KR101411442B1 - 배열 패치 안테나 및 이의 제조 방법 - Google Patents

배열 패치 안테나 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101411442B1
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김당오
김채영
장현아
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 배열 패치 안테나 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 배열 패치 안테나는, 유전체 기판, 유전체 기판의 상면에 형성되며 금속 패치 구조로 이루어져 신호를 송신하거나 수신하는 복수 개의 방사부, 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면, 급전점을 통해 각각의 방사부에 전력을 공급하는 급전부, 복수 개의 방사부의 사이에 위치하며 접지면에 식각 구조로 형성되어 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하는 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기, 그리고 상보적 분할 링 공진기를 동작시키도록 유전체 기판의 상면에서 복수 개의 방사부의 사이에 형성되는 결합벽을 포함한다.

Description

배열 패치 안테나 및 이의 제조 방법{ARRAY PATCH ANTENNA AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 배열 패치 안테나(array patch antenna) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다중 입출력(MIMO : Multi Input Multi Output) 안테나, 고이득(High gain) 안테나 시스템 등의 경우, 배열 구조를 갖는 다수의 패치 안테나(patch antenna)가 사용되기 때문에, 패치 안테나들 상호 간의 결합에 의한 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 상호 결합(mutual coupling) 현상은 배열 패치 안테나의 방사 패턴을 왜곡시켜 안테나 시스템의 신호 전송 성능을 저하시킬 수 있다.
배열 패치 안테나의 상호 결합 현상을 저감하기 위하여, 패치 안테나들 간의 거리를 증가시키는 방안을 고려할 수 있지만, 이는 안테나 시스템의 전체 크기를 증가시키게 된다. 특히, 무선 휴대 단말기의 경우 높은 주파수 대역을 사용하고 있어, 그에 대응하는 짧은 파장에 상응하는 작은 공간 내에 다수의 안테나 소자를 배열하여야 하므로, 패치 안테나들 간의 격리도(isolation) 특성을 향상시키기에 어려움이 있다. 그래서 최근에는 소형의 크기를 가지는 분할된 링 공진기를 사용하여 격리도 특성을 향상시키는 방법이 고려되고 있다.
한편, 배열 패치 안테나는 다수의 금속 패치로 된 방사부가 직렬 또는 병렬 구조로 배열되어 형성되는데, 직렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나와 병렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나는 서로 다른 특성을 갖는다. 따라서, 직렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나와 달리, 병렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 경우, 병렬 배열된 패치 안테나들 사이에서 미약한 전기장이 발생하므로, 분할된 링 공진기가 동작하지 않는다. 이러한 전기장하에서는 분할된 링 공진기를 이용하여 패치 안테나들 간의 상호 결합을 저감하기에는 어려움이 따른다.
본 발명은 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하여 격리도를 극대화할 수 있는 배열 패치 안테나 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 복수 개의 방사부 간의 전기장을 이용하여 병렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 상호 결합을 저감하고자 하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배열 패치 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상면에 형성되며, 금속 패치 구조로 이루어져 신호를 송신하거나 수신하는 복수 개의 방사부; 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면; 급전점을 통해 각각의 방사부에 전력을 공급하는 급전부; 상기 복수 개의 방사부의 사이에 위치하며, 상기 접지면에 식각 구조로 형성되어 상기 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하는 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기; 그리고 상기 상보적 분할 링 공진기를 동작시키도록, 상기 유전체 기판의 상면에서 상기 복수 개의 방사부의 사이에 형성되는 결합벽을 포함한다.
일 실시 예로, 상기 복수 개의 방사부는, 상기 유전체 기판상에 병렬 구조로 배열되어 형성될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 복수 개의 방사부는, 상호 간에 이격되어 좌우 대칭을 이루도록 형성되고, 좌우 대칭을 이루는 위치에 형성되는 급전점들을 통해 전력을 공급받는 제1 금속 패치 및 제2 금속 패치를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 결합벽은, 상기 유전체 기판을 사이에 두고 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 마주보는 위치에 형성될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 결합벽은, 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기에 수직으로 인가되도록 시변 전기장을 여기시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 상보적 분할 링 공진기는, 상기 시변 전기장에 의해 동작이 활성화되어 상기 복수 개의 방사부 간의 격리도를 향상시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 결합벽은, 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 대응하는 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유전체 기판의 상면에 금속 패치 구조를 갖는 복수 개의 방사부를 형성하는 단계; 상기 유전체 기판의 하면에 접지면을 형성하는 단계; 상기 접지면에 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기를 식각하여 형성하는 단계; 그리고 상기 유전체 기판의 상면에서 상기 복수 개의 방사부의 사이에 상기 상보적 분할 링 공진기를 동작시키는 결합벽을 형성하는 단계를 포함하는 배열 패치 안테나의 제조 방법이 제공된다.
일 실시 예로, 상기 복수 개의 방사부를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 병렬 구조로 배열되는 상기 복수 개의 방사부를 형성할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 복수 개의 방사부를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 상호 간에 이격되어 좌우 대칭을 이루도록 제1 금속 패치 및 제2 금속 패치를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 결합벽을 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판을 사이에 두고 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 마주보는 위치에 상기 결합벽을 형성할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 결합벽을 형성하는 단계는, 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 대응하는 면적을 갖도록 상기 결합벽을 형성할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 배열 패치 안테나의 제조 방법은, 상기 유전체 기판 및 상기 접지면에 동축프로브 급전구조를 형성하여 급전부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 배열 패치 안테나에서 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하여 격리도를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 복수 개의 방사부 간의 전기장과 분할된 링 공진기를 이용하여 병렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 상호 결합을 저감할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 저면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 측면도이다.
도 4는 유전체 기판에 금속 패치를 형성한 패치 안테나를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 패치 안테나의 전기장 분포를 나타낸다.
도 6은 직렬 배열 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 평면도를 나타낸다.
도 7은 직렬 배열 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 저면도를 나타낸다.
도 8은 도 6 내지 도 7에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 반사손실 그래프를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 6 내지 도 7에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 분리도 그래프를 보여주는 도면이다.
도 10은 직렬 배열 패치 안테나의 평면도를 나타낸다.
도 11은 병렬 배열 패치 안테나의 평면도를 나타낸다.
도 12는 도 10에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 전기장 분포를 나타낸다.
도 13은 도 11에 도시된 병렬 배열 패치 안테나의 전기장 분포를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 설계 파라미터 값들을 나타낸다.
도 15는 도 14에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 반사손실 그래프를 보여주는 도면이다.
도 16은 도 14에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 분리도 그래프를 보여주는 도면이다.
도 17은 도 15 내지 도 16의 비교예 1에 해당하는 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타낸다.
도 18은 도 15 내지 도 16의 비교예 2에 해당하는 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타낸다.
도 19는 도 15 내지 도 16의 비교예 3에 해당하는 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타낸다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다. 공지된 구성에 대한 일반적인 내용에 관한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나는, 유전체 기판의 접지면에 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하기 위한 상보적 분할 링 공진기들(CSRRs; Complementary Split Ring Resonators)이 식각 구조로 형성되며, 유전체 기판의 상면에는 상보적 분할 링 공진기들에 수직으로 인가되도록 시변 전기장을 여기시키는 결합벽(coupling wall)이 복수 개의 방사부 사이에 형성된다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 결합벽이 상보적 분할 링 공진기들에 시변 전기장을 인가하여 분할 링 공진기들의 동작을 활성화시키므로, 병렬 구조로 배열된 패치 안테나에서 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하여 격리도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 저면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 측면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나(array patch antenna)(100)는 유전체 기판(110), 복수 개의 방사부(121,122), 접지면(130), 급전부(140), 상보적 분할 링 공진기들(150), 그리고 결합벽(160)을 포함한다.
유전체 기판(110)은 단일 유전체 또는 복수 개의 유전체로 구현될 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시 예에서와 같이, 유전체 기판(110)의 평판 형태로 제공될 수 있다. 유전체 기판(110)의 상면에는 복수 개의 방사부(121,122) 및 결합벽(160)이 형성된다. 유전체 기판(110)의 하면에는 접지면(130)이 형성된다. 접지면(130)에는 상보적 분할 링 공진기들(150)이 식각 구조로 형성된다. 방사부들(121,122), 결합벽(160) 및 접지면(130)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 접지면(130)은 지면 또는 별도의 접지 장치를 통해 접지될 수 있다.
방사부들(121,122)은 유전체 기판(110)상에서 미리 설계된 거리만큼 상호 이격되도록 형성된다. 방사부들(121,122)은 급전부(140)에 의해 급전되어 전파 신호를 방사하거나 전파 신호를 수신할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 각각의 방사부(121,122)는 사각 형상의 금속 패치 구조로 이루어질 수 있다. 다만, 방사부(121,122)의 형상은 도 1 내지 도 3에 도시된 바에 의하여 제한되지 않으며, 다양하게 변형될 수도 있음은 물론이다.
일 실시 예로서, 제1 방사부(121)를 이루는 제1 금속 패치와, 제2 방사부(122)를 이루는 제2 금속 패치는 좌우 대칭을 이루도록 형성될 수 있다. 일 실시 예로서, 배열 패치 안테나(100)는 복수 개의 방사부(121,122)가 병렬 구조로 배열된 병렬 배열 패치 안테나(shunt array patch antenna)일 수 있다. 배열 패치 안테나(100)의 방사부들(121,122)은 좌우 대칭을 이루는 위치에 형성되는 급전점(feeding point)(141,142)을 통해 전력을 공급받을 수 있다.
제1 급전점(141)은 제1 방사부(121)의 금속 패치에 형성되고, 제2 급전점(142)은 제2 방사부(122)의 금속 패치에 형성된다. 제1 급전점(141)과 제2 급전점(142)은 제1 방사부(121)와 제2 방사부(122)의 중심에서 하방으로 치우친 위치에 형성될 수 있다. 급전부(140)는 급전점(141,142)을 통해 방사부들(121,122)에 전력을 공급할 수 있다. 급전부(140)는 예를 들어, 동축 프로브 급전 구조에 따라 방사부들(121,122)을 급전할 수 있다. 급전부(140)의 설치를 위하여, 방사부들(121,122), 유전체 기판(110) 및 접지면(130)에는 동축프로브 급전구조가 형성될 수 있다. 다만, 동축프로브 급전구조 대신 마이크로스트립 급전구조 등이 사용될 수도 있다.
상보적 분할 링 공진기들(CSRRs; Complementary Split Ring Resonators)(150)은 접지면(130)에 식각 구조로 형성된다. 상보적 분할 링 공진기들(150)은 접지면(130)에서 복수 개의 방사부(121,122)의 중간 측에 위치하도록 식각 형성된다. 상보적 분할 링 공진기들(150)은 병렬 배열된 방사부들(121,122) 간의 상호 결합(mutual coupling)을 저감하는 기능을 수행한다. 일 실시 예에 있어서, 상보적 분할 링 공진기들(150)은 다수 행과 열을 이루어 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시 예에서, 7행 2열을 이루어 14개의 상보적 분할 링 공진기(151)가 형성되지만, 상보적 분할 링 공진기(151)의 개수 및 배열 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 일 실시 예로, 각 분할 링 공진기(151)는 갭(gap)이 형성된 복수 개의 금속 링으로 이루어질 수 있다. 도 1 내지 도 3의 실시 예에서, 각 분할 링 공진기(151)는 사각 링 형상으로 도시되어 있지만, 분할 링 공진기(151)는 원형 링이나 그 밖의 다양한 형상으로 변형될 수도 있다.
결합벽(160)은 상보적 분할 링 공진기들(150)을 동작시키도록, 유전체 기판(110)의 상면에서 복수 개의 방사부(121,122)의 사이, 예를 들어 복수 개의 방사부(121,122)의 중간 위치에 형성된다. 결합벽(160)은 유전체 기판(110)을 사이에 두고 상보적 분할 링 공진기들(150)과 마주보는 위치에, 상보적 분할 링 공진기들(150)과 대응하는 면적 및 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 결합벽(160)의 가로 및 세로 길이는 상보적 분할 링 공진기들(150)의 전체 가로 및 세로 길이에 대응하도록 설계될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시 예에서, 결합벽(160)은 상보적 분할 링 공진기들(150) 보다 약간 작은 크기로 형성되지만, 방사부들(121,122) 사이 공간에서 상보적 분할 링 공진기들(150)에 시변 전기장을 유도할 수 있는 것이라면, 결합벽(160)의 크기와 형상은 도 1 내지 도 3에 도시된 바에 의하여 제한되지 않는다. 결합벽(160)은 방사부들(121,122)이 급전됨에 따라 방사부들(121,122)과 결합하여 동작하며, 상보적 분할 링 공진기들(150)에 수직으로 인가되도록 시변 전기장을 여기시킨다.
상보적 분할 링 공진기들(150)은 결합벽(160)에 의하여 여기되는 시변 전기장에 의하여 동작이 활성화된다. 병렬 배열 패치 안테나의 경우, 금속 패치들의 사이 공간에서 전기장이 미약하지만, 본 발명의 실시 예에 의하면, 결합벽(160)에 의하여 방사부들(121,122) 사이의 상보적 분할 링 공진기들(150)에 시변 전기장이 유도되고, 결합벽(160)에 의해 여기된 시변 전기장에 의해 상보적 분할 링 공진기들(150)이 동작하여 방사부들(121,122) 간의 상호 결합이 저감되므로, 인접하는 패치 안테나들 간의 격리도가 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나(100)의 물리적 파라미터 값들은 전송 주파수 대역을 고려하여 설계될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 배열 패치 안테나(100)의 물리적 파라미터 값들은 안소프트(Ansoft)사의 고주파 시뮬레이터(HFSS; High Frequency Structure Simulator)를 통해 최적화 설계될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 제조 방법은, 유전체 기판(110)의 상면에 금속 패치 구조를 갖는 복수 개의 방사부(121,122)를 형성하는 단계, 유전체 기판(110)의 하면에 접지면(130)을 형성하는 단계, 복수 개의 방사부(121,122)의 사이 위치에 위치하는 접지면(130)에 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기(150)를 식각하여 형성하는 단계, 상보적 분할 링 공진기(150)를 동작시키도록 유전체 기판(110)의 상면에서 복수 개의 방사부(121,122)의 사이에 결합벽(160)을 형성하는 단계, 그리고 유전체 기판(110) 및 접지면에 동축프로브 급전구조를 형성하여 급전부(140)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
다만, 복수 개의 방사부(121,122)를 형성하는 단계, 접지면(130)을 형성하는 단계, 결합벽(160)을 형성하는 단계는 반드시 나열된 순으로 시계열적으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 유전체 기판(110)의 하면에 접지면(130)을 먼저 형성한 후, 유전체 기판(110)의 상면에 복수 개의 방사부(121,122)를 형성할 수도 있으며, 복수 개의 방사부(121,122)와 결합벽(160)을 동시에 형성하거나 결합벽(160)을 형성한 후 복수 개의 방사부(121,122)를 형성하는 것도 가능하다.
이하에서는 먼저, 도 4 내지 도 13을 참조하여 병렬 구조를 갖는 배열 패치 안테나에서 발생할 수 있는 문제점에 대해 살펴본 다음, 도 14 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 동작과 작용 효과에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 유전체 기판에 금속 패치를 형성한 패치 안테나를 나타낸다. 도 5는 도 4에 도시된 패치 안테나의 기본 모드(TM01)에 따른 전기장 분포(electric field distribution)를 나타낸다. 도 5에서, 적색으로 표시된 부분은 전기장의 크기가 큰 영역을 나타내며, 청색으로 표시된 부분은 전기장의 크기가 작은 영역을 나타낸다. 도 5에서 보여지는 바와 같이, 패치 안테나의 전기장은 주로 금속 패치의 급전점으로부터 멀리 떨어진 상측 가장자리와, 급전점에 가까이 위치하는 하측 가장자리에 집중된다.
도 6은 직렬 배열 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 평면도를 나타내며, 도 7은 직렬 배열 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 저면도를 나타낸다. 도 6 내지 도 7에 도시된 배열 패치 안테나는 유전체 기판의 상면에 동일한 형상의 금속 패치들이 상호 이격되도록 형성되고, 유전체 기판의 하면에 형성된 접지면에 상보적 분할 링 공진기(CSRR)들이 형성된다. 다만, 도 6 내지 도 7에 도시된 배열 패치 안테나는 결합벽(coupling wall)을 구비하지 않는 점에서 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나(100)와 차이를 갖는다.
도 6 내지 도 7에 도시된 배열 패치 안테나는 직렬 배열 구조를 갖는다. 즉, 금속 패치들에서 급전점은 중심 위치에서 우측으로 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 형성된다. 도 6 내지 도 7에 도시된 배열 패치 안테나의 경우, 급전점에 인접한 우측 가장자리와, 급전점으로부터 멀리 떨어진 좌측 가장자리에서 강한 전기장이 발생된다. 상보적 분할 링 공진기(CSRR)들은 좌측 금속 패치의 우측 가장자리와, 우측 금속 패치의 좌측 가장자리에 인접하여 형성된다. 즉, 상보적 분할 링 공진기(CSRR)들은 금속 패치들에서 전기장이 강한 영역에 인접하여 형성된다. 이에 따라, 상보적 분할 링 공진기(CSRR)들은 금속 패치들에 의하여 여기되는 강한 전기장에 의하여 동작하게 되고, 그에 따라 금속 패치들 간에 상호 결합을 저감하는 기능을 어느 정도 기대할 수 있다.
도 8은 도 6 내지 도 7에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 반사손실(return loss, S11) 그래프를 보여주는 도면이고, 도 9는 도 6 내지 도 7에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 분리도(isolation, S21) 그래프를 보여주는 도면이다. 반사 손실 S11은 입력 포트에 입력한 전압에 대한 입력 포트로 출력되는 전압의 비율, 즉 반사(reflection) 비율을 나타낸다. 격리도 S21은 입력 포트에 입력한 전압에 대한 출력 포트로 출원되는 전압의 비율, 즉 전송(transmission) 비율을 나타낸다. 도 8 내지 도 9에서, 실선은 도 6 내지 도 7에 도시된 직렬 배열 패치 안테나에 대한 결과이고, 점선은 상보적 분할 링 공진기들이 형성되지 않은 직렬 배열 패치 안테나에 대한 결과이다.
도 8 내지 도 9에서 보여지는 바와 같이, 도 6 내지 도 7에 도시된 직렬 배열 패치 안테나는, 상보적 분할 링 공진기(CSRR)들에 의하여 안테나의 동작 특성(목표 주파수 대역 특성)을 크게 변동시키지 않으면서, 목표 주파수 대역(2.6GHz)에서의 격리도(S21)를 약 18(dB) 정도 개선할 수 있다. 배열 패치 안테나의 응용 분야에 따라 직렬 배열(series array) 구조를 갖는 배열 패치 안테나가 사용될 수도 있지만, 필요에 따라서는 병렬 배열(shunt array) 구조를 갖는 배열 패치 안테나를 사용하여야 하는 경우도 존재한다.
그런데, 직렬 배열 구조를 갖는 배열 패치 안테나와 달리, 병렬 배열 구조를 갖는 배열 패치 안테나의 경우, 유전체 기판 하면의 접지면에 단순히 상보적 분할 링 공진기들을 형성하는 것만으로는 금속 패치들 간의 상호 결합을 저감하는 기능을 효과적으로 얻지 못할 수 있다. 그 구체적 이유에 대하여 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 10은 직렬 배열 패치 안테나의 평면도를 나타내고, 도 11은 병렬 배열 패치 안테나의 평면도를 나타낸다. 도 10, 도 11에 도시된 배열 패치 안테나는 본 발명의 실시 예와 달리, 상보적 분할 링 공진기들 및 결합벽을 구비하지 않는다. 도 12는 도 10에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 전기장 분포를 나타내고, 도 13은 도 11에 도시된 병렬 배열 패치 안테나의 전기장 분포를 나타낸다. 도 12 내지 도 13을 통해 전기장 분포를 나타내는 이유는, 상보적 분할 링 공진기들은 자기장이 아닌 전기장에 의해 동작하여 패치 안테나들 간의 상호 결합을 저감하기 때문이다.
도 12 내지 도 13에서, 적색으로 표시된 부분은 전기장이 강한 영역을 나타내며, 청색으로 표시된 부분은 전기장이 상대적으로 약한 영역을 나타낸다. 도 12에서 보여지는 바와 같이, 도 10에 도시된 직렬 배열 패치 안테나의 경우, 금속 패치들 사이의 공간에 비교적 높은 수준의 전기장이 여기된다. 도 11에 도시된 병렬 배열 패치 안테나의 경우, 도 13에서 보여지는 바와 같이, 금속 패치들의 상측 가장자리와 하측 가장자리에만 전기장이 강하게 형성되며, 금속 패치들 사이의 공간에서는 전기장이 상대적으로 미약하다.
이러한 결과로부터, 병렬 배열 패치 안테나의 경우, 접지면에서 금속 패치들 사이에 상보적 분할 링 공진기들을 형성하더라도, 상보적 분할 링 공진기들을 동작시키기 위한 전기장이 미약하여, 상보적 분할 링 공진기들이 제대로 동작하지 못한다는 것을 예측할 수 있다. 이러한 병렬 배열 패치 안테나가 갖는 문제점을 해소하고자, 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나는 유전체 기판(110)의 상면에서 복수 개의 방사부(121,122) 사이에 상보적 분할 링 공진기들(150)을 동작시키기 위한 결합벽(160)을 구비한다.
앞서 설명한 바와 같이, 결합벽 없이 상보적 분할 링 공진기들만을 병렬 배열 패치 안테나에 적용할 경우, 상보적 분할 링 공진기들에 수직한 방향의 시변-전기장이 미약하여 상보적 분할 링 공진기들의 공진 특성이 좋지 않게 되므로, 직렬 배열 패치 안테나와 달리, 격리도 개선 특성이 미약할 수밖에 없다. 이와 달리, 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나는, 패치 안테나의 방사부(121,122)와의 결합 현상에 의해 도체인 결합벽(160)에 전류가 발생되고, 방사부(121,122)에서 방사되는 전기장 이외에 결합벽(160)에 의한 시변 전기장이 상보적 분할 링 공진기들(150)에 추가적으로 여기된다. 즉, 결합벽(160)은 상보적 분할 링 공진기들(150)의 루프 면적 내에 수직한 방향으로 전기장을 여기시킨다.
상보적 분할 링 공진기들(150)에 추가적으로 여기되는 전기장은 상보적 분할 링 공진기들(150)을 동작시키기 위한 전원 역할을 하며, 그 크기가 과도하게 강하지는 않기 때문에 안테나의 방사 패턴 특성에는 큰 영향을 주지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나에 의하면, 결합벽(160)과 상보적 분할 링 공진기들(150)의 조합에 의한 상승 효과에 기인하여, 매우 우수한 격리도 개선 효과를 얻을 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 작용효과를 도 14 내지 도 20을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 설계 파라미터 값들을 나타낸다. 도 14에 도시된 파라미터 값들은, 2.6(GHz)의 목표 주파수에서 패치 안테나가 동작하도록 설계된 것이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 패치 안테나(100)는, 유전체 기판(110)의 상면에 31.7mm×30mm 크기의 금속 패치들이 60mm 간격으로 형성된다.
유전체 기판(110)으로는 3.55의 유전 상수를 갖는 유전체가 사용되며, 급전점(141,142)은 각 금속 패치의 좌우 방향 중심에, 각 금속 패치의 하부 가장자리로부터 상측으로 10mm 떨어진 위치에 형성된다. 각 금속 패치는 결합벽(160)을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 형성되며, 기판은 0.812mm 두께를 갖는다. 결합벽(160)은 가로 10mm, 세로 60mm의 길이를 갖도록 형성된다.
상보적 분할 링 공진기(151)는 2열을 이루어 14개가 접지면(130)에 식각 형성된다. 각 분할 링 공진기(151)의 너비, 즉 외측 공진기의 최외곽 길이 a는 9mm, 선폭 c는 0.3mm, 외측 공진기와 내측 공진기 간의 이격 거리 d는 0.5mm, 갭 g는 0.3mm로 설계되었다. 인접하는 상보적 분할 링 공진기(151)의 최외곽 링 사이의 간격은 1mm이다.
각 분할 링 공진기(151)는 예를 들어, 외측 공진기 및 외측 공진기의 내부에 형성되는 내측 공진기를 포함한다. 외측 공진기는 어느 하나의 금속 패치를 마주보는 변에 갭이 형성되며, 내측 공진기는 외측 공진기에서 갭이 형성된 변과 마주보지 않는 반대편 변에 갭(1512a)이 형성된다. 공진을 일으키도록 금속 도체벽의 길이와 폭을 설계하여 결합벽(160)을 형성하는 경우, 직접적으로 방사부들(121,122) 간의 격리도를 향상시키는데 일부 도움을 줄 수는 있지만, 다른 한편으로는, 공진하는 도체의 경우 원하지 않는 불요 방사를 일으키거나, 임피던스 정합에 영향을 줄 수 있으므로, 공진이 최소화되는 조건으로 결합벽(160)을 형성하는 것이 바람직하다.
도 15는 도 14에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 반사손실(return loss, S11) 그래프를 보여주는 도면이고, 도 16은 도 14에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 분리도(isolation, S21) 그래프를 보여주는 도면이다. 도 15 내지 도 16에서 도 14에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 결과는 실선으로 도시되며, 비교예 1은 결합벽과 상보적 분할 링 공진기들을 형성하지 않고 금속 패치들만을 형성한 배열 패치 안테나에 대한 결과이고, 비교예 2는 금속 패치들 사이에 결합벽만을 형성하고 상보적 분할 링 공진기들은 형성하지 않은 배열 패치 안테나에 대한 결과이고, 비교예 3은 접지면에 상보적 분할 링 공진기들만 형성하고 금속 패치들 사이에 결합벽을 형성하지 않은 배열 패치 안테나에 대한 결과를 나타낸다.
결합벽과 상보적 분할 링 공진기들을 구비하지 않은 비교예 1의 경우, 공진 주파수인 2.63(GHz)에서 약 12(dB)의 낮은 격리도 특성을 보인다. 결합벽만을 형성한 비교예 2의 경우, 격리도 특성이 22.5(dB)로써 비교예 1에 비해 약 10.5(dB) 정도 격리도 특성이 향상되지만, 본 발명의 실시 예에 비하여 낮은 격리도 특성을 갖는다. 상보적 분할 링 공진기만을 적용한 비교예 3의 경우, 약 18(dB)의 격리도 특성을 갖는다. 즉, 비교예 3의 경우, 상보적 분할 링 공진기에 수직한 방향으로의 시변-전기장이 미약하여 상보적 분할 링 공진기의 공진 특성이 열화되므로, 직렬 배열 패치 안테나와 달리 격리도 개선 특성이 미약한 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예의 경우, 도 15에서 보여지는 바와 같이, 결합벽과 상보적 분할 링 공진기의 형성에 불구하고 비교적 임피던스 정합이 잘 이루어지며, 도 16에서 보여지는 바와 같이, 2.6(GHz) 공진 주파수에서 약 37(dB)의 매우 우수한 격리도 특성을 나타낸다. 이는 패치 안테나와의 결합 현상으로 인하여 결합벽(160) 도체에 전류가 발생되고, 패치 안테나에서 방사되는 전기장 이외의 미약한 전기장을 상보적 분할 링 공진기들(150)에 추가적으로 여기시키기 때문이다.
결합벽(160)에 의하여 여기되는 전기장은 상보적 분할 링 공진기들(150)을 동작시키기 위한 전원 역할을 하게 되며, 그 크기가 과도하게 강하지는 않기 때문에 안테나의 방사 특성에는 큰 영향을 주지 않는다. 결과적으로, 결합벽(160)은 안테나 방사 특성에 영향을 주지 않는 한도 내에서, 상보적 분할 링 공진기들(150)의 루프 면적 내에 수직한 방향으로 전기장을 여기시키며, 그 결과로써 결합벽(160)과 상보적 분할 링 공진기들(150)의 상승 효과에 기인하여 매우 우수한 격리도 개선 특성을 얻을 수 있다.
도 17은 도 15 내지 도 16의 비교예 1에 해당하는 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타내며, 어느 하나의 패치 안테나의 방사 에너지가 인접하는 다른 하나의 패치 안테나에 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 도 18은 도 15 내지 도 16의 비교예 2에 해당하는 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타내며, 결합벽의 부근에서 전기장이 약한 곳이 약간 발생하지만, 전반적으로 큰 영향은 관찰되지 않는다. 도 19는 도 15 내지 도 16의 비교예 3에 해당하는 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타내며, 접지면에 슬롯 형태의 구조로 인해 접지면 아래 부분에 전기장이 미약하게 집중되는 것을 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나에 대한 전기장 분포를 나타낸다. 도 20을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 경우, 2개의 방사부(121,122) 사이, 즉 금속 패치들 사이에 전기장이 없는 영역이 발생되며, 상보적 분할 링 공진기들(150)이 형성된 접지면(130)에 전기장이 집중되는 것을 확인할 수 있다. 이는 결합벽(160)과 상보적 분할 링 공진기들(150)의 조합에 의한 상승 효과에 의하여, 패치 안테나들 간의 상호 결합을 저감시켜 매우 우수한 격리도 특성을 얻을 수 있음을 보여주는 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나는 예를 들어, 복수 개의 안테나를 사용하는 MIMO 안테나 또는 그 밖의 배열 안테나로서 활용될 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 배열 패치 안테나 110: 유전체 기판
121,122: 방사부 130: 접지면
140: 급전부 141,142: 급전점
150: 상보적 분할 링 공진기 160: 결합벽

Claims (13)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면에 형성되며, 금속 패치 구조로 이루어져 신호를 송신하거나 수신하는 복수 개의 방사부;
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면;
    급전점을 통해 각각의 방사부에 전력을 공급하는 급전부;
    상기 복수 개의 방사부의 사이에 위치하며, 상기 접지면에 식각 구조로 형성되어 상기 복수 개의 방사부 간의 상호 결합을 저감하는 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기; 그리고
    상기 상보적 분할 링 공진기를 동작시키도록, 상기 유전체 기판의 상면에서 상기 복수 개의 방사부의 사이에 형성되는 결합벽을 포함하는 배열 패치 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사부는, 상기 유전체 기판상에 병렬 구조로 배열되어 형성되는 배열 패치 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사부는,
    상호 간에 이격되어 좌우 대칭을 이루도록 형성되고, 좌우 대칭을 이루는 위치에 형성되는 급전점들을 통해 전력을 공급받는 제1 금속 패치 및 제2 금속 패치를 포함하는 배열 패치 안테나.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합벽은, 상기 유전체 기판을 사이에 두고 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 마주보는 위치에 형성되는 배열 패치 안테나.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 결합벽은, 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기에 수직으로 인가되도록 시변 전기장을 여기시키는 배열 패치 안테나.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 상보적 분할 링 공진기는, 상기 시변 전기장에 의해 동작이 활성화되어 상기 복수 개의 방사부 간의 격리도를 향상시키는 배열 패치 안테나.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 결합벽은, 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 대응하는 면적을 갖도록 형성되는 배열 패치 안테나.
  8. 유전체 기판의 상면에 금속 패치 구조를 갖는 복수 개의 방사부를 형성하는 단계;
    상기 유전체 기판의 하면에 접지면을 형성하는 단계;
    상기 접지면에 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기를 식각하여 형성하는 단계; 그리고
    상기 유전체 기판의 상면에서 상기 복수 개의 방사부의 사이에 상기 상보적 분할 링 공진기를 동작시키는 결합벽을 형성하는 단계를 포함하는 배열 패치 안테나의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사부를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 병렬 구조로 배열되는 상기 복수 개의 방사부를 형성하는 배열 패치 안테나의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사부를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 상호 간에 이격되어 좌우 대칭을 이루도록 제1 금속 패치 및 제2 금속 패치를 형성하는 단계를 포함하는 배열 패치 안테나의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 결합벽을 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판을 사이에 두고 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 마주보는 위치에 상기 결합벽을 형성하는 배열 패치 안테나의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 결합벽을 형성하는 단계는, 상기 하나 이상의 상보적 분할 링 공진기와 대응하는 면적을 갖도록 상기 결합벽을 형성하는 배열 패치 안테나의 제조 방법.
  13. 제8 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 기판 및 상기 접지면에 동축프로브 급전구조를 형성하여 급전부를 형성하는 단계를 더 포함하는 배열 패치 안테나의 제조 방법.
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