KR100349422B1 - 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

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KR100349422B1
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Abstract

본 발명은 적어도 급전선로(30)가 위치되는 그라운드 패치(40)와, 이 그라운드 패치(40) 위에 적층된 유전체(50)를 포함하여 이루어진 마이크로스트립 안테나(100)에 있어서, 상기 그라운드 패치(40)의 일단에 단락되어 상기 유전체(50)의 좌측 상면에 적층된 좌측 방사패치(61)와, 상기 그라운드 패치(40)의 타단에 단락되며 상기 좌측 방사패치(61)로부터 정전용량을 구현할 수 있도록 방사슬롯(70)을 사이에 두고 상기 유전체(50)의 우측 상면에 어레이 적층된 우측 방사패치(62)를 더 포함하고, 상기 그라운드 패치(40)는 상기 급전선로(30)의 급전점 포인트를 꼭지점으로 하여 상기 우측 방사패치(62)가 단락되는 유전체(50)의 타측 양모서리에 이르기까지의 넓이를 가지는 삼각형상의 우측 그라운드판(41)과, 이 우측 그라운드판(41)의 높이(ℓ5)만큼 급전점 포인트로부터 상기 좌측 방사패치(61)를 향하여 좁은폭(W2)으로 연장되어 인덕턴스를 구현하는 연결판(42)과, 이 연결판(42)으로부터 유전체(50)의 일측 하면에 덮혀지는 좌측 그라운드판(43)을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다. 따라서, 광범위의 주파수 대역폭을 갖을 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 좋게 할 수 있으며 정재파비를 개선할 수 있기 때문에 소형의 크기로 휴대용 단말기와 같은 각종 통신장비에 내장될 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Description

마이크로스트립 안테나{A MICROSTRIP ANTENNA}
본 발명은 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동위상의 전계를 갖을 수 있도록 유전체의 상면에 좌측 방사패치 및 우측 방사패치를 분할 어레이시켜 누설전류를 극소화시킬 수 있도록 하며 정재파비 및 이득을 좋게 하여 광대역의 대역폭을 갖도록 하므로써 안테나의 크기를 극소화시킬 수 있으며 휴대용 단말기를 비롯한 각종 무선통신 장비에 소형으로 내장시킬 수 있는 마이크로스트립 안테나(Micro-Strip Antenna; MSA)에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신에서 주로 사용되고 있는 주파수는 150∼900㎒ 대역에서 활용되고 있으나 최근에는 그 수요의 급증으로 1∼3㎓ 대역인 준 마이크로파 대역의 주파수에서도 실시되고 있는 상태이다.
준 마이크로파 대역의 활용은 이미 PCS가 1.7∼1.8㎓ 대역에서 상용화되고 있으며, 2000년대에는 통화지역이 전 세계 어느 지역에서나 가능한 GMPCS(1.6㎓), IMT2000(2㎓) 등의 차세대 이동통신 시스템에도 적용될 예정이다.
휴대 전화기의 급속한 발전으로 소형화 및 고급화됨에 따라 정보통신의 출입문이라 할 수 있는 안테나의 중요성은 자연스럽게 부각되었고, 그러한 예로 마이크로스트립 안테나는 이 분야에서 특별한 연구의 대상으로 떠오르고 있다.
통상적으로 마이크로스트립 안테나는 유전율이 낮을수록, 기판이 두꺼울수록 효율이 좋다. 그리고 주파수가 낮을 경우에는 효율이 낮고, 주파수가 높을 경우에는 효율이 높기 때문에 준 마이크로파 대역과 같은 비교적 높은 주파수에서 적용할 수 있는 마이크로스트립 안테나는 휴대 전화기가 추구하고 있는 소형화 제약 조건을 만족할 수 있는 최소한의 안테나라 할 수 있다.
