KR100421764B1

KR100421764B1 - 고효율 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나

Info

Publication number: KR100421764B1
Application number: KR10-2001-0047913A
Authority: KR
Inventors: 최원규; 남호석; 이종문; 윤영근; 표철식; 최재익
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2004-03-12
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: KR20030013739A

Abstract

유전체층의 하면 전체에 접지도체층이 형성되어 있고, 유전체층의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 급전선과 제1 패치가 형성되어 있다. 급전선과 제1 패치는 전기적으로 직접 연결되어 있다. 급전선과 제1 패치의 위에는 제1 폼층이 형성되어 있고, 제1 폼층 위에는 유전체 필름이 형성되어 있다. 유전체 필름의 위에는 금속으로 이루어진 제2 패치가 형성되어 있고, 제2 패치의 위에는 제2 폼층이 형성되어 있다. 이렇게 하면, 임피던스 대역폭과 축비 대역폭, 그리고 이득 특성이 우수한 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 구현할 수 있다.

Description

고효율 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나 {Wideband microstrip patch array antenna with high efficiency}

본 발명은 선형편파 및 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 전자기적 결합 방식의 선형편파 및 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것이다.

마이크로 스트립 패치 배열 안테나는 육상 방송, 위성 방송 및 통신에서 현재 가장 일반적으로 사용되는 안테나이다. 그러나 마이크로스트립 패치 안테나는 동작 대역이 좁은 단점이 있다. 특히 위성 방송 및 통신의 경우, 국가별로 사용하는 주파수에 차이가 있어서 외국과 국내의 위성 신호를 동시에 수신하기 위해서는 다수의 안테나를 설치해야 한다. 또한 원편파를 사용하는 경우에는 임피던스 대역폭뿐만 아니라 해당 대역 내에서의 축비 특성을 만족시켜야 하는 추가적인 조건이 있어서 안테나의 성능 개선을 어렵게 하고 있다.

도 1a와 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이다.

PCB(printed circuit board) 등의 유전체 기판(12)의 아래 면에 도전체로 이루어진 접지층(11)이 형성되어 있고, 유전체 기판(12)의 윗면에 도전체로 이루어진 급전선(10)과 방사 패치(9)가 형성되어 있다.

그런데 이러한 직접 급전 방식의 패치 안테나에 의하여는 광대역의 축비와 충분한 임피던스 대역폭을 얻기가 어렵다. 이 때문에 마련된 방법이 방사 패치와 급전선 사이를 전자기적으로 결합시키는 방식이다.

도 2a와 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 전자기적 결합 방식의 패치 안테나의 단면도와 사시도이다.

PCB(printed circuit board) 등으로 이루어진 유전체 기판(16)의 하면에 접지 도체층(17)이 형성되어 있고, 유전체 기판(16) 상면에 급전선(15)이 형성되어 있다. 급전선(15) 위에는 유전체층(14)이 형성되어 있고, 유전체층(14) 위에 방사 패치(13)가 형성되어 있다. 방사 패치(13)는 급전선(15)과의 전자기적 결합성을 향상시키기 위하여 급전선(15)과 일부가 중첩되도록 형성되어 있다.

그런데 이러한 구조의 전자기적 결합 방식의 패치 안테나는 방사 패치(13)와 급전선(15) 사이의 거리가 조금만 멀어지면 결합 특성이 저하되어 안테나 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 선형편파 및 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 방사 패치와 급전선 사이의 전자기적 결합 특성을 향상시키는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 선형편파 및 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 임피던스 대역폭을 향상시키는 것이다. 또한, 방사패치를 얇은 유전체 필름위에 형성함으로써 방사효율을 증가시키고, 제작 비용을 줄이는 것이다.

도 1a와 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이고,

도 2a와 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 전자기적 결합 방식의 패치 안테나의 단면도와 사시도이고,

도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이고,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 단면도이고,

도 5a와 도 5b는 각각 도 4의 23번 층과 26번 층의 배치도이고,

도 6은 본 발명에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사손실, 축비 및 이득 특성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 21: 제2 패치

2, 22: 제2 폼(foam)층

3, 23: 유전체 필름

4, 24: 제1 폼층

5, 25: 급전선

6, 26: 유전체층

7, 27: 접지도체층

8, 28: 제1 패치

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 급전선에 제1 패치를 연결하고 제1 패치 상부로 폼(foam)층이 위치하며 폼층 상부로 유전체 필름을 위치시켜 급전선과 제1 패치로부터 이격시킨 유전체 필름 상에 제2 패치를 형성한다.

