KR101927106B1 - 누설파 안테나 및 이것을 구비한 안테나 시스템 - Google Patents

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KR101927106B1
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타카요시 사사키
케이스케 사토
이치로 오시마
나오부미 미치시타
케이조 쵸
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덴키 코교 가부시키가이샤
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Abstract

목적의 동작 주파수에 있어서, 교차편파 및 사이드 로브를 억제하면서 수직면 내 지향성에 있어서 고틸트각을 실현 가능한, CRLH 전송선로를 사용한 박형의 편파 공용 누설파 안테나를 실현한다. 구체적으로는, 본 발명은 유전체 기판(2)과, 유전체 기판(2)의 하면에 형성된 그라운드면(9)과, 상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부(5, 6)와, 그라운드부(5, 6)에 인접해서 배치되고 유전체 기판(2)의 상면에 형성된, 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로이며 상기 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL)(3) 및 병렬 인덕터(LL)(4)가 유전체 기판(2)의 상면에 형성되어 있는 CRLH 선로를 포함해서 이루어지는 누설파 안테나(A1)를 제공한다.

Description

누설파 안테나 및 이것을 구비한 안테나 시스템
본 발명은, 메타 물질 기술을 이용하여 구성된 박형 안테나에 관한 것으로서, 특히 이동통신의 기지국 안테나로서 적합하게 사용할 수 있는 누설파 안테나에 관한 것이다.
최근, 휴대전화나 스마트폰을 비롯한 이동통신 기술은 놀랍게 진보하고 있다. 이들 이동체 통신의 이용자는 해마다 증가하고 있고, 개인의 데이터 통신용량도 증대하고 있다. 그 때문에, 이동통신용의 기지국 안테나에는 주파수 이용 효율의 향상 등이 요구된다. 그러한 이동통신용의 기지국 안테나로서는, (수직편파 및 수평편파나 ±45°편파 등의) 편파 공용 안테나가 주류로 되어 있다. 편파 공용 안테나는, 편파 다이버시티 또는 편파간 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)를 행하는 것이 가능하다.
한편, 도시부 등에서의 통신 트래픽의 핍박에 따라 지금까지의 기지국 안테나가 커버해 온 에리어(매크로셀)보다 좁은 에리어를 커버하는, 스몰셀용 안테나가 많이 사용되게 되었다. 이러한 스몰셀용 안테나는 철탑이나 빌딩의 옥상에 배치되는 매크로셀의 안테나와는 달리, 비교적 높이가 낮은 건물 벽면이나 옥상 등에 부착되는 것이 상정된다. 이러한 스몰셀용 안테나는 사람의 눈에 띄기 쉬우므로, 경관 등에 대한 배려와 같은 미관상의 관점에서 소형화 및 박형화가 요구되고 있다.
박형 안테나에 대해서, 예를 들면 특허문헌 1에는 유전체 기판 상에 CRLH(Composite Right/Left Handed) 선로를 복수 프린트한 박형 구조에 의한 평면 안테나의 기재가 있다. 특허문헌 1에서는, 각 CRLH 선로로의 급전 위상을 변경할 수 있게 함으로써, 편파의 스위칭을 용이하게 변경할 수 있게 하고 있다.
일본 특허공개 2016-58839호 공보
특허문헌 1에 기재한 방사소자는 유전체 기판과 그라운드판이 각각 구성된 구조를 갖고 있기 때문에, 유전체 기판과 그라운드판을 접속하는 그라운드판 상승부의 분만큼 방사소자의 두께가 큰 구조로 되어 있다. 그 때문에, 빌딩의 벽면 등에 대한 설치시에 방사소자가 눈에 뛰지 않도록 방사소자의 경량화나 박형화를 행하는 것이 어렵다.
또한, 특허문헌 1의 방사소자는 그라운드판 상승부라고 하는 부품이 필요하기 때문에, 구성하는 부품의 종류가 많아지므로 안테나의 구조가 복잡해지고 비용이 높아지는 등의 과제가 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재한 방사소자는 수평면 내 지향성에 대해서 수직편파와 수평편파의 반값각이 일치하고 있지 않다. 그 때문에, 편파간에서의 반값각의 차를 작게 해서 이동통신 기지국에서의 스몰셀에 알맞은 지향성을 실현하도록 셀 설계를 행할 필요가 있다.
본 발명은 상기 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 편파의 공용이 가능하고, 부품의 종류나 부품수가 적은 누설파 안테나를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 스몰셀에 알맞은 지향성을 실현하기 위해서 인접 셀과의 간섭을 저감하고, 수직면 내 지향성에 있어서 고틸트각이 얻어지는 구조를 갖는 박형의 누설파 안테나도 제공한다.
