KR102126581B1

KR102126581B1 - 초광대역 평면 안테나

Info

Publication number: KR102126581B1
Application number: KR1020170057961A
Authority: KR
Inventors: 김원남; 김상희
Original assignee: (주)탑중앙연구소
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: KR20180123804A

Abstract

본 발명은 초광대역 평면 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초광대역 평면 안테나는, 상부면에 마이크로스트립 패치가 배치된 제1 기판, 제1 기판의 하부에 위치하는 제1 접착층, 제1 접착층의 하부에 위치하며, 상부면에 피드 패치가 배치된 제2 기판, 제2 기판의 하부에 위치하며, 상부면에 접지 보조 패치가 배치된 제2 접착층, 제2 접착층의 하부에 위치하며, 하부면에 접지와 공면 도파관 라인(Coplanar waveguide line)이 배치된 제3 기판, 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하여 피드 패치와 공면 도파관 라인을 연결하는 제1 비아홀 및 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하여 접지 보조 패치와 접지를 연결하는 제2 비아홀을 포함하되, 마이크로스트립 패치의 전면 중 일부는 후면 방향으로 오목하게 계단형으로 형성된다.

Description

초광대역 평면 안테나{ULTRA WIDEBAND PLANAR ANTENNA}

본 발명은 초광대역 평면 안테나에 관한 것이다.

지금까지 군용 기술로 개발되어 왔던 레이더 기술은 세계 보안시장의 급성장과 함께 최근 무선 보안 통신기술과 융합하는 기술 개발이 활발하게 이루어지면서 주목을 받고 있는 실정이다.

하지만, 초광대역 레이더의 핵심 부품인 안테나는 부피가 크고, 수작업으로 이루어지는 제조 공정 기술로 인하여 집적화 및 소형화가 어려운 단점이 있다.

이에 따라, 휴대용 디바이스의 사용이 보편화되고 통신기술이 일반화되면서 회로의 소형화에 걸림돌이 되고 있는 배터리와 전원 코드 문제를 해결하고, 전원 공급과 배터리 충전을 무선으로 실현하려는 연구와 언제 어디서나 이용할 수 있는 유비쿼터스 센서의 전원 공급을 위한 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

또한, 미래 사회의 10대 유망기술 중 하나로서 무선 전력 전송 기술이 많은 주목을 받고 있다.

무선 전력 전송에 사용되는 렉테나(Rectenna)는 정류회로(Rectifier)와 안테나(Antenna)의 합성어로서, RF 신호를 받아들이는 안테나와 정류 다이오드, 부하 저항 등으로 구성되며, 안테나에 입사된 RF 전력을 정류회로를 통해 DC 전력으로 변환해주는 소자를 의미한다.

이러한 렉테나는 UWB 레이더 모듈 등에 적용되는데, 대표적으로 파형(sinuous), 비발디(vivaldi), 안티-비발디 및 패치 안테나 등이 있다. 현재에는 설계 및 제작이 용이하고 소형화가 가능한 패치 안테나가 주로 사용되고 있는 실정이다.

종래의 패치 안테나의 경우, 안테나 방사부의 패치가 디스크형(즉, 타원형)으로 구현되는바, 대역폭 확보가 어려워 초광대역화가 어렵다는 문제가 있었다.

또한, 종래의 패치 안테나의 경우, 안테나의 사이즈가 작을수록 안테나로부터 발생되는 사이드 로브에 의해 안테나 특성 저하 현상이 증가하는 바, 안테나의 소형화가 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마이크로스트립 패치의 전면 중 일부를 후면 방향으로 오목하게 계단형으로 형성함으로써 종래 대비 대역폭 확보 능력을 개선하고, 안테나 매칭(matching)을 용이하게 하며, 안테나 게인(gain) 특성을 개선할 수 있는 초광대역 평면 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 평면 안테나는 상부면에 마이크로스트립 패치가 배치된 제1 기판, 제1 기판의 하부에 위치하는 제1 접착층, 제1 접착층의 하부에 위치하며, 상부면에 피드 패치가 배치된 제2 기판, 제2 기판의 하부에 위치하며, 상부면에 접지 보조 패치가 배치된 제2 접착층, 제2 접착층의 하부에 위치하며, 하부면에 접지와 공면 도파관 라인(Coplanar waveguide line)이 배치된 제3 기판, 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하여 피드 패치와 공면 도파관 라인을 연결하는 제1 비아홀 및 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하여 접지 보조 패치와 접지를 연결하는 제2 비아홀을 포함하되, 마이크로스트립 패치의 전면 중 일부는 후면 방향으로 오목하게 계단형으로 형성된다.

상기 마이크로스트립 패치의 전면은, Z축 방향과 직교하는 Y축 방향으로 연장되도록 형성되는 제1 내지 제6 수직부와, 제Z 및 Y축 방향과 직교하는 X축 방향으로 연장되도록 형성되는 제1 내지 제5 수평부를 포함한다.

상기 제1 수직부와 제2 수직부는 서로 마주보도록 형성되되, Y축 방향 길이가 동일하고, 제1 간격으로 이격되며, 제3 수직부와 제4 수직부는 서로 마주보도록 형성되되, Y축 방향 길이가 동일하고, 제2 간격으로 이격되며, 제5 수직부와 제6 수직부는 서로 마주보도록 형성되되, Y축 방향 길이가 동일하고, 제3 간격으로 이격되며, 제1 수평부는 제1 수직부와 제3 수직부를 연결하고, 제2 수평부는 제3 수직부와 제5 수직부를 연결하고, 제3 수평부는 제2 수직부와 제4 수직부를 연결하고, 제4 수평부는 제4 수직부와 제6 수직부를 연결하고, 제5 수평부는 제5 수직부와 제6 수직부를 연결한다.

상기 제1 간격은 제2 간격보다 크고, 제2 간격은 제3 간격보다 크고, 제1 및 제2 수직부의 Y축 방향 길이는 제3 및 제4 수직부의 Y축 방향 길이보다 짧고, 제3 및 제4 수직부의 Y축 방향 길이는 제5 및 제6 수직부의 Y축 방향 길이와 같다.

상기 제1 및 제3 수평부는 X축 방향 길이가 동일하고, 제2 및 제4 수평부는 X축 방향 길이가 동일하고, 제5 수평부는 제2 수평부보다 X축 방향 길이가 길고, 제2 수평부는 제1 수평부보다 X축 방향 길이가 길다.

상기 피드 패치는, 후면부가 제1 비아홀과 Z축 방향으로 오버랩되고, 전면부는 마이크로스트립 패치와 Z축 방향으로 오버랩된다.

상기 피드 패치의 후면부는 제1 비아홀의 일부와 오버랩된다.

상기 피드 패치의 전면부는 반타원형 또는 반원형이고, 피드 패치의 후면부는 직사각형이다.

상기 접지 보조 패치는 제2 비아홀과 Z축 방향으로 오버랩된다.

상기 접지 보조 패치는 피드 패치와 Z축 방향과 직교하는 Y축 방향으로 이격되고, 제1 비아홀은 제2 비아홀과 Y축 방향으로 이격된다.

상기 공면 도파관 라인은 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 제1 부분은 제1 비아홀을 둘러싸도록 배치되고, 제2 부분은 제2 비아홀 사이에 배치된다.

상기 마이크로스트립 패치는 제1 비아홀과 Z축 방향과 직교하는 Y축 방향으로 이격되고, 제1 비아홀은 제2 비아홀과 Y축 방향으로 이격되며, 마이크로스트립 패치와 제1 비아홀 사이의 Y축 방향으로의 이격 간격은 마이크로스트립 패치와 제2 비아홀 사이의 Y축 방향으로의 이격 간격보다 작다.

상기 마이크로스트립 패치의 일부를 제외한 나머지는 타원형이다.

상기 접지 보조 패치는 직사각형 패치이고, 접지 보조 패치의 Z축 방향과 직교하는 X축 방향의 길이는 마이크로스트립 패치의 X축 방향의 길이보다 짧다.

상기 피드 패치는 제1 비아홀을 통해 공면 도파관 라인에서 인가된 주파수 신호를 방사하여 마이크로스트립 패치로 커플링 공급한다.

상기 접지 보조 패치는 마이크로스트립 패치에서 방사된 전자기파를 제2 비아홀을 통해 접지로 전달한다.

본 발명에 따른 초광대역 평면 안테나는 종래 대비 개선된 대역폭 확보 능력을 통해 초광대역화가 가능하고, 안테나 매칭이 용이하며, 안테나 게인 특성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 평면 안테나의 개략도이다.
도 2는 도 1의 제1 기판 및 마이크로스트립 패치를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 제1 접착층을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1의 제2 기판 및 피드 패치를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 제2 접착층 및 접지 보조 패치를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 접지 및 공면 도파관 라인을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 1의 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하는 제1 비아홀을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 1의 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하는 제2 비아홀을 설명하는 도면이다.
도 9는 제1 및 제2 비아홀과 피드 패치 및 접지 보조 패치 간 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 10은 제1 및 제2 비아홀과 공면 도파관 라인 간 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 광대역 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 X-Z 평면에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 Y-Z 평면에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.

