KR101343991B1 - 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 안테나의 장착 방법과 사용 환경에 따라 빔패턴 특성을 미리 예측하여 사용자 요구 규격을 만족하는 안테나를 설계하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 안테나의 장착 방법과 사용 환경에 따라 빔패턴 특성을 미리 예측하여 사용자 요구 규격을 만족하는 안테나를 설계하기 위하여, 안테나에서 방사되는 빔패턴을 연산하고, 풋프린트 이미지를 출력하는 시뮬레이션 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 패치 형상의 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역을 설정하도록 하는 인터페이스를 제공하는 안테나 설계부 및 상기 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역의 설정값을 이용하여, 안테나에서 방사되는 빔패턴을 연산하고, 풋프린트 이미지를 출력하는 시뮬레이션 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템에 관한 것이다.

Description

풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템{ANTENNA DESIGN SYSTTEM BY USING FOOTPRINT SIMULATION}

본 발명은, 안테나의 장착 방법과 사용 환경에 따라 빔패턴 특성을 미리 예측하여 사용자 요구 규격을 만족하는 안테나를 설계하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은, 안테나의 장착 방법과 사용 환경에 따라 빔패턴 특성을 미리 예측하여 사용자 요구 규격을 만족하는 안테나를 설계하기 위하여, 안테나에서 방사되는 빔패턴을 연산하고, 풋프린트 이미지를 출력하는 시뮬레이션 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템에 관한 것이다.

본 발명은, 패치 형상의 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역을 설정하도록 하는 인터페이스를 제공하는 안테나 설계부 및 상기 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역의 설정값을 이용하여, 안테나에서 방사되는 빔패턴을 연산하고, 풋프린트 이미지를 출력하는 시뮬레이션 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 안테나는 수요처의 요구 규격을 만족하도록 설계되는데, 요구 규격은 안테나 구조, 사용 장소, 통신영역, 주파수 대역 및 이득 등의 사항을 포함한다.

그런데 현재의 안테나 설계 과정을 살펴보면, (1) 시뮬레이션을 통해서 시제품을 제작하는 과정, (2) 통신장비로 1차 성능을 측정하는 과정, (3) 검증기관에서 2차 성능을 측정하는 과정, (3) 사용 장소에 설치 후에 실제 측정하는 과정을 거치게 된다.

다음으로, 상기 (3) 단계에서 튜닝이 필요하다고 판단되면 다시 처음부터 전 과정을 거치게 되며, 이러한 반복 과정을 통해서 모든 조건이 충족될 때에 비로소 안테나 제작 및 납품이 이루어지게 된다.

즉 시뮬레이션 과정이 충분히 진행된다면 1차, 2차 성능 측정 시간, 측정비용 및 시제품 제작비용 등을 모두 절감할 수 있을뿐더러 더 나아가 수요처에게 더욱 정밀한 안테나 제작 솔루션을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.

한편 자동요금징수시스템(ETCS) 안테나는 톨게이트의 각 차로 상단에 위치하여 자동차의 단말기와 통신을 하는 안테나로서, 자동차가 안테나 위치 지점 부근을 지나갈 때 통신이 원활해야 함은 물론 각 차로에 설치된 안테나들끼리 간섭이 없도록 해야 한다.

이러한 경우에, 현재의 안테나 설계과정에 기반하여 반복적으로 튜닝이 이루어질 때에는, 비용이나 시간은 물론 매번 하나의 차선을 통제해야 하는 등의 위험성도 발생시키고 있다.

따라서 시뮬레이션 과정에서, 안테나가 방사하는 빔 패턴을 실제 이미지화하여 구간별로 풋프린트(FOOTPRINT) 이미지를 확인할 수 있다면, 현재의 안테나 설계과정에서의 1차, 2차 성능 측정 시간, 측정비용 및 시제품 제작비용 등을 모두 절감할 수 있다.

