KR100962930B1 - 1／4크기의 슬롯 초광대역 안테나 및 그 제조방법 - Google Patents

1／4크기의 슬롯 초광대역 안테나 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 안테나는 기판상에 장축의 반지름과 단축의 반지름을 갖는 타원형의 슬롯과 슬롯에 비해 상대적으로 작은 반지름을 갖는 원형의 패치를 슬롯에 대응하는 부분에 상기 접지와 간격을 두고 배치하되, 테이퍼진 급전선의 끝단에 패치를 형성할 때 패치와 슬롯간에 갭을 갖도록 하여 초광대역의 주파수 대역을 얻는 초광대역 안테나에 있어서, 타원형 슬롯의 수직방향의 완전자계벽을 중심으로 대칭면을 수직컷하여 제1 개방면을 형성하고, 상기 타원형 슬롯의 수평방향의 근사적 자계벽을 중심으로 대칭면을 수평컷하여 제2 개방면을 형성하여 상기 타원형 슬롯을 4등분한 1/4크기의 슬롯이 형성되도록 하되, 상기 급전선이 상기 제1 개방면에 노출되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 안테나는 초소형이어서 장치의 소형화를 이룰 수 있다.
초광대역, 안테나, 슬롯, 완전자계벽

Description

1／4크기의 슬롯 초광대역 안테나 및 그 제조방법{Ultra-wide-band antenna having quarter-slot and method for manufacturing the same}
본 발명은 초광대역 안테나에 관한 것으로, 특히, 초광대역 통신에 적합한 주파수 대역을 만족하며 안테나의 크기를 초소형으로 구현할 수 있는 초광대역 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 초광대역(Ultra-Wide-Band) 통신은 일종의 펄스 통신으로 매우 넓은 주파수 대역을 가지며, 낮은 전력과 빠른 전송속도, CDMA와 같은 백색잡음(White Noise)보다 낮은 수준의 스펙트럼을 형성한다. 이 때문에 신호의 감청이나 차단이 어려워 보안유지에 적합하다. 초광대역 통신방식은 기존의 통신 시스템과는 달리 펄스 통신을 수행한다. 최근 이러한 초광대역의 특징에 의해 차세대 무선 데이터 통신으로 주목받고 있으며, 세계적으로도 많은 연구가 현재 진행되고 있다.
초광대역 통신시스템 개발에서 중요한 요소 중 한 가지가 초광대역 안테나의 개발이다.
초광대역 안테나는 광대역에서 저전력으로 동작하므로 기본적으로 넓은 주파수 범위에서 양호한 임피던스 매칭 및 방사 패턴 유지와 선형 위상 응답을 가져야 하고, 통신 응답이 안정적이어야 한다. 그리고 실내나 근거리에서 주로 사용하며, 최근 소형화 추세에 있는 무선 통신 시스템의 특성상 안테나를 포함한 전체 시스템 크기의 소형화가 반드시 이루어 져야한다. 즉, 초광대역 안테나는 이동성을 보장하기 위해 안테나의 크기가 작아야 하며, 제작하기 쉽고 저렴해야 한다.
이러한 안테나의 개발은 쉽지 않으며 현재 전 세계적으로 수많은 개발자들이 초광대역 안테나 연구에 참여하고 있다.
기존의 초광대역 안테나에 대해 도 1을 참고하여 간단히 설명하기로 한다.
도 1은 기존의 초광대역 안테나를 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유전체 기판(10)의 앞면에는, 입력 단자와 정합 연결되게 선로 폭이 좁은 마이크로스트립(micro strip) 급전 선로(20)가 배치되고, 이 급전 선로(20)에 접속되는 직사각형 모노폴 형태의 방사소자(30)가 배치되어 있다.
한편, 안테나의 뒷면에는, 서로 대칭의 형태를 가지며 연결된 2개의 직사각형 모노폴 형태의 방사소자(40)가 배치되며, 이 방사소자(40)의 중앙에는 사각형 급전 선로(50)가 배치되어 있다.
초고주파 신호가 입력되는 입력 단자는 급전 선로인 동축 선로와 연결되는데, 단자 콘넥터(connector)(60)의 중심 도선은 앞면의 방사소자 급전 선로(20)에 연결되고, 콘넥터(60)의 외곽 접지 도선은 뒷면의 접지면(70)에 연결된다.
