KR101672743B1 - 이중대역 원형편파 안테나 및 이를 설계하는 방법 - Google Patents

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Abstract

이중대역 원형편파 안테나는, 접지면이 형성된 기판; 상기 기판 상에 링 슬롯(ring-slot) 및 상기 링 슬롯 안쪽에 크로스 슬롯(cross-slot)이 형성된 원형 패치; 및 커플링을 통한 직교 급전을 위해 상기 접지면 및 상기 원형 패치 사이에서, 하나의 포트로부터 연장되어 직각으로 형성되는 두 개의 마이크로스트립 라인을 갖는 급전 라인(feed line)을 포함하고, 상기 기판 및 상기 원형 패치의 기하학적 파라미터들을 조절하여, 제1 주파수 대역(L1) 및 상기 제1 주파수 대역(L1)과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝(tuning)할 수 있다. 이에 따라, 안테나를 소형화 시킬 수 있고, 구조적 파라미터를 조정하여 원하는 성능의 안테나를 설계할 수 있다.

Description

이중대역 원형편파 안테나 및 이를 설계하는 방법{ANTENA FOR DUALBAND CIRCULAR POLARIZATION AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}
본 발명은 이중대역 원형편파 안테나 및 이를 설계하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 커플링을 통해 전류를 인가하는 급전 방식(Proximity coupled feed)이며 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 소형 이중대역 원형편파 안테나 및 이를 설계하는 방법에 관한 것이다.
현재 GNSS(global navigation satellite system)는 항공, 선박, 자동차, 핸드폰 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, GPS를 수신할 수 있는 GPS 안테나 또한 많은 분야에서 사용되고 있다. 이에 따라, GPS 안테나에 대한 연구는 끊임없이 진행되고 있다.
한편, 많은 연구가 진행됨에 따라 GPS 안테나는 단일 주파수 영역을 사용하는 것에서 멀티 주파수 영역을 사용하는 것으로 발전되었다. 또한, 휴대하기 쉬운 전자기기가 생산되는 시대의 흐름에 맞춰 GPS 안테나는 그 크기를 점점 소형화 시키는 방향으로 발전되었다.
최근에는 직사각형 패치 끝에 T자 형상의 슬릿(T-shaped slits)을 적용한 안테나 모델, CP 파(wave)를 생성하기 위한 aperture-coupled feed가 적용된 비대칭 S자 형상 슬롯(asymmetric S-shaped slot)을 가지는 안테나 모델, 중심이 같은 두 개의 고리모양의 슬롯을 적용하여 CP를 생성하는 모델 등을 통하여 이중대역 GPS 안테나의 연구가 진행되었다.
그러나, 종래의 기술들은 aperture-coupled feed를 사용하기 때문에 불요복사(spurious radiation)의 레벨이 다소 높은 문제점을 가지고 있다. 또한, 전자기기 안에 더 다양한 유틸 기능을 포함하려는 시대의 흐름에 따라 안테나의 크기도 더 소형화 될 필요성이 있다.
KR 1381863 B1 KR 1409768 B1
W.Liao and Q.-X. Chu, Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 15, 145-152, 2010 Steven Gao, IEEE, Transactions on antennas and propagation, vol.53, No.1, 2005.01
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 커플링에 의한 간접 급전 방식의 고성능 이중대역 원형편파 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 커플링에 의한 간접 급전 방식의 고성능 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나는, 접지면이 형성된 기판; 상기 기판 상에 링 슬롯(ring-slot) 및 상기 링 슬롯 안쪽에 크로스 슬롯(cross-slot)이 형성된 원형 패치; 및 커플링을 통한 직교 급전을 위해 상기 접지면 및 상기 원형 패치 사이에서, 하나의 포트로부터 연장되어 직각으로 형성되는 두 개의 마이크로스트립 라인을 갖는 급전 라인(feed line)을 포함하고, 상기 기판 및 상기 원형 패치의 기하학적 파라미터들을 조절하여, 제1 주파수 대역(L1) 및 상기 제1 주파수 대역(L1)과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝(tuning)한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 주파수 대역(L1)은, 상기 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 반지름(R1) 및 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 주파수 대역(L2)은, 상기 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 반지름(R1) 및 상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 두 개의 마이크로스트립 라인의 각 단부는, 상기 크로스 슬롯의 두 개의 단부와 일부 중첩되도록 직각으로 굽어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 링 슬롯은, 전류 경로를 연장하기 위해 상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch)를 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 접지면이 형성된 기판, 상기 기판 상에 링 슬롯(ring-slot) 및 상기 링 슬롯 안쪽에 크로스 슬롯(cross-slot)이 형성된 원형 패치 및 커플링을 통한 직교 급전을 위해 상기 접지면 및 상기 원형 패치 사이에서 직각으로 형성된 급전 라인(feed line)을 포함하는 이중대역(dual-band) 원형편파(circular polarization) 안테나를 설계하는 방법은, 상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계; 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 조정하여 제1 주파수 대역(L1)을 튜닝(tuning)하는 단계; 및 상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)을 조정하여 상기 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계는, TM11 모드의 공진 주파수, 상기 기판의 유전율, 상기 원형 패치와 상기 급전 라인 사이의 기판 높이(h1) 및 상기 급전 라인과 상기 접지면 사이의 기판 높이(h2)를 이용하여 초기 파라미터들을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계는, 상기 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 반지름(R1)을 결정하는 단계; 상기 링 슬롯의 폭(W)을 결정하는 단계; 및 상기 기판의 길이(L)를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법은, 상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch)의 바깥쪽 수직 길이 및 안쪽 수직 길이를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법은, 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 조정하여 제1 주파수 대역(L1)을 튜닝(tuning)하는 단계; 상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)을 조정하여 상기 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝하는 단계; 및 상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch)의 바깥쪽 수직 길이 및 안쪽 수직 길이를 조절하는 단계 중, 적어도 하나의 단계를 다시 수행할 수 있다.
이와 같은 이중대역 원형편파 안테나에 따르면, 커플링을 통해 전류를 인가하는 급전 방식(proximity coupled feed)으로, 서로 다른 두 주파수 대역에서 동작하는 이중대역(dual-band)을 제공하며, 원형편파(dual-circular polarization)를 갖는다. 또한, 근접 커플링을 이용하여 단순한 급전부 및 낮은 프로파일 안테나 구현이 가능하여 불요복사(spurious radiation)의 레벨을 감소시킨다.
또한, 낮은 높이(low-profile)와 작은 크기(small footprint)의 구현이 가능하여 좁은 공간에 설치할 수 있는 고성능 GPS 안테나의 제공이 가능하다. 나아가, 각 주파수 대역을 개별적으로 튜닝할 수 있는 구조적 변수를 확보하여, 다양한 기하학적 파라미터 조정을 통해 안테나의 소형화 및 임피던스 튜닝이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 평면도이다.
도 2는 도 1의 이중대역 원형편파 안테나의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 이중대역 원형편파 안테나의 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 지름(2R1)에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 이중대역 원형편파 안테나의 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 이중대역 원형편파 안테나의 크로스 슬롯의 길이(S1)에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 이중대역 원형편파 안테나의 크로스 슬롯의 길이(S1)를 변화시킴에 따른 AR의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 접지면의 크기가 안테나 이득에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 이중대역 원형편파 안테나의 제2 주파수 대역(L2)에서의 전류 분포를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 이중대역 원형편파 안테나의 제1 주파수 대역(L1)에서의 전류 분포를 나타낸 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 평면도이다. 도 2는 도 1의 이중대역 원형편파 안테나의 단면도이다.
본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나는, 이중대역(dual-band)에서 원형편파(dual-circular polarization)를 가지며, 커플링을 통해 전류를 인가하는 단일 급전 방식(single proximity coupled feed)을 사용하는 소형 안테나로서, 작은 공간에, 특히 높이가 낮은 공간에 실장할 수 있는 고성능 안테나이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나는 1.2 GHz 내지 1.36 GHz 정도의 작은 주파수 대역을 위한 이중대역 GNSS 안테나일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나(10)는 3층으로 구성되어 바닥층에는 접지면이, 중간층에는 직교 급전을 위한 급전 라인(feed line, 500)이 형성되고, 상부층에는 원형 패치(300)가 형성된다. 상기 이중대역 원형편파 안테나(10)는 링 슬롯(ring-slot) 및 크로스 슬롯(cross-slot)이 적용된 원형 패치를 이용하여 TM11 모드에서 서로 다른 두 주파수 대역을 발생시킨다.
구체적으로, 바닥에 접지면(110)이 형성된 기판(100)과 상기 기판(100) 상에 원형 패치(300)가 형성된다. 또한, 상기 접지면(110)과 상기 원형 패치(300) 사이에 급전 라인(500) 형성되어, 상기 원형 패치(300)와 접촉하지 않고 비접촉 방식으로 출력을 공급한다.
상기 기판(100)은 FR-4 기판일 수 있고, 일정 높이, 폭 및 길이를 갖는 플레이트이다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 1.227 GHz에서 0.29λ × 0.29λ × 0.026λ의 접지면(110)을 포함하는 73 mm × 73 mm × 6.4 mm 의 크기로 제조될 수 있다. 상기 기판(100)과 상기 접지면(110)면의 크기는 동일하고, 평면상의 가로 및 세로 길이가 일정 길이(L)인 L×L의 크기를 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 원형 패치(300)와 상기 급전 라인(500) 사이의 기판 높이는 h1 및 상기 급전 라인(500)과 상기 접지면(110) 사이의 기판 높이는 h2로 정의된다.
상기 원형 패치(300)는 링 슬롯(350) 및 상기 링 슬롯(350) 내부에 크로스 슬롯(370)이 형성된다. 상기 링 슬롯(350)을 기준으로 상기 링 슬롯(350)의 안쪽에 형성된 원형 형상의 내부 패치(310)와 상기 링 슬롯(300)의 바깥쪽에 형성된 도넛 모양의 외부 패치(330)로 나뉘어진다.
상기 내부 패치(310)의 반지름을 내부 반지름(R1)이라 정의하고, 상기 링 슬롯(350)은 일정 폭(W)을 가지며, 상기 외부 패치(330)는 일정 폭(D)을 갖는 것으로 정의한다. 상기 내부 패치(310)의 중심으로부터 상기 링 슬롯(350)의 외곽까지의 거리를 상기 내부 패치(310)의 외부 반지름(R2)으로 정의할 수 있다. 즉, 상기 내부 패치(310)와 상기 외부 패치(330)는 일정 간격(W) 이격되며, 상기 내부 패치(310)의 내부 반지름(R1)과 외부 반지름(R2)의 관계는 W = R2 - R1의 관계가 성립하게 된다.
상기 링 슬롯(350)은 수평 방향으로 한 쌍의 노치(notch, 390)를 가질 수 있다. 상기 노치(390)는 상기 크로스 슬롯(370)과 두 단부가 인접하는 부분에서 생성될 수 있다.
상기 크로스 슬롯(370)은 상기 내부 패치(310)에 형성되며, 두 개의 막대 슬롯이 십자모양으로 교차되므로 4 개의 단부를 갖는다. 상기 크로스 슬롯(370)을 형성하는 두 개의 막대 슬롯은 동일한 길이(S1) 및 폭(Ws)을 가질 수 있다.
상기 급전 라인(500)은 커플링을 통한 직교 급전(Proximity coupled feed) 을 한다. 상기 급전 라인(500)은 하나의 포트로부터 연장되며, 직각 위상(quadrature phase)을 유도하기 위해 동일한 길이(l3)를 갖는 두 개의 마이크로스트립(microstrip) 라인(510, 530)을 갖는다. 예를 들어, 하나의 마이크로스트립 라인(510)은 y축으로 연장되고, 다른 하나의 마이크로스트립 라인(530)은 x축으로 연장될 수 있다.
상기 두 개의 마이크로스트립 라인(510, 530)은 일정 폭(Wf)을 가지며, 50 Ω의 임피던스를 가질 수 있다. 또한, 상기 두 개의 마이크로스트립 라인(510, 530)의 각 단부는 직교 방식에서 기본적인 TM11 모드를 가진(excite)시키기 위해서 90°로 굽어질 수 있다. 90°로 굽어진 상기 두 개의 마이크로스트립 라인(510, 530)의 두 단부는 상기 크로스 슬롯(370)의 두 개의 단부와 각각 일부 중첩되어 형성될 수 있다.
이하에서는, 상기 이중대역 원형편파 안테나(10)의 각 구조 파라미터들을 조정하여 서로 다른 이중 주파수 대역을 튜닝(tuning)하는 방법을 설명한다.
상기 원형 패치(300)는 TM11 모드에서 서로 다른 두 주파수 대역을 발생시킨다. 두 주파수 대역은 제1 주파수 대역(L1) 및 상기 제1 주파수 대역(L1)과 다른 제2 주파수 대역(L2)으로 정의한다.
상기 이중대역 원형편파 안테나(10)에서 발생하는 제1 주파수 대역(L1) 및 제2 주파수 대역(L2)은 상기 원형 패치(300), 상기 링 슬롯(350) 및 상기 크로스 슬롯(370)의 크기에 따라 조절 된다.
먼저, 제1 주파수 대역(L1)의 공진은 상기 링 슬롯(350)의 안쪽에 위치한 내부 패치(310)의 반지름(R1)의 영향을 받고, 제1 주파수 대역(L1)의 임피던스는 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 상기 내부 패치(310)의 반지름(R1)과 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)가 증가할수록, 제1 주파수 대역(L1)은 낮아진다.
한편, 제2 주파수 대역(L2)의 공진은 상기 링 슬롯(350)의 바깥쪽에 위치한 외부 패치(330)의 폭(D)에 의해 영향을 받고, 제2 주파수 대역(L2)의 임피던스는 상기 링 슬롯(350)의 바깥쪽에 위치한 외부 패치(330)의 폭(D)과 상기 링 슬롯(350)의 폭(W)에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 상기 내부 패치(310)의 반지름(R1)과 상기 외부 패치(330)의 폭(D)이 증가할수록, 제2 주파수 대역(L2)은 낮아진다.
한편, 상기 링 슬롯(350)의 크기는 제1 주파수 대역(L1)의 임피던스에 영향을 거의 영향을 미치지 않지만, 제1 주파수 대역(L1)의 축비(axial ratio, 이하, AR)에는 영향을 미친다. 예를 들어, 제1 주파수 대역(L1)의 3 dB AR 주파수 대역은 상기 링 슬롯(350)의 폭(W)이 감소할수록 넓어진다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나(10)의 주요한 기하학적 파라미터들을 변화시킨 시뮬레이션 결과에 따라, 안테나(10)의 이중대역의 동작에 어떠한 영향을 미치는지 구체적으로 살펴본다.
도 3은 상기 내부 패치(310)의 지름(2R1)의 변화에 따른 반사 계 (reflection coefficients, S11)을 보여준다.
도 3을 참조하면, 상기 내부 패치(310)의 지름(2R1)의 증가에 따라 제1 주파수 대역(L1)과 제2 주파수 대역(L2)의 공진 주파수가 모두 감소함을 알 수 있다. 구체적으로, 제1 주파수 대역(L1)의 공진 주파수는 상기 내부 패치(310)의 지름(2R1)이 39.5 mm에서 40.5 mm로 증가함에 따라 1.59 GHz에서 1.56 GHz로 다운 시프트되고, 제2 주파수 대역(L2)의 공진 주파수는 1.23 GHz에서 1.21 GHz로 다운 시프트된다. 동시에, 제1 주파수 대역(L1)과 제2 주파수 대역(L2)의 최소 AR 주파수는 전류 경로의 연장에 의해 동일한 양만큼 시프트된다.
도 4는 상기 외부 패치(330)의 폭(D)의 변화에 따른 반사 계수(reflection coefficients, S11)을 보여준다.
도 4를 참조하면, 상기 외부 패치(330)의 폭(D)의 변화는 단지 제2 주파수 대역(L2)의 공진 주파수에만 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 상기 외부 패치(330)의 폭(D)이 3 mm에서 4.5mm로 증가함에 따라, 제1 주파수 대역(L1)의 공진 주파수는 거의 변화하지 않는 반면, 제2 주파수 대역(L2)의 공진 주파수는 1.28 GHz에서 1.23 GHz로 시프트된다.
이와 같이, 상기 원형 패치(300)와 상기 링 슬롯(350)의 크기 조절을 기초로 한 최적화 전략은 제1 주파수 대역(L1)의 정합 조건을 만족하는 상기 내부 패치(310)의 지름(2R1)을 도출하고, 상기 외부 패치(330)의 폭(D)을 조절하여 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 안테나(10)의 설계는 안테나의 구조적 파라미터들을 조절하여 제1 주파수 대역(L1)과 제2 주파수 대역(L2)을 동시에 또는 독립적으로 제어할 수 있다.
상기 시뮬레이션은 제1 주파수 대역(L1)의 3 dB AR 대역을 고려하여 파라미터 추적 동안 상기 링 슬롯(350)의 폭(W)은 1 mm로 고정하고 진행하였다.
다음으로 크로스 슬롯(370)의 길이에 따른 변화를 살펴본다.
제2 주파수 대역(L2)에만 영향을 미치는 외부 패치(330)의 폭(D)과는 반대로, 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)는 제2 주파수 대역(L2)의 정합 조건의 변화 없이 제1 주파수 대역(L1)에만 영향을 미친다.
도 5는 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 32 mm에서 34 mm까지 변화시킨 경우의 반사 계수(S11)을 보여준다.
도 5를 참조하면, 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)가 32 mm에서 34 mm까지 증가한 결과로 제1 주파수 대역(L1)의 공진 주파수가 1.59 GHz에서 1.56 GHz로 하향 시프트된다. 이로써, 원형 패치(300)는 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 증가시킴으로써 소형화할 수 있음을 알 수 있다. 또한, S11 < -10 dB의 대역폭은 크로스 슬롯의 길이(S1)가 증가함에 따라 49 MHz에서 27 MHz로 감소한다.
도 6은 크로스 슬롯의 길이(S1)를 변화시킴에 따른 AR의 변화를 나타낸다. 제1 주파수 대역(L1)에서 AR 최소 주파수는 크로스 슬롯의 길이(S1)가 증가함에 따라 감소하지만, AR 3dB 대역폭은 동일하게 유지된다.
이번에는 접지면(110)의 크기에 따른 변화를 살펴본다.
도 7은 접지면(110)의 길이(L)가 안테나 이득에 미치는 영향을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 접지면(110)의 길이(L)가 제2 주파수 대역(L2)의 이득에는 큰 영향을 미치지만, 제1 주파수 대역(L1)에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 구체적으로, 제2 주파수 대역(L2) 이득은 접지면(110)의 길이(L)가 65 mm에서 85 mm로 길어짐에 따라 0.35 dBi에서 2.85 dBi로 증가하는 반면, 제1 주파수 대역(L1)의 이득은 0.25 dB의 경미한 변화로 2.5 dBi 근처를 유지한다.
접지면(110)의 길이(L)는 F/B 비(front-to-back ratio)에도 중요한 영향을 미치는 파라미터이고, 시뮬레이션 결과는 접지면(110)의 길이(L)가 증가할수록 F/B 도 증가함을 보여준다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 안테나의 기하학적 파라미터들을 조절하여 원하는 성능의 안테나를 설계할 수 있다. 본 발명에 따른 안테나의 설계 과정은 간단한 폐쇄 형태의 방정식을 기초로 주요 기하학적 파라마터들의 초기 값들을 계산하여 유도한 후, 전파 시뮬레이션 툴을 사용하여 최적화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법은, 도 1의 이중대역 원형편파 안테나(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법은 기하학적 파라미터들을 최적화하여 안테나를 설계하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(10)를 설계하는 방법은, 먼저 안테나의 초기 파리미터들을 결정한다(단계 S100).
상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계(단계 S100)는, TM11 모드의 공진 주파수, 상기 기판(100)의 유전율, 상기 원형 패치(300)와 상기 급전 라인(500) 사이의 기판 높이(h1) 및 상기 급전 라인(500)과 상기 접지면(110) 사이의 기판 높이(h2)를 이용하여 초기 파라미터들을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 링 슬롯(350)의 안쪽에 위치한 내부 패치(310)의 반지름(R1), 외부 반지름(R2), 상기 링 슬롯350)의 폭(W) 및 상기 기판의 길이(L)를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(10)에서 내부 패치(310)의 반지름(R1)은 기본적인 TM11 모드의 공진 주파수에 따라 결정되며, 공진 주파수와 내부 패치(310)의 반지름(R1)의 관계식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112015076065284-pat00001
여기서, c는 빛의 속도이고, εr은 기판(100)의 유전체 상수이고, f1은 공진 주파수로서 제1 주파수 대역(L1)의 중앙 주파수이다. 예를 들어, f1은 1.575 GHz일 수 있다.
한편, 링 슬롯(350)을 포함하는 상기 내부 패치(310)의 외부 반지름(R2)은 다음의 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112015076065284-pat00002
여기서, f2는 제2 주파수 대역(L2)의 중앙 주파수로서, 예를 들어, f2는 1.227 GHz일 수 있다. 상기 내부 패치(310)의 내부 반지름(R1)과 외부 반지름(R2)의 관계는 W = R2 - R1의 관계가 성립하므로, 상기 도출된 외부 반지름(R2)으로부터 상기 링 슬롯(350)의 폭(W)을 결정할 수 있다.
또한, 상기 기판(100) 또는 접지면(110)의 가로 및 세로의 길이(L)는 다음의 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112015076065284-pat00003
여기서, h2는 상기 급전 라인(500)과 상기 접지면(110) 사이의 기판 높이이고, h1은 상기 원형 패치(300)와 상기 급전 라인(500) 사이의 기판 높이이다(도 2 참조).
일 실시예에서, 파라미터의 초기 값은 주어진 h1 = 1.6 및 h2 = 4.8 mm를 가진 FR-4 기판의 특성(εr = 4.4, tanδ = 0.02)을 기준으로 계산될 수 있다. 이러한 초기값에서 시작하여 안테나의 기하학적 값은, 원하는 조건(예를 들어, right-hand CP gain > 1.5 dBi, L < 80 mm)를 만족하도록 최적화될 수 있다.
상기 안테나의 초기 파리미터들이 결정되면, 이후 설계 조건에 맞도록 상기 안테나의 기하학적 파라미터들을 최적화한다(단계 S300).
일 실시예로서, 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 조정하여 제1 주파수 대역(L1)을 튜닝(tuning)하는 단계(단계 S310) 및 상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)을 조정하여 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝하는 단계(단계 S330)를 포함할 수 있다.
상기 크로스 슬롯의 길이(S1)에 따른 제1 주파수 대역(L1)의 변화 및 상기 외부 패치의 폭(D)을 조정하여 발생하는 제2 주파수 대역(L2)의 변화는 앞에서 설명한 바와 같다.
한편, 본 발명에서 제안된 안테나는 CP의 성능을 향상시키기 위해 링 슬롯에 비대칭을 활용할 수 있다. 도 1을 참조하면, 기본 모드를 2 개의 직교 축퇴 모드로 분할하고, 전류 경로를 길게 하기 위해 x 축으로 한 쌍의 노치(notch, 390)가 형성될 수 있다. 이러한 노치(390)들은 3 dB보다 작은 AR(특히 제2 주파수 대역(L2)이 더욱 낮은 경우)을 달성하는데 필요하다. 노치(390)의 폭과 길이는 전체 길이가 2(2l1 + W1) = 0.4R1이 되도록, 각각 W1 - W2 = W 및 l1 -l2 = W/2로 설정될 수 있다.
본 발명에서 제안된 안테나를 좀 더 정교하기 튜닝하기 위해, 상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch, 390)의 바깥쪽 수직 길이(W1) 및 안쪽 수직 길이(W2)를 조절하는 단계(단계 S350)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 안테나의 기하학적 파라미터들을 조절한 후, 설계 조건에 맞는지 확인하여(단계 S500), 조건에 맞지 않는 경우 상기 안테나의 기하학적 파라미터들을 최적화하는 단계(단계 S300)의 전부 또는 일부를 다시 수행하여 안테나의 주파수 대역폭을 튜닝할 수 있다.
도 9 및 도 10은 각각 표면 전류 분포에 기초한 제2 주파수 대역(L2)과 제1 주파수 대역(L1)에의 CP 성능을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 제2 주파수 대역(L2, 예를 들어, 공진 주파수는 1.227 GHz)의 경우, 전류는 거의 링 슬롯 및 외부 패치를 따라 분포된다. 한편, 도 10을 참조하면, 제1 주파수 대역(L1, 예를 들어, 공진 주파수는 1.575 GHz)의 경우, 전류는 링 슬롯과 크로스 슬롯에 분포된다. 전류가 슬롯들 주변에 분포되면, 안테나의 임피던스와 공진이 접지면의 크기 또는 에지 회절에 영향을 덜 받는다. 따라서, 본 발명에서 제안된 안테나는 소형화 할 수 있고, 임의의 크기를 갖는 도전성 플랫폼과의 통합에 적합하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 간단한 구조의 근접 결합된 급전라인을 수용하여 설계된다. 본 발명에서 제안된 설계는 두 개의 주파수 대역에서 기본적인 TM11 모드를 자극하기 위해 원형 패치와 원형 링으로 구성된다. 또한, 크로스 슬롯과 링 슬롯을 적용하여 안테나의 크기(footprint)를 줄이고 전체적인 높이를 낮출 수 있다.
안테나의 설계 과정은 간단한 폐쇄 형태의 방정식을 기초로 주요 기하학적 파라마터들의 초기 값들을 계산하여 유도한 후, 전파 시뮬레이션 툴을 사용하여 최적화할 수 있다. 파라미터 실험을 통해, 본 발명에 따른 안테나가 제1 주파수 대역(L1)과 제2 주파수 대역(L2)의 성능을 동시에 또는 독립적으로 조절할 수 있는 주요 매개변수를 가지고 있음을 보여주었다. 본 발명에 따라 제안된 안테나는 1.2 GHz 내지 1.36 GHz의 범위의 작은 주파수 비율을 필요로 하는 이중대역 GNSS 안테나의 낮은 프로파일 설치에 적합할 것이다.
이와 같은, 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 이중대역 원형편파 고성능 GPS 안테나 구조에 대한 것으로써, 다양한 구조 파라미터 조정을 통해 안테나의 소형화 및 안테나 임피던스 튜닝이 가능하다. 이중대역 GPS 안테나의 수요가 점차 증가하고 있고, 소형, 낮은 프로파일 안테나 실장이 필요한 GPS 응용이 점차 증가하고 있다. 본 발명은 작은 공간에, 특히 높이가 낮은 공간에 안테나를 실장할 수 있으므로, 위성항법시스템 (Global Navigation Satellite System)용 안테나 설계에 적용할 수 있다. 나아가, 다중 대역, 소형, 낮은 프로파일 안테나 실장이 필요한 GPS 응용 분야, 예를 들어, 병사용, 항공용, 선박용, 차량용 안테나 등에 적용 가능하다.
10: 이중대역 원형편파 안테나
100: 기판
110: 접지면
300: 원형 패치
310: 내부 패치
330: 외부 패치
350: 링 슬롯
370: 크로스 슬롯
390: 노치
500: 급전 라인
510, 530: 마이크로스트립 라인

Claims (10)

  1. 접지면이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 링 슬롯(ring-slot) 및 상기 링 슬롯 안쪽에 크로스 슬롯(cross-slot)이 형성된 원형 패치; 및
    커플링을 통한 직교 급전을 위해 상기 접지면 및 상기 원형 패치 사이에서, 하나의 포트로부터 연장되어 직각으로 형성되는 두 개의 마이크로스트립 라인을 갖는 급전 라인(feed line)을 포함하고,
    상기 기판 및 상기 원형 패치의 기하학적 파라미터들을 조절하여, 제1 주파수 대역(L1) 및 상기 제1 주파수 대역(L1)과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝(tuning)하며,
    상기 링 슬롯은, 전류 경로를 연장하기 위해 상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch)를 포함하되,
    상기 한 쌍의 노치의 폭과 길이는 각각 상기 링 슬롯의 폭에 따라 결정되는, 이중대역(dual-band) 원형편파(circular polarization) 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수 대역(L1)은, 상기 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 반지름(R1) 및 상기 크로스 슬롯의 길이(S1)에 따라 결정되는, 이중대역 원형편파 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주파수 대역(L2)은, 상기 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 반지름(R1) 및 상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)에 따라 결정되는, 이중대역 원형편파 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 마이크로스트립 라인의 각 단부는, 상기 크로스 슬롯의 두 개의 단부와 일부 중첩되도록 직각으로 굽어진, 이중대역 원형편파 안테나.
  5. 삭제
  6. 접지면이 형성된 기판, 상기 기판 상에 링 슬롯(ring-slot) 및 상기 링 슬롯 안쪽에 크로스 슬롯(cross-slot)이 형성된 원형 패치 및 커플링을 통한 직교 급전을 위해 상기 접지면 및 상기 원형 패치 사이에서 직각으로 형성된 급전 라인(feed line)을 포함하는 이중대역(dual-band) 원형편파(circular polarization) 안테나를 설계하는 방법에 있어서,
    상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계;
    상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 조정하여 제1 주파수 대역(L1)을 튜닝(tuning)하는 단계; 및
    상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)을 조정하여 상기 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝하는 단계; 및
    상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch)의 바깥쪽 수직 길이 및 안쪽 수직 길이를 상기 링 슬롯의 폭에 따라 조절하는 단계를 포함하는, 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계는,
    TM11 모드의 공진 주파수, 상기 기판의 유전율, 상기 원형 패치와 상기 급전 라인 사이의 기판 높이(h1) 및 상기 급전 라인과 상기 접지면 사이의 기판 높이(h2)를 이용하여 초기 파라미터들을 결정하는, 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 안테나의 초기 파리미터들을 결정하는 단계는,
    상기 링 슬롯의 안쪽에 위치한 내부 패치의 반지름(R1)을 결정하는 단계;
    상기 링 슬롯의 폭(W)을 결정하는 단계; 및
    상기 기판의 길이(L)를 결정하는 단계를 포함하는, 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 크로스 슬롯의 길이(S1)를 조정하여 제1 주파수 대역(L1)을 튜닝(tuning)하는 단계;
    상기 링 슬롯의 바깥쪽에 위치한 외부 패치의 폭(D)을 조정하여 상기 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역(L2)을 튜닝하는 단계; 및
    상기 크로스 슬롯의 두 단부와 인접하는 부분에서 수평 상에 형성된 한 쌍의 노치(notch)의 바깥쪽 수직 길이 및 안쪽 수직 길이를 상기 링 슬롯의 폭에 따라 조절하는 단계 중, 적어도 하나의 단계를 다시 수행하는, 이중대역 원형편파 안테나를 설계하는 방법.
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