KR100945547B1 - 멀티-밴드 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광대역 멀티-밴드 안테나를 제시한다. 본 발명의 안테나는 슬롯이 형성된 형태로 상기 반사판 상에 이격 배치되는 저주파수대역 제1방사소자와, 상기 제1방사소자 상에 슬롯과 중첩되는 위치에 이격 배치되는 고주파수대역 제2방사소자를 포함하는 방사부를 포함한다. 그리고 급전부는 상기 반사판과 제1방사소자 사이에 배치되고 상기 슬롯의 하부를 지나도록 연장되어, 상기 제1방사소자 및 제2방사소자에 각각 전력을 공급한다. 특히, 본 발명은 급전라인을 포함하여 "ㄷ형" 구조로 형성된 급전부와, 상기 제1방사소자의 자장자리 양쪽 끝부분을 특정한 형태와 방향으로 절곡 형성하여 고주파 제2방사소자의 모서리에 제공되는 초크구조를 포함한다.
광대역, 멀티, 밴드, 안테나, 슬롯, 초크

Description

멀티-밴드 안테나 장치 {Antenna device for multi-band}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저주파에서 고주파에 이르기까지의 다양한 주파수대역에서 유효하게 동작하는 소위 멀티-밴드 안테나 장치에 관한 것이다.
넓은 주파수대역 또는 다양한 주파수대역에서 유효하게 동작하게 된 안테나 장치를 소위 광대역(wide-band) 안테나 또는 멀티밴드(multi-band) 안테나라고 한다. 현재의 기술을 기반으로 하여 소폭의 유사한 주파수 대역을 커버하는 멀티밴드 안테나를 설계하는 것은 기술적으로 잘 알려져 있으며, 구현하기도 비교적 쉽다. 그러나 상당한 차이가 있는 광역의 주파수 대역을 커버하기 위하여는 특별한 기술의 개발이 필요하다.
종래로부터, 이러한 멀티밴드 안테나에서는 저주파 부분과 고주파 부분에 별도의 급전을 사용하였다. 예컨대 급전방식을 기준으로, 종래의 멀티밴드 안테나는 T형급전 안테나와 대칭급전 안테나로 구분될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 T형급전 안테나는 수직 급전선의 끝단에서 직각으로 연장된 좌우 수평의 고주파 급전부(111)와 저주파 급전부(112), 상기 급전부(111, 112) 상측으로 이격 배치되고 서로 분리 배치된 고주파 방사부(113)와 저주파 방사부(114)로 이루어진다. 도 2를 참조하면, 상기 대칭급전 안테나는 급전부(115, 116), 상기 급전부(115, 116)의 상측 및 하측에 각각 이격 배치된 고주파 방사부(117)와 저주파 방사부(118)로 이루어진다.
위의 예에서와 같이, 종래의 멀티밴드 안테나에서는 기본적으로 저주파 부분과 고주파 부분에 별도의 급전을 사용하였다. 즉, 도면에서와 같이 형식적으로는 하나의 급전 계통를 갖지만 실질적으로는 저주파와 고주파의 급전구조는 별도로 형성되는 이중구조로 되어 있다. 이 경우에 멀티밴드 안테나는 횡적으로 또는 종적으로 장치의 규모가 커지는 문제, 제작이 복잡하여 경제적으로 불리한 문제, 가용대역의 설계가 복잡하고 어려운 문제 등이 수반된다.
다른 예로서, 도 3은 독일의 카트라인(KATHREIN) 사(社)에서 제작한 소위 듀얼밴드(dual-band) 어레이 안테나이다. 이 안테나는 어레이의 중간 중간에 고주파용 안테나 소자를 추가하여 듀얼밴드 안테나를 구현한 것이다. 그러나 이 경우도 역시 상기한 종래 멀티밴드 안테나에서 발생하는 문제점들을 그대로 갖고 있다고 할 수 있다. 더욱이, 이 방식의 듀얼밴드 안테나는 예컨대 900MHz - 1800MHz와 같이 대역의 최저와 최대의 차이가 그리 크지 않은, 즉 2배 이내인 경우에 적용이 가능하다. 그러나 그 차이가 3배 정도가 되면 고주파 부분을 커버하지 문제가 있다.
상기한 기술들의 문제들을 해결하고자, 본 발명의 출원인은 특허등록 제855514호에 개시된 멀티밴드 안테나를 개발하였던 것이다. 도 4에 예시된 안테나가 그것이다. 이 안테나는: 슬롯(122)이 형성된 형태로 반사판(124) 상에 이격 배치되는 저주파수대역 제1방사소자(121)와, 상기 제1방사소자(121) 상에 슬롯(122)과 중첩되는 위치에 이격 배치되는 고주파수대역 제2방사소자(123)를 포함하며, 급전부(125)가 상기 반사판(124)과 제1방사소자(121) 사이에 배치되고 상기 슬롯(122)의 하부를 지나도록 연장되어, 상기 제1방사소자(121) 및 제2방사소자(122)에 각각 전력을 공급하도록 구성되어 있다.
이 안테나가 위의 다른 종래기술에 따른 안테나들에 비하여, 보다 간단한 구조로 설계 제작될 수 있으며, 보다 광범위한 폭에서 다양한 주파수 대역을 커버할 수 있다는 점에서는 매우 유용하다고 할 수 있다.
그러나, 이 구조에서는 슬롯(122)을 통해 고주파수대역 제2방사소자(123)에 급전이 되기는 하지만, 고주파의 경우 대역폭이 워낙 넓고(44.89%) 주파수가 올라갈수록 제2방사소자(123)에 급전되는 전·자계 성분의 비대칭성이 심해져 방사 패 턴이 한 쪽으로 찌그러지게 되는 소위 빔 틸트(tilt) 현상이 심각하게 발생하게 되었다. 따라서 여기에는 안테나의 전방 지향적 특성을 구조적으로 개선할 필요가 생기는 것이다.
본 발명은 상기한 본 출원인의 특허등록 제855514호에 개시된 멀티밴드 안테나의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 개량 발명이다. 본 발명의 목적은, 이 특허의 멀티-밴드 안테나의 문제점인 틸트의 발생을 억제함으로써, 지향성 안테나의 지향 특성이 향상된 멀티-밴드 안테나 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 멀티-밴드 안테나 장치는:
후방으로 방사되는 신호를 반사시키는 반사판;
슬롯이 형성된 형태로 상기 반사판 상에 이격 배치되는 저주파수대역 제1방사소자와, 상기 제1방사소자 상에 슬롯과 중첩되는 위치에 이격 배치되는 고주파수대역 제2방사소자를 포함하는 방사부;
상기 반사판과 제1방사소자 사이에 배치되고 상기 슬롯의 하부를 지나도록 연장되어 상기 제1방사소자 및 제2방사소자에 각각 전력을 공급하며, 상기 반사판의 배면에서 평행하게 연장되고 반사판을 관통하여 연결되는 급전라인를 일체로 포함하여 "ㄷ형" 구조로 형성되는 급전부;
상기 제1방사소자의 자장자리 부분의 양쪽 끝을 절곡하되, 상기 방사부에 대한 급전부의 진행방향과 같은 방향이 되도록 "ㄱ"형 또는 각형으로 형성하여, 상기 제2방사소자의 모서리 외측에 제공되는 초크(choke)구조;
를 포함한다.
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바람직하게, 상기 급전부는: 반사판과의 거리 차이로 구분되는 원거리 저주 파급전부와, 단거리 고주파급전부를 일체로 포함한다. 이 때, 상기 고주파급전부가 상기 제1방사소자의 슬롯 하부를 지나도록 연장된다.
한편, 상기 방사부 및 급전부가 반사판 상에 선형 또는 평면형 배열되어 어레이 안테나를 구성할 수 있다. 이 때, 각 방사부의 사이에는 상기 반사판으로부터 제1방사소자 높이 만큼의 커플링 팬스(coupling fence)가 설치된다.
본 발명의 안테나 장치에 따르면, 단일의 급전구조를 통하여 저주파수대역 방사소자 및 고주파수대역 방사소자에 각각 전력이 공급된다. 이 때 저주파 제1방사소자의 자장자리 부분에 형성된 초크구조는 고주파 제2방사소자의 모서리 외측에 제공되어, 고주파수대역에 대한 코너 반사기로서의 기능을 수행한다. 따라서 방사패턴의 빔-틸트가 억제되고, 안테나의 지향특성이 개선되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 안테나 장치는 이러한 방사패턴의 개선으로 인하여, 보다 광범위하고 다양한 주파수대역에서 유효하게 동작할 수 있는 효과가 있다. 실제 실험에서, 본 발명에 따른 안테나 장치는 저주파대역(대역폭 15.25%)에서 Cellular: 824~894MHz, GSM: 880~960MHz, 고주파대역(대역폭 44.89%)에서 PCS: 1710~1870MHz, IMT-2000(WCDMA): 1885~2170MHz, Wibro: 2300~2390MHz, ISM: 2400~2500MHz, SDMB: 2630~2655MHz, Wimax: 2500~2700MHz 등에서 유효하게 동작하는 것으로 확인되었다.
이상에서 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 보다 명백해질 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 부호 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치를 나타낸다. 상기 안테나 장치(10)는 반사판(11), 방사부(12), 급전부(13) 및 초크구조(20)를 포함한다. 여기에서 상기 반사판(11)은 후방으로 방사되는 신호를 반사시키는 통상의 반사판이다.
상기 방사부(12)는: 일방향으로 슬롯(15)이 형성된 형태로 상기 반사판(11) 상에 이격 배치되는 제1방사소자(14)와, 상기 제1방사소자(14) 상에 슬롯(15)과 중첩되는 위치에 이격 배치되는 제2방사소자(16)를 포함한다. 상기 방사소자들(14, 16)은 금속 패치이고, 제1방사소자(14)는 저주파수대역 소자이며 제2방사소자(16)는 고주파수대역 소자이다. 그리고 상기 제2방사소자(16)는 제1방사소자(14)에 비하여 작은 표면적으로 형성된다.
상기 제1방사소자(14)는 일방향으로 슬롯(15)이 형성된 형태로서, 스페이서(17)에 의하여 반사판(11)으로부터 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 또한 제2방사소자는 스페이서(18)에 의하여 제1방사소자(14)로부터 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 이 때 제2방사소자(16)는 상기 제1방사소자(14)의 슬롯(15)과 중첩되는 위치에 있어야 한다. 이 구조에 의하여, 급전부(13)부터 고주파 급전이 상기 슬롯(15)을 통하여 제2방사소자(16)에 공급될 수 있다.
상기 급전부(13)는 반사판(11)과 제1방사소자(14) 사이에 배치되고 상기 슬롯(15)의 하부를 지나도록 연장되어 있다. 그리하여, 상기 제1방사소자(14) 및 제2방사소자(16)에 단일의 급전부(13)를 통하여 각각 전력을 공급할 수 있게 된다. 상기 제1방사소자(14)의 슬롯(15) 방향과 급전부(13)의 연장 방향은 서로 평행한 것보다 교차하도록 설계하는 것이 제2방사소자(16)에의 안전한 급전을 위하여는 유리할 수 있다.
한편, 상기 급전부(13)는 도 6에서와 같이 반사판(11)의 배면에서 평행하게 연장되며, 반사판(11)을 관통하여 급전부(13)로 연결되는 급전라인(13c)를 일체로 포함하여, 대략 "ㄷ형" 구조로 형성된다. 이 급전부(13)의 형태는 일단이 반사판에 직접 고정되는 통상의 "L"형 급전구조에 비하여, 급전선 전체의 길이를 늘려줌으로써 급전부에서 안테나 주파수 튜닝을 가능하게 설계할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 급전부(13)는 반사판(11)과의 거리 차이로 구분되는 원거리의 저주파 급전부(13a)와 단거리의 고주파 급전부(13b)를 일체로 포함한다. 이 때 상기 고주파 급전부(13b)가 상기 제1방사소자(14)의 슬롯(15) 하부를 지나도록 연장된 다. 이 구조로 인하여, 급전부(13)가 단순히 일직선으로 연장된 것에 비하여, 저주파 공진 및 고주파 공진이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다. 부호 19은 상기 연장된 급전부(13)를 안정적으로 받쳐주는 지지대이다.
