KR100833175B1 - 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나는, 직사각형의 고주파용 회로기판과 상기 회로기판의 상부에 형성된 갭(gap)에 의하여 구분되는 복수개의 패치로 이루어진 패치단 및 상기 복수개의 패치 각각의 중앙부분에서 상기 기판 하부의 접지면과 연결된 와이어를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 종래의 모노폴 안테나(monopole antenna)와 같은 전 방위 방사 안테나의 구조적 불안정이라는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 판형의 안정적인 구조이면서 적은 이득 변화와 안테나 크기와 동작 주파수가 무관하기 때문에 안테나 크기의 소형화를 만족하고, 무지향성 방사패턴 특성을 보이는 전 방위 방사 안테나를 제공하고자 한다.

자계 전류, 전 방위 방사, 패치, 모노폴 안테나, 다이폴 안테나

Description

자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나 및 그 방법{Low profile omnidirectional antenna using magnetic loop current and Method thereof}

도 1은 일반적인 전 방위 방사 안테나로서 모노폴 안테나를 나타내는 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나의 일실시예를 나타내는 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나의 전기장 분포를 나타내는 도면이고,

도 4는 도 3의 전기장 분포에 의한 자계전류의 흐름을 나타내는 도면이고,

도 5는 도 2의 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나의 제 1실시예에서 전기장이 작용하는 방면으로 방사되는 빔 패턴을 나타내는 도면이고,

도 6은 도 2의 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나의 제 1실시예에서 자기장이 작용하는 방면으로 방사되는 빔 패턴을 나타내는 도면이고,

도 7은 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 전 방위 방사 안테나의 제 2실시예를 나타내는 도면이고,

도 8은 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 전 방위 방사 안테나의 제 3실시예를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 패치

200 : 갭

300 : 접지된 와이어

400 : 접지면

본 발명은 자계전류를 이용하는 전 방위 방사 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 버섯구조의 복수개의 패치를 통해 형성된 자계전류를 이용하여 도넛 형태의 무지향성 빔 패턴을 구현하고, 동작 주파수와 무관하게 안테나의 크기를 축소시킬 수 있으며, 안정적인 구조로 적은 이득 변화를 가지는 판형의 전 방위 방사 안테나에 대한 것이다.

전 방위 방사 안테나는 수평방향으로 고루 퍼지는 omni-directional 빔패턴의 안테나로서, 평면에 가까운 지면상에서 사용할 때 가장 효율적인 바, 휴대폰이나 wireless local area network(WLAN)과 같은 무선통신에서 많이 사용된다.

전 방위 방사 안테나의 일례로는 다이폴 안테나(dipole antenna)와 모노폴 안테나(monopole antenna)를 들 수 있다. 다이폴안테나는 두 개의 극이 다른 도선을 구부려서 전체 길이를 λ/2가 되도록 형성하여 omni-direction한 빔 패턴을 형성하는데, 모든 안테나의 기본이 되는 안테나로서 모노폴 안테나보다는 여러 가지 배열안테나 형태로 구성되어 기지국 안테나 등으로 많이 사용된다. 상기 다이폴 안테나와 유사한 것이 도 1에 도시된 바와 같은 모노폴 안테나로서, 안테나부(10) 한쪽 도선을 도체 대신 그라운드면(12)에 접지시킨 형태이다. 그라운드로 접지된 부분에서는 image effect로 인해 다이폴 안테나와 동일한 방사특성을 보이므로, 안테나의 길이는 λ/2가 아닌 λ/4가 되어야 한다. 지면에 높은 탑 형태로 되어 있는 안테나는 지면을 그라운드로 이용할 수 있기 때문에 이와 같은 모노폴 안테나 형태로 만듦으로써 안테나 길이도 λ/4로 줄일 수 있다. 그러나, 상기와 같은 종래의 모노폴 안테나 및 다이폴 안테나는 전 방위 방사를 할 수 있지만, 그 사용 주파수에 따라 안테나 길이가 정해지므로 안테나 크기를 축소하기 어려워 중량 및 생산단가를 줄일 수 없고, 구조적으로 불안정하다는 문제점이 있다.

