KR102002201B1 - 십자형 espar 안테나 - Google Patents

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김규보
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Abstract

십자형 ESPAR 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 십자형 ESPAR 안테나는 안테나의 접지를 위한 그라운드; 및 상기 그라운드 위에 십자형으로 교차된 4 개의 기판들을 포함하고, 상기 기판들이 상호 접해 있는 중심 부분에 능동 소자(active element)가 배열되어 있고, 상기 기판들에 적어도 하나 이상의 기생 소자(parasitic element)가 각각 배열되어 있다.

Description

십자형 ESPAR 안테나{CROSS-SHAPE ELECTRICALLY STEERABLE PASSIVE ARRAY RADIATORS ANTENNA}
본 발명은 광대역 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기 유사성 구조를 갖는 십자형 ESPAR(electrically steerable passive array radiators) 안테나에 관한 것이다.
전통적인 안테나는 많은 안테나 소자(antenna elements)의 어레이로 구성되고, 각 소자는 RF 필터, 저잡음 증폭기, 믹서 및 RF 전력 증폭기를 구비하는 자기 자신의 송수신 RF 프론트 엔드(front end)를 요구한다. 각 소자는 자기 자신의 A/D(analogue-to-digital) 및 D/A(digital-to-analogue) 변환기를 더 요구한다.
이에 비해, ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 단일 RF 프론트 엔드를 사용하는 저비용 스마트 안테나에 해당한다. ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 간섭 신호의 방향으로 널(null)을 형성하면서 원하는 사용자 쪽으로 메인 빔을 조향할 수 있다. ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 차세대 지상 무선 통신, 위성 통신 및 레이더를 위한 핵심 기술 중 하나이다. ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 전송되는 전력을 감소시키는 동시에 스펙트럼 효율을 증가시킴으로써 무선 통신 네트워크의 용량을 상당히 증가시킬 수 있다. 증가된 이득을 가지는 ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 디지털 링크에서 신호 대 잡음(Signal-to-Noise)을 감소시켜서 통신 링크의 비트 에러율(bit error rate)을 감소시킬 수 있다. 이것은 수신기가 더 높은 데이터율(data rate)에서 동작할 수 있게 한다.
그러나, ESPAR 안테나는 그 특성 상 안테나 이득이 작고 반사 손실의 문제점 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대역폭 개선과 주파수 변화에 관계 없이 이득이 동일한 방사 패턴을 갖는 십자형 ESPAR 안테나의 제공에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 십자형 ESPAR 안테나는 안테나의 접지를 위한 그라운드; 및 상기 그라운드 위에 십자형으로 교차된 4 개의 기판들을 포함하고, 상기 기판들이 상호 접해 있는 중심 부분에 능동 소자(active element)가 배열되어 있고, 상기 기판들에 적어도 하나 이상의 기생 소자(parasitic element)가 각각 배열되어 있다.
여기서, 상기 능동 소자는 상기 중심 부분에서 서로 다른 2개의 기판들 양쪽에 걸쳐서 배열되어 있다.
여기서, 상기 능동 소자는 상기 기판들 각각의 양면에 서로 대향하여 배열되어 있다.
여기서, 상기 기생 소자는 상기 능동 소자와 일정 간격을 유지하여 배열되어 있다.
여기서, 상기 기생 소자는 상기 기판들 각각의 양면에 서로 대향하여 배열되어 있다.
여기서, 상기 능동 소자 및 상기 기생 소자는 자기 유사성(self-similarity) 구조를 갖는다.
여기서, 상기 능동 소자는 스케일링 인자(scaling factor)에 따라 크기가 조정된 적어도 하나 이상의 부분 능동 소자들을 결합하여 형성된 것이고, 상기 기생 소자는 상기 스케일링 인자에 따라 크기가 조정된 적어도 하나 이상의 부분 기생 소자들을 결합하여 형성된다.
본 발명에 의하면, 자기 유사성 소자를 사용하여 1.7[GHz]에서 2.4[GHz]까지 700[MHz] 대역에서 -15[dB] 이하의 반사손실 특성을 만족시키며, 주파수에 따른 복사패턴이 유사한 지향성과 이득을 얻을 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에 의해, 대역폭의 개선이 이루어지며, 주파수 변화에 관계 없이 이득이 동일한 방사 패턴을 얻을 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 유사성 구조를 갖는 십자형 ESPAR 안테나를 예시하는 사시도이다.
도 2는 자기 유사성 구조를 갖는 능동 소자 및 기생 소자의 형성 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 3은 종래의 ESPAR 안테나와 본 발명에 따른 십자형 ESPAR 안테나 사이의 반사 손실 특성을 비교하기 위한 예시적인 그래프이다.
도 4는 능동 소자 및 기생 소자가 배열된 기판의 측면을 예시한 참조도이다.
도 5는 스케일링 인자(S)의 변화에 따른 반사 손실 특성을 비교하기 위한 예시적인 그래프이다.
도 6은 제1 부분 소자의 높이 변화에 따른 반사 손실 특성을 비교하기 위한 예시적인 그래프이다.
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 자기 유사성 구조를 갖는 십자형 ESPAR 안테나를 예시하는 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 십자형 ESPAR 안테나는 그라운드(100) 및 4개의 기판들(120)을 포함한다.
그라운드(100)는 안테나의 접지를 위한 기능을 수행한다. 즉, 그라운드(100)는 그라운드 상에 구비된 4개의 기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126)에 구비된 각각의 기생 소자 1 내지 4(140, 142, 144, 146)에 대한 접지 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 십자형 ESPAR 안테나는 그라운드(100)를 포함한다는 점에서 무지향성의 모노폴 구조(monopole structure)를 갖는다.
기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126)는 그라운드(100) 위에 십자형으로 교차되어 있다. 기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126)는 각각 비유전율 상수(dielectric constant)가 4.3이고, 두께가 1.6[mm]인 구조적 특징을 갖을 수 있으며 그라운드(100) 위에 수직으로 형성될 수 있다.
기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126)가 상호 접해 있는 중심 부분에는 능동 소자(active element; 130)가 배열되어 있다.
능동 소자(130)는 기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126)의 중심 부분에서 서로 다른 2개의 기판들 양쪽에 걸쳐서 배열되어 있으며, 또한, 이러한 능동 소자(130)는 기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126) 각각의 면에 서로 대향하여 배열되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기판 1(120)과 기판 2(122)의 양쪽에 걸쳐서 능동 소자(130)의 일부분이 배열되어 있고, 기판 2(122)와 기판 3(124)의 양쪽에 걸쳐서 능동 소자(130)의 다른 부분이 배열되어 있고, 기판 3(124)과 기판 4(126)의 양쪽에 걸쳐서 능동 소자(130)의 또 다른 부분이 배열되어 있으며, 기판 4(126)와 기판 1(120)의 양쪽에 걸쳐서 능동 소자(130)의 또 다른 부분이 배열되어 있다.
기생 소자 1 내지 4(parasitic element; 140, 142, 144, 146)는 기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126)에 각각 배열되어 있다. 특히, 기생 소자 1 내지 4(140, 142, 144, 146)는 각각 능동 소자(130)와 일정 간격을 유지하여 배열되어 있다. 기생 소자 1 내지 4(140, 142, 144, 146)에는 리액턴스(reactance)가 장하(load)되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기생 소자 1 내지 4(140, 142, 144, 146)는 기판 1 내지 4(120, 122, 124, 126) 각각의 양면에 서로 대향하여 배열되어 있다. 즉, 기판 1(120)의 양면에 기생 소자 1(140)이 서로 대향하여 배열되어 있고, 기판 2(122)의 양면에 기생 소자 2(142)가 서로 대향하여 배열되어 있고, 기판 3(124)의 양면에 기생 소자 3(144)이 서로 대향하여 배열되어 있으며, 기판 4(126)의 양면에 기생 소자 4(146)가 서로 대향하여 배열되어 있다.
한편, 능동 소자(130)는 스케일링 인자(scaling factor)에 따라 크기가 조정된 적어도 하나 이상의 부분 능동 소자들을 결합하여 형성될 수 있고, 기생 소자 1 내지 4((140, 142, 144, 146)도 상기 스케일링 인자에 따라 크기가 조정된 적어도 하나 이상의 부분 기생 소자들을 결합하여 형성될 수 있다. 즉, 크기가 조정된 하나 이상의 능동 소자들을 상호 결합하여 최종적인 능동 소자를 형성할 수 있다. 또한, 크기가 조정된 하나 이상의 기생 소자들을 상호 결합하여 최종적인 기생 소자를 형성할 수 있다. 이러한 구조를 자기 유사성(self-similarity) 구조 또는 프랙탈(fractal) 구조라고도 한다.
자기 유사성 구조 즉, 프랙탈 구조는 단순한 부분 구조가 끊임 없이 박복되면서 복잡한 전체 구조를 만드는 것으로, 자기 유사성(self-similarity) 및 순환성(recursiveness)의 특징을 갖는다. 따라서, 스케일링 인자에 따라 크기가 조정된 부분 소자들을 결합하여 자기 유사성 구조를 갖는 능동 소자 또는 기생 소자들이 형성된다. 스케일링 인자는 프랙탈 구조의 크기 축소 비율에 따라 결정될 수 있다.
도 2는 자기 유사성 구조를 갖는 능동 소자 및 기생 소자의 형성 과정을 설명하기 위한 참조도이다. 도 2 (a)는 능동 소자 또는 기생 소자를 형성하기 위한 역삼각형 형태의 제1 부분 소자를 예시한 것이다. 제1 부분 소자는 첫번째 프랙탈 반복에 의해 형성되는 것으로, 한변의 길이는 La로 표시되고 높이는 Ha로 표시된다. 도 2 (b)는 도 2(a)에 도시된 제1 부분 소자의 크기가 축소된 제2 부분 소자를 제1 부분 소자의 각 면에 결합한 형태를 예시한 것이다. 제2 부분 소자는 두번째 프랙탈 반복에 의해 형성되는 것으로, 한변의 길이는 Lb로 표시되고, 높이는 Hb로 표시된다. 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 제2 부분 소자는 제1 부분 소자의 각 면에 하나씩 즉, 총 3개의 소자가 결합될 수 있다. 도 2 (c)는 제1 부분 소자의 크기가 축소된 제3 부분 소자를 제2 부분 소자의 각 면에 결합한 형태를 예시한 것이다. 제3 부분 소자는 세번째 프랙탈 반복에 의해 형성되는 것으로, 한변의 길이는 Lc로 표시되고 높이는 Hc로 표시된다. 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 제3 부분 소자는 제2 부분 소자의 2개 면에 각각 결합될 수 있다. 제2 부분 소자가 제1 부분 소자에 3개 결합되어 있다는 점에서, 제3 부분 소자는 총 6개의 소자가 제2 부분 소자에 각각 결합될 수 있다.
도 3은 종래의 ESPAR 안테나와 본 발명에 따른 십자형 ESPAR 안테나 사이의 반사 손실 특성을 비교하기 위한 예시적인 그래프이다. 도 3에 도시된 종래의 ESPAR 안테나는 능동 소자와 기생 소자의 배열 반경이 80[mm]이고, 다이폴(dipole) 요소는 5[mm]의 지름과 71[mm]의 높이를 가질 수 있다. 종래의 ESPAR 안테나는 1.97[GHz]에서 2.07[GHz]까지 100[MHz] 대역에서 -15[dB] 이하의 반사 손실(return loss) 특성을 갖는다. 한편, 본 발명의 십자형 ESPAR 안테나는 160[mm]의 지름을 갖는 원형의 그라운드 위에 60[mm]의 높이를 갖는 4개의 기판들로 형성될 수 있다. 본 발명의 십자형 ESPAR 안테나의 능동 소자 및 기생 소자가 도 2(a)의 제1 부분 소자만으로 형성된 경우, 제1 부분 소자의 한면의 길이는 34.64[mm]이고 높이는 30[mm]으로 형성될 수 있다. 또한, 능동 소자 및 기생 소자가 도 2(b)의 제2 부분 소자를 결합한 경우, 제2 부분 소자의 한면의 길이는 11.43[mm]이고 높이는 9.9[mm]로 형성될 수 있다. 또한, 능동 소자 및 기생 소자가 도 2(c)의 제3 부분 소자까지 결합된 경우, 제3 부분 소자의 한면의 길이는 3.77[mm]이고 높이는 3.26[mm]로 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 십자형 ESPAR 안테나는 능동 소자 및 기생 소자의 프랙탈 구조가 반복되어 결합됨에 따라, 반사 손실의 개선 및 대역폭의 증가를 나타내고 있다. 따라서, 능동 소자 및 기생 소자가 도 2(c)의 제3 부분 소자까지 결합된 경우, 1.7[GHz]에서 2.4[GHz]까지 700[MHz] 대역에서 -15[dB] 이하의 반사손실 특성을 만족시킬 수 있다.
도 4는 능동 소자 및 기생 소자가 배열된 기판의 측면을 예시한 참조도이다. H는 기판의 전체 높이를 의미하고, H1은 첫번째 프랙탈 반복에 따른 제1 부분 소자의 높이를 의미한다. 또한, H2는 두번째 프랙탈 반복에 따른 제2 부분 소자의 높이를 의미하고, L은 능동 소자의 중심과 기생 소자 사이의 배열 간격을 의미한다. 또한, D는 기판의 전체 길이를 의미한다. 이때, H2는 H1에서 스케일링 인자(S)를 곱하여 산출할 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112015095536312-pat00001
여기서, Hn은 n번째 프랙탈 반복에 따른 n째 부분 소자의 높이를 의미하고, S는 스케일링 인자를 의미한다.
도 5는 스케일링 인자(S)의 변화에 따른 반사 손실 특성을 비교하기 위한 예시적인 그래프이다. 이때, 스케일링 인자는 0.29에서 0.37까지 0.02만큼의 차이를 유지하며 변화될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스케일링 인자가 증가함에 따라, 곡선이 저 공진 주파수(low resonance frequency)로 움직이며, 또한 반사 손실이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 제1 부분 소자의 높이 변화에 따른 반사 손실 특성을 비교하기 위한 예시적인 그래프이다. 이때, 제1 부분 소자의 높이(H1)가 28[mm]에서 34[mm]까지 2[mm]만큼의 차이를 유지하며 변화될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 높이(H1)가 30[mm]일때 1.7[GHz]에서 2.4[GHz]까지 700[MHz] 대역에서 -15[dB] 이하의 반사손실 특성을 만족시킬 수 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.
100: 그라운드
120, 122, 124, 126: 기판 1 내지 4
130: 능동 소자
140, 142, 144, 146: 기생 소자 1 내지 4

Claims (7)

  1. 안테나의 접지를 위한 그라운드; 및
    상기 그라운드 위에 십자형으로 교차된 4 개의 기판들을 포함하고,
    상기 기판들이 상호 접해 있는 중심 부분에 능동 소자(active element)가 배열되어 있고, 상기 기판들에 적어도 하나 이상의 기생 소자(parasitic element)가 각각 배열되어 있고,
    상기 적어도 하나의 기생 소자는 제1 부분 기생 소자, 상기 제1 부분 기생 소자와 동일한 형상을 갖는 제2 부분 기생 소자들, 및 상기 제2 부분 기생 소자들과 동일한 형상을 갖는 제3 부분 기생 소자들을 포함하고,
    상기 제3 부분 기생 소자들은 상기 제2 부분 기생 소자들의 외곽 면들에 형성되고,
    상기 제2 부분 기생 소자들은 상기 제1 부분 기생 소자의 외곽 면들에 형성되고,
    상기 제1 부분 기생 소자의 크기는 상기 제2 부분 기생 소자의 크기 보다 크고,
    상기 제2 부분 기생 소자의 크기는 상기 제3 부분 기생 소자의 크기 보다 크고,
    상기 제1 부분 기생 소자들, 상기 제2 부분 기생 소자들, 및 상기 제3 부분 기생 소자들 각각의 높이는 아래의 수학식에 기초하여 결정되고,
    Figure 112019502790816-pat00008

    여기서, Hn은 제n 부분 기생 소자의 높이를 의미하고, Hn-1은 제n-1 부분 기생 소자의 높이를 의미하고, n은 양의 정수이고, S는 스케일링 인자(scaling factor)를 의미하는 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동 소자는 상기 중심 부분에서 서로 다른 2개의 기판들 양쪽에 걸쳐서 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동 소자는 상기 기판들 각각의 양면에 서로 대향하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 능동 소자와 일정 간격을 유지하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 기판들 각각의 양면에 서로 대향하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동 소자 및 상기 기생 소자는 자기 유사성(self-similarity) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동 소자는 상기 스케일링 인자에 따라 크기가 조정된 적어도 하나 이상의 부분 능동 소자들을 결합하여 형성된 것을 특징으로 하는 십자형 ESPAR 안테나.
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