KR20030054827A - 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전급전 배열한 배열 안테나 - Google Patents

원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전급전 배열한 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나는, 유전체층과 접지 도체층을 포함하며, 상기 유전체층의 일면에 위치한 제 1패치와 전기적으로 결합된 급전 수단에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 1패치 안테나층; 유전체 필름을 포함하며, 상기 유전체 필름의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 제 1패치에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 2패치 안테나층; 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층을 이격시키기 위한 제 1폼층; 및 상기 제 2패치 안테나층의 일면에 배치되어, 상기 제 2패치 안테나층을 보호하기 위한 제 2폼층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나{Circular Polarized Microstrip Patch Antenna and Array Antenna arraying it for Sequential Rotation Feeding}
본 발명은 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 육상 방송 시스템, 위성 방송 시스템 및 통신 시스템 등에서 사용되는 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 이용한 배열 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 육상 방송, 위성 방송 및통신에서 현재 가장 널리 사용되는 안테나이다. 그러나, 상기의 마이크로스트립 패치 안테나는 동작 대역이 좁은 단점이 있다. 또한, 원형 편파를 사용하는 경우에는 임피던스 대역폭뿐만 아니라 해당 대역 내에서의 축비 특성을 만족시켜야 하는 추가적인 조건이 있어서 안테나의 성능 개선을 어렵게 하고 있다.
이러한 축비 대역폭을 개선하기 위한 종래의 기술로서, '삼각형 격자를 갖는 위성방송 송수신용 마이크로스트립 부배열 안테나'가 대한민국 공개특허 제2000-0072689호에 개시되어 있으며, 또한, '원형 편파용 광대역 평판형 배열안테나'가 대한민국 공개특허 제2001-0000213호에 개시되어 있다.
상기 두 특허에서 제시하는 안테나는, 모두 원형 편파를 발생시키기 위하여 모서리가 절단된 마이크로스트립 패치를 사용하고 있는데, 상기 특허 제2000-0072689호는 축비 대역 특성을 개선하기 위하여 3개의 원형 편파 특성을 가지는 사각형 패치 소자를 삼각형 격자 형태로 배열하여 순차 회전 급전하는 구조를 가지는 반면, 상기 특허 제2001-0000213호는 4개의 원형 편파 특성을 가지는 사각형 패치 소자를 2n × 2n 형태로 배열하여 순차 회전 급전하는 구조를 사용하고 있다.
그러나, 상기 특허 제2000-0072689호 및 제2001-0000213호에 제시된 순차 회전 급전 방식은 바둑판 모양으로 배열한 사각형 순차 회전 방식을 사용하므로, 앙각 방향으로 넓은 빔 폭이 필요한 분야에서는 제한적으로 사용될 수 밖에 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 제 1패치와 제 2패치를 폼층을 사이에 두고 전자기적으로 결합시킴으로써, 방사 효율을 증가시키고, 제작 비용을 줄이기 위한 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 일직선상에서 순차 회전 급전 방식을 사용함으로써, 마이크로스트립 패치 안테나의 축비 대역폭 특성을 향상시키고, 앙각 방향으로 넓은 빔 폭을 형성하기 위한 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 측면도,
도 1b는 본 발명에 따른 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 일실시예 단면도,
도 3a는 본 발명에 따른 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체 필름의 일실시예 평면도,
도 3b는 본 발명에 따른 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체층의 일실시예 평면도,
도 4a는 본 발명에 따른 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체 필름의 일실시예 평면도,
도 4b는 본 발명에 따른 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체층의 일실시예 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실, 축비 및 이득 특성도,
도 6은 본 발명에 따른 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실, 축비 및 이득 특성도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 접지 도체층120 : 유전체층
130 : 급전선140 : 제 1패치
