KR101937820B1 - Multi-beam array antenna - Google Patents

Multi-beam array antenna Download PDF

Info

Publication number
KR101937820B1
KR101937820B1 KR1020170142798A KR20170142798A KR101937820B1 KR 101937820 B1 KR101937820 B1 KR 101937820B1 KR 1020170142798 A KR1020170142798 A KR 1020170142798A KR 20170142798 A KR20170142798 A KR 20170142798A KR 101937820 B1 KR101937820 B1 KR 101937820B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
butler matrix
port
array antenna
present
ports
Prior art date
Application number
KR1020170142798A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
최태관
황금철
이종민
임홍준
Original Assignee
에스케이텔레콤 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이텔레콤 주식회사 filed Critical 에스케이텔레콤 주식회사
Priority to KR1020170142798A priority Critical patent/KR101937820B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101937820B1 publication Critical patent/KR101937820B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2682—Time delay steered arrays

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

The present invention relates to a multi-beam array antenna device for analog beamforming. The device comprises: a beam switching unit to selectively output a wireless signal to any one among a plurality of output ports; a butler matrix power supply unit including a plurality of directional couplers and a plurality crossing lines and delay lines to generate a plurality of wireless signals of different phases from wireless signals inputted into a plurality of input ports connected to the plurality of output ports of the beam switching unit; and an antenna array unit including a plurality linear array antenna elements connected to output ports of the butler matrix power supply unit to receive wireless signals of different phases from the butler matrix power supply unit to generate a beam in a prescribed direction. The butler matrix power supply unit has one or more H slots on a ground surface to improve isolation between the plurality of input ports. One or more dampers are arranged on an output side of the butler matrix power supply unit to reduce a side-lobe level on an azimuth plane. A shield unit is separated from the butler matrix power supply unit, and is formed in parallel with the butler matrix power supply unit to block a radiation field of the butler matrix power supply unit.

Description

다중 빔 배열 안테나 장치{Multi-beam array antenna}[0001] Multi-beam array antenna [0002]

본 발명은 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)를 이용하여 복수의 안테나 소자에 일정한 위상 차를 갖는 무선 신호를 급전하는 구조에서의 안테나 특성을 향상시키기 위한 다중 빔 배열 안테나 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-beam array antenna apparatus for analog beamforming, and more particularly, to a multi-beam array antenna apparatus for analog beamforming, And more particularly, to a multi-beam array antenna apparatus for improving the antenna efficiency.

5 세대(5-Generation, 이하 5G라 함) 이동 통신은 현재의 4 세대(4G) 이동통신 대비 천 배 이상의 무선 용량 지원과 전송 에너지 절감 및 디바이스 수용을 요구하고 있다. 이러한 무선 용량 증대 및 전송 에너지 효율의 향상을 위해서는 소형 셀 중심의 망으로 진화할 필요가 있으며, 이에 소형 셀 들의 효과적인 연동을 위해서 무선 백홀 망의 구성 및 소형 셀 들간의 간섭 제어 기술이 필요하며, 주파수 효율과 에너지 효율을 높이기 위하여 다수의 안테나 활용 기술, 빔포밍(Beam forming) 기술 등이 주목 받고 있다.5-Generation (5G) mobile communication requires more than a thousand times more wireless capacity than current 4G (4G) mobile communication, and requires reduction of transmission energy and device acceptance. In order to increase the radio capacity and improve the transmission energy efficiency, it is necessary to evolve into a small cell-centered network. Therefore, in order to effectively link small cells, a configuration of a radio backhaul network and an interference control technique between small cells are required. In order to increase the efficiency and energy efficiency, a number of antenna utilization technologies and beam forming techniques are attracting attention.

빔포밍(Beam forming)은 다수 안테나의 송신 또는 수신 신호를 처리하는 기술로서, 신호 처리 영역에 따라 디지털 빔포밍과 아날로그(또는 RF, Radio Frequency) 빔포밍으로 구분할 수 있다.Beam forming is a technique for processing transmission or reception signals of multiple antennas and can be divided into digital beamforming and analog (or RF) beamforming depending on the signal processing region.

디지털 빔포밍 방식은 디지털 신호에 가중치(weight)를 곱하여 선형적인(또는 비선형적인) 신호 처리를 통해 빔포밍을 수행하는 것으로서, 아날로그-디지털 변환기/디지털-아날로그 변환기, 디지털 가변 감쇄기 및 위상 천이기를 이용하기 때문에, 시스템의 복잡도가 다소 높고 전력소모가 크다는 단점이 있다. The digital beamforming method performs beamforming by linearly (or nonlinearly) signal processing by multiplying a digital signal by a weight, and uses an analog-to-digital converter / digital-analog converter, a digital variable attenuator and a phase shifter The complexity of the system is somewhat high and power consumption is large.

아날로그 빔포밍은 아날로그 신호에 가중치를 곱하여 선형적인(또는 비선형적인) 신호 처리를 RF 단에서 수행하는 방식으로서, 아날로그-디지털 변환기/디지털-아날로그 변환기, 디지털 가변 감쇄기, 및 위상 천이기 대신에 빔 스위칭 회로를 통해 배열 안테나(Antenna array)의 빔포밍을 구현하기 때문에, 디지털 빔포밍 기술에 비해 시스템의 복잡도가 낮다.Analog beamforming is a method of performing linear (or nonlinear) signal processing on an RF stage by multiplying an analog signal by a weight, which is performed by using an analog-to-digital converter / digital-analog converter, a digital variable attenuator, The complexity of the system is lower than that of the digital beamforming technique because it implements the beamforming of the antenna array through the circuit.

배열 안테나 이론에 의하면, 배열된 안테나 소자 간의 위상차이를 조절하면 원하는 방향으로 빔을 조향할 수 있으며, 특정 각도 θ로 빔을 형성하기 위한 각 안테나 소자 간의 위상 차(α)는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.According to the array antenna theory, it is possible to steer the beam in a desired direction by adjusting the phase difference between the arrayed antenna elements, and the phase difference [alpha] between each antenna element for forming the beam at the specific angle [ .

Figure 112017107535889-pat00001
Figure 112017107535889-pat00001

수학식 1에서, k는 전파상수이고, d는 복사 소자 즉, 배열 안테나의 안테나 소자 간의 간격이다. In Equation (1), k is a propagation constant, and d is a distance between the radiation elements, i.e., the antenna elements of the array antenna.

상기 이론에 따르면, 복수의 안테나 소자가 배열된 배열 안테나에서 다중 빔을 형성하기 위해서는 원하는 빔의 방향에 따라 복수의 안테나 소자에 상기 수학식 1에 따른 위상 차를 갖는 신호가 급전되어야 하며, 이를 위해서 버틀러 매트릭스를 이용한다.According to the above theory, in order to form multiple beams in an array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged, a signal having a phase difference according to Equation (1) must be fed to a plurality of antenna elements according to a desired beam direction. Butler matrix is used.

버틀러 매트릭스는 입력 포트로 전달된 RF 신호를 통해서 각각 다른 위상을 갖는 복수의 출력 신호를 생성하고, 이 출력 신호를 배열 안테나의 복수 안테나 소자에 각각 입력하여 원하는 각도의 다중 빔을 형성한다.The Butler matrix generates a plurality of output signals having different phases through the RF signal transmitted to the input port, and inputs the output signals to the plurality of antenna elements of the array antenna to form multiple beams of a desired angle.

따라서, 배열 안테나의 복사 패턴은 버틀러 매트릭스에서 출력되는 출력신호 들의 위상 차이에 따라 달라진다.Therefore, the radiation pattern of the array antenna depends on the phase difference of the output signals output from the Butler matrix.

그런데, 상기와 같은 버틀러 매트릭스는, 출력단에서 반사되는 전력이 입력 포트로 되돌아 가기 때문에 버틀러 매트릭스의 입력 단에서 각 입력 포트간의 격리도가 다소 높다는 단점이 있다.However, such a Butler matrix has a disadvantage in that the isolation between the input ports at the input end of the Butler matrix is rather high because the electric power reflected at the output end is returned to the input port.

또한, 밀리미터파 대역에서는 버틀러 매트릭스 구조 자체의 복사가 배열 안테나의 복사패턴에 영향을 미치는데, 특히, 버틀러 매트릭스로 인해 Elevation 평면에서 다중 빔 배열 안테나의 주빔의 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상이 발생한다.In addition, in the millimeter wave band, the copying of the Butler matrix structure itself affects the radiation pattern of the array antenna. Particularly, due to the Butler matrix, the shape of the main beam of the multi-beam array antenna changes in the elevation plane, Lt; / RTI >

또한, 일반적인 버틀러 매트릭스는 출력단의 위상차를 형성할 수 있지만 출력단의 전력 크기를 서로 다르게 형성할 수 없기 때문에, 일반적인 버틀러 매트릭스 구조를 통해 빔포밍을 구현할 경우, 방위각(Azimuth) 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 다소 높게 형성된다는 단점이 있다. In addition, since the general Butler matrix can form the phase difference of the output terminal but can not form the power magnitude of the output terminal differently, when the beam forming is implemented through the general Butler matrix structure, the side leaf level of the radiation pattern in the azimuth plane Is formed somewhat higher.

