KR20120086836A - 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나 및 안테나 어레이 - Google Patents

Abstract

본 발명의 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나는 통신 신호의 송수신 매체가 되는 방사 소자; 상기 방사 소자와 전기적으로 연결되는 복수 개의 급전 라인; 상기 방사 소자가 일면에 형성되며 상기 급전 라인이 타면에 형성되는 피씨비 기판; 및 상기 복수 개 급전 라인이 상호 인접하는 영역인 인접 영역의 상부에 구비되되, 상기 인접 영역에 해당하는 복수 개 급전 라인이 하방의 내측에 포함되도록 하는 위치에 구비되는 금속 재질의 정합 튜닝모듈을 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면 간단한 구조적 개선을 통하여 급전 라인 간에 발생할 수 있는 임피던스 비매칭 문제를 효율적으로 해결할 수 있어 더욱 향상된 신호 특성을 가지는 안테나 구조를 제공할 수 있다.

Description

최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나 및 안테나 어레이{Dipole antenna with optimized impedance matching and antenna array using it}

본 발명은 다이폴 안테나 및 이를 이용한 안테나 어레이에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 간단한 구조적 개선을 통하여 다이폴 안테나에 송수신 신호를 전달하는 급전 라인들 사이에 발생하는 신호 간섭 내지 노이즈를 제거함으로써 최적화된 임피던스 매칭을 제공할 수 있는 다이폴 안테나 및 이를 이용한 안테나 어레이에 관한 것이다.

일반적으로 안테나는 무선 통신에서 소정 공간 영역으로 전파를 방사하거나 방사된 전파를 수신하는 매개체가 되는 요소로서 신호 송신 라인으로부터 입력된 전기적 신호를 전파 에너지로 변환하여 공간에 전파 빔으로 복사하는 역할과 외부에 존재하는 전파 에너지를 반파장 공조에 의하여 수신하고 이를 전력으로 변환하여 신호 수신 라인으로 출력하는 기능을 수행하는 매개체가 된다.

상기 안테나는 실시형태와 적용 스펙 등에 따라 다양한 제품군을 이루고 있는데, 그 중 다이폴 안테나(dipole antenna)는 개방된 형태의 도선에 교류가 인가될 때 전기력선이 축을 중심으로 대칭이 되도록 분포시키는 안테나 형태를 의미하며, 한쪽 패턴의 길이를 수신 대상 파장의 반 파장이 되도록 구성한다.

이러한 다이폴 안테나는 위성통신이나 셀룰러 폰 등의 기지국 송수신 신호에 주로 이용되며 이동 통신 기술이 비약적으로 발전함에 따라 다양한 형태로 발전되고 있다.

다이폴 안테나는 사출, 프레스 가공에 의하거나 피씨비(PCB)기판의 패터닝 등을 통하여 제조되는데, 사출이나 프레스 가공에 의하여 제조되는 안테나는 그 구조가 복잡하고 추가적인 금속 고형물을 제조하여야 하므로 공정이 복잡하고 제조 단가가 높다는 단점을 가진다.

이에 반해, 피씨비 기판형은 기판 위에 금속성 스트립(strip) 패턴을 형성하는 방법이 채용되므로 간단한 프로세싱 공정에 의하여 제조될 수 있어 이러한 측면에서 상대적인 이점을 가질 수 있다.

한편, 이중 편파 다이폴 안테나의 경우 일반적인 구조로서 4개의 개별 다이폴을 구비하되 2개씩 대칭구조가 되도록 배열하는 정방형 다이폴(dipole square) 또는 2개의 다이폴을 일직선상으로 연장, 크로스 배열하는 크로스 다이폴(cross dipole) 구조를 들 수 있다.

이러한 이중 편파 다이폴 안테나 쌍들은 각각에 대해 서로 직각으로 정렬되도록 배열되므로 수직과 수평으로 정렬될 수 있는 2개의 선형 편파 신호를 송신 또는 수신하는데 사용될 수 있다. 따라서 안테나는 수평은 물론, 수직 및 편파 방향이 ±45도 각도로 작동 가능하다.

이와 같은 이중 편파 다이폴 안테나는 앞서도 언급된 바와 같이 각각의 다이폴 쌍들에 신호 송수신의 매체가 되는 급전 라인이 전기적으로 연결되어야 한다. 상기 급전 라인은 상호 신호에 의한 영향을 미칠 수 있는 이격 거리에 구비되어 있음에도 불구하고, 종래에는 이러한 인접 급전 라인 간에 발생될 수 있는 간섭 내지 신호 노이즈에 대한 문제점이 간과되어 있다.

