KR20190086130A

KR20190086130A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20190086130A
Application number: KR1020180004286A
Authority: KR
Inventors: 김인호; 최오석; 양형석; 박정욱; 서진석
Original assignee: 주식회사 케이엠더블유
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-07-22
Also published as: KR102412521B1; CN110034377A; US11322836B2; KR102452639B1; WO2019139281A1; JP6961827B2; KR20220090486A; CN110034377B; JP2021511711A; US20200343629A1; CN209401823U

Abstract

본 발명은 Massive MIMO 안테나의 개별 안테나 모듈 사이를 차폐하는 차폐벽에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽은 복수의 스테이플 형태의 단위 격벽이 차폐벽의 길이 방향으로 배열되어 형성되되, 단위 격벽은 사용 주파수 대역에 따라 최적의 폭 및 높이를 가지도록 설계되고, 사용 주파수 대역을 기준으로 소정의 간격 이하가 되도록 배열됨으로써, X-POL isolation 및 CO-POL isolation 특성을 모두 만족하면서도 소형, 경량으로 용이하게 제작 가능한 안테나 구조를 제공하는데 특징이 있다.

Description

안테나 장치{Antenna Apparatus}

본 발명은 이중 편파 안테나 어레이로 구성된 Massive MIMO 안테나의 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 Massive MIMO를 구성하는 복수의 이중 편파 안테나 모듈을 서로 차폐하는 차폐벽에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 다수의 안테나를 사용하여 데이터 전송용량을 획기적으로 늘리는 기술로서, 송신기에서는 각각의 송신 안테나를 통해 서로 다른 데이터를 전송하고, 수신기에서는 적절한 신호처리를 통해 송신 데이터들을 구분해 내는 공간 다중화(Spatial multiplexing) 기법이다. 따라서 송수신 안테나의 개수를 동시에 증가시킴에 따라 채널 용량이 증가하여 더욱 많은 데이터를 전송할 수 있게 한다. 예를 들어 안테나 수를 10개로 증가시키면 현재의 단일 안테나 시스템에 비해 같은 주파수 대역을 사용하여 약 10배의 채널 용량을 확보하게 된다.

4G LTE-advanced에서는 8개의 안테나까지 사용하고 있으며, 현재 pre-5G 단계에서 64 또는 128개의 안테나를 장착한 제품이 개발되고 있고, 5G에서는 훨씬 더 많은 수의 안테나를 갖는 기지국 장비가 사용될 것으로 예상되며, 이를 Massive MIMO 기술이라고 한다. 현재의 셀(Cell) 운영이 2-Dimension인데 반해, Massive MIMO 기술이 도입되면 3D-Beamforming이 가능해지므로 Massive MIMO 기술은 FD-MIMO(Full Dimension)라고도 불린다.

Massive MIMO 기술에서는 안테나 소자의 개수가 늘어나면서 전제 기지국 장비의 무게와 부피가 증가하게 된다. 건물 옥상, 높은 구조물 위 등 기지국이 설치되는 환경을 고려할 때, 이들 관련 부품의 소형화, 경량화 및 고성능화가 요구되고 있으나, 이중 편파 안테나 사이의 주파수 간섭을 최소화하기 위한 차폐벽 등으로 인해 소형화 및 경량화가 쉽지 않다.

본 발명에서는 이중 편파 안테나 사이를 통상의 박판 형태의 차폐벽 대신, 복수의 스테이플(staple) 형태의 단위 격벽이 배열되어 형성된 차폐벽을 사용함으로써, 복수로 배열된 이중 편파 안테나 간의 X-POL isolation 및 CO-POL isolation특성이 모두 개선되면서 소형화, 경량화의 목적도 달성하는 것이 목적이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 베이스 기판; 제1방향으로 배열된 복수의 안테나 모듈열을 포함하는 안테나 모듈 어레이로서, 안테나 모듈열은 베이스 기판 상에서 제1방향에 수직인 제2방향으로 배열되는 하나 이상의 이중 편파 안테나 모듈을 포함하는 안테나 모듈 어레이; 및 이웃하는 안테나 모듈열 사이에 배치되는 제1 차폐벽으로서, 제2방향으로 배열되며 서로 이격되는 복수의 단위 격벽에 의해 형성되는 제1차폐벽을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1 차폐벽은 도전성 선형 부재로 이루어진 단위 격벽에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 단위 격벽은 일단이 베이스 기판에 안착된 하나 이상의 수직차폐부재, 및 수직차폐부재에 연결되어 베이스 기판으로부터 제1이격 높이로 이격 배치되는 수평차폐부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 수평차폐부재는 제2방향을 따라 일렬로 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 수평차폐부재는 직선 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 수평차폐부재의 길이는 안테나 모듈의 감소된 배열 간격에 비례하여 상호 주파수 간섭을 줄일 수 있는 길이를 갖되, 안테나 모듈 어레이의 제1방향 배열 간격보다 작은 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 수평차폐부재의 배열 간격은, 단위 격벽에 반사된 전파에 의한 안테나 모듈 사이에서의 상호 간섭을 줄이는 배열 간격을 갖되, 수평차폐부재의 제2방향으로의 배열 간격은 수평차폐부재 길이의 정배수 이하의 간격을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 수평차폐부재의 길이는 안테나 모듈 어레이의 제1방향 배열 간격의 1/4 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 수평차폐부재의 배열 간격은 수평차폐부재 길이의 2배 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 단위 격벽은 두 개의 수직차폐부재를 포함하고, 두 개의 수직차폐부재의 일단은 리플렉터에 연결되고, 두 개의 수직차폐부재의 타단은 수평차폐부재의 양단에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1방향의 양 끝단에 배치된 안테나 모듈열의 외측에 각각 배치되는 제2 차폐벽으로서, 제2방향으로 배열되며 서로 이격되는 복수의 단위 격벽에 의해 형성되는 제2차폐벽을 더 포함하되, 제2 차폐벽의 단위 격벽은, 리플렉터로부터 제2이격 높이로 이격 배치되는 수평차폐부재를 포함하고, 제2이격 높이는 제1이격 높이 보다 낮은 것을 특징으로 한다.

