KR100415138B1 - Broadband microstrip antenna for base station and its design method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 셀룰러 이동통신, PCS 및 IMT-2000과 같이 서로 다른 서비스를 제공하는 기지국의 공용화를 위한 적층구조의 광대역 마이크로 스트립 안테나와 그 설계방법에 관한 것으로,The present invention relates to a multi-layer broadband microstrip antenna and its design method for common use of a base station providing different services such as cellular mobile communication, PCS, and IMT-2000.
적층구조의 기지국용 광대역 마이크로스트립 안테나에 있어서, 반사판(16)의 상부에 일정 간격을 두고 제1유전체(15)와 그 상부에 제2유전체(12)를 설치하고, 상기 제1유전체(15)의 하부 중앙으로 급전회로부(14)를 도입하여 설치하고, 상기 제1유전체(15)의 상부 중앙에 접지면(20)을 설치하고, 상기 접지면(20)의 중앙에는 급전회로부(14)와 수직하고 중앙 양측으로 폭이 확장되는 슬롯(13)을 형성시키고, 상기 접지면(20)과 제2유전체(12) 사이에 공기층(21)을 형성시키고, 상기 제2유전체(12)의 상부 중앙 양측으로 폭이 확장되는 방사 소자부(11)를 포함하여 구성되는 안테나를 특징으로 하고,In a multilayer microstrip antenna for a base station having a stacked structure, a first dielectric 15 and a second dielectric 12 are provided on the reflective plate 16 at a predetermined interval, and the first dielectric 15 is provided. The feeder circuit unit 14 is introduced into and installed at the lower center of the feeder, and a ground plane 20 is installed at the upper center of the first dielectric 15, and the feeder circuit unit 14 is disposed at the center of the ground plane 20. A slot 13 is formed vertically and wide in both sides of the center, and an air layer 21 is formed between the ground plane 20 and the second dielectric 12, and the upper center of the second dielectric 12 is formed. Characterized in that the antenna including a radiating element portion 11 extending in width on both sides,
또한 마이크로 스트립 안테나를 다수개의 스트립선로 근사 모델로 분리한 후 각각의 유효 유전율을 구한 다음, 설계변수의 전기적 길이 또는 물리적 길이를 구함으로써 안테나를 설계하는 방법을 특징으로 하여,In addition, after separating the microstrip antenna into an approximation model with a plurality of strip lines, each effective permittivity is obtained, and then the antenna is designed by calculating the electrical length or the physical length of the design variable.
원하는 주파수 대역에서 임피던스 정합이 잘 이루어짐으로써 이동통신, PCS 및 IMT-2000 기지국의 공용화에 기여할 수 있으며, 기지국 공용화시 안테나와 기지국 시스템 사이에 다이플렉스(Diplexer)를 삽입함으로써 하나의 안테나만을 사용할 수 있어 케이블 재료비 및 포설비를 절감할 수 있는 효과가 있다.Impedance matching at the desired frequency band can contribute to the common use of mobile communication, PCS and IMT-2000 base station, and only one antenna can be used by inserting a diplexer between the antenna and the base station system when the base station is shared. There is an effect to reduce the cable material cost and fabrication equipment.
Description
본 발명은 적층구조의 광대역 마이크로 스트립 안테나와 그 설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 IMT-2000(International Mobile Telecommunication, 이하 IMT-2000이라 한다.)과 같은 새로운 서비스와 셀룰러 이동통신과 PCS(Personal Communication service, 이하 PCS라 한다.)와 같은 기존 서비스와의 기지국 공용화를 위하여 폭 넓은 주파수 대역을 커버할 수 있는 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나 및 그 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-layer broadband microstrip antenna and its design method, and more specifically, new services such as International Mobile Telecommunication (IMT-2000), cellular mobile communication and PCS (Personal). The present invention relates to a broadband microstrip antenna for a base station that can cover a wide frequency band and to a method of designing the same for sharing a base station with an existing service such as a communication service.
일반적으로 셀룰러 이동통신(Cellular Mobile telecommunication)은 800MHz 대역의 주파수를 이용하며, PCS는 1.8∼1.9MHz 대역의 높은 주파수 대역을 활용하며, 최근에는 이동통신, PCS에 이어서 제3세대 이동통신으로서 전세계 어디서나 음성은 물론 멀티미디어 통신까지 가능하게 하는 IMT-2000이 개발되었다.In general, cellular mobile telecommunication uses a frequency of 800 MHz band, PCS uses a high frequency band of 1.8 to 1.9 MHz band, and recently, as a third generation mobile communication following mobile communication and PCS, anywhere in the world IMT-2000 has been developed to enable not only voice but also multimedia communication.
