KR102392921B1 - 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 기판; 기판 상부에 형성되는 접지 플레이트; 상기 접지 플레이트에 배열되는 다수의 슬롯; 및 상기 다수의 슬롯 각각과 연관되어 상기 접지 플레이트와 이격되어 상기 다수의 슬롯 각각의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되며 금속 재질로 이루어지는 다수의 디렉터를 포함하되, 상기 다수의 디렉터 각각의 중심은 연관된 슬롯의 길이 방향의 연장선상에 위치한다. 개시된 안테나는 팬-빔 방사 패턴을 구현하여 밀리미터 웨이브 대역에서 음영 지역을 최소화하고 인체 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나{Millimeter Wave Slot Array Antenna Having Fan-Beam Characteristic}

본 발명은 슬롯 배열 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나에 관한 것이다.

5G 통신이 도입되면서 20GHz 이상의 밀리미터 웨이브 대역이 통신 대역에 포함되었다. 밀리미터 웨이브는 경로 손실이 크고 투과 특성이 약하기에 기존의 안테나에 비해 향상된 이득을 가진 빔 패턴이 요구되며, 특히 음영 지역의 최소화 및 인체 영향이 최소화되도록 팬-빔(Fan-Beam) 특성을 가진 밀리미터 웨이브 대역 안테나가 요구되고 있다.

대표적인 방사체인 다이폴 방사체는 밀리미터 웨이브 대역의 방사체에서도 사용될 수 있으나 인체 영향에 따른 성능 변화가 큰 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인체 영향에 비교적 둔감한 슬롯 방사체를 이용한 밀리미터 웨이브 대역 안테나에 대한 연구가 시도된 바 있다.

그러나, 일반적인 슬롯 방사체를 배열하는 구조만으로는 밀리미터 웨이브 대역에서 요구하는 팬-빔 특성을 확보하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 밀리미터 웨이브 대역에서 음영 지역을 최소화하고 인체 영향을 최소화할 수 있는 슬롯 배열 안테나를 제안한다.

또한, 본 발명은 팬-빔 방사 패턴을 구현할 수 있는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나를 제안한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 기판 상부에 형성되는 접지 플레이트; 상기 접지 플레이트에 배열되는 다수의 슬롯; 및 상기 다수의 슬롯 각각과 연관되어 상기 접지 플레이트와 이격되어 상기 다수의 슬롯 각각의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되며 금속 재질로 이루어지는 다수의 디렉터를 포함하되, 상기 다수의 디렉터 각각의 중심은 연관된 슬롯의 길이 방향의 연장선상에 위치하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나가 제공된다.

상기 다수의 슬롯 사이에는 상기 접지 플레이트의 에지로부터 상기 슬롯과 평행한 제1 슬릿이 형성된다.

상기 접지 플레이트에는 상기 접지 플레이트의 에지부로부터 상기 다수의 슬롯 각각에 대해 상기 슬롯을 향해 형성되는 다수의 제2 슬릿이 형성되며, 상기 제2 슬릿은 연관된 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 위치한다.

상기 기판의 하부에는 상기 다수의 슬롯 각각에 급전 신호를 제공하기 위한 전송 선로가 형성된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 기판 상부에 형성되는 접지 플레이트; 상기 접지 플레이트에 배열되는 다수의 슬롯; 상기 다수의 슬롯 각각과 연관되어 상기 접지 플레이트와 이격되어 상기 다수의 슬롯 각각의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되며 금속 재질로 이루어지는 다수의 디렉터; 및 상기 접지 플레이트의 에지부로부터 상기 다수의 슬롯 각각에 대해 상기 슬롯을 향해 형성되는 다수의 제2 슬릿을 포함하되, 상기 제2 슬릿은 연관된 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 위치하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나가 제공된다.

본 발명에 의하면, 팬-빔 방사 패턴을 구현하여 음영 지역을 최소화하고 인체 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 슬롯 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나 중 단일 방사 소자의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 일반적인 슬롯 안테나와 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 배열 안테나의 단일 방사 소자의 방사 패턴을 비교한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 6은 도 4에 도시된 제2 슬릿이 존재하지 않는 슬롯 배열 안테나와 도 5에 도시된 제2 슬릿이 형성된 슬롯 배열 안테나의 표면 전류 분포를 비교한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나의 1 X 8 배열 구조를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 슬롯 배열 안테나에서 디렉터의 위치를 변화시킨 구조를 나타낸 도면.
도 9는 도 8에 도시된 안테나의 방사 패턴을 나타내 도면.
도 10은 본 발명의 슬롯 배열 안테나에서 제2 슬릿의 위치를 변화시킨 구조를 나타낸 도면.
도 11은 도 10에 도시된 안테나의 반사 계수 및 상호 결합 결과를 나타낸 도면.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 일반적인 슬롯 안테나의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나 중 단일 방사 소자의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하며, 일반적인 슬롯 안테나는 기판(100), 접지 플레이트(102), 슬롯(104) 및 전송 선로(106)를 포함한다.

기판(100) 상부에는 접지 플레이트(102)가 형성되며, 접지 플레이트(102)는 전기적으로 접지 전위를 유지하도록 설정된다. 슬롯(104)은 접지 플레이트(102)에서 일부 영역을 제거한 개구 형상을 가지며, 슬롯(104)을 통해 RF 신호의 방사가 이루어진다. 슬롯 안테나에서 방사 주파수는 슬롯(104)의 길이에 의해 결정되며, 슬롯의 길이가 길수록 더 낮은 주파수의 방사가 가능하다.

슬롯 안테나의 급전은 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 도 1에는 기판(100)의 하부에 전송 선로(106)가 형성되는 경우가 도시되어 있다. 접지 플레이트(102)와 전송 선로(106)가 상하로 이격되어 존재하므로, 전송 선로(106)는 마이크로 스트립 방식을 이용하여 급전 신호를 슬롯(104)에 제공한다.

도 1과 같은 구조의 일반적인 슬롯 안테나는 슬롯(104)의 길이 방향(+z 방향)으로의 이득이 충분하지 않아 팬-빔(Fan-Beam) 특성이 확보되지 않는 문제점이 있었으며, 본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는 구조를 제안한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 슬롯 배열 안테나의 단일 방사 소자는 기판(200), 접지 플레이트(202), 슬롯(204), 전송 선로(206) 및 디렉터(208)를 포함한다.

본 발명의 안테나는 밀리미터 웨이브 대역에서의 인체 영향을 최소화하기 위해 슬롯 방사를 이용하며, 본 실시예에서는 밀리미터 웨이브 대역 중 약 27GHz ~ 29GHz에서 동작하는 경우를 예로 하여 설명한다.

기판(200)은 유전체 재질로 이루어지며 본 발명의 슬롯 배열 안테나의 몸체부로 기능한다. 기판(200)을 구성하는 유전체의 재질은 요구되는 방사 특성 및 방사 패턴에 기초하여 적절히 선택될 수 있다. 일례로, FR4 재질의 기판이 사용될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.

기판(200)의 상부에는 접지 플레이트(202)가 형성된다. 접지 플레이트(202)는 접지 전위를 유지하도록 설정된다. 일례로, 접지 플레이트(202)는 본 발명의 슬롯 안테나가 내장되는 단말 장치의 회로 기판의 공통 접지와 전기적으로 연결될 수 있다.

접지 플레이트(202)의 소정 영역에는 슬롯(204)이 형성되며 슬롯(204)의 길이는 요구되는 방사 주파수에 의해 결정된다.

기판(200)의 하부에는 전송 선로(206)가 형성되며, 전송 선로(206)는 급전점과 전기적으로 연결되어 슬롯(204)에 급전 신호를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기판(200)의 상부에 접지 플레이트(202)와 소정 거리 이격되는 디렉터(208)가 형성된다. 디렉터(208)는 금속 재질이어서 금속 패턴의 형태를 가지며, 슬롯을 통해 방사되는 RF 신호의 이득이 슬롯의 길이 방향으로 증가하도록 하여 팬-빔 특성을 구현하기 위해 형성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 슬롯의 길이 방향과 수직으로 형성된다. 도 2를 참조하면, 슬롯은 z 방향으로 연장되는 구조를 가지며, 디렉터(208)는 y 방향으로 연장되는 구조를 가진다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 디렉터는 슬롯의 길이 방향으로의 연장선을 중심으로 좌우로 연장되는 구조를 가진다. 즉, 디렉터의 중심은 슬롯의 길이 방향의 연장선상에 위치하도록 설정되는 것이다. 디렉터의 중심이 슬롯의 길이 방향의 연장선상에 위치할 때 적절한 팬-빔 특성이 구현될 수 있으며 디렉터의 중심이 슬롯의 길이 방향의 연장선으로 설정되지 않을 경우 슬롯의 길이 방향으로의 이득이 증가하지 않으며, 이로 인해 적절한 팬-빔 특성이 확보되지 않게 된다.

