KR20070027846A - 주기적 사선 라인 구조를 이용한 무지향성 원편파 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무지향성 원편파 안테나에 관한 것으로, 특히 기판상에서 부식 가공에 의해 주기적 사선 라인을 형성하고, 상기 라인 형성된 기판이 상기 안테나 외부를 둘러싸는 원통형으로 구성함으로써, 안테나에서 출력되는 선형 편파를 원형 편파로 변환시키는 것을 특징으로 한다.

무지향성, 원편파, 안테나, 주기적, 사선 라인

Description

주기적 사선 라인 구조를 이용한 무지향성 원편파 안테나{OMNIDIRECTIONAL CIRCULAR-POLARIZED ANTENNA USING THE PERIODIC SLANT LINE STRUCTURE}

도 1은 본 발명에 따른 무지향성 원편파 안테나의 주기적 사선 라인 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주기적 사선 라인 구조를 이용한 무지향성 원편파 안테나에서 3층 기판의 구조를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나에서 측정된 정재파비를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나의 방위각면에 대한 이득 패턴을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나의 고각면에 대한 이득 패턴을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100, 210 : 기판 110, 200 : 사선 라인

220 : 유전체 300 : 복사 소자

310 : 급전 선로 320 : 원통 구조체

330 : 커러게이션 340 : 홈

본 발명은 무선 통신 시스템의 종단에 위치하는 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무지향성 안테나에서 선형 편파를 원형 편파로 변환하는 무지향성 원편파 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 안테나(Antenna)는 고주파 회로에 접속해서 사용되고 있는 하나의 특수한 전기 회로라고 할 수 있다. 송신 안테나는 고주파 회로의 전력을 능률적으로 전파 에너지로 변환하여 이것을 공간에 방사(radiation)하며, 수신 안테나는 입력되는 전파에너지를 효율적으로 전력으로 변환해서 전기회로에 전달한다. 이와 같이 안테나는 전기회로와 전파 간의 에너지 변환기 역할을 하며, 그 변환 능률이 좋아지도록 그 크기와 모양이 적절히 설계된다.

최근의 안테나는 방사되는 전파가 특정 방향으로 방향성을 갖게 하는 지향성 안테나와, 방향성은 갖지 않게 하는 무지향성 안테나로 구분되기도 한다. 상기 방향성 안테나는 고정된 장치들 간의 통신(도서, 산간지역 등) 등에 이용되어 적은 전력으로 큰 효율을 내며, 특히 혼선에 의한 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있으며, 또한 어느 한 평면으로의 파동의 전파를 최소화하여 휴대폰 사용시 인체로 방사되는 전파의 영향을 최소화시키기도 한다.

이와 반대로, 무지향성 안테나는 무선 전화기의 고정 장치 등에 적용되며 어느 방향에서든 일정한 전파의 송/수신 감도를 가지도록 설계된 안테나로서, 옥내용 데이터 통신용 안테나, 모바일폰(mobile phone) 등의 기지국용 안테나 등에 주로 사용된다.

또한, 안테나는 전파되는 편파(polarization)의 특성에 따라 리니어 편파(linear polarization; 수직 또는 수평 편파)와, 원편파(circular polarization) 및 타원 편파(elliptical polarization) 등으로 구분될 수 있다. 여기서 상기 편파란 빛의 E-field와 H-field가 서로 수직으로 교차하면서 진행하는 것과 마찬가지로, 방사되는 전파가 특정한 면으로 전파되거나 빛과 같이 두 개의 파면(wave plane)이 서로 수직으로 교차하면서 전파되는 특성을 말한다. 따라서, 상기 리니어 편파는 한면으로만 전파되는 편파로서 편파 손실성을 가지며, 원편파는 두 개의 전파면이 같은 크기를 가지고 서로 수직으로 교차하면서 전파되는 편파로서 편파손실을 최소화할 수 있으므로 이종 기기들 간의 간섭을 배제시킬 수 있다. 그리고 타원 편파는 원편파 중에서도 두 개의 전파면의 크기가 다른 경우의 편파로서 이 또한 원편파와 동일한 특성을 갖는다.

또한, 상기 리니어 편파 중에서도 그 파면의 방향이 대지에 대해 수직 또는 수평이냐에 따라 통상 '수직 편파' 또는 '수평 편파'라고 한다. 이러한 리니어 편파안테나는 작은 전력으로 큰 안테나 효율을 얻을 수 있는 이점이 있는 반면에, 전파가 편파 손실성을 갖기 때문에 그 송신측과 수신측 안테나의 자세가 상호 대응되게 고정되어 있어야 하며, 전반향에 대해 일정한 송/수신 감도를 얻기 힘들다. 이 에 반해 원편파 안테나는 수직 편파와 수직 편파의 두 가지 전파특성을 모두 갖고 있기 때문에, 송신측 또는 수신측 안테나의 위치 및 자세가 변하더라도, 전파의 송수신이 가능하고 전방향으로 일정한 감도를 가질 수 있다는 장점이 있다.

