KR20040038961A - 에프구조의 급전방식을 이용한 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신(셀룰러, PCS, IMT-2000등) 및 데이터통신(ISM-band, Wireless LAN) 등에 사용되는 지향성 패치 안테나에 관한 것으로, 일반적으로 옴니안테나에 사용되는 IFA(Inverted F Antenna) 구조를 응용하여 패치 안테나의 급전부로 사용함으로써 구조를 단순화 시키며, 단순화된 구조로 인해 이득은 최대화 시킬 수 있는 구조로 우수한 전기적 특성뿐만 아니라 경제적인 원가구조로 기존의 마이크로스트립 패치 안테나보다 향상된 안테나를 사용할 수 있도록 하는 광대역 패치 안테나에 관한 것이다.

그리고, 상기 광대역 패치안테나는, 안테나의 이득 및 빔폭등을 결정하는 방사소자부(110)와 그 방사소자에 소정 전력을 EM coupling을 통하여 공급함과 더불어 임피던스를 정합하는 F 구조의 급전부(112)와, 그라운드의 역할 및 방사되는 전력을 한쪽방향으로 지향 할 수 있도록 반사시켜주는 반사부(113)로 안테나의 가장 기본이 되는 3가지 부분으로만 구성되어 설계되는 것을 특징으로 한다.

Description

에프구조의 급전방식을 이용한 패치 안테나{A patch antenna using F-type feed}

본 발명은 이동통신(셀룰러, PCS, IMT-2000등) 및 데이터통신(ISM-band, Wireless LAN) 등에 사용되는 지향성 패치 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 안테나의 방사소자에 전력을 효율적으로 공급하는 급전부를 매칭회로를 포함하여 대역폭을 넓게하고 주파수 튜닝이 쉽도록 IFA구조를 응용하여 설계 제작된 패치 안테나에 관한 것이다.

같은 용도로서 사용되는 패치안테나로서 유전체기판을 이용한 마이크로스트립 패치안테나(도 1a), 다이폴 소자를 이용한 패치안테나(도 1b), L급전방식을 이용한 패치 안테나(도 1c)등이 있다.

도 1의 a 내지 b는 종래 이동통신 서비스나 무선통신에서 흔히 사용되는 패치 안테나로서, 도1a는 급전부과 매칭부를 포함하는 마이크로스트립 기판이 사용되었으며, 주파수 튜닝시 급전기판의 패턴이 수정되어야 하며, 유전체의 유전율 및 두께가 일정하지 못할 경우 세부적인 튜닝이 어려울 수 있으며, 그러한 이유로 고가의 유전체 기판이 사용되기도 하며, 에칭작업이 필요해 안테나 원가구조에 불리할 수 있다. 그러한 이유로 마이크로스트립 기판을 대치한 다이폴 소자를 이용한 패치 안테나가 많이 사용되고 있다(도 1b). 그러나 다이폴의 기본적으로 주파수 공진이 소자의 길이에 의해 결정이 되며, 케이블로 직접 급전을 하므로, 다른 주파수로의 변경 및 세부 튜닝에서 불리한 점을 갖고 있으며, 급전라인을 때우는 지점이 많아 작업자의 부주의에 따라 양산성이 크게 떨어질 수 있다. 도 1c의 경우는 패치안테나의대역폭을 개선하기 위한 급전방식으로 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 대역폭은 넓게 제작이 가능하나 급전부와 그라운드부가 분리된 Open Type으로 실외 안테나로 사용하기에는 안정하지 못하며, 주변의 환경에 의한 영향을 쉽게 받는다. 결국 Open Type의 안테나는 Whip안테나가 그라운드에 의한 영향을 많이 받는것과 유사하다고 할 수 있다. 반면 IFA구조나 다이폴의 경우 급전부와 그라운드부가 DC적으로 Short가 되어있어 설치 환경에 의한 영향을 덜 받게 되고, 외부에 설치되었을때 낙뢰등에 의한 시스템 보호를 기할 수 있게 된다.

이에, 본 발명은 복잡하지 않은 간단한 구조로 대역폭, 이득이 우수할 뿐만아니라 안정된 전기적 특성을 갖기 위한 우수한 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다이폴 안테나의 중심부가 등가적으로 Short(전류가 최대, 전압이 최소)인 것을 이용하여 안테나의 사이즈를 최소화한 IFA(Inverted F Antenna) 구조를 응용하여 패치 안테나의 급전소자를 적용한 패치 안테나로서 안테나의 구조가 간단하고, 전기적인 특성이 우수한 패치 안테나를 얻을 수 있다.

도 1a, 도 1b, 도 1c는 종래기술의 일시예에 따라 이동통신 및 근거리 통신용 패치 안테나로 사용하고 있는 안테나 유형의 외관도이다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 F구조의 급전부를 이용한 패치 안테나의 외관도이다. 도 2b는 F구조의 급전부를 상세하게 나타낸 급전부 상세도 이다.

