KR20040008983A - 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를순차 회전 급전 배열한 배열 안테나 - Google Patents

송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를순차 회전 급전 배열한 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로스트립 패치 안테나는, 접지면 및 상기 접지면의 일면에 배치된 제 1유전체층을 포함하되, 상기 제 1유전체층의 일면에 위치한 제 1패치와 전기적으로 결합된 송신 급전 수단으로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치와 전기적으로 결합된 수신 급전 수단에 공급하기 위한 제 1패치 안테나층; 제 2유전체층을 포함하되, 상기 제 2유전체층의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 제 1패치로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치에 전자기적 결합을 통하여 공급하기 위한 제 2패치 안테나층; 및 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되는 제 3유전체층을 포함한다.

Description

송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나{Circular Polarized Microstrip Patch Antenna for Transmitting/Receiving and Array Antenna Arraying it for Sequential Rotation Feeding}
본 발명은 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 위성 통신 시스템 등의 무선 통신 시스템에서 사용되는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로스트립 패치 안테나는 소형, 경량, 박형이며, 제작이 용이하여 대량생산이 가능하므로 여러 통신 분야에 사용되고 있다.
그러나 마이크로스트립 패치 안테나는 1~2%정도의 협소한 임피던스 대역폭을갖는다는 단점을 가지고 있기 때문에 이러한 마이크로스트립 패치 소자를 이용하여 우/좌원형 편파를 동시에 사용하는 송/수신 겸용 안테나를 구현하기는 어렵다.
이에, 송/수신 대역에서 모두 사용 가능하고, 상호 격리도나 편파 특성에 있어서도 양호하며, 시스템의 부피를 최소한으로 줄일 수 있는 안테나를 구현하기 위한 연구가 계속되고 있다.
이러한 시스템의 크기 문제와 송/수신 안테나의 격리도 문제를 해결하기 위한 종래의 기술로서, '이차원 배열이 가능한 이중 급전 구조를 가지는 이중 편파 마이크로스트립 안테나'가 대한민국 특허 제278315호에 개시되어 있다.
상기 특허 제278315호는, 이차원 배열로 확장이 가능한 이중 급전 구조의 이중편파 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 안테나의 이득을 높이기 위하여 2차원 배열로 확장이 가능한 구조를 가지는 이중 급전 구조 및 안테나 설계 알고리즘을 제공한다.
상기 특허는 마이크로스트립선로방식, 비아홀과 마이크로스트립 선로를 혼합한 급전방식을 이용한 이중 급전방식 및 마이크로스트립 선로 방식, 슬롯 결합 급전 방식을 이용한 이중 급전 방식을 사용하고, 2차원 평면형 배열시에 송/수신 급전 회로를 층간 분리함으로써 배열 안테나로 확장시에 두 급전선이 서로 겹치는 문제와 부피가 증가되는 문제를 해결하였다.
그러나 상기 특허는, 서로 다른 기판에서 2차원 부배열의 이중 급전 선로를 구현함으로써 능동 회로와의 결합이 용이하지 않은 문제점이 있으며, 안테나의 부피가 커지는 문제점이 있다.
또한, 상기 특허는 선형 이중 편파를 사용하는 안테나의 경우 좋은 성능을 기대할 수 있으나, 원형 이중 편파를 사용하는 송/수신 겸용 안테나의 임피던스 대역과 편파 특성을 동시에 개선시킬 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 동일 평면에 구현된 송/수신 급전 회로를 가지는 능동패치와 스택패치 사이의 전자기적인 결합을 이용함으로써, 그 부피를 감소시키면서 대역폭을 증가시킬 수 있는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 동일 평면에 구현된 송/수신 급전 회로를 가지는 능동패치와 스택패치 사이의 전자기적인 결합을 이용함으로써 그 부피를 감소시키면서 대역폭을 증가시킬 수 있고, 순차 회전 배열 방식을 이용함으로써 송/수신 겸용 안테나의 임피던스 대역과 원형 이중 편파 특성을 동시에 개선할 수 있는, 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 2a는 상기 도 1의 제 3유전체층 하부면의 일실시예 상세 구조도,
도 2b는 상기 도 1의 제 1유전체층 상부면의 일실시예 상세 구조도,
도 3은 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나의 일실시예 단면도,
도 4a는 상기 도 3의 제 3유전체층 하부면의 일실시예 상세 구조도,
도 4b는 상기 도 3의 제 1유전체층 상부면의 일실시예 상세 구조도,
도 5는 본 발명에 따른 배열 안테나의 반사손실 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 배열 안테나의 송/수신 격리도 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프,
도 7a는 본 발명에 따른 배열 안테나의 송신 포트의 축비 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프,
도 7b는 본 발명에 따른 배열 안테나의 수신 포트의 축비 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 접지면120, 140, 160 : 유전체층
130, 150 : 패치210 : 송신 급전부
220 : 수신 급전부
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광대역 특성을 나타내기 위한 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서, 접지면 및 상기 접지면의일면에 배치된 제 1유전체층을 포함하되, 상기 제 1유전체층의 일면에 위치한 제 1패치와 전기적으로 결합된 송신 급전 수단으로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치와 전기적으로 결합된 수신 급전 수단에 공급하기 위한 제 1패치 안테나층; 제 2유전체층을 포함하되, 상기 제 2유전체층의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 제 1패치로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치에 전자기적 결합을 통하여 공급하기 위한 제 2패치 안테나층; 및 상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되는 제 3유전체층을 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 배열한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 있어서, 상기 제 1패치 및 상기 제 2패치를 8×1 단위 배열하되, 다수의 상기 송신 급전 수단과 다수의 상기 수신 급전 수단이 각각 마이크로스트립 선로를 통하여 전기적으로 연결되도록 배치된다.
본 발명의 안테나는 송신 주파수 대역에서는 우원편파를 사용하고, 수신 주파수 대역에서는 좌원편파를 사용한다. 또한 위성 통신용 주파수 대역 내에서 송수신이 모두 가능하도록 하기 위해서 약 15% 정도의 광대역 특성을 필요로 하며, 뒷단에 부착될 능동모듈과의 조립성을 고려한다면 배열 안테나로 제작하는 것이 유리하다.
따라서 위에서 제시한 모든 조건을 만족하기 위해서 안테나의 방사소자는 좌, 우원편파 특성을 동시에 가지며 광대역이어야 한다.
또한, 위상 배열 안테나로 확장하기 위해 빔 틸트에 따른 그레이팅 로브의 생성을 억제하기 위하여 더욱 좁은 소자간 간격이 요구되며, 따라서 안테나의 크기도 작아져야 한다.
이를 고려하여 본 발명의 안테나는 단일 방사소자로는 대각선으로 마주하는 두 모서리가 절단된(Truncated) 정사각형 패치 형태를 사용하고, 8×1 단위 배열구조를 가지며, 급전 방식으로는 대량생산 및 조립성을 감안하여 직접급전 방식을 이용하였다.
또한, 본 발명의 안테나는 광대역 특성을 얻기 위해 적층 구조를 사용하였으며, 축비와 임피던스 특성을 동시에 개선하기 위해 2×1 순차 회전 배열 방식을 도입하였다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로스트립 패치 안테나는, 접지면(110), 제 1유전체층(120), 능동패치인 제 1패치(130), 제 2유전체층(140), 스택패치인 제 2패치(150) 및 제 3유전체층(160)을 포함하고 있으며, 상기 제 1패치(130)는 송/수신 급전부(도시되지 않음)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제 1유전체층(120)의 상부면에 상기 제 1패치(130)가 위치하고, 상기 제 1패치(130)와 상기 제 2패치(150)는 저유전율(유전율이 거의 1)의 상기 제 2유전체층(140)을 매개로 하여 전자기적 결합이 이루어진다.
이때, 상기 제 1패치(130)와 상기 제 2패치(150) 사이의 상기 제 2유전체층(140)의 두께 변화에 따라 전자기적 결합량이 변화하여 대역폭 및 송/수신 격리도 특성에 영향을 주기 때문에 적절한 두께를 채택하여 원하는 마이크로스트립 패치 특성을 얻을 수 있다.
상기 제 3유전체층(160)은 상기 제 1유전체층(120)에 비하여 비교적 낮은 유전율의 기판을 사용하여 안테나 방사 효율의 저하를 감소시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2패치 등의 상세한 구조는 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a는 상기 도 1의 제 3유전체층 하부면의 일실시예 상세 구조도이며, 도 2b는 상기 도 1의 제 1유전체층 상부면의 일실시예 상세 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 제 1패치(130)는 송신 급전부(210) 및 수신 급전부(220)와 전기적으로 직접 연결되어, 급전된다.
여기서 상기 제 1패치(130)와 상기 제 2패치(150)는 원형 편파 구현을 위하여 직교하는 두 모드를 발생시킬 수 있도록 대각선으로 마주하는 두 모서리가 절단된(Truncated) 정사각형 모양으로 형성되어 있다. 또한, 상기 제 1패치(130)와 상기 제 2패치(150)는 효율적으로 전자기적 결합할 수 있도록 중첩시켜 형성한다. 이때, 절단된 두 모서리는 상기 제 1패치(130)와 상기 제 2패치(150)가 서로 일치하도록 배치한다.
상기 제 1 및 2패치의 정사각형의 한 변의 길이(wa, wb) 및 절단된 삼각형의 길이(w1, w2)를 조절함으로써 공진주파수를 조정할 수 있으므로, 최적의 공진주파수 및 대역폭 특성을 갖도록 할 수 있다.
상기 송신 및 수신 급전부는 정사각형 형태를 갖는 상기 제 1패치의 직교하는 두 변 중심에 각각 형성되며, 상기 송신 및 수신 급전 선로가 형성된 직교하는 두 변이 만나는 모서리는 삼각형 모양으로 절단된 형태이다.
도 3은 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나의 일실시예 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배열 안테나는, 상기 도 1의 마이크로스트립 패치 안테나를 8×1 단위 배열한 것이다.
도 4a는 상기 도 3의 제 3유전체층 하부면의 일실시예 상세 구조도이며, 도 4b는 상기 도 3의 제 1유전체층 상부면의 일실시예 상세 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배열 안테나는, 상기 제 1유전체층(120)의 동일 평면에 8×1 단위로 다수의 제 1패치(130)가 배열되고, 상기 다수의 제 1패치(130)에 송/수신 급전부(210, 220)가 각각 전기적으로 직접 연결되어 있으며, 상기 다수의 송/수신 급전부(210, 220)는 마이크로스트립 선로에 의하여 연결되어 있다.
도면에 도시된 A 및 B는 각각 송신 및 수신 포트를 나타내고 있다.
본 발명에서는, 광대역 특성을 만족시키기 위해, 송/수신 급전 모두 병렬급전 방식을 이용한다.
상기 제 1패치는, 2×1 단위의 순차 회전(Sequential Rotation) 배열 방식을 이용한 것으로, 하나의 패치를 기준으로 일정 각도만큼 회전된 또 다른 패치를 우측에 배치하고, 두 패치간에 일정 각도만큼의 위상차가 발생하도록 급전함으로써 2×1 단위의 배열 안테나를 구성하고, 또한 이를 다시 8×1 단위로 확장한 것이다.
이와 같이, 상기 다수의 제 1패치(130)는 두개씩 쌍을 이루어 서로 90°의 위상차를 갖도록 2×1 단위의 순차 회전 배열 방식으로 급전됨으로서 임피던스 대역폭 특성 및 편파 특성을 개선시킬 수 있다.
8×1 단위의 상기 제 2패치(150)는 효율적으로 전자기적 결합할 수 있도록 상기 다수의 제 1패치(130)와 중첩시켜 형성한다.
