KR101857388B1 - High gain antenna device acting in dual band frequencly - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사 계수의 위상이 0°가 되는 부분반사표면(PRS)을 구현하여 인접한 대역에서 이중 동작하도록 하는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high gain antenna device operating in a dual band and more particularly to a high gain antenna device operating in a dual band which implements a partial reflection surface (PRS) To a high gain antenna device.
마이크로스트립 패치 안테나(Microstrip Patch Antenna)는 평면 안테나의 하나로, 인쇄기판으로 제작하기 때문에 대량 생산에 적합하고 제작 공정이 쉬우며, 높이가 낮고 평면상으로 되어 있어 견고한 장점이 있다. 이 때문에 대량의 작은 안테나를 필요로 하는 배열 안테나 소자로서 많이 사용되고 있으나, 이득(gain)이 부족하다는 단점이 있어 이득 향상을 위해서 배열 타입을 적용하여 이득을 증가시키는 방법이 개발되고 있다.Microstrip Patch Antenna is one of the flat antennas and it is made of printed board, so it is suitable for mass production, easy to manufacture, low in height and flat, and has a solid advantage. For this reason, although it is widely used as an array antenna element requiring a large amount of small antennas, there is a disadvantage that the gain is insufficient, and a method of increasing the gain by applying the array type for improving the gain has been developed.
일반적으로 안테나의 배열 개수가 많아지면 급전 구조가 복잡해지고 특히 5G 이동 통신과 같은 밀리미터파 영역에서는 급전 선로의 손실 또한 증가하게 된다. 이에 안테나 수 증가 없이 단일 안테나에서 이득을 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.In general, as the number of antennas is increased, the feeding structure becomes complicated, and in the millimeter wave region such as 5G mobile communication, the loss of the feed line also increases. Therefore, it is necessary to develop a technique that can increase the gain in a single antenna without increasing the number of antennas.
또한 이동 통신을 하기 위해서는 다중 밴드에서 동작하는 것이 필수 요건이다. 그러나, 현재까지는 단일 대역에서 동작하는 안테나의 연구에만 집중되어 있고, 이중 대역에서 동작하는 안테나에 대한 연구 개발은 다소 미흡한 실정이다. 따라서 안테나와 반사 표면 사이의 거리를 감소시키고 고이득을 얻을 수 있는 이중 대역에서 동작 가능한 안테나 기술의 개발이 필요하다.In addition, in order to perform mobile communication, it is essential to operate in multiple bands. However, until now, researches on antennas operating in a single band have been focused on, and research and development on an antenna operating in a dual band has been somewhat inadequate. Therefore, it is necessary to develop an antenna technology that can operate in a dual band that can reduce the distance between the antenna and the reflective surface and achieve high gain.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0034234호(2004.04.28. 공개)에 개시되어 있다.The background of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2004-0034234 (published on April 28, 2004).
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반사 계수의 위상이 0°가 되는 부분반사표면(PRS)을 구현하여 인접한 대역에서 이중 동작하도록 하는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치를 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a high gain antenna device that operates in a dual band that realizes a partial reflection surface (PRS) with a reflection coefficient of 0 ° and operates in a double band in an adjacent band.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치는, 전파를 송수신하는 안테나 소자가 설계된 인쇄기판과 접지판이 접착되어 형성된 안테나; 및 상기 안테나의 상측에 이격 배치되며, 양면에 도체 패턴이 형성되고 유전체로 이루어지는 부분반사표면(PRS)를 포함하되, 상기 이격 배치되는 거리는 상기 부분반사표면의 반사 계수 위상과 상기 접지판의 반사 계수 위상의 합을 이용하여 설정되고, 상기 부분반사표면의 하측면은 패치와 상기 패치를 감싸는 링을 포함하는 형태로 동일한 간격으로 복수 개가 배열되는 도체 패턴이 형성되며, 상측면은 분할 영역의 크기가 일정한 메쉬 구조의 도체 패턴이 형성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high gain antenna device operating in a dual band mode, comprising: an antenna formed by adhering a printed board and a ground plate designed for an antenna element for transmitting and receiving radio waves; And a partial reflection surface (PRS) disposed on the upper side of the antenna, the partial reflection surface being formed of a dielectric and having conductor patterns formed on both sides thereof, wherein the spaced apart distance is determined by a reflection coefficient phase of the partial reflection surface and a reflection coefficient And a lower surface of the partial reflective surface is formed with a plurality of conductive patterns arranged at equal intervals in a form including a patch and a ring surrounding the patch, A conductor pattern of a constant mesh structure is formed.
