KR20100095965A - 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체 - Google Patents

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KR20100095965A
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Abstract

안테나에 전력을 공급하는 급전선로를 선택적으로 스위칭하여 원하는 공진주파수를 가지는 안테나만 전자파를 방사하도록 제어하는 안테나의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체가 개시되어 있다. 이를 위하여 한 쌍의 안테나와, 한 쌍의 안테나와 각각 연결되는 제1 선로 및 제2 선로와, 주파수 신호를 인가받는 입력신호선로를 포함하는 안테나의 급전선로 스위칭 회로망을 제공한다. 본 발명에 의한 안테나의 급전선로 스위칭 회로망을 사용하면, 전송선로의 길이를 변화시킨 회로망을 통해 급전선로의 스위칭이 가능하도록 함으로써 급전선로 스위칭 회로망의 구조의 간소화 및 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.

Description

급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체{ANTENNA STRUCTURE CAPABLE OF SWITCHING FEED LINE}
본 발명은 안테나 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나에 전력을 공급하는 급전선로를 선택적으로 스위칭하여 원하는 공진주파수를 가지는 안테나만 전자파를 방사하도록 제어하는 안테나의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 모바일 단말기, 무선 네트워크 환경 등 다양한 멀티미디어 서비스 환경이 급격히 증가하고 있는 추세이다. 이러한 다양한 멀티미디어 서비스 환경의 증가 추세에 따라 전자파를 이용한 다양한 서비스의 제공이 요구되고 있다.
특히 다수의 안테나를 사용하여 시간적으로 변화하는 무선 전파 환경에 따라 능동적으로 안테나 빔 형상 특성을 변화시킬 수 있는 재구성 안테나(RE-CONFIGURABLE ANTENNA) 시스템에 대한 개발 요구가 커지고 있다.
이러한 안테나 시스템은 요구되어지는 몇몇의 희망주파수에서만 전파를 방사하거나, 방사되는 전파의 편파를 변화시키거나 또는 방사빔의 패턴을 변화시키는 능력을 갖는 안테나 시스템을 의미한다. 이러한 안테나 시스템의 동작을 위해서는 다수의 안테나를 각각 제어해야만 가능하며, 종래 이러한 각각의 안테나를 제어하기 위해 반도체 스위칭 다이오드들이 주로 사용되고 있다.
그러나 기존에 사용되고 있는 반도체 스위칭 다이오드를 채택한 안테나 시스템의 경우, 각각의 안테나를 제어하기 위해 반도체 스위칭 다이오드를 채택하고 있기 때문에 다이오드 이외에 이들 다이오드를 구동시키기 위한 직류 바이어스 회로 및 안테나 상에 직류전류를 차단하기 위한 커패시터 등의 추가적인 부품 및 회로가 필수적으로 수반될 수밖에 없다. 이는 각각의 안테나를 제어하는 스위칭 회로망이 구조적으로 복잡해진다는 문제점과 이로 인해 비용이 상승한다는 문제점을 야기한다. 나아가 초고주파나 밀리미터파 주파수 대역에서 회로의 집적화가 어렵다는 문제점이 발생한다.
이에 따라서 현재의 반도체 스위칭 다이오드를 채택함으로써 발생되는 문제점들 즉, 회로의 복잡화 및 비용 상승 등의 문제점을 해결함은 물론, 효과적으로 회로의 집적화를 가능하게 하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 안테나 급전선로의 스위칭을 위한 별도의 반도체 스위칭 소자 대신 1/4 파장의 홀수 배의 길이를 가지는 전송선로 회로망을 채택하여 급전선로 스위칭 회로망의 구조를 간소하고, 비용을 절감할 수 있으며 다수의 안테나들을 공간적으로 자유롭게 배치시킬 수 있도록 함으로서 회로망의 복잡성을 현저하게 개선할 수 있는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 다른 공진 주파수를 가지는 한 쌍의 안테나; 상기 한 쌍의 안테나에 고주파 전력을 공급하도록 한 쌍의 안테나와 각각 연결되는 제1 선로 및 제2 선로; 및 주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로를 포함하는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 제공한다.
