KR101908063B1 - 방향 제어 안테나 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

방향 제어 안테나는 접지체와 방사체 사이에 복수의 임피던스 소자가 연결되어 있고, 각 임피던스 소자와 접지체 사이에 연결되어 있는 복수의 스위치가 연결되어 있으며, 외부로부터의 제어 명령에 따라서 복수의 스위치의 온오프를 제어한다. 이때 턴온되는 스위치에 의해서 접지체와 단락되는 방사체의 단락 위치 및 단락 위치의 수에 따라서 방사 방향 및 방사 형태가 결정된다.

Description

방향 제어 안테나 및 그의 제어 방법{DIRECTION CONTROL ANTENNA AND METHOD FOR CONTROLLING OF THE SAME}
본 발명은 방향 제어 안테나 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 소출력 무선 전송 장치에 탑재 가능한 소형의 방향 제어 안테나 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 소출력 무선 전송 장치를 이용한 통신 시스템에서 단말, 통신 노드, 무선 중계 장치 등은 단일 RF 포트를 가지며 저전력에서 동작한다. 따라서 무선 전송 장치에 사용되는 방향 제어 안테나는 크기가 작고 방향 제어를 위한 낮은 전력 소모가 요구된다.
도 1은 종래 단일 RF 포트를 가지는 방향 제어 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 방향 제어 안테나는 접지체(10)의 중심에 탑재된 방사체(20)와 방사체(20)의 주변으로 접지체(10) 위에 원형 배열된 복수의 기생 소자(30)를 포함한다. 이때 기생 소자(30)와 기생 소자(30)간의 간격(d1), 방사체(20)와 기생 소자(30)와의 간격(d2)은 방향 제어 안테나에서 사용하는 주파수의 파장의 1/4 정도가 되도록 설계되며 접지체(10)의 반지름은 상기 파장의 1/2 정도가 되도록 설계된다. 이러한 방향 제어 안테나의 경우, 각 기생 소자(30)의 하단은 커패시터와 같은 일정 용량의 임피던스 소자가 스위치를 통하여 집지체(10)에 연결되며, 제어부의 제어에 따라 각 스위치의 온오프가 결정되며 턴온된 스위치에 연결된 기생 소자(30)의 조합에 따라 방향성이 결정되며 방사가 이루어진다.
소출력 무선 전송 장치에서 방향 제어를 위하여 소형의 단일 RF 포트를 갖는 방향 제어 안테나를 구성할 때 기생 소자(30)를 이용하면, 각 기생 소자(30)들 사이 그리고 방사체(20)와 기생소자(30) 사이의 간섭을 최소화 하기 위하여 기생 소자(30)간 및 방사체(20)와 기생 소자(30)간 일정 간격으로 이격하여 배치할 필요가 있다. 또한 방사 방향이 수평면을 따라 동작하기 위해 기생 소자와 접지면의 경계까지 이격 거리도 필요하다. 따라서 방향 제어 안테나의 크기가 커진다. 일반적으로 방향 제어 안테나의 크기는 접지체의 지름이 사용하는 주파수의 1 파장 정도가 된다.
또한 전방향에 대하여 방향 제어를 하기 위해서 기생 소자(30)는 방사체(20)를 중심으로 대칭적인 구조로 배치되어야 하므로 원형 배치 구조의 6섹터를 구성하기에 적합하며, 제어할 수 있는 섹터의 수도 제한적이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 기생 소자를 이용하여 단일 RF 포트를 갖는 방향 제어 안테나를 구성할 때 나타나는 제한적인 섹터의 수 및 안테나 크기의 문제를 해결할 수 있는 방향 제어 안테나 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 방향 제어 안테나가 제공된다. 상기 방향 제어 안테나는 접지체, 복수의 임피던스 소자, 복수의 스위치, 그리고 제어부를 포함한다. 상기 방사체는 RF 신호를 방사하며 방향 제어 안테나의 방향 제어 소자로 사용된다. 상기 복수의 임피던스 소자는 상기 방사체와 상기 접지체 사이에 연결되어 있다. 상기 복수의 스위치는 각 임피던스 소자와 상기 접지체 사이에 연결되어 있다. 상기 제어부는 외부로부터의 제어 명령에 따라서 상기 복수의 스위치의 온오프를 제어한다. 이때 턴온되는 스위치에 의해서 상기 접지체와 단락되는 방사체의 단락 위치 및 상기 단락 위치의 수에 따라서 방사 방향 및 방사 형태가 결정된다.
상기 방사체는 하나의 평면형 방사체일 수 있다.
상기 방사체의 모양은 대칭성을 가질 수 있다.
상기 방사체의 가장 자리에 스터브(stub)가 형성될 수 있다.
상기 방향 제어 안테나는 상기 방사체와 상기 복수의 임피던스 소자 사이에 각각 연결되어 있는 복수의 단락 핀을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 단락 핀은 대칭적으로 배치될 수 있다.
상기 제어부는 상기 단락 지점의 수가 일정하게 유지되도록 상기 복수의 스위치의 온오프를 제어할 수 있다.
상기 방향 제어 안테나는 상기 RF 신호를 공급하며 상기 접지체에 연결되어 있는 RF 급전 소자, 그리고 상기 RF 급전 소자로부터의 RF 신호를 상기 방사체로 전달하는 급전 선로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 방향 제어 안테나의 제어 방법이 제공된다. 상기 방향 제어 안테나는 방사체, 상기 방사체와 접지체 사이에 연결되어 있는 복수의 스위치, 그리고 각 스위치와 상기 방사체 사이에 연결되어 있는 복수의 임피던스 소자를 포함한다. 이때 상기 제어 방법은 외부로부터의 제어 명령에 따라서 상기 방사체에서 상기 접지체와 단락되는 단락 위치를 확인하는 단계, 그리고 상기 접지체와 상기 방사체 사이에 연결되어 있는 복수의 스위치 중 상기 단락 위치에 대응하는 스위치를 턴온하는 단계를 포함한다.
상기 턴온하는 단계는 상기 단락 위치 및 단락 위치의 수에 따른 방사 방향 및 방사 형태에 따라서 RF 신호를 방사하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 다양한 기기의 형상과 크기에 적합한 구조로 방향 제어가 가능한 소형의 방향 제어 안테나를 구성할 수 있어서 휴대성과 기기의 소형화가 가능하며, 필요한 수의 섹터로 구성이 가능하여 다양한 무선 장비에 적용이 가능하다. 특히, 이동통신 단말기, 무선 랜 공유기, 센서 네트워크의 통신용 노드 등에 적용할 수 있다.
도 1은 종래 단일 RF 포트를 가지는 방향 제어 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5 내지 도 9는 각각 도 3에 도시한 방향 제어 안테나의 방사 위치 및 방사 형태의 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나 및 그의 제어 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 방향 제어 안테나(100)는 접지체(110), 방사체(120), RF 급전부(130), 복수의 임피던스 소자(140), 복수의 스위치(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
방사체(120)는 RF 급전부(130)로부터 RF 신호를 전달받으면 RF 신호를 방사한다. 방사체(120)는 하나의 평면형 방사체로, 방향 제어 소자로서 사용된다.
RF 급전부(130)는 RF 신호를 방사체(120)로 전달한다.
복수의 임피던스 소자(140)는 방향 제어 안테나(100)의 임피던스를 결정한다. 복수의 임피던스 소자(140)는 복수의 스위치(150)와 방사체(120) 사이에 각각 연결되어 있다. 따라서 어느 하나의 스위치(150)가 턴온되면 해당 스위치(150)에 연결되어 있는 임피던스 소자(140)는 접지체(110)에 연결된다. 결국, 턴온된 스위치(150)에 의해서 방사체(120)가 접지체(110)에 단락되며 방사체(120)의 단락 위치가 결정된다.
복수의 스위치(150)는 복수의 임피던스 소자(140)와 접지체(110) 사이에 연결되어 있으며, 제어부(160)의 제어 명령에 따라서 온오프가 결정된다. 이때 복수의 스위치(150) 중 턴온된 스위치(150)에 대응하는 임피던스 소자의 조합에 따라 방향 제어 안테나(100)의 임피던스가 결정된다. 또한 방사체(120)의 모양과 방사체(120)의 단락 위치 및 단락 위치의 수에 따라서 방사 방향과 방사 형태가 결정된다.
제어부(160)는 외부로부터 제어 명령을 수신하며, 수신한 제어 명령에 따라서 복수의 스위치(150)의 온오프를 제어한다. 사용자는 방사 방향과 방사 형태를 결정할 수 있으며, 방사 방향과 방사 형태에 따라서 복수의 스위치(150) 중 턴온할 스위치(150)가 결정된다. 제어 명령은 턴온할 스위치(150)의 정보를 포함할 수 있다.
방향 제어 안테나(100)는 MCU(Micro Controller Unit)와 같은 처리 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있으며, 사용자는 처리 장치를 조작하고, 조작에 따른 제어 명령을 제어부(160)로 전달할 수 있다.
이와 같이, 방향 제어 안테나(100)는 방사체(120)를 방향 제어 소자로 사용하므로 기생 소자가 필요 없다. 그리고 제어가 간단하며 방향 제어를 위한 기생 소자를 필요로 하지 않으므로, 방향 제어 안테나(100)를 소형화할 수 있다. 또한 방사체(120)의 모양에 따라 제어 가능한 섹터의 수가 결정되므로, 방사체(120)의 모양에 따라 섹터의 수도 다양하게 구성할 수 있다.
