KR100787831B1 - Antenna for uwb applications - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시에 따른 안테나의 상면도 및 저면도1 is a top view and a bottom view of an antenna according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예로써 원형 슬롯의 길이에 따른 주파수 대 반사 손실을 나타낸 그래프2 is a graph showing frequency versus return loss according to the length of a circular slot according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예로써 접지면의 테이퍼 길이에 따른 주파수 대 반사손실을 나타낸 그래프3 is a graph showing frequency vs. return loss according to the taper length of the ground plane according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예로써 개방 스터브의 길이에 따른 주파수 대 정재파비를 나타낸 그래프4 is a graph showing a frequency versus standing wave ratio according to the length of an open stub according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명에 따라 안테나를 제작하여 측정된 주파수 대 정재파비를 나타낸 그래프5 is a graph showing a frequency versus standing wave ratio measured by fabricating an antenna according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따라 안테나를 제작하여 측정된 주파수 대 이득을 나타낸 그래프6 is a graph showing a frequency vs. gain measured by fabricating an antenna according to the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예로써 주파수에 따른 복사 패턴을 나타낸 그래프7 is a graph showing a radiation pattern according to frequency according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the reference numerals for the main parts of the drawings>
11 : 기판 12 : 원형 복사체11
13 : 개방 스터브 14 : 접지면13: open stub 14: ground plane
15 : 급전선 16 : 원형 슬롯15: feeder line 16: round slot
본 발명은 초광대역 (Ultra-Wideband : UWB) 통신 시스템용 안테나에 관한 것으로 5GHz 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나에 관한 것이다. The present invention relates to an antenna for an ultra-wideband (UWB) communication system, and to an ultra-wideband antenna having a band blocking characteristic in a 5 GHz band.
초광대역 시스템은 중심 주파수의 20 % 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 500 MHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술 시스템으로 정의한다. 2002년 2월 미국 연방통신위원회 (FCC : Federal Communication Commission)가 UWB (3.1GHz ～ 10.6 GHz)의 상용 사용을 인가함으로써 미국의 군사용 무선 기술로 개발되어 오던 기술이 일반 통신에 개방되었다. 이 기술은 반송파를 이용하지 않고 펄스 변조한 신호를 그대로 공간에 복사한다. UWB는 기존의 무선 통신의 영역 이외에 거리의 계측 (location awareness)이나 레이더 기술에도 응용이 가능하다. Ultra-wideband systems are defined as systems that occupy more than 20% of the bandwidth of the center frequency or wireless transmission technology systems occupying more than 500 MHz. In February 2002, the Federal Communications Commission (FCC) approved the commercial use of UWB (3.1 GHz to 10.6 GHz), opening the door to general telecommunications. This technique copies a pulse-modulated signal into space without using a carrier wave. UWB can be applied to location awareness and radar technology in addition to the conventional wireless communication area.
UWB 시스템은 디지털 부호 정보를 나노 세컨드 (10-9) 이하의 매우 짧은 폭을 가지는 임펄스 신호로 변환해서 무선으로 전송하는 기술로 광 통신과 같은 수백 Mbps의 초고속 통신이 가능하며, 매우 낮은 송신 전력의 사용으로 배터리가 기존 무선 통신 방식보다 수십 배 이상 오래 사용할 뿐 아니라, 송수신 장치도 획기적으로 소형화 할 수 있어 기존의 무선 통신 한계를 극복할 수 있는 기술로 기대되고 있다. UWB 시스템의 신호는 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있으므로 주파수 영역에 서의 전력 밀도 값을 아주 작은 값으로 할 수 있어 다른 통신 신호가 존재하는 주파수에 중첩되어 사용하더라도 간섭을 거의 주지 않을 수 있다는 점에 착안하고 있다. 초기에 제안된 UWB 통신 신호는 아주 짧은 신호 펄스를 사용함으로써 넓은 주파수 대역을 얻었으나 현재는 CDMA (Code Division Multiple Access:부호 분할 다중 접속), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing:직교 주파수 분할 다중) 등의 여러 가지 변형된 형태의 UWB 방식이 있다.UWB system is a technology that converts digital code information into an impulse signal having a very short width of less than 10 nanoseconds (10 -9 ) and transmits it wirelessly. The battery is expected to be used as a technology that can overcome the limitations of the existing wireless communication as it can use the battery tens of times longer than the conventional wireless communication method, and can also dramatically reduce the size of the transceiver. The signal of UWB system can use a wide frequency band, so that the power density value in the frequency domain can be made very small, so that even if it is superimposed on the frequency where other communication signals exist, it can give little interference. Doing. Initially, UWB communication signals have obtained wide frequency bands by using very short signal pulses, but now they use CDMA (Code Division Multiple Access) and OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). There are several variants of UWB.