본 발명에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 사용하면, 전송선로의 길이를 변화시켜 스위칭 회로망을 구성할 수 있기 때문에, 기존의 반도체 다이오드 등을 능동소자로 사용한 안테나 급전선로 스위칭 회로망에 비하여 비용을 절감할 수 있으며, 매우 효과적으로 회로의 집적화를 달성할 수 있다.
그리고 상술한 구조체를 사용하면 다수의 안테나로부터의 방사를 선택적으로 제어할 수 있기 때문에 안테나들로부터 방사되어지는 전자빔의 형상을 자동적으로 조절할 수 있다. 또한, 스위칭시키고자 하는 두 주파수 대역이 매우 근접하여 있는 경우에도 효과적으로 동작이 가능하고 또한, 공간적으로 다수의 안테나들의 배치형상을 자유롭게 조절할 수 있어서 다양한 빔 패턴의 형성이 가능하게 된다.
특히, 역방향 메타 전송선로 방향성 결합기를 사용하면, 각각의 안테나 사이의 격리도를 높일 수 있고 따라서 재구성 안테나 시스템 구축시 활용도가 높다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 상세하게 설명한다.
본 발명의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체는 서로 다른 공진주파수를 가지는 한 쌍의 안테나 또는 그 이상의 안테나에 각각의 고주파 전력을 공급하기 위한 공통 급전선로를 통하여 인가되는 전자파를 선택적으로 통과 또는 차단시킴으로서, 최초 설계 목적에 따라 원하는 공진주파수를 가지는 안테나만을 선택적으로 동작시킬 수 있도록 하는 스위칭 회로망에 관한 것이다.
이하 도면을 참조하여 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 등가회로도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 구조도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안 테나 구조체는 공진주파수를 가지는 한 쌍의 안테나(1)(2), 상기 한 쌍의 안테나(1)(2)에 고주파 전력을 공급하도록 한 쌍의 안테나(1)(2)와 각각 연결되는 제1 선로(3) 및 제2 선로(4), 주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로(5)를 포함한다.
상기 한 쌍의 안테나(1)(2)는 각각
Figure 112009011162082-PAT00001
(안테나(1)),
Figure 112009011162082-PAT00002
(안테나(2))의공진주파수를 가지고, 상기 한 쌍의 안테나(1)(2)의 공진주파수는 서로 다른 것이 바람직하다.
상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)는 상기 서로 다른 공진주파수를 가지는 한 쌍의 안테나(1)(2)와 연결되도록 형성하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 제1 선로(3)는
Figure 112009011162082-PAT00003
의 공진주파수를 가지는 안테나(1)와 연결되도록 하고, 제2 선로(4)는
Figure 112009011162082-PAT00004
의 공진주파수를 가지는 안테나(2)와 각각 연결되도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 안테나(1)(2)와 각각 연결되는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)의 길이는 각각 연결되는 안테나(1)(2)의 공진주파수의 1/4 파장 길이의 홀수 배(1배, 3배, 5배...) 길이로 형성된다. 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)는 각각 안테나(1)(2)에 연결되지만, 도면에 도시된 바와 같이 반드시 90°로 직각 굴절되어 연결되어야 하는 것은 아니다.
또한, 상기 한 쌍의 안테나(1)(2)의 공진주파수가 서로 인접하고 따라서 각각의 공진주파수의 파장 길이와 관계있는 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)의 길이도 거 의 동일한 길이를 가질수록 우수한 스위칭 특성을 나타낸다.
상기 입력신호선로(5)는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)를 통해 주파수 신호가 상기 한 쌍의 안테나(1)(2)로 흐를 수 있도록 주파수를 인가 하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 입력신호선로(5)는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)가 서로 접하는 부분에 연결되도록 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 안테나의 급전선로 스위칭 회로망의 경우, 상측의 입력단(Z1)의 입력임피던스는
Figure 112009011162082-PAT00005
이고,
하측의 입력단(Z2)의 입력임피던스는
Figure 112009011162082-PAT00006
이다.
