KR101213188B1

KR101213188B1 - 이중편파 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR101213188B1
Application number: KR1020120103501A
Authority: KR
Inventors: 최환기
Original assignee: 주식회사 선우커뮤니케이션
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2012-12-18

Abstract

본 발명은 이중편파 다이폴 안테나에 관한 것이다. 이 안테나는: 배면의 중심에서 90°간격으로 배치되어 정방형으로 형성되며 서로 교차배치된 소자 쌍이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 4 개의 다이폴 소자와, 전면에서 각 소자 쌍의 (-)극 관통홀로부터 연장되어 (+)극 비어홀로 연장되는 급전선을 갖는 (1) 복사 기판; 심선이 상기 관통홀을 통과하여 급전선에 연결되도록 장착되는 (2) 급전 케이블; 상기 급전 케이블과 쌍을 이루어 발룬 역할을 하는 것으로, 금속 패턴이 각 소자 쌍의 (+)극에 연결되도록 상기 복사 기판과 반사판 간에 제공되는 (3) 발룬 기판을 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면, 종래의 급전구조가 매우 간단하게 개선되며, 급전구조의 설계 및 구현이 간편해지는 효과가 있다. 또한 발룬 특성을 사용된 급전 케이블 특성에 맞추어 조절하여 이용할 수 있는 효과가 있다.

Description

이중편파 다이폴 안테나 {Dual-Polarized Dipole Antenna}

본 발명은 주로 이동통신 시스템의 기지국 안테나로써 적용되는 기판형 이중편파 다이폴 안테나에 관한 것이다.

이중 편파 안테나란 일반 안테나가 수직 편파 또는 수평 편파와 같은 단일 편파를 갖는데 비하여 경사진 각도의 편파 2개를 갖는 안테나를 일컫는데, 보통 ±45°의 편파를 가지므로 듀얼 슬랜트 폴러라이즈드 안테나(Dual Slant Polarized Antenna)라고도 불리며, 주로는 이동통신 시스템 내 기지국의 수신 경로 이중화 구현을 위한 안테나로 이용되고 있다.

근래 이 안테나 분야에서는, 기판상 다이폴 소자의 배치 및 소자 급전구조에 있어서 다양한 연구가 있어 왔다. 특히, 교차하는 안테나 급전라인에 대한 3차원 급전방식에 있어서 많은 연구가 이루어져 왔다.

먼저, 공개특허 제2007-99422호에는 기판의 전면에 교차 배치된 두 개의 다이폴 안테나와 4 개의 급전점을 가진 급전기를 포함하여 구성된 이중편파 다이폴 안테나가 개시되어 있는데, 여기에서 상기 급전기는 각 안테나 급전라인의 교차 부분에 배치되어 전류의 교차 급전을 가능하게 하는 역할을 한다. 개시된 다이폴 안테나는 상기 급전기의 적용으로 인하여 각 안테나에 의한 ±45°이중편파 복사가 가능해진다. 한편으로, 이러한 3차원 특수 급전소자 및 이를 이용한 급전방식으로 인하여 안테나 장치의 구조 및 조립 등이 복잡해지고 어려워지는 문제가 있다.

다음, 특허 제865749호에는 기판의 전면과 후면을 통하여 교차 배치된 두 개의 다이폴 안테나와 각 다이폴 안테나에 급전을 하기 위한 두 쌍의 비어홀(via -hole)과 발룬홀(balun-hole) 그리고 비어홀과 발룬홀 사이의 또 다른 비어홀 등을 포함하여 구성된 이중편파 다이폴 안테나가 개시되어 있다. 개시된 다이폴 안테나는 상기 홀들에 각각 삽입된 케이블로부터 신호 급전되며, 이에 따라 각 안테나에 의한 ±45°이중편파 복사가 가능해진다. 한편으로는, 상기 기판의 전면과 후면에 설계되는 안테나 소자, 많은 수의 홀들에 의하여 안테나 장치의 구조 및 설계가 복잡해지는 문제가 있다.

그리고, 특허 제870725호에는 기판의 전면과 후면에 서로 교차되는 방향으로 각각 형성된 다이폴 안테나와 상기 전면 및 후면에 각각 형성되어 급전하는 심선홀, 접지홀, 발룬홀 및 상기 심선홀과 발룬홀을 연결하는 비어홀 등을 포함하여 구성된 이중편파 다이폴 안테나가 개시되어 있다. 개시된 다이폴 안테나는 바로 위의 다이폴 안테나와 비교하여, 각 안테나의 교차배열 특성이 상이한 것이 인정된다. 그러나 인쇄회로 기판의 전?후면 가공 및 많은 수의 홀 형성으로 인하여 안테나 장치의 구조 및 설계가 복잡해지는 문제가 있다는 점에는 변함이 없다.

한편, 상기 특허 제865749호, 제870725호 및 그 외 특허 제870725에서는 안테나의 광대역 특성 향상을 위하여 '발룬(balun)' 구조를 적용하고 있으며, 경우에 따라서는 광대역 보상패드를 더 구성하기도 한다. 이 구조에서 발룬 부분은 동축 케이블과 쌍을 이루게 하기 위하여 소위 '발룬 케이블'이라고 하는 이형금속 구조물을 적용하고 있다. 그러나 이 구조물은 제작 및 설치가 어려울 뿐만 아니라, 수정 또는 조절이 불가능함에 따라 급전 케이블이 변경되면 제거 및 교체되어야 하는 불리함이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 기판형 이중편파 다이폴 안테나들의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 안테나의 급전구조 및 발룬구조를 개선하여 제작 및 설치가 간편하며, 별도의 보상수단 없이도 충분한 광대역 특성을 구현하는 이중편파 다이폴 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 이중편파 다이폴 안테나는:

배면의 중심에서 90°간격으로 배치되어 정방형으로 형성되며 서로 교차배치된 소자 쌍이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 4 개의 다이폴 소자와, 전면에서 각 소자 쌍의 (-)극 관통홀로부터 연장되어 (+)극 비어홀로 연장되는 급전선을 갖는 복사 기판;

심선이 상기 관통홀을 통과하여 급전선에 연결되도록 장착되는 급전 케이블;

상기 급전 케이블과 쌍을 이루어 발룬 역할을 하는 것으로, 금속 패턴이 각 소자 쌍의 (+)극에 연결되도록 상기 복사 기판과 반사판 간에 제공되는 발룬 기판;

을 포함하여 이루어진다.

선택된 하나의 소자 쌍은 (+)극의 돌출패턴과 (-)극의 요입패턴이 대응 형성되고, 이에 따라 두 개의 급전선은 길이를 달리하는 방법으로 복사 기판의 전면에서 물리적으로 서로 교차하지 않도록 구성된다.

바람직하게, 상기 급전 케이블은 동축의 쉴드 부분이 상기 관통홀의 하부 가장자리의 에칭면에 접촉한다. 또한 바람직하게, 상기 발룬 기판은 상단이 복사 기판의 일자형 장착홀에 끼워져 고정된다.

본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나:

복사 기판의 한 면에 4 다이폴 소자를 형성하고, 다른 한 면에 2 급전선을 형성한다. 그리고 단지 2 개의 관통홀과 비어홀을 통하여 급전을 수행한다. 따라서 종래 3차원 급전구조가 매우 간단하게 개선되며, 급전구조의 설계 및 구현이 간편하고 정확해지는 효과가 있다.

또한, 발룬 역할을 하는 수단으로서 패턴이 형성된 발룬 기판을 적용한다. 따라서 구현 및 설치가 자유로우며, 단지 패턴의 폭을 조정함으로써 굳이 교체할 필요없이 급전 케이블 특성에 맞추어 이용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나의 사시도.
도 2는 도 1에 적용된 복사 기판의 전면을 보인 도면.
도 3은 도 1에 적용된 복사 기판의 배면을 보인 도면.
도 4는 도 1에 적용된 발룬 기판의 구성을 보인 도면.
도 5는 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나의 정재파비 그래프

이상에서 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 '이중편파 다이폴 안테나'의 특징과 작용효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도면들에서 부호 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나를 나타낸다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나(10)는 전?후면을 통하여 4 개의 다이폴 소자(21a,21b,21c,21d)와 급전선(22a,22b)을 갖는 복사 기판(20)과, 상기 소자(21a~21d)에 전력을 공급하는 급전 케이블(30), 그리고 상기 급전 케이블(30)과 쌍을 이루어 발룬(balun) 역할을 하는 발룬 기판(40)을 포함하여 이루어진다.

