KR100647214B1 - 안테나 장치 - Google Patents

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KR100647214B1
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히로유키 우노
겐이치로 오타
히로시 하루키
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

선상 소자(101 a~101 d)는, 소자 길이(L1)가 반파장의 길이를 가지는 도체로서, 마름모꼴 형태로 배치된다. 지연 소자(102 a) 및 지연 소자(102 b)는, 전체 길이가 1/4 파장이며, 길이(L2)가 1/8 파장으로 되꺽어 접힌 도체이다. 선상 소자(101 a) 및 선상 소자(101 c)는 지연 소자(102 a)를 경유하고, 선상 소자(101 b) 및 선상 소자(101 d)는 지연 소자(102 b)를 경유하여 각각 접속된다. 급전부(103)는, 선상 소자(101 a) 및 선상 소자(101 b)의 한 끝에 접속되며, 선상 소자에 급전을 실시한다. 선상 소자(101 c) 및 선상 소자(101 d)의 선단(先端)은 길이(L3)의 간격으로 개방되어 있다.
반사판(104)은, 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나로부터 거리(h)가 0.42 파장 -Z측으로 떨어진 위치에 배치된다. 이로 말미암아, 소형 무선기에 탑재하는데 적합하며, 수평 방향으로 틸트한 수평편파 또는 수직편파의 주빔을 형성하는 안테나 장치를 실현할 수 있다.

Description

안테나 장치{ANTENNA DEVICE}
본 발명은, 이동체 통신에 이용하는 안테나 장치에 관한 것으로, 예를 들면, 무선 LAN 시스템의 고정 무선기 및 무선 단말에 적용하기에 매우 적합한 것이다.
무선 LAN 시스템 등의 광대역 무선 통신에 있어서는, 멀티 패스 페이딩이나 셰이딩(shadowing)에 의해 전송 품질이 열화　한다고 하는 문제가 있으며, 특히 실내에서는 현저하다. 이 때문에, 멀티 패스 페이딩이나 셰이딩　등의 열악한 전파 전파환경에서도 전송 품질을 적당히 유지할 수 있도록, 무선기에 탑재되는 지향성 안테나에는 주빔이 모든 방향으로 향하도록 제어할 수 있음이 요구된다.
또, 탁상에 두고 사용되는 노트 PC형 단말 무선기나 천정에 설치되는 고정 무선기에 탑재되는 안테나에는, 그런 무선기의 구조상 이유에서 평면 구조가 요구된다. 또, 주빔의 앙각(仰角)이 안테나 면에 대해서 수직 방향에서 수평 방향으로 경사(틸트)하고 있을 것이 요구된다.
이러한 방사 특성을 실현하는 섹터 안테나로서 슬롯 야기·우다 어레이 평면 멀티 섹터 안테나가 전자 정보통신 학회 논문잡지(B) Vol.J85-B, No.9, pp.1633-1643, 2002.에 개시되어 있다. 이하, 이 섹터 안테나에 대해서 간단하게 설명한다.
도 1은, 종래의 섹터 안테나의 구성을 나타내는 평면도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 슬롯 어레이(11 a~11 f)는, 각각 5 소자의 슬롯이 배열되어 있다. 섹터 안테나는, 이 슬롯 어레이(11 a~11 f)를 방사 형태로 원형 배열한 구성이다. 이 슬롯 어레이 단일(예를 들면 11 a만) 주빔은, 수직면의 앙각(θ)이 45도~60도 방향으로 틸트하고, 수평면에 있어서 Y방향으로 향한다. 이러한 슬롯 어레이를 수평면(XY면)으로 60도 간격으로 배열하고, 각 슬롯 어레이(11 a~11 f)를 선택적으로 급전함으로써, 360도를 6 분할한 각 섹터에 대해 주빔의 지향성을 바꿀 수가 있다. 이 섹터 안테나의 치수는, 예를 들면, 동작 주파수가 5 GHz인 경우, 직경 L17이 198 mm(3.3 파장)이며, 면적은 30790평방 미리미터(mm)가 된다.
또, 다른 안테나로서 선단(先端) 개방 마름모꼴 안테나가 특개평 11－355030호 공보 및 전자 정보통신 학회 논문잡지(B) Vol.J82-B, No.10, pp.1915-1922, 1999.에 개시되어 있다. 도 2는, 종래의 마름모꼴 안테나의 구성을 나타내는 평면도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 선상 소자(線狀素子) (21) 및 (22)는, 동작 주파수의 1 파장의 길이를 가지며, 소자 중앙이 소정 각도로 굽혀져서, 2개의 선상 소자로 선단 개방 마름모꼴 형태가 되도록 배치된다. 이 안테나에서는, 급전(給電)점 (23)이 급전함에 의해, 안테나면(XY면)에 대해 수직인 Z방향으로 주빔이 얻어진다.
그렇지만, 상기 종래의 슬롯 야기(八木)·우다(宇田) 어레이 평면 멀티 섹터 안테나로서는, 6 섹터 안테나의 평면 치수가 크고, 또 원형 형태이기때문에, 소형 무선기에 탑재하기 어렵다고 하는 문제가 있다.
