KR100320713B1 - 광대역 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 패치 안테나(Broadband Patch Antenna)에 관한 것으로, 특히 U형태의 슬롯(Slot)을 가진 패치에 n 형태의 슬롯을 부가하여 광대역인 동시에 빔경사(Beam Tilting)를 보상하도록 한 광대역 패치 안테나에 관한 것이다.

본 발명은 접지판과, 피이드와, 컨넥터와, 하부 유전체층과, 상부 유전체층과, 레이돔을 구비하는 광대역 패치 안테나에 있어서, 상기 하부 유전체층과 상부 유전체층 사이에서 상기 피이드의 말단부에 접속하는 U-n 슬롯 패치를 포함하여 이루어진것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 U-n 슬롯 패치는 U 형태의 슬롯과 n 형태의 슬롯을 가지며, 빔 경사를 보상하여 빔 경사를 조절하거나 대칭적인 빔 패턴을 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

광대역 패치 안테나{BROADBAND PATCH ANTENNA WITH U-N SLOT}

<17> 본 발명은 광대역 패치 안테나에 관한 것으로, 특히 U 형태의 슬롯을 가진 패치에 n 형태의 슬롯을 부가하여 광대역의 특성을 가지면서 빔 경사(Beam Tilting)를 보상하도록 한 광대역 패치 안테나에 관한 것이다.

<18> 1995년 아텍 하우스(Artech House)에서 발간한 진-프란코이스 쥬철(Jean-Francois Zucher)과 프레드 이. 갈디올(Fred E. Gardiol)의 저서 '광대역 패치 안테나'와, 1997년 존 윌레브/손스(John Wilev & Sons)사에서 발간한 콘스탄틴 에이. 발란니스(Constantine A. Balanis)의 저서 '안테나 이론' 등과 같은 문헌을 참고하면, 패치 안테나(Patch Antenna)들은 저 가격이고 두께가 얇고 평평한 것과 같은 유리한 특징을 가지지만, 주파수 대역폭이 좁은 큰 결점을 가진다는 것을 알 수 있다.

<19> 기본 형태의 마이크로스트립 안테나(Microstrip Antenna)의 경우에 약 1 ∼ 2(%)의 임퍼던스 대역폭을 가진다. 그리고, 해당 임피던스 대역폭을 확장하기 위하여 방사 패치와 같은 층 또는 다른 층에 기생 패치(Parasitic Patch)들을 추가로 배치하여 사용하면, 동축 급전된 마이크로스트립 안테나의 임피던스 대역폭은 약 10 ∼20(%) 정도로 확장될 수 있다. 1997년 존 윌레브/손스(John Wilev & Sons)사에서 발간된 해 퐁 리(Hai Fong Lee)와 웨이 첸(Wei Chen)의 저서 '마이크로스트립과 프린트된 안테나들'과 같은 참고 문헌을 참고하면, 기생 패치들을 방사 패치와 다른층에 배치하는 적층 구조의 안테나인 경우에는 두께가 두꺼워지는 단점이 있으며 만약 방사 소자 패치와 같은 층에 기생 패치를 배열하고자 하는 경우에는 평면적이 넓어지는 단점이 있음을 알 수 있다.

<20> 그러므로, 단일층 단일 패치로서 광대역 특성을 얻을 수 있다면 큰 장점이 될 수 있는데, 이와 같은 종류의 안테나를 개발하기 위한 노력 중 하나가 1995년 티.휸(T. Huynh)과 케이. 에프. 리(K. F. Lee)가 영국 일렉트로닉스 레터(Electronics Letter) 지 제31권 16호에 발표한 '단일층 단일 패치 광대역 마이크로스트립 안테나'라는 연구가 있다. 해당 연구 결과에서 티. 휸과 케이. 에프. 리는 U 형태의 슬롯을 가진 직사각형 패치로서 넓은 대역폭의 특성을 가질 수 있음을 측정들을 통하여 제시하고 있다. 1996년 일렉트로닉스 레터 지 제32권 5호, 페이지 418에서 420까지에서 케이. 에프. 리, 케이. 엠. 룩(K. M. Luk), 케이. 에프. 통(K. F. Tong), 와이. 엘. 융(Y. L. Yung) 및 티. 휸은 또한 'U-슬롯 패치의 두 요소 배열의 실험적 연구'라는 논문을 통하여 두 개의 U-슬롯 패치 배열에 대한 측정 결과들을 제시하고 있다.

