KR101107295B1

KR101107295B1 - 이중편파 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR101107295B1
Application number: KR1020110029355A
Authority: KR
Inventors: 최환기
Original assignee: 주식회사 선우커뮤니케이션
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-01-20

Abstract

본 발명은 주로 이동통신 시스템의 기지국 안테나로써 적용되는 기판형 이중편파 다이폴 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 안테나는 복사 기판의 전면에 교차 적으로 형성되는 두 쌍의 다이폴 소자와 급전선로, 후면에 십자형으로 형성되고 끝단이 상기 소자에 연결되는 접지선로 및 상기 접지선로의 교차지점에 형성되는 비어홀을 포함하여 이루어진다. 바람직하게 상기 다이폴 소자는 보우타이형 소자이다. 본 발명에 따르면, 이중편파 안테나에 있어서 교차하는 3차원 급전구조가 매우 간단하게 개선되는 효과가 있다. 또한 인접한 소자 간 간격을 확보하여 상호 간섭을 최소화하는 효과가 있다.

Description

이중편파 다이폴 안테나 {Dual-Polarized Dipole Antenna}

본 발명은 주로 이동통신 시스템의 기지국 안테나로써 적용되는 기판형 이중편파 다이폴 안테나에 관한 것이다.

이중 편파 안테나란 일반 안테나가 수직 편파 또는 수평 편파와 같은 단일 편파를 갖는데 비하여 경사진 각도의 편파 2개를 갖는 안테나를 일컫는데, 보통 ±45°의 편파를 가지므로 듀얼 슬랜트 폴러라이즈드 안테나(Dual Slant Polarized Antenna)라고도 불리며, 주로는 이동통신 시스템 내 기지국의 수신 경로 이중화 구현을 위한 안테나로 이용되고 있다.

근래 이 안테나 분야에서는, 기판상 다이폴 소자의 배치 및 소자 급전구조에 있어서 다양한 연구가 있어 왔다. 특히, 교차하는 안테나 급전라인에 대한 3차원 급전방식에 있어서 많은 연구가 이루어져 왔다.

먼저, 공개특허 제2007-99422호에는 기판의 전면에 교차 배치된 두 개의 다이폴 안테나와 4 개의 급전점을 가진 급전기를 포함하여 구성된 이중편파 다이폴 안테나가 개시되어 있는데, 여기에서 상기 급전기는 각 안테나 급전라인의 교차 부분에 배치되어 전류의 교차 급전을 가능하게 하는 역할을 한다.

개시된 다이폴 안테나는 상기 급전기의 적용으로 인하여 각 안테나에 의한 ±45°이중편파 복사가 가능해진다. 한편으로, 이러한 3차원 특수 급전소자 및 이를 이용한 급전방식으로 인하여 안테나 장치의 구조 및 조립 등이 너무 복잡해지고 어려워지는 문제가 있다.

다음, 특허 제865749호에는 기판의 전면과 후면을 통하여 교차 배치된 두 개의 다이폴 안테나와 각 다이폴 안테나에 급전을 하기 위한 두 쌍의 비어홀(via -hole)과 발룬홀(balun-hole) 그리고 비어홀과 발룬홀 사이의 또 다른 비어홀 등을 포함하여 구성된 이중편파 다이폴 안테나가 개시되어 있다.

개시된 다이폴 안테나는 상기 홀들에 각각 삽입된 4 개 이상의 케이블로부터 신호 급전되며, 이에 따라 각 안테나에 의한 ±45°이중편파 복사가 가능해진다. 한편으로는, 상기 인쇄회로 기판의 전·후면 가공 및 많은 수의 홀 형성으로 인하여 안테나 장치의 구조 및 설계가 복잡해지는 문제가 있다.

그리고, 특허 제870725호에는 기판의 전면과 후면에 서로 교차되는 방향으로 각각 형성된 다이폴 안테나와 상기 전면 및 후면에 각각 형성되어 급전하는 심선홀, 접지홀, 발룬홀 및 상기 심선홀과 발룬홀을 연결하는 비어홀 등을 포함하여 구성된 이중편파 다이폴 안테나가 개시되어 있다.

