KR102608374B1 - 필터 일체형 안테나 시스템 - Google Patents

필터 일체형 안테나 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102608374B1
KR102608374B1 KR1020210190405A KR20210190405A KR102608374B1 KR 102608374 B1 KR102608374 B1 KR 102608374B1 KR 1020210190405 A KR1020210190405 A KR 1020210190405A KR 20210190405 A KR20210190405 A KR 20210190405A KR 102608374 B1 KR102608374 B1 KR 102608374B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antenna
filter
antenna system
dielectric substrate
antenna unit
Prior art date
Application number
KR1020210190405A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230100479A (ko
Inventor
황금철
Original Assignee
국방과학연구소
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소, 성균관대학교산학협력단 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020210190405A priority Critical patent/KR102608374B1/ko
Publication of KR20230100479A publication Critical patent/KR20230100479A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102608374B1 publication Critical patent/KR102608374B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks
    • H03H7/0153—Electrical filters; Controlling thereof
    • H03H7/0161—Bandpass filters

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템은 방사체(radiator)로 동작하는 두 개의 안테나부를 포함하는 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈의 일 면에 배치되는 유전체 기판;을 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 육면체의 형태를 가지는 유전체 공진기로 이루어지는 제1 안테나부; 및 상기 제1 안테나부의 적어도 일 면에 배치되는 패치 안테나로 이루어지는 제2 안테나부;를 포함하고, 상기 제2 안테나부는 금속을 포함하는 보우 타이형으로 구비된다.

Description

필터 일체형 안테나 시스템 {Filter-Integrated Antenna System}
본 발명은 필터 일체형 안테나 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 방사체로 동작하는 두 개의 안테나부를 포함하는 필터 일체형 안테나 시스템에 관한 것이다.
현대 무선 통신 시스템은 높은 효율, 소형화, 패턴의 균일함에 대한 특성이 필요하다. 첫 번째로, 일반적으로 사용되는 마이크로스트립 구조의 안테나의 경우 금속으로 인한 손실이 발생하여 효율이 낮다. 두 번째로 무선 통신시스템의 수신감도를 개선하기 위해서는 통신시스템 내에서 발생되는 자체 고조파를 억제해야 한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 필터를 사용하지만, 필터를 사용하게 될 경우 통신시스템의 크기가 커지게 된다. 마지막으로 모든 방향에서 신호를 송/수신하기 위해서는 등방성 복사패턴이 필요하다.
종래에는 일반적인 고조파 억제를 위해 안테나와 필터를 분리하여 설계를 수행하였다. 이와 같은 전통적인 방식으로 고조파를 억제시키는 경우 구조의 입출력 임피던스를 기준 임피던스로 맞추기 위한 임피던스 정합 네트워크가 추가적으로 필요하다. 이러한 경우 시스템 구조의 복잡성과 크기, 무게, 손실의 증가를 발생시킨다. 이와 같이 일반적으로 활용되는 안테나와 필터 분리형의 구조의 경우 안테나의 복사 패턴으로 전방향성(omni-directional)과 방향성 패턴을 보여준다. 전방향성(omni-directional) 패턴과 방향성 패턴은 특정 방향으로 강한 전파가 방사된다. 따라서 특정 방향 이외의 구간에서는 신호가 수신 감도가 약한 사각지대가 발생하게 된다.
전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 고조파를 억제함과 동시에 소자 간의 연결이 단순화되고 시스템의 크기와 무게를 간소화시킬 수 있는 필터 일체형 안테나 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 방사체로 동작하는 두 개의 안테나부를 통해 준등방성 복사 패턴을 구현하고 이에 따라 모든 방향에서의 수신 감도가 안정화된 필터 일체형 안테나 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템은 방사체(radiator)로 동작하는 두 개의 안테나부를 포함하는 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈의 일 면에 배치되는 유전체 기판;을 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 육면체의 형태를 가지는 유전체 공진기로 이루어지는 제1 안테나부; 및 상기 제1 안테나부의 적어도 일 면에 배치되는 패치 안테나로 이루어지는 제2 안테나부;를 포함하고, 상기 제2 안테나부는 금속을 포함하는 보우 타이형으로 구비된다.
상기 유전체 기판의 상기 안테나 모듈과 접하지 않는 타 면에 저역 통과 필터(Low-pass filter; LPF)를 포함하고, 상기 유전체 기판을 통해 급전 신호가 인가되면, 상기 LPF를 통해 상기 안테나 시스템의 동작 대역폭을 제외한 구간의 고조파 성분이 필터링되어 제1 필터링 신호가 생성될 수 있다.