상기 부분반사표면은, 상기 이중 대역에서 반사 계수 위상이 0°일 수 있다.The partially reflective surface may have a zero reflection coefficient phase in the dual band.
상기 고이득 안테나 장치는, 상기 하측면에 형성되는 도체 패턴에 의해서 발생하는 션트(shunt) 캐패시턴스 성분과 상기 상측면에 형성되는 도체 패턴에 의해서 발생하는 션트 인덕턴스 성분에 의해 밴드 패스 필터로 동작할 수 있다.The high gain antenna device can operate as a band-pass filter by a shunt inductance component generated by a shunt capacitance component generated by a conductor pattern formed on the lower side surface and a conductor pattern formed on the upper side surface have.
상기 부분반사표면은 제1 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수보다 높은 제2 공진 주파수에서 동작하며, 인접하는 링 사이의 간격이 좁아질수록 캐패시터 값이 증가하여 제1 공진 주파수가 감소하고, 상기 패치와 상기 패치를 감싸는 링 사이의 간격이 좁아질수록 캐패시터 값이 증가하여 제2 공진 주파수가 감소할 수 있다.Wherein the partial reflective surface operates at a first resonant frequency and a second resonant frequency higher than the first resonant frequency and as the spacing between adjacent rings narrows, the capacitor value increases and the first resonant frequency decreases, And the ring surrounding the patch is narrowed, the capacitor value increases and the second resonance frequency can be reduced.
상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 사이의 대역폭은 고조파들 사이의 대역폭보다 작은 값을 가질 수 있다.The bandwidth between the first resonant frequency and the second resonant frequency may be less than the bandwidth between the harmonics.
상기 부분반사표면은, 상기 메쉬 구조에서 도체의 폭이 좁아질수록 인덕터 값이 증가하여 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수가 감소할 수 있다.As the width of the conductor in the mesh structure decreases, the partial reflection surface increases inductance value, and the first resonance frequency and the second resonance frequency can be reduced.
상기 안테나와 상기 부분반사표면간 이격 거리(d)는 다음의 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.The distance d between the antenna and the partial reflective surface can be calculated using the following equation.
여기서, ØPRS는 상기 부분반사표면의 반사 계수 위상이고, ØGND는 상기 접지판의 반사 계수 위상이며, λ는 안테나 파장이고, N은 상수이다.Here,? PRS is the reflection coefficient phase of the partial reflection surface,? GND is the reflection coefficient phase of the ground plate,? Is the antenna wavelength, and N is a constant.
상기 안테나는, 원 또는 다각형으로 구현되고, 상기 안테나 소자는 상기 인쇄기판에 하나 이상 배열되어 설계될 수 있다.The antenna may be implemented as a circle or a polygon, and the antenna elements may be designed to be arranged on the printing substrate.
이와 같이 본 발명에 따르면, 반사 계수의 위상이 0°가 되는 부분반사표면(PRS)을 구현하여 인접한 대역에서 이중 동작하도록 할 수 있다. As described above, according to the present invention, a partial reflection surface (PRS) having a reflection coefficient of 0 degrees can be implemented to double-operate in an adjacent band.