개시된 다이폴 안테나는 바로 위의 다이폴 안테나와 비교하여, 각 안테나의 교차배열 특성이 상이한 것이 인정된다. 그러나 인쇄회로 기판의 전·후면 가공 및 많은 수의 홀 형성으로 인하여 안테나 장치의 구조 및 설계가 복잡해지는 문제가 있다는 점에는 변함이 없다.

본 발명은 상기한 종래의 기판형 이중편파 다이폴 안테나들의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 안테나 급전방식을 개선하여 별도의 급전용 소자를 부가하지 않으며 또한 굳이 다수의 홀을 필요로 하지 않고 제작도 쉬운 개선된 구조의 이중편파 다이폴 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 사용되는 다이폴의 길이를 축소함으로써 인접 소자간의 간섭을 최소화할 수 있는 동시에 광대역 특성까지를 구현할 수 있는 이중편파 다이폴 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나는:

안테나 복사 기판과;

상기 기판의 전면에, 중심에서 90°간격으로 배치되어 정방형으로 형성되며 서로 교차배치된 소자 쌍이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 4 개의 다이폴 소자와;

상기 기판의 전면에, 하나의 소자 쌍의 (+)극에 직접 연결되는 제1급전라인과, 다른 소자 쌍의 (+)극을 상기 제1급전라인과의 교차지점 좌우에 형성된 비어홀을 매개로 접속 연결하는 제2급전라인을 포함하는 급전라인과;

상기 기판의 후면에, 중심부로부터 각 다이폴 소자 방향으로 연장되고 끝단에서 기판을 관통하는 핀에 의하여 각 다이폴 소자의 (-)극에 접속 연결되도록 형성되는 접지라인;

을 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 다이폴 소자는 보우타이(bow-tie)형 소자이다.

본 발명의 다이폴 안테나는 기판의 중심 교차부분에 형성되는 비어홀을 통하여 안테나 급전 및 구동이 가능하다. 물론 이것은 특별하게 설계된 급전 및 접지라인과 연계하여 가능하다. 따라서 본 발명에 따르면 별도의 급전용 소자를 부가하지 않으며 또한 굳이 필요 이상 다수의 홀을 필요로 하지 않는 개선된 급전구조의 이중편파 다이폴 안테나의 구현이 가능해진다.

한편, 본 발명에서 바람직하게 적용되는 다이폴 소자는 보우타이형 소자이다. 이 형태의 소자는 안테나 전체의 길이를 축소하면서도 광대역 구현이 가능한 특성이 있다. 특히 본 발명의 분야에서는 소자가 서로 인접하여 배치되는데, 이 형태의 소자는 인접한 소자 간 간격을 확보하여 상호 간섭을 최소화하는데 매우 효과적이다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나의 정면도.
도 2는 도 1 안테나의 배면도.
도 3a는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3b는 도 1의 B-B선 단면도.
도 4는 도 1 안테나가 적용된 안테나 장치의 사시도.
도 5a, 5b는 본 발명에 따른 안테나의 정재파비 그래프(Port 1, 2).
도 6a, 6b는 본 발명에 따른 안테나의 패턴특성 그래프(Port 1).
도 7a, 7b는 본 발명에 따른 안테나의 패턴특성 그래프(Port 2).

이상에서 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 '이중편파 다이폴 안테나'의 특징과 작용효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도면들에서 부호 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나(10)는 통상의 안테나 복사 기판(11) 즉 전·후면을 갖는 인쇄회로 기판에 각각 형성되는 4 개의 다이폴 소자(12a,12b,12c,12d)와, 급전라인(13)과 접지라인(14), 비어홀(16) 등을 포함하여 이루어진다.

