KR20120008283A

KR20120008283A - Ｐｃｂ 기판형 방향성 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR20120008283A
Application number: KR1020100069059A
Authority: KR
Inventors: 이택경; 이광재
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-01-30

Abstract

이동통신 시스템을 위해 건물 내부 및 음영지역에서 기지국과 이동국으로의 원활한 신호 중계를 위한 고 이득의 전면 방향성을 갖으며, 제작하기 쉽고 가벼운 장점을 가지는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나가 개시된다.
개시된 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나는, 동축케이블을 통해 입력받은 신호를 공기 중으로 방사 하며, PCB기판으로 형성된 안테나부와; 상기 안테나부의 하부에 위치하며 전면방향의 이득을 증가시키기 위한 반사판과; 상기 안테나부와 상기 반사판과의 간격을 유지하고, 상기 동축케이블 신호를 상기 안테나부에 전달하기 위한 동축 급전부; 및 상기 안테나부를 상기 반사판에 지지하기 위한 지지부로 구현한다.

Description

ＰＣＢ 기판형 방향성 다이폴 안테나{Directional dipole antenna using printed circuit board}

본 발명은 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나{Directional dipole antenna using printed circuit board}에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이동통신 시스템을 위해 건물 내부 및 음영지역에서 기지국과 이동국으로의 원활한 신호 중계를 위한 고 이득의 전면 방향성을 갖으며, 제작하기 쉽고 가벼운 장점을 가지는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나에 관한 것이다.

현재 국내에서 서비스되는 이동통신 서비스는 산악, 건물 내부 및 음영지역에서 서비스를 중계할 목적의 중계안테나를 설치해야 한다. 특히 도심지역의 경우 사용자가 많음에도 불구하고 많은 음영지역이 생겨, 상기의 중계안테나가 더욱 필요하게 된다.

또한, 최근의 LTE(Long-Term Evolution) 같은 고속 데이터 전송 서비스는 안정적인 데이터 전송과 전력 사용에 의한 비용 절감을 위해 중계안테나는 고 이득 특성이 더욱 필요하다 할 수 있다.

이러한 종래의 안테나는 고 이득 특성을 얻기 위해 개발된 단일 안테나소자를 배열하여 구현한다. 이는 안테나의 구조가 커지는 문제점이 발생한다.

한편, 단일 안테나소자의 높이를 낮게 하면 안테나의 크기가 작아지면서 이득이 다소 높아지는 장점이 생기나, 대부분의 안테나 밸런은 반사판과 1/4 파장의 높이를 갖는 폴디드 밸런을 사용하므로, 이러한 안테나의 높이를 조절하는데 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 이동통신 시스템에 적용된 안테나에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, LTE 시스템을 비롯하여 이동통신 시스템에서 사용하기 위해, PCB기판을 이용하여 낮은 높이를 가지면서도 밸런이 내장된 방사체를 구현하도록 한 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, +45°, -45°복 편파 특성을 갖는 고 이득의 광대역 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 전력분배기를 이용하여 위상 차를 갖는 신호를 +45°, -45°복 편파 입력 포트에 인가하여 원형 편파를 얻을 수 있도록 한 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나"는,

동축케이블을 통해 입력받은 신호를 공기 중으로 방사 하며, PCB기판으로 형성된 안테나부와;

상기 안테나부의 하부에 위치하며 전면방향의 이득을 증가시키기 위한 반사판과;

상기 안테나부와 상기 반사판과의 간격을 유지하고, 상기 동축케이블 신호를 상기 안테나부에 전달하기 위한 동축 급전부; 및

상기 안테나부를 상기 반사판에 지지하기 위한 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나부는,

두 소자 배열된 다이폴이 서로 수직하게 형성되어 ±45°복 편파를 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나부의 방사체는,

상기 다이폴과 커플링을 이용한 급전으로 누설전류를 제거하는 밸런 역할을 수행하는 급전라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나부는,

상기 다이폴 근처에 형성되어, 추가로 공진을 유도하고 광대역 특성을 유도하는 기생소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사판은,

금속판으로 구현된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사판은,

상기 안테나부의 하부에 위치해 상기 안테나부에서 후방으로 방사되는 주파수를 전방으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 동축 급전부는,

상기 다이폴과 상기 반사판이 연결되게 게재되어, 상기 안테나부를 지지하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지부는,

상기 동축 급전부와 대향하게 위치하며, 상기 다이폴과 상기 반사판이 연결되게 게재되어 상기 안테나부를 지지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나부는.

