KR100679808B1 - 더블노치 이중공진형의 안테나 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 더블노치 이중 공진형의 안테나 구조에 관한 것으로, 소형, 경량 및 박형으로 제작이 용이한 마이크로스트립 패치를 사용하였으며 단일 안테나로 이중공진을 구현하기 위해서 방사소자로는 두 개의 홈을 판 정사각 패치 형태를 사용하였다. 그러므로 90도 굽은 급전선에 의해 두 전계방향의 전류가 공급되면, 상기 도체판에 위치한 십자 개구면을 통하여 상기 더블노치 방사소자와 절곡 급전선간의 전기적인 결합을 발생시켜 더블노치 방사소자에서 서로 다른 이중공진형 방사가 발생한다. 따라서 본 발명에 따른 안테나는 다양한 이동형 서비스에 활용이 가능하며, 원하는 장소에서 간편하게 안테나를 설치하여 음성, 데이터 및 영상의 송수신 구현이 가능하다.

Description

더블노치 이중공진형의 안테나 구조{Structure of double notch Dual Resonance microstrip patch antenna}

도 1은 본 발명에 따른 더블노치 이중공진 안테나의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 더블노치 방사소자의 구체적인 구조를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 개구면 결합 급전 방사소자의 구조.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11 : 더블노치 방사소자 12 : 도체판

13 : 십자 개구면 14 : 제 1유전체

15 : 제 2유전체 16 : 절곡급전선

본 발명은 위성통신용 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로스트립 급전과 개구면결합 급전을 결합하여 상호간 다른 직교 선형편파를 구현하도록 함으로서 송수신이 가능한 더블노치 이중 공진형의 안테나 구조에 관한 것이다.

위성통신 기술은 비교적 짧은 시간에 비약적인 발전을 거듭하여 왔고, 특히 최근에는 다중빔 안테나, 고출력증폭기, OBP등 첨단장치를 탑재한 위성의 등장으로 위성을 통한 서비스의 활용범위를 한층 더 높여 놓았다. 위성체의 고출력화는 기지국 안테나의 소형화, 경량화, 이동성을 가능하게 하였고, 이를 통하여 위성통신 서비스의 형태도 기존의 위성에서 제공되었던 단순 고정형 데이터 릴레이 서비스에서 벗어나 이동성을 추가한 양방향의 각종 멀티미디어 서비스를 제공하는 방향으로 발전을 도모하고 있다. 이에 따라 기존에 일반적으로 사용되던 위성용 파라볼릭 형태의 안테나는 소형화, 경량화 하기 어렵고 이동성이 떨어진다는 단점 때문에 최근에는 위성을 통한 이동형 서비스 구현을 위해 부피가 작고 이동성이 뛰어난 평판배열 형태의 안테나들이 등장하고 있다.

또한, 송수신을 위한 단일 안테나를 구현하기 위해서는 단일 안테나로 이중 공진을 발생시키는 기술이 요구되며, 이와 관련된 설계기술을 살펴보면 다이아크로닉 방사소자를 사용하는 방법, 송수신용 방사판을 다층화 구조로 구현하는 방법, 단일 방사소자에 이중공진을 통하여 구현하는 방법등이 연구되고 있다.

본 발명은 정지궤도 위성을 이용한 이동형 서비스의 구현을 위해 기존의 위성용 파라볼릭 안테나 대신 소형화, 경량화 및 이동성이 뛰어난 평판 형태의 안테나 설계방안을 제시한 것으로, 안테나의 크기를 최소화 하기 위해 단일 안테나로 송신과 수신을 겸할 수 있으며 배열구조에 따른 확장이 용이한 더블노치 이중공진형의 안테나 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은

두 개의 직사각형 홈이 파인 정사각형의 더블노치 방사소자(11)가 상면에 결합된 제 1유전체;

상기 제 1유전체(14)의 하부에 형성되고, 십자형 개구면(18)이 형성된 도체판(13);

상기 도체판(13)의 저면에 절곡 급전선(16)이 위치하여 개구면 급전을 수행하는 제 2유전체(15)를 포함하고, 상기 절곡 급전선(16)에 의해 두 방향의 전계가 발생하여 개구면을 통해 더블노치 방사소자와 전기적인 결합이 발생하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 사용되는 용어를 정의하면 다음과 같다.

이중공진은 두 개의 주파수에서 리액턴스 성분을 없애주는 현상을 의미한다.

평판안테나는 평판형의 구조를 가지는 모든 종류의 안테나를 지칭하며 마이크로스트립 안테나, 슬랏안테나, 슬랏도파관 안테나등이 이 범주에 속한다.

유전체는 전기 절연물로 쓰이는 물질로써 본 발명에서 사용된 안테나 기판의 재질을 규정한다.

개구면결합 급전은 방사소자를 급전하는 방법중의 하나로서 방사소자와 급전선사이에 위치한 개구면을 만들어 그 개구면을 통하여 급전선과 방사소자 사이의 전기적 결합에 의해 급전이 이루어지도록 하는 방식을 말한다. 상기 개구면 급전방식은 기술적으로 개구면의 크기 및 유전체 두께의 조절로 급전 임피던스의 조절이 용이하고 방사면과 급전면을 격리시켜 방사면적을 줄이고, 급전선에 의한 방사손실 을 줄여 결과적으로 고 효율의 안테나를 구현하는 것이다.

원형편파는 전파의 진행 방향에 수직인 면에서 전계의 크기와 방향을 나타내는 백터의 끝의 궤적이 원을 그리는 전파의 극성을 의미한다.

선형편파는 전파의 진행방향에 수직인 면에서 전계의 크기와 방향을 나타내는 백터의 끝 궤적이 수직 또는 수평을 그리는 전파의 극성을 의미한다.

이중편파는 선형편파의 경우 수직과 수평편파가 동시에 발생되는 것을 의미한다.

도 1은 발명에 적용되는 더블노치 이중공진을 위한 안테나로서 더블노치 방사소자(11), 제 1유전체(14), 도체판(12) 및 제 2유전체(15)가 차례로 적층되어 이루어진다.

상기 더블노치 방사소자(11)는 제 1유전체(14)의 상면에 위치하고 두 개의 사각형 홈이 파인 정사각 패치 형태를 갖는다.

상기 제 1유전체(14)와 제 2유전체(15)의 사이에는 십자 개구면(13)이 형성된 도체판(12)이 위치하고, 상기 제 2유전체(15)의 저면에는 90도로 휘어진 절곡 급전선(16)이 위치한다.

한편, 상기와 같은 구성을 통한 안테나의 동작원리는 다음과 같다.

상기 제 2유전체(15)의 저면에 놓여있는 90도 굽은 절곡급전선(16)에 의해 두 전계방향의 전류가 공급되면, 상기 도체판(12)에 위치한 십자 개구면(13)을 통하여 상기 더블노치 방사소자(11)와 절곡 급전선(16)간의 전기적인 결합이 발생한다. 그리고 이 전기적인 결합을 통하여 두 개의 사각형 홈이 파인 패치 형태인 더 블노치 방사소자(11)에서 서로 다른 이중공진형 방사가 발생한다.

즉, y방향의 절곡급전선(16)에서 유기된 전류성분이 x방향의 십자 개구면(13)을 통하여 1차 유기 전류가 발생하고, 다시 더블노치 방사소자(11)로 2차 유기전류를 발생시켜 하나의 편파를 발생시킨다. 또한, 상기 x방향의 절곡급전선(16)에서 유기된 전류성분이 y방향의 십자개구면(13)을 통하여 1차 유기 전류가 발생하고, 다시 더블노치 방사소자(11)로 2차 유기전류를 발생시켜 또 다른 편파를 발생시키는데, 이때 발생된 편파는 y방향의 절곡급전선(16)에서 발생한 편파와 수직인 편파이다.

여기서 상기 더블노치 방사소자(11)는 도 2에 도시된 바와같이 S,L,W,G등 네 개의 길이 변경이 가능한 파라미터를 가지며, 이를 이용하여 두 개의 원하는 공진주파수에서 이중 공진이 발생하도록 한다. 개구면 결합구조의 특성상 상층기판의 유전상수는 안테나의 대역폭과 복사효율과 관계가 있다. 따라서 상기 제 1유전체(14)의 유전 상수가 감소하면 패치와 접지면 사이에 전자파가 적게 저장되므로 대역폭이 증가하고 표면파의 발생을 억제할 수 있다. 또한 제 2유전체(15)의 두께가 증가하여 십자 개구면(13)과 더블노치 방사소자(11) 사이의 거리가 증가하면 전자파가 적게 저장되므로 대역폭이 증가하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 제 1유전체(14)는 Ku-밴드 위성통신에 최소한 요구되는 500MHz의 대역폭 확보를 위하여 낮은 유전율에 두꺼운 기판을 사용하고, 상기 제 2유전체(15)는 십자개구면(13)의 크기가 너무 커지는 것을 방지하기 위해 비교적 높은 유전율의 유전체를 사용하였다. 상기 절곡급전선(16)의 굽은 부분에서 발생되는 불연속 보상을 위해서는 45 도 각도로 모서리를 깍는(mitering) 방법을 사용한다.

