KR101052320B1 - 유전공진기형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전공진기 안테나에 관한 것으로서, 상기 유전공진기 안테나는, 접지면 상에 배치될 제 1 표면이 금속층(11)으로 덮혀있는 유전물질 블록(10)을 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 제 1 표면과 수직인 적어도 하나의 제 2 표면은 상기 제 2 표면의 폭보다 작은 폭을 가지는 부분적인 금속층(12)으로 덮혀있다.

본 발명은 구체적으로 가정용 무선 네트워크를 위한 DRA에 응용된다.

유전체, 공진기, 안테나

Description

유전공진기형 안테나 {DIELECTRIC RESONATOR TYPE ANTENNAS}

도 1은 종래의 직사각형 블록으로 형성된 유전공진기형 기본 안테나의 개략적인 사시도.

도 2는 종래의 넓은 접지면 상에서 도시된 하나의 금속화된 표면을 갖는 직사각형 형태의 DRA의 사시도.

도 3은 종래의 접지면 상에 있는 소형 유전공진기형 안테나의 개략적인 사시도.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유전공진기형 안테니의 개략적인 사시도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도 4와 유사한 관점에서 도시한 도면.

도 6은 마이크로스트립 라인에 의해 신호 공급되는 유전공진기 안테나를 도시하는 도면.

도 7은 다양한 형태의 소형 DRA에 대해 주파수의 함수로서 반사 계수(S11)를 나타내는 곡선을 도시하는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

10,20,30: 유전물질 블록 11,12,21,22,23: 금속층

31: 기판 32: 접지면 금속층

33: 마이크로스트립 라인 34: 슬롯

본 발명은 소형(compact) 유전공진기형 안테나에 관한 것으로, 더 상세하게는 특히 일반소비자를 위한 무선 통신용 RF 회로에서 사용될 소형 유전공진기형 안테나에 관한 것이다.

가정용 무선 네트워크(domestic wireless networks)를 위한 일반소비자 제품과 관련된 안테나의 개발이라는 체재에 있어서, 유전공진기형 안테나 즉 DRA (Dielectric Resonator Antenna)는 통과대역 및 방사라는 면에서 흥미로운 성질을 나타낸다. 더 나아가 이런 형의 안테나는 표면 실장형 개별 부품 즉 CMS 부품의 형태로 사용하는 것에 완벽하게 적합하다. 특히 유전공진기형 안테나는 본질적으로 그 상대 유전율(relative permittivity) ε_r 에 의해 특징이 정해지는 임의의 형태의 유전물질 블록으로 구성된다. 마이크로파 및 밀리미터파 컴퓨터를 이용한 공학의 국제저널 제4권 제3호 제 230-247면(1994년)에 발표된 문건 "유전공진기 안테나 - 공진주파수 및 대역폭에 대한 리뷰 및 전체적인 설계 관련"에서 구체적으로 언급된 바와 같이, 유전공진기형 안테나의 통과대역 및 크기는 해당 공진기를 구성하는 물질의 유전 상수 ε_r 에 반비례한다. 따라서 유전 상수가 낮으면 낮을수록 DRA는 더 광대역이고 또한 크기가 더 크고; 반대로 DRA를 형성하는 물질의 유전 상수 ε_r 가 높으면 높을수록 DRA의 크기는 더 작은 반면에 이런 경우에 DRA는 더 좁은 통과대역을 나타낸다. 따라서, WLAN 표준을 따르는 가정용 무선 네트워크에 있어서 이런 형의 안테나 사용을 가능하게 하기 위해서는, 장비내에 통합될 수 있는 최소 부피를 제안하는 동시에 유전공진기의 크기와 통과대역 사이의 절충안을 찾아야할 필요가 있다.

