KR100468201B1 - Microstrip Spiral Antenna Having Two-Spiral Line - Google Patents
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Abstract
본 발명은 접지면에 원형 슬롯을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나에 관한 것으로, 특히 두 스파이럴을 접지면상에 두 개의 스파이럴을 이용하여 하나의 급전선을 갖는 스파이럴 안테나의 비 대칭성을 보상함으로써 급전 구조의 변화에 따라 특정 주파수 범위에서 주빔이 안테나 평면에 수직한 방향을 향하거나 코니컬 빔을 가지도록 하는 두 개의 스파이럴을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나를 제공한다.The present invention relates to a microstrip spiral antenna having a circular slot in the ground plane, and in particular, by using two spirals on the ground plane to compensate for the asymmetry of the spiral antenna having one feed line according to the change in the feed structure. The present invention provides a microstrip spiral antenna using two spirals in which the main beam is directed in a direction perpendicular to the antenna plane or has a conical beam.
Description
본 발명은 접지면에 원형 슬롯을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나에 관한 것으로, 특히 두 스파이럴 라인을 접지면상에 특정주파수에 대하여의 위상차를 갖도록 급전하여 하나의 급전선을 갖는 스파이럴 안테나의 비 대칭성을 보상함으로써 특정 주파수 범위에서 주빔이 안테나 평면에 수직한 방향으로 방사되도록 하거나 두 스파이럴 라인을 동위상으로 급전하여 원형편파의 전방향성 코니컬 빔을 방사하도록 하는 두 개의 스파이럴을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나를 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a microstrip spiral antenna having a circular slot in the ground plane, in particular two spiral lines for a specific frequency on the ground plane. Compensate for the asymmetry of the spiral antenna with one feed line by feeding it with a phase difference of, so that the main beam is radiated in a direction perpendicular to the antenna plane in a specific frequency range, or the two spiral lines are fed in phase so that the omni-directional coney of circular polarization It is to provide a microstrip spiral antenna using two spirals to emit a curl beam.
스파이럴 안테나는 1954년 E.M. Turner에 의해 제안된 주파수 독립 안테나(Frequency independent antenna)로서 소형의 구조이며 광대역 정합특성을 지니고 있고 원형 편파를 얻을 수 있는 장점이 있다. 상기 스파이럴 안테나는 주로 전자 지원측정(ESM)의 수신단에 사용되며, 군사용 또는 상업용 방향탐지 안테나로 많이 사용되고 있다.Spiral antenna was built in 1954 by E.M. The frequency independent antenna proposed by Turner is a small structure, has broadband matching characteristics, and has the advantage of obtaining circular polarization. The spiral antenna is mainly used for the receiving end of an electronic support measurement (ESM), and is widely used as a military or commercial direction detection antenna.
상기 스파이럴 안테나는 스파이럴 중심에 대하여 대칭적인 구조를 지니므로 모든 주파수 영역에서 스파이럴 평면에 수직한 방향으로 원형 편파의 주빔(main beam)을 가진다. 일반적인 스파이럴 안테나 구조에서 중심을 바깥쪽으로 이동시킨 편심 스파이럴 안테나(eccentric spiral antenna)는 주빔이 원형 편파를 나타내기는 하지만, 주빔의 방향이 안테나 평면에 수직하지 않고 경사지게 된다. 이와 같은 특성은 자동차나 비행체 등의 표면에 부착할 경우 유용할 수 있으며, 단일 소자만으로 수직에서 기운 방향으로 원형 편파를 복사한다.Since the spiral antenna has a symmetrical structure with respect to the spiral center, the spiral antenna has a main beam of circular polarization in a direction perpendicular to the spiral plane in all frequency domains. In a typical spiral antenna structure, an eccentric spiral antenna whose center is moved outwardly is inclined, although the main beam exhibits circular polarization, the direction of the main beam is not perpendicular to the antenna plane. Such a property may be useful when attached to a surface of a vehicle or a vehicle, and radiates circular polarizations in a vertical to a tilted direction with only a single device.
또한, 두 개의 나선으로 구성되는 스파이럴 안테나는 스파이럴 암(spiral arm)의 안쪽 끝 부분에 급전을 해야하기 때문에 일반적으로 안테나의 중앙으로부터 수직으로 급전한다. 그러나 수직 급전방법의 경우에는 방사소자인 스파이럴이 평면구조일지라도 급전구조로 인하여 수직으로의 부피가 증가하게 되고, 또한 급전부의 정합을 위하여 별도로 벌룬(balun)을 설계해야 하는 어려운 문제점도 있었다.In addition, a spiral antenna consisting of two spirals generally feeds vertically from the center of the antenna because it has to feed at the inner end of the spiral arm. However, in the vertical feeding method, even though the spiral element of the radiating element has a flat structure, the vertically increasing volume increases due to the feeding structure, and there is also a difficult problem of designing a separate balloon for matching the feeding parts.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 접지면에 위치한 슬롯 스파이럴을 마이크로스트립 벌룬을 이용하여 급전하는 방법, 하나의 사각 슬롯 스파이럴을 사용하는 방법, 하나의 스파이럴을 직선 마이크로스트립 선로와 결합(coupling)하여 급전하는 방법, 그리고 두 개의 스파이럴의 바깥쪽 암으로부터 급전하는 방법 등 기존의 스파이럴 안테나와 동일한 특성을 지니며 평면의 구조로 구현할 수 있는 안테나에 관한 연구가 많이 수행되고 있다.In order to solve the above problems, a method of feeding a slot spiral located on the ground plane using a microstrip balloon, a method of using one rectangular slot spiral, and a spiral feeding a spiral with a straight microstrip line are supplied. There are many researches on antennas that can be implemented in a planar structure with the same characteristics as the existing spiral antennas such as a method of feeding and a method of feeding power from the outer arms of two spirals.
