KR102151120B1 - 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 Download PDF

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KR102151120B1 KR1020190136553A KR20190136553A KR102151120B1 KR 102151120 B1 KR102151120 B1 KR 102151120B1 KR 1020190136553 A KR1020190136553 A KR 1020190136553A KR 20190136553 A KR20190136553 A KR 20190136553A KR 102151120 B1 KR102151120 B1 KR 102151120B1
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Abstract

십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나는, 제1 기판의 상면에 십자 모양으로 형성된 S-대역 스택 패치; 상기 제1 기판 하면에 결합하는 제2 기판의 상면에 상기 S-대역 스택 패치와 겹쳐지는 십자 모양으로 형성된 S-대역 방사 패치; 및 제2 기판 하면에 결합하는 제3 기판의 상면에 상기 S-대역 스택 패치 및 상기 S-대역 방사 패치와 부분적으로 겹쳐지는 S-대역 급전 선로를 포함하는 S-대역 안테나; 상기 제1 기판의 상면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 스택 패치; 상기 제3 기판의 상면에 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 방사 패치들; 및 상기 제3 기판 하면에 결합하는 제4 기판의 하면에 형성된 X-대역 급전 네트워크를 포함하는 X-대역 안테나; 및 상기 제4 기판의 상면에 부착되고, 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 복수개의 개구부가 형성된 접지면을 포함한다. 이에 따라, 광대역 특성과 우수한 방사특성을 가지는 이중 대역 안테나를 구현할 수 있다.

Description

십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나{A SHARED-APERTURE DUAL-BROADBAND MICROSTRIP PATCH ANTENNA USING A CROSS PATCH}
본 발명은 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조가 간단하고 광대역 특성을 가지는 S-대역과 X-대역의 이중 대역에서 동작하는 새로운 공통 개구부 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
차세대 안테나는 여러 대역을 이용할 수 있는 안테나가 필요하고 다양한 주파수 비를 제공할 수 있어야 한다. 이에 여러 연구들이 진행되고 있다.
천공된 패치 안테나를 이용한 이중 대역 공통 개구면 안테나도 그 중 하나이다. 천공된 패치를 이용한 공통 개구면 이중 대역 안테나는 두 개의 대역에서 동작하는 안테나를 하나의 안테나 개구면에 구성하여 이중 대역 안테나의 전체적인 물리적 크기를 줄일 수 있다. 이와 같은 구조를 이용한 이중대역 안테나에 관한 많은 연구가 진행되었다.
그러나, 천공된 패치를 이용한 이중 대역 안테나는 저주파수 대역 안테나인 천공된 패치 안테나의 천공 크기 한계로 인하여 고주파수 대역 안테나의 설계 공간이 제한받는 단점을 가진다. 또한, 구조의 한계로 인하여 동작 대역의 주파수 비를 자유롭게 설계할 수 없다.
다른 방법으로, 패치 안테나의 대역폭을 확장하기 위해서 기판의 두께를 증가시키고 낮은 유전상수를 가지는 기판을 이용한 연구가 진행되었다. 이러한 연구를 이용하여 공통 개구면 안테나의 대역폭을 확장하기 위해 유전상수가 1에 가까운 honeycomb 기판을 이용하는 방법이 연구되었다. 이 경우 L-대역에서 6.4% 대역폭을 가졌으면 C-대역에서 7.3%의 대역폭을 가졌다.
그러나, 유전상수가 1에 가까운 기판은 안테나 제작 공정 중 열 접합 방식을 이용할 수 없어 제작의 복잡성을 증가시킨다. 유전상수가 1인 공기층을 이용하는 경우 방사 패치를 위한 추가 기판이 필요하게 되며 이는 비용을 증가시키는 요인이 된다. 또한, 공기층을 위해 기판과 기판 사이의 구조물이 필요하게 되므로 안테나 구조가 약한 구조를 가질 수밖에 없다.
이에, 광대역 특성을 가지며 방사특성이 우수한 안테나에 대한 연구가 필요한 실정이다.
KR 1174825 B1 KR 2000-0020274 A JP 2009-89217 A
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 광대역 특성을 가지며 방사특성이 우수한 십자 패치를 이용한 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나는, 제1 기판의 상면에 십자 모양으로 형성된 S-대역 스택 패치; 상기 제1 기판 하면에 결합하는 제2 기판의 상면에 상기 S-대역 스택 패치와 겹쳐지는 십자 모양으로 형성된 S-대역 방사 패치; 및 제2 기판 하면에 결합하는 제3 기판의 상면에 상기 S-대역 스택 패치 및 상기 S-대역 방사 패치와 부분적으로 겹쳐지는 S-대역 급전 선로를 포함하는 S-대역 안테나; 상기 제1 기판의 상면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 스택 패치; 상기 제3 기판의 상면에 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 방사 패치들; 및 상기 제3 기판 하면에 결합하는 제4 기판의 하면에 형성된 X-대역 급전 네트워크를 포함하는 X-대역 안테나; 및 상기 제4 기판의 상면에 부착되고, 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 복수개의 개구부가 형성된 접지면을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 S-대역 방사 패치는, 상기 S-대역 스택 패치와 동일 중심을 기준으로 겹치도록 형성되며, 상기 S-대역 방사 패치의 너비는 상기 S-대역 스택 패치와 동일하고, 상기 S-대역 방사 패치의 길이는 상기 S-대역 스택 패치보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 X-대역 스택 패치들은, 상기 S-대역 스택 패치의 십자 날개 사이들에 2×2 배열로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 X-대역 방사 패치들은, 각각 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 2×2 배열로 형성되고, 각 X-대역 방사 패치는 대응하는 각 X-대역 스택 패치보다 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 복수개의 개구부들은, 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 2×2 배열로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 복수개의 개구부들은, H 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 S-대역 급전 선로는, 길이와 폭이 서로 다른 다단의 라인 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 X-대역 급전 네트워크는, 하나의 포트로부터 공급되는 전력을 다른 방향으로 분배하는 전력 분배기; 및 상기 전력 분배기로부터 연결되어 반대 방향으로 상기 X-대역 방사 패치들에 급전하기 위한 위상 천이기를 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나는, 상면에 십자 모양으로 형성된 S-대역 스택 패치와 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 스택 패치들이 형성된 제1 기판; 상기 제1 기판 하면에 결합하며, 상면에 상기 S-대역 스택 패치와 겹쳐지는 십자 모양으로 형성된 S-대역 방사 패치가 형성된 제2 기판; 상기 제2 기판 하면에 결합하며, 상면에 상기 S-대역 스택 패치 및 상기 S-대역 방사 패치와 부분적으로 겹쳐지는 S-대역 급전 선로와 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 매트릭스 형상으로 복수개의 