KR20020054085A - 광대역 마이크로스트립 안테나 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로스트립 형태의 PCS 및 IMT-2000 서비스용 기지국 안테나에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, PCS와 IMT-2000 서비스에서 요구되는 주파수 대역을 모두 만족하며 단일 안테나를 배열 안테나로 확장할 시에 발생하는 커플링에 의한 반사 손실 특성을 개선한 평판형 마이크로스트립 안테나 구조에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 방사 소자 간 커플링에 의하여 발생하는 반사 손실 특성의 변화를 줄이기 위하여 커플링 슬랏 사이에 갭을 두어 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성을 개선하여, 전압 정재파비 1.3이하(반사 손실 -17dB이하)에서 대역폭이 600MHz(1.7GHz에서 2.3GHz)로 PCS와 IMT-2000서비스 겸용으로 사용이 가능하며, 제작비, 설치비 등의 중복 투자의 감소와 도심지역 등에서 발생할 수 있는 안테나들의 난립에 따른 환경미화의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

광대역 마이크로스트립 안테나 구조 {Microstrip Antenna Structure}

본 발명은 마이크로스트립 형태의 PCS 및 IMT-2000 서비스용 기지국 안테나에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, PCS와 IMT-2000 서비스에서 요구되는 주파수 대역을 모두 만족하며 단일 안테나를 배열 안테나로 확장할 시에 발생하는 커플링에 의한 반사 손실 특성을 개선한 평판형 광대역 마이크로스트립 안테나 구조에 관한 것이다.

최근 들어, 무선 통신 기술의 급속한 발전으로 셀룰러 이동 통신, PCS, 위성 이동 통신, 등 각종 분야에 다양한 서비스 제공이 가능하게 되었고, 차세대 이동 통신 시스템인 IMT-2000 서비스의 출현을 앞두고 있다. 이에 따라 단말기나 기지국의 통신 장비 등의 소형, 경량화 구현을 위한 무선 접속 방식, 전력 제어 및 간섭 제어기, 단말기, 그리고 네트웍 시스템 기술 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으나 무엇보다도 이동 통신의 활성화를 위해서는 기존에 제공되는 서비스와 신규 서비스를 하나의 안테나로 통합할 수 있는 다기능 안테나 개발이 필수적인 요소로등장하고 있다.

새로운 서비스 수용에 따른 새로운 중계기/기지국의 설치는 비용의 손실과 밀집된 지역 내에 안테나들의 난립에 따른 환경미화의 파괴라는 점에서 심각하게 대두되는 문제중의 하나이다.

도 1은 종래에 사용되고 있는 평판 안테나의 형태로서 설계된 단일 안테나를 확장시킨 1 ×4 배열 안테나의 구성을 나타내며 도 2는 도 1에 나타낸 구조의 XY 단면을 나타내는 단면도이다.

도 1과 도 2를 참조하면 종래의 배열 안테나 구조는 제 3 유전체 기판(21), 기생 소자(12), 제 3 Foam 물질(22), 방사 소자(11), 제 2 유전체 기판(23), 제 2 Foam 물질(24), 커플링 슬랏(13)을 포함하는 접지면(14), 제 1 유전체 기판(25), 급전선(15), 제 1 Foam 물질(26), 도체판(16)이 차례로 적층되어 있다. 설계된 안테나의 대역폭은 전압 정재파비 1.3이하에서 1.7GHz에서 2.3GHz로 광대역 특성을 가지기 때문에 배열 안테나로 확장시 단일 소자간의 물리적 길이는 같더라도 전기적 길이가 달라지기 때문에 낮은 주파수에서의 방사소자간의 전기적인 길이가 짧아진다.

그러므로, 배열 안테나로 확장하면 낮은 주파수에서 반사손실 특성이 많이 나빠지는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, PCS와 IMT-2000서비스를 동시에 만족시킬 수 있는 기생소자를 가지는 다층구조의 개구면 결합 방식을 사용하는 안테나 구조를 제공하는데 목적이 있다.

또한 단일 안테나를 배열 안테나로 확장할 시에 발생하는 반사 손실 특성의 악화를 줄이도록 접지판에 있는 커플링 슬랏 사이에 갭을 형성하고, 갭의 크기에 변화를 줌으로써, 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성을 개선시켜 원하는 주파수 대역폭을 가지는 광대역 배열 안테나를 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

도 1은 종래에 사용되고 있는 평판 안테나의 형태로서 설계된 단일 안테나를 확장시킨 1 ×4 배열 안테나의 구성을 나타낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 안테나 구조의 XY 단면을 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기생 소자를 가지는 다층구조로 된 개구면 결합 안테나를 도시한 구조도이다.

도 4는 도 3에서 도시한 안테나 구조의 XY축의 단면 구조를 나타내는 단면도이다.

도 5는 갭의 크기 변화에 따른 반사 손실 특성 변화를 나타내는 그래프이다.

도 6은 PCS의 중심 주파수 1.8GHz와 IMT-2000의 중심 주파수 2.15GHz에서의 복사 패턴을 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

11 : 방사 소자12 : 기생 소자

13 : 커플링 슬랏14 : 접지면

15 : 급전선16 : 도체판

21 : 제 3 유전체 기판22 : 제 3 Foam 물질

23 : 제 2 유전체 기판24 : 제 2 Foam 물질

25 : 제 1 유전체 기판26 : 제 1 Foam 물질

31 : 갭

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제 3 유전체 기판의 하부에 형성되는 기생소자와, 기생소자의 하부에 형성되는 대역폭 확장을 위한 제 3 Foam 물질과, 제 3 Foam 물질 하부에 형성되는 방사소자와, 방사소자의 하부에 형성되는 제 2 유전체 기판과, 제 2 유전체 기판 하부에 형성되는 대역폭 확장을 위한 제 2 Foam 물질과, 제 2 Foam 물질 하부에 형성되며 급전선으로부터 여기된 전류를 전기적 결합에 의하여 상기 방사소자로 공급시키는 커플링 슬랏과 배열 안테나의 반사손실 특성 개선을 위한 갭을 가지는 접지면과, 접지면 하부에 형성되는 제 1 유전체 기판과 제 1 유전체 기판의 하부에 설치되는 급전선, 급전선 하부의 제 1 Foam 물질과 제 1 Foam 물질 하부에 형성되어 후방 방사를 감소시키는 도체판으로 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.

우선, 각도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음을 유의하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기생 소자를 가지는 다층구조로 된 개구면 결합 안테나를 도시한 구조도이며, 도 4는 도 3에서 도시한 안테나 구조의 XY축의 단면 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3 및 도4를 참조하면, 본 발명에 따른 바람직한 1 ×4 배열 안테나의 구조는 제 3 유전체 기판(21)의 하부에 대역폭 확장을 위한 기생소자(12)가 4.6cm ×5.25cm의 크기로 형성되며, 대역폭 확장을 위하여 제 3 Foam 물질(22)이 16mm의 두께로 기생소자(12) 하부에 형성된다.

제 3 Foam 물질(22) 하부에는 방사 소자(11)가 5.72cm ×5.3cm의 크기로 형성되며, 방사 소자(11)의 하부에는 유전율이 2.17이며 두께가 30mil인 제 2 유전체 기판(23)이 형성되고, 제 2 유전체 기판(23)의 하부에는 대역폭 확장을 위한 제 2 Foam 물질(24)이 10mm의 두께로 형성된다. 이때, 각 방사 소자(11)간의 간격은 9cm로 하는 것이 바람직하다.

제 2 Foam 물질(24)의 하부에는 급전선(15)으로부터 여기된 전류를 전기적 결합에 의하여 방사 소자(11)로 공급시켜주는 0.37cm ×4cm 크기의 커플링슬랏(13)과 배열 안테나의 설계시에 반사 손실 특성의 개선을 위한 0.4cm ×9cm 크기의 갭(31)을 가지는 접지면(14)이 형성된다.

또한, 접지면(14)의 하부에는 제 1 유전체 기판(25)이 형성되며, 제 1 유전체 기판(25)의 하부에는 급전선(15)이, 급전선(15)의 하부에는 42mm 두께의 제 1 Foam 물질(26)이 형성되며, 제 1 Foam 물질(26)하부에는 후방 방사를 줄이기 위한 도체판(16)이 43cm ×15cm의 크기로 형성된다. 후방방사를 줄이기 위한 도체판(16)의 크기를 조정하여 후방방사 특성을 개선할 수 있다.

제 1 유전체 기판(25)의 하단에 위치한 급전선(15)으로 여기된 전류는 커플링 슬랏(13)을 통한 전기적 결합에 의하여 방사 소자(11)로 전달되며, 방사 소자(11)와 방사 소자(11)의 상부에 위치한 기생 소자(12)와의 전기적 결합에 의한 효과로 인하여 대역폭을 확장시킬 수 있다. 이때, 기생 소자(12)의 크기를 변화시켜줌으로써 대역폭을 조절할 수 있게 된다.

또한, 제 2 Foam 물질(24)과 제 3 Foam 물질(22)도 역시 광대역 특성을 얻기 위하여 형성되며, 약 lambda /4 정도 두께의 제 1 Foam 물질(26) 아래에는 후방 방사를 줄이기 위한 도체(16)가 형성된다.

커플링 슬랏(13) 사이에 위치한 갭(31)은 그 크기를 조절하여 배열 안테나 설계시 발생하는 반사 손실의 특성의 악화를 줄여주는 역할을 한다. 방사 소자(11)간의 간격이 멀수록 소자간 커플링이 줄어들기 때문에 반사 손실 특성이 단일 안테나의 반사 손실 특성에 비하여 크게 변하지는 않지만, 부엽 레벨 특성이 많이 나빠지는 문제점이 발생한다.