기존의 초광대역 안테나는 이와 같이 구성되어, 2.5∼5.5㎓의 대역폭을 가지는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 앞뒷면에 방사소자가 형성되어 있어 그 제작이 어렵다는 단점이 있었다.
또한, 이러한 안테나들은 크기가 크기 때문에 장치의 소형화가 어렵고, 원하는 대역 즉, 3.1∼10.6㎓을 만족하지 못하며, 이득변화량이 큰 단점이 있었다.
전술한 초광대역 안테나의 크기는 주파수 독립적인 특성으로 인해 크기가 대형이고 이를 소형화하기 어려웠다. 기존의 초광대역 안테나의 대부분은 초광대역의 특성에만 초점이 맞추어져 개발되었으며, 소형화에 대한 연구가 이제 진행되기 시작하였다.
안테나의 소형화 방법 중에는 완전전계벽이나 완전자계벽의 특성을 이용할 수 있는데 양자 모두 단순히 물리적인 대칭면을 이용하는 것이 아니라 전자기장적인 대칭면과 그 면의 전자계적인 성질을 규명하여 이용하는 방법이다. 안테나의 소형화 방법 중 완전전계벽의 특성을 이용하여 다이폴 안테나를 모노폴 안테나로 만드는 방법이 적용되고 있으나, 완전자계벽을 이용한 안테나의 체계적인 소형화에 대한 연구는 전무한 상태였다.
따라서, 본 발명의 목적은 대칭적인 형태의 원형 구조를 갖는 안테나의 대칭면과 그 대칭면의 완전자계벽을 이용하여 초광대역의 주파수 대역을 만족하면서도 초소형으로 제작 가능한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나는 유전체 기판의 일측면 상에 장축의 반지름과 단축의 반지름을 갖는 타원형의 슬롯을 접지에 배치하고 기판의 타측면에 슬롯에 비해 상대적으로 작은 반지름을 갖는 원형의 패치를 슬롯에 대응하는 부분에 상기 접지와 간격을 두고 배치하되, 테이퍼진 급전선의 끝단에 패치를 형성할 때 패치와 슬롯간에 갭(gap)을 갖도록 하여 초광대역의 주파수 대역을 얻는 초광대역 안테나에 있어서, 타원형 슬롯의 수직방향의 완전자계벽을 중심으로 대칭면을 수직컷하여 제1 개방면을 형성하고, 상기 타원형 슬롯의 수평방향의 근사적 자계벽을 중심으로 대칭면을 수평컷하여 제2 개방면을 형성하여 상기 타원형 슬롯을 4등분한 1/4크기의 슬롯을 형성함과 동시에 상기 원형 패치를 2등분한 반원형 패치를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 안테나의 급전선과 반원형 패치는 상기 제1 개방면에서 노출되지 않도록 상기 제1 개방면과 간격을 두고 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 안테나의 급전선의 특성 임피던스는 50오옴인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나는 사각형상으로 이루어진 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 하부면에 일측 모서리를 중심점으로 형성되는 1/4크기의 슬롯이 형성된 접지와, 유전체 기판의 상부면에 상기 1/4크기의 슬롯에 대응하는 부분에 접지와 간격을 두고 형성되며 직선면이 기판의 제1측면과 평행하게 배치되어 있는 반원형의 패치와, 유전체 기판의 상부면에 기판의 제1측면과 직교하는 제2측면으로부터 반원형의 패치로 연장 형성되며 방사될 신호가 인가되는 급전선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 안테나의 급전선과 반원형 패치는 상기 제1 측면에서 노출되지 않도록 상기 제1 측면과 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 접지에 형성된 1/4크기의 슬롯은 상기 제1 측면에서 노출되지 않도록 상기 제1 측면과 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 초광대역 안테나의 제조방법에 있어서, 기판의 일측면 상에 장축의 반지름과 단축의 반지름을 갖는 타원형의 슬롯을 접지에 배치하고 기판의 타측면에 슬롯에 비해 상대적으로 작은 반지름을 갖는 원형의 패치를 슬롯에 대응하는 부분에 상기 접지와 간격을 두고 배치하되, 테이퍼진 급전선의 끝단에 상기 패치를 형성할 때 패치와 슬롯간에 갭(gap)을 갖도록 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 제작하는 단계; 제작된 타원형 슬롯의 수직방향의 완전자계벽을 중심으로 대칭면을 수직컷하여 제1 개방면을 형성하되, 상기 급전선이 상기 제1 개방면에 노출되지 않도록 1/2크기의 슬롯을 형성하는 단계; 및 타원형 슬롯의 수평방향의 근사적 자계벽을 중심으로 대칭면을 수평컷하여 제2 개방면을 형성함으로써 제1 개방면과 제2 개방면에 의해 상기 타원형 슬롯을 4등분한 1/4크기의 슬롯을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 안테나의 급전선과 반원형 패치는 상기 제1 개방면에서 노출되지 않도록 상기 제1 개방면과 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 안테나의 급전선의 특성 임피던스는 50오옴인 것을 특징으로 한다.
