KR101615751B1 - 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조에 관한 것으로, 반사면을 제공하는 그라운드 판(1);과 제1 주파수 대역을 사용하는 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2); 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며, 한쪽면이 열린 슬랜트형 열린 간접 급전 외곽 구조체(3); 및 상기 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)를 구비하는 제1 주파수 대역 안테나 구조체와,
중앙부에 위치되고 제2 주파수 대역을 사용하는 사각 다이폴 안테나의 방사체(5); 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6); 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비하는 제2 주파수 대역 안테나 구조체와, 전후 좌우 면의 벽을 형성하며, 2 GHz 대역의 이득 향상을 위한 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결된 내부 반사판(9)을 포함한다. 따라서, 다중대역 광대역 안테나 구조는 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제를 개선하였으며, 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 확보하게 되었다.
중앙부에 위치되고 제2 주파수 대역을 사용하는 사각 다이폴 안테나의 방사체(5); 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6); 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비하는 제2 주파수 대역 안테나 구조체와, 전후 좌우 면의 벽을 형성하며, 2 GHz 대역의 이득 향상을 위한 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결된 내부 반사판(9)을 포함한다. 따라서, 다중대역 광대역 안테나 구조는 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제를 개선하였으며, 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 확보하게 되었다.
Description
본 발명은 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2G, 3G 및 4G의 LTE 이동통신 시스템에서 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제를 개선하고 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 통합 광대역 안테나를 제공하기 위해, 다중대역 광대역 특성을 갖는 굽은 보우타이 다이폴 안테나와 변형된 사각 다이폴 안테나를 소형화 된 크기를 갖는 통합적인 안테나를 제공하며, 광대역 동작을 위한 굽은 보우타이 다이폴 안테나와 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체에 대하여 슬랜트형과 수직형 구조의 간접 급전 구조를 사용하여 다중대역 광대역에서 동작하는 특성을 만족하는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조에 관한 것이다.
최근, 이동통신 시스템이 급격하게 발전됨에 따라 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 늘어나고 있다. 이에 따라 이동통신 서비스 주파수 대역이 혼재되어 있는 상황이다. 특히 데이터의 고속전송에 대한 요구가 늘어남에 따라 기존의 서비스 대역으로는 이를 충족시키지 못하고 있다. 이러한 상황에 따라 통신기지국에 하나의 안테나 시스템만을 설치하여 서비스할 수 있도록 넓은 대역폭을 만족하는 다중대역 광대역 안테나 기술이 부각되고 있다.
기존의 다양한 주파수에서 운용되는 각 양 기지국 서비스를 하나의 서비스로 통합하게 되면, 기지국 및 중계기 안테나 설치와 운용 유지비를 절감할 수 있다. 따라서 새로운 광대역 시스템에 적합한 강대역 안테나는 무엇 보다 각 서비스 대역을 만족시키는 광대역 특성을 가질 뿐 아니라, 소형화되어 유연하게 이동통신 시스템에 적용하도록 크기 축소에 대한 요구 사항들이 있다. 그러나, 축소된 사이즈가 요구되는 광대역 안테나에서 그 구조가 복잡하고, 광대역 특성을 만족하기 위해 부가적인 방사소자가 필요하기 때문에 사이즈가 상당히 커지게 되고, 이에 따라 비용적인 부분에서 어려움이 있다.
기존의 기지국용 안테나는 향상된 이득을 확보하기 위하여 단일 소자의 방사체를 일정한 간격으로 배열하여 적용하고 있다. 근래에는 이동통신 시스템의 급격한 발전에 의해 다양한 사업자 또는 통신 시스템에 따른 새로운 서비스 대역이 늘어나고 있다. 따라서 이를 위한 이동통신 서비스 주파수 대역이 혼재되어 있는 상황이고, 이를 위한 다양한 주파수 대역에서 동작 가능한 이동통신 기기 및 이를 위한 통합적인 다중대역 광대역 안테나가 필요하다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 안테나는 기존의 배열 특성과 다르게 통합적인 적용을 가능하도록 배치하여 배열된 상황에서의 공간 효율성과 비용 절감을 극대화하는 안테나를 제안하고자 한다.
도 6은 기존의 기지국용 안테나의 배열과 본 발명에서 제안하는 안테나의 배열의 개념도를 나타낸다. Case 1은 기존의 기지국이나 중계기 시스템에 새로운 대역에 대한 기지국이나 중계기 시스템을 부가적으로 설치하는 경우를 나타낸다. 이러한 경우 시설 및 관리 비용과 공간적인 비효율성에 대한 문제점이 크게 존재한다. Case 2는 다중대역의 기지국이나 중계기 시스템에 하나의 기구물 안에 순차적 배열을 통해 다중대역 안테나를 배열한 경우이다. 이러한 경우 하나의 시스템으로 서비스 제공을 가능하도록 하지만 순차적 배열에 의한 비교적 큰 크기의 문제점을 가지고 있다. 위와 같은 Case 1과 Case 2는 기존의 기지국이나 중계기 시스템에 적용하기 위한 향상된 이득 확보의 목적과 다중대역 특성을 위해 배열(Array)된 안테나로서 다중대역에 따른 전기적인 길이의 차이로 인해 배열시 비교적 큰 크기를 가지는 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서 제안하는 안테나 Case 3과 같은 형태로서 기존의 배열 특성과 다르게 통합적인 적용을 가능하도록 다중대역 안테나를 배치하여 배열된 상황에서의 공간 효율성과 비용 절감을 극대화 하고자 한다.