특히, 현재 이동 통신 환경에서 Bandwidth 특성이 상대적으로 좋은 정방형 구조가 주로 활용되고는 있는데 이러한 정방향 구조의 안테나에서 상기 간과되고 있는 급전 라인 간의 신호 간섭 내지 노이즈 발생에 대한 문제점을 해결하기 위한 방안이 필요하다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서 안테나 구조의 복잡도를 증가시키지 않고도 간단하고 컴팩트(compact)한 구조적 개선을 통하여 급전 라인 간의 신호 간섭 및 이에 의한 커패시턴스 성분의 노이즈를 효과적으로 제거하여 더욱 향상된 임피던스 매칭의 안테나 및 이를 이용한 안테나 어레이를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나는 통신 신호의 송수신 매체가 되는 방사 소자; 상기 방사 소자와 전기적으로 연결되는 복수 개의 급전 라인; 상기 방사 소자가 일면에 형성되며 상기 급전 라인이 타면에 형성되는 피씨비 기판; 및 상기 복수 개 급전 라인이 상호 인접하는 영역인 인접 영역의 상부에 구비되되, 상기 인접 영역에 해당하는 복수 개 급전 라인이 하방의 내측에 포함되도록 하는 위치에 구비되는 금속 재질의 정합 튜닝모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

여기에서, 상기 정합 튜닝모듈은 상기 인접 연역 중 상기 복수 개 급전 라인이 상대적으로 가장 가까이 인접하는 영역에 구비되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 안테나는 상기 피씨비 기판 및 상기 정합 튜닝모듈과 결합되어 상기 정합 튜닝모듈을 지지하는 지지모듈을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 피씨비 기판으로부터 상기 정합 튜닝모듈의 높이가 조정 가능하도록 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 상기 접합 튜닝모듈은 상기 지지모듈과 체결 가능한 구조로 결합되며, 상기 접합 튜닝 모듈과 상기 지지 모듈 사이에 탄성체 재질의 링이 개재되어 결합되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 방사 소자는 이중 편파 다이폴 방사 소자로 구성되며, 상기 복수 개의 급전 라인은 직각으로 교차되는 형태로 배열될 수 있으며, 이 때, 상기 정합 튜닝모듈은 상기 복수 개의 급전 라인이 직각으로 교차되는 영역에 구비되도록 구성하는 것이 바람직하다.한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나 어레이는 상기와 같은 구성으로 이루어지는 다이폴 안테나가 복수 개 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의하면, 다이폴 안테나를 구성함에 있어, 복수 개 급전 라인 의 인접된 영역에서 발생될 수 있는 간섭에 의한 커패시턴스 성분의 임피던스 비매칭에 의하여 발생되는 bandwidth 특성 저하를 개선시킬 수 있는 효과를 구현할 수 있다.

또한, 이중 편파 다이폴 안테나를 구현하는 실시형태에서 크로스 형태로 배열되는 급전 라인의 중심 교차 부분의 상대적으로 강한 신호 간섭을 최적화된 형태로 개선시킬 수 있어 신호 특성이 향상된 이중 편파 다이폴 안테나를 더욱 용이하게 구현할 수 있다.

이와 함께 통신 환경이나 설치 지역의 특성 등을 종합적으로 고려하여 정합 튜닝모듈의 높이를 가변적으로 조정 내지 튜닝할 수 있어 최적화된 안테나 신호 특성을 항시적으로 유지할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 안테나의 공간 스페이스를 확장시키지 않고, 구조의 복잡도를 증가시키지 않는 간단한 구조적 개선만을 통하여 상기 효과를 실현할 수 있으므로 공정 상의 효율성을 높일 수 있음은 물론, 더욱 경제적인 안테나 및 이를 이용한 안테나 어레이를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나에 대한 구조를 도시하고 있는 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 안테나의 하면에 대한 구조를 도시하고 있는 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 안테나의 단면을 도시하고 있는 도면,
도 4는 본 발명의 정합 튜닝모듈의 결합 구조 및 결합 관계를 도시하고 있는 도면,
도 5는 본 발명에 의하여 개선된 신호 특성을 도시하고 있는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나(이하 다이폴 안테나로 칭한다)(100)의 구성을 도시하고 있는 도면이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 다이폴 안테나(100)는 방사 소자(110, 111), 급전 라인(120, 121), 피씨비 기판(130), 정합 튜닝모듈(140) 및 지지모듈(150)을 포함하여 구성된다.

