KR20110060405A - 상부덮개를 이용한 이득 향상과 빔 성형이 동시에 가능한 안테나 - Google Patents

Abstract

기지국 안테나 등에 적용되는 안테나를 개시한다. 안테나는, 급전을 위한 급전 안테나; 및 급전 안테나의 상부에 위치하며, 유전체 기판의 표면에 이득 증대와 빔 성형을 위한 전도성 패턴이 형성된 상부덮개를 포함한다. 이에 따라, 안테나의 이득 증대와 빔 성형이 동시에 달성될 수 있다.

Description

상부덮개를 이용한 이득 향상과 빔 성형이 동시에 가능한 안테나{Antenna with superstrate simultaneously providing a high-gain and beam width control}

본 발명은 기지국 안테나 등에 적용되는 안테나에 관한 것이다.

기지국과 같이 고 이득의 방사 특성과 빔 성형이 필요한 곳의 안테나로서, 종래 기술에서는 기지국의 안테나의 이득을 높이기 위하여, 패치 안테나를 여러 개 배열한 형태의 배열 안테나를 사용한다.

그러나, 이러한 형태의 배열 안테나의 경우, 패치 안테나의 배열 수가 증가함에 따라 패치 안테나 급전에 의한 에너지 손실도 급전 수에 비례하여 증가한다. 이에 따라, 배열 안테나의 전체적인 효율이 악화된다. 뿐만 아니라, 적절한 이득 및 방사 패턴을 얻기 위해, 패치 안테나의 간격, 및 패치 안테나에 급전되는 신호 위상을 세밀하게 조정해야 하므로, 구조가 복잡화된다는 단점이 있다.

또한, 안테나의 이득을 향상시키기 위하여, 안테나의 상부에 고유전율을 갖는 유전체를 주기적으로 배열한 EBG(Electromagnetic Band-Gap) 형태의 안테나 또는, 일반적인 패치 안테나 상부에 금속 그리드(metallic grid)를 얹은 패브리-패롯 캐비티(FPC; Fabry-Perot Cavity) 형태의 안테나가 개시된 바 있다.

이러한 기술은 급전 구조가 단순하고, 배열 안테나와는 다르게 단일 급전으로 이득을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 안테나의 빔 성형이 어렵다. 또한, 안테나의 최대이득은 상부덮개와 접지 면의 거리가 반 파장일 때 최대가 되므로, 안테나의 체적이 증가하는 단점이 있다.

본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이득 향상, 빔 성형, 및 높은 전후방비(Front-to Back Ratio: FBR)을 동시에 달성할 수 있는 안테나를 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나는, 급전을 위한 급전 안테나; 및 상기 급전 안테나의 상부에 위치하며, 유전체 기판의 표면에 이득 증대와 빔 성형을 위한 전도성 패턴이 형성된 상부덮개를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전도성 패턴을 갖는 상부덮개를 급전 안테나의 상부에 위치시킨 구조를 가지므로, 급전 안테나 하나만으로도, 안테나의 이득을 향상시킬 수 있으며 빔 성형이 가능하다. 그리고, 상부덮개는 저가의 PCB 기술을 이용해 제조 가능하므로, 제조가 매우 용이하고 저비용이 소요될 수 있다.

그리고, 금속 벽을 안테나 주변에 형성할 경우, 큰 전후방비를 갖는다. 이에 따라, 고 이득을 위해 기존의 배열 안테나 기법을 사용하는 경우보다, 급전 구조가 단순화되고, 안테나 공급 전력의 손실 등이 한꺼번에 해결될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 안테나는 고 이득, 빔 성형, 높은 전후방비 등이 요구되는 기지국 안테나에 손쉽게 적용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 대한 측 단면도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 상부덮개의 단위셀을 발췌하여 도시한 측 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 안테나(100)는 급전 안테나(110)와 상부덮개(120)를 포함한다. 급전 안테나(110)는 안테나(100)의 급전을 위한 것이다. 급전 안테나(110)는 유전체 기판(111)과 접지 면(112)을 포함할 수 있다. 접지 면(112)은 유전체 기판(111)의 일면에 형성된다.

급전 안테나(110)로는 다양한 구조의 안테나가 이용될 수 있다. 예컨대, 급전 안테나(110)는 패치 안테나, 다이폴 안테나, 슬롯 안테나, 도파관 안테나 등일 수 있다. 패치 안테나는 접지 면의 상부에 금속 패치를 위치시킨 안테나이다. 다이폴 안테나는 급전 점에서 2개의 직선 모양으로 된 도체를 나란히 설치하여, 전파를 방사 또는 수신하는 안테나이다. 슬롯 안테나는 평면 도체판상에 슬롯을 만든 다음 슬롯에 급전함으로써 전파의 방사체로 작용시키는 안테나이다. 도파관 안테나는 도파관의 끝부분이 사각형 또는 원형의 깔때기처럼 벌어진 형상을 갖는 안테나이다.

상부덮개(120)는 급전 안테나(110)의 상부에 접지 면(112)으로부터 h 높이를 갖고 위치한다. 상부덮개(120)는 유전체 기판(121)과 전도성 패턴(122)을 포함한다. 전도성 패턴(122)은 유전체 기판(121)의 표면에 안테나(100)의 이득 증대와 빔 성형을 위해 특정한 모양과 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 상부덮 개(120)는 저가의 PCB(Printed Circuit Board) 기술을 이용하여 용이하게 제조될 수 있는 장점을 갖는다.

전도성 패턴(122)은 다수의 전도성 구조체들이 각각 도 2에 도시된 단위셀(123)을 이루고, 단위셀(123)들이 서로 연결되어 형성될 수 있다. 단위셀(123)은 중심 주파수의 대략 반파장의 크기를 가질 수 있다. 단위셀(123)은 다양한 모양으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 도 3a에 도시된 바와 같이, 단위셀(123)은 횡단면이 정사각형이고, 주변의 단위셀(123)들과의 연결을 위해 각 변마다 다중 선로(124)가 형성된 모양으로 이루어질 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 단위셀(123)은 횡단면이 정사각형이고, 주변의 단위셀(123)들과의 연결을 위해 각 변마다 단일 선로(125)가 형성된 모양으로 이루어질 수 있다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 단위셀(123)은 횡단면이 직사각형이고, 주변의 단위셀(123)들과의 연결을 위해 각 변마다 다중 선로(124)가 형성된 모양으로 이루어질 수 있다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 단위셀(123)은 횡단면이 직사각형이고, 주변의 단위셀(123)들과의 연결을 위해 각 변마다 단일 선로(125)가 형성된 모양으로 이루어질 수 있다. 이 밖에, 단위셀(123)은 전술한 예에 한정되지 않고 다양한 모양으로 이루어질 수 있다.

그리고, 단위셀(123)들은 다양한 모양으로 배열될 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 단위셀(123)들은 다수 행과 다수 열로 배열되며, 다중 선로(125)에 의해 서로 연결될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단위셀(123)들은 일렬로 배열되며, 다중 선로(124)에 의해 서로 연결될 수 있다. 한편, 도 4 및 도 5에서, 단위셀(123)들은 단일 선로(125)에 의해 서로 연결되는 것도 가능하다.

일반적으로, 패브리 패롯 캐비티(FPC) 안테나에서 접지 면으로부터 상부덮개까지의 높이는 동작주파수의 반파장의 길이를 가진다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는, 각각의 단위셀(123)이 반파장 안테나와 같이 동작하므로, 접지 면(112)으로부터 상부덮개(120)까지의 높이(h)는 단위셀 크기에 따라 조절 가능할 수 있다. 이에 따라, 접지 면(112)으로부터 상부덮개(120)까지의 높이는 1mm 내외의 값으로 설계가 가능하다.

