KR20020011271A - Active Integrated Antenna with Power Amplifier and planning method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나에 관한 것으로써, 특히 전통적인 무선·이동통신 시스템에서 송신단의 핵심부품인 전력증폭기와 방사체인 안테나 설계에 있어서, 마이크로스트립 안테나의 공진모드 특성을 이용하여 전력증폭기와 일체화를 이루어 전력증폭기의 출력단의 고조파 튜닝회로 및 상호 연결회로로 대체함으로써 전력증폭기의 효율을 증대시키고 소형화하며 이중급전 방식을 채택하여 송·수신 단자간의 격리도를 이용함으로써 송·수신 분리 장치인 듀플렉서의 사용을 제한하는 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an active integrated antenna incorporating a power amplifier. In particular, in the design of a power amplifier and a radiator antenna, which are the core components of a transmitter in a conventional wireless / mobile communication system, a power amplifier using a resonance mode characteristic of a microstrip antenna It is integrated with the harmonic tuning circuit and the interconnection circuit of the power amplifier's output stage to increase the efficiency of the power amplifier, miniaturize it, and adopt the double feeding method to use the isolation between the transmitter and receiver terminals to use the duplexer An active integrated antenna incorporating a power amplifier that limits the use of
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 안테나(7)는 전력증폭기(1)와 별도로 설계되어 서로 연결하는 것으로 인식되어 왔다. 이는 증폭기의 출력단 정합회로(2)이외에 선형성을 확보하기 위한 고조파 튜닝회로(3)를 구성해야 하는 부담을 갖게 되고, 안테나 사이에 필터 등의 상호 연결회로(5)를 추가하게 됨으로 비용적, 성능적인 면에서 상당히 비효율적이었다. 뿐만 아니라 하나의 안테나로 송·수신 신호를 분리하기 위한 듀플렉서(4)는 매우 높은 기술력과 비용을 수반하는 핵심부품으로서, 설계에 어려움이 따른다. 또한, 안테나의 정합회로(6)도 구성해야 함은 당연시 여겨져 왔다.As shown in FIG. 1, the conventional antenna 7 has been recognized as being designed separately from the power amplifier 1 and connected to each other. This has the burden of configuring a harmonic tuning circuit (3) to ensure linearity in addition to the output stage matching circuit (2) of the amplifier, and adds an interconnection circuit (5) such as a filter between the antenna, cost and performance It was quite inefficient in terms of performance. In addition, the duplexer (4) for separating the transmission and reception signals with one antenna is a key component with very high technology and cost, and the design is difficult. In addition, it has been taken for granted that the matching circuit 6 of the antenna must also be configured.
송신부의 전력증폭기(1)는 낮은 동작전압과 작은 크기, 선형성, 그리고 저비용등의 시스템 요구사양을 만족시켜야하며, 특히 효율을 높임으로서 전력 소모를 줄여야 한다. 전력증폭기는 동작점의 위치에 따라 크게 A급, B급으로 나뉜다. A급 전력증폭기는 큰 RF 전류신호 스윙이 가능한 방식으로 우수한 선형성과 큰 이득 및 출력전력을 얻을 수 있는 장점이 있으나, RF 신호 양의 반파 동안에 과도한 입력 전류가 흐르지 않도록 RF 입력 신호를 신중하게 제어해야하며 신호의 입력이 없을 때에도 많은 양의 직류 전력을 소모하고 효율이 낮다. 최대효율 50%이지만 선형성이 매우 좋고, 높은 전력을 출력할 수 있으므로 기지국이나 중계기용으로 많이 사용되고 있다. 효율이 낮은 A급 전력증폭기의 단점을 보완하는 고효율 특성의 증폭기를 구현하기 위해 전력소자의 바이어스를 조정하여 신호의 유통각을 줄이거나 회로상으로 소자의 스위칭 동작시 손실을 고조파 임피던스로 조정하는 방법이 있고 대표적인 방식이 튜닝된 부하를 갖는 B급 및 Snider가 제안한 F급 동작이 있다.The power amplifier 1 of the transmitter must satisfy system requirements such as low operating voltage, small size, linearity, and low cost. In particular, power efficiency must be reduced by increasing efficiency. Power amplifiers are classified into class A and class B depending on the operating point position. Class A power amplifiers have the advantage of good linearity, large gain, and output power in a way that allows large RF current signal swings, but must carefully control the RF input signal to avoid excessive input current during half-wave of the RF signal. It consumes a large amount of DC power and has low efficiency even when there is no signal input. Although it has a maximum efficiency of 50%, it has a very good linearity and can be used for a base station or a repeater because it can output high power. To implement a high efficiency amplifier that compensates for the shortcomings of low efficiency class A power amplifiers, by adjusting the bias of the power device to reduce the distribution angle of the signal or to adjust the loss to harmonic impedance during the switching operation of the device in the circuit. There is class B and Snider's class F operation with the tuned load.
전력증폭기(1)의 설계는 소신호 정합회로로 구현한다면 P1dB(1dB compression point)가 매우 낮게 형성되므로 목표하는 높은 출력전력을 특성을 이루기 어렵다. 공액정합의 경우 이득은 크지만 P1dB가 낮으므로 고출력 특성에 문제를 야기한다. 그러나, 전력정합을 이룬 경우에는 이득은 상대적으로 떨어지지만 P1dB가 공액정합보다 높게 형성된다. 따라서 전력특성에 따른 정합회로(2)를 구현하려면 증폭소자의 최적 임피던스를 구현해야 하며, 이것은 크게 입, 출력튜너(tuner)를 이용하여 측정에 의존하는 load/source pull 방법을 사용한다. Load/source pull 방법은 전력증폭기에 사용하려는 소자를 전기적인 특성들이교정(calibration)된 측정 구조물(jig)에 위치시키고 입력과 출력이 가능한 모든 임피던스를 변화시키면서 출력특성을 직접 실험 계측기로 측정하여 최적의 입출력 부하 임피던스를 구하는 방법이다.When the power amplifier 1 is implemented as a small signal matching circuit, since the P1dB (1dB compression point) is formed very low, it is difficult to characterize the target high output power. In the case of conjugate matching, the gain is high but P1dB is low, which causes problems in high output characteristics. However, in the case of power matching, the gain decreases relatively, but P1dB is formed higher than the conjugate matching. Therefore, in order to implement the matching circuit 2 according to the power characteristics, it is necessary to implement the optimum impedance of the amplifier, which uses a load / source pull method that largely depends on the measurement using an input and output tuner. The load / source pull method is optimized by placing the device to be used in the power amplifier in a measuring structure (jig) whose electrical characteristics are calibrated and measuring the output characteristics directly with an experimental instrument while changing all impedances that can be input and output. This is how to find the input / output load impedance of.
그리고, 무선·이동통신 시스템에서 또다른 중요 분야인 안테나(7)는 전력증폭기와 별도로 설계되어 서로 연결하는 것으로 인식되어왔다. 이는 증폭기의 선형성 확보를 위한 고조파 출력 튜닝회로(3)를 구성해야하는 부담을 갖게 되고, 안테나 사이에 필터 등의 상호 연결회로(5)를 추가하고 안테나 정합회로(6)를 추가하게 됨으로 비용적, 성능적인 면에서 상당히 비효율적이었다. 따라서 전력증폭기와 안테나를 결합시킨다면 저비용과 성능개선 효과가 기대되어 진다.In addition, the antenna 7, which is another important field in the wireless and mobile communication system, has been recognized as being designed separately from the power amplifier and connected to each other. This has the burden of configuring the harmonic output tuning circuit (3) to ensure the linearity of the amplifier, adds an interconnection circuit (5) such as a filter and antenna matching circuit (6) between the antenna, It was quite inefficient in terms of performance. Therefore, combining the power amplifier and the antenna is expected to lower the cost and improve the performance.
