KR100930196B1 - Antenna feed circuit and antenna device using same - Google Patents
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Abstract
안테나 급전 회로가 개시된다. 개시된 안테나 급전 회로는 신호의 위상을 소정의 제1 각도로 변경시키는 제1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 메타물질 전송 라인; 신호의 위상을 소정의 제2 각도로 변경시키는 제2 CRLH 메타물질 전송라인을 포함하되, 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인의 주파수 변화에 따른 위상 변화는 일정하게 유지된다. 개시된 안테나 급전 회로에 의하면, 넓은 주파수 대역에서 축비를 만족시킬 수 있는 장점이 있다. An antenna feed circuit is disclosed. The disclosed antenna feed circuit comprises: a first Composite Right / Left Handed (CRLH) metamaterial transmission line for changing a phase of a signal to a predetermined first angle; And a second CRLH metamaterial transmission line for changing a phase of the signal to a predetermined second angle, wherein a phase change according to a frequency change of the first CRLH metamaterial transmission line and the second CRLH metamaterial transmission line is constant. maintain. According to the disclosed antenna feed circuit, there is an advantage that can satisfy the axial ratio in a wide frequency band.
메타물질, CRLH, 스파이럴 Metamaterial, CRLH, Spiral
Description
본 발명은 안테나 급전 회로 및 이를 이용한 안테나 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 축비 대역폭을 향상시킬 수 있는 급전 회로 및 이를 이용한 안테나 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an antenna feeding circuit and an antenna device using the same, and more particularly, to a feeding circuit capable of improving an axial ratio bandwidth and an antenna device using the same.
근래에 들어, 위성을 이용한 PCS(Personal Communication System), GPS(Global Position System), 무선 LAN 등의 통신 분야 및 이동통신의 광대역화가 이루어지면서 광대역 안테나의 필요성이 증대되고 있다. In recent years, as the broadband of communication fields and mobile communication such as a personal communication system (PCS), a global position system (GPS), a wireless LAN using satellites, and the like, the need for a wideband antenna is increasing.
광대역 안테나는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 주파수 변화에도 불구하고 일정한 방사 패턴, 임피던스, 및 편파 특성을 가져야 한다. 특히, 위성 탑재용 광대역 안테나는 방사 패턴뿐만 아니라 주 빔(beam) 각도 범위에서의 편파 특성 및 축비 또한 만족시킬 수 있어야 한다. Broadband antennas must have a constant radiation pattern, impedance, and polarization characteristics despite frequency variations over a wide frequency range. In particular, the satellite mounted broadband antenna must satisfy not only the radiation pattern but also the polarization characteristics and the axial ratio in the main beam angle range.
이러한 안테나의 특성으로 인해 넓은 주파수 대역에 걸쳐 낮은 전력의 신호를 전송하기 때문에 전력 소비량이 적으며, 가용 주파수 대역을 따로 할당하지 않고 기존의 협대역 시스템에 이용되고 있는 주파수 대역을 공유함으로써 한정된 주 파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있어야 하며 다양한 통신 분야에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 음성 및 영상과 같은 대용량 데이터를 전송할 수 있어야 한다. Due to the characteristics of this antenna, power consumption is low because it transmits low power signals over a wide frequency band, and it is limited by sharing frequency bands used in existing narrowband systems without allocating available frequency bands separately. Resources must be available efficiently and be able to be used in a variety of communications applications, as well as to transmit large amounts of data such as voice and video.
이러한 특성을 갖는 광대역 안테나로서, 진행파형 도선 안테나, 헬리컬(Helical) 안테나, 쌍원추(biconical) 안테나, 슬리브 안테나, 스파일러(Spiral) 안테나, 대수주기(Log Periodic) 안테나 등이 사용되고 있다. As a wideband antenna having such characteristics, a traveling wave lead antenna, a helical antenna, a biconical antenna, a sleeve antenna, a spiral antenna, a log periodic antenna, and the like are used.
스파이럴 안테나는 기하학적인 구조에 따라 원추형(Conical) 스파이럴 안테나와 평판형(Planar) 스파이럴 안테나로 구분된다. The spiral antenna is classified into a conical spiral antenna and a planar spiral antenna according to a geometric structure.
스파이럴 안테나는 임피던스 변화가 주파수 변화에 거의 무관하여 일반 광대역 안테나에 비해 넓은 임피던스 대역폭을 가지며, 원형 편파를 갖은 특성 때문에 여러 가지 분야에서 활용된다. 조기 경보, 위치 추적, 이동통신은 물론 항공 우주 관련 산업에 걸쳐 폭넓게 사용되며 GPS 시스템, 위성이나 임펄스 통신 등의 광대역, 다채널 안테나, 군용 레이더, 신호 분석 시스템에도 이용된다. Spiral antennas have a wider impedance bandwidth than general broadband antennas because the impedance change is almost independent of the frequency change, and is used in various fields because of the circular polarization characteristic. It is widely used in early warning, location tracking and mobile communications, as well as in the aerospace industry. It is also used in broadband, multichannel antennas, military radar and signal analysis systems such as GPS systems, satellite and impulse communications.
다이폴 안테나와 스파이럴 안테나와 같은 본질적으로 대칭 구조인 안테나에서 전류는 대칭 또는 평형이어야 한다. In inherently symmetrical antennas, such as dipole and spiral antennas, the current must be symmetrical or balanced.
