KR100656569B1 - 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한안테나 배열 구조체 - Google Patents

원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한안테나 배열 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체에 관한 것으로서, 안테나는 제1 내지 제4 직선 슬롯이 십자형으로 상호 이격되게 형성된 접지면과, 중앙에 방사 패치가 형성되어 있고 접지면 위쪽에 접합되는 방사 기판과, 각 직선 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 급전인입단으로부터 연장되어 다단으로 절곡된 단일 급전선로가 형성되어 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판을 포함하고, 급전 인입단으로부터의 단일 급전선로의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 급전 인입단으로부터의 진행방향에 따라 형성되는 결합점에 순차적으로 대응되는 제1직선슬롯 내지 제4직선슬롯 중 제1직선슬롯과 종단의 제4직선슬롯은 상호 길이 및 폭이 다르게 형성된다. 이러한 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체에 의하면, 대역폭 및 이득을 확장할 수 있고 원편파의 왜곡을 저감시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체{Circular polarization microstrip patch antenna and antenna array structure}
도 1은 본 발명에 따른 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나를 나타내 보인 평면도이고,
도 2는 도 1의 마이크로 스트립 패치 안테나의 방사기판을 발췌하여 분리 도시한 평면도이고,
도 3은 도 1의 마이크로 스트립 패치 안테나의 접지면 위의 슬롯구조를 발췌하여 분리 도시한 평면도이고,
도 4는 도 1의 마이크로 스트립 패치 안테나의 급전기판을 발췌하여 분리 도시한 평면도이고,
도 5는 도 1의 구조로 제작된 안테나에 대해 반사 손실 및 이득을 시뮬레이션한 값과 측정한 값을 함께 나타내 보인 그래프이고,
도 6 및 도 7은 도 1의 구조로 제작된 안테나에 대해 2.65GHz주파수에서 파이(Phi) 0°와, 파이(Phi) 90°에서 측정한 방사 패턴을 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 도 1의 안테나 구조가 적용된 본 발명에 따른 안테나 배열 구조체를 나타내 보인 도면이고,
도 9 내지 도 11은 도 8의 안테나 배열 구조체의 방사기판, 접지면 및 급전 기판을 분리해서 각각 나타내 보인 평면도이고,
도 12는 제작된 안테나 배열 구조체에 대해 각 급전 포트의 아이솔레이션과 전송특성을 각각 시뮬레이션한 그래프이고,
도 13은 제작된 안테나 배열구조체의 안테나 소자의 간격변화에 대한 이득을 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 14는 제작된 안테나 배열구조체의 안테나 소자의 간격변화에 대한 축비를 시뮬레이션한 결과를 나타내보인 그래프이고,
도 15 및 도 16은 제작된 안테나 배열 구조체의 안테나의 위상 값과 축비를 나타내 보인 그래프이고,
도 17은 제작된 안테나 배열 구조체의 반사 계수 및 이득을 측정한 그래프이고,
도 18은 제작된 안테나 배열 구조체의 방사패턴에 대해 시뮬레이션 한 결과를 나타내 보인 도면이고,
도 19는 도 18의 시뮬레이션 결과와, 실제 측정한 방사패턴 값을 함께 나타내 보인 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20, 120: 방사 기판 30: 접지면
40: 급전기판
본 발명은 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 급전선로의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 구조된 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 구조체에 관한 것이다.
초기 개인용 이동전화기용 안테나는 송/수신 목적으로 모노폴(Mono Pole) 안테나와 헬리컬(Helical) 안테나가 주로 사용되었으나, 최근에는 소형경량화가 용이하고 단말기 디자인에 대한 자유도를 높일 수 있는 마이크로스트립(Microstrip) 패치 안테나가 이용되고 있다.