이러한 원편파는 단일 편파가 나오는 두 개의 안테나를 직교하도록 배열하여 얻을 수 있다. 그래서 고안된 것이 반파장 다이폴 안테나를 서로 x-y방향으로 직교하도록 배열한 것으로서, 이 경우에는, x-방향의 안테나에서 나오는 수평 편파(1)의 파장이 y-방향의 안테나에서 나오는 수직 편파(2)의 파장에 대해 90도의 위상차를 갖도록 각각의 x-y방향 안테나에 90도의 위상차를 두어 순차적으로 급전함으로써 원편파를 얻을 수 있다. 이와 같이 x-y안테나에 90도의 위상차로 급전하기 위해서는 안테나의 RF회로 모듈에서 피딩되는 RF신호를 지연시킬 수 있는 소위 Phase Shifter 회로를 별도로 마련하여야 한다.

최근에는 무선 데이터 통신이 발전함에 따라 PC, Note PC, Printer, mobile phone 등을 무선 네트워크상으로 연결하는 소위 블루투스 피코 넷(Bluetooth PICO Net; 이하 'BPN')용 안테나가 요구되고 있으며, 이러한 BPN용 안테나로서는 무지향성을 가지며 전방향으로 일정한 송/수신 감도를 얻을 수 있는 상기 원편파 안테나 또는, 복수의 편파를 방사할 수 있는 안테나 등이 적합한 것으로 알려지고 있다.

한편, 상술한 종래의 무지향성 안테나는 고각면 패턴에 대해서는 8자형 모양의 패턴을 가지므로 고각이 변함에 따라 이득이 크게 감소한다. 또한 안테나로부터 원형 편파를 발생하기 위해서는 안테나의 급전 회로가 복잡해진다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 무지향성 안테나에서 선형 편파를 원형 편파로 변환하고, 이득의 평탄도를 높이기 위한 주기적 사선 라인 구조를 이용한 무지향성 원편파 안테나를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 주기적 사선 구조를 이용하여 무지향성 안테나의 편파를 선형 편파에서 원형 편파로 바꾸어 줌으로써 안테나의 급전회로를 간단하게 구현하도록 해 주며, 주기적 사선 구조에 의한 삽입 손실을 최소화하는 주기적 사선 라인 구조를 이용한 무지향성 원편파 안테나를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 안테나는; 무지향성 원편파 안테나에 있어서, 기판상에서 부식 가공에 의해 주기적 사선 라인을 형성하고, 상기 라인 형성된 기판이 상기 안테나 외부를 둘러싸는 원통형으로 구성함으로써, 안테나에서 출력되는 선형 편파를 원형 편파로 변환시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 기판은 3층의 구조물 사이에 유전율이 동일한 유전체를 삽입하여 3층 기판을 형성하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 안테나의 복사 소자에는 최대한의 이득 평탄도를 얻기 위하여 커러게이션을 형성함을 특징으로 하며, 상기 안테나의 복사 소자 상부에는 상기 복사 소자 하부에 구성된 급전 선로와 동일한 반경을 가지는 원통 구조체를 구비함을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나의 복사 소자 하부에 구성된 급전 선로에는 안테나의 정재파비를 최대가 되도록 하기 위한 하나 이상의 홀을 형성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 무선 통신 시스템의 종단에 위치하는 안테나에 관한 것으로서, 무지향성 안테나에서 선형 편파를 원형 편파로 변환하고, 이득의 평탄도를 높이기 위한 안테나를 효과적으로 구현하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 주기적 사선 구조를 이용하여 무지향성 안테나의 편파를 선형 편파에서 원형 편파로 바꾸어 주게 된다. 이러한 구조는 안테나의 급전회로를 간단하게 구현하도록 해 주며, 주기적 사선 구조에 의해 삽입 손실을 최소화하게 된다. 또한, 안테나의 이득이 원하는 빔 폭 내에서 최대한의 이득 평탄도를 얻도록 한다.

특히, 본 발명은 ka-밴드 대역에서 선형 편파에서 원형 편파를 발생시키는 무지향성 안테나를 제안하며, 안테나 복사 소자와 주기적 사선 라인(slant line) 구조로 구성된다. 즉, 안테나로부터 발생되는 편파는 선형 편파이므로 이를 원형 편파로 변환시키기 위해 주기적 사선 구조의 스트립 라인을 3층으로 구성하여 구현하게 된다. 또한, 안테나 복사 소자에 커러게이션(corrugation)을 적용하여 원하는 빔 폭 내에서 최대한의 이득 평탄도를 얻도록 구현하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 무지향성 원편파 안테나의 주기적 사선 라인 구조를 나타낸 도면이다. 상기 도 1을 참조하면, 기판 위에 주기적인 사선 라인(110) 구조가 부식 가공법으로 제작되어 3층의 기판(100)으로 구성된다. 상기 3층의 기판(100)은 안테나 주위를 원통형으로 둘러싸는 형태로 안테나로부터 동일한 거리에 떨어져 설치된다.

이와 같이 본 발명에서는 주기적인 사선 구조의 스트립 라인을 원통형으로 구성함으로써 안테나로부터 발생되는 선형 편파를 원형 편파로 효과적으로 변환시킬 수가 있게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주기적 사선 라인 구조를 이용한 무지향성 원편파 안테나에서 3층 기판의 구조를 나타낸 도면이다. 상기 도 2를 참조하면, 상기 원통형으로 구성되는 3층의 기판(100) 또는 도체 구조물 사이에는 기판(210)과 유전율이 동일한 유전체(220)를 삽입함으로써 원하는 두께를 얻을 수 있게 된다. 이러한 3층으로 구성된 구조물이 안테나로부터 발생한 선형 편파를 주기적인 사선 라인(200) 구조에 의해 원형 편파로 바꾸게 된다.

한편, 상기 기판 내 라인(200)간의 거리는 내부 기판과 외부 기판이 동일하며 가운데 기판의 라인 거리는 내·외부 기판에 비해 좁게 형성될 수 있다. 이때, 3층의 기판(100)들은 가운데 기판을 사이에 두고 대칭적으로 구성된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따라 무지향성 안테나로서 방위각면과 고각면 패턴에 대해 최대한의 이득 평탄도를 얻도록 설계될 수 있다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 안테나는 크게 복사 소자(300)와 급전 선로(310)로 구성될 수 있다. 이때, 상기 안테나 복사 소자 (300)는 동축 선로, 즉 급전 선로(310)에 의해 급전되고, 상기 복사 소자(300)의 상부에는 상기 급전 선로(310)와 동일한 반경을 가지는 원통 구조체(320)를 설치하게 된다. 이와 같이 상기 원통 구조체(320)를 설치하는 이유는 안테나의 고각 패턴이 대칭적으로 구현되도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 안테나 복사 소자(300)에는 커러게이션(330)을 형성하게 되며, 상기 형성된 커러게이션(330)에 의해 안테나가 원하는 빔 폭 내에서 최대한의 이득 평탄도를 얻게 된다.

한편, 상기 급전 선로(310)에는 하나 이상의 홀(340)을 구성할 수 있으며, 상기 홀(340)은 안테나의 정재파비(Standing Wave Ratio, SWR)가 최대가 되도록 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위해 구성된 것이다.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따라 구성된 안테나에 의한 성능 실험 결과를 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나에서 측정된 정재파비를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나에서 측정된 정재파비의 측정 결과로서 35 ~ 39 GHz 대역 내에서 1.5 이하의 특성을 보였다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무지향성 원편파 안테나의 방위각면 및 고각면에 대한 이득 패턴을 나타낸 도면이다. 상기 도 5는 방위각면에 대한 이득 패턴이며, 도 6은 고각면에 대한 이득 패턴이다. 본 발명에 따른 안테나에 의하면 방위각면에서 이득 평탄도는 2dB 이내이며 고각면에서의 이득 평탄도는 원하는 빔 폭 내에서 3dB 이내로 나타남을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 무지향성 안테나에서 간단한 구조에 의해 선형 편파를 원형 편파로 변환시키게 된다. 특히 주기적 사선 라인 구조를 가지는 3층 기판에 의해 편파를 선형 편파에서 원형 편파로 변환시켜 주게 된다. 이에 따라, 원하는 빔 폭 내에서 안테나의 이득이 최대 평탄도를 가지는 안테나를 구현할 수 있게 되는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 무지향성 원편파 안테나에 있어서,

   기판상에서 부식 가공에 의해 주기적 사선 라인을 형성하고, 상기 라인 형성된 기판이 상기 안테나 외부를 둘러싸는 원통형으로 구성함으로써, 안테나에서 출력되는 선형 편파를 원형 편파로 변환시키는 것을 특징으로 하는 상기 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은,

   3층의 구조물 사이에 유전율이 동일한 유전체를 삽입하여 3층 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 안테나.
3. 제1항에 있어서,

   상기 안테나의 복사 소자 상부에는 상기 복사 소자 하부에 구성된 급전 선로와 동일한 반경을 가지는 원통 구조체를 구비함을 특징으로 하는 상기 안테나.
4. 제1항에 있어서,

   상기 안테나의 복사 소자 하부에 구성된 급전 선로에는 안테나의 정재파비를 최대가 되도록 하기 위한 하나 이상의 홀을 형성함을 특징으로 하는 상기 안테나.

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