UWB 시스템은 이미 다른 시스템이 사용하고 있는 주파수를 이용해 데이터를 송수신할 수 있고, 또한 매우 낮은 전력으로 고속의 통신이 가능하고, 장애물 투과 특성이 우수하다는 등의 장점이 있다. 이와 같은 장점 때문에 UWB 시스템은 무선 홈 네트워크 등 차세대 개인 영역 무선 통신 (Wireless Personal Area Network) 분야에 널리 적용될 것으로 예상된다. UWB system has the advantages of being able to transmit and receive data using the frequency already used by other systems, high speed communication with very low power, and excellent obstacle transmission characteristics. Due to these advantages, the UWB system is expected to be widely applied to the next generation of wireless personal area networks such as wireless home networks.
UWB 시스템은 넓은 주파수 대역을 사용하므로, 이에 적합한 초광대역 특성을 갖는 소형의 안테나의 개발이 필수적이다. UWB 시스템용 안테나로서는 혼 안테나, 바이코니컬 안테나 등이 널리 알려져 있다. 그러나 이들 안테나는 크기가 소형 ㆍ 경량의 안테나를 필요로 하는 분야에는 적절하지 않다는 문제점이 있다. Since the UWB system uses a wide frequency band, it is necessary to develop a small antenna having ultra-wideband characteristics suitable for this. As antennas for UWB systems, horn antennas, biconical antennas, and the like are widely known. However, these antennas have a problem that they are not suitable for the field requiring a small and lightweight antenna.
WLAN에 관한 표준인 IEEE 802.11a는 UWB가 사용할 수 있는 주파수 대역에 포함되는 5.15 GHz ~ 5.825 GHz 대역을 WLAN에 사용하도록 하였다. 이 표준은 큰 전력의 신호를 사용함으로 WLAN 대역과 UWB 시스템과 간섭을 일으킬 수 있다. 따라서 UWB 시스템에 WLAN과 중첩되는 대역의 사용이 제한된다. 그러므로 WLAN 대역과 중첩되는 주파수 대역에서 높은 양호도를 갖는 대역 저지 필터를 추가로 사용해야 한다. 그러나 필터의 추가적인 사용은 비용을 증가시킬 뿐 아니라, 시스템의 소형화 및 경량화에 제약을 주며 UWB 시스템에 펄스의 왜곡 현상을 일으킬 수 있는 문제점이 있다. IEEE 802.11a, the standard for WLAN, allows the WLAN to use the 5.15 GHz to 5.825 GHz bands, which are included in the frequency bands available to UWB. The standard uses high power signals that can interfere with WLAN bands and UWB systems. Therefore, the use of a band overlapping with the WLAN in the UWB system is limited. Therefore, a band reject filter with high goodness should be additionally used in the frequency band overlapping with the WLAN band. However, the additional use of the filter not only increases the cost, but also restricts the size and weight of the system, and causes a problem of pulse distortion in the UWB system.
본 발명은 UWB 시스템에 사용할 수 있는 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an ultra-wideband antenna that can be used in a UWB system.
또한, 본 발명은 WLAN 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an ultra-wideband antenna having a band blocking characteristic in the WLAN band.
