KR101302580B1 - 역 l 형과 t 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

역 l 형과 t 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 마이크로스트립 안테나의 양 방사개구에 역 L 형 무급전 소자와 T 형 무급전 소자를 장하하고, 무급전 소자를 섭동(perturbation) 효과를 이용하여 공진시켜 LTE 대역(2.0175GHz), WLAN대역(2.45GHz), WiMax 대역(3.5GHz) 등의 다중대역 특성을 가지며, 저주파 대역에서 안테나 크기의 증가 없이 공진시킴으로써 소형화된 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 접지기능을 수행하는 접지면; 상기 접지면과 패치 사이에 위치하며, 무급전 소자 및 패치가 배치될 수 있는 두께를 가진 기판으로 형성된 유전체; 상기 접지면과 평행한 유전체 상에 프린트 형태로 형성되며, coaxial probe 방식으로 급전되는 패치; 및 상기 패치의 양단에서 수직하게 형성된 유전체 상에 프린트 형태로 형성되되, 상기 패치의 방사개구 양단에 장하되어 역 L 형 무급전 소자 및 T 형 무급전 소자가 구성된 무급전 소자; 를 포함한다.

Description

역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나{COMPACT MULTI BAND MICROSTRIP ANTENNA USING INVERTED L SHAPED AND T SHAPED PARASITIC ELEMENTS}
본 발명은 LTE 대역(2.0175GHz), WLAN대역(2.45GHz), WiMax 대역(3.5GHz)을 수용하는 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로스트립 안테나의 양 방사개구에 역 L 형 무급전 소자와 T 형 무급전 소자를 장하하고, 무급전 소자를 섭동(perturbation) 효과를 이용하여 공진시켜 다중대역 특성을 얻을 수 있는 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.
마이크로스트립 안테나는 저자세의 구조와 높은 이득 및 브로드 사이드 방사패턴을 가지고 있어 다양한 응용분야에 이용되고 있다. 최근에는 하나의 무선시스템에 여러 가지 통신 시스템이 직접되고 있어, 다중대역 안테나의 설계가 요구되고 있다. 따라서, 다양한 형태의 다중대역 마이크로스트립 안테나가 연구되어 왔다. 기본적인 다중 대역 마이크로스트립 안테나로 적층형 구조를 이용한 안테나가 개발되었다(선행문헌 1).
선행문헌 1에 따른 적층형 다중대역 마이크로스트립 안테나는, 설계 주파수마다 패치를 적층시킴으로써 설계된다. 따라서, 적층하는 패치의 수에 따라 안테나의 높이가 증가된다.
다음으로, 스터브와 슬롯을 이용한 다중 대역 마이크로스트립 안테나가 연구되었다(선행문헌 2). 선행문헌 2에 따른 안테나는, 스터브에 의하여 마이크로스트립 안테나의 크기가 커지며, 슬롯에 의하여 하모닉 성분의 방사패턴이 발생한다.
그리고, 마이크로스트립 annular ring 패치 안테나에 groove를 삽입시킴으로써 다중대역 안테나를 설계하였다(선행문헌 3). 그러나, 선행문헌 3과 같은 안테나는 설계 대역에서 대역폭을 만족하지 못하며, 편파가 일정하지 않은 문제점이 있었다.
선행문헌 1: Lee, K.-F., Tong K.-F.: 'Microstrip patch antennas??basic characteristics and some recent advances,' Proceedings of the IEEE, July 2012, 100(7), pp.2169-2180. 선행문헌 2: Deshmukh, A.A., Ray, K.P.: 'Multi-band configurations of stub-Loaded slotted rectangular microstrip antennas,' IEEE Antennas Propag. Mag., Feb. 2010, 52(1), pp.89-103. 선행문헌 3: Jhamb, K., Li, L, Rambabu, K.: 'Frequency adjustable microstrip annular ring patch antenna with multi-band characteristics,' IET Microwaves, Antennas & Propagation, Sept. 2011, 5(12), pp.1471-1478.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 마이크로스트립 안테나의 양 방사개구에 역 L 형 무급전 소자와 T 형 무급전 소자를 장하하고, 무급전 소자를 섭동(perturbation) 효과를 이용하여 공진시켜 LTE 대역(2.0175GHz), WLAN대역(2.45GHz), WiMax 대역(3.5GHz) 등의 다중대역 특성을 가지며, 저주파 대역에서 안테나 크기의 증가 없이 공진시킴으로써 소형화된 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 접지기능을 수행하는 접지면; 상기 접지면과 패치 사이에 위치하며, 무급전 소자 및 패치가 배치될 수 있는 두께를 가진 기판으로 형성된 유전체; 상기 접지면과 평행한 유전체 상에 프린트 형태로 형성되며, coaxial probe 방식으로 급전되는 패치; 및 상기 패치의 양단에서 수직하게 형성된 유전체 상에 프린트 형태로 형성되되, 상기 패치의 방사개구 양단에 장하되어 역 L 형 무급전 소자 및 T 형 무급전 소자가 구성된 무급전 소자; 를 포함한다.
또한 상기 접지면은, 금속 재질인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 무급전 소자들은, 상기 패치의 방사개구의 전자계가 커플링되어 공진하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 무급전 소자들의 길이 또는 높이를 조절함으로써, 공진 주파수를 개별적으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 마이크로스트립 안테나의 양 방사개구에 역 L 형 무급전 소자와 T 형 무급전 소자를 장하하고, 무급전 소자를 섭동(perturbation) 효과를 이용하여 공진시켜 LTE 대역(2.0175GHz), WLAN대역(2.45GHz), WiMax 대역(3.5GHz) 등의 다중대역 특성을 가질 수 있으며, 저주파 대역에서 안테나 크기의 증가 없이 공진시킴으로써 소형화된 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 무급전 소자 각각의 파라미터를 조절함으로써 공진 주파수를 개별적으로 조절을 할 수 있는 효과도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 실제도.
도 3 은 본 발명에 따른 무급전 소자의 파라미터별 시뮬레이션된 반사손실 특성을 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴 특성에 관한 일예시도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관하여 도 1 내지 도 4 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 구성도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 관한 실제도로서, (a) 는 역 L 형 무급전 소자가 보이는 방향이며, (b) 는 T 형 무급전 소자가 보이는 방향이다.
도시된 바와 같이, 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나는, 접지면(100), 유전체(200), 패치(300) 및 무급전 소자(400)를 포함하여 이루어진다.
접지면(100)은 금속 재질로서, 200mm × 200mm(1.35λL × 1.35λL) 크기를 가지고, 통상의 접지 기능을 수행한다. 여기서, λL은 2.0175GHz의 공기중 파장이다.
유전체(200)는 접지면(100)과 패치(300) 사이에 위치하며, 무급전 소자(400) 및 패치(300)가 배치될 수 있는 두께를 가진 FR-4(εr=4.4) 기판이다.
패치(300)는 접지면(100)과 평행한 유전체(300) 상에 프린트 형태로 형성되며, coaxial probe 급전 방법을 이용한다. 이때, 패치(300)는 3.5GHz(WiMax 대역)에서 설계된다.
무급전 소자(400)는 패치(300)의 개구면 양단에서 수직하게 형성된 유전체(200) 상에 프린트 형태로 형성되되, 패치(300)의 방사개구 양단에 장하되어 역 L 형 무급전 소자(410) 및 T 형 무급전 소자(420)가 구성된다.
본 실시예에서, 유전체의 유전율 및 그 형상은 다양하게 설정될 수 있는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 접지면은 다양한 형상 및 재질로 설정될 수 있는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, Seo, J. and Woo, J.: 'Miniaturization of microstrip antenna using the iris,' Electron.Lett., June 2004, 40(12), pp.718-719. 에서는, 플레이트형 무급전 소자는 섭동(perturbation) 효과에 의하여 마이크로스트립 안테나의 공진 주파수를 저하시키는 역할을 하여 안테나를 소형화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 무급전 소자를 이용하여 다중대역을 형성시키기 위해 플레이트형 무급전 소자를 역 L 형과 T 형의 무급전 소자로 구조 변형하였다.
무급전 소자들은 패치 안테나의 방사개구의 전자계가 커플링되어 공진을 하게 된다. 역 L 형 무급전 소자는 2.0175GHz 대역에서 공진이 되며, T 형 무급전 소자는 2.45GHz에서 공진시킨다.
여기서, 역 L 형 구조의 무급전 소자를 사용한 이유는, 저주파 대역에서 공진 길이를 맞추기 위해서 사용하였고, T 형 무급전 소자의 경우 WLAN 대역의 편파 특성을 개선하기 위해 사용하였다.
설계된 다중대역 안테나는, 각각의 파라미터를 조절함으로써 공진 주파수를 개별적으로 조절을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이를 확인하기 위해 각각 소자의 파라미터별 시뮬레이션된 반사손실 특성을 도 3 에 나타내었다.
도 3 의 (a) 에 나타낸 바와 같이, 역 L 형 무급전 소자(410)의 길이(L1)를 23.6mm에서 25.6mm까지 1mm씩 조절할 경우, 공진 주파수는 2.07GHz에서 1.96GHz까지 하향되며, 다른 공진 주파수는 움직이지 않는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, T 형 무급전 소자(420)의 높이(G1)를 2mm에서 3mm까지 0.5mm씩 변경할 경우, 도 3 의 (b) 에 나타낸 바와 같이, 2.74GHz에서 2.41GHz까지 하향된다. 이와 같은 이유는 패치와 접지면 사이의 전계에너지 양을 L1및 G1에 따라서 변형시키기 때문이다.
마이크로스트립 패치(300)의 길이(L2)를 38mm에서 40mm까지 1mm씩 증가시킬 경우, 공진 주파수(도 3 의 (c) )는 3.53GHz에서 3.41GHz로 하향하며, 이는 3.5GHz 대역에서만 독립적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 설계된 안테나는, 개별 파라미터에 의하여 공진 주파수를 다른 대역의 영향 없이 독립적으로 조절할 수 있어 공진 주파수 튜닝에 유리한 장점을 가진다. 이러한 특성을 이용하여 제작한 안테나는 상기 도 2 의 (a) 및 (b) 와 같다.
도 3 의 (d) 에는 3개 대역에서 설계된 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 반사손실 특성을 나타내었다. 여기서, 각 설계대역에 최적화된 파라미터는 L1=25mm, G1=3.5mm, L2=36.5mm이다. -10dB 대역폭은 세 대역에서 모두 -10dB 이하로 양호한 매칭 특성을 얻었으며, 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 잘 일치 하였다.
LTE, WLAN, WiMax의 측정된 대역폭은 각각 28MHz(1.39%), 91MHz(3.71%), 255MHz(7.28%)로 측정되어 시스템의 요구 대역폭 각각 15MHz, 83.5MHz, 200MHz를 수용하는 것으로 나타났다.
다음으로, 도 4 에는 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴 특성을 나타내었다.
방사패턴은 전 대역에서 양호한 브로드 사이드 방사패턴 특성을 얻었다. 2.45GHz 대역(도 4 의 (b))에서는 15도 방향의 방사 레벨이 다소 낮아지는 현상이 관찰되었다. 그 이유는, T 형 무급전 소자의 short pin부분에 의하여 패치의 전류분포가 다소 변형되기 때문이다.
각각의 주파수 대역에서 측정된 안테나의 이득은 3.29dBi(2.0175GHz), 3.01dBi(2.45GHz), 8.7dBi(3.5GHz)이다. 안테나의 효율은 각각 77.6%(2.0175GHz), 75.5%(2.45GHz), 96.6%(3.5GHz)으로 측정되었다.
지금까지 상술한 본 발명에 따른 안테나는, LTE, WLAN, WiMax 대역을 위한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나를 설계하였다.
기본 마이크로스트립 안테나의 양 방사개구에 역 L 형 및 T 형 무급전 소자를 장하함으로써 다중대역 특성을 얻었다. 특히, 설계된 안테나는 각각의 파라미터를 이용하여 공진 주파수를 개별적으로 조절할 수 있다.
그리고, 단층으로 안테나를 설계하여 저자세의 특성을 유지하였으며, 저주파 대역에서는 추가적인 안테나의 크기 증가 없이 공진특성을 얻어, 소형화 효과를 확인하였다. 설계된 안테나는 저자세로 소형화된 크기와 다중대역 특성을 가지고 있어 다중대역 어플리케이션에 적합할 것으로 사료된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 접지면 200: 유전체
300: 패치 400: 무급전 소자
410: 역 L 형 무급전 소자 420: T 형 무급전 소자

Claims (4)

  1. LTE, WLAN, WiMax 대역을 위한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나에 있어서,
    접지기능을 수행하는 접지면;
    상기 접지면과 패치 사이에 위치하며, 무급전 소자 및 패치가 배치될 수 있는 두께를 가진 기판으로 형성된 유전체;
    상기 접지면과 평행한 유전체 상에 프린트 형태로 형성되며, coaxial probe 방식으로 급전되는 패치; 및
    상기 패치의 양단에서 수직하게 형성된 유전체 상에 프린트 형태로 형성되되, 상기 패치의 방사개구 양단에 장하되어 역 L 형 무급전 소자 및 T 형 무급전 소자가 구성된 무급전 소자; 를 포함하는 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접지면은,
    금속 재질인 것을 특징으로 하는 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무급전 소자들은,
    상기 패치의 방사개구의 전자계가 커플링되어 공진하는 것을 특징으로 하는 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무급전 소자들의 길이 또는 높이를 조절함으로써, 공진 주파수를 개별적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 역 L 형과 T 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나.
KR1020130035139A 2013-04-01 2013-04-01 역 l 형과 t 형 무급전 소자를 이용한 소형 다중대역 마이크로스트립 안테나 KR101302580B1 (ko)

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