상기 편심 스파이럴 안테나는 바깥쪽으로 이동한 동일 중심을 가지는 두 개의 스파이럴 암이 필요하다.The eccentric spiral antenna requires two spiral arms with the same center moved outward.
그러나 현재 사용되고 있는 스파이럴 안테나의 평면구조 구현방법으로는 편심효과를 얻을 수 없기 때문에 편심 스파이럴 안테나의 평면구조의 구현은 불가능하다는 문제점이 있었다.However, there is a problem in that the planar structure of the eccentric spiral antenna is impossible because the eccentric effect cannot be obtained by the planar structure implementation method of the spiral antenna currently used.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 2001년 8월 27일자로 출원된 특허출원 제2001-51821호에서 접지면에 원형 슬롯을 가지는 마이크로스트립 스파이럴 안테나를 구현한 바 있다.In order to solve the above problems, the applicant has implemented a microstrip spiral antenna having a circular slot in the ground in the patent application No. 2001-51821 filed August 27, 2001.
상기 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 도1에 도시된 바와 같이 유전상수을 가지며, 높이가 h인 유전체 기판(11) 상면에 접지면(12)을 형성하고, 상기 접지면(12)을 에칭하여 반지름을 가지는 원형의 슬롯(13)을 형성한다. 상기와 같이 접지면(12)과 슬롯(13)을 가지는 유전체 기판(11)의 하면 전체에 도전물질을 도포한 후, 상기 도전물질을 사진식각법과 같은 방법으로 에칭하여 슬롯 (13)하부에 스파이럴 라인(14)과 직선의 급전선(15)을 형성한다. 즉, 유전체 기판(11) 상부에는 슬롯(13)이 형성되어 있는 접지면(11)을, 하부에는 스파이럴 라인(14)과 직선의 급전선(15)을 갖는 구조이다. 상기 스파이럴 라인은 도시된 바와 같이 아르키메디안 스파이럴(Archimedean spiral) 형태를 가지며 수학식1로 구현된다.The microstrip spiral antenna has a dielectric constant as shown in FIG. And a ground plane 12 formed on the top surface of the dielectric substrate 11 having a height h, and the ground plane 12 is etched to have a radius. It forms a circular slot 13 having a. After applying the conductive material to the entire lower surface of the dielectric substrate 11 having the ground plane 12 and the slot 13 as described above, the conductive material is etched by a method such as a photolithography method to spiral the lower portion of the slot 13. A line 14 and a straight line feed line 15 are formed. That is, it has a structure in which the ground plane 11 in which the slot 13 is formed in the upper part of the dielectric substrate 11, and the spiral line 14 and the linear feed line 15 in the lower part. The spiral line has an Archimedean spiral form as shown and is implemented by Equation 1.
여기서는 스파이럴의 중심점으로부터 스파이럴 암까지의 거리이며, 스파이럴의 중심점과 접지면에 위치한 원형 슬롯의 중심점은 동일하다. 또한, C는 스파이럴의 증가율을 결정하는 상수로서 스파이럴 암 사이의 간격 d와 급전선의 선폭에 의존한다, 그러므로 암과 중심지점 사이의 거리는 스파이럴이 1회전할 때 ()만큼 증가함을 알 수 있다. 또한,는에서까지 변하면서 스파이럴을 구현하게 되는데는 스파이럴의 안쪽 시작위치, 그리고는 스파이럴의 최외각 암의 종단위치를 나타내는 변수이다. 여기서는 단지 스파이럴을 구현하기 위한 변수로서 일반적인 구 좌표계(spherical coordinates)의와는 무관하다. 상기 발명에서는 슬롯이 위치한 방향으로 RHCP(right hand circular polarization)를 얻기 위하여의 값을 시계방향으로 회전하면서 증가하는 값으로 정하였다.here Is the distance from the center of the spiral to the spiral arm, and the center of the spiral and the center of the circular slot located on the ground plane are the same. In addition, C is a constant that determines the rate of increase of the spiral and the distance d between the spiral arms and the line width of the feed line. Depends on the distance between the cancer and the center point. When the spiral makes one revolution ( It can be seen that increases by). Also, Is in It changes to realize spiral Is the starting position inside the spiral, and Is a variable representing the longitudinal position of the outermost arm of the spiral. here Is just a variable to implement a spiral and is a It has nothing to do with In the present invention in order to obtain the RHCP (right hand circular polarization) in the direction in which the slot is located The value of was set to increase while rotating clockwise.
그러나, 상기 안테나는 편심 스파이럴 안테나처럼 기운 방향으로 방사를 할경우에는 유리하지만 일반적인 안테나처럼 수직한 방향으로 방사를 원하는 경우에는 사용대역이 제한된다는 문제점이 있으며, 위성통신에서 지상용 안테나로 사용하기 위한 코니컬 빔을 구현하기 어렵다는 문제점이 있었다.However, the antenna is advantageous when radiating in an aura direction like an eccentric spiral antenna, but there is a problem that the use band is limited when radiating in a vertical direction like a general antenna, and is used as a ground antenna in satellite communication. There was a problem that it is difficult to implement a conical beam.
따라서 본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 두 개의 스파이럴 라인을 접지평면 상에 형성하고, 상기 스파이럴 라인이 특정 주파수에/2 위상차를 갖도록 급전하여 특정 주파수 범위에서 주빔이 안테나에 수직한 방향을 향하도록 하는 것을 목적으로 한다.Therefore, in order to solve the above problems, the present invention forms two spiral lines on the ground plane, and the spiral lines have a specific frequency. It is intended to be fed with a phase difference of / 2 so that the main beam is directed in a direction perpendicular to the antenna in a specific frequency range.
또한, 본 발명은 두 개의 스파이럴 라인을 접지평면 상에 동위상으로 급전하여 원형편파의 전방향성 코니컬 빔을 갖도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to feed two spiral lines in phase on the ground plane to have a circularly polarized omnidirectional conical beam.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유전상수을 가지며 높이가 h인 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상면에 형성된 접지면과, 상기 접지면의 중앙에 형성된 반지름인 슬롯과, 상기 유전체 기판 밑면의 상기 슬롯과 같은 중심점을 기준으로 180˚회전시켜 형성되는 대칭구조의 두 개의 스파이럴 라인과, 상기 두 개의 스파이럴 라인에 급전하기 위해 유전체 기판의 밑면 일측에 형성된 전력분배기를 갖는 주급전선과, 상기 주급전선에서 전력분배기에 의해 분배되어 상기 두 개의 스파이럴 라인 각각의 바깥쪽 끝부분에 각각 연결되는 두 개의 급전선을 포함하는 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나를 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a dielectric constant A dielectric substrate having a height of h, a ground plane formed on an upper surface of the dielectric substrate, and a radius formed at the center of the ground plane An in-slot, two spiral lines having a symmetrical structure formed by rotating the lens 180 degrees about the same center point as the slots on the bottom of the dielectric substrate, and a power distributor formed at one side of the bottom surface of the dielectric substrate to feed the two spiral lines And a microstrip spiral antenna using two spiral lines including a main feed line having two feed lines and two feed lines respectively distributed to the outer ends of each of the two spiral lines by a power divider in the main feed line. do.
도1은 종래의 하나의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 구조를 나타낸 사시도.1 is a perspective view showing the structure of a conventional microstrip spiral antenna having one spiral line.
도2a는 본 발명에 따른 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 구조를 나타낸 사시도.Figure 2a is a perspective view showing the structure of a microstrip spiral antenna using two spiral lines in accordance with the present invention.
도2b는 도2a의 스파이럴 라인을 나타낸 평면도.FIG. 2B is a plan view of the spiral line of FIG. 2A; FIG.
도3은 본 발명의 한 실시예로서,,,선로인 스파이럴 선폭 0.7mm, 전력분배기를 통과하기 전까지의주급전선의 선폭 2.4mm,값이 슬롯의 반지름과 같게 되도록값을 설정하고, d=4.9mm이며, 두 급전선간의 위상차는 5.6GHz를 기준으로를 가지며, 유전체 기판의 유전상수, 두께인 RT Duroid 5880 기판을 사용한 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 주파수 변화에 따른 주빔의 기울기를 나타낸 그래프.3 is an embodiment of the present invention. , , , Spiral line width 0.7mm, before passing through power distributor Line width 2.4mm of main feeder, So that the value is equal to the radius of the slot Value, d = 4.9mm, and the phase difference between the two feeders is based on 5.6GHz Dielectric constant of the dielectric substrate , thickness The slope of the main beam according to the frequency change of the microstrip spiral antenna using two spiral lines using the RT Duroid 5880 substrate.
도4는 도3과 같은 안테나의 안테나 평면에 수직한 방향으로의 축비를 나타낸그래프.Fig. 4 is a graph showing the axial ratio in the direction perpendicular to the antenna plane of the antenna as in Fig. 3;
도5는 도3과 같은 안테나의 정합특성을 나타낸 그래프.5 is a graph showing matching characteristics of an antenna as shown in FIG.
도6은 도3과 같은 안테나의 대역폭에서의 반전력 빔폭과 이득을 나타낸 그래프.Fig. 6 is a graph showing the half-power beamwidth and gain in the bandwidth of the antenna as in Fig. 3;
도7a는 종래의 하나의 스파이럴을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나가 5.6GHz에서 형성하는 원형 슬롯에서의 전계분포를 나타낸 분포도.7A is a distribution diagram showing electric field distribution in a circular slot formed at 5.6 GHz by a conventional microstrip spiral antenna using one spiral;
도7b는 도3과 같은 안테나가 5.6GHz에서 형성하는 원형 슬롯에서의 전계분포를 나타낸 분포도.FIG. 7B is a distribution diagram showing electric field distribution in a circular slot formed by an antenna as shown in FIG. 3 at 5.6 GHz; FIG.
도8은 도3과 같은 안테나의 5.2GHz에서의 xz-cut과 yz-cut의 복사패턴을 나타낸 그래프.FIG. 8 is a graph showing radiation patterns of xz-cut and yz-cut at 5.2 GHz of the antenna shown in FIG. 3; FIG.
도9는 본 발명의 한 실시예로서,,, 선로사이간격 d=5.6mm,선로인 스파이럴 선폭 0.7mm, 전력분배기를 통과하기 전까지의 주급전선선폭 2.4mm로 형성하고, 두의 급전선 길이를 동일하게 하고, 유전체 기판의 유전상수, 두께인 RT Duroid 5880 기판을 사용한 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프.9 is an embodiment of the present invention. , , , The distance between the tracks d = 5.6mm, Spiral line width 0.7mm, main feed line before passing through power distributor Formed with a line width of 2.4mm, two The feed line length of the same, and the dielectric constant of the dielectric substrate , thickness Graph showing the return loss of a microstrip spiral antenna using two spiral lines using the RT Duroid 5880 substrate.
도10a는 도9와 같은 안테나의 5.2GHz에서 형성된 안테나 복사패턴을 평면에 수직으로 절단하여 나타낸 그래프.FIG. 10A is a graph showing an antenna radiation pattern formed at 5.2 GHz of the antenna of FIG. 9 by cutting perpendicular to a plane; FIG.
도10b는 도9와 같은 안테나의 5.2GHz에서 형성된 안테나 복사패턴을 평면에평행으로 절단하여 나타낸 그래프.FIG. 10B is a graph showing the antenna radiation pattern formed at 5.2 GHz of the antenna as shown in FIG. 9 by cutting parallel to the plane. FIG.
도11은 도9와 같은 안테나의 축비를 나타낸 그래프.Fig. 11 is a graph showing the axial ratio of the antenna as in Fig. 9;
도12는 도9와 같은 안테나의 대역폭 내에서의 최대 복사방향을 나타낸 그래프.12 is a graph showing the maximum radiation direction within the bandwidth of the antenna as shown in FIG.