마이크로 스트립 패치 안테나는 십자형 슬롯을 이용한 개구면 결합방식에 의해 원편파를 얻는 방식이 주로 이용된다. 초기에는 십자형 슬롯이 상호 연결된 구조가 적용되었으나, 이런 구조는 슬롯의 비대칭으로 인해 왜곡된 원편파가 발생되고, 주파수의 영역이 협소해지는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 본 발명자는 국내 공개 특허 제 2001-0068154 및 국내 공개 특허 제 2002-0061208호를 통해 상호 이격되어 분리된 4개의 십자형 슬롯을 갖는 안테나를 제안한 바 있다. 그런데, 상기 안테나는 단일 급전선로를 통해 인입된 전력이 단일 급전선로의 경로를 진행하는 과정에서 시작점과 종단점 사이에 따른 전압강하가 발생하여 왜곡된 원편파가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 급전선 로의 시작점과 종단점 사이에 따른 전압강하를 보상하여 왜곡이 저감된 원편파를 발생할 수 있는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나는 제1 내지 제4 직선 슬롯이 십자형으로 상호 이격되게 형성된 접지면과, 중앙에 방사패치가 형성되어 있고 상기 접지면 위쪽에 접합되는 방사 기판과, 상기 각 직선 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 급전인입단으로부터 연장되어 다단으로 절곡된 단일 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판을 포함하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서, 상기 급전인입단으로부터의 상기 단일 급전선로의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 상기 급전인입단으로부터의 진행방향에 따라 형성되는 상기 결합점에 순차적으로 대응되는 상기 제1직선슬롯 내지 상기 제4직선슬롯 중 상기 제1직선슬롯과 상기 종단의 상기 제4직선슬롯은 상호 길이 및 폭이 다르게 형성된다.
바람직하게는 상기 제1직선슬롯에 대해 상기 제4직선슬롯은 길이는 짧고 폭은 두껍게 형성된다.
더욱 바람직하게는 위성 DMB용을 위한 2.65GHz대역의 원편파를 발생할 수 있도록 상기 제1직선슬롯과 제2직선슬롯은 길이 4.9mm 폭 0.35mm이고, 상기 제3직선슬롯 및 제4직선슬롯은 길이 4.3mm 폭 0.65mm이 적용된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원편파 마이크로 스트 립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체는 4개의 원편파 마이크로 스트립패치 안테나가 순차적으로 상호 90도의 위상차를 갖도록 순차 회전방식으로 배열되어 있고, 메인 급전인입라인으로부터 분기되어 상기 원편파 마이크로 스트립패치 안테나의 각 단일 급전선로의 급전인입단과 연결된 분배라인을 갖는 원편파 마이크로스트립 패치 안테나 배열 구조체에 있어서, 상기 마이크로 스트립패치 안테나 각각은 제1 내지 제4 직선 슬롯이 십자형으로 상호 이격되게 형성된 접지면과, 중앙에 방사패치가 형성되어 있고 상기 접지면 위쪽에 접합되는 방사 기판과, 상기 각 직선 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 상기 단일 급전선로가 상기 급전인입단으로부터 연장되어 다단으로 절곡되게 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판을 포함하고, 상기 급전인입단으로부터의 상기 단일 급전선로의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 상기 급전인입단으로부터의 진행방향에 따라 형성되는 상기 결합점에 순차적으로 대응되는 상기 제1직선슬롯 내지 상기 제4직선슬롯 중 상기 제1직선슬롯과 상기 종단의 상기 제4직선슬롯은 상호 길이 및 폭이 다르게 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 구조체를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나를 나타내 보인 평면도 이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 마이크로 스트립 패치 안테나의 각 요소인 방사기판, 접지면 및 급전기판을 각각 분리하여 발췌 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나(10)는 방사기판(20), 접지면(30) 및 급전기판(40)을 구비한다.
방사 기판(20)에는 방사패치(22)가 형성되어 있다. 방사패치(22)의 길이(PL) 및 폭(Pw)는 동작 주파수에 대응되는 동작 파장(λg)에 대해 λg/3 이상 λg/2 이하가 되는 범위에서 적용하는 것이 바람직하다.
접지면(ground plane)(30)에는 4개의 제1 내지 제4 직선슬롯(31 내지 34)이 상하로 관통되게 이격되어 형성되어 있다. 즉, 접지면(30)의 중앙부분은 폐쇄되어 있고, 폐쇄된 중앙부분에 대해 상호 이격되게 제1 내지 제4직선슬롯(31 내지 34)이 형성되어 있다.