상기 더블노치 방사소자(11)는 이중공진이 가능하여 상향주파수(14.25 GHz) 및 하향 주파수(12.5GHz)에서 동작하도록 설계되는데 그 크기는 5.26mm ×5.26mm(x ×y)이고, 상기 S,L,W,G의 크기는 각각 0.629mm,0.54mm, 2.22mm 및 0.19mm이다.

여기서 상기 W,G 파라미터가 커짐에 따라 두 개의 공진 주파수는 모두 증가하고, 상기 S 파라미터의 변화에 따라 높은 주파수는 변화가 없으나 낮은 주파수는 S가 증가함에 따라 낮아지고, L파라미터의 변화에 따라 낮은 주파수는 변화가 없으나 높은 주파수는 L이 증가함에 따라 낮아진다. 따라서 S파라미터에 의해 원하는 낮은 주파수를, L파라미터에 의해서 원하는 높은 주파수를 얻을 수 있다.

한편, 상기 제 1유전체(14)의 유전율과 두께는 각각 2.2 와 31mil이다. 그리고 상기 제 2유전체(15)의 유전율과 두께는 6.15 와 25mil이다.

그리고 상기 십자개구면(13)의 길이는 도 3에 도시된 바와같이 4.71mm ×3.91mm(H1 ×H2)이며, 그 두께(D1,D2)는 각 0.49mm이다. 그리고 상기 절곡급전선(16)은 절곡부의 크기(Fs) 및 두께(Fd)는 2.2 mm 와 0.18mm이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 위성용 파라볼릭 안테나 대신 소형화, 경량화 및 이동성이 뛰어난 평판 형태의 송신 겸용 안테나를 구조를 제시하여 이동형 서비스의 구현에 따른 편의성이 증대되는 효과가 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것 이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (10)

1. 두 개의 직사각형 홈이 파인 더블노치 방사소자(11)가 상면에 결합된 제 1유전체(14);

   상기 제 1유전체(14)의 하부에 형성되고, 십자형개구면(13)이 형성된 도체판(12);

   상기 도체판(12)의 하부에 형성되고, 절곡 급전선(16)이 저면에 위치하여 급전을 수행하는 제 2유전체(15)를 포함하고, 상기 절곡 급전선(16)에 의해 두 방향의 전류가 발생하고 십자개구면(13)을 통하여 더블노치 방사소자(11)와 전기적인 결합이 발생하는 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 더블노치 방사소자(11)의 크기는 5.26mm ×5.26mm(x ×y)인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 더블노치 방사소자(11)의 두 개의 홈은 S,L,W,G의 파라미터에 의해 길이 변경이 가능하며, 상기 S파라미터에 의해 원하는 하향 주파수를 얻고 L 파라미터에 의해 원하는 상향 주파수를 얻는 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 S,L,W 및 G 파라미터의 크기는 각각 0.629mm,0.54mm, 2.22mm 및 0.19mm인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 상향주파수 및 하향주파수의 중심주파수는 각각 14.25GHz 및 12.5GHz인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1유전체(14)의 유전율과 두께는 각각 2.2 와 31mil인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2유전체(15)의 유전율과 두께는 6.15 와 25mil인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 십자개구면(13)의 4.71mm ×3.91mm(H1 ×H2)이며, 그 두께(D1,D2)는 각 0.49mm인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 절곡급전선(16)에서 절곡부의 크기(Fs) 및 두께(Fd)는 2.2 mm 와 0.18mm인 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.
10. 제 1 항 및 제 9 항에 있어서,

    상기 절곡급전선(16)의 굽은 부분에서 발생되는 불연속 보상을 위해서는 45도 각도로 모서리를 깍는(mitering) 방법을 사용한 것을 특징으로 하는 더블노치 이중공진형의 안테나 구조.

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