KR102062803B1 - 대수주기 다이폴 안테나 - Google Patents

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KR102062803B1
KR102062803B1 KR1020190127102A KR20190127102A KR102062803B1 KR 102062803 B1 KR102062803 B1 KR 102062803B1 KR 1020190127102 A KR1020190127102 A KR 1020190127102A KR 20190127102 A KR20190127102 A KR 20190127102A KR 102062803 B1 KR102062803 B1 KR 102062803B1
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dipole antenna
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정기범
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주식회사 이앤알
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Abstract

본 발명은, 교번적으로 돌출되어 있는 제1 전도벽들 및 복수의 제1 다이폴 안테나 소자들을 포함하는 상부 빔; 상기 상부 빔의 제1 전도벽들과 쌍을 이루어 교번적으로 돌출되어 있는 제2 전도벽들 및 복수의 제2 다이폴 안테나 소자들을 포함하는 하부 빔; 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이의 공간에 삽입되는 급전케이블 및 더미케이블; 및 상기 상부 빔 및 상기 하부 빔의 길이방향의 일 단부에 마련되는 전도 패치를 포함하고, 이때, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는, 대수주기 다이폴 안테나에 관한 것이다. 이로써, 안테나 방사 패턴의 왜곡을 상대적으로 감소시킬 수 있게 된다.

Description

대수주기 다이폴 안테나{Log-Periodic Dipole Antenna}
본 발명은 대수주기 다이폴 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안테나 방사 패턴에서 백 로브 및/또는 사이드 로브 열화 문제를 해결할 수 있는 구조를 가지는 빔 및 다이폴 안테나 소자들을 포함하는, 대수주기 다이폴 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 대수주기 안테나는 넓은 주파수 대역에서 작동하도록 설계된 복수의 소자들을 가지는 지향성 안테나로 알려져 있다. 대수주기 안테나의 가장 보편적인 형태는 대수주기 다이폴 안테나(log-periodic dipole antenna, LPDA)인데, 이것은 점점 더 감소하는 길이를 가지는 다수의 반파장 다이폴들로 구성되고, 그 각각의 다이폴들은 한 쌍의 금속 막대들로 구성된다. 이 다이폴들은 주파수의 대수 함수에 따르는 간격으로 이격되어 있고, 다이폴들은 공급라인에 평행하게 연결되는 일 직선 상에 교번하는 위상을 가지고 근접하게 장착된다. 보편적으로 구축되는 방법 중 하나는, 전송선로로 또한 작용하는 2 개의 평행한 중앙 지지 붐들을 이용하고, 다이폴들은 교대로 이 붐들에 장착되는 것이다.
이러한 대수주기 안테나는 광대역 특성으로 인해 하나의 안테나로 복수의 주파수 대역들에서 전송할 수 있기 때문에 고전력 단파 방송 기지국의 송신 안테나로서 흔히 이용되고 있다. 특히, 대수 주기 다이폴 안테나는 넓은 주파수 대역에서 주파수에 관계없이 일정한 입력 임피던스와, VSWR 및 방사 특성을 가지게 되며, 이에 따라 다양한 무선 통신 시스템 및 EMC 시스템에 폭넓게 사용되고 있다.
그러나, 보편적으로 2 개의 평행한 중앙 지지 붐들에 교대로 다이폴들이 장착되는 경우에 있어서, 다이폴들이 서로 다른 높이를 갖는 선상에 교차되면서 배열되어 있기 때문에, 후방으로 새어나가는 필드가 형성되고 또한 교차 편파 방사가 생성되게 되어, 안테나의 방사 패턴에 왜곡을 발생시키게 된다.
