KR102162799B1 - 메타 구조 기반 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법 - Google Patents

메타 구조 기반 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법 Download PDF

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이정해
이범선
이창현
함찬
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홍익대학교 산학협력단
경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 메타 구조 기반 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나는 비대칭형 십자개구가 형성된 접지면을 구비하는 기판과, 비대칭형 십자개구 상에 형성되고, 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 내부 패치 및 내부 패치의 외주면에서 기설정된 갭(gap)만큼 이격되어 형성되고, 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 외부 패치를 포함할 수 있다.

Description

메타 구조 기반 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법{DUAL BAND CIRCULARY POLARIZED ANTENNA BASED ON META-STRUCTURE AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}
본 발명은 메타 구조 기반 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메타구조를 기반으로 두 개의 안테나 패치를 조합하여 이중대역 원형 편파 안테나를 설계하는 기술적 사상에 관한 것이다.
GPS(Global Positioning System)는 원래 미국 국방부에서 폭격의 정확성을 높이기 위한 군사 목적으로 개발되었다. 현재 GPS는 전 세계에 무료로 개방되어 유도 폭탄, 무인기 등 군사용뿐만 아니라, 자동차 내비게이션, 선박 항법시스템 등 민간용으로도 많이 활용되고 있다.
특히, 군사용으로 적의 전파를 교란시키는 행위인 재밍 또는 상대방이 발사하는 전파교란 신호를 차단하는 행위인 항재밍을 하기 위해서는 안테나의 빔포밍 기술이 요구되는데, 이러한 빔포밍 기술은 배열 안테나를 통해 구현될 수 있다. 단일 안테나 및 배열 안테나가 GPS 내비게이션, 위성통신, 개인 휴대 단말기 등에 사용되기 위해서는 소형화 제작이 필수이다.
최근에는 안테나의 소형화 제작을 위해 메타물질(Metamaterial)이라는 자연적으로는 존재하지 않는 새로운 전자기 특성을 갖는 물질을 인공적으로 만들어 내는 기법에 대한 연구가 진행되고 있는데, 구체적으로 유전율(Permittivity)과 투자율 (Per-meability)이 동시에 음의 값을 갖는 물질인 Left-Handed Metamaterial(LHM)의 새로운 전자기파 특성을 이용하여 물리적 크기에 제약을 받지 않는 소형 안테나 개발에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
이러한 메타구조는 CRLH(Composit Right/Left Handed) 전송선로 이론으로 표현할 수 있는데, 기존의 직렬 인덕턴스와 병렬 커패시턴스가 있는 전송선로에 인위적으로 직렬 커패시턴스, 병렬 인덕턴스 삽입 여부에 따라 4가지 영역으로 구분된다. 이 중, MNG(Mu-negative) 전송선로는 기존의 전송선로에 인위적으로 직렬 커패시턴스가 삽입된 구조이다.
한편, CRPA(Controlled Reception Pattern Antenna)에서는 좁은 공간에 다수의 안테나를 배열해야 하기 때문에, 수신 효율을 높이면서도 소형화된 안테나에 대한 필요성이 증대되고 있다.
한국등록특허 제10-1059047호 "메타물질 전방향성 원형편파 안테나"
본 발명은 GPS 송수신용 안테나를 설계할 때 메타구조를 이용하여 크기를 소형화하고 구조적 조절을 통해 원형 편파를 발생시킬 수 있는 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 GPS용 안테나 설계 시 단일대역 안테나의 신호 효율이 떨어지는 현상을 개선하고 원형 편파를 통해 수신효율을 높일 수 있는 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 좁은 공간에 다수의 안테나를 배열해야 되는 CRPA를 위한 소형 이중대역 원형편파 안테나를 설계하여 CRPA 안테나를 소형화하고 무효화(nulling) 성능을 개선 할 수 있는 이중대역 원형편파 안테나 및 그 설계 방법을 제공하고자 한다.
일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나는 비대칭형 십자개구가 형성된 접지면을 구비하는 기판과, 비대칭형 십자개구 상에 형성되고, 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 내부 패치 및 내부 패치의 외주면에서 기설정된 갭(gap)만큼 이격되어 형성되고, 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 외부 패치를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 비대칭형 십자개구는 막대 형상의 가로 엘리먼트와 세로 엘리먼트가 십자모양으로 교차되고, 가로 엘리먼트와 세로 엘리먼트는 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 서로 다른 길이 및 폭으로 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 제1 주파수 대역은 GPS(Global Positioning System)의 L1 대역이고, 제2 주파수 대역은 GPS의 L2 대역일 수 있다.
일측에 따르면, 기판은 접지면 하부에 형성되고, 비대칭형 십자개구에 대응하여 형성된 마이크로스트립 급전 선로를 구비하는 급전면을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 기설정된 갭은 비대칭형 십자개구와 내부 패치 사이의 커플링 크기, 비대칭형 십자개구와 외부 패치 사이의 커플링 크기 및 내부 패치에 의한 제1 주파수 대역과 외부 패치에 의한 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치는 내부 패치의 외주면에 형성되는 제1 내지 제4 패턴을 포함하고, 제1 패턴은 제3 패턴과 서로 마주 보도록 배치되며, 제2 패턴은 제4 패턴과 마주 보도록 배치될 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치는 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여, 제1 패턴 및 제3 패턴과, 제2 패턴 및 제4 패턴이 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.
일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 접지면에 형성되는 비대칭형 십자개구의 크기를 결정하는 단계와, 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 내부 패치의 형상 및 크기를 결정하는 단계와, 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 외부 패치의 형상 및 크기를 결정하는 단계 및 내부 패치와 외부 패치 사이에 형성되는 갭(gap)의 간격을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 비대칭형 십자개구의 크기를 결정하는 단계는 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 십자모양으로 교차되는 막대 형상의 가로 엘리먼트와 세로 엘리먼트의 길이 및 폭을 서로 다른 크기로 결정할 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치의 크기를 결정하는 단계는 외부 패치에 포함되는 제1 내지 제4 패턴 중 제1 패턴은 제3 패턴과 서로 마주 보도록 배치하고, 제2 패턴은 제4 패턴과 마주 보도록 배치할 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치의 크기를 결정하는 단계는 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여, 제1 패턴 및 제3 패턴과, 제2 패턴 및 제4 패턴을 서로 다른 크기로 결정할 수 있다.
일측에 따르면, 갭의 간격을 결정하는 단계는 비대칭형 십자개구와 내부 패치 사이의 커플링 크기, 비대칭형 십자개구와 외부 패치 사이의 커플링 크기 및 내부 패치에 의한 제1 주파수 대역과 외부 패치에 의한 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 갭의 간격을 결정할 수 있다.
일실시예에 따르면, GPS 송수신용 안테나를 설계할 때 메타구조를 이용하여 크기를 소형화하고 구조적 조절을 통해 원형 편파를 발생시킬 수 있다.
일실시예에 따르면, GPS용 안테나 설계 시 단일대역 안테나의 신호 효율이 떨어지는 현상을 개선하고 원형 편파를 통해 수신효율을 높일 수 있다.
일실시예에 따르면, 좁은 공간에 다수의 안테나를 배열해야 되는 CRPA를 위한 소형 이중대역 원형편파 안테나로 사용될 수 있으며, CRPA 안테나의 무효화(nulling) 성능을 개선할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 안테나 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 안테나 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1e는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 내지 도 1e를 참조하면, 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(100)는 GPS 송수신용 안테나를 설계할 때 메타구조를 이용하여 크기를 소형화하고 구조적 조절을 통해 원형 편파를 발생시킬 수 있다.
또한, 이중대역 원형편파 안테나(100)는 GPS용 안테나 설계 시 단일대역 안테나의 신호 효율이 떨어지는 현상을 개선하고 원형 편파를 통해 수신효율을 높일 수 있다.
또한, 이중대역 원형편파 안테나(100)는 좁은 공간에 다수의 안테나를 배열해야 되는 CRPA를 위한 소형 이중대역 원형편파 안테나로 사용될 수 있으며, CRPA 안테나의 무효화(nulling) 성능을 개선할 수 있다.
이를 위해, 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상에 형성되는 내부 패치(120) 및 외부 패치(130)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(100)는 이중대역(제1 내지 제2 주파수 대역)을 조절하기 위해, 비대칭형 십자개구(112), 내부 패치(120), 외부 패치(130)의 크기 및 내부 패치(120)와 외부 패치(130) 사이에 형성되는 갭(G)이 최적화 설계될 수 있다.
구체적으로, 일실시예에 따른 기판(110)은 비대칭형 십자개구(112)가 형성된 접지면(111)을 구비할 수 있다.
예를 들면, 기판(110)은 FR-4 기판일 수 있고, 일정 높이, 폭 및 길이를 갖는 플레이트일 수 있다. 또한, 기판(110)은 접지면(111)면과 크기가 동일할 수 있다.
일측에 따르면, 비대칭형 십자개구(112)는 막대 형상의 가로 엘리먼트(112-1)와 세로 엘리먼트(112-2)가 십자모양으로 교차될 수 있다.
또한, 가로 엘리먼트(112-1)와 세로 엘리먼트(112-2)는 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 서로 다른 길이 및 폭으로 형성될 수 있다.
다시 말해, 비대칭형 십자개구(112)의 가로 엘리먼트(112-1)와 세로 엘리먼트(112-2)는 길이에 따라 근소하게 공진 주파수의 변화를 보이므로, 길이를 서로 다르게 비대칭으로 형성함으로써, 공진의 차이를 주어 제1 주파수 대역의 원형 편파를 구현할 수 있다.
예를 들면, 가로 엘리먼트(112-1)는 세로 엘리먼트(112-2)보다 길이는 더 길게 하고, 폭은 더 좁게 설계할 수 있다.
바람직하게는, 가로 엘리먼트(112-1)의 길이는 18mm로 설계하고, 세로 엘리먼트(112-2)의 길이는 10 mm로 설계하여 제1 주파수 대역의 원형 편파를 구현할 수 있다.
한편, 비대칭형 십자개구(112)의 가로 엘리먼트(112-1)와 세로 엘리먼트(112-2)의 폭은 안테나 패치와 커플링을 통해 방사 저항을 결정할 수 있다. 따라서, 비대칭형 십자개구(112)의 가로 엘리먼트(112-1)와 세로 엘리먼트(112-2)의 폭은 미세 튜닝을 통해 커플링 양을 조절하여 안테나의 임피던스를 조절할 수 있도록 3 내지 4 mm의 범위 내에서 설계될 수 있다.
비대칭형 십자개구(112)는 90도의 위상차를 가지는 수직한 E(Electric Field) pole 또는 H(Magnetic Field) pole를 형성하여 원형편파(Circular Polarization, CP)를 생성할 수 있으며, 십자 구조의 공진주파수 차이를 미세하게 조정하여 축비를 설정할 수 있다.
일측에 따르면, 기판(110)은 접지면(111) 하부에 형성되고, 비대칭형 십자개구(112)에 대응하여 형성된 마이크로스트립 급전 선로(114)를 구비하는 급전면(113)을 더 포함할 수 있다.
즉, 기판(110)은 마이크로스트립 급전 선로(114) 및 비대칭형 십자개구(112)를 통해 내부 패턴(120) 및 외부 패턴(130)과 접촉하지 않고, 비접촉 방식으로 급전을 공급할 수 있다.
다시 말해, 이중대역 원형편파 안테나(100)는 이중대역에서 원형편파를 가지며, 커플링을 통해 전류를 인가하는 단일 급전 방식(Single Proximity Coupled Feed)을 사용하는 소형 안테나로서, 비대칭형 십자개구(112)와 내부 패치(120) 및 외부 패치(130) 각각과의 커플링을 통해 비접촉 방식으로 급전을 공급하여 서로 다른 두 주파수 대역을 발생시킬 수 있다.
일실시예에 따른 내부 패치(120)는 비대칭형 십자개구(112) 상에 형성되고, 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 내부 패치(120)는 원형 형상으로 설계될 수 있다.
구체적으로, 원형 형상의 내부 패치(120)는 부채꼴 형상의 제1 내지 제4 부채꼴 패턴(121 내지 124)를 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 부채꼴 패턴(121 내지 124)은 비대칭형 십자개구(112)에 대응하여 배치될 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 부채꼴 패턴(121 내지 124) 각각은 서로 일정 간격의 갭(gap)만큼 이격되어 배치될 수도 있다.
제1 내지 제4 부채꼴 패턴(121 내지 124) 각각은 적어도 하나 이상의 비아(125)를 포함할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 비아(125)는 접지면(111)과 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 내부 패치(120)의 크기는 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 내부 패치(120)의 크기는 원형 형상의 내부 패치(120)의 반지름일 수 있다.
제1 주파수 대역의 공진은 내부 패치(120)의 반지름의 영향을 받을 수 있으며, 제1 주파수 대역의 임피던스는 비대칭형 십자개구(112)의 크기에 의해 영향을 받을 수 있다. 즉, 내부 패치(120)의 반지름은 제1 주파수 대역의 공진을 고려하여 결정될 수 있다.
다시 말해, 내부 패치(120)는 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하기 위해 크기가 결정될 수 있다.
일실시예에 따른 외부 패치(130)는 내부 패치의 외주면에서 기설정된 갭(gap; G)만큼 이격되어 형성되고, 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하도록 설계될 수 있다.
일측에 따르면, 제1 주파수 대역은 GPS의 L1 대역(1.575GHz)이고, 제2 주파수 대역은 GPS의 L2 대역(1.227 GHz)일 수 있다.
바람직하게는, 내부 패치(120)는 L1 대역의 -1 모드(Mode) 안테나 패치이고, 외부 패치(130)는 L2 대역의 MNG(Mu-negative) 안테나 패치일 수 있다.
일측에 따르면, 내부 패치(120)와 외부 패치(130) 사이에 형성되는 기설정된 갭(G)의 간격은 비대칭형 십자개구(112)와 내부 패치(120) 사이의 커플링 크기, 비대칭형 십자개구(112)와 외부 패치(130) 사이의 커플링 크기 및 내부 패치(120)에 의한 제1 주파수 대역과 외부 패치(130)에 의한 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 결정될 수 있다.
예를 들면, 기설정된 갭(G)의 간격은 비대칭형 십자개구(112)와 내부 패치(120) 사이의 커플링 크기와, 비대칭형 십자개구(112)와 외부 패치(130) 사이의 커플링 크기는 최대가 되고, 내부 패치(120)와 외부 패치(130) 사이의 상호 커플링 영향으로 인한 간섭이 최소가 될 수 있는 간격으로 설계될 수 있다.
바람직하게는, 내부 패치(120)와 외부 패치(130) 사이에 형성되는 갭(G)의 간격은 내부 패치(120)의 가로 및 세로 길이가
Figure 112019044349749-pat00001
일 때, 1mm로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 내부 패치(120)와 외부 패치(130) 사이에 형성되는 갭(G)의 간격은 너무 좁을 경우 주파수 천이가 발생하여 원하는 주파수 대역을 구현하지 못할 수도 있다. 따라서, 내부 패치(120)와 외부 패치(130) 사이에 형성되는 갭(G)의 간격은 주파수가 10~20MHz 이상 천이되지 않는 경우의 최소값인 1mm로 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치(130)는 내부 패치의 외주면에 형성되는 제1 내지 제4 패턴(131 내지 134)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 제1 내지 제4 패턴(131 내지 134) 각각은 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하기 위해 원호의 형상으로 설계될 수 있다.
제1 패턴(131)은 제3 패턴(133)과 마주 보도록 배치될 수 있으며, 제2 패턴(132)은 제4 패턴(134)과 마주 보도록 배치될 수 있다.
예를 들면, 제1 패턴(131)은 제1 부채꼴 패턴(121)의 외주면에 배치되고, 제2 패턴(132)은 제2 부채꼴 패턴(122)의 외주면에 배치되며, 제3 패턴(133)은 제3 부채꼴 패턴의 외주면에 배치되고, 제4 패턴(134)는 제4 부채꼴 패턴(124)의 외주면에 배치될 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치(130)는 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여, 제1 패턴(131) 및 제3 패턴(133)과, 제2 패턴(132) 및 제4 패턴(134)이 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.
다시 말해, 제1 패턴(131)과 제3 패턴(133)은 서로 동일한 크기로 형성될 수 있으며, 제2 패턴(132)과 제4 패턴(134)은 서로 동일한 크기로 형성될 수 있다.
예를 들면, 제1 내지 제4 패턴(131 내지 134)의 크기는 각 패턴의 X축 방향의 길이(length) 및 Y축 방향의 폭(Width) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 주파수 대역의 공진은 외부 패치(130)를 구성하는 제1 내지 제4 패턴(131 내지 134) 각각의 폭에 의해 영향을 받고, 제2 주파수 대역의 임피던스는 외부 패치(330)의 폭과 갭(G)에 의해 영향을 받을 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 패턴(131 내지 134)의 크기는 제2 주파수 대역의 공진으로 고려하여 결정될 수 있다.
다시 말해, 외부 패치(130)는 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하기 위해 비대칭적으로 크기가 결정될 수 있다.
일측에 따르면, 제1 내지 제4 패턴(131 내지 134) 각각은 적어도 하나 이상의 비아(135)를 포함할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 비아(135)는 접지면(111)과 연결될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 안테나 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 내부 패치의 반사 계수(Reflection Coefficient) 특성을 나타내고, (b)는 외부 패치의 반사 계수 특성을 나타내며, (c)는 내부 패치와 외부 패치가 혼합 배치된 안테나 패치의 반사계수 특성을 나타낸다.
또한, 도 2의 (d)는 내부 패치의 축비(Axial Ration) 특성을 나타내고, (e)는 외부 패치의 축비 특성을 나타내며, (f)는 내부 패치와 외부 패치가 혼합 배치된 안테나 패치의 축비 특성을 나타낸다.
도 2를 통해 설명하는 내부 패치 및 외부 패치는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나에 구비된 내부 패치 및 외부 패치일 수 있다.
구체적으로, 도 2의 (a) 및 (d)에 따르면, 내부 패치는 L1 주파수 대역인 1.575GHz에서 반사계수가 약 -15dB, 축비가 약 2.2dB인 것으로 나타났으며, 도 2의 (b) 및 (e)에 따르면, 외부 패치는 L2 대역인 1.227GHz에서 반사계수가 약 -7dB, 축비가 약 0.8dB인 것으로 나타났다.
또한, 도 2의 (c) 및 (f)에 따르면, 내부 패치와 외부 패치가 혼합 배치된 안테나 패치는 L1 대역 및 L2 대역에서 기존 기술 대비 개선된 반사계수 특성 및 축비 특성으로 인해, 이중대역 안테나 특성이 우수한 것으로 나타났다.
도 3a 내지 도 3b는 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 3a 내지 도 3b는 도 1a 내지 도 2를 통해 설명한 이중대역 원형편파 안테나의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면으로, 이후 도 3a 내지 도 3b를 통해 설명하는 내용 중 도 1a 내지 도 2를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(300)는 기판(310)과, 기판(310) 상에 형성되는 내부 패치(320) 및 외부 패치(330)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 기판(310)은 비대칭형 십자개구(312)가 형성된 접지면(311)을 구비할 수 있다.
일측에 따르면, 기판(310)은 접지면(311) 하부에 형성되고, 비대칭형 십자개구(312)에 대응하여 형성된 마이크로스트립 급전 선로(314)를 구비하는 급전면(313)을 더 포함할 수 있다.
즉, 기판(310)은 마이크로스트립 급전 선로(314) 및 비대칭형 십자개구(312)를 통해 내부 패턴(320) 및 외부 패턴(330)과 접촉하지 않고, 비접촉 방식으로 급전을 공급할 수 있다.
다시 말해, 비대칭형 십자개구(312)는 내부 패치(320) 및 외부 패치(330) 각각과의 커플링을 통해 비접촉 방식으로 급전을 공급할 수 있다.
다른 실시예에 따른 내부 패치(320)는 비대칭형 십자개구(312) 상에 형성되고, 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하도록 사각 형상으로 설계될 수 있다.
다시 말해, 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(300)는 원형 형상의 내부 패치를 구비하는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나와는 달리, 사각 형상의 내부 패치(320)를 구비할 수 있다.
예를 들면, 내부 패치(320)는 사각 형상의 제1 내지 제4 사각 패턴을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 사각 패턴은 비대칭형 십자개구(312)에 대응하여 배치될 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 사각 패턴 각각은 적어도 하나 이상의 비아를 포함할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 비아는 접지면(311)과 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 내부 패치(320)의 크기는 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 내부 패치(320)의 크기는 제1 내지 제4 사각 패턴 각각의 면적일 수 있다.
다른 실시예에 따른 외부 패치(330)는 내부 패치(320)의 외주면에서 기설정된 갭(gap)만큼 이격되어 형성되고, 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하도록 설계될 수 있다.
일측에 따르면, 제1 주파수 대역은 GPS의 L1 대역(1.575GHz)이고, 제2 주파수 대역은 GPS의 L2 대역(1.227 GHz)일 수 있다.
일측에 따르면, 내부 패치(320)와 외부 패치(330) 사이에 형성되는 기설정된 갭의 간격은 비대칭형 십자개구(312)와 내부 패치(320) 사이의 커플링 크기, 비대칭형 십자개구(312)와 외부 패치(330) 사이의 커플링 크기 및 내부 패치(320)에 의한 제1 주파수 대역과 외부 패치(330)에 의한 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 결정될 수 있다.
일측에 따르면, 외부 패치(330)는 내부 패치(320)의 외주면에 형성되는 제1 내지 제4 패턴을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 패턴은 사각 형상으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 제1 패턴은 제1 사각 패턴과 제2 사각 패턴의 외주면에 형성되고, 제2 패턴은 제2 사각 패턴과 제3 사각 패턴의 외주면에 형성되며, 제3 패턴은 제3 사각 패턴과 제4 사각 패턴의 외주면에 형성되고, 제4 패턴은 제1 사각 패턴과 제4 사각 패턴의 외주면에 형성될 수 있다.
즉, 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나(300)는 원호 형상의 복수의 패턴으로 구현되는 외부 패치를 구비하는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나와는 달리, 사각 형상의 복수의 패턴으로 구현되는 외부 패치(330)를 구비할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 안테나 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 내부 패치와 외부 패치가 혼합 배치된 안테나 패치의 반사계수(Reflection Coefficient) 특성을 나타내고, (b)는 내부 패치와 외부 패치가 혼합 배치된 안테나 패치의 축비(Axial Ration) 특성을 나타낸다.
도 4를 통해 설명하는 내부 패치 및 외부 패치는 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나에 구비된 내부 패치 및 외부 패치일 수 있다.
도 4의 (a) 및 (b)에 따르면, 다른 실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나와 내부 패치 및 외부 패치의 형상이 달라졌지만, 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나와 유사하게 이중대역 원형편파가 가능한 것으로 나타났다.
도 5는 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법을 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 5는 도 1a 내지 도 4를 통해 설명한 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법을 설명하기 위한 도면으로, 이후 도 5를 통해 설명하는 내용 중 도 1a 내지 도 4를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 510단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 접지면에 형성되는 비대칭형 십자개구의 크기를 결정할 수 있다.
일측에 따르면, 510단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 십자모양으로 교차되는 막대 형상의 가로 엘리먼트와 세로 엘리먼트의 길이 및 폭을 서로 다른 크기로 결정할 수 있다.
다음으로, 520단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 내부 패치의 형상 및 크기를 결정할 수 있다.
일측에 따르면, 520단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 내부 패치의 형상을 원형 형상 및 사각 형상 중 적어도 하나의 형상으로 설계할 수 있다.
다음으로, 530단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 외부 패치의 형상 및 크기를 결정할 수 있다.
일측에 따르면, 530단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 외부 패치의 형상을 원호 형상 및 사각 형상 중 적어도 하나의 형상으로 설계할 수 있다.
일측에 따르면, 530단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 외부 패치에 포함되는 제1 내지 제4 패턴 중 제1 패턴은 제3 패턴과 서로 마주 보도록 배치하고, 제2 패턴은 제4 패턴과 마주 보도록 배치할 수 있다.
또한, 530단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여, 제1 패턴 및 제3 패턴과, 제2 패턴 및 제4 패턴을 서로 다른 크기로 결정할 수 있다.
다음으로, 440단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 내부 패치와 외부 패치 사이에 형성되는 갭(gap)의 간격을 결정할 수 있다.
일측에 따르면, 440단계에서 일실시예에 따른 이중대역 원형편파 안테나의 설계방법은 비대칭형 십자개구와 내부 패치 사이의 커플링 크기, 비대칭형 십자개구와 외부 패치 사이의 커플링 크기 및 내부 패치에 의한 제1 주파수 대역과 외부 패치에 의한 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 갭의 간격을 결정할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면 GPS 송수신용 안테나를 설계할 때 메타구조를 이용하여 크기를 소형화하고 구조적 조절을 통해 원형 편파를 발생시킬 수 있다.
또한, GPS용 안테나 설계 시 단일대역 안테나의 신호 효율이 떨어지는 현상을 개선하고 원형 편파를 통해 수신효율을 높일 수 있다.
또한, 좁은 공간에 다수의 안테나를 배열해야 되는 CRPA를 위한 소형 이중대역 원형편파 안테나로 사용될 수 있으며, CRPA 안테나의 무효화(nulling) 성능을 개선할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 이중대역 원형편파 안테나 110: 기판
111: 접지면 112: 비대칭형 십자개구
113: 급전면 114: 마이크로스트립 급전 선로
120: 내부 패치 130: 외부 패치

Claims (12)

  1. 서로 다른 길이 및 폭을 갖는 막대 형상의 가로 엘리먼트와 세로 엘리먼트가 십자모양으로 교차되는 비대칭형 십자개구가 형성된 접지면을 구비하는 기판;
    상기 비대칭형 십자개구 상에 형성되고, 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 내부 패치 및
    상기 내부 패치의 외주면에서 기설정된 갭(gap)만큼 이격되어 형성되고, 패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 외부 패치
    를 포함하고,
    상기 기설정된 갭은,
    상기 비대칭형 십자개구와 상기 내부 패치 사이의 커플링 크기, 상기 비대칭형 십자개구와 상기 외부 패치 사이의 커플링 크기 및 상기 내부 패치에 의한 상기 제1 주파수 대역과 상기 외부 패치에 의한 상기 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 형성되며,
    상기 비대칭형 십자개구는,
    상기 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 상기 가로 엘리먼트의 길이가 상기 세로 엘리먼트 보다 길게 결정되고, 방사 저항 특성을 고려하여 상기 가로 엘리먼트의 폭이 상기 세로 엘리먼트 보다 좁게 결정되며,
    상기 가로 엘리먼트 및 상기 세로 엘리먼트의 폭은 3mm 내지 4mm 범위 내에서 결정되는
    이중대역 원형편파 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수 대역은 GPS(Global Positioning System)의 L1 대역이고, 상기 제2 주파수 대역은 GPS의 L2 대역인 것을 특징으로 하는
    이중대역 원형편파 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 접지면 하부에 형성되고, 상기 비대칭형 십자개구에 대응하여 형성된 마이크로스트립 급전 선로를 구비하는 급전면
    을 더 포함하는 이중대역 원형편파 안테나.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외부 패치는,
    상기 내부 패치의 외주면에 형성되는 제1 내지 제4 패턴을 포함하고, 상기 제1 패턴은 상기 제3 패턴과 서로 마주 보도록 배치되며, 상기 제2 패턴은 상기 제4 패턴과 마주 보도록 배치되는
    이중대역 원형편파 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부 패치는,
    상기 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여, 상기 제1 패턴 및 상기 제3 패턴과, 상기 제2 패턴 및 상기 제4 패턴이 서로 다른 크기로 형성되는
    이중대역 원형편파 안테나.
  8. 접지면에 형성되고, 서로 다른 길이 및 폭을 갖는 막대 형상의 가로 엘리먼트와 세로 엘리먼트가 십자모양으로 교차되는 비대칭형 십자개구의 크기를 결정하는 단계;
    제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 내부 패치의 형상 및 크기를 결정하는 단계;
    패치 크기의 비대칭성을 이용한 공진주파수의 차이를 이용하여 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 구현하는 외부 패치의 형상 및 크기를 결정하는 단계 및
    상기 내부 패치와 상기 외부 패치 사이에 형성되는 갭(gap)의 간격을 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 갭의 간격을 결정하는 단계는,
    상기 비대칭형 십자개구와 상기 내부 패치 사이의 커플링 크기, 상기 비대칭형 십자개구와 상기 외부 패치 사이의 커플링 크기 및 상기 내부 패치에 의한 상기 제1 주파수 대역과 상기 외부 패치에 의한 상기 제2 주파수 대역 사이의 간섭도를 고려하여 상기 갭의 간격을 결정하며,
    상기 비대칭형 십자개구의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 제1 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여 상기 가로 엘리먼트의 길이가 상기 세로 엘리먼트 보다 길게 결정되고, 방사 저항 특성을 고려하여 상기 가로 엘리먼트의 폭이 상기 세로 엘리먼트 보다 좁게 결정되며,
    상기 가로 엘리먼트 및 상기 세로 엘리먼트의 폭은 3mm 내지 4mm 범위 내에서 결정되는
    이중대역 원형편파 안테나의 설계방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 외부 패치의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 외부 패치에 포함되는 제1 내지 제4 패턴 중 상기 제1 패턴은 상기 제3 패턴과 서로 마주 보도록 배치하고, 상기 제2 패턴은 상기 제4 패턴과 마주 보도록 배치하는
    이중대역 원형편파 안테나의 설계방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부 패치의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 제2 주파수 대역의 원형 편파 특성을 고려하여, 상기 제1 패턴 및 상기 제3 패턴과, 상기 제2 패턴 및 상기 제4 패턴을 서로 다른 크기로 결정하는
    이중대역 원형편파 안테나의 설계방법.
  12. 삭제
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