그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 방사 소자(11)간의 간격을 9cm로 하였는데, PCS의 중심 주파수인 1.8 GHz에서는 전기적 길이가 0.54 lambda 이며, IMT-2000의 중심 주파수인 2.05 GHz에서는 전기적 길이가 0.62 lambda 로, 방사 소자간 전기적 길이가 PCS 중심 주파수에서 상대적으로 짧기 때문에 배열 안테나로 확장 시 방사 소자간의 커플링 현상에 의하여 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성이 나빠지므로, 배열 안테나로 확장 시 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성은 커플링 슬랏(13) 사이의 갭(31)의 크기를 변화시켜 줌으로써 개선될 수 있다.

도 5는 갭(31)의 크기 변화에 따른 반사 손실 특성 변화를 나타내는 그래프로서, 이를 참조하면, 갭(31)을 만들어 주기 전에는 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성이 좋지 않은 것을 볼 수 있는데, 갭(31)을 만들어 줌으로써 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성이 개선되는 것을 확인 할 수 있다.

또한, 안테나의 대역폭은 도 5에서 나타낸 바와 같이 전압 정재파비 1.3이하(반사 손실 -17dB이하)에서 600MHz(1.7GHz에서 2.3GHz)로 PCS와 IMT-2000서비스 겸용으로 사용이 가능하도록 한다.

도 6은 PCS의 중심 주파수 1.8GHz와 IMT-2000의 중심 주파수 2.15GHz에서의 복사 패턴을 나타낸다.

각 주파수에서 주 빔의 방향은 6도 기울어지게 하였으며, PCS의 중심 주파수인 1.8GHz에서는 부엽 레벨이 -21dB, 후방 방사가 -25dB이하를 나타내었으며, IMT-2000의 중심 주파수인 2.05GHz에서는 부엽 레벨이 -20dB, 후방 방사가 -30dB이하를 나타내었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

본 발명에 따르면 방사 소자 간 커플링에 의하여 발생하는 반사 손실 특성의 변화를 줄이기 위하여 커플링 슬랏 사이에 갭을 두어 낮은 주파수에서의 반사 손실 특성을 개선하며, 전압 정재파비 1.3이하(반사 손실 -17dB이하)에서 600MHz(1.7GHz에서 2.3GHz)로 PCS와 IMT-2000서비스 겸용으로 사용이 가능하여 제작비, 설치비 등의 중복 투자의 감소와 도심지역 등에서 발생할 수 있는 안테나들의 난립에 따른 환경미화의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있는 유용한 발명이다.

Claims (12)

1. 제 3 유전체 기판과, 상기 제 3 유전체 기판의 하부에 형성되는 대역폭 확장을 위한 기생 소자와, 상기 기생 소자의 하부에 형성되는 대역폭 확장을 위한 제 3 Foam 물질과, 상기 제 3 Foam 물질의 하부에 형성되는 방사 소자와, 상기 방사 소자의 하부에 형성되는 제 2 유전체 기판과, 상기 제 2 유전체 기판의 하부에 형성되는 대역폭 확장을 위한 제 2 Foam 물질과, 상기 제 2 Foam 물질의 하부에 형성되는 접지면과, 상기 접지면의 하부에 형성되는 제 1 유전체 기판과, 상기 제 1 유전체 기판의 하부에 설치되는 급전선과, 상기 급전선의 하부에 형성되는 후방 방사를 줄이기 위한 도체판을 포함하는 다층구조의 개구면 결합 안테나에 있어서,

   상기 접지면은 상기 급전선으로 여기된 전류를 전기적 결합을 통하여 상기 방사 소자로 공급하는 커플링 슬랏과, 배열 안테나로 확장 시에 발생하는 반사 손실 특성을 개선하기 위한 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기생 소자는 크기가 4.6cm ×5.25cm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 Foam 물질은 두께가 16mm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
4. 제 1항에 있어서, 상기 방사 소자는 크기가 5.72cm ×5.3cm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 유전체 기판은 유전율이 2.17이며, 두께가 30mil인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
6. 제 1항에 있어서, 상기 커플링 슬랏은 크기가 0.37cm ×4cm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
7. 제 1항에 있어서, 상기 갭의 크기를 변형하여 상기 반사 손실 특성을 개선하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
8. 제 1항에 있어서, 상기 갭의 크기는 0.4cm ×9cm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
9. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 Foam 물질의 두께가 10mm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
10. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 Foam 물질의 두께는 42mm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
11. 제 1항에 있어서, 상기 도체판은 크기가 43cm ×15cm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.
12. 제 1항에 있어서, 상기 방사 소자간의 간격은 9cm인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나 구조.