KR20110063280A

KR20110063280A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20110063280A
Application number: KR1020100090036A
Authority: KR
Inventors: 쯔토무 미쯔이
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-06-10
Also published as: JP2011120107A; JP5478226B2

Abstract

본 발명은 톱로딩형 전극판을 구비하는 모노폴 안테나 장치의 임피던스 정합을 유지하고, 저자세화와 소형화를 실현하는 안테나 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 접지 도체판과, 상기 접지 도체판과 대향하여 배치되는 직사각형상의 톱로딩 전극판과, 상기 톱로딩 전극판의 대략 중앙부에 전기적으로 접속되는 모노폴 안테나와, 상기 톱로딩 전극판의 복수의 변의 각 대략 중앙부에 배치되어 상기 톱로딩 전극판과 상기 접지 도체판 사이를 전기적으로 단락하는 복수의 단락 도체를 구비한다.

Description

안테나 장치 {ANTENNA DEVICE}

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 모노폴 안테나의 선단부에 톱로딩 전극판을 구비하는 안테나에 관한 것이다.

모노폴 안테나 장치는 높이가 1/4파장 이상 필요하며, 예를 들어 2.6GHz의 주파수에 적용할 경우, 높이는 약 30mm가 되어 사이즈가 커서 저자세화의 요구에 대응할 수 없다. 따라서, 모노폴 안테나 장치를 저자세화한 것으로서 톱로딩 모노폴 안테나 장치가 있다. 이 톱로딩형 모노폴 안테나 장치로서, 예를 들어 도 17에 나타내는 바와 같은 것이 있다. 도 17에 나타내는 톱로딩형 모노폴 안테나 장치(10)는 톱로딩 전극(1)(이하, '전극(1)'이라 함)과, 전극(1)과 대향하여 설치되고, 또한 중심에 전원공급용 동축케이블(4)로부터 원형평판형상의 접지 도체(5)와, 전극(1)의 중심과 전원공급점(도시 생략)을 전기적으로 접속하는 선형상 소자(3)와, 전극(1)의 중심과 다른 전극(1) 상의 점과 접지 도체(5)를 전기적으로 접속하는 단락 도체(2)를 구비하여 구성된다. 여기에서, 전원공급용 동축케이블(4)의 중심도체는 전원공급점에 접속되고, 전원공급용 동축케이블(4)의 접지 도체는 접지 도체(5)에 접속된다.

이 톱로딩형 모노폴 안테나 장치(10)는 모노폴 안테나 장치의 상부에 원형평판형상의 전극(1)을 접속하여 구성한 것이다. 원형평판형상의 전극(1)을 이용함으로써 2.6GHz의 주파수에 적용한 경우는, 예를 들어 높이를 10mm, 0.087λ로 저자세화할 수 있게 된다.

또한, 모노폴 안테나 장치를 저자세화하는 것으로서, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 안테나 장치가 있다. 이 안테나 장치에서는 도체판과 대향하여 배치되고, 도체판에 부분적으로 단락되는 방사소자를 구비하고, 전원공급점으로부터 방사소자로는 폭이 확대된 형상으로서, 광대역화하고, 높이를 0.0625λ로 저자세화하고 있다. 이 안테나 장치에서는 방사소자를 단락하는 쇼트 핀이 설치되어 있고, 쇼트 핀은 전원공급점을 중심으로 하는 원주 상에 등간격으로 2개 이상 설치되어 있다.

또한, 다른 모노폴 안테나 장치를 저자세화하는 것으로서, 특허문헌 2에 기재된 안테나 장치가 있다. 이 안테나 장치에서는 M형 안테나를 기본 구조로 하여 이용하고, 특허문헌 2 내의 도 1에 나타내는 바와 같이 접지판(10)에 대향하여 평면 외형이 정사각형인 방사전극부(22)가 설치되어 있다. 방사전극부(22)의 정사각형의 평면 외형의 대략 중앙부에 전원공급핀(14)이 전기적으로 접속되고, 방사전극부(22)의 정사각형의 평면 외형의 대향하는 2변의 대략 중간 위치에 방사전극(22)과 접지판(10)을 전기적으로 단락시키는 쇼트 핀(16)이 설치되어 있다. 이 안테나 장치는 도면 중에 a, b, c, d, e로서 나타내는 각 부의 길이를 기초로, (a+b+2×c+d+e)의 길이를 전체길이로 하는 전류경로로 λ/2의 동상모드로 공진한다. 이 구성에 의해 방사전극부(22)의 높이와 평면형상을 크게 하지 않고 공진주파수를 낮게 하고 있다.

