KR20210046996A - 고임피던스 다중분기용 방사상 전력 분배기 및 이를 이용한 빔조향 안테나 - Google Patents

고임피던스 다중분기용 방사상 전력 분배기 및 이를 이용한 빔조향 안테나 Download PDF

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Abstract

방사상 전력 분배기 및 이를 이용한 평면형 안테나는 마이크로스트립 전송선로를 다단으로 형성하고 다단의 전송선로의 선폭이 각기 다르게 형성하며, 전송선로의 높은 임피던스를 구현하기 위하여 접지층의 금속을 일부 벗겨낸 일정 형상의 슬롯을 하나 이상으로 형성함으로써 전송선로의 높은 임피던스를 구현하여 신뢰성 있는 안테나 구현 및 양산이 가능한 효과가 있다.

Description

고임피던스 다중분기용 방사상 전력 분배기 및 이를 이용한 빔조향 안테나{Multi-Way Radial Power Divider with Very High Impedance Branches and Planar Antenna with High Directivity Using the Same}
본 발명은 다중분기용 방사상 전력 분배기를 이용한 빔조향 안테나에 관한 것으로서, 특히 마이크로스트립 구조에서 구현 불가한 매우 높은 임피던스를 구현하기 위하여 접지면에 슬롯을 형성하는 평면형 방사상 전력 분배기 및 이에 결합이 용이한 얇은 안테나이며, 얇은 안테나에 다중 방향 방사용 빔 선택이 용이하도록 메타재질 구조 스위치를 결합하는 고임피던스 다중분기용 방사상 전력 분배기 및 이를 이용한 빔조향 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 초고주파용 마이크로스트립 전송선로는 특성 임피던스를 구현할 수 있는 한계값으로 두께에 따라 다르지만 100 내지 120Ω 정도이다.
이러한 임피던스 값은 전송선로의 특성 임피던스를 구현 가능한 한계값으로 양산에 따른 신뢰성이 확보될 수 있는 값이다.
종래의 윌킨스 전력 분배기는 1 대 N의 비대칭 분배일 경우, N의 값이 커질수록 전송선로의 임피던스 특성이 매우 높아져야 하므로 임피던스 특성의 구현 가능성에 문제점이 발생하게 된다.
종래의 윌킨스 전력 분배기는 N=2의 경우 1 대 2 비대칭 윌킨스 전력 분배기가 요구되는 특성 임피던스가 103Ω이 되므로 기판에 따라 특성 임피던스의 구현이 매우 어려워지는 문제점이 있다.
종래의 전력 분배기는 150Ω 이상의 특성 임피던스를 구현하려면 마이크로스트립 전송선로를 극히 좁은 선폭으로 형성하여야 하는데, 전송선로의 선폭이 구현 한계를 초과하여 전송선로의 선폭 오차가 매우 커지므로 신뢰성 있는 구현 및 양산이 불가능하게 된다.
이러한 전력 분배기는 마이크로스트립 전송선로를 방사상으로 구현하는 경우, 4분기 방사상 전력 분배기의 경우, 최대 200Ω의 임피던스가 요구하며, 8분기 방사상 전력 분배기의 경우, 최대 400Ω의 임피던스가 요구되므로 구현이 불가능하다.
따라서, 종래의 방사상 전력 분배기는 높은 임피던스를 요구하기 때문에 마이크로스트립 선로 구조의 형태로 제안된 적이 없었다.
이러한 높은 임피던스는 기존의 PCB 공정에서 마이크로스트립 선로를 얇은 폭으로 금속 패턴을 제작하는 작업이 불가능하다.