<21> 그러면, 종래 U 형태의 슬롯을 사용한 패치 안테나의 구성을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 접지판(11)과, 전류를 공급하기 위한 피이드(12)와, 해당접지판(11)과 피이드(12)를 결속하기 위한 컨넥터(13)와, 포움(Foam) 또는공기(Air) 등과 같은 하부 유전체층(14)과 상부 유전체층(16)과, 해당 피이드(12)를 통해 대전되는 U 슬롯 패치(15)와, 모든 구성을 보호하기 위한 레이돔(17)을 포함하여 이루어져 있다.

<22> 상술한 바와 같이 구성된 패치 안테나를 안테나 시뮬레이션 프로그램인 앙상블과 IE3D 소프트웨어를 사용하여 해당 전기장의 분포 또는 방사 패턴과 같은 특성을 시뮬레이션하여 볼 수 있다. 또한, 복귀 손실(Return Loss), 입력 임피던스 및 SWR(Standing Wave Radio)과 같은 특성 파라메터들은 HP8510 네트워크 분석기로 측정할 수 있으며, 방사 패턴(Radiation Pattern)의 측정들은 근접 필드 시스템으로 이루어질 수 있다. 일예로서 무선 가입자 망에 사용할 수 있는 안테나를 시뮬레이션 또는 제작하였는데, 무선 가입자 망용으로서 할당된 주파수 대역들은 아래의 표1과 같다.

<23> [표 1]

<24> 또한, 상술한 바와 같이 구성된 패치 안테나에 있어, U 형태의 슬롯을 가지는 직사각형 패치(15)는 단일층에서 단일 패치를 사용하여 광대역 또는 이중 주파수 대역용으루서의 작용을 실현하는 예이다.

<25> 티. 휸과 케이. 에프. 리가 구현한 U 형태의 슬롯을 가진 직사각형 패치 안테나의 경우, VSWR(Voltage Standing Wave Radio)의 값이 '2'인 것을 기준으로 하면 접지판(11)으로부터 패치(15) 사이의 거리에 따라 임피던스 대역폭이 약 40(%) 또는 12.4(%)의 광대역 특성을 나타냄을 알 수 있다. 해당 U 슬롯 패치 안테나로부터의 방사는 선형 편파 특성을 보이는데, E 평면은 수직 슬롯들에 평행하고 H 평면은 수평 슬롯들에 평행하다. 보통 무선 가입자 망용 안테나는 선형 편파 특성을 가져야 하는데, 이에 부합되는 특성을 보이고 있다.

<26> 도 2a와 도2b는 U 형태의 슬롯을 가지는 850(MHz) 대역에서 설계한 U 슬롯을 가진 패치 안테나에 대하여 상기 앙상블 소프트웨어로 실시한 전기장 분포의 시뮬레이션결과들을 나타낸 것이다. 여기서, 도 2a는 U 슬롯 패치 안테나의 전기장 E_X분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이며, 도 2b는 U 슬롯 패치 안테나의 전기장 E_Y분포를 시뮬레이션한 결과를 니타낸 것이다.

<27> 도 3은 U 형태의 슬롯을 가지는 1.92(GHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 상기 IE3D 소프트웨어로 시뮬레이션된 빔 패턴을 나타낸 것이다.

<28> 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 U 형태의 슬롯을 가지는 1.9(GHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 네트워크 분석기의 측정 결과들을 나타낸 것으로, U 슬롯 패치의 광대역 특성을 나타낸다. 여기서, 도 4a는 U 슬롯 패치 안테나에 대한 복귀 손실을 나타낸것이며, 도 4b는 U 슬롯 패치 안테나의 임피던스를 스미스 챠트(Smith Chart) 상에 나타낸 것이며, 도 4c는 U 슬롯 패치 안테나에 대한 VSWR 특성을 나타낸 것이다.

<29> 도 5a에서 도 5d까지는 U 형태의 슬롯을 가지는 1.9(GHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 근접 필드 시스템으로 측정된 특성들을 나타낸 것이다. 여기서, 도 5a는 U 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 3 차원 형태로, 즉 진폭(Amplitude). 앙각(Elevation) 및 방위각(Azimuth)으로 입체화한 것이며, 도 5b는 U 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 앙각에 대한 진폭으로 나타낸 것이며, 도 5c는 U 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 방위각에 대한 진폭으로 나타낸 것이며, 도 5d는 U 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 등고선 플롯(Contour Plot), 즉 등진폭선을 방위각에 대한 앙각으로 나타낸 것이다. 여기서, 도 5의 측정에 있어서 등진폭선들의 중앙부가 도면의 중앙에 오도록 조정하여 측정한 것이다.

