KR100991823B1 - 교차편파 위상보상급전 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 간의 아이솔레이션 특성이 아주 뛰어난 교차편파 패치 안테나에 관한 것으로, 유전체기판 위에 패치 안테나를 에칭하여 특정 주파수에 공진하는 안테나를 구현하고, 유전체기판 밑에는 선로용 유전체기판을 두어, 하나의 라디에이터에 급전점을 수평축과 수직축으로 분리하여 2개의 포트를 가지는 패치 안테나이다. 하나의 패치 안테나에 수평방향으로 급전하는 수평급전포트와 수직방향으로 급전하는 수직급전포트 2개로 설정하고, 수평 혹은 수직 포트 둘 중 하나에는 포트신호를 바로 급전하고 나머지 또 하나의 포트신호에서 인입되는 신호를 “+”위상신호와 “-”위상신호로 나누어 분배하여 하나의 라디에이터에 두 급전점에 보상으로 급전하는 분배/급전 선로로 구성한다. 이로써 수평방향으로 급전한 포트에서 발생하는 전/자계와 수직방향으로 급전한 전/자계는 서로 교차하는 결과가 나타나, 교차편파 효과가 발생하여 두 안테나를 인접하여 배치하여도 서로 다른 편파로 방사가 이루어져 강한 아이솔레이션 효과가 발생한다. 본 발명으로 안테나 내장형 중계기 등에 이러한 안테나를 사용할 경우, 강한 아이솔레이션 효과로 인하여 시스템 게인을 높일 수가 있고 효과적인 간섭제거 중계기를 구현할 수가 있게 된다.

아이솔레이션, 교차편파, 수직편파, 수평편파, 간섭제거, 위상보상급전

Description

교차편파 위상보상급전 패치 안테나{Cross Polarization Phase Compensation Patch Antenna}

본 발명은 안테나 간의 아이솔레이션을 높여 안테나 내장형 중계기 등에 사용을 하여, 간섭신호나 에코제거를 목적으로 하는 안테나에 관한 것이다.

최근에 사용되고 있는 휴대폰용 기지국 및 중계기는 사이즈가 점차 소형화 되어가고 있는 추세이므로, 기지국 및 중계기용의 안테나도 소형화가 요구된다. 최근에는 안테나를 중계기에 내장하여 소형의 중계기를 구현하는 방법이 널리 사용되고 있는 점을 감안할 때 안테나의 소형화의 요구는 더욱 절실해 진다. 그러나 안테나의 사이즈를 소형화하면 안테나 방사 패턴의 백로브가 많이 발생하고 게인이 낮아지는 등의 문제점이 발생하게 된다.

최근에는 안테나를 중계기에 내장하면서 간섭신호를 제거하여 증폭을 하는 간섭제거 중계기가 요구되는 추세인데, 간섭제거 중계기에 사용되는 안테나는 도너 안테나와 서비스 안테나의 두 안테나 간의 아이솔레이션이 중요한 관건이다. 소형 의 중계기 내부에서 인접하는 두 안테나 간의 아이솔레이션을 높이기 위해서 여러 가지 노력들을 하고 있는데, 안테나 게인을 높여 방사되는 빔폭을 좁히는 노력과, 방사되는 안테나의 백로브를 낮추는 노력도 같이 행해지고 있다. 그러나 이러한 노력들은 안테나 사이즈가 작을 경우 해결하기가 매우 어려운 과제이며 기술적으로 한계가 있어 업계에서는 안테나 외부에 전파를 차단하는 장치나 기구물을 부착하는 등의 노력들도 병행하여 진행되고 있다.

종래의 안테나에서 아이솔레이션을 높이는 방법으로는 4개, 16개 등 다수개 라디에이터의 배열을 통하여 방사 패턴의 지향성을 높이며 백로브를 저감 시키는 패치 안테나에 관한 것들이 있다. 이 방법은 라디에이터의 숫자가 많아져 안테나의 사이즈가 커지고, 라디에이터의 숫자가 많으므로 인해 분배회로가 복잡하고 분배회로 및 급전선로에서 손실이 많아 효율적인 안테나가 되지 못하며 소형화가 어렵다. 다른 기술로서는 패치 안테나 주위에 도체로 된 얇은 금속 벽을 쌓아 라디에이터에서 방사된 전파가 라디에이터의 뒷면으로 발산되는 것을 막아주는 방법이 있으나, 이 역시 도체의 벽을 크게 하여야 어느 정도 차단 효과가 커지나, 안테나의 사이즈로 인하여 크기에 한계가 있고 별도의 부착물을 만들어야 하는 등 어려움이 있으며 그 효과는 미미한 수준이다. 또 다른 방법으로는 안테나 뒷면에 전파흡수체를 부착하여 안테나 뒷면으로 방사되는 전파를 흡수하여 아이솔레이션 효과를 극대화하는 노력을 하고 있으나, 이 역시도 전파흡수체 면적을 크게 할 수가 없어 전파흡수효과가 크게 발생하지 않고 가격이 상승하는 어려움이 있다.

본 발명에서는 안테나 주위나 뒷면 등에 별도의 부착물을 붙이지 않고 라디 에이터에 급전하는 급전점을 분리하여 교차편파를 발생함으로 인하여 안테나 간의 아이솔레이션 효과를 극대화하는 방법에 관한 것이다.

안테나 간의 아이솔레이션을 높이기 위해서는 안테나에서 발생하는 전파의 차단 효과를 높여야 하는데, 그러기 위해서는 두 안테나 간의 간격을 충분히 확보 하거나 혹은 두 안테나 사이에 존재하는 공간적 통로를 차단하는 등의 노력이 필요하다. 그러나 실제 중계기 등을 사용하는 환경은 두 안테나 사이의 간격을 충분히 확보하기가 어렵고, 최근에는 소형화를 목적으로 중계기 내부에 안테나를 넣어 좁은 공간에서 아이솔레이션을 높여야 하는 상황이다. 이러한 상황에서 안테나 주위에 금속판을 대어 전파가 뒷면으로 가는 것을 차단하거나, 안테나 사이에 전파흡수체나 금속재료의 차단막을 넣는 등의 노력을 하고 있으나 그 효과는 수 dB 이내로 머무는 실정이다. 최근에는 디지털신호 처리기법을 사용하여 아날로그신호를 디지털로 바꾸고 FFT 처리를 하여 디지털 필터로서 에코신호를 제거하고 다시 역FFT 처리를 하고 아날로그신호로 바꾸는 등의 디지털 처리기법으로 노력하고 있으나, 이 역시 어려운 작업임에도 불구하고 10dB 이상 개선이 어려운 실정이다.

본 발명에서는 안테나 외부에 별도의 장치를 부착하지 않고, 인접한 안테나 간의 아이솔레이션을 60dB 이상의 획기적인 차단 효과를 얻기 위하여, 하나의 패치에 교차편파를 발생시키는 방법을 고안하여 하나의 안테나에서 서로 별개의 전파가 발생됨으로 인해, 근거리에 인접한 두 안테나에서 발생하는 전파들이 서로 이질감을 키워 간섭효과를 최소화하고 아이솔레이션을 높이고자 하는데 목적이 있다.

일반적인 패치 안테나의 방법으로는 인접한 두 안테나 간의 아이솔레이션 효과는 40dB 내외이므로 충분한 아이솔레이션을 얻지 못한다.

본 발명에서는 도 1에서와 같이 하나의 라디에이터에 교차편파를 발생시키기 위하여, 라디에이터의 수평(L축)으로 급전점을 만들어 수평포트에서 인입하는 신호를 입력하며, 라디에이터의 수직(W축)으로도 급전점을 만들어 수직포트와 연결한다. 이로서 수평축(L축)에 급전한 급전점에서 발생하는 전파는 수평편파로 만들어 지고, 수직축(W축)에 급전한 급전점에서 발생하는 전파는 수직편파로 발생된다. 이 두 편파는 서로 방향이 90도 달라 아이솔레이션 효과가 발생한다.

