KR100340313B1 - 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역폭에 걸쳐 낮은 축비를 가지는 원편파 모드로서 제작이 간단하고 저렴한 Z형 마이크로스트립 슬롯 안테나를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 Z형 슬롯의 양끝의 꺽인 부분과 임의의 회전각을 부여하여 상기 목적을 달성함을 특징으로 한다.

Description

원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나 {Circular Polarization Microstrip Slot Antenna}

본 발명은 무선통신 시스템용 평판 안테나의 편파특성을 개선하기 위한 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 스트립 안테나(Micro-Strip Antenna)는 그라운드판 위에 유전체를 형성하고, 이 유전체의 상면에 장방형 또는 원형의 방사패치(patch radiator)를 부착한 간단한 구조의 평면 안테나로서, 대역폭이 좁고 효율이 낮은 단점이 있으나, 가격이 저렴하고 소형 및 경량으로 제작이 가능하여 대량생산에 적합하다는 장점을 가지고 있어 널리 사용되어 오고 있다. 이러한 마이크로스트립 안테나는 원형편파를 요구하는 위성통신에서 원형 또는 장방형 방사패치에 한개 또는 두개의 급전점을 갖도록 활용할 수 있고, 도플러 레이더, 전파 고도계, 명령 및 제어, 미사일 원격기구 측정법 등 그 이용범위가 날로 증가하고 있다. 또한, 정보화의 발달과 함께 발전하는 무선통신 시스템에 마이크로스트립 슬롯(slot) 안테나를 적용시키는 기술이 널리 응용되고 있고, 특히 원편파를 발생시키는 패치구조는 많은 방식이 소개 되고 있다.

종래 슬롯 안테나는 도 1에 도시한 바와 같이, 직선형 슬롯 안테나(20)가 일반적으로 널리 사용되고 있는데, 그 구성을 살펴보면 접지판(21)에 개구면을 형성한 형태로서 급전선로(22)를 슬롯(23)의 중앙에 위치시킴과 동시에 상기 슬롯(23)으로 부터 약 λ/4의 길이만큼 더 돌출되도록 하는 구성으로 하여 선형편파만을 발생시키는 특징을 가진다. 이와같은 종래의 슬롯 안테나(20)는 단일 슬롯 안테나로 공진 주파수를 맞추려면 안테나의 크기가 커지는 문제점이 지적된다. 따라서, 이와같은 문제점을 해소하기 위하여 도 2와 같은 두개의 슬롯(31)(32)을 가지는 슬롯 안테나(30)의 일측에 λ/4의 지연선로(33)를 가지는 두개의 급전선로(34)를 사용하여 원형편파를 구현하고 있다. 그러나, 이중 급전을 통하여 원형편파를 구현하는 도 2와 같은 슬롯 안테나(30)는 이중 지연선로(33)와 두개의 개구면 즉, 슬롯(31) (32)을 설계하여야 하므로 구조가 복잡하여 마이크로파 회로 실장시 전체회로의 소형화을 도모하지 못하고 생산성 저하에 따른 제조원가의 상승을 초래하는 문제점이 지적된다.

본 발명은 광대역폭에 걸쳐서 낮은 축비(Axial ratio)를 가지는 원편파 모드로서 제조가 간단하고 가격이 저렴한 슬롯 안테나를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 슬롯의 형태를 Z형으로 한 Z형의 슬롯 안테나를 제공하는 것으로, Z형의 슬롯에 소정의 회전각을 부여함으로써 안테나의 축비를 구현할 수 있게 하고, 슬롯 안테나의 급전은 50Ω 급전선로에 의해 전자기적으로 결합하며, 이러한 슬롯 안테나의 방사소자를 다수 배열하여 지향성이 높고 부엽레벨이 현저하게 낮은 어레이 안테나를 형성할 수 있도록 함을 기술적 과제로 삼는다. 또한 본 발명은 접지면에 슬롯을 만들어 안테나로 사용하게 하여 PCB 상에 다른 마이크로파 회로를 함께 실장할 수 있게 함으로써, 회로전체의 소형화를 도모함을 기술적 과제로 삼는다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명은 PCB 기판위에 Z형의 슬롯을 음각 인쇄하여 형성하되, 상기 슬롯의 양끝의 짧고 긴 스터브와 임의의 회전각을 형성하고, 슬롯으로부터 밖으로 나오는 스터브의 길이는 공진주파수의 약 λ/4길이로 하여 상기 과제를 해결한다.

도 1은 일반적인 슬롯 안테나의 구조를 보인 사시도

도 2는 원형편파 구현을 위한 종래 슬롯 안테나의 평면도

도 3a는 본 발명의 Z형 슬롯 안테나의 사시도

도 3b는 도 3a의 평면도

도 3c는 도 3a의 측면도

도 4는 본 발명의 설계 파라메터를 보인 Z형 슬롯 안테나의 평면도

도 5는 본 발명의 Z형 슬롯 안테나의 축비 그래프

도 6은 본 발명의 Z형 슬롯 안테나의 반사손실 파라메터의 그래프

도 7은 본 발명의 Z형 슬롯 안테나의 스미스 도표

< 도면의 주요부분에 대한 부호설명 >

10 : PCB기판 11 : 접지판 12 : Z형 슬롯

13 : 급전선로 L₁: 짧은 슬롯 스터브의 길이

L₂: 긴 슬롯 스터브의 길이 θ: 슬롯의 회전각

본 발명은 PCB기판(10)에 형성한 접지판(11)에 음각으로 인쇄한 Z형의 슬롯 12)을 형성하고, 상기 PCB기판(10) 하방에 급전선로(13)를 구비한다. 상기에서 Z형의 슬롯(12)의 짧은 슬롯 스터브의 길이(L₁)와 긴 슬롯 스터브의 길이(L₂)를 L₁< L₂로 하고, 상기 슬롯(12)으로부터 밖으로 나오는 스터브의 길이를 공진 주파수의 λ/4길이로 하되, 급전선로(13)를 특성임피던스 50Ω으로 고정시킨다. 그리고, 슬롯의 회전각(θ)을 약 15°로 한다. 도면 중 W는 슬롯의 폭, L₃는 중앙 슬롯의 길이, L₄는 슬롯의 급전점에서의 수직 이동거리이다.

이와같은 구성의 본 발명은 무선통신 시스템용 평판 안테나의 편파특성을 개선하기 위하여 슬롯(12)의 형태를 Z형상으로 하고 슬롯에 회전각(θ)을 부여함으로써, 안테나의 축비를 구현할 수 있게된다. 특히, 본 발명은 급전선로(13)가 임피던스 정합을 위해 λ/4 변환기를 사용하지 않고 특성임피던스 50Ω으로 고정시키고 있어 슬롯(12)에 결합되는 위치에 따라 정합시킬 수 있게되므로 설계상 편의성을 제공하게 된다. 그러나, 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나는 패치의 입력 임피던스와 50Ω의 급전선로를 정합시키기 위하여 다수의 임피던스 정합회로를 사용하게 되므로 회로설계 매우 복잡하다. 또한, 본 발명은 슬롯 안테나(10)의 슬롯(12) 양 끝부분의 짧은 슬롯 스터브의 길이(L₁)와 긴 슬롯 스터브의 길이(L₂)를 L₁L₂로 설계하고 있어 이들 길이 차이에 의한 2개 이상의 공진 주파수를 얻게되어 광대역성을 실현할 수 있게된다. 그리고, 본 발명은 원형편파를 얻기 위해 슬롯(12)의 회전각(θ)을 15°로 하며 이때, 슬롯(12)의 Z형이 놓이는 위치와 회전하는 방향에 따라 좌현편파(Left-hand circular polarization), 우현편파(Right-hand circular polarization)를 결정할 수 있게된다.

이와같은 본 발명의 축비 특성을 도 5에 도시하고 있는데, 이는 안테나의 수직방향과 수평방향의 전계의 비를 dB값으로 환산하여 나타낸 것으로 원편파는 0dB에 가까워야 한다는 것을 알 수 있고, 도 5의 결과는 원하는 광대역에서 모두 3dB 이하로 나타나므로 원편파 특성이 아주 우수함을 알 수 있다. 그리고, 도 6은 본 발명의 안테나의 반사손실(S11)값을 dB로 환산하여 나타낸 S11의 파라메터 그래프로서 광대역에 걸쳐서 -10dB이하로 특성이 아주 좋음을 알 수 있다. 또한, 도 7은 본 발명의 안테나의 스미스 챠트를 나타낸 것으로, 50Ω에 규준화 된 값이 50Ω 급전선로(13)에 임피던스 정합이 잘되었음을 알 수 있다.

본 발명은 단일 마이크로스트립 슬롯 안테나의 구조적 특성에 의해 접지판의안테나 소자와 급전선로가 전자기적으로 결합하게 되므로 마이크로파 회로를 동시에 실장할 수 있고 이에 따라, 전체회로의 소형화와 모듈화를 도모하며, PCB 기판상에 설계가 가능하여 생산성 향상에 따른 제조원가의 절감을 꾀하고, 광대역폭에서 낮은 축비를 가지는 원편파의 특성을 얻을 수 있어 무선통신 시스템 분야에서 다양한 응용을 수행할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (6)

1. PCB기판(10)에 형성한 접지판(11)에 음각으로 인쇄한 Z형의 슬롯을 형성하고, 상기 PCB 기판 하방에 급전선로(13)를 구비하며, 상기 Z형 슬롯은 길이가 상이한 두개의 슬롯 스터브를 포함하고, 안테나 축비구현을 위한 소정의 회전각(θ)이 형성됨을 특징으로 하는 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 슬롯(12)으로부터 밖으로 나오는 스터브의 길이를 공진 주파수의 약 λ/4길이로 함을 특징으로 하는 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나.
4. 제 1항에 있어서, 급전선로(13)를 특성임피던스 50Ω으로 고정함을 특징으로 하는 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, Z형의 슬롯(12)의 회전각(θ)이 15°임을 특징으로 하는 원편파 마이크로스트립 슬롯 안테나.