KR20020094578A - 이중 주파수 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이중 주파수 마이크로스트립 안테나는 그라운드판 상면에 순차적으로 제1 유전체층, 제1 방사패치, 제2 유전체층, 평행평판 제3 유전체층 및 제2 방사패치가 적층된다. 그라운드판과 제1 방사패치는 좌측단은 제1 단락판에 의해 단락되고, 그라운드판과 평행평판의 우측단은 제2 단락판에 의해 단락된다. 급전선의 중심도체는 상기 제1 및 제2 방사패치에 전기적으로 접속되고, 외부 도체는 상기 그라운드판에 전기적으로 접속된다. 이와 같은 이중 주파수 마이크로스트립 안테나는 제1 방사패치와 평행평판사이 그리고 평행평판과 제2 방사패치 사이의 용량을 각각 장하시켜서 구성하기 때문에 전기력선 범위가 제한되지 않으면서 이득의 감쇠 없이 이중 공진 주파수를 갖는 안테나를 소형화할 수 있다. 그리고 대역폭의 증감과 이득의 증감을 위하여 제1 내지 제3 유전체층의 두께와 용량을 장하한 부분의 폭을 조정할 수 있고, 더불어 용량을 장하한 부분의 폭과 길이를 조정함으로서 원하는 이중의 공진 주파수를 얻을 수 있다.

Description

이중 주파수 마이크로스트립 안테나{DUAL-FREQUENCY MICROSTRIP ANTENNA}

본 발명은 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna)에 관한 것으로, 구체적으로 이중 주파수(dual frequency)를 갖는 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 이동통신에서 주로 사용되고 있는 주파수는 150∼900 MHz 대역에서 활용되고 있으나 그 수요의 급증으로 인하여 1∼3GHz 대역인 준 마이크로파 대역의 주파수에서도 활용될 예정이다. 이와 같이 준 마이크로파 대역의 활용은 이미 PCS(Personal Communication Service)가 1.7∼1.8GHz대역에서 상용화하고 있으며, 2000년대에는 통화 지역이 전세계 어느 지역에서나 가능한 GMPCS(1.6GHz)나 IMT2000(2GHz) 등의 차세대 이동통신 시스템에도 적용될 예정이다.

이동통신의 급속한 발전으로 이동통신 단말기가 소형화 및 고급화됨에 따라 정보통신의 출입문이라 할 수 있는 안테나의 역할은 자연스럽게 대두되게 되었고, 그러한 예로 마이크로스트립 안테나는 이 분야에서 특별한 연구의 대상으로 떠오르고 있는 현실이다. 통상적으로 마이크로스트립 안테나는 유전율이 낮을수록, 기판이 두꺼울수록 그 효율이 좋다. 그리고 주파수가 낮을 경우에는 효율이 낮고, 주파수가 높을 경우에는 효율이 높기 때문에 준 마이크로파 대역과 같은 비교적 높은주파수에서 적용할 수 있는 마이크로스트립 안테나는 이동통신분야에서 필연적인 안테나라 할 수 있다.

일반적으로, 마이크로스트립 안테나는 넓은 그라운드판 위에 공진 길이가 λ/2인 방사패치가 공진 형태를 이루고 있으며 구조적으로 어레이 형태를 취하고 있다. 그런데 급전점의 좌우측에 패치와 그라운드판사이에 전기력선이 형성되기 때문에 급전점의 좌우측 그라운드판을 짧게 하는 경우 전기력선 형성에 제한을 받게되고, 그에 따라 이득이 떨어지는 결과를 초래하여 소형화에 어려움이 따르기도 한다.

마이크로스트립 안테나는 그라운드판 위에 유전체를 형성하고, 이 유전체의 상면에 장방형 또는 원형의 방사패치(patch radiator)를 부착한 간단한 구조의 평면 안테나로서 대역폭이 좁고, 효율이 낮다는 단점이 있다. 그러나 가격이 저렴하고 소형 및 경량으로 제작이 가능하여 대량생산에 적합하다는 장점이 있다.

그리고 마이크로스트립 안테나는 벤딩이 자유로와 각종 장치나 부품에 일정형상으로 감을 수 있어 고속으로 움직이는 물체에 부착이 가능하므로, 로케트, 미사일, 항공기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 널리 사용되고 있다. 이외에도 마이크로스트립 안테나는 발진기, 증폭회로, 가변감쇠기(variable attenuator), 스위치, 변조기(modulator), 믹서 및, 이상기(phase shifter)등과 같은 솔리드 스테이트(solid state)의 모듈과 함께 기판 위에 설계할 수 있는 특징을 아울러 갖고 있다.