한국 등록특허번호 제10-1279873호
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 마이크로스트립 구조에서 구현 불가한 매우 높은 임피던스를 구현하기 위하여 접지면에 슬롯을 형성하는 평면형 방사상 전력 분배기 및 이에 결합이 용이한 얇은 안테나이며, 얇은 안테나에 다중 방향 방사용 빔 선택이 용이하도록 메타재질 구조 스위치를 결합하는 고임피던스 다중분기용 방사상 전력 분배기 및 이를 이용한 빔조향 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 방사상 전력 분배기는,
제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 유전체 기판;
상기 유전체 기판의 제1 면 상에 전송선로를 다단으로 형성하고, 상기 유전체 기판의 중심부를 기준으로 출력포트로 갈수록 상기 다단의 전송선로의 선폭이 순차적으로 커지도록 형성되고, 방사상으로 복수개 형성된 마이크로스트립 전송선로; 및
상기 유전체 기판의 제2 면을 도전층으로 형성하고, 상기 도전층에서 금속을 일부 벗겨낸 일정한 형태의 슬릿을 하나 이상으로 형성하는 접지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각각의 마이크로스트립 전송선로는 상기 유전체 기판의 중심부를 기준으로 좌측, 우측, 상측, 하측으로 일정한 길이로 연장하여 4갈래로 분기하여 십자가 형태로 형성하고, 각각의 마이크로스트립 전송선로는 일정한 길이의 제1 스트립 선로, 제2 스트립 선로 및 제3 스트립 선로를 선폭이 순차적으로 커지도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체 기판은 8각형 형태로 형성되고, 상기 각각의 마이크로스트립 전송선로는 상기 유전체 기판의 중심부로부터 8각형의 각 변의 중심까지 수평 방향으로 연장되어 8갈래로 분기하여 형성하고, 상기 각각의 마이크로스트립 전송선로는 일정한 길이의 제1 스트립 선로, 제2 스트립 선로, 제3 스트립 선로 및 제4 스트립 선로를 선폭이 순차적으로 커지도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 방사상 전력 분배기를 이용한 빔조향 안테나는,
제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 제1 면 상에 전송선로를 다단으로 형성하고, 상기 유전체 기판의 중심부를 기준으로 출력포트로 갈수록 상기 다단의 전송선로의 선폭이 순차적으로 커지도록 형성되고, 방사상으로 복수개 형성된 마이크로스트립 전송선로; 및 상기 유전체 기판의 제2 면을 도전층으로 형성하고, 상기 도전층에서 금속을 일부 벗겨낸 일정한 형태의 홈을 하나 이상으로 형성하는 접지층을 포함하는 전력 분배기; 및
상기 각각의 마이크로스트립 전송선로의 일측 끝단에 결합되어 전파 신호를 방사시키는 안테나 방사체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각각의 마이크로스트립 전송선로의 일측 끝단에는 길이 방향으로 전자파 방사가 가능한 평면형 쿼지 야기 안테나(Quasi Yagi Antenna)를 결합하고, 상기 각각의 마이크로스트립 전송선로의 일측면에 목표 주파수를 차단 및 통과시 전송 손실이 매우 작은 새로운 메타재질 CRLH 대역 저지 필터를 구비한 필터 구조체를 결합하며, 상기 필터 구조체에 의해 온 오프 스위칭 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 방사상 다중분기의 전력 분배기에서 마이크로스트립 라인 구조의 형태를 구현할 수 있으며, 일정 형상의 슬롯에 의해 전송선로의 높은 임피던스를 구현하여 신뢰성 있는 안테나 구현 및 양산 그리고 수평면으로 다중 빔을 보내거나 송신 방향을 선택 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 상면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기를 등가 회로로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기에서 커넥터를 제거한 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 후면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 후면 중에서 슬릿을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 시뮬레이션 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 상면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 마이크로스트립 전송선로의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기를 등가 회로로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기에서 커넥터를 제거한 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 후면을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 후면 중에서 슬릿을 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 시뮬레이션 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기를 이용한 평면형 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 쿼지 야기 안테나를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기에 결합되어 저손실과 소형구조로써 빔을 선택하는 노치 필터 구조체를 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
전력 분배기로 흔히 사용되는 월킨슨 전력분배기는 하나의 방향으로 분기가 되어 설계가 쉬울 수도 있으나, 빔이 수평면 곳곳을 향하는 안테나의 급전부에 적합한 방사상 다중분기 전력 분배기를 평면형으로 높은 임피던스를 만드는 것이 매우 까다롭다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 마이크로스트립 전송선로를 다중 분기화에서 각 분기마다 다단화는 물론 높은 임피던스를 구현하기 위하여 접지면의 금속을 벗겨낸 일정 형상의 슬롯을 형성하는 평면형 방사상 전력 분배기 및 이의 방향으로 전파 다중 빔을 출력하기에 적합한 평면형 안테나를 제공한다. 또한, 본 발명은 수평면 상의 빔을 조정하면서 지연과 손실을 줄이는 짧은 스위치가 분기마다 필요하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 상면을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기를 등가 회로로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기에서 커넥터를 제거한 모습을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 후면을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기의 방사상 전력 분배기의 후면 중에서 슬릿을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 4 분기(4-Way)의 방사상 전력 분배기(100)는 평면형 유전체 기판(101)을 포함한다.
