KR100563118B1 - 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나 - Google Patents

유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 기지국(TRS, CELLULAR, PCS, IMT-2000, ISM-Band)에 사용되는 지향성 안테나의 방사 소자와 급전부의 연결에 관한 것이다.
본 발명은 반사판에 수직으로 설치되는 유전체 기판형태의 다이폴과 반사판에 수평으로 설치되는 급전부의 연결구조에 관한 것으로 종래의 기술은 케이블을 이용하여 급전부와 다이폴을 연결하였으나, 본 발명에서는 수평으로 설치되는 급전부의 연결 부분에 홈을 생성하여, 수직으로 설치되는 유전체 기판으로 이루어진 다이폴을 끼워 넣고 납땜으로 고정시켜 연결하는 구조를 제시하고 있다.
본 발명에 의하면 유전체 기판을 이용함으로써 제작 공정이 단순해짐에 따라, 균일한 특성의 안테나를 대량 생산할 수 있으며, 안테나를 소형 경량화 할 수 있다.
다이폴 안테나, 급전부, 유전체 기판, 마이크로 스트립, 크로스 다이폴

Description

유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나{DIPOLE ANTENNA USING DIELECTRIC BOARD}
도 1은 종래의 개구면(Aperture) 안테나의 일실시도.
도 2는 종래의 패치(Patch) 안테나의 일실시도.
도 3은 종래의 다이폴(Dipole) 안테나의 일실시도.
도 4는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴과 급전부의 단면 및 이를 전개한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나에 있어서 다이폴과 급전부가 연결된 구성도.
도 6a는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 제 1 다이폴의 구성도.
도 6b는 도 6a의 정면도 및 배면도.
도 7a는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 제 2 다이폴의 구성도.
도 7b는 도 7a의 정면도 및 배면도.
도 8a는 본 발명에 따른 유전체 기판으로 이루어진 급전부의 구성도.
도 8b는 도 8a에서 연결 홈 부분을 확대한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴과 급전부의 일실시도.
도 10은 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나의 정재파비(VSWR)를 나타낸 도면(+45˚).
도 11은 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나의 정재파비(VSWR)를 나타낸 도면(-45˚).
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 : 유전체 기판 11 : 크로스 다이폴 연결 홈
12 : -극성 다이폴 13 : +극성 다이폴
20 : 유전체 기판 21 : 크로스 다이폴 연결 홈
22 : -극성 다이폴 23 : +극성 다이폴
30 : 유전체 기판 31 : 입력 임피던스
32,33 : 전력 분배부 34,35 : 임피던스 정합부
36 : 다이폴 설치 홈 37,38 : 납땜부 접지면
본 발명은 이동통신 기지국(TRS, CELLULAR, PCS, IMT-2000, ISM-Band)에 사용되는 지향성 안테나의 방사 소자와 급전부의 연결 구조에 관한 것이다.
방사 소자의 종류는 크게 개구면(Aperture), 패치(Patch), 다이폴(Dipole) 등으로 대별되어진다.
도 1은 종래에 사용되어지던 개구면(Aperture) 안테나의 일실시도로서, 급전라인(Feeding Line), 상층부에 전파를 방사하는 개구면(Aperture)으로 구성되며, 전파의 지향특성 및 정합 특성을 조절하기 위해 기생소자(Parasitic Element)를 두 기도 한다.
도 2는 유전체 기판을 이용한 패치(Patch) 안테나의 일실시도인데, 그 구조는 급전라인(Feeding Line), 전파를 복사하는 패치(Patch)로 구성되며, 전파의 지향특성 및 정합 특성을 조절하기 위해 기생소자(Parasitic Element)를 두기도 한다.
도 3은 종래에 사용되어지던 0.5λ의 길이를 가지는 다이폴 안테나의 일실시도이다. 안테나 제작은 동이나 알루미늄과 같은 금속재질을 가공한 후, 다수의 방사 소자를 급전선으로 연결하여 복사소자 및 급전부를 구성하였다.
개구면(Aperture) 안테나는 전송 선로의 전송에너지가 개구면을 통하여 자유공간으로 방사되어지는 안테나이다. 개구면 안테나는 안테나의 효율 및 정합특성을 조절하기 위하여 개구면 전면에 기생소자(Parasitic Element)를 설치하기도 한다. 이렇게 설치된 유전체 기판은 반사판으로부터 일정거리와, 개구면으로부터 일정거리를 이격시킨 상태에서 동작하게 되어 있다. 개구면 안테나는 작은 크기로 제작 할 때에는 문제가 발생하지 않는다. 그러나, 이동통신 기지국(TRS, CELLULAR, PCS, IMT-2000, ISM-Band)과 같이 안테나의 특성이 고 이득을 요구할 경우 배열 안테나를 필요로 하며, 이로 인해 안테나의 크기가 커짐으로써 유전체 기판의 처짐이 발생하여 안테나의 특성이 많이 변하게 된다. 이에 처짐을 방지하기 위하여 유전체 기판에 다수의 기둥을 설치하여야만 하는 제작상의 문제점이 발생한다. 이러한 문제는 패치(Patch)안테나에서도 동일하게 발생된다.
다이폴 안테나의 경우 안테나 방사 소자인 다이폴을 기계 가공하고 가공된 제품에 케이블을 납땜하여 제작하므로 많은 인력과 시간이 소요되며, 또한 수작업에 의하여 제작되므로 안테나의 특성이 균일하지 못하다는 문제점이 있다. 그밖에 주파수에 따라 제품의 크기가 변화되고, 가공의 난이도에 따라 부품 제작이 어려워질 수 있으며, 복사소자의 조립을 모두 수작업으로 진행해야 하기 때문에, 조립에 많은 시간이 소요된다는 점 등이 문제시 된다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 제작 공정을 단순하게 하여 균일한 특성을 가지는 안테나를 대량 생산하고, 안테나를 소형, 경량화 하여 고효율과 저가의 안테나를 제작하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 단말기로부터 발생되는 외부 신호를 수신하고, 기지국 장비 또는 중계기로부터 발생되는 신호를 자유공간으로 전파하는 적어도 한 개의 방사 소자부, 입출력된 신호의 전송, 임피던스 정합 및 분배 역할을 수행하는 급전부 및 상기 급전부를 통하여 전송된 에너지를 기지국 장비 또는 중계기로 입출력하는 기능을 수행하는 입출력 커넥터를 포함하여 구성된다.
방사소자부는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판 위에 형성된 방사소자를 포함하여 구성되며, 상기 방사 소자부는 상단 중앙부에 홈이 형성된 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 앞면과 뒷면에 형성된 서로 다른 극을 갖는 한 쌍의 방사소자로 이루어진 제 1 다이폴과 하단 중앙부에 홈이 형성된 유전체 기판, 상기 유전체 기 판의 앞면과 뒷면에 형성된 서로 다른 극을 갖는 한 쌍의 방사소자로 이루어진 제 2 다이폴을 포함하여 구성되는데, 상기 제 1 다이폴과 상기 제 2 다이폴은 상기 각각의 유전체 기판 위에 형성된 상단 홈과 하단 홈을 교차시킴으로써 체결되어 크로스 다이폴을 형성하도록 할 수 있다. 급전부는 상기 방사 소자부를 부착시키기 위한 연결 홈이 형성된 유전체 기판과 상기 유전체 기판 위에 형성된 배선회로를 포함하여 구성되며, 상기 방사소자부는 상기 급전부에 형성된 연결 홈에 부착되어 납땜 방식으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 방사 소자부와 상기 급전부의 연결에 있어서, 상기 제 1 다이폴에 연결되는 급전라인과 상기 제 2 다이폴에 연결되는 급전라인의 위치를 상, 하로 구분하여 2중 급전하는 것이 바람직하다.
상기 방사소자부는 상기 급전부의 유전체 기판 위에 형성된 X자 형태의 연결 홈에 체결되며, 상기 방사소자부의 -극성 부분을 접지면에 납땜 방식으로 연결하여 고정한다.
이하에서는 본 발명에 의한 유전체 기판을 사용한 다이폴 안테나에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 지향성 이중편파 안테나의 제작도이이다. 상, 하의 도면은 다이폴을 나타낸 것이고 중간의 도면은 급전부를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 지향성 이중편파 안테나의 평면도이다. 입출력 단자인 급전 컨넥터(50)를 통하여 전송된 에너지는 전송 케이블(60)을 통하여 마이크로스트립라인(31)과 연결된다. 입출력 단자인 급전 컨넥터(50)와 전송 선로인 마이크로스트립라인(31)은 프렉시블(Flexible) 케이블(60)로 연결되고, 입출력 단자인 급전 컨넥터(50)는 안테나 지지 클램프에 설치되어진다. 50Ω특성임피던스 마이크로스트립라인(31)에 인가된 신호는 1차 임피던스 정합회로(34,35)에 의해 임피던스정합이 되며, 전력분배기(32, 33)를 통해 각 방사 소자인 다이폴(70)에 급전된다.
도 6a와 도 7b는 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나의 구성도인데, 상기 유전체 기판(10, 20)의 전면과 배면에 각각 -극성 다이폴(12, 22)과 +극성 다이폴(13, 23)이 그들의 급전 선로와 일체로 "ㄱ"자 형상으로 구성되어 있다. 안테나의 제작 시 도 7a의 홈(21)이 도 6a의 홈(11)으로 체결되어 X자 형태로 조립된다. 이와같이 Ｘ자 형태로 다이폴이 설치될 때 급전라인이 서로 교차되는 것을 피하기 위하여 도 6a에서는 급전라인을 하단부에 형성하였고, 도 7a에서는 급전라인을 상단부에 형성하였다. 도 6b와 도 7b의 하단 돌출부(14,24)가 도 8의 홈(36)에 설치된다.
도 8은 지향성 이중 편파 안테나의 급전부를 도시한 도면이다, 유전체 기판과(30) 급전라인(31), 다이폴 설치 홈(36), 그리고 -극성 다이폴과 납땜 되어지는 접지면(37,38) 등으로 구성되어진다. 그림 도 8b는 그림 도 8a의 지향성 이중 편파 안테나의 급전부를 확대한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴과 급전부의 일실시도이다.
도 10과 도 11은 각각 본 발명에 따른 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나의 +45˚와 -45˚편파에 대한 정재파 비를 나타낸다. 도 10에서는 1.75㎓에서 정재 파비 1.1767을 1.87㎓에서 정재파비 1.2162를 나타내고 있으며, 도 11에서는 1.75㎓에서 정재파비 1.2183을 1.87㎓에서 정재파비 1.2169를 나타내고 있다. 실험 결과에서 나타나듯이 측정 주파수 범위에서 정재파비 값이 1.5를 넘지 않으므로 안테나의 성능은 비교적 양호하다 할 수 있다. 정재파비가 1.5일 때 출력의 96% 정도가 방사된다.
이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당 업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구 항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
본 발명에 의하면 유전체 기판에 다이폴의 형상을 패턴한 후 그 다이폴을 반사판에 설치되어 있는 급전부에 직접 납땜하여 제작함으로써 개구면(Aperture) 안테나와 패치(Patch)안테나와 같이 처짐이 발생하지 않게 되므로, 기둥이 필요 없고, 종래의 다이폴 안테나와 같이 기계가공을 하지 않아도 되고, 케이블에 의한 연결이 아니므로 많은 인력과 시간이 필요 없는 대량 생산에 적합한 안테나의 제조가 가능해진다.
또한 본 발명은 유전체 기판을 이용해 제작 공정을 단순하게 함으로써 균일한 특성을 가지는 안테나를 대량 생산할 수 있고, 안테나를 소형 경량화 할 수 있으며, 아울러 다중경로(multi path)에 의한 회절현상을 편파 다이버시티 기법 중 이중 편파방식을 이용하여 해결함으로써 통화 품질 향상을 도모하였다.