부호 50은 상기 복사 기판(20)의 후방에 제공되는 반사판이다.

상기 다이폴 소자(21a~21d)는 전부 복사 기판(20)의 배면에 형성되는데, 복사 기판(20)의 중심에서 90°간격으로 배치되어 전체적으로 정방형으로 형성되며, 서로 교차 배치된 소자 쌍(21a-21c,21b-21d)이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 구조이다. 예컨대 제1안테나는 다이폴 소자 21a-21c를 통하여 +45°편파를 복사하고, 제2안테나는 다이폴 소자 21b-21d를 통하여 -45°편파를 복사하여, 결과적으로 ±45°로 서로 직교하는 이중편파 복사가 가능해지는 것이다.

본 실시예에서, 상기 다이폴 소자(21a~21d)는 각각 물고기 모양의 유선형으로서 첨단부가 마주보는 형태로 배열된다. 본 발명 분야의 안테나에서는 소자가 정방형으로 서로 인접하여 배치되는데, 이러한 형태의 소자와 배열은 인접한 소자 간 간격을 확보하여 줌으로써 소자 간의 상호 간섭을 최소화하는데 매우 효과적인 것으로 판단된다.

또한 본 실시예에서, 선택된 하나의 소자 쌍(21a-21c)은 (+)극(21c)의 돌출패턴(23)과 (-)극(21a)의 요입패턴(24)이 대응 형성되고, 이에 따라 복사 기판(20)전면에 형성되는 두 개의 급전선(22a,22b)은 길이를 달리하여 물리적으로 서로 교차하지 않도록 구성된다.

상기 급전선(22a,22b)은 전부 복사 기판(20)의 전면에 형성되며, 각 소자 쌍(21a-21c,21b-21d)의 (-)극(21a,21b) 측에 형성된 관통홀(25)로부터 연장되어 (+)극(21c,21d) 측에 형성된 비어홀(26)로 연장된다.

전술한 바와 같이, 두 개의 급전선(22a,22b)은 (+)극(21c)의 돌출패턴(23)과 (-)극(21a)의 요입패턴(24)에 의하여 서로 교차하지 않는다. 구체적으로는, 상기 돌출패턴(23)의 단부에 비어홀(26)이 형성됨에 의해 그에 연결되는 급전선(22a)은 관통홀(25)로부터 연장되는 길이가 짧아지는 것이다. 따라서 하나의 급전선(22b)은 대각선으로 길지만, 다른 하나의 급전선(22a)은 대각선이지만 상대적으로 짧게 형성되어 서로 교차하지 않게 되는 것이다.

상기 급전 케이블(30)은 동축 케이블로서, 심선(31)이 상기 관통홀(25)을 통과하여 급전선(22a,22b)에 연결되도록 장착되며, 이때 외측 쉴드(32) 부분이 상기 관통홀(25)의 하부 가장자리에 형성된 에칭면(27)에 접촉하도록 한다. 이상의 복사 기판(20) 구조 및 급전 케이블(40) 연결구조는 안테나 급전구조의 설계 및 구현을 간편하게 그리고 급전을 정확하게 하는데 매우 효과적이라고 판단된다.

예컨데, 상기한 두 개의 급전선(22a,22b)은 각각의 급전 케이블(30)을 통해 (+)전류와 (-)전류로 이루어진 제1급전신호와 제2급전신호를 인가받아 제1안테나(21a-21c) 및 제2안테나(21b-21d)로 공급하게 된다. 이때 급전신호의 (+)전류는 상기 급전 케이블(30)의 심선(31)으로부터 급전선(22a,22b) 및 비어홀(26)을 경유하여 상기 안테나(12a-12c, 12b-12d)의 (+)극(22c,22d)에 급전되며, (-)전류는 급전 케이블(30)의 외측 쉴드(32)로부터 에칭면(27)을 통하여 상기 안테나(12a-12c, 12b-12d)의 (-)극(21a,21b)에 급전되는 것이다.

