KR100663914B1 - 무급전 커플링 다중대역 안테나 - Google Patents

무급전 커플링 다중대역 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 서비스의 중계기용 안테나에 있어서, 고주파 대역 패치의 전력이 커플링 스터브를 통해 저주파 대역의 패치로 커플링 되어 여러 주파수 대역을 동시에 중계할 수 있는 다중대역 안테나에 관한 것으로, 콘넥터에 의해 외부 장치로 연결되어 전자파를 급전하기 위한 급전선과, 상하로 평행하게 배치되어 전자파를 복사하기 위한 제 1,2 패치 다이폴 소자와, 제 1 패치 다이폴 소자의 급전을 커플링하여 제 2 패치 다이폴 소자로 급전하는 커플링 스터브와, 제1,2 패치 다이폴 소자 및 커플링 스터브가 부착되기 위한 패치 지지대와, 제2 패치 다이폴 소자에서 연장되어 전자파의 임피던스를 정합시키기 위한 튜닝 스터브 및 전자파를 일방향으로 복사시키기 위한 반사판으로 이루어 진다.
본 발명에 의한 무급전 커플링 다중대역 안테나에 의하면, 기존의 셀룰러 시스템 또는 PCS 시스템의 단일 주파수 대역 안테나를 본 발명에 의한 다중대역 안테나로 교체하는 것만으로 셀룰러 및 PCS 시스템의 각 주파수 대역에 대해 서비스 할 수 있으며, IMT-2000 사업과 위성 DMB 시스템을 이용한 4세대 이동통신에 대해 동시에 서비스 할 수 있게 된다.
다이폴, 반사판, 커플링, 다중대역, 안테나, 급전

Description

무급전 커플링 다중대역 안테나{Unfeeded Coupling Multi-Band Antenna}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나의 분해 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나의 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 도 2의 실시예에 있어서 A-A 단면을 나타낸 단면도,
도 4a는 본 발명에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나에서의 제 1 패치 다이폴 소자의 평면도,
도 4b는 본 발명에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나에서의 제 2 패치 다이폴 소자의 평면도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 제 1 패치 다이폴 소자 20 : 제 2 패치 다이폴 소자
11,21 : 절연 패널 12,22 : 금속 도체판
13,23 : 슬릿 14,24 : 지지대 홀
15a,b : 급전 단자 25 : 급전선 홀
26a,b,c,d : 튜닝 소자
30 : 튜닝 스터브 40 : 반사판
50 : 패치 지지대 60 : 급전선
본 발명은 이동통신 서비스에 있어 음영지역 해소를 위한 중계기용 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 대역 패치의 전력이 커플링 스터브를 통해 저주파 대역의 패치로 커플링 되어 여러 주파수 대역을 동시에 중계할 수 있는 다중대역 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 이동통신 서비스에서의 무선통신 시스템은 800MHz 대역의 셀룰러 시스템과 1800MHz 대역의 PCS 시스템으로 구분되어 있으며, 이러한 셀룰러 시스템과 PCS 시스템에 의한 서비스가 각각 다른 사업자에 의해 별도로 제공되어, 건물의 내부나 지하 등의 음영지역 해소를 위한 중계기에 있어서도 각 주파수 대역에 따라 서로 다른 단일 패치 안테나가 구분되어 사용되고 있다.
그러나, 최근에는 이동통신 및 위성통신의 급속한 발달로 정보화 사회에서 무선통신 서비스의 역할이 더욱 중요하게 되고, 종래의 음성위주의 협대역 통신으로부터 영상 등의 멀티미디어와 같은 광대역 통신으로 빠르게 변화하고 있다.
또한, IMT-2000 사업과 위성 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 시스템을 이용한 4세대 이동통신 등에서는 2600MHz 대역의 고주파수에 이르는 새로운 무선통신 서비스가 시작되어 주파수가 대역이 점점 광대역화 되어 가고 있으며, 이동통신 사업자는 상기와 같은 경향에 따른 다양한 서비스를 제공하기 위해 종래의 단일 주파수 대역뿐만 아니라 저주파수와 고주파수를 동시에 서비스할 수 있는 시 스템과 각종 장치의 개발이 필요하게 되었다. 특히, 건물의 내부나 지하와 같은 음영지역을 해소하기 위한 중계용 안테나에 있어서도 800MHz의 저주파수 대역에서부터 2600MHz 이르는 고주파수 대역까지 서비스 할 수 있는 이동통신 서비스용 안테나가 요구된다.