또, 상기 종래의 선단 개방 마름모꼴 안테나로서는, 주빔 방향이 안테나면에 대해 수직 방향이기 때문에, 수평 방향으로 틸트한 주빔을 얻지 못하여, 노트 PC형 무선 단말이나 천정에 설치되는 고정 무선기에 탑재되는 안테나로서는 적합하지 않다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 소형 무선기에 탑재하는데 적합하며, 수평 방향으로 틸트한 수평편파 또는 수직편파의 주빔을 형성하는 안테나 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 한 변이 반파장인 선단 개방 마름모꼴 안테나에 있어서, 대향하는 1조의 정점에 지연 소자를 각각 설치하는 한편, 소자 배치 면에 대해서 평행으로 소정 간격을 띄운 위치에 반사판을 마련함으로써 달성된다.
도 1은, 종래의 섹터 안테나의 구성을 나타내는 도면,
도 2는, 종래의 마름모꼴 안테나의 구성을 나타내는 도면,
도 3은, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 4 A는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 전류 분포를 나타내는 개념도,
도 4 B는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 전류 분포를 나타내는 개념도,
도 5는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 동작을 점파원 모 형으로 나타내는 모식도,
도 6 A는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 6 B는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 7은, 본 발명의 실시 형태 2와 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 8 A는, 본 발명의 실시 형태 2와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 8 B는, 본 발명의 실시 형태 2와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 9는, 본 발명의 실시 형태 3과 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 10 A는, 본 발명의 실시 형태 3과 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 10 B는, 본 발명의 실시 형태 3과 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 11은, 본 발명의 실시 형태 4와 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 12 A는, 본 발명의 실시 형태 4와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타 내는 도면,
도 12 B는, 본 발명의 실시 형태 4와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면,
도 13은, 본 발명의 실시 형태 5와 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면, 및,
도 14는, 본 발명의 실시 형태 5와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 이용해 설명한다.
(실시 형태 1)
도 3은, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 이하, 안테나의 동작 주파수를 5 GHz로서 설명한다.
선상 소자(101 a~101 d)는, 소자 길이(L1)가 반파장(30 mm)의 길이를 가지며, 소자 폭이 예를 들면 1 mm인 도체이다. 이러한 선상 소자(101 a~101 d)는 도 3에 나타내는 바와 같이 마름모꼴 형태로 배치된다.
지연 소자(102 a) 및 지연 소자(102 b)는, 전체 길이가 1/4 파장(15 mm)이며, 길이 (L2)는 1/8 파장(7.5 mm)에서 되꺽어 접힌 소자 폭 1 mm인 도체이다. 선상 소자(101 a) 및 선상 소자(101 c)는 지연 소자(102 a)를 경유하여 접속되고, 선상 소자(101 b) 및 선상 소자(101 d)는 지연 소자(102 b)를 경유하여 접속된다.
급전부(103)는, 선상 소자(101 a) 및 선상 소자(101 b)의 한 끝에 접속되며, 선상 소자에 급전을 한다. 또, 선상 소자(101 c) 및 선상 소자(101 d)의 끝은 길이 (L3)의 간격으로 개방되어 있다.
이러한 선상 소자(101 a~101 d), 지연 소자(102 a) 및 (102 b), 급전부(103)로, 도 3에 나타내는 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나가 구성된다.
반사판(104)은, 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나가 배치된 면으로부터 거리(h)가 0.42 파장(25 mm) 만큼 ―Z측으로 떨어진 위치에 배치된다. 반사판(104)은 한 변의 길이가 1 파장(60 mm) 정도 이상인 4각형 도체판이다. 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나와 반사판(104)을 고정시켜 거리(h)를 안정시키는 방법으로서, 예를 들면, 수지제 스페이서로 기계적으로 지지하는 방법이 있는데, 이 방법을 이용하면 안테나 성능에 미치는 영향이 적다.
다음으로, 상술한 구성을 가지는 안테나 장치의 동작에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다. 도 4 A 및 도 4 B는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 전류 분포를 나타내는 개념도이다.
도 4 A에 있어서, 선상 소자(101 a), (101 b)상에 분포하는 안테나 전류는 각각 화살표(105 a), (105 b) 와 같이 되고, 이 화살표의 방향은 선상 소자(101 a), (101 b)상의 안테나 전류의 위상이 동상(同相)임을 나타내고 있다. 선상 소자(101 c), (101 d)상에 분포하는 안테나 전류는, 지연 소자(102 a), (102 b)에 의해 전류의 위상이 (105 a) 및 (105 b)보다 1/4 파장 늦으므로, (105 a) 및 (105 b)가 최대가 될 때 0이 되며, 도 4 A에서는 이 경우를 나타내고 있다. 여기서, 선 상 소자(101 a)와 선상 소자(101 b)의 두 개의 소자를 1조로 본 경우, 안테나 전류는 화살표(105 a), (105 b)를 벡터 합성한 것으로 볼 수가 있으며, Y방향 편파의 1 파장 다이폴에 가까운 동작이 된다고 생각할 수 있다.
또, 도 4 B에 있어서, 마찬가지로 선상 소자(101 c), (101 d) 상에 분포하는 안테나 전류는 각각 화살표(106 a), (106 b)와 같이 되며, 이 화살표의 방향은 안테나 전류의 위상이 동상임을 나타내고 있다. 선상 소자(101 c)와 선상 소자(101 d)의 두 개를 1조로 본 경우, 안테나 전류는 화살표(106 a), (106 b)를 벡터 합성한 것으로 볼 수가 있으며, Y방향 편파의 1 파장 다이폴로서 생각할 수 있다.
