KR20020009686A - 에이치형 패치안테나 - Google Patents

에이치형 패치안테나 Download PDF

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KR20020009686A
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박현중
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Abstract

본 발명은 에이치형 패치안테나에 관한 것으로, 무선통신, 중계 및 위성수신에 사용되는 마이크로스트립 패치안테나에 있어서, 전파방사를 위한 패치와; 상기 패치에 급전하기 위한 급전선로와;임피던스 정합 주파수대를 확장 또는 패치의 크기를 축소하기 위한 유전체와; 상기 패치의 하부에 구비된 급전선로용 기판과; 상기 기판을 지지하기 위한 지지수단과; 외부시스템과 연결하기 위한 커넥터와; 를 포함하여 이루어진 구조로서, 안테나 개구의 전류분포와 C커플링을 조정하여 공진주파수를 조정할 수 있어 종래의 패치안테나보다 작게하면서도 우수한 효율과 임피던스 정합을 구현하고, H모양 패치의 중앙소자의 폭을 변화시켜 사용주파수 대역폭을 조정할 수 있으며, 사용대역폭에 따른 제작이 가능하다. 또한, 이미 설계되거나 제작된 안테나의 경우, H모양의 연장부의 길이를 변화시켜 다른 용도의 주파수에 정합시켜 사용하는데 종래보다 매우 용이하게 재활용할 수 있어 매우 경제적이며, 개발비를 절감할 수 있는 등의 효과가 있도록 한 것이다.

Description

에이치형 패치안테나{H Type Patch Antenna}
본 발명은 통신용, 중계용 및 위성수신용등의 마이크로 스트립의 에이치형(H형, 이하 "H"라 칭함) 패치안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일규격 및 동일한 유전체 조건에서 협소한 공간에서도 공진할 수 있도록 한 패치안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로 스트립 패치안테나는 가볍고, 공간을 적게 차지하는 평면형의 구조를 가지고, 공간내에서 가장 큰 이득과 지향성을 보유할 수 있는 것으로서, 각종 이동체 및 벽면 부착형과 휴대용 및 장치 일체형의 통신 및 중계용 안테나등 그 활용범위가 광범위하다. 그러나 기존의 패치안테나는 원형 또는 직사각형으로 형성되어 사용하고자 하는 주파수에 맞추어 설계할 경우, 동등한 조건에서 자유로이 규격을 가변하기 불가능하여 이득과 지향성 성능을 제약받게 되며, 주어진 규격이 설계조건 이하로 되는 경우에는 설계가 불가능하고, 이미 제작된 경우에도 주파수 변경을 하는 경우에는 매우 까다로운 문제점이 있었다.
단일모드의 편파와 주어진 단면적에 대한 효율을 유지하며, 패치안테나의 크기를 가변하기 위해서는 접지면과 패치사이에 유전체를 유전율이 크거나 또는 작은 매질로 가변해야 하는데, 이 전파용 유전체는 각자 고유한 유전율을 가지며, 현재 지구상의 재료의 한계로 다양하고 용이하게 변경할 수 없는 단점이 있다. 고유전율의 세라믹 유전체를 사용하는 방법은 원재료의 가격과 가공비가 상대적으로 비교될 수 없는 정도의 고가이면서도 기술적으로 다양한 교체가 용이하지 못한 문제점이 있었다.
도 1은 종래의 패치안테나를 나타낸 사시도로서, 직사각형의 패턴을 이루는 패치안테나를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 유전체의 마이크로스트립 기판(10)과, 이 기판(10)의 상부면에 형성된 패치(20)와, 기판(10)의 일측에 구비된 커넥터(30)로 구성되어 있다.
상기 패치(20)는 직사각형으로 형성되어 있다.
또한, 종래의 다른 형태의 패치안테나로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립기판(40)과, 이 기판(40)의 상부면에 형성된 패치(50)와, 기판(40)의 일측에 구비된 커넥터(60)로 구성되어 있다. 상기 패치(50)는 원형으로 형성되어 있다.
이러한 구성을 가지는 종래의 패치안테나는 길이방향의 규격이 유전체의 유전율과 함께 공진주파수를 결정하는 요소이다. 단일편파를 가지며, 일방향 지향성을 가지는 사각패치(20)의 공진모드는 TM01모드이며, 그 공진주파수를 구하는 식은 다음과 같다.
f=2π2cε1/2/a2
여기서, f는 공진주파수, ε은 유전체의 유전율, a는 길이방향의 길이, c는 광속이다.
위 수학식 1에서 보는바와 같이, 길이방향의 길이는 공진주파수를 규정한다.
그런데, 종래의 사각패치(20)인 경우에는 공간의 제약을 받는 경우, 길이방향의 길이(a)를 가변하고자 하면, 공진주파수가 변경되어야 하므로 길이방향 길이(a)를 줄이거나 확장하는 것이 용이하지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 상기 원형 패치(50)인 경우에는 원편파의 전파를 사용할때 주로 이용하며, 직경에 따라 공진주파수가 정해지는데, 원형패치를 이루기 위해서는 주어진공간의 폭방향의 규격에도 제약을 받으므로 사각패치보다도 공간의 제약을 더 받을 수 밖에 없었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 주어진 공간의 크기내에서 최대의 이득 또는 지향성 성능을 구현하기 위해 패치의 제작가능한 공간 보다 작은 공간에서 동일한 규격 및 동일한 유전체 조건에서 설계 및 제작이 가능한 H형 패치안테나를 제공함에 발명의 목적이 있다.
또한, 본 발명은 공진주파수와 대역폭을 조정하여 원하는 주파수와 대역폭에 임피던스 정합을 하게 하는 패치안테나를 제공함에 다른 목적이 있다.
도 1은 종래의 사각패치안테나를 나타낸 사시도
도 2는 종래의 원형패치안테나를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명에 따른 에이치형 패치안테나를 나타낸 사시도
도 4는 도 3의 측면도
도 5는 도 3의 다른 측면도
도 6은 도 3의 평면도
도 7은 본 발명의 에이치형 패치에서의 단면전류 분포도
도 8은 본 발명에 따른 에이치형 패치안테나의 임피던스 정합을 더욱 광대역으로 하고, 사이드로브 특성을 더욱 개선하기 위해 측면을 봉쇄한 캐비티백 에이치형 안테나의 사시도
도 9는 본 발명에 따른 에이치형 패치안테나를 1차원으로 배열한 상태의 도면
도 10은 본 발명에 따른 에이치형 패치안테나를 2차원으로 배열한 상태의 도면
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
100 : 패치
101 : 중앙부
102 : 연장부
120 : 유전체
130 : 기판
140 : 지지수단
141 : 보울트
142 : 너트
150 : 커넥터
160 : 봉쇄부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무선통신, 중계 및 위성수신에 사용되는 마이크로스트립 패치안테나에 있어서,
전파방사를 위한 패치와;
상기 패치에 급전하기 위한 급전선로와;
임피던스 정합 주파수대를 확장 또는 패치의 크기를 축소하기 위한 유전체와;
상기 패치의 하부에 구비된 급전선로용 기판과;
이 기판을 지지하기 위한 유전체 지지수단과;
외부시스템과 연결하기 위한 커넥터와; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 패치의 형태는 H형으로 형성된 구조이다.
상기 패치의 중앙부를 기준으로 양측에 연장부가 각각 형성되어 있는 구조이다.
또한, 상기 지지수단은 보울트 및 너트를 이용하여 체결된 구조이다.
상기 보울트 및 너트외에도 나사 또는 핀 및 지지봉으로 체결할 수 있도록 된 구조이다.
또한, 상기 커넥터는 도전성을 가지면서 나사로 구성되어 있다.
상기 커넥터는 나사외에 핀,봉으로 구성할 수 있도록 되어 있다.
상기 패치안테나의 둘레를 봉쇄한 봉쇄부를 형성할 수 있는 구조이다.
또한, 상기 봉쇄부는 일부둘레만을 봉쇄할 수 있는 구조이다.
상기 패치와 급전선로 사이의 높이와 위치를 조절하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 구조이다.
또한, 상기 패치와 급전선로사이의 유전체를 교체하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 구조이다.
상기 패치와 급전선로를 교체하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 구조이다.
상기 패치의 폭과 길이 또는 패치간의 간격을 변경하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 구조이다.
상기 패치의 단부에 가변 또는 고정용량의 캐패시터를 삽입하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 구조이다.
또한, 상기 패치의 단부에 길이가변형 도체를 부착하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 구조이다.
또한, 상기 패치의 전면 또는 측면에 유전체를 부착 또는 위치시켜 임피던스 정합과 공진주파수를 조정 또는 패치의 크기를 축소할 수 있도록 된 구조이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 H형 패치안테나를 나타낸 사시도이다. 도시된 바와 같이, 무선통신, 중계 및 위성수신에 사용되는 마이크로스트립 패치안테나에 있어서,
전파방사를 위한 패치(100)와;
상기 패치에 급전하기 위한 급전선로(110)와;
임피던스 정합 주파수대를 확장 또는 패치의 크기를 축소하기 위한 유전체(120)와;
상기 패치(100)의 하부에 구비된 급전선로용 기판(130)과;
상기 기판(130)을 지지하기 위한 지지수단(140)과;
외부시스템과 연결하기 위한 커넥터(150)와;를 포함하여 이루어진 구조이다.
상기 패치(100)는 H형으로 형성되어 있는데, 패치(100)의 중앙부(101)를 기준으로 양측에 연장부(102)가 각각 형성되어 있다.
또한, 지지수단(140)은 도 4에 도시된 바와 같이, 보울트(141) 및 너트(142)를 이용하여 체결된 구조이다. 이 보울트 및 너트외에도 나사 또는 핀 및 지지봉등과 같이 체결할 수 있는 모든 구성요소를 포함한다.
또한, 상기 커넥터(150)도 도전성을 가지는 것으로서, 나사등을 채용하여 사용할 수 있고, 이외에도 상기 지지수단(140)과 같이 모든 체결가능한 관용수단을 포함한다.
또한, 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이, 패치안테나의 둘레를 봉쇄한 봉쇄부(160)를 형성할 수 있다. 상기 봉쇄부(160)는 모든 둘레를 따라 형성하였지만, 일부만을 봉쇄할 수 있다. 이렇게 하므로써 패치와 임피던스 정합을 더욱 광대역으로 하고, 사이드로브특성을 더욱 개선할 수 있으며, 소자의 크기를 단축시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 따른 H형 패치(100)와 급전선로(110)사이의 높이와 위치를 조절하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있다.
또한, H형 패치(100)와 급전선로(110)사이의 유전체(120)를 교체하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있다.
또한, H형 패치(100)와 급전선로(110)를 교체하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있다.
또한, H형 패치(100)의 폭과 길이 또는 H형 패치(100)간의 간격을 교체하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있다.
또한, H형 패치(100)의 단부에 가변 또는 고정용량의 캐패시터를 삽입하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있다.
또한, H형 패치(100)의 단부에 길이 가변도체를 부착하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있다.
또한, 패치(100)의 전면 또는 측면에 유전체를 부착 또는 위치시켜 임피던스 정합과 공진주파수를 조정 또는 패치의 크기를 축소할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 H형 패치(100)를 형성하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 전류분포를 측면방향으로 유도하여 공진주파수를 낮추고, 양방향으로 유도하므로써 불필요한 직교편파를 상쇄할 수 있다.
또한, H형 패치(100)의 양극단의 연장부(102)의 끝단부에 길이가변 도체봉을 부착하여 공진주파수를 가변하는 안테나로 사용할 수 있고, 또는 양극단의 연장부(102)의 끝단부를 끊어 그 사이에 캐패시터를 부착하여 공진주파수 가변형 안테나로의 변경이 용이하다.
또한, 상기 지지수단(140)을 도전체로 사용하여 C커플링을 유도하거나 또는 하단의 기판(130)으로부터 또는 상부에 위치하고 있는 유전체(120)로부터 서로 마주보는 위치로 도전체의 지지수단을 삽입하여 상기 지지수단(140)과 같이 C커플링을 유도할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 유전체(120)와 하부의 기판(130)사이의 측면을 도체판으로 전체 또는 일부를 봉쇄한 봉쇄부(160)를 형성하여 LC커플링을 유도하여 광대역의 임피던스 정합이 되게 하는데에도 적합하다.
또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 1차원 또는 2차원 배열을 할때에도 단일 패치안테나를 축소하여 주변 소자간의 상호 영향을 최소화한 배열의 안테나를 구현할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 안테나 개구의 전류분포와 C커플링을 조정하여 공진주파수를 조정할 수 있어 종래의 패치안테나보다 작게하면서도 우수한 효율과 임피던스 정합을 구현하고, H모양 패치의 중앙소자의 폭을 변화시켜 사용주파수 대역폭을 조정할 수 있으며, 사용대역폭에 따른 제작이 가능하다. 또한, 이미 설계되거나 제작된 안테나의 경우, H모양의 연장부의 길이를 변화시켜 다른 용도의 주파수에 정합시켜 사용하는데 종래보다 매우 용이하게 재활용할 수 있어 매우 경제적이며, 개발비를 절감할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 무선통신, 중계 및 위성수신에 사용되는 마이크로스트립 패치안테나에 있어서,
    전파방사를 위한 패치와;
    상기 패치에 급전하기 위한 급전선로와;
    임피던스 정합 주파수대를 확장 또는 패치의 크기를 축소하기 위한 유전체와;
    상기 패치의 하부에 구비된 급전선로용 기판과;
    상기 기판을 지지하기 위한 지지수단과;
    외부시스템과 연결하기 위한 커넥터와;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 패치는 H형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 패치의 중앙부를 기준으로 양측에 연장부가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지지수단은 보울트 및 너트를 이용하여 체결된 구조인 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 보울트 및 너트외에도 나사 또는 핀 및 지지봉으로 체결할 수 있는 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 커넥터는 도전성을 가지면서 나사로 구성된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 커넥터는 나사외에 핀,봉으로 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 패치안테나의 둘레를 봉쇄한 봉쇄부를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 봉쇄부는 일부둘레만을 봉쇄하는 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 패치와 급전선로 사이의 높이와 위치를 조절하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 패치와 급전선로사이의 유전체를 교체하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 패치와 급전선로를 교체하여 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 패치의 폭과 길이 또는 패치간의 간격을 변경하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 패치의 단부에 가변 또는 고정용량의 캐패시터를 삽입하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 패치의 단부에 길이가변형 도체를 부착하므로써 임피던스 정합과 공진주파수를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 패치의 전면 또는 측면에 유전체를 부착 또는 위치시켜 임피던스 정합과 공진주파수를 조정 또는 패치의 크기를 축소할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 에이치형 패치안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100415568B1 (ko) * 2001-10-31 2004-01-24 삼성전기주식회사 셀룰러 ｇｐｓ 제조에 있어서 ｃｄｍａ 고정방법 및 고정어셈블리
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