KR102411455B1 - 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 mimo 안테나 - Google Patents

Abstract

수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 반사판; 및 상기 반사판상에 형성되는 다수의 방사체들로 구성되는 배열 안테나를 포함하되, 상기 반사판은 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 좌측부인 좌측 반사판부와 상기 다수의 배열 안테나가 형성된 영역의 우측부인 우측 반사판부로 구분되고, 상기 좌측 반사판부와 우측 반사판부 각각에는 상기 반사판의 길이 방향과 평행한 적어도 하나의 수직 슬롯이 형성되며, 상기 적어도 하나의 수직 슬롯은 상기 배열 안테나의 양 사이드에 위치하는 모든 방사체들에 인접하도록 형성된다. 개시된 안테나에 의하면, 별도의 부품을 사용하지 않고 반사판의 구조적 변경을 통해 저렴한 비용으로 수평 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나{MIMO Antenna for Reducing Distortion of Horizontal Pattern}

본 발명은 MIMO 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나에 관한 것이다.

군에서 사용중인 방향 탐지 안테나의 경우, 빔-포밍(beam forming)을 통해 추적 물체의 위치를 식별한다. 이때, 방향 탐지 안테나에서 가장 중요한 요소는 배열된 방사체 각각의 패턴 유사성 및 위상 일치도에 따라 안테나 의 성능이 결정된다는 점이다.

도 1은 일반적인 빔-포밍을 수행하는 MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, MIMO 안테나는 다수의 방사체가 배열된 배열 안테나(100)와 반사판(110)을 포함한다. 반사판(110)은 반사판의 후방으로 빔이 방사되는 것을 방지하기 위한 부품으로서, 안테나에 일반적으로 구비되는 부품이다.

효과적인 빔의 반사를 위해 반사판(110)은 배열 안테나(100)의 양측부에도 연장되어 형성되나 이와 같이 배열 안테나(100) 양측부에 형성되는 반사판은 배열 안테나(100)에서 방사하는 빔의 수평 패턴 왜곡 및 위상 왜곡을 발생시키기도 한다.

방향 탐지를 위한 안테나에서 반사판으로 인한 빔의 패턴 왜곡은 성능에 상당한 영향을 미치며, 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 방향 탐지 안테나는 전파 흡수체(Absorber)를 방사체 사이에 장착하여 안테나의 수평 패턴 및 위상 왜곡을 개선한다.

그러나, 전파 흡수체는 고가이며, 흡수체와 크기 및 배치를 최적화하기 위한 추가적인 작업을 필요로 하기에 상당한 비용이 소요된다. 특히, 흡수체가 사용되는 것만으로 수평 패턴의 왜곡을 만족할만한 수준으로 저감시킬 수는 없으며, 반사판의 형상에 상응하는 흡수체를 적절히 선택해야 하는 문제도 발생한다.

나아가, 흡수체를 사용하여 수평 패턴 왜곡을 저감시킬 경우 흡수체로 인해 안테나의 이득이 감소되는 문제점도 있었다.

본 발명은 저렴한 비용으로 수평 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 있는 MIMO 안테나를 제안한다.

본 발명은 별도의 부품을 사용하지 않고 반사판의 구조적 변경을 통해 수평 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 있는 MIMO 안테나를 제안한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 반사판; 및 상기 반사판상에 형성되는 다수의 방사체들로 구성되는 배열 안테나를 포함하되, 상기 반사판은 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 좌측부인 좌측 반사판부와 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 우측부인 우측 반사판부로 구분되고, 상기 좌측 반사판부와 우측 반사판부 각각에는 상기 반사판의 길이 방향과 평행한 적어도 하나의 수직 슬롯이 형성되며, 상기 적어도 하나의 수직 슬롯은 상기 배열 안테나의 양 사이드에 위치하는 모든 방사체들에 인접하도록 형성되는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나가 제공된다.

상기 적어도 하나의 수직 슬롯의 길이는 파장의 1/4 이상으로 설정된다.

상기 좌측 반사판부에 형성되는 수직 슬롯의 형상 및 배치 구조는 상기 우측 반사판부에 형성되는 수직 슬롯의 형상 및 배치 구조와 동일하다.

상기 수직 슬롯은 다수의 열을 형성하면서 배치된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 반사판; 및 상기 반사판상에 형성되는 다수의 방사체들로 구성되는 배열 안테나를 포함하되, 상기 반사판은 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 좌측부인 좌측 반사판부와 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 우측부인 우측 반사판부로 구분되고, 상기 좌측 반사판부와 우측 반사판부 각각에는 상기 반사판의 길이 방향과 평행한 복수의 수직 슬롯이 형성되며, 상기의 복수의 수직 슬롯 각각은 파장의 1/4 이상의 길이를 가지는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나가 제공된다.

본 발명의 MIMO 안테나는 별도의 부품을 사용하지 않고 반사판의 구조적 변경을 통해 저렴한 비용으로 수평 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 빔 포밍을 수행하는 MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 MIMO 안테나에서 수평 패턴 왜곡의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 5 내지 도 7은 수평 패턴 왜곡을 저감시킬 수 없는 슬롯들의 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 슬롯이 적용될 경우의 전계 분포를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 슬롯이 적용되지 않을 경우의 전계 분포를 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 2는 MIMO 안테나에서 수평 패턴 왜곡의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 2의 (a)는 수평 패턴의 왜곡이 없는 경우이고, 도 2의 (b)는 수평 패턴의 왜곡이 존재하는 경우이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 보어-사이트(bore-sight) 영역에서 패턴에 리플들이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 2의 (b)를 참조하면 보어-사이트(bore-sight) 영역에서 패턴에 리플들이 발생하여 빔패턴이 왜곡된것을 확인할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 수평 패턴의 왜곡은 배열 안테나의 양 측면에 위치하는 반사판을 포함하는 주위 금속 구조물에 의해 발생한다.

반사판은 안테나의 전후방비 개선을 위해 필수적으로 요구되며, 배열 안테나의 양측에 존재하는 반사판을 제거할 수는 없으며, 이로 인해 수평 패턴의 왜곡은 필연적으로 발생하게 된다.

본 발명은 반사판의 구조적 변화를 통해 반사판 구비 시 필연적으로 발생하는 수평 패턴의 왜곡을 저감시키는 구조를 제안한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 반사판(300) 및 다수의 방사체로 구성된 배열 안테나(310)를 포함한다. 배열 안테나(310)는 반사판(300)의 중앙부에 배치된다. 도 3에는 4 X 3 (수직 X 수평)의 배열 구조가 도시되어 있으나, 이는 일 실시예이며, 안테나의 배열 구조는 요구되는 특성에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

이러한 배치 구조로 인해, MIMO 안테나는 반사판(300)은 좌측 반사판부(300a), 우측 반사판부(300b)로 구분될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 좌측 반사판부(300a) 및 우측 반사판부(300b) 모두에 반사판의 길이 방향과 평행한 수직 슬롯(330)을 형성한다. 반사판은 일반적으로 직사각형의 구조를 가지게 되며, 직사각형 중 길이가 긴 부분의 방향(길이 방향)과 평행하도록 수직 슬롯(330)을 형성하는 것이다. 수직 슬롯(330)은 반사판(300)의 일부 영역을 제거하는 방식으로 형성된다. 그런데, 상기 “반사판의 길이방향”이라 함은, 설명의 편의상 직사각형 구조의 기지국 안테나를 예로들어 정한 것으로, 정확하게는 왜곡이 발생한 빔패턴의 방향과 직교하는 방향을 의미한다. 예를 들어 설명하면, 상기한대로 안테나의 수평방향의 빔 패턴이 왜곡되었다고 하면 이와 직각을 이루는 수직방향으로 슬롯을 길게 형성하여 빔패턴의 왜곡을 저감시키고, 수직방향의 빔 패턴이 왜곡되었다고 하면 이와 직각을 이루는 수평방향으로 슬롯을 길게 형성하여 왜곡을 저감시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수직 슬롯의 길이는 사용 주파수와 연관된 파장의 1/4 이상이 되도록 설정된다. 수직 슬롯의 길이가 파장의 1/4 이상이 되지 않을 경우 본 발명이 의도하는 수평 패턴의 왜곡 저감 효과를 기대할 수 없게 된다.

도 3을 참조하면, 좌측 반사판부(300a) 및 우측 반사판부(300b) 각각에 형성되는 수직 슬롯들은 2열 구조를 가지도록 배열된다. 이러한 2열 구조는 예시적인 것이며, 요구되는 특성에 따라 수직 슬롯의 열의 수가 변경될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

한편, 수직 슬롯들(330)은 반사판(300)의 길이 방향으로 다수개가 형성될 수 있으며, 도 3에는 각 열당 반사판의 길이 방향으로 4개의 수직 슬롯이 형성된 경우가 도시되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 수직 슬롯의 길이는 파장의 1/4 이상의 길이를 가지면서 적절히 선택될 수 있으며, 각 열에 형성되는 수직 슬롯의 수는 설정된 수직 슬롯의 길이에 의해 결정될 것이다.

