KR100430766B1 - 광대역 급전을 통한 이중 공진 무급전 마이크로스트립패치 안테나 - Google Patents

Abstract

안테나의 협대역 특성은 무선 시스템에서 필요한 대역의 주파수를 확보하는데 중요하다. 특히 마이크로스트립 안테나는 -10dB 대역폭이 3∼4％ 안팎이기 때문에 PCS 대역 주파수 1.75GHz ∼1.87GHz까지의 송·수신 대역을 모두 포함하기에는 힘들다. 만약, 이러한 이유로 송수신용 안테나를 따로 사용한다면, 이는 비용면에서 시스템 가격에 손실을 가져오고, 크기면에서도 많은 제약을 갖는다. 따라서 이러한 협대역을 개선하기 위한 방법에는 적층형 구조, 기생소자 결합방식, EM(Eletromagnetic) 결합방식, 슬롯안테나와의 조합 등이 많이 쓰이고 있다.

본 발명에서는 협대역 개선 방법으로 급전구조를 개선하여 원하는 대역에서의 임피던스 변화율을 낮추어 넓은 주파수 대역에서의 방사의 효율을 최대화하였고, 두 개의 무급전 소자를 하나의 마이크로스트립 기판으로 부가함으로써 저자세로 요구되는 송·수신 주파수 대역(송신 : 1.84GHz∼1.87GHz, 수신 : 1.75GHz∼1.78GHz)을 선택적으로 상호 독립적인 방사가 되도록 듀얼밴드 광대역 안테나를 구현하였다. 제조방법에서는 하나의 기판에는 광폭의 급전선을 설계하고, 다른 하나의 기판에는 상호 독립적인 무급전 패치를 양면에 제작하여 급전선 상단에 위치시킴으로서 패치의 소형화 및 저자세를 형성시켰을 뿐 아니라 공정의 단순함과 비용의 절감을 보았다. 그 결과 -10dB 대역폭이 1.71GHz ∼ 1.88GHz 까지 160MHz(8.84％)를 나타내고 방사패턴은 일반적인 단일 마이크로스트립 안테나의 방사패턴 특성과 유사하며 대역폭내 송수신 주파수에서 5dBd의 이득 특성을 얻었다.

Description

광대역 급전을 통한 이중 공진 무급전 마이크로스트립 패치 안테나{Using Broadwidth Feeding Double Resonant Parasitic Microstrip Patch Antenna}

본 발명은 PCS 대역(1.75GHz∼1.87GHz)에 있어서 기존의 마이크로스트립 패치 안테나의 협대역의 단점을 보완하기 위하여 급전선의 광폭화 및 무급전 이중 패치의 설치로 듀얼밴드 안테나 개발에 그 목적이 있다.

본 발명이 속하는 기술분야는 마이크로스트립안테나 분야에 관한 것이다.

종래의 마이크로스트립 안테나는 표면에 장착이 가능한 박막형, 무게는 소형 경량, 기판상에 제작되는 제작의 용이성이 그 주된 특징이라 할 수 있다. 이러한안테나는 대역폭이 협대역인 점이 가장 큰 문제점으로 제기되고 있으며, 이러한 마이크로스트립 안테나의 일반적인 구조를 갖고는 그 문제점을 해결 할 수가 없기 때문에 이를 해결하기 위해 적층형 구조, 기생소자 결합방식, EM 결합방식, 슬롯안테나와의 조합등의 많은 연구가 진행 중이다.

본 발명의 안테나에 있어서 [도 1] 에서 나타낸 바와 같이 급전선로의 폭 변형과 두 개의 무급전패치 크기 및 형태변화로 급전선로와 상단의 두 패치간의 임피던스 매칭을 이루어 광대역 특성을 얻는 것이 본 발명 안테나가 이루고 있는 기술적 과제이다.

