KR20060035942A - 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나 및 이를 이용한송/수신 배열 안테나 - Google Patents

금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나 및 이를 이용한송/수신 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나 및 이를 이용한 송/수신 배열 안테나에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 단순한 금속 방사 패치 및 반사판을 이용하여, 금속 반사판과 금속 방사 패치 사이의 전자기적 결합 특성을 향상시킴으로써, 임피던스 정합을 유도하고 축비를 향상시킬 수 있는 간단한 구조의 저가의 원형편파 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 원형편파 단일 패치 안테나에 있어서, 안테나의 상부에 위치하여 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 금속 패치 구조의 방사 수단, 상기 방사 수단과 소정 간격의 공기층을 사이에 두고 상기 방사 수단의 하부에 위치하여 상기 방사 수단의 후방 방사를 제거하기 위한 반사 수단 및 상기 방사 수단으로 전력을 전달하기 위한 급전 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 UHF대역 RFID 리더용 송수신 안테나 또는 저가의 안테나 시스템 등에 이용됨.
원형편파, 패치 안테나, 프로브 피딩, 배열 안테나

Description

금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나 및 이를 이용한 송/수신 배열 안테나{Circularly Polarized Patch Antenna Using Metal Patch and Tx/Rx Array Antenna using It}
도 1a 및 도 1b는 종래의 유전체 층을 포함하는 원형편파 패치 안테나의 단면도와 사시도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나의 일실시예 단면도 및 사시도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나를 이용한 송/수신 배열 안테나의 일실시예 단면도와 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 금속 패치의 일실시예 구조도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나의 반사손실 특성도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나의 방사패턴 특성도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나의 축비(Axial Ratio) 특성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 금속 패치 22 : 반사판
23 : 커넥터 25 : 격벽
본 발명은 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나 및 이를 이용한 송/수신 배열 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단순한 구조의 단일 금속 패치를 사용한 프로브 피딩(Probe Feeding) 방식의 원형편파 패치 안테나 및 이를 이용한 송/수신 배열 안테나에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 유전체 층을 포함하는 원형편파 단일 패치 안테나의 단면도 및 사시도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 유전체 층이 포함된 원형편파 단일 패치 안테나는 PCB(Printed Circuit Board)를 이용하여 유전체 층(12)의 상면에 도전체로 이루어진 패치(11)가 형성되어 있고, 유전체 기판(12)의 하면에 도전체로 이루어진 접치층(14)이 형성되어 있으며, 접지층(14), 유전체 층(12) 및 패치(11)에 비아홀(Via hole)을 뚫어 커넥터(13)를 통해 급전하는 방식이다.
