KR100683005B1 - 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나 - Google Patents

다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 종래의 마이크로스트립 스택 패치 소자 위에 전파 진행 방향으로 유한하게 도체를 적층함으로써, 빔 패턴이 집중되고 고이득 특성을 얻기 위한, 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은 마이크로스트립 스택 패치 안테나로서, 접지층, 급전선, 상기 급전선과 전기적으로 연결된 제1 패치, 상기 제1 패치위에 형성되는 제2 패치를 포함하는 마이크로스트립 스택 패치 구조; 중앙이 개방되어 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되는 도체 마스크층; 상기 도체 마스크 층 위에 형성되는 유전체 폼층; 상기 유전체 폼층의 상측 방향으로 적층되는 스택 도체층을 통해 전자기파를 방사하는 다층 도체 배열 구조를 포함한다.
중심 부분을 개방한 도체 마스크, 다층 원형 도체 배열, 마이크로스트립 스택 패치 안테나

Description

다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나{Microstrip stack patch antenna using multi-layered metallic disk and a planar array antenna using it}
도 1a은 종래의 마이크로스트립 단일 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 1b는 종래의 마이크로스트립 단일 패치 안테나의 일실시예 평면도,
도 2a는 종래의 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 2b는 종래의 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 제 1, 2 패치의 일실시예 평면도,
도 3은 종래의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 단일 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 4는 종래의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 5a는 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 5b는 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 제 1, 2 패치의 일실시예 평면도,
도 5c는 본 발명에 따른 중앙 부분이 개방된 도체 마스크층 및 원형 도체가 실장된 층의 일실시예 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 입력 반사 손실 특성의 일실시예 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 원형 도체의 적층 수에 따른 방사 패턴 특성의 일실시예 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 원형 도체의 적층 수에 따른 이득 특성의 일실시예 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 21, 31, 41, 51 : 접지층 2, 20, 30, 35, 40, 48, 50 : 유전체층
3, 22, 32, 42, 52 : 급전선 4, 23, 33, 43, 53 : 제 1 패치
26, 46, 56 : 제 2 패치 59 : 도체 마스크
24, 34, 44, 47, 54, 57, 60, 63, 66, 69 : 유전체 폼층
25, 45, 55, 58, 61, 64, 67, 70 : 유전체 필름층
62, 65, 68, 71 : 원형 도체
본 발명은 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로스트립 스택 패치 소자 위에 전파 진행 방향으로 유한하게 도체를 적층함으로써, 빔 패턴이 집중되고 고이득 특성을 얻기 위한, 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 이동 통신 기지국, 무선 랜(LAN) 안테나, 위성 방송 수신 안테나 등과 같이 중장거리 통신/방송 응용 분야에서는 고이득 및 광대역의 평면 배열 안테나가 요구되고 있다.
평면 배열 안테나에서 요구 이득은 일반적으로 안테나 소자 개수를 증가시킴으로써 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 방식은 안테나 소자 이득이 낮다면 소자들간의 배열 간격이 작아져 배열 개수는 늘어나므로 급전 구조가 복잡해진다. 또한, 안테나 소자들 및 급전선들간의 강한 상호 결합 현상에 의한 손실과 긴 급전선로에 의한 손실로 안테나 효율이 낮아지게 된다.
반면에, 안테나 소자 이득이 증가한다면 안테나 소자들의 배열 간격은 비례하여 증가하고, 급전 회로망이 단순화되며 급전선의 길이도 짧아져 높은 안테나 효율을 얻을 수 있다.
마이크로스트립 패치 안테나는 제작이 용이하고, 크기가 작으며, 경량, 박형이라는 장점이 있어 육상 방송, 위성 방송 및 통신에서 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 안테나이다. 그러나, 마이크로스트립 패치 안테나는 동작 대역이 좁은 단점이 있다.
