KR101151916B1 - 임피던스 및/또는 편파 매칭된 평면 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 주어진 주파수에서 동작하도록 크기조정된 폐쇄 곡선 형태의 슬롯(F)을 포함하는 기판에 의해 운반되는 평면 안테나로서, 여기(excitation) 지점(E)으로 알려진 지점에서 상기 슬롯(F)과 교차하는 급전 라인(feeder line)에 의해 전원공급되는 평면 안테나에 있어서, 상기 슬롯(F)상에서 병렬인 적어도 두 단락 회로(SC)가 상기 여기 지점(excitation point)(E)에 대한 임피던스와 상기 안테나의 편파를 매칭시키기 위해 상기 여기 지점(E)에 대해 위치하는 것을 특징으로 하는, 평면 안테나에 관한 것이다.

Description

임피던스 및/또는 편파 매칭된 평면 안테나{PLANAR ANTENNA WITH MATCHED IMPEDANCE AND/OR POLARIZATION}

도 1은 본 발명에 따른 평면 안테나를 도시한 도면으로서, 본 발명의 제 1 응용을 예시한 도면.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 안테나 및 종래기술에 따른 안테나 각각에서 편파 방위를 도시한 도면.

도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e는 단락 회로에 대한 슬롯의 여러 여기 지점 위치를 도시한 도면.

도 4는 도 3a 내지 도 3e에서 도시된 여기 지점의 위치에 따라 슬롯에 의해 제기된 임피던스를 도시한 도면.

도 5는 여기 지점에 따른 고리모양의 슬롯의 편파 공동 및 편파 분리 레벨을 도시한 도면.

도 6은 도 2a에 도시된 본 발명에 따른 안테나의 특정 실시예와, 도 2b에 도시된 종래기술에 따른 안테나에 대한 대역폭을 도시한 도면.

도 7은 도 2a에 도시된 본 발명에 따른 안테나의 특정 실시예와, 도 2b에 도시된 종래기술에 따른 안테나에 대한 방사 패턴을 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 평면 안테나를 도시한 도면으로서, 본 발명의 제 2 응용을 예시한 도면.

도 9는 두 특징적인 구성을 갖는 본 발명 안테나의 특정 실시예를 도시한 도면으로서, 각 구성은 별도의 펀파를 제공하는, 도면.

도 10a 및 도 10b는 도 9의 안테나의 두 구성에 대한 방사 패턴을 도시한 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

F: 슬롯 E: 여기 지점

SC: 단락 회로 L: 급전 라인

E: 전계 H: 자계

본 발명은 주어진 주파수에서 동작하도록 크기조정된 폐쇄 곡선 형태의 슬롯을 포함하는 기판에 의해 운반되는 평면 안테나로서, 여기(excitation) 지점으로 알려진 지점에서 상기 슬롯과 교차하는 급전 라인(feeder line)에 의해 전원공급되는 평면 안테나에 관한 것이다.

이러한 안테나는 국부적인 무선 네트워크에 적절하다. 기존에, 예컨대 고리 모양인 슬롯은 KNORR 크기조정 규칙에 따라 마이크로스트립 라인에 대한 전자기 결합에 의해 여기된다.

이러한 여기를 통해, 여기 지점에 대응하는 전기 평면에서의 임피던스는 전 형적으로는 기판과 슬롯의 파라미터에 따라서 300Ω내지 400Ω사이에 있다. 그러므로, 이러한 유형의 전원공급은 임피던스 변환기가 50Ω또는 좀더 일반적인 임피던스 값에서 적응을 위해 임피던스를 감소시키는 것을 요구한다. 예컨대, 1/4파를 단위로한 이러한 임피던스 변환은 성가신 것이며, 라인 손실을 생성하고, 대역폭 감소를 초래한다.

게다가, 이러한 유형의 여기를 통해, 편파는 선형이고, 편파 방향은 여기 지점에 의해 부과된다. 그러므로, 편파 방향을 변경하기 위해 여기 지점을 변경하는 것이 필요하다.

본 발명은 여기 지점에서 임피던스를 변경할 수 있고 및/또는 편파 방향을 변경할 수 있는 평면 안테나를 제공한다.

본 발명은, 슬롯 상에서 병렬인 적어도 두 단락 회로가 여기 지점에서의 임피던스 및/또는 안테나의 편파를 매칭시키기 위해 여기 지점에 대해 배치된 안테나에 관한 것이다.

사실, 본 발명에 따라, 슬롯 상에 배치된 두 단락 회로와 급전 라인의 상대적인 위치를 선택하면, 슬롯의 여기지점에서의 임피던스 값이 변경되고 및/또는 안테나의 편파 방향이 변경된다는 점을 주목해야 한다.

제 1 실시예에서, 단락 회로는 고정된 상태로 유지되고, 여기 지점의 위치는 임피던스를 여기 지점에 매칭시키기 위해 변경된다.

사실, 여기 지점의 위치를 변경하면, 여기 지점에서의 임피던스가 변경될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 단락 회로가 고정되어 있을 때, 임피던스의 변경이 안테나의 편파를 변경하지 않는다는 점을 또한 주목해야 한다. 사실, 편파를 부과하는 것은 단락 회로이다.

제 2 실시예에서, 여기 지점은 고정 상태를 유지하고, 단락 회로의 위치는 편파를 변경시키기 위해 변경된다.

이 경우, 안테나의 편파는 변경될 수 있다. 그러나, 이점은 일반적으로 여기 지점에서 임피던스 변경을 야기한다는 점을 주목해야 한다.

특정한 실시예에서, 슬롯이 자신이 위치한 평면에 수직인 대칭축을 보이고, 슬롯 상에서 서로로부터 90°의 각도로 축 주위에 배치된 네 개의 단락 회로가 안테나에 두 개의 별도의 편파를 제공하기 위해 정반대의 단락회로 쌍에 의해 활성화된다.

유리하게도, 급전 라인이 단락 회로 중 하나로부터 45°의 각도에 위치한다.

사실, 이 경우, 임피던스는 두 편파에 대해 동일하여, 추가적인 임피던스 변환기를 필요치 않다.

일실시예에서, 슬롯이 자신이 위치한 평면에 수직한 대칭축을 보이고, 두 개의 단락 회로는 이 축에 대해 슬롯 상에서 기하학적으로 정반대방향에 있으며, 그에 따라 단락 회로 평면을 한정한다.

본 발명에 따라, 슬롯은 고리모양이거나, 정사각형이거나, 직사각형이거나, 다각형일 수 있고, 단락회로는 예컨대 다이오드와 같은 스위칭 디바이스에 의해 생성될 수 있다.

본 발명은 평면 안테나를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이러한 방법은 슬롯(F) 상에서 적어도 두 단락 회로(SC)를 병렬로 위치시키는 단계를 포함하며, 여기 지점(E)에 대한 단락 회로의 이러한 위치는 여기 지점(E)에 대한 임피던스 및/또는 안테나의 편파를 매칭시키기 위해 선택된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 서로 다른 실시예에 대한 첨부한 도면을 참조하여 이뤄진 설명을 읽음으로써 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나를 도시한다. 이러한 안테나는 평면 박판에 대응하는 기판 상에 위치한다. 이것은 폐쇄된 곡선 형태, 여기서는 고리모양을 갖는 슬롯(F)을 포함한다. 이것은 주어진 주파수에서 동작하도록 크기조정되며, 여기 지점(E)에서 슬롯(F)과 교차하는 급전 라인(L)에 의해 급전된다. 좀더 상세하게, 고리모양 슬롯의 둘레는 λs가 되도록 선택되며, 여기서, λs는 슬롯에서 전달된 파장이다. 본 발명에 따라, 슬롯은 병렬로 배치되고 고리모양 슬롯(F) 상에 정반대방향에 위치한 두 단락 회로(SC)를 포함한다. 이들 단락 회로는 여기 지점에서 임피던스를 조정하기 위해 여기 지점에 대해 위치한다. 이러한 조정은 이후에 설명될 것이다.

라인이 단락 회로에 의해 한정된 평면에 수직일 경우 결합 조건은 이러한 안테나에서 최적이 될 것이라는 점이 알려져 있고, 이는 이 경우 물리적인 단락 회로가 라인에 의해 유도된 단락 회로와 일치하기 때문이다. 도 1에서, 여기 지점이 두 단락 회로에 대해 급전 라인을 각도(θ)만큼 이동시킴으로써 옮겨질 때, 여기 지점 에서의 임피던스가 변경된다.

급전 라인의 이동은, 예컨대 단지 슬롯(F)의 반원 중 하나 주위에 배치된 복수의 급전 라인에 의해 실행되고, 필요한 경우 임피던스가 변경되어야 할 때 활성화된다.

본 발명은 이렇게 필요한 임피던스가 고정되고, 단일 라인이 결과적으로 이 필요한 임피던스에 따라 적응된 각도(θ)로 배치되는 응용에 대해 또한 구현될 수 있다.

본 발명에 따라, 그러므로, 슬롯과 라인 사이의 결합 조건은 최적 조건에 대해 열화된다. 그러나, 결합 식(C=E∧H)은, 여기 지점에 슬롯의 부과된 단락회로 상에 있지 않는 한은 0이 아니다. 사실, 전계(E)는 슬롯(F)의 구성으로부터 유래하고, 자계(H)는 라인(L)의 구성으로부터 유래한다. 라인(L)을 각도(θ)만큼 이동시킴으로써, C의 값은 소거시키지 않고 감소되며, 이로 인해 임피던스가 매칭될 수 있게 된다. 그에 따라, 여기 지점의 위치에 따라 여기된 반원-고리에서 가변 임피던스를 갖는 것이 가능하다. 이러한 임피던스는, 결합 조건이 최대가 될 때, 즉 라인이 반원-고리의 중간에 위치할 때, 최대치가 된다.

반원-고리에서의 전자계 분포는 단락회로에 의해 부과된다.

도 2는 본 발명(도 2a) 및 종래기술(도 2b)에 따른 평면 안테나의 여러 실시예의 슬롯 내에서의 전류 분포 및 결과적인 편파를 도시한다. 도 2a에서, 편파는 여기 지점의 위치를 변경함으로써 안정 상태를 유지하는 반면, 슬롯이 임의의 단락 회로를 갖지 않을 때뿐만 아니라 도 2b에 도시된 경우에 급전 라인에 의해 이러한 편파가 바뀜을 주목해야 한다.

그러므로, 슬롯 상에 적어도 두 단락 회로를 사용하면, 슬롯은 편파를 부과하게 된다. 사실, 임의의 단락 회로를 포함하지 않거나 단일 단락회로를 포함하는 표준 슬롯의 경우 발생하는 것과는 대조적으로, 선형 편파 방향은 여기 지점의 위치에 따라 바뀌지 않으며, 단락 회로에 의해 부과된다. 그러므로, 편파는, 여기 지점이 어디에 위치하든 간에, 단락 회로 평면에 수직하다.

도 3은 도 1에 도시된 실현 원리에 따라 여기 지점의 5개의 별도의 위치를 제공하는 안테나를 도시한다. 이들 안테나 상에서, 두 개의 정반대 방향의 단락 회로가 고리모양의 슬롯 상에 배치된다. 따라서, 길이(Ls/2)의 두 반원-고리가 서로 마주보고 있다.

실제로, 이들 안테나는 Rogers4003(Er=3.38, h=0.81mm) 유형의 유전 기판 상에서 5.8GHz에서 동작하도록 크기조정함으로써 시뮬레이트된다. 고리모양 슬롯의 둘레는 대략 슬롯(Ls)의 인도된 파장, 즉 6.65mm 반경이어야 한다.

서로 다른 안테나의 임피던스가 도 4에 도시되어 있다. 임피던스의 값의 범위는 단락 회로에서 90°의 각도에 있는 라인 위치의 경우인 350Ω에서, 아래로는 예컨대 60°의 각도에 있는 위치의 경우인 70Ω미만의 값까지이다. 이들 결과로 인해 안테나의 임피던스를 매칭시키는데 있어서 본 발명의 이점이 확인되었고, 이들 결과는 임피던스 매칭의 가능한 범위를 보여준다.

도 5는 도 3의 실시예에 대해, 단락회로 평면에 의해 각각 한정된 평면(H 및 V) 및 단락회로 평면에 수직한 평면에서 전계(E)의 네 성분을 도시한다. 여기 지점 의 위치와 상관없이, 메인 성분은 전방향 지향성(대략 3dB의 지향성) 상태를 유지하고, 편파분리도는 편파공통도(적어도 10dB)에 비해 훨씬 더 낮다는 점을 주목해야 한다. 이 도면은 선형 편파가 표준 최대 결합 위치에서 임시변동할 경우에도 보존됨을 확인한다.

특정한 실시예가 좀더 상세하게 연구되었다. 도 6에 도시된 이 실시예에서, 안테나(2)는 기준 위치에서 51°각도에서 두 개의 정반대 방향의 단락 회로와 여기 지점을 포함한다. 제공된 임피던스는 대략 50Ω이고, 그러므로, 이 임피던스 값에서 바로 매칭될 수 있다. 이점이 의미하는 바는, 도 6에 또한 도시된 표준 안테나(1)의 경우에서처럼 라인을 슬롯의 외부측에서 멀리 연장하는 것이 불필요하다는 점이다. 그러므로, 라인이 단락 평면에 90°각도에 있는 표준 안테나(1)를 사용하면, 이러한 임피던스를 얻는데 필요한 접지면의 크기(사선부분)는 30x35mm2인 반면, 본 발명을 사용하면, 필요한 크기는 단지 30x27mm2임을 주목해야 한다. 그러므로, 본 발명은 소형화(compactness) 측면에서 절약을 제공한다.

도 6은 또한 -10dB에서 대역폭이 더 넓다는 점을 도시한다. 따라서, 대역폭은 표준 안테나(1)의 경우 7%인 것에 대비하여 안테나(2)의 경우 23.1%이다.

도 7은 방사 패턴을 도시하며, 방사 패턴이 여기 지점이 이동할 때 그러나 약간씩만 변경됨을 도시한다.

도 8은 단락 회로 위치(SC1 및 SC2)가 변경되는 동안 여기 지점(E)이 고정되어 유지되는 본 발명에 따른 평면 안테나를 도시한다. 이 경우, 편파는 단락 회로 평면에 따라 바뀐다.

단락 회로는 예컨대 다이오드를 사용하여 구현된다. 다이오드는 유리하게는 정반대 방향의 쌍씩 동작할 수 있다.

도 9는 본 발명의 원리에 따라 얻어진 편파의 다이버시티를 보여주는 평면 안테나의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 네 개의 다이오드가 서로에 대해 90°의 각도에서 슬롯 상에서 배치된다. 다이오드를 둘씩 서로 정반대로 스위칭함으로써, 선형 편파의 두 상태는 단일 여기 지점을 사용하여 액세스될 수 있다. 여기 지점 위치는 두 편파 상태에서 동일한 임피던스를 갖기 위해 단락 회로 평면 중 하나로부터 45°각도에서 선택된다.

제 1 편파 상태는 다이오드(D1 및 D3)는 비-도통이고, 다이오드(D2 및 D4)는 도통인 제 1 구성에 대응한다. 이러한 편파는 도 10a의 방사 패턴에서 도시된 바와 같이 수평이다.

역으로, 제 2 편파 상태는 다이오드(D1 및 D3)가 도통이고, 다이오드(D2 및 D4)가 비-도통인 제 2 구성에 대응한다. 이러한 편파는 도 10b의 방사 패턴에서 도시된 바와 같이 수직이다.

여기에서 제안된 설명에는 단지 두 쌍의 다이오드만이 포함되지만, 본 발명은 대략 n개의 편파 다이버시티를 갖는 안테나가 실현될 수 있게 하며, n은 슬롯에서 부과된 단락 회로 평면의 개수이다.

그러므로, 본 발명은 임의의 임피던스에 대한 직접 매칭을 가능케 하는 안테나를 얻을 수 있게 한다. 이것이 의미하는 바는, 어떠한 임피던스 변환기도 필요치 않으므로 안테나가 좀더 소형화된다는 점과, 대역폭이 더 넓다는 점과, 이 구조가 감소한 라인 손실을 제공한다는 점이다.

본 발명은 또한 편파 다이버시티 안테나 구조를 얻을 수 있게 한다. 이러한 편파는 여기 지점을 변경시키지 않고도 단락 회로 지점을 변경함으로써 바뀔 수 있다.

본 발명은 기술된 실시예로 제한되지 않으며, 당업자는, 예컨대 다른 형태의 폐쇄된 곡선 슬롯(정사각형, 다각형 등) 사용, 다양한 슬롯 급전 기술(마이크로스트립, 트리-플레이트, 공통평면 및 공통-축 급전 기술 등) 사용, 한 상태에서 또 다른 상태로 스위칭하기 위한 다양한 능동 소자(다이오드, 트랜지스터, MEM 등)의 사용, 그 기본 모드 또는 이 보다 더 높은 차수 모드에서의 슬롯의 사용, 정반대 단락 회로 평면, 단락 회로 쌍 평면 등을 한정하기 위해 반드시 배치될 필요는 없는 복수의 단락 회로 사용과 같은 다양한 변형된 실시예가 존재함을 인식할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 여기 지점에서 임피던스를 변경할 수 있고 및/또는 편파 방향을 변경할 수 있는 평면 안테나를 제공하는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 주어진 주파수에서 동작하도록 크기조정된 폐쇄 곡선 형태의 슬롯(F)을 포함하는 기판에 의해 지지되고, 여기(excitation) 지점(E)으로 알려진 지점에서 상기 슬롯(F)과 교차하는 급전 라인(feeder line)에 의해 전원공급되는, 평면 안테나에 있어서,

   상기 슬롯은 슬롯이 위치하는 평면에 수직인 대칭축을 나타내고, 단락 회로(SC)를 실현하는 적어도 2개의 수단이 상기 대칭 축에 대해 상기 슬롯(F)상에서 기하학적으로 대향하여, 상기 여기 지점에 대해 90°와 다른 각도(θ)를 형성하는 단락 회로 평면을 한정하는 것을 특징으로 하는, 평면 안테나.
2. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯 상에서 서로 90°의 각도로 상기 대칭 축 주위에 배치된 네 개의 단락 회로가 제 1 편파 상태와 제 2 편파 상태를 포함하는 두 별도의 편파를 상기 안테나에 제공하기 위해 정반대 방향의 단락 회로 쌍에 의해 활성되고, 상기 제 1 편파 상태는, 다이오드(D1 및 D3)가 비-도통이고 다이오드(D2 및 D4)가 도통인 제 1 구성에 대응하고, 상기 제 2 편파 상태는, 상기 다이오드(D1 및 D3)가 도통이고 상기 다이오드(D2 및 D4)가 비-도통인 제 2 구성에 대응하는, 평면 안테나.
3. 제 2항에 있어서, 상기 급전 라인(L)은 상기 단락 회로(SC)를 실현하는 적어도 2개의 수단 중 하나로부터 45°의 각도로 배치되는, 평면 안테나.
4. 제 1항에 있어서, 상기 단락 회로(SC)를 실현하는 적어도 2개의 수단은 고정된 상태로 유지되고, 상기 여기 지점(E)의 위치는 임피던스를 변경시키기 위해 변경되는, 평면 안테나.
5. 제 1항에 있어서, 상기 여기 지점(E)은 고정된 상태로 유지되고, 상기 단락 회로(SC)를 실현하는 적어도 2개의 수단의 위치는 편파를 변경시키기 위해 변경되는, 평면 안테나.
6. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯(F)은 고리모양 또는, 정사각형 또는, 직사각형 또는, 다각형인, 평면 안테나.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 단락 회로(SC)를 실현하는 적어도 2개의 수단은 스위칭 디바이스를 사용하여 실현되는, 평면 안테나.
8. 제 7항에 있어서, 상기 스위칭 디바이스는 다이오드인, 평면 안테나.
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