한편, 통상의 마이크로스트립 안테나는 넓은 그라운드 패치 위에 공진길이가 λ/2인 방사패치가 공진형태를 이루고 있으며 구조적으로 어레이 형태를 취하고 있다. 그리고, 급전점의 좌우측에 패치와 그라운드 패치 사이에 전기력선이 형성되기 때문에 급전점의 좌우측 그라운드 패치를 짧게 할 경우에는 전기력선 형성에 제한을 받게 되고, 그에 따라 이득이 떨어지는 결과를 초래하여 소형화에 어려움이 따르기도 한다.
또한, 마이크로스트립 안테나는 그라운드 패치 위에 유전체를 형성하고, 이 유전체의 상면에 장방형 또는 원형의 방사패치를 부착한 간단한 구조의 평면 안테나로서 대역폭이 좁고 효율이 낮다는 단점이 있기도 한다. 그러나, 가격이 저렴하고 소형 및 경량으로 제작할 수 있어 대량생산에 적합하다는 잇점이 있다.
더불어, 마이크로스트립 안테나는 밴딩이 자유로와 각종 장치나 부품에 일정형상으로 감을 수 있고 고속으로 움직이는 물체에 용이하게 부착할 수 있으므로, 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 널리 이용되고 있다.
이외에도 마이크로스트립 안테나는, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판 위에 설계할 수 있는 특징을 또한 지니고 있다.
이러한 마이크로스트립 안테나는 원형 편파를 요구하는 위성통신에서 원형 또는 장방형 방사패치에 한 개 또는 두 개의 급전 포인트를 갖도록 설계할 수 있고, 도플러 레이더(doppler radar), 전파 고도계(radio altimeter), 미사일 원격 측정기, 무기, 환경기계의 사용과 원격감지, 복합 안테나의 전송소자, 위성조종 수신기, 생물의학의 방사체 등에도 이용할 수 있으며 그 이용분야가 갈수록 증가되고 있는 추세이다.
한편, 오늘날 정보화의 급속한 발달에 따라 자동차용 전화, 포킷 벨, 코드레스 전화 등의 이동통신 단말기가 급속히 보급되고 있는 데, 이러한 이동통신의 장비 역시 소형화되어 감에 따라 안테나의 크기 또한 필연적으로 작아질 수밖에 없는 현실이다.
도 1은 일반적인 마이크로스트립 안테나를 나타내는 측면도이다.
통상의 마이크로스트립 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 방사패치(1)의 양단이 개방되어 있어서 그 전류분포가 0이 되고, 전압분포는 최대치를 갖는다. 그리고, 급전위치는 급전선로(2)의 저항값에 따라 전류분포의 값과 전압분포의 값에 대한 비로 결정된다.
또한, 전기력선(3),(5)은 수직성분과 수평성분으로 나누어 생각할 수 있으며, 수직성분은 위상이 반대여서 상쇄되고 수평성분만 동위상으로 어레이되어 존재하게 된다.
이러한 마이크로스트립 안테나에 있어서 그라운드 패치(6)의 길이를 짧게 형성할 경우에는 전기력선(3),(5)이 미치는 범위가 제한되어 결국 이득이 감쇠되므로 그라운드 패치(6)을 짧게 하는 방식으로는 안테나를 소형화할 수 없다.
일반적으로 마이크로스트립 안테나는 VHF/UHF 대역의 유니트로서 작고 가벼우며 콤팩트한 구조가 요망되고 있고, 현재 소형화로 개발된 변형된 마이크로스트립 안테나의 예로서는 QMSA(Quarter-Wavelength Micro-Strip Antenna), PMSA(Post-loading Micro-strip Antenna), WMSA(Window-attached Micro-Strip Antenna), FVMSA (Frequency-Variable Micro-Strip Antenna) 등의 종류가 있다. 이들 PMSA, WMSA, FVMSA 안테나는 QMSA 안테나로부터 부분적으로 변형된 것들이며, 상호 기본적으로 유사한 방사 패턴을 지니고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 QMSA 안테나의 구성을 나타낸 사시도로서, 소형 무선장비의 한정된 용적 내에 탑재시킬 수 있도록 소형화된 안테나를 제공하기 위하여 방사패치(23)와 그라운드 패치(21)의 폭(W)을 동일하게 구성하고, 방사개구(22)의 반대방향에 그라운드 패치(21)을 신장시켜 사용하는 특징을 갖고 있다.
