KR101859762B1 - 이중 편파 다이폴 안테나 - Google Patents

Abstract

이중 편파 다이폴 안테나가 개시된다. 이중 편파 다이폴 안테나는, 사슴 발굽형으로 각각 이루어진 제1 내지 제4 방사체; 상기 제1 방사체와 상기 제1 방사체와 대각선 방향으로 마주하는 제3 방사체에 제1 급전 신호를 급전하는 제1 급전선; 및 상기 제1 급전선과 직교하며, 상기 제2 방사체와 상기 제2 방사체와 다른 대각선 방향으로 마주하는 제4 방사체에 제2 급전 신호를 급전하는 제2 급전선을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 방사체 각각은, 상기 제1 급전선과 상기 제2 급전선이 직교하는 지점을 향하는 일자형의 슬릿을 포함하도록 구성됨을 특징으로 한다.

Description

이중 편파 다이폴 안테나{DUAL-POLARIZED DIPOLE ANTENNA}

본 발명은 이중 편파 다이폴 안테나에 관한 것으로 특히, 이동통신용 광대역 이중 편파 다이폴 안테나(Wideband dual-polarized dipole antenna)에 관한 것이다.

이동통신 기지국용 안테나는 페이딩(fading) 현상을 경감시키기 위해 공간 다이버시티(space diversity) 방식 또는 편파 다이버시티(polarization diversity) 방식을 적용하여 설계되고 있다.

공간 다이버시티 방식은 송신 안테나와 수신 안테나를 공간적으로 일정거리 이상 이격시켜 설치하는 것이다. 그러나, 이는 공간적 제약이 많을 뿐만 아니라, 비용적인 측면에서도 좋지 않다. 이에, 이동통신 기지국에서는, 편파 다이버시티 방식을 적용한 이중 편파 안테나가 많이 사용되고 있다.

편파 다이버시티 방식은 서로에 대해 직각(예컨대, 수직과 수평)으로 정렬되는 2 개의 선형 편파를 하나의 이중 편파 안테나를 통해 송신 또는 수신한다.

이중 편파 안테나란 수직 편파 또는 수평 편파와 같은 단일 편파를 갖는 일반 안테나와 달리 경사진 각도의 2개의 편파를 갖는 안테나를 일컬으며, 보통 ±45°의 편파를 가지므로, 폴러라이즈드 안테나(Polarized Antenna)라고도 불린다.

이중 편파 안테나는 기지국의 수신경로 이중화 구현을 위한 안테나로 이용된다. 이러한 이중 편파 안테나의 성능은 이중 편파 간의 격리도(또는 분리도)를 높이고 반사손실을 낮추는 것이 중요하다. 최근 격리도를 높이고, 반사손실을 낮추는 방안에 대해서 다양하게 연구가 진행되고 있다.

격리도 및 반사손실 외에 지향성의 정도를 나타내는 물리량인 반전력빔폭(Half Power Beam Width: HPBW)을 정밀하게 제어(또는 조절)하는 것도 이중 편파 안테나의 성능을 결정하는 중요한 지표이다.

HPBW를 제어하기 위해, 기존의 이중 편파 안테나는 기생소자(Parasitic element) 및 유전체(Dielectric)와 같은 구조를 추가하는 방식으로 제작되고 있는데, 이는 이중 편파 안테나의 구조를 복잡하게 하고, 이에 따른 제조 비용의 상승을 초래한다.

본 발명은 기생소자(Parasitic element) 및 유전체(Dielectric)와 같은 구조를 추가하지 않고, 간단한 구조로 HPBW를 제어할 수 있는 다이폴 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 이중 편파 다이폴 안테나는, 사슴 발굽형으로 각각 이루어진 제1 내지 제4 방사체; 상기 제1 방사체와 상기 제1 방사체와 대각선 방향으로 마주하는 제3 방사체에 제1 급전 신호를 급전하는 제1 급전선; 및 상기 제1 급전선과 직교하며, 상기 제2 방사체와 상기 제2 방사체와 다른 대각선 방향으로 마주하는 제4 방사체에 제2 급전 신호를 급전하는 제2 급전선을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 방사체 각각은, 상기 제1 급전선과 상기 제2 급전선이 직교하는 지점을 향하는 일자형의 슬릿을 포함하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, HPBW를 제어하기 위해, 이중 편파 다이폴 안테나의 방사체(radiator)에 간단한 형상의 슬릿을 형성함으로써, 기생소자(Parasitic element) 및 유전체(Dielectric)와 같은 추가적인 구조 없이, HPBW의 제어가 가능한 이중 편파 다이폴 안테나를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 편파 다이폴 안테나 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 다이폴 소자의 평면도, 측면도 및 사시도를 각각 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 다이폴 소자의 이중 편파 특성을 도식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자의 주요 부분에 대한 설계 치수를 나타낸 평면도와 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬릿 길이 변화에 따른 S-parameters 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬릿 길이 변화에 따른 복사 특성을 비교한 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 슬릿 형상을 갖는 다이폴 소자의 평면도들이다.
도 11은 도 7 내지 도 10의 실시 예에 따른 슬릿 형상을 갖는 다이폴 소자의 S-parameters 특성을 나타내는 그래프들이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 편파 다이폴 안테나 모듈의 외관을 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 편파 다이폴 안테나 모듈은 이동통신 기지국에서 사용될 수 있는 안테나 모듈로서, 베이스 플레이트(110)와 상기 베이스 플레이트(110)의 길이 방향으로 배열되는 다수의 다이폴 소자(120)를 포함한다.

본 발명에 있어서 상기 베이스 플레이트(110) 상에 배열되는 다이폴 소자의 수는 도면에 도시된 예에 한정되지 않고, 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다. 따라서, 더 적은 또는 더 많은 다이폴 소자(120)가 상기 베이스 플레이트(110)에 배열될 수 있다.

상기 베이스 플레이트(110)는 상기 다수의 다이폴 소자(120)를 지지하는 동시에 송수신 전파를 반사하는 반사판(Reflector)의 기능을 가지며, 장방형 몸체를 가질 수 있다.

다수의 다이폴 소자(120) 각각은 광대역 주파수 대역(1710~2690 MHz)을 사용하는 사슴 발굽형의 방사체(Radiator)들을 갖도록 구성되어, +45°, -45°방향으로 복사패턴을 형성하여 이중 편파(Dual-polarized) 특성을 갖도록 구현된다.

이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자(120)에 대해 상세히 기술한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자(120)의 구조를 설명하기 위한 것으로, (A)~(C)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자(120)의 평면도, 측면도 및 사시도를 각각 도시한 것이다.

도 2의 (A)~(C)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자(120)는 급전 케이블(121), 발룬(balun) 케이블(123) 및 다수의 방사체(125a ~ 125d)(Radiator)를 포함한다.

급전 케이블(121a, 121b)은 대각선 방향으로 마주하는 방사체들(125a 및 125c)에 (+) 전류와 (-) 전류로 이루어진 제1 급전 신호를 급전하는 제1 급전선(121a)과 다른 대각선 방향으로 마주하는 방사체들(125b 및 125d)에게 (+) 전류와 (-) 전류로 이루어진 제2 급전 신호를 급전하는 제2 급전선(121b)을 포함한다.

제1 급전선(121a)은 제1-1 수평 급전선(121a-1)과 제1-1 수평 급전선(121a-1)의 양끝단부로부터 방사체에 대해 수직한 방향으로 연장되는 제1-2 수직 급전선(121a-2)을 포함하도록 구성된다.

제2 급전선(121b)은 상기 제1-1 수평 급전선(121a-1)에 직교하는 제2-1 수평 급전선(121b-1)과 제2-1수평 급전선(121b-1)의 양끝단으로부터 방사체에 대해 수직한 방향으로 연장되는 제2-2 수직 급전선(121a-2)을 포함하도록 구성된다.

따라서, 제1 및 제2 급전선(121a, 121b) 각각은 '∩'형태로 이루어질 수 있다.

발룬 케이블(123)은 상기 급전 케이블(121a, 121b)과 쌍을 이루어 발룬(Balun) 기능을 수행한다.

상기 제1-1 및 제2-1 수평 급전선(121a-1, 121b-1)이 각각 대응하는 방사체에 직접적인 연결을 방지하기 위하여, 수직 급전선(121a-2, 121b-2)과 대응하는 발룬 케이블(123) 사이에는 유전체 포스트(126, Dielectric post)가 개재된다.

상술한 구조에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 직교하는 상기 제1-1 수평 급전선(121a-1)과 상기 제2-1 수평 급전선(121b-1)에 의해, 대각선 방향으로 서로 마주하는 제1 및 제3 방사체(125a, 125c)는 상기 제1-1 수평 급전선(121a-1)으로부터 급전되는 제1 급전 신호를 +45°편파로 복사하고, 또 다른 대각선 방향으로 서로 마주하는 제2 및 제4 방사체(125b, 125d)는 상기 제2-1 수평 급전선(121b-1)로부터 급전되는 제2 급전 신호를 -45°편파로 복사하여, 결과적으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자(120)는 +45°, -45°방향으로 복사패턴을 형성하여 이중편파(Dual-polarized) 특성을 갖게 된다.

한편, 다수의 방사체(125a ~ 125d) 각각은 사슴발굽 형태로 가지며, 그 길이에 따라 HPBW를 제어(또는 조절)할 수 있는 슬릿(slit)(128)이 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 사슴발굽 형태를 갖는 각 방사체에 형성된 슬릿(128)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 다이폴 소자(120)의 중심 방향으로 연장되는 일자형으로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 출원인은 다이폴 소자(120)의 방사체에 일자형의 슬릿 길이를 변경함으로써, HPBW를 제어(또는 조절)할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이러한 슬릿 길이의 변경에 따른 HPBW가 변화되는 것은 슬릿(128)의 길이가 변화함에 따라 다이폴 소자의 외곽 부분의 전기적 길이에 변화가 발생하고, 이에 따라 다이폴 소자의 표면에 흐르는 전류 흐름이 변화하면서 복사패턴의 모양에 영향을 끼침으로써, HPBW가 변화하게 되는 것으로 추정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다이폴 소자의 주요 부분에 대한 설계 치수를 나타낸 평면도와 측면도를 나타낸 것으로, 대각선 방향으로 마주하는 2개의 방사체의 전체 길이가 70 mm일 때, 15mm의 슬릿 길이, 3mm의 슬릿 폭 및 λ/4 mm의 높이를 갖는 다이폴 소자를 예시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬릿 길이 변화에 따른 S-parameters 특성을 나타내는 그래프들이다.

도 5에서, (A) 내지 (C)는 슬릿의 길이가 0mm, 10mm, 20mm인 경우에서 S-parameters 특성(반사손실 및 격리도)을 각각 나타내는 그래프들로서, 도시된 바와 같이, 슬릿의 길이 변화에 관계없이, 반사손실 15dB이상, 분리도 -30dB이하의 S-parameters 특성 규격을 만족함을 알 수 있다.

도 6은 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬릿 길이 변화에 따른 복사 특성을 비교한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 슬릿의 길이가 0mm일 때, HPBW가 57.8°~ 72.5°이고, 슬릿의 길이가 10mm일 때, HPBW가 60.2°~ 69.4°이고, 슬릿의 길이가 20mm일 때, HPBW가 63.5°~ 67.3°임을 알 수 있다. 즉, 슬릿의 길이가 변화함에 따라 HPBW가 변화함을 알 수 있으며, 특히, 슬릿의 길이가 길어짐에 따라서 HPBW의 편차가 감소함을 확인할 수 있다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 슬릿 형상을 갖는 다이폴 소자의 평면도들이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 슬릿 형상은 'T자형'으로서, 구체적으로, 전술한 도 2의 일자형 슬릿(128)에 상기 일자형 슬릿(128)에 수직한 방향으로 연장되는 또 다른 일자형 슬릿(129)이 추가된 구조이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 슬릿 형상은 다이폴 소자의 중심에서 바깥쪽 방향으로 향하는 화살표 형상으로서, 구체적으로, 전술한 도 2의 일자형 슬릿(128)의 일단부(S)를 다이폴 소자의 중심부(C, 제1-1 수평 급전선(121a-1)과 제2-1 수평 급전선(121b-1)이 직교하는 지점)로부터 먼 거리에 있는 단부로 정의하고, 타단부(E)를 다이폴 소자의 중심부로부터 가까운 거리에 있는 단부로 정의할 때, 일자형 슬릿(128)의 일단부로부터 연장되는 제1 슬릿(130-1)과 일자형 슬릿(128)의 일단부로부터 연장되는 제2 슬릿(130-2)를 포함한다. 이때, 상기 일자형 슬릿(128)은 제1 슬릿(130-1)과 제2 슬릿(130-2)이 이루는 각도를 이등분하도록 형성될 수 있다. 도 8의 실시 예에서는, 제1 슬릿(130-1)과 제2 슬릿(130-2)이 이루는 각도가 90°일 때, 상기 일자형 슬릿(128)이 상기 90°를 이등분한 예를 도시한 것이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 슬릿 형상은 전술한 도 2의 일자형 슬릿(128)의 타단부(E)(다이폴 소자의 중심부(C)에 가까운 단부)와 연통하는 사각형의 슬릿(131)이 추가된 구조이다. 이때, 추가된 사각형의 슬릿(131)은 네 변의 길이 동일한 정사각형일 수 있다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 슬릿 형상은 전술한 도 2의 일자형 슬릿(128)을 갖는 방사체에서 일정한 두께(t)의 최외곽 영역을 제외한 내부면을 제거한 구조이다. 이때, 상기 두께(t)는 다이폴 소자의 전체 크기에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

도 11은 도 7 내지 도 10의 실시 예에 따른 슬릿 형상을 갖는 다이폴 소자의 S-parameters 특성을 나타내는 그래프들이다.

도 11의 (A) 내지 (D)에 나타나는 바와 같이, 도 7 내지 도 10에서 각각 제안한 슬릿 형상에 관계없이, 반사손실 15dB이상, 분리도 -30dB이하의 S-parameters 특성 규격을 만족함을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 사슴 발굽 다이폴은 기존에 존재하는 광대역 이중 편파 다이폴(Wideband Dual-polarized Dipole)소자와 동일한 성능을 제공하면서, 기생소자(Parasitic element)와 유전체(Dielectric)같은 구조를 추가하지 않고 슬릿의 길이로 HPBW을 조절함으로써, 추가적인 구조를 필요로 하지 않기 때문에 제작이 간단하고 비용을 절약 할 수 있다.

본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 사슴 발굽형으로 각각 이루어진 제1 내지 제4 방사체;
   상기 제1 방사체와 상기 제1 방사체와 대각선 방향으로 마주하는 제3 방사체에 제1 급전 신호를 급전하는 제1 급전선; 및
   상기 제1 급전선과 직교하며, 상기 제2 방사체와 상기 제2 방사체와 다른 대각선 방향으로 마주하는 제4 방사체에 제2 급전 신호를 급전하는 제2 급전선을 포함하고,
   상기 제1 내지 제4 방사체 각각은,
   상기 제1 급전선과 상기 제2 급전선이 직교하는 지점을 향하는 일자형의 슬릿을 포함하고,
   상기 제1 내지 제4 방사체 중에서 대각선 방향으로 마주하는 2개의 방사체의 전체 길이가 70mm일 때, 상기 일자형 슬릿은 15mm의 슬릿 길이와 3mm의 슬릿 폭을 가지며,
   상기 일자형의 슬릿의 일단부를 상기 직교하는 지점으로부터 먼 거리에 있는 단부로 정의하고, 상기 일자형 슬릿의 타단부를 상기 직교하는 지점으로부터 가까운 거리에 있는 단부로 정의할 때, 상기 일자형의 슬릿의 일단부로부터 연장되는 일자형의 제1 슬릿과 일자형의 제2 슬릿을 더 포함하도록 구성되고, 상기 일자형의 슬릿은 상기 제1 슬릿과 상기 제2 슬릿이 이루는 각도를 이등분하고,
   상기 일자형의 슬릿의 일단부는 개방된 구조로 이루어진 것인 이중 편파 다이폴 안테나.
   
2. 제1항에서, 상기 슬릿의 길이 변화에 따라 반전력빔폭(Half Power Beam Width: HPBW)이 제어됨을 특징으로 하는 이중 편파 다이폴 안테나.
   
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