KR20050071968A - 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나는 유전체 기판, 유전체 기판 상부에 위치하며, 외부전원에서 공급되는 전자기 에너지를 공급하는 급전선, 급전선에서 입력받은 전자기 에너지를 방사하기 위한 주 방사체 및 주 방사체에 인접한 위치에서 다중 방사를 구현하는 적어도 하나의 부 방사체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나는 주 방사체와 적어도 하나의 부 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 기판 일체형으로 극소형, 초경량화의 구현이 가능하며, 주 방사체 외에 부수적인 방사체를 형성함으로써, UWB 대역에서 다중방사를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나{Miniaturized ultra-wideband microstrip antenna}
본 발명은 초광대역(Ultra Wideband, UWB)통신 등과 같이 전자기 임펄스를 이용한 통신에 사용될 수 있는 임펄스 송수신용 광대역 안테나에 관한 것으로, 특히 주 방사체 및 이와 연결된 부 방사체의 노치(NOTCH)구조를 변화시켜 광대역 특성을 갖도록 한 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.
UWB란 3.1∼10.6㎓대의 주파수 대역을 사용하면서 10m∼1㎞의 전송거리를 보장하는 기술이다.
잘 알려진 바와 같이, 임펄스 무선통신은 기존의 협대역 통신과 달리 매우 넓은 주파수 대역을 사용하며 초저전력을 이용해 고속 데이터 전송을 이룰 수 있는 통신방법이다. 만일 임펄스를 이용한 무선통신이 보편화되어 이동 통신 단말기에 적용되어야 한다면 안테나의 소형화는 필수적이다.
그러나 종래의 임펄스 송수신용 초광대역 안테나의 주된 용도는 레이다 급전용이었기 때문에 고출력, 광대역, 높은 이득, 낮은 사이드로브(sidelobe)를 갖는 방사패턴의 특성을 갖도록 연구되었다. 개인 이동통신 단말기용의 임펄스 안테나에 대한 연구는 그리 활발하지 않다.
이하에서는 종래의 광대역 안테나에 대해 살펴본다.
도 1은 미국특허공보 US 5428364에 개시된 초광대역 특성을 갖는 안테나이다. 이러한 형태의 안테나는 원하는 전 주파수 대역의 방사특성을 확보하고 소스로부터 입력되는 전자계 에너지를 손실없이 전송하기 위해 광대역의 매칭특성을 가지도록 임피던스 테이퍼(impedance taper)가 요구된다. 또한 광대역 정합을 위한 정합회로 부분을 슬롯형식의 임피던스 테이퍼를 사용하므로 사용 주파수 대역에 따라 안테나의 크기가 커지는 단점이 있다.
도 2는 한국특허공보 KR 2002-0073660에 개시된 스터브를 이용한 단일층 광대역 안테나이다. 이러한 형태의 안테나는 일반적인 패치 안테나의 단점을 극복하기 위하여 방사 패치에 오픈 또는 쇼트 형태의 스터브를 부착하여 원하는 대역의 임피던스 정합 특성과 광대역 특성을 얻었다. 그러나, UWB 대역을 수용할 만한 광대역 특성을 가질 수 없으며, 패치 안테나의 특성상 단일 패치 안테나로 모든 주파수에서 방사특성의 옴니한 특성을 구현하기 힘들다. 또한, 이를 소형의 이동형 통신장비에 실장할 경우 안테나의 지향성에 의해 원활한 통신이 불가능하며 최소한 두 개 이상의 안테나를 필요로 한다.
도 3은 일본특허공보 JP 평5-03726에 개시된 "마이크로스트립라인에 1개 이상의 오픈 스터브로 정합회로를 구성, 광대역 특성을 얻는 프린트 다이폴 안테나"이다. 이러한 형태의 안테나는 신호선에 정합회로가 존재하므로 기판일체형 안테나의 설계시 정합회로에 의해 필요이상의 면적을 차지하게 된다. 또한, 5GHz 미만의 비교적 낮은 주파수 영역에서 3:1 이상의 대역폭을 가지는 광대역 정합 회로를 구현하기에 불리하다. 또한, 개시된 안테나는 이중의 적층구조를 사용하므로 단일 평면을 사용하는 안테나에 비하여 공정단가가 올라간다.
도 4는 유럽특허공보 WO 02/13313 A2에 개시된 안테나이다. 개시된 안테나는 평면형의 도체판에 큰 달걀모양의 타원형 슬롯을 내고 그보다 작은 크기의 타원형 도체를 삽입한 형태이다. 제안되어진 안테나의 크기는 방사슬롯을 포함하여 2.72 * 1.83 cm 의 크기로 본 특허에서 제안한 구조에 비하여 8배 이상의 크기를 가지는 단점을 지닌다.
도 5는 미국특허공보 US 6351246 B1에 개시된 "Planer ultra wide band antenna with intergrate electronics" 안테나이다. 이 안테나의 특성은 급전에 차동신호를 사용하며, 두 개의 쌍으로 이루어진 방사소자 사이에 저항을 추가하여 저주파의 전압정재파비(VSWR) 특성을 향상하였다. 제시된 안테나는 원하는 주파수 대역에서 전기적으로 펄스통신을 만족하는 기술적 요소를 가지고 있지만 소형화하는데 어려움이 있어 실용성에 제약이 있다. 또한, 낮은 주파수 대역의 전압정재파비를 향상하기 위하여 저항을 사용하므로 제품의 지속적인 신뢰성을 유지하기 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 소형이며 기판 일체형의 형태로 개인 및 군용 이동통신 단말기에 탑재시 초고속 임펄스 무선통신용에 적합한 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나를 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 주 방사체 및 이와 연결된 부 방사체를 이용하여 마이크로스트립 안테나의 협대역 특성과 다중의 고조파 특성을 개선함으로써 광대역 특성을 갖는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나를 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 주 방사체 및 이와 연결된 부 방사체의 노치구조를 통하여 사용하고자 하는 주파수 대역의 광대역 정합이 용이한 극소형 초광대역 마이크로스트입 안테나를 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 입사경계면에서 전기 임펄스가 완전히 투과되도록 하여 안테나와 공중파 사이의 광대역 임피던스 정합을 구현할 수 있는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나를 제공하기 위함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나는 유전체 기판, 유전체 기판 상부에 위치하며, 외부전원에서 공급되는 전자기 에너지를 공급하는 급전선, 급전선에서 입력받은 전자기 에너지를 방사하기 위한 주 방사체 및 주 방사체에 인접한 위치에서 다중 방사를 구현하는 적어도 하나의 부 방사체를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 안테나는 주 방사체와 적어도 하나의 부 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 주 방사체의 상단은 직사각형 형태이며, 부 방사체는 주 방사체를 기준으로 좌우대칭으로 위치하며, 부 방사체의 상단은 임의의 형태를 가질 수 있으나 크기 축소를 위해 직사각형 형태인 것이 바람직하다.
여기서, 부 방사체의 장변의 길이는 주 방사체와 장변의 길이와 동일하거나, 이보다 작은 것이 바람직하다.
급전선은 식각에 의하여 소정 크기를 지닌 적어도 하나의 슬롯이 형성되는 것이 바람직하다.
주 방사체의 일측 하단과 연결부는 90도의 각도를 형성하고, 연결부와 부 방사체의 일측 하단은 90도의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
θ1이 소정 각도인 경우에, 주 방사체의 일측 하단과 연결부는 90도의 각도를 형성하고, 연결부와 부 방사체의 일측 하단은 (90+θ1)의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
θ2가 소정 각도인 경우에, 주 방사체의 일측 하단과 연결부는 (90+θ2)의 각도를 형성하고, 연결부와 부 방사체의 일측 하단은 90도의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
θ3와 θ4가 소정 각도인 경우에, 주 방사체의 일측 하단과 연결부는 (90+θ3)의 각도를 형성하고, 연결부와 부 방사체의 일측 하단은 (90+θ4)의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
주 방사체와 부 방사체는 동일평면 상에 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 주 방사체와 부 방사체는 서로 다른 평면상에 위치하는 것이 바람직하다.
주 방사체와 부 방사체는 전자기 커플링을 이용하여 간접연결되며, 이 경우 부 방사체와 주 방사체는 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 것이 바람직하다.
유전체 기판의 재질은 비유전율 약 4.4인 FR-4 에폭시인 것이 바람직하다.
주 방사체의 장변의 길이는 대략 11.5mm인 것이 바람직하다.
급전선의 장변의 길이는 대략 55mm인 것이 바람직하다.
주 방사체의 단변의 길이, 연결부의 길이 및 부 방사체의 단변의 길이를 합하면 6.272mm인 것이 바람직하다.
연결부는 주 방사체 및 부 방사체의 상단, 중단 및 하단 부분 중 어느 하나의 부분에 형성되는 것이 바람직하다.
유전체 기판 상부에 급전선을 기준으로 좌우대칭으로 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 복수의 그라운드판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
유전체 기판 하부에 위치하는 소정 크기의 그라운드판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
유전체 기판 하부에 소정 크기의 그라운드판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 안테나는 대략 3.0 GHz에서 12 GHz 사이의 주파수 대역에서 삽입손실(S11)이 약 10dB 미만인 것이 바람직하다.
대략 3.0 GHz에서 12 GHz 사이의 주파수 대역에서 전압정재파비(VSWR)가 2.0 미만인 것이 바람직하다.
중심주파수 5GHz에서, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체의 하단부분인 것이 바람직하다.
중심주파수 10GHz에서, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체 및 복수의 부 방사체의 소정 부분인 것이 바람직하다.
중심주파수 10GHz에서, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체와 복수의 연결부 및 복수의 부 방사체의 소정 부분인 것이 바람직하다.
안테나의 광대역 특성을 향상시키기 위해 소정 위치에 형성되는 복수의 부가 방사체를 더 포함하는 것이 바람직하다.
대략 3.0 GHz에서 18GHz 사이의 주파수 대역에서 전압정재파비(VSWR)가 2.0 미만인 것이 바람직하다.
주 방사체와 부 방사체 및 부가 방사체를 각각 전기적으로 연결시키기 위한 다수의 연결부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
주 방사체와 부가 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
부 방사체와 부가 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
부가 방사체는 주 방사체 및 부 방사체 중 어느 하나와 동일평면상에 위치하는 것이 바람직하다.
부가 방사체는 주 방사체 및 부 방사체와 동일평면상에 위치하는 것이 바람직하다.
안테나의 광대역 특성을 향상시키기 위해 소정 위치에 형성되는 부가 방사체를 더 포함하는 것이 바람직하다.
부 방사체와 부가 방사체는 전자기 커플링을 이용하여 간접연결되며, 이 경우 부 방사체 및 부가 방사체는 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 것이 바람직하다.
부 방사체와 부가 방사체를 전기적으로 연결시키기위한 적어도 하나의 연결부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
부가 방사체는 주 방사체 및 부 방사체 중 어느 하나와 동일평면 상에 위치하는 것이 바람직하다.
부가 방사체는 주 방사체 및 부 방사체와 동일평면상에 위치하는 것이 바람직하다.
이하에서는 예시된 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 6은 CPW(Coplanar waveguide) 급전방식에서 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 사시도이다. 도 7은 GCPW(Grounded coplanar waveguide) 급전방식에서 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 사시도이다. 도 8은 마이크로스트립 급전방식에서 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 사시도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나 (100)는 유전체 기판(10), 급전선(20), 주 방사체(30), 복수의 연결부 (35a,35b), 복수의 부 방사체(40a, 40b) 및 그라운드판(GND1~GND6)을 포함한다. 이하에서는 명세서 기술상의 편의를 위하여 도 6 내지 도 8에서 공통되는 구성요소인 유전체 기판(10), 급전선(20), 주 방사체(30), 복수의 연결부(35a,35b), 복수의 부 방사체(40a,40b)는 동일한 도면부호를 사용한다.
또한, 급전선(20), 주 방사체(30), 복수의 연결부(35a,35b), 복수의 부 방사체(40a,40b)는 도전성 도체이며, 부식을 방지하기 위해 도체판 위에 주석도금을 하는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, CPW 급전형태에서 주 방사체(30), 복수의 연결부 (35a,35b), 복수의 부 방사체 (40a,40b), 급전선(20), 제1, 제2그라운드판(GND1, GND2)은 유전체 기판(10) 상면의 동일 평면상에 도체코팅을 한 형태로 쉽게 제작될 수 있다.
이 때, 코팅방법은 PCB(Printed Circuit Board) 가공기술이 사용된다. 유전체 기판(10)은 비율전율 약 4.4를 가지는 FR-4 에폭시 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, GCPW 급전방식에서는 CPW 급전방식과 달리 기저면에 제5그라운드판(GND5)이 위치하고, 제5그라운드판(GND5) 상부에 유전체 기판(10)이 적층된다.
유전체 기판(10) 상부의 동일평면상에 주 방사체(30), 복수의 연결부(35a,35b), 복수의 부 방사체(40a,40b), 제3, 제4그라운드판(GND3, GND4), 급전선(20)이 도체코팅되어 형성되는 것은 CPW 급전방식과 동일하다.
도 8을 참조하면, 마이크로스트립 급전방식에서는 기저면에 제6그라운드판 (GND6)이 위치하고, 제6그라운드판(GND6) 상부에 유전체 기판(10)이 적층된다. CPW나 GCPW 급전방식과 달리 유전체 기판(10) 상부에는 그라운드판이 형성되지 않고, 주 방사체(30)와 복수의 연결부(35a,35b), 복수의 부 방사체(40a,40b) 및 급전선(20)이 도체코팅되어 형성된다.
도 6 내지 도 8에서 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)를 전기적으로 연결하기 위하여 복수의 연결부(35a,35b)가 존재한다. 그러나, 전자기 커플링을 이용한 간접연결시 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 각각 이격되어 위치하므로, 이 경우 연결부(35a,35b)는 없어도 무방하다.
또한, 도 6 내지 도 8에서 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 동일 평면상에 위치하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 다른 평면상에 위치하여도 무방하다. 이 경우 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 간접 연결되거나, 비어 홀(도면에 미도시)을 통하여 직접 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 도 6 내지 도 8에서, 급전선(20) 최상단 측을 식각시켜 소정 크기를 지닌 적어도 하나의 슬롯(도면에 미도시)을 형성할 수 있다. 슬롯은 모양은 다양한 형태로 구현하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 급전선을 식각시켜 슬롯을 형성한 구조는 임피던스 정합을 위한 정합회로의 기능을 한다. 급전선은 동축케이블로 급전이 가능하며, 동축 케이블의 중심도체(도면에 미도시)가 안테나(100)의 주 방사체(30) 하단에 직접 연결되고, 외부 도체(도면에 미도시)는 그라운드판(GND1~GND6)에 직접 연결된다.
일반적인 안테나의 경우 안테나의 급전부에 오픈 스터브(open stube)를 사용하여 특정대역의 주파수에 대해 임피던스 정합을 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 급전선 최상단 부분을 식각시켜 슬롯을 형성함으로써, 오픈 스터브 등의 부가적인 구조물이 요구되지 않는다.
도 9는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 구성부분인 방사체의 평면도이다.
도 9를 참조하면, 방사체(50)는 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a, 40b)를 포함한다. 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a, 40b)의 상단은 직사각형의 모양을 갖는다. 도 9에서, 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a, 40b)의 하단은 직사각형으로 도시되었으나, 이외에도 테이퍼형, 역삼각형 등 다양한 형태로 구현 가능하다.
상기 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 각각 연결부(35a,35b)를 통하여 전기적으로 연결된다. 연결부(35a,35b)는 주 방사체(30) 및 부 방사체(35a,35b)의 상단, 중단 및 하단 부분 중 어느 하나의 부분에 형성될 수 있다. 전자기 커플링을 이용한 간접연결시 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 각각 이격되어 위치하므로, 이 경우 연결부(35a,35b)는 없어도 무방하다.
주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(30a,30b)는 하나의 도체판을 식각함으로써 홈을 낸 구조이며, 이와 같은 구조를 노치(notch)구조라 한다.
본 발명에 적용된 노치(notch)구조를 설명하기 위해 주 방사체(30)의 우측 하단과 우측 연결부(35b) 및 이와 연결된 우측 부 방사체(40b)의 좌측 하단을 예로 들어 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 노치 구조는 다양한 형태를 갖는 것이 바람직하다. 즉, (Ⅰ)은 변AB 와 변BC 및 변CD가 각각 직각인 기본구조이며, (Ⅱ)는 변 AB와 변BC가 직각이고, 변BC와 변CD가 (90+θ1)의 각도를 형성한다.
(Ⅲ)은 변BC와 변CD가 직각이고, 변BC와 변AB가 (90+θ2)의 각도를 형성한다. (Ⅳ)는 변AB가 변BC가 (90+θ3), 변BC와 변CD가 (90+θ4)의 각도를 각각 형성한다. 여기서, θ1, θ2, θ3, θ4는 임의의 각도이다.
여기서 변AB의 길이 즉, H1의 간격에 따라 안테나의 입력에서 바라본 임피던스가 결정된다. 변AB의 길이 즉, H1의 간격이 길어지면 안테나의 대역특성이 좁아지며, 저주파 방사 특성이 열화된다. H2의 간격이 길어지면 높은 주파수의 방사특성이 점점 향상되나, 소정 길이를 초과할 경우 열화 특성이 나타난다. 또한, 변BC의 길이도 주 방사체의 선폭(a)을 초과하면 열화 특성이 나타난다.
도 10은 도 9의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)는 각각 이격되어 형성될 수 있다. 이 경우, 전자기 커플링을 이용하여 주 방사체(30)와 복수의 부 방사체(40a,40b)가 간접 연결된다.
본 도면에서, 주 방사체(30)는 x축 상에 위치하며, 복수의 부 방사체(40a,40b)는 xz평면을 기준으로 각각 좌우대칭으로 형성된다. 본 실시예서 부 방사체(40a,40b)는 xz 평면을 기준으로 좌우에 2개가 배치되었으나, 그 수는 더 많아도 무방하다.
또한, 유전체 기판(10) 상부에 부가 방사체(45a,45b)를 형성할 수도 있다. 본 도면에서, 부가 방사체(45a,45b)들은 주 방사체(30)나 다른 부 방사체(40a,40b)와 이격되어 간접연결되나, 다른 복수의 연결부(도면에 미도시)를 통하여 주 방사체(30) 또는 복수의 부 방사체(40a,40b)와 직접 연결될 수 있다. 또한, 주 방사체, 복수의 부 방사체 및 복수의 부가 방사체 모두 연결부를 통하여 직접적으로 연결될 수 있다.
본 도면에서, 추가적인 부 방사체(45a,45b)들은 'ㅏ' 및 'ㅓ' 모양으로 형성되었으나, 이외에도 직사각형, 십자가(+), 'T'자 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 11은 도 6의 평면도이다. 도 11을 참조하면, 주 방사체(30)의 상단은 직사각형의 모양이며, 주 방사체(30)의 하측 단변 부분은 급전선(20)의 상측 단변 부분과 직접 연결된다. 도 11은 주 방사체(30)의 하측 단변의 길이(a)가 급전선(20)의 상측 단변의 길이(c)보다 긴 실시예를 보여준다. 급전선(20)의 장변의 길이(L)는 약 55mm인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 주 방사체(30)의 하측 단변의 길이(a)는 급전선(20)의 상측 단변의 길이 (c)와 동일하거나 길다. 즉 a≥c 이다. 주 방사체 (30)의 하단은 직사각형 모양으로 도시되었으나, 테이퍼형, 역삼각형 등의 다양한 형태를 갖는다.
부 방사체(40a,40b)의 상단은 임의의 형태를 가질 수 있으나 안테나(100)의 크기 축소를 위해 직사각형 형태인 것이 바람직하다. 도 11에서, 부 방사체 (40a,40b)의 하단 부분도 직사각형으로 도시되었으나, 하단 부분은 테이퍼형, 역삼각형 등 다영한 형태가 가능하다.
부 방사체(40a,40b)가 주 방사체(30)와 직접 연결될 경우 연결부(35a,35b)보다 낮은 부분의 부 방사체(40a,40b)의 폭은 점진적으로 좁아지는 테이퍼 형태를 가질 수 있다. 부 방사체(40a,40b)의 장변의 길이는 주 방사체(30)의 장변의 길이(d)보다 작거나, 주 방사체(30)의 장변의 길이(d)와 동일하다. 주 방사체(30)의 장변의 길이는 약 11.5mm인 것이 바람직하다.
또한, 주 방사체(30)의 단변의 길이(a), 복수의 연결부의 길이(b) 및 복수의 부 방사체의 단변(e)의 길이를 합한 본 안테나의 폭(W1)은 W1 = a + 2b + 2e 에 의하여, 대략 6.272mm인 것이 바람직하다.
그라운드판(GND)은 넓은 평판 도체로 이루어진다. 사용되는 급전 구조에 따라 그라운드판(GND)의 형태는 달라진다. 즉, 마이크로스트립 급전의 경우 그라운드판(GND6)은 유전체 기판 하부에 도체판을 코팅시켜 형성한다.
CPW 급전의 경우 제1, 제2 그라운드판(GND1, GND2)은 유전체 상부에 급전선 양쪽으로 이격되어 위치한다. GCPW 급전의 경우 제5그라운드판(GND5)이 유전체 기판 하부에 형성되며, 제3, 제4그라운드판(GND3, GND4)는 CPW 급전방식과 동일하게 유전체 상부에 급전선 양쪽으로 이격되어 위치한다.
그라운드판(GND1~GND6)의 폭(W2)은 약 35mm인 것이 바람직하나, 그라운드(GND1~GND6)의 크기는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나(100)의 응용에 따라 형태가 변화될 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 동작원리에 대해 설명한다.
마이크로스트립 또는 CPW, GCPW 구조 등의 모든 평면형 급전을 통해 전송된 에너지는 TEM 또는 QuasiTEM 모드로 전송되어 방사체(50)로 에너지를 전송한다. 이 때 방사체(50)에 전달된 에너지는 방사체(50)의 표면에서 전류의 유동으로 표현된다.
도 12는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 전류 분포도로서, 크기가 1이고 위상이 0도일 때 전력이 인가된 상태를 나타낸 도면이다.
도 12a는 중심주파수 5GHz 정도에서의 전류분포도이다. 도 12a를 참조하면, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체(30)의 하단부분이다. 도 12b는 중심주파수 10GHz에서의 전류분포도이다. 도 12b를 참조하면, 도 12a와 달리 전류가 유기되는 영역이 연결부(35a,35b)를 통하여 부 방사체(40a,40b)의 소정 영역까지 확장된다.
이러한 전류의 흐름과 직교하게 전자계 필드가 형성되며, 이 구형 전자기파가 안테나를 떠나 방사된다.
도 13은 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 방사패턴을 구좌표계상에 입체적으로 표현한 도면이다. 도 13a는 중심주파수 5GHz 정도에서 계산한 방사패턴으로 구의 형태로 방사된다. 도 13b는 중심주파수 10GHz 정도에서 계산한 방사패턴으로 양쪽 옆으로 퍼진 타원형의 형태로 방사된다.
도 14는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 삽입손실 (S11)을 나타내는 그래프이다. 도 14를 참조하면, 대략 3.0 GHz에서 12 GHz 사이의 주파수 대역에서 삽입손실(S11)은 약 10dB 미만이므로 본 발명에 따른 안테나는 UWB 대역을 만족한다.
도 15는 도 14의 삽입손실(S11)을 스미트차트로 표현한 도면이다. 도 15를 참조하면, 정규화된 입력 전력을 인가시켰을 때의 방사되는 주파수의 궤적과 각 주파수 별 크기와 위상을 알 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 전압정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 대략 3.0 GHz에서 12 GHz 사이의 주파수 대역에서 전압정재파비(VSWR)는 2.0 미만이므로 본 발명에 따른 안테나는 UWB 대역을 만족한다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시에에 따라 복수의 부가 방사체를 추가하여 본 안테나를 구현하는 경우, 대략 3.0 GHz에서 18GHz 사이의 주파수 대역에서 전압정재파비 (VSWR)를 2.0 미만으로 낮출 수 있으므로 보다 우수한 광대역 특성의 구현이 가능하다.
이러한 과정을 통하여 원하는 대역내의 반사가 일어나지 않도록 최적화를 하면 초소형의 평면 기판 일체형 안테나를 구현할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면 기판 일체형으로 극소형, 초경량화의 구현이 가능하며, PCB 기술을 이용하므로 제조 작업이 편리하고 제작 비용이 거의 소요되지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 주 방사체 외에 부수적인 방사체를 형성함으로써, UWB 대역에서 다중방사를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 방사체의 노치부분의 구조를 변형함으로써 주파수 대역의 조절이 용이하며, 다중대역 및 대역저지의 특성을 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 방사 주파수의 변화에 따라 안테나의 전류분포 영역의 변화를 유기하고 이를 통해 방사영역이 변화되도록 함으로써 광대역의 방사특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 임펄스가 송수신 될 때 주파수 별 시간지연이 기존의 안테나에 비해 미약하여 펄스의 모양이 왜곡되지 않으므로 임펄스를 이용한 초고속 무선 통신용 안테나로서 적합한 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위에 있게 된다.
도 1은 미국특허공보 US 5428364에 개시된 초광대역 특성을 갖는 안테나를 도시한 도면,
도 2는 한국특허공보 KR 2002-0073660에 개시된 스터브를 이용한 단일층 광대역 안테나를 도시한 도면,
도 3은 일본특허공보 JP 평5-03726에 개시된 "마이크로스트립라인에 1개 이상의 오픈 스터브로 정합회로를 구성, 광대역 특성을 얻는 프린트 다이폴 안테나"를 도시한 도면,
도 4는 유럽특허공보 WO 02/13313 A2에 개시된 안테나를 도시한 도면,
도 5는 미국특허공보 US 6351246 B1에 개시된 "Planer ultra wide band antenna with intergrate electronics" 안테나를 도시한 도면,
도 6은 CPW(Coplanar waveguide) 급전방식에서 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 사시도,
도 7은 GCPW(Grounded coplanar waveguide) 급전방식에서 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 사시도,
도 8은 마이크로스트립 급전방식에서 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 구성부분인 방사체의 평면도,
도 10은 도 9의 다른 실시예를 나타내는 도면,
도 11은 도 6의 평면도,
도 12는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 전류 분포도로서, 크기가 1이고 위상이 0도일 때 전력이 인가된 상태를 나타낸 도면,
도 13는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 방사패턴을 구좌표계상에 입체적으로 표현한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 삽입손실 (S11)을 나타내는 그래프,
도 15는 도 14의 삽입손실(S11)을 스미트차트로 표현한 도면, 그리고
도 16은 본 발명에 따른 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나의 전압정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 *
10 : 유전체 기판 20 : 급전선
30 : 주 방사체 35a~35b: 연결부
38a~38b: 제2연결부 40a~40b: 부 방사체
45 : 부가 방사체 50 : 방사체
100: 마이크로스트립 안테나 GND1~GND6: 그라운드판

Claims (37)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상부에 위치하며, 외부전원에서 공급되는 전자기 에너지를 공급하는 급전선;
    상기 급전선에서 입력받은 전자기 에너지를 방사하기 위한 주 방사체; 및
    상기 주 방사체에 인접한 위치에서 다중 방사를 구현하는 적어도 하나의 부 방사체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 방사체와 상기 적어도 하나의 부 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주 방사체의 상단은 직사각형 형태이며 상기 부 방사체는 상기 주 방사체를 기준으로 좌우대칭으로 위치하며, 상기 부 방사체의 상단은 임의의 형태를 가질 수 있으나 크기 축소를 위해 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  4. 제3항에 있어서, 상기 부 방사체의 장변의 길이는,
    상기 주 방사체와 장변의 길이와 동일하거나, 이보다 작은 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  5. 제2항에 있어서, 상기 급전선은,
    식각에 의하여 소정 크기를 지닌 적어도 하나의 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 주 방사체의 일측 하단과 상기 연결부는 약 90도의 각도를 형성하고, 상기 연결부와 상기 부 방사체의 일측 하단은 약 90도의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  7. 제2항에 있어서,
    θ1이 소정 각도인 경우에, 상기 주 방사체의 일측 하단과 상기 연결부는 약 90도의 각도를 형성하고, 상기 연결부와 상기 부 방사체의 일측 하단은 (90+θ1)의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  8. 제2항에 있어서,
    θ2가 소정 각도인 경우에, 상기 주 방사체의 일측 하단과 상기 연결부는 (90+θ2)의 각도를 형성하고, 상기 연결부와 상기 부 방사체의 일측 하단은 약 90도의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  9. 제2항에 있어서,
    θ3와 θ4가 소정 각도인 경우에, 상기 주 방사체의 일측 하단과 상기 연결부는 (90+θ3)의 각도를 형성하고, 상기 연결부와 상기 부 방사체의 일측 하단은 (90+θ4)의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주 방사체와 상기 부 방사체는,
    동일평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주 방사체와 상기 부 방사체는,
    다른 평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주 방사체와 상기 부 방사체는,
    전자기 커플링을 이용하여 간접연결되며, 이 경우 상기 부 방사체와 상기 주 방사체는 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전체 기판의 재질은,
    비유전율 약 4.4인 FR-4 에폭시인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주 방사체의 장변의 길이는,
    대략 11.5mm인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 급전선의 장변의 길이는,
    대략 55mm인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  16. 제2항에 있어서,
    주 방사체의 단변의 길이, 연결부의 길이 및 부 방사체의 단변의 길이를 합하면 대략 6.272mm인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  17. 제2항에 있어서, 상기 연결부는,
    주 방사체 및 부 방사체의 상단, 중단 및 하단 부분 중 어느 하나의 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체 기판 상부에 상기 급전선을 기준으로 좌우대칭으로 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 복수의 그라운드판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유전체 기판 하부에 위치하는 소정 크기의 그라운드판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체 기판 하부에 소정 크기의 그라운드판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    대략 3.0 GHz에서 12 GHz 사이의 주파수 대역에서 삽입손실(S11)이 약 10dB 미만인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    대략 3.0 GHz에서 12 GHz 사이의 주파수 대역에서 전압정재파비(VSWR)가 약 2.0 미만인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    중심주파수 5GHz 정도에서, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체의 하단부분인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  24. 제1항에 있어서,
    중심주파수 10GHz 정도에서, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체 및 부 방사체의 소정 부분인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  25. 제2항에 있어서,
    중심주파수 10GHz 정도에서, 전류가 주로 유기되는 영역은 주 방사체와 연결부 및 부 방사체의 소정 부분인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 광대역 특성을 향상시키기 위해 소정 위치에 형성되는 적어도 하나의 부가 방사체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  27. 제26항에 있어서,
    대략 3.0 GHz에서 18GHz 사이의 주파수 대역에서 전압정재파비(VSWR)가 약 2.0 미만인 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 주 방사체와 상기 부 방사체 및 상기 부가 방사체를 각각 전기적으로 연결시키기 위한 다수의 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 주 방사체와 상기 부가 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 부 방사체와 상기 부가 방사체를 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  31. 제26항에 있어서, 상기 부가 방사체는,
    상기 주 방사체 및 상기 부 방사체 중 어느 하나와 동일평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  32. 제26항에 있어서, 상기 부가 방사체는,
    상기 주 방사체 및 상기 부 방사체와 동일평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  33. 제2항에 있어서,
    상기 안테나의 광대역 특성을 향상시키기 위해 소정 위치에 형성되는 적어도 하나의 부가 방사체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 부 방사체와 상기 부가 방사체는 전자기 커플링을 이용하여 간접연결되며, 이 경우 상기 부 방사체 및 상기 부가 방사체는 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 부 방사체와 상기 부가 방사체를 전기적으로 연결시키기위한 적어도 하나의 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  36. 제33항에 있어서, 상기 부가 방사체는,
    상기 주 방사체 및 상기 부 방사체 중 어느 하나와 동일평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
  37. 제33항에 있어서, 상기 부가 방사체는,
    상기 주 방사체 및 상기 부 방사체와 동일평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 극소형 초광대역 마이크로스트립 안테나.
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