KR20050031625A - 광대역 슬롯 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 슬롯 배열 안테나에 관한 것으로, 안테나 이득을 키우거나 특정한 복사패턴을 얻기 위하여 광대역 슬롯(slot) 안테나를 배열할 때, 최종 안테나가 너무 커지는 것을 피하기 위하여, 배열 소자간의 간격을 최소화할 수 있는 광대역 슬롯 배열 안테나에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 광대역 슬롯 배열 안테나는 도체판과, 상기 도체판의 소정영역에 형성된 공통 슬롯과, 상기 공통 슬롯에서 연장되는 복수개의 슬롯 목 부분을 통해 상기 공통 슬롯과 연결되며 상기 도체판에 서로 분리되어 형성된 복수개의 슬롯들과, 상기 공통 슬롯과 복수개의 슬롯들을 제외한 상기 도체판의 일측면에 형성된 유전체층과, 공통입력단을 갖고 상기 복수개의 슬롯들 사이의 상기 유전체층상에 형성되며 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯의 경계영역에서 상기 복수개의 슬롯들을 각각 가로지르도록 형성되어 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯에 급전하는 급전선을 포함하여 구성되어 안테나 이득을 키우거나 특정한 복사 패턴을 얻기 위한 광대역 슬롯 배열 안테나를 구성함에 있어 안테나 배열 소자의 특성 저하없이 간격을 최소화할 수 있어 광대역 안테나의 크기를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

광대역 슬롯 배열 안테나{Broadband slot array antenna}

본 발명은 광대역 슬롯 배열 안테나에 관한 것으로, 본 발명의 광대역 슬롯 배열 안테나는 안테나 이득을 키우거나 특정한 복사패턴을 얻기 위하여 광대역 슬롯(slot) 안테나를 배열할 때, 최종 안테나가 너무 커지는 것을 피하기 위하여, 배열 소자간의 간격을 최소화할 수 있는 광대역 슬롯 배열 안테나에 관한 것이다.

텔레비전(이하, TV라 약칭 함)방송을 수신하는 안테나의 역할은 공중의 방송전파를 전류신호로 바꾸어 TV 수상기에 보내주는 일이다.

안테나는 전자회로에서 만들어진 전기적인 신호를 공간으로 내보내어 전파신호로 만들거나, 공간으로부터 도래하는 전파신호를 받아 전자회로에 전기적인 신호의 형태로 바꾸어 주는 역할을 하는데, 전자를 송신안테나라 하고 후자를 수신안테나라 한다.

일반적인 통신시스템에서, 송신안테나는 수신안테나의 역할을 동시에 수행할 수 있다.

또한, 안테나는 전파를 송신용(복사용)으로 이용할 때 나타나는 방향성이나 동작주파수 등 여러 특성이 수신용으로 이용할 때에도 동일하게 나타나기 때문에, 수신용 안테나라 할지라도 편의상 송신용으로 가정하여 동작원리를 설명하는 경우가 대부분이다.

따라서 안테나 각 부분들의 명칭은 다분히 송신동작의 개념을 내포하여 붙여져 있다. 예를 들면 복사소자(radiating elements), 급전선(feed lines) 등이 그러한데, 이러한 용어는 모든 안테나 이론에서 공통적으로 적용되고 있다. 따라서 본 발명에서도 송신용으로 동작원리를 주로 설명한다.

전자회로에서 만들어진 전기신호는 우선 급전선으로 공급되며, 급전선은 다시 복사소자에 신호를 전달하여, 마지막으로 복사소자가 공간에 전파신호를 복사하게 되는 것이다. 이 안테나가 수신용으로 동작할 때에는 역의 순서로, 우선 복사소자가 공간을 도래해 온 전파신호를 받아들여 전기신호를 만들고 이를 급전선에 전달하고, 급전선이 수신전자회로에 전기신호를 전해주는 과정을 거치게 된다.

좋은 안테나란, 동일한 외부 전파환경으로부터 가정 큰 전류신호를 만들어내는 안테나를 일컫는다. 이러한 기준은, 기존의 아날로그 방송 방식이든 새로이 서비스를 개시하는 디지털 방송 방식이든 마찬가지이다.

그런데, 안테나로 받아들이는 전파신호의 세기와 관련하여, 기존 아날로그 수상기와 디지털 수상기는 수신 특성에 있어서 대단히 중요한 차이를 갖고 있다. 아날로그 수상기는 수신 전파신호의 세기가 약해지면, 화면이나 소리의 질이 그 세기에 따라 서서히 연속적으로 악화된다.

즉 눈 내리 듯 수많은 흰 점들이 화면을 채운다든지(snowy pictures), 화면 내의 물체가 여러 겹으로 겹쳐 보인다든지(ghosting) 하는 현상들이 전형적인 예이다.

그러나 디지털 수상기에서는 전파신호가 약해져도 화면이나 소리의 질이 전혀 악화되지 않는 최선의 상태를 유지한다. 이것은 디지털 방식이 갖고 있는 가장 큰 장점이기도 하다.

하지만, 전파신호의 세기가 계속 낮아져 적정수준 이하로 떨어지면 화면이나 음질은 극단적으로 악화되고 만다. 예를 들면 소리가 전혀 안 나온다거나, 화면의 동작이 어느 한 장면에서 멈춰 있다거나, 화면 한 부분 혹은 전부가 완전히 깨져 보이지 않게 되기도 한다.

아날로그 방식이나 디지털 방식을 막론하고, 다음과 같은 요건들을 잘 갖추고 있을 때 정상적인 방송 수신이 가능하다.

우선 첫째는 적정수준 이상의 수신신호 세기(received signal strength)를 확보해야 한다.

둘째는 적정수준 이상의 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)를 가져야 한다.

마지막으로 셋째, 다중경로(Multhpath) 수신 현상에 대한 극복 방안(freedom from multipath)을 미리 갖추고 있어야 한다.

최근 들어 광대역 안테나가 각광을 받고 있는데, 광대역 안테나의 응용 분야는, TV 방송이나 AM/FM 라디오 방송을 송신 혹은 수신할 목적으로 이용되는 경우이다. 더욱이 이러한 응용 분야는 사용 주파수가 비교적 낮고 파장이 길어서, 그 파장에 비례하여 안테나의 크기가 커진다.

방송국에서 방송 신호를 송신하는 데 이용하는 송신 안테나는 가격이나 크기에 대한 제약이 별로 없지만, 그 방송을 수신하는 다수의 수신 안테나들은 언제나 작고 값이 싸면서도 일정 수준의 성능은 유지해야 한다.

슬롯 안테나는, 평면적이라는 구조적 특징과 손쉽게 광대역화를 할 수 있다는 특성 때문에 이미 오래 전부터 실용화되었다. 특히 파장이 짧은 레이더(RADAR)나 위성방송용 안테나에는 수백 혹은 수천 개의 슬롯을 배열(array)하여, 안테나 이득(gain)을 높인 슬롯 배열 안테나(slot array antenna)가 많이 이용되고 있다. 그렇지만, VHF대역이나 낮은 UHF대역의 전파를 이용하는 방송 분야에서는, 안테나 이득을 높이기 위한 배열이 안테나 전체 크기를 너무 키우기 때문에 응용 범위를 확대하지 못하고 있다.

이와 같은 슬롯 안테나는 기본적으로 대략 반파장의 길이의 슬롯으로 구성하는데, 이 슬롯에 수직으로 교차하는 마이크로스트립 선로를 이용하여 급전한다. 마이크로스트립 선로와 슬롯과의 교차지점은 보통 슬롯의 중앙이다. 슬롯과 교차된 마이크로스트립 급전부는 끝부분을 단락 시키거나 개방하여 슬롯과 교차되는 부분에서 전류의 진폭이 최대가 되도록 한다.

이러한 슬롯 안테나의 대역폭을 늘이기 위하여, 슬롯의 폭이 중앙에서 양끝으로 갈수록 서서히 넓어지는 보우타이 슬롯(bow-tie slot), 도그본 슬롯(dog-bone slot) 혹은 패들-보우타이 슬롯(paddle-bowtie slot) 등으로 만든다. 이러한 보우타이 슬롯, 도그본 슬롯 및 패들-보우타이 슬롯 등은 슬롯의 끝부분 폭이 일반 슬롯에 비해 훨씬 넓기 때문에, 안테나로 만들어졌을 때 상당히 큰 모양이 된다.

이렇게 폭이 넓어진 안테나를 평행한 방향으로 두 개 혹은 그 이상 개수만큼 배열하고자 할 때에는, 보통의 슬롯 안테나 배열에 비해서 간격을 더욱 넓게 벌려야 한다. 공간적인 여유가 별로 없는 경우, 이것은 상황을 더욱 악화시킨다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 일반적인 슬롯 안테나를 설명하기로 한다.

우선 본 발명과 종래 기술을 설명하면서 사용되는 용어들에 대하여 정의하기로 한다.

복사(radiation) : 안테나나 안테나를 구성하고 있는 소자로부터 빈 공간으로 전파가 나가는 현상을 영문 용어로 radiation이라 하는데, 이를 우리말로는 복사 혹은 방사라고 한다.

도체(conductors) : 도체란 전류가 잘 흐르는 물질을 의미하며, 은·구리·금·알루미늄 등의 금속들이 대표적인 도체이다. 안테나에서 복사소자는 주로 도체로 구성된다. 가격 등을 고려하여, 구리나 알루미늄이 안테나를 구성하는 복사소자의 주요 재료로 이용되고 있으며, 은이나 금도 제한적으로 이용되고 있다.