또한, 본 발명은 이동통신용 기지국 대상으로 사용하기 때문에, 교차편파 식별도가 20㏈ 이상인 고이득을 얻을 수 있는 누설파 안테나도 제공한다.
본 발명은 1매의 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로를 포함하는 누설파 안테나를 제공하는 것이다.
구체적으로는, 본 발명은,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부 및 전송선로부로 이루어지는,
그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로이며 상기 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는 CRLH 선로
를 포함해서 이루어지는 누설파 안테나를 제공한다.
일형태로서, 상기 직렬 커패시터(CL)가 인터디지털 구조 또는 슬롯 커패시터 구조를 갖고 있다.
또한, 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있다.
다른 형태로서, 상기 그라운드부와 상기 병렬 인덕터(LL)의 일단은 스루홀 또는 그라운드판 상승부를 통해서 상기 유전체 기판 하면의 상기 그라운드면에 전기적으로 접속되어 있다.
또한 본 발명은, 수평 방향 및 수직 방향으로 발생한 전류 벡터를 상쇄할 수 있고, 1매의 유전체 기판에 형성된 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로에 의한 누설파 안테나를 제공한다.
구체적으로는, 본 발명은,
1 이상의 제 1 유닛셀(UC)을 포함하는 제 1 안테나부(A1)와,
1 이상의 제 2 유닛셀(UC')을 포함하는 제 2 안테나부(A2)를 포함해서 이루어지는 누설파 안테나로서,
상기 제 1 유닛셀(UC)은,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부 및 전송선로부로 이루어지는,
그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 제 1 CRLH 선로이며 상기 제 1 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는 제 1 CRLH 선로
를 포함하고,
상기 2 유닛셀(UC')은,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부 및 전송선로부로 이루어지는,
그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 제 2 CRLH 선로이며 상기 제 2 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는 제 2 CRLH 선로
를 포함하고,
상기 제 1 CRLH 선로의 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)의 배치와, 상기 제 2 CRLH 선로의 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)의 배치가, 서로 선대칭 또는 거울상으로 되는 위치 관계로 배치되어 있는 누설파 안테나를 제공한다.
일형태로서, 상기 직렬 커패시터(CL)가 인터디지털 구조 또는 슬롯 커패시터 구조를 갖고 있다.
별도의 일형태로서, 상기 그라운드부와 상기 병렬 인덕터(LL)의 일단은 스루홀 또는 그라운드판 상승부를 통해서 상기 유전체 기판 하면의 상기 그라운드면에 전기적으로 접속되어 있다.
또한 본 발명은, 수평 방향 및 수직 방향으로 발생한 전류 벡터를 상쇄할 수 있고, 1매의 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로를 포함하는 누설파 안테나를 제공한다.
구체적으로는, 본 발명은,
1 이상의 제 1 안테나 소자를 포함하는 제 1 안테나부(A1)와, 상기 제 1 안테나부의 길이 방향에 대하여 평행하게 배치되고 1 이상의 제 2 안테나 소자를 포함하는 제 2 안테나부(A2)를 포함하는 제 1 안테나 세트(A1, A2)와,
1 이상의 제 1 안테나 소자를 포함하는 제 3 안테나부(A3)와, 상기 제 3 안테나부의 길이 방향에 대하여 평행하게 배치되고 1 이상의 제 2 안테나 소자를 포함하는 제 4 안테나부(A4)를 포함하는 제 2 안테나 세트(A3, A4)
를 포함해서 이루어지는 누설파 안테나로서,
상기 제 1 안테나부(A1)는 상기 제 1 안테나부의 한쪽의 단부에 제 1 급전점(P1)을 갖고,
상기 제 2 안테나부(A2)는 상기 제 2 안테나부의 한쪽의 단부에 제 2 급전점(P2)을 갖고, 상기 제 1 급전점과 상기 제 2 급전점이 같은 단부에 위치하도록 배치되어 있고,
상기 제 3 안테나부(A3)는 상기 제 3 안테나부의 한쪽의 단부에 제 3 급전점(P3)을 갖고,
상기 제 4 안테나부(A4)는 상기 제 4 안테나부의 한쪽의 단부에 제 4 급전점(P4)을 갖고, 상기 제 3 급전점과 상기 제 4 급전점을 같은 단부에 위치하도록 배치되어 있고,
상기 제 1 안테나 소자는,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부 및 전송선로부로 이루어지는,
그라운드를 가진 코플레이너 선로를 이용하여 형성된 제 1 CRLH 선로이며 상기 제 1 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는, 제 1 CRLH 선로
를 포함하고,
상기 제 2 안테나 소자는,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부와,
상기 그라운드부에 인접해서 배치되고 상기 유전체 기판의 상면에 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 이용하여 형성된 제 2 CRLH 선로이며 상기 제 2 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는 제 2 CRLH 선로
를 포함하며,
상기 제 1 CRLH 선로의 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)의 배치와, 상기 제 2 CRLH 선로의 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)의 배치가, 서로 선대칭 또는 거울상으로 되는 위치 관계로 배치되어 있는 누설파 안테나를 제공한다.
