KR100421764B1 - Wideband microstrip patch array antenna with high efficiency - Google Patents
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Abstract
유전체층의 하면 전체에 접지도체층이 형성되어 있고, 유전체층의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 급전선과 제1 패치가 형성되어 있다. 급전선과 제1 패치는 전기적으로 직접 연결되어 있다. 급전선과 제1 패치의 위에는 제1 폼층이 형성되어 있고, 제1 폼층 위에는 유전체 필름이 형성되어 있다. 유전체 필름의 위에는 금속으로 이루어진 제2 패치가 형성되어 있고, 제2 패치의 위에는 제2 폼층이 형성되어 있다. 이렇게 하면, 임피던스 대역폭과 축비 대역폭, 그리고 이득 특성이 우수한 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 구현할 수 있다.A ground conductor layer is formed on the entire lower surface of the dielectric layer, and a feed line made of metal and a first patch are formed on the upper surface of the dielectric layer. The feeder line and the first patch are electrically connected directly. A first foam layer is formed on the feed line and the first patch, and a dielectric film is formed on the first foam layer. A second patch made of metal is formed on the dielectric film, and a second foam layer is formed on the second patch. In this way, a microstrip patch array antenna having excellent impedance bandwidth, axial ratio bandwidth, and gain characteristics can be realized.
Description
본 발명은 선형편파 및 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 전자기적 결합 방식의 선형편파 및 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a wideband microstrip patch array antenna for linearly and circularly polarized waves, and more particularly, to a wideband microstrip patch array antenna for linearly and circularly polarized electromagnetic waves.
마이크로 스트립 패치 배열 안테나는 육상 방송, 위성 방송 및 통신에서 현재 가장 일반적으로 사용되는 안테나이다. 그러나 마이크로스트립 패치 안테나는 동작 대역이 좁은 단점이 있다. 특히 위성 방송 및 통신의 경우, 국가별로 사용하는 주파수에 차이가 있어서 외국과 국내의 위성 신호를 동시에 수신하기 위해서는 다수의 안테나를 설치해야 한다. 또한 원편파를 사용하는 경우에는 임피던스 대역폭뿐만 아니라 해당 대역 내에서의 축비 특성을 만족시켜야 하는 추가적인 조건이 있어서 안테나의 성능 개선을 어렵게 하고 있다.Microstrip patch array antennas are the most commonly used antennas in terrestrial, satellite and telecommunications. However, microstrip patch antennas have a narrow operating band. In particular, in the case of satellite broadcasting and communication, there is a difference in the frequency used by each country, so in order to simultaneously receive satellite signals from foreign and domestic countries, a plurality of antennas must be installed. In addition, in the case of using circular polarization, there is an additional condition that must satisfy the axial ratio characteristic in the corresponding band as well as the impedance bandwidth, making it difficult to improve the performance of the antenna.
도 1a와 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이다.1A and 1B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of a circular polarization microstrip patch antenna according to the prior art.
PCB(printed circuit board) 등의 유전체 기판(12)의 아래 면에 도전체로 이루어진 접지층(11)이 형성되어 있고, 유전체 기판(12)의 윗면에 도전체로 이루어진 급전선(10)과 방사 패치(9)가 형성되어 있다.A ground layer 11 made of a conductor is formed on a lower surface of the dielectric substrate 12 such as a printed circuit board (PCB), and a feed line 10 made of a conductor and a radiation patch 9 are formed on the upper surface of the dielectric substrate 12. ) Is formed.
그런데 이러한 직접 급전 방식의 패치 안테나에 의하여는 광대역의 축비와 충분한 임피던스 대역폭을 얻기가 어렵다. 이 때문에 마련된 방법이 방사 패치와 급전선 사이를 전자기적으로 결합시키는 방식이다.By the way, the patch antenna of the direct feed method is difficult to obtain a wide bandwidth ratio and sufficient impedance bandwidth. For this reason, the method provided is an electromagnetic coupling between the radiation patch and the feed line.
도 2a와 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 전자기적 결합 방식의 패치 안테나의 단면도와 사시도이다.2A and 2B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of a patch antenna of an electromagnetic coupling method according to the related art.
