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KR20100041608A - 원형 편파 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

원형 편파 유전체 공진기 안테나 Download PDF

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KR20100041608A
KR20100041608A KR1020080100872A KR20080100872A KR20100041608A KR 20100041608 A KR20100041608 A KR 20100041608A KR 1020080100872 A KR1020080100872 A KR 1020080100872A KR 20080100872 A KR20080100872 A KR 20080100872A KR 20100041608 A KR20100041608 A KR 20100041608A
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resonator antenna
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antenna
circular polarization
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전신형
최형철
염정환
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

원형 편파 유전체 공진기 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 평면 형태의 접지부; 상기 접지부상에 배치되는 유전체 공진기; 및 상기 유전체 공진기 안테나의 일측면에 부착되는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 선로를 포함하는 급전부를 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 원형 편파를 구현할 수 있는 유전체 공진기 안테나가 보다 단순한 급전 구조를 가질 수 있으며, 소형 사이즈로 단일 급전에 의해 원형 편파를 구현할 수 있는 장점이 있다.
유전체 공진기, 원형 편파

Description

원형 편파 유전체 공진기 안테나{Circular Polarization Dielectric Resonator Antenna}
본 발명은 유전체 공진기 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유전체 공진기를 방사체로 사용하는 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다.
유전체 공진기 안테나는 이동통신과 같은 통신 시스템에서 선택된 송수신 주파수로 RF 신호를 방사하거나 수신하는 공진 안테나 소자이다. 유전체 공진기 안테나는 기판상에 도는 기판과 인접한 지점에 배치되는 유전체 공진기를 포함한다.
유전체 공진기 안테나는 프로브 또는 접지된 기판에 설치된 개구 피드를 통해 급전을 받는다.
유전체 공진기는 직육면체, 구 형태와 같이 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일반적으로 직육면체 형상의 유전체 공진기가 이용된다.
유전체는 세라믹 또는 기타의 유전체 물질로 이루어지며, 비유전율이 1보다 상당히 큰 값을 가진다. 유전체 재질이 공기에 의하여 둘러싸인 구조를 가지는 유전체 공진기는 유전 매체의 경계면 상에서 전자기적 제한 조건으로 인하여 고유 주파수와 고유 모드의 이산 스펙트럼을 가진다.
이들 조건은 경계면 상의 주어진 제한 조건을 갖는 유전 매체에 대한 전자기 방정식의 특수 해에 의하여 한정된다. 복사 손실이 회피될 때 우수한 성능을 가지는 공진기와는 반대로 공진기 안테나에서는 전력 복사가 주 항목이 된다. 전도성이 있는 구조물이 복사용 소자로 사용되지 않기 때문에, 표피 효과(Skin Effect)가 문제되지 않을 수 있으며, 이로 인해 유전체 공진기 안테나는 높은 주파수에서 낮은 저항 손실을 가진다.
상대적으로 높은 유전율을 가지는 재료가 사용될 때, 비유전율을 증가시킴으로써 구조물의 크기가 미리 선택된 고유 주파수에 대하여 감소될 수 있기 때문에 소형화된 구조가 달성될 수 있다. 소정 주파수에서 유전체 공진기의 크기는 실질적으로 에 반비례한다.
현재 GPS 시스템에서는 원형 편파를 구현하기 위해 유전체 공진기 안테나를 많이 사용하고 있다.
종래에 있어서, 유전체 공진기 안테나에 원형 편파를 발생시키기 위해 2개의 급전선을 사용하거나 마이크로스트립 라인에 90도 위상차를 주어 급전하는 방식이 사용되었다. 또한, 크로스 슬롯 형태의 급전 방식과 기생 패치를 이용하는 방식이 사용되기도 하였다.
그러나, 이와 같은 종래의 급전 구조는 유전체 공진기 안테나의 크기를 증가시키고 구조가 복잡하여 제조 비용을 증가시키는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 단순한 급전 구조에 의해 원형 편파를 구현할 수 있는 유전체 공진기 안테나를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 소형 사이즈로 원형 편파를 구현할 수 있는 유전체 공진기 안테나를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 급전에 의해 원형 편파를 발생시킬 수 있는 유전체 공진기 안테나를 제안하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 평면 형태의 접지부; 상기 접지부상에 배치되는 유전체 공진기; 및 상기 유전체 공진기 안테나의 일측면에 부착되는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 선로를 포함하는 급전부를 포함하되, 상기 급전부는 루프를 반으로 자른 형태인 원형 편파 유전체 공진기 안테나가 제공된다.
상기 급전부는 사각형 루프를 반으로 자른 형태일 수 있다.
상기 유전체 공진기는 직육면체 형태를 가질 수 있다.
상기 유전체 공진기 안테나는 상기 접지부가 결합되는 기판을 더 포함하며, 상기 기판에는 비아홀이 형성되고 상기 급전 선로는 상기 비아홀을 통해 상기 금속 패턴과 전기적으로 결합된다.
상기 금속 패턴에는 반루프 형태의 급전부를 회전하는 디퍼련설 전류와 수직 방향의 공통 모드 전류가 형성되어 직교하는 두 개의 전계가 발생한다.
상기 금속 패턴의 길이 및 폭을 조절하여 상기 직교하는 두 개의 전계 사이의 위상차를 조절함으로써 원형 편파를 발생시킨다.
상기 직육면체 형태의 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈는 동일하게 설정되며 단일 대역의 원형 편파 안테나로 동작한다.
상기 직육면체 형태의 유전체 공진기 안테나의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 다르게 설정될 경우 이중 공진 대역이 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 평면 형태의 접지부; 상기 접지부상에 배치되는 유전체 공진기; 및 상기 유전체 공진기 안테나의 일측면에 부착되는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 선로를 포함하는 급전부를 포함하되, 상기 급전부는 회전하는 형태의 디퍼런셜 모드 전류 및 수직 방향의 공통 모드 전류를 발생시켜 직교하는 두 개의 전계를 발생시키는 원형 편파 유전체 공진기 안테나가 제공된다.
본 발명에 의하면, 원형 편파를 구현할 수 있는 유전체 공진기 안테나가 보다 단순한 급전 구조를 가질 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 유전체 공진기 안테나에서 소형 사이즈로 단일 급전에 의해 원형 편파를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 사시도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나는 기판(100), 접지부(102), 유전체 공진기(104), 금속 패턴(106) 및 급전 선로(108)를 포함할 수 있다.
도 1에서, 기판(100)은 접지부(102)가 형성되기 위한 구조물로서의 기능을 한다. 기판은 유전체 재질로 이루어질 수 있으며 PCB, FR4 기판과 같은 일반적인 기판이 이용될 수 있다.
기판(100)상에는 접지부(102)가 형성된다. 접지부(102)는 금속 재질로 이루어지며 단말기 내 접지 전위와 전기적으로 연결된다.
접지부(102) 위에는 유전체 공진기(104)가 배치된다. 유전체 공진기(104)는 높은 비유전율을 가지는 유전체 재질로 만들어진다. 도 1 및 도 2에는 직육면체 형상을 가지는 유전체 공진기가 도시되어 있으나, 본 발명의 유전체 공진기의 형상이 직육면체에 한정되는 것은 아니며 다양한 형상을 가질 수 있다.
유전체 공진기(104)의 사이즈는 사용되는 유전체의 비유전율 및 사용 주파수에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비유전율이 30인 유전체가 사용될 수 있으 며, GPS 대역에서 사용하고자 할 경우, 유전체 공진기의 사이즈는 가로 길이 34mm, 세로 길이 34mm, 높이 12mm 로 설정될 수 있다. 한편, 유전체 공진기의 사이즈가 이와 같을 경우 접지면의 사이즈는 가로 길이 68mm, 세로 길이 68mm로 설정될 수 있다.
유전체 공진기(104)의 측면들 중 일면에는 금속 패턴(106)이 부착된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 패턴(106)은 프린팅 방식에 의해 유전체 공진기(104)의 측면들 중 일면에 부착될 수 있다.
금속 패턴(106)은 급전 선로(108)와 전기적으로 연결되며, 금속 패턴(106)과 급전 선로(108)는 급전부(150)를 구성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 급전부(150)는 루프를 반으로 자른 형태를 가진다. 도 1 및 도 2에는 급전부(150)의 형태가 사각형 루프를 반으로 자른 형태를 가지고 있으나, 급전부(150)는 이외의 다른 형태의 루프를 반으로 자른 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 급전부(150)는 원형 루프를 반으로 자른 형태를 가질 수도 있다.
급전 선로(108)에는 RF 신호가 급전되며, 기판(100)에는 비아홀(120)이 형성되어 비아홀(120)을 통해 금속 패턴(106)과 전기적으로 결합될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 루프를 반으로 자른 형태의 급전부(150)는 90도 위상차의 두 개의 직교 모드를 발생시킴으로써 원형 편파 특성을 구현할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 안테나가 90도 위상차를 가지는 두 개의 직교 모드를 발생시키는 원리에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 급전부에 대한 등가 회로 구성 및 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 루프 형태의 급전부(150)는 도 3의 (a)와 같은 등가 회로로 표현될 수 있다. 급전부(150)의 하부에는 접지부가 형성되어 있기 때문에 등가 회로로 표현 시 영상 이론이 적용될 수 있으며, 접지부를 기준으로 대칭인 폴디드(Folded) 다이폴로 표현될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 폴디드 다이폴에 흐르는 전류는 디퍼런셜(Differential) 모드 전류(Id)와 공통(Common) 모드 전류(Ic)로 분류될 수 있다. 여기서, 디퍼런셜 모드 전류(Id)는 루프를 따라 회전하는 전류를 의미하며 공통 모드 전류(Ic)는 윗 방향으로 흐르는 전류를 의미한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나에서 원형 편파가 발생되는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나에서 y 성분의 전계가 발생되는 원리를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나에서 x 성분의 전계가 발생되는 원리를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 전계(Ey)는 급전부에 흐르는 전류 중 디퍼런셜 모드 전류에 의해 발생되는 전계이며, 도 5에 도시된 전계(Ex)는 급전부에 흐르는 전류 중 공통 모드 전류에 의해 발생되는 전계이다.
도 4를 참조하면, 루프를 따라 회전하는 방식으로 흐르는 디퍼런셜 모드 전 류에 의해 x 성분의 자계(Hx)가 형성된다. x 성분의 자계(Hx)에 상응하여 y 성분의 전계(Ey)가 발생한다. 즉, 디퍼런셜 모드 전류에 의해 유전체 공진기 안테나에는 TEy 1δ1 공진 모드가 발생된다.
도 5를 참조하면, 유전체 공진기에는 유전체 공진기의 수직 방향으로 흐르는공통 모드 전류가 형성된다. 공통 모드 전류에 의해 y 성분의 자계(Hy)가 형성되며, y 성분의 자계에 상응하여 x 성분의 전계(Ex)가 발생한다. 즉, 공통 모드 전류에 의해 유전체 공진기 안테나에는 TEx δ11 공진 모드가 발생된다.
여기서, 디퍼런셜 모드 전류는 인덕티브 전류에 해당되며, 공통 모드 전류는 캐패시티브 전류에 해당된다.
인덕티브 전류와 캐패시티브 전류는 180도 위상차를 가지므로, 인덕티브 전류에 의해 발생되는 y 성분의 전계(Ey) 및 캐패시티브 전류에 의해 발생되는 x 성분 전계(Ex)는 180도 위상차를 가지게 된다.
원형 편파를 발생시키려면, 직교하는 전계 성분은 서로 90도 위상차를 가져야 한다. 유전체 공진기(104)에 부착되는 금속 패턴(106)은 저항 성분을 가지고 있다. 금속 패턴의 저항 성분은 금속 패턴의 길이 및 폭을 변경시킴으로써 변경시킬 수 있다. 따라서, 금속 패턴의 폭 및 길이를 변경시키면 x 성분의 전계(Ex)와 y 성분의 전계(Ey)가 90도 위상차를 가지도록 설정하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, GPS 주파수 대역에서 직교하는 전 계(Ex, Ey)가 90도 위상차를 가지기 위해 금속 패턴의 폭은 3mm, 세로 길이는 12mm, 가로 길이는 4mm로 설정될 수 있다.
유전체 공진기 내부의 y 성분 전계(Ex) 및 x 성분 전계(Ex)는, 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008071604235-PAT00001
y 성분 전계(Ey)의 공진 주파수 및 x 성분 전계(Ex)의 공진 주파수는 각각 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈에 의해 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 모두 34mm로 동일할 경우 x 성분 전계(Ex) 및 y 성분 전게(Ey)의 공진 주파수는 동일하다.
도 6은 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 동일할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 S11 파라미터를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 동일하므로 단일 공진 대역이 형성되며, GPS 대역에서 공진 주파수가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 유전체 공진기 안테나가 GPS 단말기와 같이 원형 편파용 안테나로 사용될 경우에 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈는 동일한 것이 바람직 하다.
그러나, 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈를 달리 설정할 경우 이중 대역에 의한 광대역 안테나로도 활용될 수 있다.
유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 다르게 설정될 경우 y 성분 전계(Ey) 및 x 성분 전계(Ex)의 공진 주파수는 다르게 형성된다. 이로 인해 두 개의 공진점이 형성되며, 이중 공진에 의한 광대역 안테나로의 활용이 가능하다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 주파수에 따른 축비(Axial Ratio)를 도시한 도면이다.
도 7은 유전체 공진기, 금속 패턴 및 접지부의 사이즈가 전술한 실시예와 같이 설정될 경우의 축비를 도시한 도면이며, GPS 주파수 대역에서 적절한 원형 편파가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 사시도를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 단면도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 급전부에 대한 등가 회로 구성 및 전류 흐름을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나에서 y 성분의 전계가 발생되는 원리를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나에서 x 성분의 전계가 발생되는 원리를 도시한 도면.
도 6은 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 동일할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 S11 파라미터를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 원형 편파 유전체 공진기 안테나의 주파수에 따른 축비(Axial Ratio)를 도시한 도면.

