KR20070036577A

KR20070036577A - 높은 격리도를 갖는 송수신 분리형 안테나

Info

Publication number: KR20070036577A
Application number: KR1020050134083A
Authority: KR
Inventors: 손해원; 최원규; 신찬수; 최길영; 표철식
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-04-03
Also published as: US8081062B2; WO2007037578A1; US20080309428A1; KR100706614B1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 높은 격리도를 갖는 송수신 분리형 안테나에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 하이브리드 커플러를 이용하여 송신 방사체의 송신 포트와 수신 방사체의 수신 포트 사이의 격리도를 향상시킨 송수신 분리형 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 높은 송수신 격리도를 갖는 송수신 분리형 안테나로서, 신호를 송신하기 위한 두 개의 급전점을 갖는 송신 방사체; 신호를 수신하기 위한 두 개의 급전점을 갖는 수신 방사체; 상기 송신 방사체의 두 개의 급전점에 연결되어 서로 90°의 위상차를 갖는 송신 신호를 공급하기 위한 송신용 하이브리드 커플러; 및 상기 수신 방사체의 두 개의 급전점에 연결되어 서로 90°의 위상차를 갖는 수신 신호를 획득하기 위한 수신용 하이브리드 커플러를 포함하되, 상기 송신 방사체의 두 급전점으로부터 상기 수신 방사체의 두 급전점으로 누설되는 신호가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 RFID 시스템 등에 이용됨.

안테나, RFID, 격리도, 90°하이브리드 커플러

Description

높은 격리도를 갖는 송수신 분리형 안테나{Antenna with high isolation}

도 1은 본 발명이 적용되는 RFID 시스템의 일실시예 구성도,

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 RFID 리더 안테나의 구성도,

도 3은 도 2의 등가 회로를 나타낸 일실시예 도면,

도 4a 내지 4e는

와

를 만족하는 리더 안테나를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 리더 안테나를 설계한 일실시예 도면,

도 6은 도 5의 안테나에 대하여

와

를 주파수의 함수로서 나타낸 일실시예 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

210 : 송신 방사체 200 : 수신 방사체

230, 240 : 커플러

본 발명은 송수신 분리형 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 90°하이브리드 커플러(quadrature hybrid coupler)를 이용하여 송신 포트와 수신 포트의 격리도를 향상시킨 RFID 리더 안테나에 관한 것이다.

RFID 리더(reader or interrogator)는 RFID 태그(tag or transponder)와 함께 자재 관리, 보안 등의 다양한 분야에 사용되는 것으로, 일반적으로 RFID 태그를 부착한 물체가 RFID 리더의 인식영역(read zone)에 놓이게 되면, RFID 리더는 특정한 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 RF 신호를 변조하여 RFID 태그에게 질문(interrogation)을 보내고, RFID 태그는 RFID 리더의 질문에 응답한다.

즉, RFID 리더는 특정 주파수를 가지는 연속적인 전자파(continuous electromagnetic wave)를 변조함으로써 RFID 태그로 질문 신호(interrogating signal)를 송출하고, RFID 태그는 RFID 리더로부터 송출된 전자파를 후방 산란 변조(back-scattering modulation)시킴으로써 내부 메모리에 저장된 자신의 정보를 RFID 리더에게 되돌려 보낸다.

후방 산란 변조란 RFID 리더로부터 송출된 전자파를 RFID 태그가 산란시켜(scattering) RFID 리더에게 되돌려 보낼 때, 그 산란되는 전자파의 크기나 위상을 변조시키는 것이다. 이 때, RFID 태그는 RFID 리더에서 송출된 전자파를 단순히 후방 산란 변조시켜 보내므로, RFID 태그에서 RFID 리더로 전송되는 전자파의 반송 주파수는 RFID 리더에서 RFID 태그로 전송되는 전자파의 반송 주파수와 동일하다.

RFID 리더의 RF 수신부에는 RFID 태그로부터 전송된 신호뿐만 아니라, RFID 리더의 RF 송신부에서 송출된 송신 신호가 일부 누설되어 들어오게 된다. 이 때, 두 신호는 반송 주파수가 동일하므로, RFID 리더의 RF 수신부에서는 필터(filter) 등을 이용하여 두 신호를 분리할 수 없다.

일반적으로 RFID 태그로부터 전송된 신호보다 RFID 리더의 RF 송신부에서 누설된 신호가 훨씬 크며, 이 누설 신호는 RFID 리더의 수신 감도를 크게 저하시킨다.

RFID 리더의 RF 송신부로부터의 누설 전력을 줄이기 위한 방법으로 RFID 리더 안테나의 송신부와 수신부를 2 개의 방사체(radiating body)로 구성하고, 두 방사체 사이의 이격 거리를 크게 함으로써 RFID 리더 안테나에서 송수신 포트간의 격리도를 향상시키는 방법이 있으나, 두 방사체의 이격 거리를 크게 하면 RFID 리더 안테나 전체의 크기가 커지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 90°하이브리드 커플러를 이용함으로써 송신 방사체의 송신 포트와 수신 방사체의 수신 포트 사이의 격리도를 향상시킨 송수신 분리형 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 높은 송수신 격리도를 갖는 송수신 분리형 안테나로서, 신호를 송신하기 위한 두 개의 급전점을 갖는 송신 방사체; 신호를 수신하기 위한 두 개의 급전점을 갖는 수신 방사체; 상기 송신 방사체의 두 개의 급전점에 연결되어 서로 90°의 위상차를 갖는 송신 신호를 공급하기 위한 송신용 하이브리드 커플러; 및 상기 수신 방사체의 두 개의 급전점에 연결되어 서로 90°의 위상차를 갖는 수신 신호를 획득하기 위한 수신용 하이브리드 커플러를 포함하되, 상기 송신 방사체의 두 급전점으로부터 상기 수신 방사체의 두 급전점으로 누설되는 신호가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 송신과 수신을 위한 두 개의 방사체; 및 상기 방사체에 이중 급전(dual feed) 하기 위한 두 개의 하이브리드 커플러를 포함하는 송수신 분리형 안테나로서, 송신용 방사체의 두 급전점으로부터 수신용 방사체의 두 급전점으로 누설되는 신호가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명 을 생략하기로 한다.

한편, 본원 발명의 송수신 분리형 안테나는 RFID 리더 안테나 이외에 높은 송수신 격리도를 필요로 하는 다양한 종류의 안테나로 사용이 가능하다. 그러나 이하 상세한 설명은 본원 발명의 송수신 분리형 안테나가 RFID 리더 안테나로 사용되는 경우를 예로 들어 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 일실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 RFID 시스템의 일실시예 구성도이다.

도 1의 RFID 시스템(100)은 RFID 리더(110), RFID 리더 안테나(120, 이하 '리더 안테나'라 한다) 및 RFID 태그(130)를 포함하여 구성된다. 이 때, RFID 리더(110)는 RF 송신부(111)와 RF 수신부(112)를 포함하고 있으며, 이들은 리더 안테나(120)의 송신 방사체(121) 및 수신 방사체(122)에 각각 전기적으로 연결된다.

도 1의 RFID 시스템(100)의 동작을 살펴보면, RFID 리더(110)는 특정한 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 RF 신호를 변조하여 RFID 태그(130)에게 질문(interrogation)을 보낸다. RFID 리더(110)의 RF 송신부(111)에서 발생한 RF 신호는 리더 안테나(120)의 송신 방사체(121)를 통해 전자파의 형태로 외부로 송출된다.

외부로 송출된 전자파(141)가 RFID 태그(130)에 전달되면 RFID 태그(130)는 RFID 리더(110)로부터 송출되는 전자파(141)를 후방 산란 변조(back-scattering modulation)시켜 RFID 리더(110)로 반사시킴으로써 RFID 리더(110)의 질문에 응답 한다. RFID 태그(130)에서 반사된 전자파(142)는 리더 안테나(120)의 수신 방사체(122)를 통하여 RFID 리더(110)의 RF 수신부(112)로 전달된다.