구체적으로는, 제1면과 제2면을 가지는 제1 유전체층, 상기 제1 유전체층의 제1면에 형성되는 접지도체층, 상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되는 급전선,

상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되고, 상기 급전선과 전기적으로 연결되며 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 제1 패치, 상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제2 유전체층, 그리고 상기 제2 유전체층 위에 형성되고 상기 제1 패치와 적어도 일부가 중첩되며, 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 제2 패치를 포함하며, 상기 제2 유전체층은, 상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제1 폼층, 그리고 상기 제1 폼층 위에 형성되는 유전체 필름을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나를 마련한다.

이 때, 상기 제2 패치 위에 형성되어 있는 제2 폼층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 패치는 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 4각형이고, 상기 절단된 두 모서리의 위치는 제1 패치와 제2 패치가 일치하는 것이 바람직하다.

또한 이러한 마이크로스트립 패치 안테나를 1×2 단위 배열된 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 형성한다.

이 때, 상기 제1 및 제2 패치는 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 4각형이고, 절단된 두 모서리의 위치는 상기 제1 패치와 이와 중첩하는 상기 제2 패치가 일치하며, 1×2 단위를 이루는 두 개의 상기 제1 패치는 절단된 두 모서리의 위치가 서로 반대가 되도록 배치하고, 1×2 단위 배열 급전부 위상이 0°,90°인 순차 회전 급전 방식으로 급전하는 것이 바람직하다.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 선형편파 및 원편파용 마이크로스트립 패치 안테나에 대하여 설명한다.

도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 단면도와 사시도이다.

유전체층(6)의 하면 전체에 접지도체층(7)이 형성되어 있고, 유전체층(6)의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 급전선(5)과 제1 패치(8)가 형성되어 있다. 급전선(5)과 제1 패치(8)는 전기적으로 직접 연결되어 있다. 급전선(5)과 제1 패치 (8)의 위에는 제1 폼층(4)이 형성되어 있고, 제1 폼층(4) 위에는 유전체 필름(3)이 형성되어 있다. 유전체 필름(3)의 위에는 금속으로 이루어진 제2 패치(1)가 형성되어 있고, 제2 패치(1)의 위에는 제2 폼층(2)이 형성되어 있다.

여기서 제1 패치(8)와 제2 패치(1)는 원편파 구현을 위해 직교하는 두 모드를 발생시킬 수 있도록 대각선으로 마주하는 두 모서리가 절단된 4각형 모양으로 형성되어 있다. 또, 제1 패치(8)와 제2 패치(1)는 상호 전자기적으로 효율적으로 결합할 수 있도록 중첩시켜 형성한다. 이 때, 절단된 두 모서리는 제1 패치(8)와 제2 패치(1)가 서로 일치하도록 배치한다. 이와 같이 급전선(5)과 연결되어 있는 제1 패치(8)를 이용하여 방사 패치인 제2 패치(1)와 전자기적으로 결합시킴으로써 결합 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서 제 1패치(8)와 제 2패치(1)의 두 모서리를 절단시키지 않을 경우, 광대역의 선형편파를 얻을 수 있다. 따라서 두 패치(8, 1) 사이의 거리가 어느 정도 멀어지더라도 안테나의 방사 효율이 문제될 정도로 감소하지는 않는다.

한편, 폼층(2, 4)은 다량의 공기 방울을 내포하고 있어서 유전율이 매우 낮다. 따라서 제1 패치(8)와 제2 패치(1)를 제1 폼층(4)을 이용하여 이격시킴으로써 축비 대역폭과 임피던스 대역폭 특성을 개선할 수 있고, 이를 통하여 안테나의 방사 효율이 향상되고 안테나의 이득 특성도 개선된다. 또, 제2 폼층(2)은 제2 패치(1)를 덮어 보호하되 전자파를 방사함에 있어서 제2 폼층(2)으로 인한 손실은 미미하다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 단면도이고, 도 5a와 도 5b는 각각 도 4의 23번 층과 26번 층의 배치도이다.

본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예에 따른 원편파용 광대역 마이크로스트립 패치를 순차 회전 급전 방식을 적용할 수 있도록 배열한 것이다.

먼저, 도 4 및 도 5a, 5b를 보면, 유전체층(26)의 하면 전체에 접지도체층(27)이 형성되어 있고, 유전체층(26)의 상면에는 금속으로 이루어져 있는 급전선(25)과 제1 패치(28)가 형성되어 있다. 급전선(25)과 제1 패치(28)는 전기적으로 직접 연결되어 있다. 급전선(25)과 제1 패치(28)의 위에는 제1 폼층(24)이 형성되어 있고, 제1 폼층(24) 위에는 유전체 필름(23)이 형성되어 있다. 유전체 필름(23)의 위에는 금속으로 이루어진 제2 패치(21)가 형성되어 있고, 제2 패치(21)의 위에는 제2 폼층(22)이 형성되어 있다. 이상과 같이, 제2 실시예에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 각 패치 부분은 제1 실시예로서 설명한 것과 동일한 구조를 가지고 있다.

