KR101754252B1 - 편전효과를 이용한 미모안테나 - Google Patents

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KR101754252B1 KR1020160051251A KR20160051251A KR101754252B1 KR 101754252 B1 KR101754252 B1 KR 101754252B1 KR 1020160051251 A KR1020160051251 A KR 1020160051251A KR 20160051251 A KR20160051251 A KR 20160051251A KR 101754252 B1 KR101754252 B1 KR 101754252B1
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Abstract

본 발명은 편전효과를 이용한 미모(MIMO) 안테나에 관한 것으로, 본 발명에 따른 편전효과를 이용한 미모(MIMO) 안테나는, 편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들을 구비하는 회로기판과; 상기 복수의 편파스트립 선로들과 결선되는 적어도 하나의 방사안테나와; 상기 복수의 편파스트립 선로들 중 적어도 두 개의 편파스트립 선로들 사이에 위상보정을 위한 위상보정선로를 구비한다.

Description

편전효과를 이용한 미모안테나{MIMO antenna using electro polarization}
본 발명은 편전효과를 이용한 미모안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 편전효과를 이용하여 신호손실을 최소화하면서도 채널간 간섭현상을 줄일 수 있는 편전효과를 이용한 미모안테나에 관한 것이다.
최근 무선통신기기의 발전과 사용 용도의 증가로 인하여 주파수 자원이 극단적으로 부족한 상황에 직면해 있다. 이에 따라 주파수 효율을 높이고자 하는 방안으로 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술의 활용이 확산되고 있는 추세에 있으며, MIMO 안테나의 구현이 필요해지고 있다.
현재는 2X2 MIMO 안테나가 주로 사용되고 있으며, 주파수 효율을 더 높이기 위하여 4X4 MIMO 안테나에 대한 연구가 계속되고 있다.
하지만 동일 주파수를 이용하여 서로 다른 데이터를 보내는 방식인 MIMO 방식은 주파수 활용도를 높일 수 있는 효과가 있으나 오픈 공간(Line of Sight)에서는 동일 주파수의 간섭현상으로 MIMO의 효과가 현저하게 저감되는 문제점이 있다.
이러한 오픈공간에서 동일 주파수 간섭현상을 줄이기 위한 방법으로 개발된 기술이 편전효과를 이용하는 방법이다.
이러한 편전효과를 이용한 안테나 관련 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1017690호(2011.02.18.), 대한민국 등록특허 제10-1547474호(2015.08.20.), 대한민국 등록특허 제10-1591920호(2016.01.29.)등이 있다.
그러나 이러한 종래기술은 2X2 MIMO 에서는 매우 우수한 효과를 얻을 수 있었으나 4X4 MIMO 에서는 채널 간 간섭현상이 발생되어 미모(MIMO)효과가 저감되는 문제점이 발생되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 편전효과를 이용한 미모안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 신호손실을 최소화하면서도 채널간 간섭현상을 줄일 수 있는 편전효과를 이용한 미모안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 위상보정을 통해 각 편파신호들 사이의 아이솔레이션을 극대화 할 수 있는 편전효과를 이용한 미모안테나를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 편전효과를 이용한 미모(MIMO) 안테나는, 편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들을 구비하는 회로기판과; 상기 복수의 편파스트립 선로들과 결선되는 적어도 하나의 방사안테나와; 상기 복수의 편파스트립 선로들 중 적어도 두 개의 편파스트립 선로들 사이에 위상보정을 위한 위상보정선로를 구비한다.
상기 위상보정선로 상에는, 사용주파수 신호는 차단하고 상기 사용주파수 신호와 인접되는 주파수의 신호를 통과시켜 위상결합을 수행하기 위한 대역통과필터가 구비될 수 있다.
상기 회로기판에는, 0도 편파신호를 발생시키는 0도 편파스트립 선로와; 45도 편파신호를 발생시키는 45도 편파스트립 선로와; 90도 편파신호를 발생시키는 90도 편파스트립 선로와; 135도 편파신호를 발생시키는 135도 편파스트립 선로가 형성되고, 상기 위상보정선로는, 상기 0도 편파스트립 선로와 상기 45도 편파스트립 선로 사이에 구비되는 제1위상보정선로와; 상기 90도 편파스트립 선로와 상기 135도 편파스트립 선로사이에 구비되는 제2위상 보정선로를 포함할 수 있다.
상기 미모 안테나는, 상기 제1위상보정선로 상에 구비되는 제1대역통과필터와; 상기 제2위상보정선로 상에 구비되는 제2대역통과필터를 더 구비할 수 있다.
상기 방사안테나는, 상기 0도 편파스트립 선로 및 상기 90도 편파스트립 선로와 결선되어 상기 0도 편파신호 및 상기 90도 편파신호를 방사하기 위한 제1방사안테나와; 상기 45도 편파스트립 선로 및 상기 135도 편파스트립 선로와 결선되어 상기 45도 편파신호 및 상기 135도 편파신호를 방사하기 위한 제2방사안테나를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 위상보정을 통해 각 편파들 사이의 아이솔레이션을 극대화 할 수 있으며, 신호손실을 최소화하면서도 채널간 간섭현상을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 이용되는 편전효과를 설명하기 위한 개요도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 편전효과를 이용한 미모안테나를 구성하는 회로기판의 선로도들이고,
도 5는 본 발명의 미모안테나의 측면도이고,
도 6 내지 도 9는 본 발명의 미모안테나의 방사패턴을 도시한 방사패턴도들이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에서 이용되는 편전효과를 설명하기 위한 개요도이다.
도 1을 참조하여 편전효과에 대하여 간략하게 설명하면, 회로기판 상에 구현되는 마이크로스트립에 신호를 인가하게 되면, 인가된 신호의 '+'와 '-'의 신호가 각각 위상차에 따라 분리되고, 분리된 신호에 의해 안테나 급전이 이루어지게 되어 편전효과가 발생하게 된다.
이는 유전체 회로기판 상에 스트립선로를 이용하여, 입력포트 및 신호를 분배하기 위한 T분배기와 180도 신호위상 변환기를 금속스트립선로로 구성하고, 금속판을 패치 안테나의 라디에이터로 적용하여 발생되는 편전효과를 이용하기 때문에 가능한 것이다.
이러한 편전효과를 발생시키기 위해 각각 편파되는 스트립들을 동일기판 상에 배치하여 안테나 효과를 나타내게 되는 것이다.
이와 관련한 구체적인 설명은 대한민국 등록특허 제10-1017690호(편전효과와 그 응용)에서 설명하고 있는 공지기술이므로 생략하도록 한다.
본 발명은 대한민국 등록특허 제10-1017690호(편전효과와 그 응용)에서 설명하고 있는 편전효과를 이용하여 더욱 고도화 하고 보다 정밀한 편파효과를 통해 신호 손실이 적으면서도 신호간섭이 없는 안테나를 구현하기 위한 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 편전효과를 이용한 미모안테나를 구성하는 회로기판(100)의 선로도들이고, 도 5는 본 발명의 미모안테나의 측면도이다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 미모안테나는 회로기판(100) 및 방사안테나(200)를 구비한다.
상기 회로기판(100)은 통상의 PCB 기판, 유전체 기판 등을 포함하며, 에칭 또는 프린팅 등의 방법을 통하여 마이크로 스트립 선로 등 편파스트립 선로의 구현이 가능한 모든 기판을 포함할 수 있다.
상기 회로기판(100)에는 편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들(110,120,130,140)이 구비된다.
상기 방사안테나(200)는 상기 복수의 편파스트립 선로들(110,120,130,140)과 결선되며 적어도 하나가 구비되게 된다.
우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 회로기판(100)에 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들(110,120,130,140)을 형성한다.
예를 들어, 상기 회로기판(100)에 0도, 45도, 90도, 135도 4개의 각도에 해당하는 편파스트립 선로들(110,120,130,140)을 형성한다.
0도 편파스트립 선로(110)는 제1입력포트(P1)를 가지고 0도 위상의 편파신호를 발생시키기 위해 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(110a,110b)의 이격방향이 0도 방향(수평방향)을 향하도록 형성하고, 45도 편파스트립 선로(120)는 제2입력포트(P2)를 가지고 45도 위상의 편파신호를 발생시키기 위하 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(120a,120b)의 이격방향이 45도 방향을 향하도록 형성한다.
90 도 편파스트립 선로(130)는 제3입력포트(P3)를 가지고 90도 위상의 편파신호를 발생시키기 위해 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(130a,130b)의 이격방향이 90도 방향(수직방향)을 향하도록 형성하고, 135도 편파스트립 선로(140)는 제4입력포트(P4)를 가지고 135도 위상의 편파신호를 발생시키기 위하 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(140a,140b)의 이격방향이 135도 방향을 향하도록 형성한다.
상기 0도 편파스트립 선로(110)의 한쌍의 노드(110a,110b), 상기 45도 편파스트립 선로(120)의 한쌍의 노드(120a,120b), 상기 90도 편파스트립 선로(130)의 한쌍의 노드(130a,130b), 상기 135도 편파스트립 선로(140)의 한쌍의 노드(140a,140b) 각각은 도 5에 도시된 바와 같이 방사안테나(200)의 리드핀(250)에 결선된다. 상기 회로기판(100)과 상기 방사안테나(200)의 결선방식은 통상의 기술자에게 잘 알려진 방식이 이용될 수 있다.
여기서 상기 방사안테나는, 상기 0도 편파스트립 선로(110) 및 상기 90도 편파스트립 선로(130)와 결선되어 0도 편파신호 및 90도 편파신호를 방사하기 위한 제1방사안테나(200a)와, 상기 45도 편파스트립 선로(120) 및 상기 135도 편파스트립 선로(140)와 결선되어 45도 편파신호 및 135도 편파신호를 방사하기 위한 제2방사안테나(200b)를 구비할 수 있다.
여기서 0도 편파스트립 선로(110)와 90 도 편파스트립 선로(130)는 대한민국 등록특허 제10-1017690호(편전효과와 그 응용)에서 설명하고 있는 바와 같이, 아이솔레이션 특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 같은 원리로 45도 편파스트립 선로(120)와 135도 편파스트립 선로(130) 또한 아이솔레이션 특성이 우수하게 된다.
그러나 0도 편파스트립 선로(110)와 45도 편파스트립 선로(120) 간, 90도 편파스트립 선로(130)와 135도 편파스트립 선로(140)에는 아이솔레이션 특성이 우수하지 않아 0도 편파신호와 45도 편파신호, 90도 편파신호와 135도 편파신호 간에는 채널 간 간섭현상이 나타날 수 있다.
이러한 문제점을 해결하고 각 편파스트립 회로 사이의 각도를 정확하게 유지하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 0도 편파스트립 선로(110)와 상기 45도 편파스트립 선로(120)사이의 위상보정을 위하여 제1위상보정선로(125)를 구성하고, 상기 90도 편파스트립 선로(130)와 상기 135도 편파스트립 선로(140) 사이에 위상보정을 위한 제2위상보정선로(135)를 구성하게 된다.
상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135)를 통해 위상을 보정하게 되면, 0도와 45도, 90도와 135도 편파신호들 사이의 위상차이를 보상하게 되면 전체적으로 각 편파 사이의 위상차이를 45도씩 정확하게 위상보정하게 된다. 이에 따라 전체적으로 0도, 45도, 90도, 135도 4개의 편파신호를 가지면서 각 편파 사이의 아이솔레이션을 높일 수 있는 4X4 미모(MIMO) 안테나 구현이 가능하게 한다.
상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135) 각각은 관내파장(λg)의 45도 + 360xN(N은 양의정수)에 해당하는 선로 길이를 가지게 된다.
이에 따라 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135)를 통하여 신호가 전달되면, 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135) 각각의 선로의 길이에 해당되는 45도의 위상만큼 위상차이가 생기게 된다.
