KR200172759Y1 - 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 고안은 소형 마이크로스트립 패치 안테나에 보조도선을 추가하여 안테나 주파수 특성을 광대역화하고 이득을 높이는 구조에 대한 것이다. 유전체기판 위에 도체패치가 형성되어 있고, 도체패치의 일정한 지점에 급전점이 형성되어 있으며, 유전체 기판의 아래쪽에는 급전용 동축선로의 외부도체가 확장된 접지면이 놓여 있고, 이 접지면 상에 동축선로의 단면만큼 구멍이 뚫려 급전용 구멍으로 작용한다. 급전용 구멍의 중앙에는 동축선로 내부도체가 접지면과 수직을 이루는 방향으로 연장되어 마이크로스트립 패치 및 보조도선에 신호를 공급한다. 이렇게 연장된 내부도체를 급전선이라 한다. 도체패치 위쪽에는 일정한 길이와 각도를 이루는 보조도선이 형성되어 있고, 이 보조도선은 급전점을 통하여 급전선과 연결되어 있다. 이러한 마이크로스트립 패치 안테나는 도체패치 위쪽에 형성된 보조도선으로 인하여 광대역, 고이득의 특성을 가질 수 있다.

Description

보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나 {Microstrip pacth antennas agumented by conducting wire}

본 고안은 무선 주파수(radio frequency) 신호를 송수신하는 WLL 및 MMDS 와 다른 무선통신에서도 사용될 수 있는 안테나에 관한 것으로 더욱 상세히 말하자면,고이득과 광대역 특성을 갖도록 보조도선을 추가한 소형 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것이다.

종래의 마이크로스트립 패치 안테나는 마이크로스트립 선로의 특성을 응용한 것으로서, 상기 마이크로스트립 선로는 기판상의 스트립 도체와 유전체를 삽입한 반대측에 접지 도체를 가지고 있으며, 스트립 도체와 접지 도체간에 전압을 인가함으로써 부하를 통하여 전류가 흐르며 전계와 자계가 발생된다.

전송 방향으로 자계 성분이나 전계 성분을 갖지 않는 모드를 TEM(Transverse Electromagnetic)모드라 하는데, 마이크로스트립 선로는 스트립과 도체판 사이의 전자계 분포가 기판 안에 완전히 집속되지 않기 때문에 비균질 전송선로이고, 마이크로스트립을 따라 전파하는 모드는 준-TEM(quasi-TEM)모드가 된다.

상기에 있어서, 마이크로스트립 패치 안테나는 준-TEM모드로 전파하게 되며, 구리, 금 등의 도체로 되어있는 복사 패치는 정사각형, 직사각형, 원, 타원, 링 등의 여러 모양으로 형성되고, 기본적인 초고주파 안테나와 비교할 때 다양한 이점을 가지고 있으며 100MHz ∼ 50GHz의 넓은 주파수 범위에서 실현 가능하다.

마이크로스트립 패치 안테나로부터의 복사는 마이크로스트립 패치 안테나 복사패치의 끝과 접지면 사이의 프린징 필드(fringing field)로부터 발생함으로서, 복사필드는 안테나 구조에 따른 다양한 전류 상태와 전류 분포로부터 유도되고, 반파장이 되는 복사패치의 길이에 따라 변화하며, 복사패치 끝부분에서의 필드는 접지면에 대하여 법선 및 접선 성분으로 분리될 수 있다.

법선성분은 패치길이가 반파장 길이기 때문에 이위상(out of phase)이고, 이것에 의해 생성되는 원방계(far field)는 브로드사이드(broadside)방향에서 상쇄되며, 접선성분은 동위상(in phase)이고, 필드는 복사패치의 표면에 대한 법선방향으로 최대 복사 필드를 가진다.

마이크로스트립 패치 안테나의 급전(microstrip feed)은 마이크로스트립 급전과 동축선 급전 두가지 방법을 사용하며, 상기 마이크로스트립 급전(microstrip feed)에 있어서, 급전점 위치는 여기되는 모드를 결정하고, 중앙으로 급전된 안테나 패치는 50ohm 급전선과 함께 시작되며, 소스저항인 50ohm과 안테나의 임피던스를 정합시키기 위해 변환기를 사용한다.

따라서, 마이크로스트립 급전은 안테나 패치의 중앙으로 급전될 수도 있고, 중앙을 벗어난 급전을 가질 수도 있다.

상기에 있어서, 또 다른 마이크로스트립 패치 안테나의 급전 방법인 동축선 급전(coaxial feed)은 접지면에 동축선로의 외부도체가 연결되고, 도체패치에 동축선 내부 도체가 연결되며, 패치상 급전점의 위치는 주어진 모드에서 최고의 정합을 이루는 위치이고, 소스가 50ohm의 내부저항을 가질 경우 급전점의 위치는 안테나의 임피던스가 50ohm을 가지는 위치가 된다.

마이크로스트립 패치 안테나의 장점은 무게가 가볍고, 크기가 작고, 평면 구조로 되어 있어 제작이 쉽게 되며, 낮은 제조 비용으로 대량 생산이 가능하고, 얇게 만들 수 있으며, 급전 위치를 조절함으로써 선형 편파나 원형 편파를 만드는 것이 가능하다.

또한, 이중 주파수 안테나를 쉽게 만들 수 있으며, 급전 선로와 정합 회로가 안테나 구조와 동시에 제작될 수 있는 장점이 있다.

그러나, 마이크로스트립 패치 안테나는 일반 초고주파 안테나와 비교할 때 좁은 대역폭을 가지고, 손실이 다소 있어서 안테나의 이득이 낮으며, 대부분의 마이크로스트립 패치 안테나는 복사패치가 있는 반 평면으로만 복사한다는 문제점을 가지고 있다. 이외에도 표면파의 여기 가능성 및 전력수용능력(power handling capability)이 낮다는 문제점도 있다.

일반적으로, 종래의 마이크로스트립 패치 안테나는 대역폭과 낮은 이득을 보완하기 위해 여러 가지 방법을 이용하여 왔다.

문제점을 해결하기 위한 첫 번째 방법은, 기판의 두께를 증가시킴으로써 넓은 대역폭을 가지게 할 수 있다. 하지만, 두꺼운 기판은 표면파(surface wave)를 발생시켜 안테나의 효율을 감소시키고 안테나의 패턴을 나쁘게 하는 문제점을 가지고 있다.

두 번째는 이중 주파수 구조의 안테나를 만들어 서로 떨어진 두 개의 주파수에서 동작하도록 하고, 공진 주파수를 한쪽 또는 양쪽에서 튜닝하게 하여 대역폭을 개선할 수 있다.

세 번째는 바렉터 다이오드(varactor diode)를 이용하는 방법이다. 마이크로스트립 패치 안테나에서 기판의 비유전율 값을 감소시킴으로써 공진 주파수를 변화시킬 수 있는데, 패치와 접지판 사이에 바이어스 전압을 연결시킨 바렉터 다이오드를 연결한 후 캐패시턴스를 조절하여 유효 유전율을 제어한다. 바렉터 다이오드는 다이오드 캐패시턴스를 증가시켜 공진주파수를 증가시킨다.

네 번째는 단락 포스트(shorting post)를 이용하는 방법이다. 패치와 접지판 사이의 다양한 지점에 단락 포스트를 만들어 비유전율 값을 변화시키고, 단락 포스트에 의해 생긴 인덕턴스가 기판의 유효 유전율을 변화시키며, 공진 주파수는 포스트 사이의 거리에 의존한다. 단락 포스트는 패치와 접지판 사이의 전계 분포가 단일모드의 전송선로 모델로 표현하기에는 너무 복잡하기 때문에 임피던스를 정확하게 예측하기 어렵다.

다섯 번째는 공기틈(air gap)을 이용하는 방법이다. 빈 공간영역을 이용하여 마이크로스트립 패치 안테나의 접지판과 기판 사이에 공기틈을 만들어서 공동의 유효 유전율을 변화시키며, 공기층이 없는 경우에 비해 공동의 유효 유전율은 더 작아지고 공기 틈이 커질수록 공진 주파수는 증가한다. 그러나, 이런 형태를 가지는 안테나는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 더 두꺼워지고 역학적으로 변형될 가능성을 가지고 있다.

여섯 번째는 직렬 캐패시턴스 성분을 더하기 위해 급전점 주위에 고리모양의 틈(annular gap)을 줌으로써 대역폭을 증가시킬 수 있고, 용량성 커플링을 사용하여 대역폭을 넓힐 수 있다.

마이크로스트립 패치 안테나는 배열(array)이 쉽기 때문에 높은 이득을 얻는 방법으로 한 개의 안테나를 여러개 배열하는 기법을 많이 사용하고, 기판 에칭으로 급전 회로망(feeding network)을 구성해야 한다. 그러나, 안테나를 여러개 배열함으로써 안테나의 크기가 커지게 된다.

따라서, 한 개의 안테나의 이득이 높아야 배열하였을 때 더 높은 이득을 가지게 되므로, 안테나 한 개의 이득을 높이는 것이 큰 관건이며, 상기와 같은 여러 가지 방법들의 문제점으로 인하여 이를 해결할 수 있는 보다 넓은 대역폭과 고이득을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나가 필요하다.

본 고안으로 이루고자 하는 기술적 과제는 기존 마이크로스트립 패치 안테나의 도체패치 위로 일정한 구조의 보조도선을 추가하여, 광대역 특성이나 고이득 특성을 각각 혹은 동시에 달성하는 방법을 제시하고자 한다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 고이득 광대역을 가지는 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나의 사시도이고,

도 2는 도 1에 도시된 유전체 기판 상단에 도체 패치 및 급전점을 도시한 평면도이고,

도 3은 도 1에 도시된 일정한 길이와 각도를 가지는 보조도선을 도시한 측면도이고,

도 4는 도 3에 도시된 보조도선의 변형을 도시한 측면도이다.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 ------ 도체패치, 20 ------ 유전체기판,

30 ------ 보조도선, 31 ------ 보조도선 상단부,

32 ------ 보조도선 하단부, 40 ------ 급전선,

41 ------ 동축선로 내부도체, 50 ------ 접지면,

51 ------ 동축선로 외부도체, 60 ------ 급전용 구멍,

70 ------ 급전점, 80 ------ 기생패치.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 고안한 안테나는 유전체기판 위에 도체패치가 형성되어 있고, 도체패치의 일정한 지점에 급전점이 형성되어 있다. 유전체 기판의 아래쪽에는 급전용 동축선로의 외부도체가 확장된 접지면이 놓여 있고, 이 접지면 상에 동축선로의 단면만큼 구멍이 뚫려 급전용 구멍으로 작용한다. 급전용 구멍의 중앙에는 동축선로 내부도체가 접지면과 수직을 이루는 방향으로 연장되어 마이크로스트립 패치 및 보조도선에 신호를 공급한다. 이렇게 연장된 내부도체를 급전선이라 한다. 도체패치 위쪽에는 일정한 길이와 각도를 이루는 보조도선이 급전점을 통하여 급전선과 연결되어 있다.

따라서, 신호가 급전점에 인가되면 급전선을 통하여 유전체기판 위의 도체패치 뿐만 아니라 보조도선에도 전류가 흐르게 되는데, 이 때 두 부분의 전류들에 의한 전파복사가 공간에서 합성되도록 하면 이득은 증가하고, 대역폭은 넓어진다.

이하, 본 고안을 용이하게 실시 할 수 있는 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1에 본 고안의 고이득과 광대역을 가지는 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나의 사시도가 있다.

