KR20060101370A

KR20060101370A - 서로 다른 방사 패턴을 갖는 이중 대역 원형 패치 안테나의설계방법

Info

Publication number: KR20060101370A
Application number: KR1020060083968A
Authority: KR
Inventors: 김남수; 노승진; 김영상
Original assignee: 김남수
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2006-09-22

Abstract

본 발명은 적도 궤도의 정지위성인 한별위성으로부터 송신되는 위성 디지털 멀티미디어 방송(DMB; Digital Multimedia Broadcasting) 신호와, 능동형 단거리 전용 무선통신망(Active DSRC; Active Dedicated Short Range Communication)을 통한 다양한 부가 서비스를 동시에 가능케 하는 노변 기지국 장치(RSE; Road Side Equipment)로부터 송신되는 지능형 교통정보시스템(ITS; Intelligent Transport System) 신호를 수신하는 이중대역 안테나에 관한 것으로, 기생 패턴을 사용하여 각각의 서비스 환경에서 요구하는 방사패턴을 해결하는 것을 특징으로 하는 안테나에 관한 것이다.

위성 DMB, ITS, 안테나, 평면, 외부전원, 방사패턴

Description

서로 다른 방사 패턴을 갖는 이중 대역 원형 패치 안테나의 설계방법{Design method of the dual-band circular patch antenna with bi-radiation pattern}

도 1은 본 발명에 의한 안테나의 하층 기판 보드(101) 앞면을 보여주는 구성도이고,

도 2은 본 발명에 의한 안테나의 상층 기판 보드(201) 앞면을 보여주는 구성도이고,

도 3는 본 발명에 의한 안테나의 하층 기판 보드(101) 뒤면을 보여주는 구성도이고,

도 4는 본 발명에 의한 안테나의 측면을 보여주는 구성도이고,

도 5는 본 발명에 따라 실제 제작된 안테나의 앞면을 보여주는 사진이고,

도 6은 본 발명에 따라 실제 제작된 안테나의 뒷면을 보여주는 사진이고,

도 7은 본 발명에 따라 실제 제작된 안테나의 측면을 보여주는 사진이고,

도 8은 본 발명에 따라 실제 제작된 안테나의 반사손실을 측정한 그림이고,

도 9는 본 발명에 따라 실제 제작된 안테나의 방사패턴을 측정한 그림이고,

도 10은 본 발명에 따라 실제 제작된 안테나의 축비을 시뮬레이션 한 그림이다.

본 발명은 차량 외부에 장착되어 위성에서 송출되는 DMB (Digital Multimedia Broadcasting) 신호를 효과적으로 수신하고, 도로면에 수직으로 설치되어 있는 노변 기지국 장치(RSE; Road Side Equipment)으로 부터의 신호를 효과적으로 수신할 수 있는 이중대역 위성 DMB 및 ITS 수신 안테나에 관한 것이다.

위성 DMB는 인공위성을 통해 디지털 멀티미디어 방송전파를 송출받고, 개인 휴대용 수신기 또는 차량용 수신기로 디지털 멀티미디어 방송전파를 수신하는 위성이동방송 서비스이다. 이러한 위성 DMB 시스템을 구현하기 위하여 위성 DMB 방송센터, DMB 방송 위성, 음영지역 중계기(갭필러), 위성 DMB 수신 단말기로 구성된다. DMB 방송 위성은 위성 DMB 방송 센터로부터 수신한 방송 프로그램 컨텐츠를 변조하여 위성 DMB 수신 단말기 측으로 2.605 ∼ 2.655 GHz의 S-Band로 송출한다.

이때, DMB 방송 위성에서 송신되는 방송 신호를 위성 DMB 수신 단말기가 수신하는 과정에서 위성이 적도 상공에 정지되어 있기 때문에 위도 45도 위치에 있는 우리나라에서는 수직방향에서 45도 기울어진 수신 형태를 갖게 된다. 이를 극복하기 위해 지금까지는 수직방향 지향성 방사패턴의 주빔폭을 넓게 하여 사용하였다. 또한 여러개의 안테나를 사용하는 수신 다이버시티 기법을 이용하여 안테나 이득을 높이려는 노력이 있었다.

