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KR20050023176A - 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를배열한 배열 안테나 - Google Patents

송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를배열한 배열 안테나 Download PDF

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KR20050023176A
KR20050023176A KR1020030059661A KR20030059661A KR20050023176A KR 20050023176 A KR20050023176 A KR 20050023176A KR 1020030059661 A KR1020030059661 A KR 1020030059661A KR 20030059661 A KR20030059661 A KR 20030059661A KR 20050023176 A KR20050023176 A KR 20050023176A
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KR
South Korea
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patch
transmission
reception
antenna
dielectric layer
Prior art date
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Application number
KR1020030059661A
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English (en)
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KR100561627B1 (ko
Inventor
윤재승
노행숙
전순익
김창주
채종석
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 배열한 배열 안테나에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 동일 평면에 구현된 송/수신 급전 회로를 가지는 능동 패치와 스택 패치 사이의 전자기적인 결합을 이용함으로써, 그 부피를 감소시키고 대역폭을 증가시켜 수신 대역에서 위성 방송 수신 및 통신용 수신을 수행하고, 송신 대역에서 통신용 송신을 수행하기 위한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서, 제 1접지 도체층 및 제 1유전체층을 포함하되, 상기 제 1유전체층의 일면에 위치한 스트립라인 방식의 제 1급전부를 통하여 에너지를 공급하기 위한 급전 수단; 제 2유전체층 및 제 2접지 도체층을 포함하되, 상기 급전 수단으로부터 공급된 에너지를 제 1패치에 전달하기 위하여 상기 제 2접지 도체층에 적어도 하나의 슬롯이 형성된 전달 수단; 제 3유전체층을 포함하되, 상기 제 3유전체층의 일면에 위치한 상기 제 1패치와 전자기적으로 결합된 상기 슬롯으로부터 전달된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치와 전기적으로 결합된 마이크로스트립 방식의 제 2급전부에 공급하기 위한 제 1패치 안테나층; 제 4유전체층을 포함하되, 상기 제 4유전체층의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 제 1패치로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치에 전달하기 위한 제 2패치 안테나층; 및 상기 제 1 및 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2패치 안테나층을 이격하기 위한 이격 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 위성 방송 시스템 및 위성 통신 시스템에 이용됨.

Description

송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 배열한 배열 안테나{Wideband Microstrip Patch Antenna for Transmitting/Receiving and Array Antenna Arraying it}
본 발명은 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 배열한 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 위성 방송 시스템 및 위성 통신 시스템 등에서 사용되는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 및 이를 배열한 배열 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 육상 방송, 위성 방송 및 통신에서 현재 가장 널리 사용되는 안테나이다.
그러나 이와 같은 마이크로스트립 패치 안테나는 동작 대역이 좁은 문제점이 있다. 또한, 송/수신을 동시에 하기 위하여 송/수신 안테나를 별도로 사용하는 경우에는 전체 시스템의 부피를 증가시키는 문제점이 있으며, 또한 이들 사이의 격리도 특성이 열화되는 문제점도 있다.
이러한 시스템의 크기 문제와 송/수신 안테나의 격리도 문제를 해결하기 위한 종래의 기술로서, '이차원 배열이 가능한 이중 급전 구조를 가지는 이중 편파 마이크로스트립 안테나'가 대한민국 특허 제278315호에 개시되어 있다.
상기 특허 제278315호는, 이차원 배열로 확장이 가능한 이중 급전 구조의 이중편파 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로서, 안테나의 이득을 높이기 위하여 2차원 배열로 확장이 가능한 구조를 가지는 이중 급전 구조 및 안테나 설계 알고리즘을 제공한다.
상기 특허는 마이크로스트립 선로 방식, 비아홀과 마이크로스트립 선로를 혼합한 급전방식을 이용한 이중 급전방식을 사용하고, 2차원 평면형 배열시에 송/수신 급전 회로를 층간 분리함으로써 배열 안테나로 확장시에 두 급전선이 서로 겹치는 문제와 부피가 증가되는 문제를 해결하였다.
그러나, 상기 특허는 일반적인 마이크로스트립 안테나와 마찬가지로 그 대역폭이 좁은 문제점이 있으며, 배열시 비아홀 급전의 모든 안테나 소자에 납을 이용하여 솔더링 해야 하므로, 제작시 안테나 성능의 편차와 함께 제작 소요 시간을 증가시킨다는 치명적인 단점을 가지고 있다.