일형태로서, 누설파 안테나는, (후술하는 도 1에서는 누설파 안테나가 안테나부 4열로 구성된 것을 나타내고 있지만, 이에 한정하지 않음)안테나부를 2N열(N=1, 2, …)로 해서, 열수를 늘리는 구성으로 하는 것도 가능하다.
예를 들면, 일형태로서 누설파 안테나는, 상기 제 1 안테나 세트(A1, A2)와 상기 제 2 안테나 세트(A3, A4) 중 어느 하나를 더 포함함으로써, 상기 안테나 세트가 3세트 이상 배치되어 있다.
또한 일형태로서, 상기 직렬 커패시터(CL)가 인터디지털 구조 또는 슬롯 커패시터 구조를 갖고 있다.
별도의 형태로서, 상기 각 안테나 세트 중 홀수열을 구성하는 상기 각 안테나부는, 각 안테나부의 길이 방향으로 제 1 유닛셀(UC)을 복수개 접속해서 구성되어 있고, 상기 각 안테나 세트 중 짝수열을 구성하는 상기 각 안테나부는, 각 안테나부의 길이 방향으로 제 2 유닛셀(UC')을 복수개 접속해서 구성되어 있다.
다른 형태로서, 상기 그라운드부와 상기 병렬 인덕터(LL)의 일단은, 스루홀 또는 그라운드판 상승부를 통해서 상기 유전체 기판 하면의 상기 그라운드면에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 상기 누설파 안테나의 제 1 급전점(P1)과 제 2 급전점(P2)과 제 3 급전점(P3)과 제 4 급전점(P4)의 각각에 대하여, 서로 다른 급전 위상을 부여하는 급전 장치를 구비해서 이루어지는 안테나 시스템도 제공한다.
본 발명의 실시형태에 의한 CRLH 전송선로는, CRLH 전송선로를 구성하는 직렬 커패시터로서 인터디지털 커패시터를 사용하고 있다. 이 외에도, 예를 들면 CRLH 전송선로를 구성하는 직렬 커패시터를 슬롯 커패시터 등에 의해 유전체 기판의 상면에 구성할 수도 있다. 또한, 병렬 인덕터로서 스터브 인덕터를 사용해서 구성할 수도 있다.
또한, 다른 양태로서, 본 발명의 실시형태에 의한 CRLH 선로는, 칩 커패시터로 이루어지는 직렬 커패시터와, 칩 인덕터로 이루어지는 병렬 인덕터에 의해서 구성할 수 있다.
또한, 별도의 양태로서, 본 발명의 실시형태에 의한 CRLH 선로는, 병렬 인덕터를 스파이럴 인덕터 또는 미앤더 형상 인덕터로서 형성함으로써 인덕턴스값을 변화시킬 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로에 의해 유전체 기판 1매로 구성할 수 있으므로, 박형이고 간소한 구조를 갖는 편파 공용 안테나를 실현할 수 있다.
또한, 목적의 주파수에 있어서의 수평면 내 지향성에 대해서는, 안테나 소자의 유전체 기판의 하면 전체에 그라운드면을 형성하고 있기 때문에 수직편파와 수평편파 모두 섹터 지향성에 적합한 방사 지향성을 얻을 수 있다.
또한, CRLH 선로의 유닛셀에 있어서 병렬 인덕터 및 직렬 커패시터를 조정해서 분산 특성을 제어함으로써 소망의 틸트각을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나 전체의 부감도이다.
도 2는 도 1의 안테나부(A1)의 일부를 구성하는 유닛셀의 부감도이다.
도 3은 도 2의 유닛셀을 A 방향으로부터 보았을 때의 단면도이다.
도 4는 급전점(P1 및 P2)에 대하여 동위상을 입력했을 경우의 전류분포를 나타내는 평면도이다.
도 5는 급전점(P1 및 P2)에 대하여 역위상을 입력했을 경우의 전류분포를 나타내는 평면도이다.
