KR102049926B1

KR102049926B1 - 원형 편파 슬롯 안테나

Info

Publication number: KR102049926B1
Application number: KR1020180157392A
Authority: KR
Inventors: 윤영중; 배장환; 정준기
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2019-11-28

Abstract

본 실시예들은 기판에 특정 방향으로 배치된 격리 비아를 기준으로 대향하여 위치하는 제1 각도로 형성된 제1 슬롯과 제2 각도로 형성된 제2 슬롯을 배치함으로써, 원형 편파를 방사하고 안테나의 이득을 향상시킨 슬롯 안테나를 제공한다.

Description

원형 편파 슬롯 안테나 {Circular Polarization Slot Antenna}

본 발명이 속하는 기술 분야는 원형 편파를 방사하는 슬롯 안테나에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

안테나는 무선통신에서 통신 목적을 달성하기 위해 공간에 전자기파를 송수신하는 장치이다. 안테나는 방사되는 파에 대한 고유의 편파 특성을 갖고, 편파 특성을 활용하여 전파자원 절약, 잡음/간섭 영향을 억제할 수 있다.

밀리미터 웨이브(mmWave)는 마이크로 웨이브에 비해 전파손실이 크기 때문에 편파 손실과 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)과 같은 특성이 통신 성능에 영향을 준다. 선형 편파(Linear Polarized Wave)는 다중경로 효과에 의해 발생하는 페이딩에 취약한 반면, 원형 편파(Circular Polarized Wave)는 공간상의 전파장애 및 편파왜곡이 우려되는 통신환경에 강하고, 다중경로 페이딩을 완화시킬 수 있다.

원형 편파 특성을 얻기 위해 마이크로스트립 라인 급전을 이용한 순차 회전(Sequential Rotating) 배열 구조가 많이 사용된다. 하지만 밀리미터 대역에서는 마이크로스트립 라인에서 손실이 크기 때문에 적합하지 않다.

밀리미터 웨이브에서 많이 사용되는 기판 집적형 도파관(Substrate Integrated Waveguide, SIW) 기술로 설계된 안테나는 원형 편파(Circular Polarization, CP) 특성을 얻기 위해서 공정 가격이 비싼 멀티 레이어(Multi-Layer) 제작 공정이 필요하다. 손실을 최소화하고 저렴한 단일 레이더(Single Layer) 공정으로 제작된 밀리미터 웨이브 안테나의 경우 배열했을 때, 원형 편파 특성을 얻기 어려운 문제가 있다. 따라서 배열이 아닌 단일 안테나로 주로 설계된다.

한국공개특허공보 제10-2018-0012159호 (2018.02.05.)

본 발명의 실시예들은 기판에 특정 방향으로 배치된 격리 비아를 기준으로 대향하여 위치하는 제1 각도로 형성된 제1 슬롯과 제2 각도로 형성된 제2 슬롯을 배치함으로써, 원형 편파를 방사하고 안테나의 이득을 향상하는 데 발명의 주된 목적이 있다.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 유전체 기판, 상기 유전체 기판에 형성된 격리 비아, 및 상기 격리 비아를 기준으로 대향하여 위치하는 제1 슬롯과 제2 슬롯을 포함하는 슬롯부를 포함하는 원형 편파 슬롯 안테나를 제공한다.

상기 유전체 기판은 단일 레이어일 수 있고, 전파 모드 중에서 대각(Diagonal) TE210 모드에서 동작하도록 설계될 수 있다.

상기 격리 비아는 전기적 특성에 따라 상기 유전체 기판의 일면을 상기 유전체 기판의 중심을 기준으로 양분한 제1 영역의 중심과 제2 영역의 중심을 지나는 가상선에 평행한 직선 형태로 배치될 수 있다.

상기 제1 슬롯은 제1 각도 범위만큼 개방된 제1 개방부를 갖는 'C' 형상으로 형성되고, 상기 제2 슬롯은 제2 각도 범위만큼 개방된 제2 개방부를 갖는 'C' 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 각도 범위와 상기 제2 각도 범위가 동일할 수 있다.