150 : 제 1폼층160 : 유전체 필름
170 : 제 2패치180 : 제 2폼층
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 방사 효율을 향상시키기 위한 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서, 유전체층과 접지 도체층을 포함하며, 상기 유전체층의 일면에 위치한 제 1패치와 전기적으로 결합된 급전 수단에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 1패치 안테나층; 유전체 필름을 포함하며, 상기 유전체 필름의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 제 1패치에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 2패치 안테나층; 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층을 이격시키기 위한 제 1폼층; 및 상기 제 2패치 안테나층의 일면에 배치되어, 상기 제 2패치 안테나층을 보호하기 위한 제 2폼층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 앙각 방향으로 넓은 빔 폭을 얻기 위하여 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 있어서, 유전체층과 접지 도체층을 포함하며, 상기 유전체층의 일면에 위치한 1 × 4 단위 배열되어 있는 다수의 제 1패치와 전기적으로 결합된 급전 수단에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 1패치 안테나층; 유전체 필름을 포함하며, 상기 유전체 필름의 일면에 위치한 1 × 4 단위 배열되어 있는 다수의 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 다수의 제 1패치에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 2패치 안테나층; 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층을 이격시키기 위한 제 1폼층; 및 상기 제 2패치 안테나층의 일면에 배치되어, 상기 제 2패치 안테나층을 보호하기 위한 제 2폼층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 측면도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로스트립 패치 안테나는, 접지 도체층(110), 유전체층(120), 급전선(130), 제 1패치(140), 제 1폼층(150), 유전체 필름(160), 제 2패치(170) 및 제 2폼층(180)을 포함하고 있다.
상기 유전체층(120)의 하면에 상기 접지 도체층(110)이 위치하여 있고, 상기 유전체층(120)의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 상기 급전선(130)과 제 1패치(140)가 배치되어 있으며, 상기 급전선(130)과 상기 제 1패치(140)는 전기적으로 직접 연결되어 있다.
상기 급전선(130)과 상기 제 1패치(140)의 위에는 상기 제 1폼층(150)이 배치되어 있고, 상기 제 1폼층(140)이 상부에는 상기 유전체 필름(160)이 배치되어 있다. 또한, 상기 유전체 필름(160)의 상부에는 금속으로 이루어진 상기 제 2패치(170)가 배치되어 있고, 상기 제 2패치(170)의 상부에는 상기 제 2폼층(180)이 형성되어 있다.
여기서 상기 제 1패치(140)와 상기 제 2패치(170)는 원형 편파 구현을 위하여 직교하는 두 모드를 발생시킬 수 있도록 대각선으로 마주하는 두 모서리가 절단된 4각형 모양으로 형성되어 있다. 또한, 상기 제 1패치(140)와 상기 제 2패치(170)는 효율적으로 전자기적 결합할 수 있도록 중첩시켜 형성한다. 이 때, 절단된 두 모서리는 상기 제 1패치(140)와 상기 제 2패치(170)가 서로 일치하도록 배치한다.
이와 같이, 상기 급전선(130)과 연결되어 있는 상기 제 1패치(140)를 이용하여 방사 패치인 제 2패치(170)와 전자기적으로 결합시킴으로써 결합 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제 1폼층(150) 및 상기 제 2폼층(180)은 다량의 공기 방울을 내포하고 있어서 유전율이 매우 낮다. 따라서, 상기 제 1패치(140)와 상기 제2패치(170)를 상기 제 1폼층(150)을 이용하여 이격시킴으로써 축비 대역폭 특성을 개선할 수 있고, 이를 통하여 임피던스 대역폭 및 안테나의 방사 효율이 향상되고 안테나의 이득 특성도 개선될 수 있다. 또한, 상기 제 2폼층(180)은 상기 제 2패치(170)를 덮어 보호하되, 전자파를 방사함에 있어서 상기 제 2폼층(180)으로 인한 손실은 미미하다 할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 일실시예 단면도로서, 상기 도 1에서 설명한 바와 같은 마이크로스트립 패치를 순차 회전 급전 방식을 적용할 수 있도록 배열한 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체 필름의 일실시예 평면도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체층의 일실시예 평면도이다.
또한, 도 4a는 본 발명에 따른 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체 필름의 일실시예 평면도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 유전체층의 일실시예 평면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 1 × 4 단위 배열 안테나가 연속적으로 결합되어 하나의 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 이룬다. A와 B는 순차 회전 급전 방식을 적용하기 위하여 직접 연결되어 있는 두 패치 사이에 A는 λ/4, B는 λ/2 만큼의 전기적 경로차를 형성한 것으로서, 1 × 4 단위 배열 안테나의 급전선의 위상이 0°,90°, 180°, 270°이 되도록 배열된다.
도 5는 본 발명에 따른 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실, 축비 및 이득 특성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사 손실, 축비 및 이득 특성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 좌원형 편파 마이크로스트립 패치 배열안테나의 10dB 반사 손실 대역폭 특성은 37.8%이며, 3dB 축비 대역폭 특성은 21.8%임을 알 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 우원형 편파 마이크로스트립 패치 배열안테나의 10dB 반사 손실 대역폭 특성은 37.6%이며, 3dB 축비 대역폭 특성은 26%임을 알 수 있다.
종래의 마이크로 스트립 패치 배열 안테나에서는 20% 이상의 축비 대역폭 특성은 매우 얻기 어렵다.
이와 같이, 본 발명의 원형 편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 반사 손실 대역폭, 축비 대역폭 및 이득 면에 있어서, 모두 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 급전선과 제 1패치를 전기적으로 직접 연결하고, 제 1패치와 제 2패치를 폼층을 사이에 두고 전자기적으로 결합시킴으로써, 급전선과 제 2패치 사이의 결합 특성을 향상시킬 수 있어서 안테나의 방사 효율이 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유전율이 낮은 폼층을 사용하여 제 1패치와 제 2패치를 이격시킴으로써, 유전 손실을 저감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 모서리가 절단된 패치를 사용함과 동시에 순차 회전 급전 방식을 사용함으로써, 축비 대역폭 특성을 개선할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 이를 통하여 임피던스 대역폭과 축비 대역폭, 그리고 이득 특성이 우수한 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 순차 회전 급전 방식을 일직선상에서 구현함으로써, 앙각 방향으로 넓은 빔 폭을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 방사 효율을 향상시키기 위한 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서,
    유전체층과 접지 도체층을 포함하며, 상기 유전체층의 일면에 위치한 제 1패치와 전기적으로 결합된 급전 수단에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 1패치 안테나층;
    유전체 필름을 포함하며, 상기 유전체 필름의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 제 1패치에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 2패치 안테나층;
    상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층을 이격시키기 위한 제 1폼층; 및
    상기 제 2패치 안테나층의 일면에 배치되어, 상기 제 2패치 안테나층을 보호하기 위한 제 2폼층
    을 포함하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1패치 및 상기 2패치는,
    대각선으로 마주보는 두 모서리가 잘려나간 사각형인 것을 특징으로 하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1패치 및 상기 2패치는,
    잘려나간 두 모서리의 위치가 일치하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 앙각 방향으로 넓은 빔 폭을 얻기 위하여 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 있어서,
    유전체층과 접지 도체층을 포함하며, 상기 유전체층의 일면에 위치한 1 × 4 단위 배열되어 있는 다수의 제 1패치와 전기적으로 결합된 급전 수단에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 1패치 안테나층;
    유전체 필름을 포함하며, 상기 유전체 필름의 일면에 위치한 1 × 4 단위 배열되어 있는 다수의 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 다수의 제 1패치에 의해 전류를 여기하여 에너지를 방사하는 제 2패치 안테나층;
    상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층을 이격시키기 위한 제 1폼층; 및
    상기 제 2패치 안테나층의 일면에 배치되어, 상기 제 2패치 안테나층을 보호하기 위한 제 2폼층
    을 포함하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 급전 수단은,
    상기 다수의 제 1패치에 위상이 0°,90°, 180°, 270°인 순차 회전 급전하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 다수의 제 1패치 및 상기 다수의 2패치는,
    대각선으로 마주보는 두 모서리가 잘려나간 사각형인 것을 특징으로 하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 다수의 제 1패치 및 상기 다수의 2패치는,
    잘려나간 두 모서리의 위치가 일치하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
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