<30> 한편, 어떤 특별한 응용에 있어 안테나의 방사 패턴이 비대칭(Non-symmetric)형태가 사용하기에 편할 수 있으나, 대부분의 경우에는 방사 패턴이 대칭 형태이기를 더 희망한다. 그러나, 상술한 바와 같은 종래의 패치 안테나는 U 슬롯이 패치에 비대칭을 주므로 방사 패턴은 비대칭 형태를 나타낸다.

<31> 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광대역 패치안테나에 있어서 U 형태의 슬롯을 가진 패치에 n 형태의 슬롯을 부가하여 빔 경사를 보상해 줌으로써, 방사되는 빔의 경사를 조절하거나 대칭적인 빔 패턴을 가지도록 하며, 또한 충분한 광대역의 임피던스 대역폭을 제공하도록 하는데, 그 목적이있다.

<1> 도 1은 종래 U 슬롯(Slot)을 가진 패치 안테나(Patch Antenna)의 구성을 나다낸 분해도.

<2> 도 2a와 도2b는 도 1에 있어 앙상블 소프트웨어(ENSEMBLE Software)로 전기장 분포에 대한 시뮬레이션(Simulation) 결과들을 나타낸 도면.

<3> 도 3은 도 1에 있어 IE3D 소프트웨어로 시뮬레이션한 빔 패턴을 나타낸 도면.

<4> 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 1에 있어 네트워크 분석기(Network Analyzer)로 측정한 특성들을 나타낸 도면.

<5> 도 5a에서 도 5d까지는 도 1에 있어 근접 필드 시스템(Near Field System)으로 측정한 특성들을 나타낸 도면.

<6> 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 패치 안테나의 구성을 나타낸 분해도.

<7> 도 7은 도 6에 있어 U-n 슬롯 패치의 일예를 나타낸 도면.

<8> 도 8a와 도8b는 도 6에 있어 앙상블 소프트웨어로 전기장 분포에 대한 시뮬레이션 결과들을 나타낸 도면.

<9> 도 9는 도 6에 있어 IE3D 소프트웨어로 시뮬레이션한 빔 패턴을 나타낸 도면.

<10> 도 10a, 도 10b 및 도 10c는 도 6에 있어 네트워크 분석기로 측정한 특성들을 나타낸 도면.

<11> 도 11a에서 도 11d까지는 도 6에 있어 근접 필드 시스템으로 측정한 특성들을 나타낸 도면.

<12> * 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

<13> 21 : 접지판(Ground Plane) 22:피이드(Feed)

<14> 23 : 컨넥터(Connector) 24:하부 유전체층

<15> 25 : U-n 슬롯 패치 26 : 상부 유전체층

<16> 27 : 레이돔(Radome)

<32> 본 발명은 종래 기술에서 비대칭적인 패턴을 보상하기 위해 패치에 부가적인 슬롯을 삽입하는데, n 형태의 슬롯을 삽입해 준다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

<33> 본 발명의 실시예에 따른 U-n 형태의 슬롯을 가지는 패치 안테나는 도 6에 도시된 바와 같이, 접지판(21)과, 피이드(22)와, 컨넥터(23)와, 하부 유전체층(24)과, U-n 슬롯 패치(25)와, 상부 유전체층(26)과, 레이돔(27)을 포함하여 이루어져 있다. 여기서, 해당 접지판(21)과, 피이드(22)와, 컨넥터(23)와, 하부 유전체층(24)과, 상부 유전체층(26)과, 레이돔(27)은 종래의 구성과 동일하므로 그 설명을 생략한다. 해당 U-n 슬롯 패치(25)는 U 형태의 슬롯에 n 형태의 슬롯을 부가하여 이루어진 패치로서 방사되는 빔의 경사를 조절하거나 대칭적인 빔 패턴을 가지도록 해 준다.

<34> 그리고, 도 7은 U-n 형태의 슬롯을 가지는 1.92(GHz) 대역의 패치(25)를 일예로 나타낸 것이다. 그러나, 본 발명은 해당 1.92(GHz) 대역에 한정된 것이 아니라 주파수 대역에 따라 U 형태의 슬롯과 n 형태의 슬롯이 크기 또는 배치되는 모양을 다르게 구현할 수도 있음을 잘 알아야 한다.

<35> 상술한 바와 같이 구성된 U-n 슬롯을 가진 패치 안테나를 앙상블과 IE3D 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션한 결과는 다음과 같다.

