KR101754022B1 - 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 원통형의 유전체를 기준으로 상하면에 방사 패치 및 접지면을 형성하고 제1 및 제2 비아홀을 형성한 제1 안테나와, 제1 안테나와 동일 구조이고 접지면 끼리 마주보는 형태로 제1 안테나와 대칭적으로 배치된 제2 안테나와, 제1 및 제2 안테나 사이에 배치되고 제1 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력을 제1 및 제2 안테나의 각 제2 비아홀과 제2 안테나의 제1 비아홀로 분배하는 급전 선로를 형성한 제1 급전 기판과, 제2 안테나의 외측에 배열되며 제1 및 제2 안테나와 동일 구조를 가지는 제3 및 제4 안테나와, 제2 및 제3 안테나의 각 제1 비아홀 간을 연결하는 연결부, 및 제3 및 제4 안테나 사이에 배치되고 제3 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력을 제3 및 제4 안테나의 각 제2 비아홀로 분배하는 급전 선로를 형성한 제2 급전 기판을 포함하는 전방향성 수직 배열 안테나를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전방향성 방사 패턴을 갖는 음의 유전율을 갖는 전송 선로의 영차 공진 안테나를 수직으로 배열함으로써 전방향성 방사패턴을 유지하는 동시에 안테나의 이득을 향상시켜 가용 거리를 높일 수 있으며 간단한 1D 배열 구조만으로 3D 빔 조향이 가능한 이점이 있다.

Description

빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나{Vertical Antenna array with omni-directionally steerable pattern}
본 발명은 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전방향성 방사패턴을 유지할 수 있고 안테나 이득을 향상시킬 수 있는 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나에 관한 것이다.
4G 통신 기술에 비해 높은 주파수 대역을 사용하는 차세대 5G 통신 기술에서는 높아진 주파수 대역만큼 동일거리 전파 시 전파의 대기 중 손실이 증가하게 된다. 따라서 통신 거리를 확보하기 위해서는 이득 개선을 위한 안테나의 배열이 필수적이다.
하지만 안테나를 배열하게 되면 빔 폭이 좁아지게 되어 통신 범위가 감소하게 된다. 이를 해결하기 위해 배열 안테나에는 3D 빔 조향 기술이 요구된다.
기존의 지향성 방사 패턴을 갖는 안테나 배열의 경우 3D 빔 조향을 위해서 매우 크고 복잡한 급전 구조가 필요하며 2D 이상의 배열 구조가 요구된다. 또한, 전방향성 방사 패턴을 갖는 안테나의 경우 주변 구조물의 영향을 심하게 받아 배열 시 방사 패턴을 유지하기가 매우 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2015-0125897호(2015.11.10 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 간단한 구조로 3D 빔 조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 원통형의 유전체를 기준으로 상하면에 방사 패치 및 접지면을 형성하고 상기 방사 패치와 상기 접지면 간을 연결하는 제1 및 제2 비아홀을 형성한 제1 안테나와, 상기 제1 안테나와 동일 구조이고 상기 접지면 끼리 마주보는 형태로 상기 제1 안테나와 대칭적으로 배치된 제2 안테나와, 상기 제1 및 제2 안테나 사이에 배치되고, 상기 제1 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력을 상기 제1 및 제2 안테나의 각 제2 비아홀과 상기 제2 안테나의 제1 비아홀로 분배하는 급전 선로를 형성한 제1 급전 기판과, 상기 제2 안테나의 외측에 배열되며 상기 제1 및 제2 안테나와 동일 구조를 가지는 제3 및 제4 안테나와, 상기 제2 및 제3 안테나의 각 제1 비아홀 간을 연결하는 연결부, 및 상기 제3 및 제4 안테나 사이에 배치되고, 상기 제3 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력을 상기 제3 및 제4 안테나의 각 제2 비아홀로 분배하는 급전 선로를 형성한 제2 급전 기판을 포함하는 전방향성 수직 배열 안테나를 제공한다.
또한, 상기 제1 급전 기판은, 상기 제1 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력이 인입되는 제1 인입 선로, 및 상기 제1 인입 선로에서 분기되어 상기 제1 안테나의 제2 비아홀과 상기 제2 안테나의 제2 비아홀을 향해 각각 형성된 제1 및 제2 급전 선로를 포함하며, 상기 제2 급전 선로의 길이는, 상기 제1 급전 선로의 길이와 λ/2(λ는 동작주파수의 파장)의 합에 해당하는 길이로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 급전 기판은, 상기 인입 선로에서 분기되어 상기 제2 안테나의 제1 비아홀을 향해 형성된 제3 급전 선로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 급전 기판은, 상기 제3 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력이 인입되며, 상기 제1 인입 선로와 동일한 길이로 형성된 제2 인입 선로, 및 상기 제2 인입 선로에서 분기되어 상기 제3 안테나의 제2 비아홀과 상기 제4 안테나의 제2 비아홀을 향해 각각 형성되며, 상기 제2 및 제3 급전 선로와 동일한 길이로 형성된 제4 및 제5 급전 선로를 포함할 수 있다.
또한, 각각의 상기 접지면은, 상기 접지면의 원형의 둘레 부위로부터 상대 측 접지면을 향해 수직으로 연장되어 각 급전 기판의 주변부를 둘러싸도록 형성되는 보조 접지판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 상기 전방향성 수직 배열 안테나의 빔 조향을 수행하는 위상 천이기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 비아홀은 상기 제1 비아홀보다 작은 직경으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나에 따르면, 전방향성 방사 패턴을 갖는 음의 유전율을 갖는 전송 선로의 영차 공진 안테나를 수직으로 배열함으로써 전방향성 방사패턴을 유지하는 동시에 안테나의 이득을 향상시켜 가용 거리를 높일 수 있으며 간단한 1D 배열 구조만으로 3D 빔 조향이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전방향성 수직 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방향성 수직 배열 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 수직 배열 안테나의 일부를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 대응되는 설계 도면이다.
도 6은 전방향성 안테나의 외부에 금속을 배치한 경우의 도면이다.
도 7은 도 6의 각 경우에 대한 모의실험 방사패턴 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4×1 수직 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 도 8의 구조에 대한 방사패턴 및 반사계수의 모의실험 결과를 각각 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나에 관한 것으로서, 전방향성 방사 패턴을 갖는 단위 안테나들을 수직 배열하여 1D 배열만으로 3D 빔 조향이 가능한 배열 안테나를 제공한다.
본 발명의 실시예는 영차공진 안테나를 단위 안테나로 사용한다. 메타물질(Metamaterial)의 고유한 특성 중 하나인 영차 공진(ZOR;zeroth-order resonator)을 이용하게 되면 안테나의 소형화가 가능해지며 전방향성 방사 특성을 가지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전방향성 수직 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)과 (b)는 단위 안테나(110)의 기본적인 구조를 도시한 것으로서 (a)는 평면도, (b)는 사시도를 나타낸다.
도 2의 (c)는 설명의 편의를 위하여 단위 안테나(110)의 유전체(115) 부분을 생략하여 도시한 것이며, (d)는 접지면(112)의 하부에 보조 접지판(112a)이 수직 확장된 모습을 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 단위 안테나(110)는 원형의 둘레 방향을 따라 전방향성 방사 패턴을 형성한다.
단위 안테나(110)는 원통형의 유전체(115)를 기준으로 상하면에 방사 패치(111) 및 접지면(112)이 각각 형성되어 있고, 또한 방사 패치(111)와 접지면(112) 간을 연결하는 제1 비아홀(113) 및 제2 비아홀(114)이 각각 형성되어 있다.
비아홀(113,114)은 방사 패치(111)의 일부분과 접지면(112)의 일부분 간을 연결하며, 표면이 방사 패치(111) 및 접지면(112)과 동일한 물질(재질)로 형성될 수 있다. 이는 도 1의 (b), (c)를 통해서 확인할 수 있다. 이러한 비아홀(113,114)은 단위 안테나(110)에 영차 공진모드를 생성한다.
비아홀(113,114) 내부를 통해서는 추후 급전이 이루어진다. 본 발명의 실시예는 배열된 각각의 단위 안테나들이 내부의 비아홀을 통하여 직렬 급전되는 구조를 가진다. 즉, 안테나의 배열 후에도 전방향성 방사패턴을 유지하기 위하여, 영차공진 안테나에 형성된 비아홀을 이용하여 안테나의 주 방사방향에 영향이 없도록 직렬 급전하는 구조를 가진다.
도 1의 (b),(c)의 경우 방사 패치(111)와 접지면(112)의 크기를 동일하게 구성한 것으로서, 접지면(112)에 의한 단위 안테나 크기의 증가를 최소화한 것이다.
본 발명의 실시예는 실질적으로 도 1의 (d)와 같은 확장된 접지판 구조를 가지는 단위 안테나(110)를 사용한다. 보조 접지판(112a)의 내부는 비어 있다.
본 실시예의 경우 부족한 크기의 접지면은 도 1의 (d)와 같이 보조 접지판(112a)을 이용함에 따라, 발룬(balun) 없이 동작 가능하게 한다. 이와 같이 접지면을 수직으로 확장시키면 배열 안테나의 크기에는 영향을 주지 않으면서, 접지 면적을 크게 하여 방사 패턴의 왜곡을 줄이는 이점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전방향성 수직 배열 안테나는 네 개의 영차공진 안테나를 4×1로 수직 배열한 구조를 가진다. 설명의 편의상 각각의 영차공진 안테나는 제1 내지 제4 안테나로 명명한다. 또한, 본 실시예는 안테나의 주 방사방향에 영향이 없도록, 제1 및 제4 안테나 각각의 비아홀을 이용하여 직렬 급전하는 구조를 가진다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 빔 조향이 가능한 전방향성 수직 배열 아테나의 구성에 관하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방향성 수직 배열 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전방향성 수직 배열 안테나(100)는 제1 및 제2 안테나(110a,110b), 제1 급전 기판(120), 연결부(130), 제3 및 제4 안테나(110c,110d), 그리고 제2 급전 기판(140)을 포함한다.
먼저, 제1 안테나(110a) 및 제2 안테나(110b)는 접지면(112) 끼리 상호 마주보는 형태로 대칭적으로 배치되어 있다. 이에 따라, 제2 안테나(110b)는 제1 안테나(110a)와 상하 반전된 구조를 가지며, 이에 따라 제1 안테나(110a)와 반대 위상(180도 위상 차)을 가진다.
제1 안테나(110a)의 접지면(112)은 도 1의 (d)에 도시한 바와 같이 보조 접지판(112a)을 추가로 포함하고 있다. 이와 같은 구조는 다른 안테나(110b,110c,110d)에서도 동일하게 적용된다.
구체적으로, 보조 접지판(112a)은 접지면(112)의 원형 둘레 부위로부터 상대 측(제2 안테나 측) 접지면을 향해 수직으로 연장되어 있다. 이에 따라 보조 접지판(112a)은 제1 급전 기판(120)의 일측 주변부를 둘러싸는 구조를 가진다. 같은 원리로, 제2 안테나(110b)의 보조 접지판(112a) 역시 제1 급전 기판(120)의 타측 주변부를 둘러싸게 된다.
여기서, 보조 접지판(112a)은 상대 측 마주보는 보조 접지판과 겹치지 않는 길이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보조 접지판(112a)은 급전 기판(120)의 전체 길이의 절반보다 작은 높이(길이)로 형성될 수 있다.
도 2에서는 설명의 편의상 보조 접지판(112a)을 점선으로 도시하여 내부가 드러나도록 한 것으로, 실제로는 보조 접지판(112a)에 의해 제1 급전 기판(120)의 일부분이 가려져 노출되지 않게 된다.
그리고, 제1 비아홀(113)과 제2 비아홀(114) 각각은 유전체(115)에 대해 상하 관통된 홀(hall) 형상이긴 하지만, 상하면의 방사 패치(111)와 접지면(112) 간을 연결하는 것이므로 도 2는 설명의 편의상 단순히 상하 연결하는 수직의 판 형상으로 도시하여 나타내고 있다.
본 발명의 실시예는 제1 안테나(110a)의 제1 비아홀(113)을 통해 급전이 이루어진다. 급전은 동축 선로(50Ω 선로)로 구성된 급전부(10)에 의해 이루어진다.
본 실시예의 경우, 제1 안테나(110a)로 급전된 전력은 제1 급전 기판(120)을 통해 제2 안테나(110b)에 전달되고, 다시 연결부(130)를 경유하여 제3 안테나(110c)로 전달되어 제2 급전 기판(140)을 통해 제4 안테나(110d)에 까지 전달된다.
제1 안테나(110a) 및 제2 안테나(110b) 사이에는 제1 안테나(110a)에 급전된 전력을 제2 안테나(110b)로 전달하는 제1 급전 기판(120)이 삽입되어 있다.
제1 급전 기판(120)은 제1 안테나(110a)의 제1 비아홀(113)로 급전된 전력을 제1 및 제2 안테나(110a,110b)의 각 제2 비아홀(114)과 제2 안테나의 제1 비아홀(113)로 각각 분배하기 위한 급전 선로를 형성하고 있다.
구체적으로, 제1 급전 기판(110)은 제1 안테나(110a)의 제1 비아홀(113)로 급전된 전력이 인입되는 제1 인입 선로(121)와, 제1 인입 선로(121)에서 분기되어 형성된 제1 내지 제3 급전 선로(122,123,124)를 포함한다. 물론 제1 급전 기판(120)은 상면에는 선로를 형성하고 하면에는 접지판(미도시)을 형성하고 있다.
우선, 제1 및 제2 급전 선로(122,123)는, 제1 인입 선로(121)의 말단에서 분기되어 제1 안테나(110a)의 제2 비아홀(114)과 제2 안테나(110b)의 제2 비아홀(114)을 향해 각각 형성된다.
여기서, 인접한 영차공진 안테나 즉, 제1 및 제2 안테나(110a,110b)는 상하 반전된 상태로 배열되어 있기 때문에 동위상 급전을 위해 반파장(λ/2; λ는 동작주파수의 파장) 길이의 급전선을 필요로 한다. 반파장 길이의 급전선을 추가로 이용하면 상호 간의 반대 위상을 동위상으로 변경할 수 있다.
즉, 제1 급전 기판(120)은 두 안테나(110a,110b) 간의 180도 위상 차를 상쇄하기 위해, λ/2(λ는 동작주파수의 파장) 길이의 전송 선로를 필요로 한다.
이를 위해 제2 급전 선로(123)의 길이(L2)는 제1 급전 선로(122)의 길이(L1)와 λ/2의 합에 해당하는 길이로 설정된다(L2 = L1 + λ/2). 쉽게 말해서 도 2에서 A와 C간 길이(L2) = A와 B간 길이(L1) + λ/2로 설정된다.
결론적으로 L2와 L1의 길이 차는 λ/2이며 이는 곧, 제1 및 제2 안테나(110a,110b) 간에 발생한 180도 위상 차를 보상하고 상쇄할 수 있는 길이를 의미한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제1 및 제2 안테나(110a,110b)를 상하 반전하여 배치하고 두 안테나(110a,110b) 사이에 λ/2 길이의 선로를 삽입함으로써 위상차를 상쇄하여 동위상으로 만드는 동시에 직렬 급전구조의 크기를 줄이게 된다. 이는 추후 제3 및 제4 안테나(110c,110d)에서도 동일한 원리로 적용된다.
한편, 제3 급전 선로(124)는 제1 인입 선로(121)에서 분기되어 제2 안테나(110b)의 제1 비아홀(113)을 향해 형성되어 있으며, 이를 통해 후단에 있는 제3 및 제4 안테나(110c,110d)로의 직렬 급전이 가능하게 한다.
이와 같이 제1 및 제2 급전 선로(122,123)는 급전 역할도 수행하면서 위상 차를 상쇄하기 위하여 사용되며, 제3 급전 선로(124)는 상단의 다른 안테나로 직렬 급전하기 위하여 사용된다. 여기서 각 선로별로 급전 비중은 상이할 수 있다.
도 2의 경우, 제1 급전 기판(120) 상의 제1 및 제2 급전 선로(122,123)는 200Ω의 마이크로스트립 선로이고, 제3 급전 선로(124)는 100Ω의 마이크로스트립 선로로 구성한 것을 예시한 것이다.. 제3 급전 선로(124)는 중간에 다시 70Ω 선로(가변 가능)로 전환되는 형태를 예시하고 있다. 물론 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
선로의 굵기가 얇을수록 임피던스가 높은 것을 나타내며 전력이 적은 양으로 분배된다. 따라서, 도 2에 도시된 제1 급전 기판(120)의 경우를 예시하면, 제1 급전 선로(121)로 인입된 급전 전력을 1(100%)로 보았을 때, 제2 및 제3 급전 선로(122,123)에 각각 1/4(25%) 씩 분배되고, 나머지 1/2(50%)은 제4 급전 선로(124)로 분배된다. 물론 이상과 같은 전력 분배는 단지 하나의 실시예에 불과하며 다양한 변형이 가능하다.
제1 및 제2 안테나(110a,110b)와 제3 및 제4 안테나(110c,110d) 사이에는 연결부(130)가 배치되어 있다.
연결부(130)는 제2 안테나(110b)와 제3 안테나(110c)의 각 제1 비아홀(113) 사이에 배치되어 있으며, 제1 및 제2 안테나(110a,110b)를 통하여 직렬 급전된 전력을 제3 및 제4 안테나(110c,110d)로 전달한다.
연결부(130)는 50Ω의 동축 선로를 포함하여 구성될 수 있으며, 빔 조향을 위한 위상 천이기(131)(Phase Shifter)를 포함할 수 있다. 위상 천이기(131)는 전방향성 수직 배열 안테나(100)의 빔 조향을 수행하기 위한 것이다. 일반적으로 위상 천이기는 배열 안테나의 빔 조향을 위한 목적으로 사용된다.
제3 안테나 및 제4 안테나(110c,110d)의 구체적인 도면 부호는 제1 및 제2 안테나의 경우와 동일하므로 생략하였다.
제3 안테나 및 제4 안테나(110c,110d) 역시 접지면(112) 끼리 상호 마주보는 형태로 대칭적으로 배치되어 있다. 따라서 제4 안테나(110d)는 제3 안테나(110c)와 상하 반전된 구조를 가지며, 제3 안테나(110c)와 반대 위상(180도 위상 차)을 가진다.
제3 안테나(110c) 및 제4 안테나(110d) 사이에는 제3 안테나(110c)에 급전된 전력을 제4 안테나(110d)로 전달하는 제2 급전 기판(140)이 삽입되어 있다.
제2 급전 기판(140)은 제3 안테나(110c)의 제1 비아홀(113)로 급전된 전력을 제3 및 제4 안테나(110c,110d)의 각 제2 비아홀(114)로 각각 분배하는 급전 선로를 형성하고 있다.
여기서, 제2 급전 기판(140)은 제3 안테나(110c)로 급전된 전력이 인입되는 제2 인입 선로(141)와, 제2 인입 선로(141)에서 분기되어 제3 안테나(110c)의 제2 비아홀(114)과 제4 안테나의 제2 비아홀(114)을 향해 각각 형성된 제4 및 제5 급전 선로(142,143)를 포함한다. 물론, 제2 급전 기판(140)의 하면에도 역시 접지판이 형성되어 있다.
제2 인입 선로(141)는 제1 인입 선로(121)와 동일하게 형성될 수 있다. 제4 급전 선로(142)는 제2 급전 선로(123)와 동일한 길이로 형성되고, 제5 급전 선로(143)는 제3 급전 선로(124)와 동일한 길이로 형성된다.
이는 앞서와 같이, 제3 및 제4 안테나(110c,110d) 간에 발생하는 180도의 위상 변이를 상쇄하기 위한 것으로서, 제5 급전 선로(143)의 길이(L2)는 제4 급전 선로(142)의 길이(L1)와 λ/2의 합이 되도록 형성하면 된다.
따라서, 도 2에서 D와 F간 길이(L2) = D와 E간 길이(L1) + λ/2로 정의될 수 있다. L2와 L1의 차이는 λ/2 길이로서, 이는 곧, 제3 및 제4 안테나(110c,110d) 간에 발생한 180도 위상 차를 보상하고 상쇄할 수 있는 길이에 해당한다.
따라서, 종합적으로 볼 때, A와 B간 길이는 L1이라면, A와 C간 길이는 L1 + λ/2이며, 이를 통해 위상 차가 상쇄되었기 때문에, A와 D간 길이는 λ로 정의된다. 또한, 이에 따라, A와 E간 길이는 λ + L1이 되고(A와 D간 길이 + D와 E간 길이), A와 F간 길이는 3λ/2 + L1으로 정의된다(A와 D간 길이 + D와 F간 길이).
도 2에서, 제2 급전 기판(140) 상의 제4 및 제5 급전 선로(142,143)는 100Ω의 마이크로스트립 선로로 구성한 것을 나타낸 예이다. 따라서, 연결부(130)의 50Ω 선로를 통하여 제1 인입 선로(141)로 인입된 급전 전력은 제4 및 제5 급전 선로(142,143)에 각각 1/2씩 분배될 수 있다. 물론 이상과 같은 전력 분배는 단지 하나의 실시예에 불과하며 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 실시예에서 제1 비아홀(113)이 제2 비아홀(114)보다 더 큰 직경을 가지도록 형성된다. 이는 직렬 급전된 전력 중에서, 두 안테나 간의 위상을 보상하는 전력에 더욱 적은 비중을 둔 것과 관계한다.
도 3 및 도 4는 도 2의 수직 배열 안테나의 일부를 도시한 도면이다. 각 도면에서 (a)는 수직 배열 안테나의 정면도이고, (b)는 측면도를 나타낸다.
여기서, 설명의 편의를 위해 수직 배열 안테나 중에서 제3 및 제4 안테나(110c,110d) 부분과 그 사이의 제2 급전 기판(140) 부분만을 도시하고 있다. 제2 급전 기판(140)의 경우 상면은 급전 선로가 존재하고 하면은 접지판(생략)이 존재한다.
도 3은 설명의 편의상 보조 접지판(112a)을 생략 도시한 경우이고, 도 4는 보조 접지판(112a)을 부가한 경우이다. 본 발명의 실시예는 도 4에 도시된 것과 같이 보조 접지판(112a)이 접지면(112)으로부터 수직으로 확장되어 급전 기판을 둘러싸는 구조를 가지며 급전 기판이 대부분 은닉된다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 수직 배열 안테나 구조의 이해를 돕기 위하여 삼차원 도면을 예시한다. 도 5는 도 4에 대응되는 설계 도면이다. 도 5의 (a)는 도 4의 (a)에 대응하는 삼차원 도면이고, 도 5의 (b)는 보조 접지판(112a)을 생략한 경우의 다른 각도의 삼차원 도면을 나타낸다.
제3 및 제4 안테나(110c,110d)의 각 보조 접지판(112a)은 상호 마주보고 있으며 원주 방향으로 내부가 비어있기 때문에 제2 급전 기판(140)의 주변을 둘러싸는 형태로 존재하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 수직 확장된 접지판은 단위 안테나 사이에 위치한 급전 구조(급전 기판)를 둘러싸고 있어 급전 구조에 의한 방사패턴 변형을 최소화한다.
도 6은 전방향성 안테나의 외부에 금속을 배치한 경우의 도면이고, 도 7은 도 6의 각 경우에 대한 모의실험 방사패턴 결과를 나타낸 도면이다.
전방향성 방사패턴을 갖는 안테나(영차공진 안테나)는 전방향이 주 방사방향이기 때문에, 안테나의 외부에 급전구조를 위치시킬 경우에는 도 7과 같이 방사패턴이 심하게 변형되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 방사패턴의 변형을 막기 위해 영차공진 안테나의 비아홀을 이용하여 안테나의 내부에서 직렬 급전한다. 다만, 직렬 급전의 경우 안테나 간의 동위상을 맞추기 위하여 1 파장의 길이를 갖는 급전선이 요구되어 안테나의 크기가 커지고 전송 선로에서의 손실이 많아지게 된다.
따라서, 두 안테나 간을 동위상으로 맞추기 위해 사용되는 전송선로 길이를 줄이기 위해서, 본 발명의 실시예는 인접한 두 영차공진 안테나를 상하 반전되게 배치하여 180도의 위상 차를 가지게 하되 상호 동일 방향의 전계를 방사하도록 영차공진 안테나 사이의 전송 선로 길이를 1 파장에서 반 파장으로 감소시켰다.
물론, 이를 통해 직렬 급전구조의 크기뿐만 아니라 전체적인 수직 배열 안테나의 크기를 소형화할 수 있다. 그 밖에도, 본 발명의 실시예는 수직 확장된 접지면인 보조 접지판(112a)을 통하여 안테나 간 급전 구조에 의해 방사 패턴이 일그러지는 왜곡 현상을 방지한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4×1 수직 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이고, 도 9 및 도 10은 도 8의 구조에 대한 방사패턴 및 반사계수의 모의실험 결과를 각각 나타낸 도면이다.
도 8은 도 2에 대응되는 모의실험 도면으로서 5.8 GHz에서 동작하는 4×1 수직 배열 영차공진 안테나를 설계한 것이다. 시뮬레이션 결과를 보면, 도 9에서와 같이 전방향성 방사 패턴을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 도 10과 같이 5.8 GHz 대역에서 우수한 반사 계수 특성을 가지며 이를 통해 높은 이득을 얻을 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 빔조향이 가능한 전방향성 수직 배열 안테나에 따르면, 전방향성 방사 패턴을 갖는 음의 유전율을 갖는 전송 선로의 영차 공진 안테나를 수직으로 배열함으로써 전방향성 방사패턴을 유지하는 동시에 안테나의 이득을 향상시켜 가용 거리를 높일 수 있으며 간단한 1차원의 수직 배열 구조만으로 3차원의 빔 조향이 가능한 이점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 3D 조향 배열 안테나 설계 시에 크기의 소형화가 가능하기 때문에 차후 사물인터넷 기술이 탑재된 휴대용 기기로의 적용이 유망할 것으로 기대된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 전방향성 수직 배열 안테나 110a: 제1 안테나
110b: 제2 안테나 110c: 제3 안테나
110d: 제4 안테나 111: 방사 패치
112: 접지면 112a: 보조 접지판
113: 제1 비아홀 114: 제2 비아홀
115: 유전체 120: 제1 급전 기판
121: 제1 인입 선로 122: 제1 급전 선로
123: 제2 급전 선로 124: 제3 급전 선로
130: 연결부 131: 위상 천이기
140: 제2 급전 기판 141: 제2 인입 선로
142: 제4 급전 선로 143: 제5 급전 선로

Claims (7)

  1. 원통형의 유전체를 기준으로 상하면에 방사 패치 및 접지면을 형성하고 상기 방사 패치와 상기 접지면 간을 연결하는 제1 및 제2 비아홀을 형성한 제1 안테나;
    상기 제1 안테나와 동일 구조이고 상기 접지면 끼리 마주보는 형태로 상기 제1 안테나와 대칭적으로 배치된 제2 안테나;
    상기 제1 및 제2 안테나 사이에 배치되고, 상기 제1 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력을 상기 제1 및 제2 안테나의 각 제2 비아홀과 상기 제2 안테나의 제1 비아홀로 분배하는 급전 선로를 형성한 제1 급전 기판;
    상기 제2 안테나의 외측에 배열되며 상기 제1 및 제2 안테나와 동일 구조를 가지는 제3 및 제4 안테나;
    상기 제2 및 제3 안테나의 각 제1 비아홀 간을 연결하는 연결부; 및
    상기 제3 및 제4 안테나 사이에 배치되고, 상기 제3 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력을 상기 제3 및 제4 안테나의 각 제2 비아홀로 분배하는 급전 선로를 형성한 제2 급전 기판을 포함하며,
    상기 제1 급전 기판은,
    상기 제1 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력이 인입되는 제1 인입 선로; 및
    상기 제1 인입 선로에서 분기되어 상기 제1 안테나의 제2 비아홀과 상기 제2 안테나의 제2 비아홀을 향해 각각 형성된 제1 및 제2 급전 선로를 포함하며.
    상기 제2 급전 선로의 길이는,
    상기 제1 급전 선로의 길이와 λ/2(λ는 동작주파수의 파장)의 합에 해당하는 길이로 형성되는 전방향성 수직 배열 안테나.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 급전 기판은,
    상기 제1 인입 선로에서 분기되어 상기 제2 안테나의 제1 비아홀을 향해 형성된 제3 급전 선로를 더 포함하는 전방향성 수직 배열 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 급전 기판은,
    상기 제3 안테나의 제1 비아홀로 급전된 전력이 인입되며, 상기 제1 인입 선로와 동일한 길이로 형성된 제2 인입 선로; 및
    상기 제2 인입 선로에서 분기되어 상기 제3 안테나의 제2 비아홀과 상기 제4 안테나의 제2 비아홀을 향해 각각 형성되며, 상기 제2 및 제3 급전 선로와 동일한 길이로 형성된 제4 및 제5 급전 선로를 포함하는 전방향성 수직 배열 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    각각의 상기 접지면은,
    상기 접지면의 원형의 둘레 부위로부터 상대 측 접지면을 향해 수직으로 연장되어 각 급전 기판의 주변부를 둘러싸도록 형성되는 보조 접지판을 더 포함하는 전방향성 수직 배열 안테나.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 전방향성 수직 배열 안테나의 빔 조향을 수행하는 위상 천이기를 포함하여 구성된 전방향성 수직 배열 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 비아홀은 상기 제1 비아홀보다 작은 직경으로 형성된 전방향성 수직 배열 안테나.
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