상기 방사 소자(110,111)는 통신 신호의 송수신 매체가 되는 요소로서 급전 라인(120, 121)을 통하여 전달된 신호를 외계 공간에 전파 빔으로 방사하고, 외계 공간에 존재하는 전파 에너지를 반파장 공조에 의하여 수신하고 이를 전력으로 변환하여 급전 라인(115)으로 출력하는 기능을 수행하는 매개체가 된다.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서는 서로 쌍을 이루는 두 개의 안테나 방사 소자(110, 111)와 이에 각각 대응되는 두 개의 급전 라인(120, 121)을 예시하고 있으나, 상기 방사 소자(110) 및 급전 라인(120) 등은 실시형태 또는 안테나의 특성, 신호 송수신 환경 등에 따라 당업자 수준에서 다양한 형태 및 개수로 구현될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태를 도시하고 있는 도 1 내지 도 2에서와 같이 상기 방사 소자는(110) 피씨비 기판(130)의 일면에 형성되고, 상기 피씨비 기판(130)의 타면에 상기 방사 소자(110)와 전기적으로 연결되는 복수 개의 급전 라인(120)이 형성되도록 구성될 수 있다.

상기 급전 라인(120)이 소정의 단말, 모듈 또는 시스템 등과 통신 가능하게 연결되는 통신 케이블(200)은 신호선(210), 그라운드선(220) 및 외피(230)를 포함하여 이루어질 수 있다.

피씨비 기판(130)에서 서로 다른 면상에 형성되는 상기 방사 소자(110)와 급전 라인(120)은 비어홀(12)을 통하여 상호 전기적으로 연결되며, 기판 하부 중심 부위에 위치하는 통신 케이블(200)의 신호 송수신을 위한 신호선(210) 각각은 비어홀(13)을 통하여 상부의 해당하는 급전 라인(120, 121)과 전기적으로 연결되며, 그라운드선(220)은 방사 소자의 그라운드(15)와 웰딩 등으로 연결된다.

본 발명의 정합 튜닝모듈(140)은 상기 복수 개 급전 라인이 상호 인접하는 영역의 상부에 설치되어 인접된 급전 라인들이 상호 미치는 신호 간섭 등을 상쇄시키는 기능을 수행한다.

급전 라인이 상호 인접하게 되는 경우, 신호 간섭 현상에 의한 불필요한 커패시턴스(capacitance)가 발생하게 되는데, 이렇게 추가적으로 발생된 커패시턴스 성분은 아래 수식에 근거하여 회로 설계에서 미처 고려되지 못한 임피던스 특성을 나타내게 되고 이는 결국 신호 특성(VSWR)이 저하되는 현상을 유발하게 된다.

이와 같이 발생된 커패시턴스 성분의 상쇄시키기 위하여 본 발명의 정합 튜닝모듈(140)은 인접한 급전 라인을 하방의 내측에 모두 포함할 수 있도록 상기 인접한 급전 라인 상부에 상기 급전 라인들과 소정 이격 거리를 두고 설치된다.

상기 정합 튜닝모듈(130)은 금속 재질로 이루어져 커패시턴스 성분을 가지고 있으며, 상기 정합 튜닝모듈(130)은 하방 내측으로 인접한 급전 라인(120, 121)을 포함하는 구조를 가지고 있으므로 일종의 간섭 성분 간의 가교 역할을 수행하여 추가적으로 발생되는 커패시턴스 성분이 상쇄될 수 있는 전기 물리적 구조가 된다.

신호 간섭의 정도 및 상기 정합 튜닝모듈(130)의 형상적 구조 등을 통한 실험에 의할 때, 상쇄되는 커패시턴스의 정도는 상기 정합 튜닝모듈(130)과 상기 급전 라인 간의 간격(도 3의 D) 즉, 정합 튜닝 모듈(130)의 높이에 함수적으로 비례한다.

급전 라인이 인접하게 되는 모든 영역에 상기 정합 튜닝모듈(130)을 구비하는 것이 이상적일 수 있으나, 신호 간섭에 의한 추가 커패시턴스 성분의 영향은 급전 라인이 인접할수록 크므로 효율성을 최적화하기 위하여 급전 라인이 인접하는 영역 중 상대적으로 가장 인접한 영역에 상기 정합 튜닝모듈(130)을 설치하는 것이 가장 바람직하다.

상기 도 1 등을 통하여 설명되는 피씨비 기판형 이중 편파 다이폴 안테나 구조에서는 배선의 최적화를 위하여 도면에 도시된 바와 같이 급전 라인을 직각 형태의 크로스 구조로 형성하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있는데, 이 경우에는 피씨비 기판의 외주 쪽은 급전 라인들이 상대적으로 가장 멀리 떨어져 있고 중심부에서가 가장 가까이 인접하게 되므로 상기 정합 튜닝모듈(140)을 도 1 등에 도시된 바와 같이 중심 부위의 크로스 지점에 설치하는 것이 가장 바람직하다.