또한, 맨 하단에 별도의 접지면이 존재하지 않아 후방사비 특성이 열악하며, 능동 채널과의 직접 결합도 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 동일 평면에 구현된 송/수신 급전 회로를 가지는 능동 패치와 스택 패치 사이의 전자기적인 결합을 이용함으로써, 그 부피를 감소시키고 대역폭을 증가시켜 수신 대역에서 위성 방송 수신 및 통신용 수신을 수행하고, 송신 대역에서 통신용 송신을 수행하기 위한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 동일 평면에 구현된 송/수신 급전 회로를 가지는 능동 패치와 스택 패치 사이의 전자기적인 결합을 이용함으로써, 그 부피를 감소시키고 대역폭을 증가시켜 수신 대역에서 위성 방송 수신 및 통신용 수신을 수행하고, 송신 대역에서 통신용 송신을 수행하기 위한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서, 제 1접지 도체층 및 제 1유전체층을 포함하되, 상기 제 1유전체층의 일면에 위치한 스트립라인 방식의 제 1급전부를 통하여 에너지를 공급하기 위한 급전 수단; 제 2유전체층 및 제 2접지 도체층을 포함하되, 상기 급전 수단으로부터 공급된 에너지를 제 1패치에 전달하기 위하여 상기 제 2접지 도체층에 적어도 하나의 슬롯이 형성된 전달 수단; 제 3유전체층을 포함하되, 상기 제 3유전체층의 일면에 위치한 상기 제 1패치와 전자기적으로 결합된 상기 슬롯으로부터 전달된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치와 전기적으로 결합된 마이크로스트립 방식의 제 2급전부에 공급하기 위한 제 1패치 안테나층; 제 4유전체층을 포함하되, 상기 제 4유전체층의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 제 1패치로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치에 전달하기 위한 제 2패치 안테나층; 및 상기 제 1 및 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2패치 안테나층을 이격하기 위한 이격 수단을 포함하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 배열한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 있어서, 상기 제 1 및 제 2패치를 8×4 단위 배열하되, 다수의 상기 제 1급전부 및 다수의 상기 제 2급전부가 각각 전기적으로 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 송/수신 겸용 소자로 직교화된 두 선형 편파를 이용하는 8×4 배열을 가진다. 본 발명에 따라 송/수신 겸용 소자를 사용함으로써 전체 배열 안테나의 면적을 감소시킬 수 있으며, 송/수신 급전층을 분리하여 상호간의 격리도를 증가시켜 간섭량을 최소화할 수 있다.
이러한 급전층의 분리와 개구면 결합과 마이크로스트립 직접 급전을 통해서 일반적으로 이차원 배열 가능한 송/수신 겸용 안테나를 구현할 수 있으며, 제작시 소자마다 납을 이용한 솔더링을 할 필요가 없다.
또한, 송/수신 대역 중 급전 효율이 중요한 대역의 급전을 스트립라인 형태로 함으로써, 급전시 90°벤딩이나 임피던스 스텝시 불요방사 수준을 낮춰 효율과 함께 교차 편파 특성을 개선시킬 수 있다.
이때, 스트립라인 형태에 의해 맨 하단의 접지면은 송/수신 능동 채널 블록과 공통 접지면으로 사용될 수 있어 안테나 시스템의 기구적 결합을 용이하게 할 수 있다.
일반적으로, 위성용 배열 안테나의 수신 대역은 통신용 주파수 대역인 12.25 ~ 12.75 GHz 뿐만 아니라 11.7 ~ 12.0 GHz의 위성 방송용도 서비스하기 위하여 11.7 ~ 12.75 GHz의 넓은 대역폭 특성을 만족해야 한다. 이를 위하여 본 발명은 능동 패치와 스택 패치의 전자기적 결합 방법을 이용한다.
또한, 본 발명은 안테나 소자를 -14°회전시켜서 위성 신호와의 편파 불일치에 의한 손실을 최소화하였다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 단면도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 분해 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로스트립 패치 안테나는, 제 1접지 도체층(100), 제 1유전체층(110), 송신 스트립라인 급전부(120), 제 2유전체층(130), 제 2접지 도체층(140), 제 3유전체층(150), 제 1패치(160), 수신 마이크로스트립 급전부(161), 스페이서(170), 제 2패치(180) 및 제 4유전체층(190)을 포함하고 있으며, 상기 제 2접지 도체층은 그 일부에 개구면 슬롯(141)을 포함한다.
