KR101195831B1

KR101195831B1 - 패치안테나

Info

Publication number: KR101195831B1
Application number: KR1020050135596A
Authority: KR
Inventors: 홍문환; 아나톨리 페도토프; 안드레이 비쉬네베츠키; 안드레이 코지레프; 안드레이 이바노프; 올레그 솔다텐코프; 알렉산더 골로브코프; 볼로디미르 빌로디드
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2012-11-05
Also published as: KR20070071816A

Abstract

본 발명은 패치안테나에 관한 것으로서, 적층판 상에 마련되어 소정 주파수대역에서 공진하는 패치와; 상기 적층판의 저면에 마련되어 접지기능을 수행하며, 상기 패치의 공진 주파수 대역을 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 슬롯이 형성된 그라운드패널을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 유전체판의 두께증가 없이 전체적인 안테나의 크기를 소형화하면서, 안테나 게인(gain)을 향상시키고 후(後)방사를 감소시킬 수 있다.

패치안테나, 공진주파수, 급전단자, 마이크로스트립 외곽단자

Description

패치안테나{PATCH ANTENNA}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 패치안테나의 사시도,

도 2a 내지 도 2g는 본발명의 일실시예에 따른 패치안테나의 변형실시도면,

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 추가유전체층을 갖는 패치안테나의 단면도,

도 3b 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 급전단자가 구비된 패치안테나의 사시도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 도 3b에 대한 교차편파 파라미터 그래프,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 도 3b에 대한 방향 패턴도,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 도 3c에 대한 게인값 측정그래프,

도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 일실시예에 따라 마이크로스트립 외곽 급전단자가 형성된 변형 실시도면,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 도 7a에 대한 게인의 종속주파수 그래프이다.

<주요도면에 대한 부호의 설명>

100 : 패치안테나 110, 320 : 유전체층

120 : 그라운드(ground)패널 130 : 슬롯(slot)

140, 330 : 기판 150, 340 : 마이크로스트립패치(patch)

300 : 급전단자가 구비된 패치안테나

310 : 급전단자 321 : 금속박막

350, 702 : 신호라인 360, 703 : 터미널단자

700 : 마이크로스트립 외곽 급전단자가 구비된 패치안테나

701 : 마이크로 스트립 외곽 급전단자

본 발명은 패치안테나에 관한 것이다.

일반적으로 안테나는 외부(예를 들어, 기지국, 중계기, 무선통신 장치에 부착된 안테나)로부터 전파를 수신하거나 통신기기에서 발생한 전기적인 신호를 외부로 전달하는 역할을 한다.

이동 통신 기기의 서비스 증가와 이동 통신 기기의 소형화는 안테나가 차지할 수 있는 공간을 제약하고, 이러한 공간적 제약은 그라운드에 패턴을 형성시키고 그 위에 안테나를 장착하는 일반적인 칩 안테나의 이용을 어렵게 하고 있다.

중계기나 기지국용으로 사용되는 종래의 U-형상 슬롯(U-Shaped Slot)을 이용한 안테나는 단층 구조를 이루고 있으나, 단말기에 적용하기에는 부적절하게 크고, 안테나의 크기 증가에 따라 그라운드의 크기도 커지게 되는 문제를 가지고 있다.

또한, 종래의 안테나 구조는 급전점과 접지점의 위치로 인하여 고주파 대역 의 공진이 단말기에 적용하기에는 부적절하였다. 즉, 종래의 안테나는 이동통신 서비스에 적용되는 주파수 공진을 유도하기 위해서는 안테나 크기가 더 커져야 하는 문제점이 있었다.

이에, 통상의 마이크로 스트립 안테나는 소형화를 위해서 방사 패치에 지그재그나 H 형상과 같은 다양한 형태의 슬롯을 사용하는 한편, 상대적으로 유전율이 높은 유전체를 이용하고 그라운드 패치와 유전체층의 사이에 쇼팅 핀(shorting pin)등을 사용함으로써 유전체층의 면적과 두께를 줄이는 방식 등을 이용해 왔다.

그러나, 이러한 기존의 방법들은 쇼팅 핀 및 다양한 형태의 슬롯을 사용하거나 높은 유전율의 유전체를 사용하여 제조하기 때문에 그 제조가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 유전체판의 두께증가 없이 전체적인 안테나의 크기를 소형화하면서, 안테나 게인(gain)을 향상시키고 후(後)방사를 감소시킬 수 있는 패치안테나를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 추가 유전체층과 동축급전단자를가 구비되어 마이크로파를 공급하기 위한 패치안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1관점에 따른 마이크로스트립 안테나는, 적층판 상에 마련되어 소정 주파수대역에서 공진하는 패치와; 상기 적층판의 저면에 마련되어 접지기능을 수행하며, 상기 패치의 공진 주파수 대역을 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 슬롯이 형성된 그라운드패널을 포함한다.

구체적으로, 다중대역에서의 공진을 유도하고, 고주파 대역의 공진을 저주파 대역으로 이동시키기 위해 상기 그라운드패널의 상부측면에 다양한 형태로 형성되는 슬롯이 더 포함된다.

또한, 슬롯은 적어도 둘 이상인 경우, 수직, 수평 및 대각선을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 슬롯은 소정의 도형 형태로 일정하게 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 슬롯은 적어도 일면 이상이 직각으로 절곡되는 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2관점에 따른 마이크로스트립 안테나는, 금속박막이 형성된 유전체 하부중앙에 실장되어 마이크로파 신호를 공급하기 위한 급전단자, 유전체 상부에 적층되는 적층판 및 적층판 상부에 일정크기로 형성되어 상기 급전단자로부터 마이크로파 신호를 공급받기 위해 접속되는 패치를 포함한다.

더불어, 유전체층의 소정의 위치에 배치되거나, 소정의 거리만큼 이격되어 구비되는 터미널 단자가 더 포함된다.

또한, 급전단자와 상기 터미널 단자는 직선형, 절곡형 및 유선형 중 적어도 하나의 형태로 신호라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 패치안테나의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 패치안테나(100)는 유전체층(110), 그라운드 패널(120), 슬롯(130), 기판(140) 및 마이크로스트립 패치(150)를 포함한다.

본 발명의 패치안테나(100)는 유전체층(110)의 상면에 도전성 금속의 그라운드패널(120)을 증착하고, 그라운드패널(120) 상에 기판(140) 및 마이크로스트립패치(150)를 형성하는 구조를 갖는다.

여기서, 유전체층(110)을 두껍게 형성시키면 안테나는 보다 작게 설계 가능하지만, 안테나의 효율과 방사이득의 특성이 저하됨에 따라, 유전체층(110)의 두께는 기존의 것과 동일하게 형성한다. 그리고, 그라운드패널(120)은 유전체층(110)의 크기에 비례하는 크기로 증착시키는 것이 바람직하다.

여기서, 본 발명에 따른 패치안테나(100)는, 그라운드(120) 상부면에 슬롯(130)을 형성하여 안테나의 게인을 향상시키는 한편 후방사율을 감소시킨다. 이러한 슬롯(130)은 다중대역에서의 공진을 유도하고, 고주파 대역의 공진을 저주파 대역으로 이동시키는 즉, 공진 주파수를 급전하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 슬롯(130)은 동일한 크기와 간격으로 형성되는 것이 바람직하지만, 적용하고자 하는 공진 주파수에 따라 그 크기, 간격, 형상은 가변적이다.

즉, 그라운드패널(120) 상부에 일정 형태로 슬롯(130)이 형성되는 반면, 슬롯(130)이 갖는 고유의 기능을 저해하지 않으며, 사용 주파수 대역에서의 파장 길이를 유지시키고 좋은 임피던스 정합점을 찾기 위하여 패치안테나(100)의 크기를 최소화하는 것이 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.

그라운드패널(120) 상부 중앙에는 각종 전기 소자형태인 기판(140)이 놓이고, 그 상면에는 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 금속으로 일정 모양의 마이크로스트립패치(150)가 적층된다.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 패치안테나의 변형실시도면이다.

도 2a 내지 도 2g를 참조하면, 도 2a는 그라운드패널(120) 상부에 각각 두 쌍의 스틱형 슬롯(130)이 X축과 Y축으로 대칭되게 형성된 구조이고, 도 2b는 한 쌍의 'ㄱ'자형 슬롯이 패치안테나(100)의 대각선을 기준으로 대칭되게 형성된 구조이다. 그리고, 도 2c는 한 쌍의 'ㄷ'자형 슬롯(130)이 Y축을 기준으로 대칭되게 형성된 구조이고, 도 2d는 X축을 기준으로 한 쌍의 'ㄷ'자형 슬롯(130)이 대칭되게 형성된 구조이다. 도 2e는 X축을 기준으로 원형의 슬롯이 대칭되게 형성된 구조이고, 도 2f는 Y축을 기준으로 원형의 슬롯이 대칭되게 형성된 구조이고, 도 2g는 X축과 Y축을 기준으로 원형의 슬롯이 대칭되게 형성된 구조이다.

상기 슬롯은 원형, 삼각형 및 사각형을 비롯하여 다각형의 슬롯형상이 될 수 있는 것이 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.

패치안테나(100)에서 도체의 전체적인 크기가 커지면, 고주파의 공진 주파수 를 저주파로 유도하고 반대로, 도체의 크기가 작아지면, 공진주파수를 고주파로 유도할 수 있게 된다. 따라서, 패치안테나(100)의 전체적인 크기를 최소화시키고, 슬롯(130)의 형태를 다양하게 변형함에 따라, 최적의 공진주파수를 유도할 수 있으며 다양하게 안테나의 특성을 유도할 수 있다.

더불어, 이와 같은 패치안테나(100)를 통해 각기 다른 파장으로 구성된 다중 채널 정보를 송수신할 수 있는 멀티플렉싱 서비스에 적용가능하며, 각종 통신장비에 내장 또는 실장되어 활용될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 추가유전체층을 갖는 패치안테나의 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 추가유전체층(320)을 갖으며, 급전단자(310)가 구비된 패치안테나(300)는 마이크로파신호를 공급하기 위해 유전체층(320)에 삽입되어 기판(330)과 전기적으로 접속되는 급전단자(310), 금속박막(321)이 형성된 추가 유전체층(320), 기판(330) 및 마이크로스트립 패치(340)를 포함한다. 상기 각각의 구성요소들의 기능과 배치형태에 대한 설명은 도 1 내지 도 2d에서 상술하였으므로, 여기에서는 생략하기로 한다.

도 3b 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 패치안테나에 급전단자가 구비된 변형사시도이다. 도면 3b 내지 도 3c를 참조하면, 도 3b는 패치안테나에 급전단자가 구비된 제1변형 사시도이다.

패치안테나(300)의 중앙부에 급전단자(310)가 구비되고 상기 급전단자(310) 에는 물리적인 신호라인(350)이 연결되어 패치안테나(300)와 평행하게 형성된다. 상기 신호라인(350)의 끝단에는 외부 모듈과 연결되기 위한 터미널 단자(360)가 구비된다.

더불어, 아래 표 1은 급전단자가 구비된 SDMB(satellite digital multimedia broadcasting) 패치안테나(300)로부터 Frequency range(주파수 범주)는 25MHz 대역, Gain(게인)은 0.857142dBi, Cross polarization parameter(교차편파 파라미터)는 -22.5dB, 3dB에서의 Beamwidth(빔폭)은 100deg 이하로 결과값이 측정된 결과표이다.

Frequency range(주파수 범주)	25MHz
Gain(게인)	0.857142dBi
Cross polarization parameter(교차편파 파라미터)	-22.5dB
Beamwidth(빔폭)3dB	~100deg

도 3c는 패치안테나에 급전단자가 구비된 제2변형 사시도이다.

패치안테나(300)의 중앙부에 급전단자(310)가 구비되고, 상기 급전단자(310)에는 물리적인 신호라인(350)이 연결되어 패치안테나(300)와 수직으로 형성된다. 상기 신호라인(350)의 끝단에는 외부 모듈과 연결되기 위한 터미널 단자(360)가 구비된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 3b 패치안테나에 대한 교차편파(cross-polarization) 파라미터 그래프이다. 급전단자(310)가 형성된 패치안테나(도 3a, 300)는 가용 주파수 밴드폭(bandwidth) 25MHz 범위에서 좌회편파(LHCP) 게인값 G=3 ~ 3.4dBi가 측정되었음을 알 수 있었다. 도 4를 참조하면, 가용 주파수 2.61GHz에서 반사손실률이 가장 적은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도 3b 패치안테나에 대한 방향 패턴도이다.

도면 5를 참조하면, 급전단자(310)가 형성된 패치안테나(도 3a, 300)의 방향성에 따른 신호세기를 나타낸 도면으로, 최적의 상태는 기울기 0deg에서 신호세기가 가장 높은 0dB이 측정되었음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 도 3c에 대한 게인값 측정그래프이다.

도면 6에서 보는 바와 같이, 2.602GHz~2.628GHz인 25MHz증가한 주파수대역에서 평균게인값 3dBi 이상이 측정되었음을 알 수 있으며, 상기 구간에서 하향하는 시점부터는 게인값도 하향하고 있음을 나타내고 있다.

도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따라 마이크로스트립 외곽 급전단자가 다양한 형태로 형성되는 변형 실시도면이다.

마이크로스트립 외곽 급전단자(701)는 도면 7a 내지 도 7e에서 보는 바와 같이, 알루미나(alumina)재질인 기판의 다양한 위치에 형성 가능하다. 마이크로스트립 외곽 급전단자(701)의 위치가 기판상에 놓이는 것을 기준으로, 우측상단, 우측하단, 좌측하단, 우측끝단 및 좌측끝단에 배치될 수 있다.

또한, 터미널단자(703)의 위치는 유전체층상에 놓이는 것을 기준으로, 좌측상단, 우측상단, 우측끝단 및 좌측하단에 배치될 수 있어, 상기 마이크로스트립 외곽 급전단자(701)와 터미널단자(703)가 대응되어 도면 7a 내지 도 7e와 같이 변형된 다양한 패치안테나의 형태가 형성되며, 다양한 주파수 범위에서 다양한 게인값이 측정될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 도 4a에 대한 게인의 종속주파수 그래프이다. 마이크로스트립 외곽 급전단자가 구비된 패치안테나(도 4a, 700)에서 최적의 게인값을 갖는 가용 주파수 대역은 2.49GHz ~ 2.515GHz인 26MHz 범위내에서 게인값 2.6 ~ 3.6dBi가 측정되었음을 알 수 있다.

더불어, 표 2는 마이크로스트립 외곽 급전단자가 구비된 패치안테나(도 4a, 700)로부터 Central frequency(중심주파수) 2.51GHz, -10dB이하에서의 Bandwidth(밴드폭) 26MHz 이하, Minimal gain in bandwidth(우회편파인 밴드폭내에서의 최소 게인)은 2.6dBi이하, Beamwidth(3dB에서의 빔폭)는 95deg이하로 결과값이 측정된 결과표이다.

Central frequency(중심주파수)	2.51GHz
Bandwidth(밴드폭)(-10dB이하)	~26MHz
Minimal gain in bandwidth(RHCP)(밴드폭내에서의 최소 게인값)	~2.6dBi
Beamwidth(3dB에서의 빔폭)	~95deg

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 패치안테나를 위한 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명은 안테나 게인을 증가시키고, 방사를 감소시키기 위해 그라운드 패널에 슬롯을 추가하여 유전체 패널의 두께증가 없이 전체적인 안테나의 크기를 줄이는 효과를 얻는다.

본 발명의 다른 효과로는 급전단자와 터미널 단자가 다양한 위치에 배치될 수 있어 여러 형태로 활용가능한 패치안테나가 제공되는 효과를 얻는다.

Claims

이동통신단말기에 있어서,

유전체 상부에 적층되는 적층판;

금속박막이 형성된 상기 유전체 하부 특정지점을 관통하여 상기 금속박막에 마이크로파 신호를 공급하는 급전단자;

상기 적층판 상에 마련되며 상기 급전단자로부터 마이크로파 신호를 공급받아 소정 주파수대역에서 공진하는 패치;및

상기 적층판의 저면에 마련되어 접지기능을 수행하며, 상기 패치의 공진 주파수 대역을 이동시키기 위한 복수의 슬롯이 형성된 그라운드패널;을 포함하며,

상기 복수의 슬롯은,

상기 적층판의 외주(外周)에 위치하되, 상기 복수의 슬롯은 상호 소정거리 이격 배치된 패치안테나.
제1항에 있어서,

상기 슬롯은 상기 그라운드패널 상에서 상호 대칭을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 패치안테나.
제2항에 있어서,

상기 슬롯은 적어도 둘 이상인 경우, 수직, 수평 및 대각선을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패치안테나.
제2항에 있어서,

상기 슬롯은 소정의 도형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 패치안테나.
제2항에 있어서,

상기 슬롯은 적어도 일면 이상이 절곡되는 형태인 것을 특징으로 하는 패치안테나.
삭제
제1항에 있어서,

상기 유전체의 소정의 위치에 배치되거나, 소정의 거리만큼 이격되어 구비되는 터미널 단자가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 패치안테나.
제7항에 있어서,

상기 급전단자와 상기 터미널 단자는 직선형, 절곡형 및 유선형 중 적어도 하나의 형태로 신호라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 패치안테나.