Claims (4)

  1. 단말기로부터 발생되는 외부 신호를 수신하고, 기지국 장비 또는 중계기로부터 발생되는 신호를 자유공간으로 전파하는 적어도 한 개의 방사소자부;
    입출력된 신호의 전송, 임피던스 정합 및 분배 역할을 수행하는 급전부; 및
    상기 급전부를 통하여 전송된 에너지를 기지국 장비 또는 중계기로 입출력하는 기능을 수행하는 입출력 커넥터를 포함하여 구성된 다이폴 안테나에 있어서,
    상기 방사소자부는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판의 전면과 배면에 각각 -극성 다이폴과 +극성 다이폴이 그들의 급전 선로와 일체로 "ㄱ"자 형상으로 형성된 방사소자를 포함하여 구성되고,
    상기 급전부는 상기 방사소자부를 부착시키기 위한 연결 홈이 형성된 유전체 기판과 상기 유전체 기판 위에 형성된 배선회로를 포함하여 구성되며,
    상기 방사소자부는 상기 급전부의 유전체 기판 위에 형성된 X자 형태의 연결 홈에 체결되고, 상기 방사소자부의 -극성 부분을 접지면에 납땜 방식으로 연결하여 고정하는 것을 특징으로 하는 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사소자부는
    상단 중앙부에 홈이 형성된 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 앞면과 뒷면에 형성된 서로 다른 극을 갖는 한 쌍의 방사소자로 이루어진 제 1 다이폴; 및
    하단 중앙부에 홈이 형성된 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 앞면과 뒷면에 형성된 서로 다른 극을 갖는 한 쌍의 방사소자로 이루어진 제 2 다이폴을 포함하되,
    상기 제 1 다이폴과 상기 제 2 다이폴은 상기 각각의 유전체 기판 위에 형성된 상단 홈과 하단 홈을 교차시킴으로써 체결되어 크로스 다이폴을 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제 1 다이폴에 연결되는 급전라인과 상기 제 2 다이폴에 연결되는 급전라인의 위치를 상, 하로 구분하여 2중 급전하는 것을 특징으로 하는 유전체 기판을 이용한 다이폴 안테나.
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