KR20120009452A - 듀얼 핀 안테나 - Google Patents

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KR20120009452A
KR20120009452A KR1020117024323A KR20117024323A KR20120009452A KR 20120009452 A KR20120009452 A KR 20120009452A KR 1020117024323 A KR1020117024323 A KR 1020117024323A KR 20117024323 A KR20117024323 A KR 20117024323A KR 20120009452 A KR20120009452 A KR 20120009452A
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ground plane
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KR1020117024323A
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진-필립 쿠페즈
지드 차라비
제레미 헤메리
크리스찬 퍼슨
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엥스띠뛰 텔레컴/텔레컴 브레따뉴
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Abstract

본 발명은 광대역 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 광대역 안테나는 바닥면(floor plane)(PM); 상기 바닥면에 수직으로 정렬된 유전체 물질 층(P), 상기 층은 두께를 가지며; 상기 층(P)의 표면 위에 정렬된 제1 금속 멤버(11); 상기 제1 금속 멤버를 수신하는 표면에 대향하는 상기 층(P)의 표면 위에 정렬된 제2 금속 멤버(12), 상기 금속 멤버들은 서로 대향하지 않도록 되어 있으며; 상기 두개의 금속 멤버들 중 하나와 결합된 전력선을 포함하고, 상기 전력선은 상기 안테나의 대칭 중심 축에 가장 가까운 금속 멤버의 에지로부터 상기 바닥면을 향해 연장된다.

Description

듀얼 핀 안테나{DUAL FIN ANTENNA}
본 발명은 광대역(wide-band) 안테나에 관한 것이며 보다 구체적으로는 무선 통신 네트워크의 기지국들에 마운팅될 수 있는 광대역 안테나에 관한 것이다.
안테나는 무선 통신 네트워크의 필수적인 요소이다.
그러므로, 특히 대역폭 및 방사 순도(radiation purity), 그리고 낮은 제조 복잡도를 가지는 측면에서 안테나 솔루션을 수행하는 것이 추구된다.
1/4 파장(quarter of the wavelength)과 동일한 거리에서 반사기(reflector)의 역할을 하는 접지면(ground plane)을 마주하도록 장착된 쌍극자 타입(dipole type)의 안테나들의 솔루션은 통상적으로 알려져 있다.
전체 길이가 1/2 파장과 같은 이 쌍극자들은 일반적으로 두개의 동일선상의 가닥들(collinear strands)로 구성되며 발룬(balun)을 통해 통전(energizing)된다. 두개의 가닥들은 모두 반사면(reflecting plane)에 평행하게 위치된다.
그러나, 현재의 안테나들은 요구되는 주파수 대역에서 양호한 성능을 달성하도록 조정하는데 있어서 많은 자유도를 가지지 못하고, 제조가 복잡하다.
본 발명은 안테나의 조정(adjustments)에 관하여 어느 정도의 자유도를 가지는 광대역 안테나 솔루션를 제안하며, 상기 안테나는 간단한 방법을 통해 그리고 저비용으로 만들어질 수 있다.
제1 양상에 따르면, 본 발명은, 접지면(ground plane); 및 적어도 하나의 어셈블리를 포함하는 광대역 안테나에 관한 것이며, 상기 어셈블리는 상기 접지면에 수직으로 배열된 두께를 가진 유전체 물질층과; 상기 층의 일면 위에 배치된 제1 금속 소자(metal element)와; 제2 금속 소자와, 상기 제2 금속 소자는 상기 제1 금속 소자가 배치된 면에 대향하는 상기 층의 면에 배치되어 상기 두 금속 소자들이 서로 대면하지 않으며; 상기 2개의 금속 소자들 중 하나와 결합(association)된 전력선을 포함하며, 상기 전력선은 상기 안테나의 대칭 중심축에 가장 가까운 상기 금소 소자의 에지로부터 접지면을 향하여 연장된다.
안테나는 또한 다음의 특징을 가진다.
- 제1 어셈블리 및 제2 어셈블리를 포함하고, 각각의 어셈블리와 결합된 유전체 물질 층들이 서로 수직이다.
- 전력 공급선(power supply line)이 접지면에 평행한 금속 소자로부터 연장되는 제1 부분, 및 상기 제1 부분에 연결되고 상기 제1 부분으로부터 상기 접지면을 향해 상기 접지면에 수직으로 연장되는 제 2부분으로 구성된다.
- 상기 제2 부분는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역은 용량성 기능(capacitive function)을 위하여 제1 영역보다 넓은 폭을 가진다.
- 전력선은 상기 전력선이 결합되어있는 금속 소자와 동일한 물질로 만들어 진다.
- 금속 소자들은 다음 그룹으로부터 선택된 기하구조(geometry)를 가진다.
: 직사각형 기하구조 또는 핀타입 기하구조(접지면에 연결된 기저부에서 폭이 좁고 상기 접지면 위의 단부에서 플레어링된 기하구조).
- 유전체 물질층은 공기 또는 기판을 포함한다.
- 전력선들은 안테나에 전력을 공급하는 수단을 형성하는 통전 프로브에 연결된다.
제2 양상에 따르면, 본 발명은 본 발명의 제1 양상에 따른 적어도 하나의 광대역 안테나를 포함하는 기지국에 관련된다.
본 발명의 다른 피쳐들 및 이점들은 하기의 설명으로부터 보다 명확해질 것이다. 하기의 설명은 단지 예시이고 본 발명을 제한하는 것이 아니며 첨부의 도면을 참조로 읽혀져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나의 제1 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 안테나의 제2 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 안테나의 제3 실시예를 도시한다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나에 대한 데카르트 좌표 시스템(Cartesian coordinate system) 및 스미스 도표(Smith abacus)에서의 적응 레벨들(adaptation levels)을 도시한다,
도 5a, 5b 및 5c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나에 대한 2GHz, 2.5GHz, 및 3GHz의 주파수들에서 평면 E에서의 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시한다.
도 6a, 6b 및 6c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나에 대한 2GHz, 2.5GHz, 및 3GHz의 주파수에서 평면 H에서의 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나에 대한 2GHz-3GHz 대역에서 얻어지는 이득을 도시한다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제1 안테나에 대한 데카르트 좌표 시스템 및 스미스 도표에서의 적응 레벨들을 각각 도시한다,
도 9a, 9b 및 9c는 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제1 안테나에 대한 2GHz, 2.5GHz 및 3GHz의 주파수에서 평면 E에서의 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시한다.
도 10a, 10b 및 10c는 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제1 안테나에 대한 2GHz, 2.5GHz 및 3GHz의 주파수에서 평면 H에서의 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시한다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제1 안테나의 이득을 도시한다.
도 12a 및 12b는 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제2 안테나에 대한 데카르트 좌표 시스템 및 스미스 도표에서의 적응 레벨들을 각각 도시한다.
도 13a, 13b 및 13c는 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제2 안테나에 대한 2GHz, 2.5GHz 및 3GHz의 주파수에서 평면 E에서의 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시한다.
도 14a, 14b 및 14c는 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제2 안테나에 대한 2GHz, 2.5GHz 및 3 GHz의 주파수에서 평면 H에서의 2GHz, 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시한다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 중 제2 안테나에 대한 이득을 도시한다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따라 네스팅된 두개의 안테나들 사이의 분리 레벨(isolation level)을 도시한다.
도 1은 접지면(ground plane) PM 및 적어도 두개의 금속 소자들(11, 12)을 포함하는 광대역 안테나를 도시하며, 상기 금속 소자들(11, 12)은 그 기저부(base)에서 접지면 PM에 연결되고 상기 접지면에 수직인 방향으로 연장된다.
금속 소자들은 (선-금속화된 기판(pre-metallized substrate) 상에 식각된 소자들에서) 대략 몇 ㎛ 또는 몇십 ㎛, 또는 (상기 금속요소들을 절단 금속 패턴 타입(cut-out metal pattern type)의 기법으로 제작하기 위하여) 심지어 몇 백 ㎛의 작은 두께를 가진다.
안테나는 전력선(21)을 더 포함한다. 이 전력선은 바람직하게는, 두개의 금속 소자들 중 하나를 이 전력선의 기준 접지면으로서 사용하는 알려진 타입의 50Ω 마이크로스트립 라인이다.
안테나는 대칭 중심 축(central axis of symmetry) △을 포함한다.
금속 소자들은 서로 떨어져 있으며 그들 사이의 공간이 중앙 커플링 슬롯(central coupling slot)을 형성한다.(슬롯은 안테나의 대칭 중심 축에 배열된다.)
이 안테나에서, 금속 소자들로 형성된 어셈블리(E1)와 전력선이 정의된다.
이 어셈블리(E1)는 특히 접지면(PM)에 수직으로 배열된 유전체 물질층을 포함한다.
각각의 금속 소자는 유전체 물질층의 일면 위에 위치된다. 금속 소자들은 수직으로 위치되어 서로 대면하지 않는다.
유전체층의 두께는 대략 몇백 ㎛ 내지 몇 mm 이다.
전력선은 그것의 하단(lower end)에서 통전 프로브(energizying probe)(31)에 연결되며, 상기 통전 프로브는 접지면을 관통한다(상기 접지면은 상기 통전 프로브가 관통되게 하기 위하여 뚫려있음). 프로브는 바람직하게는 50Ω 동축 프로브이며, 상기 프로부의 외측 컨덕터(outer conductor)(32)가 접지면에 연결된다.
전력선은 금속 소자(11)로부터 접지면에 평행하게 연장되는 제1 부분(21')(상기 제1 부분(21')은 상기 금속 소자(11)와 결합되어 있음), 및 상기 제1 부분에 연결되며 상기 제1 부분(21')으로부터 접지면을 향해 수직으로 연장되는 제2 부분(21")에 의해 형성된다.
이 전력선은, 용량 적응 효과(capacitive adaptation effect)를 보장하기 위하여, 제2 부분(21") 위에, 제1 부분(21') 및 제2 부분(21")의 폭 보다 큰 폭을 가진 영역(21'")을 더 포함한다. 영역(21'")은 바람직하게는 50Ω 통전 프로브와의 연결점 부근에 위치된다.
금속 소자들 및 전력선은 유전체 기판 위에 집합적으로(collectively) 인쇄될 수 있다.
기판은 물론 접지면에 수직이고 상기에서 설명된 유전체 금속층의 역할을 한다.
이 경우에, 금속 소자(11) 및 전력선에 의해 형성된 어셈블리가 기판 면에 인쇄되어 다른 면에 인쇄된 금속 소자(12)는 전력선을 위한 접지면으로서 작용한다.
제1 실시예
안테나의 제1 실시예가 도 1(앞에서 개괄적으로 설명됨)에 도시된다.
이 실시예에서, 금속 소자들(11, 12)은 직사각형이다.
제2 실시예
안테나의 제2 실시예가 도 2에 도시된다.
이 실시예에서, 금속 소자들은 접지면으로부터 플레어링(flaring)된다.
플레어링은 직선으로 되어 있고(rectilinear)이고 바람직하게는 안테나의 대칭 중심 축(△)에 가장 근접한 에지(edge)에 대해 수직이다.
금속 소자들은 일반적인 사다리꼴 형상(trapezoidal shape)이고 각각이 핀(fin)을 형성한다.
그러한 금속 소자들은 매우 다양한 기하구조를 가질 수 있다.
일반적으로, 이러한 소자들은 그것들의 기저부로부터 꼭짓점(apex)으로 볼록면(comves surface)을 가지는 플레어링된 패턴에 대응한다.
제3 실시예
제3 실시예가 도 3에 도시된다.
이 실시예에서, 안테나는 4개의 금속 소자들을 포함하며, 양극화 타입(bipolarization type)이다.
상기 안테나는 특히, 각각 두개의 금속 소자들 및 관련된 전력선에 의해 형성되는 제1 어셈블리(E1) 및 제2 어셈블리(E2)를 포함한다.
제1 어셈블리(E1)는 제1 유전체 물질층(P)에 대응하며 제2 어셈블리는 제2 유전체 물질층(P')에 대응한다.
유전체 물질의 두개의 층들(P, P')은 서로 수직이고 각각의 층 위의 금속 소자들(11, 12, 13, 14)은 동일하다.
유전체 물질층들은 동일한 물질로 되어있다.
다시 말하면, 이 실시예에서, 금속 소자들은 그들 사이에 어떠한 접촉도 없이 중앙 커플링 슬롯들에서 수직으로 네스팅된다.
이 실시예는 앞에서 설명된 제2 실시예의 두 개의 안테나들의 네스팅으로서 볼 수 있다.
네스팅된 금속 소자들은 서로 동일하고, 전력선과 동일 평면(coplanar)의 금속 소자상의 상기 전력선의 연결점의 위치, 및 용량성 적응 라인 영역의 위치 및 치수만이 다르다.
상기 소자들상의 이 연결 점들과 관련된 서로 다른 높이들은 두 안테나들이 그것들 사이에 어떠한 전기적 접촉 없이도 결합될 수 있게 해준다. 외부 회로와 관련하여, 각각의 안테나는, 예를 들어, 외부 50Ω 동축 케이블에 의해 전력선의 하단에서 통전된 상태로 유지된다. 이러한 구성으로, 두 개의 수직으로 교차된 선형 편파(linear polarization)에 따라 이 구조를 동작시키는 것이 가능하다.
성능
제1 프로토타입
제2 실시예에 따른 안테나가 실험적으로 제작 및 특성화되었다.
이 안테나는 2.5GHz상에서 센터링되는 주파수 대역에서 동작한다.
두 개의 금속 소자들 및 용량성 적응 라인 섹션을 포함하는 50Ω 마이크로스트립 통전 라인이 유전율 εr=2.55 및 두께 h= 800㎛ 의 유전체 기판 상에 공동으로 인쇄된다.
이 기판은 하부 정사각형 형상 접지면에 수직으로 위치되며, 상기 접지면에는 안테나의 외부 전력을 공급해주는 50Ω 동축 케이블을 마운팅할 수 있도록 드릴홀이 만들어져 있다.
도 4a 및 4b는 각각 데카르트 좌표 시스템 및 스미스 도표 상에서의 적응 레벨들을 제시한다. 이 적응은 광대역 주파수에 걸쳐 -10dB 미만으로 유지되는 것임이 알려져 있을 수 있으며, 2GHz 내지 3GHz 범위의 주파수 광대역에 대해 -10dB 미만으로 유지된다. 이는 40% 이상의 상대적 대역폭에 대응한다.
방사 특성과 관련하여, 도 5a, 5b 및 5c는 평면 E(즉, 안테나를 가지며 접지면에 수직인 기판을 포함하는 평면)에서 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)의 도면을 도시하며, 이는 2GHz, 2.5GHz 및 3GHz의 주파수들에서의 도면이다. 이러한 서로 다른 곡선들에서, 안테나의 주 방사축에서(즉, Θ=0°방향에서) 특히 매우 낮은 교차-편파 레벨을 가진, 주파수에 대해 양호한 방사 성능들이 관측될 수 있다. 2GHz 내지 3GHz의 전체 대역에 대해, 주 축에서 이 교차 편파 레벨은 동일 편파의 레벨보다 25 dB 이상 낮게 유지된다. 더욱이, 평면 E에서 상대적으로 유의한 어퍼쳐 각도(relatively significant aperture angle)에 대해 이러한 낮은 교차 편파 값이 유지된다.
도 6a, 6b 및 6c는, 전의 도면들에 대한 것과 동일한 방식으로, 안테나의 평면 H(즉, 안테나의 기판 및 접지면에 수직인 평면)에서 동일 편파(실선) 및 교차 편파(점선)를 가진 방사 도면을 제공한다. 이 경우에, 교차-편파 레벨들에 대한 결론은 평면E에서 얻어진 결과들과 상당히 동일하다.
도 7은 2GHz-3GHz 대역에서 얻어진 이득을 도시한다. 이 이득은 2.2GHz의 주파수에서 6.6dB의 최대값을 보여준다.
제2 프로토타입
도 3에 도시된 것과 같은 두개의 수직으로 교차된 안테나들에 기반한 양극자 타입의 예시적인 방법이 또한 만들어졌고, 또한 실험적으로 특성화되었다(제3 실시예 참조).
이 구조에서, 두개의 안테나들 중 하나(이하에서는 "제1 안테나"라 칭함)는 제2 실시예에 기술된 것과 정확하게 동일하다. "제2 안테나"라고 불리는 다른 안테나는 앞의 안테나와 50Ω 마이크로스트립 라인의 연결점의 위치가 더 높다는 것과 용량성 적응 라인 영역이 약간 변경된 것만이 차이가 있다.
전계(electric field)의 분포에 관하여, 개별적으로 취해진 각각의 안테나에 대해, 두개의 네스팅된 안테나들 각각에 대해 동일한 분포가 얻어진다.
제1 안테나만이 통전되었을 때의 경우, 도 8 내지 11은, 데카르트 좌표 시스템(도 8a) 및 스미스 도표(도 8b)의 적응, 평면 E(도 9a, 9b, 9c) 및 평면 H(도 10a, 10b, 10c)에서의 동일 편파 및 교차 편파의 방사도, 그리고 안테나의 이득(도 11)을 각각 도시한다.
안테나에 대한 전계의 분포에 대한 것과 유사하게, 성능은 단일 안테나에 대해 얻어진 성능에 상당히 부합한다(제1 프로토타입의 성능 참조)
마찬가지로, 제2 안테나만이 통전될 때의 경우, 도 12-15는 각각 데카르트 좌표 시스템(도 12a) 및 스미스 도표(도 12b)에서의 적응, 평면 E에서 동일 평판 및 교차 평판을 가진 방사 도면(도 13a, 13b, 13c) 및 평면 H에서 동일 평판 및 교차 평판을 가진 방사 도면(도 14a, 14b, 14c) 및 안테나의 이득(도 15)를 도시한다.
이 제2 안테나가 제1 안테나와 약간 다르다하더라도, 얻어진 응답은 항상 도 8-11에 도시된 것에 아주 일치한다. 따라서, 이것의 결론은 전기 성능이 편파들 중 어느것이 존재하든 상당히 비슷하다는 것이다.
도 16은 2GHz 내지 3GHz 대역에서 제1 안테나와 제2 안테나 사이의 커플링 레벨을 도시한다.
이것이 보여주는 바와 같이, 두 안테나들 사이의 분리는 양호하게 유지되는데, 이는 이 주파수 대역 전체에 대해, 커플링이 항상 -30db 미만으로 유지되기 때문이다.
두개의 안테나들을 결합하는 양극자 타입의 이 구조에 대해, 후자 사이의 가장 강한 분리 레벨은 제시된 방법의 주요 이점들 중 하나이다.
위에 기술된 안테나는 또한 위성 링크 영역에서 사용되거나 통신 네트워크의 기지국에 구현될 수 있으며, 10 내지 15GHz 사이의 주파수 대역들에서 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 광대역 안테나로서,
    - 접지면(PM)과;
    - 적어도 하나의 어셈블리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 어셈블리는,
    상기 접지면(PM)에 수직으로 배열되며, 두께를 갖는 유전체 물질 층(P)과;
    상기 층(P)의 일면에 배열된 제1 금속 소자(11)와;
    상기 제1 금속 소자가 배열된 층에 대향하는 상기 층(P)의 일면에 배열된 제2 금속 소자(12)와, 상기 금속 소자들은 서로 대면하지 않도록 되어 있으며, 상기 제1 금속 소자와 상기 제2 금속 소자는 볼록면(covex surface)으로 되어 있으며;
    상기 2개의 금속 소자들 중 하나와 결합(association)된 전력선을 포함하여 구성되며, 상기 전력 선은 상기 안테나의 대칭 중심축(△)에 가장 가까운 상기 금속 소자의 에지로부터 접지면(PM)을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    제1 어셈블리(E1) 및 제2 어셈블리(E2)를 포함하며, 각각의 어셈블리와 결합된 상기 유전체 물질 층들(P, P')은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  3. 선행하는 임의의 청구항에 있어서,
    상기 전력선은 상기 접지면에 평행하게 상기 금속 소자로부터 연장되는 제1 부분(first section)과, 상기 제1 부분에 연결되며 상기 제1 부분으로부터 수직으로 상기 접지면을 향해 연장되는 제2 부분(second section)로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 부분은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역은 용량성 기능(capacitive function)을 하도록 상기 제1 영역 보다 넓은 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  5. 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,
    상기 전력선은 상기 전력선이 결합된 상기 금속 소자와 동일한 물질로 제작된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  6. 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,
    상기 금속 소자들은 직사각형 기하구조(rectangular geometry), 및 상기 접지면에 연결된 기저부에서는 폭이 좁고 상기 접지면 위의 단부에서 플레어링된 핀 타입(fin type) 기하구조 중에서 선택된 기하구조로 된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  7. 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,
    상기 유전체 물질층은 공기 또는 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  8. 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,
    상기 전력 선들은 상기 안테나에 전력을 공급하는 수단을 형성하는 통전 프로브(31)에 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
  9. 선행하는 청구항들 중 한 항에 따른 적어도 하나의 안테나를 포함하는 무선 통신 네트워크의 기지국.
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