KR100648903B1 - 플레인 안테나와 이 안테나를 사용하는 휴대용라디오 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 방사 소자로 사용되는 4변형 도체의 4개의 변들 중 적어도 3개의 변들이 서로 다른 길이로 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

평면 안테나와 이 안테나를 사용하는 휴대 무선기{Plane antenna, and portable radio using thereof}

본 발명은 통신 분야, 특히 위성 통신에 사용된 원편파 평면 안테나(circularly-polarized plane antenna)의 다중 공진 주파수(multiple-resonance frequency)의 조절 및 임피던스 정합에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 원편파 평면 안테나를 사용하는 휴대 무선기에 관한 것이다.

위성들을 사용하는 휴대용 셀룰러폰의 개념이 최근에 여러 회사들에 의해 제안되었다. 휴대용 셀룰러폰에 사용되는 주파수 대역들에 대하여, 1.6GHz의 주파수대역이 지상 휴대용 셀룰러폰에서 통신 위성으로의 업-링크 통신(up-link co㎜unications)에 할당되고, 2.4GHz의 주파수 대역이 통신 위성에서 지상 휴대용 셀룰러폰으로의 다운-링크 통신(down-link co㎜unications)에 할당된다. 1.6GHz의 주파수 대역은 또한 기지국들과 통신 위성 사이의 양방향 통신에 할당된다. 원편파가 통신 회선의 품질을 보장하기 위해 일반적으로 통신 분야에서 사용된다.

GPS(Global Positioning System) 위성으로부터 전송되는 무선파(radio wave)(즉, 1.5GHz의 우회전 원편파)를 수신하는 평면 안테나가 실제로 이미 사용되고 있다. 평면 안테나는 플레이트형 유전체 기판과, 이 플레이트형 유전체 기판의 한 면에 부착된 패치 도체(즉, 방사 소자)와, 플레이트형 유전체 기판의 다른 면에 부착된 접지 도체를 포함하는 원-포인트 백 급전 마이크로스트립 안테나(MSA)이다. 도 5는 원-포인트 백 급전 마이크로스트립 안테나(MSA)(21)를 도시한 상도면이며, 패치형 도체(21b)는 직사각형의 평행 육면체 형태를 가진다. 패치 도체(21b)의 긴 변들(PO,QR)의 길이를 L이라고 하고, 패치 도체(21b)의 짧은 변들(PQ,OR)의 길이를 S라 하면, 도체는 100 × L/S = 102 내지 103% 또는 그 정도가 되도록 설정된다. 긴 변들(PO,QR)은 비교적 저주파수들에서 공진(resonance)을 발생시키고 타원 편파를 나타낸다. 이와는 대조적으로, 짧은 변들(PQ,OR)은 비교적 고주파수들에서 공진을 발생시키고 상기 타원 편파에 직교하는 다른 타원 편파를 나타낸다. 패치 도체는 상기 주파수들 사이에서 원편파 안테나로서 작용한다. 급전 핀(feed pin)(21a)에 50Ω 특성 임피던스를 갖는 급전 라인을 접속(뒤쪽으로부터)하기 위해, 급전 라인의 임피던스는 급전 핀(21a)의 위치를 조절함으로써 급전 핀의 임피던스와 정합된다. 특히, 사용자는 단지 급전 핀(21a)을 사각형의 실질적인 사선을 따라 임의의 위치에 배치하기만 하면 된다는 사실을 알 수 있다.

MSA(21)을 형성하는 유전체 기판(21c)은 약 20의 유전 상수(dielectric constant)와, 4 내지 6㎜의 두께와, 약 25㎜의 크기를 갖는 유전체 기판 형태로 이미 실제로 사용되고 있다. GPS는 약 1 MHz의 매우 좁은 대역폭을 필요로 한다.

대조적으로, 위성 휴대용 셀룰러폰이 약 10 MHz의 비교적 넓은 대역폭으로 신호를 전송하고 수신하기 때문에, 유전체 기판(21c)의 두께는 대역폭을 상대적으로 넓게 하기 위해 증가되어야 한다. 또한, 저궤도 위성을 사용하는 시스템에서는, 낮은 앙각에서 안테나의 이득(gain)을 보장할 필요성이 있다.

그러나, 대역폭에서 또는 낮은 앙각에서 안테나의 특성들을 개선하는 관점에서 유전체 기판이 (기존 GPS MSA의 두께의 두배가 되도록) 증가될 경우에, 직사각형 패치 도체는 원하는 다중 공진 주파수와 임피던스 정합을 동시에 만족시키기 어렵다.

본 발명은 본 출원 명세서의 첨부된 청구의 범위에 기재된 수단에 의해 상기 문제를 해결한다. 특히, 본 발명은 플레이트형 유전체 기판과, 이 유전체 기판의 한 면에 제공된 패치 도체와, 상기 유전체 기판의 다른 면에 제공되고 백 급전 방법(back feeding method)에 의해 상기 패치 도체에 전력을 급전하는 접지 도체를 포함하는 마이크로스트립 평면 안테나를 제공하며, 본 발명에 의한 개선은 패치 도체가 사각형을 취하고 적어도 3개의 서로 다른 크기의 변들을 갖는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 평면 안테나의 구성을 도시한 개략도이다. 도 1에서, 도면부호"1"은, 마이크로스트립 평면 안테나(MSA)를 나타내고; 도면부호 "1a"는 공급 핀을 나타내고; 도면부호"1b"는 패치 도체를 나타내며; 도면부호"1c"는 유전체 기판을 나타낸다. 도시되지 않은 접지 도체는 유전체 기판(1c)의 반대 쪽에 접속되고, 급전 핀(1a)은 접지 도체에 형성된 관통 구멍을 비접촉 방식으로 뒤쪽으로부터 통과하여 패치 도체(1b)의 급전 지점(H)에 접속되어 있다. 패치 도체(1b)의 제 1 변은 변 AB로 하고, 패치 도체(1b)의 제 2 변은 변 BC로 하고, 패치 도체(1b)의 제 3 변은 변 CD로 하고, 패치 도체(1b)의 제 4 변은 변 DA로 한다.

본 발명의 실시예에서, 직사각형(EBFD)이 처음으로 형성되고, 사선(EF)과 사선(BD)의 교차점은 G로 한다. 지점(H)은 우회전 원편파를 생성하기 위해 라인 세그먼트(EG)를 따라 급전 지점으로서 배치된다. 또한, 다중 공진 주파수의 조절과 임피던스 정합을 용이하게 위해, 변(EB)은 변(A)까지 연장되고, 변들(BF)은 변(B)까지 연장된다(여기서, AB≠BC). 상기 변들이 연장됨에 따라, 변들(CD,DA)은 비스듬한 사선들이 된다. 따라서, 급전 지점(H)에서 상기 변들까지의 실제 거리들은 증가된다. 간단히 말해서, 패치 도체(1b)의 대역폭도 역시 증가하고, 급전 지점(H)에서 변들까지의 거리들에 의해 결정된 임피던스 정합을 위한 조건이 완화된다. 도 2는, MSA(1)의 측정 예를 도시한다. 도 2a와 도 2b는 도 1에 도시된 EBFD에 의해 표시된 직사각형의 변(EB)을 연장하는 ABFD으로 표시된 사다리꼴 패치 도체의 측정 예들이다. 도 2a는 패치 도체의 연장부(즉, 변(AE))가 1.5 ㎜의 길이로 설정된 경우에서 얻어진 스미스 차트이며, 도 2b는 패치 도체의 연장부(즉, 변(AE))이 2.0 ㎜의 길이로 설정된 경우에서 얻어진 스미스 차트이다.

유전체 기판(1c)이 12㎜의 두께와, 20의 유전 상수와, 28㎜×28㎜의 외부 크기를 갖도록 하고, 패치 도체(1b)의 변들 AB,BC,CD 및 DA이 각각 20㎜, 19㎜, 18.6㎜, 17.04㎜를 갖도록 하면, 패치 도체(1b)와 나선형 안테나(2)는 도 3에 도시된 바와 같이, 조합하여 사용된다. 도 3은 접지 도체(4)를 도시하고, 나선형 안테나(2)는 동축 방향으로 접지 도체(4)의 하부에 접속된다. 나선형 안테나(2)는 30㎜ 직경을 갖는 아크릴 실린더(또는 유전체 폴)와, 4.5㎜의 폭을 가지며 아크릴 실린더의 표면 상에서 134㎜의 높이 이상으로 180°회전을 통해 나선형으로 감겨진 4개의 구리 호일 테입들(cuppor foil tapes)(또는 선형-방사 소자들)(2b)을 포함하며; 구리 호일 테입들(2b)은 아크릴 실린더의 하단부에서 서로 대향하며 세워져 있고 피복된 와이어들에 의해서 서로 전기적으로 접속되어 있다. 아크릴 실린더의 하단부에 있는 피복된 와이어들 사이의 교차부는 DC 결합을 야기하지 않는다. 비록, MSA(1)는 아크릴 실린더(2a)의 상단부 상에 설치되어 있지만, 직선 편파 나선형 방사 소자들(linearly-polarized helical radiating elements)로서 작용하는 구리 호일 테입들(2b)은 접지 도체(4)에 직접 접속되지 않는다. 약 7㎜의 폭을 갖는 가장자리부(도체)(2d)는 접지 도체(4)와 구리 호일 테입들(2b) 사이에 접속되고, 나선형 방사 소자들과 전기적으로 접속된다. 동축 케이블(또는 신호 전송 경로)(6)은 아크릴 실린더(2a)의 안쪽 변을 경유하여 접지 도체(4)에 형성된 관통 구멍(4a)을 통과하는 급전 핀(1a)과 접속되어, 패치 도체(1b)에 전력을 급전한다. 본 실시예에서, 낮은 앙각에서의 안테나 이득(gain)은 단지 MSA(1)를 사용하는 안테나의 이득에 비해 향상된다. 안테나는 낮은 앙각에서 정점까지 실질적으로 모든 방향에서 균일한 방향성 및 우수한 축 비율(axial ratio)을 갖도록 구성된다.

도 4는 도 3에 도시된 안테나를 갖는 휴대 무선기(또는 셀방식 휴대폰)를 도시한다. 나선형 안테나(2)는 안테나 지지 실린더(13)에 의해 지지되며 안테나 사이에 제공된 통신 섹션부(13a)와 함께 종방향으로 휴대 무선기(11)로부터 이격된다. 휴대 무선기(11)에서, 도면부호"11a"는 수신 섹션을 나타내며; 도면부호"11b"는 디스플레이를 나타내고; 도면부호"11c"는 작동 섹션을 나타내며; 도면부호"11d"는 전송 섹션을 나타낸다. 도 3에 도시된 안테나를 갖는 휴대 무선기로 인하여, 휴대 무선기가 하나의 안테나를 사용하여 정점의 방향으로 저궤도 위성과 통신을 확립하는 것이 용이해 진다.

상술한 바와 같이, 비록 방사 소자로 사용되는 패치 도체가 비교적 두꺼운 두께를 갖는 유전체 기판 상에 형성될 때에도, 본 발명은 원하는 다중 공진 주파수 및 급전 핀과 급전 라인 사이의 임피던스 정합이 동시에 만족되게 할 수 있다. 또한, 본 발명은 기존 유전체 기판과 같이 비교적 작은 두께의 유전체 기판을 갖는 안테나에도 적용될 수 있음은 물론이다. 높은 유전 상수를 가지며 패치 도체에 대한 엄격한 치수 정확성을 필요로 하는 평면 안테나의 경우에서, 본 발명은 상술한 효과들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원-포인트 백 급전 마이크로스트립 평면 안테나(one-point back feeding microstrip plane antenna)를 도시한 상면도.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 마이크로스트립 평면 안테나의 측정 예들을 도시한 스미스 차트.

도 3은 4-와이어 나선형 안테나와 조합하여 사용될 때 본 발명에 따른 마이크로스트립 평면 안테나를 도시한 개략도.

도 4는 도 3에 도시된 안테나를 갖는 휴대 무선기를 도시한 개략도.

도 5는 종래 백 급전 마이크로스트립 평면 안테나를 도시한 상면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 마이크로스트립 평면 안테나 2 : 나선형 안테나

4 : 접지 도체 6 : 케이블

11 : 무선기 13 : 안테나 지지 실린더

Claims (5)

1. 원편파 안테나로서 동작하는 마이크로스트립 평면 안테나에 있어서,

   플레이트형 유전체 기판과,

   상기 유전체 기판의 한 면에 제공된 패치 도체와,

   상기 유전체 기판의 다른 면에 제공되고 백 급전 방법(back feeding method)에 의해 상기 패치 도체에 전력을 급전하는 접지 도체를 포함하며,

   상기 패치 도체는,

   사각 형상과,

   적어도 3개의 서로 다른 크기의 변들을 갖는, 원편파 안테나로서 동작하는 마이크로스트립 평면 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 평면 안테나의 상기 접지 도체의 하부에 전기적으로 접속된 나선형 안테나(helical antenna)를 더 포함하는, 원편파 안테나로서 동작하는 마이크로스트립 평면 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트형 유전체 기판은 약 20의 유전 상수와, 4㎜ 내지 6㎜의 두께와, 약 25㎜의 크기를 갖는, 원편파 안테나로서 동작하는 마이크로스트립 평면 안테나.
4. 휴대 무선기(portable radio)에 있어서,

   플레이트형 유전체 기판을 포함하며, 원편파 안테나로서 동작하는 마이크로스트립 평면 안테나와,

   상기 플레이트형 유전체 기판의 한 면에 제공된 4변형 패치 도체와,

   상기 유전체 기판의 다른 면에 제공되고 백 급전 방법에 의해 상기 패치 도체에 전력을 급전하는 접지 도체를 포함하며,

   상기 4변형 패치 도체는,

   적어도 3개의 서로 다른 크기의 변들과,

   상기 평면 안테나의 하부에 전기적으로 접속된 나선형 안테나를 갖는, 휴대 무선기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 플레이트형 유전체 기판은 약 20의 유전 상수와, 4 내지 6㎜의 두께와, 약 25㎜의 크기를 갖는, 휴대 무선기.