KR100563424B1 - 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

(과제) 편파 다이버시티 기술을, 예컨대 휴대단말에서 사용할 수 있는 1 개의 소형 패치 안테나로 실현한다.

(해결수단) 급전선로와, 접지판과, 패치를 이 순서로 각각의 사이에 절연체를 끼워 적층하여 구비하는 패치 안테나에 있어서, 상기 접지판은, 서로 대략 직교하는 방향으로 배치된 2 개의 슬롯을 갖고, 상기 급전선로는, 상기 2 개의 슬롯 각각의 중심을 이 슬롯과 직교하여 통과함과 동시에 각각의 단에서 서로 역방향으로 배치된 다이오드의 일방의 단을 접속한 2 개의 가지부를 갖고, 상기 다이오드의 타방의 단을 접지하였다.

패치 안테나, 패치, 급전선로, 접지판

Description

패치 안테나{PATCH ANTENNA}

도 1 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 일 실시예의 구조를 나타내는 평면도 및 측면도.

도 2 는 도 1 의 패치 안테나의 편파 전환의 원리를 설명하는 평면도.

도 3 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 리턴 로스 특성의 실측값의 그래프.

도 4 는 본 발명에 의한 패치 안테나의 바이어스 전압 전환 전후에서의 방사 패턴을 나타내는 그래프.

도 5 는 본 발명에 의한 패치 안테나의 바이어스 전압 전환 전후에서의 방사 패턴을 나타내는 그래프.

도 6 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 다른 실시예의 구조를 나타내는 평면도 및 측면도.

도 7 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 또 다른 실시예의 구조를 나타내는 평면도 및 측면도.

※도면의 주요 부호에 대한 설명

1, 21, 41 : 패치 안테나

2, 22, 42 : 평면형 급전선로

2a, 2b, 22a, 22b, 42a, 42b : 가지부

4, 24, 44 : 접지판

6, 26, 46 : 패치

8, 10, 28, 30, 48, 50 : 절연체 기판

12, 14, 32, 34, 52, 54 : 슬롯

16, 18, 36, 38, 56, 58 : 다이오드

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 특히 급전선로, 접지판, 및 패치 (방사소자) 를 이 순서로 각각의 사이에 절연체를 끼워 적층하여 구비하는 패치 안테나에 관한 것이다. 본 발명은 또한 접지판과, 패치를 사이에 절연체를 끼워 적층하여 구비하고, 상기 접지판에 형성된 홈에 수용된 급전선로를 구비하는 패치 안테나에 관한 것이기도 하다.

상기 서술한 바와 같은 패치 안테나는, 휴대전화로 대표되는 소형 휴대통신단말, 아날로그 또는 디지털에 의한 무선 화상 전송 시스템, 무선 LAN, 가전 네트워크 등과 같은, 고품질이고 고속 통신을 실현하기 위해 편파 다이버시티 기술이 필요한 분야에서 사용된다.

전파는 직교하는 전계와 자계의 상호작용에 의해 공간을 전파하는데, 이 때 전계가 발생되는 면을 편파면이라고 한다. 전파의 송수신시에는 이 편파를 맞 추는 것이 원칙이다. 전파의 송수신에 있어서 직접파를 사용하는 한에서는 편파의 어긋남은 거의 발생하지 않지만, 반사나 회절 등이 있으면 편파면이 변화되는 것으로 알려져 있다.

최근 고속이면서 무선으로 데이터를 전송하는 요구가 높아지고 있는데, 특히 도시와 같은 전파의 회절, 반사가 많은 장소에서는, 다중파 전파에 의한 페이징이 일어나고, 높은 통신품질이 필요한 고속 데이터 전송에 크게 영향을 주는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 경우, 2 개의 다른 편파 중 보다 양질의 통신이 가능한 편파의 안테나를 선택적으로 사용하는 편파 다이버시티 기술이 사용된다. 전환의 대상이 되는 편파는, 직선편파의 수직편파와 수평편파의 전환과, 원편파의 우선 편파와 좌선 편파의 전환이다.