또한 ETCS 안테나의 경우와 같이 특정 영역에만 안테나가 주로 방사하도록 하는 설계에는 튜닝이 반복적으로 발생될 가능성이 많으므로 매우 유용하게 사용될 수 있다.

또한 무선통신이 활발해지면서 각종 전파가 간섭되고 혼선되는 상황이 심각해지고 있는바, 향후 사이드로브(SIDELOBE)의 규제가 예상되고 있다는 점을 볼 때, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템은 절실하다고 하겠다.

한편 본 출원인은 '고격리 무선 중계기용 광대역 스택 패치 배열 안테나'에 대한 특허권(대한민국 등록특허공보 10-0957852호)을 갖고 있는데, 이는 수직 편파 및 수평 편파를 구현하여 높은 격리 특성을 갖도록 한 발명이다.

또한 본 출원인은 '고격리 중계기용 이중대역 안테나'에 대하여 특허출원(출원번호 10-2012-0062171)을 진행하고 있다. 이는 인접한 두 안테나가 각각 수직 편파 및 수평 편파를 구현하여 높은 격리 특성을 갖도록 하고, 소형 경량의 마이크로스트립 패치 배열 구조로 구성하여 지상 및 건물 내부에서 장착 및 운용이 용이하도록 한 발명이다.

따라서 본 출원인은 패치 배열 구조로 구성되는 안테나 설계 작업을 더욱 발전시켜서, 안테나가 방사하는 빔 패턴을 실제 이미지화하여 구간별로 풋프린트(FOOTPRINT) 이미지를 확인할 수 있는 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템을 제안하고자 한다.

한편 본 발명과 유사한 기술분야에서의 선행기술을 살펴보면, 먼저, 대한민국 공개특허공보 10-2008-0039533호에는 안테나의 커버리지 풋프린트를 조정하기 위한 시스템 및 방법이 기재되어 있다.

개략적으로 살펴보면, 가중 팩터에 기초해서 스마트 안테나의 공통 채널 커버리지 풋프린트를 조정하는 것이 기재되어 있는데, 여기에서 가중 팩터는 사용자가 호출을 수신할 가능성, 사용자가 패킷을 송신할 가능성 등을 의미한다.

또한 대한민국 등록특허공보 10-1178210호에는, 안테나 위치 설정용 시뮬레이터 및 이를 이용한 안테나 위치 설정 방법이 개시되어 있다.

개략적으로 살펴보면, 시뮬레이션 영역에 태그를 배치하고, 상기 태그들을 모두 인식하는 위치 및 방향에 안테나들을 배치하되, 안테나를 회전시키면서 스캔하여 안테나가 인식하는 태그의 수가 최대가 되는 방향으로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

정리하여 보면, 선행기술들은 안테나가 방사하는 빔 패턴을 실제 이미지화하여 구간별로 풋프린트(FOOTPRINT) 이미지를 확인할 수 있는 풋프린트 시뮬레이션을 이용하는 것에 대해서는 기재되어 있지 않음을 알 수 있다.

본 발명의 목적은, 안테나의 장착 방법과 사용 환경에 따라 빔패턴 특성을 미리 예측하여 사용자 요구 규격을 만족하는 안테나를 설계하는 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 목적은, 안테나가 방사하는 빔 패턴을 실제 이미지화하여 구간별로 풋프린트(FOOTPRINT) 이미지를 확인할 수 있는 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템을 제공함에 있다.

본 발명은, 패치 형상의 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역을 설정하도록 하는 인터페이스를 제공하는 안테나 설계부 및 상기 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역의 설정값을 이용하여, 안테나에서 방사되는 빔패턴을 연산하고, 풋프린트 이미지를 출력하는 시뮬레이션 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템을 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에서, 상기 안테나 설계부는 서비스 영역에 포함된 구간별 통신 전력 이득값을 설정하도록 하는 인터페이스를 추가로 제공하고, 상기 시뮬레이션 처리부는, 상기 풋프린트 이미지가 상기 구간별 통신 전력 이득값에 따라 수정되어야할 가이드 정보를 추가로 제공하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템을 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은, 안테나의 장착 방법과 사용 환경에 따라 빔패턴 특성을 미리 예측하여 사용자 요구 규격을 만족하는 안테나를 설계할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.

