KR101346137B1

KR101346137B1 - 다이버시티 모드와 지향성 모드로 변환 가능한 접이식 안테나 어레이

Info

Publication number: KR101346137B1
Application number: KR1020120133179A
Authority: KR
Inventors: 임성준; 최현형
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-12-31

Abstract

다이버시티 모드와 지향성 모드로 변환 가능한 접이식 안테나 어레이가 개시된다. 제1안테나 모드부는 복수의 안테나 소자가 1차원 동일 평면상에 펼쳐져 배치되어 제1안테나 모드로 동작한다. 제2안테나 모드부는 복수의 안테나 소자가 2차원 동일 공간상에 적층되어 제2안테나 모드로 동작한다. 본 발명에 따르면, 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 소자를 적절히 배치하여 접을 수 있는 구조를 가질 수 있도록 한다. 즉, 사용시 펼칠 수 있고 이동시 접을 수 있는 구조를 가짐으로써 사용자 환경에 맞게 안테나 어레이의 기능과 크기를 조절할 수 있도록 한다.

Description

다이버시티 모드와 지향성 모드로 변환 가능한 접이식 안테나 어레이{Folding antenna array for switching diversity and directivity mode}

본 발명은 다이버시티 모드와 지향성 모드로 변환 가능한 접이식 안테나 어레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 사용자의 상황에 따라 접을 수 있고 펼칠 수 있는 접이식 안테나 어레이에 관한 것이다.

현재의 무선 통신 환경은 전파 진행에 있어 복잡성을 가진다. 특히, 도시 혹은 시외의 지역에서 송신부와 수신부 사이에는 여러 구조물과 많은 RF 신호들이 공존하고 있어, 송신된 신호는 수신부에 도달하기 전에 신호의 감쇄와 왜곡, 위상의 변화 및 시간 지연 등의 문제점이 발생한다. 이를 해결하기 위해 무선통신환경에서 무선 연결의 품질과 신뢰성 향상을 위해 도입된 기술이 다이버시티 안테나(diversity antenna)이다. 다이버시티 안테나는 하나의 신호가 주변 환경으로 인해 감쇄되면 다른 패스(path)로 진행하는 신호가 이를 보상해주는 특징이 있다. 이러한 다이버시티 안테나는 패턴, 편파, 주파수 및 공간 다이버시티의 4가지 방식으로 구현될 수 있어 각각의 통신 환경에 맞게 사용되고 있다.

또한, 환경에 방해받지 않는 직선거리(line of sight)의 통신 환경에서는 지향성 안테나가 요구된다. 지향성 안테나는 특정한 방향으로 전파를 강하게 송신하거나 수신하는 특성을 가지며 높은 이득(gain)을 필요로 하는 경우에도 많이 사용된다. 지향성 안테나에는 야기 우다 안테나, log-periodic 안테나, corner reflector 안테나 등이 있으며, 이 중에서 야기 우다 안테나가 가장 많이 알려져 있다. 야기 우다 안테나는 반파장의 driver 다이폴, driver 뒤에 위치하며 더 큰 크기를 갖는 reflector, 그 반대편에 위치하는 director의 3가지 요소로 구성된다. 또한, 각 구성요소들은 적당한 파장 비율의 간격을 유지하면서 나열되어야 한다.

일반적으로 다양한 모드를 갖는 안테나의 스위치 방법은 전기적인 스위치 방법이 사용된다. 이는 일정한 전압이 가해져서 특정한 위치를 연결 혹은 단락시키거나 혹은 가해진 전압이나 전류의 양에 맞게 장치들의 특성을 조절하는 것이다. 이와 같은 기술을 잘 보여주고 있는 것들에는 가변소자(diode, transistor, MEMS 등)가 있다. 그러나, 이와 같은 기술은 사용자 입장에서는 사용이 간편하지만, RF 시스템에서의 전기적인 스위치 사용은 추가적인 손실을 가지는 문제점이 있다. 추가적인 삽입 손실을 보상해주기 위한 증폭기와 같은 추가 장치들이 필요할 수 있다. 이외에도 바이어스 구조가 안테나와 함께 구현될 경우 안테나의 방사 성능에 있어 고려해야 할 부분이 발생하게 된다. 따라서 본 발명에서는 전기적인 방법을 사용하지 않고 구조의 수동적인 변경을 통해 모드를 스위치할 수 있는 안테나를 제안하고자 한다.

