KR100322385B1

KR100322385B1 - 엘-모양과 유-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나

Info

Publication number: KR100322385B1
Application number: KR1019980037870A
Authority: KR
Inventors: 오정근; 박덕재; 최창규; 윤종철
Original assignee: 구관영; 주식회사 에이스테크놀로지
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2002-06-22
Also published as: EP0989628A1; ATE246848T1; EP0989628B1; KR20000019672A; DE69910137D1; DE69910137T2

Abstract

1. 발명이 속한 기술분야

복사체가 패치 형태로 되어 있는 이동통신 시스템용 패치 안테나

2. 발명의 목적

광대역 임피던스 정합을 할 수 있을 뿐만 아니라 작은 크기의 접지면을 가지면서 우수한 전후방비를 얻을 수 있는 광대역 패치 안테나를 제공함.

3. 발명의 구성

무선 신호를 복사하기 위한 패치; 상기 패치에 급전하기 위한 급전 선로; 패치와 대향하도록 배치되는 베이스와, 상기 베이스의 모서리에서 절곡되어 상기 패치가 배치되어 있는 방향으로 연이어진 적어도 하나의 절곡부를 구비하는 접지면; 및 상기 급전선로를 외부 시스템과 연결하기 위한 콘넥터;를 구비함.

4. 발명의 효과

접지면 크기를 작게 하면서도 우수한 전후방비를 가지고, 안테나 전체 크기를 줄일 수 있으며, 제조 단가가 낮으며, 안테나의 빔폭을 쉽게 변화시킬 수 있음.

Description

엘-자 모양과 유-자 모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나{Broadband Patch Antenna with Ground Plane of L-shape and U-shape}

본 발명은 아날로그 셀룰라, 디지탈 셀룰라, 개인휴대통신(PCS), 차세대 이동통신(IMT-2000) 및 무선가입자망(WLL) 등 각종 이동통신 시스템에 사용되는 안테나 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복사체가 패치 형태로 되어 있는 패치안테나에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 스트립 패치 안테나는 가벼우며 단면적이 얇기 때문에 고속으로 이동하는 차량의 표면이나 건물의 벽에 부착할 수 있어서 군사용이나 일반 상업적 목적의 무선통신에 응용 범위가 넓다. 그러나, 이러한 마이크로 스트립 패치 안테나가 갖는 주파수 대역폭은 1∼2%의 협대역 특성을 갖는다고 하는 문제점이 있었으며 따라서 소형이면서 광대역 특성을 갖는 안테나가 요구되어 왔다.

패치 안테나의 대역폭을 확장시키기 위하여 접지면과 패치 사이의 단면적을 크게하는 방법, 기생 소자를 이용하는 방법 및 광대역 특성을 갖는 정합회로를 설계하는 방법 등이 제시되었다. 종래에 사용된 대역폭을 확장시키는 방법중 하나인 접지면과 패치 사이의 단면적을 크게 하는 것은 불필요한 표면파를 발생시키고 복사 효율이 떨어지며 측 방향의 고차 모드를 발생시켜서 복사 패턴의 왜곡 현상이 일어날 수 있고 대역폭의 개선효과가 작다. 또 다른 방법인 단일기판이나 다층기판 위에 기생소자를 사용하는 방법은 단일기판이나 다층기판 위에 평면적으로 또는 수직적으로 위치시켜서 다중공진 특성을 이용하여 대역폭을 확장하는 방법으로써 안테나가 평면적으로 또는 단면적으로 커지므로 제작이 힘들어지고 제조단가가 높아지게 된다. 또한, 정합회로는 안테나의 입력 임피던스의 리액턴스값이 서로 상쇄가 되도록 설계를 하여 광대역 특성을 갖도록 하는 방법인데 이 방법 역시 안테나 크가가 커지고 복사 효율이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술들이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 안출된것으로서 접지면 패치 사이에 용량성 커플링(Capacitive Coupling)을 유도함으로써 광대역 임피던스 정합을 할 수 있을 뿐만 아니라 작은 크기의 접지면을 가지면서 우수한 전후방비(F/B;Front-to-Back Ratio)를 얻을 수 있는 광대역 패치 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a는 본 발명에 의한 광대역 패치 안테나의 일 실시예의 사시도.

도 1b는 도 1a에 도시된 광대역 패치 안테나의 단면도.

도 2a는 본 발명에 의한 광대역 패치 안테나의 다른 실시예의 사시도.

도 2b는 도 2a에 도시된 광대역 패치 안테나의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11: 패치 13: 슬롯

15: "L"-자 모양 접지면 25: "U"-자 모양 접지면

30: 지지봉 32: 콘넥터

34: 급전 선로

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 패치 안테나는 무선 신호를 복사하기 위한 패치; 상기 패치에 급전하기 위한 급전 선로; 패치와 대향하도록 배치되는 베이스와, 상기 베이스의 모서리에서 절곡되어 상기 패치가 배치되어 있는 방향으로 연이어진 적어도 하나의 절곡부를 구비하는 접지면; 및 상기 급전선로를 외부 시스템과 연결하기 위한 콘넥터;를 구비한다.

이하 첨부된 도면에 따라 본 발명의 각부 특성 및 동작 원리를 상세히 설명한다. 아래 설명 및 첨부된 도면에 있어서 동일하거나 대응하는 부재에 대해서는 가급적 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나의 일 실시예를 보여준다. 본 실시예에 있어서, 패치 안테나는 패치(11)와, 접지면(15)과, 지지봉(19)을 포함한다. 패치(11)의 길이는 사용 주파수의 λ/2보다 작은 값을 가진다. 패치(11)의 대략 중앙에는 "U"-자 모양의 슬롯(13)이 형성되어 있다. 접지면(15)은 패치(11)와 대향하는 베이스(17)와 상기 베이스(17)의 일 단에서 상방으로 절곡되어 연이어진 절곡부(19)를 포함하여, 전체적으로 "L"-자 형태의 단면을 가진다. 이에 따라, 접지면 절곡부(19)는 패치(11)의 어느 한 에지 근처에 위치하게 된다. 상기 패치(11)와 "L"-자 모양 접지면(15)의 베이스(17)는 지지봉(30)에 의해 고정되고 지지되어, 서로 이격된 상태에서 평행한 상태를 유지하게 된다. 그리고, 패치(11)는 외부 시스템과 접속하기 위한 콘넥터(32)를 거쳐 급전 선로(34)를 통하여 급전된다. 한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 패치(11)와 접지면(15) 사이에는 예컨대 유전율이 높은 세라믹과 같은 유전체층이 삽입될 수 있다.

이와 같은 광대역 패치 안테나에 있어서는, "L"-자 모양 접지면(15)의 상방으로 절곡된 절곡부(19)가 패치(11)의 에지 부근에 위치하기 때문에 상기 에지 부근 필드 분포가 단순한 평판형 접지면을 사용할 때와 다르게 변화된다. 이때 변화된 필드 분포는 접지면 절곡부(19)와 패치 사이에서 용량성 결합(Capacitive Coupling)을 유도하게 되며, 이 유도된 커패시턴스 성분이 동축선로로 급전시 발생되는 인덕턴스 성분과 서로 상쇄되어 광대역 임피던스 정합을 할 수 있게 된다. 특히, 접지면 절곡부(19)의 높이와 접지면 절곡부(19) 및 패치(11)간의 간격을 조절함으로써 커플링 값을 조절할 수 있다. 예컨대, 접지면 절곡부(19) 및 패치(11)간의 거리를 가깝게 할수록 커플링 양이 많아지므로 공진 주파수는 낮은 쪽으로 이동하게 된다. 따라서 패치(11)의 공진 길이를 줄여서 안테나의 전체 크기를 소형화할 수 있다.

한편, 일반적으로 지향성 안테나의 전후방비(F/B;Front-to-Back Ratio)를 향상시키기 위해서는 접지면의 크기를 크게 해야 하는데, 이와 같이 접지면의 크기를 크게 하면 안테나의 크기 및 중량이 증가한다고 하는 단점이 있었다. 그렇지만, 본 발명에 따르면, 절곡된 형태의 "L"-자 모양 접지면(15)이 접지면 뒤쪽으로 전파가복사되는 것을 막아주므로, 접지면의 크기를 종래 기술에 따른 마이크로 스트립 패치 안테나보다 상대적으로 작게 하면서도 전후방비를 크게 향상시킬 수 있다.

다른 한편으로, 도시된 바와 같이 패치(11)에 이를 관통하는 "U"-자 모양의 슬롯(13)을 형성하게 되면, 슬롯(13)을 따라 흐르는 전류와 패치(11)의 에지를 따라 흐르는 전류 성분에 의해서 이중 공진 특성을 얻을 수 있다. 만약 슬롯(13)을 갖는 패치 안테나에서 꺾인 접지면(15)을 사용하지 않고 일반 평판형 접지면을 사용한다면 동축선로로 급전시 발생되는 인덕턴스 성분때문에 정합 특성이 좋지 않고 복사 패턴의 주빔 빔폭이 슬롯을 가지고 있지 않은 종래의 일반 패치에 비해 오히려 좁아지게 된다. 그러나, 상기와 같은 "L"-자 모양의 꺾인 접지면을 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나의 다른 실시예를 보여준다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 패치 안테나에 있어서, 접지면(25)은 베이스(27)와 상기 베이스(27)의 양단에서 상방으로 절곡되어 연이어진 절곡부(29a, 29b)를 포함하여, 전체적으로 "U"-자 형태의 단면을 가진다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 "U"-자 모양 패치 안테나의 다른 특징은 도 1a 및 도 1b에 도시된 "L"-자 모양 패치 안테나의 특징과 유사하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이동통신용 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서 "L"-자 모양 및 "U"-자 모양의 꺽인 접지면을 사용함으로써 접지면과 패치 사이의 용량성 커플링을 유도하여 광대역 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라접지면 크기를 종래 기술에 따른 패치 안테나보다 작게 하면서도 우수한 전후방비를 갖는다. 또한, 꺾인 접지면과 패치 사이의 커플링 양을 조절할 수 있기 때문에 안테나 전체 크기를 줄일 수 있고 제조 단가를 낮출 수 있으며, 접지면 절곡부의 높이 및 패치와의 간격 등을 조절하여 안테나의 빔폭을 변화시킬 수 있는 효과를 가진다.

Claims

무선 신호를 복사하기 위한 패치;

상기 패치에 급전하기 위한 급전 선로;

상기 패치와 대향하도록 배치되는 베이스와, 상기 베이스의 어느 한 모서리에서 절곡되어 상기 패치가 배치되어 있는 방향으로 연이어진 제1 절곡부를 구비하는 접지면; 및

상기 급전선로를 외부 시스템과 연결하기 위한 콘넥터;

를 구비하는 패치 안테나.
제1항에 있어서, 상기 접지면은

상기 베이스에서 상기 제1 절곡부가 형성된 모서리의 반대측 모서리에서 절곡되어 상기 제1 절곡부와 동일한 방향으로 연이어진 제2 절곡부를 더 구비하는 패치 안테나.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패치를 관통하여 "U"-자형 슬릿이 형성되어 있는 패치 안테나.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 패치가 상기 접지면으로부터 이격되고 상기 접지면의 상기 베이스에 평행한 상태를 유지할 수 있도록, 상기 패치를 지지하는 지지수단을 더 포함하는 패치 안테나.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 패치와 상기 접지면 사이에 삽인되는 유전체층을 더 포함하는 패치 안테나.
제5항에 있어서,

상기 유전체층이 세라믹 재질로 되어 있는 패치 안테나.