KR102061638B1 - Gps 소형 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접지 기능을 하는 접지판, 상기 접지판 상면에 배치되는 복수의 유전체 블록들, 상기 유전체 블록들에 배치되는 복수의 방사소자부들 및 상기 접지판 하면에서부터 상기 유전체 블록을 관통하여 상기 방사소자부에 급전이 이루어지도록 하는 급전부를 포함하고, 상기 방사소자부들 각각은 상기 유전체 블록의 상면에 배치되는 상판, 상기 상판의 단부에서 상기 유전체 블록의 측면 방향으로 연장되는 연결부 및 상기 연결부에서 연장되며, 상기 유전체 블록의 측면에 배치되는 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나을 제공한다.

Description

GPS 소형 마이크로스트립 안테나{MINIMALIZED MICROSTRIP ANTENNA FOR GPS APPLICATION}

본 발명은 소형화된 마이크로스트립 어레이 안테나에 관한 것이다.

비행체 등에 장착되는 안테나는 저자세의 특성을 요구하며, 한정적인 면적과 공간에 안테나를 탑재해야하므로 안테나의 소형화가 필요하다. GPS 시스템에서 재밍 대응용으로는 주로 제작이 쉽고 저자세 형태로 구현이 가능한 마이크로스트립 안테나가 적합하다. 그러나 안테나의 크기는 파장에 따라 결정됨으로 일반적인 GPS 마이크로스트립 안테나는 소정의 크기를 가지고 있다. 이러한 안테나들을 항재밍용으로 5개 이상으로 배열해야하는 경우 안테나 간의 커플링을 고려하면 배열된 총 안테나의 크기는 더욱 커져 비행체 탑재가 어렵다는 단점이 있다.

구체적으로, 종래 마이크로스트립 직선편파 안테나의 구조는 도 1과 같다. 종래 마이크로스트립 안테나의 경우, 안테나의 길이에 의해 안테나의 중심주파수가 결정되며, 급전 점 P를 y축으로 이동함으로써 임피던스 매칭이 가능하다. 도 1의 안테나를 항재밍용으로 5개 이상 배열할 경우, 안테나의 크기가 지나치게 커지기 때문에, 비행체 등에 배치되기에 적합하지 않다는 문제가 있다.

본 발명은 한정된 공간내에 배치될 수 있는 소형화된 마이크로스트립 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 접지 기능을 하는 접지판, 상기 접지판 상면에 배치되는 복수의 유전체 블록들, 상기 유전체 블록들에 배치되는 복수의 방사소자부들 및 상기 접지판 하면에서부터 상기 유전체 블록을 관통하여 상기 방사소자부에 급전이 이루어지도록 하는 급전부를 포함하고, 상기 방사소자부들 각각은 상기 유전체 블록의 상면에 배치되는 상판, 상기 상판의 단부에서 상기 유전체 블록의 측면 방향으로 연장되는 연결부 및 상기 연결부에서 연장되며, 상기 유전체 블록의 측면에 배치되는 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나을 제공한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 연장부는 상기 연결부가 연장되는 방향과 수직한 방향으로 연장될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 접지판의 일부에는 두 개 이상의 유전체 블록이 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 방사소자부는 서로 중첩되도록 배치된 유전체 블록 중 최상단에 배치된 유전체 블록에 배치될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 방사소자부들 중 일부에 포함된 상판과 상기 접지판간의 거리는 상기 방사소자부들 중 다른 일부에 포함된 상판과 상기 접지판간의 거리와 서로 다를 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 방사소자들 중 어느 하나는 상기 접지판의 중앙부에 배치되고, 상기 방사소자들 중 나머지는 상기 접지판의 테두리에 배치되며, 상기 어느 하나에 포함된 상판과 상기 접지판 간의 거리는 상기 나머지에 포함된 상판과 상기 접지판 간의 거리보다 작을 수 있다.

본 발명에 따르면, 유전체 블록의 측면에서 금속 패치의 길이를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에, 안테나의 크기를 증가시키지 않고도, 안테나의 공명 주파수를 자유롭게 조절할 수 있게 된다.

도 1은 종래 마이크로스크립 안테나의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 2는 유전체 블록에 배치된 방사소자부를 나타내는 개념도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 평면도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 측면도이다.
도 4는 상기 실 시예1에 따라 제조된 안테나에 포함된 유닛들 각각에 대한 반사손실 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 상기 실 시예1에 따라 제조된 안테나에 포함된 유닛들 각각에 대한 축비를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 유전체 블록에 배치된 방사소자부를 나타내는 개념도이고, 도 3a는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 평면도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 마이크로스트립 안테나의 측면도이다.

본 발명은 접지판, 복수의 유전체 블록들, 복수의 방사소자부들 및 급전부를 포함한다. 먼저, 도 2를 참조하여 유전체 블록, 반사소자부 및 급전부에 대하여 설명한다.

상기 유전체 블록(210a 및 210b)은 안테나의 크기를 소형화하기 위해 활용된다. 유전체의 비유전율이 클수록 특정 주파수를 구현하기 위한 안테나의 크기가 작아질 수 있다. 상기 유전체 블록(210a 및 210b)은 동일한 접지판에 복수개 배치될 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.

한편, 상기 유전체 블록(210b)에는 방사소자부(221 내지 223)가 배치된다. 상기 방사소자부(221 내지 223)들은 마이크로스트립 안테나에 사용되는 금속 패치이다. 상기 방사소자부(221 내지 223)들은 전자기파를 송수신할 수 있도록 한다. 상기 방사소자부(221 내지 223)들의 크기에 따라 안테나의 공진주파수가 달라질 수 있다.

상기 방사소자부(221 내지 223)들은 상기 유전체 블록(210b)에 배치된다. 구체적으로, 상기 방사소자부(221 내지 223)는 상기 유전체 블록(210b)의 상면에 배치되는 상판(221), 상기 상판(221)의 단부에서 상기 유전체 블록(210b)의 측면 방향으로 연장되는 연결부(222) 및 상기 연결부(222)에서 연장되며 상기 유전체 블록(210b)의 측면에 배치되는 연장부(223)를 구비한다. 즉, 상기 방사부소자(221 내지 223)들은 상기 유전체 블록(210b)의 상면 및 측면에 배치된다.

여기서, 상기 접지판과 접하는 유전체 블록의 일면을 유전체 블록의 하면으로 정의하고, 상기 하면과 대향하는 면을 유전체 블록의 상면으로 정의한다. 상기 유전체 블록의 측면은 상기 하면 및 상면의 사이에 형성되는 면으로 정의한다.

상기 연결부(222) 및 상기 연장부(223)는 상기 상판(221)에서 폴디드되어 상기 유전체 블록(210b)의 측면에 배치될 수 있다. 상기 상판(221), 상기 연결부(222) 및 상기 연장부(223)는 동일한 금속 소재로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 연장부(223)는 상기 연결부(222)가 연장되는 방향과 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 유전체 블록(210b)의 측면에는 'ㄴ'자 형태의 금속 패드가 배치된다.

일 실시 예에 있어서, 상기 유전체 블록(210b)은 직육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 유전체 블록(210b)은 4개의 측면을 구비한다. 상기 연결부(222) 및 상기 연장부(223)는 상기 4개의 측면에 모두 배치될 수 있다.

한편, 상기 연장부(223)의 길이에 따라 안테나의 중심 주파수가 달라질 수 있다. 본 발명은 상기 유전체 블록(210b)의 측면에 배치된 복수의 연장부(223)들의 길이를 조절함으로써, 안테나의 중심 주파수를 변경할 수 있다.

한편, 급전부(230)는 후술할 접지판 하면에서부터 상기 유전체 블록(210a 및 210b)을 관통하여 상기 방사소자부(221 내지 223)에 급전이 이루어지도록 한다. 상기 급전부(230)는 방사소자부 별로 배치될 수 있으며, 상기 방사소자부가 복수개인 경우, 상기 급전부도 복수개 배치될 수 있다.

상기 유전체 블록, 상기 방자소자부 및 상기 급전부를 하나의 유닛(200)을 이루며, 상기 유닛(200)은 접지판 상에 복수개 배치될 수 있다. 한편, 도 2에서는 하나의 유닛(200)이 두 개의 유전체 블록(210a 및 210b)을 포함하는 구조를 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 유닛(200)은 하나 또는 셋 이상의 유전체 블록을 포함할 수 있다.

이하, 도 3a 및 3b를 참조하여 접지판 상에 상기 유닛이 배치된 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 접지판(310)은 접지 기능을 수행한다. 상기 접지판(310)은 마이크로스트립 안테나에 사용되는 기공지된 구성이므로 구체적인 설명은 생략한다.

상기 접지판(310) 상면에서는 상기 유닛들(200a 내지 200e)이 배치된다. 구체적으로, 상기 접지판(310)에는 복수의 유전체 블록들이 배치되고, 상기 유전체 블록 상에 방사소자부들이 배치된다.

한편, 상기 접지판(310)의 일부에는 두 개의 이상의 유전체 블록이 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 여기서, 방사소자부는 서로 중첩되도록 배치된 유전체 블록 중 최상단에 배치된 유전체 블록에 배치될 수 있다.

상기 접지판의 영역 별로 중첩 배치된 유전체 블록의 개수가 다를 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 도 3a 및 3b를 참조하면, 상기 접지판의 네 모서리 영역 각각에는 두 개의 유전체 블록이 중첩 배치되고, 상기 접지판의 중앙 영역에는 한개의 유전체 블록이 배치될 수 있다.

상기 방사소자부의 상판이 최상단에 배치된 유전체 블록에 배치될 경우, 상기 방사소자부들 중 일부에 포함된 상판과 상기 접지판간의 거리는 상기 방사소자부들 중 다른 일부에 포함된 상판과 상기 접지판간의 거리와 서로 다르게 될 수 있다.

예를 들어, 상기 방사소자들 중 어느 하나는 상기 접지판의 중심부에 배치되고, 상기 방사소자들 중 나머지는 상기 접지판의 테두리에 배치되며, 상기 어느 하나에 포함된 상판과 상기 접지판 간의 거리는 상기 나머지에 포함된 상판과 상기 접지판 간의 거리보다 작을 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 인접한 방사소자들간의 간섭을 최소화할 수 있게 된다.

실 시예1. 중심 주파수가 1.575 GHz인 안테나

일 실시 예로, 비행체에 탑재하기 위한 5배열 마이크로스트립 안테나를 제조하였다. 여기서, 접지판의 약 100.07 mm × 100.07 mm(0.525λ)로 제한하였다. 5개의 유닛을 배열시, 상기 접지판의 4개의 모서리에 배치하고, 나머지 하나를 상기 접지판의 중심부에 배치하였다. 여기서, 상기 4개의 모서리에 배치된 유닛은 순차적으로 90도씩 회전시켜 배치하였다. 한편, 상기 4개의 모서리에 배치된 유닛에는 2개의 유전체 블록을 사용하였고, 상기 중심부에 배치된 유닛에는 1개의 유전체 블록을 사용하였다.

한편, 각 유닛의 가로 길이는 19.3mm, 세로 길이는 19.7mm이며, 각 유닛에 포함된 연장부의 길이는 15.2mm이었다. 유전체 블록은 Rogers사의 TMM 10i를 사용하였다. 복수의 유전체 블록을 사용하는 경우, Rogers사의 TMM 10i를 중첩하여 사용하였다. 한편, 상기 4개의 모서리에 배치된 유닛들 간의 간격은 60.9mm이며, 상기 중심부에 배치된 유닛과 상기 4개의 모서리에 배치된 유닛들 간의 간격은 30.41mm이었다.

도 4는 상기 실 시예1에 따라 제조된 안테나에 포함된 유닛들 각각에 대한 반사손실 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5는 상기 실 시예1에 따라 제조된 안테나에 포함된 유닛들 각각에 대한 축비를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 모서리 4개의 유닛의 대역폭은 약 6 MHz(0.4%)이고, 중심부에 배치된 유닛의 대역폭은 11.7 MHz(0.74%)임을 확인 할 수 있다.

한편, 도 5를 참조하면, 5개의 유닛의 축비는 알파벳 순서대로 2.239, 2.422, 2.194, 2.420, 2.549임을 확인할 수 있다. 도 5의 시뮬레이션 결과에 따라, 상기 실시 예1에 따른 안테나는 1.575 GHz 대 비행체에 장착이 가능한 항재밍용 GPS 5배열 원형편파 마이크로스트립 안테나로 활용될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 유전체 블록의 측면에서 금속 패치의 길이를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에, 안테나의 크기를 증가시키지 않고도, 안테나의 공명 주파수를 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면 안테나의 크기를 충분히 소형화시킬 수 있기 때문에, 비행체에 탑재 가능한 안테나를 설계할 수 있게 된다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (6)

1. 접지 기능을 하는 접지판;
   상기 접지판 상면에 배치되는 복수의 유전체 블록들;
   상기 유전체 블록들에 배치되는 복수의 방사소자부들; 및
   상기 접지판 하면에서부터 상기 유전체 블록을 관통하여 상기 방사소자부에 급전이 이루어지도록 하는 급전부를 포함하고,
   상기 방사소자부들 각각은,
   상기 유전체 블록의 상면에 배치되는 상판;
   상기 상판의 단부에서 상기 유전체 블록의 측면 방향으로 연장되는 연결부; 및
   상기 연결부에서 연장되며, 상기 유전체 블록의 측면에 배치되는 연장부를 포함하고,
   상기 접지판의 중앙부에는 하나의 유전체 블록이 배치되고,
   상기 접지판의 테두리에는 두 개의 유전체 블록이 서로 중첩되도록 배치되며,
   상기 방사소자부들 중 어느 하나는 상기 접지판의 중앙부에 배치된 하나의 유전체 블록 상에 배치되고, 상기 방사소자부들 중 나머지는 상기 접지판의 테두리에 배치된 유전체 블록들 중 최상단에 위치한 유전체 블록에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연장부는 상기 연결부가 연장되는 방향과 수직한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 방사소자부들 중 일부에 포함된 상판과 상기 접지판간의 거리는 상기 방사소자부들 중 다른 일부에 포함된 상판과 상기 접지판간의 거리와 서로 다른 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
6. 제5항에 있어서,
   상기 방사소자들 중 어느 하나는 상기 접지판의 중앙부에 배치되고, 상기 방사소자들 중 나머지는 상기 접지판의 테두리에 배치되며,
   상기 어느 하나에 포함된 상판과 상기 접지판 간의 거리는 상기 나머지에 포함된 상판과 상기 접지판 간의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.

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