KR 10-1859179 B1 US 7545338 B2
이로써, 본 발명의 목적은 안테나 방사 패턴의 왜곡을 상대적으로 감소시킬 수 있는, 대수주기 다이폴 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 안테나 방사 패턴에서 백 로브 및/또는 사이드 로브 로 인한 안테나 성능 열화 문제를 해결할 수 있는 구조를 가지는 빔 및 다이폴 안테나 소자들을 포함하는, 대수주기 다이폴 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 주파수에 따른 이득 안정성을 향상시킬 수 있는, 대수주기 다이폴 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 그 폭방향 양측에서 하측을 향해 교번적으로 돌출되어 있는 제1 전도벽들 및 그 길이방향을 따라 점차적으로 길이가 짧아지는, 상기 제1 전도벽들 상에서 연장되어 배치되는 복수의 제1 다이폴 안테나 소자들을 포함하는 상부 빔; 상기 상부 빔의 제1 전도벽들과 쌍을 이루어 그 폭방향 양측에서 상부 빔을 향해 교번적으로 돌출되어 있는 제2 전도벽들 및 그 길이 방향을 따라 점차적으로 길이가 짧아지는, 상기 제2 전도벽들 상에서 연장되어 배치되는 복수의 제2 다이폴 안테나 소자들을 포함하는 하부 빔; 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이의 공간에 삽입되는 한 쌍의 케이블, 상기 한 쌍의 케이블은 급전케이블 및 더미케이블로 구성되고; 및 가장 길이가 짧은, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자 및 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자가 배치되는, 상기 상부 빔 및 상기 하부 빔의 길이방향의 일 단부에 마련되어 상기 급전케이블을 상기 상부 빔과 전기적으로 연결하는 전도 패치를 포함하고, 이때, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는, 대수주기 다이폴 안테나에 의해 달성된다.
이때, 상대적으로 길이가 짧은, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치될 수 있다.
이에 더하여, 상대적으로 길이가 긴, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되지 않을 수 있다.
또한, 가장 길이가 짧은, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자 및 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자로부터 순서대로, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 급전케이블은 동축케이블을, 그리고 상기 전도 패치는 FR4 fpcb를 이용하고, 상기 급전케이블과 상기 더미케이블의 길이는 동일하고, 전도 패치 전면 중앙에는 임피던스 매칭을 위한 슬롯이 마련되어 있고, 상기 급전케이블에 대응하는 위치에는 관통공이 마련되고, 상기 상부 빔과의 연결을 위해 복수의 비아들이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이에 더하여, 상기 급전케이블 및 상기 더미케이블은, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이의 공간의 적어도 일부를 메우는 절연체 지지부 내에 형성된 케이블 관통 홀 내에 배치되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 상부 빔에는 상기 제2 전도벽들에 대응하는 형태를 가지는 제1 홈들이 마련되고, 또한 상기 하부 빔에는 상기 제1 전도벽들에 대응하는 형태를 가지는 제2 홈들이 마련되어 있을 수 있다.
또한, 상기 상부 빔의 제1 홈들과 상기 상부 빔의 제1 전도벽들은 각각 쌍을 이루고, 그 각각의 쌍은 상기 상부 빔의 길이방향에 대하여 수직하는 일 직선 상에 위치될 수 있고, 상기 하부 빔의 제2 홈들과 상기 하부 빔의 제2 전도벽들은 각각 쌍을 이루고, 그 각각의 쌍은 상기 하부 빔의 길이방향에 대하여 수직하는 일 직선 상에 위치될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 대수주기 다이폴 안테나에 따르면, 다이폴 안테나 소자들이 동일한 선 상에 배열됨에 따라, 필드가 후방으로 새어나가지 않고또한 교차편파 방사 문제가 해결됨으로써, 안테나 방사 패턴에서 백 로브 및/또는 사이드 로브 열화 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 대수주기 다이폴 안테나에 따르면, 안테나 방사 패턴에서 백 로브 및/또는 사이드 로브로 인한 안테나 성능 열화 문제를 해결함으로써, 안테나 방사 패턴의 왜곡을 상대적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 대수주기 다이폴 안테나에 따르면, 반전력 빔폭 감소 및 고주파에서의 사이드 로브로 인한 안테나 성능 열화 문제를 해결함으로써, 주파수에 따른 이득 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 사시도이다.