본 발명은, 안테나가 방사하는 빔 패턴을 실제 이미지화하여 구간별로 풋프린트(FOOTPRINT) 이미지를 이용하여 안테나를 설계할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.

본 발명은, 안테나 설계과정에서의 성능 측정 시간, 측정비용, 튜닝 시간 및 시제품 제작비용 등을 모두 절감할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.

본 발명은, 특히 특정 영역에만 안테나의 빔패턴이 방사되도록 하는 설계에는 매우 유용하게 사용될 수 있는 효과를 보유하고 있다.

본 발명은, 향후 예상되는 사이드로브(SIDELOBE)의 규제에 적절히 대응할 수 있는 안테나 설계 솔루션으로서의 효과를 보유하고 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템에 적용될 안테나 구조의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템의 사용예를 도식화한 도면이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템의 풋프린트 이미지의 출력예를 도시한 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템에 적용될 안테나 구조의 예를 도시한 도면이다.

도 1은 본 출원인이 진행중인 출원번호 10-2012-0062171호의 도면 1의 도너 안테나를 개략적으로 도시한 것으로서, 스택 패치 배열로 형성된 것을 알 수 있다.

개략적으로 살펴보면, 안테나(10)에는 제1방사부(11), 제2방사부(12), 급전부(13), 매칭 스터브(14), 전력 분배기(15), 급전선(16) 및 그라운드(170)가 형성되도록 구성된다.

제1방사부(11)가 신호를 방사하면, 커플링된 제2방사부(12)로 전달되어 신호가 방사되고, 급전부(13)는 커넥터(미도시)와 연결되며, 매칭 스터브(matching stub, 14)는 급전선의 정합을 위한 것이며, 전력 분배기(15)를 통해 급전선(16)은 양쪽의 제1방사부(11)로 연결되도록 형성된다.

즉 스택 배열 안테나에서는 방사부, 급전부, 스터브, 전력 분배기 및 급전선의 형상(길이, 넓이, 위치, 배열구조)에 따라 방사되는 빔 패턴이 변화되게 되는 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1과는 스택 패치가 다르게 설계되어 배열되어 있다는 것을 알 수 있는데, 즉 안테나의 사용 목적에 적합하도록 방사부, 급전부, 스터브, 전력 분배기 및 급전선 등의 형상이 변화된 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템의 사용예를 도식화한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템은 안테나 설계부(100) 및 시뮬레이션 처리부(200)를 포함하도록 구성한다. 또한 시뮬레이션 처리부(200)는 풋프린트 처리부(210)를 포함하도록 구성한다.

설계조건에 따라, 안테나 설계부(100)에 포함된 구성요소는 시뮬레이션 처리부(200)에 포함되도록 할 수 있으며 그 반대의 경우도 가능함은 물론이다.

안테나 설계부(100)는 패치형상 디자인 모듈, 패치값 설정 모듈, 안테나 위치 설정 모듈 및 서비스 영역 설정모듈을 포함하도록 구성한다.

설계조건에 따라서는, 구간별 풋프린트 설정모듈을 포함하도록 구성할 수도 있다.

사용자는 패치형상 디자인 모듈 및/또는 패치값 설정모듈을 이용하여 안테나의 스택 패치 배열 형상을 설계하게 된다.

패치형상 디자인 모듈은 안테나의 스택 패치 구성요소의 형상을 직접 디자인할 수 있도록 인터페이스를 제공하는 기능을 수행한다.

