KR20010092476A - 이중급전 이중공진형의 안테나 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중급전 이중공진형의 안테나 구조에 관한 것으로, 소형, 경량 및 박형으로 제작이 용이한 마이크로스트립 패치를 사용하였으며 단일 안테나로 이중공진을 구현하기 위해서 방사소자로는 직사각 패치를 사용하였고, 패치 안테나의 길이와 폭쪽에 각각 상호 수직하는 급전을 주어 이중 공진과 각 공진점에서 발생되는 편파가 상호 수직이 되도록 설계하였으며, 특히 급전구조는 마이크로스트립 급전과 개구면결합 급전을 혼합하여 상하향 주파수에서 동작하도록 하였다. 따라서 본 발명에 따른 안테나는 다양한 이동형 서비스에 활용이 가능하며, 원하는 장소에서 간편하게 안테나를 설치하여 음성, 데이터 및 영상의 송수신 구현이 가능하다.

Description

이중급전 이중공진형의 안테나 구조{Structure of double-fed Dual Resonance microstrip patch antenna}

본 발명은 위성통신용 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사각패치에 마이크로스트립 급전과 개구면 결합 급전을 사용하여 상호간 다른 직교 선형편파를 구현하도록 함으로서 송수신이 가능하도록 한 이중급전 이중 공진형의 안테나 구조에 관한 것이다.

위성통신 기술은 비교적 짧은 시간에 비약적인 발전을 거듭하여 왔고, 특히 최근에는 다중빔 안테나, 고출력증폭기, OBP등 첨단장치를 탑재한 위성의 등장으로 위성을 통한 서비스의 활용범위를 한층 더 높여 놓았다. 위성체의 고출력화는 기지국 안테나의 소형화, 경량화, 이동성을 가능하게 하였고, 이를 통하여 위성통신 서비스의 형태도 기존의 위성에서 제공되었던 단순 고정형 데이터 릴레이 서비스에서 벗어나 이동성을 추가한 양방향의 각종 멀티미디어 서비스를 제공하는 방향으로 발전을 도모하고 있다. 이에 따라 기존에 일반적으로 사용되던 위성용 파라볼릭 형태의 안테나는 소형화, 경량화 하기 어렵고 이동성이 떨어진다는 단점 때문에 최근에는 위성을 통한 이동형 서비스 구현을 위해 부피가 작고 이동성이 뛰어난 평판배열 형태의 안테나들이 등장하고 있다.

또한, 송수신을 위한 단일 안테나를 구현하기 위해서는 단일 안테나로 이중 공진을 발생시키는 기술이 요구되며, 이와 관련된 설계기술을 살펴보면 다이아크로닉 방사소자를 사용하는 방법, 송수신용 방사판을 다층화 구조로 구현하는 방법, 단일 방사소자에 이중공진을 통하여 구현하는 방법등이 연구되고 있다.

본 발명은 정지궤도 위성을 이용한 이동형 서비스의 구현을 위해 기존의 위성용 파라볼릭 안테나 대신 소형화, 경량화 및 이동성이 뛰어난 평판 형태의 안테나 설계방안을 제시한 것으로, 안테나의 크기를 최소화 하기 위해 단일 안테나로 송신과 수신을 겸할 수 있으며 배열구조에 따른 확장이 용이한 이중급전 이중공진형의 안테나 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이중급전 이중공진 안테나의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로스트립 급전 방자소자의 구조.

도 3은 본 발명에 따른 개구면 결합 급전 방사소자의 구조.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11 : 방사소자 12 : 마이크로스트립 급전선

13 : 도체판 14 : 개구면 급전선

15 : 제 1유전체 16 : 제 2유전체

17 : 공기층 18 : 개구면

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은

직사각 패치의 방사소자(11)가 상면에 결합되고, 그 방사소자(11)의 일측면에 마이크로스트립 급전선(12)을 두어 마이크로 스트립 급전을 수행하는 제 1유전체(15);

상기 제 1유전체(15)의 하부에 형성되어 사용 주파수 대역폭을 증가시키는 공기층(17); 및

상기 공기층(17)의 하부에 형성되어 내부에 개구면(18)을 포함하는 도체판(13); 및

상기 도체판(13)의 하부에 형성되고, 하면에 개구면결합 급전선(14)이 위치하여 개구면결합 급전을 수행하는 제 2유전체(16)를 포함하고, 상기 개구면결합 급전선(14)과 개구면(18)은 직교되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 사용되는 용어를 정의하면 다음과 같다.

이중공진은 두 개의 주파수에서 리액턴스 성분을 없애주는 현상을 의미한다.

유전체는 전기 절연물로 쓰이는 물질로써 본 발명에서 사용된 안테나 기판의 재질을 규정한다.

개구면결합 급전은 방사소자를 급전하는 방법중의 하나로서 방사소자와 급전선사이에 위치한 개구면을 만들어 그 개구면을 통하여 급전선과 방사소자 사이의 전기적 결합에 의해 급전이 이루어지도록 하는 방식을 말한다. 상기 개구면 급전방식은 기술적으로 개구면의 크기 및 유전체 두께의 조절로 급전 임피던스의 조절이 용이하고 방사면과 급전면을 격리시켜 방사면적을 줄이고, 급전선에 의한 방사손실을 줄여 결과적으로 고 효율의 안테나를 구현하는 것이다.

상기 마이크로스트립 급전은 방사소자의 한쪽면에 급전선을 두어 급전하는 방식을 말한다.

원형편파는 전파의 진행 방향에 수직인 면에서 전계의 크기와 방향을 나타내는 백터의 끝의 궤적이 원을 그리는 전파의 극성을 의미한다.

선형편파는 전파의 진행방향에 수직인 면에서 전계의 크기와 방향을 나타내는 백터의 끝 궤적이 수직 또는 수평을 그리는 전파의 극성을 의미한다.

이중 편파는 선형편파의 경우 수직과 수평편파가 동시에 발생되는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 이중급전 및 이중공진을 위한 안테나를 도시한 것으로 방사소자(11), 제 1유전체(15), 공기층(17), 도체판(13), 제 2유전체(16)가 차례로 적층되어 있다.

상기 방사소자(11)는 제 1유전체(15)의 상면에 직사각형의 패치 형태로 놓여 급전선(12,14)을 통해 전달되는 전자장에너지를 공기중에 전파되는 전자장에너지로 변환시켜준다.

그리고 상기 제 1유전체(15)와 도체판(13)의 사이에는 유전율이 1인 공기층(17)을 삽입하여 대역폭을 확장하였다. 여기서 두 유전체(15,16)에 공기층(17)을 삽입할 경우 공진 주파수의 변화는 다음 식과 같이 표시된다.

<수식 1>

여기서은 공기층을 삽입하지 않았을 때의 공진주파수이고,는 실효 유전율이다.

이때, 실효유전율은 다음과 같은 수식에 의해 구할 수 있다.

여기서 t는 유전체의 두께, Δ는 공기층의 두께이다.

따라서 수식 1에서 살펴보면 공기층의 추가는 제 1유전체의 상대 유전율을 낮추고 두께를 증가시키는 효과를 초래하기 때문에 사용 대역폭이 증가하게 된다.

상기 도체판(13)에는 직사각형의 개구면(18)이 위치하고, 이 개구면(18)을 통하여 제 2유전체(16)의 하면에 위치한 개구면결합 급전선(14)을 통해 방사소자(11)와의 전기적 결합에 의해 급전이 이루어지도록 한다.

즉, 상기 도체판(13)을 기준으로 마이크로스트립 급전과 개구면결합 급전이 상층과 하층으로 격리되어 두 개의 급전간의 높은 분리도를 유지한다.

상기 방사소자(11)는 각각의 특정한 주파수에서 이중 공진이 발생하도록 크기를 결정한다. 즉, 마이크로스트립 급전선(12)과 접하지 않는 부분인 방사소자(11)의 y축 방향의 길이에 의해 마이크로스트립 급전에 의한 공진주파수가 결정되며, 상기 방사소자(11)의 x축 방향 길이에 의해 개구면 결합급전에 의한 공진주파수가 결정된다.

또한, 패치안테나의 길이와 폭쪽에 각각 상호 수직하는 급전을 주면 단일의 방사소자(11)를 통하여 이중공진이 발생하며, 공진점에서 발생된 편파가 서로 수직이 되도록 설계하여 각 급전선(12,14)을 통해 유기되는 전류가 수직이 되도록 한다. 즉, 마이크로스트립 급전선(12)에 유기되는 전류는 방사소자(11)와 직접 접하는 y축 방향의 마이크로스트립 급전선(12)을 통해서 방사소자(11)로 유기되고, 제 2유전체(16)에 형성된 x방향의 개구면결합 급전선(14)을 통해서 유기된 전류는 도체판(13)에 형성된 y방향의 개구면(18)을 통하여 1차 유기전류가 발생하고, 다시 방사소자(11)를 통해 2차 유기전류를 발생시키는데, 이때 발생하는 편파는 마이크로스트립 급전과는 수직인 편파이다.

그리고 마이크로스트립 급전방식과 비교하여 개구면결합 급전방식은 같은 크기의 방사소자(11)를 고려할 경우 공진 주파수를 하향시키는 영향을 미치기 때문에 제 1유전체(15)의 상면에 급전네트웍을 구성하는 마이크로스트립 급전방식은 상향주파수(14.25 GHz)에서, 제 2유전체(16)의 하면에 급전네트웍을 구성하는 개구면 결합 급전방식은 하향 주파수(12.5 GHz)에서 동작하도록 설계한다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 마이크로스트립 급전 및 개구면결합 급전에 따른 구조를 각각 도시하였다.

여기서 상기 방사소자(11)는 이중공진이 가능하도록 크기가 8.39mm ×7.63mm (X ×Y)이고, 제 1유전체(15)의 유전율과 두께는 각각 2.2 와 20mil이다. 그리고 상기 공기층(17)의 유전율과 두께는 1과 0.5mm이고, 제 2유전체(16)의 유전율과 두께는 6.5 와 25mil이다.

그리고 상기 개구면(18)은 0.24mm ×5.34mm(SD ×SL)이고, 상기 마이크로스트립 급전선(12)은 그 크기가 0.4065mm ×0.34mm(H ×D1)이며, 상기 개구면 급전선(120)은 1.95mm ×0.1822mm(FL ×FD)이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 위성용 파라볼릭 안테나 대신 소형화, 경량화 및 이동성이 뛰어난 평판 형태의 송수신 겸용 안테나의 구조를 제시하여 이동형 서비스의 구현에 따른 편의성이 증대되는 효과가 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (12)

1. 직사각 패치의 방사소자(11)가 상면에 결합되고, 그 방사소자(11)의 일측면에 마이크로스트립 급전선(12)을 두어 마이크로 스트립 급전을 수행하는 제 1유전체(15);

   상기 제 1유전체(15)의 하부에 형성되어 사용 주파수 대역폭을 증가시키는 공기층(17);

   상기 공기층(17)의 하부에 형성되어 내부에 개구면(18)을 포함하는 도체판(13); 및

   상기 도체판(13)의 하부에 형성되고, 하면에 개구면결합 급전선(14)이 형성되어 개구면 급전을 수행하는 제 2유전체(16)를 포함하고, 상기 개구면결합 급전선(14)과 개구면(18)은 직교되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이중급전 이중공진형의 안테나 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 방사소자(11)는 그 길이와 폭쪽에 각각 수직인 급전을 두어 이중 공진을 발생시키고, 공진점에서 상호 수직인 편파가 발생되도록 함을 특징으로 하는 이중급전 이중공진형의 안테나 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 방사소자(11)는 이중공진이 가능하도록 크기가 8.39mm×7.63mm(X×Y)인 것을 특징으로 하는 이중급전 이둥공진형의 안테나 구조.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기층(17)은 유전율이 1이고, 그 두께가 0.5mm인 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나구조.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1유전체(15)의 유전율은 2.2이고, 두께는 20mil인 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나구조.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2유전체(16)의 유전율은 6.15이고, 그 두께는 25mil인 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나 구조.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 개구면(18)은 그 크기가 0.24mm ×5.34mm(x ×y)인 것을 특징으로 하는 이중급전 이중공진형의 안테나 구조.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로스트립 급전선(12)은 그 크기가 0.4065mm ×0.34mm(x×y)인 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나 구조.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 개구면급전선(14)은 그 크기는 1.95mm ×0.1822mm(x×y)인 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나 구조.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 개구면(18)과 개구면 급전선(14)은 직교되도록 형성되고, 상기 개구면(18)을 통하여 개구면 급전선(14)과 방사소자(11)가 전기적인 결합에 의해 급전이 발생하는 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나구조.
11. 제 1 항 및 제 5 항에 있어서,

    상기 제 1유전체(15)는 송신대역 중심주파수가 14.25GHz에서 공진이 발생하는 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나구조.
12. 제 1 항 및 제 6 항에 있어서,

    상기 제 2유전체(16)는 수신대역 중심주파수가 12.5GHz에서 공진이 발생하는 것을 특징으로 하는 이중급전 이중 공진형의 안테나구조.