한편, RFID 리더(110)의 RF 수신부(112)에는 RFID 태그(130)로부터 반사된 신호(142) 뿐만 아니라 RF 송신부(111)로부터 송출된 신호의 일부가 누설되어 들어오며, 이 누설 신호(143)는 RFID 리더(110)의 수신 감도를 크게 저하시킨다. 이러한 누설 신호의 주된 경로는 리더 안테나(120)의 송신 방사체(121)와 수신 방사체(122) 사이의 상호 결합에 의한 것이다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 송수신을 위하여 두 개의 방사체를 가지는 리더 안테나에 있어서 두 방사체 입력포트 사이의 격리도(isolation)를 향상시킴으로써 RF 송신부(111)로부터 송출된 신호의 RF 수신부(112)로의 누설을 방지한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 RFID 리더 안테나의 구성도이다.

도 2의 RFID 리더 안테나(200)는 송신 방사체(210)와 수신 방사체(220)를 포함하여 구성된다. 각각의 방사체(210, 220)는 이중 급전(dual feed) 방식을 이용하는 원편파(circular polarization) 패치(patch)이며, 90°하이브리드 커플러(hybrid coupler, 230, 240)를 이용하여 급전된다.

이 때, 도 2의 송신 방사체(210)의 두 급전점을 각각 a(211), b(212)로 표시하고, 수신 방사체(220)의 두 급전점을 각각 c(221), d(222)로 표시한다. 급전점 a(211), b(212)는 송신 커플러(230)를 통해서 급전되고, 급전점 c(221), d(222)는 수신 커플러(240)를 통하여 급전된다.

또한, 송신 방사체(210)의 두 급전점(a, b)에 신호를 공급할 수 있는 송신 커플러(230)의 두 송신 포트를 각각 포트 T₁(231), 포트 T₂(232)라고 표시하고, 수신 방사체(220)의 두 급전점(c, d)으로부터의 신호를 획득할 수 있는 수신 커플러(240)의 두 수신 포트를 각각 포트 R₁(241), 포트 R₂(242)라고 표시한다.

송신 커플러(230)의 포트 T₁(231) 또는 포트 T₂(232)에 입력된 전력은 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)와 b(212)에 크기는 같고 위상이 90°차이가 나도록 전달되어 송신 방사체(210)에서 원편파를 발생시킨다. 포트 T₁(231)을 송신 포트로 사용할 경우 송신 방사체(210)는 우현편파(RHCP:right hand circular polarization)을 발생시키고, 포트 T₂(232)를 송신 포트로 사용할 경우 송신 방사체(210)는 좌현편파(LHCP:left hand circular polarization)을 발생시킨다. 이 때, 사용하지 않는 포트에는 포트 임피던스에 정합된 부하를 달아야 한다.

한편, 수신 커플러(240)의 경우 포트 R₁(241)을 수신 포트로 사용하면 수신 방사체(220)는 좌현편파(LHCP)를 수신하며, 포트 R₂(242)를 수신 포트로 사용하면 수신 방사체(220)는 우현편파(RHCP)를 수신하게 된다.

도 3은 도 2의 등가 회로를 나타낸 일실시예 도면으로, 송신 커플러(230)의 등가 4-포트망(4-port network, 310), 수신 커플러(240)의 등가 4-포트망(330) 및 4 개의 급전점(a, b, c, d) 사이의 상호결합을 나타내는 등가 4-포트망(4-port network, 320)을 직렬로 접속한 등가 회로이다.

두 커플러(310, 330)에서 모든 포트(①, ②, ③, ④)는 정합되어 있으며, 포트 ①로 입력된 전력은 크기는 같고 위상이 90°차이가 나도록 포트 ②, ③에 전달되며, 포트 ④에는 전력이 전달되지 않는다. 따라서, 두 커플러(310, 330)의 산란 행렬(scattering matrix) S^C는 다음 [수학식 1]과 같다.

[수학식 1]에서 S_ij는 포트 i에 입사한 신호와 포트 j에서 출력된 신호의 비를 의미하는 것으로, 동일 포트(i=j)에 대해서는 반사 계수(reflection coefficient)의 의미를 가지며, 서로 다른 포트(i≠j)에 대해서는 전송 계수(transmission coefficient)를 의미한다. 산란 행렬에 대한 자세한 설명 및 90°하이브리드 커플러의 산란 행렬(상기 [수학식 1])에 대해서는 1990년 발행된 D.M.Pozar의 'Microwave Engineering, Addison-Wesley Publishing Company' pp.220~231와 pp.441~412에 상세하게 개시되어 있다.

그리고, 4 개의 급전점(a, b, c, d) 사이의 상호결합을 나타내는 등가 4-포 트망(320)의 산란 행렬 S^M은 모든 포트(ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ)가 정합되어 있을 때 다음 [수학식 2]와 같이 주어진다.

한편, 도 3에서 송신 커플러(310)와 상기 등가 4-포트망(320) 및 수신 커플러(330)의 직렬 접속으로 이루어진 전체 회로망(300)의 산란행렬 S^T를 다음 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

상기 [수학식 3]에서, 포트 T₁에서 포트 R₁으로의 전송 계수(

)와 포트 T₁에서 포트 R₂로의 전송계수(

)를 신호 흐름도(signal flow graph)를 이용하여 계산하면 각각 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같다. 신호 흐름도 및 이를 이용한 직렬 접속 회로망의 산란 행렬 계산 방법은 1990년 발행된 D.M.Pozar의 'Microwave Engineering, Addison-Wesley Publishing Company' pp.245~250에 상세하게 개시되어 있다.

[수학식 4]에서

로 두면, 도 2에서 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 d(222)로 누설되는 신호와 송신 방사체(210)의 급전점 b(212)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 c(221)로 누설되는 신호가 서로 상쇄되어, 송신 포트 T₁(231)과 수신 포트 R₁(241) 사이의 격리도(전송 계수의 역수의 크기 -20log｜

｜[dB])를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한, [수학식 5]에서

로 두면, 도 2에서 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 c(221)로 누설되는 신호와 송신 방사체(210)의 급전점 b(212)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 d(222)로 누설되는 신호가 서로 상쇄되어, 송신 포트 T₁(231)과 수신 포트 R₂(242) 사이의 격리도(-20log｜

｜)를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

와

를 동시에 만족하도록 설계하면,

와

의 크기는 각각 [수학식 6]과 [수학식 7]로 주어진다.

[수학식 6]과 [수학식 7]의 의미를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

[수학식 6]은 리더 안테나(200)에서 포트 T₁(231)과 포트 R₁(241) 사이의 격리도가 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)와 수신 방사체(220)의 급전점 c(222) 사이의 격리도와 같다는 것을 의미하고, [수학식 7]은 리더 안테나(200)에서 포트 T₁(231)과 포트 R₂(242) 사이의 격리도가 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)와 수신 방사체(220)의 급전점 d(221) 사이의 격리도와 같다는 것을 의미한다.

따라서, 송수신 격리도가 높은 리더 안테나(200)를 얻기 위해서는

이고

이면서

값이 최소가 되도록 송수신 방사체의 구조 및 급전점의 위치를 설계한 후,

이면 포트 T₁(231)과 포트 R₂(242)를 각각 송신 포트와 수신 포트로 사용하고, 사용하지 않는 두 포트 T₂(232)와 R₁(241)에는 정합 된 부하(load)를 부착한다. 반대로

이면 포트 T₁(231)과 포트 R₁(241)을 각각 송신 포트와 수신 포트로 사용하고, 사용하지 않는 두 포트 T₂(232)와 R₂(242)에는 정합된 부하(load)를 부착한다.

한편, 상기 [수학식 3]에서, 포트 T₂에서 포트 R₁으로의 전송 계수(

)와 포트 T₂에서 포트 R₂로의 전송계수(

)를 신호 흐름도(signal flow graph)를 이용하여 계산하면 각각 [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같다.

[수학식 8]에서

로 두면, 도 2에서 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 c(221)로 누설되는 신호와 송신 방사체(210)의 급전점 b(212)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 d(222)로 누설되는 신호가 서로 상쇄되어, 송신 포트 T₂(232)와 수신 포트 R₁(241) 사이의 격리도(전송 계 수의 역수의 크기 -20log｜

｜[dB])를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한, [수학식 9]에서

로 두면, 도 2에서 송신 방사체(210)의 급전점 a(211)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 d(222)로 누설되는 신호와 송신 방사체(210)의 급전점 b(212)로부터 수신 방사체(220)의 급전점 c(221)로 누설되는 신호가 서로 상쇄되어, 송신 포트 T₂(232)와 수신 포트 R₂(242) 사이의 격리도(-20log｜

｜)를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

와

를 동시에 만족하도록 리더 안테나를 설계하면, [수학식 8] 및 [수학식 9]와 [수학식 6] 및 [수학식 7]로부터 다음 [수학식 10]과 [수학식 11]이 성립한다.

즉, 도 2에서

와

를 만족하면, 포트 T₂(232)와 포트 R₁(241) 사이의 격리도와 포트 T₁(231)과 포트 R₂(242) 사이의 격리도가 서로 동일하고, 포트 T₂(232)와 포트 R₂(242) 사이의 격리도와 포트 T₁(231)과 포트 R₁(241) 사이의 격 리도가 서로 동일함을 알 수 있다.

상기 결과를 종합하면, 송수신 격리도가 높은 리더 안테나(200)를 얻기 위해서는

이고

이면서

값이 최소가 되도록 송수신 방사체의 구조 및 급전점의 위치를 설계한 후, ｜S_da｜와 ｜S_ca｜의 크기를 비교한다.

인 경우, 포트 T₁(231)을 송신 포트로 사용하면 포트 R₂(242)를 수신 포트로 사용하고, 사용하지 않는 두 포트 T₂(232)와 R₁(241)에는 정합된 부하(load)를 부착한다. 그리고, 포트 T₂(232)을 송신 포트로 사용하면 포트 R₁(241)을 수신 포트로 사용하고, 사용하지 않는 두 포트 T₁(231)과 R₂(242)에는 정합된 부하(load)를 부착한다.

반대로

인 경우, 포트 T₁(231)을 송신 포트로 사용하면 포트 R₁(241)을 수신 포트로 사용하고, 사용하지 않는 두 포트 T₂(232)와 R₂(242)에는 정합된 부하(load)를 부착한다. 그리고, 포트 T₂(232)을 송신 포트로 사용하면 포트 R₂(242)를 수신 포트로 사용하고, 사용하지 않는 두 포트 T₁(231)과 R₁(241)에는 정합된 부하(load)를 부착한다.

도 4a 내지 4e는

와

를 만족하는 리더 안테나의 다양한 예이 다. 본 발명의 방사체에는 사각형 및 타원형 패치를 포함한 이 분야의 당업자들에게 잘 알려진 다양한 구조의 패치가 적용될 수 있다.

또한, 도 2 및 도 4a 내지 4e의 리더 안테나에서 방사체의 급전 방식은 직접 급전(direct feed) 방식을 사용하였으나, 본 발명에서 급전 방식은 개구면 결합(aperture coupling) 방식과 근접 결합(proximity coupling) 방식을 포함한 이 분야의 당업자들에게 잘 알려진 다양한 종류의 급전 방식이 적용될 수 있다. 이는 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 리더 안테나를 설계한 일실시예 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 송신 방사체(510) 및 수신 방사체(520)로는 원형 패치를 사용하고, 송신 커플러(530)와 수신 커플러(540)는 유전체 기판(531, 541) 위에 마이크로스트립라인(microstrip line) 형태로 설계한 후 방사체(510, 520)와 접지체(ground body, 550) 사이에 삽입한다. 이 때, 방사체(510, 520)와 접지체(550) 사이는 공기로 채워진다.

그리고, 송신 방사체(510)와 수신 방사체(520) 사이의 상호결합 양을 줄이기 위하여 접지체(550)의 모양을 방사체(510, 520)를 둘러싸고 있는 공동(空洞, cavity) 구조로 설계한다. 즉, 방사체(510, 520)를 금속상자 모양의 접지체(550) 안에 위치시키고, 방사체(510, 520)의 주빔(main beam) 방향으로 적절한 크기의 개구면(aperture, 551, 552)을 만든다.

이 때, 도 5의 리더 안테나는 직접 급전(direct feed) 방식을 사용한다. 즉, 동축 커넥터로 이루어진 포트 T₁ 또는 포트 T₂에 입력된 전력은 송신 커플러(530) 및 단락핀(shorting pin)을 통해 송신 방사체(510)의 급전점 a 및 급전점 b에 크기는 같고 위상이 90°차이나도록 전달되어 송신 방사체(510)에서 원편파를 발생시킨다. 포트 T₁을 송신 포트로 사용할 경우 송신 방사체(510)는 우현편파을 발생시키고, 포트 T₂를 송신 포트로 사용할 경우 송신 방사체(510)는 좌현편파을 발생시킨다.

한편, RF 신호는 수신 방사체(520)의 급전점 c 및 급전점 d를 통해 수신되고, 급전점을 통해 수신된 신호는 단락핀(shorting pin)을 통해 수신 커플러(240)의 포트 R₁ 및 포트 R₂로 전달된다. 만약 포트 R₁을 수신 포트로 사용하면 수신 방사체(520)는 좌현편파(LHCP)를 수신하고, 포트 R₂를 수신 포트로 사용하면 수신 방사체(520)는 우현편파(RHCP)를 수신하게 된다.

한편, 도 5의 리더 안테나에서 방사체의 급전 방식은 직접 급전(direct feed) 방식을 사용하였으나, 본 발명에서 급전 방식은 개구면 결합(aperture coupling) 급전 방식과 근접 결합(proximity coupling) 급전 방식을 포함한 이 분야의 당업자들에게 잘 알려진 다양한 종류의 급전 방식이 적용될 수 있다.

개구면 결합 급전 방식은 방사체(510, 520)의 두 급전점((a b), (c d))과 커플러(530, 540)의 두 포트((T₁ T₂), (R₁ R₂))를 단락핀(shorting pin)으로 연결하지 않고, 방사체(510, 520)와 커플러(530, 540) 사이에 접지체를 위치시킨 후, 접지체에 특정한 모양의 개구(aperture)를 뚫어서 방사체(510, 520)와 커플러(530, 540)를 전기적으로 결합시키는 방법이다. 개구면 결합 급전 방식에 대한 자세한 설명은 Microwave Journal, Nov. 1999에 실린 Marcel Kossel의 "Circularly Polarized, Aperture-coupled Patch Antennas for a 2.4GHz RFID System"에 개시되어 있다.

한편, 근접 결합 급전 방식은 방사체(510, 520)의 두 급전점((a b), (c d))과 커플러(530, 540)의 두 포트((T₁ T₂), (R₁ R₂))를 단락핀(shorting pin)으로 연결하지 않고, 커플러(530, 540)의 두 포트((T₁ T₂), (R₁ R₂))와 방사체(510, 520)의 두 급전점((a b), (c d))을 용량성 결합(capacitive coupling)을 통하여 연결하는 방법이다. 근접 결합 급전 방식에 대산 자세한 설명은 Electronics Letters, Vol.23, No.8, April 1987에 실린 D.M.Pozar의 "Increasing the bandwidth of a microstrip antenna by proximity coupling"에 개시되어 있다.

도 6은 도 5의 안테나에 대하여

와

를 주파수의 함수로서 나타낸 일실시예 그래프이다. 이 때, 도 5의 접지체(550)의 크기는 200mm×450mm×34mm이고, 원형 패치의 직경은 160mm 이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 동작 주파수(900~930MHz)에서

임을 알 수 있다. 따라서, 포트 T₁을 송신 포트로 정하고, 포트 R₁을 수신 포트로 정하면 두 포트 사이의 격리도(-20log｜

｜[dB]) 는 도 6과 같이 약 38dB 이상 주어진다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 하이브리드 커플러를 이용하여 안테나의 송신 포트와 수신 포트의 격리도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 송신 및 수신을 위한 두 방사체의 이격 거리를 최소화시킴으로써 전체 안테나의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

높은 송수신 격리도를 갖는 송수신 분리형 안테나로서,

신호를 송신하기 위한 두 개의 급전점을 갖는 송신 방사체;

신호를 수신하기 위한 두 개의 급전점을 갖는 수신 방사체;

상기 송신 방사체의 두 개의 급전점에 연결되어 서로 90°의 위상차를 갖는 송신 신호를 공급하기 위한 송신용 하이브리드 커플러; 및

상기 수신 방사체의 두 개의 급전점에 연결되어 서로 90°의 위상차를 갖는 수신 신호를 획득하기 위한 수신용 하이브리드 커플러를 포함하되,

상기 송신 방사체의 두 급전점으로부터 상기 수신 방사체의 두 급전점으로 누설되는 신호가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 송신 방사체의 어느 한 급전점으로부터 상기 수신 방사체의 어느 한 급전점으로의 전송 계수가, 상기 송신 방사체의 다른 한 급전점으로부터 상기 수신 방사체의 다른 한 급전점으로의 전송 계수와 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 송신 방사체의 두 급전점을 a 및 b, 상기 수신 방사체의 두 급전점을 c 및 d라 할 때,

4 개의 급전점들 사이의 상호 결합을 나타내는 등가 4-포트망의 산란계수에 대하여 상기 급전점 a에서 상기 급전점 d로의 전송 계수와 상기 급전점 b에서 상기 급전점 c로의 전송 계수가 서로 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 3 항에 있어서,

상기 송신용 하이브리드 커플러는, 상기 송신 방사체의 두 급전점 a, b 각각에 송신 신호를 공급하기 위한 두 포트(T₁, T₂)를 포함하고,

상기 수신용 하이브리드 커플러는, 상기 수신 방사체의 두 급전점 c, d 각각으로부터 수신 신호를 획득하기 위한 두 포트(R₁, R₂)를 포함하되,

상기 네 개의 포트(T₁, T₂, R₁, R₂)로 구성된 등가 4-포트망의 산란계수에 대하여, 포트 T₁에서 포트 R₂로의 전송 계수와 포트 T₂에서 포트 R₁으로의 전송 계수가 서로 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 4 항에 있어서,

상기 포트 T₁이 송신 포트로 사용되고 포트 R₂가 수신 포트로 사용되거나, 포트 T₂가 송신 포트로 사용되고 포트 R₁이 수신 포트로 사용되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 송신 방사체의 두 급전점을 a 및 b, 상기 수신 방사체의 두 급전점을 c 및 d라 할 때,

4 개의 급전점들 사이의 상호 결합을 나타내는 등가 4-포트망의 산란계수에 대하여 상기 급전점 a에서 상기 급전점 c로의 전송 계수와 상기 급전점 b에서 상기 급전점 d로의 전송 계수가 서로 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 6 항에 있어서,

상기 송신용 하이브리드 커플러는, 상기 송신 방사체의 두 급전점 a, b 각각에 송신 신호를 공급하기 위한 두 포트(T₁, T₂)를 포함하고,

상기 수신용 하이브리드 커플러는, 상기 수신 방사체의 두 급전점 c, d 각각으로부터 수신 신호를 획득하기 위한 두 포트(R₁, R₂)를 포함하되,

상기 네 개의 포트(T₁, T₂, R₁, R₂)로 구성된 등가 4-포트망의 산란계수에 대하여, 포트 T₁에서 포트 R₁으로의 전송 계수와 포트 T₂에서 포트 R₂로의 전송 계수가 서로 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 7 항에 있어서,

상기 포트 T₁이 송신 포트로 사용되고 포트 R₁이 수신 포트로 사용되거나, 포트 T₂가 송신 포트로 사용되고 포트 R₂가 수신 포트로 사용되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 송신 방사체의 두 급전점을 a 및 b, 상기 수신 방사체의 두 급전점을 c 및 d라 할 때,

4 개의 급전점들 사이의 상호 결합을 나타내는 등가 4-포트망의 산란계수에 대하여, 상기 급전점 a에서 상기 급전점 d로의 전송 계수와 상기 급전점 b에서 상기 급전점 c로의 전송 계수가 서로 같고, 상기 급전점 a에서 상기 급전점 c로의 전송 계수와 상기 급전점 b에서 상기 급전점 d로의 전송 계수가 서로 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 9 항에 있어서,

상기 송신용 하이브리드 커플러는, 상기 송신 방사체의 두 급전점 a, b 각각에 송신 신호를 공급하기 위한 두 포트(T₁, T₂)를 포함하고,

상기 수신용 하이브리드 커플러는, 상기 수신 방사체의 두 급전점 c, d 각각으로부터 수신 신호를 획득하기 위한 두 포트(R₁, R₂)를 포함하되,

상기 네 개의 포트(T₁, T₂, R₁, R₂)로 구성된 등가 4-포트망의 산란계수에 대하여, 포트 T₁에서 포트 R₂로의 전송 계수와 포트 T₂에서 포트 R₁으로의 전송 계수가 서로 같고, 포트 T₁에서 포트 R₁으로의 전송 계수와 포트 T₂에서 포트 R₂로의 전송 계수가 서로 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 10 항에 있어서,

포트 T₁에서 포트 R₂로의 전송 계수의 크기가 포트 T₁에서 포트 R₁으로의 전송 계수의 크기보다 크면, 상기 포트 T₁이 송신 포트로 사용되고 포트 R₁이 수신 포트로 사용되거나, 포트 T₂가 송신 포트로 사용되고 포트 R₂가 수신 포트로 사용되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 10 항에 있어서,

포트 T₁에서 포트 R₂로의 전송 계수의 크기가 포트 T₁에서 포트 R₁으로의 전송 계수의 크기보다 작으면, 상기 포트 T₁이 송신 포트로 사용되고 포트 R₂가 수신 포트로 사용되거나, 포트 T₂가 송신 포트로 사용되고 포트 R₁이 수신 포트로 사용되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 5 항 또는 제 8 항 또는 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

커플러의 사용되지 않는 포트에는 정합된 부하가 부착되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 방사체의 주빔(main beam) 방향으로 개구면을 가지며 상기 방사체를 둘러싸는 공동(cavity) 구조의 접지체

를 더 포함하는 송수신 분리형 안테나.
송신과 수신을 위한 두 개의 방사체; 및

상기 방사체에 이중 급전(dual feed) 하기 위한 두 개의 하이브리드 커플러를 포함하는 송수신 분리형 안테나로서,

송신용 방사체의 두 급전점으로부터 수신용 방사체의 두 급전점으로 누설되는 신호가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 15 항에 있어서,

상기 송신용 방사체의 어느 한 급전점으로부터 상기 수신용 방사체의 어느 한 급전점으로의 전송 계수가, 상기 송신용 방사체의 다른 한 급전점으로부터 상기 수신용 방사체의 다른 한 급전점으로의 전송 계수와 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 16 항에 있어서,

상기 송신용 하이브리드 커플러는, 상기 송신용 방사체의 두 급전점 각각에 송신 신호를 공급하기 위한 두 개의 포트를 포함하고,

상기 수신용 하이브리드 커플러는, 상기 수신 방사체의 두 급전점 각각으로부터 수신 신호를 획득하기 위한 두 개의 포트를 포함하되,

상기 송신용 하이브리드 커플러의 두 포트 중 어느 한 포트로부터 상기 수신용 하이브리드 커플러의 두 포트 중 어느 한 포트로의 전송 계수가, 상기 송신용 하이브리드 커플러의 다른 포트로부터 상기 수신용 하이브리드 커플러의 다른 포트로의 전송 계수와 같은 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 16 항에 있어서,

상기 이중 급전은,

직접 급전, 개구면 결합 급전, 근접 결합 급전 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.
제 16 항에 있어서,

상기 방사체는,

원형, 타원형, 사각형, 다각형 패치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 송수신 분리형 안테나.