KR101313018B1 - 메타물질을 이용한 이중대역 원형 편파 패치 안테나 - Google Patents

메타물질을 이용한 이중대역 원형 편파 패치 안테나 Download PDF

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Abstract

이중 대역의 원형 편파 패치 안테나로서, 기판, 제1 방사체, 제1 방사체 내부에 위치하는 제2 방사체, 그리고 급전부를 포함한다. 제1 방사체는 기판에 형성되고, 내부에 사각 홀이 형성되며, 대향하는 꼭지점쌍 중 한 쌍에서 그 외측부가 삼각 형태로 제거되는 삼각형 제거부를 갖는다. 제2 방사체는 기판에 형성되고, 제방사체의 사각 홀 내에 형성되며, 4개의 삼각형 서브 방사체가 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치되며, 메타 물질로 구성된다. 급전부는 제1 방사체의 사각 홀의 내측 일변 및 제2 방사체의 외측 일변에서 각각 소정 간격 이격되어 형성된다.

Description

메타물질을 이용한 이중대역 원형 편파 패치 안테나{Dual-band Circular Polarized Patch Antenna using metamaterial}
본 발명은 패치 안테나에 관한 것으로, 상세하게는 이중대역 원형 편파 패치 안테나에 관한 것이다.
패치 안테나는 크기가 컴팩트할 뿐 아니라 가볍고 제작이 간단하다. 따라서, 적은 비용으로 제조가 가능하다. 그러나, 패치 안테나는 대역폭을 넓히는 것이 쉽지 않고, 커플링 손실도 상당하다.
패치 안테나의 대역폭을 넓히는 기술로는, 'L' 형상의 급전 프로브를 사용하거나, 'U' 형상의 슬롯이 형성된 패치를 사용하는 등의 방법이 이용되고 있다.
한편, 이중 대역으로 동작하는 원형 편파 패치 안테나의 기술로는, 한국특허출원 10-2008-0011956호, 한국특허출원 10-2007-0052687호 등이 있다.
한국특허출원 10-2008-0011956호는, 기판, 기판에 형성되며 내부에 육각형 홈을 갖는 외부 패치, 그리고 기판에 형성되는 육각형의 내부 패치를 포함하여, GPS 및 DMB 서비스 영역인 1.5 GHz와 2.6 GHz 대역에서 동작하도록 구성되어 있다.
한국특허출원 10-2007-0052687호는, 이중 패치를 적용하면서도 급전 네트워크 설계를 변형하여 RFID UHF 및 ISM 대역에서 동작하도록 구성되어 있다. 그 구성을 보면, 기판, 그리고 기판에 수직 방향으로 이격되어 형성되는 2개의 방사 패치를 포함하고 있다.
그런데, 한국특허출원 10-2008-0011956호와 한국특허출원 10-2007-0052687호는 입체 구조로 되어 있거나, 평면 구조로 되어 있더라도 그 구조가 복잡하고, 또한 급전 설계도 간단하지 않다.
본 발명의 이러한 종래기술의 구조적 복잡성을 해결하기 위한 것으로, 이중 대역에서 동작하면서도 구조가 간단하여 제조가 더 용이한 메타물질을 이용한 이중대역 원형 편파 패치 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 원형 편파 패치 안테나는, 기판;기판에 형성되고, 내부에 사각 홀이 형성되며, 대향하는 꼭지점쌍 중 한 쌍에서 그 외측부가 삼각 형태로 제거되는 삼각형 제거부를 갖는 방사체; 그리고 방사체의 사각 홀의 내측 일변으로부터 소정 간격 이격되어 형성되는 급전부를 포함하여 구성된다.
방사체의 삼각형 제거부는, 직각에 이웃하는 각 변의 길이가 동일하게 구성된다.
방사체는 사각 홀 내벽에 원형으로 함몰되는 원형 제거부를 포함한다. 이 경우, 급전부는 일부가 원형 제거부에 내장되고, 원형 제거부의 내연으로부터 동일 간격 이격되는 원형 패치로 구성된다.
본 발명에 따른 원형 편파 패치 안테나는, 기판; 기판에 형성되고, 4개의 삼각형 서브 방사체가 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치되며, 메타 물질로 구성되는 방사체; 그리고 하나의 삼각형 서브 방사체의 외측 일변으로부터 소정 간격 이격되어 형성되는 급전부를 포함하여 구성된다.
방사체는 대향하는 삼각형 서브 방사체를 대칭되게 구성할 수 있다.
하나의 삼각형 서브 방사체는 외측 일변이 원형으로 함몰되는 원형 제거부를 포함하고, 급전부는 원형 제거부의 내연으로부터 동일 간격 이격되는 원형 패치로 구성된다.
본 발명에 따른 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나는, 기판; 기판에 형성되고, 내부에 사각 홀이 형성되며, 대향하는 꼭지점쌍 중 한 쌍에서 그 외측부가 삼각 형태로 제거되는 삼각형 제거부를 갖는 제1 방사체; 기판에 형성되고, 제1 방사체의 사각 홀 내에 형성되며, 4개의 삼각형 서브 방사체가 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치되며, 메타 물질로 구성되는 제2 방사체; 그리고 제1 방사체의 사각 홀의 내측 일변 및 제2 방사체의 외측 일변에서 각각 소정 간격 이격되어 형성되는 급전부를 포함하여 구성된다.
제1 방사체는 사각 홀 내측 일변에 원형으로 함몰되는 제1 원형 제거부를 포함하고, 하나의 삼각형 서브 방사체는 외측 일변이 원형으로 함몰되는 제2 원형 제거부를 포함한다. 이 경우, 급전부는 제1 원형 제거부 및 제2 원형 제거부의 내연으로부터 동일 간격 이격되는 원형 패치로 구성된다.
제1 방사체의 삼각형 제거부는 직각에 이웃하는 각 변의 길이가 동일하게 구성할 수 있다.
급전부는 단일 급전 방식으로 제1 방사체 및 제2 방사체에 전력을 공급한다.
제1 방사체는 +1 모드로 2.800 GHz에서 작동하고, 제2 방사체는 -1 모드로 3.702 GHz에서 작동한다.
제2 방사체는 대향하는 삼각형 서브 방사체가 대칭되게 구성한다.
메타 물질로 구성되는 -1 모드 패치 안테나를 이용함으로써, 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나의 구조를 단순하게 만들 수 있다. 또한, 2개의 방사체를 가지고 있음에도 소형으로 만드는 것이 가능하고, 더구나 평면형으로 제작하는 것도 가능하다.
도1은 본 발명에 따른 +1 모드 원형 편파 패치 안테나의 평면도이다.
도2a는 도1 실시예의 반사 손실을 보여주고 있다.
도2b는 θ=0°일 때 도1 실시예의 축비(Coaxial Ratio)를 보여주고 있다.
도3a 및 도3b는 도1 실시예의 방사 패턴을 보여주고 있다.
도4는 본 발명에 따른 -1 모드 원형 편파 패치 안테나의 평면도이다.
도5a는 도4 실시예의 반사 손실을 보여주고 있다.
도5b는 θ=0°일 때 도4 실시예의 축비(Coaxial Ratio)를 나타내고 있다.
도6a 및 도6b는 도4 실시예의 방사 패턴을 보여주고 있다.
도7은 본 발명에 따른 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나의 평면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 +1 모드 원형 편파 패치 안테나의 평면도이다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 +1 모드 원형 편파 패치 안테나는 기판(110), 방사체(120), 급전부(130) 등을 포함한다.
기판(110)은 유전체 기판을 사용한다. 유전체 기판의 재료로는 에폭시(epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC, 에어폼 등을 사용할 수 있다.
방사체(120)는 기판(110) 상에 스트립 형태로 구성된다. 전체 형상은 사각형으로 형성되며, 내부에 사각 형태의 홀이 에칭으로 형성된다.
방사체(120)는 4개의 꼭지점을 가지고 있으며, 대향하는 꼭지점 쌍은 2개이다. 이들 꼭지점 쌍 중 한 쌍에서 그 외측부를 삼각형 형태, 즉 꼭지점 양변의 소정 간격이 포함되도록 해당 꼭지점 부분을 제거한다.
삼각 제거부(A)는 다양한 형태를 가질 수 있는데, 예를들어 대향하는 꼭지점 쌍을 대칭 구조로 형성하고, 직각에 이웃하는 각 변의 길이를 동일하게 할 수 있다.
방사체(120)는 사각 홀의 내측 일변에 원형으로 함몰되는 원형 제거부(B)를 포함한다. 원형 제거부(B)에는 급전부(130)의 일부가 소정 간격 이격되면서 삽입된다.
급전부(130)는 방사체(120)의 사각 홀의 내측 일변으로부터 소정 간격 이격되어 형성된다. 도1에 도시한 바와 같이, 방사체(120)에 원형 제거부(B)를 형성하면, 급전부(130)는 원형 제거부(B)에 대응되게 원형으로 형성되며, 그 일부가 원형 제거부(B)에 삽입되는 구성으로 된다. 여기서, 원형 제거부(B)의 내연과 급전부(130)의 외연의 간격(Gp)은 일정하게 유지되는데, 이를 통해 방사체(120)와 급전부(130)는 임피던스 매칭을 이룬다.
급전부(130)는 동축 프로브(미도시)에 연결된다.
도1에서, 패치 안테나의 구체적 실시예로서, 방사체(120)를 Wg=60mm, Wp=25mm, Wh=17mm, c=2.4mm, gp=0.2mm, rc=2.8mm로, 그리고 기판(110)을 RT/duroid5880 (h=3.175mm)로 구성할 수 있다.
도 2a,2b, 도3a,3b는 도1의 구체적 실시예가 보여주는 안테나 특성들이다.
도2a는 도1 실시예의 반사 손실을 보여주고 있고, 도2b는 θ=0°일 때의 축비(Coaxial Ratio)를 보여주고 있다.
도2a에서 알 수 있듯이, 도1의 실시예는 2.8 GHz 근방에서 작동하는 것을 알 수 있다. 또한, 도2b에서 확인할 수 있듯이, 2.8 GHz에서 0.41 dB의 축비를 갖는데, 일반적인 원형 편파의 기준이 3 dB 이내이므로 도1의 실시예는 원형 편파의 방사 패턴을 가진다고 할 수 있다.
도3a 및 도3b는 도1 실시예의 방사 패턴을 보여주고 있다.
도3a,3b에서 확인할 수 있듯이, 도1의 실시예는 2.8 GHz에서 7.04 dBic의 이득을 갖고, LHCP의 특성을 가진다. 방사 효율은 95% 를 보여주고 있다.
도4는 본 발명에 따른 -1 모드 원형 편파 패치 안테나의 평면도이다.
도4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 -1 모드 원형 편파 패치 안테나는 기판(210), 방사체(220), 급전부(230) 등을 포함한다.
기판(210)은 유전체 기판을 사용한다. 유전체 기판의 재료로는 에폭시(epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC, 에어폼 등을 사용할 수 있다.
방사체(220)는 기판(210) 상에 스트립 형태로 구성된다. 전체 형상은 사각형으로 구성되며, 4개의 삼각 서브 방사체(221,222,223,224)가 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치된다. 즉, 4개의 서브 방사체(221,222,223,224)가 일명 버섯 구조로 배치되며, 각 서브 방사체의 사이에는 인터디지트 (interdigit) 갭이 삽입되어 있다.
방사체(220)는 하나의 삼각 서브 방사체(222)의 외측 일변이 원형으로 함몰되는 원형 제거부(C)를 포함한다. 원형 제거부(C)에는 급전부(230)의 일부가 소정 간격 이격되면서 삽입된다.
방사체(220)는 메타 물질로 구성된다. 메타 물질은 유전율과 투자율이 기존의 값인 양수를 넘어서 음수를 가지는 물질이다. 특히, DNG(double negative) 영역은 유전율과 투자율이 모두 음수를 가지는 영역으로서, 음의 배수에 해당하는 공진 모드를 갖게 된다. 2개의 버섯 구조 사이에 갭을 삽입하면, 일반적인 패치 안테나의 기본 모드인 TM101 모드, 즉 +1 모드와 동일한 특성을 갖는 -1 모드가 발생한다.
이와 같이, -1 모드는 단일 버섯 구조가 2개 이상일 때 발생한다. 이는 일반적인 패치 안테나의 +1 모드와 동일한 특성을 가지며, 또한 상대적으로 낮은 주파수에서 발생하므로, 소형화에 유리하다.
도4에서는, 원형 편파를 얻기 위해, 2개의 직교하는 -1 모드들을 결합하였다. 그 결과, 도4의 패치 안테나는 모두 4개의 단위 구조로 되어 있고, 원형 편파 특성을 최적화하기 위해 인터디지트(interdigit) 갭을 삽입하였고, 그 갭도 조정되어 있다.
급전부(230)는 방사체(220), 상세하게는 삼각 서브 방사체(222)의 외측 일변으로부터 소정 간격 이격되어 형성된다. 도4에 도시한 바와 같이, 방사체(220)에 원형 제거부(C)를 형성하면, 급전부(230)는 원형 제거부(C)에 대응되게 원형으로 형성되며, 그 일부가 원형 제거부(C)에 삽입된다. 여기서, 원형 제거부(C)의 내연과 급전부(230)의 외연 사이는 일정한 간격(Gm)을 유지하는데, 이를 통해 방사체(220)와 급전부(230)가 임피던스 매칭을 이룬다.
급전부(230)는 동축 프로브(미도시)에 연결된다.
도4에서, -1 모드 패치 안테나의 구체적 실시예로서, 방사체(220)를 Wg=60mm, Wm=12mm, L1=2.2mm, L2=1.5mm, gm=0.4mm, 그리고 기판(210)은 RT/duroid5880 (h=3.175mm)로 구성할 수 있다.
도 5a,5b, 도6a,6b는 도4의 구체적 실시예에서 나타나는 -1 모드 패치 안테나의 특성을 보여주고 있다.
도5a는 도4 실시예의 반사 손실을 보여주고 있고, 도5b는 θ=0°일 때의 축비(Coaxial Ratio)를 나타내고 있다.
도5a에서 알 수 있듯이, 도4의 실시예는 3.70 GHz 근방에서 임피던스 매칭이이루어지는 것을 알 수 있다. 또한, 도5b에서 확인할 수 있듯이, 3.702 GHz에서 0.49 dB의 축비를 갖는데, 일반적인 원형 편파의 기준이 3 dB 이내이므로, 도4의 실시예도 원형 편파의 방사 패턴을 가진다고 할 수 있다.
도6a 및 도6b는 도4 실시예의 방사 패턴을 보여주고 있다.
도6a,6b에서 확인할 수 있듯이, 도4의 실시예는 3.702 GHz에서 1.49 dBic의 이득을 갖고, LHCP의 특성을 가진다. 방사 효율은 50% 이다.
도7은 본 발명에 따른 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나의 평면도이다.
도7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나는, 도1의 +1 모드 원형 편파 패치 안테나와 도4의 -1 모드 원형 편파 패치 안테나를 결합한 것이다.
이중 대역의 원형 편파 패치 안테나는, 기판(310), +1 모드 방사체(320), -1모드 방사체(330), 그리고 급전부(340)를 포함한다.
기판(310)은 유전체 기판을 사용한다. 유전체 기판의 재료로는 에폭시(epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC, 에어폼 등을 사용할 수 있다.
방사체는 +1 모드 방사체(320)와 -1 모드 방사체(330)로 구성되며, +1 모드 방사체의 내부에 형성된 사각 홀에 -1 모드 방사체(330)가 내장되는 형태로 구성된다. 여기서, +1 모드 방사체(320)는 도1의 +1 모드 방사체와 동일한 구성을 가지고, -1 모드 방사체(330)는 도4의 -1 모드 방사체와 동일한 구성을 가진다. -1 모드 방사체(330)는 4개의 삼각 서브 방사체를 포함하고, 각 삼각 서브 방사체는 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 배치된다.
급전부(340)는, 도6의 패치 안테나가 +1 모드 방사체와 -1 모드 방사체를 결합한 구조여서, 단일 급전 방식으로 +1 모드 방사체(320)와 -1 모드 방사체(330)에 전력을 공급한다.
급전부(340)는, 도7에 도시한 바와 같이, +1 모드 방사체(320)의 내측 일변과 -1 모드 외측 일변에 원형으로 함몰되게 형성된다.
도7의 구성을 갖는 이중 대역의 패치 안테나는, 도1과 도4의 패치 안테나가 합쳐진 형태이기는 하지만 각각 독립적으로 작동한다. 결과적으로, 2개의 안테나가 독립적으로 있을 경우와 마찬가지이다. 즉, 외곽 방사체에 의한 +1 모드는 2.800 GHz에서 작동하고, 내부의 버섯 구조 방사체에 의한 -1 모드는 3.702 GHz에서 작동하게 된다.
각 패치 안테나의 특성은 도2a,2b,3a,3b와 도5a,5b,6a,6c과 동일하므로, 이하 자세한 설명은 생략한다.
이상 본 발명을 여러 실시예에 기초하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 통상의 기술자라면, 본 실시예를 기초로 다양한 변형이나 수정이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 아래의 청구범위에 의하여 결정되어야 하며, 통상의 기술자가 행하는 변형이나 수정은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
110, 210, 310 : 기판 120, 320 : +1 모드 방사체
220, 330 : -1 모드 방사체
221~224, 331~334 : 삼각형 서브 방사체

Claims (12)

  1. 원형 편파 패치 안테나에 있어서,
    기판;
    상기 기판에 형성되고, 내부에 사각 홀이 형성되며, 대향하는 꼭지점쌍 중 한 쌍에서 그 외측부가 삼각 형태로 제거되는 삼각형 제거부를 갖는 방사체; 및
    상기 방사체의 사각 홀의 내측 일변으로부터 소정 간격 이격되어 형성되는 급전부를 포함하여 구성되며,
    상기 방사체는 상기 사각 홀 내벽에 원형으로 함몰되는 원형 제거부를 포함하고,
    상기 급전부는 일부가 상기 원형 제거부에 내장되고, 상기 원형 제거부의 내연으로부터 동일 간격 이격되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사체의 삼각형 제거부는
    직각에 이웃하는 각 변의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 원형 편파 패치 안테나.
  3. 삭제
  4. 원형 편파 패치 안테나에 있어서,
    기판;
    상기 기판에 형성되고, 4개의 삼각형 서브 방사체가 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치되며, 메타 물질로 구성되는 방사체; 및
    상기 4개의 삼각형 서브 방사체 중, 하나의 방사체 외측 일변으로부터 소정 간격 이격되어 형성되는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 방사체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 방사체는
    대향하는 삼각형 서브 방사체가 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 방사체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 4개의 삼각형 서브 방사체 중, 하나의 방사체는 외측 일변이 원형으로 함몰되는 원형 제거부를 포함하고,
    상기 급전부는 상기 원형 제거부의 내연으로부터 동일 간격 이격되는 원형 패치인 것을 특징으로 하는 원형 편파 방사체.
  7. 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나에 있어서,
    기판;
    상기 기판에 형성되고, 내부에 사각 홀이 형성되며, 대향하는 꼭지점쌍 중 한 쌍에서 그 외측부가 삼각 형태로 제거되는 삼각형 제거부를 갖는 제1 방사체;
    상기 기판에 형성되고, 상기 제1 방사체의 사각 홀 내에 형성되며, 4개의 삼각형 서브 방사체가 원주 방향으로 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치되며, 메타 물질로 구성되는 제2 방사체; 및
    상기 제1 방사체의 사각 홀의 내측 일변 및 상기 제2 방사체의 외측 일변에서 각각 소정 간격 이격되어 구비되는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 방사체는 상기 사각 홀 내측 일변에 원형으로 함몰되는 제1 원형 제거부를 포함하고,
    상기 4개의 삼각형 서브 방사체 중, 하나의 방사체는 외측 일변이 원형으로 함몰되는 제2 원형 제거부를 포함하며,
    상기 급전부는 상기 제1 원형 제거부 및 상기 제2 원형 제거부의 내연으로부터 동일 간격 이격되는 원형 패치인 것을 특징으로 하는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제1 방사체의 삼각형 제거부는
    직각에 이웃하는 각 변의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나.
  10. 제9항에 있어서, 상기 급전부는
    단일 급전 방식으로 상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 방사체는 +1 모드로 2.800 GHz에서 작동하고, 상기 제2 방사체는 -1 모드로 3.702 GHz에서 작동하는 것을 특징으로 하는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 방사체는
    대향하는 삼각형 서브 방사체가 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나.
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