KR20020066521A - 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나를 제공하기 위한 것으로, 기판상에 전도성 매체의 스트립 패턴을 구비한 마이크로 스트립 안테나에서 상기 기판의 일면에 V형 스트립 패턴으로 형성되어 급전에 따른 전자기 복사를 수행하는 주 방사체와; 상기 주 방사체가 형성된 기판의 대향면에 V형 대수주기 패턴으로 형성되고, 상기 주 방사체의 전자기 복사에너지로 급전되어 전자기 복사를 수행하는 부 방사체와; 상기 주 방사체가 형성된 기판의 대향면에 패턴 형성되어 접지된 접지단을 포함하여 이루어져, 안테나의 광대역 무지향성을 달성하고 소형화를 가능케 할 수 있다.

Description

역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나 {Dual band broadband microstrip antenna using inverted V-type ground}

본 발명은 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 스트립 안테나의 주 방사소자의 복사에너지로 부 방사소자를 EMC(Electromagnetic Compatibility) 급전시켜 광대역 특성을 갖도록 하고 전기영상 효과를 이용한 역 V형 접지 패턴으로 접지면을 증대시키기 위한 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 통신장비를 위한 안테나 기술분야에는 소형 평면안테나, 집적안테나 및 능동안테나 기술 등이 있다. 특히, 최근 이동통신 등에서 통신장비의 휴대성을 고려하게 됨에 따라 소형, 경량 및 박형의 특성을 갖는 안테나의 개발이 추진되고 있다.

고주파 회로에서 선로상을 흐르는 신호가 고주파로 될수록 선로의 내부가 아닌 외부 표면에만 전류가 흐르려는 스킨효과가 발생하여 복사에너지를 방사하려는 경향이 강해진다. 이러한 전송선로의 방사특성을 이용한 것이 마이크로 스트립 안테나이다.

마이크로 스트립 안테나는 이러한 최근의 안테나 개발추세에 따르는 것으로,PCB(Printed Circuit Board)상에 구현된 패턴을 이용한 평면안테나이다. 마이크로 스트립 안테나는 제작이 용이하고 소형화 및 경량화가 가능하며, 다수 유형의 구조에 적응하도록 제작할 수 있으며, 원형과 구형을 포함한 임의의 구부러진 표면에서 이용이 가능하다.

전형적인 마이크로 스트립은 기판의 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 접지면으로 처리하고, 그 바로 위에 일정두께의 유전체 기판을 적층하고 유전체 위에 전송선 형상을 구현한 구조이다. 이를 통해 신호선과 접지면간의 거리와 매질특성이 균일하게 배치된다.

그런데 마이크로 스트립 안테나는 주파수 대역폭이 3~4% 정도로 작기 때문에 실제 장비에의 적용시 많은 제한을 받는다. 그래서 70년대 초 Munson과 Howell에 의해 개발된 마이크로 스트립 안테나의 협대역성을 극복하기 위한 다수의 형태가 제안되고 있으나 기생방사와 교차편차에 따른 고차모드가 생성되어 특성의 열화를 초래하게 되는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위한 기술로는 대수주기 배열방법, 기판의 두께를 증가시키는 방법, 동일 평면상에 여러 개의 패치를 중복적으로 겹치는 방법, 기생소자가 용량성결합으로 부가된 안테나를 사용하는 방법, 개구결합 적층 마이크로 스트립 안테나를 이용하는 방법 등 다양한 방법들이 있다.

예를 들어, 1985년 Pozar가 제시한 패치(이에 부가하여 기생패치 적층 가능함)와 급전 슬롯의 상호결합작용에의 이중공진현상으로 대역폭 확장을 꾀한 슬롯 결합 급전구조를 이용한 다층 마이크로 스트립 안테나를 사용하였다. 그래서 마이크로 스트립 패치 안테나는 PCB 기판을 사용하여 제작되고 소형화, 경량화, 및 제조공정의 단순화 등의 장점에 따라 이동체 또는 PCS(Personal Communication Service), WLL(Wireless Local Loop), BLUETOOTH 시스템 등에 널리 사용된다.