상기 다이폴 소자(12a~12d)는 기판(11)의 전면에 형성되는데, 기판(11)의 중심에서 90°간격으로 배치되어 전체적으로 정방형으로 형성되며, 서로 교차 배치된 소자 쌍(12a-12c,12b-12d)이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 구조이다. 제1안테나는 다이폴 소자 12a-12c를 통하여 +45°편파를 복사하고, 제2안테나는 다이폴 소자 12b-12d를 통하여 -45°편파를 복사하여, 결과적으로 ±45°로 서로 직교하는 이중편파 복사가 가능해지는 것이다.

본 실시예에서, 상기 다이폴 소자(12a~12d)는 보우타이형 소자이다. 상기 보우타이 소자는 상호 마주보도록 이격 배열된 한 쌍의 삼각패턴(T1-T2)을 포함하는 안테나로, 상호 마주보는 꼭짓점 각각에 연결된 도선에 의해 전기적으로 연결된다. 이 소자는 알려진 바와 같이 광대역 안테나에서 적합하게 사용되며, 여타 형태의 광대역 안테나에 비해 구조가 간단하고 크기가 작은 설계가 가능한 장점이 있다.

특히 본 발명 분야의 안테나에서는 소자가 정방형으로 서로 인접하여 배치되는데, 본 발명의 이중편파 다이폴 안테나(10)에서 상기한 보우타이 형태의 소자는 인접한 소자 간 간격을 확보하여 줌으로써 소자 간 상호 간섭을 최소화하는데 매우 효과적인 것으로 판단된다.

상기 급전라인(13)은 기판(11)의 전면에 형성되며, 기판(11)의 대략 중심부로부터 각 다이폴 소자(12a~12d)를 향하여 연장되어 전체적으로는 대략의 십자형 급전구조를 가진다. 상기 급전라인(13)은 각 끝단이 직접 각 소자(12a~12d)에 연결되도록 형성되는데, 보다 구체적으로는 도 1에 도시된 바와 같이 각 끝단이 보우타이 소자의 일측 삼각패턴인 T1의 꼭지점 부분에 연결되는 것이다.

더욱 구체적으로, 상기 급전라인(13)은 하나의 소자 쌍(12a-12c)에 직접 연결되는 제1급전라인(13a)과, 다른 소자 쌍(12b-12d)을 제1급전라인(13a)과의 교차지점 좌우에 형성된 비어홀(16)을 매개로 접속 연결하는 제2급전라인(13b)을 포함한다. 이 구조에서 당연하게 상기 제1급전라인(13a)과 제2급전라인(13b)은 서로 접촉하지 않는다.

도면에서, 부호 17은 제1급전라인(13a) 및 제2급전라인(13b) 각각에 형성되는 급전케이블 장착용 홀이다. 이 홀(17)은 십자형 접지라인(14)을 관통하여 형성되므로, 급전케이블을 설치하고, 급전라인(13a,13b) 및 접지라인(14) 간의 전기적 접속을 쉽게 설계할 수 있는 장점을 제공한다.

상기 접지라인(14)은 상기 기판(11)의 후면에 형성되며, 기판(11)의 중심부(18)로부터 각 다이폴 소자 방향으로 연장되어 전체적으로 연결된 십자형 급전구조를 가진다. 그리고 상기 접지라인(14)은 각 끝단이 상기 기판(11)을 관통하는 핀(15)에 의하여 각 다이폴 소자(12a~12d)의 (-)극에 접속 연결되도록 형성되는데, 보다 구체적으로는 도 1에 도시된 바와 같이 각 끝단이 보우타이 소자의 타측 삼각패턴인 T2의 꼭지점 부분에 연결되는 것이다.

바람직하게, 상기 중심부(18)는 내부공간을 갖는 회로이며, 상기 내부공간에는 상기 제2급전라인(13b) 중의 비어홀(16) 연결부분이 배치된다. 이는 설계를 복잡하게 하지 않는 최적의 구성으로 판단한다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 두 급전라인(13a,13b)은 각각의 급전 케이블(20)을 통해 (+)전류와 (-)전류로 이루어진 제1급전신호와 제2급전신호를 인가받아 제1안테나(12a-12c) 및 제2안테나(12b-12d)로 공급하게 된다.

