KR101085833B1 - 보상급전 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 보상급전 패치 안테나에 관한 것으로, 유전체기판 위에 패치 안테나를 에칭하여 특정 주파수에 공진하는 안테나를 구현하고, 유전체기판 밑에는 선로용 유전체기판을 두어, 포트에서 인입되는 신호를 “+”위상신호와 “-” 위상신호로 나누어 분배하여 하나의 라디에이터에 두 급전점에 보상으로 급전하는 분배/급전 선로로 구성한다. 이로써 하나의 라디에이터의 “+”위상신호와 “-” 위상신호를 보상으로 급전을 할 수가 있게 되어 전계발산 효과를 극대화할 수가 있고, 라디에이터의 각 측면의 전계 및 자계, 전류 등의 방사가 대칭으로 발산되어 전계가 평형으로 고르게 발산되며 방사 패턴이 원점에 일치하는 정원형의 방사 패턴을 가지는 안테나를 만들 수가 있다. 또한, 유전체기판 위에 형성하는 라디에이터의 수를 복수개로 구현함으로 인해 게인을 증가시키고 빔각을 좁게 할 수가 있어 하이 게인 지향성 안테나를 구현할 수가 있게 된다. 또한, 유전체기판과 라디에이터의 면적을 조절함으로 인해 안테나의 방사 패턴을 조절하여, 초저백로브 및 사이드로브 안테나를 구현할 수가 있게 되어, 중계기 및 기지국 용의 안테나로 사용될 수가 있다.

보상급전, 패치 안테나, 정원형 방사패턴, 위상변환, 위상변환선로

Description

보상급전 패치 안테나{Complementary Feeding Patch Antenna}

본 발명은 휴대폰의 중계기용 안테나 및 기지국용 안테나뿐만 아니라 무선랜 등의 기지국용 안테나에 사용할 수 있는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나에 관한 발명이다.

종래의 패치 안테나는 유전체기판 위에 에칭 등의 기법으로 안테나 주파수에 비례하는 라디에이터를 동박으로 형성하여, 유전체기판 밑에 포트에서 인입되는 신호를 급전점으로 연결하는 선로 층을 만들어, 선로 임피던스 50옴에 맞는 라디에이터의 위치에 유전체 층을 뚫어 신호를 급전하여 유전체기판을 통하여 전계를 방사하는 형태로 구성되어 있다.

또 다른 패치 안테나를 구현하는 방법으로는, 유전체기판 위의 라디에이터 층과 같은 층에 선로를 인쇄하고, 유전체기판 밑에 일정한 간격을 가지고 그라운드판을 배치하여, 그라운드판 사이로 포트에서 인입되는 신호를 연결하고, 유전체기판 위의 선로로 신호를 연결하여 라디에이터의 외곽에 급전하는 방식 등이 있다.

상기 패치 안테나에서는 라디에이터의 한 점에 급전을 하여 전계를 방사함으로 인하여 라디에이터의 전체 면적에서 한 측면으로 치우쳐져 급전점이 형성되는 관계로 방사되는 전/자계 신호는 라디에이터의 급전점이 위치한 면에서는 강하게 방사가 되나, 라디에이터에서 먼 또 다른 측면에서의 전/자계의 방사는 약하게 되어 전체 라디에이터에서 방사되는 에너지는 정원형이 되지못하고 특정한 한쪽 방향으로 에너지가 집중하는 찌그러진 형태의 방사 패턴이 만들어진다.

이로 인하여 방사 패턴의 X 축 및 Y 축의 3dB 빔폭이 10도 이상 차이가 나게 되며, 방사되는 전파의 중심축은 유전체기판 위의 정중앙에서 벗어난 위치로 향하게 된다. 그 결과 방사되는 전계 및 자계는 라디에이터를 중심으로 평형으로 방사되지를 않고 한쪽 측면으로 강하게 치우쳐져 방사되어, 방사 패턴의 중심축이 안테나의 중심에서 벗어나 특정한 방향으로 치우쳐 지는 결과가 나타나게 되며, 방사 패턴의 F-B Ratio 가 나빠지고, 라디에이터를 복수개 배열하여 게인을 높이고자 하는 경우에는 각 라디에이터들의 방향이 일정하지 않아 방사 패턴이 일그러져 게인이 증가하지 않는 결과를 낳게 된다.

패치 안테나에서 방사되는 전/자계의 강도가 라디에이터의 각 측면에서 서로 다르게 나타나고, 방사되는 전파의 방사 패턴이 안테나 중심축에서 벗어나 임의의 방향으로 향하는 원인은 패치 안테나에 급전하는 급전점이 패치 안테나 면의 중심에서 벗어난 한 측면으로 치우쳐져 있기 때문이다. 패치 안테나의 급전점의 임피던스는 패치 안테나의 위치에 따라 변하게 되는데, 패치 안테나의 면의 중심에서 “0”옴이 되고 중심점에서 바깥 외곽 면으로 벗어날수록 임피던스가 높아지게 된다. 일반적인 고주파에서 마이크로스트립선로의 임피던스는 “50”옴을 주로 사용하고 있으며, 회로에서 입력되는 포트 역시 “50”옴을 주로 사용함으로 인해, 패치 안테나의 임피던스도 “50”옴에서 급전을 하게 되는데, 패치 안테나에서의 “50”옴의 위치는 일반적으로 중심에서 바깥측면으로 30% 벗어난 지점이 된다. 때문에 전체 패치 안테나의 면에서 볼 때에는 급전점의 위치는 전체 면에서 볼 때 7:3 이나 6:4 로 형성되는데, 이 때문에 급전점이 한 측면으로 치우쳐지게 되고, 발산되는 전/자계는 한 측면에 강하게 발산되고 또 다른 측면에서 발산되는 전/자계는 약하게 발산되어, 최종적인 전파의 방사 패턴은 안테나의 중심에서 특정한 방향으로 치우쳐져 타원형으로 방사된다.

때문에 패치 안테나에서 방사되는 전/자계를 어느 한 면에 치우쳐지지 않고 각 면에 따라 일정하게 방사되게 하여 전체 전파의 방사 패턴을 안테나의 중심으로 오게 할 필요가 있다. 이로 인하여 복수개의 라디에이터를 배열할 경우 모든 라디 에이터에서의 방사방향이 일정하여 게인이 증가되고, 전/자계의 방사 패턴이 정원형으로 되어 고른 통신 영역을 확보할 수가 있다.

하나의 패치 위에 급전을 하여 전계가 발산되는 모양은 주파수가 가지는 파장의 반주기를 그리게 되는데, 패치의 중심에서 볼 때 급전점의 위치는 하나의 극성을 가지게 된다. 패치의 면에 존재하는 급전점이 하나의 극성을 가지게 된다면, 동일면에서 패치의 중심에서 대칭되는 다른 면의 대칭점의 위치에는 반대의 극성을 가지게 된다고 볼 수 있다. 이 대칭점에 상기 급전되는 신호와 반대의 극성을 가지는 신호를 입력하게 된다면 하나의 패치에 두 개의 급전을 하게 되는 결과를 얻게 되고, 패치의 중심에서 서로 대칭으로 만들어지는 2개의 급전점에서, “+”급전점에는 “+”신호를 급전하고 “-”급전점에는 “-”신호를 급전하게 되어, 입력포트에서 들어오는 신호를 분리하여 각 급전점의 라디에이터에 보상급전을 할 수가 있게 된다.

패치 안테나의 라디에이터 위상이 서로 180도 다른 2개의 급전점을 찾아내고, 포트에서 인입되는 입력신호를 서로 위상이 180도 다른 2개의 신호로 만들어 “+”극성을 가지는 신호는 “+”급전점에 연결하고, “-”극성을 가지는 신호는 “-”급전점에 연결하여 보상급전을 하여 패치에서 방사되는 전/자계를 어느 한 면에 치우치지 않게 되고 패치의 각 측면에 따라 골고루 발산되게 하여, 방사되는 전파의 방사 패턴을 패치 안테나의 중심축에 일치시킨다. 또한 서로 보상급전이 이루어진 하나의 패치 안테나에서는 한 측면에서는 “+”신호로 급전되고 또 다른 반대 측면에는 “-”신호가 급전되어 위상차이가 180도 나는 두 신호가 하나의 패치 위에서 보상효과를 얻어 전기신호가 평형을 얻게 되어 정원형의 방사가 이루어지게 한다. 입력신호의 위상이 반대가 될 때에는 상기 특성의 반대 위상이 인입되어 “-”급전점에는 “+”신호가 인입되고, “+”급전점에는 “-”신호가 인입되어 전계 강도가 일정한 반대의 전계가 발산되어 방사 패턴은 정원형으로 된다.

이를 위하여 라디에이터용 유전체기판 위의 라디에이터에 서로 위상이 180도 차이를 가지는 2개의 대칭되는 급전점을 찾고, 입력포트에서 들어오는 신호를 T분배기를 통하여 2개의 신호로 분배하고 그중 일측의 신호는 라디에이터의 급전점에 바로 연결을 하고 타측의 신호는 180도 위상반전을 시켜 라디에이터의 급전점에 연결하여 정원형의 보상급전 패치 안테나를 구현한다.

상기 방법으로 패치 안테나를 만들 경우 기존의 라디에이터에 1개의 급전을 할 경우보다 게인이 0.5dBi 상승되며, 전파가 방사되는 방사 패턴의 가로/세로 3dB 빔폭의 넓이가 기존의 1개 급전의 경우 58°/73.3°에서 63.5°/63.8°로 일정하게 되어 기존의 방법에서 15도 이상 가로/세로 빔폭이 차이가 난 것에 비해, 본 발명을 이용한 경우에는 가로/세로 3dB 빔폭이 0.5도 이내로 정원형으로 방사됨을 확인하였다.

또한 F-B Ratio 가 기존의 방식에서 -15/-16 인 것에 비해 -20/-17 로 개선 이 되었다.

이로 빔의 방향이 일정하고 빔폭이 일정하며, 이러한 방식으로 라디에이터를 복수개 배열할 경우 게인을 높일 수가 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 실시 예를 나타낸 도면이다. 라디에이터용 유전체기판(10) 위에 동박의 라디에이터(11)를 에칭기법으로 구현하고 양 급전점(12a, 12b)를 만든다. 종래 기술에서는 1개의 라디에이터에 1개의 급전을 하지만, 본 발명에서는 기존의 “+”급전점(12a)과의 대칭점에 또 하나의 “-”급전점(12b)을 만든다. 도 2에서 라디에이터용 유전체기판(10) 위에 에칭 기법으로 특정 주파수에 공진하는 라디에이터(11)를 제작하고, 라디에이터(11)의 길이 L 축을 따라 원점(0,0)에서 +L/2 방향으로 기존의 “+”급전점(12a)을 형성한다. 다시 원점(0,0)으로부터 -L/2 방향으로 “+”급전점(12a)의 대칭점에 있는 또 하나의 “-”급전점(12b)을 형성한다. “+”급전점(12a)는 선로의 임피던스와 동일한 임피던스를 가지는 “+” 50옴의 급전점이 되고, “-”급전점(12b)는 “+”급전점(12a)와는 180도 위상이 다른 “-” 50옴의 급전점이 된다.

포트(26)에서 인입되는 신호는 50옴의 임피던스를 가지는 선로로서, 상기 “+” 및 “-” 급전점으로 가져가기 위한 두 개의 신호로 분배하기 위하여 T분배기(25)를 통하여 두 신호로 나뉘고, 나눠진 두 신호에서 곧 바로 “+”선로(24-1)를 통하여 들어오는 신호는 “+” 신호가 되어 “+” 급전점(23a)에 연결되고, 또 다른 하나의 신호는 해당 주파수의 반파장의 길이를 가지는 선로를 이용하여 180도 위상반전을 시키는 “-”(λ/2 위상변환)선로(24)를 통하여 위상을 180도 반전하여 “-”급전점(23b)으로 연결된다.

“-”(λ/2 위상변환)선로(24)는 T분배기(25)에서 분배된 동위상의 “+” 신호를 선로 길이 λ/2 인 선로를 통과시켜 신호를 180도 위상반전 시켜 “-” 신호로 변환하여 “-”급전점(23b)로 연결한다.

상기 방법으로 FR-4 기판을 사용하여 2GHz 대역의 WCDMA 용 기지국 안테나를 설계한 과정과 결과를 예시한다. 라디에이터용 유전체기판(10)으로는 유전율 4.4, 두께 0.8mm 의 FR-4 기판을 사용하였으며 선로용 유전체기판(20)도 동일한 사양의 재료를 사용하여 100x100mm 기판 사이즈에 길이 54mm 의 1개의 라디에이터(11)를 에칭기법으로 형성하고, 라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이의 공기층간격을 4mm 로 하여 라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 지름 1mm 의 지지용 연결핀(32)으로 연결하고, 포트(26)에서 들어오는 신호를 “-”,“+”선로(24, 24-1) 및 T분배기(25)를 통하여 급전점(23a, 23b)으로 연결하고 급전점 연결핀(31)을 통하여 라디에이터의 급전점(12a, 12b)으로 납땜으로 연결시켜 안테나를 제작하였다. 선로용 유전체기판(20)의 가장자리에는 선로층 위의 동박인 라디에이터용 그라운드판(21)과 선로용 유전체기판(20)의 아래층 밑의 동박인 선로용 그라운드판(22)와 연결하기 위하여 스루홀(27)을 뚫어 연결한다. 선로용 유전체기판(20)에 홀을 가공하고 라디에이터용 유전체기판(10)에도 같은 위치에 홀(13)을 가공하여 그사이를 지지용 연결핀(32)을 넣어 납땜으로 가공하여 두 유전체기판(10, 20)을 연결한다.

상기 안테나의 특성을 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 결과를 확인하여 표 1 및 표 2와 같은 결과를 얻을 수가 있었다. 도 3 및 표 1에서와 같이 2.0GHz 대역에서 S11 이 -10dB 기준으로 주파수 비대역이 100MHz 의 특성을 얻을 수가 있었으며 표 2에서와 같이 게인을 8.8dBi 이상 얻어졌으며 방사 효율도 85% 이상 얻어짐을 확인할 수가 있으며 F-B Ratio 도 -19dB 정도 우수한 특성을 얻을 수가 있었다. 설계한 안테나의 3차원 방사특성 및 2차원 특성을 도 4에서 확인할 수가 있다.

또한, 전파의 방사 패턴을 확인하기 위하여 3dB 빔폭으로 알 수가 있는데, 0도에서 빔폭이 63.3도이고 90도에서 빔폭이 63.8도로 확인이 되었으며, 방사되는 전파의 초점은 안테나 방향으로 기판의 정 원점(0,0)에 일치하는 것을 알 수가 있었다.

또한, 보다 높은 게인의 안테나를 제작하기 위해서 상기 방법으로 150x150mm 사이즈의 FR-4 기판 위에 2x2(4)개의 라디에이터를 형성하여 공기층을 4mm 로 하고 밑의 선로층에는 포트에서 들어오는 신호를 그라운드코플레이너선로와 T분배기를 통하여 1/2 분배, 1/4 분배를 연속으로 하여 각 라디에이터의 급전점으로 인입하고 급전핀을 통하여 라디에이터용 유전체기판의 라디에이터와 납땜으로 연결한다. 이로써 4개의 라디에이터에서 방사되는 안테나는 게인을 14dBi 정도 얻을 수가 있다. 더 높은 게인을 얻기 위해서는 라디에이터의 수를 4x4, 8x8 등으로 증가시키게 되면 게인이 14dBi 이상의 안테나를 구현할 수가 있다.

안테나 S11 특성

	min(GHz)	max(GHz)	폭(MHz)
-10dB	1.995	2.056	100
-15dB	1.978	2.033	55

안테나 게인 및 효율, F-B Ratio, 3dB Beam Width

	Gain(dB)	Tot. effic.	F-B Ratio(dB)		3dB Beam Width(degree)
			Phi=0	Phi=90	Phi=0	Phi=90
2.0GHz	8.8	87%	-19.7	-17.4	63.3	63.8

본 발명을 적용한 고효율 정원형 안테나를 휴대폰의 중계기용 안테나 및 기지국용 안테나에 적용하여 고른 서비스를 할 수가 있으며, 무선랜 등의 기지국용 고효율 안테나로 사용이 가능하다.

도 1 : 보상급전 패치 안테나의 윗면, 아래면, 측면도

도 2 : 보상급전 패치 안테나 윗면 상세도

도 3 : 보상급전 패치 안테나 S11 특성

도 4 : 보상급전 패치 안테나 3차원 및 2차원 방사 패턴 시뮬레이션 결과

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

10: 라디에이터용 유전체기판, 11: 라디에이터, 12a, 23a: “+”급전점

12b, 23b: “-”급전점, 13: 지지용 연결핀 홀, 14: 절단면

20: 선로용 유전체기판, 21: 라디에이터용 그라운드판

22: 선로용 그라운드판, 24: “-”(λ/2 위상변환)선로, 24-1: “+”선로

25: T분배기, 26: 포트, 27: 스루홀, 31: 급전점 연결핀, 32: 지지용 연결핀

Claims (6)

1. 패치 안테나에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭기법으로 라디에이터(11)을 형성하고;

   상기 라디에이터(11)에 “+”급전점(12a)과 “-”급전점(12b)를 형성하고;

   선로용 유전체기판(20)에는 포트(26)에서 들어오는 신호를 T분배기(25)로 2분배하고;

   상기 2분배된 신호에서 일측의 신호는 “+”선로(24-1)를 통하여 “+”급전점(23a)으로 연결하고, 타측의 신호는 λ/2 위상변환선로(24)를 통하여 “-”급전점(23b)으로 연결하고;

   선로용 유전체기판(20)의 “+”급전점(23a)과 “-”급전점(23b)를 라디에이터용 유전체기판(10)의 “+”급전점(12a)과 “-”급전점(12b) 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20) 위에 입력포트(26)에서 들어오는 신호를 양 급전점(23a, 23b)으로 연결하기 위하여 그라운드코플레이너선로 혹은 마이크로스트립선로로 구현하는 것을 특징으로 하는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭기법으로 라디에이터(11)를 1개 혹은 2개 이상 복수개로 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20)의 “-” 및 “+”선로(24, 24-1) 주위의 선로용 그라운드판(22)과 선로용 유전체기판(20) 윗면의 라디에이터용 그라운드판(21)을 일정간격으로 스루홀(27)을 가공하여 연결하는 것을 특징으로 하는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 일정간격 d 를 유지하면서 지지용 연결핀(32)으로 고정하여 지지하는 것을 특징으로 하는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20)의 포트(26)에서 인입되는 신호를 1/2 분배 혹은 1/4 분배하기 위하여 T분배기(25) 혹은 윌킨스 디바이드를 형성하여 분배하는 것을 특징으로 하는 고효율 정원형 보상급전 패치 안테나.

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