특히, 위성 방송 및 통신의 경우 사용하는 주파수에 차이가 있어서 외국과 내국의 위성 신호를 동시에 수신하기 위해서는 다수의 안테나를 설치해야 한다.
또한, 원형편파를 사용하는 경우에는 임피던스 대역폭 뿐만 아니라, 해당 대역 내에서의 축비 특성을 만족시켜야 하는 추가적인 조건이 있어서 안테나의 성능 개선을 어렵게 한다.
도 1a와 도 1b는 각각 종래의 마이크로스트립 단일 패치 안테나의 일실시예 단면도와 평면도이다.
도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 마이크로스트립 단일 패치 안테나는 유전체 기판(2)의 아래 면에 도체로 이루어진 접지층(1)이 형성되어 있고, 유전체 기판(2)의 윗면에 도체로 이루어진 급전선(3)과 제 1 패치(4)가 형성되어 있다.
그러나, 이러한 마이크로스트립 단일 패치 안테나 구조는 동작 대역폭이 좁으며, 단일 소자 이득도 5∼7 dBi로 작은 편이다.
도 2a와 도 2b는 각각 종래의 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 단면도와 제 1, 2 패치의 일실시예 평면도이다.
도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 종래의 마이크로스트립 스택 패치 안테나는 유전체 기판(20)의 아래 면에 도체로 이루어진 접지층(21)이 형성되어 있고, 유전체 기판(20)의 윗면에 도체로 이루어진 급전선(22)과 제 1 패치(23)가 형성되고, 상기 제 1 패치(23) 위에 제 1, 2 패치 격리용 유전체 폼층(24)이 형성되어 있다.
또한, 유전체 폼층(24) 위에 얇은 유전체 필름층(25)이 놓이며, 그 유전체 필름 상에 제 2 패치(26)가 형성된다.
이러한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 구조는 광대역 임피이던스 특성을 갖으며, 단일 소자 이득도 7~9 dBi로 상기 도 1의 마이크로스트립 단일 패치 안테나 구조에 비하여 상대적으로 약간 높은 편이다.
이때, 마이크로스트립 스택 패치 안테나 구조의 이득 특성은 사용되는 유전체 매질의 전기적, 물리적 특성에 따라 약간의 차이는 있으나 원하는 주파수 대역폭 내에서 입사 전력이 잘 여기되도록 설계 매개 변수들을 선택한다면 통상적으로 약 9dBi 정도의 이득을 얻을 수 있다.
도 3은 종래의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 단일 패치 안테나의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 단일 패치 안테나는 상기 도 1a의 마이크로스트립 단일 패치 안테나 위에 0.5λ0보다 약간 작은 두께(단일 패치와 유전체 폼층의 전기적 전파 길이가 1800가 되도록 하는 두께)의 유전체 폼층(34)이 형성되어 있고, 상기 유전체 폼층(34) 위에 0.25λg의 두께를 갖는 고유전율의 유전체층(35)이 형성되어 있다. λ0는 자유 공간에서의 파장을 의미하며, λg는 1보다 큰 유전율을 갖는 매질에서의 파장을 의미한다. 상기 유전체층(30) 내지 제 1 패치(33)는 상기 도 1의 유전체층(1) 내지 제 1 패치(4)와 동일한 동작을 하므로 더 이상 설명하지 않기로 한다.
이러한 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 단일 패치 안테 나 구조의 안테나 이득은 고이득 특성을 얻을 수 있으나 임피던스 대역폭이 좁은 단점이 있다.
도 4는 종래의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 일실시예 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나는 상기 도 2a의 마이크로스트립 스택 패치 안테나 위에 0.35 ~ 0.45 λ0정도의 두께(스택 패치와 유전체 폼층의 전기적 전파 길이가 1800가 되도록 하는 두께)의 유전체 폼층(47)이 형성되어 있고, 상기 유전체 폼층(47) 위에 0.25λg의 두께를 갖는 고유전율의 유전체층(48)이 형성되어 있다. 여기서, 유전체층(40) 내지 제 2 패치(46)는 상기 도 2a의 유전체층(20) 내지 제 2 패치(26)와 동일한 동작을 하므로 더 이상 설명하지 않기로 한다.
이러한 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 구조는 상기 도 3의 고유전율의 유전체 덮개층을 이용한 마이크로스트립 단일 패치 안테나와 비교하여 상대적으로 안테나 이득이 높으며, 임피이던스 대역폭도 다소 개선된다.
그러나, 상기 도 3 과 상기 도 4의 유전체 덮개층을 이용하는 고이득 방사 구조는 높은 유전율을 갖는 유전체 재료가 사용되어야 하는데, 이것은 좁은 대역폭 특성을 제공하는 단점이 있다.
또한, 이러한 종래 기술은 온도 변화에 따른 전기적 특성의 민감성 때문에 고주파 응용이 제한되며, 저주파 응용에서는 상대적으로 무겁고 비싼 유전체 재료의 단점을 갖고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래의 마이크로스트립 스택 패치 소자 위에 전파 진행 방향으로 유한하게 도체를 적층함으로써, 빔 패턴이 집중되고 고이득 특성을 얻기 위한, 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나 및 그를 이용한 평면 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로스트립 스택 패치 안테나는, 접지층, 급전선, 상기 급전선과 전기적으로 연결된 제1 패치, 상기 제1 패치위에 형성되는 제2 패치를 포함하는 마이크로스트립 스택 패치 구조; 중앙이 개방되어 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되는 도체 마스크층; 상기 도체 마스크 층 위에 형성되는 유전체 폼층; 상기 유전체 폼층의 상측 방향으로 적층되는 스택 도체층을 통해 전자기파를 방사하는 다층 도체 배열 구조를 포함한다. 상기 도체 마스크층은, 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되어 있는 유전체 필름층; 및 상기 유전체 필름층 위에 형성되어 있는 도체 마스크를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 발명은, 평면 배열 안테나에 있어서, 마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자를 포함하며, 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자를 이용하여 배열 확장시 여기 또는 급전 방향에 직교하는 방향의 마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자간 간격 d가 0.9 Le ≤ d ≤ 1.1 Le (
Figure 112006061159844-pat00020
)인 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 유전체 폼층에 사용되는 유전체 재료의 유전율은 거의 이상적인 값(εr=1.05)을 갖으며, 얇은 유전체 필름의 두께는 무시한다고 가정한다
도 5a와 도 5b는 각각 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 일실시예 단면도와 제 1, 2 패치의 일실시예 평면도이다.
도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로스트립 스택 패치 구조는 접지층(51), 유전체층(50), 급전선(52), 선형 능동 패치인 제 1 패치(53), 유전체 폼층(54), 유전체 필름층(55), 및 선형 수동 패치인 제 2 패치(56)를 포함하여 이루어진다.
상기 제 1 패치(53)는 바닥면의 접지층(51)과 유전체층(50) 위에 형성되어 있고, 입력 단자로부터의 입력 전력을 입력 급전선(52)을 통해 전달받는다.
상기 제 2 패치(56)는 얇은 유전체 필름층(55) 위에 구현되며, 상기 제 1 패치(53)와의 사이에는 유전체 폼층(54)이 놓인다.
마이크로스트립 스택 패치 구조의 설계 변수들은 시뮬레이션을 통해 최적의 입력 임피이던스 및 이득 특성을 갖는 값으로 결정된다. 본 발명에서는 선형 편파로서 제 1, 2 패치가 구형으로 직접 급전 방식을 제시하지만 요구 편파에 따라 여러 가지 패치 및 급전 형태가 사용될 수 있다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나는 마이크로스트립 스택 패치 구조(50 ~ 56), 다층 원형 도체 배열 구조(61 ~ 71), 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조와 상기 다층 원형 도체 배열 구조 사이에 위치하는 도체 마스크층(58, 59)를 포함한다. 상기 도체 마스크층은, 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되어 있는 유전체 필름층(58)과 상기 유전체 필름층 위에 형성되어 있는 도체 마스크(59)로 구성된다.
