KR100425381B1 - 광대역용 이중원편파 마이크로스트립 패치안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 십자형 슬롯을 이용한 개구면 결합 마이크로스트립안테나의 십자형 슬롯의 형태 및/또는 방사패치의 형태를 개량하여 대역폭의 증가 및 안테나의 효율 개선을 가져오는 이중원편파마이크로스트립패치안테나에 관한 것이다.

본 발명의 구성은, 십자형 슬롯이 형성된 접지면과; 중앙에 방사패치가 포함되어 상기 접지면 위쪽에 접합되는 안테나기판과; 상기 십자형 슬롯과 4개의 결합점을 이루도록 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판;을 포함하는 이중원편파 개구면 결합 마이크로스트립패치안테나에 있어서, 상기 십자형 슬롯은, 4개의 직선슬롯이 동작주파수의 λ/4 파장의 간격으로 배치되어 결합점 상호간 90°의 위상차를 가지면서 십자형을 형성하되, 그 중앙부위(A)가 폐색면인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 방사패치 둘레에 밴드형태의 기생소자가 추가로 형성된 것을 특징으로 하기도 한다.

본 발명을 이동전화 단말기에 적용할 경우, 형태디자인이 자유롭고, 전자파의 인체 흡수를 차단할 수 있는 제품을 설계할 수 있으며, 사용자세나 사용환경의 변화에도 우수한 전송특성을 가지는 단말기를 제공받을 수 있다.

Description

광대역용 이중원편파 마이크로스트립 패치안테나{Dual Circular Polarized Aperture Coupled Microstrip Patch Antenna for Using The Wide Band}

본 발명은 원편파 마이크로스트립 패치안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 십자형 슬롯을 이용한 개구면 결합 마이크로스트립안테나의 십자형 슬롯의 형태 및/또는 방사패치의 형태를 개량하여 대역폭의 증가 및 안테나의 효율 개선을 가져오는 광대역용 이중원편파 마이크로스트립 패치안테나에 관한 것이다.

일반적으로 개인용 이동전화기인 PCS(Personal Communicatuins Services)단말기 안테나는 송·수신 목적으로 모노폴(Mono Pole) 안테나와 헬리켈(Helical) 안테나를 동시에 사용하고 있으나, 오늘날 이동통신 수요자의 취향이 모두가 효능에 앞서 디자인을 중시하고 더 나아가 소형 경량화되어 가는 현실에서 효능만을 고집하는 것은 매우 시대의 요구에 부응하지 못한다 할 수 있다. 아울러, PCS 단말기에 적용되고 있는 모노폴 안테나 및 헬리켈 안테나는 단말기 외부로 돌출 구성됨에 따라 휴대하는 데 불편을 주고, 사용자가 부주의로 떨어뜨렸을 경우 안테나 부위가 쉽게 파손될 수 있어 단말기 전체를 폐기하는 문제가 있으며, 송수화시에 이동전화 단말기의 안테나가 사용자의 귀 부근에 위치함에 따라 전자파로 인한 피해가 발생된다는 연구자료가 발표되고 있는 실정이다.

이같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근 소형집적화 및 다기능의 특성을 충족시킬 수 있는 마이크로스트립(Microstrip) 안테나가 주목받고 있다. 이는 제작이 용이하고 인쇄회로(Printed Circuit) 기술에 의한 대량생산이 가능할 뿐만 아니라, 크기가 작고 경량이어서 이동통신에 많이 이용될 수 있는 기술이기 때문이다. 특히 휴대용 이동통신 단말기에 마이크로스트립안테나를 적용할 경우 단말기의 사용시 전자파가 인체를 향하지 않도록 장착함으로써 전자파로 인한 피해를 줄일 수 있으며, 안테나의 형태를 자유롭게 형성할 수 있으므로 디자인의 형태적 제약에서 벗어날 수 있다.