상기의 셀룰러 이동통신이나 PCS 서비스를 제공하기 위한 안테나로서 사용되는 마이크로 스트립 안테나의 설계에 있어서 최근에 셀룰러 이동통신 기지국에서 적층구조의 평판 형태의 SSFIP(Strip Slot Foam Inverted Patch) 구조의 안테나가 응용되고 있다.In the design of the microstrip antenna used as an antenna for providing the cellular mobile communication or PCS service, in recent years, the SSFIP (Strip Strip Foam Inverted Patch) antenna of the stacked structure is applied to the cellular mobile communication base station. have.
이러한 통신 서비스를 제공하기 위해서는 기지국의 설치가 필수적인데, 최근에는 이동통신 및 PCS 기지국의 난립으로 인한 도시 미관, 전자파 유해논쟁, 중복투자 등을 배제하기 위해서는 기지국의 공용화가 반드시 필요하게 되었으며, 향후에 전개될 IMT-2000용 기지국을 기존의 셀룰라 및 PCS 기지국과의 공용화가 절실히 요구된다.The installation of the base station is essential to provide such a communication service. In recent years, the common use of the base station is necessary to exclude the urban aesthetics, the harmfulness of electromagnetic waves, and the overlapping investment due to the difficulties of mobile communication and PCS base stations. There is an urgent need to share the base station for the IMT-2000 to be deployed with existing cellular and PCS base stations.
한편, 상기 이동통신, PCS 및 IMT-2000에 사용되는 마이크로 스트립 안테나의 해석하는 방법으로는 두개의 슬롯이 반파장 정도 떨어져 있다고 가정하는 전송선로 모델(Transmission Line Model)과, 패치와 접지면 사이의 공간을 공진기(Cavity)로 가정하는 공진기 모델(Cavity Model)과 같은 실험적이고 근사화된 모델이 주로 사용되며, 보다 정확한 해석을 위해서는 모멘트 해석법과 같은 수치 해석법(Full-wave해석법)을 사용한다.Meanwhile, a method of analyzing the microstrip antenna used in the mobile communication, the PCS and the IMT-2000 includes a transmission line model assuming that two slots are separated by a half wavelength, and between a patch and a ground plane. Experimental and approximated models, such as the cavity model (Cavity Model), which assumes space as a cavity, are mainly used. For more accurate analysis, numerical methods such as moment analysis (full-wave analysis) are used.
그리고 스미스 도표(Smith Chart)는 반사계수와 임피던스의 관계를 도시한 것으로서, 이를 통하여 전송선로와 임피던스 정합 문제를 가시적으로 파악하여 최적의 안테나 설계 여부를 판단할 수 있다.The Smith chart shows the relationship between the reflection coefficient and the impedance. Through this, the Smith chart can visually grasp the transmission line and the impedance matching problem to determine the optimal antenna design.
이와 같은 임피던스 정합이란 부하임피던스가 특성임피던스와 같지 않은 경우 발생하는 선로상의 반사를 제거하기 위하여 양쪽의 임피던스를 일치시킴으로써 안테나와 같은 민감한 부품에 있어 시스템의 신호대 잡음비를 향상시키고 안테나 어레이용 급전회로망에서 진폭오차와 위상오차를 줄이는 것을 말한다.This impedance matching improves the signal-to-noise ratio of the system for sensitive components such as antennas by matching the impedances of both sides to eliminate reflections on the line that occur when the load impedance is not equal to the characteristic impedance, and increases the amplitude in the feed network for the antenna array. It is to reduce error and phase error.
그러나 상기와 같은 종래의 마이크로 스트립 안테나는 그 제작 비용이 작고 소형, 경량으로 대량 생산이 가능하다는 장점이 있으나, 대역폭이 좁고 이득과 허용 전력이 낮은 단점이 있다. 따라서 종래의 기지국용 마이크로 스트립 안테나는 방사 소자만을 수직으로 배열하는 단순한 방법을 통하여 낮은 이득을 보상할 수 있었으나 협대역으로 밖에 사용되지 못한다는 문제점이 있었다.However, the conventional micro-strip antenna as described above has the advantage that the production cost is small, and can be mass-produced with small size and light weight, but there are disadvantages of narrow bandwidth, low gain and low allowable power. Therefore, the conventional microstrip antenna for a base station can compensate for low gain through a simple method of vertically arranging only the radiating elements, but has a problem that it can only be used as a narrow band.
그리고 종래의 마이크로 스트립 안테나의 해석방법으로서 근사화된 모델을 사용하는 경우, 복잡한 유전체 구조의 문제를 고려하기 어려우며, 동작 주파수가 높아지면 유전체의 전기적인 두께가 증가하는데 이에 따른 표면파의 영향을 충분히 설명하지 못하며, 또한 배열 안테나의 상호 결합도를 정확히 예측할 수 없다는 문제점이 있었다.In addition, when the approximated model is used as an analysis method of the conventional microstrip antenna, it is difficult to consider the problem of a complicated dielectric structure, and as the operating frequency increases, the electrical thickness of the dielectric increases. In addition, there was also a problem that can not accurately predict the mutual coupling of the array antenna.
