KR101248670B1 - 병렬 스터브를 가지는 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

병렬 스터브를 가지는 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나 Download PDF

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김부균
윤영민
구환모
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나가 개시된다. 개시된 마이크로스트립 패치 안테나는 개구부가 형성된 접지면; 상기 개구부의 상부에 배치되는 방사 패치; 일측 끝단이 상기 개구부의 하부에 배치되는 급전 선로; 및 상기 급전 선로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상기 급전 선로와 연결되는 제1 스터브를 포함한다.

Description

병렬 스터브를 가지는 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나{MICROSTRIP PATCH ANTENNA USING APETURE COUPLED FEEDING WITH A PARALLEL STUB}
본 발명의 실시예들은 안테나의 임피던스 대역폭을 확장할 수 있는 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
마이크로스트립 패치 안테나(Microstrip Patch Antenna)는 크기가 작고 구조가 간단하여 저비용으로 설계 및 제작이 가능하며, 방사 특성이 우수하고 프론트 엔드(Front-End) 모듈과의 집적화가 가능한 장점이 있지만, 수 %에 불과한 좁은 임피던스 대역폭 때문에 무선 통신, 레이더, 위성통신 시스템 등과 같은 응용분야에는 적용이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 1985년 D. M. Pozar에 의해 개구부 결합 급전(Aperture Coupled Feeding)을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나가 개발되었고 광대역 안테나의 급전 방법으로 널리 이용되고 있다. 개구부 결합 급전을 이용한 종래의 마이크로스트립 패치 안테나들은 임피던스 대역폭을 확장시키기 위하여 개구부를 포함하는 접지면의 상부에 유전상수가 낮은 안테나 기판을 적층하거나, 방사 패치 위에 기생 패치를 적층하거나, 방사 패치의 형상을 변형시켜 사용되었다.
그러나, 상기와 같은 종래의 마이크로스트립 패치 안테나들은 설계 및 제작 공정이 복잡하고 안테나의 전체 크기가 커지는 단점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 안테나의 크기를 소형으로 유지하면서 임피던스 대역폭을 확장시킬 수 있는 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 개구부가 형성된 접지면; 상기 개구부의 상부에 배치되는 방사 패치; 일측 끝단이 상기 개구부의 하부에 배치되는 급전 선로; 및 상기 급전 선로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상기 급전 선로와 연결되는 제1 스터브를 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나가 제공된다.
상기 마이크로스트립 패치 안테나의 임피던스 대역폭은 상기 제1 스터브의 길이 및 상기 급전 선로의 일측 끝단으로부터 상기 제1 스터브가 연결되는 상기 급전 선로 상의 지점까지의 거리 중에서 적어도 하나에 기초하여 조절 가능하다.
상기 개구부는 H 형상을 가지며, 상기 급전 선로의 일측 끝단은 상기 H 형상의 가로 부분의 하부에 배치될 수 있다.
상기 마이크로스트립 패치 안테나의 입력 임피던스의 실수부는 상기 개구부의 크기에 따라 조절 가능하다.
상기 마이크로스트립 패치 안테나는 상기 급전 선로의 일측 끝단에서 상기 급전 선로의 길이 방향으로 연결되는 제2 스터브를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로스트립 패치 안테나의 입력 임피던스의 허수부는 상기 제2 스터브의 길이에 따라 조절 가능하다.
상기 마이크로스트립 패치 안테나는 상기 접지면과 상기 방사 패치 사이에 배치되는 유전체 재질의 안테나 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로스트립 패치 안테나는 상기 접지면과 상기 급전 선로 사이에 배치되는 유전체 재질의 급전 기판을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 개구부가 형성된 접지면; 상기 접지면의 상부에 배치되는 방사 패치; 상기 접지면의 하부에 배치되는 급전 선로; 및 상기 급전 선로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상기 급전 선로와 연결되는 제1 스터브를 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나가 제공된다.
본 발명에 따른 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나의 크기를 소형으로 유지하면서 임피던스 대역폭을 확장시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나의 사시도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나의 수직 단면도를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나의 수평 단면도들을 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 개구부의 크기(Lap, Wap, l h, w h), 제1 스터브의 길이(l ps) 및 제1 스터브의 배치 거리(dps)를 조절하여 마이크로스트립 패치 안테나의 임피던스 대역폭을 조절하는 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개구부 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나(이하, "마이크로스트립 패치 안테나"라고 함)의 사시도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 수직 단면도를 도시한 도면이다. 그리고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 수평 단면도들을 도시한 도면이다(도 3은 도 2에 도시된 A-A'면에 대한 수평 단면도, 도 4는 도 2에 도시된 B-B'면에 대한 수평 단면도, 도 5는 도 2에 도시된 C-C'면에 대한 수평 단면도임).
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 개구부(111)가 형성된 접지면(110), 접지면(110)의 상부에 배치되는 방사 패치(120), 접지면(110)의 하부에 배치되는 급전 선로(130), 접지면(110)과 방사 패치(120) 사이에 배치되는 안테나 기판(140), 접지면(110)과 급전 선로(130) 사이에 배치되는 급전 기판(150), 급전 선로(130)와 연결되는 제1 스터브(Stub)(160) 및 제2 스터브(170)를 포함한다.
접지면(110)은 평면 형상을 가지며, 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나와 같이 방사 패치(120)의 접지로 사용됨과 동시에 방사 패치(120)로 급전을 수행하는 급전 선로(130)의 접지로 사용된다. 또한, 접지면(110)은 안테나 부분(방사 패치(120) 및 안테나 기판(140))과 급전 부분(급전 선로(130) 및 급전 기판(150))을 분리하는 용도로도 사용된다.
이와 같은 접지면(110)에는 급전 선로(130)로부터 급전되는 고주파 신호를 방사 패치(120)로 전달하기 위한 개구부(Aperture)(111)가 형성되어 있다. 개구부(111)의 크기에 따라 방사 패치(120)로 전달되는 고주파 신호의 결합 크기가 조절되어 안테나의 입력 임피던스의 실수부 크기가 조절되기 때문에 개구부(110)의 크기는 임피던스 정합에 중요한 역할을 한다.
도 1 내지 도 5에서는 개구부(111)가 H 형상(가로 부분의 길이와 폭이 Lap 및 Wap로 표현되고, H 형상을 만들기 위해 추가된 부분의 길이와 폭이 각각 은 각각 l h 및 w h로 표현됨)을 가지는 것으로 도시하였으나, 개구부(111)의 형상은 이에 한정되지 않으며 다양한 형상을 가질 수 있다.
방사 패치(120)는 개구부(111)의 상부에서 개구부(111)와 동일한 축 상에 배치되며 일반적인 사각형 마이크로스트립 패치 안테나의 설계 방법과 동일한 방법으로 설계될 수 있다. 이 때, 방사 패치(120)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 길이 Lp및 폭 Wp을 가지는 사각 형상을 가질 수도 있고, 기타 다양한 형상을 가질 수도 있다.
급전 선로(130)는 앞서 설명한 바와 같이 방사 패치(120)로 고주파 신호를 급전한다. 이를 위해, 급전 선로(130)의 일측 끝단(131)은 개구부(111)의 하부(보다 정확하게는 개구부(111)의 가로 부분의 하부)에 배치될 수 있다.
이 경우, 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 프론트-엔드(Front-End) 모듈의 연결 시 임피던스 정합을 위해 급전 선로(130)는 일반적으로 50Ω의 특성 임피던스를 가지도록 폭(Wf)이 조절되어 설치될 수 있다.
안테나 기판(140) 및 급전 기판(150)은 유전체 재질로서, 설계 기호에 따라 유전상수와 유전체 손실 값과 같은 매질의 전기적 특성을 임의로 정할 수 있으며 그 두께도 임의로 정할 수 있다. 단, 급전 기판(150)의 유전상수 및 두께는 급전 선로(130)의 특성 임피던스를 프론트-엔드 모듈과 정합시키기 위한 목적에 따라서 제한적으로 결정될 수 있다.
제1 스터브(160)는 소정의 길이(l ps)를 가지며, 급전 선로(130)의 길이 방향과 교차하는 방향(즉, 폭 방향)으로 급전 선로(130)와 연결된다. 다시 말해, 제1 스터브(160)는 급전 선로(130)와 병렬로 연결되는 스터브(병렬 스터브)이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 임피던스 대역폭은 제1 스터브(160)의 길이(l ps) 및 급전 선로(130)의 일측 끝단(131)으로부터 제1 스터브(160)가 연결되는 급전 선로(130) 상의 지점까지의 거리(dps)(이하, "제1 스터브(160)의 배치 거리"라고 함) 중에서 적어도 하나에 기초하여 조절 가능하다.
이 경우, 제1 스터브(160)의 길이(l ps) 및 제1 스터브(160)의 배치 거리(dps)뿐만 아니라, 개구부(111)의 크기(Lap, Wap, l h, w h) 역시 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 임피던스 대역폭을 조절하는데 이용될 수 있다.
따라서, 설계자는 제1 스터브(160)의 길이(l ps), 제1 스터브(160)의 배치 거리(dps) 및 개구부(111)의 크기(Lap, Wap, l h, w h)를 적절하게 변경하여 넓은 임피던스 대역폭을 가지도록 마이크로스트립 패치 안테나(100)를 설계할 수 있다.
제2 스터브(170)는 소정의 길이(l s)를 가지며, 급전 선로(130)의 일측 끝단(131)에서 급전 선로(130)의 길이 방향으로 연결된다. 다시 말해, 제2 스터브(170)는 급전 선로(130)와 직렬로 연결되는 스터브(직렬 스터브)이다.
이 경우, 제2 스터브(170)의 길이(l s)를 적절하게 조절함으로써, 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 입력 임피던스의 허수부를 조절할 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 개구부(111)의 크기(Lap, Wap, l h, w h), 제1 스터브(160)의 길이(l ps) 및 제1 스터브(160)의 배치 거리(dps)를 조절하여 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 임피던스 대역폭을 조절하는 시뮬레이션 결과를 상세하게 설명하기로 한다.
본 시뮬레이션에서는 개구부(111)의 크기를 다소 줄여 급전 선로(130)에서 방사 패치(120)로 전달되는 고주파 신호의 결합 크기와 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 입력 임피던스의 실수부 크기를 줄였으며, 이에 따라 스미스 차트에 도시되는 입력 임피던스 곡선이 이루는 원형 모양의 궤적 크기가 2:1의 정재파비를 가지는 원의 직경보다 다소 작도록 하였다.
도 6은 제1 스터브(160)가 없는 경우, 개구부(111)의 크기 변화에 따른 입력 임피던스의 변화를 도시한 스미스 차트(Smith Chart)이다. 여기서, case 1 내지 case 4의 시뮬레이션 조건은 아래의 표 1과 같다.
Case Lap [mm] Wap [mm] l h [mm] w h [mm]
1 3.7 0.5 2.0 0.5
2 3.7 0.5 2.3 0.5
3 3.7 0.5 2.7 0.5
4 4.0 0.5 2.6 0.5
도 6을 참조하면, 개구면의 크기가 클수록 안테나의 입력 임피던스의 실수부가 커지고 입력 임피던스 곡선이 이루는 원형 궤적의 크기가 커짐을 확인할 수 있다.
도 7에서는 case 4에 대한 마이크로스트립 패치 안테나의 |S11| 파라미터의 그래프를 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 제1 스터브(160)가 존재하지 않는 경우, 마이크로스트립 패치 안테나는 좁은 임피던스 대역폭을 가지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기와 같은 조건 하에서 개구부(111)의 크기에 따라 서로 다른 입력 임피던스 곡선이 이루는 원형 궤적의 중심점을 부하 임피던스로 삼고, 제1 스터브(160)의 배치 길이(dps)를 조절하여, 원형 궤적의 중심이 스미스 차트의 0.02 mho 컨덕턴스(conductance) 원 상에 위치하도록 설정하고, 제1 스터브(160)의 길이(l ps)를 조절하여 서로 다른 입력 임피던스 곡선의 원형 궤적의 중심이 50Ω에 정합되도록 설정하여 입력 임피던스를 시뮬레이션 하는 경우, 도 8에 도시된 바와 같은 스미스 차트를 얻을 수 있다. 여기서, case 1 내지 case 4의 시뮬레이션 조건은 아래의 표 2와 같다(개구부(111)의 크기 변화는 동일함).
Case Lap [mm] Wap [mm] l h [mm] w h [mm] dps[mm] l ps [mm]
1 3.7 0.5 2.0 0.5 2.5 3.7
2 3.7 0.5 2.3 0.5 2.4 3.2
3 3.7 0.5 2.7 0.5 2.4 2.6
4 4.0 0.5 2.6 0.5 2.7 2.0
도 8을 참조하면, case 1, case 2 및 case 3와 같이 제1 스터브(160)의 배치 길이(dps) 및 제1 스터브(160)의 길이(l ps)를 조절하는 경우, 입력 임피던스가 이루는 원형모양의 궤적 크기가 2:1의 정재파비를 가지는 원(810)의 내부에 위치하도록 설계할 수 있다. 따라서, 2:1의 정재파비를 가지는 원(810)의 직경보다 다소 작도록 입력 임피던스 곡선이 형성되도록 개구부(111)의 크기를 조절하면 임피던스 대역폭을 최대로 증가시킬 수 있게 된다. 그러나, case 4와 같이 개구부(111)의 크기를 크게 설계하는 경우, 입력 임피던스가 이루는 원형 모양의 궤적이 2:1의 정재파비를 가지는 원(810)의 외부에 위치하게 되고, 이로 인해 오히려 임피던스 대역폭이 감소하게 되는 현상이 발생할 수도 있다.
도 9는 case 1 내지 case 4에 대한 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 |S11| 파라미터를 도시한 그래프이다.
도 7과 도 9를 비교하면, 제1 스터브(160)가 존재하는 경우, 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 임피던스 대역폭이 더 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, case 3의 경우, -10 dB 임피던스 대역폭이 730 MHz (13.97 %의 대역폭 비)가 되어 임피던스 대역폭이 가장 커짐을 확인할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 급전 라인(130)의 폭 방향으로 연결되는 제1 스터브(160)를 도입하여 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 임피던스 대역폭을 증가시킨다.
이를 위해, 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 설계자는 스미스 차트 상에서 입력 임피던스가 이루는 원형 모양의 궤적이 2:1의 정재파비를 가지는 원의 직경보다 다소 작게 되도록 제1 스터브(160)의 길이 및 배치 위치를 조절한다. 이에 따라, 안테나의 두께가 증가되지 않도록 하면서 저비용으로 넓은 임피던스 대역폭을 가지는 마이크로스트립 패치 안테나(100)를 설계할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 마이크로스트립 패치 안테나
110: 접지면 111: 개구부
120: 방사 패치 130: 급전 선로
131: 급전 선로의 일측 끝단 140: 안테나 기판
150: 급전 기판 160: 제1 스터브
170: 제2 스터브

Claims (12)

  1. 개구부가 형성된 접지면;
    상기 개구부의 상부에 배치되는 방사 패치;
    일측 끝단이 상기 개구부의 하부에 배치되는 급전 선로;
    상기 급전 선로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상기 급전 선로와 연결되는 제1 스터브; 및
    상기 급전 선로의 일측 끝단에서 상기 급전 선로의 길이 방향으로 연결되는 제2 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 패치 안테나의 임피던스 대역폭은 상기 제1 스터브의 길이 및 상기 급전 선로의 일측 끝단으로부터 상기 제1 스터브가 연결되는 상기 급전 선로 상의 지점까지의 거리 중에서 적어도 하나에 기초하여 조절 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개구부는 H 형상을 가지며,
    상기 급전 선로의 일측 끝단은 상기 H 형상의 가로 부분의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 패치 안테나의 입력 임피던스의 실수부는 상기 개구부의 크기에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 패치 안테나의 입력 임피던스의 허수부는 상기 제2 스터브의 길이에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 방사 패치 사이에 배치되는 유전체 재질의 안테나 기판
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 급전 선로 사이에 배치되는 유전체 재질의 급전 기판
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  9. 개구부가 형성된 접지면;
    상기 접지면의 상부에 배치되는 방사 패치;
    상기 접지면의 하부에 배치되는 급전 선로;
    상기 급전 선로의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상기 급전 선로와 연결되는 제1 스터브; 및
    상기 급전 선로의 일측 끝단에서 상기 급전 선로의 길이 방향으로 연결되는 제2 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 방사 패치 사이에 배치되는 유전체 재질의 안테나 기판
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나
  12. 제9항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 급전 선로 사이에 배치되는 유전체 재질의 급전 기판
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
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