상기 제1 개방부는 상기 제1 영역의 중심과 상기 제1 슬롯의 중심을 연결한 가상선으로부터 우측에 위치할 수 있다. 상기 제1 개방부의 일단이 상기 제1 영역의 중심과 상기 제1 슬롯의 중심을 연결한 가상선을 지날 수 있다. 상기 제1 슬롯은 상기 제1 영역으로 전자기파가 들어오면, 상기 제1 개방부의 위치에 따라 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)가 방사할 수 있다.

상기 제2 개방부는 상기 제1 영역의 중심과 상기 제2 슬롯의 중심을 연결한 가상선으로부터 좌측에 위치할 수 있다. 상기 제2 개방부의 일단이 상기 제1 영역의 중심과 상기 제2 슬롯의 중심을 연결한 가상선을 지날 수 있다. 상기 제2 슬롯은 상기 제1 영역으로 전자기파가 들어오면, 상기 제2 개방부의 위치에 따라 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)가 방사할 수 있다.

상기 제1 슬롯의 중심으로부터 상기 제1 개방부를 바라본 방향으로 연장한 제1 가상선 및 상기 제2 슬롯의 중심으로부터 상기 제2 개방부를 바라본 방향이 연장한 제2 가상선이 교차하는 지점이 단락 비아가 형성한 영역의 내부에 위치하도록, 상기 제1 가상선과 상기 제2 가상선이 교차하는 각도가 기 설정된 각도보다 크게 설정될 수 있다.

상기 복수의 격리 비아가 배치된 직선의 길이는 상기 제1 슬롯의 지름 또는 상기 제2 슬롯의 지름의 길이와 동일할 수 있다.

상기 원형 편파 슬롯 안테나는 28 GHz의 주파수 대역에서 동작할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 기판에 특정 방향으로 배치된 격리 비아를 기준으로 대향하여 위치하는 제1 각도로 형성된 제1 슬롯과 제2 각도로 형성된 제2 슬롯을 배치함으로써, 원형 편파를 방사하고 안테나의 이득을 향상할 수 있는 효과가 있다.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1 내지 도 3는 본 발명의 실시예들에 따른 원형 편파 슬롯 안테나를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격리 비아가 배치되지 않은 원형 편파 슬롯 안테나 및 방사 특성을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 격리 비아가 배치된 원형 편파 슬롯 안테나 및 방사 특성을 예시한 도면이다.
도 6 내지 도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원형 편파 슬롯 안테나에서 제1 슬롯 및 제2 슬롯의 배치 각도에 따른 방사 특성을 예시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 원형 편파 슬롯 안테나의 동작 주파수에서 주파수 특성을 예시한 도면이다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.

본 실시예는 대각(Diagonal) TE210 모드를 이용한 1 by 2 밀리미터 웨이브 원형 편파 슬롯 캐비티 안테나에 관한 것으로, 대각 TE210 모드 위에 복수의 원형 편파 슬롯을 배열한 안테나이다. 본 실시예는 안테나 배열을 통해 이득 향상과 원형 편파 특성을 갖는다. 본 실시예에 따른 원형 편파 슬롯 안테나의 동작 주파수는 28 GHz로 설정될 수 있으며, 파장의 길이를 고려하여 안테나의 크기를 설정할 수 있고, 구현되는 설계에 따라 적합한 동작 주파수에서 사용될 수 있다.

도 1은 원형 편파 슬롯 안테나를 예시한 블록도이고, 도 2의 (a)는 원형 편파 슬롯 안테나의 평면도이고, 도 2의 (b)는 원형 편파 슬롯 안테나의 측면도이다. 도 3은 원형 편파 슬롯 안테나의 공진 주파수를 설명하기 위한 도면이다.

원형 편파 슬롯 안테나(10)는 유전체 기판(100), 복수의 격리 비아(200), 및 슬롯부(300)를 포함한다. 슬롯부(300)는 제1 슬롯(310)과 제2 슬롯(320)을 포함한다.

슬롯 안테나(10)는 도파관 금속판에 구멍을 뚫고 진동 에너지를 인가하여 전파가 방사되는 공진형 안테나이다. 슬롯 안테나(10)는 도파관 한 면에 적당한 간격으로 파인 슬롯(Slot)으로 직접 전자기파를 복사한다. 주파수 대역은 28 GHz로 설정될 수 있다.

유전체 기판(100)은 단일 레이어로 형성될 수 있고, 전파 모드 중에서 대각(Diagonal) TE210 모드에서 동작하도록 설계될 수 있다. TE(Transverse Electric) 모드는 진행 방향에 E 필드만 수직인 모드이다. 단일 레이어의 일면에 급전점(110)이 위치하고, 급전점(110)에 연결된 급전선을 통하여 슬롯 안테나(10)에 급전 신호를 전송한다. 슬롯 안테나는 캐비티(Cavity)의 크기, 슬롯의 길이, 개방부의 각도 등을 고려하여 임피던스 매칭 포인트를 조절할 수 있다.

원형 편파 슬롯 안테나(10)는 대각 TE210 모드 위에 수학식 1에 근거하여 설계된다. 원형 편파를 방사하는 주파수는 수학식 1과 같이 표현된다.

수학식 1에서 c는 자유 공간 상의 광속이고, ε_s는 2ε_r/(1+ε_r _-)로 정의된다. ε_r는 기판의 유전율이다.

도 2 및 도 3에 따른 안테나를 구성하는 요소의 파라미터는 표 1에 예시되어 있다.

표 1에 예시된 파라미터는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.

원형 편파 슬롯 안테나는 선형 편파 슬롯 안테나에 비해 크기가 크므로, 일반적인 TE 210 모드보다 대각 TE 210 모드가 배열하기에 적합하다.

도 4는 격리 비아가 배치되지 않은 원형 편파 슬롯 안테나 및 방사 특성을 예시한 도면이다. 도 4는 대각 TE210 모드 위에 원형 편파 슬롯 안테나를 설계할 때 방사 특성을 나타낸다. 도 4의 (a)는 대각 TE210 모드를 나타내고, 도 4의 (b)는 격리 비아가 배치되지 않은 슬롯 안테나를 나타내고, 도 4의 (c)는 전류 분포(28 GHz)를 나타내고, 도 4의 (d)는 방사 패턴(Far Field Pattern)을 나타낸다.

제1 슬롯(310)은 제1 각도 범위만큼 개방된 제1 개방부를 갖는 'C' 형상으로 형성된다. 제2 슬롯(320)은 제2 각도 범위만큼 개방된 제2 개방부를 갖는 'C' 형상으로 형성될 수 있다. 제1 각도 범위와 제2 각도 범위는 동일하게 설정될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 격리 비아가 배치되지 않은 슬롯 안테나는 두 슬롯 사이에 간섭이 생기고 안테나 방사 패턴이 두 방향으로 갈라지는 현상이 있다.

안테나 방사 패턴 문제를 해결하기 위하여, 본 실시예는 복수의 슬롯 사이에 격리 비아(Isolation Via)를 설계하여 두 슬롯 안테나 간에 격리 특성을 향상시킨다.

도 5는 격리 비아가 배치된 원형 편파 슬롯 안테나 및 방사 특성을 예시한 도면이다. 도 5의 (a)는 격리 비아를 갖는 대각 TE210 모드를 나타내고, 도 5의 (b)는 격리 비아가 배치된 슬롯 안테나를 나타내고, 도 5의 (c)는 전류 분포(28 GHz)를 나타내고, 도 5의 (d)는 방사 패턴(Far Field Pattern)을 나타낸다.

복수의 격리 비아(200)는 유전체 기판(100)에 형성된다. 복수의 격리 비아(200)는 전기적 특성에 따라 유전체 기판(100)의 일면을 유전체 기판(100)의 중심을 기준으로 양분한 제1 영역의 중심과 제2 영역의 중심을 지나는 가상선에 평행한 직선 형태로 배치된다. 제1 영역은 음(-)의 영역, 제2 영역은 양(+)의 영역을 나타내고, +/- 부호는 필드의 방향을 나타낸다.

복수의 격리 비아(200)가 배치된 직선의 길이는 제1 슬롯(310)의 지름 또는 제2 슬롯(320)의 지름의 길이와 동일하게 설계될 수 있다.

도 6 내지 도 9은 실시예에 따른 원형 편파 슬롯 안테나에서 제1 슬롯 및 제2 슬롯의 배치 각도에 따른 방사 특성을 예시한 도면이다. 음(-)의 영역에서 전자기파가 들어올 때 개방부의 위치에 따라 원형 편파의 종류가 결정된다.

도 6의 (a)를 참조하면, 제1 개방부(315)가 V1 벡터 방향을 기준으로 오른쪽에 위치하면, 좌향 원형 편파(Left Handed Circular Polarization, LHCP)를 방사한다. 제2 개방부(325)가 V2 벡터 방향을 기준으로 왼쪽에 위치하면, 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)를 방사한다. LHCP 방사 성분과 RHCP 방사 성분이 조준(Boresight) 방향에서 서로 상쇄되어 원형 편파가 아닌 선형 편파를 방사한다. 도 6의 (b)는 슬롯 바로 아래의 캐비티에서 Z축 방향의 E-field 분포를 나타낸다.

도 7의 (a)는 원형 편파 슬롯 안테나에서 phi =-45°plane를 도시하고, 도 7의 (b)는 phi =-45°plane에서 축비(Axial Ratio)를 나타낸다. 두 개의 슬롯을 격리 비아에 대향하여 배열하였지만 조준 방향에서 축비 40 dB 이상을 나타낸다. 슬롯의 배치 각도 또는 개방부의 위치에 따라 선형 편파를 방사하게 된다.

본 실시예에 따른 원형 편파 슬롯 안테나는 개방부의 위치를 조절하여 원형 편파를 방사시킨다.

도 8의 (a)를 참조하면, 제1 개방부(315)가 V1 벡터 방향을 기준으로 왼쪽에 위치하면, 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)를 방사한다. 제2 개방부(325)가 V2 벡터 방향을 기준으로 왼쪽에 위치하면, 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)를 방사한다. 두 슬롯 모두 RHCP 방사하기 때문에 최종적으로 RHCP를 방사한다. 도 8의 (b)는 슬롯 바로 아래의 캐비티에서 Z축 방향의 E-field 분포를 나타낸다.

제1 개방부(315)는 제1 영역의 중심과 제1 슬롯(310)의 중심을 연결한 가상선으로부터 우측에 위치한다. 제1 개방부(315)의 일단이 제1 영역의 중심과 제1 슬롯(315)의 중심을 연결한 가상선을 지날 수 있다. 제1 슬롯(310)은 제1 영역으로 전자기파가 들어오면, 제1 개방부(315)의 위치에 따라 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)가 방사한다.

제2 개방부(325)는 제1 영역의 중심과 제2 슬롯(320)의 중심을 연결한 가상선으로부터 좌측에 위치한다. 제2 개방부(325)의 일단이 제1 영역의 중심과 제2 슬롯(320)의 중심을 연결한 가상선을 지날 수 있다. 제2 슬롯(320)은 제1 영역으로 전자기파가 들어오면, 제2 개방부(325)의 위치에 따라 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)가 방사한다.

제1 슬롯(310)의 중심으로부터 제1 개방부(315)를 바라본 방향으로 연장한 제1 가상선 및 제2 슬롯(320)의 중심으로부터 제2 개방부(325)를 바라본 방향이 연장한 제2 가상선이 교차하는 지점이 단락 비아가 형성한 영역의 내부에 위치하도록, 제1 가상선과 제2 가상선이 교차하는 각도가 기 설정된 각도보다 크게 설정될 수 있다.

도 9의 (a)는 원형 편파 슬롯 안테나에서 phi = -45°plane를 도시하고, 도 9의 (b)는 phi = -45°plane에서 축비(Axial Ratio)를 나타낸다. 두 개의 슬롯의 배치 각도를 조절하여 조준 방향에서 축비 1 dB 이하로 나타난다. 즉, 원형 편파를 방사한다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 원형 편파 슬롯 안테나의 동작 주파수에서 주파수 특성을 예시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 원형 편파 슬롯 안테나는 28 GHz에서 S(1,1)-parameter는 -15 dB이고, Axial ratio는 0.99 dB을 나타낸다.

도 11의 (a)을 참조하면 Realized Gain은 7.22 dBi를 나타내고, 도 11의 (b)는 Phi= -45°plane을 도시하고, 도 11의 (c)는 Phi= +45°plane을 도시한다.

본 실시예에 따른 원형 편파 슬롯 안테나는 SIW 기술로 손실을 최소화하고 저렴한 단일 레이어 공정으로 제작이 가능하며, 1 by 2 배열을 이용하여 높은 안테나 이득을 획득할 수 있다.

본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 원형 편파 슬롯 안테나
100: 유전체 기판 200: 격리 비아
300: 슬롯부 310: 제1 슬롯
315: 제1 개방부 320: 제2 슬롯
325: 제2 개방부

Claims

유전체 기판;
상기 유전체 기판에 형성된 복수의 격리 비아; 및
상기 격리 비아를 기준으로 대향하여 위치하는 제1 슬롯과 제2 슬롯을 포함하는 슬롯부를 포함하며,
상기 복수의 격리 비아는 전기적 특성에 따라 상기 유전체 기판의 일면을 상기 유전체 기판의 중심을 기준으로 양분한 제1 영역의 중심과 제2 영역의 중심을 지나는 가상선에 평행한 직선 형태로 배치되며,
상기 제1 슬롯은 제1 각도 범위만큼 개방된 제1 개방부를 갖는 'C' 형상으로 형성되고, 상기 제2 슬롯은 제2 각도 범위만큼 개방된 제2 개방부를 갖는 'C' 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 유전체 기판은 단일 레이어인 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 슬롯부에 상기 격리 비아를 기준으로 대향하여 상기 제1 슬롯과 상기 제2 슬롯이 위치하고, 상기 복수의 격리 비아는 전기적 특성에 따라 상기 유전체 기판의 일면을 상기 유전체 기판의 중심을 기준으로 양분한 제1 영역의 중심과 제2 영역의 중심을 지나는 가상선에 평행한 직선 형태로 배치됨에 따라, 상기 원형 편파 슬롯 안테나는 전파 모드 중에서 진행 방향에 E 필드만 수직하는 대각(Diagonal) TE210 모드에서 동작하도록 설계된 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 개방부는 상기 제1 영역의 중심과 상기 제1 슬롯의 중심을 연결한 가상선으로부터 우측에 위치하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제6항에 있어서,
상기 제1 개방부의 일단이 상기 제1 영역의 중심과 상기 제1 슬롯의 중심을 연결한 가상선을 지나는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제6항에 있어서,
상기 제1 슬롯은 상기 제1 영역으로 전자기파가 들어오면, 상기 제1 개방부의 위치에 따라 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)가 방사하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제2 개방부는 상기 제1 영역의 중심과 상기 제2 슬롯의 중심을 연결한 가상선으로부터 좌측에 위치하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제9항에 있어서,
상기 제2 개방부의 일단이 상기 제1 영역의 중심과 상기 제2 슬롯의 중심을 연결한 가상선을 지나는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제9항에 있어서,
상기 제2 슬롯은 상기 제1 영역으로 전자기파가 들어오면, 상기 제2 개방부의 위치에 따라 우향 원형 편파(Right Handed Circular Polarization, RHCP)가 방사하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 각도 범위와 상기 제2 각도 범위가 동일한 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 슬롯의 중심으로부터 상기 제1 개방부를 바라본 방향으로 연장한 제1 가상선 및 상기 제2 슬롯의 중심으로부터 상기 제2 개방부를 바라본 방향이 연장한 제2 가상선이 교차하는 지점이 단락 비아가 형성한 영역의 내부에 위치하도록, 상기 제1 가상선과 상기 제2 가상선이 교차하는 각도가 기 설정된 각도보다 큰 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 복수의 격리 비아가 배치된 직선의 길이는 상기 제1 슬롯의 지름 또는 상기 제2 슬롯의 지름의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.
제1항에 있어서,
상기 원형 편파 슬롯 안테나는 28 GHz의 주파수 대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 슬롯 안테나.