보다 높은 아이솔레이션 효과를 얻기 위하여 수평포트나 혹은 수직포트 중 어느 하나에 위상보상급전을 실시한다. 수평포트(26)에서 인입되는 신호는 T분배기(25)에서 두 신호로 분배되고, 그중 하나는 “+”선로(24-1)을 통하여 바로 “+”급전점(23a)으로 연결되고 또 다른 분배된 신호는 “-”(180도 위상변환용)선로(24)를 통하여 “-”급전점(23b)으로 연결된다. 이렇게 위상보상급전이 실시된 수평편파의 전계는 바르게 발산되고 라디에이터의 4면에 고르게 분포되어 방사되는 전계는 정원형으로 수평빔폭과 수직빔폭이 매우 일정한 모양으로 방사된다. 반면 바로 포트와 연결된 수직급전점(27)은 전계가 수직으로 발산되고 라디에이터(11)의 W 축의 원점(0,0)에서 밑으로 치우쳐진 30~40% 선에서 50옴의 선로와 동일한 급전점이 형성된다. 때문에 발산되는 전계는 라디에이터(11)의 4면에 일정하게 발산되지 못하고 -W 측면에는 강하게 발산되고, +W 측면으로는 약하게 발산되어 전체적으로 방사되는 전파는 아랫 방향(-W)으로 기울게 방사된다. 이로써 하나의 라디에이터(11)에 서로 다른 2개의 포트(26, 27)가 형성되며 서로 다른 2개의 포트에 인입되고 급전되는 급전점이 보상급전을 한 급전점(23a, 23b)과 기존의 급전점(27)으로 차이가 나게 되어 발산되는 전계는 서로 다른 특성을 가지게 된다.

이러한 현상을 이용하여 좁은 공간에서 인접한 두 안테나에 하나의 안테나에는 보상급전점의 포트로 신호를 입력하고 또 하나의 안테나에는 일반급전을 한 포트로 신호를 입력하게 되면 상기 제시한 기존의 교차편파 아이솔레이션보다 월등히 우수한 60dB 정도의 아이솔레이션 효과를 얻을 수가 있게 된다.

기존의 패치 안테나에서 수평편파와 수직편파를 교차시켜 발생시켜 얻을 수 있는 교차편파 아이솔레이션 수치는 두 안테나 간격을 50mm 로 하였을 경우 40~45dB 정도인 것에 비해, 보상급전한 교차편파 패치 안테나의 경우에는 60dB 정도 아이솔레이션이 얻어져 기존에 비해 15~20dB 이상의 우수한 아이솔레이션 수치를 확보할 수가 있었다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 1과 같이 라디에이터용 유전체기판(10) 위에 동박의 라디에이터(11)를 에칭기법으로 구현하고 수평포트용 보상급전점(12a, 12b)과 일반급전점인 수직급전점(12c)을 만든다. 종래 기술에서는 라디에이터에 1개의 급전을 하지만, 본 발명에서는 원점(0,0)을 중심으로 수평 L 축으로 “+”측 급전점(12a)과 이의 대칭점에 “-”측 급전점(12b)을 만든다. 그리고 수직급전점(12c)을 만들어 하나의 라디에이터에 3개의 급전점(12a, 12b, 12c)과 2개의 포트(26, 27)를 형성한다. 도 2에서와 같이 라디에이터용 유전체기판(10) 위의 라디에이터(11) 위에, 라디에이터의 길이 L 축을 따라 원점(0,0)에서 +L/2 방향으로 “+”측 급전점(12a)을 형성하고 다시 원점(0,0)으로부터 -L/2 방향으로 급전점(12a)의 대칭점에 있는 또 하나의 급전점(12b)을 형성한다. 급전점(12a)는 선로의 임피던스와 동일한 임피던스를 가지는 “+” 50옴의 급전점이 되고, 급전점(12b)는 급전점(12a)와는 180도 위상이 다른 “-” 50옴의 급전점이 된다.

보상급전용 포트(26)에서 인입되는 신호는 50옴의 임피던스를 가지는 선로로서, 상기 “+” 및 “-” 급전점(12a, 12b)으로 가져가기 위한 두 개의 신호로 분배하기 위하여 T분배기(25)를 통하여 두 신호로 나뉘고, 나뉜 두 신호에서 곧 바로 피더로 인입되는 신호는 “+” 신호가 되어 “+” 급전점(23a)에 연결되고, 또 다른 하나의 신호는 위상변환용선로(24)를 통하여 위상을 180도 반전하여 “-” 급전점(23b)으로 연결된다. 위상변환용선로(24)는 그라운드코플레이너선로를 이용하여 T분배기(25)에서 분배된 “-” 신호를 선로 길이 λ/2 인 선로를 통과시켜 신호를 180도 위상변환시켜 “-” 급전점(23b)으로 연결하여 보상급전용 급전점 및 포트, 연결용 선로를 형성한다.