원형 편파를 발생하기 위해, +45°, -45° 복 편파 입력 단자에 위상차 신호를 동시에 인가하기 위한 전력분배기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, LTE 서비스를 비롯한 이동 통신 시스템에서 사용하기 위해 적은 부피를 가지면서 가볍고, 고 이득의 복 편파를 발생할 수 있는 안테나를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 전체구조도.
도 2a는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 앞면 구조도.
도 2b는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 앞면 세부구조도.
도 3a는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 뒷면 구조도.
도 3b는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 뒷면 세부구조도.
도 4은 PCB기판 형태의 방사체에 신호가 공급되는 급전 단면 및 주요부분의 신호 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 정재파비 및 이득 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 방사 패턴 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 배열화 된 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나 구조도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 전체구조도이고, 도 2a는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 앞면 구조도이며, 도 2b는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 앞면 세부구조도이고, 도 3a는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 뒷면 구조도이며, 도 3b는 PCB기판으로 제작된 밸런이 집적된 두 소자 다이폴의 뒷면 세부구조도이고, 도 4는 PCB기판 형태의 방사체에 신호가 공급되는 급전 단면 및 주요부분의 신호 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나는, 크게 반사판(1)과 안테나부(2)로 이루어져 있다.

먼저, 반사판(1)은 안테나부(2)의 아래에 특정 높이를 가지면서 위치하며, 그 크기는 안테나부(2) 보다 큰 크기를 가지며, 안테나의 전방 방사특성을 증가시키는 역할을 한다. 또한, 두 개의 입력포트를 반사판 뒤(안테나가 설치되지 않은 면)에 구비하여 구성된다. 여기서 반사판(1)은 금속판으로 구현하는 것이 바람직하다.

아울러 안테나부(2)는 도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 반사판(1) 위에 구현되며, PCB 기판을 식각하여 제작할 수 있으며, 서로 수직한 +45°, -45°두 소자 다이폴(23a)(23b)과 급전단자(21a)(21b)에서 전달받은 신호를 상기 +45°, -45°두 소자 다이폴(23a)(23b)에 전달하기 위한 급전라인(22a)(22b)을 구비한다. 또한, PCB기판 앞면(2a)에 구현된 -45°급전라인(22b)은 +45°급전라인(22a)과 겹치는 것을 피하기 위해 비아(24)와 뒷면(2b)에 식각 처리되어 구비된 브리지 라인(25)을 구비한다.

또한, 안테나부(2)는 상기 반사판(1)과 안테나부(2)의 높이를 유지하고 지지하기 위한 역할을 하며, 입력포트의 신호를 전달하기 위한 동축 급전부(31a)(31b)와, 상기 동축 급전부(31a)(31b)와 대향하게 구현되어 상기 안테나부(2)를 지지하는 금속으로 구현된 지지부(32a)(32b)를 구비한다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 동작에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.

도 4에서 볼 수 있는 것처럼, 외부 동축케이블에서 전달된 +45°편파신호(40a)는 +45°동축 급전부(31a)를 통해, -45°편파신호(40b)는 -45°동축 급전부(31b)를 통해 각각의 안테나부(2)의 급전단자(21a)(21b)로 전달된다.

상기 급전단자(21a)(21b)에서 전달된 +45°, -45°편파신호(40a)(40b)는 각 각의 급전라인(22a)(22b)을 통해 +45°, -45°두 소자 다이폴(23a)(23b)을 여기 시키며, 상기 각각의 편파신호(40a)(40b)는 공기 중으로 방사된다. 이때 안테나부(2)의 아래쪽으로 방사된 신호는 반사판(1)에서 반사되어 다시 전방으로 방사된다. 이로써 전면방향의 이득을 증가시키게 된다. 여기서 급전라인(22a)(22b)은 누설전류를 제거하고, 상기 두 소자 다이폴(23a)(23b)과 커플링을 이용한 급전으로 밸런 역할을 수행하게 된다.

한편, PCB기판 앞면(2a)에 구현된 급전라인(22a)(22b)은 서로 겹치는 것을 방지하기 위해, 특별히 -45°급전라인은 비아(24)와 PCB기판 뒷면(2b)의 브리지 라인(25)을 통해 -45°편파신호(40b)를 전달한다. 이때 상기 비아(24)와 상기 브리지 라인(25)은 기판의 식각과 비아 공정을 통해 구현될 수 있으며, 비아(24)의 지름, 브리지 라인(25)의 넓이, 브리지 라인(25)과 PCB기판 뒷면(2b)의 식각된 간격은 +45°, -45°편파 두 소자 다이폴(23a)(23b)의 격리도를 결정하므로, 동작 주파수에 따라 적절히 조절될 수 있다.

한편, +45°, -45°두 소자 다이폴(23a)(23b)의 근방에 기생소자를 추가하면, 추가적인 공진이 일어나 안테나의 주파수 대역폭을 증가시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 정재파비와 이득을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나의 방사 패턴 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나는, 이동통신 서비스를 사용하기 위한 적절한 주파수 대역폭과 ±45°편파를 가지면서, 전면 방사 특성의 고 이득 특성이 있음을 알 수 있다.

또한, 이를 확장하여 도 7과 같이 배열화를 하면 보다 고 이득의 중계안테나를 구현할 수 있다. 아울러 원형 편파 발생을 위해 +45°, -45°복 편파 입력 단자에 위상차 신호를 동시에 인가하기 위한 전력분배기를 설치해 원형 편파 안테나를 구현할 수 있다.

이러한 본 발명의 특징은 경량의 안테나 구조에 낮은 높이를 가지는 것이다. PCB기판을 이용하여 방사체를 고안해 다른 안테나에 비해 가볍고 제작하기 쉬운 장점을 가진다. 또한, 안테나의 높이가 낮으면 부피가 줄어 설치에 유리한 장점도 있다. 아울러 낮은 높이를 가짐으로써 일반 안테나보다 고 이득을 얻는 전기적 장점을 가지게 된다.

본 발명의 또 다른 특징은 일반적 안테나가 1/4 파장의 높이로 구현된 밸런을 구비하여 누설전류를 제거하는 반면, 본 발명의 안테나는 급전라인과 다이폴이 분리되어 전자기 결합으로 여기시키는 밸런이 방사체에 내장된 구조이므로, 상기 언급한 낮은 높이의 구조를 가지면서도 누설 전류의 문제점을 해결할 수가 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

1… 반사판
2… 안테나부
2a… 안테나 앞면
2b… 안테나 뒷면
21a, 21b… +45°, -45°급전단자
22a, 22b… +45°, -45°급전라인
23a, 23b… +45°, -45° 두 소자 배열 다이폴
24… 비아
25… 브리지 라인
26a, 26b… 기생소자
31a, 31b… +45°, -45°동축급전부
32a, 32b… +45°, -45°지지부
40a, 40b… +45°, -45°편파 신호

Claims

동축케이블을 통해 입력받은 신호를 공기 중으로 방사 하며, PCB기판으로 형성된 안테나부와;
상기 안테나부의 하부에 위치하며 전면방향의 이득을 증가시키기 위한 반사판과;
상기 안테나부와 상기 반사판과의 간격을 유지하고, 상기 동축케이블 신호를 상기 안테나부에 전달하기 위한 동축 급전부; 및
상기 안테나부를 상기 반사판에 지지하기 위한 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나부는,
두 소자 배열된 다이폴이 서로 수직하게 형성되어 ±45°복 편파를 발생하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제2항에 있어서, 상기 안테나부의 방사체는,
상기 다이폴과 커플링을 이용한 급전으로 누설전류를 제거하는 밸런 역할을 수행하는 급전라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제3항에 있어서, 상기 안테나부는,
상기 다이폴 근처에 형성되어, 추가로 공진을 유도하고 광대역 특성을 유도하는 기생소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제3항에 있어서, 상기 안테나부는.
원형 편파를 발생하기 위해, +45°, -45° 복 편파 입력 단자에 위상차 신호를 동시에 인가하기 위한 전력분배기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 반사판은,
금속판으로 구현된 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제6항에 있어서, 상기 반사판은,
상기 안테나부의 하부에 위치해 상기 안테나부에서 후방으로 방사되는 주파수를 전방으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 동축 급전부는,
상기 다이폴과 상기 반사판이 연결되게 게재되어, 상기 안테나부를 지지하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.
제1항에 있어서, 상기 지지부는,
상기 동축 급전부와 대향하게 위치하며, 상기 다이폴과 상기 반사판이 연결되게 게재되어 상기 안테나부를 지지하는 것을 특징으로 하는 PCB 기판형 방향성 다이폴 안테나.