Azimuth 평면에서의 높은 부엽준위는 이동통신시스템에서 다중 빔을 형성하여 통신하고자 하였을 때, 서로 다른 셀의 신호를 오염시킬 우려가 있다The high level of bifurcated level in the Azimuth plane may contaminate the signals of different cells when it is intended to communicate by forming multiple beams in a mobile communication system

한국공개특허 제10-2016-0148712호, 2016년 12월 26일 공개 (명칭: 다중 빔 안테나 시스템 및 그 위상 조정 방법, 그리고 이중 편파 안테나 시스템)Korean Patent Laid-Open No. 10-2016-0148712, published on December 26, 2016 (name: a multi-beam antenna system and its phase adjustment method, and a dual polarization antenna system)

이에, 본 발명은 버틀러 매트릭스를 이용한 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치를 구현하는데 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 버틀러 매트릭스의 출력단에서 반사되어 입력 포트로 되돌아오는 신호에 의해 상호 간섭을 감소시켜 입력 포트 간 격리도를 향상시킬 수 있는 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention has been proposed in order to solve the problem of implementing a multi-beam array antenna apparatus for analog beamforming using a Butler matrix, and it is an object of the present invention to provide a multi- To improve the degree of isolation between input ports.

더하여, 본 발명은 버틀러 매트릭스의 복사 특성을 차폐시켜, 버틀러 매트릭스로 인해 다중 빔 배열 안테나의 주빔의 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상을 개선한 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공하고자 한다.In addition, the present invention aims to provide a multi-beam array antenna apparatus which shields the radiation characteristics of a Butler matrix and improves the phenomenon that the shape of the main beam of the multi-beam array antenna changes due to the Butler matrix or the level of the side lobe increases.

또한, 본 발명은 버틀러 매트릭스를 통해 빔포밍을 구현할 때 Azimuth 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 높아지는 문제를 해결할 수 있는 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공하고자 한다.It is another object of the present invention to provide a multi-beam array antenna apparatus capable of solving the problem that the side lobe level of the radiation pattern increases in the azimuth plane when beam forming is performed through the Butler matrix.

본 발명은 상술한 과제를 해결 하기 위한 수단으로서, 무선 신호를 복수의 출력 포트 중 어느 하나로 선택 출력하는 빔 스위칭부; 복수의 지향성 커플러와, 복수의 교차 선로 및 위상 지연 선로로 이루어져, 상기 빔 스위칭부의 복수의 출력 포트에 각각 연결된 복수의 입력 포트로 입력된 무선 신호로부터 서로 다른 위상의 복수의 무선 신호를 생성하는 버틀러 매트릭스 급전부; 및 상기 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 선형 배열 안테나 소자로 이루어져, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받아 소정 방향의 빔을 생성하는 안테나 어레이부를 포함하고, 상기 버틀러 매트릭스 급전부는, 복수의 입력 포트 간의 격리도를 향상시키도록 접지면에 형성된 하나 이상의 H 슬롯을 더 포함하는 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공한다.The present invention is a means for solving the above problems, comprising: a beam switching unit for selectively outputting a radio signal to any one of a plurality of output ports; A plurality of directional couplers, and a plurality of crossing lines and a phase delay line, each of the plurality of input ports being connected to a plurality of output ports of the beam switching unit, Matrix feeder; And an antenna array unit including a plurality of linear array antenna elements each connected to an output port of the Butler matrix feeder unit and receiving radio signals of different phases from the Butler matrix feeder unit and generating a beam in a predetermined direction, The Butler matrix feed section further comprises at least one H slot formed on the ground plane to improve the isolation between the plurality of input ports.

본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 상기 버틀러 매트릭스 급전부를 형성하는 지향성 커플러와 교차 선로의 출력 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.In the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention, the antenna is positioned between the output of the crossing line and the directional coupler forming the Butler matrix feeder.

더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 상기 버틀러 매트릭스 급전부는 방위각(Azimuth) 평면에서의 부엽준위를 감소시키기 위한 출력 포트에 형성되는 하나 이상의 감쇄기를 더 포함할 수 있다.In addition, in the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention, the Butler matrix feed section may further include at least one attenuator formed at an output port for reducing the side leaf level in the azimuth plane.

상기 하나 이상의 감쇄기는 원형으로 형성되며, 4개의 포트를 구비하여, 두 개의 포트는 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트와 지향성 커플러의 출력 포트 사이에 각각 연결되고, 한 개의 포트는 접지면에 연결되고, 하나의 포트는 외부 부하로 연결될 수 있다.The at least one attenuator being formed in a circular shape and having four ports, two ports being respectively connected between the output port of the Butler matrix feeder and the output port of the directional coupler, one port being connected to the ground plane, One port can be connected to an external load.

더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 수직방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 버틀러 매트릭스 급전부와 평행하게 형성되어, 버틀러 매트릭스 급전부의 복사 전계를 차폐시키는 쉴드부를 더 포함할 수 있다.In addition, the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention includes a shield portion spaced apart from the Butler matrix feed portion by a predetermined distance in the vertical direction and formed in parallel with the Butler matrix feed portion to shield the radiation electric field of the Butler matrix feed portion .

본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 지향성 커플러와 교차 선로 아래 접지면에 H 슬롯을 형성함으로써, 지향성 커플러와 교차 선로 상호 간의 간섭을 감소시키고, 그 결과 입력 포트 간 격리도를 향상시킬 수 있다.The multibeam array antenna apparatus according to the present invention reduces the interference between the directional coupler and the crossing line by forming the H slot in the directional coupler of the Butler matrix feeder portion and the ground plane below the crossing line, Can be improved.

또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부에서 안테나 어레이부와 연결되는 복수의 출력 포트, 특히, 양 끝단의 두 출력 포트에 감쇄기를 더 구비함으로써, Azimuth 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 높아지는 문제를 해결하였다.In addition, the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention includes a plurality of output ports connected to the antenna array unit in the Butler matrix feeder portion, particularly, two output ports at both ends, And solved the problem of increasing the side leaf level.

또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 상부에 쉴드부를 더 형성시킴으로써, 버틀러 매트릭스 급전부로부터 안테나 어레이부로 복사되는 전계를 차폐시켜, 버틀러 매트릭스로 인해 다중 빔 배열 안테나 장치의 주빔 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상을 개선할 수 있다.In addition, the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention further includes a shield portion on an upper portion of the Butler matrix feed portion to shield the electric field radiated from the Butler matrix feed portion to the antenna array portion, The shape of the main beam of the side lobe can be changed or the side lobe level can be improved.

도 1은 본 발명에 따른 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 적용되는 버틀러 매트릭스의 기본 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 버틀러 매트릭스에 적용되는 지향성 커플러의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 버틀러 매트릭스에 적용되는 교차 선로의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 버틀러 매트릭스 급전부의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 쉴드부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 버틀러 매트릭스 급전부 및 안테나 어레이부를 포함하는 전체 형상을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 다중 빔 안테나 장치의 안테나 어레이부를 형성하는 선형 배열 안테나 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제1 입력포트(port 1)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 산란 계수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제1 입력포트(port 1)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트 위상을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제2 입력포트(port 2)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 산란 계수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제2 입력포트(port 1)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 신호 위상을 나타낸 그래프이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 안테나 어레이부에 배치되는 선행 배열 안테나 소자의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 19는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치의 신호 특성을 나타낸 그래프이다.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, H슬롯의 유무에 따른 신호 특성 변화를 비교한 그래프이다.
도 22는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 감쇄기의 유무에 따른 신호 특성 변화를 비교한 그래프이다.
도 23 및 도 24는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 쉴드부의 유무에 따른 신호 특성 변화를 비교한 그래프이다.1 is a circuit diagram showing a configuration of a multi-beam array antenna apparatus for analog beamforming according to the present invention.
2 is a block diagram for explaining a basic structure of a Butler matrix applied to a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
3 is a diagram showing a detailed structure of a directional coupler applied to a Butler matrix.
4 is a diagram showing a detailed structure of a crossing line applied to a Butler matrix.
5 is a view for explaining a detailed structure of a Butler matrix feeder in a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
6 is a view for explaining a structure of a shield portion in a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a view showing an overall configuration of a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention, including a Butler matrix feeder and an antenna array unit.
8 is a view for explaining a structure of a linearly arrayed antenna element forming an antenna array part of a multi-beam antenna apparatus according to the present invention.
9 is a graph showing scattering coefficient characteristics of a Butler matrix feeding part when feeding to a first input port (port 1) in a multi-beam array antenna device according to the present invention.
10 is a graph showing the output port phase of the Butler matrix-fed unit when feeding to the first input port (port 1) in the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing scattering coefficient characteristics of a Butler matrix feeding part when feeding power to a second input port (port 2) in the multi-beam array antenna device according to the present invention.
12 is a graph showing the output signal phase of the Butler matrix feeder when feeding power to the second input port (port 1) in the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
13 to 14 are graphs showing characteristics of a prior art array antenna element arranged in the antenna array part in the multi-beam array antenna device according to the present invention.
15 to 19 are graphs showing signal characteristics of a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
20 and 21 are graphs showing changes in signal characteristics according to presence or absence of H slots in the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
22 is a graph comparing changes in signal characteristics depending on presence or absence of an attenuator in a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.
23 and 24 are graphs showing changes in signal characteristics according to presence or absence of a shield portion in a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and the accompanying drawings, detailed description of well-known functions or constructions that may obscure the subject matter of the present invention will be omitted. It should be noted that the same constituent elements are denoted by the same reference numerals as possible throughout the drawings.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed to be limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the concept of terminology for describing his or her invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용하는 것으로, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 뿐, 상기 구성요소들을 한정하기 위해 사용되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.Also, terms including ordinal numbers such as first, second, etc. are used to describe various elements, and are used only for the purpose of distinguishing one element from another, Not used. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component.

