KR20090055927A

KR20090055927A - 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나 장치

Info

Publication number: KR20090055927A
Application number: KR1020070122810A
Authority: KR
Inventors: 박종권; 최상성; 박광로
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-03
Also published as: US20090174608A1; KR100960018B1

Abstract

본 발명은 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모노폴 구조의 방사패치와 스텝을 갖는 개방형 스터브를 결합하여 초광대역 특성을 가지고 대칭구조를 이용하여 보다 향상된 비분산 특성을 얻을 수 있는 초광대역 안테나에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초광대역 안테나는 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상면의 중앙에 위치한 모노폴 방사패치, 상기 모노폴 방사패치와 연결되어 다중공진 특성을 유도하는 스텝을 갖는 개방형 스터브, 접지를 위한 CPW 접지면 및 상기 방사패치와 연결되어 급전을 하기 위한 CPW 급전선을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 모노폴 방사패치와 스텝을 갖는 개방형 스터브 및 CPW 급전을 이용함으로써, 시스템이 요구하는 주파수 대역(3.1~4.9GHz)에서 모든 방향으로 방사되는 전방향성 패턴(omni-directional pattern)을 가질 수 있는 효과가 있다.

초광대역 안테나, 다중공진, 비분산 (Non-Dispersive), UWB(Ultra-Wide Band), CPW(Coplanar Waveguide), MB-OFDM(Multi Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing), DS-CDMA(Direct Sequence Code Division Multiple Access)

Description

다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나 장치 {A Non-Dispersive UWB Antenna Apparatus Using the Multi-Resonance}

본 발명은 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모노폴 구조의 방사패치와 스텝을 갖는 개방형 스터브를 결합하여 초광대역 특성을 가지고 대칭구조를 이용하여 보다 향상된 비분산 특성을 얻을 수 있는, 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다 [과제관리번호:2006-S-071-02, 과제명: 초고속 멀티미디어 전송 UWB 솔루션 개발].

1950년대 미국 국방부가 군사적 목적으로 개발을 시작한 UWB(Ultra-Wide Band) 기술은 2002년 2월 상업적 용도로 승인된 이후 2003년 IEEE802.15 TG3a에서 고속 WPAN의 물리 계층으로 사용하기 위해 표준화가 시작된 기술로, 낮은 전력으로 넓은 주파수를 통해 많은 양의 디지털 데이터를 전송하는 방식이다. 매우 짧은 펄 스 주기를 사용함으로써 스펙트럼 밀도를 일정한 규정 이하의 방사기준으로 낮추어 규제 없이 자유롭게 사용할 수 있어 Radar분야에서 홈 네트워크에 이르기까지 광범위하게 응용이 가능한 기술이다.

2003년 IEEE802.15.3에서 MB-OFDM방식과 DS-CDMA 방식의 2가지 방식이 제안된 이후 단일화에 실패한 UWB 기술은, 현재까지 각각의 방식에 의해 따로 개발이 이루어지고 있다. MB-OFDM UWB 방식은 1개 대역이 528MHz로 14개 대역의 Multi-band를 사용하며 band 1, 2, 3(3168~4752MHz)의 대역이 필수대역으로 규정되어 있다. DS-CDMA UWB 방식은 1.2 GHz 이상의 광대역의 상,하대역을 사용하는 단일 밴드를 사용하고 3.1~4.9 GHz의 low-band가 필수대역으로 규정되어 있다.

UWB 통신은 초광대역 안테나의 개발이 요구되고, 기존의 통신 시스템과는 달리 펄스 통신을 수행하기 때문에 군 지연(group delay) 특성의 변화가 적어 펄스 신호의 왜곡이 적은 안테나의 개발이 요구된다. 그리고 안테나의 크기가 작아야 하고, 제작이 용이하여야 하며 제작비용도 저렴해야 한다.

초광대역 안테나를 구현하기 위한 다양한 급전방식 중 CPW 급전방식은 마이크로스트립 선로에 비해 분산이 적고 광대역 특성을 얻을 수 있으며 접지면과 동일한 면에 급전라인을 구현함으로써 급전 손실을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고, 비아홀(Via-hole)을 사용하지 않고도 소자의 부착이 용이하여 회로가 소형화 될 수 있고, 이는 공정이 간단해 지고 비아홀(Via-hole)에 의한 기생 효과를 줄일 수 있다.

급전선로와 동일한 선폭을 갖는 모노폴과 개방형 스터브를 이용하여 광대역 안테나를 구현할 수 있다. 이 방법은 모노폴과 개방형 스터브 길이의 변화에 따라 안테나의 반사손실 특성을 간단하게 조절하여 다중 공진을 유발하여 광대역 안테나를 구현하는 방법이다.

도 1은 종래의 다중공진을 이용한 초광대역 안테나로서, CPW 급전선로를 이용한 패치 안테나의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 다중공진을 이용한 초광대역 안테나는 기판(100)의 윗면에 위치한 L자형 모노폴(102)에 의하여 주파수의 범위가 결정되고, I자형 개방형 스터브(101)를 이용하여 해당 주파수 내에서 임피던스 매칭을 실시하여 광대역 특성을 갖는 방식이다.

그러나 이러한 종래의 안테나는 반사손실 특성은 만족하나 안테나의 비대칭적 구조에 의하여 전방향성 패턴(omni-directional)을 얻기 힘들고, 복사 필드의 위상이 선형적이지 않아 분산이 많이 일어나므로, 왜곡 없이 펄스를 주고 받아야 하는 UWB 통신에는 적합하지 못하다는 단점이 있다.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 모노폴 구조의 방사패치와 스텝을 갖는 개방형 스터브를 결합함으로써 다중공진에 의한 초광대역 특성을 얻고, 대칭 구조를 갖도록 설계함으로써 분산을 줄이는 특성을 갖는, 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명은 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상면의 중앙에 위치한 모노폴 방사패치, 상기 모노폴 방사패치와 연결되어 다중공진 특성을 유도하는 스텝을 갖는 개방형 스터브, 접지를 위한 CPW 접지면 및 상기 방사패치와 연결되어 급전을 하기 위한 CPW 급전선을 포함하는 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 모노폴 방사패치와 스텝을 갖는 개방형 스터브 및 CPW 급전을 이용함으로써, 시스템이 요구하는 주파수 대역(3.1~4.9GHz)에서 모든 방향으로 방사되는 전방향성 패턴(omni-directional pattern)을 갖는 장점이 있다.

또한 초소형으로 이동성이 용이하고 제작 비용이 저렴하며, 이득과 군 지연(group delay) 특성이 일정하므로 펄스 통신을 하는 UWB 통신에 적합한 장점이 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나는 유전체로 이루어진 기판(200)의 일면상에 모노폴 방사패치(201)와 개방형 스터브 (202, 203, 204, 205) 및 CPW 급전선(208)를 포함하여 구성함으로써 형성된다.

본 실시 예에서는 20*30 mm²의 크기를 갖고 높이가 1.6mm인 FR-4 epoxy (ε_r = 4.5, tanδ = 0.025) 유전체 기판(200) 상면 중앙에 모노폴 방사패치(201)을 구현한다. 또한 이러한 모노폴 방사패치(201)의 좌우에 대칭 구조를 갖는 개방형 스터브(202, 203, 204, 205)를 연결함으로써 다중공진 모드를 형성한다. 유전체 기판(200)의 후면에는 접지가 없는 CPW 급전 구조를 이용함으로써 초광대역 특성을 가진다.

본 안테나로 들어오는 입력신호는 CPW 급전선(208)를 통해 입력되고, 모노폴 방사패치(201)와 개방형 스터브(202, 203, 204, 205)를 통해 자유공간으로 방사되고, 개방형 스터브의 하단(204, 205)과 모노폴 방사패치가 이루는 사잇각(θ)은 60 °에서 90°까지 변하는 경우 모두 관심 주파수 대역을 만족한다. 개방형 스터브의 상단(202, 203)에 스텝을 갖는 구조를 적용시켜 광대역 특성을 얻고, 스터브가 모노폴 방사패치를 기준으로 대칭적으로 배치하여 비분산 특성을 얻는다.

본 발명에 따른 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나 장치는, 상기 도 2에 도시된 형태의 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 이와 균등한 범위내의 다양한 형태와 모양으로 변경하여 실시될 수 있음은 당업자에게 자명한 사실이다.

도 3은 도 2에서 도시된 본 발명에 따른 안테나의 반사 손실을 상용 전자기 툴인 HFSS로 시뮬레이션 한 결과이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나는 -10dB이하에서 요구 주파수 대역인 3.1~4.9 GHz를 만족한다.

도 4는 도 2에서 도시된 본 발명에 따른 안테나의 주파수에 대한 이득을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나는 약 0. 46dBi의 평탄한 이득 변화량을 보인다.

도 5는 도 2에서 도시된 본 발명에 따른 안테나의 군 지연(group delay) 특성을 시뮬레이션 한 결과이다.

안테나 두 개를 30cm정도 떨어뜨려 서로 마주보도록 설계한 뒤 시뮬레이션 하여 본 발명에 따른 안테나의 군 지연(group delay) 특성을 확인한다.

UWB 통신은 펄스 통신을 수행하므로 군 지연 특성이 일정해야 하는 것이 요 구된다. 본 발명에 따른 안테나의 군 지연 특성은, 도 5에 도시된 바와 같이, 군 지연(group delay) 변화량이 약 0.23ns으로써 관심 주파수 대역에서 거의 일정한 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 안테나의 반사 특성 및 통과 특성을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.

UWB 통신을 적절히 수행하기 위한 안테나는, 관심 주파수 대역에서 반사 특성은 -10dB이하를 만족하고, 통과 특성은 일정해야 하는 것이 요구된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나의 반사 특성은 3.1~4.9 GHz 대역에서 -10dB 이하이고, 통과 특성은 일정하다. 즉, 본 발명에 따른 초광대역 안테나는 반사 특성 및 통과 특성이 UWB 통신에 적합한 것임을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 안테나의 방사 패턴을 주파수에 따라 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.

도 7a, 7b, 7c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나의 복사 패턴은 관심 주파수 대역(3 GHz, 4 GHz, 5 GHZ)에서 전방향성 패턴(omni-directional pattern)을 가짐을 알 수 있다.

이상, 바람직한 실시예와 첨부도면의 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다.

따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여 져야 할 것이다.

도 1은 종래의 다중공진을 이용한 초광대역 안테나를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 다중공진을 이용한 비분산 특성의 초광대역 안테나의 일실시예 구조도.

도 3은 도 2의 안테나의 반사 손실을 나타내는 도면.

도 4는 도 2의 안테나의 이득을 나타내는 도면.

도 5는 도 2의 안테나의 군 지연 (group delay)을 나타내는 도면.

도 6은 도 2의 안테나의 S 파라미터를 나타내는 도면.

도 7은 주파수에 따른 도 2 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면.

Claims

유전체 기판과,

상기 유전체 기판의 일면에 형성된 모노폴 방사패치와,

상기 모노폴 방사패치의 좌우에 대칭으로 형성된 개방형 스터브와,

상기 모노폴 방사패치의 하단에 연결되어 있는 CPW 급전선

을 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 개방형 스터브는 상기 모노폴 방사패치를 중심으로 좌우에 Ψ형태로 대칭하여 형성된 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 개방형 스터브의 하단과 상기 모노폴 방사패치가 이루는 각도는 60도 내지 90도 중 어느 한 각인 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 개방형 스터브는 상단에 단차가 형성된 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 유전체 기판은 FR-4 기판인 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 유전체 기판은 후면에 접지 없이 CPW 급전구조가 형성된 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 모노폴 방사패치와 상기 개방형 스터브는 3.1~4.9㎓의 주파수 대역에서 반사특성이 -10㏈ 이하인 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
제7항에 있어서,

상기 모노폴 방사패치와 상기 개방형 스터브는 3~5㎓의 주파수 대역에서 전방향성의 복사패턴을 가지는 것

을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나.
유전체 기판을 준비하는 단계와,

상기 유전체 기판의 일면에 모노폴 방사패치를 형성하는 단계와,

상기 모노폴 방사패치의 좌우에 대칭되는 형태로 개방형 스터브를 형성하는 단계와,

상기 모노폴 방사패치의 하단에 CPW 급전선을 형성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나 제작 방법.
제9항에 있어서, 상기 개방형 스터브를 형성하는 단계는,

상기 모노폴 방사패치와 사이각이 60도 내지 90도 중 어느 한 각이 되도록 상기 개방형 스터브의 하단을 형성하는 단계와,

단차가 존재하도록 개방형 스터브의 상단을 형성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나 제작 방법.
제9항에 있어서,

상기 유전체 기판의 후면에 접지 없는 CPW 급전구조를 형성하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 초광대역 안테나 제작 방법.