KR100951954B1 - Ｕｗｂ용 광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형이면서도 광대역 특성을 갖는 UWB용 광대역 안테나에 관한 것으로, 이를 위하여 안테나는 대략 직육면체의 형상으로 이루어지되, 일측면과 상기 일측면에 대향되는 타측면에 적어도 하나 이상의 홈이 형성된 유전체, 및 상기 유전체의 하면 일부와 측면 및 상면 전체를 따라 금속패턴이 도금된 방사체를 구비한다.

안테나, UWB, 유전체, 방사체, 도금

Description

ＵＷＢ용 광대역 안테나{BROADBAND ANTENNA FOR ULTRA WIDE BAND}

본 발명은 광대역 안테나에 관한 것으로, 특히 초소형이면서도 광대역 특성을 갖는 UWB용 광대역 안테나에 관한 것이다.

군사용 통신 시스템 및 레이더 기술에만 제한적으로 적용되는 UWB(ULTRA WIDE BAND) 무선통신 기술에 대한 상업적 이용이 허가됨에 따라 차세대 초고속 근거리 무선 전송 방식의 새로운 대안으로 UWB 통신 시스템이 많은 주목을 받고 있다.

이러한 UWB 기술은 휴먼 인터페이스를 비록하여 미래 정보 가전용 홈 네트워크, WPAN(Wireless Personal Area Network) 등에 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 또한 자동차용으로 ITS 통신, 산업분야에서는 물류, 공장 기계의 컨트롤, 의료용 기기, 재난 구조용, 모바일 통신기기 등의 폭넓은 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

UWB 통신 시스템 구현을 위한 핵심 기술인 초광대역 안테나 개발은 쉽지 않 으며, 현재 전 세계적으로 많은 연구가 진행 중에 있다. 특히, 이동성을 보장하기 위하여 안테나의 크기는 작아야 하고, 제작하기 쉽고, 저렴해야 한다. 또한 주파수에 독립적으로 임피던스가 일정한 값을 갖는 구조를 가지고, 펄스 신호의 왜곡이 적어야 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 CPW 급전 방식을 이용한 패치 안테나로서, 평면형 반원 UWB 안테나이다.

안테나(10)는 도시된 바와 같이, 복수의 접지면(11)을 사이에 두고 급전라인(13)이 형성되어 있으며, 급전라인의 일측에 반원 형상의 방사체(15)가 형성되어 있다.

상기 안테나가 형성되는 기판은 일반적인 FR-4 기판이 아닌 TMM4 기판을 사용하였는 데, 상기 FR-4 기판과 TMM4 기판은 유전율은 같지만 손실 탄젠트(loss tangent)가 상이하다. 즉, 손실 탄젠트가 RF-4 보다 낮은 TMM4 기판을 사용함에 따라 고주파 대역에서도 양호한 안테나의 특성을 확보할 수 있다.

도시된 패치 안테나(10)는 CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식을 이용하는 것으로, 비대역폭(Fractional Bandwidth)이 130%(2.6GHz∼12.2GHz)로 상당히 큰 광대역을 갖는다.

이와 같은 구조의 패치 안테나(10)는 마이크로스트립 선로에 비해 분산이 적고, 광대역 특성을 얻을 수 있으며, 급전 손실을 줄일 수 있는 장점도 가지고 있다.

하지만, 이와 같이 형성된 패치 안테나는 그 사이즈가 여전히 큰 단점이 있 다. 즉, 안테나(10)의 폭(w)은 대략 30mm 정도이고, 그 길이(l)도 대략 31mm 정도로서, 광대역 특성을 갖는 우수한 안테나임에도 불구하고 초소형의 제품에 내장하기에는 그 한계가 있었다.