상기 제 1유전체층(110)과 상기 제 2유전체층(130)의 유전율은 일반적으로 상기 제 1접지 도체층(100)이 존재하지 않는 마이크로스트립 라인 개구면 결합 급전시에는 하면의 상기 제 1유전체층(110)의 유전율이 상기 제 2유전체층(130)의 유전율보다 낮지만, 상기 제 1접지 도체층(100) 및 상기 제 2접지 도체층(140)이 모두 존재하는 스트립라인 개구면 결합 급전시에는 하면의 상기 제 1유전체층(110)의 유전율이 낮으면, 상기 송신 스트립라인 급전부(120)의 에너지 분산에 의해 손실이 증가한다.
따라서 본 발명에 따라 상기 제 1유전체층(110)과 상기 제 2유전체층(130)층의 유전율을 동일하게 하고, 동시에 두께도 동일하게 하여 프로브 급전시 두꺼운 상기 제 2유전체층(130)에 의해 발생하는 기생성분과 효율 감소를 방지할 수 있다.
이때, 동일한 유전율과 두께에 의한 대칭 스트립라인 급전에 의해 상기 개구면 슬롯(141)으로의 에너지 감소는 슬롯의 폭을 증가시키고, 그 길이를 짧게 하고, 송신 스트립라인 급전부(120)의 특성 임피던스를 낮은 임피던스와 높은 임피던스를 교대로 사용하여 최종 50옴(Ω)에 정합시킨다.
상기 제 4유전체층(190)의 하면에 상기 제 2패치(180)가 배치되어 있고, 상기 제 3유전체층(150)의 상면에 제 1패치(160) 및 상기 수신 마이크로스트립 급전부(161)가 배치되어 있으며, 그 하면에 제 2접지 도체층(140)과 개구면 슬롯(141)이 형성되어 있다.
이때, 상기 수신 마이크로스트립 급전부(161)는 상기 제 1패치(160)와 전기적으로 직접 연결되어 있으며, 상기 제 1패치(160)와 상기 제 2패치(180)는 효율적으로 전자기적 결합할 수 있도록 중첩시켜 형성한다. 상기 제 1 및 제 2패치(160, 180)는 위성과의 편파를 일치시키기 위하여 -14°회전된 직사각형 형태를 이용할 수 있다.
상기 제 1패치(160)는 상기 송신 스트립라인 급전부(120)에 의해 급전된 에너지를 상기 슬롯(141)을 통하여 송신하고, 상기 제 2패치(180)에 전자기적으로 전달된 해당 에너지는 상기 제 2패치(180)에 의해 방사될 수 있다.
또한, 상기 제 2패치(180)가 수신한 에너지는 상기 제 1패치(160)에 전자기적으로 전달되고, 상기 수신 마이크로스트립 급전부(160)에 이를 공급할 수 있다.
또한, 상기 제 1접지 도체층(100)과 제 2접지 도체층(140) 사이의 접지 구현을 위하여, 쇠나사를 직접 연결하여 구현할 수 있다.
상기 제 3유전체층(150)과 상기 제 4유전체층(190)은 상기 스페이서(170)에 의해 분리되어, 그 사이에는 공기층이 존재하게 되며, 그 간격에 의하여 배열 안테나의 반사계수와 송/수신간 격리도가 영향을 받는다.
도 2는 상기 도 1의 스페이서의 일실시예 상세 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스페이서는, 속이 빈 구조를 가지는 플라스틱 재질로 된 원통형상으로서, 상기 제 1유전체층(110)과 상기 제 2유전체층(130)을 고정하여 공기층을 형성하는 기능을 담당한다.
구멍이 뚫린 상기 제 3유전체층(150)과 상기 제 4유전체층(190)에 상기 스페이서(170)를 위치시킨 후, 플라스틱 혹은 쇠나사(도시되지 않음)를 이용하여 고정시키면, 상기 제 3유전체층(150)과 상기 제 4유전체층(190)을 일정한 두께로 이격시키는 것이 가능하다. 이 때, 상기 스페이서(170) 및 상기 플라스틱 혹은 쇠나사는 방사소자인 상기 제 1 및 제 2패치(160, 180) 주변이 아닌 곳에 위치하므로, 그 영향은 없다할 수 있다.
상기 스페이서(170)에 의해 형성된 공기층은 상기 제 1패치(160)에서 방사되는 전자기적 에너지를 제 2패치(180)에 전달하며, 이때 전자기적 손실은 실질적으로 거의 없다할 수 있다. 상기 제 3유전체층(150)과 상기 제 4유전체층(190) 사이의 공기층의 두께는 상기 스페이서(170)를 통해 유지되며, 상기 제 4유전체층(190)은 비교적 낮은 유전율의 기판을 사용하여 안테나 방사 효율의 저하를 감소시킬 수 있다.
상기 제 3유전체층(150)과 상기 제 4유전체층(190) 사이, 즉 공기층의 간격이 증가할수록 직접 급전되는 제 1패치(160)와 스택된 제 2패치(180) 사이의 전자기적 결합이 감소하여 스택 패치가 존재하지 않는 일반적인 단일 급전 마이크로스트립 안테나의 특성에 접근한다.
구체적으로, 간격이 증가하면 상기 제 1패치(160)와 상기 제 2패치(180)간의 결합량이 감소하여 임피던스 궤적이 스미스차트 상에서 작아지면서 이중 공진 주파수가 서로 접근하는 경향을 가지며, 격리도는 개선된다. 반면에 간격이 감소하면 결합량이 증가해, 이중 공진 현상이 뚜렷해지고, 격리도는 열화된다. 대역폭은 송, 수신 대역에서 상기 스페이서(170)의 높이가 2.0 ~ 2.5 mm 정도가 될 때 가장 넓은 대역폭을 가진다.
따라서, 적절한 공기층의 두께를 이용함으로써 임피던스 대역폭 특성과 송/ 수신 상호간 격리도를 만족하는 안테나를 설계할 수 있을 것이다.
위성 통신에 있어서, 송신 주파수가 수신 주파수보다 높으므로 상기 송신 스트립라인 급전부(120) 포트에서 들여다 본 방향으로의 패치의 길이가 상기 수신 마이크로스트입 급전부(161) 방향으로의 패치의 길이보다 짧은 공진 길이를 가진다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 일실시예 구조도로서, 상기 도 1의 마이크로스트립 패치 안테나를 8×4 단위 배열한 것을 설명하기 위한 것이다.
구체적으로, 도 3a는 상기 도 1의 패치 안테나를 배열한 경우 제 4유전체층의 일실시예 저면도이며, 도 3b는 상기 도 1의 패치 안테나를 배열한 경우 제 3유전체층의 일실시예 평면도이다. 또한, 도 3c는 상기 도 1의 패치 안테나를 배열한 경우 제 2접지층의 일실시예 평면도이며, 도 3d는 상기 도 1의 패치 안테나를 배열한 경우 제 1유전체층의 일실시예 평면도이다.
도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 8×4 단위 배열 안테나가 연속적으로 결합되어 하나의 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 이룸을 알 수 있다.
상기 도 3a 내지 도 3d와 같은 8×4 단위 배열을 방위각, 앙각 방향으로 확장하여 3°이내의 빔 폭을 가지는 이동 차량용 송/수신 겸용 광대역 마이크로스트립 배열 안테나를 제작할 수 있다.
상기 도 3b의 'A'는 앙각 방향으로의 안테나 소자 사이의 간격이며, 'B'는 방위각 방향으로의 안테나 소자 사이의 간격이다. 본 발명의 일실시예로서, A 및 B 모두 18mm로 이는 송신 중심주파수에서 0.86파장이며, 수신 중심주파수에서 0.73파장이다.
또한, 상기 도 3b의 'C'는 접지면의 연결을 위한 나사의 직경을 나타내는 것으로 나사의 머리보다 크게 할 수 있고, 'D'는 상기 스페이서(170)와 전체 안테나의 연결을 위한 나사의 직경을 나타내는 것으로 나사 직경일 수 있다.
상기 도 3b에 도시된 바와 같이, 방위각 방향의 2개의 소자에 대하여 왼쪽의 소자 'E' 및 오른쪽의 소자 'F'와 같이 180°의 위상차를 가질 수 있으며, 이는 8×4 배열에서 수평 방향의 급전시 급전 회로를 단순화하여 효율을 개선시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사 손실, 격리도 및 이득 특성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, G 및 H는 각각 상기 도 3b의 수신 포트(310)와 도 3d의 송신 포트(320)에서의 반사 손실을 나타낸다.
일반적인 안테나 대역폭 내의 반사 손실 기준은 -10dB 이하임을 상기할 때, 본 발명의 배열 안테나는 각각 수신 및 송신 대역폭 내에서 -13dB 와 -18dB 이하의 반사 손실값을 가지므로 그 특성이 매우 우수함을 알 수 있다. 종래의 마이크로스트립 안테나를 이용해서는 11.7 ~ 12.75 GHz와 같은 9% 정도의 대역폭을 -13dB 이하의 반사손실 값으로 구현하기는 어렵다.
상기 도 4의 'I'는 상기 수신 포트(310)와 상기 송신 포트(320) 사이의 격리도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 모든 주파수 대역에서 최저 -28dB, 최고 -38dB의 값을 가진다. 이러한 격리도는 종래에 송, 수신 급전을 동일 평면에 구현한 경우인 -15 ~ -25 dB정도에 비하여 우수한 특성을 가진다.
또한, 도 4의 'J'는 본 발명의 배열 안테나의 송신 대역(14.0 ~ 14.5 GHz)에서의 이득을 나타내며, 'K'는 발명의 배열 안테나의 수신 대역(11.7 ~ 12.75 GHz)에서의 이득을 나타낸다.
본 발명의 배열 안테나의 이득은 송신 대역에서 22.8 ~ 23.2 dBi의 값을 가짐을 알 수 있으며, 수신 대역에서 이득도 21.8 ~ 22.4 dBi의 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서 본 8×4 배열 안테나를 10개 정도 배열하여 전체 안테나 시스템을 구현할 수 있다.
이를 통하여, 본 발명으로부터 설계된 8×4 배열 안테나는 원하는 대역폭 특성과 격리도 특성 및 이득 특성을 모두 만족하도록 최적화되었음을 알 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 송신 대역의 중심 주파수에서의 일실시예 빔패턴도로서, 중심 주파수를 14.25GHz로 했을 때의 방위각과 앙각의 주편파 빔과 교차편파 빔 패턴을 설명하기 위한 것이다.
도면에 도시된 빔 패턴도 중, L은 8개의 소자에 의한 방위각 주 빔 패턴을 나타내며, M은 4개의 소자에 의한 방위각 주 빔 패턴을 나타낸다. 또한, N과 O는 각각 방위각 교차편파 빔 패턴과 앙각 교차편파 빔 패턴을 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 방위각, 앙각 빔 패턴 모두 -13dBc 이하의 부엽 수준과 -27dBc이하의 교차 편파 수준을 가지면서 ±20°밖의 영역에서는 -40dBc 이하의 수준을 가져 매우 양호한 특성을 가짐을 알 수 있다. 이는 스트립라인 형태의 급전에 의한 것으로 모드 순수성이 증가했기 때문이다.
도 5b는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 수신 대역의 중심 주파수에서의 일실시예 빔패턴도로서, 중심 주파수를 12.25GHz로 했을 때의 방위각과 앙각의 주편파 빔과 교차편파 빔 패턴이다.
도면에 도시된 바와 같이, 방위각, 앙각 빔 패턴 모두 -13dBc 이하의 부엽 수준과 -25dBc이하의 교차 편파 수준을 가짐을 알 수 있다.
본 발명에 따른 배열 안테나의 수신 대역은 통신용 주파수 대역인 12.25 ~ 12.75 GHz 뿐만 아니라 11.7 ~ 12.2 GHz의 위성 방송용도 서비스하기 위하여 11.7 ~ 12.75 GHz의 넓은 대역폭 특성을 만족하며, 이를 위하여 능동 패치와 스택 패치의 전자기적 결합 방법을 이용한다.
그리고 송, 수신 급전층을 분리하여 일반적인 송, 수신 겸용 2차원 배열을 가능하게 하였으며, 급전층의 분리는 송, 수신 격리도의 향상과 교차편파 특성을 향상시킨다.
더욱이 송신 급전을 대칭 형태의 스트립라인 구조로 하여 송/수신 능동블럭과의 결합을 용이하게 하며, 송신 급전 효율을 개선시킴과 동시에 맨 아래층 유전체의 두께를 얇게 하여 동축 급전시 불필요한 기생성분의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 안테나 소자를 -14°회전시켜서 위성 신호와의 편파 불일치에 의한 손실을 최소화하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 송신 대칭 스트립라인 급전부의 에너지를 제 1패치에 개구면 슬롯을 통하여 전자기적으로 결합시키고, 수신 마이크로스트립 급전부의 에너지를 제 1패치에 동일 평면상에 전기적으로 직접 연결하고, 제 1패치와 제 2패치를 적절한 두께를 가지는 공기층을 사이에 두고 이를 전자기적으로 결합시킴으로써, 우수한 대역폭 특성과 송/수신간 상호 격리도 특성, 송신 효율과 교차 편파도 개선을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 안테나 소자를 -14°회전시킴으로써, 위성과의 위치에 따른 편파 손실의 보상과 교차 편파의 상승을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 방위각 방향으로 8개의 소자를 사용하고, 방위각 방향으로는 4개의 소자를 사용하여 송, 수신 겸용 안테나를 실제로 구현하였다.
또한, 본 발명은 빔 포밍(Beam Forming)을 통하여 이동 차량 내에서 위치 탐색과 위성과의 양방향 송/수신을 가능하게 할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 단면도,
도 1b는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나의 일실시예 분해 사시도,
도 2는 상기 도 1의 스페이서의 일실시예 상세 구조도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 일실시예 구조도,
도 4는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사 손실, 격리도 및 이득 특성을 설명하기 위한 일예시도,
도 5a는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 송신 대역의 중심 주파수에서의 일실시예 빔패턴도,
도 5b는 본 발명에 따른 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 수신 대역의 중심 주파수에서의 일실시예 빔패턴도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100, 140 : 접지 도체층 110, 130, 150, 190 : 유전체층
120 : 송신 스트립라인 급전부 141 : 개구면 슬롯
160, 180: 패치 161 : 수신 마이크로스트립 급전부
170 : 스페이서 310 : 수신 포트
320 : 송신 포트

Claims (11)

  1. 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서,
    제 1접지 도체층 및 제 1유전체층을 포함하되, 상기 제 1유전체층의 일면에 위치한 스트립라인 방식의 제 1급전부를 통하여 에너지를 공급하기 위한 급전 수단;
    제 2유전체층 및 제 2접지 도체층을 포함하되, 상기 급전 수단으로부터 공급된 에너지를 제 1패치에 전달하기 위하여 상기 제 2접지 도체층에 적어도 하나의 슬롯이 형성된 전달 수단;
    제 3유전체층을 포함하되, 상기 제 3유전체층의 일면에 위치한 상기 제 1패치와 전자기적으로 결합된 상기 슬롯으로부터 전달된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치와 전기적으로 결합된 마이크로스트립 방식의 제 2급전부에 공급하기 위한 제 1패치 안테나층;
    제 4유전체층을 포함하되, 상기 제 4유전체층의 일면에 위치한 제 2패치와 전자기적으로 결합된 제 1패치로부터 공급된 에너지를 방사하고, 수신한 에너지를 상기 제 1패치에 전달하기 위한 제 2패치 안테나층; 및
    상기 제 1 및 제 2패치 안테나층 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2패치 안테나층을 이격하기 위한 이격 수단
    을 포함하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2패치는,
    일정 각도가 회전된 직사각형 형상인 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 일정 각도는,
    실질적으로 14°인 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2패치는,
    서로 중첩되도록 배치되는 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2유전체층은,
    그 유전율이 동일한 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2유전체층은,
    그 두께가 동일한 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 슬롯은,
    그 길이보다 그 폭이 더 긴 형상인 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1급전부는,
    50옴에 정합된 정합회로인 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나.
  9. 제 1항 내지 제 4항의 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 배열한 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2패치를 8×4 단위 배열하되,
    다수의 상기 제 1급전부 및 다수의 상기 제 2급전부가 각각 전기적으로 연결되도록 배치되는 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 다수의 제 2급전 수단은,
    2×1 단위로 소정의 각도만큼 순차 배열되어, 각각 전기적으로 연결된 상기 제 1패치간에 일정 각도의 위상차가 발생하도록 배치되는 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 소정의 각도는,
    실질적으로 180°인 것
    을 특징으로 하는 송/수신용 광대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
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