KR19980034451A - 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고유전율을 갖는 세라믹 유전체상에 마이크로스트립 라인(Microstrip Line)을 형성하여 안테나 기능을 실현한 고유전율의 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나에 관한 것이다.

본 발명에 있어서는 유전율이 80~100인 세라믹을 주성분으로 하여 구성됨과 더불어 적어도 하나 이상의 홀이 설치되어 있는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일측면에 설치되는 패치, 상기 유전체 기판의 타측면에 설치되는 접지판 및, 상기 홀을 통해 삽입됨과 더불어 상기 패치에 전기적으로 결합된 단자핀을 포함하여 구성된다.

Description

고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나

본 발명은 예컨대 자동항법장치 등에 사용되는 고주파수신용 안테나에 관한 것으로, 특히 고유전율을 갖는 세라믹 유전체상에 마이크로스트립 라인(Microstrip Line)을 형성하여 안테나 기능을 실현한 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나에 관한 것이다.

최근, 선박이나 자동차 등의 이동체를 대상으로 그 위치를 제공하도록 된 자동항법장치가 실용화되고 있다. 이러한 자동항법장치는 일반적으로 지구의 일정 궤도상을 비행하고 있는 인공위성, 즉 GPS(Global Positioning Satalite)를 이용하여 이동체에 대해 현재의 위치를 제공하도록 된 것이다.

상기한 자동항법장치는 GPS로부터 송출되는 주파수신호를 수신하여 현재의 위치에 따른 GPS와의 각도를 산출하고, 이를 근거로 소정의 연산처리를 수행함으로써 자신의 위치를 판정하게 된다.

따라서, 자동항법장치에 있어서는 적어도 3개의 GPS로부터의 주파수신호를 수신할 필요가 있게 되고, 또한 이러한 수신가능한 GPS의 수효가 증가될수록 그 위치추적 정밀도가 향상되게 된다.

주지된 바와 같이, 일반적으로 자동항법장치에 있어서는 GPS로부터의 주파수 신호를 양호하게 수신할 수 있는 고주파 수신용 안테나가 필수적으로 요구된다.

그런데, 통상 GPS 시스템에 있어서는 그 사용주파수가 예컨대 1.575GHz로서 고주파이기 때문에 일반적인 안테나를 통해 해당 주파수를 수신할 수 없게 된다.

한편, 현재 위성방송 등의 위성통신 시스템에 있어서는 위성체로부터 송출되는 주파수를 수신하기 위해 접시형 안테나를 사용하고 있다. 그러나, 이러한 접시형 안테나는 그 가격이 고가임은 물론이고 크기가 매우 크기 때문에 자동차나 미사일 등의 이동체에는 사용하기가 부적합하게 된다.

이러한 사정을 고려하여 마이크로스트립 라인을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나가 제안된 바 있다.

도 1(A)는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1에서 참조번호 1은 예컨대 테프론(Tefron)이나, 렉솔라이트(Rexolite), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 유전체로 이루어진 유전체 기판으로서, 이 유전체 기판(1)의 상면에는 소정의 도전 금속으로 이루어진 방사 패치(2)가 설치되고, 이 패치(2)와 대향되는 유전체 기판(1)의 하면에는 도전 금속으로 이루어진 접지판(3)이 설치되어 있다.

그리고, 상기 패치(2)에는 그 일측면에 소정의 전원을 공급함과 더불어 그 임피던스 매칭을 통해 소정의 수신신호를 입력하기 위한 피드점(Feed point : 21)이 설치되면서, 이 피드점(21)과 상기 패치(2)는 피드라인(22)을 통해서 전기적으로 결합되어 있다.

상기 구성에 있어서, 피드점(21)에 대해 소정의 전원을 가하게 되면, z방향으로 Quasi-TEM 모드가 진행되게 되고, 여기서 상기 패치(2)의 길이(L)를 λ₀/2 로 하게 되면 도 2(B)에 나타낸 바와 같은 누설전계가 발생하게 된다. 또한, 이 때 상기 누설전계는 패치(2)로부터 접지판(3)으로의 방향과 접지판(3)으로부터 패치(2)로의 방향을 갖는 것이 상호 존재하여 서로 상쇄되고, 수평성분은 서로 동위상이 되어 도 1(C)에 나타낸 바와 같이 2개의 슬롯(23, 24)이 소정의 거리, L만큼 떨어져 있는 경우와 같아지게 된다.

