KR20050120998A - 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치를 개시한다.

본 발명은 단말기로부터 발생되는 외부 신호를 수신하고, 기지국장비 또는 중계기로부터 발생되는 신호를 자유공간으로 전파하는 방사소자와, 상기 방사소자와 일정 거리의 에어갭을 유지한 체 평형을 이루고, 어느 한 면에 신호 전송 및 전력공급을 위한 입출력 커넥터를 포함하는 접지면과, 상기 접지면에 평행하게 상기 방사소자를 고정하는 다수의 지지대와, 상기 접지면의 커넥터와 연결되어 입출력된 신호의 전송, 임피던스 정합 및 분배역할을 수행하는 제 1 급전부 및 상기 제 1 급전부와 연결되어 상기 방사소자와 상기 접지면 사이에 일정 거리를 두고 평행하게 고정되는 한 쌍의 L자형의 스트립 형태의 제 2 급전부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 음영지역으로 분류된 대형빌딩이나 지하공간 내 건물 곳곳에 설치되는 인빌딩 안테나의 주파수 대역폭을 개선하여 다중대역에서 사용할 수 있도록 하고, 설계비용을 줄 일 수 있다.

Description

이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치{A multi-band antenna for mobile communication}

본 발명은 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치에 관한 것으로, 높은 주파수 대역폭을 확보하여 다중대역에 대한 안테나 역할을 할 수 있도록 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치에 대한 것이다.

최근 무선 통신기술의 급속한 발전으로 셀룰러, PCS(Personal Communications Services, IMT-2000(International Mobile Telecommunications - 2000), 2,3GHz 휴대인터넷 등 다양한 이동통신서비스가 실현되고 있다.

이러한 서비스는 도로뿐만 아니라 고층빌딩이나 지하공간까지 서비스가 가능해야만 고객의 요구를 충족시킬 수 있다. 따라서, 음영지역으로 분류된 대형빌딩이나 지하공간 내에 인빌딩 서비스용 중계기와 인빌딩 안테나를 건물 곳곳에 설치하여 이동통신서비스가 가능하도록 추진하고 있다.

도 1은 종래의 인빌딩 안테나 급전구조를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 인빌딩 안테나의 급전구조는 마이크로스트립 급전구조 (110), 동축케이블 급전구조(120), 슬롯 커플링 급전구조(130)를 포함한다.

상기한 급전구조는 각각 유전체기판(111, 121, 131), 접지면(114, 124, 134), 방사소자(112, 122, 132) 및 급전선(113, 123, 133)을 포함한다.

상기한 급전구조는 두개의 유전체기판(111, 121, 131) 사이로 접지면(114, 124, 134)이 있으며, 금속도체로 구성되는 방사소자(112, 122, 132)와 급전선(113, 123, 133)의 구성에 따라 구별된다.

마이크로스트립 급전구조(110)는 급전위치에 따라 안테나의 제반특성이 다르게 나타나며, 동축케이블 급전구조(120)는 방사소자가 어떤 위치에 있든지 급전시킬 수 있으므로 별도의 정합회로를 필요로 하지 않는다.

또한, 슬롯 커플링 급전구조(130)는 급전선이 있는 하층 기판의 두께를 얇게 하여 급전선에 의한 복사손실을 줄일 수 있고, 방사소자(132)와 접지면(134)간의 간격을 크게 하여 안테나의 효율과 대역폭을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

급전구조는 방사소자(112, 122, 132)와 접지면(114, 124, 134)과의 간격이 클수록 안테나의 효율과 대역폭이 증가하고, 유전체기판(111, 121, 131)의 유전율이 낮으면 안테나의 효율과 대역폭이 증가한다.

그러나, 종래의 인빌딩 안테나 구조로는 안테나의 주파수 대역폭 확장에는 한계가 존재하며, 저 유전율을 가진 유전체기판(111, 121, 131)의 제작 또한 안테나 제작비용을 증가시키는 단점이 있다.

종래의 급전구조 중 일반적으로 이용되는 마이크로스트립 급전구조(110)의 경우는 저 유전율 유전체기판(111, 121, 131)의 가격이 비싸고 핸들링 파워가 작기 때문에 건물규모가 작은 인빌딩 안테나로의 적용이 가능하며 대형 지하공간을 서비스해야 하는 고이득 안테나로의 사용은 불가능하다.

이는 유전체기판(111, 121, 131)의 두께가 두껍고 유전율이 낮은 재질을 사용한다면 안테나 특성에서 표면파와 고차모드가 발생하기 때문이다.

또한, 종래의 급전구조는 기생 인덕턴스에 의해서 주파수 대역폭을 현저히 감소시키는 문제가 있어서 최근의 다양한 통신 서비스, 즉 PCS, IMT-2000, 2,3GHz 휴대인터넷 등과 같은 다중대역이 서비스를 공용으로 사용할 수 있는 안테나로서의 사용이 불가능하다.

상기한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 음영지역으로 분류된 대형빌딩이나 지하공간 내 건물 곳곳에 설치되는 인빌딩 안테나의 주파수 대역폭을 개선하여 다중대역에서 사용할 수 있도록 하고, 설계비용을 줄 일 수 있는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 하나의 특징에 따른 이동 통신용 다중 대역 인빌딩 안테나 장치는,

단말기로부터 발생되는 외부 신호를 수신하고, 기지국장비 또는 중계기로부터 발생되는 신호를 자유공간으로 전파하는 방사소자; 상기 방사소자와 일정 거리의 에어갭을 유지한 체 평형을 이루고, 어느 한 면에 신호 전송 및 전력공급을 위한 입출력 커넥터를 포함하는 접지면; 상기 접지면에 평행하게 상기 방사소자를 고정하는 다수의 지지대; 상기 접지면의 커넥터와 연결되어 입출력된 신호의 전송, 임피던스 정합 및 분배역할을 수행하는 제 1 급전부; 및 상기 제 1 급전부와 연결되어 상기 방사소자와 상기 접지면 사이에 일정 거리를 두고 평행하게 고정되는 두개로 구성된 쌍으로 구성되고, 서로 평행하게 구성되는 한 쌍의 L자형의 스트립 형태의 제 2 급전부를 포함한다.

그리고, 상기 방사소자는, 얇은 금속막인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 방사소자는 어느 한 모서리에 삼각형모양의 절단면을 가지는 노치형인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 급전부는, 상기 제 1 급전부와 연결되어 상기 접지면과 수직을 이루는 수직부; 및 상기 수직부에 연결되어 상기 방사소자와 평행을 이루는 수평부를 포함한다.

이때, 상기 방사소자와 상기 접지면간의 거리인 에어갭을 가변하여 상기 인빌딩 안테나의 대역폭을 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제 1 급전부는 에어마이크로 스트립 급전선인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방사소자는 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 0.456λ×0.34λ의 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 삼각형 모양의 절단면은 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 모든 변의 길이를 0.307λ로 하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 수직부는 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 0.4323λ의 높이를 가지고, 상기 수평부는 0.1914λ의 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어갭은 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 0. 1254λ인 것을 특징으로 한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 첨부된 도면은 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 본 발명의 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 급전구조를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 도 2의 급전선 구조를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 2의 급전선 구조의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 다중대역 인빌딩 안테나의 급전구조는 노치형 방사소자(210), 접지면(230), 지지대(220), 에어마이크로스트립 급전선(240) 및 L자형 스트립 급전선(250)을 포함한다.

그리고 도 3을 참조하면, 에어마이크로스트립 급전선(240)은 t의 높이를 갖고, 접지면에서 L3과 L4 방향으로 평행이 되게 나뉘어서 구성된다.

상기 L3과 L4 방향에 L자형 스트립 급전선(250) 두개가 한 쌍을 이루어 D1의 간격으로 연결되며, 각각의 L자형 스트립 급전선(250)은 접지면(230)에서 수직을 이루는 수직부(251)와, 접지면(230) 또는 노치형 방사소자(210)와 수평을 이루는 수평부(252)로 구성된다.

또한, 두 개의 L자형 스트립 급전선(250)의 수평부(252)는 D1의 거리를 두고 평행을 이루도록 구성된다.

노치형 방사소자(210)는 L1 ×W1의 넓이를 가지는 사각형의 방사소자로 사각형을 이루는 4부분의 모서리 중 커넥터 방향과 반대방향 모서리에 높이 L2, 밑변 W2의 삼각형 모양을 갖는 삼각형 톱니 모양의 절단면을 가진다.

상기한 노치형 방사소자(210)는 방사소자의 크기를 축소하는 효과가 있다.

이때, 상기 노치형 방사소자(210)와 접지면(230)간의 거리, 즉 에어갭(H)은 안테나 이득에 큰 영향을 주는 변수로, 에어갭의 높이가 낮을 수록 안테나 이득이 높아지고, 그와 반대로 주파수 대역폭은 임피던스 부정합으로 인해 축소된다.

따라서, 높은 이득과 주파수 대역폭향상의 효과를 얻기 위해 실험을 통하여 효율적인 에어갭 값을 추출할 수 있다.

상기한 모양으로 구성되는 노치형 방사소자(210)는 접지면(230)과 4 개의 지지대(220)를 통해 평행으로 구성되고, 노치형 방사소자(210)와 접지면(230)사이에는 2 개의 L자형 스트립 급전선(250)의 수평부(252)가 h2의 거리를 두고 노치형 방사소자(210) 아래에 수평으로 구성된다.

상기 도 2에서 본 발명의 실시 예에서 기본 주파수의 파장(λ=1.96GHz)을 기준으로 하는 경우 노치형 방사소자(210)의 W1=0.456λ, W2=0.307λ, L1=0.34 λ 이고, 접지면(230)과 노치형 방사소자(210)의 간격 즉 에어겝 H=0.1254λ 이며 L자형 스트립 급전선(250)의 간격은 D1=0.1784λ이고, 길이 D2=0.1914λ로 구해질 수 있다.

또한 에어갭(H)에 대하여 L자형 스트립 급전선(250)의 수직부(251)의 높이 h1=0.4323λ로 구해진다.

상기한 설명에 따라 본 발명의 실시 예인 도 3의 단면도는 도 4와 같다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치의 등가회로를 나타낸다.

도 5는 한 쌍을 이루는 L자형 스트립 급전선(250)중 하나의 L자형 스트립 급전선(250)에 의한 등가회로만을 나타내었다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 인빌딩 안테나 장치의 등가 회로는 직렬 공진 회로부(510)와, 병렬 공진 회로부(520)를 포함한다.

직렬 공진 회로부(510)는 상기 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 노치형 방사소자(210)와 L자형 스트립 급전선(250)간에 인덕턴스(Lc)와 캐패시터(Cc)에 의한 공진회로이다.

그리고 병렬 공진 회로부(520)는 노치형 방사소자(210)와 동일한 등가회로이며 R-L-C의 병렬 회로로 구성된다.

또한, 직렬 공진 회로부(510)와 병렬 공진 회로부(520)는 직렬로 연결된 것처럼 동작한다. 따라서 노치형 방사소자(210)의 공진 되는 주파수 부근에서 직렬 공진 회로부(510)에 의하여 두 번째 공진이 발생되어 안테나의 주파수 대역폭을 증가시킨다.

이상에서 설명한 바와 같은 급전구조는 노치형 방사소자(210)와 L자형 스트립 급전선(250)의 수직부(251)간에 발생되는 인덕턴스(Lc)와 노치형 방사소자(210)와 L자형 스트립 급전선(250)의 수평부(D2)간에 발생되는 캐패시턴스(Cc)가 각각 존재한다.

즉, 급전 메커니즘에서 발생되는 파라미터들이 직렬 Lc-Cc 공진회로와 같이 동작하게 되며 상기 L자형 스트립 급전선(250)을 두 개가 아닌 하나의 L자형 스트립 급전선(250)으로 한 경우에 비하여 본 발명의 실시 예와 같이 두 개의 한 쌍을 이루는 L자형 스트립 급전선(250)으로 구성하는 것이 인덕턴스(Lc)와 캐패시터(Cc)에 의한 공진 주파수가 TM(Transverse Magnetic)01 모드에 근접시킬 수 있어 안테나 광대역 특성이 가능하게 하는데 효율적이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 인빌딩 안테나 장치의 성능을 실험을 통해 종래의 인빌딩 안테나와 비교하면 도 6과 같다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나와 종래의 안테나의 주파수 대역폭을 비교한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 종래 동축케이블 급전구조(120)를 가지는 인빌딩 안테나의 유전체기판(121)의 유전율은 2.17mm, 두께는 2.04mm이고, 본 발명의 실시 예에 따른 인빌딩 안테나의 노치형 방사소자(210)는 기준 주파수(1.96GHz)에 대한 파장이 λ=153.07mm 이때, 도 2를 참조하여 W1=69.8mm, W2=47mm, L1=52mm, 접지면(230)과 노치형 방사소자(210)와의 간격, 즉 에어갭(H)은 19.2mm, L자형 스트립 급전선 (250)의 수직부(251), 수평부(252)와 간격, 높이는 D2=29.3mm, D1=27.3mm, h1=8.3mm, h2=10.8mm이며, 에어마이크로 스트립 급전선(240)의 높이 t=1mm 이다.

또한, 노치형 방사소자(210)와 L자형 스트립 급전선(250)의 금속두께는 0.3mm 이다.

도 6을 참조하면, 검정 실선이 본 발명의 실시 예에 따른 인빌딩 안테나의 주파수 대역폭이고, 붉은 색의 점선이 종래의 인빌딩 안테나의 주파수 대역폭으로, 본 발명의 특성에 따른 인빌딩 안테나의 주파수 대역폭이 700.6MHz 로 PCS, IMT-2000, 2,3GHz 휴대인터넷 서비스까지 다중대역의 서비스가 가능케 하는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나의 에어캡 높이에 따른 이득 특성을 나타낸 그래프이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 인빌딩 안테나의 노치형 방사소자(210)와 접지면(230)간의 거리, 즉 에어갭(H)이 주파수 영향에 가장 큰 영향을 주는 요소인 에어갭의 높이를 가변시켜 안테나 이득변화를 나타낸 것으로 에어갭의 높이를 각각 15.2mm, 19.2mm, 25.2mm로 하여 실험한 모습을 나타낸다.

상기 도 2의 상세한 설명에서 설명한 바와 같이 에어갭(H)의 높이가 낮을 수록 안테나의 이득은 높아지지만, 주파수 대역폭은 임피던스 부정합에 의해 축소될 수 있다.

따라서, 도 7에 나타난 에어갭(H)의 값에 따른 주파수는 H=15,2mm 인 경우 대역폭이 492MHz, H=19.2mm 인 경우 대역폭이 700.6MHz, H=25.2mm 인 경우 대역폭이 336MHz인 것을 알 수 있으며, 본 발명의 실시 예의 안테나에서의 최적 조건은 19.2mm가 적합한 것을 알 수 있다.

상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치는, L자형 스트립 급전구조를 이용하여 이중 공진이 가능하도록 하여 주파수 대역을 향상시켜 안테나를 광대역으로 동작할 수 있도록 하며, 비싼 유전체기판이 아닌 얇은 금속판으로 안테나를 제작하여 저렴한 비용에 제작이 가능하고, 핸들링 파워를 높여 고이득 안테나로서의 확장이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 인빌딩 안테나 급전구조를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 급전구조를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 도 2의 급전선 구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 2의 급전선 구조의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치의 등가회로를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나와 종래의 안테나의 주파수 대역폭을 비교한 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나의 에어갭 높이에 따른 이득 특성을 나타낸 그래프이다.

Claims (10)

1. 단말기로부터 발생되는 외부 신호를 수신하고, 기지국장비 또는 중계기로부터 발생되는 신호를 자유공간으로 전파하는 방사소자;

   상기 방사소자와 일정 거리의 에어갭을 유지한 체 평형을 이루고, 어느 한 면에 신호 전송 및 전력공급을 위한 입출력 커넥터를 포함하는 접지면;

   상기 접지면에 평행하게 상기 방사소자를 고정하는 다수의 지지대;

   상기 접지면의 커넥터와 연결되어 입출력된 신호의 전송, 임피던스 정합 및 분배역할을 수행하는 제 1 급전부; 및

   상기 제 1 급전부와 연결되어 상기 방사소자와 상기 접지면 사이에 일정 거리를 두고 평행하게 고정되는 두개로 구성된 쌍으로 구성되고, 서로 평행하게 구성되는 한 쌍의 L자형의 스트립 형태의 제 2 급전부

   를 포함하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 방사소자는,

   얇은 금속막인 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 방사소자는 어느 한 모서리에 삼각형모양의 절단면을 가지는 노치형인 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 급전부는,

   상기 제 1 급전부와 연결되어 상기 접지면과 수직을 이루는 수직부; 및

   상기 수직부에 연결되어 상기 방사소자와 평행을 이루는 수평부

   를 포함하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 방사소자와 상기 접지면간의 거리인 에어갭을 가변하여 상기 인빌딩 안테나의 대역폭을 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 급전부는 에어마이크로 스트립 급전선인 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 방사소자는 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 0.456λ ×0.34λ의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
8. 제 3항에 있어서,

   상기 삼각형 모양의 절단면은 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 모든 변의 길이를 0.307λ로 하는 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
9. 제 4항에 있어서,

   상기 수직부는 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 0.4323λ의 높이를 가지고, 상기 수평부는 0.1914λ의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.
10. 제 5항에 있어서,

    상기 에어갭은 상기 인빌딩 안테나의 기준 주파수의 파장 λ를 기준으로 0. 1254λ인 것을 특징으로 하는 이동 통신용 다중대역 인빌딩 안테나 장치.