KR101505595B1 - 탑 로우딩된 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근거리 무선 통신장치의 전자파 방사를 위한 소형 마이크로스트립 칩 안테나에 관한 것으로, 무선 통신용 모듈 위에 장착되는, PIFA의 공진전류 경로를 비균일 미앤더(meander)선로로 바꾸고 그 끝에 탑 로우딩 구조를 부착하여 공진주파수를 낮추는 소형화 안테나 구조에 관한 것이다.
종래의 마이크로스트립 칩 안테나는 소형화에 한계가 있으며, 소형화가 적용된 단순한 미앤더링 기법이 적용된 안테나도 구부린 선로끼리의 간격이 너무 좁으면 선로의 유도용량을 저해하는 패치간 기생 커패시턴스 결합이 발생하여 효율이 감소하거나 대역폭이 줄어드는 단점을 야기할 수 있는 문제점이 있었으므로, 이를 개선하기 위한 본 발명은 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 탑 로우딩(top loading) 구조를 부착하여 공진주파수를 낮추는 것을 특징으로 하는 탑 로우딩 구조를 갖는 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나를 제안한다.
따라서, 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.

Description

탑 로우딩된 미앤더 선로 방사체의 소형 안테나{Microstrip chip antenna with top loading structure}

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.

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.

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.

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.

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.

위 도2에 나타난 바와 같이 일반적인 PIFA는 2.4-2.5GHz 대역에서 λ/4 이하의 소형 안테나를 필요로 하는 무선 통신장치에 장착하기에는 부적합하다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.

본 발명은 무선 통신장치의 전자파 방사를 위한 소형 마이크로스트립 칩 안테나에 적용되는 것이므로 안테나의 소형화와 성능유지가 주목적이다.

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.

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.

상기 안테나 보드(31) 상면에 형성된 패치(32)는 일정한 폭으로 이루어진 직선이 서로 상이한 길이마다 90°로 방향전환되는 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.

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.

또한, 상기 비균일 미앤더 선로는 직선부(32a)의 길이와 공간부(32b)에 형성되는 탑 로우딩 구조에 의해 커패시턴스값(C)이 결정된다.

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.

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.

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.

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.

따라서, 미앤더 라인과 탑 로우딩 구조를 이용하여 전체 길이를 λ/8로 줄이면서도, λ/4 길이 PIFA의 성능의 유지할 수 있게 된다.

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.

이와 같이, 본 발명은 탑 로우딩 구조에 의해 안테나(30)의 길이를 절반으로 줄였음에도 종래 PIFA와 유사한 전류/전계 특성과 안테나 방사패턴이 나타나게 된다.

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.

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.

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 로우딩

Claims (4)

1. 기판 재료(substrate material)로 이루어지는 안테나 보드와, 상기 안테나 보드의 표면에 형성되어 공진 전류의 경로를 이루는 패치를 포함하여 구성되는 무선 통신장치의 전자파 방사를 위한 소형 마이크로스트립 칩 안테나에 있어서,
   상기 패치(32)는 인접한 선로 상의 기생 커패시턴스와 그에 따른 추가적인 주파수 이동가능성을 감소시키기 위해 비균일 미앤더(meander)선로로 구성하되,
   상기 안테나 보드(31) 상면에 형성된 패치(32)는 일정한 폭으로 이루어진 직선이 서로 상이한 길이마다 90°로 방향전환되는 직선부(32a)와, 상기 직선부(32a)의 끝단을 이루며 탑 로우딩(40)(top loading) 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.
   
2. 제 1항에 있어서,
   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. 제 1항에 있어서,
   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.
   
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