KR102392228B1 - 방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치 - Google Patents

방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치 Download PDF

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이문규
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Abstract

방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치를 개시한다.
본 실시예는 안테나 면적을 작게 구현하면서 Tx-Rx 격리도를 개선시키기 위해 Tx 안테나와 Rx 안테나의 간격을 좁게 배치하고, 안테나 방사체의 급전부 형태를 변형하여 Tx 신호 송출시 Tx,Rx 안테나 간 결합으로 발생하는 Tx 누설 신호와 동일한 크기와 역위상을 갖는 신호의 생성으로, Tx 누설 신호를 제거하여 안테나 격리도를 향상시킬 수 있도록 하는 방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치를 제공한다.

Description

방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치{Antenna Apparatus with High Isolation by Using Directional Coupler}
본 발명의 일 실시예는 방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
멀티미디어 서비스에 대한 요구가 급증함에 따라 이동통신 시스템은 신뢰성 있는 고속의 데이터를 전송하도록 요구되고 있다. 제한된 대역폭과 전력을 이용하는 무선 채널을 통해서 고속의 데이터 전송을 위해 용량의 증가가 필수적이다. 최근 둘 이상의 다중 안테나 시스템을 사용하여 용량을 개선시키는 기술들에 대한 관심이 증가하고 있다.
무선 통신 환경은 페이딩, 음영 효과, 전파 감쇠 및 간섭 등에 의해 수신 신호의 신뢰성이 크게 저하된다. 고속의 데이터 통신이 가능하기 위해서는 이러한 무선 채널 특성을 극복하거나 그 성질을 이용하기 위한 대안이 필요하다.
일반적인 안테나 장치는 Tx 안테나에서 신호를 전송할 때, Tx 신호 일부가 Rx 안테나로 흘러들어간다. Tx 안테나와 Rx 안테나 간에 신호 간섭을 해결하기 위해 Tx 안테나와 Rx 안테나를 멀리 이격 시킨다.
다시 말해, Tx 안테나와 Rx 안테나 간의 간섭을 해결하기 위해서는 Tx 안테나와 Rx 안테나 간의 간격을 멀리 이격시킬 수 있으나, 실제 안테나를 작은 크기로 설계하는 경우 레이아웃 상에 Tx 안테나와 Rx 안테나 사이를 충분히 이격시키기 어려운 문제가 있다.
Tx 안테나와 Rx 안테나를 멀리 이격시키는 경우, 격리도를 개선 시킬 수 있지만, 공간상 많은 영역을 차지하게 되므로 회로 크기가 커지는 문제가 있다. Tx 안테나에서 송신된 레이다 빔이 객체로부터 반사된 반사 신호가 Rx 안테나로 입력되어 하는데, Tx 안테나로부터 흘러들어온 신호 때문에 수신기의 증폭기가 포화되는 문제가 발생한다.
따라서, 레이다 수신기 감도 개선과 작은 안테나의 면적을 위해, 근접 송수신 안테나 장치에서 Tx 안테나와 Rx 안테나 간의 격리도를 확보할 수 있는 기술을 필요로 한다.
본 실시예는 안테나 면적을 작게 구현하면서 Tx-Rx 격리도를 개선시키기 위해 Tx 안테나와 Rx 안테나의 간격을 좁게 배치하고, 안테나 방사체의 급전부 형태를 변형하여 Tx 신호 송출시 Tx,Rx 안테나 간 결합으로 발생하는 Tx 누설 신호와 동일한 크기와 역위상을 갖는 신호의 생성으로, Tx 누설 신호를 제거하여 안테나 격리도를 향상시킬 수 있도록 하는 방향성 결합기를 이용한 고격리도 특성을 갖는 안테나 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 영역으로 Tx 신호를 송출하는 Tx 안테나; 상기 기 설정된 영역 내에 존재하는 객체로부터 상기 Tx 신호에 대응하여 반사되는 Rx 신호를 수신하는 Rx 안테나; 상기 Tx 안테나와 상기 Rx 안테나 간에 연결되어 상기 Tx 신호를 송출하는 과정에서 발생하는 누설 신호(Leakage Signal)와 동일한 크기를 가지며, 반대의 위상(Phase)을 갖는 신호를 상기 누설 신호와 커플링(Coupling)하여 상기 누설 신호를 제거하는 방향성 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 안테나 면적을 작게 구현하면서 Tx-Rx 격리도를 개선시키기 위해 Tx 안테나와 Rx 안테나의 간격을 좁게 배치하고, 안테나 방사체의 급전부 형태를 변형하여 Tx 신호 송출시 Tx,Rx 안테나 간 결합으로 발생하는 Tx 누설 신호와 동일한 크기와 역위상을 갖는 신호의 생성으로, Tx 누설 신호를 제거하여 안테나 격리도를 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1a,1b,1c는 본 실시예에 따른 방향성 결합기를 이용한 안테나 장치 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 Tx-Rx 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 9.5mm 안테나 간격을 갖는 Tx,Rx 안테나와 Tx-Rx 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 방향성 결합기를 적용한 Tx,Rx 안테나를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 CST 3D EM 해석 프로그램을 이용한 방향성 결합기 유무에 따른 Tx-Rx 안테나 격리도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 방향성 결합기 유무에 따른 Tx,Rx 안테나 이득을 나타낸 도면이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a,1b,1c는 본 실시예에 따른 방향성 결합기를 이용한 안테나 장치 구조를 나타낸 도면이다.
일반적인 레이다 안테나 같은 경우, 격리도를 확보하기 위해, 송수신 안테나 간의 거리를 이격시키나, 본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 송수신 안테나 간의 거리를 근접시키면서 격리도를 확보한다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 감결합 네트워크(Decoupling Network) 구조를 적용하여 결합도 조정을 위한 방향성 결합기, 위상 조정을 위한 전송 선로를 포함하여 동작한다. 다시 말해, 안테나 장치(100)는 방향성 결합기(120)를 이용한 감결합 네트워크 구조로 안테나 격리도를 향상시킨다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 Tx 안테나 포트(110)와 Rx 안테나 포트(170)가 하나의 방향성 결합기(120)와 Tx 선로(130)와 Rx 선로(160)에 연결되어 크기와 위상 관계를 조정하여 송수신 신호를 제거할 수 있다. 방향성 결합기(120)는 Tx 선로(130)와 Rx 선로(160)를 경유하여 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)와 연결된다.
Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)의 각 공급선로(Tx 선로(130)와 Rx 선로(160))는 방향성 결합기(120)와 연결된다. Tx 안테나 포트(110)에 신호 인가시, Tx 안테나(140)로부터 Rx 안테나(150)로의 결합된 신호와 방향성 결합기(120)에서 결합된 신호는 Rx 안테나 포트(170)의 수신부에서 서로 합성된다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 Tx 안테나 포트(110), 방향성 결합기(120), Tx 선로(130), Tx 안테나(140), Rx 안테나(150), Rx 선로(160), Rx 안테나 포트(170)를 포함한다. 안테나 장치(100)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 안테나 장치(100)는 감결합 네트워크 구조를 갖는다.
Tx 안테나 포트(110)는 Tx 신호를 인가받아 전달한다.
방향성 결합기(120)와 Tx 선로(130)과 Rx 선로(160)로 구성된 감결합 네트워크는 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 급전부에 연결되어 Tx 신호를 송출하는 과정에서 발생하는 안테나간 결합으로 생성되는 누설 신호(Leakage Signal)와 동일한 크기를 가지며, 반대의 위상(Phase)을 갖는 신호를 안테나간 결합으로 인한 누설 신호와 합하여 Rx로의 Tx 누설 신호를 제거한다.
방향성 결합기(120)는 Tx 신호로 인해 발생한 누설 신호와 동일한 크기의 신호를 생성하되, 방향성 결합기(120), Tx 선로(130), Rx 선로(160), Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)간의 결합으로 인한 경로를 거친 Tx 누설 신호와 180˚의 위상차를 갖도록 하여 수신단에서의 누설 신호를 제거함으로 Tx 안테나 포트(110)에서 Rx 안테나 포트(170)로의 고격리도(Isolation)를 갖도록 한다.
방향성 결합기(120)의 일단의 일측이 Tx 안테나 포트(110)와 연결되고, 방향성 결합기(120)의 일단의 타측이 Rx 안테나 포트(170)와 연결된다.
방향성 결합기(120)는 Tx 신호가 Tx 안테나 포트(110)로부터 Tx 안테나(140)로 전달되는 과정에서 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)의 결합으로 발생되는 누설 신호와 동일한 크기를 가지며, 180˚ 반대 위상을 갖는 신호를 안테나 간 결합으로 인한 누설 신호와 수신단 Rx 안테나 포트 (170)에서 합하여 누설 신호를 제거한다.
