KR20160045650A - 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위성통신 휴대 단말기에 장착되는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조에 관한 것으로, 원형편파(Circular polarization)인 좌원편파(LHCP : Left Hand Circular polarization) 또는 우원편파(RHCP : Right Hand Circular polarization)의 특성 구현을 위해 4개의 방사소자에 각각 0°, -90°, -180°, -270° 또는 -270°, -180°, -90°, 0°의 순차적인 위상을 갖도록 급전시키기 위해 급전부의 출력은 각각 90°의 위상차를 갖고 급전되도록 형성한다.
또한, 위성통신 휴대 단말기의 구조상 급전부의 크기는 지름이 12mm 이내의 소형으로 구현되어야 하므로, 2.0×1.25×0.7mm3 크기의 초소형 90° 방향성 결합기(Directional Coupler)와 하나의 π형 위상지연회로 및 저역통과필터(LPF : Low Pass Filter)를 포함하는 구조로서, 안테나의 생산성 향상은 물론 급전부의 높이를 1/3 이하로 줄이는 효과와 제조비용을 현저히 낮출 수 있는 원가절감의 특징이 있다.

Description

쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조{Feeding structure of Quadrifilar helix antenna}
본 발명은 위성 휴대 단말기에 장착되는 쿼드리필러 헬릭스 안테나 (Quadrifilar helix antenna : QHA)의 급전구조에 관한 것으로, QHA 특성구현을 위해 4개의 방사소자에 동일한 크기의 진폭으로 서로 90°의 위상차를 갖는 차동신호를 급전시켜야 하며, 위성 휴대 단말기의 구조상 QHA의 급전구조 크기는 지름이 12mm 이내의 소형으로 구현되어야 하므로, 그 크기가 2.0×1.25×0.7mm3인 3개의 초소형 방향성 결합기(Directional Coupler)와 하나의 π형 위상지연회로 및 저역통과필터(LPF : Low Pass Filter)의 구조로 구현되는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조에 관한 것이다.
일반적으로 QHA는 GPS(Global Positioning System), Glonass, Beidou 및 위성 DMB(Satellite Digital Multimedia Broadcasting)와 같은 위성신호 수신용 단말기에 많이 사용되고 있다. QHA 특성구현을 위해 4개의 방사소자에 동일한 크기의 진폭으로 서로 90°의 위상차를 갖는 차동신호를 급전시키기 위하여 다수개의 90° 또는 180° 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)를 사용하거나 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics) 구조의 커플러를 사용하여 QHA 급전부를 설계하는 것이 일반적이다.
도 1은 종래기술에 따른 좌원편파(LHCP)를 구현하기 위한 QHA의 급전구조를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 급전부(100)의 내부 구성은 3개의 하이브리드 커플러인 제1 위상제어기(130) 및 제2 위상제어기(140)와 제3 위상제어기(160), 90° 위상지연을 위해 λg/4 전송선로(150)로 이루어져 있고, 급전부(100)는 하나의 입력포트(110)와 네 개의 출력포트(141, 142, 161, 162)를 가지며, 네 개의 출력포트(141, 142, 161, 162) 는 서로 90°의 위상차를 가지도록 구성된다. 여기서 λg/4 전송선로(150)는 해당 주파수에서 50Ω 특성 임피던스(Characteristic Impedance)를 갖는 마이크로스트립 라인(Microstrip line)이다.
도 2의 (a)와 (b)는 종래기술에 따른 QHA의 급전구조의 유전체기판 윗면과 측면을 도시한 도면이다.
도 2의 (a)와 (b)를 참조하면, 지름이 12mm이고, 소정의 두께를 가지는 유전체기판(200)의 동박(Copper : 210) 위에 LTCC 구조의 쿼드리필러 커플러인 급전부(100)가 실장 되고, 급전부(100)의 0°, -90°, -180°, -270°는 유전체기판(200)의 1번 포트(141) 내지 4번 포트(162)에 각각 전기적으로 연결된다. 각각 포트에 분산된 신호들은 진폭이 같고 90°의 위상차를 가지며, 1번 포트(141) 내지 4번 포트(162)는 유전체기판(200)의 아랫면에 형성되어 있는 이득 안정화 및 고주파신호 차단을 위한 병렬 커패시터(143, 144, 163, 164)와 각각 전기적으로 연결되어 있고, 병렬 캐패시터(143, 144, 163, 164)의 타단은 GND와 연결된다.