이와는 상반되게 수직용 급전점(12c)에는 바로 수직편파용 입력포트(27)를 별도의 선로 없이 연결하여 상기 보상급전 선로와는 전혀 다른 모양의 전/자계 발산을 유도한다.

상기 방법으로 FR-4 기판을 사용하여 2GHz 대역의 WCDMA 용 기지국 안테나를 설계한 과정과 결과를 예시한다. 라디에이터용 유전체기판(10)으로는 유전율 4.4, 두께 0.8mm 의 FR-4 기판을 사용하였으며, 선로용 유전체기판(20)도 동일한 사양의 재료를 사용하여 100x100mm 기판 사이즈에 길이 54mm 의 1개의 라디에이터(11)를 에칭기법으로 형성하고, 라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이의 공기층간격을 4mm 로 하여 라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 지름 1mm 의 지지용 연결핀(32)으로 연결하고, 보상급전용 포트(26)에서 들어오는 신호를 그라운드코플레이너선로(24-1, 24) 및 T분배기(25)를 통하여 보상급전의 “+”, “-” 두 급전점(23a, 23b)으로 연결하고 급전용 연결핀(31)을 통하여 라디에이터(11)의 급전점(12a, 12b)에 납땜으로 연결시켜 안테나를 제작하였다. 다시 수직편파용 포트(27)에서 들어오는 신호는 수직편파용 급전점(12c)과 급전용 연결핀(31)을 납땜으로 바로 연결한다. 선로용 유전체기판(20)의 가장자리에는 선로층 위의 동박 라디에이터용 그라운드판(21)과 선로층 아래의 동박 선로용 그라운드판(22)과 연결하기 위하여 스루홀(28)을 뚫어 연결한다. 선로용 유전체기판(20)에 홀을 가공하고 라디에이터용 유전체기판(10)에도 같은 위치에 홀(13)을 가공하여 그사이를 지지용 연결핀(32)을 넣어 납땜으로 가공하여 두 유전체기판(10, 20)을 연결한다.

상기 안테나를 설계하고 두 안테나의 간격을 50mm 로 유지하면서 수평측 보상급전포트에 도너 신호를 입력하고 수직 포트에 서비스 신호를 입력하여, 안테나 내장형의 소형의 중계기와 같은 모델을 설정하여 일어나는 안테나들의 특성을 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 확인한 결과는 표 1 및 표 2와 같다. 표 1에서와 같이 2.0GHz 대역에서 S11 이 -10dB 기준으로 주파수 비대역이 80MHz 이상의 특성을 얻을 수가 있었으며, 표 2에서와 같이 게인이 8.5dBi 이상 얻어졌으며 방사 효율도 85% 이상 얻어져 어느 포트로 신호를 입력할지라도 안테나로서 동작하는 것을 확인할 수가 있으며, F-B Ratio 도 -19 dB 정도 우수한 특성을 얻을 수가 있었다.

이상의 두 안테나를 안테나 간격을 50mm 를 확보하고 아이솔레이션을 측정한 결과는 도 3에서와 같이 -56dB 에서 -67dB 로 WCDMA 대역에서 평균 -60dB 정도 확보가 되는 것을 알 수가 있다.

보다 게인을 높이고 아이솔레이션 특성을 높이기 위해서는 안테나 라디에이터의 숫자를 늘려 배열하게 되면 그 효과를 높일 수가 있게 된다. 예를 들면 라디에이터의 숫자를 2개로 하여 1x2 배열의 패치 안테나를 제작할 경우, 게인을 11dB 정도로 높일 수가 있게 되고, 아이솔레이션 효과도 더욱 커지게 된다. 게인을 더욱 높이기 위해서는 라디에이터의 숫자를 2x2(4개) 혹은 4x4(16개) 등으로 배열을 하게 되면 더욱 높은 게인을 가지는 안테나를 구현할 수가 있게 된다.

