KR101025910B1 - 광대역 위상 배열용 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기판; 상기 기판의 일면에 설치되는 방사 패치; 상기 기판의 타면으로부터 연장되어 상기 방사 패치에 접속되는 급전 포트; 및 상기 기판의 타면으로부터 연장되어 용량성 결합에 의해 상기 방사 패치와 접속되는 신호 검출용 포트를 포함하고, 상기 신호 검출용 포트는 상기 방사 패치를 통해 방사되는 출력 신호를 검출하는 광대역 위상 배열용 패치 안테나를 개시한다. 상기와 같이 구성된 광대역 위상 배열용 패치 안테나는 별도의 결합기나 출력 신호 검출용 안테나를 설치하지 않더라도, 방사 패치와 용량성 결합을 이루는 신호 검출용 포트를 통해 출력 신호를 검출함으로써, 안테나 장치의 보정이 용이하고, 방사 패치의 반사 손실 특성이나 대역폭의 향상에 기여할 수 있다.

Description

광대역 위상 배열용 패치 안테나 {BROADBAND PHASE ARRAY PATCH ANTENNA}

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히, 평면형 역-F 안테나(planar inverted-F antenna) 구조를 이용한 평면 패치 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 안테나 장치는 방송 장비, 휴대 통신 장치, 위성 통신 장치, 운송, 군사 목적의 레이더 장치 등, 통신 기기나 관측, 감시 장비에 장착되어 무선 신호를 송수신함으로써, 상대측과 통신을 하거나, 관측, 감시용으로 이용될 수 있다.

이러한 안테나 장치들은, 작동 중 별도의 보정을 요구하지 않는 것이 일반적이지만, 위성 통신, 이동통신 기지국, 운송, 군사 목적의 레이더 장치 등에서는 능동형 위상 배열 안테나를 설치하여, 안테나 장치의 정상 동작 유무를 검출하여 필요에 따라 보정을 실시하기도 한다.

도 1은 통상의 평면형 역-F 안테나의 구조(10a)를 도시하고 있다. 이러한 평면형 역-F 안테나(10a)는 대체로 제작 과정에 이미 장착될 제품이나 장비에 최적화되어 별도의 보정이 필요없으며, 휴대 통신 장치와 같이 비교적 사용 환경에 큰 변화 없는 조건에서 사용되는 제품에 탑재된다.

상기 평면형 역-F 안테나(10a)는 방사 도체(12)와 그라운드(14)를 서로 평행하게 배치한 상태에서 단락 배선(13)을 이용하여 상기 방사 도체(12)를 상기 그라운드(14)에 접지시키고, 상기 그라운드(14)를 관통하게 배치된 급전선(11)을 통해 상기 방사 도체(12)에 신호 전력이 공급된다.

그러나 이러한 평면형 역-F 안테나는, 앞서 언급한 바와 같이, 일정한 사용 환경 조건을 고려하여 제작되기 때문에, 위성 통신 안테나, 이동통신 기지국용 안테나, 군사 목적의 레이더 장치와 같이 사용 환경이 다양하게 변화되는 조건에서는 적절한 성능을 발휘하기 어렵다는 단점이 있다.

도 2는 통상적인 능동형 위상 배열 안테나의 예로서, 프로브 급전형 평면 패치 안테나(10b)를 도시하고 있다. 상기 평면 패치 안테나(10b)는 유전체 기판(18)의 일면에 방사 패치(17)를, 타면에 그라운드(19)를 각각 설치하고, 상기 유전체 기판(18)을 관통하는 급전선(16)을 설치한 구조이다.

이러한 능동형 위상 배열 안테나는 상기 방사 패치(17)를 구성하는 개별 복사 소자에 반도체 송수신기가 연결되어 각 소자 채널별 보정 과정을 수행하게 된다. 이때, 각 소자 채널별 보정을 수행하기 위해서는 안테나의 출력 신호 검출을 위해 반도체 송수신기에 별도의 결합기를 설치하거나 상기 평면 패치 안테나(10b)와는 별도로 출력 신호 검출용 안테나를 추가해야만 한다. 그러나 별도의 결합기나 출력 신호 검출용 안테나를 설치하는 것은 안테나의 소형화에 장애가 될 뿐만 아니라, 커넥터 등의 추가로 인한 결합 손실 등으로 인해 안테나 장치의 출력 신호를 정확하게 검출하기 어렵다는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 결합 손실 등을 최소화함으로써, 출력 신호를 정확하게 검출하여 보정 과정을 수행할 수 있는 광대역 위상 배열용 패치 안테나를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 송수신 주파수 대역을 확장할 수 있는 광대역 위상 배열용 패치 안테나를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 보정을 위한 별도의 결합기나 출력 신호 검출용 안테나를 설치하지 않더라도 출력 신호를 검출할 수 있게 함으로써 소형화된 광대역 위상 배열용 패치 안테나를 제공하고자 한다.

따라서 본 발명은, 기판; 상기 기판의 일면에 설치되는 방사 패치; 상기 기판의 타면으로부터 연장되어 상기 방사 패치에 접속되는 급전 포트; 및 상기 기판의 타면으로부터 연장되어 용량성 결합에 의해 상기 방사 패치와 접속되는 신호 검출용 포트를 포함하고,

상기 신호 검출용 포트는 상기 방사 패치를 통해 방사되는 출력 신호를 검출하는 광대역 위상 배열용 패치 안테나를 개시한다.

이때, 상기 신호 검출용 포트는, 상기 기판의 타면으로부터 상기 방사 패치를 향해 연장되는 신호 라인; 및 상기 신호 라인의 단부에 설치되며, 상기 방사 패치에 대면하게 배치되는 용량성 패치를 포함할 수 있다.

또한, 상기 급전 포트는, 상기 기판의 타면으로부터 상기 방사 패치를 향해 연장되는 급전선; 및 상기 급전선의 단부에 설치되며, 상기 방사 패치에 대면하게 배치되는 용량성 패치를 포함할 수 있다.

이러한 광대역 위상 배열용 패치 안테나에서, 상기 급전 포트와 신호 검출용 포트는 서로 나란하게 배치되며, 각각에 제공되는 급전선과 신호 라인이 서로 평행하게 연장됨이 바람직하다.

아울러, 상기 광대역 위상 배열용 패치 안테나는 상기 기판의 타면에 제공되는 그라운드를 더 구비할 수 있다.

이때, 상기 기판은 제1 마이크로스트립 기판과, 상기 제1 마이크로스트립 기판에 적층된 제2 마이크로스트립 기판을 포함하며, 상기 방사 패치는 상기 제1 마이크로스트립 기판의 표면에 설치될 수 있다.

이러한 광대역 위상 배열용 패치 안테나에서, 상기 급전 포트는, 상기 기판의 타면으로부터 상기 방사 패치를 향해 연장되는 급전선; 및 상기 급전선의 단부에 설치되며, 상기 방사 패치에 대면하게 배치되는 용량성 패치를 포함하고, 상기 용량성 패치는 상기 제1, 제2 마이크로스트립 기판의 경계면에 배치됨이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 광대역 위상 배열용 패치 안테나는 별도의 결합기나 출력 신호 검출용 안테나를 설치하지 않더라도, 방사 패치와 용량성 결합을 이루는 신호 검출용 포트를 통해 출력 신호를 검출함으로써, 안테나 장치의 보정을 용이하게 수행할 수 있다. 따라서 결합기나 출력 신호 검출용 안테나 설치에 따르는 커넥터의 수를 줄일 수 있으므로, 출력 신호를 더 정확하게 검출할 수 있으며, 방사 패치의 반사 손실 특성이나 대역폭의 향상에 기여할 수 있다. 또한, 별도의 결합기나 출력 신호 검출용 안테나를 설치할 필요가 없으므로, 안테나 장치의 소형화에 유리한 장점이 있다.

도 1은 통상의 평면형 역-F 안테나 구조를 나타내는 구성도,
도 2는 통상의 평면 패치 안테나 구조를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광대역 위상 배열용 패치 안테나 구조를 나타내는 구성도,
도 4는 도 3에 도시된 광대역 위상 배열용 패치 안테나의 상면과 하면을 나타내는 도면,
도 5는 도 3에 도시된 광대역 위상 배열용 패치 안테나의 광대역성을 설명하기 위한 그래프,
도 6은 도 3에 도시된 광대역 위상 배열용 패치 안테나의 신호 검출용 포트 길이에 따른 결합 양을 설명하기 위한 그래프,
도 7 내지 도 12는 통상의 평면 패치 안테나의 방사 패턴을 주파수 대역별로 각각 나타내는 그래프들,
도 13 내지 도 18은 도 3에 도시된 광대역 위상 배열용 패치 안테나의 방사 패턴을 주파수 대역별로 각각 나타내는 그래프들.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광대역 위상 배열용 패치 안테나(이하, '패치 안테나'라 함)(20)는 능동형 위상 배열 안테나로서, 기판, 상기 기판의 일면에 설치되는 방사 패치(24), 상기 방사 패치(24)에 신호 전력을 제공하기 위한 급전 포트(21), 상기 방사 패치(24)의 출력 신호를 검출하기 위한 신호 검출용 포트(22)를 구비한다. 상기 급전 포트(21)와 신호 검출용 포트(22)는 상기 기판 상에서 나란하게 배치된다.

이때, 상기 기판은 제1, 제2 마이크로스트립 기판(25, 26)이 적층된 구조로 이루어지며, 상기 방사 패치(24)는 상기 제1 마이크로스트립 기판(25)의 표면에 설치된다. 상기 패치 안테나(20)는 상기 기판의 타면, 다시 말해서, 상기 제2 마이크로스트립 기판(26)의 표면에 제공되는 그라운드(27)를 구비함이 바람직하다.

상기 급전 포트(21)는, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 방사 패치(24)에 신호 전력을 제공하기 위한 것으로서, 상기 기판의 타면으로부터 상기 방사 패치(24)를 향해 연장되는 급전선(211)과, 상기 급전선(211)의 단부에 설치되는 용량성 패치(212)를 구비한다. 다만, 상기 급전선(211)이 상기 방사 패치(24)에 직접 접속될 수 있으며, 본 실시 예에서는 상기 급전선(211)과 방사 패치(24)를 직접 접속하지 않고, 상기 용량성 패치(212)를 상기 방사 패치(24)에 대면하게 설치함으로써, 상기 용량성 패치(212)와 방사 패치(24) 사이에 용량성 결합을 형성하여 접속시키게 된다. 이로써, 상기 방사 패치(24)는 상기 급전 포트(21)를 통해 신호 전력을 제공받게 된다. 상기 급전 포트(21)는 상기 기판의 타면에 설치되는 별도의 커넥터를 구비할 수 있다. 한편, 상기 용량성 패치(212)는 상기 제1, 제2 마이크로스트립 기판(25, 26)의 경계면 상에 설치될 수 있다.

상기 신호 검출용 포트(22)는, 상기 기판의 타면, 다시 말해서, 상기 제2 마이크로스트립 기판(26)의 표면으로부터 상기 방사 패치(24)를 향해 연장되는 신호 라인(221)과, 상기 신호 라인(221)의 단부에 설치되는 또 다른 용량성 패치(222)를 구비한다. 상기 신호 라인(221)은 상기 급전선(211)과 평행하게 설치될 수 있다. 상기 신호 라인(221)에 설치된 용량성 패치(222)는 상기 방사 패치(24)에 대면하게 배치되어 상기 방사 패치(24)와 용량성 결합을 형성하게 된다. 상기 방사 패치(24)에 신호 전력이 제공되면, 상기 신호 검출용 포트(22)는 상기 방사 패치(24)와 용량성 패치(222)의 용량성 결합을 통해 상기 방사 패치(24)의 출력 신호를 검출할 수 있게 된다. 상기 신호 검출용 포트(22)는 상기 제2 마이크로스트립 기판(26)의 표면 상에 설치되는 커넥터를 구비할 수 있다.

상기 기판 내에서 상기 신호 검출용 포트(22), 구체적으로 상기 신호 라인(221)이 연장된 길이에 따라 상기 용량성 패치(222)와 방사 패치(24) 사이의 간격이 조절된다. 즉, 상기 기판 내에서 상기 신호 검출용 포트(22)의 길이에 따라 상기 용량성 패치(222)와 방사 패치(24) 사이의 결합 양이 조절되는 것이다. 상기 신호 검출용 포트(22)가 상기 기판 내에서 연장되는 길이는 제작될 장비의 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

도 6은 상기 신호 검출용 포트(22)의 길이(h)를 동작 주파수 파장의 0.08배에서 0.13배까지 0.01배 단위로 변화시키면서 상기 용량성 패치(222)와 방사 패치(24) 사이의 결합 양을 측정한 그래프를 도시하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 신호 검출용 포트(22)의 길이(h)가 길어짐에 따라, 즉, 상기 용량성 패치(222)가 상기 방사 패치(24)에 근접함에 따라 대체로 상기 용량성 패치(222)와 방사 패치(24) 사이의 결합 양이 증가됨을 알 수 있다.

이때, 상기 용량성 패치(222)와 방사 패치(24) 사이의 결합 양은 특정 값으로 제한될 필요는 없다. 다시 말해서, 상기 방사 패치(24)에 공급되는 신호 전력의 조절 정도를 판단하는데 필요한 최소한의 신호만을 검출하면 되기 때문에, 상기 신호 검출용 포트(22)의 길이(h)는 실제 제품 제작 단계에서 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.

도 5는 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치하기 전, 후에 상기 패치 안테나(20)의 반사 손실을 측정한 그래프를 도시하고 있다. 도 5에서, 참조번호 '1'은 상기 신호 검출용 포트를 설치하기 전에 상기 패치 안테나(20)의 반사 손실을, 참조번호 '2'는 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치한 후 상기 패치 안테나(20)의 반사 손실을 각각 측정한 값을 나타내는 그래프이다. 이때, 상기 신호 검출용 포트(22)의 길이(h)를 동작 주파수 파장의 0.11배로 설정하고, 상기 패치 안테나(20)의 반사 손실을 측정하였다. 아울러, 도 7 내지 도 12는 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치하기 전에 상기 패치 안테나(20)의 방사 패턴을 주파수 대역별로 측정한 그래프를 각각 도시하고 있으며, 도 13 내지 도 18은 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치한 후에 상기 패치 안테나(20)의 방사 패턴을 주파수 대역별로 측정한 그래프를 각각 도시하고 있다.

통상적으로 패치 안테나의 반사 손실이 -14dB 이하일 때 사용 가능한 것으로 판정된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치하기 전에는 대략 8.9~10.1GHz의 주파수 범위에서, 설치한 후에는 8.7~10.3GHz의 주파수 범위에서 반사 손실이 -14dB 이하인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치함으로써, 단지 상기 방사 패치(24)의 출력 신호를 검출하는 것뿐만 아니라, 상기 패치 안테나(20)의 동작 주파수 대역을 확장하는데에도 기여할 수 있는 것이다.

아울러, 도 7 내지 도 18에 도시된 그래프들을 비교해 보면, 예를 들어, 도 8과 도 14에 각각 도시된 그래프를 통해 9GHz 대역에서 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치하기 전, 후의 방사 패턴을 비교해 보면, 방사 파워나 방사 방향 등에 있어서 실질적으로 큰 변화가 없음을 알 수 있다.

결과적으로, 상기 신호 검출용 포트(22)를 설치함으로써, 동일한 형태의 평면 패치 안테나의 대역폭을 향상시키면서, 방사 특성은 일정하게 유지할 수 있는 것이다. 이때, 상기 신호 검출용 포트(22)를 통해 상기 방사 패치(24)의 출력 신호를 검출하는 것뿐만 아니라, 상기 급전 포트(21)와 신호 검출용 포트(22) 각각에 제공된 용량성 패치(212, 222)는 그 크기와 상기 방사 패치(24)까지의 거리를 조절함으로써 임피던스 매칭에도 이용할 수 있다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

예를 들어, 본 발명의 구체적인 실시 예에서는 능동형 위상 배열 안테나에 신호 검출용 포트를 설치한 예를 개시하고 있지만, 이동통신 단말기 등에 적용된 평면형 역-F 안테나나 수동형 위상 배열 안테나에도 신호 검출용 포트를 설치할 수 있으며, 이를 통해 해당 안테나들의 보정을 용이하게 함으로서 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.

20: 광대역 위상 배열 안테나 21: 급전 포트
22: 신호 검출용 포트 211, 222: 용량성 패치
24: 방사 패치 25, 26: 제1, 제2 마이크로스트립 기판

Claims (7)

1. 제1 마이크로스트립 기판과, 상기 제1 마이크로스트립 기판에 적층된 제2 마이크로스트립 기판을 포함하는 기판;
   상기 기판의 일면을 이루는 상기 제1 마이크로스트립 기판의 표면에 설치되는 방사 패치;
   상기 기판의 타면으로부터 상기 방사 패치를 향해 연장되는 급전선과, 상기 급전선의 단부에 설치되면서 상기 제1, 제2 마이크로스트립 기판의 경계면에 배치되어 상기 방사 패치에 대면하는 용량성 패치를 포함하고, 상기 용량성 패치가 용량성 결합에 의해 상기 방사 패치와 접속되는 급전 포트; 및
   상기 기판의 타면으로부터 상기 방사 패치를 향해 연장되는 신호 라인과, 상기 신호 라인의 단부에 설치되면서 상기 제2 마이크로스트립 기판의 내부에 위치되어 상기 방사 패치에 대면하는 또 다른 용량성 패치를 포함하고, 상기 또 다른 용량성 패치가 용량성 결합에 의해 상기 방사 패치와 접속되는 신호 검출용 포트를 포함하고,
   상기 신호 검출용 포트는 상기 방사 패치를 통해 방사되는 출력 신호를 검출함을 특징으로 하는 광대역 위상 배열용 패치 안테나.
   
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3. 삭제
4. 제1 항에 있어서, 상기 급전 포트와 신호 검출용 포트는 서로 나란하게 배치되며, 각각에 제공되는 급전선과 신호 라인이 서로 평행하게 연장됨을 특징으로 하는 광대역 위상 배열용 패치 안테나.
   
5. 제1 항에 있어서, 상기 기판의 타면에 제공되는 그라운드를 더 구비함을 특징으로 하는 광대역 위상 배열용 패치 안테나.
   
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