유전체 기판(101)은 상면인 제1 면(102)에 마이크로스트립 전송선로(110, 120, 130, 140)의 신호선 패턴이 길이 방향으로 일직선 상으로 복수개 형성되고, 하면인 제2 면(103)에 접지 도체로 도전층(104)이 형성된다.
유전체 기판(101)은 정사각형 형태로 형성되고, 마이크로스트립 전송선로(110, 120, 130, 140)가 중심부로부터 정사각형의 각 변의 중심까지 수평 방향으로 연장되어 있다.
마이크로스트립 전송선로(110, 120, 130, 140)의 신호선 패턴은 유전체 기판(101)의 중심부를 기준으로 좌측, 우측, 상측, 하측으로 일정한 길이로 연장하여 4갈래로 분기하여 십자 형태로 형성된다.
각각의 마이크로스트립 전송선로(110, 120, 130, 140)는 각기 다른 선폭으로 제1 스트립 선로(111, 121, 131, 141), 제2 스트립 선로(112, 122, 132, 142) 및 제3 스트립 선로(113, 123, 133, 143)를 포함한다.
각각의 제3 스트립 선로(113, 123, 133, 143)는 외부의 장비로 연결되는 출력포트인 커넥터(114, 124, 134, 144)에 결합되어 있다.
제1 스트립 선로(111, 121, 131, 141), 제2 스트립 선로(112, 122, 132, 142) 및 제3 스트립 선로(113, 123, 133, 143)는 중심부에서 출력포트로 갈수록 전송선로의 선폭이 커지도록 구성한다.
각각의 마이크로스트립 전송선로(110, 120, 130, 140)는 하기의 [표 1]과 같은 파라미터로 구성된다.
제1 스트립 선로(111, 121, 131, 141)는 길이(ℓ1) 14.7mm, 선폭(W1) 0.2mm로 형성하고, 제2 스트립 선로(112, 122, 132, 142)는 길이(ℓ2) 15mm, 선폭(W2) 0.9mm로 형성하며, 제3 스트립 선로(113, 123, 133, 143)는 길이(ℓ3) 20mm, 선폭(W3) 3.9mm로 형성한다.
Figure pat00001
종래의 특성 임피던스는 Kirchhoff 전압 법칙을 이용하여 하기의 [수학식 1]과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00002
PCB용 유전체 기판(101)은 두께가 1mm인 경우, 200Ω의 임피던스를 구현하려면 스트립 선로의 선폭을 0.2mm이다.
이러한 유전체 기판(101)은 접지 부분인 도전층(104)에서 하나 이상의 슬롯을 형성하여 전술한 [수학식 1]에서의 병렬 C값을 낮춤으로써 전송선로의 높은 임피던스(105)를 구현할 수 있다. 여기서, 슬롯(105)은 도전층(104)에서 금속을 일부 벗겨내어 4개의 일정한 형태의 홈을 형성하며, 각각의 홈이 서로 일정 거리 이격되어 형성된다.
유전체 기판(101)의 길이(Wg)는 100mm이고, 각각의 슬롯(105)은 제1 변(Sw)과 상기 제1 변과 연결되는 제2 변(Sℓ)을 8.8mm이다.
4개의 슬롯(105)은 정사각형의 형태이고, 슬롯(105) 간에 서로 일정 거리 이격되어 형성된다. 여기서, 슬롯(105) 간의 이격 거리(Gap)는 3.5mm이다.