이때 사용하는 주파수의 신호로 연결하면 사용하는 주파수의 신호가 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135)를 통해 전달되어 신호 손실의 문제점이 발생될 수 있다.
이를 방지하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135) 각각에 사용주파수 신호는 차단하고 상기 사용주파수 신호와 인접되는 주파수의 신호를 통과시켜 위상결합을 수행하기 위한 대역통과필터(150a,150b)가 구비될 수 있다.
즉 상기 제1위상보정선로(125) 사이에 제1대역통과필터(150a)를 연결하고, 상기 제2위상보정선로(135) 사이에 제2대역통과필터(150b)가 연결되게 되면, 상기 0도 편파스트립 선로(110)와 상기 45도 편파스트립 선로(120)사이 및 상기 90도 편파스트립 선로(130)와 상기 135도 편파스트립 선로(140) 사이에 원하는 위상차이를 만들 수 있게 되고, 사용하는 주파수의 신호에 대한 손실은 없게 된다.
결과적으로, 0도 편파스트립 선로(110)와 상기 45도 편파스트립 선로(120)사이의 제1위상보정선로(125) 사이에 제1대역통과필터(150a)를 구성하여, 0도 편파스트립 선로(110)의 제1입력포트(P1)을 통하여 들어오는 신호(예를 들면, 5.1GHz~5.8GHz)와 인접하면서 사용하지 않는 대역의 주파수 신호(예를 들면, 5.0GHz 또는 6.0GHz)를 이용하여 정밀 위상 결합을 얻을 수 있게 된다. 또한, 0도 편파스트립 선로(110)를 통하여 급전되는 고주파 신호와 45도 편파스트립 선로(120)를 통하여 급전되는 고주파 신호와의 결합과 위상 차이를 얻어 결과적으로 방사안테나(200)에서 방사되는 0도 편파신호와 45도 편파신호사이의 아이솔레이션을 극대화 할수 있게 된다.
그리고, 90도 편파스트립 선로(130)와 상기 135도 편파스트립 선로(140)사이의 제2위상보정선로(135) 사이에 제2대역통과필터(150b)를 구성하여, 90도 편파스트립 선로(130)의 제3입력포트(P3)을 통하여 들어오는 신호(예를 들면, 5.1GHz~5.8GHz)와 인접하면서 사용하지 않는 대역의 주파수 신호(예를 들면, 5.0GHz 또는 6.0GHz)를 이용하여 정밀 위상 결합을 얻을 수 있다. 또한, 90도 편파스트립 선로(130)를 통하여 급전되는 고주파 신호와 135도 편파스트립 선로(140)를 통하여 급전되는 고주파 신호와의 결합과 위상 차이를 얻어 결과적으로 방사안테나(200)에서 방사되는 90도 편파신호와 135도 편파신호사이의 아이솔레이션을 극대화 할 수 있게 된다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 미모 안테나에서, 0도 편파스트립 선로(110)를 통하여 발생되는 0도 편파신호와 45도 편파스트립 선로(120)를 통하여 발생되는 45도 편파신호는 상기 제1위상보상선로(125) 와 상기 제1대역통과필터(150a)를 통하여 위상차이가 정밀하게 조절되면서 동기신호가 만들어진다.
이에 따라 0도 편파전파는 도 6에 도시된 바와 같이, 게인이 9dBi 이상이 되고, 도 7에 도시된 바와 같이, 45도 편파전파는 게인이 9dBi 이상 되면서 그 사이의 아이솔레이션은 20dBi 이상 얻을 수 있게 된다.
또한, 90도 편파스트립 선로(130)를 통해 발생되는 90도 편파신호와 135도 편파스트립 선로(140)를 통하여 발생되는 135도 편파신호는 상기 제2위상보상선로(135)와 상기 제2대역통과필터(150b)를 통하여 위상차이가 정밀하게 조정되면서 동기신호가 만들어지게 된다.
이에 따라 90도 편파전파는 도 8에 도시된 바와 같이, 게인이 9dBi 이상되고, 135도 편파전파는 도 9에 도시된 바와 같이, 게인이 9dBi 이상 되면서 그 사이의 아이솔레이션은 20dBi 이상 얻을 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 4X4 미모(MIMO) 전파가 발생되는 안테나가 구현이 되면, [표1]에 나타난 시뮬레이션 결과와 같이, 4개의 편파인 0도, 45도, 90도, 135도 편파의 전파의 효율이 90%이상이 되고 각 4개의 편파 안테나 게인이 9dBi 이상이 되며, 4개의 편파신호들의 이이솔레이션을 20dBi 이상 최대 30dBi 까지 얻을 수 있게 된다.
P1(0도) P2(45도) P3(90도) P4(135도)
게인(Gain) 9.7dBi 10.2dBi 10.2dBi 9.9dBi
효율 90%이상 90%이상 90%이상 90%이상
VSWR 2이하 2이하 2이하 2이하
PolarizationIsolation 20dB이하 20dB이하 30dB이하 30dB이하
본 발명에 따른 편전효과를 이용한 미모(MIMO)안테나는 휴대폰용 기지국 4X4 MIMO용 안테나, 와이파이(wifi) AP용 안테나, 무선백홀 마이크로웨이브 및 와이파이(wifi) 무선백홀의 4X4 MIMO용 안테나에 적용될 수 있으며, 이외에 다양한 안테나에 적용가능하다. 또한 휴대폰 등의 휴대단말기에 적용되는 것도 가능하다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
100 : 회로기판 110 : 0도 편파스트립선로
120 : 45도 편파스트립선로 130 : 90도 편파스트립선로
140 : 135도 편파스트립선로 200 : 방사안테나
125,135 : 위상보정선로 150a,150b : 대역통과필터

Claims (5)

  1. 편전효과를 이용한 미모(MIMO) 안테나에 있어서:
    편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들을 구비하는 회로기판과;
    상기 복수의 편파스트립 선로들과 결선되는 적어도 하나의 방사안테나와;
    상기 복수의 편파스트립 선로들 중 적어도 두 개의 편파스트립 선로들 사이에 위상보정을 위한 위상보정선로를 구비하고,
    상기 회로기판에는,
    0도 편파신호를 발생시키는 0도 편파스트립 선로와;
    45도 편파신호를 발생시키는 45도 편파스트립 선로와;
    90도 편파신호를 발생시키는 90도 편파스트립 선로와;
    135도 편파신호를 발생시키는 135도 편파스트립 선로가 형성되고,
    상기 위상보정선로는,
    상기 0도 편파스트립 선로와 상기 45도 편파스트립 선로 사이에 구비되는 제1위상보정선로와;
    상기 90도 편파스트립 선로와 상기 135도 편파스트립 선로사이에 구비되는 제2위상 보정선로를 포함함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 미모안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상보정선로 상에는, 사용주파수 신호는 차단하고 상기 사용주파수 신호와 인접되는 주파수의 신호를 통과시켜 위상결합을 수행하기 위한 대역통과필터가 구비됨을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 미모안테나.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 미모 안테나는,
    상기 제1위상보정선로 상에 구비되는 제1대역통과필터와;
    상기 제2위상보정선로 상에 구비되는 제2대역통과필터를 더 구비함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 미모안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사안테나는,
    상기 0도 편파스트립 선로 및 상기 90도 편파스트립 선로와 결선되어 상기 0도 편파신호 및 상기 90도 편파신호를 방사하기 위한 제1방사안테나와;
    상기 45도 편파스트립 선로 및 상기 135도 편파스트립 선로와 결선되어 상기 45도 편파신호 및 상기 135도 편파신호를 방사하기 위한 제2방사안테나를 구비함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 미모안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007166117A (ja) * 2005-12-12 2007-06-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd アンテナ装置
KR101547474B1 (ko) * 2014-06-13 2015-09-04 주식회사쏘우웨이브 편전 효과를 이용한 미모용 무지향성 안테나

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