또한 본 발명에 따르면, 양면 구조가 상이한 도체 패턴을 가지는 유전체로 이루어진 부분반사표면(PRS)의 위상을 조절함으로써 안테나와 유전체 사이의 거리를 조절할 수 있어 원하는 부피로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.Further, according to the present invention, the distance between the antenna and the dielectric can be adjusted by adjusting the phase of the partial reflection surface (PRS) made of a dielectric having a conductor pattern having a different double-sided structure, thereby reducing the desired volume.
또한 본 발명에 따르면, 높이가 낮은 고이득 안테나의 구현이 가능함에 따라 5G 이동 통신에서 채널의 용량 및 데이터 처리율(throughput)을 증가시키기 위해 많은 관심을 가지고 있는 밀리미터파 대역에서의 경로 손실을 보상할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to realize a low-gain high-gain antenna, thereby compensating for a path loss in a millimeter wave band which is of great interest to increase channel capacity and data throughput in 5G mobile communication .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 부분반사표면의 양면을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서 각 면의 단위 셀을 나타낸 도면이다.
도 4는 단일 대역과 이중 대역의 반사 계수 위상을 각각 비교한 결과 그래프이다.
도 5는 단일 대역과 이중 대역에서의 부분반사표면과 안테나간 이격 거리에 따른 공진 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유전체 유무에 따른 안테나의 반사 계수를 비교한 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 낮은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(E-plane)을 비교한 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 낮은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(H-plane)을 비교한 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 높은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(E-plane)을 비교한 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 높은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(H-plane)을 비교한 결과 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a high-gain antenna apparatus operating in a dual band according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2 is a view showing both surfaces of the partially reflective surface of Fig. 1;
FIG. 3 is a view showing a unit cell of each surface in FIG.
FIG. 4 is a graph showing a result of comparing reflection coefficient phases of a single band and a dual band.
5 is a graph showing a resonance frequency according to a distance between a partial reflection surface and an antenna in a single band and a dual band.
FIG. 6 is a graph illustrating a comparison of reflection coefficients of an antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph illustrating a comparison of long-distance radiation patterns (E-planes) of antennas according to presence or absence of a dielectric in a low band of the dual band according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating a comparison of long-distance radiation patterns (H-planes) of antennas according to the presence or absence of a dielectric in a low band of the dual band according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph illustrating a result of comparison of long-distance radiation patterns (E-planes) of antennas according to presence or absence of a dielectric in a high band of dual bands according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph illustrating a comparison of long-distance radiation patterns (H-planes) of antennas according to the presence or absence of a dielectric in a high band of the dual band according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Further, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 통해 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치에 대하여 설명한다.Hereinafter, a high gain antenna device operating in a dual band according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 through FIG.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치를 나타낸 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a high-gain antenna apparatus operating in a dual band according to an embodiment of the present invention; FIG.
도 1에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치는 안테나(100) 및 부분반사표면(200)을 포함한다.1, a high gain antenna device operating in a dual band according to an embodiment of the present invention includes an
먼저, 안테나(100)의 상측면에는 전파를 송수신하는 안테나 소자(120)가 장착된 인쇄기판(110)이 접착되고, 안테나(100)의 하측면에는 접지판(130)이 각각 접착된다.A printed
이때, 안테나(100)는 평면 안테나의 하나인 마이크로스트립 안테나(Microstrip Antenna)가 적용되며, 절연체 양면에 접착한 도체판 중 한쪽의 도체판을 스트립(얇은 강판)으로 처리한 마이크로스트립 선로가 인쇄기판(110)에 미세구조로 형성되어 제작될 수 있다. 또한 안테나(100)는 평면형의 원 또는 다각형으로 구현되고, 안테나 소자(120)는 인쇄기판(110)에 하나 이상 배열되어 다양하게 설계될 수도 있다.In this case, a microstrip antenna, which is one of the planar antennas, is applied to the
또한 접지판(130)은 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등과 같이 전기전도도가 우수한 도전성 물질이 도포되어 형성될 수 있다. 그리고, 접지판(130)은 PEC(perfect electric conductor)로 설계되어 180°의 고정된 반사 계수 위상은 가지거나, PMC(perfect magnetic conductor) 또는 AMC(artificial magnetic conductor)로 설계되어 0°이하로 반사 계수 위상이 낮아지도록 할 수도 있다.The
그리고 부분반사표면(PRS, 200)은 안테나(100)의 상측에 이격 배치되며, 양면에 도체 패턴이 형성되고 유전체로 이루어진다.The partial
이때, 안테나(100)와 부분반사표면(200) 간 이격 거리(d)는 부분반사표면(200)의 반사 계수 위상과 접지판(130)의 반사 계수 위상의 합을 이용하여 설정되며, 자세히는 다음의 수학식 1과 같이 연산될 수 있다. The distance d between the
여기서, ØPRS는 상기 부분반사표면(200)의 반사 계수 위상이고, ØGND는 상기 접지판(130)의 반사 계수 위상이며, λ는 안테나 파장이고, N은 상수이다.Here,? PRS is the reflection coefficient phase of the
즉, 이격 거리(d)는 부분반사표면(200)의 반사 계수 위상과 접지판(130)의 반사 계수 위상의 합을 이용하여 설정되므로, 반사 계수의 위상의 합이 낮아질수록 이격 거리(d)가 줄어들게 되므로 고이득 안테나 장치의 부피가 감소하게 된다.That is, since the separation distance d is set using the sum of the reflection coefficient phase of the
만약 부분반사표면(200)이 고유전율을 가진 유전체이고 안테나(100)의 접지판(130)이 PEC로 설계되었다고 가정하면, 부분반사표면(200)의 반사 계수 위상은 180°이고, 접지판(130)의 반사 계수 위상은 180°가 된다. 이때, π는 180°이므로 N이 0일 때 안테나(100)와 부분반사표면(200) 간 이격 거리(d)는 반파장(?/2)으로 설정된다. Assuming that the partial
또한, 안테나(100)의 접지판(130)이 PMC 또는 AMC로 설계되면 부분반사표면(200)의 반사 계수 위상은 180°이고, 접지판(130)의 반사 계수 위상은 0°이므로 N이 0일 때 안테나(100)와 부분반사표면(200) 간 이격 거리 (d)는 λ/4로 설정된다.If the
즉, 안테나(100)와 부분반사표면(200)의 반사 계수의 합이 줄어들수록 안테나(100)와 부분반사표면(200) 간 이격 거리(d)가 줄어들고, 이로 인해 고이득 안테나 장치의 부피가 감소되는 효과가 있다.That is, as the sum of the reflection coefficients of the
그리고 양면에 도체 패턴이 형성되어 고조파 성분에 의해 이중 대역에서 반사 계수 위상이 0°이 되는 고이득 안테나를 설계할 수 있다. And a conductor pattern is formed on both sides so that a high gain antenna can be designed in which the reflection coefficient phase is 0 ° in the dual band due to harmonic components.
도 2는 도 1의 부분반사표면의 양면을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에서 각 면의 단위 셀을 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view showing both surfaces of the partially reflective surface of FIG. 1, and FIG. 3 is a view showing unit cells of each surface in FIG.
특히, 도 3의 (a)는 도 2의 (a)에서 하나의 셀을 확대 도시한 도면이고, 도 3의 (b)는 도 2의 (b)에서 하나의 셀을 확대 도시한 도면이다. Particularly, FIG. 3 (a) is an enlarged view of one cell in FIG. 2 (a), and FIG. 3 (b) is an enlarged view of one cell in FIG. 2 (b).