각 직선슬롯(31 내지 34)의 이격 거리는 단일 급전선로(43)의 패턴 방향을 따라 λg/4가 되게 하여 제1직선슬롯(31)을 기준으로 시계반대방향으로 순차적으로 배열된 제2 직선슬롯 내지 제4직선슬롯(32 내지 34)이 순차적으로 90°의 위상차를 갖게 배열된다.
또한, 직선슬롯(31 내지 34) 각각은 급전선로(43)의 급전 인입단(43a)으로부터의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 급전인입단(43a)으로부터의 진행방향에 따라 상하 방향에서 급전선로(43)와 상하방향에서 교차되는 결합점을 순차적으로 형성하는 순서대로 길이 및 폭은 가변되게 적용된다.
이러한 급전선로(43)의 거리에 따른 전압강하를 보상하기 위해 제1 직선슬롯(31)의 슬롯 길이(L1)와 폭(W1)을 기준으로 제2직선슬롯 내지 제4직선슬롯(32 내지 34)의 길이(L2)(L3)(L4) 각각은 점진적으로 짧아지고 폭(W2)(W3)(W4)은 점진적으로 증가하게 형성할 수 있다.
또 다르게는 도시된 바와 같이 급전선로(43)의 거리에 따른 전압강하를 보상하기 위해 제1 직선슬롯(31)과 제2 직선슬롯(32)의 슬롯 길이(L1)(L2)와 폭(W1)(W2)은 동일하게 하고, 제3직선슬롯(33) 및 제4직선슬롯의 길이(L3)(L4)는 제1직선슬롯(31)의 길이 보다 짧게 하고, 폭(W3)(W4)은 넓게 형성할 수 있다.
급전기판(40)에는 단일 급전선로(43)가 형성되어 있다.
단일 급전선로(43)는 각 직선 슬롯(31 내지 34)과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 급전인입단(43a)으로부터 연장되어 다단으로 절곡되게 형성되어 있다. 단일 급전선로(43)의 패턴은 각 직선 슬롯(31 내지 34)에 대해 순차적으로 90의 위상차가 나게 급전시킬 수 있도록 형성된다.
단일 급전선로(43)의 급전 인입단(43a)에는 급전포트(미도시)와 연결된다.
이러한 급전기판(40) 위에 접지면(30) 및 방사 기판(20)이 순차적 적층되게 결합되면, 단일 급전선로(43)에 의해 여기된 신호가 직선 슬롯(31 내지 34)의 개구면을 통해 전자기적 결합에 의해 상층에 위치한 방사패치(22)로 전달될 수 있다.
또한, 단일 급전선로의 급전경로의 거리에 따른 전압강하에 대해 제1직선 슬롯(31)을 기준으로 나머지 직선 슬롯(32 내지 34) 중 일부가 폭은 넓어지고 길이는 짧게 형성되어 보상됨으로써 왜곡이 저감된 원편파를 발생시킬 수 있다.
< 실시예 >
위성 DMB용 단말기가 개발되고 있는 추세를 감안하여 2.65GHz 대역용 안테 나를 제작하였다.
방사 기판(20)은 비유전율 2.6, 두께 0.78mm의 테프론 소재의 유전기판을 사용하였고, 방사패치(22)의 폭(Pw) 및 길이(PL)은 동일하게 14.6mm로 하였다. 또한, 제1직선슬롯 내지 제4직선 슬롯(31 내지 34)의 폭과 길이는 아래의 표 1에 기재하였다.
길이(mm) 폭(mm)
제1슬롯 4.9 0.35
제2슬롯 4.9 0.35
제3슬롯 4.3 0.65
제4슬롯 4.3 0.65
또한, 단일 급전선로(43)의 인입단(43)의 폭(Wf)은 50Ω의 임피던스 정합조건을 만족시키도록 테프론 기판의 유전율과 높이 및 급전선로(43)의 두께를 고려하여 2.16mm를 적용하였다.
이렇게 제작된 패치 안테나(10)에 대해 반사손실 및 이득을 시뮬레이션한 값과 측정한 값이 도 5에 함께 도시되어 있다. 도 5의 그래프를 통해 알 수 있는 바와 제작된 안테나는 주파수 대역이 2.64 내지 2.88GHz로서, 240MHz의 넓은 대역폭을 제공한다. 이러한 결과는 슬롯이 상호 연결된 기존의 상호 연결된 십자형 안테나에 비해 이득 및 대역폭이 증가되었고, 그 비교 결과를 아래의 표 2에 기재하였다.
