KR101751171B1

KR101751171B1 - 다중 편파를 발생시키는 다중 편파 안테나

Info

Publication number: KR101751171B1
Application number: KR1020160008334A
Authority: KR
Inventors: 유종원; 채수창; 권덕수; 강승태
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-06-27

Abstract

다중 편파를 발생시키는 다중 편파 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 안테나는 미리 정해진 공간 중 제1 영역에 제1 방향으로 배치되는 제1 안테나; 상기 제1 영역에 상기 제1 안테나와 교차하여 제2 방향으로 배치되는 제2 안테나; 상기 공간 중 제2 영역에 제3 방향으로 배치되는 제3 안테나; 및 상기 제2 영역에 상기 제3 안테나와 교차하여 제4 방향으로 배치되는 제4 안테나를 포함한다.

Description

다중 편파를 발생시키는 다중 편파 안테나 {Multiple Polarization Antenna with Multiple Polarization}

본 발명의 실시예들은 다중 편파 안테나에 관한 것으로, 다수의 안테나를 집적시키고, 다수의 편파특성을 이용하여 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있는 다중 편파 안테나와 관련된 것이다.

스마트폰, 태블릿 등 휴대용 개인 단말기가 널리 보급됨에 따라 무선 통신량과 데이터 트래픽이 대폭 증가하고 있다. 무선 통신 서비스를 보급하는 무선 통신 중계기는 수용한계가 어느 정도 정해져 있고, 수용한계 보다 많은 무선 데이터 트래픽을 처리하는 것은 불가능하며 허용 용량 이상의 무선 데이터는 무선 통신 서비스의 품질을 떨어뜨릴 위험이 있다.

이를 극복하기 위해 기존 무선 통신 서비스보다 많은 사용자와 더 큰 무선 데이터 처리 용량을 갖는 차세대 무선통신 시스템이 연구되고 있다. 차세대 무선 통신 시스템으로 다수의 안테나를 이용한 다중입력 다중출력(MIMO) 기술과 안테나의 빔 패턴 특성과 편파 특성을 활용하여 높은 통신용량을 갖도록 하는 패턴/편파 BDMA(Beam Division Multiple Access) 기술이 제안되었다.

여러 개의 안테나를 사용하여 채널용량을 늘리는 다중입력 다중출력(MIMO) 기술은 하나의 안테나를 서로 반파장 간격으로 떨어뜨려 사용하기 때문에 많은 수의 안테나를 사용하는 데에 공간적인 제약이 따르며, 안테나 수를 증가시킬수록 넓은 공간을 필요로 한다.

본 발명의 실시예들은, 다수의 안테나를 집적시키고, 다수의 편파특성을 이용하여 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있는 다중 편파 안테나를 제공한다.

본 발명의 실시예들은, 다중 편파 안테나를 확장시켜 다중입력 다중출력(MIMO)과 BDMA(Beam Division Multiple Access)에 적용할 수 있는 배열 안테나를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예들은, 다중 편파 배열 안테나를 MIMO와 BDMA에 적용함으로써, 채널용량을 늘리고 데이터 전송속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 안테나는 미리 정해진 공간 중 제1 영역에 제1 방향으로 배치되는 제1 안테나; 상기 제1 영역에 상기 제1 안테나와 교차하여 제2 방향으로 배치되는 제2 안테나; 상기 공간 중 제2 영역에 제3 방향으로 배치되는 제3 안테나; 및 상기 제2 영역에 상기 제3 안테나와 교차하여 제4 방향으로 배치되는 제4 안테나를 포함한다.

상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 직각으로 교차되어 배치되고, 상기 제3 안테나와 상기 제4 안테나는 직각으로 교차되어 배치될 수 있다.

상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나는 기판의 제1 면 상에 배치되고, 상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나는 상기 기판의 제2 면 상에 배치될 수 있다.

나아가, 본 발명의 실시예에 따른 다중 편파 안테나는 상기 기판과 일정 간격 이격 배치되며, 상기 안테나들에 의해 발생되는 다중 편파를 전방으로 향하도록 반사시키는 반사 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 안테나들 각각은 다이폴 안테나; 및 동작 주파수에서 동작되도록, 상기 다이폴 안테나의 적어도 하나의 끝단에 형성되는 일정 패턴을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 배열 안테나는 일정 모양으로 배열 배치되는 복수의 다중 편파 안테나들을 포함하고, 상기 다중 편파 안테나들 각각은 미리 정해진 공간 중 제1 영역에 제1 방향으로 배치되는 제1 안테나; 상기 제1 영역에 상기 제1 안테나와 교차하여 제2 방향으로 배치되는 제2 안테나; 상기 공간 중 제2 영역에 제3 방향으로 배치되는 제3 안테나; 및 상기 제2 영역에 상기 제3 안테나와 교차하여 제4 방향으로 배치되는 제4 안테나를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 다수의 안테나를 집적시키고, 다수의 편파특성을 이용하여 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있다.