도 6은 유닛셀의 분산 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 수직면 내 지향성에 있어서의 수직편파의 방사 지향성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 수직면 내 지향성에 있어서의 수평편파의 방사 지향성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 수평면 내 지향성에 있어서의 수직편파의 방사 지향성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 수평면 내 지향성에 있어서의 수평편파의 방사 지향성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 각 안테나부(A1∼A4)의 급전점(P1∼P4)에 다른 급전 위상을 부여하는 급전 장치를 나타내는 회로 구성도이다.
도 12는 도 2의 유닛셀(UC)(1)의 등가회로이다.
도 13은 유닛셀(1)의 직렬 커패시터(3)의 구조를 나타내는 상면도이다.
도 14의 A는 유닛셀(1)의 병렬 인덕터(4)의 구조를 나타내는 상면도이다. B는 유닛셀(1)의 병렬 인덕터(4)의 다른 형태에 의한 구조를 나타내는 상면도이다.
이하에 나타내는 실시예에 있어서는, 동작 주파수 대역의 중심 주파수 f0을 3.50㎓(파장 λ0)로 하고, 동작 주파수 대역폭은 f0을 중심으로 해서 3.48㎓∼3.52㎓의 40㎒ 폭으로 하고 있다.
동작 주파수대는, 후술하는 바와 같이, 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)의 값을 조정하고, 오른쪽계 전송선로를 구성하는 그라운드를 가진 코플레이너 선로 폭 또는 갭 폭을 조정함으로써 가변으로 할 수 있다.
(안테나의 개요)
도 1에 나타내는 바와 같이, 축의 정의로서 X축 방향을 대지와 수직인 방향으로 하고, Y축 및 Z축에 의한 Y-Z 평면을 대지와 수평인 방향으로 한다.
도 1에 본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나를 나타낸다. 이 누설파 안테나는 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면을 갖고, 상면에는 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 사용한 CRLH 선로를 프린트한 구성을 갖고 있다. 그리고, 유전체 기판의 상면에 프린트되는 그라운드부 및 병렬 인덕터(LL)의 한 끝과 하면의 그라운드 사이는, 스루홀에 의한 비아 또는 도체에 의해 전기적으로 접속된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나는 홀수열의 안테나부(A1 및 A3)와 짝수열의 안테나부(A2 및 A4)를 구비하고 있다. 즉, 도 1에 나타내는 누설파 안테나는, 홀수열의 안테나부(A1)와 짝수열의 안테나부(A2)의 제 1 안테나 세트와, 홀수열의 안테나부(A3)와 짝수열의 안테나부(A4)의 제 2 안테나 세트를 갖고 있다. 여기에서, 각 안테나 세트의 CRLH 선로를 구성하는 병렬 인덕터의 배치는, 각 안테나부의 길이 방향에 대응하는 X축을 대칭축으로 해서 서로 대칭(선대칭 또는 거울상)으로 되는 구조를 갖고 있다.
구체적으로는, 홀수열의 안테나부(A1 및 A3)는, 도 2에 나타내는 유닛셀(UC)(1)을 각 안테나부의 길이 방향에 대응하는 X축 방향으로 복수개 접속한 구성을 갖고 있다. 그리고, 짝수열의 안테나부(A2 및 A4)는, 도 2에 나타내는 유닛셀(1)과는 직렬 커패시터(3)에 대한 병렬 인덕터(4)의 배치가 선대칭 또는 거울상인 배치를 갖는 별도의 유닛셀(UC')을, 각 안테나부의 길이 방향에 대응하는 X축 방향으로 복수개 접속한 구성을 갖고 있다.
(유닛셀에 대해서)
도 2에, 본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나를 구성하는 유닛셀(UC)(1)의 일례를 나타낸다. 또한 도 3에, 도 2의 유닛셀(UC)(1)을 실선 부분에서 절단해서 A 방향으로부터 보았을 때의 단면도를 나타낸다. 도 2에 나타내는 유닛셀(UC)(1)은, 오른쪽계 전송선로를 구성하는 그라운드를 가진 코플레이너 선로에 대하여, 유전체 기판(2)의 상면에 형성된 왼쪽계 소자인 직렬 커패시터(CL)(3)와 병렬 인덕터(LL)(4)를 추가한 CRLH 선로로 한 구조를 갖고 있다. 또한, 유닛셀(UC)(1)은 유전체 기판(2)의 상면에 배치된 그라운드부(5, 6)와, 유전체 기판(2)의 하면에 배치된 그라운드면(9)과, 그라운드부(5, 6)와 그라운드면(9)을 전기적으로 접속하는 스루홀 또는 그라운드판 상승부(7, 8)를 갖고 있다.
직렬 커패시터(CL)(3)는 그라운드를 가진 코플레이너 선로에 직렬로 배치하고 있다. 직렬 커패시터(CL)(3)는 인터디지털 구조를 이용하여 구성되어 있다. 여기에서, 도 13에 나타내는 바와 같이 빗살의 형상을 갖는 인터디지털부의 각각의 빗의 길이(lc), 빗의 폭(wc), 또 빗의 간극(gc)의 값을 바꿈으로써, 직렬 커패시터(CL)(3)의 용량을 소망의 값으로 변경할 수 있다. 즉, 직렬 커패시터(CL)(3)의 용량을 바꿈으로써 동작 주파수대 및 소망의 분산 특성에 맞춘 조정을 할 수 있다.
병렬 인덕터(LL)(4)에 대응하는 도체 패턴은, 그 한쪽의 단부를 그라운드부(5)에 접속하고, 다른 한쪽의 단부를 전송선로 부분에 접속한 스터브 구조를 갖고 있다. 즉, 이 병렬 인덕터(LL)(4)에 대응하는 도체 패턴은 스루홀 또는 그라운드판 상승부(7)를 통해서 그라운드를 가진 코플레이너의 전송선로 부분과 유전체 기판(2)의 그라운드부(5)를 전기적으로 접속하도록 배치하고 있다. 여기에서, 도 14 A에는, 병렬 인덕터(LL)(4)의 스터브가 직선 형상으로 형성된 것을 나타내고, 도 14B에는, 병렬 인덕터(LL)(4)의 스터브가 미앤더 형상(또는 지그재그 형상)으로 형성된 것을 나타낸다. 도 14A 및 도 14B에 나타내는 바와 같이, 병렬 인덕터(LL)(4)의 스터브 폭(wl) 및 스터브 길이(ll)의 값을 바꿈으로써 병렬 인덕터(LL)(4)의 인덕턴스값을 바꿀 수 있다. 즉, 소망의 동작 주파수대 및 분산 특성에 맞춰서 병렬 인덕터(LL)(4)의 인덕턴스값을 조정할 수 있다.
이어서, 도 2의 CRLH 선로를 갖는 유닛셀(UC)(1)의 등가회로를 도 12에 나타낸다. 복수의 유닛셀(UC)(1)을 소정의 방향으로 복수개 접속함으로써 CRLH 선로를 형성할 수 있다. 통상의 전송선로(오른쪽계의 전송선로)는 인덕턴스 성분(LR)과 커패시턴스 성분(CR)만을 포함하고 있다. 이것에 추가해서, CRLH 선로는 왼쪽계의 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 더 포함하고 있다. 그 때문에, 이러한 CRLH 선로에 의하면 4개의 파라미터(CR, LR, CL, LL)에 의해, 위상이 전방으로 나아가는 오른쪽계의 주파수 영역과, 위상이 후방으로 나아가는 왼쪽계의 주파수 영역을 만들어 낼 수 있다.
도 6에, 도 2의 유닛셀(UC)(1)의 분산 특성을 나타낸다. 분산 특성이란 유닛셀당의 위상 변화량을 나타낸다. 도 6에 있어서 세로축은 주파수, 가로축은 유닛셀당의 위상 변화량 βp의 절대값을 나타낸다. 여기에서, βp의 수치가 클수록 셀당의 위상 변화량은 커지므로, 복수개의 셀을 각각 접속했을 때의 누설파의 방사각 θ은 커진다. 누설파의 방사각 θ과 위상정수 βp의 관계는 이하의 식으로 나타내어진다.
θ=sin-1(β/k)
여기에서, k는 파수, β는 위상정수를 나타낸다.
도 6에 나타내는 예에서는, 사용 주파수 f0에 있어서의 분산 특성 βp의 값은 15°이다. 도 6에는, Airline의 분산 특성을 병기하고 있다. Airline의 선의 내측에 있어서 속파대(速波帶)로 되고, CRLH 선로로부터 누설파가 생긴다. 여기에서, 「Airline」이란 자유공간 중에 있어서의 주파수 f0에서의 유닛셀 길이당의 위상변화량이다. f0에 있어서의 βp는 Airline의 내측에 위치하고 있기 때문에 속파대 영역에 존재한다. 이것으로부터, 각 유닛셀로부터 위상차 15°의 누설파가 생긴다. 유닛셀 길이 p=8㎜이며, 사용 주파수 f0=3.5㎓의 경우에는, 추정 틸트각 θ는 θ=26.5°로 된다.