일반적으로 마이크로 스트립 패치안테나에서 원편파를 얻기위한 방법은 구조에 의한 방법과 급전에 의한 방법으로 나눌 수 있는데, 급전에 의한 방법에는 십자형 슬롯을 이용한 개구면 결합방법이 있다. 상기 십자형 슬롯을 이용한 개구면 결합 마이크로스트립안테나는 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL 42, NO. 8, AUGUST 1994에 게재된 논문 "Analysis of a Dual Circulary Polarized Microstrip Antenna Fed by Cross Slots"(Ell Aloni and Raphael Kastner)에서 소개되고 있다.

이하, 도6a와 도6b를 참조하여 상기 십자형 개구면(슬롯) 급전에 의한 이중원편파 마이크로 스트립안테나의 구성을 간단히 설명한다.

상기 안테나의 구성은 유전체로 이루어진 안테나기판(10')과 접지면(20')과 유전체로 이루어진 급전기판(30')이 적층되어 직접 접합된다. 상기 안테나기판(10') 중앙에는 사각형태의 방사패치(12')가 설치되고, 상기 접지면(20')의 중앙에는 십자형태의 결합슬롯(22')이 형성되며, 상기 접지면(20')의 하부에 적층되는 급전기판(30')에는 결합슬롯(22')의 좌측부(22'-L), 우측부(22'-R), 상측부(22'-U), 하측부(22'-D)에 각각 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 마이크로스트립 급전선로(32′)가 설치된다.

그러나, 상기 안테나의 구성은 결합슬롯(22')의 좌측부(22'-L), 우측부(22'-R), 상측부(22'-U), 하측부(22'-D)가 일체로 형성되어 있어서, 급전선로(32')가 슬롯(22')의 좌측부(22'-L)의 중앙부를 통과하는 경우에도 좌측부(22'-L)와 일체로 형성된 우측부(22'-R)의 영향으로 인해, 급전선로(32′)에 의한 슬롯의 양단이 대칭이 되지 않아 안테나의 특성에 영향을 미치게 된다. 즉, 슬롯의 비대칭으로 인해 왜곡된 원편파 발생하여 주파수의 영역이 협소해지는 단점이 있다.

또한, 상기 구성은 방사패치(12')의 가장자리에서 피딩(feeding)현상이 발생하면서 방사패치(12')의 가장자리에 프린징 영역이 생겨 전송특성을 나쁘게 하는 단점이 있다.

따라서, 상기의 구성은 주파수대가 협소하여 수신 또는 송신용 안테나로는 사용 가능하나 송수신이 동시에 가능한 양방향 통신용 안테나(예컨대, PCS단말기 등)에는 적용되기 어려운 문제점이 있다.

이에 본 발명은 전술한 개구면 결합 마이크로스트립 패치안테나가 갖는 문제점을 개선하고자 개발된 것으로, 종래의 접지면에 형성되는 십자형 결합슬롯(coupling aperture; 이하 '슬롯'이라한다)의 구조를 수정하여 슬롯의 비대칭에 의한 왜곡된 원편파 발생을 막고, 안테나기판의 방사패치의 둘레에 밴드형태로 구성된 기생소자를 설치하여 플린징현상을 최소화시킴으로써 전송특성이 우수한 광대역용 원편파 마이크로스트립 패치안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 슬롯의 형태를 개량한 본 발명에 따른 광대역용 이중원편파 마이크로스트립패치 안테나의 분해도이며,

도 2는 도1의 방사패치 둘레에 기생소자를 설치한 것을 나타낸 것이며,

도 3a는 본 발명의 패치안테나 기본구조에 대해 FDTD법을 이용하여 시뮬레이션한 반사손실 그래프이며,

도 3b는 본 발명에 따른 패치안테나의 정재파비를 나타낸 그래프이고,

도 4a는 E-plane의 방사패턴이며,

도 4b는 H-plane의 방사패턴이고,

도 5는 안테나의 축비를 나타낸 도면이며,

도 6a는 종래의 발명에 따른 마이크로스트립 패치안테나의 기본구조 분리상태도이며,

도 6b는 도6a의 접지면에 형성된 슬롯과 급전선로가 결합된 개략도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 안테나기판 12 : 방사패치

