KR101630674B1

KR101630674B1 - 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나

Info

Publication number: KR101630674B1
Application number: KR1020150124619A
Authority: KR
Inventors: 여준호; 이종익; 박진택
Original assignee: 동서대학교산학협력단
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-06-15

Abstract

본 발명에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나는 안테나의 대역폭이 증대되고, 고주파수 대역에서 안테나 이득이 증대되며, 접지면 크기가 최소화되면서 넓은 안테나 대역에서 입력 임피던스 정합이 향상되는 특성을 가지고, 이를 통해 PCS, IMT-2000, LTE, LTE-A 등의 다양한 이동통신 시스템과 WiBro, WLAN, Blutooth, WiMAX 등의 무선 서비스를 지원하는 광대역 고이득 기지국 안테나에 효과적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나는 유전체로 이루어지는 기판(10)과; 기판(10) 전면 하부에 인쇄되는 접지면 반사기(20)와; 접지면 반사기(20) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제1스트립 다이폴(30a)과; 제1스트립 다이폴(30a) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제2스트립 다이폴(30b)과; 접지면 반사기(20)와 제1스트립 다이폴(30a)을 연결하는 제1CPS 유닛(50a), 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)을 연결하는 제2CPS 유닛(50b)으로 이루어진 코플래너 스트립 선로(50)과; 코플래너 스트립 선로(50)와 연결되고, 종단이 단락되어 코플래너 스트립 선로(50)로 급전하는 마이크로 스트립 선로(60)를 포함하되, 코플래너 스트립 선로(50)의 제1CPS 유닛(50a)와 제2CPS 유닛(50b)에 폭이 다른 제1슬롯선로(51a)와 제2슬롯선로(51b)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나{Double dipole quasi-yagi antenna using stepped slotline structure}

본 발명은 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 안테나의 대역폭이 증대되고, 고주파수 대역에서 안테나 이득이 증대되며, 접지면 크기가 최소화되면서 넓은 안테나 대역에서 입력 임피던스 정합이 향상되는 특성을 가지도록 하고, 이를 통해 PCS, IMT-2000, LTE, LTE-A 등의 다양한 이동통신 시스템과 WiBro, WLAN, Blutooth, WiMAX 등의 무선 서비스를 지원하는 광대역 고이득 기지국 안테나에 효과적으로 적용될 수 있는 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나에 관한 것이다.

무선 통신 기술과 서비스가 발전함에 따라 대용량 고속 데이터 처리가 필요하며 이를 위하여 안정된 이득과 적은 후방 방사를 가지는 광대역 지향성 안테나 설계 기술이 요구되고 있다(비특허문헌 1). 다양한 형태의 평면 준야기 안테나가 간단한 구조, 넓은 대역, 적당한 이득, 높은 전후방비, 작은 교차편파, 제작의 용이성 등의 장점으로 마이크로파 및 밀리미터파 응용 분야에서 많이 사용되어 왔다(비특허문헌 2).

평면 준야기 안테나의 대역을 증가시키기 위해 여러 방법들이 개발되었다. 급전선로인 마이크로 스트립(microstrip; MS) 선로와 코플래너 스트립(coplanar strip; CPS)선로를 연결하는 밸런(balun)을 가진 준야기 안테나가 제안되었으나, 180도 위상차를 내기 위해 사용된 위상지연 라인의 대역폭이 제한되어 안테나의 대역이 좁은 단점이 있다(비특허문헌 3). MS선로와 코플래너 도파관(coplanar waveguide; CPW) 선로를 바로 연결한 준야기 안테나는 비교적 넓은 대역폭을 가졌으나 밸런의 비대칭으로 인해 방사패턴이 대칭적이지 못한 단점이 있다(비특허문헌 4). 최근에는 단일 다이폴 대신에 이중 다이폴을 사용하여 대역폭을 넓히는 방법이 제안되었다(비특허문헌 5). 그러나 반사기로 사용된 접지면의 크기가 너무 큰 단점이 있다.