상기 제1 필터링 신호는 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부를 여기시키되, 상기 제1 안테나부는 상기 제1 필터링 신호에 의해 자계 다이폴로 등가되어 제1 복사 패턴을 형성하고, 상기 제2 안테나부는 상기 제1 필터링 신호에 의해 전계 다이폴로 등가되어 제2 복사 패턴을 형성할 수 있다.
상기 안테나 시스템의 전체 복사 패턴은 상기 제1 복사 패턴 및 상기 제2 복사 패턴이 합성되어 준등방성 복사 패턴(quasi-isotropic pattern)으로 구현될 수 있다.
상기 안테나 시스템은, 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부 각각을 급전시키는 금속 포스트;를 더 포함하고, 상기 금속 포스트의 일 방향으로의 높이는 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부 각각의 상기 일 방향으로의 높이의 합과 같거나 작을 수 있다.
상기 LPF는 복수의 서브 필터부 및 인접하는 서브 필터부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 복수의 서브 필터부는 서로 다른 폭과 길이를 가지는 적어도 두 개의 서브 필터부를 포함할 수 있다.
상기 유전체 기판의 높이는 상기 제1 안테나부의 높이보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템은 방사체(radiator)로 동작하는 두 개의 안테나부를 포함하는 안테나 모듈; 상기 안테나 모듈의 일 면에 배치되는 유전체 기판; 및 상기 안테나 모듈을 급전시키는 금속 포스트;를 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 육면체의 형태를 가지는 유전체 공진기로 이루어지는 제1 안테나부; 및 상기 제1 안테나부의 적어도 일 면에 배치되는 패치 안테나로 이루어지는 제2 안테나부;를 포함하고, 상기 제2 안테나부는 금속을 포함하는 보우 타이형으로 구비된다.
상기 금속 포스트는 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부 각각을 급전시키고, 상기 금속 포스트의 일 방향으로의 높이는 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부 각각의 상기 일 방향으로의 높이의 합과 같거나 작을 수 있다.
상기 금속 포스트를 통해 급전 신호가 인가되면, 상기 급전 신호는 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부를 여기시키되, 상기 제1 안테나부는 상기 급전 신호에 의해 자계 다이폴로 등가되어 제1 복사 패턴을 형성하고, 상기 제2 안테나부는 상기 급전 신호에 의해 전계 다이폴로 등가되어 제2 복사 패턴을 형성할 수 있다.
상기 안테나 시스템의 전체 복사 패턴은 상기 제1 복사 패턴 및 상기 제2 복사 패턴이 합성되어 준등방성 복사 패턴(quasi-isotropic pattern)으로 구현될 수 있다.
상기 유전체 기판의 높이는 상기 제1 안테나부의 높이보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 필터 일체형 안테나 시스템에 따르면, 고조파를 억제함과 동시에 소자 간의 연결이 단순화되고 시스템의 크기와 무게를 간소화시킬 수 있다.
또한, 방사체로 동작하는 두 개의 안테나부를 통해 준등방성 복사 패턴을 구현하고 이에 따라 모든 방향에서의 수신 감도가 안정화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템의 일 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템의 후면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템과 비교예에 따른 안테나 시스템의 S 파라미터(S11) 특성을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템과 비교예에 따른 안테나 시스템의 이득을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템과 비교예에 따른 안테나 시스템의 효율을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템의 3D 복사 패턴의 일 예시도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템의 준등방성 패턴을 보여주는 2D 복사 패턴의 예시도들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소, 부, 블록, 모듈들 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 함께 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)에 관하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템의 일 측면도이다. 이하, 본 발명의 필터 일체형 안테나 시스템(1)을 간략히 '안테나 시스템(1)'으로 지칭한다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 안테나 시스템(1)은 안테나 모듈(10), 이의 일 면에 구비되는 유전체 기판(20), 금속 포스트(30) 및 필터(40)를 포함할 수 있다. 본 도면에는 필터(40)는 도시되어 있지 않고, 필터(40)에 관하여는 후술하는 도 3을 통해 더 상세히 설명한다.
안테나 모듈(10)은 빔을 방사하는 방사체(radiator)로 동작하는 제1 안테나부(100) 및 제2 안테나부(200)의 두 개의 안테나부를 포함할 수 있다.
