KR100787831B1 - 초광대역용 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초광대역 통신 시스템용 안테나에 관한 것으로, 특히 대역폭이 확장된 초광대역 안테나를 제공하고 5GHz 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초광대역 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.

본 발명에 의하면, 고주파 대역과 저주파 대역에서 대역폭을 확장하고 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.

초광대역 안테나, 원형 슬롯, 역 Y자 개방 스터브

Description

초광대역용 안테나{Antenna for UWB Applications}

도 1은 본 발명의 실시에 따른 안테나의 상면도 및 저면도

도 2는 본 발명의 일 실시예로써 원형 슬롯의 길이에 따른 주파수 대 반사 손실을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 일 실시예로써 접지면의 테이퍼 길이에 따른 주파수 대 반사손실을 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 일 실시예로써 개방 스터브의 길이에 따른 주파수 대 정재파비를 나타낸 그래프

도 5는 본 발명에 따라 안테나를 제작하여 측정된 주파수 대 정재파비를 나타낸 그래프

도 6은 본 발명에 따라 안테나를 제작하여 측정된 주파수 대 이득을 나타낸 그래프

도 7은 본 발명의 일 실시예로써 주파수에 따른 복사 패턴을 나타낸 그래프

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 기판 12 : 원형 복사체

13 : 개방 스터브 14 : 접지면

15 : 급전선 16 : 원형 슬롯

본 발명은 초광대역 (Ultra-Wideband : UWB) 통신 시스템용 안테나에 관한 것으로 5GHz 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나에 관한 것이다.

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.

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 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 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.

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.

본 발명은 UWB 시스템에 사용할 수 있는 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 WLAN 대역에서 대역 저지 특성을 갖는 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 소형으로 제조가 가능하고, 대량 생산이 가능한 초광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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.

삭제

삭제

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 개방 스터브는 역 Y 자 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 기판의 비유전율이 ε이고, 저지 대역의 중심 파장이 λ일 때, 상기 개방 스터브의 길이는

인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 원형 복사체의 반지름이 5.6mm 인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 슬롯의 반지름이 3~4mm 인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 접지면은 상기 원형 복사체와 중첩되지 않도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 급전부는 마이크로스트립 급전선인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 UWB용 안테나는 상기 기판과 슬롯이 원형인 것을 특징으로 한다.

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.

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명한다.

도 1의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 일 실시 형태에 따른 초광대역 안테나의 상면도와 저면도이다.

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.

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.

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.

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.

본 발명에 따른 초광대역 안테나는 일차적으로 원형의 복사체 (12) 에 원형의 슬롯(16)과 테이퍼된 접지면 (14) 을 통하여 초광대역 특성을 얻을 수 있다.

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.

Wsub	Lsub	Rsolt	Rcircle	Ls1	Ls2
18	20	3.5	5.6	1.66	4.2
Ls3	Wstub	Wf	Ggap	Lgnd
3.46	1	1.8	1.5	4.5

도 2는 본 발명의 실시에 따른 S 파라미터(parameter)를 시뮬레이션으로 나타낸 그래프이다. S 파라미터란 주파수 분포상에서 입력 전압대 출력 전압의 비를 말한다.

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.

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.

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

(ε 은 유전체의 비유전율)의 파장으로 전달되므로, 중심 파장 λ에서 대역 저지 특성을 갖도록 하기 위한 개방 스터브의 길이 (L = Ls1 + 2 × Ls2 + 2 × Ls3) 는 다음 식으로 주어진다.

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.

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.

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.

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.

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.

상술한 바와 같이 구현한 안테나는 복사체와 중첩되지 않고 면적이 적은 접지면을 이용하므로, 일반적인 모노폴 안테나와 유사하게 전방향성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 주 복사체에 원형의 슬롯을 형성함으로써 고주파 대역에서 대역폭을 확장할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 테이퍼 형태의 접지면을 형성함으로써 저주파 대역에서 대역폭을 확장할 수 있는 효과가 있다.

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.

또한, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 경량화 및 소형화가 가능하고 대량 생산에 적합하다.

Claims (9)

1. 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 하는 UWB용 안테나.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 개방 스터브는 역 Y 자 형상인 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.
4. 제 1항에 있어서, 기판의 비유전율이 ε이고, 저지 대역의 중심 파장이 λ일 때, 상기 개방 스터브의 길이는

   

   인 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.
5. 제 1항에 있어서, 상기 원형 복사체의 반지름이 5.6mm 인 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.
6. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯의 반지름이 3~4mm 인 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.
7. 제 1항에 있어서, 상기 접지면은 상기 원형 복사체와 중첩되지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.
8. 제 1항에 있어서, 상기 급전부는 마이크로스트립 급전선인 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.
9. 제 1항에 있어서, 상기 기판과 슬롯은 원형인 것을 특징으로 하는 UWB용 안테나.

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