더하여, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급할 경우, 이는 논리적 또는 물리적으로 연결되거나, 접속될 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속되어 있을 수 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있으며, 간접적으로 연결되거나 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when referring to an element as being "connected" or "connected" to another element, it means that it can be connected or connected logically or physically. In other words, it is to be understood that although an element may be directly connected or connected to another element, there may be other elements in between, or indirectly connected or connected.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Also, the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprising "or" having ", as used herein, are intended to specify the presence of stated features, integers, It should be understood that the foregoing does not preclude the presence or addition of other features, numbers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 배열 안테나(Arrary Antenna)로 구현된다. 배열 안테나는 여러 개의 안테나 소자를 배열하여 방사되는 빔의 모양이나 방향을 조절함으로써, 안테나에서 복사된 에너지가 공간에서 특정한 방향에 집중되도록 하는 안테나 또는 안테나 구성 방법이다. 배열 안테나의 복사패턴은 안테나 소자들의 공간적 배치(선형, 평면형, 원형 등), 각 안테나 소자 간의 거리, 및 각 안테나 소자의 급전 크기 및 위상 그리고 단일 안테나 소자의 패턴에 의해 결정된다.The multi-beam array antenna apparatus according to the present invention is implemented as an array antenna. An array antenna is an antenna or an antenna configuration method in which a plurality of antenna elements are arranged so that the energy radiated from the antenna is concentrated in a specific direction in space by adjusting the shape or direction of a beam to be radiated. The radiation pattern of the array antenna is determined by the spatial arrangement (linear, planar, circular, etc.) of the antenna elements, the distance between each antenna element, the feed magnitude and phase of each antenna element, and the pattern of the single antenna element.

상기 배열 안테나로 배치되는 각 안테나 소자는, 마이크로스트립 패치 안테나로 구현된다.Each antenna element disposed in the array antenna is implemented as a microstrip patch antenna.

참고로, 마이크로스트립 패치 안테나는 통신 분야 및 레이다 센서 안테나로서 널리 사용되어 온 것으로서, 기본적으로 접지 면이 있는 유전체 기판 상에 복수의 안테나 소자를 형성한 후, 각 안테나 소자의 가장자리에 마이크로스트립 급전 선로를 연결하거나, 기판의 뒷면에 동축 선로를 연결하여 급전시키는 구조로 형성된다.The microstrip patch antenna has been widely used as a communication field and a radar sensor antenna. Basically, a plurality of antenna elements are formed on a dielectric substrate having a ground plane, and then a microstrip feed line Or a structure in which a coaxial line is connected to the rear surface of the substrate to supply power.

마이크로스트립 패치 안테나에서 특정 빔 패턴을 형성하는 복사 특성은 각 안테나 소자에 공급되는 전류의 크기와 위상, 그리고 안테나 소자 간의 간격과 안테나 소자의 수를 조절함으로써 실현 가능하다. The radiation characteristic for forming a specific beam pattern in the microstrip patch antenna can be realized by controlling the magnitude and phase of current supplied to each antenna element, the gap between the antenna elements, and the number of antenna elements.

마이크로스트립 패치 안테나는 급전 방식에 따라 직렬 또는 병렬 구조로 나눌 수 있다. 직렬 급전 배열 구조는 급전 길이를 최소화할 수 있어 안테나의 효율을 저감시키는 급전선로에 의한 손실과 누설복사를 줄일 수 있다. 또한, 배열된 안테나 소자간의 상호간섭을 줄일 수 있어 안테나 소자 각각의 전류 분포를 비교적 정확히 예측할 수 있다.The microstrip patch antenna can be divided into a series or a parallel structure according to the feeding method. The series feeding array structure can minimize the feeding length and reduce the loss and leakage radiation caused by the feed line which reduces the efficiency of the antenna. Further, mutual interference between the arrayed antenna elements can be reduced, and the current distribution of each antenna element can be predicted relatively accurately.

이하의 실시 예에서 상기 마이크로스트립 패치 구조로 형성되는 배열 안테나 구조를 예로 들어, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 대하여 설명한다.In the following embodiments, a multi-beam array antenna apparatus according to the present invention will be described by taking an array antenna structure formed of the microstrip patch structure as an example.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치의 기본 구성에 대하여 설명한다.First, a basic configuration of a multi-beam array antenna apparatus for analog beam forming according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.

도 1은 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a configuration of a multi-beam array antenna apparatus for analog beamforming.

도 1을 참조하면, 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는, 빔 스위칭부(110)과, 버틀러 매트릭스 급전부(120)와, 안테나 어레이부(130)로 이루어진다.Referring to FIG. 1, a multi-beam array antenna apparatus 100 for analog beam forming includes a beam switching unit 110, a Butler matrix feed unit 120, and an antenna array unit 130.

빔 스위칭부(110)는 송신할 무선(RF: Radio Frequency) 신호를 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수의 입력 포트 중 어느 하나로 선택 입력하기 위한 구성으로서, 무선 신호가 입력되는 하나의 입력 포트와 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수 입력 포트에 각각 연결된 복수의 출력 포트를 구비하고, 외부로부터 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 하나의 입력 포트를 복수의 출력 포트 중 어느 하나에 연결함으로써, 상기 무선 신호를 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수 입력 포트 중 해당 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에서 생성하고자 하는 빔의 방향에 대응하는 입력 포트로 전달한다.The beam switching unit 110 is configured to selectively input a radio frequency (RF) signal to be transmitted to any one of a plurality of input ports of the Butler matrix feeder 120, and has a single input port A plurality of output ports each connected to a plurality of input ports of the Butler matrix feeder 120 and connecting the one input port to one of the plurality of output ports in accordance with a switching control signal from the outside, To the input port corresponding to the direction of the beam to be generated by the corresponding multi-beam array antenna apparatus 100 among the plurality of input ports of the Butler matrix feeder 120.

버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 안테나 어레이부(130)에 배치된 복수의 안테나 소자에 각각 서로 다른 위상을 갖는 무선 신호를 급전하기 위한 구성이다.The Butler matrix feeder 120 is configured to feed radio signals having different phases to a plurality of antenna elements arranged in the antenna array unit 130, respectively.

상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 복수의 입력 포트와 복수의 출력 포트를 구비하여, 상기 복수의 입력 포트 중 어느 하나로 입력된 무선 신호에 대응하여 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 무선 신호를 생성하여 복수의 출력 포트로 출력한다.The Butler matrix feeder 120 includes a plurality of input ports and a plurality of output ports to generate a plurality of radio signals having different phase information corresponding to the radio signals input to any one of the plurality of input ports And outputs them to a plurality of output ports.

상기 안테나 어레이부(130)는 복수의 안테나 소자가 일정 간격으로 배열되어 이루어진 것으로서, 복수의 안테나 소자는 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력 포트에 각각 연결되고, 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)를 통해 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받는다. 따라서, 상기 안테나 어레이부(130)는 복수의 안테나 소자를 통해서 입력된 무선 신호를 소정 방향으로 방사하는데, 이때, 방사되는 빔은, 상기 수학식 1에 기반하여 상기 복수 안테나 소자 간 위상 차 α에 따른 방향 θ 으로 형성된다.The plurality of antenna elements are connected to output ports of the Butler matrix feeder 120, and the plurality of antenna elements are connected to the Butler matrix feeder 120, And receives radio signals of different phases through the antenna. Therefore, the antenna array unit 130 emits a radio signal input through a plurality of antenna elements in a predetermined direction, and the emitted beam is amplified by the phase difference? Between the plurality of antenna elements based on Equation (1) Direction.

