KR20060019443A - 다중 ｕ-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 접지기판과; 정방향 U-슬롯과, 상기 정방향 U-슬롯 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯이 형성된 패치(Patch)와; 상기 접지기판과 패치사이에 적층되어 결합되는 유전층과; 외부도체는 상기 접지기판에, 내부도체는 상기 패치에 각각 연결되어 상기 접지기판에 신호를 공급하는 동시에 특정 주파수 대역의 신호를 송수신하는 동축선로를 포함하여 구성하고, 상기 정방향 U-슬롯과 두 개의 역방향 U-슬롯의 두께, 길이 및 이들의 위치 변화에 따른 반사계수, 동축선로의 위치 변화에 따른 반사계수, 유전층의 두께에 따른 반사계수를 측정해 본 발명에서 요구되는 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역의 안테나를 얻을 수 있는 최적화된 파라미터를 구하여 이를 적용함으로써 국제전기통신연합(ITU)에서 새롭게 추가할 예정인 5.15 ∼ 5.35GHz 대역에서 동작 가능한 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나를 얻을 수 있다.

안테나, 마이크로스트립(Microstrip), U-슬롯

Description

다중 Ｕ-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나 {Multiple U-Slot Microstrip Patch Antenna}

도 1 은 일반적인 단일 U-슬롯 안테나의 평면도

도 2 는 도 1 에 도시한 단일 U-슬롯 안테나의 첫번째 공진을 일으키는 전류통로길이를 표시한 도면

도 3 은 1 에 도시한 단일 U-슬롯 안테나의 두번째 공진을 일으키는 전류통로길이를 표시한 도면

도 4a 는 위상이 0°일 경우의 단일 U-슬롯 안테나의 교란된 전류분포를 나타낸 도면

도 4b 는 위상이 90°일 경우의 단일 U-슬롯 안테나의 교란된 전류분포를 나타낸 도면

도 5a 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 정면도

도 5b 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도

도 6 은 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 반사손실 측정결과를 도식화한 도면

도 7 은 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 이득 측정결과를 도식화한 도면

도 8a 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 E-필드상에서의 방사패턴을 도식화한 도면

도 8b 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 H-필드상에서의 방사패턴을 도식화한 도면

도 9a 는 위상이 0°일 경우의 다중 U-슬롯 안테나의 교란된 전류분포를 나타낸 도면

도 9b 는 위상이 90°일 경우의 다중 U-슬롯 안테나의 교란된 전류분포를 나타낸 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 접지기판 200 : 패치

210 : 정방향 U-슬롯 220a, 220b : 역방향 U-슬롯

300 : 유전층 400 : 동축선로

본 발명은 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 안테나의 크기, 무게, 가격, 성능, 설치의 용이성, 공기저항 등에 민감한 고성능 항공기, 우주선, 인공위성, 미사일 또는 이동통신 분야에서 사용되는 마이크로스트립 패치 안테나에 관련된다.

마이크로스트립(Microstrip)은 PCB(Printed Circuit Board)의 한 형태이나, 엄밀하게는 PCB와 상당한 차이를 보인다.

저주파 대역에서는 PCB가 주로 이용되며, 선로배치 문제는 소자의 효율적인 공간배치 개념이 더 강조된다. 즉, 저주파 대역에서는 PCB에서는 같은 양의 선로를 얼마나 더 좁은 공간에서 짧은 거리로 구현하는가가 중요하다.

그러나, 고주파 대역에서는 주파수가 높아질 수 록 선로간의 간섭이 심해지기 때문에 선로의 형상이나 길이가 성능에 막대한 영향을 준다. 즉, 고주파 대역에서는 선로의 길이 자체가 회로소자값 그 자체인 경우도 많기 때문에 함부로 선로의 길이에 손을 댈 수 없다. 또한, 신호선과 접지(Ground) 사이에 다른 선로가 지나간다면 그 영향은 상당히 크기 때문에 그라운드의 위치가 상당한 중요성을 가진다. 그리고, 결정적으로 주파수가 높아질 수록 선로의 내부가 아닌 외부 표면에만 전류가 흐르려는 경향이 발생(Skin Effect)하고, 안테나처럼 방사하려는 경향이 강해지기 때문에 선로금속 자체로 신호를 보내기 힘들다.

