KR100408344B1 - 코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평판형 안테나에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 코-플래너 웨이브 가이드(CPW;Co-Planar Waveguide) 급전구조를 이용하여 광대역 특성을 갖도록 한 평판형 안테나에 관한 것이다.

종래의 평판형 안테나는 복사패치까지의 긴 프루브 급전으로 인한 입력 리액턴스(유도성)가 발생한다는 단점을 갖고 있었다.

상기와 같은 단점을 극복하기 위해 안출된 본 발명의 코-플레너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나는 도전재질의 접지평판;과 상기 접지평판과 소정의 간격을 두고 평행하게 구비되는 유전평판;과 상기 유전평판위로 반전된 ‘ㄷ’자 형상으로 형성되는 도전재질의 복사패치;와 상기 복사패치의 일측에 형성된 공간으로 삽입되어 형성되되, 상기 복사패치와 소정의 간격을 두고 형성되는 도전재질의 급전 스트립선로; 및 상기 급전 스트립선로를 통해 상기 복사패치로 신호를 급전하기 위해 상기 접지평판과 유전평판을 관통하여 형성되되, 일단은 외부 급전회로에 연결되고 타단의 외부도체는 상기 접지평판에 내부도체는 상기 급전 스트립선로에 전기적으로 연결되는 급전케이블로 구성된다.

따라서, 본 발명은 구조가 단순하면서도 광대역 특성을 갖는 평판형 안테나를 제공한다는 효과를 갖는다.

Description

코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나{A wideband patch antenna with co-planar waveguide feeding structure}

본 발명은 평판형 안테나에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 코-플래너 웨이브 가이드 급전구조를 이용하여 광대역 특성을 갖도록 한 평판형 안테나에 관한 것이다.

평판형 안테나는 단면적이 작으며, 여러 유형의 구조에 적합하게 제작이 가능하고, 소형 경량으로 제작이 용이하여 생산단가가 낮고, 설계 변수를 다양화시킬 수 있는 등의 많은 장점들로 인해, 현재 각종 무선통신 시스템에 널리 적용되고 있는 안테나 기술이다. 하지만, 이러한 평판형 안테나는 그 구조상 협대역 특성을 갖는다는 근본적인 문제점을 안고 있다.

최근 이러한 협대역 문제를 해결하기 위한 효과적인 방법으로 복사패치상에 다양한 슬롯을 형성시키거나, 3차원 변환기법(3-D transition)을 사용하거나, 복사패치를 전자기적으로 커플링하여 급전시키는 방법들이 크게 대두되고 있다.

그러나, 이러한 방법들은 대개의 경우 임피던스 정합이 수월하고, 스퓨리어스(spurious) 복사가 적다는 장점을 갖는 프루브(probe) 급전방식을 채용하고 있는데, 이러한 프루브 급전방식은 복사체와 접지면 사이를 두껍고, 낮은 유전율을 갖는 공기(air)나 폼(foam)으로 채워 복사패치를 지지하고 있어, 복사패치까지의 긴 프루브로 인한 입력 리액턴스(유도성) 성분이 발생하여 임피던스 대역폭이 좁아진다는 단점을 갖고 있다.

한편, 이를 해결하기 위한 한 방법으로 복사패치상에 유도성 리액턴스 성분을 상쇄시킬 수 있는 슬롯을 형성시키는 기술이 사용되고 있지만, 이는 슬롯에 기인한 전류분류(current distribution)상의 변화에 따라 고차모드가 발생하여 복사패턴의 불필요한 왜곡(distortion)과 교차편파 레벨(cross-polarization level)의 증가를 야기한다는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 구조가 단순하면서도 프루브 급전방식에 따른 유도성 리액턴스를 줄일 수 있는 코-플래너 웨이브가이드 급전방식을 이용하여 광대역 특성을 갖도록 한 평판형 안테나를 제공한다는 것을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 코-플래너 웨이브가이드 금전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나의 바람직한 일실시예의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나의 바람직한 일실시예의 정면도.

도 3은 상기 도 1 실시예의 주파수에 따른 반사손실을 측정한 결과를 보여주는 그림.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11. 복사패치(patch) 12. 급전점

13. 급전 스트립선로 14. 제 1 인쇄회로 기판

15. 급전 케이블 16. 제 2 인쇄회로 기판

17. 접지 평판 h. 접지평판과 제 2 인쇄회로 기판의 간격

W. 복사패치의 폭 L. 복사패치의 길이

Wg. 접지평판의 폭 Lg. 접지평판의 길이

Wd. 갭(gap)

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 코-플래너 웨이브 가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나는 도전재질의 접지평판;과 상기 접지평판과 소정의 간격을 두고 평행하게 구비되는 유전평판;과 상기 유전평판위로 반전된 ‘ㄷ’자 형상으로 형성되는 도전재질의 복사패치;와 상기 복사패치의 일측에 형성된 공간으로 삽입되어 형성되되, 상기 복사패치와 소정의 간격을 두고 형성되는 도전재질의 급전 스트립선로;와 상기 급전 스트립선로를 통해 상기 복사패치로 신호를 급전하기 위해 상기 접지평판과 유전평판을 관통하여 구비되되, 일단은 외부 급전회로에 연결되고 타단의 외부도체는 상기 접지평판에, 내부도체는 상기 급전 스트립선로에 각각 전기적으로 연결되는 급전케이블로 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 동일하거나 대응하는 부재는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나의 바람직한 일실시예의 사시도이고, 도 2는 그 정면도이다. 도시된 실시예는, 설명의 편의상 무선 랜(W-LAN;Wireless Local Area Network) 시스템에 적용할 수 있도록 2.4GHz 대역용의 안테나로 하였지만, 본 발명의 실시예는 당연히 이에 한정되지는 않는다.

급전케이블(15)은 제 1 및 제 2 인쇄회로 기판(14, 16)을 관통하여 급전 스트립선로(13)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 급전케이블(15)을 통해 입력되는 신호는 상기 급전 스트립선로(13)로 전송되며, 전송된 신호는 상기 급전 스트립선로(13)와 소정의 간격을 두고 떨어진 복사패치(11)로 전자기적으로 커플링(coupling)되어 급전되고, 공간으로 복사된다.

직사각형의 도전재질로 이루어진 접지평판(17)은 안테나의 복사특성을 고려하여 그 크기를 결정해야 하는데, 통상 복사패치(11)보다 넓은 것이 바람직하다. 하지만, 너무 넓은 접지평판은 안테나의 전체 크기를 커지게 하므로 설계시 이를 고려해야 한다. 본 실시예에서는 그 폭(W_g)과 길이(L_g)를 각각 78mm, 66.2mm로 하였으며, 제 1 인쇄회로 기판(14) 위로 도전재질을 프린팅하여 구성하였다. 후술하겠지만, 이 크기는 복사패치보다 넓은 크기이다. 또한, 상기 인쇄회로 기판(14)의 소정의 위치에는 상기 급전케이블(15)을 받아들일 수 있도록 접지구멍(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 이 접지구멍을 통해 상기 급전케이블(15)은 제 2 인쇄회로 기판(16)까지 인출이 가능하며, 상기 급전케이블(15)의 외부도체와 접지평판(17)이 납땜과 같은 방법에 의해 전기적으로 연결된다.

상기 접지평판(17)과 소정간격을 두고 평행하게 구비되는 제 2 인쇄회로 기판(16) 위로는 도전재질의 복사패치(11)가 형성되는데, 프린팅과 같은 방법에 의해 형성되며, 도시된 바와 같이 반전된 ‘ㄷ’자 형상을 갖는다. 복사패치의 크기는 원하는 공진주파수와 입력 임피던스에 따라 결정·설계되어지며, 안쪽으로 파여 형성된 공간으로는 코-플래너 웨이브가이드 급전 구조가 형성된다. 본 실시예에서는 2.4GHz 대역에서 공진할 수 있도록 복사패치의 길이(L)를 46.2mm로 하였으며, 입력 임피던스 정합(matching)에 의해 그 폭(W)을 58mm로 하였다.

