KR20040025064A - 이중 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬롯 부하형 개구면 안테나(SPA)의 구조를 개선함으로써 주파수 비 범위의 변화를 가능하게 하여 인접한 주파수 대역을 선택적으로 수신할 수 있는 이중 슬롯 부하형 개구면 안테나(ACDSPA)에 관한 것으로, 전송 선로(feed line)가 형성된 제 1 유전체층이 구비되며, 상기 제 1 유전체층 위에 그 중앙에 개구면이 형성된 접지판이 적층되며, 상기 접지판 위에 제 2 유전체층이 적층되며, 상기 제 2 유전체층 위에 패치가 적층되며, 상기 패치의 방사 가장자리(radiating edge) 근처에 이중 공진을 위한 한 쌍의 슬롯과 주파수 비의 변화를 위한 한 쌍의 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 이중 공진을 위한 ACSPA의 구조가 갖는 한계를 개선하여 주파수 비의 범위를 낮은 쪽에서 보다 넓은 영역을 갖게 하는 잇점이 있다.

Description

이중 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나{APERTURE COUPLED DUAL SLOT-LOADED PATCH ANTENNA}

본 발명은 초고주파 회로 및 안테나 분야에서 사용되는 마이크로스트립 기판을 이용하여 이중 공진 안테나를 구현하는 슬롯 부하형 개구면 안테나(SPA)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슬롯 부하형 개구면 안테나(SPA)의 구조를 개선함으로써 주파수 비 범위의 변화를 가능하게 하여 인접한 주파수 대역을 선택적으로 수신할 수 있는 이중 슬롯 부하형 개구면 안테나(DSPA)에 관한 것이다.

통신 시스템과 네트워크 기술의 발달로 인하여 새로운 기술들이 연구되고 있고, 특히 무선 통신에 대한 분야에 있어서 서로 다른 대역의 서비스를 하나의 안테나로 수신하기 위한 기술이 대두되고 있다. 더우기 다양한 통신 기술로 인해 주파수의 대역간의 간격은 좁아지는 추세에 있으므로, 원하는 서비스를 선택적으로 받기 위한 다중 대역 안테나가 필요하며, 이경우 주파수 비(FR)를 조절할 수 있는 방법이 필요하다. 그 중에서도 인접 주파수 대역도 선택적으로 받기 위해 주파수 비가 작은 쪽에서도 조절 가능한 설계 기술의 중요성이 커지고 있다.

여기서, 주파수 비는 낮은 공진 주파수와 높은 공진 주파수의 비를 말한다.

한편, 주파수 비 범위를 변화시킬 수 있는 종래의 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나(Aperture Coupled Slot-loaded Patch Antenna)의 구조가 도 1에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나(이하 ACSPA라 함.)는 패치(10), 접지판(20), 개구면(25), 두 개의 유전체 층(15,30) 그리고 전송 선로(feed line ; 35)으로 구성되어 있다. 접지판(20)의 개구면(25)을 통하여 패치(10)에 전류가 유기된다. 패치(10)에는 이중 공진을 위한 슬롯(5)이 형성되어 있다. 이 슬롯(5)으로 인해 하나의 방사 소자(radiator)로 두개의 공진주파수를 갖는 이중공진 안테나의 역할을 할 수 있다는 구조적인 장점이 있다. 여기서 슬롯의 길이(w1)를 제어함으로써 주파수 비를 조정할 수 있게 된다. 이 구조에서 변화시킬 수 있는 주파수 비는 1.6 에서 2.0이다. 그러나 제한된 주파수 영역에서 차츰 많아지는 통신 서비스를 선택적으로 수용하기 위해서는 보다 낮은 영역에서의 주파수 비가 필요하게 되므로 이 구조는 부적절 하다고 볼 수 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해소하기 위한 것으로, 이중 공진을 위한 ACSPA의 구조가 갖는 한계를 개선하여 주파수 비의 범위를 낮은 쪽에서 보다 넓은 영역을 갖게 하는 이중 슬롯 부하형 개구면 안테나(Aperture Coupled Dual Slot-loaded Patch Antenna)를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전송 선로(feed line)가 형성된 제 1 유전체층이 구비되며, 상기 제 1 유전체층 위에 그 중앙에 개구면이 형성된 접지판이 적층되며, 상기 접지판 위에 제 2 유전체층이 적층되며, 상기 제 2 유전체층 위에 패치가 적층되며, 상기 패치의 방사 가장자리(radiating edge) 근처에이중 공진을 위한 한 쌍의 슬롯과 주파수 비의 변화를 위한 한 쌍의 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

도 1은 종래의 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나(ACSPA)의 구조를 도시한 분해 조립도.

도 2은 본 발명에 따른 이중 슬롯 부하형 개구면 안테나(ACDSPA)의 구조를 도시한 분해 조립도.

도 3은 종래의 SPA와 본 발명에 따른 DSPA의 주파수 비의 결과를 비교한 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 DSPA에서 슬롯 길이 변화에 따른 주파수 비의 변화를 나타낸 그래프.

도 5 와 도 6은 본 발명에 따른 ACDSPA의 주파수 비에 대한 결과를 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 ACDSPA의 주파수 비에 대한 결과 비교한 표.