상기 정합 튜닝모듈(140)은 안테나의 다른 구성 요소와 전기적으로 연결되는 것이 아니므로 상기 정합 튜닝모듈(140)을 설치하는 방법은 당업자 간에 다양한 형태가 있을 수 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이 피씨비 기판(130) 중 안테나 패턴(방사 소자) 및 급전 라인이 형성되지 않은 공간에 지지모듈(150)을 위치시키고 상기 지지모듈(150)이 상기 피씨기 기판(130) 및 상기 정합 튜닝모듈(140)과 체결 가능한 형태로 결합되어 상기 정합 튜닝모듈(140)을 물리적으로 지지하는 형태로 구현하는 것이 가장 바람직하다.

앞서 설명된 바와 같이 상기 정합 튜닝모듈(140)은 높이를 가변적으로 조정함에 따라 상쇄되는 커패스턴스 성분의 크기가 조정가능한 형태가 되므로 이를 위하여 본 발명의 다이폴 안테나(100)의 지지모듈(150)은 도 4에 도시된 바와 같이 탄성체 재질의 링(152)을 정합 튜닝모듈(140)과의 사이에 개재시켜 체결수단(153)에 의하여 체결되는 형태로 구현될 수 있다.

몇 mm 단위의 미세 조정에 의해서도 상쇄 커패시턴스를 조정할 수 있으므로 상기와 같은 구조를 통하여 안테나의 구성요소를 고정시킬 수 있음과 동시에 정합 튜닝모듈(140)의 높이 조정을 위한 구성을 구현할 수 있다. 피씨비 기판(130)과 지지모듈(150) 또한 체결 가능한 구조에 의하여 결합되도록 지지모듈(150) 내부에 형성된 체결 구조에 볼트 등의 체결 수단(150)이 결합되는 형태로 구현될 수 있다.

상기에서 설명된 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이중 편파 다이폴 안테나를 중심으로 설명되었으나, 인접한 복수 개의 급전 라인에 의하여 발생되는 신호 간섭 또는 커패시턴스 성분의 임피던스 비매칭의 문제점을 해결하기 위하여 복수 개의 인접한 급전 라인에 구비되는 본 발명의 정합 튜닝 모듈에 대한 기술 사상은 안테나의 구조, 형상, 개수 등에 제한되지 않고 적용될 수 있음은 물론이다.

이와 같이 본 발명의 기술 사상에 의하여 커패시턴스 성분을 상쇄시키게 되는 경우 임피던스의 매칭이 최적화되어 동일한 VSWR을 기준으로 할 때, 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 bandwidth 특성이 D2(f1`~f2`)에서 D1(f1~f2)로 향상됨을 알 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 본 발명의 설명에 있어 상부 내지 하부 등과 같은 표현은 상호 간의 각 관계를 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 방향성이나 상하 관계 등을 절대적인 기준에서 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.

100 : 다이폴 안테나 110, 111 : 방사 소자
120, 121 : 급전 라인 130 : 피씨비 기판
140 : 정합 튜닝모듈 150 : 지지모듈
200 : 통신 케이블

Claims (9)

1. 통신 신호의 송수신 매체가 되는 방사 소자;
   상기 방사 소자와 전기적으로 연결되는 복수 개의 급전 라인;
   상기 방사 소자가 일면에 형성되며 상기 급전 라인이 타면에 형성되는 피씨비 기판; 및
   상기 복수 개 급전 라인이 상호 인접하는 영역인 인접 영역의 상부에 구비되되, 상기 인접 영역에 해당하는 복수 개 급전 라인이 하방의 내측에 포함되도록 하는 위치에 구비되는 금속 재질의 정합 튜닝모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
2. 제 1항에 있어서, 상기 정합 튜닝모듈은,
   상기 인접 연역 중 상기 복수 개 급전 라인이 상대적으로 가장 가까이 인접하는 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 피씨비 기판 및 상기 정합 튜닝모듈과 결합되어 상기 정합 튜닝모듈을 지지하는 지지모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
4. 제 3항에 있어서, 상기 지지모듈은,
   상기 피씨비 기판으로부터 상기 정합 튜닝모듈의 높이가 조정 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
5. 제 4항에 있어서, 상기 접합 튜닝모듈은,
   상기 지지모듈과 체결 가능한 구조로 결합되며,
   상기 접합 튜닝 모듈과 상기 지지 모듈 사이에 탄성체 재질의 링이 개재되어 결합되는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
6. 제 1항에 있어서, 상기 방사 소자는,
   이중 편파 다이폴 방사 소자인 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
7. 제 6항에 있어서, 상기 복수 개의 급전 라인은,
   직각으로 교차되는 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
8. 제 7항에 있어서, 상기 정합 튜닝모듈은,
   상기 복수 개의 급전 라인이 직각으로 교차되는 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나.
9. 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 다이폴 안테나가 복수 개 구비된 최적화된 임피던스 매칭의 다이폴 안테나 어레이.
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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