KR101579777B1 - 유전체를 이용한 방사 패턴 제어 안테나 - Google Patents

Abstract

유전체 부재를 이용하는 안테나가 개시된다. 상기 안테나는 방사체 및 상기 방사체에 형성된 적어도 하나의 유전체 부재를 포함한다. 여기서, 상기 유전체 부재의 유전율, 사이즈 또는 상기 방사체 상에서의 위치에 따라 상기 안테나로부터 출력되는 방사 패턴의 방향이 다르다.

Description

유전체를 이용한 방사 패턴 제어 안테나{ANTENNA FOR CONTROLLING A RADIATION PATTERN USING A DIELECTRIC MEMBER}

본 발명은 방사 패턴 제어 안테나에 관한 것이다.

이동통신 환경에서 안테나를 일단 설치하면 방사 패턴을 이동시키고자 하는 경우에도 이동시킬 수 없고 의도하지 않은 이유로 방사 패턴이 틀어질 수도 있다.

한국공개특허공보 제2005-0088753호

본 발명은 유전체 부재를 이용하여 방사 패턴을 제어하는 안테나를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 방사체; 및 상기 방사체에 형성된 적어도 하나의 유전체 부재를 포함한다. 여기서, 상기 유전체 부재의 유전율, 사이즈 또는 상기 방사체 상에서의 위치에 따라 상기 안테나로부터 출력되는 방사 패턴의 방향이 다르다.

본 발명에 따른 안테나는 유전체 부재를 이용하여 방사 패턴을 용이하게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 유전체 부재가 없을 때의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 유전체 부재가 방사체에 형성되었을 때의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 부재의 유전율에 따른 방사 패턴들을 도시한 도면들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 부재의 사이즈에 따른 방사 패턴들을 도시한 도면들이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 부재의 위치에 따른 방사 패턴들을 도시한 도면들이다.
도 11 내지 도 15는 방사 패턴의 피크 포인트(Peak point)를 도시한 도면들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 분해 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사체의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 안테나는 예를 들어 기지국용 어레이 안테나이며, 반사판(100), 적어도 하나의 방사체(102), 하나 이상의 초크 박스(104) 및 적어도 하나의 유전체 부재(106)를 포함할 수 있다.

반사판(100)은 도체로서 반사체 및 접지 역할을 수행한다.

방사체(102)는 반사판(100) 위에 배열되며, 소정 전력 급전시 방사 패턴을 출력시킨다. 방사체들(102)은 일정 간격을 가지고 상호 분리되어 배열될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 안테나는 방사체(102)로 전력을 공급하는 전력 분배기를 더 포함할 있다. 하나의 전력 분배기는 하나의 방사체(102)로만 전력을 공급할 수도 있고, 복수의 방사체들(102), 예를 들어 2개의 방사체들로 전력을 공급할 수도 있다.

초크 박스(104)는 금속 등으로 이루어진 도전체이고, 반사판(100) 위에서 해당 방사체(102)를 둘러싸며, 상기 안테나의 격리도(Isolation) 특성을 향상시킨다.

일 실시예에 따르면, 초크 박스(104)는 도 1에 도시된 바와 같이 다각형 형상, 특히 5각형 이상의 다각형 형상을 가질 수 있다. 또한, 초크 박스(104)의 일부분은 도 1에 도시된 바와 같이 절개될 수 있다. 물론, 초크 박스(104)는 원형 형상을 가지면서 일부분이 절개될 수도 있다. 이러한 초크 박스(104)의 구조는 협대역에서 뿐만 아니라 광대역에서도 빔 폭 조절을 용이하게 하며, 안테나의 전기적 특성을 튜닝(Tuning) 가능하도록 할 수 있다. 이러한 초크 박스(104)의 구조 및 기능에 대한 자세한 설명은 후술하겠다.

일 실시예에 따르면, 초크 박스(104)는 프레스 공정(Press process)에 의해 제조될 수 있다. 다이캐스팅 공정으로 초크 박스(104)를 제조하면 초크 박스(104)를 제조하기 위한 비용 및 초크 박스(104)의 무게가 증가하는 반면에, 프레스 공정으로 초크 박스(104)를 제조하면 초크 박스(104)를 제조하기 위한 비용 및 초크 박스(104)의 무게가 감소할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 초크 박스(104)는 반사판(100)로부터 전기적으로 분리되어 있으나, 반사판(100)에 전기적으로 연결될 수도 있다. 도 1에서는 초크 박스(104)는 절연체인 지지부에 의해 반사판(100)으로부터 물리적으로 분리되어 있다.

유전체 부재(106)는 소정 유전율을 가지는 물질로 이루어지며, 도 1에 도시된 바와 같이 방사체(10)의 일부분에 형성될 수 있다. 이러한 유전체 부재(106)는 후술하는 바와 같이 방사 패턴을 제어하는 역할을 수행한다. 구체적으로는, 유전체 부재(106)는 해당 방사 부재로 흐르는 전력(RF 신호)의 위상을 달라지게 하며, 그 결과 상기 방사 부재의 전기적 길이가 가변될 수 있다. 일반적으로는, 유전체 부재(106)가 결합된 방사 부재의 전기적 길이가 길어진다. 결과적으로, 방사체(102)로부터 출력되는 방사 패턴의 방향이 가변될 수 있다.

정리하면, 본 실시예의 안테나에서 방사체(102)의 일부분에 유전체 부재(106)가 형성되며, 그 결과 유전체 부재(106)를 이용하여 상기 안테나의 방사 패턴을 원하는 방향으로 제어할 수 있다. 안테나를 사용하다 보면 방사 패턴을 인위적으로 제어해야할 때도 있고 의도하지 않게 방사 패턴이 틀어지는 경우도 있다. 이러한 경우에 본 발명의 안테나는 유전체 부재(106)를 이용하여 원하는 방사 패턴을 구현할 수 있다.

한편, 초크 박스들(104)은 해당 방사체(102)를 다각형 형상을 가지고 둘러싸며, 안테나의 특성들의 튜닝이 가능하도록 각 초크 박스들(104)의 일부분이 절개되어 있다. 여기서, 초크 박스들(104)은 모두 동일한 형상을 가질 수 있으며, 상호 이격될 수 있다.

초크 박스(104)를 일부가 절개된 다각형 형상을 가지도록 구현함에 따라 이동통신에서 주로 사용되는 65도 빔 폭을 안정적으로 구현할 수 있다.

이하, 유전체 부재(106)를 이용하여 방사 패턴을 제어하는 다양한 방법들을 살펴보겠다.

도 2는 유전체 부재가 없을 때의 방사 패턴을 도시한 도면이고, 도 3은 유전체 부재가 방사체에 형성되었을 때의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

도 2의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이 유전체 부재가 형성되지 않은 방사체의 방사 패턴이 예를 들어 0°방향을 향하는 반면에, 유전체 부재(106)가 방사체(102), 특히 방사 부재에 형성될 때의 방사 패턴은 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이 특정 방향으로 이동한다. 여기서, 방사체(102)는 적어도 하나의 방사 부재(200) 및 전력의 급전 통로인 급전부(202)를 포함할 수 있다.

도 3의 (A)에 도시된 바와 같이 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200) 중 상단부 위에 형성되면 상단부의 전기적 길이가 길어지게 되며, 그 결과 방사 패턴은 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이 아래 방향으로 향하게 될 수 있다. 즉, 방사 패턴의 중심이 아래 방향으로 이동된다.

도 3의 (A)에서는 상단부의 세부분에 모두 유전체 부재(106)가 형성되었지만 하나 이상의 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200) 위에 형성되면 충분하다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 부재의 유전율에 따른 방사 패턴들을 도시한 도면들이다.

도 4의 (A)에서는 유전율 3.2를 가지는 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200) 상에 형성되었으며, 도 5의 (A)에서는 유전율이 1.6인 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200) 상에 형성되었다. 따라서, 더 높은 유전율을 가지는 유전체 부재(106)가 형성된 방사 부재들(200)의 전기적 길이가 상대적으로 낮은 유전율을 가지는 유전체 부재(106)가 형성된 방사 부재들(200)의 전기적 길이보다 길게 된다. 결과적으로, 도 4의 (B) 및 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이 상대적으로 높은 유전율을 가지는 유전체 부재(106)가 형성된 방사체(102)의 방사 패턴이 더 많이 이동한다. 도 4의 (A) 및 도 5의 (A)에서 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200)의 상단부에 형성되었으므로, 방사 패턴은 하부 방향으로 이동하되 상대적으로 높은 유전율을 가지는 유전체 부재(106)가 형성된 방사체(102)의 방사 패턴이 하부 방향으로 더 많이 이동한다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 부재의 사이즈에 따른 방사 패턴들을 도시한 도면들이다.

도 6의 (A) 및 도 7의 (A)를 참조하면, 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200)의 동일한 부분에 형성된다. 다만, 도 6의 (A)의 유전체 부재(106)의 사이즈가 도 7의 (A)의 유전체 부재(106)의 사이즈보다 크다.

따라서, 도 6의 (A)의 방사 부재(200)의 전기적 길이가 도 7의 (A)의 방사 부재(200)의 전기적 길이보다 길게 되며, 그 결과 도 6의 (B) 및 도 7의 (B)에 도시된 바와 같이 도 6의 (A)의 방사체(102)의 방사 패턴이 더 많이 이동하게 된다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 부재의 위치에 따른 방사 패턴들을 도시한 도면들이다.

도 8의 (A), 도 9의 (A) 및 도 10의 (A)에 도시된 바와 같이, 유전체 부재(106)가 방사 부재들(200)의 상부에 형성되되, 유전체 부재들(106)의 위치가 다르다. 결과적으로, 도 8의 (B), 도 9의 (B) 및 도 10의 (B)에 도시된 바와 같이 방사 패턴들의 이동 방향 및 정도가 달라지게 된다.

도 2 내지 도 10을 종합하면, 유전체 부재(106)의 존재 유무, 유전율, 사이즈 또는 위치에 따라 방사체(102)의 방사 패턴이 달라짐을 확인할 수 있다.

한편, 위에서 설명하지는 않았지만, 동일한 방사체에 형성되는 유전체 부재들의 유전율이 다를 수도 있다.

도 11 내지 도 15는 방사 패턴의 피크 포인트(Peak point)를 도시한 도면들이다.

도 11 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 방사 패턴의 피크 포인트는 유전체 부재의 존재 유무, 유전율, 사이즈 및 위치에 따라 달라짐을 확인할 수 있다.

도 12를 참조하면, 유전율이 큰 유전체 부재가 형성된 방사체의 방사 패턴의 피크 포인트가 유전율이 작은 유전체 부재가 형성된 방사체의 방사 패턴의 피크 포인트보다 큼을 확인할 있다.

도 13을 참조하면, 유전체 부재의 사이즈가 큰 방사체의 방사 패턴의 피크 포인트가 유전체 부재의 사이즈가 작은 방사체의 방사 패턴의 피크 포인트보다 큼을 확인할 수 있다.

도 14를 참조하면, 유전체 부재의 형성 위치에 따라 방사체의 방사 패턴의 피크 포인트가 다름을 확인할 수 있다.

도 15를 참조하면, 유전체 부재가 방사 부재에 형성되는 지의 여부에 따라 방사 패턴의 피크 포인트가 다름을 확인할 수 있다.

이하, 본 발명의 안테나의 구조를 살펴보겠다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 분해 사시도이고, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사체의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 다만, 도 17 및 도 18에서는 초크 박스(104)를 생략하고 방사체(102)만을 도시하였다.

도 16 및 도 17을 참조하면, 방사체(102)는 급전부들(1620 및 1624), 발룬부들(ballon members, 1622 및 1626), 예를 들어 부채꼴 형상을 가지는 방사 부재들(230, 232, 234 및 236) 및 급전 선로들(1640 및 1642)을 포함할 수 있다.

급전부들(1620 및 1624)은 전력의 급전 통로로서, 급전부들(1620 및 1624)에는 도 17에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 공간(1700 및 1704)이 형성될 수 있다.

급전부들(1620 및 1624)은 급전을 위하여 반사판(100)에 형성된 홀(1650)을 관통하여 반사판(100)의 배면까지 연장된다.

발룬부들(1622 및 1626)은 급전부들(1620 및 1624)에 대칭적으로 배열되며, 도 17에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 공간(1702 및 1706)이 형성될 수 있다. 발룬부들(1622 및 1626)은 반사판(100)을 관통하지는 않으며, 반사판(100)의 상면 위에 배열된다.

제 1 급전 선로(1640)는 도체로서 제 1 급전부(1620)의 제 1 공간(1700) 및 제 1 발룬부(1622)의 제 2 공간(1702)에 삽입된다. 구체적으로는, 도 18에 도시된 바와 같이 제 1 급전 선로(1640)는 반사판(100)의 배면 측으로부터 길이 연장되어 제 1 급전 선로(1640)의 제 1 공간(1700)을 관통하여 제 2 급전부(1622)의 제 2 공간(1702)으로 삽입된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 급전 선로(1640)는 제 1 발룬부(1622)와 물리적으로 접촉하지 않으며, 즉 제 1 발룬부(1622)와 용량 결합(Coupling)된다.

한편, 제 1 공간(1700)은 제 1 급전부(1620) 전체를 관통하여 형성되는 반면에, 제 2 공간(1702)은 제 1 발룬부(1620) 전체를 관통하여 홀의 형태로 구현될 수도 있고 요부 형태로 구현될 수도 있다.

제 2 급전 선로(1642)는 도체로서 제 1 급전 선로(1640)와 접촉하지는 않으며, 제 2 급전부(1624)의 제 3 공간(1704) 및 제 2 발룬부(1626)의 제 4 공간(1706)에 삽입된다. 구체적으로는, 제 2 급전 선로(1642)는 반사판(100)의 배면 측으로부터 길이 연장되어 제 2 급전부(1624)의 제 3 공간(1704)을 관통하여 제 2 발룬부(1626)의 제 4 공간(1706)으로 삽입된다. 이 경우, 제 2 급전 선로(1642)는 제 2 발룬부(1626)와 물리적으로 접촉하지 않고 제 2 발룬부(1626)와 용량 결합된다.

즉, 급전 선로들(1640 및 1642)은 발룬부들(1622 및 1626)과 각기 용량 결합된다. 종래의 안테나에서는 급전 선로가 방사체의 급전부에 직접적으로 연결(납땜)되었기 때문에, 상기 급전 선로를 상기 발룬부에 납땜하기 위하여 상기 방사체를 도금 물질, 예를 들어 구리와 주석의 화합물질로 도금하여야 했다. 결과적으로, 도금 공정이 추가되고 도금 비용이 추가적으로 지불되어야 했다. 그러나, 본 발명의 안테나에서는 급전 선로(1640 또는 1642)가 발룬부(1622 또는 1626)와 용량 결합되기 때문에, 납땜 공정이 필요없어서 방사체(102)를 도금할 필요가 없다. 따라서, 상기 안테나를 제조하는 공정이 간단하여지고 제조 비용이 감소될 수 있다.

초크 박스(104)를 살펴보면, 초크 박스(104)는 기저부(1600) 및 날개부(1602)를 포함할 수 있다.

기저부(1600)는 다각형 형상을 가지고 반사판(100)에 평행하게 배열될 수 있다. 다만, 기저부(104)의 중심에는 방사체(102)가 삽입될 수 있도록 홀이 형성된다.

날개부(1602)는 기저부(1600)와 교차하는 방향, 바람직하게는 수직한 방향으로 형성되며, 도 16에 도시된 바와 같이 모서리 부분들이 절개될 수 있다. 이하, 날개부(1602)를 절개함에 의해 생성되는 부분들을 서브 날개부들이라 하겠다. 상기 모서리 부분들이 절개됨에 따라 서브 날개부들 사이에 각기 갭(Gap)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 서브 날개부들이 상호 분리되어 있으므로, 사용자는 상기 서브 날개부들을 원하는 전기적 특성에 맞도록 설계할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 날개부(1602)의 절개 길이는 안테나의 특성, 예를 들어 주파수에 따라 결정될 수 있다. 결과적으로, 서브 날개부의 높이 및 기저부(1600)의 길이가 상기 안테나의 특성에 따라 결정될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 서브 날개부들 중 일부와 기저부(1600) 사이의 각도가 다른 서브 날개부들과 기저부(1600) 사이의 각도와 다를 수 있다.

즉, 본 발명의 안테나는 기저부(1600)의 길이, 서브 날개부의 높이 또는 서브 날개부와 기저부(1600) 사이의 각도 등을 조절하여 안테나의 전기적 특성을 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 안테나는 초크 박스(104)를 적절히 설계하여 안테나의 전기적 특성을 제어할 수 있으며, 즉 안테나의 전기적 특성을 튜닝할 수 있다.

지지부(1610)는 초크 박스(104)를 지지하며서 초크 박스(104)를 반사판(100)으로부터 이격시키는 역할을 수행하며, 절연체일 수 있다. 예를 들어, 지지부(1610)는 초크 박스(104)와 동일한 형상을 가질 수 있다. 이러한 지지부(1610)의 높이에 따라 초크 박스(104)의 높이가 조절되게 된다.

정리하면, 초크 박스(104)는 방사체(102)를 둘러싸며 지지부(1610)에 의해 반사판(100)으로부터 이격될 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100 : 반사판 102 : 방사체
104 : 초크 박스 106 : 유전체 부재

Claims (6)

1. 안테나에 있어서,
   급전부 및 상기 급전부에 연결된 복수의 방사 부재들을 가지는 방사체; 및
   상기 방사체에 형성되며 사전 결정된 유전율을 가진 적어도 하나의 유전체 부재를 포함하되,
   상기 유전체 부재는 상기 방사 부재들 중 일부분 위에 형성되어 상기 복수의 방사 부재들이 상이한 전기적 길이를 갖게 하며, 상기 유전체 부재의 유전율, 사이즈 또는 상기 방사체 상에서의 위치에 따라 상기 안테나로부터 출력되는 방사 패턴의 방향이 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 방사체를 둘러싸는 초크 부재를 포함하되,
   상기 초크 부재는 다각형 형상을 가지며, 일부분이 절개되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 초크 부재는 반사판으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 복수의 방사체들을 포함하되,
   상기 방사체들 중 하나에 형성된 유전체 부재의 유전율, 사이즈 또는 위치는 다른 방사체에 형성된 유전체 부재의 유전율, 사이즈 또는 위치와 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 제1항에 있어서, 상기 방사체에 형성된 복수의 유전체 부재들 중 일부는 다른 유전체 부재와 유전율이 다른 것을 특징으로 하는 안테나.

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