여기에 상기 선로(제1 선로 및 제2 선로)의 길이가 공진주파수의 1/4 파장 길이인 경우, 각각의 선로의 입력임피던스를 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 주파수
Figure 112009011162082-PAT00007
에서 첫 번째 암(arm)의 길이는
Figure 112009011162082-PAT00008
이므로
Figure 112009011162082-PAT00009
가 되므로
Figure 112009011162082-PAT00010
이 된다. 그러나 두 번째 암(arm)의 길이는
Figure 112009011162082-PAT00011
이므로
Figure 112009011162082-PAT00012
가 되므로
Figure 112009011162082-PAT00013
이 된다. 여기서
Figure 112009011162082-PAT00014
로 놓으면
Figure 112009011162082-PAT00015
로 되어져 순허수 값을 갖게 된다.
상기 선로의 특성 임피던스
Figure 112009011162082-PAT00016
, 그리고 부하 임피던스
Figure 112009011162082-PAT00017
가 모두 실수인 경우에
Figure 112009011162082-PAT00018
은 실수 값을 갖게 되지만,
Figure 112009011162082-PAT00019
은 순 허수 값을 갖게 된다. 특히
Figure 112009011162082-PAT00020
로 두 주파수가 근접하게 되면
Figure 112009011162082-PAT00021
이므로 가 되고, 따라서
Figure 112009011162082-PAT00023
가 된다. 이 경우에
Figure 112009011162082-PAT00024
로 수렴하면,
Figure 112009011162082-PAT00025
가 되므로 개방회로가 된다.
여기서 각각의 안테나(1)(2) 입력임피던스는
Figure 112009011162082-PAT00026
이며, 이상적으로 안테나가 공진주파수에서는
Figure 112009011162082-PAT00027
로 순 실수 값을 갖으며, 안테나가 해당 공진주파수 이외에서 또는 공간으로 에너지를 방사하지 못하게 될 경우에는
Figure 112009011162082-PAT00028
로 순허수 값을 갖는다.
또한, 1/4 파장 길이의 선로
Figure 112009011162082-PAT00029
의 길이는 각각의 공진주파수
Figure 112009011162082-PAT00030
의 파장 길이의 1/4에 해당하는 길이이다.
그리고 입력단에 인가되는 신호의 주파수
Figure 112009011162082-PAT00031
인 경우에
Figure 112009011162082-PAT00032
으로 순저항 값을 가지고
Figure 112009011162082-PAT00033
는 순허수로 된다. 또한, 상기 입력단에 인가되는 신호의 주파수가
Figure 112009011162082-PAT00034
로 두 개의 안테나의 공진주파수가 근접되어 있으면,
Figure 112009011162082-PAT00035
이므로 주파수
Figure 112009011162082-PAT00036
에서 하단의 안테나는 대략 1/4 파장 길이의 단락회로가 되어
Figure 112009011162082-PAT00037
이므로 개방회로로 동작된다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 회로의 스위칭 작용 원리를 나타낸 등가회로도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 각각의 안테나(1)(2)의 방사저항 및 선로의 특성 임피던스가 50Ω인 경우에 안테나 스위칭 급전회로의 동작 개념을 확인할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 입력주파수가 f=f1일 경우 제2 선로(4)(arm 2=off)가 단락됨을 알 수 있고, 입력주파수가 f=f2일 경우 제1 선로(3)(arm 1=off)가 단락됨을 알 수 있다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 안테나 급전선로 스위칭 회로망에서 OFF 상태에 놓여져 있는 안테나의 등가 입력임피던스의 리액턴스 값을 나타낸 스미스 도표도이다.
도 5를 참조하면, 상기 도 3 내지 도 4를 통해 도시된 회로망에서 OFF 상태에 놓여져 있는 안테나의 등가 입력임피던스는 스미스 도표의 중앙점에 근접되어 질수록 안테나의 리액턴스 값이
Figure 112009011162082-PAT00038
즉, X→0의 조건이 만족되어져 보다 이상적인 스위치 회로로 작용할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112009011162082-PAT00039
인 경우에 off 되어진 선로는 이상적으로는 1/4 파장 길이의 단락회로가 되어
Figure 112009011162082-PAT00040
이므로 개방회로로 동작되나, 이 동작되는 한계주파수의 범위는 대략 40 % 정도까지도 가능하다. 즉 주파수
Figure 112009011162082-PAT00041
까지 스위칭 급전선로로 동작 되어진다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 구조도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체는 개방형 마이크로스트립 스터브(6)와 마이크로스트립 선로(7)를 더 포함할 수 있다.
상기 개방형 마이크로스트립 스터브(6)는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)가 서로 접합되는 부분에 병렬로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개방형 마이크로스트립 스터브(6)는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)의 가운데 위치하여 양 선로와 병렬 구성이 되도록 형성되며, 상기 마이크로스트립 선로(7)는 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)가 서로 접합되는 부분에 직렬로 형성되는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 상기 마이크로스트립 선로(7)는 상기 한 쌍의 안테나(1)(2)와 연결된 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)에 추가로 연결되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)가 서로 접하는 부분에 사이에 추가로 형성되는 것이 바람직하다.
이 때 상기 개방형 마이크로스트립 스터브(6)과 마이크로스트립 선로(7)의 길이의 결정은 상기 마이크로스트립 선로(7)의 추가로 인하여 변화되어진 안테나의 입력 임피던스의 리액턴스 값을 개방형 마이크로스트립 스터브(6)가 만들어주는 리액턴스 값으로 상쇄시키도록 하는 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 개방형 마이크로스트립 스터브(6) 또는 단락형 마이크로스트립 스터브가 상기 마이크로스트립 선로(7)와 L형 정합회로 역할을 하는 길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
그러나 본 발명에서 예시된 개방형 마이크로스트립 스터브(6)와 마이크로스트립 선로(7) 길이를 통해 회로망을 구성하면, 한 쌍의 안테나(1)(2)의 공간 배치를 보다 자유롭게 조정할 수 있으므로 공간상에서 서로 인접되어진 한 쌍의 안테나(1)(2) 사이의 커플링 간섭 등을 최대한 억제하는 배치 조정 역할을 할 수 있다.
나아가 상기 개방형 마이크로스트립 스터브(6) 대신에 약 1/4파장 길이의 단락형 마이크로스트립 스터브를 사용할 수도 있을 것이다.
도 7 내지 도 8은 이상적인 경우 즉,
Figure 112009011162082-PAT00042
인 경우의 도 6의 스위칭 동작 원리를 나타낸 등가회로도이다.
도 7을 참조하면, 상기와 같이 제1 선로(3) 및 제2 선로(4)가 서로 접합되는 부분에 동일한 길이의 개방형 마이크로스트립 스터브(6) 및 마이크로스트립 선로(7)가 등가회로 상에서 각각 병렬과 직렬 서셉턴스(susceptance)로 추가 형성되어짐을 볼 수 있다.
이 경우 개방형 마이크로스트립 스터브(6)는 등가적으로 커패시티브 리액턴스(capacitive reactance)를 나타내므로 이를 서셉턴스로 표현하면
Figure 112009011162082-PAT00043
로 되며, 안테나와 직접 연결되어진 선로는 인덕티브 리액턴스(inductive reactance)를 가지므로 이를 서셉턴스로 표현하면
Figure 112009011162082-PAT00044
로 되므로, 해당 안테나가 공진할 경우에는 선로의 총 서셉턴스 값은 영이 된다(
Figure 112009011162082-PAT00045
= 0).
도 9는 도 6의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체의 다른 실시예를 나타낸 구조도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체는 상기 한 쌍의 안테나(1)(2), 제1 선로(3) 및 제2 선로(4), 입력신호선로(5), 개방형 마이크로스트립 스터브(6), 및 마이크로스트립 선로(7)로 이루어진 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(9))를 포함하고, 상기 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(9))와 동일한 다른 하나의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(10))를 더 포함할 수 있다.
상기 각각의 스위칭 모듈(9)(10)에서 포함하고 있는 한 쌍의 안테나(
Figure 112009011162082-PAT00046
,
Figure 112009011162082-PAT00047
)는 서로 동일한 한 쌍의 안테나(
Figure 112009011162082-PAT00048
,
Figure 112009011162082-PAT00049
)를 채택하는 것이 바람직할 것이다.
그리고 상기 각각의 스위칭 모듈(9)(10)에 전력을 분배시키는 전력분배기(8)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 전력분배기(8)를 사용함으로써, 4개의 안테나를 동작시킬 수 있도록 함으로서, 안테나로부터 공간에 방사되어지는 빔 패턴 형상을 자유롭게 조절할 수 있다.
그러나 상기 전력분배기(8)는 일반적인 T형 분배기로 각 포트 사이의 격리도가 낮은 단점을 가지고 있으며, 또한, 상기 전력분배기(8)를 윌킨슨(wilkinson) 분배기로 사용할 경우 각 포트 사이에 저항을 접속시켜야만 하므로 다수의 안테나를 배열하는 경우에는 안테나의 공간 배치가 불리하다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 전력분배기(8)를 음의 굴절율을 가지는 메타전송 선로(12)를 포함하는 역방향 방향성 결합기(13)로 채택하는 것이 바람직하다.
도 10은 도 9의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체의 또 다른 실시예를 나타낸 구조도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체는 상기 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(9))와, 상기 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(9))와 동일한 다른 하나의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(10))를 포함하고, 상기 각각의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체(스위칭 모듈(9)(10))를 연결하도록 음의 굴절율을 가지는 메타전송 선로를 포함하는 역방향 CRLH(Composite Right and Left Handed) 전송선로 방향성 결합기(이하, 역방향 방향성 결합기라 한다)를 더 포함한다.
즉, 서로 다른 공진 주파수를 가지는 한 쌍의 안테나(
Figure 112009011162082-PAT00050
,
Figure 112009011162082-PAT00051
), 상기 한 쌍의 안테나에 고주파 전력을 공급하도록 한 쌍의 안테나와 각각 연결되는 제1 선로 및 제2 선로, 주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로, 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 병렬로 형성되는 개방형 마이크로스트립 스터브 또는 단락형 마이크로스트립 스터브, 및 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 직렬로 형성되는 마이크로스트립 선로로 이루어진 급전선로 스위칭이 가능한 제1 안테나 구조체를 포 함하는 것이 바람직하다.
그리고 서로 다른 공진 주파수를 가지는 한 쌍의 안테나(
Figure 112009011162082-PAT00052
,
Figure 112009011162082-PAT00053
), 상기 한 쌍의 안테나에 고주파 전력을 공급하도록 한 쌍의 안테나와 각각 연결되는 제1 선로 및 제2 선로, 주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로, 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 병렬로 형성되는 개방형 마이크로스트립 스터브 또는 단락형 마이크로스트립 스터브, 및 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 직렬로 형성되는 마이크로스트립 선로로 이루어진 급전선로 스위칭이 가능한 제2 안테나 구조체를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 각각의 급전선로 스위칭이 가능한 제1 및 제2 안테나 구조체를 연결하도록 음의 굴절율을 가지는 메타전송 선로를 포함하는 역방향 방향성 결합기를 포함하는 것이 바람직하다.
보다 상세히 설명하면, 중앙의 급전점인 입력단자(14)를 통하여 입력되어진 전력은 각각 반으로 나뉘어져 음의 굴절율을 가지는 선로(12)를 사용한 역방향 방향성 결합기(13)의 입력 포트로 전송된다. 그리고 상기 역방향 방향성 결합기(13)로 전송된 전력의 1/2은 다시 통과 포트를 통과하여 포트 끝단에 연결된 공진 주파수
Figure 112009011162082-PAT00054
인 안테나(17)(18)에 각각 공급된다.
또한, 상기 역방향 방향성 결합기(13)의 입력 포트로 전송된 나머지 전력의 1/2은 결합 포트를 통하여 포트 끝단에 연결된 공진 주파수
Figure 112009011162082-PAT00055
인 안테나(19)(20)로 공급된다.
이에 따라서 공진 주파수
Figure 112009011162082-PAT00056
인 안테나(17)(18)에는 1/4 파장 길이의 전송선로(15)와 연결되고, 공진 주파수
Figure 112009011162082-PAT00057
인 안테나(19)(20)에는 1/4 파장 길이의 전송선로(16)가 연결되어 있어서, 입력단자(14)에 입사된 신호의 주파수가
Figure 112009011162082-PAT00058
인 경우에는 두 개의 안테나(17)(18)만 에너지 방사가 이루어지며, 주파수가
Figure 112009011162082-PAT00059
인 경우에는 다른 두 개의 안테나(19)(20)에서만 에너지 방사가 이루어진다.
상술한 역방향 방향성 결합기(13)를 이용한 안테나 스위칭 급전 선로의 설계 및 특성 실험을 통해 살펴보면 다음과 같다.
도 11 내지 도 12는 도 10의 스위칭 작용에 의하여 변화되는 안테나 도체 상의 전류밀도 분포를 나타낸 전류밀도 분포도이다.
도 11 내지 도 12를 참조하면, 먼저, 두 개의 안테나의 공진 주파수가 각각
Figure 112009011162082-PAT00060
인 안테나 들을 이용해 하나의 스위칭 급전선로에 서로 인접한 공진주파수를 가지는 4개의 안테나를 배열하였다. 이렇게 배열된 각각의 안테나 도체 상에 흐르는 전류밀도를 측정한 결과, 주파수에 따라서 스위칭되는 안테나 급전선로의 특성에 의하여 선택적으로 2개의 안테나만이 동작하는 것을 확인 할 수 있다. 이에 따라서 본 발명의 스위칭 급전선로는 별도의 스위칭 소자를 사용하지 않고도 효과적으로 안테나의 방사 에너지를 제어할 수 있다.
또한, 상기 역방향 메타 전송선로 방향성 결합기를 사용함으로서, 각각의 안 테나 사이의 격리도를 높일 수고 따라서 재구성 안테나 시스템 구축에 있어서 활용도를 높일 수 있다. 각각의 안테나 사이의 격리도는 [표 1]을 통해 확인할 수 있다.
[표 1]
(GHz) 1.92 1.94 1.96 1.98 2.11 2.13 2.15 2.17
격리도 [dB]
Figure 112009011162082-PAT00061
 -17.47 -18.81 -19.89 -20.14 -21.06 -19.92 -18.78 -17.67
Figure 112009011162082-PAT00062
 -22.00 -24.73 -27.77 -30.27 -18.53 -17.58 -17.12 -16.92
Figure 112009011162082-PAT00063
 -21.16 -23.25 -24.31 -25.87 -20.21 -19.74 -19.57 -19.73
Figure 112009011162082-PAT00064
 -18.78 -19.81 -20.05 -19.85 -25.93 -24.71 -23.09 -21.78
Figure 112009011162082-PAT00065
 -24.75 -24.01 -23.37 -23.06 -29.64 -30.41 -30.99 -31.42
Figure 112009011162082-PAT00066
 -23.48 -26.69 -30.24 -33.77 -19.00 -18.74 -18.91 -19.26
상기 표 1을 살펴보면, 역방향 메타 전송선로 방향성 결합기를 사용한 안테나 스위칭 급전 선로의 각 주파수에 따른 안테나 포트의 격리 특성을 나타낸 것으로서, 매우 높은 격리도를 나타내고 있어서 공간상에 다수의 안테나를 배열하여 사용할 경우에 매우 효과적임을 확인 할 수 있다.
도 13 내지 도 14는 도 10의 구조도를 바탕으로 제작된 안테나를 나타낸 도면이고, 도 15 내지 도 18은 도 12 내지 도 13의 안테나의 반사손실값과 입력 임피던스값의 설계값과 측정값을 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 14는 역방향 메타 전송선로 방향성 결합기를 사용한 안테나 스위칭 급전선로를 사용한 2 × 2 마이크로스트립 배열 안테나를 설계한 것이다.
상기 2 × 2 마이크로스트립 배열 안테나의 최초 설계시 반사손실값과 입력 임피던스값은 도 15 내지 16에 도시되어 있으며, 설계된 2 × 2 마이크로스트립 배열 안테나의 실제 반사손실값과 입력 임피던스값은 도 17 내지 도 18을 통해 확인할 수 있다.
보다 상세하게는 설계된 안테나는 1.95 GHz에서 50.88 - j2.73Ω, 2.140 GHz에서 43.71 - j7.07Ω을 나타내어 정합이 잘 이루어지고 있었으나, 제작된 안테나에서는 제작 공정상의 오차로 인하여 공진주파수가 다소 변화되었고, 입력임피던스 궤적도 완전 정합 점에서 이격되어져서 1.95 GHz에서 대략 28Ω, 2.140 GHz에서 47Ω을 나타내었다.
그러나 제작된 안테나의 방사 패턴을 측정한 결과 송신주파수 대역 중심주파수 1.95 GHz에서 6.8 dBi 수신주파수 대역 중심주파수 2.14 GHz에서는 7.6 dBi 방사이득을 나타내고 있어서, 안테나의 스위칭 급전회로가 양호하게 동작하고 있음을 확인 할 수 있다. 또한 각각의 중심주파수에서 안테나의 효율은 76.48 %와 80.23 %로 높게 나타나고 있어서 실제 통신시스템의 적용에 문제가 없다.
위에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 등가회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 구조도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 회로의 스위칭 작용 원리를 나타낸 등가회로도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체에서에서 OFF 상태에 놓여져 있는 안테나의 등가 입력임피던스의 리액턴스 값을 나타낸 스미스 도표도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 의한 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체를 설명하기 위한 구조도이다.
도 7 내지 도 8은 도 6의 스위칭 동작 원리를 나타낸 등가회로도이다.
도 9는 도 6의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체의 다른 실시예를 나타낸 구조도이다.
도 10은 도 9의 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체의 또 다른 실시예를 나타낸 구조도이다.
도 11 내지 도 12는 도 10의 스위칭 작용에 의하여 변화되는 안테나 도체 상 의 전류밀도 분포를 나타낸 전류밀도 분포도이다.
도 13 내지 도 14는 도 10의 구조도를 바탕으로 제작된 안테나를 나타낸 도면이다.
도 15 내지 도 18은 도 12 내지 도 13의 안테나의 반사손실값과 입력임피던스값의 설계값과 측정값을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *
1, 2, 17, 18, 19, 20 : 안테나
3, 4, 15, 16 : 전송선로 5 : 입력신호선로
6 : 개방형 마이크로스트립 스터브
7 : 마이크로스트립 선로
12 : 음의 굴절율을 가지는 메타전송 선로
13 : 역방향 방향성 결합기 14 : 입력단자

Claims (5)

  1. 서로 다른 공진 주파수(
    Figure 112009011162082-PAT00067
    ,
    Figure 112009011162082-PAT00068
    )를 가지는 한 쌍의 안테나;
    상기 한 쌍의 안테나에 고주파 전력을 공급하도록 상기 한 쌍의 안테나와 각각 연결되고, 상기 한 쌍의 안테나의 공진주파수의 1/4 파장 또는 1/4 파장의 홀수 배 길이를 가지는 제1 선로 및 제2 선로; 및
    주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로를 포함하는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 병렬로 형성되는 개방형 마이크로스트립 스터브 또는 단락형 마이크로스트립 스터브; 및
    상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 직렬로 형성되는 마이크로스트립 선로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 개방형 마이크로스트립 스터브 또는 단락형 마이크로스트립 스터브가 상기 마이크로스트립 선로와 L형 정합회로 역할을 하는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 안테나의 공진주파수
    Figure 112009011162082-PAT00069
    ,
    Figure 112009011162082-PAT00070
    가
    Figure 112009011162082-PAT00071
    의 범위인 것을 특징으로 하는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체.
  5. 서로 다른 공진 주파수를 가지는 한 쌍의 안테나, 상기 한 쌍의 안테나에 고주파 전력을 공급하도록 한 쌍의 안테나와 각각 연결되는 제1 선로 및 제2 선로, 주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로, 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 병렬로 형성되는 개방형 마이크로스트립 스터브 또는 단락형 마이크로스트립 스터브, 및 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 직렬로 형성되는 마이크로스트립 선로로 이루어진 급전선로 스위칭이 가능한 제1 안테나 구조체;
    서로 다른 공진 주파수를 가지는 한 쌍의 안테나, 상기 한 쌍의 안테나에 고주파 전력을 공급하도록 한 쌍의 안테나와 각각 연결되는 제1 선로 및 제2 선로, 주파수 신호를 인가받는 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 연결되는 입력신호선로, 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 병렬로 형성되는 개방형 마이크로스트립 스터브 또는 단락형 마이크로스트립 스터브, 및 상기 제1 선로 및 제2 선로가 서로 접합되는 부분에 직렬로 형성되는 마이크로스트립 선로로 이루어진 급전선로 스위칭이 가능한 제2 안테나 구조체; 및
    상기 제1 안테나 구조체 및 제2 안테나 구조체를 연결하도록 음의 굴절율을 가지는 메타전송 선로를 포함하는 역방향 방향성 결합기를 포함하는 급전선로 스위칭이 가능한 안테나 구조체.
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