또한, 수직차폐부재는 단위 격벽이 베이스 기판과 연결되도록 형성된 접속단자부를 타단에 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 접속단자부는 베이스 기판을 관통하여 삽입되는 핀 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 접속단자부는 베이스 기판과 나란하도록 연장된 리드(lead) 부재를 포함하고, 리드 부재는 베이스 기판 상에 솔더링되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1 차폐벽은 베이스 기판 상에 직립된 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판 상에 형성된 도전패턴으로 이루어지는 단위 격벽에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 복수의 스테이플 형태의 단위 격벽이 배열되어 형성된 차폐벽으로 이중 편파 안테나 사이를 차폐함으로써, 안테나 모듈을 더 높은 밀도로 용이하게 실장할 수 있어, 소형, 경량인 안테나 구조를 구현하면서도 주파수 간섭을 차폐하는 특성이 우수한 효과가 있다.

도 1은 네 방면에 차폐벽을 갖는 통상의 Massive MIMO 이중 편파 안테나를 나타내는 개념도이다.
도 2는 Massive MIMO 이중 편파 안테나에 세로 방향 차폐벽을 배치한 제1비교실시예의 개념도이다.
도 3은 전산모사에 의한 제1비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 전산모사에 의한 제1비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽을 구성하는 스테이플 형태의 단위 격벽을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽이 세로 방향으로 나열된 이중 편파 안테나의 양측에 배열된 것을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 차폐벽의 전산모사에 의한 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 차례벽의 전산모사에 의한 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽의 배치 간격을 사용 파장의 1/3 보다 큰 간격으로 배치한 제2비교실시예의 개념도이다.
도 10은 전산모사에 의한 제2비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 전산모사에 의한 제2비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 제3비교실시예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽의 수평차폐부재가 없는 경우의 개념도이다.
도 13은 전산모사에 의한 제3비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 전산모사에 의한 제3비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 인쇄회로기판 상에 도전 패턴으로 단위 격벽을 형성하는, 차폐벽을 나타내는 개념도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전체 평면도로서, 최외곽에 배치된 차폐벽의 비대칭성을 설명하는 개념도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽의 외곽 그라운드가 충분히 확보된 경우를 나타내는 제4비교실시예의 사시도이다.
도 18은 전산모사에 의한 제4비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 전산모사에 의한 제4비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽의 외곽 그라운드가 협소한 경우를 나타내는 제5비교실시예의 사시도이다.
도 21은 전산모사에 의한 제5비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 22는 전산모사에 의한 제5비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽의 제2격벽을 나타내는 개념도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽에 제2격벽을 적용한 경우를 나타내는 개념도이다.
도 25는 전산모사에 의한 제2격벽이 적용된, 도 24의 일 실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 26은 전산모사에 의한 제2격벽이 적용된, 도 24의 일 실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 27은 리플렉터 상에 안테나 모듈이 배치되는 두 형태를 나타내는 개념도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 안테나 모듈이 두 방향으로 나란히 배치된 경우를 나타내는 개념도이다.
도 29은 전산모사에 의한 도 28의 일 실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.
도 30은 전산모사에 의한 도 28의 일 실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 네 방면에 차폐벽을 갖는 통상의 Massive MIMO 이중 편파 안테나를 나타내는 개념도이다.

일반적으로 이중 편파 안테나는 안테나 패치(patch, 910), 급전선로(930), 리플렉터(reflector)를 포함하는 베이스 기판 및 차폐벽(920)을 포함하며, 무선 통신 기기의 안테나 형태는 다양한 형태가 활용되고 있으나, 사각형 안테나 패치의 형태를 가지고, 대각선 방향으로 각각 +45, -45 방향의 폴을 가지도록 X-POL(Dual Polarization)) 안테나가 구성되는 경우가 가장 일반적이다. 이러한 X-POL안테나는 V-POL(Single Polarization)안테나에 비해 같은 공간에 두 배의 안테나를 배치할 수 있어 다수의 안테나를 더 작은 크기로 구축할 수 있다. 이러한 안테나 패치는 인접한 안테나 패치와 소정의 간격이 확보되어야 주파수 간섭을 최소화할 수 있다. 그러나 이동 통신 주파수 대역을 감안하면 배치 간격을 좁힐 수 없어 기지국 안테나 크기 축소에는 한계가 있다.