X-대역 방사 패치들이 형성된 제3 기판; 및 상기 제3 기판 하면에 결합하며, 상면에 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 복수개의 개구부가 형성된 접지면과 하면에 X-대역 급전 네트워크가 형성된 제4 기판을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 S-대역 방사 패치는, 상기 S-대역 스택 패치와 동일 중심을 기준으로 겹치도록 형성되며, 상기 S-대역 방사 패치의 너비는 상기 S-대역 스택 패치와 동일하고, 상기 S-대역 방사 패치의 길이는 상기 S-대역 스택 패치보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 X-대역 스택 패치들은, 상기 S-대역 스택 패치의 십자 날개 사이들에 2×2 배열로 형성되고, 상기 X-대역 방사 패치들은, 각각 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 2×2 배열로 형성되고, 각 X-대역 방사 패치는 대응하는 각 X-대역 스택 패치보다 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 복수개의 개구부들은, 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 2×2 배열로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 복수개의 개구부들은, H 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 S-대역 급전 선로는, 길이와 폭이 서로 다른 다단의 라인 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 X-대역 급전 네트워크는, 하나의 포트로부터 공급되는 전력을 다른 방향으로 분배하는 전력 분배기; 및 상기 전력 분배기로부터 연결되어 반대 방향으로 상기 X-대역 방사 패치들에 급전하기 위한 위상 천이기를 포함할 수 있다.
이와 같은 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나에 따르면, 십자 패치 안테나를 이용하여 이중 대역에서 광대역 특성과 우수한 방사특성을 가지며 사용되는 기판의 개수를 줄임으로써 더 저렴한 비용으로 이중 광대역 안테나를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 전체 구조도이다.
도 2는 도 1의 제1 기판 상면의 평면도이다.
도 3은 도 1의 제2 기판 상면의 평면도이다.
도 4는 도 1의 제3 기판 상면의 평면도이다.
도 5는 도 1의 제4 기판 상면에 형성된 접지면의 평면도이다.
도 6은 도 1의 제4 기판 하면에 형성된 X-대역 급전 네트워크의 평면도이다.
도 7은 도 1의 S-대역 안테나의 평면도이다.
도 8은 도 1의 S-대역 안테나의 사시도이다.
도 9는 도 1의 X-대역 단위 안테나의 평면도이다.
도 10은 도 1의 X-대역 단위 안테나의 사시도이다.
도 11은 도 6의 X-대역 급전 네트워크의 확대도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 전체 구조도이다. 도 2는 도 1의 제1 기판 상면의 평면도이다. 도 3은 도 1의 제2 기판 상면의 평면도이다. 도 4는 도 1의 제3 기판 상면의 평면도이다. 도 5는 도 1의 제4 기판 상면에 형성된 접지면의 평면도이다. 도 6은 도 1의 제4 기판 하면에 형성된 X-대역 급전 네트워크의 평면도이다.
본 발명에 따른 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나(10, 이하 안테나)는 S-대역 십자 안테나와 2×2 배열로 설계된 X-대역 안테나를 결합한 광대역 공통 개구부 패치 안테나를 결합하여 광대역 특성을 가지며 방사특성이 우수한 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 설계방법에 대한 것이다.
구체적으로, S-대역에서 광대역 특성을 가지기 위하여 십자 방사 패치와 십자 스택 패치를 사용하고 급전선로에 임피던스 정합기를 집적한 새로운 S-대역 근접결합 급전 패치 안테나와 X-대역에서 광대역 특성을 가지기 위해 2×2로 배열된 스택 패치와 그 하부에 안테나 패치를 가지는 개구부 결합 급전 X-대역 패치 안테나를 공통 개구부를 가지도록 수직으로 결합한다.
본 발명에 따른 안테나(10)는 저주파수 대역 안테나로 십자 스택 패치 안테나를 사용하여 종래 안테나와 비교해 다양한 주파수 비를 가질 수 있으며 설계의 자유도가 크다. 또한, 본 발명에서 제안한 방법을 사용하여 설계한 공통 개구부 이중 광대역 안테나는 저주파수 대역과 고주파수 대역에서 각각 20%와 40% 이상의 광대역 특성을 가지며 우수한 방사특성을 가진다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나(10)는 제1 기판(11), 제2 기판(12), 제3 기판(13) 및 제4 기판(14)의 4 개의 기판을 사용하며, 수직으로 결합하는 이용한 S-대역 근접결합 급전 패치 안테나(100, 이하 S-대역 안테나)와 X-대역 개구부 결합 급전 패치 안테나(300, 이하 X-대역 안테나)를 포함한다.
예를 들어, 상기 안테나(10)의 크기는 77.7 mm × 54 mm × 10.32 mm 이다.
상기 S-대역 안테나(100)는 십자 스택 패치(110), 십자 방사 패치(130) 및 이들과 임피던스 정합하는 급전 선로(150)를 포함하고, 한 개의 입력을 받아 동작하는 단일 안테나이며 하나의 십자 스택 패치(110)와 근접결합 급전을 사용한다.
상기 X-대역 안테나(300)는 2×2 배열을 구성하는 단위 안테나들로서, 각 단위 안테나는 스택 패치(311, 312, 313, 314)와 안테나 패치(331, 332, 333, 334)로 구성되며 개구부 결합 급전을 사용한다.
일 실시예에서, 상기 제1 기판(11), 상기 제2 기판(12), 상기 제3 기판(13) 및 상기 제4 기판(14)의 모두 유전상수가 2.2이고 loss tangent가 0.0009인 Taconic사의 TLY-5를 사용할 수 있다. 이와 같은 기판 구성은 안테나의 기계적 강인함과 제작 편의성을 증가시키고 공기 기판(공기층)에 의한 두께 증가 및 비용 상승을 막아준다.
예를 들어 상기 제1 기판(11), 상기 제2 기판(12) 및 상기 제3 기판(13)은 3.18 mm의 두께를 가지고, 상기 제4 기판(14)은 0.78 mm의 두께를 가질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 제1 기판(11)의 상면에는 십자 모양으로 형성된 S-대역 스택 패치(110)와 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 스택 패치들(311, 312, 313, 314)이 형성된다. 상기 S-대역 스택 패치(110)와 상기 X-대역 스택 패치들(311, 312, 313, 314)은 서로 겹쳐지지 않는다.
상기 X-대역 스택 패치들(311, 312, 313, 314)은, 상기 S-대역 스택 패치(110)의 십자 날개 사이들에 2×2 배열로 형성되며, 예를 들어 직사각형 모양으로 형성될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 제2 기판(12)은 상기 제1 기판(11)의 하면에서 수직 결합한다. 상기 제2 기판(12)의 상면에는 십자 모양으로 형성된 S-대역 방사 패치(130)가 형성된다.
상기 S-대역 방사 패치(130)는 상기 제1 기판(11)에 형성된 상기 S-대역 스택 패치(110)와 겹쳐지는 십자 모양으로 형성된다.
도 1 및 도 4을 참조하면, 상기 제3 기판(13)은 상기 제2 기판(12)의 하면에서 수직 결합한다. 상기 제3 기판(13)의 상면에는 S-대역 급전 선로(150)와 복수개의 X-대역 방사 패치들(331, 332, 333, 334)이 형성된다. 상기 S-대역 급전 선로(150)와 상기 X-대역 방사 패치들(331, 332, 333, 334)은 서로 겹쳐지지 않는다.
상기 S-대역 급전 선로(150)는 상기 S-대역 스택 패치(110) 및 상기 S-대역 방사 패치(130)와 부분적으로 겹쳐지는 다단의 라인 모양으로 형성될 수 있다.
상기 X-대역 방사 패치들(331, 332, 333, 334)은 각각 상기 제1 기판(11)에 형성된 X-대역 스택 패치들(311, 312, 313, 314)과 겹쳐지는 매트릭스 모양으로 형성된다.
상기 X-대역 방사 패치들(331, 332, 333, 334)은, 상기 S-대역 급전 선로(150)를 사이에 두고 2×2 배열로 형성되며, 예를 들어 직사각형 모양으로 형성될 수 있다.
도 1, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제4 기판(14)은 상기 제4 기판(14)의 하면에서 수직 결합한다. 상기 제4 기판(14)의 상면에는 X-대역 안테나를 위한 개구부(351, 352, 353, 354)를 포함한 접지면이 위치하고, 하면에는 X-대역 안테나를 위한 급전 네트워크(370)가 위치한다.
상기 개구부(351, 352, 353, 354)는 상기 X-대역 스택 패치들(331, 332, 333, 334) 및 상기 X-대역 방사 패치들(331, 332, 333, 334)과 공통으로 겹쳐지는 2×2 배열로 형성된다.
상기 개구부(351, 352, 353, 354)는 상기 X-대역 스택 패치들(331, 332, 333, 334) 및 상기 X-대역 방사 패치들(331, 332, 333, 334) 보다 작은 사이즈로 형성되며, 예를 들어 H 모양으로 형성될 수 있다.
이하에서는, 상기 S-대역 안테나(100)와 상기 X-대역 안테나(300)의 각 구조를 더욱 상세히 설명한다.
도 7은 도 1의 S-대역 안테나의 평면도이다. 도 8은 도 1의 S-대역 안테나의 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 S-대역 안테나(100)는 상기 십자 스택 패치(110), 상기 십자 방사 패치(130) 및 임피던스 정합기의 역할을 하는 상기 급전 선로(150)를 이용하여 광대역 특성을 가진다.
대역폭 확장을 위한 임피던스 정합기는 3단으로 구성되며 1단, 2단, 3단의 길이(폭)은 각각
Figure 112019111199938-pat00001
,
Figure 112019111199938-pat00002
,
Figure 112019111199938-pat00003
을 가진다. 예를 들어, 1단, 2단, 3단의 길이와 폭은 서로 다를 수 있으며, 상기 폭(
Figure 112019111199938-pat00004
,
Figure 112019111199938-pat00005
,
Figure 112019111199938-pat00006
)은 단계적으로 증가하는 형태일 수 있다.
또한, 대역폭 확장을 위해 십자 스택 패치 공진을 이용한다. 대역폭 확장을 위해 유전상수가 1에 가까운 기판과 공기층은 사용하지 않으며 십자 스택 패치(110)와 임피던스 정합기의 구조 변수를 이용하여 대역폭을 확장한다.
상기 S-대역 안테나(100)는 상기 십자 스택 패치(110)와 상기 십자 방사 패치(130)로 구성되며 패치 형태는 모두 십자 형태이다. 십자 패치는 천공된 패치와 비교하면 천공이 존재하지 않기 때문에 고주파수 대역 안테나를 위한 더 넓은 설계 공간을 가지고 고주파수 대역 안테나의 배열 간격 선택이 자유롭다.
따라서, 배열 간격 조절을 통해 십자 패치와 고주파수 대역 패치 간의 간격을 조절할 수 있어 대역 간 격리도 및 방사특성 향상을 기대할 수 있다. 광대역 특성은 스택 십자 패치 공진과 다단(multi-section) 급전선로(150)를 이용하여 구현할 수 있다.
상기 십자 방사 패치(130) 및 상기 십자 스택 패치(110)의 길이와 폭은 각각
Figure 112019111199938-pat00007
(
Figure 112019111199938-pat00008
)과
Figure 112019111199938-pat00009
(
Figure 112019111199938-pat00010
)로 표현하였다.
또한, 상기 S-대역 방사 패치(130)는, 상기 S-대역 스택 패치(110)와 동일 중심을 기준으로 겹치도록 형성되며, 상기 S-대역 방사 패치(130)의 너비는 상기 S-대역 스택 패치(110)와 동일하고, 상기 S-대역 방사 패치(130)의 길이는 상기 S-대역 스택 패치(110)보다 길게 형성될 수 있다.
아래는 본 발명에 따라 설계된 S-대역 십자 스택 패치 안테나의 설계 파라미터의 예들을 아래의 표 1에 나타내었다.
S-band 방사십자패치 스택십자패치
Figure 112019111199938-pat00011

(mm)
Figure 112019111199938-pat00012

(mm)
Figure 112019111199938-pat00013

(mm)
Figure 112019111199938-pat00014

(mm)
27.8 7 27.2 7
다단급전선로길이 다단급전선로폭
Figure 112019111199938-pat00015

(mm)
Figure 112019111199938-pat00016

(mm)
Figure 112019111199938-pat00017

(mm)
Figure 112019111199938-pat00018

(mm)
Figure 112019111199938-pat00019

(mm)
Figure 112019111199938-pat00020

(mm)
6.5 21.3 16 1.2 1.3 2.2
도 9는 도 1의 X-대역 단위 안테나의 평면도이다. 도 10은 도 1의 X-대역 단위 안테나의 사시도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 X-대역 안테나(300)는 스택 패치 공진과 개구부 공진을 이용하여 광대역 특성을 가진다. 상기 X-대역 안테나(300)는 S-대역 십자 패치의 빈 공간에 설계되며 임피던스 매칭은 급전선로 끝단의 직렬 스터브를 이용한다.
본 발명에서는 광대역 특성을 얻기 위해 스택 패치 공진과 개구부 공진을 모두 사용하는 개구부 결합 급전을 가지는 스택 패치 안테나를 이용하였다. X-대역 방사 패치와 스택 패치는 각각 한 변의 길이가
Figure 112019111199938-pat00021
와
Figure 112019111199938-pat00022
를 갖는 정사각형 구조일 수 있다.
접지면에 식각된 개구부는 개구부의 길이를 줄이기 위해 H-모양으로 설계하였으며 개구부의 길이와 폭은 각각
Figure 112019111199938-pat00023
와
Figure 112019111199938-pat00024
로 표현하였다. 개구부의 양단에 H 모양을 만들기 위해 추가로 돌출된 구조의 길이와 폭은 각각
Figure 112019111199938-pat00025
와
Figure 112019111199938-pat00026
로 표현하였다.
급전선로의 특성 임피던스는 급전 네트워크를 고려하여 100 Ω으로 설계하였으며 임피던스 매칭을 위한 스터브의 길이와 폭은 각각
Figure 112019111199938-pat00027
와
Figure 112019111199938-pat00028
로 표현하였다. 본 발명에 따라 설계된 X-대역 단위 패치 안테나의 설계 파라미터의 예들을 아래의 표 2에 나타내었다.
S-band 방사패치 개구부
Figure 112019111199938-pat00029

(mm)
Figure 112019111199938-pat00030

(mm)
Figure 112019111199938-pat00031
=
Figure 112019111199938-pat00032

(mm)
Figure 112019111199938-pat00033

(mm)
6.8 6.3 1.2 3
스택패치 급전선로
Figure 112019111199938-pat00034

(mm)
Figure 112019111199938-pat00035

(mm)
Figure 112019111199938-pat00036

(mm)
Figure 112019111199938-pat00037

(mm)
5.9 3.7 2 0.7
도 11은 도 6의 X-대역 급전 네트워크의 확대도이다.
도 11을 참조하면, 2×2 X-대역 배열 안테나를 위한 급전 네트워크(370)는 하나의 포트(Port 5)로부터 공급되는 전력을 다른 방향으로 분배하는 전력 분배기(373) 및 상기 전력 분배기(373)로부터 연결되어 반대 방향으로 상기 X-대역 방사 패치들에 급전하기 위한 위상 천이기(371)를 포함한다.
예를 들어, 상기 전력 분배기(373)는 윌킨슨 전력 분배기를 사용하고, 상기 위상 천이기(371)는 광대역 180° 위상 천이기를 이용할 수 있다. 2×2 X-대역 배열 안테나의 교차 편파 억제를 위해 Port 1과 Port 3에 연결된 안테나와 Port 2와 Port 4에 연결된 안테나는 서로 반대 방향으로 급전되고 급전 방향이 같은 소자 두 개를 T-분배기로 연결할 수 있다.
반대 방향으로 급전되는 Port 1과 Port 3와 대응하는 안테나와 Port 2와 Port 4와 대응하는 안테나가 동일 위상의 전자파를 광대역에서 방사하도록 두 포트의 위상 차이를 180° 제공하는 광대역 180° 위상 천이기를 적용하고, 광대역 180° 위상 천이기에 연결된 두 개의 50 Ω 급전선로는 반사파에 의한 영향을 줄이기 위해 윌킨슨 전력 분배기로 연결할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 고성능 안테나를 위해 개발된 종래 기술에 비해 구조가 간단하고 사용되는 기판의 수가 적어 저렴한 비용으로 제작할 수 있으며, 광대역 특성과 우수한 방사특성을 가지는 이중 대역 안테나로서 군사용 레이더에 사용되는 다기능 레이더, 합성 개구 레이더에 사용되는 이중 대역 안테나로 또한 차세대 이동통신 이중 대역 안테나와 5G 이동통신 기지국 안테나와 같은 민수용 안테나로 사용이 가능할 것이다.
10: 안테나
100: S-대역 안테나
300: X-대역 안테나
110: S-대역 십자 스택 패치
130: S-대역 십자 방사 패치
150: S-대역 급전 선로
311, 312, 313, 314: X-대역 스택 패치
331, 332, 333, 334: X-대역 방사 패치
351, 352, 353, 354: 개구부
370: X-대역 급전 네트워크
371: 위상 천이기
373: 전력 분배기
11: 제1 기판
12: 제2 기판
13: 제3 기판
14: 제4 기판

Claims (15)

  1. 제1 기판의 상면에 십자 모양으로 형성된 S-대역 스택 패치; 상기 제1 기판 하면에 결합하는 제2 기판의 상면에 상기 S-대역 스택 패치와 겹쳐지는 십자 모양으로 형성된 S-대역 방사 패치; 및 제2 기판 하면에 결합하는 제3 기판의 상면에 상기 S-대역 스택 패치 및 상기 S-대역 방사 패치와 부분적으로 겹쳐지는 S-대역 급전 선로를 포함하는 S-대역 안테나;
    상기 제1 기판의 상면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 스택 패치; 상기 제3 기판의 상면에 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 방사 패치들; 및 상기 제3 기판 하면에 결합하는 제4 기판의 하면에 형성된 X-대역 급전 네트워크를 포함하는 X-대역 안테나; 및
    상기 제4 기판의 상면에 부착되고, 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 복수개의 개구부가 형성된 접지면을 포함하는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 S-대역 방사 패치는,
    상기 S-대역 스택 패치와 동일 중심을 기준으로 겹치도록 형성되며, 상기 S-대역 방사 패치의 너비는 상기 S-대역 스택 패치와 동일하고, 상기 S-대역 방사 패치의 길이는 상기 S-대역 스택 패치보다 길게 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 X-대역 스택 패치들은,
    상기 S-대역 스택 패치의 십자 날개 사이들에 2×2 배열로 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제3항에 있어서, 상기 X-대역 방사 패치들은,
    각각 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 2×2 배열로 형성되고, 각 X-대역 방사 패치는 대응하는 각 X-대역 스택 패치보다 크게 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 개구부들은,
    상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 2×2 배열로 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 개구부들은,
    H 모양으로 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  7. 제1항에 있어서, 상기 S-대역 급전 선로는,
    길이와 폭이 서로 다른 다단의 라인 모양으로 형성된, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  8. 제1항에 있어서, 상기 X-대역 급전 네트워크는,
    하나의 포트로부터 공급되는 전력을 다른 방향으로 분배하는 전력 분배기; 및
    상기 전력 분배기로부터 연결되어 반대 방향으로 상기 X-대역 방사 패치들에 급전하기 위한 위상 천이기를 포함하는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  9. 상면에 십자 모양으로 형성된 S-대역 스택 패치와 매트릭스 형상으로 배치된 복수개의 X-대역 스택 패치들이 형성된 제1 기판;
    상기 제1 기판 하면에 결합하며, 상면에 상기 S-대역 스택 패치와 겹쳐지는 십자 모양으로 형성된 S-대역 방사 패치가 형성된 제2 기판;
    상기 제2 기판 하면에 결합하며, 상면에 상기 S-대역 스택 패치 및 상기 S-대역 방사 패치와 부분적으로 겹쳐지는 S-대역 급전 선로와 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 매트릭스 형상으로 복수개의 X-대역 방사 패치들이 형성된 제3 기판; 및
    상기 제3 기판 하면에 결합하며, 상면에 상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 복수개의 개구부가 형성된 접지면과 하면에 X-대역 급전 네트워크가 형성된 제4 기판;
    을 포함하는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  10. 제9항에 있어서, 상기 S-대역 방사 패치는,
    상기 S-대역 스택 패치와 동일 중심을 기준으로 겹치도록 형성되며, 상기 S-대역 방사 패치의 너비는 상기 S-대역 스택 패치와 동일하고, 상기 S-대역 방사 패치의 길이는 상기 S-대역 스택 패치보다 길게 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 X-대역 스택 패치들은,
    상기 S-대역 스택 패치의 십자 날개 사이들에 2×2 배열로 형성되고,
    상기 X-대역 방사 패치들은,
    각각 상기 X-대역 스택 패치들과 겹쳐지는 2×2 배열로 형성되고, 각 X-대역 방사 패치는 대응하는 각 X-대역 스택 패치보다 크게 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  12. 제9항에 있어서, 상기 복수개의 개구부들은,
    상기 X-대역 스택 패치들 및 상기 X-대역 방사 패치들과 공통으로 겹쳐지는 2×2 배열로 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  13. 제9항에 있어서, 상기 복수개의 개구부들은,
    H 모양으로 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  14. 제9항에 있어서, 상기 S-대역 급전 선로는,
    길이와 폭이 서로 다른 다단의 라인 모양으로 형성되는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  15. 제9항에 있어서, 상기 X-대역 급전 네트워크는,
    하나의 포트로부터 공급되는 전력을 다른 방향으로 분배하는 전력 분배기; 및 상기 전력 분배기로부터 연결되어 반대 방향으로 상기 X-대역 방사 패치들에 급전하기 위한 위상 천이기를 포함하는, 십자 패치를 이용한 공통 개구부 이중 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
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