광대역 안테나는 주로 마이크로스트립 패치 안테나와 다이폴 안테나의 구조를 사용하며, 마이크로스트립 패치 안테나는 소형화, 경량화가 가능한 구조를 기반으로 한 광대역 기법에 많은 연구가 되고 있으며 개발되고 있다. 그러나, 마이크로스트립 안테나는 소형, 박형, 경량 등과 같은 장점을 가지고 있지만 대역폭 확장에 한계가 있으며, 높은 입력 임피던스에 의해 급전구조의 복잡성이 문제가 된다. 또한, 다이폴 안테나는 마이크로스트립 안테나에 비해 넓은 대역폭을 가지며 낮은 임피던스에 의해 급전부의 설계가 쉬워진다. 그러나, 소형화를 위한 일반적인 다이폴 안테나의 경우, 전방향성(omni-directional)의 패턴 형태를 갖기 때문에 지향상이 부족하여 고이득 특성을 갖는데 어려움이 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 2G, 3G 및 4G의 LTE 이동통신 시스템에서 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제점을 개선하도록 예를들면 698~960 MHz 대역(800MHz 대역) 굽은 보우타이 다이폴 안테나(Low band antenna)와 1710~2690 MHz 대역(2 GHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나(High band antenna)를 동시에 구비하는 통합적인 안테나의 구조를 제공하여 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 가지는 통합적인 안테나를 제공하는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다중대역 광대역 안테나는 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 가지는 통합적인 안테나를 제공한다.
본 발명의 다중대역 광대역 안테나는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나나 다이폴 안테나의 구조의 복잡한 형상, 낮은 가공성, 가성비의 단점을 보완하면서 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제점을 개선 하도록 다중대역에서 동작 가능한 통합적인 안테나를 제안하였다.
예를 들면, 제안된 다중대역 광대역 안테나는 2G, 3G, 4G 이동통신에서 국외적으로 요구되는 전대역에 대하여 동작 가능한 특징을 가진다. 제안된 안테나는 그라운드 판을 포함하여 250x300x104 mm3의 전체적인 크기를 가지고 698~960 MHz 대역(Low band antenna), 1710~2690 MHz 대역(High band antenna)에서 -10dB 이하 (VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조의 반사면을 제공하는 그라운드 판(1);과 외곽에 위치되고 각각 상하좌우에 구비되며, 제1 주파수 대역을 사용하는 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2); 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며, 상하좌우에 구비된 각각의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 2개의 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3); 및 상기 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)를 구비하는 제1 주파수 대역 안테나 구조체와,
중앙부에 위치되고 확장된 광대역 특성을 제공하는 제2 주파수 대역을 사용하는 사각 다이폴 안테나의 방사체(5); 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6); 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 외심의 관통홀로 각각 속심이 상하로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 및 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 외심의 관통홀로 각각 속심이 좌우로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비하는 제2 주파수 대역 안테나 구조체를 포함하고,
상기 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 좌우 방사체가 800 MHz 주파수의
의 길이로 이격되어 'ㄷ'자 형상의 상기 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)로 연결되며,
상기 제1 주파수 대역의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)와 상기 그라운드 판(1)의 거리는 800 MHz 주파수의
의 길이를 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 좌우 방사체가 800 MHz 주파수의
상기 제1 주파수 대역의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)와 상기 그라운드 판(1)의 거리는 800 MHz 주파수의
본 발명에 따른 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 2G, 3G 및 4G의 LTE 이동통신 시스템에서 다중대역 광대역 특성을 갖는 굽은 보우타이 다이폴 안테나[698~960 MHz 대역, Low band antenna]와 변형된 사각 다이폴 안테나[1710~2690 MHz 대역, High band antenna]를 소형화 된 크기를 갖는 통합적인 안테나를 제공하며, 광대역 동작을 위한 굽은 보우타이 다이폴 안테나와 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체에 대하여 슬랜트형과 수직형 구조의 간접 급전 구조를 사용하여 698~960 MHz (BW: 31.6%)와 1710~2690 MHz (BW: 44.5%)의 다중대역 광대역에서 동작 가능한 특성을 가진다.
698~960 MHz 대역의 굽은 보우타이 다이폴 안테나(Low band antenna)와 1710~2690 MHz 대역의 변형된 사각 다이폴 안테나(High band antenna)를 통합된 구조내에서 축소된 소형의 크기의 통합적인 안테나의 구조를 제공하였으며, 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제를 개선하였으며, 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 만족됨을 확인하였다.
본 발명에 따른 다중대역 광대역 안테나는 마이크로 스트립 패치 안테나 또는 다이폴 안테나 구조들의 복잡한 형상과 가공성, 가격적인 단점을 보완하면서도 통합된 구조에서 적용된 이점으로 기존 기지국이나 중계기의 안테나보다 작은 면적을 가지면서, 다중대역 광대역 특성을 제공하는 단순한 구조이며, 뿐만 아니라 고이득(7 dBi)의 성능을 가지게 된다. 따라서, 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 기지국 및 중계기 시스템의 안테나 배열이 단일 소자로 사용 가능한 장점을 가진다.
이상과 같은 본 발명의 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외에 구체적인 사항들은 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 참부된 도면과 함께 후술하는 실시예들을 참조하면 명백해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 제안된 광대역 안테나 구조[그라운드판 제외]의 평면도[XY면] 및 측면도[ZX면]를 나타낸다.
도 3은 698~960 MHz 대역의 굽은 보우타이 안테나 및 급전부의 구조체를 나타낸 도면이다.
도 4는 1710~2690 MHz 대역의 변형된 사각 다이폴 안테나 및 급전부의 구조체를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 제안된 안테나의 급전 위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 기존의 기지국용 안테나의 배열과 본 발명에서 제안하는 다중대역 안테나의 배열의 개념도를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 이득(Gain) 특성을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나가 1710~2690 MHz 대역의 이득 향상을 위해 배치된 내부 반사판의 유무에 따른 S-parameters 특성을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따라 제안된 1710~2690 MHz 대역의 이득향상을 위해 배치된 내부 반사판(9)의 유무에 따른 이득(Gain) 특성을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 세부 구조인 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체와 변형된 사가 다이폴 안테나의 방사체에 흐르는 전류 분포를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 정규화된 방사패턴의 특성을 나타낸다.
도 2는 제안된 광대역 안테나 구조[그라운드판 제외]의 평면도[XY면] 및 측면도[ZX면]를 나타낸다.