이와 관련된 선행기술을 구체적으로 살펴보면, 한국공개공보 제2005-0119031호(발명의 명칭 : 위성 디지털 멀티미디어 방송 수신용 다이버시티 안테나를 구비한 이동통신 단말기)에는 지향성 안테나 또는 원형 편파 안테나를 각각 구비한 플립과 후면 덮개를 단말기 본체에 대해 전후방 직각 방향으로 전개하여 고정할 수 있어 플립과 후면 덮개에 장착된 두 개의 안테나 사이의 충분한 이격 거리를 확보하여 위성 방송 수신을 위한 공간 다이버시티 기능을 구현하여 고품질의 신호를 수신할 수 있는 이동통신 단말기를 개시하고 있다.

또한, 한국등록공보 제10-0527077호(발명의 명칭 : 광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나)에는 VHF나 UHF 대역을 통해 방송되는 지상파 텔레비전 신호를 실내에서 원활히 수신할 수 있도록 광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나를 개시하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 소자를 배치하여 사용시 펼칠 수 있고 이동시 접을 수 있는 구조를 가져 사용자 환경에 맞게 안테나 어레이의 기능과 크기를 조절할 수 있는 접이식 안테나 어레이를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이는, 복수의 안테나 소자를 일정 거리 이격되게 배치하여 전파를 송수신하는 안테나 어레이에 있어서, 상기 복수의 안테나 소자가 1차원 동일 평면상에 펼쳐져 배치되어 제1안테나 모드로 동작하는 제1안테나 모드부; 및 상기 복수의 안테나 소자가 2차원 동일 공간상에 적층되어 제2안테나 모드로 동작하는 제2안테나 모드부;를 구비한다.

본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이에 의하면, 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 소자를 적절히 배치하여 접을 수 있는 구조를 가질 수 있도록 한다. 즉, 사용시 펼칠 수 있고 이동시 접을 수 있는 구조를 가짐으로써 사용자 환경에 맞게 안테나 어레이의 기능과 크기를 조절할 수 있도록 한다.

나아가 무선통신 기술 중 안테나 사용에 있어 고정된 곳에서의 사용뿐만 아니라 이동시 접을 수 있도록 하여 사용 환경에 맞게 접고 펼칠 수 있는 어플리케이션 구현이 가능하도록 한다. RF(Radio Frequency) 분야의 기술 가운데 정지된 상태와 이동시 동작이 바뀔 수 있으며, 구조 역시 크고 작음을 접고 펼침을 통해 바뀔 수 있는 기능을 필요로 하는 무선 통신 기술의 다양한 분야에 적용할 수 있다.

또한, 안테나의 기판 크기 및 패치 사이즈의 조절을 통해 동작 주파수를 조절할 수 있으며, 안테나의 다른 기능을 추가하여 다른 기술과 호환이 되면서도 우수한 RF 특성 변조가 가능한 안테나 어레이 구현이 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 접이식 안테나 어레이를 구성하는 안테나 소자 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다이버시티 모드를 구성하는 안테나 소자 구조를 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 다이버시티 모드에서 S-parameter를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 접이식 안테나 어레이를 구성하는 안테나 소자 구조를 도시한 도면,
도 6은 접이식 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 소자 간 간격에 따른 이득(gain)의 변화를 도시한 그래프,
도 7은 지향성 안테나 모드의 이득을 높이기 위해 제3안테나 소자의 급전 선로를 변형 시키기 전과 후의 모습을 도시한 도면,
도 8은 도 7에 도시된 제3안테나 소자의 각각의 급전 선로 모양에 따른 이득을 도시한 도면,
도 9는 제작하고자 하는 안테나의 설계도를 도시한 도면,
도 10은 다이버시티 모드의 안테나 구조의 프로토타입(prototype)을 도시한 도면,
도 11은 주파수에 따른 S-parameter의 측정된 결과와 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프,
도 12는 지향성 모드의 안테나 구조의 프로토타입(prototype)을 도시한 도면,
도 13은 다이버시티 모드와 지향성 모드일 때 시뮬레이션과 측정된 이득 패턴을 도시한 도면, 그리고,
도 14는 주파수에 따른 이득 변화를 다이버시티 모드와 지향성 모드 관점에서 도시한 그래프이다.

이하에서 첨부의 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 복수의 안테나 소자(101, 102, 103, 104,...,10N), 제1안테나 모드부(110) 및 제2안테나 모드부(120)를 포함한다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 복수의 안테나 소자는 4개 존재하는 것으로 가정하여 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)로 이루어진 접이식 안테나 어레이(100)에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)를 동일 평면상에 일정 거리 이격 되게 배치하여 전파를 송수신한다. 이때 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)는 어떤 종류의 안테나를 사용해도 무방하다. 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)는 각각 개발 개판(미도시) 상에 위치하며, 기판의 하부 면에는 접지면(GND)이 존재할 수 있다.

이때, 기판(미도시)은 PCB(Printed Circuit Board) 기판을 이용할 수 있다. 이에 따라, PCB 기판 표면상의 메탈막을 소정 형태로 제거하여, 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)를 한꺼번에 기판상에 제작할 수도 있다. 그러나 본 발명에 따른 복수의 안테나 소자는 각각의 안테나 소자가 각각의 기판상에 제작됨이 바람직하다. 기판상에 별도의 물질을 적층 할 필요가 없고, 매우 얇은 메탈 막이 복수의 안테나 소자를 구성하기 때문에 거의 2차원에 가까운 평판형으로 구현될 수 있다. 이에 따라 안테나의 체적을 최소화시킬 수 있으며, 기판은 플렉서블(flexible)한 기판일 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)를 쌓고 펼침으로써 모드 변환이 가능한 평면형 안테나 구조를 가진다.

제1안테나 모드부(110)는 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)가 1차원 동일 평면 상에 펼쳐져 배치되어 제1안테나 모드로 동작하게 한다. 이때, 제1안테나 모드는 다이버시티(diversity) 안테나일 수 있고, 더욱 구체적으로 편파 다이버시티 안테나일 수 있다. 이 경우, 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)의 급전 방향을 서로 직교하게 배치하여 상호간의 간섭을 최소화하도록 한다.

제2안테나 모드부(120)는 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)가 2차원 동일 공간 상에 적층되어 제2안테나 모드로 동작하게 한다. 이때, 제2안테나 모드는 지향성 안테나일 수 있다. 이때, 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)는 적층형 야기 우다 안테나의 형태를 가질 수 있으며, 각각 드라이버(driver), 리플렉터(reflector) 및 디렉터(director)의 역할을 담당한다. 특히, 지향성 안테나로서의 이득을 높이기 위해 급전 방식과 급전 선로를 새롭게 고려해야 한다. 이에 대해서는 뒤에서 자세하게 살펴본다.

즉, 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 사용자의 간단한 조작으로 다이버시티 모드와 지향성 모드로 변환이 가능한 구조를 가진다. 이때, 모드를 변환함에 있어 전기적인 스위칭 방법을 사용하지 않고 물리적인 스위칭 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 도 2에 도시된 구성 요소 이외의 추가적인 장치의 도움 없이 복수의 안테나 소자의 배치를 다르게 할 수 있도록 하기 위함이다.

