이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1에 도시하는 것은, 본 발명의 일 실시예에 따른 수평면내 전방향성 안테나 장치이다. 안테나 장치(100)는, 원통형의 도체(20)와, 도체(20)의 외주에 배치된 제 1단 패치 안테나 어레이(11) 및 제 2단 패치 안테나 어레이(12)로 구성되어 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 제 1단 패치 안테나 어레이(11) 및 제 2단 패치 안테나 어레이(12)의 각 패치 안테나의 위치 관계를 나타내는 안테나 장치(100)의 상면도이다. 도면에 나타나 있는 바와 같이, 제 1단 패치 안테나 어레이(11)는, 원통형의 도체(20)의 외주에 90° 간격으로 배치된 4개의 패치 안테나(10a, 10b, 10c, 10d)로 구성되어 있다. 또한, 제 2단 패치 안테나 어레이(12)는, 원통축을 중심으로 패치 안테나(10a, 10b, 10c, 10d)를 45° 회전시킨 위치에, 90° 간격으로 배치된 4개의 패치 안테나(10e, 10f, 10g, 10h)로 구성되어 있다.
각 패치 안테나(10)는, 예를 들면, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 도체(20)의 외주를 피복하는 유전체(31)의 표면 상에 배치된다. 혹은, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 유전체로 이루어지는 지주(32)를 이용하여 도체(20) 상에 배치되어도 좋다.
이 때, 패치 안테나(10)와 도체(20)와의 사이의 거리가 지나치게 멀면, 원하지 않는 편파가 방사되어서 바람직하지 못하다. 또한, 너무 가까우면 안테나가 협대역이 되는 문제가 있다. 그러므로, 패치 안테나(10)는, 이들의 문제를 고려하여, 필요한 대역에 따라 적절하게 배치한다.
도 4는, 안테나 장치(100)의 구성을 평면 상에 개략적으로 나타낸 것이다. 각 패치 안테나(10a∼10h)는, 각각 2개의 급전 포트(1,1′, 2,2′···)를 구비하고 있으며, 각 급전 포트(1,1′, 2,2′···)는, 각각 동일한 급전 회로에 의해 +45° 위상차 또는 -45° 위상차로 급전된다. 급전은, 도체(20)의 내부로부터 도시되지 않은 핀 등을 통하여 이루어진다.
여기에서, 이러한 2단 패치 안테나 어레이를 구비한 안테나 장치(100)의 동작을 설명하기 전에, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 패치 안테나 어레이를 1단 만으로 구성한 안테나 장치에 관하여 설명한다.
도 6에 도시하는 것은, 원통형의 도체(20)와, 도체(20)의 외주에 배치된 1단 패치 안테나 어레이(13)로 이루어지는 안테나 장치(110)이다. 상기 안테나 장치(110)에 있어서, 패치 안테나 어레이(13)는, 도체(20)의 외주에 90° 간격으로 배치된 4개의 패치 안테나(10i, 10j, 10k, 10l)로 구성된다.
도 7은, 안테나 장치(110)의 구성을 평면 상에 개략적으로 나타낸 것이다. 각 패치 안테나(10i∼10l)는, 각각 급전 포트(1, 2, 3, 4)를 구비하고 있으며, 각 급전 포트(1∼4)는, 패치 안테나(10i∼10l)의 배치의 각도에 대응하는 위상차, 즉 90°의 위상차로 급전된다. 이 때, 예를 들면, 도체(20)의 외주를 3λ, 패치 안테나 엘리먼트의 크기 및 형상을 한 변이 λ/2의 정사각형으로 한다면, 각 패치 안테나(10i∼10l)는, 상호 λ/4정도 이격하여 배치된다. 각 패치 안테나(10i∼10l)로의 급전 위상을 고려한 경우, 예를 들면, 위상차는, 도 7의 표에 도시하는 바와 같은 2종류를 생각할 수 있다.
도 8은, 상기 안테나 장치(110)의 수평면 방사 패턴 변동을 나타낸 도면이다. 도시하는 바와 같이, 안테나 장치(110)의 수평면 방사 패턴은, 방위각 AZ 0°∼360°로 4Hz의 변동을 가진다. 즉, 패치 안테나 어레이가 1단 뿐이면, 수평면의 방사 패턴에 흔들림이 나타나고, 균일한 전방향성을 실현하기가 어렵다.
그러므로, 이런 흔들림을 없애기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테 나 장치(100)에서는, 2단 패치 안테나 어레이를 조합하여 이용한다. 상술한 바와 같이, 제 1단 안테나 어레이(11)와 제 2단 안테나 어레이(12)는, 도체(20)의 원통축을 중심으로 45° 비껴서 배치된다. 따라서, 도체(20) 상의 각 패치 안테나(10a∼10d)와 각 패치 안테나(10e∼10h)와는 번갈아서 45° 간격으로 배치되게 된다. 그리고, 각 패치 안테나(10a∼10h)의 급전 포트(1∼8)에서는, 배치의 각도에 대응하는 +45° 위상차로 급전이 이루어진다.
도 5는, 이러한 안테나 장치(100)의 수평면에서의 패턴 변동을 나타내는 것이다. 도시하는 바와 같이, 상기 안테나 장치(100)에서는, 수평면의 방사 패턴이 방위각 AZ 0°∼360°의 모든 방향에 대해서 거의 균일해진다. 즉, 안테나 어레이를 1단 밖에 가지지 않은 안테나 장치(110)에 비하여, 수평면 내의 전방향성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 2단 안테나 어레이(11, 12)를 구비함으로써, 안테나 장치(100)에서는, 양호한 수평면내 전방향성을 실현할 수 있다. 또한, 안테나 어레이를 복수 구비한 다단 구성으로 함으로써 게인 업(gain up)을 도모할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 도 9에 도시하는 본 발명의 다른 실시예와 같이, 제 1단 안테나 어레이(11)와 제 2단 안테나 어레이(12)를 1세트로 하고, 이를 원통형의 도체(20)의 외주에 복수 세트(11a, 12a, 11b, 12b ···)로 적층되어 있는 안테나 장치(120)로 하는 것도 가능하다.
