KR101982384B1

KR101982384B1 - Espar 안테나

Info

Publication number: KR101982384B1
Application number: KR1020160021827A
Authority: KR
Inventors: 최학근; 박재성; 이강표; 오정훈
Original assignee: 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단; 한국전자통신연구원
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2019-05-28
Also published as: KR20170099575A

Abstract

본 발명은, 원통 형상의 능동소자부 및 상기 능동소자부를 감싸는 기능소자부를 포함하고, 상기 능동소자부는, 능동소자, 상기 능동소자를 감싸는 제1 절연체, 상기 제1 절연체를 감싸는 제1 기판 및 상기 제1 기판 상에 배치되며, 슬롯(slot)이 형성되게 서로 이격된 제1, 2 동박을 포함하는 ESPAR 안테나를 제공한다.

Description

ESPAR 안테나{ESPAR ANTENNA}

본 발명은 ESPAR 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원주 슬롯을 통해 복사되는 구리원통을 능동소자로 사용하여, 동축 케이블과 구조적으로 견고하며 임피던스 매칭이 용이한 ESPAR 안테나에 관한 것이다.

최근 초고속 통신의 흐름에 따라 급속히 증가하는 데이터 트래픽을 해결하는 통신 서비스를 위해 스마트 안테나의 많은 연구가 진행 중에 있다.

일반적으로 스마트 안테나인 배열안테나, 디지털 빔 포밍(Digital Beamforming) 안테나의 경우 배열소자마다 Frequency Down Converter, low-noise amplifier, A/D converter, D/A converter 등이 필요하기 때문에 전력 소모가 크며, 가격 또한 비싸다.

ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator, 이하 'ESPAR'로 칭함) 안테나는 단일 RF 체인과 여러 개의 기생소자(Parasitic element)를 갖는 안테나이다.

단일 RF 체인인 ESPAR 안테나를 사용할 경우, 다수 RF 체인을 사용하는 안테나 또는 배열 안테나보다 복잡도와 전력소모를 줄일 수 있다.

ESPAR 안테나에 포함되는 기생소자들은 리액턴스(reactance) 부하가 연결되어 있으며, ESPAR 안테나의 패턴은 기생소자들 각각에 연결된 리액턴스 값에 의해 조절된다.

본 발명의 목적은, 원주 슬롯을 통해 복사되는 구리원통을 능동소자로 사용하여, 동축 케이블과 구조적으로 견고하며 임피던스 매칭이 용이한 ESPAR 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 ESPAR 안테나는, 원통 형상의 능동소자부 및 상기 능동소자부를 감싸는 기능소자부를 포함하고, 상기 능동소자부는, 능동소자, 상기 능동소자를 감싸는 제1 절연체, 상기 제1 절연체를 감싸는 제1 기판 및 상기 제1 기판 상에 배치되며, 슬롯(slot)이 형성되게 서로 이격된 제1, 2 동박을 포함할 수 있다.

상기 능동소자는, 상기 기능소자부보다 짧게 형성될 수 있으며, 상기 슬롯을 기준으로 상기 기생소자부에 중첩되는 길이가 다르게 배치될 수 있다.

상기 능동소자의 길이는, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 31 mm 내지 32 mm 일 수 있다.

상기 제1 절연체의 두께는, 1.9 mm 내지 2.1 mm 일 수 있다.

상기 제1 기판은, 두께가 0.1 mm 인 플렉서블 기판으로 형성될 수 있다.

상기 제1, 2 동박의 두께는, 0.034 mm 내지 0.036 mm 일 수 있다.

상기 제1 동박의 길이는, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향 21 mm 내지 22 mm 이고, 상기 제2 동박의 길이는, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향 22 mm 내지 23 mm 일 수 있다.

상기 제1, 2 동박 사이의 슬롯 간격은, 0.8 mm 내지 1.1 mm 일 수 있다.

상기 기생소자부는, 상기 능동소자부를 감싸는 제2 절연체, 상기 제2 절연체를 감싸는 제2 기판 및 상기 제2 기판 상에서 서로 이격되며, 동박으로 이루어진 6개의 기생소자를 포함할 수 있다.

상기 제2 절연체는, 상기 제1 절연체와 두께가 서로 동일하거나, 두꺼울 수 있다.

상기 제2 기판은, 상기 제1 기판과 두께가 서로 동일하거나, 두꺼울 수 있다.

상기 6개의 기생소자는, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향과 직교하는 방향으로 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다.

상기 6개의 기생소자 각각은, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 이격된 제1, 2 기생동박을 포함할 수 있다.

상기 제1 기생동박의 길이는, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 21 mm 내지 22 mm 일 수 있다.

상기 제2 기생동박의 길이는, 상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 22 mm 내지 23 mm 일 수 있다.

상기 제1, 2 기생동박 사이의 이격 거리는, 0.9 mm 내지 1.2 mm 일 수 있다.

상기 기생소자부는, 상기 제1, 2 기생동박을 연결하며, 리액턴스를 가변하는 가변 소자를 더 포함할 수 있다.

상기 가변 소자는, 커패시터 및 바랙터 다이오드 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명에 따른 ESPAR 안테나에 의하면, 능동소자부에 포함된 능동소자와 제1, 2 동박 사이의 간격, 길이 및 슬롯의 위치와 두께와 같은 파라미터를 조절함으로써, 임피던스 매칭이 용이하게 수행될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 절단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 능동소자부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 기생소자부를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 복사패턴을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나에 적용된 능동소자의 패턴을 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 반사손실을 나타낸 도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, ESPAR 안테나는 능동소자부(110), 기생소자부(130) 및 커넥터(150)를 포함할 수 있다.

먼저, ESPAR 안테나는 원통 형상으로 이루어질 수 있다.

여기서, 능동소자부(110)는 능동소자(112), 제1 절연체(114), 제1 기판(116) 및 제1, 2 동박(118, 120)을 포함할 수 있다.

능동소자(112)는 원통 형상으로 구리 재질로 이루어질 수 있다. 본 발명에서 능동소자(112)는 구리 재질로 이루어진 것으로 설명하지만, 전도성이 높은 다른 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

능동소자(112)는 커넥터(150)와 연결될 수 있다. 즉, 능동소자(112)는 커넥터(150)가 삽입 고정될 수 있도록 내부 일부분의 직경이 커넥터(150)와 동일하게 형성될 수 있다.

제1 절연체(114)는 능동소자(112)의 둘레를 감싸도록 배치되며, 능동소자(112) 보다 길게 형성될 수 있다.

여기서, 제1 절연체(114)는 내부에 배치되는 능동소자(112)와 제1, 2 동박(118, 120) 사이에 리액턴스 성분가 조절되는 두께로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

제1 기판(116)은 플렉서블 기판으로 제1 절연체(114)를 감싸도록 제1 절연체(114)의 외측면에 배치될 수 있다.

즉, 제1 기판(116)은 플렉서블한 FR-4 재질의 기판을 사용함으로써, 제1 절연체(114)의 외측면에 배치되기 용이할 수 있다.

제1, 2 동박(118, 120)은 서로 다른 길이로 제1 기판(116) 상에 배치될 수 있다.

즉, 제1, 2 동박(118, 120)은 슬롯(slot, s)이 형성되게 서로 이격되게 배치될 수 있으며, 슬롯(s)의 위치에 따라 상기 동축 케이블과의 임피던스 매칭을 조절할 수 있다.

기생소자부(130)는 제2 절연체(132), 제2 기판(134), 6개의 기생소자(136) 및 가변소자(138)를 포함할 수 있다.

제2 절연체(132)는 능동소자부(110)의 외측면을 감싸도록 형성될 수 있으며, 더 정확하게는 제1 기판(116) 및 제1, 2 동박(118, 120)에 접촉되게 배치될 수 있다.

또한, 제2 절연체(132)는 제1 절연체(114)와 서로 동일한 재질일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

제2 기판(134)은 제1 기판(116)과 동일하게 플렉서블한 FR-4 재질의 기판일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

6개의 기생소자(136) 각각은 서로 동일한 사이즈로 형성되며, 6개의 기생소자(136) 중 하나로 설명한다.

기생소자(136)는 서로 동일한 폭으로 형성되며, 제2 기판(134)에서 동일한 간격으로 이격될 수 있다.

기생소자(136)는 포지티브 패턴인 제1 기생동박(136_1) 및 네거티브 패턴인 제2 기생동박(136_2)을 포함할 수 있다.

여기서, 제1, 2 기생동박(136_1, 136_2)은 능동소자부(110)에 형성된 슬롯(s)을 기준으로 상하로 이격되게 배치될 수 있다.

능동소자부(110) 및 기생소자부(130)에 대한 자세한 설명은 도 2 내지 도 4에서 후술하기로 한다.

가변소자(138)는 제1, 2 기생동박(136_1, 136_2)을 연결하며, 리액턴스를 가변하는 커패시터 및 바랙터 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 절단면을 나타낸 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 능동소자부를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 기생소자부를 나타낸 사시도이다.