이와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는 버틀러 매트릭스를 이용하여 이루어지는 것으로, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 버틀러 매트릭스의 기본 구조를 도 2 내지 도 4를 참조하여 먼저 설명한다.As described above, the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention is formed using a Butler matrix. To facilitate understanding of the present invention, the basic structure of the Butler matrix will be described first with reference to FIG. 2 to FIG.

일반적으로 버틀러 매트릭스는, 지향성 커플러(Directional coupler)와, 교차 선로(Crossover)와, 위상 지연 선로를 통해서 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 출력 신호를 생성한다.Generally, a Butler matrix generates a plurality of output signals having different phase information through a directional coupler, a crossover, and a phase delay line.

도 2는 일반적인 4×4 버틀러 매트릭스의 기본 구조를 나타낸 블록도로서, 여기서, 부호 121a, 121b, 121c, 121d는 지향성 커플러를 나타내고, 122a, 122b는 교차 선로를 나타내고, 123a, 123b는 45° 위상 지연 선로를 나타낸다.FIG. 2 is a block diagram showing a basic structure of a general 4 × 4 Butler matrix where reference numerals 121a, 121b, 121c and 121d denote directive couplers, reference numerals 122a and 122b denote intersecting lines, reference numerals 123a and 123b denote 45 ° phase Delay line.

즉, 4×4 버틀러 매트릭스는 4개의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와, 2 개의 교차 선로(122a, 122b)와 2개의 45°위상 지연 선로(123a, 123b)가 상호 연결되어 구성되며, 이렇게 구성된 4×4 버틀러 매트릭스의 출력 포트 간 위상 차이는 다음의 표 1과 같이 나타난다. 예를 들어, port 1으로 무선 신호가 입력되면, 출력 포트 port 5, 6, 7, 8으로 각각 135°, 90°, 45°, 0° 위상의 무선 신호가 출력되는 것이다.That is, the 4 × 4 Butler matrix has four directional couplers 121a, 121b, 121c and 121d, two intersecting lines 122a and 122b and two 45 ° phase delay lines 123a and 123b The phase difference between the output ports of the 4 × 4 Butler matrix thus constructed is shown in Table 1 below. For example, when a radio signal is input to port 1, radio signals of 135 °, 90 °, 45 °, and 0 ° phases are output to output ports 5, 6, 7, and 8, respectively.

신호 입력Signal input Port 5Port 5 Port 6Port 6 Port 7Port 7 Port 8Port 8 Port 1Port 1 135°135 ° 90°90 ° 45°45 ° 0°0 ° Port 2Port 2 45°45 ° -180°-180 ° -45°-45 ° 90°90 ° Port 3Port 3 90°90 ° -45°-45 ° -180°-180 ° 45°45 ° Port 4Port 4 0°0 ° 45°45 ° 90°90 ° 135°135 °

상기 4개의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)는 유전체 기판 위에 도 3과 같이 口 형상으로 형성된 마이크로스트립 패턴으로 구현되고, 2 개의 교차 선로(122a, 122b)는 유전체 기판 위에 도 4와 같이 형성되는 마이크로스트립 패턴에 의해 구현될 수 있다. The four directional couplers 121a, 121b, 121c and 121d are formed on the dielectric substrate in a microstrip pattern formed in a mouth shape as shown in FIG. 3, and the two intersecting lines 122a and 122b are formed on the dielectric substrate, And can be realized by a microstrip pattern formed.

상기 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)는 총 4개의 입출력 포트를 구비하며, 각각 두 입력 포트(port11, port14) 중 어느 하나로 소정의 신호가 인가될 경우, 두 출력 포트(port11, port14)로 출력되는 신호가 서로 90°의 위상차를 갖는다.The directional couplers 121a, 121b, 121c and 121d have a total of four input / output ports. When a predetermined signal is applied to one of two input ports (port11 and port14), the two output ports (port11 and port14) Have a phase difference of 90 DEG with respect to each other.

상기 교차 선로(122a, 122b)는 口 형상의 지향성 커플러 2개를 겹쳐놓은 형상으로 이루어지며, 총 4개의 입출력포트를 가지며, 입력 포트 port21, port23 중 어느 하나로 입력된 신호는 그 대각선 방향에 위치한 출력 포트 port 24 또는 port 22로 출력된다.The crossing lines 122a and 122b are formed by overlapping two directional couplers having a mouth shape and have a total of four input / output ports. Signals input to any one of the input ports port21 and port23 are output in a diagonal direction Port port 24 or port 22.

더하여, 버틀러 매트릭스는 출력 포트 간의 위상차를 만족시키기 위하여 45도 위상 지연 선로(123a, 123b)를 추가 배치하여 이루어진다. 더 구체적으로, 상기 45도 위상 지연 선로(123a, 123b)는 지향성 커플러(121a, 121b)와 다른 지향성 커플러(121c, 121d) 사이에 배치된다.In addition, the Butler matrix is formed by further arranging the 45-degree phase delay lines 123a and 123b to satisfy the phase difference between the output ports. More specifically, the 45 degree phase delay lines 123a and 123b are disposed between the directional couplers 121a and 121b and the other directional couplers 121c and 121d.

본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는 상술한 구조의 버틀러 매트릭스를 이용하여 구현된다.The Butler matrix feeder 120 according to the present invention is implemented using a Butler matrix of the above structure.

그런데, 상기 도 2와 같은 버틀러 매트릭스 구조에 의하면, 출력 포트(port 5, 6, 7, 8)에서 반사되는 전력이 입력 포트(port 1, 2, 3, 4)로 되돌아 갈 수 있으며, 이에 따라서 각 입력 포트(port 1, 2, 3, 4)간의 격리도가 높을 수 있다. 2, the power reflected from the output ports 5, 6, 7 and 8 can be returned to the input ports 1, 2, 3 and 4, The isolation between each input port (ports 1, 2, 3, 4) may be high.

이에, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는 입력 포트 간 격리도를 향상시키기 위하여, 버틀러 매트릭스의 접지면 상에 H-형상의 슬롯(이하, H 슬롯 이라 함)을 추가한다.Accordingly, the Butler matrix feeder 120 according to the present invention adds an H-shaped slot (hereinafter referred to as H slot) on the ground plane of the Butler matrix to improve the isolation between the input ports.

또한, 도 2와 같은 구조의 버틀러 매트릭스를 통해 빔포밍을 구현할 경우, Azimuth 평면에서 복사 패턴의 부엽준위가 다소 높게 형성된다. 이러한 현상은, 다중 빔을 형성하여 통신하고자 할 때, 서로 다른 셀의 신호를 오염시킬 우려가 있다. Further, when beam forming is implemented through the Butler matrix having the structure as shown in FIG. 2, the side leaf levels of the radiation pattern in the azimuth plane are formed to be somewhat higher. Such a phenomenon may cause contamination of signals of different cells when communication is performed by forming multiple beams.

이에, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 버틀러 매트릭스의 일부 출력 포트에 감쇄기를 더 추가하여, 부엽 준위를 낮게 감쇄시키고자 한다.Thus, the Butler matrix feeder 120 according to the present invention desirably attenuates the side leaf levels by further adding an attenuator to some output ports of the Butler matrix.

도 5는 상술한 바와 같이, H 슬롯 및 감쇄기를 구비한 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 상세 구조를 도시한 도면이다.5 is a diagram showing a detailed structure of a Butler matrix feeder 120 having an H-slot and an attenuator, as described above.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 복수의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와, 복수의 교차 선로(122a, 122b)와 복수의 45°위상 지연 선로(123a, 123b)에 더하여, 하나 이상의 H슬롯(124a, 124b, 124c) 및 하나 이상의 감쇄기(125a, 125b)를 포함하여 구현된다.5, the Butler matrix feeder 120 according to the present invention includes a plurality of directional couplers 121a, 121b, 121c, and 121d, a plurality of intersecting lines 122a and 122b, In addition to the lines 123a and 123b, one or more H slots 124a, 124b, and 124c and one or more attenuators 125a and 125b are implemented.

상기 복수의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와, 복수의 교차 선로(122a, 122b)와 복수의 45°위상 지연 선로(123a, 123b)는 앞서 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 구현되는 것이므로, 불필요한 중복 기재를 피하기 위해서 그에 대한 설명은 생략한다.The plurality of directional couplers 121a, 121b, 121c and 121d, the plurality of intersecting lines 122a and 122b and the plurality of 45 ° phase delay lines 123a and 123b are formed as shown in FIGS. Therefore, a description thereof will be omitted in order to avoid redundant description unnecessary.