하지만, 도 1 및 도 6에 도시하는 바와 같은 2단 또는 1단 안테나 어레이를 구비한 구성의 안테나 장치(100) 및 (110)에서는, 실제로는, 상술한 위상 급전보다 도 동상 급전을 행한 쪽이 방사 패턴의 변동을 작게 억제할 수 있다. 그러나, 이들의 안테나 장치에 있어서 위상 급전을 행하기로 하는 이유는, 다음과 같은 이점을 가지기 때문이다.
안테나 장치(100) 및 (110)에 있어서, 각 패치 안테나(10)는, 원통형의 도체(20) 상에 대칭적으로 배치되고 있으며, 각각의 반사 특성 및 직교 포트 간(예를 들면, 포트 1과 포트 1′와의 사이)의 통과 특성은 동일하다. 여기에서, 도 10에 도시하는 것은, 급전 회로의 일예이다. 본 발명에서는, 제 1단 안테나 어레이(11)를 구성하는 패치 안테나(10a∼10d)의 급전 회로를 도 10에 도시하는 바와 같이 구성했을 경우에, 각 패치 안테나(10a∼10d)의 반사파는, 90° 하이브리드 회로(40a∼40d)의 아이솔레이션 포트에는 나타나지만, 180° 하이브리드 회로(501) 및 (502)에 연결되는 포트에는 나타나지 않는다. 마찬가지로, 각 패치 안테나(10a∼10d)의 통과파도, 90° 하이브리드 회로(40a∼40d)의 아이솔레이션 포트에만 나타나고, 180° 하이브리드 회로(501) 및 (502)에 연결되는 포트에는 나타나지 않는다.
이와 같이, 제조 오차 등에 의해 발생하는 반사 특성, 아이솔레이션 특성, 전방향성 등의 특성 불량의 대부분을 90° 하이브리드 회로의 아이솔레이션 포트에 의해 흡수할 수 있으므로, 제품 불량율의 개선에 크게 공헌할 수 있다.
이에 대하여, 동상 급전을 행하였을 경우, 각 패치 안테나(10a~10d)의 반사 특성, 직교 포트 간의 통과 특성은 그대로 ±45° 편파 포트에 나타난다. 즉, 위상차 급전의 경우와는 달리, 제조 오차 등에 의해 발생하는 반사 특성, 아이솔레이션 특성, 전방향성 등의 특성 불량은, 그대로 ±45° 편파 포트에 나타나게 된다. 또한, ±45° 편파 포트가 완전히 정합하지 않으면, 급전 회로 내의 다중 반사가 발생되고, 전방향성이나 편파 분리 특성을 저하시키는 문제도 있다. 그 때문에, 위상차 급전을 행하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 도 10에 도시하는 급전 회로에는, 180° 하이브리드 회로(501) 및 (502)의 ±45° 편파 포트에 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같은 90° 하이브리드 회로나, 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같은 180° 하이브리드 회로를 더 접속하는 것도 가능하다. 이에 의하여, 우선/좌선원 편파, 수직/수평 편파의 2편파용 안테나를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 안테나 장치에 있어서, 패치 안테나의 안테나 엘리먼트 형상은 정사각형에 한정되지 않고, 직교 2편파가 방사할 수 있는 형상, 즉, 패치의 중심을 지나는 수평축, 수직축, 45° 축에 대하여 대칭적인 형상이면 어떤 형태라도 좋다. 따라서, 도 12의 (a)에 도시하는 바와 같이, 원형으로 해도 되며, 혹은, 도 12의 (b)∼(d)에 도시하는 바와 같은 4×n 다각형으로 할 수 있다. 어떤 형상이든, 정사각형의 경우와 동일한 성능을 실현할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 패치 안테나의 배치나 급전 방법을 적절하게 변경함으로써, 그 이외에도 다양하게 실시할 수 있다.
따라서, 각 패치 안테나의 급전 포트로 동상 급전, 역상 급전, +90° 위상차 급전 또는 -90° 위상차 급전을 행하고, 수직 편파, 수평 편파, 우선원 편파 또는 좌선원 편파의 송수신을 행할 수 있는 안테나 장치로 하는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 안테나 장치의 일 실시예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 안테나 장치에서의 패치 안테나의 배치를 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 안테나 장치에서의 패치 안테나의 배치를 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 안테나 장치의 구성을 설명하는 도면,
도 5는 본 발명의 안테나 장치의 수평면내 방사 패턴 변동을 도시한 도면,
도 6은 본 발명과의 비교용 안테나 장치를 도시한 도면,
도 7은 비교용 안테나 장치의 구성을 설명하는 도면,
도 8은 비교용 안테나 장치의 수평면내 방사 패턴 변동을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 안테나 장치의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 안테나 장치의 급전 회로의 일예를 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 안테나 장치의 급전 회로에 추가 가능한 하이브리드 회로를 도시한 도면,
도 12는 본 발명의 안테나 장치에 이용하는 패치 안테나 형상의 변형예를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명>
100, 110, 120 : 안테나 장치
10, 10a∼10l : 패치 안테나
11, 11a∼11e : 제 1단 패치 안테나 어레이
12, 12a∼12e : 제 2단 패치 안테나 어레이
13 : 패치 안테나 어레이 20 : 도체
31, 32 : 유전체 40a∼40d : 90° 하이브리드 회로
501, 502 : 180° 하이브리드 회로