전송 선로들은 평형(balanced) 선로와 불평형(unbalanced) 선로로 구분되며, 만일 평형 전류의 입사파가 선로를 따라 들어가면 대칭 구조 안테나에 평형 전류를 여기한다. The transmission lines are divided into balanced and unbalanced lines, and if the incident wave of the balanced current enters the line, it excites the balanced current to the symmetric antenna.
그런데, 일반적인 전송 선로인 동축 케이블은 평형이 아니며, 동축 케이블을 따라 진행하는 파는 평형 전류 모드로서, 즉 내부 도체와 외부 도체 안쪽에서의 전류가 크기는 같고 방향이 반대이다. 그러나, 이 파가 대칭 구조의 안테나에 입사될 때, 전류가 외부도체 바깥쪽으로 흐를 수 있게 되어 안테나와 전송 선로를 불평형 상태로 만들게 된다. 이러한 외부 전류를 줄이기 위해 발룬이 사용되며, 발룬은 급전 전송 선로의 외부 도체의 순전류가 0이 되도록 방사 엘리먼트의 평형 입력 임피던스를 불평형 급전 선로로 변환시키기 위해 사용된다. 또한, 급전 선로와 안테나 방사 엘리먼트의 임피던스 정합을 목적으로 발룬이 사용될 수도 있다. By the way, the coaxial cable, which is a general transmission line, is not balanced, and the wave traveling along the coaxial cable is a balanced current mode, that is, the currents inside the inner conductor and the outer conductor have the same magnitude and opposite directions. However, when the wave is incident on a symmetrical antenna, current can flow out of the outer conductor, causing the antenna and transmission lines to be unbalanced. A balun is used to reduce this external current, which is used to convert the balanced input impedance of the radiating element into an unbalanced feed line such that the forward current of the outer conductor of the feed transmission line is zero. Also, a balun may be used for the purpose of impedance matching of the feed line and antenna radiating element.
한편, 스파이럴 안테나의 경우 넓은 주파수 대역에서 축비를 만족시키기 위해 멀티 아암으로 구현된다. 이때, 멀티 아암 엘리먼트 각각에는 소정의 위상차를 가지고 급전이 되어야 한다. 그러나, 상술한 전송 선로와 발룬으로 구성되는 급전 회로는 중심 주파수에서 벗어날수록 위상차가 유지되지 않는 문제점이 있었다. 멀티 아암 스파이럴 안테나에서 각 아암으로 급전되는 신호에 위상차가 유지되지 않을 경우 넓은 주파수 대역에서 축비를 만족시킬 수 없었다. On the other hand, the spiral antenna is implemented with a multi-arm to satisfy the axial ratio in a wide frequency band. At this time, each of the multi-arm elements should be fed with a predetermined phase difference. However, the power supply circuit composed of the transmission line and the balun described above has a problem in that the phase difference is not maintained as it moves away from the center frequency. If the phase difference is not maintained in the signal fed to each arm in the multi-arm spiral antenna, the axial ratio cannot be satisfied in a wide frequency band.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 넓은 주파수 대역에서 축비를 만족시킬 수 있는 안테나 급전 회로 및 이에 의한 안테나 장치를 제안하고자 한다. In the present invention, to solve the problems of the prior art as described above, it is proposed an antenna feeding circuit and an antenna device thereby, which can satisfy the axial ratio in a wide frequency band.
본 발명의 다른 목적은 넓은 주파수 대역에서 신호의 위상차가 안정적으로 유지되는 안테나 급전 회로 및 이에 의한 안테나 장치를 제안하는 것이다. Another object of the present invention is to propose an antenna feeding circuit and an antenna device thereby, in which a phase difference of a signal is stably maintained in a wide frequency band.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 신호의 위상을 소정의 제1 각도로 변경시키는 제1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 메타물질 전송 라인; 신호의 위상을 소정의 제2 각도로 변경시키는 제2 CRLH 메타물질 전송라인; 및 제1 출력 신호가 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인에 제공되고, 제2 출력 신호는 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인에 제공되는 전력 분배기를 포함하되, 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인의 주파수 변화에 따른 위상 변화량은 동일하게 설정되어 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인간의 위상차는 광대역에 대해 일정하게 유지되는 안테나 급전 회로가 제공된다. In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, the first CRLH (Composite Right / Left Handed) metamaterial transmission line for changing the phase of the signal to a predetermined first angle; A second CRLH metamaterial transmission line for changing a phase of the signal to a predetermined second angle; And a power divider provided with a first output signal to the first CRLH metamaterial transmission line, and a second output signal provided to the second CRLH metamaterial transmission line, wherein the first CRLH metamaterial transmission line and the The phase change amount according to the frequency change of the second CRLH metamaterial transmission line is set to be the same, so that the phase difference between the first CRLH metamaterial transmission line and the second CRLH metamaterial transmission line is kept constant for the wideband. Is provided.
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상기 안테나 급전 회로는 상기 제1 CRLH 메타 물질 전송 라인과 결합되는 제1 임피던스 매칭부 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인과 결합되는 제2 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다. The antenna power supply circuit may further include a first impedance matching unit coupled to the first CRLH metamaterial transmission line and a second impedance matching unit coupled to the second CRLH metamaterial transmission line.
상기 제1 임피던스 매칭부 및 제2 임피던스 매칭부는 디퍼런셜 출력 구조를 지원하는 발룬을 포함할 수 있다. The first impedance matching unit and the second impedance matching unit may include a balun supporting a differential output structure.