이와 같은 방법으로 제1안테나(21a-21c)는 제1급전신호를 +45°편파로 복사하고 제2안테나(21b-21d)는 제2급전신호를 -45°편파로 복사하여, 결과적으로 본 발명의 안테나(10)에서 방향이 ±45°로 서로 직교하는 이중편파 특성을 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기 발룬 기판(40)은 급전 케이블(30)과 쌍을 이루어 발룬 역할을 하는 것으로, 금속 패턴이 각 소자 쌍의 (+)극(22c,22d)에 연결되도록 상기 복사 기판(20)과 반사판(50) 간에 제공되며, 상단이 복사 기판(20)의 일자형 장착홀(28)에 끼워져 고정된다. 이러한 기판 형태의 발룬 구조는 구현, 설치 및 특성 조절이 비교적 자유로운 특징이 있다.

도 4를 참조하면, 상기 발룬 기판(40)은 각각 급전 케이블(30)과 쌍을 이루는 두 개의 패턴(41)이 동시에 나란하게 형성된 하나의 기판이다. 물론, 두 개의 기판으로 각각 구성될 수도 있다. 한편, 이 패턴(41)은 폭을 조절함으로써 급전 케이블(30)과 쌍을 구현할 수 있다. 따라서 종래의 금속성 발룬 케이블 구조에 비하여, 제작 및 설치가 간편하며 다양한 특성의 급전 케이블(30)에 탄력적으로 대응시킬 수 있는 장점이 있다.

부호 41은 복사 기판(20)의 장착홀(28)에 끼워지는 발룬 기판(40)의 상단 고정부이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나(10)는 전압 정재파비(VSWR) 값들이 1.5GHz - 2.77GHz 대역에서 1.5 : 1 이하로 측정되었으므로, 광대역 특성이 상당히 우수한 것임을 알 수 있다. 또한 이로써 발명의 안테나(10)가 PCS: 1710~1870MHz, IMT-2000(WCDMA): 1885~2170MHz, Wibro: 2300~2390MHz, ISM: 2400~2500MHz, SDMB: 2630~2655MHz, Wimax: 2500~2700MHz 등 다양한 방면에서 유효하게 적용 가능한 것임을 알 수 있다.

10. 이중편파 다이폴 안테나
20. 복사 기판 21a,21b,21c,21d. 다이폴 소자
22a,22b. 급전선 23. 돌출패턴
24. 요입패턴 25. 관통홀
26. 비어홀 27. 에칭면
28. 장착홀 30. 급전 케이블
31. 심선 32. 쉴드
40. 발룬 기판 41. 패턴
42. 고정부 50. 반사판

Claims

배면의 중심에서 90°간격으로 배치되어 정방형으로 형성되며 서로 교차배치된 소자 쌍(21a-21c, 21b-21d)이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 4 개의 다이폴 소자(21a~21d)와, 전면에서 각 소자 쌍의 (-)극(21a,21b) 관통홀(25)로부터 연장되어 (+)극(21c,21d) 비어홀(26)로 연장되는 급전선(22a,22b)을 갖는 복사 기판(20)과;
심선(31)이 상기 관통홀(25)을 통과하여 급전선(22a,22b)에 연결되도록 장착되는 급전 케이블(30);
상기 급전 케이블(30)과 쌍을 이루어 발룬 역할을 하는 것으로, 금속 패턴(41)이 각 소자 쌍의 (+)(21c,21d)극에 연결되도록 상기 복사 기판(20)과 반사판(50) 간에 제공되는 발룬 기판(40);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
상기 다이폴 소자(21a~21d)는 각각 물고기 모양의 유선형으로서 첨단부가 마주보는 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
선택된 하나의 소자 쌍은 (+)극(21c)의 돌출패턴(23)과 (-)극(21a)의 요입패턴(24)이 대응 형성되고, 이에 따라 두 개의 급전선(22a,22b)은 길이를 달리하는 방법으로 복사 기판(20)의 전면에서 물리적으로 서로 교차하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
상기 급전 케이블(30)은 동축의 쉴드(32) 부분이 상기 관통홀(25)의 하부 가장자리의 에칭면(27)에 접촉하는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
상기 발룬 기판(40)은 상단이 복사 기판(20)의 일자형 장착홀(28)에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 발룬 기판(40)은 각각 급전 케이블(30)과 쌍을 이루는 두 개의 금속 패턴(41)이 동시에 나란하게 형성된 하나의 기판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.