Tx 선로(130)는 방향성 결합기(120)의 타단의 일측과 Tx 안테나(140)를 연결한다. Tx 선로(130)와 Rx 선로(160)의 길이를 조정하여 방향성 결합기(120)에서 180˚ 위상을 갖는 신호를 생성하도록 한다.
Tx 안테나(140)는 기 설정된 영역으로 Tx 신호를 송출한다. Tx 안테나(140)는 Tx 신호를 송출하는 복수의 어레이 안테나(Tx Array Antenna)를 포함한다.
Rx 안테나(150)는 기 설정된 영역 내에 존재하는 객체로부터 Tx 신호에 대응하여 반사되는 Rx 신호를 수신한다. Rx 안테나(150)는 Rx 신호를 수신하는 복수의 어레이 안테나(Rx Array Antenna)를 포함한다. Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)는 3.5mm 간격으로 레이아웃 상에 배치되어, Tx-Rx 안테나 장치의 전체 크기가 줄어들도록 한다. 전술한 구조는 24 GHz ~ 24.25 GHz의 동작 주파수에서 최저 Tx-Rx 격리도를 기준으로 9.5mm 간격 Tx-Rx 안테나 장치가 갖는 격리도를 확보할 수 있다.
Rx 선로(160)는 방향성 결합기(120)의 타단의 타측과 Rx 안테나(150)를 연결한다. Tx 선로(130)와 Rx 선로(160)의 길이에 따라 방향성 결합기(120)에서 180˚ 위상을 갖는 신호를 생성하도록 한다.
Rx 안테나 포트(170)는 Rx 안테나(150)로부터 Rx 신호를 입력받는다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 안테나간 결합으로 인한 Tx 누설 신호의 경로는 방향성 결합기(120) 내의 상측 선로 ①, Tx 선로(130) ②, 안테나 간 격리도 ③, Rx 선로(160) ④, 방향성 결합기(120) 내의 하측 선로 ⑤를 경유한다.
Tx 누설 신호의 경로를 무손실 선로를 가정하면, Rx 안테나 포트(170)에서 안테나간 결합으로 발생한 누설 신호는 안테나간 격리도와 위상 관계로 표현할 수 있으며,
Figure 112021142685676-pat00001
와 같다. 여기서, 안테나간 격리도는
Figure 112021142685676-pat00002
, 두 전송 선로는
Figure 112021142685676-pat00003
이다.
따라서, 방향성 결합기(120)로 인한 결합 신호의 결합도 C를
Figure 112021142685676-pat00004
Figure 112021142685676-pat00005
가 되게 하고,
Figure 112021142685676-pat00006
Figure 112021142685676-pat00007
의 위상이 2nπ가 되면, 안테나간 결합으로 인한 Tx 누설 신호⑤와 방향성 결합기의 결합 신호⑥는 동일한 크기와 역위상을 가지므로 두 신호는 상쇄되어 Rx 안테나 포트에 누설되는 Tx 신호는 제거된다.
도 1c에 도시된 바와 같이, Tx 안테나 포트(110)로 송신 신호를 인가한다.
① Tx 안테나 포트(110)로 인가된 송신 신호가 방향성 결합기(120)의 상측 선로로 신호가 흐르게 된다. 방향성 결합기(120)의 상측 선로의 결합도가 낮으므로 대부분의 송신 신호가 흐른다. ② 방향성 결합기(120)의 상측 선로를 경유한 송신 신호는 Tx 선로(130)로 흐른다. ③ Tx 선로(130)를 경유한 송신 신호는 Tx 안테나(140)로부터 타겟으로 송출된다. ④ 송신 신호가 타겟으로부터 반사된 반사 신호가 Rx 안테나(150)로 수신된다. ⑤ Rx 안테나(150)로 수신된 반사 신호는 Rx 선로(160)로 흐르게 된다. ⑥ Rx 선로(160)를 경유한 반사 신호는 방향성 결합기(120)의 하측 선로로 흐른다. 방향성 결합기(120)의 하측 선로의 결합도가 낮으므로 대부분의 반사 신호가 흐른다.