이와 같은 종래기술의 LTCC 구조로 이루어진 쿼드리필러 커플러를 사용한 QHA의 급전구조는 다수개의 하이브리드 구성에 의한 커플러 및 λg/4 전송선로 등의 회로를 LTCC 구조화하는 복잡한 공정으로 인해 생산성 저하로 인한 10주 이상의 리드 타임(Lead Time)과 약 70%의 수율(Yield)로 인하여 단가는 방향성 결합기(Directional Coupler) 보다 4배 이상 비싸다는 크나큰 단점과 디바이스의 크기는 8.0×8.0×1.8mm3로 상기의 초소형 방향성 결합기(Directional Coupler) 대비 현저히 크기 때문에 주파수가 올라갈수록 QHA의 지름을 12mm 이하로 더욱 Slim 화할 수 없다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0768788(등록일 : 2007. 08. 17) 대한민국 등록특허 제10-1557291(등록일 : 2015. 09. 18)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 집중(Lumped)소자 등을 포함하여 구성되는 급전부의 높이를 1/3 이하로 낮추고, 주파수가 올라감에 따라 QHA의 지름을 12mm 이하로 더욱 자유롭게 Slim 화할 수 있도록 하며, 좌원편파(LHCP) 또는 우원편파(RHCP) 급전부 설계의 용이성과 QHA의 현저한 원가절감을 실현할 수 있는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조는, 지름이 12mm이고 두께가 0.6mm인 FR-4 기판; 에 입력신호 대비 위상이 90° 지연된 신호를 출력하는 3개의 2.0×1.25×0.7mm3 크기의 초소형 방향성 결합기; 와 제1 방향성 결합기와 제3 방향성 결합기 사이에 구비되고 위상을 90° 지연시키는 π형 위상지연회로; 및 상기 제1 방향성 결합기와 입력포트; 사이에 구비되고 1.7GHz 이하의 신호만을 통과시키며 입력 임피던스 정합(Matching)을 위한 저역통과필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은, 종래기술에 따른 크기가 크고 고가의 LTCC 구조의 쿼드리필러 커플러를 초소형 방향성 결합기와 π형 위상지연회로 및 저역통과필터 회로로 치환함으로써 현저한 원가절감의 실현과 급전부의 높이를 1/3 이하로 낮춤으로 인해 QHA의 생산성 향상은 물론, 주파수가 올라감에 따라 QHA의 지름을 12mm 이하로 더욱 자유롭게 Slim 화할 수 있는 용이한 급전부 설계로 인하여 위성 휴대 단말기의 두께를 줄일 수 있는 크나큰 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 좌원편파(LHCP)를 구현하기 위한 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 도시한 회로도.
도 2의 (a)와 (b)는 종래기술에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조의 유전체기판 윗면과 측면을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 좌원편파(LHCP)를 구현하기 위한 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 도시한 회로도.
도 4의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조의 유전체기판 윗면과 측면을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조의 출력 위상 특성을 측정하여 도시한 그래프.
도 6의 (a)는 종래기술에 따라 유전체기판에 실장 하여 제작된 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조이고, (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 유전체기판에 실장 하여 제작된 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 비교하여 도시한 사진.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 적용한 안테나의 분해 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 우원편파(RHCP)를 구현하기 위한 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 도시한 회로도이다.
이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 좌원편파(LHCP)를 구현하기 위한 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 급전부(300)는 제1 방향성 결합기(330), 제2 방향성 결합기(340), 제3 방향성 결합기(360), 상기 제1 방향성 결합기(330)와 제3 방향성 결합기(360) 사이에 구비되고 위상을 90° 지연시키는 π형 위상지연회로(350) 및 상기 제1 방향성 결합기(330)와 입력포트(310) 사이에 구비되고 1.7GHz 이하의 신호만을 통과시키며 입력 임피던스 정합을 위한 저역통과필터(320), 입력신호 안정화 및 누설신호가 반사되어 되돌아오지 않고 소모되도록 하는 50Ω 종단기(Termination : 331, 345, 365) 를 제1 및 제2, 제3 방향성 결합기(330, 340, 360)의 P2 포트에 각각 구비하고, 제2 및 제3 방향성 결합기(340, 360)의 P3와 P4 포트에 각각 구비되며 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 병렬 커패시터(Capacitor : 343, 344, 363, 364)를 포함한다.
