KR101087288B1 - 위성통신용 원형 편파 안테나 - Google Patents

위성통신용 원형 편파 안테나 Download PDF

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Abstract

유전체 내부 삽입형 도파관을 이용한 급전 방법을 이용하고, 단일 유전체 기판에 집적가능한 도파관 형태의 소형 안테나를 제공함으로써, 위성 통신의 높은 주파수 대역에서의 급전 손실을 최소화하고 원형 편파 특성과 임피던스 정합 네트워크가 집적되어 광대역의 임피던스 대역폭을 가지는 위성통신용 원형 편파 안테나가 개시된다.
개시된 위성통신용 원형 편파 안테나는, 원통형 캐비티 형태의 제1 배열 비아가 형성된 유전체 기판과; 상기 원통형 캐비티의 중심에 위치하고, 상기 유전체 기판상에 형성되어 신호를 방사하는 마이크로스트립 원형 패치 안테나와; 상기 신호를 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나에 급전시키며, 제2 배열 비아를 구비한 구형 유전체 내부 삽입형 도파관을 포함하여 위성통신용 원형 편파 안테나를 구현함으로써, 기판에 형성된 마이크로스트립 안테나의 임피던스와 유전체 내부 삽입형 도파관 급전구조의 임피던스 부정합을 해결하고, 안테나의 임피던스 대역폭을 향상시키게 된다.
원통형 캐비티, 마이크로스트립 안테나, 배열 비아, 유전체 내부 삽입형 도 파관

Description

위성통신용 원형 편파 안테나{Circular polarized antenna using satellite communication}
본 발명은 위성통신용 원형 편파 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유전체 내부 삽입형 도파관을 이용한 급전 방법을 이용하고, 단일 유전체 기판에 집적가능한 도파관 형태의 소형 안테나를 제공함으로써, 위성 통신의 높은 주파수 대역에서의 급전 손실을 최소화하고 원형 편파 특성과 임피던스 정합 네트워크가 집적되어 광대역의 입력 임피던스 대역폭을 가지는 위성통신용 원형 편파 안테나에 관한 것이다.
위성에 탑재되어 사용되는 안테나의 경우 안정된 이득 특성과 원형 편파 특성, 그리고 빔 폭이 요구되며, 우주환경에서도 안정된 특성을 보일 수 있도록 열 내성이 강해야 하며 진동 및 외부 충격에도 안테나에 물리적인 손상이 가지 않도록 견고하고 가볍게 설계되어야 한다.
또한, X-band(8~12GHz) 이상의 주파수 대역에서 사용되는 안테나의 급전 네트워크의 경우 선로 손실을 최소화하는 것이 중요한 관점이다.
마이크로스트립 단일 패치 안테나 및 배열 안테나에 사용되는 급전 네트워크의 경우 유전체 기판에 구현 가능한 마이크로스트립(Microstrip)이나 스트립(Strip) 선로가 사용되어 왔다. 낮은 손실 규격을 엄격하게 요구하는 위성 탑재 안테나의 경우, 상기의 마이크로스트립이나 스트립 선로를 대신하고 금속 도파관(Waveguide)을 이용함으로써 에너지 전송의 효율을 극대화할 수 있었다. 단, 금속 도파관의 경우 무게가 무겁고 부피가 큰 단점이 있다.
비아 배열 구조로 금속 벽을 생성하여 유전체 기판에 집적될 수 있는 구형 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 구현이 가능하다. 유전체 기판에 집적화된 도파관을 사용할 경우 낮은 전송 손실 특성을 비롯하여 경량의 도파관 구현이 가능하다.
최소한의 반사손실 특성을 확보하기 위해서는 원통 캐비티 형태(Cylindrical cavity-typed)의 마이크로스트립 패치 안테나와 유전체 내부 삽입형 도파관 급전 구조체 사이에 생기는 임피던스 부정합 현상을 해결하도록 임피던스 정합 네트워크가 반드시 필요하다.
상기와 같은 비아 배열 구조를 이용한 구형(Rectangular) 또는 원통형(Cylindrical) 캐비티 형태의 방사체 구현에 관련해서 논문[Guo Quing Luo, Planar slot antenna backed by substrate integrated waveguide cavity”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, 2008], 논문 [Guo Qing Luo, “Single probe fed cavity backed circularly polarized antenna”, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 50, no. 11, November, 2008]에 각각 제시 되어 있다.
상기 논문[Guo Quing Luo, “Planar slot antenna backed by substrate integrated waveguide cavity”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, 2008]의 경우 선형 편파 발생을 위한 일자형 슬롯을 이용한 안테나이며 마이크로스트립 선로 급전을 이용하여 선로에서 발생할 수 있는 방사 손실을 막기 어렵다. 또한, 임피던스 정합 구조가 없어 협대역의 임피던스 대역폭 특성을 나타내는 문제점이 있다.
상기 논문[Guo Qing Luo, “Single probe fed cavity backed circularly polarized antenna”, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 50, no. 11, November, 2008]의 경우 원형 편파 발생을 목적으로 십자형 슬롯을 구현하였으며, SMA 커넥터를 이용한 프로브 급전 방식을 택하였다. 원통 캐비티 형태를 구현하는 비아 배열로 모든 공간이 차폐되어 있어서 다중 급전을 이용한 배열 안테나로의 구현이 불가능한 단점이 있다. 또한, 상기 논문의 경우와 마찬가지로 임피던스 정합 네트워크의 부재로 -10dB 임피던스 대역폭을 기준으로 3.2%의 협대역 특성이 있어 400MHz 이상의 대역폭을 요구하는 X-band 위성 통신용으로 사용하기에 어려움이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 기존 통신용 안테나에서 발생하는 제반 문제점 을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유전체 내부 삽입형 도파관을 이용한 급전 방법을 이용하고, 단일 유전체 기판에 집적가능한 도파관 형태의 소형 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 위성 통신의 높은 주파수 대역에서의 급전 손실을 최소화하고 원형 편파 특성과 임피던스 정합 네트워크가 집적되어 광대역의 임피던스 대역폭을 가지는 위성통신용 원형 편파 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 기존의 마이크로스트립 원형 편파 안테나의 이득과 효율을 향상시키고, 단일 유전체 기판에 비아를 배열하여 원통형 캐비티 구조를 형성시킴으로써, 전체 안테나 부피를 최소화하고 경량화하여 최적의 위성통신용 원형 편파 안테나를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "위성통신용 원형 편파 안테나"는,
원통형 캐비티 구조의 제1 배열 비아가 형성된 유전체 기판과;
상기 원통형 캐비티 구조의 중심에 위치하고, 상기 유전체 기판상에 형성되어 신호를 방사하는 마이크로스트립 원형 패치 안테나와;
상기 신호를 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나에 급전시키는 구형 유전체 내부 삽입형 도파관을 포함한다.
상기 구형 유전체 내부 삽입형 도파관은 상기 유전체 기판상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위성통신용 원형 편파 안테나는,
상기 구형 유전체 내부 삽입형 도파관과 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나 간의 임피던스 매칭을 위해 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴 및 제3 배열 비아를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위성통신용 원형 편파 안테나는,
상기 유전체 기판의 상부에 위치하는 상판에 형성되어 신호를 입력받기 위한 마이크로스트립 선로를 포함하고,
상기 제2 배열 비아는, 상기 마이크로스트립 선로의 좌우에 상기 마이크로스트립 선로에 수평 하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 배열 비아는 상기 제2 배열 비아와는 수직하게 형성되며, 상기 마이크로스트립 선로의 좌측 또는 우측의 어느 한 방향에만 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상판에는 상기 마이크로스트립 선로의 일단에 연결되어 인입 신호를 상기 유전체 내부 삽입형 도파관에 전달하는 신호 천이부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나는, 동일한 크기의 서로 90°의 위상 차를 가지는 두 전기장을 형성시키기 위해, 특정 위치에 슬롯이 형성되며, 상 기 슬롯의 면적과 면적을 형성하는 가로길이 성분 W1, 세로길이 성분 W2 간의 길이 비율에 따라 축 비의 중심 주파수 및 순도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 안정된 이득 특성과 원형 편파 특성을 바탕으로 고속 데이터 통신을 위한 위성 배열 안테나에 사용될 수 있는 단일 소자 안테나를 설계할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 단일 기판에 소형의 원형 편파 발생 안테나를 집적할 수 있어서, 경량화가 가능하고, 구조적으로 결합이 많은 타 안테나에 비하여 단순한 구조의 평면형태의 안테나로 구현이 가능하여, 외부 진동에 강하고 우주환경에 적합한 형태의 위성통신용 원형 편파 안테나를 제공해주는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 유전체 기판의 낮은 두께로 생기는 협대역의 안테나 특성을, 내부에 집적 가능한 임피던스 정합 네트워크의 사용으로 해결함으로써, 광대역 안테나 특성을 제공해주는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 슬롯(Slot or Perturbation)이 적용된 원형 마이크로스트립 패치 안테나의 안정된 우수 원형 편파 특성의 확보가 가능하며, 슬롯의 위치 회전을 비롯하여 임피던스 정합 네트워크를 구성하는 비아 배열의 위치를 변화(좌측에서 우측으로) 시킴으로써 좌수 원형 편파(LHCP) 특성을 나타내는 안테나로의 변환이 용이한 장점을 가진다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명이 제시하는 안테나의 3차원 분해 사시도로서, 특히, X-band에서 동작하는 유전체 기판에 집적 가능한 원형 캐비티 형태의 위성통신용 원형 편파 안테나이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 캐비티 형태의 유전체 기판에 집적화된 위성통신 원형 편파 안테나는, 유전체 기판(5), 상기 유전체 기판(5)의 위에 형성되는 상판(1), 그리고 상기 유전체 기판(5)의 하부에 형성되는 하판(10)으로 구성된다.
유전체 기판(5)에는 제1 배열 비아(7)에 의해 형성된 원통형 캐비티 구조가 형성되고, 상기 원통형 캐비티 구조의 중심에는 신호 방사를 위한 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)가 구비된다. 여기서 원통형 캐비티 구조와 마이크로스트립 원형 패티 안테나(2)가 방사체의 역할을 한다.
또한, 유전체 기판(5)에는 제2 배열 비아(9)에 의해 형성된 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12)이 형성되며, 상기 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12)과 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2) 간의 임피던스를 정합시키기 위한 임피던스 정합 네트워크로 상판 에칭 패턴(3)과 제3 배열 비아(8)가 형성된다. 여기서 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12)과 상판 에칭 패턴(3) 및 제3 배열 비아(8)가 급전 역할을 한다.
또한, 유전체 기판(5)에는 상기 제2 배열 비아(9)와 수직하게 제3 배열 비아(8)가 형성되는 데, 이러한 제3 배열 비아(8)는 상기 유전체 내부 삽입형 도파관(12)의 좌측 또는 우측의 어느 한 방향에만 형성된다. 본 발명에서는 바람직하게 도2에 도시된 평면도를 기준으로 유전체 내부 삽입형 도파관(12)의 좌측에 형성된 것을 실시 예로 설명한다.
도 1b는 도 1a의 특성을 측정하기 위해, 마이크로스트립 선로(4)와, 상기 마이크로스트립 선로(4)와 유전체 내부 삽입형 도파관(12) 간의 신호 급전을 위한 신호 천이부(11)가 결합한 도면을 도시한 것이다.
도 1c는 도 1b의 측면도 및 평면도이다. 일정 두께(h)를 가지는 유전체 기판(5)과 금속 평판인 상판(1)과 하판(10)의 결합으로 단일 기판 형태를 갖는다.
상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)에는 두 슬롯(13)이 형성되는 데, 이렇게 형성된 두 슬롯(13)에 의해 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)는 우수 원형 편파(RHCP)를 발생시키도록 설계되었으며, 0.3mm의 지름을 가지는 프로브 비아(6)가 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)와 하판(10)을 전기적으로 단 락(Short)시킨다. 이 프로브 비아(6)의 위치에 따라서 임피던스 정합에 영향을 주며 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)의 중심을 기준으로 회전하는 정도에 따라서 축 비의 중심 주파수 및 순도(Purity)를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 안테나 축 비는 주로 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)에 동일한 크기의 서로 90°의 위상 차를 가지는 두 전기장을 형성시키기 위해 임의의 위치에 슬롯(13)이 형성되는 데, 이러한 두 슬롯(13)에 의해서 축 비가 결정된다. 즉, 슬롯(13)의 면적과 면적을 형성하는 가로길이 성분 W1, 세로길이 성분 W2 간의 길이 비율에 따라 축 비의 중심 주파수 및 순도를 조절할 수 있다.
원통형 캐비티 구조를 구현하는 제1 배열 비아(7)와 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12)을 구현하는 제2 배열 비아(9)는 전기적으로 상판(1)과 하판(10)을 연결하여 단락되어 있으며, 내부로 진행하는 파에 대해서는 금속 벽으로 인식하도록 설계된다. 제1 및 제2 배열 비아(7)(9)에 적용된 비아의 지름(v1)과 비아 간의 간격(d1)은 모두 1mm, 1.5mm로 동일하며, 이로 인해 대략 30mm의 한 파장을 가지는 주파수(10 GHz)에 대해서 평평한 금속 벽으로 인식되도록 설계한다.
도 2는 도 1c의 임피던스 정합 네트워크를 확대하여 도시한 상세 평면도이다. 임피던스 정합 네트워크는 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12) 내부에 집적된다. 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12)의 급전 구조는 X-band의 중심 주파수인 10GHz에서 동작하도록 가로(a1)를 표준 도파관 설계 기준에 따라 16mm로 고정하였다. 이때의 권장 주파수 대역은 8.2 ~ 12.4GHz이며, TE10 기본 모드(Fundamental Mode)에 대한 차단 주파수(Cut-off Frequency)는 6.3 GHz로서 이하의 주파수 대역에 대해서는 파가 진행할 수 없다.
또한, 도 2의 임피던스 정합 네트워크는 상판(1)에 에칭 패턴(3)과 제3 배열 비아(8)로 구성되어 있다. 에칭 패턴(3)의 경우, 변수 h1, h3와 a4의 조합으로 결정되고, 제3 배열 비아(8)의 경우, 비아 개수를 비롯하여 변수 d2, h2 및 v2의 조합으로 결정된다. 각 변수의 세부적인 역할은 후술하는 도 4a ~ 4c 및 5a ~ 5d에서 자세하게 설명하도록 한다.
도 3은 임피던스 정합 네트워크 중 제3 배열 비아(8)의 유무에 따른 임피던스 대역폭 변화에 대한 시뮬레이션 비교 결과를 보여준다. -10dB 및 -14dB의 반사 손실을 기준으로 제3 배열 비아(8)의 유무에 따라 임피던스 정합의 정도를 확연하게 보여준다.
도 4a는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴(3)의 가로 성분(a4)의 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 패턴의 가로 성분의 변화는 주로 9.7 GHz에서 생성되는 공진에 대한 임피던스 정합에 영향을 주고 있으며, -10dB 및 -14dB의 임피던스 대역폭의 변화에는 거의 영향이 없다. 즉, 해당 주파수 대역 내에서 최적의 패턴 가로 성분 값을 얻음으로써 안정된 반사 손실 특성을 가질 수 있는 유용한 변수로 사용될 수 있다.
도 4b는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴(3)의 세로 성분(h3)의 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 이 변수 값에 따라 서 -14dB 임피던스 대역폭의 변화가 두드러짐을 확인할 수 있다.
도 4c는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴(3)의 전체 길이 성분(h1)의 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 유전체 내부 삽입형 도파관(12)의 급전 구조는 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)로 최대의 에너지를 최소의 반사 손실로 전달시키기 위해 패치 안테나까지 최대한 근접하여 파를 유도해 주어야 한다. 단, 에칭 패턴(3)의 전체 길이가 너무 길어 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)와 가까워지면 금속 간의 커플링(Coupling) 현상이 심화되어 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)의 임피던스가 변하게 된다. 이는 본 그래프를 통해 확인할 수 있는 데, h1의 길이가 9.57mm까지 확보될수록 안정된 임피던스 정합 특성을 보여 -14dB 기준으로 광대역의 대역폭을 확보할 수 있지만 그 이상의 값을 가져 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)와 너무 근접할 경우, 임피던스 대역폭이 좁아지는 현상이 발생한다. 따라서 실험을 통해 에칭 패턴(3)의 길이를 유효 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
임피던스 정합 네트워크를 형성하는 제3 배열 비아(8)는 임피던스 정합 네트워크 역할을 비롯하여 구형 유전체 내부 삽입형 도파관(12) 급전 구조의 기본 모드인 TE10 모드에서 마이크로스트립 원형 패치 안테나(2)의 기본 모드인 TM11 모드로의 변환기(transformer) 역할을 수행한다.
주지한 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 배열 비아(8)는 비아 개수와 위치 변수인 h2 및 d2, 비아 지름 변수인 v2로 구성된다.
도 5a는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 배열 비아의 비아 개수 변화에 대한 반사 손실 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 비아의 지름(v2)은 0.3mm이며, 비아 간의 간격은 0.7mm로 고정되어 있는 상황에서 비아 개수가 5 ~ 8개로 변화한다. 비아가 5개에서 7개로 증가하여 배열될수록 반사 손실은 -14dB까지 안정됨을 확인할 수 있다. 더불어서 비아 개수가 8개로 증가하면 두 공진 사이의 주파수 거리가 증가하기 시작하고 정재파비(VSWR)가 1.5:1인 -14dB기준을 더 이상 만족하지 못하게 됨을 보인다.
도 5b는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 제3 배열 비아(8)의 비아 간격(d2) 변화에 대한 반사 손실 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 비아 간의 간격이 변화함에 따라서 비아 간에 형성되는 용량성 결합 정도가 변화하여 임피던스 변화에 영향을 준다. 뿐만 아니라, 비아 간격이 일정 수준 이상으로 증가하면 파가 통과할 수 있는 폭이 좁아져 많은 양의 전력이 반사되며 반사 손실이 증가한다. 그래프를 통해 확인해 보면, 간격이 0.4mm에서 0.6mm로 증가하면서 임피던스 정합 특성이 개선되며, 그 이상인 0.8mm가 되면 두 공진 사이의 거리가 멀어져 -14dB 임피던스 대역폭을 만족시키지 못한다. 또한, d2 = 1mm가 되면 임피던스 네트워크의 제3 배열 비아(8)가 마치 금속 벽처럼 동작하여 많은 전력이 반사되어 반사 손실이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 비아 간의 간격인 d2를 적절히 변화시켜 최적의 임피던스 정합 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
도 5c는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 제3 배열 비아(8)의 위치 변 수(h2) 변화에 대한 반사 손실 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 위치 변수 h2는 신호 천이부(11)를 기준으로 이동하며 구조상 위치할 수 있는 범위는 0 ~ 7.8mm 내에서 존재할 수 있다. 그래프 결과를 통해 h2는 6.6 ~ 7.2mm 이내의 범위에서 최대의 임피던스 정합 특성을 보이고 있으며, 그 외의 위치 범위에서는 임피던스 대역폭을 만족시키지 못한다.
도 5d는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 제3 배열 비아(8)의 비아 지름 크기 변수(v2) 변화에 대한 반사 손실 시뮬레이션 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 본 시뮬레이션은 제작이 가능한 비아의 지름을 고려한 특성 결과 비교를 목적으로 하며 그 결과, 0.3 ~ 0.6mm사이의 비아 지름을 선택할 경우 공진 주파수의 변화가 미약하게 존재하나 -14dB 이내의 임피던스 대역폭을 만족할 수 있으므로 제작 환경을 고려하여 변경될 수 있다.
도 6은 안테나 변수의 최적화 과정을 통해 얻은 최종 설계된 안테나의 반사 손실에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 보여주기 위한 그래프이다. 두 결과가 대체로 일치하는 특성을 보인다. 측정된 반사손실의 경우, 정재파비 2 : 1(-10dB)을 기준으로 8.82 ~ 11.16GHz로 임피던스 대역폭이 2.34 GHz (23.42%)인 광대역 특성을 보이며, 위성 통신에 사용되는 안테나의 요구 규격인 정재파비 1.5 : 1(-14dB)을 기준으로 9 ~ 10.4GHz, 임피던스 대역폭이 1.4GHz(14.43%)인 특성을 보인다.
본 발명에서 제안하는 원통형 캐비티 형태의 유전체 기판에 집적화된 위성통신 원형 편파 안테나는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나가 가지는 협대역 임피 던스 대역폭 단점을 극복하였다. 이는 유전체 내부 삽입형 도파관(12)의 급전 구조체 내부에 집적된 임피던스 정합 네트워크에 의한 최적의 모드(Mode) 변환 특성에 기인한다.
도 7은 본 발명의 이득 및 축비 특성에 대해 시뮬레이션과 측정 결과를 각각 비교하기 위한 그래프이다. 이득 및 축 비 특성은 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 일치하고 있음을 확인할 수 있으며, 상기 안테나 변수의 최적화 과정을 통해 안정된 안테나 특성을 기대할 수 있다.
본 발명의 이득 특성은 8.9 ~ 10.9GHz까지 4.8 ~ 7.5dBi로써, 3dBi 범위 이내에서의 균일한 변화를 보여 안정된 특성이 보장된다.
본 발명의 우수 원형 편파(RHCP) 축비 특성은 10.3GHz에서 최대의 순도 특성을 보이며 시뮬레이션과 거의 동일한 특성을 기대할 수 있다.
도 8은 본 발명의 방사 패턴 특성에 대한 측정 결과를 제시하기 위한 그래프이다. 도 1c에 제시되어 있는 좌표축을 참조하여, 본 발명 안테나의 yz 및 zx 평면에 대한 우수 원형 편파(RHCP) 및 좌수 원형 편파(LHCP) 특성을 제시한다. 측정 주파수는 10.3GHz이며 모든 평면에서 우수 원형 편파 특성이 우세함을 확인할 수 있다. 특히, zx 평면(Φ = 0°, 0° ≤ θ ≤ 360°)에서 z-축(θ =0°)의 우수 원형 편파 대 좌수 원형 편파 비(Ratio)를 확인한 결과 15dB로서 순도 높은 원형 편파 특성을 보이고 있음을 확인하였다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1a는 본 발명에 따른 기판 집적화된 원통형 캐비티 형태의 원형 편파 발생 안테나 및 임피던스 정합 구조의 3차원 분해 사시도.
도 1b는 도 1a의 특성을 측정하기 위해 마이크로스트립 선로와 마이크로스트립 대 유전체 내부 삽입형 도파관 천이구조를 결합한 3차원 분해 사시도.
도 1c는 도 1b의 평면도 및 측면도.
도 2는 도 1b의 유전체 내부 삽입형 도파관 내부에 존재하는 배열 비아 및 에칭 패턴으로 구성된 임피던스 정합을 위한 네트워크에 대한 상세 평면도.
도 3은 임피던스 정합을 위한 배열 비아의 유무에 따른 반사손실 비교 그래프.
도 4a는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴의 가로 성분(a4)의 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 4b는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴의 세로 성분(h3)의 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 4c는 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴의 전체 길이 성분(h1)의 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 5a는 임피던스 정합 네트워크를 구성하는 비아 개수 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 5b는 임피던스 정합 네트워크를 구성하는 비아 간의 간격(d2) 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 5c는 임피던스 정합 네트워크를 구성하는 배열 비아의 위치 변수(h2) 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 5d는 임피던스 정합 네트워크를 구성하는 배열 비아의 지름 변수(v2) 변화에 따른 임피던스 정합 변화의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프.
도 6은 도 1b의 반사손실을 측정한 결과를 설명하기 위한 그래프.
도 7은 도 1b의 이득 및 축 비를 측정한 결과를 설명하기 위한 그래프.
도 8은 도 1b의 방사 패턴을 측정한 결과를 설명하기 위한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1… 상판
2… 마이크로스트립 원형 패치 안테나
3… 에칭 패턴
4… 마이크로스트립 선로
5… 유전체 기판
6… 프로브 비아
7… 제1 배열 비아
8… 제3 배열 비아
9… 제2 배열 비아
10… 하판
11… 신호 천이부
12… 유전체 내부 삽입형 도파관
13… 슬롯

Claims (12)

  1. 위성통신용 원형 편파 안테나에 있어서,
    원통형 캐비티 구조의 제1 배열 비아가 형성된 유전체 기판과;
    상기 원통형 캐비티 구조의 중심에 위치하고, 상기 유전체 기판상에 형성되어 신호를 방사하는 마이크로스트립 원형 패치 안테나와;
    상기 신호를 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나에 급전시키는 구형 유전체 내부 삽입형 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 구형 유전체 내부 삽입형 도파관은 상기 유전체 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구형 유전체 내부 삽입형 도파관과 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나 간의 임피던스 매칭을 위해 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 에칭 패턴 및 제3 배열 비아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서, 상기 제3 배열 비아는,
    임피던스 정합 네트워크 역할을 수행함과 동시에 구형 유전체 내부 삽입형 도파관 급전 구조의 기본 모드인 TE10 모드에서 마이크로스트립 원형 패치 안테나의 기본 모드인 TM11 모드로의 변환을 해주는 변환기(transformer) 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  9. 제1항에 있어서, 상기 신호를 상기 유전체 내부 삽입형 도파관에 전달하는 신호 천이부를 구비한 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  10. 제4항에 있어서, 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나는,
    동일한 크기의 서로 90°의 위상 차를 가지는 두 전기장을 형성시키기 위해, 슬롯이 형성된 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나는,
    상기 슬롯의 면적과, 상기 면적을 형성하는 가로길이 성분(W1), 세로길이 성분(W2) 간의 길이 비율에 따라 축 비의 중심 주파수 및 순도를 조절하는 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
  12. 제11항에 있어서, 상기 마이크로스트립 원형 패치 안테나는,
    하판과 전기적으로 단락(Short)되기 위한 프로브 비아를 구비한 것을 특징으로 하는 위성통신용 원형 편파 안테나.
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