한편, 마이크로 스트립 안테나의 해석방법으로서 모멘트 해석법과 같은 수치 해석법(Full-wave)을 사용하는 경우, 유전체층의 효과를 정확히 모델링하여 방사파, 표면파, 유전체 손실, 외부 소자와의 결합 등의 효과를 계산할 수 있으나, 적층구조와 같은 복잡한 유전체 구조에서의 그린(Green) 함수 전개가 어렵고 수치계산 시간이 오래 걸리며 프로그래밍하기가 곤란한 문제점이 있었다.On the other hand, when a full-wave method such as a moment analysis method is used as the analysis method of the microstrip antenna, the effects of the dielectric layer are accurately modeled to calculate the effects of radiation wave, surface wave, dielectric loss, and coupling with external devices. However, it is difficult to develop a green function in a complicated dielectric structure such as a stacked structure, takes a long time to calculate, and is difficult to program.
즉, SSFIP(Strip Slot Foam Inverted Patch) 구조와 같은 적층구조의 마이크로 스트립 안테나 설계에 있어서 여러가지 다양한 규격의 안테나를 설계할 수 있는 설계식이 없으므로, 새로운 구조의 안테나 설계를 위해서는 복잡한 수치해석을 통하거나 시뮬레이션에 의존할 수밖에 없다는 문제점이 있었다.That is, there is no design formula for designing antennas of various specifications in the design of stacked microstrip antennas such as strip slot foam inverted patch (SSFIP) structure. There was a problem that you have to rely on.
본 발명은 상기와 같은 종래의 마이크로 스트립 안테나의 협대역 주파수 특성, 적층구조의 복잡한 수치해석 및 설계시 야기되는 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 마이크로 스트립 안테나를 구성하는 슬롯과 방사 소자부를 나비모양의 구조로 형성시킴으로써 광대역 주파수 특성을 갖도록 하며, 이러한 안테나를 다수개의 스트립선로 근사 모델로 분리한 후 각각의 모델에 대한 유효 유전율을 구하여 마이크로 스트립 안테나에 사용되는 유전체 기판의 종류에 관계없이 임피던스가 정합되는 안테나를 설계하는 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나 및 그 설계방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the problems caused by the narrow-band frequency characteristics of the conventional microstrip antenna, the complicated numerical analysis and the design of the laminated structure, the slot and the radiation element portion constituting the microstrip antenna butterfly-shaped By forming the structure to have wide frequency characteristics, the antennas are separated into approximated models with multiple strip lines, and the effective permittivity for each model is obtained to match impedance regardless of the type of dielectric substrate used for the microstrip antenna. It is an object of the present invention to provide a broadband microstrip antenna for a base station for designing an antenna and a method of designing the same.
도 1은 본 발명에 의한 마이크로 스트립 안테나의 사시도.1 is a perspective view of a microstrip antenna according to the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 스트립 안테나의 설계변수를 나타내는 평면 투시도.2 is a plan perspective view showing design parameters of the microstrip antenna according to the embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 스트립 안테나의 적층구조 및 유전체의 특성값을 나타내는 측단면도.Figure 3 is a side cross-sectional view showing the laminated structure of the microstrip antenna and the characteristic value of the dielectric according to an embodiment of the present invention.
도 4a는 Suspended 마이크로 스트립선로 모델의 구조 및 설계변수를 나타내는 단면도.Figure 4a is a cross-sectional view showing the structure and design parameters of the Suspended microstrip line model.
도 4b는 슬롯 스트립선로 모델의 구조 및 설계변수를 나타내는 단면도.Figure 4b is a cross-sectional view showing the structure and design parameters of the slot strip line model.
도 4c는 Covered 마이크로 스트립선로 모델의 구조 및 설계변수를 나타내는 단면도.Figure 4c is a cross-sectional view showing the structure and design parameters of the covered microstrip line model.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로 스트립 안테나의 설계방법을 나타내는 흐름도.5 is a flowchart illustrating a method of designing a microstrip antenna according to the present invention.
도 6a는 본 발명에 의한 안테나의 설계변수 초기값과 유전체 특성값에 의한 입력 임피던스를 나타내는 스미스 도표.FIG. 6A is a Smith diagram illustrating input impedance based on initial values of design variables and dielectric characteristics of an antenna according to the present invention; FIG.
도 6b는 본 발명에 의한 안테나의 설계변수 초기값과 변경된 유전체의 특성값에 의한 입력 임피던스를 나타내는 스미스 도표.Figure 6b is a Smith chart showing the input impedance according to the initial value of the design variable of the antenna and the characteristic value of the changed dielectric according to the present invention.
도 6c는 본 발명에 의한 안테나의 물리적 길이에 의한 입력 임피던스를 나타내는 스미스 도표.Figure 6c is a Smith plot showing the input impedance by the physical length of the antenna according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of reference numerals for main parts of the drawings>
11 : 방사 소자부 12 : 제2유전체11: radiating element portion 12: second dielectric
13 : 슬롯 14 : 급전회로부13 slot 14 feed circuit
15 : 제1유전체 16 : 반사판15: first dielectric material 16: reflector
17 : Suspended 마이크로 스트립선로 모델17: Suspended Microstrip Line Model
18 : 슬롯 스트립선로 모델18: slot strip line model
19 : Covered 마이크로 스트립선로 모델19: Covered Micro Strip Line Model
20 : 접지면 21 : 공기층20: ground plane 21: air layer
22 : 스페이서22: spacer
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나는, 광대역 특성을 갖는 기지국용 적층구조의 마이크로스트립 안테나에 있어서, 반사판(16)의 상부에 일정 간격을 두고 제1유전체(15)와 그 상부에 제2유전체(12)를 설치하고, 상기 제1유전체(15)의 하부 중앙으로 급전회로부(14)를 도입하여 설치하고, 상기 제1유전체(15)의 상부 중앙에 접지면(20)을 설치하고, 상기 접지면(20)의 중앙에는 급전회로부(14)와 수직하고 중앙 양측으로 폭이 확장되는 슬롯(13)을 형성시키고, 상기 접지면(20)과 제2유전체(12) 사이에 공기층(21)을 형성시키고, 상기 제2유전체(12)의 상부 중앙 양측으로 폭이 확장되는 방사 소자부(11)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the broadband microstrip antenna for a base station of the present invention is a microstrip antenna of a base station laminated structure having a wide band characteristic. The first dielectric 15 is disposed at a predetermined interval on the reflector 16. ) And a second dielectric 12 at the upper portion thereof, a feed circuit unit 14 is introduced into the lower center of the first dielectric 15, and a ground plane is formed at the upper center of the first dielectric 15. 20, a slot 13 is formed at the center of the ground plane 20, the slot 13 being perpendicular to the power supply circuit unit 14 and extending to both sides of the center, and the ground plane 20 and the second dielectric ( It is characterized in that it comprises a radiating element portion 11 is formed between the air layer 21, and the width is extended to both sides of the upper center of the second dielectric (12).
또한 본 발명의 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나의 설계방법은 적층구조의 마이크로 스트립 안테나를 설계하는 방법에 있어서, 안테나의 설계변수의 초기값과 제1, 제2유전체의 특성값을 결정하는 단계(S1)와, 안테나를 구성하는 접지면(20)을 기준으로 다수개의 스트립선로의 근사 모델로 분리하는 단계(S2)와, 상기 다수개의 근사 모델에서 각각의 유효 유전율을 구하는 단계(S3)와, 상기 유효 유전율에 의하여 안테나 설계변수의 전기적 길이를 결정하는 단계(S4)와, 상기 전기적 길이를 이용하여 안테나를 형성하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for designing a broadband microstrip antenna for a base station of the present invention, in the method for designing a microstrip antenna having a stacked structure, determining an initial value of a design variable of the antenna and characteristic values of the first and second dielectrics (S1) And a step (S2) of dividing an approximate model of a plurality of strip lines based on the ground plane 20 constituting the antenna, and obtaining respective effective dielectric constants of the plurality of approximated models (S3), Determining an electrical length of the antenna design variable according to the effective dielectric constant (S4), and forming an antenna using the electrical length (S5).
또한 본 발명의 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나의 설계방법은, 안테나의 설계 변경시 상기 설계방법에 있어서, 상기 전기적 길이를 안테나 설계변수의 초기값으로 하고 제1, 제2유전체(15, 12)의 변경된 특성값을 결정하는 단계(S6)와, 안테나를 구성하는 접지면(20)을 기준으로 스트립선로의 다수개의 근사 모델로 분리하는 단계(S7)와, 상기 다수개의 근사 모델에서 각각의 새로운 유효 유전율을 구하는 단계(S8)와, 상기 새로운 유효 유전율에 의하여 안테나 설계변수의 물리적 길이를 결정하는 단계(S9)와, 상기 물리적 길이를 이용하여 안테나를 형성하는 단계(S10)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the design method of the broadband microstrip antenna for the base station of the present invention, in the design method at the time of the design change of the antenna, the electrical length is set as an initial value of the antenna design variable, and the first and second dielectrics 15 and 12 are separated. Determining a changed characteristic value (S6), separating the plurality of approximation models of the strip line based on the ground plane 20 constituting the antenna (S7), and each new validity in the plurality of approximation models. Obtaining a permittivity (S8), determining a physical length of an antenna design variable according to the new effective permittivity (S9), and forming an antenna using the physical length (S10). It is done.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a broadband microstrip antenna for a base station according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 마이크로 스트립 안테나의 사시도로서, 도면 중 11은 방사 소자부, 12는 제2유전체, 13은 슬롯, 14는 급전회로부, 15는 제1유전체, 16은 반사판, 20은 접지면, 21은 공기층, 22는 스페이서이다.1 is a perspective view of a microstrip antenna according to the present invention, in which 11 is a radiating element part, 12 is a second dielectric, 13 is a slot, 14 is a feeding circuit part, 15 is a first dielectric, 16 is a reflector, and 20 is a ground Surface 21 is an air layer and 22 is a spacer.
반사판(16)의 상부에 일정 간격을 두고 제1유전체(15)를 설치하고, 상기 제1유전체(15)의 하부 중앙면에 급전회로부(14)를 도입하여 설치하며 제1유전체(15)의 상부 중앙에 접지면(20)을 설치한다.The first dielectric 15 is disposed on the upper portion of the reflector plate 16 at a predetermined interval, and the feed circuit unit 14 is introduced into the lower center surface of the first dielectric 15 to install the first dielectric 15. Install the ground plane 20 in the upper center.
다음으로 상기 접지면(20)의 중앙에는 급전회로부(14)와 수직하고 중앙 양측으로 폭이 확장되는 나비모양 구조의 슬롯(13)을 형성시키고, 접지면(20)의 상부에는 SSFIP 구조와 달리 폼(Foam) 대신에 공기층(21)을 형성시킨다.Next, in the center of the ground plane 20 is formed a slot 13 of the butterfly-shaped structure perpendicular to the power supply circuit portion 14 and the width is extended to both sides of the center, unlike the SSFIP structure on the upper portion of the ground plane 20 The air layer 21 is formed instead of the foam.
그리고 공기층(21)의 상부에는 제2유전체(12)를 설치하고, 제2유전체(12)의 상부 중앙 양측으로 폭이 확장되어 상기 슬롯(13)과 대응되도록 나비모양 구조의 패치인 방사 소자부(11)를 설치한다.In addition, a second dielectric 12 is installed on the upper part of the air layer 21, and the width of the second dielectric 12 is extended to both sides of the upper center, and the radiating element portion, which is a patch of a butterfly shape, to correspond to the slot 13. Install (11).
상기 방사 소자부(11)는 급전회로부(14)로부터 전류를 제공받아 슬롯(13)을 통하여 전계 결합되며, 나비모양의 구조로 설치함으로써 종래의 정방형 구조의 방사 소자부보다 광대역 전파 특성을 향상시키게 된다.The radiating element portion 11 receives electric current from the power feeding circuit portion 14 and is electric field coupled through the slot 13, and is installed in a butterfly shape to improve broadband propagation characteristics than the radiating element portion of the conventional square structure. do.
한편, 상기 슬롯(13)이 형성된 제1유전체(15)와 방사 소자부(11)가 설치된 제2유전체(12) 사이의 공기층(21) 두께를 일정하게 유지하며, 제1유전체(15)와 반사판(16)이 견고하게 연결되도록 각각의 모서리에 스페이서(22)를 설치하여 제1, 제2유전체(15, 12)를 지지하도록 한다.Meanwhile, the thickness of the air layer 21 between the first dielectric 15 in which the slot 13 is formed and the second dielectric 12 in which the radiating element part 11 is provided is kept constant, and the first dielectric 15 and Spacers 22 are installed at respective corners of the reflector plate 16 so as to be firmly connected to support the first and second dielectrics 15 and 12.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 의한 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나의 설계방법에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a design method of a broadband microstrip antenna for a base station according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 스트립 안테나의 설계변수를 나타내는 평면 투시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 스트립 안테나의 적층구조 및 유전체의 특성값을 나타내는 측단면도이며, 도 5는 본 발명에 의한 마이크로 스트립 안테나의 설계방법을 나타내는 흐름도이다.FIG. 2 is a plan perspective view showing design parameters of a microstrip antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a side cross-sectional view showing a laminated structure and a characteristic value of a dielectric of a microstrip antenna according to an embodiment of the present invention. 5 is a flowchart illustrating a method of designing a microstrip antenna according to the present invention.
먼저, 제1단계(S1)는 적층구조의 마이크로 스트립 안테나의 설계변수의 초기값과 상기 제1, 제2유전체(15, 12)의 특성값을 결정한다.First, the first step (S1) determines the initial value of the design parameters of the microstrip antenna of the stacked structure and the characteristic values of the first and second dielectrics (15, 12).
본 발명의 실시예에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 안테나의 설계변수는 상기 방사 소자부(11)의 최대길이(L_patch_edge), 최소길이(L_patch_center), 폭(W_patch)과, 상기 슬롯(13)의 최대폭(W_slot_edge), 최소폭(W_slot_center), 길이(L_slot) 및 상기 급전회로부(14) 스터브의 길이(L_stub), 폭(W_stub)을 초기값으로 한다.According to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 2, the design parameters of the antenna is the maximum length (L_patch_edge), the minimum length (L_patch_center), the width (W_patch) of the radiating element portion 11 and the slot ( The maximum width W_slot_edge, the minimum width W_slot_center, the length L_slot, and the length L_stub and the width W_stub of the stub of the power feeding circuit section 14 are set to initial values.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 , 제2유전체(15, 12)의 유전율(εr1, εr2)과 각각의 두께(d1, d2)를 특성값으로 한다.As shown in FIG. 3, the dielectric constants ε r 1 and ε r 2 of the first and second dielectrics 15 and 12 and the thicknesses d 1 and d 2 are set as characteristic values.
그 다음, 제2단계(S2)는 상기 접지면(20)을 기준으로 스트립선로의 다수개의 근사 모델로 분리한다.Next, the second step S2 is separated into a plurality of approximation models of the strip line based on the ground plane 20.
본 발명의 실시예에 의하면, 적층구조의 마이크로 스트립 안테나를Suspended 마이크로 스트립선로 모델(17), 슬롯 스트립선로 모델(18) 및 Covered 마이크로 스트립선로 모델(19)의 3 부분으로 나눈다.According to an embodiment of the present invention, the stacked microstrip antenna is divided into three parts: the suspended microstrip line model 17, the slot strip line model 18, and the covered microstrip line model 19.
그 다음, 제3단계(S3)는 S1에서 나눈 각각의 모델에 대하여 각각의 유효 유전율을 구한다.Next, a third step S3 calculates respective effective dielectric constants for each model divided by S1.
첫째로 상기 Suspended 마이크로 스트립선로 모델(17)은, 도 4a의 Suspended 마이크로 스트립선로 모델의 구조 및 설계변수를 나타내는 단면도에 도시된 바와 같이, 일반적인 마이크로 스트립선로에 비해 접지면(20)과 제2유전체(12)가 간격 b를 두고 설치되는 점이 다르다. 따라서 일반적인 마이크로 스트립선로에 있어서의 유효 유전율과 달리 접지면(20)과 제2유전체(12) 사이의 간격 b를 고려하여 유효 유전율을 구한다.First, the Suspended microstrip line model 17 has a ground plane 20 and a second dielectric as shown in a cross-sectional view showing the structure and design parameters of the Suspended microstrip line model of FIG. 4A. (12) differs in that it is provided at intervals b. Therefore, unlike the effective dielectric constant in a general microstrip line, the effective dielectric constant is obtained by considering the distance b between the ground plane 20 and the second dielectric 12.
둘째로 상기 슬롯 스트립선로 모델(18)은, 도 4b의 슬롯 스트립선로 모델의 구조 및 설계변수를 나타내는 단면도에 도시된 바와 같이, 공기층(21)의 두께가 제1유전체(15)와 제2유전체(12)의 두께에 비하여 아주 크다고 가정하여 슬롯(13)이 있는 부분을 슬롯 스트립선로 모델로 근사화하였다.Secondly, the slot strip line model 18, as shown in the cross-sectional view showing the structure and design parameters of the slot strip line model of Figure 4b, the thickness of the air layer 21 is the first dielectric 15 and the second dielectric The part with the slot 13 was approximated to the slot strip line model assuming that it is very large compared to the thickness of (12).
상기 슬롯 스트립선로 모델(18)에서의 유효 유전율은 슬롯(13)이 형성된 제1유전체(15)의 유전율이 2.2≤εr≤3.8일 경우에 근사식 적용이 가능하며 공진 주파수와 슬롯(13)의 폭 w의 비에 따라서 다른 수학식이 적용된다.The effective dielectric constant in the slot strip line model 18 may be approximated when the dielectric constant of the first dielectric 15 in which the slot 13 is formed is 2.2 ≦ ε r ≦ 3.8, and the resonance frequency and the slot 13 may be applied. Another equation is applied depending on the ratio of the width w to.
셋째로 상기 Covered 마이크로 스트립선로 모델(19)은, 도 4c의 Covered 마이크로 스트립선로 모델의 구조 및 설계변수를 나타내는 단면도에 도시된 바와 같이, 제1유전체(15), 급전회로부(14) 및 반사판(16)이 있는 구조를 근사한 모델로서일반적인 마이크로 스트립선로 구조에 덮개를 씌운 구조와 같다.Third, the covered microstrip line model 19 may include the first dielectric 15, the power supply circuit unit 14, and the reflector plate, as shown in a cross-sectional view showing the structure and design parameters of the covered microstrip line model of FIG. 4C. This model is an approximation of the structure with 16) and is similar to the structure with a covering of a general microstrip line structure.
이러한 구조에서의 유효 유전율은 덮개가 없고 스트립선로의 두께를 무시할 때의 유효 유전율을 구한 다음, 덮개가 있는 구조에서의 보정 계수를 이용하여 보정함으로써 구할 수 있다.The effective permittivity in such a structure can be obtained by obtaining the effective permittivity when the cover is not covered and the thickness of the strip line is ignored, and then corrected using a correction factor in the cover structure.
따라서 상기 각각의 모델(17, 18, 19)에 따른 유효 유전율은 안테나 설계변수의 초기값과 제1, 제2유전체(15, 12)의 특성값을 대입하여 구할 수 있다.Therefore, the effective dielectric constants according to the models 17, 18, and 19 may be obtained by substituting the initial values of the antenna design variables and the characteristic values of the first and second dielectrics 15 and 12.
그 다음, 제4단계(S4)는 상기 S3에서 구한 유효 유전율을 이용하여 안테나 설계변수의 전기적 길이를 결정한다.Next, the fourth step S4 determines the electrical length of the antenna design variable by using the effective dielectric constant obtained in S3.
즉, S3에서 구한 유효 유전율 값이 고려된 파장을 구하여 초기값으로 나누어주면 안테나의 설계변수에 대한 전기적 길이를 구할 수 있다.In other words, if the wavelength obtained by considering the effective dielectric constant value obtained in S3 is obtained and divided by the initial value, the electrical length of the design variable of the antenna can be obtained.
하기의 표 1은 안테나 설계변수에 따른 유효 유전율과 전기적 길이를 나타내는 표로서, 공기층(21)의 두께(h_23)는 14mm이고, 제1유전체(15)와 반사판(16) 사이의 거리(h_12)는 20mm로 고정한 상태에서 안테나의 설계변수 초기값을 정하여 유효 유전율과 전기적 길이를 구하였다.Table 1 below shows the effective dielectric constant and electrical length according to the antenna design variable. The thickness h_23 of the air layer 21 is 14 mm, and the distance h_12 between the first dielectric 15 and the reflector 16 is shown. The effective dielectric constant and the electrical length were obtained by setting the initial value of the design variable of the antenna in the fixed state of 20mm.
다음으로, 제5단계(S5)는 상기 S4에서 결정된 전기적 길이에 의하여 마이크로 스트립 안테나를 형성한다.Next, the fifth step (S5) forms a micro strip antenna by the electrical length determined in the S4.
한편, 상기 S1부터 S5에 의하여 형성된 마이크로 안테나를 구성하는 제1, 제2유전체(15, 12) 기판의 종류를 변경하여 설계하고자 할 경우 다음과 같은 제 6 단계부터 제 10 단계의 과정을 거치게 된다.On the other hand, if you want to design by changing the type of the first, second dielectric (15, 12) substrate constituting the micro-antenna formed by the S1 to S5 is a process of the sixth to tenth step as follows .
먼저, 제6단계(S5)는 상기 S4에 의하여 결정한 전기적 길이를 안테나 설계변수의 초기값으로 하고, 상기 제1, 제2유전체(15, 12)의 변경된 특성값(εr1′, εr2′, d1′, d2′)을 결정한다.First, in step S5, the electrical length determined by S4 is used as an initial value of the antenna design variable, and the changed characteristic values ε r 1 ′ and ε r of the first and second dielectrics 15 and 12 are determined. 2 ', d1', d2 ').
그 다음, 제7단계(S7)는 상기 S2와 동일하게 안테나 구조를 3개의 근사 모델로 분리한다.Next, in step S7, the antenna structure is divided into three approximation models in the same manner as in S2.
그 다음, 제8단계(S8)는 상기 S3과 동일한 방법에 의하여 각각의 근사 모델(17, 18, 19)에 대하여 새로운 유효 유전율을 구한다.The eighth step S8 then obtains a new effective permittivity for each of the approximation models 17, 18 and 19 by the same method as S3.
그 다음, 제9단계(S9)는 상기 S8에서 구한 새로운 유효 유전율에 의하여 설계변수의 물리적 길이를 구한다.Next, the ninth step S9 calculates the physical length of the design variable by the new effective permittivity obtained in S8.
본 발명의 실시예에 의하면, 제1유전체(15)의 유전율이 2.2에서 2.5로 변경되고, 제2유전체(12)의 유전율이 3.38에서 4.5로 변경될 경우, 유효 유전율의 변화와 설계변수의 물리적 길이는 하기 표 2의 유전체 기판의 변경에 따른 안테나 설계변수의 변화를 나타난 바와 같다.According to the exemplary embodiment of the present invention, when the permittivity of the first dielectric 15 is changed from 2.2 to 2.5 and the permittivity of the second dielectric 12 is changed from 3.38 to 4.5, the effective dielectric constant is changed and the physical properties of the design variable are changed. The length is as shown in the antenna design parameters according to the change of the dielectric substrate of Table 2 below.
마지막으로 제10단계(S8)는 상기 S9에서 구한 물리적 길이에 의하여 마이크로 스트립 안테나를 설계한다.Finally, in the tenth step S8, the microstrip antenna is designed according to the physical length obtained in S9.
이하에서는 스미스 도표를 참조하여 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the Smith chart will be described the operation of the present invention configured as described above.
도 6a는 본 발명에 의한 안테나의 설계변수 초기값과 유전체 특성값에 의한 입력 임피던스를 나타내는 스미스 도표이고, 6b는 본 발명에 의한 안테나의 설계변수 초기값과 변경된 유전체의 특성값에 의한 입력 임피던스를 나타내는 스미스 도표이고, 도 6c는 본 발명에 의한 안테나의 물리적 길이에 의한 입력 임피던스를 나타내는 스미스 도표로서, 이를 이용하여 안테나의 임피던스 정합 여부를 가시적으로 확인할 수 있다.FIG. 6A is a Smith diagram illustrating an input impedance by an initial design variable and a dielectric characteristic value of an antenna according to the present invention, and FIG. 6B illustrates an input impedance by an initial design variable of an antenna and a characteristic value of a changed dielectric according to the present invention. FIG. 6C is a Smith diagram illustrating input impedance according to the physical length of an antenna according to the present invention. By using this, it is possible to visually check whether an antenna is matched with impedance.
먼저, 도 6a에 의하면 표 1의 설계변수 값에 의한 안테나 입력 임피던스를 나타내며, 원하는 주파수 대역에서 임피던스 정합이 잘 되었음을 알 수 있다.First, according to Figure 6a shows the antenna input impedance according to the design variable value of Table 1, it can be seen that the impedance matching is good in the desired frequency band.
다음으로 도 6b는 안테나 설계변수의 물리적 길이를 상기 표 1의 초기값 그대로 이용한 경우 안테나의 입력 임피던스를 나타내며, 도 6a의 안테나 설계변수와 물리적 길이는 같지만 유전체 특성값의 변화로 인해 도 6a의 그래프와 많은 오차를 보이며, 원하는 주파수 대역에서 안테나 입력 임피던스가 중심을 벗어남을 알 수 있다.Next, FIG. 6B shows the input impedance of the antenna when the physical length of the antenna design variable is used as it is in the initial value of Table 1, and the graph of FIG. 6A due to the change in the dielectric characteristic value but the same physical length as the antenna design variable of FIG. It can be seen that the antenna input impedance is off center in the desired frequency band.
마지막으로 도 6c는 변경된 유전체 특성값을 고려하여 안테나 설계변수의 물리적 길이를 상기 표 2의 결과값을 이용한 경우 안테나의 입력 임피던스를 나타내며, 도 6a의 그래프와 거의 일치하면서 원하는 주파수 대역에서 입력 임피던스 정합이 잘 됨을 알 수 있다.Finally, FIG. 6C shows the input impedance of the antenna when the physical length of the antenna design variables using the results of Table 2 in consideration of the changed dielectric characteristic value, and matches the input impedance in the desired frequency band while being almost identical to the graph of FIG. 6A. You can see this works.
즉, 유전체의 특성을 변화하더라도 입력 임피던스가 정합되는 안테나 설계변수의 물리적 길이를 용이하게 구할 수 있음을 알 수 있다.That is, even if the characteristics of the dielectric are changed, it can be seen that the physical length of the antenna design variable matching the input impedance can be easily obtained.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 기지국용 광대역 마이크로 스트립 안테나 및 그 설계방법을 사용하면 다음과 같은 효과가 있게 된다.As described above in detail, using the broadband microstrip antenna for the base station of the present invention and its design method has the following effects.
첫째, 유전체의 특성값 변화에 상관없이 원하는 주파수 대역에서 임피던스 정합이 잘 이루어짐으로써 이동통신, PCS 및 IMT-2000 기지국에 모두 사용할 수 있는 광대역 안테나를 설계할 수 있다.First, because the impedance matching is well performed in the desired frequency band regardless of the change in the characteristic value of the dielectric, it is possible to design a broadband antenna that can be used for both mobile communication, PCS and IMT-2000 base station.
둘째, 다른 주파수 대역을 사용하는 무선 이동 통신 서비스용 안테나에도 적용할 수 있으며, 특히 기지국의 공용화시 안테나와 기지국 시스템 사이에 다이플렉스(Diplexer)를 삽입함으로써 하나의 안테나만을 사용할 수 있어 케이블 재료비 및 포설비를 절감할 수 있다.Second, it can be applied to antennas for wireless mobile communication services using different frequency bands, and in particular, only one antenna can be used by inserting a diplexer between the antenna and the base station system when the base station is shared. Reduced equipment
셋째, 적층구조의 안테나이므로 종래의 정형적인 철탑에 설치할 수 있을 뿐만 아니라 벽면 취부가 가능하여 도시 미관을 개선할 수 있는 효과가 있다.Third, since the antenna is a laminated structure, not only can be installed in the conventional steel tower, but also the wall can be mounted, thereby improving the aesthetics of the city.
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