반사 신호는 방향성 결합기(120)의 하측 선로를 경유하여 Rx 안테나 포트(170)로 흐르게 된다. 본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 Tx 누설 신호가 제거되었으므로, 레이다 시스템의 수신 감도가 향상된다.
방향성 결합기(120)와 결합된 Tx 안테나(140) 및 Rx 안테나(150)는 도 1d에 도시된 바와 같다. 방향성 결합기(120)와 Tx 안테나(140) 및 Rx 안테나(150)의 산란계수(S-parameter)는 [수학식1], [수학식2]과 같다.
Figure 112021142685676-pat00008
Figure 112021142685676-pat00009
방향성 결합기(120)의 T, C, I는 각각 통과, 결합, 격리를 나타내며, Tx 안테나(140) 및 Rx 안테나(150)의 ΓTxa, ΓRxa, Ia는 송수신 안테나의 반사 계수와 격리도를 나타낸다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 포트 1, 포트 4에서의 입사파 a1, a4와 반사파 b1, b4의 관계식은 [수학식3], [수학식4]와 같다.
Figure 112021142685676-pat00010
Figure 112021142685676-pat00011
Tx-Rx 격리도는 포트 4에서의 반사파 b4와 포트 1에서의 입사파 a1의 관계로 표현되며 [수학식 5]로 표현된다.
Figure 112021142685676-pat00012
안테나의 공진 주파수에서 (ΓTxa+ΓRxa)TI는 C에 비해 10 dB 이상의 차로 매우 작으므로, [수학식 5]는 [수학식 6]으로 표현될 수 있다.
Figure 112021142685676-pat00013
방향성 결합기(120)의 C와 T는 결합기의 특성상 각각 ej0와 ejπ /2의 형태로 표현되어야 한다. Tx 누설 전력을 제거하기 위해, C의 크기는 |Ia| 가 되도록 설정하면 되나, 추가적으로 방향성 결합기(120)에 연결되는 안테나 격리도, Ia는 |Ia|ej(2nπ) 로 표현되어야 한다.
방향성 결합(120)기와 Tx 선로(130), Rx 선로(160)로 구성된 감결합 네트워크와 결합된 Tx 안테나(140) 및 Rx 안테나(150)는 도 1e에 도시된 바와 같다.
도 1e에 도시된 방향성 결합기(120)와 Tx 안테나(140) 및 Rx 안테나(150) 사이에 Tx 선로(130), Rx 선로(160)를 삽입하고, 삽입된 Tx 선로(130), Rx 선로(160)를 포함한 안테나의 격리도가 아래 [수학식 7]을 만족하면 Tx 누설 전력은 제거되며 Tx-Rx 격리도는 개선된다.
Figure 112021142685676-pat00014
도 2는 본 실시예에 따른 Tx-Rx 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
방향성 결합기(120)를 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간에 연결하는 경우 격리도가 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 안테나 장치(100)는 24 GHz로 통신을 할 때, 방향성 결합기(120)를 미적용한 경우 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 24.509 dB임을 확인할 수 있고, 방향성 결합기(120)가 적용한 경우 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 31.778 dB임을 확인할 수 있다. 다시 말해, 안테나 장치(100)는 24 GHz로 통신을 할 때, 방향성 결합기(120)를 적용하면 대략 7.269 dB의 격리도가 향상하는 것을 확인할 수 있다.
안테나 장치(100)는 24.25 GHz로 통신을 할 때, 방향성 결합기(120)를 미적용한 경우 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 25.724 dB임을 확인할 수 있고, 방향성 결합기(120)가 적용한 경우 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 31.865 dB임을 확인할 수 있다. 다시 말해, 안테나 장치(100)는 24.25 GHz로 통신을 할 때, 방향성 결합기(120)를 적용하면 대략 6.414 dB의 격리도가 향상하는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 안테나 장치(100)는 24.13 GHz로 통신을 할 때, 방향성 결합기(120)를 적용한 경우 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 76.827 dB임을 확인할 수 있다.
방향성 결합기(120)와 Tx 안테나(140) 사이의 Tx 선로(130) 길이와 방향성 결합기(120)와 Rx 안테나(150) 사이의 Rx 선로(160) 길이와 방향성 결합기(120)의 결합도를 조정하여 Tx 안테나(140), Rx 안테나(150) 간 격리도를 개선시킨다. 여기서, Tx 안테나(140)로부터 Rx 안테나(150)까지의 결합 신호와 방향성 결합기(120)로부터 출력된 결합 신호는 Rx 안테나 포트(170)에서 서로 동일한 크기와 역위상을 갖는다.