L. Ge and K. M. Luk, "A wideband magneto-electric dipole antenna," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 11, pp. 4987?4991, Nov. 2012. R. Waterhouse, Printed antennas for wireless communications, John Wiley & Sons Ltd., England, 2007. W. R. Deal, N. Kaneda, J. Sor, Y. Qian, and T. Itoh, "A new quasi-Yagi antenna for planar active antenna arrays," IEEE Trans.Microw. Theory Tech., vol. 48, no. 6, pp. 910?918, Jun. 2000. H. K. Kan, R. B. Waterhouse, A. M. Abbosh, and M. E. Bialkowski, "Simple broadband planar CPW-fed quasi-Yagi antenna," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 6, pp. 18?20, 2007. A. A. Eldek, "Design of double dipole antenna with enhanced usable bandwidth for wideband phased array applications," Progress In Electromagnetics Research, vol. 59, pp. 1?15, 2006.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 서로 이격 배치된 제1스트립 다이폴과 제2스트립 다이폴 및, 제1스트립 다이폴과 접지면 반사기를 연결하는 코플래너 스트립 선로에 폭이 다른 제1슬롯선로와 제2슬롯선로가 형성되도록 함으로써 평면 준야기 안테나의 대역폭이 증대되도록 하는 새로운 형태의 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 제2스트립 다이폴 상측에 제1스트립 도파기와 제2스트립 도파기가 서로 이격 배치되도록 함으로써 고주파수 대역에서 안테나 이득이 증대되도록 하는 새로운 형태의 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 본 발명은 코플래너 스트립 선로와 마이크로 스트립 선로로 구성된 내장형 밸런(balun)을 사용함으로써 접지면 크기를 최소화하면서 50Ω MS 급전선로와 넓은 안테나 대역에서 입력 임피던스 정합이 향상되도록 하는 새로운 형태의 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 유전체로 이루어지는 기판(10)과; 기판(10) 전면 하부에 인쇄되는 접지면 반사기(20)와; 접지면 반사기(20) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제1스트립 다이폴(30a)과; 제1스트립 다이폴(30a) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제2스트립 다이폴(30b)과; 접지면 반사기(20)와 제1스트립 다이폴(30a)을 연결하는 제1CPS 유닛(50a), 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)을 연결하는 제2CPS 유닛(50b)으로 이루어진 코플래너 스트립 선로(50)과; 코플래너 스트립 선로(50)와 연결되고, 종단이 단락되어 코플래너 스트립 선로(50)로 급전하는 마이크로 스트립 선로(60)를 포함하되, 코플래너 스트립 선로(50)의 제1CPS 유닛(50a)와 제2CPS 유닛(50b)에 폭이 다른 제1슬롯선로(51a)와 제2슬롯선로(51b)가 형성되는 것을 특징으로 하는 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나를 제공한다.

이와 같은 본 발명에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나에서 제1CPS 유닛(50a)의 제1슬롯선로(51a)는 제2CPS 유닛(50b)의 제2슬롯선로(51b)보다 작은 폭을 갖도록 할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나에서 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)은 서로 다른 길이로 형성되는 것일 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나는 제2스트립 다이폴(30b) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제1스트립 도파기(40a)와; 제1스트립 도파기(40a) 상측에 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제2스트립 도파기(40b)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나에 의하면, 평면 준야기 안테나의 대역폭 증대와, 고주파수 대역에서의 안테나 이득 증가 및 넓은 안테나 대역에서의 입력 임피던스 정합 향상이 도모되는 효과가 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나는 PCS, IMT-2000, LTE, LTE-A 등의 다양한 이동통신 시스템과 WiBro, WLAN, Blutooth, WiMAX 등의 무선 서비스를 지원하는 광대역 고이득 기지국 안테나에 효과적으로 적용될 수 있다.

도 1의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나의 구성도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나의 설계치수 구성을 보여주기 위한 도면;
도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나의 특성 분석을 위한 실험 결과를 보여주기 위한 도면들이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 9에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 안테나, 준야기 안테나(quasi-yagi antenna), 스트립 다이폴(strip dipole), 접지면 반사기(ground reflector), 스트립 도파기(strip director), 유전체, 기판, 밸런(balun), 코플래너 스트립(CPS:coplanar strip), 마이크로 스트립(MS:microstrip) 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성 만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.

도 1의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나(100)는 기판(10), 접지면 반사기(20), 제1스트립 다이폴(30a), 제2스트립 다이폴(30b), 코플래너 스트립 선로(50), 마이크로 스트립 선로(60), 제1스트립 도파기(40a), 제2스트립 도파기(40b)를 포함하는 구성으로 이루어지는 것으로, 1.60GHz에서 3.60GHz까지의 안테나 주파수 대역폭을 가지며, 6dBi 이상의 안테나 이득을 가지도록 한다.