본 발명의 실시예에 따른 부분반사표면(200)의 하측면은 도 2의 (a) 및 도 3의 (a)에서와 같이 패치(P)와 패치(P)를 감싸는 링(R)을 포함하는 형태로 동일한 간격으로 복수 개가 배열되는 도체 패턴이 형성된다. 그리고 상측면은 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)에서와 같이 분할 영역의 크기가 일정한 메쉬 구조의 도체 패턴이 형성된다.The lower side of the partial
즉, 부분반사표면(200)의 하측면에 형성된 링(R)과 패치(P) 구조가 각각 부분반사표면(200)의 상측면에 형성된 메쉬 구조와 결합하여 이중 대역에서 반사 계수의 위상이 0°가 된다.That is, the ring (R) and patch (P) structures formed on the lower side of the partial
자세히는 동일한 간격으로 복수 개가 배열되어 부분반사표면(200)의 하측면에 형성된 도체 패턴(링 - 패치 구조)에 의해서 발생하는 션트 캐패시턴스(shunt capacitance) 성분과, 분할 영역의 크기가 일정하도록 부분반사표면(200)의 상측면에 형성된 도체 패턴(메쉬 구조)에 의해서 발생하는 션트 인덕턴스(shunt inductance) 성분에 의해서, 본 발명의 실시예에 따른 안테나(100)는 밴드 패스 필터(band-pass filter)로 동작하고, 밴드 패스 공진에서 반사 계수의 위상은 0°가 된다. (Ring-patch structure) formed on the lower surface of the partial
이때 도 3의 (a)에서와 같이 패치(P) 구조에 링(R) 구조가 삽입되면, 링(R)과 링(R) 사이와, 패치(P)와 링(R) 사이에 각각 션트 캐패시턴스가 발생하고, 도 3의 (b)에서와 같이 메쉬 구조와 결합하여 이중 대역에서 반사 계수의 위상은 0°가 된다. When the ring structure is inserted into the structure of the patch P as shown in FIG. 3 (a), shunts are formed between the ring R and the ring R and between the patch P and the ring R, And the phase of the reflection coefficient in the dual band is 0 ° in combination with the mesh structure as shown in FIG. 3 (b).
이하에서는 도 4 내지 도 10을 통해 본 발명의 실시예에 따른 고이득 안테나 장치의 성능에 대하여 설명한다.Hereinafter, the performance of the high gain antenna device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 through FIG.
도 4는 단일 대역과 이중 대역의 반사 계수 위상을 각각 비교한 결과 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing a result of comparing reflection coefficient phases of a single band and a dual band.
도 4를 예시로 단일 대역과 이중 대역의 반사 계수 위상을 비교해보면 다음과 같다. 먼저 이중 대역에서의 부분반사표면(200)은 부분반사표면(200)의 하측면에 배열된 복수개의 도체 셀 중 하나의 셀 길이(Su) = 8.5mm, 링(R) 길이 = 8.3mm, 패치(P) 길이 = 6.5mm, 링의 폭(wR) = 0.7mm, 인접한 셀과의 이격 거리(gu) = 0.1mm, 부분반사표면(200)의 상측면에 형성된 도체의 폭(wu) = 1.5mm로 설계하였다. 그리고 단일 대역에서의 부분반사표면(200)은 패치(P) 길이 = 8.3mm, 도체의 폭(Wu) = 1.5mm으로 설계하였다. 이때 이중 대역과 단일 대역에서의 유전체의 두께는 1.6mm이고 유전율은 10.2이라 가정한다.4, the reflection coefficient phases of the single band and the dual band are compared as follows. First, the
여기서 링(R)의 폭(wR)과 길이, 메쉬 구조의 폭(Wu)을 조절하여 도 4의 그래프에서 좌측에 위치한 그래프(이중 대역 중 낮은 대역)의 공진 주파수를 변경할 수 있다. 이때 링(R)과 링(R) 사이가 좁아질수록 캐패시터 값이 증가하므로 반사 계수의 위상이 0°를 갖는 공진 주파수 대역이 감소한다.Here, the resonance frequency of the graph (the lower one of the dual bands) located on the left side in the graph of FIG. 4 can be changed by adjusting the width wR of the ring R and the length and the width Wu of the mesh structure. At this time, as the distance between the ring R and the ring R becomes narrower, the capacitor value increases, so that the resonance frequency band in which the phase of the reflection coefficient is 0 ° decreases.
