KR101971659B1

KR101971659B1 - 고이득 야기 안테나

Info

Publication number: KR101971659B1
Application number: KR1020180168934A
Authority: KR
Inventors: 신정호; 진수민; 손동철
Original assignee: 주식회사 선우커뮤니케이션
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-04-23

Abstract

본 발명은 통신 중계기용 야기 안테나에 관한 것이다, 이 안테나에서 방사부는 고정용 베이스에 90°위치로 설치되고, 상기 베이스 상에 제공되는 수직 편파부와 수평 편파부를 포함한다. 여기에서 각 편파부는 일 방향으로 복수의 포지티브 소자가 형성된 제1 스템과, 상기 제1 스템과 대면하여 배치되며 상기 포지티브 소자에 대칭되는 타 방향으로 복수의 네거티브 소자가 형성된 제2 스템을 포함하며, 이때 상기 대칭된 다수의 포지티브-네거티브 소자가 다이폴 어레이인 LP 구조를 구성한다. 또한, 상기 제1 스템 및 제2 스템 사이의 간격을 유지하기 위한 절연 스페이서가 더 구비되며, 상기 스페이서는 바람직하게 테프론으로 형성된다. 본 발명에 따르면 3.4 ~ 3.9 GHz 대역폭 및 고이득 구현이 가능하며, 안테나의 내구성, 안정성이 개선되는 특별한 효과가 있다.

Description

고이득 야기 안테나 {High-gain Yagi antenna}

본 발명은 야기 안테나에 관한 것으로 특히, 무선통신 시스템의 중계기에 고이득 야기 안테나에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 중계기용 실외 야기 안테나를 나타낸다. 도시된 야기 안테나(100)는, 통상의 야기 안테나와 마찬가지로, 전파를 송수신하는 방사부(101)와, 상기 방사부(101)의 전방에 구비되어 전파를 유도하는 도파기(102)와, 상기 방사부(101)의 후방에 구비되어 전파를 반사시키는 방사 지향성 반사기(103)로 이루어지며, 상기 방사부(101)에 소정 전력을 공급하기 위한 급전 케이블과, 안테나 요소(101, 102, 103)들을 외부 환경으로 보호하기 위한 레이돔(105)을 포함하여 이루어진다.

여기에서 상기 안테나(100)는 마이크로스트립 기판(106)을 이용한 평면형 안테나의 형태를 띠고 있다. 구체적으로 보면, 상기 방사부(101)는 마이크로스트립 기판(106)을 이용한 평면형 방사부로서, 전파를 송수신하는 다이폴(107)과, 전력 분배회로 및 매칭회로 등을 포함하는 전송선로(108)가 상기 기판(106) 상에 인쇄되어 형성된다.

일반적으로, 마이크로스트립 안테나는 인쇄회로 기판 상에 구현된 패턴을 이용하는 평면형 안테나로서, 안테나의 소형화 및 경량화가 가능하고, 따라서 휴대용 단말기나 컴퓨터 등 기기 내장용으로 사용되기에 적합한 것으로 알려져 있으며, 그 외에 모든 안테나 분야에 확대 사용되고 있는 추세에 있기는 하다. 그러나 이 유형의 안테나는 주파수 대역폭이 좁고, 이득이 낮은 단점이 있다.

이에 개선된 안테나가 등록특허 제10-0507033호 및 제10-0666872호에 개시되어 있다. 전자는 금속 지지대의 상부에 양 방향으로 절곡 배치된 방사부를 구비하고 이때 (+)(-) 다이폴을 연결하는 C-커플 소자를 통하여 급전이 이루어지도록 설계된 것이며, 후자는 상기 방사부 전방 도파기를 짝수와 홀수 번째 길이를 달리한다거나 방사부로부터 멀어질수록 짧게 하는 방법으로 안테나의 주파수 대역폭 및 이득을 개선하고자 한다.

<선행기술문헌>

등록특허 제10-0507033호

등록특허 제10-0666872호

등록특허 제10-0790138호

등록특허 제10-1481994호

그러나 종래의 안테나들은 안테나의 주파수 대역폭 및 이득의 개선이 필요한 정도로 이루어지지 않았으며, 특히 최근의 5G 주파수 대역인 3.4 ~ 3.9GHz의 고주파 대역에 사용되기에는 적합하지가 않다. 이에 본 발명의 목적은 종래의 안테나와는 다른 안테나 설계를 통하여 실질적으로 대역폭 및 이득 특성을 개선하는 고이득 야기 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 야기 안테나는:

방사부와, 상기 방사부 전방의 도파기와, 상기 방사부 후방의 반사기를 포함하는 안테나에 있어서,

상기 방사부는:

고정용 베이스에 90°위치로 설치되는 수직 편파부와 수평 편파부를 포함하며;

각 편파부는:

일 방향으로 복수의 포지티브 소자가 형성된 제1 스템과;

상기 제1 스템과 대면하여 배치되며, 상기 포지티브 소자에 대칭되는 타 방향으로 복수의 네거티브 소자가 형성된 제2 스템;

을 포함하는 LP(Logic Periodic) 구조;

로 구성되며,

상기 제1 스템 및 제2 스템 사이의 간격을 유지하기 위한 절연 스페이서가 더 구비되는 것;

을 특징으로 한다.

이때 상기 도파기는 인슐레이터를 매개로 하여 상기 제1 스템과 연결되며, 급전 케이블은 상기 제1 및 제2 스템에 그 심선과 외피가 각 연결되도록 제공된다.

상기 어레이의 각 다이폴 길이는 서로 다르게 형성되며, 바람직하게 후방의 반사기로부터 멀어질수록 짧아지게 구성된다.

바람직하게, 상기 스페이서는 유전율이 낮고 녹는 점이 높은 테프론으로 형성된 것이다. 또한, 상기 스페이서는:

상기 제1 스템 및 제2 스템을 관통하여 장착되며;

이때 머리 부분에는 상기 케이블을 고정할 수 있는 요입 홈이 형성된 것;

을 특징으로 한다.

상기 제1 스템은 상단부가 제2 스템 측으로 절곡된 형태이고 그 절곡된 부분에 슬릿 또는 홈이 형성되어, 상기 제2 케이블 외측에 배치된 케이블의 심선이 끼워져 고정되도록 할 수 있다.

본 발명의 야기 안테나는 하나의 안테나 구조에서 수직 및 수평 편파부를 포함하며, 각 편파부는 포지티브 소자를 갖는 제1 스템과 네거티브 소자를 갖는 제2 스템이 대향하여 다이폴 어레이를 구성한다. 한편, 도파기는 상기 제1 스템으로부터 필요한 만큼 연장된다. 이 안테나 구조에 따르면, 상기한 다이폴 어레이를 포함한 LP(Logic Periodic) 구조의 방사부에서 대역폭을 충분히 확보하는 동시에 상기 도파기를 이용하여 이득 극대화를 구현함으로써 결과적으로 전체 안테나의 대역폭 및 이득을 현저히 개선하는 효과가 있다.

한편, 상기 테프론 스페이서 및 이를 이용한 케이블 배치, 케이블 접속 및 고정 등의 구조를 통하여 상기 방사부, 케이블 나아가 안테나 전체의 내구성, 안정성이 개선되는 특별한 효과가 있다.

도 1은 종래 야기 안테나의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 야기 안테나의 사시도.
도 3은 도 2의 분해도.
도 4는 도 2의 부분 정면도.
도 5는 도 2의 부분 측면도.
도 6a, 6b는 도 2 안테나 제1 포트의 수평 및 수직 패턴도.
도 7a, 7b는 도 2 안테나 제2 포트의 수평 및 수직 패턴도.
도 8은 도 2 안테나 각 포트의 정재파비 및 격리도 특성을 나타낸 그래프.

이상 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 '고이득 야기 안테나'(이하 '야기 안테나')의 특징과 작용효과들은, 이하에서 첨부 도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 2 이하에서, 본 발명의 야기 안테나가 부호 10으로 표시된다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 야기 안테나(10)는 방사부(11)와, 상기 방사부(11)의 전방에 구비되는 도파기(12)와, 상기 방사부(11) 후방에 구비되는 반사기(13)를 포함하며, 안테나 고정용 베이스(14)와 상기 베이스(14) 상에 제공되는 안테나 커버용 케이스(15)를 포함하여 이루어진다.

구체적으로, 상기 방사부(11)는 수직 편파부(16)와 수평 편파부(17)를 포함하며, 상기 각 편파부(16,17)는 고정 베이스(14)에 90°위치로 이격 배치 및 설치되고 상기 베이스(14) 상에 제공되는 하나의 'T'형 케이스(15) 내에 실장된다. 이에 본 발명의 야기 안테나(10)는 두 개의 편파부(16,17)와 이에 대응하는 두 개의 컨넥터 포트(18a,18b)를 가진 소위 MIMO(Multi Input Multi Output) 안테나로 구현된 것이다.