14 : 기생소자 20 : 접지면

22 : 슬롯(개구면) 24,34 : 결합점

30 : 급전기판 32 : 급전선로

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 광대역용 이중 원편파 마이크로스트립 패치안테나의 구성은, 십자형 슬롯이 형성된 접지면과; 중앙에 방사패치가 포함되어 상기 접지면 위쪽에 접합되는 안테나기판과; 상기 십자형 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판;을 포함하는 이중원편파마이크로스트립패치안테나에 있어서, 상기 십자형 슬롯은, 4개의 직선슬롯이 동작주파수의 λ/4 파장의 간격으로 배치되어 결합점 상호간 90°의 위상차를 가지면서 십자형을 형성하되, 그 중앙부위(A)가 폐색면이며, 상기 각 직선 슬롯은 급전선로에 의해서 그 양단이 대칭되도록 배열된다.

즉, 종래의 것과 달리, 십자형 슬롯의 중심부의 개구면을 없앰으로써, 각 직선 슬롯을 독립하여 형성하되 각각의 직선 슬롯이 급전선로를 중심으로 대칭구조를 갖도록 한 것이다.

본 발명은 또한 상기 방사패치 둘레에 밴드형태의 기생소자가 추가로 형성된 것을 특징으로 하기도 한다. 이는 종래의 방사패치에 밴드형 기생소자를 추가 형성한 것이다.

본 발명은 또한, 일자형 슬롯이 형성된 접지면과; 중앙에 방사패치가 포함되어 상기 접지면 위쪽에 접합되는 안테나기판과; 상기 일자형 슬롯과 직교하도록 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판;을 포함하는 이중원편파마이크로스트립패치안테나에 있어서, 상기 방사패치 둘레에 밴드형태의 기생소자가 추가로 형성된 것을 특징으로 하기도 한다.

본 발명은 또한 상기 십자형의 슬롯을 이루는 각 슬롯의 폭이 각 슬롯의 길이의 1/10의 크기인 것을 특징으로 하기도 한다.

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 광대역용 이중원편파 마이크로스트립 패치안테나의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 슬롯의 형태를 개량한 본 발명에 따른 광대역용 이중원편파 마이크로스트립패치 안테나의 분해도이다. 도 1을 참조하면, 마이크로스트립 급전선로(32)를 갖춘 급전기판(30)과; 슬롯형태의 개구면이 형성된 접지면(20)과: 방사패치(12)를 포함한 안테나기판(10)이 적층결합되어, 급전선로에 의하여 여기된 신호가 개구면에서 전자기적 결합에 의해 상층에 위치한 방사패치로 전달되도록 하는 구조로서, 접지면(Ground Plane)(20) 위쪽의 안테나기판(Antenna Substrate)(10)에 형성되는 원형편파를 얻기 위한 방사패치(Radiating Patch)(12)의 형태는 정사각형태로 하였으며, 접지면(20) 아래쪽의 급전기판(Feed Substrate)(30)에는 각각의 슬롯(Coupling Slot)에 대해 연속적으로 90°의 위상차가 나게 급전시킬 수 있도록 단일 마이크로스트립 급전선로(32)를 형성하였다.

상기 접지면(20)에 형성된 슬롯(22)은, 4개의 직선 슬롯(장방형 개구면을 뜻한다)으로써 십자모양이 되도록 배치하여 형성하되, 십자형의 중앙부위(A)를 슬롯이 형성되지 않는 패색(막힌)상태로서 슬롯끼리 서로 만나지 않도록 하였다. 따라서 십자형의 중앙부위(A)는 슬롯이 형성되지 않는 접지면과 동일한 도체상태를 유지한다. 이때 각 슬롯의 양단은 결합점(24)에 직교하는 급전선을 법선으로 하여 대칭이 되도록 하였으며, 각 슬롯(슬롯과 급전선로가 만나 형성되는 결합점)간에 동작주파수의 λ/4 의 간격을 두어 90°의 위상차를 가지도록 구성하였다. 이는 안테나의 특성에 나쁜 영향을 미쳤던 종래의 십자형 슬롯 구조의 비대칭성을 제거하기 위한 것으로서 종래의 십자형 슬롯 중심부의 개구면을 제거한 것이다.