PCB(printed circuit board) 등으로 이루어진 유전체 기판(16)의 하면에 접지 도체층(17)이 형성되어 있고, 유전체 기판(16) 상면에 급전선(15)이 형성되어 있다. 급전선(15) 위에는 유전체층(14)이 형성되어 있고, 유전체층(14) 위에 방사 패치(13)가 형성되어 있다. 방사 패치(13)는 급전선(15)과의 전자기적 결합성을 향상시키기 위하여 급전선(15)과 일부가 중첩되도록 형성되어 있다.The ground conductor layer 17 is formed on the bottom surface of the dielectric substrate 16 made of a printed circuit board (PCB) or the like, and the feed line 15 is formed on the top surface of the dielectric substrate 16. The dielectric layer 14 is formed on the feed line 15, and the radiation patch 13 is formed on the dielectric layer 14. The radiation patch 13 is formed to overlap a part of the feed line 15 in order to improve electromagnetic coupling with the feed line 15.
그런데 이러한 구조의 전자기적 결합 방식의 패치 안테나는 방사 패치(13)와 급전선(15) 사이의 거리가 조금만 멀어지면 결합 특성이 저하되어 안테나 효율이 떨어지는 문제점이 있다.However, when the distance between the radiation patch 13 and the feed line 15 is a little farther away, the patch antenna of the electromagnetic coupling method has a problem in that the coupling property is lowered and the antenna efficiency is lowered.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 선형편파 및 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 방사 패치와 급전선 사이의 전자기적 결합 특성을 향상시키는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to improve the electromagnetic coupling characteristics between the radiation patch and the feed line of the linearly and circularly polarized microstrip patch antenna.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 선형편파 및 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 임피던스 대역폭을 향상시키는 것이다. 또한, 방사패치를 얇은 유전체 필름위에 형성함으로써 방사효율을 증가시키고, 제작 비용을 줄이는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to improve the impedance bandwidth of the microstrip patch antenna for linear polarization and circular polarization. In addition, by forming a spin patch on a thin dielectric film to increase the radiation efficiency and to reduce the manufacturing cost.
도 1a와 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이고,1A and 1B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of a circular polarization microstrip patch antenna according to the prior art;
도 2a와 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 전자기적 결합 방식의 패치 안테나의 단면도와 사시도이고,2A and 2B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of a patch antenna of an electromagnetic coupling method according to the related art,
도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이고,3A and 3B are cross-sectional views and perspective views of a circularly polarized broadband microstrip patch antenna according to a first embodiment of the present invention, respectively;
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 단면도이고,4 is a cross-sectional view of a wideband microstrip patch array antenna for circular polarization according to a second embodiment of the present invention;
도 5a와 도 5b는 각각 도 4의 23번 층과 26번 층의 배치도이고,5A and 5B are layout views of layers 23 and 26 of FIG. 4, respectively.
도 6은 본 발명에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실, 축비 및 이득 특성도이다.6 is a reflection loss, an axial ratio, and a gain characteristic diagram of a wideband microstrip patch array antenna for circular polarization according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1, 21: 제2 패치1, 21: second patch
2, 22: 제2 폼(foam)층2, 22: second foam layer
3, 23: 유전체 필름3, 23: dielectric film
4, 24: 제1 폼층4, 24: first foam layer
5, 25: 급전선5, 25: feeder
6, 26: 유전체층6, 26: dielectric layer
7, 27: 접지도체층7, 27: ground conductor layer
8, 28: 제1 패치8, 28: first patch
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 급전선에 제1 패치를 연결하고 제1 패치 상부로 폼(foam)층이 위치하며 폼층 상부로 유전체 필름을 위치시켜 급전선과 제1 패치로부터 이격시킨 유전체 필름 상에 제2 패치를 형성한다.In order to solve this problem, in the present invention, a first patch is connected to a feed line, a foam layer is positioned above the first patch, and a dielectric film is positioned above the foam layer so as to be spaced apart from the feed line and the first patch. A second patch is formed.
