KR20020019709A - 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나 - Google Patents

전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나 Download PDF

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KR20020019709A
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김동철
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민경식
김동철
아라이 히로유키
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Abstract

본 발명은 직선편파 안테나에 관한 것으로서 특히, 위성통신에 사용할 수 있는 직선편파(linear polarization wave)의 수직 수평 편파를 동시에 수신할 수 있는 전자기결합 다이폴(electromagnetic coupled dipole)을 이용한 직선편파 안테나에 관한 것으로서, 기판(10)과; 상기 기판(10) 위에 어레이 소자로 형성되며, 급전점(21a)을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수직편파용 마이크로스트립라인(21)과; 상기 기판(10) 위에 형성되며, 급전점(22a)을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수평편파용 마이크로스트립라인(22)과; 상기 수직편파용 마이크로스트립라인(21) 위에 상기 마이크로스트립라인(21)에 대하여 수평으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 수직편파용 다이폴(30)과; 상기 수평편파용 마이크로스트립라인(22) 위에 상기 마이크로스트립라인(22)에 대하여 수직으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 수평편파용 다이폴(40)로 구성되어, 소자 어레이와 급전구조가 간단하고, 마이크로스트립선로 위의 다이폴의 배치에 따라 수직 수평의 직선편파를 만들어 낼 수 있으며, 소형 경량화가 가능하고, 소자간의 간격을 조절함으로써 어레이 안테나의 지향각을 임의의 방향으로 조절할 수 있는 것이다.

Description

전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나 {linear polarization antenna using electromagnetic coupled dipole}
본 발명은 직선편파 안테나에 관한 것으로서 특히, 위성통신에 사용할 수 있는 직선편파(linear polarization wave)의 수직 수평 편파를 동시에 수신할 수 있는 전자기결합 다이폴(electromagnetic coupled dipole)을 이용한 직선편파 안테나에 관한 것으로서, 소자 어레이와 급전구조가 간단하고, 마이크로스트립선로 위의 다이폴의 배치에 따라 수직 수평의 직선편파를 만들어 낼 수 있으며, 소형 경량화가 가능하고, 어레이로 확장하여 소자간의 간격을 조절함으로써 안테나의 지향각을 임의의 방향으로 조절할 수 있는 것이다.
현재 통신위성(CS: Communication Satellite)을 이용한 다양한 통신서비스가 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.
그러나 아직 대부분의 통신위성 수신용 안테나는 리플렉터(파라볼릭) 안테나를 사용하고 있다.
이러한 리플렉터 안테나는 고주파에서의 수신 특성이 우수하나, 반면 눈, 비, 바람 등의 기상현상에 의하여 영향을 많이 받으며 좁은 빔 각으로 인한 통신의 어려움 등이 단점으로 지적되고 있다.
상기와 같은 리플렉터 안테나의 대안으로서는 마이크로스트립이나 트리플레이트를 이용한 평면안테나가 연구되어 왔다.
상기 평면안테나의 구성은 방사소자(Radiating Element), 급전 망(Feeding Network), 그리고 빔 스티어링 기능과 같은 고성능 기능 구현을 위한 능동소자회로 등으로 구성된다. 방사소자는 4각형, 원형, 타원형 등에 의한 배열 형태가 일반적이며 도파관 슬롯에 의한 배열 형태가 활용되기도 한다.
급전방법은 동축 혹은 마이크로 스트립 급전방법과 슬롯과 패치의 전자기적인 결합에 의한 급전방법 등이 사용된다. 급전방법은 원하는 편파의 특성과 배열의 형태에 따라서 직선편파(수직 및 수평편파)와 원형편파, 타원편파 및 기울어진 직선편파가 가능하다.
그러나 상기와 같은 평면안테나도 주파수가 높아질수록, 그리고 이득이 높아질수록 동손(銅損)에 의한 효율저하가 문제가 되며, 또한 이들 회로를 이용한 안테나를 10 GHz 대역 이상에서 사용할 경우에는 효율이 감소하는 단점이 있다.
본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 위성통신에 사용할 수 있는 직선편파(linear polarization wave)의 수직 수평 편파를 수신할 수 있는 것으로서, 전자기결합 다이폴(electromagnetic coupled dipole)을 이용한 직선편파 안테나를 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 다른 목적으로서, 위성통신에 사용할 수 있는 직선편파(linear polarization wave)의 수직 수평 편파를 동시에 수신할 수 있는 것으로서, 소자 어레이와 급전구조가 간단하고, 마이크로스트립선로 위의 다이폴의배치에 따라 수직 수평의 직선편파를 만들어 낼 수 있으며, 소형 경량화가 가능하고, 소자간의 간격을 조절함으로써 어레이 안테나의 지향각을 임의의 방향으로 조절할 수 있는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 어레이 안테나를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명은 기판과; 급전을 위하여 상기 기판 위에 형성되는 마이크로스트립라인과; 상기 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인과 수평으로 형성되는 수직편파용 다이폴과; 상기 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인과 수직으로 형성되는 수평편파용 다이폴로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나를 구성함으로써 달성된다.