또한, 본 발명은 소형으로 제조가 가능하고, 대량 생산이 가능한 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an ultra-wideband antenna which can be manufactured in a small size and mass production.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상면에 형성된 원형 복사체; 상기 원형 복사체에 접속되어 외부 전원에서 공급되는 에너지를 공급하는 급전부; 상기 원형 복사체의 내부에 형성된 슬롯; 및 상기 유전체 기판의 하면에 테이퍼 형태로 형성된 접지면;을 포함하되, 상기 슬롯 안에 개방 스터브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the antenna for UWB according to the present invention, a dielectric substrate; A circular radiator formed on an upper surface of the dielectric substrate; A power supply unit connected to the circular radiator to supply energy supplied from an external power source; A slot formed inside the circular copy; And a ground plane formed on the bottom surface of the dielectric substrate in a tapered shape, further comprising an open stub in the slot.
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또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 개방 스터브는 역 Y 자 형상인 것을 특징으로 한다. In addition, the UWB antenna according to the present invention is characterized in that the open stub has an inverted Y shape.
또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 기판의 비유전율이 ε이고, 저지 대역의 중심 파장이 λ일 때, 상기 개방 스터브의 길이는 
또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 원형 복사체의 반지름이 5.6mm 인 것을 특징으로 한다. In addition, the UWB antenna according to the invention is characterized in that the radius of the circular radiator is 5.6mm.
또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 슬롯의 반지름이 3~4mm 인 것을 특징으로 한다. In addition, the UWB antenna according to the present invention is characterized in that the radius of the slot is 3 ~ 4mm.
또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 접지면은 상기 원형 복사체와 중첩되지 않도록 형성된 것을 특징으로 한다. In addition, the UWB antenna according to the present invention is characterized in that the ground plane is formed so as not to overlap the circular radiator.
또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 급전부는 마이크로스트립 급전선인 것을 특징으로 한다. In addition, the UWB antenna according to the invention is characterized in that the feed section is a microstrip feed line.
또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 기판과 슬롯이 원형인 것을 특징으로 한다. In addition, the UWB antenna according to the present invention is characterized in that the substrate and the slot is circular.
본 발명에 의하면 상기 원형 슬롯 안에 개방 스터브를 형성하여 저지 대역 특성을 갖는 안테나를 제공할 수 있고, 원형 슬롯의 반지름의 길이를 변화시켜 9 GHz 이상의 대역에서 테이퍼된 접지면의 길이를 조절하여 저주파 대역의 임피던스 매칭을 조절할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide an antenna having a stop band characteristic by forming an open stub in the circular slot, and changing the length of the radius of the circular slot to adjust the length of the tapered ground plane in the band of 9 GHz or more to low frequency band You can adjust the impedance matching.
따라서 원형 슬롯과 접지면의 변화를 통해서 안테나의 임피던스를 조절할 수 있으며, 이러한 파라미터에 의하여 안테나의 대역폭을 확장할 수 있다. 당업자라면 원형 슬롯 및 접지면의 테이퍼 형태를 변화시켜도 안테나 특성의 향상이 가능함을 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 범주에 속한다. Therefore, the impedance of the antenna can be adjusted by changing the circular slot and the ground plane, and the bandwidth of the antenna can be extended by such a parameter. Those skilled in the art will readily recognize that it is possible to improve the antenna characteristics by changing the tapered shape of the circular slot and the ground plane, and such modifications are also within the scope of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a specific embodiment of the present invention.
도 1의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 일 실시 형태에 따른 초광대역 안테나의 상면도와 저면도이다. 1A and 1B are respectively a top view and a bottom view of an ultra-wide band antenna according to an embodiment of the present invention.