또한 각 슬롯(22)의 폭은 각 슬롯(22)의 길이에 대해 약 1/10 정도로 작게 형성하였다. 기하적적으로 대칭을 이루게 되는 상기 슬롯(22)의 수정된 십자형 구조는 아래쪽의 급전기판(30)의 두 급전포트(RHCP)(LHCP) 중 한 쪽을 급전선로(32)로 선택하고, 다른 한쪽의 급전선로(32)를 임피던스 50Ω으로 종단함으로써 각각의 급전선로(32)에서 우수편파(RHCP)와 좌수편파(LHCP)를 쉽게 얻을 수 있도록 구성 한 것이다. 즉, 급전기판(30)에 두개의 급전포트(RHCP)(LHCP)가 존재하나 이는 단일급전선로서, 필요에 따라 우수편파(RHCP)와 좌수편파(LHCP) 중 어느 하나를 선택하고 나머지 급전선로의 종단에 부하를 연결하여 패치에 결합되지 않은 전력이 반사되는 것을 감소시키며 임피던스 정합을 꾀하도록 한 것이다.

상기 안테나기판(10)에 형성되는 방사패치(12)의 길이는 λ/2 (λ는 전송신호파장)로 하였고, 상기 급전기판(30)의 급전선로(32)는 전술한대로 각 슬롯과 교차하는 각각의 결합점(24)(34)에서 90°의 위상차가 나도록 λ/4의 길이로 하였다. 이처럼 마이크로스트립선로를 이용하여 급전하는 방식은 별도의 λ/4 변환기를 사용하지 않으므로 전체 안테나의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 2는 도1의 방사패치(12) 둘레에 기생소자(14)를 설치한 것을 나타낸 것이다. 도 2에서 보는 바와같이, 전술한대로 접지면(20)의 슬롯(22)을 교차된 중앙부위(A)가 단락된 십자형으로 구성하되, 상기의 패치구조를 변화시켜 안테나기판(10)의 방사패치(12) 둘레에 등간격의 기생소자(Parasitic Element)(14)를 밴드형태로 구성하여 플린징현상을 최소화시켰다. 이 때 상기 기생소자(14)의 단위 셀(Cell) 크기는 △x = △y = 0.35mm, △z =0.195이며, 방사패치(12)와 기생소자(14)의 간격은 한 셀 간격이고, 기생소자(14)의 폭 또한 한 셀 길이로 하였다.

실험예

본 발명자는 현재 우리나라에서 사용되어지는 이동전화단말기의 사용주파수대인 1800 MHz 및 대역폭 120MHz을 만족하는 안테나를 제작하여 효과를 실험하였다. 이에 따른 방사패치(12)의 크기는 가로; 35.5335mm, 세로; 35.5335mm로 하였고, 접지면 상의 직선 슬롯의 크기는 각각 길이; 5.27mm로서, 폭; 0.5mm로, 급전선로(32)의 폭은 2.2㎜로 하고, 상기 안테나기판(10) 및 급전기판(30)의 상대유전율은 2.6인 테프론을 사용하였다.

상기와 같이 설계 구성된 도 2상의 본 발명에 따른 패치안테나의 해석 알고리즘으로는 시간영역유한차분(FDTD)법을 사용하고, 흡수경계조건으로 완전정합층(PML)법을 적용하여 동작주파수가 1.8GHz인 PCS대역을 시험하였다. 실험조건으로서, 상기 급전선로(32)는 50Ω의 마이크로스트립선로에 의하여 신호를 여기하였고, 해석을 위한 단위 셀의 크기는, 전술한대로 △x = △y = 0.35mm, △z =0.195로 하였다.

