KR20080086767A - 광대역/2주파 마이크로스트립 패치 안테나 및 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역/2주파 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로, 유전체기판 위에 λ/2의 마이크로스트립 패치 안테나를 에칭하여 특정 주파수에 공진하는 안테나를 구현하고, 그 마이크로스트립 안테나 위에 스루홀을 가공하여 그라운드와 연결시켜 λ/4 Short 선로를 구현하여 별도의 공진점을 형성하는 안테나를 구현함으로써 하나의 스트립 패치 안테나에 2개의 공진주파수를 얻을 수 있는 안테나를 구현하거나, 두 공진주파수를 인접시켜 광대역의 안테나를 구현할 수가 있다. 이렇게 하나의 라디에이터 위에 2개의 주파수에 대응하는 안테나를 구현함으로써 소형으로 제작이 가능하고, 서로 다른 주파수의 방사방향이 동일함으로 인해 마이크로스트립 안테나를 인접시켜 복수개의 안테나를 배열하고 그 간격을 조절함으로 게인 및 지향성을 높일 수가 있으며, 전체 마이크로스트립 안테나의 방사방향 및 방사패턴이 일정함으로 배열 안테나의 전체 백로브 및 사이드로브를 낮출 수가 있어 동일주파수를 사용하는 내장형 안테나 중계기용으로 사용될 수가 있다.

마이크로스트립 패치 안테나, 중계기, 내장형 안테나

Description

광대역/2주파 마이크로스트립 패치 안테나 및 배열 안테나{Wide Band Width/ Dual Frequency Microstrip Antenna and Array Antenna}

도 1의 (a), (c)는 유전체기판 위에 마이크로스트립 패치 안테나를 에칭하여 형성한 도면,

도 1의 (b)는 안테나 기판 밑에 마이크로스트립 패치 안테나에 급전하기 위하여 신호를 연결한 마이크로스트립 선로 도면,

도 1의 (d)는 안테나기판 밑에 마이크로스트립 패치 안테나에 급전하기 위하여 신호를 윌킨스디바이드를 구성한 마이크로스트립 선로 도면,

도 2는 본 안테나의 측면도,

도 3은 제작된 본 안테나의 반사손실(S11)특성,

도 4는 본 안테나의 주파수별 3차원 방사패턴,

도 5, 도 6은 본 안테나의 주파수별 2차원(0도, 90도) 방사패턴.

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

1 : 라디에이터(방사기) 2 : 피딩포인트(급전점) 3 : 핀(부공진점)

4 : 유전체기판 5, 8 : 신호전달용 스트립라인 6 : 그라운드판

7 : 저항(100Ω) 8-1, 8-2, 8-3 : 윌킨스디바이드용 스트립라인

9 : 기판 내부의 그라운드판 10 : 선로용 유전체기판

11 : 그라운드용 스루홀 12 : 통신기연결용 포트

[문헌1] KR 특2003-0064792 2003.08.02

[문헌2] KR 10-2005-0013970 2005.02.05

[문헌3] KR 10-0544388 2006.01.11

[문헌4] KR 10-0613603 2006.08.10

[문헌5] KR 10-0542830 2006.01.05

[문헌6] KR 10-0525313 2005.10.25

[문헌7] KR 10-0542829 2006.01.05

[문헌8] KR 10-2006-0070790 2006.06.26

[문헌9] KR 10-2006-0070793 2006.06.26

[문헌10] KR 10-2006-0070795 2006.06.26

[문헌11] JP 2002-151100

본 발명은 2개의 주파수에 대응하는 마이크로스트립을 이용한 패치 안테나에 관한 것이다. 이 안테나는 1개의 스트립 패치가 2개의 주파수에 대응할 뿐만 아니라, 2개의 공진점을 근접시켜 광대역특성을 얻을 수가 있으며, 복수개의 스트립 패치를 인접시켜 상호 방사패턴을 모아 지향성을 높일 수가 있고, 방사패턴의 백로브를 낮출 수 있음으로 인해 안테나 간의 아이솔레이션을 높여 동일한 주파수를 사용하는 중계기용의 안테나로 사용할 수 있게 한다.