구체적으로는, 제1면과 제2면을 가지는 제1 유전체층, 상기 제1 유전체층의 제1면에 형성되는 접지도체층, 상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되는 급전선,Specifically, a first dielectric layer having a first surface and a second surface, a ground conductor layer formed on the first surface of the first dielectric layer, a feed line formed on the second surface of the first dielectric layer,
상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되고, 상기 급전선과 전기적으로 연결되며 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 제1 패치, 상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제2 유전체층, 그리고 상기 제2 유전체층 위에 형성되고 상기 제1 패치와 적어도 일부가 중첩되며, 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 제2 패치를 포함하며, 상기 제2 유전체층은, 상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제1 폼층, 그리고 상기 제1 폼층 위에 형성되는 유전체 필름을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나를 마련한다.A first patch formed on a second surface of the first dielectric layer and electrically connected to the feed line and having two diagonally facing edges cut; a second dielectric layer formed on the feed line and the first patch; and the second A second patch formed over the dielectric layer and at least partially overlapping the first patch, the second patch having two diagonally facing edges cut, the second dielectric layer being a first foam layer formed over the feed line and the first patch And it provides a microstrip patch antenna comprising a dielectric film formed on the first foam layer.
이 때, 상기 제2 패치 위에 형성되어 있는 제2 폼층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 패치는 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 4각형이고, 상기 절단된 두 모서리의 위치는 제1 패치와 제2 패치가 일치하는 것이 바람직하다.At this time, it may further include a second foam layer formed on the second patch, the first and the second patch is a quadrilateral cut two corners facing diagonally, the location of the two cut corners It is preferable that the first patch and the second patch coincide.
또한 이러한 마이크로스트립 패치 안테나를 1×2 단위 배열된 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 형성한다.In addition, the microstrip patch antenna forms a microstrip patch array antenna arranged in units of 1 × 2.
이 때, 상기 제1 및 제2 패치는 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 4각형이고, 절단된 두 모서리의 위치는 상기 제1 패치와 이와 중첩하는 상기 제2 패치가 일치하며, 1×2 단위를 이루는 두 개의 상기 제1 패치는 절단된 두 모서리의 위치가 서로 반대가 되도록 배치하고, 1×2 단위 배열 급전부 위상이 0°,90°인 순차 회전 급전 방식으로 급전하는 것이 바람직하다.At this time, the first and the second patch is a quadrilateral with two corners cut diagonally, the position of the two cut corners coincide with the first patch and the second patch overlapping it, 1 × 2 The two first patches constituting the unit are disposed so that the positions of the two cut edges are opposite to each other, and the power is supplied in a sequential rotational feeding manner in which the phases of the 1 × 2 unit array feeders are 0 ° and 90 °.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 선형편파 및 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나에 대하여 설명한다.Next, a microstrip patch antenna for linear polarization and circular polarization according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이다.3A and 3B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of a circularly polarized broadband microstrip patch antenna according to a first embodiment of the present invention.
유전체층(6)의 하면 전체에 접지도체층(7)이 형성되어 있고, 유전체층(6)의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 급전선(5)과 제1 패치(8)가 형성되어 있다. 급전선(5)과 제1 패치(8)는 전기적으로 직접 연결되어 있다. 급전선(5)과 제1 패치 (8)의 위에는 제1 폼층(4)이 형성되어 있고, 제1 폼층(4) 위에는 유전체 필름(3)이 형성되어 있다. 유전체 필름(3)의 위에는 금속으로 이루어진 제2 패치(1)가 형성되어 있고, 제2 패치(1)의 위에는 제2 폼층(2)이 형성되어 있다.The ground conductor layer 7 is formed on the entire lower surface of the dielectric layer 6, and the feed line 5 and the first patch 8 made of metal are formed on the upper surface of the dielectric layer 6. The feed line 5 and the first patch 8 are electrically connected directly. The first foam layer 4 is formed on the feed line 5 and the first patch 8, and the dielectric film 3 is formed on the first foam layer 4. A second patch 1 made of metal is formed on the dielectric film 3, and a second foam layer 2 is formed on the second patch 1.
여기서 제1 패치(8)와 제2 패치(1)는 원편파 구현을 위해 직교하는 두 모드를 발생시킬 수 있도록 대각선으로 마주하는 두 모서리가 절단된 4각형 모양으로 형성되어 있다. 또, 제1 패치(8)와 제2 패치(1)는 상호 전자기적으로 효율적으로 결합할 수 있도록 중첩시켜 형성한다. 이 때, 절단된 두 모서리는 제1 패치(8)와 제2 패치(1)가 서로 일치하도록 배치한다. 이와 같이 급전선(5)과 연결되어 있는 제1 패치(8)를 이용하여 방사 패치인 제2 패치(1)와 전자기적으로 결합시킴으로써 결합 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서 제 1패치(8)와 제 2패치(1)의 두 모서리를 절단시키지 않을 경우, 광대역의 선형편파를 얻을 수 있다. 따라서 두 패치(8, 1) 사이의 거리가 어느 정도 멀어지더라도 안테나의 방사 효율이 문제될 정도로 감소하지는 않는다.Here, the first patch 8 and the second patch 1 are formed in a quadrangular shape in which two corners facing each other are cut diagonally so as to generate two orthogonal modes for circular polarization. In addition, the first patch 8 and the second patch 1 are formed so as to overlap each other so as to be efficiently coupled to each other. At this time, the two cut edges are arranged such that the first patch 8 and the second patch 1 coincide with each other. As such, the coupling efficiency may be improved by electromagnetically coupling the second patch 1, which is a radiation patch, by using the first patch 8 connected to the feed line 5. Here, if the two edges of the first patch 8 and the second patch 1 are not cut, wideband linear polarization can be obtained. Therefore, even if the distance between the two patches (8, 1) to some extent, the radiation efficiency of the antenna does not decrease to the extent that the problem.
한편, 폼층(2, 4)은 다량의 공기 방울을 내포하고 있어서 유전율이 매우 낮다. 따라서 제1 패치(8)와 제2 패치(1)를 제1 폼층(4)을 이용하여 이격시킴으로써 축비 대역폭과 임피던스 대역폭 특성을 개선할 수 있고, 이를 통하여 안테나의 방사 효율이 향상되고 안테나의 이득 특성도 개선된다. 또, 제2 폼층(2)은 제2 패치(1)를 덮어 보호하되 전자파를 방사함에 있어서 제2 폼층(2)으로 인한 손실은 미미하다.On the other hand, the foam layers 2 and 4 contain a large amount of air bubbles and have a very low dielectric constant. Therefore, by separating the first patch 8 and the second patch 1 by using the first foam layer 4, it is possible to improve the axial ratio bandwidth and the impedance bandwidth characteristics, thereby improving the radiation efficiency of the antenna and gain of the antenna The properties are also improved. In addition, the second foam layer 2 covers and protects the second patch 1, but the loss due to the second foam layer 2 is minimal in radiating electromagnetic waves.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 단면도이고, 도 5a와 도 5b는 각각 도 4의 23번 층과 26번 층의 배치도이다.4 is a cross-sectional view of a wideband microstrip patch array antenna for circular polarization according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 5A and 5B are layout views of layers 23 and 26 of FIG. 4, respectively.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치를 순차 회전 급전 방식을 적용할 수 있도록 배열한 것이다.In the second embodiment of the present invention, the circularly polarized broadband microstrip patch according to the first embodiment is arranged so that a sequential rotational feeding method can be applied.
먼저, 도 4 및 도 5a, 5b를 보면, 유전체층(26)의 하면 전체에 접지도체층(27)이 형성되어 있고, 유전체층(26)의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 급전선(25)과 제1 패치(28)가 형성되어 있다. 급전선(25)과 제1 패치(28)는 전기적으로 직접 연결되어 있다. 급전선(25)과 제1 패치(28)의 위에는 제1 폼층(24)이 형성되어 있고, 제1 폼층(24) 위에는 유전체 필름(23)이 형성되어 있다. 유전체 필름(23)의 위에는 금속으로 이루어진 제2 패치(21)가 형성되어 있고, 제2 패치(21)의 위에는 제2 폼층(22)이 형성되어 있다. 이상과 같이, 제2 실시예에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 각 패치 부분은 제1 실시예로서 설명한 것과 동일한 구조를 가지고 있다.First, referring to FIGS. 4, 5A, and 5B, the ground conductor layer 27 is formed on the entire lower surface of the dielectric layer 26, and the feed line 25 made of metal and the first patch are formed on the upper surface of the dielectric layer 26. 28 is formed. The feed line 25 and the first patch 28 are electrically connected directly. The first foam layer 24 is formed on the feed line 25 and the first patch 28, and the dielectric film 23 is formed on the first foam layer 24. The second patch 21 made of metal is formed on the dielectric film 23, and the second foam layer 22 is formed on the second patch 21. As described above, each patch portion of the circularly polarized microstrip patch array antenna according to the second embodiment has the same structure as that described as the first embodiment.
도 5a에 나타낸 바와 같이, 1 × 2 단위 배열 안테나가 연속적으로 결합되어 하나의 원편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 이룬다. A는 순차 회전 급전 방식을 적용하기 위하여 직접 연결되어 있는 두 패치 사이에만큼의 전기적 경로차를 형성한 것이다. 직접 연결되어 있는 두 패치는 잘려나간 두 모서리의 위치가 서로 반대가 되도록 배치되어 있다. 잘려나간 두 모서리의 위치에 따라 우수 원편파와 좌수 원편파를 선택할 수 있다.As shown in FIG. 5A, a 1 × 2 array antenna is continuously coupled to form one circularly polarized microstrip patch array antenna. A is between two patches that are directly connected in order to apply a sequential rotation feed. As much as the electrical path difference is formed. The two patches that are directly connected are arranged so that the two cut edges are opposite each other. Depending on the location of the two edges that are cut out, you can choose the good and left circular polarizations.
도 6은 본 발명에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실, 축비 및 이득 특성도이다.6 is a reflection loss, an axial ratio, and a gain characteristic diagram of a wideband microstrip patch array antenna for circular polarization according to the present invention.
도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 축비, 이득 및 반사손실 면에서 모두 우수함을 알 수 있다. 본 발명의 안테나는 10dB 반사손실 대역폭 특성이 31% (중심주파수 11.85GHz) , 3dB 축비 대역폭 특성이 32.1% (중심주파수 11.85GHz)이다. 종래의 마이크로 스트립 패치 배열 안테나에서는 20% 이상의 축비 대역폭 특성을 얻기 어렵다.As shown in FIG. 6, it can be seen that the circularly polarized microstrip patch array antenna according to the present invention is excellent in terms of axial ratio, gain, and return loss. The antenna of the present invention has a 31dB return loss bandwidth characteristic of 31% (center frequency 11.85GHz) and a 3dB axial ratio bandwidth characteristic of 32.1% (center frequency 11.85GHz). In the conventional micro strip patch array antenna, it is difficult to obtain an axial ratio bandwidth characteristic of more than 20%.
앞서도 언급하였으나 본 발명은 선형편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나에도 적용될 수 있다. 즉, 도 3b와 도 5a 및 도 5b에서 제1 패치와 제2 패치를 모서리를 절단하지 않은 형태로 형성하면 선형편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나가 된다.Although mentioned above, the present invention may be applied to a microstrip patch array antenna for linear polarization. That is, when the first patch and the second patch are formed without cutting edges in FIGS. 3B, 5A, and 5B, the microstrip patch array antenna for linear polarization is formed.
이상에서는 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형시켜 사용할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.The present invention has been described above by referring to preferred embodiments, but those skilled in the art will be able to use the present invention in various ways without departing from the scope of the claims. It is included in the scope of the present invention.
이상과 같이, 급전선과 제1 패치를 전기적으로 직접 연결하고, 제1 패치와 제2 패치를 폼층을 사이에 두고 전자기적으로 결합시키면 급전선과 제2 패치 사이의 결합 특성을 향상시킬 수 있어서 안테나의 방사 효율이 향상되고, 유전율이 낮은 폼층을 사용하여 제1 패치와 제2 패치를 이격시키기 때문에 유전 손실을 저감할 수 있다. 또, 모서리가 절단된 패치를 사용함과 동시에 순차 회전 급전 방식을 사용함으로써 축비 대역폭 특성을 개선할 수 있다. 이를 통하여 임피던스 대역폭과 축비 대역폭, 그리고 이득 특성이 우수한 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 구현할 수 있다.As described above, when the feed line and the first patch are electrically connected directly, and the first patch and the second patch are electromagnetically coupled with the foam layer interposed therebetween, the coupling characteristics between the feed line and the second patch can be improved. Since the radiation efficiency is improved and the low dielectric constant foam layer is used to separate the first patch and the second patch, the dielectric loss can be reduced. In addition, the axial ratio bandwidth characteristics can be improved by using a patch with a corner cut and a sequential rotational feeding method. This enables the implementation of a microstrip patch array antenna with excellent impedance bandwidth, axial bandwidth and gain characteristics.
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