다만, 수직 슬롯은 배열 안테나의 양 사이드에 위치하는 방사체들 모두에 대해 인접 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 배열 안테나(310)의 좌측부에는 4개의 방사체가 배열되어 있으며, 좌측부에 위치한 모든 방사체들에 인접하여 수직 슬롯이 형성되었음을 도 3으로부터 확인할 수 있다. 또한, 배열 안테나(310)의 우측부에 배열되어 있는 4개의 방사체 모두에 대해서도 수직 슬롯이 인접 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 패턴의 대칭성을 유지하기 위해, 좌측 반사판부(300a)에 형성되는 수직 슬롯들의 형상 및 배치 구조는 우측 반사판부(300b)에 형성되는 수직 슬롯들의 형상 및 배치 구조와 동일한 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 좌측 반사판부(300a)및 우측 반사판부(300b)에 형성되는 각 개별 수직 슬롯들의 길이는 동일하고, 좌측 반사판부(300a)에는 2열로 수직 슬롯이 배열되면서 각 열에 4개의 수직 슬롯이 배치되고, 우측 반사판부(300b)에도 2열로 수직 슬롯이 배열되면서 각 열에 4개의 수직 슬롯이 배치되어, 좌측 반사판부(300a)와 우측 반사판부(300b)에는 대칭 구조로 수직 슬롯이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 수직 슬롯(330)을 좌측 반사판부(300a) 및 우측 반사판부(300b)에 형성함으로써 좌측 반사판부(300a) 및 우측 반사판부(300b)의 존재로 인해 발생하는 수평 패턴의 왜곡이 억제될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나는 좌측 반사판부(300a) 및 우측 반사판부(300b)에 수직 슬롯들(330)을 형성한다는 점에서 제1 실시예와 동일하다.

다만, 제2 실시예의 MIMO 안테나는 수직 슬롯의 길이와 열의 개수가 제1 실시예와 상이하다.

도 4에 도시된 제2 실시예의 MIMO 안테나는 제1 실시예에 비해 상대적으로 긴 길이의 수직 슬롯을 형성한다. 수직 슬롯의 길이의 차이로 인해 각 열에는 2개의 수직 슬롯이 형성된다.

제2 실시예의 경우에도 배열 안테나(310)의 양 사이드에 위치하는 안테나들 모두에 대해 인접하여 형성되어야 한다.

도 4를 참조하면, 배열 안테나(300)의 좌측부에 배치된 4개의 방사체 모두와 인접하여 수직 슬롯(330)이 형성되고, 배열 안테나(300)의 우측부에 배치된 4개의 방사체 모두와 인접하여 수직 슬롯(330)이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

좌측 반사판부(300a) 및 우측 반사판부(300b)에 형성되는 수직 슬롯들의 형상 및 배치 구조의 동일성은 제2 실시예에서도 유지되며, 도 4를 통해 좌측 반사판부(300a)의 수직 슬롯들과 우측 반사판부(300b)의 수직 슬롯들의 대칭 구조를 확인할 수 있다.

제2 실시예의 MIMO 안테나는 각 좌/우 반사판부(300a, 300b)별로 5개의 열을 형성하는 것을 확인할 수 있으며 제1 실시예와 비교할 때 3개의 열이 추가된 구조이며, 열 개수의 추가로 인해 열간 간격이 더 좁게 형성되어 있다.

수직 슬롯들의 열의 개수 및 열간 간격은 요구되는 특성에 기초하여 적절히 선택될 수 있다. 수직 슬롯들의 열간 간격을 좁혀 많은 수의 열을 형성하게 될 경우 보다 수평 패턴의 왜곡을 보다 효과적으로 저감시켜 양호한 수평 패턴을 획득하는 것이 가능하다.

그러나, 많은 수의 수직 슬롯을 형성하게 될 경우 공정 비용이 증가하고 수직 슬롯이 과도하게 많이 형성될 경우 반사판(300)의 내구성에 영향을 줄 수 있으므로 이러한 문제를 고려하여 수직 슬롯의 열간 간격은 적절히 선택될 수 있다.

도 5 내지 도 7은 수평 패턴 왜곡을 저감시킬 수 없는 슬롯들의 예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 반사판(300)의 길이 방향과 직교하는 방향인 수평 슬롯이 형성된 경우가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 수평 슬롯을 좌/우 반사판부별로 형성할 경우 수평 패턴의 왜곡을 전혀 방지할 수 없게 된다. 요컨대, 본 발명의 발명자들의 연구에 의하면, 도2와 같이 수평방향으로의 빔패턴이 왜곡된 경우에는 수직 슬롯만이 방사 패턴의 저감에 기여할 수 있으며, 이와 평행한 수평 슬롯은 방사 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 없는 것이다.

도 6을 참조하면, 도 6은 '+'자 형태의 슬롯이 형성된 경우를 도시하고 있다. '+'자 형태의 슬롯은 수직 성분과 수평 성분을 모두 포함하고 있는 슬롯이다. 본 발명의 발명자들의 연구에 의하면 '+'자 형태의 슬롯도 수평 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 없다.

도 7을 참조하면, 'X'자 형태의 슬롯이 형성된 경우를 도시하고 있다. 'X'자 형태의 슬롯 역시 수직 성분과 수평 성분을 모두 포함하고 있는 슬롯이다. 본 발명의 발명자들의 연구에 의하면, 'X'자 형태의 슬롯 역시 수평 패턴의 왜곡을 저감시킬 수 없다.

결국, 도2와 같이 수평방향으로의 빔패턴이 왜곡된 경우에는 수평 성분이 전혀 포함되지 않는 수직 슬롯만이 수평 패턴의 왜곡 저하에 기여할 수 있으며, 수평 성분이 포함되어 있는 슬롯은 수평 패턴의 왜곡 저하에 기여할 수 없는 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 슬롯이 적용될 경우의 전계 분포를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 수직 슬롯이 형성될 때 전계가 수직 방향으로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 반사판위 전계가 수직 방향으로 분포할 때 수평 패턴이 왜곡되는 것을 방지할 수 있다. 안테나 내부 반사판위 전계가 수직 방향으로 분포하지 않으면 불요 모드가 발생할 수 있으며, 이러한 불요 모드가 수평 패턴의 왜곡의 원인이 된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 슬롯이 적용되지 않을 경우의 전계 분포를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 배열 안테나의 좌우측 반사판에 수직 슬롯이 형성되지 않을 경우 전계가 수직 방향을 분포하지 않고 수평 방향 성분도 상당 수 포함하며 셀 형태의 분포를 가지는 경우도 있다.

이와 같이 전계가 분포할 경우 불요 모드의 발생으로 인해 수평 패턴에 왜곡이 발생하여 안테나의 성능이 저하된다.

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 (10)

1. 반사판; 및
   상기 반사판상에 형성되는 다수의 방사체들로 구성되는 배열 안테나를 포함하되,
   상기 반사판은 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 좌측부인 좌측 반사판부와 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 우측부인 우측 반사판부로 구분되고,
   상기 좌측 반사판부와 우측 반사판부 각각에는 상기 반사판의 길이 방향과 평행한 적어도 하나의 수직 슬롯이 형성되며,
   상기 적어도 하나의 수직 슬롯은 상기 배열 안테나의 양 사이드에 위치하는 모든 방사체들에 인접하도록 형성되고,
   상기 수직 슬롯은 다수의 열을 형성하면서 배치되는 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 수직 슬롯의 길이는 파장의 1/4 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 좌측 반사판부에 형성되는 수직 슬롯의 형상 및 배치 구조는 상기 우측 반사판부에 형성되는 수직 슬롯의 형상 및 배치 구조와 동일한 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
4. 삭제
5. 반사판; 및
   상기 반사판상에 형성되는 다수의 방사체들로 구성되는 배열 안테나를 포함하되,
   상기 반사판은 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 좌측부인 좌측 반사판부와 상기 배열 안테나가 형성된 영역의 우측부인 우측 반사판부로 구분되고,
   상기 좌측 반사판부와 우측 반사판부 각각에는 상기 반사판의 길이 방향과 평행한 복수의 수직 슬롯이 형성되며,
   상기의 복수의 수직 슬롯 각각은 파장의 1/4 이상의 길이를 가지고,
   상기 수직 슬롯은 다수의 열을 형성하면서 배치되는 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 수직 슬롯은 상기 배열 안테나의 양 사이드에 위치하는 모든 방사체들에 인접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 좌측 반사판부에 형성되는 수직 슬롯의 형상 및 배치 구조는 상기 우측 반사판부에 형성되는 수직 슬롯의 형상 및 배치 구조와 동일한 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
8. 삭제
9. 제5항에 있어서,
   상기 수직 슬롯의 다수의 열은 수평방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 수평방향으로 배치되는 다수의 열 간의 간격은 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 수평 패턴 왜곡 저감을 위한 MIMO 안테나.
    
    
    
    

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