KR20130114652A

KR20130114652A - 패널 안테나 및 셀룰러 통신 네트워크

Info

Publication number: KR20130114652A
Application number: KR20137008405A
Authority: KR
Inventors: 크루즈 에두아르도 모타
Original assignee: 브이그 텔레콤
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US9136593B2; FR2965411B1; CN103222110A; CN103222110B; WO2012041979A1; JP5998144B2; EP2622678A1; FR2965411A1; JP2013542660A; US20130176188A1

Abstract

본 발명은 접지 평면(P)과, 유전율(ε₁)을 가진 유전체 기판(11)과, 적어도 하나의 방사 소오스(S_i)를 포함하는 패널 안테나에 관한 것으로, 기판(11)은 접지 평면(P)상에 배치되고, 각 방사 소오스는 다수의 안테나 소자(E_ij)로 형성되며, 안테나 소자(E_ij)들은 기판상에 배치되고 파장 λ 미만의 거리(d_e)로 서로간에 연속적으로 이격되고, 파장 λ는 안테나 동작 주파수에 대응한다. 안테나는 기판(11)의 유전율(ε₁)보다 높은 유전율(ε₂)을 가진 유전체 슈퍼스트레이트(dielectric superstrate)(12)를 더 포함하고, 슈퍼스트레이트는 안테나 소자(E_ij)들 위에 배열되고, 안테나 소자(E_ij)들은 모두 동일하며 동작 동안에 동일한 방사 특성을 가짐을 특징으로 한다.

Description

패널 안테나 및 셀룰러 통신 네트워크{COMPACT HIGH-GAIN ANTENNA}

본 발명은 특히 셀룰러 네트워크에 이용되는 패널 안테나(panel antenna) 분야에 관한 것이다.

BTS(Base Transceiver stations)는 높이 배열(교회 루버(church louvers), 보호 빌딩 정면의 돋을 새김(bas-reliefs of the facades of protected building)등)의 견지에서 주요한 제약이 있다.

오늘날, 셀룰러 네트워크는 그들의 무선 범위를 최대화하기 위해 등방성 고이득 안테나에 의지한다. 이들 이득은 높이가 1800/2100 MHz에 대한 1.2m와 900MHz에 대한 2.4m사이에서 통상적으로 가변하는 패널에 의해 획득된다.

유사한 방식으로 패널 안테나는 기판상에 수직열(vertical row)로 배열된 다수의 안테나 소자들로 구성된다.

도 1에는 알려진 유형의 패널 안테나가 도시된다.

도 1의 패널 안테나는 기판(11)상에 배열된 8개의 안테나 소자 E_i(i=1 내지 8)로 구성되며, 각 안테나 소자 E_i는 액세스 포인트(access point) A_i를 포함하고, 대략 0.9λ의 거리 d_e로 이격되는데, 이때, λ은 안테나의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 진공 파장이다. 그 거리는 안테나 소자들 E_i의 두 개의 액세스 포인트들 A_i 사이의 거리이다.

안테나 소자 E_i는, 예를 들어, 인접하는 안테나 소자 E_i가 제 1 공급 라인 L₁에 의해 2개씩 접속되어 4 쌍의 안테나 소자를 형성하는 트리 구조(tree structure)로 공급된다.

그 쌍들은 제 2 공급 라인 L₂에 의해 2개씩 서로 접속되어, 2개의 쿼드러플럿(quadruplet)을 형성하며, 그 쿼드러플럿들은 최종적으로 제 3 공급 라인 L₃에 의해 상호 접속된다.

공급 라인들은 각 안테나 소자 E_i의 2개의 액세스 포인트들 A_i 간에 정의된다.

도 2a 및 도 2b에는 각각 기판(11)상에 배열된 안테나 소자 E_i의 평면도 및 측면도가 도시된다. 기판상에 배열된 안테나 소자 Ei는 "패치(patch)"라고 하는 방사 소오스(radiating source)를 형성한다.

유전체 기판(11)은 유전 상수 ε₁을 가지며, 접지 평면 P상에 배열되고, 안테나 소자 E_i는 기판(11)상에 배열된다.

안테나 소자 E_i는 커넥터 A_i에 접속된 유전체 기판(11)상에 배열되어 안테나 소자 E_i를 공급한다.

각 안테나 소자 E_i는 동작 동안에 대략 8dBi의 단위 이득(unit gain)을 디스플레이하며, 그러므로, 도 1의 안테나는 8×0.9λ=7.2λ의 높이에 대해 8dBi+10log(8)=17dBi의 이득을 디스플레이한다.

