KR100866566B1 - 지향성 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

지향성 배열 안테나가 개시된다. 광대역 복사소자를 종래의 파장 대비 간격으로 배열하지 아니하고, 각각 대칭되는 4개의 복사소자를 2x2 배열로 배치함으로서 중심 주파수의 정수배에 해당하는 주파수 대역에서도 지향성을 나타내며, 또한 배열된 복사소자의 위 아래의 상을 동일하게 만듦으로써 급전선로의 설계를 용이하게 한다.

Description

지향성 배열 안테나{Directional array structure antenna}

도 1a 내지 도 1c는 프랙탈 안테나의 구조를 도시한 도면,

도 2는 반사판 적용된 복사소자의 복사패턴을 도시한 도면,

도 3은 종래의 배열 방식에 따라 반사판 위에 배열된 복사소자의 복사패턴을 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 복사소자의 배열 구조의 일 실시예를 도시한 도면,

도 5는 도 4에 도시된 복사소자 각각의 복사패턴을 도시한 도면,

도 6은 도 4에 도시된 복사소자의 배치에 따른 복사패턴을 도시한 도면,

도 7은 도 4에 도시된 복사소자의 배치에 따른 복사패턴을 Principal Plane에 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 복사소자의 배열구조의 다른 실시예를 도시한 도면, 그리고,

도 9는 도 8에 도시된 복사소자의 배치에 따른 복사패턴을 도시한 도면이다.

본 발명은 광대역 복사소자를 이용하여 정수배 대역간 지향성을 갖도록 하는 지향성 배열 안테나에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 복사소자를 이용한 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 프랙탈 안테나는 기판(1)의 상면 일부에 제1 공진 주파수를 구현하기 위한 다각형 형태의 복사 패치(2)와, 적어도 하나의 공진 주파수를 구현하기 위해 상기 복사 패치(2)에 형성된 프랙탈 형상의 슬롯(3,4,5)을 포함한다. 기판(1)의 하면에는 접지면(그라운드)(7)이 구비된다.

기판(1)으로는 마이크로스트립 기판이 사용될 수 있으며, 예를 들어 FR4 기판으로 제작함으로써 제작이 용이하고, 저렴한 비용으로 대량 생산을 할 수 있다. 또한, 도 1의 안테나는 동일한 기판 상에 복사 패치와 접지면을 형성함으로써 전체 두께를 1mm 이하로 줄여 소형화된 평판형 안테나를 제공할 수 있다.

복사 패치(2)는 그 자체로 하나의 공진주파수를 가지며, 복사 패치(2)의 형태 및 크기를 조절하여 제1 공진 주파수를 조절할 수 있다. 복사 패치(2)는 다각형 형태 예를 들어, 삼각형 형태 또는 직각 삼각형 형태로 이루어질 수 있으며, 삼각형 패치의 크기는 패치의 높이와 플레어 각도(flare angle)에 의해 결정된다. 복사 패치의 높이가 클수록 또는 플레어 각도가 클수록 복사 패치의 크기가 증가되며, 제1 공진 주파수는 감소한다. 반대로, 복사 패치의 크기가 감소하면, 제1 공진 주파수는 증가한다.

슬롯은 복수 개로 구성되어 2차 이상의 공진 주파수를 구현하기 위한 것으로, 프랙탈 형상 예를 들어 삼각형 형태를 가질 수 있다. 도 1에서는 제1, 제2 및 제3 슬롯(3)(4)(5)을 구비한 예를 도시하였다. 제1 슬롯(3)은 제2 공진 주파수를 구현하기 위한 것으로, 슬롯의 형태 및 크기를 변화시켜 제2 공진 주파수를 조절할 수 있다. 제2 및 제3 슬롯(4)(5)은 제3 공진 주파수를 구현하기 위한 것으로, 예를 들어 제2 슬롯(4)은 직각 삼각형 형태를 가지고, 제3 슬롯(5)은 이등변 삼각형 형태를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 슬롯의 축소도를 조절하여 원하는 공진 주파수를 얻을 수 있다.

일반적으로 프랙탈 형상의 축소도 값이 커지면 상대적으로 높은 주파수에서 공진이 일어나고 반대로 축소도 값이 작아지면 상대적으로 낮은 주파수에서 공진이 일어난다. 종래의 프랙탈 안테나 형상은 삼각형 패치 내부의 플레어 각도와 높이가 일정하게 구성되어 삼각형 패치의 크기에 따라서 공진 주파수가 결정되어 공진 주파수를 가변 할 수 없는 단점을 가지고 있으나, 도 1에서는 삼각형 내부의 플레어 각도와 높이를 가변하여 공진 주파수를 조절할 수 있다. 즉, 종래에는 최 외곽의 삼각형 패치의 중간 지점들을 연결하여 내부 삼각형 패치를 구성함으로써 삼각형 패치의 크기가 고정이 되고 이에 따라서 공진 주파수도 고정되었으나 도 1에서는 삼각형 패치의 높이와 플레어 각도의 조절이 가능하다.