특허문헌 1 : 일본공개특허 특개 2008-219853호 공보 특허문헌 2 : 일본공개특허 특개 2007-221774호 공보

특허문헌 1에 기재된 안테나 장치에서는 전원공급점을 중심으로 하는 원주 상에 등간격으로 단락판을 배치하고 있다. 이 경우, 더욱 저자세화하기 위해 톱로딩 전극과 접지 도체의 간격을 짧게 하면, 단락판의 개수를 늘리고, 톱로딩 전극을 크게 할 필요가 있다. 이것은 소형화의 관점에서 바람직하지 않다.

또한, 톱로딩 전극을 사각형상으로 한 경우, 원주 상에 등간격으로 단락판을 배치함에 따라 사각형의 에지에 단락판을 배치하고, 톱로딩 전극과 접지 도체의 간격을 0.05λ 이하로 하고자 하면, 입력 임피던스가 저하하여 전원공급용 동축케이블과 안테나 사이의 정합이 취해지지 않는다는 문제점이 있었다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 안테나 장치에서는, 도 B에 나타낸 구성에 의해 방사전극부(22)의 높이와 평면형상을 크게 하지 않고 공진주파수를 낮게 한다고 하고 있지만, 이 구성조건으로 시뮬레이션한 바, 방사전극부(22)의 정사각형의 한 변의 치수는 124mm로 커지고, 높이도 0.074λ로 설정하지 않으면 임피던스 정합이 취해지지 않았다. 또한, 높이를 0.043λ로 설정하여 시뮬레이션한 경우는 충분한 임피던스 정합이 취해지지 않았다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 톱로딩형 전극을 구비하는 모노폴 안테나 장치의 임피던스 정합을 유지하고, 저자세화와 소형화를 실현하는 안테나 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 접지 도체판과, 상기 접지 도체판을 대향하여 배치되는 직사각형상의 톱로딩 전극판과, 상기 톱로딩 전극판의 대략 중앙부에 전기적으로 접속되는 모노폴 안테나와, 상기 톱로딩 전극판의 복수의 변의 각 대략 중앙부에 배치되어 상기 톱로딩 전극판과 상기 접지 도체판 사이를 전기적으로 단락하는 복수의 단락 도체를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 안테나 장치에 의하면 입력 임피던스의 정합을 유지하면서 저자세화와 소형화가 가능하게 된다.

또한, 상기 복수의 단락 도체의 개수는 3개이며, 상기 톱로딩 전극판의 3변의 각 대략 중앙부에 배치해도 된다. 이 안테나 장치에 의하면, 복잡한 구조를 이용하지 않고, 양호한 방사 특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 접지 도체판과, 직사각형상의 톱로딩 전극판과, 상기 톱로딩 전극판의 대략 중앙부에 전기적으로 접속되는 모노폴 안테나와, 상기 톱로딩 전극판의 복수의 변의 각 대략 중앙부에 배치되어 상기 톱로딩 전극판과 상기 접지 도체판 사이를 전기적으로 단락하는 복수의 단락 도체를 갖는 안테나부와, 상기 접지 도체판 상에 배치되어 복수의 상기 안테나부를 갖는 어레이 안테나를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 안테나 장치에 의하면, 입력 임피던스의 정합을 유지하면서 어레이 안테나의 저자세화와 소형화가 가능하게 된다.

또한, 상기 어레이 안테나는 상기 복수의 안테나부를 상기 단락 도체가 배치되어 있는 변을 서로 마주보도록 배치해도 된다. 이 안테나 장치에 의하면, 어레이 안테나의 커플링 특성을 개선할 수 있다.

또한, 상기 복수의 안테나부 사이에 복수의 유전체를 배치해도 된다.

