KR101711899B1 - 하방 음영지역을 최소화하는 옴니안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 옴니안테나에 에 관한 것으로 특히 하방 음영지역을 최소화하는 옴니안테나에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 양면에 도체 패턴이 형성되는 유전체기판, 상기 유전체기판의 일면에 등간격으로 배치되고 서로 도통되어 있는 다수 개의 직사각형 형상의 제1 패치, 상기 유전체기판의 타면에 등간격으로 배치되고, 서로 도통되어 있고, 상기 제 1 패치와 동일한 개수의 직사각형 형상의 제 2 패치, 및 상기 유전체기판의 상기 타면의 하단에 구비되고, 상기 제 2 패치와 도통되어 있는 제3 패치를 포함하는 옴니안테나가 개시된다.
본 발명에 의한 옴니안테나 사용 시 안테나 아래쪽에 생기는 음영지역을 최소화하는 효과가 있다.

Description

하방 음영지역을 최소화하는 옴니안테나{Omni Antenna to reduce poor coverage area at below the antenna}

본 발명은 기지국 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 안테나 패턴변경에 의하여 옴니안테나에서 발생하는 안테나 아래쪽에 생기는 음영 지역을 줄이는 안테나에 관한 것이다.

협력주행통신은 차량 간 통신에 의해 무선망을 구축하고 차량 운행 정보를 송수신함으로써 군집 주행 서비스를 제공하여 운전자에게 안전성과 편리성을 제공할 수 있고, 연료 소모를 줄일 수 있는 주행 보조 수단으로 제시되고 있다. 또한 협력주행통신을 통해 도로 인프라의 정보를 송수신하여 차량을 제어하는 서비스를 제공할 수 있으며, 학교 주변 도로나 사고 다발 지역에서 속도 제한 정보나 위험 상황 정보를 차량에 보내어 차량 속도를 제어하는 안전 서비스 등도 제공할 수 있다.

도 1은 협력주행통신의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 협력주행통신은 다양한 차량 센서 및 주변 통신인프라와의 통신으로부터 얻어지는 차량 및 도로 상태 정보를 이용하여 차량의 주행을 제어하는 기술인 V2X(Vehicle to Everything) 기술이라고 볼 수 있으며, V2X 기술은 차량간의 통신 기능을 제공하는 V2V(Vehicle to Vehicle) 통신과 차량과 도로주변의 기지국과의 통신 기능을 제공하는 V2I(Vehicle to Infrastructure)통신을 포함한다.

도 2는 V2I 통신서비스 제공을 위한 일반적인 옴니안테나의 방사구간 및 음영 지역을 보여주는 도면이다.

V2I 통신서비스를 제공하기 위해서는 일반적으로 지상으로부터 6m 내지 7m 높이에 기지국용 옴니안테나(Omni Antenna)를 설치한다. 그런데 도 2를 참조하면, 일반적인 옴니안테나는 등간격의 균일급전 방식을 사용하여 가운데로 전류 분포가 형성되고, 그에 따른 방사구간이 기지국을 중심으로 땅과 평행하게 퍼지는 형태로 되어 기지국 바로 아래쪽에는 기지국으로부터 오는 전파를 수신할 수 없는 음영 지역이 발생하는 문제점이 발생한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 음영 지역 구간을 최소화하기 위하여 패치 간격은 동일하면서 급전방식을 등간격 비 균일하게 구성한 옴니안테나를 제공함에 있다.

전술한 문제점을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 하방 음영지역을 최소화하기 위한 옴니안테나는 양면에 도체 패턴이 형성되는 유전체기판, 상기 유전체기판의 일면에 등간격으로 배치되고 서로 도통되어 있는 다수 개의 직사각형 형상의 제1 패치, 상기 유전체기판의 타면에 등간격으로 배치되고, 서로 도통되어 있고, 상기 제 1 패치와 동일한 개수의 직사각형 형상의 제 2 패치, 및 상기 유전체기판의 상기 타면의 하단에 구비되고, 상기 제 2 패치와 도통되어 있는 제3 패치를 포함할 수 있다. 이에 더하여 상기 유전체기판의 상기 일면과 상기 타면의 상단에 구비되고 서로 도통된 기생패치를 더 포함하되, 상기 기생패치는 상기 제1 패치 및/또는 상기 제 2패치와 도통되어 있지 않을 수 있다. 그리고 상기 유전체기판의 상기 일면의 하단에 구비되고 상기 제1 패치와 도통되어 있는 스터브패턴을 더 포함할 수 있다.

상기 스터브패턴의 크기는 수평방향으로 5mm이고 수직방향으로 2mm일 수 있으며, 상기 스터브패턴은 상기 유전체 기판의 하단 끝점에서부터 수직방향으로 5.5mm 에서 6.5mm거리에 위치할 수 있다.

하방 음영지역을 최소화하기 위한 옴니안테나는 상기 제1 패치와 상기 제 2 패치를 도통시키기 위한 비아홀을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 패치 및 상기 제 2 패치의 크기는 수평방향으로 8mm 에서 12mm사이이고, 수직방향으로 14mm 에서 18mm 사이이며, 상기 제 3 패치의 크기는 수평방향으로 9mm 에서 12mm 사이이고, 수직방향으로 33mm 에서 41mm 사이일 수 있다.

그리고, 상기 유전체기판은 FR-4, 테프론(Teflon), 에폭시 수지, 및 에폭시 레진(Resin) 중 어느 하나 이상의 재료로 만들어질 수 있다,

본 발명에 의한 옴니안테나는 안테나 아래쪽에 생기는 음 영지역을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 협력주행통신의 일 실시 예를 보여주는 도면이다
도 2는 V2I 통신서비스 제공을 위한 일반적인 옴니안테나의 방사구간 및 음영지역을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 설계되고 제작된 안테나를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 안테나의 구조를 보여주는 도면으로 유전체기판의 일면과 타면에 도체 패턴이 구현되어 있는 것을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나의 반사손실(Return Loss)와 전압정재파비(VSWR)을 보여주는 도면이다.
도 6a 내지 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나의 수평방향과 수직방향의 이득을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나의 3차원 방사패턴과 기존 옴니안테나의 방사패턴을 비교한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나를 도심지 교차로에 적용한 예를 보여주는 도면이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 비록 특정 실시 예로 설명하더라도 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

하기에서 언급되는 수평방향은 땅과 평행한 방향 수직방향은 상기 수평방향에 수직인 방향을 의미한다. 그리고 하단은 설치되었을 때 밑으로 가는 부분으로 상단은 설치되었을 때 위로 가는 부분을 의미한다.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 설계되고 제작된 안테나를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의해 설계된 안테나(300)는 긴 직사각형 형태의 도체 패턴이 형성되는 유전체 기판으로 밑받침(310)을 포함하는 긴 원기둥 형태의 하우징(320) 내에 거치될 수 있다. 상기 밑받침(310)에는 안테나(330)에 급전하기 위한 케이블연결부(330)를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 안테나의 구조를 보여주는 도면으로 유전체기판의 일면과 타면에 도체 패턴이 구현되어 있는 것을 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 유전체기판(410)의 양면에 도체 패턴이 구현될 수 있다. 유전체기판(410)의 재료로는 테플론(Teflon), FR4, 에폭시 레진(Resin) 또는 에폭시 수지 등이 사용될 수 있다. 직사각형 형태의 일반적인 도체 패턴인 제 1패치(420 내지 424) 및 제 2패치(425 내지 429)는 일반 옴니안테나와 마찬가지로 각 제 1패치(420 내지 424) 간의 거리가 일정한 등간격으로 다수 개 배치될 수 있고, 각 제 2패치(425 내지 429)간의 거리도 일정한 등간격으로 다수 개 배치될 수 있다. 이 때의 등간격 거리는 안테나가 전송하고자 하는 파장의 0.5배로 함이 타당하다. 그리고 패치(420 내지 429)의 크기는 수평방향으로 8mm 내지 12mm, 수직방향으로 14mm 내지 18mm의 길이를 가질 수 있다.

그리고 기지국 아래쪽에 발생하는 기지국의 신호가 도달하지 아니하는 음영 지역을 최소화하기 위하여 유전체기판(410)의 타면 하단에 상기 등간격으로 배치된 제 2 패치보다 큰 크기의 도체 패턴인 제3 패치(440)를 추가 구비할 수 있다. 이 제 3 패치(440)에 의하여 등간격 비균일 급전이 실현되고, 기존 옴니안테나의 방사패턴에 더하여 아래쪽 방사패턴이 추가적으로 구성될 수 있다.

이 제3 패치(440)의 크기는 수평방향(C)으로의 길이가 9mm에서 12mm 사이이고, 수직방향(B)으로의 길이가 33mm에서 41mm 사이가 되도록 설정함이 타당하다. 상기 제 3 패치(440)가 상기한 크기일 때 기지국 아래쪽 음영지역의 크기를 최소화할 수 있다.

유전체기판(410)의 상단에는 직사각형 형상의의 도체 패턴인 기생패치(450, 451)를 유전체기판(410)의 양면에 형성할 수 있다. 이 기생패치(450, 451)에 의하여 안테나에서 방사되는 방사패턴이 아래쪽으로 좀 더 밀집되게 된다. 상기 기생패치(450, 451)는 서로 간에는 도통되어 있으나 다른 패치들과는 도통이 되지 않는 별도의 패턴으로 구성될 수 있다.

그리고 유전체기판(410)의 일면에 있는 제 1 패치와 타면에 있는 제 2 패치를 도통시키기 위한 비아홀(480)을 추가적으로 구비할 수 있다. 상기 비아홀(480)에 의하여 폐루프(closed loop)의 전류가 흐를 수 있게 되고 광대역 특성을 획득할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, 유전체기판(410)의 일면에 있는 제 1 패치는 입력신호의 (+)단자와 연결되고 타면에 있는 제 2 패치는 입력신호의 (-)단자와 연결되는데 상기 비아홀(480)에 의하여 일면에 있는 제 1 패치와과 타면에 있는 제 2 패치가 도통하게 되면 (+)단자에에서 (-)단자로의 전류 흐름이 가능하여 폐루프의 전류가 흐를 수 있다.

안테나는 또한 유전체기판(410) 일면 하단에 스터브(stub) 패턴(460)을 추가로 구비할 수 있다. 상기 스터브패턴(460)은 공진주파수를 조절하고, 광대역을 구성하기 위하여 사용된다. 공진주파수가 5850MHz에서 5925MHz 내에 존재하기 위하여는 스터프패턴(460)의 크기가 수평방향으로 5mm, 수직방향으로 2mm이고, 유전체기판(410)의 하단에 있는 케이블연결부와의 접속을 위한 구멍(470)으로부터 스퍼프패턴(460)까지의 떨어진 거리(A)는 5.5mm 에서 6.5mm 정도 일수 있다.

한편, 본 발명에 따른 하방 음영 지역을 최소화하기 위한 안테나가 효과적으로 동작하기 위해서는 운용하고자 하는 주파수 범위에서 반사손실(Return Loss)이 낮아야 하고, 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio; VSWR)가 2보다 작아야 한다. 여기서 전압정재파비는 전송선로에서 부하쪽으로 진행하는 전압파와 부하 쪽에서 반사되어 나오는 전압파의 합에 의해 발생되는 전압 정재파(Standing Wave) 진폭의 최댓값과 최솟값의 비를 나타내는 것이다. 상기 반사손실과 전압정재파비는 전송선로 특성 임피던스와 종단 부하 안테나 임피던스가 어느 정도 일치하는 지의 정합 정도를 나타내는 양으로 사용되고, 반사손실과 전압정재파비가 낮을수록 정합이 잘 되어 있고 전파의 방사가 더 효율적으로 된다는 것을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나의 반사손실(Return Loss)과 전압정재파비(VSWR)을 보여주는 도면이다.

각 그래프의 X축은 주파수 대역을 나타낸다. 도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따라 목표로 하는 5850MHz에서 5925MHz 대역에서의 반사손실이 -10dB 이하로 0.1보다 적음을 보이고 있고, 전압정재파비도 1.69 미만으로 상기한 2보다 작아 안테나의 구조가 효율적으로 설계되었음을 알 수 있다.

도 6a 내지 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나의 수평방향과 수직방향의 이득을 보여주는 도면이다.

도 6a는 수평방향의 5825MHz, 5875MHz, 5925MHz 주파수에서의 이득을 보여주는 도면이다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 목표로 하는 주파수 범위에 전 방향으로 고르게 이득을 가지는 옴니안테나의 특성이 있음을 확인할 수 있다.

도 6b는 수직방향의 5825MHz, 5875MHz, 5925MHz 주파수에서의 이득을 보여주는 도면이다.

도 6b를 참조하면, 기생패치(450, 451)의 영향으로 중심에서 위쪽의 이득은 작아진 반면에 도체 패치(440)에 의해 아래쪽의 이득은 증가한 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나의 3차원 방사패턴과 기존 옴니안테나의 방사패턴을 비교한 도면이다.

도 7을 참조하면, 안테나의 아래쪽 부분을 비교할 때 기존 옴니안테나(b)의 경우 신호가 도달하지 않거나 약한 부분이 대부분(720)이고, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나(a)의 경우에는 아래쪽 부분(710)에도 신호가 방사됨을 확인할 수 있다.

상기한 도 6a, 도 6b 내지 도 7을 참조할 때, 본 발명에 의한 안테나가 기존 옴니안테나가 가졌다 안테나 아래쪽의 음영 지역을 상당부분 해소하는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나를 도심지 교차로에 적용한 예를 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 안테나는 신호등 위에 설치할 수 있고, 신호등 주변에 위치한 차량은 협력주행환경을 이용할 수 있는 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)통신 등을 이용하여 상기 안테나로부터 정보를 획득할 수 있다.

본 발명에 의한 옴니안테나는 기지국용으로 제안되었지만 대형 차량에도 적용 가능하다. 대형 차량은 면적이 넓어 기존 샤크 안테나로 구성 시 서비스에 제약이 많을 수 있다. 일예로 안테나라 앞쪽에 위치하면, 앞쪽 차량과의 V2V는 원활하지만 뒤쪽 차량과는 원활하지 않을 수 있다. 이러한 경우 본 발명에 의한 옴니안테나를 적용하면 그 커버리지가 넓어 뒤쪽 차량과도 원활하게 V2V 서비스를 지원할 수 있다.

상기에서 본 발명에서 제시하는 안테나를 설명하기 위하여 협력주행환경에 이용할 수 있는 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)통신을 위한 5GHz 대역을 기초로 실시 예들을 제시하지만, 본 발명에서 제시하는 안테나는 다른 통신방식을 위한 안테나로도 사용 가능할 수 있고, 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

1. 차량과 도로 주변의 기지국과의 통신 기능을 제공하는 V2I(Vehicle to Infrastructure)통신을 위해 사용되고, 도로 주변의 인프라 구조물의 상단에 설치되어 지상으로부터 높은 위치에 설치되고, 상기 인프라 구조물 아래쪽으로 통과하는 상기 차량과 통신을 위한 기지국 신호가 도달하지 아니하는 음영지역을 최소화하기 위하여 옴니안테나에서 방사되는 상기 기지국 신호의 방사패턴을 하방으로 밀집시키는 기지국용 옴니안테나로서,
   양면에 도체 패턴이 형성되는 유전체기판;
   상기 유전체기판의 일면에 등간격으로 배치되고, 서로 도통되어 있는 다수 개의 직사각형 형상의 제 1 패치;
   상기 유전체기판의 타면에 등간격으로 배치되고, 서로 도통되어 있는 다수 개의 직사각형 형상의 제 2 패치;
   상기 인프라 구조물 아래쪽에 발생하는 기지국 신호가 도달하지 아니하는 음영지역을 최소화하기 위하여 상기 제 1 패치 및 상기 제 2 패치에 의한 방사 패턴에 더하여 옴니안테나의 하방으로 방사패턴이 추가로 구성되도록 하고, 상기 유전체기판의 상기 타면의 상기 제2패치의 하단에 구비되고, 상기 제 2 패치와 도통되는 제 3 패치; 및
   옴니안테나에서 방사되는 방사패턴이 하방으로 밀집되도록 하기 위해 상기 유전체기판의 상기 일면과 상기 타면의 상단에 구비되고, 상기 제 1 패치 및 상기 제 2 패치와 비통전되는 기생패치;를 포함하고,
   상기 등간격은 옴니안테나가 전송하고자 하는 파장의 0.5배인,
   옴니안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 패치와 상기 제 2 패치는 동일한 개수인
   옴니안테나.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 유전체기판의 상기 일면의 하단에 구비되고 상기 제 1 패치와 도통되어 있는 스터브패턴을 더 포함하는
   옴니안테나.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 스터브패턴의 크기는 수평방향으로 5mm이고 수직방향으로 2mm이며, 상기 스터브패턴은 상기 유전체 기판의 하단의 급전 케이블 연결을 위한 홀의 끝점에서부터 수직방향으로 5.5mm 에서 6.5mm거리에 위치하는
   옴니안테나.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 패치와 상기 제 2 패치를 도통시키기 위한 비아홀을 더 포함하는
   옴니안테나.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 패치 및 상기 제 2 패치의 크기는 수평방향으로 8mm에서 12mm 사이이고, 수직방향으로 14mm에서 18mm 사이인
   옴니안테나
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제 3 패치의 크기는 수평방향으로 9mm에서 12mm 사이이고, 수직방향으로 33mm에서 41mm 사이인
   옴니안테나.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체기판은 FR-4, 테프론(Teflon), 에폭시 수지, 및 에폭시 레진(Resin) 중 어느 하나 이상의 재료로 만들어지는
    옴니안테나.
    

Images