KR102018778B1 - 평면 렌즈를 이용한 고 이득 안테나 - Google Patents

Abstract

평면 렌즈를 이용한 고 이득 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, RF 신호를 방사하는 방사부; 상기 방사부 위에 위치하며 제1 평면 렌즈 및 상기 제1 평면 렌즈에 형성되는 제1 금속 패턴을 포함하는 제1 평면 렌즈부; 및 상기 제1 평면 렌즈부 위에 위치하며 제2 평면 렌즈 및 상기 제2 평면 렌즈에 형성되는 제2 금속 패턴을 포함하는 제2 평면 렌즈부를 포함하되, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 다수의 금속 패치를 각각 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 밀리미터 웨이브 대역에서도 적절한 이득 및 빔폭을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

평면 렌즈를 이용한 고 이득 안테나{High Gain Antenna Using Lens}

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀리미터 웨이브에서 사용 가능한 고 이득 안테나에 관한 것이다.

향후 5G 환경에서는 20GHz 이상의 밀리미터 웨이브 대역에서 통신이 이루어질 것으로 예상된다.

기존의 저주파 대역은 대부분 다양한 통신 대역으로 사용되고 있으며, 저지연 및 고속 통신을 위해 밀리미터 웨이브 대역에서의 통신은 계속적으로 증가할 것으로 예상된다.

밀리미터 웨이브 대역에서 RF 신호는 저주파 대역에서의 전송 특성과는 매우 다른 특성을 보인다. 밀리미터 웨이브 대역에서의 RF 신호는 매우 급격한 경로 선실 특성을 가지며 이로 인해 전송 거리가 증가할수록 RF 신호의 크기는 급격히 감쇠하게 된다.

또한, 밀리미터 웨이브 대역에서 RF 신호는 장애물이 존재할 경우 장애물에 대한 투과 특성이 열악한 특성이 있다.

이러한 문제들로 인해 밀리미터 웨이브 대역에서는 빔폭이 좁은 상당한 고 이득의 안테나가 요구되고 있으며, 고 이득 안테나를 구현하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.

안테나의 이득을 향상시키기 위해 3D 렌즈를 도입하는 방법이 연구되었다. 그러나, 3D 렌즈만으로는 충분한 이득을 확보하기 어려운 문제점이 있으며, 필요에 따라 이득을 조절할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 밀리미터 웨이브 대역에서 사용 가능한 고 이득 안테나를 제안하는 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, RF 신호를 방사하는 방사부; 상기 방사부 위에 위치하며 제1 평면 렌즈 및 상기 제1 평면 렌즈에 형성되는 제1 금속 패턴을 포함하는 제1 평면 렌즈부; 및 상기 제1 평면 렌즈부 위에 위치하며 제2 평면 렌즈 및 상기 제2 평면 렌즈에 형성되는 제2 금속 패턴을 포함하는 제2 평면 렌즈부를 포함하되, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 다수의 금속 패치를 각각 포함하는 고 이득 안테나가 제공된다.

상기 제1 및 상기 제2 금속 패턴의 금속 패치들은 어레이를 형성하도록 배열된다.

상기 제1 및 상기 제2 금속 패턴의 금속 패치들은 연결 라인들을 통해 전기적으로 연결된다.

상기 금속 패치들로 인해 형성되는 어레이는 가로 라인 및 세로 라인을 포함하며, 상기 연결 라인들은 상기 가로 라인 및 세로 라인 중 선택된 어느 하나 라인의 금속 패치들을 연결한다.

상기 제1 및 제2 금속 패턴은 동일한 구조를 가질 수 있다.

상기 방사부에는 상기 제1 평면 렌즈부가 상기 방사부와 소정 거리 이격되어 위에 위치하도록 상기 제1 평면 렌즈부를 지지하는 적어도 하나의 제1 포스트가 형성된다.

상기 제1 평면 렌즈부에는 상기 제2 평면 렌즈부가 상기 제1 평면 렌즈부와 소정 거리 이격되어 위치하도록 상기 제2 평면 렌즈부를 지지하는 적어도 하나의 제2 포스트가 형성된다.

상기 방사부, 제1 평면 렌즈부 및 제2 평면 렌즈부 중 적어도 하나는 상하로 이동 가능한 구조를 가진다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, RF 신호를 방사하는 방사부; 상기 방사부 위에 위치하며 제1 평면 렌즈 및 상기 제1 평면 렌즈에 형성되는 제1 금속 패턴을 포함하는 제1 평면 렌즈부를 포함하되, 상기 제1 금속 패턴은 다수의 금속 패치를 포함하고, 상기 제1 금속 패턴의 금속 패치들은 어레이를 형성하도록 배열되고, 상기 제1 금속 패턴의 금속 패치들은 연결 라인들을 통해 전기적으로 연결되는 고 이득 안테나가 제공된다.

본 발명에 의한 안테나는 밀리미터 웨이브 대역에서도 적절한 이득 및 빔폭을 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고 득 안테나의 분해 사시도를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고 이득 안테나의 사시도를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사부의 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 평면 렌즈부의 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴의 구조를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 안테나에서 방사부만이 존재할 경우의 이득(Gain) 및 빔폭을 나타낸 표.
도 7은 본 발명의 안테나에서 방사부 상부에 금속 패턴이 형성되지 않은 평면 렌즈부가 적용될 경우의 이득(Gain) 및 빔폭을 나타낸 표.
도 8은 본 발명의 안테나 구조인 다수 레이어의 금속 패턴이 적용된 안테나의 이득 및 빔폭을 나타낸 표.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고 득 안테나의 분해 사시도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고 이득 안테나의 사시도를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 안테나는 방사부(100), 제1 평면 렌즈부(200) 및 제2 평면 렌즈부(300)를 포함한다.

방사부(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 안테나에서 가장 하부에 위치하며 RF 신호를 방사하기 위한 방사체를 구비한다.

제1 평면 렌즈부(200)는 방사부(100)의 상부에 위치하며, 방사부(100)와 소정 거리 이격되어 위치할 수 있다. 제1 평면 렌즈부(200)는 방사부(100)로부터 방사되는 RF 신호의 이득을 1차적으로 향상시키는 기능을 한다. 추후 자세히 설명하겠지만, 제1 평면 렌즈부(200)에는 다수의 금속 패턴이 형성되며, 형성되는 다수의 금속 패턴은 방사부(100)로부터 방사되는 RF 신호의 이득 증가에 기여하는 역할을 한다.

제2 평면 렌즈부(300)는 제1 평면 렌즈부(200) 상부에 위치하며, 제1 평면 렌즈부(200)와 직접 결합될 수도 있고 제1 평면 렌즈부(200)와 소정 거리 이격되어 위치할 수도 있을 것이다. 제2 평면 렌즈부(300)는 제1 평면 렌즈부(200)와 함께 방사부(100)로부터 방사되는 RF 신호의 이득을 향상시키는 기능을 한다.

제2 평면 렌즈부(300)에도 다수의 금속 패턴이 형성되며, 형성되는 다수의 금속 패턴은 방사부(100)로부터 방사되는 RF 신호의 이득 증가에 기여하는 역할을 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 평면 렌즈부(200) 및 제2 평면 렌즈부(300) 각각에 금속 패턴이 형성되어 총 두개 레이어의 금속 패턴이 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 평면 렌즈부(200)의 하부, 제1 평면 렌즈부(200)의 상부 또는 제2 평면 렌즈부(300)의 하부 및 제2 평면 렌즈부(300)의 상부와 같이 총 세개 레이어의 금속 패턴이 형성될 수도 있을 것이다.

이하에서는 각 구성 요소의 상세 구조에 대해 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사부의 구조를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사부(100)는 유전체 구조물(105), 기판(110), 급전부(120) 및 방사 패치(130)를 포함한다.

유전체 구조물(105)은 방사부(100)의 몸체로 기능하며 유전체 구조물(150)에기판(110)이 결합된다. 기판(110)상에는 급전부(120) 및 방사 패치(130)가 형성된다. 기판(110)은 유전체 재질로 이루어지며 기판(110)의 유전율은 요구되는 방사 특성 및 주파수에 의해 결정될 수 있다.

급전부(120)로는 급전 신호가 제공된다. 예를 들어, 동축 케이블을 통해 급전부(120)로 급전 신호가 제공될 수 있으며, 급전부(120)로 제공된 신호는 방사 패치(130)로 전달된다.

방사 패치(130)는 급전부(120)를 통해 제공되는 급전 신호를 외부로 방사하는 기능을 한다. 도 1 및 도 3에는 하나의 방사 패치가 구비된 경우가 도시되어 있으나 다수의 방사 패치가 RF 신호의 방사를 위해 사용될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

또한, 도 2에는 방사를 위한 방사체로 방사 패치가 사용되는 경우가 도시되어 있으나 방사 패치 이외에 다른 종류의 방사체가 사용될 수도 있다는 점 역시 당업자에게 있어 자명할 것이다.

한편, 기판에는 다수의 제1 포스트(180)가 결합될 수 있다. 제1 포스트(180)는 제1 평면 렌즈부(200)와 방사부(100)의 이격 거리를 설정하기 위한 구성 요소이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 방사부(100)의 제1 평면 렌즈부(200) 사이의 이격 거리는 0.5λ 내지 2.5 λ 사이인 것이 바람직하다.

도 1에는 4개의 제1 포스트(180)가 기판의 모서리에 형성되는 경우가 도시되어 있으나 제1 포스트(180)의 수 및 위치는 필요에 따라 변경될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 평면 렌즈부의 구조를 도시한 도면이다.

제1 및 제2 평면 렌즈부(200, 300)는 평면 렌즈(210, 310)에 금속 패턴(250)이 형성된 구조를 가진다. 금속 패턴(250)은 다양한 방식으로 평면 렌즈(210, 310)에 형성될 수 있을 것이다. 평면 렌즈(210, 310)는 직사각형 구조를 가지며 제1 평면 렌즈부(200)의 평면 렌즈(210)와 제2 평면 렌즈부(300)의 평면 렌즈(310)는 동일한 구조를 가진다.

제1 평면 렌즈부(200)에는 다수의 제2 포스트(280)가 형성되며 제2 포스트(280)에 의해 제1 평면 렌즈부(200)와 제2 평면 렌즈부(300)는 소정 거리 이격된다.

각각의 평면 렌즈부(200, 300)에는 금속 패턴(250)이 형성된다.

앞서 설명한 바와 같이, 금속 패턴(250)은 제1 평면 렌즈부(200)의 평면 렌즈(210) 및 제3 평면 렌즈부(300)의 평면 렌즈(310) 각각의 상부에 형성되어 총 2개 레이어를 구성할 수 있다.

이와 달리, 금속 패턴(250)은 총 3개 레이어를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 제1 평면 렌즈부의 기판(210) 상하부 및 제2 평면 렌즈부의 기판(310) 상부에 금속 패턴이 형성되어 3개 레이어를 구성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제1 평면 렌즈부의 기판(210) 하부 및 제2 평면 렌즈부의 기판(310) 상하부에 금속 패턴(250)이 형성될 수도 있을 것이다.

이와 같이, 복수 레이어를 통해 금속 패턴(250)이 형성됨으로써 밀리미터 웨이브에 적합한 고이득을 구현할 수 있게 되며, 본 발명에서 제안되는 금속 패턴 구조를 통해 더욱 높은 고이득이 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴은 다수의 패치(500) 및 각 패치(500)를 연결하는 다수의 연결 라인(510)을 포함한다.

다수의 패치(500)는 어레이를 형성하면서 배열되며, 도 5를 참조하면 직사각형 형상의 패치가 직사각형 배열을 이루는 경우가 도시되어 있으나, 패치의 형태는 직사각형에 한정되는 것은 아니며 정사각형, 원형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

본 발명은 각각의 패치를 연결하는 연결 라인(510)을 통해 안테나의 이득을 향상 시킨다.

20GHz 이상의 밀리미터 웨이브 대역에서는 상당한 경로 손실이 발생하고 장애물이 존재할 경우 이를 투과하지 못하는 문제점이 있기 때문에 밀리미터 웨이브 대역의 안테나는 기존의 안테나에 비해 높은 이득이 요구된다. 이러한 높은 이득을 실현하기 위해 본 발명은 어레이를 형성하는 패치들을 연결 라인을 통해 연결하는 구조를 제안한다.

다수의 패치(400)는 다수의 라인을 가진 어레이를 형성하는데 각 라인별로 다수의 패치는 연결 라인(510)에 의해 전기적으로 연결한다. 연결 라인(510)은 패치(500)에 비해 상대적으로 가는 구조를 가진다.