이러한 고주파의 특성을 만족시키기 위해 제안된 고주파용 회로기판이 바로 마이크로스트립(Microstrip)이다.

전형적인 마이크로스트립 기판은 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 접지(Ground) 처리하고, 그 바로위에 일정 두께의 유전체 기판을 올린 후 유전체 위에 선로(신호선) 형상을 구현한 구조를 가진다.

점점 주파수가 높아질 수록 신호선과 접지 사이에 교류 에너지가 집중되어 이 사이에 있는 방해물에 대한 영향이 커지기 때문에, 유전율이 명확히 정의되어 있는 유전체를 신호선과 접지 사이에 형성하고, 유전체의 높이 및 유전율 조건에 맞추어 신호선을 배치하면 신호선과 접지 사이에 전자파 필드에 신호를 보존하여 전송할 수 있게 된다.

마이크로스트립 패치 안테나는 상기한 마이크로스트립 기술을 안테나 분야에 적용한 것이다. 이러한 마이크로스트립 패치 안테나 중 U-슬롯 구조를 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 도 1 내지 도 4 에 도시하였다.

도 1 은 일반적인 단일 U-슬롯 안테나의 평면도이다.

도면에 도시한 바와같이, 단일 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 패치(10)에 U자 모양의 U-슬롯(11)을 형성하고 있다. 도면에 도시하지 않았으나, 패치(10)의 하부로 유전체와 접지기판이 차례로 적층되어 있으며, 상기 접지기판과 유전체를 관통하여 패치(10)에 동축선로(20)가 형성되어 있다.

패치(10)의 방사하는 면의 모서리(Radiating Edge)의 밑부분에 위치한 U-슬롯은 기본 공진 모드를 발생시키는 전류 분포를 교란하여 그 근접 주파수에서 또 다른 공진을 일으키게 한다. 이러한 특성은 사각형 마이크로스트립 패치의 공진 특성과 결합하여 이중 공진 특성을 얻는 장점을 가진다. 즉, 첫번째 공진은 마이크로스트립 패치에 의해 발생되는 것이고, 두번째 공진은 U-슬롯에 의하여 발생하는 것이다. 이 두 공진 주파수를 전류 분포 해석에 의한 수식으로 구하는 방법은 다음과 같다.

도 4a 및 도 4b 에 도시한 바와 같이, 단일 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 경우 U-슬롯 주위에 전류 분포가 밀집되어 있는 전류 분포를 가진다.

첫번째 마이크로스트립 패치에 의한 공진주파수는 도 2 의 해석에 의해 구할 수 있다. 도 2 는 도 1 에 도시한 단일 U-슬롯 안테나의 첫번째 공진을 일으키는 전류통로길이를 표시한 도면이다.

이 경우의 공진은 전류통로길이(Current Path Length)가 반 파장일 때 발생한다. 이 때, 평균전류통로길이는 가장자리계(Fringing Field)의 영향을 고려하여 A와 B의 합이라고 할 수 있다.

,

,

따라서, 위의 식으로부터 공진주파수는 다음과 같다.

,

두번째 U-슬롯에 의한 공진주파수는 도 3 의 해석에 의해 구할 수 있다. 도 3 은 1 에 도시한 단일 U-슬롯 안테나의 두번째 공진을 일으키는 전류통로길이를 표시한 도면이다.

이 경우의 공진은 전류통로길이(Current Path Length)가 한 파장일 때 발생한다. 이 때, 평균전류통로길이는 M, N, O, Q 의 합으로 나타낼 수 있다.

,

,

,

,

따라서, 위의 식으로부터 공진주파수는 다음과 같다.

