KR101067173B1 - 씨피에스 급전 선로를 구비하는 야기-우다 안테나 - Google Patents

씨피에스 급전 선로를 구비하는 야기-우다 안테나 Download PDF

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Abstract

CPS 급전 선로를 구비하는 야기-우다 안테나가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 안테나는, 각각, 기판의 일면에 제 1 폭 및 제 1 길이를 갖는 직사각형 형상으로 구비되어 전파를 송수신하는 드라이버들; 및 각각, 일단이 제 2 폭이고 대응되는 드라이버와 직교하여 연결되는 타단이 상기 제 2 폭보다 좁은 제 3 폭을 테이퍼링되고, 제 2 길이를 갖는 CPS 선로들을 구비한다. 본 발명에 따른 야기-우다 안테나는 CPS 급전방식을 이용하여 구조가 간단하여 소형화가 가능하면서도 복사 특성이 개선될 수 있는 장점이 있다.

Description

씨피에스 급전 선로를 구비하는 야기-우다 안테나 {Yagi-Uda antenna having CPS feed line}
본 발명은 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나에 관한 것으로서, 특히 CPS 급전방식을 이용하여 복사특성 저하를 개선할 수 있는 야기-우다 안테나에 관한 것이다.
기판 위에 설계되는 평면형 야기-우다 안테나는 대역폭이 넓고, 설계가 간단하며, 제작비용이 저렴한 장점이 있다. 그러나, 야기-우다 안테나는 마이크로스트립(microstrip) 선로나 CPW(coplanar waveguide)를 CPS(coplanar strip) 선로로 전환하여 사용하는데, 이 경우 리플렉터(reflector)의 길이 및 위치가 제한되고, 궁극적으로 안테나의 특성 개선을 제한할 수 있는 문제가 발생한다.
또한, 상기와 같은 MS-CPS 전이 구조나 CPW-CPS 전이 구조는 기판의 앞면에 배치되는 드라이버와 연결되도록, 기판에 접지면을 구비해야 함에 따라, 안테나의 소형화의 한계를 야기하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광대역 특성을 가지면서도 구조가 간단하여 소형화가 가능하고 복사특성이 향상될 수 있는 야기-우다 안테나를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 야기-우다 (Yagi-Uda) 안테나는, 각각, 기판의 일면에 제 1 폭 및 제 1 길이를 갖는 직사각형 형상으로 구비되어 전파를 송수신하는 드라이버들; 및 각각, 일단이 제 2 폭이고 대응되는 드라이버와 직교하여 연결되는 타단이 상기 제 2 폭보다 좁은 제 3 폭을 테이퍼링되고, 제 2 길이를 갖는 CPS 선로들을 구비한다.
바람직하게는, 상기 CPS 선로들은 각각, 서로 마주하여 위치하고, 서로 상기 일단에서는 제 1 간격을 갖고 상기 타단에서는 상기 제 1 간격보다 넓은 제 2 간격을 갖도록 테이퍼링 될 수 있다.
바람직하게는, 상기 CPS 선로들의 서로 마주하는 일측을 내측이라 하고 상기 내측과 반대편에 위치하는 타측을 외측이라 할 때, 상기 CPS 선로들은 각각, 제 1 위치로부터 제 2 위치까지, 상기 외측이 상기 내측 방향으로 제 1 각도로 기울어지게 테이퍼링 되어 상기 타단이 상기 제 2 폭보다 좁은 상기 제 3 폭을 갖고, 상기 내측이 상기 외측 방향으로 제 2 각도로 기울어지게 테이퍼링 되어 상기 타단에서의 제 2 간격이 상기 일단에서의 제 1 간격보다 넓을 수 있다.
바람직하게는, 각각, 제 3 길이의 직사각형 형상으로 구비되고, 제 1 방향으로 상기 드라이버와 제 1 거리만큼 떨어져 상기 드라이버에 평행하게 위치하여, 상기 드라이버에서 복사된 전파를 반사하는 리플렉터들이 더 구비될 수 있다.
바람직하게는, 제 4 길이의 직사각형 형상으로 구비되고, 상기 드라이버와 상기 제 1 방향과 대칭되는 제 2 방향으로 제 2 거리만큼 떨어져 상기 드라이버에 위치하는 제 1 디렉터가 더 구비될 수 있다.
제 4 길이의 직사각형 형상으로 구비되고, 상기 제 1 디렉터와 상기 제 2 방향으로 제 3 거리만큼 떨어져 위치하는 제 2 디렉터가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 야기-우다 안테나는 CPS 급전방식을 이용하여 구조가 간단하여 소형화가 가능하면서도 복사 특성이 개선될 수 있는 장점이 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 안테나를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 (Yagi-Uda) 안테 나(100)는 기판(200) 위에 급전 소자인 드라이버(130)들, 급전 선로인 CPS 선로(120)들, 및 기생 소자인 리플렉터(140)들 및 디렉터(150, 160)들을 구비한다.
드라이버(130)들은 각각 일단이 CPS 선로(120)와 직교하여 연결되고 제 1 폭(W1) 및 제 1 길이(L1)를 갖는 직사각형 형상으로 구비되어 전파를 송수신한다. 이때, 드라이버(130)는 반파장 다이폴 안테나일 수 있다. 드라이버(130)에 의해 송수신되는 신호는, 도 1에는 도시되지 아니하였으나, 기판(200)의 끝 단에 구비되는 커넥터에 의해 외부로 전달하거나 또는 외부로부터 전달된다.
본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 안테나(100)는 드라이버(130)와 연결되는 급전 선로로 CPS 선로(120)를 구비한다. 그런데, 야기-우다 안테나(100)에서 CPS 선로가 임피던스 정합되도록 설계하기 위해서는, 기판의 비유전율, 기판의 두께, CPS 선로의 선폭 및 CPS 선로들 사이의 간격 등을 고려하여야 한다. 이와 같이 야기-우다 안테나(100)에서 임피던스 정합된 CPS 선로(120)를 사용하기 위해서는 CPS 선로의 선폭이 두껍고 선로들 사이의 간격이 좁아야 하는데, CPS 선로의 선폭이 드라이버의 선폭과의 차이가 많이 나서 드라이버와 CPS 선로가 연결되는 경우, 드라이버가 정상적으로 동작하지 못한다.
그래서, 본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 안테나(100)는 CPS 선로(120)를 사용하는 경우, 임피던스 정합을 위한 선폭을 확보하면서도 드라이버의 정상적인 동작을 보장할 수 있도록 하기 위하여, CPS 선로를 테이퍼링(tapering)한다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 두 개의 CPS 선로(120)들 각각은 일단이 제 2 폭(W2)인 반면, 선로의 제 1 위치(P1)로부터 제 2 위치(P2)까지 선로의 폭이 선형 적으로 좁아지는 방향으로 제 1 각도(θ1)로 기울어져, 대응되는 드라이버와 수직으로 연결되는 타단의 두께가 제 2 폭보다 좁은 제 3 폭(W3)으로 구비되도록 테이퍼링된다. 또한, CPS 선로(120)들 사이의 간격은, 선로의 일단으로부터 제 1 위치(P1)까지는 제 1 간격(g1)을 갖고, 선로의 제 1 위치(P1)로부터 제 2 위치(P2)까지 선로 사이의 간격이 제 2 각도(θ2)로 벌어져, 선로의 끝단에서는 제 2 간격(g2)을 갖도록 테이퍼링된다. 이때, CPS 선로는 제 2 길이(L2)로 구비된다.
이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 안테나(100)는 테이퍼링된 CPS 급전 선로를 구비함으로써, CPS 선로를 사용하더라도 드라이버의 정상적인 동작을 보장할 수 있다. 또한, 종래 기술에 따른 야기-우다 안테나(100)에서 마이크로스트립(microstrip) 선로나 CPW(coplanar waveguide)를 CPS(coplanar strip) 선로로 전환하여 사용함에 따라, 후술되는 리플렉터(reflector)의 길이 및 위치가 제한되는 문제를 해결할 수 있다.
리플렉터에 대한 제한이 없다면, 야기-우다 안테나의 안테나 특성을 향상시키도록 리플렉터가 설계될 수 있다. 이에 대하여 기술한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 두 개의 리플렉터(140)들은 각각 CPS 선로(120) 양쪽에 배치될 수 있다. 또한, 두 개의 리플렉터(140)들은 각각 제 3 길이(L3)의 직사각형 형상으로 구비되고 X축의 음의 방향으로 드라이버(130)와 제 1 거리(S1)만큼 떨어져 드라이버에 평행하게 위치하여, 드라이버(130)에서 복사된 전파를 반사한다. 따라서, 드라이버(130)의 후방으로 복사되는 전파를 효과적으로 반사하여 개선된 복사패턴을 얻을 수 있다.
제 1 디렉터(150)는 드라이버(130)로부터 양의 X축 방향으로 제 2 거리(S2)만큼 떨어져 위치하고 제 4 길이(L4)로 구비되고, 제 2 디렉터(160)는 제 1 디렉터(150)로부터 양의 X축 방향으로 제 3 거리(S3)만큼 떨어져 위치하고 제 5 길이()로 구비된다. 제 1 디렉터(150) 및 제 2 디렉터(160)는 리플렉터(140)로부터 반사된 전파를 강화시킨다. 따라서, 양의 X축 방향으로 전파가 진행하게 되며 지향성도 이 방향으로 생성될 수 있다.
도 1의 야기-우다 안테나는 L1 = 22 mm, L2 = 47 mm, L3 = 22 mm, L4 = 11.6 mm, L5 = 8 mm, W1 = 2 mm, W2 = 4 mm, θ1 = 4°, θ2 = 1° 및 g1 = 0.13 mm인 경우에 최적화될 수 있다. 이때, 기판은 비유전율 10.2 및 두께가 0.635mm이고 가로(L) 및 세로(W)가 각각 83mm, 60mm인 Rogers사의 RT-Duroid 6010을 사용한다.
도 2는 상기와 같이 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 반사손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 야기-우다 안테나(100)는 -10 dB 반사손실을 기준(세로 점선)으로 4.1 ~ 6 GHz의 대역폭을 가진다.
도 3에서 도 5까지는 도 1의 야기-우다 안테나를 4.2 GHz, 5.0 GHz, 5.8 GHz에서 시뮬레이션된 복사 패턴을 나타내는 도면이다. 4.2 GHz에서 안테나의 이득은 7.3 dBi이고 반전력빔폭은 x-y 평면에서 69.7°, x-z 평면에서 114.3°이다. 5 GHz에서 안테나의 이득은 8.2 dBi이고 반전력빔폭은 x-y 평면에서 61.8°, x-z 평면에서 90.6°이다. 5.8 GHz에서는 8.2 dBi의 이득을 가지며 반전력빔폭은 x-y 평면에서 62°, x-z 평면에서 86.1°이다.
도 6은 상기와 같이 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 이득 특성을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 도 1의 야기-우다 안테나(100)는 4.1 ~ 6 GHz의 대역폭 내에서 7.3 ~ 8.4 dBi의 이득을 가져, 기존에 설계된 야기-우다 안테나들에 비하여 적은 이득 변화량을 가진다.
이와 같은 적은 이득 변화 특성은 광대역 무선통신시스템에서 주파수에 따른 송수신 전력의 편차를 줄임으로써 신호를 원활히 주고받을 수 있게 하는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 야기-우다 안테나는 테이퍼링된 CPS 선로를 구비하여 리플렉터를 적응적으로 설계함으로써, 간단하면서 안테나의 이득 변화 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 예를 들어, 도 1의 리플렉터는 두 개 이상으로 구비될 수 있고, 디렉터들도 1보다 더 많이 구비될 수 있다.
그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 야기-우다 안테나를 나타내는 도면이다.
도 2는 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 반사손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 4.2 GHz에서의 복사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 4는 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 5 GHz에서의 복사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5은 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 5.8 GHz에서의 복사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6은 최적화된 도 1의 야기-우다 안테나의 이득 특성을 나타내는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 야기-우다 안테나에 있어서,
    각각, 기판의 일면에 제 1 폭 및 제 1 길이를 갖는 직사각형 형상으로 구비되어 전파를 송수신하는 드라이버들; 및
    각각, 일단이 제 2 폭이고 대응되는 드라이버와 직교하여 연결되는 타단이 상기 제 2 폭보다 좁은 제 3 폭을 갖도록 테이퍼링(tapering)되고, 제 2 길이를 갖는 CPS(coplanar strip) 선로들을 구비하되,
    각각, 제 3 길이의 직사각형 형상으로 구비되고, 제 1 방향으로 상기 드라이버와 제 1 거리만큼 떨어져 상기 드라이버에 평행하게 위치하여, 상기 드라이버에서 복사된 전파를 반사하는 리플렉터들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 야기-우다 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 CPS 선로들은 각각,
    서로 마주하여 위치하고, 서로 상기 일단에서는 제 1 간격을 갖고 상기 타단에서는 상기 제 1 간격보다 넓은 제 2 간격을 갖도록 테이퍼링되는 것을 특징으로 하는 야기-우다 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 CPS 선로들의 서로 마주하는 일측을 내측이라 하고 상기 내측과 반대편에 위치하는 타측을 외측이라 할 때,
    상기 CPS 선로들은 각각,
    제 1 위치로부터 제 2 위치까지, 상기 외측이 상기 내측 방향으로 제 1 각도로 기울어지게 테이퍼링 되며, 상기 내측이 상기 외측 방향으로 제 2 각도로 기울어지게 테이퍼링 되어, 상기 타단이 상기 제 2 폭보다 좁은 상기 제 3 폭을 갖고, 상기 타단에서의 제 2 간격이 상기 일단에서의 제 1 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 야기-우다 안테나.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 4 길이의 직사각형 형상으로 구비되고, 상기 드라이버와 상기 제 1 방향과 대칭되는 제 2 방향으로 제 2 거리만큼 떨어져 위치하는 제 1 디렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 야기-우다 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 4 길이의 직사각형 형상으로 구비되고, 상기 제 1 디렉터와 상기 제 2 방향으로 제 3 거리만큼 떨어져 위치하는 제 2 디렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 야기-우다 안테나.
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