KR100297561B1

KR100297561B1 - Microstrip array antenna using waveguide feeding

Info

Publication number: KR100297561B1
Application number: KR1019970006067A
Authority: KR
Inventors: 김홍석
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2001-10-24
Also published as: KR19980069149A

Abstract

PURPOSE: A microstrip array antenna using a waveguide feeding is provided to improve the gain and directivity of an antenna by forming a slot on a central surface of a ground layer of a microstrip patch antenna and using a waveguide as a lower substrate. CONSTITUTION: A lower substrate(13') is made of a waveguide to implement a feeding circuit. A patch antenna(10) is formed on an upper substrate(13). A first ground layer(11) is formed between the upper and lower substrates(13,13') and is provided with a slot(12) for transferring energy to the patch antenna(10). A second ground layer(11) is formed on an under portion of the lower substrate(13') and isolates a radio wave radiating to the back direction from the patch antenna(10).

Description

Microstrip Array Antenna Using Waveguide Feeding

본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나의 접지층의 중앙 표면에 슬롯(slot)을 형성하고 하부 기판으로 도파관(waveguide)을 사용함으로써 피딩회로를 간단하게 구현할 수 있으며 안테나의 이득과 지향성을 향상시킬 수 있도록 한 도파관 피딩(feeding)을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것이다.The present invention can simplify the feeding circuit by forming a slot in the center surface of the ground layer of the microstrip patch antenna and using a waveguide as the lower substrate, and improve the gain and directivity of the antenna. A microstrip array antenna using waveguide feeding.

일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나를 배열하여 구성한 마이크로스트립 배열 안테나는 위상 배열 안테나로서, 마이크로 웨이브 또는 밀리미터파 대역에서 현재 많이 사용되는 파라볼릭 안테나 대신 글로벌 스타(Globalstar)와 이리듐(IRIDIUM)과 같은 위성에서 이용되고 있다.In general, a microstrip array antenna composed of an array of microstrip patch antennas is a phased array antenna, and is used in satellites such as Globalstar and Iridium instead of the parabolic antennas currently used in the microwave or millimeter wave band. It is becoming.

또한, 일본과 미국에서는 주택과 차량에 설치하여 DBS용 수신 안테나에 이용하고 있으며, 우리 나라에서도 DBS용 수신 안테나를 개발하고 있는 중이다.In addition, in Japan and the United States, it is installed in a house and a vehicle for use in a DBS receiving antenna, and in Korea, a DBS receiving antenna is being developed.

이러한 마이크로스트립 배열 안테나는 도 2에 도시된 바와 같이 슬롯 결합을 통해 다수의 마이크로스트립 패치 안테나(6)를 배열하여 구성한 것으로, 상기 마이크로스트립 패치 안테나는 도 1의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 두 개의 기판(5)을 매개로 하여 마이크로스트립 패치 안테나(patch antenna)(1)와, 중앙에 슬롯(3)이 형성되어 패치 안테나(1)와 마이크로스트립라인의 공통 접지로 사용되는 접지층(ground)(2)과, 마이크로스트립라인으로 구성된 피드라인(4)으로 이루어진다.The microstrip array antenna is configured by arranging a plurality of microstrip patch antennas 6 through slot coupling as shown in FIG. 2, and the microstrip patch antennas are shown in FIGS. 1A and 1B. As shown, a microstrip patch antenna 1 and a slot 3 are formed at the center of the two substrates 5 to be used as a common ground for the patch antenna 1 and the microstrip line. It consists of a ground layer 2 and a feed line 4 composed of microstrip lines.

상기와 같은 구조를 갖는 마이크로스트립 배열 안테나는 피드라인(4)에서 형성된 전계 또는 자계가 접지층(2)의 슬롯(3)을 통하여 패치 안테나(1)에 결합됨에 따라 패치 안테나(1)에서 방사되는 에너지가 슬롯(3)을 통해 뒤방향으로도 방사되게 된다.The microstrip array antenna having the above structure radiates from the patch antenna 1 as the electric field or the magnetic field formed in the feedline 4 is coupled to the patch antenna 1 through the slot 3 of the ground layer 2. The energy to be emitted is also radiated backward through the slot 3.

그러나, 상기 슬롯 결합을 이용한 종래의 마이크로스트립 배열 안테나는 뒤방향으로 방사되는 방사파(Back lobe)가 매우 커 안테나의 이득과 지향성이 감소되고, 상기 패치 안테나의 수가 많아지면 질수록 피딩회로가 복잡해지며, 또한 피딩회로의 외부가 공기이고 마이크로스트립 라인인 피딩라인(4)으로 인하여 하우징(housing) 형성시 그 형태의 제작 과정이 복잡할 뿐만 아니라 크기도 커지게 되는 문제점이 있었다.However, in the conventional microstrip array antenna using the slot coupling, the gain and directivity of the antenna are large due to the large back lobe radiating backwards, and the feeding circuit becomes more complicated as the number of patch antennas increases. In addition, due to the feeding line 4, which is air and the microstrip line, the outside of the feeding circuit has a problem that the manufacturing process of the shape is not only complicated but also large in size when the housing is formed.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 마이크로스트립 패치 안테나의 피딩라인을 접지층으로 구성하고 하부 기판으로 도파관으로 사용함으로써 안테나 뒤방향으로의 방사파를 차단할 수 있고 피딩회로를 간단하게 구현할 수 있으며 안테나의 이득과 지향성을 향상시킬 수 있도록 한 도파관 피딩을 이용한 마이크로스트립 배열 안테나를 제공하는 데에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to configure the feeding line of the microstrip patch antenna as a ground layer and to use the waveguide as the lower substrate to block the radiation wave in the rear direction of the antenna and feeding The present invention provides a microstrip array antenna using waveguide feeding to simplify the circuit implementation and improve the antenna gain and directivity.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나는, 접지층으로 이루어진 피딩라인과 도파관을 사용한 하부 기판을 통해 피딩회로의 구조와 하우징의 형태를 간단하게 구현하고, 안테나 뒤방향으로의 방사파를 차단하며, 이에 따라 안테나의 이득과 지향성을 향상시킬 수 있도록 함을 특징으로 한다.Microstrip array antenna of the present invention for achieving this purpose, the structure of the feeding circuit and the shape of the housing through the lower substrate using a feeding line and a waveguide made of a grounding layer, the radiation wave toward the rear of the antenna It cuts off, thereby improving the gain and directivity of the antenna.

도 1의 (a)는 종래의 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도이고, (b)는 측면도.Figure 1 (a) is a plan view of a conventional microstrip patch antenna, (b) is a side view.

도 2는 종래의 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도.2 is a block diagram of a conventional microstrip array antenna.

도 3의 (a)는 본 발명에 의한 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도이고, (b)는 측면도.Figure 3 (a) is a plan view of a microstrip patch antenna according to the present invention, (b) is a side view.

도 4는 본 발명에 의한 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도.4 is a configuration diagram of a microstrip array antenna according to the present invention.

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

10 : 패치 안테나 11 : 제1 접지층10 patch antenna 11: first ground layer

11' : 제2 접지층 12 : 슬롯11 ': second ground layer 12: slot

13 : 상부 기판 13' : 하부 기판13: upper substrate 13 ': lower substrate

도 3의 (a)와 (b)는 본 발명에 의한 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도 및 측면도로서, (b)의 측면도에 도시된 바와 같이 상부 기판(13), 도파관으로 이루어져 피딩회로를 구현하는 하부 기판(13'), 상기 상부 기판(13) 위에 형성된 마이크로스트립 패치 안테나(10), 상기 상부 기판(13)과 하부 기판(13') 사이에 구성되고 그 중앙에는 상기 패치 안테나(10)에 동일한 크기와 위상을 갖는 에너지를 전달하는 슬롯(12)이 형성된 제1 접지층(11)과, 상기 하부 기판(13') 아래에 구성되어 상기 패치 안테나(10)에서 뒤방향으로 방사되는 방사파를 차단하는 제2 접지층(11')으로 구성된다.3 (a) and 3 (b) are a plan view and a side view of a microstrip patch antenna according to the present invention. As shown in the side view of (b), the upper substrate 13 and the lower part of the waveguide implement a feeding circuit. A substrate 13 ′, a microstrip patch antenna 10 formed on the upper substrate 13, between the upper substrate 13 and the lower substrate 13 ′, the center of which is identical to the patch antenna 10. A first ground layer 11 having a slot 12 for transmitting energy having a magnitude and a phase, and a radiation wave which is disposed under the lower substrate 13 ′ and radiates backward from the patch antenna 10. It is composed of a second ground layer 11 'blocking.

그리고 도 4는 상기 도 3의 마이크로스트립 패치 안테나를 배열하여 구성한 마이크로스트립 배열 안테나로서, 도파관을 사용한 하부 기판(13')에 의해 피딩회로를 간단하게 구현할 수 있게 된다.4 is a microstrip array antenna formed by arranging the microstrip patch antennas of FIG. 3, and the feeding circuit can be easily implemented by the lower substrate 13 ′ using the waveguide.

상기와 같은 구조의 마이크로스트립 패치 안테나는 제1 접지층(11)의 슬롯(12)을 통하여 패치 안테나(10)에 전계 또는 자계를 결합시킴으로써 패치 안테나(10)를 통하여 방사파가 방사된다.In the microstrip patch antenna having the above structure, radiation waves are radiated through the patch antenna 10 by coupling an electric field or a magnetic field to the patch antenna 10 through the slot 12 of the first ground layer 11.

이때, 공진 주파수에서 최대 방사 에너지를 얻기 위해서는 임피던스 정합을 시켜야 하며, 제1 접지층(11)과 제2 접지층(11') 사이의 하부 기판(13')의 두께와 유전율을 변경함으로써 도파관의 관내 파장을 변경하도록 해야 한다.In this case, in order to obtain the maximum radiant energy at the resonance frequency, impedance matching must be performed, and by changing the thickness and dielectric constant of the lower substrate 13 'between the first ground layer 11 and the second ground layer 11', The wavelength in the tube should be changed.

그리고 슬롯(12)의 위치는 슬롯(12)을 통하여 각각의 패치 안테나(10)에 동일한 크기와 위상을 갖는 에너지를 공급하는 위치이어야 하고, 슬롯(12)간의 거리는 도파관의 관내 파장만큼 떨어져 있어야 한다.In addition, the position of the slot 12 should be a position for supplying energy having the same magnitude and phase to each patch antenna 10 through the slot 12, and the distance between the slots 12 should be separated by the wavelength inside the pipe of the waveguide. .

또한, 패치 안테나(10) 사이의 간격은 일반적으로 공기중 파장의 0.5에서 0.9 파장 사이에서 이용한다.In addition, the spacing between patch antennas 10 is generally used between 0.5 and 0.9 wavelengths of airborne wavelengths.

본 발명에서는 상기 제1 접지층(11)과 제2 접지층(11') 사이의 하부 기판(13')을 평행판 도파관으로 사용하게 되는데, 이때 도파관의 유도 모드(guide mode)는 TE 모드와 TM 모드가 있으며 TM₁모드로 동작시킬 경우에 도파관의 차단 주파수(cutoff frequency)는

이므로 하부 기판(13')의 두께가 두꺼워지면 상기 차단 주파수가 높아지고, 차단 주파수 보다 높은 주파수만이 도파관을 통해 진행함에 따라 안테나 설계시 기판의 두께를 고려하여 설계해야 한다.In the present invention, the lower substrate 13 'between the first ground layer 11 and the second ground layer 11' is used as a parallel plate waveguide, wherein the guide mode of the waveguide is In the TM mode and when operating in TM ₁ mode, the cutoff frequency of the waveguide

Therefore, when the thickness of the lower substrate 13 ′ becomes thick, the cutoff frequency is increased, and only a frequency higher than the cutoff frequency passes through the waveguide, so the antenna should be designed in consideration of the thickness of the substrate.

그리고, 도파관내의 진행 방향의 전파상수는

로, 전파 상수 β는 하부 기판(13')의 유전율에 비례하기 때문에 기판의 유전율을 적절히 선택하여 전파상수를 조절할 수 있고, 관내 파장은 전파상수에 반비례하므로 유전율을 조절하여 슬롯상의 간격을 조절할 수 있다.And the propagation constant in the traveling direction in the waveguide

Since the propagation constant β is proportional to the dielectric constant of the lower substrate 13 ′, the propagation constant can be adjusted by appropriately selecting the dielectric constant of the substrate, and the wavelength in the tube is inversely proportional to the propagation constant. have.

여기서 d는 하부 기판(13')의 두께이고,

, ω는 각주파수, μ는 투자율, ε는 유전율이다.Where d is the thickness of the lower substrate 13 ',

where ω is the angular frequency, μ is the permeability, and ε is the permittivity.

이상, 상기 설명에서와 같이 본 발명은 종래의 마이크로스트립 배열 안테나의 하부 기판으로 도파관을 사용하여 피딩회로를 구현함에 따라 방사파를 차단할 수 있으며 안테나의 지향성과 이득을 향상시킬 수 있음은 물론 피딩회로와 하우징을 간단하게 구현할 수 있게 되는 효과가 있다.As described above, the present invention can block the radiation wave by implementing the feeding circuit using the waveguide as the lower substrate of the conventional microstrip array antenna, and can improve the directivity and gain of the antenna as well as the feeding circuit. There is an effect that can be implemented simply and the housing.

Claims

In the microstrip array antenna using the slot coupling of the microstrip patch antenna,

An upper substrate 13, a lower substrate 13 'consisting of a waveguide to implement a feeding circuit, a patch antenna 10 formed on the upper substrate 13, the upper substrate 13 and the lower substrate 13' ) And a first ground layer (11) having a slot (12) formed at the center thereof, and having a slot (12) for transmitting energy having the same magnitude and phase to the patch antenna (10), and below the lower substrate (13 '). And a plurality of microstrip patch antennas arranged in a second ground layer (11 ') to block radiation waves radiated backward from the patch antenna (10).