KR100278315B1 - Dual polarized microstrip antenna with dual feed structure capable of two-dimensional arrangement - Google Patents

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Abstract

1.청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

이차원 배열로 확장 가능한 이중 급전 구조의 이중편파 마이크로스트립 안테나에 관한 것임.A dual polarized microstrip antenna with a dual feed structure that can be expanded in a two-dimensional array.

2.발명이 해결하고자 하는 과제2. Challenges to the Invention

안테나의 이득을 높이기 위해, 이차원 배열로 확장 가능한 구조를 가지는 이중 급전구조 및 안테나설계 알고리즘을 제공함.In order to increase the gain of the antenna, it provides a dual feed structure and antenna design algorithm having a structure that can be extended to a two-dimensional array.

3.발명의 해결 방법의 요지3. Summary of solution of invention

본 발명은 마이크로스트립선로 급전방식, 비아홀과 마이크로스트립 선로를 혼합한 급전방식을 이용한 이중 급전방식 또는 마이크로스트립선로 급전방식, 슬롯결합 급전방식을 이용한 이중 급전방식을 사용하여 배열 안테나로 확장 시 두 급전방식의 급전선이 서로 겹치는 문제와 부피가 증가되는 문제를 해결함.According to the present invention, the two feeds are extended by using a dual feed method using a microstrip line feeding method, a feed method combining a via hole and a microstrip line, or a dual feeding method using a microstrip line feeding method and a slot-coupled feeding method. Fixed the problem of overlapping feeder lines and increased volume.

4.발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention

본 발명은 편파다이버시티 이득을 얻을 수 있는 실내 기지국용 안테나에 적용될 수 있으며, 또한 기존의 파라볼릭 안테나를 대신할 수 있는 소형, 경량 및 이동,설치가 쉬운 송수신 겸용 안테나에 적용됨.The present invention can be applied to an antenna for an indoor base station that can obtain a polarization diversity gain, and is also applied to a small-sized, light-weight, portable and easy-to-use transmission / reception antenna that can replace a conventional parabolic antenna.

Description

이차원 배열이 가능한 이중 급전구조를 가지는 이중 편파 마이크로스트립 안테나Dual polarized microstrip antenna with dual feed structure capable of two-dimensional arrangement

본 발명은 이중 편파 마이크로스트립 안테나(Dual-Polarized Microstrip antenna)에 관한 것으로, 특히 이차원 배열(two dimensional array)이 가능한 이중 급전(dual-fed)구조를 가지는 이중 편파 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a dual-polarized microstrip antenna, and more particularly, to a dual polarized microstrip antenna having a dual-fed structure capable of a two dimensional array.

최근 이동 통신 서비스가 본격화됨에 따라 고품질의 다양한 서비스를 효과적으로 사용하고자 하는 노력들이 전개되고 있다. 특히 사용자(user)들의 입장에서는 좀 더 가벼우면서 이동 및 설치가 용이하고, 또한 다양한 서비스를 제공받을 수 있는 기지국을 필요로 하게 된다. 그래서 이러한 요구에 따라 통신소자의 핵심부품인 안테나 역시 소형, 경량 및 고효율 특성을 가지는 것으로 요구되고 있다.Recently, as mobile communication services become full-fledged, efforts are being made to effectively use a variety of high-quality services. In particular, users need a base station that is lighter, easier to move and install, and can receive various services. Therefore, according to these demands, the antenna, which is a core part of the communication device, is also required to have small size, light weight and high efficiency.

예컨대, 개인휴대통신(PCS), IMT-2000과 같이 1.7 내지 1.9 GHZ 대역의 고주파 사용방식의 경우, 전파의 도달거리가 기존의 서비스방식에 비해 상대적으로 짧아서 보다 더 많은 기지국을 필요로 하게 된다. 그래서 소비자와 가장 가까이 위치하는 기지국 안테나의 소형화는 필수적이다.For example, in the case of a high frequency use scheme of 1.7 to 1.9 GHZ bands such as PCS, IMT-2000, the radio wave reach is relatively shorter than the existing service schemes, and thus requires more base stations. Therefore, miniaturization of the base station antenna located closest to the consumer is essential.

이에 따라 소형화 및 경량화 등이 쉬운 마이크로스트립(microstrip) 안테나의 개발이 활발히 전개되어지고 있으며, 특히 실내와 같이 다양한 유전율을 가진 벽과 천장 등의 많은 반사체 및 장애물이 존재하고, 동시에 제한된 공간을 가지는 곳에서는 편파 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 이중 편파(dual-polarized) 안테나가 연구되어지고 있다.Accordingly, the development of microstrip antennas, which are easy to miniaturize and lighten, is being actively developed. In particular, there are many reflectors and obstacles such as walls and ceilings having various dielectric constants such as indoors, and at the same time, they have limited space. In this paper, dual-polarized antennas with polarization diversity gain have been studied.

하지만 실내 공간에 마이크로스트립 안테나를 사용할 경우에 있어서, 실내 공간모양에 따른 다양한 안테나의 배열이 필요하게 되고, 또한 이때 이중 편파 특성을 얻기 위해 사용된 기존의 이중 급전 방식의 경우에는 이차원 배열(two dimensional array)로 확장이 불가능하므로 이차원 배열로 확장가능한 이중 급전구조가 절실히 필요하게 된다.However, in the case of using the microstrip antenna in the indoor space, it is necessary to arrange various antennas according to the shape of the indoor space, and also in the case of the conventional double feed method used to obtain the dual polarization characteristic, two dimensional array (two dimensional) Since it is impossible to expand to an array, a double feed structure that can be extended to a two-dimensional array is urgently needed.