도 8은 본 발명에 따른 ACDSPA의 방사 특성을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:패치 15: 제 2 유전체층

20:접지판 25: 개구면

30: 제 1 유전체층 35: 전송선로

90: 이중 슬롯

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2은 본 발명에 따른 이중 슬롯 부하형 개구면 안테나(ACDSPA)의 구조를 도시한 분해 조립도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 슬롯 부하형 개구면 안테나(이하 ACDSPA라 함.)는 개구면 결합형(aperture coupling) 방식을 적용하여 안테나의 크로스 분극(cross polarization)을 줄이도록 하였다. 개구면(25)의 위치는 패치(10)의 중앙에 위치하며 그 폭(sw)과 길이(sl)는 임피던스 정합(impedance matching)을 고려하여 전송 선로(35)의 전력이 최대로 패치(10)에 결합(coupling)될 수 있도록 결정되었다. 전송 선로(35)의 길이(fl)와 폭(fw)도 이와 같은 이유로 결정되었다. 전류 분포가 도미넌트 모드(dominant mode)의 그것과 비슷하게 하기 위하여 이중 슬롯(90)은 패치(10)의 방사 가장자리(radiating edge) 근처에 위치시켰다. 이로 인해 안테나의 방사 패턴은 두 공진 주파수에서 비슷한 특성을 보이게 된다. 제 1 유전체층(30)과 제 2 유전체층(15)은 모두 상대 유전율이 3.38,높이(h1, h2) 20mm의 기판이 사용되었다. 패치(10)의 사이즈(size)는 원하는 주파수 대역에 따라 그 크기가 결정되는데 여기서는 길이 ; 11.5mm, 폭 ; 15.5mm를 선택하였다.

즉, 본 발명은 패치(10) 하나에 이중 공진을 위한 슬롯(90a)과 주파수 비 범위를 조정하기 위한 별도의 슬롯(90b)로 이뤄진 이중 슬롯(90)이 방사 가장자리에 형성된 것이다.

도 3은 종래의 이중 공진 안테나 설계방식인 SPA방식과 본 발명에 따른 DSPA의 공진 주파수를 비교한 것이다. 여기서 이중 공진을 만드는 슬롯의 길이는 10.5mm로 동일하게 하고, DSPA의 경우 주파수 비 범위의 변화를 위한 슬롯의 길이도 10.5mm로 한 경우를 비교한 것인데 SPA의 경우는 5.5GHz와 10.2GHz에서 공진이 일어나므로 주파수 비가 약 1.88인데 반해 DSPA의 경우는 9.8GHz와 10.0GHZ에서 공진이 일어나므로 주파수 비가 약 1.023임을 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 DSPA에서 주파수 비 범위의 변화를 위한 슬롯의 길이를 10.5mm에서 3.5mm까지 변화시킨 시뮬레이션 결과를 나타내는데 길이가 줄어들면서 주파수 비는 증가하고 있음을 보여준다. 슬롯의 길이가 10.5mm, 6.5mm, 5.5mm, 3.5mm일 때 주파수 비는 1.023, 1.3096, 1.3908, 1.6367으로 증가함을 알 수 있고, 여기서 DSPA는 1.1이하부터 1.6이상의 주파수 비 범위를 갖고 있음을 보여 준다.

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 ACDSPA의 공진 주파수를 시뮬레이션과 측정한 결과를 보여 준다. 슬롯의 길이를 10.5mm에서 6.5mm로 1mm 간격으로 시뮬레이션과 측정을 한 결과 주파수는 약간 이동(shift) 되었지만 주파수 비는 일치함을 보여준다.

도 7은 이 두 결과를 수치적으로 보여주고 있으며, 도 4와 마찬가지로 슬롯의 길이를 제어함으로써 SPA에서의 주파수 비 범위와 다른 범위의 주파수 비를 얻을 수 있다.

도 8에서는 안테나의 방사 패턴도 두 공진 주파수에서 비슷한 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 낮은 공진 주파수 8.425GHz와 높은 공진 주파수 9.3GHz에서 특성을 비교한 결과 같음을 측정 결과로 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 별도의 슬롯의 길이를 제어함으로써 SPA가 기존에 가졌던 1.6-2.0의 주파수 비 범위를 1.1이하에서 1.6이상의 범위로 변화시킬 수 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래의 SPA 구조에서 별도의 슬롯의 길이를 제어함으로써 주파수 비를 낮은 영역에서 보다 넓은 영역의 주파수 비 조정을 할 수 있다.

또한, 낮은 주파수 비가 가능함으로써 인접한 주파수 대역을 갖는 통신 서비스들을 선별적으로 수용하는데 기여할 수 있다.

더우기 종래에 이중 공진 안테나가 이용되었던 레이더나 GPS(globalpositioning system) 시스템에서 이용될 수 있고, 다양해진 통신 서비스로 인해 한정적인 주파수 대역에서 보다 다양해진 서비스들을 선택적으로 수용할 수 있는 장점이 있고, 동일한 방사 특성을 갖음으로써 이러한 서비스 수신에 용이하고, 다중대역 안테나로 응용 가능하다는 잇점이 있다.

Claims (3)

1. 전송 선로(feed line)가 형성된 제 1 유전체층이 구비되며, 상기 제 1 유전체층 위에 그 중앙에 개구면이 형성된 접지판이 적층되며, 상기 접지판 위에 제 2 유전체층이 적층되며, 상기 제 2 유전체층 위에 패치가 적층되며, 상기 패치의 방사 가장자리(radiating edge) 근처에 이중 공진을 위한 한 쌍의 슬롯과 주파수 비의 변화를 위한 한 쌍의 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯의 길이를 제어함으로써 주파수 비를 낮은 영역에서 보다 넓은 영역의 주파수 비 조정을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 낮은 영역에서 보다 넓은 영역의 주파수 비가 1.1 이하부터 1.6 이상인 것을 특징으로 하는 이중 슬롯 부하형 개구면 결합형 안테나.