즉, 도 2에 도시된 QMSA 안테나는 λg(관내파장)/2로 된 그라운드 패치(21)에 순차로 유전체(22)와 방사패치(23)가 부착되어 있고, 그라운드 패치(21)의 일측이 방사패치(23)에 단락되어 있으며, 방사패치(23)의 길이는 λg/4로 구성하여 일정한 주파수 영역을 갖도록 설계되어 있다.
더불어, 급전선(24)의 외부도체가 그라운드 패치(21)에 접지되어 있고, 급전선(24)의 내부도체(중심도체)는 그라운드 패치(21)과 유전체(22)를 통과해 방사패치(23)에 접속되어 있다(일본전자정보학회 Vol.J71-B, 1988.11.). 유전체(22)는대표적으로 폴리에틸렌(εr=2.4), 테프론(εr=2.5) 또는 에폭시-화이버 글라스(εr=3.7)가 사용될 수 있다.
도 3은 도 2의 Gz의 변화에 대한 이득율의 변화를 보인 것으로, 여기서, 0(dB)은 가장 기본적인 반파장 다이폴 안테나의 이득을 나타낸다. Gz는 방사 증가율을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다. 도 4는 도 2의 안테나의 전체 길이(L)에 대한 이득 변화율을 나타내고 있으며, 도 5는 도 2의 방사패치(23)의 폭(W)에 대한 이득율을 나타내고 있다.
도 6은 도 2의 QMSA의 방사특성을 측정한 것으로, (가)는 XY면, (나)는 YZ면, (다)는 ZX면을 나타낸다. 도 6의 (가),(나),(다)에 도시된 바와 같이 도 2의 QMSA 안테나는 방사패턴이 거의 전방향으로 전파되고 있는 전계 안테나임을 알 수 있다. 이 QMSA 안테나의 방사특성은 안테나의 매개변수를 안테나의 전체 길이(L)= 7.67cm, Gz= 2.79cm, 방사패치(23)의 폭(W)= 3cm, 유전체(22)의 두께(t)= 0.12cm, 유전율(εr)= 2.5(테프론)로 한 경우의 예이다.
한편, 복잡한 도시환경 속에서 정재파 분포가 최소점에 가깝게 위치할 때, 전계 안테나는 신호의 회절과 반사 등으로 인하여 송수신 감도가 저하되어 통신의 방해를 받게 된다.
따라서, 현재의 무선장비 시스템에서는 이를 극복하기 위하여 공간 다이버시티, 지향성 다이버시티, 편파 다이버시티 등을 활용하고 있고, 멀티패스에 의한 저수신 감도를 해결하기 어렵기 때문에 2개 이상의 안테나를 설치하기도 한다.
한편, 변형된 마이크로스트립 안테나인 PMSA(미 도시됨)는 방사패치의 양측에 2개의 방사 개구면이 형성되어 있고, QMSA 안테나의 단락말단 대신에 유전체를 통해 그라운드 패치와 방사패치에 단락 포스트가 접속되어 있으며, 이로부터 일정 지점에 급전선이 위치되도록 구성한 것으로서, 2개의 개구면이 존재하지만 그 방사패턴은 실질적으로 QMSA와 유사하게 나타난다.
또한, 변형된 마이크로스트립 안테나인 WMSA(미 도시됨)는 QMSA 안테나의 방사패치의 일정 지점에 슬릿(slit)을 형성하여 리액턴스 성분을 갖도록 함으로써 방사패치의 길이를 짧게 할 수 있도록 설계된 것이고, FVMSA(미 도시됨)는 리액턴스 부하값의 변화에 의해 QMSA의 공진 주파수를 전자적으로 변경시킬 수 있도록 제안된 안테나이다.