먼저, 도 2를 참조하면, ESPAR 안테나는 능동소자(112), 제1 절연체(114), 제1 기판(116), 제1 동박(118), 제2 절연체(132), 제2 기판(134) 및 제1 기생동박(136_1)을 포함할 수 있다.

여기서, 도 2는 제1 동박(118) 및 제1 기생동박(136_1)이 나타나는 단면도이며, 제2 동박(120) 및 제2 기생동박(136_2)이 나타나는 단면과 동일할 수 있다.

능동소자(112)의 내측 반지름(c1)은 3.15 mm 이며, 능동소자(112)의 두께(c2)는 0.35 mm일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

제1 절연체(114)는 능동소자(112)의 둘레를 감싸도록 배치되며, 제1 절연체(114)의 두께(c3)는 1.9 mm 내지 2.1 mm 일 수 있다.

이때, 제1 절연체(114)의 두께(c3)는 능동소자(112)와 제1 동박(118) 사이의 커패시턴스 용량을 결정할 수 있다.

제1 기판(116)의 두께(c4)는 0.1 mm 이며, 플렉서블한 재질의 기판이다.

제1 동박(118)의 두께(c5)는 0.034 mm 내지 0.036 mm 일 수 있으며, 임피던스 매칭에 따라 상술한 커패시턴스 용량에 따라 변경될 수 있다.

제2 절연체(132)의 두께(c6)는 제1 절연체(114)의 두께(c3)와 동일하게 1.9 mm 내지 2.1 mm 일 수 있다.

여기서, 제2 기판(134)의 두께(c7)는 제1 기판(116)의 두께(c4)와 동일할 수 있다.

제1 기생동박(136_1)의 두께는 제1 동박(118)의 두께(c5)와 동일할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

도 3을 참조하면, 능동소자부(110)는 능동소자(112), 제1 절연체(114), 제1 기판(116) 및 제1, 2 동박(118, 120)을 포함할 수 있다.

이때, 능동소자(112)의 길이(d1)는 제1 절연체(114) 및 제1 기판(116)의 길이보다 작게 형성될 수 있다.

능동소자(112)의 길이(d1)는 제2 동박(120)에서 제1 동박(118) 방향으로 31 mm 내지 32 mm 일 수 있다.

능동소자(112)는 슬롯(s)을 기준으로 제1, 2 동박(118, 120)과 중첩되는 면적이 다르며, 결과적으로 슬롯(s)을 기준으로 제1, 2 동박(118, 120)과 중첩되는 길이가 다르게 배치될 수 있다.

이때, 제1, 2 동박(118, 120) 사이의 슬롯(s) 길이(w1)는 0.8 mm 내지 1.1 mm 일 수 있다.

여기서, 제1 동박(118)의 길이(d2)는 21 mm 내지 22 mm 이고, 제2 동박(120)의 길이(d3)는 22 mm 내지 23 mm 일 수 있다.

이때, 제1, 2 동박(118, 120)의 길이(d2, d3)는 서로 다르게 할 수 있으며, 제1, 2 동박(118, 120)의 길이(d2, d3) 및 슬롯(s) 간격(w1)의 합은 45 mm 내지 46 mm를 유지할 수 있다.

도 4를 참조하면, 기생소자부(130)는 능동소자부(110)를 감싸는 제2 절연체(132), 제2 기판(134) 및 제1, 2 기생동박(136_1, 136_2)을 각각 포함하는 6개의 기생소자(136)를 포함할 수 있다.

제1 기생동박(136_1)의 길이(d4)는 21 mm 내지 22 mm 일 수 있으며, 제2 기생동박(136_2)의 길이(d5)는 22 mm 내지 23 mm 일 수 있다.

또한, 제1, 2 기생동박(136_1, 136_2) 사이의 이격거리(w2)는 0.9 mm 내지 1.2 mm 일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

제1, 2 기생동박(136_1, 136_2)의 폭(w3)은 서로 동일하게 5.7 mm 내지 6.3 mm 일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

도 2 내지 도 3에 나타낸 능동소자(112), 제1, 2 동박(118, 120), 제1, 2 절연체(114, 132), 제1, 2 기생동박(136_1, 136_2) 각각의 수치한정은 임피던스 매칭을 위하여 가변적으로 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 복사패턴을 나타낸 도이다.

도 5는 ESPAR 안테나에 포함된 능동소자부(110)의 커패시턴스 값을 시계방향 또는 반시계 방향으로 60°씩 6번 돌린 패턴 결과에 대한 복사패턴을 나타낸 도이다.

여기서, 도 5를 참조하면, 6번의 복사 패턴은 방향이 서로 다른 복사 패턴을 가지지만, 6번의 복사 패턴이 서로 동일한 형태를 가지는 것을 알 수 있다. ESPAR 안테나는 원통 형태를 가지기 때문에 ESPAR 안테나로부터 출력된 신호는 무지향성 패턴을 가질 수 있으며, 이에 따라 6개의 복사 패턴들이 동일함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나에 적용된 능동소자의 패턴을 나타낸 도이다.

도 6은 2.45 GHz 대역에서 ESPAR 안테나에 포함된 능동소자(112)의 수평패턴을 나타낸다.

도 6을 참조하면, ESPAR 안테나는 슬롯 다이폴 안테나와 동일하게 구 형상의 무지향성 패턴을 가질 수 있고, 슬롯 패치(patch) 안테나는 타원형 패턴을 가질 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 ESPAR 안테나의 반사손실을 나타낸 도이다.

도 7은 2.45 GHz 대역에서 본 발명의 ESPAR 안테나, 다이폴 안테나 및 슬롯 패치 안테나에 대한 반사손실을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 ESPAR 안테나는 2.45GHz 대역에서 반사손실이 다이폴 안테나 및 슬롯 패치 안테나보다 작도록 쉽게 임피던스 매칭을 이룰 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이 본 발명의 ESPAR 안테나는 능동소자(112), 제1, 2 동박(118, 120), 제1, 2 절연체(114, 132), 제1, 2 기생동박(136_1, 136_2) 각각의 제안된 수치를 가변시켜 임의의 주파수 대역에서 임피던스 매칭을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

원통 형상의 능동소자부; 및
상기 능동소자부를 감싸는 기생소자부;를 포함하고,
상기 능동소자부는,
능동소자;
상기 능동소자를 감싸는 제1 절연체;
상기 제1 절연체를 감싸는 제1 기판; 및
상기 제1 기판 상에 배치되며, 슬롯(slot)이 형성되게 서로 이격된 제1, 2 동박;을 포함하는 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 능동소자는,
상기 기생소자부보다 짧게 형성된 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 능동소자는,
상기 슬롯을 기준으로 상기 기생소자부에 중첩되는 길이가 다르게 배치되는 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 능동소자의 길이는,
상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 31 mm 내지 32 mm인 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 절연체의 두께는,
1.9 mm 내지 2.1 mm인 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 기판은,
두께가 0.1 mm 인 플렉서블 기판으로 형성된 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 제1, 2 동박의 두께는,
0.034 mm 내지 0.036 mm인 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 동박의 길이는,
상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 21 mm 내지 22 mm 이고,
상기 제2 동박의 길이는,
상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 22 mm 내지 23 mm 인 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 제1, 2 동박 사이의 슬롯 간격은,
0.8 mm 내지 1.1 mm 인 ESPAR 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 기생소자부는,
상기 능동소자부를 감싸는 제2 절연체;
상기 제2 절연체를 감싸는 제2 기판; 및
상기 제2 기판 상에서 서로 이격되며, 동박으로 이루어진 6개의 기생소자;를 포함하는 ESPAR 안테나.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 절연체는,
상기 제1 절연체와 두께가 서로 동일하거나, 두꺼운 ESPAR 안테나.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 기판은,
상기 제1 기판과 두께가 서로 동일하거나, 두꺼운 ESPAR 안테나.
청구항 10에 있어서,
상기 6개의 기생소자는,
상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향과 직교하는 방향으로 서로 동일한 간격으로 이격 배치된 ESPAR 안테나.
청구항 10에 있어서,
상기 6개의 기생소자 각각은,
상기 능동소자의 하단부에서 상단부 방향으로 이격된 제1, 2 기생동박을 포함하는 ESPAR 안테나.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 기생동박의 길이는,
21 mm 내지 22 mm 인 ESPAR 안테나.
청구항 14에 있어서,
상기 제2 기생동박의 길이는,
22 mm 내지 23 mm 인 ESPAR 안테나.
청구항 14에 있어서,
상기 제1, 2 기생동박 사이의 이격 거리는,
0.9 mm 내지 1.2 mm 인 ESPAR 안테나.
청구항 14에 있어서,
상기 기생소자부는,
상기 제1, 2 기생동박을 연결하며, 리액턴스를 가변하는 가변 소자를 더 포함하는 ESPAR 안테나.
청구항 18에 있어서,
상기 가변 소자는,
커패시터 및 바랙터 다이오드 중 적어도 하나인 ESPAR 안테나.