KR100683177B1 - 안정된 방사패턴을 갖는 초광대역 기판형 다이폴 안테나 - Google Patents

Abstract

안정된 방사패턴을 갖는 초광대역 기판형 다이폴 안테나가 개시된다. 본 발명에 따른 안정된 방사패턴을 갖는 초광대역 기판형 다이폴 안테나는 유전체 기판, 유전체 기판의 일면에 형성된 제1 방사체, 동축 케이블로부터 전송되는 에너지를 상기 제1 방사체로 전송하는 신호선, 및 제1 방사체 및 신호선과 이격되어 형성되며, 그 내부에 소정 형태의 복수의 슬릿을 각각 구비하는 복수의 제2 방사체를 포함한다. 본 발명에 의하면, 기판형 다이폴 안테나에 커넥터와 동축 케이블이 접속된 경우에도, 동축 케이블 외부 도체의 바깥쪽으로 누설전류가 발생하지 않아서 안테나의 방사패턴이 왜곡되는 현상이 사라진다. 따라서, 커넥터와 동축 케이블이 접속되기 이전과 동일하게 안테나의 방사패턴 및 최대 방사방향이 유지되는 장점이 있다.

슬릿, 누설전류, 방사패턴, 동축 케이블, 기판형 다이폴 안테나

Description

안정된 방사패턴을 갖는 초광대역 기판형 다이폴 안테나{The dipole antenna of the substrate type having the stable radiation pattern}

도 1은 기판형 안테나의 급전 방식의 일례를 설명하기 위한 도면,

도 2는 도 1의 급전 방식을 이용한 경우, 안테나의 측면에서 바라본 방사패턴의 변화를 도시한 도면,

도 3은 기판형 안테나의 급전 방식의 다른 일례를 설명하기 위한 도면,

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 CPW 급전방식의 초광대역 기판형 다이폴 안테나를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로스트립 급전방식의 초광대역 기판형 다이폴 안테나의 평면도 및 배면도를 도시한 도면, 그리고

도 6은 도 4에 도시된 안테나를 참조하여 본 발명의 동작원리를 설명하기 위한 개념도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *

400: CPW 급전방식의 초광대역 기판형 다이폴 안테나

410, 510, 610: 제1 방사체

420a, 420b, 520, 620a, 620b: 제2 방사체

430a, 430b, 530a, 530b, 630a, 630b: 누설 전류 차단용 슬릿

440, 540, 640: 신호선 450: 유전체 기판

660: 커넥터 670: 동축 케이블

US 6,642,903

본 발명은 기판형 다이폴 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 동축 케이블의 외부 도체 바깥쪽에 생성되는 누설전류를 차단하여, 안테나의 방사패턴에 왜곡이 없도록 한 초광대역 기판형 다이폴 안테나에 관한 것이다.

최근에 UWB(Ultra-Wideband) 기술을 이용한 무선통신기술이 상용화되어 가면서, 개인용 컴퓨터, 가전기기, 개인용 무선 단말기 등에 UWB 무선통신기술의 적용이 예상된다. 이에 따라, 제조단가가 낮고, 소형의 크기를 가지며, 최대의 전기적 성능을 구현하는 안테나 기술도 개발되고 있다. 일반적으로 초광대역에서 사용할 수 있는 안테나를 저가로 구현하기 위해 가장 흔히 사용되는 방법이 PCB(Printed Circuit Board) 기술로 제작된 기판형 안테나이다. 이러한 기판형 안테나 중에서 다양한 형태의 다이폴 안테나가 구현되고 있다(US 6,642,903 참조).

도 1은 기판형 안테나의 급전 방식의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 안테나(10)는 전파의 송수신을 위해 동축 케이블(30)과 연결되어 사용된다. 도 1을 참조하면, 커넥터(20) 아래쪽에 접속되어 있는 동축 케이블(30)을 통해 안테나의 급 전이 이루어진다.

일반적으로, 기판형 안테나의 설계에 있어서는 기판 상의 금속 패턴 형상을 이용하여 고주파 전류를 흐를 수 있도록 안테나가 구현된다. 또한, 기판 면에 수직인 방향과 안테나의 좌측 및 우측 방향으로 최대의 방사가 일어나도록 안테나가 구현된다. 한편, 안테나의 방사 패턴은 안테나에 흐르는 전류에 의해 영향을 받는데, 안테나를 사용하기 위해 동축 케이블을 안테나에 연결하게 되면, 동축 케이블 외부 도체의 바깥쪽에서 누설 전류가 흐른다. 이러한 누설 전류에 의해 안테나의 방사 패턴이 바뀌게 되고, 설계자가 의도한 방향에서 최대 방사가 일어나지 않게 된다.