그러나, 이와 같이 다양한 종래의 변형된 마이크로스트립 안테나(MSA), 즉, QMSA, PMSA, WMSA, FVMSA 안테나는 그라운드 패치를 작게 할 경우 방사 개구면이 좁아지기 때문에 이득이 오히려 감쇠되어 그 크기를 소형화시킬 수가 없고, 휴대용 무선장비로 사용할 경우에는 전계 안테나가 이용되고 있기 때문에 건물의 벽면 또는 건물내의 각종 금속물질 등에 의해 전계강도가 저하될 뿐만 아니라 멀티패스 간섭에 의한 수신감도가 저하되는 커다란 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 그라운드 패치와 방사패치 사이의 전기력선 범위가 제한되지 않으면서 이득의 감쇠없이 안테나의 크기를 더욱 소형화시킬 수 있고, 그라운드 패치보다 용량이 장하된 쪽으로 이득을 더욱 크게 구현할 수 있도록 하여 광대역의 대역폭을 갖는 소형화된 마이크로스트립 안테나를 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 마이크로스트립 안테나를 나타내는 측면도.
도 2는 종래 기술에 따른 QMSA 안테나를 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 Gz에 대한 이득 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 도 2의 안테나 전체길이(L)에 대한 이득 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 도 2의 방사패치 폭(W)에 대한 이득 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 도 2의 방사 특성도로서, (가)는 XY 방향, (나)는 YZ 방향, (다)는 ZX 방향.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 저면도.
도 10은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 측면도.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 저면에서 바라본 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 설명하기 위한 스미스 챠트(Smith Chart).
도 15는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 설명하기 위한 복사패턴(Radiation Pattern).
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 마이크로스트립 안테나 30 : 급전선로
40 : 그라운드 패치 41 : 우측 그라운드판
42 : 연결판 43 : 좌측 그라운드판
50 : 유전체 61 : 좌측 방사패치
62 : 우측 방사패치 70 : 방사슬롯
80 : 탑재편
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
적어도 급전선로가 위치되는 그라운드 패치와, 이 그라운드 패치 위에 적층된 유전체를 포함하여 이루어진 마이크로스트립 안테나에 있어서,
상기 그라운드 패치의 일단에 단락되어 상기 유전체의 좌측 상면에 적층된 좌측 방사패치와, 상기 그라운드 패치의 타단에 단락되며 상기 좌측 방사패치로부터 정전용량을 구현할 수 있도록 방사슬롯을 사이에 두고 상기 유전체의 우측 상면에 어레이 적층된 우측 방사패치를 더 포함하고,
상기 그라운드 패치는
상기 급전선로의 급전점 포인트를 꼭지점으로 하여 상기 우측 방사패치가 단락되는 유전체의 타측 양모서리에 이르기까지의 넓이를 가지는 삼각형상의 우측 그라운드판과, 이 우측 그라운드판의 높이만큼 급전점 포인트로부터 상기 좌측 방사패치를 향하여 좁은폭으로 연장되어 인덕턴스를 구현하는 연결판과, 이 연결판으로부터 유전체의 일측 하면에 덮혀지는 좌측 그라운드판을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 좌측 방사패치의 중심으로부터 상기 유전체의 일측면을 지나 상기 좌측 그라운드판에 굽혀진 형상으로 부착된 후 절곡되어 상기 그라운드 패치를 이격 탑재시킬 수 있도록 높이를 제공하는 탑재편을 더 포함하는 것이 좋다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이들 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 그라운드 패치(40) 위에 유전체(50)가 적층되는 구조로 이루어지고, 이 유전체(50)의 상면에는 좌측 방사패치(61)가 그라운드 패치(40)의 일단에 단락되는 형상으로 위치되고, 그라운드 패치(40)의 타단에는 좌측 방사패치(61)와 정전용량을 구현할 수 있도록 소정의 간격(예를 들면 0.5㎜정도로 이격되며, 이를 방사슬롯(70)이라 정의함)만큼 이격된 우측 방사패치(62)가 단락된다.
이러한 방사슬롯(70)에 의한 마이크로스트립 안테나(100)는 좌측 방사패치(61)와 우측 방사패치(62) 상호간의 용량을 장하시킬 수 있기 때문에 전기력선 형성에 제한을 받지 않게 되고, 이로서 마이크로스트립 안테나(100)의 크기를 더더욱 소형화시킬 수 있다. 더불어, 그라운드 패치(40) 쪽보다 용량이 장하된 쪽으로 이득이 더욱 커지고, 이득이 더욱 큰 방사패턴을 갖을 수 있게 되어 PCS 서비스 대역에서의 안테나로서 적합하게 활용할 수 있다.
부연하면, 마이크로스트립 안테나(100)의 이득이 그라운드 패치(40) 쪽보다 용량이 장하된 쪽으로 1∼1.76dB정도 더 크고, 기존 다이폴 안테나보다 용량이 장하된 쪽으로 최대 전계가 2dB정도 더욱 큰 방사패턴을 갖을 수 있게 되어 각종 무선장비에 매우 적합하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로스트립 안테나(100)는 대역폭의 증감과 이득의 증감을 위하여 유전체(50)의 두께(H1)와 용량을 장하한 부분의 폭을 조정할 수 있고, 더불어 급전선로(30)로부터 전력을 급전할 경우 급전 포인트의 프린지 효과(fringe effect)를 제거하기 위하여 급전선로(30)의 급전 포인트 위치를 가변적으로 조정할 수가 있기 때문에 전기력선의 부정(不整)분포를 능동적으로 극복할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 마이크로스트립 안테나(100)는 전체길이(ℓ1)를 25㎜라 했을 때, 좌측 방사패치(61)의 길이(ℓ2)는 14.5㎜로 하고, 방사슬롯(70)이 0.5㎜(ℓ3)이므로 우측 방사피치의 길이(ℓ4)는 10㎜가 바람직하며, 폭(W1)은 15㎜로 실시한 예이다.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 나타내는 저면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 마이크로스트립 안테나(100)의 접지에 해당하는 그라운드 패치(40)는 급전선로(30)가 위치하는 급전 포인트를 제공한다. 이 급전선로(30)의 중심도체는 그라운드 패치(40) 및 유전체(50)를 경유하여 방사슬롯(70)에 근접한 우측 방사패치(62)의 폭 중심을 향하고, 급전선로(30)의 외부도체는 그라운드 패치(40)에 접속된다. 그리고, 급전선로(30)와 좌측 방사패치(61)·우측 방사패치(62) 상호간은 상호 이격되어 있고, 이들은 유전체(50)를 사이에 두고 상호 분리되어 전자적으로 결합된다.
그라운드 패치(40)는 급전선로(30)의 중심도체를 꼭지점으로 하여 우측 방사패치(62)가 단락되는 유전체(50)의 타측 양모서리에 이르기까지의 넓이를 가지는 삼각형상의 우측 그라운드판(41)을 구비하고, 이 우측 그라운드판(41)의 높이만큼 급전선로(30)의 중심도체로부터 좌측 방사패치(61)를 향하여 좁은폭으로 연장되어 인덕턴스를 구현하는 연결판(42)을 포함하며, 이 연결판(42)으로부터 유전체(50)의 일측 하면에 덮혀지는 좌측 그라운드판(43)으로 이루어진다.
도 9에 도시된 바와 같이 급전선로(30)가 접속되는 그라운드 패치(40)의 연결판(42) 양쪽은 개방되어 있어서 상호간의 전류분포가 0이되고, 전압분포는 최대가 되는 데, 이때 마이크로스트립 안테나(100)의 전체길이(ℓ1)를 25㎜라 했을 때, 우측 그라운드판(41)의 높이(ℓ5)는 5㎜가 적당하고, 연결판(42)의 길이(ℓ6)는 6㎜, 좌측 그라운드판(43)의 길이(ℓ7)는 14㎜를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 마이크로스트립 안테나(100)의 전체길이(ℓ1)를 15㎜라 했을 때 급전선로(30)의 중심도체는 유전체(50)의 폭 중심인 7.5㎜에 접속되며 연결판(42)의 폭(W2)은 2㎜를 갖도록 설계한다. 또한, 마이크로스트립 안테나(100)의 전체 두께(H1)는 도 10의 측면도에 도시된 바와 같이 3.2㎜를 취한다.
상술한 바와 같은 바람직한 실시예를 통하여 구현된 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 그라운드 패치(40)가 연결판(42)을 기준라인으로 하여 양쪽이 개방된 구조를 이루어 후술하는 고유의 특성을 갖게 되는 데, 이러한 고유의 특성을 보장하기 위해서는 접지로 활용되는, 예를 들면, 휴대용 단말기(무선 전화기)의 회로기판으로부터 이격된 상태로 탑재되어야만 한다.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 저면에서 바라본 사시도이다.
즉, 그라운드 패치(40)가 휴대용 단말기의 회로기판에 직접 표면실장될 경우에는 연결판(42)을 기준라인으로 하여 양쪽을 개방시킨 의미가 없어지므로, 본 발명에서는 도 11에 도시된 바와 같이 좌측 방사패치(61)의 중심으로부터 유전체(50)의 측면을 지나 좌측 그라운드판(43)에 굽혀진 형상으로 부착된 후 회로기판으로부터 이격되는 높이(H2)를 제공할 수 있도록 절곡된 탑재편(80)을 구비한다. 이 탑재편(80)은 휴대용 단말기의 회로기판에 마이크로스트립 안테나(100)를 이격된 상태, 예를 들면 이격높이(H2)를 3㎜정도로 유지할 수 있도록 하여 본 발명의 핵심 구조인 그라운드 패치(40)의 기능을 최대한 작용할 수 있도록 한다.
바람직하게 좌측 방사패치(61)의 상면 및 좌측 그라운드판(43)의 하면에 부착되는 탑재편(80)의 길이(T1)는 각각 3㎜, 폭(S1)은 8㎜로 실시할 수 있고, 절곡된 부분의 폭(S2)은 2㎜, 길이(T2)는 2.7㎜로 구체화할 수 있다.
상술한 바와 같은 구체적인 실시예를 통하여 구현된 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 각종 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 이용되고, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판 위에 설계할 수도 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)의 실시예에서는 휴대용 단말기에 적용한 구체예를 설명하기로 한다.
휴대용 단말기에는 다이폴 안테나, 야기 안테나 등이 주로 사용된다. 다이폴 안테나는 반파장 길이의 공진형 안테나로서 원형의 전방향 방사특성을 가지므로 셀룰러 통신의 가입자 단말기용 안테나와 소형 중계기의 서비스 안테나로 주로 사용되고 있고, 야기 안테나는 다이폴 안테나를 길이방향으로 여러 개 중첩시켜 지향성을 높인 예로서 소형 중계기의 안테나에 이용되고 있다.
그리고, 마이크로스트립 안테나(100)는 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System) 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 기지국과 휴대용 단말기 상호간의 신호를 송수신하는 데에 사용될 수 있다.
한편, 종래에 사용되던 마이크로스트립 적층 안테나는 근본적인 속성이 공진형 안테나이므로 주파수 대역폭이 수％ 이하로 매우 좁고 복사이득이 낮은 단점을 가지고 있으며, 이득이 좋지 않아 여러 장의 패치를 어레이시키거나 적층시켜야만 하기 때문에 안테나의 크기 및 두께가 당연히 커질 수밖에 없고, 이러한 이유로 일반적인 개인 휴대용 단말기나 휴대통신 중계기용 안테나, 기타 무선통신 장비 등의 탑재시 어려움이 따르는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 광범위의 주파수 대역폭을 갖을 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 보다 좋게 할 수 있으며 특히 정재파비가 개선되어, 소형의 크기로 다른 휴대용 단말기와 같은 각종 통신장비의 극소화를 구현할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)의 서비스 대역은 1,750∼1,870㎒이고, 그 대역폭은 120㎒이상(약 160㎒)으로 나타나 광대역의 대역폭을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 개인 휴대통신(PCS) 서비스 대역에 보다 용이하게 채용할 수 있다.
즉, 본 발명의 마이크로스트립 안테나(100)는 주파수 1,750㎒로부터 1,870㎒ 사이의 반사손실이 -10dB이하로 구현되어 반사전력에 대한 손실분이 매우 양호하게 나타나고, 더불어 그 대역폭이 120㎒정도의 넓은 폭을 유지하여 PCS 서비스 대역에 매우 적합하게 활용될 수 있는 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프로서, PCS 폰의 동작 주파수 대역에서 공진 임피던스 50Ω에 대하여 최대 정재파비가 1:1.06∼1.76으로 나타나는 것을 보여주고 있다.
즉, 마이크로스트립 안테나(100)에 있어서의 정재파비가 1이 이상적이라 했을 때, 마커 1에서의 정재파비는 1.768로 나타나고 이때의 주파수는 1.75000㎓이다. 그리고, 마커 2에서의 정재파비는 1.1613, 주파수는 1.78000㎓, 마커 3에서의 정재파비는 1.4269, 주파수는 1.84000㎓, 마커 3에서의 정재파비는 1.80664, 주파수는 1.87000㎓로 각각 나타남을 알 수 있고, 이러한 상태는 0.12㎓의 대역폭에서의 공진 임피던스 50Ω에 대한 정재파비가 매우 좋게 구현되어 PCS 서비스 대역에있어서의 활용 가능성을 더욱 증폭시키고 있음을 알 수 있다.
더불어, 본 발명의 마이크로스트립 안테나(100)의 복사이득은 기지국 또는 중계기와 송수신하기 위하여 효율적인 복사가 이루어져야만 하는 데, 이를 위하여 전자파 무반실에서 측정한 결과 전방향에 대하여 0.5∼1.3dB의 복사이득을 얻었다.
도 14는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 설명하기 위한 스미스 챠트(Smith Chart)이다.
도 14에 도시된 바와 같이 PCS 폰의 동작 주파수 대역에서 공진 임피던스를 50Ω으로 기준하였을 때, 마커 1에서는 임피던스가 33.660Ω으로 나타나고, 이때의 주파수는 1.75000㎓이다. 그리고, 마커 2에서의 임피던스는 44.160Ω, 주파수는 1.78000㎓, 마커 3에서의 임피던스는 59.616Ω, 주파수는 1.84000㎓, 마커 4에서의 임피던스는 47.846Ω, 주파수는 1.87000㎓로 각각 나타남을 알 수 있고, 이러한 상태는 0.12㎓의 대역폭에서의 공진 임피던스가 전체적으로 34∼60Ω을 구현하고 있고, 특히 마커 1 및 마커 2에서의 공진 임피던스는 50Ω의 근사치를 이루어 PCS 서비스 대역에서의 활용가치를 더욱 높이고 있는 것이다.
도 15는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나를 설명하기 위한 복사패턴(Radiation Pattern)이다.
본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 도 15에 도시된 바와 같이 무지향성(Omni-direction) 패턴을 구현하므로 어느 위치에서라도 송수신이 가능하여 방향성 문제를 해결할 수 있다.
여기서, Y축은 진폭값을 dB로 나타낸 것이고, A선은 1.74㎓, B선은 1.78㎓,C선은 1.8㎓, D선은 1.84㎓, E선은 1.87㎓를 각각 나타내는 무지향성 패턴을 구현하고 있기 때문에 PCS 서비스 대역에 있어서의 송수신용 안테나로서 매우 적합한 것임을 알 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 누설 전류가 급전선로(30)의 외부도체에 흐르지 않기 때문에 휴대용 무선시스템에 부착시 매칭회로가 필요 없을 뿐만 아니라, 용량을 장하시켜 구성하기 때문에 그라운드 패치(40)와 우측 방사패치(62)·좌측 방사패치(61) 사이의 전기력선 범위가 제한되지 않으면서, 즉 이득의 감쇠없이 안테나를 소형화할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
또한, 방사패치를 동위상의 전계를 갖을 수 있도록 방사슬롯(70)을 기준으로 하여 좌측 방사패치(61) 및 우측 방사패치(62)로 각각 분할하여 정전용량을 어레이 구성하므로써 저수신 감도를 해소할 수 있으며 송수신 효율을 극대화시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 좌측 방사패치(61)와 우측 방사패치(62) 상호간의 정전용량을 장하시킬 수 있고, 더불어 동위상의 전계를 갖을 수 있도록 방사슬롯(70)을 기준으로 하여 분할 구성하여 전기력선 형성에 제한을 받지 않도록 설계할 수 있기 때문에 마이크로스트립 안테나(100)의 크기를 더더욱 소형화시킬 수 있는 것이다.
더불어, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 그라운드 패치(40) 쪽보다 용량이 장하된 쪽으로 1∼1.76dB정도로 이득이 더욱 커지고, 기존 다이폴 안테나보다 용량이 장하된 쪽으로 최대 전계가 2dB정도로 이득이 더욱 큰 방사패턴을 구현할 수 있게 되어 PCS 서비스 대역에서의 안테나로서 매우 적합함을 알 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 대역폭의 증감과 이득의 증감을 위하여 유전체(50)의 두께와 용량을 장하한 부분의 폭을 조정할 수 있고, 더불어 급전선로(30)로부터 우측 방사패치(62)에 급전할 경우 급전 포인트의 프린지 효과(fringe effect)를 제거하기 위하여 급전선로(30)의 급전점 위치를 가변적으로 조정할 수 있기 때문에 전기력선의 부정(不整)분포를 능동적으로 극복할 수 있다.
또한, 그라운드 패치(40) 쪽보다 용량이 장하된 쪽으로 이득이 더욱 커지고, 이득이 더욱 큰 방사패턴을 갖을 수 있게 되어 PCS 서비스 대역에서의 안테나로서 매우 적합하게 활용할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 각종 로켓트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 이용될 수 있고, 오실레이터, 증폭회로, 가변 감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서, 이상기(phase shifter) 등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판 위에 설계할 수 있으며, 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System) 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 기지국과 휴대용 단말기 상호간의 신호를 송수신하는 데에 매우 용이하게 사용할 수 있는 유익함이 있다.
특히, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나(100)는 광범위의 주파수 대역폭을 갖을 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 좋게 할 수 있으며 정재파비를 개선할 수 있기 때문에 소형의 크기로 휴대용 단말기와 같은 각종 통신장비에 내장될 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 적어도 급전선로(30)가 위치되는 그라운드 패치(40)와, 이 그라운드 패치(40) 위에 적층된 유전체(50)를 포함하여 이루어진 마이크로스트립 안테나(100)에 있어서,
    상기 그라운드 패치(40)의 일단에 단락되어 상기 유전체(50)의 좌측 상면에 적층된 좌측 방사패치(61)와, 상기 그라운드 패치(40)의 타단에 단락되며 상기 좌측 방사패치(61)로부터 정전용량을 구현할 수 있도록 방사슬롯(70)을 사이에 두고 상기 유전체(50)의 우측 상면에 어레이 적층된 우측 방사패치(62)를 더 포함하고,
    상기 그라운드 패치(40)는
    상기 급전선로(30)의 급전점 포인트를 꼭지점으로 하여 상기 우측 방사패치(62)가 단락되는 유전체(50)의 타측 양모서리에 이르기까지의 넓이를 가지는 삼각형상의 우측 그라운드판(41)과, 이 우측 그라운드판(41)의 높이(ℓ5)만큼 급전점 포인트로부터 상기 좌측 방사패치(61)를 향하여 좁은폭(W2)으로 연장되어 인덕턴스를 구현하는 연결판(42)과, 이 연결판(42)으로부터 유전체(50)의 일측 하면에 덮혀지는 좌측 그라운드판(43)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 좌측 방사패치(61)의 중심으로부터 상기 유전체(50)의 일측면을 지나상기 좌측 그라운드판(43)에 굽혀진 형상으로 부착된 후 절곡되어 상기 그라운드 패치(40)를 이격 탑재시킬 수 있도록 높이(H2)를 제공하는 탑재편(80)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나(100).
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