KR102351869B1 - 고효율 광대역 안테나 - Google Patents

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이호준
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Abstract

고효율 광대역 안테나가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 광대역 안테나는, 방사체, 접지면, 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면가 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부를 포함한다. 이에 의해, 방사체에 슬롯이나 새로운 구조를 추가하거나 방사체의 변형하지 않고서도, 광대역 특성을 구현할 수 있고, 방사체의 크기를 조정하여 공진 주파수를 조정할 수 있게 된다.

Description

고효율 광대역 안테나{High efficiency broadband antenna}
본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고효율 광대역 안테나에 관한 것이다.
종래의 광대역 안테나들은 광대역 특성을 만들기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 기생소자를 이용하거나 도 2에 도시된 바와 같이 방사소자(방사체)에 slot을 삽입함으로써 광대역 특성이 나타나도록 하고 있다.
그러나, 기생소자를 이용하는 광대역 안테나의 경우 기생소자를 사용함으로써 필연적으로 안테나 부피가 커지는 단점이 있으며, 방사체에 슬롯을 사용할 경우 안테나 효율이 줄어드는 단점이 있다.
그 외에도 마이크로스트립 누설파를 이용하거나 tapered slot 안테나와 같은 slot의 구조를 변형한 형태가 사용되기도 한다. 또한, 급전부의 구조를 이용한 광대역 구현에 대한 연구도 활발히 이루어졌다. 그 중에서도 L형 및 후크 구조를 적용한 급전을 통해 광대역화를 이룬 경우도 있으며, F 구조를 적용한 광대역 안테나를 구현한 예도 있다.
그러나, 이러한 안테나들은 대역폭이 통상 10~50% 내외로서 일반적인 패치 안테나보다 넓지만, 800MHz 밴드와 2GHz 전후의 밴드를 통합하여 전체 대역폭이 100%를 넘는 경우를 찾아보기 힘들다.
대역폭이 100% 이상을 갖는 소형 안테나의 경우는 UWB 안테나 또는 프랙탈(fractal) 구조의 안테나들이 있으나, 기본적으로 monopole 또는 dipole type으로 설계되어 이득이 작고 주파수에 따른 방사 패턴의 지향 방향이 일정하지 않으며, 설치 환경에 따라 크게 영향을 받는 단점을 가지고 있다.
그 외에 고이득이면서 100% 이상의 대역폭을 구현한 것으로는, 도 3에 도시된 바와 같은 대수주기 안테나와 도 4에 도시된 바와 같은 Horn 안테나 등이 있다. 하지만, 대수주기 안테나와 Horn 안테나는 상대적으로 큰 체적을 차지한다는 점에서 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 방사체에 슬롯이나 새로운 구조를 추가하거나 방사체의 변형하지 않고서도 광대역 특성을 낼 수 있는 안테나를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 광대역 안테나는, 방사체(Radiator); 접지면(Ground Plane); 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면가 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부(Feeder);를 포함한다.
방사체는, 접지면의 넓이 방향과 수직 방향으로 배치될 수 있다. 접지면은, 단면이 링 형상일 수 있다. 특정 간격은, 광대역 안테나의 대역폭에 의해 결정될 수 있다.
방사체는, 원형, 사각형, 삼각형 중 적어도 하나일 수 있다. 방사체의 크기는, 광대역 안테나의 공진 주파수에 의해 결정될 수 있다.
방사체는, 접지면에 대향하는 부분은 직선으로 형성될 수 있다. 방사체의 면적은, 접지면의 면적 보다 넓을 수 있다. 방사체는, 양면 기판으로 제작될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통신 방법은, 송신 신호를 광대역 안테나를 통해 송신하는 단계; 광대역 안테나를 통해 신호를 수신하는 단계;를 포함하고, 광대역 안테나는, 방사체, 접지면 및 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면가 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통신 시스템은, 광대역 안테나; 및 송신 신호를 생성하여 광대역 안테나를 통해 송신하고, 광대역 안테나를 통해 신호를 수신하는 송수신부;를 포함하고, 광대역 안테나는, 방사체, 접지면 및 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면가 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통신 방법은, 송신 신호를 생성하는 단계; 생성한 송신 신호를 광대역 안테나를 통해 송신하는 단계; 광대역 안테나를 통해 신호를 수신하는 단계;를 포함하고, 광대역 안테나는, 방사체, 접지면 및 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면가 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 방사체에 슬롯이나 새로운 구조를 추가하거나 방사체의 변형하지 않고서도, 광대역 특성을 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 방사체의 크기를 조정하여 공진 주파수를 조정할 수 있으며, 방사체와 접지면 사이의 간격을 조정하여 대역을 조정할 수 있어, 모든 주파수 대역에 활용 가능하다.
도 1 내지 도 4는 종래의 광대역 안테나를 예시한 도면들,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나의 구조를 도시한 도면,
도 6은 방사체의 지름과 공진 주파수와의 관계를 나타낸 그래프,
도 7은 방사체와 접지면의 간격에 따른 임피던스 변화를 나타낸 그래프,
도 8은 기생 원형 방사체에 대한 임피던스 변화를 나타낸 그래프,
도 9는 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 주파수 특성을 나타낸 그래프,
도 10은 무반사실에서 측정된 주파수 별 안테나의 최대 이득을 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나를 실제작하여 촬영한 사진,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템의 블럭도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
일반적으로, 안테나는 매우 좁은 대역폭을 가지고 있다. 따라서, 여러 대역의 안테나를 사용할 경우 각각의 주파수에 맞는 안테나를 제작하여 다수의 안테나를 사용하고 있다.
일례로 2G부터 5G까지의 통신대역을 만족하기 위해서는 최소 3~4개 이상의 안테나가 필요하며, 이러한 안테나들을 동시 사용시 안테나 사이의 커플링에 의한 문제로 안테나 성능 저하와 다수의 안테나 사용에 따른 제한된 공간 부족으로 전체적인 통신 품질 저하가 발생하게 된다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서 앞서 살펴본 다양한 방법들의 광대역 기법들이 있으나, 본 발명의 실시예에에서는 보다 더 간단하게 광대역화를 할 수 있는 방법을 제시한다.
본 발명의 실시예에서 제시하는 고효율 광대역 안테나는 슬롯이나 새로운 구조물을 추가하거나, 부피, 면적의 증가 등과 같은 방사체 변형 없이 사용하는 주파수 대역의 방사체 크기에 맞춰 광대역 특성 구현이 가능한 형태의 안테나 구조를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나는 방사체의 모양(형태)에 제한을 받지 않으므로 어떤 형태의 방사체든지 적용 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 원형 구조의 방사체를 제시하지만, 사각형, 삼각형 등은 물론 그 밖의 다양한 구조에 활용 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나는 방사체와 접지면 사이의 간격만으로 광대역 특성을 구현할 수 있고, 방사체의 크기에 따라 공진 주파수가 결정되므로 사용하는 주파수에 따라서 모든 주파수 대역에 활용 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나의 구조를 도시한 도면이다. 도 5의 좌측 도면은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나를 정면에서 바라보면서 도시한 도면이고, 도 5의 우측 도면은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나를 측면에서 바라보면서 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에서는 고효율 광대역 안테나로 단일 광대역 원형 모노폴 안테나를 제시하였는데, 구체적인 구조에 대해서는 변형이 가능하며, 이에 대해서는 상세히 후술한다.
본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나는, 도시된 바와 같이, 방사체(Radiator)(110), 접지면(Ground Plane)(120) 및 급전부(Feeder)(130)를 포함하여 구성된다.
방사체(110)는 접지면(120)의 넓이 방향과 수직 방향으로 배치된다. 방사체(110)의 크기, 즉, 방사체(110)의 지름은 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 공진 주파수에 의해 결정된다.
방사체(110)의 지름을 조정하면, 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 공진 주파수를 조정할 수 있다.
도 6은 방사체(110)의 지름과 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 공진 주파수와의 관계를 나타내고 있다. 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 방사체(110)의 지름에 따라 차단 주파수(cut-off frequency)가 결정되는 것으로 나타났다. 즉, 초기 주파수(start frequency)가 2 GHz일 때 방사체(110)의 지름은 30 mm 이상을 사용하여야 함을 확인할 수 있다. 도 5에서는 방사체(110)의 지름을 30mm로 하였다.
다시, 도 5를 참조하여 설명한다. 접지면(120)는 방사체(110)의 넓이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 단면은 링 형상이다.
급전부(130)는 접지면(120)의 내부(중앙부)를 관통하여 방사체(110)에 연결된다. 급전부(130)는 방사체(110)와 접지면(120)가 특정 간격(D1)을 유지하도록 방사체(110)를 지지한다. 즉, 급전부(130)에 의해 방사체(110)와 접지면(120)는 특정 간격을 유지하게 된다.
방사체(110)와 접지면(120)의 간의 이 특정 간격(D1)은 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 대역폭에 의해 결정된다. 즉, 방사체(110)와 접지면(120)의 간격(D1)을 조정하면, 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 대역폭을 조정할 수 있다. 또한, 방사체(110)와 접지면(120)의 간격(D1)은 광대역 임피던스 정합에도 매우 중요한 파라미터이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나에서 방사체(110)와 접지면(120)의 간격(D1)에 따른 임피던스 변화를 나타내고 있다. 방사체(110)와 접지면(120)의 간격(D1)이 4.0mm에서 1.0mm로 변화할 때, 방사체(110)와 접지면(120)의 간격(D1)이 짧아지면서, 즉, 방사체(110)의 높이가 낮아지면서 임피던스 정합이 우수해짐을 확인할 수 있다. 이에 따르면, 방사체(110)와 접지면(120)의 간격(D1)은 2mm 이내가 적정할 것으로 판된된다. 도 5에서는 이 간격(D1)을 1.0mm로 하였다.
도 8은 기생 원형 방사체에 대한 임피던스 변화를 나타내고 있다. 도 8에서와 같이, 특정 주파수 대역(2.17 GHz ~ 4.57 GHz)에서 우수한 임피던스 정합을 확인할 수 있다. 이는, 광대역 안테나 설계시 기생 원형 방사체를 사용하는 것이 특정 주파수에서의 매우 높은 임피던스 정합을 보이게 될 것임을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 주파수 특성을 나타내고 있다. 2.0GHz~8GHz 주파수 대역에서 정재파비가 1.6:1 이하의 값을 얻었다. 특히, 5G 대역이 포함되는 3.4GHz~4.990GHz에서는 정재파비 1.5:1이하의 값을 얻었다.
도 10은 무반사실(Anechoic Chamber)에서 측정된 주파수 별 안테나의 최대 이득을 나타내고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나의 최대 이득은 2.0~6GHz 대역에서 5dBi 이상의 성능을 얻었다. 특히, 5G 대역 내 안테나 이득 변동은 링크버짓 예산을 계산하는데 도움이 되도록 안테나의 이득 편차를 최소화하게 설계되었다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나를 실제작하여 촬영한 사진이다. 실제작된 본 발명의 실시예에 따른 단일 광대역 원형 모노폴 안테나는 방사체(100)와 접지면(120) 사이의 간격을 최적화 조건으로 설정하여 제작되었다.
방사체(110)는 FR4(두께:0.8 mm) 양면 기판을 사용하였고, 면적을 접지면(120)의 면적 보다 넓게 제작하였다. 또한, 방사체(110)의 하부, 즉, 접지면(120)에 대향하는 부분은 직선으로 형성하였다.
지금까지 고효율 광대역 안테나 구현 방법에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는, 기존의 부피가 커지는 단점이나, 방사체에 slot 삽입으로 인한 효율 저하와 같은 종래의 문제점 없이 방사체만으로 광대역을 만들 수 있는 방법을 제시하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방사체에 슬롯이나 새로운 구조를 추가하거나 방사체의 변형하지 않고, 광대역을 만들 수 있기 때문에 안테나의 전기적인 특성의 저하나 부피가 커지는 단점이 없다.