제1 안테나부(100)는 육면체 형태를 가지는 유전체 공진기로 이루어질 수 있다. 제1 안테나부(100)가 포함하는 유전 물질의 일 예로서 산화알루미늄(Al2O3)을 들 수 있고, 이때 제1 안테나부(100)의 유전상수는 약 9.9일 수 있다. 다만, 제1 안테나부(100)가 포함하는 유전 물질은 이에 한정되지 않고 방사체로 동작할 수 있는 모든 유전 물질이 될 수 있다.
제1 안테나부(100)는 제1 방향(x)으로 폭 dr_x를 가지고, 제1 방향(x)과 교차하는 제2 방향(y)으로 길이 dr_y를 가지며, 제3 방향(z, 높이 방향)으로 소정의 두께(dr_z)를 가질 수 있다.
제2 안테나부(200)는 제1 안테나부(100)의 적어도 일 면에 배치되는 패치 안테나로 구비될 수 있다. 제2 안테나부(200)는 금속을 포함하는 보우 타이형(bow-tie)으로 구비될 수 있다. 제2 안테나부(200)는 제1 안테나부(100)가 유전체 기판(20)과 접하지 않는 일 면(201)(이하, '상면(201)'으로 지칭할 수 있다.)에 보우 타이형으로 배치될 수 있다. 도 1에서는, 제2 안테나부(200)가 직육면체 형태를 가지는 제1 안테나부(100)의 xy 평면과 나란한 상면(201) 뿐만 아니라, 상면(201)에서 이어지는 일 측면(202) 그리고 상면(201)에서 이어지되 상기 일 측면(202)과 대향하는 일 측면(미도시)에 구비되는 예시를 도시하였다. 다른 실시예로, 제2 안테나부(200)는 상면(201)과 상면(201)에서 이어지는 다른 측면 쌍(203)에 구비될 수도 있다. 제2 안테나부(200)가 제1 안테나부(100) 상에서 구비되는 측면은 다양하게 설계 변경될 수 있다.
제2 안테나부(200)가 제1 안테나부(100)의 상면(201)에서 제1 안테나부(100)와 이루는 보우 타이형의 경계선(200i)은 길이 tri_d를 가지고, 인접하는 두 경계선 사이의 각도는 θb일 수 있다. 이때, 제2 안테나부(200)는 제1 안테나부(100)의 일 면에서 서로 대칭으로 구비될 수 있다. 즉, 제2 안테나부(200)의 보우 타이형의 네 경계선(200i)의 길이는 모두 동일하게 tri_d일 수 있고, 인접하는 두 경계선(200i) 사이의 각도도 양 쪽 모두 동일하게 θb일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 제2 안테나부(200)는 비대칭으로 구비될 수도 있다. 예컨대, 경계선(200i) 사이의 길이가 서로 다르거나, 인접하는 두 경계선이 이루는 각도가 서로 다를 수 있다.
유전체 기판(20)은 안테나 기판으로서 안테나 모듈(10)의 일 면에 배치될 수 있다. 유전체 기판(20)은 일 예로 유전상수(진공에서 유전율에 대한 비율)가 약 3.5인 RF-35 기판일 수 있다. 유전체 기판(20)은 제3 방향(z, 높이 방향)으로 소정의 두께(d2)를 가질 수 있다. 일 예로 d2는 약 1mm 내지 약 2mm의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
유전체 기판(20)은 제1 방향(x)으로 폭 gnd_x를 가지고, 제2 방향(y)으로 길이 gnd_y를 가지며, 제3 방향(z, 높이 방향)으로 소정의 두께(d2)(도 2에 도시됨)를 가질 수 있다.
유전체 기판(20)이 안테나 모듈(10)과 접하는 일 면은 금속으로 코팅될 수 있다. 이때 유전체 기판(20)의 일 면의 금속은 보우 타이형의 제2 안테나부(200)와 동일한 종류의 금속일 수도 있고, 다른 종류의 금속일 수도 있다.