이러한 마이크로스트립 안테나는 원형편파를 요구하는 위성통신에서 원형 또는 장방형 방사패치에 한 개 또는 두 개의 급전점을 갖도록 활용할 수 있고, 도플러 레이더(doppler radar), 전파 고도계(radio altimeter), 명령 및 제어, 미사일 원격 측정법, 무기, 환경기계의 감지와 원격감지, 복합 안테나의 전송소자, 위성조종 수신기, 생물의학의 방사체 등에도 이용되고 있으며, 그 이용분야가 날로 증가하고 있다. 그리고 오늘날 정보화의 발달에 따라 자동차용 전화, 포켓벨, 무선 전화 등의 이동통신 단말기가 급속히 보급되고 있으며, 장비의 크기가 소형화되어 안테나의 크기는 필연적으로 작아질 수밖에 없는 실정이다.

도 1은 일반적인 마이크로스트립 안테나의 일 예를 보여주는 측면도이다.

도면을 참조하여, 마이크로스트립 안테나는 방사패치(1)의 양단이 개방되어 있어서 그 전류분포가 '0'이 되고, 전압분포는 최대치를 갖는다. 그리고, 급전위치는 급전선로(2)의 저항값에 따라 상기 전류분포의 값과 전압 분포의 값에 대한 비로 결정된다. 전기력선(3, 5)은 수직성분과 수평성분으로 구분될 수 있는데, 수직성분은 위상이 반대여서 상쇄되고 수평성분만 동위상으로 어레이 되어 존재하게 된다.

이러한 마이크로스트립 안테나에 있어서 그라운드판(6)의 길이를 짧게 형성하는 경우 전기력선(3, 5)이 미치는 범위가 제한되어 이득이 감쇠 되므로 그라운드판(6)을 짧게 하는 방식으로는 안테나를 소형화할 수 없는 단점이 있다.

한편, 마이크로스트립 안테나는 VHF/UHF 대역의 유닛으로서 작고 가벼우며 콤팩트한 구조가 요망되고 있고, 현재 소형화로 개발된 변형된 마이크로스트립 안테나로서는 QMSA(Quarter-Wavelength Microstrip Antenna), PMSA(Post-loadingMicrostrip Antenna), FVMSA(Frequency Variable Microstrip Antenna), WMSA(Window-attached Microstrip Antenna) 등의 종류가 있다. 이들 PMSA, FVMSA, WMSA 안테나는 QMSA 안테나로부터 부분적으로 변형된 것들이며, 상호 기본적으로 유사한 방사 패턴을 가지고 있다.

도 2는 종래의 QMSA 안테나의 일 예를 보여주는 사시도로서, QMSA 안테나는 소형 무선장비의 한정된 용적 내에 넣을 수 있도록 안테나를 소형화하기 위하여 방사패치(23)와 그라운드판(21)의 폭(W)을 동일하게 구성하고, 방사 개구의 방향에 그라운드판(21)을 신장시켜 사용하는 특징을 갖고 있다.

QMSA 안테나는 λg(관내파장)/2로 된 그라운드판(21)에 순차로 유전체(22)와 방사패치(23)가 부착되어 있고, 그라운드판(21)의 일 측이 방사패치(23)에 단락되어 있으며, 방사패치(23)의 길이는 λg/4로 구성하여 일정한 주파수 영역을 갖도록 되어 있다.

또 급전선(24)의 외부도체가 그라운드판(21)에 접지되어 있고, 급전선(24)의 내부도체(중심도체)는 그라운드판(21)과 유전체(22)를 통과해 방사패치(23)에 접속되어 있다. 유전체(22)는 대표적으로 폴리에틸렌(εr=2.4)이나 테프론(εr=2.5) 또는 에폭시 화이버 글라스(εr=3.7)등이 사용되고 있다.

도 3은 도 2의 Gz 변화에 대한 이득률의 변화를 보인 것으로, 여기서 0dB는 가장 기본적인 반파장 다이폴 안테나의 이득을 나타낸다. Gz는 방사 증가율을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다. 도 4는 도 2의 안테나 전체길이 L에 대한 이득률을 보이고 있다. 그리고 도 5는 도 2의 방사패치 폭 W에 대한 이득의 변화를 보여준다.

도 6a, 6b 및, 6c는 도 2의 QMSA 안테나의 XY방향, YZ 방향 및, ZX 방향에 대한 방사 특성을 각각 보여주는 도면으로, 각 방사패턴이 거의 전방향으로 전파되고 있는 전계 안테나이다. QMSA 안테나의 방사특성은 안테나의 매개변수를 안테나 전체 길이 L=7.67㎝, Gz=2.79㎝, 방사패치(23)의 폭 W=3㎝, 유전체(22)의 두께 t=0.12㎝, 유전율 εr=2.5(테프론)로 한 경우이다.

한편, 복잡한 도시환경 속에서 정재파 분포가 최소점에 가깝게 위치할 때, 전계 안테나는 신호의 회절과 반사등으로 인하여 송수신 감도가 저하되어 통신의 방해를 받게 된다. 따라서 현재의 무선장비 시스템에서는 이를 극복하기 위하여 공간 다이버시티, 편파 다이버시티 등을 활용하고 있고, 멀티패스에 의한 저수신 감도를 해결하기 어렵기 때문에 저수신 감도를 해결하기 위해서 2개 이상의 안테나를 설치하고 있다.

변형된 마이크로스트립 안테나인 PMSA(도시하지 않음)는 방사패치의 양측에 2개의 방사 개구면이 형성되어 있고, QMSA 안테나의 단락말단대신에 유전체를 통해 그라운드판과 방사패치에 단락 포스트가 접속되어 있으며, 이로부터 일정 지점에 급전선이 위치하도록 구성된 것으로서 2개의 개구면이 존재한다고 하더라도 그 방사패턴은 실질적으로 QMSA와 유사하다.

변형된 마이크로스트립 안테나 WMSA는 QMSA 안테나의 방사패치의 일정지점에 슬릿(slit)을 형성하여 리액턴스 성분을 갖도록 함으로서 방사패치의 길이를 짧게 할 수 있도록 된 것이다. FVMSA는 리액턴스 부하 값의 변화에 대해 QMSA의 공진주파수를 전자적으로 변형시킬 수 있도록 된 안테나 구조이다.

그러나 이런 종래의 변형된 마이크로스트립 안테나 즉, QMSA, PMSA, WMSA, FVMSA 안테나는 그라운드판을 작게 할 경우 그 크기를 소형화시킬 수 없고, 휴대용 무선장비로 사용하는 경우에는 전계안테나가 이용되고 있기 때문에 건물의 벽면 또는 건물내의 각종 금속물질 등에 의해 전계 강도가 저하되고 아울러 멀티패스 간섭에 의한 수신감도의 저하를 초래하는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 그라운드판과 방사 패치사이의 전기력선 범위가 제한되지 않으면서 이득의 감쇠 없이 안테나의 크기를 더욱 소형화시킬 수 있고, 또 다른 방사패치를 형성시켜서 휴대용 단말기에 활용할 수 있는 이중 주파수 마이크로스트립 안테나를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 마이크로스트립 안테나의 일 예를 보여주는 측면도;

도 2는 종래의 QMSA 안테나의 일 예를 보여주는 사시도;

도 3은 도 2의 Gz 변화에 대한 이득률의 변화를 보여주는 그래프;

도 4는 도 2의 안테나 전체 길이 L에 대한 이득의 변화를 보여주는 그래프;

도 5는 도 2의 방사패치 폭 W에 대한 이득의 변화를 보여주는 그래프

도 6a, 6b 및, 6c는 도 2의 QMSA 안테나의 XY방향, YZ 방향 및, ZX 방향에 대한 방사 특성을 보여주는 도면;

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 주파수 마이크로스트립 안테나를 나타내는 사시도;

도 8은 도 7의 이중 주파수 마이크로스트립 안테나의 리턴 로스(return loss) 특성을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

31, 33: 방사패치32a, 32b, 32c: 유전체층

34: 평행 평판35: 그라운드판

36: 급전선37a, 37b: 단락판

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 마이크로 스트립 안테나는 그라운드판; 상기 그라운드판 상면에 적층되는 제1 유전체층; 상기 제1 유전체층 상면에 적층되고, 일측단이 상기 그라운드판과 단락되는 제1 방사패치; 상기 제1 방사패치 상면에 적층되는 제2 유전체층; 상기 제2 유전체층 상면에 부분 적층되고, 상기 제1 방사패치가 단락된 일측단의 반대방향으로 일측단이 상기 그라운드판에 단락되는 평행 평판; 상기 평행 평판 상면에 적층되는 제3 유전체층; 상기 제3 유전체층 상면에 부분 적층되는 제2 방사패치; 및 중심도체가 상기 제1 및 제2 방사패치에 전기적으로 접속되고, 외부 도체가 상기 그라운드판에 전기적으로 접속되는 급전선을 포함하여, 상기 제1 방사패치와 상기 평행 평판 사이의 용량에 의해 결정되는 제1 공진 주파수, 상기 평행 평판과 상기 제2 방사패치의 용량에 의해 결정되는 제2 공진 주파수를 갖는다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

(실시예)

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 2주파 마이크로스트립 안테나를 나타내는 사시도이다.

도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 주파수 마이크로스트립 안테나는 그라운드판(35) 상면에 제1 유전체층(32a)과 제1 방사패치(34)가 그라운드판(35)과 동일한 폭(W1)을 갖고 순차적으로 적층된다. 제1 방사패치(34)와 그라운드판(35)의 좌측단은 상호 제1 단락판(37a)에 의해 연결되어 전기적으로 단락 상태를 갖는다.