여기서, 가령, 지연 소자(102 a) 및 (102 b)가 존재하지 않고, 선상 소자(101 a) 및 (101 c)와 선상 소자(101 b) 및 (101 d)가 각각 접속되어 있다고 한다면, 주빔은 Z방향으로 향하고 주 편파 방향은 Y방향이 된다. 이것이, 도 2에 나타내는 종래의 마름모꼴 안테나의 동작이다.
다음으로, 지연 소자(102 a) 및 (102 b)가 접속된 도 3에 나타내는 안테나 장치의 동작에 대해 수직 XZ면에 주목하여 설명한다.
수직 XZ면만 주목한 모형으로서 도 5에 나타내는 점파원(點波源, point source) 모형이 있다. 도 5는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 동작을 점파원 모형을 이용하여 나타낸 모식도이다. 선상 소자(101 a) 및 (101 b) 조를 점파원 (301)으로, 선상 소자(101 c) 및 (101 d) 조를 점파원 (302)으로 모형화한다. 여기서, 지연 소자(102 a)와 (102 b)의 소자 길이는 1/4 파장이므로, 점파원(301)의 여진 위상은 점파원 (302)의 그것에 대해서 90도 만큼 위상이 진행되 게 된다.
또, 반사판(104)에 의한 효과를 모형화하기 위해, 점파원(301) 및 (302)로부터 2 h(0.84 파장：50 mm) 떨어진 위치에 점파원 (303) 및 (304)를 생각한다. 사상(寫像)의 원리로부터, 점파원(303) 및 (304)의 여진 위상은 점파원(301) 및 (302)의 그것에 대해 각각 180도 반전할 것이라고 생각된다.
또, 각 점파원의 X방향의 위치를 각 선상 소자의 중앙으로 가정하고 있으므로, 각 점파원의 X방향의 간격 (L4)은 0.71 파장(42.4 mm)이 된다.
이와 같이 배치된 4개의 점파원(301~304)에 의해 어레이의 방사는, Z방향에서 틸트 각도(α)(45도)만큼 경사(틸트)한 방향으로 주빔이 얻어지게 된다. 특히, 반사판(104)을 설치함으로써, 본 실시형태와 같이 실효적인 틸트 각을 실현할 수가 있다.
도 6 A 및 도 6 B는, 본 발명의 실시 형태 1과 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면이다. 이 도 6 A에 있어서, 지향성 (401)은, 수직(XZ) 면의 수평 편파(Ｅφ)성분의 지향성을 나타내고 있으며, 이 도면에서 θ가 45도 방향으로 틸트한 주빔을 확인할 수 있다.
또, 도 6 B에 있어서, 지향성(402)은, θ가 45도에 있어서의 원추(코니컬) 면의 수평 편파(Ｅφ) 성분의 지향성을 나타내고 있으며, 이 도면에서 X방향으로 주빔이 향해져 있어 수평면의 반값 폭(이득이 최대 이득에 대해 ―3［dB］이내의 각도)이 60도임을 확인할 수 있다. 이 때, 주빔의 지향성 이득은 9.9［dB］가 얻어진다.
이와 같이 본 실시형태의 안테나 장치에 의하면, 반 파장 길이를 가지는 선상 소자를 마름모꼴 형태로 배치하고, 대향하는 1조의 정점에 지연 소자를 설치하여, 소형 평면 구조로 함으로써, 소형 무선기에 탑재하는데 적합한 안테나 장치를 실현할 수가 있음과 동시에, 틸트 각 45도의 수평 편파 주빔을 형성할 수가 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 선상 소자로부터 반사판까지의 거리(h)를 0.42 파장으로서 설명했지만, 거리(h)를 변화시킴으로써 틸트 각(α)을 변화시킬 수가 있다.
거리(h)를 작게 하면 틸트 각(α)은 작아지고, 거리(h)를 크게 하면 틸트 각(α)은 커지는 경향이다. 다만, 거리(h)를 크게 해 가면, －X방향으로 불필요한 지향성의 극대점(마이너롭(Miner Lob))이 발생해 버린다. 이 때문에, 용도에 맞는 거리(h)를 1/4 파장에서 1/2 파장의 범위에서 적절히 선택함으로써, 안테나 이득의 향상을 꾀할 수 있다. 본 실시형태에서는 h=0.42 파장으로 하고 있으며, 이것은 틸트 각과 지향성을 최적화 하는 값이다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 지연 소자의 길이를 1/4 파장으로서 설명했지만, 지연 소자의 길이를 변화시킴으로써 틸트 각(α)을 변화시킬 수 있다. 지연 소자의 길이를 짧게 하면 틸트 각(α)은 작아지고, 지연 소자의 길이를 길게하면 틸트 각(α)은 커지는 경향이 된다. 다만, 지연 소자의 길이를 길게 해 가면, －X방향으로 마이너롭이 발생해 버린다. 이 때문에, 용도에 맞는 지연 소자의 길이를, 0.2 파장에서 0.35 파장의 범위에서 적절히 선택함으로써, 안테나 이득의 향상을 꾀할 수 있다. 본 실시형태에서는 지연 소자의 길이를 1/4 파장으로 하고 있으며, 이것은 틸트각과 지향성을 최적으로 하는 값이다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 지연 소자로서 도체의 지연 선로를 이용했지만, 예를 들면 인덕터(Inductor)와 같은 집중 정수 부품을 이용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 선상 소자를 마름모꼴 형태로 배치하여 설명했지만, 정사각형으로 배치한 경우를 포함 함은 말할 필요도 없다.
