KR100969984B1 - 유전 공진기로 구성되는 광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접지면(earth plane)을 갖는 기판(2)상에 장착된 DRA 또는 유전 공진기(1)로 구성된 광대역 안테나에 관한 것이다. 공진기(1)는 상기 접지면의 적어도 하나의 가장자리로부터 간격(x)(x_top,x_right)을 두고 배치되고, x는 0 ≤x ≤λ_diel/2이 되도록 선택되며, λ_diel는 공진기의 유전체내에서 한정된 파장이다.

본 발명은 무선 네트워크에 적용된다.

Description

유전 공진기로 구성되는 광대역 안테나{DIELECTRIC RESONATOR WIDEBAND ANTENNA}

도 1은 기판상의 유전 공진기의 장착을 설명하는 평면도.

도 2a-2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 광대역 안테나의 단면도 및 평면도.

도 3은 접지면의 적어도 하나의 가장자리에 대한 간격(x)의 함수로서 공진기의 적응을 제공하는 다양한 곡선을 나타내는 도면.

도 4는 주파수의 함수로서 매우 광대역인 공진기의 반사 계수를 제공하는 곡선을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

1,10 : 공진기 2,11 : 기판

12 : 접지면 13 : 슬롯

14 : 마이크로스트립 라인(피드라인)

본 발명은 접지면을 갖는 기판상에 장착된 유전 공진기로 구성되는 광대역 안테나에 관한 것이다.

대량 판매 제품과 관련되고 지역 무선 네트워크에서 사용되는 안테나 개발의 하부구조내에서, 유전 공진기로 구성되는 안테나는 흥미로운 솔루션으로서 인식되어 왔다. 특히, 이러한 유형의 안테나는 통과대역 및 방사의 측면에서 우수한 특성을 나타낸다. 또한, 상기 안테나는 표면 장착될 수 있는 분리된 구성요소의 형태를 취하기 쉽다. 이러한 유형의 구성요소는 SMC 구성요소라는 용어로 알려져 있다. SMC 구성요소는 대량 판매를 위한 무선 통신 분야에서 관심이 되는데, 이는 상기 SMC 구성요소가 저가의 기판의 이용을 허용하여, 그로 인해 장비 집적(equipment integration)을 보장하는 동시에 비용 감소를 초래하기 때문이다. 또한, RF 주파수 기능이 SMC 구성요소의 형태로 개발될 때, 기판의 낮은 품질에도 불구하고 우수한 성능이 얻어지고, 그로 인해 집적이 종종 선호된다.

또한, 처리율의 측면에서 새로운 필요조건은 Hyperlan2 및 IEEE 802.11A 네트워크와 같은 높은 처리율의 멀티미디어 네트워크의 이용을 초래한다. 이러한 경우에, 안테나는 폭넓은 주파수 대역상에서의 동작을 보장할 수 있어야 한다. 이제, 유전 공진기 유형의 안테나 또는 DRA는 그 상대 유전율에 의해 특징지어지는, 임의의 형상의 유전 패치(patch)로 구성된다. 통과대역은 유전율과 직접 관련되고, 상기 유전율은 따라서 공진기의 크기를 조절한다. 따라서, 유전율이 낮을수록 DRA 안테나가 더 광대역이 되지만, 이러한 경우 상기 구성요소가 커진다. 그러나, 무선 통신 네트워크에서 사용되는 경우에, 소형화 구속은 유전 공진기 안테나의 크기 축소를 요구하여, 이러한 응용을 위해 필요한 대역폭과의 비호환성을 초래할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점에 대한 솔루션을 제안하는 것이다.

따라서, 본 발명은 방사를 저하시키지 않으면서 통과대역의 확대를 허용하는 그 기판상의 유전 공진기의 위치결정과 관련된 설계 규칙을 정의한다.

따라서, 본 발명은 접지면을 형성하는 기판상에 장착된 유전 공진기로 구성된 광대역 안테나에 관한 것으로, 상기 공진기는 접지면의 적어도 하나의 가장자리로부터 간격(x)을 두고 배치되는 것을 특징으로 하고, x는 0 ≤x ≤λ_dielectric/2이 되도록 선택되며, λ_dielectric는 공진기의 유전체의 유전율에 의해서 정의되는 파장이다.

바람직한 실시예에 따르면, 접지면-형성 기판은 적어도 한 면이 금속화되고 공진기 또는 DRA를 위한 접지면을 구성하는 유전 물질의 요소로 구성된다.

공진기를 수용하는 면이 금속화되는 경우, 공진기는 일반적으로 마이크로스트립 기술에서 대향면상에 만들어진 피드라인에 의해 금속화에서 만들어진 슬롯을 통한 전자기 결합에 의해 급전된다. 공진기는 또한 동축 프로브(probe) 또는 공면 라인에 의해 여기될 수 있다. 대향면이 금속화되는 경우, 공진기는 공진기를 수용하는 면상에 만들어진 피드라인을 통한 직접 접촉에 의해, 또는 그렇지 않으면 동축 프로브에 의해 급전된다. 본 발명의 다른 특징 및 이점은 바람직한 실시예의 후술되는 설명을 읽으면 명확해질 것이고, 이러한 설명은 첨부 도면을 참조하여 제 공된다.

도 1에는 장방형상의 기판(2)상에 장착된 장방형상의 유전 공진기(1)가 도시되어 있고, 상기 기판(2)은 기판이 유전 기판인 경우 예를 들어 금속화된 그 상면(upper face)으로 구성되는 접지면이 제공된다.

공진기가 접지면의 가장자리에 더 가깝게, 또는 그로부터 더 멀리에 위치되는 한, 공진기(1)의 위치가 그 통과대역에 대해 영향을 미치는 것이 관측되었다. 따라서, 예를 들어, 공진기(1)와 기판(2)의 가장자리 사이의 간격중의 하나(X_top 또는 X_right)가 충분히 작은 경우에, 유사한 방사를 유지하면서도 공진기 통과대역은 증가되는 것으로 나타났다. 통과대역의 이러한 확대는 접지면의 가장자리의 근접에 의해 설명될 수 있다. 그 유한성이 주어지면, 절단된 측부가 방사에 기여할 것이기 때문에 공진기 고유의 동작이 약간 수정되고, 공진기 및 유한 접지면으로 형성된 결과적인 구조는 종래 공진기보다 더 큰 대역폭을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 따르면, 공진기가 접지면의 적어도 하나의 가장자리로부터 간격(x)을 두고 배치되는 경우에 광대역 안테나가 얻어지고, x는 0 ≤x ≤λ_diel/2이 되도록 선택되며, λ_diel는 공진기의 유전체의 유전율에 의해서 정의되는 파장이다.

마이크로스트립 기술에서 피드라인을 통해 급전된 장방형 유전 공진기를 이용하여 수행된 연구의 경우에서, 이제 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실제 실시예가 설명될 것이다.

대응하는 구조가 도 2에 나타나있다. 이러한 경우에, 공진기(10)는 유전율( ε_r)을 갖는 유전 물질의 장방형 패치로 구성된다. 공진기는 유전체 또는 폴리프로필렌으로 채워진 폴리에테르이미드 유형의 세라믹 또는 금속화가능한 플라스틱에 기초한 유전 물질로 이루어질 수 있다.

실제 방식에서, 공진기는 유전율(ε_r=12.6)을 갖는 유전체로 이루어진다. 이러한 값은 베이스 세라믹 물질, 즉 제조사 NTK로부터의 저가의 물질의 유전율에 대응하고, 다음의 크기를 나타낸다:

a = 10㎜

b = 25.8㎜

d = 4.8㎜

공지된 방식에서, 공진기(10)는 유전율(ε'_r)의 유전 기판(11)상에 장착되고, 낮은 RF 주파수 품질(즉, 유전체 특성에 있어서의 상당한 왜곡 및 상당한 유전 손실)로 특징지어진다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(11)의 외부면은 금속화되고, 그 상면상에 접지면을 형성하는 금속층(12)을 드러낸다. 또한, 도 2b에 더 명확하게 나타난 바와 같이, 공진기(10)는 미리 금속화된 하면(lower face)상에 에칭된 마이크로스트립 라인(14)에 의해 접지면(12)내에 만들어진 슬롯(13)을 통한 전자기 결합에 의해 종래 방식으로 급전된다. 도 2의 실시예에서, 사용된 장방형 기판(11)은 약 4.4의 ε'_r 및 약 0.8㎜의 높이(h)를 나타내는 FR4 유형의 기판이다. 상기 기판은 무한 크기를 갖는다. 즉, 간격(X_top,X_left,X_right,X_bottom)은 크다. 즉, 진공에서의 파장보다 훨씬 크다. 슬롯/라인 급전 시스템은 공진기상에 집중된다. 즉, D1=b/2이고 D2=a/2이다. 상기 라인은 종래 방식에서 50Ω의 특성 임피던스를 나타내고, 슬롯의 크기는 WS=2.4㎜ 및 LS=6㎜와 동일하다. 마이크로스트립 라인은 3.3㎜와 동일한 슬롯의 중심에 대해 수직의 돌출(m)을 갖는 슬롯에 교차한다. 이러한 조건하에서, 공진기는 5.25에서 동작하고, 거의 전방향성 방사를 갖는 664㎒(12.6%)의 통과대역을 나타낸다.

본 발명에 따라서, 공진기(10)의 위치는 기판(11)의 코너 중 하나에 근접하게, 즉 기판의 상단 우측 코너에 근접하게 배치되도록 수정되었다. 통과대역의 확대를 나타내기 위해서, 3D 전자기 시뮬레이션 소프트웨어상에서 간격(X_top,X_right)의 함수로서 시뮬레이션이 수행되었다. 얻어진 결과가 아래의 표에 제공된다.

X=Xtop=Xright(㎜)	[Fmin-Fmax](㎓)	대역(㎒)(%)	S11(㏈)
0	[4.95-5.5]	550, 10.7	-10.6
3	[5.45-5.98]	935, 17.5	-15.5
6	[5.08-5.87]	790, 14.8	-22
9	[5.083-5.773]	690, 13	-37
12	[5.073-5.71]	637, 12	-39
15	[5.058-5.687]	629, 11.95	-36
무한	[5.04-5.704]	664, 12.6	-35.8

따라서, 표 1의 결과에 따르면, 공진기와 접지면의 가장자리 사이의 간격이 더 축소될수록 통과대역이 더 커지는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 3에 따르면, 적응 레벨이 x의 가장 낮은 값으로 저하되는 것을 알 수 있다.

또한, 충분히 큰 간격(x)으로 진행될 때, 즉 이러한 경우에 λ_diel=3/(5.25*10*

)=16㎜에서 x > λ_diel/2에서, 공진기의 위치결정은 이후에 무한 접지면을 갖는 구성의 통과대역과 거의 동일하게 되는 통과대역에 대해 더 이상 어떠한 영향도 미치지 않는다.

본 발명은 장방형상의 공진기와 관련하여 전술되었다. 그러나, 공진기가 다른 형상, 특히 정사각형, 원통형, 반구형 등의 형상을 가질 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 또한, 공진기는 마이크로스트립 라인 및 슬롯을 이용하여 급전된다; 그러나 공진기는 또한 동축 프로브를 통해, 또는 직접 접촉을 하는 마이크로스트립 라인을 통해, 또는 임의의 유형의 전자기 결합을 통해 급전될 수 있다.

이제 매우 광대역인 안테나를 얻을 수 있도록 하는 다른 예시적인 실시예가 제공될 것이다. 특히, 수행된 시뮬레이션은, 유전 공진기의 크기조정에 의해 조절된 임의의 특정한 구성에서, 공진기(TE_211X)의 처음 더 높은 모드가 기본 모드(TE_111X)에 가깝다는 것을 증명할 수 있었다. 이러한 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이, 접지면의 하나 이상의 가장자리에 근접한 공진기의 위치결정은 이러한 2가지 모드의 동작 주파수가 함께 가까워지게 할 수 있고, 이것은 매우 광대역의 적응을 제공하는 효과를 갖는다.

표 2는 매우 광대역의 적응을 얻기 위한 유전 공진기의 특징적 크기를 제공한다.

주파수	5.3㎓
a	10㎜
b	25.8㎜
d	4.8㎜
εr	12.6
Xright=Xtop	0㎜
Ls	7㎜
Ws	2.4㎜
m	4.5㎜
D1	12.9
D2	5
통과대역(㎓)	(4.4-6.3)㎓
대역폭	1.9㎓(35%)

전술한 바와 같이, 본 발명은 방사를 침해하지 않으면서 통과대역의 확대를 허용하는 기판상의 유전 공진기의 배치를 갖는 광대역 안테나를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 접지면(earth plane)을 포함하는 기판(2,11)상에 장착된 유전체 공진기(1,10)를 포함하는 광대역 안테나에 있어서, 상기 유전체 공진기는 상기 접지면의 적어도 하나의 가장자리로부터 간격(x)을 두고 배치되고, 주파수 통과 대역을 넓히기 위해 x는 0 ≤x ≤λ_diel/2이 되도록 선택되며, λ_diel는 상기 공진기의 유전체의 유전율에 의해서 정의되는 파장인 것을 특징으로 하는, 광대역 안테나.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기판(11)은 유전체 기판이며, 상기 유전체 기판의 적어도 하나의 면(12)은 금속화되고 접지면을 구성하는 것을 특징으로 하는, 광대역 안테나.
3. 제 2항에 있어서, 상기 공진기를 수용하는 면(12)은 금속화되고, 상기 공진기는 대향면상에 만들어진 피드라인(14)에 의해 금속화에 의해 만들어진 슬롯(13)을 통한 전자기 결합에 의해 급전되는 것을 특징으로 하는, 광대역 안테나.
4. 제 2항에 있어서, 상기 공진기를 수용하는 면에 대향하는 면은 금속화되고, 상기 공진기는 상기 공진기를 수용하는 면상에 만들어진 피드라인을 통해 급전되는 것을 특징으로 하는, 광대역 안테나.

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