본 발명의 목적은 대략 직육면체의 유전체의 표면을 따라 방사체를 도금함에 따라 방사체의 표면적을 증가시켜 초소형으로 제작하는 것이 가능한 UWB용 광대역 안테나를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 UWB용 광대역 안테나는, 대략 직육면체의 형상으로 이루어지되, 일측면과 상기 일측면에 대향되는 타측면에 적어도 하나 이상의 홈이 형성된 유전체; 및 상기 유전체의 하면 일부와 측면 및 상면 전체를 따라 금속패턴이 도금된 방사체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 방사체는, 유전체의 하면의 일측에 형성된 급전패턴; 상기 유전체의 일측면의 홈 내에 도금 형성되되 급전패턴과 전기적으로 연결된 제1 연결패턴; 유전체의 상면 전체에 길이 방향을 따라 도금 형성되되 제1 연결패턴과 전기적으로 연결된 방사패턴; 유전체의 타측면의 홈 내에 도금 형성되되 방사패턴과 전기적으로 연결된 제2 연결패턴; 및 유전체의 하면의 타측에 도금 형성되되 제2 연 결패턴과 전기적으로 연결된 출력패턴;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 유전체의 하면에 형성된 급전패턴과 출력패턴은 일정간격 이격되어 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 유전체는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하며, 상기 방사체는 대략 '

'자 형상인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 안테나의 방사체를 직육면체의 유전체의 표면을 따라 도금하여 제작함으로써, 방사체의 표면적을 증가시키면서도 초소형으로 제작하는 것이 가능하고, 방사체의 임피던스를 정임피던스에 가깝게 구현함에 따라 광대역 특성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 의한 광대역 안테나의 구조를 각각 도시한 정면 사시도, 정면도 및 저면도로서, 광대역 안테나(100)는 유전체(101)와 방사체(110)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 유전체(101)는 대략 직육면체의 형상으로 그 측면에는 적어도 하나 이상의 홈(103, 107)이 각각 형성되어 있다. 상기 유전체(101)는 공기의 유전율(ε0)보다 높은 유전율(ε)을 갖는 부도체로서, 유전율이 높을수록 RF신호에 대한 분극 이 잘 일어나는 특성이 있으며, 이와 같은 유전체(101)의 재질로는 세라믹, PWB(Printed Writing Board) 또는 테프론이 사용될 수 있다.

상기 방사체(110)는 유전체(101)의 표면인 하면 일부와 측면 및 상면 전체에 형성되어 있는 데, 방사체(110)는 유전체(101)의 표면을 따라 금속패턴으로 도금되어 있으며, 방사체(110)는 대략 '

'자 형상으로 이루어져 있다.

즉, 상기 방사체(110)는, 유전체(101)의 하면의 일측에 형성된 급전패턴(111)과, 상기 유전체(101)의 일측면의 홈(103) 내에 도금 형성되되 급전패턴(111)과 전기적으로 연결된 제1 연결패턴(113)과, 유전체(101)의 상면 전체에 길이 방향을 따라 도금 형성되되 제1 연결패턴(113)과 전기적으로 연결된 방사패턴(115)과, 유전체(101)의 타측면의 홈(107) 내에 도금 형성되되 방사패턴(115)과 전기적으로 연결된 제2 연결패턴(117), 및 유전체(101)의 하면의 타측에 도금 형성되되 제2 연결패턴(117)과 전기적으로 연결된 출력패턴(119)으로 이루어져 있다.

아울러, 상기 유전체(101)의 하면에 형성된 급전패턴(111)과 출력패턴(119)은 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 일정간격 이격되어 형성되어 있으며, 제1 및 제2 연결패턴(113, 117)은 유전체(101)의 측면에 형성된 적어도 하나 이상의 홈(103, 107)에 각각 형성되어 있다.

이와 같이 유전체(101)의 하면과 측면 및 상면을 따라 방사체(110)를 도금 형성함에 따라 방사체(110)의 표면적이 증가되고, 이와 같은 방사체(110)의 표면에 전류가 흐르게 되면 Q(Quality Factor)값이 낮아져 광대역 특성을 보이게 된다.

본 발명에 의한 안테나(100)는 도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이, 그 길 이(l)가 8mm 내지 10mm 정도이고, 높이(h)가 1mm 내지 1.5mm이며, 폭(w)이 1.9mm 내지 2.1mm 정도로서, 도 1의 패치형 안테나에 비해 상당히 소형이다.

이와 같이 형성된 안테나는 접지패턴이 형성된 회로기판 상에 장착되게 되며, 내장형 안테나로서의 기능을 수행하게 된다.

도 3은 도 2a에 도시된 안테나의 등가회로를 나타낸 것으로서, 각 방사체(110)와 접지패턴(미 도시) 사이에는 전계(Electric Field)가 형성되며, 방사체(110)에는 자계(Magnetic Field)가 존재하게 되는 데, 전계는 커패시터 성분으로, 자계는 인덕터 성분으로 표시할 수 있다.

