KR20080014107A - 고효율 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 패치 안테나에 관한 것으로, 유전체기판 위에 패치 안테나를 에칭하여 특정 주파수에 공진하는 안테나를 구현하고, 유전체기판 밑에는 일정 간격이 공기층을 밑에 선로용 유전체기판을 두어, 포트에서 인입되는 신호를 라디에이터에 분배하여 급전하는 분배/급전 선로로 구성한다. 이로써 라디에이터의 임피던스에 최적의 급전을 할 수가 있게 되어 전계 발산 효과를 극대화할 수가 있고, 공기층의 유전율이 낮은 관계로 유전손실을 최소화하여 안테나의 효율을 높일 수가 있게 된다. 유전체기판 위에 형성하는 라디에이터의 수를 복수 개로 구현함으로 인해 게인을 증가시키고 빔각을 좁게 할 수가 있어 하이게인 지향성 안테나를 구현할 수가 있게 된다. 또한, 유전체기판과 라디에이터의 면적을 조절함으로 인해 안테나의 방사패턴을 조절하여, 초저백로브 및 사이드로브 안테나를 구현할 수가 있게 되어, 중계기 및 기지국용의 안테나로 사용될 수가 있다.

고효율 패치 안테나, 초저백로브, 하이게인 지향성 안테나, 공기층

Description

고효율 패치 안테나{High Efficiency Patch Antenna}

본 발명은 휴대폰의 중계기 및 기지국용의 안테나뿐만 아니라 무선랜 등의 기지국용 안테나로 사용하기 위한 고효율 패치 안테나에 관한 발명이다.

종래의 패치 안테나는 유전체기판 위에 에칭 등의 기법으로 안테나 주파수에 비례하는 라디에이터를 동박으로 형성하고 라디에이터에 신호를 급전하여 유전체기판을 통하여 전계를 방사하는 형태로 구성되어 있다. 전계의 방사가 유전체기판의 기판 밑의 그라운드판과 유전체기판 위에 존재하는 라디에이터 사이에서 일어나, 전계 및 자계의 방사가 유전체기판에서 발생함으로 인해 유전체기판의 유전율 및 유전손실이 전계 및 자계의 방사에 크게 영향을 주는 결과를 낳았다. 현재 패치 안테나에 주로 사용되는 재료로는 에폭시 소재의 FR-4 기판 및 테프론과 세라믹의 합성소재를 주로 사용하고 있는데, 이러한 기판재료는 몇 가지 다른 성분이 서로 섞여 있는 관계로 유전손실이 발생하여 패치 안테나를 구현하였을 경우 유전체기판의 손실 때문에 안테나의 게인이 낮아지고 방사 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다. 일반적인 FR-4 기판을 이용하여 2.4GHz 대역의 무선랜이나 WCDMA 휴대폰 안테나를 구현하는 경우를 보면, 100*100mm 기판 위에 2*2(4)개 라디에이터를 형성하여 안테 나를 제작하였을 경우 얻어지는 게인은 6~7dBi 정도이며 방사 효율은 30~40% 정도에 머무르며 -10dB 주파수 비대역은 5% 정도로 얻어지는 것이 통상적이다.

안테나의 효율이 낮게 되면 송신기의 부담이 많아지고, 고가의 높은 출력의 HPA를 사용하여야 하는 관계로 통신기를 제작하는데 비용이 매우 높아진다. 본 발명에서는 이러한 안테나의 낮은 효율이 야기하는 문제점을 해결하여 높은 효율의 안테나를 구현하는 발명을 함으로써 송신기의 출력을 줄일 수 있게 하여 통신기의 제작비용을 줄이는데 그 목적이 있다.

유전체기판 위에 에칭으로 라디에이터를 구현하는 기존의 안테나의 경우, 유전체의 유전손실로 인하여 안테나의 효율이 30~40% 로 낮아져 게인이 낮아지고 전계의 방사특성이 열화 되어 백로브 및 사이드로브가 나빠지는 문제가 있어, 본 발명에서는 라디에이터를 형성하는 라디에이터층 기판과 라디에이터에 신호를 분배/급전하는 급전기판 사이에 공기층을 두어 유전손실을 줄임으로써 안테나의 방사 효율을 극대화하고자 하는 것이다.

유전체기판 위에 형성하는 패치 안테나의 효율은 유전체기판의 유전손실에 기인하는데, 유전율이 높을수록 소형화가 가능하지만 유전손실 때문에 게인이 낮아지게 된다. 이를 위하여 패치 안테나를 형성하는 유전체기판의 두께를 얇게 박막형태로 하고, 그 박막 위에 에칭 등의 기법으로 라디에이터를 형성하고, 박막 밑에 일정간격의 공기층을 두어 간격을 유지하고, 다시 밑에 그라운드판을 가지는 박막의 유전체기판을 배치하고 그라운드판 밑의 층에는 라디에이터에 급전하기 위한 급전선로를 패턴 인쇄하여 전체 안테나를 구성한다. 이로 인하여 기존의 유전체기판을 사용하는 패치 안테나에서 발생하는 유전손실을 본 발명의 경우에는 공기로 대체하게 되므로 인해 유전손실이 거의 발생하지 않아 안테나의 효율을 최대한으로 높일 수가 있게 된다.

이로 인하여 기존의 유전율이 4.5~10 정도의 유전체기판을 사용하는 패치 안테나에서 발생하는 유전손실을 본 발명의 경우에는 유전율이 거의 1에 가까운 공기로 대체하게 되므로 인해 유전손실이 거의 발생하지 않아 안테나의 효율을 최대한으로 높일 수가 있게 된다. 이로써 기존의 FR-4 기판을 사용하는 2×2 패치 안테나의 경우 효율이 30~40% 정도로 그치고, 주파수 비대역이 5%, F-B Ratio가 20dB 전후, 게인이 6~7dBi 인 것에 비하여, 본 발명에서는 동일한 FR-4 기판을 사용하여 2×2 패치 안테나를 구현하고 라디에이터 기판층과 선로층 사이에 공기층 갭을 넣어 효율을 85% 이상, 주파수 비대역을 10% 이상으로 넓게 얻을 수가 있었으며, F-B Ratio를 30dB, 게인을 12dBi 이상 얻을 수가 있었다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 실시예를 나타낸 도면이다. 얇은 박막의 유전체기판(10) 위에 동박의 라디에이터(11)를 에칭 기법으로 구현하고 원하는 급전점(12)을 만든다. 상기 라디에이터 기판층을 제작하고, 일정한 공기층 d 를 가진 후에 선로용 유전체기판(20)을 배치한다. 간격 d 와 접하는 유전체기판(20)의 윗면(21)에는 동박을 형성하여 선로용 유전체기판(20)의 그라운드(22)와 스루홀(23)로 결합시킨다. 이로써 라디에이터 기판층의 라디에이터(11)와 선로층의 그라운드판(21) 사이에는 간격 d 를 가지는 공기층이 만들어지고 이 사이에서 전계가 발산됨으로 인해, 기존의 유전체기판 위에 형성되어 있는 패치 안테나에서의 유전손실 부분이 없어지게 되어 고효율의 방사가 이루어지게 된다.

라디에이터 기판층(10)에 패턴 인쇄되어 있는 복수 개의 라디에이터(11)에 급전하기 위해서는 선로층(20)의 뒷면에 그라운드코플레이너선로를 형성하고, 포트(24)에서 들어오는 입력신호를 그라운드코플레이너선로와 T 분배기(26)를 통하여 1/2로 분배하고, 다시 선로(28)를 통하여 신호를 전송하고 T 분배기(29)를 통하여 1/4로 분배한 후에 패치 안테나의 적절한 임피던스의 급전점(27)으로 가져와 급전핀(31)을 통하여 라디에이터층의 급전점(12)으로 연결한다. 이러한 분배기는 T 분배기 이외에도 윌킨스 디바이드 등을 이용하여 보다 광대역 특성을 가지는 분배기를 사용함으로 인하여 안테나의 비대역을 더 넓게 할 수가 있게 된다.

라디에이터 기판층(10)과 선로층(20) 사이에는 일정간격 d 를 유지하기 위하여 각 기판(10, 20)의 외곽에는 지지용 연결핀(35)을 납땜 등으로 라디에이터 기판층(10)과 선로층(20)을 붙여 간격을 유지하게 한다. 이 간격을 유지하기 위하여 지지용 연결핀(35) 이외에도 플라스틱이나 금속재료를 이용하여 지지용 슬라이드를 만들어 끼워 넣으므로 인하여 쉽게 간격을 유지할 수가 있다.

상기 방법으로 FR-4 기판을 사용하여 2.4GHz 대역의 무선랜용 기지국 안테나를 설계한 과정과 결과를 예시한다. 라디에이터층 유전체기판(10)으로는 두께 0.8mm 의 FR-4 기판을 사용하였으며 선로층 유전체기판도 동일한 사양의 재료를 사용하여 200*200mm 기판 사이즈에 4개의 라디에이터(11)를 에칭 기법으로 형성하고 공기층 간격을 4mm 로 하여 라디에이터층 기판(10)과 선로층 기판(20) 사이를 지름 1mm의 지지용 연결핀(35)으로 연결하고, 포트(24)에서 들어오는 신호를 그라운드코플레이너선로(25, 28) 및 T 분배기(26, 29)를 통하여 4분배 시키고 급전점(27)으로 연결하고 급전핀(31)을 이용하여 라디에이터의 급전점(12)과 납땜으로 연결시켜 안테나를 제작하였다.

상기 안테나의 특성을 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 결과를 확인하여 표 1 및 표 2와 같은 결과를 얻을 수가 있었다. 표 1에서와 같이 2.4GHz 대역에서 S11 이 -10dB 기준으로 주파수 비대역이 260MHz 로 10% 를 초과하는 특성을 얻을 수가 있었으며 표 2에서와 같이 게인을 12dBi 이상 얻어졌으며 방사 효율도 85% 이상 얻어짐을 확인할 수가 있으며 F-B Ratio도 -29 dB 정도 우수한 특성을 얻을 수가 있었다. 설계한 안테나의 3차원 방사특성 및 2차원 특성을 도 5에서 확인할 수가 있다.

상기 방법으로 라디에이터의 수를 줄여 1개의 라디에이터로도 안테나를 만들 수가 있는데, 도 2와 같이 100*100mm 의 FR-4 기판 위에 라디에이터를 1개 인쇄하여 공기층의 간격 d 를 4mm 로 하고 선로층의 급전점과 급전핀으로 연결하여 안테나를 제작하였을 경우 게인을 8dBi 정도 얻을 수가 있고 효율을 85% 이상 얻을 수가 있었다.

또한, 보다 높은 게인의 안테나를 제작하기 위해서 상기 방법으로 도 3과 같이 300*300mm 사이즈의 FR-4 기판 위에 4*4(16)개의 라디에이터를 형성하여 공기층을 4mm로 하고 밑의 선로층에는 포트에서 들어오는 신호를 그라운드코플레이너선로와 T 분배기를 통하여 1/2 분배, 1/4 분배, 1/16 분배를 연속으로 하여 각 라디에이터의 급전점으로 인입하고 급전핀을 통하여 라디에이터층의 라디에이터와 납땜으로 연결한다. 이로써 16개의 라디에이터에서 방사되는 안테나는 게인을 18dBi 정도 얻을 수가 있다. 더 높은 게인을 얻기 위해서는 라디에이터의 수를 8*8, 16*16 등 으로 증가시키게 되면 게인이 18dBi 이상의 안테나를 구현할 수가 있다.

안테나 S11 특성

	min(GHz)	max(GHz)	폭(MHz)
-10dB	2.308	2.577	260
-15dB	2.379	2.523	143

주파수별 안테나 게인 및 효율, F-B Ratio

	Gain(dB)	Tot. effic.	F-B Ratio(dB)
			Phi=0	Phi=45	Phi=90
2.4GHz	12.46	0.8756	-29.1	-29.2	-29.0
2.45GHz	12.60	0.8836	-29.1	-29.2	-29.2
2.5GHz	12.70	0.8635	-29.2	-29.3	-28.2

본원 발명을 적용한 고효율 안테나를 휴대폰의 중계기용 안테나 및 기지국용 안테나에 적용 하여 기지국의 송신기를 소형화 할 수가 있으며, 무선랜 등의 기지국용 고효율 안테나로 사용이 가능하다.

도 1 : 2×2 라디에이터 패치 안테나의 윗면, 아래면, 사시도

도 2 : 1개 라디에이터 패치 안테나 윗면, 아래면, 사시도

도 3 : 4×4 라디에이터 패치 안테나의 윗면, 아래면, 사시도

도 4 : 2×2 라디에이터 패치 안테나의 S11 특성

도 5 : 2×2 라디에이터 패치 안테나의 3차원 및 2차원 방사 패턴 시뮬레이션 결과

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

10 : 라디에이터용 유전체기판, 11 : 라디에이터, 12 : 급전점, 13 : 커팅 면,

20 : 선로용 유전체기판, 21 : 라디에이터용 그라운드판, 22 : 선로용 그라운드판,

23 : 그라운드 연결용 스루홀, 24 : 신호 연결용 포트,

25, 28, 29-1 : 그라운드코플레이너 선로,

26, 29 : T 분배기 , 27 : 급전점, ,

31 : 급전점 연결용 핀, 35 : 기판지지용 연결핀, 36 : 기판고정용 홀

Claims (8)

1. 패치 안테나에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭 기법으로 라디에이터(11)를 1개 이상 복수 개를 형성하고;

   선로용 유전체기판(20)의 윗면(21)에는 그라운드판(21)을 형성하고;

   선로용 유전체기판(20)의 아래면(22)에는 포트(24)에서 들어오는 신호를 배분하여 연결하는 선로(25, 28)와 분배기(29)로 구성되고;

   선로용 유전체기판(20)과 라디에이터용 유전체기판(10) 사이는 일정한 간격 d 를 가지고;

   선로층(20)의 급전점(27)과 라디에이터층(10) 급전점(12) 사이를 연결용 급전핀(31)으로 연결하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20) 위에 입력포트(24)에서 각 라디에이터의 급전점(27)으로 연결하기 위하여 그라운드코플레이너선로(25, 28, 29-1) 혹은 마이크로스트립선로로 구현하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭 기법으로 라디에이터(11) 를 1개 이상 4개, 8개 등 복수 개를 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20)의 아래면(22) 그라운드코플레이너선로(25, 26, 28, 29-1) 주위의 그라운드판(22)과 선로용 유전체기판(20) 윗면의 그라운드판(21)을 일정간격으로 스루홀(23)을 가공하여 연결하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 일정간격 d 를 유지하면서 지지용 연결핀(35)으로 고정하여 지지하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20)의 포트(24)에서 인입되는 신호를 1/2 분배 혹은 1/4 분배하기 위하여 T 분배기(26, 29)를 혹은 윌킨스 디바이드 등을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
7. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 일정간격 d 를 유지하기 위하여 플라스틱 혹은 금속재질의 스탠드로 고정하여 지지하는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 안테나를 지그 등에 고정하기 위하여 선로용 유전체기판(20)에 고정용 홀(36)을 뚫고 라디에이터용 유전체기판(10) 위에는 드라이브로 쉽게 고정하기 위하여 모서리부분(13)을 따내는 것을 특징으로 하는 고효율 패치 안테나.

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