또한, 패치(P) 구조와 링(R) 구조 사이의 간격 및 패치(P)의 크기, 메쉬 구조의 폭(Wu)을 조절하여 도 4의 그래프에서 우측에 위치한 그래프(이중 대역 중 높은 대역)의 공진 주파수를 변경할 수 있다. 이때 패치(P)와 링(R) 사이의 간격이 좁아질수록 캐패시터 값이 증가하므로 반사 계수의 위상이 0°를 갖는 공진 주파수 대역이 감소한다.In addition, by adjusting the interval between the patch (P) structure and the ring (R) structure, the size of the patch (P), and the width (Wu) of the mesh structure, Can be changed. At this time, as the interval between the patch P and the ring R becomes narrower, the capacitor value increases, so that the resonance frequency band in which the phase of the reflection coefficient is 0 ° decreases.
또한 부분반사표면(200)의 상측면에 형성된 메쉬 구조는 도체의 폭(Wu)이 좁아질수록 인덕터 값이 증가하므로 낮은 대역과 높은 대역의 공진 주파수가 모두 감소한다.Also, since the inductor value increases as the width Wu of the conductor decreases, the mesh structure formed on the upper surface of the partial
이때, 낮은 대역과 높은 대역의 공진 주파수 사이의 대역폭은 고조파들 사이의 대역폭보다 작은 값을 가진다.At this time, the bandwidth between the low-band and high-band resonance frequencies is smaller than the bandwidth between the harmonics.
도 5는 단일 대역과 이중 대역에서의 부분반사표면과 안테나간 이격 거리에 따른 공진 주파수를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a resonance frequency according to a distance between a partial reflection surface and an antenna in a single band and a dual band.
즉, 도 5는 반사 계수의 위상 결과를 위 수학식 1에 대입하여 안테나(100)와 부분반사표면(200)간의 이격 거리(d)를 계산한 결과를 나타낸 것이다. 만약 이격 거리(d)가 10mm로 고정되면 이중 대역에서 위상이 0°인 부분반사표면(200)의 경우 약 2.1GHz와 5.9GHz와 같이 인접 대역에서 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역을 갖는 고이득 안테나를 설계할 수 있다. That is, FIG. 5 shows a result of calculating the distance d between the
즉, 본 발명의 실시예에 따른 고이득 안테나 장치는 부분반사표면(200)의 하측면에 형성된 링(R)과 패치(P) 구조에 의해 5GHz, 10GHz, 15GHz...와 같이 고조파로 동작하는 것이 아니라 인접 대역(예를 들면 2.1GHz - 5.9GHz ...)에서 이중 대역을 생성하여 동작하게 된다.That is, the high-gain antenna device according to the embodiment of the present invention operates at harmonics of 5 GHz, 10 GHz, 15 GHz, etc., by the structure of the ring R and the patch P formed on the lower surface of the partial reflective surface 200 (For example, 2.1 GHz - 5.9 GHz,...).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유전체 유무에 따른 안테나의 반사 계수를 비교한 결과 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating a comparison of reflection coefficients of an antenna according to an embodiment of the present invention.
도 6에서와 같이 유전체로 이루어진 부분반사표면(200)이 안테나(100) 상부에 위치하여도 안테나(100)의 반사 계수는 거의 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있다.6, it can be seen that the reflection coefficient of the
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 낮은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(E-plane)을 비교한 결과 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 낮은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(H-plane)을 비교한 결과 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating a comparison of long-distance radiation patterns (E-planes) of antennas according to presence or absence of a dielectric in a low band of the dual band according to an embodiment of the present invention, (H-plane) of the antenna according to the presence or absence of the dielectric in the lower band.