또한 기존에 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 폭(width)과 길이(length)를 정함에 있어서는 반드시 실험 또는 시뮬레이터(simulator)를 이용하여 안테나를 설계하여야 하는 문제점을 가지고 있으므로, 보다 간단하게 이중 편파 마이크로스트립 안테나를 설계할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다.In addition, conventionally, in determining the width and length of the dual polarized microstrip antenna, the antenna must be designed using an experiment or a simulator. There is an urgent need for a way to design the system.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 요구를 해소하기 위해 창안된 것으로서, 이차원 배열로 확장가능한 이중 급전구조를 가지며, 단일 공진 주파수에서 이중 편파 특성을 얻을 수 있는 이중 편파 마이크로스트립 안테나를 제공함을 그 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a dual polarized microstrip antenna having a dual feed structure that is expandable in a two-dimensional array and which can be obtained at a single resonant frequency. do.

또한, 상기한 바와 같은 요구를 해소하기 위해, 이차원 배열로 확장가능한 이중 급전구조를 가지며, 단일 공진 주파수에서 이중 편파 특성을 얻을 수 있는 이중 편파 마이크로스트립 안테나 설계방법을 제공함에 본 발명의 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method for designing a dual polarized microstrip antenna having a dual feed structure that is expandable in a two-dimensional array and can obtain a dual polarization characteristic at a single resonant frequency in order to solve the needs as described above. have.

또한, 상기한 바와 같은 요구를 해소하기 위해, 이차원 배열로 확장가능한 이중 급전구조를 가지며, 단일 공진 주파수에서 이중 편파 특성을 얻을 수 있는 이중 편파 마이크로스트립 안테나 설계를 실현시키기 위한 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함에 본 발명의 또다른 목적이 있다.In addition, in order to solve the above requirements, a computer having a double feed structure that is expandable in a two-dimensional array and a program for realizing a dual polarized microstrip antenna design capable of obtaining dual polarized wave characteristics at a single resonant frequency is provided. It is another object of the present invention to provide a readable recording medium.

도 1은 본 발명에 의한 제1실시예의 이중 편파 마이크로스트립 안테나 구조를 설명하는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram for explaining a dual polarized microstrip antenna structure according to a first embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b는 도 1에서의 비아홀과 마이크로스트립선로를 혼합한 급전방식을 설명하는 도면.2A and 2B are views illustrating a power feeding method in which a via hole and a microstrip line in FIG. 1 are mixed.

도 3은 본 발명에 의한 제2실시예의 이중 편파 마이크로스트립 안테나 구조를 설명하는 도면.3 is a view for explaining the structure of the dual polarized microstrip antenna of the second embodiment according to the present invention;

도 4는 마이크로스트립선로만으로 급전시에 본 발명의 이중 편파 마이크로스트립 안테나를 등가화한 도면.Figure 4 is an equivalent view of the dual polarized microstrip antenna of the present invention at powering only with a microstrip line.

도 5는 비아홀 급전부만으로 급전시에 본 발명의 이중 편파 마이크로스트립 안테나를 등가화한 도면.5 is an equivalent view of the dual polarized microstrip antenna of the present invention at the time of feeding with only the via-hole feeding portion;

도 6은 본 발명에 따른 이중 편파 마이크로스트립 안테나에 대해 두 급전부에서 동시에 급전시 이중 편파특성을 보이는 것을 설명하기 위한 도면.Figure 6 is a view for showing a dual polarization characteristics when feeding at the same time in the two feeder for the dual polarized microstrip antenna according to the present invention.

도 7은 본 발명에 의한 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 설계 흐름도.7 is a design flow diagram of a dual polarized microstrip antenna according to the present invention.

도 8은 본 발명을 이차원 배열 안테나로 확장한 것을 보여주는 도면.8 shows an extension of the present invention to a two dimensional array antenna;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

A : 제1 마이크로스트립 기판 B : 제2 마이크로스트립 기판A: first microstrip substrate B: second microstrip substrate

11, 21, 31, 41, 51, 61 : 방사소자11, 21, 31, 41, 51, 61: radiating element

12, 32, 42, 52, 62 : 마이크로스트립 선로12, 32, 42, 52, 62: microstrip lines

13, 53, 63, 83 : 비아홀 14, 54, 64, 84 : 비아홀 급전부13, 53, 63, 83: Via hole 14, 54, 64, 84: Via hole feeder

22 : 유전체 23 : 접지면22: dielectric 23: ground plane

24 : 급전부 25 : 프루프24: feeding part 25: proof

26 : 릴리프홀 33 : 슬롯26: relief hole 33: slot

34 : 슬롯 결합 급전선 81 : 마이크로스트립 안테나34 slotted feeder 81 microstrip antenna

82 : 마이크로스트립선로 급전부82: microstrip line feeder

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 이중 편파 마이크로스트립 안테나는, 방사소자와 제1 급전부를 탑재하는 제1 마이크로스트립 기판; 마이크로스트립선로로 구성된 제2 급전부를 탑재하는 제2 마이크로스트립 기판; 상기 제1 마이크로스트립 기판상의 방사소자와 상기 제2 마이크로스트립 기판상의 제2 급전부를 결합시키는 수단을 포함하며, 상기 제1 마이크로스트립 기판을 상부에 위치시키고 상기 제2 마이크로스트립 기판을 그 하부에 위치시켜 접합시킨 것을 특징으로 한다.A dual polarized microstrip antenna of the present invention for achieving the above object, the first microstrip substrate for mounting the radiating element and the first feeder; A second microstrip substrate for mounting a second feed section formed of a microstrip line; Means for coupling a radiating element on said first microstrip substrate with a second feeder on said second microstrip substrate, said first microstrip substrate being positioned thereon and said second microstrip substrate beneath it. It is characterized in that the position and joining.

그리고, 상기 구성에서 상기 방사소자와 상기 제2 급전부를 결합시키는 수단은, 상기 제1 급전부와 서로 수직구조로 이루어짐을 특징으로 한다.In addition, the means for coupling the radiating element and the second feeder in the configuration is characterized in that the first feeder and the vertical structure with each other.

또한 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 설계방법은, 안테나의 폭과 길이를 반파장값으로 초기화시키는 제1단계; 전송선로 모델을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스를 계산하고, 공진주파수에서 안테나의 입력임피던스를 계산하면서 입력임피던스의 허수부가 '0'이 되도록 안테나의 길이와 폭을 변화시키는 제2단계; 상기 제2단계를 통해 얻어진 안테나의 폭과 길이를 출력하는 제3단계; 및 비아홀 급전점을 찾기 위해 패치의 가장자리부터 시작 급전점(xf)을 조금씩 변화시키면서, 비아홀의 특성임피던스와 동일한 입력임피던스를 가지게 하는 급전점(xf)을 구하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a method of designing a dual polarized microstrip antenna according to the present invention for achieving the above objects, the first step of initializing the width and length of the antenna to a half-wavelength value; A second step of calculating the input impedance of the microstrip antenna using the transmission line model and changing the length and width of the antenna such that the imaginary part of the input impedance becomes '0' while calculating the input impedance of the antenna at the resonance frequency; A third step of outputting a width and a length of the antenna obtained through the second step; And a fourth step of obtaining a feed point (xf) having an input impedance equal to the characteristic impedance of the via hole while gradually changing the starting feed point (xf) from the edge of the patch to find the via hole feed point. .

또한, 마이크로 프로세서를 구비한 이중 편파 마이크로스트립 안테나 설계시스템에, 안테나의 폭과 길이를 반파장값으로 초기화시키는 제1기능; 전송선로 모델을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스를 계산하고, 공진주파수에서 안테나의 입력임피던스를 계산하면서 입력임피던스의 허수부가 '0'이 되도록 안테나의 길이와 폭을 변화시키는 제2기능; 상기 제2기능을 통해 얻어진 안테나의 폭과 길이를 출력하는 제3기능; 및 비아홀 급전점을 찾기 위해 패치의 가장자리부터 시작 급전점(xf)을 조금씩 변화시키면서, 비아홀의 특성임피던스와 동일한 입력임피던스를 가지게 하는 급전점(xf)을 구하는 제4기능을 실현시키기 위한 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함을 특징으로 한다.A dual polarized microstrip antenna design system having a microprocessor, the system comprising: a first function of initializing a width and a length of an antenna to a half wavelength value; A second function of calculating an input impedance of the microstrip antenna using a transmission line model and changing the length and width of the antenna such that the imaginary part of the input impedance becomes '0' while calculating the input impedance of the antenna at the resonance frequency; A third function of outputting a width and a length of the antenna obtained through the second function; And a program for realizing a fourth function of finding a feed point (xf) having an input impedance equal to the characteristic impedance of the via hole while gradually changing the starting feed point (xf) from the edge of the patch to find the via hole feed point. It provides a computer-readable recording medium.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면에서 종래기술과 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 도면 부호를 인용하였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do. In the drawings, the same reference numerals are used for the same components as in the prior art.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 상기 도 1에서의 비아홀과 마이크로스트립선로를 혼합한 급전방식을 설명하는 도면이다. 도면에서, A는 제1 마이크로스트립 기판, B는 제2 마이크로스트립 기판을 나타내고, 11 및 21은 방사소자, 12는 마이크로스트립선로 급전선, 13은 비아홀, 14는 비아홀 급전부, 22는 유전체, 23은 접지면, 24는 급전부, 25는 프루프, 26은 릴리프홀을 각각 나타낸다.FIG. 1 is a view showing the structure of a dual polarized microstrip antenna according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a feeding method in which a via hole and a microstrip line in FIG. 1 are mixed. . In the figure, A represents a first microstrip substrate, B represents a second microstrip substrate, 11 and 21 are radiating elements, 12 are microstrip line feed lines, 13 are via holes, 14 are via hole feeds, 22 is dielectric, 23 Silver ground plane, 24 is a power supply part, 25 is a proof, 26 is a relief hole, respectively.

상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 구성은, 방사소자(11)와 마이크로스트립선로(12) 급전부를 탑재하는 제1 마이크로스트립 기판(A)과, 마이크로스트립선로로 구성된 비아홀 급전부(14)를 탑재하는 제2 마이크로스트립 기판(B)과, 상기 제1 마이크로스트립 기판의 방사소자(11)와 상기 제2 마이크로스트립 기판의 비아홀 급전부(14)를 결합시키는 비아홀(13)을 구비하여, 상기 마이크로스트립 선로를 통한 급전과 상기 비아홀 및 그 급전부를 통한 이중급전구조를 갖는다. 특히, 상기 구성에서 마이크로스트립선로(12)와 비아홀(13)은 서로 수직 구조로 이루어짐을 특징으로 한다.The configuration of the dual polarized microstrip antenna according to the first embodiment of the present invention includes a first microstrip substrate A on which the radiating element 11 and the microstrip line 12 feeder are mounted, and a microstrip line. The second microstrip substrate B on which the configured via hole feed part 14 is mounted, and the via hole for coupling the radiating element 11 of the first microstrip substrate to the via hole feed part 14 of the second microstrip substrate. And a double feeding structure through the feed through the microstrip line and the via hole and its feed portion. In particular, in the above configuration, the microstrip line 12 and the via hole 13 are characterized in that they have a vertical structure.

즉, 상기 제1 실시예에 따른 본 발명의 이중 편파 마이크로스트립 안테나는, 이차원(평면적) 배열 안테나로 확장이 가능하도록 하기 위해, 두 개의 마이크로스트립 기판을 이용하되, 상부에 위치하는 제1 마이크로스트립 기판에는 방사체와 마이크로스트립선로 급전부가 위치시키고, 그 하부에 위치되는 제2 마이크로스트립 기판에는 마이크로스트립선로로 형성되는 비아홀 급전부를 위치시키며 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 비아홀을 이용하여 상기 제1 마이크로스트립 기판상의 방사체와 상기 제2 마이크로스트립 기판상의 비아홀 급전부를 결합시키는 구조를 가지고 있다. 따라서, 위와 같은 구조를 평면적으로 확장하면 편파 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 소형경량의 2차원 배열 안테나가 된다. 그리고 상기 구성에서 비아홀은, 탐침소자로서의 프루브(25)와, 릴리프홀(26)로 이루어짐을 도 2a 및 도 2B를 통해 잘 알 수 있다.That is, the dual polarized microstrip antenna of the present invention according to the first embodiment uses two microstrip substrates in order to be expandable to a two-dimensional (planar) array antenna, but has a first microstrip positioned on the top. The radiator and the microstrip line feeder are positioned in the substrate, and the second microstrip substrate positioned below the via is located in the via hole feeder formed of the microstrip line. The via holes are used as shown in FIGS. 2A and 2B. And a structure for joining the radiator on the first microstrip substrate and the via hole feed section on the second microstrip substrate. Therefore, if the above structure is expanded in plan, it becomes a small and lightweight two-dimensional array antenna that can obtain polarization diversity gain. In the above configuration, the via hole includes a probe 25 and a relief hole 26 as the probe element, as shown in FIGS. 2A and 2B.

도 1에 도시된 바와 같이, 방사체의 폭과 길이는 동일하게 공진주파수(fr)의 약 반파장길이(λg/2)를 가지며, 마이크로스트립선로와 비아홀(via hole)을 혼합이용한 급전선에 의해 구동된다.As shown in FIG. 1, the width and length of the radiator have the same half-wave length (λg / 2) of the resonant frequency fr and are driven by a feed line using a mixture of a microstrip line and a via hole. do.

먼저 x축상에 놓여 있는 마이크로스트립선로만으로 급전시 비아홀의 영향이 크지 않으므로 본 안테나는 도 4처럼 등가화 시킬 수 있으며, 이때 안테나는 공진주파수(fr)에서 동작하게 된다. 한편 사각형태의 마이크로스트립(microstrip) 패치 안테나의 편파는 급전방향과 동일하므로 x축으로 향한 선형편파가 된다.First, since the influence of the via hole is not large when feeding only the microstrip line lying on the x-axis, the antenna can be equalized as shown in FIG. 4, and the antenna operates at the resonance frequency fr. On the other hand, since the polarization of the rectangular microstrip patch antenna is the same as the feeding direction, it becomes a linear polarization toward the x-axis.

다음으로 도 1에서 비아홀 급전부만으로 구동시 x축상에 놓여 있는 마이크로스트립 선로의 영향이 크지 않으므로, 도 5처럼 등가화시킬 수 있으며, 이때 안테나는 앞과 동일한 공진 주파수(fr)에서 동작하게 되며, 비아홀 급전부가 y축과 평행한 구조를 이루고 있으므로, y축으로 향한 선형편파가 된다.Next, since the influence of the microstrip line lying on the x-axis is not large when driving only the via hole feed part in FIG. 1, the antenna can be equalized as shown in FIG. 5, and the antenna operates at the same resonant frequency fr as described above. Since the via hole feed portion has a structure parallel to the y axis, it becomes a linear polarization toward the y axis.

따라서 이 안테나를 x축 방향과 y축 방향에서 동시에 급전하게 되면, 두 급전부는 모두 공진주파수(fr)에서 동작하고, 편파의 경우 도 6처럼 x축으로 향한 선형편파와 y축으로 향한 두 개 선형편파를 동시에 얻을 수 있는 이중편파 안테나로 동작하게 된다.Therefore, when this antenna is fed simultaneously in the x-axis and y-axis directions, both feed units operate at the resonant frequency fr, and in the case of polarization, linearly polarized toward the x-axis and two linearly directed to the y-axis as shown in FIG. It operates as a dual polarized antenna that can simultaneously obtain polarization.

한편 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 구조를 도시하고 있다.3 illustrates the structure of a dual polarized microstrip antenna according to a second embodiment of the present invention.

상기 제2 실시예에 따른 본 발명의 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 구성은, 방사소자(31)와 마이크로스트립선(32)로 급전부를 탑재하는 제1 마이크로스트립 기판(A)과, 상기 마이크로스트립선로(32)와 수직구조로 형성되는 슬롯(33)과, 상기 슬롯 결합 급전선(34)을 탑재하는 제2 마이크로스트립 기판(B)을 구비하며, 상기 마이크로스트립 선로를 통한 급전과 상기 슬롯 결합 급전선(34)을 통한 이중급전구조를 갖는다.The configuration of the dual polarized microstrip antenna of the present invention according to the second embodiment includes a first microstrip substrate A on which a feeder is mounted by the radiating element 31 and the microstrip line 32, and the microstrip. A slot 33 formed vertically with the line 32, and a second microstrip substrate B on which the slot-coupled feed line 34 is mounted, the feed through the microstrip line and the slot-coupled feed line It has a double feed structure through (34).

즉, 상기 제2 실시예에 따른 본 발명의 이중 편파 마이크로스트립 안테나는, 이차원(평면적) 배열 안테나로 확장이 가능하도록 하기 위해, 두 개의 마이크로스트립 기판을 이용하되, 상부에 위치하는 제1 마이크로스트립 기판에는 방사체와 마이크로스트립선로 급전부가 위치시키고, 그 하부에 위치되는 제2 마이크로스트립 기판에는 마이크로스트립선로로 형성되는 슬롯 결합 급전부를 위치시키며 제1 실시예의 경우와 마찬가지로 슬롯을 이용하여 상기 제1 마이크로스트립 기판상의 방사체와 상기 제2 마이크로스트립 기판상의 슬롯 결합 급전부를 결합시키는 구조를 가지고 있다. 따라서, 위와 같은 구조를 평면적으로 확장하면 편파 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 소형경량의 2차원 배열 안테나가 된다.That is, the dual polarized microstrip antenna of the present invention according to the second embodiment uses two microstrip substrates so as to be expandable to a two-dimensional (planar) array antenna, and has a first microstrip positioned on the top. The radiator and the microstrip line feeder are positioned on the substrate, and the second microstrip substrate located below the slot is coupled to the slot-coupled feed portion formed by the microstrip line. As in the case of the first embodiment, the slot is used as the first embodiment. And a structure for joining the radiator on the microstrip substrate and the slot-coupled feed section on the second microstrip substrate. Therefore, if the above structure is expanded in plan, it becomes a small and lightweight two-dimensional array antenna that can obtain polarization diversity gain.

이제 본 발명에 의한 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 설계방법에 대해 살펴보기로 한다.Now, a design method of a dual polarized microstrip antenna according to the present invention will be described.

도 7은 본 발명의 방사체(방사소자)의 크기를 구하는 설계순서를 나타내는 순서도이다.7 is a flowchart showing a design procedure for obtaining the size of the radiator (radiating element) of the present invention.

도면에 도시된 바와 같이, 안테나의 폭(W)과 길이(L)를 반파장으로 초기화(initialize)시키고, 주파수, 손실 탄젠트(loss tangent), 유전율, 금속두께, 유전체 높이를 각각 입력받는다(710).As shown in the figure, the width (W) and the length (L) of the antenna is initialized to half wavelength, and the frequency, loss tangent, permittivity, metal thickness, and dielectric height are respectively input (710). ).

그리고 나서, 처음 루프(loop)에서 마이크로스트립 선로 급전부에 대한 입력값을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스(impedance)를 계산한 후, 허수부가 음수일 경우 L값 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 L값 감소시켜, 허수부가 '0'이 되는 안테나 길이 'L'을 구하고(721), 다음 루프에서는 비아홀과 마이크로스트립선로 혼합한 급전부에 대한 입력값을 이용하여 'L'값을 폭으로 하고 W(반파장 값)를 길이로하여 윗 순서와 같은 과정을 통해, 즉 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 음수일 경우 W값 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 W값 감소시켜 허수부가 '0'이 되는 마이크로스트립 안테나의 길이 W'를 구하게 된다(723). 다시 이를 마지막 루프(725)에서상기 마이크로스트립선로 급전부 폭을 W'로 하고 L'을 길이로 대입하여 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 '0'이 되면 루프를 빠져 나와 결과값을 얻게 되고, '0'이 아니면 상기 처음 루프(721)에서부터 다시 시작하여 조건을 만족할 때까지 반복 수행하게 되어(720), 결과적으로 얻어진 안테나의 폭과 길이는 공진 주파수가 같으므로 동일 값을 얻게 된다(730). 다음으로 비아홀 급전점을 찾기 위해, 패치의 가장자리부터 시작 급전점(xf)을 조금씩 변화시켜, 비아홀의 특성임피던스와 동일한 입력임피던스를 가지게 하는 급전점(xf)을 구하게 된다(740).Then, in the first loop, the input impedance of the microstrip antenna is calculated using the input values for the microstrip line feeder, and then the L value is increased if the imaginary part is negative, and L if the imaginary part is positive. Decreases the value, and obtains the antenna length 'L' whose imaginary part becomes '0' (721). In the next loop, the 'L' value is made wide by using the input value for the feed part mixed with the via hole and the microstrip line. (Semi-wavelength value) is the length of the microstrip by increasing the W value if the imaginary part of the antenna's input impedance is negative, and decreasing the W value if the imaginary part is positive. The length W 'of the antenna is obtained (723). In the final loop 725, the width of the feed part of the microstrip line is W 'and the length of L' is substituted, so that when the imaginary part of the antenna's input impedance becomes '0', it exits the loop and obtains a result value. If it is not 0 ', the process starts repeatedly from the first loop 721 until it satisfies the condition (720). As a result, the width and length of the resultant antenna have the same resonant frequency, thereby obtaining the same value (730). Next, in order to find the via hole feed point, the feed point xf is gradually changed from the edge of the patch to obtain a feed point xf having the same input impedance as that of the via hole (740).

상기한 바와 같은 본 발명의 알고리즘은, 기존의 파라볼릭 안테나를 대신할 수 있는 위성통신 송수신 겸용 이중 급전구조의 이중 편파 이중 공진 마이크로스트립 안테나를 설계하는 데 이용할 수 있다. 즉, 먼저 마이크로스트립 안테나의 폭과 길이를 각각 14.25 GHz(마이크로스트립 급전부)와 12.50 GHz(비아홀과 마이크로스트립선로 혼합한 급전부)의 반파장 값으로 초기화시킨 후, 처음 루프문(마이크로스트립선로 급전부)에서 이 값을 이용하여 공진 주파수가 14.25 GHz일 때의 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스를 계산한 후 허수부가 음수일 경우 L값 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 L값 감소시켜 허수부가 '0'이 되는 안테나 길이 'L'을 구하고, 다음 루프에서는(비아홀과 마이크로스트립 선로 혼합한 급전부) L'값을 폭으로 하고 W(반파장 값)를 길이로하여 윗 순서와 같은 과정을 통해, 즉 공진주파수를 12.50 GHz로 하여, 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 음수일 경우 W값 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 W값 감소시켜 허수부가 '0'가 되는 마이크로스트립 안테나의 길이 W'를 구하게 된다. 다시 이를 마지막 루프에서(마이크로스트립선로 급전부) 공진 주파수를 14.25 GHz로 하고, 폭을 W', L'을 길이로 대입하여 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 '0'이 되면 루프를 빠져 나와 결과값을 얻게 되고, '0'이 아니면 처음부터 다시 시작하여 조건을 만족할 때까지 반복 수행하게 되어, 14.25 GHz와 12.50 GHz에서 동작하는 이중 공진 안테나의 크기를 구할 수 있게 된다. 또한 위성통신과 같이 송수신 편파가 서로 다르므로 송수신 겸용 안테나에 매우 적합함을 알 수 있다.As described above, the algorithm of the present invention can be used to design a dual polarized dual resonant microstrip antenna of dual feed structure for both satellite communication transmission and reception, which can replace the existing parabolic antenna. That is, first, the width and length of the microstrip antenna are initialized to half-wavelength values of 14.25 GHz (microstrip feed section) and 12.50 GHz (feed section mixed with via hole and microstrip line), and then the first loop door (microstrip line) Calculate the input impedance of the microstrip antenna when the resonant frequency is 14.25 GHz using this value in the feeder section, and increase the L value if the imaginary part is negative, and decrease the L value if the imaginary part is positive. In the next loop (feeding part mixed with via hole and microstrip line), L 'value is width and W (half-wavelength value) is the length. With a resonance frequency of 12.50 GHz, the imaginary part of the antenna's input impedance increases the W value if negative, and the imaginary part decreases the W value and the imaginary part becomes '0'. The trip antenna is rescued the length W '. Again, in the last loop (microstrip line feeder), the resonance frequency is 14.25 GHz, and the width is W 'and L' are substituted for the imaginary part of the antenna's input impedance. If it is not '0', it starts again from the beginning and repeats until the condition is satisfied, and the size of the dual resonant antenna operating at 14.25 GHz and 12.50 GHz can be obtained. In addition, since the transmission and reception polarization is different from each other, such as satellite communication, it can be seen that it is very suitable for the transmission and reception antenna.

위의 과정을 통해 얻어진 안테나의 방사소자를 50Ω의 특성 임피던스를 가지는 마이크로스트립 선로는 λg/4 변환기를 이용하여 안테나의 한 면과 정합시킨다. 비아홀과 마이크로스트립 선로를 혼합한 급전부는 마이크로스트립 안테나 상에 비아홀의 특성 임피던스와 같은 입력 임피던스를 갖는 곳에 비아홀을 위치시키고 이를 50Ω의 특성 임피던스를 갖는 마이크로스트립 선로와 도 2와 같이 서로 연결시키면 된다. 이때 비아홀을 구성하는 프루브와 릴리프홀은 다음의 [수학식1]과 같은 관계식으로부터 정해진다.A microstrip line having a characteristic impedance of 50 를 is matched to one side of the antenna by using a λg / 4 converter. The feeder that mixes the via hole and the microstrip line is located on the microstrip antenna where the via hole is located at the input impedance equal to the characteristic impedance of the via hole and connected to each other as shown in FIG. At this time, the probe and the relief hole constituting the via hole are determined from the following equation.

이하에서는 이중 급전구조의 이중 편파 안테나를 이차원 배열 안테나로 확장하는 방법에 관해 설명한다.Hereinafter, a method of extending the dual polarized antenna of the dual feed structure to the two-dimensional array antenna.

앞에서 설명된 바와 같이 마이크로스트립선로 급전부, 비아홀과 마이크로스트립선로를 혼합한 급전부가 서로 두 개의 기판위에 각각 위치되어 비아홀로 결합되어 있으므로 이를 배열로 확장하는 것은 기존의 방법과 동일하다. 즉, 먼저 마이크로스트립선로의 경우, 배열로 확장시 급전선과 반사체와의 커플링을 막기 위해 작은 크기를 갖도록 앞에서는 50Ω의 마이크로스트립 선로인 반면 배열시 100Ω의 크기를 가지는 마이크로스트립 선로를 λg/4 변환기를 이용하여 각 방사소자와 결합시켰으며, T-정합(T-junction)을 이용하여 각 방사소자에 균일한 전력이 입사되도록 하였다. 하지만 RF신호를 받기 위해 커넥터가 붙는 부분은 50Ω을 가지도록 하였다. 아래기판에 위치하는 비아홀과 마이크로스트립 선로를 혼합한 급전부는 앞에서 단일 안테나의 경우와 동일하게 50Ω 마이크로스트립선로와 특성 임피던스 50Ω을 가지는 비아홀이 직접 정합되어 있으며, 이를 다시 λg/4 변환기를 이용하여 100Ω 마이크로스트립선로와 정합시켜 마이크로스트립선로 급전부와 동일하게 T-정합을 이용하여 확장시켰다. 본 구조는 윗 기판과 아랫 기판이 서로 접합되어지므로 매우 콤팩트한 평면 구조를 가지므로 실내 벽 등에 설치가 매우 용이하다.As described above, the feed portion of the microstrip line feeder, the feed portion mixed with the via hole and the microstrip line are located on each of the two substrates and are coupled to the via holes. That is, in the case of the microstrip line, the microstrip line having a size of 50 Ω in the front while the arrangement is λg / 4 while the microstrip line is 50 앞에서 in the front so as to have a small size to prevent the coupling between the feeder and the reflector when expanding into the array. The converter was coupled to each radiating element, and T-junction was used to inject uniform power into each radiating element. However, the connector attaches 50 붙 to receive RF signal. The feed section, which is a combination of the via hole and the microstrip line located on the lower substrate, is directly matched to the via hole having the 50 Ω microstrip line and the characteristic impedance of 50 와 as in the case of the single antenna. The mating with the microstrip line was extended using T-matching as with the microstrip line feed. This structure has a very compact planar structure because the upper substrate and the lower substrate are bonded to each other, so it is very easy to install in an indoor wall.

상기한 바와 같이, 혼합한 급전방식을 이용한 소형 경량의 이중 편파 안테나의 설계 방법은 IMT-2000용 실내 기지국 및 위성통신 송수신 겸용 이중 편파 이중 공진 안테나에 효과적으로 활용될 수 있다.As described above, the design method of the compact and lightweight dual polarized antenna using the mixed feed method can be effectively used for the indoor base station for IMT-2000 and the dual polarized dual resonant antenna for satellite communication transmission and reception.

상술한 내용은 본 발명의 실시예에 관하여 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the foregoing has been described with respect to embodiments of the present invention, those skilled in the art will understand that various implementations are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

상술한 바와 같이 본 발명은, 기존의 이중 급전 방식의 문제점이었던 이차원 배열 확장 문제점을 해결하여 이차원 배열로 확장 가능한 이중 급전 구조를 제안하였으며, 제안되어진 알고리즘은 간단하게 이중 편파 안테나를 설계할 수 있을 뿐만 아니라 위성통신에서 기존의 파라볼릭 안테나를 대신할 수 있는 소형의 송수신 겸용 안테나를 대신할 수 있는 소형의 송수신 겸용 안테나를 설계할 수 있다. 또한 이러한 설계방법으로 제작되면 실내용 송수신 안테나로서 보다 작은 박형의 안테나를 용이하게 제작할 수 있는 매우 우숭한 효과가 있다.As described above, the present invention has proposed a dual feeding structure that can be extended to a two-dimensional array by solving a problem of expanding a two-dimensional array, which was a problem of the conventional double feeding method, and the proposed algorithm can simply design a dual polarized antenna. In addition, a small transmit / receive antenna that can replace a small transmit / receive antenna that can replace a conventional parabolic antenna in satellite communication can be designed. In addition, this design method has a very elegant effect that can easily produce a smaller thin antenna as a transmission antenna for indoor use.

Claims (11)

이중 편파 마이크로스트립 안테나에 있어서,In a dual polarized microstrip antenna, 방사소자와 마이크로스트립선로로 구성된 제1 급전부를 탑재하는 제1 마이크로스트립 기판;A first microstrip substrate for mounting a first feeding part composed of a radiating element and a microstrip line; 마이크로스트립선로로 구성된 제2 급전부를 탑재하는 제2 마이크로스트립 기판;A second microstrip substrate for mounting a second feed section formed of a microstrip line; 상기 제1 마이크로스트립 기판상의 방사소자와 상기 제2 마이크로스트립 기판상의 제2 급전부를 결합시키는 수단을 포함하며,Means for coupling a radiating element on said first microstrip substrate and a second feeder on said second microstrip substrate, 상기 제1 마이크로스트립 기판을 상부에 위치시키고 상기 제2 마이크로스트립 기판을 그 하부에 위치시켜 접합시킨 것을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.The dual polarization microstrip antenna of claim 1, wherein the first microstrip substrate is positioned at the top and the second microstrip substrate is positioned at the bottom. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 방사소자와 상기 제2 급전부를 결합시키는 수단은,Means for coupling the radiating element and the second feeder, 상기 제1 급전부와 서로 수직구조를 이루는 비아홀임을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.The dual polarization microstrip antenna of the dual feed structure, characterized in that the via-hole perpendicular to the first feed portion. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 결합시키는 수단은,The means for combining, 탐침소자로서의 프루브와, 상기 프루부의 릴리프홀을 포함함을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.And a probe as a probe element and a relief hole of said probe portion. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이중 급전구조가 이차원 배열 확장에 따른 커플링을 방지하기 위해 λg/4 변환기를 이용하여 상기 마이크로스트립선로와 방사소자를 정합함을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.And the dual feed structure is configured to match the microstrip line with the radiating element by using a λg / 4 converter to prevent coupling due to the expansion of the two-dimensional array. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 방사소자에 균일한 전력을 공급하기 위해 T-정합을 이루는 것을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.A dual polarization microstrip antenna having a T-match to supply uniform power to the radiating element. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 마이크로스트립 선로와 비아홀을 정합하는 경우 T-정합을 이루되 마이크로스트립 선로와 동일하게 확장됨을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.When the microstrip line and the via hole is matched, the T-match is achieved, but the dual polarization microstrip antenna of the dual feed structure, characterized in that it extends in the same way as the microstrip line. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 방사소자와 상기 제2 급전부를 결합시키는 수단은,Means for coupling the radiating element and the second feeder, 상기 제1 급전부와 서로 수직구조를 이루는 소정 형상의 슬롯임을 특징으로 하는 이중급전구조의 이중 편파 마이크로스트립 안테나.The dual polarization microstrip antenna of the dual feed structure, characterized in that the slot having a predetermined shape perpendicular to the first feed portion. 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 설계방법에 있어서,In the design method of a dual polarized microstrip antenna, 안테나의 폭과 길이를 반파장값으로 초기화시키는 제1단계;A first step of initializing the width and the length of the antenna to half wavelength values; 전송선로 모델을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스를 계산하고, 공진주파수에서 안테나의 입력임피던스를 계산하면서 입력임피던스의 허수부가 '0'이 되도록 안테나의 길이와 폭을 변화시키는 제2단계;A second step of calculating the input impedance of the microstrip antenna using the transmission line model and changing the length and width of the antenna such that the imaginary part of the input impedance becomes '0' while calculating the input impedance of the antenna at the resonance frequency; 상기 제2단계를 통해 얻어진 안테나의 폭과 길이를 출력하는 제3단계; 및A third step of outputting a width and a length of the antenna obtained through the second step; And 비아홀 급전점을 찾기 위해 패치의 가장자리부터 시작 급전점(xf)을 조금씩 변화시키면서, 비아홀의 특성임피던스와 동일한 입력임피던스를 가지게 하는 급전점(xf)을 구하는 제4단계Step 4 to find the feed point (xf) which has the same input impedance as the characteristic impedance of the via hole, while gradually changing the starting feed point (xf) from the edge of the patch to find the via hole feed point. 를 포함하는 이중 편파 마이크로스트립 안테나의 설계방법.Design method of a dual polarized microstrip antenna comprising a. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제2단계는,The second step, 마이크로스트립 선로 급전부에 대한 입력값을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스(impedance)를 계산하되, 허수부가 음수일 경우 L값을 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 L값을 감소시키면서, 반복계산하여 허수부가 '0'이 되는 안테나 길이 'L'을 구하는 제5단계;Calculate the input impedance of the microstrip antenna using the inputs to the microstrip line feeder, but increase the L value if the imaginary part is negative and reduce the L value if the imaginary part is positive, A fifth step of obtaining an antenna length 'L' which is an additional '0'; 비아홀과 마이크로스트립선로 혼합한 급전부에 대한 입력값을 이용하여 'L'값을 폭으로 하고 W(반파장 값)를 길이로하여 계산하되, 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 음수일 경우 W값 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 W값 감소시키면서, 반복계산하여 허수부가 '0'이 되는 마이크로스트립 안테나의 길이 W'를 구하는 제6단계; 및Calculate the width of 'L' and the width of W (half-wavelength) by using the input values for the feed section mixed with via hole and microstrip line, but increase the W value if the imaginary part of the antenna's input impedance is negative A sixth step of reducing the W value when the imaginary part is positive and repeating the calculation to obtain the length W 'of the microstrip antenna whose imaginary part becomes' 0'; And 상기 마이크로스트립선로 급전부 폭을 W'로 하고 L'을 길이로 대입하여 계산하되, 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 '0'이 될 때까지 상기 제5단계부터 반복 수행하는 제7단계Calculating the width of the feed section of the microstrip line by W 'and substituting L' for the length, and repeating operation from the fifth step until the imaginary part of the input impedance of the antenna becomes '0'. 를 포함하는 이중 편파 마이크로스트립 안테나 설계방법.Dual polarized microstrip antenna design method comprising a. 마이크로 프로세서를 구비한 이중 편파 마이크로스트립 안테나 설계시스템에,In a dual polarized microstrip antenna design system with a microprocessor, 안테나의 폭과 길이를 반파장값으로 초기화시키는 제1기능;A first function of initializing a width and a length of the antenna to half wavelength values; 전송선로 모델을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스를 계산하고, 공진주파수에서 안테나의 입력임피던스를 계산하면서 입력임피던스의 허수부가 '0'이 되도록 안테나의 길이와 폭을 변화시키는 제2기능;A second function of calculating an input impedance of the microstrip antenna using a transmission line model and changing the length and width of the antenna such that the imaginary part of the input impedance becomes '0' while calculating the input impedance of the antenna at the resonance frequency; 상기 제2기능을 통해 얻어진 안테나의 폭과 길이를 출력하는 제3기능; 및A third function of outputting a width and a length of the antenna obtained through the second function; And 비아홀 급전점을 찾기 위해 패치의 가장자리부터 시작 급전점(xf)을 조금씩 변화시키면서, 비아홀의 특성임피던스와 동일한 입력임피던스를 가지게 하는 급전점(xf)을 구하는 제4기능A fourth function of finding a feed point (xf) having the same input impedance as the characteristic impedance of the via hole, while gradually changing the starting feed point (xf) from the edge of the patch to find the via hole feed point; 을 실현시키기 위한 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium containing a program for realizing the problem. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 제2기능은,The second function, 마이크로스트립 선로 급전부에 대한 입력값을 이용하여 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스(impedance)를 계산하되, 허수부가 음수일 경우 L값을 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 L값을 감소시키면서, 반복계산하여 허수부가 '0'이 되는 안테나 길이 'L'을 구하는 제5기능;Calculate the input impedance of the microstrip antenna using the inputs to the microstrip line feeder, but increase the L value if the imaginary part is negative and reduce the L value if the imaginary part is positive, A fifth function of obtaining an antenna length 'L' which becomes an additional '0'; 비아홀과 마이크로스트립선로 혼합한 급전부에 대한 입력값을 이용하여 'L'값을 폭으로 하고 W(반파장 값)를 길이로하여 계산하되, 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 음수일 경우 W값 증가시키고, 허수부가 양수일 경우 W값 감소시키면서, 반복계산하여 허수부가 '0'이 되는 마이크로스트립 안테나의 길이 W'를 구하는 제6기능; 및Calculate the width of 'L' and the width of W (half-wavelength) by using the input values for the feed section mixed with via hole and microstrip line, but increase the W value if the imaginary part of the antenna's input impedance is negative A sixth function of reducing the W value when the imaginary part is positive and repeating the calculation to obtain the length W 'of the microstrip antenna whose imaginary part becomes' 0'; And 상기 마이크로스트립선로 급전부 폭을 W'로 하고 L'을 길이로 대입하여 계산하되, 안테나의 입력 임피던스의 허수부가 '0'이 될 때까지 상기 제5단계부터 반복 수행하는 제7기능The seventh function of calculating the width by feeding the width of the feed portion of the microstrip line to W 'and substituting L' for the length, repeating from the fifth step until the imaginary part of the input impedance of the antenna becomes '0'. 을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.Computer-readable recording medium containing a program, characterized in that it comprises a.
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