첨부된 도 1에 도시되어 있듯이, 본 고안의 실시예에 따른 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나는, 접지면(50)과 유전체기판(20) 상단의 도체패치 (10)와 보조도선(30)을 포함한다. 유전체기판(20)의 아래쪽에는 급전용 동축선로의 외부도체(51)가 확장된 접지면(50)이 놓여 있고, 이 접지면(50) 상에 동축선로의 단면만큼 구멍이 뚫려 급전용 구멍(60)으로 작용한다. 급전용 구멍(60)의 중앙에는 동축선로 내부도체(41)가 접지면(50)과 수직을 이루는 방향으로 연장되어 도체패치(10) 및 보조도선(30)에 신호를 공급한다. 유전체기판(20)의 윗면에는 도체패치(10)가 형성되어 있고, 도체패치(10)상의 적당한 지점(본 실시예에서는 3:2지점)에 급전점(70)이 형성되어 있으며, 도체패치(10) 상단으로는 일정한 길이와 일정한 각도를 이루는 보조도선(30)이 급전점(70)을 통하여 급전선(40)과 연결되어 있다.

이와같이, 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나는 비유전율이 낮고 두께가 얇을수록 복사특성이 우수한 성질을 나타내므로 유전체기판(20)의 비유전율은 2 ∼ 5 의 값을 가지고, 두께는 0.5 ∼ 20mm를 사용한다.

유전체기판(20) 상단에 형성된 도체패치(10)의 급전점(70)에 급전한 급전선(40)의 재질은 구리 등 도전성이 양호한 재질을 사용하며, 도선의 직경은 0.5 ∼ 3mm를 사용하고, 길이는 안테나의 공진주파수 및 유전체기판 두께에 따라 0.5 ∼ 100mm의 길이를 사용한다.

상기 유전체기판(20) 아랫부분으로 형성되어 있는 접지면(50)의 재질은 알루미늄, 동판 및 기타 전도성이 높은 재질을 사용하고, 두께는 0.3 ∼ 5mm를 사용하며, 접지면(50)의 중심에 1 ~ 5mm 정도 크기의 급전용 구멍(60)을 뚫어 접지면(50)과 급전선(40)이 단락되지 않도록 하고, 급전선(40)을 통하여 내부저항이 50ohm인 소스(source)가 인가되면 급전점(70)의 위치도 안테나의 입력 임피던스가 50ohm인 지점이므로 최대전력을 전송하게 된다.

따라서, 공급전원이 급전선(40)에 인가되면 급전선(40)을 통하여 전류가 흐르게 되고, 전류는 다시 유전체기판(20) 위에 놓여 있는 도체패치(10)에 분포하게 되며, 동시에 전류는 보조도선 하단부(32)를 지나 보조도선 상단부(31)까지 흐르게 된다. 도체패치(10)에 전류가 분포하고 보조도선(30)에 전류가 밀집되므로 복사되는 전계가 복사공간의 중앙쪽으로 강해지게 되므로, 이 구조의 안테나는 높은 이득을 가지게 된다. 또한 보조도선(30)이 리액턴스에 따른 변화 기울기가 낮은 성분을 더하게 되므로 대역폭이 넓어진다.

복사전계벡터는 도체패치(10)의 길이방향 성분으로 향하는 선형편파를 형성하고, 브로드사이드(broadside)방향을 가지는 복사패턴을 형성한다.

상기에서, 유전체기판(20)은 도 2에 도시되어 있듯이, 유전체기판(20) 상단에 접착되어 있는 도체패치(10)는 안테나의 입력 임피던스가 50ohm인 지점을 급전점(70)으로 하였으며, 급전점(70)의 위치는 마이크로스트립 도체패치(10)의 크기 및 공진주파수에 따라 달라질 수 있는데, 본 실시예에서는 가로로 3:2의 비율을 가지는 지점이고, 세로로는 정확히 중간에 위치하도록 하였다.

또한, 보조도선(30) 및 급전선(40)은 첨부한 도 3에 도시되어 있듯이, 급전선(40)위에 확장된 보조도선 하단부(32)의 길이 및 각도(α)와 보조도선 상단부(31)의 길이와 각도(β)에 따라 안테나의 대역폭, 이득 및 특성이 달라진다.

그러므로, 마이크로스트립 패치 안테나는 2.35GHz 대역에서 사용되는 경우에는 도체패치(10)의 길이는 50mm, 넓이는 13mm 이며, 급전점(70)은 도체패치(10)의 넓이에 대하여 중간이고, 도체패치(10)의 길이에 대해 3:2의 비를 가지는 자리에 위치하며, 급전선(40)의 길이는 12.8mm로 하고, 보조도선 하단부(32)의 길이 는 15mm, 각도(α)는 15°이고, 보조도선 상단부(31)의 길이는 40mm, 각도(β)는 20°를 가진다. 보조도선(30)의 길이와 보조도선(30)이 이루는 각(α,β)은 공진 주파수에 따라 달라질 수 있다.

따라서, 본 고안에 따른 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나는 급전선(40)과 연결되어 도체패치(10) 위로 확장된 보조도선(30)에 의하여 높은 이득과 광대역을 얻을 수 있다.

상기에서, 도 4에 도시되어 있듯이, 일정한 거리와 일정한 각도를 이루는 보조도선(30)은 모노폴형 보조도선 , 클립형 보조도선 및 여러 가지 형태의 보조도선으로 변형 가능하다.

상기에서, 도 5에 도시되어 있듯이, 본 고안에 따른 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나 위의 일정한 높이에 기생성분을 나타내는 기생패치(80)를 놓았을 경우 이득이 더욱 증가되는데, 2.35GHz 대역에서 기생패치(80)의 크기는 25mm ×40mm가 좋으며, 접지면(50)과 기생패치(60)의 높이는 66mm가 적당하다.

이득을 더 높이기 위해 급전 회로망(feeding network)을 구성하여 한 개의 안테나를 여러 개 배열(array)할 수도 있으며, 실용성을 고려한 크기는 4개의 안테나를 배열하여 6dB의 이득을 증가시킬 수 있다.

이상에서와 같이, 본 고안에 따라 구성된 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나는 도체패치 위로 확장된 일정한 길이와 일정한 각도를 이루는 보조도선으로 인하여 종래의 마이크로 패치 안테나 보다 넓은 대역폭과 높은 이득을가진다.

또한, 한 개 안테나의 이득이 높기 때문에 상용화될 수 있는 적당한 크기로 배열시킬 때, 고이득을 가질 수 있어서 다른 안테나에 비해 이득을 고려한 경제성에서 가격 경쟁력이 우수하다.

본 고안은 상기에 기술된 실시 예에 국한되지 않고, 다음에 기술되는 특허 청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

Claims (2)

1. 유전체 기판상에 형성되고 일정 지점에 급전점이 형성된 도체패치와,

   상기 유전체 기판 아래쪽에 형성되고 급전용 구멍을 갖는 접지면과,

   상기 급전용 구멍을 통해 상기 접지면과 수직한 방향으로 상기 급전점까지 연장되는 급전선과,

   상기 급전점을 통해 상기 급전선과 연결되고 사용주파수의 파장에 따라 꺽인 각도, 꺽인 부분의 길이, 꺽인 횟수가 가변되도록 상기 도체패치상에 형성되는 보조도선을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   사용주파수 파장 또는 동작 주파수의 폭에 따라 크기 및 상기 도체패치로부터의 높이가 가변되도록 상기 도체패치 상부의 상기 보조도선 상측에 형성되는 도체 기생패치를 더 포함함을 특징으로 하는 보조도선을 추가한 마이크로스트립 패치 안테나.