KR100944968B1 - 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나를 제공한다. 본 발명은 안테나의 접지면에 스프드론 프랙탈이라는 종래에 안테나에 이용되지 않았던 기하학적 구조의 슬롯을 형성함으로써, 광대역 특성을 구현하기 위하여 다층 기판을 사용하지 않으면서도 대역폭이 70%가 넘는 광대역 안테나를 구현한 효과가 나타난다. 또한, 본 발명은 원형 편파 구현을 위한 위상 분배 회로와 같은 별도의 보조적인 회로를 채용하지 않고, 스피드론 프랙탈 형상 자체의 특성으로부터 원형편파 복사 특성을 유도하였다. 이러한 본 발명의 특징으로 인하여, 본 발명은 저비용으로 소형의 광대역 원형 편파 안테나를 구현할 수 있는 효과가 나타난다.

Description

스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나{Broadband circularly-polarized spidron fractal antenna}

본 발명은 광대역 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나에 관한 것이다.

안테나는 무선통신에서 통신의 목적을 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유지시키기 위해 공중에 가설한 도선으로서, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다.

이러한 안테나 중 마이크로스트립 패치 안테나는 소형, 경량, 박형이며, 제작이 용이하여 대량생산이 가능하므로 여러 통신 분야에 사용되고 있다.

그러나 마이크로스트립 패치 안테나는 1~2%정도의 협소한 임피던스 대역폭을 갖는다는 단점을 가지고 있기 때문에 이러한 마이크로스트립 패치 소자를 이용하여 광대역의 원형 편파 안테나를 구현하기는 어렵다.

종래 기술은 마이크로스트립 패치 소자를 이용하여 광대역의 원형 편파 안테나를 구현하기 위해서 위상 분배 회로를 결합하고, 다층 기판을 이용하는 기술을 제시한바 있다. 그러나, 이러한 종래 기술은 부가적인 회로의 결합과 다층 기판의 사용으로 인하여 안테나의 부피가 커질뿐만 아니라 고비용이 소요되어 효율성이 저하되는 문제점이 존재하였다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저비용으로 제조 가능한 소형의 광대역 원형 편파 안테나를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광대역 원형 편파 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상면에 형성된 접지면; 접지면에 형성된 스피드론(spidron) 프랙탈 형상의 슬롯; 및 상기 기판의 하면에 형성되며, 상기 기판을 통해서 스피드론 슬롯을 전기적으로 여기시키기 위한 마이크로스트립 라인을 포함한다.

또한, 상술한 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯은 상기 스피드론 프랙탈 형상을 구성하는 동일한 형태의 각 이등변 삼각형의 축소 비율이

이 되도록 형성될 수 있다.

또한, 상술한 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯은 동일한 형태의 이등변 삼각형이 2회 이상 반복적으로 결합된 구조일 수 있다.

또한, 상술한 마이크로스트립 라인의 높이는 23단위길이이고, 스프드론 프랙탈 형상의 슬롯을 구성하는 제 1 모양의 이등변 삼각형들 중 가장 큰 이등변 삼각형과 제 2 모양의 이등변 삼각형들 중 가장 큰 이등변 삼각형의 꼭지점이 맞닿는 두 지점과 상기 마이크로스트립 라인의 폭방향으로의 중심간의 최단 거리가 17단위길이인 것이 바람직하다.

또한, 상술한 접지면은 한 변이 40 단위길이인 정사각형으로 형성되고, 상기 마이크로스트립라인의 폭은 3.4 단위길이인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 안테나의 접지면에 스피드론 프랙탈이라는 종래에 안테나에 이용되지 않았던 기하학적 구조의 슬롯을 형성함으로써, 광대역 특성을 구현하기 위하여 다층 기판을 사용하지 않으면서도 대역폭이 70%가 넘는 광대역 안테나를 구현한 효과가 나타난다.

또한, 본 발명은 원형 편파 구현을 위한 위상 분배 회로와 같은 별도의 보조적인 회로를 채용하지 않고, 스피드론 프랙탈 형상 자체의 특성으로부터 원형편파 복사 특성을 유도하였다.

이러한 본 발명의 특징으로 인하여, 본 발명은 저비용으로 소형의 광대역 원형 편파 안테나를 구현할 수 있는 효과가 나타난다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나를 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 스피드론 프랙탈 구조를 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 프랙탈(fractal) 구조란 일정한 단위 모양이 굴곡을 거듭하며 무한히 반복되는 것으로서, 프랙탈의 속성은 자기 유사성(Self-Similarity)과 순환성(Recursiveness)이라는 특징을 가진다.

한편, 스피드론(spidron)이란 이등변 삼각형들을 서로 변이 맞닿도록 상호 교번으로 결합한 기하학적 구조로서, 본 발명의 안테나는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 두 내각이 30도인 이등변 삼각형과 두 내각이 60도인 이등변 삼각형을 교번적으로 연결하여, 결과적으로는 내각이 30도 및 60도인 직각 삼각형이 연속적으 로 결합된 스피드론 형상이 반복된다.

따라서, 도 1의 (b)에 도시된 구조는 도 1의 (a)에 도시된 직각 삼각형의 빗변에 일정한 스케일로 규모가 축소된 직각 삼각형의 한변이 결합되고, 여기에 동일한 스케일로 규모가 축소된 직각 삼각형이 동일한 방식으로 결합된 구조로서 도 1의 (a)에 도시된 직각 삼각형이 3회 반복 결합된 구조를 나타내고, 도 1의 (c)는 도 1의 (a)에 도시된 직각 삼각형이 7회 반복 결합된 구조를 나타낸다.

본 발명은 도 1에 도시된 예에서 각 이등변 삼각형의 동일한 변의 비율(축소 비율)이

이 만족되도록 스피드론(spidron) 프랙탈 구조의 슬롯을 형성하고, 동일한 이등변 삼각형이 2회 이상 반복적으로 결합되는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의 평면도 및 단면도를 각각 도시한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 안테나(20)는 유전체 기판(24)의 상면에는 높이가 g_h 이고, 폭이 g_w 인 접지면(21;ground plane)이 형성되어 있고, 접지면(21) 내부에는 도 1에 도시된 바와 같은 스피드론 형상의 슬롯(22)이 형성되어 있다.

또한, 유전체 기판(24)의 반대면에는 급전선으로서 기능을 수행하는, 높이가 f_h 이고, 폭이 f_w 인 50Ω마이크로 스트립라인(25)이 형성되어 있는데, 마이크로 스트립라인(25)은 그 중심이 스피드론 구조의 제 1 모양의 이등변 삼각형의 꼭지점과 제 2 모양의 이등변 삼각형의 꼭지점이 맞닿는 위치로부터 x축 방향으로 fs 만큼 이격된 위치에 배치되도록 형성된다.

여기서, 유전체 기판(24)은 예컨대, RF-35 기판 또는 글래스 에폭시(FR-4)와 같은 PCB 기판이 사용될 수 있고, 본 발명의 바람직한 실시예는 그 두께가 1.52mm이고, 상대 유전상수(

)가 3.5인 RF-35 기판을 유전체 기판(24)으로서 사용하였다.

또한, 본 발명의 상술한 변수들을 변화시켜면서 다수의 실험을 수행한 결과, f_s=17mm, f_h=23mm 일 때, 공진 주파수 대역값, 축비, 및 복사 패턴(radiation pattern)이 최적임을 확인하였고, 이 때의 g_w 및 g_h 는 40mm 이고, p₁ 은 30mm 이며, f_w 는 3.4mm 이다.

또한, SMA 커넥터(23)가 유전체 기판(24)과 접착되어 마이크로스트립라인(25)과 접지면(21)와 연결된다.

도 4 는 본 발명에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의 반사손실 특성을 설명하는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 측정 결과가 시뮬레이션 결과와 상당히 일치함을 알 수 있는데, 측정 결과, 본 발명에서 -10dB 이하의 반사손실을 갖는 대역폭은 78.3%(2580~5900MHz)임을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의 축비 특성 및 주파수에 대한 게인 변화도(Gain variation)를 설명하는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 측정 결과 본 발명은 축비 3dB 이하의 원형편파 대역폭은 15.2%(3940~4590MHz)임을 알 수 있고, 원형 편파 대역폭은 안테나의 -10dB 오퍼레 이팅 대역폭보다 좁음을 알 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 피크 게인은 4.2GHz에서 4.3dBi를 나타내고, 축비 3dB의 대역폭내에서 게인 변화도(Gain variation)는 1.4dBi 미만임을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의, 4.3GHz에서 측정된 X-Z 평면 및 Y-Z평면에서의 복사 패턴을 도시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 우측 원형 편파(RHCP)가 -Z축 방향으로 우세한 반면, +Z축 방향으로 좌측 원형 편파(LHCP)가 우측 원형 편파(RHCP)보다 20dB이상 높음을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 스피드론 프랙탈 구조를 설명하는 도면이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의 평면도 및 단면도를 각각 도시한다.

도 4 는 본 발명에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의 반사손실 특성을 설명하는 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의 축비 특성 및 주파수에 대한 게인 변화도(Gain variation)를 설명하는 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나의, 4.3GHz에서 측정된 X-Z 평면 및 Y-Z평면에서의 복사 패턴을 도시하는 도면이다.

Claims (6)

1. 유전체 기판;

   상기 유전체 기판의 상면에 형성된 접지면;

   접지면에 형성된 스피드론(spidron) 프랙탈 형상의 슬롯; 및

   상기 기판의 하면에 형성되며, 상기 기판을 통해서 접지면의 프랙탈 슬롯을 급전하기 위한 마이크로스트립 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 원형편파 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯은 상기 스피드론 프랙탈 형상을 구성하는 동일한 형태의 각 이등변 삼각형의 축소 비율이

   

   이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 원형편파 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯은 동일한 형태의 이등변 삼각형이 2 회이상 반복적으로 결합된 구조인 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로스트립 라인의 높이는 23단위길이이고, 상기 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯을 구성하는 제 1 모양의 이등변 삼각형들 중 가장 큰 이등변 삼각형과 제 2 모양의 이등변 삼각형들 중 가장 큰 이등변 삼각형의 꼭지점이 맞닿는 두 지점과 상기 마이크로스트립 라인의 폭방향으로의 중심간의 최단 거리가 17단위길이인 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 접지면은 한 변이 40 단위길이인 정사각형으로 형성되고,

   상기 마이크로스트립라인의 폭은 3.4 단위길이인 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 단위 길이는 1mm 인 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.

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