이러한 종래의 유전체 층을 이용한 원형편파용 단일 패치 안테나는 커넥터의 플렌지(Flange) 부분과 안테나의 접지면(14)을 인두기를 이용하여 밀착시켜야 하므 로 공정이 복잡하고, 그 구조가 복잡하여 제작비용이 증가하며, 안테나의 대량 생산에 부적합한 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단순한 금속 방사 패치 및 반사판을 이용하여, 반사판과 방사 패치 사이의 전자기적 결합 특성을 향상시킴으로써, 임피던스 정합을 유도하고 축비를 향상시킬 수 있는 간단한 구조의 저가의 원형편파 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 원형편파 패치 안테나를 격벽을 이용하여 배열하고, 각각의 단일 패치 안테나의 신호로 좌선원편파와 우선원편파를 분리하여 사용함으로써, 배열 요소간의 결합을 줄이고, 안테나의 이득, 임피던스 매칭 및 축비를 단일 패치 안테나와 같이 유지시킬 수 있는 송/수신 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원형편파 단일 패치 안테나에 있어서, 안테나의 상부에 위치하여 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 금속 패치 구조의 방사 수단, 상기 방사 수단과 소정 간격의 공기층을 사이에 두고 상기 방사 수단의 하부에 위치하여 상기 방사 수단의 후방 방사를 제거하기 위한 반사 수단 및 상기 방사 수단으로 전력을 전달하기 위한 급전 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나로서, 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나로서, 안테나의 상부에 위치하여 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 금속 패치 구조의 방사 수단, 상기 방사 수단과 소정 간격의 공기층을 사이에 두고 상기 방사 수단의 하부에 위치하여 상기 방사 수단의 후방 방사를 제거하기 위한 반사 수단과 상기 방사 수단으로 프로브 피딩 방식으로 전력을 전달하기 위한 급전 수단을 포함하는 다수의 원형편파 단일 패치 안테나 및 상기 원형편파 단일 패치 안테나 사이에 위치하여 상호 결합을 억제하기 위한 격리 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명 을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나의 일실시예 단면도 및 사시도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 원형편파 안테나는, 안테나 상면에 설치되어 자유공간으로 초고주파 신호를 방사하기 위한 금속 패치(21), 원형편파용 프로브 피딩(Probe Feeding) 방식으로 전력을 전달하기 위한 커넥터(23) 및 안테나 하면에 설치되어 후방방사를 억제시키고 커넥터(23)를 고정시키기 위한 금속으로 구성된 반사판(22)을 포함한다.
이 때, 커넥터(23)를 이용하여 전력을 전달시키기 위해 반사판(22)에 커넥터 핀을 감싸고 있는 유전체 두께만큼 원형 홈을 내어주고 소정의 간격(24) 만큼 공기층으로 이격시켜 금속 패치(21)와 연결한다. 금속 패치(21)에도 커넥터(23)의 핀 두께만큼 홈을 내어 연결한다.
상기 반사판(22)과 금속 패치(21) 사이의 공기층의 간격(24)를 조정함으로써 임피던스 정합과 축비를 향상시킬 수 있으며, 금속 패치(21)에서 발생하는 후방 반사는 반사판(22)을 이용하여 제거함으로써 방사 효율을 증가시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나를 이용한 송/수신 배열 안테나의 일실시예 단면도와 사시도이다.
본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 원형편파 패치 안테나를 이용한 송/수신 배열 안테나는 송수신 분리형 안테나로서, 송신과 수신의 분리도를 높이기 위하여 전술한 본 발명에 따른 금속 패치를 이용한 단일 원형편파 안테나를 2차원으로 단위 배열하되, 금속 패치(21)와 금속 패치(21) 사이에 위치하여 안테나 방사 시의 신호 결합을 막아주며 안테나의 이득, 임피던스 매칭 및 축비를 단일 패치 안테나와 같이 유지시키기 위한 격벽(25)을 포함한다.
또한, 도면에 도시된 바와 같이, 안테나 배열 시에 인접한 금속 패치(21)간에 급전의 위치를 달리하여 좌선원편파와 우선원편파의 특성을 각각 갖게 함으로써 배열 단위 안테나간의 상호 결합을 억제한다. 또한, 송신 안테나와 수신 안테나 각각에 좌선원편파와 우선원편파를 달리 사용함으로써 송신과 수신간의 분리도를 높일 수 있다.
즉, 도 3b의 좌측은 좌선원편파 특성의 안테나이고 우측은 우선원편파 특성을 갖는 안테나이며, 두개의 안테나 사이에 격벽(25)을 두어 안테나 사이의 상호 결합을 없애주었다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 패치의 일실시예 평면도이다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 패치(21)는 사각형 모양으로 대각선 방향의 양끝 모서리가 절단된 형태로서, 한 쪽 변의 길이는 1/2λ0이다. 여기서, 모서리를 자른 부분(25)의 길이와 커넥터(23)의 위치에 따라 특성이 달라 진다.
즉, 모서리를 자른 부분(25)의 길이는 원하는 주파수의 임피던스 정합과 축비에 영향을 주고, 커넥터(23)의 위치는 임피던스 정합에 영향을 미친다.
또한, 반사판(22)과 금속 패치(21)의 사이의 공기층 간격(24)도 전술한 바와 같이 임피던스 정합과 축비에 관련되므로 역시 적절하게 간격을 유지시켜야 한다.
여기에서, 좌선원편파를 구현하려면 도 4에 도시된 바와 같이 구현하고 우선원편파를 구현하려면 모서리를 자른 부분(25)을 반대로 위치시키거나 또는 도 3b의 우측에 도시된 금속 패치(21)와 같이 모서리 자른 부분(25)은 그대로 유지하고 커넥터(23)의 위치를 우측으로 하여 구현한다.
도 5a 및 도 5b 는 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나의 반사손실 특성도로서, 각각 좌선원편파의 반사손실 특성도와 우선원편파의 반사손실 특성을 나타내고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나의 방사패턴 특성도로서, 각각 좌선원편파와 우선원편파의 방사패턴 특성도이며, 도 7a 및 도 7b 는 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나의 축비(Axial Ratio) 특성도로서 각각 좌선원편파와 우선원편파의 축비를 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원형편파 패치 안테나는 10dB 반사손실 대역폭 특성이 3.5%(중심주파수 911MHz), 3dB 빔폭 특성이 ± 65o 이고 안테나의 이득은 약 10dBi이다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 방사를 위한 금속 패치, 반사판 그리고 커넥터를 이용하여 단순한 구조의 원편파용 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 그 구조가 간단하여 제작비용을 경감할 수 있고, 안테나 조립 공정 또한 간단하여 안테나의 대량 생산에 매우 적합한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 안테나의 상부에 위치하여 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 금속 패치 구조의 방사 수단;
    상기 방사 수단과 소정 간격의 공기층을 사이에 두고 상기 방사 수단의 하부에 위치하여 상기 방사 수단의 후방 방사를 제거하기 위한 반사 수단; 및
    상기 방사 수단으로 전력을 전달하기 위한 급전 수단
    을 포함하는 원형편파 패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 수단은,
    프로브 피딩(Probe Feeding) 방식인 것을 특징으로 하는 원형편파 패치 안테나.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방사 수단은,
    대각선 방향의 양 모서리가 소정의 길이로 절단된 형태의 사각 모양의 금속판 구조인 것을 특징으로 하는 원형편파 패치 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 방사 수단의 절단한 모서리의 위치 또는 상기 방사 수단과 급전 수단의 결합 위치를 이용하여 신호 특성을 좌선원편파 또는 우선원편파로 구현하는 것을 특징으로 하는 원형편파 패치 안테나.
  5. 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나로서,
    안테나의 상부에 위치하여 원형 편파 신호를 송신 또는 수신하기 위한 금속 패치 구조의 방사 수단,
    상기 방사 수단과 소정 간격의 공기층을 사이에 두고 상기 방사 수단의 하부에 위치하여 상기 방사 수단의 후방 방사를 제거하기 위한 반사 수단과
    상기 방사 수단으로 프로브 피딩 방식으로 전력을 전달하기 위한 급전 수단을 포함하는
    다수의 원형편파 단일 패치 안테나 및
    상기 원형편파 단일 패치 안테나 사이에 위치하여 상호 결합을 억제하기 위한 격리 수단
    을 포함하는 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 격리 수단은,
    격벽 구조인 것을 특징으로 하는 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 방사 수단은,
    방사 신호의 특성을 좌선원편파 또는 우선원편파로 구현하기 위하여 대각선 방향의 양 모서리가 소정의 길이로 절단된 형태의 사각 금속판 모양의 구조인 것을 특징으로 하는 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 방사 수단 또는 상기 방사 수단과 급전 수단의 결합 위치를 이용하여 송/수신 신호로 서로 다른 원편파를 사용하는 것을 특징으로 하는 원형편파 단일 패치 안테나를 이용한 배열 안테나.
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