상기 각 편파부(16,17)는, 일 방향으로 복수의 포지티브 소자(20)가 형성된 제1 스템(19)과, 상기 제1 스템(19)과 대면하여 배치되며 상기 포지티브 소자(20)에 대칭되는 타 방향으로 복수의 네거티브 소자(22)가 형성된 제2 스템(21)을 포함하며, 이에 대칭된 다수의 포지티브-네거티브 소자(20-22)로 구성 및 형성되는 다이폴 어레이(23)를 포함한다.

이 구조는 소위 LP(Logic Periodic) 안테나 타입으로, 상기 어레이(23)의 각 다이폴 길이는 서로 다르게 형성되며, 바람직하게 후방의 반사기(13)로부터 멀어질수록 짧아지는 것으로 한다. 부호 29는 상기 제2 스템(21)의 하단에 돌출되어 급전 케이블(27)의 위치를 고정해주는 가이드 핀이다.

더욱 구체적으로, 여기에서 상기 편파부(16,17)의 제1 및 제2 스템(19,21)은 고정 베이스(14) 상의 반사기(13) 내측에 형성된 지지대(24)의 양면에 서로 대향되도록 볼트로 고정되며, 이때 상기 제1 스템(19) 및 제2 스템(20) 사이에는 상호 간의 간격을 유지하기 위한 절연 스페이서(25)가 구비된다.

상기 도파기(12)는 제1 스템(19) 측에 연결되는데, 상기 제1 스템(19)과 전방 도파기(12) 사이에는 상호 결합을 위한 매체로서 인슐레이터(insulator)(26)가 제공되며, 상기 인슐레이터(26)를 매개로 제1 스템(19) 및 도파기(12)의 각 단부가 핀 또는 볼트로 고정되어 연결되는 것이다.

한편, 상기 급전 케이블(27)은 제1 및 제2 스템(19,21)에 그 심선(27a)과 외피(그라운드)(27b)가 각각 연결되도록 제공된다. 도시된 바와 같이, 상기 제1 스템(19)은 제2 스템(21)에 비하여 그 길이가 약간 길어 상단부가 제2 스템(21)의 상측으로 절곡된 형태이고 그 절곡된 부분에 슬릿(28) 또는 홈이 형성되어 있다. 이에 제2 스템(21)의 외측에 배치된 케이블(27)의 심선(27a)이 굽힘 없이 직선적으로 상기 슬릿(28)에 끼워져 고정될 수 있으며, 이때 외피(27b)는 제2 스템(21)에 납땜으로 연결된다.

일반적으로 다이폴 안테나에서 전류가 등가적으로 중심부에서 가장 강하게 흐른다. 그런데 본 발명에서는 상기 스페이서(25)가 제1 및 제2 스템(19,21) 사이에 위치하기 때문에 안테나에 사용하는 전력이 예컨대 200와트 정도의 고전력(high power)일 경우, 상기 스페이서(25)에 많은 전류가 흐르게 되며 이때 보통의 플라스틱 재료는 녹아버리거나 타는 등의 폐해가 발생하였다.

이에 본 실시예에서는 상기 스페이서(25)로서 테프론으로 형성한 것을 사용하였다. 상기 '테프론'은 우수한 내약품성, 내열성 및 소수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene) 섬유로 알려져 있다. 이 섬유재료는 또한 유전율이 낮고 녹는 점이 높은 성질을 가지고 있기 때문에, 본 발명의 상기 스페이서(25)로서 최적인 것으로 판단된다.

구체적으로, 상기 스페이서(25)는 제1 스템(19) 및 제2 스템(21)을 관통하여 장착되며, 이때 머리 부분에는 상기 케이블(27)을 끼워 고정할 수 있는 요입 홈(이 형성된 것이다. 이로써 상기 스페이서(25)는, 제1 스템(19) 및 제2 스템(21) 간 간격 유지 및 케이블(27) 고정 수단으로서 기능을 하게 된다. 또한, 상기 테프론 스페이서(25)는 본 발명의 야기 안테나(10)가 고전력을 사용하는 경우에도 타거나 변형되지 않는 특성이 있다.

