KR100449396B1

KR100449396B1 - 패치 안테나 및 그것을 이용한 전자 기기

Info

Publication number: KR100449396B1
Application number: KR10-1999-0050524A
Authority: KR
Inventors: 아사노다께시; 사꾸라이아끼히사
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2004-09-21
Also published as: GB2345197A; JP2000196341A; GB2345197B; US6255995B1; JP3255403B2; KR20000047642A; GB9922529D0; CN1258112A; TW463418B; CN1147026C

Abstract

무지향성 및 광주파수 대역 특성을 갖는 패치 안테나를 제공한다.

유전체판(2)의 일표면에 접지판(3)을 설치함과 함께 다른 표면에 패치(4) 및 패치(4)와 접속된 급전선(5)을 설치함으로써 패치 안테나(1)를 구성한다. 이 패치 안테나(1)에 있어서, 접지판(3)에 개구(7)를 설치하고, 그 개구(7)를 접지판(3)의 중심에 대해 비대칭의 위치로 한다. 접지판(3)의 중심에 대해 비대칭으로 접지판(3)에 개구(7)를 설치함으로써, 귀환 전류의 밸런스를 무너뜨려 공통 모드의 전류를 발생시킬 수 있어, 무지향성화 및 광주파수 대역화를 달성할 수 있다.

Description

패치 안테나 및 그것을 이용한 전자 기기{PATCH ANTENNA AND ELECTRONIC EQUIPMENT USING THE SAME}

본 발명은, 주로 이동 통신 혹은 무선 LAN에서 사용되는 패치 안테나 및 그것을 이용한 전자 기기에 관한 것이다.

일반적으로, 이동 통신용 혹은 무선 LAN용으로서 사용되는 소형 평면 안테나로서, 마이크로 스트립 안테나 혹은 스트립을 굵게 한 패치 안테나가 널리 이용되고 있다. 도 6은 그와 같은 패치 안테나의 일례의 구성을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시한 예에 있어서, 패치 안테나(51)는 유전체판(52)과, 유전체판(52)의 일표면 상 전체에 설치된 접지판(53)과, 유전체판(52)의 다른 표면 상에 설치된 패치(54)와, 유전체판(52)의 다른 표면 상에서 패치(54)와 접속되어 설치된 급전선(55)으로 구성되어 있다. 또, 참조 번호(56)는 급전선(55)과 접지판(53)에 전력을 공급하기 위한 급전점이다.

상술한 구성의 패치 안테나(51)는 소형이고 얇아서 스페이스를 차지하지 않는다고 하는 이점이 있다. 그러나, 이러한 패치 안테나가 모바일 컴퓨팅 등의 이동 통신용 안테나로 사용되거나, 컴퓨터를 네트워크에 접속하기 위한 무선 LAN용의 안테나로 사용되는 경우, 한 쪽이 접지판(53)이기 때문에 협지향성으로 되고, 주파수 대역이 좁은 (Q 값이 높음) 것이 문제로 되어 있었다. 즉, 패치 안테나가 협지향성이고 주파수 대역이 좁으면, 무선 통신 시에 안테나를 통신 대상의 쪽으로 향하게 하거나, 혹은, 컴퓨터 등의 전자 기기를 설치하는 데에 있어서 안테나의 방향을 특정하지 않으면 안되어 실용적이지 않았다. 그 때문에, 이동 통신용 혹은 무선 LAN용의 용도에서는, 종래의 패치 안테나를 거의 무지향성으로 하는 것과 주파수 대역을 넓게 하는 것이 요구되고 있었다.