또, 본 실시형태에서는, 4개의 선상 소자를 가지고 설명했지만, 본 발명은, 2개의 선상 소자를 굽혀서 선상 지연 소자를 형성하여 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 4개의 선상 소자를 이용할 경우에 비해, 부품 수를 삭감할 수 있는데다가, 제조도 용이하게 할 수 있다.
(실시 형태 2)
도 7은, 본 발명의 실시 형태 2와 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 다만, 도 7이, 도 3과 공통되는 부분에는 도 3과 동일한 부호를 붙이며, 그 자세한 설명을 생략 한다. 도 7이 도 3과 다른 점은, 도파 소자(導波素子) (501)를 추가한 점이다. 이하, 안테나의 동작 주파수를 5 GHz로서 설명한다.
도 7에 있어서, 도파 소자(501)는, 길이(L5)가 0.46 파장(27.6 mm)이며 소자폭이 1 mm인 도체이다. 도파 소자(501)는 선상 소자(101 c) 및 (101 d)의 선단에서 간격(L6)(1 mm) 만큼 X방향으로 떨어진 위치에 배치된다.
도 8 A 및 도 8 B는, 본 발명의 실시 형태 2와 관련되는 안테나 장치의 지향 성을 나타내는 도면이다. 도 8 A에 있어서, 지향성(601)은, 수직(XZ) 면의 수평편파(Ｅφ) 성분의 지향성을 나타내고 있으며, 이 도면에서 θ가 45도 방향으로 틸트한 주빔을 확인할 수 있다. 또, 도 8 B에 있어서, 지향성(602)은, θ가 45도에 있어서의 원추(코니컬) 면의 수평편파(Ｅφ) 성분의 지향성을 나타내고 있다. 이 때, 주빔의 지향성 이득은 11.2［dB］가 얻어진다. 이와 같이, 도파 소자(501)를 설치함으로써, X방향으로의 방사를 집중시킬 수가 있기때문에, 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나의 X방향 이득을 향상시킬 수 있다. 즉, 실시 형태 1에서 설명한 안테나 장치에 대해서 2 mm라고 하는 아주 작은 치수의 증가로 인해 1.3［dB］높은 이득을 얻을 수 있음이 된다.
이와 같이 본 실시 형태의 안테나 장치에 의하면, 실시 형태 1에서 설명한 안테나 장치에 도파 소자를 설치함으로써, 도파 소자 방향 이득을 향상시킬 수가 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 설명한 도파 소자(501)와 선상 소자 (101 c) 및 (101 d)의 간격(L6)과 도파 소자(501)의 길이(L5)는 일례이며, 이러한 파라미터를 변화시키면 지향성과 이득이 변화하게 되어, 용도에 맞는 파라미터를 적절히 선택할 수 있다.
또, 도파 소자의 수는 1에 한정하지 않으며, 2이상으로 하여 X방향으로 줄지워 배열함으로써, 한층 더 높은 이득을 얻을 수 있다.
(실시 형태 3)
이 실시 형태에서는, 실시 형태 1에서 나타낸 안테나 장치의 선상 소자를 슬 롯(빈 틈) 소자로 대체시킨 경우에 대해 설명한다.
도 9는, 본 발명의 실시 형태 3과 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 다만, 도 9가 도 3과 공통되는 부분에는 도 3과 동일한 부호를 붙이며, 그 자세한 설명은 생략한다. 이하, 안테나의 동작 주파수를 5 GHz로서 설명한다.
도 9에 있어서, 기판(Board)(701)은, 유전율(誘電率)(εr)이 예를 들면 2.6이며, 두께가 1.6 mm인 유전체이다. 여기서, 기판(701) 상에 있어서의 실효적인 파장(λｅ)은, 자유 공간의 파장(λｏ)에 대해서 84%로 되어있다. 즉, λｅ= 0.84λｏ의 관계이다. 이 때문에, 이하에 있어서, 실효적인 파장(λｅ)을 이용하여 설명한다. 기판(16)의 한 변의 길이(L11)는 1.107λｅ(56 mm)이다.
동박층(銅箔層)(702)은, 기판(701)의 Z측면에 접착된 동박(銅箔)을 나타내고 있다. 슬롯 소자(703 a~703 d)는, 동박층(702)을 깍아 벗겨내고 형성된 슬롯 소자이다. 슬롯 지연 소자(704 a) 및 (704 b)도 동박층(702)을 깍아 벗겨내고 형성된다. 슬롯 소자(703 a~703 d)의 길이(L7)는, 1/2λｅ(25 mm)로 설정된다. 또, 슬롯 지연 소자(704 a) 및 (704 b)의 소자 길이는 1/4λｅ(12.6 mm)이며, 되꺽어 접힌 길이(L8)는 1/8λｅ(6.3 mm)로 설정된다.
슬롯 소자(703 c) 및 (703 d) 선단의 간격은 L10=2 mm이며, 이 간격에는 동박층(702)이 깍아 벗겨내지않고 남아 있다. 슬롯 소자(703 a)와 (703 b)는 슬롯(빈 틈)이 접속되어 있다.
