KR20020061138A - Small planar antenna apparatus using transference material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 ISM(Industrial Scientific and Medical Equipment )밴드에서의 사용할 수 있는 소형 PIFA(Planar Inverted F Antenna : 평면 역 F 안테나)에 관한것으로,The present invention relates to a small Planar Inverted F Antenna (PIFA) that can be used in an Industrial Scientific and Medical Equipment (ISM) band.
일반적으로 PIFA 구조에서 상판 패치의 모양을 바꾸어 주파수를 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 한편 PIFA구조에 유전율을 1인 공기를 사용함과 동시에 다양한 유전율을 적용하기 위하여 상용 유전물질을 이용하여 안테나의 모양을 소형화함과 동시에 슬림화를 가능토록 한 것으로써 안테나 특성으로는 우수한 이득과 대역폭, 그리고 방사패턴을 갖는 유전율을 갖는 소형의 평판 안테나 장치에 관한 것이다.In general, the shape of the top plate is changed in the PIFA structure so that the frequency can be efficiently used, and the shape of the antenna is reduced by using commercial dielectric materials to apply various dielectric constants while using air having a permittivity of 1 in the PIFA structure. At the same time, the antenna characteristic of the present invention relates to a small flat antenna device having an excellent gain, a bandwidth, and a dielectric constant having a radiation pattern.
PIFA방식의 안테나는 안테나의 크기를 소형화 할 수 있고 내장형(Built-in Type)으로 구현 가능함으로 휴대용 통신 기기나 이동 통신용 기기에 채용이 가능하여 90년도 말부터 유럽의 GSM 휴대폰에 채용되고 있는 실정이다.PIFA type antenna can be miniaturized and can be implemented in built-in type, so it can be used in portable communication devices or mobile communication devices. .
PIFA 안테나와 관련한 선행기술을 보면 스웨덴 특허 SE 9702659-5 "Compact Antenna Device"에 900MHz 밴드와 1.8GHz ∼ 1.9GHz 밴드를 동시에 적용 가능토록 패치(PCB PATTERN형태)의 구조를 다중화한 구조로 하여 하나의 안테나로 두 밴드 대역에서 사용 가능토록함을 주 요지로 하는 기술이 제시되어 있으며, 미국특허 US06002367 "Planar antenna device"에 개구(Aperture) 결합방식의 다중 밴드 대역에서의 적용을 위한 안테나 구조관련 기술로 동판매질의 PIFA를 적층 구조로 배열하여 구현한 기술이 제시되어 있다.In the prior art related to the PIFA antenna, the structure of a patch (PCB PATTERN type) is multiplexed so that the 900 MHz band and the 1.8 GHz to 1.9 GHz band can be simultaneously applied to the Swedish patent SE 9702659-5 "Compact Antenna Device". A technology that makes it possible to use in two band bands as an antenna has been proposed, and US Patent US06002367 is an antenna structure related technology for application in the multi band band of aperture coupling method to "Planar antenna device". A technology that implements the same quality of PIFA in a stacked structure is presented.
그리고 미국특허 US06072434 "Aperture-coupled planar inverted-F antenna" 에 안테나의 방사효율을 올리기 위해서 패치(PCB PATTERN형태)의 구조를 기본으로 하여 개구 결합방식과 안테나의 전체크기를 소형화하기 위한 단락판을 부설한 방식이 제시되어 있으며, 미국특허 US5764190 "Capacitively loaded PIFA"에 프로브 급전의 단점인 프로브 자체가 가지는 인덕턴스를 상쇄하기 위해 프로브와 패치 간에 커패시턴스 성분을 만들어서 임피던스 특성을 향상시켜 안테나의 효율을 상승시키기 위한 기술이 제시되어 있다.In addition, in order to increase the radiation efficiency of the antenna, a short-circuit plate is laid in the US patent US06072434 "Aperture-coupled planar inverted-F antenna" based on the structure of the patch (PCB PATTERN type) and miniaturizing the overall size of the antenna. One method is presented, and in US Pat. Technology is presented.