마이크로스트립 패치 안테나는 방사체의 모양을 조작하여 공진모드를 변화시켜 기본주파수에서는 공진을 이루게 하고, 제 2 또는 3 고조파에서는 공진이 일어나지 않게 함으로써 전력증폭기의 고조파 튜닝 효과를 일으키는 방법이 제시되었다. 전력증폭기의 F급 이론을 적용하여 튜닝회로를 마이크로스트립 안테나로 대체하는 연구가 진행되고 있는데, 대표적으로 1997년 IEEE MTT-S에 보고(International Microwave Symposium Digest - Volume 2, 1997-06-08)된, 도 3 에서 보인 바와 같이 중심으로부터 30°(9)의 각도를 떨어뜨린 지점에서 원형 마이크로스트립 안테나에 120°(10)의 섹터를 추가하여 제 3 고조파를 억압하는 방법과 IEEE Microwave & Guided Wave letters(V.7 N.2 ,1997-02-01)에 보고된 구형 마이크로스트립 안테나의 E-평면의 중심을 따라 단락 핀(shorting pin)을 삽입하여 제 2 고조파를 억압하는 방법이 제시되고 있다. 하지만 이 경우에는 기형적인 방사체의 변형과 제작 과정이 복잡하여 재료비의 증가와 방사 패턴과 편파에서의 문제점이 발견되는 단점을 가진다. 뿐만 아니라 듀플렉서(4)에서 송·수신 분리를 위한 이중급전 방식이 거의 불가능한 치명적 단점을 가진다.Microstrip patch antennas have been proposed to produce harmonic tuning effects of power amplifiers by manipulating the shape of the radiator to change the resonant mode to achieve resonance at fundamental frequencies and to avoid resonance at the second or third harmonics. A study on replacing the tuning circuit with a microstrip antenna by applying the F-class theory of the power amplifier is being conducted. The representative report to IEEE MTT-S in 1997 (International Microwave Symposium Digest-Volume 2, 1997-06-08) 3, a method of suppressing the third harmonic by adding a sector of 120 ° (10) to a circular microstrip antenna at a point where an angle of 30 ° (9) is dropped from the center as shown in FIG. 3 and IEEE Microwave & Guided Wave letters A method of suppressing the second harmonic is proposed by inserting a shorting pin along the center of the E-plane of the spherical microstrip antenna reported in (V.7 N.2, 1997-02-01). In this case, however, the deformation and fabrication process of the malformed radiator is complicated, which leads to an increase in material cost and problems in radiation pattern and polarization. In addition, the duplexer (4) has a fatal drawback that is almost impossible to double-feed for separation of the transmission and reception.
또한, 저가의 제작비에 원하는 성능을 얻기 위해서는 여러 가지 안테나 공진모드 변화 방식들과 이중급전을 용이하게 하는 기술의 결합이 필요한데, 아직까지는 이중급전 방식을 채택하고 전력증폭기의 튜닝회로로 안테나를 이용하는 제시된 기술은 없는 실정이다.In addition, in order to obtain the desired performance at low cost, a combination of various antenna resonance mode changing methods and a technology for facilitating double feeding is required. Up to now, it has been proposed to adopt the double feeding method and use the antenna as the tuning circuit of the power amplifier. There is no technology.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 마이크로스트립 안테나의 방사체에 슬롯을 추가하여 기본 공진모드에서는 거의 변화를 일으키지 않고 고조파에서만 공진이 일어나지 않게 하여 주파수 필터와 같은 역할을 담당하고, 마이크로스트립 라인 급전과 via-hole을 이용한 동축선 급전을 채택하여 송·수신 분리를 용이하게 할 수 있으며, 무선·이동통신의 핵심부품인 전력증폭기와 안테나를 일체화하고 이중급전 방식을 사용함으로써 효율을 증대시키고 소형화를 이룰 수 있으며 저가로 고성능의 능동 집적 안테나를 제작할 수 있는 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나를 제공하는 것이다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to add a slot to the radiator of the microstrip antenna so that there is almost no change in the basic resonance mode, so that resonance does not occur only at harmonics. It plays the same role as the filter, and it is easy to transmit / receive separation by adopting microstrip line feeding and coaxial feed using via-hole, and integrates power amplifier and antenna which are core parts of wireless and mobile communication. By using the double feed method, it is possible to increase efficiency and achieve miniaturization, and to provide an active integrated antenna incorporating a power amplifier capable of producing a high performance active integrated antenna at a low cost.
본 발명의 다른 목적은 상기 능동 집적 안테나를 적용하는데 특히 적합한 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나 설계 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an active integrated antenna design method incorporating a power amplifier that is particularly suitable for applying the active integrated antenna.
도 1은 종래의 무선·이동통신 시스템의 전력증폭기와 안테나의 개략도.1 is a schematic diagram of a power amplifier and an antenna of a conventional wireless and mobile communication system.
도 2는 본 발명에 따른 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나 개념도.2 is a conceptual diagram of an active integrated antenna incorporating a power amplifier according to the present invention.
도 3은 120°섹터를 이용한 원형 마이크로스트립 안테나.3 is a circular microstrip antenna using 120 ° sectors.
도 4는 도 2를 구현한 슬롯 적재 구형 마이크로스트립 안테나의 레이아웃.4 is a layout of a slot-loaded spherical microstrip antenna implementing FIG. 2.
도 5는 도 2를 구현한 슬롯 적재 삼각형 마이크로스트립 안테나의 구성도.5 is a block diagram of a slot-loaded triangular microstrip antenna implementing FIG.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 5 에서 나타낸 이중공진 슬롯 적재 삼각형 마이크로스트립 능동 집적 안테나를 2×2 배열 안테나로 확장한 레이아웃.FIG. 6 is a layout in which the dual resonant slot-loaded triangular microstrip active integrated antenna shown in FIG. 5 is expanded to a 2 × 2 array antenna according to an embodiment of the present invention; FIG.
도 7은 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나 설계 방법을 설명한 흐름도.7 is a flow chart illustrating a method for designing an active integrated antenna incorporating a power amplifier.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 전력증폭기 2 : 출력단 정합회로1: power amplifier 2: output stage matching circuit
3 : 고조파 튜닝회로 4 : 듀플렉서3: harmonic tuning circuit 4: duplexer
5 : 상호연결회로 6 : 안테나 정합회로5 interconnection circuit 6 antenna matching circuit
7 : 안테나 8 : 고조파 튜닝, 송수신 분리 안테나7: antenna 8: harmonic tuning, separate transmit and receive antenna
9 : 섹터와의 각도 10 : 섹터의 각도9: angle with sector 10: angle with sector
11 : 전력 증폭기 12 : 출력단 정합회로11 power amplifier 12 output matching circuit
13 : 고조파 튜닝 송수신 분리 안테나13: harmonic tuning transmit and receive separate antenna
PA1, PA2, PA3, PA4 : 전력 증폭기PA1, PA2, PA3, PA4: Power Amplifier
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 무선·이동통신의 핵심부품인 전력증폭기와 안테나를 일체형으로 하여 효율적으로 신호를 전송하고 송수신을 분리하는 안테나 시스템에 있어서: 송신 RF 신호를 입력받아 원하는 출력 레벨로 증폭하여 방사체인 안테나로 전송하기 위한 전력증폭기(11); 상기 전력증폭기(11)로부터 증폭된 RF 신호를 입력받아 안테나의 입력임피던스와 전력증폭기의 출력 임피던스를 정합하여 전력의 무손실 전송을 가능하게 하는 출력단 정합회로(12); 및 정합된 RF 송신 신호를 입력받아 제 3 고조파의 성분을 억제하여 선형성을 증가시키고 마이크로 스트립라인 급전점을 통해 RF 송신 신호를 공중으로 방사하고, 기지국이나 단말기로부터 전송되어오는 RF 수신 신호를 동축 급전점으로 수신하여 수신부 시스템으로 전송하는 고조파 튜닝 송수신 분리 안테나(13)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an antenna system for efficiently transmitting a signal and separating transmission and reception by integrating a power amplifier and an antenna, which are core components of wireless and mobile communications, with a desired output level. A power amplifier 11 for amplifying and transmitting the antenna to the radiator; An output stage matching circuit (12) which receives the RF signal amplified from the power amplifier (11) and matches the input impedance of the antenna with the output impedance of the power amplifier to enable lossless transmission of power; And receiving the matched RF transmission signal, suppressing the components of the third harmonic to increase linearity, radiating the RF transmission signal into the air through the micro stripline feed point, and coaxially feeding the RF reception signal transmitted from the base station or the terminal. It provides an active integrated antenna combined with a power amplifier, characterized in that consisting of a harmonic tuning transmit and receive separate antenna 13 for transmitting to the receiver system receiving the point.
상기한 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은 마이크로스트립 안테나의 외형을 변형하여 고조파 공진모드를 변화시킴으로서 전력증폭기와 일체형으로 능동 집적 안테나를 제작함에 있어서, 전자파(Electromagnetic) 시뮬레이터를 이용하여 정합회로를 구성하려는 안테나의 반사계수를 추출하는 단계(S1); 상기 S1 단계에서 추출된 임피던스 파라미터를 마이크로스트립 안테나에 슬롯을 적재하는 방식을 채택하여 슬롯의 위치, 개수, 폭과 길이를 입력으로 하여 전자파 시뮬레이터를 구동시켜 슬롯이 적재된 안테나의 반사계수를 추출하여 소정의 기준치에 도달하는지를 판단하는 단계(S2); 상기 S2 단계의 판단 결과, 소정의 기준치에 도달하면, 마이크로스트립 안테나에 슬롯을 적재함으로써 전력증폭기의 고조파 튜닝회로 및 연결회로 역할의 수행이 가능한 임피던스 파라미터를 추출하는 단계(S3); 상기 S3 단계의결과로 소정의 기준치에 도달하면, 안테나의 이중급전을 위한 이중공진 입력 임피던스에 대한 파라미터를 추출하는 단계(S4); 상기 S4 단계의 판단 결과, 소정의 기준치에 도달하면 송·수신 단자간 격리특성 파라미터를 추출하는 단계(S5); 및 상기 S5 단계의 판단 결과, 격리도가 소정의 기준치를 만족하면, 설계된 안테나를 load/pull 방법으로 최적 임피던스가 구현된 전력증폭기의 출력단 회로로 이용하여 이중급전 능동 집적 안테나를 구현하는 단계(S6)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력증폭기를 결합한 이중급전 능동 집적 안테나 설계 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to modify the appearance of the microstrip antenna to change the harmonic resonance mode to produce an active integrated antenna integrated with the power amplifier, to configure a matching circuit using an electromagnetic simulator (Electromagnetic) simulator Extracting a reflection coefficient of a desired antenna (S1); By adopting the method of loading the slot into the microstrip antenna using the impedance parameter extracted in the step S1, the reflection coefficient of the slot-loaded antenna is extracted by driving the electromagnetic simulator by inputting the position, number, width and length of the slot. Determining whether a predetermined reference value is reached (S2); Extracting an impedance parameter capable of performing a role of a harmonic tuning circuit and a connection circuit of the power amplifier by loading a slot in the microstrip antenna as a result of the determination in the step S2 (S3); If a predetermined reference value is reached as a result of step S3, extracting a parameter for double resonance input impedance for double feeding of the antenna (S4); Extracting isolation characteristic parameters between transmission and reception terminals when a predetermined reference value is reached as a result of the determination in step S4 (S5); And when the isolation level satisfies a predetermined reference value as a result of the determination in step S5, implementing the dual-feeding active integrated antenna by using the designed antenna as an output stage circuit of the power amplifier with the optimal impedance implemented by the load / pull method (S6). It provides a dual-feeding active integrated antenna design method comprising a power amplifier, characterized in that consisting of.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 는 본 발명에 따른 전력증폭기를 결합한 이중급전 능동 집적 안테나의 개념도이다. 전력증폭기의 전력특성에 따른 정합회로를 구현하려면 증폭소자의 최적 임피던스를 구현해야 하며, 이것은 일반적으로 입, 출력튜너(tuner)를 이용하여 측정에 의존하는 load/source pull 방법으로 구현할 수 있다. 동작점 B급의 전력증폭기 최적 출력 임피던스를 구현하여 정합회로를 구성하는데, B급 동작은 전력소자의 비선형 영역에서 동작시킴으로서 효율을 높이는 방식이므로 선형성 확보를 위한 출력단 고조파 튜닝회로를 추가하여야 한다.2 is a conceptual diagram of a double-feeding active integrated antenna incorporating a power amplifier according to the present invention. To implement the matching circuit according to the power characteristics of the power amplifier, it is necessary to implement the optimum impedance of the amplifying device, which can be implemented by load / source pull method which is generally dependent on the measurement using input and output tuners. A matching circuit is constructed by implementing the optimum output impedance of the power amplifier of class B. The class B operation is to increase efficiency by operating in the nonlinear region of power devices. Therefore, an output harmonic tuning circuit for securing linearity should be added.
Snider가 제안한 F급 동작은 동작점을 B급처럼 설정하고 출력임피던스의 고조파성분을 조절하여 증폭소자의 공급전압이 0인 동안만 출력전류가 흐르게 하는 방식으로 출력단 전력소모를 없애서 효율을 최적화 시키는 방식이다. 고효율 동작을 위한 출력 전류파형은 동작점의 베이스(또는 게이트) 바이어스를 핀치 오프 전압에 두어 얻을 수 있다. 이와 같은 전류파형에서 전압파형이 소자에 유기되어 전력소모가 없기 위해서는 출력단의 각 고조파들에 대하여 (수학식 1∼3)과 같은 부하가 연결되어야 한다.Snider's class F operation optimizes the efficiency by eliminating output stage power consumption by setting the operating point like class B and adjusting the harmonic components of the output impedance so that the output current flows only while the amplification element's supply voltage is zero. to be. Output current waveforms for high efficiency operation can be obtained by placing the base (or gate) bias at the operating point on the pinch-off voltage. In this current waveform, in order for the voltage waveform to be induced in the device and there is no power consumption, a load such as (Equation 1 to 3) must be connected to each harmonic of the output terminal.
이러한 전력증폭기의 부하 임피던스는 1/4파장 선로를 통하여 슬롯이 적재되어 고조파의 공진 모드를 변화시킨 마이크로스트립 안테나 소자로 구현될 수 있다. 슬롯 적재 마이크로스트립 안테나는 회로적 관점에서 기본주파수에서만 임피던스를 가지게 되므로 고조파를 억제할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 즉, 제 2, 3 고조파에서 실수 임피던스 성분을 "0"에 근사한 값을 설정함으로써 필터의 역할을 수행할 수 있는 것이다.The load impedance of the power amplifier may be implemented as a microstrip antenna device in which a slot is loaded through a quarter-wave line to change a resonance mode of harmonics. Since the slot-loaded microstrip antenna has an impedance only at the fundamental frequency from a circuit point of view, it can have a structure capable of suppressing harmonics. That is, the second and third harmonics can serve as a filter by setting a value that approximates the real impedance component to "0".
도 4 는 제 2, 3 고조파에서 실수 임피던스 성분이 거의 "0"에 근사한 값을 가짐으로서 수학식 2와 수학식 3은 1/4파장 선로에 의해 구현된 슬롯 적재 구형 마이크로스트립 능동 집적 안테나를 도시하였다.FIG. 4 shows slot-loaded spherical microstrip active integrated antennas implemented by quarter-wave lines, with real impedance components close to " 0 " in the second and third harmonics. FIG. It was.
도 5 는 제 2, 3 고조파에서 실수 임피던스 성분이 거의 "0"에 근사한 값을 가짐으로서 수학식 2와 수학식 3은 1/4파장 선로에 의해 구현된 슬롯 적재 삼각형 마이크로스트립 능동 집적 안테나를 구현하기 위한 안테나 구조를 도시하였다. 높은 격리 특성을 얻기 위해 이중급전 기법이 적용되는데, 이것은 두 주파수에서 공진이 일어나는 특성을 이용한 것으로 이중공진 안테나는 하나의 방사체로 두 주파수에서 사용이 가능하다. 따라서 안테나를 효율적인 사용을 할 수 있다.FIG. 5 shows that the real impedance component of the second and third harmonics has a value close to "0" so that Equations 2 and 3 implement a slot-loaded triangular microstrip active integrated antenna implemented by a quarter-wave line. An antenna structure for the purpose is shown. In order to achieve high isolation, a double feed technique is used, which uses resonance characteristics at two frequencies. A double resonant antenna can be used at two frequencies as one radiator. Therefore, the antenna can be used efficiently.
도 5는 도 2를 구현한 슬롯 적재 삼각형 마이크로 스트림 안테나로써 측면도에 h는 유전체의 높이, εr은 유전율, dp는 동축급전 정합점, 평면도에 표시된 ℓ1은 굽은 슬롯 길이, ℓ2는 perpendicular 슬롯 길이, d는 안테나의 빗변 길이를 나타낸다. 안테나의 길이가 공진주파수와 관련되어 있으므로 원하는 공진 지점에서 동작하기 위해서는 안테나의 길이를 공진주파수의 약 반 파장정도의 길이를 가지도록 만들어야 한다. 반면에 안테나의 폭은 공진주파수에는 영향을 크게 주지 못하고, 안테나의 입력 임피던스에만 관련되어 있으므로 안테나의 제작 시 안테나의 길이는 정해져 있는 값이고, 폭은 임의로 정할 수 있는 요소가 된다. 이를 이용하여 안테나의 폭과 길이를 두 개의 주파수 f1, f2의 반파장 길이를 가지는 패치 안테나를 구현함으로서 안테나를 마이크로스트립 라인과 동축선으로 나누어 급전하는데, 이 경우 두 개의 단일 공진 안테나처럼 동작하게 되며 상대편의 급전선로의 영향을 최소화시킬 수 있으므로 서로 수직인 선형 편파를 지닌 이중공진 안테나로 동작할 수 있게 된다.FIG. 5 is a slot-loaded triangular micro stream antenna embodying FIG. 2, where h is the height of the dielectric, ε r is the dielectric constant, dp is the coaxial feed matching point, ℓ 1 is a bent slot length, ℓ 2 is a perpendicular slot The length d denotes the hypotenuse length of the antenna. Since the length of the antenna is related to the resonant frequency, in order to operate at the desired resonant point, the length of the antenna should be about half the wavelength of the resonant frequency. On the other hand, the width of the antenna does not significantly affect the resonant frequency, and is only related to the input impedance of the antenna. Therefore, the length of the antenna is a predetermined value when the antenna is manufactured, and the width is an element that can be arbitrarily determined. By using this, the antenna is divided into a microstrip line and a coaxial line and fed by implementing a patch antenna having a half-wavelength of two frequencies f1 and f2 using the width and length of the antenna. Since the influence of the feed line of the other side can be minimized, it can operate as a double resonant antenna with linear polarization perpendicular to each other.
도 6 은 도 5 에서 나타낸 이중공진 슬롯 적재 삼각형 마이크로스트립 능동 집적 안테나를 2×2 배열로 확장한 것을 나타내고 있다.FIG. 6 illustrates an extension of the dual resonant slot-loaded triangular microstrip active integrated antenna shown in FIG. 5 into a 2 × 2 arrangement.
도 7은 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나 설계 방법을 설명한 흐름도이다. 마이크로스트립 안테나의 외형을 변형하여 고조파 공진모드를 변화시킴으로서 전력증폭기와 일체형으로 능동 집적 안테나를 제작함에 있어서, 전자파(Electromagnetic) 시뮬레이터를 이용하여 정합회로를 구성하려는 안테나의 반사계수를 추출한다(단계 S1).7 is a flowchart illustrating a method for designing an active integrated antenna incorporating a power amplifier. In fabricating an active integrated antenna integrated with a power amplifier by modifying the appearance of the microstrip antenna by changing the harmonic resonance mode, the reflection coefficient of the antenna to form a matching circuit is extracted using an electromagnetic simulator (step S1). ).
상기 S1 단계에서 추출된 임피던스 파라미터를 마이크로스트립 안테나에 슬롯을 적재하는 방식을 채택하여 슬롯의 위치, 개수, 폭과 길이를 입력으로 하여 전자파 시뮬레이터를 구동시켜 슬롯이 적재된 안테나의 반사계수를 추출하여 소정의 기준치에 도달하는지를 판단한다(단계 S2).By adopting the method of loading the slot into the microstrip antenna using the impedance parameter extracted in the step S1, the reflection coefficient of the slot-loaded antenna is extracted by driving the electromagnetic simulator by inputting the position, number, width and length of the slot. It is determined whether a predetermined reference value is reached (step S2).
상기 S2 단계의 판단 결과, 소정의 기준치에 도달하면, 마이크로스트립 안테나에 슬롯을 적재함으로써 전력증폭기의 고조파 튜닝회로 및 연결회로 역할의 수행이 가능한 임피던스 파라미터를 추출한다(단계 S3).As a result of the determination in step S2, when a predetermined reference value is reached, an impedance parameter capable of performing the harmonic tuning circuit and the connection circuit of the power amplifier is extracted by loading a slot into the microstrip antenna (step S3).
상기 S3 단계의 결과로 소정의 기준치에 도달하면, 안테나의 이중급전을 위한 이중공진 입력 임피던스에 대한 파라미터를 추출한다(단계 S4).When a predetermined reference value is reached as a result of step S3, a parameter for double resonance input impedance for double feeding of the antenna is extracted (step S4).
상기 S4 단계의 판단 결과, 소정의 기준치에 도달하면 송·수신 단자간 격리특성 파라미터를 추출한다(단계 S5).As a result of the determination in step S4, when a predetermined reference value is reached, the isolation characteristic parameter between the transmitting and receiving terminals is extracted (step S5).
상기 S5 단계의 판단 결과, 격리도가 소정의 기준치를 만족하면, 설계된 안테나를 load/pull 방법으로 최적 임피던스가 구현된 전력증폭기의 출력단 회로로이용하여 이중급전 능동 집적 안테나를 구현한다(단계 S6).As a result of the determination in step S5, if the isolation level satisfies a predetermined reference value, the dual-feeding active integrated antenna is implemented by using the designed antenna as the output stage circuit of the power amplifier with the optimal impedance implemented by the load / pull method (step S6).
따라서, 무선·이동통신의 핵심부품인 전력증폭기와 안테나를 일체화하고 이중급전 방식을 사용함으로써 효율을 증대시키고 소형화를 이루어 저가로 고성능의 능동 집적 안테나를 제작할 수 있다.Therefore, by integrating the power amplifier and the antenna, which are the core parts of the wireless and mobile communication, and using the dual feeding method, it is possible to increase the efficiency and miniaturization, and to manufacture a high performance active integrated antenna at low cost.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전력증폭기를 결합한 능동 집적 안테나는전력증폭기와 슬롯을 적재한 마이크로스트립 안테나의 일체형 기술을 제안함으로써 전력증폭기와 안테나를 제각기 설계하여 결합한 형태보다 개선된 효율과 소형화를 할 수 있고 제작단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, the active integrated antenna combining the power amplifier according to the present invention proposes an integrated technology of the power amplifier and the slot-mounted microstrip antenna, thereby improving the efficiency and miniaturization of the power amplifier and the antenna. It is possible to reduce the production cost.
또한, 본 발명은 배열 안테나에 사용하기 적합하고 이중급전 기법을 사용함으로써 송·수신 분리에 따른 듀플렉서 문제를 용이하게 할 수 있으며, 이동통신 시스템의 기지국 및 중계기용 안테나와 단말기 안테나에 모두 활용될 수 있다.In addition, the present invention is suitable for use in the array antenna and by using a double feed technique can facilitate the duplexer problem according to the transmission and reception separation, and can be used for both the base station and repeater antenna and the terminal antenna of the mobile communication system have.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.
Claims (4)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100406965B1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-11-28 | 엘지전자 주식회사 | Duplexer with built-in antenna for global positioning system |
| KR101034106B1 (en) * | 2003-12-23 | 2011-05-13 | 엘지이노텍 주식회사 | Apparatus for controlling impedance of complex module |
| WO2012018220A2 (en) * | 2010-08-02 | 2012-02-09 | 주식회사 네오펄스 | Apparatus supplying power wirelessly and which prevents harmonic radiation |
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2000
- 2000-08-01 KR KR1020000044651A patent/KR20020011271A/en not_active Application Discontinuation
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