KR20020005807A - 포토닉 밴드갭 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한능동 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토닉 밴드갭 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나에 관한 것이다. 신호를 증폭하는 증폭기와, 송신되는 신호와 수신되는 신호를 분리하는 듀플렉서와 포토닉 밴드갭 구조의 여파기와 개구면 안테나로 구성되고, 일측에 마이크로스트립 선로(11)를 구비하는 증폭기와 듀플렉서(12); 증폭기와 듀플렉서(12) 및 마이크로스트립 선로(11) 위에 유전체 기판이 적층되고, 그 위에 형성된 접지판(9)에 주기적으로 식각된 셀을 갖는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기(13); 및 접지판(9)의 일측에 형성된 개구면(7)과 그 위에 적층된 유전체 기판(6) 위에 형성된 마이크로스트립 패치(5)를 통해서 공기중으로 방사되는 개구면 안테나(14)로 구성된다. 따라서, 무선통신 송신단과 수신단의 증폭기와 듀플렉서와 여파기와 안테나를 단일 기판 위에 모듈로 구현해서 효율을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 능동(Active) 안테나에 관한 것으로써, 특히 무선통신을 위한 증폭기와 포토닉 밴드갭(Photonic BandGab:PBG) 구조의 여파기와 개구면(Aperture) 안테나를 결합한 능동 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 무선통신의 증가로 인해 무선통신 서비스의 질적인 향상과 소형화와 경량화 등이 요구되고 있다. 또한, 무선통신 시스템에서 사용되는 주파수도 점점 높은 주파수 대역으로 확장되고 있는 추세여서 보다 효율적이고 다양한 RF기술의 개발이 필수적이다.
도 1을 참조하면, 무선통신 시스템의 마지막 단에 속하는 송신단과 수신단은 증폭기(1)와 듀플렉서(2)와 여파기(3)와 안테나(4)로 구성된다. 신호를 증폭하는 증폭기(1)와 송신되는 신호와 수신되는 신호를 분리하기 위한 듀플렉서(2)와 증폭기(1)에서 발생하는 고조파 신호 성분을 제거하기 위한 여파기(3)와 증폭된 신호를 방사하는 안테나(4)를 단일 기판 위에 구성한다.
무선통신 시스템의 효율을 높이고 소형화와 경량화를 위해서는 단일 기판 위에 능동소자와 수동소자를 일체화하여 기기 자체를 하나의 모듈로 구현해야 하고, 모듈화 과정에서 가장 큰 핵심이 되는 것은 안테나와 증폭기의 결합인데, 기존에는 단일 기판 위에 구성이 용이한 마이크로스트립 패치 안테나가 많이 사용되었다. 그리고, 무선통신 서비스에서는 통신 시스템에 지대한 영향을 미치는 고조파 신호 성분의 억제에 대한 관심이 증가함에 따라 이를 효율적으로 제거할 수 있는 여파기(3)가 필요하다. 안테나와 증폭기 사이에는 증폭기에서 발생하는 고조파 신호 성분을 제거하는 방법으로 기준주파수(fundamental frequency)의 λ/4 파장의개방 또는 단락 스터브를 사용했다.
그러나, 고조파 신호 성분을 제거하는 방법으로 사용된 개방 또는 단락 스터브는 협대역이라는 단점이 있어서 광대역의 고조파 신호 성분을 제거하는데 적합하지 않다. 마이크로스트립 패치(Microstrip Patch) 안테나는 협대역이고 이득이 작으며, 마이크로스트립 패치 안테나를 통해서 방사되는 신호 성분이 증폭기에 영향을 미치거나 증폭기가 마이크로스트립 패치 안테나의 방사패턴에 영향을 미치는 상호간섭을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 광대역의 고조파 신호 성분을 효율적으로 제거하면서 단일 기판 위에 제작이 용이한 PBG 구조의 여파기를 사용하고, 마이크로스트립 패치 안테나보다 대역폭이 넓고 이득이 높고 안테나와 증폭기간의 상호 간섭을 최대한 줄일 수 있는 개구면(Aperture) 안테나를 사용한, 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나를 제공한다.
도 1은 종래의 무선통신 시스템의 송신단과 수신단의 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나.
도 3은 PBG 구조의 여파기를 설명하기 위한 사시도.
도 4는 개구면(Aperture) 안테나의 다층 구조를 설명한 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
5 : 마이크로스트립 패치 6 : 유전체 기판
7 : 개구면(Aperture) 8 : 식각된 셀들
9 : 접지판 10 : 유전체 기판
11 : 마이크로스트립 선로 12 : 증폭기와 듀플렉서
13 : PBG 구조의 여파기 14 : 개구면(Aperture) 안테나
PBG : 포토닉 밴드갭(Photonic BandGab)
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 신호를 증폭하는 증폭기와, 송신되는 신호와 수신되는 신호를 분리하기 위한 듀플렉서와 포토닉 밴드갭 구조의 여파기와 개구면 안테나로 구성되고, 일측에 마이크로스트립 선로(11)를 구비하는 증폭기와 듀플렉서(12); 상기 증폭기와 듀플렉서(12) 및 마이크로스트립 선로(11) 위에 유전체 기판이 적층되고, 그 위에 형성된 접지판(9)에 주기적으로 식각된 셀을 갖는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기(13); 및 상기 접지판(9)의 일측에 형성된 개구면(7)과 그 위에 적층된 유전체 기판(6) 위에 형성된 마이크로스트립 패치(5)를 통해서 공기중으로 방사되는 개구면(Aperture) 안테나(14)로 구성되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나를 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 포토닉 밴드갭(Photonic BandGab:PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나는 증폭기와 듀플렉서(12), PBG 구조의 여파기(13), 및 개구면(aperture) 안테나(14)로 구성된다.
상기 증폭기와 듀플렉서(12)에서 나온 신호는 접지판(Ground Plane)(9)의 마이크로스트립 선로(11)를 따라 안테나까지 진행한다.
상기 PBG 구조의 여파기(13)는 듀플렉서와 안테나 사이에 삽입하여 증폭 도중에 불필요하게 발생한 광대역의 고조파 신호 성분을 제거한다. 상기 PBG 구조의 여파기(13)는 마이크로스트립 선로(11)의 접지판(9)에 주기적으로 식각된 셀을 갖는 구조를 가지며 식각된 셀의 간격을 이용해서 저지대역의 중심주파수를 조절할 수 있고 식각된 셀의 크기를 이용해서 저지대역의 중심주파수의 대역폭을 조절할 수 있다. 간단한 식각과정만 거치면 되기 때문에 제작도 용이하다.
상기 개구면(Aperture) 안테나(14)는 다층 구조로 되어 있으며, 상기 PBG 구조의 여파기(13)를 통과하여 고조파 신호성분이 제거된 신호는 접지판(9)의개구면(7)과 마이크로스트립 패치(5)를 통해서 공기중으로 방사된다. 상기 개구면(Aperture) 안테나는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 대역폭이 넓고 이득이 클 뿐만 아니라 개구면(aperture) 안테나의 방사되는 부분인 마이크로스트립 패치 부분과 증폭단이 접지판을 사이에 두고 서로 반대편에 구성되어 있기 때문에 상호간섭을 일으킬 확률이 거의 없어서 좋은 성능을 기대할 수 있다.
기존의 회로 설계는 임피던스 정합을 위해서 50Ω으로 임피던스를 맞추어야 했고, 정합을 위해서 증폭기와 피드라인 간에 피드라인과 안테나 간에 임피던스 정합회로가 필요했다.
하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 단일 기판 위에 시스템을 일체화 하게되면, 시스템에 가장 알맞은 임피던스로 최적화시켜서 설계를 하면 되기 때문에 증폭기와 안테나 간에 별도의 정합회로가 필요없이 회로를 간단하게 제작할 수 있다.
▣ PBG 구조의 여파기
PBG(Photonic Bandgap)는 광학 주파수 영역에서 연구가 시작되고, 유전체나 크리스털 반도체 기판에 3차원의 주기적인 배열로 구성되었다. 도 3에 도시된 바와 같이, PBG구조는 특정 주파수 대역에 대해서 전자파의 진행을 저지하는 특성을 가지는 주기적인 구조이다. 이 이론은 광학 주파수 영역뿐만 아니라 마이크로파와 밀리미터파를 포함한 넓은 주파수 영역에 적용이 가능하다. 마이크로스트립 회로에서 많이 사용하고 있는 구조는 기판의 유전체에 결함을 준 PBG 구조와 그라운드 판(Ground plane)에 결함을 준 PBG 구조가 있다. 유전체에 결함을 준 PBG 구조는 기판에 주기적 패턴의 드릴링이 요구되어 제작이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 본 발명에서 채택한 PBG 구조의 여파기는 마이크로스트립 선로의 그라운드 판에 주기적으로 식각된 셀을 갖는 구조이다.
접지판(9)에 식각된 셀(8)의 간격을 이용해서 저지대역의 중심주파수를 조절할 수 있고 식각된 셀(8)의 크기를 이용해서 저지대역의 중심주파수의 대역폭을 조절할 수 있고 식각된 셀(8)의 수로 최대저지 대역의 깊이를 조절할 수 있다. 간단한 식각과정만 거치면 되기 때문에 제작도 용이하고 드릴링이 필요 없어서 회로의 집적화 기술(MMIC)에도 적합하고 유전체에 결함을 준 방법보다 넓고 깊은 대역 저지의 특성을 보여준다. 따라서, 광대역 하모닉 튜닝에 적합하고, 마이크로스트립 선로(11)의 접지판(9)에 식각된 셀들(8)을 일렬로 구성하면 되기 때문에 전력 증폭기나 마이크로스트립 패치 안테나 등의 여러 가지 다른 구조를 갖는 마이크로스트립 회로와 복합적으로 구성하는데 훨씬 효율적으로 사용될 수 있는 장점을 가지고 있다.
마이크로스트립 선로(11)와 접지판(9) 사이에서 진행하는 전자파는 필드가 넓게 퍼져 나가지 않고 선로 근처에 집중되어 진행한다. PBG 구조의 주기적 요소는 매질을 통과하는 전자파의 진행에 산란과 회절의 영향을 주게 되고, 전송선로의 물리적 특성을 변화시켜서 독특한 대역 저지 특성을 나타내게 된다. PBG 구조에서 저지대역의 중심 주파수는 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서,는 빛의 속도이고,는 주기적인 구조에서의 전파상수,는 자유공간의 전파상수이고,는 주기이다. 상기 접지판(9)에 식각된 셀들(8)은 전송선로의 물리적 특성을 변화시키기 때문에 주기적인 구조에서의 전파상수는 쉽게 결정할 수 없지만 일반적인 마이크로스트립 선로(11)에서의 전파상수를 적용하여 근사화된 값을 얻을 수 있다.
제작된 PBG 구조의 여파기(13)는 비유전율 2.5, 두께 0.8mm의 기판에 반지름 2.75mm, 주기 12.25mm이고, 선로 방향으로 5개의 주기적 식각된 셀을 두었을 경우, 측정된 결과치는 8.7GHz에서 최대 저지대역 깊이가 -28.69dB였고, 저지대역의 중심주파수가 8.4GHz이고 대역폭이 4.6GHz의 특성을 보여서 광대역의 하모닉 성분의 제거가 가능하다는 것을 알 수 있다.
