KR20000019672A - 엘-모양과 유-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 요지

본 발명은 아날로그 셀룰라, 디지탈 셀룰라, 개인휴대통신(PCS), 차세대 이동통신(IMT-2000) 및 무선가입자망(WLL) 등 각종 이동통신에 사용되는 마이크로 스트림 패치 안테나에 있어서 L-모양 및 U-모양의 접지면을 구성하여 복사 소자의 에지(Edge) 부근에서 필드 분포를 변화시킬 수 있으며, 이때 변화된 필드 분포는 접지면과 패치 사이의 C 커플링(Coupling)을 유도하게 되므로 동축선로로 급전시 발생되는 인덕턴스 성분과 서로 상쇄되어 광대역 임피던스 정합을 할 수 있는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 각종 이동통신에 사용되는 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서 무선 신호의 복사를 위한 패치; 상기 패치에 급전하기 위한 급전 선로; 전류 분포를 유도하기 위한 U-모양의 슬롯; 광대역 임피던스 정합을 위한 L-모양 및 U-모양의 접지면; 상기 패치와 접지면을 지지하기 위한 지지봉; 및 외부 시스템과 연결하기 위한 콘넥터를 갖는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

이동통신용 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서 L-모양 및 U-모양의 접지면을 구비하여 접지면과 패치 사이의 C 커플링(Coupling)을 유도함으로써 광대역 임피던스 정합을 할 수 있을 뿐만 아니라 작은 크기의 접지면을 가지면서 우수한 전후방비(F/B;Front-to-Back Ratio)를 얻을 수 있는 효과를 갖도록 하기 위한 것임.

Description

엘-모양과 유-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나

본 발명은 아날로그 셀룰라, 디지탈 셀룰라, 개인휴대통신(PCS), 차세대 이동통신(IMT-2000) 및 무선가입자망(WLL) 등 각종 이동통신에 사용되는 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서 L-모양 및 U-모양의 접지면을 구비하여 접지면과 패치 사이의 C 커플링(Coupling)을 유도함으로써 광대역 임피던스 정합을 할 수 있을 뿐만 아니라 작은 크기의 접지면을 가지면서 우수한 전후방비(F/B;Front-to-Back Ratio)를 얻을 수 있는 효과를 갖도록 구현한 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 스트립 패치 안테나는 가벼우며 단면적이 얇기 때문에 고속으로 이동하는 차량의 표면이나 건물의 벽에 부착할 수 있어서 군사용이나 일반 상업적 목적의 무선통신에 응용 범위가 넓다. 그러나, 이러한 마이크로 스트립 패치 안테나가 갖는 주파수 대역폭은 1∼2%의 협대역 특성을 갖는다고 하는 문제점이 있었으며 따라서 소형이면시 광대역 특성을 갖는 안테나가 요구되어 왔다.

패치 안테나의 대역폭을 확장시키키 위하여 접지면과 패치 사이의 단면적을 크게하는 방법, 기생 소자를 이용하는 방법 및 광대역 특성을 갖는 정합회로를 설계하는 방법 등이 제시되었다. 종래에 사용된 대역폭을 확장시키는 방법중 하나인 접지면과 패치 사이의 단면적을 크게 하는 것은 불필요한 표면파를 발생시키고 복사 효율이 떨어지며 축 방향의 고차 모드를 발생시켜서 복사 패턴의 왜곡 현상이 일어날 수 있고 대역폭의 개선효과가 작다. 또 다른 방법인 단일기판이나 다층기판 위에 기생소자를 사용하는 방법은 단일기판이나 다층기판 위에 평면적으로 또는 수직적으로 위치시켜서 다중공진특성을 이용하여 대역폭을 확장하는 방법으로써 안테나가 평면적으로 또는 단면적으로 커지므로 제작이 힘들어지고 제조단가가 높아지게 된다. 또한, 정합회로는 안테나의 입력 임피던스의 리액턴스값이 서로 상쇄가 되도록 설계를 하여 광대역 특성을 갖도록 하는 방법인데 이 방법 역시 안테나 크기가 커지고 복사 효율이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나는 상기와 같은 종래 기술들이 갖는 협대역의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 L-모양 및 U-모양의 접지면을 구비하여 접지면과 패치 사이의 C 커플링(Coupling)을 유도함으로써 광대역 임피던스 정합을 할 수 있을 뿐만 아니라 작은 크기의 접지면을 가지면서 우수한 전후방비(F/B:Front-to-Back Ratio)를 얻을 수 있는 효과를 갖도록 구현한 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

도1a는 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 L-모양 접지면 상태에서의 구성도.

도1b는 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 L-모양 접지면 상태에서의 단면도.

도2a는 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 U-모양 접지면 상태에서의 구성도.

도2b는 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 U-모양 접지면 상태에서의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11, 21. 패치 12. L-모양 접지면

13 ,23. 슬롯 14, 24. 지지봉

15, 25. 급전 선로 16, 26. 콘넥터

22. U-모양 접지면

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 각종 이동통신에 사용되는 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서 무선 신호의 복사를 위한 패치; 상기 패치에 급전하기 위한 급전 선로; 전류 분포를 유도하기 위한 U-모양의 슬롯; 광대역 임피던스 정합을 위한 L-모양 및 U-모양의 접지면; 상기 패치와 접지면을 지지하기 위한 지지봉; 및 외부 시스템과 연결하기 위한 콘넥터를 갖는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공한다.

이하 첨부된 도면에 따라 본 발명의 각부 특성 및 동작 원리를 상세히 설명한다. 도a 및 도1b는 각각 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 L-모양 접지면 상태에서의 구성도와 단면도를 나타낸 것으로서 패치(11, 21)의 길이는 사용 주파수의 λ/2보다 작게 결정하였고 상기 패치(11, 21)의 에지(Edge) 부근에서 접지면을 L-모양과 U-모양으로 꺾어 L-모양 접지면(12)과 U-모양 접지면(22)을 구성하였다. 이와 같이 L-모양 접지면(12) 또는 U-모양 접지면(22)의 꺾인 부분을 패치(11, 21)의 에지 부근에 위치시키면 상기 에지 부근의 필드 분포를 변화시킬 수 있고, 이때 변화된 필드 분포는 꺾인 접지면과 패치 사이에서 C 커플링(Coupling)을 유도하게 되므로 이 유도된 커패시턴스 성분이 동축선로로 급전시 발생되는 인덕턴스 성분과 서로 상쇄되어 광대역 임피던스 정합을 할 수 있다. 이와 함께 꺾인 접지면의 높이와 상기 패치(11, 21)와의 간격 등으로 커플링값을 조절할 수 있어서 상기 패치(11, 21)와의 거리를 가깝게 할수록 커플링 양이 많아지므로 공진 주파수는 낮은 쪽으로 이동하게 된다. 따라서 패치(11, 21)의 공진 길이를 줄여서 안테나의 전체 크기를 소형화할 수 있다.

또한, 일반적으로 지향성 안테나의 전후방비(F/B;Front-to-Back Ratio)를 향상시키기 위해서는 접지면의 크기를 크게 하는데 이와 같이 하면 안테나의 크기 및 중량이 증가한다고 하는 단점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 꺾인 접지면으로써 L-모양 접지면(12) 또는 U-모양 접지면(22)을 사용함으로써 접지면 뒤쪽으로 전파가 복사되는 것을 막아주므로 접지면의 크기를 종래 기술에 따른 마이크로 스트립 패치 안테나보다 상대적으로 작게 하면서도 전후방비를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 또다른 요부로써 도1a 및 도2a에서와 같이 U-모양의 슬롯(13, 23)을 구성하였는데, 상기 슬롯(13, 23)을 따라 흐르는 전류와 사각형 패치(11, 21)의 에지를 따라 흐르는 전류 성분에 의해서 이중 공진 특성을 얻을 수 있다. 만약 슬롯(13, 23)을 갖는 패치 안테나에서 꺾인 접지면을 사용하지 않고 일반 접지면을 사용한다면 동축선로로 급전시 발생되는 인덕턴스 성분때문에 정합 특성이 좋지 않고 복사 패턴의 주빔 빔폭이 종래의 슬롯을 가지고 있지 않은 일반 패치에 비해 오히려 좁아지게 된다. 그러나, 상기와 같은 L-모양 및 U-모양의 꺾인 접지면을 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

도1b 및 도2b는 각각 본 발명에 따른 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나의 단면도를 나타낸 것으로서 외부 시스템과 접속하기 위한 콘넥터(16, 26)를 거쳐 급전 선로(15, 25)를 통하여 패치(11, 21)에 급전되며, 상기 패치(11, 21)와 L-모양 접지면(12) 및 U-모양 접지면(22)은 지지봉(14, 24)에 의해 고정되어 지지된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이동통신용 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서 L-모양 및 U-모양의 꺾인 접지면을 사용함으로써 접지면과 패치 사이의 C 커플링을 유도하여 광대역 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 접지면 크기를 종래 기술에 따른 패치 안테나보다 작게 하면서도 우수한 전후방비를 갖는다. 또한, 꺾인 접지면과 패치 사이의 커플링 양을 조절할 수 있기 때문에 안테나 전체 크기를 줄일 수 있고 제조단가를 낮출 수 있으며, 꺾인 접지면의 높이 및 패치와의 간격 등을 조절하여 안테나의 빔폭을 변화시킬 수 있는 효과를 가진다.

Claims (6)

1. 아날로그 셀룰라, 디지탈 셀룰라, 개인휴대통신(PCS), 차세대 이동통신(IMT-2000) 및 무선가입자망(WLL) 등 각종 이동통신에 사용되는 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서,

   무선 신호의 복사를 위한 패치;

   상기 패치에 급전하기 위한 급전 선로;

   전류 분포를 유도하기 위한 U-모양의 슬롯;

   광대역 임피던스 정합을 위한 L-모양 및 U-모양의 접지면;

   상기 패치와 접지면을 지지하기 위한 지지봉; 및

   외부 시스템과 연결하기 위한 콘넥터를 갖는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나
2. 제 1항에 있어서,

   L-모양 및 U-모양의 접지면을 구성하여 복사 소자의 에지 부근에서 변화된 필드 분포가 접지면과 패치 사이의 C 커플링을 유도하여 동축선로로 급전시 발생되는 인덕턴스 성분과 서로 상쇄되도록 함으로써 광대역 임피던스 정합을 할 수 있는 L-모양과 U-모양의 꺾인 접지면을 갖는 것을 특징으로 하는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나
3. 제 1항 및 제 2항에 있어서,

   상기 L-모양 및 U-모양의 접지면과 패치 사이의 간격을 조절함으로써 임피던스 정합과 공진 주파수를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나
4. 제 1항 및 제 2항에 있어서,

   상기 L-모양 및 U-모양의 접지면의 높이와 위치를 조절함으로써 안테나의 빔폭을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나
5. 제 1항, 제 2항, 제 3항 및 제 4항에 있어서,

   U-모양의 슬롯의 크기를 조절함으로써 안테나의 공진 주파수를 변화시키고 임피던스를 정합하는 것을 특징으로 하는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나
6. 제 1항, 제 2항, 제 3항, 제 4항 및 제 5항에 있어서,

   패치와 접지면 사이에 삽입되는 매질로써 유전율이 높은 세라믹을 사용함으로써 휴대가능한 전화기에 내장할 수 있는 소형 안테나를 제공하는 것을 특징으로 하는 L-모양과 U-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나