이 경우 새로운 주파수 대역의 수용에 따라, 종래의 단일 패치 안테나로는 저주파수 또는 고주파수 대역에 해당하는 안테나를 별도로 설치하거나, 기존의 단일 패치 안테나 설치 지역에 IMT2000 이나 위성 DMB 시스템에 적합한 안테나를 추가로 설치하여야 하므로, 사업자 측에서는 각 주파수에 따른 여러개의 안테나를 제작하거나 설치하는데 따른 많은 시간과 비용이 소모되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 건물 내부나 지하와 같은 음영지역을 해소하기 위해 구조가 간단하면서도 여러 주파수 대역에 대한 무선통신 서비스가 가능하도록 함으로써, 이동통신 사업자는 하나의 안테나만을 이용하여 기존의 서비스에 새로운 서비스를 통합하여 제공할 수 있고, 제조 및 설치 비용을 절감할 수 있는 다중대역 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 무급전 커플링 다중대역 안테나는, 콘넥터에 의해 외부 장치로 연결되어 전자파를 급전하기 위한 급전선과, 상하로 평행하게 배치되며, 상기 급전선을 통해 급전되어 고주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 제 1 패치 다이폴 소자와, 상기 제 1 패치 다이폴 소자와 평행하게 배치되어 저주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 제 2 패치 다이폴 소자와, 상기 제 1,2 패치 다이폴 소자 사이에 위치하여 제 1 패치 다이폴 소자의 급전을 커플링하여 제 2 패치 다이폴 소자로 급전하는 커플링 스터브(Coupling stub)와, 상기 제1, 2 패치 다이폴 소자 및 커플링 스터브가 부착되기 위한 패치 지지대와, 상기 제2 패치 다이폴 소자에서 연장되어 제 1,2 패치 다이폴 소자로 급전되는 전자파의 임피던스를 정합시키기 위한 튜닝 플레이트 및 상기 지지대가 고정되어 부착되고, 제 1,2 패치 다이폴 소자에 의해 복사되는 전자파를 일방향으로 복사시키기 위해 제 1,2 패치 다이폴 소자와 평행하게 배치된 반사판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나의 분해 사시도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 무급전 커플링 다중대역 안테나는 제 1 패치 다이폴 소자(10)와 제 2 패치 다이폴 소자(20), 커플링 스터브(30), 반사판(40)이 패치 지지대(50)에 의해 적층된 형태로 구성되며, 급전 방식은 콘넥터(61)에서 입력되는 전자파가 급전선(60)을 통하여 제 1 패치 다이폴 소자(10)로 급전되고, 제 1 패치 다이폴 소자(10)에서 복사된 전자파가 커플링 스터브(30)를 통하여 제 2 패치 다이폴 소자(20)로 자동으로 커플링 되는 방식으로 이루 어 진다.
이를 더욱 상세히 설명하면, 제 1, 2 패치 다이폴 소자(10,20)의 전자파를 일방향으로 복사시키기 위한 반사판(40)이 하부에 위치하고, 반사판의 중앙 전면(前面)에는 제 1, 2 패치 다이폴 소자를 지지 하기 위한 패치 지지대(50)가 부착되고, 반사판의 저면(低面) 일측에는 콘넥터(61)가 위치하며, 콘넥터가 부착된 급전선(60)이 반사판의 중앙 부분에서 패치 지지대(50)를 따라 같이 연결되어 있다.
반사판(40)의 전면에는 제 2 패치 다이폴 소자(20)가 반사판(40)과 평행하게 일정 간격으로 이격되어 패치 지지대(50)에 의해 고정되어 위치되며, 패치 지지대(50)의 끝 부분에는 제 1 패치 다이폴 소자(10)가 제 2 패치 다이폴 소자(20)와 평행하게 일정 간격으로 이격되어 위치하고 있다.
또한, 제 1 패치 다이폴 소자(10)와 제 2 패치 다이폴 소자(20) 사이에는 제 1 패치 다이폴 소자에서 복사된 전자파를 제 2 패치 다이폴 소자로 커플링하기 위해 커플링 스터브(30)가 패치 지지대(50)에 부착되어 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 무급전 커플링 다중대역 안테나는 전자파의 손실이 적은 유전체 재질로 이루어진 케이스(70)에 의해 보호된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나의 평면도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 제 1 패치 다이폴 소자(10)는 급전선(도1의60)으로 부터 급전되어 고주파 대역의 전자파를 복사시키는 패치이며, 제 2 패치 다이폴 소자(20)는 제 1 패치 다이폴 소자(10)로 급전된 신호가 커플링 스터브(30)에 의해 커플링되어 급전되고, 저주파 대역의 전자파를 복사시키는 패치이다.