도 1c에서는 3중 대역을 구현한 안테나의 예를 도시하였으나 3중 대역 이상의 다중 대역을 구현할 수 있음은 물론이다. 소형화에 따라 휴대 통신 기기에 내장 가능한 이점이 있다.

기판(1)의 상면에는 복사 패치(2)가 구비되고, 기판의 하면에는 접지면(7)이 구비된다. 상기 접지면(7)의 크기와 형태에 따라서 안테나의 공진 주파수 대역이 달라진다. 접지면(7)은 제1 공진 주파수 대역의 대역폭을 확장하기 위해 마름모 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 한편, 접지면의 크기와 위치에 따라 공진 주파수와 대역폭이 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 접지면(7)은 상기 복사 패치(2)가 위치된 영역과 중첩되지 않는 영역에 구비될 수 있다. 또는, 복사 패치보다 작은 크기의 접지면을 복사 패치의 아래쪽에 위치하도록 하는 것도 가능하다. 또한, 상기 접지면(7)에서부터 상기 기판(1)을 통해 복사 패치(2)까지 급전부(6)가 결합된다.

도 2는 반사판 적용된 복사소자의 복사패턴을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 반사판(210)이 적용된 복사소자(200)의 복사패턴은 주파수에 따라 그 특성이 불규칙하다. 중심 주파수(이하, F1)에서 복사소자의 복사패턴(220)은 PCB 평면에 수직방향(기준 방향)으로 지향성을 나타낸다. 그러나, 중심 주파수 이외의 주파수, 즉 주파수가 F1*2 및 F1*3이 되는 경우(230,240)에는 복사패턴의 지향성이 기준방향을 벗어나 형태로 형성된다.

종래에 복사소자들의 배열은 복사소자의 주파수 대역에 따른 파장 대비 길이(즉, λ/2)를 기준으로 설계되었다. 따라서 중심 주파수 대비 ±5% 내외에서만 지향성 복사패턴이 나타난다.

도 3은 종래의 배열 방식에 따라 반사판 위에 배열된 복사소자의 복사패턴을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 복사소자들(300,302,304,306)은 반사판(310) 위에 중심 주파수(F1)의 파장(λ)에 따른 간격(즉, λ/2)으로 네 개가 배치된다. 이 경우 네 개의 복사소자들에 의해 나타나는 복사패턴은 중심 주파수인 경우(320) 지향성을 나 타내나, 주파수가 2*F1 및 3*F1이 되는 경우(330,340)에는 기준 방향(PCB의 수직 방향)에서 벗어나서 지향성 복사 패턴을 형성한다.

도 2에 도시된 복사패턴의 결과와 같이 반사판이 적용된 복사소자는 주파수 대역이 협대역인 경우에만 적용가능하며, 다중공진 안테나 또는 광대역 안테나의 경우에도 반사판이 있는 경우에는 일부 주파수 대역에서만 지향성을 만족한다.

특히, 반사판 구조를 반영할 경우 도 2와 같이 안테나 복사소자와 반사판 간의 거리의 영향으로 주파수 대역별로 각 복사소자별 복사패턴이 편향되므로, 도 3에 도시된 바와 같은 일반적인 배열 구조로는 광대역 특성을 갖는 지향성 복사패턴을 형성하기 어렵다.

중심 주파수(F1) 대역과 2*F1 주파수 대역의 경우 파장이 정수배의 관계(즉, F1 주파수 대역의 파장은 2*F1 주파수 대역의 파장의 2배)에 있으므로 도 3과 같은 일반적인 파장 배열 기준으로 복사소자를 배열한 안테나는 반드시 주엽에 준하는 Grating lobe가 형성되거나 현저하게 높은 부엽을 형성하게 되므로, 이러한 현상은 도 3에 도시된 실험결과와 같이 정수배의 주파수 간격마다 배열 평면상의 수직 방향으로의 원하는 지향성 복사패턴 형성을 불가능하게 한다.

본 발명은 반사판이 적용된 경우에도 정수배의 주파수 대역에서 지향성을 나타내는 지향성 배열 안테나를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 지향성 배열 안테나의 일 실시예는, 반사판; 및 상기 반사판 위에 2x2 배열구조로 배열되며, 상하좌우 각각 대칭되는 4개의 복사소자들;을 포함한다.

이로써, 반사판의 적용시에도 중심 주파수의 정수배에서 복사패턴의 지향성이 나타난다.

본 발명은 광대역 특성을 가진 복사소자이면 도 1에 도시된 프랙탈 복사소자 등 다양한 종류의 광대역 복사소자를 사용가능하다. 이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 지향성 배열 안테나에 대해 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 복사소자의 배열 구조의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 4개의 복사소자(400,410,420,430)는 상하좌우 각각 모양이 대칭되도록 반사판(440) 위에 배치된다. 따라서, 위쪽 2개의 복사소자(400,410)와 아래쪽 2개의 복사소자(420,430)는 180도의 위상차이를 가진다. 각각 모양이 대칭되는 복사소자들은 정수배 관계를 갖는 주파수 대역에서의 복사 패턴의 특성을 고려하여 합성된다. 따라서, 도 4에 도시된 배열 구조 외에 복사 패턴을 특성을 고려한 다른 배열의 조합이 가능함은 물론이다. 또한, 복사소자 사이의 간격은 종래의 파장대비 간격에 국한되지 아니하고 거리에 따른 복사패턴의 실험 결과를 기초로 최적의 간격을 파악할 수 있음은 물론이다.

4개의 대칭되는 복사소자 각각의 복사패턴은 도 5에 각각 도시되어 있다. 도 5의 복사패턴은 중심 주파수(F1)의 두 배에 해당하는 주파수 대역(2*F1)에서의 복사소자의 복사패턴(510,520,530,540)을 도시한 도면이며, 도 5에서 도시된 복사패 턴의 지향성 방향이 수렴되도록 배열하면 도 4에 도시된 배열 구조를 설계할 수 있다. 도 5에 도시된 복사패턴의 지향성 패턴은 방위각 20도(φ), 고각 방향으로 60도(θ)(진행 방향을 z축으로 기준)로 주엽이 형성되므로, 도 4와 같이 복사소자를 2x2 배열로 배치하면 각 복사소자의 지향성 패턴이 수렵하는 방향으로 배열된다.

4개의 복사소자의 대칭 배치에 따른 복사패턴은 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 도 3에 도시된 복사소자의 배치는 중심 주파수(F1) 외에 2*F1 및 3*F1의 주파수에서도 동일한 지향성을 나타냄을 알 수 있다. 도 7은 도 4에 도시된 복사패턴의 배치에 따른 복사패턴을 Principal Plane(E plane 및 H plane)로 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 복사소자의 배열구조의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 위쪽 두 개의 복사소자(800,810)(이하, 제1 복사소자군)는 서로 대칭되며, 아래쪽 두 개의 복사소자(820,830)(제2 복사소자군) 또한 서로 대칭되고, 반사판(840)이 적용된다. 그리고 제1 복사소자군(800,810)과 제2 복사소자군(820,830)의 위상을 동위상으로 만들기 위하여 제1 복사소자군의 그라운드면과 제2 복사소자군의 그라운드면을 반대로 배치한다. 제1 복사소자군과 제2 복사소자군의 그라운드 및 Patch 부분을 서로 다른 면에 배치함으로써, 각 복사소자에 급전하는 급전선로의 구조에 180도 위상차를 반영한 광대역 구조를 설계하지 않고서도 동일한 지향성 패턴을 형성하게 할 수 있으므로 설계가 용이하다.

도 9는 도 8과 같이 배열된 복사소자의 복사패턴을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 기본주파수(F1)(900) 외에 2*F1 및 3*F1의 주파수(910,920)에서도 동일한 지향성을 나타냄을 알 수 있다.

반사판이 적용된 경우, 종래와 같은 방법으로 파장에 따라 복사소자 사이의 배열 간격을 정의하여 배치하면 도 3과 같이 주파수 변화에 따라 지향성이 달라지는 문제점이 있다. 그러나, 도 4 및 도 8과 같이 단순히 파장에 따른 복사소자의 배열이 아니라 상하좌우 대칭되도록 각 복사소자를 배열하고, 파장에 따른 복사소자 사이 간격을 고수하지 않음으로써 광대역에서 지향성이 나타나도록 할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 정수배 관계를 갖는 관심 주파수 영역에서 배열면의 수직방향으로 지향성 복사 패턴을 형성할 수 있다. 또한 복사소자의 배열 구조시 상을 반전하여 배치함으로써 급전선로 설계를 용이하게 한다.

Claims (3)

1. 반사판; 및

   상기 반사판 위에 2x2 배열구조로 배열되며, 상하좌우 각각 대칭되는 프랙탈 형상을 가지는 4개의 복사소자들;을 포함하고,

   상기 4개의 복사소자들은 각각, 기판; 상기 기판의 상면에 다각형 형태의 복사 패치; 상기 복사 패치에 형성되는 프랙탈 형상의 슬롯들; 및 상기 기판의 하면에 구비된 접지면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 지향성 배열 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반사판 위에 상기 4개의 복사소자들을 하나씩 배치하여 측정한 복사패턴의 지향 방향을 기초로, 상기 4개의 복사소자들의 지향 방향이 한 곳으로 수렴되도록 상기 4개의 복사소자들을 배치하는 것을 특징으로 하는 광대역 지향성 배열 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 4개의 복사소자들 중 위쪽의 2개의 복사소자와 아래쪽 2개의 복사소자의 그라운드 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 광대역 지향성 배열 안테나.

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