하나 이상의 H 슬롯(124a, 124b, 124c)은, 버틀러 매트릭스 구조에서, 입력 포트(port 1, port2, port3, port4) 간의 격리도 특성을 향상시키기 위해 접지면상에 구현되는 것이다. 더 구체적으로, 하나 이상의 H슬롯(124a, 124b, 124c)은, 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와 교차 선로(122a, 122b) 아래의 접지면에 위치하여, 상기 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와 교차 선로(122a, 122b) 사이의 상호 간섭을 감소시키며, 이를 통해 입력 포트(port 1, port2, port3, port4) 간의 격리도를 향상 시킨다. 특히, 도 5의 구조에서, 상기 H 슬롯(124a, 124b, 124c)은, 각각 지향성 커플러(121c, 121d)와, 교차 선로(122a) 아래의 접지면에 형성된다.One or more H slots 124a, 124b and 124c are implemented on the ground plane to improve the isolation characteristics between the input ports (port 1, port 2, port 3, port 4) in the Butler matrix structure. More specifically, one or more of the H slots 124a, 124b and 124c are located on the ground plane below the directional couplers 121a, 121b, 121c and 121d and the crossing lines 122a and 122b, 121b, 121c and 121d and the intersecting lines 122a and 122b, thereby improving the degree of isolation between the input ports (port 1, port 2, port 3 and port 4). 5, the H slots 124a, 124b and 124c are formed on the ground plane below the crossing line 122a and the directional couplers 121c and 121d, respectively.

다음으로, 하나 이상의 감쇄기(125a, 125b)는, 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수의 출력 포트 중 양 끝단에 위치한 두 출력 포트(port 5, port 8)에 구비되어, 상기 두 출력 포트(port 5, port 8)의 출력 신호의 크기에 가중치를 적용하며, 그 결과 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 대한 Azimuth 평면에서의 부엽 준위를 감소시킬 수 있다.Next, the at least one attenuator 125a, 125b is provided at two output ports (port 5, port 8) located at both ends of a plurality of output ports of the Butler matrix feeder 120, 5, and port 8), and as a result, the side leaf levels in the azimuth plane for the multi-beam array antenna apparatus 100 can be reduced.

더 구체적으로, 상기 하나 이상의 감쇄기(125a, 125b)는 원형 형상으로 이루어지며 90도 간격으로 배치된 4개의 포트를 구비하며, 이 중 두 개의 포트는 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력 포트(port 5, port 8)와 지향성 커플러(121c, 121d)의 출력 포트에 연결되고, 나머지 하나의 포트는 접지단에 연결되며, 마지막 포트는 외부 포트(port 9, 10)으로 연결되어, 50Ω의 부하에 연결된다.More specifically, the at least one attenuator 125a, 125b has a circular shape and has four ports arranged at 90-degree intervals, two of which are connected to the output port 120 of the Butler matrix- 5, port 8) and the directional couplers 121c and 121d, the other port is connected to the ground terminal, and the last port is connected to the external port (port 9, 10) .

상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서, 출력 포트(port 5, 6, 7, 8) 간의 간격은 안테나 어레이부(130)의 안테나 소자간 간격을 고려하여, 중심 주파수의 0.5 파장으로 설정한다. In the Butler matrix feeder 120, the interval between the output ports (ports 5, 6, 7, and 8) is set to 0.5 wavelength of the center frequency in consideration of the interval between the antenna elements of the antenna array unit 130.

도 9의 (a) 및 (b)는 각각 도 5와 같이 구현된 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 입력 포트 port 1에 전력을 인가하였을 때의 산란계수 및 반사 계수를 측정하여 나타낸 것으로, 산란 계수는 관심 대역(27.925MHz) 내에서 -10 dB 이하이며 중심 주파수에서의 출력 포트에서의 전력은 도 9의 (b)와 같다.9 (a) and 9 (b) show measured scattering coefficients and reflection coefficients when power is applied to the input port port 1 of the Butler matrix feeder 120 implemented as shown in FIG. 5, Is less than -10 dB in the band of interest (27.925 MHz) and the power at the output port at the center frequency is as shown in FIG. 9 (b).

도시된 그래프의 측정 결과를 기반으로, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 입력포트 port 1으로 급전 시, 출력 포트(port 5, 6, 7, 8) 간의 전력 비율을 정리하면 표 2와 같다.Based on the measurement results of the graphs, power ratios between the output ports (ports 5, 6, 7, and 8) during feeding from the Butler matrix feeder 120 according to the present invention to the input port port 1 are summarized in Table 2 .

port 5port 5 port 6port 6 port 7port 7 port 8port 8 전력 비율Power ratio 0.900.90 1One 0.950.95 0.780.78

다음으로, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서, 출력 포트의 위상은 도 10과 같이 측정되었으며, 입력포트 port 1으로 급전시의 출력 포트 간의 위상차를 정리하면 표 3과 같이 나타난다.Next, in the Butler matrix feeder 120 according to the present invention, the phase of the output port is measured as shown in FIG. 10, and the phase difference between the output ports of the classifier as input port port 1 is shown in Table 3.

Arg(S61)-
Arg(S51)Arg (S61) -
Arg (S51) Arg(S71)-Arg(S61)Arg (S71) -Arg (S61) Arg(S81)-Arg(S71)Arg (S81) -Arg (S71) IdealIdeal Max(error)Max (error) port1port1 - 36.34°- 36.34 [deg.] -35.70°-35.70 ° -57.00°-57.00 ° -45°-45 ° 9.30°9.30 [deg.]

상기 측정 결과에 기반할 때, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 출력 포트(port 5, 6, 7, 8) 간의 위상차가 이상적인 값인 -45°에 가까움을 확인할 수 있다. Based on the measurement results, it can be seen that the phase difference between the output ports (ports 5, 6, 7, 8) in the Butler matrix feeder 120 according to the present invention is close to an ideal value of -45 °.

또한, 도 11과 도 12는 각각 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 입력 포트 port 2로 급전시의 출력 포트에 나타나는 산란계수 및 반사계수와, 위상을 측정하여 도시한 그래프이다.11 and 12 are graphs showing measured scattering coefficient, reflection coefficient, and phase appearing at the output port of the classifier as the input port port 2 of the Butler matrix feeder 120, respectively.

상기 그래프의 측정 결과를 기반으로, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 입력 포트 port 2로 급전 시, 출력 포트간 전력 비율 및 위상 차를 정리하면 다음의 표 4 및 표 5와 같이 나타난다.Based on the measurement result of the graph, the power ratio and the phase difference between the output ports when power is supplied from the Butler matrix feeder 120 according to the present invention to the input port port 2 are shown in Tables 4 and 5 .

포트 5Port 5 포트 6Port 6 포트 7Port 7 포트 8Port 8 전력 비율Power ratio 0.870.87 1.001.00 0.950.95 0.820.82

Arg(S62)-Arg(S52)Arg (S62) -Arg (S52) Arg(S72)-Arg(S62)Arg (S72) -Arg (S62) Arg(S82)-Arg(S72)Arg (S82) -Arg (S72) IdealIdeal Max(error)Max (error) port1port1 133.70°133.70 [deg.] 130.75°130.75 [deg.] 135.53°135.53 DEG 135°135 ° 4.25°4.25 [deg.]

즉, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 입력포트 port 2에 전력을 인가하였을 경우, 반사 계수는 관심 대역 내에서 -10dB 이하이며, 출력 포트 간의 위상 차가 이상적인 값인 135°에 가까움을 확인할 수 있다.That is, when power is applied to the input port port 2 of the Butler matrix feeder 120 according to the present invention, it is confirmed that the reflection coefficient is less than -10 dB in the band of interest and the phase difference between the output ports is close to the ideal value of 135 .

더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복사되는 전계를 차폐시켜, 이에 따른 영향을 줄이기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 버틀러 매트릭스 급전부(120)를 차폐시키기 위한 쉴드부(140)를 더 구비한다.In addition, the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention includes a Butler matrix feeder 120, as shown in FIG. 6, for shielding the electric field radiated by the Butler matrix feeder 120 and reducing the influence thereof. 120) for shielding the shielding portion (140).

도 6은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 쉴드부(140)를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a shield portion 140 in the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 쉴드부(140)는, 버틀러 매트릭스 급전부(120) 전체를 덮도록, 그 상부 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 평면으로부터 수직 방향으로 소정 거리 이격되어 형성된다.6, the shield part 140 according to the present invention is formed so as to cover the entirety of the Butler matrix feed part 120 and to be spaced apart from the upper surface of the Butler matrix feed part 120 by a predetermined distance in the vertical direction do.

