KR20140049453A - 원형 편파 안테나 - Google Patents

Abstract

원형 편파 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 기판의 상부에 형성된 방사체; 상기 기판의 하부에 형성되는 슬롯 그라운드; 상기 슬롯 그라운드와 결합되어 상기 기판의 중앙부로 향하는 두 개의 Y형 스터브를 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 개선된 원형 편파 축비 대역폭과 동작 대역폭을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

원형 편파 안테나 {Circularly Polarized Antenna}

본 발명은 원형 편파 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 축비 대역폭을 가지며 보다 소형의 크기로 구현될 수 있는 원형 편파 안테나에 관한 것이다.

최근 이동 통신을 비롯한 위성통신 등의 무선 통신 서비스가 본격화 됨에 따라 고 특성의 정보 전달에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 무선 통신의 수요 급증과 통신 서비스의 고속화로 인하여 광대역성이 요구됨에 따라 원형 편파의 사용이 검토되고 있는데, 우리 나라와 같은 산악지형과 도심지에서 원형 편파 특성의 안테나를 사용하는 것이 매우 효율적이다. 또한 WBAN(신체 내외의 근거리 통신)에서도 채널 모델링의 분석을 통해 신체의 회전이나 움직임에서 발생하는 편파 미스매칭과 페이딩의 단점을 보완하기 위해서는 선형 편파 안테나보다는 원형 편파 안테나를 수신단에 설치하는 것이 유리하다. 그러나 기존의 원형 편파 안테나는 크기가 크고 원형 편파 축비 대역폭과 동작 대역폭이 좁고 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.

현재 사용되는 원형 편파 안테나 중에는 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하는 것이 있다. 이는 두께가 얇고 무게가 가벼우며 집적성이 우수하다는 이유로 많이 사용되고 있다. 하지만 이 경우 원형 편파 대역폭과 축비 대역폭이 좁고 효율이 낮은 단점을 가지고 있으며, 의료용으로 사용하기에는 안테나의 크기가 크다.

원형 편파 대역폭 및 축비를 개선하기 위해 CPW(coplanar waveguide) 피딩을 이용한 원형 편파 안테나가 사용되고 있다. 이는 CPW 피딩과 같은 동위상에 슬롯형 그라운드를 이용하여 축비 개선의 효과를 이룬 안테나로서 안테나의 축비 대역폭을 20%정도까지 증가 시킬 수 있다

그러나 상기 원형 편파 안테나도 의료용으로 사용하기에는 크기가 여전히 크고, 그라운드 위 피딩과 같은 위상에 존재해 회로 집적화에 어려움을 줄 수 있으며, 축비 대역폭을 조절하는 것이 쉽지 않다

원형 편파 안테나는 심장 박동기, 켑슐형 안테나, 손목형 시계 안테나, 안경 및 고글형 안테나, 몸에 부착 가능한 태그 등의 형태를 가질 수 있는 의료용 송수신기, 헬스 케어에 사용되는 중계기, 차량용 이동 통신, 의료용 및 WBAN 에서의 중계형 및 수신 안테나, 그 외 편파 미스매칭의 영향을 최소화하는 것이 필요한 모든 장비에 유리하게 사용될 수 있으므로, 소형의 크기를 가지고 보다 향상된 원형 편파 특성을 제공하는 원형 편파 안테나에 대한 요구가 있다.

본 발명의 일측면은 개선된 원형 편파 축비 대역폭과 동작 대역폭을 가지며 소형의 크기를 가지는 원형 편파 안테나를 제공하려는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 기판의 상부에 형성된 방사체; 상기 기판의 하부에 형성되는 슬롯 그라운드; 상기 슬롯 그라운드와 결합되어 상기 기판의 중앙부로 향하는 두 개의 Y형 스터브를 포함하는 원형 편파 안테나가 제공된다.

상기 두 개의 Y형 스터브 중 제1 Y형 스터브는 상기 슬롯 그라운드의 제1 사이드와 결합되며, 제2 Y형 스터브는 상기 슬롯 그라운드의 상기 제1 사이드와 대향하는 제2 사이드와 결합된다.

상기 방사체는 L자 형상을 가진다.

상기 방사체의 적어도 일부는 미앤더 구조를 가진다.

본 발명의 일측면에 따르면, 개선된 원형 편파 축비 대역폭과 동작 대역폭을 가지는 원형 편파 안테나가 제공된다.

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 소형의 크기로 ISM 대역의 신호를 송수신할 수 있는 원형 편파 안테나가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 상부 평면도를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 하부 평면도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 단면도를 도시한 도면.
도 4는 미앤더 부분(L_th)의 길이 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 ISM 대역에서 동작하도록 설계한 후 그 반사 계수 및 원 편파 축비를 측정한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 원편파 방사 특성을 도시한 도면.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 상부 평면도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 하부 평면도를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나는 기판의 상하부에 형성된다. 기판으로는 일례로 FR4 기판이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

기판의 상부에는 방사체(100)가 형성된다. 방사체는 급전 커넥터(150)와 전자기적으로 결합되어 급전 신호를 제공받는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 방사체(100)는 L자 형태를 가지며, L자 형태의 비대칭을 통해 원형 편파가 실현될 수 있도록 한다.

수평부와 수직부를 가지는 L자 형태의 방사체 중 적어도 일부는 미앤더 구조를 가지는 것이 바람직하다. 도 1에는 수평부가 미앤더 구조로 이루어진 일례가 도시되어 있다.

미앤더 구조는 필요한 전기적 길이를 확보하기 위해 사용되며, 미앤더 구조의 피치는 요구되는 전기적 길이에 의해 정해질 수 있다. 만약 미앤더 구조의 길이가 길어진다면 보다 저주파의 대역에서 공진하는 안테나의 구현이 가능하다.

도 4는 미앤더 부분(L_th)의 길이 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 도시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 미앤더 부분(L_th)의 길이를 18mm, 32mm, 50mm, 66mm로 하였을 경우의 공진 주파수를 도시한 것으로서, 미앤더 부분의 길이가 66mm인 경우 가장 낮은 공진 주파수를 가지고 미앤더 부분의 길이가 18mm인 경우 가장 높은 공진 주파수를 가지는 점을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 안테나의 하부에는 슬롯 그라운드(110)가 형성된다. 슬롯 그라운드의 슬롯은 중앙부에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 슬롯 그라운드는 기판의 에지를 둘러싸는 형태로 형성되며, 중앙부에 사각형의 슬롯이 형성된다.

또한, 본 발명의 원형 편파 안테나의 하부에는 슬롯 그라운드와 전기적으로 결합되는 두 개의 Y형 스터브(120, 122)가 형성된다. Y 형 스터브(120, 122)는 슬롯 그라운드(110)와의 연결 부위가 두 개의 경로로 분기되는 구조를 가진다.

두 개의 Y형 스터브(120, 122)는 서로 대향하도록 형성된다. 도 2를 참조하면, 제1 Y형 스터브(120)는 슬롯 그라운드(110)의 제1 사이드(110a)와 결합되어 기판의 중앙을 향해 형성되고, 제2 Y형 스터브(122)는 슬롯 그라운드(110)에서 제1 사이드(110a)와 대향하는 제2 사이드(110b)와 결합되어 기판의 중앙을 향해 형성된다.

대향하는 두 개의 Y형 스터브(120, 122)는 원형 편파 안테나에서 필요한 축비를 확보하기 위해 형성된다. 축비는 원형 편파에서 위상차를 90도 지연시키는 정도를 나타내는 척도로서 두 개의 Y형 스터브를 이용하여 적절한 축비가 확보될 수 있도록 한다.

Y형 스타브에서 두 개의 분기 경로 사이의 간격에 의해 원형 편파의 90도 지연 정도에 대한 조절이 가능하다.

도 4는 Y형 스터브에서 두 개의 분기 경로 사이의 간격의 변화에 따른 축비의 변화를 도시한 그래프이고, 다음의 표 1은 Y형 스터브에서 두 개의 분기 경로 사이의 간격의 변화에 따른 축비의 변화를 나타낸 표이다.

w s ( mm )	3 dB 축비 (%) 범위GHz)	f c ( GHz )atL th =66 mm
3.1	8 (2.3~2.7)	2.45
3.5	20 (2.2~2.8)	2.45
3.9	27 (2.15~2.8)	2.45
4.1	4 (2.55~2.65)	2.45

위 표 1 및 도 4를 참조하면, Y형 스터브의 두 개의 분기 경로간 간격 조절을 통해 3dB 축비의 범위가 변화된다는 점을 확인할 수 있으며, 적절한 분기 경로간 간격을 조절함으로써 원하는 축비 대역폭을 확보할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 ISM 대역에서 동작하도록 설계한 후 그 반사 계수 및 원 편파 축비를 측정한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본발명의 일 실시예에 따른 안테나는 ISM 대역폭인 2170 ~ 3290MHz의 대역폭을 만족하며, 원 편파 축비 역시 2110 ~ 2820MHz를 만족함을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 원편파 방사 특성을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 안테나의 x-y축 원형 우 편파(시계 방향)의 방사특성이 좌 편파(시계 반대 방향)의 방사 특성과 반대로 나타나 상당히 좋은 원 편파 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 기판의 상부에 형성된 방사체;
   상기 기판의 하부에 형성되는 슬롯 그라운드;
   상기 슬롯 그라운드와 결합되어 상기 기판의 중앙부로 향하는 두 개의 Y형 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 두 개의 Y형 스터브 중 제1 Y형 스터브는 상기 슬롯 그라운드의 제1 사이드와 결합되며, 제2 Y형 스터브는 상기 슬롯 그라운드의 상기 제1 사이드와 대향하는 제2 사이드와 결합되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방사체는 L자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 원형 편파 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 방사체의 적어도 일부는 미앤더 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 원형 편파 안테나.

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