KR100734005B1 - 단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나 - Google Patents

단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중대역 원형편파를 수신하는 단일 패치 안테나로서, 접지판; 상기 접지판의 상부에 설치되되, 상기 접지판과 이격되도록 설치되는 사각패치; 및, 상기 접지판과 상기 사각패치 사이에 구비되는 유전체층;을 포함하여 구성되되, 상기 사각패치는 사각형의 각 변의 내측에 변의 길이 방향으로 형성되는 외곽슬롯(slot); 상기 외곽슬롯에 의하여 둘러싸인 중앙부에 사각형의 대각선 방향으로 형성되는 중앙슬롯(slot); 및, 상기 외곽슬롯과 상기 중앙슬롯 사이에 구비되어 전기가 공급되는 급전점;을 포함하여 구성되는 단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나에 관한 것이다.
접지판, 사각패치, 유전체층, 외곽슬롯, 중앙슬롯, 급전점

Description

단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나{Single-Feed Dual-Band Circularly Polarized Single Patch Antenna}
도1은 본 발명의 구체적 실시예의 개략적인 정면도로서, 외곽슬롯의 형태가 'ㄱ'자 형태인 경우이다.
도2는 본 발명의 구체적 실시예의 개략적인 단면도이다.
도3은 원형편파의 패턴을 도시하고 있다.
도4는 본 발명의 구체적 실시예에 따른 (a) 반사계수(S11), (b) 스미스챠트(Smith chart), 및 (c) 방사패턴에 관한 것이다.
도5는 본 발명의 다른 구체적 실시예의 개략적인 정면도로서, 외곽슬롯의 형태가 도1과는 다름을 알 수 있다.
도6은 도5에 도시된 본 발명의 구체적 실시예에 따른 (a) 반사계수(S11), (b) 스미스챠트(Smith chart), 및 (c) 방사패턴에 관한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:접지판
200:사각패치
210:외곽슬롯(slot)
220:중앙슬롯(slot)
230:급전점
300:유전체층
기술분야
본 발명은 이중대역 원형편파 신호를 수신하기 위한 패치 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세히는 접지판; 상기 접지판의 상부에 설치되되, 상기 접지판과 이격되어 설치되는 사각패치; 및, 상기 접지판과 상기 사각패치 사이에 구비되는 유전체층;을 포함하여 구성되는 수신용 안테나에 관한 기술이다.
종래기술
근래에 와서 위성 방송 수신용으로 패치 안테나가 많이 사용되고 있다. 패치 안테나는 유전체 손실과 급전 손실에 의해 안테나의 이득이 제한을 받고, 주파수 대역폭이 좁으며, 가용 전력량이 적다는 단점을 가지고 있지만, 실험실 규모로 제작이 가능하며, MIC(Microwave Integrated Circuit)화 기술에 의해 대량 생산이 가능하고, 넓은 주파수 대역에서 널리 사용될 수 있다는 장점이 있으며, 특히 크기가 작고 가벼워서 고속으로 이동하는 인공위성, 로켓트, 미사일 및 광대역 레이다용 안테나로 활용되고 있다.
위성에서 송출하는 신호는 주로 원형편파를 사용하는데, 이러한 원형편파는 우편파(RHCP, Right-Hand Circular Polarization)와 좌편파(LHCP ; Left-Hand Circular Polarization)로 구분될 수 있다.
파형의 편파는 공간의 어느 한 점에서 시간의 함수로 움직이는 순간적인 전기장의 벡터에 의해 정의되며, 선형편파, 타원형편파, 원형편파 등으로 구분된다.
도3은 원형편파의 패턴을 나타낸 도면이다.
z(+) 방향으로 진행하는 파형의 x,y 방향 전기장 성분은 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Ex = E1 sin(ωt - βz)
[수학식 2]
Ey = E2 sin(ωt - βz + δ)
여기서, E1은 x축으로 선형편파된 파형의 진폭, E2는 y축으로 선형편파된 파형의 진폭이고, β는 위상정수, δ는 Ey 가 Ex 를 앞서가는 위상각이다.