도 3은 698~960 MHz 대역의 굽은 보우타이 안테나 및 급전부의 구조체를 나타낸 도면이다.
도 4는 1710~2690 MHz 대역의 변형된 사각 다이폴 안테나 및 급전부의 구조체를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 제안된 안테나의 급전 위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 기존의 기지국용 안테나의 배열과 본 발명에서 제안하는 다중대역 안테나의 배열의 개념도를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 이득(Gain) 특성을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나가 1710~2690 MHz 대역의 이득 향상을 위해 배치된 내부 반사판의 유무에 따른 S-parameters 특성을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따라 제안된 1710~2690 MHz 대역의 이득향상을 위해 배치된 내부 반사판(9)의 유무에 따른 이득(Gain) 특성을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 세부 구조인 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체와 변형된 사가 다이폴 안테나의 방사체에 흐르는 전류 분포를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 정규화된 방사패턴의 특성을 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 반사면을 제공하는 그라운드 판(1);과
외곽에 위치되고 각각 상하좌우에 구비되며, 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)를 사용하는 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2); 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며, 상하좌우에 구비된 각각의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 2개의 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3); 및 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)를 구비하는 제1 주파수 대역 안테나 구조체와,
중앙부에 위치되고, 확장된 광대역 특성을 제공하는 제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)을 사용하는 사각 다이폴 안테나의 방사체(5); 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6); 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 외심의 관통홀로 각각 속심이 상하로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 외심의 관통홀로 각각 속심이 좌우로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비하는 제2 주파수 대역 안테나 구조체와,
전후 좌우 면의 벽을 형성하며, 2 GHz 대역의 이득 향상을 위한 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결된 내부 반사판(9)을 포함한다.
실시예에서는, 상기 제1 주파수 대역은 698~960 MHz 대역(Low band antenna)이며, 상기 제2 주파수 대역은 1701~2690 MHz 대역(High band antenna)을 사용하였다.
도 2는 도 1의 제안된 광대역 안테나 구조[그라운드판 제외]의 평면도[XY면] 및 측면도[ZX면]를 나타낸다.
기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 (그림 제외) 그라운드 판(반사판)(1), 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2), 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(3), 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4),
제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5), (그림 제외) 수직형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(6), 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7), 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8), 및 내부 반사판(9)으로 구성된다.
제1 주파수 대역(Low 대역, 698~960 MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 좌우 방사체가 800 MHz 주파수의 
의 길이(≒ 190mm) 이격되어 'ㄷ'자 형상의 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)로 연결된다.
제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)와 그라운드 판(1)의 거리는 800 MHz 주파수의 
의 길이(≒ 101mm)를 유지한다.
제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 각각 관통홀이 구비되고 중심선이 가로지르는 마름모 형태의 4개의 방사체로 구성된 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5)는 2 GHz 주파수의 
의 길이(≒ 77mm)를 유지하며, 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 원통형 외심의 관통홀을 통해 각각 속심이 상하로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 원통형 외심의 관통홀을 통해 각각 속심이 좌우로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비한다.
제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5)와 그라운드 판(1)의 거리는 2 GHz 주파수의 
의 길이(= 34mm)를 유지한다.
도 3은 굽은 보우타이 안테나 및 급전부의 구조체를 나타낸 도면이다.
기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 (그림 제외) 그라운드 판(반사판)(1), 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 3mm 두께의 좌측 방사체와 우측 방사체를 구비하는 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2), 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(3), 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4), (그림 제외) 제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5), (그림 제외) 수직형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(6), (그림 제외)수직형 간접 급전 내부 구조체1(7), (그림 제외) 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8), 및 (그림 제외) 내부 반사판(9)으로 구성된다.
하나의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)는 내측으로 관통홀이 구비된 3mm 두께의 좌측 방사체 및 관통홀이 구비된 3mm 두께의 우측 방사체를 구비하며, 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 좌우 방사체가 800 MHz 주파수의 
의 길이(≒ 190mm) 이격되어 'ㄷ'자 형상의 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)로 연결된다.
도 4는 변형된 사각 다이폴 안테나 및 급전부의 구조체를 나타낸 도면이다.
기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 (그림 제외) 그라운드 판(반사판)(1), (그림 제외) 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2), (그림 제외) 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(3), (그림 제외) 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4), 제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5), 수직형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(6), 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7), 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8), 및 (그림 제외) 내부 반사판(9)으로 구성된다.
제2 주파수 대역(High 대역, 1701~2690 MHz 대역)의 각각 관통홀이 구비된 중심선이 가로지르는 마름모 형태의 4개의 방사체로 구성된 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5)는 2 GHz 주파수의 
의 길이를 유지하며, 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 원통형 외심의 관통홀을 통해 각각 속심이 상하로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 원통형 외심의 관통홀을 통해 각각 속심이 좌우로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비한다.
외곽에서 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 4개의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)는 중앙부에 배치된 45° 각도로 마름모 형상의 4개의 사각 다이폴 안테나의 방사체(5)가 형성된다.
도 5는 본 발명에서 제안된 안테나의 급전 위치를 나타낸 도면이다.
기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 (그림 제외) 그라운드 판(1), (그림 제외) 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2), (그림 제외) 슬랜트형 간접 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(3), (그림 제외) 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4), (그림 제외) 제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5), (그림 제외) 수직형 간접 급전 외곽 구조체(급전 및 안테나 지지대)(6), (그림 제외) 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7), (그림 제외) 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8), 및 (그림 제외) 내부 반사판(9)를 포함하며,
급전 위치는 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 1)의 급전 위치1(Port 1a)(10), 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 1)의 급전 위치2(Port 1b)(11), 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 2)의 급전 위치3(Port 2a)(12), 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 2)의 급전 위치4(Port 2b)(13)를 구비하고,
변형된 사각 다이폴 안테나(안테나 3)의 급전 위치1(Port 3), 변형된 사각 다이폴 안테나(안테나 4)의 급전 위치2(Port 4)를 구비한다.