안테나 S11 특성

	-10dB min(GHz)	-10dB max(GHz)	-10dB 대역폭(MHz)
보상급전 포트입력 안테나측	1.948	2.033	85
수직편파 안테나측	1.965	2.053	89

안테나 게인 및 효율, F-B Ratio, 3dB Beam Width

	Gain (dB)	Tot. effic.	F-B Ratio(dB)		3dB Beam Width(degree)
			Phi=0	Phi=90	Phi=0	Phi=90
보상급전 포트입력 안테나측	8.9	87%	-19.7	-17.4	63.3	63.8
수직편파 안테나측	8.5	95%	-20.8	-19.6	74.3	61.2

본 발명을 적용한 안테나를 WCDMA 및 WiFi, WiBro 등의 중계기용에 사용을 할 경우, 소형으로 안테나 내장형의 중계기를 실현할 수가 있게 되고, 소형이면서도 인접한 안테나 간의 간섭신호 및 에코 신호를 억제하는 효과를 얻을 수 있어 적은 비용으로도 효율적인 간섭제거 중계기를 실현할 수가 있게 된다.

도 1 : 교차편파 위상보상급전 패치 안테나의 윗면, 아래면, 측면도

도 2 : 교차편파 위상보상급전 패치 안테나 윗면 상세도

도 3 : 교차편파 위상보상급전 패치 안테나 S11 아이솔레이션 특성

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

10: 라디에이터용 유전체기판, 11: 라디에이터

12a: “+” 급전점, 12b: “-” 급전점, 12c: 수직 급전점

13: 지지용 연결핀 삽입용 홀, 14: 절단면

20: 선로용 유전체기판, 21: 라디에이터용 그라운드판, 22: 선로용 그라운드판

23a: “+” 급전점, 23b: “-” 급전점

24: “-”(180도 위상변환용)선로, 24-1: “+”선로, 25: T분배기

26: 보상급전용 포트, 27: 수직편파용 포트, 28: 스루홀,

31 : 급전용 연결핀, 32: 지지용 연결핀

Claims (7)

1. 교차편파 위상보상급전 패치 안테나에 있어서,

   라디에이터(11)를 형성하는 라디에이터용 유전체기판(10);

   포트 및 신호전송용 선로를 형성하는 선로용 유전체기판(20); 및

   상기 라디에이터(11)에 일축으로 급전점(12a, 12b)을 형성하고, 타축으로 급전점(12c)을 형성하고;

   상기 선로용 유전체기판(20)에는 일측 보상급전용 포트(26)에서 들어오는 신호를 배분하는 T분배기(25)로 구성되고,

   상기 분배된 신호에서 일측 신호는 “+”급전점(23a)으로 연결되고, 타측 신호는 위상변환용선로(24)을 통하여 “-”급전점(23b)으로 연결되고,

   상기 “+”급전점(23a) 및 “-”급전점(23b), 타측 수직편파용 포트(27)를 라디에이터(11) 상에 형성된 급전점(12a, 12b, 12c)으로 연결하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10) 위에 에칭기법으로 형성된 라디에이터(11)에 라디에이터의 일축을 따라 중앙부에서 대칭으로 급전점(12a, 12b)을 형성하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20) 위에 보상급전용 포트(26)에서 라디에이터의 양 급전점(23a, 23b)으로 연결하기 위하여 사용하는 선로(24, 24-1)를 그라운드코플레이너선로 혹은 마이크로스트립선로로 구현하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭 기법으로 라디에이터(11)를 1개 혹은 2개 이상 복수개로 형성하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20)의 그라운드코플레이너선로(24, 24-1) 주위의 선로용 그라운드판(22)과 선로용 유전체기판(20) 윗면의 라디에이터용 그라운드판(21)을 일정간격으로 스루홀(28)을 가공하여 연결하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   라디에이터용 유전체기판(10)과 선로용 유전체기판(20) 사이를 일정간격 d 를 유지하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
7. 제 1항에 있어서,

   선로용 유전체기판(20)의 보상급전용 포트(26)에서 인입되는 신호를 1/2 분배 혹은 1/4 분배하기 위하여 T분배기 혹은 윌킨스 디바이드로 형성하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.

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