또한, 완전자계벽은 하기의 수식 (1) 내지 (4)를 모두 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112008062202532-pat00001
수식 (1)
Figure 112008062202532-pat00002
수식 (2)
Figure 112008062202532-pat00003
수식 (3)
Figure 112008062202532-pat00004
수식 (4)
여기서, D는 전속밀도, B는 자속밀도, E는 전계, H는 자계이며 n은 수직성분의 단위 벡터값이다.
따라서, 본 발명의 안테나는 초소형이어서 장치의 소형화를 도모할 수 있으며, 초광대역 통신에서 요구되는 주파수 대역폭을 만족하는 효과를 제공하며, 모든 방향으로 방사되는 전방향성 방사패턴을 가지는 효과를 제공한다.
본 발명은 다중공진을 일으키는 대칭적인 형태의 타원형의 슬롯을 갖는 초광대역 안테나를 설계하고, 공진모드와 각 모드별 전자기적 필드패턴을 분석하여 수직방향의 대칭면에서의 완전자계벽과 수평방향의 대칭면에서의 근사적인 자계벽을 도출하여 초광대역 안테나를 초소형화한다. 즉, 초광대역 안테나의 타원형의 슬롯의 좌우 대칭면이 완전자계벽을 이루므로 그 면을 중심으로 잘라 한쪽면을 개방면으로 하여 1/2크기의 슬롯을 형성하고, 타원형의 슬롯의 상하 대칭면이 근사적인 자계벽을 이루므로 그 면을 중심으로 자르면 1/2크기의 슬롯을 형성할 수 있다.
이를 이용해, 먼저 완전자계벽을 개방면으로 하여 1/2크기의 슬롯을 형성하고 난 후, 남아있는 부분에 대해서 근사적 자계벽을 개방면으로 하면 1/4크기의 슬롯이 형성되므로 최소화된 초광대역 안테나를 형성할 수 있다. 즉, 최초의 타원형 슬롯 초광대역 안테나에서 한 개의 완전자계벽과 한 개의 근사적 자계벽을 도출하고 두 개의 자계벽을 동시에 적용하여 1/4로 소형화된 본 발명의 1/4크기의 슬롯이 형성된 초광대역 안테나를 제작할 수 있다.
이하, 첨부한 도 2a 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 나타내는 평면도 및 측면도이다.
도 2a의 타원형 슬롯 초광대역 안테나는 장축의 반지름(Rx)과 단축의 반지름(Rz)을 갖는 타원형의 슬롯(21)이 유전체 기판(25)의 하부면에 형성된 접지(ground)(22)에 형성되고, 기판(25)의 상부면에 슬롯(21)에 비해 상대적으로 작은 반지름(Rp)을 갖는 원형의 패치(24)가 비대칭적인 위치관계로 배치되어 있으며 패치(24)와 슬롯(21)간에 갭(gap)을 갖도록 배치되어 있다.
급전 구조는 특성 임피던스가 50오옴인 급전선(23)을 테이퍼를 이용하여 임피던스 매칭을 시도하였다. 즉, 초광대역 통신에 사용되는 시스템들은 50오옴을 사용하기 때문에 안테나의 입력 임피던스도 50오옴에 맞춰서 설계해야한다. 그러나 안테나의 임피던스가 50오옴보다 높기 때문에 급전선을 테이퍼지게 형성하여 50오옴과 안테나의 임피던스 라인을 이어주어 임피던스 매칭시켜 안테나가 50오옴의 시스템에 사용할 수 있도록 설계한 것이다.