또한 방사체(120)의 단락 위치를 임피던스 소자(140)를 통해서 접지체(110)와 연결시키는 구조로서, 구조가 간단하며 방사 방향 및 방사 형태를 위한 제어가 간단하여, 소형의 장비에 적용이 용이하다.
이러한 방향 제어 안테나(100)의 구조를 토대로 4개의 방향 제어가 가능하게 구성한 4섹터 방향 제어 안테나에 대해 도 3 내지 도 9를 참고로 하여 자세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 방향 제어 안테나(300)는 접지체(310), PCB(printed circuit board) 기판(312), 방사체(320), 4개의 단락 핀(322), RF 급전부(도시하지 않음), 접속 커넥터(332), 급전 선로(334), 4개의 임피던스 소자(340), 4개의 스위치(350) 및 제어부(360) 및 처리 장치(370)를 포함한다.
접지체(310)는 PCB 기판(312)의 하부에 형성된다.
방사체(320)는 하나의 평면형으로 형성될 수 있으며, 방사체(320)의 모양은 대칭성(symetric)을 유지한다. 이러한 방사체(320)는 앞에서 설명한 것처럼 방사 제어 소자로 사용된다.
또한 방사체(320)는 가장 자리에 스터브(stub)(330)를 형성할 수 있으며 방사체(320)의 가장 자리에 형성된 스터브(330)를 통해 방향 제어 안테나(100)의 임피던스의 리액턴스 값이 제어된다. 따라서 임피던스를 위한 별도의 LC 소자를 필요로 하지 않을 수 있다. 그리고 방향 제어 안테나(100)의 임피던스의 리액턴스 값에 따라서 방사 특성이 결정될 수 있다.
방사체(320)와 PCB 기판(312)은 4개의 단락 핀(322)으로 연결되어 있다.
4개의 단락 핀(322)은 대칭적으로 배치되며, 1번 단락 핀, 2번 단락 핀, 3번 단락 핀 및 4번 단락 핀을 포함한다.
RF 급전부는 접속 커넥터(332)와 연결되어 있고, 접속 커넥터(332)와 방사체(320)는 급전 선로(334)로 연결되어 있다. 접속 커넥터(332)는 접지체(310)에 연결된다. 접속 커넥터(332)로부터 입력된 RF 신호는 급전 선로(334)를 통하여 방사체(320)로 전달되고, 방사체(320)는 RF 신호를 방사한다.
각 임피던스 소자(340)는 각 단락 핀(322)과 연결되어 있으며 PCB 기판(312) 상부에 형성될 수 있다.
각 스위치(350)는 각 임피던스 소자(340)와 접지체(310) 사이에 연결되며 PCB 기판(312) 상부에 형성될 수 있다.
각 스위치(350)는 제어부(360)의 제어에 따라 온오프를 결정하게 된다. 이때 스위치(350)가 턴온되면 임피던스 소자(340)와 접지체(310)는 단락되고 스위치(350)가 턴오프되면 임피던스 소자(340)와 접지체(310)는 개방된다. 즉, 스위치(350)가 턴온되면 접지체(310), 스위치(350), 임피던스 소자(340) 및 단락 핀(322)을 통해서 방사체(320)의 단락 위치가 결정된다.
제어부(360)는 처리 장치(370)의 제어 명령에 따라서 스위치(350)의 온오프를 제어한다. 이때 접지체(310)에 단락되는 단락 핀(322)의 수를 일정하게 제어하면, 공진 주파수는 동일하고 다중의 방사 패턴을 나타낼 수 있다.
처리 장치(370)는 사용자로부터의 조작에 따른 제어 명령을 생성하고, 생성한 제어 명령을 제어부(360)로 전달한다.
이러한 방향 제어 안테나(300)는 스위치(350)를 이용한 방사체(320)와 접지체(310)와의 단락이 동시에 이루어지면서 방사 방향 및 방사 형태가 결정된다. 즉, 방향 제어 안테나(300)는 4개의 단락 핀(322)에 의한 단락 위치의 조합에 따라 방사 형태를 유지하며 천이되는 특성을 가지며, 단락 위치를 좌우 대칭으로 구성하면 전방향성을 나타낸다. 이와 같이, 방사체(320)의 모양과 4개의 단락 핀(322)에 의한 단락 위치의 수에 따라서 제어 가능한 섹터의 수가 결정되므로 대칭성을 갖는 방사체(320)의 모양을 다양하게 설계하면 섹터의 수를 다양하게 구성할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 각각 도 3에 도시한 방향 제어 안테나의 방사 형태의 변화를 나타낸 도면이다.
1번, 2번, 3번 및 4번 단락 핀 중에서 1번과 2번 단락 핀이 접지체(310)에 단락되면 방향 제어 안테나(300)는 도 5에 도시한 바와 같은 방사 방향 및 방사 형태를 나타낸다. 2번과 3번 단락 핀이 접지체(310)에 단락되면 방향 제어 안테나(300)는 도 6에 도시한 바와 같은 방사 방향 및 방사 형태를 나타내며, 3번 및 4번 단락 핀이 접지체(310)에 단락되면 방향 제어 안테나(300)는 도 7에 도시한 바와 같은 방사 방향 및 방사 형태를 나타낸다. 그리고 1번 및 4번 단락 핀이 접지체(310)에 단락되면 방향 제어 안테나(300)는 도 8에 도시한 바와 같은 방사 방향 및 방사 형태를 나타내고 1번 및 3번 단락 핀 또는 2번 및 4번 단락 핀이 접지체(310)에 단락되면 방향 제어 안테나(300)는 도 9에 도시한 바와 같은 방사 방향 및 방사 형태를 나타낸다.
이와 같이, 방향 제어 안테나(300)는 인접한 단락 핀에 의한 단락 위치의 조합에 따라 방사 형태는 90도씩 회전하며, 마주보는 단락 핀에 의한 단락 위치의 조합에 의해 방사 형태는 등방성을 나타낸다. 따라서 전방향의 경우 단락 핀의 수는 유지하면서 단락 위치의 수를 유지하면서 단락 위치를 대칭으로 구성하면 주파수 변이가 일어나지 않을 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 방향 제어 안테나의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10을 참고하면, 방향 제어 안테나(300)의 제어부(360)는 외부로부터 제어 명령을 수신한다(S100).
제어부(360)는 제어 명령을 토대로 상기 방사체(320)에서 상기 접지체(310)와 단락되는 단락 위치를 확인한다(S200).
제어부(360)는 단락 위치에 대응하는 스위치(350)를 턴온한다(S300). 그러면 방사체(320)의 단락 위치가 접지체(310)에 단락된다. 이때 RF 급전부는 접지체(310)와 방사체(320) 사이에 연결되어 있으므로, 방사체(320)는 RF 신호의 방사하고 방사체(320)의 단락 위치와 단락 위치의 수에 따라서 RF 신호의 방사 방향과 방사 형태가 결정된다.
방향 제어 안테나(300)는 결정된 방사 방향 및 방사 형태에 따라서 RF 신호를 방사한다(S400).
이러한 방향 제어 안테나(300)의 경우, 제어 명령을 통해서 단락 위치 및 단락 위치의 수를 가변시킬 수 있으며, 이에 따라 방사 방향 및 방사 형태를 쉽게 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 접지체,
    RF 신호를 방사하며 방향 제어 안테나의 방향 제어 소자로 사용되는 방사체,
    상기 방사체와 상기 접지체 사이에 연결되어 있는 복수의 임피던스 소자,
    상기 방사체와 상기 복수의 임피던스 소자 사이에 각각 연결되어 있는 복수의 단락 핀,
    각 임피던스 소자와 상기 접지체 사이에 연결되어 있는 복수의 스위치, 그리고
    외부로부터의 제어 명령에 따라서 상기 복수의 스위치의 온오프를 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    턴온되는 스위치에 의해서 상기 접지체와 단락되는 방사체의 단락 위치 및 상기 단락 위치의 수에 따라서 방사 방향 및 방사 형태가 결정되며,
    전방향성의 방사를 위해 상기 복수의 단락 핀에 의한 단락 위치가 좌우 대칭적으로 구성되는 방향 제어 안테나.
  2. 제1항에서,
    상기 방사체는 하나의 평면형 방사체인 방향 제어 안테나.
  3. 제1항에서,
    상기 방사체의 모양은 대칭성을 가지는 방향 제어 안테나.
  4. 제1항에서,
    상기 방사체의 가장 자리에 스터브(stub)가 형성되는 방향 제어 안테나.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 제어부는 상기 단락 위치의 수가 일정하게 유지되도록 상기 복수의 스위치의 온오프를 제어하는 방향 제어 안테나.
  8. 제1항에서,
    상기 RF 신호를 공급하며 상기 접지체에 연결되어 있는 RF 급전 소자, 그리고
    상기 RF 급전 소자로부터의 RF 신호를 상기 방사체로 전달하는 급전 선로
    를 더 포함하는 방향 제어 안테나.
  9. 제1항에서,
    상기 접지체는 PCB(Printed circuit board) 기판의 하부에 형성되며, 상기 복수의 임피던스 소자 및 상기 복수의 스위치는 상기 PCB 기판의 상부에 형성되는 방향 제어 안테나.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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