도 2는 도 1의 급전 방식을 이용한 경우, 안테나의 측면에서 바라본 방사패턴의 변화를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 최대 방사 방향이 동축 케이블 쪽으로 치우치게 되는데, 이는 안테나에 급전된 전류의 일부가 동축 케이블 외부 도체의 바깥쪽으로 누설되기 때문이다.

이와 같은 문제점을 완화하기 위한 종래의 급전 방법이 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 기판형 안테나의 급전 방식의 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 동축 케이블이 90도 휘어진 안테나는 누설전류의 방향이 동축 케이블 방향으로 꺾이게 되어 안테나의 최대 방사 방향이 안테나 면의 수직 방향에서 커넥터 방향으로 이동하는 현상이 완화된다. 그러나, 이러한 급전 형태 또한 안테나의 기판에 직각 방향으로 위치한 동축 케이블로 인하여 안테나와 동축 케이블 간에 전파 간섭이 발생하며, 이로 인해 안테나의 방사 패턴이 본래의 등방향성 방사 패턴에서 변화되는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 동축 케이블의 외부 도체 바깥쪽에 누설전류가 발행하는 것을 방지하여 안정된 방사 패턴을 구현하도록 한 초광대역 기판형 다이폴 안테나를 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 일실시예에 따른 초광대역 기판형 다이폴 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 제1 방사체; 동축 케이블로부터 전송되는 에너지를 상기 제1 방사체로 전송하는 신호선; 및 상기 제1 방사체 및 상기 신호선과 이격되어 형성되며, 그 내부에 소정 형태의 복수의 슬릿을 각각 구비하는 복수의 제2 방사체;를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 방사체, 신호선, 복수의 제2 방사체는, 상기 유전체 기판 위에 증착된 도전성 물질을 소정 패턴에 따라 식각하여 형성되며, 상기 유전체 기판의 동일 평면 상에 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, CPW 급전 방식을 이용하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 신호선은, 유전체 기판의 중앙 하단으로부터 상기 제1 방사체의 중앙 하단까지 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 방사체는, 상기 신호선을 중심으로 좌우 대칭으로 상기 신호선과 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 슬릿은, 상기 복수의 제2 방사체를 소정 패턴에 따라 식각하여 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 슬릿의 상단 폭이 상기 슬릿의 하단 폭보다 넓은 것이 바람직하다.

여기서, 상기 슬릿의 상단 폭과 상기 슬릿의 하단 폭이 동일한 것이 바람직하다.

여기서, 상기 슬릿과 상기 신호선 사이의 거리는 소정 임계간격을 유지하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 슬릿은, 상기 복수의 제2 방사체의 표면에 흐르는 전류가 상기 동축 케이블로 전달되는 것을 차단하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 슬릿 하단의 폭은, 대략 1mm 내지 3mm인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 유전체 기판의 장변의 길이는, 대략 32.7mm이며, 상기 유전체 기판의 단변의 길이는, 대략 23mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 마이크로스트립 급전 방식의 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 제1 방사체; 동축 케이블로부터 전송되는 에너지를 상기 제1 방사체로 전송하는 신호선; 및 상기 제1 방사체가 형성된 유전체 기판의 일면과 대응되는 면에 형성되며, 그 내부에 소정 형태의 복수의 슬릿을 구비하는 제2 방사체;를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 방사체와 상기 신호선은 동일 평면 상에 위치하며, 상기 제2 방사체는 상기 제1 방사체 및 상기 신호선과 다른 평면상에 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 마이크로스트립 급전 방식을 이용하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 슬릿은, 상기 제2 방사체의 표면에 흐르는 전류가 상기 동축 케이블로 전달되는 것을 차단하는 것이 바람직하다.

이하에서는 예시된 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 CPW 급전방식의 초광대역 기판형 다이폴 안테나를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 제1 실시예에 따른 CPW(coplanar waveguide) 급전방식의 초광대역 기판형 다이폴 안테나(400)는 유전체 기판(450)과 유전체 기판(450) 상면의 동일 평면상에 도체 코딩을 한 형태로 제작되는 제1 방사체(410), 신호선(440) 및 복수의 제2 방사체(420a, 420b)를 포함한다. 이 때, 제1 방사체(410)와 신호선(440) 및 복수의 제2 방사체(420a, 420b)는 일반적으로 PCB (Printed Circuit Board) 가공기술을 사용하여 코팅된다.