이상과 같이 형성된 슬롯 소자(703 a~703 d)와 슬롯 지연 소자(704 a) 및 (704 b)는 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나를 구성하고 있으며, 길이(L9)는 0.702λｅ(35.4 mm)가 된다.
기판(701)의 ―Z측면에 있어서, 슬롯 소자 (703 a)과 (703 b)의 접속점 근방에 마이크로 스트립 라인(Microstrip Line)(705)이 X방향을 따라 동박층을 이용하여 형성된다. 마이크로 스트립 라인(705)의 폭(W)은 4.3 mm이며, 그 특성 임피던스(impedance)는 50O으로 설정된다. 마이크로 스트립 라인(705)의 선단과 슬롯 소자 (703 a)과 (703 b)의 접속점과의 거리(L12)는 예를 들면 4.5 mm로 설정된다.
이상과 같이 구성함으로써, 마이크로 스트립 라인(705)과 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나는 전자적으로 결합되고, 마이크로 스트립 라인(705)은 급전 선로로서 동작한다. 이로 인해, 임피던스 정합이 취해진 상태에서 급전이 가능해져, 유전체 기판은 평면 회로인 마이크로 스트립 라인으로부터의 급전이 용이해진다. 이로 말미암아, 더욱, 안테나 장치의 소형화를 꾀할 수 있다.
도 9에 나타내는 본 실시 형태의 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나는, 도 3에 나타낸 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나의 선상 소자를 슬롯 소자로 바꿔놓은 것이 되어, 그 동작은 전계와 자계를 대체하여 설명할 수가 있다. 따라서, 도 3에 나타낸 지연 소자 부착 마름모꼴 안테나의 주편파 성분은 수평(Ｅφ) 성분인데 대해, 도 9에 나타내는 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나의 주편파 성분은 수직(Ｅθ) 성분이 된다.
도 10 A 및 도 10 B는, 본 발명의 실시 형태 3과 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면이다. 도 10 A에 있어서, 지향성(801)은, 수직(XZ) 면의 수직편파(Ｅθ) 성분의 지향성을 나타내고 있으며, 이 도면에서 θ가 35도 방향으로 틸트한 주빔을 확인할 수 있다.
또, 도 10 B에 있어서, 지향성 (802)은, θ가 35도에 있어서의 원추(코니컬) 면의 수직편파(Ｅθ) 성분의 지향성을 나타내고 있으며, 이것에서 X방향으로 주빔이 향해져 있음을 알 수 있다. 또, 수평면의 반값폭이 60도 인 것을 확인할 수 있다. 이 때, 주빔의 지향성 이득은 10.6［dB］가 얻어진다.
이와 같이 본 실시 형태의 안테나 장치에 의하면, 반파장의 길이를 가지는 슬롯 소자를 마름모꼴 형태로 배치하고, 대향하는 1조의 정점에 지연 슬롯 소자를 설치하여, 소형 평면 구조로 함으로써, 소형 무선기에 탑재하는데 적합한 안테나 장치를 실현할 수가 있음과 동시에, 틸트 각을 35도으로 할 수가 있으며, 더우기, 주편파 성분을 수직(Ｅθ) 편파 성분으로 할 수가 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 슬롯 소자가 유전체 기판상의 동박층을 이용하여 형성되어 있지만, 예를 들면, 도체판에 슬롯(빈 틈)을 설치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(실시 형태 4)
도 11은, 본 발명의 실시 형태 4와 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 다만, 도 11이 도 9와 공통되는 부분은 도 9와 동일한 부호를 붙이며, 그 자세한 설명은 생략 한다. 도 11이 도 9와 다른 점은, 도파 슬롯 소자(901)를 추가한 점이다. 이하, 안테나의 동작 주파수를 5 GHz로서 설명한다.
도 11에 있어서, 도파 슬롯 소자(901)는 길이(L13)가 0.4λｅ(20.4 mm)이며, 소자폭이 1 mm인 슬롯 소자이다. 도파 슬롯 소자(901)는 슬롯 소자 (703 c) 및 (703 d)의 선단에서 간격(L14)(2 mm) 만큼 X방향으로 떨어진 위치에 Y축과 평행하여 배치된다. 또한λｅ = 0.84λｏ로 한다.
이와 같이, 도파 슬롯 소자(901)를 형성함으로써, 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나로부터의 X방향에 대한 방사를 집중시킬 수가 있기때문에, X방향 이득과 ―X방향 이득의 비(F/B비)를 향상시킬 수가 있다.
도 12 A 및 도 12 B는, 본 발명의 실시 형태 4와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면이다. 도 12 A에 있어서, 지향성(1001)은, 수직(XZ) 면의 수직편파(Ｅθ) 성분의 지향성을 나타내고 있으며, 이 도면에서 θ가 45도 방향으로 틸트한 주빔을 확인할 수 있다. 또, 도 12 B에 있어서, 지향성(1002)은, θ가 45도에 있어서의 원추(코니컬) 면의 수직편파(Ｅθ) 성분의 지향성을 나타내고 있다.