본 발명은 소형 RF모듈의 설계에 있어 소형화와 슬림화를 할 수 있도록 동일 PCB 모듈 내에서 접지면을 이용하고 또한 RF회로부분에서 발생하는 불요파를 줄이고 희망파만을 방사하기 위하여 사용하는 차폐캔(shield can)위에 안테나의 패치부분을 배치시켜 전체적인 모듈의 PCB 크기를 줄일 수 있도록 하는 한편 유전율을 가지는 매질을 삽입하여 기존의 일반적 PIFA 사이즈보다 더욱 소형화하고 슬림화 하여 각종 PCMCIA카드 형태나 휴대형 통신기기 등에 적용이 용이하도록 한 것이다.The present invention uses a ground plane in the same PCB module in order to reduce the size and slimness in the design of a small RF module, and also used to shield unwanted waves generated in the RF circuit portion and radiate only desired waves. By placing the patch part of the antenna on the can to reduce the overall PCB size of the module, and inserting a medium having dielectric constant, it is more compact and slimmer than the conventional PIFA size and applied to various PCMCIA card types or portable communication devices. It is to facilitate.
도 1 은 본 발명의 PIFA방식 안테나 전체 구조도1 is an overall structure diagram of a PIFA method antenna of the present invention
도 2 는 종래의 일반적인 PIFA의 구조도2 is a structural diagram of a conventional general PIFA
도 3 은 본 발명의 PIFA의 단락회로 길이에 따른 전류 분포도3 is a current distribution chart according to the short circuit length of the PIFA of the present invention.
도 4 은 본 발명의 사용된 효율적인 패치모양에서 나타난 전류 분포도4 is a current distribution plot of the efficient patch pattern used of the present invention.
도 5 는 본 발명의 패치(Top-plate)상의 시간에 따른 전류분포도5 is a current distribution diagram over time on the patch (Top-plate) of the present invention
도 6 는 본 발명의 실 제작된 PIFA의 네트웍 분석기를 통해 측정한 실측값6 is a measured value measured through a network analyzer of the actual fabricated PIFA of the present invention
도 7 은 본 발명의 시뮬레이션상에 나타난 방사 패턴도7 is a radiation pattern diagram shown on the simulation of the present invention;
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]
100 : 안테나 방사 패치 101 : 급전부 102 : 단락부100: antenna radiation patch 101: feeding part 102: short circuit
200 : 유전체 300 : RF PCB 기판301 : 차폐캔200: dielectric 300: RF PCB substrate 301: shielding can
본 발명은 PIFA 방식의 안테나를 구현함에 있어서, 무선 주파수(RF)신호를 증폭하고 필터링 등을 처리하는 RF 신호 처리부와, 상기한 RF 신호 처리부로부터의 고주파 신호를 안테나부로 전달을 하기 위한 적어도 한 개 이상의 급전부와, 상기한 급전부와의 일정한 거리를 가지므로 인해 안테나의 특성 임피던스를 변화시킬 수 있는 단락부와, 상기한 급전부와 단락부를 결합하는 무선 주파수(RF)신호 방사를 위한 방사패치와, 상기한 방사패치의 크기와 높이를 줄이기 위해 상기한 방사패치와 접지면 사이에 부설하는 1 이상의 유전율을 가지는 매질을 구비시킴으로써 이루어지는 것으로 이하 본 발명을 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.In the present invention, in implementing a PIFA type antenna, an RF signal processor for amplifying a radio frequency (RF) signal and processing filtering, and at least one for transmitting a high frequency signal from the RF signal processor to the antenna unit The shorting part that can change the characteristic impedance of the antenna due to the constant distance between the power supply part and the power supply part, and the radiation patch for radio frequency (RF) signal radiation combining the power supply part and the short part And, in order to reduce the size and height of the radiation patch is made by having a medium having at least one dielectric constant laid between the radiation patch and the ground plane described below in detail with reference to the present invention as follows.
도 1 은 본 발명의 전체 구조도로서 안테나 방사 패치(100)는 고주파신호를 주고받는 역할을 하는 주요 구성요소 이고, 급전부(101)는 RF신호를 공급하며, 단락부(102)는 방사패치(100)와 접지면을 연결하는데, 본 발명에서는 급전부(101)와 단락부(102)끝을 SMD화 할 수 있도록 모양을 바꾸었다.1 is an overall structural diagram of the present invention, the antenna radiation patch 100 is a major component that plays a role of transmitting and receiving high frequency signals, the power supply unit 101 supplies an RF signal, the short circuit unit 102 is a radiation patch ( 100) and the ground plane, in the present invention, the shape of the feed section 101 and the short-circuit 102 is changed to SMD.
유전체 (200)는 유전율을 갖는 매질을 의미하며 공기와 같은 유전율이 1인 것이 될 수도 있고 특정한 값을 가지는 유전체를 적용할 수도 있다. RF PCB 기판(300)은 4층에서 6층 정도의 다층구조를 가지며, 차폐캔(301)은 불요파를 막고, 희망파를 안테나부까지 원활히 전달하는 역할을 한다.Dielectric 200 means a medium having a dielectric constant, the dielectric constant such as air may be 1, or a dielectric having a specific value may be applied. RF PCB substrate 300 has a multi-layer structure of about 4 to 6 layers, the shielding can 301 serves to prevent unwanted waves, and to smoothly transmit the desired wave to the antenna unit.
도 2 는 PIFA의 구조와 동작을 설명하기 위한 도면으로 안테나의 변형은 역 L형 안테나에서 평면을 사용해서 대역폭을 넓힌 형태이자, 단락 마이크로스트립 안테나의 특성을 갖고 있는 아주 저자세(low-profile)형태이다. PIFA는 패치(top plate), 단락회로(short-circuit)와 접지면(ground plane)으로 구성되어 있고, 전류 급전을 통하여 패치와 접지면을 방사소자로 사용하고 있다. PIFA는 단락회로에서 패치 끝인 개방회로(open-circuit)로 구성되어 있으며, 급전점이 있는 단락회로에서 전류가 패치 끝에 개방회로 방향으로 전류가 분포하여 방사를 하고 접지면으로 다시 되돌아와 단락회로 방향으로 전류가 분포한다.FIG. 2 is a diagram for explaining the structure and operation of PIFA. The antenna is a low-profile form in which an inverted L-type antenna has a wider bandwidth by using a plane and has characteristics of a short-circuit microstrip antenna. to be. PIFA consists of a top plate, short-circuit and ground plane, and uses the patch and ground plane as radiating elements through current feeding. PIFA consists of an open-circuit, the end of a patch in a short circuit, and in a short circuit with a feed point, the current is distributed in the direction of the open circuit at the end of the patch, radiating and returning back to the ground plane in the short circuit direction. The current is distributed.
PIFA의 공진 주파수를 결정하는 수식은 다음과 같다.The formula for determining the resonance frequency of PIFA is as follows.
(1) (One)
(2) (2)
(3) (3)
(4) (4)
(5) (5)
여기서,here,
c_0 : 자유공간에서 파의 속도c_0: the velocity of the wave in free space
f_1 : D = W 인 경우 공진주파수f_1: Resonant frequency when D = W
f_2 : D < W 인 경우 공진주파수f_2: Resonant frequency when D <W
를 나타낸다.Indicates.
PIFA의 공진 주파수를 결정짓는 파라미터는 패치의 길이 L, 폭 W, 높이 H, 단락회로의 길이 D로 나타내는데, 폭 W와 단락회로의 길이 D가 같은 경우는 평면 역 L형과 같이 안테나의 높이와 길이의 합이 λ/4의 길이가 된다. 이는 식 (2)와 같다.The parameters that determine the resonant frequency of PIFA are represented by the length L, width W, height H, and short circuit length D of the patch. If the width W and the short circuit length D are the same, the height and height of the antenna are the same as those of the plane inverted L shape. The sum of the lengths results in a length of λ / 4. This is the same as (2).