본 발명에 의하면, 입력 임피던스의 정합을 유지하면서 톱로딩 전극판을 구비하는 모노폴 안테나의 저자세화와 소형화를 실현하는 안테나 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 안테나 장치의 높이(H)를 0.061λ로 설정하고, 에지 단락과 중앙 단락에서 단락 도체의 수를 변경한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1의 안테나 장치의 높이(H)를 0.043λ로 설정하고, 에지 단락과 중앙 단락에서 단락 도체의 수를 변경한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.061λ과 0.043λ로 설정하고, 에지 단락과 중앙 단락에서 단락 도체의 수를 변경한 경우의 VSWR의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 안테나 장치의 높이(H)를 0.061λ과 0.043λ로 설정하고, 에지 단락과 중앙 단락에서 단락 도체의 수를 변경한 경우의 톱로딩 전극판의 한 변의 길이(W1[λ])의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 단락 도체의 폭(W2[λ])을 변화시킨 경우의 공진주파수(fc)의 변화와 VSWR이 2 이하인 주파수대역폭(BW)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제1 실시 예에 따른 안테나 장치와 종래의 톱로딩 전극판을 갖는 안테나 장치의 수평면의 방사 패턴을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8의 안테나 장치의 4개의 안테나부 사이에서의 X방향과 Y방향과 대각방향의 각 커플링 특성에 대하여 주파수를 가변하여 측정한 그래프이다.
도 10은 제2 실시 예에 따른 비교 예의 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10의 안테나 장치의 4개의 안테나부 사이에서의 X방향과 Y방향과 대각방향의 각 커플링 특성에 대하여 주파수를 가변하여 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 12에 나타낸 안테나 장치와 도 8에 나타낸 안테나 장치를 중심주파수가 2.6GHz로 설정하여 동작시킨 경우의 각 VSWR 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 제3 실시 예에 따른 비교 예의 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 14에 나타낸 안테나 장치와 도 10에 나타낸 안테나 장치를 중심주파수가 2.6GHz로 설정하여 동작시킨 경우의 각 VSWR 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 17은 종래의 톱로딩형 모노폴 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치에 대하여 상세히 설명한다.

(제1 실시 예)

본 발명에 따른 제1 실시 예의 안테나 장치(100)에 대하여 도 1~도 7을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 도 1에서 안테나 장치(100)는, 접지 도체판(101), 모노폴 안테나(102), 복수의 단락 도체(103a~103c), 톱로딩 전극판(104), 및 전원공급부(105)를 구비한다.

접지 도체판(101)은 예를 들어 직사각형상의 도체판으로 형성된다. 접지 도체판(101)의 대략 중앙부 상에는 길이를 짧게 한(예를 들어, 0.1λ 이하) 모노폴 안테나(102)가 배치되어 있다. 모노폴 안테나(102)의 하단부에는 전원공급부(105)가 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시 예에서는 모노폴 안테나(102)의 높이(H)는, 예를 들어 0.043λ로 설정하고 있다. 또한, λ는 안테나 장치(100)를 동작시키는 원하는 주파수의 파장을 나타낸다.

전원공급부(105)는, 예를 들어 전원공급용 동축케이블이 이용되고, 그 중심도체가 접지 도체판(101)과 절연된 상태에서 모노폴 안테나(102)의 하단부에 전기적으로 접속된다.

톱로딩 전극판(104)은, 예를 들어 직사각형상의 도체판으로 형성되고, 그 대략 중앙부가 모노폴 안테나(102)의 상단부에 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시 예에서는 톱로딩 전극판(104)은 예를 들어 한 변의 길이(W1)가 0.273λ인 정사각형상 평판으로 하고 있다.

단락 도체(103a~103c)는 톱로딩 전극판(104)의 3변의 각 중앙부에 배치되어 있다. 단락 도체(103~103c)는 톱로딩 전극판(104)과 접지 도체판(101)을 전기적으로 단락시킨다. 본 실시 예에서는 단락 도체(103a~103c)의 폭(W2)은 예를 들어 0.0087λ로 설정하고 있다.

예를 들어 중심주파수가 2.6GHz인 경우, 톱로딩 전극판(104)의 한 변의 길이(W1)는 31.5mm, 단락 도체(103a~103c)의 폭(W2)은 1mm, 높이(H)는 5mm이다. 또한, 도 1에서 모노폴 안테나(102), 단락 도체(103a~103c), 톱로딩 전극판(104), 및 전원공급부(105)를 포함하는 구성은 안테나부(110)로 한다.

이어서, 제1 실시 예에 따른 안테나 장치(100)의 동작 특성에 대하여 도 2~도 7에 나타내는 각 그래프를 참조하여 설명한다. 또한, 도 2~도 7에 나타내는 각 그래프는 안테나 장치(100)의 중심주파수를 2.6GHz로 설정하여 동작시키는 경우의 특성을 나타낸다.