도 3은 도2의 정재파비 특성을 나타낸 것으로 광대역 특성을 나타내고 있으며, 도 4a는 수평방사패턴, 도4b는 수직방사패턴 특성을 나타낸 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110 : 방사부 112: F구조의 급전부

113 : 반사부

본 발명의 광대역 패치 안테나는, 이득 및 빔 패턴등을 결정하는 방사소자부, 그 방사소자에 소정 전력을 EMcoupling을 통하여 공급함과 더불어 임피던스를 정합하는 F 구조의 급전부와, 그라운드의 역할 및 방사되는 전력을 한쪽방향으로 지향 할 수 있도록 반사시켜주는 반사부로 안테나의 가장 기본이 되는 3가지 부분으로 기본 구성되며, 그외에 반사부(Reflector) 위에 방사부(Radiator) 및 급전부(Feeder)를 고정하기 위한 공간링(Spacer) 과 급전 케이블 그리고 레이돔(Radome)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 광대역 패치안테나의 소자 배치를 나타내는 사시도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 안테나는 반사부(113) 위에 공간링(Spacer)을 이용하여 방사소자부(110)및 급전부(112)로 구성되어 설계되는 바, 상기 급전부(112)는 IFA(Inverted F Antenna) 구조의 응용을 패치 안테나에 적용한 것이다. IFA는 주로 전방향성의 옴니 안테나 설계에 사용된 방식이다. 그러나 본 발명에서는 이러한 IFA의 구조를 패치 안테나의 급전부 및 매칭부 역할을 하도록 응용한 것이다.

본 발명에서 설계 변경된 F 구조의 급전부는 도 2b 에 나타낸 바와같이 세부적으로 L 구조의 급전방식(112a)을 사용하여 급전부의 면적 및 높이를 적절히 넓혀 Capacitance 값을 변경하고 면적에 따라 세부적인 정재파 특성을 개선 할 수 있고, Short부(112d)는 그라운드와의 Short되는 단면적을 변경가능한 구조로 설계되었으며 급전심선과 그라운드가 Short구조로 되어 외부의 설치환경에 민감하지 않도록 안정된 특성을 갖도록 하며, 방사부(112b)는 +자형 구조로 방사소자로의 급전위치에서의 위상을 맞추어 급전부에서 공급되는 최대의 Power가 EM Coupling을 통하여 방사부에 전달될 수 있도록 한다. 또한, 간단히 방사부의 길이를 조절하여 공진 주파수 튜닝이 가능하다.

이와같이 구성된 광대역 패치 안테나는 방사부(110), 급전부(112), 반사부(113) 로 최소한의 구조로 안테나의 구성을 완벽히 이루고 있으며, 급전부에서의 간단한 튜닝으로 세부적인 정재파 특성을 튜닝할 수 있으며, 다른주파수로의 이동시에는 급전부소자의 길이 및 방사부의 길이만을 조절하여 쉽게 새로운 주파수 밴드의 안테나 제작이 가능하다.

도 3은 도 2a에 의한 패치 안테나 대한 정재파비 특성을 나타내고 있는 도면으로서, % 대역폭이 약 20.38%의 대역폭 가져 이동통신(Cellular, PCS, IMT-2000...), 무선통신(WLL, ISM, WLAN...) 및 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 관련 주파수 밴드등 대부분의 시스템에 사용하기 위한 안테나 설계가 본 발명에 의한 기술로 가능함을 알 수 있다. 한편, 도 4는 도 2에 의한 안테나 패턴을 측정한 것으로 도 4a는 수평패턴(Azimuth), 도 4b는 수직패턴(Elevation)을 나타낸 것으로 빔폭은 일반적인 패치 안테나와 유사한 70도 정도를 나타냈으며, 전후방비도 20 dB정도로 우수하였으며, 이득은 전대역에서 8 dBi 정도를 나타내어 기존의 마이크로스트립 패치 안테나의 이득(7dBi) 보다 우수하게 나타났다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 광대역 패치안테나에 따르면, 안테나의 구조가 간단할 뿐만 아니라 세부 튜닝 및 주파수 이동이 간단히 이루어질 수 있으며, 광대역 특성과 이득특성이 우수하다. 또한 방사부, 급전부, 반사부가 일체형으로 조립이되어 이동통신 중계기 시스템 및 무선통신 시스템의 내장이 가능할 뿐만아니라, 레이돔을 씌워 외장형 안테나로서도 우수한 전기적, 물리적 특성을 갖는다.

종래기술에 비한다면, 구조가 간단하여 작업공정수의 저감 및 순재료비의 저감에 따른 생산성 향상 및 송수신 전기적특성의 안정화로 이동통신, 데이터통신 등에 저렴하고 우수한 안테나를 공급할 수가 있다.

Claims (2)

1. 안테나의 이득 및 빔폭등을 결정하는 방사소자부(110)와 그 방사소자에 소정 전력을 EM(Electromagnetic) coupling을 통하여 공급함과 더불어 임피던스를 정합하는 F 구조의 급전부(112), 그라운드의 역할 및 방사되는 전력을 한쪽방향으로 지향 할 수 있도록 반사시켜주는 반사부(113) 그리고 방사부, 급전부, 반사부를 하나로 고정시켜주는 공간 지지대(111)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나.
2. 패치 안테나에 사용되는 F구조의 급전부는 세부적으로 F구조의 중앙 급전부쪽은 L 구조(112a)의 급전방식을 사용하며, 급전부(112a )의 면적 및 높이를 적절히 넓혀 Capacitance 값을 변경하고 면적에 따라 세부적인 정재파 특성을 개선 할 수 있으며, Short부(112d)는 그라운드와의 Short되는 단면적을 변경가능한 구조로 설계되며, 급전심선과 그라운드가 Short구조로 되어 외부의 설치환경에 민감하지 않도록 안정된 특성을 갖도록 하며, 그 F구조의 급전방사부(112b)는 +자형 구조로 방사부(110)로의 급전위치에서의 위상을 맞추어 L 구조의 급전부(112a)에서 공급되는 최대의 Power가 EM Coupling을 통하여 방사부(110)에 전달될 수 있도록 하는 F구조의 광대역 패치 안테나 급전부.