도 5a에 나타낸 바와 같이, 1 × 2 단위 배열 안테나가 연속적으로 결합되어 하나의 원편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 이룬다. A는 순차 회전 급전 방식을 적용하기 위하여 직접 연결되어 있는 두 패치 사이에만큼의 전기적 경로차를 형성한 것이다. 직접 연결되어 있는 두 패치는 잘려나간 두 모서리의 위치가 서로 반대가 되도록 배치되어 있다. 잘려나간 두 모서리의 위치에 따라 우수 원편파와 좌수 원편파를 선택할 수 있다.

도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 원편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 축비, 이득 및 반사손실 면에서 모두 우수함을 알 수 있다. 본 발명의 안테나는 10dB 반사손실 대역폭 특성이 31% (중심주파수 11.85GHz) , 3dB 축비 대역폭 특성이 32.1% (중심주파수 11.85GHz)이다. 종래의 마이크로 스트립 패치 배열 안테나에서는 20% 이상의 축비 대역폭 특성을 얻기 어렵다.

앞서도 언급하였으나 본 발명은 선형편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나에도 적용될 수 있다. 즉, 도 3b와 도 5a 및 도 5b에서 제1 패치와 제2 패치를 모서리를 절단하지 않은 형태로 형성하면 선형편파용 마이크로스트립 패치 배열 안테나가 된다.

이상에서는 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형시켜 사용할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

이상과 같이, 급전선과 제1 패치를 전기적으로 직접 연결하고, 제1 패치와 제2 패치를 폼층을 사이에 두고 전자기적으로 결합시키면 급전선과 제2 패치 사이의 결합 특성을 향상시킬 수 있어서 안테나의 방사 효율이 향상되고, 유전율이 낮은 폼층을 사용하여 제1 패치와 제2 패치를 이격시키기 때문에 유전 손실을 저감할 수 있다. 또, 모서리가 절단된 패치를 사용함과 동시에 순차 회전 급전 방식을 사용함으로써 축비 대역폭 특성을 개선할 수 있다. 이를 통하여 임피던스 대역폭과 축비 대역폭, 그리고 이득 특성이 우수한 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 구현할 수 있다.

Claims

제1면과 제2면을 가지는 제1 유전체층,

상기 제1 유전체층의 제1면에 형성되는 접지도체층,

상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되는 급전선,

상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되고, 상기 급전선과 전기적으로 연결되며 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 제1 패치,

상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제2 유전체층, 그리고

상기 제2 유전체층 위에 형성되고 상기 제1 패치와 적어도 일부가 중첩되며, 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 제2 패치

를 포함하며,

상기 제2 유전체층은,

상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제1 폼층, 그리고

상기 제1 폼층 위에 형성되는 유전체 필름

을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
삭제
제1항에서,

상기 제2 패치 위에 형성되어 있는 제2 폼층을 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 제1 및 제2 패치는 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 4각형이고, 상기 절단된 두 모서리의 위치는 제1 패치와 제2 패치가 일치하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
제1면과 제2면을 가지는 제1 유전체층,

상기 제1 유전체층의 제1면에 형성되는 접지도체층,

상기 제1 유전체층의 제2면에 형성되는 급전선,

상기 유전체층의 제2면에 형성되고, 상기 급전선과 전기적으로 연결되며 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 형태로 1×2 단위 배열되는 다수의 제1 패치,

상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제2 유전체층,

상기 제2 유전체층 위에 형성되고 상기 제1 패치와 적어도 일부가 중첩되며 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 형태로 1×2 단위 배열되는 다수의 제2 패치, 그리고

상기 제2 유전체층 위에 형성되는 제2 폼층

을 포함하며,

상기 제2 유전체층은,

상기 급전선과 상기 제1 패치 위에 형성되는 제1 폼층, 그리고

상기 제1 폼층 위에 형성되는 유전체 필름

을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
삭제
제5항에서,

상기 제1 및 제2 패치는 대각선으로 마주보는 두 모서리가 절단된 4각형이고, 상기 절단된 두 모서리의 위치는 상기 제1 패치와 이와 중첩하는 상기 제2 패치가 일치하며, 1×2 단위를 이루는 두 개의 상기 제1 패치는 절단된 두 모서리의 위치가 서로 반대가 되도록 배치하고, 1×2 단위 배열 급전부 위상이 0°, 90°인 순차 회전 급전 방식으로 급전되는 마이크로스트립 패치 배열 안테나.