원형 편파는 두 개의 선형편파된 성분이 진폭이 같고, 90°의 위상차가 될 때 생성되며, 안테나의 뒤쪽에서 파형의 진행방향을 바라보았을 때, 시계방향으로 회 전하는 우편파 및 반시계방향으로 회전하는 좌편파로 구분된다.
보통 방송을 송신하는 위성의 송출 신호는 원형편파를 대부분 사용한다.
DMB와 GPS위성과 같은 경우 우선회 원형편파(RHCP : Right-Hand Circular Polarized Wave)를 송출하는데 지상에서의 수신용안테나 또한 동일 편파 특성을 갖는 우선회 원형편파(RHCP) 안테나를 사용한다.
기존의 안테나는 단일 패치면 위에 패치의 구조변화를 통해 단일대역에서 원형편파를 발생하여 송수신용으로 사용하였고, 적층구조를 갖는 안테나를 사용하여 각 패치면 위에 원형편파를 발생하였다.
적층구조는 두 개의 패치가 각각의 피드점을 이용하여 적층이 되는 구조적인 모습을 가지고 있으며, 적층 구조는 각 패치면마다 단일대역의 원형편파 신호를 수신하는 기능을 하였다.
그러나, 적층구조로 인하여 안테나의 제작이 어렵고, 경제적으로도 단일 패치보다 제작비가 두 배의 차이가 나는 문제점이 있다.
따라서 이와 같이 기존의 두 개의 안테나로 DMB 및 GPS 등과 같은 각각의 신호를 수신했었던 점을 보안하기 위해, 단일 패치면 위에 단일 피드점과 다중 슬롯구조를 사용하여 이중대역에서 같은 특성을 가지는 원형편파 신호를 송수신할 수 있는 단일 패치 안테나의 필요성이 대두되었다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명은 단일 패치면 위에 다중 슬롯구조를 가지게 함으로써, 이중대역에서 원형편파를 발생시키고, 하나의 안테나로 두 가지의 신호를 수신할 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 구성은 다음과 같다.
본 발명은 접지판; 상기 접지판의 상부에 설치되되, 상기 접지판과 이격되도록 설치되는 사각패치; 및, 상기 접지판과 상기 사각패치 사이에 구비되는 유전체층;을 포함하여 구성되는 수신용 안테나에 있어서, 상기 사각패치는 사각형의 각 변의 내측에 변의 길이 방향으로 형성되는 외곽슬롯(slot); 상기 슬롯에 의하여 둘러싸인 중앙부에 사각형의 대각선 방향으로 형성되는 중앙슬롯(slot); 및, 상기 외곽슬롯과 상기 중앙슬롯 사이에 구비되어 전기가 공급되는 급전점;을 포함하여 구성된다.
도1은 본 발명의 구체적 실시예의 개략적인 정면도이고, 도2는 본 발명의 구체적 실시예의 개략적인 단면도이다.
도1 및 도2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 구체적 실시예는 접지판(100)과 접지판(100)의 상부에 이격되어 설치되는 사각패치(200)를 포함하여 구성된다.
또한, 접지판(100)과 사각패치(200) 사이에는 유전체층(300)이 구비된다.
상기 사각패치(200)는 외곽슬롯(210)의 형태가 'ㄱ'자 형태인 경우를 도시하고 있는데, 'ㄱ'자의 절곡점이 사각패치(200)의 모서리 부분에 위치하고, 외곽슬롯(210)에 의하여 둘러싸인 중앙부에 사각형의 대각선 방향으로 형성되는 중앙슬롯 (220)을 포함하고 있으며, 동판(copper) 등이 그 재료로 사용된다.
중앙슬롯(220)이 도1 또는 도5에 도시된 바와 같은 대각선 방향으로 형성되는 경우에는 우선회 원형편파를 수신할 수 있고, 이와 다른 대각선 방향(즉 도1 또는 도5에 도시된 중앙슬롯(220)과 수직을 이루는 방향)으로 형성되는 경우에는 좌선회 원형편파를 수신할 수 있다.
다시 말하면, 필요에 따라 중앙슬롯(220)의 방향이 달리 형성되도록 하여 우선회 원형편파 또는 좌선회 원형편파를 선택적으로 수신할 수 있는 모델을 구현할 수 있다.
전기가 공급되는 급전점(230)은 외곽슬롯(210)과 중앙슬롯(220) 사이의 사각패치(200) 상에 구비되는데, 보다 자세히는 사각패치(200)의 두 대각선이 교차하는 중심점에서 소정의 거리만큼 이격된 장소에 위치하게 된다.
급전점(230)에는 저잡음증폭기(low noise amplifier)의 입력단 또는 회로부와 연결되는 커넥터(connector) 또는 동축 케이블의 심선이 접속된다.
도5는 본 발명의 다른 구체적 실시예로서 사각형의 각 변의 내측에 변의 길이 방향으로 형성되는 직선 형태의 외곽슬롯(210)이 구비된다.
즉 도1의 경우나 도5의 경우 모두 외곽슬롯(210)이 대칭형으로 배열됨을 알 수 있다.
접지판(100)도 사각패치(200)와 마찬가지로 사각형으로 구성되되, 사각패치(200) 보다 큰 면적을 가지며, 동판(copper) 등이 그 재료로 사용된다.
이와 같이 접지판(100)을 사각패치(200)와 동일한 형태의 사각형으로 구성하 는 이유는 사각패치(200) 표면에서 방사되는 방사패턴을 대칭적으로 원형에 가깝게 유도하여 원하지 않은 방향으로의 방사량을 최소화하고 수직 방향으로 집중되게 하여 위성신호를 잘 수신하기 위함이다.
이와 같은 접지판(100)에는 커넥터 접지부 또는 동축 케이블 접지선이 접속되고, 접지판(100)과 그 상부에 설치되는 그 상부에 설치되는 사각패치(200)는 상호 간에 소정의 간격을 유지하도록 이격되어 있다.
유전체층(300)은 사각패치(200)와 접지판(100) 사이의 공간에 설치되는데, 공기(air), 세라믹, 테프론, 또는 FR4 가운데 어느 하나의 재료로 구성된다.
유전체층(300)은 상기한 바와 같이 여러 가지 재료가 사용될 수 있으며, 제작의 편의성 및 제작 단가를 고려할 경우에는 유전율이 낮은 공기(유전율: 1)를 사용하는 것이 바람직하며, 제작의 편의성보다 안테나의 소형화를 추구할 경우에는 상대적으로 유전율이 높은 세라믹, 테프론 또는 FR4와 같은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도4는 도1에 도시된 본 발명의 구체적 실시예에 따른 (a) 반사계수(S11), (b) 스미스챠트(Smith chart), 및 방사패턴에 관한 것이다.
도4에 사용된 사각패치(200) 및 접지판(100)의 구체적 규격은 다음과 같다.
접지판(100)은 정사각형으로서 한 변의 길이(L1)는 63 ㎜ 이고, 사각패치(200)도 정사각형으로서 한 변의 길이(L2)는 52 ㎜ 이다.
외곽슬롯(210)의 한 변 길이(L3)는 21 ㎜ 이고, 그 폭(W1)은 1 ㎜ 이고, 사각패치(200)의 일측 단부에서 외곽슬롯(210)까지의 거리(W2)는 2 ㎜ 이다.
중앙슬롯(220)의 길이(L4)는 20.85 ㎜ 이고, 그 폭(W3)은 3 ㎜ 이다.
급전점(230)은 사각패치(200)의 두 대각선이 교차하는 중심점의 아래에 구비되는데, 사각패치(200)의 일측 단부에서 급전점(230)까지의 거리(Fg)는 13 ㎜ 인 바, 두 대각선이 교차하는 중심점과 급전점(230) 사이의 거리도 13 ㎜ 가 된다.
또한 유전체층(300)은 제작의 편의성 및 제작 단가를 고려하여 유전율이 1인 공기(air) 자체를 사용하였다.
이와 같은 조건으로 제작된 이중대역 사각 패치 안테나의 측정 결과치가 도4에 도시되어 있다.
도4(a)는 반사계수(S11)를 나타내는데, -10 dB 를 기준으로 낮은 대역에서 2.346 GHz 내지 2.473 GHz 로 127 MHz 의 대역폭을 가지며, 높은 대역에서 3.379 GHz 내지 3.501 GHz 로 122 MHz 의 대역폭을 가짐을 보여준다.
도4(b)는 스미스챠드(Smith chart)를 나타내는데, 이중 대역에서 원형편파를 발생시키는 kink가 형성된 것을 확인할 수 있다.
도4(c)는 방사패턴을 보여주는데, 2.30 GHz 와 3.45 GHz 에서 각각 6.94 dBi 및 5.78 dBi의 이득을 가졌으며, 반전력 빔폭은 72.95°및 76.51°가 됨을 확인할 수 있다.
즉, 단일 급전점(230)을 구비한 단일 사각패치(200) 안테나의 설계가 가능함 을 확인할 수 있으며, 유전체층(300)의 종류, 외곽슬롯(210) 및 중앙슬롯(220)의 크기, 형태 및 위치 등을 조정하여 주파수를 조정한다면 다양한 대역폭에서 이중대역 원형편파 신호의 수신용으로 사용할 수 있는 응용모델을 구현할 수 있는 바, 디지털 멀티미디어 방송 및 지피에스 신호 수신용으로도 적용이 가능하다.
도6은 도5에 도시된 형태의 사각패치(200) 및 접지판(100)을 사용하여 측정한 결과를 도시하고 있다.
도6에 사용된 사각패치(200) 및 접지판(100)의 구체적 규격은 다음과 같다.
접지판(100)은 정사각형으로서 한 변의 길이(L1)는 63 ㎜ 이고, 사각패치(200)도 정사각형으로서 한 변의 길이(L2)는 52 ㎜ 이다.
외곽슬롯(210)의 한 변 길이(L3)는 38 ㎜ 이고, 그 폭(W1)은 1 ㎜ 이고, 사각패치(200)의 일측 단부에서 외곽슬롯(210)까지의 거리(W2)는 2 ㎜ 이다.
중앙슬롯(220)의 길이(L4)는 20 ㎜ 이고, 그 폭(W3)은 3 ㎜ 이다.
급전점(230)은 사각패치(200)의 두 대각선이 교차하는 중심점의 아래에 구비되는데, 사각패치(200)의 일측 단부에서 급전점(230)까지의 거리(Fg)는 13 ㎜ 인 바, 두 대각선이 교차하는 중심점과 급전점(230) 사이의 거리도 13 ㎜ 가 된다.
또한 유전체층(300)은 제작의 편의성 및 제작 단가를 고려하여 유전율이 1인 공기(air) 자체를 사용하였다.
도6(a)에 도시된 반사계수(S11)에 의하면, -10 dB 를 기준으로 낮은 대역에 서 128 MHz 의 대역폭을 가지며, 높은 대역에서 116 MHz 의 대역폭을 가짐을 보여준다.
도6(b)는 스미스챠드(Smith chart)를 나타내는데, 이중 대역에서 원형편파를 발생시키는 kink가 형성된 것을 확인할 수 있다.
도6(c)는 방사패턴을 보여주는데, 2.40 GHz 와 3.90 GHz 에서 각각 6.32 dBi 및 7.63 dBi의 이득을 가졌으며, 반전력 빔폭은 69.19°및 68.47°가 됨을 확인할 수 있다.
즉, 도4의 경우와 마찬가지로 단일 급전점(230)을 구비한 단일 사각패치(200) 안테나의 설계가 가능함을 확인할 수 있으며, 유전체층(300)의 종류, 외곽슬롯(210) 및 중앙슬롯(220)의 크기, 형태 및 위치 등을 조정하여 주파수를 조정한다면 다양한 대역폭에서 이중대역 원형편파 신호의 수신용으로 사용할 수 있는 응용모델을 구현할 수 있는 바, 디지털 멀티미디어 방송 및 지피에스 신호 수신용으로도 적용이 가능하다.
상기한 구성의 본 발명에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.
첫째,이중대역 원형편파 신호를 하나의 안테나로 수신하기 위한 것으로써 단일 패치면 위에 다중 슬롯구조를 가지게 함으로써, 이중대역에서 원형편파를 발생시키고, 하나의 안테나로 이중대역 원형편파 신호를 수신할 수 있다.
둘째, 차량 또는 이동체에 탑재 시 차지하는 공간을 최소화하여 공간의 낭비 를 줄일 수 있다.
다시 말하면, 접지판의 상부에 하나의 사각패치가 배열되는 단순한 구조로 이루어지고 유전율이 큰 물질을 유전체로 사용하여 제작되는 안테나의 크기를 소형화하여 안테나가 차지하는 공간을 최소화 할 수 있다.
셋째, 안테나의 제작단가를 최소화하여 경제성을 추구할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명의 안테나는 접지판의 상부에 사각패치가 배열되며, 접지판과 사각패치 사이의 유전체로 공기(air)를 이용할 수도 있는 바, 제작이 용이하고 제작단가도 줄일 수 있는데, 기존의 적층형 안테나에 비하여 재료비를 절반 이하로 줄일 수 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 접지판;
    상기 접지판의 상부에 설치되되, 상기 접지판과 이격되도록 설치되는 사각패치; 및,
    상기 접지판과 상기 사각패치 사이에 구비되는 유전체층;
    을 포함하여 구성되는 수신용 안테나에 있어서,
    상기 사각패치는,
    사각형의 각 변의 내측에 변의 길이 방향으로 형성되는 외곽슬롯(slot);
    상기 외곽슬롯에 의하여 둘러싸인 중앙부에 사각형의 대각선 방향으로 형성되는 중앙슬롯(slot); 및,
    상기 외곽슬롯과 상기 중앙슬롯 사이에 구비되어 전기가 공급되는 급전점;
    을 포함하여 구성되거나,
    또는,
    접지판;
    상기 접지판의 상부에 설치되되, 상기 접지판과 이격되도록 설치되는 사각패치; 및,
    상기 접지판과 상기 사각패치 사이에 구비되는 유전체층;
    을 포함하여 구성되는 수신용 안테나에 있어서,
    상기 사각패치는,
    사각형의 각 변의 내측에 변의 길이 방향으로 형성되는 외곽슬롯(slot);
    상기 외곽슬롯에 의하여 둘러싸인 중앙부에 사각형의 대각선 방향으로 형성되는 중앙슬롯(slot); 및,
    상기 외곽슬롯과 상기 중앙슬롯 사이에 구비되어 전기가 공급되는 급전점;
    을 포함하여 구성되고,
    상기 급전점에는 저잡음증폭기(low noise amplifier)의 입력단 또는 회로부와 연결되는 커넥터(connector) 또는 동축 케이블의 심선이 접속되고,
    상기 접지판에는 커넥터 접지부 또는 동축 케이블 접지선이 접속되고,
    상기 유전체층은 공기(air), 세라믹, 테프론, 또는 FR4 가운데 어느 하나로 구성되되,
    상기 외곽슬롯은 상기 사각패치의 각 모서리에 'ㄱ'자 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나.
  4. 제3항에서,
    상기 접지판은 사각형인 것을 특징으로 하는 단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나.
  5. 제3항에서,
    상기 중앙슬롯의 형성방향에 따라 우선회 원형편파 또는 좌선회 원형편파를 선택적으로 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 단일급전 이중대역 원형편파 수신용 단일 사각패치 안테나.
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