한편, 패치 안테나에 관한 기술로서, 패치 안테나에 개구를 설치하여 전류의 경로를 길게 함으로써 안테나의 소형화를 이루는 것이 생각되고 있다. 또한, 접지판에 개구를 설치함으로써 전자적 결합에 의하여 스트립 선로로부터 안테나에 전력을 공급하는 것도 알려져 있다. 또한, 일본 특허 공개 평10-22723호 공보에는 안테나의 개별적인 편파 성분을 저감하기 위해 접지 전극(접지판)에 노치(notch)를 형성하는 기술이 개시되어 있고, 일본 특허 공개 평10-233617호 공보에는 개구가 있는 접지 플레인(접지판)을 사용하여 평면형 역 F자형 안테나를 개량하는 기술이 개시되어 있으며, 일본 특허 공개 평7-46033호 공보에는 이중 또는 다중 주파수 능력을 부여하기 위해서 접지 평면 소자(접지판)에 1쌍의 슬롯을 설치하는 기술이 각각 개시되어 있다. 그러나, 이 기술들을 사용하더라도, 패치 안테나에 있어서 무지향성 및 광주파수 대역특성을 달성할 수 없었다.

본 발명의 목적은 상술한 과제를 해소하여, 무지향성 및 광주파수 대역 특성을 갖는 패치 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 패치 안테나는, 유전체판의 일표면에 접지판을 설치함과 함께 다른 표면에 패치 및 패치와 접속된 급전선을 설치하여 이루어진다. 이 패치 안테나에 있어서, 접지판에 개구를 설치하고, 그 개구를 접지판의 중심에 대해 비대칭의 위치로 한 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는, 접지판의 중심에 대해 비대칭으로 접지판에 개구를 설치함으로써, 귀환 전류의 밸런스를 무너뜨려 공통 모드의 전류를 발생시킬 수 있어, 무지향성화 및 광주파수 대역화를 달성할 수 있다.

이 패치 안테나에 있어서, 개구가 접지판 상에서 전계가 큰 개소에 위치하는 것, 개구가 사각형인 것, 개구의 둘레 길이가 패치 안테나의 공진 주파수의 1파장과 동일한 길이인 것, 개구가 급전선과 평행한 방향 및 수직인 방향 각각에서 상기 패치를 2등분하여 4영역으로 할 때, 급전선에 가까운 쪽의 2영역 중 어느 한 영역에 위치하는 것은, 상기 무지향성화 및 광주파수 대역화를 보다 효과적으로 달성할 수 있기 때문에, 바람직한 형태로 된다. 여기서, 개구의 둘레 길이를 패치 안테나의 공진 주파수와 같은 길이로 한 경우에는, 접지측으로부터의 방사 이득도 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 패치 안테나를 그 안테나로서 이용하는 전자 기기를 대상으로 한다. 특히, 전자 기기로서 컴퓨터를 생각한 경우에는, 모빌 컴퓨팅이나 무선 LAN의 안테나로서 상기 본 발명의 패치 안테나를 이용함으로써, 연락 대상의 위치나 컴퓨터의 배치 등을 안테나에 기초하여 변경할 필요가 없어진다.

도 1의 (a), (b)는 각각 본 발명의 패치 안테나의 일례의 구성을 나타낸 평면도 및 단면도.

도 2는 본 발명의 패치 안테나를 이용한 전자 기기의 일례를 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명예 및 종래예의 패치 안테나에 대해, 대역폭을 구하기 위해 주파수와 리턴 손실과의 관계를 시뮬레이트한 결과를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명예 및 종래예의 패치 안테나에 대해, 지향성을 구하기 위해 방위와 전계 강도와의 관계를 시뮬레이트한 결과를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명예 및 종래예의 패치 안테나에 대해, 지향성을 실제로 구한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6은 종래의 패치 안테나의 일례의 구성을 나타낸 사시도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 패치 안테나

2 : 유전체판

3 : 접지판

4 : 패치

5 : 급전선

6 : 급전점

7 : 개구

11 : 퍼스널 컴퓨터

12 : 호스트 컴퓨터

도 1의 (a), (b)는 각각 본 발명의 패치 안테나의 일례의 구성을 나타낸 도면이고, 도 1의 (a)는 패치 안테나의 평면도를, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 있어서의 A-A선에 따른 패치 안테나의 단면도를 각각 나타내고 있다. 도 1의 (a), (b)에 도시한 예에 있어서, 패치 안테나(1)는 유전체판(2)과, 유전체판(2)의 일표면 상에 설치된 접지판(3)과, 유전체판(2)의 다른 표면 상에 설치된 소정 패턴의 패치(4)와, 유전체판(2)의 다른 표면 상에 설치되고 패치(4)와 접속된 급전선(5)으로 구성되어 있다. 또, 참조 번호(6)는 급전선(5)과 접지판(3)에 전력을 공급하는 급전점이다. 이상 설명한 구성은 종래의 패치 안테나와 동일한 구성이다. 본 발명의 특징은, 접지판(3) 상에 있어서, 접지판(3)의 중심 O에 대해 비대칭인 위치에 개구(7)를 설치한 점이다.

