KR100562788B1 - 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

형상의 변경에 의하여 공진주파수를 낮추므로 소형화가 가능하도록, 소정의 형상으로 형성되는 접지판과, 접지판과 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상으로 형성하는 패치와, 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하여 이루어지는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 제공한다.

또 소정의 형상으로 형성되는 패치와, 상기 패치와 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 상기 패치의 모서리를 감싸도록 "ㄷ"형상으로 형성하는 접지판과, 상기 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 제공한다.

마이크로스트립 패치 안테나, 절곡, 꺽임부, 소형화, 삼각형, 휴대폰, 빔폭, 이득, 중심주파수

Description

폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나 {Folded-Type Miniaturized Microstrip Patch Antenna}

도 1은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예를 나타내는 분해사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예에 있어서 패치의 다른 실시예를 나타내는 저면 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제2실시예를 나타내는 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제2실시예를 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예에 있어서 패치의 또 다른 실시예를 나타내는 저면 사시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예에 있어서 패치의 또 다른 실시예를 나타내는 저면 사시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실 시예를 나타내는 도면으로, (a)는 평면도이고, (b)는 단면도이다.

도 9는 도 8의 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예에 있어서 수평부의 폭(W)을 변화시키면서 공진주파수의 변화를 측정하여 나타내는 그래프이다.

도 10은 90mm×82mm 평면 패치를 적용한 마이크로스트립 패치 안테나를 나타내는 도면으로, (a)는 평면도이고 (b)는 단면도이다.

도 11은 도 10의 마이크로스트립 패치 안테나를 사용하여 측정한 반사손실을 나타내는 그래프이다.

도 12는 도 10의 마이크로스트립 패치 안테나를 사용하여 측정한 방사패턴을 나타내는 그래프이다.

도 13은 수평부의 폭(W)을 10mm로 형성한 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 나타내는 도면으로, (a)는 평면도이고 (b)는 단면도이다.

도 14는 도 13의 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 사용하여 측정한 반사손실을 나타내는 그래프이다.

도 15는 도 13의 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 사용하여 측정한 방사패턴을 나타내는 그래프이다.

도 16은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제3실시예를 나타내는 사시도이다.

도 17은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제3실 시예를 나타내는 단면도이다.

도 18은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제4실시예를 나타내는 사시도이다.

도 19는 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제4실시예를 나타내는 단면도이다.

도 20은 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제5실시예를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모서리부분을 "ㄷ"형상으로 접는 것에 의하여 소형화가 가능한 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것이다.

최근 무선통신 기술이 발달함에 따라 휴대폰, PDA, GPS 시스템 등과 같은 정보통신단말기의 보편화, 대중화가 이루어지고 있다. 이들 정보통신단말기에는 소형이며 경량인 안테나가 필수적으로 요구되고, 평면형으로 얇게 제조하는 것이 가능하며 대량생산이 가능한 마이크로스트립 패치 안테나가 주로 사용된다.

종래의 마이크로스트립 패치 안테나는 소정의 두께로 형성되는 유전체층을 사이에 두고, 한쪽(위쪽)에는 안테나의 역할을 하는 평면형상의 패치(patch)가 설치되고, 반대쪽(아래쪽)에는 접지판이 설치되는 구성으로 이루어진다.

일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나의 크기는 설계 주파수의 파장에 비례하며, 동일한 주파수에 대하여 크기를 줄여 소형화하기 위해서는 유전체층을 형성하는 유전체를 비유전율이 높은 재질로 사용하여야 한다. 그러나 비유전율이 높은 유전체를 사용하게 되면 안테나의 방사특성이 저하되어 결과적으로 이득이 저하되므로 한계가 있다. 그리고 유전체에 있어서 비유전율이 높아지면, 상대적으로 제조원가가 상승함은 물론 생산수율이 급격하게 저하되므로, 비유전율이 높은 유전체를 사용하여 안테나의 크기를 단축하는 데에도 한계가 있다.

본 발명자는 마이크로스트립 패치 안테나의 소형화를 위하여 다양하게 패치의 형상을 변형시키면서 각 안테나의 특성을 측정하던 중에, 패치의 모서리 또는 접지판의 모서리를 "ㄷ"형상으로 접는 경우에 동일 면적의 패치에서 공진주파수가 낮아짐을 발견하고, 이에 대한 연구를 진행하여 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 이러한 점에 조감하여 이루어진 것으로서, 패치 및/또는 접지판의 모서리를 "ㄷ"형상으로 형성하는 것에 의하여 공진주파수를 낮추므로 소형화가 가능한 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 제안하는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나는 소정의 형상으로 형성되는 접지판과, 상기 접지판과 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상으로 형성하는 패치와, 상기 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하여 이루어진다.

또 본 발명의 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나는 소정의 형상으로 형성되는 패치와, 상기 패치와 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 상기 패치의 모서리를 감싸도록 "ㄷ"형상으로 형성하는 접지판과, 상기 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

그리고 본 발명의 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나는 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상 또는 "ㅌ"형상으로 형성하는 패치와, 상기 패치와 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 상기 패치의 모서리를 감싸도록 "ㄷ"형상으로 형성하는 접지판과, 상기 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

다음으로 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예는 도 1∼도 2에 나타낸 바와 같이, 소정의 형상으로 형성되는 접지판(10)과, 상기 접지판(10)과 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상으로 형성하는 패치(20)와, 상기 접지판(10)과 패치(20) 사이에 설치되는 유전체층(30)을 포함하여 이루어진다.

상기 패치(20)에는 상기 접지판(10)에 설치되는 급전부재(40)와 연결되는 급전선(42)이 연결된다.

상기 접지판(10)에는 상기 급전선(42)이 접지판(10)과 전기적으로 단락되지 않는 상태로 급전부재(40)와 연결되도록 급전선(42)이 관통하여 설치되는 급전구멍(11)을 형성한다.

상기 급전부재(40)는 상기 접지판(10)과 전기적으로 단락되지 않도록 상기 접지판(10)과의 사이에 절연부재(도면에 나타내지 않음)를 설치한다.

상기 급전부재(40) 및 급전선(42)은 실제 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서는 인쇄되어 형성되는 도전선로 등으로 이루어진다. 상기 급전부재(40) 및 급전선(42)은 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 패치(20)와 접지판(10)은 전기전도도가 우수한 금속박판을 이용하여 형성한다. 예를 들면 상기 패치(20)와 접지판(10)은 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등의 금속박판을 사용하는 것도 가능하고, 전기전도도가 우수하고 성형성과 가공성이 좋은 은(Ag), 금(Au) 등의 금속박판을 사용하는 것도 가능하다.

상기 유전체층(30)을 구성하는 유전체로는 공기층을 이용하는 것도 가능하며, 테프론, 세라믹, 유리, 에폭시, 합성수지 등과 같은 다양한 재질의 유전체를 적용하는 것이 가능하다.

상기에서 유전체층(30)으로 공기층을 이용하는 경우에는 패치(20)와 접지판(10)의 간격을 유지하며 패치(20)를 지지하기 위하여 간격유지부재(도면에 나타내지 않음)를 접지판(10)에 설치한다. 상기 간격유지부재는 패치(20)를 안정적으로 지지하면서 유전율에 영향을 미치지 않도록 패치(20)의 모서리부분 및/또는 중앙부분에 소정의 패턴으로 배치하여 설치하는 것이 바람직하고, 유전체층(30)의 유전율에 영향을 미치지 않도록 합성수지나 목재 등의 유전율이 낮은 비금속성 재 료나 비전도성 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 패치(20)의 패치본체(22)는 원, 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다양한 판형상으로 형성하는 것이 가능하다.

상기 패치(20)의 패치본체(22)를 사각형으로 형성하고, 상기 패치본체(22)의 방사슬롯쪽 양쪽 모서리를 2번 절곡하여 수직부(24)와 수평부(26)를 형성하여 "ㄷ"형상으로 형성한다.

상기 수평부(26)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 사다리꼴형상이나 삼각형상으로 형성하는 것도 가능하다.

또 상기 수평부(26)는 서로 대칭형상으로 형성하는 것도 가능하고, 상기 수평부(26)의 폭을 서로 다르게 설정하여 형성하는 것도 가능하며, 상기 수평부(26)의 형상을 서로 다른 형상으로 비대칭으로 형성하는 것도 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제2실시예는 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 패치본체(22)의 방사슬롯쪽 양쪽 모서리를 2번 절곡하는 경우에 수직부(24)와 수평부(26)를 상기 접지판(10)의 반대쪽으로 형성한다.

상기한 제2실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 제1실시예와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

그리고 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예에 있어서 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 패치본체(22)를 사각형상으로 형성하고 네모서리로부터 굴곡 연장하여 상기 수직부(24)와 수평부(26)를 "ㄷ"형상으로 형성하는 것도 가능하다.

상기에서 수평부(26)는 서로 겹치지 않도록 대각선을 따라 절단하는 형상으로 형성한다.

또 도 7에 나타낸 바와 같이, 수평부(26)를 대각선으로 절단하는 경우에 서로 접하여 단락되지 않도록 소정의 간격을 두고 양쪽 모서리가 위치하는 형상으로 형성하는 것도 가능하다.

상기와 같이 패치본체(22)의 네모서리로부터 굴곡 연장하면, 가로 및 세로의 길이를 모두 축소시키는 것이 가능하므로 보다 소형화가 가능하다.

또 상기와 같이 구성하는 경우에는 상기 패치(20)의 가로 및 세로의 길이를 서로 다르게 구성하거나 슬롯을 형성하거나 위상차를 갖도록 급전하는 등의 방법으로 원편파를 구현하는 것도 가능하다.

상기에서는 패치(20)의 패치본체(22) 형상을 사각형상으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 원, 삼각형, 오각형 등의 다양한 형상으로 형성하는 것도 가능하다.

다음으로 도 8에 나타낸 바와 같이 형성한 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예를 사용하여 상기 수평부(26)의 폭(W)을 변화시키면서 공진주파수를 측정하여 다음의 표 1과 도 9에 나타낸다.

수평부의 폭 (mm)	공진주파수 (GHz)	저항 (Ω)
0	1.575	54.0
1	1.532	44.7
3	1.438	27.5
5	1.295	41.7
8	1.239	40.8
10	1.147	37.1
12	1.115	18.0
15	1.051	17.4
18	0.991	18.6
19	0.965	15.4
20	0.921	19.5
21	0.920	55.1
22	0.898	17.3
23	0.825	406.3

상기한 표 1 및 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 패치(20)의 수평부(26) 폭(W)을 증가시킴에 따라 전류경로를 길게 만들어 공진주파수가 점차로 저하되었으며, 수평부(26) 폭(W)이 23mm인 경우에는 양 수평부(26)가 너무 근접되어 저항값이 급격하게 증가하여 사용이 불가능한 것으로 확인되었다.

따라서 수평부(26)의 폭(W)은 패치본체(22)의 폭에 대하여 최대 46% 이하의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제1실시예에 있어서 소형화 여부에 대하여 설명한다.

먼저 비교를 위하여 도 10에 나타낸 바와 같이, 128mm×100mm의 사각형상인 접지판(2)의 중앙부에 9mm의 간격을 두고 90mm×82mm의 사각형상인 패치(4)를 설치하고, 패치(4)의 90mm인 양쪽 모서리가 방사슬롯이 되고 84mm인 양쪽 모서리가 비방사슬롯이 되도록 급전점을 형성한 일반적인 평면형 패치(4)를 적용한 마이크로스트립 패치 안테나를 제작하고, 반사손실 및 방사패턴을 측정하여 도 11 및 도 12에 나타낸다.

도 11로부터 알 수 있는 바와 같이 반사손실은 -22.4dB, -10dB 대역폭은 60MHz(3.8%)로 측정되었으며, 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이 이득은 5.3dBd, -3dB 빔폭은 H-평면 62°, E-평면 64°로 측정되었다.

그리고 도 13에 나타낸 바와 같이, 90mm×22mm의 사각형상인 패치본체(22)로부터 연장하여 수직부(24)의 높이 8mm, 수평부(26)의 폭(W) 10mm인 "ㄷ"형상을 형성한 패치(20)를 128mm×40mm의 사각형상인 접지판(10)의 중앙부에 9mm의 간격을 두고 설치한 다음 반사손실 및 방사패턴을 측정하여 도 14 및 도 15에 나타낸다. 이 경우 패치본체(22)를 도 10과 비교하면, 폭의 단축이 대략 73.2% 정도로 크게 소형화되었음을 확인할 수 있다.

도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, -10dB 대역폭의 경우 41MHz(2.6%)로 일반적인 패치(4)를 적용한 도 11의 60MHz에 비하여 19MHz 감소하였는 데, 이는 패치(20) 밑면의 전류분포의 경로가 보다 축소됨에 따른 것이다. 그리고 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 이득은 -1.4dBd로 일반적인 패치(2)를 적용한 도 12의 5.3dBd에 비하여 6.7dB 감소하였으며, -3dB 빔폭의 경우 H-평면은 62°로 일반적인 패치(4)를 적용한 도 12와 같았으나, E-평면은 무지향성의 특성이 나타났다.

즉 본 발명에 따른 제1실시예에 있어서는 패치(20)의 축소에 따라 E-평면의 -3dB 빔폭이 광각화하고, 협소한 접지판(10)으로 인한 이득의 감소와 후엽의 레벨이 증가하는 것으로 확인되었으며, 방사패턴에서 H-평면은 기준다이폴과 비슷한 패턴을 나타내고 E-평면은 전방향성을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 패치(20)의 면적이 축소됨에 의한 것이며, GPS 시스템에서는 상대적으로 이득에 비하여 - 3dB 빔폭이 중요시되므로 크게 문제가 되지 않는다.

그리고 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제3실시예는 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이, 소정의 형상으로 형성되는 패치(20)와, 상기 패치(20)와 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 상기 패치(20)의 모서리를 감싸도록 "ㄷ"형상으로 형성하는 접지판(10)과, 상기 접지판(10)과 패치(20) 사이에 설치되는 유전체층(30)을 포함하여 이루어진다.

상기 접지판(10)은 사각형상으로 형성되는 판본체(12)와, 상기 판본체(12)의 방사슬롯쪽 양쪽 모서리로부터 연장하여 절곡되는 수직부(14)와 수평부(16)로 이루어진다.

상기 수평부(16)는 상기 패치(10)를 사이에 두고 상기 판본체(12)의 반대쪽에 형성된다.

상기한 제3실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 제1실시예와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

그리고 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제4실시예는 도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이, 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상으로 형성하는 패치(20)와, 상기 패치(20)와 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 상기 패치(20)의 모서리를 감싸도록 "ㄷ"형상으로 형성하는 접지판(10)과, 상기 접지판(10)과 패치(20) 사이에 설치되는 유전체층(30)을 포함하여 이루어진다.

즉 상기 패치(20)에 수직부(24)와 수평부(26)를 형성함은 물론, 상기 접지판(10)에도 수직부(14)와 수평부(26)를 형성한다.

또 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 제5실시예는 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 패치(20)의 모서리를 "ㅌ"형상으로 형성한다.

상기 패치(20)의 패치본체(22)를 중심으로 위쪽과 아래쪽에 각각 수직부(24)와 수평부(26)를 대칭형상으로 형성한다.

상기한 제4실시예 및 제5실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 제1실시예 및 제3실시예의 구성과 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기에서는 본 발명에 따른 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

상기와 같이 이루어지는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나에 의하면, 패치 및/또는 접지판에 "ㄷ"형상 또는 "ㅌ"형상으로 수직부 및 수평부를 형성하는 것에 의하여 동일한 중심주파수(공진주파수)를 갖는 경우에는 패치의 면적을 70%이상 축소하는 것이 가능하므로 소형화 및 경량화가 가능하여 휴대폰이나 PDA, GPS 등의 정보통신기기에 적용하기가 매우 용이하다.

그리고 패치면적의 축소에 따라 발생하는 이득의 저하보다는 GPS 시스템에서 보다 중요하게 영향을 미치는 -3dB 빔폭의 확대가 보다 크게 작용하므로 소형화와 더불어 큰 이점이 있다.

Claims (7)

1. 소정의 형상으로 형성되는 접지판과, 상기 접지판과 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상으로 형성하는 패치와, 상기 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하고,

   상기 패치는 소정의 평면형상을 갖는 패치본체와 상기 패치본체의 모서리를 2번 절곡하여 "ㄷ"형상 또는 "ㅌ"형상으로 형성되는 수직부 및 수평부로 이루어지는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나.
2. 삭제
3. 하나이상의 모서리를 "ㄷ"형상 또는 "ㅌ"형상으로 형성하는 패치와, 상기 패치와 소정의 간격을 두고 설치되고 하나이상의 모서리를 상기 패치의 모서리를 감싸도록 "ㄷ"형상으로 형성하는 접지판과, 상기 접지판과 패치 사이에 설치되는 유전체층을 포함하고,

   상기 패치는 소정의 평면형상을 갖는 패치본체와 상기 패치본체의 모서리를 2번 절곡하여 "ㄷ"형상 또는 "ㅌ"형상으로 형성되는 수직부 및 수평부로 이루어지고,

   상기 접지판은 소정의 평면형상을 갖는 판본체와 상기 판본체의 모서리로부터 연장하여 절곡되는 수직부 및 수평부로 이루어지고,

   상기 접지판의 수평부는 상기 패치를 사이에 두고 상기 판본체의 반대쪽에 위치하는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나.
4. 삭제
5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 패치의 수평부는 사다리꼴형상이나 삼각형상으로 형성하는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나.
6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 패치의 수평부는 폭을 서로 다르게 설정하거나 비대칭으로 형성하는 폴디드식 소형 마이크로스트립 패치 안테나.
7. 삭제

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