그렇지만 마이크로 스트립 패치 안테나는 제조시 각 층의 증착이 어렵고 고가여서 실 사업자들의 요구를 만족시키지 못하는 기술적 한계가 있었다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 극복하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로 스트립 안테나의 주 방사소자의 복사에너지로 부 방사소자를 EMC 급전시켜 광대역 특성을 갖도록 하고 전기영상 효과를 이용한 역 V형 접지 패턴으로 접지면을 증대시킨 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나를 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 안테나의 주 방사체의 구성도.

도2는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 안테나의 부 방사체 및 접지단의 구성도.

도3a는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 안테나의 덮개 외형도.

도3b는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 안테나의 부분단면도.

도4는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 안테나의 반사감쇠 도표.

도5는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 안테나의 정재파비 도표.

도6a 및 도6b는 종래의 90mm 슬리브 다이폴 안테나의 반사감쇠와 정재파비 도표.

도7a 및 도7b는 종래의 110mm 슬리브 다이폴 안테나의 반사감쇠와 정재파비 도표.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 기판120 : 주 방사체

130 : 급전부140 : 통공

220 : 부 방사체230 : 접지단

240 : 소켓 연결부310 : 커버

320 : 커넥터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나는, 기판상에 전도성 매체의 스트립 패턴을 구비한 마이크로 스트립 안테나에서 상기 기판의 일면에 V형 스트립 패턴으로 형성되어 급전에 따른 전자기 복사를 수행하는 주 방사체와; 상기 주 방사체가 형성된 기판의 대향면에 V형 대수주기 패턴으로 형성되고, 상기 주 방사체의 전자기 복사에너지로 급전되어 전자기 복사를 수행하는 부 방사체와; 상기 주 방사체가 형성된 기판의 대향면에 패턴 형성되어 접지된 접지단을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 주 방사체의 구성도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 따른 부 방사체 및 접지단의 구성도이며, 도3a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 안테나의 덮개 외형도이고, 도3b는 도3a의 부분단면도이다.

그리고 도4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 안테나의 반사감쇠 도표이고, 도5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 안테나의 정재파비 도표이며, 도6a 및 도6b는 종래의 90mm 슬리브 다이폴 안테나의 반사감쇠와 정재파비 도표이고, 도7a 및 도7b는 종래의 110mm 슬리브 다이폴 안테나의 반사감쇠와 정재파비 도표이다.

도1에 따르면, 본 실시예는 싱글콘형 주 방사체(120)를 기판(110)의 일측면에 패턴 형성한다. 예를 들어 FR-4 기판(비유전율:4.3)의 일면에 V형 스트립 패턴을 형성함으로써 주 방사체를 구현할 수 있는데, 이때 싱글콘형이란 V형 패턴을 갖는 주 방사체(120)가 단일하게 형성된다는 의미이다. 바람직하게는 주 방사체(120)의 최대폭이 기판(110)의 최대폭에 일치되도록 한다.

이러한 주 방사체(120)를 비롯한 스트립 패턴을 형성하기 위한 전도형 매체는 동박 등을 이용하여 용이하게 구현할 수 있다. 이하, 이와 같다.

그래서 주 방사체(120)의 싱글콘형 구조는 방사주파수가 달라도 안테나의 길이에 무관하게 입력 임피던스는 변화지 않는 광대역 특성을 갖는다. 그러므로 주 방사체(120)로 급전된 에너지는 효율적으로 방사되어 수신자측에 도달될 수 있다.

더불어 주 방사체(120)의 일단은 급전부(130)에 연결되어 외부의 전력으로 급전된다.

이하에서는 설명의 편의상 주 방사체(120)가 형성되는 기판면을 상면이라 하고, 그 대향면을 저면이라 칭하기로 한다.

도2에 따르면, 주 방사체(120)에 대응되는 위치의 기판 저면에 V형 스트립 패턴으로 부 방사체(220)를 형성한다. 바람직하게는 부 방사체(220)의 최대폭은 기판(110)의 최대폭(110)에 일치시키고, 그 길이는 주 방사체(120)의 길이보다 짧게 형성한다.

상기 부 방사체(220)는 대수주기에 따르는 미로형(또는 Meander형) 패턴으로 형성한다. 그러면 부 방사체(220)는 주 방사체(110)의 복사에너지로 EMC 급전되어 광대역 특성을 갖게 된다.

그리고 접지단(230)은 역 V형 스트립으로 패턴 형성하여 그 최대폭이 기판(110)의 최대폭과 같도록 한다.

그런데 마이크로 스트립 안테나의 접지면을 증대시키면 안테나의 전기적인 특성을 안정화시킬 수 있다. 이에 따라 기판(110)의 저면에 형성되는 접지단(230)의 역 V형 스트립을 적어도 1회 이상 접힌 형태(Folded)가 되도록 한다. 접지단(230)의 스트립 패턴이 접혀져 있어 전기영상 효과로 접지면의 최대폭이 기판의 최대폭을 초과할 수 있게 되며, 접지면적의 증대로 안테나의 적응성이 향상될 수 있다.

이러한 접지단(230)의 역 V형 구조는 안테나의 설치면적이 좁은 경우나 주위 시설물을 이용하고자 하는 경우에 사용되는 반파장 다이폴 안테나를 변형시킨 것이다.

더불어 안테나 운용을 고려하여 급전부(130)의 일단을 통공(140)을 통해 기판(110)의 저면에 연결시키고, 접지단(230)과 급전부(130)가 구분된 소켓 연결부(240)를 구비한다.

또한, 도3a 및 도3b에 따르면, 제안된 안테나를 외부의 물리적인 충격으로부터 보호하여 사용기간을 증대시키도록 커버(310)를 둔다. 그리고 소켓 연결부(240)에 연결되는 소켓을 구비하여 안테나로의 급전경로를 형성하기 위한 커넥터(320)를 둔다.

본 발명에 따른 안테나의 해석모드는 TEM 모드를 이용하며, 이를 모멘트 방식으로 다음과 같이 해석한다.

마이크로 스트립 패턴을 형성하는데 필요한 주요 파라미터에는 유전체 기판의 두께와 비유전율 및 스트립 패턴의 폭이다.

그런데 실제의 스트립 선로상에서는 선로 옆으로 휘는 전장이 존재하기 때문에 기판의 유전율이 그대로 수식에 적용되지 않는다. 그래서 실효유전상수()의 계산이 필요해지며, 그 계산식은 다음의 수학식 1과 같다(이를 유사 TEM 모드라 칭한다).

그리고 마이크로 스트립 선로의 폭(W)에 의해 특성 임피던스가 결정된다. 즉, 폭이 넓을수록 특성 임피던스는 작고 그 폭이 좁을수록 특성 임피던스는 크다. 그리고 선로의 길이는 대부분 파장에 비례한 값으로 설계된다.

즉, 기판상에 패턴 형성된 선로의 폭과 높이에 따른 특성 임피던스()의 관계식은 다음의 수학식 2와 같다.

수학식 2와 같이 산출된 특성 임피던스()를 갖는 전송선로에 대하여 부하 임피던스()가 종단되어 있는 경우, 전압반사계수(), 전류반사계수(), 부하에서의 전압 또는 상대전압전송계수(), 부하에서의 전류 및 상대전류전송계수()를 다음의 수학식 3 내지 수학식 6과 같이 각각 계산한다.

그러면 정재파비(VSWR) 및 반사계수의 크기는 다음의 수학식 8 및 수학식 9와 같이 계산된다.

상기 설명한 바와 같은 정재파비(VSWR)와 반사계수를 산출하기 위하여 제안된 안테나에서 측정된 정재파비 및 반사감쇠가 도4와 도5에 도시되어 있다.

도4의 도표는 안테나의 길이가 47mm일 때의 반사감쇠를 예시한 것이며, 도5는 길이 47mm 안테나의 정재파비(VSWR)를 예시한 것이다. 각 도표에서 START점은 2000MHz이고 STOP점은 3200MHz이다.

도4에서 1번 지점은 -14.336dB 및 2440MHz이고, 2번 지점은 -14.020dB와 2755MHz이다. 도5의 경우에는 1번 지점이 1.4750 및 2440MHz이고, 2번 지점은 1.497 및 2755MHz이다. 이에 따라 47mm에서 315MHz(=2755-2440)의 대역 특성이 나타남을 알수 있다.

본 발명과의 대비를 위하여 기존의 슬리브 다이폴 안테나의 길이 90mm에서의 대역특성을 도6a 및 도6b에 도시하고, 길이 110mm에서의 대역특성을 도7a, 도7b에 도시하였다.

도6a 내지 도7b의 각 도면에서 START점과 STOP점은 도4 또는 도5의 경우와 같다.

도6a에서 1번 지점과 2번 지점은 각각 -13.668dB/2449MHz와 -13.824dB/2651MHz이며, 도6b에서 1번 지점과 2번 지점은 각각 1.5019/2.449MHz와 1.4964/2651MHz이다. 이에 따라 길이 90mm의 슬리브 다이폴 안테나는 202MHz의 대역폭을 갖는다고 할수 있다.

더불어 도7a에서 1번 지점과 2번 지점은 각각 -14.071dB/2345MHz와 -14.567dB/2583MHz이며, 도7b에서 1번 지점과 2번 지점은 각각 1.4859/2345MHz와 1.4635/2583MHz이다. 그러므로 110mm의 슬리브 안테나는 238MHz의 대역폭을 갖는 것을 알수 있다.

이처럼 본 발명이 제안하는 안테나는 종래기술과는 달리 비교적 짧은 길이에서 광대역 특성을 갖는다.

이상 설명한 본 발명의 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나에 따르면, 짧은 길이의 안테나로 광대역 무지향 특성을 구현할 수 있게 되어 안테나의 소형, 경량화를 가능케 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 단순한 스트립 패턴으로 광대역 특성을 달성하므로, 기판상에 스트립 패턴을 형성하기 위한 제조공정의 단순화 및 공정수 단축으로 생산비용의 저감을 달성하는 효과가 있다.

더불어 본 발명은 VHF, UHF, 마이크로웨이브 주파수대에서 듀얼밴드 광대역 안테나를 제공한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (5)

1. 기판상에 전도성 매체의 스트립 패턴을 구비한 마이크로 스트립 안테나에서 상기 기판의 일면에 V형 스트립 패턴으로 형성되어 급전에 따른 전자기 복사를 수행하는 주 방사체와;

   상기 주 방사체가 형성된 기판의 대향면에 V형 대수주기 패턴으로 형성되고, 상기 주 방사체의 전자기 복사에너지로 급전되어 전자기 복사를 수행하는 부 방사체와;

   상기 주 방사체가 형성된 기판의 대향면에 패턴 형성되어 접지된 접지단을 포함하는 것을 특징으로 하는 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 주 방사체의 일단의 연결되어 외부에서 인가되는 전력을 상기 주 방사체로 급전하기 위한 급전부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나.
3. 제 1항에 있어서, 상기 주 방사체는,

   주파수의 가변시 안테나의 길이에 따라 입력 임피던스는 변화되지 않는 자기상사형인 단일의 방사체인 것을 특징으로 하는 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나.
4. 제 1항 내지 제 3항의 어느 하나에 있어서, 상기 부 방사체는,

   상기 기판상에 대수주기를 갖는 스트립 패턴을 미로형으로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나.
5. 제 1항에 있어서, 상기 접지단은,

   역 V형의 선단부가 접힌 구조로 패턴 형성되어 접지면의 전기영상의 최대폭이 상기 기판의 최대폭을 초과할 수 있도록 된 것을 역 브이형 접지면을 이용한 듀얼밴드 광대역 마이크로 스트립 안테나.