도 3a 및 도 3b의 테이블에는 안테나 주파수 대역의 중심 주파수에서 셀룰러 네트워크에 이용되는 2개의 주요 주파수 대역(900MHz라고 알려진 880-960MHz 대역과, 2100MHz라고 알려진 1710-2170MHz 대역)에 대한 안테나의 이득과 그의 높이간의 비율이 도시된다. 특히, 15dBi의 이득으로부터 17dBi의 이득으로 진행하기 위해서는, 안테나 높이가 주어진 중심 주파수에 대해 대략 2배로 되어야 할 필요가 있다.

그러므로, 안테나의 높이는 안테나 소자 E_i의 개수에 의해 좌우된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 안테나의 이득이 커지면 보다 많은 소자가 요구되어 안테나의 크기가 커지게 된다.

이것이 문제가 안되는 것은 아니며, 그 이유는 오늘날의 경향이 패널 안테나에 대해 최대 높이를 부과하고 있고 실제적으로 높이를 줄이고 있기 때문이다.

일부 안테나 소자 E_i를 제거하는 것을 포함하여, 패널 안테나의 크기를 줄이는 해법은 알려져 있다. 그러나 그러한 제거는 안테나 이득의 견지에서 손실을 가져오며, 그러므로 안테나 성능에 있어서 열화를 초래한다.

본 발명의 한가지 목적은 안테나 크기를 증가시키지 않으면서 안테나 이득을 증가시킬 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 안테나 이득을 감소시키지 않으면서 안테나의 높이를 줄일 수 있게 하는 것이다.

따라서, 본 발명은 접지 평면, 유전율을 가진 유전체 기판 및 적어도 하나의 방사 소오스를 포함하는 패널 안테나에 관한 것으로, 기판은 접지 평면상에 배열되고, 각 방사 소오스는 다수의 안테나 소자로 형성되며, 안테나 소자들은 기판상에 배열되어 파장 λ 미만의 거리로 서로 간에 연속적으로 이격되며, 파장 λ는 안테나 동작 주파수에 대응한다.

본 발명에 따른 안테나는, 기판의 유전율보다 큰 유전율을 가진 유전체 슈퍼스트레이트(superstrate)를 추가로 포함하며, 슈퍼스트레이트는 안테나 소자 위에 배열되고, 안테나 소자들은 모두 동일하며 동작 동안에 동일한 방사 특성을 갖는다.

각 방사 소오스를 형성하는 안테나 소자의 그러한 배열은 일정한 이득으로 높이 감소를 달성할 수 있게 하거나 일정한 높이로 이득의 증가를 획득할 수 있게 한다.

바람직하게, 안테나는 기판의 유전율보다 큰 유전율을 가진 유전체 슈퍼스트레이트을 더 포함하며, 슈퍼스트레이트는 안테나 소자상에 배열된다.

슈퍼스트레이트와 안테나 소자들의 배열과의 조합에 의해 일정한 이득으로 높이 감소를 달성할 수 있거나 일정한 높이로 이득의 증가를 달성할 수 있게 된다.

본 발명에는 이하의 특성들의 단독 또는 그들의 기술적으로 실현 가능한 조합이 바람직하게 추가된다:

- 각 방사 소오스는 제 1 공급 라인에 의해 연속적으로 쌍으로 연결되는 4개의 안테나 소자를 포함하며, 각 쌍은 제 2 공급 라인에 의해 서로 연결되고, 제 2 공급 라인의 중심은 상기 방사 소오스의 공급을 위한 방사 소오스의 액세스 포인트를 포함한다;

- 그것은 여러개의 방사 소오스를 포함하고, 방사 소오스들은 서로 간에 그들의 액세스 포인트가 2 개의 안테나 소자들간의 거리와 동일한 거리만큼 이격되도록 배열되며, 각 방사 소오스는 동일한 방사 특성을 가진다;

- 안테나 소자들은 서로 간에 d_s(N-1)/N과 동일한 거리 d_e로 배열되며, d_s는 2개의 방사 소오스들의 2개의 액세스 포인트들간의 거리이고, N은 각 방사 소오스의 안테나 소자들의 개수이다;

- 각 방사 소오스는 바람직하게 2개 내지 6개의 안테나 소자를 포함한다;

- 안테나 소자는 정사각형, 등변 삼각형, 타원형과 같은 그룹으로부터 선택된 형상을 가진 패치이다;

- 안테나 소자는 혼 안테나(horn antenna) 또는 와이어 안테나(wire antenna)와 같은 기술로부터 도출된다;

