KR20050069286A - 다층구조의 광대역 원형편파 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급전부의 위상이 0°, 90°, 180°, 270°로 배열되는 시퀀셜 로테이션 기법을 이용한 단위배열 안테나로서, 상기 단위배열 안테나의 적층구조는 안테나 보호를 위한 제1 유전체기판; 상기 제1 유전체기판 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제1 폼(foam); 상기 제1 폼 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제1 방사부; 상기 제1 방사부 하부에 형성된 제2 유전체기판; 상기 제2 유전체기판 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제2 방사부; 상기 제2 방사부 하부에 형성된 제3 유전체기판; 상기 제3 유전체기판 하부에 형성되어, 급전선로를 통해 여기된 전류를 전기적 결합에 의해 상기 제2 방사부로 공급하는 슬롯을 포함하는 접지면; 상기 접지면 하부에 형성된 제4 유전체기판; 상기 제4 유전체기판 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제2 폼; 및 상기 제2 폼 하부에 형성되어, 후방으로의 방사를 감소시키기 위한 도체판으로 구성된다.

Description

다층구조의 광대역 원형편파 안테나 {An wideband circularly polarized antenna having multi-layer structure}

본 발명은 다층구조의 광대역 원형편파 안테나에 관한 것으로서, 특히 안테나의 임피던스 대역폭과 축비 대역폭을 향상시켜 Ku-밴드 위성통신의 송,수신 대역을 모두 수용할 수 있도록 한 다층구조의 광대역 원형편파 안테나에 관한 것이다.

현재, 육상, 위성방송 및 통신에서 가장 널리 사용되고 있는 평판형 배열안테나는 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna)이다. 상기 마이크로스트립 안테나는 협대역 특성을 갖는 단점이 있으며, 위성통신에 있어 송,수신을 하기 위해서는 두 개 이상의 안테나를 설치해야 하는 단점을 갖고 있다. 특히, 위성통신에 사용되는 원형편파 안테나의 경우에는, 임피던스 대역폭뿐만 아니라 해당 대역폭 내에서 축비특성이 만족되어야 하는 추가적인 요구조건이 필요하다.

상기와 같은 원형편파를 사용하는 평판형 배열안테나의 대역폭 및 축비 특성을 개선시키기 위한 기법으로 시퀀셜 로테이션 기법(Sequential Rotation Method)이 사용되고 있다. 상기 시퀀셜 로테이션 기법은 각각의 단일 안테나의 편파와는 독립적으로 완벽한 원형편파를 만들어낼 수 있으며, 입력단에서 볼 때 반사가 없기 때문에 반사계수 특성도 향상되는 특징이 있다. 도 1에 종래 시퀀셜 로테이션 기법을 적용한 2*2 배열 안테나를 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 단일 안테나(1, 2, 3, 4)는 패치의 모서리부분을 절단한 원형편파 안테나를 이용하였으며, 일정한 거리를 갖는 4개의 단일 안테나 중 우측 상단에 위치한 단일 안테나(3)의 급전부 위상을 기준위상(0°)으로 간주하여, 반시계방향으로 나머지 3개의 단일 안테나(1, 2, 4)의 급전부의 위상을 각각 90°씩 지연시켜 각각의 단일 안테나의 급전부 위상이 0°, 90°, 180°, 270°가 되도록 배열시킨 구조이다.

그러나, 상기 종래 안테나의 경우에는 방사패치와 급전구조가 같은 면에 있어 급전선로에 의한 불필요한 방사가 안테나의 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 협대역의 단일 안테나를 사용하기 때문에 시퀀셜 로테이션 기법만으로는 임피던스 대역폭 특성을 늘리는데 한계가 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 4개의 직선편파 단일 안테나를 급전부의 위상이 0°, 90°, 180°, 270°로 배열되는 시퀀셜 로테이션 기법으로 구성하여, 임피던스 대역폭을 증가시키기 위해 크기가 서로 다른 방사소자를 위, 아래로 약간의 거리를 두고 겹쳐 놓으며 급전방식은 방사소자와 급전회로를 분리시킬 수 있는 슬롯(개구면) 결합 급전방식을 사용하여, 임피던스 대역폭과 축비 대역폭을 향상시킨 직선편파 단일 안테나로 이루어진 광대역 원형편파 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, Ku-밴드 위성통신의 송,수신 대역을 모두 수용할 수 있는 광대역 원형편파 안테나를 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 단일 안테나는,

안테나 보호를 위한 제1 유전체기판;

상기 제1 유전체기판 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제1 폼(foam);

상기 제1 폼 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제1 방사부;

상기 제1 방사부 하부에 형성된 제2 유전체기판;

상기 제2 유전체기판 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제2 방사부;

상기 제2 방사부 하부에 형성된 제3 유전체기판;

상기 제3 유전체기판 하부에 형성되어, 급전선로를 통해 여기된 전류를 전기적 결합에 의해 상기 제2 방사부로 공급하는 슬롯(개구면)을 포함하는 접지면;

상기 접지면 하부에 형성된 제4 유전체기판;

상기 제4 유전체기판 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제2 폼; 및

상기 제2 폼 하부에 형성되어, 후방으로의 방사를 감소시키기 위한 도체판으로 구성된다.

