KR20180105484A - 마이크로스트립 패치 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

마이크로스트립 패치 배열 안테나는 급전부, 상기 급전부와 연결되며, 마이크로스트립 형태로 구성된 급전선, 그리고 상기 급전선의 양쪽으로 반파장 간격으로 위치하며, 상기 급전선으로부터 커패시티브 커플링에 의해 여기되는 신호의 크기와 위상에 해당하는 빔을 방사시키는 복수의 패치 방사 소자를 포함하는 패치 방사 소자 배열을 포함한다.

Description

마이크로스트립 패치 배열 안테나{MICROSTRIP PATCH ARRAY ANTENNA}

본 발명은 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것으로, 특히 마이크로스트립 선로로부터 방사 소자들이 커패시티브 커플링 급전방식을 통하여 동작주파수에서 공진하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것이다.

마이크로스트립 안테나 또는 마이크로스트립 패치 안테나는 높이가 낮고, 평면형 표면뿐만 아니라 평면형이 아닌 표면에도 부착이 용이하며, 간단하고, 인쇄회로 기술을 이용하여 저가로 제작할 수 있다. 또한 단일칩 초고주파 집적회로(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)와 함께 설계할 수도 있으며, 기계적 강도도 우수하여 다양한 분야에 사용된다.

패치 안테나는 단일 방사소자로도 사용되지만, 안테나 이득을 높이거나 방사패턴을 제어하기 위하여 배열 형태로도 많이 사용된다. 패치 배열 안테나의 급전방식으로는 직렬 급전(series-fed)이나 공동 급전(corporate-fed) 방식이 주로 사용되며 급전 방식 별로 장단점이 있다.

직렬 급전 패치 배열 안테나는 복수의 마이크로스트립 패치 형태의 방사소자들이 한 방향으로 배치되며, 직렬 급전선에 의하여 서로 연결된다. 직렬 급전선을 통하여 방사 소자에 입력되는 전류의 위상을 조절하여 방사 소자로부터 방사되는 빔 즉, 방사 빔의 기울어짐을 조절할 수 있으며, 방사 소자의 크기 및 방사 소자 간의 간격을 조절하여 여러 형태의 빔을 합성할 수 있다. 일반적으로 방사 소자들에게 동위상의 전류 급전을 위해서 방사 소자간의 간격은 동작 주파수 대역에서 한 파장이 되도록 배치한다. 이는 높은 방향성 이득(directivity)을 요구하는 안테나의 경우 방사 소자의 개수를 늘려야 하므로 전체 안테나 사이즈를 증가시킨다.

또한 직렬 급전 패치 배열 안테나의 경우, 각 패치 소자가 동작 주파수에서 공진하도록 설계되므로 전체 배열 안테나의 대역폭은 좁으며, 경우에 따라서 안테나 임피던스 매칭을 위하여 1/4 파장 길이의 트랜스포머(quarter wavelength transformer)와 같은 임피던스 매칭 회로가 필요하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 방사 소자간의 간격을 동작 주파수의 한 파장이 되도록 배치하고 있는 안테나에 비해 방향성 이득 및 대역폭을 향상시킬 수 있는 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나가 제공된다. 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 급전부, 상기 급전부와 연결되며, 마이크로스트립 형태로 구성된 급전선, 그리고 패치 방사 소자 배열을 포함한다. 상기 패치 방사 소자 배열은 상기 급전선의 양쪽으로 반파장 간격으로 위치하며, 상기 급전선으로부터 커패시티브 커플링에 의해 여기되는 신호의 크기와 위상에 해당하는 빔을 방사시킨다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 방사 소자들이 마이크로스트립 선로 양쪽에 지그재그 형태로 배치되어 동위상으로 급전할 경우 방사 소자간 간격이 직렬 급전 패치 배열 안테나보다 줄어들기 때문에 같은 사이즈의 안테나를 구현할 경우 더 많은 방사 소자가 배치되어 높은 안테나의 방향성 이득(directivity)을 기대할 수 있다. 또한 커패시티브 커플링을 이용하여 방사 소자를 급전하기 때문에 넓은 대역폭을 얻을 수 있다. 마지막으로, 평판형 안테나로 PCB(printed circuit board) 기술을 사용하여 쉽게 구현이 가능하고 마이크로스트립 선로의 선 폭을 조절하여 특성 임피던스를 체결하고자 하는 칩이나 전송선의 임피던스에 정합이 되도록 함으로써 임피던스 정합이 용이하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 전기장의 분포를 나타낸 일 예이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실(S11)을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 y-z면에서의 방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 x-z면에서의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 나타낸 도면이다.

도 1을 참고하면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)는 기판(110), 급전부(120), 급전선(130) 및 패치 방사 소자 배열(140)을 포함한다.

급전부(120)는 기판(110) 상면에 형성된다. 급전부(120)는 패치 방사 소자 배열(140)에 전력을 공급한다. 급전부(120)는 칩이나 전송선에 체결되어, 안테나에 전력을 인가하기 위해서 칩에 직접 연결되거나 다양한 형태의 전이부(transition)로 변경이 가능하다.

기판(110)은 유전체 기판일 수 있다. 기판(110)을 이루는 재질은 테프론(Teflon)이나 PTFE(Polytetrafluroethylene) 등의 유전체로 구성될 수 있다. 기판(110)의 하면에는 접지면(150)이 형성되며, 접지면(150)은 금속 재질로 구성될 수 있다.

급전선(130)은 마이크로스트립 선로 형태로 구성되며, 급전부(120)와 연결된다. 급전선(130)은 기판(110)의 유전율에 따라 다양한 특성 임피던스를 가지도록 두께를 변경하여 구성될 수 있다.

패치 방사 소자 배열(140)은 복수의 패치 방사 소자(142)를 포함하고, 패치 방사 소자(142)가 동위상으로 여기되기 위해서, 패치 방사 소자(142)들은 급전선(130)의 양쪽으로 반파장 간격(s)으로 위치한다. 또한 패치 방사 소자(142)는 급전선(130)으로부터 거리(d)만큼 이격되어 있으며, 급전선(130)과 각 패치 방사 소자(142) 사이의 커패시티브 커플링(capacitive coupling) 방식으로 급전선(130)으로부터 패치 방사 소자(142)로의 급전이 이루어진다.

안테나가 원하는 방향으로 빔이 형성되도록 각 패치 방사 소자(142)의 여기 전력이 위상 차(phase difference)를 가져야 할 경우에는 패치 방사 소자(142)의 간격(s)을 조절하여 패치 방사 소자(142)들을 배치시킬 수 있다. 공진 주파수는 패치 방사 소자(142)의 길이(L)로 조절하고, 빔 형성을 위하여 각 패치 방사 소자의 방사 컨덕턴스(G)의 조절은 패치 방사 소자(142)의 폭(W)으로 조절할 수 있다.

이와 같이, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)는 급전부(120)를 통해 제공되는 급전 신호를 급전선(130)을 통해 전달하고, 급전선(130)과 각 패치 방사 소자(142)간 커패시티브 커플링을 통해 각 패치 방사 소자(142)로 제공하게 된다. 각 패치 방사 소자(142)는 급전선(130)으로부터 커패시티브 커플링에 의해 여기된 신호의 크기와 위상에 대응하는 빔을 방사시킨다.

이러한 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)의 특성에 대해 자세하게 설명한다. 본 발명의 한 실시 예로, 패치 방사 소자(142)의 개수는 8개이고, 각 패치 방사 소자(142)가 동위상으로 여기되도록 급전선(130)의 양쪽으로 반파장 간격으로 배치하며, 각 패치 방사 소자(142)가 76.5GHz에서 공진하도록 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)를 설계한다. 이와 같이 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)의 특성에 대해 도 2 내지 도 5를 참고로 하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 전기장의 분포를 나타낸 일 예이다.

도 2에 도시된 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)의 전기장의 분포를 보면 알 수 있듯이, 각 패치 방사 소자(142)가 급전선(130)으로부터 커패시티브 커플링을 통하여 동일한 크기와 위상을 갖고 공진한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실(S11)을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)는 -10dB 대역폭 기준으로, 3.5GHz 이상의 대역폭을 가지며, 최적화 설계를 통하여 대역폭은 더 확장될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 y-z면에서의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 4를 참고하면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)의 빔 방향은 안테나 정면방향(z)이며, y-z면에서 빔은 3dB 빔 폭 기준으로 16도인 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 설계된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 x-z면에서의 방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 5를 참고하면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(100)의 경우, x-z면에서 빔은 3dB 빔 폭 기준으로 54도인 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 패치 방사 소자간의 간격을 동작 주파수의 한 파장이 되도록 배치하고 있는 안테나에 비해 방향성 이득 및 대역폭을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 마이크로스트립 패치 배열 안테나로서,
   급전부,
   상기 급전부와 연결되며, 마이크로스트립 형태로 구성된 급전선, 그리고
   상기 급전선의 양쪽으로 반파장 간격으로 위치하며, 상기 급전선으로부터 커패시티브 커플링에 의해 여기되는 신호의 크기와 위상에 해당하는 빔을 방사시키는 복수의 패치 방사 소자를 포함하는 패치 방사 소자 배열
   을 포함하는 마이크로스트립 패치 배열 안테나.

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