KR20050048164A - 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로, 주파수 조정을 위해서 외부전계를 가하면 기계적 변형이 되고, 일정두께를 갖는 압전소자; 상기 압전소자의 하면에 형성되고, 일정두께를 갖는 하부전극; 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 일정크기를 갖는 패치; 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 패치의 일측에 전기적으로 연결된 급전선; 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 급전선에 전기적으로 연결된 전송기; 및 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 전송기에 전기적으로 연결된 전송선을 포함하여 구성됨으로서, 안테나에 물리적인 변형을 가하지 않고 실시간으로 공진주파수와 주파수 대역폭을 간편하게 조정,이동함으로서 제조 공정의 단순화와 향상된 성능의 마이크로 안테나를 제공할 수 있다.

Description

압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나{Microstrip antenna using Quartz substrate}

본 발명은 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로, 특히 기판에 외부전계를 인가했을 때 압전체인 Quartz를 사용하여 실시간으로 주파수 이동을 구현하므로 안테나 제작 후에도 물리적 변형을 가하지 않고 공진주파수와 대역폭을 간편하게 조정, 이동할 수 있는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 안테나는 셀룰러 방식의 이동통신 기지국에서 셀 반경내의 가입자들에게 필요한 전계강도의 신호를 송수신하는데 이용되며, 또 가입자가 휴대한 단말기에 채용되어 기지국과 송수신신호를 주고받는 에어 인터페이스 수단으로 이용되고 있다. 또한, 지하주차장, 지하철, 고층빌딩내의 사무실 등과 같은 전파음영지역의 경우 중계기의 에어 인터페이스에 이용되고 있다.

상기와 같이 이동통신 혹은 무선통신에는 다이폴 안테나, 야기안테나, 마이크로스트립 안테나 등이 주로 쓰이고 있다.

상기 다이폴 안테나는 반파장 길이의 공진형 안테나로서 도우넛 형태의 전방향 복사특성을 지니고 있어 셀룰러 통신의 가입자 단말기용 안테나와 소형 중계기의 서비스 안테나로 주로 사용된다.

또한, 상기 야기 안테나는 다이폴 안테나를 길이방향으로 여러개 중첩시켜 지향성을 높인 예로서, 소형 중계기의 조너 안테나에 주로 사용된다.

그리고, 상기 마이크로스트립 안테나는 셀룰러폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 포함하는 개인휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System) 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 기지국과 사용자가 휴대한 단말기 상호간의 신호를 송수신하는 데에 주로 사용되고 있으며, 이동통신시장이 거대해지고 휴대용 단말기의 소형화, 경량화 추세에 따라 주파수가 높아질수록 안테나의 크기가 작아지는 마이크로스트립 안테나는 그 이용가치가 더욱 높아지고 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 마이크로스트립 패치 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1에서 참조번호 1은 예컨대 테프론(Tefron)이나, 렉솔라이트(Rexolite), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 유전체로 이루어진 유전체 기판으로서, 이 유전체 기판(1)의 상면에는 소정의 도전 금속으로 이루어진 방사 패치(2)가 설치되고, 이 패치(2)와 대향되는 유전체 기판(1)의 하면에는 도전 금속으로 이루어진 접지판(3)이 설치되어 있다.

그리고, 상기 패치(2)에는 그 일측면에 소정의 전원을 공급함과 더불어 그 임피던스 매칭을 통해 소정의 수신신호를 입력하기 위한 피드점(Feed point : 21)이 설치되면서, 이 피드점(21)과 상기 패치(2)는 피드라인(22)을 통해서 전기적으로 결합되어 있다.

상기 구성에 있어서, 피드점(21)에 대해 소정의 전원을 가하게 되면, z방향으로 Quasi-TEM 모드가 진행되게 되고, 여기서 상기 패치(2)의 길이(L)를 λ0/2 로 하게 되면 도 1b에 나타낸 바와 같은 누설전계가 발생하게 된다. 또한, 이 때 상기 누설전계는 패치(2)로부터 접지판(3)으로의 방향과 접지판(3)으로부터 패치(2)로의 방향을 갖는 것이 상호 존재하여 서로 상쇄되고, 수평성분은 서로 동위상이 되어 도 1c에 나타낸 바와 같이 2개의 슬롯(23, 24)이 소정의 거리, L만큼 떨어져 있는 경우와 같아지게 된다.

그리고, 상기 양 슬롯(23,24) 사이의 복사전계에 의해 외부로부터 인가되는 고주파신호를 수신하게 된다.

즉, 상술한 종래의 마이크로스트립 패치 안테나에 의하면, 소정 크기의 유전체 기판상에 안테나를 실현할 수 있게 되므로 이동체 등에 설치하여 사용할 수 있게 된다.

상기 마이크로스트립 패치 안테나는 원래 1~2% 정도의 임피던스 대역폭을 가지며, 지금까지 대역폭을 증가시키기 위한 많은 방법들이 제안되었다. 그러한 방법은 주로 파라스틱 소자를 패치와 동일한 평면이나 또는 다른 층에 적층으로 위치시키거나패치를 형태를 변형시키는 방법을 사용한다.

미국특허등록번호 제 5,565,875 호와, 미국특허등록번호 제 5,680,144 호는 은 패치의 모양을 루프 형태 또는 C자 형태로 변형시키고 파라스틱을 적층시키는 방법에 의해서 대역폭을 증가시키는 안테나를 명시하였으나, 안테나의 두께가 높고 매우 복잡하여 실용적으로 사용하기가 어려운 단점이 있다. 이러한 이유로 일반적인 개인휴대통신 중계기용 안테나, 무선통신 장비등에 내장이 어려운 문제가 발생하였으며, 부피가 커짐에 따라 지하철, 빌딩지하 및 전파음영지역의 복도나 벽면등에 부착하기가 어려운 문제점이 발생하였다.

즉, 종래의 마이크로스트립 안테나는 외형의 변형, 제작에 따라 고정된 주파수 범위만 허용하는 불편한 점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기판에 외부전계를 인가했을 때 압전체(piezoelectric material)인 Quartz(석영, 수정)를 사용하여 실시간으로 주파수 이동을 구현하므로 안테나 제작 후에도 물리적 변형을 가하지 않고 공진주파수와 대역폭을 간편하게 조정, 이동하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나는, 주파수 조정을 위해서 외부전계를 가하면 기계적 변형이 되고, 일정두께를 갖는 압전소자; 상기 압전소자의 하면에 형성되고, 일정두께를 갖는 하부전극; 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 일정크기를 갖는 패치; 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 패치의 일측에 전기적으로 연결된 급전선; 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 급전선에 전기적으로 연결된 전송기; 및 상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 전송기에 전기적으로 연결된 전송선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 압전소자는 X-cut, Y-cut, Z-cut Quartz(석영 또는 수정)기판으로 이루어지며, 1~5인치의 직경과 0.1 ~ 1mm의 두께를 갖고, 원판형상으로 이루어짐이 바람직하다.

그리고, 상기 하부전극은 1~5인치의 직경과 0.1 ~ 5㎛의 두께를 갖고, 원판형상으로 이루어짐이 바람직하다.

상기 패치는 5×5 ~ 15×15mm의 크기를 갖고, 정사각형상으로 이루어짐이 바람직하다.

상기 급전선은 0.1×3 ~ 0.3×8mm의 크기를 갖고, 직사각형상으로 이루어짐이 바람직하다.

상기 전송기는 1×3 ~ 2×7mm의 크기를 갖고, 직사각형상으로 이루어짐이 바람직하다.

상기 전송선은 0.5×5 ~ 1×5mm의 크기를 갖고, 직사각형상으로 이루어짐이 바람직하다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나를 도시한 분리사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나를 도시한 결합단면도이다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나는 주파수 조정을 위해서 외부전계를 가하면 기계적 변형이 되고, 일정두께를 갖는 압전소자(10); 상기 압전소자(10)의 하면에 형성되고, 일정두께를 갖는 하부전극(20); 상기 압전소자(10)의 상면에 형성되고, 일정크기를 갖는 패치(30); 상기 압전소자(10)의 상면에 형성되고, 상기 패치(30)의 일측에 전기적으로 연결된 급전선(40); 상기 압전소자(10)의 상면에 형성되고, 상기 급전선(40)에 전기적으로 연결된 전송기(50); 및 상기 압전소자(10)의 상면에 형성되고, 상기 전송기(50)에 전기적으로 연결된 전송선(60)을 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 압전소자(10)는 X-cut, Y-cut, Z-cut Quartz(석영 또는 수정) 기판으로 이루어져 있으며, 외부전계를 가했을 때 압전현상(piezoelectric phenomenon), 기계적 변위(strain)를 가짐에 따라 실시간으로 Quartz기판에 변화를 가해 주파수 이동을 구현하므로 안테나 제작 후에도 물리적 변형을 가하지 않고 외부전계를 가해줌으로서 공진주파수와 주파수 대역폭을 조정, 이동할 수 있다.

상기 압전소자(10)는 1~5인치의 직경과 0.1 ~ 1mm의 두께를 갖고, 상·하면에 전극이 형성되며, 원판형상으로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 하부전극(20)은 압전소자(10)와 동일한 1~5인치의 직경과 0.1 ~ 5㎛의 두께를 갖고, 원판형상으로 이루어지며, 상기 압전소자(10)의 하면에 증착되어 있다.

상기 패치(30), 급전선(40), 전송기(50) 및 전송선(60)은 얇은 알루미늄 동판으로 이루어져 일체로 형성되어 있으며, 상기 패치(30), 급전선(40), 전송기(50) 및 전송선(60)은 압전소자(10)의 상면에 증착되어 있다.

또, 상기 패치(30)는 5×5 ∼ 15×15㎜의 크기로 하고, 정사각형상의 얇은 동판으로 이루어지며, 그 일측에 급전선(40)이 전기적으로 결합되어 있다.

상기 급전선(40)은 0.1×3 ∼ 0.3×8㎜의 크기로 하고, 직사각형상의 얇은 동판으로 이루어지며, 그 일측에 λ/4 전송기(transformer;50)가 전기적으로 결합되어 있다.

상기 λ/4 전송기(50)는 1×3 ∼ 2×7㎜의 크기로 하고, 직사각형상의 얇은 동판으로 이루어지며, 그 일측에 50 Ω 전송선(transmission line;60)이 전기적으로 결합되어 있고, 상기 50 Ω 전송선(60)은 0.5×5 ∼ 1×5㎜의 크기로 하고, 직사각형상의 얇은 동판으로 이루어짐이 바람직하다.

상기한 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 특성을 측정하기 위한 시스템을 나타낸 도면으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 전압원과 함수발생기(Fluke 5100B, LG FG8002)에 의해 DC나 AC 바이어스를 적용한 벡터 네트워크 분석기(HP 8722D)에 의해 측정되어졌다.

즉, 상기 압전소자(10)에 장착된 바이어스티(Bias-Tees 5530A, picosecond;70)를 전압원과 함수발생기(110)의 출력포트(111)와 벡터 네트워크 분석기(HP 8722D ; 100)의 입력포트(101)에 연결하여 마이크로스트립 안테나에 DC 바이어스를 가함으로써, 외부전계에 대한 주파수의 이동을 측정하게 된다.

이때, 상기 바이어스티(70)는 압전소자(10)의 상면에 형성된 패치(30)와 전기적으로 연결되어 있으며, AC 바이어스는 바이어스티(70)의 한계 때문에 공급될 수 없다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 X-cut Quartz 기판에서의 DC 바이어스에 대한 주파수 변화를 나타낸 그래프로서, DC 바이어스에 대한 공진주파수의 이동 특성이 관측되었다.

Δf_r는 특정한 전계에서 공진주파수와 영전계에서 공진주파수 사이에 주파수의 차와 같이 정의되었다. 즉, Δf_r는 특정한 DC 바이어스 전압에서 최대 공진주파수와 최소 공진주파수 사이에 주파수의 차와 같이 정의되었다.

이때, 압전 방정식으로부터, 스트레인(Strain)과 전계(E)의 관계는 다음의 (식 1)과 같다.

. --------------------------(식 1)

여기서, dt는 압전 상수이다.

즉, 마이크로스트립 안테나의 공진주파수는 근사값에 의해 다음의 (식 2)와 같이 계산되어졌다.

--------(식 2)

여기서, ,,와 은 각각 압전소자(10)의 길이, 두께, 상대적인 유전체 상수와 공진주파수들이다. 이론상의 방정식은 실험 결과값과 잘 일치됨을 알 수가 있었다.

이 그래프에서 인가전계 0[kV/cm]부터 4[kV/cm]까지 안테나의 공진 주파수가 지속적으로 증가함을 볼 수 있으며, 인가전계 1[kV/cm]까지는 세 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz, 10GHz)가 거의 유사하게 증가하다가 인가전계 1.5[kV/cm]를 지나면서 세 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz, 10GHz)가 다른 대역폭을 가지고 증가함을 볼 수 있다. 즉, 동일한 외부전계내에서 세 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz, 10GHz)가 다른 대역폭을 가지고 이동함을 볼 수 있다.

도 6는 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 Y-cut Quartz 기판에서의 DC 바이어스에 대한 주파수 변화를 나타낸 그래프로서, DC 바이어스에 대한 공진주파수의 이동 특성이 관측되었다.

이 그래프에서 알 수 있듯이, Y-cut Quartz 기판에서도 X-cut Quartz 기판에서와 마찬가지로 인가전계 0[kV/cm]부터 4[kV/cm]까지 안테나의 공진 주파수가 지속적으로 증가함을 볼 수 있으며, 세 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz, 10GHz)가 다른 대역폭을 가지고 증가함을 볼 수 있다. 즉, 동일한 외부전계내에서 세 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz, 10GHz)가 다른 대역폭을 가지고 이동함을 볼 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 Z-cut Quartz 기판에서의 DC 바이어스에 대한 주파수 변화를 나타낸 그래프로서, DC 바이어스에 대한 공진주파수의 이동 특성이 관측되었다.

이 그래프에서 알 수 있듯이, Z-cut Quartz 기판에서도 X-cut Quartz 기판에서와 마찬가지로 인가전계 0[kV/cm]부터 4[kV/cm]까지 안테나의 공진 주파수가 지속적으로 증가함을 볼 수 있으며, 인가전계 2[kV/cm]까지는 두 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz)는 거의 유사하게 증가하고 다른 하나의 공진주파수(10GHz)는 다른 대역폭을 가지고 증가함을 볼 수 있다. 즉, 동일한 외부전계내에서 세 개의 공진주파수(6GHz, 8GHz, 10GHz)가 다른 대역폭을 가지고 이동함을 볼 수 있다.

따라서, 압전현상, 기계적 변위를 가지는 압전체인 Quartz기판을 이용하여 제작된 본 발명의 마이크로스트립 안테나는 외부전계를 가해줌으로서 물리적 변형을 가하지 아니하고 기계적 변형에 의해 기판의 두께를 변화시켜 실시간으로 안테나의 공진주파수와 대역폭을 간편하게 조정, 이동할 수 있다는 것을 보여준다.

즉, 외부전계에 대한 공진주파수는 상기 압전소자(Quartz 기판 ; 10)를 이용한 마이크로스트립 안테나일 경우, 주파수 이동들이 비교적 적다라는 것을 보여줄지라도, 그들은 전자계 성분이 큰 압전소자(10)를 이용할 때 더 커질 것이고, 마이크로스트립 안테나의 회로기판으로서 사용되기에 적당하다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나에 의하면, 기판에 외부전계를 인가했을 때 압전체(piezoelectric material)인 Quartz(석영, 수정)를 사용하여 실시간으로 주파수 이동을 구현하므로 안테나 제작 후에도 물리적 변형을 가하지 않고 공진주파수와 대역폭을 간편하게 조정, 이동할 수 있다는 효과가 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 마이크로스트립 안테나를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나를 도시한 분리사시도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나를 도시한 결합단면도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 특성을 측정하기 위한 시스템을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 X-cut Quartz 기판에서의 DC 바이어스에 대한 주파수 변화를 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 Y-cut Quart 기판에서의 DC 바이어스에 대한 주파수 변화를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나의 Z-cut Quartz 기판에서의 DC 바이어스에 대한 주파수 변화를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 압전소자 20 : 하부전극

30 : 패치 40 : 급전선

50 : 전송기 60 : 전송선

70 : 바이어스티 100 : 벡터 네트워크 분석기

110 : 전압원과 함수발생기

Claims (8)

1. 주파수 조정을 위해서 외부전계를 가하면 기계적 변형이 되고, 일정두께를 갖는 압전소자;

   상기 압전소자의 하면에 형성되고, 일정두께를 갖는 하부전극;

   상기 압전소자의 상면에 형성되고, 일정크기를 갖는 패치;

   상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 패치의 일측에 전기적으로 연결된 급전선;

   상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 급전선에 전기적으로 연결된 전송기; 및

   상기 압전소자의 상면에 형성되고, 상기 전송기에 전기적으로 연결된 전송선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압전소자는 X-cut, Y-cut, Z-cut Quartz기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로 스트립 안테나.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 압전소자는 1~5인치의 직경과 0.1 ~ 1mm의 두께를 갖고, 원판형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 하부전극은 1~5인치의 직경과 0.1 ~ 5㎛의 두께를 갖고, 원판형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 패치는 5×5 ~ 15×15mm의 크기를 갖고, 정사각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 급전선은 0.1×3 ~ 0.3×8mm의 크기를 갖고, 직사각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 전송기는 1×3 ~ 2×7mm의 크기를 갖고, 직사각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 전송선은 0.5×5 ~ 1×5mm의 크기를 갖고, 직사각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 마이크로스트립 안테나.