도 6은 기존의 기지국용 안테나의 배열과 본 발명에서 제안하는 다중대역 안테나의 배열의 개념도를 나타낸다.
Case 1은 이동통신망의 기존의 기지국이나 중계기 시스템에 새로운 주파수 대역에 대한 기지국이나 중계기 시스템을 부가적으로 설치하는 경우를 나타낸다. 이러한 경우 시설 및 관리 비용과 공간적인 비효율성에 대한 문제점이 크게 존재한다.
Case 2는 다중대역의 기지국이나 중계기 시스템에 하나의 기구물 안에 순차적 배열을 통해 다중대역 안테나를 배열한 경우이다. 이러한 경우 하나의 시스템으로 서비스 제공을 가능하도록 하지만, 순차적 배열에 의한 비교적 큰 크기의 문제점을 가지고 있다. 따라서 위와 같은 Case 1과 Case 2는 이동통신망의 기존의 기지국이나 중계기 시스템에 적용하기 위한 향상된 이득 확보의 목적과 다중대역 특성을 위해 배열(Array)된 안테나로서 다중대역에 따른 전기적인 길이의 차이에 의해 배열시 비교적 큰 크기를 가지는 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서 제안하는 다중대역 안테나 Case 3과 같은 형태로서, 기존의 배열 특성과 다르게 저대역 안테나(Low band antenna, 698~960 MHz)와 고대역 안테나(High band antenna, 1710~2690 MHz)를 동일 공간에 통합적인 적용을 가능하도록 다중대역 안테나를 배치하며 안테나가 배열된 상황에서 공간 효율성과 비용 절감을 극대화한다.
광대역 안테나는 주로 마이크로스트립 패치 안테나와 다이폴 안테나의 구조를 사용하며, 마이크로스트립 패치 안테나는 소형화, 경량화가 가능한 구조를 기반으로 한 광대역 기법에 많은 연구가 되고 있으며 개발되고 있다. 그러나, 마이크로스트립 안테나는 소형, 박형, 경량 등과 같은 장점을 가지고 있지만 대역폭 확장에 한계가 있으며, 높은 입력 임피던스에 의해 급전구조의 복잡한 문제가 있다. 또한, 다이폴 안테나는 마이크로스트립 안테나에 비해 넓은 대역폭을 가지며 낮은 임피던스에 의해 급전부의 설계가 쉬워진다. 그러나, 소형화를 위한 일반적인 다이폴 안테나의 경우, 전방향성(omni-directional)의 패턴 형태를 갖기 때문에 지향상이 부족하여 고이득 특성을 갖는데 어려움이 있다.
이러한 종래기술의 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 갖는 저대역 안테나(Low band antenna, 698~960 MHz)와 고대역 안테나(High band antenna, 1710~2690 MHz)를 동일 공간에 구비하는 통합적인 안테나를 제공하는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조를 제공한다.
본 발명의 다중대역 광대역 안테나는 다중대역 통신 환경에 최적화될 수 있도록 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역이 가지는 통합적인 안테나를 제공한다.
본 발명의 다중대역 광대역 안테나는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나나 다이폴 안테나의 구조의 복잡한 형상, 낮은 가공성, 가성비의 단점을 보완하면서 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제점을 개선 가능하도록 다중대역에서 동작 가능한 통합적인 안테나를 제안하였다.
제안된 다중대역 광대역 안테나는 2G, 3G, 4G 이동통신에서 국외적으로 요구되는 전대역에 대하여 동작 가능한 특징을 구비한다. 제안된 다중대역 광대역 안테나는 그라운드 판을 포함하여 250x300x104 mm3의 전체적인 크기를 가지고 698~960 MHz, 1710~2690 MHz에서 -10dB 이하 (VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족한다(이하 698~960 MHz: 800 MHz 대역, 1710~2690 MHz: 2GHz 대역으로 표기).
본 발명의 다중대역 광대역용 안테나는, 반사면을 제공하는 그라운드 판; 굽은 보우타이 다이폴의 형태를 가지는 광대역 안테나(698~960 MHz, 800MHz 대역)의 방사체; 그라운드 판과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지하는 슬랜트형 한쪽면이 열린 간접 급전 외곽 구조체; 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체; 방사(radiation)를 하는 광대역 특성을 위해 변형된 사각 다이폴 안테나(1710~2690 MHz, 2GHz 대역)의 방사체; 그라운드 판과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지하는 수직형 간접 급전 외곽 구조체; 수직형 간접 급전 내부 구조체1; 수직형 간접 급전 내부 구조체2; 2GHz 대역의 이득 향상을 위한 그라운드 판과 전기적으로 연결된 내부 반사판으로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제안된 제1 주파수 대역(800MHz 대역)의 기본 안테나(Low band antenna)는 800MHz를 기준으로 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 한 쌍의 안테나 방사체(2), 한 쌍의 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3), 간접 급전 내부 구조체(3)로 구성된다. 이 굽은 보우타이 다이폴 안테나는 마주보는 방향에 대하여 서로 같은 방사체 안테나가 800MHz 대역의 1/2 파장(λ)의 거리를 가지며 배치된다. 이 두 방사체 안테나는 전력 분배기(power divider)를 통하여 하나의 입출력 단자로 연결되고, 이는 안테나1로 동작한다. 또한, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 전력 분배기(power divider)를 통하여 연결된 안테나1과 동일한 크기와 구조를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나2가 배치 및 동작된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제안된 제2 주파수 대역(2GHz 대역)의 기본 안테나(High band antenna)는 2 GHz를 기준으로 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 한 쌍의 안테나 방사체(5), 한 쌍의 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6), 간접 급전 내부 구조체(7)로 한 쌍의 구성된 구조체들이 마주보도록 구성되어 안테나3으로 동작한다. 또한, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 안테나3은 동일한 크기와 구조의 방사체(5)와 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나가 배치 및 동작된다. 안테나4의 급전을 위한 간접 급전 내부 구조체(8)는 안테나3의 겹쳐지는 간접 급전 내부 구조체(7)와의 이격되고 이격된 거리만큼 짧아진 내부 구조체 끝단의 길이를 가진다.
제1 주파수 대역(800 MHz 대역)의 기본 안테나는 도 3에 도시된 바와 같이, 굽은 보우타이 다이폴 안테나 구조의 방사체와 슬랜트형 간접 급전 구조체들로 구성된다. 이 때의 간접 급전의 급전을 위하여 Port 1a가 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 급전 위치1(10)에 형성된다. 이 안테나와 동일한 크기와 구조를 가지는 안테나가 서로 마주보며 800 MHz 대역의 1/2 파장(λ)의 거리로 배치되어 안테나1로서 구성된다. 마주보며 배치된 안테나도 동일하게 간접 급전의 급전을 위하여 Port 1b가 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 급전 위치2(11)에 형성된다.
안테나1은 Port 1a와 1b의 급전이 전력 분배기(Power divider)에 연결되어 하나의 입출력 단자(Port 1)로 연결된다. 또한, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 안테나1과 동일한 크기와 구조를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나2가 배치되며 각각의 기본 안테나에는 Port 2a과 2b가 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 급전위치3(12)과 4(13)에 형성되고 안테나1과 동일한 전력 분배기에 연결되어 하나의 입출력 단자(Port 2)로 연결된다.
제2 주파수 대역(2GHz 대역)의 기본 안테나는 도 4에 도시된 바와 같이, 변형된 사각 다이폴 안테나 구조의 방사체와 수직형 간접 급전 구조체들로 구성되어 안테나3으로 동작한다. 이 때, 간접 급전의 급전을 위하여 Port 3이 변형된 사각 다이폴 안테나의 급전 위치1(14)에 형성된다. 또한, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 안테나3은 동일한 크기와 구조의 방사체(5)와 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나4가 배치된다. 이 때의 간접 급전의 급전을 위하여 Port 4가 변형된 사각 다이폴 안테나의 급전위치2(15)에 형성된다.
도 7은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸다.
다중대역 안테나는 698~960MHz (BW: 31.6%)와 1710~2690MHz (BW:44.5%)의 상용 2G, 3G, 4G 시스템 대역에서 -10dB 이하 (VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족하고 있다. 안테나 1과 3은 동일한 크기와 구조를 가지는 방사체를 통해 안테나 2와 4에서도 S-parameters 동일한 특성을 제시한다.
제1 주파수 대역(698~960MHz 대역)에서 동작하는 안테나 1과 2는 슬랜트형 간접 급전 구조와 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 구조를 통해 향상된 광대역 특성(BW: 31.6%)을 확보하였다.
제2 주파수 대역(1710~2690MHz 대역)에서 동작하는 안테나 3와 4는 수직형 간접 급전 구조와 변형된 사각 다이폴 안테나의 구조를 통해 향상된 광대역 특성(BW: 44.5%)을 확보하였다. 각각의 구조에서는 방사체의 길이와 간격, 간접 급전 구조 내외부 구조체의 변경을 통하여 임피던스 매칭을 확보하도록하였다.
본 발명에서 제안된 다중대역 안테나는 통합적으로 작은 공간 안에서 일반적인 기존의 기지국이나 중계기 안테나와 비교하여 향상된 다중대역과 광대역 특성을 확보하고 있다.
도 7을 참조하면, S11는 안테나1의 반사손실, S22는 안테나2의 반사손실, S33는 안테나3의 반사손실, S44는 안테나4의 반사손실(Return loss)을 나타낸다. S21과 S12은 800MHz 대역의 안테나1과 안테나 2간의 격리도(Isolation)를 나타낸다. S43과 S34은 2GHz 대역의 안테나3과 안테나 4간의 격리도(Isolation)를 나타낸다.
본 발명에서 제안된 다중대역 안테나는 제1 주파수 대역(800MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나1과 안테나2 간에 격리도를 30dB 이상을 확보한다. 또한, 제2 주파수 대역(2GHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나 3과 안테나 4간의 격리도를 30dB 이상을 확보한다.
도 8은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 이득(Gain) 특성을 나타낸다. 제안된 다중대역 안테나는 698~960 MHz와 1710~2690 MHz의 사용 2G, 3G, 4G 시스템 대역에서 7 dBi 이상의 비교적 높은 안테나 이득을 확보하고 있다. 안테나 1과 3은 동일한 크기와 구조를 가지는 방사체를 통해 안테나 2와 4에서도 동일한 이득 특성을 가지고 있으므로 도 8에서는 안테나1과 안테나3의 이득 특성을 제시한다.
제1 주파수 대역(698~960 MHz 대역)에서 동작하는 안테나 1과 2는 굽은 보우타이 다이폴 안테나 구조로 확보된 광대역 특성과 함께 광대역 방사체를 슬랜트형 간접 급전 구조를 통해 그라운드 판과 800MHz 기준으로 1/4 파장을 이격시켜 그라운드 판이 반사판으로 동작하도록 하여 향상된 지향성(Directivity)과 이를 통해 향상된 이득(Gain)을 확보하였다.
제2 주파수 대역(1710~2690 MHz 대역)에서 동작하는 안테나 3과 4는 변형된 사각 다이폴 안테나의 구조로 확보된 광대역 특성과 함께 광대역 방사체를 수직형 간접 급전 구조를 통해 그라운드 판(1)과 2GHz를 기준으로 1/4 파장을 이격시켜 그라운드 판이 반사판으로 동작하도록 하였다. 하지만, 1710~2690 MHz 대역은 상대적으로 넓은 대역폭을 가짐으로써 일부 대역에서 부족한 이득 확보의 문제점을 극복하기 위하여 내부 반사판(9)을 배치하여 향상된 지향성과 이를 통해 향상된 이득을 확보하였다.
