KR20050105785A - 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명으로, 고주파 신호를 통신하기 위한 연결부와, 상기 연결부와 결합되고 상기 연결부로부터 입력되는 상기 고주파 신호를 방사시키기 위한 방사부와, 상기 방사부에서 방사하는 전파를 반사시키며, 상기 연결부와 상기 방사부 사이에 위치하는 반사부 및 상기 연결부와 상기 방사부의 임피던스를 정합하고, 상기 반사부상에 위치하는 튜닝부를 포함한다.

따라서, 본 발명은 여러 주파수 대역의 무선 통신 서비스를 제공하는 사업자 측에서 여러 주파수 대역별로 각각의 안테나를 설치하지 않고 하나의 안테나만을 이용하여 여러 주파수 대역을 동시에 중계함으로서, 안테나 제작, 구입 및 설치에 소요되는 비용을 절감하는 효과가 있다.

Description

전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나{Patch Antenna of Broadband Having Omnidirectional pattern}

본 발명은 무선통신 시스템에서 사용하는 중계기용 안테나에 관한 것으로서, 구체적으로는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나에 관한 것이다.

전방향성 패턴을 갖는 안테나를 옴니 안테나(Omnidirectional Antenna)라고 말하며, 수평방향으로 360도 전방향으로 고르게 전자파가 방사되는 안테나이다. 여기서 무지향성과 동일한 의미로 사용되는 전방향성(Omnidirectional) 안테나는 등방성(Isotropic) 안테나와 구별될 필요가 있다. 즉, 등방성(Isotropic) 안테나는 구형태의 입체적으로 전방향 방사가 이루어지는 안테나이므로 수평과 수직 방향 모두 무지향성인 안테나이다. 이에 반해, 전방향성 안테나는 수평방향(Azimuth)에 대해서만 무지향성인 안테나이다.

따라서, 전방향성 안테나는 올려본 각(角)에 대해서는 지향성을 가지고 있지만, 방위에 대해서는 본질적으로 무지향성인 안테나를 뜻한다.

종래의 무선통신용 옴니 안테나는 단일 주파수 대역만을 서비스할 수 있도록 되어 있었으나, 통신방식이 진화되는 과정에서 한 사업자 측에서 여러 주파수 대역의 무선통신 서비스를 제공하게 되었다. 사업자 측에서는 각 대역의 무선 시스템을 설치 및 유지하기 위해 많은 비용이 발생됨으로, 비용 절감을 위해 광대역 및 다중대역 특성을 갖는 안테나가 요구되고 있다.

종래 기술에 따른 전방향성 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 갖기 위해 고주파 신호를 공진하기 위한 고주파용 방사체와 저주파 신호를 공진하기 위한 저주파용 방사체를 다중으로 구비하여 방사체를 다단 구조로 제작함으로써 여러 주파수 대역을 중계하였다. 그러나, 전기적 길이로 인하여 안테나의 물리적인 크기가 제한되는 문제점이 있었다. 이를 개선하기 위하여 안테나의 물리적인 크기를 줄임으로써 안테나를 소형화하게 되면, 안테나에 형성되는 전류 분포가 비대칭적으로 형성되어 방사 패턴이 비대칭적으로 형성되어 전방향성 패턴을 갖지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 안테나를 이용하여 광대역의 통신 서비스를 제공할 수 있는 전방향 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공함에 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 안테나의 물리적인 크기를 줄일 수 있는 전방향 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 방사 패턴의 대칭을 최적화할 수 있는 전방향 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나를 제공함에 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나는 고주파 신호를 통신하기 위한 연결부와, 상기 연결부와 결합되고 상기 연결부로부터 입력되는 상기 고주파 신호를 방사시키기 위한 방사부와, 상기 방사부에서 방사하는 전파를 반사시키며, 상기 연결부와 상기 방사부 사이에 위치하는 반사부 및 상기 연결부와 상기 방사부의 임피던스를 정합하고, 상기 반사부상에 위치하는 튜닝부를 포함한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에서의 광대역 패치 안테나의 방사부의 확대도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나는 RF 신호가 입/출력 되는 연결부(11)와 광대역 신호를 수평의 전방향으로 균등하게 방사하는 방사부(19)와 상기 방사부(19)에서 방사하는 전파를 반사시키는 반사부(12) 및 광대역 주파수에 따른 임피던스를 정합하기 위하여 복수의 튜닝부(16-1, 16-2)를 상기 반사부(12)상에 대칭으로 위치하게 구성한다.

도 2를 참조하면, 상기 방사부(19)는 상기 연결부(11)를 통해 입력되는 신호를 패치부(14)의 정중앙에 급전하기 위한 급전프로브부(13)와 광대역 신호를 수평의 전방향으로 균등하게 방사하기 위한 패치부(14) 및 상기 패치부(14)를 상기 반사부(12)에 단락하여 고주파에서의 특성임피던스인 50[Ω]으로 임피던스의 정합을 이루며 상기 패치부(14)의 물리적인 크기를 약 1/2로 줄이기 위한 단락부(15)로 구성한다.

상기의 본 발명에 따른 안테나의 전방향성 빔 패턴을 형성하기 위하여 상기 연결부(11)를 통해 입력되는 신호를 상기 급전프로브부(13)를 통해 상기 패치부(14)의 정중앙에 급전시키면, 급전된 전류는 상기 패치부(14)의 정중앙을 중심으로 대칭적으로 균등하게 형성된다. 따라서, 광대역 특성의 전 방향성 패턴을 갖는 패치 안테나의 대칭적인 구조에 의하여 안테나에 흐르는 표면 전류가 대칭적으로 형성되며, 수평의 전 방향으로 균일한 전력을 공급하는 전방향성 패턴을 가진다.

그리고, 상기 패치부(14)를 상기 반사부(12)에 단락시키는 단락부(15)와 상기 반사부(12)에 위치한 튜닝부(16)에 의해 광대역으로 임피던스 정합이 이루어지는 특성을 구비한다.

이는, 상기 연결부(11)을 통해 입력되는 신호는 임피던스가 50[Ω]이며, 상기 급전프로브부(13)를 통해 상기 패치부(14)의 정 중앙에 급전된다. 그리고, 상기 패치부(14)의 정중앙점은 임피던스가 0[Ω]인 지점이므로, 상기 패치부(14)의 가장자리 부분을 단락부(15)로 중심점을 기준으로 대칭적으로 단락하여 상기 단락부분에 임피던스가 0[Ω]이 되는 지점을 만들어서, 상기 연결부(11)를 통해 신호가 입력되면 상기 연결부(11)를 통해 입력되는 신호의 임피던스인 50[Ω]과 근접하게 상기 패치부(14)의 임피던스를 형성하도록 한다. 또한, 상기 튜닝부(16-1,16-2)는 상기 연결부(11)의 임피던스가 50[Ω]이므로 상기 단락부(15)에 의하여 50[Ω]과 근접한 임피던스를 갖는 상기 패치부(14)를 50[Ω]의 임피던스로 정합시키는 스터브의 역할을 하여 임피던스의 정합을 이루게 한다.

따라서, 상기 단락부(15)와 상기 튜닝부(16)에 의하여 고주파의 특성 임피던스인 50[Ω]으로 상기 연결부(11)와 상기 패치부(14)가 임피던스 정합을 이루게 되므로, 본 발명에 의한 패치 안테나는 종래의 안테나에 비하여 대역폭이 넓어지는 광대역 임피던스 정합을 이루는 특성을 갖게 된다.

도 3은 본 발명의 광대역 패치 안테나에 주파수 조절부를 더 구비한 방사부를 도시한다. 주파수 조절부(18)는 상기 패치부(14)에 결합되며, 상기 반사부(12)와는 떨어져 있는 형태이다. 상기 주파수 조절부(18)에 의하여 상기 패치부(14)의 전기적인 길이가 연장되어, 상기 패치부(14)의 크기는 λ/2 의 크기보다 작은 λ/4 의 크기가 가능하게 된다. 종래의 동일 크기의 패치보다 더 낮은 주파수에서 공진하게 된다. 이에 따라, 낮은 주파수에서는 안테나의 크기가 커져야 하지만, 낮은 주파수 대역에서도 상기 패치부(14)의 물리적인 크기를 상기 주파수 조절부(18) 내지 상기 단락부(15)에 의하여 약 1/2 보다 더 작은 크기로 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 안테나는 상기 패치부(14)를 상기 단락부(15)로 단락함으로서, 상기 패치부(14)의 물리적인 크기를 약 1/2 이하로 줄일 수 있으며, 상기 패치부(14)에 기하학적인 구조로 연결되는 상기 주파수 조절부(18)에 의하여 동일 크기의 상기 패치부(14)로도 공진 주파수를 낮출 수 있다.

도 4는 본 발명의 광대역 패치 안테나의 전류 흐름도이다.

상기 본 발명에 따른 안테나는 상기 연결부(11)를 통해 입력되는 신호가 상기 급전프로브부(13)를 통해 상기 패치부(14)의 정 중앙으로 급전되고, 광대역 주파수에 대하여 급전된 전류는 상기 패치부(14)의 표면에 중심점을 기준으로 대칭으로 균등하게 형성되며, 상기 표면에 형성된 표면전류에 의해 광대역 신호가 전방향으로 전파되는 전계를 나타낸다. 참고로, 전류의 흐름은 주파수의 양의 값과 음의 값에 따라서 도면의 화살표가 상기 도면과 같거나, 반대로 형성되는 것이 번갈아서 형성된다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 안테나에서 여러 모양으로 형성되는 패치부를 나타낸 사시도이다. 상기 패치부(14)는 원형, 정삼각형, 이등변 삼각형, 정사각형, 직사각형, 육각형, 타원형 등의 여러 형태의 다각형의 모양으로 변형이 가능하다.

도 6a는 도 1의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 결합도이다.

상기 광대역 신호를 수평의 전방향으로 균등하게 방사하기 위한 패치부(14) 및 상기 패치부(14)를 상기 반사부(12)에 단락하기 위한 단락부(15)가 일체형으로 이루어진 방사부(19)와 상기 방사부(19)에서 방사하는 전파를 반사하기 위한 반사부(12) 및 상기 반사부(12)에 위치하며 광대역으로 임피던스를 정합하기 위한 튜닝부(16)를 외부환경으로 부터 보호하는 레이돔부(17)를 더 구비한 것을 나타낸다.

그리고, 도 6b는 상기 도 6a의 안테나에 주파수 조절부(18)를 더 구비한 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 결합도를 나타낸다.

또한, 시스템의 송/수신단에 연결되는 연결부(11)는, 도 6a 내지 도 6b와 같이 반사부(12)의 정 중앙에 볼트/너트 구조로 결합되어 천정 또는 벽면에 부착 시 반사판과 부착물사이에 공간이 발생하지 않도록 설계되었으며, 상기 방사부(19)는 상기 반사부(12)와의 결합시 납땜을 하지 않는 구조이며, 생산성 향상을 위해 볼트/너트 구조가 아닌 억지 끼움결합 구조로 결합한다. 또는 상기 반사부(12)의 아래쪽에 나사를 삽입하여 상기 단락부(15)와 나사 결합을 한다.

따라서, 상기 패치부(14)와 상기 단락부(15) 및 상기 급전프로브부(13)가 일체형으로 구성된 상기 방사부(19)는 연결부(11) 및 반사부(12)와 결합시 무 납땜 구조로 유해물질을 사용하지 않고 결합하게 되므로 환경 친화적이며, 또한 안테나의 조립시 여러 공정이 생략되어 생산성을 향상시키게 된다.

그리고, 상기 튜닝부(16)와 상기 반사부(12)의 결합은 상기 반사부(12)의 아래쪽에 나사를 삽입하여 상기 튜닝부(16)와 결합하거나, 상기 반사부(12)와 상기 튜닝부(16)를 일체로 형성한다.

상기의 상세한 설명에 기재된 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 특성의 패치 안테나에 대한 전기적인 특성에 대한 실험 결과를 도 7 내지 도 8에 도시하였다.

도 7은 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 방사패턴을 도시한 특성도를 나타낸 것이다.

도 8는 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 정재파비를 도시한 특성도를 나타낸 것이다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 여러 주파수 대역의 무선 통신 서비스를 제공하는 사업자 측에서 여러 주파수 대역별로 각각의 안테나를 설치하지 않고 하나의 안테나만을 이용하여 여러 주파수 대역을 동시에 중계함으로서, 안테나 제작, 구입 및 설치에 소요되는 비용을 절감하는 효과가 있다.

또한, 신호를 패치의 정중심점에 급전함으로서 표면 전류가 대칭적으로 형성되어, 수평의 전방향으로 균일한 송/수신 전력을 제공하는 전방향성 패턴을 가지는 효과가 있으며, 아울러 안테나의 물리적인 크기가 줄어들어서, 소형화 및 경량화가 가능한 효과가 있다.

그리고, 끼움 결합 구조로 체결하므로 조립 공정이 단순해지고, 생산성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 분해 사시도,

도 2는 본 발명의 광대역 패치 안테나의 방사부를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명의 주파수 조절부가 추가된 방사부를 나타낸 사시도,

도 4는 본 발명의 광대역 패치 안테나의 전류 흐름도,

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 여러 모양의 패치부를 나타낸 사시도,

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 결합도,

도 7은 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 방사패턴을 나타낸 특성도,

도 8는 본 발명의 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나의 정재파비를 나타낸 특성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

11 : 연결부 12 : 반사부

13 : 급전프로브부 14 : 패치부

15 : 단락부 16 : 튜닝부

17 : 레이돔부 18 : 주파수조절부

19 : 방사부

Claims (10)

1. 고주파 신호를 통신하기 위한 연결부;

   상기 연결부와 결합되고 상기 연결부로부터 입력되는 상기 고주파 신호를 방사시키기 위한 방사부;

   상기 방사부에서 방사하는 전파를 반사시키며, 상기 연결부와 상기 방사부 사이에 위치하는 반사부;

   상기 연결부와 상기 방사부의 임피던스를 정합하고, 상기 반사부상에 위치하는 튜닝부

   를 포함하는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방사부는

   상기 연결부를 통해 입력되는 신호를 패치부에 급전시키기 위한 급전프로브부;

   광대역 신호를 전방향으로 균등하게 방사시키기 위한 패치부; 및

   상기 패치부를 상기 반사부에 단락시키기 위한 복수의 단락부

   를 포함하는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
3. 제2항에 있어서,

   상기 급전프로브부, 상기 패치부 및 상기 단락부가 일체형으로 이루어지는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
4. 제2항에 있어서,

   상기 패치부의 가장자리 부분에 공진 주파수를 낮추기 위한 주파수 조절부를 더 포함하는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
5. 제2항에 있어서,

   상기 패치부는 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형태로 이루어지는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 튜닝부는 상기 반사부의 중심점으로부터 소정거리에 대칭되도록 위치하는 복수의 튜닝핀으로 하는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 고주파 신호는 상기 연결부를 통해 상기 방사부의 정중앙점에 급전되는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 방사부, 반사부, 튜닝부를 외부환경으로 부터 보호하는 레이돔부를 더 구비하는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 방사부는 상기 연결부와 억지 끼움결합 되는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 방사부는 상기 반사부와 나사결합 되는 전방향성 패턴을 갖는 광대역 패치 안테나.