즉 사용자가 방사부, 급전부, 스터브, 전력 분배기 및 급전선의 형상(길이, 넓이, 위치, 배열구조) 등을 직접 디자인하여 안테나를 설계할 수 있도록 한다.

설계조건에 따라, 패치형상 디자인 모듈은 기존의 안테나 설계 툴을 설계변경하거나 또는 별도의 안테나 전용 디자인 그래픽 툴로서 개발될 수도 있다.

패치값 설정 모듈은 안테나 스택 패치 구성요소의 수치값 및 상기 구성요소의 기능에 관련된 수치값을 직접 설정할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공하는 기능을 수행한다.

즉 사용자가 방사부, 급전부, 스터브, 전력 분배기 및 급전선의 형상(길이, 넓이, 위치, 배열 구조)에 대한 수치를 입력하거나 또는 각 패치간의 전력 분배값 등을 직접 설정할 수 있도록 한다.

안테나 위치 설정모듈은 안테나가 현장에 설치되는 위치와 방향을 설정하도록 하는 인터페이스를 제공하는 기능을 수행한다.

즉 안테나가 설치되는 높이와 방사 방향의 각도를 설정하게끔 하는데, 도 5에는 일 예로서 3차원 좌표계를 이용하여 높이와 방사 각도를 설정하는 것이 도식화되어 있다.

설계조건에 따라서, 사용자가 좌표값을 직접 입력하거나 기본 좌표계 화면에서 위치를 클릭하여 드래그하는 방식으로 위치를 설정하도록 할 수 있다.

서비스 영역 설정모듈은 안테나의 빔 패턴이 방사되어야할 영역을 설정하도록 하는 인터페이스를 제공하는 기능을 수행한다.

즉 안테나의 주요 빔 패턴이 방사되어야할 특정 영역의 위치 및 면적 등을 설정할 수 있도록 한다.

설계조건에 따라서, 사용자가 좌표값을 직접 입력하거나 기본 좌표계 화면에서 위치를 클릭하여 드래그하는 방식으로 설정하도록 할 수 있다.

보다 지능화된 서비스를 위하여, 구간별 풋프린트 설정모듈이 포함되도록 할 수도 있는데, 서비스 영역을 구간별로 분할하여 구간별 통신전력 이득값을 설정할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

이는 하기에서 서술될 가이드 정보 출력모듈과 연동될 수 있도록 하기 위한 것으로서, 목표치를 제공하고 향후 설계 수정방향에 대한 가이드 정보를 제공받기 위함이다.

시뮬레이션 처리부(200)는 안테나 성능 데이터베이스, 풋프린트 처리부(210)을 포함하고, 풋프린트 처리부(210)는 구간별 풋프린트 출력 모듈 및 색상처리모듈을 포함하도록 구성한다.

설계조건에 따라서는, 가이드정보 출력모듈이 추가로 포함되도록 구성할 수도 있다.

빔패턴 연산 모듈은 안테나 디자인부(100)의 설정값을 이용하여 빔패턴을 예측 연산하게 되는데, 안테나 성능 데이터베이스와 연동하도록 구성한다.

즉 안테나 형상, 안테나 위치 및 서비스 영역에 대한 설정값을 이용하여 서비스 영역에 방사될 빔 패턴을 연산하게 된다.

안테나 성능 데이터베이스에는 안테나 형상에 따른 성능값 및 거리에 따른 전파손실값(Free space loss) 등이 포함되도록 구성한다.

즉 방사부, 급전부, 스터브, 전력 분배기 및 급전선 등의 형상(길이, 넓이, 위치, 배열 구조)에 따른 빔패턴 성능값과, 안테나와 서비스 영역간의 거리에 따른 전파 손실, 안테나의 각도에 따른 빔패턴값 등에 대한 데이터가 포함된다.

풋프린트 처리부(210)는 빔패턴 연산모듈에서 연산한 결과를 풋프린트 이미지로 출력하는 기능을 수행한다.