유전체(dielectrics) : 유전체는 전류가 흐르지 않는 물질들을 의미하며, 흔히 절연체라고도 부르는 재료들의 별칭이다. 전류가 흐르지 않기 때문에, 안테나 복사소자를 구성하는 도체와 도체 사이의 공간적인 격리나 기계적인 지지 등을 위한 용도로 이용된다. 공기도 유전체의 한 종류로 취급할 수 있다.

복사소자(radiating elements) : 안테나에서, 전파를 공간에 복사하도록 설계된 구조물을 복사소자라 통칭하며, 대부분의 경우 금속도체들로 구성된다. 본 특허와 유사한 마이크로스트립형의 안테나에는 통상적으로 두 가지 형태의 복사소자가 이용되고 있다. 그 하나는 복사패치(radiating patch)이고 또 다른 하나는 복사개구(radiating aperture)이다. 복사패치는 원형·타원형 혹은 삼각형·사각형·오각형 등 다각형의 도체판을 복사소자로 이용하는 것이고, 복사개구는 넓은 도체판에 원형·타원형 혹은 삼각형·사각형·오각형 등 다각형의 구멍을 내어 복사소자로 이용하는 것이다. 복사개구를 복사슬롯라고 부르기도 한다. 보통 폭이 좁고 길이가 긴 복사개구만을 복사슬롯라고 부르는 경향도 있으나, 본 발명에서는 복사슬롯과 복사개구를 동일한 의미로 사용한다.

도체판(conductor plates) : 도체로 만들어진 얇고 평평한 판을 일컬으며, 다양한 형태로 안테나의 구성 요소가 된다. 예를 들어, 넓은 도체판의 일부분만을 남겨 복사소자로 이용하면 복사패치가 되고, 그것을 급전소자로 이용하면 급전패치가 되며, 넓은 도체판에서 일부분만을 제거하여 복사소자로 이용하면 복사슬롯이 된다. 넓은 도체판의 일부를 띠 모양으로 남겨 급전선을 만들기도 하며, 원형·타원형 혹은 삼각형·사각형·오각형 등 다각형 중 한가지 모양의 패치와 띠 모양 급전선을 동시에 남겨 복사패치와 급전선을 동시에 구현하기도 한다. 또한 넓은 도체판 그 자체를 접지도체면이나 반사판 등으로 이용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 도체판에 좁고 긴 슬롯을 낸 단순 복사슬롯은 물론이고, 나비넥타이 모양의 슬롯인 보우타이 슬롯(bow-tie slot), 혹은 도그본 슬롯(dog-bone slot) 등을 복사 슬롯로 이용하는 경우를 모두 다룬다.

보우타이 슬롯과 도그본 슬롯(bow-tie slot and dog-bone slot) : 도체판에 균일한 폭으로 좁고 길게 구멍을 낸 단순 슬롯을 안테나로 이용하면, 그 안테나의 주파수 대역폭은 그다지 넓지 않다. 슬롯 안테나의 동작 주파수 대역을 넓히기 위해서, 슬롯 중앙부분의 폭을 유지한 채 양끝으로 가면서 폭을 조금씩 키운 보우타이(bow-tie) 모양의 슬롯이 오래 전부터 이용되고 있다. 이러한 슬롯 안테나를 보우타이 슬롯(bow-tie slot)라고 한다. 또한, 중앙 부분은 폭이 균일한 단순슬롯이고, 그 양 끝 부분에 원형으로 뚫린 개구(aperture)를 붙인 복사개구로도 동작주파수 대역을 넓힐 수 있는데, 이 복사개구가 도그본(dog-bone) 모양이기 때문에 이를 도그본 슬롯(dog-bone slot)라 부른다. 보우타이 슬롯과 도그본 슬롯의 특징을 일부씩 섞어 만든 슬롯도 있다.

유전체 기판(dielectric substrates) : 유전체(절연체)로 만들어진 얇고 평평한 판을 일컬으며, 안테나를 구성할 때에는 하나의 도체판과 다른 도체판을 일정한 높이로 격리 유지시키기 위한 목적으로 주로 이용된다. 유전체 기판 중에는 위·아래 중 한쪽 면에 혹은 양면 모두에 유전체 기판 넓이와 동일한 넓이의 도체판을 미리 부착시켜 놓은 것도 있다. 이렇게 도체판이 미리 부착되어 있는 유전체 기판을 각각 단면 유전체 기판 혹은 양면 유전체 기판이라 일컫는다. 흔히 보는 전자회로기판인 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)을 만드는 기초소재가 바로 이들 단면 혹은 양면 기판들이다. 본 발명에서 언급하는 유전체기판이란, 위에서 언급한 양면 유전체기판, 단면 유전체기판, 혹은 도체판이 없는 단순한 유전체기판을 모두 포함한다. 심지어 하나의 도체판과 하나의 유전체판을 또는 하나의 유전체판과 하나의 도체판을 접착하지 않고 단순히 층층으로 쌓아 단면 유전체기판처럼 만든 구조나, 두 도체판 사이에 하나의 유전체 기판을 접착하지 않고 끼워 3층의 샌드위치처럼 만든 구조 모두를 유전체기판에 포함한다.

마이크로스트립 안테나(microstrip antennas) : 상기 다양한 유전체기판의 도체판에 복사소자나 급전선 등을 제작하면, 평판형의 안테나를 얻게 되는데 이를 마이크로스트립 안테나라 한다. 따라서 마이크로스트립 안테나는 도체판들과 유전체판들이 층상으로 쌓인 구조를 이루게 된다. 예를 들어, 가장 밑에 접지면 도체층(1층), 그 위에 유전체층(2층), 급전선 도체층(3층), 다시 유전체층(4층), 복사소자 도체층(5층)이 차례로 쌓여 있는 구조가 가장 일반적인 마이크로스트립 안테나 구조이다. 이러한 구조는, 1층, 3층 및 5층의 도체판을 각각 미리 정해진 모양으로 가공한 후 유전체층 사이사이에 차례로 쌓아 올려 만들 수 있다. 또는, 1-2-3층은 하나의 양면 유전체기판에 동시에 가공하고, 4-5층은 하나의 단면 유전체기판에 가공하여 두 유전체기판을 쌓아 올려 만들 수도 있다. 양면 유전체기판이나 단면 유전체기판에서 유전체판에 부착된 도체판들에 급전선이나 복사소자를 가공하는 방법은 인쇄회로기판(PCB)을 제작하는 기법과 대단히 유사하다. 즉, 사진석판기술(photo-lithography)을 이용하여 필요한 도체부분만 남기고 나머지는 화학적으로 녹여 제거, 즉 에칭(etching)처리하는 것이다. 이렇게 만들기 때문에 인쇄회로 안테나라고도 한다. 일반적으로, 제작 공정과 관계없이 통상 마이크로스트립 안테나를 인쇄회로 안테나라고도 부른다.

배열안테나(array antennas) : 복사소자를 2개 이상 나열하여 만든 안테나를 배열안테나라고 한다. 배열안테나에서 복사소자의 수는 수십 개 혹은 수백 개가 보통인데, 수만 개에 이르는 경우도 있다. 배열안테나를 구성하는 복사소자는 복사패치가 될 수도 있고 복사슬롯이 될 수도 있다.

급전선(feed lines) : 복사소자에 전기신호를 공급해 주는 선로를 통칭하여 급전선이라 한다. 복사소자에 직접 전도성 연결을 하거나 무접점 용량성 결합 등을 통해 전기신호를 공급한다. 중간에 급전소자를 두고 급전이 이루어지기도 한다. 급전선은 주로 마이크로스트립 선로를 이용하고 있는데, 이 외에도 동축선로, 코플래너 웨이브 가이드(CPW), 혹은 슬롯 선로 등 다양하게 변형될 수 있다.

코플래너 웨이브 가이드 혹은 CPW(Coplanar Waveguide) : 넓은 도체판에서 폭이 동일한 한 쌍의 슬롯이, 도체 스트립(strip)을 사이에 두고 평행하게 놓여 있는 형상의 평면형 전송선로를 코플래너 웨이브 가이드(coplanar waveguide) 혹은 약어로 CPW라 한다.

도 1a 내지 도 1k는 종래 일반적인 슬롯 안테나들을 나타낸 도면이다.

도 1a는 가장 기본적인 형태의 슬롯 안테나를 나타낸 것으로, 슬롯 안테나(201)는 도체판(200)에 좁고 긴 슬롯을 형성하고, 슬롯 중앙에 급전선(202)을 연결하여 만들어진다. 단순 슬롯 안테나(201)는 동작 대역폭이 좁기 때문에, 광대역화 하기 위하여 여러 가지 변형을 시도할 수 있다.

예를 들어 도 1b에 나타낸 바와 같이 슬롯의 중앙에서 양끝으로 가면서 폭이 점차 넓어지는 보우타이 슬롯(bowtie slot)(211)이 대표적인데, 광대역 특성을 손쉽게 얻을 수 있다. 보우타이 슬롯에서 테이퍼(taper)의 모양은 직선(211)일 수도 있고, 지수함수의 궤적과 같이 곡선(221)(도 1c 참조)으로 구성할 수도 있다. 또한, 보우타이 형태의 양끝에 다시 폭넓은 슬롯을 연장하여 패들(노) 모양으로 구현한 패들-보우타이 슬롯(231)(도 1d 참조)를 만들기도 한다.

단순 슬롯(201)의 양 끝 쪽에 원형 개구(circular aperture)를 붙여 광대역화를 도모하는 도그본 슬롯(dog-bone slot)(241)(도 1e 참조)도 있다. 단순슬롯의 양끝에 붙이는 구조로는, T자형 슬롯(251)(도 1f 참조), Y자형 슬롯(261)(도 1g 참조), 사각형 개구(rectangular aperture)(271)(도 1h 참조), 삼각형 개구(triangular aperture)(281)(도 1i 참조) 및 부채꼴형 개구(291)(도 1j 참조) 혹은 반원형(295)(도 1k 참조) 등으로 변형될 수 있다.

