KR20020061208A - Aperture Coupled Cross-Slot Circular Polarization Microstrip Patch Antenna for PCS Terminal and Mobile Communication - Google Patents
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Abstract
Description
지금까지 PCS단말기용 안테나는 송신이 주목적인 모노폴 안테나와 수신을 주목적으로 하는 헬리켈 안테나를 동시에 사용하고 있으며 이것은 오래 전부터 발명되어진 두 안테나를 이동통신 초기에 손쉽게 PCS단말기에 사용하였으나 오늘날 이동통신 수요자 모두가 효능에 앞서 디자인을 중시하고, 더 나아가 소형 경량화 되어 가는 상황에서 효능만을 고집하는 것은 매우 시대의 요구에 뒤떨어진다 할 수 있다. 이런 점을 해결하기 위한 방법으로 일부에서 단말기 내부에 설치하는 안테나의 연구가 진행 중에 있느나 안테나 자체를 단말기로부터 분리하였을 때는 어느 정도의 특성을 가질 수 있으나 단말기내의 여러 회로 소자와 함께 설치되었을 경우는 안테나와 단말기 회로 소자간에 상호 간섭을 일으켜 안테나의 특성이 감소 할 것으로 예상 할 수 있다.Until now, the antenna for PCS terminals uses both monopole antennas, whose main purpose is transmission, and helical antennas, whose purpose is reception. In the situation where design prioritizes efficacy, and furthermore, insisting on efficiency only in a situation where it becomes small and light weight, it can be said that it is far behind the demand of the times. In order to solve this problem, some of the antennas installed inside the terminal are in progress, but when the antenna itself is separated from the terminal, it may have some characteristics, but when it is installed with various circuit elements in the terminal, It can be expected that the characteristics of the antenna will decrease due to mutual interference between the antenna and the terminal circuit elements.
따라서, 본 발명 안테나는 아와같은 실용성과 효율성을 해결할 수 있는 안테나로서 개구면 결합 십자형 슬롯 원편파형 마이크로스트립 평판 안테나로서 기존에 사용되는 PCS단말기의 모노폴 및 헬리켈 안테나가 단말기 외부로 돌출 됨으로서 휴대의 불편함과 부주의에 의하여 떨어뜨렸을 때 안테나부위가 지면에 닿을 경우 안테나부위의 파손으로 인하여 단말기 전체를 폐기하는 결과를 초래 할 수 있으며, 더욱 중요한 것은 송수화시 안테나 돌출부위가 두부의 귀 부근에 위치함으로 인해 가장 우려되는 전자파로 인한 인체에 치명적인 해를 발생시킬 수 있어 많은 논란이 되고 있다.Therefore, the present invention antenna is an antenna that can solve the practicality and efficiency as described above. When the antenna part touches the ground when it is dropped due to inconvenience and carelessness, the entire terminal may be discarded due to the damage of the antenna part. Due to its location, it can cause a fatal harm to the human body due to electromagnetic waves, which is the most concern, and thus it has been much controversial.
따라서, 본 발명 안테나는 평판 안테나이므로 폴더형인 경우 단말기의 폴더 표면, 플립형인 경우 단말기의 플립에 안테나를 설치함으로써 안테나의 파손에 의한 단말기 폐기를 염려할 필요가 없으며, 가장 커다란 장점으로 송수화시 안테나의 위치가 얼굴의 바깥 방향으로 향하게 됨으로 전자파에 의한 인체의 영향을 최소화시킬수 있어서, 오늘날 PCS단말기에 의한 전자파가 인체에 미치는 영향에 대하여 세계적으로 커다란 논란거리가 되고 있는 문제를 해결할 수 있는 방안이 된다.Therefore, since the antenna of the present invention is a flat antenna, there is no need to worry about the disposal of the terminal due to the damage of the antenna by installing the antenna on the folder surface of the terminal in the case of the folding type and the flip of the terminal in the case of the flip type. Since the location of the face toward the outside of the face can minimize the effects of the human body due to electromagnetic waves, it is a solution to the problem that is a major controversy in the world today about the effect of electromagnetic waves from the PCS terminal on the human body. .