도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 풋프린트 시뮬레이션 시스템의 풋프린트 이미지의 출력예를 도시한 도면이다.

구간별 풋프린트 출력 모듈은 안테나와 서비스 영역 간의 거리에 따른 통신 구간에 따라 구간별 풋프린트 이미지를 출력하는 기능을 수행한다.

즉 각 구간별 통신 전력 이득값(dBm)을 출력할 수 있도록 각 구간이 설정되고 그 구간에 따라 풋프린트 이미지를 출력하게 할 수 있다.

색상처리모듈은 풋프린트 이미지에 구간별로 기 설정된 색상을 처리하는 기능을 수행하게 되는데, 예를 들어 회색은 기준 미달로 표시할 수 있고 강약에 따라 색상을 정할 수 있다.

가이드 정보 출력모듈은 구간별 풋프린트 설정모듈 및 안테나 성능 데이터베이스와 연동될 수 있도록 설계되는데, 풋프린트 처리부에서 출력한 풋프린트 이미지와 구간별 풋프린트 설정모듈에서 설정한 목표치를 비교하여 가이드 정보를 생성하는 기능을 수행한다.

즉 가이드 정보는 목표치와 시뮬레이션된 풋프린트 이미지와의 비교를 통해서 수정되어야할 패치 형상, 안테나 위치, 서비스 영역의 정보 등을 포함하도록 구성한다.

본 발명에 따른 풋프린트 시뮬레이션 시스템의 사용예를 보면, (1) 사용자는 패치형상 디자인모듈, 패치값 설정모듈, 안테나 위치 설정 모듈 및 서비스 영역 설정모듈을 이용하여 설정값을 입력함으로써 안테나를 설계한다.

(2) 빔패턴 연산모듈, 안테나 성능 데이터베이스 및 풋프린트 처리부는 상기의 설정값을 이용하여 풋프린트 이미지를 출력한다.

(3) 사용자는 상기 풋프린트 이미지를 활용하여 다시 설정값을 조정하여 수정된 풋프린트 이미지를 출력하게 된다.

(3-1) 구간별 풋프린트 설정모듈과 가이드정보 출력모듈이 포함된다면, 사용자는 가이드 정보를 활용하여 설정값을 조정하며, 이에 따라 수정된 풋프린트 이미지를 출력하게 된다.

상기에서 도 1 내지 도 7을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 도 7의 구성 및 기능에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

10: 패치 배열 안테나
11: 제1방사부
12: 제2방사부
13: 급전부
14: 매칭 스터브
15: 전력 분배기
16: 급전선
17: 그라운드
100: 안테나 설계부
200: 시뮬레이션 처리부
210: 풋프린트 처리부

Claims (6)

1. 패치 형상의 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역을 설정하도록 하는 인터페이스를 제공하는 안테나 설계부;
   상기 안테나 디자인, 안테나 위치 및 서비스 영역의 설정값을 이용하여, 안테나에서 방사되는 빔패턴을 연산하고, 풋프린트 이미지를 출력하는 시뮬레이션 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나 디자인 설정값은,
   방사부, 급전부, 전력 분배기 및 급전선의 형상(길이, 넓이, 위치, 배열 구조) 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나 위치 설정값은,
   안테나의 설치 위치, 설치 높이 및 방사 각도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 서비스 영역 설정값은,
   안테나의 빔 패턴이 방사되어야할 특정 영역의 위치, 폭, 길이 및 면적 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 풋프린트 이미지는,
   구간별 통신 전력 이득값 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나 설계부는 서비스 영역에 포함된 구간별 통신 전력 이득값을 설정하도록 하는 인터페이스를 추가로 제공하고,
   상기 시뮬레이션 처리부는, 상기 풋프린트 이미지가 상기 구간별 통신 전력 이득값에 따라 상기 설정값이 수정되어야할 가이드 정보를 추가로 제공하는 것을 특징으로 하는, 풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템.
   

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