- 그것은 접지 평면과 각 안테나 소자 상에 접속된 저항을 포함한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 패널 안테나를 포함하는 셀룰러 통신 네트워크에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 안테나 크기를 증가시키지 않으면서 안테나 이득을 증가시킬 수 있거나, 안테나 이득을 감소시키지 않으면서 안테나의 높이를 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은, 이미 설명한 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b를 제외한, 첨부된 도면을 참조하여 이해되어야 하는 이하의 설명으로부터 더욱 명확하게 될 것이지만, 그것은 단지 예시적이고 비제한적인 것이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 패널 안테나를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 패널 안테나를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 안테나의 안테나 소자의 평면도 및 측면도를 각각 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 기본 소오스(elemental source)를 도시한 도면이다.
도 8은 동작 동안에 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 안테나와 동일한 이득을 디스플레이하는 알려진 유형의 패널 안테나를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 안테나와 동일한 높이를 가진 알려진 유형의 패널 안테나를 도시한 도면이다.
모든 도면에서, 유사한 소자는 동일한 참조 범호를 가진다.

이하에서는 도 4 내지 도 9와 관련하여 본 발명의 2가지 실시 예가 설명된다.

"안테나 소자"는 바람직하게 평탄한 전도성 몸체(flat conducting body)를 가진 방사 소자를 의미한다.

"방사 소오스"는 여러개의 안테나 소자의 조합을 의미한다.

"패널 안테나"는 여러개의 안테나 소자를 포함하는 평면 안테나(planer antenna)를 의미한다.

각 실시 예에 있어서, 패널 안테나는 유전율 ε₁을 가진 유전체 기판(11)을 포함하며, 그 기판(11)은 접지 평면 P상에 배열된다. 또한, 패널 안테나는 적어도 하나의 방사 소오스 S_i을 포함한다.

각 방사 소오스 S_i는 서로 간에 연속적으로 이격된 다수의 안테나 소자들 E_ij로 형성된다. 2개의 연속하는 안테나 소자는 파장 λ 미만의 거리 d_e로 이격되며, 이때 파장 λ은 안테나 동작 주파수에 대응한다.

도 4의 안테나는 2개의 방사 소오스 S₁ 및 S₂를 포함하며, 도 5의 안테나는 6개의 방사 소오스를 포함한다.

바람직하게, 각 방사 소오스 S_i는, 예를 들어, 제 1 공급 라인 L₁에 의해 트리 구조의 쌍으로 접속된 4개의 안테나 소자 E_i1, E_i2, E_i3, E_i4를 포함한다.

각 안테나 소자는 공급 라인 L₁에 의해 쌍을 이루는 안테나 소자들의 접속을 위한 액세스 포인트 A_ij를 포함한다.

안테나 소자들 E_ij의 쌍은 제 2 공급 라인 L₂에 의해 접속된다. 제 2 공급 라인 L₂의 중심은 방사 소오스 S_i의 액세스 포인트 A_i를 포함한다. 그러한 액세스 포인트 A_i는 그것과 관련있는 방사 소오스 S_i의 공급을 위한 것이다.

알겠지만, 방사 소오스 S_i만큼의 액세스 포인트 A_i가 존재한다. 따라서, 6개의 방사 소오스를 포함하는 도 5의 안테나는 6개의 액세스 포인트 A₁, A₂, A₃, A₄, A₅, A₆를 포함한다.

방사 소오스 S_i는, 서로간에 그들의 액세스 포인트들 A_i이 2개의 방사 소오스 S_i의 2개의 연속하는 액세스 포인트들간의 거리 d_s와 동일한 거리로 이격되도록 배열된다.

또한, 방사 소오스 S_i의 안테나 소자 E_ij는 서로간에 d_s(N-1)/N과 동일한 거리 d_e로 배열되며, 이때, d_s는 방사 소오스들 S_i간의 거리이고, N은 각 방사 소오스 S_i의 안테나 소자들 E_ij의 개수이다. 그 다음, d_e는 각 안테나 소자E_ij의 2개의 연속하는 액세스 포인트 A_ij간의 거리이다.

보다 구체적으로, 각 안테나 소자의 대칭의 중심을 통과하는 주축(main axis)을 정의하는데 있어서, 각 안테나 소자의 액세스 포인트 A_ij는 주축에 수직한 축상에 배치되며, 제 1 및 제 2 공급 라인 L₁, L₂는 주축과 평행하다.

바람직하게, 각 방사 소오스 S_i은 4개의 방사 소자 E_ij를 포함한다.

(도 4 및 도 5의) 안테나는 안테나 소자 E_ij상에 배열된 기판(11)의 유전율 ε₁보다 큰 유전율 ε₂을 가진 유전체 기판(12)을 추가로 포함한다.

