KR100917847B1 - 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 대역에서 적층구조를 갖는 기생 원형 패치를 추가하고 소정의 간격이 떨어진 곳에 링 형태의 공진기를 첨가함으로써 대역폭이 넓어지는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 관한 것으로, 복수의 유전체 기판이 적층되어 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 있어서, 상기 복수의 유전체 기판들 중 어느 하나의 유전체 기판에 형성되고, 신호 비아를 이용해 평면형 전송선과 연결되어 신호를 급전받는 원형패치; 상기 신호비아가 통과될 수 있는 슬롯이 형성되고, 상기 복수의 유전체 기판들 중 적어도 어느 하나의 유전체 기판에 형성되는 금속 접지면; 상기 원형패치보다 반지름이 작고 상기 원형패치와 중심이 동일하도록 상기 원형패치의 상부 유전체 기판에 형성되는 기생 원형패치; 및 상기 원형패치와 상기 기생 원형패치의 둘레에 형성되는 것으로, 적어도 하나 이상의 유전체 기판에 링 모양으로 형성되고, 상기 금속 접지면과 연결되어 안테나의 대역폭을 증가시키기 위한 링 공진기를 포함한다.

전방향 평면형 안테나, 복사패턴, 기생 원형패치, 평면형 전송선, 링 공진기

Description

전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나{Omni-directional planar antenna }

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 대한 일실시예 평면도,

도 2는 도 1a의 A-A′단면에 대한 일실시예 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 대한 다른 실시예 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 입력 반사 특성에 대한 일실시예 그래프,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 복사패턴 특성에 대한 일실시예 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

101: 유전체 기판 102: 원형패치

103: 평면형 전송선 104: 기생 원형패치

105: 링 공진기 201: 접지비아

202: 금속 접지면 203: 신호비아

301: 금속도체

본 발명은 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파 대역에서 적층구조를 갖는 기생 원형 패치를 추가하고 소정의 거리 떨어진 곳에 링 형태의 공진기를 첨가함으로써 대역폭이 넓어지는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 관한 것이다.

지금까지 무선 통신용 시스템에서는 전방향 안테나(omni-directional antenna)가 사용되어 왔다. 상기 전방향 안테나는 상당수가 특정 높이를 갖는 단극 안테나(monopole antenna), 쌍극 안테나(dipole antenna), 나선형 안테나(helical antenna) 등이며, 이들이 차지하는 면적이 크다는 단점이 있다.

한편, 셀룰러단말기, WLAN, WPAN의 경우와 같이 소형이며 경량인 시스템에서는 전방향 특성을 갖는 평면형 안테나(planar antenna) 또는 칩형 안테나(chip antenna)가 사용되고 있다.

상기와 같은 평면형 안테나는 가격면에서도 장점이 많아서 그동안 다양한 구조의 안테나가 제안되었다.

상기 평면형 안테나는 앙각(elevation)방향 및 방위각(azimuth)방향에서 다 음과 같은 복사패턴을 나타낸다. 즉, 상기 평면형 안테나는 앙각 방향(즉, θ=0°인 z축으로 향하는 방향)으로 에너지를 방사하지 않으며, 방위각 방향(즉, θ=90°인 x-y 평면에서 향하는 방향)에서 전방향 복사패턴을 나타낸다.

상기 평면형 안테나는 단극 안테나 또는 쌍극 안테나와 같은 선형 안테나의 변형된 구조인데, 밀리미터파와 같은 고주파 대역에서 동작할 경우에 전방향 복사 패턴이 아닌 특정방향으로 에너지가 집중되는 방향성 안테나의 복사패턴을 나타내는 단점이 있다.

한편, 상기와 같은 단점을 극복하기 위한 평면형 안테나는 접지면(ground plane)의 경계면에서 표면파(surface wave)의 회절 특성을 이용하도록 제안되었다.

상기 평면형 안테나는 주파수의 범위에 관계없이 방위각 평면(azimuth plane)에서 에너지가 전방향 복사패턴을 갖는다. 하지만, 상기 평면형 안테나는 대역폭이 통상적으로 5%로써 좁고, 안테나의 급전 구조가 동축 프로브(probe)를 이용함으로써 차지하는 면적이 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 고주파 대역에서 적층구조를 갖는 기생 원형 패치를 추가하고 소정의 거리 떨어진 곳에 링 형태의 공진기를 첨가함으로써 대역폭이 넓어지는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수의 유전체 기판이 적층되어 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 있어서, 상기 복수의 유전체 기판들 중 어느 하나의 유전체 기판에 형성되고, 신호 비아를 이용해 평면형 전송선과 연결되어 신호를 급전받는 원형패치; 상기 신호비아가 통과될 수 있는 슬롯이 형성되고, 상기 복수의 유전체 기판들 중 적어도 어느 하나의 유전체 기판에 형성되는 금속 접지면; 상기 원형패치보다 반지름이 작고 상기 원형패치와 중심이 동일하도록 상기 원형패치의 상부 유전체 기판에 형성되는 기생 원형패치; 및 상기 원형패치와 상기 기생 원형패치의 둘레에 형성되는 것으로, 적어도 하나 이상의 유전체 기판에 링 모양으로 형성되고, 상기 금속 접지면과 연결되어 안테나의 대역폭을 증가시키기 위한 링 공진기를 포함한다.

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상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또 한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나(이하 "평면형 안테나"라 함)에 대한 일실시예 평면도이고, 도 2는 도 1a의 A-A′단면도이다. 여기서, 도 1a는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 앞면을 나타내고, 도 1b는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 뒷면을 나타낸다.

도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 평면형 안테나는, 다층 기판과 복수의 비아를 사용하여 소형 경량의 평면형 전송선으로 급전 가능한 표면파의 회절을 이용하는 전방향 안테나이다.

상기 평면형 안테나는 소정의 두께를 갖는 유전체 기판(101)이 다층으로 적층되어 있다. 부가적으로, 상기 유전체 기판(101)은 실리콘(Si)과 같은 반도체 기판, 고주파용 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramics: LTCC)과 같은 세라믹 기판, 액정 고분자(Liquid Crystal Polymer: LCP)와 같은 유기 기판 등으로 구현될 수 있다.

또한, 상기 평면형 안테나는 유전체 기판(101) 위에 전기 전도율이 큰 후술할 복수의 금속패치가 인쇄된 구조를 갖는다.

먼저, 상기 평면형 안테나에는 유전체 기판(101)에 인쇄된 금속패치중 하나인 원형패치(102)가 있다. 상기 원형패치(102)는 전방향 복사패턴 특성을 나타내며 반지름 "r2"를 갖는다. 이때, 상기 원형패치(102)는 도 1b에 도시된 평면형 전송선(103)으로부터 들어온 신호가 급전되는데, 도 2에 도시된 신호비아(203)에 의해 상기 평면형 전송선(103)과 연결된다. 상기와 같이 평면형 안테나는 동축 프로브(probe)와 같이 면적이 큰 급전선을 사용하지 않고 다층 기판에서 구현이 용이한 평면형 전송선(103)에 의한 급전방식을 이용한다. 이를 통해, 상기 평면형 안테나는 급전된 원형패치(102)를 통해 대역폭이 좁은 전방향 복사패턴 특성을 얻을 수 있다.

부가적으로, 상기 평면형 전송선(103)은 마이크로스트립 전송선, 스트립 전송선, 코플라나 웨이브가이드(Co-Planar Waveguide: CPW), 접지 코플라나 웨이브가이드(Grounded Co-Planar Waveguide: GCPW) 등으로 구현될 수 있다.

또한, 상기 평면형 안테나에는 유전체 기판(101)에 인쇄된 금속패치중 다른 하나인 기생 원형패치(104)가 있다. 상기 기생 원형패치(104)는 도 2에 도시된 바와 같이 원형패치(102) 위에 일정간격 "t1"만큼 떨어져 배치되며 반지름 "r1"을 갖는다. 이때, 상기 기생 원형패치(104)는 원형패치(102)와 동일한 중심을 갖는다.

이를 통해, 상기 평면형 안테나는 급전된 원형패치(102) 위에 일정간격만큼 떨어진 기생 원형패치(104)가 배치됨으로써, 대역폭이 좁은 전방향 복사패턴 특성을 갖는 안테나가 아닌 대역폭이 넓은 전방향 복사패턴 특성을 갖는 안테나로 구현된다.

한편, 상기 평면형 안테나는 대역폭을 더 넓히기 위하여 급전된 원형패치(102) 및 기생 원형패치(106) 주위에 반지름 "r3" 및 "r4"인 위치에 링(ring) 형태의 공진기인 링 공진기(105)가 배치된다. 상기와 같이 링 공진기(105)는 유전체 기판(101) 사이에 하나 이상이 배치될 수 있다.

이때, 상기 링 공진기(105)는 복수의 접지비아(201)로 연결되어 아래에 위치한 금속 접지면(202)과 연결된다. 여기서, 상기 금속 접지면(202)은 전체가 금속으로 형성된 구조 또는 부분적으로 금속으로 형성된 구조로 구현될 수 있다. 또한, 상기 금속 접지면(202)은 임의의 모양을 갖는 슬롯(slot)을 형성함으로써, 원형패치(102)와 평면형 전송선(103)을 연결하는 신호비아(203)가 통과할 수 있도록 한다. 상기 금속 접지면(202)는 밀리미터파와 같은 고주파 대역에서 특정방향으로 에너지가 집중되는 방향성 안테나의 특성을 극복하기 위해, 접지면(ground plane)의 경계면에서 표면파의 회절 특성을 이용한다. 이로써, 상기 평면형 안테나는 전방향 복사패턴의 특성을 나타내게 된다.

이와 같이, 상기 평면형 안테나는 급전된 원형패치(102)가 전방향 복사패턴 특성을 나타내지만 대역폭이 좁은 단점(약 5% 정도)을 보완하여, 적층 구조를 갖는 기생 원형패치(104)를 추가하고 소정의 간격이 떨어진 곳에 링 형태의 링 공진기(105)를 첨가함으로써 밀리미터파와 같은 고주파 대역에서도 전방향 복사패턴 특성을 가지면서 넓은 대역폭(약 10% 정도)을 나타낸다.

또한, 상기 평면형 안테나는 급전 방식도 동축 프로브와 같은 면적이 큰 급전선을 사용하지 않고 다층 기판에서 구현이 용이한 평면형 전송선을 사용하여 집 적회로와 집적화가 용이하다. 특히, 상기 평면형 안테나는 실리콘과 같은 반도체 소자에서도 쉽게 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 대한 다른 실시예 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 평면형 안테나는, 복수의 접지비아(201)를 대신하여 소정의 두께인 금속도체(301)로 형성될 수 있음을 보여준다.

도 4는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 입력 반사 특성에 대한 일실시예 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 입력 반사 특성은 고주파 대역에서도 대략 10% 정도로 넓은 대역폭을 나타낸다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 복사패턴 특성에 대한 일실시예 그래프이다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나의 복사패턴 특성은, 도 5a의 방위각 방향에서 전방향 특성이 나타나고, 도 5b의 앙각 방향의 특정 각도에서 신호가 매우 미약하게 방사되는 널 포인트(null point)가 나타난다. 이를 통해, 본 발명의 평면형 안테나의 복사패턴 특 성은 단극 안테나 또는 쌍극 안테나의 복사패턴 특성과 유사함을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은 고주파 대역에서 전방향 복사패턴을 가지고, 소형화 및 저가격화를 달성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 집적회로(IC)와의 집적화가 용이하며, 실리콘 반도체 소자에서도 쉽게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 복수의 유전체 기판이 적층되어 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나에 있어서,

   상기 복수의 유전체 기판들 중 어느 하나의 유전체 기판에 형성되고, 신호 비아를 이용해 평면형 전송선과 연결되어 신호를 급전받는 원형패치;

   상기 신호비아가 통과될 수 있는 슬롯이 형성되고, 상기 복수의 유전체 기판들 중 적어도 어느 하나의 유전체 기판에 형성되는 금속 접지면;

   상기 원형패치보다 반지름이 작고 상기 원형패치와 중심이 동일하도록 상기 원형패치의 상부 유전체 기판에 형성되는 기생 원형패치; 및

   상기 원형패치와 상기 기생 원형패치의 둘레에 형성되는 것으로, 적어도 하나 이상의 유전체 기판에 링 모양으로 형성되고, 상기 금속 접지면과 연결되어 안테나의 대역폭을 증가시키기 위한 링 공진기

   를 포함하는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 링 공진기는, 상기 복수 유전체 기판 중 적어도 두개의 유전체 기판의 동일한 위치에 각각 형성되고, 각 유전체 기판에 형성된 상기 링 공진기들은 접지 비아들을 이용해 상기 금속 접지면과 연결되는 것을 특징으로 하는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 링 공진기는, 상기 복수의 유전체 기판들을 관통하여 상기 금속 접지면과 직접 연결되는 금속 도체인 것을 특징으로 하는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 평면형 전송선은,

   마이크로스트립 전송선과 스트립 전송선과 코플라나 웨이브가이드(CPW)와 접지 코플라나 웨이브가이드(GCPW)중 어느 하나에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 전방향 복사패턴을 갖는 평면형 안테나.
8. 삭제

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