도 1과 같이 안테나 패치를 사각으로 둘러싸는 차폐벽(920)을 구비함으로써 안테나 패치(910)의 배열 간격을 줄여 주파수 간섭을 줄이면서 기지국 안테나의 3D 빔 포밍(beam forming)이 효과적으로 수행될 수 있다. 그러나 이러한 형태의 차폐벽(920)은 무게 및 제조비용이 많이 증가하는 단점이 있다.

베이스 기판(310)은 리플렉터를 포함하는 구조일 수 있고, 안테나 회로의 접지를 제공하는 역할과 반사 표면으로서의 기능을 수행하며, 이중 편파 안테나의 후방 방사는 주 방사 방향으로 반사되며, 이에 의해 이중 편파 안테나의 빔 효율이 향상된다. 후술하는 안테나 모듈(110)은 안테나 패치(910) 및 안테나 패치(910)에 RF 신호를 공급하는 급전선로를 포함하는 것을 의미한다.

도 2는 Massive MIMO 이중 편파 안테나에 세로 방향 차폐벽을 배치한 제1비교실시예의 개념도이다.

무게 및 제조비용을 절감하기 위한 하나의 방안으로 도 2와 같이 세로방향인 일방향(제2방향(D2))으로만 차폐벽(210)을 설치하는 제1비교실시예를 고려할 수 있다. 그러나 이러한 구조는 안테나 모듈(110)을 기준으로 제1방향(D1) 및 제2 방향(D2)의 주변부가 완전 대칭이 아니기 때문에 CO-POL isolation은 개선되지만, X-POL isolation 특성은 저하된다.

도 3은 전산모사에 의한 제1비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 4는 전산모사에 의한 제1비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

통상 Massive MIMO 안테나에서는 X-POL 및 CO-POL isolation 특성은 20 dB 이상의 차폐 성능을 요구한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, CO-POL isolation 특성은 S1,3의 경우 -23.1 dB, S2,4의 경우 -23.6 dB로 우수한 반면, X-POL isolation은 S2,1이 -14.5 dB로 나빠지는 것을 확인할 수 있다. 차폐벽(210)이 설치되지 않은 방향(제1방향(D1))의 이웃한 안테나 모듈(110) 사이에서 전파가 차폐벽(210)에 반사되어 서로 간에 간섭을 일으켜 특성이 저하되는 것으로 이해될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽을 구성하는 스테이플 형태의 단위 격벽을 나타내는 개념도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽이 세로 방향으로 나열된 이중 편파 안테나의 양측에 배열된 것을 나타내는 개념도이다.

본 발명을 기술함에 있어 후술하는 제2차폐벽(43)과 구분하기 위해 도 6의 차폐벽(42)은 제1차폐벽(42)으로도 기재될 수 있다.

도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽(42)은 스테이플 형태의 단위 격벽(410)이 차폐벽(42)의 길이 방향으로 일렬로 배열된 형태로 구성된다. 단위 격벽(410)은 상단의 크라운(crown)에 해당하는 수평차폐부재(412), 수평차폐부재(412)의 양단에서 연장되어 판형 베이스 기판(310)에 연결되는 수직차폐부재(414)를 포함한다. 베이스 기판(310)과 수직차폐부재(414)는 표면실장, 납땜 등이 용이하도록 접속단자부(416)를 포함한다.

즉, 안테나 모듈(110)이 놓인 평면과 나란한 위치에 수평차폐부재(412)가 배치되며, 수평차폐부재(412)와 수직차폐부재(414)는 모두 와이어(wire)가 절곡되어 형성될 수 있는 단순하고 실장이 용이한 구조를 가지는 단위 격벽(410)을 배열함으로써 차폐벽(42)을 구성하는 것이 본 발명의 특징이다.

단위 격벽(410)은 베이스 기판(310) 상에 실장되어 외부 진동에도 충분히 견딜 수 있도록 견고하게 지지하도록 형성된 접속단자부(417, 418, 419)를 포함하는 형태로, 도 5의 (b) 내지 (d)와 같이 형성될 수 있다. 도 5의 (b)는 삽입 핀 형태의 접속단자부(417)를 포함하는 경우이며, 베이스 기판(310)에 관통 구멍이 형성되고, 단위 격벽(410)이 관통 구멍에 삽입되어 솔더링(soldering) 등의 통상적인 방법으로 연결되는 경우를 나타낸다. 도 5의 (c) 및 (d)는 표면 실장을 고려한 형태의 접속단자부(418, 419)를 포함하는 경우이며, 단위 격벽(410)의 종단부가 연장되되 내측 혹은 외측으로 절곡된 형태를 나타내며, 일반적인 표면실장 부품의 리드 단자부의 형태를 응용한 형태이다. 이러한 접속단자부(418, 429)는 베이스 기판(310) 상에 형성된 패드 형태의 단자부(미도시)에 솔더링에 의해 연결될 수 있다. 이들 실시예는 단지 예시일 뿐, 본 발명의 기술 내용을 한정하는 것은 아니며 이외에도 다양한 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽(42)의 성능, 즉, 단위 격벽(410)에 반사된 전파에 의한 안테나 모듈(110) 사이에서의 상호 간섭을 줄이는 성능을 결정하는 인자로는 단위 격벽(410)의 배열 간격, 수평차폐부재(412)의 길이 및 수직차폐부재(414)의 높이를 들 수 있다. 일 실시예에서 수직차폐부재(414)의 높이는 베이스 기판(310)을 기준면으로 하여 수평차폐부재(412)가 이격 배치되는 높이에 해당한다.