도 2는 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.061λ로 설정하고, 단락 도체의 수를 변경한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 도 2에서는 단락 도체의 수를 1개에서 4개로 변경하고, 단락 도체의 배치위치를 톱로딩 전극판(104)의 각 변의 단부(도면 중에 "E"로 나타냄)와 각 변의 중앙부(도면 중에 "C"로 나타냄)에 배치한 경우의 각 입력 임피던스(Zin)의 변화를 실수부 E_Re, C_Re와 허수부 E_Im, C_Im으로 나누어 나타내고 있다. 이하에서는 단락 도체를 톱로딩 전극판(104)의 각 변의 단부에 배치한 것을 「에지 단락」이라 하고, 단락 도체를 톱로딩 전극판(104)의 각 변의 중앙부에 배치한 것을 「중앙 단락」이라 부르기로 한다. 도 2에서 에지 단락한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화 E_Re, E_Im은 ○ 및 점선으로 나타내고, 중앙 단락한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화 C_Re, C_Im은 ● 및 실선으로 나타내고 있다.

여기에서, 안테나 장치(100)의 입력 임피던스(Zin)를 50Ω에 정합시키는 조건을 도 2에 나타내는 그래프에서 추출한다. 에지 단락한 경우에 E_Re 및 E_Im을 포함하는 입력 임피던스(Zin)가 50Ω과 정합이 취해지는 단락 도체의 개수는 4개일 때이다. 이 에지 단락에서 단락 도체의 개수를 4개로 했을 때의 톱로딩 전극판(104)의 한 변의 길이(W1)는 0.312λ이다. 또한, 중앙 단락한 경우에 C_Re 및 C_Im을 포함하는 입력 임피던스(Zin)가 50Ω과 정합이 취해지는 단락 도체의 개수는 2개 및 3개일 때이다. 이 중앙 단락에서 단락 도체의 개수를 2개로 했을 때의 톱로딩 전극판(104)의 한 변의 길이(W1)는 0.22λ이다. 따라서, 도 2에서는 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.061λ로 설정하고, 중앙 단락을 적용함으로써 톱로딩 전극판(104)의 크기를 소형화할 수 있고, 단락 도체의 개수도 줄일 수 있는 것이 판명되었다.

도 3은 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.043λ로 하여 저자세로 설정하고, 단락 도체의 수를 변경한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 도 3에서는 단락 도체의 수를 1개에서 4개로 변경하고, 에지 단락(도면 중에 "E"로 나타냄)과 중앙 단락(도면 중에 "C"로 나타냄)한 경우의 각 입력 임피던스(Zin)의 변화를 실수부 E_Re, C_Re와 허수부 E_Im, C_Im으로 나누어 나타내고 있다. 도 3에서 에지 단락한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화 E_Re, E_Im은 ○ 및 점선으로 나타내고, 중앙 단락한 경우의 입력 임피던스(Zin)의 변화 C_Re, C_Im은 ● 및 실선으로 나타내고 있다.

도 4는 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.061λ와 0.043λ로 설정하고, 단락 도체의 수를 변경한 경우의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio : 전압정재파비)의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 도 4에서는 단락 도체의 수를 1개에서 4개로 변경하고, 에지 단락에서 높이(H)를 0.043λ로 한 경우의 VSWR의 변화를 △와 점선으로 나타내고, 에지 단락에서 높이(H)를 0.061λ로 한 경우의 VSWR의 변화를 ○과 점선으로 나타내고, 중앙 단락에서 높이(H)를 0.043λ로 한 경우의 VSWR의 변화를 ●과 실선으로 나타내고, 중앙 단락에서 높이(H)를 0.061λ로 한 경우의 VSWR의 변화를 ■와 실선으로 나타내고 있다. 안테나 장치(100)는 VSWR＜2에서 사용하는 것이 바람직하다.

여기에서, 안테나 장치(100)의 입력 임피던스(Zin)를 50Ω으로 정합시키는 조건을 도 3 및 도 4에 나타내는 각 그래프에서 추출한다. 에지 단락한 경우에 E_Re 및 E_Im을 포함하는 입력 임피던스(Zin)는 40Ω보다 높아지지 않고, VSWR도 2 이하의 주파수 대역폭을 확보할 수 없다. 또한, 중앙 단락한 경우에 C_Re 및 C_Im을 포함하는 입력 임피던스(Zin)가 50Ω과 정합이 취해지는 단락 도체의 개수는 3개 및 4개일 때이며, VSWR도 2 이하의 주파수 대역폭을 확보할 수 있다. 따라서, 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.043λ로 하여 저자세로 설정한 경우도 에지 단락보다 중앙 단락 쪽이 양호한 특성을 얻을 수 있는 것이 판명되었다.

도 5는 안테나 장치(100)의 높이(H)를 0.061λ과 0.043λ로 설정하고, 단락 도체의 수를 변경한 경우의 톱로딩 전극판(104)의 한 변의 길이(W1[λ])의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 도 5에서는 단락 도체의 수를 1개에서 4개로 변경하고, 에지 단락에서 높이(H)를 0.043λ로 한 경우의 W1의 변화를 ▲와 점선으로 나타내고, 에지 단락에서 높이(H)를 0.061λ로 한 경우의 W1의 변화를 ○과 일점쇄선으로 나타내고, 중앙 단락에서 높이(H)를 0.043λ로 한 경우의 W1의 변화를 ●과 실선으로 나타내고, 중앙 단락에서 높이(H)를 0.061λ로 한 경우의 W1의 변화를 □와 이점쇄선으로 나타내고 있다.

도 5를 참조하면 에지 단락에서는 높이(H)를 0.061λ과 0.043λ로 각각 단락 도체의 개수를 증가시킨 경우, 각 개수에서의 W1은 거의 동일한 값이며, 중앙 단락에서는 높이(H)를 0.061λ과 0.043λ에서 각각 단락 도체의 개수를 증가시킨 경우, 각 개수에서의 W1의 증가는 0.05λ 정도이다. 이로부터 중앙 단락을 채용한 안테나 장치(100)에서는 단락 도체의 개수를 3개로 적게 하고, 높이(H)를 0.043λ로 저자세화해도 50Ω에 대한 입력 임피던스(Zin)의 정합이 취해지기 때문에 소형화에 유리하다. 이에 대하여, 에지 단락을 채용한 안테나 장치에서는 단락 도체의 개수를 3개로 적게 하고, 높이(H)를 0.043λ로 저자세화한 경우, VSWR도 2 이하의 주파수 대역폭을 확보할 수 없고, 50Ω에 대한 입력 임피던스(Zin)의 정합도 취해지지 않는다. 또한, 에지 단락을 채용한 안테나 장치에서는 높이(H)를 0.061λ로 설정하고, 단락 도체의 개수를 4개로 하면, VSWR도 2 이하의 주파수 대역폭을 확보할 수 있고, 50Ω에 대한 입력 임피던스(Zin)의 정합도 취해지지만, 중앙 단락을 채용한 안테나 장치(100)에 비하여 높이(H)가 높아지고, 톱로딩 전극판(104)의 한 변의 길이(W1)도 커지기 때문에 저자세화와 소형화에는 불리하다.

도 6은 단락 도체의 폭(W2[λ])을 변화시킨 경우의 공진주파수(fc)의 변화와 VSWR가 2 이하인 주파수 대역폭(BW)의 변화를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서 단락 도체의 폭(W2[λ])을 0.005λ에서 0.026λ까지 변화시켜도 공진주파수(fc)의 변화는 적고, VSWR가 2 이하인 주파수 대역폭(BW)의 변화도 적다. 이 때문에 도 1에 나타낸 접지 도체(130a~130c)의 설치방법의 자유도가 큰 것이 판명되었다.

도 7은 제1 실시 예에 따른 안테나 장치(100)와 종래의 톱로딩 전극판을 갖는 안테나 장치의 수평면의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다. 이 그래프에 의하면 안테나 장치(100)의 방사 패턴은 무지향성인 것이 판명되었다.

이상과 같이 본 제1 실시 예에 따른 안테나 장치(100)에 의하면, 정사각형상 평판의 톱로딩 전극판(104)의 3변의 중앙부에 단락 도체(103a~103c)를 배치하는 중앙 단락을 채용함으로써 수평면의 방사 패턴이 무지향성인 특성이 얻어지는 구성을 복잡한 구조를 취하지 않고 저자세화하여 소형화하는 것이 가능하게 된다. 이 안테나 장치(100)를 소형의 무선통신 기지국에 적용함으로써 디자인의 자유도를 높일 수 있는 동시에, 개발 비용을 절감할 수 있게 된다.

(제2 실시 예)

본 발명에 따른 제2 실시 예의 안테나 장치에 대하여 도 8~도 11을 참조하여 설명한다. 본 제2 실시 예에서는 제1 실시 예에 나타낸 안테나부(110)를 이용하여 접지 도체판의 상면에 복수의 안테나부(110)를 배치하는 어레이 안테나를 구성하는 예에 대하여 설명한다. 도 8 및 도 9에서는 4개의 안테나부(110A~110D)를 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변을 서로 마주보도록 배치한 구성 예와, 그 커플링 특성을 나타내고, 도 10 및 도 11에서는 4개의 안테나부(110A~110D)를 단락 도체(103a~103c)가 배치되지 않은 변을 서로 마주보도록 배치한 구성 예와, 그 커플링 특성을 비교 예로서 나타낸다.

도 8은 제2 실시 예에 따른 유전체를 배치하지 않는 안테나 장치(200)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 8에서 도 1에 나타낸 안테나 장치(100)와 동일한 구성부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 구성 설명은 생략한다.

도 8에서 안테나 장치(200)는 접지 도체판(201)의 상면에 4개의 안테나부(110A~110D)를 배치하고 있다. 안테나부(110A~110D)는 도 1에 나타낸 안테나부(110)와 동일한 구성을 갖는다. 이들 4개의 안테나부(110)는 어레이 안테나(202)를 구성한다. 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변이 서로 마주보도록 배치되어 있다. 즉, 도 8에서는 안테나부(110A)와 안테나부(110B)는 도면 중에 나타내는 X방향에서 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변이 서로 마주보도록 배치되고, 안테나부(110A)와 안테나부(110C)는 도면 중에 나타내는 Y방향에서 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변이 서로 마주보도록 배치되고, 안테나부(110C)와 안테나부(110D)는 도면 중에 나타내는 X방향에서 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변이 서로 마주보도록 배치되고, 안테나부(110B)와 안테나부(110D)는 도면 중에 나타내는 Y방향에서 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변이 서로 마주보도록 배치되어 있다. 안테나부(110A~110D)는 각각 모노폴 안테나(102)의 하단부(도시 생략)에 전원공급 포트(도시 생략)가 설치되어 있다. 안테나부(110A)의 전원공급 포트는 Port 1, 안테나부(110B)의 전원공급 포트는 Port 2, 안테나부(110C)의 전원공급 포트는 Port 3, 안테나부(110D)의 전원공급 포트는 Port 4로 한다.

이어서, 안테나 장치(200)의 커플링 특성에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 안테나 장치(200)의 4개의 안테나부(110A~110D) 사이에서의 X방향과 Y방향과 대각방향의 각 커플링 특성에 대하여 주파수를 가변하여 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 9에 나타내는 바와 같이 안테나부(110A)와 안테나부(110B) 사이, 및 안테나부(110C)와 안테나부(110D) 사이의 각 X방향(Port 2 - Port1, Port 4 - Port 3)의 커플링 특성과, 안테나부(110A)와 안테나부(110C) 사이 및 안테나부(110B)와 안테나부(110D) 사이의 각 Y방향(Port 4 - Port 2, Port 3 - Port 1)의 커플링 특성은 동일한 커플링 특성을 나타낸다. 또한, 도 9에 나타내는 바와 같이 안테나부(110A)와 안테나부(110D) 사이, 및 안테나부(110B)와 안테나부(110C) 사이의 각 대각방향(Port 3 - Port 2, Port 4 - Port 1)의 커플링 특성은 X방향 및 Y방향의 각 커플링 특성에 비해 낮아진다.

(비교 예)

이어서, 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)에 대한 비교 예에 대하여 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 도 10은 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)의 커플링 특성과 비교하기 위한 안테나 장치(300)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 10에서 도 1에 나타낸 안테나 장치(100)와 동일한 구성부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 구성 설명은 생략한다.

도 10에 나타내는 안테나 장치(300)의 구성에서 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)의 구성과 다른 점은, 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치되지 않은 변이 서로 마주보도록 배치되어 있는 것이며, 각 구성부분은 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)와 마찬가지이다. 4개의 안테나부(110A~110D)는 어레이 안테나(302)를 구성한다.

이어서, 안테나 장치(300)의 커플링 특성에 대하여 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은 안테나 장치(300)의 4개의 안테나부(110A~110D) 사이에서의 X방향과 Y방향과 대각방향의 각 커플링 특성에 대하여 주파수를 가변하여 측정한 그래프이다. 도 11에 나타내는 X방향과 Y방향과 대각방향의 각 커플링 특성은 도 9에 나타낸 X방향과 Y방향과 대각방향과 동일한 방향에서 시뮬레이션한 결과이다.

도 9에 나타낸 안테나 장치(200)의 커플링 특성과 도 11에 나타낸 안테나 장치(300)의 커플링 특성을 비교하면, X방향과 Y방향과 대각방향의 각 커플링 특성은 4개의 안테나부(110A~110D)를 단락 도체(103a~103c)가 배치된 부분을 서로 마주보도록 배치하여 구성한 도 9에 나타낸 안테나 장치(200) 쪽이 양호한 것이 판명되었다.

따라서, 4개의 안테나부(110A~110D)를 이용하여 어레이 안테나를 구성하는 경우, 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변을 서로 마주보도록 배치함으로써 커플링 특성을 줄일 수 있다. 또한, 제2 실시 예에 따른 안테나 장치(200)에서는 4개의 안테나부(110A~110D)는 도 1에 나타낸 안테나부(110)와 동일한 구성이기 때문에 입력 입피던스의 정함을 유지하면서 어레이 안테나의 저자세화와 소형화가 가능하다. 이로 인하여 안테나 장치(200)는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)이나 빔포밍 등의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 안테나 장치(200)를 MIMO 등의 기지국에 적용함으로써 소형화의 촉진이나 디자인의 자유도의 향상 등에 기여할 수 있다.

(제3 실시 예)

본 발명에 따른 제3 실시 예의 안테나 장치에 대하여 도 12~도 15를 참조하여 설명한다. 제2 실시 예에 나타낸 4개의 안테나부(110A~110D) 사이에 유전체를 배치하는 구성 예에 대하여 설명한다. 또한, 도 12에서 도 1 및 도 8에 나타낸 안테나 장치와 동일한 구성부분에는 동일 부호를 붙이고 있고, 그 구성 설명은 생략한다.

도 12에 나타내는 안테나 장치(400)의 구성에서 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)의 구성과 다른 점은 안테나부(110A)와 안테나부(110B) 사이에 유전체(403)를 배치하고, 안테나부(110C)와 안테나부(110D) 사이에 유전체(404)를 배치한 것이며, 각 구성부분은 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)와 마찬가지이다. 4개의 안테나부(110A~110D)는 어레이 안테나(402)를 구성한다.

이어서, 안테나 장치(400)의 VSWR 특성에 대하여 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13은 도 12에 나타낸 안테나 장치(400)와 도 8에 나타낸 안테나 장치(200)를 중심주파수가 2.6GHz로 설정하여 동작시킨 경우의 각 VSWR 특성을 나타내는 그래프이다.

도 13을 참조하면 2.6GHz에서의 VSWR은 유전체를 배치하지 않은 안테나 장치(200)가 1.2 정도이며, 유전체(403, 404)를 배치한 안테나 장치(400)가 1.2 정도이다. 이로부터 안테나 장치(200)와 안테나 장치(400)의 각 VSWR 특성은 동등한 것이 판명되었다. 즉, 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변을 서로 마주보도록 배치한 경우, 안테나 장치(400)와 같이 유전체(403, 404)를 배치해도 VSWR 특성에 대한 영향은 거의 없고, 양호한 VSWR 특성이 유지되는 것이 판명되었다.

(비교 예)

이어서, 도 12에 나타낸 안테나 장치(400)에 대한 비교 예에 대하여 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다. 도 14는 도 13에 나타낸 안테나 장치(400)의 VSWR 특성과 비교하기 위한 안테나 장치(500)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 14에서 도 1 및 도 8에 나타낸 안테나 장치와 동일한 구성부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 구성 설명은 생략한다.

도 14에 나타내는 안테나 장치(500)의 구성에서 도 12에 나타낸 안테나 장치(400)의 구성과 다른 점은, 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치되지 않은 변이 서로 마주보도록 배치되어 있는 것이며, 각 구성부분은 도 12에 나타낸 안테나 장치(400)와 마찬가지이다. 4개의 안테나부(110A~110D)는 어레이 안테나(502)를 구성한다.

이어서, 안테나 장치(500)의 VSWR 특성에 대하여 도 15를 참조하여 설명한다. 도 5는 도 14에 나타낸 안테나 장치(500)와 도 10에 나타낸 안테나 장치(300)를 중심주파수를 2.6GHz로 설정하여 동작시킨 경우의 각 VSWR 특성을 나타내는 그래프이다.

도 15를 참조하면 2.6GHz에서의 VSWR은 유전체를 배치하지 않은 안테나 장치(300)가 1.2 정도이며, 유전체(403, 404)를 배치한 안테나 장치(500)가 1.4 정도이다. 이로부터 유전체(403, 404)를 배치한 안테나 장치(500)는 안테나 장치(200)에 비해 VSWR 특성이 나빠지는 것이 판명되었다.

이상으로부터 안테나부(110A)와 안테나부(110B) 사이에 유전체(403)를 배치하고, 안테나부(110C)와 안테나부(110D) 사이에 유전체(404)를 배치하고, 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치된 변을 서로 마주보도록 배치한 경우는 유전체를 배치하지 않는 안테나 장치(200)의 VSWR 특성에 비해 변화는 거의 없고 양호한 것이 판명되었다. 또한, 안테나부(110A)와 안테나부(110B) 사이에 유전체(403)를 배치하고, 안테나부(110C)와 안테나부(110D) 사이에 유전체(404)를 배치하고, 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치되지 않은 변을 서로 마주보도록 배치한 경우는 유전체를 배치하지 않는 안테나 장치(300)의 VSWR 특성에 비해 나빠지는 것이 판명되었다.

따라서, 4개의 안테나부(110A~110D)를 이용하여 어레이 안테나를 구성하는 경우, 안테나부(110A~110D) 사이에 유전체를 배치하는 경우도 4개의 안테나부(110A~110D)는 단락 도체(103a~103c)가 배치되어 있는 변을 서로 마주보도록 배치한 쪽이 VSWR 특성은 양호하다. 이로 인하여 안테나 장치(400)는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)나 빔포밍 등의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 제3 실시 예에 따른 안테나 장치(400)에서는 4개의 안테나부(110A~110D)는 도 1에 나타낸 안테나부(110)와 동일한 구성이기 때문에 입력 임피던스의 정합을 유지하면서 어레이 안테나의 저자세화와 소형화가 가능하다. 안테나 장치(400)를 MIMO 등의 기지국에 적용함으로써 소형화의 촉진이나 디자인의 자유도의 향상 등에 기여할 수 있다.

또한, 도 1에 나타낸 안테나 장치(100)에서 톱로딩 전극판(104)의 형상은 직사각형상으로 한 경우를 나타내었으나, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 도 16에 나타내는 안테나 장치(600)와 같이 톱로딩 전극판(604)의 형상을 변경해도 된다. 이 톱로딩 전극판(604)은 이웃하는 단락 도체(103a~103)를 직선으로 연결한 변에서 돌출된 부분을 갖고 있다. 이 안테나 장치(600)에서는 톱로딩 전극판(604) 이외의 구성부분은 도 1에 나타낸 안테나 장치(200)와 마찬가지이기 때문에 동일한 부호를 붙이고 있다. 또한, 제1~제3 실시 예에서 안테나 장치(100, 200, 400)에 나타낸 모노폴 안테나(102)의 높이(H), 톱로딩 전극판(104)의 한 변의 길이(W1), 단락 도체(103a~103c)의 폭(W2)은 주파수가 2.6GHz에서 사용하는 경우의 예를 나타낸 것이며, 이들 치수는 사용하는 주파수에 따라 적절히 변경해도 된다.

100, 200, 300, 400, 500, 600 : 안테나 장치
101, 201 : 접지 도체판 102 : 모노폴 안테나
103a~103c : 단락 도체 104, 604 : 톱로딩 전극판
105 : 전원공급부 110, 110A~110D : 안테나부
202, 302, 402, 502 : 어레이 안테나

Claims

접지 도체판과,
상기 접지 도체판을 대향하여 배치되는 직사각형상의 톱로딩 전극판과,
상기 톱로딩 전극판의 대략 중앙부에 전기적으로 접속되는 모노폴 안테나와,
상기 톱로딩 전극판의 복수의 변의 각 대략 중앙부에 배치되어 상기 톱로딩 전극판과 상기 접지 도체판 사이를 전기적으로 단락하는 복수의 단락 도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 단락 도체의 개수는 3개이며, 상기 톱로딩 전극판의 3변의 각 대략 중앙부에 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
접지 도체판과,
직사각형상의 톱로딩 전극판과, 상기 톱로딩 전극판의 대략 중앙부에 전기적으로 접속되는 모노폴 안테나와, 상기 톱로딩 전극판의 복수의 변의 각 대략 중앙부에 배치되어 상기 톱로딩 전극판과 상기 접지 도체판 사이를 전기적으로 단락하는 복수의 단락 도체를 갖는 안테나부와,
상기 접지 도체판 상에 배치되어 복수의 상기 안테나부를 갖는 어레이 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3 항에 있어서,
상기 복수의 단락 도체의 개수는 3개이며, 상기 톱로딩 전극판의 3변의 각 대략 중앙부에 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 어레이 안테나는 상기 복수의 안테나부를 상기 단락 도체가 배치되어 있는 변을 서로 마주보도록 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 안테나부의 사이에 복수의 유전체를 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.