도시된 바와 같이, 급전패턴(111)과 접지패턴 사이를 제1 커패시터 성분(C1)으로 표현할 수 있고, 방사패턴(115)과 접지패턴 사이를 제2 커패시터 성분(C2)으로 표현할 수 있으며, 출력패턴(119)과 접지패턴 사이를 제3 커패시터 성분(C3)으로 표현할 수 있다.

아울러, 상기 급전패턴(111), 제1 연결패턴(113), 방사패턴(115), 제2 연결패턴(117) 및 출력패턴(119)은 인덕터 성분(L1)으로 표현할 수 있으며, 방사체(110)의 고유저항은 저항체(R1)로 표현할 수 있다.

즉, 상기에서 커패시터 성분은 유전체(101)의 표면에 형성된 방사체(110)와 회로기판의 일측에 형성된 접지패턴에 의한 전계를 표시한 것인데, 여기서 방사체(110)와 접지패턴을 서로 근접하게 구현할 경우 상기 방사체(110)와 접지패턴 사이에 전계가 발생하게 되며, 이를 부하 커패시터 성분이라도 한다.

한편, 방사체(110)의 각 패턴이 커플링을 발생시킬 수 있을 만큼 서로 근접 하여 구현할 경우 전계와 자계는 서로 다른 특성 임피던스를 가지게 되지만, 각 패턴이 서로 멀리 떨어지면 전계와 자계는 동일한 임피던스를 가지게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 방사체(110)의 구조는 각 패턴이 근접하지 않게 설계되어 있으므로 임피던스가 정임피던스에 가깝게 되어 주파수에 무관한 임피던스로 되어 광대역 안테나의 특성을 나타내게 되며, 광대역 특성 안테나인 모노 콘(Mono-cone) 내장 안테나의 특성을 나타내게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 안테나의 반사계수에 따른 그래프를 도시한 것으로서, 반사계수인 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)이 2.0 이하이면 우수한 안테나 특성을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 의한 안테나(100)는 VSWR값이 2.0 이하의 주파수 범위인 2.8GHz 내지 4.9GHz에서 우수한 안테나 특성을 나타냄을 알 수 있다.

아울러, 본 발명에 의한 안테나(100)는 2.8GHz 이하와 4.9GHz 이상의 주파수 대역에서는 반사계수가 2.0 이상으로 나타났고, 이와 같은 주파수 범위는 저지대역이다.

본 발명을 통해 구현된 안테나는 광대역 특성을 가질 뿐만 아니라 초소형이므로 모바일단말기에 내장형으로 사용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 CPW 급전 방식을 이용한 패치 안테나이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 의한 광대역 안테나의 구조를 각각 도시한 정면 사시도, 정면도 및 저면도이다.

도 3은 도 2a에 도시된 안테나의 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 의한 안테나의 반사계수 특성을 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 광대역 안테나 101: 유전체

103,107: 홈 110: 방사체

111: 급전패턴 113: 제1 연결패턴

115: 방사패턴 117: 제2 연결패턴

119: 출력패턴

Claims (5)

1. 직육면체의 형상으로 이루어지되, 일측면과 상기 일측면에 대향되는 타측면에 적어도 하나 이상의 홈이 형성된 유전체; 및

   상기 유전체의 하면 일부와 측면 및 상면 전체를 따라 금속패턴이 도금된 방사체;를 포함하고,

   상기 방사체는, 유전체의 하면의 일측에 형성된 급전패턴; 상기 유전체의 일측면의 홈 내에 도금 형성되되 급전패턴과 전기적으로 연결된 제1 연결패턴; 유전체의 상면 전체에 길이 방향을 따라 도금 형성되되 제1 연결패턴과 전기적으로 연결된 방사패턴; 유전체의 타측면의 홈 내에 도금 형성되되 방사패턴과 전기적으로 연결된 제2 연결패턴; 및 유전체의 하면의 타측에 도금 형성되되 제2 연결패턴과 전기적으로 연결된 출력패턴;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 UWB용 광대역 안테나.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 유전체의 하면에 형성된 급전패턴과 출력패턴은 일정간격 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 UWB용 광대역 안테나.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 유전체는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 UWB용 광대역 안테나.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 방사체는 '

   

   '자 형상인 것을 특징으로 하는 UWB용 광대역 안테나.

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