따라서, 제 1 패치 다이폴 소자(10)는 고주파 복사를 위해 제 2 패치 소자(20)에 비해 상대적으로 작은 크기로 제작되어 제 2 패치 소자와 평행하게 일정 간격을 유지하여 배치되고, 커플링 스터브(30)는 제 1,2 패치 다이폴 소자 사이에 배치된다.
도 3은 본 발명에 따른 도 2의 실시예에 있어서 A-A 단면을 나타내었다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 무급전 커플링 다중대역 안테나는 기본적으로 2개 이상의 주파수대역에서 사용이 가능하도록 소형의 제 1 패치 다이폴 소자(10)와 대형의 제 2 패치 다이폴 소자(20)가 포함되어, 반사판(40)과 제 2 패치 다이폴 소자(20), 커플링 스터브(30), 제 1 패치 다이폴 소자(10)가 패치 지지대(50)와 급전선(60)을 중심으로 하여 차례로 적층된 구조로 이루어져 있다.
또한, 반사판(40)의 중앙에는 제 1,2 패치 다이폴 소자와 커플링 스터브가 부착되기 위한 패치 지지대(50)가 위치하고 있으며, 외부 장치와 연결되기 위한 콘넥터(도1의61)가 부착된 급전선(60)이 반사판의 중앙을 통해 패치 지지대(50)를 따라 제 1 패치 다이폴 소자(10)까지 연결되어 있다.
이러한 구조에서는 각 패치 다이폴 소자간의 간격과 크기에 따라 주파수 공진 위치가 달라게 되는 것으로, 반사판(40)의 중앙에 부착된 패치 지지대(50)에는 각 패치 다이폴 소자(10,20)가 공진하고자 하는 주파수에 따라 일정 간격을 두고 평행하게 위치될 수 있도록 걸림턱(51,52)이 형성된다.
제 2 패치 다이폴 소자(20)의 경우 800MHz 의 저주파수 대역에서 공진을 용이하게 하기 위해서 반사판(40)과 제 2 패치 다이폴 소자(20)와의 간격을 파장의 0.25λ로 유지하여야 한다. 그러나 본 발명에서는 안테나의 크기를 고려하여 제 2 패치 다이폴 소자의 간격을 0.05λ로 하였으며, 원활한 공진을 위해서 튜닝 플레이트(도5의 26a 내지 26d)를 별도로 추가하였다.
급전 방식에 있어서는 외부 장치로부터 콘넥터(61)에 입력된 신호가 급전선(60)을 통해 제 1 패치 다이폴 소자(10)에 인가되고, 제 2 패치 다이폴 소자(20)에는 특별한 급전 없이도 커플링 스터브(30)를 통해 자동으로 커플링 되는 방식으로 이루어진다. 이를 위해 도전체의 금속판으로 이루어진 커플링 스터브(30)는 제 1,2 패치 다이폴 소자(10,20) 사이에 패치 다이폴 소자와 수직으로 패치 지지대(50)에부착되어 있으며, 이 경우 커플링 스터브에 의해 패치 다이폴 소자(10,20) 자체의 편파 성분이 변화되지 않도록 주의 하여야 한다.
반사반(40)은 제 1,2 패치 다이폴 소자(10,20)에서 후방으로 복사되는 전자파를 차단시켜 안테나의 전자파가 전방(前方)에 대한 지향성을 가지도록 한다. 즉, 제 1,2 패치 다이폴 소자(10,20)에서 복사되는 전자파는 소자의 전후방으로 진행하게 되나, 후방으로 진행하는 전자파는 반사판(40)에 의한 복사 전자파에 의해 상쇄되어 반사판의 전방으로만 진행하는 지향성을 가지게 되며, 여기서 제 2 패치 다이폴 소자(20)는 제 1 패치 다이폴 소자(10)에서 복사되는 전자파를 반사시키는 반사판의 역할도 하게 된다.
도 4a,b는 본 발명에 따른 무급전 커플링 다중대역 안테나에서의 제 1 패치 다이폴 소자와 제 2 패치 다이폴 소자의 평면도를 각각 나타내었다.
제 1,2 패치 다이폴 소자의 형태는 스켈톤 슬롯 복사기의 구조로 이루어진 것으로, 평면 금속 도체판(12,22)의 중앙에 사각형상의 슬롯(13,23)을 구성하여 전자파가 복사되도록 하였다. 또한, 패치 다이폴 소자는 각각 고주파수와 저주파수 대역에서 공진하도록 금속 도체판(12,22)의 크기와 사각형상의 슬롯(13,23)의 크기가 결정되며, 좌우 대칭되는 구조를 가지도록 한다. 일반적으로 금속 도체판의 크기는 주파수에 따라 가로측은 파장의 0.5λ, 세로측은 파장의 0.25λ의 크기를 갖는다.