종래의 특허 문헌 1, 문헌 2, 문헌 3, 문헌 11 의 경우와 같이 2개의 주파수에 해당하는 안테나를 구현하기 위해서는 안테나 라디에이터에 해당하는 스트립 패치를 별도로 만들어 하나의 지그에 부착하여 결합하여 사용하는 경우가 대부분의 경우이다. 이 경우에는 별도의 라디에이터가 존재함으로 인해 안테나 사이즈가 크게 되거나 공간이 커지게 되며 각 라디에이터가 향하는 방향이 다름으로 인하여 2개의 서로 다른 주파수를 동일한 방향으로의 서비스(휴대폰의 송신/수신 주파수가 서로 다른 경우 등)가 어렵다.

또한, 광대역 특성을 얻기 위해서는 문헌 4, 문헌 5, 문헌 6, 문헌 7 과 같이 급전되는 실제 주 라디에이터 위에 또 하나의 보조 라디에이터를 부착하여 복수개의 라디에이터를 이용하여 공진대역을 넓히는 방법을 사용하나, 이 역시 복수개의 라디에이터가 존재함으로 인해 부피가 커져 소형화가 어렵고 제조가 복잡하며 라디에이터가 복수개가 존재함으로 라디에이터의 배열을 이용한 어레이 안테나를 구현할 경우 방사패턴이 일정하지 않은 등의 어려움이 발생한다.

이러한 이유로 인해 동일한 주파수를 사용하는 중계기 등의 목적으로 상기 문헌의 안테나로는 사용이 곤란하며, 문헌 8, 문헌 9, 문헌 10 의 경우는 안테나 간의 아이솔레이션을 크게 하기 위하여 치구를 별도로 특수하게 만들어야 하는 문제가 발생한다. 이 경우에는 안테나의 치구가 커져 소형화가 곤란하며 안테나의 방사패턴이 일정하게 고르지 못하는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명에서는 안테나 기판 위에 에칭하는 하나의 라디에이터를 이용하여 2개의 주파수에 대응시킬 수 있어 소형으로 제작이 가능하며, 하나의 라디에이터로 2개의 주파수를 서로 다르게 설정/대응함으로 인해 하나의 라디에이터에서 방사되는 2개의 주파수 모두 방사 방향이 동일하다.

이러한 복수개의 라디에이터를 하나의 기판 위에 에칭/구현하여 각 라디에이터의 간격을 조절하여 각 라디에이터가 방사하는 방사패턴을 조절함으로써 안테나 빔의 지향성을 높이며 빔의 백로브를 매우 낮춤으로 인해 소형으로 기판형의 최저 백로브 빔패턴의 안테나를 구현할 수가 있다.

이 안테나를 동일 주파수를 사용하는 중계기용으로 사용할 경우 안테나의 백로브가 매우 낮음으로 인해 안테나 간의 아이솔레이션을 높일 수가 있어 이 소형으로 만들어진 기판형의 최저 백로브 안테나를 이용하면 안테나 일체형의 중계기를 구현할 수가 있게 된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 를 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 실시예 를 나타낸 도면이다. 도 1-(a) 는 유전체기판(4) 위에 4개의 마이크로스트립 패치 안테나를 에칭으로 구현한 실시예 이며, 도 1-(b) 는 도 1-(a) 안테나 기판의 밑 부분으로서 각 라디에이터(1)에 신호를 급전하기 위한 급전 스트립선로(5)를 나타낸 실시예 이다. 도 1-(c) 는 역시 유전체기판(4) 위에 4개의 마이크로스트립 패치를 에칭으로 구현한 안테나 기판 윗면을 나타낸 실시예 이며, 도 1-(d) 는 도 1-(c) 안테나 기판의 밑 부분으로서 각 라디에이터(1)에 신호를 공급하기 위하여 입력 포트(12)에서 들어온 신호(8)를 윌킨스디바이드(8-1)를 구현하여 2개의 신호로 분할하고, 다시 이 2개(8-1)의 신호를 4개(8-2, 8-3)로 분할하여 라디에이터로 연결하는 윌킨스디바이드를 구현한 실시예를 나타낸 도이다.

일정한 두께의 유전체기판(4) 위에 동박의 라디에이터(1)를 에칭 혹은 프린팅 방법으로 구현하고, 라디에이터의 길이 L 은 사용주파수의 반파장 길이로 정하고, 사용하는 주파수와 유전체기판의 유전율로 λ/(2

) 식을 이용하여 주공진 주파수 f1 을 구한다. 이 라디에이터(1)에 급전하기 위하여 마이크로스트립선로(5, 8)와 통신기를 포트(12)로 연결하고, 이 마이크로스트립선로(5, 8)를 기판 위에 형성하여 기판 위에 존재하는 라디에이터(1)와 밑으로 스루홀(2)을 가공하여 연결한다. 마이크로스트립 선로 주위에는 그라운드판(6)을 만들고 이 그라운드판(6)의 가장자리 및 스트립선로 부근의 그라운드에는 스루홀(11)을 가공하여 선로용 유전체기판(10) 위의 기판 내부의 그라운드판(9)와 연결시킨다.

또 하나의 주파수를 공진시키기 위한 부공진점 f2 를 형성하기 위하여 쇼트 마이크로스트립 패치 안테나(1)을 형성하는데, 상기 라디에이터(1) 위에 스루홀(3)을 가공하여 기판 내부의 그라운드판(9)와 쇼트 시킨다. 쇼트선로의 길이는 4/λ 의 크기로 만들어지는데, 이 급전점(2)과 쇼트점(3) 사이의 길이로 주파수가 결정된다. 이 길이를 다음 식으로 λ/(4

) 표현할 수가 있는데, 기판의 유전율과 사용주파수로 급전점(2)과 쇼트점(3)과의 길이를 결정하여 라디에이터(1)를 유전체기판(4) 밑의 기판 내부의 그라운드판(9)와 쇼트(3) 시킴으로써 라디에이터(1)의 길이 L 에 의해 결정되는 공진주파수 f1 과 별도로 쇼트점(3)의 위치에 의한 부공진특성 f2 를 얻을 수가 있게 된다.

이 쇼트점(3)과 급전점(2) 사이의 길이를 적절하게 조절함으로 주공진점 f2 주파수와 주공진 주파수 f1 의 2개의 주파수에 공진하는 안테나를 만들 수가 있게 되고, 주공진점의 f1 과 이 쇼트선로에서 만들어진 별도의 공진점인 부공진점 f2 의 간격을 조절하여 두 공진 주파수를 근접시켜 하나의 주파수로 대역이 넓은 공진특성을 얻는 안테나를 제작할 수도 있게 된다.

부공진점은 쇼트선로로 형성이 되어 쇼트선로의 쇼트점(3)의 직경이 좁은 관 계로 부공진점의 주파수 대역이 좁게 나타나는 특성을 개선하기 위하여 인접한 위치에 쇼트점(3)을 2개 이상으로 형성시켜 공진주파수 대역을 넓게 할 수도 있다.

이렇게 하나의 라디에이터(1)에 라디에이터의 길이 L 에 의한 공진주파수 f1 과 라디에이터(1) 위에 존재하는 쇼트점(3)에 의한 부공진주파수 f2 가 별도로 존재하는 2개의 주파수에 대응하는 안테나가 만들어진다. 이 하나의 라디에이터에 2개의 주파수가 존재하는 안테나는 2개의 주파수 모두 방사패턴 및 방향이 동일한 방향으로 형성이 되게 되는데, 이 라디에이터(1)을 복수개 형성하여 배열을 함으로 인해 게인이 높게 되고 배열 안테나의 간격 gx, gy 를 조절함으로 전계 및 자계가 흐르는 방향을 제어할 수가 있게 되어 지향성을 높이고 방사패턴의 백로브를 낮추는 효과를 얻어 저 백로브 안테나를 제작할 수가 있게 된다. 도 1과 같이 하나의 유전체기판(4) 위에 4개의 라디에이터(1)를 형성하고, 각 라디에이터의 간격 gx, gy 를 조절하여 4개의 라디에이터가 모두 동일한 방향으로 전/자계가 방사되면서 안테나 뒷부분에서 방사되는 백로브를 최저로 조절할 수가 있게 된다.

상기 유전체기판(4) 위에 복수개의 라디에이터(1)가 인쇄 혹은 에칭되어 있는 경우, 도 1-(b), 도 1-(d) 안테나 밑의 급전선로(5, 8)에서는 통신기와 연결되는 포트(12)에서 들어오는 신호는 선로가 1개에서 2개로 다시 2개에서 4개로 나뉘는데, 이때 마이크로스트립 선로를 그대로 분배시키는 도 1-(b) 방법과 윌킨스디바이드를 이용한 도 1-(d)와 같이 통신기와 연결되는 포트(12)에서 1개의 신호가 8-1 의 윌킨스디바이드를 이용하여 2개의 신호로 디바이드되고, 다시 이 2개의 신호는 윌킨스디바이드를(8-2, 8-3) 통하여 4개의 신호로 디바이드되어 라디에이터(1)로 급전(2)된다.

안테나의 게인 및 백로브 특성을 개선하기 위하여 하나의 유전체기판 위에 라디에이터의 개수를 1개에서 4개, 8개, 16개 등으로 배치하여 각 라디에이터의 간격을 조절함으로 인해 하나의 안테나로 구성하여 각 라디에이터의 급전점을 연결하여 통신기에서 급전함으로 인해 전체 안테나의 게인 및 방사특성을 더욱 개선할 수가 있다.

본 발명은 다음과 같이 실시예 에 의하여 더욱 상세히 설명하고 그 결과를 나타낸다.

도 1-(a), 도 1-(c) 에서 유전체기판(4) 위에 에칭 혹은 인쇄기법으로 라디에이터(1)를 형성하고, 라디에이터를 급전하기 위한 스루홀(2)을 가공하여 도 1-(b), 1-(d) 와 같이 안테나 기판 밑의 스트립선로(5, 8) 와 연결시킨다.

본 발명의 실시예 에서는 공진주파수를 2,150~2,170MHz 에 주공진주파수를 공진시키기 위하여 유전체기판의 유전율을 4.5의 에폭시 기판을 사용하였으며, 라디에이터(1)의 길이 L 을 31mm로 가공하여 4개의 라디에이터를 형성시켜 공진주파수를 2,160MHz 에 공진되도록 하였다. 이때 주공진점의 반사손실은 -10dB에서 87MHz 를 얻었으며, 최대 반사손실은 -25dB에 이른다.

또한, 부공진주파수를 1,960MHz~1,980MHz 에 맞추기 위하여 급전점(2)과 λ /4 지점에 쇼트점(3)을 형성시켜 공진주파수를 1,960MHz~1,980MHz 로 맞춘다. 이때 쇼트점(3)을 1개로 형성했을 경우 대역폭이 좁게 나타나는 경우 인근에 쇼트점을 1개 더 형성시켜 쇼트면적을 넓게 형성하여 대역폭을 주공진점 만큼 넓힐 수가 있게 된다. 본 실시예 에서는 쇼트점의 직경을 0.8mm로 2개 형성시켜, 1,960MHz~1,980MHz 주파수대에서 반사손실 -10dB 점에서 대역폭 54MHz 를 얻을 수가 있었다.

이렇게 1개의 라디에이터로 라디에이터의 길이 L에 의한 주공진 주파수 2,150~2,170MHz 에 공진되면서, 상기 라디에이터 위에 존재하는 쇼트점에 의한 부공진주파수 1,960MHz~1,980MHz 와 동시에 공진하는 마이크로스트립 패치 안테나를 구현할 수가 있게 된다.

상기 마이크로스트립 패치 안테나를 4개 형성시키고, 그 간격 gx와 gy를 10mm와 8mm로 조절하고, 라디에이터의 급전을 위하여 도 1-(b), 1-(d) 와 같이 스트립선로나 윌킨스디바이드를 마이크로스트립기법으로 형성한다. 통신기와의 연결점인 포트(12)에서 들어온 신호(도 1-(b))는 스트립선로(5)를 통하여 2개로 분리되고, 다시 4개로 분리되어 기판 위에 존재하는 라디에이터(1)로 스루홀(2)을 통하여 연결된다. 또한, 윌킨스디바이드를 이용한 선로(도 1-(d))에서는 통신기와의 연결점인 포트(12)를 통하여 들어온 신호를 초단의 윌킨스디바이드(8-1)을 통하여 2개의 신호로 디바이드되고, 다시 2개의 신호는 다음의 윌킨스디바이드(8-2, 8-3)에 의하여 4개로 분리되어 스루홀(2)을 통하여 상기 라디에이터(1)로 연결된다.

이렇게 연결된 4개의 라디에이터에서 방사되는 전자계는 주공진주파수 2,150MHz~2,170MHz 및 부공진주파수 1,960MHz~1,980MHz 모두 동일한 라디에이터에서 방사됨으로 인해 방사패턴 및 방사방향이 일치하여 서로 동위상으로 작용하여 표 1과 같이 주공진주파수에서의 반사손실이 최대 -25dB 가량 얻어지며 이때의 대역은 -10dB 기준으로 54MHz, 주공진점에서의 최대 반사손실은 역시 -25dB 가량으로 대역은 -10dB 기준으로 87MHz 를 얻을 수가 있어, 메인로브의 방사패턴이 향상되어 게인이 증가되고, 백로브의 방사패턴이 감소되어 전체적인 방사특성이 우수한 안테나를 구현할 수가 있게 된다.

본 발명의 실시예 에서는 100×100mm 유전체기판 위에 라디에이터 길이 31mm로 4개의 라디에이터를 패턴 인쇄하여 각 라디에이터의 간격을 10mm과 8mm로 하여 하나의 안테나로 구현하여 표 2와 같이 전체 안테나 효율이 96% 이상이며, 8dB~9dB 의 게인을 얻는 안테나를 구현할 수가 있었으며, 이 안테나의 백로브는 표 2에 나타난 바와 같이 -22dB∼-27dB 로 매우 낮은 수치의 방사 패턴을 가지는 안테나를 구현할 수가 있다.

주공진점과 부공진점에서의 반사손실

	부공진점(1.97GHz)			주공진점(2.16GHz)
[S11]	min (GHz)	max (GHz)	폭 (MHz)	min (GHz)	max (GHz)	폭 (MHz)
-10dB	1.9449	1.9993	(54.396)	2.1111	2.1986	(87.537)
-15dB	1.9568	1.9854	(28.583)	2.1355	2.1792	(43.716)
-20dB	1.9643	1.9782	(13.844)	2.1497	2.1676	(17.852)

각 주파수별 게인, 효율, 백로브 특성

	Gain(dB)	Tot. Effic.	Side lobe level (dB)
			Phi=0	Phi=90
1.96GHz	8.340	0.9252	-22.6	-33.1
1.97GHz	8.329	0.9380	-22.0	-31.5
1.98GHz	8.354	0.9302	-21.4	-32.8
2.15GHz	9.184	0.9895	-27.4	-27.8
2.16GHz	9.206	0.9927	-26.7	-27.4
2.17GHz	9.230	0.9855	-26.0	-27.1

Claims (7)

1. 2개 이상의 주파수대역에서 작동하거나 광대역 특성을 가지는 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서,

   유전체기판(4) 위에 인쇄하거나 에칭기법으로 주공진주파수의 λ/2 의 크기로 형성하는 라디에이터(1)를 1개 이상 복수개로 형성하고,

   각 라디에이터(1)는 급전선(5, 8)과 스루홀(2)로 연결하고,

   라디에이터(1) 위에 부공진주파수의 λ/4 길이로 급전점(2)과 떨어진 지점에 쇼트점(3)을 복수개 형성하여 기판 내부의 그라운드판(9)와 스루홀(3)으로 가공하고,

   포트(12)에서 들어오는 신호를 마이크로스트립 선로(5, 8)를 이용하여 신호를 분배하여 라디에이터(1)와 연결하는 스루홀(2)을 가공하고,

   마이크로스트립선(5, 8)로 주위와 안테나 기판의 가장자리의 그라운드판(6)을 기판 내부의 그라운드판(9)와 연결하는 스루홀(11)을 가공하여 형성하는 마이크로스트립 패치 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   부공진점을 형성하는 쇼트점(3)은 급전점(2)과 수직 혹은 수평으로 일정한 각도를 가지면서 공진주파수의 λ/4 길이로 급전점(2)과의 간격을 유지하는 위치에 스루홀(3)로 가공하여 라디에이터(1)와 기판 내부의 그라운드판(9)와 쇼트 하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
3. 제 2항에 있어서,

   부공진점을 형성하는 쇼트점(3)을 쇼트점의 인근에 2개 이상 복수개를 형성하여 공진대역을 넓히는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 유전체기판(4) 위에 인쇄하거나 에칭기법으로 형성하는 라디에이터(1)을 1개, 2개, 4개, 8개, 16개 등의 복수개로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   복수개의 라디에이터(1)에 급전하기 위하여 포트(12)에서 들어오는 신호를 배분할 때 H 자형 스트립라인 분배기나 I 자형 분배기를 사용하여 급전 시키는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   복수개의 라디에이터(1)에 급전하기 위하여 포트(12)에서 들어오는 신호를 배분할 때 윌킨스디바이드(8-1)을 사용하여 2분배 하고, 다시 윌킨스디바이드(8-2, 8-3)를 사용하여 4분배 하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
7. 제 1항에 있어서,

   스트립선로(5, 8) 주위의 그라운드판(6) 및 기판의 가장자리 부분에 지름이 작은 스루홀(11)을 홀의 지름 크기 및 그 이하/이상의 간격으로 가공하여 기판 내부의 그라운드판(9)와 쇼트시키는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.

Images