또한 본 발명의 다른 관점으로서, 기판과; 상기 기판위에 형성되며, 급전점을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수평편파용 마이크로스트립라인과; 상기 기판위에 형성되며, 급전점을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수직편파용 마이크로스트립라인과; 상기 수평편파용 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인에 대하여 수직으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 다이폴과; 상기 수직편파용 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인에 대하여 수평으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 다이폴로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 어레이 안테나를 구성함으로써 달성된다.
도 1a는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수직
편파를 수신하기 위한 안테나를 나타내는 평면도,
도 1b는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수직
편파를 수신하기 위한 안테나를 나타내는 측면도,
도 2a는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수평
편파를 수신하기 위한 안테나를 나타내는 평면도,
도 2b는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수평
편파를 수신하기 위한 안테나를 나타내는 측면도,
도 3은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수직
편파를 수신하기 위한 안테나 소자를 어레이로 확장시킨 구조를 나타
내는 사시도,
도 4는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수평
편파를 수신하기 위한 안테나 소자를 어레이로 확장시킨 구조를 나타
내는 사시도,
도 5는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 어레이로
확장한 실시예를 나타내는 사시도,
도 6은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 구조의
일례와 지향성 패턴을 위한 좌표계를 나타내는 사시도,
도 7은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의
FDTD법으로 시뮬레이션 한 주파수 특성을 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의
소자수의 변화에 따른 이론적 지향특성을 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 어레이시
소자간의 간격변화에 따른 지향특성을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 어레이시
소자수가 20개인 어레이 안테나의 이론치와 측정치를 비교한 주파수
특성 그래프,
도 11은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나 소자의 20
어레이시 주파수 12 GHz에서의 X-Z면의 지향성에 대한 이론치와 측
정치를 비교한 방사패턴을 나타내는 도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 마이크로스트립라인
30 : 수직편파용 다이폴 40 : 수평편파용 다이폴
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수직편파를 수신하기 위한 안테나를 나타내는 평면도와 측면도로서, 기판(10)과; 급전을 위하여 상기 기판 위에 형성되는 마이크로스트립라인(20)과; 상기 마이크로스트립라인(20) 위에 상기 마이크로스트립라인(20)과 수평으로 형성되는 수직편파용 다이폴(30)로 구성된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수평편파를 수신하기 위한 안테나를 나타내는 평면도와 측면도로서, 기판(10)과; 급전을 위하여 상기 기판 위에 형성되는 마이크로스트립라인(20)과; 상기 마이크로스트립라인(20) 위에 상기 마이크로스트립라인(20)과 수직으로 형성되는 수평편파용 다이폴(40)로 구성되는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.
상기 도 1a 내지 2b의 DL은 다이폴의 길이(dipole length), DH는 다이폴은 두께(dipole height), DW는 다이폴의 폭(dipole width)을 나타낸다.
경우에 따라서는 상기 수직편파용 다이폴(30)과 수평편파용 다이폴(40)을 함께 구성함으로써, 수직편파와 수평편파를 동시에 수신하도록 할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 수직편파를 수신하기 위한 안테나를 어레이로 확장시킨 구조를 나타내는 도이고, 도 4는 수평편파를 수신하기 위한 안테나를 어레이로 확장시킨 구조를 나타내는 도로서, 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나는 기판(10)과, 마이크로스트립라인(20) 위에 다이폴(30, 40)을 어레이로 확장하고, 상기 다이폴 간의 간격을 조정함으로써, 수신 빔의 지향각을 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 안테나에서는 각 다이폴(30, 40)의 중심과 급전을 위한 마이크로스트립의 중심은 일직선으로 형성하지 않고, 일정 오프셋(offset)을 둠으로써, 소자(다이폴)의 동작 특성을 향상시키고, 각 소자간의 커플링을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 어레이로 확장한 실시예를 나타내는 사시도로서, 기판(10)과; 상기 기판(10) 위에 형성되며, 급전점(21a)을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수직편파용 마이크로스트립라인(21)과; 상기 기판(10) 위에 형성되며, 급전점(22a)을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수평편파용 마이크로스트립라인(22)과; 상기 수직편파용 마이크로스트립라인(21) 위에 상기 마이크로스트립라인(21)에 대하여 수평으로 형성되며, 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 수직편파용 다이폴(30)과; 상기 수평편파용 마이크로스트립라인(22) 위에 상기 마이크로스트립라인(22)에 대하여 수직으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 수평편파용 다이폴(40)로 구성된다.
상기 급전점은 안테나의 종단 끝 부분에서 1/4λ의 간격으로 급전하도록 한다. 즉, 급전부의 구조가 양쪽 가장자리에 형성됨을 그 기술상의 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 안테나에 대한 해석은 FDTD법을 이용하였으며, 이하 수치해석에의한 시뮬레이션을 통하여 얻은 설계파라미터 또한 제시한다.
안테나의 설계
1. 단일복사소자 설계
도 6은 본 발명의 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나의 구조의 일례와 지향성 패턴을 위한 좌표계를 나타내고 있다.
급전을 위한 마이크로스트립라인(20)과 전자기결합 다이폴(40)로 구성된 이 안테나는 구조적으로 수평편파를 발생한다.
일반적으로 전자기결합 다이폴을 이용한 안테나는 다이폴과 급전선로와의 각도차이에 의해 쉽게 수직·수평편파를 얻을 수 있으며, 본 발명에서는 수직편파에 대한 설계법을 기초로 하여 수평 편파에 대한 설계를 행하였다.
설계를 위한 파라미터로는 다이폴의 길이(D l ), 다이폴의 폭(D w ), 다이폴의 두께(D h ), 급전선로와 다이폴 중심까지의 오프셋(Offset:D o )과, 다이폴 간의 간격(D d )등이 있다.
제작상의 편의를 위해 급전을 위한 마이크로스트립라인(20)의 기판과 다이폴(40)에 사용된 기판은 같은 종류를 사용하였다. 설계에는 일반적으로 사용되는 테프론 기판을 고려하였으며, 급전을 위한 마이크로스트립라인의 임피던스는 50으로 하였다.
다이폴의 길이(D l )는 안테나의 설계주파수에 의해 결정되는데, 본 발명에서는 위성방송 및 통신을 위한 주파수로 12 GHz를 선택하여 실시하였다.
소자간의 결합특성을 고려하지 않은 다이폴 소자의 공진 길이는 다음 식에 의해 간단히 구할 수 있다.
따라서 설계주파수 12 GHz를 상기 수학식 1에 대입하면 다이폴의 길이는 약 9.31 mm를 얻을 수 있다.
상기 수학식 1을 통하여 얻은 수치를 이용하여 수많은 시뮬레이션 해 본 결과 설계주파수 12 GHz에 대한 수직편파용 안테나 소자의 최적의 공진 길이를 구할 수 있었다.
그러나 수평편파의 경우 선로와 다이폴 상호간의 커플링(coupling)이 수직편파에 비해 강하게 일어나므로, 수평편파 다이폴의 공진 길이는 수직편파 다이폴의 길이에 비해 다소 작은 길이가 최적의 공진 길이가 됨을 수많은 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다.
FDTD법을 이용하여 수치해석하기 위한 각각의 셀 크기는 다이폴의 두께, 다이폴의 길이, 마이크로스트립선로 폭과 다이폴의 폭을 고려하여 충분히 작은 미세의 크기를 정하여 시뮬레이션을 실행하였다.
도 7은 적정의 파라미터를 토대로 하여 다이폴 소자 하나에 대해서 FDTD법으로 시뮬레이션 한 주파수 특성을 나타내고 있는데, 상기 도에서 도시하듯이, 설계주파수 12 GHz에서 공진 하고 있음을 알 수 있다.
또한, 다이폴을 통하여 공간으로 복사되는 전력의 양은 다이폴과 선로사이의 오프셋에 의하여 조정이 가능하다는 것을 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있다.
2. 어레이 설계
소자수의 증가에 따라 복사전력은 증가함을 알 수가 있으며 소자수가 20개인 어레이안테나의 경우 반사손실은 약 -20 dB로서, 이론적으로 만족할 만한 반사손실특성을 보이고 있다. 공간으로 복사되는 복사전력(Radiation Power)의 양은 다음 식에 의해 간단히 구할 수 있다.
하기의 표 1은 FDTD 시뮬레이션에 의해 계산된 다이폴 수에 따른 주파수 특성 및 복사전력을 나타내고 있다.
소자(다이폴)의 수 S11 S21 복사전력
5 -17.805 dB -0.735 dB 13.92 %
10 -23.233 dB -2.858 dB 47.75 %
20 -20.886 dB -6.056 dB 74.39 %
도 8은 적정의 설계 파라미터를 가지고 행한 12 GHz에서 소자(다이폴)의 수의 변화에 따른 X-Z면의 이론적 지향특성을 나타내고 있다. 소자의 수가 5개, 10개, 20개로 늘어남에 따라 주 빔(beam)의 지향각은 40°를 지향하고 있음을 알 수 있다.
설계시 주 빔의 지향각을 제어하는 가장 중요한 파라미터는 소자와 소자 사이의 간격이다. 소자수가 늘어남에 따라 소자간의 결합이 점점 강해져서 지향각이 변함을 도 8의 결과로부터 알 수 있다.
도 9는 12 GHz에서 어레이시 소자간의 간격(D d )변화에 대한 X-Z면의 이론적 지향특성을 나타내고 있다. 소자간의 간격이 6 mm, 6.8 mm, 7.4 mm 일 때의 특성을 비교한 것으로, 소자간격이 6 mm보다 커질수록 주 빔의 방향은 40°에서 다이폴의 정면 방향(0°)쪽으로 틸트되는 것을 알 수 있다.
이미 수직편파 안테나의 설계시 확인한 것과 마찬가지로 수평편파 안테나에서도 어레이시에 소자간의 간격을 조정함으로써 안테나의 주 빔이 지향하는 각도를 얼마든지 우리가 원하는 방향으로 틸트시킬 수 있음을 알 수 있는 것이다.
측정결과
도 10은 소자수가 20개인 어레이 안테나의 이론치와 측정치를 비교한 그림이다. 반사계수의 경우 약간의 차이를 보이긴 하지만, 11 GHz ∼ 13 GHz 전 대역에 걸쳐 -15 dB이하에서 발생하는 오차이므로 무시할 수 있을 정도이며, 특히, 설계주파수 12 GHz에서는 이론치(S11= -20.212 dB, S21= -6.037 dB)와 측정치(S11= -20.082 dB, S21= -4.523 dB)가 잘 일치함을 알 수 있다. 측정치의 경우 12 GHz에서 63.73%의 복사전력이 공간으로 방사됨을 알 수 있다.
도 11은 설계주파수 12 GHz에서 본 발명의 어레이 안테나의 X-Z면의 지향성에 대한 이론치와 측정치를 비교한 도이다.
소자간격이 6 mm일 때 주 빔의 지향각은 다이폴의 정면방향(0°)을 기준으로 약 40°기울어져 있으며 이론치와 측정치가 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 주 빔의 각도는, 상기한 바와 같이, 소자간의 간격에 의존하는 것으로 소자간격의 조정에 의해 얼마든지 주 빔의 각도 변화는 가능하다.
이상과 같은 본 발명은 위성통신에 사용할 수 있는 직선편파(linear polarization wave)의 수직 수평 편파를 동시에 수신할 수 있는 것으로서, 소자 어레이와 급전구조가 간단하고, 마이크로스트립선로 위의 다이폴의 배치에 따라 수직 수평의 직선편파를 만들어 낼 수 있으며, 소형 경량화가 가능하고, 소자간의 간격을 조절함으로써 어레이 안테나의 지향각을 임의의 방향으로 조절할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (9)

  1. 기판과;
    급전을 위하여 상기 기판 위에 형성되는 마이크로스트립라인과;
    상기 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인과 수평으로 형성되는 수직편파용 다이폴로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나.
  2. 기판과;
    급전을 위하여 상기 기판 위에 형성되는 마이크로스트립라인과;
    상기 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인과 수직으로 형성되는 수평편파용 다이폴로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나.
  3. 기판과;
    급전을 위하여 상기 기판 위에 형성되는 마이크로스트립라인과;
    상기 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인과 수평으로 형성되는 수직편파용 다이폴과;
    상기 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인과 수직으로 형성되는 수평편파용 다이폴로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나.
  4. 제 1항, 2항, 및 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이폴의 중심은 상기 마이크로스트립라인의 중심과 일정 오프셋을 두고 형성됨을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나.
  5. 제 1항, 2항, 및 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이폴은 하나 이상으로 확장 가능함을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 다이폴들은 일렬로 형성되지 않고 각 다이폴들 사이에 오프셋이 있도록 형성됨을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 안테나.
  7. 기판과;
    상기 기판위에 형성되며, 급전점을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수평편파용 마이크로스트립라인과;
    상기 기판위에 형성되며, 급전점을 가지는 서로 연결된 다수의 열로 구성된 수직편파용 마이크로스트립라인과;
    상기 수평편파용 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인에 대하여 수직으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 수평편파용 다이폴과;
    상기 수직편파용 마이크로스트립라인 위에 상기 마이크로스트립라인에 대하여 수평으로 형성되며 서로 일정 간격을 가지는 다수개의 수직편파용 다이폴로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 어레이 안테나.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 다수개의 다이폴의 각각의 중심은 상기 마이크로스트립라인의 중심과 일정 오프셋을 두고 형성됨을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 어레이 안테나.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 급전점은 안테나의 종단 끝 부분에서 1/4λ의 간격으로 급전하는 것을 특징으로 하는 전자기결합 다이폴을 이용한 직선편파 어레이 안테나.
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