알려진 유형, 즉, 패치형의 방사 소오스를 형성하는 안테나 소자 E_i와 관련하여, 안테나 소자 E_ij는 안테나 소자의 크기 감소가 가능하도록 높은 유전율을 가진 매체에 매립되며, 그에 따라 그의 동작 파장이 감소되거나, 또는 동작 파장은 유지된채 그의 물리적 치수가 감소될 수 있게 된다.

기판(12)을 이용하면, 보다 높은 안테나 소자와 동일한 방사 특성을 유지할 수 있게 된다.

또한, 접지 평면 P와 각 안테나 소자 E_ij(도 6a 및 도 6b 참조)간에 저항 R이 접속된다. 저항 R은 전형적으로 1 Ohm이다. 이 저항 R은 안테나 소자의 방사 측면들(radiating sides) 중 하나를 회로 단락시키는 작용을 한다. 이러한 회로 단락은, 다이폴(dipole)의 각 측면상에 각각 λ/4의 크기를 가진 2개의 단극(monopole)으로 형성된 λ/2 크기의 방사 소자를 λ/4의 크기를 가진 단일 단극으로 변환하는 작용을 하며, 결론적으로 방사 소자의 전기적 치수가 절반으로 줄어들게 된다.

이러한 저항 R은 공진 동작에서 안테나의 통과 대역에 있어서 상당한 증가를 가져온다.

최종적으로, 유전율 ε₁은 예를 들어, 1과 4 사이이며, 바람직하게는 2.2이고, 유전율 ε₂은 예를 들어, 10과 50 사이이며, 바람직하게는 30이다.

예를 들어, 알려진 유형의 패치인 안테나 소자 E_i와 관련하여, 중심 주파수가 920MHz인 GSM 대역에 있어서의 동작 주파수의 경우, 안테나 소자 E_i의 그 측면은 94mm의 치수이고, (슈퍼스트레이트를 가진) 안테나 소자 E_ij의 그 측면은 21.5mm의 치수를 가진다.

예시적으로, 작은 크기 또는 작은 방사 개구 때문에 소오스들의 조합이 가능한 혼 안테나 또는 와이어 안테나와 같은 기술로부터 도출되거나, 형상에 있어서 등삼각형, 타원형 또는 정사각형인 안테나 소자 E_ij가 고려될 수 있다.

높이의 감소 - 일정한 이득

도 4에 도시된 안테나에서는 17dBi의 동일 이득을 유지하면서 알려진 유형의 패널 안테나의 높이의 감소가 가능하다.

그것은 거리 d_s=0.9λ만큼 이격된 2개의 방사 소오스 S₁, S₂를 포함하며, 그 방사 소오스 각각은 거리 0.9λ(4-1)/4 = 0.675λ만큼 이격된 4개의 안테나 소자로 구성된다(도 7 참조).

각 방사 소오스는, 도 4의 안테나가 동작 동안에 17dBi의 이득을 디스플레이하도록 동작 동안에 14dBi의 이득을 디스플레이한다.

그럼에도, 도 8에 도시된 안테나와 관련하여, 높이는 절반으로 감소되는데, 그 감소는 7.2λ(8×0.9λ) 내지 3.6λ(4×0.9λ)이다.

방사 소오스 S₁ 및 S₂는, 각각 액세스 포인트 A₁, A₂를 가지며, 소오스 S_i의 액세스 포인트 A_i들이 동일 거리 d_s로 이격되어 설정되도록 안테나의 장축(longitudinal axis)을 따라 네스트(nest)(도 4 참조)된다. 서로 다른 소오스의 공급 회로에 대한 이해를 도모하기 위해, 각 액세스 포인트는 다음 액세스 포인트에 대향되는 측면상에 배열된다. 2 개의 다른 방사 소오스에 속하는 2개의 연속하는 방사 소자들간의 거리는 d_s/N과 d_s(N-1)/N 사이, 즉, 0.225λ와 0.675λ 사이에서 가변한다.

이득의 증가 - 일정한 높이

도 5에 도시된 안테나에서는 알려진 유형의 패널 안테나와 동일한 높이를 유지하면서 안테나의 이득의 증가가 가능하다.

그것은 각각 4개의 안테나 소자를 포함하는 6개의 방사 소오스를 포함한다(도 7 참조).

상술한 실시 예에서 처럼, 각 방사 소오스는, 도 9에 도시된 바와 같이, 동일한 높이(7.2λ의 높이)의 안테나에 의해 획득한 17dBi가 아닌 21.8dBi의 이득을 도 5의 안테나가 동작 동작에 디스플레이하도록, 동작 동안에 14dBi의 이득을 디스플레이한다.