도 4a를 참조하면, 고주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 패치 다이폴 소자로 전자파의 복사에 영향을 주지 않는 절연체의 패널(11)에 금속 도체판(12)의 스켈톤 슬롯 복사기가 부착되어 있다.
제 1 패치 다이폴 소자의 패널(11) 중앙 일측에는 패치 지지대(도3의 50)에 의해 소자가 부착되기 위한 홀(14)이 형성되고, 금속 도체판(12)에는 급전선(도3의 60)으로 부터 급전을 위한 단자(15a)와 접지를 위한 단자(15b)가 중앙을 기준으로 서로 대칭적으로 형성되어 있다. 제 1 패치 다이폴 소자(10)는 고주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 소자로, 본 발명의 실시예에서는 1885MHz ~ 2655MHz 의 주파수 대역에서 공진을 하도록 금속 도체판(12)과 사각형상의 슬롯(13)의 크기가 구성되었다.
도 4b를 참조하면, 저주파수 대역의 전자파를 복사하고 제 1 패치 다이폴 소자(10)의 전자파 복사에 대한 반사판의 역할도 할 수 있도록 제 1 패치 다이폴 소자 보다 크게 구성되었다. 제 2 패치 다이폴 소자의 패널(21) 중앙에는 패치 지지대(도3의 50)가 부착되고 급전선(도3의 60)이 관통하기 위한 홀(24,25)이 일체로 형성되어 있다.
제 2 패치 다이폴 소자(20)는 저주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 소자로 본 발명의 실시예에서는 824MHz ~ 894MHz 의 주파수 대역에서 공진을 하도록 금속 도체판(22)과 슬롯(23)의 크기가 구성되었다.
또한, 제 2 패치 다이폴 소자(20)에는 사각형상의 금속 도체판(21)의 각 모서리 부분에는 저주파수 대역에서의 원활한 공진과 임피던스 특성을 향상시키기 위한 제 1 내지 제 4 튜닝 플레이트(26a내지26d)가 금속 도체판(21)과 일체로 연장되어 형성된다. 튜닝 플레이트의 크기와 형태를 적절히 조절하여 구성함으로써 복사하고자 하는 저주파수 대역을 결정할 수 있고 임피던스 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 무급전 커플링 다중대역 안테나는 최근 무선통신 시스템의 광대역 특성에 따라 하나의 안테나를 이용하여 다중대역을 서비스할 수 있어, 기존의 셀룰러 시스템 또는 PCS 시스템의 단일 주파수 대역 안테나를 본 발명에 의한 다중대역 안테나로 교체하는 것만으로 셀룰러 및 PCS 시스템의 각 주파수 대역에 대해 서비스 할 수 있으며, 뿐만 아니라 IMT-2000 사업과 위성 DMB 시스템을 이용한 4세대 이동통신에 대해 서비스를 할 수 있게 된다.
따라서 이동통신 사업자는 본 발명의 안테나를 이용하여 설치되는 안테나의 수를 줄일 수 있고, 안테나의 제작이나 설치에 있어서 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

Claims (3)

  1. 무선통신 시스템에서 송수신을 위하여 사용되는 안테나에 있어서,
    콘넥터에 의해 외부 장치로 연결되어 전자파를 급전하기 위한 급전선;
    상기 급전선을 통해 급전되어 고주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 제 1 패치 다이폴 소자;
    상기 제 1 패치 다이폴 소자와 평행하게 배치되어 저주파수 대역의 전자파를 복사하기 위한 제 2 패치 다이폴 소자;
    상기 제1, 2 패치 다이폴 소자가 부착되기 위한 패치 지지대;
    상기 제1, 2 패치 다이폴 소자 사이에 위치하여 제1 패치 다이폴 소자의 급전을 커플링하여 제2 패치 다이폴 소자로 급전하는 커플링 스터브; 및
    상기 지지대가 고정되어 부착되고 상기 제1, 2 패치 다이폴 소자에 의해 복사되는 전자파를 일방향으로 반사시키기 위한 반사판를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무급전 커플링 다중대역 안테나.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1,2 패치 다이폴 소자는 평면 금속 도체판의 중앙에 사각형상의 슬롯이 구성된 것을 특징으로 하는 무급전 커플링 다중대역 안테나.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 2 패치 다이폴 소자는 금속 도체판의 각 모서리 부분에 저주파수 대역에서의 원활한 공진과 임피던스 특성을 향상시키기 위한 튜닝 플레이트가 금속 도체판과 일체로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 무급전 커플링 다중대역 안테나.
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