도 2는 종래 광대역 패들-보우타이 슬롯 안테나를 나타낸 도면이다.

도 2는 보우타이 슬롯(305)의 양 끝에 폭 넓은 슬롯(306)을 연장하여 패들 모양으로 만든 패들-보우타이 슬롯(231)인데, 이 슬롯을 급전하는 한 방법으로, 마이크로스트립 선로(microstrip line)(301)를 접지면(200)에 대응하여 구성한 것을 보였다.

마이크로스트립 선로의 한쪽 끝 부분(304)은 안테나를 구동하는 입력단자이고, 다른 쪽 끝은 슬롯 중앙부(303)를 가로질러 건넌 바로 그 자리(302)에서 접지면(200)과 연결한다. 급전선로로는 동축선로, CPW 혹은 변형된 스트립 선로(strip line) 등을 이용할 수 있다.

도 3은 종래 광대역 패들-보우타이 슬롯 배열 안테나를 나타낸 도면이다.

도 3은 두 개의 광대역 패들-보우타이 안테나(401, 402)를 배열하는 종래의 일반적인 방법을 나타낸 것이다. 두 안테나 사이에 발생하는 상호간섭을 줄이기 위하여, 안테나 사이 간격(403)을 반파장이나 그 이상으로 유지해 주어야 한다. 즉 안테나 사이의 간격(403)을 λ/2 이상 유지하여야 한다.

그러나 이와 같은 종래 기술에 있어서는 광대역 패들-보우타이 슬롯 배열 안테나에서의 안테나 사이의 간격이 λ/2 이상이어야 하므로 안테나의 크기가 커질 수밖에 없어서, 적용 분야에 한계를 갖는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명은 슬롯 구조의 안테나를 형성함에 있어 슬롯의 구조를 변형시켜 복수개의 슬롯 배열 안테나의 특성을 유지하면서도 슬롯 안테나들을 가깝게 배열하여 안테나의 크기를 소형화할 수 있는 광대역 슬롯 배열 안테나를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명 광대역 슬롯 배열 안테나는 도체판과, 상기 도체판의 소정영역에 형성된 공통 슬롯과, 상기 공통 슬롯에서 연장되는 복수개의 슬롯 목 부분을 통해 상기 공통 슬롯과 연결되며 상기 도체판에 서로 분리되어 형성된 복수개의 슬롯들과, 상기 공통 슬롯과 복수개의 슬롯들을 제외한 상기 도체판의 일측면에 형성된 유전체층과, 공통입력단을 갖고 상기 복수개의 슬롯들 사이의 상기 유전체층상에 형성되며 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯의 경계영역에서 상기 복수개의 슬롯들을 각각 가로지르도록 형성되어 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯에 급전하는 급전선을 포함하여 구성된다.

바람직하게 상기 복수개의 슬롯들 각각은 상기 급전에 의해 형성되는 전자계의 위상이 동일한 거리를 갖도록 형성된다.

그리고 상기 복수개의 슬롯들 각각은 λ/2미만의 거리가 되도록 형성된다.

또한 상기 급전선은 상기 경계영역에서 상기 복수개의 슬롯 목 부분들을 가로지는 교차결합(cross coupling) 방식으로 상기 공통 슬롯과 복수개의 슬롯들에 급전하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 급전선이 상기 복수개의 슬롯들 사이의 상기 유전체층상에서 상기 경계영역을 가로지를 때 상기 복수개의 슬롯 중 하나의 슬롯만을 가로지르도록 형성되며, 상기 하나의 슬롯만을 가로지는 상기 복수개의 슬롯들 사이의 급전선의 끝부분에 수직으로 콘택홀이 더 형성되어 상기 복수개의 슬롯을 가로지른 각각의 급전선의 끝부분이 상기 콘택홀을 통해 상기 도체판과 단락된다.

바람직하게 상기 급전선은 상기 공통입력단에 연결된 급전 분기지점에서부터 각각의 급전선의 끝부분이 동일한 길이로 형성된다.

또한 상기 경계영역을 가로지는 상기 급전선은 관내파장(guide wavelength)의 사분의 일 길이만큼 연장되어 상기 도체판과는 개방되도록 형성되며, 상기 급전선이 상기 경계영역을 가로지를 때 각각 동일 방향 또는 반대방향으로 가로지도록 구성된다.

바람직하게, 상기 도체판은 접지전극이다.

여기서 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯들은 상기 경계영역에서 각각의 슬롯형성방향으로 보우타이, 도그본 슬롯 또는 패들-보우타이 슬롯 형상을 갖도록 구성되며, 상기 급전선은 마이크로스트립 선로, 동축선로 또는 코플레너 웨이브 가이드로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광대역 슬롯 배열 안테나의 실시예를 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 광대역 슬롯 배열 안테나를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 광대역 슬롯 배열 안테나의 A-A' 단면도이다.

본 발명의 기본 개념은 두 개 이상의 복수개의 슬롯 안테나를 평행으로 배열할 때, 서로 영향을 받지 않으면서도 안테나 사이의 간격이 λ/2 미만이 될 수 있도록 하여 복수개의 슬롯 안테나들을 가깝게 배열하면서 그 특성을 유지하는 것이다.

이와 같은 본 발명은 예를 들어 복수개의 보우타이 슬롯, 도그본 슬롯, 패들-보우타이 슬롯 안테나의 일부를 융합하여, 새로운 변형된 패들-보우타이 슬롯 안테나를 만든 것이다.

즉 본 발명은 도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 광대역 슬롯 배열 안테나는 두 개 이상의 안테나를 평행으로 배열할 때, 서로 영향을 받지 않도록 멀리 간격을 벌려 놓는 방식이 아니라, 오히려 가깝게 배열하면서 문제 해결을 도모하고자 한 것으로, 예를 들어 두 개의 패들-보우타이 슬롯(paddle-bowtie slot) 안테나를 배열하는데, 슬롯의 일부가 겹치도록 가까이 배치하고, 두 슬롯 각 부분에 형성되는 전자계의 위상을 서로 일치하도록 한 것이다. 이때 두 개의 패들-보우타이 슬롯을 단순히 가깝게만 붙여 구성한 것처럼 보이지만, 안테나 배열에서는 언제나 그렇듯이, 하나하나 별도 안테나들의 특성이 아무리 좋았다 하더라도, 두 개의 안테나를 근접시키면 서로 간의 간섭으로 인해 전혀 다른 특성 나타내거나, 아예 동작이 되지 않는 경우도 있다. 따라서, 배열된 구조에서 나타나는 전자계의 위상을 설계 초기부터 정확하게 고려하여, 원하는 주파수 범위에서 최선의 특성이 나타날 수 있도록 해야 한다. 엄밀히 말하면 두 개의 안테나를 하나로 융합하여, 하나의 새로운 안테나를 만든 것이다.

도 4에 보인 두 개의 패들-보우타이 슬롯 형상이 본 발명 광대역 슬롯 배열 안테나에 대한 급전은, 슬롯(106,107,108)의 중앙에 구성된 좁은 슬롯 구간(101,102) 즉, 슬롯 목 부분(103)에서 이루어진다.

급전은 급전선인 마이크로스트립 선로(112,113,118,119)를 이용하여 한다.

마이크로스트립 선로(112,113,118,119)는 공통입력단(116)을 통해 급전 분기지점(115)에서부터 각각의 마이크로스트립 선로의 끝부분(110,111)은 동일한 길이가 되도록 한다.

마이크로스트립 선로(112,113,118,119)가 슬롯 목 부분(103)을 가로지르게 하는, 이른바 교차결합(cross coupling) 방식으로 한다.

슬롯 목 부분(103)을 가로지른 마이크로스트립 선로(112,113,118,119)의 끝 부분(110,111)은, 적당한 위치에서 단락(short) 혹은 개방(open)하여 슬롯(106,107,108)에 유기되는 전계의 크기가 최대로 되도록 한다.

마이크로스트립 선로 끝 부분(110,111)을 개방시킬 경우에는, 마이크로스트립 선로(118,119)를 관내파장(guide wavelength)의 사분의 일 길이만큼 연장한다.

마이크로 스트립 선로 끝 부분(110,111)을 단락 시킬 경우에는, 마이크로스트립 선로(118,119)의 연장을 전혀 하지 않고, 슬롯 목 부분(103)을 건너 간 직후의 위치에서 접지면(117)에 수직으로 연결하여 단락을 한다.

슬롯 목 부분(101,102)을 가로지르는 마이크로스트립 선로(급전선)(118,119)는, 두 패들-보우타이 슬롯 모두 왼쪽에서 오른쪽을 향하게 할 수도 있고, 반대로 두 슬롯 모두 오른쪽에서 왼쪽을 향하게 할 수도 있다. 또한, 한 쪽은 왼쪽에서 오른쪽 방향으로, 다른 한 쪽은 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 급전할 수도 있다.

급전의 방향이 달라지면 슬롯(106,107,108)에 유기되는 전계의 위상이 180도 달라지는 효과가 있다. 두 슬롯(106,107)에서 발생하는 전자계를 공간에서 결합시키는 것은 한마디로 두 전자계의 위상을 일치시키는 것인데, 전자계의 위상을 바꾸는 파라미터로는, 각 슬롯에 급전하는 마이크로스트립 선로(112,113)의 길이, 슬롯 목 부분(103)을 가로지르는 마이크로스트립 선로(118,119)의 방향, 전계 합성부를 구성하는 테이퍼(taper)부분(104,105)의 각도 및 길이, 두 슬롯(106,107)이 만나 공통으로 형성한 공통 슬롯(108) 부분의 폭과 길이, 그리고 공통 슬롯(108)의 끝 부분(109) 모양 등이다.

급전선인 마이크로스트립 선로는 이렇게 구성된 각 안테나와의 임피던스 정합(impedance matching)도 고려하면서, 동시에 두 안테나 신호를 잘 결합할 수 있도록 폭과 길이를 설계해야 한다. 급전선으로 마이크로스트립선로 뿐만 아니라, 원형단면의 상부도체를 갖는 변형된 마이크로스트립 선로, 동축선로, 혹은 CPW 등이 이용될 수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 도 4의 실시예에 나타내 바와 같이 패들-보우타이 형상의 두 개의 슬롯 안테나를 배열하는 경우 그 안테나 특성을 유지하기 위하여 패들(paddle) 형상의 슬롯을 구성함에 있어 도체판인 접지면(117)의 소정영역에 서로 겹치지 않게 형성되는 제 1, 제 2 패들-보우타이 슬롯(106,107)과, 공통슬롯인 제 3 패들-보우타이 슬롯(108)으로 구성되며, 여기서 공통 슬롯인 제 3 패들-보우타이 슬롯(108)은 제 1, 제 2 패들-보우타이 슬롯(106,107)의 마주보는 부분이 겹치도록 형성한다. 이때 두 개의 슬롯 안테나의 특성을 살리기 위하여 제 1, 제 2 패들-보우타이 슬롯(106,107)에 형성되는 전자계의 위상은 서로 일치하도록 한다.

이때 도 3에 나타낸 바와 같은 패들-보우타이 슬롯(401,402)을 단순히 가깝게만 붙여 구성하는 경우 종래 기술의 문제점에서 설명한 바와 같이 서로 간의 간섭으로 인해 전혀 다른 특성 나타내거나, 아예 동작이 되지 않는 경우도 있는데, 본 발명에서는 도 4에 나타낸 제 1, 제 2 패들-보우타이 슬롯(106,107)에서 발생하는 전자계의 위상이 일치하도록 한다.

이때 원하는 주파수 범위에서 최선의 특성이 나타날 수 있도록 해야 하는데, 이는 다양한 현장 경험(field test)에 의해 이루어질 수 있다.

이와 같은 변형된 패들-보우타이 슬롯에 대한 급전은, 슬롯(106,107,108)의 중앙에 구성된 좁은 슬롯 구간(101,102) 즉, 슬롯 목 부분(103)에서 이루어지며, 마이크로스트립 선로(112,113,117,118)를 이용하여 급전한다.

구체적으로는 마이크로스트립 선로의 일부가 슬롯(106,107,108)의 중앙에 구성된 슬롯 목 부분(103)을 가로지르게 하는, 이른바 교차결합(cross coupling) 방식으로 한다.

슬롯 목 부분(103)을 가로지른 마이크로스트립 선로(118,119)의 끝 부분(110,111)은, 현장경험에 따라 적당한 위치에서 단락(short)하거나 개방(open)하여 슬롯에 유기되는 전계의 크기가 최대로 되도록 한다.

끝 부분(110,111)을 개방시킬 경우에는, 마이크로스트립 선로(118,119)를 관내파장(guide wavelength)의 1/4 길이만큼 연장한다.

그러나 끝 부분(110,111)을 단락 시킬 경우에는, 마이크로스트립 선로(118,119)의 연장을 전혀 하지 않고, 슬롯 목 부분(103)을 건너 간 직후의 위치에서 콘택홀(121)을 통해 도체판인 접지면(117)에 수직으로 연결하여 단락을 한다(도 5 참조).

또한 제 1, 제 2 및 제 3 패들-보우타이 슬롯(106,107,108)이 형성된 접지면(117)과 마이크로스트립 선로(112,113,118,119)사이에는 유전체층(120)이 형성되어 있다.

그리고 슬롯 목 부분(103)을 가로지르는 마이크로스트립 선로(급전선)(118,119)는, 변형된 패들-보우타이 슬롯 모두 왼쪽에서 오른쪽을 향하게 할 수도 있고, 반대로 두 슬롯 모두 오른쪽에서 왼쪽을 향하게 할 수도 있다.

또한, 한 쪽은 왼쪽에서 오른쪽 방향으로, 다른 한 쪽은 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 급전할 수도 있다. 이때 앞에서도 설명한 바와 같이 급전의 방향이 달라지면 슬롯에 유기되는 전계의 위상이 180도 달라지는 효과가 있다.