그리고, 상기 양 슬롯(23, 24) 사이의 복사전계에 의해 외부로부터 인가되는 고주파신호를 수신하게 된다.

즉, 상술한 종래의 마이크로스트립 패치 안테나에 의하면, 소정 크기의 유전체 기판상에 안테나를 실현할 수 있게 되므로 이동체 등에 설치하여 사용할 수 있게 된다.

그러나, 상술한 종래의 패치 안테나에 있어서는 다음과 같은 문제가 있게 된다.

즉, 종래의 패치 안테나에 있어서는 유전체 기판의 원료로서 테프론이나 렉솔라이트를 사용하게 되는데, 이는 그 가격이 매우 높기 때문에 마이크로스트립 패치 안테나의 제조가격이 높아지게 된다.

또한, 상기한 테프론이나 렉솔라이트는 온도에 따른 안정도가 낮아서 예컨대 그 유전율이 온도에 따라 변동되게 됨으로써 안테나의 성능이 저하되는 문제가 있게 된다.

또한, 종래의 테프론이나 렉솔라이트를 포함하여, 유전체 기판을 제조하는데 사용되는 유전체는 그 유전율이 보통 1.17~10.3의 범위내에 있기 때문에 그 안테나의 크기를 일정 이하로 축소할 수 없게 된다.

또한, 상기한 마이크로스트립 패치 안테나는 피드점이 유전체 기판상에 설치되어 있기 때문에 그 안테나를 예컨대 PCB(Printed Circuit Board)상에 실장하는 경우에는 그 실장성이 매우 불량하게 된다.

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 온도안정성이 우수함과 더불어, 그 패치 안테나의 크기를 대폭 축소할 수 있도록 된 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나를 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명의 일시예에 따른 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나를 나타낸 구조도,

도 3은 본 발명에 따른 고유전율 세라믹 유전체의 제조공정을 나타낸 공정도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유전체 세라믹 기판의 형상을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나의 특성을 설명하기 위한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

31 : 세라믹 유전체 기판, 32 : 패치,

33 : 접지판,34 : 홀,

35 : 단자핀.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나는 80~100의 유전율을 갖는 세라믹을 주성분으로 하여 구성됨과 더불어 적어도 하나 이상의 홀이 설치되어 있는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일측면에 설치되는 패치, 상기 유전체 기판의 타측면에 설치되는 접지판 및, 상기 홀을 통해 삽입됨과 더불어 상기 패치에 전기적으로 결합되어 소정의 전원을 공급하기 위한 단자핀을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체 기판 및 패치는 적어도 하나 이상의 모서리가 절단되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 유전체 기판의 유전율이 높게 설정됨에 의해 그 안테나의 크기를 대폭적으로 축소할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 있어서는 유전체 기판에 형성된 홀을 통해 소정의 단자핀을 설치하고, 이 단자핀을 통해 배면 급전을 실현함으로써 PCB 기판에 대한 실장성을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 기본적인 개념을 설명한다.

도 1에 있어서, 방사 패치(2)의 크기는 그 x축방향의 크기를 L, y축방향의 크기를 W라 하고, 또 자유공간에서의 신호의 파장을 λ₀, 유전체 기판의 유전율을 ε_γ라 할 때,

[수학식 1]

L=

[수학식 2]

W

로 설정되게 된다.

따라서, 상기 수학식 1 및 수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이 유전체 기판의 크기는 해당 유전체 기판의 유전율에 반비례하여 작아지게 되는데, 유전체 기판의 원료로서 사용되는 종래의 유전체는 그 유전율이 대략 2정도로 설정되기 때문에 유전체 기판의 크기를 소정치 이하로 작게 만드는 것이 불가능하게 된다.

한편, 이에 대해 본 발명자의 연구에 의하면, 일반적으로 세라믹은 유전율이 종래의 유전체에 비해 매우 높음은 물론이고, 그 유전율을 용이하게 가변할 수 있으며, 또한 상기 세라믹은 온도의 변화에 따른 안정도가 매우 높음을 발견하였다.

그런데, 통상 세라믹에 있어서는 그 유전율이 높아짐에 따라 유전율의 변동량이 높아져서 공진주파수의 변화폭이 커지게 됨으로써 안테나 특성이 저하되게 된다.

즉, 다음의 수학식 3은 유전율과 공진주파수의 관계를 나타낸 것이다.

단, 여기서 f₀는 공진주파수이고, δf는 공진주파수의 변동량, ε_γ은 유전율, δε_γ은 유전률의 변동량이다.

상기 수학식 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유전율의 변동량(δε_γ)이 변동되게 되면 δf/f₀의 값이 커지게 되는데, 여기서 공진주파수(f₀)의 값은 고정적으로 설정되므로, 결국 공진주파수의 변동률이 커지게 된다.

따라서, 본 발명의 발명자는 유전체 기판을 예컨대 유전율이 90인 고유전율의 세라믹으로 하여 초소형의 패치 안테나를 실현하면서, 이 패치 안테나에 사용되는 세라믹 유전체의 유전율 변동을 최소화함으로써 공진주파수의 변동을 방지할 수 있도록 하였다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유전체 세라믹 패치 안테나를 나타낸 구조도이다.

도면에서 참조번호 31은 유전체 기판으로서, 이는 예컨대 80~100의 유전율, 바람직하게는 90의 유전율을 갖는 유전체 세라믹으로 이루어지게 된다. 그리고, 이 유전체 기판(31)은 일측 모서리부분이 절단되어 있다.

또한, 상기 유전체 기판(31)의 상면에는 예컨대 AgAd으로 이루어진 패치(32)가 설치되고, 이 패치(32)와 대향하는 상기 유전체 기판(31)의 저면에는 예컨대 AgAd로 이루어진 접지판(33)이 설치된다.

그리고, 상기 유전체 기판(31)은 소정 위치에 관통 홀(34)이 형성되면서, 이 홀(34)을 통해서 상기 패치(32)에 대해 전원을 공급하기 위한 단자핀(35)이 삽입되게 된다. 이 때 상기 단자핀(35)은 그 핀부분이 전체적으로 상기 홀(34)에 대응되는 지름을 가지면서 그 끝부분은 통상의 PCB 기판상에 실장가능하도록 가늘게 형성된다.

또한, 상기 패치(32)는 유전체 기판(31)에 형성된 홀(34)의 주연부에도 설치되어 홀(34)에 삽입되는 상기 단자핀(35)과 전기적으로 결합되고, 상기 접지판(33)은 홀(34)의 주연부를 제외한 기판(31) 하부의 전체 표면에 도포되어 상기 단자핀(35)과 절연되게 형성된다.

또한, 여기서 상기 패치(32)는 소정의 모서리 부분이 절단되어 패치(32)에 의해 형성되는 복사전계가 변동되도록 되어 있다.

상기 구성에 있어서는 패치(32)에 대해 전원을 공급하기 위한 피드점이 패치내에 형성되고, 상기 피드점은 단자핀(35)을 통해 패치 안테나의 하부에서 공급하도록 구성되어 있다.

따라서, 상기한 유전체 세라믹 패치 안테나는 일반적인 PCB 기판상에 SMD(Surface Mounted Device) 및 DIP 타입으로 실장할 수 있게 되므로 그 실장성이 대폭 향상되게 된다.

또한, 상기한 패치 안테나에 있어서는 유전체 기판이 유전율이 80~100인 세라믹으로 이루어지게 되므로, 상술한 수학식1 및 수학식 2로부터 종래에 비해 그 크기를 9배 정도 축소할 수 있게 된다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 고유전율 세라믹의 제조공정을 나타낸 공정도로서, 우선 예컨대 Ba, Ti, Pb, ND₂O₃등의 세라믹 원료를 소정의 비율로 혼합한다. 이 때 MnO₂등의 첨가제를 0.1~0.2mol%정도 첨가함과 더불어 BaO를 0.025mol% 과잉첨가한다.

여기서, 상기 MnO₂는 주원료인 TiO₂상을 증가시킴으로써 세라믹의 Q값을 향상시키게 되는데, 이 때 상기 TiO₂상의 증가폭이 소정치를 초과하게 되면 온도안정도가 크게 저하되게 되므로 BaO의 첨가를 통해 TiO₂상의 과잉증가를 방지한다.

또한, 이 때 Bi₂O₃를 첨가하게 되면 강유전성을 갖는 Bi₄Ti₃O₁₂상의 형성이 도모되어 유전율을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 된다.

이어, 상기 혼합단계에서 얻어진 원료를 건조한 후 900°~1200℃로 하소시킨 후, 예컨대 PVA, 발포제, 이형체, 윤활제 및 분산제를 첨가하면서 분쇄하고, 이를 다시 분무건조시킨다.

또한, 여기서 상기 하소분말을 예컨대 황산 등을 이용하여 산처리를 실행하게 되면 유전율의 편차가 극소화되게 됨으로써 유전체 특성이 향상되게 된다.

그리고, 상기 분무건조된 가루상태의 원료를 시빙(Sieving)을 통해 50~70㎛의 입자크기로 균일화한 후, 프레스를 이용하여 소정의 구조체로 성형하고, 이를 1300~1400℃의 온도, 바람직하게는 1350℃의 온도로 소결함으로써 소정 형상의 세라믹체를 생성한다.

이어, 상기 세라믹체를 상온에서 냉각한 후, 소정의 온도 예컨대 1100~1200℃로 에이징(Aging) 처리를 실행한다.

그리고, 상기 구조체에 대해 패치나 접지판을 위한 은(Ag)을 스크린 인쇄하고, 단자핀을 체결함으로써 안테나를 완성한다.

즉, 상기한 제조방법에 있어서는 MnO₂와 BaO의 첨가를 통해 TiO₂상의 형성을 조절하고, 또한 Bi₂O₃의 첨가를 통해 강유전성을 갖는 Bi₄Ti₃O₁₂상의 형성을 도모함으로써 유전체의 고유전율을 도모하면서 온도안정성 및 유전율의 변동을 억제하게 된다.

그리고, 세라믹체의 소결 후에 소정의 에이징처리를 실행하여 입자의 안전성을 도모함으로써 유전체 내에서의 전자의 이동성을 균일화하여 온도 및 외부의 다른 영향에 의한 유전율의 변동을 방지하게 된다.

따라서, 상기한 방법에 의하면 대략 80~100의 고유전율을 실현하면서도 온도안정성과 유전율의 안정성을 도모할 수 있도록 된 유전체 세라믹을 제조할 수 있게 된다.

또한, 도 4는 상기한 방법에 의해 제조된 유전체 세라믹을 이용하여 유전체 패치 안테나를 실현한 경우의 세라믹 유전체의 형상을 나타낸 것으로, 이는 대략 그 크기가 16×16㎜로서 종래의 것에 비해 그 크기를 9배정도 축소할 수 있게 된다.

또한, 본 발명자의 연구에 의하면 상기 세라믹 유전체의 두께를 3으로 할 때, 그 홀의 위치를 x=1.3~1.4㎜, y=1.7~1.8㎜로 하고, 그 홀의 지름을 대략 1.3~1.5㎜로 하며, 또한 모서리의 절단면의 길이를㎜로 하게 되면 더욱 양호한 효과가 얻어져서 원편파특성이 실현됨을 알 수 있었다.

도 5는 상기 규격을 통해 실현한 유전체 세라믹 패치 안테나의 특성을 측정한 그래프를 나타낸 것으로, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 패치 안테나는 원편파 특성이 양호하게 얻어지게 된다.

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 유전체 기판의 유전율이 높게 설정됨에 의해 그 안테나의 크기를 대폭적으로 축소할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 있어서는 유전체 기판에 형성된 홀을 통해 단자핀을 설치하여 배면 급전을 실현함으로써 PCB 기판에 대한 실장성을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 있어서는 유전체 기판의 형상 및 크기와, 패치의 형상 및, 홀의 수효, 크기 및 위치를 통해 그 대역폭 특성과 원편파 특성을 실현할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 80~100의 유전율을 갖는 세라믹을 주성분으로 하여 구성됨과 더불어 적어도 하나 이상의 홀이 설치되어 있는 유전체 기판과,

   상기 유전체 기판의 일측면에 설치되는 패치,

   상기 유전체 기판의 타측면에 설치되는 접지판 및,

   상기 홀을 통해 삽입됨과 더불어 상기 패치에 전기적으로 결합된 단자핀을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 패치와 접지판은 AgAd로 이루어진 것을 특징으로 하는 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 기판은 적어도 하나 이상의 모서리가 절단되는 것을 특징으로 하는 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 절단된 모서리의 크기는 그 절단면의 길이가㎜인 것을 특징으로 하는 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 패치는 적어도 하나 이상의 모서리가 절단되는 것을 특징으로 하는 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유전체 기판은 16×16㎜의 크기와 3㎜의 두께를 가지고, 이 유전체 기판의 중심으로부터 일측으로 1.7~1.8㎜, 타측으로 1.3~1.4㎜의 위치에 홀이 형성되며, 상기 홀의 지름은 1.3~1.5㎜인 것을 특징으로 하는 고유전율 세라믹 유전체를 사용한 패치 안테나.