금속 포스트(30)는 유전체 기판(20)에 인가되는 급전 신호를 안테나 모듈(10)에 인가하여 안테나 시스템(1)을 동작시키는 역할을 할 수 있다. 금속 포스트(30)는 급전봉의 형태로 구비될 수 있다. 여기서 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 안테나 시스템(1)을 제1 방향(x)으로 바라보면, 금속 포스트(30)는 제1 방향(x)과 교차하는 제3 방향(z)으로 소정의 높이(h3)를 가질 수 있다. 금속 포스트(30)의 높이(h3)는 안테나 모듈(10)의 높이(dr_z)와 유전체 기판(20)의 높이(d2)의 합과 같거나 작을 수 있다. 금속 포스트(30)의 높이(h3)는 약 15 mm 내지 약 20 mm 범위 내일 수 있고, 일 예로 약 18.32 mm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)의 후면도이다. 본 도면에서는 안테나 시스템(1)이 포함하는 필터(40)의 구성을 위주로 설명한다. 본 발명의 필터(40)는 저역 통과 필터(Low-pass filter; LPF)일 수 있으므로, 이하에서 필터(40)를 LPF(40)로 지칭할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 LPF(40)는 유전체 기판(20)의 타 면에 배치될 수 있다. 상기 타 면은 유전체 기판(20)의 안테나 모듈(10)과 접하지 않는 일 면으로서, 안테나 모듈(10)과 접하는 일 면과 대향하는 면을 의미한다. LPF(40)는 유전체 기판(20) 상에서 급전 방향(Feeding Direction; Df)으로 급전 신호를 인가 받을 수 있다.
LPF(40)는 제2 방향(y)으로 소정의 길이(pole_d)를 가질 수 있다. 소정의 길이(pole_d)는 유전체 기판(20)의 제2 방향(y)으로의 길이(gnd_y)보다 짧거나 같을 수 있다. LPF(40)의 길이(pole_d)는 약 20 mm 내지 약 40 mm일 수 있고, 일 예로 약 32.305 mm일 수 있다.
LPF(40)는 다양한 폭(x 방향)과 길이(y 방향)을 가지는 복수의 서브 필터부(40s) 및 서로 다른 서브 필터부(40s)를 연결하는 연결부(40c)를 포함할 수 있다. 복수의 서브 필터부(40s)는 서로 다른 폭과 길이를 가지는 적어도 두 개의 서브 필터부를 포함할 수 있고, 실시예에 따라서 서로 동일한 폭과 길이를 가지는 서브 필터부를 포함할 수도 있다. 본 도면에서는 일 예로 LPF(40)가 5개의 서브 필터부(40s) 및 이들을 서로 연결하는 4개의 연결부(40c)를 포함하는 예시를 도시하였다. 그러나, LPF(40)는 고조파를 효율적으로 억제할 수 있는 범위 내에서 복수의 서브 필터부(40s), 연결부(40c)의 폭과 길이, 개수를 다양하게 설계 변경할 수 있다.
LPF(40)의 서브 필터부(40s)나 연결부(40c) 중 적어도 하나는 급전 포스트(30)의 일 면과 중첩될 수 있다. 본 도면에서는 최하단의 서브 필터부(40s)가 급전 포스트(30)와 중첩되는 예시를 도시하였으나, 급전 포스트(30)의 중첩 위치는 이에 한정되지 않는다.
본 도면에는 각 서브 필터부(40s)와 연결부(40c)의 폭(w, w1~w7)과 길이(l, l1~l7)가 도시되어 있다. 각 서브 필터부(40s)와 연결부(40c)의 폭은 유전체 기판(20)의 제1 방향(x)으로의 폭(gnd_x)보다 작을 수 있다. 본 도면에 도시된 각 서브 필터부(40s) 및 연결부(40c)의 폭과 길이는 일 예로 w = 3.344, l = 2.655, w1 = 0.425, l1 = 1.97, w2 = 11.77, l2 = 3.61, w3 = 0.425, l3 = 5.72, w4 = 11.77, l4 = 4.55, w5 = 0.425, l5 = 5.72, w6 = 11.77, l6 = 3.61, w7 = 0.425, l7 = 1.97, l8 = 4.33 (mm)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이하, 상술한 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 안테나 시스템(1)의 동작 원리에 관하여 설명한다.
안테나 시스템(1)을 동작시키는 급전 신호가 급전 방향(Feeding Direction; Df)으로 인가될 수 있다. 이때 급전 신호는 금속 포스트(30)를 통해 인가될 수 있다. 유전체 기판(20) 상의 LPF(40)를 통해 급전 신호가 인가되면 본 발명의 안테나 시스템(1)의 동작 대역폭을 제외한 구간의 고조파 성분이 필터링 되어 '제1 필터링 신호'가 생성될 수 있다. 이러한 제1 필터링 신호는 안테나 모듈(10)의 제1 안테나부(100) 및 제2 안테나부(200)를 모두 여기(excitation)시킬 수 있다. 유전체 공진기로 구비되는 제1 안테나부(100)는 제1 필터링 신호에 의해 자계 다이폴로 등가되어 제1 복사 패턴을 형성하고, 패치 안테나로 구비되는 제2 안테나부(200)는 제1 필터링 신호에 의해 전계 다이폴로 등가되어 제2 복사 패턴을 형성할 수 있다. 본 발명의 안테나 시스템(1)의 전체 복사 패턴은 상기 제1 복사 패턴 및 상기 제2 복사 패턴이 합성되어 준등방성 복사 패턴(quasi-isotropic pattern)으로 구현될 수 있다.
