KR100952979B1 - 갭필러 시스템에서의 다중 대역 안테나 - Google Patents

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Abstract

다중 대역 안테나는 금속판 및 방사 패치를 포함한다. 방사 패치는 금속판 위에 배치되어 있으며, 방사 패치에서 인접한 두 방사 패치 사이에는 슬롯이 형성되어 있다. 그리고, 다중 대역 안테나에서 출력되는 주파수 대역의 개수에 대응하여 슬롯의 개수는 결정된다.
다중 대역 안테나, 방사 패치, 슬롯, 편파, 커플링 신호

Description

갭필러 시스템에서의 다중 대역 안테나{THE MULTIBAND ANTENNA OF GAP FILLER SYSTEM}
본 발명은 갭필러 시스템(Gap Filler System)에서 사용되는 다중 대역 안테나 기술에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-020-02, 과제명: 고속 이동체 인터넷 위성, 무선 연동 기술개발].
위성 방송 또는 위성 통신은 가시적(Line of Sight, LOS) 환경이 확보되는 상황에서만 방송의 수신이나 통신이 가능하였다. 최근에는 위성 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)와 같은 일부 위성 방송에서는 비가시적(Non-LOS) 환경에서 위성 방송을 수신하기 위하여 갭필러(Gap Filler) 기술을 도입하였다.
갭필러 기술은 위성 방송 또는 이동 통신 환경에서 고층 빌딩 등에 의해 전파가 차폐되는 지역에서 방송을 수신할 수 있도록, 송신소에서 발사된 전파를 수신하여 재송신하는 소출력 재송신소 역할을 수행한다. 예를 들어, 디지털 음성 방송(Direct Broadcast Satellite, DBS)방식에서는 다반송파 변조 방식의 일종인 직 교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)의 특징을 이용하여 이동체가 전파 차폐 지역에서 고음질의 수신을 할 수 있도록, 빌딩 옥상 등에 소출력의 재송신소를 설치하여 지상 송신소 또는 위성에서 발사된 전파를 재송신한다. 이때, 갭필러 기술에서는 단일 주파수 대역 내에서 신호를 증폭하는 야기안테나(Yagi Antenna), 멀티레이어 안테나(Multilayer Antenna) 및 패치 어레이 안테나(Patch Array Antenna) 등의 안테나가 사용된다.
이와 같이 갭필러 기술에 이용되는 안테나는 위성 방송 등에 국한되어 단일방향으로 수신 신호의 증폭 또는 주파수 변환을 통한 전송만을 수행할 뿐 양방향 통신에 대한 개념 자체가 없어 양방향 위성 통신 환경에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 양방향 통신을 수행할 수 있는 다중 대역 안테나를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 다중 대역 안테나는 금속판, 그리고 상기 금속판 위에 배치되어 있는 복수의 방사 패치를 포함하며, 상기 복수의 방사 패치에서 인접한 두 방사 패치 사이에 슬롯이 형성되어 있다. 이때, 출력하는 주파수 대역의 개수는 상기 슬롯의 개수에 대응한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 다중 대역 안테나는 금속판, 상기 금속판 위에 형성되어 있으며, 급전점을 포함하는 제1 방사 패치, 그리고 상기 금속판 위에 형성되어 있으며, 상기 제1 방사 패치를 둘러 싸고 있는 제2 방사 패치를 포함하며, 상기 제1 방사 패치 및 상기 제2 방사 패치 사이에 슬롯이 형성되어 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다중 대역 안테나를 이용하여 양방향으로 다중 대역의 주파수를 송수신할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면 다중 대역 안테나의 패치 형상을 변형하거나 또는 생성하려는 주파수 대역에 따라 슬롯을 추가하는 방법으로 다중 대역의 주파수를 생성할 수 있으며, 직선 편파 및 원형 편파에도 쉽게 적용하여 다중 대역 이 필요한 여러 시스템의 통합도 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나는 마이크로스트립 구조의 안테나로 구현되어 대량 생산이 용이하며, 크기가 단일 대역 안테나 보다 소형화되어 초소형 및 경량화가 가능하다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 갭필러 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 갭필러 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1에 도시한 갭필러 시스템에서 사용되는 주파수 대역을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 갭필러 시스템(100)은 신호, 예를 들어 Ka 대 역(20-30GHz) 위성 통신 및 Ku 대역(12-18GHz) 방송을 수신하기 위한 다중 대역 안테나(110)를 포함한다. 갭필러 시스템(100)은 넓은 영역의 비가시적 환경, 예를 들어 지하도, 터널, 산악 지역 등에 고정되어 설치되며, 위성으로부터 전달되는 신호를 증폭하거나 또는 주파수를 변경하여 단말(200)로 전송한다.
예를 들어, 갭필러 시스템(100)은 수신된 Ka 대역(20-30GHz) 위성 통신 및 Ku 대역(12-18GHz) 방송 신호를 도 2에 도시된 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역으로 변경하여 단말(200)로 전송한다. 이때, 도 2에 도시된 ISM 대역은 제1 주파수 대역(2455-2477MHz), 제2 주파수 대역(5732-5768MHz) 및 제3 주파수 대역(5814-5850MHz)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 갭필러 시스템(100)에서 변경되는 제1 내지 제3 주파수 대역은 ISM 대역 중 2.4GHz 및 5.7GHz를 모두 포함하는 주파수 대역으로 다중 대역 안테나(110)의 실험을 위해 설정되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다중 대역 안테나(110)에서 생성되는 주파수 대역에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
단말(200)은 이동형, 예를 들어 차량 또는 기차 등에 장착되어 서비스 이용자(300)게 신호, 예를 들어 위성 방송 또는 통신 신호를 전송하며, 이러한 신호를 송수신하기 위한 안테나(210)를 포함한다.