이러한 슬롯 구조는 병렬 커패시턴스값을 줄여서 전송선로의 특성 임피던스를 증가시키는 효과가 있다.
본 발명의 4 분기의 방사상 전력 분배기(100)는 손실이 크고 가장 저렴한 유전체 기판(101)의 유전 상수 εr = 4.3, 높이(h) = 2mm, 도전층(104)의 두께 t = 0.036mm로 설계되어 시뮬레이션한다. 크기 축소를 가늠하기 위해 저주파인 중심 주파수를 2.4GHz 가진 4 분기의 방사상 전력 분배기(100)는 전술한 [표 1]에 파라미터가 기재되어 있다.
본 발명의 4 분기의 방사상 전력 분배기(100)는 슬롯(105)의 크기와 파라미터값(선폭, 길이)을 조정하여 커패시턴스값을 낮추어 전송선로에서 200Ω 임피던스를 만족하게 되면, 동일한 전력 분배와 목표 주파수에 임피던스 매칭이 가능하게 된다.
4 분기의 방사상 전력 분배기(100)는 접지부인 도전층(104)의 중심부에서 50Ω의 입력포트인 제1 커넥터(106)를 결합하고, 각각의 제3 스트립 선로에 50Ω의 출력포트인 제2 커넥터(114), 제3 커넥터(124), 제4 커넥터(134), 제5 커넥터(144)를 결합한다.
4 분기의 방사상 전력 분배기(100)는 100×100×2mm3의 크기로 전술한 파라미터를 시뮬레이션하여 제1 커넥터(106), 제2 커넥터(114), 제3 커넥터(124), 제4 커넥터(134), 제5 커넥터(144)를 측정하여 각 출력포트의 우수한 임피던스 매칭과 극히 낮은 손실 및 동 위상 특성을 보여준다(도 6 및 도 7).
4 분기의 방사상 전력 분배기(100)는 도 6 및 도 7과 같이 시뮬레이션의 측정 결과를 나타내었고, 공진이 2.4GHz에서 발생하고, 목표 주파수에서의 S11이 -20dB 미만이고, 목표 주파수에서의 삽입 손실이 약 -6.1dB이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 상면을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 마이크로스트립 전송선로의 일례를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기를 등가 회로로 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기에서 커넥터를 제거한 모습을 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 후면을 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 후면 중에서 슬릿을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 8 분기(8-Way)의 방사상 전력 분배기(200)는 평면형 유전체 기판(201)을 포함한다.
유전체 기판(201)은 상면인 제1 면(202)에 마이크로스트립 전송선로(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)의 신호선 패턴이 길이 방향으로 일직선 상으로 복수개 형성되고, 하면인 제2 면(203)에 접지 도체로 도전층(204)이 형성된다.
유전체 기판(201)은 8각형 형태로 형성되고, 마이크로스트립 전송선로(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)가 유전체 기판(201)의 중심부로부터 8각형의 각 변의 중심까지 수평 방향으로 연장되어 있다.
마이크로스트립 전송선로(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)의 신호선 패턴은 유전체 기판(201)의 중심부를 기준으로 방사상으로 일정한 길이로 연장하여 8갈래로 분기하여 형성된다.
각각의 마이크로스트립 전송선로(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)는 각기 다른 선폭으로 제1 스트립 선로(211, 221, 231, 241, 251, 261, 271, 281), 제2 스트립 선로(212, 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282), 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283) 및 제4 스트립 선로(214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284)를 포함한다.
제1 스트립 선로(211, 221, 231, 241, 251, 261, 271, 281), 제2 스트립 선로(212, 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282), 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283) 및 제4 스트립 선로(214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284)는 중심부에서 출력포트로 갈수록 전송선로의 선폭이 커지도록 구성한다.
각각의 마이크로스트립 전송선로(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)는 하기의 [표 2]와 같은 파라미터로 구성된다.
제1 스트립 선로(211, 221, 231, 241, 251, 261, 271, 281)는 길이(ℓ1) 8.7mm, 선폭(W1) 0.4mm로 형성하고, 제2 스트립 선로(212, 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282)는 길이(ℓ2) 12mm, 선폭(W2) 0.6mm로 형성하고, 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283)는 길이(ℓ3) 10mm, 선폭(W3) 1.6mm로 형성하며, 제4 스트립 선로(214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284)는 길이(ℓ4) 1.9mm, 선폭(W3) 5.7mm로 형성한다.
Figure pat00003
유전체 기판(201)은 한 변의 길이(Wg)를 30.5mm, 중심부로부터 8개의 각을 형성한 지점까지의 거리(rg)를 36.5mm이다.
PCB용 유전체 기판(201)은 접지 부분인 도전층(204)에서 하나 이상의 슬롯(205)을 형성하여 전술한 [수학식 1]에서의 병렬 C값을 낮춤으로써 전송선로의 높은 임피던스를 구현할 수 있다. 여기서, 각각의 슬롯(205)은 도전층(204)에서 금속을 일부 벗겨내어 정팔각형을 쪼갠 8개의 최적화된 형태의 홈(슬릿)을 형성하며, 각각의 홈이 서로 일정 거리 이격되어 형성된다.
이러한 슬롯 구조는 커패시턴스값을 줄여서 전송선로의 특성 임피던스를 증가시키는 효과가 있다.
각각의 슬롯(205)은 상기 정팔각형의 각 변의 절반의 길이를 나타내는 제1 변(Sw)을 5mm이고, 상기 유전체 기판(201)의 중심부 방향에서 상기 정팔각형의 각 변 방향으로 형성된 제2 변(Sℓ)를 12mm이며, 슬롯 간의 이격 거리(Gap)는 1.5mm이다.
본 발명의 8 분기의 방사상 전력 분배기(200)는 유전체 기판(201)의 유전 상수 εr = 4.3, 높이(h) = 1mm, 도전층의 두께 t = 0.036mm로 설계되어 시뮬레이션한 결과, 각 출력포트의 우수한 임피던스 매칭과 극히 낮은 손실 및 동 위상 특성을 보여준다.
중심 주파수를 2.4GHz를 가진 8 분기의 방사상 전력 분배기(200)는 전술한 [표 2]에 파라미터가 기재되어 있다.
본 발명의 8 분기의 방사상 전력 분배기(200)는 슬롯(205)의 크기와 파라미터값을 조정하여 커패시턴스값을 낮추어 전송선로에서 400Ω 임피던스를 만족하게 되면, 동일한 전력 분배와 목표 주파수에 임피던스 매칭이 가능하게 된다.
8 분기의 방사상 전력 분배기(200)는 접지부인 도전층(204)의 중심부에서 50Ω의 입력포트인 제1 커넥터(206)를 결합하고, 각각의 제4 스트립 선로(214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284)에 50Ω의 출력포트인 제2 커넥터(215), 제3 커넥터(225), 제4 커넥터(235), 제5 커넥터(245), 제6 커넥터(255), 제7 커넥터(265), 제8 커넥터(275), 제9 커넥터(285)를 결합한다.
8 분기의 방사상 전력 분배기(200)는 75×75×1mm3의 크기로 전술한 파라미터를 시뮬레이션하여 제1 커넥터(206), 제2 커넥터(215), 제3 커넥터(225), 제4 커넥터(235), 제5 커넥터(245), 제6 커넥터(255), 제7 커넥터(265), 제8 커넥터(275), 제9 커넥터(285)를 측정하여 각 출력포트의 우수한 임피던스 매칭과 극히 낮은 손실 및 동 위상 특성을 보여준다(도 14 및 도 15).
8 분기의 방사상 전력 분배기(200)는 도 14 및 도 15와 같이, 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 나타내었고, 공진이 2.4GHz에서 발생하고, 목표 주파수에서의 S11이 -10dB 미만이고, 목표 주파수에서의 삽입 손실이 약 -9dB이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기를 이용한 평면형 안테나의 구성을 나타낸 도면이고, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기의 쿼지 야기 안테나를 나타낸 도면이고, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기에 결합되어 저손실과 소형구조로써 빔을 선택하는 노치 필터 구조체를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 8 분기의 방사상 전력 분배기를 구비한 평면형 안테나(300)는 제4 스트립 선로(214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284)에 각각 연장되어 안테나 방사체인 쿼지 야기 안테나(Quasi Yagi Antenna)(400)를 결합하고, 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283)의 일측면에 메타재질 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 노치 필터 구조체(500)를 각각 결합한다.
평면형 안테나(300)는 다중 분기시 높은 임피던스를 잘 맞춘 뒤 빔 방사용 급전 임피던스로 조절되고, 소형 CRLH 노치 필터 구조체(500)의 온-오프 스위칭 기능을 이용하여 RF 신호를 방사하는 마이크로스트립 전송선로 즉, 빔 방향을 선택적으로 제어할 수 있다.
소형 CRLH 노치 필터 구조체(500)는 90도 위상의 개방 종단형 대역 저지 필터로 원하는 주파수를 차단하는 필터로 동작한다.
소형 CRLH 노치 필터 구조체(500)는 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283)의 일측면에 결합되는 것으로 예시하고 있지만, 이에 한정되지 않으며 제1 스트립 선로, 제2 스트립 선로, 제4 스트립 선로 중 하나의 선로에 결합될 수도 있다.
본 발명의 안테나(300)는 전술한 제2 실시예의 8 분기의 방사상 전력 분배기(200)에 안테나 방사체인 쿼지 야기 안테나(400)와 노치 필터 구조체(500)를 결합한다.
각각의 쿼지 야기 안테나(400)는 8개의 제4 스트립 선로(214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284)로부터 수신한 전파 신호를 원하는 방향으로 지향시키고, 특정 주파수 대역을 통해 전파 신호를 방사시키는 기능을 한다.
각각의 쿼지 야기 안테나(400)는 유전체 기판(310), 급전부(420), 유도기(430), 도파기(440) 및 접지면(450)을 포함한다.
유전체 기판(310)은 상면과 하면에 금속면을 갖는 단일 유전체로 구현된다.
유전체 기판(310)의 상면에는 급전부(420), 유도기(430), 도파기(440)을 포함한다.
급전부(420)는 유도기(430)를 급전할 수 있으며, 마이크로스트립 급전면(421), 발룬(Balance to Unbalance Transformer, 평형-불평형 변성기)(422), 코플래너 스트립라인(Coplanar Stripline)(423)을 포함한다.
발룬(422)는 마이크로스트립 급전면(421)을 코플래너 스트립라인(423)에 접속시킬 수 있다.
발룬(422)은 정합용 트랜스로서, 코플래너 스트립라인(423)의 평행 2선로와, 마이크로스트립 급전면(421)의 불평형 선로를 접속시킬 수 있다.
코플래너 스트립라인(423)은 유도기(430)를 급전시킬 수 있다. 유도기(430)는 급전부(420)에 의해 급전되어 전파를 방사할 수 있다.
도파기(440)는 유도기(430)에 이격된 위치에 하나 이상의 선형 스트립으로 형성되고, 전파 신호의 방사 방향을 특정 주파수 대역을 통해 목표 방향으로 지향시킬 수 있다.
소형 CRLH 노치 필터 구조체(500)는 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283)의 일측면에 각각 결합되어 DC 블록(510), 제1 RF 초크(520), 핀 다이오드(530), 노치 필터(540), 제2 RF 초크(550) 및 DC 바이어스(560)를 포함한다.
DC 블록(510)은 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283)의 일측면과 제1 RF 초크(520) 사이에 구비되며, DC 전압을 격리시키고 상기 제3 스트립 선로(213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283)로부터 입력된 RF 신호를 통과시킨다. 여기서, RF(Radio Frequency) 신호는 1 GHz이하, 마이크로분기브(Microwave)는 300 MHz ~ 30 GHz의 전자파를 일컫기도 하지만 무선 통신 등에 주로 응용되는 신호를 가리킨다.
또한, DC 블록(510)은 직류 전류가 통과하지 못하도록 하며 고주파 신호인 RF 신호는 통과시킨다. 이때, DC 블록(510)은 커패시터로 구성할 수 있다.
제1 RF 초크(520)는 상기 DC 블록(510)과 핀 다이오드(530) 사이에 일측이 연결되며, 초크 역할을 한다.
제1 RF 초크(520)는 상기 DC 블록(510)로 입력된 RF 신호가 바이어스 측으로 누설되는 것을 방지해준다. 이때, 제1 RF 초크(520)는 인덕터로 구성할 수 있다.
핀 다이오드(530)는 P형 반도체와 N형 반도체 사이에 고유 저항이 매우 높아 진성 반도체에 가까운 층을 형성하여 만들어진 다이오드를 말한다. 예를 들어, P형 반도체와 N형 반도체 사이에 Intrinsically pure silicon 층이 형성될 수 있다.
핀 다이오드(530)에 순방향 바이어스가 인가되면 핀 다이오드의 낮은 저항에 의해 다이오드가 도통되어 스위치가 닫혀있는 ON 상태와 유사하고, 역방향 바이어스가 인가되면 다이오드가 차단되어 OFF 커패시터에 의한 높은 임피던스로 인해 스위치가 열려있는 OFF 상태와 유사해진다.
다시 말해, 핀 다이오드(300)에 순방향 바이어스가 인가되면 RF 신호가 통과되고, 역방향 바이어스가 인가되면 RF 신호가 통과하지 못하여 빔이 차단되는 상태가 된다.
노치 필터(540)는 특정 주파수 대역의 성분을 제거하는 필터로, 특정 주파수 대역의 RF 신호를 제거하는 기능을 수행한다.
제2 RF 초크(550)는 상기 노치 필터(550)로 입력된 RF 신호가 바이어스 측으로 누설되는 것을 방지해준다.
DC 바이어스(560)는 제2 RF 초크(550)의 일단에 연결되어 핀 다이오드(530)에 양전압 또는 음전압을 인가하여 핀 다이오드(530)가 도통 또는 차단의 역할을 할 수 있도록 한다.
노치 필터 구조체(500)는 핀 다이오드(530)를 온 오프 시키려면 문턱 전압인 0.7V가 되어야 하므로 DC 바이어스(560)가 필요하다.
노치 필터 구조체(500)는 DC 바이어스(560)를 구성하려면 입력 쪽에 DC 전압의 유입을 막기 위한 DC 블록(510)이 필요하고, RF 신호가 DC 소스로 유입되는 것을 막는 제1 RF 초크(520)와 제2 RF 초크(550)가 필요하다.
이와 같은 노치 필터 구조체(500)는 DC 바이오스(560)를 조절하여 특정 주파수 대역에서 RF 신호가 유입되지 못하도록 온 오프 스위칭 기능을 수행한다.
이상에서 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 4 분기의 방사상 전력 분배기
101: 유전체 기판
102: 제1 면
103: 제2 면
104: 도전층
105: 슬롯
106: 제1 커넥터
110, 120, 130, 140: 마이크로스트립 전송선로
111, 121, 131, 141: 제1 스트립 선로
112, 122, 132, 142: 제2 스트립 선로
113, 123, 133, 143: 제3 스트립 선로
114: 제2 커넥터
124: 제3 커넥터
134: 제4 커넥터
144: 제5 커넥터
200: 8 분기의 사상 전력 분배기
300: 평면형 안테나
400: 쿼지 야기 안테나
500: 메타재질 CRLH 노치 필터 구조체

Claims (11)

  1. 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 제1 면 상에 전송선로를 다단으로 형성하고, 상기 유전체 기판의 중심부를 기준으로 출력포트로 갈수록 상기 다단의 전송선로의 선폭이 순차적으로 커지도록 형성되고, 방사상으로 복수개 형성된 마이크로스트립 전송선로; 및
    상기 유전체 기판의 제2 면을 도전층으로 형성하고, 상기 도전층에서 금속을 일부 벗겨낸 일정한 형태의 슬릿을 하나 이상으로 형성하는 접지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 마이크로스트립 전송선로는 상기 유전체 기판의 중심부를 기준으로 좌측, 우측, 상측, 하측으로 일정한 길이로 4갈래로 분기하여 방사상 경로들을 형성하고, 각각의 마이크로스트립 전송선로는 일정한 길이의 제1 스트립 선로, 제2 스트립 선로 및 제3 스트립 선로를 선폭이 순차적으로 커지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스트립 선로는 길이(ℓ1) 14.7mm, 선폭(W1) 0.2mm로 형성하고, 상기 제2 스트립 선로는 길이(ℓ2) 15mm, 선폭(W2) 0.9mm로 형성하며, 상기 제3 스트립 선로는 길이(ℓ3) 20mm, 선폭(W3) 3.9mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 홈은 정사각형의 형태로 서로 일정 거리 이격되어 형성하고, 각 변이 8.8mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 8각형 형태로 형성되고, 상기 각각의 마이크로스트립 전송선로는 상기 유전체 기판의 중심부로부터 방사상으로 8갈래로 분기하고, 상기 각각의 마이크로스트립 전송선로는 일정한 길이의 제1 스트립 선로, 제2 스트립 선로, 제3 스트립 선로 및 제4 스트립 선로를 선폭이 순차적으로 커지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스트립 선로는 길이(ℓ1) 8.7mm, 선폭(W1) 0.4mm로 형성하고, 상기 제2 스트립 선로는 길이(ℓ2) 12mm, 선폭(W2) 0.6mm로 형성하고, 상기 제3 스트립 선로는 길이(ℓ3) 10mm, 선폭(W3) 1.6mm로 형성하며, 상기 제4 스트립 선로는 길이(ℓ4) 1.9mm, 선폭(W3) 5.7mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 홈은 정팔각형을 쪼갠 8개의 일정한 형태의 홈을 형성하고, 서로 일정 거리 이격되어 형성하고, 상기 정팔각형의 각 변의 절반의 길이를 나타내는 제1 변(Sw)을 5mm이고, 상기 유전체 기판의 중심부 방향에서 상기 정팔각형의 각 변 방향으로 형성된 제2 변(Sℓ)를 12mm이며, 상기 홈 간의 이격 거리(Gap)를 1.5mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  8. 제2항 또는 제5항에 있어서,
    상기 홈의 크기와 상기 복수의 스트립 선로의 선폭과 길이를 조정하여 전송선로의 특성 임피던스를 만족하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 방사상 전력 분배기.
  9. 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 제1 면 상에 전송선로를 다단으로 형성하고, 상기 유전체 기판의 중심부를 기준으로 출력포트로 갈수록 상기 다단의 전송선로의 선폭이 순차적으로 커지도록 형성되고, 방사상으로 복수개 형성된 마이크로스트립 전송선로; 및 상기 유전체 기판의 제2 면을 도전층으로 형성하고, 상기 도전층에서 금속을 벗겨낸 일정한 형태의 슬릿을 하나 이상으로 형성하는 접지층을 포함하는 전력 분배기; 및
    상기 각각의 마이크로스트립 전송선로의 일측 끝단에 결합되어 전파 신호를 방사시키는 안테나 방사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔조향 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각각의 마이크로스트립 전송선로의 일측 끝단에는 길이 방향으로 전자파 방사가 가능한 평면형 쿼지 야기 안테나(Quasi Yagi Antenna)를 결합하고, 상기 각각의 마이크로스트립 전송선로의 일측면에 목표 주파수를 차단 및 통과시 메타재질 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 대역 저지 필터를 구비한 필터 구조체를 결합하며, 상기 필터 구조체에 의해 온 오프 스위칭 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔조향 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 필터 구조체는 직류 전류가 통과하지 못하도록 하며 고주파 신호인 RF 신호는 통과시키는 커패시터로 구성된 DC 블록과, 상기 DC 블록로 입력된 RF 신호가 바이어스 측으로 누설되는 것을 방지하는 인덕터로 구성된 제1 RF 초크와, 순방향 바이어스가 인가되면 RF 신호가 통과되고 역방향 바이어스가 인가되면 RF 신호가 통과하지 못하는 핀 다이오드와, 특정 주파수 대역의 성분을 제거하는 필터인 노치 필터와, 상기 핀 다이오드에 양전압 또는 음전압을 인가하여 핀 다이오드가 도통 또는 차단의 역할을 하는 DC 바이어스를 순차적으로 결합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 빔조향 안테나.

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