도 3은 본 실시예에 따른 9.5mm 안테나 간격을 갖는 Tx,Rx 안테나와 Tx-Rx 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
두 개의 안테나의 각 공급 선로마다 두 개의 방향성 결합기를 적용하는 경우, 두 개의 방향성 결합기 사이의 선로의 길이를 같이 조정해줘야 하며, K 대역 안테나는 단위 길이당 위상 변화율이 크기 때문에 실제 제작시 어려움이 발생한다. Tx,Rx 안테나 방사체 간격에 따라 낮은 결합도의 방향성 결합기의 요구로 결합 간격이 좁은 경우, 공정 한계로 제작이 불가할 경우가 발생된다.
두 개의 안테나의 각 공급 선로에 방향성 결합기를 적용하고 두 개의 방향성 결합기를 한 개의 선로에 연결한 후 한 개의 선로상 LC 병렬 공진기를 병렬로 연결하는 경우, 안테나 결합의 위상 변화율이 큰 경우 구현하기 실제 제작이 어렵다. K 대역 안테나는 안테나 결합의 위상 변화율이 큰 경우 K 대역에서 조건을 만족하는 공진부 설계가 현실적으로 불가능하다. Tx,Rx 안테나 방사체 간격에 따라 낮은 결합도의 방향성 결합기의 요구로 결합 간격이 좁은 경우, 공정 한계로 제작이 불가할 경우가 발생된다.
한 개의 안테나(송수신 겸용)의 공급 선로에 방향성 결합기를 적용하고, 방향성 결합기의 결합 신호의 크기와 위상을 조정하는 경우 방향성 결합기 이외에 부가적으로 사용된 전력 분배기와 감쇄기로 인해 전체 회로 크기가 커지며, 방향성 결합기 및 전력 분배기는 수신 감도를 악화시킨다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 방향성 결합기(120)의 결합도와 Tx 안테나(140)와 결합기간 거리인 Tx 선로(130)와 Rx 안테나(150)와의 결합기간 거리인 Rx 선로(160)로 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)의 격리도를 향상시키는 구조를 갖는다. 안테나 장치(100)는 근접 송수신 안테나에서 구현 가능하며, 면적이 작은 Tx,Rx 안테나로 구현이 가능하다. 안테나 장치(100)는 구조가 단순하고, 설계 및 제작이 용이하다.
안테나 장치(100)는 전체 구조에서 24 ~ 24.25 GHz의 주파수 범위에서 가장 낮은 격리도로 31.8 dB를 갖는다. 안테나 장치(100)는 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)의 이격으로 격리도를 확보하는 구조에서 31.8 dB 이상의 격리도를 만족하기 위해서 필요한 이격 거리로 9.5 mm를 확보한다.
도 4는 본 실시예에 따른 방향성 결합기를 적용한 Tx,Rx 안테나를 나타낸 도면이다.
안테나 장치(100)는 근접 안테나에서 우수한 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)의 격리도를 확보할 수 있다. 안테나 장치(100)는 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)의 9.5 mm의 원거리 이격으로 격리도를 확보하는 구조에서 격리도를 만족하기 위해서 필요한 최소 이격 거리로 3.5 mm를 확보한다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간에 결합이 발생할 수 있으므로, Tx 안테나(140)로 신호를 인가하는 Tx 안테나 포트(110)와 Rx 안테나(150)로 신호를 인가하는 Rx 안테나 포트(170)를 방향성 결합기(120)로 연결한다.
방향성 결합기(120)는 안테나간 결합으로 인한 누설 신호와 결합기로 인한 결합 신호의 크기 관계는 동일하며 위상 관계가 180˚가 되도록 Tx 선로(130)와 Rx 선로(160)를 포함한 안테나 격리도와 결합도(C: Coupling)를 설정하여 두 신호를 제거할 수 있다. 방향성 결합기(120)와 Tx 선로(130)와 Rx 선로(160)는 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 결합으로 발생된 신호의 크기 만큼 결합시키며 위상 관계가 180˚가 되도록 한다. 방향성 결합기(120)는 Tx 신호와 Rx 신호가 크기는 동일하나 위상을 서로 반대하여 Tx 누설 신호를 상쇄하도록 한다.
Tx 안테나 포트(110)로 신호가 인가되면, 방향성 결합기(120)는 작은 결합도를 가지므로 대부분의 신호는 Tx 선로(130)를 경유하여 Tx 안테나(140) 로 송출된다.
Tx 안테나(140)로부터 송출된 레이다 빔에 대응하여 객체로부터 반사된 반사 신호가 Rx 안테나(150)로 입력되면, 입력 신호가 Rx 선로(160)를 경유하여 방향성 결합기(120)는 작은 결합도를 가지므로 대부분의 신호는 Rx 안테나 포트(170)로 입력되도록 한다.
방향성 결합기(120)는 결합 신호의 크기를 조정한다. 방향성 결합기(120)는 입력되는 Tx 신호의 안테나 간 결합으로 인한 누설 신호와 동일한 크기의 신호를 생성하되, 180˚ 위상차를 갖는 신호를 안테나 간 결합으로 인한 누설 신호와 합하여 Rx 안테나 포트(170)로 출력한다.
방향성 결합기(120)는 Tx 신호를 Rx 안테나 포트(170)로 출력할 때, Tx 신호의 안테나 간 결합으로 인한 누설 신호와 동일한 크기 및 180˚ 위상 차를 갖는 신호를 합하여 누설 신호를 상쇄한다. 방향성 결합기(120)는 Rx 안테나 신호가 입력될 때, 대부분의 신호를 Rx 안테나 포트(170)로 출력한다.
안테나 장치(100)는 회로 크기를 줄이기 위해 Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150)를 가깝게 배치하면서 발생하는 안테나 간 결합으로 인한 Tx 누설 신호를 방향성 결합기(120)를 이용하여 동일한 크기를 갖되 역위상을 갖는 신호와 합해서 누설 신호를 상쇄시킨다.
Tx 안테나 포트(110)로 인가된 신호가 안테나 간 결합으로 Rx 선로로 누설되면, 방향성 결합기(120)의 결합도는 안테나 격리도와 동일한 크기(예컨대, 25 dB)를 가지며, 방향성 결합기(120)의 선로, Tx 선로(130), Rx 선로(160), 안테나 격리도의 위상 합은 방향성 결합기(120)의 결합 신호의 위상과 180˚ 차가 나도록 한다.
도 5는 본 실시예에 따른 CST 3D EM 해석 프로그램을 이용한 방향성 결합기 유무에 따른 Tx-Rx 안테나 격리도를 나타낸 도면이다.
안테나 장치(100)는 CST 3D EM 해석 프로그램을 이용하여 감결합 네트워크로 방향성 결합기(120)를 적용한 근접 송수신 안테나의 성능을 확인한 결과 안테나 이득은 결합기 적용 전후 0.2 ~ 0.3 dB의 차이를 갖지만, 격리도는 기존대비 9.5 dB 이상 향상된 35.2 dB 이상의 성능을 확인할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(100)는 24 GHz 대역으로 통신할 때, 방향성 결합기(120)가 미적용된 경우(TxRx_Isolation_withNoCoupler), Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 24.485 dB임을 확인할 수 있고, 방향성 결합기(120)와 연결된 경우(TxRx_Isolation_withCoupler), Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 36.248 dB임을 확인할 수 있다. 다시 말해, 방향성 결합기(120)를 적용한 경우, Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 11.763 dB가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(100)는 24.25 GHz 대역으로 통신할 때, 방향성 결합기(120)와 미적용된 경우(TxRx_Isolation_withNoCoupler), Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 25.703 dB임을 확인할 수 있고, 방향성 결합기(120)와 적용된 경우(TxRx_Isolation_withCoupler), Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 35.209 dB임을 확인할 수 있다. 다시 말해, 방향성 결합기(120)를 적용한 경우, Tx 안테나(140)와 Rx 안테나(150) 간 격리도가 9.506 dB가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 방향성 결합기 유무에 따른 Tx,Rx 안테나 이득을 나타낸 도면이다.
방향성 결합기(120)와 미적용한 Tx 안테나(140)의 안테나 이득이 10.8 dB임을 확인할 수 있고, 방향성 결합기(120)와 미적용한 Rx 안테나(150)의 안테나 이득이 10.8 dB임을 확인할 수 있다.
방향성 결합기(120)와 연결된 Tx 안테나(140)의 안테나 이득이 10.5 dB임을 확인할 수 있고, 방향성 결합기(120)와 연결된 Rx 안테나(150)의 안테나 이득이 10.6 dB임을 확인할 수 있다.
