KR20180012157A - 광대역 원형편파 안테나 - Google Patents

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KR20180012157A
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권오헌
박원빈
송찬미
양영구
윤주호
이강윤
이성우
이종민
임홍준
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

광대역 원형편파 안테나는, 유전체 기판; 유전체 기판의 하면에 마련되는 급전선로; 유전체 기판의 상면에 마련되는 접지면; 및 유전체 기판 위에 마련되며, 실수코팅 유전 알고리즘을 이용하여 격자 구조로 형성되는 유전체 공진기; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 광대역 원형편파 안테나에 의하면, DRA의 장점인 표면전류의 부재와 도체 손실의 최소화로 인한 고효율과 소형화 등의 특성은 유지하면서 광대역 원형편파 특성을 구현할 수 있다. 또한, 간단한 급전 방식을 이용하여 광대역 원형편파 특성을 확보할 수 있다. 또한, 광대역 원형편파 안테나로서 다양한 무선통신 대역에서 활용 가능하다.

Description

광대역 원형편파 안테나{BROADBAND CIRCULARLY POLARIZED ANTENNA}
본 발명은 광대역 원형편파 안테나에 관한 것이다.
안테나는 무선통신에서 통신 목적을 달성하기 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나, 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유기시키기 위해 공중에 가설한 도선으로서, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다.
이러한 안테나 중 마이크로스트립 패치 안테나는 소형, 경량, 박형의 특성을 가지며, 제작이 용이하여 대량생산이 가능하여 여러 통신 분야에서 사용되고 있다.
하지만, 마이크로스트립 패치 안테나는 1~2% 정도의 협소한 임피던스 대역폭을 갖는 단점이 있기 때문에 이러한 마이크로스트립 패치 소자를 이용하여 광대역의 원형편파 안테나를 구현하는 것은 어렵다.
이에 반해, 유전체 공진기 안테나(Dielectric Resonator Antenna, 이하 "DRA"라 칭함)는 위와 같은 마이크로스트립 패치 안테나와 대비하여 대역폭이 넓고제작의 용이성, 간단한 구조, 작은 크기로 구현할 수 있는 장점이 있으며, 도체 손실이 없으므로 높은 효율을 나타내면서 도체에 의한 표면파가 없는 등의 장점으로 현대 무선통신 시스템 분야에 널리 활용되고 있다.
한편, 원형편파(Circular polarization)는 다중경로 페이딩 문제를 완화시키고 편파 왜곡이 우려되는 통신 환경에 강하기 때문에 원형편파 DRA에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
그러나, 종래 원형편파 DRA 설계 기술은 단일 급전 방식 방식을 이용하여 원형편파를 유도할 경우 축비 대역폭이 대략 3~4%로 협대역이며, 이중 급전 방식을 이용하는 경우 축비 대역폭은 넓어 지지만, 급전 구조가 다소 복잡해지는 단점을 수반한다.
따라서, DRA 안테나의 장점은 유지하면서 현대 무선통신 시스템에서 요구하는 간단한 구조의 광대역 원형편파 안테나에 대한 개발이 필요한 실정이다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0944968호(발명의 명칭: 스피드론 프랙탈 구조의 광대역 원형편파 안테나, 공개일자: 2010. 03. 03)가 있다.
본 발명은 광대역 원형편파 안테나, 더욱 상세하게는 광대역 원형편파 특성을 갖는 유전체 공진기 안테나(DRA)를 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 광대역 원형편파 안테나가 제공된다.
광대역 원형편파 안테나는, 유전체 기판; 유전체 기판의 하면에 마련되는 급전선로; 유전체 기판의 상면에 마련되는 접지면; 및 유전체 기판 위에 마련되며, 실수코팅 유전 알고리즘을 이용하여 격자 구조로 형성되는 유전체 공진기; 를 포함할 수 있다.
격자 구조는, 복수의 직육면체 유전체로 구성되며, 직육면체 유전체 각각의 높이는, 실수코팅 유전 알고리즘을 통해 결정될 수 있다.
급전선로는, 이중 오프셋 마이크로스트립 선로를 포함하고, 접지면은, 이중 오프셋 마이크로스트립 선로와 대응되는 위치에 직사각형 슬롯을 삽입할 수 있다.
이와 같은 광대역 원형편파 안테나에 의하면, DRA의 장점인 표면전류의 부재와 도체 손실의 최소화로 인한 고효율과 소형화 등의 특성은 유지하면서 광대역 원형편파 특성을 구현할 수 있다.
또한, 간단한 급전 방식을 이용하여 광대역 원형편파 특성을 확보할 수 있다.
또한, 광대역 원형편파 안테나로서 다양한 무선통신 대역에서 활용 가능하다.
도 1은 광대역 원형편파 안테나의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 2는 광대역 원형편파 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 반사계수를 나타낸 그래프이다.
도 3은 광대역 원형편파 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 축비와 우편파 이득을 나타낸 그래프이다.
도 4는 3.1 GHz에서 시물레이션 및 측정된 복사 패턴을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 광대역 원형편파 안테나를 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타내는 것으로 한다.
도 1은 광대역 원형편파 안테나의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 1을 참조하면, 광대역 원형편파 안테나는 유전체 기판, 유전체 기판의 하면에 형성되는 급전선로, 유전체 기판의 상면에 형성되는 접지면, 유전체 기판 위에 형성되는 격자 구조의 유전체 공진기를 포함할 수 있다.
급전선로는 유전체 기판의 하면에 형성될 수 있다. 급전선로는 이중 오프셋 마이크로스트립 선로 및 50-Ω 마이크로스트립 선로를 포함할 수 있다. 급전선로의 상부는 이중 오프셋 마이크로스트립 선로를 구성하고 하부는 50-Ω 마이크로스트립 선로로 구성될 수 있으며, 이중 오프셋 마이크로스트립 선로와 50-Ω 마이크로스트립 선로는 "Y" 자 구조를 형성할 수 있다.
접지면은 유전체 기판의 상편에 형성될 수 있다. 접지면은 직사각형 슬롯이 삽입된 정사각형 접지면으로 구현될 수 있다. 접지면은 급전선로의 이중 오프셋 마이크로스트립 선로와 대응되는 위치에 직사각형 슬롯을 삽입할 수 있다. 이 때, 직사각형 슬롯의 길이방향은 이중 오프셋 마이크로스트립 선로의 배열 방향이 될 수 있다.
이중 오프셋 마이크로스트립 및 직사각형 슬롯의 구성함에 따라, 안테나는 반사계수 대역폭을 넓힐 수 있다.
유전체 공진기는 유전체 기판 위에 격자 구조로 형성될 수 있다. 높이를 구성하는 복수의 직육면체 유전체가 N×N 격자 구조로 형성된 유전체 공진기가 마련될 수 있다(N은 자연수). 예를 들어, 8×8 격자 구조의 유전체 공진기가 마련될 수 있다. 이 때, 유전체 공진기를 구성하는 각 직육면체 유전체의 밑면의 면적은 w×w으로 모두 같고, 높이는 실수코팅 유전 알고리즘을 통해 결정되는 것으로 한다.
유전체 공진기의 높이가 실수코팅 유전 알고리즘을 통해 최적화됨에 따라, 안테나는 광대역 축비 특성을 획득할 수 있다.
하기의 [표 1]은 실수코팅 유전 알고리즘을 적용하기 위한 광대역 원형편파 안테나의 설계 변수의 일 예를 나타낸다.
설계 변수 값(mm) 설계 변수 값(mm)
a 24.4 wf 3.3
b 16.8 w 7.2
c 14 hsub 1.52
ls 21.4 gw 140
ws 3.6
[표 1]의 설계 변수와 함께, RF-35(유전율 εr=3.5, 유전손실 tanδ=0.0018)의 유전체 기판 및 유전율이 10인 8 × 8 격자 구조의 유전체 공진기를 이용할 수 있다.
하기의 [표 2]는 [표 1]의 설계 변수에서, 실수코팅 유전 알고리즘을 적용하여 획득한 유전체 공진기의 최적화된 높이(단위 mm)를 나타낸다. [표 2]에 나타난 바와 같이 8 × 8 격자 구조의 유전체 공진기를 이용함으로써, 유전체 공진기를 구성하는 총 64개의 직육면체 유전체에 대한 높이를 획득할 수 있다. 이 때, 행이 x축 방향의 유전체의 높이, 열이 y축 방향의 유전체의 높이를 나타내는 것으로 한다.
25.68 27.61 22.13 4.14 3.18 18.89 26.95 26.08
26.53 30.34 16.54 8.93 15.76 25.49 17.60 10.65
22.06 4.87 4.97 15.03 22.25 12.72 19.01 12.40
22.79 27.20 2.47 15.97 19.56 29.72 4.42 2.16
16.57 8.64 9.87 25.18 12.76 11.81 18.41 25.03
18.32 18.17 29.45 20.59 21.32 4.50 24.79 21.73
16.00 11.61 5.21 24.55 19.09 31.99 15.05 24.35
26.50 7.48 25.20 3.86 12.68 16.16 9.49 29.64
도 2는 광대역 원형편파 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 반사계수를 나타낸 그래프이다. 이 때, 시뮬레이션 및 측정은 [표 1] 및 [표 2]의 값들을 이용하는 것으로 한다.
도 2를 참조하면, -10 dB 반사계수 대역폭은 시뮬레이션 및 측정 값이 각각 27.65%(2.68-3.54 GHz) 및 32.32%(2.62-3.63 GHz)임을 확인할 수 있다.
도 3은 광대역 원형편파 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 축비와 우편파 (right-hand circular polarization)이득을 나타낸 그래프이다. 이 때, 시뮬레이션 및 측정은 [표 1] 및 [표 2]의 값들을 이용하는 것으로 하며, +z방향에서 안테나의 축비 및 우편파 이득을 나타내는 것으로 한다.
도 3을 참조하면, 3 dB 축비 대역폭은 시뮬레이션 및 측정 값이 각각 18.47%(2.85-3.43 GHz) 및 14.63%(2.85-3.30 GHz)임을 확인할 수 있다. 또한, 측정된 최대 우편파 이득은 3.2 GHz에서 6.13dBic로 측정됨을 확인할 수 있다.
도 4는 3.1 GHz에서 시물레이션 및 측정된 복사 패턴을 나타낸 그래프이다. 이 때, 시뮬레이션 및 측정은 [표 1] 및 [표 2]의 값들을 이용하는 것으로 하며, 도 4의 좌측 그래프는 xz-평면에서의 복사 패턴을, 도 4의 우측 그래프는 yx-평면에서의 복사 패턴을 각각 나타내는 것으로 한다.
도 4를 참조하면, +z 방향으로 지향성 특성을 가지며 우편파 이득과 좌편파(left-hand circular polarization) 이득의 차이가 18.5 dB 이상으로 원형편파 특성이 잘 구현된 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은 광대역 원형편파 안테나에 의하면, DRA의 장점인 표면전류의 부재와 도체 손실의 최소화로 인한 고효율과 소형화 등의 특성은 유지하면서 광대역 원형편파 특성을 구현할 수 있다. 또한, 간단한 급전 방식을 이용하여 광대역 원형편파 특성을 확보할 수 있다. 또한, 광대역 원형편파 안테나로서 다양한 무선통신 대역에서 활용 가능하다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 광대역 원형편파 안테나의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (3)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 하면에 마련되는 급전선로;
    상기 유전체 기판의 상면에 마련되는 접지면; 및
    상기 유전체 기판 위에 마련되며, 실수코팅 유전 알고리즘을 이용하여 격자 구조로 형성되는 유전체 공진기;
    를 포함하는 광대역 원형편파 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 구조는, 복수의 직육면체 유전체로 구성되며,
    상기 직육면체 유전체 각각의 높이는,
    상기 실수코팅 유전 알고리즘을 통해 결정되는 광대역 원형편파 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전선로는, 이중 오프셋 마이크로스트립 선로를 포함하고,
    상기 접지면은, 상기 이중 오프셋 마이크로스트립 선로와 대응되는 위치에 직사각형 슬롯을 삽입하는 광대역 원형편파 안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112271438A (zh) * 2020-10-23 2021-01-26 汕头大学 一种槽馈电的圆极化全向介质谐振器天线
CN115036700A (zh) * 2022-05-25 2022-09-09 武汉理工大学 一种宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线

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