도 7 및 도 8에서와 같이 링(R)과 패치(P) 구조가 포함된 유전체가 포함된 고이득 안테나(antenna w/ PRS)는 링(R)과 패치(P) 구조가 포함되지 않은 경우(antenna w/o PRS) 보다 낮은 대역 2.1GHz(이중 대역 중 낮은 대역)에서 9dB 이상의 이득 상승 효과가 있었음을 확인할 수 있다.A high gain antenna (antenna w / PRS) including a dielectric including a ring (R) and a patch (P) structure as shown in Figs. 7 and 8 does not include a ring (R) (antenna w / o PRS), the gain enhancement effect was more than 9dB at 2.1GHz (low band of dual band).
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 높은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(E-plane)을 비교한 결과 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역 중 높은 대역에서의 유전체 유무에 따른 안테나의 원거리 방사 패턴(H-plane)을 비교한 결과 그래프이다.FIG. 9 is a graph illustrating a comparison of long-distance radiation patterns (E-planes) of antennas according to presence or absence of a dielectric in a high band of a dual band according to an embodiment of the present invention. (H-plane) of the antenna according to presence or absence of the dielectric in the high-band.
도 9 및 도 10에서와 같이 링(R)과 패치(P) 구조가 포함된 유전체가 포함된 고이득 안테나(antenna w/ PRS)는 링(R)과 패치(P) 구조가 포함되지 않은 경우(antenna w/o PRS) 보다 5.9GHz(이중 대역 중 높은 대역)에서 4dB 이상의 이득 상승 효과가 있었음을 확인할 수 있다.A high gain antenna (antenna w / PRS) including a dielectric including a ring (R) and a patch (P) structure as shown in Figs. 9 and 10 does not include a ring (R) (antenna w / o PRS) of 5.9 GHz (high bandwidth of the dual band).
따라서, 고이득 안테나 장치의 부분반사표면(200)이 링(R)과 패치(P) 구조가 형성된 유전체로 이루어짐에 따라 적은 부피로 고이득 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, a high gain effect can be obtained with a small volume as the partial
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치는 반사 계수의 위상이 0°가 되는 부분반사표면(PRS)을 구현하여 인접한 대역에서 이중 동작하도록 할 수 있다. As described above, the high gain antenna device operating in the dual band according to the embodiment of the present invention can implement a partial reflection surface (PRS) having a reflection coefficient phase of 0 ° so as to double operate in the adjacent band.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 양면 구조가 상이한 도체 패턴을 가지는 유전체로 이루어진 부분반사표면(PRS)의 위상을 조절함으로써 안테나와 유전체 사이의 거리를 조절할 수 있어 원하는 부피로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.Also, according to the embodiment of the present invention, the distance between the antenna and the dielectric can be adjusted by adjusting the phase of the partial reflection surface (PRS) made of a dielectric having a conductor pattern having a different double-sided structure, have.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 높이가 낮은 고이득 안테나의 구현이 가능함에 따라 5G 이동 통신에서 채널의 용량 및 데이터 처리율(throughput)을 증가시키기 위해 많은 관심을 가지고 있는 밀리미터파 대역에서의 경로 손실을 보상할 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to implement a high-gain high-gain antenna, so that a path loss in the millimeter wave band which is of great interest to increase the channel capacity and data throughput in 5G mobile communication Can be compensated.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. will be. Therefore, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the following claims.
100 : 안테나 110 : 인쇄기판
120 : 안테나소자 130 : 접지판
200 : 부분 반사 표면 100: antenna 110: printed substrate
120: antenna element 130: ground plate
200: Partially reflective surface
Claims (8)
상기 안테나의 상측에 이격 배치되며, 양면에 도체 패턴이 형성되고 유전체로 이루어지고, 이중 대역에서 반사 계수 위상이 0°인 부분반사표면(PRS)를 포함하되,
상기 이격 배치되는 거리는 상기 부분반사표면의 반사 계수 위상과 상기 접지판의 반사 계수 위상의 합을 이용하여 설정되고, 상기 부분반사표면의 하측면은 패치와 상기 패치를 감싸는 링을 포함하는 형태로 동일한 간격으로 복수 개가 배열되는 도체 패턴이 형성되며, 상측면은 분할 영역의 크기가 일정한 메쉬 구조의 도체 패턴이 형성되고, 상기 하측면에 형성되는 도체 패턴에 의해서 발생하는 션트(shunt) 캐패시턴스 성분과 상기 상측면에 형성되는 도체 패턴에 의해서 발생하는 션트 인덕턴스 성분에 의해 밴드 패스 필터로 동작하는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치.An antenna in which a printed board on which an antenna element for transmitting and receiving radio waves is designed and a ground plate are adhered; And
A partial reflection surface (PRS) disposed on the upper side of the antenna and having a conductor pattern formed on both sides thereof and made of a dielectric material and having a reflection coefficient phase of 0 DEG in a dual band,
Wherein the distance spaced apart is set using a sum of the reflection coefficient phase of the partial reflective surface and the reflection coefficient phase of the ground plane and the lower side of the partial reflective surface is the same Wherein a conductive pattern having a mesh structure in which a size of a divided region is constant is formed on an upper side and a shunt capacitance component generated by a conductive pattern formed on a lower side of the conductive pattern, And operates in a dual band operating as a band-pass filter by a shunt inductance component generated by a conductor pattern formed on an upper surface.
상기 부분반사표면은 제1 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수보다 높은 제2 공진 주파수에서 동작하며,
인접하는 링 사이의 간격이 좁아질수록 캐패시터 값이 증가하여 제1 공진 주파수가 감소하고,
상기 패치와 상기 패치를 감싸는 링 사이의 간격이 좁아질수록 캐패시터 값이 증가하여 제2 공진 주파수가 감소하는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the partially reflective surface operates at a first resonant frequency and a second resonant frequency higher than the first resonant frequency,
As the distance between adjacent rings becomes narrower, the capacitor value increases and the first resonance frequency decreases,
And the second resonant frequency decreases as the distance between the patch and the ring enclosing the patch becomes smaller as the capacitor value increases.
상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 사이의 대역폭은 고조파들 사이의 대역폭보다 작은 값을 가지는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the bandwidth between the first resonant frequency and the second resonant frequency is less than the bandwidth between the harmonics.
상기 부분반사표면은,
상기 메쉬 구조에서 도체의 폭이 좁아질수록 인덕터 값이 증가하여 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수가 감소하는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the partially reflective surface comprises:
Wherein the inductor value increases as the width of the conductor decreases in the mesh structure, and the first resonance frequency and the second resonance frequency decrease.
상기 안테나와 상기 부분반사표면간 이격 거리(d)는 다음의 수학식을 이용하여 산출되는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치:
여기서, ØPRS는 상기 부분반사표면의 반사 계수 위상이고, ØGND는 상기 접지판의 반사 계수 위상이며, λ는 안테나 파장이고, N은 상수이다.The method according to claim 1,
Wherein a distance d between the antenna and the partial reflective surface is calculated using the following equation:
Here,? PRS is the reflection coefficient phase of the partial reflection surface,? GND is the reflection coefficient phase of the ground plate,? Is the antenna wavelength, and N is a constant.
상기 안테나는,
원 또는 다각형으로 구현되고,
상기 안테나 소자는 상기 인쇄기판에 하나 이상 배열되어 설계되는 이중 대역에서 동작하는 고이득 안테나 장치.The method according to claim 1,
The antenna includes:
It is implemented as a circle or polygon,
Wherein the antenna elements are designed in such a manner that one or more antenna elements are arranged on the printed board.
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|---|---|---|---|
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