제1 방향성 결합기(330), 제2 방향성 결합기(340) 및 제3 방향성 결합기(360)는 P1 입력포트에 동일한 크기의 진폭을 갖는 신호가 입력될 경우 P3와 P4 포트는 진폭은 갖고 크기가 반으로 나누어진 1/2씩의 신호가 각각 출력된다. 이때, P3 포트에는 위상이 90° 지연된 신호가 출력되고, P4 포트에는 위상이 180° 지연된 신호가 출력되어 P3 포트와 P4 포트의 균등한 출력신호는 90°의 위상차를 갖는다. P2 포트는 격리(Isolation) 포트로서, 신호 안정화를 위해 선로임피던스에 맞추어 50Ω 종단기(Termination : 331, 345, 365)를 각각 설치하여 누설신호가 반사되어 되돌아오지 않고 50Ω 종단기(331, 345, 365)에서 열로 소모되도록 한다.
급전부(300)의 입력포트(310)에 전력이 공급되면, 1번 포트(341) 내지 4번 포트(362)에 출력되는 각각의 출력전력의 위상 경로는 다음과 같다.
1번 포트(341)는 저역통과필터(320)와 제1 및 제2 방향성 결합기(330, 340)를 통하여 입력포트(310)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상에 변화가 없이 입력대비 0°의 동위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 및 제2 방향성 결합기(330, 340) 에서 각각 90°씩의 위상 지연이 발생하여 180°의 지연 위상에 의해 0° 위치에 도달하게 되므로, 4개의 출력포트(341, 342, 361, 362) 중 가장 빠른 기준 위상이 된다.
2번 포트(342)는 저역통과필터(320)와 제1 및 제2 방향성 결합기(330, 340)를 통하여 입력포트(310)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상보다 90° 뒤진 -90° 위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 및 제2 방향성 결합기(330, 340)에서 각각 90°와 180°의 위상 지연이 발생하여 270°의 지연 위상에 의해 기준 위상인 1번 포트(341)의 출력 위상보다 90° 더 뒤진 -90°의 위상을 출력하게 된다.
3번 포트(361)는 저역통과필터(320), 제1 방향성 결합기(330), π형 위상지연회로(350)와 제3 방향성 결합기(360)를 통하여 3번 포트(361)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상보다 180° 뒤진 -180° 위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 방향성 결합기(330)에서 180°의 위상 지연이 발생하고, π형 위상지연회로(350)와 제3 방향성 결합기(360)에서 각각 90°씩의 위상 지연이 발생하여 360°의 지연 위상에 의해 기준 위상인 1번 포트(341)의 출력 위상보다 180° 더 뒤진 -180°의 위상을 출력하게 된다.
4번 포트(362)는 저역통과필터(320), 제1 방향성 결합기(330), π형 위상지연회로(350)와 제3 방향성 결합기(360)를 통하여 입력포트(310)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상보다 270° 뒤진 -270° 위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 및 제3 방향성 결합기(330, 360)에서 각각 180°씩의 위상 지연이 발생하고, π형 위상지연회로(350)에서 90°의 위상 지연이 발생하여 450°의 지연 위상에 의해 기준 위상인 1번 포트(341)의 출력 위상보다 270° 더 뒤진 -270°의 위상을 출력하게 된다.
그러므로 급전부(300)의 1번 포트(341) 내지 4번 포트(362)에는 0°, -90°, -180°, -270°의 서로 90°의 위상차를 갖는 차동신호가 출력되고, 순차적인 출력 위상차로 인해 전파의 진행방향(380)을 축으로 전계벡터(Electric field vector)의 회전방향(370)이 결정되어 QHA의 좌원편파(LHCP) 특성 구현을 위한 급전구조를 제공한다.
또한, 급전부(300)의 제2 및 제3 방향성 결합기(340, 360)의 P3, P4 포트와 1번 포트(341) 내지 4번 포트(362) 사이에 구비되고 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 병렬 캐패시터(343, 344, 363, 364)를 각각 추가하여 연결한다.
