KR101593416B1 - 커플링 엘리먼트를 이용하는 안테나 - Google Patents

커플링 엘리먼트를 이용하는 안테나 Download PDF

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이승철
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Abstract

수평 빔폭 편차 감소, 수평 빔폭 마진, D/U비 및 이득을 향상시키는 안테나가 개시된다. 상기 안테나는 반사판 및 상기 반사판 위에 배열되며, 방사 엘리먼트 및 커플링 엘리먼트를 포함하는 방사부를 가지는 적어도 하나의 방사체를 포함한다. 여기서, 상기 커플링 엘리먼트는 상기 방사 엘리먼트에 전기적 커플링 연결된다.

Description

커플링 엘리먼트를 이용하는 안테나{ANTENNA USING A COUPLING ELEMENT}
본 발명은 커플링 엘리먼트를 이용하는 안테나에 관한 것이다.
현재 기지국 안테나는 주파수 대역폭을 넓게 가지게 되어 주파수간 수평 빔폭 편차가 크다.
이렇게 수평 빔폭 편차가 큰 경우, 낮은 주파수 대역에서는 D/U비(Desired signal/undesired signal rate) 및 이득 마진이 작아질 수 있고, 높은 주파수 대역에서는 수평 빔에 널이 발생할 수 있다.
한국공개특허공보 제2009-0034399호 (공개일 : 2010년 10월 28일)
본 발명은 수평 빔폭 편차 감소, D/U비 및 이득을 향상 시키는 안테나를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 반사판; 및 상기 반사판 위에 배열되며, 방사 엘리먼트 및 커플링 엘리먼트를 포함하는 방사부를 가지는 적어도 하나의 방사체를 포함한다. 여기서, 상기 커플링 엘리먼트는 상기 방사 엘리먼트에 전기적 커플링 연결된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나는 반사판; 및 상기 반사판 위에 배열되며, 빔 출력을 위해 사용되는 제 1 엘리먼트 및 제 2 엘리먼트를 포함하는 방사부를 가지는 적어도 하나의 방사체를 포함한다. 여기서, 상기 제 2 엘리먼트는 상기 제 1 엘리먼트로부터 유전체 부재에 의해 물리적으로 분리된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나는 반사판; 및 상기 반사판 위에 배열되며, 빔 출력을 위해 사용되는 제 1 엘리먼트 및 제 2 엘리먼트를 포함하는 방사부를 가지는 적어도 하나의 방사체를 포함한다. 여기서, 상기 반사판의 일부분에 적어도 하나의 그루브가 형성되며, 상기 그루브는 상기 방사부의 내측 범위에 위치한다.
본 발명에 안테나는 방사 엘리먼트의 외곽에 커플링 엘리먼트를 배열하여 충분한 수평 빔폭 마진을 실현하며, 그 결과 D/U비 및 이득을 개선할 수 있으며, 수평 빔폭 편차를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 수평 빔폭 편차를 감소시키기 위한 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 그루브의 배열을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 안테나들의 수평 빔폭 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 안테나들의 지향성(directivity) 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 안테나들의 D/U비 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 안테나들의 방사 패턴(azimuth pattern)을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그루브의 다양한 형태들을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
본 발명은 안테나, 예를 들어 기지국 안테나에 관한 것으로서, 수평 빔폭(azimuth beamwidth)의 편차를 줄이면서 수평 빔폭을 일정하게 감소시켜서 안테나의 D/U비(Desired signal/undesired signal rate) 및 이득 마진을 향상시키는 안테나를 제안한다.
현재의 안테나는 주파수 대역폭은 넓으나 수평 빔폭 마진이 작아서 D/U비 및 이득이 우수하지 못하였다. 예를 들어, 안테나의 수평 빔폭은 65°±10°로서, 수평 빔폭 마진이 작다. 통신 시스템에서 빔폭 범위를 넓게 하는 것이 유리할 수도 있지만, D/U비 등을 고려할 때는 주파수간 빔폭 편차를 줄여서 낮은 주파수 대역의 빔폭을 최대한 좁게 가져가는 것이 중요하다.
본 발명은 빔폭을 감소시키더라도 충분한 빔폭 마진을 확보할 수 있는 안테나를 제안한다. 즉, 본 발명은 수평 빔폭 마진을 확보하여 D/U비 및 이득 마진을 향상시킬 수 있다.
일반적인 안테나의 수평 빔폭이 55°내지 75°일 때, 본 발명은 예를 들어 수평 빔폭을 61°내지 70로 감소시켜서 충분한 수평 빔폭 마진을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 안테나의 다양한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이다.
도 1의 (A)를 참조하면, 본 실시예의 안테나는 반사판(100) 및 적어도 하나의 방사체를 포함할 수 있다.
반사판(100)은 도체로서 반사체 및 접지 역할을 수행하며, 예를 들어 평평한 구조를 가진다. 다만, 반사판(100)은 후술하는 바와 같이 일부가 절곡된 구조를 가질 수도 있다.
방사체는 방사부(102), 급전 엘리먼트(104), 급전점(106) 및 디렉터(director, 108)를 포함할 수 있다.
방사부(102)는 복수의 섹터들로 분리되어 배열되는 방사 엘리먼트들, 예를 들어 다이폴 부재들(110a, 110b, 110c 및 110d), 유전체 부재들(120, 122 및 124) 및 커플링 엘리먼트들(112a, 112b, 112c 및 112d)을 포함할 수 있다.
방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)은 방사 패턴(빔)을 출력하는 소자로서, 도 1의 (A)에 도시된 바와 같이 십자 형태의 유전체 부재(120)에 의해 구획될 수 있다. 도 1의 (A)에서는 각 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)이 사각형 형상을 가졌으나, 형상에 제한이 없다.
방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)은 급전점(106)에 직접 연결되어 전력을 공급받는다. 예를 들어, 케이블(미도시)을 통하여 인가되는 전력이 급전 엘리먼트(104) 및 급전점(106)을 통하여 직접적으로 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)로 공급된다.
한편, 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d) 중 방사 엘리먼트들(110a 및 110c)은 +45°편파를 발생시키고, 방사 엘리먼트들(110b 및 110d)은 -45°편파를 발생시킬 수 있다. 이 때, 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)은 콤비네이션 방식 또는 벡터 합성 방식으로 ±45°편파를 발생시킬 수 있다.
커플링 엘리먼트들(112a, 112b, 112c 및 112d)은 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)의 외곽에 형성되며, 유전체 부재(122)에 의해 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)로부터 분리된다. 또한, 커플링 엘리먼트들(112a, 112b, 112c 및 112d)은 유전체 부재(124)에 의해 구획될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커플링 엘리먼트(112a)는 방사 엘리먼트(110a)의 외곽에 배열되어 방사 엘리먼트(110a)와 전기적 커플링 연결될 수 있고, 커플링 엘리먼트(112b)는 방사 엘리먼트(110b)의 외곽에 배열되어 방사 엘리먼트(110b)와 전기적 커플링 연결될 수 있다. 또한, 커플링 엘리먼트(112c)는 방사 엘리먼트(110c)의 외곽에 배열되어 방사 엘리먼트(110c)와 전기적 커플링 연결될 수 있고, 커플링 엘리먼트(112d)는 방사 엘리먼트(110d)의 외곽에 배열되며 방사 엘리먼트(110d)와 커플링 연결될 수 있다.
도 1의 (A)에서는 커플링 엘리먼트들(112a, 112b, 112c 및 112d)이 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)에 일대일 대응하여 배열되었으나, 커플링 엘리먼트들이 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)의 일부의 외곽에만 형성될 수도 있다.
커플링 엘리먼트들(112a, 112b, 112c 및 112d)은 각기 "ㄱ" 또는 "ㄴ"자 형상을 가질 수 있다.
디렉터(108)는 도 1의 (B)에 도시된 바와 같이 방사부(102)의 상부에 위치할 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 안테나는 방사 엘리먼트들(110a, 110b, 110c 및 110d)의 외곽에 커플링 엘리먼트들(112a, 112b, 112c 및 112d)을 배열하여 충분한 수평 빔폭 마진을 확보할 수 있다. 결과적으로, D/U비 및 이득이 향상될 수 있다.
이하, 일반적인 안테나에 비하여 수평 빔폭 마진을 확보하는 안테나의 설계 구조를 살펴보겠다.
도 2는 수평 빔폭 편차를 감소시키기 위한 안테나의 구조를 도시한 도면이다. 도 2의 (A)는 일반적인 안테나의 구조를 도시하였고, 도 2의 (B)는 방사 엘리먼트의 사이즈를 향상시켜 수평 빔폭 마진을 향상시킨 안테나의 구조를 도시하였으며, 도 2의 (C)는 본 발명의 안테나의 구조를 도시하였다.
도 2의 (A)는 수평 빔폭 마진이 거의 없는 일반적인 안테나로서, 방사 엘리먼트(200) 및 디렉터(202)를 포함한다.
도 2의 (B)에 도시된 안테나는 수평 빔폭 마진을 향상시키기 위하여 방사 엘리먼트(210)의 사이즈를 증가시켰고, 디렉터(212)의 사이즈도 증가시켰다.
반면에, 도 2의 (C)에 도시된 본 발명의 안테나는 방사 엘리먼트(110)의 사이즈를 증가시킴 없이 방사 엘리먼트(110)의 외곽에 커플링 엘리먼트(112)를 배열하였다.
도 2의 (A)의 안테나는 수평 빔폭이 67°내지 74°였으며, D/U비가 열화되었다.
도 2의 (B)의 안테나는 수평 빔폭 범위를 55°내지 70°로 감소시켜 수평 빔폭 마진을 확보하였으나, 875㎒에서 수평 빔이 깨지는 현상이 발생하였다.
반면에, 도 2의 (C)에 도시된 본 발명의 안테나는 수평 빔폭 범위를 61°내지 70°로 줄여 충분한 수평 빔폭 마진을 확보하였으며, 875㎒에서 수평 빔이 깨지는 현상도 발생하지 않았다. 즉, 본 발명의 안테나는 충분한 수평 빔폭 마진을 확보하면서도 D/U비를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 그루브의 배열을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 안테나는 반사판(100) 및 적어도 하나의 방사체를 포함할 수 있다.
반사판(100)의 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 제 1 실시예에서와 동일하므로, 이하 설명을 생략한다. 다만, 설명의 편의를 위하여 본 실시예의 반사판은 제 1 실시예의 반사판과 동일한 도면 부호를 부가하였다.
도 3을 참조하면, 반사판(100)의 일부에는 단면이 삼각형인 하나 이상의 그루브(304)가 형성될 수 있으며, 반사판(100)의 양 종단에는 초크 부재들(300)이 형성될 수 있다.
그루브들(304)은 급전 엘리먼트(104)를 기준으로 하여 상호 대칭적으로 배열될 수 있다.
그루브(304)의 단면은 특정 각도(θ1)를 가지는 이등변 삼각형 또는 정삼각형일 수 있다. 즉, 그루브(304)의 양 측면들(302a 및 302b)은 그루브(304)의 골(단면으로는 꼭지점)을 기준으로 하여 대칭적으로 배열될 수 있다.
한편, 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 그루브(304)의 종단이 해당 초크 부재(300)에 직접적으로 맞닿을 수도 있고, 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이 그루브(304)가 해당 초크 부재(300)로부터 소정 거리만큼 이격될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 그루브들(304)의 측면들(302a 및 302c)을 연결하는 가상의 선들이 만나는 지점의 각도(θ2)는 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 90도일 수 있다. 이러한 구조로 그루브들(304)을 형성하면, 방사 엘리먼트(110)로부터 그루브(304) 방향으로 출력된 빔이 그루브들(304)에 의해 최적으로 반사되며, 반사광은 방사 엘리먼트(110) 방향으로 진행된다. 결과적으로, 방사 엘리먼트(110)로부터 출력되는 빔의 폭이 좁아지게 되며, 전후방비 특성 또한 향상될 수 있다.
물론, 가상의 선들이 만나는 지점의 각도(θ2)는 90도로 제한되지는 않으며, 아래와 같이 그루브들(304)이 방사부(102)의 내측 범위에 배열되는 한 다양하게 변형될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 그루브들(304)은 도 4의 (A) 및 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이 방사부(102)의 내측 범위에 배열될 수 있다. 이 경우, 상기 안테나는 좁은 빔 폭 및 우수한 전후방비 특성을 실현할 수 있다. 이러한 특성 구현을 위하여, 최소한 그루브(304)의 골(400)이 방사부(102)의 내측 범위에 배열될 수 있다.
반면에, 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이 그루브(304)가 방사부(102)의 외측 범위에 배열되는 경우, 그루브(304)의 빔 반사 효과가 작아서 빔의 폭 변화율이 작게 되며, 그 결과 원하는 빔 폭 및 전후방비 특성을 실현할 수 없다.
정리하면, 본 실시예의 안테나는 반사판(100)의 상면에 그루브(304)를 형성하되, 그루브(304)는 방사부(102)의 내측 범위 내에 형성될 수 있다. 특히, 그루브들(304)이 방사부(102)의 내측 범위 내에 형성되면서 그루브들(304)의 측면들(3020a 및 3020c)을 연결하는 가상의 선들이 만나는 지점의 각도가 90도일 때 최적의 빔 폭 및 전후방비 특성을 실현할 수 있다.
이하, 도 2의 안테나의 특성을 살펴보겠다. 다만, 도 2의 (C)에 도시된 본 발명의 안테나는 도 3의 구조를 가진다. 이하, 특성 그래프에서 도 2의 (A)의 안테나는 녹색(radiator)으로 표시하였고, 도 2의 (B)의 안테나는 빨간색(dipole size up)으로 표시하였으며, 도 2의 (C)의 본 발명의 안테나는 파란색(coupling dipole)으로 표시하였다.
도 5는 안테나들의 수평 빔폭 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이고, 도 6은 안테나들의 지향성(directivity) 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다. 도 7은 안테나들의 D/U비 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이며, 도 8은 안테나들의 방사 패턴(azimuth pattern)을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 안테나(도 2의 (C))는 일반 안테나(도 2의 (A))에 비하여 수평 빔폭이 약 3°만큼 감소하여 수평 빔폭 마진을 확보함을 확인할 수 있다. 다만, 본 발명의 안테나는 주파수별 빔폭 편차는 동일하게 유지된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 안테나(도 2의 (C))는 지향성 견지에서 일반 안테나(도 2의 (A))에 비하여 min값을 기준으로 할 때 0.25㏈i 개선됨을 확인할 수 있으며, 방사 엘리먼트 사이즈를 증가시킨 안테나(도 2의 (B))와는 유사함을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 안테나(도 2의 (C))는 D/U비 견지에서 일반 안테나(도 2의 (A))에 비하여 크게 개선됨을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 방사 엘리먼트 사이즈를 증가시킨 안테나(도 2의 (B))는 고주파 대역에서 패턴이 깨지는 현상이 발생하였으며, 그 결과 고주파 대역에서 D/U비가 열화된다. 반면에, 본 발명의 안테나(도 2의 (C))는 고주파 대역에서도 패턴이 정상적으로 발생하였으며, 따라서 고주파 대역에서도 D/U비가 열화되지 않음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그루브의 다양한 형태들을 도시한 도면이다.
도 9의 (A)를 참조하면, 그루브들(304)은 방사부(102)의 내측 범위 내에 형성되되, 그루브(304)의 단면은 W 형상을 가질 수 있다.
도 9의 (B)를 참조하면, 그루브들(304)은 방사부(102)의 내측 범위 내에 형성되되, 그루브(304)의 바닥면은 평평할 수 있다.
도 9의 (C)를 참조하면, 그루브들(304)은 방사부(102)의 내측 범위 내에 형성되되, 그루브(304)의 바닥면은 곡선 형상을 가질 수 있다.
도 9의 (D)를 참조하면, 그루브들(304)은 방사부(102)의 내측 범위 내에 형성되되, 그루브(304)의 측면이 곡선 형상을 가질 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 안테나는 다양한 형상의 그루브(304)를 포함하되, 그루브(304)가 방사부(102)의 내측 범위 내에 위치하는 한 그루브(304)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
위에서는, 방사체의 주변에 형성되는 그루브들(304)이 동일한 구조를 가지는 것으로 도시하였으나, 그루브들(304)의 구조가 서로 다를 수도 있다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 안테나는 반사판(1000), 급전 엘리먼트(1002) 및 방사부(1004)를 가지는 방사체 및 초크 부재(1012)를 포함할 수 있다.
반사판(1000)의 면들 중 방사체가 위치하는 면에는 적어도 하나의 돌출부(1010)가 형성될 수 있다. 이러한 돌출부(1010)는 방사체로부터 출력된 빔을 방사체 방향으로 반사시켜 빔 폭 및 전후방비 특성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 돌출부들(1010)은 방사체의 방사부(1004)의 내측 범위 내에 위치할 수 있다. 물론, 돌출부들(1010)이 방사부(1004)의 내측 범위 내에 위치하는 한 돌출부들(1010)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 안테나의 반사판(1100)의 일부분에는 그루브(1102)가 형성된다. 물론, 도시하지는 않았지만, 그루브(1102)는 방사체의 주변에 형성되며, 방사체의 방사부의 내측 범위 내에 위치할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 그루브(1102)의 측면 중 일부에 홀(1106 또는 1112)이 형성될 수 있다. 구체적으로는, 도 11의 (A)에 도시된 바와 같이 홀(1106)이 그루브(1102)의 측면의 폭 방향으로 형성될 수도 있고, 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이 홀(1112)이 그루브(1102)의 길이 방향으로 형성될 수도 있다. 다만, 빔 폭 및 전후방비 특성을 고려할 때 홀(1106 또는 1112)의 지름은 λ/4 이하일 수 있으며, λ는 상기 안테나의 동작 주파수의 파장을 의미한다. 한편, 홀(1106 또는 1112)의 지름이 λ/4를 초과하면 빔 폭 및 전후방비 특성이 저하될 수 있다.
정리하면, 방사체 주변에 형성되는 반사판(1100)의 그루브(1102)에 홀(1106 또는 1112)이 형성될 수 있되, 홀(1106 또는 1112)의 지름은 λ/4 이하로 구현된다.
도 11에 도시하지는 않았지만, 반사판(1100)의 일부에 돌출부가 형성되고, 돌출부의 일부에 홀이 형성될 수도 있다. 물론, 홀의 지름은 λ/4 이하일 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 : 방사부
104 : 급전 엘리먼트 106 : 급전점
108 : 디렉터 110 : 방사 엘리먼트
112 : 커플링 엘리먼트 120, 122, 124 : 유전체 부재
300 : 초크 부재 304 : 그루브

Claims (11)

  1. 반사판; 및
    상기 반사판 위에 배열되며, 방사 엘리먼트 및 커플링 엘리먼트를 포함하는 방사부를 가지는 적어도 하나의 방사체를 포함하되,
    상기 커플링 엘리먼트는 상기 방사 엘리먼트에 전기적 커플링 연결되고,
    상기 방사체는 복수의 방사 엘리먼트들 및 복수의 커플링 엘리먼트들을 포함하며,
    상기 방사 엘리먼트들은 제 1 유전체 부재에 의해 구획되어 배열되고, 상기 커플링 엘리먼트들은 제 2 유전체 부재에 의해 구획되어 배열되며, 상기 커플링 엘리먼트들은 제 3 유전체 부재에 의해 상기 방사 엘리먼트들로부터 물리적으로 분리되고, 상기 커플링 엘리먼트들은 상기 방사 엘리먼트들에 일대일 대응하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커플링 엘리먼트는 상기 방사 엘리먼트의 외곽에 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방사 엘리먼트는 급전점에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사판의 일부분에 적어도 하나의 그루브가 형성되며, 상기 그루브는 상기 방사부의 내측 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반사판에는 상기 방사체를 기준으로 하여 대칭적으로 배열되는 그루부들을 포함하되,
    상기 그루브들의 측면들을 연장한 가상의 선들이 만나는 지점의 각도는 90도인 것을 특징으로 하는 안테나.






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