본 발명은 상기 편파 다이버시티 기술을, 예컨대 휴대단말에서 사용할 수 있는 1개의 소형 패치 안테나로 실현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 패치 안테나의 일 실시예는, 상기 접지판은, 서로 대략 직교하는 방향으로 배치된 2 개의 슬롯을 갖고, 상기 급전선로는, 상기 2 개 슬롯의 각각과 교차하여 통과함과 동시에 각각의 단에서 서로 역방향으로 배치된 다이오드의 일방의 단을 접속한 2 개의 가지부를 갖고, 상기 다이오드의 타방의 단을 접지한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 패치 안테나의 다른 실시예는, 상기 급전선로의 각 가지부의 선단으로부터, 각각 교차하는 상기 슬롯까지의 거리가 실행파장의 약 1/2 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 패치 안테나의 다른 실시예는, 상기 급전선로의 각 가지부의 선단으로부터, 각각 교차하는 상기 슬롯까지의 거리가 실행파장의 약 1/4 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 패치 안테나의 다른 실시형태는, 상기 패치가 사각형이고, 상기 2 개의 슬롯이 상기 패치의 2 변과 각각 평행한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 패치 안테나의 또 다른 실시형태는, 상기 패치가, 사각형 패치 1 세트의 대각을 각각 잘라낸 형상으로, 잘린 면적을 원편파가 발생하도록 선택한 것임을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 패치 안테나의 다른 실시형태는 상기 패치가 축퇴분리법 (縮退分離法) 에 의해 원편파가 발생하도록 2 개의 패임 또는 돌출에 의한 섭동 (攝動) 이 형성된 원형 패치인 것을 특징으로 한다.

실시예 1

도 1 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 일 실시예의 구조를 나타내는 평면도 및 측면도이다. 패치 안테나 (1) 는 마이크로 스트립선로 등으로 대표되는 급전용 평면형 급전선로 (2) 와 접지판 (4) 과 1 변의 치수가 W 의 정방형인 패치 (6) 를, 절연체 기판 (8 및 10) 을 사이에 두고 적층시켜 구비한다. 접지판 (4) 에는 패치 (6) 의 2 변과 각각 평행한 2 개의 슬롯 (12 및 14) 이 설치되어 있다. 평면형 급전선로 (2) 는 2 개의 가지부 (2a 및 2b) 를 가지고, 각각의 가지 부분은 슬롯 (12 및 14) 의 거의 중심에서 각각의 슬롯과 교차하도록 배치된다. 또한, 각각의 가지부의 선단으로부터 각각이 교차하는 슬롯까지의 거리는 실행파장 λ의 1/2 또는 1/4 이 되도록 한다. 패치 안테나 (1) 는 서로 반대 방향으로 배치된 다이오드 (16 및 18) 를 추가로 구비하고, 즉 가지부 (2a) 의 선단에는 다이오드 (16) 의 애노드를, 가지부 (2b) 의 선단에는 다이오드 (18) 의 캐소드를 접속시켜, 다이오드 (16) 의 캐소드와 다이오드 (18) 의 애노드를 접지시킨다.

도 2 는 도 1 의 패치 안테나의 편파 전환의 원리를 설명하는 평면도가다. 평면형 급전선로 (2) 의 가지부 (2a) 로부터 슬롯 (12) 까지의 거리와 가지부 (2b) 의 선단으로부터 슬롯 (14) 까지의 거리는 실행파장 λ 의 1/2 이다. 도 2 에 나타낸 바와 같이 신호와 동시에 양의 직류 바이어스 전압을 급전선로 (2) 에 인가하면, 순방향으로 배치된 다이오드 (16) 만이 도통되어 단락되고, 역방향으로 배치된 다이오드 (18) 는 도통되지 않고 개방 상태가 된다. 이로써, 선단이 개방된 가지 부분 (2b) 의 선단으로부터 실행파장 λ 의 1/2 인 점에서 전류 분포가 최소가 되어, 패치 (6) 는 그 점 위에 있는 슬롯 (14) 에 의해서는 급전되지 않는다. 선단이 단락된 가지 부분 (2a) 의 선단으로부터 실행파장 λ 의 1/2 인 점에서 전류 분포가 최대가 되어, 패치 (6) 는 그 점 위에 있는 슬롯 (12) 에 의해 자계 결합되어 급전된다. 도 2 에서는 x 방향으로 전계 성분을 갖는 수평 편파가 급전되는 예를 나타내고 있다. 급전선로(2)에 신호와 동시에 음의 직류 바이어스 전압을 인가한 경우에는, 상기 기술한 양의 직류 바이어스 전압을 인가한 경우와 반대의 동작이 발생하는데, 즉 반대 방향으로 배치된 다이오드 (18) 만 도통되어 단락되고, 순방향으로 배치된 다이오드 (16) 는 도통되지 않고 개방 상태가 된다. 이로써, 선단이 개방된 가지 부분 (2a) 의 선단으로부터 실행파장 λ 의 1/2 인 점에서 전류 분포가 최소가 되고, 패치 (6) 는 그 점 위에 있는 슬롯 (12) 에 의해서는 급전되지 않는다. 선단이 단락된 가지 부분 (2b) 의 선단으로부터 실행파장 λ 의 1/2 인 점에서 전류 분포가 최대가 되어, 패치 (6) 는 그 점 위에 있는 슬롯 (14) 에 의해 자계 결합되어 급전된다. 따라서, 본 예에서는 y 방향으로 전계 성분을 갖는 수직 편파가 급전된다. 평면형 급전선로 (2) 의 가지부 (2a) 로부터 슬롯 (12) 까지의 거리와, 가지부 (2b) 의 선단으로부터 슬롯 (14) 까지의 거리를 실행파장 λ의 1/4 로 한 경우, 상기 동작과 반대가 된다.

도 3 은 도 1 에 나타낸 바와 같은 본 발명에 의한 패치 안테나의 리턴 로스 특성의 실측값을 나타낸 그래프이다. 안테나의 세로 및 가로의 길이는 60㎜, 2 개의 절연체 기판의 두께는 동등하게 0.8㎜, 절연체 기판의 단으로부터 각각의 슬롯까지의 거리는 14㎜, 슬롯의 길이는 7㎜, 슬롯 폭은 1㎜, 급전선로 폭은 2.4㎜, 패치의 변 길이는 가로세로 모두 16㎜ 로 하였다. 절연체 기판의 유전율은 2.1, 유전 정접은 0.0014 였다. 도 3 으로부터, 플러스/마이너스 바이어스전압 인가시에 대해 모두 －10dB 이하가 되는 주파수대역 폭 약 120㎒ 를 유지하면서 5.85㎓ 부근에서 공진하고 있음을 알 수 있다. 도 4 및 도 5 는 도 1 에 나타내는 바와 같은 본 발명에 의한 패치 안테나의 바이어스전압 전환 전후에서의 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 이들 그래프로부터 플러스 바이어스시에는 x 방 향으로 전계 성분을 갖는 수평 편파 성분이, 마이너스 바이어스시에는 y 방향으로 전계 성분을 갖는 수직 편파 성분이 주편파가 되어 편파가 전환하고 있음을 알 수 있다. 이들 그래프에서는 방사 전력은 마이너스 바이어스시의 수평 편파의 최대 전력으로 규격화하고 있지만, 전환 전후의 최대 전력은 수평 편파 및 수직 편파에서 거의 동일한 정도이다. 또, 측정주파수 5.85㎓ 에서 반값폭이 약 ±35°이며 보어사이트에서 약 20dB 의 교차 편파 특성을 실현시키고 있다.

실시예 2

도 6 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 다른 실시예의 구조를 나타내는 평면도 및 측면도이다. 본 실시예는 도 1 의 실시예와 거의 동일하지만, 패치 형상이 다르다. 패치 안테나 (21) 는 마이크로 스트립선로 등으로 대표되는 급전용 평면형 급전선로 (22) 와, 접지판 (24) 과, 1 변의 치수가 W 인 정방형의 2 개의 각의 일부를 절취한 형상의 패치 (26) 를, 절연체 기판 (28,30) 을 사이에 두고 적층하여 구비한다. 접지판 (24) 에는 패치 (26) 의 2 변과 각각 평행인 2 개의 슬롯 (32,34) 이 형성되어 있다. 평면형 급전선로 (22) 는 2 개의 가지부 (22a,22b) 를 갖고, 각각의 가지 부분은 슬롯 (32,34) 의 거의 중심에서 각각의 슬롯과 교차하도록 배치된다. 또, 각각의 가지부의 선단으로부터 각각이 교차하는 슬롯까지의 거리는 실행파장 (λ) 의 1/2 또는 1/4 이 되도록 한다. 패치 안테나 (1) 는 서로 역방향으로 배치된 다이오드 (36,38) 를 추가로 구비하고, 즉 가지부 (22a) 의 선단에는 다이오드 (36) 의 애노드를, 가지부 (22b) 의 선단에는 다이오드 (38) 의 캐소드를 접속하여 다이오드 (36) 의 캐소드와 다이오드 (38) 의 애노드를 접지한다. 패치 (26) 의 절취부 (26a,26b) 의 면적을 축퇴분리법에 의해 원 편파가 발생하도록 적절하게 선택한다. 패치 (26) 로 급전하는 슬롯의 전환 원리는 도 1 에 나타내고, 도 2 를 참조하여 설명한 실시예와 동일하다. 본 실시예의 경우 급전슬롯을 전환함으로써 우선 편파와 좌선 편파를 전환할 수 있다.