도 3은 일반적인 슬롯 안테나와 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 배열 안테나의 단일 방사 소자의 방사 패턴을 비교한 도면이다.

도 3을 참조하면, 디렉터가 존재하지 않는 일반적인 슬롯 방사체는 +z 방향(슬롯의 길이 방향)으로의 방사 이득이 -2.05 dBi를 가지지만, 도 2와 같이 디렉터가 사용될 경우 +z 방향으로 1.08dBi의 방사 이득을 가지는 것을 확인할 수 있다. 디렉터의 설치에 의해 약 3.13dBi의 방사 이득이 향상되는 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4에는 설명의 편의를 위해 1 x 2 배열을 가진 슬롯 배열 안테나가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 제1 방사 소자(400)가 좌측면에 형성되어 있고, 제2 방사 소자(410)가 우측면에 형성되어 있다.

제1 방사 소자(400)와 제2 방사 소자(410)의 구조는 도 2에 도시된 단일 방사 소자 구조와 동일하다.

디렉터(206-1, 206-2)는 각 방사 소자 별로 형성되며, 이러한 구조로 인해 제1 방사 소자(400)의 디렉터(206-1)와 제2 방사 소자(410)의 디렉터(206-2)는 서로 이격되어 위치한다.

제1 방사 소자(400)와 제2 방사 소자(410)는 동일한 접지 플레이트(202)를 공유하며, 제1 방사 소자(400)와 제2 방사 소자(410) 사이에는 제1 슬릿(450)이 형성될 수 있다. 제1 슬릿(450)은 접지 플레이트(202)의 에지로부터 슬롯(204)과 평행한 방향으로 형성된다.

제1 슬릿(450)은 제1 방사 소자(400) 및 제2 방사 소자(410)간 격리도 확보를 위해 형성될 수 있다. 제1 슬릿(450)에 의해 접지 플레이트(202)에 흐르는 제1 방사 소자(400) 및 제2 방사 소자(410) 각각의 표면 전류 흐름이 막히게 되며, 이로 인해 제1 방사 소자(400) 및 제2 방사 소자(410)의 상호 결합이 억제되어 격리도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4와 같은 1 X 2 배열의 슬롯 안테나이나, 각 방사 소자에 제2 슬릿(500)이 추가적으로 형성되어 있다는 점에서 상이하다.

디렉터(208)가 추가됨으로써 슬롯의 길이 방향(+z 방향)으로의 이득을 개선할 수 있으나, 디렉터(208)로 인해 접지 플레이트(202)에 발생하는 표면 전류와 디렉터(208) 사이의 상호 결합이 발생하여 디렉터(206)에서 의도하지 않는 방사가 이루어질 수 있다.

이와 같은 문제를 방지하기 위해, 제2 슬릿(500)이 형성되며, 제2 슬릿(500)은 접지 플레이트(200)의 에지에서 슬롯(204)을 향해 형성되며, 제2 슬릿(500)은 슬롯(204)의 길이 방향의 연장선상에 형성되는 것이 바람직하다.

제2 슬릿(500)이 슬롯(204)의 길이 방향의 연장선상에 형성되기에 제2 슬릿(500)의 연장선은 디렉터(208)의 중심과 일치한다.

도 6은 도 4에 도시된 제2 슬릿이 존재하지 않는 슬롯 배열 안테나와 도 5에 도시된 제2 슬릿이 형성된 슬롯 배열 안테나의 표면 전류 분포를 비교한 도면이다.

도 6의 (a)는 도 4에 도시된 제2 슬릿이 존재하지 않는 슬롯 배열 안테나의 표면 전류 분포이고, 도 6의 (b)는 도 5에 도시된 제2 슬릿이 형성된 슬롯 배열 안테나의 표면 전류 분포이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 디렉터(206)와 인접한 접지 플레이트(202)의 에지 영역에는 강한 전류 분포가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 강한 표면 전류로 인해 디렉터(206)와 접지 플레이트(202)간 상호 결합이 발생할 수 있게 된다.

도 6의 (b)를 참조하면, 제2 슬릿에 의해 디렉터(206)와 인접한 접지 플레이트(202)의 에지 영역에서의 표면 전류가 약화되는 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해 의도하지 않는 방사가 디렉터에서 이루어지는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나의 1 X 8 배열 구조를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 2에 도시된 단일 방사 소자 8개가 일렬로 배열된 구조가 도시되어 있다. 각 방사 소자 별로 디렉터가 구비되기에 8개의 디렉터가 이격되어 구비되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 배열 안테나의 배열 구조는 다양할 수 있으며, 도 7에 도시된 예는 하나의 실시예일 뿐이다. 필요에 따라 본 발명의 슬롯 배열 안테나는 일 열이 아닌 다중 열을 가진 배열 구조를 형성할 수도 있을 것이다.

도 8은 본 발명의 슬롯 배열 안테나에서 디렉터의 위치를 변화시킨 구조를 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8에 도시된 안테나의 방사 패턴을 나타내 도면이다.

도 8에는 디렉터(208)의 중심이 슬롯(204)의 길이 방향의 연장선상에 존재하지 않고 디렉터(208)의 중심이 슬롯(204)의 길이 방향의 연장선상에서 왼쪽으로 이동한 상태이다. 도 8에서 왼쪽으로의 이동 거리인 h2는 약 1mm로 설정한 후 방사 패턴이 측정되었다.

측정 결과인 도 9를 참조하면, 디렉터의 중심이 슬롯의 길이 방향에 연장선상에 존재하지 않을 경우, 슬롯의 길이 방향(+z 방향)으로의 방사 이득이 저하되는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 방사 이득의 저하는 중심의 이동 거리(h2)가 증가할수록 더 증가하게 되며, 디렉터의 중심이 슬롯(204)의 길이 방향의 연장선상에 위치할 때 가장 양호한 팬-빔 특성을 구현할 수 있다.

도 10은 본 발명의 슬롯 배열 안테나에서 제2 슬릿의 위치를 변화시킨 구조를 나타낸 도면이며, 도 11은 도 10에 도시된 안테나의 반사 계수 및 상호 결합 결과를 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 제2 슬릿(500)이 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 형성되지 않고 왼쪽으로 이동한 상태의 슬롯 배열 안테나가 도시되어 있다. 제2 슬릿의 이동 거리는 h1으로 표시되어 있으며, 제2 슬릿이 약 0.75mm 이동한 상태에서 반사 계수 및 상호 결합의 측정이 이루어졌다.

측정 결과에 대한 그래프인 도 11을 참조하면, 제2 슬릿이 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 위치하지 않을 경우 S₂₁인 상호 결합 억제 효과가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 슬롯 배열 안테나는 제2 슬릿이 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 형성될 때 원하는 최적의 패턴을 구현할 수 있으며 불필요한 방사가 발생하는 것을 억제할 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 기판;
   기판 상부에 형성되는 접지 플레이트;
   상기 접지 플레이트에 배열되는 다수의 슬롯; 및
   상기 다수의 슬롯 각각과 연관되어 상기 접지 플레이트와 이격되어 상기 다수의 슬롯 각각의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되며 금속 재질로 이루어지는 다수의 디렉터를 포함하되,
   상기 다수의 디렉터 각각의 중심은 연관된 슬롯의 길이 방향의 연장선상에 위치하고,
   상기 접지 플레이트에는 상기 접지 플레이트의 에지부로부터 상기 다수의 슬롯 각각에 대해 상기 슬롯을 향해 형성되는 다수의 제2 슬릿이 형성되며, 상기 제2 슬릿은 연관된 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 슬롯 사이에는 상기 접지 플레이트의 에지로부터 상기 슬롯과 평행한 제1 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 기판의 하부에는 상기 다수의 슬롯 각각에 급전 신호를 제공하기 위한 전송 선로가 형성되는 것을 특징으로 하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나.
   
5. 기판;
   기판 상부에 형성되는 접지 플레이트;
   상기 접지 플레이트에 배열되는 다수의 슬롯;
   상기 다수의 슬롯 각각과 연관되어 상기 접지 플레이트와 이격되어 상기 다수의 슬롯 각각의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되며 금속 재질로 이루어지는 다수의 디렉터; 및
   상기 접지 플레이트의 에지부로부터 상기 다수의 슬롯 각각에 대해 상기 슬롯을 향해 형성되는 다수의 제2 슬릿을 포함하되,
   상기 제2 슬릿은 연관된 슬롯의 길이 방향과 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 다수의 슬롯 사이에는 상기 접지 플레이트의 에지로부터 상기 슬롯과 평행한 제1 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나.
   
7. 삭제
8. 제5항에 있어서,
   상기 기판의 하부에는 상기 다수의 슬롯 각각에 급전 신호를 제공하기 위한 전송 선로가 형성되는 것을 특징으로 하는 팬-빔 특성을 가지는 밀리미터 웨이브 슬롯 배열 안테나.

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