Claims (16)

  1. 평면 형태의 접지부;
    상기 접지부상에 배치되는 유전체 공진기; 및
    상기 유전체 공진기 안테나의 일측면에 부착되는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 선로를 포함하는 급전부를 포함하되,
    상기 급전부는 루프를 반으로 자른 형태인 것일 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는 사각형 루프를 반으로 자른 형태인 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 직육면체 형태인 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접지부가 결합되는 기판을 더 포함하며, 상기 기판에는 비아홀이 형성되고 상기 급전 선로는 상기 비아홀을 통해 상기 금속 패턴과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 패턴에는 반루프 형태의 급전부를 회전하는 디퍼련설 전류와 수직 방향의 공통 모드 전류가 형성되어 직교하는 두 개의 전계가 발생하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 패턴의 길이 및 폭을 조절하여 상기 직교하는 두 개의 전계 사이의 위상차를 조절함으로써 원형 편파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 직육면체 형태의 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈는 동일하게 설정되며 단일 대역의 원형 편파 안테나로 동작하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 직육면체 형태의 유전체 공진기 안테나의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 다르게 설정될 경우 이중 공진 대역이 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  9. 평면 형태의 접지부;
    상기 접지부상에 배치되는 유전체 공진기; 및
    상기 유전체 공진기 안테나의 일측면에 부착되는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 선로를 포함하는 급전부를 포함하되,
    상기 급전부는 회전하는 형태의 디퍼런셜 모드 전류 및 수직 방향의 공통 모드 전류를 발생시켜 직교하는 두 개의 전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 급전부는 루프를 반으로 자른 형태인 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 급전부는 사각형 루프를 반으로 자른 형태인 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 직육면체 형태인 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전 체 공진기 안테나.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 접지부가 결합되는 기판을 더 포함하며, 상기 기판에는 비아홀이 형성되고 상기 급전 선로는 상기 비아홀을 통해 상기 금속 패턴과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 금속 패턴의 길이 및 폭을 조절하여 상기 직교하는 두 개의 전계 사이의 위상차를 조절함으로써 원형 편파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 직육면체 형태의 유전체 공진기의 가로 사이즈 및 세로 사이즈는 동일하게 설정되며 단일 대역의 원형 편파 안테나로 동작하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 직육면체 형태의 유전체 공진기 안테나의 가로 사이즈 및 세로 사이즈가 다르게 설정될 경우 이중 공진 대역이 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 유전체 공진기 안테나.
KR1020080100872A 2008-10-14 2008-10-14 원형 편파 유전체 공진기 안테나 KR101139566B1 (ko)

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