KR20000010302A - 선형편파를 위한 광대역 평면 다이폴 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선형 편파를 위한 광대역 평면 다이폴 안테나에 관한 것으로서, 접지와 연결된 접지용 도체판; 접지용 도체판 상부에 위치하며, 양면에 인쇄 패턴이 형성된 방사판; 및 접지용 도체판과 방사판 사이에 위치한 유전체를 포함함을 특징으로 한다. 방사판의 윗면 및 밑면 각각은 전파를 방사하는 다이폴 엘리멘트; 및 RF신호를 급전하는 급전부를 구비한다.
본 발명에 의하면, 마이크로스트립 안테나들의 기본적인 잇점들을 살릴 수 있다. 즉, 부피가 작으며, 무게도 가볍고, 인쇄회로와 자연스럽게 집적되게 한다. 그리고 안테나의 두 피드라인(twin lines)에서의 방사손실(radiation loss)이 매우 작다.

Description

선형 편파를 위한 광대역 평면 다이폴 안테나
본 발명은 평면 안테나에 관한 것으로서, 특히 광대역에 걸쳐 선형적으로 전파를 송수신할 수 있는 광대역 평면 다이폴 안테나에 관한 것이다.
안테나는 보통 고주파 회로에 접속해서 사용되고 있는 하나의 특수한 전기회로라 할 수 있다. 송신안테나는 고주파 회로의 전력을 능률적으로 전파에너지로 변환해서 이것을 공간에 복사(radiation)하며, 수신안테나는 입력되는 전파의 에너지를 효율적으로 전력으로 변환해서 전기회로에 전달한다. 이와 같이 안테나는 전기회로와 전파 간의 에너지 변환기 역할을 하며, 그 변환 능률이 좋아지도록 그 크기와 모양을 적절하게 설계한다.
인쇄 안테나(printed antenna) 상의 대역폭 제한은 고유의 성질이다. 이것은 단일 라디에이터(radiator)에서의 공진조건(resonant condition)으로부터 발생한다. 따라서 박판상의 종래의 패치(patch) 라디에이터의 대역폭은 중심주파수(center frequency)로부터 2%로 제한되어 있다. 두껍고 다중층으로 된 유전체를 이용하면, 대역폭을 중심주파수로부터 15% 가량 향상시킬 수 있다.
그런데 두꺼운 유전체 기판을 사용하면, 몇가지 문제점이 있다. 첫째는 표면파(surface wave)의 발생이 증가한다. 둘째는 인쇄 피드 네트웍(printed feed network)인 경우에는 방사(radiation) 손실이 높다는 것이다. 셋째로는 소자의 무게와 비용이 증가한다. 넷째는 수직 피드(feed)에서의 반사(reflection)와 방사(radiation)의 심각한 문제가 있다. 매우 넓은 다이폴은 중심주파수로부터 37%의 대역폭을 갖는다고 보여지기까지 했다.(BAILEY.M.C. 'Broadband half wave dipole', IEEE Trans., 1984. AP -32, pp.410-412)
그러나 이러한 안테나는 다음과 같은 단점이 있다. 첫째는 접지용도체판과 라디에이터(radiator, 약 0.39λ) 간의 간격이 넓다. 둘째는 bore side 방사레벨(radiation level)이 약 3dB로서 감소된다는 것이다. 이것은 안테나 어레이로 구성된 라디에이터를 사용하는데 있어서 큰 장애요인으로 작용한다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 단일 라디에이터(radiator) 및 안테나 어레이의 구성요소로서, 선형 편파를 광대역에 걸쳐 송수신할 수 있는 광대역 평면 다이폴 안테나를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 편파 평면안테나의 입체도이다.
도 2는 인쇄패턴이 형성된 방사판의 윗면을 도시한 것이다.
도 3은 인쇄패턴이 형성된 방사판의 밑면을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 선형 편파를 위한 평면 안테나의 투시도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 평면 다이폴 안테나의 등가회로이다.
도 6은 본 발명에 의한 안테나에 대한 전압정재파비(VSWR)를 나타내는 다이아그램이다.
도 7는 스트립 라인 프레임 및 기생 엘리멘트를 구비하지 않은 본 발명에 의한 안테나의 VSWR을 나타내는 다이아그램이다.
도 8는 스트립 라인이 없는 본 발명에 의한 안테나에 대한 VSWR을 나타내는 다이아그램이다.
도 9은 E-평면에 대한 방사 패턴을 나타내는 다이아그램이다.
도 10은 H-평면에 대한 방사 패턴을 나타내는 다이아그램이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 방사판, 12 : 유전체,
14 : 접지도체판, 20 : 다이폴 엘리멘트
22 : 기생 엘리멘트, 24 : 기생 엘리멘트
26 : 급전부, 28 : 프레임 엘리멘트
260 : 발룬(BALUN), 262 : 매칭 엘리멘트
264 : 피드선
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 광대역 평면 다이폴 안테나는, 접지와 연결된 접지용 도체판; 상기 접지용 도체판 상부에 위치하며, 양면에 인쇄 패턴이 형성된 방사판; 및 상기 접지용 도체판과 방사판 사이에 위치한 유전체를 포함함을 특징으로 한다. 상기 방사판의 윗면 및 밑면 각각은 전파를 방사하는 다이폴 엘리멘트; 및 RF신호를 급전하는 급전부를 구비한다.
상기 방사판의 윗면 및 밑면 각각은 상기 다이폴 엘리멘트의 상하에 위치하며, 상기 다이폴 엘리멘트로부터 방사되는 전파의 분산을 차단하는 기생 엘리멘트를 더 구비함을 특징으로 한다.
상기 방사판의 밑면은, 상기 다이폴 안테나가 어레이로 연결될 때, 다른 다이폴 안테나와의 전파 혼신을 방지하며, 상기 방사판의 가장자리를 따라 둘러싸고 있는 프레임 엘리멘트를 더 구비함을 특징으로 한다.
상기 방사판의 윗면 및 아랫면에 위치한 급전부는, RF신호를 받아들이며, 임피던스 균형을 위한 발룬(BALUN); 상기 발룬과 연결되며, 임피던스 정합을 위한 매칭 엘리멘트; 및 상기 발룬 및 매칭 엘리멘트를 통과한 RF신호를 상기 다이폴 엘리멘트로 공급하는 피드선으로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 기본 개념은 안테나를 구성하는 엘리멘트(element)들을 얇은 기판 양면에 인쇄(printed )되는 인쇄 다이폴(printed dipole)을 형성한다는 것이다. 그리고 급전부를 상기 인쇄기판의 윗면 및 밑면에 하나씩 두 개의 라인(twin-line)으로 만들고, 인쇄 엘리먼트(Printed element)와 접지 도체판 사이는 유전 상수가 거의 1인 유전체로 채운다.
이러한 구조는 마이크로스트립 안테나들의 기본적인 잇점 즉, 작은 부피, 작은 무게, 인쇄회로와의 자연스런 집적 및 작은 손실을 유지시킨다. 그리고 상기 두 개의 피드라인(twin lines) 에서의 방사손실(radiation loss)은 매우 작다. 왜냐하면, 얇은 인쇄 기판의 두꺼움이 0.01λ 보다 작을 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 편파 평면안테나의 입체도이다. 도 1에 도시된 평면 다이폴 안테나는 방사판(radiation plate, 10), 접지도체판(grounding conductor plate, 14) 및 상기 방사판(10)과 접지도체판(14) 사이에 삽입되는 유전체(12)로 이루어진다.
상기 접지도체판(14)은 접지와 연결되며, 1-2 mm의 두께를 갖는 알루미늄판으로 형성된다.
상기 방사판(radiation plate, 10)은 상기 접지도체판(14)의 상부에 위치하며, 양면에 인쇄 패턴이 형성되어 있다. 도 2는 인쇄패턴이 형성된 상기 방사판의 윗면을 도시한 것으로서, 전파를 방사하는 다이폴 엘리멘트(20) 및 RF신호를 급전하는 급전부(26)를 기본적으로 구비하고 있다. 그리고 상기 다이폴 엘리멘트(20)의 상하에 상기 다이폴 엘리멘트(20)로부터 방사되는 전파의 분산을 차단하는 기생 엘리멘트(parasitic element, 22, 24)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 급전부(26)는 발룬(Balance/Unbalance:BALUN, 260), 매칭 엘리멘트(262) 및 피드선(264)으로 구성된다. 상기 발룬(BALUN, 260)은 RF신호를 받아들이며 임피던스 균형을 위한 것이다. 상기 매칭 엘리멘트(262)는 상기 발룬(260)과 연결되며 임피던스 정합을 위한 것이다. 상기 피드선(264)은 상기 발룬(160) 및 매칭 엘리멘트(262)를 통과한 RF신호를 상기 다이폴 엘리멘트(20)로 공급한다.
상기 급전부(26) 및 다이폴 엘리멘트(20)은 도체스트립으로 형성되며, 그 구성물질은 바람직하게는 구리, 알루미늄, 철 등이 될 수 있다. 또한 상기 급전부(26) 및 다이폴 엘리멘트(20)는 광섬유 유리, 폴리에틸렌, 테프론이나 그 혼합물에 의해 만들어진 플라스틱 기판(plastic sheet) 상에서 에칭하여 형성한다.
한편 도 3은 인쇄패턴이 형성된 상기 방사판(10)의 밑면을 도시한 것으로서, 도 2에 도시된 방사판(10)의 윗면과 동일한 구조를 갖는다. 다만, 방사판의 가장 자리를 따라 둘러싸고 있는 프레임 엘리멘트(28)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 프레임 엘리멘트(28)는 상기 다이폴 안테나가 어레이(array)가 연결될 때, 다른 다이폴 안테나와의 전파 혼신을 방지한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선형 편파 평면안테나의 투시도를 도시한 것으로서, 참조번호 40은 방사판(10)의 윗면을 나타내고, 42는 방사판(10)의 밑면을 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 평면 다이폴 안테나의 등가회로를 도시한 것이다. 참조번호 50은 다이폴 엘리멘트(20) 자체의 레지스턴스(registance)이며, 52는 다이폴 엘리멘트(20) 자체의 리액턴스(reactance)이다. 평면 안테나의 주파수 대역은 상기 리액턴스(52)에 의해 제한된다. 참조번호 54는 기생 엘리멘트(22, 24)의 레지스턴스이며, 56은 기생 엘리멘트(22, 24)의 리액턴스이다.
트랜스포머(transformer, 58)는 다이폴 엘리멘트(20)와 기생엘리멘트(22,24)의 수동 연결관계에 대한 등가회로를 나타낸다. 상기 레지스턴스(54) 및 리액턴스(56)는 상기 트랜스포머(58)에 의해 변화된다. 참조번호 60은 급전선(264)의 트랜스포머를 나타내며, 급전선의 임피던스 매칭을 위한 것이다. 참조번호 62는 매칭 엘리멘트(262)의 등가회로로서, 다이폴 엘리멘트(20)의 임피던스 매칭을 위한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 안테나에 대한 전압정재파비(VSWR)를 나타내는 다이아그램(diagram)이다. VSWR≤2 인 조건을 만족하는 주파수 대역은 약 70% 이다.
도 4는 스트립 라인 프레임(28) 및 기생 엘리멘트(22, 24)를 구비하지 않았을 때의 본 발명에 의한 안테나의 VSWR을 나타내는 다이아그램이다. 이 경우의 VSWR≤2 인 조건을 만족하는 주파수 대역은 약 35% 이다.
도 5는 스트립 라인 프레임(28)이 없는 본 발명에 의한 안테나에 대한 VSWR을 나타내는 다이아그램이다. VSWR≤1.3 인 조건을 만족하는 주파수 대역은 약 45% 이다. 이 경우는 큰 파워 레벨을 갖는 단일 전송 안테나에 적합하다.
도 6은 E-평면에 대한 방사 패턴을 나타내는 다이아그램이다. 도 7은 H-평면에 대한 방사 패턴을 나타내는 다이아그램이다.
본 발명에 의하면, 마이크로스트립 안테나들의 기본적인 잇점들을 살릴 수 있다. 즉, 부피가 작으며, 무게도 가볍고, 인쇄회로와 자연스럽게 집적되게 하고, 손실이 작다.
그리고 본 발명에 의한 평면 다이폴 안테나의 두 피드라인(twin lines)에서의 방사손실(radiation loss)이 매우 작다.
또한 본 발명에 의한 평면 다이폴 안테나는 무선통신시스템을 위한 안테나 어레이의 구성요소로 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 접지와 연결된 접지용 도체판;
    상기 접지용 도체판 상부에 위치하며, 양면에 인쇄 패턴이 형성된 방사판; 및
    상기 접지용 도체판과 방사판 사이에 위치한 유전체를 포함함을 특징으로 하고,
    상기 방사판의 윗면 및 밑면 각각은
    전파를 방사하는 다이폴 엘리멘트; 및
    RF신호를 급전하는 급전부를 구비하는, 광대역 평면 다이폴 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사판의 윗면 및 밑면 각각은
    상기 다이폴 엘리멘트의 상하에 위치하며, 상기 다이폴 엘리멘트로부터 방사되는 전파의 분산을 차단하는 기생 엘리멘트를 더 구비함을 특징으로 하는 광대역 평면 다이폴 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방사판의 밑면은
    상기 다이폴 안테나가 어레이로 연결될 때, 다른 다이폴 안테나와의 전파 혼신을 방지하며, 상기 방사판의 가장자리를 따라 둘러싸고 있는 프레임 엘리멘트를 더 구비함을 특징으로 하는 광대역 평면 다이폴 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방사판의 윗면 및 아랫면에 위치한 급전부는
    RF신호를 받아들이며, 임피던스 균형을 위한 발룬(BALUN);
    상기 발룬과 연결되며, 임피던스 정합을 위한 매칭 엘리멘트; 및
    상기 발룬 및 매칭 엘리멘트를 통과한 RF신호를 상기 다이폴 엘리멘트로 공급하는 피드선으로 이루어짐을 특징으로 하는 광대역 평면 다이폴 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유전체는
    유전 상수가 거의 1 임을 특징으로 하는 광대역 평면 다이폴 안테나.
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