식(3)은 단락회로의 길이 D가 W보다 작은 경우의 공진 주파수를 나타낸 것으로 이는 안테나의 실효길이가 증가로 인해 나타난 결과이다. 결과적으로 패치의 길이와 폭이 결정된 다음 k값이 결정된 후 식(1)을 이용하여 안테나의 공진 주파수를 결정 할 수 있다.Equation (3) shows the resonant frequency when the length D of the short circuit is smaller than W, which is the result of the increase in the effective length of the antenna. As a result, after the length and width of the patch are determined and the k value is determined, the resonance frequency of the antenna can be determined using Equation (1).
안테나의 패치와 접지면 사이의 유전율을 고려하여 설계하였을 경우는 공진 주파수가 변하는데, 이는If the antenna is designed considering the dielectric constant between the patch and the ground plane, the resonance frequency changes.
(6) (6)
로 나타난다.Appears.
식(6)에서 볼 수 있듯이, 유전율을 사용한 안테나의 공진 주파수 f_r는 자유공간상에서 f_0에 비해 공진 주파수가 낮아져 같은 공진 주파수를 갖기 위해서는 안테나의 파라미터 값을 유전율 값에 비례하여 크기를 줄여 야지만 같은 주파수에서 공진 한다. 결과적으로 안테나의 크기를 더 소형화 할 수 있다. 유전율을 공기를 1로 생각해서 상용에서 사용되는 유전물질을 사용 할 수 있다.As can be seen from equation (6), the resonant frequency f_r of the antenna using the dielectric constant is lower than f_0 in free space, so in order to have the same resonant frequency, the parameter value of the antenna must be reduced in proportion to the dielectric constant, but the same frequency Resonance at As a result, the size of the antenna can be further reduced. Considering the permittivity of air as 1, it is possible to use a dielectric material used in commercial.
도 3 는 PIFA의 단락회로 길이에 따른 전류 분포를 나타낸 것이다.3 shows the current distribution along the short circuit length of PIFA.
PIFA 패치상의 전류분포가 나타나 있으며 안테나의 폭, 길이와 높이를 고정했을 때, 단락회로 D의 변화에 따른 실효전류 분포가 다르게 나타나 안테나의 특성이 변함을 볼 수 있다.The current distribution on the PIFA patch is shown, and when the width, length and height of the antenna are fixed, the effective current distribution according to the change of the short circuit D is different, indicating that the characteristics of the antenna change.
도 3(a)는 단락회로의 폭 D와 패치의 폭 W가 같을 경우로 패치의 전류흐름은 단락회로에서 개방회로 방향으로 직선으로 향하고 있다. (b)는 단락 회로 길이 D가 W/2 < D < W인 경우로서 (a)경우보다는 실효 전류가 조금 더 길다. (c)는 단락회로 길이가 D 가 가장 짧은 경우로 실효길이는 가장 길게된다. 이때 실효 길이는 거의 패치의 길이 L과 폭 W의 합과 같아진다. 단락회로의 길이가 폭과 같은 경우보다 공진 주파수가 낮아져 더 작은 안테나를 설계 할 수 있다. 즉, 패치 실효전류 길이의 증가는 같은 구조에서 PIFA의 공진 주파수를 낮출 수 있어 PIFA 안테나를 소형화로 설계 할 수 있다.3 (a) shows the case where the width D of the short circuit and the width W of the patch are the same, the current flow of the patch is directed straight from the short circuit to the open circuit. (b) is a case where the short circuit length D is W / 2 <D <W, and the effective current is slightly longer than that in (a). (c) is the case where the short circuit length is D is the shortest, and the effective length is the longest. The effective length is then approximately equal to the sum of the length L and the width W of the patch. The resonance frequency is lower than the case where the short circuit is equal to the width, so a smaller antenna can be designed. In other words, increasing the patch effective current length can lower the resonant frequency of the PIFA in the same structure, so that the PIFA antenna can be miniaturized.
