KR19990048718A

KR19990048718A - 이동통신용 기지국용 안테나

Info

Publication number: KR19990048718A
Application number: KR1019970067485A
Authority: KR
Inventors: 김제우; 이. 티모예프 이고르; 한경섭
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-07-05
Also published as: KR100285779B1; US6144344A

Abstract

본 발명은 높은 원가와 심각한 삽입손실을 제거하는 안테나를 제공하기위해

PCB의 한쪽면에 배열된 전력 분배기 단말부를 포함하는 전력 분배기 패턴을 가지고 있는 인쇄 회로판(PCB)과, 그 안에 직사각형의 구멍을 복사요소로서 각각 배열시키고 상기 PCB의 상기 전력 분배기 단말부의 각각에 전자기적으로 연결시키며 전력 분배기 회로에 대해서 절연되도록, 정해진 두께를 가진 거품유전판에 의해 상기 PCB로부터 분리되도록 배열하고, 상기 PCB의 상기 전력 분배 단말부는 위에서 본 평면도에서 상기 구멍의 외형안에서 끝나도록 배열하며, 모든 상기 전력 분배기는 한 선에 맞추어 배열하고, 길이는 파장의 약 4분의 1이 되게 구성한 도전성 접지판과, 한쪽면이 열리고 상기 모든 구멍이 공동의 외형안에 배열되도록 상기 열린면과 가장자리에 의해서 상기 접지판에 연결되는 직사각형 박스 모양을 가진 공동으로 이루어지도록 구성되어 있다.

Description

이동통신용 기지국용 안테나

본 발명은 평면 안테나 어레이에 관한것으로서,특히 이동통신을 위한 기지국용 안테나에 관한것이다.

일반적으로 기지국용 안테나로서 주종을 이루고 있는 원통형의 다이폴 어레이(array)안테나에 대한 기술은 "K. Fujimoto"와 "J. R. James"에 의해Mobile Antenna Systems Handbook, Artech House, 1994,p.126-127에서 상세히 나타낸 바 있다. 이러한 종류의 기지국용 안테나가 가진 중요한 결점은 고가의 제작비와 거대한 크기 및 가중한 무게가 문제가 되어 왔었다.

종래의 기지국용 안테나 인쇄회로 어레이는 매우 얇고, 가볍게,원가를 절감시킬 수 있도록 되어 있으며,상기 기지국용 안테나에 적용한 인쇄회로기술중의 하나는 " Jean-Francois Zurcher, Fred E. GardiolBroadband patch antennas, Artech House,1995"에 나타나 있다.

상기 기지국용 안테나는 소위 "Strip-Slot-Foam-Inverted Patch(SSFIP)"안테나로 수직분극을 가진 수직선형 어레이 구성이다.기능적으로 안테나는 마이크로스트립 전력 분배기와 그것에 전자기적으로 연결되어 직사각형의 패치형태로 이루어져 있다. 그 패치들은 마이크로스트립 라인의 바탕평면에 에칭되어 있는 마이크로스트립 공급라인의 인가 슬롯에 연결되어 있다. 상기 슬롯과 패치간의 거품 유전체(誘電體)층은 안테나의 대역폭을 증가시키고, 안테나가 "샌드위치"형태로 조립되었을 때, 결과적으로 가벼운 중량이 되며, 저항력이 강한 구조로 된다(복합재료).기구적으로 안테나는 다중층 구조인데,금속 접지판, 마이크로스트립 분배기와 슬롯을 가진 제1의 인쇄회로판(PCB), 거품층 그리고 패치들을 가진 제2의 인쇄회로기판(PCB)으로 구성 되어 있다. 상기 "J.-F. Zurcher"와"F.E. Gardiol"가 "Broadband patch antennas"에서설명하고 있듯이 기지국 안테나는 종래의 원통형 다이폴 안테나에 비하여 더 싸다고 하더라도, 상기 안테나의 제작비용은 비교적으로는 역시 비싸다. 그 이유는 실제로 안테나의 PCB는 마이크로스트립 전력 분배기에 낮은 삽입 손실을 제공하기위해 질 좋은 유전(誘電)물질로 만들어져야 하므로 원가상승으로 고가의 원인이 되며, 또한 상기 이러한 안테나는 고가의 PCB를 2개 가져야 하기 때문에 비싸다. 그러나 질 좋고 고가의 PCB를 사용하더라도,전기적으로 큰 배열이거나 특히 좀더 높은 주파수(1.8∼2.5GHz)를 가진 PCS 안테나는 마이크로스트립 라인의 삽입손실이 매우 커지게 문제가 있다. 상기 SSFIP 안테나에서 상기 기술을 이용하면 중간 이득(약13dB)에 대해서는 수용이 가능 하지만, 높은 이득(약16∼20dB)을 얻기는 어렵다.예를 들어, 삽입 손실과 이득은 PCB에 대해서 고가의 "RT/duroid 5870"물질을 사용하는데도 불구하고 상기한 "Zurcher"와 "Gardiol"의 "Broadband patch antennas"의페이지 p.156∼158에서 개시하고 있듯이 안테나는 각각 1.5dB와 12.5dB을 얻을수 있음을 밝히고 있다. 더욱이, 같은 PCB 물질을 사용하면서 같은 기술로 만들어진 14dB 이득의 안테나의 삽입손실은 약3dB정도가 된다.왜냐하면 마이크로스트립 라인의 길이가 약 2배정도 늘어나기 때문이다. 이런식으로는 높은 이득(15∼20dB)의 안테나 얻고자 함은 결국 안테나 효율을 너무 떨어뜨리게 된다. 그러므로 종래기술에 있어 중요한 기술적 문제는 높은 원가와 심각한 삽입손실이다.그리고 상기 기지국용 안테나에 대해서 비용이 가장 중요한 요소라는 것에 유의해야 하는데, 왜냐하면 이것은 대량생산에 있어 문제가 되기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 높은 원가와 심각한 삽입손실을 제거하는 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 수행하기 위한 본 발명은 고가의 PCB를 2개 사용하는 대신 저가의 PCB를 단 1개만 사용하고, 공급 네트워크에 대해서 비교적 고손실 마이크로스트립 라인을 쓰는 대신 저손실 역(逆) 라인을 사용하도록 구성됨을 특징으로 한다.

도 1는 본 발명의 실시예에 따른 기지국용 안테나의 분해 투시도

도 2는 도1에서 기지국용 안테나의 PCB에 대한 저면도

도 3은 도1에서 기지국용 안테나의 단면도

도 4는 도1의 기지국용 안테나에서 구멍과 전력 분배기 단말부간의 관계에 대한 설명도

도 5는 도1의 기지국용 안테나에서 구멍과 전력 분배기 단말부간의 관계를 또 다른 측면에서 설명한 도면

도 6은 또다른 측면에서 도시한 도1의 기지국용 안테나의 종단면도

도 7은 동작위치에 있는 도1의 기지국용 안테나에 대한 개략도

도 8은 도1에서 기지국용 안테나의 전형적인 복사 패턴

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다.하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의내려진 용어들로서 이는 사용자 또는 칩설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기지국용 안테나를 분해한 것에 대한 투시도이고,

도 2는 도1에서 기지국용 안테나의 PCB에 대한 저면도이며,도 3은 도1에서 기지국용 안테나의 단면도이다.

본 발명에 따른 구체화에 있어서 저가의 기지국용 안테나를 보여주는 도 1 내지 도 3을 참고하면, 도 1의 도시와 같이 안테나(10)는 일반적으로 전력 분배기 패턴(14)이 형성된 PCB(11)와, 거품표면으로 되어 있는 폴리에틸렌판의 거품 유전판(12)과, 그리고 접지판(15)과 공동(空洞)(16)으로 이루어진 케이스(13)로 이루어져 있다.

상기 PCB(11)에서 전력 분배기 패턴(14)은,에칭에 의해 약 1∼1.5㎜의 두께를 가진 섬유유리(유리 에폭시), 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 아크릴 또는 PVC 합성수지와 같은 저가의 유전물질로 만들어진 플래스틱판위에 형성되어 있는 도체스트립 패턴이다. 상기 전력 분배기 패턴(14)은 도 2의 개시와 같이 PCB(11)의 바닥(안쪽)표면에 에칭되어 있다.

상기 거품 유전판(12)은 거품표면으로 되어 있는 두께 1.5㎜의 폴리에틸렌판으로 되어 있는데,어디에서나 용이하게 구해질 수 있는 것이다. 또한 상기 거품유전판(12)은 상기 PCB(11)와 케이스(13)사이에 끼워져 결합된다. 상기 PCB(11)의 표면에 있는 전력 분배기 패턴(14)은 도 3에서의 도시와 같이 거품 유전판(12)과 접지판(15)과 더불어 역(逆)전송라인을 이룬다.

상기 케이스(13)는 접지판(15)과 공동(空洞)(16)으로 이루어져 있다. 상기 접지판(15)은 약 1.5㎜의 두께를 가진 알루미늄으로 만들어져 있는데, 펀칭에 의해서 만들어진 복수개의 구멍(17)은 도 4의 도시와 같이 직사각형의 개구(開口)로 형성되어 있되, 직렬로 배열되어 있다. 상기 구멍(17)의 크기는 H-평면에서는 약 0.5λ이고, E-평면에서는 약 0.25∼0.5λ이다.상기 공동(16)은 한쪽방향인 상부가 개구되고 깊이가 0.05∼0.25λ, 폭이 약 0.5λ이며, 길이는 안테나의 길이보다 조금 작은 직사각형의 알루미늄 박스이다. 상기 공동(16)은 위에서 본 평면도에서,구멍(17)의 라인이 공동(16)과 일치하도록 접지판(15)에 직접 연결되어 있다.(예를 들면,도 3의 용접점(21)에 의해) 상기 PCB(11)표면에 있는 전력 분배기 패턴(14)은 도 4의 개시와 같이 전력 분배기 단말부(18)가 평면도에서 구멍(17)의 중앙을 넘어 연장되지만 개구를 넘어서지 않고 직사각형 모양의 개구안의 한 위치에서 끝나도록 전력 분배기 패턴(14)의 전력 분배기 단말부(18)를 구멍(17)의 각각에 일치시키는 위치에 각각 배열하도록 만들어진다. 더욱이,효율이 매우 높으면서 낮은 원가의 PCS 기지국용 안테나는, 예를 들어 도 1,2의 개시와 같이 6개의 요소를 100㎜간격으로 열지어 펀칭하여 구멍(17)을 만들면 원하는 형상을 얻을 수 있다. 상기 구멍(17)들간의 거리는 다음식으로 정의된다:

d =λ_min/ (1+sin ε_max)

여기서,

λ_min

는 최소 파장,

ε_max

는 코시컨트 영역의 가장자리 각도이다.

더욱이, 상기 구멍(17)은 전력 분배기 패턴(14)을 위한 더 넓은 공간을 확보하고, H-평면에서 복사패턴의 폭을 증가시키기 위하여, 될 수 있으면 도 4에서의 도시와 같이 직사각형이나 정방형 모양의 개구를 가지도록 만들어져야 하지만, 도 5에서 보는 것처럼 원형의 구멍(17a)으로 만들어져도 된다.

따라서 본 발명의 구체적 일 실시 예를 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하면,

전송모드에서 도 7의 도시와 같이 기지국 송수신기(25)의 전력은 입력 연결기(19)에 공급되며, 상기 전력 분배기 패턴(14)을 가진 PCB(11),거품 유전판(12),접지판(15)으로 구성된(그리고 전송라인으로서 역(逆)라인을 사용하는)전력분배기는 적당한 진폭과 위상을 가진 이 신호를 구멍(17)으로 나온 전력분배기 단말부(18)의 사이에서 배분한다. 빔형성을 위한 전형적인 전력 분배기 패턴(14)이 도 2에 나타나 있다. 상기 도 2의 개시와 같이 전력 분배기는 윌킨슨 분배기(20)와 같은 초보적인 분배기를 쓰고, 도 3에서와 같이 역(逆)라인을 사용한다. 도 3에서 처럼 전자기장은 역(逆)라인의 거품 유전판(12)에 대부분 집중되어 있기 때문에,역라인에서의 유전손실은 사실상 영(0)이고, 질 좋은 유전물질이 마이크로스트립 라인에 사용된다고 해도 전반적인 삽입손실은 마이크로스트립 라인의 손실보다 더욱 작다. 이의 원리는 K. C. Gupta,Microstrip Lines and Slotlines, 2판,Artech House, 보스턴, 런던, 1996, p2∼3, 115∼117에 개시되어 있다.이러한 방법으로 하는 안테나(11)의 삽입손실은 종래기술의 동일 안테나의 손실보다 상당히 작게 된다. 상기 분배기 단말부(18)의 길이는

λ/4

보다 조금 작고 작동은 토막(또는 모노폴)안테나와 유사하다(J. D. Kraus,Antennas, 2판, 1988, p.421).공동(16)과 구멍(17)은 이 "모노폴"의 입력 임피던스을 약 50∼100 Ohm의 수용가능 량으로 줄이고, E-와 H-평면에 거의 대칭적인 복사판을 형성한다. 상기 전력분배기 단말부(18)의 길이, 폭과 구멍(17)의 크기를 변화시킴으로써 비교적 넓은 대역(약 10∼20％)에 걸쳐 맞는 임피던스를 얻을 수 있다. 그러므로,복사 매커니즘은 다음과 같다.상기 모노폴로 작용하는 분배기 단말부(18)는 구멍(17)과 복사 패턴을 형성하는 공동(16)과 더불어 있는 구멍(17)을 여기(勵起)시킨다. 상기 공동(16)은 후방복사를 감소시키고 안테나(10)의 앞 .뒤 비율을 역시 증가시키는 한편, 안테나(10)의 구조를 지탱하는 중요한 역학적 역할을 한다.그리고 구멍(17)간의 상호 연결을 감소시키고, 결과적으로 안테나(10)의 복사패턴 합성을 향상시키기 위해서 도 6에서와 같이 공동(16)안의 구멍들(17) 사이에 금속 측방 칸막이(22)를 만드는 것이 편리하다. 상기 칸막이(22)는, 물론, 안테나(10)의 견고성을 향상시키고 결과적으로 공동(16)의 벽두께는 얇아져서 안테나 전체의 무게 역시 줄어들 것이다. 상기 PCB(11)에는: a)안테나 덮개로서 기능하고, b)전력 분배기 패턴(14)을 지지하며, c)전체 안테나(10)에 좀더 큰 견고성을 주는 등의 세가지 기능이 있다. 결국,극도로 가볍고,저항력 있으며,작은 외형(PCS에 대해서는 약 20∼30㎜, 900MHz의 휴대 안테나에 대해서는 약30∼40㎜)구조를 얻을 수 있다. 상기 전력 분배기 패턴(14)의 도체판은 한쪽은 PCB(11)에 의해, 나머지 한쪽은 거품 유전판(12)에 의해 습기와 안테나 환경으로부터 잘 보호되며, 이것은 안테나(10)의 높은 작동신뢰도를 제공한다. 전형적인 작동위치에 있는 기지국용 안테나(10)는 도 7에 개략적으로 나타나 있다. 기지국요 안테나(10)는 죔쇠(24)에 의해 마스트(23)에 고정되어 있고, 도 7에서와 같이 기지국의 송수신기(25)에 연결되어 있다. 시험에 의하면 광대역(廣帶域)의 작동성능을 보였고 종래기술에 따라 만들어진 동일한 배열에 비하여 향상된 이득을 나타내고 있다. 도 8에 도 1의 기지국용 안테나의 전형적인 복사 패턴이 나타나 있다. 곡선 "x"는 수평평면(섹터 빔)에서의 복사 패턴이고,곡선 "y"는 수직평면(코시컨트 빔)에서의 복사 패턴이다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 복사패턴은 기지국용 안테나 패턴에 대한 요구를 잘 만족시키는데, 수평패턴이 대칭적이고 알맞은 빔폭을 가지고 있으며 수직패턴은 코시컨트 구역과 낮은 측면을 잘 포함하고 있다.

상술한 바와같이저비용에 있어서종래의 기술에서는 PCB원가가 전체 안테나 원가의 약 70％정도를 차지하며, 에폭시 유리 PCB의 원가는 RT/duroid보다 4배정도 낮고, 단위 안테나당 필요한 PCB의 개수는 2배 적으며, 역(逆)안테나와 종래 안테나의 나머지 두 부분은 유사하기 때문에 역안테나의 전체원가는 종래안테나 원가의 단지 40％로 추측된다.저손실에 있어서역안테나에서 사용되는 역라인의 삽입손실은 약 0.5dB/m정도 얻어 질 수 있고, 900∼1900MHz의 대역에서는 그보다 더 작은데, 이것은 마이크로스트립 라인(약 1∼2.5dB/m)에 비해 상당히 좋은 것이다. 이런 식으로, 특히 높은 이득(15∼20dB)의 안테나에 대해서는 역안테나의 안테나 효율은 종래 안테나보다 더 높다.저중량에 있어서무게는 동일한 종래 안테나에 비해 약 20％정도 감소될 수 있는데, 왜냐하면 종래 안테나에서 2개의 PCB가 사용되는데 반해 역안테나에서는 단지 1개의 PCB만이 사용되기 때문이다. 역안테나의 또 다른 특징은 종래 안테나의 상사(相似)적인 특징과 실질적으로 같다는 점이며, 마지막으로 역안테나는 종래 안테나에 비해서 현저한 장점을 가지고 있다.

Claims

기지국 안테나에 있어서,

인쇄회로기판(PCB)의 표면에 배열된 복수개의 전력분배기 단말부를 포함하는 전력분배기 패턴을 형성하며,

상기 인쇄회로판의 하부에 전력분배기 단말부와 전력분배기 패턴에 대하여 절연이 되도록 거품 유전판을 설치하며,

상기 거품 유전판의 하부에 접지판과 공동으로 이루어진 케이스를 설치하되, 상기 접지판은 상기 전력분배기 단말부와 일치되는 위치에 복수개의 구멍을 각각 형성하고, 상기 접지판의 하단에는 직사각형 박스 모양으로 상부가 개구된 공동이 일체로 설치된 것을 특징으로 하는 기지국용 안테나.
기지국 안테나에 있어서,

복수개의 전력분배기 단말기부에 전력분배기 패턴이 형성된 인쇄회로기판(PCB)과;

상기 인쇄회로판(PCB)의 하부에 위치되며 전력분배기 단말부와 전력분배기 패턴에 대하여 절연이 되도록 정해진 두께를 가진 거품 유전판과;

상기 거품 유전판의 하부에 위치되며 전력분배기 패턴과 접속되는 입력열결기가 설치되며, 상기 전력분배기 단말부와 일치되는 위치에 복수개의 구멍이 형성된 접지판과, 상기 접지판의 하단에 연결된 직사각형 박스 모양으로 상부가 개구된 공동과, 상기 동공의 개구된 상부에 상기 접지판의 복수개 구멍이 배열되게 일체로 연결된 케이스로 이루어진 것을 특징으로 하는 기지국용 안테나.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 접지판의 각각 구멍은 정방형으로 형성된 것을 특징으로 하는 기지국용 안테나.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 접지판의 각각 구멍은 원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 기지국용 안테나.
제 2항에 있어서, 상기 공동은 내부에 측방 칸막이 도체를 상기 접지판의 각각 구멍사이에 배열하여 구성된 것을 특징으로 하는 기지국용 안테나.
제 2항에 있어서, 상기 거품 유전판은 폴리에틸렌으로 구성됨을 특징으로 하는 기지국용 안테나.
제 2항에 있어서, 상기 인쇄 회로판(PCB)은 도체 스트립 패턴으로 구성됨을 특징으로 하는 기지국용 안테나.