[도 1] 광폭 급전을 이용한 이중 공진 무급전 마이크로스트립 패치 안테나의 구조

[도 2] 안테나의 반사손실

[도 3] 안테나의 임피던스챠트

[도 4] 안테나의 방사패턴

(a) Pattern at 1.75 GHz (b) Pattern at 1.87 GHz

본 발명은 [도 1] 에 나타낸 바와 같이 유전체 기판상의 폭이 변형된 급전선로, 선로상단에 공기층(스티로폼), 공기층 상단의 유전체 양면에 형태와 크기가 다른 패치로 구성되어 있다. 통상적인 마이크로스트립 패치 안테나의 단점인 협대역을 개선하고자 [도 1] 의 ③과 같은 광폭형태의 급전선과 [도 1] 의 ⑥과 ⑧과 같은 모양의 무급전 패치를 하나의 마이크로스트립 기판 양면상에 적당한 크기차이 및 부분 경사절단(⑥)으로 제작하여 PCS 송·수신 주파수 대역을 모두 포함 할 수 있는 광대역을 확보하였다. 여기서 급전선로의 폭이 넓은 형태로 제작된 것은 무급전 패치와 광대역 영역에서의 임피던스 매칭을 위해서이다. 또한, 사각형 모양의 큰 상단 사각형 무급전 패치([도 1] ⑧)와 한쪽 테두리가 잘린 작은 하단 무급전 패치([도 1] ⑥) 는 2개의 주파수 대역에서 공진되어 광대역 특성을 얻기 위해서이다. 다시말해, 이들 무급전 패치들은 아래의 급전선로와 전자기 결합으로 두개의 주파수에서의 임피던스 정합이 이루어지고, 이들 무급전 패치의 크기 변화로 두 개의 주파수 분리도를 조정하여 원하는 주파수에서의 임피던스 매칭도 가능하게 할 수 있다. 원하는 주파수 대역에서 임피던스 매칭을 용이하게 하기 할 수 있는 것은 급전선로의 독특한 형태(폭이 변형된 다단계 폭)에 의한 겹쳐지는 부분의 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분의 상호 조합에 의한 것이다. 따라서 다단계 폭의 급전선로와 겹쳐지는 두 무급전 패치의 위치를 조정함으로써 임피던스 조정이 가능하다.

본 제작된 안테나의 특성은 대역폭 내의 직선 편파를 발생시킨다. [도 2] 는 제작된 안테나의 반사 손실을 나타낸다. -10dB 대역폭은 1.71GHz ∼ 1.88GHz까지 160MHz(8.84％)를 나타내고 이 대역폭은 PCS 송수신 주파수 1765±15MHz와 1835±15MHz의 주파수를 모두 포함한다. [도 3] 은 이 대역폭에서의 임피던스 특성이다. PCS 송수신 주파수 1.75GHz, 1.87GHz에서 각각57.4-j19.5Ω, 36.5±j3.3Ω을 나타내었다. [도 4] 는 송수신 중심주파수애서의 방사패턴이다. 1.75GHz대와 1.87GHz 패턴은 거의 동일한 특성을 나타내고 있어 광대역 특성임에도 불구하고 주파수별 방사특성은 일정하게 유지되고 있다. 따라서 본 발명의 안테나가 광대역 안테나임을 확인 할 수 있다.

본 발명에 의하면 협대역 개선방법으로 급전구조를 개선하여 원하는 대역에서의 임피던스 변화율을 낮추어 넓은 주파수 대역에서의 방사의 효율이 최대화되며, 두개의 무급전 소자를 하나의 마이크로스트립 기판으로 부가함으로써 저자세로 요구되는 송수신 주파수 대역(송신:1.84GHz∼1.87GHz, 수신:1.75GHz∼1.78GHz)을 선택적으로 상호 독립적인 방사가 되도록 듀얼 밴드 광대역 안테나를 구현하는 것이 가능하다.

Claims (1)

1. 임피던스 매칭을 위해 다단계 폭으로 형성되는 급전선로와,

   상기 급전선로와 공기층을 사이에 두고 위치하는 유전체와,

   상기 유전체의 공기층과 접한 하단에 형성되고 모서리부분을 경사 절단한 하단의 무급전 패치와,

   상기 유전체의 상단에 형성되고 상기 하단의 무급전 패치와 다른 크기로 형성되는 상단의 무급전 패치를 포함하여 이루어지는 광대역 급전을 통한 이중 공진 무급전 마이크로스트립 패치 안테나.