특히, 방사체와 접지면 사이의 간격만으로 광대역 특성을 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 방사체의 크기에 따라 공진 주파수가 결정되므로 사용하는 주파수에 따라서 모든 주파수 대역에 활용 가능한 장점을 갖는다.
위 실시예에서는, 2~6GHz 대역에서 동작하는 안테나를 제작하고 그 특성을 테스트 하였는데, 전술하였던 바와 같이 제시된 구조들은 예시적인 것으로 변형이 가능하다.
이를 테면, 방사체(110)의 형상은 원형이 아닌 사각형, 삼각형, 기타 다른 형상으로 구현 가능하며, 이 경우 공진 주파수를 조정하기 위해 방사체(110)의 면적을 조정하는 것이 유효하다.
나아가, 단일 대역 안테나가 아닌 경우나 모노폴 안테나가 아닌 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 따른 고효율 광대역 안테나는 현재 다수의 안테나를 사용해야 하는 곳 어디서든지 사용 가능하며(중계기, 단말기, 차량용 안테나,...), 제작이 간편하고 추가적인 비용발생이 일어나지 않는 한편, 다수의 안테나를 하나의 안테나로 대체 가능함으로 여러 가지 잇점을 가지고 있어 많은 활용이 가능하다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템의 블럭도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 시스템은, 도 11에 도시된 바와 같이, 광대역 안테나(100)와 송수신부(200)를 포함하여 구성된다.
광대역 안테나(100)의 구성에 대해서는 지금까지 전술한 바 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
송수신부(200)는 송신 신호를 생성하여 광대역 안테나(100)를 통해 송신한다. 또한, 송수신부(200)는 광대역 안테나(100)를 통해 수신되는 신호에 대해 필요한 신호 처리를 수행한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 방사체(Radiator)
120 : 접지면(Ground Plane)
130 : 급전부(Feeder)

Claims (12)

  1. 방사체(Radiator);
    접지면(Ground Plane);
    접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면이 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부(Feeder);를 포함하고,
    방사체의 크기는,
    광대역 안테나의 공진 주파수에 의해 결정되며,
    특정 간격은,
    광대역 안테나의 대역폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    방사체는,
    접지면의 넓이 방향과 수직 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서,
    접지면은,
    단면이 링 형상인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    방사체는,
    원형, 사각형, 삼각형 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    방사체는,
    접지면에 대향하는 부분은 직선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  8. 청구항 1에 있어서,
    방사체의 면적은,
    접지면의 면적 보다 넓은 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  9. 청구항 1에 있어서,
    방사체는,
    양면 기판으로 제작되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  10. 송신 신호를 광대역 안테나를 통해 송신하는 단계;
    광대역 안테나를 통해 신호를 수신하는 단계;를 포함하고,
    광대역 안테나는,
    방사체(Radiator), 접지면(Ground Plane) 및 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면이 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부(Feeder)를 포함하고,
    방사체의 크기는,
    광대역 안테나의 공진 주파수에 의해 결정되며,
    특정 간격은,
    광대역 안테나의 대역폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  11. 광대역 안테나; 및
    송신 신호를 생성하여 광대역 안테나를 통해 송신하고, 광대역 안테나를 통해 신호를 수신하는 송수신부;를 포함하고,
    광대역 안테나는,
    방사체(Radiator);
    접지면(Ground Plane);
    접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면이 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부(Feeder);를 포함하고,
    방사체의 크기는,
    광대역 안테나의 공진 주파수에 의해 결정되며,
    특정 간격은,
    광대역 안테나의 대역폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  12. 송신 신호를 생성하는 단계;
    생성한 송신 신호를 광대역 안테나를 통해 송신하는 단계;
    광대역 안테나를 통해 신호를 수신하는 단계;를 포함하고,
    광대역 안테나는,
    방사체(Radiator), 접지면(Ground Plane) 및 접지면의 내부를 관통하여 방사체에 연결되며, 방사체와 접지면이 특정 간격을 유지하도록 방사체를 지지하는 급전부(Feeder)를 포함하고,
    방사체의 크기는,
    광대역 안테나의 공진 주파수에 의해 결정되며,
    특정 간격은,
    광대역 안테나의 대역폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
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