전자파 속도는 빛의 속도(3x10⁸ m/s)에 해당하며 파장의 길이와 주파수의 곱인 관계를 가진다. 즉, 이동 통신 주파수의 대역인 2.5 GHz의 파장은 120 mm로 계산된다. 전산모사를 통해 도출한 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 차폐벽 설계 인자 값은 다음과 같다.

단위 격벽(410)의 수평차폐부재(412)의 길이는 λ/8로, 사용 주파수 파장의 1/8 크기인 것이 바람직하며, 2.5 GHz 주파수의 경우 15 mm에 해당한다. 일 실시예에서 안테나 모듈(110)은 제1방향(D1)으로 통상의 경우보다 감소된 배열 간격을 가지는 경우이며, 일 실시예의 수평차폐부재(412)의 길이는 이를 고려해 인접한 안테나 모듈(110) 사이의 상호 주파수 간섭을 줄일 수 있는 길이를 갖되, 안테나 모듈(110)의 제1방향(D1) 배열 간격보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.

제2방향(D2)의 안테나 모듈(110) 배열 간격이 λ/2 인 경우이며, 수평차폐부재(412)의 길이는 안테나 모듈(110) 배열 간격의 1/4의 크기에 해당한다. 이는, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)의 배열에 있어서, 제2방향(D2)으로의 수평차폐부재(412)의 배열 간격이 수평차폐부재(412) 길이의 정배수의 간격을 갖는 것이 바람직한 것으로 해석할 수 있다. 안테나 모듈(110)의 배치가 일 실시예와 상이한 경우 수평차폐부재(412)의 배열 간격은 상술한 관계에 의한 크기 이하에서 최적화될 수도 있다. 수직차폐부재(414)의 높이로서 제1이격 높이는 사용 주파수 파장의 λ/10로, 수평차폐부재(412)와 베이스 기판(310) 사이의 간격은 수평차폐부재(412)의 길이보다 작은 것이 바람직하며, 2.5 GHz 주파수의 경우 12 mm에 해당한다. 단위 격벽(410)의 배열 간격은 λ/3보다 작은 것이 바람직하며, 일 실시예의 경우 λ/6으로 설계되어 단위 격벽(410)이 배열된다. 일 실시예와 안테나 모듈(110)의 기본 배치 형태가 다른 경우를 고려하여 서술하면, 단위 격벽(41)의 배열 간격은 수평차폐부재(412) 길이의 두 배보다는 작은 것이 차폐벽(42)을 관통하여 전달될 수 있는 전파를 차폐하기 위해 바람직하다. 단위 격벽(41)의 크기, 배치와 관련된 수치는 안테나 모듈(110)의 배치와 사용 주파수 파장의 크기에 의해 좌우된다고 할 수 있으며, 이러한 수치는 전산모사에 의해 용이하게 최적화될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 차폐벽의 전산모사에 의한 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 8는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 차폐벽의 전산모사에 의한 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽(42)은 X-POL isolation은 S2,1이 -24 dB, CO-POL isolation 특성은 S1,3의 경우 -20.5 dB, S2,4의 경우 -21.3 dB로 두 가지 모두 규격을 만족함을 확인할 수 있으며, 특히 X-POL isolation의 경우 -24 dB로 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽의 배치 간격을 사용 파장의 1/3 보다 큰 간격으로 배치한 제2비교실시예의 개념도이다.

도 10은 전산모사에 의한 제2비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 11은 전산모사에 의한 제2비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 설계에서 배열 간격 만을 λ/3 보다 크게 설계한 제2비교실시예로서, 도 10 및 도 11을 참조하면, X-POL isolation은 -31.1 dB로 매우 좋으나, CO-POL isolation이 개선되지는 않으며, S1,3은 -18 dB, S2,4는 -18.7 dB로서, 통상 요구되는 최소한의 차폐값인 -20 dB 이상을 만족시키지 못하는 것으로 확인된다.

도 12는 제3비교실시예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽의 수평차폐부재가 없는 경우의 개념도이다.

도 13은 전산모사에 의한 제3비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 14는 전산모사에 의한 제3비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 설계에서 단위 격벽(410) 상단의 수평차폐부재(412)가 없는 단일 봉 형태를 가정한 것으로, 이와 유사한 형태의 봉을 배치하여 안테나 특성을 개선하는 기술이 공개된 바 있다. 그러나, 제3비교실시예에 따른 전산모사에 의하면 X-POL isolation은 -24.8 dB로써, 필요 충분한 성능이 확보된다고 할 수 있으나, CO-POL isolation은 S1,3이 -16.8 dB, S2,4가 -17.6 dB로 나와 필요 성능이 확보되지 않는다.

즉, Massive MIMO 안테나에 적용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)이 배열된 차폐벽(42)은 X-POL 및 CO-POL isolation 특성을 모두 만족시키는 최적의 수평차폐부재(412) 길이, 수직차폐부재(414) 높이, 그리고 소정의 크기 혹은 그 보다 작은 배열 간격을 가지도록 설계될 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 세로 방향인 제2방향(D2)으로만 설치된 판 형태의 단순한 구조의 차폐벽(210)의 경우 CO-POL isolation 성능은 확보되나 X-POL isolation 성능이 낮다. 한편, 도 9 및 도 11의 제2 및 제3비교실시예와 같이 단위 격벽(410, 420) 사이의 배열간격이 λ/3보다 큰 경우에는 X-POL isolation은 개선되지만 CO-POL isolation 성능의 확보가 어렵다.

일 실시예에서 안테나 모듈(110) 또는 차폐벽(42)의 수평 방향인 제1방향(D1)의 배열 간격은 0.5λ, 안테나 모듈(110)의 수직 방향인 제2방향(D2)의 배열 간격은 0.7λ로 설정되어 있으며, 수평 배치된 안테나 모듈(110) 사이의 CO-POL isolation은 일반적으로 제1방향(D1)인 수평 배열의 간격이 좌우한다. 그러나 안테나 후면에 실장되는 각종 관련 부품 및 회로, 그리고 기지국 안테나 구조 등을 고려하면 제1방향(D1)인 수평 방향의 배열 간격은 설계에 있어 제약 사항이 많다. 안테나 모듈(110) 소자 간의 제1방향(D1)인 수직 방향 거리는 격자 로브(grating lobe)의 발생을 방지하기 위해 사용 주파수 파장 λ보다 작아야 되며, 소자 간 커플링을 줄이기 위해 λ/2 크기보다 커야 하므로, 그 중간에 근접한 0.7λ로 설정하는 것이 바람직하다.

제1방향(D1)인 수평 방향 배열 간격이 좁은 상태에서 각각의 안테나 모듈(110)을 모두 감싸는 차폐벽(920)을 설치하지 않고, 도 2와 같이 제2방향(D2)인 세로 방향의 차폐벽(210)만 설치하는 경우 X-POL isolation이 문제가 된다. 반면, 도 9나 도 11과 같이 단위 격벽(410, 420)의 배열 간격이 넓은 경우에는 CO-POL isolation이 문제가 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)은 직사각형에서 한 변이 빠진 형태인 스테이플 형태를 개시하였으나, 이는 제조상의 용이성을 감안한 하나의 실시예일 뿐이며, 예를 들어 'π' 형태, 내측으로 혹은 외측으로 기울어진 다리 모양을 가진 격벽 등과 같이 스테이플 형태에서 다양한 형태로 변형 실시될 수 있다.

본 발명에 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)은 차폐벽(42)이 속한 평면에 포함되되, 수평차폐부재(412) 또는 수직차폐부재(414)가 반드시 직선이 아니어도 이웃하는 안테나 모듈(110) 사이의 주파수 간섭을 차폐하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)의 수평차폐부재(412)는 안테나 모듈(110)과 평행한 제1평면에 투영된 형태가 직선일 수 있다. 수평차폐부재(412)가 직선이 아닌 경우 X-POL 및 CO-POL isolation을 만족시키기 위한 수평차폐부재(412) 양단 사이의 거리나 단위 격벽(410)의 배열 간격은 전산모사 등을 이용한 최적화의 과정을 거쳐 설계될 수 있다.

또한, 도시하지는 않았으나 속이 빈 판재 형태의 단위 격벽도 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 판재의 내부가 빈 형태의 단위 격벽도 전기적으로는 와이어 형태의 선형 부재로 형성되는 모양과 유사한 차폐효과를 가질 수 있다고 해석되어야 하며, 이러한 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 보아야 한다. 이 경우, 사용 주파수 파장을 기준으로 한 판재의 폭, 높이, 내부 빈 영역의 크기 등은 스테이플 형태의 선형 부재의 경우와 마찬가지로 전산모사를 통해 최적의 설계 수치를 도출할 수 있다.

본 발명에 따른 스테이플 형태의 단위 격벽(410)이 제2방향(D2)인 세로 방향으로 배열된 차폐벽(42)은 와이어 형태가 절곡된 구조를 가져 전체 차폐벽(44)의 무게 증가가 미미할 뿐만 아니라 생산 및 실장에 유리하다. 단위 격벽(410) 자체의 무게가 매우 작기 때문에 베이스 기판(310) 층에 조립용 비아(via)를 형성하지 않고 SMD 솔더링에 의해서만 결합되어도 견고하게 부착상태를 유지할 수 있다. 통상의 기술자라면, 단위 격벽(410)의 수직차폐부재(414) 종단을 추가로 절곡하여 연장된 형태가 베이스 기판(310)과 평행하도록 형성하는 등, 다양한 방법을 통해 표면실장 된 단위 격벽(410)과 베이스 기판(310)의 결합 강도를 향상시킬 수 있을 것이다.

도 15는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 인쇄회로기판 상에 도전 패턴으로 단위 격벽을 형성하는, 차폐벽을 나타내는 개념도이다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)을 인쇄회로기판(432) 상에 도전패턴(430)으로 구현한 실시예를 나타낸다. 인쇄회로기판(432)은 유전체 재료 기판으로 이루어지며, 일 실시예에서 단위 격벽(410)은 인쇄회로기판(432) 상에 도전성 패턴이 제2방향(D2)으로 일정한 간격으로 배열되는 형태로 형성된다. 바람직하게는 단위 격벽(410)에 해당하는 도전패턴(430)은 상단패턴(434)과 연결패턴(436)을 포함한다. 상단패턴(434)은 직선 형태이며, 제2방향(D2)으로 나란히 배치되고, 베이스 기판(310)으로부터 이격되어 배치된다. 연결패턴(436)은 상단패턴(434)의 양단과 베이스 기판(310)을 전기적으로 연결하도록 형성된다. 상단패턴(434)은 사용주파수 파장을 기준으로 λ/8의 길이인 것과, 베이스 기판(310)으로부터 사용주파수 파장을 기준으로 λ/10의 이격거리를 갖도록 배치되는 것이 바람직하다. 인쇄회로기판(432) 상에서 도전패턴(430)의 배열 간격은 λ/3보다 작은 것이 바람직하며, 일 실시예에서의 배열 간격은 λ/6이다.

인쇄회로기판(432) 상에 도전패턴(430)으로 차폐벽(42)을 구현함에 따라 차폐벽(42)의 제조 비용이 절감되고, 베이스 기판(310)에의 실장이 매우 간편해지는 장점이 있으며, 안테나 장치에 따라 다양한 형태의 도전패턴(430)을 가지는 차폐벽(42)을 손쉽게 변경 설계할 수 있는 장점이 있다.

기본적으로 Massive MIMO안테나는 무선 통신 기지국에 사용되는 외부용 안테나로서 온도 변화, 진동 등에 심하게 노출되는 제품이므로 외부 충격에 강한 구조를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410)은 솔더링시 가해진 열을 빨리 흡수, 발산시키는 넓은 금속편 혹은 동박층을 가지는 부재의 솔더링에 비해 솔더링 공정의 품질 및 작업성도 매우 용이해질 수 있다. 대량 생산을 염두에 두고 설계되어야 하는 Massive MIMO 안테나로서는 매우 유리한 점이라 할 수 있다.

한편, 전체 안테나 장치의 가장자리(510) 부분은 제2방향(D2)으로 안테나 모듈(110)과 차폐벽(42) 사이의 대칭이 형성되지 않는다. 이 경우, 베이스 기판(310)의 가장자리(510) 그라운드 면적이 충분히 확보되지 않으면 최외곽에 배치된 안테나 모듈(110)들의 주파수 특성이 저하될 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전체 평면도로서, 최외곽에 배치된 차폐벽의 비대칭성을 설명하는 개념도이다.

베이스 기판(310) 가장자리(510)의 그라운드 영역은 안테나 특성을 유지하기 위해 필요하지만, 이 영역은 실제 무선 주파수 신호를 주고 받는 역할을 수행하는 부분은 아니므로 전체 Massive MIMO 안테나의 크기를 줄이는 차원에서 베이스 기판(310)의 가장자리(510) 그라운드 영역은 최소화되는 것이 바람직하다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽의 외곽 그라운드가 충분히 확보된 경우를 나타내는 제4비교실시예의 사시도이다.

도 18은 전산모사에 의한 제4비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 19는 전산모사에 의한 제4비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 17의 차폐벽(42)은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화된 수치의 단위 격벽(410)이 적용된 경우이며, 베이스 기판(310)의 가장자리(510) 영역의 그라운드 면적은 충분히 확보된 경우를 나타낸다. 이에 대한 도 18 및 도 19의 전산모사 결과에 의하면, CO-POL isolation 특성은 -19.8 dB, X-POL isolation은 -25 dB로, 외곽에 위치한 안테나 모듈(110)의 특성이 크게 저하되지는 않는 것을 알 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽의 외곽 그라운드가 협소한 경우를 나타내는 제5비교실시예의 사시도이다.

도 21은 전산모사에 의한 제5비교실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 22는 전산모사에 의한 제5비교실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 17의 결과와 비교하여, 도 20 내지 도 22를 참조하면, 베이스 기판(310)의 가장자리(510) 영역의 그라운드 면적이 매우 협소한 경우, 가장자리(510)에 위치한 안테나 모듈(110)의 주파수 특성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 전산모사에 의한 CO-POL isolation 특성은 -20.6 dB, X-POL isolation은 -17.9 dB이며, 도 17의 경우에 대해 리턴 손실(Return Loss)도 5 dB 저하되는 것으로 해석되었다.

이에, 베이스 기판(310) 가장자리(510) 영역의 그라운드 면적은 최소화하면서도 인접한 안테나 모듈(110)의 주파수 특성 저하를 방지할 수 있는 제2격벽(440)의 설계사양을 전산모사에 의한 최적화 과정을 거쳐 확보하였다.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽의 제2격벽을 나타내는 개념도이다.

도 23을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 가장자리(510)에 배치되는 제2차폐벽(43)을 구성하는 제2격벽(440)의 수평차폐부재(412)는 내부에 배치되는 제1차폐벽(42)에 비해 낮은 높이를 갖도록 형성된다. 전산모사에 의한 최적화 결과 수평차폐부재(412)는 내부에 배치되는 단위 격벽(410)의 제1이격 높이 λ/10보다 낮은 제2이격 높이로서 λ/15의 높이가 가장 우수한 특성을 보인다. 즉, 가장자리(510)에 배치되는 제2 격벽(440)의 수직차폐부재(414')의 길이는 λ/15의 높이가 바람직하다.

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 최외곽의 제2차폐벽에 제2격벽을 적용한 경우를 나타내는 개념도이다.

도 25는 전산모사에 의한 제2격벽이 적용된, 도 24의 일 실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 26은 전산모사에 의한 제2격벽이 적용된, 도 24의 일 실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 24를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2차폐벽(43)의 높이는 양 가장자리(510)에 배치되는 경우 λ/15의 높이를 가지며, 안테나 모듈(110)의 사이에 배치되는 경우 λ/10의 높이를 가지도록 설정된다.

도 25 및 도 26을 참조하면, CO-POL isolation 특성은 -19.3 dB, X-POL isolation은 -25.1 dB로, 외곽에 위치한 안테나 모듈(110)의 특성이 크게 저하되지는 않는 것을 알 수 있다. 도 20의 경우와 비교하면, 수평차폐부재(412)의 배치 높이를 베이스 기판(310)에 보다 가깝게 배치함으로써 리턴 손실(return loss)이 5 dB 다시 개선되어, 넓은 그라운드 영역이 가장자리(510)에 배치되는 경우와 비슷한 수준의 값을 가지는 것으로 해석되었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 안테나 장치의 양측 가장자리(510)에 배치되는 차폐벽(42)의 높이를 내부에 배치되는 차폐벽(42)에 비해 낮춤으로써 전체적인 크기를 줄이면서도 충분한 성능을 제공할 수 있는 Massive MIMO 안테나를 제공할 수 있다. 안테나 장치의 양측 가장자리(510)에 배치되는 제2차폐벽(43)은 도15에 기술한 바와 마찬가지로 인쇄회로기판 상에 도전 패턴(430)으로 제2격벽(440)을 형성함으로써 제작될 수 있다.

본 발명의 여러 실시예에 따른 차폐벽(42, 43)은 차폐벽(42)을 투과하거나, 차폐벽(42, 43)에서 반사되는 빔을 감쇠하는 성능이 뛰어난 특징이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410, 430)이 채용된 차폐벽(42, 43)을 사용하는 경우, 안테나 모듈(110)의 배치를 보다 자유롭게 실시할 수 있다.

도 27은 리플렉터 상에 안테나 모듈이 배치되는 두 형태를 나타내는 개념도이다.

도 1을 다시 참조하면, 안테나 모듈(110)의 네 측면을 모두 감싸는 형태로 차폐벽(920)이 배치되는 경우에는, 도 27의 (b)와 같이 안테나 모듈(110)의 각 측면 모서리가 서로 나란하도록 바둑판처럼 배치되어 안테나 장치의 전체 점유 공간을 최소화할 수 있도록 배치될 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예와 같이 제2방향(D2)으로만 차폐벽(42)이 놓이는 경우에는 X-POL isolation 특성이 문제가 되어, 이를 회피하기 위해 도 2와 같이 배치되는 것이 일반적이다. 즉, 도 27의 (a)와 같이 체스판의 그리드처럼 서로 측면 모서리가 엇갈리도록 배치된다.

도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 안테나 모듈이 두 방향으로 나란히 배치된 경우를 나타내는 개념도이다.

도 29은 전산모사에 의한 도 28의 일 실시예의 X-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 30은 전산모사에 의한 도 28의 일 실시예의 CO-POL isolation 특성을 나타내는 그래프이다.

도 28을 참조하면, 일 실시예의 안테나 모듈(110)은 제1방향(D1)으로의 안테나 모듈(110)의 배치가 제2방향(D2)으로 이웃한 안테나 모듈(110)의 배치와 엇갈리지 않고 제1방향(D1)으로 나란히 이웃하게 배치된다. 도 28의 일 실시예는 도 20의 제5비교실시예에서 안테나 모듈(110)의 배치만 서로 나란히 배치되도록 변경된 경우이다.

도 29 및 도 30의 전산모사 결과에 의하면, CO-POL isolation 특성은 -22.4 dB, X-POL isolation은 -20.8 dB로, 도 20의 CO-POL isolation -20.6 dB, X-POL isolation -17.9 dB에 비해 오히려 차폐 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410, 430)에 의해 안테나 모듈(110)의 측면 모서리를 향해 방사되는 빔이 차폐벽(42)에서 효과적으로 감쇠 되고, 더불어 이웃한 안테나 모듈들에서 방사되는 빔들이 차폐벽(42)의 위치에서 위상차 등에 의해 효과적으로 상쇄되는 것으로 해석될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단위 격벽(410, 430)을 채용한 차폐벽(42)을 사용함으로써 같은 숫자의 안테나 모듈을 더 좁은 점유 면적을 가지도록 효과적으로 배치할 수 있는 장점이 있다. 또한, 도 23과 같이 안테나 장치의 가장자리(510)에는 제2격벽(440)을 채용함으로써 제1방향(D1)의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

베이스 기판;
제1방향으로 배열된 복수의 안테나 모듈열을 포함하는 안테나 모듈 어레이로서, 상기 안테나 모듈열은 상기 베이스 기판 상에서 상기 제1방향에 수직인 제2방향으로 배열되는 하나 이상의 이중 편파 안테나 모듈을 포함하는 안테나 모듈 어레이; 및
이웃하는 안테나 모듈열 사이에 배치되는 제1 차폐벽으로서, 상기 제2방향으로 배열되며 서로 이격되는 복수의 단위 격벽에 의해 형성되는 제1차폐벽
을 포함하는 안테나 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 차폐벽은 도전성 선형 부재로 이루어진 단위 격벽에 의해 형성되는 안테나 장치.
제 2항에 있어서,
상기 단위 격벽은,
일단이 상기 베이스 기판에 안착된 하나 이상의 수직차폐부재, 및
상기 수직차폐부재에 연결되어 상기 베이스 기판으로부터 제1이격 높이로 이격 배치되는 수평차폐부재를 포함하는 안테나 장치.
제 3항에 있어서,
상기 수평차폐부재는 상기 제2방향을 따라 일렬로 배열되는 안테나 장치.
제 4항에 있어서,
상기 수평차폐부재는 직선 형상인 안테나 장치.
제 5항에 있어서,
상기 수평차폐부재의 길이는,
상기 안테나 모듈의 감소된 배열 간격에 비례하여 상호 주파수 간섭을 줄일 수 있는 길이를 갖되, 상기 안테나 모듈 어레이의 상기 제1방향 배열 간격보다 작은 길이를 갖는 안테나 장치.
제 5항에 있어서,
상기 수평차폐부재의 배열 간격은,
상기 단위 격벽에 반사된 전파에 의한 상기 안테나 모듈 사이에서의 상호 간섭을 줄이는 배열 간격을 갖되, 상기 수평차폐부재의 상기 제2방향으로의 배열 간격은 상기 수평차폐부재 길이의 정배수 이하의 간격을 갖는 안테나 장치.
제 6항에 있어서,
상기 수평차폐부재의 길이는,
상기 안테나 모듈 어레이의 상기 제1방향 배열 간격의 1/4 이하인 것인 안테나 장치.
제 7항에 있어서,
상기 수평차폐부재의 배열 간격은,
상기 수평차폐부재 길이의 2배 이하인 안테나 장치.
제 3항에 있어서,
상기 단위 격벽은 두 개의 수직차폐부재를 포함하고, 두 개의 수직차폐부재의 일단은 상기 베이스 기판에 연결되고, 두 개의 수직차폐부재의 타단은 상기 수평차폐부재의 양단에 각각 연결되는 안테나 장치.
제 3항에 있어서,
상기 제1방향의 양 끝단에 배치된 상기 안테나 모듈열의 외측에 각각 배치되는 제2 차폐벽으로서, 상기 제2방향으로 배열되며 서로 이격되는 복수의 단위 격벽에 의해 형성되는 제2차폐벽을 더 포함하되,
상기 제2 차폐벽의 단위 격벽은, 상기 베이스 기판으로부터 제2이격 높이로 이격 배치되는 수평차폐부재를 포함하고,
상기 제2이격 높이는 상기 제1이격 높이 보다 낮은 안테나 장치.
제 3항에 있어서,
상기 수직차폐부재는,
상기 단위 격벽이 상기 베이스 기판과 연결되도록 형성된 접속단자부를 타단에 더 포함하는 안테나 장치.
제 12항에 있어서,
상기 접속단자부는 상기 베이스 기판을 관통하여 삽입되는 핀 부재를 포함하는 안테나 장치.
제 12항에 있어서,
상기 접속단자부는 상기 베이스 기판과 나란하도록 연장된 리드(lead) 부재를 포함하고, 상기 리드 부재는 상기 베이스 기판 상에 솔더링되도록 형성되는 안테나 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 차폐벽은 상기 베이스 기판 상에 직립된 인쇄회로기판 및 상기 인쇄회로기판 상에 형성된 도전패턴으로 이루어지는 단위 격벽에 의해 형성되는 안테나 장치.