유전공진기의 크기를 감소시키는 것을 가능하게 하는 많은 해결책들을 고려하면, 종래에 사용되는 해결책 하나는, 공진기의 내부에서 필드(장)의 대칭을 이용하여 전기 또는 자기 장벽 조건을 적용할 수 있는 절단면을 형성하도록 하는 것이다. 이런 형의 해결책은, 1997년 11월 06일의 일렉트로닉 레터스(Electronic Letters)의 제33권 제23호 1914면 내지 1916면에 발표된 "절반 부피 유전공진기 안테나 설계"라는 제목의 문건에서 구체적으로 기술되어 있다. 일정한 x 및 z에 의해 정의되는 평면들에서, TE^y ₁₁₁ 모드인 유전공진기형 안테나의 내부 전기장은 균일한 배향 및 이런 배향에 수직인 직선에 대해 대칭인 축을 나타낸다 라는 사실을 이용하여, 이미지 이론(theory of images)을 적용하는 것이 가능하며 대칭면에서 절단을 수행하고 DRA의 잘려나간 반쪽을 무한한 전기 장벽으로 대체함으로써 즉 금속화함으로써 DRA의 크기를 반쪽으로 만드는 것이 가능하다. 따라서 DRA는 도 1에 도시된 직사각형 형태의 DRA에서부터 도 2 및 도 3에 도시된 형태로 된다. 더 구체적으로, 도 1의 직사각형 유전공진기형 안테나는 치수 a, b, 2*d를 나타내는데, 이 치 수는 5.25 GHz 주파수에서 TE^y ₁₁₁ 모드에 따라 동작하는 유전율 ε_r = 12.6의 유전체에 대해 a = 10 ㎜, b = 25.8 ㎜, 2*d = 9.6 ㎜라고 산정되었다. 만약 제 1 전기 장벽이 도 2에 도시된 바와 같이 평면 z = 0 에 만들어진다면, 이 경우 직사각형 DRA는 치수 b 및 a는 도 1의 DRA의 b 및 a와 동일하지만 높이 d는 반쪽으로 된다. 더 나아가, 참조번호 1로 표시된 금속화된 부분은 평면 z = 0 에 전기 장벽이 만들어질 수 있게 한다. 도 3의 예에 따라, 평면 z = d 의 대칭을 이용하여 제 2 절개가 이루어질 수 있고, 이 경우 금속화된 부분(2)에 의해 x = 0 에서 만들어진 전기 장벽을 얻는다. 이에 따라, 유전공진기는 b/2, a, d와 같은 치수를 나타낸다. 유전공진기형 안테나의 크기는 따라서 기본 형태에 대하여 4분의 1로 감소되었다.

본 발명은 방사 성능의 열화없이 유전공진기형 안테나의 크기를 더욱 감소시키는 것을 가능하게 한다.

이에 따라 본 발명의 주제는, 접지면에 배치될 제 1 표면이 금속층으로 덮혀있는 유전물질 블록을 포함하며, 상기 제 1 표면에 수직인 적어도 하나의 제 2 표면이 상기 제 2 표면의 폭보다 작은 폭만큼 그리고 상기 제 2 표면의 높이와 동일하거나 더 작은 높이만큼 금속층으로 덮이는 것을 특징으로 하는 유전공진기 안테나이다.

바람직하게는 양호한 결과를 얻기 위하여 제 2 표면을 덮는 금속층이 상기 제 2 표면의 폭에 대하여 중앙에 오도록 한다. 본 발명의 다른 특징에 따라, 제 2 표면을 덮는 금속층은 제 1 표면에 평행한 제 3 표면을 덮는 금속층으로 연장된다. 바람직하게, 제 3 표면을 덮는 금속층은 제 3 표면의 길이보다 작은 폭에 걸쳐 퍼진다. 또 다른 특징이 따라, 제 3 표면을 덮는 금속층의 폭은 제 2 표면을 덮는 금속층의 폭과는 다르다.

이 경우, 아래에서 기술되는 바와 같이, 상술된 DRA보다 더욱 소형의 DRA가 얻어진다. 크기 감소의 효과는 유전공진기형 안테나 내부의 필드 라인을 길게 만드는 것에 의해 설명될 수 있다. 특히 상기 부분적인 금속화에 의해, 필드 라인을 길게 만드는 한편 전기장에 필드 라인을 변형시키는 새로운 경계 조건이 가해진다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 다양한 실시예에 대하여 첨부된 도면들을 참조로 기술되는 상세한 설명을 읽을 때 명확하게 될 것이다.

도 4에서 개략적으로 사시도로 예시된 것은 본 발명에 따른 소형 유전공진기형 안테나의 제 1 실시예이다. 유전공진기는 본질적으로 하나의 유전 물질 블록(10)으로 구성된다. 비유전율(specific permittivity) ε_r 을 나타내는 유전 물질은 세라믹, 또는 유전체로 채워진 폴리에테르이미드(PEI: polyetherimide)나 폴리프로필렌(PP)의 금속화가능한 플라스틱에 기초하는 물질일 수 있다. 예시된 실시예에서 블록은 직사각형 형태이지만, 상기 블록이 다른 어떠한 형태, 구체적으로 말해 정사각형 형태 또는 심지어 원통형이나 다각형 형태를 하여도 된다는 것이 당업자에게는 명확하다. 기존 방식으로, 블록의 크기를 감소시키기 위하여, 접지면을 가진 기판 상에 눕혀질 하부 표면이 금속층(11)으로 덮힌다. 본 발명에 따라, 금속층(11)으로 덮힌 표면에 수직하는 표면들 중 하나도 역시 부분적인 금속층(12)으로 덮힌다. 금속층들은 예컨대 은, 크롬, 니켈로 만들어지거나 또는 구리/니켈이나 구리/주석 다중층으로 만들어지며, 그 금속층 형성은 알루미나와 같은 세라믹 기초의 경우에는 전도성 잉크를 스크린인쇄 또는 금속화가능한 플라스틱의 경우에는 전기화학적 증착 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 니켈이나 또는 주석의 형성에 의해 덮힌 표면을 어떠한 부식 현상도 회피하도록 개선시키기 위해 플라스틱에 고정하기 위한 화학적 구리의 층과 그 다음에 전해질 구리의 층으로 된 다중층을 사용하는 것이 바람직하다. 금속화는 은, 크롬, 니켈 유형의 금속의 진공 증착에 의해서도 수행될 수 있다. 이 경우, 증착막의 두께는 미크론(micron)에 가깝다.

도 4의 블록의 경우, 금속화층(12)은 블록의 전체 높이에 걸쳐 형성되어 있다.

본 발명의 다른 실시예는 이제 도 5를 참조하여 기술될 것이다. 이 경우 유전공진기형 안테나는 유전율 ε_r 의 유전 물질로 된 직사각형 블록(20)으로 구성된다. 도 4의 안테나와 마찬가지로 금속층(21)이 블록의 해당 표면 상에 형성되어 있다. 이 표면은 접지면을 가진 기판 상에 탑재된다. 마찬가지로, 본 발명에 따라, 블록(20)의 수직 표면들 중 하나의 표면의 폭보다 작은 폭을 가진 금속층(22)이 상기 수직 표면들 중 하나의 표면 상에 형성되고, 본 발명의 다른 특징에 따라, 이 층(22)은 금속층(21)을 가진 표면에 평행한 블록(20)의 표면에 형성된 금속층(23)에 이어져 연장된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 층(23)은 자신이 형성되어 있는 표면의 길이보다 작은 길이 m_h를 가진다.

도 4 및 도 5에 따라 만들어진 유전공진기형 안테나의 크기의 감소를 예시하기 위해서, FDTD(Finite Difference Time Domain)법에 기초하는 3D 전기자기적 시뮬레이션 소프트웨어에 기반하여 다양한 형태의 치수 결정과정이 이루어졌다. 이에 따라 마이크로스트립 라인을 경유하여 슬롯을 통해 신호 공급되는, 직사각형 유전공진기형 안테나가 시뮬레이팅되었다. 이 구조는 도 6의 (a), (b) 및 (c)에 도시된다. 이 경우, 도 5의 경우와 똑같이 금속화층을 가진 블록(30)이 기판(31) 상에 탑재된다. 기판(31)은 약한 RF 품질을 특징으로 하는, 즉 그 유전 특성 내에 상당한 편차를 나타내며 또한 상당한 유전 손실을 나타내는, 유전율 ε'_r 의 유전체 기판이다. 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(31)의 두 외부 표면, 즉 상부 표면은 접지면을 형성하는 층(32)에 의해 금속화되어 있고 하부 표면은 마이크로스트립 라인(33)이 에칭되어 있는 층에 의해 금속화되어 있다. DRA는 상부 표면 상에 배치된 접지면에 만들어진 슬롯(34)을 통해 하부 표면 상에 에칭된 마이크로스트립 라인(33)에 의해 종래의 방식으로 신호 공급된다. DRA는 FR4형 기판( ε'_r = 4.4, h = 0.8 ㎜) 상에서 5.25 GHz에서 동작하는 방식으로 도 1 내지 도 5에서 기술된 다양한 형태에 따라 치수결정되었다. DRA는 유전율 ε_r = 12.6의 유전체로 만들어진다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 신호 공급 시스템(슬롯 및 라인)은 DRA의 폭 a 의 중심에 온다 즉 D₂ = a/2 이다. 이 경우, 신호 공급 라인은 특성 임피던스 50 Ω(Wm = 1.5㎜)을 나타내고 슬롯(34)의 치수는 Ws 및 Ls이다. 마이크로스트립 라인(33)은 도 6c에 명확하게 도시된 바와 같이 슬롯의 중심에 대해 돌출부 m을 갖도록 슬롯(34)을 수직으로 횡단한다. 슬롯의 위치는 치수 D₁으로 표시된다. 도 2 및 3에 대응하는 구조에 있어서 DRA는 무한 접지면 상에 놓이는 반면, 도 5 즉 본 발명의 실시예중 하나에 대응하는 구조에 있어서 DRA는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같은 접지면의 가장자리에 배치된다. DRA의 다양한 구조에 대해 얻어진 치수들이 아래 표 1에서 주어진다.

εr= 12.6	a (mm)	b (mm)	높이 (mm)	Ls (mm)	Ws (mm)	m (mm)	mv (mm)	mh (mm)	D1 (mm)
기본 DRA	10	25.8	2*d=9.6	6	2.4	3.3	0	0	0
접지면상의DRA	10	25.8	d=4.8	6	2.4	3.3	0	0	0
½DRA	10	12.9	d=4.8	7.5	1.2	3.6	10	0	9
도6의 DRA	8.5	6	d=4.8	8	1.2	3	5	1.8	5.1

명확하게 알 수 있는 바와 같이, 도 6의 DRA는 다른 DRA들의 10인 길이가 아니라 8.5인 길이 a를 나타내고, 12.9과 25.8 사이에서 변하는 폭이 아니라 6인 폭 b를 나타내며, 4.8과 9.6 사이에서 변하는 높이가 아니라 4.8인 높이 d를 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 DRA를 통해, ½DRA에 대하여 3분의 1만큼 더 감소된 것을 얻을 수 있다.

더 일반적으로, 유전공진기형 안테나는 먼저 위에서 언급된 일렉트로닉 레터스에 기술된 바와 같이, 두 개의 대칭면을 따라 절단 원리를 이용하여 필요한 크기로 된다. 부분 금속화층이 위에서 기술된 바와 같이 형성된다. 구체적으로 사용된 물질에 따라 그 크기가 달라지는 부분 금속화층은 DRA의 동작 주파수의 감소를 초래한다. 결과적으로, 치수 a 및 b는 원하는 주파수가 전송되도록 적응된다.

더 나아가, 반사 계수 S11을 주파수의 함수로서 제공하고 있는 도 7에 도시된 바와 같이, 도 5의 DRA는 도 3 및 4의 DRA들과 필적하는 적응 레벨을 제공한다는 것이 나타난다.

위에서 기술된 실시예들은 대안적인 실시예들로 변화될 수 있다. 구체적으로 제 2 표면의 부분 금속화 층의 폭은 제 3 표면의 금속화 층의 폭과 다를 수 있다.

따라서, 본 발명의 구성에 따라, DRA의 크기는 크게 감소되며 반면에 필적하는 성능을 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 접지면 상에 탑재되도록 의도되고 제 1 금속층(11,21)으로 덮혀 있는 제 1 표면을 갖는 유전 물질의 직육면체 블록(10, 20)을 포함하는 유전 공진기 안테나(dielectric resonator antenna)에 있어서,

   상기 제 1 표면에 수직인 하나의 제 2 표면이 상기 제 2 표면의 폭보다 작은 폭에 걸쳐 그리고 상기 제 2 표면의 높이와 같거나 작은 높이에 걸쳐 상기 제 1 금속층(11, 21)과 전기적으로 접촉하는 제 2 금속층(12,22)으로 덮혀 있고,

   상기 유전 물질의 직육면체 블록은 상기 제 1 표면과 대향하는 제 3 표면을 구비하고 상기 제 3 표면으로부터 전자기파를 방출하기 위해 전도성 물질에 의해 적어도 부분적으로 덮혀 있지 않는 것을 특징으로 하는, 유전 공진기 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 표면을 덮고 있는 제 2 금속층은 상기 제 2 표면의 폭에 대하여 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는, 유전 공진기 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 표면을 덮고 있는 제 2 금속층은 상기 제 1 표면에 평행한 제 3 표면을 덮고 있는 제 3 금속층(23)에 이어지는 것을 특징으로 하는, 유전 공진기 안테나.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 표면을 덮고 있는 제 3 금속층은 상기 제 3 표면의 길이보다 더 작은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 유전 공진기 안테나.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 표면을 덮고 있는 제 3 금속층의 폭은 상기 제 2 표면을 덮고 있는 제 2 금속층의 폭과 다른 것을 특징으로 하는, 유전 공진기 안테나.

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