도3a는 실험결과를 토대로 상기 설계안테나의 반사손실(Return Loss)곡선을나타낸 것이다. 이 도표를 보면 대략 1.8㎓ 에서 공진이 발생하고 있음을 알 수 있다. 본 발명에 의한 마이크로스트립안테나가 종래의 개구면 결합십자형 슬롯 마이크로스트립안테나보다(자료 미도시) 급전선로와 방사패치의 정합이 더욱 양호함을 나타냈다. 이는 방사패치(12) 외곽의 기생소자(14)가 패치안테나에서 발생되는 여러 가지 기생요소를 최소화한 것으로 예측할 수 있다.

도 3b는 정재파비를 나타낸 그림으로 주파수 대역 및 정합정도를 알 수 있는 도표이다. 정재파비(VSWR)값을 2이하로 잡았을 때 주파수 대역이 120MHz임을 알 수 있다.

도 4a, 4b는 각각 본 발명에 따른 마이크로스트립패치안테나의, Φ0°~180°에서의 E평면(E-plane)과 Φ90°~270°에서의 H평면(H-plane)의 방사패턴을 나타낸 것이며, 도 5는 원편파의 성능을 나타내는 축비도로서, 축비가 모든 편파방향에 대해 거의 균일하게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

상술한 실험예에서와 같이 본 발명의 마이크로스트립 패치안테나는, 대역폭이 정재파비(VSWR)≤2를 기준으로 할때 120MHz의 대역율 5.1％를 얻었는바, 이는 양방향 통신에 필요한 120MHz 대역폭에 적용하기에 알맞는 수치이며, 또한 반사손실이 낮은 것으로 보아 급전에 의한 급전선로와 방사패치간의 양호한 정합이 이루어진 것을 확인한 것이다.

본 발명에 따른 광대역용 이중 원편파 마이크로스트립 패치안테나는 상기의 실시예에 제한되는 것은 아니다.

예컨대, 도 1, 2에서 상기 안테나기판(10)의 중앙에 설치되는 방사패치(12)를 정방형으로 구성하였지만, 원형이나 삼각형, 직사각형 등 다각형의 구성도 가능함은 물론이다. 이 경우 방사패치 외곽에 설치되는 기생소자(14)는 방사패치(12)의 가장자리 모양을 따라 한 셀의 등간격으로 설치되며, 폭 또한 한 셀 길이로 하면 되고, 나머지 구성은 상기 실시예와 동일하다. 방사패치의 모양을 변형할 필요성은 본 발명에 따른 안테나를 설치할 제품(예컨대 PCS단말기 등)의 디자인의 요구에 따라 발생한다.

본 발명에 따른 광대역용이중원편파마이크로스트립안테나를 다른 주파수 영역대에 사용가능하게 설계하기 위해서는 다음과 같은 식에 의해서 사각 방사패치의 크기(W×L) 및 슬롯의 크기(W×L)(아래와 같은 식은 당업자에게 자명한 식이므로 원형패치와 다각형 패치 등의 경우는 이를 생략한다)를 정하고, 전술한 방식에 따라 슬롯과 기생소자를 형성하여 결합하면 된다.

방사패치의 폭(W)은 아래 식(1)에 의해서 구해진다.

----------- (1)

여기서 C는 자유공간에서 광속도, εr 는 비유전율이며, f₀는 중심 주파수를 나타낸다.

방사패치의 실제길이와 실효길이는 각각 식 (2)와 (3)에 의해서 계산된다.

------------------------------ (2)

------------------------------- (3)

여기서 ΔL은 패치의 가장자리 부근에서 프린징 영역(fringing field)이 발생하게 되므로 이를 보완하여주기 위해 확장되는 패치의 길이로서 식 (4)와 같이 구하고,

----------- (4)

상기 식 (4)에서 필요한 마이크로 스트립선로의 실효 유전율 값은 다음 식 (5)에 의해서 구하여진다.

-------------- (5).

여기서, h는 유전체의 두께이고 w는 도체 폭을 나타낸다.

아울러 슬롯의 길이(slot length)는이며, 슬롯의 폭(slot width)은이다. 여기서는 동작주파수의 파장이다.

