KR101209567B1 - 기생 패치를 이용하여 방사 패턴 및 이득이 개선된 초광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상부면에 형성되며, 사분타원 (quarter-ellipse) 형태를 갖는 제1 금속패턴, 상기 제1 금속패턴의 급전 경로를 형성하고, 상기 제1 금속패턴으로부터 연장되는 급전부, 상기 유전체 기판의 하부면에 형성되며, 상기 급전부를 중심으로 상기 제1 금속 패턴과 대칭되는 제2 금속패턴을 포함하여, 정합특성과 전후방 방사비 특성이 향상된 초광대역 안테나를 제공한다.

Description

기생 패치를 이용하여 방사 패턴 및 이득이 개선된 초광대역 안테나{ULTRA WIDE BAND ANTENNA USING A PARASITIC ELEMENT TO ENHANCE RADIATION PATTERN AND GAIN}

본 발명은 초광대역 안테나에 관한 것으로, 특히 넓은 주파수 대역에서 반사계수 특성이 향상된 초광대역 안테나에 관한 것이다.

UWB(ULTRA WIDE BAND) 통신 시스템은 신호의 확산 특성을 이용한 기술로써 변조된 정현파 대신 시간축 상에서 주기가 짧은 펄스를 송신하게 되면 그 신호는 주파수축 상에서 넓게 펼쳐진다는 원리를 이용한 기술이다. 즉 UWB 통신 방식은 매우 짧은 주기를 갖는 펄스열로 확산시켜 통신을 수행하는 방식이다.

UWB 통신 방식은 펄스의 주기를 매우 짧게 함으로써 각 국가별로 전파 기준으로 삼고 있는 주파수당 송신 에너지 밀도를 낮출 수 있으므로 특별한 규제 없이 사용할 수 있다.

UWB 통신 방식은 낮은 전력 스펙트럼을 가짐으로써 우수한 보안성을 가지고, 전파 상호 간 간섭이 적으며, 저전력 특성 등의 장점을 갖는다. 또한 다중 경로에 강하고, 짧은 펄스에 의한 분해능을 이용하여 정밀한 위치 인식 및 추적이 가능하며, 큰 대역폭을 갖기 때문에 장애물 투과 특성이 우수하여 빌딩 내부, 도심지 및 삼림지역에서 장애물 탐지용으로 운용이 가능하다.

상기와 같은 장점으로 인해 전 세계적으로 활발한 연구가 진행 중이다. 특히, UWB 기술 구현의 핵심 기술 중의 하나인 안테나 분야 역시 많은 관심을 가지고 활발한 연구가 진행 중이다.

안테나 설계 측면에서 보면, 기존의 안테나와는 달리 UWB 안테나 설계 시에는 여러 가지 제약 사항을 고려해야 한다. UWB 시스템에 적용할 수 있는 적절한 안테나의 결정인자로는 정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)로 표시되는 정합조건(넓은 임피던스 대역폭), 안테나 효율, 송신기로부터 파형의 왜곡없이 전달하기 위한 복사패턴, 복사패턴에 의해서 나타나는 주빔 특성(Mainlobe characteristics), 안테나 전달함수로 표현되는 군지연(Group delay) 및 이득 평탄도(Gain flatness) 등이 있다.

종래에 사용된 비발디 안테나는 평판형 안테나로써, 동일면 위에 복사면 2개가 위치하는데, UWB 안테나로 사용하기에는 안테나의 대역폭 특성이나 고이득 특성 또는 이득 평탄도 등에 한계가 있으며, 급전선과 복사면 사이에 정합을 시키기 위한 스터브 및 공진기를 별도로 설계해야 하는 문제점이 있다.

본 발명의 일 목적은 반사계수의 대역폭 특성이 향상된 초광대역 안테나를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이득 특성 및 전후방 방사비 성능이 향상된 초광대역 안테나 장치 및 초광대역 안테나 설계방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상부면에 형성되며, 사분타원 (quarter-ellipse) 형태를 갖는 제1 금속패턴, 상기 제1 금속패턴의 급전 경로를 형성하고, 상기 제1 금속패턴으로부터 연장되는 급전부, 상기 유전체 기판의 하부면에 형성되며, 상기 급전부를 중심으로 상기 제1 금속 패턴과 대칭되는 제2 금속패턴을 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 초광대역 안테나는 상기 유전체 기판의 하부면에 상기 제2 금속패턴과 이격되어 형성되고, 도전성 재질인 접지부를 더 포함할 수 있다.

