KR20100034227A - 고이득 및 광대역 특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

고이득 및 광대역 특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 유전체층과, 상기 유전체층 내부에 배치된 급전 회로와, 상기 유전체층 내부에 배치되고 상기 급전 회로와 상하 이격된 적어도 하나 이상의 슬롯과, 그리고 상기 유전체층의 외부에 배치되고 상기 적어도 하나 이상의 슬롯과 상하 이격된 패치 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
마이크로스트립 패치 안테나, 슬롯, 광대역, 안테나 이득

Description

고이득 및 광대역 특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나{MICROSTRIP PATCH ANTENNA WITH HIGH GAIN AND WIDE BAND CHARACTERISTICS}
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
유비쿼터스(Ubiquitous) 시대를 맞이하여 소비자들에게 다양한 서비스를 제공하여야 할 필요성이 증대되고 있는 것이 최근의 현실이다. 이에 대한 해결책의 하나로서 제시된 것이 여러 기능을 통합하여 새로운 가치를 창출하는 융·복합 기술이다.
이러한 융·복합 기술을 위한 유력한 실현 방안으로 시스템 인 패키지(SIP) 혹은 시스템 온 패키지(SOP) 기술이 새롭게 조명되고 있다. 그 이유는 시스템을 구성하는 소자나 부품의 재료 혹은 공정이 서로 달라도 하나의 패키지 내지 모듈로 단일 제품화 할 수 있고 그에 따라 제품의 성능 향상, 초소형화, 저가격화가 가능하기 때문이다.
고속전송 무선망에서는 통신서비스 품질, 보안, 신뢰성 그리고 고속전송비가 유지되어야 한다. 고속전송 무선망에 사용되는 모듈 내지 시스템은 광대역 및 전송 거리 확보가 필요하다. 따라서, 이러한 요구 조건에 맞는 마이크로스트립 패치 안테나의 필요성이 대두된다.
본 발명은 고이득 및 광대역 특성이 구현된 마이크로스트립 패치 안테나를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나는 싱글 패치 또는 스택 패치에 스택 슬롯을 이용하여 광대역 및 고이득을 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나는, 유전체층과; 상기 유전체층 내부에 배치된 급전 회로와; 상기 유전체층 내부에 배치되고, 상기 급전 회로와 상하 이격된 적어도 하나 이상의 슬롯과; 그리고 상기 유전체층의 외부에 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 슬롯과 상하 이격된 패치 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체층은 복수개의 저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 실리콘, 인쇄회로, 액정 폴리머 기판이 적층된 것을 포함할 수 있다. 상기 급전 회로는 마이크로스트립 라인, 스트립 라인, 또는 이들이 임베드된 형태의피드 선로와 개방 선로를 포함할 수 있다. 상기 슬롯은 제1 슬롯과, 상기 제1 슬롯과는 상하 이격되고 크기가 상이한 제2 슬롯을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체층의 외부에, 그리고 상기 급전 회로의 하부에 배치된 에어 캐비티를 더 포함할 수 있다. 상기 유전체층의 내부에 배치되고, 상기 패치 안테나와 상하 이격된 패치를 더 포함할 수 있다. 상기 패치는 상기 패치 안테나와 상기 적어도 하나 이상의 슬롯 사이에, 또는 상기 적어도 하나 이상의 슬롯 사이에 배치될 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나는, 피드 선로와 개방 선로를 포함하는 급전 회로층과; 상기 급전 회로층 상에 적층되고 적어도 하나 이상의 슬롯을 포함하는 슬롯층과; 그리고 상기 슬롯층 상에 적층되고 패치 안테나를 포함하는 안테나층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 급전 회로층은: 상기 피드 선로와 상기 개방 선로가 배치된 제1 유전체 기판과; 그리고 상기 제1 유전체 기판 하부에 배치된 에어 캐비티를 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 슬롯층은: 상기 제1 유전체 기판 상에 적층되고 제1 크기의 제1 슬롯이 포함된 제2 유전체 기판과; 그리고 상기 제2 유전체 기판 상에 적층되고 상기 제1 크기와 다른 제2 크기의 제2 슬롯이 포함된 제3 유전체 기판을 포함할 수 있다. 상기 제2 및 제3 유전체 기판 각각은 그 상면에 접지층을 더 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 안테나층은: 상기 제3 유전체 기판 상에 적층되고, 개방된 상면을 가지며 상기 개방된 상면에 상기 패치 안테나가 배치된 제4 유전체 기판을 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 기판 각각은 적어도 하나 또는 그 이상의 저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 실리콘, 인쇄회로, 액정 폴리머 기판을 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 안테나층 하부에 배치되고, 패치가 배치된 유전체 기판을 갖는 패치층을 더 포함할 수 있다. 상기 패치층은 상기 슬롯층 내에 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 슬롯 사이에 상기 패치가 배치될 수 있다. 상기 패치층은 상기 슬롯층 상부에 배치되고, 상기 패치는 상기 적어도 하나 이상의 슬롯과 상기 패치 안테나 사이에 배치될 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 변형 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나는, 피드 선로와 개방 선로를 포함하는 제1 유전체 기판과; 상기 제1 유전체 기판 상에 적층되고, 제1 슬롯을 포함하는 제2 유전체 기판과; 상기 제2 유전체 기판 상에 적층되고, 상기 제1 슬롯과 크기가 상이한 제2 슬롯을 포함하는 제3 유전체 기판과; 상기 제3 유전체 기판 상에 적층되고, 개방된 상면을 가지며 상기 개방된 상면에 패치 안테나가 배치된 제4 유전체 기판과; 그리고 상기 제4 유전체 기판 하부에 배치되고, 상면에 패치가 배치된 제5 유전체 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 다른 변형 실시예에 있어서, 상기 제5 유전체 기판은 상기 제3 및 제4 유전체 기판 사이에 배치되거나, 또는 상기 제2 및 제3 유전체 기판 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제5 유전체 기판 각각은 하나 또는 그 이상의 저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 실리콘, 인쇄회로, 액정 폴리머 기판을 포함할 수 있다. 상기 제2 및 제3 기판 각각은 상면에 접지층을 더 포함할 수 있다
본 발명에 의하면, 고이득 및 광대역 특성을 갖는 스택 슬롯 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 구현할 수 있게 된다. 이로써, 시스템 온 패키지(SOP), 시스템 인 패키지(SIN) 시스템 내지 모듈의 소형화, 저가화 할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 비교적 구조가 복잡하지 않으므로 제조 공정의 단순화를 구현할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
(제1 실시예)
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 1b는 그 평면도이고, 도 1c는 그 단면도이다.
도 1a 내지 1c를 참조하면, 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100:Microstrip patch antenna)는 상면이 개방되어 있는 마이크로스트립 선로가 개방면을 통해 고주파를 방사하는 원리를 이용하여 제작된 소형 평면 안테나의 일종이다. 일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나는 집적도가 뛰어나고 비교적 저가에 소형, 경량으로 대량 생산이 용이하며 무게가 가볍고 평면 배열로 만들기 쉽다는 장점이 있다. 그러나, 마이크로스트립 패치 안테나는 협대역 특성을 가지고 있어 광범위한 활용에 많은 제약이 수반하고 있다.
협대역 특성을 개선하기 위하여, 물리적인 스택 구조에 의한 방법, 개구 결합에 의한 방법, 기생 소자를 주위에 배열하는 방법, 유전체 기판의 두께를 증가시키는 방법, 급전 선로의 임피던스 확장회로를 추가적으로 삽입하는 것이 있을 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 협대역 특성을 개선하기 위해 스택 슬롯을 사용하여 넓은 주파수 대역폭, 높은 안테나 이득, 그리고 용이한 임피던스 정합을 구현할 수 있다. 본 실시예에서는 일례로서 60GHz 대역 무선개인네트워크(Wireless Personal Area Network)에 방사할 수 있는 스택 슬롯 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계한 것이다. 설계 툴(tool)로서 HFSSTM를 이용할 수 있다.
일례로, 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 편의상 4개의 층으로 크게 구분될 수 있다. 제1 층(10)은 급전 회로를 포함할 수 있고, 제2 층(20) 및 제3 층(30)은 슬롯을 포함할 수 있고, 제4 층(40)은 패치 안테나층을 포함할 수 있다.
제1 층(10)은 제1 기판(101)에 피드 선로(103; 급전 선로)와 개방 선로(104) 를 포함할 수 있다. 일례로, 피드 선로(103) 및 개방 선로(104) 중 적어도 어느 하나는 임베드된 마이크로스트립, 마이크로스트립, 또는 스트립 선로 형태일 수 있다.
제1 층(10)은 에어 캐비티(109)와 금속 커버(110)를 더 포함할 수 있다. 에어 캐비티(109)는 피드 선로(103)로부터 방사되는 에너지의 로스를 줄이는 작용을 할 수 있다. 피드 선로(103)와 개방 선로(104)는 제1 방향, 예를 들어 X 방향으로 연장될 수 있다. 제1 기판(101)은 유전체 기판일 수 있다. 일례로, 제1 기판(101)은 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판일 수 있다. 일례로, 제1 기판(101)은 FERRO사(社)로부터 입수 가능한 "A6"라는 소재를 이용하여 대략 0.1㎜ 두께로 제작된 LTCC 기판을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 제1 기판(101)은 실리콘, 인쇄회로기판(PCB), 액정폴리머(LCP) 기판일 수 있다.
제2 층(20)은 적어도 하나 이상, 가령 2개의 제2 기판(201)이 적층되고, 2개의 제2 기판(201) 중 상층의 제2 기판(201) 상에는 슬롯(205: 또는 패턴 슬롯)이 형성된 접지층(208)을 포함할 수 있다. 2개의 제2 기판(201) 각각은 제1 기판(101)과 동일 두께 및/또는 동일 소재로 구성될 수 있다. 일례로, 2개의 제2 기판(201) 각각은 대략 0.1 mm 두께의 LTCC 시트(sheet)일 수 있다. 슬롯(205)은 X 방향과 교차하는 방향, 가령 X 방향과 실질적으로 수직한 Y 방향으로 연장된 장방형일 수 있다.
제3 층(30)은 적어도 하나의 제3 기판(301) 상에 스택 슬롯(306: 또는 스택 패턴 슬롯)이 형성된 접지층(308)을 포함할 수 있다. 스택 슬롯(306)은 슬롯(205) 과 상하 정렬될 수 있고, 슬롯(205)에 비해 더 넓은 폭과 길이를 가질 수 있다. 제3 기판(301)은 제1 기판(101)과 동일 두께 및/또는 동일한 소재, 가령 대략 0.1 mm 두께의 LTCC 기판일 수 있다. 두 개의 슬롯(205,306)을 구비하므로써 슬롯이 하나 있는 것에 비해 에너지 효율을 높이고 안정된 매칭이 이루어지도록 하여 광대역 특성을 구현할 수 있다.
제4 층(40)은 적어도 하나 이상, 가령 3개의 제4 기판(401)이 적층되고, 최상층 제4 기판(401) 상에 패치 안테나(402)가 배치될 수 있다. 3개의 제4 기판(401) 각각은 제1 기판(101)과 동일 두께 및/또는 동일한 소재, 가령 대략 0.1 mm 두께의 LTCC 기판일 수 있다. 본 실시예를 비로한 이하에서 설명되는 마이크로스트립 패치 안테나는 대략 7 내지 9개의 LTTCC 기판이 적층된 구조일 수 있다.
급전 선로(103)에 의해 슬롯(205)과 스택 슬롯(306)을 통해 급전된다. 급전된 에너지는 스택 슬롯(306) 위의 제4 기판(401)을 통해 패치 안테나(402)로 송신 혹은 수신될 수 있다. 슬롯(205)의 크기와 위치에 따라 안테나 임피던스와 리액턴스를 다르게 할 수 있다. 슬롯(205)의 결합 리액턴스 성분은 개방 선로(104)의 길이 조절로 제거될 수 있다. 급전 선로(103)에서 패치 안테나(402) 쪽으로 바라보는 입력 임피던스는 슬롯(205), 스택 슬롯(306) 그리고 패치 안테나(402)의 임피턴스 합이 될 수 있다. 급전 선로(103)의 에너지 변화는 슬롯(205)과 스택 슬롯(306)의 급전 선로(103) 전압비일 수 있다. 스택 슬롯(306)은 급전 선로(103)로부터 직접적으로 슬롯(205)에 급전 결합된다. 스택 슬롯(306)의 크기는 약간의 다른 주파수를 결정하기 위해 슬롯(205)의 크기와 다르게 설정할 수 있다. 스택 슬롯(306) 구조의 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 특성을 결정할 중요한 변수로는 유전체 두께, 유전율, 패치 안테나(402) 크기, 개방 선로(104)의 길이, 슬롯(205)과 스택 슬롯(306)의 크기, 급전점의 위치 등일 수 있다.
한 개의 패치 안테나(402)와 두 개의 슬롯(205,306)이 세 개의 공진기를 구성하고, 각각의 공진기는 임피턴스 루프와 서로 연관된 상호결합을 가지고 있고, 각각의 임피던스 루프에 공진기의 인자들을 변화시킴으로써 광대역(wide band) 및 고이득(high gain) 특성을 유기시킬 수 있다. 공진기의 인자는 슬롯(205), 스택 슬롯(306), 패치 안테나(402) 사이의 기판들의 두께, 슬롯(205)과 스택 슬롯(306)의 폭과 길이, 그리고 개방 선로(104)의 길이 등이다.
도 2a 내지 2d는 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2a는 임피던스와 반사계수와의 관계를 도표화한 이른바 스미스 차트(Smith Chart)를 나타낸 것이다. 임피던스 궤적이 원의 중심에 가까이 있는 것으로부터 마아크로스트립 패치 안테나(100)의 광대역 특성이 우수하다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 2b는 반사계수를 나타낸 것으로 특정 주파수에서 반사계수가 밑으로 깊게 파일수록 안테나의 복사효율이 높고 매칭이 잘 되며, 푹 파인 계곡이 넓을수록 안테나가 다룰 수 있는 주파수 대역폭이 넓다는 의미이다. 일례로, 반사계수(S11) -30dB를 기준으로 마이크로스트립 패치 안테나(100)가 다룰 수 있는 주파수 대역이 대략 57 내지 64 GHz를 만족하는 광대역 특성을 나타낸다.
도 2c는 원하는 방향으로만 고주파를 방사하거나 수신하기 위한 안테나 특성을 나타내는 방사 패턴(안테나 패턴)을 나타낸 것이다. 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 방사 패턴은 모든 대역에서 E-패턴(1: 전기장 벡터와 최대방사가 이루어지는 방향을 포함하는 면에서 측정된 방사패턴)과 H-패턴(2: 자기장 벡터와 최대방사가 이루어지는 방향을 포함하는 면에서 측정된 방사패턴)이 거의 동일한 특성으로 방사된다.
도 2d는 안테나에서 방향성(directivity)로 인해 파생되는 상대적 이득, 즉 안테나 이득을 나타낸 것이다. 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 대략 7.2 dBi의 안테나 이득을 얻을 수 있다. 일반적으로 안테나의 이득과 대역폭은 트레이트 오프(trade off) 관계에 있지만 본 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 도 2d에 나타난 바와 같이 고이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 도 2b에 나타난 바와 같이 광대역을 동시에 만족할 수 있다.
(제2 실시예)
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 제2 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(200)는 상술한 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 유사하게 구성될 수 있다. 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 다르게, 제2 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(200)에 있어서 슬롯(205)은 스택 슬롯(306)에 비해 폭과 길이가 더 클 수 있다. 이외에 대해서는 제1 실시예에서의 설명이 적용될 수 있다.
도 4a 내지 4d는 제2 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(200)의 특성을 도시한 그래프로서, 도 4a는 스미스 차트를 나타내고, 도 4b는 반사 계수를 나타내고, 도 4c는 방사 패턴을 나타내고, 도 4d는 안테나 이득을 나타낸다.
특히, 도 4b 및 4d를 참조하면, 마이크로스트립 패치 안테나(200)는 반사계수 -30dB를 기준으로 하여 대략 56 내지 64 GHz를 만족하는 광대역 특성과, 대략 6.8 dBi 정도의 고이득 특성을 가짐을 알 수 있을 것이다.
(제3 실시예)
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 마이크로스트립 매치 안테나를 도시한 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 제3 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(300)는 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 유사한 구조일 수 있다. 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 다르게, 제3 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(300)에 있어서 개방 선로(104)의 길이를 제1 실시예에서와 다르게 설계할 수 있다. 개방 선로(104)의 길이를 변화시키면 입력 임피던스값이 달라질 수 있다. 이외의 설명은 제1 실시예에서의 설명으로 대신하기로 한다.
도 6a 내지 6d는 제3 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(300)의 특성을 도시한 그래프이다. 특히, 도 6b 및 6d를 참조하면, 마이크로스트립 패치 안테나(300)는 대략 56 내지 64 GHz 정도의 광대역 특성과 대략 6.3 dBi 정도의 고이득 특성을 가질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
(제4 실시예)
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 8a 내지 8d는 제4 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나의 스미스 차트, 반사 계수, 방사 패턴, 안테나 이득 특성을 각각 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제4 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(400)는 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 유사한 구조일 수 있다. 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 다르게, 제4 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(400)에 있어서 제3 기판(301)은 적어도 하나 이상, 가령 2개가 마련될 수 있다. 아울러, 슬롯(205)은 스택 슬롯(306)에 비해 폭과 길이가 더 크게 설계될 수 있다. 이외의 구성은 제1 실시예와 동일할 수 있다.
마이크로스트립 패치 안테나(400)는 도 8a 내지 8d에서 보는 바와 같은 특성을 가질 수 있다. 마이크로스트립 패치 안테나(400)는 도 8b에 도시된 광대역 특성(대략 57 내지 64 GHz) 및 도 8d에 도시된 고이득 특성(대략 6.9 dBi)을 가질 수 있음은 물론이다. 이외에 대해서는 제1 실시예의 설명이 적용될 수 있다.
(제5 실시예)
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 10a 내지 10d는 제5 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나의 스미스 차트, 반사 계수, 방사 패턴, 안테나 이득 특성을 각각 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 제5 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(500)는 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 유사한 구조일 수 있다. 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 다르게, 제5 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(400)에 있어서 제3 기판(301)은 적어도 하나 이상, 가령 2개가 마련될 수 있다. 이와 더불어, 개방 선로(104)의 길이를 제1 실시예에서와 다르게 설계할 수 있다. 이외에 대한 것은 제1 실시예와 동일할 수 있다. 상기와 같이 구성된 마이크로스트립 패치 안테나(500)의 특성은 도 10a 내지 10d에 도시된다. 이중에서 관심의 대상은 도 10b로부터 알 수 있는 광대역 특성(대략 57 내지 64 GHz)과 도 10d로부터 알 수 있는 고이득 특성(대략 6.3 dBi)이다.
(제6 실시예)
도 11a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 11b는 그 평면도이고, 도 11c는 그 단면도이다.
도 11a 내지 11c를 참조하면, 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)는 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 유사한 구조일 수 있다. 제1 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(100)와 다르게, 제3 층(30)과 제4 층(40) 사이에 패치(357)가 형성된 기판(351)으로 구성된 패치층(35)이 더 포함될 수 있다. 기판(351)은 제1 기판(101)과 동일 두께 및/또는 동일 소재, 가령 대략 0.1 mm 두께의 LTCC 기판일 수 있다. 패치(357)는 가령 Y 방향으로 연장된 장방형 일 수 있다.
마이크로스트립 선로에 의해 슬롯(205)과 스택 슬롯(306)을 통해 급전된다. 급전된 에너지는 스택 슬롯(306) 위의 기판(351)을 통해 패치(357)로 기생 결합하고, 기생 결합한 패치(357)에서 패치 안테나(402)로 송신 혹은 수신된다. 급전 선로에서 패치 안테나(402)쪽으로 바라본 입력 임피던스는 슬롯(205), 스택 슬롯(306), 패치(357) 및 패치 안테나(402)의 임피턴스 합이 될 수 있다. 패치(357)의 크기 역시 마이크로스트립 패치 안테나(600)의 특성을 결정할 중요한 변수 중의 하나로 작용할 수 있다.
도 12a 내지 12d는 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)의 스미스 차트, 반사 계수, 방사 패턴, 안테나 이득 특성을 각각 나타낸 그래프이다. 특히, 도 12b에서 알 수 있듯이 마이크로스트립 패치 안테나(600)는 반사계수 -30 dB를 기준으로 대략 57 내지 64 GHz 주파수 대역을 갖는 광대역 특성을 가질 수 있다. 아울러, 도 12d에서 알 수 있듯이 대략 7.3 dBi 정도의 높은 안테나 이득 특성을 가질 수 있다.
(제7 실시예)
도 13은 본 발명의 제7 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 14a 내지 14d는 제7 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나의 스미스 차트, 반사 계수, 방사 패턴, 안테나 이득 특성을 각각 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, 제7 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(700)는 제6 실 시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)와 유사한 구조일 수 있다. 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)와 다르게, 제7 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(700)에 있어서 기판(351)은 적어도 하나 이상, 가령 2개가 마련될 수 있다. 그리고, 제4 기판(401)은 2개가 마련될 수 있다.
도 14a 내지 14d에 나타낸 제7 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(700)의 특성은 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)의 특성과 유사할 수 있다. 그외의 설명은 제6 실시예 혹은 제1 실시예의 설명이 적용될 수 있다.
(제8 실시예)
도 15는 본 발명의 제8 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 16a 내지 16d는 제8 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나의 스미스 차트, 반사 계수, 방사 패턴, 안테나 이득 특성을 각각 나타낸 그래프이다.
도 15를 참조하면, 제8 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(800)는 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)에 비해 제3 기판(301)은 2개로 증가되고, 제4 기판(401)은 2개로 축소된 구성일 수 있다. 이외에 나머지 구성에 대해서는 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)의 구성과 동일할 수 있다. 제8 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(800)는 도 16b 및 16d에서 알 수 있듯이 광대역 특성(대략 57 내지 63 GHz 주파수 대역) 및 고이득 특성(대략 6.3 dBi)을 가질 수 있다.
(제9 실시예)
도 17a는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 17b는 그 평면도이고, 도 17c는 그 단면도이다.
도 17a 내지 17c를 참조하면, 제9 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(900)는 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)와 유사한 구조일 수 있다. 제6 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(600)와 다르게, 제2 층(20)과 제3 층(30) 사이에 패치(357)가 형성된 기판(351)으로 구성된 패치층(35)이 더 포함될 수 있다. 이외에 대한 것은 제6 실시예와 동일할 수 있다.
마이크로스트립 선로에 의해 슬롯(205)을 통해 급전된다. 급전된 에너지는 슬롯(205)과 스택 슬롯(306) 사이의 패치(357)에 기생 결합하고, 기생 결합된 패치(357)는 스택 슬롯(306)을 통하여 급전된다. 급전된 에너지는 스택 슬롯(306) 위 제4 기판(401)을 통하여 패치 안테나(402)로 송신 혹은 수신된다. 급전 선로에서 패치 안테나(402)쪽으로 바라본 입력 임피던스는 슬롯(205), 스택 슬롯(306), 패치(357) 및 패치 안테나(402)의 임피턴스 합이 될 수 있다. 패치(357)의 크기 역시 마이크로스트립 패치 안테나(600)의 특성을 결정할 중요한 변수 중의 하나로 작용할 수 있다.
도 18a 내지 18d는 제9 실시예의 마이크로스트립 패치 안테나(900)의 스미스 차트, 반사 계수, 방사 패턴, 안테나 이득 특성을 각각 나타낸 그래프이다. 특히, 도 18b에서 알 수 있듯이 마이크로스트립 패치 안테나(900)는 반사계수 -30 dB를 기준으로 대략 57 내지 64 GHz 주파수 대역을 갖는 광대역 특성을 가질 수 있다. 아울러, 도 18d에서 알 수 있듯이 대략 6.3 dBi 정도의 높은 안테나 이득 특성을 가질 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한평면도.
도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 단면도.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 마이크로스트립 매치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명의 제4 실시예의 마이크로스트립 매치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나 의 특성을 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 제5 실시예의 마이크로스트립 매치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.
도 11a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 11b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한평면도.
도 11c는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 단면도.
도 12a 내지 12d는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.
도 13은 본 발명의 제7 실시예의 마이크로스트립 매치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 14a 내지 14d는 본 발명의 제7 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.
도 15는 본 발명의 제8 실시예의 마이크로스트립 매치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 16a 내지 16d는 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테 나의 특성을 도시한 그래프.
도 17a는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 분해 사시도.
도 17b는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한평면도.
도 17c는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 단면도.
도 18a 내지 18d는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 도시한 그래프.

Claims (20)

  1. 유전체층과;
    상기 유전체층 내부에 배치된 급전 회로와;
    상기 유전체층 내부에 배치되고, 상기 급전 회로와 상하 이격된 적어도 하나 이상의 슬롯과; 그리고
    상기 유전체층의 외부에 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 슬롯과 상하 이격된 패치 안테나를;
    포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 복수개의 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판, 복수개의 실리콘 기판, 복수개의 인쇄회로기판, 또는 복수개의 액정 폴리머 기판이 적층된 것을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 급전 회로는 마이크로스트립 라인, 스트립 라인, 또는 이들이 임베드된 형태의 피드 선로와 개방 선로를 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯은 제1 슬롯과, 상기 제1 슬롯과는 상하 이격되고 크기가 상이한 제2 슬롯을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층의 외부에, 그리고 상기 급전 회로의 하부에 배치된 에어 캐비티를 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층의 내부에 배치되고, 상기 패치 안테나와 상하 이격된 패치를 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 패치는:
    상기 패치 안테나와 상기 적어도 하나 이상의 슬롯 사이에, 또는 상기 적어도 하나 이상의 슬롯 사이에 배치된 것을;
    포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  8. 피드 선로와 개방 선로를 포함하는 급전 회로층과;
    상기 급전 회로층 상에 적층되고 적어도 하나 이상의 슬롯을 포함하는 슬롯층과; 그리고
    상기 슬롯층 상에 적층되고 패치 안테나를 포함하는 안테나층을;
    포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 급전 회로층은:
    상기 피드 선로와 상기 개방 선로가 배치된 제1 유전체 기판과; 그리고
    상기 제1 유전체 기판 하부에 배치된 에어 캐비티를;
    포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 슬롯층은:
    상기 제1 유전체 기판 상에 적층되고 제1 크기의 제1 슬롯이 포함된 제2 유전체 기판과; 그리고
    상기 제2 유전체 기판 상에 적층되고 상기 제1 크기와 다른 제2 크기의 제2 슬롯이 포함된 제3 유전체 기판을;
    포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 유전체 기판 각각은 그 상면에 접지층을 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 안테나층은:
    상기 제3 유전체 기판 상에 적층되고, 개방된 상면을 가지며 상기 개방된 상면에 상기 패치 안테나가 배치된 제4 유전체 기판을 포함하는 마이크로스립 패치 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 기판 각각은 적어도 하나 이상의 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판, 적어도 하나 이상의 실리콘 기판, 적어도 하나 이상의 인쇄회로기판, 또는 적어도 하나 이상의 액정 폴리머 기판을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 안테나층 하부에 배치되고, 패치가 배치된 유전체 기판을 갖는 패치층을 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 패치층은 상기 슬롯층 내에 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 슬롯 사이에 상기 패치가 배치된 것을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 패치층은 상기 슬롯층 상부에 배치되고, 상기 패치는 상기 적어도 하나 이상의 슬롯과 상기 패치 안테나 사이에 배치된 것을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  17. 피드 선로와 개방 선로를 포함하는 제1 유전체 기판과;
    상기 제1 유전체 기판 상에 적층되고, 제1 슬롯을 포함하는 제2 유전체 기판과;
    상기 제2 유전체 기판 상에 적층되고, 상기 제1 슬롯과 크기가 상이한 제2 슬롯을 포함하는 제3 유전체 기판과;
    상기 제3 유전체 기판 상에 적층되고, 개방된 상면을 가지며 상기 개방된 상면에 패치 안테나가 배치된 제4 유전체 기판과; 그리고
    상기 제4 유전체 기판 하부에 배치되고, 상면에 패치가 배치된 제5 유전체 기판을;
    포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제5 유전체 기판은 상기 제3 및 제4 유전체 기판 사이에 배치되거나, 또는 상기 제2 및 제3 유전체 기판 사이에 배치된 것을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 유전체 기판 각각은 적어도 하나의 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판, 적어도 하나의 실리콘 기판, 적어도 하나의 인쇄회로기판, 또는 적어도 하나의 액정 폴리머 기판을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 기판 각각은 상면에 접지층을 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
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