이러한 두 개의 공진주파수가 서로 이격되어 있으면 이중 공진 안테나가 되는 것이고, 두 개의 공진주파수를 거의 일치시키면 광대역 안테나가 된다. 일반적으로 이중 공진 특성의 안테나는 스미스차트상의 임피던스 궤적에서 대, 소 2개의 루프가 생성된다. 특히 큰 루프내의 작은 루프의 위치와 크기가 안테나의 임피던스 대역폭을 결정한다. 스미스차트상의 작은 루프를 가변시키는 파라미터는 사각형 패치(U-슬롯의 밑부분)의 폭과 길이, U-슬롯 길이와 모양, 기판의 두께와 비율전율 (Relative Permittivity) 등이 있다. 또한 방사하지 않는 면(Non-Radiating Edge)에 있는 두개의 슬롯(U-슬롯의 좌우부분)은 E-평면 방향과 직교하는 전류를 줄여 패치의 정방향(Broadside)으로 발생하는 교파편파를 감소시키는 역할을 한다.

이러한 U-슬롯의 방사 패턴 특성은 패치의 정방향으로부터 약 20°정도의 범위내에서 교차편파가 거의 없다. 따라서, 선형편파를 사용하는 경우 동일 편파와 교차 편파간에 분리가 좋아 개구결합 급전방식을 사용한 배열화를 통해 높은 이득을 얻을 경우에 유용하게 사용될 수 있다.

그러나, 여전히 좌우로 향하고 있는 전류 분포에 의해 H-평면 방사 패턴에서는 교차편파의 증가를 예상할 수 있다. 따라서, 큰 편파 이격도를 요구하는 시스템에 적용할 때 이러한 점을 고려하여야 한다.

또한, U-슬롯 안테나는 동축 급전방식과 개구결합 급전방식을 사용하는데, 일반적으로 동축 급전방식을 많이 사용한다. 이 방식은 동축선로의 내부도체는 방사 패치에 외부도체는 접지기판에 연결함으로써 전류를 공급하는 방식이다. 이 방식은 임피던스 정합이 쉽고 스퓨리어스 복사가 적으나 패치의 도체면에 물리적으로 접합시켜야 하며 대역폭이 좁아지는 단점이 있다.

이러한 단점은 두꺼운 기판을 사용하거나, 방사소자와 급전소자 사이에 공기층을 삽입시키는 방법에 의하여 극복될 수 있다. 하지만 두꺼운 기판을 사용하면 안테나의 효율이 떨어지고 임피던스 정합에 어려움이 따르며, 공기층의 삽입은 시뮬레이션의 최적화 과정이 어렵고, 안테나 제작시 정말성이 요구되는 부분이다.

현재, 5GHz 대역에서 무선 랜(LAN) 용도로 사용할 수 있는 주파수로는 이미 국제적으로 ISM(Industrial, Science, and Medical) 밴드인 5.725 ∼ 5.825GHz 가 배정되었다. 그러나, 초고속 무선 시스템에 대한 관심이 부각되면서 ISM 설비와의 혼신의 위험을 방지한다는 측면에서 ISM 대역이 아닌 주파수 대역의 이용에 대한 수요가 제기되었고, 이러한 움직임 속에 국제전기통신연합(ITU : International Telecommunication Union)는 WRC-2000 회의에서 5.15 ∼ 5.35GHz 및 5.470 ∼ 5.725GHz 대역을 세계 공통으로 무선 랜 등의 고정접속시스템(FAS)용으로 분배를 검토하기로 결정하였고, 이에 따라 세계 각 국은 WRC-2003 회의에서 5GHz 대역의 주파수가 분배될 것으로 예상하고 무선 랜을 포함한 무선 접속망을 통해 위의 주파수 대역을 활용할 수 있도록 관련분야 연구에 몰두하였다.