또한, 이상에 있어서는 왼쪽계 영역에 있어서의 특성에 대해서 서술했다. 본발명에 의한 누설파 안테나에 있어서는, 도 6에 나타내는 분산 특성에 있어서 나타낸 속파대 영역 내에 있어서의 오른쪽계 영역에서의 사용도 가능하다. 오른쪽계 영역에서의 사용에 있어서는, 상향 틸트를 갖는 수직면 지향성을 나타냄과 아울러, X축 방향으로의 방사도 가능하게 된다.
(안테나 구성에 대해서)
도 1에 나타내는 각 안테나부(A1∼A4)를 구성하는 안테나 소자는, 예를 들면 도 2에 나타내는 유닛셀(UC)(1)을 각 안테나부의 길이 방향인 X축 방향으로 복수개 접속해서 구성하고 있다. 이 안테나 소자는 저부측에 배치된 급전점(P1∼P4)을 갖고, 저부측과는 반대에 위치하는 상부측에 배치된 선로 종단(개방 종단)을 갖는다. 안테나 소자의 급전점(P1)으로의 급전에 의해 안테나부(A1)가 여진된다(그 밖의 급전점(P2∼P4) 및 안테나부(A2∼A4)도 같다). 각 안테나부(A1∼A4)는 접속하는 유닛셀수를 증감함으로써 이득을 제어할 수 있다. 여기에서, 접속하는 유닛셀수를 유닛셀당의 방사량에 대하여 적절하게 설정함으로써, 종단 저항을 부착하지 않고 안테나 단부에서의 반사를 억제할 수 있다. 접속하는 유닛셀수를 적게 할 경우에는 각 안테나부의 단부에 종단 저항을 부착할 수도 있다. 종단 저항을 부착함으로써 천공측의 사이드 로브를 억제할 수 있다.
각 안테나부(A1∼A4)는 복수의 유닛셀이 수평 방향으로 어레이 형상으로 배치되어 있다. 도 1에 있어서 X-Y 평면을 Z축 정방향으로부터 보았을 경우, 홀수열의 안테나부(A1 및 A3)에서는 병렬 인덕터가 좌측으로 분기된 유닛셀(UC)을 갖고 있고, 짝수열의 안테나부(A2 및 A4)에서는 병렬 인덕터가 우측으로 분기된 별도의 유닛셀(UC')을 갖고 있다. 즉, 홀수열의 안테나부(A1 및 A3)와 짝수열의 안테나부(A2 및 A4)를 비교하면, 각 안테나부의 길이 방향인 X축을 대칭축으로 했을 때에 각 안테나부의 병렬 인덕터의 분기 방향은 서로 선대칭 또는 거울상의 관계로 되어 있다.
여기에서, 도 1에서는 홀수열의 안테나부[A1(A3)]와 짝수열의 안테나부[A2(A4)]의 병렬 인덕터를, CRLH 선로로부터 서로 외측을 향해서 분기되는 구조로 하고 있다. 단, 그 밖의 양태로서, 이 병렬 인덕터를 역방향으로 분기할 수도 있다. 즉, 홀수열의 안테나부[A1(A3)]와 짝수열의 안테나부[A2(A4)]의 병렬 인덕터의 분기 방향을, CRLH 선로로부터 서로 내측을 향해서 분기되는 구조로 할 수도 있다. 또한, 안테나부의 배열수를 증가시킴으로써 수평면 내 지향성의 제어가 가능하다.
또한, 교차편파를 억제하는 관점으로부터, 각 안테나부(A1∼A4)의 길이 방향인 X축을 대칭축으로 했을 경우, 병렬 인덕터(LL)가 전송선로로부터 분기되는 방향은 홀수열에서는 Y축 부방향, 짝수열에서는 Y축 정방향으로 되도록 대칭으로 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나에 의하면, 홀수열의 안테나부(A1, A3)와 짝수열의 안테나부(A2, A4)를 각각 조합시킨 2개의 안테나 세트를 배치함으로써 수평면 내에 있어서의 교차편파의 발생을 억제할 수 있다. 수평면 내 지향성을 제어하는 그 밖의 방법으로서, 각 안테나부(A1∼A4)의 하면측에 금속 반사판을 배치함으로써 제어할 수도 있다.
(급전 방법에 의한 편파의 스위칭)
도 4 및 도 5에는, 그라운드를 가진 코플레이너 선로에 의해 구성되는 CRLH 선로를 사용한 편파 공용 누설파 안테나의 각 편파(수직편파 및 수평편파)를 나타낸다. 이 편파 공용 누설파 안테나는, 쌍으로 되어 있는 CRLH 선로에의 급전 위상을 바꿈으로써, 복수의 직선 편파를 생성하는 것이나, 사용하는 편파를 변경하는 것이나, 다른 편파를 동시 여진해서 공용할 수 있다.
도 4에 홀수열을 구성하는 안테나부[A1(A3)]와, 짝수열을 구성하는 안테나부[A2(A4)]에 의한 수직편파 여진시의 전류 분포를 나타낸다. 안테나부[A1(A3)]와, 안테나부[A2(A4)]의 CRLH 선로를 동위상에 의해 급전함으로써, 직렬 커패시터부는 대지와 수직 방향으로 되는 X축 방향으로 안테나부[A1(A3)]와 안테나부[A2(A4)]에서 동일 방향의 전류 벡터를 생성한다. 이것에 대하여, 병렬 인덕터부에 있어서는 대지와 수평 방향으로 되는 Y축 방향으로 안테나부[A1(A3)]와 안테나부[A2(A4)]에서 서로 역방향의 전류 벡터를 생성한다. 그 때문에, X축 방향의 전류 벡터는 동일 방향의 벡터가 되므로 강화되지만, Y축 방향의 전류 벡터는 역방향의 벡터가 되므로 상쇄된다. 따라서, X축 방향의 전류가 지배적으로 되고, 수직편파를 여진한다.
도 5에 홀수열을 구성하는 안테나부[A1(A3)]와 짝수열을 구성하는 안테나부[A2(A4)]에 의한 수평편파 여진시의 전류 분포를 나타낸다. 안테나부[A1(A3)]와 안테나부[A2(A4)]의 CRLH 선로를 180° 역상으로 급전함으로써, 직렬 커패시터부는 안테나부[A1(A3)]와 안테나부[A2(A4)]에 의하여 X축 방향으로 서로 역방향의 전류 벡터를 생성한다. 그리고, 병렬 인덕터부는 안테나부[A1(A3)]와 안테나부[A2(A4)]에 의하여 Y축 방향으로 서로 동일 방향의 전류 벡터를 생성한다. 이 경우에는, X축 방향의 전류 벡터가 상쇄되므로 Y축 방향의 전류 벡터가 지배적으로 되고, 수평편파를 여진한다.
도 7에, P1∼P4의 각 급전점에 대하여 동상 급전했을 경우(수직편파 여진)의, 규격화 주파수가 1인 경우에 있어서의 수직면 내 지향성을 나타낸다. 도 8에, P1 및 P3에 대하여 P2 및 P4의 급전점에 180°의 위상차를 붙여서 급전했을 경우(수평편파 여진)의, 규격화 주파수가 1인 경우에 있어서의 수직면 내 지향성을 나타낸다. 분산 특성으로부터 산출한 추정 틸트각 θ과 거의 동등의 수직면 틸트각이 얻어지는 것을 확인할 수 있다.
도 9에, P1∼P4의 각 급전점에 대하여 동상 급전했을 경우(수직편파 여진)의, 규격화 주파수가 1인 경우에 있어서의 수평면 내 지향성을 나타낸다. 도 10에, P1 및 P3에 대하여 P2 및 P4의 급전점에 180°의 위상차를 붙여서 급전했을 경우(수평편파 여진)의, 규격화 주파수가 1인 경우에 있어서의 수평면 내 지향성을 나타낸다. 수평면 내 지향성은 수직면 내 지향성에 있어서의 최대값의 각도에서의 지향성이다. 수직편파 및 수평편파 모두, 거의 같은 수평면 반값각이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10에는 주편파 지향성과 함께 교차편파 지향성도 아울러 나타내고 있다. 본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나를 4열의 안테나부(A1∼A4)로 구성함으로써, 수직편파 및 수평편파 모두에 교차편파 식별도(XPD: Cross Polarization Discrimination)를 20㏈ 이상 확보할 수 있다.
도 11에 본 발명의 실시형태에 의한 누설파 안테나(A1∼A4)를 편파 안테나로서 동작시킬 경우에 사용되는 급전 장치를 나타낸다. 도 11은 급전 장치로서 2개의 하이브리드 커플러를 사용하는 형태가 나타내어져 있다. 도 11에 나타내는 각 하이브리드 커플러는 Σ결합 입력 포트에서 신호를 입력했을 경우에, 이 입력신호(IN(1))를 홀수열의 안테나부(A1, A3)의 급전점(P1 및 P3)에 접속되는 출력 포트로부터 동위상인 채로 출력한다. 또한, 도 11에 나타내는 각 하이브리드 커플러는 Δ결합 입력 포트측에서 신호를 입력했을 경우에, 이 입력신호(IN(2))를 짝수열의 안테나부(A2, A4)의 급전점(P2 및 P4)에 접속되는 출력 포트로부터 역위상으로 해서 출력한다.