도 4의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조의 유전체기판 윗면과 측면을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 방향성 결합기(330), 제2 방향성 결합기(340), 제3 방향성 결합기(360), 저역통과필터(320), π형 위상지연회로(350)와 50Ω 종단기는 지름이 12mm이고 두께가 0.6mm인 유전체기판(200)의 동박(Copper : 210) 위에 구비되고, 입력포트(310) 와 1번 포트(341) 내지 4번 포트(362) 사이에 구비되는 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(330, 340, 360)와 저역통과필터(320) 및 π형 위상지연회로(350)는 각각 전기적으로 서로 연결된다.
또한, 유전체기판(200)의 아랫면에 구비되고 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 병렬 캐패시터(343, 344, 363, 364)를 더 포함한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조의 출력 위상 특성을 측정하여 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 1.6GHz를 기준으로 1번 포트(341)의 출력 위상은 도 3에서 설명한 바와 같이 180° 위상 지연으로 인해 -180° 지점에 측정 그래프가 있어야 하나 제작상의 오차 등으로 인하여 1번(+178.18°: 511) 에 위치하고 있어 -180°보다 1.82° 벗어난 측정값을 보이고 있고, 2번 포트(342)의 출력위상은 270° 위상지연으로 인해 +90° 지점에 측정 그래프가 있어야 하나 제작상의 오차 등으로 인하여 2번(+87.19°: 512) 에 위치하고 있어 1번(+178.18°: 511) 기준 위상보다 90.99° 뒤진 위상을 출력하고, 3번 포트(361)의 출력위상은 360° 위상지연으로 인해 0° 지점에 측정 그래프가 있어야 하나 제작상의 오차 등으로 인하여 3번(-5.52°: 513) 에 위치하고 있어 2번(+87.19°: 512) 출력 위상보다 92.71° 뒤진 위상을 출력하고 있다. 또한, 4번 포트(362)의 출력위상은 450° 위상지연으로 인해 -90° 지점에 측정 그래프가 있어야 하나 제작상의 오차 등으로 인하여 4번(-98.36°: 514) 에 위치하고 있어 3번(-5.52°: 513) 출력 위상보다 92.84° 뒤진 위상을 출력하고 있다.
그러므로 기준 위상인 1번(511) 출력 위상을 기준으로 2번(512)은 90.99° 뒤지고 있으며, 3번(513)은 183.71° 뒤지고 있고, 4번(514)은 276.55°의 위상이 각각 지연되어 출력되고 있음을 확인할 수 있으므로, QHA의 좌원편파(LHCP) 특성 요구조건에서 크게 벗어나지 않는 약 90°의 위상차를 가지고 있다.
도 6의 (a)는 종래기술에 따라 유전체기판에 실장 하여 제작된 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조이고, (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 유전체기판에 실장 하여 제작된 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 비교하여 도시한 사진이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 종래기술의 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조는 지름이 12mm이고, 두께가 0.8mm인 유전체기판(200) 위에 크기가 8.0×8.0×1.8mm3의 LTCC 구조로 이루어진 쿼드리필러 커플러(100)가 실장 된다.
또한, 도 6의 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조는 지름이 12mm이고 두께가 0.6mm인 유전체기판(200) 위에 크기가 2.0×1.25×0.7mm3의 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(330, 340, 360)와 다수개의 집중소자를 포함한다.
그러므로 본 발명의 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조는 도 6의 (b)에서 보는 바와 같이 위성 휴대 단말기의 두께가 얇아질수록 QHA의 지름을 더욱 작게 설계할 수 있는 여유 공간이 충분하다는 것을 확인할 수 있으나, 도 6의 (a)에서 보는 바와 같이 종래기술은 그러하지 못하다는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 적용한 안테나의 분해 사시도이다.
도 7을 참조하면, 방사부(700)는 바깥지름이 12mm이고 두께가 0.8mm인 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer) 재질의 유전체파이프(740)와 난연성 및 기계적 강도가 높고, 치수 안정성이 좋으며, 절연성과 내마모성이 우수한 0.04㎜ 두께의 폴리이미드(Polyimide) 필름인 유전체시트(710), 유전체시트(710)의 안쪽면에 형성되어 있는 0.018㎜ 두께의 제1 및 제2 방사소자(720, 730)를 포함한다.
동축커넥터(600)를 포함하는 동축케이블(610)과 각각 전기적으로 서로 연결된 제1 및 제2 방사소자(720, 730)로 입력된 전력은 제1 및 제2 방사소자(720, 730) 안쪽에 형성되어 있는 유전체파이프(740)로 전력을 여기 하고, 제1 및 제2 방사소자(720, 730) 와 유전체파이프(740)의 상호 결합 작용에 의해 공진 특성이 향상된다.
또한, 제1 방사소자(720)와 제2 방사소자(730)는 유전체시트(710)의 안쪽인 유전체파이프(740)와의 사이에 구비되어 있으나, 도면상 이해를 돕기 위해 유전체시트(710)의 바깥면에 연재된 것으로 보일 뿐임을 유의하여야 한다.
도 6과 도 7을 참조하면, 8.0mm(가로)×8.0mm(세로)×1.8mm3(높이) 크기의 LTCC 구조로 이루어진 쿼드리필러 커플러(100)의 대각선 방향 치수는 약 11mm이고 유전체파이프(740)의 안지름은 약 10.4mm로서, 쿼드리필러 커플러(100)의 높이로 인해 유전체파이프(740)와 유전체기판(200)과의 사이에 1.8mm 이격된 거리가 형성되므로, 유전체시트(710)에 연재되어 있는 제1 및 제2 방사소자(720, 730)의 하단 일부분은 유전체파이프(740)와의 전자기적 상호 결합 작용이 저하되어 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 성능 저하의 원인을 내포하고 있다.
하지만, 지름이 12mm이고 두께가 0.6mm인 유전체기판(200) 위에 크기가 2.0mm(가로)×1.25mm(세로)×0.7mm3(높이)의 초소형 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(330, 340, 360)와 다수의 집중소자는 유전체파이프(740)의 안지름인 약 10.4mm 내측에 충분히 형성될 수 있으므로, 유전체파이프(740)는 유전체기판(200)과 밀착 형성되고 유전체시트(710)에 연재되어 있는 제1 및 제2 방사소자(720, 730) 는 유전체파이프(740)와의 전자기적 상호 결합 작용 향상에 의한 공진 특성 향상으로 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 이득 빔패턴 향상에 효과적인 전류분포를 가지게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 우원편파(RHCP)를 구현하기 위한 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조를 도시한 회로도이다.
도 8을 참조하면, 급전부(800)는 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(830, 840, 860), 상기 제1 방향성 결합기(830)와 제3 방향성 결합기(860) 사이에 구비되고 위상을 90° 지연시키는 π형 위상지연회로(850) 및 상기 제1 방향성 결합기(830)와 급전포트(810) 사이에 구비되고 1.7GHz 이하의 신호만을 통과시키며 입력 임피던스 정합을 위한 저역통과필터(820), 신호 안정화 및 누설신호가 반사되어 되돌아오지 않고 소모되도록 하는 50Ω 종단기(831, 845, 865)를 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(830, 840, 860)의 P1 포트에 각각 구비하고, 제2 및 제3 방향성 결합기(840, 860)의 P3와 P4 포트에 각각 구비되며 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 병렬 캐패시터(843, 844, 863, 864)를 포함한다.
제1, 제2, 제3 방향성 결합기(830, 840, 860)는 P2 입력포트에 동일한 크기의 진폭을 갖는 신호가 입력될 경우 P3와 P4 포트는 크기가 반으로 나누어진 1/2씩의 신호가 각각 출력된다. 이때, P4 포트에는 위상이 90° 지연된 신호가 출력되고, P3 포트에는 위상이 180° 지연된 신호가 출력되어 P4 포트와 P3 포트의 균등한 출력신호는 90도의 위상차를 갖는다. P1 포트는 격리 포트로서 신호 안정화를 위해 선로임피던스에 맞추어 50Ω 종단기(831, 845, 865)를 각각 설치하여 누설신호가 반사되어 되돌아오지 않고 50Ω 종단기(831, 845, 865)에서 소모되도록 한다.
급전부(800)의 급전포트(810)에 전력이 공급되면, 1번 포트(841) 내지 4번 포트(862)에 출력되는 각각의 출력전력의 위상 경로는 다음과 같다.
1번 포트(841)는 저역통과필터(820)와 제1 및 제2 방향성 결합기(830, 840)를 통하여 입력포트(810)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상에 변화가 없이 입력대비 0°의 동위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 및 제2 방향성 결합기(830, 840) 에서 각각 90°씩의 위상 지연이 발생하여 180°의 지연 위상에 의해 0° 위치에 도달하게 되므로, 4개의 출력포트(841, 842, 861, 862) 중 가장 빠른 기준 위상이 된다.
2번 포트(842)는 저역통과필터(820)와 제1 및 제2 방향성 결합기(830, 840)를 통하여 입력포트(810)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상보다 90° 뒤진 -90° 위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 및 제2 방향성 결합기(830, 840)에서 각각 90°와 180°의 위상 지연이 발생하여 270°의 지연 위상에 의해 기준 위상인 1번 포트(841)의 출력 위상보다 90° 더 뒤진 -90°의 위상을 출력하게 된다.
3번 포트(861)는 저역통과필터(820), 제1 방향성 결합기(830), π형 위상지연회로(850)와 제3 방향성 결합기(860)를 통하여 3번 포트(861)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상보다 180° 뒤진 -180° 위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 방향성 결합기(830)에서 180°의 위상 지연이 발생하고, π형 위상지연회로(850)와 제3 방향성 결합기(860)에서 각각 90°씩의 위상 지연이 발생하여 360°의 지연 위상에 의해 기준 위상인 1번 포트(841)의 출력 위상보다 180° 더 뒤진 -180°의 위상을 출력하게 된다.
4번 포트(862)는 저역통과필터(820), 제1 방향성 결합기(830), π형 위상지연회로(850)와 제3 방향성 결합기(860)를 통하여 입력포트(810)와 전기적으로 서로 연결되고, 입력된 위상보다 270° 뒤진 -270° 위상을 출력하게 된다. 이는, 제1 및 제3 방향성 결합기(830, 860)에서 각각 180°씩의 위상 지연이 발생하고, π형 위상지연회로(850)에서 90°의 위상 지연이 발생하여 450°의 지연 위상에 의해 기준 위상인 1번 포트(841)의 출력 위상보다 270° 더 뒤진 -270°의 위상을 출력하게 된다.
그러므로 급전부(800)의 1번 포트(841) 내지 4번 포트(862)에는 0°, -90°, -180°, -270°의 서로 90°의 위상차를 갖는 차동신호가 출력되고, 순차적인 출력 위상차로 인해 전파의 진행방향(880)을 축으로 전계벡터(Electric field vector)의 회전방향(870)이 결정되어 QHA의 우원편파(RHCP) 특성 구현을 위한 급전구조를 제공한다.
또한, 급전부(800)의 제2 및 제3 방향성 결합기(840, 860)의 P3, P4 포트와 1번 포트(841) 내지 4번 포트(862) 사이에 구비되고 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 병렬 캐패시터(843, 844, 863, 864)를 각각 추가하여 연결한다.
300, 800 : 급전부
310, 810 : 급전커넥터
320, 820 : 저역통과필터(LPF : Low Pass Filter)
330, 830 : 제1 방향성 결합기(Directional Coupler)
340, 840 : 제2 방향성 결합기(Directional Coupler)
350, 850 : π형 위상지연회로
360, 860 : 제3 방향성 결합기(Directional Coupler)

Claims (19)

  1. 좌원편파(LHCP) 특성 구현을 위해 4개의 방사소자에 각각 0°, -90°, -180°, -270°의 순차적인 위상을 갖도록 급전시키기 위해 급전부의 출력은 각각 90°의 위상차를 갖고 급전되도록 형성하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조에 있어서,
    소정의 두께를 갖는 유전체기판(200);
    상기 유전체기판의 상단부에 형성되며, 입력신호를 동일한 진폭으로 1/2씩 나누어 출력하는 3개의 초소형 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(330, 340, 360);
    상기 제1 방향성 결합기와 제3 방향성 결합기 사이에 구비되는 π형 위상지연회로(350);
    상기 제1 방향성 결합기와 급전포트(310); 사이에 구비되는 저역통과필터(320);
    상기 제2 및 제3 방향성 결합기의 출력포트인 P3, P4 포트에 각각 병렬로 구비되고 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 커패시터(343, 344, 363, 364); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판은,
    지름이 12mm이고, 두께가 0.6mm이며, 유전율(εr)은 4.5에 손실 탄젠트(Tanδ)가 0.025인 FR-4 기판인 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 방향성 결합기는,
    그 크기가 2.0(가로)×1.25(세로)×0.7mm3(높이)의 초소형 90° 방향성 결합기(Directional Coupler)인 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 방향성 결합기는,
    상기 유전체기판의 상단부에 구현되고, LTCC 구조인 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 π형 위상지연회로는,
    두 개의 병렬 커패시터 사이에 하나의 직렬 인덕터로 구성하여 입력위상을 90° 지연시키고, 제1 및 제3 방향성 결합기 사이에 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 π형 위상지연회로는,
    상기 제1 방향성 결합기의 P4 포트와 제3 방향성 결합기의 P1 포트 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저역통과필터는,
    상기 제1 방향성 결합기와 급전포트 사이에 구비되며, 1.7GHz 이하의 신호만을 통과시키고 입력 임피던스 정합을 위한 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저역통과필터는,
    상기 제1 방향성 결합기의 P1 포트와 급전포트 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 방향성 결합기는,
    각각의 P2 포트에 신호 안정화를 위해 선로임피던스에 맞추어 50Ω 종단기를 각각 설치하여 누설신호가 반사되어 돌아오지 않고 50Ω 종단기에서 열로 소모되도록 하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  10. 위성 휴대 단말기의 구조상 급전부의 크기는 지름이 12mm 이내의 소형으로 구현되어야 하므로, 지름이 12mm이고 두께가 0.6mm인 유전체기판 위에 크기가 2.0mm(가로)×1.25mm(세로)×0.7mm3(높이)의 초소형 제1, 제2, 제3 방향성 결합기와 그 주변 소자들이 구비되고, 유전체파이프의 안지름인 약 10.4mm 내측에 모두 형성되므로, 유전체파이프는 유전체기판과 밀착 형성되고, 유전체시트에 연재되어 있는 제1 및 제2 방사소자는 유전체파이프와의 보다 나은 전자기적 상호 결합 작용에 의해 공진 특성 향상으로 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 이득 빔패턴 향상에 효과적인 전류분포를 만드는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  11. 우원편파(RHCP) 특성 구현을 위해 4개의 방사소자에 각각 -270°, -180°, -90°, -0°의 순차적인 위상을 갖도록 급전시키기 위해 급전부의 출력은 각각 90°의 위상차를 갖고 급전되도록 형성하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조에 있어서,
    소정의 두께를 갖는 유전체기판(200);
    상기 유전체기판의 상단부에 형성되며, 입력신호를 동일한 진폭으로 1/2씩 나누어 출력하는 3개의 초소형 제1, 제2, 제3 방향성 결합기(830, 840, 860);
    상기 제1 방향성 결합기와 제3 방향성 결합기 사이에 구비되는 π형 위상지연회로(850);
    상기 제1 방향성 결합기와 급전포트(810); 사이에 구비되는 저역통과필터(850);
    상기 제2 및 제3 방향성 결합기의 출력포트인 P3, P4 포트에 각각 병렬로 구비되고 이득 안정화 및 고주파신호 차단 기능의 커패시터(843, 844, 863, 864); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 기판은,
    지름이 12mm이고, 두께가 0.6mm이며, 유전율(εr)은 4.5에 손실 탄젠트(Tanδ)가 0.025인 FR-4 기판인 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 방향성 결합기는,
    그 크기가 2.0(가로)×1.25(세로)×0.7mm3(높이)의 초소형 90° 방향성 결합기(Directional Coupler)인 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 방향성 결합기는,
    상기 유전체기판의 상단부에 구현되고, LTCC 구조인 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 π형 위상지연회로는,
    두 개의 병렬 커패시터 사이에 하나의 직렬 인덕터로 구성하여 입력위상을 90° 지연시키고, 제1 및 제3 방향성 결합기 사이에 구현되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 π형 위상지연회로는,
    상기 제1 방향성 결합기의 P3 포트와 제3 방향성 결합기의 P2 포트 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 저역통과필터는,
    상기 제1 방향성 결합기와 급전포트 사이에 구비되며, 1.7GHz 이하의 신호만을 통과시키고 입력 임피던스 정합을 위한 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 저역통과필터는,
    상기 제1 방향성 결합기의 P2 포트와 급전포트 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 방향성 결합기는,
    각각의 P1 포트에 신호 안정화를 위해 선로임피던스에 맞추어 50Ω 종단기를 각각 설치하여 누설신호가 반사되어 돌아오지 않고 50Ω 종단기에서 열로 소모되도록 하는 것을 특징으로 하는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 급전구조.
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