본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 평면 안테나를 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 평면 안테나의 개략도이다. 도 2는 도 1의 제1 기판 및 마이크로스트립 패치를 설명하는 도면이다. 도 3은 도 1의 제1 접착층을 설명하는 도면이다. 도 4는 도 1의 제2 기판 및 피드 패치를 설명하는 도면이다. 도 5는 도 1의 제2 접착층 및 접지 보조 패치를 설명하는 도면이다. 도 6은 도 1의 접지 및 공면 도파관 라인을 설명하는 도면이다. 도 7은 도 1의 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하는 제1 비아홀을 설명하는 도면이다. 도 8은 도 1의 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하는 제2 비아홀을 설명하는 도면이다. 도 9는 제1 및 제2 비아홀과 피드 패치 및 접지 보조 패치 간 위치 관계를 설명하는 도면이다. 도 10은 제1 및 제2 비아홀과 공면 도파관 라인 간 위치 관계를 설명하는 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 평면 안테나(1)는 제1 기판(100), 제1 접착층(150), 제2 기판(200), 제2 접착층(250), 제3 기판(300), 제1 비아홀(도 2의 600; 600a, 600b), 제2 비아홀(도 2의 610; 610a~610d)을 포함할 수 있다.

제1 기판(100)은 상부면에 마이크로스트립 패치(101)가 배치될 수 있다.

구체적으로, 제1 기판(100)의 상부면에는 마이크로스트립 패치(101)가 배치되고, 하부에는 제1 접착층(150)이 위치할 수 있다. 또한 제1 기판(100)에는, 제1 기판(100)을 관통하는 제1 비아홀(도 2의 600) 및 제2 비아홀(도 2의 610)이 형성될 수 있다.

또한 제1 기판(100)은 테프론과 같은 유전체 재질로 형성된 인쇄회로기판일 수 있다.

참고로, 제1 기판(100)은 제2 기판(200) 및 제3 기판(300)과 두께, 유전상수 및 유전체 손실이 동일할 수 있다.

다만, 제1 기판(100)의 두께, 유전상수, 유전체 손실 값 등은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(100)의 유전상수, 유전체 손실 값 및 두께의 조절을 통해 초광대역 평면 안테나(1)의 대역폭과 안테나 이득률(즉, 안테나 게인(gain)) 등이 조정될 수도 있다.

여기에서, 마이크로스트립 패치(101)는 인쇄회로 방식으로 제1 기판(100)의 상부면에 형성되거나 동박 등의 도전성 재질을 적절한 형상으로 제작하여 부착될 수도 있다.

이러한 마이크로스트립 패치(101)는 외부로 전자기파를 방사하거나 외부로부터 무선 신호를 수신하는 역할을 수행할 수 있다. 또한 마이크로스트립 패치(101)는 피드 패치(201)와 연결되어 있지 않은바, 피드 패치(201)로부터 간접적으로 주파수 신호를 공급받을 수 있다. 즉, 마이크로스트립 패치(101)는 피드 패치(201)로부터 방사된 주파수 신호를 커플링 공급받을 수 있다.

또한 도 2를 참조하면, 마이크로스트립 패치(101)는 전면 중 일부가 후면 방향으로 오목하게 계단형으로 형성되고, 상기 일부를 제외한 나머지는 타원형으로 형성된다는 것을 알 수 있다.

물론, 마이크로스트립 패치(101)는 전술한 형상에 제한되는 것은 아니지만, 본 발명에서는, 설명의 편의를 위해 마이크로스트립 패치(101)가 전술한 형상대로 형성되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

구체적으로, 마이크로스트립 패치(101)의 전면은, Z축 방향(Z)과 직교하는 Y축 방향(Y)으로 연장되도록 형성되는 제1 내지 제6 수직부(VP1~VP6)와, Z축 방향(Z) 및 Y축 방향(Y)과 직교하는 X축 방향(X)으로 연장되도록 형성되는 제1 내지 제5 수평부(HP1~HP5)를 포함할 수 있다.

여기에서, 제1 수직부(VP1)와 제2 수직부(VP2)는 서로 마주보도록 형성되되, Y축 방향(Y) 길이가 동일하고, 제1 간격(I1; 예를 들어, 20mm)으로 이격될 수 있다.

또한 제3 수직부(VP3)와 제4 수직부(VP4)는 서로 마주보도록 형성되되, Y축 방향(Y) 길이가 동일하고, 제2 간격(I2; 예를 들어, 19mm)으로 이격될 수 있다.

또한 제5 수직부(VP5)와 제6 수직부(VP6)는 서로 마주보도록 형성되되, Y축 방향(Y) 길이가 동일하고, 제3 간격(I3; 예를 들어, 16mm)으로 이격될 수 있다.

참고로, 제1 간격(I1)은 제2 간격(I2)보다 크고, 제2 간격(I2)은 제3 간격(I3)보다 크고, 제1 및 제2 수직부(VP1, VP2)의 Y축 방향(Y) 길이(예를 들어, 0.36mm)는 제3 및 제4 수직부(VP3, VP4)의 Y축 방향(Y) 길이(예를 들어, 0.5mm)보다 짧고, 제3 및 제4 수직부(VP3, VP4)의 Y축 방향(Y) 길이는 제5 및 제6 수직부(VP5, VP6)의 Y축 방향(Y) 길이(예를 들어, 0.5mm)와 같을 수 있다.

또한 제1 수평부(HP1)는 제1 수직부(VP1)와 제3 수직부(VP3)를 연결하고, 제2 수평부(HP2)는 제3 수직부(VP3)와 제5 수직부(VP5)를 연결하고, 제3 수평부(HP3)는 제2 수직부(VP2)와 제4 수직부(VP4)를 연결하고, 제4 수평부(HP4)는 제4 수직부(VP4)와 제6 수직부(VP6)를 연결하고, 제5 수평부(HP5)는 제5 수직부(VP5)와 제6 수직부(VP6)를 연결할 수 있다.

여기에서, 제1 및 제3 수평부(HP1, HP3)는 X축 방향(X) 길이가 동일하고, 제2 및 제4 수평부(HP2, HP4)는 X축 방향(X) 길이가 동일하고, 제5 수평부(HP5)는 제2 수평부(HP2)보다 X축 방향(X) 길이가 길고, 제2 수평부(HP2)는 제1 수평부(HP1)보다 X축 방향(X) 길이가 길 수 있다.

이와 같은 마이크로스트립 패치(101)의 형상으로 인해 종래의 안테나 대비 대역폭 확보 성능이 개선되어 초광대역화가 가능하고, 안테나 매칭(matching)이 용이해지며, 안테나 게인(gain) 특성도 개선될 수 있다.

한편, 마이크로스트립 패치(101)는 제1 비아홀(600)과 Z축 방향(Z)과 직교하는 Y축 방향(Y)으로 이격될 수 있다.

이 때, 마이크로스트립 패치(101)와 제1 비아홀(600) 사이의 Y축 방향(Y)으로의 이격 간격은 마이크로스트립 패치(101)와 제2 비아홀(610) 사이의 Y축 방향(Y)으로의 이격 간격보다 작을 수 있다.

또한 마이크로스트립 패치(101)의 X축 방향(X)의 길이는 접지 보조 패치(도 5의 301)의 X축 방향(X)의 길이보다 길 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다시 도 1을 참조하면, 제1 접착층(150)은 제1 기판(100)의 하부에 위치할 수 있다.

구체적으로, 제1 접착층(150)의 하부에는 피드 패치(201)가 배치되고, 제1 접착층(150)은 제2 접착층(250)과 두께, 유전상수 및 유전체 손실이 동일할 수 있다.

다만, 제1 접착층(150)의 두께, 유전상수, 유전체 손실 값 등은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 이에 따라, 제1 접착층(150)의 유전상수, 유전체 손실 값 및 두께의 조절을 통해 초광대역 평면 안테나(1)의 대역폭과 안테나 이득률 등이 조정될 수도 있다.

또한 제1 접착층(150)의 Z축 방향(Z) 두께는 상기 제1 기판(100)의 Z축 방향(Z) 두께보다 작을 수 있고, 제1 접착층(150)의 유전상수 및 유전체 손실 값은 제1 기판(100)의 유전상수 및 유전체 손실 값과 다를 수 있다.

제1 접착층(150)과 제1 기판(100) 사이에 형성되는 메탈층(미도시)은 백-드릴(Back-Drill) 공법에 의해 제거됨으로써, 마이크로스트립 패치(101)와 접지(401) 사이의 간격(즉, 두께)을 줄일 수 있고, 이를 통해 안테나 특성(예를 들어, 임피던스 특성)을 개선할 수 있다.

참고로, 도 3을 참조하면, 제1 접착층(150)에 제1 비아홀(600) 및 제2 비아홀(610)이 형성되어 있음을 알 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제2 기판(200)은 제1 접착층(150)의 하부에 위치하며, 상부면에 피드 패치(201)가 배치될 수 있다.

구체적으로, 제2 기판(200)의 상부면에는 피드 패치(201)가 배치되고, 하부에는 제2 접착층(250)이 위치할 수 있다. 즉, 피드 패치(201)는 제1 접착층(150)과 제2 기판(200) 사이에 배치될 수 있다.

또한 제2 기판(200)에는, 제2 기판(200)을 관통하는 제1 비아홀(도 4의 600) 및 제2 비아홀(도 4의 610)이 형성될 수 있다.

또한 제2 기판(200)은 테프론과 같은 유전체 재질로 형성된 인쇄회로기판일 수 있다.

참고로, 제2 기판(200)은 제1 기판(100) 및 제3 기판(300)과 두께, 유전상수 및 유전체 손실이 동일할 수 있다.

다만, 제2 기판(200)의 두께, 유전상수, 유전체 손실 값 등은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 이에 따라, 제2 기판(200)의 유전상수, 유전체 손실 값 및 두께의 조절을 통해 초광대역 평면 안테나(1)의 대역폭과 안테나 이득률 등이 조정될 수도 있다.

여기에서, 피드 패치(201)는 인쇄회로 방식으로 제2 기판(200)의 상부면에 형성되거나 동박 등의 도전성 재질을 적절한 형상으로 제작하여 부착될 수도 있다.

또한 피드 패치(201)와 전기적으로 결합된 급전 선로(미도시)가 제1 비아홀(600)을 통해 공면 도파관 라인(도 6의 500)과 연결되는바, 급전 선로를 통해 공면 도파관 라인(도 6의 500)으로부터 주파수 신호를 인가받을 수 있다.

이러한 피드 패치(201)는 공면 도파관 라인(도 6의 500)으로부터 제공받은 주파수 신호를 방사하여 마이크로스트립 패치(101)에 커플링 공급할 수 있다.

즉, 피드 패치(201)와 마이크로스트립 패치(101)는 급전 선로에 의해 직접적으로 연결되어 있지 않으며, 제1 비아홀(600)을 통해 피드 패치(201)로 인가된 주파수 신호는 상부를 향해 방사되어 마이크로스트립 패치(101)에 커플링 공급될 수 있다.

이를 통해, 마이크로스트립 패치(101)는 급전 선로를 통해 주파수 신호를 직접 인가받지 않고, 피드 패치(201)로부터 방사된 주파수 신호를 커플링 공급받음으로써 마이크로스트립 패치(101)로부터 방사되는 주파수 대역의 범위가 개선될 수 있다.

또한 피드 패치(201)를 통한 간접 급전 방식을 통해 수직 편파와 수평 편파의 편파 분리도를 향상시킬 수 있으며, 초광대역 평면 안테나(1)의 사이드 로브(side lobe) 발생을 억제하는 것이 가능하다.

한편, 도 1 및 도 4를 참조하면, 피드 패치(201)의 경우, 후면부(201b)가 제1 비아홀(600)과 Z축 방향(Z)으로 오버랩될 수 있다. 또한 도면에 도시되어 있지는 않지만, 피드 패치(201)의 전면부(201a)는 마이크로스트립 패치(101)와 Z축 방향(Z)으로 오버랩될 수 있다.

보다 구체적으로, 피드 패치(201)의 경우, 후면부(201b)는 제1 비아홀(600)의 일부와 오버랩되고, 후면부(201b)의 일부와 전면부(201a)는 마이크로스트립 패치(101)와 오버랩될 수 있다.

또한 피드 패치(201)의 전면부(201a)는 예를 들어, 반타원형 또는 반원형이고, 피드 패치(201)의 후면부는 예를 들어, 직사각형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 구조를 통해, 피드 패치(201)는 공면 도파관 라인(도 6의 500)으로부터 제공받은 주파수 신호를 효과적으로 방사할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제2 접착층(250)은 제2 기판(200)의 하부에 위치하며, 상부면에 접지 보조 패치(301)가 배치될 수 있다. 즉, 접지 보조 패치(301)는 제2 기판(200)과 제2 접착층(250) 사이에 배치될 수 있다.

구체적으로, 제2 접착층(250)은 제1 접착층(150)과 두께, 유전상수 및 유전체 손실이 동일할 수 있다.

다만, 제2 접착층(250)의 두께, 유전상수, 유전체 손실 값 등은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 이에 따라, 제2 접착층(250)의 유전상수, 유전체 손실 값 및 두께의 조절을 통해 초광대역 평면 안테나(1)의 대역폭과 안테나 이득률 등이 조정될 수도 있다.

또한 제2 접착층(250)과 제3 기판(300) 사이에 형성되는 메탈층(미도시)은 백-드릴(Back-Drill) 공법에 의해 제거됨으로써, 마이크로스트립 패치(101)와 접지(401) 사이의 간격(즉, 두께)을 줄일 수 있고, 이를 통해 안테나 특성(예를 들어, 임피던스 특성)을 개선할 수 있다.

여기에서, 접지 보조 패치(301)는 인쇄회로 방식으로 제2 접착층(250)의 상부면에 형성되거나 동박 등의 도전성 재질을 적절한 형상으로 제작하여 부착될 수도 있다.

또한 접지 보조 패치(301)와 전기적으로 결합된 급전 선로(미도시)가 제2 비아홀(610)을 통해 접지(401)와 연결되는바, 급전 선로를 통해 마이크로스트립 패치(101)에서 방사된 전자기파를 제2 비아홀(610)을 통해 접지(401)로 전달할 수 있다.

또한 이를 통해, 마이크로스트립 패치(101)에서 방사된 전자기파는, 그 전계의 모양이 접지(401)에서 0이 될 수 있도록 접지 보조 패치(301)를 통해 수렴하여 접지(401)로 전달될 수 있다.

또한 접지 보조 패치(301)의 X축 방향(X)의 길이는 마이크로스트립 패치(101)의 X축 방향(X)의 길이보다 짧을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 1 및 도 5를 참조하면, 접지 보조 패치(301)는 예를 들어, 직사각형 패치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다만, 설명의 편의를 위해, 본 발명에서는, 접지 보조 패치(301)가 직사각형 패치인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한 접지 보조 패치(301)는 제1 비아홀(600)과 Z축 방향(Z)으로 오버랩되지 않을 수 있다.

참고로, 제2 접착층(250)에 제1 비아홀(600) 및 제2 비아홀(610)이 형성되어 있음을 알 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제3 기판(300)은 제2 접착층(250)의 하부에 위치하며, 하부면에 접지(401)와 공면 도파관 라인(도 6의 500)이 배치될 수 있다.

참고로, 제3 기판(300)은 도 3에 도시된 제1 접착층(150)과 같은 단면을 가질 수 있다.

이에 따라, 제3 기판(300)에는 제3 기판(300)을 관통하는 제1 비아홀(도 3의 600) 및 제2 비아홀(도 3의 610)이 형성될 수 있다.

또한 제3 기판(300)은 테프론과 같은 유전체 재질로 형성된 인쇄회로기판일 수 있다.

참고로, 제3 기판(300)은 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)과 두께, 유전상수 및 유전체 손실이 동일할 수 있다.

다만, 제3 기판(300)의 두께, 유전상수, 유전체 손실 값 등은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 이에 따라, 제3 기판(300)의 유전상수, 유전체 손실 값 및 두께의 조절을 통해 초광대역 평면 안테나(1)의 대역폭과 안테나 이득률 등이 조정될 수도 있다.

여기에서, 도 6을 참조하면, 접지(401)와 공면 도파관 라인(500)이 형성된 모습을 확인할 수 있다.

구체적으로, 공면 도파관 라인(500)은 제1 부분(500a)과 제2 부분(500b)을 포함할 수 있다.

제1 부분(500a)은 제2 부분(500b) 보다 Y축 방향(Y)으로 상부에 배치될 수 있고, 제2 부분(500b)은 Y축 방향(Y)으로 연장되도록 형성될 수 있다.

공면 도파관 라인(500)은 급전 선로(미도시)를 통해 전술한 피드 패치로 주파수 신호를 인가할 수 있다. 또한 공면 도파관 라인(500)과 접지(401) 간 용량성 결합을 통해 안테나 이득(즉, 안테나 게인) 개선, 매칭, 공진 주파수 조절이 가능해짐으로써 초광대역 평면 안테나(1)의 전기적 특성이 조절될 수 있다.

참고로, 이러한 공면 도파관 라인(500)의 형상은 도 6에 도시된 형상에 한정되는 것은 아니고, 곡면 혹은 다각형 등 다양한 구조로 변경이 가능하다.

이어서, 도 7 내지 도 10을 참조하면, 제1 비아홀(600)과 제2 비아홀(610)의 위치가 도시되어 있다.

참고로, 도 7에는 공면 도파관 라인(500)의 제1 부분(500a)이 도시되어 있고, 도 8에는 공면 도파관 라인(500)의 제2 부분(500b)이 도시되어 있다.

구체적으로, 제1 비아홀(600) 및 제2 비아홀(610)은 제1 기판(100), 제1 접착층(150), 제2 기판(200), 제2 접착층(250), 제3 기판(300)을 관통하도록 형성될 수 있다.

여기에서, 제1 비아홀(600)은 제2 비아홀(610)과 Y축 방향(Y)으로 이격되어 배치되고, 공면 도파관 라인(500)의 제1 부분(500a)은 제1 비아홀(600)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 또한 제1 비아홀(600)의 일부는 피드 패치(201)의 후면부(201b)와 오버랩될 수 있다.

반면에, 제2 비아홀(610)은 제1 비아홀(600)과 Y축 방향(Y)으로 이격되어 배치되고, 공면 도파관 라인(500)의 제2 부분(500b)은 제2 비아홀(610) 사이에 배치될 수 있다. 또한 제2 비아홀(610)은 접지 보조 패치(301)와 Z축 방향(Z)으로 오버랩될 수 있다.

참고로, 접지 보조 패치(301)는 피드 패치(201)와 Y축 방향(Y)으로 이격될 수 있다.

이하에서는, 도 11 내지 도 13을 참조하여, 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 특성에 대해 설명하기로 한다.

도 11은 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 광대역 특성을 나타낸 그래프이다. 도 12는 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 X-Z 평면에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 13은 도 1에 도시된 초광대역 평면 안테나의 Y-Z 평면에서의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.

먼저 도 1 및 도 11을 참조하면, 초광대역 평면 안테나(1)의 경우, 약 6.38GHz 내지 약 8.76GHz 범위 내에서 약 2.38GHz의 주파수 대역을 가질 수 있는바, 전술한 초광대역 평면 안테나(1)의 구조(특히, 마이크로스트립 패치(101)의 형상)를 통해 초광대역 특성이 확보된 것을 확인할 수 있다.

또한 초광대역 평면 안테나(1)는 전술한 구조를 통해 종래의 디스크형 안테나 대비 향상된 안테나 게인 특성을 가질 수 있다.

예를 들어, 종래의 디스크형 안테나의 경우, X-Z축 평면 기준으로 7GHz, 7.25GHz, 7.5GHz, 8GHz에서 각각 안테나 게인 값이 6.34dBi, 6.05dBi, 5.77dBi, 5.53dBi이었다면, 본 발명의 초광대역 평면 안테나(1)의 경우, X-Z축 평면 기준으로 7GHz, 7.25GHz, 7.5GHz, 8GHz에서 각각 안테나 게인 값이 6.89dBi, 6.84dBi, 6.69dBi, 6.35dBi로 향상될 수 있다.

그 뿐만 아니라, 종래의 디스크형 안테나의 경우, Y-Z축 평면 기준으로 7GHz, 7.25GHz, 7.5GHz, 8GHz에서 각각 안테나 게인 값이 6.36dBi, 6.08dBi, 5.81dBi, 5.58dBi이었다면, 본 발명의 초광대역 평면 안테나(1)의 경우, Y-Z축 평면 기준으로 7GHz, 7.25GHz, 7.5GHz, 8GHz에서 각각 안테나 게인 값이 6.94dBi, 6.91dBi, 6.79dBi, 6.49dBi로 향상될 수 있다.

물론 전술한 수치는 예시적인 수치이며, 본 발명의 초광대역 평면 안테나(1)의 경우, 전술한 수치에 한정되는 것은 아니지만, 전술한 예시적 수치를 통해, 초광대역 평면 안테나(1)가 종래의 디스크형 안테나에 비해 안테나 게인 값이 향상되었음을 알 수 있다.

그 뿐만 아니라 초광대역 평면 안테나(1)는 전술한 구조를 통해 종래의 디스크형 안테나보다 안테나 매칭을 용이하게 할 수 있다.

이어서, 도 12 및 도 13을 참조하면, 초광대역 평면 안테나(1)의 X-Z 평면 및 Y-Z 평면 둘다에서 방사되는 신호 강도뿐만 아니라 사이드 로브(side lobe) 특성(약 -16dB)이 상당히 개선된 것을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1: 초광대역 평면 안테나 100: 제1 기판
101: 마이크로스트립 패치 150: 제1 접착층
200: 제2 기판 201: 피드 패치
250: 제2 접착층 300: 제3 기판
301: 접지 보조 패치 401: 접지

Claims

상부면에 마이크로스트립 패치가 배치된 제1 기판;
상기 제1 기판의 하부에 위치하는 제1 접착층;
상기 제1 접착층의 하부에 위치하며, 상부면에 피드 패치가 배치된 제2 기판;
상기 제2 기판의 하부에 위치하며, 상부면에 접지 보조 패치가 배치된 제2 접착층;
상기 제2 접착층의 하부에 위치하며, 하부면에 접지와 공면 도파관 라인(Coplanar waveguide line)이 배치된 제3 기판;
상기 제1 기판 내지 제3 기판을 Z축 방향으로 관통하여 상기 피드 패치와 상기 공면 도파관 라인을 연결하는 제1 비아홀; 및
상기 제1 기판 내지 제3 기판을 상기 Z축 방향으로 관통하여 상기 접지 보조 패치와 상기 접지를 연결하는 제2 비아홀을 포함하되,
상기 마이크로스트립 패치의 전면 중 일부는 후면 방향으로 오목하게 계단형으로 형성되는
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 마이크로스트립 패치의 전면은,
상기 Z축 방향과 직교하는 Y축 방향으로 연장되도록 형성되는 제1 내지 제6 수직부와,
상기 제Z 및 Y축 방향과 직교하는 X축 방향으로 연장되도록 형성되는 제1 내지 제5 수평부를 포함하는
초광대역 평면 안테나.
제2항에 있어서,
상기 제1 수직부와 상기 제2 수직부는 서로 마주보도록 형성되되, 상기 Y축 방향 길이가 동일하고, 제1 간격으로 이격되며,
상기 제3 수직부와 상기 제4 수직부는 서로 마주보도록 형성되되, 상기 Y축 방향 길이가 동일하고, 제2 간격으로 이격되며,
상기 제5 수직부와 상기 제6 수직부는 서로 마주보도록 형성되되, 상기 Y축 방향 길이가 동일하고, 제3 간격으로 이격되며,
상기 제1 수평부는 상기 제1 수직부와 상기 제3 수직부를 연결하고,
상기 제2 수평부는 상기 제3 수직부와 상기 제5 수직부를 연결하고,
상기 제3 수평부는 상기 제2 수직부와 상기 제4 수직부를 연결하고,
상기 제4 수평부는 상기 제4 수직부와 상기 제6 수직부를 연결하고,
상기 제5 수평부는 상기 제5 수직부와 상기 제6 수직부를 연결하는
초광대역 평면 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제1 간격은 상기 제2 간격보다 크고,
상기 제2 간격은 상기 제3 간격보다 크고,
상기 제1 및 제2 수직부의 상기 Y축 방향 길이는 상기 제3 및 제4 수직부의 상기 Y축 방향 길이보다 짧고,
상기 제3 및 제4 수직부의 상기 Y축 방향 길이는 상기 제5 및 제6 수직부의 상기 Y축 방향 길이와 같은
초광대역 평면 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제1 및 제3 수평부는 상기 X축 방향 길이가 동일하고,
상기 제2 및 제4 수평부는 상기 X축 방향 길이가 동일하고,
상기 제5 수평부는 상기 제2 수평부보다 상기 X축 방향 길이가 길고,
상기 제2 수평부는 상기 제1 수평부보다 상기 X축 방향 길이가 긴
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 피드 패치는,
후면부가 상기 제1 비아홀과 상기 Z축 방향으로 오버랩되고,
전면부는 상기 마이크로스트립 패치와 상기 Z축 방향으로 오버랩되는
초광대역 평면 안테나.
제6항에 있어서,
상기 피드 패치의 후면부는 상기 제1 비아홀의 일부와 오버랩되는
초광대역 평면 안테나.
제6항에 있어서,
상기 피드 패치의 전면부는 반타원형 또는 반원형이고,
상기 피드 패치의 후면부는 직사각형인
초광대역 평면 안테나.
제6항에 있어서,
상기 접지 보조 패치는 상기 제2 비아홀과 상기 Z축 방향으로 오버랩되는
초광대역 평면 안테나.
제9항에 있어서,
상기 접지 보조 패치는 상기 피드 패치와 상기 Z축 방향과 직교하는 Y축 방향으로 이격되고,
상기 제1 비아홀은 상기 제2 비아홀과 상기 Y축 방향으로 이격되는
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 공면 도파관 라인은 제1 부분과 제2 부분을 포함하고,
상기 제1 부분은 상기 제1 비아홀을 둘러싸도록 배치되고,
상기 제2 부분은 상기 제2 비아홀 사이에 배치되는
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 마이크로스트립 패치는 상기 제1 비아홀과 상기 Z축 방향과 직교하는 Y축 방향으로 이격되고,
상기 제1 비아홀은 상기 제2 비아홀과 상기 Y축 방향으로 이격되며,
상기 마이크로스트립 패치와 상기 제1 비아홀 사이의 상기 Y축 방향으로의 이격 간격은 상기 마이크로스트립 패치와 상기 제2 비아홀 사이의 상기 Y축 방향으로의 이격 간격보다 작은
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 마이크로스트립 패치의 상기 일부를 제외한 나머지는 타원형인
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 접지 보조 패치는 직사각형 패치이고,
상기 접지 보조 패치의 상기 Z축 방향과 직교하는 X축 방향의 길이는 상기 마이크로스트립 패치의 상기 X축 방향의 길이보다 짧은
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 피드 패치는 상기 제1 비아홀을 통해 상기 공면 도파관 라인에서 인가된 주파수 신호를 방사하여 상기 마이크로스트립 패치로 커플링 공급하는
초광대역 평면 안테나.
제1항에 있어서,
상기 접지 보조 패치는 상기 마이크로스트립 패치에서 방사된 전자기파를 상기 제2 비아홀을 통해 상기 접지로 전달하는
초광대역 평면 안테나.