본 실시 형태의 안테나는 기본적으로는 마이크로 스트립 패치 안테나로서, 기판 (11), 기판 상면에 형성된 원형의 복사체 (12), 복사체에 형성된 원형 슬롯 (16), 복사체에 접속된 급전부 (15), 및 기판 하면에 형성된 접지면 (14) 을 포함한다. 복사체 (12) 의 원형 슬롯(16) 안에 개방 스터브 (13) 를 형성할 수 있다. The antenna of the present embodiment is basically a microstrip patch antenna, which includes a
한편, 본 실시 형태에 있어서 접지면 (14) 은 복사체 (12) 와 중첩되지 않도록 기판 (11) 저면의 일부에만 형성될 수 있다. 따라서, 복사체 (12) 에 의해 복사되는 전자기파가 접지면 (14) 에 의해 차폐됨이 없이 방출될 수 있으며, 일반적인 모노폴 (monopole) 안테나와 유사한 전방향성의 복사 특성을 얻을 수 있다. On the other hand, in the present embodiment, the
상기 기판(12)으로 인쇄 회로 기판을 사용하고 인쇄 회로기판 중에서도 가장 광범위하게 사용되는 FR-4 기판을 사용하여 제작 비용을 줄이고 대량 생산을 가능하게 한다. 상기 기판(12)은 FR-4 이외에 고저항 실리콘, 유리, 알루미나(Alumina), 테프론(Teflon), 에폭시(Epoxcy), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 등이 사용될 수 있다. 상기 기판(12)으로 FR-4 인쇄 회로 기판을 사용할 경우 소형화가 가능하다. The printed circuit board is used as the
한편, 본 실시 형태의 안테나는 급전부(15)로써 마이크로스트립 급전을 채택한 패치 안테나를 기본 구조로 하여, 안테나의 경량화 및 소형화를 달성하였으며 대량 생산에 적합한 구조를 가진다.On the other hand, the antenna of the present embodiment has a patch antenna adopting microstrip feeding as the
본 발명에 따른 초광대역 안테나는 일차적으로 원형의 복사체 (12) 에 원형의 슬롯(16)과 테이퍼된 접지면 (14) 을 통하여 초광대역 특성을 얻을 수 있다. The ultra-wideband antenna according to the present invention can obtain ultra-wideband characteristics primarily through a
본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나를 실제로 구현하여 성능을 시험하였다. 도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 동일한 구성을 갖고, 각 부분의 치수는 다음 표와 같다. 각 치수는 mm 단위로 주어진다. Performance was tested by actually implementing an antenna according to one embodiment of the invention. As shown in (a) and (b) of FIG. 1, the parts have the same configuration, and the dimensions of each part are shown in the following table. Each dimension is given in mm.
도 2는 본 발명의 실시에 따른 S 파라미터(parameter)를 시뮬레이션으로 나타낸 그래프이다. S 파라미터란 주파수 분포상에서 입력 전압대 출력 전압의 비를 말한다. 2 is a graph showing a simulation of the S parameter (parameter) according to the embodiment of the present invention. The S parameter refers to the ratio of input voltage to output voltage in the frequency distribution.
상기 도 2는 복사체(12) 중앙의 원형 슬롯(16)의 길이에 따른 주파수별 반사 손실 (Return loss, S11) 의 시뮬레이션 값을 나타낸 것으로, 원형 슬롯 (16) 의 반지름의 길이가 3 mm에서 4 mm 로 0.5 mm 간격으로 변화시켰을 때 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다. 원형 슬롯 (16) 의 반지름의 길이를 변화시킴으로써 고주파에서 임피던스 정합 특성이 향상됨을 알 수 있다. 2 shows a simulation value of the return loss (S11) for each frequency according to the length of the
도 3은 접지면 (14)에 테이퍼 형태의 변화에 따른 주파수별 반사 손실(S11) 시뮬레이션 값을 나타낸 그래프이다. 접지면 (14)의 테이퍼 형태 (Ggap)의 변화에 따라 저주파 대역에서 매칭이 향상됨을 알 수 있다. 3 is a graph showing a return loss (S11) simulation value for each frequency according to the change of the taper shape on the
도 4는 복사체 (12) 중앙의 원형 슬롯 (16) 안에 형성된 역 Y 개방 스터브 (13) 의 길이에 따른 시뮬레이션 전압 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) 특성을 나타낸 그래프이다. 즉 역 Y 개방 스터브 (13)가 반파장 공진 구조 (half wave resonator structure)를 구성하여 해당 파장에서의 복사가 억제될 수 있을 것이다. 이때 역 Y 개방 스터브 (13) 의 길이를 조절함으로써 전자기장이 상쇄되는 파장을 결정할 수 있다. 일반적으로 유전체 내에서 파장 λ 의 전자기파는 
이와 같이, 본 발명은 복사체 (12) 중앙의 원형 슬롯 (16) 안에 역 Y 개방 스터브 (13)를 형성함으로써 안테나에 대역저지 특성을 부가할 수 있으며 또한 상기 수식에서 예측한 바와 같이, 역 Y 개방 스터브 (13)의 길이가 증가할수록 저지 대역의 중심 주파수가 감소함을 확인할 수 있다. As described above, the present invention can add the band blocking characteristic to the antenna by forming the inverse