즉, 기존에는 반파장 거리에 하나의 안테나를 배치하는 반면, 본 발명은 반파장ⅹ반파장 공간 내에 복수의 안테나를 배치시킴으로써, 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다중 편파 안테나를 확장시켜 다중입력 다중출력(MIMO)과 BDMA(Beam Division Multiple Access) 예를 들어 P2BDMA에 적용함으로써, 채널용량을 늘리고 데이터 전송속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 안테나를 좁은 공간 내에 집적시켜 무선 통신 용량의 증가를 가져오고, 집적된 안테나는 각각 서로 다른 편파특성을 가지고 편파로 인한 이득을 얻을 수 있기 때문에 효율적인 무선 통신 서비스를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 안테나에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 기판 상부면에 배치되는 구성과 하부면에 배치되는 구성에 대한 예시도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 편파 안테나에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 다중 편파 안테나를 이용한 배열 안테나에 대한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 5는 다중 편파 안테나를 결합한 시스템에 대한 예시도를 나타낸 것이다.
도 6은 도 1에 도시된 다중 편파 안테나의 S-파라미터 시뮬레이션 결과에 대한 예시도를 나타낸 것이다.
도 7은 다중 편파 안테나의 편파 방향과 이에 대한 방사 패턴을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 아래에서는 한정된 실시예들이 기술되지만, 이러한 실시예들은 본 발명의 예이며, 당업자는 이러한 실시예들을 용이하게 변경할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 반파장ⅹ반파장 공간 내에 안테나 요소를 집적시켜 다중 편파를 발생시키고, 이를 통해 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있는 다중 편파 안테나를 제공하는 것을 그 요지로 한다.

이 때, 다중 편파 안테나는 네 개의 다이폴 안테나들을 포함하고, 두 개의 다이폴 안테나들이 서로 교차하여 배치되며, 두 개의 다이폴 안테나 쌍들이 서로 다른 영역에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은, 다중 편파 안테나를 MIMO와 BDMA에 적용할 수 있도록 복수의 다중 편파 안테나를 배열한 다중 편파 배열 안테나를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 안테나에 대한 구성을 나타낸 것이고, 도 2는 기판 상부면에 배치되는 구성과 하부면에 배치되는 구성에 대한 예시도를 나타낸 것이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 다중 편파 안테나(100)는 네 개의 안테나들(111, 112, 121, 122)을 포함하고, 두 개의 안테나들이 하나의 안테나 쌍(110, 120)을 구성하며, 안테나 쌍을 포함되는 두 개의 안테나들은 서로 교차하여 배치된다. 이하, 본 발명에서 다중 편파 안테나를 구성하는 안테나들이 다이폴 안테나인 것으로 설명한다.

구체적으로, 제1 안테나 쌍(110)은 미리 결정된 공간의 제1 영역에서 제1 안테나(111)와 제2 안테나(112)가 서로 교차하여 배치되고, 제2 안테나 쌍(120)은 미리 결정된 공간의 제2 영역에서 제3 안테나(121)와 제4 안테나(122)가 서로 교차하여 배치된다.

즉, 제1 안테나(111)는 제1 방향 예를 들어, 수직 방향으로 배치되고, 제2 안테나(112)는 제1 안테나(111)와 교차되게 제2 방향 예를 들어, 수평 방향으로 배치되며, 제3 안테나(121)는 제3 방향 예를 들어, 좌측 대각선 방향으로 배치되고, 제4 안테나(122)는 제3 안테나(121)와 교차되게 제4 방향 예를 들어, 우측 대각선 방향으로 배치된다.

이 때, 제1 안테나(111)와 제2 안테나(112)는 직각으로 교차되어 배치되고, 제3 안테나(121)와 제4 안테나(122)는 직각으로 교차되어 배치될 수 있다. 즉, 네 개의 다이폴 안테나들이 각기 다른 방향으로 놓여져 있어 각각 서로 다른 편파를 발생시키고, 서로 교차된 다이폴 안테나는 수직으로 교차되어 서로 수직인 편파를 생성하므로 아주 가까이 두더라도 높은 격리도를 얻을 수 있고, 네 개의 다이폴 안테나들을 좁은 공간 내에 집적하는 과정에서 두 개씩 다이폴 안테나를 교차시킨 형태로 배치함으로써, 안테나간의 간섭을 최소화할 수 있다.

물론, 안테나 쌍(110, 120)을 구성하는 두 개의 안테나들이 반드시 직각으로 교차될 필요는 없으며, 교차되는 각도는 교차되는 두 개의 안테나들로부터 발생되는 편파의 격리도에 따라 달라질 수 있다.

구체적으로, 다중 편파 안테나(100)는 안테나의 동작 주파수에 대한 반파장ⅹ반파장 공간 내에 복수의 안테나들을 배치하는 것으로, 복수의 안테나들 모두가 동일한 형태를 가질 수 있다.

네 개의 다이폴 안테나들 각각은 직선막대 형태의 다이폴 안테나의 적어도 하나의 끝 단에 일정 패턴(113) 예를 들어, 꺽인 형태를 형성함으로써, 다이폴 안테나가 목표하는 동작주파수에서 안테나가 동작되도록 하면서 소형화 하여 공간적인 이점을 얻을 수 있다.

본 발명의 다중 편파 안테나(100)는 서로 교차된 다이폴 안테나의 급전위치(130)가 겹칠 수 있기 때문에 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 안테나 쌍(110)의 두 안테나들 중 어느 하나의 안테나 예를 들어, 제2 안테나(112)와 제2 안테나 쌍(120)의 두 안테나들 중 어느 하나의 안테나 예를 들어, 제3 안테나(121)를 기판(140)의 상부면에 배치하고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 안테나 쌍(110)의 두 안테나들 중 다른 하나의 안테나 예를 들어, 제1 안테나(111)와 제2 안테나 쌍(120)의 두 안테나들 중 다른 하나의 안테나 예를 들어, 제4 안테나(122)를 기판(140)의 하부면에 배치함으로써, 급전위치가 겹치지 않도록 배치할 수 있다.

또한, 발명에 따른 다중 편파 안테나는 도 3에 도시된 바와 같이, 다중 편파 안테나(100)에서 발생되는 다중 편파의 빔 방향을 한 방향 예를 들어, 전방으로 향하도록 기판과 일정 간격 이격된 위치에 반사 수단(또는 반사체)(140)를 배치시킴으로써, 반사 수단(140)으로 향하는 빔 방향을 전방으로 반사시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중 편파 안테나는 다수의 안테나를 집적시키고, 다수의 편파특성을 이용하여 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있다.

즉, 기존에는 반파장 거리에 하나의 안테나를 배치하는 반면, 본 발명은 반파장ⅹ반파장 공간 내에 복수의 안테나들을 배치시킴으로써, 채널용량을 늘리고 집적도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중 편파 안테나는 복수의 안테나들을 좁은 공간 내에 집적시켜 무선 통신 용량의 증가를 가져오고, 집적된 안테나는 각각 서로 다른 편파특성을 가지고 편파로 인한 이득을 얻을 수 있기 때문에 효율적인 무선 통신 서비스를 제공할 수 있다.

본 발명의 다중 편파 안테나를 두께 1mm의 FR4 기판에 크기 79mmⅹ79mm 로 반파장ⅹ반파장 공간 내에 구현하고, 기판과 60mm 이격한 위치에 반사 수단을 배치시킴으로써, 기판에 양 끝단이 꺾인 다이폴 안테나를 수직으로 교차시켜 배치한 두 개의 안테나 쌍에서 네 가지의 서로 다른 편파가 발생하며, 이러한 다중 편파 안테나는 도 6에 도시된 S-파라미터 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있듯이, 중심주파수 1.8GHz에서 동작하며 약 1GHz 이상의 대역폭을 갖는 것을 알 수 있다. 이를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 다중 편파 안테나는 1.8GHz에서 동작하는 무선 시스템 예를 들어, 무선전화 시스템에 적용하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 다중 편파 안테나는 도 7a에 도시된 바와 같이, 다이폴 안테나가 배치된 방향과 같은 방향을 향하는 편파를 발생시키며, 일정 간격에 반사 수단이 배치된 경우 반사 수단에 의해 전방으로 향하는 방사 패턴을 가질 수 있다. 그리고, 도 7b에 도시된 방사 패턴을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 다중 편파 안테나는 약 6dB 정도의 이득을 갖는 것을 알 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 다중 편파 안테나는 다중입력 다중출력(MIMO)과 BDMA(Beam Division Multiple Access) 예를 들어 P2BDMA 등에 적용할 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 반파장ⅹ반파장 공간에 집적된 다중 편파 안테나(100)를 가로 또는 세로로 확장시킴으로써, 다중 편파 배열 안테나(400)를 형성하고, 이렇게 형성된 다중 편파 배열 안테나(400)를 이용하여 도 5에 도시된 일 예와 같은, 시스템에 적용하면 MIMO 예를 들어, 대용(Massive) MIMO와 P2BDMA기술 등에 활용할 수 있고, 이를 통해 효율적인 무선 통신 서비스를 제공할 수 있다.

이 때, 다중 편파 배열 안테나는 복수의 다중 편파 안테나들을 가로와 세로 방향으로 배열 배치하는 것으로 한정되지 않으며, 적용 가능한 모양으로 복수의 다중 편파 안테나들을 배열 배치할 수 있고, 이러한 배치 모양은 본 발명을 제공하는 사업자에 의해 결정되거나 본 발명의 다중 편파 배열 안테나가 적용되는 시스템에 따라 다르게 결정될 수도 있다.

물론, 본 발명의 다중 편파 안테나를 이용하여 적용할 수 있는 시스템 등이 상술한 시스템으로 한정되지 않으며, MIMO와 BDMA 기술이 적용되는 모든 시스템, 다중 편파 안테나를 적용할 수 있는 모든 무선 시스템에 적용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 다중 편파 안테나를 이용한 다중 편파 배열 안테나는 다중 편파 안테나를 확장시켜 다중입력 다중출력(MIMO)과 BDMA(Beam Division Multiple Access) 예를 들어 P2BDMA에 적용함으로써, 채널용량을 늘리고 데이터 전송속도를 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

미리 정해진 공간 중 제1 영역에 제1 방향으로 배치되는 제1 안테나;
상기 제1 영역에 상기 제1 안테나와 교차하여 제2 방향으로 배치되는 제2 안테나;
상기 공간 중 제2 영역에 제3 방향으로 배치되는 제3 안테나; 및
상기 제2 영역에 상기 제3 안테나와 교차하여 제4 방향으로 배치되는 제4 안테나
를 포함하고,
상기 미리 정해진 공간은
안테나의 동작 주파수에 대한 반파장 × 반파장 공간이며,
상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나는
모두 동일한 형태를 가지고,
상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나의 교차 각도 및 상기 제3 안테나와 상기 제4 안테나의 교차 각도는
교차되는 두 안테나들로부터 발생되는 편파의 격리도에 의해 결정되며,
상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나 각각은
동작 주파수에서 동작되도록, 적어도 하나의 끝 단에 일정 패턴이 형성되는 다중 편파 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는
직각으로 교차되어 배치되고,
상기 제3 안테나와 상기 제4 안테나는
직각으로 교차되어 배치되는
것을 특징으로 하는 다중 편파 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나는
기판의 제1 면 상에 배치되고,
상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나는
상기 기판의 제2 면 상에 배치되는
것을 특징으로 하는 다중 편파 안테나.
제3항에 있어서,
상기 기판과 일정 간격 이격 배치되며, 상기 안테나들에 의해 발생되는 다중 편파를 전방으로 향하도록 반사시키는 반사 수단
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 편파 안테나.
제1항에 있어서,
상기 안테나들 각각은
다이폴 안테나
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 편파 안테나.
일정 모양으로 배열 배치되는 복수의 다중 편파 안테나들
을 포함하고,
상기 다중 편파 안테나들 각각은
미리 정해진 공간 중 제1 영역에 제1 방향으로 배치되는 제1 안테나;
상기 제1 영역에 상기 제1 안테나와 교차하여 제2 방향으로 배치되는 제2 안테나;
상기 공간 중 제2 영역에 제3 방향으로 배치되는 제3 안테나; 및
상기 제2 영역에 상기 제3 안테나와 교차하여 제4 방향으로 배치되는 제4 안테나
를 포함하며,
상기 미리 정해진 공간은
안테나의 동작 주파수에 대한 반파장 × 반파장 공간이며,
상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나는
모두 동일한 형태를 가지고,
상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나의 교차 각도 및 상기 제3 안테나와 상기 제4 안테나의 교차 각도는
교차되는 두 안테나들로부터 발생되는 편파의 격리도에 의해 결정되며,
상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나 각각은
동작 주파수에서 동작되도록, 적어도 하나의 끝 단에 일정 패턴이 형성되는 다중 편파 배열 안테나.
제6항에 있어서,
상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는
직각으로 교차되어 배치되고,
상기 제3 안테나와 상기 제4 안테나는
직각으로 교차되어 배치되는
것을 특징으로 하는 다중 편파 배열 안테나.
제6항에 있어서,
상기 안테나들 각각은
다이폴 안테나
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 편파 배열 안테나.