실시예에 따라서, 금속 포스트(30)를 통해 급전 신호가 인가되면, 상기 급전 신호는 상기 제1 안테나부(100) 및 상기 제2 안테나부(200) 각각을 여기시킬 수 있다. 이때 제1 안테나부(100)는 상기 급전 신호에 의해 자계 다이폴로 등가되어 제1 복사 패턴을 형성하고, 제2 안테나부(200)는 상기 급전 신호에 의해 전계 다이폴로 등가되어 제2 복사 패턴을 형성할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 안테나 시스템(1)의 전체 복사 패턴은 상기 제1 복사 패턴 및 상기 제2 복사 패턴이 합성되어 준등방성 복사 패턴(quasi-isotropic pattern)으로 구현될 수 있다. 제1 및 제2 복사 패턴에 관하여는 후술하는 도 8 내지 도 10을 통해 더 구체적으로 설명한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(1)에 의하면, 필터(40)를 통해 인가되는 급전 신호가, 필터(40)와 공유된 급전 포스트(30)를 통해 유전체 공진기 형태의 제1 안테나부(100)와 보우 타이형의 제2 안테나부(200) 각각을 급전시키므로, 서로 다른 2개의 안테나가 작동하는 양상을 가진다. 따라서, 보우 타이형의 제2 안테나부(200)만 여기되어 방사체로 동작하는 경우 전방향성 패턴(omni-directional pattern)이 구현되고 이에 따라 공백(null)이 생기는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명의 경우 두 안테나부(100, 200)가 모두 급전되어 빔을 방사하므로, 제2 안테나부(200)만 단독으로 급전되는 경우 생길 수 있는 전방향성 패턴의 null 부분을 제1 안테나부(100)에 의해 방사된 빔이 보강하고 이에 따라 모든 방향에 null이 존재하지 않는 준등방성 패턴(quasi-isotropic pattern)이 구현될 수 있다.
본 발명의 안테나 시스템(1)에 의한 효과에 관하여는 후술하는 도면들을 통해 더 상세히 설명한다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형(with filter) 안테나 시스템(1)의 효과를 비교예에 따른 필터가 삽입되지 않은(wo filter) 안테나 시스템과 비교하여 설명한다. 도 4 내지 도 6은 안테나 시스템(1)을 동작 주파수가 3.0 내지 3.2 GHz 구간에서 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)과 비교예에 따른 안테나 시스템의 S 파라미터(S11) 특성을 비교한 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(1)의 S11 특성을 나타내는 프로파일(41) 및 비교예에 따른 안테나 시스템의 S11 특성을 나타내는 프로파일(42)이 도시되어 있다. S11 곡선은 패치 안테나의 입력 반사계수를 의미하는 것으로서, 안테나가 동작하는 동작 주파수 범위에서 S11 값이 낮아진다. 즉, 동작 주파수에서 안테나로 입력된 신호 전력이 반사되어 돌아오지 않고 최대한 안테나를 통해 외부로 복사됨을 의미한다. 그래프 상에서 밑으로 더 깊게 파일수록 안테나의 복사 효율이 높고 매칭이 잘 된 것을 의미한다. 또한, 밑으로 파인 계곡의 폭이 넓을수록 해당 안테나의 대역폭이 넓다는 의미이다.
도 4를 참조하면, 두 프로파일(41, 42) 모두 동작 주파수(3.0 내지 3.2 GHz) 구간에서 -10 dB 이하를 만족하여 동작 주파수 구간 내에서 안테나 시스템(1)의 복사 효율이 높은 것을 확인할 수 있다. 한편, 상술한 동작 주파수 이외의 구간에서 두 프로파일(41, 42)을 비교하면, 본 발명의 필터 일체형 안테나 시스템(41)은 고조파 성분이 충분이 억압되었으나, 비교예의 안테나 시스템(42)은 동작 주파수 이외의 구간에서도 깊게 파인 계곡들이 존재하여 다양한 고조파 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 안테나 시스템(1)에 의하면, 동작 주파수 이외의 대역에서 고조파 성분들이 제대로 억제되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)과 비교예에 따른 안테나 시스템의 이득(Realized Gain)을 비교한 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(1)의 이득을 나타내는 프로파일(51) 및 비교예에 따른 안테나 시스템의 이득을 나타내는 프로파일(52)이 도시되어 있다.
도 5와 하기 [표 1]을 함께 참조하면, 본 발명의 필터 일체형 안테나 시스템(51)은 2차 고조파 구간에서의 이득과 3차 고조파 구간에서의 이득이 각각 약 -7.352 dBi, 약 -7.338 dBi로 측정되었다. 이를 통해 필터가 결합되지 않은 비교예에 따른 안테나(52) 대비 약 11.12 dB, 약 12.5 dB 만큼 충분히 억제된 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예의 안테나 시스템(52)은 2차 고조파 구간과 3차 고조파 구간 각각에서의 이득이 약 3.764 dBi, 약 5.222 dBi로 측정되었다. 이와 같이, 비교예에 따른 안테나(52)는 2차 고조파 구간과 3차 고조파 구간에서도 동작 주파수 대역(3.0~3.2 GHz)에서 발생되는 이득과 거의 동일한 이득을 가져, 고조파 대역에서도 동작 주파수 대역과 거의 동등한 수준의 방사가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 여기서, n차 고조파는 동작 주파수가 f (Hz)일 때 n*f (Hz)를 의미한다.
51 (with filter) 52 (wo filter)
2차 고조파 이득 -7.3519 dBi 3.7639 dBi
3차 고조파 이득 -7.3383 dBi 5.2218 dBi
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)과 비교예에 따른 안테나 시스템의 효율(Total Efficiency)을 비교한 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(1)의 효율을 나타내는 프로파일(61) 및 비교예에 따른 안테나 시스템의 효율을 나타내는 프로파일(62)이 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 필터 일체형 안테나 시스템(61)은 2차 고조파 구간과 3차 고조파 구간에서 안테나 전체 효율이 낮은 것으로 보아 2차 및 3차 고조파에 의한 공진 성분들이 충분히 억제된 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예의 안테나 시스템(62)은 동작 주파수 대역에서는 전체 효율이 우수하지만, 2차 및 3차 고조파 구간과 같이 원하지 않는 구간에서도 전체 효율이 우수한 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예에 따른 안테나 시스템에서는 원치 않는 고조파 대역에서도 공진이 발생하고 동작 주파수 대역과 동등한 수준의 방사가 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
이하, 도 7 및 도 10을 함께 사용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템에 의해 구현되는 준등방성 복사 패턴에 관하여 설명한다. 도 7 및 도 8은 안테나 시스템(1)을 약 3.0 GHz의 동작 주파수에서 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)의 3D 복사 패턴(70)의 일 예시도이다.
도 7을 그 우측의 안테나 이득 스케일과 함께 참조하면, 동작 주파수가 약 3 GHz일 때 시뮬레이션 상 3D 복사 패턴에 의한 안테나 시스템(1)의 최대 이득은 약 1.74 dBi로 측정되었고, 최소 이득은 약 -5.53 dBi 보다 작은 값으로 측정되었다. 이에 따라 안테나 시스템(1)의 최대 이득과 최소 이득 간의 차이는 약 7.27 dB 보다 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이때 최소 이득은 일 예로 약 -5.1398 dBi이고, 상기 차이는 약 6.8795 dB일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(1)의 이득은 모든 방사 영역에서 약 -5.53 dBi 내지 약 1.74 dBi 사이의 범위에 존재한다는 것으로, 본 발명의 실시예들에 따르면 준등방성 패턴이 구현되는 것을 확인할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 일체형 안테나 시스템(1)의 준등방성 패턴을 보여주는 2D 복사 패턴의 예시도들이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 동작 주파수가 약 3 GHz일 때 본 발명의 안테나 시스템(1)에 의하면 Theta 성분의 편파(E_theta)와 Phi 성분의 편파(E_phi)가 존재하는 것을 확인 할 수 있다. 이하에서 E_theta, E_phi 각각은 전술한 제1 복사 패턴, 제2 복사 패턴에 대응될 수 있다. Theta 성분의 편파(E_theta)에서 발생된 Null 부분을 Phi 성분의 편파(E_phi)가 보상해주며, 반대로 Phi 성분의 편파(E_phi)에서 발생된 Null 부분을 Theta 성분의 편파(E_theta)가 보상하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 이 두 편파(E_theta, E_phi)가 합쳐진 전체 편파(E_abs)에 Null 성분이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 서로 교차하는 두 성분 편파(일 예로 E_theta와 E_phi)의 합성에 의해 준등방성 패턴이 구현되고 모든 방향에서 거의 균일한 이득을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(1)에 의하면, 필터 일체형 안테나 시스템을 구현함으로써 동작 주파수 이외의 고조파를 억제시킬 수 있다. 또한, 본 발명과 달리 필터부와 안테나부를 일체화 시키지 않고 별개로 분리하여 구비하는 경우 필터부와 안테나부 간의 임피던스 정합 네트워크가 필요한 반면, 본 발명의 경우 이러한 별도의 정합이 필요하지 않으므로 소자 간의 연결을 단순화하고 시스템의 크기와 무게를 감소시킬 수 있다.
이와 같이 고조파를 억제함과 동시에 방사체로 동작하는 서로 다른 2개의 안테나(제1 안테나부(100) 및 제2 안테나부(200))로 안테나 시스템을 구성함으로써 특정 방향으로 빔을 방사하는 것이 아닌 모든 방향으로 균일한 빔을 방사하는 준등방성 복사 패턴을 구현할 수 있다. 이에 따라 안테나 시스템(1)은 모든 방향으로 신호 송수신이 가능하고, 모든 방향에서의 수신 감도가 안정화될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
따라서, 본 발명의 사상은 앞에서 설명된 실시예들에 국한하여 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 필터 일체형 안테나 시스템
10: 안테나 모듈
20: 유전체 기판
30: 급전 포스트
40: 저역 통과 필터
40s: 서브 필터부
40c: 연결부
100: 제1 안테나부
200: 제2 안테나부

Claims (12)

  1. 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상기 제1 면 상에 배치되는 안테나 모듈;
    상기 유전체 기판의 상기 제2 면 상에 배치되고, 제1 포트와 제2 포트를 갖고, 상기 제1 포트를 통해 급전 신호가 인가되는 저역 통과 필터(Low-Pass Filter; LPF); 및
    상기 유전체 기판과 상기 안테나 모듈을 관통하는 금속 포스트를 포함하고,
    상기 안테나 모듈은 방사체(radiator)로 동작하는 제1 및 제2 안테나부를 포함하고,
    상기 제1 안테나부는 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖는 육면체 형상의 유전체 공진기를 포함하고,
    상기 제2 안테나부는 상기 유전체 공진기의 상기 제1 면 상에 배치되는 보우 타이 형상의 패치 안테나를 포함하고,
    상기 금속 포스트는 상기 저역 통과 필터의 상기 제2 포트와 상기 보우 타이 형상의 패치 안테나 사이에 전기적으로 연결되는 필터 일체형 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전 신호가 상기 저역 통과 필터의 상기 제1 포트에 인가되면, 상기 LPF의 상기 제2 포트를 통해 상기 안테나 시스템의 동작 대역폭을 제외한 구간의 고조파 성분이 필터링된 제1 필터링 신호가 상기 금속 포스트로 출력되는, 필터 일체형 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 필터링 신호는 상기 금속 포스트를 통해 상기 제1 안테나부 및 상기 제2 안테나부를 각각 여기시키되,
    상기 제1 안테나부는 상기 제1 필터링 신호에 의해 자계 다이폴로 등가되어 제1 복사 패턴을 형성하고,
    상기 제2 안테나부는 상기 제1 필터링 신호에 의해 전계 다이폴로 등가되어 제2 복사 패턴을 형성하는, 필터 일체형 안테나 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 안테나 시스템의 전체 복사 패턴은 상기 제1 복사 패턴 및 상기 제2 복사 패턴이 합성되어 준등방성(quasi-isotropic)을 갖는, 필터 일체형 안테나 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보우 타이 형상의 패치 안테나는 서로 이격하여 마주보는 2개의 금속 윙(wing)을 갖고,
    상기 금속 포스트는 상기 2개의 금속 윙 중 하나와 상기 저역 통과 필터의 상기 제2 포트 사이에 직접 연결되는 필터 일체형 안테나 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 포스트의 높이는 상기 유전체 기판의 높이와 상기 유전체 공진기의 높이의 합에 대응하고,
    상기 유전체 기판의 높이는 상기 유전체 기판의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 거리이고,
    상기 유전체 공진기의 높이는 상기 유전체 공진기의 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 거리인 필터 일체형 안테나 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판의 높이는 상기 제1 안테나부의 높이보다 작은 필터 일체형 안테나 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LPF는 상기 유전체 기판의 상기 제2 면 상에 배치되는 금속 스트립으로 형성되는 필터 일체형 안테나 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 LPF는 복수의 서브 필터부, 및 상기 복수의 서브 필터부 중 인접하는 서브 필터부들을 연결하는 적어도 하나의 연결부를 포함하고,
    상기 복수의 서브 필터부는 서로 다른 폭과 길이를 가지는 적어도 두 개의 서브 필터부를 포함하는 필터 일체형 안테나 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보우 타이 형상의 패치 안테나는 제1 방향으로 서로 대칭인 2개의 금속 윙(wing)을 갖고,
    상기 2개의 금속 윙 각각은 상기 제1 방향의 축을 중심으로 대칭인 필터 일체형 안테나 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 2개의 금속 윙 각각은 상기 유전체 공진기의 상기 제1 면 상에 5각형의 평면 형상을 갖는 필터 일체형 안테나 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 서로 대향하는 제3 면과 제4 면을 갖고,
    상기 유전체 공진기의 상기 제1 면 상에 배치되는 상기 2개의 금속 윙은 각각 상기 제3 면과 상기 제4 면 상으로 굴곡되어 상기 유전체 기판의 상기 제1 면까지 연장되는 필터 일체형 안테나 시스템.
KR1020210190405A 2021-12-28 2021-12-28 필터 일체형 안테나 시스템 KR102608374B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210190405A KR102608374B1 (ko) 2021-12-28 2021-12-28 필터 일체형 안테나 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210190405A KR102608374B1 (ko) 2021-12-28 2021-12-28 필터 일체형 안테나 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230100479A KR20230100479A (ko) 2023-07-05
KR102608374B1 true KR102608374B1 (ko) 2023-12-01

Family

ID=87159163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210190405A KR102608374B1 (ko) 2021-12-28 2021-12-28 필터 일체형 안테나 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102608374B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100797398B1 (ko) * 2004-12-08 2008-01-28 한국전자통신연구원 Ｐｉｆａ 안테나 및 이를 이용한 ｒｆｉｄ 태그
KR100598867B1 (ko) * 2004-12-28 2006-07-12 전자부품연구원 필터가 구비된 마이크로스트립 전송선로
KR101757719B1 (ko) * 2011-05-11 2017-07-14 한국전자통신연구원 안테나
KR20210122956A (ko) * 2020-04-01 2021-10-13 삼성전자주식회사 다중 대역 안테나 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230100479A (ko) 2023-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10003132B2 (en) Shared-aperture antenna and base station
US10862198B2 (en) Wideband, low profile, small area, circular polarized uhf antenna
EP3471208B1 (en) Dual band antenna module
CN110350289B (zh) 基于基片集成波导四分之一模馈电的低剖面有源微带天线
CN106486785A (zh) 用于无线网络的双频段多列天线阵列
CN111883910B (zh) 一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备
US20130285865A1 (en) Printed slot-type directional antenna, and system comprising an array of a plurality of printed slot-type directional antennas
EP3487000B1 (en) Wireless transceiving apparatus, antenna unit and base station
US11245197B2 (en) Wireless transceiver apparatus and base station
CN107611591A (zh) 电子切换波束方向数组天线
US20210226341A1 (en) Antenna device
CN113078459A (zh) 一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线
EP3916908A1 (en) Communication antenna and radiation unit thereof
CN113497356A (zh) 一种双带双极化滤波天线
CN114374085A (zh) 一种面向5g毫米波双频段应用的双极化混合天线
CN206432384U (zh) 多输入多输出天线系统及移动终端
CN114122682A (zh) 天线单元、天线阵列及电子设备
US11637373B2 (en) Multi-band antennas having enhanced directors therein that inhibit radiation interference across multiple frequency bands
KR102608374B1 (ko) 필터 일체형 안테나 시스템
CN110957565B (zh) 一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线
CN113497357B (zh) 一种宽带双极化滤波天线
CN113497351B (zh) 滤波天线及无线通信设备
CN115810903A (zh) 一种天线辐射单元和天线
CN112448157B (zh) 基于多层pcb的毫米波集成对数周期天线
KR20080086767A (ko) 광대역/2주파 마이크로스트립 패치 안테나 및 배열 안테나

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant