KR20020061208A - 휴대전화 단말기 및 이동통신을 위한 개구면 결합 십자형슬롯 원편파 마이크로스트립 패치안테나 - Google Patents

Abstract

최근 이동 통신 및 위성통신의 급격한 수요증가로 양질에 서비스를 제공하기 위해서는 통신장비 중에서 핵심 부품인 안테나의 개발이 관건이 되는데, 모든 장비의 소형화와 집적화에 따라 안테나 역시 소형 경량, 다기능의 특성을 요구하게 되며 이를 충족할 수 있는 안테나종류 중의 하나가 마이크로스트립 안테나라 할 수 있겠다. 마이크로 스트립 안테나는 제작이 용이하고 인쇄회로(Printed circuit)기술에 의한 대량생산이 가능하며 또한 크기가 작고 경량이기 때문에 위성통신 및 이동 통신에 많이 이용되고 있다.

발명 안테나는 마이크로스트립 기판의 최 하단에 급전선을 설치하고 위에 유전체 층이 존재하며 유전체층 위에 십자형 슬롯을 설치하였다. 기존 안테나의 협대역의 문제를 해결하고자 적층구조로 구성하고 방사패치의 둘레에 밴드형태의 기생소자를 설치하였다. 본 발명의 안테나는 슬롯과 슬롯의 거리를 λ/4의 차를 두어 90°의 위상차를 이룰 수 있도록 하였다.

Description

휴대전화 단말기 및 이동통신을 위한 개구면 결합 십자형 슬롯 원편파 마이크로스트립 패치안테나 {Aperture Coupled Cross-Slot Circular Polarization Microstrip Patch Antenna for PCS Terminal and Mobile Communication}

지금까지 PCS단말기용 안테나는 송신이 주목적인 모노폴 안테나와 수신을 주목적으로 하는 헬리켈 안테나를 동시에 사용하고 있으며 이것은 오래 전부터 발명되어진 두 안테나를 이동통신 초기에 손쉽게 PCS단말기에 사용하였으나 오늘날 이동통신 수요자 모두가 효능에 앞서 디자인을 중시하고, 더 나아가 소형 경량화 되어 가는 상황에서 효능만을 고집하는 것은 매우 시대의 요구에 뒤떨어진다 할 수 있다. 이런 점을 해결하기 위한 방법으로 일부에서 단말기 내부에 설치하는 안테나의 연구가 진행 중에 있느나 안테나 자체를 단말기로부터 분리하였을 때는 어느 정도의 특성을 가질 수 있으나 단말기내의 여러 회로 소자와 함께 설치되었을 경우는 안테나와 단말기 회로 소자간에 상호 간섭을 일으켜 안테나의 특성이 감소 할 것으로 예상 할 수 있다.

따라서, 본 발명 안테나는 아와같은 실용성과 효율성을 해결할 수 있는 안테나로서 개구면 결합 십자형 슬롯 원편파형 마이크로스트립 평판 안테나로서 기존에 사용되는 PCS단말기의 모노폴 및 헬리켈 안테나가 단말기 외부로 돌출 됨으로서 휴대의 불편함과 부주의에 의하여 떨어뜨렸을 때 안테나부위가 지면에 닿을 경우 안테나부위의 파손으로 인하여 단말기 전체를 폐기하는 결과를 초래 할 수 있으며, 더욱 중요한 것은 송수화시 안테나 돌출부위가 두부의 귀 부근에 위치함으로 인해 가장 우려되는 전자파로 인한 인체에 치명적인 해를 발생시킬 수 있어 많은 논란이 되고 있다.

따라서, 본 발명 안테나는 평판 안테나이므로 폴더형인 경우 단말기의 폴더 표면, 플립형인 경우 단말기의 플립에 안테나를 설치함으로써 안테나의 파손에 의한 단말기 폐기를 염려할 필요가 없으며, 가장 커다란 장점으로 송수화시 안테나의 위치가 얼굴의 바깥 방향으로 향하게 됨으로 전자파에 의한 인체의 영향을 최소화시킬수 있어서, 오늘날 PCS단말기에 의한 전자파가 인체에 미치는 영향에 대하여 세계적으로 커다란 논란거리가 되고 있는 문제를 해결할 수 있는 방안이 된다.

마이크로스트립 패치안테나의 원리는 직사각 또는 원형 모양의 복사 패치의 두 복사 에지(Edge)에서 전자원이 복사원이 되어 호이겐스 원리에 의하여 복사 패치의 상단방향으로 주빔을 구성하여 복사하게 된다. 패치의 폭에 따라 입력임피던스값의영향이 크고 길이에 의하여 동작주파수가 크게 영향을 받는다. 안테나의 특성을 결정해 주는 파라미터들은 방사패치의 길이와 폭, 유전율, 슬롯의 길이와 폭, 스터브의 길이 등이 있으며, 각각의 파라미터 변화에 따라 안테나의 공진 주파수, 임피던스, 대역폭, 결합크기가 달라진다. 안테나 기판의 상대유전율 εｒ는 안테나의 대역폭과 방사 효율에 영향을 준다. 유전율이 낮을수록 넓은 임피던스 대역폭을 가지며, 표면파 발생을 줄일 수 있다. 안테나의 공진 주파수를 결정하는 파라미터는 방사패치의 길이 L에 의해 결정되어지며, 방사패치의 폭 W는 안테나의 공진 저항과 관련이 있으며 패치 폭이 넓을수록 낮은 저항값을 가진다.

본 발명에서 발명된 원편파 평판 안테나는 단말기의 위치가 임의성을 갖고 있어 어떤 위치에 있으나 수신이 가능하고 또항 송신효율이 탁월한 안테나를 발명하기 위하여 PCS단말기에 일반적으로 사용된 선형편파를 배제하고 원형편파를 발생시켜 우천시와 같은 환경변화에 우수한 전송특성을 가지며, 설치 및 위치의 임의성을 고려한 원형 편파를 발생하는 개구면 결합 십자형 슬롯 마이크로스트립 패치안테나 (Aperture Coupled Cross-Slot Microstrip Patch Antenna)를 발명하는데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 패치 안테나에서 사용되는 방사패치

도 2는 본 발명에서 제안한 방사패치로서 패치 안테나의 문제점중의 하나인 방사 패치 가장 자리에서 발생되는 프린징 효과를 최소화 하기 위하여 방사패치 외부에 밴드형태의 기생소자를 설치하였다.

도 3은 본 발명에서 제안한 개구면 슬롯구조로서 원편파를 발생시키기 위하여 슬롯간의 거리를 동작주파수의 λ/4파장의 간격을 주어 90°의 위상차를 갖을 수 있도록 하였으며, 급전선 위에 위치한 슬롯이 좌우, 상하 대칭을 이룰 수 있도록 설계하였다.

도 4는 급전선로로서 마이크로스트립 선로에 의한 급전을 한 구조이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 방사패치(Radiating Patch)

2 : 기생요소(parastic element)

3 : 안테나 유전체층(Antenna Substrate)

4 : 개구면 결합을 위한 슬롯(Slot)

5 : 접지면(Ground Plane)

6 : 결합 포인트(Coupling Point)

7 : 급전 유전체층(Feed Substrate)

8 : 급전점(Feeding Point)

첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2,3,4를 합한 모양으로 마이크로스트립 기판의 최 하단에 도 4 특성임피던스 50Ω의 급전 선로를 설치하고 상위에 도 3 의 십자형 슬롯을 설치하여 급전선로에 여기된 신호가 슬롯을 통하여 전자기적 결합에 의하여 도 2인 최 상단의 방사패치에 신호가 전달되어 방사패치를 통하여 전자계 신호가 공간상으로 전파되는 구조이다. 또한, 기존의 단층패치안테나가 가지고 있는 협대역의 문제를 해결하고자 적층구조로 구성하고 방사패치의 둘레에 밴드형태의 기생소자를 설치하여 대역폭의 증가를 가져왔다. 도 3의 슬롯이 급전선로를 기준으로 하였을때 상하, 좌우 대칭을 이룰 수 있도록 설계한다. 발명된 안테나는 PCS단말기의 위치가 임의성을 갖고 있어 어떤 위치에 있으나 수신이 가능하고 또한 송신효율이 탁월한 안테나를 발명하기 위하여 PCS단말기에 일반적으로 사용된 선형편파를 배제하고 원형 편파를 발생시켜 우천시와 같은 환경변화에 우수한 전송특성을 가지며, 설치 및 위치의 임의성을 고려한 원형 편파를 발생하는 개구면 결합 십자형 슬롯 마이크로 스트립 패치 안테나(Aperture Coupled Cross-Slot Microstrip Patch Antenna)를 발명하였다.한편으로 발명 안테나는 PCS뿐만 아니라 IMT200 등 이동통신의 여러곳에 사용될수 있다. 원편파를 발생시키는 방법으로는 이중 급전에의한 방법과 방사패치의 대각 모서리 부분을 컷팅하는 방법등 여러 가지가 있으나 본 발명 안테나는 슬롯과 슬롯의 거리를 λ/4의 차를 두어 90°의 위상차를 이룰 수 있도록 하였다.

기존 PCS단말기에 이용되는 헬리컬 및 모노폴안테나는 구조가 복잡하여 제작이 어려우나 마이크로스트립 안테나는 제작이 용이하고 인쇄회로(Printed Circuit)기술에 의한 대량생산이 가능하고 또한 크기가 작고 경량이라는 장점이 있으며, 기존의선형편파에 의한 단말기의 위치에 의한 송수신 효율에 차가 있었으나, 본 발명의 안테나는 원편파를 발생함으로서 단말기의 임의적인 위치에 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, PCS단말기 외부에 돌출 됨으로 휴대의 불편함과 함께 부주의에 의하여 떨어뜨렸을 때 안테나부위가 먼저 지면에 닿을 경우 안테나부위의 파손으로 단말기 전체를 파기하는 문제가 발생될 수 있으나, 본 발명 안테나를 PCS단말기에 이용한다면 대량생산이 가능하고 파손의 위험이 사라지며, 오늘날 논란이 증가되고 있는 전자파문제 등을 말끔이 잠재울 수 있어서 수요가 폭발적일 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 마이크로스트립 안테나를 발명하는데 있어서 최하단에 급전 선로를 인쇄기법에 의하여 설치하고, 유전체층과 함께 슬롯의 가운데가 개방된 십자형 슬롯을 설치하고, 그 상단에 방사유전체와 함께 방사패치를 설치하여 적층구조로 구성하는 단계
2. 1항에 있어서, 개구면 슬롯을 슬롯과 슬롯의 거리를 λ/4차를 두어 90°의 위상차를 갖게한 슬롯중심이 개방된 십자형 슬롯을 구성하고, 슬롯이 급전선로를 기준으로 좌우, 상하가 대칭이 될수 있도록 접지 도체 판에 도 3과 같은 슬롯을 구성하는 단계
3. 1항에 있어서, 방사패치와 방사패치의 둘레에 밴드형태의 기생소자를 설치하는 단계