KR19990084408A - 공기층이 포함된 다층 유전체를 이용한 평면 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기층이 삽입된 다층유전체를 이용한 밀리미터파 대역 고효율 평면 안테나에 관한 것으로서, 공기층이 삽입된 다층유전체를 이용한 밀리미터파 대역 고효율 평면 안테나에 관한 것이다.유전체와 도체면으로 구성되며, 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 평면안테나층; 및 안테나의 이득을 높이기 위해 상기 평면안테나층의 전파 복사방향에 부착되며, 유전체층과 다른 유전체층 사이에 유전체 기둥이 지지하는 공기층을 포함하는 다층유전체층을 포함함이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 안테나의 효율과 이득을 높이고, 밀리미터파 대역에서도 쉽게 제작가능하며, 유전체 전체 면을 붙일 필요가 없기 때문에 제작이 쉽고, 유전체간의 접촉면이 적기 때문에 기생효과가 적어진다.

Description

공기층이 포함된 다층 유전체를 이용한 평면 안테나

본 발명은 평면 안테나에 관한 것으로서, 특히 공기층이 삽입된 다층유전체를 이용한 밀리미터파 대역 고효율 평면 안테나에 관한 것이다.

안테나는 보통 고주파 회로에 접속해서 사용되고 있는 하나의 특수한 전기회로라 할 수 있다. 송신안테나는 고주파 회로의 전력을 능률적으로 전파에너지로 변환해서 이것을 공간에 복사(radiation)하며, 수신안테나는 입력되는 전파의 에너지를 효율적으로 전력으로 변환해서 전기회로에 전달한다. 이와 같이 안테나는 전기회로와 전파사이의 에너지 변환기 역할을 하며, 그 변환 능률이 좋아지도록 그 크기와 모양을 적절하게 설계한다.

평면 안테나는 유전체와 도체면으로 구성되며, 유전체 위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 안테나이다. 평면 안테나는 단말기나 벽면 등의 표면에 부착이 가능하여 공간을 적게 차지하고, 배열안테나를 구성하기가 용이할 뿐 아니라, 대량생산이 가능하여 제작 단가가 적게 드는 장점이 있다. 반면 유전체층을 사용하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 복사모드 이외에 원하지 않는 표면파(surface wave)모드가 발생하여 효율이 낮아지는 단점이 있다. 도 1은 유전체 내부의 표면파를 도시한 것으로서, 참조번호 100은 유전체, 110은 도체면을 나타낸다. 상기 평면안테나는 도체표면(110)에 전류가 흐르게 되면 자유공간으로 전파가 복사될 뿐만 아니라, 유전체(100) 표면을 따라 진행하는 표면파가 존재한다. 이 때 발생하는 표면파 모드의 수는 유전체층(100)의 두께에 비례하며, 반드시 하나의 표면파 모드는 존재한다. 표면파를 억제하기 위해서는 유전체층의 두께를 줄여야 하는데, 두께를 유전체내 전파 파장의 1/4 이하로 줄이면 하나의 모드(없앨 수 없는 모드임)만이 발생하여 손실이 최소가 된다. 그러나 밀리미터파대역에서는 파장이 수 mm 이기 때문에, 실제 제작할 경우 두께가 너무 얇아져 쉽게 부서질 우려가 높다.

도 2는 다층유전체층을 이용한 평면안테나의 일예를 도시한 것으로서, 다층유전체(220), 링슬롯(200)을 구비한 상기 다층유전체 위에 위치한 도체판(210), 상기 도체판(210) 위에 위치한 유전체(240) 및 상기 링슬롯(200)으로 전류를 공급하는 급전부(230)으로 이루어진다. 일반적으로 상기 평면 안테나를 사용하여 원형편파 특성을 얻는 경우, 넓은 각도에 대해서 우수한 축비(Axial ratio)를 얻는 것은 매우 어려우며, 교차편파 특성이 좋지 않다. 또한 주파수가 밀리미터파 대역 이상인 경우에는 전체적인 크기가 너무 작아져 만들기가 어려울 뿐 아니라, 조그만 충격에도 부숴질 가능성이 크다.

두꺼운면서도 효율이 높은 평면안테나를 만들기 위해 1/4파장 두께의 유전체를 여러층 겹친 평면안테나가 제안되기도 하였다. 그리고 각 층간의 유전율을 고-저-고의 순서로 적층하면 이득을 높일 수 있다. 그러나 높은 밀리미터파대역에서 다층유전체를 만드는 것 역시 쉽지 않다. 그 이유는 매우 정밀하게 제작되지 않으면, 서로 다른 물질간의 접촉면에서 발생하는 기생효과들이 안테나의 성능 저하를 야기시키기 때문이다. 또한 온도의 변화나 압력에 따라 뒤틀림이 발생하여 성능에 영향을 줄 수 있다.

또한 높은 밀리미터파대역에서는 타원형의 유전체 렌즈를 부착하여 이득을 높이는 방법도 있지만, 정밀한 렌즈 가공에 드는 비용과 기술적인 어려움 때문에 전파천문학 등의 극히 한정된 분야에서만 사용되고 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 안테나 이득을 크게 하기 위해 유전율이 매우 작은 공기층을 삽입한 다층유전체를 이용한 평면안테나를 제공하는 것이다.

도 1은 유전체 내부의 표면파를 도시한 것이다.

도 2는 다층유전체층을 이용한 평면안테나의 일예를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 다층유전체의 구조를 도시한 것이다.

도 4는 공기층이 삽입된 다층 유전체를 이용한 마이크로 스트립 패치 안테나를 도시한 것이다.

도 5는 공기층이 삽입된 다층 유전체를 이용한 슬랏 안테나를 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 공기층을 삽입한 다층유전체를 이용한 평면안테나는, 유전체와 도체면으로 구성되며, 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 평면안테나층; 및 안테나의 이득을 높이기 위해 상기 평면안테나층의 전파 복사방향에 부착되며, 유전체층과 다른 유전체층 사이에 유전체 기둥이 지지하는 공기층을 포함하는 다층유전체층을 포함함이 바람직하다.

상기 다층유전체층은 상기 평면안테나층에 부착되며, 고유전율을 갖는 유전체로 이루어지는 상부 유전체층; 고유전율을 갖는 유전체로 이루어지는 하부 유전체층; 상기 상부유전체층과 하부유전체층 사이에 위치하며, 유전체 기둥이 지지하는 공기층을 포함함이 바람직하다. 상기 공기층의 두께는 상기 공기층을 통과하는 전파의 파장의 1/4 이고, 상부유전체층 및 하부유전체층의 두께는 상기 유전체내의 파장의 1/4 임을 특징으로 하는 공기층이 포함된다.

상기 다층유전체층은 상기 다층유전체층이 적어도 두 개 적층되어 이루어진다. 상기 평면안테나층은 마이크로 스트립 패치 안테나 또는 링 슬롯 안테나임이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 다층유전체의 구조를 도시한 것으로서, 평면안테나층(350) 및 다층유전체층(360)으로 이루어진다. 여기서 상기 평면안테나층(350)은 링슬롯 평면안테나이며, 저유전율의 유전체(300), 상기 유전체 하부에 위치하며 링슬롯을 포함하는 도체판(310)으로 이루어진다. 상기 다층유전체층(360)은 상기 평면안테나층(350)에 부착되며, 고유전율을 갖는 유전체로 이루어지는 상부 유전체층(320), 고유전율을 갖는 유전체로 이루어지는 하부 유전체층(325), 상기 상부유전체층(320)과 하부유전체층(325) 사이에 위치하며 유전체 기둥이 지지하는 공기층(330)으로 이루어진다. 상기 상부유전체층(320) 및 하부유전체층(325)은 1/4 파장(유전체내의 파장) 두께의 높은 유전율을 갖는 유전체판이다. 상기 유전체판 상의 4 구석을 포함한 몇 개 지점에 1/4 파장(공기중의 파장)길이의 유전체 기둥을 세우고, 그 위에 다시 동일한 유전체층을 덮는다. 이러한 방식으로 원하는 층수의 다층 유전체를 구현할 수 있다. 유전체 기둥은 유전체층과 동일한 물질로 구성될 수 있고, 유전율이 낮은 물질로 만들 수 있다.

상기 다층 유전체를 기존의 평면 안테나의 복사 방향에 부착한다. 여기서 복사기의 구조는 어떤 것이어도 무방하다. 도 4는 공기층이 삽입된 다층 유전체를 이용한 마이크로 스트립 패치 안테나를 도시한 것으로서, 공기층을 포함하는 다층유전체층(400) 및 마이크로 스트립 패치안테나(410)로 이루어진다. 참조번호 420은 유전체층, 430은 급전부, 440은 도체층을 나타낸다. 도 5는 공기층이 삽입된 다층 유전체를 이용한 슬랏 안테나를 도시한 것으로서, 공기층을 포함하는 다층유전체층(500) 및 링슬롯 안테나(520)로 이루어진다.

본 발명에 의하면, 다층유전체층을 이용한 평면안테나로서 유전체층의 사이에 공기층을 삽입한 다층유전체를 사용함으로써 안테나의 효율과 이득을 높이고, 밀리미터파 대역에서도 쉽게 제작가능하다.

그리고 유전체 전체 면을 붙일 필요가 없기 때문에 제작이 쉬우며, 유전체간의 접촉면이 적기 때문에 기생효과가 적어진다.

또한 다층유전체에서 각 유전체층간의 유전율 차이가 클수록 이득이 높아진다. 공기층의 유전율이 1 (얻을 수 있는 최소의 유전율 값)이므로 안테나 이득이 극대화 되고, Front/Back Ratio가 높아진다.

또한 본 발명에 의한 안테나는 무선통신, 레이더, 자동차 충돌방치장치 등의 다양한 용도로 사용이 가능하다.

Claims (6)

1. 유전체와 도체면으로 구성되며, 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 평면안테나층; 및

   안테나의 이득을 높이기 위해 상기 평면안테나층의 전파 복사방향에 부착되며, 유전체층과 다른 유전체층 사이에 유전체 기둥이 지지하는 공기층을 포함하는 다층유전체층을 포함함을 특징으로 하는, 공기층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 다층유전체층은

   상기 평면안테나층에 부착되며, 고유전율을 갖는 유전체로 이루어지는 상부 유전체층;

   고유전율을 갖는 유전체로 이루어지는 하부 유전체층;

   상기 상부유전체층과 하부유전체층 사이에 위치하며, 유전체 기둥이 지지하는 공기층을 포함함을 특징으로 하는, 공기층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 공기층의 두께는

   상기 공기층을 통과하는 전파의 파장의 1/4 이고,

   상부유전체층 및 하부유전체층의 두께는

   상기 유전체내의 파장의 1/4 임을 특징으로 하는 공기층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면 안테나.
4. 제2항에 있어서, 상기 다층유전체층은

   상기 다층유전체층이 적어도 두 개 적층되어 이루어짐을 특징으로 하는 공기층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면 안테나.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면안테나층은

   마이크로 스트립 패치 안테나임을 특징으로 하는 허니콤층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면 안테나.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면안테나층은

   링 슬롯 안테나임을 특징으로 하는 허니콤층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면 안테나.