KR20070080395A

KR20070080395A - 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나

Info

Publication number: KR20070080395A
Application number: KR1020060011670A
Authority: KR
Inventors: 이한림; 황성택; 김성훈; 김영식; 정지채; 백정우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-10
Also published as: KR100790138B1; US20070182655A1

Abstract

본 발명은 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나에 관한 것으로서, PCS 주파수 대역, IMT-2000 주파수 대역, Wireless LAN(IEEE 802.11a/b) 주파수 대역의 해당 길이와 간격에 따라 유전체기판의 양면에 배열된 방사소자에 상기 방사소자의 중심으로부터 수직방향으로 연결된 전송선로를 통해 신호가 교차로 급전되어 임피던스가 정합됨으로써, PCS 주파수 대역, IMT-2000 주파수 대역, Wireless LAN(IEEE 802.11a/b) 각각의 공진주파수 대역에서 높은 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 광대역 특성에 따른 방사패턴의 왜곡현상이 방지되며, 또한 유전체기판의 양면에 제1 및 제2방사소자를 배열함으로써, 안테나 크기가 소형화되고, 대량생산이 용이하도록 하여 가격 경쟁력 측면에서도 우위를 점할 수 있다.

대수주기, 다이폴, 배열, 광대역, 기판, 유전율

Description

광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나{Wideband Log-periodic Dipole Array Antenna}

도 1a는 일반적인 단일 대수주기 다이폴 안테나의 구조와 설계 파리미터를 도시한 도면

도 1b는 종래의 이중밴드 대수주기 다이폴 안테나 구조를 도시한 도면

도 2는 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나 구조를 도시한 도면

도 3은 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나의 반사 계수 특성을 도시한 도면

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나의 방사패턴 특성을 도시한 도면

* 주요 도면부호에 대한 설명 *

1 : 급전점 3-1∼3-8 : 다이폴 소자

5 : 전송선로 10 : 제1대역 대수주기 다이폴 소자

12 : 제1도파기 14 : 제1다이폴 소자

20 : 제2대역 대수주기 다이폴 소자 22 : 제2도파기

24 : 제2다이폴 소자 26 : 반사기

200 : 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나

210 : 유전체기판 220 : 방사소자

230 : 전송선로 240 : 급전점

250 : PCS 주파수 대역 260 : IMT-2000 주파수 대역

270 : WIRELESS LAN 802.11a 주파수 대역

280 : WIRELESS LAN 802.11b 주파수 대역

300 : 제1방사소자 310 : 제2방사소자

본 발명은 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나에 관한 것으로 더욱 상세하게는 넓은 공진주파수 대역에서 높은 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 광대역 특성에 따른 방사패턴의 왜곡현상을 방지하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나에 관한 것이다.

최근의 무선통신은 시스템의 고속화, 전송 데이터의 고 용량화를 만족시키며, 저주파수 대역의 주파수 포화상태 문제를 해결하기 위하여 조금 더 높은 주파수 대역으로의 주파수 분배가 시행되고 있다. 특히 1.8GHz에서 6GHz까지의 주파수 대역은 최근에 이슈가 되고 있는 IMT-2000, 무선 랜, ISM 대역, 휴대 무선 인터넷 대역 등과 같은 무선 통신 시스템의 핵심이 되는 대역으로, 이 주파수 대역을 만족 시키는 안테나의 구현 또한 연구의 핵심 분야로 주목을 받고 있다. 이러한 광대역을 만족 시키는 안테나로는 이미 그 성능이 검증된 다양한 종류의 안테나들, 예를 들어 도선 안테나, 헬리컬 안테나, 쌍원추 안테나, 슬리브 안테나, 나선형 안테나, 대수주기 안테나, 야기-우다(YAGI-UDA) 안테나 등이 있다.

이러한 다양한 안테나 중에 대수주기 안테나는 임피던스와 방사특성이 주파수의 대하여 대수 주기적으로 반복되는 형태를 가지는 안테나로서, 주파수 대역에 걸친 특성 변화가 크지 않기 때문에 주파수 독립 안테나로 간주되며, 톱니형 쐐기, 톱니형 사다리꼴, 사다리꼴 도선, 사다리꼴 쐐기 도선, 지그재그형 도선으로 그 형태가 다양하게 개발되어 왔다.

도 1a는 일반적인 단일 대수주기 다이폴 안테나의 구조와 설계 파리미터를 도시한 도면이다.

일반적인 단일 대수주기 다이폴 안테나(Single Log-Periodic Dipole Antenna)는 N개의 다이폴 소자(3-1~3-8)가 대수주기 비 τ 와 간격정수 σ 에 의해서 일정 간격으로 수직 배열되어 있고, 다이폴 소자(3-1~3-8)는 좌측에서 우측으로 가면서 길이가 점차 길어지도록 배열되어 있다. 정점의 급전점(1)으로부터 각 이폴 소자로 급전이 이루어지고, 급전신호는 평해 전송선로(Boom : 5)를 통해 전달된다.

도 1a에 도시된 바와 같이, a_k는 다이폴 소자(3-1~3-8)의 반경을 나타내고, L_k는 다이폴 소자(3-1~3-8)의 길이, d_k는 다이폴 소자(3-1~3-8)간의 간격, Y_T 는 종단 어드미턴스를 나타낸다. 대수주기 특성을 갖도록 하는 구조정수에는 다이폴 소 자(3-1~3-8)의 길이를 결정하는 대수주기 비(Scaling constant) τ 와 간격을 결정하는 간격정수(Scaling constant) σ 가 있으며, 이는 다음 수학식 1 및 수학식 2와 같이 정의된다.

(단, k=1,2,3, .... n-1)

여기서, R_k 는 대수주기 다이폴 안테나의 정점으로부터 k번째 소자까지의 거리이고, a_k 는 대수주기 다이폴 안테나의 반개 각(Half-flare angle)이다.

이와 같은 대수주기 다이폴 안테나의 가장 큰 장점은 광대역 특성을 갖는다는 것인데, 이러한 광대역 특성을 이용한 종래의 기술로서 이중밴드 대수주기 다이폴 안테나가 있다.

도 1b는 종래의 이중밴드 대수주기 다이폴 안테나 구조를 도시한 도면이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 이중밴드 대수주기 다이폴 안테나는 IMT-2000 대역을 위한 제1도파기(12)와 제2다이폴 소자(14)로 이루어진 제1대역 대수주기 다이폴 안테나(10)와 셀룰러(Cellular) 대역을 위한 제1대역 대수주기 다이폴 안테나(10)와 동일축상에 제2도파기(22)와 제2다이폴 소자(24) 및 반사기(26)로 이루어진 제2대역 대수주기 다이폴 안테나(20)로 구성된다. 제1대역 대수주기 다이폴 안테나(10)와 제2대역 대수주기 다이폴 안테나(10)에 신호가 각각 급전을 함으로써, 신호가 제1대역 대수주기 다이폴 안테나(10)에 급전하였을 때에는 제2대역 대수주기 다이폴 안테나(20)는 반사기와 같은 역할을 하게 되고, 제2대역 대수주기 다이폴 안테나(20)에 급전하였을 때에는 제1대역 대수주기 다이폴 안테나(10)는 도파기(12, 22)와 같은 역할을 하여 이중 대역에서 동작을 하게 된다.

이러한 종래의 이중밴드 대수주기 다이폴 안테나와 일반적인 대수주기 다이폴 안테나는 다이폴 소자를 대부분 도선으로 이용하였고, 도선을 이용하기 때문에 데이터를 원거리로 송수신하기 위해 공간상에서 차지하는 크기가 큰 문제점이 있었다.

또한, 공간상의 크기가 큰 문제점을 해결하기 위해 최근에는 평판형으로 제작 가능한 안테나들이 많이 발표되었다. 대표적으로는 슬롯과 마이크로스트립선로를 이용한 구조, CPW(Coplanar Waveguide)를 이용한 구조, 다양한 다이폴 모양을 이용한 구조 등이 있지만, 또한 광대역 특성에 따른 방사패턴의 왜곡현상이 발생할 뿐만 아니라 높은 주파수대역에서는 방사효율이 낮아져 이득이 낮게 나오는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 유전체기판의 양면에 배열된 다수의 방사소자에 전송선로를 통해 신호가 교차로 급전되어 임피던스 정합됨으로써, 넓은 공진주파수 대역에서 높은 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 광대역 특성에 따른 방사패턴의 왜곡현상을 방지하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 유전체기판의 양면에 다수의 방사소자를 배열하여 안테나 크기가 소형화되며, 대량생산이 용이하도록 하여 가격 경쟁력 측면에서도 우위를 점할 수 있는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나를 제공함 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 대수주기 다이폴 안테나에 있어서,

유전체기판과, 상기 유전체기판의 유전율을 포함하는 대수주기 비와 간격정수에 의하여 설정되어 상기 유전체기판의 양면에 배열되는 적어도 하나 이상의 방사소자 및 상기 방사소자의 중심에 구비되는 전송선로로 구성됨을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 방사소자는 상기 유전체기판의 일측면에 구비되고, 설정 길이가 이등분되어 간격에 따라 교대로 배열되는 적어도 하나 이상의 제1방사소자 및 상기 유전체기판의 타측면에 상기 제1방사소자의 이등분된 길이와 대칭되어 배열되는 적어도 하나 이상의 제2방사소자로 구성됨을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2방사소자는 유전체기판의 유전율을 포함하는 대수주기 비와 간격정수에 의하여 다른 길이와 간격으로 배열됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나 구조를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나(200)는 Carrel에 의한 대수주기 안테나의 기본 구조로 일반적인 수학식 1 및 수학식 2와 같이 설계 파라미터인 대수주기 비(Scaling constant) τ 와 간격을 결정하는 간격정수(Scaling constant) σ 에 유전체기판의 유전율 ε_eff 을 고려하여 방사소자의 길이가 소정 간격으로 배열되도록 결정된다.

본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나(200)는 수학식 1 및 수학식 2의 수식 중에 있는 다이폴 소자의 길이 L_k ,다이폴 소자간의 간격 d_k 에 유전체기판의 유전율 ε_eff 을 적용하여 다음 수학식 3과 같이 정의된다.

,

,

따라서 유전체기판의 유전율 ε_eff 에 따른식 3을 수학식 1 및 수학식 2와 같이 설계 파라미터인 대수주기 비(Scaling constant) τ 와 간격을 결정하는 간격정수(Scaling constant) σ 에 포함하여 설계하고자 하는 공진주파수 대역에 해당하는 방사소자의 길이와 간격이 결정된다. 또한, 공진주파수 대역의 결정은 가장 긴 소자와 가장 짧은 소자의 공진 주파수로서 결정이 되며, 안테나의 이득을 높게 하기 위해 유전체 손실이 적은 낮은 유전율의 유전체기판이 사용된다.

본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나(200)는 유전체기판(210)과, 유전체기판(210)의 양면에 설정된 간격으로 배열되는 하나 이상의 방사소자(220) 및 방사소자의 중심에 구비되는 전송선로(230)로 구성된다.

유전체기판(210)은 유전율 ε_eff 2.2 이고, 두께가 1.57 ㎜의 평판형 회로기판으로 형성된다.

방사소자(220)는 유전체기판(210)의 유전율 ε_eff 2.2에 따른 수학식 3이 적용된 대수주기 비(Scaling constant) τ 와 간격을 결정하는 간격정수(Scaling constant) σ 에 의하여 PCS 주파수 대역(1.7 ㎓ ∼ 1.9 ㎓, 250)의 반파장 길이에 해당되는 패턴으로부터 IMT-2000 주파수 대역(1.9 ㎓ ∼ 2.2 ㎓, 260), Wireless LAN(IEEE 802. 11a/b, 2.2 ㎓ ∼ 5.8 ㎓, 270) 주파수 대역까지의 반파장 길이에 해당하는 다수의 패턴들에 길이와 간격이 설정된다.

또한, 방사소자(220)는 유전체기판(210)의 일측면에 PCS 주파수 대역(250), IMT-2000 주파수 대역(260), Wireless LAN(IEEE 802.11a/b, 270, 280) 주파수 대역의 해당 길이가 이등분된 다수의 패턴들이 수직방향으로 해당 간격에 따라 교대로 수평 배열되는 제1방사소자(300)와, PCS 주파수 대역(250), IMT-2000 주파수 대역(260), Wireless LAN(IEEE 802.11a/b, 270, 290) 주파수 대역의 해당하는 패턴들의 길이가 이등분된 제1방사소자와 대칭되어 유전체기판(210)의 타측면에 수직방향으 로 수평 배열되는 제2방사소자(310)로 구성된다.

따라서 제1 및 제2방사소자(300, 310)는 PCS 주파수 대역(250), IMT-2000 주파수 대역(260), Wireless LAN(IEEE 802.11a/b, 270, 280) 주파수 대역의 해당 길이와 간격이 다른 패턴들이 유전체기판(210)의 양면에 배열되어 다수의 공진주파수 대역(250∼280)이 형성된다.

전송선로(230)는 유전체기판(210)의 양면에 패턴으로 구비되어 설계된 공진주파수 대역에 해당하는 길이와 간격에 따라 배열된 패턴들의 중심으로부터 수직방향으로 연결되며, 신호가 급전되는 급전점(240)이 형성된다. 한편, 전송선로(230)의 길이가 길수록 안테나의 이득이 높고, 양호한 정재파 특성이 나타난다.

본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나(200)는 유전체기판(210)에 수직방향으로 구비된 전송선로(230)를 통해 신호가 PCS 주파수 대역(250), IMT-2000 주파수 대역(260), Wireless LAN(IEEE 802.11a/b, 270, 280) 주파수 대역의 해당 길이와 간격에 따라 유전체기판(210)의 양면에 배열된 제1방사소자(300)와 제2방사소자(310)에 교차로 급전되어 임피던스가 정합됨으로써, 각각의 공진주파수 대역(250∼280)에서 높은 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 광대역 특성에 따른 방사패턴의 왜곡현상이 방지된다. 또한, 유전체기판의 양면에 제1 및 제2방사소자를 배열함으로써, 기존에 대수주기 다이폴 안테나의 크기보다 작아진다.

도 3은 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나의 반사 계수(dB) 특성을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안 테나(200)는 현재 서비스되고 있는 PCS 주파수 대역(250), IMT-2000 주파수 대역(260), Wireless LAN(IEEE 802.11a/b, 270, 280) 주파수 대역을 포함하는 1.8 ㎓ ~ 6 ㎓의 광대역에 걸쳐 반사 계수 특성을 나타내고, 점이 찍힌 실선 그래프는 본 발명에 따른 설계된 반사 계수의 특성을 나타내고, 본 발명에 따른 측정된 반사 계수의 특성을 나타낸다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나의 방사패턴(dBi) 특성을 도시한 도면이다.

도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나(200)는 현재 서비스되고 있는 PCS 주파수 대역(250), IMT-2000 주파수 대역(260), Wireless LAN(IEEE 802.11a/b, 270, 280) 주파수 대역을 포함하는 1.85 ㎓, 2.4 ㎓, 5.4 ㎓, 5.8 ㎓의 주파수 대역에서 6 ∼ 12dBi 이득을 나타낸다.

상기와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나의 구성 및 그 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 예를 들어, 방사소자가 유전체기판의 유전율을 포함하는 대수주기 비와 간격정수에 의하여 소정 간격에 따라 다른 길이로 유전체기판의 일측면에 배열되도록 구현할 수도 있다.

이외에도 다양한 실시예가 있을 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정 하여져야 할 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 유전체기판의 양면에 구비된 전송선로를 통해 신호가 PCS 주파수 대역, IMT-2000 주파수 대역, Wireless LAN(IEEE 802. 11a/b) 주파수 대역의 길이와 간격으로 배열된 제1 및 제2방사소자에 교차로 급전되어 임피던스가 정합됨으로써, 각각의 공진주파수 대역에서 높은 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 광대역 특성에 따른 방사패턴의 왜곡현상이 방지되는 효과가 있다.

또한, 유전체기판의 양면에 제1 및 제2방사소자를 배열함으로써, 안테나 크기가 소형화되며, 대량생산이 용이하도록 하여 가격 경쟁력 측면에서도 우위를 점할 수 있는 효과가 있다.

Claims

대수주기 다이폴 안테나에 있어서,

유전체기판과;

상기 유전체기판의 유전율을 포함하는 대수주기 비와 간격정수에 의하여 설정되어 상기 유전체기판의 양면에 배열되는 적어도 하나 이상의 방사소자; 및

상기 방사소자의 중심에 구비되는 전송선로로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제1항에 있어서, 상기 방사소자는 상기 유전체기판의 일측면에 구비되고, 설정 길이가 이등분되어 간격에 따라 교대로 배열되는 적어도 하나 이상의 제1방사소자; 및

상기 유전체기판의 타측면에 상기 제1방사소자의 이등분된 길이와 대칭되어 배열되는 적어도 하나 이상의 제2방사소자로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2방사소자는 유전체기판의 유전율을 포함하는 대수주기 비와 간격정수에 의하여 다른 길이와 간격으로 배열됨을 특징으로 하 는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제3항에 있어서, 상기 대수주기 비
(단, k=1,2,3, .... n-1) 이고, 간격정수 이며, 여기서 방사소자의 길이 L_k , 방사소자간의 간격 d_k 는 수학식 4와 같이 유전체기판의 유전율 ε_eff 이 포함됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.

,

,
제4항에 있어서, 상기 유전체기판의 유전율은 2.2 임을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2방사소자는 간격에 따라 다른 길이로 배열되어 다수의 공진주파수 대역이 형성됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제6항에 있어서, 상기 다수의 공진주파수 대역은 PCS 대역, IMT-2000, Wireless LAN 주파수 대역으로 형성됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제1항에 있어서, 상기 전송선로는 방사소자의 중심에 연결되어 신호가 교차로 급전됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제1항에 있어서, 상기 유전체기판은 유전율을 가지며, 평판형 회로기판으로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사소자는 전송선로를 통 해 신호가 교차로 급전되어 다수의 공진주파수 대역에서 임피던스 정합됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
대수주기 다이폴 안테나에 있어서,

유전체기판과;

상기 유전체기판의 유전율을 포함하는 대수주기 비와 간격정수에 의하여 설정되어 배열되는 방사소자; 및

상기 방사소자의 중심에 구비되는 전송선로로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.
제11항에 있어서, 상기 방사소자는 설정 간격에 따라 다른 길이로 유전체기판의 일측면에 배열됨을 특징으로 하는 광대역 대수주기 다이폴 배열 안테나.