본 발명은 상기의 실시예에 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 개시된 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 개방 스터브가 적용될 수 있음은 당업자가 용이하게 인식할 수 있을 것이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and it will be readily appreciated by those skilled in the art that various types of open stubs may be applied without departing from the principles disclosed herein.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 안테나의 측정 결과 값을 보여주고 있다. 상술한 바와 같이, 복사체 (12) 중앙의 원형 슬롯 (16)만 있는 경우 3 GHz ~ 10 GHz의 범위에서 2 이하의 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio)를 가지므로 초광대역 특성을 보임을 알 수 있으며, 원형 슬롯 (16) 안에 개방 스터브 (13)가 형성된 경우 5.16 GHz ~ 5.76 GHz 범위에서 대역 저지 특성이 나타남을 알 수 있다. Figure 5 shows the measurement result of the antenna manufactured according to the present invention. As described above, when only the
도 6은 본 발명에 따라 제작된 안테나의 주파수 대 이득의 측정 값을 나타낸 그래프이다. 3 GHz ~ 10 GHz 대역 전체에 걸쳐 양호한 이득을 나타내고 있으며, 5 GHz 대역에서는 이득이 급격히 감소하여 대역 저지 특성을 나타내고 있다. 이러한 측정 결과를 통해 본 발명에 의한 안테나는 WLAN 대역에서 타 통신 시스템과 간섭이 적은 초광대역 안테나로서 적합한 특성을 가짐을 알 수 있다. Figure 6 is a graph showing the measured value of the frequency vs. gain of the antenna fabricated according to the present invention. The gain is good over the entire 3 GHz to 10 GHz band, and the gain is drastically reduced in the 5 GHz band, indicating band-stopping characteristics. Through these measurement results, it can be seen that the antenna according to the present invention has suitable characteristics as an ultra-wideband antenna with less interference with other communication systems in the WLAN band.
도 7은 본 발명에 따라 제작된 안테나의 주파수에 따른 복사 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 7의 (a) , (b) 및 (c) 는 각각 4 GHz, 6 GHz 및 9 GHz 에 대한 복사 패턴을 나타낸다. 7 is a graph showing the radiation pattern according to the frequency of the antenna manufactured according to the present invention. (A), (b) and (c) of FIG. 7 show radiation patterns for 4 GHz, 6 GHz and 9 GHz, respectively.
상술한 바와 같이 구현한 안테나는 복사체와 중첩되지 않고 면적이 적은 접지면을 이용하므로, 일반적인 모노폴 안테나와 유사하게 전방향성을 갖는 것을 확인할 수 있다. Since the antenna implemented as described above uses a ground plane having a small area without overlapping with a radiator, it can be confirmed that the antenna has omnidirectionality similar to a general monopole antenna.
상기와 같은 구성에 의해, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 주 복사체에 원형의 슬롯을 형성함으로써 고주파 대역에서 대역폭을 확장할 수 있는 효과가 있다. By the above configuration, the ultra-wideband antenna according to the present invention has the effect of extending the bandwidth in the high frequency band by forming a circular slot in the main radiator.
또한, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 테이퍼 형태의 접지면을 형성함으로써 저주파 대역에서 대역폭을 확장할 수 있는 효과가 있다.In addition, the ultra-wideband antenna according to the present invention has the effect of extending the bandwidth in the low frequency band by forming a tapered ground plane.
또한, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 주 복사체의 원형 슬롯 안에 역 Y 개방 스터브를 형성함으로써 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다. In addition, the ultra-wideband antenna according to the present invention has the effect of implementing an ultra-wideband antenna having a band-stopping characteristic by forming an inverted Y open stub in a circular slot of the main radiator.
또한, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 경량화 및 소형화가 가능하고 대량 생산에 적합하다. In addition, the ultra-wideband antenna according to the present invention can be reduced in weight and size, and is suitable for mass production.
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