서비스 이용자(300)는 무선랜 및 와이브로(Wireless Broadband Internet) 등이 가능한 노트북(310), PDA(personal digital[data] assistant, 320), 멀티 미디어 단말(330)을 사용하며, 단말(200)로부터 전송되는 위성 방송 또는 통신 신호를 수신하여 무선 인터넷, 모바일 게임, 화상 교육 및 관광 정보 등의 다양한 서비스 를 사용한다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 갭필러 시스템에서 이용되는 이중 대역 안테나에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나 중 이중 대역 안테나의 구조를 나타내는 도면이며, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 나타내는 도면이다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 선평 편파를 나타내는 도면이며, 도 6a 내지 6d는 본 발명의 실시에에 따른 다중 대역 안테나의 원평 편파를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나(110)는 단일 급전(Feeding Point) 다중 대역 안테나이며, 기본적인 형태는 마이크로스트립 또는 유전체 패치 안테나의 형상과 유사하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다중 대역 안테나(110) 중에서 이중 대역 안테나는 금속판(Dielectric Material, 111), 급전점(Feeding Point, 112), 방사 패치(Patch, 113,114), 슬롯(Slot, 115), 및 접지 전압(도시하지 않음)을 포함한다.
방사 패치(113,114)는 금속판(111) 위에 서로 분리되어 배치되며, 방사 패치(114)는 방사 패치(113)를 둘러싸는 형태로 형성된다. 여기서, 방사 패치(113)와 방사 패치(114) 사이에는 슬롯(115)이 형성되며, 방사 패치(113)는 급전점(112)을 포함한다.
이때, 급전점(112)에 높은 주파수 대역을 구성하기 위한 신호가 전달되면, 방사 패치(113)는 높은 주파수로 공진된다. 그리고, 급전점(112)에 낮은 주파수 대 역을 구성하기 위한 신호가 전달되면, 방사 패치(113)에 전송된 신호의 커플링 신호가 방사 패치(114)로 전달되어 방사 패치(113,114)는 낮은 주파수로 공진된다.
동일한 방법으로 형성하고자 하는 주파수 대역에 따라 금속판 위에 슬롯이 추가되면, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 다중 대역 안테나(110)가 형성될 수 있다.
도 4a에 도시한 것처럼, 단일 대역 안테나는 방사 패치(113a) 위에 급전점(112a)이 형성되어 있으며, 단일 주파수를 형성하므로 슬롯(114a)은 형성되지 않는다.
도 4b에 도시한 것처럼, 이중 대역 안테나에는 두 개의 주파수 대역을 형성하기 위하여 방사 패치(113b,114b) 사이에 하나의 슬롯(115b)이 형성된다.
도 4c에 도시한 것처럼, 삼중 대역 안테나는 세 개의 주파수 대역을 형성하기 위하여 방사 패치(113c,114c) 사이에 슬롯(115c)이 형성되며, 방사 패치(114c,116c) 사이에 슬롯(117c)이 형성된다.
도 4d에 도시한 것처럼, 사중 대역 안테나는 네 개의 주파수 대역을 형성하기 위하여 방사 패치(113d,114d) 사이에 슬롯(115d)이 형성되며, 방사 패치(114d,116d) 사이에 슬롯(117d)이 형성되고, 방사 패치(116d,118d) 사이에 슬롯(119d)이 형성된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나에서는 형성하려는 주파수 대역의 개수보다 1이 작게 슬롯의 개수가 형성된다.
이때, 주파수 대역에 따라 추가되는 슬롯은 캐피시터로 동작하므로 전체적인 안테나의 크기를 줄일 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 각각 도시된 단일 대 역 안테나와 이중 대역 안테나에서 하나의 주파수 대역을 형성하기 위해 사용되는 방사 패치의 크기를 단순하게 비교하면, 슬롯의 크기 및 접지 전압과 방사 소자 사이에 존재하는 유전체의 유전율을 감안하더라도 이중 대역 안테나의 방사 패치(113b)가 단일 대역 안테나의 방사 패치(113a)보다 작게 형성되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 갭필러 시스템(100)에서 실제 사용되는 신호는 Ka 대역(20-30GHz) 위성 통신 및 Ku 대역(12-18GHz) 방송 신호이므로 다중 대역 안테나(110)에 단일 대역 안테나, 이중 대역 안테나, 삼중 대역 안테나 및 사중 대역 안테나가 포함되는 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 사용되는 신호에 따라 갭필러 시스템(100)은 사중 대역 안테나 이상의 주파수 대역을 형성하는 안테나를 포함할 수 있다.
이처럼 다중 대역 안테나는 급전점에 전송되는 신호를 제어하여 다중 대역의 주파수 생성을 제어한다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 방사 패치의 형상에 따라 다중 대역 안테나(110)의 편파가 결정된다.
도 5a에 도시한 것처럼, 급전점(112a')을 직사각형 모양의 방사 패치(113a')의 중점을 통과하는 수직선 상에서 중점과 다른 위치에 형성하면 선형 편파(Linear Polarization)의 수직 편파(Vertical Polarization)를 형성할 수 있다.
도 5b에 도시한 것처럼, 급전점(112b')을 직사각형 모양의 방사 패치(113b')의 중점을 통과하는 수평선 상에서 중점과 다른 위치에 형성하면 선형 편파(Linear Polarization)의 수평 편파(Horizontal Polarization)를 형성할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시한 것처럼, 급전점(112c'/112d')을 대칭되는 두 모서리가 잘려나간 정사각형 모양의 방사 패치(113c'/113d')의 중점을 통과하는 수직선 상에서 중점과 다른 위치에 형성하면, 원형 편파(Circular Polarization)의 우선 편파(Right Hand Circular Polarization) 또는 좌선 편파(Left Hand Circular Polarization)를 형성할 수 있다.
또한, 도 6c 및 도 6d에 도시한 것처럼, 급전점(112e'/112f')을 정사각형 모양의 방사 패치(113e'/113f')의 대각선 위에 형성하면, 원형 편파(Circular Polarization)의 우선 편파(Right Hand Circular Polarization) 및 좌선 편파(Left Hand Circular Polarization)를 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나는 급전점을 이용하여 양방향으로 다중 대역 주파수의 송수신을 수행할 수 있다. 그리고, 다중 대역 안테나는 주파수 대역에 대응하는 슬롯이 추가되거나 또는 방사 패치의 형태가 변형되면, 다중 주파수 대역을 생성할 수 있으며, 선형 편파 및 원형 편파에도 쉽게 적용할 수 있어 다중 대역이 필요한 다양한 시스템에서 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 갭필러 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 갭필러 시스템에서 사용되는 주파수 대역을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나 중 이중 대역 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나의 선평 편파를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 실시에에 따른 다중 대역 안테나의 원평 편파를 나타내는 도면이다.

Claims (11)

  1. 금속판,
    상기 금속판 위에 배치되어 있는 복수의 방사 패치, 그리고
    상기 복수의 방사 패치 중 가장 안쪽에 위치한 방사 패치 위에 형성되어 있으며, 주파수 대역을 형성하기 위한 신호를 수신하는 급전점을 포함하며,
    상기 복수의 방사 패치에서 인접한 두 방사 패치 사이에 슬롯이 형성되어 있으며, 출력하는 상기 주파수 대역의 개수가 상기 슬롯의 개수에 대응하는 다중 대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯의 개수는 상기 주파수 대역의 개수보다 1이 작은 다중 대역 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인접한 두 방사 패치 중 제1 방사 패치는 제2 방사 패치를 둘러싸고 있는 다중 대역 안테나.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 방사 패치는 제1 주파수로 공진하며, 상기 제2 방사 패치는 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수로 공진하는 다중 대역 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 방사패치는 상기 제1 방사 패치로 전송된 신호의 커플링 신호를 수신하여 상기 제2 주파수로 공진하는 다중 대역 안테나.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 방사 패치는 선형 편파(Linear Polarization) 또는 원형 편파(Circular Polarization)를 형성하기 위한 형상을 가지는 다중 대역 안테나.
  8. 금속판,
    상기 금속판 위에 형성되어 있으며, 급전점을 포함하는 제1 방사 패치, 그리고
    상기 금속판 위에 형성되어 있으며, 상기 제1 방사 패치를 둘러싸고 있는 제2 방사 패치를 포함하며,
    상기 제1 방사 패치 및 상기 제2 방사 패치 사이에 슬롯이 형성되어 있으며,
    상기 급전점은 상기 금속판 위에서 가장 안쪽에 위치한 상기 제1 방사 패치 위에 형성되어 있으며, 주파수 대역을 형성하기 위한 신호를 수신하는 다중 대역 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 방사 패치는 제1 주파수로 공진하며, 상기 제2 방사 패치는 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수로 공진하는 다중 대역 안테나.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 방사 패치는,
    상기 제1 방사 패치로 전송된 신호의 커플링 신호를 수신하여 제2 주파수로 공진하는 다중 대역 안테나.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속판 위에 형성되어 있으며, 상기 제2 방사 패치를 둘러싸고 있는 제3 방사 패치를 더 포함하는 다중 대역 안테나.
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