도 1b는 도 1a와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 상부 빔 및 하부 빔의 구조를 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 절연체 지지부를 보여주는 부분 사시도이다.
도 4는 전도 패치가 장착된 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나를 보여주는 부분 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 전도 패치를 보여주는 도면이다.
도 6은 종래 기술과 비교하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 종래 기술들과 비교하여 전도 패치를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 도면이다.
도 8 내지 도 12는 종래 기술과 비교하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 성능 개선들을 보여주는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 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 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 사시도인 도 1a, 그 측단면도인 도 1b, 및 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 상부 빔 및 하부 빔의 구조를 보여주는 사시도인 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 대수주기 다이폴 안테나(1)는, 그 폭방향 양측에서 하측을 향해 교번적으로 돌출되어 있는 제1 전도벽들(12a) 및 그 길이방향을 따라 점차적으로 길이가 짧아지는, 제1 전도벽들(12a) 상에서 연장되어 배치되는 복수의 제1 다이폴 안테나 소자들(11a, 11b, 11c, 11d, 11e)을 포함하는 상부 빔(10); 및 상부 빔(10)의 제1 전도벽들(12a)과 쌍을 이루어 그 폭방향 양측에서 상부 빔(10)을 향해 교번적으로 돌출되어 있는 제2 전도벽들(22a) 및 그 길이 방향을 따라 점차적으로 길이가 짧아지는, 제2 전도벽들(22a) 상에서 연장되어 배치되는 복수의 제2 다이폴 안테나 소자들(21a, 21b, 21c, 21d, 21e)을 포함하는 하부 빔(20)을 포함한다.
일반적인 대수주기 다이폴 안테나와 마찬가지로, 본 발명에 따른 대수주기 다이폴 안테나도 일련의 다이폴 안테나 소자들이 직렬 급전되어 있는 형태로서, 다이폴 안테나(방사) 소자의 길이, 소자 간의 간격, 소자가 갖는 파장들의 관계가 대수적인 관계를 가지고, 각 주파수에서 동작하는 복수 개의 다이폴 안테나(방사) 소자를 일정 간격으로 배열함으로써 광대역 특성을 갖게 된다.
따라서, 다이폴 안테나 소자들의 길이와 간격은 안테나가 동작하는 주파수 범위와 관련된다. 예를 들어, 가장 긴 다이폴 안테나 소자의 길이는 안테나의 가장 낮은 동작 주파수에 비례하고, 가장 짧은 다이폴 안테나 소자의 길이는 안테나의 가장 높은 동작 주파수에 비례한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자들(11a 내지 11e) 중 적어도 일부(11c, 11e)와 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자들(21a 내지 21e) 중 적어도 일부(21b, 21d)는, 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선(AA) 상에 배치되어 있음을 알 수 있다. 여기서, 다이폴 안테나 소자들이 가상의 선 상에 배치된다는 것은, 다이폴 안테나 소자들의 단면의 중심이 하나의, 또는 실질적으로 하나로 간주될 수 있는 선 상에 위치되는 것을 의미한다. 상부 빔과 하부 빔 사이의 공간은 길이방향으로 균일한 것으로 도시되어 있으나, 길이가 긴 다이폴 안테나 소자로부터 길이가 짧은 다이폴 안테나 소자로의 방향으로 점진적으로 감소될 수 있음은 물론이다.
도 1b는 안테나의 일 측만을 도시하였지만, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자들(11a 내지 11e) 중 적어도 일부(11b, 11d)와 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자들(21a 내지 21e) 중 적어도 일부(21c, 21e) 역시, 이 도면으로부터 대칭적으로 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선(AA) 상에 배치되어 있음을 알 수 있다.