따라서, 휴대용 단말기와 액세스 포인트(Access Point)간의 통신을 위한 무선 랜 카드와 더불어 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있고, 초고주파 집적회로에 적용할 수 있는 경량화된 안테나에 대한 개발이 요구되었다.

따라서 본 발명자는 무선 통신의 수용증가에 따라 IEEE 802.11 에서 무선 랜의 사용주파수로 논의되는 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역을 동작주파수로 하는 무선 랜(LAN)용 마이크로스트립 안테나에 대한 연구를 하게 되었으며, 이러한 연구의 일환으로 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역에서 이용 가능한 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나에 대한 연구를 하게 되었다.

본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 국제전기통신연합(ITU)에 의해 새롭게 추가될 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역에서 동작 가능한 다중 U-슬롯 마이크 로스트립 패치 안테나를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 접지기판과; 정방향 U-슬롯과, 상기 정방향 U-슬롯 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯이 형성된 패치(Patch)와; 상기 접지기판과 패치사이에 적층되어 결합되는 유전층과; 외부도체는 상기 접지기판에, 내부도체는 상기 패치에 각각 연결되어 상기 접지기판에 신호를 공급하는 동시에 특정 주파수 대역의 신호를 송수신하는 동축선로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 정방향 U-슬롯과, 상기 정방향 U-슬롯 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯을 사용함으로써 필요한 대역폭인 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역에서 동작 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 5a 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 정면도, 도 5b 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 접지기판(100)과, 패치(200)와, 유전층(300)과, 동축선로(400)를 포함한다.

전형적인 마이크로스트립(Microstrip) 기판은 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 접지(Ground) 처리하고, 그 바로위에 일정 두께의 유전체 기판을 올린 후 유전체 위에 선로(신호선) 형상을 구현한 구조를 가지며, 점점 주파수가 높아질 수록 신호선과 접지 사이에 교류 에너지가 집중되어 이 사이에 있는 방해물에 대한 영향이 커지기 때문에, 유전율이 명확히 정의되어 있는 유전체를 신호선과 접지 사이에 형성하고, 유전체의 높이 및 유전율 조건에 맞추어 신호선을 배치하면 신호선과 접지 사이에 전자파 필드에 신호를 보존하여 전송할 수 있게 된다.

따라서, 상기 접지기판(100)은 접지(Ground)를 위한 금속층이다.

상기 패치(Patch)(200)는 정방향 U-슬롯(210)과, 상기 정방향 U-슬롯(210) 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯(220a)(220b)이 형성되어 있다.

즉, 이 패치(Patch)(200)는 마이크로스트립(Microstrip) 구조에서 상기 접지기판(200)과 작용하여 전자파 필드를 형성하는 선로(신호선)가 형성되는 층으로, 전자파 필드에 신호를 보존하여 전송한다.

필요한 대역폭인 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역내에서 공진주파수(f_c)를 얻기위해

식을 이용해 상기 패치(Patch)(200)의 길이(L)를 결정하였으며, 비유전율(

)이 2.17 ∼ 4.4, 가로 40 ∼ 43.76mm, 세로 23 ∼ 28mm, 두께가 1.57mm인 Teconic TIY-5A-0620-C1/C1 기판을 사용하였다.

마이크로스트립 패치의 길이(L)은 원래

이어야 하나, 누설전계에 의한 길이 변위

에 의해 통상적으로 마이크로스트립 패치의 길이(L)은

사이가 된다. 여기서

는 관내 파장(Guided Wavelength)으로,

이다.

한편, 상기

에 의해 길이(L)가 결정되는 패치(200)에 상기 정방향 U-슬롯(210)과, 두 개의 역방향 U-슬롯(220a)(220b)을 형성함에 의해 발생하는 오차를 최소화하기 위해 상기 정방향 U-슬롯(210)과 역방향 U-슬롯(220a)(220b)의 두께, 길이 및 이들의 위치 변화에 따른 반사계수, 동축선로의 위치 변화에 따른 반사계수, 유전층의 두께에 따른 반사계수를 측정해 필요한 대역폭인 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역을 가지는 최적 조건의 안테나를 얻었다.

이렇게 최적화된 파라미터는 다음과 같다.

상기 정방향 U 슬롯(210)의 가로방향 길이(X₁)는 13.2 ∼ 14mm, 정방향 U 슬롯(210)의 가로방향 간격(X₂)은 1.5 ∼ 2mm, 상기 역방향 U-슬롯(220a)(220b)의 가로방향 길이(X₃)는 10.4 ∼ 10.8mm, 역방향 U 슬롯(220a)(220b)의 가로방향 간격 (X₄)은 1.4 ∼ 1.6mm 이다.

상기 정방향 U 슬롯(210)의 세로방향 길이(Y₁)는 10.5 ∼ 12.1mm, 정방향 U 슬롯(210)의 세로방향 간격(Y₂)은 1.5 ∼ 1.8mm, 상기 역방향 U-슬롯(220a)(220b)의 세로방향 길이(Y₃)는 2.7 ∼ 3mm, 역방향 U 슬롯(220a)(220b)의 세로방향 간격(Y₄)은 1.5 ∼ 1.7mm 이다.

상기 패치(200)의 가로방향 단부와 상기 정방향 U 슬롯(210)간의 간격(d₁)은 13.4 ∼ 14.9mm, 상기 패치(200)의 가로방향 단부와 상기 역방향 U 슬롯간(220a)(220b)의 간격(d₂)은 8.1 ∼ 8.98mm, 상기 두 역방향 U 슬롯(220a)(220b)간의 가로방향 간격(d₃)은 3 ∼ 3.2mm 이다.

상기 패치(200)의 세로방향 단부와 상기 정방향 U 슬롯(210)간의 간격(h₁)은 4 ∼ 6mm, 상기 패치(200)의 세로방향 단부와 상기 역방향 U 슬롯(220a)(220b)간의 간격(h₂)은 2.7 ∼ 3.5mm 이다.

상기 패치(200)의 가로방향 단부와 상기 동축선로(400)의 중심점간의 간격(f₁)은 20 ∼ 21.9mm, 상기 패치(200)의 세로방향 단부와 상기 동축선로(400)의 중심점간의 간격(f₂)은 9 ∼ 11.2mm 이다.

상기 유전층(300)은 상기 접지기판(100)과 패치(200) 사이에 적층 결합되어 접지기판(100)과 패치(200) 사이에 균일한 매질 조건으로 전자파 필드에 신호를 보 존하여 전송하도록 한다.

상기 유전층(300)은 유전율이 1 인 제 1 유전층(310)과, 유전율이 2.17 인 제 2 유전층(320)을 포함한다. 상기 제 1 유전층(310)은 유전율이 1 인 폼(Foam)을 사용함으로써 공기층 형성하게 되어, 동축선로 방식에서의 단점인 동축선로(400)를 패치(200)에 물리적으로 접합시켜야 함에 의해 발생하는 대역폭이 좁아지는 단점을 해결한다.

상기 동축선로(400)는 외부도체(도면 도시 생략)는 상기 접지기판(100)에, 내부도체(도면 도시 생략)는 상기 패치(200)에 각각 연결되어 상기 접지기판(100)에 신호를 공급하는 동시에 특정 주파수 대역의 신호를 송수신한다.

따라서, 본 발명은 정방향 U-슬롯과, 상기 정방향 U-슬롯 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯을 패치에 형성하고, 상기 정방향 U-슬롯(210)과 두 개의 역방향 U-슬롯(220a)(220b)의 두께, 길이 및 이들의 위치 변화에 따른 반사계수, 동축선로의 위치 변화에 따른 반사계수, 유전층의 두께에 따른 반사계수를 측정해 본 발명에서 요구되는 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역의 안테나를 얻을 수 있는 최적화된 파라미터를 구하여 이를 적용함으로써 국제전기통신연합(ITU)에서 새롭게 추가할 예정인 5.15 ∼ 5.35GHz 대역에서 동작 가능한 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나를 얻을 수 있다.

상기와 같은 방식으로 제작된 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나를 HP 8510C Network Analyzer를 이용하여 반사손실을 측정하였으며, 무반사실에서 방사패턴을 측정하였다.

도 6 은 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 반사손실 측정결과를 도식화한 도면이다.

도면에 도시한 바와같이, 초기값은 4.5GHz, 최종값은 6.5GHz로 하고 86개의 포인트(Point)를 주어 측정한 결과 공진주파수는 5.25 GHz 였으며, 이 때의 반사계수(Reflection Coefficient)는 -48.756dB 이었다. 전압정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio) < 1.5 에서 410MHz(8.2%), 실제 응용이 가능한 전압정재파비 < 1.2(-20dB)에서 310MHz(6.2%)의 대역폭을 얻었으며, 5.15 ∼ 5.35GHz 대역 모두 전압정재파비 < 1.2를 만족하였다.

도 7 은 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 이득 측정결과를 도식화한 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 이득에 대한 시뮬레이션 결과와 실제 측정된 결과를 함께 도시하였다. 시뮬레이션상의 이득값은 5.5dBi에서 7.8dBi로 실내용 무선 랜 안테나에서 요구하는 이득보다 높게 나왔으나, 실제 제작된 안테나의 이득은 3 ∼ 6dBi로 실내용 무선 랜 안테나에서 요구하는 이득에 대한 이득조건(Spec)을 만족하였다.

방사패턴은 E-평면과 H-평면에서 각각 5.0 에서 5.5GHz 까지 0.05GHz 간격으로 측정하였다. 실제 측정된 E-평면과 H-평면의 방사패턴을 도 8a 및 도 8b 에 도시하였다.

도 8a 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 E-필드상에서의 방사패턴을 도식화한 도면, 도 8b 는 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크 로스트립 패치 안테나의 H-필드상에서의 방사패턴을 도식화한 도면이다.

도면에서 E-평면과 H-평면의 3dB 빔폭은 각각 62°와 50°로나타났다. E-평면에서이 패턴 기울어짐 현상은 E-평면을 기준으로 하는 두 개의 역방향 U-슬롯 위에 분포하는 전류분포와, 정방향 U-슬롯 아래에 분포하는 전류분포가 대칭적인 모습을 보이지 않는데서 기인한 것이다.

본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 위상 0°와 90°에서의 전류분포를 도 9a 및 도 9b 에 도시하였다.

도 9a 는 위상이 0°일 경우의 다중 U-슬롯 안테나의 교란된 전류분포를 나타낸 도면, 도 9b 는 위상이 90°일 경우의 다중 U-슬롯 안테나의 교란된 전류분포를 나타낸 도면이다.

도면에서 화살표 방향은 전류의 진행방향이고, 두께는 전류의 크기이다. 도면에 도시한 바와 같이, 두 개의 역방향 U-슬롯을 가진 본 발명의 경우 도4a 및 도4b 에 도시한 단일의 U-슬롯을 가진 종래 기술보다 더 큰 전류분포가 분포하며, 슬롯 내부에 전류가 밀집되어 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 슬롯 내부에 전류가 밀집되는 현상은 두 개의 역방향 U-슬롯의 역할이며, 상대적으로 방사하는 면 밑 부분에 위치한 슬롯 주위에 흐르는 전류의 분포를 줄임으로써 단일 U-슬롯 안테나에서 나타나는 전류분포를 교란하여 반사계수와 이득 특성이 종래의 단일 U-슬롯 안테나 특성과는 다르게 나타난다. 즉, 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 패치 내부로 더 큰 전류를 유도하며, 전류분포 교란으로 인해 반사계수와 이득특성이 단일 U-슬롯 안테나 특성과 다른 특성을 보인다.

한편, 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 Ensemble 5.0을 사용하여 시뮬레이션 하였으며, U-슬롯 모양, 유전층 및 동축선로 위치 등에 매우 민감한 반응을 보이므로, 주요 파라미터값을 변화시켜 최적화된 값을 얻었다. 위와 같은 방식으로 제작된 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 5.25GHz의 공진주파수에서 4.5 dBi 의 이득을 얻었으며, 3dB 빔폭은 E-평면과 H-평면에서 각각 62°와 50°였다.

따라서, 위와 같이함에 의해 상기에서 제시한 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나의 목적을 달성할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나는 정방향 U-슬롯과, 상기 정방향 U-슬롯 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯을 패치에 형성하고, 상기 정방향 U-슬롯과 두 개의 역방향 U-슬롯의 두께, 길이 및 이들의 위치 변화에 따른 반사계수, 동축선로의 위치 변화에 따른 반사계수, 유전층의 두께에 따른 반사계수를 측정해 본 발명에서 요구되는 5.15 ∼ 5.35GHz 주파수 대역의 안테나를 얻을 수 있는 최적화된 파라미터를 구하여 이를 적용함으로써 국제전기통신연합(ITU)에서 새롭게 추가할 예정인 5.15 ∼ 5.35GHz 대역에서 동작 가능한 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나를 얻을 수 있는 유용한 효과를 가진다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 본 발명 의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (8)

1. 접지기판과;

   정방향 U-슬롯과, 상기 정방향 U-슬롯 양단부에 각각 배열된 두 개의 역방향 U-슬롯이 형성된 패치(Patch)와;

   상기 접지기판과 패치사이에 적층되어 결합되는 유전층과;

   외부도체는 상기 접지기판에, 내부도체는 상기 패치에 각각 연결되어 상기 접지기판에 신호를 공급하는 동시에 특정 주파수 대역의 신호를 송수신하는 동축선로를;

   포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 패치의 길이(L)가

   

   에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 정방향 U 슬롯의 가로방향 길이(X₁)가 13.2 ∼ 14mm, 정방향 U 슬롯의 가로방향 간격(X₂)이 1.5 ∼ 2mm, 상기 역방향 U-슬롯의 가로방향 길이(X₃)가 10.4 ∼ 10.8mm, 역방향 U 슬롯의 가로방향 간격(X₄)이 1.4 ∼ 1.6mm 인 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 정방향 U 슬롯의 세로방향 길이(Y₁)가 10.5 ∼ 12.1mm, 정방향 U 슬롯의 세로방향 간격(Y₂)이 1.5 ∼ 1.8mm, 상기 역방향 U-슬롯의 세로방향 길이(Y₃)가 2.7 ∼ 3mm, 역방향 U 슬롯의 세로방향 간격(Y₄)이 1.5 ∼ 1.7mm 인 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 패치의 가로방향 단부와 상기 정방향 U 슬롯간의 간격(d₁)이 13.4 ∼ 14.9mm, 상기 패치의 가로방향 단부와 상기 역방향 U 슬롯간의 간격(d₂)이 8.1 ∼ 8.98mm, 상기 두 역방향 U 슬롯간의 가로방향 간격(d₃)이 3 ∼ 3.2mm 인 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 패치의 세로방향 단부와 상기 정방향 U 슬롯간의 간격(h₁)이 4 ∼ 6mm, 상기 패치의 세로방향 단부와 상기 역방향 U 슬롯간의 간격(h₂)이 2.7 ∼ 3.5mm 인 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 패치의 가로방향 단부와 상기 동축선로의 중심점간의 간격(f₁)이 20 ∼ 21.9, 상기 패치의 세로방향 단부와 상기 동축선로의 중심점간의 간격(f₂)이 9 ∼ 11.2mm 인 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나가:

   동작 주파수 대역으로 5.15 ∼ 5.35 GHz 주파수 대역을 가지는 것을 특징으로 하는 다중 U-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나.

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