도 12로부터 알 수 있다시피, 도파 슬롯 소자(901)를 형성함으로써, 틸트 각을 40도까지 크게 할 수가 있으며, 또, F/B비는 12［dB］를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태의 안테나 장치에 의하면, 실시 형태 3에서 설명한 안테나 장치에 도파 슬롯 소자를 형성함으로써, 틸트 각을 크게 할 수 있음과 동시에, 한층 더 높은 F/B비를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 설명한 도파 슬롯 소자 (901)와 슬롯 소자 (703 c) 및 (703 d)의 간격(L14)과 도파 슬롯 소자(901)의 길이(L13)는 일례이며, 이러한 파라미터를 변화시키면 지향성과 이득이 변화하게 되며, 용도에 맞는 파라미터를 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.
또, 도파 슬롯 소자의 수는 1에 한정하지 않고, 2이상으로 하여 X방향으로 줄지워 배열함으로써, 한층 더 높은 F/B비를 얻을 수 있다.
(실시 형태 5)
도 13은, 본 발명의 실시 형태 5와 관련되는 안테나 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 이 도면이 나타내는 안테나 장치는, 도 9에 나타낸 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나를 직선 모양으로 6개 배치한 것이다.
도 13에 있어서, 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나(1101 a~1101 f)는, 각각 도 9에 나타내는 안테나 장치와 동일한 구성이다. 또, 각 안테나(1101 a~1101 f)는, 각각의 주빔 방향(도면 중, 점선 화살표)이 수평(XY) 면에 있어 360도를 6 분할하여, 60도씩 다르게 회전시켜서 배치된다.
도 13에 나타내는 6 섹터 안테나의 외형 치수는, 안테나의 동작 주파수가 5 GHz인 경우, L15가 36.6 mm(0.61 파장), L16이 218.4 mm(3.64 파장)이며, 면적은 7993평방 미리(mm)가 된다. 이 면적은, 도 1에 나타낸 종래의 6 섹터 안테나의 면적이 30790평방 미리(mm)인데 대해, 거의 1/4의 크기로 대폭으로 소형화되어 있다.
또, 안테나의 동작 주파수가 25 GHz인 경우, 도 13에 나타낸 6 섹터 안테나의 외형은, 7.3mmㅧ43.7 mm의 직사각형이 되어, 예를 들면 노트 PC등의 소형 무선기에 탑재할 때에 적절한 형태 및 크기가 된다.
도 14는, 본 발명의 실시 형태 5와 관련되는 안테나 장치의 지향성을 나타내는 도면이다. 이 도면에서는, 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나(1101 a~1101 f)의 주빔의 원추(코니컬) 면에 있어서의 수직편파(Ｅθ) 성분의 지향성(1201 a~1201 f)을 나타내고 있다.
도 14에서 알 수 있다시피, 수평(XY) 면에 있어 60도씩 다른 방향으로 지향성이 형성되고 있어, 서로 이웃 되는 섹터의 중간점(예를 들면 30도 방향)에서는 이득이 가장 낮아지지만, 이 방향에서도 최대 이득보다 ―3［dB］의 이득이 얻어지고 있다. 이 때문에, 모든 방사 방향에 걸쳐서 높은 이득을 얻을 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나(1101 a~1101 f)를 선택적으로 급전함으로써, 수평(XY) 면의 360도를 6 분할한 섹터 변경을 실시할 수가 있다. 이로 말미암아, 6 섹터 안테나를 실현할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태에 의하면, 6개 지연 소자 부착 슬롯 마름모꼴 안테나를 직사각형 면 위에 60도씩 회전시켜 배치하고, 안테나를 선택적으로 급전함으로써, 각 방사 방향으로 높은 이득을 얻을 수 있어, 소형 6 섹터 안테나를 실현할 수가 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 6 섹터 안테나를 실현하는 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 복수 섹터 안테나를 실현하는 경우에도 적용할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 실시 형태 3에서 나타낸 안테나 장치를 이용하여 설명했지만, 다른 실시 형태에서 나타낸 안테나 장치를 이용해도 좋다.