상기 안테나 급전 회로는 복수의 아암을 가진 스파이럴 안테나를 급전하는데 사용될 수 있다. The antenna feeding circuit can be used to feed a spiral antenna having a plurality of arms.
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본 발명의 다른 측면에 따르면, 신호의 위상을 소정의 제1 각도로 변경시키는 제1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 메타물질 전송 라인; 신호의 위상을 소정의 제2 각도로 변경시키는 제2 CRLH 메타물질 전송라인; 제1 출력 신호가 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인에 제공되고, 제2 출력 신호는 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인에 제공되는 전력 분배기; 상기 제1 CRLH 메타 물질 전송 라인과 결합되는 제1 임피던스 매칭부 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인과 결합되는 제2 임피던스 매칭부; 및 상기 제1 임피던스 매칭부 및 상기 제2 임피던스 매칭부 각각에 아암이 결합되는 스파이럴 방사체를 포함하되, 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인의 주파수 변화에 따른 위상 변화량은 동일하게 설정되어 상기 제1 CRLH 메타물질 전송 라인 및 상기 제2 CRLH 메타물질 전송 라인간의 위상차는 광대역에 대해 일정하게 유지되어 광대역에 대해 일정한 위상차의 신호가 상기 스파이럴 방사체에 급전되는 안테나 장치가 제공된다. According to another aspect of the invention, a first Composite Right / Left Handed (CRLH) metamaterial transmission line for changing a phase of a signal to a predetermined first angle; A second CRLH metamaterial transmission line for changing a phase of the signal to a predetermined second angle; A power divider, wherein a first output signal is provided to the first CRLH metamaterial transmission line and a second output signal is provided to the second CRLH metamaterial transmission line; A first impedance matcher coupled to the first CRLH metamaterial transmission line and a second impedance matcher coupled to the second CRLH metamaterial transmission line; And a spiral radiator having an arm coupled to each of the first impedance matching unit and the second impedance matching unit, wherein the phase change amount according to the frequency change of the first CRLH metamaterial transmission line and the second CRLH metamaterial transmission line. Is equally set so that the phase difference between the first CRLH metamaterial transmission line and the second CRLH metamaterial transmission line is kept constant over a wide band so that a signal having a constant phase difference over the wide band is supplied to the spiral radiator. do.
본 발명은 넓은 주파수 대역에서 축비를 만족시킬 수 있는 장점이 있는 바, 스파이럴 안테와 같은 안테나의 급전에 효율적으로 활용될 수 있다. The present invention has the advantage of satisfying the axial ratio in a wide frequency band, it can be effectively utilized for feeding the antenna such as spiral antenna.
또한, CRLH 메타물질 전송 라인을 이용함으로써 넓은 주파수 대역에서 신호의 위상차가 안정적으로 유지되는 안테나 급전 회로 및 이에 의한 안테나 장치의 제공이 가능하다. In addition, by using the CRLH metamaterial transmission line, it is possible to provide an antenna feeding circuit and an antenna device thereby maintaining a stable phase difference of a signal in a wide frequency band.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 안테나 급전 회로 및 이에 의한 안테나 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the antenna power supply circuit and antenna device according to the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로의 구성을 도시한 블록도이다. 1 is a block diagram showing the configuration of an antenna power supply circuit according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로는 전력 분기(100), 제1 CRLH(Composite Right/Left Handed) 메타물질(Metamaterial) 전송 라인(102), 제2 CRLH 메타물질 전송 라인(104), 제1 임피던스 매칭부(106) 및 제2 임피던스 매칭부(108)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, an antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention may include a
전력 분배기(100)는 급전되는 RF 신호를 두 개의 라인으로 분배하는 기능을 한다. 전력 분배기(100)는 RF 신호를 두 개의 라인으로 균등하게 분배하는 것이 바람직하다. 전력의 균등 불배를 위해 T-Junction 분배 구조가 사용될 수 있으며, 밸런스를 위해 밸런스 저항이 사용될 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에 따르면, RF 신호를 균등 분배하는 윌킨슨 전력 분배 기가 사용될 수 있다. 다만, 본 발명에 적용되는 전력 분배기가 윌킨슨 전력 분배기에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 종류의 전력 분배기가 채용될 수 있다. According to one embodiment of the invention, a Wilkinson power divider may be used that evenly distributes the RF signal. However, the power divider applied to the present invention is not limited to the Wilkinson power divider, and other various kinds of power dividers may be employed.
전력 분배기에서 분배된 신호는 제1 CRLH 메타물질 전송 라인(102) 및 제2 CRLH 메타물질 전송 라인(104)에 의해 전송된다. 도 2에는 2개의 CRLH 메타물질 전송 라인(102, 104)이 사용되는 경우가 도시되어 있으나, CRLH 메타물질 전송 라인의 수는 급전되는 포트 수에 따라 가변될 수 있다. 복수의 아암을 가진 스파이럴 안테나에 급전되는 경우, CRLH 메타물질 전송 라인의 수는 스파이럴 안테나의 아암 수에 상응하여 결정될 수 있다. The signal distributed in the power divider is transmitted by the first CRLH
임피던스 매칭부(106, 108)에서 디퍼런셜 출력 구조를 지원하지 않는 경우 도 1에 도시된 안테나 급전 회로는 두 개의 포트로 신호를 출력하며, 임피던스 매칭부(106, 108)에서 디퍼런셜 출력 구조를 지원할 경우 4개의 포트로 신호를 출력하는 것이 가능하다. When the impedance matching
CRLH 메타물질 전송라인은 신호의 위상을 가변시키는데 일반적으로 사용되는 전송라인이다. CRLH 메타물질 전송라인은 전송라인의 길이를 가변시키지 않으면서 신호의 위상을 변경시킬 수 있으며, 소형으로 급전 회로가 구현될 필요가 있을 때 전송 라인을 짧게 하면서 신호의 위상을 변경시킬 때 사용된다. CRLH metamaterial transmission lines are transmission lines commonly used to vary the phase of a signal. The CRLH metamaterial transmission line can change the phase of the signal without varying the length of the transmission line, and is used to change the phase of the signal while shortening the transmission line when a small power supply circuit needs to be implemented.
본 발명의 실시예에서는 이러한 특성을 가지는 CRLH 메타물질 전송라인을 광대역에 대해 두 개의 라인에 대한 RF 신호의 위상차를 일정하게 변화시키는 용도로 활용하는 바, CRLH 메타물질 전송 라인의 새로운 활용 용도를 제안하며, 이와 같은 용도로 활용하기 위한 CRLH 메타물질 전송 라인의 설정 방식을 제안한다. According to the embodiment of the present invention, the CRLH metamaterial transmission line having such characteristics is used to constantly change the phase difference of the RF signal with respect to two lines over a wide band, and thus propose a new application of the CRLH metamaterial transmission line. In addition, we propose a method of setting the CRLH meta-material transmission line for this purpose.
축비를 광대역에서 만족시키기 위해 각 포트로 입력되는 신호의 위상차는 광대역에 대해 일정하게 유지될 필요가 있으며, CRLH 메타물질 전송 라인은 광대역에 대해 신호의 위상차를 일정하게 유지시킨다. To satisfy the axial ratio at broadband, the phase difference of the signal input to each port needs to be kept constant over the wideband, and the CRLH metamaterial transmission line keeps the phase difference of the signal constant over the wideband.
제1 CRLH 메타물질 전송 라인(106)은 신호의 위상을 소정의 제1 각도만큼 변경시키며, 제2. CRLH 메타물질 전송 라인(108)은 신호의 위상을 소정의 제2 각도만큼 변경시킨다. The first CRLH
두 개의 아암을 가지는 스파이럴 안테나에서 하나의 아암으로 0도 위상의 신호가 입력될 경우, 다른 아암으로는 180도 위상차가 나는 신호가 입력되어야 축비를 만족시킬 수 있다. When a signal having a zero degree phase is input to one arm from a spiral antenna having two arms, a signal having a 180 degree phase difference to another arm may be input to satisfy the axial ratio.
이 경우, 제1 CRLH 메타물질 전송 라인은(106)는 신호의 위상을 +90도 변경시키며, 제2 CRLH 메타물질 전송 라인(108)은 신호의 위상을 -90도 변경시킨다. In this case, the first CRLH
CRLH 메타물질 전송 라인의 상세한 구조 및 CRLH 메타물질 전송 라인 사이의 위상차를 일정하게 유지시키는 방법은 별도의 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. Detailed structure of the CRLH metamaterial transmission line and a method of maintaining a constant phase difference between the CRLH metamaterial transmission line will be described in detail with reference to the separate drawings.
제1 임피던스 매칭부(106) 및 제2 임피던스 매칭부(108)는 안테나의 방사 소자와 급전 회로 사이의 임피던스를 매칭시키는 기능을 한다. 통상적으로 급전 회로는 50옴으로 세팅되며, 안테나 방사 소자는 이와 다른 임피던스를 가질 수 있는 바, 임피던스의 불일치로 인한 반사 손실을 억제시키기 위해 임피던스 매칭부에 의해 임피던스 매칭이 이루어진다. The first
제1 임피던스 매칭부(106) 및 제2 임피던스 매칭부(108)는 다양한 임피던스 매칭 수단에 의해 구현될 수 있을 것이다. 예를 들어, 발룬을 이용한 임피던스 매칭, 스터브 매칭, 슬릿에 의한 매칭 등 다양한 방식에 의해 임피던스 매칭이 이루어질 수 있다. The first
임피던스 매칭부로 발룬이 이용되고, 발룬이 디퍼런셜 출력을 지원하는 경우, 도 1에서 2개의 전송 라인은 4개의 출력을 출력하는 것이 가능하다. 임피던스 매칭부로 발룬이 사용되는 실시예는 별도의 도면을 참조하여 설명하기로 한다. When a balun is used as the impedance matching unit and the balun supports the differential output, in FIG. 1, two transmission lines may output four outputs. An embodiment in which the balun is used as the impedance matching unit will be described with reference to a separate drawing.
도 1을 참조하여 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 분배 후 전송 라인으로 CRLH 메타물질 전송 라인을 이용함으로써 복수의 전송 라인을 통해 급전되는 구조에서 각 라인에서 신호의 위상차를 광대역에 대해 일정하게 유지할 수 있다. As described with reference to Figure 1, according to an embodiment of the present invention, by using the CRLH meta-material transmission line as a transmission line after power distribution, the phase difference of the signal in each line in a structure that is fed through a plurality of transmission lines wideband Can be kept constant for.
이와 같이 광대역에 대해 위상차가 일정하게 유지될 경우 광대역에 대한 축비를 유지시킬 수 있어 보다 넓은 대역에서의 축비의 개선이 이루어질 수 있다. As such, when the phase difference is kept constant with respect to the wideband, the ratio of the wideband can be maintained, and the ratio of the wider band can be improved.
도 2는 본 발명에서 전력 분배기로 사용될 수 있는 윌킨슨 전력 분배기의 구성을 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a configuration of a Wilkinson power divider that can be used as a power divider in the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 윌킨슨 전력 분배기는 포트 1로 입력되는 신호를 포트2 및 포트3으로 균등하게 분배하여 출력한다. 2, the Wilkinson power divider according to an embodiment of the present invention evenly distributes the signal input to the port 1 to the
포트 1과 결합되는 전송 선로는 λ/4 길이를 갖는다. 제1 전송 선로는 두 갈래로 갈라지며, 분기된 전송 선로는 특성 임피던스의
분기된 두 개의 전송 선로에는 밸런스 저항이 결합되며, 밸런스 저항의 크기는 특성 임피던스의 2배이다. Balanced resistors are coupled to the two branched transmission lines, the magnitude of which is twice the characteristic impedance.
위와 같은 구조의 윌킨슨 전력 분배기의 포트1로 신호가 입력될 경우, 포트2 및 포트3으로는 정확히 전력이 반으로 분배된 신호가 각각 출력된다. When a signal is input to port 1 of the Wilkinson power divider having the above structure, the signal divided by half is exactly output to
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로가 적용되는 스파이럴 안테나 방사체의 일례를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로가 적용되는 스파이럴 안테나 방사체의 또 다른 예를 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating an example of a spiral antenna radiator to which an antenna feeding circuit is applied according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view of a spiral antenna radiator to which an antenna feeding circuit is applied according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows another example.
등각 스파이럴 안테나는 도체면이 각도로써 표현되는 기하학적 구조인 바, 광대역 안테나를 설계하는데 사용될 수 있는 요구조건을 만족시킬 수 있다. Conformal spiral antennas are geometrical structures in which the conductor surface is expressed in degrees, which can satisfy the requirements that can be used to design wideband antennas.
스파이럴 안테나는 원형 편파를 가진 신호를 발생시키며, 광대역 안테나로 작용하기 위해서는 광대역에 대해 축비가 유지될 필요가 있다. 축비는 편파에서 장축 대 단축의 비를 의미하며 원형 편파일 경우 이상적인 축비는 1이 된다. Spiral antennas generate signals with circular polarizations, and in order to function as wideband antennas, the axial ratio needs to be maintained for the wideband. Axial ratio refers to the ratio of long axis to short axis in polarization, and the ideal axis ratio is 1 in the case of circular polarization.
스파이럴 안테나에서 광대역에 대한 축비는 멀티 아암을 사용함으로써 극복될 수 있다. The axial to broadband ratio in a spiral antenna can be overcome by using multiple arms.
도 4는 두 개의 아암을 가진 스파이럴 안테나의 구조를 도시한 도면으로서, 두 개의 아암 중 하나의 암으로는 0도의 신호가 급전되며, 또 다른 암으로는 180도 위상차를 가진 신호가 급전되어야 한다. FIG. 4 is a diagram illustrating a structure of a spiral antenna having two arms, in which one arm of two arms is fed with a zero degree signal, and another arm is fed with a signal having a 180 degree phase difference.
도 5은 네 개의 아암을 가진 스파이럴 안테나의 구조를 도시한 도면으로서, 각각의 아암에는 0도, 90도, 180도, 270도와 같이 각각 90도의 위상차를 가지는 신 호가 급전되어야 한다. FIG. 5 is a diagram illustrating a structure of a spiral antenna having four arms, and each arm should be fed with a signal having a phase difference of 90 degrees such as 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees.
광대역에 대한 축비는 보다 많은 아암을 사용함으로써 개선될 수 있는 바, 축비 파라미터만을 고려할 경우 도 5에 도시된 네 개의 아암을 가진 스파이럴 안테나가 도 4에 도시된 안테나에 비해 보다 개선된 축비를 가질 수 있다. The axial ratio for broadband can be improved by using more arms, so considering only the axial ratio parameters, a spiral antenna with four arms shown in FIG. 5 may have an improved axial ratio compared to the antenna shown in FIG. have.
그러나, 보다 넓은 주파수 대역에서의 축비의 개선을 위해서는 광대역에 대해 신호의 위상차가 일정하게 유지될 필요가 있는 바, 본 발명의 실시예와 같은 급전 회로가 요구된다. However, in order to improve the axial ratio in a wider frequency band, the phase difference of the signal needs to be kept constant over a wide band, so that a power supply circuit as in the embodiment of the present invention is required.
본 발명의 일 실시예에 따른 급전 회로망은 도 4 및 도 5와 같은 스파이럴 방사체 이외에도 일정한 위상차를 가지고 급전될 필요가 있는 다양한 종류의 안테나 방사체에 적용될 수 있다. The power feeding network according to an embodiment of the present invention may be applied to various kinds of antenna radiators that need to be fed with a constant phase difference in addition to the spiral radiators as shown in FIGS. 4 and 5.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용되는 CRLH 메타물질 전송 라인의 기본 단위 셀을 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a basic unit cell of a CRLH metamaterial transmission line applied to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, CRLH 메타물질 전송 라인은 두 개의 캐패시터 및 인덕터를 포함한다. 전술한 바와 같이, CRLH 메타물질 전송 라인은 신호의 위상을 가변시키는 기능을 하며, CRLH 메타물질 전송 라인에서 위상 변화량은 L0, C0 및 d0에 의해 결정된다. 여기서 d0는 CRLH 메타물질 전송 라인 셀의 길이를 의미한다. Referring to FIG. 3, the CRLH metamaterial transmission line includes two capacitors and an inductor. As described above, the CRLH metamaterial transmission line functions to vary the phase of the signal, and the amount of phase change in the CRLH metamaterial transmission line is determined by L 0 , C 0 and d 0 . Where d 0 means the length of the CRLH metamaterial transmission line cell.
원하는 위상 변화량이
위 수학식 1 및 수학식 2에서, w는 주파수이고, n은 셀의 개수이며, Z0는 전송 선로의 특성 임피던스이고, L 및 C는 CRLH 메타물질 전송라인에서 RH 파트의 인덕턴스 및 캐패시턴스이며, L0 및 C0는 CRLH 메타물질 전송라인에서 LH 파트의 인덕턴스 및 캐패시턴스이다. In
수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 제1 메타물질 전송라인에 설정된 제1 각도의 위상 변화량 제2 메타물질 전송 라인에 설정된 제2 각도의 위상 변화량을 만족시키는 L0, C0 및 d0 값을 설정할 수 있으며, 원하는 위상 변화량을 만족시키는 다수의 L0, C0 및 d0 세트가 구해질 수 있다. L 0 , C 0 and d 0 values satisfying the phase change amounts of the first angle set in the first metamaterial transmission line using Equation 1 and
이때, 제1 메타물질 전송 라인 및 제2 메타물질 전송 라인의 위상차는 광대역에 대해 동일하게 유지되어야 하는 바, 다수의 L0, C0 및 d0 세트 중 제1 메타 물질 및 제2 메타물질 전송 라인의 위상차가 광대역에 대해 유지되는 L0, C0 및 d0 세트를 선택한다. In this case, the phase difference between the first metamaterial transmission line and the second metamaterial transmission line should be kept the same for the wide band, and thus, the first metamaterial and the second metamaterial transmission among a plurality of sets of L 0 , C 0, and d 0 may be transmitted. Choose the set of L 0 , C 0 and d 0 where the phase difference of the line is maintained over broadband.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 다수의 L0, C0 및 d0 세트 중 다음의 수학식 3을 만족시키는 L0, C0 및 d0 값을 구한다. According to a preferred embodiment of the invention, obtain the number of L 0, C 0 and L 0, C 0 and d 0 value of from d 0 set with the following equation (3) satisfying the expressions (1) and equation (2) .
위 수학식 3은 제1 메타물질 전송 라인을 +45만큼 위상 변화시키고 제2 메타물질 전송 라인을 -45도만큼 위상 변화시킬 경우에 대한 것이며, 위상 변화 각도는 원화는 위상 변화량에 따라 자유롭게 설정될 수 있을 것이다. Equation 3 above is for the case where the first metamaterial transmission line is phase shifted by +45 and the second metamaterial transmission line is phase shifted by -45 degrees, and the phase change angle may be freely set according to the phase change amount. Could be.
즉, 제1 각도에 대한 위상 변화가 설정된 제1 메타물질 전송 라인에서의 주파수에 따른 위상 변화량과 제2 각도에 대한 위상 변화가 설정된 제2 메타물질 전송 라인에서의 주파수에 따른 위상 변화량이 동일한 메타물질 전송 라인이 선택되며 이는 수학식 1 내지 수학식 3을 만족하는 L0, C0 및 d0 값을 구함으로써 구현될 수 있다. That is, the phase change amount according to the frequency in the first metamaterial transmission line in which the phase change with respect to the first angle is set and the phase change amount according to the frequency in the second metamaterial transmission line in which the phase change in the second angle is set are equal. The material transmission line is selected, which can be implemented by obtaining L 0 , C 0 and d 0 values that satisfy Equations 1 through 3.
제1 메타물질 전송라인 및 제2 메타물질 전송 라인이 소정의 각도만큼 위상을 변화시키고 제1 메타물질 전송라인 및 제2 메타물질 전송 라인의 위상차가 주파수 변화에 따라 수학식 3에 의해 일정하게 유지됨으로써 안테나의 축비가 개선될 수 있다. The first metamaterial transmission line and the second metamaterial transmission line change phase by a predetermined angle, and the phase difference between the first metamaterial transmission line and the second metamaterial transmission line is kept constant by Equation 3 according to the frequency change. As a result, the axial ratio of the antenna can be improved.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 4개의 아암을 가진 스파이럴 안테 나에 적용되는 급전 회로의 구성을 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit applied to a spiral antenna having four arms according to a preferred embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 4개의 아암을 가진 스파이럴 안테나에 적용되는 급전 회로는 전력 분배기(600), 제1 메타물질 전송 라인(602), 제2 메타물질 전송 라인(604), 제1 반파장 발룬(606) 및 제2 반파장 발룬(608)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6, a power supply circuit applied to a spiral antenna having four arms includes a
4개의 아암을 가진 스파이럴 안테나 급전을 위해 임피던스 매칭부로 제1 반파장 발룬(606) 및 제2 반파장 발룬(608)이 사용된다. The first
전력 분배기(600)는 신호의 전력을 균등하게 분배하며, 도 2에 도시된 윌킨슨 전력 분배기가 사용될 수 있다. The
제1 메타물질 전송 라인(602) 및 제2 메타물질 전송 라인(604)은 전력 분배기(600)에서 분배된 신호 각각에 대해 미리 설정된 각도만큼 위상을 변화시킨다. The first
도 5를 참조하여 살펴본 바와 같이, 4개의 아암을 가진 스파이럴 안테나의 각각의 아암으로는 각각 90도의 위상차를 가지는 신호가 급전될 필요가 있다. As described with reference to FIG. 5, a signal having a phase difference of 90 degrees needs to be fed to each arm of a spiral antenna having four arms.
90도 위상차의 신호 급전을 위해, 제1 메타물질 전송 라인은 +45도 신호의 위상을 변경시키고 제2 메타물질 전송 라인은 -45도 신호의 위상을 변경시킨다. For signal feeding with a 90 degree phase difference, the first metamaterial transmission line changes the phase of the +45 degree signal and the second metamaterial transmission line changes the phase of the -45 degree signal.
이때, 제1 메타물질 전송 라인(602)과 제2 메타물질 전송 라인(604)의 위상차가 90도로 일정하게 유지되도록 수학식 3을 만족하는 캐패시턴스, 인덕턴스 및 셀의 길이 및 셀의 개수가 설정된다. At this time, the capacitance, inductance and length of the cell and the number of cells satisfying Equation 3 are set such that the phase difference between the first
제1 반파장 발룬(606) 및 제2 반파장 발룬(608)은 스파이럴 안테나의 아암과 급전 회로의 전송 라인 사이의 임피던스를 매칭시킨다. 전송 라인은 주로 50옴으로 임피던스가 설정되며, 스파이럴 안테나의 아암은 150옴 내지 200옴 정도인 바, 제1 반파장 발룬은 전송 라인과 스파이럴 안테나 아암 사이의 임피던스 불일치를 매칭시킨다. The
또한, 제1 반파장 발룬(606) 및 제2 반파장 발룬(608)은 디퍼런셜 출력 구조를 지원한다. 제1 반파장 발룬(606)은 제1 포트(650)로 제1 메타물질 전송 라인(602)에 의해 +45도 위상이 변경된 신호를 출력한다. 또한, 제1 반파장 발룬(606)은 디퍼런셜 출력 포트인 제2 포트(652)로 제1 출력 포트와 위상이 180도 차이나는 신호를 출력한다. In addition, the first half-
마찬가지로, 제2 반파장 발룬(608)은 제3 포트(654)로 제2 메타물질 전송 라인(602)에 의해 -45도 위상이 변경된 신호를 출력한다. 또한, 제2 반파장 발룬(608)은 디피런셜 출력 포트인 제4 포트(656)로 제3 출력 포트와 위상이 180도 차이나는 신호를 출력한다. Similarly, the second half-
따라서, 제1 포트 내지 제4 포트(650, 652, 654, 656)로는 각각 위상이 90도 차이가 나는 신호가 출력되어 스파이럴 안테나의 각각의 아암으로 급전된다. Therefore, signals having a phase difference of 90 degrees are output to the first to
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로에 적용되는 반파장 발룬의 구조를 도시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a structure of a half-wavelength balun applied to an antenna feeding circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 반파장 발룬은 λ/2 (전기적 길이)의 동축 케이블(700)을 부가하여 양단을 도 7과 같이 접속함으로써 λ/2 케이블쪽을 선회한 전압, 전류는 위상이 180도 반전되며, 불평형-평형의 변환 작용을 한다. Referring to FIG. 7, the half-wavelength balun has a
평형형 출력 단자(702, 704)간의 전압은 케이블의 중심 도체와 외부 도체간의 2배가 되므로 발룬의 평형형 출력측의 임피던스는 동축 케이블의 4배가 되며, 4:1 임피던스 변환을 수행한다. Since the voltage between the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 6의 +45도 위상 변경을 위한 제1 메타물질 전송 라인(602)에서 5개의 기본 단위 셀을 사용하였으며, d0=3.48mm, L0=8.2nH, C0=8.3pF로 설정하였다. According to an embodiment of the present invention, five basic unit cells are used in the first
또한, -45도 위상 변경을 위한 제2 메타물질 전송 라인(604)에서 5개의 기본 단위 셀을 사용하였으며, d0=5.51mm, L0=12nH, C0=4.7pF로 설정하였으며, 설계 중심 주파수는 S 밴드 활용을 위해 2.15GHz로 설정하였다. In addition, five basic unit cells were used in the second
도 8은 제1 메타물질 전송 라인과 제2 메타물질 전송 라인 사이의 주파수에 따른 위상차를 도시한 도면이다. 8 is a diagram illustrating a phase difference according to a frequency between a first metamaterial transmission line and a second metamaterial transmission line.
도 8을 참조하면, 두 개의 메타 물질 전송 라인 사이의 위상차는 1.18GHz에서 3.35GHz의 2.17GHz 대역에 대해 위상차 90도가 유지되는 것을 확인할 수 있는 바, 광대역에 대해 급전되는 신호에 대한 위상차 유지가 가능하다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the phase difference between two metamaterial transmission lines is maintained at 90 degrees for the 2.17 GHz band of 1.18 GHz to 3.35 GHz, so that the phase difference can be maintained for a signal fed over a wide band. Do.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질 전송 라인이 적용된 전력 분배기의 S 파라미터(S11, S21, S31, S23)를 도시한 도면이다.9 is a diagram illustrating S parameters S11, S21, S31, and S23 of a power divider to which a metamaterial transmission line according to an embodiment of the present invention is applied.