상기 복사패치(11)의 일측에 형성되는 코-플래너 웨이브가이드 급전 구조는 소정의 길이를 갖는 급전 스트립선로(13)와 상기 복사패치(11)와 상기 급전 스트립선로간에 소정의 간격을 두고 전자기적으로 커플링이 이루어지도록 상기 급전 스트립선로 둘레로 형성되는 반전된 ‘ㄷ’자형의 갭(gap)(Wd)과 상기 복사패치가 형성된 제 2 인쇄회로 기판(16)을 관통하여 형성되되 상기 급전 스트립선로(13)의 소정의 위치에 위치하는 급전구멍(도시되지 않음)으로 구성된다.

상기 갭(Wd)은 전류분류(current distribution)의 변화에 따른 고차모드의 발생을 억제하기 위해 그 너비가 좁은 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 1mm로 하였다.

이러한 코-플래너 웨이브가이드 급전구조는 상기 제 2 인쇄회로 기판(16) 위로 직사각형의 복사패치(11)를 일단 인쇄한 후, 식각과 같은 방법으로 반전된 ‘ㄷ’자형의 갭(Wd)을 형성시킴으로써 용이하게 제작할 수 있다.

상기 급전케이블(15)은 상기 접지구멍을 통해 상기 제 2 인쇄회로 기판(16)까지 인출이 가능하며, 전지구멍을 관통하는 외부도체는 납땜하여 상기 접지평판(17)에 전기적으로 연결한다. 또한, 내부도체는 상기 급전구멍을 통해 상기 제 2 인쇄 회로 기판(16)상에 형성된 상기 급전 스트립선로(13)와 전기적으로 연결되어 급전점(feeding point)(12)을 형성시킨다.

상기 접지평판(17)과 상기 복사패치(11)간에는 낮은 유전율을 갖는 공기(air)로 채워지는데, 낮은 유전율은 유전체 손실이 적으므로 안테나의 복사효율이 향상된다. 또한, 두 평판(17, 11)간의 간격은 클수록 대역폭과 복사효율을 향상시키지만, 급전 결합과 관련된 복사에 따른 손실과 표면파의 증가로 그 간격이 제한된다. 실무상, 0.08λ( λ는 사용주파수의 파장)보다 작은 것으로 하며, 본 실시예에서는 상기 접지평판(17)과 상기 제 2 인쇄회로 기판(16)간의 간격(h)을 5mm로 하였다.

도 3은 상기 도 1 실시예의 주파수에 따른 반사손실을 보여주는 그림이다.

도시된 바와 같이 전압정재파비(VSWR;Voltage Standing Wave Ratio)가 2.0:1(반사손실 -9.54dB)일때를 기준으로 150MHz(2.35∼2.50GHz)에 이르는 광대역 특성을 가지며, 평균 이득은 7∼8dbi이었다.

따라서, 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나는 도 3에 도시된 바와 같이 광대역 특성을 가지며, 급전구조와 복사패치가 같은 층(layer)에 구현되어 있으므로 통상의 이중층(two-layer) 구조나 L모양의 프루브(L-shaped probe) 급전구조에 비해 구조적으로 간단해진다는 효과를 갖는다. 더불어, 슬롯에 의한 고차모드의 발생과 교차편차 레벨을 절감시킨다는 효과도 갖는다.

Claims (1)

1. 도전재질의 접지평판;

   상기 접지평판과 소정의 간격을 두고 평행하게 구비되는 유전평판;

   상기 유전평판 위로 반전된 ‘ㄷ’자 형상으로 형성되는 도전재질의 복사패치;

   상기 복사패치의 일측에 형성되되, 상기 복사패치와 전기적으로 커플링 급전이 되도록 반전된 ‘ㄷ’자 형상의 갭을 두고 형성되는 도전재질의 급전 스트립선로; 및

   상기 급전 스트립선로를 통해 상기 복사패치로 신호를 급전하기 위해 상기 접지평판과 유전평판을 관통하여 형성되되, 일단은 외부 급전회로에 연결되고 타단의 외부도체는 상기 접지평판에, 내부도체는 상기 급전 스트립선로에 전기적으로 연결되는 급전케이블을 포함하여 구성되는 코-플래너 웨이브가이드 급전구조를 갖는 광대역 평판형 안테나.