▣ 개구면 안테나(Aperture Antenna)
기존의 마이크로스트립 패치 안테나는 low profile, 경량, 낮은 가격, 동일 특성의 다량 제작이 용이하고, 평면과 비평면에도 적합하며 간단하다. 현대 회로 프린트 기술을 사용한 제작으로 경제적이며, 단단한 표면에 mount 되면 기계적으로 강인해지고, 집적화가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한, 특별한 패치 모양과 모드가 선택되었을 때 이들은 공진 주파수(resonant frequency), 편광, 패턴과 임피던스에 의해 매우 유동적이다. 하지만, 단점으로는 낮은 이득과 효율, 전파 방사 성능 저하, spurios feed 방사, 매우 협소한 주파수 대역폭 등이 있다. 이러한 문제점의 개선 방안은 기판의 두께를 늘려서 이득을 높이거나 대역폭을 넓힐 수 있다. 안테나의 성능 향상을 위해서 두꺼운 기판을 사용하면 유전율을 사용하는 것이 효과적인데 공간으로의 방사에 대한 bound field의 완화 때문에 높은 이득과 넓은 대역폭을 갖게 된다. 그러나 같은 기판 위에 증폭기의 회로도 집적시켜야 하는 문제에 있어서 기판의 두께를 두껍게 할 수 없다. 얇은 기판을 사용하면 높은 유전율이 효율적인데 원치 않는 방사와 커플링을 최소화하고 bound field를 강화시키고 더 적은 크기로 만들 수 있지만 손실이 커지므로 효율이 나쁘고 대역폭이 작아진다는 문제가 있다.
상기 개구면(Aperture) 안테나(14)는 다층 구조로 구성이 되어있는데 마이크로스트립 패치 안테나의 장점은 그대로 살리면서 보다 넓은 대역폭과 높은 이득을 제공한다. 공통된 접지판(9)을 사용해서 분리된 기판들은 회로와 안테나 요소가 분리되어 있어서 상호간섭을 없앨 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 개구면(Aperture) 커플링은 접지판으로 분리된 두 개의 기판으로 구성된다. 위의 기판에는 사각형의 패치가 있고 아래 기판에는 마이크로스트립 피드 선로가 있고 두 기판 사이에는 접지판(9)으로 구성이 된다. 접지판(9)에는 일측에 개구면(aperture)이 형성되어 있는데 패치의 중심에 위치한다.
밑에 있는 기판에 마이크로스트립 피드 선로(11)의 에너지는 패치와 커플링되고 접지판의 슬롯을 통해 두 개의 기판으로 분리된다. 이러한 배치로 인해 feed mechanism과 방사 소자를 각각 독립적으로 최적화할 수 있다.
일반적으로, 낮은 유전율을 갖고 두꺼운 유전체의 기판(Dielectric Substrate)을 위에 사용해서 높은 효율과 넓은 대역폭을 갖게 하고, 높은 유전율의얇은 유전체를 밑의 기판에 사용해서 증폭기의 회로와 집적시킬 수 있다. 또한, 유전체 기판(Dielectric Substrate)사이에 있는 접지판(Ground Plane)은 방사 소자와 회로를 분리시키고 패턴 형태에 대한 spurious방사의 방해를 최소화시키며 편광 순도를 유지하는 역할을 한다.
이러한 설계 경우, 기판의 전기적 파라미터인 피드라인 폭, 슬롯의 크기, 위치 등을 설계 최적화에 이용할 수 있다. 전형적인 정합 방법은 피드라인 폭과 슬롯 길이를 조정함으로써 이루어진다. 또한, 공진주파수는 패치 크기를 조절하고 대역폭은 슬롯의 크기를 조절하여 설계할 수 있다.
슬롯을 통한 커플링은 슬롯은 전기장의 법선 성분(슬롯을 향하여)으로 설명되는 등가 수직 electric dipole과 자기장의 접선 성분(슬롯을 향하여)으로 설명되는 등가 수평 마그네틱 슬롯(magnetic dipole)로 나타낼 수 있다. 만일 슬롯이 패치의 중앙보다 아래 있다면 우세 모드에 대하여 전기장은 0인 반면 자기장은 최대가 되어 자기 커플링이 우세해질 것이다. 이렇게 하면 polarization purity가 좋아지고 cross-polarized 방사가 없어진다. 현재, 수요가 급증하고 있는 무선통신에서 소형화와 경량화는 필수적이므로 무선 통신 송신단과 수신단의 증폭기와 듀플렉서와 여파기와 안테나를 단일 기판 위에 모듈로 구현해서 효율을 높일 수 있다. 따라서, 이러한 무선통신 송·수신기 모듈은 PBG 구조의 여파기와 개구면 안테나를 이용해서 효과적으로 구성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면(Aperture) 안테나를 결합한 능동(Active) 안테나는 현재 수요가 급증하고 있는 무선통신에서 송·수신기 모듈은 소형화와 경량화는 필수적이며 송신단과 수신단의 증폭기와 듀플렉서와 여파기와 안테나를 단일 기판 위에 모듈로 구현해서 마이크로스트립 패치 안테나보다 대역폭이 넓고 이득이 높고 안테나와 증폭기간의 상호 간섭을 최대한 줄일 수 있으며 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (5)
- 신호를 증폭하는 증폭기와, 송신되는 신호와 수신되는 신호를 분리하기 위한 듀플렉서와 포토닉 밴드갭 구조의 여파기와 개구면 안테나로 구성되고, 일측에 마이크로스트립 선로(11)를 구비하는 증폭기와 듀플렉서(12);상기 증폭기와 듀플렉서(12) 및 마이크로스트립 선로(11) 위에 유전체 기판이 적층되고, 그 위에 형성된 접지판(9)에 주기적으로 식각된 셀을 갖는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기(13); 및상기 접지판(9)의 일측에 형성된 개구면(7)과 그 위에 적층된 유전체 기판(6) 위에 형성된 마이크로스트립 패치(5)를 통해서 공기중으로 방사되는 개구면(Aperture) 안테나(14)로 구성되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나.
- 제 1 항에 있어서,상기 개구면(Aperture) 안테나(14)는다층 구조로 구성이 되어있으며 마이크로스트립 패치 안테나 보다 넓은 대역폭과 높은 이득을 제공하며, 공통된 접지판(9)을 사용해서 분리된 유전체 기판(Dielectric Substrate)들(6, 10)은 회로와 안테나 요소가 분리되어 있어서 상호간섭을 없도록 하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나.
- 제 1 항에 있어서,무선통신 송신단과 수신단의 상기 증폭기와 듀플렉서(12)와, 상기 PBG 구조의 여파기(13)와, 및 상기 개구면(Aperture) 안테나(14)를 단일 기판 위에 한 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나.
- 제 1 항에 있어서,접지판(9)에 에칭된 셀(8)의 간격을 이용해서 저지대역의 중심주파수를 조절할 수 있고, 에칭된 셀의 크기를 이용해서 저지대역의 중심주파수의 대역폭을 조절할 수 있고, 식각된 셀들(8)의 수로 최대저지 대역의 깊이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나.
- 제 1 항에 있어서,상기 개구면(Aperture) 안테나(14)는 단일 기판 위에 시스템에 가장 알맞은 임피던스로 최적화시켜서 설계되어 증폭기와 안테나 간에 별도의 정합회로가 필요없이 회로가 구성되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭(PBG) 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한 능동 안테나.
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| KR1020000039224A KR20020005807A (ko) | 2000-07-10 | 2000-07-10 | 포토닉 밴드갭 구조의 여파기와 개구면 안테나를 결합한능동 안테나 |
Publications (1)
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| KR20020005807A true KR20020005807A (ko) | 2002-01-18 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100860742B1 (ko) * | 2007-01-25 | 2008-09-29 | 한양대학교 산학협력단 | 알에프아이디 태그 안테나 |
| KR20160034076A (ko) * | 2014-09-19 | 2016-03-29 | 엘지전자 주식회사 | 노이즈 저감 안테나 |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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