<36> 도 8a와 도8b는 U-n 형태의 슬롯을 가지는 850(MHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 상기 앙상블 소프트웨어로 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과들을 나타낸 것이다. 여기서, 도 8a는 U-n 슬롯 패치 안테나의 전기장 E_X에 대한 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이며, 도 8b는 U-n 슬롯 패치 안테나의 전기장 E_Y에 대한 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다.

<37> 즉, 종래의 기술과 비교하면 부가적인 n 슬롯이 빔 패턴을 성형할 수 있음을 볼 수있다.

<38> 도 9는 U-n 형태의 슬롯을 가지는 1.92(GHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 상기 IE3D 소프트웨어로 시뮬레이션된 빔 패턴을 나타낸 것이다. 여기서, 종래의 U 슬롯 패치 안테나의 빔 패턴은 비대칭적으로 기울어져 있는 반면에, 본 발명에 의한 U-n 슬롯 패치 안테나는 부가적인 n 슬롯이 그것에 대한 보상을 해 줌으로써 대칭적인 패턴을 가짐을 알 수가 있다.

<39> 도 1Oa, 도 1Ob 및 도 10c는 U-n 형태의 슬롯을 가지는 1.9(GHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 네트워크 분석기로 측정된 결과들을 나타낸 것이다. 여기서, 도 10a는 U-n 슬롯 패치 안테나에 대한 복귀 손실을 나타낸 것이며, 도 1Ob는 U-n 슬롯 패치 안테나의 임피던스를 스미스 챠트 상에 나타낸 것이며, 도 1Oc는 U-n 슬롯 패치 안테나에 대한 VSWR을 나타낸 것이다. 해당 U-n 슬롯 패치 안테나의 임피던스 대역폭도 역시 예를 들어, 무선 가입자 망의 서비스에 대하여 충분한 대역폭을 가짐을 볼 수 있다.

<40> 도 11a에서 도 11d까지는 U-n 형태의 슬롯을 가지는 1.9(GHz) 대역의 패치 안테나에 대하여 근접 필드 시스템으로 측정한 결과들을 나타낸 것이다. 여기서, 도 1la는 U-n 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 입체화한 것이며, 도 1lb는 U-n 슬롯 패치안테나의 측정 결과를 앙각에 대한 진폭으로 나타낸 것이며, 도 11c는 U-n 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 방위각에 대한 진폭으로 나타낸 것이며, 도 11d는 U-n 슬롯 패치 안테나의 측정 결과를 등진폭선에 대하여 방위각에 대한 앙각으로 나타낸것이다. 여기서, 도 11의 측정에 있어서 등진폭선들의 중앙부가 도면의 중앙에 오도록 조정하여 측정한 것이다.

<41> 상술한 앙상블과 IE3D 소프트웨어에 의한 시뮬레이션의 결과에서 빔 경사가 부가적인 n 슬롯으로 보정될 수 있음을 알 수 있으며, 또한 실현된 안테나에 대하여 측정된 결과들은 일예로 무선 가입자 망에의 응용에 충족함을 알 수 있다.

<42> 한편, 본 발명은 상술한 주파수 대역에 한정된 것이 아니라, 각 주파수 대역에 따라 U-n 형태 슬롯의 크기와 위치 등을 변경시킴으로써 가능하다는 점을 잘 알아야한다.

<43> 이상과 같이, 본 발명에 의한 U-n 슬롯 패치 안테나는 U 형태의 슬롯으로 인한 기울여진 빔을 n 슬롯을 추가하여 보상해 줌으로써 광대역의 임피던스 대역폭을 가지면서도 안테나의 방사 패턴을 조절하거나 대칭적인 빔 패턴을 가지도록 해 준다.

Claims (2)

1. 접지판과, 전류를 공급하기 위한 피이드와, 상기 접지판과 피이드를 결속하기 위한 컨넥터와, 상기 접지판의 위에 형성된 하부 유전체층과, 상기 하부 유전체층의 위에 형성된 상부 유전체층과, 상기 상부 유전체층의 위에 형성된 레이돔을 구비하는 광대역 패치 안테나에 있어서,

   상기 하부 유전체층과 상부 유전체층 사이에 위치하여 상기 피이드의 말단부에 접속되는 U-n 슬롯 패치를 구비하고, 상기 U-n 슬롯 패치는 U 형태의 슬롯과 n 형태의 슬롯을 함께 구비하는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 U-n 슬롯 패치는 빔 경사를 보상하여 빔 경사를 조절하거나 대칭적인 빔 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나.