상기 사분타원의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이일 수 있다.

상기 사분타원의 외주 중 적어도 일부는 지수 곡선 형태일 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 초광대역 안테나는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상부면에 형성되는 상부 방사패치, 안테나의 이득을 향상시키기 위하여 상기 유전체 기판의 상부면에 상기 상부 방사패치와 제1 간격을 가지고 형성되는 상부 기생패치, 상기 상부 방사패치의 급전 경로를 형성하고, 상기 상부 방사패치로부터 연장되는 급전부, 상기 유전체 기판의 하부면에 상기 급전부를 중심으로 상기 상부 방사패치와 대칭되는 하부 방사패치; 및 상기 유전체 기판의 하부면에 상기 급전부를 중심으로 상기 상부 기생패치와 대칭되는 하부 기생패치를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 상부 방사패치와 상부 기생패치 및 제1 간격의 합은 제1 사분타원을 이룰 수 있다.

상기 초광대역 안테나는 상기 유전체 기판의 하부면에 상기 하부 방사패치 및 하부 기생패치와 이격되어 형성되고, 도전성 재질인 접지부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 초광대역 안테나의 상기 상부 방사패치는 상기 제1 사분타원에서 제2 사분타원을 뺀 형태이되, 상기 제 2 사분타원은 상기 제1 사분타원과 동심 타원이며, 상기 제1 사분타원 내부에 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 상부 기생패치는 제3 사분타원 형태를 가지며, 상기 제3 사분타원은 상기 제1 사분타원과 동심 타원이며, 상기 상부 방사패치와 제2 간격을 가지고 형성될 수 있다.

상기 제3 사분타원의 외주 중 적어도 일부는 지수 곡선 형태일 수 있다.

상기 제1 사분타원의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이일 수 있다.

상기 제1 사분타원의 단축의 길이는 상기 제1 사분타원의 장축의 길이와 상기 급전부의 너비로부터 산출될 수 있다.

상기 제2 사분타원의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이와 상기 급전부의 너비로부터 산출될 수 있다.

상기 제3 사분타원의 장축 및 단축의 길이는 상기 제2 사분타원의 장축과 단축의 길이보다 상기 제2 간격만큼 짧다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나는 상기 유전체 기판의 두께, 유전상수를 이용하여 급전부의 특성 임피던스에 해당하는 급전부의 너비를 산출하는 제1 단계, 동작 주파수와 상기 유전체 기판의 유전상수를 이용하여 안테나부의 길이와 너비를 산출하는 제2 단계 및 상기 산출된 상기 안테나부의 길이와 너비 및 상기 급전부의 너비를 이용하여 상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상부 방사패치와 하부 방사패치를 형성하는 제3 단계를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 초광대역 안테나 설계 방법은 안테나의 이득 특성을 향상시키기 위하여 상기 산출된 상부 방사패치와 하부 방사패치와 간격을 두고 상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상부 방사패치와 하부 방사패치를 형성하는 제4 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 유전체 기판의 상부면 및 하부면에 사분타원(quarter-ellipse) 형태를 갖으며 상기 급전부를 중심으로 대칭인 제1 및 제2 금속패턴을 구비하여, UWB 통신 서비스 주파수 대역에서 반사계수 특성이 향상된 초광대역 안테나를 제공한다.

