KR100991818B1

KR100991818B1 - 고효율 광대역 원편파 패치 안테나

Info

Publication number: KR100991818B1
Application number: KR1020080010068A
Authority: KR
Inventors: 박정숙; 신천우
Original assignee: 박정숙
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2010-11-04
Also published as: KR20080017074A

Abstract

본 발명은 고효율 광대역 원편파 패치 안테나에 관한 것으로, 유전체기판 위에 하나의 패치 안테나를 서로 다른 주파수에 공진되게 가로/세로 길이를 다르게 에칭하여, 특정한 2개의 주파수에 공진하는 안테나를 형성하고 급전점은 가로/세로 패치의 사선으로 잡고, 유전체기판 밑에는 일정 간격의 공기층을 가지고 선로용 유전체기판을 두어, 포트에서 인입되는 신호를 라디에이터에 분배하여 급전하는 분배/급전 선로로 구성한다. 이로써 가로/세로 길이가 다른 하나의 패치에 의하여, 2개의 주파수에 공진하는 안테나 특성을 얻을 수 있으며 이 두 개의 공진주파수를 인접시켜 두 공진주파수의 위상 차이를 얻어 원편파를 발생하게 한다. 따라서 공진대역이 넓은 원편파 특성을 얻을 수 있으며 모든 공진주파수의 라디에이터의 임피던스에 맞는 급전을 할 수가 있게 되어 전계 발산효과를 극대화할 수가 있고, 공기층의 유전율이 낮은 관계로 유전손실을 최소화하여 안테나의 효율을 높일 수가 있게 된다. 본 발명의 원리를 적용하여 유전체기판 위에 형성하는 라디에이터의 수를 복수개로 구현함으로 인해 게인을 증가시키고 빔각을 좁게 할 수가 있어 광대역 고효율 하이게인 지향성 원편파 안테나를 구현할 수가 있게 되어 RFID 리더기용 안테나로 사용될 수가 있다.

고효율 원편파 패치 안테나, 광대역 원편파 패치 안테나, RFID 안테나, 지향성 원편파 안테나, RHCP, LHCP

Description

고효율 광대역 원편파 패치 안테나{High Efficiency Wide Band-Width Circular Patch Antenna}

본 발명은 고효율 광대역 원편파 패치 안테나에 관한 것으로 일반적인 RFID 용 Reader 기 및 고속도로 톨게이트, 항만, 물류 등의 좁은 빔이 필요한 효율적인 RFID 용의 안테나로 사용이 가능하다.

종래의 원편파 패치 안테나는 유전체기판이나 세라믹 재료 위에 에칭 등의 기법으로 안테나 주파수에 비례하는 라디에이터를 동박으로 형성하여 라디에이터에 신호를 급전하여 유전체 재료를 통하여 전계를 방사하는 형태로 구성되어 있다. 전계의 방사가 유전체 재료의 재료 밑의 그라운드판과 유전체 재료 위에 존재하는 라디에이터 사이에서 일어나, 전계 및 자계의 방사가 유전체 재료에서 발생함으로 인해 유전체 재료의 유전율 및 유전손실이 전계 및 자계의 방사에 크게 영향을 주어, 기존의 유전체 재료를 사용하여 원편파를 발생시키는 안테나의 경우 효율이 매우 낮고 게인이 낮아지는 결과를 낳았다. 또한, 유전체 재료 위에 에칭된 패치의 크기 가 공진주파수에 비례하는 관계로, 패턴 인쇄한 패치의 크기에 따라 공진주파수 및 대역이 정해져 광대역 특성을 얻기가 어려웠다.

또 다른 방법으로 원편파 특성을 얻기 위해서는 유전체 재료 위에 인접하는 주파수에 해당하는 라디에이터를 복수개로 인쇄 혹은 에칭하거나, 특정한 주파수에 해당하는 라디에이터에 슬릿 등의 가공을 통하여 여러 개의 주파수에 공진되는 특성을 가지는 원편파 패치 안테나를 구현하였다. 이러한 경우에는 라디에이터가 복수개 존재함으로써 복수개의 라디에이터가 인접하는 공진주파수를 형성하고 일정한 공진특성 및 동일한 위상특성을 얻기는 어려울 뿐만 아니라 우수한 삽입손실특성을 얻기가 어렵고 대역이 좁게 되는 단점이 발생한다.

현재 원편파 패치 안테나에 주로 사용되는 재료로는 FR-4 기판을 사용하거나 세라믹 및 세라믹의 합성 소재를 주로 사용하고 있는데, 이러한 기판 재료는 몇 가지 다른 성분이 서로 섞여 있어 유전손실이 발생하여 원편파 패치 안테나를 구현하였을 경우 유전체기판의 손실 때문에 안테나의 게인이 낮아지고 방사 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다. 일반적인 FR-4 기판을 이용하여 908~914MHz 대역의 RFID 용 리더기 안테나를 구현하는 경우를 보면, 200×200mm 기판 위에 라디에이터를 형성하여 안테나를 제작하였을 경우 얻어지는 게인은 6dBi 정도이며 방사 효율은 30~40% 정도에 머무르며 -10dB 주파수 비대역은 1~2% 정도로 얻어지는 것이 통상적이다.

안테나의 효율이 낮게 되면 송신기의 부담이 많아지고, 고가의 높은 출력의 HPA를 사용하여야 하는 관계로 통신기를 제작하는데 비용이 매우 높아진다. 본 발 명에서는 이러한 안테나의 낮은 효율이 야기하는 문제점을 해결하여 높은 효율의 안테나를 구현하고 광대역 특성을 얻는 안테나를 발명함으로써 송신기의 출력은 줄일 수 있게 하여 통신기의 제작비용을 줄이는데 그 목적이 있다.

유전체 재료 위에 에칭으로 라디에이터를 구현하는 기존의 원편파 안테나의 경우, 유전체의 유전손실로 인하여 안테나의 효율이 30~40%로 낮아져 게인이 낮아지는 문제가 있어, 본 발명에서는 라디에이터를 형성하는 라디에이터층 기판과 라디에이터에 신호를 분배/급전하는 급전기판 사이의 유전체기판을 대신하여 공기층을 두어 유전손실을 줄여, 라디에이터 기판층의 라디에이터 동박에서 전계가 그라운드판과 공기층 사이에서 방사되게 하여 안테나의 방사효율을 극대화 하는 것을 목적으로 한다. 라디에이터에서 방사되는 전계는 주위의 유전체기판과 공기층을 사이에 둔 밑의 그라운드판으로 인하여 전계 방사방향이 일정하게 되어 게인이 높아지며 백로브를 낮추는 효과를 동시에 얻을 수가 있게 된다.

원편파 특성을 얻기 위하여 유전체기판 위에 인접하는 두 주파수가 하나의 라디에이터에 공진되게끔 하는 라디에이터를 형성하고, 하나의 급전점으로 두 주파수에 동시에 공진특성을 가지게 하는 급전점을 설정하고, 두 공진주파수의 공진특성 및 위상특성이 일정하게 하여 광대역 원편파를 발생시키는 안테나를 구현하고자 한다.

유전체기판 위에 형성하는 패치 안테나의 효율은 유전체기판의 유전손실에 기인하는데, 유전율이 높을수록 소형화가 가능하지만 유전손실 때문에 효율이 낮아지고 게인이 낮아지게 된다. 유전체기판의 유전손실을 줄이기 위해 패치 안테나를 에칭하는 유전체기판의 두께를 얇은 박막으로 하고, 상기 라디에이터가 인쇄된 박막 밑에 공기층을 두고 라디에이터의 그라운드판을 배치하여, 유전체기판의 유전체층에서 발생하던 전계의 발생을 공기층에서 발생하게 하여 유전손실을 줄여 전계의 발산 효율을 높게 한다.

라디에이터와 공기층 밑의 그라운드판 밑에는 다시 라디에이터에 급전하기 위한 급전선로를 패턴 인쇄하여 급전선로를 구성함으로써 전체 안테나를 구현한다. 이로 인하여 기존의 유전체기판을 사용하는 패치 안테나에서 발생하는 유전손실을 본 발명의 경우에는 공기로 대체하게 함으로써 유전손실이 거의 발생하지 않아 안테나의 효율을 최대한으로 높일 수가 있게 된다. 또한 라디에이터가 패턴 인쇄되는 유전체기판은 라디에이터의 고정 및 라디에이터에서 발생하는 전계를 공기층 간격후의 그라운드판과 더불어 전계의 방향을 일정하게 유지하게 하여 게인을 높이고 백로브를 낮추는데 도움을 주게 된다.

유전체기판 위에 인쇄하는 하나의 사각 라디에이터로 인접하는 2주파수에 공진하기 위하여, 2주파수에 해당하는 공진길이 W 및 L 로 가로/세로 길이를 가지는 라디에이터를 형성하고, 공진기 길이 L 및 W 모두에 효율 높게 급전할 수 있는 하 나의 급전점을 설정하여 급전한다. 하나의 라디에이터의 가로/세로 길이 W 및 L 로 구현하는 공진기로 인접하는 두 주파수에 공진이 되게 하고, W 및 L 면의 사선으로 두 주파수에 고르게 공진되는 하나의 급전점을 형성하여, 2주파수의 공진특성이 일정하고 위상차이가 고르게 발생하게 하는 광대역 원편파를 만들게 한다.

기존의 유전율이 4.5 정도의 유전체기판을 사용하는 패치 안테나에서 발생하는 유전손실을 본 발명의 경우에는 유전율이 거의 1 에 가까운 공기로 대체함으로써 유전손실이 거의 발생하지 않아 안테나의 효율을 최대한으로 높일 수가 있게 된다. 이로써 기존의 FR-4 기판을 사용하는 패치 안테나의 경우 전계 방사 효율이 30~40% 정도로 그치고, 주파수 비대역이 1~5% 이며 게인이 6dBi 이하인 것에 비하여, 본 발명에서는 동일한 FR-4 기판을 사용하여 1개의 패치 안테나를 구현하고 라디에이터 기판층과 선로층 사이에 공기층 갭을 넣어 전계 방사 효율을 95% 이상 얻을 수가 있었으며, 인접하는 2개의 주파수에서 고르게 삽입손실이 발생하였으며 위상 차이도 -60도에서 +60 정도로 일정한 위상 차이를 보였고, 일정한 위상을 가져 원편파를 발생하는 주파수 비대역을 10% 이상으로 넓게 얻을 수가 있었으며, 게인을 8dBi 이상, 발생한 원편파의 편파비가 15dB 이상 차이가 나는 깨끗한 원편파를 발생시키며, 메인로브 대비 백로브를 -22dB 이상 낮추는 우수한 결과를 얻을 수가 있었다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 실시 예를 나타낸 도면이다. 실시 예에서는 현재 서비스 중인 908~914MHz 대역의 RFID 용 Reader 기에 사용되는 안테나를 설계 제작함으로써 본 발명의 유효성을 증명하였다. 실시 예에서, 얇은 박막의 라디에이터용 유전체기판(10) 위에 동박의 라디에이터(11)를 에칭기법으로 구현하고, 라디에이터 4면의 각 가로/세로 면을 911MHz 대역의 인근 주파수인 890MHz와 940MHz에 공진하는 길이의 W 와 L 를 정하여 에칭하고, 라디에이터(11)의 사선위치에 라디에이터급전점(12)을 만든다. 상기 라디에이터용 유전체기판(10)을 제작하고, 일정한 공기층 d 를 가진 후에 선로용 유전체기판(20)을 배치한다. 간격 d 와 접하는 선로용 유전체기판(20)의 윗면(21)에는 동박을 형성하여 선로용 유전체기판(20)의 선로용 그라운드판(22)관 스루홀(23)로 결합시킨다. 이로써 라디에이터용 유전체기판(10)의 라디에이터(11)와 선로용 유전체기판(20)의 라디에이터용 그라운드판(21) 사이에는 간격 d 를 가지는 공기층이 만들어지고 이 사이에서 전계가 발산됨으로 인해, 기존의 유전체기판 위에 형성되어 있는 패치 안테나에서의 유전손실 부분이 없어지게 되어 고효율의 방사가 이루어지게 된다. 뿐만 아니라, 라디에이터(11)가 에칭된 라디에이터용 유전체기판(10)은 일정 간격 d 밑의 라디에이터용 그라운드판(21)과 더불어 라디에이터에서 방사되는 전계를 일정하게 펴주는 역할을 하게 되어, 전계가 고르게 펴짐으로 인해 게인이 상승되고, 메인로브 대비 백로브의 비를 높여주는 역할을 하게 된다.

라디에이터용 유전체기판(10) 위에 에칭된 라디에이터(11)의 L 면과 W 면에 의하여 두 개의 주파수가 공진이 되는데, 이 두 주파수를 사용주파수의 윗부분과 아랫부분에 공진이 되게 하고, 두 공진주파수 사이에 사용할 주파수가 위치하게 하여 도 5와 같이 위상변화를 일정하게 유지하여 주파수 변화에 일정한 원편파를 발생시키게 한다.

도 3과 같이 라디에이터용 유전체기판(10)에 패턴 인쇄되어 있는 복수개의 라디에이터(11)에 급전하기 위해서는 선로용 유전체기판(20)의 뒷면에 그라운드코플레이너선로(25, 28, 29-1)를 형성하고, 입력포트(24)에서 들어오는 입력신호를 바로 입력하거나, 라디에이터가 복수개 있을 경우에는 그라운드코플레이너선로와 T분배기(26)를 통하여 1/2 로 분배하고 다시 선로(28)를 통하여 신호를 전송하고 T분배기(29)를 통하여 1/4 로 분배한 후에 패치 안테나의 선로 급전점(27)으로 가져와 급전점 연결핀(31)을 통하여 라디에이터(11) 위의 라디에이터 급전점(12)으로 연결한다. 이러한 분배기는 T분배기 이외에도 윌킨스 디바이드를 이용하여 보다 광대역 특성을 가지는 분배기를 사용함으로 인하여 안테나의 비대역을 더 넓게 할 수가 있게 된다.

라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이에는 일정간격 d 를 유지하기 위하여 각 유전체기판(10, 20)의 외곽에는 기판지지용 연결핀(35)을 납땜 등으로 라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20)을 붙여 간격을 유지하게 한다. 이 간격을 유지하기 위하여 기판지지용 연결핀(35) 이외에도 플라스틱이나 금속재료를 이용하여 지지용 슬라이드를 만들어 끼워 넣으므로 인하여 쉽게 간격을 유지할 수가 있다.

상기 방법으로 도 1과 같이 FR-4 유전체기판을 사용하여 908~914MHz 대역의 RFID 용 Reader 기 안테나를 설계한 과정과 결과를 예시한다. 라디에이터용 유전체기판(10)으로는 두께 0.8mm 의 FR-4 유전체기판을 사용하였으며 선로용 유전체기판(20)도 동일한 사양의 재료를 사용하여 150×150mm 사이즈에 L 면의 길이를 145mm, W 면의 길이를 135mm 로 하는 1개의 라디에이터(11)를 에칭기법으로 형성하고 공기층 간격을 10mm 로 하여 라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 지름 2mm 의 기판지지용 연결핀(35)으로 연결하고, 입력포트(24)에서 들어오는 신호를 급전점 연결핀(31)을 통하여 라디에이터 급전점(12)과 납땜으로 연결시켜 안테나를 제작하였다. 라디에이터의 각 면의 길이 L 및 W 는 RFID 용으로 사용하는 911MHz 대역의 위(上) 주파수인 940MHz와 아래(下) 주파수인 890MHz를 공진하기 위하여 L 길이 145mm 와 W 길이 135mm 로 설정되었다. 이로써 두 공진주파수는 도 4와 같이 890MHz와 940MHz로서 이 두 공진주파수에서 공진특성이 일어나고 상기 두 공진 주파수 사이에는 위상차이가 발생하여 원편파를 발생시킬 수 있다. RFID 용으로 사용되는 주파수는 911MHz로서 상기 두 공진주파수 890MHz와 940MHz 이내에 포함되기 때문에 도 5와 같이 위상 차이가 일정한 원편파를 얻을 수가 있으며 위상 차이가 일정한 대역은 도 5와 같이 910MHz에서 930MHz 로 대역이 20MHz 이상 되어, 표 2와 같이 사용 대역이 모두 일정한 위상 차이를 가지는 대역에 포함되어 우(右)원편파와 좌(左)원편파의 게인 차이가 15dB 이상 되는, 편파 특성이 명확한 좌원편파(LHCP) 안테나를 구현할 수가 있다. 상기 방법과 같이 우원편파(RHCP) 안테나도 도 2와 같이 사각 라디에이터(11)의 가로/세로인 W과 L를 서로 바꾸어 배치함으로 인해 동등한 특성을 얻는 안테나(RHCP)를 구현할 수가 있다.

상기 안테나의 특성을 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 표 1 및 표 2와 같은 결과를 얻을 수가 있었다. 표 1에서와 같이 911MHz RFID 대역에서 S11 이 -10dB 기준으 로 주파수 비대역이 95MHz 로 10%를 초과하는 특성을 얻을 수가 있었으며, 표 2에서와 같이 게인을 8dBi 이상 얻어졌으며 방사 효율도 95% 이상 얻어짐을 확인할 수가 있으며, 좌원편파를 발생할 시 우원편파가 발생되는 비율인 편파비도 15dB 이상 얻어져 깨끗한 편파특성을 얻을 수가 있었으며, F-B Ratio 도 -22dB 정도 우수한 특성을 얻을 수가 있었다. 설계한 안테나의 3차원 방사특성 및 2차원 특성을 도 6에서 확인할 수가 있다.

또한, 보다 높은 게인의 안테나를 제작하기 위해서 상기 방법으로 도 3과 같이 300×300mm 사이즈의 FR-4 유전체기판 위에 2×2(4)개의 라디에이터를 형성하여 공기층을 10mm 로 하고 밑의 선로용 유전체기판에는 입력포트에서 들어오는 신호를 그라운드코플레이너선로와 T분배기를 통하여 1/2 분배, 1/4 분배를 연속으로 하여 선로용 유전체기판(20) 상의 선로 급전점(27)으로 가져와 급전점 연결핀(31)을 통하여 라디에이터 급전점(12)와 납땜으로 연결한다. 이로써 4 개의 라디에이터에서 방사되는 안테나는 게인을 14dBi 정도 얻을 수가 있다. 더 높은 게인을 얻기 위해서는 라디에이터의 수를 4×4, 8×8 등으로 증가 시키게 되면 게인이 18dBi 이상의 안테나를 구현할 수가 있다.

안테나 S11 특성

	주파수 특성	대역
-10dB	865 (Mhz) ~ 960 (Mhz)	95 Mhz
-15dB	875 (Mhz) ~ 950 (Mhz)	75 Mhz

주파수별 안테나 게인 및 효율, 편파비

주파수(MHz)	902	904	906	908	910	912	914	916	918	920
RHCP Gain(dBi)	-7	-9	-11.8	-15.2	-17.8	-16	-12.5	-9.7	-7.6	-5.9
LHCP Gain(dBi)	8.4	8.5	8.6	8.6	8.6	8.6	8.6	8.6	8.5	8.5
편파비(dB)	15.4	17.5	20.4	23.8	26.4	24.6	21.1	18.3	16.1	14.4

본 발명으로 고효율의 광대역 원편파 안테나를 구현할 수가 있어, 일반적인 RFID 용의 Reader 기 및 고속도로 톨게이트, 항만, 물류 등의 좁은 빔이 필요한 RFID 용의 효율적인 안테나로 사용이 가능하다.

도 1 : 1개 라디에이터 원편파(LHCP) 패치 안테나의 윗면, 아래면, 측면도

도 2 : 1개 라디에이터 원편파(RHCP) 패치 안테나의 윗면, 아래면, 측면도

도 3 : 2×2 라디에이터 원편파(LHCP) 패치 안테나의 윗면, 아래면, 사시도

도 4 : 1개 라디에이터 원편파(LHCP) 패치 안테나의 S11 특성

도 5 : 1개 라디에이터 원편파(LHCP) 패치 안테나의 인접 두 주파수 사이의 위상차이 특성

도 6 : 1개 라디에이터 원편파(LHCP) 패치 안테나의 3차원 방사패턴 및 원편파(RHCP/LHCP) 2차원 방사패턴 시뮬레이션 결과

도 7 : 1개 라디에이터 원편파(LHCP) 패치 안테나의 각도별 전계 회전 시뮬레이션 결과

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

10 : 라디에이터용 유전체기판, 11 : 라디에이터, 12 : 라디에이터 급전점
13 : 컷팅면, 14 : 기판지지 연결핀용 홀

삭제

20 : 선로용 유전체기판, 21 : 라디에이터용 그라운드판, 22 : 선로용 그라운드판

23 : 연결용 스루홀, 24 : 입력포트, 25, 28, 29-1 : 그라운드코플레이너선로

26, 29 : T 분배기, 27 : 선로 급전점

30 : 매칭 조절용 스터브, 31 : 급전점 연결핀, 35 : 기판지지용 연결핀

Claims

원편파(RHCP, LHCP) 패치 안테나에 있어서,

라디에이터(11)를 형성하는 라디에이터용 유전체기판(10);

포트 신호전송용 선로용 유전체기판(20); 및

상기 라디에이터(11)는 직사각형으로 형성하고, 일면의 길이는 타면의 길이의 ±5~12% 이내로 하고,

상기 라디에이터(11) 상에 라디에이터 급전점(12)을 직사각형의 대각선 방향으로 형성하고,

상기 선로용 유전체기판(20)에는 입력포트(24)로 구성되고,

선로용 유전체기판(20) 상의 선로 급전점(27)과 라디에이터(11) 상의 라디에이터 급전점(12)을 연결하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 라디에이터(11) 위에 설정하는 라디에이터 급전점(12)을 라디에이터의 대각선 방향 혹은 대각선 인근 방향으로 급전점을 설정하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

선로용 유전체기판(20) 위에 입력포트(24)에서 각 선로 급전점(27)으로 연결하기 위하여 그라운드코플레이너선로 혹은 마이크로스트립선로로 구현하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

선로용 유전체기판(20) 위에 입력포트(24)에서 각 선로 급전점(27)으로 연결하기 위하여 그라운드코플레이너선로 혹은 마이크로스트립선로에 매칭조절용 쇼트스터브 혹은 오픈스터브를 넣는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

라디에이터용 유전체기판(10) 위에 라디에이터(11)를 1개 혹은 2개 이상 복수개로 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

선로용 유전체기판(20)에 형성하는 그라운드코플레이너선로(25, 28, 29-1) 주위의 선로용 그라운드판(22)과 선로용 유전체기판(20)의 라디에이터용 그라운드판(21)을 일정간격으로 스루홀(23)을 가공하여 연결하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이는 일정간격 d 를 유지하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

선로용 유전체기판(20)의 입력포트(24)에서 인입되는 신호를 1/2 분배 혹은 1/4 분배하기 위하여 T분배기(26, 29) 혹은 윌킨스 디바이드로 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 일정간격 d 를 유지하기 위하여 플라스틱 혹은 금속재질의 스탠드로 고정하여 지지하는 것을 특징으로 하는 고효율 광대역 원편파 패치 안테나.