도 4 는 안테나의 전류 길이를 효율적으로 이용하기 위해 패치의 구조적인 변화를 주었다. PIFA의 전류 흐름도에서 볼 수 있듯이 안테나의 실효길이 중에서 가장 장축의 길이에 의해 안테나의 공진 주파수가 결정됨을 보았듯이 패치의 가장 긴 변을 더욱 강조 할 수 있는 구조이고, 안테나의 전류밀도를 보았을 때, 전류밀도가 더 강한 곳을 강조하고, 약한 부분은 절삭을 하여 안테나를 소형화하고, 구조적으로 더 친밀성을 강조 할 수 있다.4 is a structural change of the patch to effectively use the current length of the antenna. As shown in the current flow diagram of PIFA, the resonant frequency of the antenna is determined by the length of the longest axis among the effective lengths of the antenna, and it is a structure that can further emphasize the longest side of the patch. Emphasis is placed on where the current density is stronger, and on weak parts, the antenna can be miniaturized and structurally more intimate.
도 5 는 패치(Top-plate)상의 시간에 따른 전류분포를 한 주기를 통하여 벡터화하여 나타낸 것으로 화살표 방향은 전류의 방향과 크기를 나타낸 것이다. 초기 시간 t = 0에서 급전점에서 야기된 전류는 시간 t = 0.2T가 될 때, 개방회로에서 단락회로부로 전류가 흐르기 시작한다. 그 후 t = 0.4T에서는 점점 더 전류의 양이 많아진다. t = 0.6T에서는 전류가 적어지다가 t = 0.8T에서 단락회로에서 개방회로방향으로 전류가 흐르기 시작한다. t = T에서 전류가 더욱 많이 흐르게 된다. 이는 안테나가 수신모드와 송신모드로 동작할 때로 이해하면 된다.FIG. 5 is a vectorized view of a current distribution over time on a patch (Top-plate) in one cycle. The arrow direction indicates the direction and magnitude of the current. At the initial time t = 0, the current induced at the feed point starts to flow from the open circuit to the short circuit section when the time t = 0.2T. Then, at t = 0.4T, the amount of current increases more and more. At t = 0.6T, the current decreases and at t = 0.8T, current begins to flow from the short circuit to the open circuit. At t = T more current flows. This can be understood when the antenna is operating in receive and transmit modes.
도 6 는 실제 제작된 PIFA의 네트웍 분석기(Network analyzer)를 통하여 측정한 실측값으로 그림 (a)는 임피던스 특성을 나타낸 것으로 Smith chart상에서 2.44GHz에서 50 Ω(Marker 2)에 거의 매칭이 됨을 볼 수 있고, 그림 (b)는 전압 정재파비(VSWR) 값으로 일반적으로 전압 정재파비는 1.6이하의 값으로 동작 할 때 만족한 값을 갖는데, 결과는 2.4GHz에서 1.58, 2.44GHz에서 1.15, 2.48GHz에서 1.52의 값을 나타나 만족한 결과가 나타났다.FIG. 6 is a measured value measured through a network analyzer of PIFA, which is shown in Figure (a), which shows impedance characteristics, and almost matches 50 Ω (Marker 2) at 2.44 GHz on the Smith chart. Fig. (B) shows the voltage standing wave ratio (VSWR) value, which is generally satisfactory when the voltage standing wave ratio is operated at less than 1.6. The result is 1.58 at 2.4 GHz, 1.15 at 2.44 GHz, and 1.48 at 2.48 GHz. A satisfactory result was obtained with a value of 1.52.