도 1의 (a), (b)에 나타낸 예에서는, 바람직한 형태로서, 개구(7)를 접지판(3) 상에서 전계가 큰 급전선(5)의 근방에 위치시키고 있다. 또한, 개구(7)를 사각형으로 하고 있다. 또한, 개구(7)의 둘레 길이가 패치 안테나(1)의 공진 주파수의 1파장과 같게 되는 길이가 되도록 하고 있다. 또한, 급전선(5)과 평행한 방향 및 수직인 방향 각각에서 패치(3)를 2등분하여 4영역으로 할 때, 급전선(5)에 가까운 쪽의 2영역 중 어느 한 영역에 개구(7)를 위치시키고 있다.

본 발명에서는, 접지판(3)의 중심에 대해 비대칭으로 접지판(3)에 개구(7)를 설치함으로써, 패치 안테나(1)의 특성을 남기고, 또한, 좌우의 밸런스를 무너뜨려 개구(7)를 여기시키기 위한 공통 모드 전류를 발생시키는 것이 가능해지고, 이것에 의해 패치 안테나(1)의 무지향성화 및 광주파수 대역화를 달성할 수 있다. 또한, 개구(7)의 둘레 길이를 패치 안테나(1)의 공진 주파수의 1파장이 되도록 설정한 경우에는, 대상 주파수에서 각각의 공진이 중첩되어, 출력 혹은 수신 효율을 증대시킬 수 있다.

또, 본 발명에 있어서, 패치 안테나(1)를 구성하는 유전체판(2), 접지판(3), 패치(4), 급전선(5) 등의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 종래부터 이들의 재료로서 알려져 있는 어떤 재료도 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 패치 안테나를 이용한 전자 기기의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시한 예는, 단말이 되는 퍼스널 컴퓨터(11)와 호스트 컴퓨터(12)를 무선 LAN으로 접속한 예를 나타내고 있다. 이 경우, 상술한 본 발명의 패치 안테나(1)를, 퍼스널 컴퓨터(11) 및 호스트 컴퓨터(12)의 안테나로서 이용하면, 이 패치 안테나(1)는 무지향성이고 또한 광주파수 대역을 갖고 있기 때문에, 패치 안테나(1)의 부착 장소를 고려하지 않고서 퍼스널 컴퓨터(11) 및 호스트 컴퓨터(12)를 배치할 수 있다.

다음에, 도 1에 도시한 바와 같이 개구(7)를 상기 4영역 중 급전선(5)에 가까운 2영역의 한쪽에 설치한 예(w/slot), 개구(7)를 상기 4영역 중 급전선(5)에 먼 2영역의 한쪽에 설치한 예(w/slot (top)), 도 6에 도시한 바와 같이 개구를 갖지 않은 예(w/o slot)에 대해, Rubin 등에 의해 개발된 경계 요소법·모멘트법에 기초하는 EMI 시뮬레이터(B.J.Rubin, S.Daijavad, Radiation and Scattering from Structures Involving Finite-Size Dielectric Regions IIEEE Trans. Antennas Propagat. AP-38, 1863-1873(1990))에 의해, 리턴 손실(S11)을 시뮬레이트한 결과를 도 3에 나타낸다. 또한, 도 3의 결과를 이하의 표 1에 종합하여 나타낸다.