다시 말해, 안테나 장치(100)는 방향성 결합기(120)를 적용하더라도 대략 0.2 ~ 0.3 dB의 이득 차이만 발생하는 반면 방향성 결합기(120)를 미적용한 안테나보다 대략 9.5 dB 이상 향상된 격리도를 확보할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 안테나 장치
110: Tx 안테나 포트
120: 방향성 결합기
130: Tx 선로
140: Tx 안테나
150: Tx 안테나
160: Rx 선로
170: Rx 안테나 포트

Claims (5)

  1. 기 설정된 영역으로 Tx 신호를 송출하는 Tx 안테나;
    상기 기 설정된 영역 내에 존재하는 객체로부터 상기 Tx 신호에 대응하여 반사되는 Rx 신호를 수신하는 Rx 안테나;
    상기 Tx 안테나와 상기 Rx 안테나 간에 연결되어 상기 Tx 신호를 송출하는 과정에서 발생하는 누설 신호(Leakage Signal)와 동일한 크기를 가지며, 반대의 위상(Phase)을 갖는 신호를 상기 누설 신호와 합하여 상기 누설 신호를 제거하는 방향성 결합기;
    상기 Tx 신호를 인가받아 전달하는 Tx 안테나 포트;
    상기 Rx 안테나로부터 상기 Rx 신호를 입력받는 Rx 안테나 포트;
    상기 방향성 결합기의 타단의 일측과 상기 Tx 안테나를 연결하는 Tx 선로;
    상기 방향성 결합기의 타단의 타측과 상기 Rx 안테나를 연결하는 Rx 선로;
    를 포함하되, 상기 방향성 결합기는 상기 Tx 신호로 인해 발생한 상기 누설 신호와 동일한 크기의 신호를 생성하되, 상기 방향성 결합기, 상기 Tx 선로, 상기 Rx 선로, 상기 Tx 안테나와 상기 Rx 안테나 간의 결합으로 인한 경로를 거친 상기 누설 신호와 180˚ 위상을 갖는 신호를 합하여 상기 누설 신호를 제거하여 상기 Rx 안테나로부터 입력되는 상기 Rx 신호와 상기 Tx 신호 간에 고격리도(Isolation)를 갖도록 하며,
    상기 방향성 결합기의 일단의 일측이 상기 Tx 안테나 포트와 연결되고, 상기 방향성 결합기의 일단의 타측이 상기 Rx 안테나 포트와 연결되어, 상기 Tx 신호가 상기 Tx 안테나 포트로부터 상기 Tx 안테나로 전달되는 과정에서 상기 Rx 안테나 포트로 발생하는 상기 누설 신호와 동일한 크기를 가지며, 180˚ 반대 위상을 갖는 신호를 상기 누설 신호와 커플링하여 상기 누설 신호를 제거하도록 하며,
    상기 Tx 선로와 상기 Rx 선로의 길이에 따라 상기 방향성 결합기에서 180˚ 위상을 갖는 신호를 생성하도록 하며, 상기 Tx 안테나와 상기 Rx 안테나는 최소 이격 거리로 3.5 mm를 확보하는 구조로서 레이아웃 상에 배치되어 전체 크기가 줄어들도록 하며,
    상기 방향성 결합기와 상기 Tx 안테나 사이의 상기 Tx 선로 길이와 상기 방향성 결합기와 상기 Rx 안테나 사이의 상기 Rx 선로 길이와 상기 방향성 결합기의 결합도를 조정하여 상기 Tx 안테나, 상기 Rx 안테나 간 격리도를 개선시키며, 상기 Tx 안테나로부터 상기 Rx 안테나까지의 결합 신호와 상기 방향성 결합기로부터 출력된 결합 신호는 상기 Rx 안테나 포트에서 서로 동일한 크기와 역위상을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Tx 안테나는 상기 Tx 신호를 송출하는 복수의 어레이 안테나(Tx Array Antenna)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Rx 안테나는 상기 Rx 신호를 수신하는 복수의 어레이 안테나(Tx Array Antenna)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 장치는
    감결합 네트워크(Decoupling Network) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
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KR20090047054A (ko) * 2007-11-07 2009-05-12 한국과학기술원 높은 송수신 신호 분리 특성을 가지는 준 서큘레이터
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