또한, 본 발명은 유전체 기판의 상부면 및 하부면에 방사패치와 상기 방사패치와 간격을 가지고 형성되는 기생패치를 구비하여, 대역폭 특성 외에도 고이득 특성 및 전후방 방사비 특성이 향상됨으로써 UWB 통신 시스템의 성능 개선에 기여할 수 있는 초광대역 안테나를 제공한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나의 사시도이고,
도 1b는 도 1a에 따른 초광대역 안테나의 전면도이고,
도 1c는 도 1a에 따른 초광대역 안테나의 후면도이고,
도 2a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 초광대역 안테나의 전면도이고,
도 2b는 도 2a에 따른 초광대역 안테나의 후면도이고,
도 2c는 도 2a에 따른 방사패치 및 기생패치를 형성하는 개념도이고,
도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 초광대역 안테나의 전면도이고,
도 3b는 도 3a에 따른 초광대역 안테나의 후면도이고,
도 3c는 도 3a에 따른 방사패치 및 기생패치를 형성하는 개념도이고,
도 4는 도 2 내지 도 3에 따른 초광대역 안테나에 적용 가능한 초광대역 안테나의 설계 방법을 나타낸 순서도이고,
도 5는 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나의 동작 주파수 대역에서 반사계수(Return loss) 특성을 나타낸 결과도이고,
도 6의 (a) 내지 (c)는 각각 하측 주파수, 중심 주파수 및 상측 주파수에서 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나의 고각(elevation angle)에 대한 방사 패턴을 나타낸 결과도이고,
도 7의 (a) 내지 (c) 각각 하측 주파수, 중심 주파수 및 상측 주파수에서 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나의 방위각(azimuth angle)에 대한 방사 패턴을 나타낸 결과도이고,
도 8은 동작 주파수 대역에서 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나의 이득 특성을 나타낸 결과도이다.

이하, 본 발명과 관련된 초광대역 안테나에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나(100)의 사시도이고,

도 1b는 도 1a에 따른 초광대역 안테나(100)의 전면도이고, 도 1c는 도 1a에 따른 초광대역 안테나(100)의 후면도이다.

상기 초광대역 안테나(100)는 유전체 기판(110), 제1 금속 패턴(111), 급전부(115), 및 제2 금속 패턴(121)을 포함한다.

상기 유전체 기판(110)은 상부면에 상기 제1 금속 패턴(111) 및 급전부(115)가 형성되고, 하부면에 상기 제2 금속 패턴(121) 및 접지부(125)가 형성된다. 여기서 상기 접지부(125)는 도전성 재질로, 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 상기 제2 금속패턴(112)과 이격되어 형성된다.

상기 유전체 기판(110)은 상기 급전부(115)가 전자기 신호를 전송하는 매체 또는 상기 제1 및 제2 금속패턴(111, 121) 사이에서 상기 전자기 신호가 상호 결합되는 매체에 해당한다.

상기 제1 금속 패턴(111)은 상기 유전체 기판(110)의 상부면에 형성되며, 사분타원(quater-ellipse) 형태를 가진다. 상기 사분타원은 타원의 장축과 단축을 경계로 상기 타원을 4등분한 도형에 해당한다.

상기 급전부(115)는 상기 제1 금속 패턴(111)의 급전 경로를 형성하고, 상기 제1 금속패턴(111)으로부터 연장된다.

상기 급전부(115)는 제1 급전부(115a) 및 제2 급전부(115b)를 구비한다.

상기 제1 급전부(115a)는 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성되는 상기 접지부(125)에 의해 마이크로스트립 라인 형태로 구현된다.

상기 제2 급전부(115b)는 상기 제1 금속패턴(111)과 제1 급전부(115a) 사이의 천이부(transistion)에 해당한다. 상기 제2 급전부(115)의 일부는 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성된 상기 제2 금속패턴(121)의 일부와 상하면으로 중첩되므로, 상기 제2 급전부(115)는 평행 스트립 라인(parallel strip line) 형태로 구현된다.

상기 제2 금속 패턴(121)은 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성되며, 상기 급전부(112)를 중심으로 상기 제1 금속 패턴(111)과 대칭된다. 따라서 상기 초광대역 안테나(100)의 방사패턴의 주 빔(main lobe)은 임의의 평면에 대하여 좌우 대칭인 형태를 갖는다.

상기 초광대역 안테나(100)는 상기 유전체 기판(110)의 동일면 위에 제1 및 제2 방사체가 배치되는 것이 아니라, 상부 및 하부면에 상기 급전부(110)를 대칭으로 제1 및 제2 금속패턴(111, 121)이 일부 중첩되어 배치된다. 그러므로, 일부가 중첩 배치된 상기 제1및 제2 금속패턴(111, 121)에 의하여 안테나의 임피던스가 감소하고, 상기 제2 급전부(115b)가 임피던스 변환기(impedance transformer)의 역할을 한다. 따라서 상기 초광대역 안테나(100)는 임피던스 정합을 위하여 별도의 임피던스 변환기 및 스터브(stub)를 요하지 않으므로, 전체 안테나의 크기를 감소시킴과 동시에 설계상의 편의를 제공한다.