	no slot	slot	slot(top)
공진 주파수	2.62㎓	2.48㎓	2.53㎓
대역폭	40㎒	100㎒	40㎒

도 3 및 표 1에 나타낸 결과로부터, 리턴 손실(S11)에 대해 생각해 보면, 개구를 상부에 설치한 예(w/slot (top)) 및 개구를 설치하지 않은 예(w/o slot)에서는, S11이 -10㏈ 미만이 되는 대역폭이 40㎒인데 대해, 개구를 급전선의 근방에 설치한 예(w/slot)에서는, S11이 -10㏈ 미만이 되는 대역폭이 100㎒이고, 개구를 소정의 위치에 설치함으로써 패치 안테나의 광대역화가 달성되는 것을 알 수 있다. 또한, 공진 주파수에 대해 생각해 보면, 개구를 갖는 경우(w/slot, w/slot (top))는 2.48㎓, 2.53㎓인데 대해, 개구를 갖지 않는 경우(w/o slot)에는 2.62㎓이고, 동일한 공진 주파수의 패치 안테나를 설계하는 경우, 개구를 갖는 예의 쪽이 개구를 갖지 않는 예보다도 소형화를 달성할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 마찬가지의 3종의 예에 대해 실제로 리턴 손실을 구한 결과도 상기 결과와 거의 일치하였다.

다음에, 동일하게 도 1에 도시한 바와 같이 개구를 설치한 예(w/slot)와 도 6에 도시한 바와 같이 개구를 갖지 않은 예(w/o slot)에 대해, 도 1의 (a)에 도시한 XZ면 상에 있어서의 지향성을 시뮬레이션하여 구하였다. 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4의 결과로부터, 본 발명과 같이 개구를 설치함으로써, 종래의 개구를 갖지 않은 예와 비교하여, 방위에 따른 지향성 이득의 변화가 작고, 패치 안테나의 지향성이 감소하거나 없어지고 있는 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 도 1에 도시한 바와 같이 개구를 설치한 예(w/slot)와 도 6에 도시한 바와 같이 개구를 갖지 않은 예(w/o slot)에 대해, 동일하게 XZ면 상에서의 0°∼360°방향의 방위에 대해 실제의 동작 이득을 측정하였다. 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5의 결과로부터도, 본 발명과 같이 개구를 설치한 예가 종래의 개구를 설치하지 않은 예와 비교하여 방위에 의한 이득의 변화가 작고, 패치 안테나의 지향성이 감소하거나 없어지고 있는 것을 알 수 있다. 또, 지향성 이득은 개구를 설치함으로써 5.3㏈i로부터 3.9㏈i로 되어, 협지향성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 접지판에 개구를 설치하고, 그 개구를 접지판의 중심에 대해 비대칭의 위치로 하는 것으로, 패치 안테나에 있어서의 무지향성 및 광주파수 대역 특성을 달성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 패치 안테나를 전자 기기에 구비함으로써, 전자 기기의 위치를 고려하지 않고서도 이동 통신이나 무선 LAN의 구축을 행할 수 있다.

Claims

유전체판의 일 표면 상에 제공된 접지판과, 상기 유전체판의 다른 표면 상에 제공된 패치 및 상기 패치에 접속된 급전선을 갖는 패치 안테나에 있어서,

상기 접지판에 마련되는 것으로서, 상기 접지판의 중심에 대하여 비대칭인 위치에 제공되는 개구를 포함하며,

상기 개구는, 상기 패치를 논리적으로 상기 급전선에 평행한 방향 및 수직한 방향 각각에서 2등분하여 4개의 영역으로 형성함으로써, 상기 급전선에 가까운 2개의 영역 중 어느 하나의 영역에 배치되는 것인 패치 안테나.
삭제
제1항에 있어서,

상기 개구가 사각형인 것인 패치 안테나.
제3항에 있어서,

상기 개구의 둘레 길이가 상기 패치 안테나의 공진 주파수의 1 파장과 실질적으로 동일한 길이인 것인 패치 안테나.
삭제
제1항에 있어서,

상기 개구의 둘레 길이가 패치 안테나의 공진 주파수의 1 파장과 실질적으로 동일한 길이인 것인 패치 안테나.
제1항에 있어서,

상기 패치 안테나는 무선 로컬 영역 네트워크(LAN) 환경에 사용되며, 상기 네트워크는 상기 패치 안테나를 통해 퍼스널 컴퓨터와 호스트 컴퓨터 사이에서 신호를 송수신하는 것인 패치 안테나.