상술한 바와 같이, 각각 액세스 포인트 A₁, A₂, A₃, A₄, A₅, A₆를 가진 방사 소오스는, 소오스 S_i의 액세스 포인트 A_i가 동일한 거리 d_s로 이격되어 설정되도록, 안테나의 장축을 따라 네스트(도 5 참조)된다. 서로 다른 소오스의 공급 회로에 대한 이해를 도모하기 위해, 각 액세스 포인트는 다음 액세스 포인트에 대향되는 측면상에 배열된다. 2 개의 다른 방사 소오스에 속하는 2개의 연속하는 방사 소자들간의 거리는 d_s/N과 d_s(N-1)/N 사이, 즉, 0.225λ와 0.675λ 사이에서 가변한다.

11: 기판
12: 유전체 기판
S_i, S₁, S₂: 방사 소오스
E_ij, E_i1, E_i2, E_i3, E_i4: 안테나 소자
A_i,A₁, A₂, A₃, A₄, A₅, A₆: 액세스 포인트

Claims

패널 안테나로서,
접지 평면(P)과, 유전율(ε₁)을 가진 유전체 기판(11)과, 적어도 하나의 방사 소오스(S_i)를 포함하되,
상기 기판(11)은 접지 평면(P)상에 배열되고, 상기 각 방사 소오스는 다수의 안테나 소자(E_ij)로 형성되며, 상기 안테나 소자(E_ij)들은 기판상에 배열되어 파장 λ 미만의 거리(d_e)로 서로간에 연속적으로 이격되고, 파장 λ는 안테나 동작 주파수에 대응하고,
상기 안테나는 상기 기판(11)의 유전율(ε₁)보다 높은 유전율(ε₂)을 가진 유전체 슈퍼스트레이트(dielectric superstrate)(12)를 더 포함하고,
상기 슈퍼스트레이트는 상기 안테나 소자(E_ij)들 위에 배열되고, 상기 안테나 소자(E_ij)들은 모두 동일하며 동작 동안에 동일한 방사 특성을 가지는
패널 안테나.
제 1 항에 있어서,
각 방사 소오스(S_i)는 제 1 공급 라인(L₁)에 의해 연속적으로 쌍으로 접속된 4개의 안테나 소자(E_i1, E_i2, E_i3, E_i4)를 포함하며, 상기 쌍은 제 2 공급 라인(L₂)에 의해 서로 접속되며, 상기 제 2 공급 라인(L₂)의 중심은 상기 방사 소오스(S_i)의 공급을 위한 방사 소오스(S_i)의 액세스 포인트(A_i)를 포함하는
패널 안테나.
제 2 항에 있어서,
다수의 방사 소오스(S_i)를 더 포함하고,
상기 방사 소오스(S_i)들은, 서로 간에 그들의 액세스 포인트(A_i)가 2개의 안테나 소자(E_ij)간의 거리와 동일한 거리로 이격되도록 배열되며, 각 방사 소오스(S_i)는 동일한 방사 특성을 가지는
패널 안테나.
선행하는 청구항들 중 임의의 항에 있어서,
상기 안테나 소자(E_ij)들은 서로 간에 d_s(N-1)/N과 동일한 거리 d_e로 배열되며, d_s는 2개의 방사 소오스(S_i)의 2 개의 액세스 포인트(A_i)들간의 거리이고, N은 각 방사 소오스(S_i)의 안테나 소자(E_ij)의 개수인
패널 안테나.
선행하는 청구항들 중 임의의 항에 있어서,
각 방사 소오스(S_i)는 바람직하게 2개 내지 4개 사이의 안테나 소자(E_ij)들을 포함하는
패널 안테나.
선행하는 청구항들 중 임의의 항에 있어서,
상기 안테나 소자(E_ij)들은 정사각형, 등변 삼각형, 타원형 중에서 선택된 형상을 가진 패치인
패널 안테나.
선행하는 청구항들 중 임의의 항에 있어서,
상기 안테나 소자(E_ij)들은 혼 안테나 또는 와이어 안테나로부터 도출되는
패널 안테나.
선행하는 청구항들 중 임의의 항에 있어서,
상기 접지 평면(P)과 각 안테나 소자(E_ij) 사이에 접속된 저항(R)을 포함하는
패널 안테나.
선행하는 청구항들 중 임의의 항에 따른 패널 안테나를 포함하는 셀룰러 통신 네트워크.