상기 초광대역 안테나(100)는 공진형(resonance type) 안테나가 아닌 진행파형(traveling wave type) 안테나로, 개구면(aperture)를 크게 하여 자유 공간과의 임피던스 정합을 용이하게 하여 초광대역 특성을 얻을 수 있다. 따라서 상기 초광대역 안테나(100)는 진행파형 안테나로서 동작하기 위하여, 상기 사분타원의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이로 산출된다.

상기 제1 급전부(115a)와 제1 금속패턴(111)사이의 임피던스 변환부인 상기 제2 급전부(115b)에 의하여 상기 초광대역 안테나(100)는 제한된 크기 내에서 초광대역 특성을 갖는다. 즉 상기 제2 급전부(115b)는 별도의 4반파장 임피던스 변환기(quarter wavelength impedance tranformer)를 요하지 않으므로, 안테나의 크기를 감소시킴과 동시에 초광대역 특성을 갖는다.

상기 사분타원의 외주 중 적어도 일부는 지수 곡선 형태이다. 도 1을 참조하여, 상기 지수 곡선 상의 두 점 (z₁,y₁), (z₂, y₂)이 주어졌을 때, 승수 비(opening rate) R을 가지는 상기 지수 곡선의 방정식은 예를 들면 수학식 1과 같다.

여기서,

이하, 도 2a 내지 도 3c를 참조하여 이득 및 전후방 방사비가 개선된 초광대역 안테나의 구조는 다음과 같다.

도 2a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 초광대역 안테나(200)의 전면도이고, 도 2b는 도 2a에 따른 초광대역 안테나의 후면도이고, 도 2c는 도 2a에 따른 방사패치 및 기생패치를 형성하는 개념도이다.

상기 초광대역 안테나(200)는 유전체 기판(110), 상부 방사패치(211), 상부 기생패치(212), 급전부(115), 하부 방사패치(221) 및 하부 기생패치(222)를 포함한다.

상기 유전체 기판(110)은 상부면에 상기 상부 방사패치(211), 상부 기생패치(212) 및 급전부(115)가 형성되고, 하부면에 상기 하부 방사패치(221), 하부 기생패치(222) 및 접지부(125)가 형성된다. 여기서 상기 접지부(125)는 도전성 재질이며, 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 상기 하부 방사패치(221) 및 하부 기생패치(222)와 이격되어 형성된다.

상기 상부 방사패치(211)는 상기 유전체 기판(110)의 상부면에 형성된다.

상기 상부 기생패치(212)는 안테나의 이득을 향상시키기 위하여 상기 유전체 기판(110)의 상부면에 상기 상부 방사패치(211)와 제1 간격(G1)을 가지고 형성된다.

상기 급전부(215)는 상부 방사패치(211)의 급전 경로를 형성하고, 상기 상부 방사패치(211)로부터 연장된다. 상기 급전부(215)는 마이크로스트립 라인 형태인 제1 급전부(215a) 및 평행 스트립 라인 형태인 제2 급전부(215b)를 구비한다.

상기 하부 방사패치(221)은 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성되며, 상기 급전부(215)를 중심으로 상기 상부 방사패치(211)와 대칭된다.

상기 하부 기생패치(222)는 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성되며, 상기 급전부(115)를 중심으로 상기 하부 상부 기생패치(212)와 대칭된다.

도 2c를 참조하면, 상기 상부 방사패치(211)와 상기 상부 기생패치(212) 및 상기 제1 간격(G1)의 합은 제1 사분타원(R1)을 이룬다. 상기 제1 사분타원(R1)은 타원의 장축과 단축을 경계로 상기 타원을 4등분한 도형에 해당한다. 상기 상부 방사패치(211)는 상기 제1 사분타원(R1)의 일부에 해당한다. 즉 상기 상부 방사패치(211)의 외주 중 적어도 일부는 제1 사분타원(R1)의 외주 중 적어도 일부와 일치한다.

상기 제1 사분타원(R1)의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이이다. 안테나의 동작 주파수에 해당하는 파장을 λ, 안테나의 길이를 L 이라고 하면, 안테나의 이득은 L/λ에 비례하므로, 안테나의 길이가 증가하면 안테나의 이득(gain)은 증가한다. 그러나 동일한 안테나 크기에 대하여 최대의 안테나 이득을 얻기 위하여, 상기 상부 및 하부 방사패치(211, 221)에 상기 상부 및 하부 기생패치(212, 222)를 상기 제1 간격(G1)을 두고 배치한다.

상기 상부 기생패치(212)는 제2 사분타원(R2)의 일부에 해당한다. 상기 제2 사분타원(R2)은 타원의 장축과 단축을 경계로 타원을 4등분한 도형의 일부에 해당한다. 즉 상기 상부 기생패치(212)의 외주 중 적어도 일부는 제2 사분타원(R2)의 외주 중 적어도 일부와 일치한다. 상기 제2 사분타원(R2)은 상기 제1 사분타원(R1)과 동심 타원이며, 상기 제 1 사분타원(R1)의 내부에 형성된다.

도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 초광대역 안테나(300)의 전면도이고, 도 3b는 도 3a에 따른 초광대역 안테나의 후면도이고, 도 3c는 도 3a에 따른 방사패치 및 기생패치를 형성하는 개념도이다.

상기 초광대역 안테나(300)는 유전체 기판(110), 상부 방사패치(311), 상부 기생패치(312), 급전부(115), 하부 방사패치(321) 및 하부 기생패치(322)를 포함한다.

상기 유전체 기판(110)은 상부면에 상기 상부 방사패치(211), 상부 기생패치(212) 및 급전부(115)가 형성되고, 하부면에 상기 하부 방사패치(221), 하부 기생패치(222) 및 접지부(125)가 형성된다. 여기서 상기 접지부(125)는 도전성 재질로, 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 상기 하부 방사패치(321) 및 하부 기생패치(322)와 이격되어 형성된다.

상기 상부 방사패치(311)는 상기 제1 사분타원(R1)에서 제2 사분타원(R2)를뺀 형태이되, 상기 제2 사분타원(R2)은 상기 제1 사분타원(R1)과 동심 타원이며, 상기 제1 사분타원 내부에 형성된다.

상기 상부 기생패치(312)는 상기 제3 사분타원(R3) 형태를 가지며, 상기 제3 사분타원(R3)은 상기 제1 사분타원(R1)과 동심 타원이며, 상기 상부 방사패치(311)와 제2 간격(G2)을 가지고 형성된다. 상기 제3 사분타원(R3)의 외주 중 적어도 일부는 지수 곡선 형태이다.

상기 제1 사분타원(R1)의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이이다. 상기 제1 사분타원(R1)의 단축의 길이는 상기 제1 사분타원(R1)의 장축의 길이와 상기 급전부의 너비로부터 산출된다. 상기 제1 사분타원(R1)의 장축 및 단축의 길이를 각각 r_{1 ,} r₂라고 하고, 상기 급전부(115)의 너비를 w_m이라고 하면, 상기 장축의 길이 r_{1 ,}은 r_{1 ,}=l=λ으로, 상기 단축의 길이 r_{2 ,}는 r_2,=(w+w_m)/2로 산출된다. 여기서, l, w는 안테나부의 길이와 너비에 해당하고, λ는 안테나의 동작주파수에 대응되는 파장이다.

상기 제2 사분타원(R2)의 장축의 길이는 안테나의 동작 주파수 대역의 한 파장에 해당하는 길이와 상기 급전부의 너비로부터 산출된다. 상기 제2 사분타원(R2)의 단축의 길이는 상기 제2 사분타원(R2)의 장축의 길이에 비례하여 산출될 수 있다. 안테나부의 이득과 전후방 방사비 특성을 향상시키기 위해 상기 단축의 길이는 상기 장축의 길이의 0.5배로 산출될 수 있다. 따라서 상기 제1 사분타원(R1)의 장축 및 단축의 길이를 각각 r_{s1 ,} r_s2라고 하고, 상기 급전부(115)의 너비를 w_m이라고 하면, 상기 장축의 길이 r_{s1 ,}은 r_{s1 ,}=(w-w_m)/2으로, 상기 단축의 길이 r_{s2 ,}는 r_{s2 ,}=0.5r_{s1 ,}로 산출될 수 있다.

다시 도 3a를 참조하면, 상기 하부 방사패치(321)는 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성되며, 상기 급전부(115)를 중심으로 상기 상부 방사패치(311)와 대칭된다.

상기 하부 기생패치(322)는 상기 유전체 기판(110)의 하부면에 형성되며, 상기 급전부(115)를 중심으로 상기 상부 기생패치(312)와 대칭된다.

도 4는 도 2 내지 도 3에 따른 초광대역 안테나(200, 300)에 적용 가능한 초광대역 안테나 설계 방법을 나타낸 순서도이다.

도 2에 따른 상기 초광대역 안테나(200)에 적용 가능한 초광대역 안테나 설계 방법은 제1 단계 내지 제3 단계를 포함한다.

상기 제1 단계(S100)는 상기 유전체 기판의 두께, 유전상수를 이용하여 급전부의 특성 임피던스에 해당하는 급전부의 너비를 산출한다.

상기 급전부는 상기 유전체 기판의 상부면에 신호선이 배치되고, 하부면에 접지부가 배치된 마이크로 스트립 구조를 가진다. 특성 임피던스(Z₀)를 50Ω인 급전부의 너비(w_m)는 예를 들면 하기의 수학식 2로 산출될 수 있다.

여기서, A, B는 각각

,

이다.

상기 제2 단계(S200)는 동작 주파수와 유전체 기판의 유전상수를 이용하여 안테나부의 길이와 너비를 산출한다.

상기 안테나부의 동작 주파수 대역에서 가장 낮은 제1 동작 주파수(f_l), 유전체 기판의 두께(h)와 유전상수(ε_r)로부터 상기 안테나부의 길이(l)와 너비(w)는 예를 들면 하기의 수학식 3으로 산출된다.

여기서, c는 자유 공간에서의 빛의 속도이다.

즉 상기 안테나부의 길이(l)와 너비(w)는 상기 제1 동작 주파수의 한 파장에 해당하는 길이로 산출된다.

상기 제3 단계(S300)은 상기 산출된 상기 안테나부의 길이와 너비 및 상기 급전부의 너비를 이용하여 상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상부 방사패치와 하부 방사패치를 형성한다.

상기 제3 단계(S300)는 다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상부 방사패치(211, 311)는 제1 금속패턴(111)에, 하부 방사패치(221, 321)는 제2 금속패턴(121)에 대응될 수 있다. 상부 제1 금속패턴은 사분타원 형태를 갖는데, 상기 사분타원의 장축 및 단축의 길이를 각각 r_{1 ,} r₂라고 하면 r_{1 ,} r₂ 는 예를 들면 하기의 수학식 4로 산출될 수 있다.

여기서, l, w는 상기 상부 및 하부 방사패치의 길이와 너비, w_m은 상기 급전부의 너비를 나타낸다.

도 3에 따른 상기 초광대역 안테나(300)에 적용 가능한 초광대역 안테나 설계 방법은 상기 제1 단계 내지 제3 단계에 제4 단계(S400)를 더 포함한다.

상기 제 4 단계(S400)는 안테나의 이득을 향상시키기 위하여 상기 산출된 상부 방사패치와 하부 방사패치와 간격을 두고 상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상부 기생패치와 하부 기생패치를 형성한다. 도 3을 참조하면 상기 상부 방사 패치의 장축 및 단축의 길이를 각각 r_{1 ,} r₂라고 하고, 상부 기생패치의 장축 및 단축의 길이를 각각 r_{s1 ,} r_s2라고 하면, r_{1 ,} r₂,r_{s1 ,} r_s2는 예를 들어 하기의 수학식 5로 산출될 수 있다.

여기서, l, w는 상기 상부 및 하부 방사패치의 길이와 너비, w_m은 상기 급전부의 너비, g는 상기 제2 간격에 해당한다.

도 5는 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나(100,300)의 동작 주파수 대역에서 반사계수(Return loss) 특성을 나타낸 결과도이다. 상부 및 하부 기생패치가 추가로 배치된 상기 초광대역 안테나(300)와 상부 및 하부 방사패치만 배치된 초광대역 안테나(100)의 반사계수 특성은 상기 동작 주파수 대역에서 큰 차이는 없다. 상기 동작 주파수 대역에서, 상부 및 하부 기생패치의 유무에 관계없이 반사계수 특성은 -10dB 이하의 값을 가짐을 알 수 있다. 여기서, fl, fc, fu은 각각 중심 주파수(center frequcy), 하측 주파수(lower frequency), 상측 주파수(upper frequency)에 해당한다.

도 6의 (a) 내지 (c)는 각각 하측 주파수, 중심 주파수 및 상측 주파수에서 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나(100,300)의 고각(elevation angle)에 대한 방사 패턴을 나타낸 결과도이다.

도 7의 (a) 내지 (c) 각각 하측 주파수, 중심 주파수 및 상측 주파수에서 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나(100,300)의 방위각(azimuth angle)에 대한 방사 패턴을 나타낸 결과도이다.

주파수가 증가함에 따라 파장 단위로 환산한 안테나의 전기적인 크기는 증가하므로, 상측 주파수에서 안테나의 지향성(directivity)이 증가함을 알 수 있다.

상기 상부 및 하부 기생패치에 의하여 후면으로의 후면 방사를 감소시켜 방사패턴이 개선되고, 이로 인해 이득이 증가함을 알 수 있다.

도 8은 동작 주파수 대역에서 상부 및 하부 기생패치의 유무에 따른 초광대역 안테나(100, 300)의 이득 특성을 나타낸 결과도이다.

상기 상부 및 하부 기생패이에 의해 안테나의 전후방 방사비가 개선되고, 이로 인해 동작 주파수 대역에서 이득이 0.5 ~ 1.5 dB 정도 개선됨을 알 수 있다.

상기와 같은 초광대역 안테나 및 설계방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100, 200, 300: 초광대역 안테나
110: 유전체 기판 111: 제1 금속패턴
121: 제2 금속패턴 115: 급전부
115a: 제1 급전부 115b: 제2 급전부
125: 접지부
211, 311: 상부 방사패치 212, 212: 상부 기생패치
221, 321: 하부 방사패치 222, 322: 하부 기생패치
G1: 제1 간격 G2: 제2 간격
R1: 제1 사분타원 R2: 제2 사분타원
R3: 제3 사분타원

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 유전체 기판;
   상기 유전체 기판의 상부면에 형성되는 상부 방사패치;
   안테나의 이득을 향상시키기 위하여 상기 유전체 기판의 상부면에 상기 상부 방사패치와 제1 간격을 가지고 형성되는 상부 기생패치;
   상기 상부 방사패치의 급전 경로를 형성하고, 상기 상부 방사패치로부터 연장되는 급전부;
   상기 유전체 기판의 하부면에 상기 급전부를 중심으로 상기 상부 방사패치와 대칭되는 하부 방사패치; 및
   상기 유전체 기판의 하부면에 상기 급전부를 중심으로 상기 상부 기생패치와 대칭되는 하부 기생패치를 포함하는 초광대역 안테나.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 상부 방사패치와 상부 기생패치 및 제1 간격의 합은 제1 사분타원을 이루는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 유전체 기판의 하부면에 상기 하부 방사패치 및 하부 기생패치와 이격되어 형성되고, 도전성 재질인 접지부를 더 포함하는 초광대역 안테나.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 상부 방사패치는
   상기 제1 사분타원에서 제2 사분타원을 뺀 형태이되,
   상기 제 2 사분타원은 상기 제1 사분타원과 동심 타원이며, 상기 제1 사분타원 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
8. 제5 항에 있어서,
   상기 상부 기생패치는 제3 사분타원 형태를 가지며,
   상기 제3 사분타원은 상기 제1 사분타원과 동심 타원이며, 상기 상부 방사패치와 제2 간격을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
9. 제8 항에 있어서,
   제3 사분타원의 외주 중 적어도 일부는 지수 곡선 형태인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
10. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 사분타원의 단축의 길이는 상기 제1 사분타원의 장축의 길이와 상기 급전부의 너비로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
11. 제8 항에 있어서,
    상기 제3 사분타원의 장축 및 단축의 길이는 상기 제2 사분타원의 장축과 단축의 길이보다 상기 제2 간격만큼 짧은 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
12. 삭제
13. 삭제

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