한편, 본 발명에 따른 광대역용 이중원편파 마이크로스트립안테나를 현재 사용되고 있는 휴대용이동통신단말기에 적용하는 것은 매우 간단하다. 상기 급전선로 중 어느 한쪽 끝을 휴대용이동통신단말기의 급전선로에 연결하고, 나머지 급전선로의 종단은 단락시키면 되는 것이다. 즉, 우수편파를 사용하고자 할 경우에는 우수편파(RHCP)용 급전선로를 단말기의 급전선로에 연결하고, 좌수편파(LHCP)용 급전선로는 통상적인 단락방법인 50Ω저항을 연결시켜 단락시킨다. 이 때, 본 발명에 따른 안테나의 설치부위는 휴대용이동통신단말기 사용시 전파의 방사방향이 인체를 향하지 않게 되는 위치를 정하고, 휴대용이동통신단말기의 디자인형태에 따라 방사패치 모양을 적절히 결정하여 제작 장착하면 되는 것이다.

다른 한편, 상기의 일실시예인 도 2의 경우 접지면에 형성되는 슬롯(22)은 십자형의 중앙부위가 폐색된 개구면결합 십자형으로 하였으나, 다른 일실시예(미도시)에서 슬롯(22)은 일자형의 개구면 홈으로 형성되는 슬롯일 수도 있음은 물론이다. 이때, 급전기판(30)에 설치되는 급전선로는 상기 일자형의 개구면 홈으로 형성되는 슬롯과 직교하도록 설치된다.

또한 상기 실시예에서 제시한 수치에도 본 발명의 보호범위가 한정되지 아니함은 물론이며, 당업자가 용이하게 변경할 수 있는 범위도 본 발명의 보호범위에 포함됨은 명백하며, 오직 청구범위에 의해서만 보호범위가 한정됨은 당연하다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명의 광대역용 이중 원편파 마이크로스트립 패치안테나에 의하면, 접지면에 형성되는 슬롯을 대칭형의 교차된 중앙부위가 단락된 개구면결합 수정된 십자형으로 구성하고, 방사패치의 둘레에 설치된 밴드형태의 기생소자에 의해 프린징효과를 최소화시킴으로써 대역의 증가 및 증가된 안테나를 제공받을 수 있다. 특히 이를 PCS 단말기 등에 응용할 경우 디자인형태의 제약을 해소함과 아울러 사용자세나 우천시와 같은 환경변화에도 우수한 전송특성을 가질 뿐 아니라, 송·수화시에 가장 우려되는 전자파에 의한 심각한 피해를 획기적으로 줄일 수 있어 실용성과 효율성이 모두 충족될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 4개의 직선슬롯이 동작주파수의 λ/4 파장의 간격으로 배치되어 결합점 상호간 90°의 위상차를 가지면서 십자형을 형성하되 그 중앙부위(A)가 폐색면인 십자형 슬롯이 형성된 접지면과; 중앙에 방사패치가 포함되어 상기 접지면 위쪽에 접합되는 안테나기판과; 상기 십자형 슬롯과 직교하여 4개의 결합점을 이루도록 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판;을 포함하는 이중원편파마이크로스트립패치안테나에 있어서,

   상기 방사패치의 둘레에 밴드형태의 기생소자가 형성된 것을 특징으로 하는 광대역용 이중 원편파 마이크로스트립 패치안테나
2. 일자형 슬롯이 형성된 접지면과; 중앙에 방사패치가 포함되어 상기 접지면 위쪽에 접합되는 안테나기판과; 상기 일자형 슬롯과 직교하도록 급전선로가 형성되어 상기 접지면 아래쪽에 접합되는 급전기판;을 포함하는 이중원편파마이크로스트립패치안테나에 있어서,

   상기 방사패치의 둘레에 밴드형태의 기생소자가 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 광대역용 이중 원편파 마이크로스트립 패치안테나.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 급전선로는 우수편파용 및 좌수편파용 급전선로를 포함하며,

   상기 우수편파용 또는 좌수편파용 급전선로 중 어느 하나에 휴대용이동통신단말기의 안테나 급전선로가 연결되고, 나머지 급전선로는 종단할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 광대역용 이중 원편파마이크로스트립패치 안테나.