KR20040013387A - 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나 - Google Patents

혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나는, 접지를 위한 도체층; 상기 도체층의 일면에 배치되는 유전체층; 상기 도체층의 타면에 배치되고, 구불구불한 형상으로 형성되어, 입력되는 진행파를 상기 마이크로스트립 배열 안테나에 급전하기 위한 도파관; 상기 도파관 및 상기 도체층을 식각하여 형성되며, 상기 도파관에서 진행하는 신호를 다수의 제 1방사패치에 전달하기 위한 다수의 슬롯; 상기 유전체층의 일면 및 상기 다수의 슬롯의 상부에 위치하도록 배치되며, 상기 다수의 슬롯으로부터 전달받은 신호의 에너지를 방사하기 위한 상기 다수의 제 1방사패치; 상기 유전체층의 일면에 상기 다수의 제 1방사패치와 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 다수의 제 1방사패치로부터 방사되는 에너지의 일부를 다수의 제 2방사패치에 급전하기 위한 다수의 마이크로스트립 라인; 및 상기 유전체층의 일면에 상기 다수의 마이크로스트립 라인과 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 다수의 마이크로스트립 라인으로부터 급전된 에너지를 방사하기 위한 상기 다수의 제 2방사패치를 포함한다.

Description

혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나{Microstrip Array Antenna using Mixed Feeding Method}
본 발명은 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것으로서, 밀리미터파 대역에서 고효율을 나타내도록 동작하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 밀리미터파(Milimeter-wave)는 마이크로웨이브(Microwave) 대역중, 사전적으로 30~300㎓의 대역의 주파수를 주로 일컫는 말로써, 실제로는 20㎓ 대역 이상의 주파수를 많이 일컫는다.
최근 들어, 주파수의 수요가 급증하자 이미 저주파 대역은 포화되기 시작하였고, 사용 주파수가 계속 높아지게 되었다. 이와 같이, 사용 주파수가 높아짐에 따라, 안테나 시스템은 급전 구조에서의 손실이 커지게 되었고, 전체 안테나 시스템의 효율이 주요 관심사가 되기에 이르렀다.
이에, 밀리미터파 대역에서 고효율 특성을 가지는 안테나를 설계하기 위한 종래의 기술로서, "도파관 피딩을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나"가 국내특허 제 297561호에 개시되어 있다.
상기 특허 제 297561호는 접지층의 중앙 표면에 슬롯을 형성하고, 하부 기판으로 도파관을 사용한 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것으로, 안테나의 지향성과 이득을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나, 수평·수직으로 전력을 급전하기 위해서는 전력 분배기를 필요로 하는 문제점이 있고, 그 부피가 커지므로 공간 활용도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 구불구불한 도파관의 슬롯을 이용하여 유전체 상에 존재하는 패치를 급전함으로써, 유전 손실을 최소화하고, 구불구불한 도파관을 이용한 1차 급전과 마이크로스트립 라인을 이용한 2차 급전을 동시에 이용하여 급전함으로써, 안테나의 효율성을 향상시키기 위한 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 구조도,
도 2는 상기 도 1의 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 단면도,
도 3은 상기 도 1의 마이크로스트립 배열 안테나의 방사패턴을 설명하기 위한 일실시예 그래프,
도 4는 상기 도 1의 마이크로스트립 배열 안테나의 반사 손실 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 유전체 기판120 : 구불구불한 도파관
130 : 슬롯140, 141 : 방사패치
150 : 마이크로스트립라인160 : 접지층
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나에 있어서, 접지를 위한 도체층; 상기 도체층의 일면에 배치되는 유전체층; 상기 도체층의 타면에 배치되고, 구불구불한 형상으로 형성되어, 입력되는 진행파를 상기 마이크로스트립 배열 안테나에 급전하기 위한 도파관; 상기 도파관 및 상기 도체층을 식각하여 형성되며, 상기 도파관에서 진행하는 신호를 다수의 제 1방사패치에 전달하기 위한 다수의 슬롯; 상기 유전체층의 일면 및 상기 다수의 슬롯의 상부에 위치하도록 배치되며, 상기 다수의 슬롯으로부터 전달받은 신호의 에너지를 방사하기 위한 상기 다수의 제 1방사패치; 상기 유전체층의 일면에 상기 다수의 제 1방사패치와 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 다수의 제 1방사패치로부터 방사되는 에너지의 일부를 다수의 제 2방사패치에 급전하기 위한 다수의 마이크로스트립 라인; 및 상기 유전체층의 일면에 상기 다수의 마이크로스트립 라인과 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 다수의 마이크로스트립 라인으로부터 급전된 에너지를 방사하기 위한 상기 다수의 제 2방사패치를 포함한다.
본 발명은 유전체 기판 하부의 구불구불한 도파관(Meandering Waveguide)를 이용하여 1차 급전을 하고 유전체 기판 상부의 마이크로스트립 라인을 이용하여 2차 급전을 하는 혼합 급전 구조와, 패치와 슬롯이 결합된 방사 구조를 갖는 배열 안테나에 관한 것이다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나는, 유전체 기판(110), 구불구불한 도파관(120), 다수의 슬롯(130), 다수의 제 1방사패치(140), 다수의 제 2방사패치(141), 다수의 마이크로스트립라인(150) 및 접지면(160)을 포함하고 있으며, 도면에 도시된 A와 B는 각각 상기 구불구불한 도파관(120)의 입력 포트 및 종단 포트(port)이다.
본 발명의 일실시예에서는 유전체 손실을 줄이기 위하여 상기 구불구불한 도파관(120)을 1차 급전으로 사용하며, 상기 다수의 마이크로스트립라인(150)을 2차급전으로 사용한다. 일반적으로, 안테나의 급전 구조는 마이크로스트립 급전이 가장 편리한 구조이나, 고주파 대역에서 마이크로스트립 구조의 유전체에서의 손실은 매우 큰 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 유전체 손실이 적은 도파관 구조를 1차 급전 방식으로 사용한 것이다.
본 발명의 일실시예에서 상기 다수의 슬롯(130)은 직사각형 형상을 하고 있으며, 상기 제 1방사패치(140)를 기준으로 약 15°정도 기울어져 있으나, 임피던스 정합과 편파 제어를 위해 직사각형 뿐 아니라 다양한 형상으로 구현할 수 있으며, 임의의 각도로 기울어 질 수 있다.
또한, 상기 다수의 제 1 및 제 2방사패치(140, 141)도 마찬가지로 본 발명의 일실시예에서는 직사각형 형상을 나타내고 있으나, 임의의 편파를 위해 다양한 형상으로 구현할 수 있다.
설명된 바와 같이, 상기 다수의 제 1방사패치(140)는 상기 다수의 슬롯(130)을 통하여 급전되며, 상기 다수의 제 2방사패치(141)는 상기 다수의 마이크로스트립 라인(150)을 통하여 간접적으로 급전된다.
도면에 도시된 바와 같이, 일련의 상기 다수의 슬롯(130), 상기 다수의 제 1 및 제 2방사패치(140, 141) 및 상기 다수의 마이크로스트립라인(150)의 집합(이하, 설명의 편의를 위하여 'C'라 함)은 상기 구불구불한 도파관(120)의 길이에 따라 그 수가 결정될 수 있으며, 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나는 상기 C를 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 접지층(160)은 상기 유전체 기판(110)과 상기 구불구불한 도파관(120)의 사이에 위치하는 도체층으로, 상기 구불구불한 도파관(120)의 상단에 형성된 상기 다수의 슬롯(130)과 동일한 위치에 동일한 형상의 슬롯이 존재하는 것이 본 발명의 설명을 위하여 타당하다 할 것이다.
상기 도 1을 참조로 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로스트립 배열 안테나의 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기 입력 포트 A로 입력되어 상기 구불구불한 도파관(120)에 존재하는 진행파는 상기 다수의 슬롯(130)를 통하여 직접 상기 다수의 제 1방사패치(140)로 여기되어, 에너지의 방사가 이루어질 수 있다.
상기 다수의 슬롯(130)을 통해 상기 다수의 제 1방사패치(140)로 여기된 전력의 일부는 상기 다수의 마이크로스트립라인(150)을 통하여 상기 다수의 제 2방사패치(141)로 여기되어 에너지의 방사가 이루어질 수 있다. 이 때, 적절한 전력비로 전력을 분배시키고, 정합 특성을 개선하기 위해서, 적절한 정합을 수행할 수 있다.
도 2는 상기 도 1의 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배열 안테나의 단면도는, 상기 C의 단면을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 상기 도 1의 마이크로스트립 배열 안테나의 방사패턴을 설명하기 위한 일실시예 그래프이며, 도 4는 상기 도 1의 마이크로스트립 배열 안테나의 반사손실 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바에 의하여, 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 10dB 반사손실 대역폭 특성은 5.3%(40.5 GHz - 42.7 GHz)이고, 이득은 27.9 dBi이며, 전계면(E-평면)과 자계면(H-평면)에서의 3dB 빔폭은 약 3°임을 알 수 있으며, 이로부터 본 발명의 배열 안테나가 높은 이득과 낮은 부엽 레벨을 확보하는 등 매우 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 구불구불한 도파관의 슬롯을 이용하여 유전체 상에 존재하는 패치를 급전함으로써, 유전 손실을 최소화하여 안테나의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 구불구불한 도파관을 이용한 1차 급전과 다수의 마이크로스트립 라인을 이용한 2차 급전을 동시에 이용하여 급전함으로써, 안테나의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나에 있어서,
    접지를 위한 도체층;
    상기 도체층의 일면에 배치되는 유전체층;
    상기 도체층의 타면에 배치되고, 입력되는 진행파를 상기 마이크로스트립 배열 안테나에 급전하기 위한 도파관;
    상기 도파관 및 상기 도체층을 식각하여 형성되며, 상기 도파관에서 진행하는 신호를 다수의 제 1방사패치에 전달하기 위한 다수의 슬롯;
    상기 유전체층의 일면 및 상기 다수의 슬롯의 상부에 위치하도록 배치되며, 상기 다수의 슬롯으로부터 전달받은 신호의 에너지를 방사하기 위한 상기 다수의 제 1방사패치;
    상기 유전체층의 일면에 상기 다수의 제 1방사패치와 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 다수의 제 1방사패치로부터 방사되는 에너지의 일부를 다수의 제 2방사패치에 급전하기 위한 다수의 마이크로스트립 라인; 및
    상기 유전체층의 일면에 상기 다수의 마이크로스트립 라인과 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 다수의 마이크로스트립 라인으로부터 급전된 에너지를 방사하기 위한 상기 다수의 제 2방사패치
    를 포함하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    구불구불한 형태이며, 입력 포트 및 종단 포트를 갖는 것을 특징으로 하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 슬롯은,
    직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 다수의 슬롯은,
    상기 다수의 제 1방사패치를 기준으로 임의의 각도만큼 기울어져 형성된 것을 특징으로 하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 임의의 각도는,
    실질적으로 15°인 것을 특징으로 하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 및 제 2방사패치는,
    직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 혼합 급전 방식을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나.
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