이하의 설명에서는 상기 다층 원형 도체 배열 구조의 도체는 원형 도체를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 도체 마스크층(58, 59)와 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 및 다층 원형 도체 배열 구조 사이에는 유전체 폼층(57, 60)이 삽입된다.
다층 원형 도체 배열 구조에서는 고이득 특성을 얻기 위하여 마이크로스트립 패치 소자의 수직 방향으로 지향 소자인 원형 도체들을 일정 간격으로 배열되어 스택 도체층을 형성한다.

도 5c는 본 발명에 따른 중앙 부분이 개방된 도체 마스크층(58, 59) 및 원형 도체가 실장된 층의 일실시예 평면도이다.
도 5c의 좌측에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 도체 마스크(59)의 중앙 부분은 마이크로스트립 스택 패치에 의한 여기 전력이 다층 원형 도체 배열 구조로 효율적으로 여기될 수 있도록 도 5c의 좌측에 있는 그림과 같이 동작주파수의 한 파장 정도의 직경으로 개방한다.
이러한 도체 마스크(59)의 역할은 다층 원형 도체 배열 구조가 없는 경우에 빔 패턴의 사이드 로브(side lobe) 특성을 개선하고, 빔 패턴을 정방향으로 집중하게 한다. 따라서, 안테나 이득 특성을 약간 개선하는 효과가 있다.
또한, 상기 도체 마스크(59)는 다층 원형 도체 배열 구조가 있는 경우에는 반사되는 전자파들과의 정합을 통해 반사되는 전자파들을 자유 공간으로 재방사하는 역할을 한다. 도체 마스크(59)는 접지를 시키느냐 안 시키느냐에 따라 약간의 이득 특성에 차이가 있다.
도 5c의 우측에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열 구조의 원형 도체들은 각각 동일한 얇은 유전체 필름층(61, 64, 67, 70) 위에서 동일한 중심 위치에 구현된다.
또한, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제 1 패치, 제 2 패치, 도체 마스크 및 원형 도체들의 중심이 일치하게 구현할 수도 있다. 또한, 상기 제 1 패치, 상기 제 2 패치, 상기 도체 마스크 및 상기 원형 도체들의 중심이 서로 일치하지 않게 구현할 수도 있다.
상기 원형 도체는 완벽한 도체로서 직경은 안테나 이득 특성에 중요한 설계 변수로서 비 공진 구조 값인 0.5λ0 이하값을 가져야 하며, 약 0.25λ0∼0.35λ0 정도가 최적이다(λ0 는 중심주파수에서의 파장). 또한, 상기 원형 도체들 사이의 간격 역시 비 공진 구조 값인 0.5λ0 이하값을 가져야 한다.
또한, 첫번째 원형 도체(62)가 놓여지는 유전체 폼층(60)의 두께는 안테나 이득 특성에 중요하게 영향을 주는 설계 변수로서 작용한다.
또한, 두번째 원형 도체(65)가 놓여지는 유전체 폼층(63)에서부터 N 번째 원형 도체(71)가 놓여지는 유전체 폼층(69)까지 각 유전체 폼층(63, 66, 69)들의 두께들도 안테나 이득 특성에 중요하게 영향을 주는 설계 변수로서 작용한다. 본 발명의 실시예에서는 일정하고 균일한 두께로 적층한다.
그러나, 일반적으로 유전체 폼층들의 두께들은 서로 다른 값으로도 최적화될 수 있다.
또한, 안테나 이득 특성에 중요한 영향을 주는 상기 원형 도체들 가운데 일부는 주기적으로 삭제될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 안테나의 이득 성능을 보여주는 도 8에서 보는 바와 같이, 원형 도체 5(DS 5), 6(DS 6), 10(DS 10), 11(DS11), 15(DS 15)는 안테나의 이득 향상에 도움이 되지 않으므로 삭제될 수 있다.
아래 [표 1]은 본 발명의 일실시예로서 상용 시뮬레이터인 EnsembleTM을 사용하여 마이크로스트립 스택 패치 구조, 도체 마스크 및 다층 원형 도체 배열 구조를 시뮬레이션한 것으로, 동작 주파수 9.2∼10.8 GHz(f0=10 GHz)에서 설계된 최적의 설계 변수 값들이다.
Figure 112004025110210-pat00003
상기 [표 1]에서 동작 주파수 9.2∼10.8 GHz에서 설계된 마이크로스트립 스택 패치 구조의 유전체 기판 사양은 유전율(εr)이 2.17, 높이(H1)가 0.508㎜, 동박 두께(T)가 0.018mm이며, 제 1 패치는 10.15mm의 폭(W)과 10.15mm의 길이(L), 제 2 패치는 11.15mm의 폭(W)과 11.15mm의 길이(L)에서 최적의 설계 값을 갖는다.
또한, 도체 마스크(59)의 원형 개구면의 직경은 30㎜, 격리높이(57의 높이, H)는 1.0㎜에서 최적의 설계 값을 갖는다.
또한, 원형 도체 배열 구조의 원형 도체들의 직경은 9㎜, 초기 위치(60의 높이, z1)는 9㎜, 원형 도체 간격(ds)은 3㎜에서 최적의 설계 값을 갖는다.
도 6은 본 발명에 따른 다층 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 입력 반사 손실 특성의 일실시예 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 마스크(59)가 있는 마이크로스트립 스택 패치 안테나(pcm : perfect conductor mask)의 입력 반사 손실과 상기 도체 마스크(59)가 위에 스택된 원형 도체(62, 65, 68, 71) 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나(disk1, disk8)의 입력 반사 손실은 단순한 마이크로스트립 스택 패치 안테나(smp : stack microstrip patch)의 입력 반사 손실과 비교하여 대역폭 내에서 전기적인 특성이 부분적으로 개선되거나 열화되는 경향을 보인다. 그러나, 이러한 성능 변화는 크지 않으므로 모두 수용할만한 특성으로 간주할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 원형 도체의 적층 수에 따른 방사 패턴 특성의 일실시예 그래프이 다.
도 7에 도시된 바와 같이, 종래의 마이크로스트립 스택 패치 안테나(smp : stack microstrip patch)보다 도체 마스크(59)가 있는 마이크로스트립 스택 패치 안테나(pcm : perfect conductor mask)의 안테나 이득 값이 약간 증가한다.
또한, 상기 도체 마스크(59)가 있는 마이크로스트립 스택 패치 안테나(pcm)보다 원형 도체 배열을 더 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 안테나 이득 값이 더 증가한다. 즉, 주 빔이 좁아지면서 올라가고 사이드 로브(side lobe)도 약간씩 올라간다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 적층되는 원형 도체의 수가 증가함에 따라 안테나 이득이 증가한다.
도 8은 본 발명에 따른 다층 원형 도체 배열을 이용한 마이크로스트립 스택 패치 안테나의 원형 도체의 적층 수에 따른 이득 특성 변화의 일실시예 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 원형 도체(62, 65, 68, 71)의 적층시 안테나 이득 증가 및 감소의 주기성을 발견할 수 있다. 이는 마이크로스트립 스택 패치에 의한 여기 전력이 전파 진행 방향으로 놓여진 원형 도체 배열 구조에 전자기적으로 결합되어 주기적인 전력 위상 결합 특성을 갖기 때문이다.
또한, 원형 도체 수를 계속적으로 증가하더라도 이득이 거의 변화하지 않는 것은 마이크로스트립 스택 패치 구조로부터 멀리 떨어진 기생 소자일수록 결합에 의한 여기 전류 진폭이 작아지기 때문이다.
상기한 일실시예 그래프 결과에서 처럼, 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 공진 크기보다 작은 원형 도체 배열을 전파 진행 방향으로 적층함으로써, 약 4.5 ~ 5.0 dB의 이득 향상을 가져 올 수 있다.
만약, 평면 배열 안테나의 배열 확장시 본 발명을 이용한다면, 방사 소자간의 상호 간섭 효과를 줄이기 위해 여기 방향에 직교하는 방향의 상기 평면 배열 안테나의 소자간 간격 d는 근사적으로
Figure 112006015837712-pat00004
에 의해 정해진다. 여기서, 안테나 개구면에서 균일한 전류 분포를 가정하면 Le는 다음의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112006061159844-pat00021
0.9 Le ≤ d ≤ 1.1 Le ()
이때, 실제적인 간격은 인접 소자간 결합량이 최소 25 dB 이상이 되도록 시뮬레이션을 통해 선택된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 종래의 마이크로스트립 패치 안테나가 갖는 저주파 응용과 고주파 응용에서의 단점들을 다층 원형 도체 배열을 이용하여 해결함으로 써, 넓은 임피던스 대역폭을 제공하고, 전자파를 원하는 방향으로 집중시키며, 안테나 이득을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 안테나를 평면 배열 안테나의 배열 확장시 이용하면 상대적으로 소자간 간격이 멀어져 급전 회로가 간단해지고 소자간 상호 결합 특성이 약화되어 높은 급전 효율을 얻을 수 있어, 결국에는 요구 이득에 따른 안테나 크기를 상대적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 접지층, 급전선, 상기 급전선과 전기적으로 연결된 제1 패치, 상기 제1 패치위에 형성되는 제2 패치를 포함하는 마이크로스트립 스택 패치 구조;
    중앙이 개방되어 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되는 도체 마스크층;
    상기 도체 마스크 층 위에 형성되는 유전체 폼층;
    상기 유전체 폼층의 상측 방향으로 적층되는 스택 도체층을 통해 전자기파를 방사하는 다층 도체 배열 구조
    를 포함하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체 마스크층은,
    상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되어 있는 유전체 필름층; 및
    상기 유전체 필름층 위에 형성되어 있는 도체 마스크
    를 포함하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체 마스크는,
    중앙부분이 개방되어 있으며, 상기 개방된 중앙 부분이 동작 주파수의 한 파장만큼의 직경으로 개방된 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 스택 도체층을 구성하는 도체는,
    지향 소자인 원형 도체인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 원형 도체 사이의 간격과 상기 원형 도체의 직경이 비 공진 구조의 값 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스택 도체층의 원형 도체들 가운데 안테나 이득 특성을 개선하지 못하는 원형 도체는 제거된 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스택 도체층의 원형 도체들은 상측 방향으로 동일한 중심 위치를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 스택 패치 구조의 패치, 상기 도체 마스크층의 도체 마스크 및 상기 스택 도체층의 원형 도체의 중심이 상측 방향으로 일치하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 스택 패치 안테나.
  14. 평면 배열 안테나에 있어서,
    마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자를 포함하며, 상기 마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자를 이용하여 배열 확장시 여기 또는 급전 방향에 직교하는 방향의 마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자간 간격 d가
    0.9 Le ≤ d ≤ 1.1 Le (
    Figure 112006061159844-pat00022
    )
    인 것을 특징으로 하는 평면 배열 안테나.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 스택 패치 구조를 가지는 소자는,
    급전선 및 상기 급전선과 전기적으로 연결된 패치를 포함하는 마이크로스트립 스택 패치 구조;
    상기 마이크로스트립 스택 패치 구조 위에 형성되어 사이드 로브(side lobe) 및 이득 특성을 개선하기 위한 도체 마스크층; 및
    상기 도체 마스크층 위에 형성되어 있는 유전체층 및 상기 유전체층 위에 형성되어 있는 도체를 포함하는 스택 도체층
    을 포함하는 평면 배열 안테나.
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