본 발명의 안테나 장치는, 동작 주파수의 반파장의 길이를 가지고, 평면상에 마름모꼴 형태로 배치되는 4개의 선상 소자와, 마름모꼴 형태의 한 개의 정점에 설치되어, 제1 선상 소자의 한 끝 및 제2 선상 소자의 한 끝에 급전하는 급전수단과, 제1 선상 소자의 다른 끝과 제3 선상 소자의 한 끝에 접속되어, 안테나 전류의 위 상을 소정 위상 분량 만큼 지연 시키는 제1 지연 수단과, 제2 선상 소자의 다른 끝과 제4 선상 소자의 한 끝에 접속되어, 안테나 전류의 위상을 상기 제1 지연 수단과 동일한 위상 분량 만큼 지연시키는 제2 지연 수단과, 상기 선상 소자가 배치된 평면과 평행되게 소정 간격을 띄우고 배치된 반사판을 구비하고, 선단이 개방된 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 제 1및 제2 지연 수단을 이용하여 안테나 전류의 위상을 소정 위상 분량 지연시키므로, 제 1및 제2 선상 소자의 안테나 전류의 위상과 제 2및 제4 선상 소자의 안테나 전류의 위상이 어긋나, 이로 인해 방사되는 전파와 반사판에 의해 반사되는 전파의 합성에 의해, 수평 방향으로 틸트한 수평편파의 주빔을 형성하는 안테나 장치를 실현할 수가 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 상기 제 1및 제2 지연 수단이, 소정 범위 내의 길이를 가지며, 되꺽어 접힌 형태의 선상 소자인 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 되꺽어 접힌 형태의 선상 소자를 소정의 범위 내에서 길이를 바꿈으로써, 안테나 전류의 위상 지연량이 변화하여, 틸트각을 바꿀 수 있으므로, 소망하는 틸트각을 얻을 수 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 상기 제 1및 제2 지연 수단이, 집중 정수 부품인 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 집중 정수 부품의 정수를 바꿈으로써, 안테나 전류의 위상 지연량이 변화하여, 틸트각을 바꿀 수 있으므로, 소망한 틸트각을 얻을 수 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 반파장 이하의 길이를 가지며, 상기 선상 소자의 개방 끝에서부터 소정 간격 띄워서 배치된 적어도 한 개의 도파 소자를 구비하는 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 마름모꼴 형태의 안테나 장치로부터 방사되는 전파를 도파 소자 방향으로 집중시킬 수 있으므로, 도파 소자 방향의 이득을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 동일한 길이를 가지는 2개의 선상 소자와, 상기 2개의 선상 소자를 해당 소자의 중앙에서 소정 범위내의 길이로 되꺽어 접어서 형성된 되꺽어 접힌 부분과, 상기 2개의 선상 소자의 한 끝에 접속되어 급전을 실시하는 급전수단과, 상기 2개의 선상 소자를 포함한 평면과 평행되게 소정 간격을 띄우고 배치된 반사판을 구비하고, 상기 2개의 선상 소자를 이용하여 한 변이 동작 주파수의 반파장인 마름모꼴 형태가 되도록 굽혀서 배치되며, 상기 2개의 선상 소자의 다른쪽 끝이 개방된 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 2개의 선상 소자를 굽혀서 배치함으로써, 지연 소자 부착 마름모꼴 형태로 할 수 있기때문에, 적은 부품 수로 구성할 수 있어, 용이하게 제조할 수가 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 소정 유전율의 유전체 기판과, 상기 유전체 기판면에 형성된 도체층과, 상기 도체층에 형성되어 한 변이 동작 주파수의 반파장의 길이를 가지는 마름모꼴 형태의 슬롯 소자와, 마름모꼴 형태의 대향하는 1조의 정 점에 각각 설치되어, 안테나 전류의 위상을 지연 시키는 제 1및 제2 지연 수단과, 마름모꼴 형태의 대향하는 다른 1조의 정점 중 한 편에 설치되어, 상기 슬롯 소자에 급전하는 급전수단과, 마름모꼴 형태의 대향하는 다른 1조의 정점 중 다른 편에 형성되어, 슬롯 소자를 종단시키는 종단부와, 상기 도체층으로부터 기판을 사이에 두고 소정 간격을 띄운 위치에, 상기 도체층과 평행되게 설치된 반사판을 구비하는 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 지연 수단으로 안테나 전류의 위상을 지연시킬 수 있으므로, 급전수단에서 지연수단까지의 슬롯 소자와 지연 수단에서 종단부까지의 슬롯 소자의 안테나 전류의 위상이 어긋나, 이로 말미암아 방사되는 전파와, 반사판에 의해 반사되는 전파의 합성에 의해, 수평 방향으로 틸트한 수직편파의 주빔을 형성하는 안테나 장치를 실현할 수가 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 상기 제 1및 제2 지연 수단이, 소정 범위내의 길이를 가지며, 상기 도체층에 형성된 되꺽어 접힌 형태의 슬롯 소자인 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 되꺽어 접힌 형태의 슬롯 소자를 소정 범위내에서 길이를 바꿈으로써, 안테나 전류의 위상 지연량이 바뀌어, 틸트각을 바꿀 수가 있으므로, 소망한 틸트각을 얻을 수 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 상기 급전수단은, 상기 도체층이 형성된 기판의 이면에 설치된 마이크로 스트립 라인을 이용하여 급전하는 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 마이크로 스트립 라인에 의해 임피던스 정합이 취해진 상태에서 급전할 수가 있어, 급전을 용이하게 실시할 수 있음과 동시에, 안테나 장치의 소형화를 꾀할 수 있다.
본 발명의 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 반파장 이하의 길이를 가지고, 상기 슬롯 소자의 종단부로부터 소정 간격을 띄우고 형성된 적어도 한 개의 도파 슬롯 소자를 구비하는 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 마름모꼴 형태의 안테나 장치로부터 방사되는 전파를 도파 슬롯 소자 방향으로 집중시킬 수 있으므로, 도파 슬롯 소자 방향의 이득을 향상시킬 수가 있다.
본 발명의 섹터 안테나 장치는, 상기 몇 개의 안테나 장치를 복수 사용하여, 상기 복수의 안테나 장치를 평면상에 각각 동일 각도씩 회전시켜 배열하는 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 소망한 방향으로 주빔을 형성하는 섹터 안테나를 실현할 수가 있다.
본 발명의 섹터 안테나 장치는, 상기 구성에 있어서, 6개 안테나 장치를 소정 직사각형 면 위에 1열로 배열하는 한편, 상기 6개 안테나 장치를 각각 60도씩 회전시켜 배열하는 구성을 취한다.
이 구성에 의하면, 6개 안테나 장치를 각각 60도씩 회전시켜 배열함으로써, 동일 간격으로 6 방향으로 주빔을 형성하는 6 섹터 안테나를 실현할 수가 있으며, 마름모꼴 형태의 안테나 장치 6개를 직사각형 면 위에 배열하므로, 소형 무선기에 탑재하는데 적합한 섹터 안테나를 실현할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 한 변이 반파장인 선단 개방 마름모꼴 안테나에 있어서, 대향하는 1조의 정점에 지연 소자를 각각 설치하는 한편, 소자의 배치면에 대해서 평행하게 소정 간격을 띄운 위치에 반사판을 설치함으로써, 수평 방향으로 틸트한 수평편파 또는 수직편파의 주빔을 형성할 수가 있다. 또, 지연 소자를 설치한 마름모꼴 안테나를 직사각형 면 위에 동일 각도씩 회전시켜 배열함으로써, 소형 무선기에 탑재할 때에 적절한 섹터 안테나를 실현할 수가 있다.
본 명세서는, 2003년 1월 30 일에 출원한 특허 출원 2003－022369에 기초하고 있는 것이다. 이 내용을 여기에 포함시켜 놓는다.
본 발명은, 무선 LAN 시스템의 고정 무선기 및 무선 단말에 사용하기에 매우 적합하다.

Claims (11)

  1. 동작 주파수의 반파장의 길이를 가지고, 평면상에 마름모꼴 형태로 배치되는 4개의 선상 소자와,
    마름모꼴 형태의 한 정점에 설치되어, 제1 선상 소자의 한 끝 및 제2 선상 소자의 한 끝에 급전하는 급전수단과,
    제1 선상 소자의 다른 끝과 제3 선상 소자의 한 끝에 접속되어, 안테나 전류의 위상을 소정 위상분량 지연시키는 제1 지연 수단과,
    제2 선상 소자의 다른 끝과 제4 선상 소자의 한 끝에 접속되어, 안테나 전류의 위상을 상기 제1 지연 수단과 동일한 위상분량 지연시키는 제2 지연 수단과,
    상기 선상 소자가 배치된 평면과 평행되게 소정 간격을 띄우고 배치된 반사판을 구비하고,
    선단이 개방된 안테나 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1및 제2 지연 수단은, 소정 범위내의 길이를 가지고, 되꺽어 접힌 형태의 선상 소자인 안테나 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1및 제2 지연 수단은, 집중 정수 부품인 안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    반파장 이하의 길이를 가지고, 상기 선상 소자의 개방 끝에서 소정 간격을 띄우고 배치된 적어도 한 개의 도파 소자를 구비하는 안테나 장치.
  5. 동일한 길이를 가지는 2개의 선상 소자와,
    상기 2개의 선상 소자를 해당 소자의 중앙에서 소정 범위내의 길이로 되꺽어 접어 형성된 되꺽어 접힌 부분과,
    상기 2개의 선상 소자의 한 끝에 접속되어, 급전을 실시하는 급전수단과,
    상기 2개의 선상 소자를 포함한 평면과 평행되게 소정 간격을 띄우고 배치된 반사판을 구비하고,
    상기 2개의 선상 소자를 이용하여 한 변이 동작 주파수의 반파장인 마름모꼴 형태가 되도록 굽혀서 배치되며, 상기 2개의 선상 소자의 다른 끝이 개방된 안테나 장치.
  6. 소정 유전율의 유전체 기판과,
    상기 유전체 기판면에 형성된 도체층과,
    상기 도체층에 형성되어, 한 변이 동작 주파수의 반파장의 길이를 가지는 마름모꼴 형태의 슬롯 소자와,
    마름모꼴 형태의 대향하는 1조의 정점에 각각 설치되어, 안테나 전류의 위상을 지연시키는 제 1 및 제2 지연 수단과,
    마름모꼴 형태의 대향하는 다른 1조의 정점 중 한 편에 설치되어, 상기 슬롯 소자에 급전하는 급전수단과,
    마름모꼴 형태의 대향하는 다른 1조의 정점 중 다른 편에 형성되어, 슬롯 소자를 종단시키는 종단부와,
    상기 도체층으로부터 기판을 사이에 두고 소정 간격을 띄운 위치에, 상기 도체층과 평행되게 설치된 반사판을 구비하는 안테나 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 및 제2 지연 수단은, 소정 범위내의 길이를 가지며, 상기 도체층에 형성된 되꺽어 접힌 형태의 슬롯 소자의 안테나 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 급전수단은, 상기 도체층이 형성된 기판의 이면에 설치된 마이크로 스트립 라인을 이용하여 급전하는 안테나 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    반파장 이하의 길이를 가지고, 상기 슬롯 소자의 종단부로부터 소정 간격을 띄우고 형성된 적어도 한 개의 도파 슬롯 소자를 구비하는 안테나 장치.
  10. 청구의 범위 1에 기재한 안테나 장치를 복수 이용하여, 상기 복수 안테나 장치를 평면상에 각각 동일 각도씩 회전시켜서 배열하는 섹터 안테나 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    6개의 안테나 장치를 소정의 직사각형 면 위에 1열로 배열하는 한편, 상기 6개 안테나 장치를 각각 60도씩 회전시켜 배열하는 섹터 안테나 장치.
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