KR20100108810A - 다중대역 안테나 어레이 - Google Patents

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Abstract

다중대역 안테나 어레이가 개시된다. 복수의 제1안테나소자는 제1주파수의 반파장에 해당하는 제1간격으로 서로 이격되어 일직선상에 배치되고, 상기 일직선과 수직하는 방향으로의 길이가 상기 제1간격과 동일하다. 복수의 제2안테나소자는 상기 각각의 제1안테나소자로부터 상기 제1주파수보다 큰 제2주파수의 반파장에 해당하는 제2간격만큼 이격되어 상기 제1안테나소자와 동일한 일직선상에 배치되고, 상기 일직선과 수직하는 방향으로의 길이가 상기 제2간격과 동일하다. 또한 상기 제1안테나소자에는 상기 각각의 제2안테나소자의 종단지점을 서로 연결한 직선과 교차하는 지점에 상기 제1안테나소자의 길이를 조절하는 스위치가 구비된다. 본 발명에 따르면, 제1주파수의 반파장 간격으로 이격되어 배치된 제1안테나소자 및 제1안테나소자로부터 제2주파수의 반파장 간격으로 이격되어 배치된 제2안테나소자를 구비함으로써, 기존의 안테나에 비하여 상호결합의 면에서 성능이 향상될 수 있으며, 제1주파수 및 제2주파수 모두에서 최적화된 방사패턴을 보일 수 있다.
다중대역, 빔형성 안테나, 위상배열

Description

다중대역 안테나 어레이{Multiband antenna array}
본 발명은 다중대역 안테나 어레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수의 동작 주파수에서 동작할 수 있도록 복수의 안테나 소자를 배열하여 구성된 안테나 어레이에 관한 것이다.
안테나의 방사 특성 중에서 주엽이 부엽에 비하여 매우 큰 방사패턴을 가지는 지향성 안테나의 지향 방사패턴은 복수의 안테나를 공간에 배치하고 이들을 서로 접속함으로써 얻을 수 있다. 이러한 지향 방사패턴을 얻기 위한 빔형성 안테나를 구현하기 위해 복수의 안테나를 모아 놓은 배열 형태를 어레이 안테나(array antenna) 또는 어레이라고 한다. 이때 배열의 각 소자 안테나의 전류 위상을 변화시킴으로써 방사패턴을 공간에 주사할 수 있도록 위상배열이 사용된다. 위상배열에는 배열소자가 직선상에 배열되는 선형배열, 평면상에 배열되는 평면배열 및 배열소자들이 비평면 표면에 놓여지는 등각배열이 있다. 이러한 위상배열을 사용하면 안테나 구조를 회전시키는 등의 움직임 없이 전자회로를 조절하는 속도로 위상주사를 할 수 있다는 장점이 있다.
위와 같은 어레이 안테나에 있어서 각 안테나 소자가 서로 영향을 주게 되어 상호결합이 발생할 수 있다. 상호결합을 발생시키는 원인으로는 배열소자 사이의 공간을 통한 직접결합, 지지탑과 같은 근접 물체로부터 발생하는 산란에 의한 간접결합 및 배열소자들을 서로 연결하는 급전회로망에 의한 결합 등 여러 가지가 존재한다. 또한 안테나 소자 사이의 간격이 증가하면 결합의 세기는 안테나 소자 간 간격의 제곱에 반비례하여 감소한다. 따라서 상호결합의 문제를 고려하여 선형배열에 의해 빔형성 안테나를 구현하는 데 있어서, 각 안테나 소자 사이의 간격이 안테나의 동작주파수에 대응하는 파장의 절반이 될 때 각 안테나 소자 사이의 상호결합(mutual coupling)의 면에서 최적화된 방사패턴을 얻을 수 있다. 또한 안테나의 방사패턴에 있어 원하지 않는 주엽인 그레이팅 로브(grating lobe)의 발생을 억제할 수 있다.