다시 말하면, 상대적으로 길이가 짧은, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자들(11a 내지 11e) 중 적어도 일부(11b 내지 11e)와 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자들(21a 내지 21e) 중 적어도 일부(21b 내지 21e)는, 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선(AA) 상에 배치되어 있고, 상대적으로 길이가 긴, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자들(11a 내지 11e) 중 적어도 일부(11a)와 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자들(21a 내지 21e) 중 적어도 일부(21a)는, 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선(AA) 상에 배치되지 않을 수 있다.
또는, 가장 길이가 짧은, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자(11t) 및 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자(21t)로부터 순서대로, 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 일부(~11b)와 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 일부(~21b)는, 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선(AA) 상에 배치되고, 가장 길이가 긴, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자(11a) 및 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자(21a)로부터 순서대로, 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 일부(~11a)와 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 일부(~21a)는, 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선(AA) 상에 배치되지 않을 수 있다.
본 발명에서는 특히 고주파 대역에 있어서, 안테나 방사 패턴에서 백 로브 및/또는 사이드 로브 열화 문제를 해결하고자 하는 것으로서, 상대적으로 길이가 짧은, 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 일부와 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 일부에 대해서, 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는 것을 설명하였으나, 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 전부와 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 전부를 상부 빔과 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 모두 배치하는 것을 배제하지는 않는다.
이 가상의 선과 관련하여, 종래 기술과 비교하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 도면인 도 6을 참조한다. 도 6의 (a)는 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 바와 같이, 종래 보편적으로 구축되는 방법 중 하나인, 전송선로로 작용하는 2 개의 평행한 중앙 지지 붐들 및 이 붐들에 다이폴들이 교대로 장착되는 경우의 사시도 및 측면도를 보여주고, 도 6의 (b)는 본 발명에 따라 다이폴들이 일 직선 상에 배치되는 경우의 사시도 및 측면도를 보여준다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래에 있어서는, 인접하는 주파수 대역들에서 방사하는 다이폴 안테나 소자들이 서로 다른 빔들에 교번하여 배치되어 있는 반면, 본 발명에 있어서는, 인접하는 주파수 대역들에서 방사하는 다이폴 안테나 소자들이 빔들 사이에 존재하는 공간을 관통하는 일 직선 상에, 같은 높이에, 나란히 배치되어 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나는, 다이폴 안테나 소자들이 빔들 사이에 존재하는 공간을 관통하는 일 직선 상에, 같은 높이에, 나란히 배치되는 안테나 구조를 제안하고 있다.
도 2로부터, 상부 빔(10)의 전도벽들 및 홈들 및 하부 빔(20)의 전도벽들 및 홈들 각각은, 빔의 길이방향을 축으로 하여 선대칭을 이루는 것을 볼 수 있고, 이로써 서로를 향해 돌출되어 있는 전도벽들이 빔의 양측에서 쌍을 이루고 있음을 알 수 있다. 하나의 빔에 있어서는 도 1b 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 빔의 길이방향의 일 측면에, 전도벽과 홈이 교대로 형성되어 있고, 빔의 폭방향 양측으로도, 전도벽과 홈이 쌍을 이루어 형성되어 있다.
