KR101674143B1 - 원형편파 스피드론 안테나 - Google Patents

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권지나
송찬미
윤종헌
윤주호
이종민
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 원형편파 스피드론 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상면에 형성된 접지면, 상기 접지면에 형성되며 제1 직각 삼각형의 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯, 상기 메인 슬롯의 제1 직각 삼각형의 높이에 해당하는 변에서 바깥으로 형성되는 L자형 슬릿, 상기 접지면과 동일 평면상에 형성되며 끝단이 상기 메인 슬롯 내에 위치하는 CPW 급전선로 및 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 마이크로스트립 급전선로를 포함하며, 같은 주파수 대역에서 우편파와 좌편파 특성을 동시에 유도할 수 있는 이중감지 원형편파 스피드론 안테나에 관한 것이다.

Description

원형편파 스피드론 안테나{CIRCULARLY POLARIZED SPIDRON ANTENNA}
본 발명은 원형편파 스피드론 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구조를 가진 단일 안테나로 동대역에서 우편파(RHCP)와 좌편파(LHCP) 특성을 모두 구현할 수 있는 안테나에 관한 것이다.
안테나는 무선통신에서 통신 목적을 달성하기 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나, 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유기시키기 위해 공중에 가설한 도선으로서, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다.
한편, 원형편파(Circular polarization)는 공간상의 전파장애 및 편파왜곡이 우려되는 통신환경에 강하고, 선형편파에 비하여 다중경로 페이딩을 완화시킬 수 있기 때문에 위성 통신, RFID 리더기, 무선 통신, 센서 시스템과 같은 다양한 무선 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
최근에는 좌편파와 우편파를 동시에 수신할 수 있는 이중감지 원형편파 안테나에 대한 연구가 진행되고 있다.
현재까지 알려진 이중감지 원형편파 안테나는 좌편파와 우편파가 발생하는 주파수 대역이 다르거나, 핀 다이오드(Pin diode) 혹은 RF-MEMs와 같은 스위칭 기기를 이용하여 편파를 조절하게 된다.
그러나, 동작 주파수 대역이 다를 경우 같은 대역에서 좌편파와 우편파를 스위치하여 수용할 수 없고 복잡한 바이어싱 네트워크 추가는 제조 단가를 높이고 신뢰도가 낮아지는 문제가 있다.
따라서, 단일 안테나로 동대역에서 좌편파와 우편파 특성을 동시에 유도할 수 있는 이중감지 원형편파 안테나에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국등록특허 제10-0944968호 "스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나"(2010.03.03 공고)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 변형된 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯, 2개의 급전선로, L자형 슬롯 등이 포함된 구조를 이용하여 같은 주파수 대역에서 우편파와 좌편파 특성을 동시에 유도할 수 있는 이중감지 원형편파 스피드론 안테나를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원형편파 스피드론 안테나는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상면에 형성된 접지면, 상기 접지면에 형성되며 제1 직각 삼각형의 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯, 상기 메인 슬롯의 제1 직각 삼각형의 높이에 해당하는 변에서 바깥쪽으로 형성되는 L자형 슬릿, 상기 접지면과 동일 평면상에 형성되며 끝단이 상기 메인 슬롯 내에 위치하는 CPW(coplanar waveguide) 급전선로 및 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 마이크로스트립 급전선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 스피드론 프랙탈 형상은 제1 내각의 크기가 동일하며 축소 비율이 일정한 직각 삼각형이 순차적으로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 CPW 급전선로와 상기 마이크로스트립 급전선로는 택일적으로 급전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 CPW 급전선로로 급전 시에는 좌편파 특성을 유도하고, 상기 마이크로스트립 급전선로로 급전 시에는 우편파 특성을 유도하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 CPW 급전선로는 상기 유전체 기판의 일측면에 장착되는 제1 급전부와 연결되며 상기 접지면을 동일 평면상에서 관통하는 제1 CPW 급전선로와, 상기 제1 CPW 급전선로의 끝단에서 양방향으로 절곡되어 형성되는 제2 CPW 급전선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 마이크로스트립 급전선로는 상기 유전체 기판의 타측면에 장착되는 제2 급전부와 연결되는 제1 마이크로스트립 급전선로와, 상기 제1 마이크로스트립 급전선로와 동일 방향으로 연장되며 너비가 증가한 제2 마이크로스트립 급전선로와, 상기 제2 마이크로스트립 급전선로의 끝단에서 절곡되어 형성되는 제3 마이크로스트립 급전선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 마이크로스트립 급전선로는 상기 CPW 급전선로의 수직 연장공간을 통과하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 CPW 급전선로는 상기 메인 슬롯의 제2 직각 삼각형의 밑변을 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 스위칭 기기나 위상 천이기 같은 별도의 장치 없이, 동대역에서 좌편파와 우편파 특성을 모두 구현할 수 있다.
도 1은 일반적인 스피드론 프랙탈 형상을 설명하는 도면이다.
도 2는 제1 직각 삼각형의 상부가 절단된 스피드론 프랙탈 형상을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 표 1의 수치를 토대로 제작한 원형편파 스피드론 안테나의 전면 및 후면 사진이다.
도 6은 제1 급전부만을 사용할 때 비교예 1과 비교예 2에 따른 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사계수 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 제1 급전부만을 사용할 때 도 6의 각 안테나의 축비 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 제2 급전부만을 사용할 때 비교예 1과 비교예 2에 따른 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사계수 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 제2 급전부만을 사용할 때 도 8의 각 안테나의 축비 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 제1 급전부만을 사용할 때 6 GHz 에서 시간 t에 따른 +z방향에서 바라본 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯에서의 시뮬레이션된 자류(magnetic current) 분포를 나타낸 도면이다.
도 11은 제2 급전부만을 사용할 때 6 GHz 에서 시간 t에 따른 +z방향에서 바라본 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯에서의 시뮬레이션된 자류(magnetic current) 분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 반사계수의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 축비의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 격리도 특성을 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 이득의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 제1 급전부만을 사용할 때의 5.9 GHz 에서 시뮬레이션 및 측정된 복사패턴(a)과 제2 급전부만을 사용할 때의 5.95 GHz 에서 시뮬레이션 및 측정된 복사패턴(b)을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 스피드론 프랙탈 형상을 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 프랙탈(fractal) 구조란 일정한 단위 모양이 굴곡을 거듭하며 무한히 반복되는 것으로서, 프랙탈의 구조는 자기 유사성(Self-Similarity)과 순환성(Recursiveness)이라는 속성을 가진다.
한편, 스피드론(spidron)이란 이등변 삼각형들을 서로 변이 맞닿도록 상호 교번으로 결합한 기하학적 구조로서, 본 발명의 안테나는 도 1의 반복 1(Iteration 1)에 도시된 바와 같이, 밑각이 α인 이등변 삼각형과 밑각이 γ인 이등변 삼각형을 연결하여, 결과적으로는 두 내각이 α 및 γ인 직각 삼각형이 형성된다.
이때, 스피드론 프랙탈 형상을 형성하기 위한 도 1의 반복 1(Iteration 1)에 도시된 직각 삼각형을 제1 직각 삼각형(10)이라 정의하며, 상기 제1 직각 삼각형(10)은 밑각이 α인 이등변 삼각형과 밑각이 γ인 이등변 삼각형으로 이루어진다.
상기 제1 직각 삼각형(10)은 빗변을 기준으로 양 측에 형성되는 두 내각을 가지는데, 상기 제1 직각 삼각형(10)의 높이와 빗변이 형성하는 각을 상기 제1 직각 삼각형(10)의 제1 내각(α)으로 정의하며, 상기 제1 직각 삼각형(10)의 밑면과 빗변이 형성하는 각을 상기 제1 직각 삼각형(10)의 제2 내각(γ)으로 정의한다.
스피드론 프랙탈 형상을 형성하기 위해서는 상기 제1 직각 삼각형(10)에서 밑각이 γ인 이등변 삼각형의 길이가 동일한 두 변 중 상기 제1 직각 삼각형(10)의 빗변의 일부를 구성하는 변을 밑변으로 하는 밑각이 α인 이등변 삼각형과 밑각이 γ인 이등변 삼각형을 교번적으로 연결하며, 결과적으로 상기 제1 직각 삼각형(10)에 두 내각이 α 및 γ인 제2 직각 삼각형이 연결된다.
즉, 상기 스피드론 프랙탈 형상은 제1 내각의 크기가 동일하며 축소 비율이 일정한 직각 삼각형이 순차적으로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 방식으로, 스피드론 프랙탈 형상은 제1 직각 삼각형 내지 제n 직각 삼각형이 순차적으로 결합되어 형성될 수 있으며, 각 직각 삼각형은 일정 스케일로 규모가 축소되거나 혹은 동일 위치상의 변의 길이가 축소되는 것을 특징으로 한다.
도 1의 반복 3(Iteration 3)에 도시된 스피드론 프랙탈 형상은 일정한 스케일로 규모가 축소되는 제1 직각 삼각형 내지 제3 직각 삼각형이 순차적으로 연결되어 형성된 것이다.
도 1의 반복 7(Iteration 7)에 도시된 스피드론 프랙탈 형상은 일정한 스케일로 규모가 축소되는 제1 직각 삼각형 내지 제7 직각 삼각형이 순차적으로 연결되어 형성된 것이다.
결과적으로, 상기 스피드론 프랙탈 형상은 상기 스피드론 프랙탈 형상을 구성하는 직각 삼각형의 축소 비율이 일정하도록 형성되는 것이 바람직하며, 동일한 형태의 직각 삼각형이 적어도 2회 이상 반복적으로 결합되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 1의 예를 기준으로, 직각 삼각형의 제1 내각은 30°이고, 제2 내각은 60°이며, 이 경우 연결되는 직각 삼각형의 축소비율은 하기 수식 1을 만족한다.
[수식 1]
Figure 112015085516173-pat00001
(여기서, Pn은 n번째 직각 삼각형의 높이, Pn +1은 n+1번째 직각 삼각형의 높이)
도 2는 제1 직각 삼각형의 상부가 절단된 스피드론 프랙탈 형상을 나타내는 도면이다.
도 2에서는 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 일정 높이로 절단되어 형성된 스피드론 프랙탈 형상을 도시하고 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 평면도 및 측면도를 각각 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나는 유전체 기판(100)을 기재로 하며, 상기 유전체 기판(100)의 가로, 세로 및 두께는 각각 Gw, Gl 및 h로 도시되어 있다.
상기 유전체 기판(100)의 상면에는 접지면(110)이 형성되어 있고, 상기 접지면(110)의 내부에는 도 2에 도시된 바와 같은 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯(200)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 슬롯(200)에는 2개의 직사각형으로 구성된 L자형 슬릿(250)이 추가로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 L자형 슬릿(250)은 상기 메인 슬롯(200)의 제1 직각 삼각형(10)의 높이에 해당하는 변에서 바깥쪽으로 형성될 수 있으며, 상기 메인 슬롯(200)과 연결되며 상기 메인 슬롯(200)의 제1 직각 삼각형(10)의 밑변과 평행한 방향(x방향)으로 형성되는 제1 L자형 슬릿(251)과, 상기 제1 L자형 슬릿(251)의 끝단에서 절곡되어 형성되는 제2 L자형 슬릿(252)을 포함할 수 있다.
상기 제2 L자형 슬릿(252)은 상기 메인 슬롯(200)의 제1 직각 삼각형(10)의 높이와 평행한 방향(y축방향)으로 형성될 수 있다.
상기 접지면(110)과 동일 평면상에는 급전선으로서 기능을 수행하기 위한 CPW 급전선로(300)가 형성될 수 있다. 상기 CPW 급전선로(300)는 상기 유전체 기판(100)의 일측면에 장착되는 제1 급전부(500)와 연결되어 좌편파 특성을 유도하며, 끝단이 상기 메인 슬롯(200) 내에 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 CPW 급전선로(300)는 상기 제1 급전부(500)와 연결되며 상기 접지면(110)과 일정 간격을 두고 상기 접지면(110)을 동일 평면상에서 관통하는 제1 CPW 급전선로(310)와, 상기 CPW 급전선로(300)의 끝단에서 양방향으로 절곡되어 형성되는 제2 CPW 급전선로(320)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 CPW 급전선로(300)는 상기 메인 슬롯(200)의 제2 직각 삼각형(11)의 밑변을 관통하도록 형성되는 것이 바람직하다. 도 3에서는 일례로서, 상기 제1 CPW 급전선로(310)가 상기 접지면(110)을 동일 평면상에서 관통하되 상기 제2 직각 삼각형(11)의 밑변을 관통하며, 상기 제2 CPW 급전선로(320)가 상기 메인 슬롯(200) 내에 위치하도록 도시되어 있다.
상기 유전체 기판(100)의 하면에는 급전선으로서 기능을 수행하기 위한 마이크로스트립 급전선로(400)가 형성될 수 있다. 상기 마이크로스트립 급전 선로는 상기 유전체 기판(100)의 타측면에 장착되는 제2 급전부(510)와 연결되어 우편파 특성을 유도한다.
상기 제1 급전부(500)와 상기 제2 급전부(510)는 SMA 커넥터 등과 같은 급전 장치일 수 있으며, 유전체 기판(100)은 예컨대 RF-35 기판 또는 글래스 에폭시(FR-4)와 같은 PCB 기판이 사용될 수 있고, 이외에도 당해 기술분야에서 알려진 통상적인 유전체 기판(100)을 사용할 수 있다.
상기 마이크로스트립 급전선로(400)는 상기 유전체 기판(100)의 타측면에 장착되는 제2 급전부(510)와 연결되는 제1 마이크로스트립 급전선로(410)와, 상기 제1 마이크로스트립 급전선로(410)와 동일 방향으로 연장되며 상기 제1 마이크로스트립 급전선로(410)보다 너비가 증가한 제2 마이크로스트립 급전선로(420)와, 상기 제2 마이크로스트립 급전선로(420)의 끝단에서 절곡되어 형성되는 제3 마이크로스트립 급전선로(430)를 포함할 수 있다.
상기 마이크로스트립 급전선로(400)는 상기 CPW 급전선로(300)가 상기 유전체 기판(100)의 수직 방향(z축방향)으로 연장되는 공간을 통과하도록 상기 유전체 기판(100)의 하면에 형성될 수 있다. 도 3에서는 일례로서, 상기 제3 마이크로스트립 급전선로(430)가 도 3 기준으로 좌측 방향으로 연장됨에 따라 상기 제1 CPW 급전선로(310)가 상기 유전체 기판(100)의 수직 방향으로 연장되는 공간을 통과하도록 도시되어 있다.
상기 CPW 급전선로(300)와 상기 마이크로스트립 급전선로(400)를 이용하여 상기 메인 슬롯(200)에 신호를 급전시키는데, 상기 CPW 급전선로(300)와 상기 마이크로스트립 급전선로(400)는 택일적으로 급전되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 이중대역 원형편파 다이폴 안테나에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
변수(Parameter) 값(Value)
Gl 57 mm
Gw 40 mm
p1 27.3 mm
p2 7.5 mm
α 27.3°
h 0.76 mm
Lcpw 29 mm
h1 10.2 mm
h2 29.9 mm
h3 19.4 mm
l1 3.09 mm
l2 4.9 mm
l3 5 mm
w 0.6 mm
a 8.64 mm
b 1.63 mm
s 2 mm
g 0.2 mm
w1 1.65 mm
w2 3.4 mm
도 3 및 도 4 등에 도시된 각 변수에 대해 가변 변수를 제외한 고정 변수에 대해서는 상기 표 1의 수치를 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
(Gl은 유전체 기판의 세로, Gw는 유전체 기판의 가로, p1은 제1 직각 삼각형의 높이, p2는 절단된 제1 직각 삼각형의 상부 모서리 높이, α는 메인 슬롯의 스피드론 프랙탈 형상을 구성하는 제1 직각 삼각형의 제1 내각 크기, h는 유전체 기판의 두께, h1은 제1 마이크로스트립 급전선로의 길이, h2는 제2 마이크로스트립 급전선로의 길이, h3은 제3 마이크로스트립 급전선로의 길이, Lcpw는 제1 CPW 급전선로의 길이, l1은 제1 L자형 슬릿의 길이, l2는 제2 L자형 슬릿의 길이, l3는 메인 슬롯의 제1 직각 삼각형의 밑변에서 L자형 슬릿까지의 거리, w는 L자형 슬릿의 너비, a는 제2 CPW 급전선로의 길이, b는 제2 CPW 급전선로의 높이, s는 CPW 급전선로의 너비, g는 CPW 급전선로와 접지면의 이격 거리, w1은 제1 마이크로스트립 급전선로의 너비, w2는 제2 및 제3 마이크로스트립 급전선로의 너비를 의미)
도 5a 및 도 5b는 표 1의 수치를 토대로 제작한 원형편파 스피드론 안테나의 전면 및 후면 사진이다. 여기서, 유전체 기판은 두께가 0.76 mm, 유전율이 3.5이고, 로스 탄젠트가 0.0018인 RF-35기판을 이용하였다.
도 6은 제1 급전부만을 사용할 때 비교예 1과 비교예 2에 따른 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사계수 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이고, 도 7은 제1 급전부만을 사용할 때 도 6의 각 안테나의 축비 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
이때, 비교예 1에 따른 안테나는 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 비교해 L자형 슬릿(250)이 없고 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 절단되지 않은 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯(200)을 포함하고, 비교예 2에 따른 안테나는 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 비교해 L자형 슬릿(250)이 형성되고 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 절단되지 않은 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯(200)을 포함한다.
안테나로 동작 가능하기 위해서는 반사계수가 -10 dB 이하인 것이 바람직하며, -10 dB 를 초과하면 안테나의 성능이 떨어지는 것이 일반적이다. 안테나는 반사계수가 -10 dB 이하에 해당되는 주파수 대역에서 축비가 3 dB 이하이면 원형편파 특성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 급전부(500)만을 사용할 때 L자형 슬릿(250)은 3 dB 이하의 축비 대역을 더 높은 주파수 대역으로 이동시킨다.
이에 반해, 제1 급전부(500)만을 사용할 때 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯(200)에서 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 절단되는 것은 안테나의 반사계수 및 축비 특성에 크게 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.
도 8은 제2 급전부만을 사용할 때 비교예 1과 비교예 2에 따른 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사계수 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이고, 도 9는 제2 급전부만을 사용할 때 도 8의 각 안테나의 축비 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도시된 바와 같이, 제2 급전부(510)만을 사용할 때 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯(200)에서 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 절단되는 것은 안테나의 축비 특성에 크게 영향을 미침을 알 수 있다.
구체적으로, L자형 슬릿(250)만이 추가로 형성되는 경우에는 6 GHz 대역에서 축비가 3 dB 이상으로 큰 변화가 없지만, 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯(200)에서 제1 직각 삼각형의 상부 모서리(210)가 절단된 구조를 추가함으로써 해당 주파수에서 3 dB 이하의 축비 특성을 얻을 수 있었다.
도 10은 제1 급전부만을 사용할 때 6 GHz 에서 시간 t에 따른 +z방향에서 바라본 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯에서의 시뮬레이션된 자류(magnetic current) 분포를 나타낸 도면이다. 이때, 도 10의 (a)는 t가 0일 때, (b)는 t가 T/4일 때, (c)는 t가 2T/4일 때, (d)는 t가 3T/4일 때를 나타낸다.
도 10을 참조하면, t가 0일 때 L자형 슬릿(250)과 CPW 급전선로(300) 주변에 대부분의 자류가 분포되고, 벡터 합(Mtt)는 왼쪽 아래에서 오른쪽 위를 향한다.
t가 T/4일 때 제2 직각 삼각형의 빗변과 CPW 급전선로(300) 주변에 자류 분포가 밀집되어 있고 벡터 합은 왼쪽 위에서 오른쪽 아래를 향하고, t가 0일 때의 벡터 합과 수직이다.
t가 2T/4일 때 벡터 합은 오른쪽 위에서 왼쪽 아래를 향하고, t가 3T/4일 때 벡터 합은 오른쪽 아래에서 왼쪽 위를 향하는바, t가 증가함에 따라 벡터 합이 시계방향으로 회전하므로 좌편파가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
제1 급전부(500)는 CPW 급전선로(300)와 연결되므로, CPW 급전선로(300)가 좌편파 특성을 유도하는 것을 알 수 있다.
도 11은 제2 급전부만을 사용할 때 6 GHz 에서 시간 t에 따른 +z방향에서 바라본 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 슬롯에서의 시뮬레이션된 자류(magnetic current) 분포를 나타낸 도면이다. 이때, 도 11의 (a)는 t가 0일 때, (b)는 t가 T/4일 때, (c)는 t가 2T/4일 때, (d)는 t가 3T/4일 때를 나타낸다.
도 11을 참조하면, t가 0일 때 L자형 슬릿(250)과 제5 직각 삼각형에서 제9 직각 삼각형 주변에 자류 분포가 밀집되어 있고 벡터 합은 왼쪽 아래에서 오른쪽 위를 향한다.
t가 T/4일 때 L자형 슬릿(250)과 메인 슬롯(200)의 외각 주변에 자류 분포가 밀집되어 있고 벡터 합은 오른쪽 아래에서 왼쪽 위를 향하고, t가 0일 때의 벡터 합과 수직이다.
t가 2T/4일 때 벡터 합은 오른쪽 위에서 왼쪽 아래를 향하고, t가 3T/4일 때 벡터 합은 왼쪽 위에서 오른쪽 아래를 향하는바, t가 증가함에 따라 벡터 합이 반시계방향으로 회전하므로 우편파가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
제2 급전부(510)는 마이크로스트립 급전선로(400)와 연결되므로, 마이크로스트립 급전선로(400)가 우편파 특성을 유도하는 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 반사계수의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 제1 급전부(500) 및 제2 급전부(510)에서 측정된 -10 dB 이하의 반사계수 대역폭은 각각 5.15-6.31 GHz(20.24%)와 5.74-6.35 GHz(10.09%)로 나타났으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 상당히 일치함을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 축비의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 제1 급전부(500)와 제2 급전부(510)에서 측정된 3 dB 이하의 축비 대역폭은 각각 5.65-6.12 GHz(8.0%)와 5.53-6.06 GHz(9.15%)로 나타났으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 상당히 임치함을 알 수 있다.
위 결과를 통해, 5.74-6.06 GHz(5.42%)의 주파수 대역폭이 제1 급전부(500)와 제2 급전부(510)에 의해 동작하는 -10 dB 이하 반사계수 및 3 dB 이하 축비 특성을 모두 만족함을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 격리도 특성을 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교한 그래프이다.
상기 두 급전부에 의해 원형편파 안테나로 동작하는 대역폭 내에서 측정된 두 급전부의 격리도 특성은 평균 -19.84 dB 이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 이득의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 3 dB 이하의 축비 대역폭 구간에서 제1 급전부(500)만을 이용해 동작할 때의 최대 좌편파 이득은 5.41 dBic 이고 제2 급전부(510)만을 이용해 동작할 때의 최대 우편파 이득은 3.39 dBic 이며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 대체적으로 일치함을 알 수 있다.
구분 SDs LHCP RHCP
구분 SDs -10 dB 이하의 반사계수 대역폭 3 dB 이하의 축비 대역폭 -10 dB 이하의 반사계수 대역폭 3 dB 이하의 축비 대역폭
실시예 No 20.24% 8.0% 10.09% 9.15%
비교예3 Yes 16.77% 2.53% 16.77% 2.5%
비교예4 Yes 6.7% 1.02% 6.7% 1.02%
비교예5 No 3.2% 1.3% 3.2% 1.3%
상기 표 2는 전술한 표 1을 기준으로 제조된 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 종래 안테나(비교예 3 내지 5)를 비교한 표이다.
(비교예 3: M.-H. Ho, M.-T. Wu, C.-I. G. Hsu, and J.-Y. Sze, “An RHCP/LHCP switchable slotline-fed slot-ring antenna,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 46, no. 1, pp. 30-33, Jul. 2005.
비교예 4: T. Fukusako, N. Kitamura, and N. Mita, “Design of patch antenna with switchable circular polarization using a branched feed circuit,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 48, no. 1, pp. 1-4, Jan. 2006.
비교예 5: A. Narbudowicz, X. Bao, and M. J. Ammann, “Dual circularly -polarized patch antenna using even and odd feed-line modes,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 9, pp. 4828-4831, Sep. 2013.)
상기 표를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 스위칭 기기나 위상 천위기 없이도 좌편파 및 우편파 특성을 동시에 유도할 수 있으며 종래 안테나와 비교하여 -10 dB 이하 반사계수 대역폭 및 3 dB 이하 축비 대역폭이 넓은 원형편파 특성을 잘 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형편파 스피드론 안테나의 제1 급전부만을 사용할 때의 5.9 GHz 에서 시뮬레이션 및 측정된 복사패턴(a)과 제2 급전부만을 사용할 때의 5.95 GHz 에서 시뮬레이션 및 측정된 복사패턴(b)을 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 대체적으로 일치함을 알 수 있으며, 제1 급전부(500)만을 이용해 동작할 때는 +z축 방향에서 좌편파 이득이 우편파 이득보다 19.5 dB 더 높았고, 제2 급전부(510)만을 이용해 동작할 때는 +z축 방향에서 우편파 이득이 좌편파 이득보다 18.5 dB 더 높은 것으로 나타났다.
위와 같이, 본 발명에 따른 원형편파 스피드론 안테나는 별도의 스위칭 기기나 위상 천이기 와 같은 장치 없이 동대역에서 우편파와 좌편파 특성을 모두 유도할 수 있으며, 따라서 이중감지 안테나를 필요로 하는 WLAN, 위성 통신시스템 등에 이용될 수 있을 것이다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 제1 직각 삼각형
11: 제2 직각 삼각형
100: 유전체 기판
110: 접지면
200: 메인 슬롯
210: 제1 직각 삼각형의 상부 모서리
250: L자형 슬릿
251: 제1 L자형 슬릿
252: 제2 L자형 슬릿
300: CPW 급전선로
310: 제1 CPW 급전선로
320: 제2 CPW 급전선로
400: 마이크로스트립 급전선로
410: 제1 마이크로스트립 급전선로
420: 제2 마이크로스트립 급전선로
430: 제3 마이크로스트립 급전선로
500: 제1 급전부
510: 제2 급전부

Claims (8)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면에 형성된 접지면;
    상기 접지면에 형성되며 제1 직각 삼각형의 상부 모서리가 절단된 스피드론 프랙탈 형상의 메인 슬롯;
    상기 메인 슬롯의 제1 직각 삼각형의 높이에 해당하는 변에서 바깥으로 형성되는 L자형 슬릿;
    상기 접지면과 동일 평면상에 형성되며 끝단이 상기 메인 슬롯 내에 위치하는 CPW 급전선로; 및
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 마이크로스트립 급전선로를 포함하고,
    상기 CPW 급전선로는 상기 유전체 기판의 일측면에 장착되는 제1 급전부와 연결되며 상기 접지면을 동일 평면상에서 관통하는 제1 CPW 급전선로와, 상기 제1 CPW 급전선로의 끝단에서 양방향으로 절곡되어 형성되는 제2 CPW 급전선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스피드론 프랙탈 형상은 제1 내각의 크기가 동일하며 축소 비율이 일정한 직각 삼각형이 순차적으로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CPW 급전선로와 상기 마이크로스트립 급전선로는 택일적으로 급전되는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CPW 급전선로는 좌편파 특성을 유도하고, 상기 마이크로스트립 급전선로는 우편파 특성을 유도하는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 급전선로는 상기 유전체 기판의 타측면에 장착되는 제2 급전부와 연결되는 제1 마이크로스트립 급전선로와, 상기 제1 마이크로스트립 급전선로와 동일 방향으로 연장되며 너비가 증가한 제2 마이크로스트립 급전선로와, 상기 제2 마이크로스트립 급전선로의 끝단에서 절곡되어 형성되는 제3 마이크로스트립 급전선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 급전선로는 상기 CPW 급전선로의 수직 연장공간을 통과하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 CPW 급전선로는 상기 메인 슬롯의 제2 직각 삼각형의 밑변을 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원형편파 스피드론 안테나.
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