도 9를 참조하면, 안테나 급전 회로의 반사 손실 및 격리도는 1 ~ 3.5GHz 대역에서 10dB 이하이며, throughput은 1.1 ~ 3.1GHz 대역에서 4dB 이상의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9, the return loss and isolation of the antenna feed circuit are 10 dB or less in the 1 to 3.5 GHz band, and the throughput has a value of 4 dB or more in the 1.1 to 3.1 GHz band.
도 9와 같은 특성을 가지는 전력 분배기에 4 아암 스파이럴 패치(아암 두께 1mm, 아암간 거리 1mm, 최외각 팔길이 50mm)를 급전하기 위해 4:1 임피던스 셋업비를 제공하는 반파장 발룬이 연결된다. 이를 통해, 4-아암 스파이럴 패치에서 우수 한 원형 편파 특성을 얻기 위한 포트간의 위상 차이가 넓은 대역에서 유지될 수 있다. A half-wavelength balun is provided that provides a 4: 1 impedance setup ratio for feeding a four arm spiral patch (arm thickness 1 mm, arm distance 1 mm,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로가 4-아암 스파이럴 안테나에 적용될 경우 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다. FIG. 10 is a diagram illustrating a radiation pattern of an antenna when an antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention is applied to a four-arm spiral antenna.
도 10에서, 충분한 안테나 이득을 위해 스파이럴 패치에서 35mm 거리를 두고 위치하는 200mm×200mm 반사판이 구비되었으며, 이때 원하는 동작 주파수 범위 안에서 RHCP 이득이 4dBi 이상의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. In FIG. 10, a 200 mm × 200 mm reflector is provided at a distance of 35 mm from the spiral patch for sufficient antenna gain. In this case, it can be seen that the RHCP gain has a value of 4 dBi or more within a desired operating frequency range.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 안테나 급전 회로가 4-아암 스파이럴 안테나에 적용될 경우 주파수에 따른 반사 손실을 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로가 4-아암 스파이럴 안테나에 적용될 경우 주파수에 따른 축비를 도시한 도면이다. FIG. 11 is a diagram illustrating return loss according to frequency when the antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention is applied to a four-arm spiral antenna. FIG. 12 is a diagram illustrating an antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention. When applied to a 4-arm spiral antenna is a diagram showing the axial ratio according to the frequency.
도 11을 참조하면, 측정된 10dB 반사 손실 주파수 대역은 1.09 ~ 3.52GHz의 2.43GHz인 바, 광대역 특성을 제공하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 11, the measured 10 dB return loss frequency band is 2.43 GHz from 1.09 to 3.52 GHz, thus providing broadband characteristics.
또한, 도 12를 참조하면, 축비 대역폭은 1.3GHz에서 2.5GHz까지 3dB 이하의 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. In addition, referring to FIG. 12, it can be seen that the axial ratio bandwidth exhibits excellent characteristics of 3 dB or less from 1.3 GHz to 2.5 GHz.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로의 구성을 도시한 블록도.1 is a block diagram showing the configuration of an antenna power supply circuit according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에서 전력 분배기로 사용될 수 있는 윌킨슨 전력 분배기의 구성을 도시한 도면.FIG. 2 illustrates a configuration of a Wilkinson power divider that can be used as a power divider in the present invention. FIG.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용되는 CRLH 메타물질 전송 라인의 기본 단위 셀을 도시한 도면.3 is a diagram illustrating a basic unit cell of a CRLH metamaterial transmission line applied to an embodiment of the present invention.
도 4는 두 개의 아암을 가진 스파이럴 안테나의 구조를 도시한 도면.4 shows the structure of a spiral antenna with two arms.
도 5은 네 개의 아암을 가진 스파이럴 안테나의 구조를 도시한 도면.5 shows the structure of a spiral antenna with four arms.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 4개의 아암을 가진 스파이럴 안테나에 적용되는 급전 회로의 구성을 도시한 도면.6 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit applied to a spiral antenna having four arms according to a preferred embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로에 적용되는 반파장 발룬의 구조를 도시한 도면.7 is a diagram illustrating a structure of a half-wavelength balun applied to an antenna feeding circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 제1 메타물질 전송 라인과 제2 메타물질 전송 라인 사이의 주파수에 따른 위상차를 도시한 도면.8 is a diagram illustrating a phase difference according to a frequency between a first metamaterial transmission line and a second metamaterial transmission line.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질 전송 라인이 적용된 전력 분배기의 S 파라미터(S11, S21, S31, S23)를 도시한 도면.9 illustrates S parameters S11, S21, S31, and S23 of a power divider to which a metamaterial transmission line according to an embodiment of the present invention is applied.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로가 4-아암 스파이럴 안테나에 적용될 경우 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면.10 is a diagram illustrating a radiation pattern of an antenna when an antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention is applied to a 4-arm spiral antenna.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 안테나 급전 회로가 4-아암 스파 이럴 안테나에 적용될 경우 주파수에 따른 반사 손실을 도시한 도면. FIG. 11 is a diagram illustrating return loss with respect to frequency when an antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention is applied to a 4-arm spiral antenna. FIG.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 급전 회로가 4-아암 스파이럴 안테나에 적용될 경우 주파수에 따른 축비를 도시한 도면.12 is a diagram illustrating an axial ratio according to frequency when an antenna feeding circuit according to an embodiment of the present invention is applied to a 4-arm spiral antenna.
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