상기 쉴드부(140)는 차폐 성능을 갖는 금속 재질이라면 어느 것으로도 구현될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄으로 구현될 수 있다. The shield portion 140 may be formed of any metal having a shielding performance, and may be formed of aluminum, for example.

이에 상기 쉴드부(140)는 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 그 상부면으로, 더 구체적으로는 안테나 어레이부(130) 측으로 복사되는 신호를 차폐시킬 수 있다.The shield 140 may shield a signal radiated from the Butler matrix feeding part 120 to the upper surface thereof, more specifically, to the antenna array part 130 side.

이때, 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력 포트에 연결된 안테나 어레이부(130)의 신호 방사를 방해하지 않도록, 상기 쉴드부(140)가 상기 안테나 어레이부(130)를 덮지 않도록 하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the shield portion 140 does not cover the antenna array portion 130 so as not to interfere with signal emission of the antenna array portion 130 connected to the output port of the Butler matrix feeder 120 .

상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)로부터 복사되는 전계는 안테나 어레이부(130)의 Elevation 평면에서의 복사패턴에 영향을 미쳐 주빔의 형상을 변경시키거나 부엽준위를 높이는 역할을 할 수 있는데, 상기 쉴드부(140)에 의하여 복사되는 전계가 안테나 어레이부(130)에 영향을 미치지 않도록 차폐시킬 수 있게 된다.The electric field radiated from the Butler matrix feeding part 120 may affect a radiation pattern in the elevation plane of the antenna array part 130 to change the shape of the main beam or increase the level of the bibs. It is possible to shield the electric field radiated by the antenna array unit 140 from being influenced by the antenna array unit 130.

다음으로, 도 7은 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)와 안테나 어레이부(130)의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)와 결합되는 마이크로스트립 기반의 안테나 어레이부(130)의 구현 예를 나타낸 도면이다. 7 is a view for explaining a connection structure between the Butler matrix feeder 120 and the antenna array unit 130 according to the present invention. FIG. 8 is a plan view of the Butler matrix feeder 120 according to the present invention, FIG. 2 is a view illustrating an embodiment of a microstrip-based antenna array unit 130 according to an embodiment of the present invention.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 상기 안테나 어레이부(130)는 45°편파를 형성하기 위해서 45°기울어진 사각 형상의 마이크로스트립 패치(배열 소자)를 traveling-wave array 구조로 직렬로 배치하여 하나의 선형 배열 안테나 소자를 구현한다. 여기서, 하나의 선형 배열 안테나 소자에 선형 배열을 구성하는 배열 소자의 개수는 7개이며 50?의 급전선로와의 임피던스 정합을 위해 트랜스포머를 추가하였다. 이와 같이 구현된 선형 배열 안테나 소자의 반사계수 특성은 도 13와 같이 측정되었으며, 중심 주파수에서 45° 편파의 Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 복사패턴은 도 14과 같이 나타난다. 이에 근거하면, 본 발명에 따른 안테나 어레이부(130)의 정면 방향에서의 이득은 15.5 dBi 이며, Elevation 평면에서의 부엽준위는 -17.3 dB 이고, Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 3 dB 빔폭은 각각 10°, 84.9°이다.Referring to FIGS. 7 and 8, in the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention, the antenna array unit 130 includes a rectangular microstrip patch Array elements) are arranged in series in a traveling-wave array structure to implement a linear array antenna element. In this case, the number of array elements constituting the linear array in one linear array antenna element is 7, and a transformer is added for impedance matching with a 50? Feeder line. The reflection coefficient characteristic of the linear array antenna element thus implemented was measured as shown in FIG. 13, and the radiation pattern at the elevation plane and the azimuth plane of the 45-degree polarization at the center frequency is shown in FIG. Based on this, the gain of the antenna array unit 130 according to the present invention in the front direction is 15.5 dBi, the side leaf level in the Elevation plane is -17.3 dB, the 3 dB beam width in the Elevation plane and the Azimuth plane is 10 °, 84.9 °.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 어레이부(130)는 도 8과 같은 선형 배열 안테나 소자를 4개 병렬로 배치하여, 4 개의 빔을 형성하는 다중 빔 배열 안테나 장치를 구현한다.The antenna array unit 130 according to an embodiment of the present invention implements a multi-beam array antenna apparatus in which four linear array antenna elements as shown in FIG. 8 are arranged in parallel to form four beams.

참고로, 도 7의 예시에서, 버틀러 매트릭스 급전부(120)'와 안테나 어레이부(130)이 동일한 폭으로 형성되는 것으로 예시되어 있으나, 꼭 이에 한정되는 것이 아니며, 설정되는 주파수 대역에 따라서 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120') 및 안테나 어레이부(130)의 크기와 형상은 달라질 수 있으며, 버틀러 매트릭스 급전부(120')의 변형에 따라서 그 상부에 형성되는 쉴드부(140)의 크기 및 형상도 달라질 수 있다.7, the Butler matrix feeding part 120 'and the antenna array part 130 are formed to have the same width. However, the present invention is not limited to this, The size and shape of the matrix feeding part 120 'and the antenna array part 130 may be varied and the size and shape of the shield part 140 formed on the upper part of the Butler matrix feeding part 120' It can be different.

다음으로, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 신호 특성을 설명한다.Next, signal characteristics of the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention will be described.

도 15은, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 입력 포트 port1에 급전하였을 때의 산란계수를 나타낸다. 산란 계수는 -15 dB 이하를 만족하며, 입력 포트간의 격리도는 관심 대역폭 내에서 -12 dB 이하를 만족한다. FIG. 15 shows the scattering coefficient when feeding power to the input port port1 of the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention. The scattering coefficient satisfies -15 dB or less, and the isolation between the input ports satisfies -12 dB or less within the bandwidth of interest.

도 16은, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 중심 주파수에서 45° 편파의 Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 복사패턴을 나타낸다. Azimuth 방향에서 주빔의 방향은 14°이고, 최대 이득은 19.7 dBi 이며, Elevation 평면에서의 부엽준위는 -18 dB 이다. Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 3 dB 빔폭은 10.4°, 25.6°이다. 16 shows a radiation pattern in an Elevation plane and an Azimuth plane of a 45-degree polarization at a center frequency in the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention. In the azimuth direction, the direction of the main beam is 14 °, the maximum gain is 19.7 dBi, and the side-leaf level in the Elevation plane is -18 dB. The 3 dB beam widths in the elevation and azimuth planes are 10.4 ° and 25.6 °.

도 17은, 입력 포트 port 2에 급전하였을 때 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 산란계수를 나타낸다. 이를 참조하면, 반사 계수는 -20 dB 이하를 만족하며, 입력 포트간의 격리도는 관심 대역폭 내에서 -13.5 dB 이하를 만족함을 알 수 있다. 17 shows the scattering coefficient of the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention when the input port port 2 is fed. It can be seen that the reflection coefficient satisfies -20 dB or less, and the isolation between the input ports satisfies -13.5 dB or less within the bandwidth of interest.

도 18은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 중심 주파수에서 45° 편파의 Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 복사패턴은 나타낸다. 도시된 바와 같이, Azimuth 방향에서 주빔의 방향은 -42° 이고, 정면 방향에서의 이득은 18 dBi 이며, Elevation 평면에서의 부엽준위는 -16.2 dB 이다. 또한, Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 3 dB 빔폭은 10.2°, 32.6°이다. FIG. 18 shows a radiation pattern in the Elevation plane and the Azimuth plane of the 45-degree polarization at the center frequency in the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention. As shown, the direction of the main beam in the azimuth direction is -42 °, the gain in the front direction is 18 dBi, and the side leaf level in the Elevation plane is -16.2 dB. Also, the 3 dB beam widths in the Elevation plane and the Azimuth plane are 10.2 ° and 32.6 °.

도 19는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 입력 포트에 따른 Azimuth 방향에서 다중 빔 배열 안테나의 복사 패턴 특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에서 형성된 다중 빔은 -60° ~ 60° 각도 내에서 15 dBi 이상의 이득을 만족하며 각 빔의 부엽준위는 -10 dB 이하를 만족함을 알 수 있다.FIG. 19 is a graph showing radiation pattern characteristics of a multi-beam array antenna in an azimuth direction according to an input port in a multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention. As shown in the figure, the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention satisfies a gain of 15 dBi or more within an angle of -60 to 60 degrees, and the side-leaf level of each beam satisfies -10 dB or less .

본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, H슬롯(124a, 124b, 124c)는 지향성 커플러(121c, 121d)와 교차 선로(122a) 아래 접지면에 위치하여 상호 간섭을 감소시켜 입력 포트(port1,2,3,4) 간의 격리도를 향상 시킨다. 이는 도 20 및 도 21의 시뮬레이션 그래프로부터 확인할 수 있다.In the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention, the H slots 124a, 124b and 124c are located on the ground plane under the directional couplers 121c and 121d and the crossing line 122a, Improves isolation between ports (port1,2,3,4). This can be confirmed from the simulation graphs of FIGS. 20 and 21. FIG.