도6은 도4의 실시예 구조에서 나타나는 복사패턴(radiation pattern)을 그린 것이다. 또한 패들-보우타이 슬롯이 한 개인 경우의 복사패턴을 겹쳐 비교하고 있다. 왼쪽 한 개의 패들-보우타이 슬롯만 남긴 경우에 나타나는 복사패턴과, 오른쪽 한 개의 패들-보우타이 슬롯만을 남긴 경우에 나타나는 복사패턴을 동시에 겹쳐 비교하고 있다. 왼쪽이든 오른쪽이든 패들-보우타이 슬롯 하나만으로 구성된 경우에 비해, 두 개의 패들-보우타이 슬롯을 도 4의 실시예와 같이 배열함으로써 이득이 약 3dB 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 패들-보우타이 슬롯이 한 개만인 경우는, 그것이 오른쪽이든 왼쪽이든 거의 동일한 이득과 복사패턴이 나타남도 확인할 수 있다.

도 7은 도4의 실시예로 구성한 패들-보우타이 슬롯 배열안테나의 급전선 입력단에서 측정한 리턴로스(return loss) 특성을, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻은 결과와 비교하여 보인 것이다. 두 결과가 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 안테나 이득을 키우거나 특정한 복사 패턴을 얻기 위한 광대역 슬롯 배열 안테나를 구성함에 있어 안테나 배열 소자의 특성 저하없이 간격을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1a 내지 도 1k는 종래 일반적인 슬롯 안테나들을 나타낸 도면

도 2는 종래 광대역 패들-보우타이 슬롯 안테나를 나타낸 도면

도 3은 종래 광대역 패들-보우타이 슬롯 배열 안테나를 나타낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 광대역 슬롯 배열 안테나를 나타낸 도면

도 5는 도 4에 나타낸 광대역 슬롯 배열 안테나의 A-A' 단면을 나타낸 도면

도 6은 도4의 실시예 구조에서 나타나는 복사패턴(radiation pattern)을 설명하기 위한 도면

도 7은 도4의 실시예로 구성한 패들-보우타이 슬롯 배열안테나의 급전선 입력단에서 측정한 리턴로스(return loss) 특성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻은 결과와 비교하여 나타낸 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101,102 : 좁은 슬롯 구간 103 : 슬롯 목 부분

104,105 : 테이퍼 부분 106,107,108 : 슬롯

109 : 공통 슬롯의 끝 부분

110,111 : 마이크로스트립 선로 끝 부분

112,113,118,119 : 마이크로스트립 선로 115 : 마이크로스트립 분기점

116 : 공통 입력단 117 : 접지면

118, 119 : 공통 슬롯의 끝부분 120 : 유전체층

121 : 콘택홀

Claims (12)

1. 도체판과;

   상기 도체판의 소정영역에 형성된 공통 슬롯과;

   상기 공통 슬롯에서 연장되는 복수개의 슬롯 목 부분을 통해 상기 공통 슬롯과 연결되며 상기 도체판에 서로 분리되어 형성된 복수개의 슬롯들과;

   상기 공통 슬롯과 복수개의 슬롯들을 제외한 상기 도체판의 일측면에 형성된 유전체층과;

   공통입력단을 갖고 상기 복수개의 슬롯들 사이의 상기 유전체층상에 형성되며 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯의 경계영역에서 상기 복수개의 슬롯들을 각각 가로지르도록 형성되어 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯에 급전하는 급전선을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 슬롯들 각각은 상기 급전에 의해 형성되는 전자계의 위상이 동일한 거리를 갖도록 형성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 슬롯들 각각은 λ/2미만의 거리인 것을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 급전선은 상기 경계영역에서 상기 복수개의 슬롯 목 부분들을 가로지는 교차결합(cross coupling) 방식으로 상기 공통 슬롯과 복수개의 슬롯들에 급전하도록 구성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 급전선이 상기 복수개의 슬롯들 사이의 상기 유전체층상에서 상기 경계영역을 가로지를 때 상기 복수개의 슬롯 중 하나의 슬롯만을 가로지르도록 형성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 하나의 슬롯만을 가로지는 상기 복수개의 슬롯들 사이의 급전선의 끝부분에 수직으로 콘택홀이 더 형성되어 상기 복수개의 슬롯을 가로지른 각각의 급전선의 끝부분이 상기 콘택홀을 통해 상기 도체판과 단락됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 급전선은 상기 공통입력단에 연결된 급전 분기지점에서부터 각각의 급전선의 끝부분이 동일한 길이로 형성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 경계영역을 가로지는 상기 급전선은 관내파장(guide wavelength)의 사분의 일 길이만큼 연장되어 상기 도체판과는 개방되도록 형성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 급전선이 상기 경계영역을 가로지를 때 각각 동일 방향 또는 반대방향으로 가로지도록 구성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 도체판은 접지전극인 것을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 공통 슬롯과 상기 복수개의 슬롯들은 상기 경계영역에서 각각의 슬롯형성방향으로 보우타이, 도그본 슬롯 또는 패들-보우타이 슬롯 형상을 갖도록 구성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 급전선은 마이크로스트립 선로, 동축선로 또는 코플레너 웨이브 가이드로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 슬롯 배열 안테나.