KR101759442B1 - 마이크로스트립 패치 배열 안테나 - Google Patents

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Abstract

마이크로스트립 패치 배열 안테나를 개시한다. 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 유전체 기판, 복수 개의 금속 패치 구조로 이루어진 방사부, 상기 유전체 기판의 밑면에 배치되는 접지부 및 상기 접지부에 식각되는 복수개의 상보적 분할 링 공진기(CSRR)부를 포함한다.

Description

마이크로스트립 패치 배열 안테나{MICROSTRIP PATCH ARRAY ANTENNA}
본 발명은 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한것으로, 더욱 상세하게는 상보적 분할 링 공진기(CSRR; Complementary Split Ring Resonators) 를 포함하는 상보적 공진기의 대역차단 공진 특성을 이용하여 방사 패턴 및 이득이 개선된 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것이다.
오늘날 통신정보량의 증가로 고속 또는 대용량의 데이터전송의 필요로 인해 높은 주파수로 통신하는 고주파 소자의 설계 기술에 대한 중요성이 증가하고 있다. 현대의 이동통신시스템에서는 기본적으로 소형, 광대역, 높은 방사이득, 고효율, RF front-end 시스템과의 집적화가 가능한 고성능 안테나를 요구하고 있다.
특히 두 개 이상의 안테나를 사용하는 차세대 이동통신 시스템의 핵심 기술인 다중 입출력(MIMO: Multi Input Multi Output)안테나의 경우, 배열 구조를 갖는 다수의 패치 안테나(Patch antenna)가 사용되기 때문에, 패치 안테나들 사이에 상호 간의 결합에 의한 간섭인 원치 않는 결합(Coupling) 및 표면파가 발생하는 문제점이 있다.
표면파는 안테나로부터 발생한 전파가 모두 방사되지 않고 안테나 주변, 특히 접지된 기판과 자유공간 간의 경계면에 잔존하는 현상인데, 표면파가 발생하면 안테나 방사패턴에서 이득이 감소하고 부엽 레벨이 높아진다는 단점이 있다.
또한, 표면파는 패치 배열 안테나에서 안테나 소자들 간의 원치 않는 결합을 발생시키는 원인이 되기도 한다. 게다가, 오늘날 무선기기의 경우 높은 주파수 대역을 사용하는데, 주파수가 높아질수록 안테나 구조의 불연속성이 극명해지기 때문에 밀리미터파 주파수에서 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 표면파가 쉽게 생성되는 단점이 있다.
특히, 주파수가 상승할수록 패치 안테나와 같은 평판 안테나에는 공기와 기판 사이에 발생한 표면파가 존재하는 문제점이 존재한다.
그래서 최근에는 유전체 기판에 식각되는 상보적 분할 링 공진기(CSRR)를 포함하는 상보적 공진기의 대역차단 공진특성을 이용하여 패치 안테나들 사이에 상호 간의 결합 및 표면파를 감소시키는 방법이 고려되고 있다.
대한민국 공개특허 제2004-0013387호(2004.02.14), "혼합 급전 방식을 이용한 마이크로 스트립 배열 안테나" 대한민국 공개특허 제2005-0080205호(2005.08.12), "광대역 마이크로스트립 안테나" 대한민국 공개특허 제2012-0099861호(2012.09.12), "평면형 메타물질을 포함한 마이크로스트립 패치 안테나 및 그 동작 방법" 미국 등록특허 제846841호(2015.04.28), "CSRR-LOADED MIMO ANTENNA SYSTEMS"
본 발명은 안테나 방사패턴의 부엽 레벨을 감소시키고 이득을 개선하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 표면파의 흐름을 감소시키는 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 유전체 기판; 복수 개의 금속 패치가 배열된 방사부; 상기 유전체 기판의 밑면에 배치되는 접지부; 및 상기 접지부에 식각되며, 상기 방사부에 평행하게 배열되는 복수개의 상보적 분할 링 공진기를 포함하는 공진부를 포함한다.
상기 방사부는 금속 패치가 병렬 구조로 연결되어 구성될 수 있다.
상기 방사부는 상기 유전체의 상면에 일정한 거리의 간격을 두고 일렬로 배열되는 상기 금속 패치를 포함하는 제1 방사부; 및 상기 유전체의 상면에 배열된 제1 방사부의 하단에 제1 방사부와 평행하게 배열되는 제2 방사부를 포함할 수 있다.
상기 공진부는 상기 제1 방사부의 상단에 상기 제1 방사부와 평행하게 배열되는 제1 공진부; 상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부 사이에 배열되는 제2 공진부; 및 상기 제2 방사부의 하단에 상기 제2 방사부와 평행하게 배열되는 제3 공진부를 포함할 수 있다.
상기 공진부는 축 방향 전기장과 결합 되어 공진주파수 대역을 저주파수 대역으로 제공할 수 있다.
상기 공진부는 단일 원형 CSRR, 이중 원형 CSRR. 단일 사각형 CSRR 및 이중 사각형 CSRR 형태 중 적어도 어느 하나의 대역차단 공진구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 안테나 접지면에 1열 구조나, 3열 구조의 상보적 분할 링 공진기를 적용하여 평판 안테나의 표면파를 감소시켜 안테나 방사패턴의 부엽 레벨을 감소시키고 이득을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공진기를 포함하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 구조도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상보적 분할 링 공진기의 배치 및 종류를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나 및 상보적 분할 링 공진기의 평면투시도를 도시한다.
도 4는 일반 안테나와 1열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다.
도 5는 일반 안테나와 3열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다.
도 6은 일반 안테나와 1열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다.
도 7은 일반 안테나와 3열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시 예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시 예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 배열 패치 안테나는 유전체 기판의 상면에 금속 패치가 배열되고, 유전체 기판의 밑면에 상기 금속 패치와 평행하게 상보적 분할 링 공진기들이 식각되며, 상기 상보적 분할 링 공진기는 1열 또는 3열의 구조로 배치되어 안테나 방사패턴 및 이득을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공진기를 포함하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 구조도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 유전체 기판(100), 복수 개의 금속 패치(110)가 배열된 방사부, 상기 유전체 기판의 밑면에 배치되는 접지부 및 복수 개의 상보적 분할 링 공진기(130)로 구성되는 공진부를 포함한다.
유전체 기판(100)은 단일 유전체 또는 복수 개의 유전체일 수 있고, 도 1내지 도 2에서와 같이 평판의 형태일 수 있다.
실시 예에 따라 유전체 기판(100)의 상면에는 복수 개의 금속 패치(110)가 배열된 방사부가 배치된다. 예를 들어, 도 1과 같이 안테나 소자 5개가 직렬로 연결된 형태의 방사부가 2줄로 병렬 연결될 수 있다.
실시 예에 따라 유전체 기판(100)의 밑면에는 접지부가 형성된다. 접지부에는 복수 개의 상보적 분할 링 공진기(130)로 구성되는 공진부가 유전체 기판(100)의 상면에 배열되는 복수 개의 금속 패치(110)가 배열된 방사부에 평행하게 식각될 수 있다.
실시 예에 따라 복수 개의 상보적 분할 링 공진기(130)로 구성되는 공진부는 유전체의 접지부에 1열 또는 3열의 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상보적 분할 링 공진기(130)로 구성되는 공진부는 접지부의 1열 또는 3열 형태의 배치 위치(120)에 배치될 수 있다.
1열 또는 3열의 형태로 배치된 복수 개의 상보적 분할 링 공진기(130)로 구성되는 공진부는 접지부에 식각 또는 적용되어 표면파를 억제함으로써 마이크로 스트립 패치 배열 안테나의 방사패턴 및 이득을 개선시키고 안테나 원소간 상호 결합에 의한 부엽을 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상보적 분할 링 공진기의 배치 및 종류를 도시한다.
도 2를 참조하면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 유전체기판(100) 및 복수 개의 상보적 분할 링 공진기(130)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상보적 분할 링 공진기(130)는 여러 형태인 단일 원형 상보적 분할 링 공진기(210), 이중 원형 상보적 분할 링 공진기(230), 단일 사각 상보적 분할 링 공진기(220) 및 이중 사각 상보적 분할 링 공진기(240) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나 및 상보적 분할 링 공진기의 평면투시도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 방사부는 제1 방사부(310) 및 제2 방사부(320)를 포함한다.
실시 예에 따라 도 (a)에서 유전체 상면에는 일정한 거리의 간격을 두고 일렬로 배열되는 복수 개의 금속 패치(110)가 배열된 제1 방사부(310) 및 제2 방사부(320)가 병렬적으로 배치될 수 있다.
실시 예에 따라 도 (b)에서 유전체에는 제1 방사부(310), 제2 방사부(320) 및 제1 공진부(330)가 병렬적으로 배치될 수 있다.
유전체 접지부에 위치하는 제1 공진부(330)는 유전체의 상면에 일정한 거리의 간격을 두고 일렬로 배열되는 복수 개의 금속 패치가 배열된 제1 방사부(310) 와 제2 방사부(320) 사이에 평행한 형태로 유전체의 접지부에 배치될 수 있다.
또한, 제1 공진부(330)는 유전체의 접지부에 1열 구조 또는 3열 구조의 형태로 식각 및 적용될 수 있다.
실시 예에 따라 도 (c)에서 제1 방사부(310), 제2 방사부(320), 제1 공진부(330), 제2 공진부(340) 및 제3 공진부(350)가 병렬적으로 배치될 수 있다.
제2 공진부(340)는 유전체 상면에 위치하는 제1 방사부의 상단에 평행하게 유전체의 접지부에 배치되고, 제1 공진부(330)는 유전체 상면에 위치하는 제1 방사부(310)와 제2 방사부(320)의 사이에 해당하는 위치에 평행하게 유전체의 접지부에 배치되며, 제3 공진부(350)는 유전체 상면에 위치하는 제2 방사부(320) 하단의 위치에 평행하게 유전체의 접지부에 배치될 수 있다.
도 4는 일반 안테나와 1열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다. 도면의 실선은 1열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 나타내고, 점선은 1열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용되지 않은 배열 안테나의 방사패턴을 나타낸다. 도(a)는 Phi=0일 경우의 방사 패턴을 도시하고, 도(b)는 Phi=90일 경우의 방사 패턴을 도시한다.
도 5는 일반 안테나와 3열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다. 도면의 실선은 3열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 나타내고, 점선은 3열 원형 상보적 분할 링 공진기가 적용되지 않은 배열 안테나의 방사패턴을 나타낸다. 도(a)는 Phi=0일 경우의 방사 패턴을 도시하고, 도(b)는 Phi=90일 경우의 방사 패턴을 도시한다.
도 6은 일반 안테나와 1열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다. 도면의 실선은 1열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 나타내고, 점선은 1열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용되지 않은 배열 안테나의 방사패턴을 나타낸다. 도(a)는 Phi=0일 경우의 방사 패턴을 도시하고, 도(b)는 Phi=90일 경우의 방사 패턴을 도시한다.
도 7은 일반 안테나와 3열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 비교한 그래프를 도시한다. 도면의 실선은 3열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용된 배열 안테나의 방사패턴을 나타내고, 점선은 3열 사각 상보적 분할 링 공진기가 적용되지 않은 배열 안테나의 방사패턴을 나타낸다. 도(a)는 Phi=0일 경우의 방사 패턴을 도시하고, 도(b)는 Phi=90일 경우의 방사 패턴을 도시한다.
도 4 내지 도 7에 의하여 본 발명의 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 상보적 분할 링 공진기(CSRR)를 1열 또는 3열로 배열하여 방사 패턴 및 이득을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.
실시 예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (7)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면에 일정한 거리의 간격을 두고 일렬로 배열되는 복수 개의 금속 패치를 포함하는 제1 방사부와 상기 유전체 기판의 상면에 배열된 상기 제1 방사부의 하단에서 상기 제1 방사부와 평행하게 배열되는 제2 방사부를 포함하는 방사부;
    상기 유전체 기판의 밑면에 배치되는 접지부; 및
    상기 접지부에 식각되며, 상기 방사부에 평행하게 배열되는 복수 개의 상보적 분할 링 공진기(CSRR; Complementary Split Ring Resonators)를 포함하는 공진부
    를 포함하고,
    상기 공진부는
    상기 제1 방사부의 상단에 상기 제1 방사부와 평행하게 배열되는 제1 공진부;
    상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부 사이에 배열되는 제2 공진부; 및
    상기 제2 방사부의 하단에 상기 제2 방사부와 평행하게 배열되는 제3 공진부
    를 포함하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사부는
    상기 복수 개의 금속 패치가 병렬 구조로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진부는
    상기 접지부에 1열 구조 또는 3열 구조의 형태로 식각 및 적용되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공진부는
    축 방향 전기장과 결합 되어 공진주파수 대역을 저주파수 대역으로 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 상보적 분할 링 공진기는
    단일 원형 CSRR, 이중 원형 CSRR. 단일 사각형 CSRR 및 이중 사각형 CSRR 형태 중 적어도 어느 하나의 대역차단 공진구조를 갖는마이크로스트립 패치 배열 안테나.
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