상기 초크구조(20)는 상기 제1방사소자(14)의 자장자리 부분을 절곡 형성하여, 상기 제2방사소자(16)의 모서리 외측에 제공된다. 초크(choke)란 안테나 구조체의 외측 가장자리에 형성되는 절곡형 또는 각형 코너 반사기로써, 안테나의 불요파(사이드로브, 백로브)를 억제하고 안테나의 지향특성을 향상시키기 위한 수단으로 잘 알려져 있는 것이다.
본 발명에서 상기 초크구조(20)는 고주파수대역에 대하여 기능하는 것을 목적으로 한다. 도 7 및 8은 이 초크구조(20)가 있는 경우와 없는 경우의 고주파 2700MHz에 대한 안테나 특성을 대조적으로 보여주고 있다.
상기 초크구조(20)가 없는 경우에는 패턴이 찌그러지거나 갈라지고 이득은 2.63 dBi인데 비하여(도 7 참조), 상기 초크구조(20)가 있는 경우에는 패턴이 일방향으로 합성되고 이득은 8.69 dBi이었다(도 8 참조). 따라서 이 초크구조(20)가 안테나의 지향 특성에 상당한 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
설계에 따라서는 이 초크구조(20)를 반사판(11)에 설치하거나 또는 제1방사 소자(14)에 직접 설치하는 방법도 있겠으나, 이 경우에는 설계가 복잡해지고 장치의 규모가 불필요하게 커지는 등의 문제가 생긴다.
따라서 본 발명에서는 비교적 표면적이 큰 제1방사소자(14)의 자장자리 부분의 양쪽을 끝을 절곡하되, 도 5에서와 같이 상기 방사부에 대한 급전부의 진행방향과 같은 방향이 되는 "ㄱ"형 또는 각형의 초크구조(20)를 형성함으로써 설계 및 구현이 쉽게 되며, 이는 당연히 상기 제2방사소자(16)의 모서리 외측에 제공되게 된다. 이 초크구조(20)는 방사패턴이 일측으로 틸트되는 것을 억제하는 것이므로, 제2방사소자(16)의 일측에 제공되는 것으로 족하며, 그 양쪽에 대칭적으로 제공될 필요는 없다. 이러한 위치 및 형태의 초크구조(20)는 다른 위치 및 형태에 비하여 최고의 안테나 특성을 나타내었다.
도 9 내지 도 11은 본 실시예에 따른 안테나 장치(10)의 특성을 보여준다. 즉, 본 발명의 안테나 장치(10)는 실제로 엄청난 범위의 광대역에서 유효하게 동작함을 알 수 있으며, 저주파수 및 고주파수의 각 대역에서 빔의 합성도 우수하여 정재파비, 패턴의 합성, 이득(수평 및 수직패턴: 저주파 5dBi 이상, 고주파 7dBi 이상) 등에서 양호한 특성을 확인할 수 있다.
상기 안테나 장치(10)가 복수로 구비되고, 선형 또는 평면형으로 배열되어 어레이 안테나 장치(21)를 구성할 수 있다. 이 때, 반사판(11)은 어레이 안테나를 구성하기에 적합한 단일의 반사판으로 제공된다.
도 12를 참조하면, 상기 안테나(10)의 방사부(12) 및 급전부(13)가 복수로 구비되고, 반사판(11) 상에 선형으로 배열되어 어레이 안테나 장치(21)를 구성한다. 이 때, 반사판(11)은 어레이 안테나를 구성하기에 적합한 단일의 반사판이다. 여기에서, 부호 22은 배열된 상기 방사부(12)의 제1방사소자(12)들 사이에 설치되는 커플링 팬스이다.
고주파수대역을 위한 방사부(12)의 간격을 적정으로 조정하는 과정에서, 저주파수대역을 위하여 필요한 간격이 좁아질 수 밖에 없다. 결국, 제1방사소자(14)의 길이를 짧게 하여야만 하는데, 반면에 패치의 길이를 짧게 하면 저주파 공진이 어려워지는 문제가 있다. 이에 제1방사소자(14)들 사이에 상기 커플링 팬스(22)를 배치하여 패치의 길이를 짧게 한 것에 대한 주파수 공진을 보상하고자 하는 것이다. 팬스(22)의 높이는 반사판(11)으로부터 제1방사소자(14) 간의 이격 거리와 대체로 같다.
도 13 및 도 14는 본 실시예에 따른 8-엘리먼트 어레이 안테나 장치(21)의 특성을 보여준다. 즉, 본 발명의 안테나 장치(21)는 광범위한 대역에서 유효하게 동작함을 알 수 있으며, 저주파수 및 고주파수의 각 대역에서 빔의 합성 및 이득(수평 및 수직패턴: 저주파 10dBi 이상, 고주파 13dBi 이상) 등에서 매우 우수한 특성을 확인할 수 있었다. 특히, 엄청난 대역폭의 전체에서 수직패턴의 합성이 매 우 잘 이루어지고 또한 고이득을 얻을 수 있었다는 것은 굉장한 성과라고 할 수 있는 것이다.
도 1 내지 도 4는 각각 종래 안테나의 구조를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 전방 사시도.
도 6은 도 5의 후방 사시도.
도 7 및 도 8은 본 발명에서 초크구조가 없는 경우에 있는 경우를 비교하기 위한 입체 패턴도.
도 9는 도 5에 도시된 안테나의 정재파비 그래프.
도 10은 도 5에 도시된 안테나의 수평 패턴도.
도 11은 도 5에 도시된 안테나의 수직 패턴도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나의 사시도.
도 13은 도 12에 도시된 안테나의 수평 패턴도.
도 14는 도 12에 도시된 안테나의 수직 패턴도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10. 안테나 장치 11. 반사판
12. 방사부 13. 급전부
14. 제1방사소자 15. 슬롯
16. 제2방사소자 20. 초크구조
21. 어레이 안테나 장치 22. 팬스

Claims (8)

  1. 후방으로 방사되는 신호를 반사시키는 반사판;
    슬롯이 형성된 형태로 상기 반사판 상에 이격 배치되는 저주파수대역 제1방사소자와, 상기 제1방사소자 상에 슬롯과 중첩되는 위치에 이격 배치되는 고주파수대역 제2방사소자를 포함하는 방사부;
    상기 반사판과 제1방사소자 사이에 배치되고 상기 슬롯의 하부를 지나도록 연장되어 상기 제1방사소자 및 제2방사소자에 각각 전력을 공급하며, 상기 반사판의 배면에서 평행하게 연장되고 반사판을 관통하여 연결되는 급전라인를 일체로 포함하여 "ㄷ형" 구조로 형성되는 급전부;
    상기 제1방사소자의 자장자리 부분의 양쪽 끝을 절곡하되, 상기 방사부에 대한 급전부의 진행방향과 같은 방향이 되도록 "ㄱ"형 또는 각형으로 형성하여, 상기 제2방사소자의 모서리 외측에 제공되는 초크(choke)구조;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-밴드 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는: 반사판과의 거리 차이로 구분되는 원거리 저주파급전부와, 단거리 고주파급전부를 일체로 포함하며, 상기 고주파급전부가 상기 제1방사소자의 슬롯 하부를 지나도록 연장되는 것을 특징으로 하는 멀티-밴드 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방사부 및 급전부가 반사판 상에 선형 또는 평면형 배열되어 어레이 안테나를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티-밴드 안테나 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서,
    상기 각 급전부는: 반사판과의 거리 차이로 구분되는 원거리 저주파급전부와, 단거리 고주파급전부를 일체로 포함하며, 상기 고주파급전부가 상기 제1방사소자의 슬롯 하부를 지나도록 연장되는 것을 특징으로 하는 멀티-밴드 안테나 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 각 방사부의 사이에는 커플링 팬스(coupling fence)가 설치된 것을 특징으로 하는 멀티-밴드 안테나 장치.
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