ITS는 능동형 단거리 전용 무선통신망을 구축하는데 있어서 지능형 교통 시스템으로서, 더욱 상세하게는 도로변, 톨게이트, 또는 정류장 등에 마이크로 웨이 브 고주파 노변 기지국 장치(RSE; Road Side Equipment)를 설치하고 차량에는 송수신 차량 탑재 단말기(OBE; On Board Equipment)를 설치하여 차량 운행 도중 각종 정보를 송수신하여 다양한 서비스를 제공할 수 있는 시스템이다. 이때, 능동형 단거리 전용 무선통신망의 차량 탑재 단말기(OBE)에 사용되는 ITS 서비스는 5.795 GHz ∼ 5.815 GHz의 C-Band를 이용한다. 그러나, 수신용 안테나의 개발은 아직까지 미비한 상태이다.

종래까지는 위성 DMB 대역과 ITS 서비스 대역을 동시에 수신할수 있는 이중대역 수신 안테나는 개발되지 않았다.

그리고 위성 DMB 수신 단말기 안테나는 수직방향으로 많은 전력이 실리게 되어 DMB 방송 위성으로부터의 신호를 높은 안테나 이득으로 수신할 수 없는 단점이 있다.

또한, ITS 서비스 신호는 도로면에 수직으로 설치된 노변 기지국 장치로부터 송신되므로 ITS 서비스 주파수 대역에서는 위성 DMB 수신 안테나에서 요구하는 방사패턴과 서로 다른 방사패턴을 특징으로 하여야 한다.

따라서 본 발명의 목적은 기존의 위성 DMB 수신 안테나가 갖는 수직지향 방사패턴을 개선하여, DMB 위성 방송 신호를 효율적으로 수신하기 위해 수직방향으로부터 45도 기울어진 방사패턴을 가지며, 또한 동시에 ITS 서비스 대역에서는 수직방향 지향성 방사패턴을 갖도록 하여 위성 DMB 서비스 신호와 ITS 서비스 신호가 서로 다른 방사패턴으로 수신되는 안테나를 설계하는 방법을 제공하고자 함에 그 주목적이 있다.

그 외에도 추가적인 목적은 높은 안테나 이득을 통해 외부전원 및 추가적인 안테나가 필요하지 없으며, 현재까지 ITS와 위성 DMB 서비스가 융합된 단말기의 개발이 미진하므로 서로 다른 급전 커넥터를 사용하여 ITS 단말기 및 위성 DMB에 각각의 급전선을 연결할 수 있는 이중대역 안테나의 설계 방법을 제공하고자 함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 실제 신호의 공진이 일어나는 하층 기판 보드(101)와 방사패턴 및 안테나 이득을 조정하는 상층 기판 보드(201)를 이용하여, 위성 DMB 주파수 대역인 2.605 GHz ∼ 2.655 GHz의 S-Band와 ITS 서비스 주파수 대역인 5.795 GHz ∼ 5.815 GHz의 C-Band를 높은 안테나 이득으로 서로 다른 방사패턴을 가지고 수신하는 안테나를 구성한다.

실제 적용에 있어서, 기판 보드의 재질은 종이, 목재, 비닐, PVC, 고무, FR4 또는 테프론 중의 어느 하나로서 기판 보드는 1 내지 3 mm인 것이 바람직하다. 안테나 패턴으로는 금, 은, 구리 또는 알루미늄 등의 도전성 금속이 사용되며, 박판형태로 적용된다. 안테나와 연결되는 수신모듈은 위성 DMB 수신모듈과 ITS용 차량 단말기이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 기술적 특징을 보다 상세하게 설명한다.

도1과 도2, 그리고 도3은 각각 본 발명에 따른 안테나 하층 기판 보드(101) 앞면과 상층 기판 보드(201) 앞면, 그리고 하층 기판 보드(101) 뒷면의 구성도를 나타내고 있다. 그리고 도4는 본 발명에 따른 상층 기판 보드(201)와 하층 기판 보드(101)를 결합하였을 때, 측면의 구성도를 나타내고 있다.

먼저 도1을 참조하면, 본 발명에서 사용한 기판 보드의 재질은 유전율이 낮고 가격이 저렴한 FR4를 사용하였고, 패턴의 재질은 일반적으로 많이 사용되는 구리를 사용하였다. 동작 주파수에 따른 공진을 위한 안테나의 패턴이 형성되는 하층의 기판보드(101)는 위성 DMB 동작 주파수에서 공진되는 안테나 패턴(102)와 ITS 동작 주파수에서 공진되는 안테나 패턴(103)으로 이루어져 있다. 그리고 위성 DMB의 급전 콘넥터(105)와 ITS의 급전 콘넥터(104)를 가지고 있다.

도2과 같이 상층 기판 보드(201)는 본 발명에서 중점을 두고 있는 방사패턴과 안테나 이득을 조정하는 구조의 기생 패턴(202)를 갖고 있다.

전체적인 안테나 패턴은 도1에 하층 기판 보드(101)의 앞면을 보여주는 구성도에 나타내었다. 이때, 안테나 패턴(102,103)으로 사용되는 금속은 전도성이 우수한 금속, 예를 들면, 금, 은, 구리 또는 알루미늄 등이 사용될 수 있으며, 두께가 얇은 박판형태가 바람직하다.

도1과 도2을 참조하여, 본 발명에 의한 안테나 패턴의 설계방법에 대해 설명한다. 위성 DMB와 ITS 신호를 수신하기 위해서는 2.605 GHz ∼ 2.655 GHz의 S-Band와 5.795 GHz ∼ 5.815 GHz의 C-Band에서 동시에 최대 정합이 이루어지도록 해야 한다. 그리고 안테나 방사 패턴은 위성 DMB 동작 주파수에서 안테나 방사패턴은 수직방향에서는 45도 기울어지고 수평방향으로는 등방성인 안테나 패턴을 갖고, ITS 동작 주파수에서는 수직방향으로 지향성 특징을 갖는 안테나 패턴을 나타내야 한다.

안테나는 주파수의 파장에 따라 크기가 결정된다. 그러므로 설계주파수 범위를 비교적 낮은 주파수인 위성 DMB의 주파수 대역 2.605 GHz ∼ 2.655 GHz로 하여 수신 대역의 중심이 되는 주파수인 2.63 GHz를 동작 주파수로 수직방향으로부터 45도 기울어진 등방성 방사패턴 특성을 갖도록 원형 마이크로스트립 안테나(102)의 반지름을 아래의 식(1)을 이용하여 계산한다.

여기서, f _r 은 공진 주파수이고, X _nm (n 및 m = 0, 1, 2, 3, ...)는 TM-모드를 결정하는 파라메터로서 n은 각 모드(Angle mode)이고, m은 방사 모드를 나타낸다. e _r 과 a _e 는 각각 안테나의 하층 기판 보드(101)의 유전율과 안테나의 전기적 반지름을 나타낸다. 그리고 μ는 사용된 패치 면의 투자율이며, μ(copper)=0.9999

1을 갖는다. 또한, 안테나의 전기적 반지름은 물리적 길이 이외에 전기적 길이를 포함하고 있으므로 안테나의 실제 물리적 반지름 a와 전기적 반지름 a _e 사이에는 식(2)와 같은 관계가 있다.

여기서 a는 실제 원형 마이크로스트립 안테나(102)의 반지름을 나타낸다. 그 리고, h는 안테나의 하층 기판 보드(101) 높이이다.

위성 DMB 신호는 우선형 편파를 요구하므로 편파 특성을 갖도록 하기 위해 45도 급전선으로 설계한다.

다음으로, 전체 안테나 크기가 증가하지 않도록 하기 위해 위성 DMB를 위한 안테나(102)의 중앙 부분을 제거하게 되는데, 이 과정에서 제거되는 부분의 크기는 식(2)을 통해 계산된 안테나(102)의 반지름을 기초로 하여 다음의 식(3)에 적용하여 결정된다.

여기서, S _i 는 안테나(102)의 내부 반경이며, S _o 은 안테나(102)의 외부 반경이다. 그리고, 제거된 부분에 ITS 주파수 대역에서 공진이 일어나는 안테나(103)를 삽입한다. ITS 주파수 대역의 안테나 패턴은 수신 대역 5.795 GHz ∼ 5.815 GHz의 중심이 되는 주파수인 5.805 GHz를 동작 주파수로 수직방향으로 지향성 특징을 갖도록 원형 마이크로스트립 안테나의 반지름을 위의 식(1)과 식(2)를 이용하여 구한다.

또한, ITS 서비스 신호도 우선형 편파 특성을 요구하므로 편파 특성을 갖도록 하기 위해 안테나(103)에 슬릿을 삽입한다.

위와 같은 과정을 통하여 크기의 증가 없이 ITS 주파수 대역을 추가 시킬 수 있게 된다.

여타 RF 장비들과 마찬가지로 정확한 안테나(102,103)의 치수는 시뮬레이션 과 실제 제작을 통해 최적화 된다.

설계 원리는 하층 기판 보드(101)가 갖고 있는 안테나(102,103)에서 발생하는 전자계의 생성을 상층 기판 보드(201)에 있는 기생 패턴(202)이 유도하여 전자계의 생성을 돕고, 하층 기판 보드(101)과 상층 기판 보드(201) 사이에 발생하는 커패시턴스를 통해 안테나 임피던스 정합을 이룬다.

도2은 본 발명에 의한 안테나의 상층 기판 보드(201) 앞면을 보여주는 구성도로서, 상층 기판 보드(201)에 있는 기생 패턴(202)는 외부 반경 크기 R _out 과 내부 반경 크기 R _in 을 이용하여 위성 DMB와 ITS 의 방사패턴을 조정하고 안테나 이득을 향상시킨다. 위성 DMB 신호 대역에서는 수평방향에서 등방성인 안테나 방사패턴을 갖도록 기생 패턴(202)의 외부 반경 크기를 설계하고, ITS 신호 대역에서는 수직방향으로 지향성 특성을 갖도록 기생 패턴(202)의 내부 반경 크기를 설계한다. 외부 반경 크기 R _out 과 내부 반경 크기 R _in 의 치수는 시뮬레이션을 통해 설계된다.

도3는 본 발명에 의한 안테나 하층 기판 보드(101) 뒤면을 보여주는 구성도로서, 실제 차량에 적용 시 차체 보드가 접지면으로 적용되어 유한 접지면을 적용한 실험 결과 보다 좋은 성능이 예상된다.

도4는 하층 기판 보드(101)와 상층 기판 보드(201) 사이에 유격을 유지하기 위해 공기와 비슷한 foam (유전율=1.05)(301)을 사용하여 결합한 측면도를 보여주는 구성도이다.

도5, 도6, 그리고 도7은 각각 상기의 방법으로 실제 제작된 안테나의 앞면과 뒷면, 그리고 측면을 보여주고 있다. 도8은 상기 방법으로 실제 제작된 안테나의 반사손실 특성을 측정한 그림이며, 도9는 제작된 안테나의 방사패턴을 측정한 그림이다. 본 발명의 목적에 맞게 위성 DMB 서비스의 중심이 되는 주파수인 2.6 GHz를 동작 주파수로 수직방향으로 부터 45도 기울어진 등방성 방사패턴을 보이며, ITS 서비스 동작 주파수인 5.8 GHz에서 수직방향 지향성 특성을 나타내는 방사패턴을 갖고 있는 것을 보여주고 있다.

도10은 본 발명에 따라 제작된 안테나의 편파특성을 보기 위해 주파수별 축비와 각 서비스의 동작 주파수에서 방위각에 따른 축비를 시뮬레이션을 통해 나타내었다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 위성 DMB 대역에서 수직방향에서는 45도 기울어지고 수평방향으로는 등방성인 방사패턴을 형성하여, 종래에 주 빔폭을 넓게 퍼뜨려 수신하는 위성 DMB 수신 안테나보다 효율적이고 안정적으로 수신 가능하며, 동시에 ITS 서비스 대역에서는 수직방향 지향성 방사패턴을 형성함으로써, 각각의 서비스를 효과적으로 수신할 수 있다.

또, 본 발명은 각 대역에서 안테나 이득을 보상하기 위한 외부전원이나 추가적인 안테나가 필요하지 않는 효과가 있다.

또한, 서로 다른 급전 커넥터를 사용하여 각각의 전용 단말기를 한 개의 안테나에 연결하여 신호들을 수신할 수 있는 효과가 있다.

Claims

도전성이 없고 유전율이 낮으며 전파 손실이 적은 기판 보드 상에 마이크로스트립 안테나 패턴과 상층 기판 보드에 단순한 구조의 패턴을 이용하여 위성 DMB 대역과 ITS 대역을 서로 다른 방사패턴으로 수신하는 것을 특징으로 하는 이중대역 위성 DMB 및 ITS 수신 안테나.
제 1 항에 있어서, 각 서비스 대역에서 동일 구조하에서 서로 상이한 방사패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나
제 2 항에 있어서, 별도의 매칭회로 및 증폭기를 사용하지 않음으로서 외부전원이 필요하지 않는 것을 특징으로 하는 이중대역 수신 안테나