다이버시티 모드로 동작하는 경우를 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)가 1차원 동일 평면상에 펼쳐져 배치된다. 이때, 각 안테나 소자는 원형 패치(patch)를 사용할 수 있다. 일반적으로, 안테나 패치의 형상으로는 원형, 삼각형, 사각형 등 다양한 모양이 가능하지만, 다이버시티 모드와 지향성 모드의 2가지 모드에서 용이한 설계와 성능을 최대화하기 위해 원형 패치를 이용하는 것이 바람직하다. 원형 패치는 반지름이라는 하나의 변수만을 고려하는 장점을 가지기 때문에 설계가 용이하다. 또한, 원형 패치는 적층시 동일한 축 상에 놓여 지지 않고 약간의 오차가 발생하더라도 성능의 변화가 크지 않다는 장점도 있다.

한편, 다이버시티 모드에서는 인접한 네 개의 안테나 소자 간의 영향이 중요하게 고려되어야 하므로, 원형 패치를 사용할 경우 도 3에 도시된 바와 같이 각각 원형 패치의 가로, 세로 크기와 상관없이 패치 간의 거리를 일정하게 유지할 수 있게 된다. 나아가, 지향성 모드에서는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 패치 면이 수직 방향을 바라보면서 쌓인 구조를 보이는데, 이때 바닥의 제1안테나 소자(101)부터 제4안테나 소자(104)까지 급전 선로의 방향이 순서대로 시계 방향으로 회전된 것을 알 수 있다. 여기서, 각 안테나 소자에 위치한 패치의 모양이 원형을 사용함으로써 회전하는 것에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있고, 동일한 이유로 패치의 모양을 결정할 수 있다.

또한, 도 3을 참고하면, 두 가지의 서로 다른 급전 방식을 사용하고 있음을 알 수 있다. 제1안테나 소자(101)에서는 마이크로 스트립 라인 구조가 사용되며, 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)에서는 CPW(CoPlanar-Waveguide) 급전 구조와 간극(gap)을 이용한 임피던스 정합 기술을 이용한다. 이처럼 하나의 급전 방식이 아닌 두 가지의 급전 방식을 이용하는 것은 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)가 가지는 지향성 모드에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이는 안테나 성분들이 적층되는 구조로 배열시 지향성 안테나로 동작하기 위해서는 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)에서의 접지면이 최소화되어야 하기 때문이다.

다이버시티 모드에서 각 안테나 소자 간 커플링을 최소화하기 위해 4개의 안테나 소자의 급전 방향을 직교해서 배치하였다. 각 안테나 소자 간의 상호 간섭을 최소화하기 위해 안테나 간의 간격을 넓게 하는 방법도 있지만, 전체적인 부피가 커진다는 단점이 있다. 또한, 안테나 간에 도체로 된 벽을 삽입하는 방법은 지향성 모드로 변환되었을 때 성능을 저하시키는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 안테나 간의 편파를 서로 직교하여 배치하는 편파 다이버시티 기술을 사용한다. 도 3에 도시된 바와 같이 각 안테나 소자의 급전 방향이 인접한 안테나 소자의 급전 방향과 서로 직교되게 배치하여 인접한 안테나 소자 간의 편파가 서로 수직이 되도록 설계하였다. 따라서 단순한 구조를 유지하는 동시에 추가적인 공간이나 성분의 도움 없이 상호 간섭을 최소화할 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 안테나 구조를 시뮬레이션한 결과로 다이버시티 모드에서 S-parameter를 보여준다. 도 4를 참고하면, 다이버시티 모드 안테나의 경우 2.4 GHz 주파수 대역에서 안테나로서 동작하는 것을 알 수 있다. 빨간색 실선은 제1안테나 소자(101)가 2.4 GHz 에서 12 dB 이상의 반사 손실을 갖는 것을 보여주며, 파란색, 녹색, 연두색 실선은 각각 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)가 2.25 GHz ~ 2.8 GHz 에서 10 dB 이상의 반사 손실을 갖는 것을 나타내고 있다. 설명되지 않은 나머지 실선은 제1안테나 소자(101)와 나머지 안테나 소자들과의 고립도(isolation)을 보여준다. S21, S31 그리고 S31의 고립도(isolation)이 약 36 dB 이상인 것을 확인할 수 있으며, 이는 수학식 1에 의해서도 상관도(correlation)를 구할 수 있다.

여기서,

는 상관계수(Envelope correlation coefficient)를 의미한다. 이는 하나의 안테나와 다른 안테나의 상관 정도를 보여주는 것인데, 만약 위치한 안테나 간의 상관도가 낮을수록 다른 안테나의 신호와 다르게 동작하는 것이고 상관도가 높을수록 다른 안테나와 비슷하게 동작하는 것을 알려준다. 도 4에 도시된 값을 수학식 1에 대입하면 2.4 GHz 기준으로

,

와 같이 매우 작은 값을 얻을 수 있고, 이는 고립도(isolation)가 높다는 것을 의미한다.

지향성 모드로 동작하는 경우를 살펴보면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 복수의 안테나 소자인 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)가 2차원 동일 공간상에 적층되어 배치된다. 이때, 도 5의 (b)를 참고하면 각 안테나 소자는 야기 우다(Yagi-Uda) 안테나 구조를 따르며, 가장 아래에 위치하는 제1안테나 소자(101)의 접지면은 리플렉터(reflector), 제1안테나 소자(101)의 패치는 드라이버(driver)를 구성한다. 또한, 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)의 패치는 각각 세 개의 디렉터(director)의 역할을 한다.

이때, 드라이버와 리플렉터 역할을 하는 제1안테나 소자(101)는 2.4 GHz에서 동작하도록 설계되었다. 반파장의 길이를 반지름으로 갖는 마이크로스트립 패치 안테나 기술이 사용되었으며, 50옴 종단을 위해 쿼터-웨이버 프랜스포머(quarter-wave transformer)를 이용하여 임피던스를 정합하였다. 제1안테나 소자(101)에 형성된 마이크로 스트립 안테나의 접지면은 야기 우다 안테나의 리플렉터로 동작하도록 설계하였다. 반면, 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)는 야기 우다 안테나 동작을 위해 마이크로 스트립 안테나 구조가 아닌 모노폴 안테나 구조로 설계하였다. 패치, 구체적으로 원형 패치의 크기는 다이버시티 모드일때, 2.4 GHz 대역에서 10 dB 반사 손실을 유지하도록 한 상태에서 지향성 모드일 때에 2.4 GHz에서 가장 높은 이득을 갖도록 설계하였다. 이때, 제1안테나 소자(101)를 제외한 나머지 안테나 소자의 패치는 동일한 크기를 갖도록 설계하고, 지향성 모드의 이득을 높이기 위해 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)에는 최소한의 접지면 성분을 갖도록 CPW 급전과 간극 임피던스 정합기술이 사용되었다.

또한, 각 안테나 소자가 쌓여있는 적층 구조를 갖는데 필요한 각 안테나 소자 간 간격이 결정된다. 야기 우다 안테나가 높은 이득을 갖기 위해 다이버시티 모드에서의 성능과 독립적으로 설계 가능한 변수로써 중요한 설계 파라미터이다. 야기 우다 안테나의 최적화된 설계 이론으로부터 수학식 2를 통해 각 안테나 소자들 간 간격(

)을 구할 수 있다.

여기서,

는 공기를 기준으로 2.4 GHz에 해당하는 파장, 그리고,

은 기판의 유전 상수를 의미한다. 수학식 2로부터 각 안테나 소자들간 간격(

)은 15.52 mm가 계산되었다. 수학식 2를 통해 동작 주파수가 높아질수록,

이 커질수록 각 안테나 소자들 간격(

)이 작아지는 것을 알 수 있다.

도 6은 각 안테나 소자들간 간격(

)에 따른 이득의 변화를 도시한 그리프이다. 디렉터로 동작하는 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)에 위치한 패치의 반지름을 20mm로 고정시킨 후 각 안테나 소자들간 간격(

)을 변화시킨 결과를 도시하고 있다. 0.144

(18mm)의 간격에서 최대 이득을 가지며, 지향성 모드로 가장 높은 이득을 가지는 것을 알 수 있다. 다만, 수학식 2를 통해 계산된 값인 15.52 mm와 다소 차이가 있음을 알 수 있는데, 이는 기판의 두께를 고려하지 않은 수식에서 기인한 오차이다.

또한 다이버시티 모드와 지향성 모드 동작에서 성능을 극대화시키기 위해 급전 선로의 변경이 고려되어야 한다. 다이버시티 모드에서는 네 개의 포트 모두 신호가 인가되어야 하지만, 지향성 모드에서는 제1안테나 소자(101)의 포트에만 신호를 인가하고 나머지는 부동 포트(floating port)로써 동작한다.

본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 사용자의 간단한 조작으로 다이버시티 모드와 지향성 모드로 변환이 가능한 구조를 가진다. 즉, 두 모드를 스위칭(switching)하기 위해 네오디윰(neodymium) 자석을 이용할 수 있다. 이는 작은 크기더라도 강한 자기력을 가지므로, 4 개의 안테나 소자로 이루어진 안테나 어레이가 다이버시티 모드와 지향성 모드로 변화되었을 때 그 형상을 유지할 수 있다. 자석의 사용이 안테나의 성능에 영향을 미치지 않는다는 사실은 실험을 통해 확인하였다. 따라서 4 개의 기판 위, 아래 그리고 옆 면에 네오디윰 자석을 고정시킴으로써 4 개의 안테나 소자(101, 102, 103, 104) 간 탈/부착이 가능하도록 하였고 이 방법을 통해 두 가지 모드의 안테나 어레이 구조를 쉽게 스위칭할 수 있다.

지향성 모드의 성능을 높이기 위해 상술한 바와 같이 마이크로 스트립 구조를 이용한 제1안테나 소자(101)와는 달리, 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)의 급전 방식은 CPW 구조를 사용한다. 도 5에 도시된 바와 같이 지향성 모드 안테나의 동작 원리는 제1안테나 소자(101)에 위치한 패치(드라이버 역할)에서 인가된 전자기 에너지는 리플렉터와 디렉터를 통해 한 방향으로 전달된다. 만약, 리플렉터와 드라이버, 디렉터를 제외한 추가의 도체가 존재하여 에너지 전달에 방해가 되거나, 기존과는 다른 에너지 전달 경로를 생성한다면 결국 안테나가 가지는 지향성은 낮아지게 된다. 이와 같은 이유로 디렉터로 동작하는 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)의 접지면 면적을 최소화하기 위해 모노폴 안테나 구조와 CPW 급전 구조로 설계하였다. 추가적으로 제1안테나 소자(101), 제2안테나 소자(102) 및 제3안테나 소자(103)가 가지는 접지와 원형 패치의 거리를 충분히 설정하고, 포트에서 패치까지 연결하는 선폭도 높은 임피던스를 갖도록 설계한다. 나아가, 간극 정합 방식을 선택하여 커플링의 직접적인 에너지 전달 방식을 통해 한 방향으로 진행하는 에너지의 손실을 최소화하도록 하였다.

또한, 지향성 모드의 이득을 높이기 위해 구부러진 급전선을 사용할 수 있다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이, 제3안테나 소자(103)의 급전 선로를 변형시키기 전과 후의 경우로서, E-Field의 크기를 보여주고 있다. 제3안테나 소자(103)를 제외한 나머지 안테나 소자들은 동일한 구조를 사용하였다. 이때, 드라이버로 동작하는 제1안테나 소자(101)를 제외한 나머지 안테나 소자의 포트들은 신호가 인가되지 않고, 도 7에 도시된 E-Field는 맨 아래의 제1안테나 소자(101)로부터 인가된 신호가 제3안테나 소자(103)까지 커플링되어 전달된 에너지이다. 원형 패치 양쪽의 끝부분에서 E-Field 크기가 최대가 됨을 알 수 있다. 또한, 도 7의 (a)에서는 급전선이 E-Field가 최대가 되는 위치에 연결되어 있지만, 도 7의 (b)에서는 E-Field가 약한 부분과 연결되어 있는 것을 알 수 있다. 도 7의 (a)의 오른쪽 면에 위치하는 포트에는 신호가 인가되지 않았음에도 강한 에너지 분포를 갖는 것을 확인할 수 있는데, 이는 결국 원하지 않는 방향의 에너지 흐름이라는 것을 알 수 있다. 이를 통해 패치와 급전선이 만나는 위치에 따라, 제3안테나 소자(103)에서 제4안테나 소자(104)로 전달되는 전파 에너지가 다른 것을 예상할 수 있으며, 결국 안테나가 가지는 지향성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

도 8은 제3안테나 소자(103)에서 구부러진 급전선을 사용했을 경우와 그렇지 않을 경우의 지향성의 향상을 도시하고 있다. 제3안테나 소자(103)의 급전선을 변형함으로써 후방 방사는 줄어드는 반면, 전방 방사는 증가한 것을 확인할 수 있으며, 최대 이득이 직선으로 급전하였을 경우에 비해 0.93 dB 증가함을 알 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)를 실제 제작하고 그 성능 결과를 분석한 내용을 살펴본다.

본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 손실 탄젠트 0.002, 유전율 4.05를 가지는 1.6 mm 두께의 FR4 기판을 사용하였으며, 사용된 변수는 아래 표 1과 도 9와 같다.

Parameter	Value(mm)	Parameter	Value(mm)	Parameter	Value(mm)
F1	20	G1	0.35	T1	10
F2	13.9	G2	0.5	T2	15
F3	4	W1	3.1	W	103.4
F4	15.7	W2	0.7	L	103.4
F5	13.2	W3	4	R1	17.8
		W4	1.5	R2	20

도 10은 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)가 실제 제작된 다이버시티 모드의 안테나 구조를 보여준다. 격리도를 향상시키기 위한 방법으로 4 개의 안테나 소자의 급전 방향을 서로 직교할 수 있도록 배열하였으며, 자석을 각 안테나 소자 옆 면에 부착하여 안테나를 고정시킨 것을 알 수 있다.

도 11은 주파수에 따른 S-parameter를 측정한 결과와 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 측정시, 동시에 4 개의 신호를 인가시키기 위한 포트가 부족했기 때문에 사용하는 두 개의 포트를 제외한 나머지 포트는 종료(termination)시킨 이후 각각 측정하였다. 측정된 결과를 살펴보면, 빨간색 실선으로 표시된 제1안테나 소자(101)의 동작 주파수는 2.4 GHz에서 20 dB 이상의 반사 손실을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 제1안테나 소자(101)와 나머지 안테나 소자들과의 격리도 또한 약 38 dB 이상의 값을 보여주고 있다. 이는 측정된 결과가 시뮬레이션 결과와 대체적으로 일치하는 것을 보여준다. 또한, 도 4에 도시된 그래프와 비교했을 때 격리도가 일부 향상됨을 알 수 있는데, 이는 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)의 구부린 급전 선로에서 기인한 것임을 알 수 있다. 이외에도 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)의 반사손실 역시 10 dB 이상의 값들을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 이는 2.4 GHz에서 동작하는 것을 보여준다.

도 12는 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)가 실제 제작된 지향성 모드의 안테나 구조를 보여준다. 도 10에 도시된 다이버시티 모드의 구조로부터 자석으로 연결된 각 안테나 소자들을 분리한 이후 포트의 방향을 시계방향으로 돌려가면서 적층한 구조이다. 각 안테나 소자에 커넥터를 연결한 후 적층하였을 경우에는 커넥터가 서로 중첩되는 문제가 발생하므로, 이를 방지하기 위해 회전을 시킨 것이며, 아랫면에서 시작하여 각 안테나 소자를 번호대로 위치시켰다. 측정시 제1안테나 소자(101)의 포트에만 신호를 인가하였으며, 각 안테나 소자 간 간격은 도 6의 결과를 따르도록 제작하였다. 도 13을 통해 시뮬레이션 측정 결과를 알 수 있다. 도 13의 (a) 및 (b)는 다이버시티 모드의 제2안테나 소자(102) 및 제3안테나 소자(103)에 형성된 모노폴 안테나의 이득 패턴을 2.4 GHz에서 도시한 것이고, 도 13의 (c)는 다이버시티 모드의 제1안테나 소자(101)에 형성된 마이크로 스트립 안테나와 지향성 모드의 적층된 야기 우다 안테나의 이득 패턴을 2.4 GHz에서 도시한 것이다. 제1안테나 소자(101)에 형성된 마이크로 스트립 안테나의 최대 이득은 FR4 기판 손실로 인해 2.7 dBi이다. 지향성 모드시 이득은 7.2 dBi로 4.5 dB 향상됨을 알 수 있다. 한편, 제2안테나 소자(102), 제3안테나 소자(103) 및 제4안테나 소자(104)에 형성된 모노폴 안테나의 최대 이득은 0.91 dBi이며, 지향성 모드로 전환시 6.29 dB의 이득 향상을 얻을 수 있다.

도 14에서는 다이버시티 모드와 지향성 모드에서 주파수에 따른 이득 변화를 도시한 그래프이다. 다이버시티 모드에서의 마이크로 스트립 안테나와 모노폴 안테나, 그리고 지향성 모드에서의 이득을 각각 확인하였으며, 측정결과와 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 접이식 안테나 어레이(100)는 다양한 통신 환경에 따라 사용자가 안테나 구조를 손쉽게 변화시킴으로써 채널 이득을 최대화할 수 있다.

이러한 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 익히 알려져 있는 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

이상의 설명에서 '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용되었지만, 각각의 구성요소들은 이러한 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 즉, '제1', '제2' 등의 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 목적으로 사용되었다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, '및/또는'이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미로 사용되었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100 : 접이식 안테나 어레이
110 : 제1안테나 모드부
120 : 제2안테나 모드부

Claims

복수의 안테나 소자를 일정 거리 이격되게 배치하여 전파를 송수신하는 안테나 어레이에 있어서,
상기 복수의 안테나 소자가 1차원 동일 평면상에 펼쳐져 배치되어 제1안테나 모드로 동작하는 제1안테나 모드부; 및
상기 복수의 안테나 소자가 2차원 동일 공간상에 적층되어 제2안테나 모드로 동작하는 제2안테나 모드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 1항에 있어서,
상기 제1안테나 모드는 다이버시티(diversity) 안테나인 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 2항에 있어서,
상기 제2안테나 모드는 지향성 안테나인 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 2항에 있어서,
상기 다이버시티 안테나로 동작하는 상기 복수의 안테나 소자의 급전 방향은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 3항에 있어서,
상기 지향성 안테나로 동작하는 상기 복수의 안테나 소자의 급전 선로의 방향은 순차적으로 시계 방향으로 회전된 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 5항에 있어서,
상기 지향성 안테나로 동작하는 상기 복수의 안테나 소자 중 바닥면에 위치한 제1안테나 소자는 마이크로 스트립 라인 급전 방식을 사용하고, 상기 제1안테나 소자 위로 적층된 제2안테나 소자는 CPW(CoPlanar-Waveguide) 급전 방식과 간극(gap)을 이용한 임피던스 정합 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 1항에 있어서,
상기 제2안테나 모드부는,
바닥면에 위치한 제1안테나 소자 및 상기 제1안테나 소자 위로 적층된 복수의 제2안테나 소자를 포함하며,
상기 제1안테나 소자의 접지면은 리플렉터(reflector)를 구성하고, 상기 제1안테나 소자의 패치는 드라이버(driver)를 구성하며, 상기 제2안테나 소자는 각각 복수의 디렉터(director)를 구성하는 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 7항에 있어서,
상기 제1안테나 소자 및 상기 복수의 제2안테나 소자는 서로 일정거리 이격되어 적층된 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.
제 8항에 있어서,
상기 복수의 제2안테나 소자 중 어느 하나 이상의 안테나 소자는 구부러진 급전선을 사용하는 것을 특징으로 하는 접이식 안테나 어레이.