KR101476091B1 - 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나 - Google Patents

이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나 Download PDF

Info

Publication number
KR101476091B1
KR101476091B1 KR20140002058A KR20140002058A KR101476091B1 KR 101476091 B1 KR101476091 B1 KR 101476091B1 KR 20140002058 A KR20140002058 A KR 20140002058A KR 20140002058 A KR20140002058 A KR 20140002058A KR 101476091 B1 KR101476091 B1 KR 101476091B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antenna
triangular
loop
dipole antenna
base station
Prior art date
Application number
KR20140002058A
Other languages
English (en)
Inventor
이병제
윤용현
위현호
문병귀
이현우
이수영
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR20140002058A priority Critical patent/KR101476091B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101476091B1 publication Critical patent/KR101476091B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/50—Feeding or matching arrangements for broad-band or multi-band operation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H01Q7/04—Screened antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole

Abstract

본 발명은 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나 구조에 관한 것으로, 반사면을 제공하는 그라운드 판(1); 그라운드 판(1)과 방사체와 전기적으로 연결되는 한쌍의 급전 지지대(4,5); 광대역 특성을 제공하기 위한 한쌍의 사각 루프형 다이폴 방사체(2) 및 분기된 삼각 루프형 다이폴 방사체(3); 한쪽의 급전 지지대에 연결되어 임피던스 정합과 대역폭 증가에 기여하는 발룬(balun; balance to unbalance transformer) 역할을 하는 단락된 1/4 파장 스터브(open-ended λ/4 stub)(6)로 구성되며, 한 쌍의 방사체는 한쌍의 사각 및 삼각 루프형 구조가 서로 평행하게 위치되고 전기적으로 분리되는 구조이며, 안테나의 급전은 각각의 급전 지지대(4,5)가 좌측 및 우측 방사체와 각각 연결되고, 한쪽 급전지지대(5)는 급전부(SMA 컨넥터)와 직접 급전을 통하여 급전이 이루어지고, 서로 전기적으로 분리되어 있는 반대편 급전 지지대(4)는 그라운드 판(1)과 연결되는 구조로 형성되며, 좌측 방사체와 우측 방사체가 각각 삼각형 및 사각형 루프 다이폴 안테나와 스터브(6)의 단순한 구조만으로 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 및 중계기 안테나의 1,710~2,690 MHz의 주파수 대역(VSWR<2)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나{Compact wideband dipole antenna with the radiator structure of triangular and rectangular loops for the base station and repeater system of mobile communication systems}
본 발명은 2G, 3G, 4G LTE 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서, 축소된 면적으로 광대역 특성을 갖는 기지국과 중계기의 광대역 안테나를 제공하여 2G, 3G, 4G LTE 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나에 관한 것이다.
최근, 이동통신 시스템(mobile communication systems)이 급격하게 발전됨에 따라서 이동통신 서비스 수요가 급증하게 되었다. 현재 2G, 3G 서비스 뿐만 아니라 4G의 LTE 시스템이 상용화되어, 이동통신 사업자 또는 통신 시스템 그리고 다수의 국가에 따라 새로운 서비스 대역이 늘어남에 따라 이동통신 서비스 주파수 대역(예를들면, 한국의 경우, 2G 1,710~1,870 MHz, 3G 1,920~2,170 MHz, 4G LTE 2,500~2,690 MHz)이 혼재되어 있는 상황이다. 특히 데이터의 고속전송에 대한 요구가 늘어남에 따라 기존 서비스 대역으로 이를 충족시키지 못하고 있다. 이러한 이슈에 따라 각 양 통신기지국에 하나의 안테나만을 설치하여 서비스할 수 있도록 넓은 대역폭을 만족하는 광대역 안테나 기술이 부각되고 있다. 기존의 다양한 주파수에서 운용되는 각 양 기지국 서비스를 하나의 서비스로 통합하게 되면, 기지국 및 중계기 설치와 운용 유지비를 절감할 수 있다. 따라서, 새로운 광대역 시스템에 적합한 광대역 안테나는 무엇보다 각 서비스 대역을 만족시키는 광대역 특성을 가질 뿐만 아니라, 기지국 또는 중계기 안테나의 소형화되어 유연하게 이동통신 시스템에 적용하도록 크기 축소 등이 요구되고 있다. 그러나 축소된 사이즈가 요구되는 광대역 안테나는 그 구조가 복잡하고, 광대역 특성을 만족하기 위해 부가적인 방사소자가 필요하기 때문에 사이즈가 상당히 커지게 되고, 이에 따라 비용적인 부분에서 어려움이 있었다.
2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 또는 중계기의 안테나는 주로 마이크로 스트립 패치 안테나와 다이폴 안테나 구조를 사용하며, 마이크로 스크립 패치 안테나는 소형화, 경량화가 가능한 구조를 기반으로 하는 광대역 기법에 많은 연구와 개발이 되고 있다. 그러나, 마이크로스트립 안테나는 소형, 박형, 경량 등과 같은 장점을 가지고 있지만 대역폭 확장에 한계가 있으며, 높은 입력 임피던스로 인해 급전 구조의 복잡성이 문제가 된다.
또한, 다이폴 안테나는 마이크로 스트립 안테나에 비해 넓은 대역폭을 가지며 낮은 입력 임피던스로 인해 급전부의 설계가 쉬워진다. 그리고, 소형화를 위한 다이폴 안테나는 전 방향성(Omni-directional)의 패턴 형태를 갖기 때문에 지향성이 부족하여 고이득 특성을 갖는데 어려움이 있다.
그러고 축소된 사이즈에서 요구되는 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 또는 중계기의 광대역 안테나에서 그 구조가 복잡하고, 광대역 특성을 만족하기 위해 부가적인 방사소자가 필요하기 때문에 안테나의 사이즈가 상당히 커지게 된다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서, 축소된 면적으로 광대역 특성을 갖는 기지국과 중계기의 광대역 안테나를 제공하여 2G, 3G, 4G LTE 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나는, 다이폴 안테나 구조에 있어서, 반사면을 제공하는 그라운드 판(1); 상기 그라운드 판(1)과 방사체와 전기적으로 연결되는 한쌍의 급전 지지대(4,5); 광대역 특성을 제공하기 위한 한쌍의 사각 루프형 다이폴 방사체(2) 및 분기된 삼각 루프형 다이폴 방사체(3); 한쪽의 급전 지지대에 연결되어 임피던스 정합과 대역폭 증가에 기여하는 발룬(balun; balance to unbalance transformer) 역할을 하는 단락된 1/4 파장 스터브(open-ended λ/4 stub)(6)로 구성되며, 한 쌍의 방사체는 한쌍의 사각 및 삼각 루프형 구조가 서로 평행하게 위치되고 전기적으로 분리되며, 안테나의 급전은 각각의 급전 지지대(4,5)가 좌측 및 우측 방사체와 각각 연결되고, 한쪽 급전지지대(5)는 급전부(SMA 컨넥터)와 직접 급전을 통하여 급전이 이루어지며, 서로 전기적으로 분리되어 있는 반대편 급전 지지대(4)는 상기 그라운드 판(1)과 연결되는 구조로 형성된다.
상기 다이폴 안테나는 상기 이동통신 기지국과 중계기의 광대역 안테나에서 광대역 특성을 만족하기 위해 안테나의 사이즈가 상당히 커지게 되는 문제점을 극복하도록 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 소형 다이폴 안테나를 설계하여 광대역용 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나와 추가적인 1/4 파장 스터브를 사용한 단순한 구조 만으로 안테나의 사이즈를 줄이고 1,710~2,690 MHz의 임피던스 대역폭을 만족하며 고이득 특성을 가지는 이동통신 기지국과 중계기의 광대역 안테나의 성능을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나에서, 사각 루프형 다이폴 안테나와 분기된 삼각 루프형 다이폴 안테나의 동작모드는 안테나의 전류 