한편, 마이크로스트립 상부에 네모 혹은 원형의 금속패턴을 형성한 패치 안테나와 같은 평면형 안테나는 소형, 경량의 특성 및 여러 가지 패턴조합과 손쉬운 배열을 통해 다양한 특성을 이끌어낼 수 있다는 장점에도 불구하고, 구조상 높은 전력신호를 다루지 못하며 전파의 송수신이 되지 않는 불감향성이 존재하기 때문에 무지향성 전 방위 안테나의 요구조건을 완전히 만족시키기 어렵다는 문제점이 있 다.

본 발명은 상술한 종래의 전 방위 방사 안테나의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 평면 형태의 안정적인 구조이면서 적은 이득 변화를 가지는 무지향성 방사패턴을 보이며, 안테나 크기와 동작 주파수가 무관하기 때문에 안테나 크기의 소형화를 만족할 수 있고, 안테나 이득은 패치와 갭의 크기 변화 없이 버섯구조의 패치패턴의 개수의 조절을 통해 조정할 수 있는 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 패치안테나를 제공하고자 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 판형의 전 방위 방사 안테나의 일실시예는, 직사각형의 고주파용 회로기판; 상기 회로기판의 상부에 균일한 크기의 패치들이 일정 갭을 사이에 두고 규칙적으로 배열되는 형태로 형성된 복수의 패치들로 이루어진 패치단; 및 상기 복수의 패치들 각각의 중앙부분을 상기 회로기판의 하부에 형성된 접지면과 연결시키는 와이어를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고주파용 회로기판은 마이크로스트립으로 하고, 상기 패치단은 3×2배열, 3×3배열, 3×4배열의 복수의 패치들로 구성하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 복수의 패치들을 이루는 패치들의 각 크기에 따라 동작 주파수를 제어할 수 있고, 상기 패치단을 이루는 패치의 개수를 증가/감소시킴으로써 안테나 이득을 증가/감소시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 안테나의 급전방식은 마이크로스트립 라인 형태의 급전, 프로브 급전, 마이크로스트립 라인-개구면결합 형태의 급전, 또는 CPW(Coplanar Waveguide) 스트립 형태의 급전 등을 이용할 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 패치들의 패치 개수에 따라 조절된 안테나 이득과 상기 복수의 패치들을 이루는 패치들의 각 크기에 따라 제어된 동작 주파수를 이용하여 상기 복수의 패치들로부터 전자기파를 방사하며, 상기 복수의 패치들의 배열에 따라 상기 전자기파에 의한 루프 형태의 자계 전류를 형성하여, 중심부 주변에 빔이 형성되는 도우넛 형태의 무지향성 빔 패턴의 전자기파를 전방위 방사할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자계전류를 이용한 판형의 전방위 방사 안테나에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 복수개의 패치를 포함하는 자계전류를 이용하는 전 방위 방사 안테나의 제 1실시예를 나타내는 사시도이다.

직사각형의 고주파용 회로기판(20)의 상부에 복수개의 패치(100)가 가로방향으로 3개, 세로방향으로 2개의 3×2배열로 형성되어 있고, 각각의 패치(100)는 상하좌우로 일정 갭(200)을 사이에 두고 규칙적이고 대칭적으로 배열되는 형태로 형성되며, 또한, 각각의 패치(100)는 그 중앙 부분이 와이어(300)에 의하여 회로기판(20)의 하부의 접지면(400)과 연결되어 있어서, 패치(100)에 와이어(300)가 연결된 모양이 버섯모양을 이룬다. 이때, 회로기판(20)은 고주파의 모든 조건들을 만족시키기 위해 고안된 마이크로스트립으로 하는 것이 바람직하다. 전형적인 전송 라인 구조인 마이크로스트립 기판은 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 접지면으로 처리하고, 그 바로 위에 일정두께의 유전체 기판을 올린 후 유전체 위에 선로 형상을 구현한 회로구조이다. 이를 통해 신호선과 접지면간의 거리와 매질특성이 균일하게 배치되고, 선로와 접지면 사이의 전자장 에너지에 신호를 보존하며 전송하게 된다. 마이크로스트립이 저주파와 차별되는 중요한 특성은 선로와 접지면간의 매질조건 항상 균일하게 고정하는 것이라고 볼 수 있다.

상기 버섯형태의 패치단을 이용하는 본 발명에 따른 안테나는 소정 급전 방식에 따라 복수개의 패치(100)에 급전될 때 도 3에서 도시된 바와 같이 기판(20)과 수직되는 방면으로 균일하게 전자기파가 방사되기 때문에, 도 4에서 도시되는 바와 기판(20)의 상부에 루프형태의 자계 전류가 형성된다. 상기 루프형태의 자계 전류의 방사 메커니즘은, 마주보고 있는 크기가 동일한 두 쌍의 자계전류(Ia₁과 Ia₂, Ib₁과 Ib₂)가 위상이 반대되어, 상기 두 쌍의 자계 전류에 의하여 방사되는 전자기파가 서로 상쇄되어 기판(20)에 수직한 중심 부근 지점은 전기장이 0이 되고, 그 지점에서 일정거리까지 주변에 전자기파 빔 패턴이 형성되어, 이를 3차원으로 보면 omni-direction한 도넛 형태를 나타낸다.

이러한 빔 패턴이 의미하는 물리적 의미는, 안테나에서 360도 전 방향으로 복사되는 전자기파의 전계강도(electric field strength)를 그린 곡선으로, 표준안테나를 이용하여 측정하고자 하는 안테나의 360도 전 방향에서 신호를 수신하여 각 각도별로 수신된 전계강도를 표시한 파형이다. 이때, 안테나가 위치하는 중심에서 떨어진 거리 자체가 전계강도의 크기인 |E|를 나타낸다.

도 5및 도6은 도 2의 본 발명에 따른 자계전류를 이용하는 전 방위 방사 안테나의 제 1실시예의 방사특성을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 제 1실시예가 좌표축 상에서 y-z평면으로 전기장을 포함하여 방사하는 패턴을 나타내고, 도 6은 본 발명에 따른 제 1실시예가 좌표축 상에서 x-y평면으로 자기장을 포함하여 방사하는 패턴을 나타낸다. 본 발명에 따른 안테나의 빔 패턴은 옆에서 바라보면 도 5에 도시되는 바와 위아래가 아닌 양 옆 방향으로만 전계가 분포되고, 위에서 내려다보면 도 6에 도시되는 바와 같이 전 방향으로 무지향성을 나타내며, 이를 3차원으로 보면 도넛 형태의 omni-direction한 빔 패턴으로, 다이폴 안테나와 유사하게 전자기파가 방사되는 전 방위 안테나를 구현할 수 있다.

상기 측정결과로부터, 본 발명에 따른 전 방위 방사 안테나의 패치가 3×2 배열인 경우, 동작 주파수 7.9GHz에서 2.6dBi의 안테나 이득을 갖고 1.5dBi의 이득변화를 갖고 있음을 알 수 있다. 안테나 이득(gain)이란 방향성 안테나라고 하는 논리 안테나와 비교했을 때의 측정값으로, 주어진 방향의 같은 거리에서 같은 전계 강도(|E|)를 얻기 위해 주어진 안테나의 입력부에 공급되는 전력과 기준 안테나의 입력부에 필요한 전력의 비율을 뜻한다. 단위는 데시벨(dB)을 사용하며, 등방성(Isotropic) 안테나를 기준으로 하는 보통의 경우에는 dBi라는 단위를, 다이폴(다이폴) 안테나를 기준으로 이득을 계산할 때는 dBd라는 단위를 사용한다. 안테나 이득이 크다는 것은 전자파를 전달하고자 하는 특정방향으로 더욱 강한 전자파를 보낼 수 있다는 의미이다.

이러한, 안테나 이득의 조절은 버섯형태의 패치(100)의 수를 증가/감소시킴으로써, 안테나 이득을 증가/감소시킬 수 있다. 또한, 패치(100)의 크기조절을 통 해 동작 주파수를 제어할 수 있는데, 각각의 패치(100)의 크기는 반드시 동일해야하는 것은 아니나, 그 크기변화가 다를 경우 안테나 이득이 감소될 염려가 있으므로, 균일하게 크기조절을 하는 것이 바람직하다.

도 7 및 도8은 본 발명에 따른 자계전류를 이용한 전 방위 방사 안테나의 또 다른 실시예를 나타내는 도면으로서, 패치(100)의 개수를 다르게 조정한 것이다. 본 발명에 따른 전 방위 방사안테나의 패치(100)의 개수나 크기는 앞서 상술한 바와 같이, 안테나의 이득이나 동작 주파수를 고려하여 설계자 임의대로 조절할 수 있다. 패치의 개수를 6개를 기준으로 할 경우, 1×6배열형태는 2×3, 3×2배열에 비하여 구조적인 측면에서 심한 이득변화가 발생할 것이 예상되므로, 안테나의 전체적인 크기를 고려하여 기판상부에 3×2, 3×3, 3×4배열의 패치를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한, 상기 버섯형태의 패치를 통해 자계전류를 이용하여 전 방위 방사 안테나를 구현하는 경우, 평면 형태의 안정적인 안테나를 구성하기 때문에, 종래의 모노폴 안테나나 다이폴 안테나가 갖는 구조상의 불안정성을 해결할 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 부호의 설명 및 안테나의 방사 특성은 본 발명에 따른 제 1실시예에서 상술한 바, 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 전 방위 방사 안테나의 복수개의 패치(100)로의 급전 방식은 제작이 용이한 마이크로스트립 라인을 이용하거나, 대역폭을 넓히기 위하여 마이크로스트립의 상부유전체에 패치 안테나를 구성하고 하부 유전체에 급전선을 구성시키는 구조로 그 사이에 공기층을 집어넣는 프로브 급전, 혹은 마이크로스트립 라인-개구면결합 급전의 이중급전을 이용하거나, CPW(Coplanar Waveguide) 스트립 구조를 이용할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 안테나는 마이크로스트립의 상부에 버섯모양의 복수개의 패치를 형성하여, 이러한 패치로부터 유도되는 루프 형태의 자계전류를 이용하여 전 방위 방사 안테나가 갖는 도넛 형태의 빔 패턴을 형성한다. 따라서, 모노폴 안테나 혹은 다이폴 안테나와 비교하여, 평면 형태의 안정적인 구조이면서 무지향성 빔 패턴의 전 방위 방사 특성을 얻을 수 있다.

또한, 안테나의 크기와 동작 주파수가 무관하므로 안테나의 소형화가 가능하고, 버섯형태 패치의 개수를 조절함으로써 안테나 이득의 조절이 가능한 바, 안테나의 크기 및 중량을 축소할 수 있어 본 발명에 따른 전 방위 방사 안테나를 자동차의 지붕이나 유리창에 고정시키거나 휴대용 통신장비에 사용할 수 있다. 그 외에도, 유전체기판에 형성되기 때문에 매우 견고하고, 그 기하학적 구조의 특성 때문 에 부러지거나 혹은 사용할 때 실수로 인하여 부상염려를 방지할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 회로기판; 및

   상기 회로기판의 상부에 형성된 복수의 패치들을 포함하고,

   상기 복수의 패치들은 균일한 크기의 패치들이 일정 갭을 사이에 두고 규칙적으로 배열되는 형태로 형성되며, 상기 복수의 패치들 각각의 중앙부분이 각 와이어에 의하여 상기 회로기판의 하부에 형성된 접지면과 연결되고,

   상기 복수의 패치들의 패치 개수에 따라 조절된 안테나 이득과 상기 복수의 패치들을 이루는 패치들의 각 크기에 따라 제어된 동작 주파수를 이용하여 상기 복수의 패치들로부터 전자기파를 방사하며,

   상기 복수의 패치들의 배열에 따라 상기 전자기파에 의한 루프 형태의 자계 전류를 형성하여, 중심부 주변에 빔이 형성되는 도우넛 형태의 무지향성 빔 패턴의 전자기파를 전방위 방사하는 것을 특징으로 하는 전 방위 방사 안테나.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 패치들은 3×2배열, 3×3배열, 또는 3×4배열 중 어느 하나의 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 전 방위 방사 안테나.
4. 삭제
5. 삭제
6. 전자기파를 전방위 방사하는 방법에 있어서,

   소정 기판의 상부에 균일한 크기의 패치들이 일정 갭을 사이에 두고 규칙적으로 배열되는 복수의 패치들을 이용하고,

   상기 복수의 패치들의 패치 개수로 안테나 이득을 조절하고 상기 복수의 패치들을 이루는 패치들의 각 크기로 동작 주파수를 제어하여, 상기 복수의 패치들로부터 전자기파를 방사하며,

   상기 복수의 패치들의 배열에 따라 상기 전자기파에 의한 루프 형태의 자계 전류를 형성하여, 중심부 주변에 빔이 형성되는 도우넛 형태의 무지향성 빔 패턴의 전자기파를 전방위 방사하는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전 방위 방사 방법.

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