기판(10)은 유전체로 이루어지는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 기판(10)은 접지면 반사기(20), 제1스트립 다이폴(30a), 제2스트립 다이폴(30b), 코플래너 스트립 선로(50), 제1스트립 도파기(40a), 제2스트립 도파기(40b)가 표면에 인쇄되는 FR4 기판으로 이루어진다.

접지면 반사기(20)는 기판(10) 전면 하부에 인쇄된다.

제1스트립 다이폴(30a)은 접지면 반사기(20) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되고, 제2스트립 다이폴(30b)은 제1스트립 다이폴(30a) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄된다. 여기서 본 발명의 실시예에 따른 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)은 서로 다른 길이로 형성되는데, 하부에 위치한 제1스트립 다이폴(30a)이 상부에 위치한 제2스트립 다이폴(30b)보다 큰 길이(l₁＞l₂)로 형성된다.

코플래너 스트립 선로(50)는 접지면 반사기(20)와 제1스트립 다이폴(30a)을 연결하는 제1CPS 유닛(50a), 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)을 연결하는 제2CPS 유닛(50b)으로 이루어진다. 이와 같은 코플래너 스트립 선로(50)는 제1CPS 유닛(50a)와 제2CPS 유닛(50b)에 폭이 다른 제1슬롯선로(51a)와 제2슬롯선로(51b)가 형성되도록 한다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 코플래너 스트립 선로(50)는 제1CPS 유닛(50a)의 제1슬롯선로(51a)가 제2CPS 유닛(50b)의 제2슬롯선로(51b)보다 작은 폭(w_s1＜w_s2)을 갖도록 한다. 이를 통해 안테나 대역폭이 증대된다.

마이크로 스트립 선로(60)는 코플래너 스트립 선로(50)와 연결되는 것으로, 종단이 단락되어 코플래너 스트립 선로(50)로 급전한다. 마이크로 스트립 선로(60)는 접지면 반사기(20), 제1스트립 다이폴(30a), 제2스트립 다이폴(30b), 코플래너 스트립 선로(50), 제1스트립 도파기(40a), 제2스트립 도파기(40b)가 인쇄된 기판(10)의 표면 반대측 배면에 형성된다. 마이크로 스트립 선로(60)의 종단을 단락시키기 위해 단락 핀(via)을 이용해 기판(10) 표면의 코플래너 스트립 선로(50)의 일부분과 연결된다. 여기서 마이크로 스트립 선로(60)의 길이, 즉 급전점의 위치를 조정하여 특성임피던스 50Ω인 마이크로 스트립 선로(60)와 광대역 정합을 시킬 수 있다. 단락이 종단된 마이크로 스트립 선로(60)와 코플래너 스트립 선로(50)의 슬롯선로는 내장형 밸런을 구성하게 된다.

제1스트립 도파기(40a)는 제2스트립 다이폴(30b) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 것이고, 제2스트립 도파기(40b)는 제1스트립 도파기(40a) 상측에 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 것이다. 이와 같은 제1스트립 도파기(40a)와 제2스트립 도파기(40b)를 통해 고주파수 대역에서 안테나 이득이 증대된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나의 설계치수 구성을 보여주기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나(100)에서 제1스트립 다이폴(D₁)과 제2스트립 다이폴(D₂)의 길이와 폭은 각각 l₁, w₁, l₂, w₂이고, 제1스트립 다이폴과 접지면 반사기(R₀) 사이의 간격과 제1스트립 다이폴과 제2스트립 다이폴 사이의 간격은 각각 s₁과 s₂이다. 접지면 반사기의 길이와 폭은 각각 l_g와 w_g이다. 제1슬롯선로와 제2슬롯선로의 중심으로부터 마이크로 스트립 선로의 중심까지의 거리는 x_f이고, 접지면 반사기로부터 급전점까지 마이크로 스트립 선로의 길이는 y_f이다. 코플래너 스트립 선로의 폭은 w_cps이다. 접지면 반사기와 제1스트립 다이폴을 연결하는 코플래너 스트립 선로 내의 제1슬롯선로의 폭은 w_s1이고, 제1스트립 다이폴과 제2스트립 다이폴을 연결하는 코플래너 스트립 선로 내의 제2슬롯선로의 폭은 w_s2이다. 제1스트립 도파기(D_r1)의 길이와 폭은 각각 l_d1, w_d1이고, 제2스트립 도파기(D_r2)의 길이와 폭은 각각 l_d2, w_d2이다. 제2스트립 다이폴과 제1스트립 도파기 사이의 거리는 d_s1이고, 제1스트립 도파기와 제2스트립 도파기 사이의 거리는 d_s2이다. 안테나 설계에 사용된 기판은 FR4 기판(, 두께 = 1.6 mm, loss tangent = 0.025)이다.