본 발명의 야기 안테나(10)는 실제 5G 환경의 3.4 ~ 3.9 GHz 대역폭 전용 안테나의 개발을 목적으로 실험적으로 개발되었으며, 따라서 본 발명의 구성은 그 전용성을 위한 실험 결과를 통하여 얻어진 것이다.

도 6a, 6b는 상기 야기 안테나(10) 중 제1 포트(18a)의 수평 및 수직 패턴도이고, 도 7a, 7b는 제2 포트(18b)의 수평 및 수직 패턴도이다. 여기에서 보듯이 상기 야기 안테나(10)는 각 포트(18a,18b) 별로 3.4 ~ 3.9 GHz 대역폭 전체에서 이득 16dBi 이상, 전후방비 17dB 이상의 우수한 전기적 특성을 갖는다. 또한, 도 8을 참조하면, 각 포트(18a,18b) 별로 전대역에서 1.5 이하의 우수한 정재파비 특성을 가지며, 포트(18a,18b) 간 격리도 특성 또한 우수하다.

따라서 본 발명의 야기 안테나(10)는 5G 환경의 3.4 ~ 3.9 GHz 대역폭 전용 안테나로서 최적 적용될 것으로 판단한다.

10. 야기 안테나
11. 방사부 12. 도파기
13. 반사기 14. 베이스
15. 케이스 16. 수직 편파부
17. 수평 편파부 18a,18b. 포트
19. 제1 스템 20. 포지티브 소자
21. 제2 스템 22. 네거티브 소자
23. 다이폴 어레이
24. 지지대 25. 스페이서
26. 인슐레이터 27. 케이블
27a. 심선 27b. 외피
28. 슬릿 29. 가이드 핀
30. 홈

Claims

방사부(11)와, 상기 방사부(11) 전방의 도파기(12)와, 상기 방사부(11) 후방의 반사기(13)를 포함하는 야기 안테나에 있어서,
상기 방사부(11)는:
고정용 베이스(14)에 90°위치로 설치되는 수직 편파부(15)와 수평 편파부(17)를 포함하며;
각 편파부(16,17)는:
일 방향으로 복수의 포지티브 소자(20)가 형성된 제1 스템(19)과;
상기 제1 스템(19)과 대면하여 배치되며, 상기 포지티브 소자(20)에 대칭되는 타 방향으로 복수의 네거티브 소자(22)가 형성된 제2 스템(21);
이때 상기 대칭된 다수의 포지티브-네거티브 소자로 구성된 다이폴 어레이(23)인 LP(Logic Periodic) 구조;
를 포함하며,
상기 제1 스템(19) 및 제2 스템(21) 사이의 간격을 유지하기 위한 절연 스페이서(25)가 더 구비되는 것;
을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제1항에 있어서,
상기 도파기(12)는 인슐레이터(26)를 매개로 하여 상기 제1 스템(19)과 연결되어, 상기 다이폴 어레이(23)인 LP 구조와 혼합 구조를 구성하는 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제1항에 있어서,
급전 케이블(27)은 상기 제2 스템(21)의 외측에 배치되고, 상기 제1 및 제2 스템(19,21)에 그 심선(27a)과 외피(27b)가 각 연결되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제1항에 있어서,
상기 다이폴 어레이(23)의 각 다이폴 길이는 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제2 스템(21)의 하단에는, 급전 케이블(27)의 위치를 고정해주는 돌출 가이드 핀(29)이 형성된 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제1항에 있어서,
상기 절연 스페이서(25)는, 플라스틱에 비하여 유전율이 낮고 녹는 점이 높은 유전체로 형성된 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 절연 스페이서(25)는, 상기 제1 스템(19) 및 제2 스템(21)을 관통하여 장착되며, 이때 머리 부분에는 급전 케이블(27)을 끼워 고정할 수 있는 요입 홈(30)이 형성된 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제3항에 있어서,
상기 제1 스템(19)은, 상단부가 제2 스템(21) 측으로 절곡된 형태이고 그 절곡된 부분에 슬릿(28) 또는 홈이 형성되어, 상기 제2 스템(21) 외측에 배치된 케이블(27)의 심선(27a)이 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제1항에 있어서,
상기 수직 편파부(15)와 수평 편파부(17)는 상기 베이스(14) 상에 제공되는 하나의 케이스(15) 내에 실장되는 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.
제6항에 있어서,
상기 유전체는 테프론인 것을 특징으로 하는 고이득 야기 안테나.