다시 말하면, 상부 빔(10)에는 제2 전도벽들(22a)에 대응하는 형태를 가지는 제1 홈들(12b)이 마련되고, 또한 하부 빔(20)에는 제1 전도벽들(12a)에 대응하는 형태를 가지는 제2 홈들(22b)이 마련되어 있으며, 서로 대응하는 전도벽들과 홈들은 전기적으로 분리되어 있다. 또한, 상부 빔(10)의 제1 홈들(12b)과 상부 빔(10)의 제1 전도벽들(12a)은 각각 쌍을 이루고, 그 각각의 쌍은 상부 빔의 길이방향에 대하여 수직하는 일 직선 상에 위치되고 이와 유사하게, 하부 빔(20)의 제2 홈들(22b)과 하부 빔(20)의 제2 전도벽들(22a)은 각각 쌍을 이루고, 그 각각의 쌍은 하부 빔의 길이방향에 대하여 수직하는 일 직선 상에 위치되게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나는, 붐의 길이방향의 양 측면에서 서로를 향해 돌출된 연속된 톱니 모양의 도체를 가지는 붐 구조를 제안하고 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 이와 같은 안테나 구조 및 붐 구조를 가지는 대수주기 다이폴 안테나는, 종래의 안테나 방사 패턴의 왜곡을 상당히 개선시키게 되는데, 이는 종래 기술과 비교하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 성능 개선들을 보여주는 도면들인, 도 8 내지 도 10를 참조한다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 치수는, 가장 긴 다이폴 안테나 소자의 길이(11a+21a)는 762.6 mm, 빔의 길이는 681.6 mm, 상부 빔의 상단부로부터 하부 빔의 하단부까지의 높이는 30.2 mm, 빔의 폭은 12.6 mm이었고, 종래의 대수주기 다이폴 안테나와 비교했을 때 거의 유사하기는 하나 상대적으로 소형화 특성을 갖는 것을 이용하였다.
먼저, 본 발명에서 제안하고 있는 이와 같은 안테나 구조 및 붐 구조를 가지는 대수주기 다이폴 안테나를 사용하면, 도 8에서 볼 수 있듯이 전후방비(FBR)에 있어서, 최대 8.52 dB까지 개선될 수 있다. 이는 다이폴 안테나 소자들이 동일한 높이에 배열됨에 따라, 후방으로 새어나갈 수 있는 필드를 차단 및 반사시키고, 이로써 불필요한 백 로브가 상대적으로 감소되기 때문이다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 이와 같은 안테나 구조 및 붐 구조를 가지는 대수주기 다이폴 안테나를 사용하면, 교차편파 분리도(XPI)도 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 최대 18.06 dB까지 개선될 수 있다.
원리상 다이폴 안테나는 작동하는 주파수 대역에 해당되는 다이폴 안테나의 방사 소자와 이에 대응하는 그라운드 소자 사이에서 전계가 형성되며, 평행하게 놓인 축 성분의 편파를 가지게 되는데, 종래에 있어서는 다이폴 안테나의 방사 소자와 그라운드 소자의 위치가 동일한 높이에 있지 않고 서로 엇갈려 배치되어 있기 때문에 교차편파 방사를 가지게 되는 반면 본 발명에 있어서는 다이폴 안테나의 방사 소자와 그라운드 소자를 같은 높이에 배치함으로써, 이러한 교차편파 방사 문제가 해결되게 된다.
이로써, 교차편파 필드 성분이 크게 형성될수록, 다이폴 안테나의 방사 소자와 그라운드 소자 상에 존재하는 도체관 형태인 붐들에 의해 더욱 큰 영향을 받으며, 필드 형태가 변형되어 안테나의 방사 패턴에 왜곡을 발생시키게 되어, 반전력 빔폭이 저하되고 사이드 로브가 형성되게 되는 문제점들도 함께 해결될 수 있게 된다. 종래(도 10의 (a)) 및 본 발명(도 10의 (b))에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 H-평면 및 E-평면에 대한 0.2 GHz, 0.5 GHz, 1.0 GHz, 1.5 GHz, 및 2.0 GHz에서의 방사 패턴을 보여주는 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제안하고 있는 이와 같은 안테나 구조 및 붐 구조를 가지는 대수주기 다이폴 안테나를 사용하면, 표 1 및 표 2와 같이, 반전력 빔폭(HPBW)도 확장되고, 특히 고주파 대역에 있어서 사이드 로브가 제거될 수 있게 된다(도 10의 (a)의 음영 부분 참조).
주파수(GHz) 종래 본 발명
0.2 66.29 68.38
0.5 53.63 74.86
1 53.72 81.98
1.5 46.24 52.27
2 38.88 76.44
주파수(GHz) 종래 본 발명
0.2 139.53 140.52
0.5 102.37 147.21
1 111.05 154.73
1.5 99.3 103.43
2 88.85 146.08
표 1 및 표 2는 종래(도 10의 (a)) 및 본 발명(도 10의 (b))에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 E-평면 및 H-평면에 대한 주파수별 반전력 빔폭(HPBW)을 각각 보여주는 표들인데, 이로부터 주파수가 커짐에 따라 반전력 빔폭이 점점 작아지는 종래 기술들과는 달리, 본 발명에서는, 주파수에 따라서 반전력 빔폭의 편차가 작음을 알 수 있다. 즉, 주파수에 상관없이 유사한 반전력 빔폭을 획득할 수 있어 E-평면 반전력 빔폭 성능에 대한 주파수 안정성이 향상되었음을 알 수 있다.
나아가, 반전력 빔폭 저하 및 특히 고주파 대역에서의 사이드 로브 열화 문제가 해결됨에 따라 주파수에 따른 이득 안정성이 향상되게 된다. 이는 종래 및 본 발명에 따른 주파수별 최대 이득(dBi)을 보여주는, 표 1에서 확인할 수 있다.
주파수(GHz) 종래 본 발명
0.2 6.3727 6.17
0.5 7.7743 6.5
1 7.5 6.48
1.5 8.2827 7.6099
2 8.38 6.5624
상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래에 있어서는 주파수 증가에 따라 빔폭이 감소되기 때문에, 주파수가 증가함에 따라 이득이 증가한다. 즉, 주파수에 따라서 이득에 편차가 발생하게 되는 것이다. 하지만, 본 발명에 있어서는, 주파수에 따라서 이득에 편차가 작다. 즉, 주파수에 상관없이 유사한 이득을 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나(1)는, 또한 급전 구조 중 하나로서, 상부 빔(10)과 하부 빔(20) 사이의 공간에 삽입되는 한 쌍의 케이블, 즉, 급전케이블(31) 및 더미케이블(32)을 포함한다. 이때 더미케이블(32)은 방사 패턴의 대칭성을 확보하기 위해 급전케이블(3)과 동일한 길이로 가상의 선(AA)에 대하여 대칭적으로 구성되는 것이 바람직하다.
나아가, 급전케이블(31) 및 더미케이블(32)은, 도 3의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상부 빔(10)과 상기 하부 빔(20) 사이의 공간의 적어도 일부를 메우는 절연체 지지부(30) 내에 형성된 케이블 관통 홀(33) 내에, 도 3의 (b)와 같이, 안정적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나(1)는, 또한 급전 구조 중 다른 하나로서, 가장 길이가 짧은, 상부 빔(10)의 제1 다이폴 안테나 소자(11t) 및 하부 빔(20)의 제2 다이폴 안테나 소자(21t)가 배치되는, 상부 빔 및 하부 빔의 길이방향의 일 단부에 마련되어 급전케이블(31) 및 더미케이블(32)에 연결되는 전도 패치(40)를 포함한다.
전도 패치(40)는 예를 들어 FR4 fpcb 유전체 기판을 이용하여 구현할 수 있는데, 전도 패치가 장착된 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나를 보여주는 부분 사시도인 도 4 및 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 전도 패치의 상부층(도 5의 (a) 참조) 및 하부층(도 5의 (b) 참조)를 보여주는 도면인 도 5를 참조하면, 이때 전도 패치(40) 전면 중앙에는 전도부(41)가 마련되고 그 전도부(41) 내에는 예를 들어 식각 등으로 임피던스 매칭을 위한 슬롯(42)이 마련되어 있고, 급전케이블(31)에 대응하는 위치에는 관통공(43)이 마련되어 이를 통해 급전이 이루어지고, 나아가 상부 빔(10)과의 전기적 연결을 위해 다수의 비아들(44)이 형성되어 있다. 이로써, 급전케이블의 급전이 관통공과 연결되고 관통공을 통해 다수의 비아들이 전기적으로 연결된 전도부를 통해 상부빔과 연결되어 급전되는 것이다. 한편, 더미케이블(32)은 전도 패치(40)가 마련되는 일 단부가 아닌 타 단부에서 접지될 수 있으며, 도 1a에서는 하부 빔으로 구성되는데, 이로써 더미케이블(32)은 전도 패치(40)와 연결되지만 실질적으로는 전도 패치(40)와 전기적으로 분리되어 있다.
급전케이블로서 동축케이블을 이용하는 경우에 있어서는, 특히 급전케이블과 함께 동일한 길이의 더미케이블을 쌍으로 배치하고, 또한 이 급전케이블을 상부 빔과 전기적으로 연결하는 전도 패치로서 FR4 fpcb를 이용하는 것이 유리하다. 이는 동축케이블을 이용하여 대수주기 다이폴 안테나에 급전하는 경우에 있어서 급전 형성 뿐만 아니라 임피던스 매칭을 위한 H형 슬롯을 효율적으로 구성할 수 있게 해주기 때문이다.
이로써, 고주파 대역을 포함하여 모든 주파수 대역에 걸쳐 안테나와 급전케이블 사이의 완벽한 평형을 이루도록 임피던스와 대칭성을 매칭시켜 주게 된다. 또한, 불평형 급전 구조로 인한 고주파 빔폭 저하 문제도 극복되어, 고주파 대역에서 안테나 방사 패턴의 빔폭이 확장되고, E-평면 반전력 빔폭(HPBW) 성능에 대하여 주파수 안정성이 향상된다.
이와 같은 급전 구조를 더 포함하는 본 발명의 효과는, 종래 기술들과 비교하여 전도 패치를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 구조를 보여주는 도면인 도 7, 및 종래 기술들과 비교하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 성능 개선들을 보여주는 도면들인 도 11 및 도 12를 참조한다.
도 7의 (a)는 급전 구조로서, 동축-직접 공급(Coax-direct)을 이용하고, 도 7의 (b)는 동축 케이블에 캡을 연결하는 구조인 종래 공급(Conventional)을 이용하고, 도 7의 (c)는 본 발명에서 제안하는 급전 구조인 전도 패치(Proposed)를 이용하는 것을 보여준다. 도 10은 종래(도 7의 (a) 및 (b)) 및 본 발명(도 7의 (c))에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 H-평면 및 E-평면에 대한 2.0 GHz에서의 방사 패턴을 보여주는 도면인데, 하단의 표에 의해 본 발명에서 제안하는 급전 구조로 특히 고주파 대역에서 빔폭이 저하되는 문제가 해결됨을 볼 수 있다.
나아가, 도 12는 종래(도 7의 (a) 및 (b)) 및 본 발명(도 7의 (c))에 따른 대수주기 다이폴 안테나의 E-평면에 대한 주파수별 반전력 빔폭(HPBW)을 보여주는 도면인데, 그래프 및 하단의 표에 의해, 종래 기술들과는 달리, 본 발명에서는, 주파수에 따라서 반전력 빔폭의 편차가 작음을 알 수 있다. 즉, 주파수에 상관없이 유사한 반전력 빔폭을 획득할 수 있어 E-평면 반전력 빔폭 성능에 대한 주파수 안정성이 향상되었음을 알 수 있다.
일반적으로 본 명세서에서 사용된 용어는, 특히 청구항에서(예를 들어, 청구항의 본문) 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도된다(예를 들어, "포함하는"은 "포함하나 이에 제한되지 않는"으로, "가지다"는 "적어도 그 이상으로 가지다"로, "포함하다"는 "포함하나 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 함) 도입된 청구항 기재에 대하여 특정한 개수가 의도되는 경우, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 기재되며, 이러한 기재가 부재하는 경우 이러한 의도는 존재하지 않는 것으로 이해된다.
본 발명의 특정 특징만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었으며, 다양한 수정 및 변경이 당업자에 대하여 발생할 수 있다. 그러므로 청구항은 본 발명의 사상 내에 속하는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해된다.
1: 대수주기 다이폴 안테나 10: 상부 빔
11, 21: 다이폴 안테나 소자 20: 하부 빔
30: 절연체 지지부 31: 급전케이블
32: 더미케이블 40: 전도 패치

Claims (9)

  1. 대수주기 다이폴 안테나에 있어서,
    그 폭방향 양측에서 하측을 향해 교번적으로 돌출되어 있는 제1 전도벽들 및 그 길이방향을 따라 점차적으로 길이가 짧아지는, 상기 제1 전도벽들 상에서 연장되어 배치되는 복수의 제1 다이폴 안테나 소자들을 포함하는 상부 빔;
    상기 상부 빔의 제1 전도벽들과 쌍을 이루어 그 폭방향 양측에서 상부 빔을 향해 교번적으로 돌출되어 있는 제2 전도벽들 및 그 길이 방향을 따라 점차적으로 길이가 짧아지는, 상기 제2 전도벽들 상에서 연장되어 배치되는 복수의 제2 다이폴 안테나 소자들을 포함하는 하부 빔;
    상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이의 공간에 삽입되는 한 쌍의 케이블, 상기 한 쌍의 케이블은 급전케이블 및 더미케이블로 구성되고; 및
    가장 길이가 짧은, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자 및 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자가 배치되는, 상기 상부 빔 및 상기 하부 빔의 길이방향의 일 단부에 마련되어 상기 급전케이블을 상기 상부 빔과 전기적으로 연결하는 전도 패치를 포함하고,
    이때, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는, 대수주기 다이폴 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상대적으로 길이가 짧은, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는, 대수주기 다이폴 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상대적으로 길이가 긴, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 적어도 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되지 않는, 대수주기 다이폴 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가장 길이가 짧은, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자 및 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자로부터 순서대로, 상기 상부 빔의 제1 다이폴 안테나 소자들 중 일부와 상기 하부 빔의 제2 다이폴 안테나 소자들 중 일부는, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이에 위치할 수 있는 가상의 선 상에 배치되는, 대수주기 다이폴 안테나.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 급전케이블은 동축케이블을, 그리고 상기 전도 패치는 FR4 fpcb를 이용하고, 상기 급전케이블과 상기 더미케이블의 길이는 동일하고, 상기 전도 패치 전면 중앙에는 임피던스 매칭을 위한 슬롯이 마련되어 있고, 상기 급전케이블에 대응하는 위치에는 관통공이 마련되어 이를 통해 급전이 이루어지고, 나아가 상기 상부 빔과의 전기적 연결을 위해 복수의 비아들이 형성되어 있는, 대수주기 다이폴 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 급전케이블 및 상기 더미케이블은, 상기 상부 빔과 상기 하부 빔 사이의 공간의 적어도 일부를 메우는 절연체 지지부 내에 형성된 케이블 관통 홀 내에 배치되는, 대수주기 다이폴 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 빔에는 상기 제2 전도벽들에 대응하는 형태를 가지는 제1 홈들이 마련되고, 또한 상기 하부 빔에는 상기 제1 전도벽들에 대응하는 형태를 가지는 제2 홈들이 마련되어 있는, 대수주기 다이폴 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 빔의 제1 홈들과 상기 상부 빔의 제1 전도벽들은 각각 쌍을 이루고, 그 각각의 쌍은 상기 상부 빔의 길이방향에 대하여 수직하는 일 직선 상에 위치되는, 대수주기 다이폴 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하부 빔의 제2 홈들과 상기 하부 빔의 제2 전도벽들은 각각 쌍을 이루고, 그 각각의 쌍은 상기 하부 빔의 길이방향에 대하여 수직하는 일 직선 상에 위치되는, 대수주기 다이폴 안테나.
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