercial communication devices together with a monopole antenna, can be manufactured at 2.4 to 2.5 GHz, while maintaining the bandwidth, gain and efficiency, And it is an object of the present invention to provide a small antenna for a line radiator.
본 발명에 의한 탑 로우딩된 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나는 무선 통신장치의 전자파 방사를 위한 소형 마이크로스트립 칩 안테나에 있어서, 기판 재료(substrate material)로 이루어지는 안테나 보드와, 상기 안테나 보드의 표면에 형성되어 공진 전류의 경로를 이루는 패치를 포함하여 구성되되, 상기 패치는 인접한 선로 상의 기생 커패시턴스와 그에 따른 추가적인 주파수 이동가능성을 감소시키기 위해 비균일 미앤더(meander)선로로 구성하고, 상기 미앤더 선로의 끝단에 탑로우딩(top loading) 구조를 부착하여 공진주파수를 낮추는 것을 그 기술적 특징으로 한다. The small-sized antenna of the top-rolled meander line radiator according to the present invention is a small-sized microstrip chip antenna for radiating electromagnetic waves of a wireless communication device, comprising: an antenna board made of a substrate material; Wherein the patch comprises a non-uniform meander line to reduce the parasitic capacitance on the adjacent line and thereby the possibility of additional frequency drift, and the meander line, And a top loading structure is attached to the end of the resonator to lower the resonance frequency.
본 발명에 의한 탑 로우딩된 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나는 기존의 λ/4 길이를 갖는 PIFA를 미앤더 타입 선로를 이용하여 1차적으로 소형화 시킨 후, 탑 로우딩 구조를 이용하여 공진주파수의 상승을 막고 안테나의 크기를 λ/8 크기에서 통신기기에 적합한 이득, 대역폭, 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
The small-sized antenna of the top-laid meander line radiator according to the present invention can be obtained by first downsizing a conventional PIFA having a length of? / 4 using a meander type line and then using a top- It is possible to obtain the gain, bandwidth and efficiency suitable for the communication device in the size of the antenna of? / 8 size.
도 1은 일반적인 λ/4의 길이를 갖는 PIFA 구조,
도 2는 일반적인 λ/4의 길이를 갖는 PIFA 구조의 주파수응답 특성,
도 3은 미앤더 선로를 통해 λ/8의 길이로 소형화된 PIFA 구조,
도 4는 미앤더 선로를 통해 λ/8의 길이로 소형화된 PIFA 구조의 주파수응답 특성,
도 5는 본 발명의 λ/8 길이로 소형화 된 탑 로우딩 구조가 포함된 미앤더 선로의 변형 PIFA 안테나,
도 6은 도 5의 상면과 하면에 형성된 패치를 개략적으로 나타낸 모식도,
도 7은 본 발명의 λ/8 길이로 소형화 된 탑 로우딩 구조가 포함된 미앤더 선로 변형 PIFA 안테나의 주파수응답 특성,
도 8은 본 발명의 λ/8 길이로 소형화 된 탑 로우딩 구조가 포함된 미앤더 선로 변형 PIFA 구조의 전류 분포,
도 9은 본 발명의 λ/8 길이로 소형화 된 탑 로우딩 구조가 포함된 미앤더 선로 변형 PIFA 구조의 전계 벡터 분포,
도 10는 본 발명의 λ/8 길이로 소형화 된 탑 로우딩 구조가 포함된 미앤더 선로 변형 PIFA 구조의 전자파 방사패턴.1 shows a PIFA structure having a typical? / 4 length,
2 shows the frequency response characteristics of a PIFA structure having a general length of? / 4,
FIG. 3 shows a PIFA structure miniaturized to a length of? / 8 through a meander line,
4 shows the frequency response characteristics of a PIFA structure miniaturized to a length of? / 8 through a meander line,
FIG. 5 shows a modified PIFA antenna of a meander line including a top-downing structure that is miniaturized to a lambda / 8 length according to the present invention,
FIG. 6 is a schematic view schematically showing patches formed on the upper and lower surfaces of FIG. 5,
FIG. 7 is a graph showing the frequency response characteristics of a meander line PIFA antenna including a top-downing structure of a lambda / 8 length according to the present invention,
8 is a graph showing a current distribution of a meander line PIFA structure including a top-downing structure that is miniaturized to a lambda / 8 length according to the present invention,
FIG. 9 is a graph showing an electric field vector distribution of a meander line modified PIFA structure including a top-downing structure that is miniaturized to a lambda / 8 length of the present invention,
10 is a microwave radiation pattern of a meander line modified PIFA structure including a top-downing structure that is miniaturized to a lambda / 8 length of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 무선 통신장치의 전자파 방사를 위한 소형 마이크로스트립 칩 안테나에 적용되는 것이므로 안테나의 소형화와 성능유지가 주목적이다. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a small-sized microstrip chip antenna for radiating electromagnetic waves of a wireless communication device, so that miniaturization and performance maintenance of the antenna are the main object.
이를 위해 λ/4 길이보다 더 작은 공간에서 상승할 수 있는 주파수를 상기 대역에서 공진할 수 있는 조건을 부여하기 위해 선로를 구부리는 미앤더(meander) 타입을 선정하였다.For this purpose, a meander type which bends the line to give a condition that resonates in the above-mentioned frequency that can rise in a space smaller than the length of? / 4 is selected.
본 발명에 의한 탑 로우딩 구조를 갖는 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나는 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 기판 재료(substrate material)로 이루어지는 안테나 보드(31)와, 상기 안테나 보드(31)의 표면에 형성되어 공진 전류의 경로를 이루는 패치(32)를 포함하여 구성된다.
5 and 6, a small antenna of a meander line radiator having a top-loading structure according to the present invention includes an
상기 안테나 보드(31) 상면에 형성된 패치(32)는 일정한 폭으로 이루어진 직선이 서로 상이한 길이마다 90°로 방향전환되는 상기 직선부(32a)와, 상기 직선부(32a)의 끝단을 이루며 탑 로우딩 구조가 부착되는 공간부(32b)를 포함하는 비균일 미앤더 선로를 형성하고, 상기 안테나 보드(31) 하면에 형성된 패치(32)는 안테나 급전점(33)과 접지면 연결점(34)을 포함하여 이루어진다.
The
이때, 상기 안테나 급전점(33)과 직선부(32a)의 선단에는 서로를 전기적으로 연결할 수 있도록 홀(35)이 구비되며, 상기 홀(35)의 크기에 의해 컨덕턴스값(L)이 결정된다. At this time, a
또한, 상기 비균일 미앤더 선로는 직선부(32a)의 길이와 공간부(32b)에 형성되는 탑 로우딩 구조에 의해 커패시턴스값(C)이 결정된다.
In the non-uniform meander line, the capacitance value C is determined by the length of the
상기 탑 로우딩 구조는 공간부의 표면 일측에 탑 로우딩(top loading; 정상부 부하)를 부착하는 것을 의미하는 것으로서, 종래 전기통신분야에서 사용되는 공지의 기술이므로, 이하 부착방법 등에 대한 상세한 기술설명은 생략하며, 이에 대한 도 8의 전류 분포 및 도 9의 전계 벡터 분포에 의해 탑 로우딩 구조의 설명을 대체한다.
The top-downing structure means attaching top loading to one side of the surface of the space, and is a well-known technology used in the field of telecommunication in the past. And the description of the top-downing structure is replaced by the current distribution shown in Fig. 8 and the electric field vector distribution shown in Fig.
종래 균일 형식의 미앤더링 선로에서는 패치가 이루는 패턴이 균일하여 인접한 선로 사이에 기생 커패시턴스와 그에 따른 추가적인 주파수 이동가능성이 발생하는 바, 본 발명은 이를 방지하기 위해 비균일 미앤더 선로를 채택하였다.
In the conventional uniform type line, the pattern formed by the patch is uniform, and parasitic capacitance between the adjacent lines and the possibility of additional frequency movement are generated. In order to prevent this, the non-uniform meander line is adopted.
또한, 단순한 미앤러 선로의 구조에서는 공진 주파수가 높기 때문에 동작 주파수를 낮추기 위해 미앤더 선로의 끝에 탑 로우딩(top loading)(40) 구조를 형성하여 λ/4 길이 PIFA의 성능을 유지한 채 안테나의 점유면적을 λ/4 아래로 줄이는 새로운 방식을 제안한다. In order to lower the operating frequency, a top loading (40) structure is formed at the end of the meander line to maintain the performance of the λ / 4 length PIFA. To reduce the occupied area of the optical fiber to less than λ / 4.
즉, 종래 미앤더링 선로의 안테나는 구부린 선로끼리의 간격이 너무 좁으면 선로의 유도용량을 저해하는 패치간 기생 커패시턴스 결합이 발생하여 효율이 감소하거나 대역폭이 줄어드는 단점이 있으므로, 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 미앤더 라인 끝에 탑 로우딩 구조를 부착하여 선로의 유도용량을 저해하지 않는 커패시턴스 성분이 증가시켰다.
That is, in the conventional meandering line antenna, if the interval between the bent lines is too narrow, parasitic capacitance coupling between the patches that interfere with the inductive capacity of the line is generated, and the efficiency is decreased or the bandwidth is reduced. , A top-loading structure was attached at the end of the meander line to increase the capacitance component that does not impede the inductive capacity of the line.
따라서, 미앤더 라인과 탑 로우딩 구조를 이용하여 전체 길이를 λ/8로 줄이면서도, λ/4 길이 PIFA의 성능의 유지할 수 있게 된다.
Therefore, it is possible to maintain the performance of the? / 4 length PIFA while reducing the overall length to? / 8 by using the meander line and the top-loading structure.
이때, 도7에 나타난 바와 같이, 미앤더 타입의 PIFA에 탑 로우딩 구조를 부착하면, 종래의 미앤더 타입으로만 성형한 결과와 비교했을때 보다 공진주파수가 100MHz 정도 낮아졌음을 확인할 수 있다.
At this time, as shown in FIG. 7, when the top-loading structure is attached to the meander type PIFA, it can be confirmed that the resonance frequency is lowered by about 100 MHz as compared with the result of molding only in the conventional meander type.
이와 같이, 본 발명은 탑 로우딩 구조에 의해 안테나(30)의 길이를 절반으로 줄였음에도 종래 PIFA와 유사한 전류/전계 특성과 안테나 방사패턴이 나타나게 된다. As described above, although the length of the
즉, 도 8 및 도 9는 본 발명의 탑 로우딩 구조가 포함된 미앤더 선로 변형 PIFA 구조의 전류 분포 및 전계 벡터 분포이고, 도 10은 안테나 방사패턴에서는 기본적인 PIFA와 마찬가지로 전방향성 특성이 나타나는 것을 알 수 있다. 이때 이득은 2dBi 이상, 효율도 80% 이상으로 확인되었다.
8 and 9 are a current distribution and an electric field vector distribution of a meander line PIFA structure including a top-loading structure according to the present invention. FIG. 10 shows that an omni-directional characteristic appears in an antenna radiation pattern like a basic PIFA Able to know. At this time, the gain was more than 2dBi and the efficiency was more than 80%.
상기와 같은 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. will be.
10,20,30 : 안테나 11,21,31 : 안테나 보드
12,22,32 : 패치 13,23,33 : 안테나 급전점
14,24,34 : 접지면 연결점 15,25,35 : 홀
32a: 직선부 32b: 공간부
40 : 탑 로우딩10, 20, 30:
12, 22, 32:
14,24,34: ground
32a:
40: Top rowing
Claims (4)
기판 재료(substrate material)로 이루어지는 안테나 보드(31)와, 상기 안테나 보드(31)의 표면에 형성되어 공진 전류의 경로를 이루는 패치(32)를 포함하여 구성되되,
상기 패치(32)는 인접한 선로 상의 기생 커패시턴스와 그에 따른 추가적인 주파수 이동가능성을 감소시키기 위해 비균일 미앤더(meander)선로로 구성하고, 상기 미앤더 선로의 끝단에 탑로우딩(top loading) 구조(40)를 부착하여 공진주파수를 낮추는 것을 특징으로 하는 탑 로우딩 구조를 갖는 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나.
A small microstrip chip antenna for electromagnetic wave radiation of a wireless communication device,
An antenna board 31 made of a substrate material and a patch 32 formed on the surface of the antenna board 31 and forming a path of a resonance current,
The patch 32 may be constructed with a non-uniform meander line to reduce parasitic capacitance on adjacent lines and thus additional frequency drift, and a top loading structure at the end of the meander line 40) is attached to lower the resonance frequency of the meander line radiator.
상기 안테나 보드(31) 상면에 형성된 패치(32)는 일정한 폭으로 이루어진 직선이 서로 상이한 길이마다 90°로 방향전환되는 상기 직선부(32a)와, 상기 직선부(32a)의 끝단을 이루며 탑 로우딩 구조가 부착되는 공간부(32b)를 포함하는 비균일 미앤더 선로를 형성하고,
상기 안테나 보드(31) 하면에 형성된 패치(32)는 안테나 급전점(33)과 접지면 연결점(34)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탑 로우딩 구조를 갖는 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나.
The method according to claim 1,
The patch 32 formed on the upper surface of the antenna board 31 includes the rectilinear section 32a in which a straight line having a predetermined width is changed in direction at 90 degrees for different lengths and the rectilinear section 32a forming the end of the rectilinear section 32a, Forming a non-uniform meander line including a space portion (32b) to which a diving structure is attached,
Wherein the patch 32 formed on the lower surface of the antenna board 31 comprises an antenna feed point 33 and a ground plane connection point 34. The meander line radiator of claim 1,
상기 안테나 급전점(33)과 직선부(32a)의 선단에는 서로를 전기적으로 연결할 수 있도록 홀(35)이 구비되며,
상기 홀(35)의 크기에 의해 컨덕턴스값(L)이 결정되는 것을 특징으로 하는 탑 로우딩 구조를 갖는 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나.
3. The method of claim 2,
The antenna feed point 33 and the straight line portion 32a are provided with a hole 35 so as to be electrically connected to each other,
And the conductance value (L) is determined by the size of the hole (35).
상기 비균일 미앤더 선로는 직선부(32a)의 길이와 공간부(32b)에 형성되는 탑 로우딩 구조에 의해 커패시턴스값(C)이 결정되는 것을 특징으로 하는 탑 로우딩 구조를 갖는 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나.
3. The method of claim 2,
Wherein the non-uniform meander line has a capacitance value (C) determined by the length of the rectilinear section (32a) and the top-loading structure formed in the spatial section (32b) Small antenna of radiator.
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