본 안테나 종래 안테나
이득(dBi) Max 7.78 7.05
대역폭(%) 5% 2.5%
또한, 제작된 안테나의 방사 패턴을 측정한 결과가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6 및 도 7은 2.65GHz주파수에서 파이(Phi) 0°와, 파이(Phi) 90°에서 E-파이(Phi) 성분과 E-세타(theta) 성분을 각각 측정한 결과를 나타낸다.
이러한 측정 결과로부터 본 안테나(10)는 우수한 방사 특성을 제공함을 알 수 있다.
한편, 앞서 도 1을 통해 설명된 안테나를 2×2 배열시킨 안테나 배열 구조체가 도 8 내지 도 11에 도시되어 있다. 참고로 도 8에서는 이해를 돕기 위해 접지면(130) 및 급전기판(140)에 각각 형성된 직선슬롯(31 내지 34) 및 급전라인(43)을 포함한 급전선들에 대해서 실선으로 기재하였다.
안테나 배열 구조체(100)는 4개의 안테나(10a 내지 10d)와, 메인 급전인입라인(145) 및 분배라인(150)을 갖는 구조로 되어 있다.
4개의 안테나(10a 내지10d)는 우측상단에 있는 제1 안테나(10a)를 기준으로 좌측 상단에 있는 제2안테나(10b), 좌측 하단에 있는 제3안테나(10c) 및 우측 하단에 있는 제4안테나(10d)가 시계반대 방향을 따라 순차적으로 90°씩 회전된 형태로 배열되어 있다.
각 안테나(10a 내지 10d)는 앞서 도 1을 통해 설명된 것과 동일한 구조로 되어 있다. 즉, 각 안테나(10a 내지 10d)는 방사 기판(120)에 형성된 방사패턴(22), 방사 기판(120) 하부에 접합된 접지면(130)에 형성된 제1 내지 제4 직선슬롯(31 내지 34) 및 급전기판(140)에 형성된 단일 급전라인(43)을 갖는 구조로 되어 있다.
분배 라인(150)은 메인 급전인입라인(145)로부터 1차 분기된 제1 및 제2 메인 분기라인(151)(152)과 제1 및 제2메인 분기라인(151)(152)에서 각 안테나의 단일 급전선로(43)의 급전인입단과 연결된 제1 내재 제4 서브 분기라인(153 내지 156)을 갖는 구조로 되어 있다. 각 분기라인(152 내지 156)은 우측 상단에 있는 제1안테나(10a)의 급전인입단의 위상을 기준 위상(0°)으로 하였을 때 반시계 방향으로 나머지 3개의 안테나(10b)(10c)(10d)의 급전 인입단의 위상이 순차적으로 90씩 지연시켜 각각의 단일 안테나(10a 내지 10d)의 급전에 대한 위상차이가 0°, 90°,180°,270°가 되도록 순차적으로 λg/4 만큼의 길이 차를 갖도록 형성한다.
도 8에서는 도면의 복잡성을 피하기 위해 생략한 것으로서 도 9 내지 도 11에서 내지 도 11 에서 참조부호 171로 표기된 원형홀은 방사기판(120)과 접지면(130) 및 급전기판9140)을 상호 접합되게 고정하기 위한 고정용 홀이다.
도 9 내지 도 11을 통해 도시된 요소가 상호 결합된 안테나 배열 구조체(100)에 대해 각 급전포트의 아이솔레이션(isolation)과 전송특성을 시뮬레이션한 결과가 도 12에 도시되어 있다. 도 12를 통해 알 수 있는 바와 같이 반사계수의 S11값은 양호한 정합특성을 보이고, 전송계수인 S21, S31, S41, S51 값은 상호 중첩되어 있어 각 출력포트에 동일한 전력이 전송됨을 알 수 있다.
한편, 각 안테나 상호 간의 이격 거리에 따른 안테나 방사 패턴의 영향을 알아 보기 위해 거리에 따른 이득 및 축비를 시뮬레이션한 결과가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
도 15 및 도 16은 안테나 배열구조체에 대해 안테나 소자의 위상 및 축비를 측정한 결과를 나타내 보인 도면이다. 도 15 및 도 16을 통해 알 수 있는 바와 같이 2.65GHz를 중심으로 하여 각 안테나의 위상이 순차적으로 90씩 차이가 나고 있고, 축비 또한 넓은 주파수 대역에서 좋은 축비를 나타내고 있다.
또한, 제작된 안테나 배열 구조체에 대해 반사계수와 이득을 측정한 결과와 시뮬레이션한 결과가 함께 도 17에 도시되었다. 도 17을 통해 알 수 있는 바와 같이 실선의 시뮬레이션 값과 점선의 측정값이 상호 근사 됨을 보여주고, 주파수 대역폭(SWR≥1.5)은 240MHz를 나타낸다. 또한, 최대 이득 값은 13.5dBi를 얻었다.
도 18은 안테나 배열 구조체의 방사 패턴에 대해 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 도면이고, 도 19는 도 18의 시뮬레이션 값을 실선으로, 실제 측정된 방사패턴을 점선으로 함께 나타내 보인 도면이다.
이상의 결과데이터들로부터 본 안테나(10) 및 안테나 배열 구조체(100)는 왜곡이 저감되면서도 넓은 대역폭을 갖는 원편파를 발생함을 알 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 및 이를 적용한 안테나 배열 구조체에 의하면, 대역폭 및 이득을 확장할 수 있고 원편파의 왜곡을 저감시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (6)

  1. 제1 내지 제4 직선 슬롯이 십자형으로 상호 이격되게 형성된 접지면과, 중앙에 방사패치가 형성되어 있고 상기 접지면 위쪽에 접합되는 방사 기판과, 상기 각 직선 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 급전인입단으로부터 연장되어 다단으로 절곡된 단일 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판을 포함하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서,
    상기 급전인입단으로부터의 상기 단일 급전선로의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 상기 급전인입단으로부터의 진행방향에 따라 형성되는 상기 결합점에 순차적으로 대응되는 상기 제1직선슬롯 내지 상기 제4직선슬롯 중 상기 제1직선슬롯과 상기 종단의 상기 제4직선슬롯은 상호 길이 및 폭이 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1직선슬롯에 대해 상기 제4직선슬롯은 길이는 짧고 폭은 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 원편파 마이크로 스트립 패티 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1직선슬롯과 제2직선슬롯은 길이 4.9mm 폭 0.35mm이고, 상기 제3직선슬롯 및 제4직선슬롯은 길이 4.3mm 폭 0.65mm인 것을 특징으로 하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나.
  4. 4개의 원편파 마이크로 스트립패치 안테나가 순차적으로 상호 90도의 위상차를 갖도록 순차 회전방식으로 배열되어 있고, 메인 급전인입라인으로부터 분기되어 상기 원편파 마이크로 스트립패치 안테나의 각 단일 급전선로의 급전인입단과 연결된 분배라인을 갖는 원편파 마이크로스트립 패치 안테나 배열 구조체에 있어서,
    상기 마이크로 스트립패치 안테나 각각은
    제1 내지 제4 직선 슬롯이 십자형으로 상호 이격되게 형성된 접지면과, 중앙에 방사패치가 형성되어 있고 상기 접지면 위쪽에 접합되는 방사 기판과, 상기 각 직선 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 상기 단일 급전선로가 상기 급전인입단으로부터 연장되어 다단으로 절곡되게 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판을 포함하고,
    상기 급전인입단으로부터의 상기 단일 급전선로의 거리에 따른 전압강하를 보상할 수 있도록 상기 급전인입단으로부터의 진행방향에 따라 형성되는 상기 결합점에 순차적으로 대응되는 상기 제1직선슬롯 내지 상기 제4직선슬롯 중 상기 제1직선슬롯과 상기 종단의 상기 제4직선슬롯은 상호 길이 및 폭이 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 배열 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1직선슬롯에 대해 상기 제4직선슬롯은 길이는 짧고 폭은 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 배열 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1직선슬롯과 제2직선슬롯은 길이 4.9mm 폭 0.35mm이고, 상기 제3직선슬롯 및 제4직선슬롯은 길이 4.3mm 폭 0.65mm인 것을 특징으로 하는 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나 배열 구조체.
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