마이크로스트립 패치안테나의 원리는 직사각 또는 원형 모양의 복사 패치의 두 복사 에지(Edge)에서 전자원이 복사원이 되어 호이겐스 원리에 의하여 복사 패치의 상단방향으로 주빔을 구성하여 복사하게 된다. 패치의 폭에 따라 입력임피던스값의영향이 크고 길이에 의하여 동작주파수가 크게 영향을 받는다. 안테나의 특성을 결정해 주는 파라미터들은 방사패치의 길이와 폭, 유전율, 슬롯의 길이와 폭, 스터브의 길이 등이 있으며, 각각의 파라미터 변화에 따라 안테나의 공진 주파수, 임피던스, 대역폭, 결합크기가 달라진다. 안테나 기판의 상대유전율 εr는 안테나의 대역폭과 방사 효율에 영향을 준다. 유전율이 낮을수록 넓은 임피던스 대역폭을 가지며, 표면파 발생을 줄일 수 있다. 안테나의 공진 주파수를 결정하는 파라미터는 방사패치의 길이 L에 의해 결정되어지며, 방사패치의 폭 W는 안테나의 공진 저항과 관련이 있으며 패치 폭이 넓을수록 낮은 저항값을 가진다.In the principle of the microstrip patch antenna, an electron source becomes a radiation source at two radiation edges of a rectangular or circular radiation patch, and the main beam is configured to copy in the upper direction of the radiation patch by the Hoigens principle. The input impedance is largely affected by the width of the patch, and the operating frequency is greatly affected by the length. The parameters that determine the characteristics of the antenna include the length and width of the radiation patch, the dielectric constant, the length and width of the slots, the length of the stub, and the resonant frequency, impedance, bandwidth, and coupling size of the antenna vary with each parameter change. . The relative dielectric constant εr of the antenna substrate affects the bandwidth and the radiation efficiency of the antenna. Lower permittivity has a wider impedance bandwidth and can reduce surface wave generation. The parameter for determining the resonance frequency of the antenna is determined by the length L of the radiation patch, and the width W of the radiation patch is related to the resonance resistance of the antenna. The wider the patch width, the lower the resistance value.
본 발명에서 발명된 원편파 평판 안테나는 단말기의 위치가 임의성을 갖고 있어 어떤 위치에 있으나 수신이 가능하고 또항 송신효율이 탁월한 안테나를 발명하기 위하여 PCS단말기에 일반적으로 사용된 선형편파를 배제하고 원형편파를 발생시켜 우천시와 같은 환경변화에 우수한 전송특성을 가지며, 설치 및 위치의 임의성을 고려한 원형 편파를 발생하는 개구면 결합 십자형 슬롯 마이크로스트립 패치안테나 (Aperture Coupled Cross-Slot Microstrip Patch Antenna)를 발명하는데 목적이 있다.The circularly polarized flat antenna of the present invention has a random position, so that the terminal can be received at any position, but also, it is possible to receive a circular polarization without the linear polarization generally used in the PCS terminal in order to invent an antenna having excellent transmission efficiency. The purpose of the present invention is to invent an aperture coupled cross-slot microstrip patch antenna which has excellent transmission characteristics against environmental changes such as rainy weather and generates circular polarization considering the randomness of installation and location. There is this.
도 1은 일반적인 패치 안테나에서 사용되는 방사패치1 is a radiation patch used in a typical patch antenna
도 2는 본 발명에서 제안한 방사패치로서 패치 안테나의 문제점중의 하나인 방사 패치 가장 자리에서 발생되는 프린징 효과를 최소화 하기 위하여 방사패치 외부에 밴드형태의 기생소자를 설치하였다.Figure 2 is a radiation patch proposed in the present invention in order to minimize the fringing effect generated in the radiation patch edge, which is one of the problems of the patch antenna, a band-type parasitic element is installed outside the radiation patch.
도 3은 본 발명에서 제안한 개구면 슬롯구조로서 원편파를 발생시키기 위하여 슬롯간의 거리를 동작주파수의 λ/4파장의 간격을 주어 90°의 위상차를 갖을 수 있도록 하였으며, 급전선 위에 위치한 슬롯이 좌우, 상하 대칭을 이룰 수 있도록 설계하였다.3 is an opening slot structure proposed in the present invention, in order to generate a circular polarization, the distance between slots is given a distance of λ / 4 wavelength of operating frequency so that the phase difference of 90 ° may be provided. Designed to achieve vertical symmetry.
도 4는 급전선로로서 마이크로스트립 선로에 의한 급전을 한 구조이다.4 is a structure in which power is fed by a microstrip line as a feed line.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 방사패치(Radiating Patch)1: Radiating Patch
2 : 기생요소(parastic element)2: parasitic element
3 : 안테나 유전체층(Antenna Substrate)3: antenna dielectric layer (Antenna Substrate)
4 : 개구면 결합을 위한 슬롯(Slot)4: Slot for opening the opening
5 : 접지면(Ground Plane)5: Ground Plane
6 : 결합 포인트(Coupling Point)6 Coupling Point
7 : 급전 유전체층(Feed Substrate)7: Feed Substrate
8 : 급전점(Feeding Point)8: Feeding Point
첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with the accompanying drawings as follows.
도 2,3,4를 합한 모양으로 마이크로스트립 기판의 최 하단에 도 4 특성임피던스 50Ω의 급전 선로를 설치하고 상위에 도 3 의 십자형 슬롯을 설치하여 급전선로에 여기된 신호가 슬롯을 통하여 전자기적 결합에 의하여 도 2인 최 상단의 방사패치에 신호가 전달되어 방사패치를 통하여 전자계 신호가 공간상으로 전파되는 구조이다. 또한, 기존의 단층패치안테나가 가지고 있는 협대역의 문제를 해결하고자 적층구조로 구성하고 방사패치의 둘레에 밴드형태의 기생소자를 설치하여 대역폭의 증가를 가져왔다. 도 3의 슬롯이 급전선로를 기준으로 하였을때 상하, 좌우 대칭을 이룰 수 있도록 설계한다. 발명된 안테나는 PCS단말기의 위치가 임의성을 갖고 있어 어떤 위치에 있으나 수신이 가능하고 또한 송신효율이 탁월한 안테나를 발명하기 위하여 PCS단말기에 일반적으로 사용된 선형편파를 배제하고 원형 편파를 발생시켜 우천시와 같은 환경변화에 우수한 전송특성을 가지며, 설치 및 위치의 임의성을 고려한 원형 편파를 발생하는 개구면 결합 십자형 슬롯 마이크로 스트립 패치 안테나(Aperture Coupled Cross-Slot Microstrip Patch Antenna)를 발명하였다.한편으로 발명 안테나는 PCS뿐만 아니라 IMT200 등 이동통신의 여러곳에 사용될수 있다. 원편파를 발생시키는 방법으로는 이중 급전에의한 방법과 방사패치의 대각 모서리 부분을 컷팅하는 방법등 여러 가지가 있으나 본 발명 안테나는 슬롯과 슬롯의 거리를 λ/4의 차를 두어 90°의 위상차를 이룰 수 있도록 하였다.2, 3, and 4 combined with the feed line of Figure 4 characteristic impedance 50Ω at the bottom of the microstrip substrate and the cross slot of FIG. 3 at the top to install the signal excited on the feed line through the slot electromagnetic The signal is transmitted to the topmost radiation patch of FIG. 2 by the coupling, and the electromagnetic signal propagates in space through the radiation patch. In addition, in order to solve the narrow band problem of the conventional single-layer patch antenna, a stack structure and a band-type parasitic element are installed around the radiation patch to increase the bandwidth. When the slot of Figure 3 is based on the feed line is designed to achieve symmetry up, down, left and right. The invented antenna has a random position of the PCS terminal so that it can be received at any position, but in order to invent an antenna having excellent transmission efficiency, it excludes the linear polarization generally used in the PCS terminal and generates a circular polarization, which causes rainy weather. The invention has invented an Aperture Coupled Cross-Slot Microstrip Patch Antenna having excellent transmission characteristics in the same environment and generating circular polarization in consideration of installation and positional randomness. It can be used not only in PCS but also in various places of mobile communication such as IMT200. There are various methods of generating circular polarization, such as the method of double feeding and the method of cutting the diagonal edges of the radiation patch. However, the antenna of the present invention has a slot-to-slot distance of λ / 4 and a 90 ° angle. The phase difference can be achieved.
기존 PCS단말기에 이용되는 헬리컬 및 모노폴안테나는 구조가 복잡하여 제작이 어려우나 마이크로스트립 안테나는 제작이 용이하고 인쇄회로(Printed Circuit)기술에 의한 대량생산이 가능하고 또한 크기가 작고 경량이라는 장점이 있으며, 기존의선형편파에 의한 단말기의 위치에 의한 송수신 효율에 차가 있었으나, 본 발명의 안테나는 원편파를 발생함으로서 단말기의 임의적인 위치에 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, PCS단말기 외부에 돌출 됨으로 휴대의 불편함과 함께 부주의에 의하여 떨어뜨렸을 때 안테나부위가 먼저 지면에 닿을 경우 안테나부위의 파손으로 단말기 전체를 파기하는 문제가 발생될 수 있으나, 본 발명 안테나를 PCS단말기에 이용한다면 대량생산이 가능하고 파손의 위험이 사라지며, 오늘날 논란이 증가되고 있는 전자파문제 등을 말끔이 잠재울 수 있어서 수요가 폭발적일 것으로 기대된다.Helical and monopole antennas used in existing PCS terminals are difficult to manufacture due to their complex structure, but microstrip antennas are easy to manufacture, can be mass-produced by printed circuit technology, and they are small in size and light in weight. Although there is a difference in transmission / reception efficiency due to the position of the terminal due to the existing linear polarization, the antenna of the present invention has an advantage that the arbitrary position of the terminal is not affected by generating a circular polarization. In addition, when the antenna part first touches the ground due to inconvenient portability due to protruding outside of the PCS terminal, a problem may occur that destroys the entire terminal due to damage to the antenna part. When used in handsets, mass production is possible, the risk of damage is eliminated, and the current controversy is expected to explode as the electromagnetic wave problem is increasing.
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