상기 도 20 및 21는 각각 입력 포트 port 1과 port 2에 급전 하였을 때, H-슬롯(124a, 124b, 124c)의 유무에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 산란계수 특성을 비교한 것으로서, 좌측의 (a) 그래프는 H-슬롯(124a, 124b, 124c)이 없는 경우의 산란 계수 특성을 도시한 것이고, 우측의 (b) 그래프는 H-슬롯(124a, 124b, 124c)이 존재할 때의 산란 계수 특성을 도시한 것이다.20 and 21 illustrate scattering coefficient characteristics of the multi-beam array antenna apparatus 100 according to presence or absence of the H-slots 124a, 124b, and 124c when power is supplied to the input ports port 1 and port 2, respectively. (A) on the left side shows the scattering coefficient characteristics in the absence of the H-slots 124a, 124b and 124c, and the graph on the right side shows the scattering coefficient characteristics when the H-slots 124a, 124b and 124c are present Scattering coefficient characteristics.

도 20과 도 21의 (a) 및 (b)에 각각 도시된 각 입력포트 간 격리도(S21, S31, S41) 특성 변화를 비교할 때, H-슬롯(124a, 124b, 124c)이 추가됨으로 인해 격리도 특성이 향상됨을 확인할 수 있다. Slots 124a, 124b, and 124c are added when comparing the characteristics changes of the isolation degrees S21, S31, and S41 between the input ports shown in FIGS. 20 and 21A and 21B And the isolation characteristics are improved.

또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는, 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력포트에 감쇄기(125a, 125b)는 Azimuth 방향(x-방향)에서 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 부엽준위 감소를 위해 적용된 것으로서, 그 효과는 도 22로부터 확인할 수 있다.In the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention, the attenuators 125a and 125b are connected to the output port of the Butler matrix feeder 120 in the azimuth direction (x-direction) And the effect can be confirmed from FIG. 22.

도 22는 감쇄기(125a, 125b)의 존재 유/무에 따른 중심 주파수에서 각 입력 포트(port 1, 2, 3, 4)에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 Azimuth 평면에서의 복사패턴 특성을 비교한 그래프로서, (a) 그래프는 감쇄기(125a, 125b)가 존재하지 않는 경우의 복사패턴 특성 그래프이고, (b) 그래프는 감쇄기(125a, 125b)가 존재하는 경우의 복사패턴 특성 그래프이다. 상기 (a) 그래프와 (b) 그래프를 비교하면, 감쇄기 감쇄기(125a, 125b)를 적용함에 따라서 각 빔의 부엽준위가 감소하는 것을 확인할 수 있다.22 shows a radiation pattern characteristic in the azimuth plane of the multi-beam array antenna apparatus 100 according to each input port (port 1, 2, 3, 4) at a center frequency depending on the presence / absence of the attenuators 125a and 125b (A) is a graph of a radiation pattern characteristic when the attenuators 125a and 125b are not present, and (b) is a graph of a radiation pattern characteristic when the attenuators 125a and 125b are present . Comparing the graphs (a) and (b), it can be seen that as the attenuator attenuators 125a and 125b are applied, the side lobe level of each beam decreases.

더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 적용한 쉴드부(140)는 버틀러 매트릭스 급전부(120)로부터 복사되는 전계를 차폐하기 위해 적용된 것으로서, 도 23, 24에 도시된 그래프로부터 쉴드부(140)의 유/무에 따른 Elevation 평면에서의 복사 패턴 특성을 확인할 수 있다. In addition, the shield 140 applied to the multi-beam array antenna apparatus 100 according to the present invention is adapted to shield an electric field radiated from the Butler matrix feeder 120, and from the graph shown in FIGS. 23 and 24, It is possible to confirm the radiation pattern characteristic in the elevation plane according to whether the part 140 is present or absent.

구체적으로, 도 23은 입력포트 port 1에 급전하였을 때 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 Elevation 평면에서 복사패턴 특성으로서, (a) 그래프는 쉴드부(140)가 없는 경우, (b) 그래프는 쉴드부(140)가 있는 경우를 각각 나타낸다. 상기 도 23의 (a) 그래프와 (b) 그래프를 비교할 때, 쉴드부(140)가 존재함으로 인해 주빔 방향에서 이득이 낮아지는 현상이 개선됨을 확인할 수 있다.23 is a radiation pattern characteristic in the elevation plane of the multi-beam array antenna apparatus 100 when the input port port 1 is fed to the input port port 1. Fig. 23 (a) shows the case where there is no shield portion 140, And a case where the shield portion 140 is provided. When comparing the graph of FIG. 23A and the graph of FIG. 23B, it can be seen that the phenomenon of lowering the gain in the main beam direction due to the presence of the shield part 140 is improved.

다음으로, 도 24는 입력포트 port 2에 급전하였을 때, 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 Elevation 평면에서 복사패턴 특성을 보인 것으로서, (a) 그래프는 쉴드부(140)가 없는 경우의 복사 패턴 특성을 나타내고, (b) 그래프는 쉴드부(140)가 있는 경우의 복사 패턴 특성을 나타낸다.Next, FIG. 24 shows the radiation pattern characteristic in the Elevation plane of the multi-beam array antenna apparatus 100 when the input port port 2 is fed. FIG. 24A shows the radiation pattern in the absence of the shield unit 140 (B) the graph shows the radiation pattern characteristic when the shield portion 140 is present.

상기 도 24의 (a) 그래프와 (b) 그래프를 비교하면, 앞서의 경우와 마찬가지로, 쉴드부(140)로 인하여, 주빔 방향에서 이득이 낮아지는 현상을 개선하였을 뿐만 아니라 부엽준위가 약 8 dB 감소됨을 확인할 수 있다.Comparing the graph of FIG. 24A and the graph of FIG. 24B, it is seen that the effect of lowering the gain in the main beam direction due to the shield portion 140 is improved as in the previous case, .

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으나, 여기에 개시된 실시 예외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be apparent to those skilled in the art. Furthermore, although specific terms are used in this specification and the drawings, they are used in a generic sense only to facilitate the description of the invention and to facilitate understanding of the invention, and are not intended to limit the scope of the invention.

따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments but should be defined by the claims.

본 발명은 5G 이동통신시스템의 기지국에 적용 가능한 다중 빔 배열 안테나 장치로서, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 지향성 커플러와 교차 선로 아래 접지면에 H 슬롯을 형성함으로써, 지향성 커플러와 교차 선로 상호 간의 간섭을 감소시키고, 그 결과 입력 포트 간 격리도를 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a multi-beam array antenna apparatus applicable to a base station of a 5G mobile communication system. The multi-beam array antenna apparatus according to the present invention comprises: a directional coupler of a Butler matrix feeder; It is possible to reduce the interference between the directional coupler and the intersection line, and as a result, improve the isolation between the input ports.

또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부에서 안테나 어레이부와 연결되는 복수의 출력 포트, 특히, 양 끝단의 두 출력 포트에 감쇄기를 더 구비함으로써, Azimuth 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 높아지는 문제를 해결하였다.In addition, the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention includes a plurality of output ports connected to the antenna array unit in the Butler matrix feeder portion, particularly, two output ports at both ends, And solved the problem of increasing the side leaf level.

또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 상부에 쉴드부를 더 형성시킴으로써, 버틀러 매트릭스 급전부로부터 안테나 어레이부로 복사되는 전계를 차폐시켜, 버틀러 매트릭스로 인해 다중 빔 배열 안테나 장치의 주빔 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상을 개선할 수 있다.In addition, the multi-beam array antenna apparatus according to the present invention further includes a shield portion on an upper portion of the Butler matrix feed portion to shield the electric field radiated from the Butler matrix feed portion to the antenna array portion, The shape of the main beam of the side lobe can be changed or the side lobe level can be improved.

100: 다중 빔 배열 안테나 장치
110: 빔 스위칭부
120: 버틀러 매트릭스 급전부
121a, 121b, 121c, 121d: 지향성 커플러
122a, 122b: 교차 선로(Crossover)
123a, 123b: 위상 지연 선로
124a, 124b, 124c: H슬롯
125a, 125b: 감쇄기
130: 안테나 어레이부100: Multibeam array antenna device
110: beam switching unit
120: All butler matrix
121a, 121b, 121c, 121d: directional coupler
122a, 122b: Crossover,
123a, 123b: phase delay line
124a, 124b, 124c: H slots
125a, 125b: attenuator
130: Antenna array part

Claims (7)

무선 신호를 복수의 출력 포트 중 어느 하나로 선택 출력하는 빔 스위칭부;
복수의 지향성 커플러와, 복수의 교차 선로 및 위상 지연 선로로 이루어져, 상기 빔 스위칭부의 복수의 출력 포트에 각각 연결된 복수의 입력 포트로 입력된 무선 신호로부터 서로 다른 위상의 복수의 무선 신호를 생성하는 버틀러 매트릭스 급전부; 및
상기 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 선형 배열 안테나 소자로 이루어져, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받아 소정 방향의 빔을 생성하는 안테나 어레이부를 포함하고,
상기 버틀러 매트릭스 급전부는, 복수의 입력 포트 간의 격리도를 향상시키도록 접지면에 형성된 하나 이상의 H 슬롯을 포함하여 이루어지며,
상기 하나 이상의 H 슬롯은
상기 버틀러 매트릭스 급전부에 포함된 지향성 커플러의 접지면 및 교차 선로의 접지면 중 적어도 한 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.A beam switching unit for selectively outputting a radio signal to any one of a plurality of output ports;
A plurality of directional couplers, and a plurality of crossing lines and a phase delay line, each of the plurality of input ports being connected to a plurality of output ports of the beam switching unit, Matrix feeder; And
And an antenna array unit including a plurality of linear array antenna elements connected to output ports of the Butler matrix feeder unit and receiving radio signals of different phases from the Butler matrix feeder unit and generating beams in a predetermined direction,
The Butler matrix feed part includes at least one H slot formed on the ground plane to improve the isolation between the plurality of input ports,
The at least one H slot
And the ground plane of the directional coupler included in the Butler matrix feeder and the ground plane of the crossing line. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 버틀러 매트릭스 급전부는 방위각(Azimuth) 평면에서의 부엽준위를 감소시키기 위한 하나 이상의 출력 포트에 연결되는 하나 이상의 감쇄기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the Butler matrix feed section further comprises at least one attenuator connected to one or more output ports for reducing the side leaf levels in an azimuth plane. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 감쇄기는
원형으로 이루어지고, 4개의 포트를 구비하여, 그 중 두 개의 포트는 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트와 지향성 커플러의 출력 포트 사이에 각각 연결되고, 하나의 포트는 접지면에 연결되고, 하나의 포트는 외부 부하로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.4. The apparatus of claim 3, wherein the at least one attenuator
And two ports are connected between the output port of the Butler matrix-fed front part and the output port of the directional coupler, respectively, one port is connected to the ground plane, and one port Is connected to an external load. 제1항에 있어서,
상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 수직방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 버틀러 매트릭스 급전부와 평행하게 형성되어, 버틀러 매트릭스 급전부의 복사 전계를 차폐시키는 쉴드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a shield portion spaced a predetermined distance in the vertical direction from the Butler matrix feeder portion and formed in parallel with the Butler matrix feeder portion to shield the radiation field of the Butler matrix feeder portion. 제5항에 있어서,
상기 쉴드부는 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.6. The method of claim 5,
Wherein the shield portion is made of a metal material. 제5항에 있어서,
상기 안테나 어레이부에 구비된 복수의 선형 배열 안테나 소자는, 45도 편파를 형성하도록 45도 기울어진 사각형의 배열 소자가 선형으로 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.6. The method of claim 5,
Wherein the plurality of linearly arrayed antenna elements provided in the antenna array section are linearly arranged in a rectangular array element inclined by 45 degrees so as to form a 45 degree polarization.
KR1020170142798A 2017-10-30 2017-10-30 Multi-beam array antenna KR101937820B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170142798A KR101937820B1 (en) 2017-10-30 2017-10-30 Multi-beam array antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170142798A KR101937820B1 (en) 2017-10-30 2017-10-30 Multi-beam array antenna

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101937820B1 true KR101937820B1 (en) 2019-01-11

Family

ID=65027924

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170142798A KR101937820B1 (en) 2017-10-30 2017-10-30 Multi-beam array antenna

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101937820B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054312A (en) * 2019-06-06 2020-12-08 北京小米移动软件有限公司 Antenna structure and electronic device
CN113659353A (en) * 2021-08-02 2021-11-16 电子科技大学 Miniaturized Butler matrix with continuously adjustable output phase difference of 360 degrees
US11664591B2 (en) 2019-06-06 2023-05-30 Beijing Xiaomi Mobile Software Co., Ltd. Antenna structure, electronic device and arraying method for antenna structure
WO2024118325A1 (en) * 2022-12-01 2024-06-06 Commscope Technologies Llc Multibeam sector-splitting base station antennas having modified nolen matrix-based beamforming networks

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100720806B1 (en) 2001-10-11 2007-05-21 카트라인-베르케 카게 Dual-polarization antenna array
JP2010103814A (en) * 2008-10-24 2010-05-06 Yokowo Co Ltd Antenna apparatus
KR101005670B1 (en) 2002-11-13 2011-01-05 레이던 컴퍼니 Antenna configurations for reduced radar complexity
KR101772206B1 (en) * 2016-12-26 2017-08-28 광운대학교 산학협력단 The beamforming capability improved butler matrix using switch network

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100720806B1 (en) 2001-10-11 2007-05-21 카트라인-베르케 카게 Dual-polarization antenna array
KR101005670B1 (en) 2002-11-13 2011-01-05 레이던 컴퍼니 Antenna configurations for reduced radar complexity
JP2010103814A (en) * 2008-10-24 2010-05-06 Yokowo Co Ltd Antenna apparatus
KR101772206B1 (en) * 2016-12-26 2017-08-28 광운대학교 산학협력단 The beamforming capability improved butler matrix using switch network

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054312A (en) * 2019-06-06 2020-12-08 北京小米移动软件有限公司 Antenna structure and electronic device
EP3748769A1 (en) * 2019-06-06 2020-12-09 Beijing Xiaomi Mobile Software Co., Ltd. Antenna structure and electronic device
US11165152B2 (en) 2019-06-06 2021-11-02 Beijing Xiaomi Mobile Software Co., Ltd. Antenna and electronic device
US11664591B2 (en) 2019-06-06 2023-05-30 Beijing Xiaomi Mobile Software Co., Ltd. Antenna structure, electronic device and arraying method for antenna structure
CN113659353A (en) * 2021-08-02 2021-11-16 电子科技大学 Miniaturized Butler matrix with continuously adjustable output phase difference of 360 degrees
WO2024118325A1 (en) * 2022-12-01 2024-06-06 Commscope Technologies Llc Multibeam sector-splitting base station antennas having modified nolen matrix-based beamforming networks

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11283165B2 (en) Antenna arrays having shared radiating elements that exhibit reduced azimuth beamwidth and increased isolation
Lian et al. Reduced-sidelobe multibeam array antenna based on SIW Rotman lens
US20200295463A1 (en) Antenna element, antenna module, and communication device
KR101937820B1 (en) Multi-beam array antenna
CN107949954B (en) Passive series-feed type electronic guide dielectric traveling wave array
US10886630B2 (en) Antenna module and communication device
Wójcik et al. High port-to-port isolation dual-polarized antenna array dedicated for full-duplex base stations
US11742586B2 (en) Lens-enhanced communication device
Pourahmadazar et al. 8–12-GHz beam-shaping/steering phased antenna array system using SIW fed nonplanar director Yagi-Uda antenna
US11121462B2 (en) Passive electronically scanned array (PESA)
KR102377589B1 (en) Linear slot array antenna for broadly scanning frequency
Sun et al. A miniaturized wideband 4× 8 Butler matrix for beamforming in millimeter-wave applications
JP5605285B2 (en) Dipole array antenna
Yang et al. A novel millimeter wave multiple beam antenna with SIW Butler matrix
CN112821091A (en) W-band high-gain zero-dispersion glass-based microstrip array antenna
Akhade et al. Application of Butler Matrix in Switched Beam Smart Antenna
Orakwue et al. Cascaded Butler matrix with two-dimensional beam scanning capability at 28 GHz for 5G wireless system
CN113016108B (en) Antenna module and communication device equipped with same
Afonin et al. Antenna array of patch radiators with controlled polarization
Wada et al. Design of a Dual-polarized Slot Array Antenna with Monopulse Corporate-feed Waveguides for Two-dimensional Orthogonal 8-multiplexing in the Non-far Region
Juneja et al. Design of a Passive Beamforming Circuit with-37.5 dB Return Loss and-42 dB Isolation Loss for a Multibeam Antenna in 5G Applications
KR101409541B1 (en) N port feeding system for realizing broadband using a slot
Geva et al. Self-Dual Power Splitters for Wide-Scan, Wideband Phased Array Applications
CN117712715B (en) Broadband dual-polarized antenna array applied to K-band field intensity generation system
US20230082093A1 (en) Antenna calibration boards having non-uniform coupler sections

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant