KR20030078448A - 아이엠티-2000(ＩＭＴ-2000) 소형 중계기용 광대역 이슬롯(Ｅ-ｓｈａｐｅｄ ＳｌｏＴ) 패치 안테나 - Google Patents

아이엠티-2000(ＩＭＴ-2000) 소형 중계기용 광대역 이슬롯(Ｅ-ｓｈａｐｅｄ ＳｌｏＴ) 패치 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나에 관한 것으로, 복수의 슬롯과, 무선주파수(RF) 신호 처리부에서 안테나의 급전점으로 전달된 무선주파수(RF) 신호를 공간으로 방사하기 위한 방사소자 상에 고주파 신호의 흐름을 제어하는 노치(notch) 형태의 U-슬롯(U-slot)과, 상기 슬롯의 사이에 구성되어 무선주파수(RF) 신호 처리부로부터 고주파 신호를 안테나로 전달하기 위한 급전점(Feed-point)과, 상기 급전점과 일정 거리를 유지시킴으로써 안테나의 특성 임피던스를 변화시킬 수 있고 방사소자의 크기를 줄이기 위하여 방사소자와 접지면 사이에 부설한 단락핀(Short-pin)과, 상기 급전점과 단락핀을 결합하는 무선주파수(RF) 신호의 방사를 위한 방사소자(Radiated element)가 포함되어 이루어진 것인 바, 무선 IMT-2000 통신 서비스를 구현함에 있어서 지상에서 전달되는 전파가 도달하지 못하는 지하공간이나 빌딩 내부 등의 음영지역을 해소하기 위한 것이다.

Description

아이엠티-2000(ＩＭＴ-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(Ｅ-ｓｈａｐｅｄＳｌｏＴ) 패치 안테나{Wide-Band E-shaped Slot Patch Antenna for International Mobile Telecommunication-2000 Repeater System}
본 발명은 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평판형 구조를 가지며, 400㎒이상의 광대역 동작주파수 특성을 나타내는 소형·경량의 안테나를 구현하고, 안테나 동작 중심주파수의 조정이 가능한 구조를 갖는 무선통신용 패치 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 L밴드인 IMT-2000 주파수 대역(IMT-2000 위해서는 세계공통대역이 필요하다고 판단, 세계 전파규칙을 담당하는 세계전파 주관청회의(WARC; World Administrative Radio Conference)에서 1992년 IMT-2000 주파수대역을 2GHz대에 총 230MHz(1885∼2025MHz, 2100∼2200MHz)를 지정했다)에서 사용할 수 있는 소형 중계기용 안테나 장치에 관한 것으로, 일반적인 E-슬롯(E-shaped Slot) 구조에 대역폭을 확장시키기 위해서 슬롯과 슬롯 사이 상단에 노치(notch)형태로 일종의 유 슬롯(U-slot)을 형성시키고, 안테나 장치의 소형화 구현을 위해 단락 핀(Short-pin)을 부설함으로서 안테나가 광대역주파수 특성을 갖으며, 우수한 안테나의 이득과 소형중계기용 안테나에서 요구되는 방사패턴을 갖는 소형의 안테나 장치에 관한 것이다.
일반적인 마이크로 스트립 안테나의 기본특성은 통상적으로 사각형 패치의경우, L은 일반적으로 λ/3<L<λ/2이다. 마이크로스트립 안테나 설계에 사용되는 기판은 여러 가지가 있는데, 기판의 유전율은 보통 2.2~12 범위이다. 기판은 두껍고 유전율이 낮은 것이 안테나 성능에 가장 바람직하다. 기판이 두껍고 유전율이 낮을수록 효율이 더 좋으며 대역폭이 넓고 공간으로 방사되는 경계 계(Boundary Field)가 약하기 때문에 안테나 특성에는 바람직하지만 가격이 비싸게 된다.
고 유전율을 갖는 얇은 기판은 원하지 않는 방사와 결합을 줄이기 위하여 강한 경계 계가 필요하고 소자 크기를 작게 할 수 있기 때문에 마이크로웨이브 회로 제작용으로 바람직하지만, 손실이 커지기 때문에 효율이 낮아지고 상대적으로 대역폭이 좁아진다. 마이크로스트립 안테나를 다른 마이크로웨이브 회로와 함께 집적화하기 때문에 안테나 성능과 회로 설계간에 타협을 하여야 한다. 마이크로스트립 안테나를 패치 안테나라고도 부른다. 마이크로스트립 패치소자는 사각형, 직사각형, 막대형, 원형, 삼각형, 링형, 부채꼴형, 타원형 등의 다양한 형태를 갖는다.
슬롯 구조의 마이크로스트립 패치 안테나는 슬롯과 슬롯 사이에서 발생하는 커플링 특성을 이용하여 안테나의 크기를 소형화 할 수 있고, 구조가 간단하며, 일반적인 패치 안테나에 비해 높은 대역폭을 갖는 장점이 있다. 소형이면서 높은 대역폭을 갖는 슬롯형태의 안테나는 휴대용 통신 기기나 이동통신용 기기에 채용이 가능하여 1990년 후반부터 관심이 집중되어 국내를 포함하여 미국과 유럽 등 여러 선진국에서 많은 연구가 진행되고 있다.
E-슬롯 패치 안테나(E-shaped Patch Antenna)에 관련된 선행기술을 보면 IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol. 49, NO. 7, JULY 2001"Wide-band E-shaped Patch Antennas for Wireless Communications" 에서 광대역 특성을 얻기 위해서 두개의 슬롯을 사용하고, 프로브(Probe) 급전방식을 적용시킨 기술을 주 요지로 제시하고 있다.
본 발명은 종래의 E-슬롯(E-shaped Slot) 형태의 안테나에 전류흐름을 제어할 수 있는 U-슬롯(U-slot)을 슬롯과 슬롯 사이에 부설하여 안테나의 대역폭과 공진주파수를 제어할 수 있고, 종래의 E-슬롯에 비해 광대역 주파수 동작특성을 얻을 수 있으며, 신호의 급전구조에 의한 특성개선 뿐만 아니라, RF회로와 결합된 형태의 결합형 소형 RF모듈의 설계에 있어 안테나의 소형화와 슬림화를 구현할 수 있도록 단락핀(short-pin)을 방사소자와 접지면 사이에 삽입하여 기존의 일반적인 L-밴드의 슬롯 안테나보다 더욱 소형화하고 슬림화하여 각종의 소형 중계기용 통신기기 등에 적용하기 위한 것이 목적이다.
도 1은 일반적인 E-슬롯 패치(E-shaped Slot) 방식의 안테나 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 E-슬롯 패치 방식의 안테나 구조도,
도 3은 본 발명의 반사손실 특성을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 임피던스 특성을 나타낸 그래프,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 시뮬레이션 상에 방사 패턴을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 네트워크 분석기를 통해 측정한 반사손실 특성을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 네트워크 분석기를 통해 측정한 임피던스 특성을 나타낸 그래프,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 패턴측정(NSI) 장비를 통해 측정한 방사패턴 그래프.
♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣
100: 접지면200: 방사소자
201: 단락핀202: U-슬롯(U-slot)
210, 211: 슬롯300: 급전점
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, IMT-2000용 소형중계기용 안테나 장치의 E-슬롯(E-shaped Slot) 형태의 패치 안테나에 있어서, 복수의 슬롯과, 무선주파수(RF) 신호 처리부에서 안테나의 급전점으로 전달된 무선주파수(RF) 신호를 공간으로 방사하기 위한 방사소자 상에 고주파 신호의 흐름을 제어하는 노치(notch) 형태의 U-슬롯(U-slot)과, 상기 슬롯의 사이에 구성되어 무선주파수(RF) 신호 처리부로부터 고주파 신호를 안테나로 전달하기 위한 급전점(Feed-point)과, 상기 급전점과 일정 거리를 유지시킴으로써 안테나의 특성임피던스를 변화시킬 수 있고 방사소자의 크기를 줄이기 위하여 방사소자와 접지면 사이에 부설한 단락핀(Short-pin)과, 상기 급전점과 단락핀을 결합하는 무선주파수(RF) 신호의 방사를 위한 방사소자(Radiated element)가 포함되어 이루어진 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나를 제공한 것이 특징이다.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 E-슬롯(E-shaped Slot) 패치 방식 안테나의 전체 구조도로, 본 발명에서 제시한 구조와 관련하여 공진주파수와 대역폭과의 관계를 나타내기 위해서 일반적인 E-슬롯 패치 안테나를 나타낸 것이다.
기본적으로 상기 E-슬롯 안테나(10)는 급전점(Feed-point)(300)과 방사소자(Radiated element)(200), 그리고 접지면(Ground)(100)이 주요 구성요소이다. 슬롯 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나의 응용분야로서 마이크로스트립 패치 안테나의 높은 Q Factor 특성을 개선한 형태이다.
하나의 레이어(Layer)와 하나의 패치(Patch)만으로 제작이 가능한 슬롯 안테나는 1995년에 T. Huynh and K.F. LEE에 의해 제시된 U-슬롯(U-slot) 안테나가 시초이다. 도 1과 같이, 일반적인 E-슬롯 안테나(10)는 구조가 단순한 반면에, 공진주파수와 대역폭을 제어할 수 있는 파라미터가 슬롯(210, 211)의 길이와 폭 이외에는 없으므로 아이엠티-2000(IMT-2000) 서비스의 특성인 광대역 조건을 만족하고 공진주파수를 제어할 수 있도록 많은 기술적 향상이 요구된다.
도 2는 본 발명에 따른 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 E-슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나의 전체적인 구조를 나타낸 도면이다.
안테나의 방사소자(200)는 고주파신호를 주고받는 역할을 하는 주요한 구성요소로, 급전점(300)으로 전달된 무선주파수(RF) 신호를 방사하기 위한 것이고, 급전점(300)은 주파수 신호를 안테나에 공급하는 것이다.
단락핀(201)은 상기 방사소자(200)와 접지면(Ground)(100) 사이에 연결되어 안테나를 소형화하였을 뿐만 아니라, 공진 주파수를 제어할 수 있도록 한 것이다. 슬롯(210)과 슬롯(211) 사이의 U-슬롯(202)은 급전점(300)에서 공급된 신호에 의하여 방사소자(200)의 도체판 위에 흐르는 전류의 흐름을 제어할 수 있으므로 안테나의 동작주파수 대역폭을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이와 같이 기본적인 E-슬롯 안테나(10)에 U-슬롯(202)을 구성하여 대역폭을 향상시키고, 방사소자(200)와 접지면(100) 사이에 단락핀(201)을 부설하여 안테나를 소형화하였으며, 광대역 특성을 갖고, 공진주파수를 제어할 수 있는 소형중계기용 안테나의 구현이 가능하다.
본 발명에 의하여 제안된 구조를 갖는 새로운 형태의 E-슬롯 안테나(20)는 IMT-2000용 소형 중계기용 안테나로 적용이 가능하고, 기존의 중계기용 안테나의 크기를 대폭 줄이고, 가격도 저렴하게 보급할 수 있으므로 향후 소형 중계기 시스템 장치의 보급에 크게 기여할 것으로 예상된다.
도 3 은 본 발명의 E-슬롯(E-shaped Slot) 패치 방식 안테나의 반사 손실(S11)값을 나타낸 것이다. －10dB 기준(VSWR=2)으로 2.21GHz∼2.65GHz까지440MHz의 광대역 특성을 나타내고, 2.3GHz 와 2.45GHz에서 더블공진 특성을 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 E-슬롯(E-shaped Slot) 방식 안테나의 임피던스 특성을 그래프로 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 E-슬롯(E-shaped Slot) 방식 안테나의 방사패턴 특성을 그래프로 나타낸 것으로, H-plane의 방사패턴은 아이엠티-2000(IMT-2000) 서비스에서 요구하는 패턴을 만족하고 있음을 확인할 수 있고, phi=90°일때의 E-plane 방사패턴 또한 만족할 만한 패턴을 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 E-슬롯(E-shaped Slot) 방식 안테나를 네트워크 분석기로 측정한 반사손실(Return loss) 특성을 나타낸 것이다. －10dB 기준(VSWR=2)으로 2.09GHz∼2.83GHz까지 약 740MHz의 광대역 주파수 동작특성을 나타내고 있고, 2.17GHz 와 2.57GHz에서 더블공진 특성을 보이고 있다.
도 7은 본 발명의 E-슬롯(E-shaped Slot) 방식 안테나를 네트워크 분석기로 측정한 임피던스 특성 주파수특성을 나타낸 그래프이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 개인 휴대 통신의 다양한 적용사례와 더불어 시장적 요구가 확대되고 있는 IMT-2000 서비스를 위한 소형중계기용 안테나로 가장 적합하게 사용할 수 있는 광대역 E-슬롯 방식 안테나를 적용함에 있어서, 하나의 안테나로 IMT-2000 대역에서 정보를 동시에 송수신할 수 있고, 서비스의 실현에 있어서 지상에서 전달되는 전파가 도달하지 못하는 지하공간이나 빌딩 등의 음영지역까지도 전파를 전달할 수 있으므로 서비스의 질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 E-슬롯 방식의 안테나와는 달리 슬롯과 슬롯 사이에 U-슬롯을 부설하여 보다 광대역특성을 갖도록 한 것이다.
또한, 단락핀을 사용함으로써 안테나의 크기를 기존의 안테나 보다 더욱 소형화시키었고, 안테나 제작에 마이크로스트립 기판 등을 사용하지 않음으로서 종래의 제품보다 생산 원가의 저렴화, 컴팩트화, 광대역화 특성 등을 갖는 새로운 형태의 안테나를 구현하였다.
이러한 장점을 갖는 본 발명의 광대역 E-슬롯(E-slot) 패치 안테나는 상술한 실시예에만 한정되지 않고, 당업자가 용이하게 다양한 무선통신 시스템용 안테나 응용분야에 적용할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. IMT-2000용 소형중계기용 안테나 장치의 E-슬롯(E-shaped Slot) 형태의 패치 안테나에 있어서,
    복수의 슬롯(Slot)과,
    무선주파수(RF) 신호 처리부에서 안테나의 급전점으로 전달된 무선주파수(RF) 신호를 공간으로 방사하기 위한 방사소자 상에 고주파 신호의 흐름을 제어하는 노치(notch) 형태의 U-슬롯(U-Slot)과,
    상기 슬롯의 사이에 구성되어 무선주파수(RF) 신호 처리부로부터 고주파 신호를 안테나로 전달하기 위한 급전점(Feed-point)과,
    상기 급전점과 일정 거리를 유지시킴으로써 안테나의 특성 임피던스를 변화시킬 수 있고 방사소자의 크기를 줄이기 위하여 방사소자와 접지면 사이에 부설한 단락핀(Short-pin)과,
    상기 급전점과 단락핀을 결합하는 무선주파수(RF) 신호의 방사를 위한 방사소자(Radiated element)가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나.
  2. 제 1항에 있어서, 안테나의 공진 주파수를 제어하고 방사소자의 크기를 줄이기 위하여 상기 방사소자와 접지면 사이의 단락핀을 안테나 급전점과 동일 선상에 부설한 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나.
  3. IMT-2000용 소형중계기용 안테나 장치의 E-슬롯(E-shaped Slot) 형태의 패치 안테나에 있어서,
    광대역 특성을 얻기 위해 금속의 방사소자 상에 구성된 슬롯과 슬롯 사이의 중앙부분 상단에 노치형태의 U-슬롯(U-slot)을 부설한 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000(IMT-2000) 소형 중계기용 광대역 이 슬롯(E-shaped Slot) 패치 안테나.
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