또한, 급전선(23) 끝단에 패치(24)를 두어 타원형 슬롯(21)을 통한 방사가 이루어질 때 저주파부터 고주파에 이르기까지 자연스런 방사가 이루어지도록 한다.
더욱이, 타원형 슬롯(21)과 원형의 패치(24)간에 비대칭적인 배치를 통해 다중공진을 유도하였으며, 임피던스 매칭을 위하여 급전선(23)에 테이퍼를 적용한다. 여기서, 접지(22)의 크기는 초광대역 내의 공진 주파수보다는 임피던스 실수값에 영향을 주는 점을 고려하여 접지(22)의 크기를 먼저 고정하고 급전선(23)에 테이퍼를 적용한다. 여기서, 슬롯(21)의 Rx와 Rz값은 공진주파수에 관련되고 패치(24)의 Rp와 테이퍼진 급전선(23)은 안테나의 대역폭과 관련된다.
도 2b는 급전선(23)쪽에서 본 측면도이다.
도 2b를 참고하면, 임피던스 매칭을 위해 테이퍼진 급전선(23)이 패치의(24)의 끝단에 기판(25) 상부로 형성되어 있고, 기판(25)의 하부로 접지(22)가 형성된다.
여기서 사용된 기판(25)은 유전손실이 εr = 4.4 이고, 두께 t= 1.524 mm이며, 손실탄젠트값(tanδ)이 0.025의 유전체 기판(FR4)을 사용한 것으로 안테나의 주요 설계변수값들은 시뮬레이션을 통해 최적화하였다. 예를 들어, 안테나의 설계변수는 Rx가 21mm, Rz가 19mm, Rp가 6mm이고, 갭이 1mm로 설계한다.
이렇게 설계된 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 실물사진을 도 3에 도시한다.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 실물 사진이다. 도 3a는 접지와 슬롯이 보이는 앞면이고, 도 3b는 패치와 급전선이 보이는 뒷면이다.
도 4는 이러한 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 S11 시뮬레이션값과 측정값을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참고하면, 전술한 바와 같이 설계된 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 S11에 대한 시뮬레이션값(S곡선)과 측정값(M곡선)을 비교해서 보여준다. 그 결과 3.6GHz ~ 20GHz까지 전압정재파비(VSWR)가 2.0보다 작음을 만족하며 주기적인 폴이 생성됨을 알 수 있다. 초광대역 내에서 주기적인 폴의 생성은 주기적인 공진이 나타남을 알 수 있다.
또한, 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 임피던스 허수값에서 영점교차지점을 확인하여 정확히 주기적인 공진이 발생함을 확인할 수 있으며, 도 4의 그래프에 주기적인 폴이 생성되는 것으로 주기적인 공진이 나타남을 확인할 수 있다.
일반적으로 다중 공진은 기본 공진으로부터 고조파를 형성시킨 후 이들 공진 주파수 대역들을 겹치게 하는 방식으로 일으키며, 전술한 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 다중공진 유도방식은 타원형 슬롯의 크기가 기본 주파수를 결정하는 변수가 되고 후에 발생하는 고조파들의 연속적인 공진주파수들을 중첩시켜 초광대역에서 전압정재파비가 2.0보다 작게 되는 조건을 만족시켰다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 각 폴(pole)에 대하여 서로 다른 주파수, 즉 4.5GHz, 6GHz, 8GHz, 10GHz일 때 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 표면전류분포를 보여주는 도면이다.
도 5를 참고하면, 전류분포가 y-z평면을 중심으로 좌우 대칭적으로 나타남을 알 수 있다. 표면전류분포가 전자계 분포도 y-z평면을 따라 대칭적으로 분포됨을 알 수 있다. 즉, 전자계의 대칭적인 분포는 그 세로축 정 가운데의 중심면이 완전자계벽(perfect magnetic wall : PMW)임을 알 수 있다.
완전자계벽인 경우 하기의 수식 (1)내지 (4)를 만족해야 한다.
Figure 112008062202532-pat00005
수식 (1)
Figure 112008062202532-pat00006
수식 (2)
Figure 112008062202532-pat00007
수식 (3)
Figure 112008062202532-pat00008
수식 (4)
여기서, D는 전속밀도, B는 자속밀도, E는 전계, H는 자계이며, n은 수직성분의 단위 벡터값이다.
전술한 타원형 슬롯 초광대역 안테나는 자계(H-field)가 y-z평면에 수직방향으로 생성되고, 전계(E-field)가 y-z 평면에 접선방향으로 생성되어 수식 (3)과 (4)를 만족하며, y-z평면을 중심으로 안테나의 구조와 매질의 완전한 대칭을 이루고 있어 경계면에서 전속밀도(D)와 자속밀도(B), 수직성분의 단위 백터값(n)은 변화가 없어 수식 (1)과 (2)도 만족한다.
이처럼 전술한 타원형 슬롯 초광대역안테나는 수학식 (1) 내지 (4)를 모두 만족하므로 y-z평면은 완전자계벽을 이루고 있음을 알 수 있다. 따라서, 그 완전자계벽을 이루는 y-z평면의 대칭면을 중심으로 수직컷으로 잘라 한쪽 면을 개방면으로 하여 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나를 제조할 수 있다. 이를 도 6 및 도 7을 참고하여 설명한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나를 나타내는 평면도 및 측면도이다.
도 6a를 참고하면, 전술한 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 완전자계벽을 이용하여 그 완전자계벽을 따라 1/2로 소형화시킨다. 이때, 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나는 급전선(23)이 외부로 노출되어 안테나의 임피던스 실수값이 변화하게 된다. 따라서, 급전선(23)에 테이퍼를 적용하여 임피던스 정합을 이루면서 개방면과 직접 맞닿는 문제점을 해결하기 위해 기판(25)을 남겨놓았다. 즉, 완전자계벽을 따라 1/2절단된 개방면에 급전선(23)이 직접 노출되지 않도록 기판(25)이 남겨져 있음을 알 수 있다.
이는 도 6b의 측면도를 보면, 급전선(23)이 기판(25)의 상부로 위치하되, 개방면에서 이격되어 있으며 그 거리는 예를 들어, 약 1mm가 바람직하다. 도 6a 및 도 6b의 동일참조부호에 대해서는 도 2의 동일부호와 동일기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다. 완전자계벽을 형성하는 타원형 슬롯안테나의 개방면을 따라 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 특성을 도 7에 도시하였다.
도 7은 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 시뮬레이션값을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실은 곡선 P로 나타내었으며, 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실은 곡선 H로 나타내었다. 보는바와 같이 초광대역 특성이 유사하게 나타남을 알 수 있어, 완전자계벽을 따라 1/2 수직컷해도 그 이전 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 동일한 안테나 특성을 가짐을 알 수 있다. 즉, 초광대역 안테나의 실질적인 소형화를 수행하여도 동일한 특성을 가짐을 알 수 있다.
한편, 도 8은 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 자계분포를 보여주는 도면이다.
타원형 슬롯 초광대역 안테나는 앞서 y-z평면을 중심으로는 완전 대칭을 이루므로 완전자계벽을 형성하는 반면, x-z평면을 중심으로는 급전선으로 인해 근사적으로 대칭을 이룬다.
도 8의 자계의 분포를 보면, y-z평면을 따라 완전 대칭을 이루는 반면, x-z평면을 따라 근사적인 대칭을 이루고 있음을 알 수 있다. 즉, x-z평면을 중심으로 자계분포가 반대방향으로 생성되어 있어 x-z평면에서 자계가 서로 상쇄되어 크기가 0이 된다. 이는 전술한 수식 (4)를 만족하는 조건이 되며 자계(H)가 0이 되면 자속밀도(B)는 0이 되므로 수식 (2)도 만족한다. 그러나, 전계(E)의 분포가 x-z평면을 중심으로 접선방향으로 만 생성되지 않고 기울어진 방향 및 수직방향으로도 생성되어 있으므로 수식 (1)과 (3)을 만족하지 못한다. 따라서 x-z평면에 대해서는 수식 (1)내지 (4)를 모두 만족하지 못하므로 완전자계벽을 형성하지 않음을 알 수 있고, 두 개의 수식 (2), (4)만 만족하므로 근사적 자계벽이라 할 수 있다.
따라서, 그 근사적 자계벽을 이루는 x-z평면의 대칭면을 중심으로 수평컷으로 잘라 한쪽 면을 개방면으로 하여 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나를 제조할 수 있다. 이를 도 9 및 도 10을 참고하여 설명한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나를 나타내는 평면도 및 측면도이다.
도 9a를 참고하면, 전술한 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 근사적 자계벽을 이용하여 그 근사적 자계벽을 따라 1/2로 소형화시킨다. 이때, 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나는 근사적 자계벽을 따라 1/2절단된 개방면을 갖는다.
이는 도 9b의 측면도를 보면, 테이퍼진 급전선(23)이 패치의(24)의 끝단에 기판(25)의 상부로 위치하고 하부로 접지(22)가 형성된다. 도 9a 및 도 9b의 동일참조부호에 대해서는 도 2의 동일부호와 동일기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다. 근사적 자계벽을 형성하는 타원형 슬롯안테나의 개방면을 따라 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 특성을 도 10에 도시하였다.
도 10은 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 시뮬레이션값을 보여주는 그래프이다.
도 10을 참고하면, 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실은 곡선 P로 나타내었으며, 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실은 곡선 H1(case1), H2(case2)로 나타내었다. 도시된 바와 같이 초광대역 특성이 유사하게 나타남을 알 수 있어, 근사적 자계벽을 따라 1/2 수평컷해도 그 이전 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 동일한 안테나 특성을 가짐을 알 수 있다. 즉, 초광대역 안테나의 실질적인 소형화를 수행하여도 동일한 특성을 갖는다.
수평컷에 의해 타원형 슬롯의 가로경계면을 기준으로 위쪽을 제거하여도 안테나가 동일 동작을 하는 이유는 최저동작주파수의 한파장의 길이를 갖는 타원형 슬롯의 길이가 반으로 잘리면서 양쪽이 오픈상태에 있는 최저동작주파수의 반파장의 길이를 가져 다이폴 안테나와 같은 조건으로 최저동작주파수를 결정하면서, 이후 고차모드로 동작할 때 필요한 안테나 구조가 전체 타원의 반만 있어도 가능하기 때문이다.
도 5의 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 전류분포를 보면, 급전선과 근접한 슬롯주위에 전류가 집중된 것을 볼 수 있고, 전류분포가 상대적으로 적은 위쪽면은 없어도 안테나로서 동작하는데 아무 문제가 없는 것이다.
전술한 바와 같이, 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 완전자계벽을 따라 수직컷하고 근사적 자계벽을 따라 수평컷하여 1/2씩으로 소형화 하여도 원래의 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 특성을 그대로 유지함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 두 개의 자계벽을 동시에 적용하여 4등분 컷한 초소형의 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나를 제조할 수 있다. 이는 도 11 내지 도 14를 참고하여 설명한다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 4등분 컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나를 나타내는 평면도 및 측면도이다.
도 11a를 참고하면, 사각형상으로 이루어진 유전체 기판(25)과, 상기 유전체 기판(25)의 하부면에 일측 모서리를 중심점으로 형성되는 1/4크기의 슬롯(21)이 형성된 접지(22)와, 유전체 기판(25)의 상부면에 상기 1/4크기의 슬롯(21)에 대응하는 부분에 접지(22)와 간격을 두고 형성되며 직선면이 기판의 제1 측면과 평행하게 배치되어 있는 반원형의 패치(24)와, 유전체 기판의 상부면에 기판의 제1 측면과 직교하는 제2 측면으로부터 반원형의 패치(24)로 연장 형성되며 방사될 신호가 인가되는 급전선(23)을 포함한다.
1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나는 전술한 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 완전자계벽을 따라 1/2 수직컷한 후, 근사적 자계벽을 따라 1/2 수평컷을 수행하여 얻은 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나는 1/4크기의 슬롯(21)이 기판(25)의 하측면에 형성된 접지(22)에 형성되고, 반구형상의 패치(24)와 테이퍼진 급전선(23)이 기판(25)의 상측면에 형성되어 있다.
도 11b를 참고하면, 임피던스 매칭을 위해 테이퍼진 급전선(23)이 패치의(24)의 끝단에 기판(25) 상부로 형성되어 있고, 기판(25)의 하부로 접지(22)가 형성된다.
이러한, 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 특성을 도 12를 참고하여 설명한다.
도 12는 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실을 보여주는 그래프이다.
도 12를 참고하면, 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실은 곡선 P로 나타내었으며, 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 반사손실은 곡선 Q로 나타내었다. 보는바와 같이 초광대역 특성이 유사하게 나타남을 알 수 있어, 두 개의 자계벽을 적용하여 4등분컷해도 그 이전 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 동일한 안테나 특성을 가짐을 알 수 있으며 오히려 대역폭이 확장됨을 알 수 있다. 이는 접지크기의 변화에 따라 임피던스 실수값이 변하여 기존 타원형 슬롯 초광대역 안테나에서는 매칭되지 않았던 저주파수가 매칭되어 나타나는 것이다.
도 13은 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 크기를 보여주는 사진이다.
도 13을 참고하면, A는 타원형 슬롯 초광대역 안테나이고 B는 본 발명에 따른 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나이다. 그 크기를 비교해보면, 타원형 슬롯 초광대역 안테나는 53×49mm2이고, 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나는 27.5×23.3mm2 의 크기를 갖는다.
도 14는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 방사패턴을 함께 보여주는 도면이다.
도 14를 참고하면, 각 주파수(4GHz, 5GHz, 6GHz, 7GHz, 8GHz, 9GHz, 10 Hz)점들에 대해 x-y평면상의 그래프로 나타내었다.
각 주파수에서 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 방사패턴을 P로 표시하였고, 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 방사패턴을 Q로 표시하였다. 도시된 바와 같이, 두 개의 방사패턴들은 유사한 패턴을 나타내며 전체 주파수 대역에서 전반적으로 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나도 전방향성 방사패턴을 형성함을 알 수 있다.
한편, 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나 각각의 이득을 측정하여 하기의 표에 나타낸다.
주파수(GHz) 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
타원형 슬롯 안테나(dBi) 3.1 2.2 -1.6 -2.7 -1.5 2.3 1.4
1/4크기의 슬롯 안테나(dBi) 0.3 0.7 -0.1 0.5 1.0 1.6 1.2
전술한 표에서 보는 바와 같이, 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 이득은 -2.7dBi ~ 3.1dBi 범위 안에 있으며, 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 이득은 -0.1dBi ~ 1.6dBi 범위로 유사한 이득값을 보인다.
전술한 실시예에서는 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 설계하고 가로축과 세로축에 대칭인 면을 차례로 절단하여 소형화하였으나, 타원형 슬롯의 1/4크기의 슬 롯을 먼저 설계하여 그에 상응하는 급전선 형태를 결정하는 방법으로도 초소형 안테나를 제작할 수 있다.
따라서, 본 발명은 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 전자기장적인 대칭면과 그 대칭면의 성격을 규명하여 4등분컷하여 소형화한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나를 제작하여도 동일한 안테나의 특성을 가지므로 간단하게 소형화할 수 있다. 즉, 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 전자기적 필드 패턴분석을 통해 다중공진에 따른 연속적인 다중모드가 발생하고 모든 모드마다 완전자계벽과 근사적인 자계벽이 존재함을 도출하여 각각의 자계벽을 이용하여 소형화가 가능함을 알 수 있다.
도 1은 종래의 초광대역안테나를 나타내는 도면,
도 2a는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 평면도,
도 2b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 측면도,
도 3은 도 2a 및 도 2b의 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 실물 사진,
도 4는 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 S11 시뮬레이션값과 측정값을 보여주는 그래프,
도 5는 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 표면전류분포를 보여주는 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나를 나타내는 도면,
도 7은 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 수직컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 시뮬레이션값을 보여주는 그래프,
도 8은 타원형 슬롯 초광대역 안테나의 자계분포를 보여주는 도면,
도 9a는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 평면도,
도 9b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 측면도,
도 10은 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 수평컷한 1/2크기의 슬롯 초광대역 안테나의 시뮬레이션값을 보여주는 그래프,
도 11a는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 4등분컷한 1/4 크기의 슬롯 초광대역 안테나의 평면도,
도 11b는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 4등분컷한 1/4 크기의 슬롯 초광대역 안테나의 측면도,
도 12는 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 측정값을 보여주는 그래프,
도 13은 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 크기를 보여주는 사진,
도 14는 본 발명에 적용된 타원형 슬롯 초광대역 안테나와 4등분컷한 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 방사패턴을 보여주는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 슬롯 22 : 접지
23 : 급전선 24 : 패치
25 : 기판

Claims (10)

  1. 유전체 기판의 일측면 상에 장축의 반지름과 단축의 반지름을 갖는 타원형의 슬롯을 접지에 배치하고 기판의 타측면에 슬롯에 비해 상대적으로 작은 반지름을 갖는 원형의 패치를 슬롯에 대응하는 부분에 상기 접지와 간격을 두고 배치하되, 테이퍼진 급전선의 끝단에 패치를 형성할 때 패치와 슬롯간에 갭(gap)을 갖도록 하여 초광대역의 주파수 대역을 얻는 초광대역 안테나에 있어서,
    상기 타원형 슬롯의 수직방향의 완전자계벽을 중심으로 대칭면을 수직컷하여 제1 개방면을 형성하고, 상기 타원형 슬롯의 수평방향의 근사적 자계벽을 중심으로 대칭면을 수평컷하여 제2 개방면을 형성하여 상기 타원형 슬롯을 4등분한 1/4크기의 슬롯을 형성함과 동시에 상기 원형 패치를 2등분한 반원형 패치를 형성하는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안테나의 급전선과 반원형 패치는 상기 제1 개방면에서 노출되지 않도록 상기 제1 개방면과 간격을 두고 형성하는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 안테나의 급전선의 특성 임피던스는 50오옴인 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나.
  4. 사각형상으로 이루어진 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 하부면에 일측 모서리를 중심점으로 형성되는 1/4크기의 슬롯이 형성된 접지;
    상기 유전체 기판의 상부면에 상기 1/4크기의 슬롯에 대응하는 부분에 상기 접지와 간격을 두고 형성되며 직선면이 상기 기판의 제1측면과 평행하게 배치되어 있는 반원형의 패치; 및
    상기 유전체 기판의 상부면에 상기 기판의 제1측면과 직교하는 제2측면으로부터 반원형의 패치로 연장 형성되며 방사될 신호가 인가되는 급전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 안테나의 급전선과 반원형 패치는 상기 제1 측면에서 노출되지 않도록 상기 제1 측면과 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접지에 형성된 1/4크기의 슬롯은 상기 제1 측면에서 노출되지 않도록 상기 제1 측면과 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나.
  7. 초광대역 안테나의 제조방법에 있어서,
    기판의 일측면 상에 장축의 반지름과 단축의 반지름을 갖는 타원형의 슬롯을 접지에 배치하고 기판의 타측면에 슬롯에 비해 상대적으로 작은 반지름을 갖는 원형의 패치를 슬롯에 대응하는 부분에 상기 접지와 간격을 두고 배치하며, 테이퍼진 급전선의 끝단에 상기 패치를 형성할 때 패치와 슬롯간에 갭(gap)을 갖도록 타원형 슬롯 초광대역 안테나를 제작하는 단계;
    상기 제작된 타원형 슬롯의 수직방향의 완전자계벽을 중심으로 대칭면을 수직컷하여 제1 개방면을 형성하되, 상기 급전선이 상기 제1 개방면에 노출되지 않도록 1/2크기의 슬롯을 형성하는 단계; 및
    상기 타원형 슬롯의 수평방향의 근사적 자계벽을 중심으로 대칭면을 수평컷하여 제2 개방면을 형성함으로써 제1 개방면과 제2 개방면에 의해 상기 타원형 슬롯을 4등분한 1/4크기의 슬롯을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 안테나의 급전선과 반원형 패치는 상기 제1 개방면에서 노출되지 않도록 상기 제1 개방면과 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 안테나의 급전선의 특성 임피던스는 50오옴인 것을 특징으로 하는 1/4크기의 슬롯 초광대역 안테나의 제조방법.
  10. 삭제
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