제1 방사체(410), 복수의 제2 방사체(420a, 420b), 신호선(440)은 하나의 도전성 도체를 소정 패턴으로 식각하여 형성되며, 신호선(440)과 제1 방사체(410)는 직접적으로 연결되어 있으며, 복수의 제2 방사체(420a, 420b)는 제1 방사체(410) 및 신호선(440)과 이격되어 형성된다. 일반적으로, 부식을 방지하기 위해 도전성 도체에 주석 도금을 하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 유전체 기판(450)의 장변의 길이(b)는 대략 32.7mm, 단변의 길이(a)는 대략 23mm인 것이 바람직하다.

도 4에서, 제1 방사체(410)의 상단은 직사각형의 형태를 가지며, 하단은 테이퍼 형태를 가짐을 알 수 있다. 그러나, 제1 방사체(410)의 하단은 테이퍼 형태에 한정되는 것은 아니며, 역삼각형 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 제1 방사체(410)의 하단 중앙은 신호선(440)과 직접적으로 연결되어 있다.

복수의 제2 방사체(420a, 420b)는 신호선(440)을 중심으로 좌우 대칭으로 소정 거리만큼 이격되어 형성되며, 복수의 제2 방사체(420a, 420b) 내부에는 제2 방사체를 이루는 도전성 도체를 식각하여 형성된 누설 전류 차단용 슬릿(430a, 430b)이 각각 존재한다. 누설 전류 차단용 슬릿(430a, 430b)들은 상단의 폭(w1)이 하단의 폭(w2)보다 더 넓은 형태를 갖는다. 그러나, 슬릿(430a, 430b)의 형태가 도 4에 도시된 형태로 한정되는 것은 아니며, 슬릿 상단의 폭(w1)과 하단의 폭(w2)이 동일하도록 제작될 수도 있다.

안테나가 가능한 넓은 대역폭을 갖기 위해서는, 슬릿(430a, 430b)의 폭이 좁은 것이 바람직하지만, 슬릿(430a, 430b)의 폭이 너무 좁은 경우, 용량성 커플링(capacitive coupling)을 통해 제2 방사체(420a, 420b)에 흐르는 전류가 동축 케이블(미도시)로 흐르게 되어 방사패턴의 변화가 발생하게 된다. 따라서, 슬릿(430a, 430b)의 폭은 적절한 값으로 설계되어야 하며, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 슬릿(430a, 430b) 하단의 폭(w2)은 대략 1mm 내지 3mm인 것이 바람직하다.

한편, 슬릿들(430a, 430b)은 신호선(440) 쪽으로 너무 치우지지 않고, 신호선(440)과 소정 임계 간격(d)을 갖도록 제작되어야 한다. 광대역에서 안테나의 특성 임피던스는 대략 50[옴] 정도로 유지되는 것이 바람직한데, 슬릿들(430a, 430b)이 소정 임계 간격(d) 이내로 신호선(440)에 근접하게 형성되면, 주파수의 변화에 따라 안테나의 특성 임피던스가 많이 변동되기 때문이다. 슬릿들과 신호선 사이의 임계 간격(d)은 실험에 의해 최적의 값으로 결정되어야 하는 파라미터이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로스트립 급전방식의 초광대역 기판형 다이폴 안테나의 평면도 및 배면도이다. 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로스트립 급전방식에서는 CPW 급전 방식과 달리, 제1 방사체(510) 및 신호선(540)은 유전체 기판의 동일 평면 상에 형성되지만, 제2 방사체(520)는 이들과 다른 평면 즉, 유전체 기판의 기저면에 형성되는 차이점이 있다.

도 6은 도 4에 도시된 안테나를 참조하여 본 발명의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. CPW, 마이크로스트립 구조 등의 평면형 급전 방식으로, 동축 케이블(670)을 통해 전송된 에너지는 커넥터(660)를 통하여 복수의 제2 방사체(620a, 620b)로 전달되고, 커넥터(660) 및 신호선(640)을 거쳐 제1 방사체(610)로 전달된다.

이 때, 제1 방사체(610) 및 복수의 제2 방사체(620a, 620b)에 전달된 에너지는 도 6에 도시된 실선과 같이 제1 방사체(610) 및 복수의 제2 방사체(620a. 620b)의 표면에서 전류의 유동으로 표현된다.

