KR101481994B1 - 광대역 복편파 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 복편파 안테나 장치에 관한 것이다. 이 안테나 장치는 반사판의 전방에 배치된 저주파수 대역의 제1안테나 기판과 고주파수 대역의 제2안테나 기판(14)을 단일 급전방식으로 포함하며, 그 후방의 반사판에서 절곡되어 그 단부가 상기 기판의 교차 다이폴의 끝단에 근접하도록 설계된 펜스를 포함한다. 본 발명의 안테나 장치에 따르면, 저주파수 대역 및 고주파수 대역의 안테나 기판 2 개를 결합하고 반사판 펜스 구조에서 기생소자의 역할을 지원함으로써, 안테나 장치의 광대역 특성을 구현하는 동시에 소형화가 가능해지는 효과가 있다.

Description

광대역 복편파 안테나 장치 {Wideband dual-polarization antenna device}

본 발명은 주로 이동통신 시스템에서 사용되는 복편파 안테나에 관한 것으로, 특히 소형화, 광대역, 정재파 특성의 측면에서 매우 유효한 안테나 장치에 관한 것이다.

복편파 또는 이중편파 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 수신경로 이중화 구현을 위한 안테나로 이용되고 있다.

이러한 종류의 안테나에 관련하여 많은 연구가 있어 왔는데, 주로 다이폴 소자의 배치 및 소자 급전구조에 관련된 것이다. 예를 들면, 대체로 다음과 같다.

1) 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. 다이폴 안테나는 상기 급전기의 적용으로 인하여 각 안테나에 의한 ±45°이중편파 복사가 가능해진다.

2) 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 케이블로부터 신호 급전되며, 이에 따라 각 안테나에 의한 ±45°이중편파 복사가 가능해진다.

3) 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.

상기 특허 제865749호, 제870725호 등에서는 안테나의 광대역 특성 향상을 위하여 '발룬(balun)' 구조를 적용하고 있으며, 그 외에도 경우에 따라서는 광대역 보상패드를 더 구성하기도 한다. 이 구조에서 발룬 부분은 동축 케이블과 쌍을 이루게 하기 위하여 소위 '발룬 케이블'이라고 하는 이형금속 구조물을 적용한다.

이상의 예들에서 알 수 있듯이, 복편파 안테나에 관련한 종래의 기술들은 주로 기판 자체의 다이폴 소자의 배치 및 소자 급전구조에 관련되어 있으며, 특히, 교차하는 안테나 급전라인에 대한 3차원 급전방식에 관련되어 있다. 이는 기본적으로, 복편파 안테나에서는 인접한 소자 간 상호 간섭이 많고 그로 인하여 정재파비 및 격리도 특성이 떨어지며, 한편으로는 그 해결을 위한 안테나 튜닝이 실제로 매우 어렵기 때문이다.

다만, 이 제안된 기술들이 복편파 안테나의 실제 적용성을 보장하지는 않는다. 대체로 이러한 복편파 안테나를 이용하여 통신용 중계기 등에 적용하는 경우, 광대역 특성의 구현을 고려하여, 반사판 상에서 상당한 어레이 또는 크기를 가지고 제작된다. 따라서 그 제작, 설치, 환경조건 등에서 매우 불리한 면이 있다. 이에 안테나 장치의 소형화를 실현하기 위한 개발들이 있어 왔지만, 소형이면서 광대역을 구현하는데에는 만족스러운 결과를 나타내지 못하였다.

다른 예로, 본 출원인에 의한 특허 제1290087호에 개시된 복편파 안테나 장치가 있다. 도 1을 참조하면, 이 안테나 장치(1)는 교차 배치된 두 개의 다이폴 소자를 갖는 복편파 안테나 기판(2)과, 상기 기판(2)의 후방에 배치되는 반사판(3), 기판(2) 전방에 대면하여 이격 배치되는 다수의 도파기(4), 상기 요소(3,2,4)를 차례로 정렬시키는 봉형 지지대(5)로 이루어진다.

이 안테나 장치(1)는 복편파 안테나의 적정 특성을 구조적인 측면에서 달성하고자 한 것으로, 다수의 도파기(4)와 이를 고정하는 지지대(5) 등을 이용한다. 그러나 이 구조에서 안테나의 요구 특성을 만족시키기 위하여는 실제로 상당 수의 도파기(4) 및 상응하는 크기 또는 길이의 지지대(5) 등이 필요하다. 한편, 안테나 장치(1)을 구성하는 각 요소 즉 기판(2), 반사판(3), 도파기(4) 등의 유기적 관계에 있어서도 특이한 성질이 발견되지 않는다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 안테나 장치들의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 가능한 소형으로 제작 가능함과 동시에, 광대역 특성을 구현할 수 있는 복편파 안테나 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 안테나 장치는:

교차 다이폴을 갖는 복편파 안테나 기판으로서 반사판의 전방에 상·하 일렬로 배치되며, 상대적으로 크게 형성되어 저주파수 대역에서 공진하는 제1안테나 기판과, 상대적으로 작게 형성되어 고주파수 대역에서 공진하는 제2안테나 기판을 포함하는 안테나부;

단일 급전라인을 이용하여, 상기 각 기판의 다이폴에 전력을 분배 및 공급하는 급전부;

폭이 좁고 긴 수직형 금속판으로서, 일측 또는 양측에서 연장된 돌출 편을 전방으로 절곡하여 형성된 복수의 펜스를 포함하며, 이때 각 펜스는 그 단부가 상기 다이폴의 끝단에 근접하도록 설계된 반사판;

을 포함한다.

상기 반사판은 그 폭이 각 기판의 폭보다 크지 않게 설계된다.

바람직하게, 상기 안테나 장치는:

상기 반사판 상에서 각 안테나 기판의 주변을 따라 형성되며, 적어도 양측 면은 상기 반사판을 절곡하여 형성된 코너 반사부;

를 더 포함한다.

이때, 상기 펜스는 이 반사부로부터 돌출되도록 설계된다.

본 발명의 안테나 장치는 복편파 특성을 갖는 저주파 및 고주파 안테나 기판을 결합하여 단일 급전을 사용함으로써 안테나 장치의 광대역 특성을 구현한다. 그리고 반사판을 이용한 펜스 구조가 다이폴에 대한 기생소자로 이용되도록 함으로써, 각 다이폴 및 안테나 기판의 크기를 최대한 줄일 수가 있게 된다. 요컨대, 본 발명의 안테나 장치에 따르면:

저주파수 대역 및 고주파수 대역의 안테나 기판 2 개를 결합하고;

반사판의 펜스 구조에서 기생소자의 역할을 지원함으로써;

안테나 장치의 광대역 특성을 구현하는 동시에, 소형화가 가능해지는;

효과가 있는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 안테나 장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 안테나 장치의 사시도.
도 3(a)는 도 2에 적용된 제1안테나 기판의 예시도.
도 3(b)는 도 2에 적용된 제2안테나 기판의 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 안테나 장치의 정재파비 그래프.

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 광대역 복편파 안테나 장치(이하 '안테나 장치')의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도면에서, 부호 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나 장치(10)는 두 개의 안테나 기판(21,22)을 포함하는 안테나부(20)와, 상기 각 기판(21,22)에 전력을 공급하는 급전부(30)와, 상기 안테나부(20)를 구성하는 두 기판(21,22)의 후방에 배치되는 반사판(40)을 포함하여 이루어진다.

상기 안테나부(20)는 직교 교차 다이폴을 갖는 복편파 안테나 기판으로서 반사판(40)의 전방에 상·하 일렬로 배치되는 두 개의 안테나 기판(21,22)을 포함하는데, 여기에서 제1안테나 기판(21)은 상대적으로 크게 형성되어 저주파수 대역에서 공진하도록 설계된 것이며, 제2안테나 기판(22)은 상대적으로 작게 형성되어 고주파수 대역에서 공진하도록 설계된 것이다.

도면에서와 같이, 본 실시예에서는 제1안테나 기판(21)이 하측에, 제2안테나 기판(22)이 상측에 배치되는 것을 예시하고 있으나, 반드시 이 배열에 한정될 필요는 없으며, 예컨대, 제1안테나 기판(21)과 제2다이폴 기판(22)은 그 순서가 바뀌어 설계될 수도 있을 것이다.

도 3(a),(b)를 참조하면, 상기 안테나부(20)의 각 기판(21,22)은 모두, 교차 다이폴(23,24)을 갖는 복편파 특성의 안테나 구조로 된 것이다. 구체적으로, 상기 각 기판(21,22)은, ±45°의 지향성 복편파를 구현하기 위하여, 일면에 두 개의 다이폴 소자(23a-23b,24a-24b)가 대략 직교 또는 X형으로 교차된 형태로 구성되며, 다른 일면에는 상기한 각 소자(23a-23b,24a-24b)에 전력을 공급하는 급전선(25,26)이 형성되는 구조이다.

이러한 복편파 특성의 기판(21,22) 및 급전 구조가 본 발명에서 특별한 것은 아니며, 기본적으로 상기한 소자 및 급전구조를 가지고 지향성 복편파 특성을 구현하는 한, 공지의 알려진 안테나 기판이 제한 없이 적용될 수 있을 것이다. 바람직하게, 상기 기판(21,22)은 제작이 비교적 간편하면서, 안테나의 대역폭 및 이득 특성이 우수한 PCB 기판이다.

다만, 전술한 바와 같이, 본 발명에서 제1안테나 기판(21)은 상대적으로 크게 형성되어 저주파수 대역에서 공진하도록 설계된 것이며, 제2안테나 기판(22)은 상대적으로 작게 형성되어 고주파수 대역에서 공진하도록 설계된 것이다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 급전부(30)는 단일 급전라인(31)을 이용하며, 상기 각 기판(21,22)의 다이폴(23,24)에 전력을 분배 및 공급한다. 즉 본 발명에서는, 복편파 특성을 갖는 저주파 및 고주파의 두 안테나 기판(21,22)을 결합하여 단일 급전을 사용함으로써 안테나 장치의 광대역 특성을 구현하는 것이다. 바람직하게, 상기 급전부(30)의 회로는 반사판(40)의 배면에 형성된다.

상기 반사판(40)은, 통상적으로는, 안테나 소자의 후방에 이격적으로 배치되는 금속판으로서, 안테나 기판(21,22)으로부터 후방으로 방사되는 신호를 전방으로 반사시킴으로써 안테나 장치(10)의 방사특성을 향상시키는 기능을 하게 된다. 본 실시예에서, 이 반사판(40)은 상기 안테나 기판(21,22) 및 급전부(30) 등의 구성을 지지하는 기반이 되고 있다. 다만, 상기 반사판(40)은 그 폭이 각 기판(21,22)의 폭보다 크지 않게 설계된다.

특히 본 발명에서 상기 반사판(40)은,

폭이 좁고 긴 수직형 금속판으로서:

일측 또는 양측에서 연장된 돌출 편을 전방으로 절곡하여 형성된 복수의 펜스(41)를 포함하며;

이때 각 펜스(41)는 그 단부가 각 안테나 기판(21,22)의 교차 다이폴(23,24)의 각 끝단에 근접하도록 함으로써;

상기 펜스(41)가 다이폴(23,24)에 대한 기생소자 역할을 하도록;

설계된다.

이것은 다른 측면에서, 각 안테나 기판(21,22) 및 그에 따른 다이폴(23,24)이 크기 또는 길이가, 상기 펜스(41)의 역할로 인하여, 최소화될 수 있음을 의미한다. 즉 본 발명에서는, 이러한 반사판(40) 및 펜스(41) 설계를 통하여 안테나 장치(10)의 소형화를 구현할 수 있게 되는 것이다.

도시된 바와 같이 본 실시예에서 상기 안테나 장치(10)는, 상기 반사판(40) 상에서 각 안테나 기판(21,22)의 주변을 따라 형성되는 코너 반사부(42)를 더 포함한다. 이 반사부(42)는 대역별 신호집중 및 전방지향을 향상시켜주는 역할을 하는 것이다. 이 반사부(42)의 구성 역시, 안테나 장치(10)의 소형화 구현에 중요한 역할을 하게 되는 것이다.

바람직하게, 상기 반사부(42)의 적어도 양측 면은 상기 반사판(40)의 가장자리를 절곡하여 형성된다. 이때, 상기 펜스(41)는 이 반사부(42)의 가장자리 단부로부터 돌출되도록 설계된다. 이는 금속판을 재단 및 절곡하여 반사부(42)를 형성하면서, 상기 펜스(41)를 동시에 형성하여, 펜스(41)의 단부가 각 기판(21,22)의 다이폴(23,24)에 근접하도록 하는데 매우 효과적이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 안테나 장치(10)는 원통형 레이돔(50)에 의해 케이싱 및 보호되며, 이는 브래킷(B)에 고정되어 일정한 시설물 또는 폴(P)에 설치되어 사용될 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나 장치(10)는 전압 정재파비 값들이 주파수 800MHz - 1GHz 범위의 주요대역에서 만족스러운 결과를 나타내고 있는 바, 그 광대역 특성이 우수하게 구현됨을 알 수 있다.

10. 안테나 장치
20. 안테나부 21. 제1안테나 기판
22. 제2안테나 기판 23,24,51. 교차 다이폴
23a,23b,24a,24b. 다이폴 소자
30. 급전부 31. 급전라인
40. 반사판 41. 펜스
42. 코너 반사부
50. 레이돔

Claims (5)

1. 교차 다이폴을 갖는 복편파 안테나 기판으로서 반사판(40)의 전방에 상·하 일렬로 배치되며, 상대적으로 크게 형성되어 저주파수 대역에서 공진하는 제1안테나 기판(21)과, 상대적으로 작게 형성되어 고주파수 대역에서 공진하는 제2안테나 기판(22)을 포함하는 안테나부(20);
   단일 급전라인(31)을 이용하여, 상기 각 기판(21,11)의 다이폴(23,24)에 전력을 분배 및 공급하는 급전부(30);
   폭이 좁고 긴 수직형 금속판으로서, 일측 또는 양측에서 연장된 돌출 편을 전방으로 절곡하여 형성된 복수의 펜스(41)를 포함하며, 이때 각 펜스(41)는 그 단부가 상기 기판(21,22) 측의 다이폴(23,24)의 끝단에만 근접하도록 함으로써 상기 다이폴(23,24)에 대한 기생소자 역할을 하도록 설계된 반사판(40);
   상기 반사판(40) 상에서 각 안테나 기판(21,22)의 주변을 따라 형성되며, 적어도 양측 면은 상기 반사판(40)을 절곡하여 형성된 코너 반사부(42);
   를 포함하며,
   상기 펜스(41)는 코너 반사부(42)의 상기 절곡된 가장자리 단부로부터 돌출되도록 설계된 것;
   을 특징으로 하는 광대역 복편파 안테나 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 반사판(40)은 그 폭이 각 기판(21,22)의 폭보다 크지 않게 설계된 것을 특징으로 하는 광대역 복편파 안테나 장치.
   
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