따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 패브리 패롯 캐비티 안테나와는 다르게 로우 프로파일(low profile)로 설계 가능하다. 또한, 단위셀(123)들의 개수에 따라 안테나(100)의 단위 면적의 크기와 모양에 맞게 동작 주파수의 변화 없이 안테나(100)의 이득과 방사패턴을 조절 가능하다. 그리고, 안테나(100)의 매칭은 도 6에 도시된 바와 같이, 급전 안테나(110)의 급전 점(S)의 위치를 조정함에 따라 최대로 조정될 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 안테나(100)는 전후방비(FBR) 증대를 위한 금속 벽(130)을 더 포함할 수 있다. 금속 벽(130)은 급전 안테나(110)와 상부덮개(120)의 둘레에 형성된다. 예컨대, 금속 벽(130)은 급전 안테나(110)의 측면과 상부덮개(120)의 측면을 둘러싸면서 상부덮개(120)의 상부를 일부 둘러싸도록 형성될 수 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 안테나에 있어서, 상부덮개의 단위셀들의 배열 개수 변화와, 금속 벽의 구비 여부에 따른 이들과 빔 조향 특성을 도시한 그래 프이다. 여기서, 도 8은 H-평면에서의 안테나의 복사특성을 나타낸 것이며, 도 9는 E-평면에서의 안테나의 복사특성을 나타낸 것이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상부덮개의 길이가 길어짐에 따라 빔 폭은 줄어들고, 이와 반대로 상부덮개의 길이가 짧아지면 빔 폭이 증가한다. 즉, 상부덮개의 길이에 따라 빔 폭의 조정이 가능한 것이다. 그리고, 안테나의 이득(gain)은 상부덮개의 면적이 증가할수록 증가하게 된다. 즉, 상부덮개의 면적에 따라 안테나의 이득이 조정 가능할 것이다.

단위셀이 1×17로 배열된 안테나에서 금속 벽이 있을 때 안테나의 전후방비가 개선됨을 알 수 있다. 즉, 금속 벽이 없을 때의 전후방비는 35dB이지만, 금속 벽이 있을 때의 전후방비는 50dB로 15dB 개선됨을 확인해볼 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 대한 측 단면도.

도 2는 도 1에 있어서, 상부 덮개의 단위셀을 발췌하여 도시한 측 단면도.

도 3a 내지 도 3d는 도 2에 있어서, 단위셀의 다양한 형상을 나타낸 평면도.

도 4는 도 1에 있어서, 단위셀들의 배열 모양을 도시한 평면도.

도 5는 도 4에 있어서, 단위셀들의 배열 모양에 대한 다른 예를 도시한 평면도.

도 6은 도 1에 있어서, 안테나의 매칭 특성을 고려한 급전 안테나의 급전 방법을 설명하기 위한 도면.

도 7은 도 1에 있어서, 금속 벽이 더 구비된 예를 나타낸 측 단면도.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 안테나에 있어서, 상부덮개의 단위셀들의 배열 개수 변화와, 금속 벽의 구비 여부에 따른 이들과 빔 조향 특성을 도시한 그래프.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

110..급전 안테나 112..접지 면

120..상부덮개 122..전도성 패턴

123..단위셀 130..금속 벽

Claims (11)

1. 급전을 위한 급전 안테나; 및

   상기 급전 안테나의 상부에 위치하며, 유전체 기판의 표면에 이득 증대와 빔 성형을 위한 전도성 패턴이 형성된 상부덮개를 포함하는 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전도성 패턴은,

   다수의 전도성 구조체들이 각각 단위셀을 이루며, 상기 단위셀들이 서로 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 단위셀들은 횡단면 형상이 각각 정사각형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 단위셀들은 단일 선로 또는 다중 선로에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 단위셀들은 다수 행과 다수 열로 배열되거나, 일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 제 2항에 있어서, 상기 상부덮개가 상기 급전 안테나의 접지 면으로부터 이격된 높이는 상기 단위셀들의 크기에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 급전 안테나의 급전 점의 위치를 조정함에 따라 안테나의 매칭을 최대로 조정 가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
8. 제 2항에 있어서,

   상기 단위셀들의 개수에 따라 안테나의 단위 면적의 크기와 모양에 맞게 동작 주파수의 변화 없이 안테나의 이득과 방사패턴을 조절 가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 급전 안테나와 상기 상부덮개의 둘레에 전후방비 증대를 위한 금속 벽이 더 형성된 것을 특징으로 하는 안테나.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 금속 벽은 상기 급전 안테나의 측면과 상기 상부덮개의 측면을 둘러싸면서 상기 상부덮개의 상부를 일부 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 안테나.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 급전 안테나는,

    패치 안테나, 다이폴 안테나, 슬롯 안테나, 도파관 안테나 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 안테나.

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