KR101862753B1 - 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나 - Google Patents

Abstract

다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나가 개시된다. 본 발명에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나는, 설정된 두께의 원형 또는 상하좌우 대칭의 다각형으로 이루어지며, 상면에 전도성 물질이 도포되고, 하면에 설정된 넓이 및 깊이의 홈이 형성된 제1 유전체; 설정된 두께의 원형 또는 상하좌우 대칭의 다각형으로 이루어지며, 상면 및 하면에 전도성 물질이 도포된 제2 유전체; 및 제2 유전체의 상단에 제1 유전체의 하단을 마주하여 적층한 후, 제1 유전체 및 제2 유전체를 관통하여 고정시키는 복수의 피딩핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나{MULTIBAND LAMINATING MICRO STRIP PATCH ANTENNA}

본 발명은 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중대역을 구현하면서도 소형화를 가능하게 하며, 유전율이 높은 세라믹을 이용할 때 발생하는 축비 대역폭이 감소하는 현상을 개선할 수 있는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 스트립 패치안테나는 가볍고 공간을 적게 차지하는 구조를 가지면서도 주어진 공간 내에서 가장 큰 이득과 지향성을 보유할 수 있는 종류의 안테나이다. 마이크로 스트립 패치안테나는 벽면 부착형 또는 휴대용 장치 일체형의 통신중계 안테나로 사용되는 외에도 그 활용범위가 광범위하다.

마이크로 스트립 패치안테나는 평면 안테나로서, 유전체 양면에 접착한 도체판 중 한 쪽의 도체판을 스트립(strip, 얇은 강판)으로 한 것을 마이크로 스트립 선로라 하며, 이 판을 인쇄판으로 제작하여 미세 구조로 할 수 있기 때문에 마이크로란 이름을 붙였다. 여기서, 스트립과 도체판이 2개의 급전선이 되어 선로가 된다. 스트립 선로를 종단에서 반 파장 위치로 절단하고, 전송 선로 대신에 스트립의 중심에 엇갈린 점을 기판의 아래 쪽에서 동축 선로에 급전한 것이 마이크로 스트립 안테나이다.

마이크로 스트립 패치안테나의 스트립의 폭을 넓게 하면 주파수 대역폭이 넓어지고, 전파도 방사하기 쉽게 된다. 스트립을 정사각형으로 한 마이크로 스트립 안테나를 사각형 패치안테나, 원으로 한 것을 원형 패치안테나라고 한다.

마이크로 스트립 패치안테나는 인쇄기판으로 제작하기 때문에 대량 생산에 적합하며, 높이가 낮고 평면상으로 되어 있어 견고하다는 등의 여러 가지 장점이 있다. 이 때문에 대량의 작은 안테나를 필요로 하는 배열 안테나 소자로 많이 사용된다.

그러나, 마이크로 스트립 패치안테나는 일반적으로 주파수 대역폭이 좁고, 효율이 낮기 때문에, 최근의 광대역을 요구하는 이동통신 시스템에 사용하기에 부적합한 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2007-0016388호 (공개일자: 2007. 02. 08.)

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 다중대역을 구현하면서도 소형화를 가능하게 하며, 유전율이 높은 세라믹을 이용할 때 발생하는 축비 대역폭이 감소하는 현상을 개선할 수 있는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나는, 설정된 두께의 원형 또는 사각형으로 이루어지며, 상면 및 하면에 전도성 물질이 도포된 제1 유전체; 설정된 두께의 원형 또는 사각형으로 이루어지며, 상면에 전도성 물질이 도포되고, 하면에 설정된 넓이 및 깊이의 홈이 형성된 제2 유전체; 제1 유전체의 상면에 제2 유전체의 하면을 맞대어 적층한 후, 제1 유전체 및 제2 유전체를 관통하여 고정시키는 복수의 피딩핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나는, 제1 유전체 및 제2 유전체의 각각의 중심점에 형성된 관통공을 더 포함할 수 있다.

또한, 제1 유전체의 두께는 제2 유전체의 두께보다 설정된 배수 이상 두껍게 형성될 수 있다.

또한, 복수의 피딩핀은 제2 유전체의 상면의 중심점을 기준으로 설정된 범위 이내에 상하좌우로 서로 대칭되는 위치에 설치될 수 있다.

여기서, 복수의 피딩핀은 제2 유전체의 상면의 전도성 물질과 쇼트(short)되며, 제1 유전체의 상면의 전도성 물질 및 제1 유전체의 하면의 전도성 물질과 오픈(open)된다.

본 발명에 따르면, 유전체 층을 다중으로 적층하여 구현함으로써 안테나의 넓이를 최소화하여 소형화 구현이 가능하게 된다.

또한, 제2 유전체의 하면에 홈을 형성함으로써 소형화를 위해 높은 유전율의 세라믹을 이용할 때 발생하는 축비 대역폭이 감소하는 현상을 개선할 수 있게 된다.

도 1의 (a)는 마이크로 스트립 패치안테나의 원리를 설명하기 위해 길이가 반파장인 마이크로 스트립 선로를 예시한 도면이며, (b)는 (a)에 대한 단면도를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 도 1의 반파장 마이크로 스트립 선로에 대한 전압과 전류분포를 도시한 도면이며, (b)는 그 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 반파장 마이크로 스트립 패치안테나의 전기력선을 나타낸 도면이다.
도 4는 단일 대역 안테나로서, 사각 패치구조의 원형 편파 안테나의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 단일 대역 안테나로서, 원형 패치구조의 원형 편파 안테나의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 원형 편파 안테나 패치구조의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 원형 패치구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 2중 급전 원형 편파 안테나를 예시한 것으로서, (a)는 사각 패치에 대한 2중 급전을 나타내며, (b)는 원형 패치에 대한 2중 급전을 나타낸 도면이다.
도 7은 4중 급전 원형 편파 안테나를 예시한 것으로서, (a)는 사각 패치에 대한 4중 급전을 나타내며, (b)는 원형 패치에 대한 4중 급전을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나를 개략적으로 도시한 도면으로서, (a)는 하면을 나타내며, (b)는 측면을 나타내고, (c)는 상면을 나타낸다.
도 9는 도 8에 나타낸 제1 유전체를 도시한 도면으로서, (a)는 하면을 나타내며, (b)는 측면을 나타내고, (c)는 상면을 나타낸다.
도 10은 도 8에 나타낸 제2 유전체를 도시한 도면으로서, (a)는 하면을 나타내며, (b)는 측면을 나타내고, (c)는 상면을 나타낸다.
도 11은 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 대해 커플로 보드에서 측정한 데이터를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 대한 안테나 챔버 데이터를 나타낸 도면으로서, 상층 유전체에 대한 데이터를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 대한 안테나 챔버 데이터를 나타낸 도면으로서, 하층 유전체에 대한 데이터를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나를 상세하게 설명한다.

도 1의 (a)는 마이크로 스트립 패치안테나의 원리를 설명하기 위해 길이가 반파장인 마이크로 스트립 선로를 예시한 도면이며, (b)는 (a)에 대한 단면도를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 마이크로 스트립 패치안테나를 구현하기 위해서, 유전체 기판(2)의 하면에 접지판(4)을 형성하고, 유전체 기판(2)의 상면에 스트립 라인(6)을 형성하며, 동축 선로(8)를 통하여 스트립 라인(6)에 고주파 신호를 급전할 수 있다.

이때, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 마이크로 스트립의 전압분포는 스트립의 양단에서 최대이고 중앙에서는 0이며, 전류분포는 스트립의 중앙에서 최대이고 양단 부분에서는 0이기 때문에, 동축선로의 신호선은 스트립의 중앙에서 벗어난 위치에 연결하는 것이 중요하다.

이 경우, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 마이크로 스트립의 왼쪽은 + 전압이기 때문에 아래 접지판(4) 쪽으로 전기장이 형성되고, 마이크로 스트립의 오른쪽은 전압이기 때문에 아래 접지판(4)에서 스트립 선로(6)쪽으로 전기장이 향하게 된다.

한편, 스트립 선로는 전송선로이기 때문에 선로 자체에 의한 방사(radiation)은 일어나지 않는다. 이때, 스트립 선로에는 길이가 반파장이므로 큰 전류가 흐르지만, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 접지판(4) 아래에도 같은 크기의 전류가 반대방향으로 흐르기 때문에, 각각의 전류가 만드는 전자계는 서로 상쇄되어 없어지고, 따라서 전체적인 전자파(electromagnetic) 방사는 없기 때문에 안테나로 사용할 수 없다.

스트립 선로로부터 전자파를 방사시키기 위해서는 스트립 선로의 폭을 넓히면 가능하다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 스트립 선로의 폭을 b로 넓혀 안테나로 사용할 수 있으며, 이와 같은 안테나를 마이크로 스트립 패치안테나라고 한다.

마이크로 스트립 패치안테나의 장점은 사이즈가 적고 가벼우며, 제작이 쉽고 특성이 균일할 뿐만 아니라 가격도 저렴하다는 것이다. 특히, 인쇄기판에 직접 안테나를 형성시킬 수 있어 대량생산이 가능하다는 것이 마이크로 스트립 패치안테나의 최대 장점이다.

한편, 일반적으로 GPS(Global Positioning System) 안테나들은 세라믹 유전체를 이용한 단일 대역 안테나로 구현된다.

도 4는 단일 대역 안테나로서, 사각 패치구조의 원형 편파 안테나의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 원형 편파 안테나는 (a)에 도시한 바와 같이 사각 패치로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, (b)에 도시한 바와 같이 사각 패치의 양변에 돌출부를 형성하거나, (c)에 도시한 바와 같이 사각 패치의 양변에 홈을 형성하거나, (d) 및 (e)에 도시한 바와 같이 모서리 따기를 하거나, (f)에 도시한 바와 같이 내부에 사각의 홈을 형성함으로써 안테나 특성을 변형할 수도 있다.

도 5는 단일 대역 안테나로서, 원형 패치구조의 원형 편파 안테나의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 원형 편파 안테나는 (a)에 도시한 바와 같이 원형 패치로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, (b)에 도시한 바와 같이 원형 패치의 대향하는 양방향에 홈을 형성하거나, (c)에 도시한 바와 같이 원형 패치의 대향하는 양방향에 돌출부를 형성하거나, (d)에 도시한 바와 같이 내부에 사각의 홈을 형성함으로써 안테나 특성을 변형할 수도 있다.

그러나 도 4 및 도 5와 같은 단일 대역 안테나는 축비 대역폭이 매우 좁으며, 단일 대역 안테나를 광대역으로 제작하는 경우에는 유전체와 패치의 크기가 커지게 되어 소형화에 어려움이 있다는 문제점이 있다.

따라서, 넓은 축비 대역폭을 확보하기 위해 도 6에 도시한 바와 같이 사각 패치 또는 원형 패치에 2중 급전을 하거나 도 7에 도시한 바와 같이 사각 패치 또는 원형 패치에 4중 급전을 하는 다중 급전 방식의 원형 편파 안테나가 개발되었다. 이때, 각각의 급전 포트는 동일한 크기로, 서로 90도의 위상 차를 갖는 신호가 급전되도록 설계된다.

그런데, 이와 같은 다중 급전 방식의 원형 편파 안테나는 광대역 또는 다중 대역에서 90도 위상 차를 동시에 만족시킬 수 있는 급전 회로를 구현하는 것은 설계적으로 매우 어려우며, 넓은 급전 회로의 면적이 필요하기 때문에 소형화가 어렵다는 문제점이 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나를 개략적으로 도시한 도면으로서, (a)는 하면을 나타내며, (b)는 측면을 나타내고, (c)는 상면을 나타낸다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나는 제1 유전체(10), 제2 유전체 및 복수의 피딩핀(30)을 포함한다.

도 9는 도 8에 나타낸 제1 유전체를 도시한 도면으로서, (a)는 제1 유전체(10)의 하면을 나타내며, (b)는 제1 유전체(10)의 측면을 나타내고, (c)는 제1 유전체(10)의 상면을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 제1 유전체(10)는 설정된 두께의 사각형상으로 이루어지며, 상면 및 하면에 전도성 물질이 도포된다. 이때, 제1 유전체(10)는 세라믹 유전체로 이루어지며, 하면(도 9의 (a) 참조) 및 상면(도 9의 (c) 참조)에 각각 전도성 물질(12, 16)이 도포되고, 그 중앙에는 상면에서 하면으로 관통하는 관통공(14)이 형성된다(도 9의 (b) 참조). 또한, 관통공(14)의 주변에는 중심점으로부터 설정된 범위 이내에 상하좌우로 대칭되는 복수의 피딩공(18)이 형성된다. 이 경우, 제1 유전체(10)의 하면에 도포되는 전도성 물질(12) 및 제1 유전체(10)의 상면에 도포되는 전도성 물질(16)은 피딩공(18)으로부터 설정된 거리 이격되어 도포되는 것이 바람직하다.

한편, 도 8 및 도 9에는 제1 유전체(10)의 하면에 전도성 물질(12)이 도포된 것으로 도시하고 설명하였지만, 제1 유전체(10)의 하면에는 전도성 물질(12)이 도포되지 않아도 무방하다.

도 10은 도 8에 나타낸 제2 유전체를 도시한 도면으로서, (a)는 제1 유전체(20)의 하면을 나타내며, (b)는 제2 유전체(20)의 측면을 나타내고, (c)는 제2 유전체(20)의 상면을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 제2 유전체(20)는 설정된 두께의 사각형상으로 이루어지며, 상면에 전도성 물질(22)이 도포되고, 하면에 설정된 넓이 및 깊이의 홈(26)이 형성된다. 또한, 제2 유전체(20)는 그 중앙에 상면에서 하면으로 관통하는 관통공(24)이 형성되며, 관통공(24)의 주변에는 복수의 피딩공(28)이 형성된다. 이때, 관통공(24) 및 피딩공(28)의 위치 및 크기는 제1 유전체(10)의 관통공(14) 및 피딩공(18)의 각각의 위치 및 크기와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 유전체(10)의 두께는 제2 유전체(20)의 두께보다 2.0 내지 5.0 배 더 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 홈(26)의 넓이 및 깊이는 제2 유전체(20)의 가장자리로부터 설정된 거리만큼 이격되어 형성된 사각형상을 이루며, 그 깊이는 제2 유전체(20)의 두께의 0.5 내지 0.75 배로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 제2 유전체(20)의 하면에 홈(26)을 형성함으로써, 소형화를 위해 높은 유전율의 세라믹을 이용할 때 발생하는 축비 대역폭이 감소하는 현상을 개선할 수 있다.

여기서, 제1 유전체(10) 및 제2 유전체(20)에 도포되는 전도성 물질(12, 16, 22의 패턴은 인쇄를 통해 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 분사나 다른 방법을 통해서 이루어질 수도 있다.

복수의 피딩핀(30)은 제1 유전체(10)의 상면에 제2 유전체(20)의 하면을 맞대어 적층한 후, 제2 유전체(20)의 상면으로부터 제1 유전체(10)의 하면으로 각각의 피딩공(28)을 관통하여 형성된다. 이때, 각각의 피딩핀(30)은 제2 유전체(20)의 상면의 전도성 물질(22)과 쇼트(short)되며, 제1 유전체(10)의 하면의 전도성 물질(12) 및 제1 유전체(10)의 상면의 전도성 물질(16)과는 오픈(open)된다. 또한, 제1 유전체(10)의 하면의 전도성 물질(12)는 접지될 수 있다. 또한, 제1 유전체(10)의 상면과 제2 유전체(20)의 하면은 안테나 특성을 고려하여 직접 접촉되거나, 설정된 거리만큼 이격되어 설치될 수 있다.

여기서는 각각의 유전체가 사각형상인 것으로 도시하고 설명하였지만, 각각의 유전체는 삼각형, 오각형 등의 다각형 또는 원형으로 이루어질 수도 있다. 또한, 여기서는 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나가 제1 유전체 및 제2 유전체의 두 개의 층으로 이루어진 것으로 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나는 셋 이상의 복수의 유전체 층으로 이루어질 수도 있다.

도 11은 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 대해 커플러 드에서 측정한 데이터를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, PCB(Printed Circuit Board) 커플러 보드(지름 127mm)에서 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나를 측정한 결과, 제1 유전체(10)의 GPS L1은 마커 3 및 4와 같았으며, 제2 유전체(20)의 GPS L2는 마커 1 및 2와 같았다.

도 12는 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 대한 안테나 챔버 데이터를 나타낸 도면으로서, 상층 유전체에 대한 데이터를 나타낸 도면이고, 도 13은 도 8의 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나에 대한 안테나 챔버 데이터를 나타낸 도면으로서, 하층 유전체에 대한 데이터를 나타낸 도면이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, PCB 커플러 보드에서 도 8의 다중대역 적응 마이크로 스트립 패치안테나의 피크 게인을 측정한 결과, 제1 유전체(10)의 GPS L1 대역은 2dBic 이상, 제2 유전체(20)의 GPS L2 대역은 1dBic 이상으로 측정되었다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유전체 층을 다중으로 적층하여 구현함으로써 안테나의 넓이를 최소화하여 소형화 구현이 가능하게 된다.

또한, 제2 유전체의 하면에 홈을 형성함으로써 소형화를 위해 높은 유전율의 세라믹을 이용할 때 발생하는 축비 대역폭이 감소하는 현상을 개선할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 설정된 두께의 원형 또는 다각형으로 이루어지며, 상면 및 하면에 전도성 물질이 도포된 제1 유전체;
   설정된 두께의 원형 또는 다각형으로 이루어지며, 상면에 전도성 물질이 도포되고, 하면에 설정된 넓이 및 깊이의 홈이 형성된 제2 유전체;
   상기 제1 유전체의 상면에 상기 제2 유전체의 하면을 맞대어 적층한 후, 상기 제1 유전체 및 상기 제2 유전체를 관통하여 고정시키는 복수의 피딩핀
   을 포함하며,
   상기 제1 유전체는 상기 피딩핀이 관통되는 피딩공으로부터 설정된 거리만큼 이격되어 상면 및 하면에 각각 전도성 물질이 도포되고,
   상기 제2 유전체는 하면의 가장자리로부터 설정된 거리만큼 이격되어 설정된 넓이 및 깊이로 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유전체 및 상기 제2 유전체의 각각의 중심점에 형성된 관통공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 유전체의 두께는 상기 제2 유전체의 두께보다 설정된 배수 이상 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 피딩핀은 상기 제2 유전체의 상면의 중심점을 기준으로 설정된 범위 이내에 상하좌우로 서로 대칭되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 피딩핀은 상기 제2 유전체의 상면의 전도성 물질과 쇼트(short)되며, 상기 제1 유전체의 상면의 전도성 물질 및 상기 제1 유전체의 하면의 전도성 물질과 오픈(open)되는 것을 특징으로 하는 다중대역 적층 마이크로 스트립 패치안테나.
   
   
   
   

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