도 7 은 시뮬레이션상에 나타난 방사 패턴을 나타낸 것으로 (a)는 수평면상 방사패턴(Azimuth plane : x-y plane)을 나타낸 것이고, (b)는 수직면상 방사패턴(Elevation plane : x-z plane)을 나타낸 것이며, (c)는 수직 수평면과 3D 평면상에서 전범위에 고르게 전력이 방사되는 등방성 (Isotropic)특성을 볼 수 있다.7 shows the radiation pattern shown in the simulation, (a) shows the horizontal radiation pattern (Azimuth plane: xy plane), (b) shows the vertical radiation pattern (Elevation plane: xz plane), (c) shows the isotropic property that power is radiated evenly over the whole range on the vertical horizontal plane and the 3D plane.
이와 같이 유전율이 1인 공기를 적용한 포함한 PIFA구조와 더불어 더욱더 소형화가 가능한 특정 유전율을 가지는 매질을 PIFA에 채용함으로서 안테나의 크기를 더욱 소형화 할 수 있고 내장형(Built-in Type)으로 구현 가능하므로 휴대용 통신 기기나 이동통신기기에 채용이 가능하다.In this way, by adopting a PIFA structure including air with a dielectric constant of 1, a medium having a specific permittivity that can be further miniaturized can be used in PIFA to further reduce the size of the antenna and to implement a built-in type, thereby enabling portable communication. It can be adopted in a device or a mobile communication device.
따라서 ISM(Industrial Scientific and Medical Equipment)밴드용 고감도 소형 PIFA의 적용이 가능해지고 기존의 돌출형태의 모노폴 안테나의 공간적 한계와 기계적 충격에 의한 손실을 대폭 줄일 수 있는 특성을 가지고 있다.Therefore, it is possible to apply high-sensitivity small PIFA for ISM (Industrial Scientific and Medical Equipment) band and greatly reduce the space limitation and the damage due to mechanical impact of the conventional projecting monopole antenna.
근거리 디지털 통신영역의 다양한 적용사례와 더불어 시장적 요구가 확대되고 있는 상황에서 최근 ISM(Industrial Scientific and Medical Equipment)밴드용 통신기기의 소형화에 가장 적합하게 사용할 수 있는 PIFA방식 안테나의 적용에 있어 특정한 유전율을 가지는 매질과의 결합이나 PIFA자체의 외관 사양의 적절한 구조개선에 의해 기존방식대비 더욱 소형화하고 슬림화 할 수 있고 일반적 안테나에서 요구하는 전기적 특성면에서도 우수한 결과를 낼 수 있으며 특히 기기내에 내장(Built-in)할 수가 있으므로 종래의 모노폴 형태의 돌출형 안테나가 가지던 문제점인 파손의 위험이나 안테나부분의 공간적 한계 등을 극복할 수 있으며 최종 제품의 외관이나 디자인에 있어서도 보다 효과적인 결과를 가져 올 수 있다.As the market demands are expanding along with various application cases in the short-range digital communication area, the specific dielectric constant in the application of the PIFA type antenna, which can be most suited for the miniaturization of the communication equipment for the Industrial Scientific and Medical Equipment (ISM) band, is recently used. By combining with a medium having a proper structure and proper structure improvement of the appearance specification of PIFA itself, it can be further miniaturized and slimmed compared to the existing method, and it can produce excellent results in terms of electrical characteristics required by general antennas. in) can overcome the risk of damage and spatial limitations of the antenna portion, which is a problem with the conventional monopole projecting antenna, and can bring more effective results in the appearance and design of the final product.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020066037A (en) * | 2001-02-08 | 2002-08-14 | 삼성전자 주식회사 | Buil-in antenna device for portable radiotelephone |
| WO2004021514A1 (en) * | 2002-08-28 | 2004-03-11 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Radiation device for planar inverted f antenna |
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2001
- 2001-01-16 KR KR1020010002440A patent/KR20020061138A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |