KR19980087574A - 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나 - Google Patents

Abstract

1.청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나

2.발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 콘넥터를 통한 급전선 전자계가 슬롯 개구면에 등가 자기전류를 유발하고, 상기 자기전류에 의해 복사패치 가장자리에 누설전계가 유기되어 레이돔을 통하여 전방으로 복사되도록 하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

3 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 저면에 복사패치가 구비된 복사기판; 그 하면에 급전선이 구비되고, 그 상면에 슬롯개구면을 가지는 접지판이 구비된 급전기판; 그 상면에 제1 반사패치가 구비되며, 그 하면에 제2 반사패치가 구비된 반사기판; 및 각 기판사이에 일정높이를 갖는 공기층을 포함하는 고전후방비 저가형 마이크로 스트립 패치안테나를 제공한다.

4.발명의 중요한 용도

고전후방비를 가지며, 저가형으로 벽면등에 부착가능한 환경친화적인 안테나임.

Description

고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나

본 발명은 가정용 무선 전화기, 셀룰라폰 및 PCS(Personal Communication Service)폰등 휴대가능한 이동통신 기기나 무선통신에 사용되는 평면형 안테나에 관한 것으로, 특히 전파음영지역에서 고전후방비를 가지면서 장착이 쉬워 인테리어나 외부 환경에서의 장식품등에 결합하여 사용할 수 있는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 안테나는 셀룰러 방식의 이동통신 기지국에서 셀 반경내의 가입자들에게 필요한 전계강도의 신호를 송수신하는데 이용되며, 또 가입자가 휴대한 단말기에 채용되어 기지국과 송수신신호를 주고 받는 에어 인터페이스 수단으로 이용되고 있다. 또, 지하주차장, 지하철, 고층빌딩내의 사무실 등과 같은 전파음영지역의 경우 중계기의 에어 인터페이스에 이용되고 있다.

상기와 같이 이동통신 혹은 무선통신에는 다이폴 안테나, 야기안테나, 마이크로 스트립 안테나등이 주로 쓰이고 있다.

상기 다이폴 안테나는 반파장 길이의 공진형 안테나로서 도우넛 형태의 전방향 복사특성을 지니고 있어 셀룰러 통신의 가입자 단말기용 안테나와 소형 중계기의 서비스 안테나로 주로 사용된다.

또, 상기 야기 안테나는 다이폴 안테나를 길이방향으로 여러개 중첩시켜 지향성을 높인 예로서, 소형 중계기의 도너 안테나에 주로 사용된다.

특히, 도1에 도시된 바와 같이 상기 마이크로스트립 패치안테나는 고주파 기판(31)상에 에칭기법으로 구현한 반파장 길이의 패치(32)를 통하여 복사하는 안테나로서 형상이 평면형이어서 지하철, 지하주차장, 혹은 고층빌딩의 실내등과 같은 전파음영지역의 복도와 벽면에 부착할 수 있다.

상기 마이크로스트립 패치안테나는 다이폴이나 야기등의 철구조물 안테나와는 달리 이음새가 없어 용접 혹은 납땜등이 불필요하고, 용접 및 납땜부위의 산화에 따른 혼변조(inter-modulation)신호발생 가능성이 낮아 기지국 안테나로 주목받고 있다.

그러나, 상기 마이크로스트립 패치안테나는 근본적인 속성이 공진형 안테나이므로 주파수 대역폭이 수 %이하로 좁고 복사이득이 낮은 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 종래에는 고주파기판을 여러층으로 적층한 구조로 대역폭이 약 15%이상, 이득은 7dBi 이상으로 향상된 성능을 갖는 개구면 결합형 마이크로 스트립 패치안테나가 제안되었다. 이에대한 구성을 도2 및 도3을 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

도2에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로스트립 패치안테나는 크게 안테나와, 전체적으로 전자파가 입력되는 콘넥터(51)와, 상기 안테나를 외부환경으로부터 보호하기 위해 씌워진 레이돔(52)으로 구성되어 있다.

상기 안테나는 도3a에 도시된 바와 같이, 상기 레이돔(52)의 상단, 중간 및 하단부에 각각 복사기판(61)과, 급전기판(62)이 소정 간격을 두고 적층되게 장착된 2개의 고주파 기판층과, 상기 각각의 기판 사이의 간격에 형성되며, 각각의 전자파의 영향을 최소화하면서 고주파 기판을 일정한 높이로 지지하는 유전율이 낮은 두 개의 상하부 유전체 거품층(64)으로 이루어진 다층구조로 되어 있다. 여기서, 상기 복사기판(61)의 저면에 소정 크기의 복사패치(65)가 구비되며, 상기 급전기판(62)의 상단에는 중앙부에 슬롯(67)이 형성된 접지면(66)이 구비되고, 저부에는 콘넥터(51)와 연결되는 급전선(68)이 구비된다.

따라서, 상기 콘넥터(51)에 입력된 전자파는 급전기판(62)의 윗면인 접지면(66)과 급전선(68)으로 이루어진 전송선로를 따라 전파하고, 급전선(68)에 수직한 접지면(66)상의 슬롯(67)상에는 복사원으로서의 자기전류(magnetic current)가 유도되며, 자기전류는 상부 유전체 거품층(64)을 지나, 복사기판(61)내의 복사패치(65)와 접지면(66)사이에 공진해인 누설전자파(69)를 형성한다. 상기 누설전자파(69)는 상부 유전체 거품층(64)이 높기 때문에 넓은주파수 범위에 걸쳐 왕성하게 형성되고, 이것이 레이돔(52)을 통하여 자유공간으로 복사됨으로써 넓은 주파수 대역폭과 높은 복사이득을 주는 요인으로 작용하는 장점이 있다. 반면에, 상기 슬롯 개구면(67)상의 자기전류는 후방으로도 복사를 하므로 설치환경에 따라 복사특성이 영향을 받으며, 이것이 전후방비(F/B ratio)를 주는 요인으로 작용한다. 따라서, 상기 전후방비의 개선은 개구면 결합 마이크로 스트립 패치안테나뿐만 아니라, 모든 안테나에 해당하는 문제점으로 대두되고 있다.

또한, 종래의 패치안테나는 전후방비가 약 10dB정도로 높아 전방 송신신호의 1/10정도가 일종의 간섭신호로서 후방으로 복사됨을 피하기 어려워 결국 통화품질을 저해하는 원천적인 요인으로 작용하는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 콘넥터를 통한 급전선 전자계가 슬롯 개구면에 등가 자기전류를 유발하고, 상기 자기전류에 의해 복사패치 가장자리에 누설전계가 유기되어 레이돔을 통하여 전방으로 복사되도록 하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 실내외 인테리어에 결합사용이 가능하여 안테나기능과 장식품으로서의 기능을 겸할 수 있는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 마이크로 스트립 패치안테나의 구조를 나타낸 개략도.

도2는 종래의 개구면 결합형 마이크로스트립 패치 안테나의 외관 사시도.

도3a는 도2의 A-A선단면도.

도3b는 도2의 B-B선단면도.

도4a는 본 발명에 의한 마이크로 스트립 패치안테나의 일실시예 구성을 나타낸 단면도.

도4b는 도4a의 B-B선단면도.

도5는 본 발명에 의한 마이크로스트립 패치 안테나의 응용예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 복사기판 2 : 급전기판

3 : 반사기판 4 : 공기층

5, 6 : 상,하지지바 7 : 체결나사

8 : 복사패치 9 : 급전선

10 : 접지면 11 : 슬롯개구면

12 : 콘넥터 13 : 스터브

14, 15 : 제1 및 제2 반사패치 16 : 레이돔

17 : 복사누설전계 18 : 후방전자파

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 자기전류에 의하여 그 저면 양단에 누설전계를 형성하기 위한 복사패치가 구비된 복사기판; 상기 복사기판의 하부에 적층되며 그 하면에 급전선이 구비되고, 그 상면에 급전선의 전자계를 등가 자기전류로 유발하기 위한 슬롯개구면이 형성된 접지판이 구비된 급전기판; 및 상기 급전기판의 하부에 적층되며 그 상면에 상기 슬롯개구면에 유기된 자기전류에서 발생되는 전자파를 다중반사시키기 위한 제1 반사패치가 구비되며, 그 하면에 상기 제1 반사패치의 외부로 누설된 전자파가 후방으로 복사되지 못하도록 차단하는 제2 반사패치가 구비된 반사기판을 포함하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나는 후방복사세기를 최대한 약화시켜 전후방비를 크게하며, 저가로 제작이 가능하도록 구현한 것으로, 도4a에 도시된 바와 같이, 복사기판(1), 급전기판(2) 및 후방복사제거를 위한 공간필터기능을 하는 반사기판(3)이 소정간격을 두고 적층되어 있으며, 상기 각각의 기판사이의 간격에는 공기층(4)이 형성되어 있다. 또한, 상기 각각의 기판은 얇은 에폭시 기판을 수지접착제로 접착하여 적층하고 양면에 동박판을 접착한 저가의 인쇄회로기판인 FR4로 이루어져 있다. 여기서, 상기 FR4는 두께가 약 1.6mm로서 유전율이 약 4.4, 손실 탄젠트가 약 0.03정도로 높아 고주파 영역에서는 잘 사용되지 않지만, 가입자용 안테나와 소형 중계기용 서비스 안테나는 급전선로의 길이가 파장 이하로 짧아 손실은 거의 무시할 수 있기 때문에 가능하다. 또한, 상기 FR4는 저주파 회로기판으로 오랫동안 사용되면서 생산가뿐만 아니라, 에칭 및 관통구멍형성등의 제반공정이 잘 발달되어 있으며, 이에따라 패치안테나 생산가가 약 1/5이상으로 절감할 수 있는 효과를 가진다.

상기 급전기판(2)을 중심으로 사각 모서리부에는 상기 복사기판(1)과 반사기판(3)의 간격을 동일간격으로 유지하기 위한 상,하지지바(5, 6)가 직립되게 구비되며, 상기 하측지지바(6)에는 급전기판(2)에 고정하기 위한 체결나사(7)가 구비되어 있다. 즉, 상기 하측지지바(6)의 상면에 나사머리가 박혀있고, 급전기판(2)을 관통한 상태로 상측지지바(5)를 체결하는 구조로 되어 있다.

또한, 본 실시예에서의 상기 상,하지지바(5, 6)는 인조플라스틱재질로 형성되어 있어 종래와 같이 고가의 유전체거품층을 쓰지 않아도 되기 때문에 재료비가 절감되며, 기판과 유전체거품층을 접합하는 복잡한 공정이 간소화되므로서 생산성을 제고시킬 수 있다.

상기 복사기판(1)에는 그의 저면 양단에 소정크기의 복사패치(8)가 구비되어 자기전류에 의한 누설전계(17)를 형성한다.

그리고, 상기 급전기판(2)에는 그의 하면에 급전선(9)이 구비되고, 상면에는 급전선(9)의 전자계를 등가 자기전류로 유발하기 위한 슬롯개구면(11)이 형성된 접지판(10)이 구비되며, 상기 급전선(9)의 종단부에는 콘넥터(12)가 연결되어 외부의 전력을 공급한다.

또한, 본 실시예에서는 도4b에 도시된 바와 같이 상기 급전선(9)의 소정위치에 공진주파수를 조정하기 위한 스터브(13)가 구비되어 기판간을 일정높이로 지지하기 위한 상,하지지바(5, 6)의 구조등에 의해 공진주파수가 다소 트러질 경우 이를 조정할 수 있도록 한다. 여기서, 상기 스터브(13)는 급전선(9)에 캐패시터를 병렬 연결한 것과 같은 효과를 지니므로 조립과정에서 사소한 상황변화에 대해서는 칼로 소정길이만큼 잘라내는 방법으로 상기 스터브(13)의 길이를 가변시켜 입력 임피던스를 얻을 수 있도록 한다. 따라서, 상기와 같이 스터브(13)의 길이를 가변시킴으로써 본 발명의 안테나가 그림의 유화물감의 정도나 플라스틱 수지물의 유전율 변화등 여러 가지 요인에 의해 발생할 수 있는 사소한 변화에 대해 그 때마다 기판 에칭을 다시할 필요가 없게 되는 것이다.

상기 반사기판(3)에는 고전후방비를 가지기 위하여 상면에 상기 슬롯개구면(11)에 유기된 자기전류에서 발생되는 전자파(18)를 다중반사시키기 위한 소정 크기의 제1 반사패치(14)가 구비되며, 하면에는 상기 제1 반사패치(14)의 외부로 누설된 전자파(18)가 후방으로 복사되지 못하도록 차단하는 제2 반사패치(15)가 구비된다. 상기 반사기판(3)의 제1 반사패치(14)는 상기 제2 반사패치(15)보다 소정크기만큼 작게 형성되며, 이 크기는 전반사현상을 얻기위한 입사각(θ)에 따라 적절히 설계된다.

따라서, 상기와 같이 반사기판(3)에 크기가 다른 제1 및 제2 반사패치(14, 15)를 구비하므로써 슬롯개구면(11)에 유기된 자기전류에서 나오는 전자파중 제1 반사패치(14)에 직접 부딪치는 전자파성분은 접지면(10)과의 사이에서 다중반사되어 후방복사세기를 약화시키게 된다. 또한, 상기 제1 반사패치(14) 외부로 통과하는 전자파성분은 일단 유전체 반사기판(3) 내부로 입사되어 전반사현상에 의해 외부로 복사할 수 없게 된다. 이는 상기 전반사 현상이 광섬유속의 광파를 손실없이 장거리 전송하는 원리로서, 광섬유의 굴절율이 주변의 자유공간보다 높기 때문이며, 본 실시예에서의 반사기판(3)으로 사용된 FR4의 유전율이 4.4이므로 전반사 현상이 가능한 구조로 되어 있다.

한편, 상기와 같이 구성된 안테나는 소정 크기의 레이돔(16)에 의해 덧씌워져 외부환경으로부터 보호된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작상태를 설명하면 다음과 같다.

상기 콘넥터(12)로부터 인가된 전력이 급전선(9)을 통하여 급전되면, 상기 급전선 전자계가 슬롯개구면(11)에 등가 자기전류를 유발하고, 자기전류에 의해 복사기판(1)의 저면에 구비된 복사패치(8)의 가장자리에 누설전계(17)가 유기되어 레이돔(16)을 통하여 복사된다. 이때, 상기 슬롯개구면(11)에 유기된 자기전류에서 나오는 전자파중 제1 반사패치(14)에 직접 부딪치는 전자파는 접지면(10)과의 사이에서 다중반사시킴으로써 후방복사세기를 약화시키게 되며, 상기 제1 반사패치(14) 외부로 통과한 전자파는 반사기판(3)에 입사되어 전반사현상에 의해 외부로 복사되지 못할 뿐만 아니라, 또 상기 제2 반사패치(15)는 제1 반사패치(14)의 가장자리 누설전자파가 후방으로 복사되지 못하도록 차단함으로서 고전후방비를 얻을 수 있게 되는 것이다. 이때, 상기 제2 반사패치(15)의 가장자리 누설전자파도 후방복사를 일으키나 다중산란항이므로 이미 그 세기가 충분히 줄어든 상태가 된다.

상기와 같이 구성되어 작용되는 본 발명의 안테나는 평면형이므로 여러분야에 적용될 수 있다. 예들들어 지하철, 지하주차장, 고층빌딩의 실내등과 같은 전파음영지역의 벽면에 부착이 가능하며, 특히 도5에 도시된 바와 같이 그림이나 사진액자등에 결합하여 미관을 높일 수 있다. 즉 도시된 바와 같이 액자(21)의 커버(22)에 사진(23)과 평면형 안테나(24)를 순차적으로 결합한다. 그리고, 상기 고정나사(25)등으로 상기 액자(21)와 안테나의 레이돔을 결합하고, 고리(26)를 매개로 쉽게 벽면에 부착할 수 있다. 이와같이 본 발명의 평면형 안테나는 종래의 다이폴이나 야기안테나에 비해 환경친화적인 장점이 있어 안테나의 기능을 가지는 장식품으로 활용이 가능하므로 상품가치를 제고시킬 수가 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백한 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 후방복사성분을 반사기판속에서 전반사시킴으로서 공간필터에 의한 고전후방비를 얻을 수 있으며, 이에따라 설치환경에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, 인접셀 또는 인접섹터로의 간섭을 최소화할 수 있어 통화품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래의 고주파 기판대신에 저가의 인쇄회로기판을 사용하고, 고가의 유전체거품층을 공기층으로 대체함으로서 단순한 조립공정을 이룰 수 있으며, 또 조립과정에서 불량율을 줄여 제품의 신뢰성과 생산성을 제고시키는 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따르면, 안테나 기능을 가지는 장식품으로서 활용이 가능할 뿐만 아니라, 공진주파수를 가변할 수 있는 튜닝수단을 구비함으로서 외부요인 즉 유화등의 그림을 꽂을 때나, 사진을 꽂을 때, 커버로 사용되는 플라스틱수지물의 물성변화나 기판간의 공기층유지수단으로 사용하는 지지봉의 재질변화등의 요인에 따라 틀어진 공진주파수를 기판을 에칭하지 않고도 조정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 자기전류에 의하여 그 저면 양단에 누설전계를 형성하기 위한 복사패치가 구비된 복사기판;

   상기 복사기판의 하부에 적층되며, 하면에 급전선이 구비되고, 상면에 급전선의 전자계를 등가 자기전류로 유발하기 위한 슬롯개구면이 형성된 접지판이 구비된 급전기판; 및

   상기 급전기판의 하부에 적층되며, 상면에 상기 슬롯개구면에 유기된 자기전류에서 발생되는 전자파를 다중반사시키기 위한 제1 반사패치가 구비되며, 하면에 상기 제1 반사패치의 외부로 누설된 전자파가 후방으로 복사되지 못하도록 차단하는 제2 반사패치가 구비된 반사기판

   을 포함하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 복사기판, 급전기판 및 반사기판이 얇은 에폭시 기판을 수지접착제로 접착하여 적층하고 양면에 동박판을 접착하여 형성된 인쇄회로기판으로 이루어진 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 복사기판, 급전기판 및 반사기판 각각의 적층간격이 공기층으로 형성된 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 급전기판을 중심으로 주연부 상하측에 직립되게 장착되어 복사기판과 반사기판의 간격을 유지하는 상하지지바와, 상기 상하지지바를 급전기판에 고정하기 위한 체결수단을 더 포함하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 급전선의 소정위치에 장착되어 공진주파수를 조정하는 스터브를 더 포함하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반사기판의 제1 반사패치보다 제2 반사패치가 소정크기만큼 더 크게 형성된 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 복사기판, 급전기판 및 반사기판을 외부환경으로부터 보호하기 위해 덧씌워진 레이돔과, 상기 레이돔외부로 돌출되며, 상기 급전기판의 급전선과 연결되어 전력을 공급하는 콘넥터

   를 더 포함하는 고전후방비를 가지는 저가형 마이크로 스트립 패치안테나.