방향의 성분에 따라 해석이 가능하며, 두 모드 모두 수직 방향의 전류 성분들은 반대 방향을 이루게 됨으로 전류가 상쇄되고, 결국 수평 방향의 전류 성분이 다이폴 안테나의 배열 안테나와 유사하기 때문에 넓은 임피던스 대역폭 뿐만 아니라 고이득의 특성을 가진 광대역 안테나의 특성을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나에서, 좌측 방사체와 우측 방사체가 각각 삼각 및 사각형 루프 안테나와 스터브의 단순한 구조만으로 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 및 중계기 안테나의 1,710~2,690 MHz의 주파수 대역(VSWR<2)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나 구조는 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서, 축소된 면적으로 광대역 특성을 갖는 기지국과 중계기의 광대역 안테나를 제공하여 2G, 3G, 4G LTE 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나를 제공하게 되었다.
본 발명에 따른 광대역 종래의 패치 안테나 또는 다이폴 안테나 구조들의 복잡한 형상과, 가공성, 가격적인 단점을 보완하면서 축소된 사이즈에서 광대역 특성을 제공하는 단순한 구조이므로, 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 2G, 3G, 4G 고정형 기지국 안테나 및 중계기 안테나 뿐만 아니라 빔 스티어링(Beam steering)을 위한 기지국 또는 중계기 배열 안테나 시스템의 단일소자로 사용 가능하다.
또한, 2G, 3G, 4G의 LTE 이동통신 시스템의 기지국 및 중계기 안테나를 상용화함으로써 각 양 통신기지국의 서비스를 하나의 안테나만으로 서비스할 수 있도록 넓은 대역폭을 만족하는 광대역 안테나를 개발하였으며, 기존의 다양한 주파수에서 운용되는 각 양 기지국 서비스를 하나의 서비스로 통합하게 되면 이동통신 기지국 및 중계기 설치와 운용 유지비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 측면도이다.
도 3은 도 1의 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 평면도이다.
도 4는 사각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드와 제안된 광대역 안테나의 전류 방향을 나타낸 도면이다.
도 5는 삼각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드와 제안된 광대역 안테나의 전류 방향을 나타낸 도면이다.
도 6은 제안된 광대역 안테나 구조의 측면도의 그 수치(단위:mm)를 나타낸 도면이다.
도 7은 제안된 광대역 안테나 구조의 평면도의 그 수치를 나타낸 도면이다.
도 8은 EM툴(Electromagnetic tool) 시뮬레이션 결과로써, 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 9는 EM툴 시뮬레이션 결과로써, 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나의 이득을 나타낸 그래프이다.
도 10은 이동통신 기지국과 중계기 안테나에서 요구하는 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 소형 다이폴 안테나의 1,710 MHz에서의 정규화된 방사패턴[(a)XZ-plane, (b)YZ-plane]을 나타낸 도면이다.
도 11은 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 소형 다이폴 안테나의 1,710~2,690 MHz의 중심주파수(2,200MHz)에서의 정규화된 방사패턴[(a)XZ-plane, (b)YZ-plane]을 나타낸 도면이다.
도 12는 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 소형 다이폴 안테나의 2,690 MHz에서의 정규화된 방사패턴[(a)XZ-plane, (b)YZ-plane]을 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적, 특징, 장점들은 첨부한 도면들을 참조하여 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서의 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 측면도이다.
도 3은 도 1의 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 평면도이다.
본 발명의 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나는 반사면을 제공하는 그라운드 판(1); 사각형 구조의 방사체가 형성된 사각 루프형 다이폴 안테나(2); 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 및 중계기의 광대역 특성을 갖기 위해 상기 사각 루프형 다이폴 안테나(2)로부터 분기된 삼각 루프형 다이폴 안테나(3); 상기 그라운드 판(1)과 연결되는 급전지지대(4); 안테나에 전기 신호를 입력하는 급전부(50, SMA 컨넥터) 및 급전부에 연결되는 급전지지대(5); 및 2G, 3G, 4G 무선 신호를 송수신하기 위해 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 및 중계기 안테나의 광대역 특성을 갖기 위해 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 1/4 파장 스터브(open-ended λ/4 stub)(6)로 구성되며, 상기 그라운드 판(1)과 사각형 구조 및 삼각형 구조의 방사체(2,3)와 전기적으로 연결되는 한쌍의 급전 지지대(4,5)를 구비한다.
본 발명에 따른 광대역 종래의 패치 안테나 또는 다이폴 안테나 구조들의 복잡한 형상과, 가공성, 가격적인 단점을 보완하면서 축소된 사이즈에서 광대역 특성을 제공하는 단순한 구조이므로, 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 고정형 기지국 안테나 및 중계기 안테나 뿐만 아니라 빔 스티어링(Beam steering)을 위한 기지국 또는 중계기 배열 안테나 시스템의 단일소자로 사용 가능하다.
본 발명의 광대역용 다이폴 안테나는, 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나 구조에 있어서, 반사면을 제공하는 그라운드 판(1); 그라운드 판과 방사체와 전기적으로 연결되는 한쌍의 급전 지지대(4,5); 광대역 특성을 제공하기 위한 한쌍의 사각 루프형 다이폴 방사체(2) 및 분기된 삼각 루프형 다이폴 방사체(3); 한쪽의 급전 지지대에 연결되어 임피던스 정합과 대역폭 증가에 기여하는 단락된 1/4 파장 스터브(open-ended λ/4 stub)(6)로 구성된다. 한 쌍의 방사소자는 서로 평행하게 위치되어 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 구조는 VSWR<2 기준으로 50.73 % 임피던스 대역폭(1,655~2,780 MHz)을 가진다. 사각 루프형 및 삼각 루프형 방사체(2,3), 급전지지대(4,5), 스터브(6)는 메탈 소재(metallic material)로 설계 제작되었고, 제안된 광대역용 다이폴 안테나는 EM 시뮬레이션 제작과 측정을 병행하였다.
한 쌍의 방사체는 한쌍의 삼각 및 사각 루프형 구조가 서로 평행하게 위치되고 전기적으로 분리되며, 안테나의 급전은 각각의 급전 지지대(4,5)가 왼쪽 및 오른쪽 방사체와 각각 연결되고, 그라운드 판(1)으로 연결되는 급전 지지대(4)와 왼쪽 광대역 방사체의 접합부(7)와 급전부로 연결되는 급전 지지대(5)와 오른쪽 광대역 방사체의 접합부(8)를 구비하며, 한쪽 급전지지대(5)는 급전부(SMA 컨넥터)와 직접 급전을 통하여 급전이 이루어지며, 서로 전기적으로 분리되어 있는 반대편 급전 지지대(4)는 상기 그라운드 판(1)과 연결되는 구조로 형성된다.
본 발명은 2G, 3G, 4G LTE 광대역 특성을 갖기 위하여 한쌍의 사각형 루프 다이폴 안테나와 분기되는 삼각형 루프형 다이폴 안테나를 삽입함으로써 광대역 특성을 갖는다. 광대역 특성을 갖는 방사체는 한쌍의 사각 및 삼각 루프형 구조가 평행하게 위치되고 전기적으로 분리된 구조이며, 안테나의 급전은 각각의 급전 지지대(4,5)가 방사체(2,3)가 각각 연결되어 있고, 한쪽 급전지지대(5)는 급전부(SMA 컨넥터)와 직접 급전을 통하여 급전(feeding)이 이루어지고, 서로 전기적으로 분리되어 있는 반대편 급전 지지대(4)는 그라운드 판(1)과 연결되어 있는 구조를 가진다.
EM 시뮬레이션 및 측정결과, 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나와 스터브의 단순한 구조로만으로 1,655~2,780 MHz의 대역을 만족하고 대역폭 50.73%의 광대역 특성을 가진다. 상기 광대역 특성을 갖는 삼각 루프형 다이폴 방사체 및 사각 루프형 다이폴 방사체와 함께 1/4 파장 스터브(stub)를 추가함으로써 2G, 3G, 4G LTE의 이동통신 대역인 1,710~2,690 MHz(대역폭 44.55 %)를 모두 만족시켰다.
본 발명에서 사각 루프형 다이폴 안테나와 분기된 삼각 루프형 다이폴 안테나의 동작모드와 그 전류 분포를 도 4 및 도 5에 나타냈다.
먼저, 사각 루프형 다이폴 안테나는 설계 대역을 기준으로 상대적으로 낮은 주파수인 1,710~2,170 MHz 대역에서 동작하도록 전체 루프의 길이는 해당 대역의 중간주파수인 약 1,950 MHz에 대응하는 파장으로 되어 있으며, 그림에서 보는 바와 같이 일반적인 사각형 모양(장방형)의 루프 구조를 가진다. 여기서, 루프 형태란 평면형의 방사 소자에서 가운데 부분이 비어 있어 루프 형태를 갖는 형상을 말한다. 그리고, 설계대역을 기준으로 상대적으로 높은 주파수에 해당하는 2,500~2,690MHz의 LTE 대역을 이루기 위한 삼각 루프형 다이폴 안테나로 동작할 때는 삼각형 루프에서 3변의 길이(루프의 총 둘레)가 약 2600 MHz에 대응하는 1파장이 된다. 급전은 한 쌍의 사각 루프형 다이폴 구조의 중앙 중심에 급전 지지대를 전기적으로 연결함으로써 급전이 이루어지도록 고안되었다. 한쪽 급전지지대(4)는 직접 급전과 다른 한쪽 급전 지지대(4)는 그라운드 판(1)과 연결되어 있다. 광대역 방사 소자는 한 쌍의 사각 및 삼각 루프형 구조의 방사체가 평행하게 위치되고 전기적으로 분리되어 있는 구조이며, 안테나의 급전은 각각의 급전 지지대(4,5)가 방사체와 각각 연결되어 있다.
이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나는 사각 루프형 다이폴 안테나 형태와 삼각 루프형 다이폴 안테나 형태의 두 가지 모드로 동작한다.
도 4는 사각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드와 제안된 광대역 안테나의 전류 방향을 나타낸 도면이다.
도 5는 삼각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드와 제안된 광대역 안테나의 전류 방향을 나타낸 도면이다.
도 6은 제안된 광대역 안테나 구조의 측면도의 그 수치(단위:mm)를 나타낸 도면이다. 도 7은 제안된 광대역 안테나 구조의 평면도의 그 수치를 나타낸 도면이다.
도 4와 도 5의 전류분포에서 보는 것과 같이 본 발명에서 제안된 광대역 안테나는 두 가지 모드로 동작한다.
먼저 1,710~2,170 MHz 대역을 이루기 위한 사각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드로 동작할 때는, 긴 장방형 사각형 루프에서 긴 변과 짧은 변의 길이(루프의 총 둘레)가 1 파장이 된다. 또한, 한 쌍이 평행하게 놓여져 있음으로 한 쌍의 급전지지대로부터 급전(feeding)이 이루어질 때 각각 루프 안테나로 동작하게 되며, 수직 방향(y축 방향)의 전류 성분들은 반대방향을 이루게 됨으로써 서로 상쇄되고. 결국 수평 방향(x축 방향)의 전류 성분이 다이폴 안테나의 배열 안테나와 유사하게 된다.
또한, 2,500~2,690 MHz 대역을 이루기 위해 삼각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드로 동작할 때는, 삼각형 루프에서 세 변의 길이(루프의 총 길이)가 1 파장이 된다. 사각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드와 마찬가지로 한 쌍이 평행하게 놓여져 있음으로 한 쌍의 급전지지대(4,5)로부터 급전이 이루어 질 때 각각 루프 안테나로 동작하게 되며, 수직 방향(y축 방향)의 전류 성분들은 반대방향을 이루게 됨으로써 상쇄되고, 수평방향(x축 방향)을 갖는 전류 성분이 다이폴 안테나의 배열 안테나와 유사하게 된다. 또한, 광대역 안테나의 임피던스 정합 특성이 양호하게 되도록 하기 위해 다이폴 소자의 길이를 변화시킴으로써 최적화 되었다.
결론적으로, 삼각 및 사각 루프형 다이폴 구조만으로 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 및 중계기 안테나의 1,710~2,690 MHz의 주파수 대역(VSWR<3)을 만족하도록 설계되었다. 그러나, 도체 직경에 대한 다각형 루프 안테나의 임피던스 변화는 다이폴 안테나와 유사하기 때문에 고주파 대역(삼각 루프형 다이폴 안테나 동작 모드)에서 임피던스 정합에 어려움이 있었다. 따라서, 이동통신 기지국 및 중계기 안테나의 상용화를 위한 설계 기준인 VSWR<2 기준을 만족하기 위해, 이동통신용 광대역 주파수 대역의 고주파 대역에서 임피던스 매칭과 대역폭 확장에 기여할 수 있는 발룬(balun)의 역할을 하는 스터브(6)를 추가하였다. 일반적으로 방사소자의 급전과정에서 발룬(balun; balance to unbalance transformer)은 2개의 도체 또는 도체선을 통해 공급되는 신호를 매칭시키는 임피던스 정합의 역할과 직렬 또는 병렬 캐패시턴스의 값을 갖도록 하는 역할로 사용된다. 상기 방사소자는 추가적인 단락된 1/4파장 스터브(open-ended λ/4 stub)(6)를 사용하였고, 이동통신 기지국과 중계기 안테나의 임피던스 정합과 1,710~2,690MHz 이동통신 주파수의 대역폭 증가에 기여하도록 하였다. 상기 광대역 특성을 갖는 사각 루프형 다이폴 방사체(2) 및 삼각 루프형 다이폴 방사체(3)와 함께 1/4파장 스터브(6)를 추가함으로써 2G, 3G, 4G LTE 이동통신 대역인 1,710~2,690 MHz(대역폭 44.55%)를 모두 만족시켰다.