복수의 제2 방사체(620a, 620b)의 표면에 흐르는 전류는 각각 복수의 슬릿(630a, 630b)을 돌아서 흐르며 복수의 슬릿(630a, 630b) 주변에서 방사하게 되고 슬릿(630a, 630b)에도 방사가 일어나게 되어 슬릿 주변의 전류 분포의 세기는 강해지며 커넥터 쪽으로 흘러 외부도체로 빠져 나가는 전류의 세기는 급격히 줄어든다. 이에 따라, 복수의 제2 방사체(620a, 620b)의 표면에 흐르는 전류가 커넥터(660)를 통하여 동축 케이블(670) 외부도체의 바깥쪽으로 흐르지 않게 되므로, 동축 케이블(670)의 외부 도체 바깥쪽에 누설 전류가 발생하지 않는다. 도 6에 도시된 점선은 동축 케이블(670)의 바깥쪽에 누설 전류가 발생하지 않음을 의미한다.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 복수의 제2 방사체(620a, 620b) 내에 형성된 복수의 슬릿(630a, 630b)에 의해 복수의 제2 방사체(620a, 620b)의 표면에 흐르는 전류가 동축 케이블(670)로 전달되지 않으므로, 동축 케이블(670) 외부도체의 바깥쪽에 누설 전류가 발생하지 않게 된다.

따라서, 종래와 같이 동축 케이블 외부 도체의 바깥쪽에 흐르는 누설 전류에 의해 안테나의 방사 패턴이 변하지 않으며, 이에 따라, 설계자가 의도한 방향에서 최대 방사가 발생하는 기판형 다이폴 안테나를 구현할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기판형 다이폴 안테나에 커넥터와 동축 케이블이 접속된 경우에도, 동축 케이블 외부 도체의 바깥쪽으로 누설전류가 발생하지 않아서 안테나의 방사패턴이 왜곡되는 현상이 사라진다. 따라서, 커넥터와 동축 케이블이 접속되기 이전과 동일하게 안테나의 방사패턴 및 최대 방사방향이 유지되는 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.

Claims (16)

1. 유전체 기판;

   상기 유전체 기판의 일면에 형성된 제1 방사체;

   동축 케이블로부터 전송되는 에너지를 상기 제1 방사체로 전송하는 신호선; 및

   상기 제1 방사체 및 상기 신호선과 이격되어 형성되며, 그 내부에 소정 형태의 복수의 슬릿을 각각 구비하는 복수의 제2 방사체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 방사체, 신호선, 복수의 제2 방사체는,

   상기 유전체 기판 위에 증착된 도전성 물질을 소정 패턴에 따라 식각하여 형성되며, 상기 유전체 기판의 동일 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
3. 제2항에 있어서,

   CPW 급전 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
4. 제1항에 있어서, 상기 신호선은,

   유전체 기판의 중앙 하단으로부터 상기 제1 방사체의 중앙 하단까지 형성되는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 방사체는,

   상기 신호선을 중심으로 좌우 대칭으로 상기 신호선과 소정 거리만큼 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬릿은,

   상기 복수의 제2 방사체를 소정 패턴에 따라 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
7. 제6항에 있어서,

   상기 슬릿의 상단 폭이 상기 슬릿의 하단 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
8. 제6항에 있어서,

   상기 슬릿의 상단 폭과 상기 슬릿의 하단 폭이 동일한 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
9. 제6항에 있어서,

   상기 슬릿과 상기 신호선 사이의 거리는 소정 임계간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
10. 제6항에 있어서,

    상기 복수의 슬릿은,

    상기 복수의 제2 방사체의 표면에 흐르는 전류가 상기 동축 케이블로 전달되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
11. 제6항에 있어서, 상기 복수의 슬릿 하단의 폭은,

    대략 1mm 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
12. 제6항에 있어서,

    상기 유전체 기판의 장변의 길이는, 대략 32.7mm이며,

    상기 유전체 기판의 단변의 길이는, 대략 23mm인 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
13. 유전체 기판;

    상기 유전체 기판의 일면에 형성된 제1 방사체;

    동축 케이블로부터 전송되는 에너지를 상기 제1 방사체로 전송하는 신호선; 및

    상기 제1 방사체가 형성된 유전체 기판의 일면과 대응되는 면에 형성되며, 그 내부에 소정 형태의 복수의 슬릿을 구비하는 제2 방사체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
14. 제13항에 있어서,

    상기 제1 방사체와 상기 신호선은 동일 평면 상에 위치하며,

    상기 제2 방사체는 상기 제1 방사체 및 상기 신호선과 다른 평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
15. 제13항에 있어서,

    마이크로스트립 급전 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.
16. 제13항에 있어서, 상기 복수의 슬릿은,

    상기 제2 방사체의 표면에 흐르는 전류가 상기 동축 케이블로 전달되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 기판형 다이폴 안테나.

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