도 5에는 가로 라인별로 다수의 패치들이 연결 라인(510)들에 의해 연결되는 구조가 도시되어 있는데 경우에 따라 세로 라인별로 다수의 패치들이 연결 라인(510)들에 의해 연결될 수도 있을 것이다.

높은 이득을 구현하려면, 연결 라인(510)은 가로 또는 세로 방향 중 어느 하나로만 패치들을 연결하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 형성되는 어레이의 가로와 세로 중 상대적으로 더 긴 방향으로 연결 라인(510)이 다수의 패치들을 라인별로 연결하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 다수의 패치에 의해 형성되는 어레이에서 가로의 길이가 세로가 더 길다면 연결 라인(510)은 가로 방향으로 패치들을 연결하게 된다.

도 6은 본 발명의 안테나에서 방사부만이 존재할 경우의 이득(Gain) 및 빔폭을 나타낸 표이다.

도 6에는 27.5GHz, 28GHz 및 28.5GHz에 대해 방위(Azimuth) 및 고도(Elevation)에 대한 이득 및 빔폭이 표시되어 있다.

27.5GHz에서 방위에 대한 이득은 7.4dBi이고, 빔폭은 72.7도이며, 고도에 대한 이득은 7.4이고 빔폭은 93.1도임을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 안테나에서 방사부 상부에 금속 패턴이 형성되지 않은 평면 렌즈부가 적용될 경우의 이득(Gain) 및 빔폭을 나타낸 표이다.

도 7을 참조하면, 27.5GHz에서 방위에 대한 이득은 8.6dBi이고 빔폭은 59.7도임을 확인할 수 있다. 또한 고도에 대한 이득은 8.6dBi이고 빔폭은 76.8도임을 확인할 수 있다.

이러한 도 7의 결과는 방사부만이 존재하는 도 6의 결과와 비교해볼 대 이득은 증가하고 빔폭은 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 안테나 구조인 다수 레이어의 금속 패턴이 적용된 안테나의 이득 및 빔폭을 나타낸 표이다.

도 8을 참조하면, 27.5GHz에서 방위에 대한 이득은 13.6dBi이고 빔폭은 30.9도임을 확인할 수 있다. 또한, 고도에 대한 이득은 13.6dBi이고 빔폭은 20도임을 확인할 수 있다.

이러한 도 8의 결과는 금속 패턴이 형성되지 않은 도 7의 결과와 비교해볼 때 이득은 증가하고 빔폭은 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. RF 신호를 방사하는 방사부;
   상기 방사부 위에 위치하며 제1 평면 렌즈 및 상기 제1 평면 렌즈에 형성되는 제1 금속 패턴을 포함하는 제1 평면 렌즈부; 및
   상기 제1 평면 렌즈부 위에 위치하며 제2 평면 렌즈 및 상기 제2 평면 렌즈에 형성되는 제2 금속 패턴을 포함하는 제2 평면 렌즈부를 포함하되,
   상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 다수의 금속 패치를 각각 포함하고, 상기 제1 및 상기 제2 금속 패턴의 금속 패치들은 어레이를 형성하도록 배열되며, 상기 제1 및 상기 제2 금속 패턴의 금속 패치들은 연결 라인들을 통해 전기적으로 연결되고,
   상기 금속 패치들로 인해 형성되는 어레이는 가로 라인 및 세로 라인을 포함하며, 상기 연결 라인들은 상기 가로 라인 및 세로 라인 중 선택된 어느 하나 라인의 금속 패치들을 연결하는 것을 특징으로 하는 고 이득 안테나.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 금속 패턴은 동일한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고 이득 안테나.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 방사부에는 상기 제1 평면 렌즈부가 상기 방사부와 소정 거리 이격되어 위에 위치하도록 상기 제1 평면 렌즈부를 지지하는 적어도 하나의 제1 포스트가 형성되는 것을 특징으로 하는 고 이득 안테나.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 평면 렌즈부에는 상기 제2 평면 렌즈부가 상기 제1 평면 렌즈부와 소정 거리 이격되어 위치하도록 상기 제2 평면 렌즈부를 지지하는 적어도 하나의 제2 포스트가 형성되는 것을 특징으로 하는 고 이득 안테나.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 방사부, 제1 평면 렌즈부 및 제2 평면 렌즈부 중 적어도 하나는 상하로 이동 가능한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고 이득 안테나.
   
   
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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