도13은 도9와 같은 안테나의 대역폭 내에서의 RHCP에 대한 이득을 나타낸 그래프.FIG. 13 is a graph showing the gain for RHCP within the bandwidth of the antenna as shown in FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 마이크로스트립 스파이럴 안테나10: microstrip spiral antenna
11,21 : 유전체 기판 12,22 : 접지면11,21: dielectric substrate 12,22: ground plane
13,23 : 원형슬롯 14 : 스파이럴 라인13,23: circular slot 14: spiral line
24 : 제1스파이럴 라인 25 : 제2스파이럴 라인24: first spiral line 25: second spiral line
26 : 제1급전선 27 : 제2급전선26: first feeder 27: second feeder
28 : 주급전선28: Main wire
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2a는 본 발명에 따른 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나를 나타낸 것으로, 유전상수을 가지며, 높이가 h인 유전체 기판(21) 상면에 접지면(22)을 형성하고, 상기 접지면(22)을 에칭하여 반지름를 가지는 원형의 슬롯(23)을 형성한다. 상기와 같이 접지면(22)과 슬롯(23)을 가지는 유전체 기판(21)의 하면 전체에 도전물질을 도포한 후, 상기 도전물질을 사진식각법과 같은 방법으로 에칭하여 슬롯(23)하부에 두 개의 제1 스파이럴 라인(24)과 제2 스파이럴 라인(25)을 일정한 간격으로 겹쳐지지 않도록 형성하고, 상기 스파이럴 라인 각각에 연결된 제1급전선(26) 및 제2급전선(27)과 상기 급전선들을 분배하는 전력분배기를 갖는 주급전선(28)을 형성한다. 즉, 유전체 기판(21) 상면에는 슬롯(23)이 형성되어 있는 접지면(21)을, 밑면에는 두 개의 스파이럴 라인(24,25)과 두 개의 급전선(26,27) 그리고 주급전선(28)을 갖는 구조이다.Figure 2a shows a microstrip spiral antenna having two spiral lines according to the present invention, the dielectric constant And a ground plane 22 formed on the top surface of the dielectric substrate 21 having a height h, and the ground plane 22 is etched to have a radius. To form a circular slot 23 having a. As described above, after the conductive material is applied to the entire lower surface of the dielectric substrate 21 having the ground plane 22 and the slot 23, the conductive material is etched by a method such as a photolithography method to place the lower portion of the slot 23. The first spiral line 24 and the second spiral line 25 so as not to overlap each other at regular intervals, and distribute the first feed line 26 and the second feed line 27 and the feed lines connected to the spiral lines, respectively. A main feeder line 28 having a power divider is formed. That is, a ground plane 21 having a slot 23 formed on the top surface of the dielectric substrate 21, two spiral lines 24 and 25, two feed lines 26 and 27, and a main feed line 28 on the bottom surface thereof. It has a structure.
상기 두 개의 스파이럴 라인은 도2b에 도시된 바와 같이 아르키메디안 스파이럴(Archimedean spiral) 형태를 가지며 수학식2와 수학식3에 의해 구현된다.The two spiral lines have an Archimedean spiral form as shown in FIG. 2B and are implemented by Equations 2 and 3.
여기서()는 스파이럴 라인의 중심점으로부터 스파이럴 라인까지의 거리이며, 스파이럴 라인의 중심점과 접지면에 위치한 원형 슬롯의 중심점은 동일하다. 또한()는()의 중심점을 기준으로 180°회전시켜 얻은 대칭구조이다. 또한,는 스파이럴 라인의 안쪽 시작점과 중심 사이의 거리이다. 상기 스파이럴 라인의 증가율은 스파이럴 라인이 1회전하였을 때 라인 사이의 간격 d와 스파이럴 라인의 선폭에 의해 결정된다. 상기 스파이럴 라인 사이의 간격 d는 하나의 스파이럴 라인에 대한 d값과 같게 정의한다. 즉 두 개의 스파이럴 라인을 사용하더라도 d는 하나의 스파이럴 라인이 1회전하였을 경우의 라인 사이의 간격이다. 또한는에서까지 변하면서 스파이럴 라인을 구현하게 되는데는 스파이럴 라인의 안쪽 시작위치를 결정하고,는 스파이럴 라인의 최외각 라인의 종단위치를 결정하는 변수이다. 본 발명에서는 원형 슬롯이 위치한 방향으로의 RHCP(Right Hand Circular Polarization)를 얻기 위하여값을 시계방향으로 회전하면서 증가하는 값으로 결정하였다.here ( ) Is the distance from the center point of the spiral line to the spiral line, and the center point of the spiral line and the center point of the circular slot located on the ground plane are the same. Also ( ) ( It is a symmetrical structure obtained by rotating it 180 ° about the center point of). Also, Is the distance between the inner starting point and the center of the spiral line. The increase rate of the spiral line is the spacing d between the lines and the line width of the spiral line when the spiral line is rotated once. Determined by The spacing d between the spiral lines is defined to be equal to the d value for one spiral line. That is, even if two spiral lines are used, d is the distance between the lines when one spiral line is rotated one time. Also Is in Will change to implement the spiral line Determines the inner starting position of the spiral line, Is a variable that determines the end position of the outermost line of the spiral line. In the present invention, to obtain the RHCP (Right Hand Circular Polarization) in the direction in which the circular slot is located The value was determined by increasing value while rotating clockwise.
또한, 주급전선은 50Ω을 갖도록 형성하고, 상기 급전선에서 전력분배기를 통하여 나누어진 두 개의 급전선은 100Ω으로 하여 각각의 스파이럴 라인 바깥쪽 끝부분에 연결되도록 한다.In addition, the main feed line is formed to have a 50Ω, the two feed lines divided through the power divider in the feed line is 100Ω to be connected to the outer end of each spiral line.
상술한 바와 같이 형성된 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 안테나를 구현하기 위해 사용되는 변수값들에 따라 주빔이 안테나의 평면에 수직한 방향으로 방사되도록 하거나 두 개의 스파이럴 라인에 동위상으로 급전하여 원형편파의 전방향성 코니컬 빔을 방사하도록 할 수 있다. 즉 상기 슬롯의 반지름가 임의로 결정되었을 경우 선로 사이의 간격 d와 스파이럴 라인을 구현하는와등의 변수에 의해 안테나의 특성이 결정된다.The microstrip spiral antenna using the two spiral lines formed as described above allows the main beam to be radiated in a direction perpendicular to the plane of the antenna or is fed in phase to the two spiral lines according to the variable values used to implement the antenna. It is possible to emit a circularly polarized omnidirectional conical beam. The radius of the slot If is arbitrarily determined, the distance d between the lines and the spiral Wow The characteristics of the antenna are determined by such variables.
먼저, 본 발명에 따른 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 제1실시예인 특정 주파수 영역에서 주빔이 안테나 평면에 수직한 방향으로 방사되도록 하는 안테나에 대해 설명하기로 한다. 제1실시예의 안테나는,=12mm,=0.5mm로 고정시키고, 100Ω의 선로인 스파이럴 선폭는 0.7mm, 전력분배기를 통과하기 전까지의 50Ω 주급전선의 선폭은 2.4mm로 형성한다. 또한, 상기값이 슬롯의 반지름와 같게 되도록값을 설정하고, d=4.9mm로 형성한다. 또한 스파이럴에 연결되기 전까지 두 급전선 간의 위상차는 5.6GHz를 기준으로/2를 갖도록 한다. 또한, 슬롯이 형성되는 접지면을 갖는 유전체 기판은 유전상수=2.2, 두께 h=0.7874mm인 RT Duroid 5880기판을 사용한다.First, an antenna for causing a main beam to be radiated in a direction perpendicular to the antenna plane in a specific frequency region, which is a first embodiment of a microstrip spiral antenna having two spiral lines according to the present invention. The antenna of the first embodiment , = 12mm, Fixed to 0.5mm, spiral wire width of 100Ω Is 0.7mm, and the line width of 50Ω main feeder wire is 2.4mm before passing through power divider. Also, the Value is the radius of the slot To be equal to Set the value and form d = 4.9mm. In addition, the phase difference between the two feeders before connecting to the spiral is based on 5.6 GHz Have / 2. In addition, a dielectric substrate having a ground plane on which slots are formed has a dielectric constant. RT Duroid 5880 substrate with a thickness of 2.2 and a thickness of h = 0.7874 mm is used.
상기와 같이 형성된 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 슬롯 구조를 가지므로 양방향 방사가 이루어지나 본 명세서에서는 원형슬롯이 위치한 방향으로의 주빔만을 고려하여 그 특성을 설명하기로 한다.Since the microstrip spiral antenna having two spiral lines formed as described above has a slot structure, bidirectional radiation is performed, but the characteristics of the microstrip spiral antenna will be described in consideration of the main beam in the direction in which the circular slot is located.
도3은 상기 제1실시예의 변수값을 갖는 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 주파수 변화에 따른 주빔 방향의값을 나타낸 것으로, 하나의 스파이럴 라인을 사용한 종래의 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 경우 5GHz에서 주빔방향의값이 7°를 나타내고 주파수의 증가에 따라서 주빔이 선형적으로 기울어진다. 그러나 본 발명에 따른 상기 제1실시예의 안테나는 주빔방향의값이 5GHZ에서 5.9GHz까지 0°를 나타낸다. 즉 급전선간의 위상차가/2로 설계한 5.6GHz근처의 주파수 범위에서는 주빔이 안테나 평면에 수직한 방향으로 향하게 됨을 알 수 있다.3 shows the main beam direction according to the frequency change of the microstrip spiral antenna having the two spiral lines having the variable value of the first embodiment. In the case of the conventional microstrip spiral antenna using one spiral line, The value represents 7 ° and the main beam is tilted linearly with increasing frequency. However, the antenna of the first embodiment according to the present invention has a main beam direction. The value represents 0 ° from 5GHZ to 5.9GHz. That is, the phase difference between the feed lines It can be seen that the main beam is directed in a direction perpendicular to the antenna plane in the frequency range near 5.6 GHz designed with / 2.
다음에 도4는 상기 제1실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 수직한 방향에 대한 축비를 나타내 것으로, 3dB이하의 축비 시작 주파수는 4.75GHz이며 일단 축비가 3dB이하로 낮아진 이후에는 전 영역에서 축비가 2.2dB이하로 유지된다. 상기 수직한 방향에 대해 넓은 구간에서 낮은 축비를 나타내지만 도3에 도시된 바와 같이 높은 주파수 영역으로 갈수록 주빔이 기울어짐을 고려하여야 한다.4 shows the axial ratio with respect to the vertical direction of the microstrip spiral antenna having the two spiral lines of the first embodiment. The axial ratio start frequency of 3 dB or less is 4.75 GHz and once the axial ratio is lowered to 3 dB or less. In all areas, the ratio is kept below 2.2dB. Although it shows a low axial ratio in a wide section with respect to the vertical direction, it should be considered that the main beam is inclined toward the high frequency region as shown in FIG. 3.
다음에 도5는 상기 제1실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 정합특성을 나타낸 것으로, 4.9GHz 이상의 주파수 영역에서인(전압정재파비 : Voltage Standing Wave Ratio) 정합특성을 갖는다. 상기 4.5GHz 이하의 주파수 대역에서도 정합이 되었지만 3dB이하의 축비 조건을 만족하지 못한다.Next, FIG. 5 shows matching characteristics of a microstrip spiral antenna using two spiral lines according to the first embodiment. Phosphorus (Voltage Standing Wave Ratio) has matching characteristics. Although matched even in the frequency band of 4.5 GHz or less, the axial ratio condition of 3 dB or less is not satisfied.