이와 같이, 도 11에 나타내는 하이브리드 커플러에 소망의 입력신호(IN(1), IN(2))를 줌으로써 상기 실시형태에 의한 누설파 안테나(A1∼A4)를 편파 안테나로서 동작시킬 수 있다.
1 : 유닛셀
2 : 유전체 기판
3 : 직렬 커패시터(CL)
4 : 병렬 인덕터(LL)
5, 6 : 그라운드부
7, 8 : 스루홀 또는 그라운드판 상승부
9 : 그라운드면
A1∼A4 : 안테나
P1∼P4 : 급전점

Claims (13)

1 이상의 제 1 안테나 소자를 포함하는 제 1 안테나부(A1)와, 상기 제 1 안테나부의 길이 방향에 대하여 평행하게 배치되고 1 이상의 제 2 안테나 소자를 포함하는 제 2 안테나부(A2)를 포함하는 제 1 안테나 세트(A1, A2)와,
1 이상의 제 1 안테나 소자를 포함하는 제 3 안테나부(A3)와, 상기 제 3 안테나부의 길이 방향에 대하여 평행하게 배치되고 1 이상의 제 2 안테나 소자를 포함하는 제 4 안테나부(A4)를 포함하는 제 2 안테나 세트(A3, A4)를 포함해서 이루어지고, 상기 제 1 안테나 세트와 상기 제 2 안테나 세트가 각 안테나부의 길이 방향에 대하여 수직으로 되는 수평 방향으로 배치된 누설파 안테나로서,
상기 제 1 안테나부(A1)는 상기 제 1 안테나부의 한쪽의 단부에 제 1 급전점(P1)을 갖고,
상기 제 2 안테나부(A2)는 상기 제 2 안테나부의 한쪽의 단부에 제 2 급전점(P2)을 갖고, 상기 제 1 급전점과 상기 제 2 급전점이 같은 단부에 위치하도록 배치되어 있으며,
상기 제 3 안테나부(A3)는 상기 제 3 안테나부의 한쪽의 단부에 제 3 급전점(P3)을 갖고,
상기 제 4 안테나부(A4)는 상기 제 4 안테나부의 한쪽의 단부에 제 4 급전점(P4)을 갖고, 상기 제 3 급전점과 상기 제 4 급전점을 같은 단부에 위치하도록 배치하고 있으며,
상기 제 1 안테나 소자는,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부 및 전송선로부로 이루어지는, 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 이용하여 형성된 제 1 CRLH 선로이며 상기 제 1 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는 제 1 CRLH 선로를 포함하고,
상기 제 2 안테나 소자는,
유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 하면에 형성된 그라운드면과,
상기 유전체 기판의 상면에 형성된 그라운드부 및 전송선로부로 이루어지는, 그라운드를 가진 코플레이너 선로를 이용하여 형성된 제 2 CRLH 선로이며 상기 제 2 CRLH 선로를 구성하는 직렬 커패시터(CL) 및 병렬 인덕터(LL)가 상기 유전체 기판의 상면에 형성되어 있는 제 2 CRLH 선로를 포함하고,
상기 제 1 CRLH 선로의 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)의 배치와, 상기 제 2 CRLH 선로의 상기 직렬 커패시터(CL)에 접속된 병렬 인덕터(LL)의 배치가 서로 선대칭 또는 거울상으로 되는 위치 관계로 배치되어 있는 누설파 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 안테나 세트(A1, A2)와 상기 제 2 안테나 세트(A3, A4) 중 어느 하나를 더 포함으로써 상기 안테나 세트가 3세트 이상 상기 수평 방향으로 배치된 누설파 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 직렬 커패시터(CL)가 인터디지털 구조 또는 슬롯 커패시터 구조를 갖고 있는 누설파 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 안테나 세트 중 홀수열을 구성하는 상기 각 안테나부는, 각 안테나부의 길이 방향으로 제 1 유닛셀(UC)을 복수개 접속해서 구성되어 있고, 상기 각 안테나 세트 중 짝수열을 구성하는 상기 각 안테나부는, 각 안테나부의 길이 방향으로 제 2 유닛셀(UC')을 복수개 접속해서 구성되어 있는 누설파 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그라운드부와 상기 병렬 인덕터(LL)의 일단은, 스루홀 또는 그라운드판 상승부를 통해서 상기 유전체 기판 하면의 상기 그라운드면에 전기적으로 접속되어 있는 누설파 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 누설파 안테나와,
상기 제 1 급전점과 상기 제 2 급전점과 상기 제 3 급전점과 상기 제 4 급전점의 각각에 대하여 서로 다른 급전 위상을 부여하는 급전 장치를 구비해서 이루어지는 안테나 시스템.
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