1.60~3.60 GHz 대역에서 이득이 6dBi 이상으로 설계된 최종 안테나의 설계 변수는 다음과 같다.

[l₁ = 72 mm, l₂ = 61.2 mm, l_g = 90 mm, s₁ = 36 mm, s₂ = 32.4 mm, w_cps = 20 mm, w_g = 15 mm, w₁ = w₂ = 7.5 mm, w_f = 3 mm, w_s1= 0.7 mm, w_s2 = 6.7 mm, d_s1 = 8 mm, l_d1 = 24 mm, w_d1 = 10 mm, d_s2 = 12 mm, l_d2 = 24 mm, w_d2 = 5 mm, L = 90 mm, W = 140 mm, x_f= 5 mm, h = 1.6 mm, y_f = 23 mm]

도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나의 특성 분석을 위한 실험 결과를 보여주기 위한 도면들이다. 여기서 이중 다이폴 준야기 안테나(100)의 특성을 상용 전자기 문제 해석 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 분석한다.

도 3은 안테나 설계 절차를 설명하기 위해 성능 비교를 한 5개의 안테나 구조가 나타나 있고, 이들 안테나 구조의 입력 임피던스, VSWR, broadside 방향(+y 방향) 이득 특성은 도 4에 나타나 있다.

폭이 동일한 제1슬롯선로와 제2슬롯선로를 가지고 접지면 도파기가 없는 기준 이중 다이폴 준야기 안테나가 도 3의 (a)에 나타나 있다. 이 경우, w_s1 = w_s2 = 0.7 mm, s₁ = s₂ = 36 mm이고 l₂ = 54 mm이다. 제1스트립 다이폴에 대한 제2스트립 다이폴의 길이 비는 l₂/l₁ = 0.7이다. 도 4로부터 VSWR < 2인 대역이 1.66~2.76 GHz (49.8%)이고 대역 내에서 이득이 4.5~6.2 dBi임을 알 수 있다. 대역 내에서 입력 저항은 46~97 Ω이고, 입력 리액턴스는 -18Ω에서 39 Ω이다.

다음으로 도 3의 (b)와 같이 폭이 다른 슬롯선로를 적용하였다. w_s1 = 0.7 mm로 고정하고, w_s2를 0.7 mm부터 8.7 mm까지 증가시켰을 때 입력 VSWR과 broadside 방향 이득 특성 변화가 도 5에 나타나 있다. w_s2가 6.7 mm까지 증가할수록 VSWR < 2인 주파수 대역의 상한 및 하한 주파수가 증가하여 대역폭이 증가한다. w_s2가 8.7 mm로 좀 더 증가한 경우, 주파수 대역폭은 증가하나 3.70~3.94 GHz 대역에서 임피던스 정합이 나빠진다. 따라서, 광대역 임피던스 정합을 위해 w_s2 = 6.7 mm로 결정하였다. 이 경우, 도 3의 (a) 안테나 구조와 비교할 때 2.70~4.30 GHz 대역에서 임피던스 정합이 향상되어 VSWR < 2인 대역이 1.60~4.30 GHz (91.5%)로 크게 증가하였다. 대역 내에서 입력 저항은 25~90 Ω이고, 입력 리액턴스는 -36Ω에서 16 Ω 이다. 그러나 대역 내에서 이득이 6.5 dBi에서 -5.1 dB로 많이 변하고, 도 3의 (a) 안테나 구조와 비교할 때 고주파수 대역에서 이득이 낮음을 알 수 있다. 또한, 1.8 GHz 이상의 주파수에서 이득 값이 6dBi 이하로 설계 요구조건을 만족하지 못한다.

1.8 GHz 이상의 주파수에서 이득을 증가시키기 위해 도 3의 (c)와 같이 제1스트립 도파기와 제2스트립 도파기를 추가하였다. 추가된 제1스트립 도파기와 제2스트립 도파기와 관련된 설계 변수는 다음과 같다.

[d_s1 = 8 mm, l_d1 = 24 mm, w_d1 = 10 mm, d_s2 = 12 mm, l_d2 = 24 mm, w_d2 = 5 mm]

먼저 도 3의 (b)에 제1스트립 도파기만 추가되었을 때, VSWR < 2인 대역이 1.60~3.52 GHz (75.0%)이고 대역 내에서 이득이 3.9~6.5 dBi이다. 그러나 주파수 대역이 원하는 1.60~3.60 GHz 대역을 만족하지 못하고 이득이 1.8 GHz 이상의 주파수에서 여전히 6dBi보다 작아 제2스트립 도파기가 필요하다.

제2스트립 도파기가 추가되었을 때, VSWR < 2인 대역이 1.60~3.60 GHz (76.9%)로 증가하고 대역 내에서 이득이 5.1~6.5 dBi이다. 대역 내에서 입력 저항은 33~77Ω이고, 입력 리액턴스는 -35Ω에서 39Ω이다. 그러나 1.8 GHz 이상의 주파수에서 이득이 향상되었으나 이득 값이 1.80~2.54 GHz 대역과 3.19~3.60 GHz 대역에서 6dBi 이하로 개선이 필요하다.

이중 다이폴 준야기 안테나의 제2스트립 다이폴의 길이를 증가시킬수록 주파수 대역이 낮은 주파수로 이동하고 낮은 주파수 대역에서 이득이 증가하는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 사실을 이용하여 저주파수 대역에서의 이득을 증가시키기 위해 도 3의 (d)에 나타나 있듯이 제2스트립 다이폴의 길이를 l₂ = 61.2 mm 로 증가시켰다. 이 때 제1스트립 다이폴에 대한 제2스트립 다이폴의 길이 비는 l₂/l₁ = 0.85이다. 도 4에서 볼 수 있듯이 VSWR < 2인 대역이 1.58~3.60 GHz (78.0%)로 조금 증가하였다. 대역 내에서 이득이 5.7~7.3 dBi이고 저주파수 대역에서 이득이 6dBi 이상이다. 그러나 3.18~3.60 GHz 대역에서 이득이 여전히 6dBi 이하이다.

마지막으로, 고주파수 대역에서의 이득을 향상시키기 위해 제1스트립 다이폴과 제2스트립 다이폴을 연결하는 코플래너 스트립 선로의 길이를 s₂ =32.4 mm로 조금 줄였다. VSWR < 2인 대역이 1.60~3.63GHz (77.6%)로 조금 높은 주파수로 이동하고 대역폭이 줄어들었으나 원하는 1.60~3.60 GHz 대역을 만족한다. 또한, 1.60~3.60 GHz 대역에서 이득이 6.2~7.3 dBi로 6dBi 이상이다.

제안된 이중 다이폴 준야기 안테나의 1.6 GHz와 3.6 GHz에서의 시뮬레이션 표면 전류 분포가 도 6에 나타나 있다. 1.6 GHz에서는 전류가 제1스트립 다이폴에 강하게 분포하고 제1스트립 도파기와 제2스트립 도파기에는 약하게 분포하고 있다. 반면에, 3.6 GHz에서는 제1스트립 도파기와 제2스트립 도파기에서의 전류 분포가 강하며 이것은 고주파수 대역에서 도파기가 효과적으로 동작하고 있음을 의미한다.

전술(前述)된 설계 절차에 따라 최적화된 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 FR4 기판을 이용하여 도 7에서와 이중 다이폴 준야기 안테나를 제작하였다. 제작된 이중 다이폴 준야기 안테나의 크기는 90mm(L)×140mm(W)이며, SMA 컨넥터로 급전되었다.

제작된 이중 다이폴 준야기 안테나의 입력 VSWR과 이득은 네트워크분석기(Agilent사 N5230A)를 이용하여 측정하였다. 도 8에는 측정된 입력 VSWR과 이득이 나타나 있다. 도 8의 (a)에 나타나 있듯이, 시뮬레이션 결과 VSWR < 2 이하인 대역이 1.60~3.63 GHz(77.6%)이며, 측정 결과는 1.59~3.64 GHz(78.4%)으로 대역폭이 조금 증가하였다. 제작된 안테나의 이득은 도 8의 (b)에 나타나 있다. 이득은 전파무반향실에서 측정된 broadside 방향 이득이며, 측정 이득은 1.60~3.60 GHz 대역에서 6.4~7.4 dBi로 시뮬레이션 결과보다 조금 크게 나왔다.

도 9는 1.6 GHz, 2.5 GHz 및 3.6 GHz에서 제작된 안테나의 E-면(x-y면)과 H-면(y-z면) 복사 패턴에 대한 측정 결과이며, 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다. 또한, 1.60~3.60 GHz 대역에서 전후방비가 10 dB이상으로 좋은 지향성을 가짐을 알 수 있다.

상기와 같이 제작된 이중 다이폴 준야기 안테나는 VSWR < 2인 대역이 1.59~3.64 GHz이고 1.60~3.60 GHz 대역에서 이득이 6.4~7.4 dBi로 원하는 설계 요구 조건을 만족함을 알 수 있다. 또한 측정된 전후방비가 10dB 이상으로 좋은 지향성을 가졌다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나(100)는 서로 이격 배치된 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b) 및, 제1스트립 다이폴(30a)과 접지면 반사기(20)를 연결하는 코플래너 스트립 선로(50)에 폭이 다른 제1슬롯선로(51a)와 제2슬롯선로(51b)가 형성되도록 함으로써 평면 준야기 안테나(100)의 대역폭이 증대되도록 한다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나(100)는 제2스트립 다이폴(30b) 상측에 제1스트립 도파기(40a)와 제2스트립 도파기(40b)가 서로 이격 배치되도록 함으로써 고주파수 대역에서 안테나 이득이 증대되도록 한다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나(100)는 코플래너 스트립 선로(50)와 마이크로 스트립 선로(60)로 구성된 내장형 밸런(balun)을 사용함으로써 접지면 크기를 최소화하면서 50Ω MS 급전선로와 넓은 안테나 대역에서 입력 임피던스 정합이 향상되도록 한다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10 : 기판 20 : 접지면 반사기
30a : 제1스트립 다이폴 30b : 제2스트립 다이폴
40a : 제1스트립 도파기 40b : 제2스트립 도파기
50 : 코플래너 스트립 선로 50a : 제1CPS 유닛
50b : 제2CPS 유닛 51a : 제1슬롯선로
51b : 제2슬롯선로 60 : 마이크로 스트립 선로
100 : 이중 다이폴 준야기 안테나

Claims

유전체로 이루어지는 기판(10)과;
기판(10) 전면 하부에 인쇄되는 접지면 반사기(20)와;
접지면 반사기(20) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제1스트립 다이폴(30a)과;
제1스트립 다이폴(30a) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제2스트립 다이폴(30b)과;
접지면 반사기(20)와 제1스트립 다이폴(30a)을 연결하는 제1CPS 유닛(50a), 제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)을 연결하는 제2CPS 유닛(50b)으로 이루어진 코플래너 스트립 선로(50)과;
코플래너 스트립 선로(50)와 연결되고, 종단이 단락되어 코플래너 스트립 선로(50)로 급전하는 마이크로 스트립 선로(60)를 포함하되,
코플래너 스트립 선로(50)의 제1CPS 유닛(50a)와 제2CPS 유닛(50b)에 폭이 다른 제1슬롯선로(51a)와 제2슬롯선로(51b)가 형성되는 것을 특징으로 하는 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나.
제 1항에 있어서,
제1CPS 유닛(50a)의 제1슬롯선로(51a)는 제2CPS 유닛(50b)의 제2슬롯선로(51b)보다 작은 폭을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나.
제 1항에 있어서,
제1스트립 다이폴(30a)과 제2스트립 다이폴(30b)은 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나.
제 1항에 있어서,
제2스트립 다이폴(30b) 상측에 이격 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제1스트립 도파기(40a)와;
제1스트립 도파기(40a) 상측에 배치되어 기판(10) 전면에 인쇄되는 제2스트립 도파기(40b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폭이 다른 슬롯선로 구조를 이용한 이중 다이폴 준야기 안테나.