본 발명은 4개의 단일 안테나를 급전부의 위상이 0°, 90°, 180°, 270°로 배열되는 시퀀셜 로테이션 기법을 이용하여, 서로 크기가 다른 방사소자를 위, 아래로 약간의 거리를 두고 겹쳐놓고 상기 방사소자와 급전회로를 분리시킬 수 있는 슬롯(개구면) 결합 급전방식을 통해 임피던스 대역폭과 축비 대역폭을 향상시킨 직선편파 단일 안테나로 이루어진 광대역 원형편파 안테나이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

실시예

본 발명에 따른 다층구조의 광대역 원형편파 안테나의 구조는 도 2에 도시된 바와 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 단일 안테나의 구조는,

안테나 보호를 위한 제1 유전체기판(12);

상기 제1 유전체기판(12) 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제1 폼(foam, 14);

상기 제1 폼(14) 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제1 방사부(16);

상기 제1 방사부(16) 하부에 형성된 제2 유전체기판(18);

상기 제2 유전체기판(18) 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제2 방사부(20);

상기 제2 방사부(20) 하부에 형성된 제3 유전체기판(22);

상기 제3 유전체기판(22) 하부에 형성되어, 급전선로를 통해 여기된 전류를 전기적 결합에 의해 상기 제2 방사부(20)로 공급하는 슬롯(개구면)(24)을 포함하는 접지면(26);

상기 접지면(26) 하부에 형성된 제4 유전체기판(28);

상기 제4 유전체기판(28) 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제2 폼(32); 및

상기 제2 폼(32) 하부에 형성되어, 후방으로의 방사를 감소시키기 위한 도체판(34)으로 구성된다.

상기와 같은 구조를 갖는, 본 발명에 따른 단일 안테나에서 상기 제4 유전체기판(28)으로 급전선로(25)를 통해 여기된 전류는 제4 유전체기판(28) 상부에 형성된 접지면(26)의 슬롯(24)을 통한 전기적인 결합에 의해 제2 방사부(20)로 공급되며, 상기 제2 방사부(20)와 겹쳐있는 제1 방사부(16)의 전기적인 결합에 의한 효과로 안테나의 임피던스 대역폭을 확장시킬 수 있는 것이다.

도 2에 도시된, 본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 단면도를 도 3에 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 방사부 및 제2 방사부는 정사각형 형태이며, 본 발명에 따르면 제1 방사부의 크기가 제2 방사부의 크기보다 큰 것을 특징으로 한다. 이에 대해서는, 상기 제1 방사부 또는 제2 방사부 둘 중 어느 하나에 크기 차이를 두어 대역폭을 넓히는 것이 통상적인 방법이나, 본 발명에서의 실험결과 상기 제1 방사부를 제2 방사부보다 크게 한 상태에서 넓은 대역폭 성능을 보였다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 접지면에 형성된 슬롯(24)은 직사각형 형태인 것을 특징으로 한다. 미설명된 도면부호 "25"는 급전선로를 의미한다.

적용예

상기와 같은 구조로 동작되는 본 발명에 따른 광대역 원형편파 단위배열 안테나는, 각 단일 안테나 4개를 시퀀셜 로테이션 기법을 이용하여 배열시킨 구조를 갖는다. 즉, 각 단일 안테나의 급전부의 위상을 차례로 90°씩 차이를 두어 각각의 단일 안테나의 급전부 위상이 0°, 90°, 180°, 270°가 되도록 배열된 구조이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 단일 안테나의 배열구조를 설명한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 단위배열 안테나는 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 안테나 4개(100, 200, 300, 400)가 십자 형태로 배열된 구조를 갖는다. 도면에서, C는 중심을 의미하며, FL은 피이드라인(Feed Line)을 의미한다.

상기 도 4의 배열구조에서 보는 바와 같이, 4개의 단일 안테나로부터 반사되는 반사파는 각 단일 안테나의 위상차로 인해 중심(c)에서 서로 상쇄되기 때문에, 반사파의 신호와 피드라인(FL)을 통해 입력되는 신호와의 간섭이 발생되지 않아 대역폭 특성을 향상시킬 수가 있다. 이하, 본 발명에 따른 단위배열 안테나의 반사손실, 반사계수 및 축비 특성에 관해 실험치를 참조하여 설명한다.

실험예

먼저, 본 발명에 따른 단위배열 안테나의 반사손실 특성을 도 5에 도시하였다. 도시된 바와 같이, -10dB 이하를 기준으로 약 5GHz정도의 대역폭을 갖는 것을 알 수 있다.

상기 도 4를 참조하여 설명한, 본 발명에 따른 단일 안테나를 십자형으로 배열한 구조의 반사계수(reflection coefficient) 특성과 축비(axial ratio) 특성을 실험한 결과를 도 6과 도 7에 도시하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, 십자배열 안테나의 반사계수 특성은 -10dB를 기준으로 11~15GHz 이상의 넓은 대역폭을 갖는다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 십자배열 안테나의 축비 특성 즉, 원형편파 안테나에서 필요한 특징으로 원형편파의 가로와 세로 축의 비를 나타내는 특성은 11.5~14.8GHz 사이의 넓은 대역폭에서 낮은 축비 특성을 보이고 있다.

상기 도 5~7의 도면에서 보는 바와 같이, 십자배열 구조의 단일 안테나에서 더욱 향상된 반사계수 특성을 갖는 것을 알 수 있으며, 축비 특성에 있어서는 4dB 이하에서 3GHz정도의 대역폭을 갖는 것을 알 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다층구조의 원형편파 안테나는 도 5 ~ 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, Ku-밴드 위성통신의 송신(14~14.8GHz) 및 수신(11.7~12.75GHz) 대역을 모두 수용가능함을 알 수 있다.

이와같이, 본 발명에 따른 광대역 원형편파 안테나는 시퀀셜 로테이션 기법을 이용하여 크기가 서로 다른 방사소자를 겹쳐놓는 방법으로 안테나를 구현하여, 임피던스 대역폭을 증가시켰다. 또한, 급전방식으로는 방사소자와 급전선로를 분리시킬 수 있는 슬롯(개구면) 결합 급전방식을 적용하였다.

이상에서 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였으나 본 발명의 기술적사상이 이에 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명에 따른 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항의 합리적인 해석에 의해 결정되어져야 한다.

본 발명의 다층구조의 광대역 원형편파 안테나에 따르면, 안테나의 임피던스 대역폭과 축비 대역폭을 모두 향상시킨 효과가 있으며, 또한 Ku-밴드 위성통신의 송,수신 대역을 모두 수용가능한 효과가 있다.

도 1은 종래 시퀀셜 로테이션 기법을 적용한 2*2 배열 안테나 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 단일 안테나의 다층 구조도.

도 3은 본 발명에 따른 단일 안테나의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 단일 안테나의 십자형 배열 구조도.

도 5는 본 발명에 따른 단위배열 안테나의 반사손실 특성 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 십자배열 안테나의 반사계수 특성 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 십자배열 안테나의 축비 특성 그래프.

<도면부호의 설명>

1,2,3,4 단일 안테나 12 제1유전체기판 14 제1폼

16 제1방사부 18 제2유전체기판 20 제2방사부

22 제3유전체기판 24 슬롯(개구면) 25 급전선로

26 접지면 28 제4유전체기판 32 제2폼 34 도체판

Claims (5)

1. 급전부의 위상이 0°, 90°, 180°, 270°로 배열되는 시퀀셜 로테이션 기법을 이용한 단위배열 안테나에 있어서,

   안테나 보호를 위한 제1 유전체기판;

   상기 제1 유전체기판 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제1 폼(foam);

   상기 제1 폼 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제1 방사부;

   상기 제1 방사부 하부에 형성된 제2 유전체기판;

   상기 제2 유전체기판 하부에 형성되어, 전파 방사를 위한 제2 방사부;

   상기 제2 방사부 하부에 형성된 제3 유전체기판;

   상기 제3 유전체기판 하부에 형성되어, 급전선로를 통해 여기된 전류를 전기적 결합에 의해 상기 제2 방사부로 공급하는 슬롯을 포함하는 접지면;

   상기 접지면 하부에 형성된 제4 유전체기판;

   상기 제4 유전체기판 하부에 형성되어, 안테나 보호를 위한 제2 폼; 및

   상기 제2 폼 하부에 형성되어, 후방으로의 방사를 감소시키기 위한 도체판으로 구성되는 다층구조의 광대역 원형편파 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 방사부 및 제2 방사부는 정사각형 형태인 것을 특징으로 하는 다층구조의 광대역 원형편파 안테나.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제1 방사부의 크기가 제2 방사부의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 다층구조의 광대역 원형편파 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 접지면에 형성된 슬롯은 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 다층구조의 광대역 원형편파 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 단위배열 안테나 4개가 십자 형태로 배열되는 구조인 것을 특징으로 하는 다층구조의 광대역 원형편파 안테나.