상기 배열 안테나 소자 사이의 간격은 d이며, 이는 동작 중심 주파수에 대하여 0.75λ에 해당되는 길이로 협소한 공간에 송/수신 겸용 마이크로스트립 패치를 배열하고, 이를 급전하는데 있어서 그레이팅 로브(Grating Lobe)의 발생을 줄이기 위해 고려된 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나의 반사손실 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
송신 대역 중심 주파수를 8.15GHz, 수신 대역 중심 주파수를 7.5GHz라고 할때 Tx는 송신 포트(A)의 반사손실을 나타내며, Rx는 수신 포트(B)의 반사손실을 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배열 안테나에서, -10dB이하의 반사손실을 갖는 송/수신 각 포트에서의 대역폭은 20% 이상임을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나의 송/수신 격리도 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프로서, 상기 송신 포트(A)와 상기 수신 포트(B)간의 격리도를 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배열 안테나의 격리도는, 송신 중심 주파수 8.15GHz에서 -25dB로 가장 좋음을 알 수 있으며, 8.15GHz를 중심으로 ±500MHz 범위 내에서 약 -15dB정도로, 뛰어난 격리도 특성을 보임을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 순차 회전 급전 배열한 배열 안테나의 송신 포트와 수신 포트의 축비 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 축비 2.0dB이하의 대역폭은 송신 급전 포트에 대하여 약 19%이고, 수신 급전 포트에 대하여 약 23%로서, 광대역 특성을 보임을 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 능동패치에 이중 직접 급전을 함으로써, 송/수신 분리 안테나에 비해 부피를 크게 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 능동패치와 스택패치를 분리시켜 전자기적으로 결합시킴으로써, 광대역 특성을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 능동패치에 대하여 2×1 순차 회전 방식으로 급전함으로써, 임피던스 대역폭 특성 및 편파 특성을 개선시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 광대역 특성을 나타내기 위한 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서,
    접지면 및 상기 접지면의 일면에 배치된 제 1유전체층을 포함하되, 상기 제 1유전체층의 일면에 위치한 제 1패치와 전기적으로 결합된 송신 급전 수단으로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치와 전기적으로 결합된 수신 급전 수단에 공급하기 위한 제 1패치 안테나층;
    제 2유전체층을 포함하되, 상기 제 2유전체층의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 상기 제 1패치로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치에 전자기적 결합을 통하여 공급하기 위한 제 2패치 안테나층; 및
    상기 제 1패치 안테나층과 상기 제 2패치 안테나층 사이에 배치되는 제 3유전체층
    을 포함하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1패치와 상기 제 2패치는,
    서로 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1패치와 상기 제 2패치는,
    대각선으로 마주하는 두 모서리가 절단된 정사각형 형태인 것을 특징으로 하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 및 수신 급전 수단은,
    상기 제 1패치의 직교하는 두 변 중심에 전기적으로 연결되도록 각각 배치하되, 상기 송신 및 수신 급전 수단이 배치된 직교하는 두 변이 만나는 모서리가 절단된 것을 특징으로 하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 상기 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나를 배열한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 있어서,
    상기 제 1패치 및 상기 제 2패치를 8×1 단위 배열하되,
    다수의 상기 송신 급전 수단과 다수의 상기 수신 급전 수단이 각각 마이크로스트립 선로를 통하여 전기적으로 연결되도록 배치된 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  6. 제 5항에 있어서,
    다수의 상기 제 1패치는,
    2×1 단위로 일정 각도만큼 순차 회전 배열되어, 두 패치 간에 일정 각도의 위상차가 발생하도록 급전되는 것을 특징으로 하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 일정 각도는,
    실질적으로 90°인 것을 특징으로 하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 다수의 송신 급전 수단 및 상기 다수의 수신 급전 수단은,
    병렬 급전 구조인 것을 특징으로 하는 송/수신용 원형 편파 마이크로스트립패치 배열 안테나.
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