이때 급전신호의 (+)전류는 상기 급전케이블(20)의 심선(21)으로부터 급전라인(13a,13b)을 경유하여 상기 다이폴 안테나(12a-12c, 12b-12d)의 (+)극(12a,12b)에 연결되며, (-)전류는 상기 급전케이블(20)의 외측 쉴드(22)로부터 접지라인(14)을 경유하여 상기 다이폴 안테나(12a-12c, 12b-12d)의 (-)극(12c,12d)에 연결되는 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 상기한 다이폴 안테나(10) 구조로부터 다이폴 소자 12a-12c를 포함하는 제1안테나는 제1급전신호를 +45°편파로 복사하고(화살표 ① 참조), 다이폴 소자 12b-12d를 포함하는 제2안테나는 제2급전신호를 -45°편파로 복사하여(화살표 ② 참조), 결과적으로 방향이 ±45°로 서로 직교하는 이중편파 특성을 얻을 수 있게 되는 것이다.

도면 부호 30은 상기 다이폴 안테나(10)의 지지 기반이 되는 반사판이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나(10)는 전압정재파비(VSWR) 값들이 포트 1, 2에서 모두 1.17:1 이하로 측정되었으므로, 그 특성이 상당히 우수한 것을 알 수 있었다. 특히 측정 대역에 사용되는 종래 기지국 안테나의 평균 전압정재파비가 1.5:1 이하인 점을 고려하면, 상기 이중편파 다이폴 안테나(10)는 동급 이상의 성능을 보이는 것이다.

도 6(a,b) 및 도 7(a,b)를 참조하면, 본 발명에 따른 이중편파 다이폴 안테나(10)에 대하여 측정된 전후방비(F/B)는 포트 1, 2에서 모두 ±30°기준 -30dB 이하이므로, 그 특성이 상당히 우수한 것을 알 수 있었다. 또한 기지국 안테나의 요구 특성인 이득 9dBi 이상, 빔폭 65±5°, 전후방비 -25 dB 이하 등의 수준에 비하여 훨씬 높은 성능을 발휘하였다.

10. 이중편파 다이폴 안테나
11. 기판 12a,12b,12c,12d. 다이폴 소자
13. 급전라인 14. 접지라인
15. 핀 16. 비어홀

Claims

안테나 복사 기판과;
상기 기판의 전면에, 중심에서 90°간격으로 배치되어 정방형으로 형성되며, 서로 교차배치된 소자 쌍이 각각 다이폴 안테나를 형성하게 되는 4 개의 다이폴 소자와;
상기 기판의 전면에, 하나의 소자 쌍의 (+)극에 직접 연결되는 제1급전라인과, 다른 소자 쌍의 (+)극을 상기 제1급전라인과의 교차지점 좌우에 형성된 비어홀을 매개로 접속 연결하는 제2급전라인을 포함하는 급전라인과;
상기 기판의 후면에, 중심부로부터 각 다이폴 소자 방향으로 연장되고 끝단에서 기판을 관통하는 핀에 의하여 각 다이폴 소자의 (-)극에 접속 연결되도록 형성되는 접지라인;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
상기 다이폴 소자는 마주하여 이격 배열된 한 쌍의 삼각패턴을 포함하는 보우타이(bow-tie)형 소자인 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제2항에 있어서,
상기 급전라인은 제1급전라인 및 제2급전라인 간 비접촉 십자형 구조로서, 각 끝단이 상기 보우타이 소자의 일측 삼각패턴의 꼭지점 부분에 연결되며;
상기 접지라인은 전체적으로 연결된 십자형 구조로서, 각 끝단이 보우타이 소자의 타측 삼각패턴의 꼭지점 부분에 연결되는 것;
을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
상기 접지라인의 중심부는 내부공간을 갖는 회로이며, 상기 내부공간에는 상기 제2급전라인 중의 비어홀 연결부분이 배치되는 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1급전라인 및 제2급전라인에는 상기 접지라인을 관통하는 급전케이블 장착용 홀이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 이중편파 다이폴 안테나.