실시예 3

도 7 은 본 발명에 의한 패치 안테나의 또 다른 실시예의 구조를 나타내는 평면도 및 측면도이다. 본 실시예는 도 1 의 실시예와 거의 동일하지만, 패치 형상이 다르다. 패치 안테나 (41) 는 마이크로 스트립선로 등으로 대표되는 급전용 평면형 급전선로 (42) 와, 접지판 (44) 과, 원형으로 2 개의 패임 또는 돌출에 의한 섭동을 갖는 패치 (46) 를, 절연체 기판 (48,50) 을 사이에 두고 적층하여 구비한다. 접지판 (44) 에는 접지판 (44) 의 2 변과 각각 평행인 2 개의 슬롯 (52,54) 이 형성되어 있다. 평면형 급전선로 (42) 는 2 개의 가지부 (42a,42b) 를 갖고, 각각의 가가지 부분은 슬롯 (52,54) 의 중심에서 각각의 슬롯과 교차하도록 배치된다. 또, 각각의 가지부의 선단으로부터 각각이 교차하는 슬롯까지의 거리는 실행파장 (λ) 의 1/2 또는 1/4 가 되도록 한다. 패치 안테나 (41) 는 서로 역방향으로 배치된 다이오드 (56,58) 를 추가로 구비하고, 즉 가지부 (42a) 의 선단에 다이오드 (56) 의 애노드를, 가지부 (42b) 의 선단에는 다이오드 (58) 의 캐소드를 접속하여 다이오드 (56) 의 캐소드와 다이오드 (58) 의 애노드를 접지한다. 패치 (46) 의 패임 또는 돌출에 의한 섭동 (46a,46b) 의 위치 및 면적을 축퇴분리법에 의해 원 편파가 발생하도록 적절하게 선택한다. 패치 (46) 로 급전하는 슬롯의 전환 원리는 도 1 에 나타내고, 도 2 를 참조하여 설명한 실시예와 동일하다. 본 실시예의 경우, 급전슬롯을 전환함으로써 우선 편파와 좌선 편파를 전환할 수 있다.

본 발명의 패치 안테나는 신호와 동시에 인가되는 바이어스 전압을 양극 음극으로 전환함으로써 급전되는 슬롯을 전환할 수 있고, 따라서 편파 전환을 행할 수 있다. 패치의 형상을 적절하게 선택함으로써, 수직 편파와 수평 편파로 전환할 수 있는 직선 편파 패치 안테나 또는 우선 편파와 좌선 편파로 전환할 수 있는 원편파 패치 안테나를 실현할 수 있다.

Claims (6)

1. 급전선로와 접지판과 패치를 상기 순서대로, 각각의 사이에 절연체를 끼워 적층시켜 구비한 패치 안테나에 있어서,

   상기 접지판은, 서로 대략 직교하는 방향으로 배치된 2 개의 슬롯을 가지며,

   상기 급전선로는, 상기 2 개 슬롯의 각각과 교차하여 통과함과 동시에 각각의 단에서 서로 역방향으로 배치된 다이오드의 일방의 단을 접속한 2 개의 가지부를 갖고, 상기 다이오드의 타방의 단을 접지한 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 급전선로의 각 가지부의 선단으로부터, 각각 교차하는 상기 슬롯까지의 거리가 실행파장의 약 1/2 인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 급전선로의 각 가지부의 선단으로부터, 각각 교차하는 상기 슬롯까지의 거리가 실행파장의 약 1/4 인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 패치는 사각형이며,

   상기 2 개의 슬롯은 상기 패치의 2 변과 각각 평행한 것을 특징으로 하는 패 치 안테나.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 패치는 사각형 패치 1 세트의 대각을 각각 잘라낸 형상으로, 잘린 면적을 원편파가 발생하도록 선택한 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 패치는 축퇴분리법에 의해 원편파가 발생하도록 2 개의 패임 또는 돌출에 의한 섭동 (攝動) 이 형성된 원형 패치인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.

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