이러한 빔형성 안테나가 다중대역에서 동작하도록 하기 위해 다중대역 안테나를 이용하여 어레이를 형성하는 경우에는 각 동작주파수마다 안테나 소자 간의 간격을 이루는 전기적 길이가 크게 달라지게 된다. 이때 동작주파수가 변화할 때마다 그에 대응하여 안테나 소자 간의 간격을 변화시키는 것이 어렵기 때문에 기존에는 두 개의 동작주파수의 중간값에 해당하는 주파수를 기준으로 안테나 소자 간의 간격을 계산하여 다중대역 어레이 안테나를 구현하였다. 그러나 이렇게 구현된 안테나는 단일주파수를 기준으로 계산된 간격에 의해 구현된 어레이 안테나에 비하여 성능이 저하된다는 문제점을 가진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 그레이팅 로브(grating lobe)의 발생을 억제하고 상호결합의 면에서 최적화된 방사패턴을 보이는 다중대역 안테나 어레이를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이는, 제1주파수의 반파장에 해당하는 제1간격으로 서로 이격되어 일직선상에 배치되고, 상기 일직선과 수직하는 방향으로의 길이가 상기 제1간격과 동일한 복수의 제1안테나소자; 및 상기 각각의 제1안테나소자로부터 상기 제1주파수보다 큰 제2주파수의 반파장에 해당하는 제2간격만큼 이격되어 상기 제1안테나소자와 동일한 일직선상에 배치되고, 상기 일직선과 수직하는 방향으로의 길이가 상기 제2간격과 동일한 복수의 제2안테나소자;를 구비하며, 상기 제1안테나소자에는 상기 각각의 제2안테나소자의 종단지점을 서로 연결한 직선과 교차하는 지점에 상기 제1안테나소자의 길이를 조절하는 스위치가 구비된다.
본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이에 의하면, 제1주파수의 반파장 간격으로 이격되어 배치되고 길이조절이 가능한 스위치가 구비된 제1안테나소자 및 제1안테나소자로부터 제2주파수의 반파장 간격으로 이격되어 배치된 제2안테나소자를 구비함으로써, 기존의 안테나에 비하여 상호결합의 면에서 성능이 향상될 수 있으 며, 제1주파수 및 제2주파수 모두에서 최적화된 방사패턴을 보일 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 안테나부를 구성하는 안테나소자들의 배열 형태에 관한 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이는, 안테나부(100), 제어부(130) 및 급전부(140)를 구비한다. 또한 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 안테나부(100)는, 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)를 구비한다.
도 2에 도시된 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)의 배열 형태를 보면, 먼저 복수의 제1안테나소자(110)는 제1주파수의 반파장(λ1/2)에 해당하는 제1간격으로 서로 이격되어 일직선(105)상에 배치되고, 일직선(105)과 수직하는 방향으로의 길이가 제1간격과 동일하다.
또한 인접하는 제1안테나소자(110)의 사이에 배치되는 복수의 제2안테나소자(120)는 각각의 제1안테나소자(110)로부터 제1주파수보다 큰 제2주파수의 반파장(λ2/2)에 해당하는 제2간격만큼 이격되어 제1안테나소자(110)와 동일한 일직선(105)상에 배치되고, 일직선(105)과 수직하는 방향으로의 길이가 제2간격과 동일 하다.
이때 안테나소자들(110, 120) 간의 간격을 일정하게 하기 위해 제2주파수를 제1주파수의 두 배인 값으로 설정하여 제2간격이 제1간격의 절반이 되도록 하는 것이 바람직하다. 그렇게 되면 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120)는 동일한 일직선상에 제2간격으로 각각 하나씩 번갈아 배열되는 형태가 되므로 안테나가 제2주파수에서 동작할 때 최적의 성능을 보일 수 있다. 이와 같이 서로 다른 길이를 가지는 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)가 구비됨으로써 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이는 복수의 동작주파수 하에서 동작할 수 있게 된다. 즉, 안테나의 동작주파수가 제1주파수일 때에는 제1주파수의 반파장에 해당하는 제1간격으로 배치된 제1안테나소자(110)만 동작하고, 안테나의 동작주파수가 제2주파수일 때에는 제2주파수의 반파장에 해당하는 제2간격으로 배치된 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)가 모두 동작한다.
이때 제1주파수에서 동작하는 안테나의 길이는 제1주파수의 반파장과 동일하여야 하고, 제2주파수에서 동작하는 안테나의 길이는 제2주파수의 반파장과 동일하여야 한다. 따라서 안테나의 동작주파수에 따라 제1안테나소자(110)의 길이를 조절하여야 할 필요성이 있으며, 이를 위해 제1안테나소자(110)는 스위치(115)를 구비한다. 스위치(115)는 제1안테나소자(110)의 길이를 조절하기 위한 것이며, 제2안테나소자(120)들의 종단지점을 서로 연결한 직선과 제1안테나소자(110)가 교차하는 지점에 위치한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 동작주파 수가 제1주파수 및 제2주파수로 설정되는 경우에 도 2에 도시된 바와 같은 배열 형태를 가지는 안테나의 동작 상태를 도시한 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하여 스위치(115)의 동작을 살펴보면, 먼저 동작주파수가 제1주파수일 때에는 도 3a에 도시된 바와 같이 스위치(115)가 접속되어 제1안테나소자(110)의 길이가 제1주파수의 반파장(λ1/2)과 동일하게 된다. 또한 동작주파수가 제2주파수일 때에는 도 3b에 도시된 바와 같이 스위치(115)가 개방되어 제1안테나소자(110)의 길이가 제2주파수의 반파장(λ2/2)과 동일하게 되어 제2안테나소자(120)의 길이와 같아진다. 이때 스위치(115)의 존재로 인하여 제1안테나소자(110)가 동작할 때 방사패턴이나 임피던스가 영향을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같은 다중대역 안테나 어레이에서는 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120)의 중심이 일직선(105)상에 배열되어 있으므로 제1안테나소자(110)의 길이를 조절하기 위한 스위치(115)도 일직선(105)을 중심으로 제1안테나소자(110)의 양단에 대칭으로 위치한다. 이와 달리 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120)의 일 종단지점이 일직선상에 배열되도록 할 수도 있다. 도 4에는 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 안테나부를 구성하는 안테나소자들의 배열 형태에 관한 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120)의 배열 간격은 도 2에 도시된 것과 동일하며, 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120)의 종단지점이 동일한 일직선(105)상에 위치한다. 제2안테나소자(120)의 길이가 제1안테나소자(110)의 절반이므로, 제1안테나소자(110) 의 길이를 조절하기 위한 스위치(115)는 제1안테나소자(110)의 중심에 위치하게 된다. 도 4에 도시된 배열 형태를 가지는 다중대역 어레이 안테나의 경우에서도 도 2의 경우와 마찬가지로 스위치(115)가 접속되거나 개방됨으로써 제1안테나소자(110)의 길이가 조절된다.
이렇게 제1안테나소자(110)의 길이를 조절함으로써 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이가 서로 다른 동작주파수에 대응하여 동작하도록 하기 위해 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이에는 제어부(130)가 구비된다.
제어부(130)는 동작주파수가 제1주파수로 설정되면 스위치(115)를 접속시키고 제1안테나소자(110)를 동작시키기 위한 제1제어신호를 출력하며, 동작주파수가 제2주파수로 설정되면 스위치(115)를 개방시키고 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)를 동작시키기 위한 제2제어신호를 출력한다.
앞에서도 언급한 바와 같이 다중대역에서 동작하는 안테나 어레이의 성능을 최적화하기 위해서는 각 안테나소자 사이의 간격이 동작주파수의 반파장이 되어야 하고, 안테나의 길이도 동작주파수의 반파장과 동일하게 설계되어야 한다. 따라서 제어부(130)는 각 동작주파수마다 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이가 최적의 방사패턴을 보일 수 있도록 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)의 동작을 조절한다.
먼저 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이가 제1주파수를 동작주파수로 하여 동작하는 경우, 제1주파수의 반파장에 해당하는 제1간격으로 이격되어 배열된 제1안테나소자(110)의 동작만 필요로 한다. 따라서 제어부(130)는 도 3a에 도시된 바와 같이 제1안테나소자(110)에 포함된 스위치(115)를 접속시켜 제1안테나소자(110)의 길이가 제1간격과 동일하게 되도록 하고, 제1안테나소자(110)만을 동작시키는 제1제어신호를 출력한다. 그 결과 제2안테나소자(120)는 동작하지 않고 제1안테나소자(110)만 동작하기 때문에 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이는 제1주파수 하에서 최적의 성능으로 동작할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이가 제2주파수를 동작주파수로 하여 동작하는 경우에는 안테나소자들(110, 120)이 제2주파수의 반파장에 해당하는 제2간격으로 이격되어 배열되어 있어야 한다. 따라서 제어부(130)는 도 3b에 도시된 바와 같이 제1안테나소자(110)에 포함된 스위치(115)를 차단시켜 제1안테나소자(110)의 길이가 제2안테나소자(120)와 동일하게 되도록 하고, 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120)를 모두 동작시키는 제2제어신호를 출력한다. 즉, 제1안테나소자(110)의 스위치(115)가 차단되면 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)는 제2간격으로 이격되어 일직선상에 배열된 동일한 길이의 안테나소자들과 마찬가지로 동작하게 된다.
이와 같이 제어부(130)로부터 출력되는 제1제어신호 및 제2제어신호에 따라 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)를 동작시키기 위해 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이는 급전부(140)를 구비한다.
안테나소자(110, 120)에 RF신호를 인가하는 급전부(140)는 제어부(130)에서 동작주파수가 제1주파수로 설정되었음을 의미하는 제1제어신호가 출력되면 제1안테나소자(110)에만 RF신호를 인가하며, 동작주파수가 제2주파수로 설정되었음을 의미 하는 제2제어신호가 출력되면 제1안테나소자(110)와 제2안테나소자(120) 모두에 RF신호를 인가한다. 이때 급전부(140)로부터 RF신호를 인가받는 급전점은 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)가 도 2에 도시된 바와 같이 배열된 경우에는 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)의 중심을 연결하는 일직선(105)상에 위치하도록 할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 다중대역 어레이 안테나가 도 4에 도시된 바와 같은 배열 형태를 가지는 경우에는 급전점이 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)의 일 종단부를 연결한 일직선(105)상에 위치하도록 할 수도 있다. 도 2 및 도 4에 도시된 것과 같은 배열 형태 모두에서 각 안테나소자(110, 120)의 급전점이 모두 일직선상에 위치하도록 하면 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이가 동작할 때 최적화된 방사패턴을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 다중대역 어레이 안테나에는 제1안테나소자(110) 및 제2안테나소자(120)가 제1주파수 및 제2주파수의 경우에 모두 최적화되도록 배열되어 있으므로 제1주파수 및 제2주파수의 중간 주파수를 기준으로 배열된 종래의 안테나에 비해 개선된 성능을 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 안테나부를 구성하는 안테나소자들의 배열 형태에 관한 일 실시예를 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 동작주파수가 제1주파수 및 제2주파수로 설정되는 경우에 도 2에 도시된 바와 같은 배열 형태를 가지는 안테나의 동작 상태를 도시한 도면, 그리고,
도 4는 본 발명에 따른 다중대역 안테나 어레이의 안테나부를 구성하는 안테나소자들의 배열 형태에 관한 다른 실시예를 도시한 도면이다.

Claims (4)

  1. 제1주파수의 반파장에 해당하는 제1간격으로 서로 이격되어 일직선상에 배치되고, 상기 일직선과 수직하는 방향으로의 길이가 상기 제1간격과 동일한 복수의 제1안테나소자; 및
    상기 각각의 제1안테나소자로부터 상기 제1주파수보다 큰 제2주파수의 반파장에 해당하는 제2간격만큼 이격되어 상기 제1안테나소자와 동일한 일직선상에 배치되고, 상기 일직선과 수직하는 방향으로의 길이가 상기 제2간격과 동일한 복수의 제2안테나소자;를 포함하며,
    상기 제1안테나소자에는 상기 각각의 제2안테나소자의 종단지점을 서로 연결한 직선과 교차하는 지점에 상기 제1안테나소자의 길이를 조절하는 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나 어레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    동작주파수가 상기 제1주파수로 설정되면 상기 스위치를 접속시키고 상기 제1안테나소자를 동작시키기 위한 제1제어신호를 출력하며, 동작주파수가 상기 제2주파수로 설정되면 상기 스위치를 개방시키고 상기 제1안테나소자 및 상기 제2안테나소자를 동작시키기 위한 제2제어신호를 출력하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나 어레이.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 출력되는 제어신호에 따라 상기 제1안테나소자 및 상기 제2안테나소자에 급전하는 급전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나 어레이.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2주파수는 상기 제1주파수의 두 배인 것을 특징으로 하는 다중대역 안테나 어레이.
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