KR20090065229A - 방향성 안테나 및 이를 구비한 송수신기 - Google Patents

Abstract

방향성 안테나 및 이를 구비한 송수신기가 개시된다. 본 발명에 따른 안테나는 좌우 대칭이 되게 기판에 배치되는 급전선; 급전선 종단 부분에 배치되는 복사체; 및 급전선과 복사체를 연결하는 비아를 포함하고, 급전선의 좌우 대칭 정도를 조절하여 복사체를 통해 복사되는 빔의 방향성이 조절되는 것을 특징으로 한다.

방향성 안테나, 급전선, 복사체, 그레이팅 로브, IF 스위치

Description

방향성 안테나 및 이를 구비한 송수신기{Directional antenna, transmitter and receiver comprising the same }

본 발명은 방향성 안테나 및 이를 구비한 송수신기에 관한 것으로, 특히 신호의 위상을 조절하여 원하는 빔 방향을 얻을 수 있는 방향성 안테나 및 이를 구비한 송수신기에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-046-03, 과제명: 전파자원 이용 기반 기술 개발].

멀티미디어 응용 분야의 증가로 수 Gbps 이상의 초고속 무선 통신에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 환경에서 밀리미터파 서비스 시스템은 초고속 무선 통신의 대안으로 관심이 고조되어 있고 근거리 통신인 WPAN(Wireless Personal Area Network)의 표준화 회의에서도 2003년부터 57~64 GHz대역의 비허가 대역에서 2Gbps급 이상의 전송을 목적으로 표준화가 활발히 진행 중이다. 이러한 활동에도 불구하고, 밀리미터파 이용을 활성화시키기 위해서는 송수신기의 가격을 낮추고 성능을 높일 필요가 있다. 그렇지 않으면 시장 규모가 크기에는 한계가 있다.

통상적으로 송수신기 시스템의 통신 범위(coverage)를 확장하려면 전방향성 안테나를 이용하여 360° 방향으로 신호를 송신하거나 수신하여야 한다. 하지만, 주파수가 높아지면, 자유 공간 손실이 증가하기 때문에, 이를 안테나의 이득으로 보상하여야 한다. 그러나 안테나의 이득을 높이면 안테나의 빔 폭이 좁아지기 때문에 송수신기의 통신 범위(coverage)가 전방향성 안테나를 사용하는 것에 비하여 좁아진다. 따라서 송수신 모듈의 통신 범위(coverage)를 넓히고, 높은 안테나 이득을 얻기 위하여, 안테나의 이득은 높지만 방향성이 있는, 즉, 빔 폭이 좁은 안테나를 다수 사용하여 송수신 모듈에 집적하는 방법이 연구되어 왔다. 안테나는 송수신 모듈과의 집적화를 높이기 위하여 통상적으로 알려진 평면형 안테나, 예를 들어 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 사용하였다. 그리고 평면 안테나가 집적된 송수신 모듈은 동일 평면상에 구성되지 않고, 3차원적으로 배치된 구조이다. 예를 들어, 120°의 통신 범위를 얻기 위하여 3dB 빔 폭이 60°인 안테나 3개를 송수신 모듈에 집적하여 구성한다. 첫 번째 송수신 모듈에서 안테나는 0°를 향하도록 구성하고, 두 번째 송수신 모듈에서는 30°를, 세 번째 송수신 모듈에서는 -30°를 향하게 구성하면 전체 120°의 통신 범위를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 송수신 모듈처럼 안테나가 동일 평면상에 형성되지 않으면 제작이 어렵고, 그에 비례하여 가격이 증가하는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 동일한 평면상에 형성되고 신호의 급전선을 조정하여 원하는 빔 방향을 얻을 수 있는 방향성 안테나 및 이를 구비한 송수신기를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 안테나는 좌우 대칭이 되게 기판에 배치되는 급전선; 상기 급전선 종단 부분에 배치되는 복사체; 및 상기 급전선과 복사체를 연결하는 비아를 포함하고, 상기 급전선의 좌우 대칭 정도를 조절하여 상기 복사체를 통해 복사되는 빔의 방향성이 조절되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 송신기는 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 안테나; 상기 안테나 각각에 연결되어, 입력되는 중간 주파수를 고주파수 신호로 변환하여 상기 각 안테나에 전달하는 복수의 중간 주파수 - 고주파수 변환 모듈들을 포함하는 중간 주파수-고주파수 변환부; 및 중간 주파수를 상기 중간 주파수-고주파수 변환 모듈들 각각에 전달하는 스위치를 포함하고, 상기 안테나들은 상기 중간 주파수-고주파수 변환 모듈들에서 출력되는 각 고주파수 신호를 서로 다른 방향으로 송출하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수신기는 서로 다른 방향으로부터 들어오는 고주파 신호를 수신하는, 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 안테나; 상기 안테나 각각에 연결되어 각 안테나를 통해 수신되는 상기 고주파수 신호를 중간 주파 수 신호로 변환하는 복수의 고주파수 - 중간 주파수 변환 모듈들을 포함하는 고주파수-중간 주파수 변환부; 및 상기 고주파수-중간 주파수 변환 모듈들에서 출력되는 각 중간 주파수를 다음 단으로 전달하는 스위치를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 신호의 급전선을 조정하여 빔 방향을 조정함으로써 제작이 용이하고 통신 범위(coverage)가 넓은 안테나 및 이를 구비한 고주파 송수신 모듈을 구현할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 안테나를 구비한 송신기 및 수신기의 개략적인 구성도이다.

도시된 송신기는 기저대역-중간주파수(IF) 변환기(10), IF 스위치(11), IF-밀리미터파 변환기(12) 및 송신 안테나부(13)를 포함한다.

기저대역-IF 변환기(10)는 송신하고자하는 기저대역 신호를 IF신호로 변환한다. IF 스위치(11)는 기저대역-IF 변환기(10)에서 출력되는 IF신호를 스위칭하여 복수의 포트로 출력한다.

IF-밀리미터파 변환기(12)는 IF신호를 밀리미터파 신호로 변환하며, 복수의 변환 블록을 포함한다. 송신 안테나부(13)는 본 발명에 따른 복수의 방향성 안테나를 포함하고, 각 안테나는 각 변환 블록에서 출력되는 밀리미터파 신호를 특정 방향을 지향하도록 송출한다.

도 1b에 도시된 수신기는 도 1a에 도시된 송신기와 반대로 동작한다. 수신 안테나부(23)는 각 방향으로부터 들어오는 밀리미터파 신호를 수신하고, 밀리미터파-IF 변환기(22)는 복수의 변환블록을 구비하여 각 안테나를 통해 수신된 신호를 IF신호로 변환한다. IF스위치(21)은 밀리미터파-IF 변환기(22)에서 출력되는 IF신호를 IF-기저대역 변환기(20)로 출력한다. IF-기저대역 변환기(20)는 IF신호를 기저대역 신호로 변환한다.

도 2는 송신 안테나부(13) 또는 수신 안테나부(23)를 구성하는 안테나가 3개인 경우의 방향성을 도시한 것이다. 이와 같은 안테나는 일례로 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 채용하여 얻을 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 각각 은 본 발명에 따른 방향성 안테나의 평면도와 측면도이다.

도시된 안테나는 기판(31)에 급전선(32)이 배치되고, 급전선(32) 끝 부분에 복사체(33)가 마련되며, 복사체(33)와 급전선(32)을 연결하는 비아(via)를 포함한다. 복사체(33)는 둘 이상이 좌우대칭되는 형태로 위치한다. 참조번호 35는 접지선을 나타낸다. 이와 같이 구성된 안테나의 빔 방향은 도 2에서 x축에 수직인 방향성, 즉 안테나 면에 수직인 방향성을 갖는다.

안테나가 도 2에 도시된 바와 같이 안테나면에 수직인 아닌 다른 방향성을 갖게 하는 방법은 대표적으로 각 복사체에 급전되는 신호의 위상을 변화시키는 것이다. 본 실시예에서는 급전선(32)의 좌우 대칭되는 길이를 비대칭이 되도록 조절함으로써 신호의 위상을 변화시킨다.

도 4는 급전선(32)을 비대칭이 되도록 배치를 변경한 예를 도시한 것이다. 도 4(a)는 급전선이 왼쪽으로 치우쳐 있는 경우를 예시한 것으로, 이 경우 빔은 오른쪽을 향한다. 도 4(b)는 급전선이 좌우 동일하게 위치하므로, 빔은 안테나 면에 수직 방향을 향한다. 도 4(c)는 급전선이 오른쪽으로 치우쳐 위치하므로, 빔은 왼쪽을 향한다.

그러나 빔 방향의 기울기를 크게 하기 위하여 위상차를 증가시키면 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생한다. 도 5는 빔 방향을 기울였을 때 원하는 빔 방향(51)보다 그레이팅 로브(52)의 신호 세기가 더 큰 경우를 나타낸다. 도면에서 원의 반경(r)은 신호 세기를 나타내고, θ는 z축에서 xy 평면을 향하는 각도이고, φ는 xy평면에서 x축에서 y축(도면 안으로 들어가는 방향)을 향하는 각도이다.

도 6은 그레이팅 로브를 감소시키는 장치를 도시한 것이다. 도시된 장치는 도 5에 도시된 그레이팅 로브(52)의 크기를 줄이고 원하는 빔(51)의 크기를 개선하기 위해 안테나(61)를 감싸는 형태(62)로 전기적 도전 특성을 갖는 재질을 이용하여 형성된다. 도전 특성을 갖는 재질은 통상적으로 금속이 아니더라도 신호가 전달되는 면이 도전성을 갖는 재질로 구성되어 있으면 원하는 특성을 얻을 수 있다.

도 7은 도 6에 도시된 바와 같은 그레이팅 로브 감소 장치를 통해 빔 방향성이 개선된 결과를 보여준다. 도시된 바에 따르면, 빔 방향(71)이 그레이팅 로브(72)에 비해 신호 세기가 더 커졌음을 알 수 있다.

도 6에 도시된 그레이팅 로브 감소 장치는 하나의 안테나에 결합되는 것으로, 여러 개의 원하는 빔 방향을 얻으려면, 전도성 재질의 안테나가 여러 개 존재 해야 한다. 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같은 빔 방향을 얻으려면, z>0 영역과 z<0 영역에 각각 도 4(a) 내지도 4(c)에 도시된 바와 같은 안테나에 도 7에 도시된 장치가 결합된 형태를 구비하는 것이 바람직하다. 이때 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)와 같이 적층이 가능한 기판을 사용한다면, 안테나 개수가 증가하더라도 차지하는 면적에는 큰 변화없이 통신 범위를 확장할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 안테나를 구비한 송신기 및 수신기의 개략적인 구성도이다.

도 2는 송신 안테나부(13) 또는 수신 안테나부(23)를 구성하는 안테나가 3개인 경우의 방향성을 도시한 것이다.

도 3a 및 도 3b는 각각 은 본 발명에 따른 방향성 안테나의 평면도와 측면도이다.

도 4는 급전선(32)을 비대칭이 되도록 배치를 변경한 예를 도시한 것이다.

도 5는 빔 방향을 기울였을 때 원하는 빔 방향(51)보다 그레이팅 로브(52)의 신호 세기가 더 큰 경우를 나타낸다.

도 6은 그레이팅 로브를 감소시키는 장치를 도시한 것이다.

도 7은 도 6에 도시된 바와 같은 그레이팅 로브 감소 장치를 통해 빔 방향성이 개선된 결과를 도시한 것이다.

도 8은 복수의 빔 방향을 도시한 것이다.

Claims (8)

1. 좌우 대칭이 되게 기판에 배치되는 급전선;

   상기 급전선 종단 부분에 배치되는 복사체; 및

   상기 급전선과 복사체를 연결하는 비아를 포함하고,

   상기 급전선의 좌우 대칭 정도를 조절하여 상기 복사체를 통해 복사되는 빔의 방향성이 조절되는 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   도전 특성을 갖는 재질로 상기 급전선, 복사체 및 비아를 감싸는 형태로 형성되어 상기 빔의 그레이팅 로브를 감소시키는 소자를 더 포함함을 특징으로 하는 안테나.
3. 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 안테나;

   상기 안테나 각각에 연결되어, 입력되는 중간 주파수를 고주파수 신호로 변환하여 상기 각 안테나에 전달하는 복수의 중간 주파수 - 고주파수 변환 모듈들을 포함하는 중간 주파수-고주파수 변환부; 및

   중간 주파수를 상기 중간 주파수-고주파수 변환 모듈들 각각에 전달하는 스위치를 포함하고,

   상기 안테나들은 상기 중간 주파수-고주파수 변환 모듈들에서 출력되는 각 고주파수 신호를 서로 다른 방향으로 송출하는 것을 특징으로 하는 송신기.
4. 제3항에 있어서, 상기 각 안테나는

   좌우 대칭이 되게 기판에 배치되는 급전선;

   상기 급전선 종단 부분에 배치되는 복사체; 및

   상기 급전선과 복사체를 연결하는 비아를 포함하고,

   상기 급전선의 좌우 대칭 정도를 조절하여 상기 복사체를 통해 복사되는 상기 고주파수 신호의 방향성을 조절하는 것을 특징으로 하는 송신기.
5. 제4항에 있어서,

   도전 특성을 갖는 재질로 상기 급전선, 복사체 및 비아를 감싸는 형태로 형성되어 상기 고주파수 신호의 그레이팅 로브를 감소시키는 소자를 더 포함함을 특징으로 하는 송신기.
6. 서로 다른 방향으로부터 들어오는 고주파 신호를 수신하는, 서로 다른 방향성을 갖는 복수의 안테나;

   상기 안테나 각각에 연결되어 각 안테나를 통해 수신되는 상기 고주파수 신호를 중간 주파수 신호로 변환하는 복수의 고주파수 - 중간 주파수 변환 모듈들을 포함하는 고주파수-중간 주파수 변환부; 및

   상기 고주파수-중간 주파수 변환 모듈들에서 출력되는 각 중간 주파수를 다 음 단으로 전달하는 스위치를 포함함을 특징으로 하는 수신기.
7. 제6항에 있어서, 상기 각 안테나는

   좌우 대칭이 되게 기판에 배치되는 급전선;

   상기 급전선 종단 부분에 배치되는 복사체; 및

   상기 급전선과 복사체를 연결하는 비아를 포함하고,

   상기 방향성을 갖도록 상기 급전선의 좌우 대칭 정도가 조절되어 상기 복사체를 통해 상기 고주파 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 수신기.
8. 제7항에 있어서,

   도전 특성을 갖는 재질로 상기 급전선, 복사체 및 비아를 감싸는 형태로 형성되어 상기 방향성을 강화하는 소자를 더 포함함을 특징으로 하는 수신기.

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