도 9는 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나가 1710~2690 MHz 대역의 이득 향상을 위해 배치된 내부 반사판의 유무에 따른 S-parameters 특성을 나타낸다. 제안된 안테나는 내부 반사판(9)이 삽입된 경우에서도 698~960MHz (BW: 31.6%)와 1710~2690MHz (BW:44.5%)의 상용 2G, 3G, 4G 시스템 대역에서 -10dB 이하 (VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족하고 있다.
698~960 MHz 대역에서 동작하는 안테나 1과 2는 배치된 내부 반사판(9)의 유무와 관계없이 동일한 S-parameters 특성을 나타낸다. 1710~2690 MHz 대역에서 동작하는 안테나 3과 4는 근접한 내부 반사판에 의해 일부 변화된 S-parameters 특성을 나타내지만, 동작 주파수 대역인 1710~2690 MHz 대역에서 동일하게 -10 dB 이하의 반사손실을 만족하고 있다.
도 10은 본 발명에 따라 제안된 1710~2690 MHz 대역의 이득향상을 위해 배치된 내부 반사판(9)의 유무에 따른 이득(Gain) 특성을 나타낸다.
제안된 다중대역 안테나는 내부 반사판(9)을 통하여 1710~2690 MHz의 광대역에서 7 dBi 이상의 비교적 높은 이득을 확보하고 있다.
제1 주파수 대역(698~960 MHz 대역)에서 동작하는 안테나 1과 2는 배치된 내부 반사판(9)의 유무와 관계없이 동일한 S-parameters 특성을 나타냄으로써 동일한 이득을 확보하고 있다. 따라서 도 10은 주요하게 변화된 2 GHz 대역의 이득 특성의 변화를 나타낸다.
제2 주파수 대역(1710~2690 MHz 대역)에서 동작하는 안테나 3과 4는 근접한 내부 반사판(9)에 의해 향상된 이득 특성을 확보하고 있다. 이는 내부 반사판(9)을 통해 향상된 지향성과 주변에 배치된 800 MHz 대역의 슬랜트형 간접 구조와의 필드 간섭을 최소화하여 안테나가 동작하는 광대역 특성 내에서 7 dBi 이상의 향상된 이득을 확보하고 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 1710~2690 MHz 대역에서 윗부분의 그래프는 내부 반사판(9)을 사용한 경우 이득 특성, 아랫 부분의 그래프는 내부 반사판(9)을 사용하지 않은 경우 이득 특성을 도시하였다.
도 11은 본 발명에 따라 제안된 다중대역 안테나의 세부 구조인 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체와 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체에 흐르는 전류 분포를 나타낸다.
(a)는 698~960 MHz 대역(Low)에서 흐르는 전류 분포를 나타낸다.
(b)는 1710~2690 MHz 대역(High)에서 흐르는 전류 분포를 나타낸다. 변형된 사각 다이폴 안테나 구조를 통하여 변형된 사각 형태와 내부 형태를 통해 흐르는 서로 다른 전류 분포 흐름을 가짐으로써 비교적 향상된 광대역 특성을 확보하고 있다.
도 12는 본 발명에 따라 제안된 안테나의 정규화된 방사패턴의 특성을 나타낸다. 698~960 MHz와 1710~2690 MHz의 다중대역에서 제안된 안테나의 안테나 1과 3이 갖는 Co-Polarization과 Cross-Polarization에 대한 특성(YZ면)을 나타낸다. 중요하게 동작하는 Co-Polarization에 대하여 각각의 대역에서 그라운드 판(1), 내부 반사판(9)을 통해 +Z축(0도) 방향에 대하여 일정한 지향성을 가지고 있음을 보인다.
(a) 698 MHz, (b) 798 MHz, (c) 819 MHz, (d) 960 MHz, (e) 1710 MHz, (f) 2690 MHz 각 주파수에서 안테나의 방사패턴을 나타내며, 내부의 적색 방사패턴은 Cross-Polarization(X-Poarization)을 나타내고, 외부의 상대적으로 큰 방사패턴은 Co-polarization을 나타낸다.
본 발명에 따른 기지국 또는 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조는 2G, 3G 및 4G의 LTE 이동통신 시스템에서 다중대역 광대역 특성을 갖는 굽은 보우타이 다이폴 안테나[698~960 MHz 대역, Low band antenna]와 변형된 사각 다이폴 안테나[1710~2690 MHz 대역, High band antenna]를 소형화 된 크기를 갖는 통합적인 안테나를 제공하며, 광대역 동작을 위한 굽은 보우타이 다이폴 안테나와 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체에 대하여 슬랜트형과 수직형 구조의 간접 급전 구조를 사용하여 698~960 MHz (BW: 31.6%)와 1710~2690 MHz (BW: 44.5%)의 다중대역 광대역에서 동작 가능한 특성을 가진다.
698~960 MHz 대역의 굽은 보우타이 다이폴 안테나(Low band antenna)와 1710~2690 MHz 대역의 변형된 사각 다이폴 안테나(High band antenna)를 통합된 구조내에서 축소된 소형의 크기의 통합적인 안테나의 구조를 제공하였으며, 기존의 기지국이나 중계기 시스템을 위한 배열 안테나의 비교적 큰 크기의 문제를 개선하였으며, 안테나 구조를 단순화하면서 축소된 면적으로 다중대역에서 동작하는 광대역 특성을 만족됨을 확인하였다.
본 발명에 따른 안테나는 다중대역 광대역 특성을 요구하는 기지국 또는 중계기 시스템의 안테나로 적용되며, 소형화 된 크기를 가지는 기지국 또는 중계기 시스템의 안테나로 적용된다.
본 발명에 따른 다중대역 광대역 안테나는 마이크로 스트립 패치 안테나 또는 다이폴 안테나 구조들의 복잡한 형상과 가공성, 가격적인 단점을 보완하면서도 통합된 구조에서 적용된 이점으로 기존 기지국이나 중계기의 안테나보다 작은 면적을 가지면서, 다중대역 광대역 특성을 제공하는 단순한 구조이며, 뿐만 아니라 고이득(7 dBi)의 성능을 가지게 된다. 따라서, 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 기지국 및 중계기 시스템의 안테나 배열이 단일 소자로 사용 가능한 장점을 가진다.
구조도에서, 제안된 다중대역 안테나는 800 MHz 대역의 슬랜트형 간접 급전 구조와 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체를 사용하여 동작하고, 이는 요구 대역에 따라 변형 가능한 특징을 가진다. 또한 제안된 다중대역 안테나는 2 GHz 대역의 수직형 간접 급전 구조와 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체를 사용하여 동작하고, 이는 요구 대역에 따라 변형 가능한 특징을 가진다. 방사체의 길이나 크기의조절을 통하여 주파수 변화가 가능하고 슬랜트형과 수직형 간접 급전 구조의 내외부 구조체의 변형을 통하여 임피던스 조절을 통한 임피던스 매칭이 가능한 특징을 가진다.
본 발명에서 제안된 안테나 구조는 비교적 단순한 구조를 통해 다중대역 광대역의 안테나 동작 성능을 확보하였다. 기지국 또는 중계기 시스템을 위한 배열 안테나에 적용 가능한 고이득을 가지는 단일 소자로서의 동작을 위하여 그라운드 판(1)과 내부 반사판(9)을 사용하여 7 dBi 이상의 비교적 향상된 안테나 이득을 확보하고 있다. 또한, 다중대역 안테나로서 동작하며 통합된 구조 내에서 안테나를 배치하여 공간 활용성을 증대한 특징을 갖는다.
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 (반사판)
2: 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체
3: 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체 (급전 및 안테나 지지대)
4: 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체
5: 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체
6: 수직형 간접 급전 외곽 구조체 (급전 및 안테나 지지대)
7: 수직형 간접 급전 내부 구조체 1
8: 수직형 간접 급전 내부 구조체 2
9: 내부 반사판
10: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 1)의 급전 위치 1 (Port 1a)
11: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 1)의 급전 위치 2 (Port 1b)
12: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 2)의 급전 위치 3 (Port 2a)
13: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 2)의 급전 위치 4 (Port 2b)
14: 변형된 사각 다이폴 안테나(안테나 3)의 급전 위치 1 (Port 3)
15: 변형된 사각 다이폴 안테나(안테나 4)의 급전 위치 2 (Port 4)
2: 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체
3: 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체 (급전 및 안테나 지지대)
4: 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체
5: 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체
6: 수직형 간접 급전 외곽 구조체 (급전 및 안테나 지지대)
7: 수직형 간접 급전 내부 구조체 1
8: 수직형 간접 급전 내부 구조체 2
9: 내부 반사판
10: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 1)의 급전 위치 1 (Port 1a)
11: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 1)의 급전 위치 2 (Port 1b)
12: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 2)의 급전 위치 3 (Port 2a)
13: 굽은 보우타이 다이폴 안테나(안테나 2)의 급전 위치 4 (Port 2b)
14: 변형된 사각 다이폴 안테나(안테나 3)의 급전 위치 1 (Port 3)
15: 변형된 사각 다이폴 안테나(안테나 4)의 급전 위치 2 (Port 4)
Claims (12)
- 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조의 반사면을 제공하는 그라운드 판(1);과
외곽에 위치되고 각각 상하좌우에 구비되며, 제1 주파수 대역을 사용하는 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2); 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며, 상하좌우에 구비된 각각의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 2개의 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3); 및 상기 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)를 구비하는 제1 주파수 대역 안테나 구조체와,
중앙부에 위치되고 확장된 광대역 특성을 제공하는 제2 주파수 대역을 사용하는 사각 다이폴 안테나의 방사체(5); 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결되며 방사체를 지지대와 간접 급전을 위한 feed를 구비하는 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6); 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 외심의 관통홀로 각각 속심이 상하로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7); 및 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 외심의 관통홀로 각각 속심이 좌우로 연결되는 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비하는 제2 주파수 대역 안테나 구조체를 포함하며,
상기 제1 주파수 대역(Low band antenna, 698~960 MHz 대역)의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)의 좌우 방사체가 800 MHz 주파수의의 길이로 이격되어 'ㄷ'자 형상의 상기 한쪽면이 열린 슬랜트형 간접 급전 외곽 구조체(3)의 외심에 속심이 연결되는 상기 슬랜트형 간접 급전 내부 구조체(4)로 연결되며,
상기 제1 주파수 대역의 상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체(2)와 상기 그라운드 판(1)의 거리는 800 MHz 주파수의의 길이를 유지하는 것을 특징으로 하는 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 주파수 대역은 698~960 MHz 대역이며, 상기 제2 주파수 대역은 1701~2690 MHz 대역 인 것을 특징으로 하는 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항에 있어서,
전후 좌우 면의 벽을 형성하며, 2 GHz 대역의 이득 향상을 위한 상기 그라운드 판(1)과 전기적으로 연결된 내부 반사판(9)을 더 포함하는 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 주파수 대역(High band antenna, 1701~2690 MHz 대역)의 각각 관통홀이 구비되고 중심선이 가로지르는 마름모 형태의 4개의 방사체로 구성된 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5)는 2 GHz 주파수의의 길이를 유지하며, 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 원통형 외심의 관통홀로 각각 속심이 상하로 연결되는 상기 수직형 간접 급전 내부 구조체1(7) 및 상기 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)의 원통형 외심의 관통홀로 각각 속심이 좌우로 연결되는 상기 수직형 간접 급전 내부 구조체2(8);를 구비하며,
상기 제2 주파수 대역의 상기 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체(5)와 상기 그라운드 판(1)의 거리는 2 GHz 주파수의의 길이를 유지하는 것을 특징으로 하는 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 굽은 보우타이 다이폴 안테나(Low band antenna)는 마주보는 방향에 대하여 서로 같은 방사체 안테나가 제1 주파수 대역인 800MHz 대역의 1/2 파장(λ)의 거리를 가지며 배치되며, 이 두 방사체 안테나는 전력 분배기(power divider)를 통하여 하나의 입출력 단자로 연결되고, 이는 안테나1로 동작하며, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 전력 분배기(power divider)를 통하여 연결된 안테나1과 동일한 크기와 구조를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나2가 배치 및 동작되는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항에 있어서,
상기 사각 다이폴 안테나(High band antenna)는 제2 주파수 대역인 2 GHz를 기준으로 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 한 쌍의 안테나 방사체(5), 한 쌍의 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6), 간접 급전 내부 구조체(7)로 한 쌍의 구성된 구조체들이 마주보도록 구성되어 안테나3으로 동작하며, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 안테나3은 동일한 크기와 구조의 방사체(5)와 간접 급전 외곽 구조체(6)를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나가 배치 및 동작되고, 안테나4의 급전을 위한 간접 급전 내부 구조체(8)는 안테나3 의 겹쳐지는 간접 급전 내부 구조체(7)와의 이격되고 이격된 거리만큼 짧아진 내부 구조체 끝단의 길이를 가지는. 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항에 있어서,
상기 제1 주파수 대역(800 MHz 대역)의 안테나는 굽은 보우타이 다이폴 안테나 구조의 방사체와 슬랜트형 간접 급전 구조체들로 구성되고, 이 때의 간접 급전의 급전을 위하여 Port 1a가 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 급전 위치1(10)에 형성되며, 이 안테나와 동일한 크기와 구조를 가지는 안테나가 서로 마주보며 800 MHz 대역의 1/2 파장(λ)의 거리로 배치되어 안테나1로서 구성되고, 마주보며 배치된 안테나도 동일하게 간접 급전의 급전을 위하여 Port 1b가 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 급전 위치2(11)에 형성되며,
상기 안테나1은 Port 1a와 1b의 급전이 전력 분배기(Power divider)에 연결되어 하나의 입출력 단자(Port 1)로 연결되며, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 안테나1과 동일한 크기와 구조를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나2가 배치되며, 각각의 기본 안테나에는 Port 2a과 2b가 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 급전위치3(12)과 4(13)에 형성되고 안테나1과 동일한 전력 분배기에 연결되어 하나의 입출력 단자(Port 2)로 연결되는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항에 있어서,
상기 제2 주파수 대역(2GHz 대역)의 안테나는 변형된 사각 다이폴 안테나 구조의 방사체와 수직형 간접 급전 구조체들로 구성되어 안테나3으로 동작하며, 이 때, 간접 급전의 급전을 위하여 Port 3이 변형된 사각 다이폴 안테나의 급전 위치1(14)에 형성되고, Diversity/MIMO 동작을 위하여 서로 수직 방향의 편파 방향을 가지도록 안테나3은 동일한 크기와 구조의 방사체(5)와 수직형 간접 급전 외곽 구조체(6)를 가지고 서로 수평면 상에서 90° 틀어진 방향으로 안테나4가 배치되며, 이 때의 간접 급전의 급전을 위하여 Port 4가 변형된 사각 다이폴 안테나의 급전위치2(15)에 형성되는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항에 있어서,
상기 다중대역 안테나는 제1 주파수 대역(698~960MHz)(BW: 31.6%)와 제2 주파수 대역(1710~2690MHz)(BW:44.5%)의 상용 2G, 3G, 4G 시스템 대역에서 -10dB 이하 (VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족하며,
상기 제1 주파수 대역(800MHz 대역)의 굽은 보우타이 다이폴 안테나1과 안테나2 간에 격리도를 30dB 이상을 확보하고, 상기 제2 주파수 대역(2GHz 대역)의 변형된 사각 다이폴 안테나 3과 안테나 4간의 격리도를 30dB 이상을 확보하는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항, 제3항, 10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 주파수 대역(698~960 MHz 대역)에서 동작하는 상기 안테나 1과 2는 굽은 보우타이 다이폴 안테나 구조로 확보된 광대역 특성과 함께 광대역 방사체를 슬랜트형 간접 급전 구조를 통해 상기 그라운드 판(1)과 800MHz 기준으로 1/4파장을 이격시켜 그라운드 판이 반사판으로 동작하도록 하여 향상된 지향성(Directivity)과 이를 통해 향상된 이득(Gain)을 확보하였으며,
상기 제2 주파수 대역(1710~2690 MHz 대역)에서 동작하는 상기 안테나 3과 4는 변형된 사각 다이폴 안테나의 구조로 확보된 광대역 특성과 함께 광대역 방사체를 수직형 간접 급전 구조를 통해 상기 그라운드 판(1)과 2GHz를 기준으로 1/4 파장을 이격시켜 상기 그라운드 판(1)이 반사판으로 동작하도록 하였지만, 1710~2690 MHz 대역은 상대적으로 넓은 대역폭을 가짐으로써 일부 대역에서 부족한 이득 확보의 문제를 극복하기 위하여 내부 반사판(9)을 배치하여 향상된 지향성과 이를 통해 향상된 이득을 확보하는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조. - 제1항에 있어서,
상기 다중대역 안테나는 800 MHz 대역의 슬랜트형 간접 급전 구조와 굽은 보우타이 다이폴 안테나의 방사체를 사용하여 동작하고, 이는 요구 대역에 따라 변형 가능한 특징을 가지며,
상기 다중대역 안테나는 2 GHz 대역의 수직형 간접 급전 구조와 변형된 사각 다이폴 안테나의 방사체를 사용하여 동작하고, 이는 요구 대역에 따라 변형 가능한 특징을 가지며, 방사체의 길이나 크기의 조절을 통하여 주파수 변화가 가능하고 슬랜트형과 수직형 간접 급전 구조의 내외부 구조체의 변형을 통하여 임피던스 조절을 통한 임피던스 매칭이 가능한 특징을 가지는, 기지국 및 중계기 시스템을 위한 다중대역 광대역 안테나 구조.
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