제1 방사패치(34)의 상면에는 제2 유전체층(32b)이 적층되고, 그 위에 그라운드판(35)과 동일한 폭(W1)으로 평행평판(33)이 부분 적층된다. 평행평판(33)의 우측단은 제2 단락판(37b)에 의해 제1 방사패치와는 접속되지 않도록 하면서 그라운드판(35)의 우측단으로 연결되어 전기적인 단락 상태를 갖는다.

평행평판(33)의 상면에는 제3 유전체층(32c)과 제2 방사패치(31)가 각기 그라운드판(35)과 동일한 폭(W1)으로 적층되며, 제2 방사패치(31)는 좌우측의 일정 부분이 제3 유전체층(32c)이 노출되도록 적층된다. 그리고 급전선(36)의 중심도체가 그라운드판에 접속되지 않도록 하면서 제1 방사패치(34)와 제2 방사패치(31)에 각기 접속된다.

본 발명의 실시예에서는 그라운드판(35)과 제1 및 제2 방사패치(34, 31), 평행 평판(33), 제1 및 제2 단락판(37a, 37b)의 동판 두께는 대략 0.0035㎝로 하였다. 안테나 전체 길이(L1)는 대략 2.7㎝로 하였고, 안테나의 좌측단에서 급전선(36)의 중심도체 중신까지 거리(Fp1)는 대략 0.7㎝로 구성하였다. 안테나의 폭(W1)은 34㎝로 구성하였고, 제1 방사패치(34)의 길이(b1)는 2.5㎝로 제2 방사패치(31)의 길이는 2.1㎝로 각각 구성하였다. 그리고 평행평판(33)의 길이는 1.2㎝로하였고, 제1 내지 제3 유전체층(32a, 32b, 32c)의 두께(t1, t2, t3)는 각각 0.1575㎝로 구성하였다. 이러한 각 구성의 크기는 본 발명에서 한정적인 요소는 아니며, 실시예에 변형에 따라 다르게 구성할 수 있음을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해 할 수 있을 것이다.

이와 같이 구성하였을 때, 본 실시예에서 마이크로스트립 안테나의 리턴로스특성은, 첨부도면 도 8에 도시된 바와 같이, 사용주파수 0.9854GHz에 대해서 -20.799dB이고, 사용주파수 1.5248GHz에 대해서 -21.033dB인 2개의 공진 주파수를 갖는다.

이상과 같은 본 발명의 이중 주파수 마이크로스트립 안테나는 제1 방사패치(34)와 평행평판(33)사이 그리고 평행평판(33)과 제2 방사패치(31)사이의 용량을 각각 장하시켜서 구성하기 때문에 전기력선 범위가 제한되지 않으면서 이득의 감쇠 없이 이중의 공진 주파수를 갖는 안테나를 소형화할 수 있다. 그리고 대역폭의 증감과 이득의 증감을 위하여 제1 내지 제3 유전체층(32a, 32b, 32c)의 두께(t1, t2, t3)와 용량을 장하한 부분의 폭을 조정할 수 있고, 더불어 용량을 장하한 부분의 폭과 길이를 조정함으로서 원하는 이중의 공진 주파수를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 주파수 마이크로스트립 안테나의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

이상과 같은 본 발명의 이중 주파수 마이크로스트립 안테나는 전기력선 범위가 제한되지 않으면서 이득의 감쇠 없이 2개의 공진 주파수를 갖는 안테나를 소형화할 수 있다. 그리고 유전체층의 두께와 용량을 장하한 부분의 폭과 길이를 조정하여 대역폭의 증감과 이득의 증감함으로서 원하는 이중의 공진 주파수를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 마이크로 스트립 안테나에 있어서:

   그라운드판;

   상기 그라운드판 상면에 적층되는 제1 유전체층;

   상기 제1 유전체층 상면에 적층되고, 일측단이 상기 그라운드판과 단락되는 제1 방사패치;

   상기 제1 방사패치 상면에 적층되는 제2 유전체층;

   상기 제2 유전체층 상면에 부분 적층되고, 상기 제1 방사패치가 단락된 일측단의 반대방향으로 일측단이 상기 그라운드판에 단락되는 평행 평판;

   상기 평행 평판 상면에 적층되는 제3 유전체층;

   상기 제3 유전체층 상면에 부분 적층되는 제2 방사패치; 및

   중심도체가 상기 제1 및 제2 방사패치에 전기적으로 접속되고, 외부 도체가 상기 그라운드판에 전기적으로 접속되는 급전선을 포함하여,

   상기 제1 방사패치와 상기 평행 평판 사이의 용량에 의해 결정되는 제1 공진 주파수, 상기 평행 평판과 상기 제2 방사패치의 용량에 의해 결정되는 제2 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 마이크로스트립 안테나.