도 8은 EM툴(Electro Magnetic tool) 시뮬레이션 결과로써, 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 9는 EM툴 시뮬레이션 결과로써, 광대역 특성을 갖는 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나의 이득을 나타낸 그래프이다.
도 10은 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 1,710 MHz에서의 방사패턴[(a)XZ-plane, (b)YZ-plane]을 나타낸 도면이다.
도 11은 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 1,710~2,690 MHz의 중심주파수(2,200MHz)에서의 방사패턴[(a)XZ-plane, (b)YZ-plane]을 나타낸 도면이다.
도 12는 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나의 2,690 MHz에서의 방사패턴[(a)XZ-plane, (b)YZ-plane]을 나타낸 도면이다.
본 발명의 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나는 광대역 특성을 요구하는 2G, 3G, 4G 고정형 기지국 및 중계기 시스템의 안테나로써 적용 가능하며, 빔 스티어링(Beam steering)을 위한 기지국 및 중계기 시스템의 안테나로써 적용가능하다.
2G, 3G, 4G의 LTE 이동통신 기지국 및 중계기 안테나를 상용화함으로써 각 양 통신기지국의 서비스를 하나의 안테나만으로 서비스할 수 있도록 넓은 대역폭을 만족하는 광대역 안테나를 개발하였으며, 기존의 다양한 주파수에서 운용되는 각 양 기지국 서비스를 하나의 서비스로 통합하게 되면 이동통신 기지국 및 중계기 설치와 운용 유지비를 절감할 수 있다.
따라서, 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나와 추가적인 스터브를 사용한 단순한 구조 만으로 1,655~2,780 MHz의 임피던스 대역폭 50.73%를 만족하는 이동통신 기지국과 중계기의 광대역 안테나의 성능을 제공하게 되었다.
본 발명에 따른 광대역 안테나는 종래의 패치 안테나 또는 다이폴 안테나 구조들의 복잡한 형상과 가공성, 가격적인 단점을 보완하면서 적은 면적을 가지면서, 광대역 특성을 제공하는 단순한 구조이며, 뿐만 아니라 고이득의 성능을 제공한다.
따라서, 기존 안테나보다 본 발명에서 제안된 광대역 특성을 가진 안테나는 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 고정형 기지국 안테나 및 중계기 안테나 뿐만아니라 빔 스티어링(Beam steering)을 위한 기지국 또는 중계기 배열 안테나 시스템의 단일 소자로 사용 가능한 장점을 가진다.
이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나는 사각 루프형 다이폴 안테나 형태와 삼각 루프형 다이폴 안테나 형태의 두 가지 모드로 동작한다. 따라서, 각 도체의 직경에 대한 함수인 다각형 루프 안테나의 임피던스 변화는 다이폴 안테나와 유사함에 따라 각 루프 도체의 반경을 각각 조절하여 설계가 가능하도록 하였다.
본 발명의 사각 루프형 다이폴 안테나와 분기된 삼각 루프형 다이폴 안테나의 동작모드는 안테나의 전류 방향의 성분에 따라 해석이 가능하며, 두 모드 모두 수직 방향의 전류 성분들은 반대 방향을 이루게 됨으로 전류가 상쇄되고, 결국 수평 방향의 전류 성분이 다이폴 안테나의 배열 안테나와 유사히기 때문에 넓은 임피던스 대역폭 뿐만 아니라 고이득의 특성을 가진 광대역 안테나의 특성을 얻게 되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
1: 그라운드 판
2: 사각 루프형 다이폴 방사체
3: 분기된 삼각 루프형 다이폴 방사체
4: 그라운드 판과 연결되는 급전지지대
5: 급전부(50, SMA 컨넥터) 및 이에 연결되는 급전지지대
6: 1/4 파장 스터브
7: 그라운드 판으로 연결되는 급전 지지대와 왼쪽 광대역 방사체의 접합부
8: 급전부로 연결되는 급전 지지대와 오른쪽 광대역 방사체의 접합부

Claims (4)

  1. 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나 구조에 있어서,
    반사면을 제공하는 그라운드 판(1);
    상기 그라운드 판(1)과 방사체와 전기적으로 연결되는 한쌍의 급전 지지대(4,5);
    광대역 특성을 제공하기 위한 한쌍의 사각 루프형 다이폴 방사체(2) 및 분기된 삼각 루프형 다이폴 방사체(3);
    한쪽의 급전 지지대에 연결되어 임피던스 정합과 대역폭 증가에 기여하는 발룬(balun; balance to unbalance transformer) 역할을 하는 단락된 1/4 파장 스터브(open-ended λ/4 stub)(6)로 구성되며,
    한 쌍의 방사체는 한쌍의 사각 및 삼각 루프형 구조가 서로 평행하게 위치되고 전기적으로 분리되며, 안테나의 급전은 각각의 급전 지지대(4,5)가 좌측 및 우측 방사체와 각각 연결되고, 한쪽 급전지지대(5)는 급전부(SMA 컨넥터)와 직접 급전을 통하여 급전이 이루어지며, 서로 전기적으로 분리되어 있는 반대편 급전 지지대(4)는 상기 그라운드 판(1)과 연결되는 구조로 형성되는 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나는 상기 이동통신 기지국과 중계기의 광대역 안테나에서 광대역 특성을 만족하기 위해 안테나의 사이즈가 상당히 커지게 되는 문제점을 극복하도록 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나를 설계하여 광대역용 삼각 및 사각 루프형 다이폴 안테나와 추가적인 1/4 파장 스터브를 사용한 단순한 구조 만으로 안테나의 사이즈를 줄이고 1,710~2,690 MHz의 주파수 대역(VSWR<2)을 만족하며 고이득 특성을 가지는 이동통신 기지국과 중계기의 광대역 안테나의 성능을 제공하는 것을 특징으로 하는 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나에서, 사각 루프형 다이폴 안테나와 분기된 삼각 루프형 다이폴 안테나의 동작모드는 안테나의 전류 방향의 성분에 따라 해석이 가능하며, 두 모드 모두 수직 방향의 전류 성분들은 반대 방향을 이루게 됨으로 전류가 상쇄되고, 결국 수평 방향의 전류 성분이 다이폴 안테나의 배열 안테나와 유사하기 때문에 넓은 임피던스 대역폭 뿐만 아니라 고이득의 특성을 가진 광대역 안테나의 특성을 제공하는 것을 특징으로 하는 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 다이폴 안테나에서, 좌측 방사체와 우측 방사체가 각각 삼각형 및 사각형 루프 다이폴 안테나 구조만으로 2G, 3G, 4G 이동통신 기지국 및 중계기 안테나의 1,710~2,690 MHz의 주파수 대역(VSWR<3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나
KR20140002058A 2014-01-07 2014-01-07 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나 KR101476091B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140002058A KR101476091B1 (ko) 2014-01-07 2014-01-07 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140002058A KR101476091B1 (ko) 2014-01-07 2014-01-07 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101476091B1 true KR101476091B1 (ko) 2014-12-23

Family

ID=52679819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20140002058A KR101476091B1 (ko) 2014-01-07 2014-01-07 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101476091B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768814A (zh) * 2016-08-23 2018-03-06 莱尔德技术股份有限公司 天线、天线组件、四端口天线组件和多端口天线组件
CN113451757A (zh) * 2021-06-28 2021-09-28 中信科移动通信技术股份有限公司 一种宽频双极化辐射单元

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020034820A (ko) * 2000-11-02 2002-05-09 구관영 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나
KR20070034924A (ko) * 2005-09-26 2007-03-29 한국전자통신연구원 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프안테나
KR20110062828A (ko) * 2009-12-04 2011-06-10 주식회사 에이스테크놀로지 급전구조를 개선한 이중편파 다이폴 안테나
KR20120015163A (ko) * 2010-08-11 2012-02-21 중앙대학교 산학협력단 수직 편파 신호를 수신하는 로우 프로파일 안테나

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020034820A (ko) * 2000-11-02 2002-05-09 구관영 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나
KR20070034924A (ko) * 2005-09-26 2007-03-29 한국전자통신연구원 같은 방향의 균일 전류 방사 전원을 가지는 전기적 루프안테나
KR20110062828A (ko) * 2009-12-04 2011-06-10 주식회사 에이스테크놀로지 급전구조를 개선한 이중편파 다이폴 안테나
KR20120015163A (ko) * 2010-08-11 2012-02-21 중앙대학교 산학협력단 수직 편파 신호를 수신하는 로우 프로파일 안테나

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768814A (zh) * 2016-08-23 2018-03-06 莱尔德技术股份有限公司 天线、天线组件、四端口天线组件和多端口天线组件
CN113451757A (zh) * 2021-06-28 2021-09-28 中信科移动通信技术股份有限公司 一种宽频双极化辐射单元
CN113451757B (zh) * 2021-06-28 2023-11-14 中信科移动通信技术股份有限公司 一种宽频双极化辐射单元

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105684217B (zh) 用于基站天线的壕沟中的高频段辐射器
CN102918705B (zh) 多频带天线的双极化辐射元件
EP2908380B1 (en) Wideband dual-polarized patch antenna array and methods useful in conjunction therewith
CN104300201B (zh) 用于无线通信的天线元件
KR20120086838A (ko) Ｐｃｂ 기판형 광대역 이중 편파 다이폴 안테나
KR20130134793A (ko) 이중대역용 이중편파 다이폴 안테나 및 안테나 어레이
CN103036073A (zh) 双频双极化天线
EP2276107A2 (en) Single feed planar dual-polarization multi-loop element antenna
KR100467904B1 (ko) 스켈톤 슬롯 복사기 및 그를 이용한 다중대역 패치 안테나
CN101834345A (zh) 超宽频带天线及其单、双极化辐射单元
KR20130112518A (ko) 광대역용 이중편파 다이폴 안테나 및 안테나 어레이
CN106450706A (zh) 一种宽带双极化磁电偶极子基站天线
US10680346B2 (en) Antenna system with frequency dependent power distribution to radiating elements
CN112467364B (zh) 一种双频融合天线阵列、共模抑制方法及通信设备
US11239544B2 (en) Base station antenna and multiband base station antenna
KR20050107881A (ko) 광대역 특성의 다중 미앤더 스트립 모노폴 안테나
CN115173065B (zh) 一种多模式融合的宽带双极化基站天线及通信设备
Chen et al. A low profile broadband dual-polarized base station antenna using folded dipole radiation element
US8698696B1 (en) Corporate feed network for compact ultra wideband high gain antenna arrays
AU2016250326B2 (en) Multiband antenna
CN201820879U (zh) 超宽频带天线及其单、双极化辐射单元
CN105490035B (zh) 一种低剖面gsm、lte共面定向天线
Thakur et al. A review on antenna design for 5G applications
KR101476091B1 (ko) 이동통신 기지국 및 중계기 용 삼각 및 사각 루프형 방사체 구조의 광대역 소형 다이폴 안테나
CN102683829B (zh) 移动通信装置及其天线结构

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171106

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191202

Year of fee payment: 6