상술한 바와 같이 주빔 방향의값이 0°를 나타내고, 축비가 3dB이하의 값을 가지며,를 만족하는 공통 주파수 영역을 대역폭으로 정의하면, 5GHz~5.9GHz 구간으로 부분 대역폭 16.5%를 얻을 수 있다. 상기와 같은 대역폭은 안테나의 평면에 수직한 주빔을 갖는 경우만을 고려하여 정의되었으나, 빔이 다소 기울어지더라도 넓은 주파수 범위에서 정합조건과 축비조건을 만족하므로 실제 사용용도에 따라서 다소 기운 빔이 허용될 경우에는 보다 넓은 주파수 대역에서도 사용이 가능할 것이다.As described above, in the main beam direction The value represents 0 °, the axial ratio is 3dB or less, If the common frequency region satisfying the bandwidth is defined as the bandwidth, a partial bandwidth of 16.5% can be obtained in the 5GHz to 5.9GHz interval. The bandwidth is defined in consideration of the case where the main beam is perpendicular to the plane of the antenna. However, even if the beam is slightly inclined, the matching condition and the axial ratio condition are satisfied in a wide frequency range. In this case, it may be used in a wider frequency band.
다음 도6은 상기 제1실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 대역폭 내에서의 반전력 빔폭과 이득을 나타낸 것으로, 5GHz에서 반전력 빔폭은 약 87°이며, 주파수가 증가함에 따라 조금씩 감소하는 경향을 나타낸다. 대역폭 내에서 80°이상의 넓은 빔폭을 가지므로 무선랜 안테나에 사용하기 적합하다. 또한 안테나 이득은 주파수 증가에 따라서 조금씩 증가하며 대역폭내에서 3dBi 범위의 비교적 고른값을 갖는다.6 shows the half-power beamwidth and the gain within the bandwidth of the microstrip spiral antenna using the two spiral lines of the first embodiment, and the half-power beamwidth is about 87 ° at 5 GHz, and gradually increases as the frequency increases. It tends to decrease. It has a wide beam width of more than 80 ° within the bandwidth, so it is suitable for use in a WLAN antenna. In addition, the antenna gain increases little by little as the frequency increases, with a relatively even value in the range of 3dBi.
다음에 도7a는 종래 하나의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나에서 원형 슬롯 안에서의 전계분포를 나타낸 것으로, 원형 슬롯내에서 비대칭적으로 전계가 분포하게 되어 주빔이 기우는 특성을 가진다.7A shows the electric field distribution in a circular slot in a microstrip spiral antenna having a single spiral line in the related art, and the main beam is inclined because the electric field is distributed asymmetrically in the circular slot.
그러나 제1실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 원형슬롯 안에서의 전계분포는 도7b에 도시된 바와 같이 슬롯내에서 원의 중심을 기준으로 대칭적인 전계가 분포되므로 복사패턴 역시 안테나 평면에 수직한 방향(z축)에 대하여 대칭적으로 형성됨을 알 수 있다.However, since the electric field distribution in the circular slot of the microstrip spiral antenna having the two spiral lines of the first embodiment is symmetrical with respect to the center of the circle in the slot as shown in FIG. It can be seen that it is formed symmetrically with respect to the direction (z-axis) perpendicular to.
다음에 도8은 상기 제1실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나가 하이퍼랜(Hiperlan)의 5GHz 대역의 중심인 5.2GHz에서 계산된 복사패턴을 나타낸 것으로, 주빔이 안테나 평면에 수직한 방향을 향하고 1.93dB의 축비를 가지며, 원형 슬롯이 위치한 방향으로 RHCP가 나타난다, 원형편파 3dB 빔폭은 87°로서 넓은 빔폭을 유지함을 확인할 수 있다.8 shows a radiation pattern calculated at 5.2 GHz in which the microstrip spiral antenna using the two spiral lines of the first embodiment is the center of the 5 GHz band of the Hyperlan, wherein the main beam is perpendicular to the antenna plane. It has an axial ratio of 1.93dB in the direction and RHCP appears in the direction of the circular slot. The circularly polarized 3dB beamwidth is 87 °, keeping the wide beamwidth.
상술한 바와 같은 상기 제1실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 두 개의 스파이럴을 사용하므로 종래 하나의 스파이럴 라인에 의해 급전하는 안테나의 비대칭성을 보상함으로써 특정 주파수 대역에서 안테나 평면에 수직한 방향을 향하는 원형 편파의 주빔을 얻을 수 있다. 또한, 5.6GHz 대역에서/2 위상차를 갖는 두 개의 급전선을 이용하여 선로의 간격 d가 급전선의 선폭의 7배(4.9mm)일 경우에는 16.5%의 넓은 원형편파 대역폭을 얻을 수 있다.Since the microstrip spiral antenna using the two spiral lines of the first embodiment as described above uses two spirals, it is perpendicular to the plane of the antenna in a specific frequency band by compensating for the asymmetry of the antenna fed by one spiral line. A main beam of circular polarization facing in one direction can be obtained. Also, in the 5.6 GHz band Using two feed lines with a / 2 phase difference, when the line distance d is 7 times the line width (4.9 mm), a wide circular polarization bandwidth of 16.5% can be obtained.
또한, 일정한 원형 크기에 대하여 첫 번째 공진모드 내의 임의의 주파수에 대하여/2 위상차를 갖도록 제조된다면 해당하는 주파수 영역에서 수직한 방향으로 향하는 빔을 얻을 수 있다.Also, for any frequency in the first resonant mode for a certain circular size If manufactured to have a / 2 phase difference, a beam directed in a vertical direction in the corresponding frequency region can be obtained.
상기한 실시예의 변수값을 갖는 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 80°이상의 넓은 반전력 빔폭을 가지므로 5.15GHz~5.875GHz 대역에서의 무선 LAN용 안테나로 사용될 수 있다.The microstrip spiral antenna using two spiral lines having the variable value of the above embodiment has a wide half-power beam width of 80 ° or more, and thus can be used as an antenna for a wireless LAN in the 5.15 GHz to 5.5.8 GHz band.
다음에 본 발명에 따른 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 두 스파이럴 라인에 동위상으로 급전하여 원형편파의 전방향성 코니컬 빔을 방사하도록 하는 제2실시예에서는,,=23mm,=0.5mm로 고정시키고, 선로 사이의 간격 d=5.6mm로 형성하고, 100Ω의 선로인 스파이럴 선폭는 0.7mm, 전력분배기를 통하기 전까지의 50Ω 주급전선의 선폭은 2.4mm로 형성한다. 또한, 스파이럴에 연결되는 100Ω의 급전선 길이를 동일하게 형성함으로써 스파이럴 안테나의 두 번째 복사 모드가 발생할 수 있도록 한다. 또한, 슬롯이 형성되는 접지면을 갖는 유전체 기판은 유전상수=2.2, 두께 h=0.7874mm인 RT Duroid 5880기판을 사용한다.Next, in the second embodiment, the two spiral lines of the microstrip spiral antenna having two spiral lines according to the present invention are fed in phase to emit an omnidirectional conical beam of circular polarization. , , = 23 mm, Spiral line width, fixed at = 0.5 mm, formed with a distance d = 5.6 mm between lines, and a line of 100 Ω Is 0.7mm, and the line width of 50Ω main feeder wire is 2.4mm until it passes through power divider. Also, by forming the same 100 Ω feed line length connected to the spiral, a second radiation mode of the spiral antenna can occur. In addition, a dielectric substrate having a ground plane on which slots are formed has a dielectric constant. RT Duroid 5880 substrate with a thickness of 2.2 and a thickness of h = 0.7874 mm is used.
상기한 제2실시예와 같이 형성된 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 도9와 같은 반사손실을 갖는다. 즉, 도시된 바와 같이 4GHz 이후 전 주파수 대역에서 정합특성을 만족함을 알 수 있다. 이는 스파이럴 안테나가 갖는 광대역 정합특성을 제2실시예의 안테나에서도 만족함을 알 수 있다. 4.5GHz 이후의 전 주파수 영역에서 -15dB 이하로 유지되며 좋은 반사손실을 갖는다.The microstrip spiral antenna having two spiral lines formed as in the second embodiment has the reflection loss as shown in FIG. That is, as shown, it can be seen that the matching characteristic is satisfied in all frequency bands after 4 GHz. It can be seen that the broadband matching characteristic of the spiral antenna is satisfied even in the antenna of the second embodiment. It stays below -15dB in all frequency ranges after 4.5GHz and has good return loss.
다음에 도10a 및 도10b는 제2실시예의 안테나의 5.2GHz에서 계산된 복사패턴을 나타낸 것이다. 도10a는 안테나 평면에 대하여 수직한 방향으로 절단한 것을 나타낸 것으로, 슬롯이 위치한 방향으로 RHCP를 얻을 수 있으며 단면이 대칭적으로 나타나고 코니컬 빔이 방사됨을 알 수 있다.방향으로 최대의 복사가 일어나는 값은 40°이다. 또한 도10b는값을 40°로 고정시키고 안테나 평면에 대하여 평행하게 절단한 복사패턴을 나타낸 것으로, 모든 방향으로 거의 동일하게 복사가 된다. 상기와 같이 주빔이 안테나 평면에 대하여 전방향성(omnidirectional)을 가지므로 지상용 위성 안테나로 사용하기에 적합하다.10A and 10B show a radiation pattern calculated at 5.2 GHz of the antenna of the second embodiment. Figure 10a shows a cut in a direction perpendicular to the antenna plane, it can be seen that the RHCP can be obtained in the direction in which the slot is located, the cross section appears symmetrically and the conical beam is radiated. The maximum radiation in the direction is 40 °. Figure 10b also shows The radiation pattern is fixed at 40 ° and is cut parallel to the antenna plane. The radiation pattern is almost the same in all directions. As described above, since the main beam is omnidirectional with respect to the antenna plane, the main beam is suitable for use as a terrestrial satellite antenna.
다음에 도11은 제2실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나의 축비를 나타낸 것으로,방향으로 40°일 때 최대 복사가 일어나고 전방향성의 빔을 가지기 때문에의 최대 방향을 기준으로 축비를 나타낸 것이다. 3dB이하의 축비가 시작되는 주파수는 5GHz이며 그 이후 8GHz 부분을 제외하고 모든 주파수 영역에서 2.5dB 이하의 낮은 축비를 유지한다. 상기 안테나에서는 전계가 스파이럴 라인에서 원형 슬롯으로 천이(transition)가 되어 복사되기 때문에 원형 슬롯의 특성에 따라 영향을 받게 된다. 이로 인해 8GHz 근처에서 전방향에 대하여 3dB이하의 축비를 만족하지 못한다.11 shows the axial ratio of the microstrip spiral antenna having two spiral lines of the second embodiment. Because the maximum radiation occurs at 40 ° in the direction and has an omni-directional beam Axial ratio is shown based on the maximum direction of. Frequency starts below 3dB, which is 5GHz. After that, it maintains a low ratio below 2.5dB in all frequency ranges except the 8GHz part. In the antenna, the electric field is affected by the characteristics of the circular slot because the electric field transitions from the spiral line to the circular slot and is radiated. As a result, the axial ratio below 3dB is not satisfied in all directions near 8GHz.
상기와 같은 결과를 종합하면 주빔이 안테나 평면에 대하여 평행한 방향으로 전방향성을 갖고 축비가 3dB이하로 유지되며 정합특성을 만족하는 주파수 영역은 5GHz에서 7GHz까지 약 33%의 넓은 원형편파 대역폭을 얻을 수 있다.Based on the above results, the main beam is omnidirectional in the direction parallel to the antenna plane, the axial ratio is kept below 3dB, and the frequency domain that satisfies the matching characteristic obtains a wide circular polarization bandwidth of about 33% from 5GHz to 7GHz. Can be.
도12는 제2실시예의 안테나가 대역폭 내에서 최대 복사가 되는방향의 값을 나타낸 것으로, 주파수 변화에 따라 4°차이가 나타나지만값이 40°일 때 최대의 복사가 일어난다. 이와 같이 복사되는 최대방향이 일정하게 유지되므로 동일한 방향으로 전방향성을 갖는다.12 shows that the antenna of the second embodiment is the maximum radiation within the bandwidth. Value of the direction, the difference of 4 ° appears depending on the frequency change. The maximum radiation occurs when the value is 40 °. Since the maximum direction to be radiated in this way is kept constant, it has omnidirectionality in the same direction.
다음에 도13은 상기 제2실시예의 안테나에서 원형편파 대역폭 내에서 RHCP에 대한 이득을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 안테나의 이득은 주파수가 증가함에 따라 조금씩 증가하며 대역폭 내에서 모두 2dBi 이상의 값을 얻을 수 있다.13 shows gains for RHCP within the circularly polarized bandwidth of the antenna of the second embodiment. As shown in FIG. 13, gains of the antennas are increased little by little as the frequency is increased. Can be.
상술한 바와 같이 제2실시예의 두 개의 스파이럴 라인을 갖는 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 원형편파를 가진 코니컬 빔을 발생시키기 위하여 제2실시예와 같이 동일한 길이를 갖는 급전선을 스파이럴 라인의 바깥쪽 끝부분에 연결시켜 간단히 동위상으로 급전하였을 뿐만 아니라 안테나를 평면으로 구현하였다. 또한 안테나 평면에 대하여 평행한 방향으로 전방향성을 갖는 코니컬 빔을 얻을 수 있는 주파수 대역은 5GHz 영역에서 대략 33%의 넓은 원형편파 대역폭을 얻을 수 있다. 따라서 상기 안테나는 위성통신의 지상용 이동통신 안테나로 사용할 수 있다.As described above, the microstrip spiral antenna having the two spiral lines of the second embodiment has a feed line having the same length as that of the second embodiment in order to generate a conical beam with circular polarization. Not only were they fed in-phase simply by connecting them, but the antenna was implemented in a plane. In addition, a frequency band capable of obtaining a conical beam having omni-directionality in a direction parallel to the antenna plane can obtain a wide circular polarization bandwidth of approximately 33% in the 5GHz region. Therefore, the antenna can be used as a ground mobile communication antenna of satellite communication.
상술한 바와 같이 본 발명의 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로 스트립 스파이럴 안테나는 두 개의 스파이럴 라인에 연결되어 있는 급전선의 길이를/2의 위상차를 갖도록 형성하고 각각의 변수값을 조절하여 특정 주파수 대역에서 주빔이 안테나 평면에 수직한 방향으로 방사되도록 함으로써 LAN 분야에서 새로운 기준으로 제안된 NII 주파수대역(HIPERLAN의 5GHz 대역)에서 사용 가능하다는 장점이 있다.As described above, the microstrip spiral antenna using the two spiral lines of the present invention can measure the length of the feed line connected to the two spiral lines. Formed to have a phase difference of / 2 and adjusting the value of each variable so that the main beam is radiated in a direction perpendicular to the antenna plane at a specific frequency band. The advantage is that it is possible.
또한, 본 발명의 두 개의 스파이럴 라인을 이용한 마이크로스트립 스파이럴 안테나는 두 개의 스파이럴 라인에 연결되는 급전선의 길이를 동일하게 형성하고,각각의 변수값들을 조절하여 스파이럴 라인을 형성하고 상기 두 스파이럴 라인을 평면상에서 동위상으로 급전하여 원형편파의 전방향성 코니컬 빔을 방사하도록 함으로써 위성통신에서 지상용 이동통신 안테나로 사용할 수 있다.In addition, the microstrip spiral antenna using the two spiral lines of the present invention to form the same length of the feed line connected to the two spiral lines, adjust the respective variable values to form a spiral line and plan the two spiral lines It can be used as a ground mobile communication antenna in satellite communication by powering in phase and radiating an omnidirectional conical beam of circular polarization.
그리고 상기의 안테나는 급전선에 스위치나 위상변위기(Phase Shifter)를 인가하여 급전선 간의 길이차이를 선택적으로 동위상 혹은 역위상으로 변화시킴으로써 동일주파수 내에서 안테나 평면에 수직한 빔과 전방향성의 코니컬 빔을 모두 얻을 수 있는 빔제어용 안테나로 사용 가능하다.In addition, the antenna applies a switch or phase shifter to the feeder to selectively change the length difference between the feeder to in-phase or in-phase, so that the beam perpendicular to the antenna plane and omni-directional conical within the same frequency. It can be used as a beam control antenna to obtain all the beams.
상술한 안테나들은 모두 얇은 두께의 유전체 기판을 이용하여 슬롯과 스파이럴 라인 및 급전선을 형성하는 구조로서 안테나를 평면으로 제조할 수 있으므로 수직 방향의 부피를 감소시킬 수 있어 소형 이동통신기기에 사용하기 적합하고, 설계가 간편하여 대량생산 할 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있다.All of the antennas described above are structured to form slots, spiral lines and feed lines using a dielectric substrate of thin thickness, and can be manufactured in a flat plane, thereby reducing the volume in the vertical direction, which is suitable for use in small mobile communication devices. As a result, the design is simple and can be mass-produced, thus reducing the manufacturing cost.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |