KR19990084409A - Planar Antenna Using Multi-layer Dielectric with Honeycomb Layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 허니콤층이 포함된 다층유전체를 이용한 평면 안테나에 관한 것으로서, 유전체와 도체면으로 구성되며 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 평면안테나층; 및 안테나의 이득을 높이기 위해, 상기 평면안테나층의 전파 복사방향에 부착되며, 허니콤 층을 포함하는 다층유전체층을 포함함을 특징으로 하고, 그 다층유전체층은 유전체로 이루어지는 허니콤층; 허니콤층의 하부에 부착되며, 유전율이 높은 유전체로 이루어지는 하부유전체층; 및 허니콤층의 상부에 부착되며, 유전율이 높은 유전체로 이루어지는 상부 유전체층를 포함한다.The present invention relates to a planar antenna using a multi-layer dielectric including a honeycomb layer, comprising: a planar antenna layer composed of a dielectric and a conductor surface and radiating electromagnetic energy into free space by inducing a current to a conductor surface or a slot disposed on the dielectric; And a multi-layer dielectric layer attached to the radio wave radiation direction of the planar antenna layer to increase the gain of the antenna, wherein the multi-layer dielectric layer comprises a honeycomb layer made of a dielectric; A lower dielectric layer attached to a lower portion of the honeycomb layer and made of a dielectric having a high dielectric constant; And an upper dielectric layer attached to the upper portion of the honeycomb layer and made of a dielectric having a high dielectric constant.
본 발명에 의하면, 기존의 평면형 안테나보다 효율과 이득이 높고, 기구적인 강도가 우수하다. 그리고 허니콤 영역의 대부분은 공기이므로, 실효유전율은 1에 가까워 안테나 이득이 높아진다.According to the present invention, the efficiency and gain is higher than the conventional planar antenna, and the mechanical strength is excellent. Since most of the honeycomb region is air, the effective dielectric constant is close to 1, which increases the antenna gain.
Description
본 발명은 평면 안테나에 관한 것으로서, 특히 허니콤(honeycomb)층이 포함된 다층유전체를 이용한 밀리미터파대역 고효율 평면 안테나에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to planar antennas, and more particularly, to a millimeter wave band high efficiency planar antenna using a multi-layer dielectric including a honeycomb layer.
안테나는 보통 고주파 회로에 접속해서 사용되고 있는 하나의 특수한 전기회로라 할 수 있다. 송신안테나는 고주파 회로의 전력을 능률적으로 전파에너지로 변환해서 이것을 공간에 복사(radiation)하며, 수신안테나는 입력되는 전파의 에너지를 효율적으로 전력으로 변환해서 전기회로에 전달한다. 이와 같이 안테나는 전기회로와 전파사이의 에너지 변환기 역할을 하며, 그 변환 능률이 좋아지도록 그 크기와 모양을 적절하게 설계한다.An antenna is a special electrical circuit that is usually used in connection with a high frequency circuit. The transmitting antenna efficiently converts the power of the high frequency circuit into radio wave energy and radiates it into space, and the receiving antenna efficiently converts the energy of the incoming radio wave into electric power and delivers it to the electric circuit. In this way, the antenna serves as an energy converter between the electric circuit and the radio wave, and the size and shape are appropriately designed to improve the conversion efficiency.
고속 무선 통신 시스템에서 안테나의 빔 패턴은 채널 특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 도 1은 실내 고속 이동통신을 위해 제안된 안테나의 빔 패턴을 도시한 것이다. 천정에 있는 베이스 안테나(100)는 넓은 빔폭(110)을 갖고, 사용자 단말기(120)에 부착된 안테나(130)는 지향성 빔(140)의 특성을 갖는다. 그리고 상기 실내 고속 이동통신을 위한 안테나는 실내 채널의 다중경로 페이딩 현상을 줄이기 위해 원형편파를 사용한다.In the high-speed wireless communication system, the beam pattern of the antenna plays an important role in determining channel characteristics. 1 illustrates a beam pattern of a proposed antenna for indoor high speed mobile communication. The base antenna 100 in the ceiling has a wide beam width 110, and the antenna 130 attached to the user terminal 120 has the characteristics of the directional beam 140. The antenna for indoor high-speed mobile communication uses circular polarization to reduce multipath fading of indoor channels.
수신단 안테나에 필요한 지향성 빔 특성을 갖는 안테나는 배열(array) 안테나를 이용하여 비교적 쉽게 구현이 가능하다. 그러나 베이스 안테나와 같이 넓은 각도에 대하여 원형편파의 빔 특성을 갖는 안테나를 구현하는 것은 대단히 어렵다. 만약 베이스 안테나 패턴이 정면방향의 안테나 이득이 낮은 사발 모양(bawl shaped beam)의 빔 특성을 갖는다면, 사용자의 위치에 관계 없이 수신전계의 세기가 일정해진다. 따라서 RF 송수신단의 선형특성에 대한 제한조건이 크게 완화되고 RF 시스템 전체의 구현이 용이해지고 제작비를 크게 줄일 수 있다.An antenna having a directional beam characteristic required for a receiving antenna can be relatively easily implemented using an array antenna. However, it is very difficult to implement an antenna having a circular polarization beam characteristic for a wide angle such as a base antenna. If the base antenna pattern has a beam-shaped beam characteristic with low antenna gain in the front direction, the strength of the received electric field is constant regardless of the position of the user. Therefore, the constraints on the linear characteristics of the RF transceiver are greatly alleviated, the implementation of the entire RF system is easy, and the manufacturing cost can be greatly reduced.
일반적으로 평면 안테나는 유전체와 도체면으로 구성되며, 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 안테나이다. 평면 안테나는 단말기나 벽면등의 표면에 부착이 가능하여 공간을 적게 차지하고, 배열안테나를 구성하기가 용이할 뿐 아니라, 대량생산이 가능하여 제작 단가가 적게 드는 장점이 있다. 반면 유전체층을 사용하기 때문에 복사모드 이외에 원하지 않는 표면파(surface wave)모드가 발생하여 효율이 낮아지는 단점이 있다. 상기 평면안테나는 도체표면에 전류가 흐르게 되면 자유공간으로 전파가 복사될 뿐만 아니라, 유전제 표면을 따라 진행하는 표면파가 존재한다. 이 때 발생하는 표면파 모드의 수는 유전체층의 두께에 비례하며, 반드시 하나의 표면파 모드는 존재한다. 표면파를 억제하기 위해서는 유전체층의 두께를 줄여야 하는데, 두께를 유전체내 전파 파장의 1/4 이하로 줄이면 하나의 모드(없앨 수 없는 모드임)만이 발생하여 손실이 최소가 된다. 그러나 밀리미터파대역에서는 파장이 수 mm 이기 때문에, 실제 제작할 경우 두께가 너무 얇아져 쉽게 부서질 우려가 높다.In general, a planar antenna is composed of a dielectric and a conductor surface, and radiates electromagnetic energy into free space by inducing a current in a conductor surface or a slot on the dielectric. The planar antenna can be attached to a surface such as a terminal or a wall so that it takes up less space, is easy to construct an array antenna, and can be mass-produced. On the other hand, since the dielectric layer is used, an unwanted surface wave mode is generated in addition to the radiation mode, which lowers the efficiency. The planar antenna not only radiates radio waves to free space when current flows on the conductor surface, but also has surface waves traveling along the dielectric material surface. The number of surface wave modes generated at this time is proportional to the thickness of the dielectric layer, and only one surface wave mode exists. In order to suppress surface waves, the thickness of the dielectric layer must be reduced. If the thickness is reduced to less than 1/4 of the propagation wavelength in the dielectric, only one mode (which cannot be eliminated) is generated and the loss is minimized. However, in the millimeter wave band, since the wavelength is several mm, there is a high possibility that it is easily broken due to the thinness in actual production.
도 2는 평면안테나로 널리 사용되고 있는 마이크로 스트립 패치 안테나(microstrip fatch antenna)를 도시한 것으로서, 유전체(200), 상기 유전체(200) 하부에 위치한 도체판(210) 및 전류를 공급하는 급전선(microstrip line, 220)으로 이루어진다. 일반적으로 상기 마이크로 스트립 패치 안테나를 사용하여 원형편파 특성을 얻는 경우, 넓은 각도에 대해서 우수한 축비(Axial ratio)를 얻는 것은 매우 어려우며, 교차편파 특성이 좋지 않다. 또한 주파수가 밀리미터파 대역 이상인 경우에는 전체적인 크기가 너무 작아져 만들기가 어려울 뿐 아니라, 조그만 충격에도 부숴질 가능성이 크다.FIG. 2 illustrates a microstrip fatch antenna widely used as a planar antenna, and includes a dielectric 200, a conductor plate 210 positioned below the dielectric 200, and a microstrip line for supplying current. , 220). In general, when the circular polarization characteristic is obtained using the micro strip patch antenna, it is very difficult to obtain an excellent axial ratio for a wide angle, and the cross polarization characteristic is not good. In addition, if the frequency is more than a millimeter wave band, the overall size is too small to be difficult to create, and it is likely to break even in a small impact.
두꺼운면서도 효율이 높은 평면안테나를 만들기 위해 1/4파장 두께의 유전체를 여러층 겹친 평면안테나가 제안되기도 하였으나, 각 층간의 유전율을 고-저-고의 순서로 적층하면 이득을 높일 수 있다. 그러나 높은 밀리미터파대역에서 다층유전체를 만드는 것 역시 쉽지 않다. 그 이유는 매우 정밀하게 제작되지 않으면, 서로 다른 물질간의 접촉면에서 발생하는 기생효과들이 안테나의 성능 저하를 야기시키기 때문이다. 또한 온도의 변화나 압력에 따라 뒤틀림이 발생하여 성능에 영향을 줄 수 있다.In order to make a thick but highly efficient planar antenna, a planar antenna in which multiple layers of 1/4 wavelength thickness are overlapped has been proposed, but the gain can be increased by stacking the dielectric constant between the layers in a high-low-high order. But making a multi-layer dielectric in the high millimeter waveband is also not easy. This is because parasitic effects on the contact surfaces of different materials, if not manufactured very precisely, cause antenna deterioration. In addition, distortion may occur due to changes in temperature or pressure, which may affect performance.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 기구물 표면에 부착되어 외부적 요인, 즉 압력이나 온도변화에 따른 기구물의 변형을 막기 위해 사용되는 허니콤층을 삽입한 다층유전체를 이용한 평면안테나를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a planar antenna using a multi-layer dielectric having a honeycomb layer attached to a surface of an apparatus and used to prevent deformation of the apparatus due to external factors, that is, pressure or temperature change.
도 1은 실내 고속 이동통신을 위해 제안된 안테나의 빔 패턴을 도시한 것이다.1 illustrates a beam pattern of a proposed antenna for indoor high speed mobile communication.
도 2는 평면안테나로 널리 사용되고 있는 마이크로 스트립 패치 안테나(microstrip fatch antenna)를 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a microstrip fatch antenna widely used as a planar antenna.
도 3은 본 발명에 의한 허니콤층을 포함한 다층유전체를 이용한 평면안테나의 구조를 도시한 것이다.3 shows the structure of a planar antenna using a multilayer dielectric including a honeycomb layer according to the present invention.
도 4는 다층유전체를 적용한 마이크로 스트립 패치 안테나를 도시한 것이다.4 illustrates a micro strip patch antenna to which a multilayer dielectric is applied.
도 5는 다층유전체를 적용한 링 슬랏 안테나를 도시한 것이다.5 illustrates a ring slot antenna to which a multilayer dielectric is applied.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 허니콤층이 삽입된 다층유전체를 이용한 평면안테나는, 유전체와 도체면으로 구성되며, 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 평면안테나층; 및 안테나의 이득을 높이기 위해, 상기 평면안테나층의 전파 복사방향에 부착되며, 허니콤 층을 포함하는 다층유전체층을 포함함이 바람직하다.According to the present invention for solving the above technical problem, a planar antenna using a multi-layer dielectric with a honeycomb layer is composed of a dielectric and a conductor surface, and induces a current in a conductor surface or a slot placed on the dielectric to freely electromagnetic waves. Planar antenna layers for radiating energy; And a multi-layer dielectric layer attached to the propagation radiation direction of the planar antenna layer and including a honeycomb layer in order to increase the gain of the antenna.
상기 다층유전체층은 유전체로 이루어지는 허니콤층; 상기 허니콤층의 하부에 부착되며, 유전율이 높은 유전체로 이루어지는 하부유전체층; 및 상기 허니콤층의 상부에 부착되며, 유전율이 높은 유전체로 이루어지는 상부 유전체층을 포함함이 바람직하다.The multilayer dielectric layer includes a honeycomb layer made of a dielectric; A lower dielectric layer attached to a lower portion of the honeycomb layer and made of a dielectric having a high dielectric constant; And an upper dielectric layer attached to the honeycomb layer and made of a dielectric having a high dielectric constant.
상기 평면안테나층은 마이크로 스트립 패치 안테나임 또는 링 슬롯 안테나를 사용할 수 있다.The planar antenna layer may be a micro strip patch antenna or a ring slot antenna.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 의한 허니콤층을 포함한 다층유전체를 이용한 평면안테나의 구조를 도시한 것으로서, 평면안테나층(300) 및 다층유전체층(310)으로 이루어진다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 3 illustrates a structure of a planar antenna using a multilayer dielectric including a honeycomb layer according to the present invention, and includes a planar antenna layer 300 and a multilayer dielectric layer 310.
상기 평면안테나층(300)은 유전체(302)와 도체면(304)으로 구성되며, 유전체위에 놓여 있는 도체표면이나 슬랏(slot)에 전류를 유기시켜 자유공간으로 전자파 에너지를 복사하는 평면안테나이다. 상기 평면안테나는 마이크로 스트립 패치 안테나 또는 링 슬롯 안테나를 사용할 수 있다.The planar antenna layer 300 is composed of a dielectric 302 and a conductor surface 304. The planar antenna layer 300 is a planar antenna that radiates electromagnetic energy into free space by inducing a current to a conductor surface or a slot on the dielectric. The planar antenna may use a micro strip patch antenna or a ring slot antenna.
상기 다층유전체층(310)은 상기 평면안테나층(300)의 복사방향에 부착되는 허니콤(honoy comb)층(314)을 포함하는 다층의 유전체층으로 이루어지며, 안테나의 이득을 높인다. 상기 다층유전체층은 유전체로 이루어지며, 6각형의 셀 구조를 갖는 허니콤층(314), 상기 허니콤층(314)의 하부에 부착되며, 유전율이 높은 유전체로 이루어지는 하부유전체층(312) 및 상기 허니콤층(314)의 상부에 부착되며, 유전율이 높은 유전체로 이루어지는 상부 유전체층(316)으로 이루진다. 1/4파장(유전체내의 파장) 두깨의 유전체판위에 1/4파장(공기중의 파장)두께의 허니콤구조를 갖는 층을 얹은 후 다시 유전체층을 얹는다. 이러한 방식으로 원하는 층수의 다층유전체를 구현할 수 있다.The multilayer dielectric layer 310 is formed of a multilayer dielectric layer including a honeycomb layer 314 attached to the radiation direction of the planar antenna layer 300, and increases the gain of the antenna. The multilayer dielectric layer is made of a dielectric material, and has a honeycomb layer 314 having a hexagonal cell structure, a lower dielectric layer 312 attached to a lower portion of the honeycomb layer 314, and a dielectric having a high dielectric constant and the honeycomb layer ( 314 is attached to the top, and consists of an upper dielectric layer 316 made of a dielectric having a high dielectric constant. A layer having a honeycomb structure having a quarter wavelength (wavelength in air) is placed on a dielectric sheet having a quarter wavelength (wavelength in the dielectric), and then the dielectric layer is placed again. In this way, a multilayer dielectric having a desired number of layers can be realized.
일반적으로 허니콤(honoy comb)은 기구물 표면에 부착되어 외부적 요인, 즉 압력이나 온도변화에 따른 기구물의 변형을 막기 위해 사용되어 왔다. 여기서는 허니콤과 유전체를 적층하여 다층유전체 층을 구성하고, 이를 평면안테나에 적용한다. 상기 허니콤층(314)은 유전체 간의 접촉면이 적기 때문에 기생효과가 적어지며, 외부압력이나 온도변화에 따른 안테나 구조의 변형을 방지하는 역할을 한다.In general, honeycomb (honoy comb) has been used to adhere to the surface of the device to prevent deformation of the device due to external factors, that is, pressure or temperature changes. Here, a honeycomb and a dielectric are laminated to form a multilayer dielectric layer, which is applied to a planar antenna. The honeycomb layer 314 has less parasitic effect because of less contact surface between dielectrics, and serves to prevent deformation of the antenna structure due to external pressure or temperature change.
한편, 상기 다층 유전체를 기존의 평면 안테나의 복사 방향에 부착하며, 상기 평면안테나 층의 복사기의 구조는 어떤 것이어도 무방하다. 도 4는 상기 다층유전체를 적용한 마이크로 스트립 패치 안테나를 도시한 것이다. 도 5는 상기 다층유전체를 적용한 링 슬랏 안테나를 도시한 것이다.On the other hand, the multilayer dielectric is attached to the radiation direction of a conventional planar antenna, the structure of the radiator of the planar antenna layer may be any. 4 illustrates a micro strip patch antenna to which the multilayer dielectric is applied. 5 illustrates a ring slot antenna to which the multilayer dielectric is applied.
본 발명에 의한 평면안테나는 기존의 평면형 안테나보다 효율과 이득이 높고, 기구적인 강도가 우수하다.The planar antenna according to the present invention has higher efficiency and gain than conventional planar antennas, and has excellent mechanical strength.
그리고 다층유전체의 각 유전체층간의 유전율 차이가 클수록 이득이 높아지는데, 허니콤 영역의 대부분은 공기이므로, 실효유전율은 1에 가깝다. 따라서 안테나 이득이 극대화 되고, Front/Back Ratio가 높아진다.The larger the difference in dielectric constant between the dielectric layers of the multilayer dielectric is, the higher the gain is. Since the honeycomb region is mostly air, the effective dielectric constant is close to one. This maximizes the antenna gain and increases the front / back ratio.
또한 본 발명에 의한 평면안테나는 무선통신, 레이다 및 우주항공용 안테나로 사용이 가능하다.In addition, the plane antenna according to the present invention can be used as an antenna for wireless communication, radar and aerospace.
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1998
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