KR101304313B1 - 마이크로 스트립 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

안테나가 제공된다. 본 안테나는, 기판의 하면의 제1 영역에 급전을 위한 도파관이 도파관의 길이방향에 수직하도록 접속되고, 그라운드에 도파관이 접속되는 제1 영역의 도체가 제거되며,안테나부가 기판의 상면에 배치되고 도파관에서 인가된 전자기파를 급전 전력으로 하여 신호를 송신하게 되어, 별도의 구조 변환이나 추가 구조 필요 없이 도파관에서 마이크로 스트립 패치 안테나에 급전을 할 수 있게 되며, 이에 따라 별도의 변환 구조에 따른 손실을 없앨 수 있으며 소형화가 가능하게 된다.

Description

마이크로 스트립 패치 안테나 {Microstrip patch antenna}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것이다.

무선 통신 기술이 고속, 대용량화로 발전하고 있다. 따라서 무선 통신 기기 등에 사용되는 동작 주파수가 자연히 수십 ㎓이상의 밀리미터파 대역으로 올라가고 있다. 또한, 사용 환경이 주파수의 특성상 근거리 통신과 같이 아주 짧은 거리인 피코셀(pico cell) 개념으로 정의되고 있다.

이러한 환경을 고려했을 때 밀리미터파 대역에서 송수신 모듈의 신호 전송을 위해서는 전송선로의 손실이 커서, 도파관 형태를 많이 사용해 왔다. 도파관 선로에서 평면 형태의 마이크로스트립 패치 안테나에 급전을 하려면, 도파관-마이크로스트립 변환구조를 필요로 한다.

이러한 변환구조는 주로 마이크로스트립 프루브 방식과 finline 변환 방식을 주로 사용해 왔다. 종래 기술 방식은 도파관 형태로 되어 있는 회로에서 마이크로스트립 선로로 변환하려면, backshort 구조나 추가적인 변환 구간을 요구하기 때문에 소형화에 문제가 있다.

이에 따라, 별도의 구조 변환이나 추가 구조 필요 없이 도파관에서 마이크로 스트립 패치 안테나에 급전을 하기 위한 방안의 모색이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 기판의 하면의 제1 영역에 급전을 위한 도파관이 도파관의 길이방향에 수직하도록 접속되고, 그라운드에 도파관이 접속되는 제1 영역의 도체가 제거되며,안테나부가 기판의 상면에 배치되고 도파관에서 인가된 전자기파를 급전 전력으로 하여 신호를 송신하는 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나는, 하면의 제1 영역에 급전을 위한 도파관이 접속되는 기판; 상기 기판의 하면에 배치되고, 상기 도파관이 접속되는 상기 제1 영역의 도체가 제거된 그라운드; 및 상기 기판의 상면에 배치되고 상기 도파관에서 인가된 전자기파를 급전 전력으로 하여 신호를 송신하는 안테나부;를 포함한다.

그리고, 상기 안테나부는, 상기 기판의 상면에 상기 제1 영역과 마주보도록 배치된 금속판 형태의 제1 급전부;를 포함할 수도 있다.

또한, 상기 안테나부는, 상기 기판의 상면에 배치되고 상기 급전부와 전송선을 통해 연결된 제1 방사부; 및 상기 기판의 상면에 배치되고 상기 급전부와 전송선을 통해 연결되며 상기 제1 방사부와 대칭되도록 배치되는 제2 방사부;를 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 제1 영역은, 그 모양이 상기 도파관의 절단면의 모양에 대응될 수도 있다.

또한, 상기 도파관은 구형(矩形) 도파관이고, 상기 제1 영역은 상기 구형 도파관의 절단면에 대응되는 사각형 모양일 수도 있다.

그리고, 상기 안테나부는, 급전부 및 방사부의 모양이 사각형일 수도 있다.

또한, 상기 안테나부는, 상기 기판의 상면에 상기 제1 영역과 마주보도록 배치된 금속판 형태의 제2 급전부; 상기 기판의 상면에 배치되고 상기 제2 급전부와 전송선을 통해 연결된 제3 방사부; 및 상기 기판의 상면에 배치되고 상기 제2 급전부와 전송선을 통해 연결되며 상기 제3 방사부와 대칭되도록 배치되는 제4 방사부;를 더 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 제1 영역은, 상기 제1 급전부 및 상기 제2 급전부를 포함하는 영역이며, 상기 그라운드는, 상기 제1 영역 내의 상기 제1 급전부와 제2 급전부 사이에 해당되는 영역에 2개의 전극선이 배치될 수도 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 기판의 하면의 제1 영역에 급전을 위한 도파관이 도파관의 길이방향에 수직하도록 접속되고, 그라운드에 도파관이 접속되는 제1 영역의 도체가 제거되며,안테나부가 기판의 상면에 배치되고 도파관에서 인가된 전자기파를 급전 전력으로 하여 신호를 송신하는 안테나를 제공할 수 있게 되어, 별도의 구조 변환이나 추가 구조 필요 없이 도파관에서 마이크로 스트립 패치 안테나에 급전을 할 수 있게 되며, 이에 따라 별도의 변환 구조에 따른 손실을 없앨 수 있으며 소형화가 가능하게 된다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 구성을 도시한 사시도,
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 구성을 위에서 바라본 평면도,
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 구성을 앞에서 바라본 정면도,
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 구성을 옆에서 바라본 측면도,
도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 기판 상면에 배치되는 안테나부의 구성을 도시한 도면,
도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나의 기판 하면에 배치되는 그라운드의 구성을 도시한 도면,
도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도파관 내의 아이리스의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부의 전기장의 분포를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부 및 그라운드의 도체 부분을 실제로 만든 것의 사진을 도시한 도면,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부에 배열 안테나 2개가 배치된 경우의 사시도를 도시한 도면,
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부에 배열 안테나 2개가 배치된 경우의 평면도를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2개의 배열 안테나가 포함된 안테나의 도체 부분을 실제로 만든 샘플의 사진을 도시한 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1 by 2 안테나 및 2 by 2 안테나에 대해 24GHz 대역에서 설계된 안테나의 반사계수의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1a 내지 도 3에 도시된 1 by 2 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4a 내지 도 5에 도시된 2 by 2 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1개의 안테나부를 포함하는 안테나(100) 및 도파관(150)의 구성을 도시한 도면이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나(100)의 구성을 도시한 사시도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나(100)의 구성을 위에서 바라본 평면도이다. 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나(100)의 구성을 앞에서 바라본 정면도이다. 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나(100)의 구성을 옆에서 바라본 측면도이다. 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나(100)의 기판(120) 상면에 배치되는 안테나부(110)의 구성을 도시한 도면이다. 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나(100)의 기판(130) 하면에 배치되는 그라운드(130)의 구성을 도시한 도면이다. 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도파관(150) 내의 아이리스(160)의 구조를 도시한 도면이다.

도 1a 내지 도 1f에 도시된 바와 같이, 안테나(100)는 마이크로 스트립(microstrip) 패치 안테나 형태이고, 안테나(100)는 하면에 도파관(150)이 접속되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 안테나(100)는 도파관(150)을 통해 전송되는 신호가 급전부(110)에 직접 인가되어 이를 이용하여 급전하여 신호를 송신하게 된다.

구체적으로, 안테나(100)는 안테나부(110), 기판(120), 및 그라운드(130)를 포함한다. 안테나(100)의 안테나부(110), 기판(120), 및 그라운드(130)는 각각이 하나의 층을 구성한다.

기판(120)은 안테나(100)의 기본적인 형태를 구성하는 것으로 유전체로 구성된다. 또한, 기판(120)은 하면의 제1 영역에 급전을 위한 도파관(150)이 도파관의 길이방향에 수직하도록 접속된다. 여기에서, 제1 영역(135)은 도파관(150)의 단면이 직접 연결되는 영역을 나타내며, 제1 영역(135)에 해당되는 부분은 그라운드(130)의 도체가 제거되어 있다.

그라운드(130)는 기판(120)의 하면에 배치되는 접지면을 나타낸다. 또한, 그라운드(130)는 도체가 제거되어 있는 제1 영역(135)이 포함되어 있다. 제1 영역(135)은 도파관(150)이 접속되는 영역이므로 접지를 위한 도체가 제거되게 된다.

안테나부(110)는 기판(120)의 상면에 마이크로 스트립 라인 및 패치 형태로 배치된다. 그리고, 안테나부(110)는 도파관(150)에서 인가된 전자기파를 급전부(112)를 통해 급전하게 되고, 급전 전력을 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)로 전송하여 신호를 송신하게 된다.

구체적으로, 안테나부(110)는 제1 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)를 포함한다. 제1 급전부(112)는 기판(120)의 상면에 제1 영역(135)과 마주보도록 금속판 형태로 배치된다. 그리고, 제1 급전부(112)는 도파관(150)으로부터 인가되는 전자기파를 이용하여 급전을 받게 되며, 급전된 전력을 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)로 전송하게 된다.

제1 방사부(114)는 기판(120)의 상면에 배치되고 급전부(112)와 전송선을 통해 연결된다. 그리고, 제2 방사부(116)는 기판(120)의 상면에 배치되고 급전부(112)와 전송선을 통해 연결되며, 도 1b에 도시된 바와 같이 제1 방사부(114)와 대칭되도록 배치된다.

도 1b 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 안테나부(110)의 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)는 직사각형 형태의 금속판 또는 패치 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)는 급전부(112)를 중심으로 좌우 대칭 형태로 배치되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)의 형태는 다양한 형태가 될 수 있으며 그 형태는 도파관(150)의 형태에 의해 결정된다.

구체적으로, 제1 영역(135)은 그 모양이 도파관(150)의 절단면의 모양에 대응된다. 예를 들어, 도파관(150)이 구형(矩形) 도파관인 경우, 제1 영역(135)은 구형 도파관의 절단면에 대응되는 사각형 모양이 된다. 그리고, 이 경우 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)는 직사각형 형태가 된다. 반면, 도파관(150)이 원형 도파관인 경우 제1 영역(135), 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)는 원형 도파관의 절단면에 대응되는 원형이 된다.

또한, 도파관(150) 내에는 도 1g에 도시된 아이리스(iris)(160)가 포함되어 있다. 아이리스(160)는 도파관(150) 내의 신호의 특정 주파수 대역을 통과시키고 하모닉 성분을 제거하는 역할을 한다. 즉 아이리스(160)는 밴드 패스 필터의 기능을 한다. 도 1g에 도시된 아이리스는 Dog Bone 형태인 것으로 구현되어 있으나, 이외에도 통과를 원하는 주파수 대역에 따라 원형, 사각형 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이와 같이, 도 1a 내지 도 1g에 도시된 구조의 안테나(100)는 도파관(150)을 통해 전송되는 신호를 이용하여 급전을 하게 되며, 이에 따라 별도의 변환 구조에 따른 손실을 없앨 수 있으며 소형화가 가능하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부(110)의 전기장의 분포를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 안테나부(110)의 급전부(112)는 도파관(150)을 통해 전송된 전자기파에 의해 유도된 전력을 이용하여 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)에 급전을 하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)는 급전부(112)와 동일한 위상을 갖게 되어 방사가 이루어지게 된다. 이와 같이, 안테나(100)는 급전부(112)에 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)가 2개가 붙어 1 by 2 배열 안테나의 기능을 하게 된다. 또한, 안테나(100)는 급전부(112)도 하나의 방사면으로 볼 수도 있어 1 by 3 배열의 안테나로 기능할 수도 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부(110) 및 그라운드(130)의 도체 부분을 실제로 만든 것의 사진을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 안테나부(110)는 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)를 포함하고, 그라운드(130)는 제1 영역(135)에 도체가 제거된 것을 확인할 수 있다.

이하에서는, 도 4a 내지 도 5를 참고하여 안테나부(110)에 배열 안테나 2개가 배치된 경우를 설명한다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부(110)에 배열 안테나 2개가 배치된 경우의 사시도를 도시한 도면이다. 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나부(110)에 배열 안테나 2개가 배치된 경우의 평면도를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2개의 배열 안테나가 포함된 안테나(400)의 도체 부분을 실제로 만든 샘플의 사진을 도시한 도면이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 안테나부(110)는 제1 급전부(112), 제1 방사부(114) 및 제2 방사부(116)로 구성된 제1 배열 안테나 외에, 제2 급전부(412), 제3 방사부(414) 및 제4 방사부(416)로 구성된 제2 배열 안테나를 더 포함한다.

구체적으로, 제2 급전부(412)는 기판(120)의 상면에 제1 영역(135)과 마주보도록 배치된 금속판 형태이다. 그리고, 제3 방사부(414)는 기판(120)의 상면에 배치되고 제2 급전부(412)와 전송선을 통해 연결된다. 또한, 제4 방사부(416)는 기판(120)의 상면에 배치되고 제2 급전부(412)와 전송선을 통해 연결되며 제3 방사부(414)와 대칭되도록 배치된다.

따라서, 이 경우 제1 영역(135)은 제1 급전부(112) 및 제2 급전부(412)를 포함하는 영역이다. 그리고, 그라운드(130)는 제1 영역(135) 내의 제1 급전부(112)와 제2 급전부(114) 사이에 해당되는 영역에 2개의 전극선(420, 425)이 배치되어 있다. 이와 같이, 그라운드(130)에 2개의 전극선(420, 425)이 배치됨으로써 2개의 배열 안테나로 도파관(150)에서 나오는 전자기파가 인가되게 된다.

이와 같이 도 4a 내지 도 5에 도시된 구성에 의해, 2 by 2의 안테나를 구성할 수 있게 된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1 by 2 안테나 및 2 by 2 안테나에 대해 24GHz 대역에서 설계된 안테나의 반사계수의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 6a는 도 1a 내지 도 3에 도시된 1 by 2 안테나에 대한 결과이고, 도 4a 내지 도 5에 도시된 2 by 2 안테나에 대한 결과이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1a 내지 도 3에 도시된 1 by 2 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4a 내지 도 5에 도시된 2 by 2 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

도 6a 내지 도 8을 통해 확인할 수 있듯이, 1 by 2 안테나는 방사성이 강하고, 2 by 2 안테나는 지향성이 강한 것을 확인할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : 안테나 110 : 안테나부
112 : 급전부 114 : 제1 방사부
116 : 제2 방사부 120 : 기판
130 : 그라운드 135 : 제1 영역
150 : 도파관 160 : 아이리스

Claims (8)

1. 하면의 제1 영역에 급전을 위한 도파관이 접속되는 기판;
   상기 기판의 하면에 배치되고, 상기 도파관이 접속되는 상기 제1 영역의 도체가 제거된 그라운드; 및
   상기 기판의 상면에 배치되고 상기 도파관에서 인가된 전자기파를 급전 전력으로 하여 신호를 송신하는 안테나부;를 포함하고,
   상기 제1 영역의 모양은,
   상기 도파관의 절단면의 모양에 대응되는 것을 특징으로 하는 안테나.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 안테나부는,
   상기 기판의 상면에 상기 제1 영역과 마주보도록 배치된 금속판 형태의 제1 급전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 안테나부는,
   상기 기판의 상면에 배치되고 상기 급전부와 전송선을 통해 연결된 제1 방사부; 및
   상기 기판의 상면에 배치되고 상기 급전부와 전송선을 통해 연결되며 상기 제1 방사부와 대칭되도록 배치되는 제2 방사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 도파관은 구형(矩形) 도파관이고,
   상기 제1 영역은 상기 구형 도파관의 절단면에 대응되는 사각형 모양인 것을 특징으로 하는 안테나.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 안테나부는,
   급전부 및 방사부의 모양이 사각형인 것을 특징으로 하는 안테나.
   
7. 제 3항에 있어서,
   상기 안테나부는,
   상기 기판의 상면에 상기 제1 영역과 마주보도록 배치된 금속판 형태의 제2 급전부;
   상기 기판의 상면에 배치되고 상기 제2 급전부와 전송선을 통해 연결된 제3 방사부; 및
   상기 기판의 상면에 배치되고 상기 제2 급전부와 전송선을 통해 연결되며 상기 제3 방사부와 대칭되도록 배치되는 제4 방사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제1 영역은,
   상기 제1 급전부 및 상기 제2 급전부를 포함하는 영역이며,
   상기 그라운드는,
   상기 제1 영역 내의 상기 제1 급전부와 제2 급전부 사이에 해당되는 영역에 2개의 전극선이 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
   

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