KR20210073827A

KR20210073827A - 기생 링 구조를 이용한 광각 배열 안테나

Info

Publication number: KR20210073827A
Application number: KR1020190164510A
Authority: KR
Inventors: 김기진; 안광호; 이한림
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-21

Abstract

차세대 이동통신인 5G, 군용 레이더, 탐색기 등에 활용될 수 있도록 방사 각도와 방사 효율을 증가시킨 기생 링 구조를 이용한 광각 배열 안테나가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 기판; 기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및 기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함한다.
이에 의해, 안테나의 패치에 이를 둘러싸는 기생 링을 형성하여 안테나의 방사 각도와 방사 효율을 증가시킴으로써, 5G 기지국과 같은 이동통신 시스템, 군용 레이더, 탐색기 등에 활용될 수 있도록 한다.

Description

기생 링 구조를 이용한 광각 배열 안테나{Wide Angle Array Antenna using a Parasitic Ring Structure}

본 발명은 안테나 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 5G 이동통신, 군용 레이더 및 탐색기에 활용가능성이 높은 패치 안테나와 이를 이용한 배열 안테나에 관한 것이다.

도 1은 패치 안테나의 일반적인 구조이다. 패치 안테나는 안테나 윗면의 패치가 있는 부분으로 에너지가 방사되고 그라운드가 있는 뒷면으로는 방사되지 않아 뒷면에 빔포밍을 할 수 있는 회로들을 실장할 수 있는 장점이 있어 빔포밍 시스템에서 가장 많이 사용되는 구조이다.

하지만 도 1의 일반적인 패치 안테나의 급전은 패치와 같은 면에 능동소자들을 패치와 같은 면에 부착해야 하는 문제점과 안테나의 동작 대역폭이 3% 정도로 좁아 5G 대역과 같이 10% 정도의 대역폭을 요구하는 통신 시스템에 부적합한 면이 있다.

도 2는 피딩 구조가 기판을 뚫고 나와 능동소자를 그라운드 뒷면에 만들 수 있는 구조를 도시하였다. 이 구조는 부품 실장에서는 장점을 가지고 있지만 대역폭의 문제를 여전히 가지고 있다.

도 3은 Aperture Coupling Feeding 방식을 사용한 안테나 구조를 보여주고 있다. 패치에 직접 급전이 이루어지지 않고 커플링을 통한 급전이 이루어져 동작 대역폭이 10% 가까이 상승된다.

도 3의 구조를 이용한 빔 패턴은 도 4에 도시된 바와 같은데, 방사 각도는 xz축으로 80도, yx축으로 96.6도가 된다. 5G 통신에서는 방사 각도를 최대로 조절하기를 원하고 있기 때문에, 도 4의 방사 패턴 보다 광각의 안테나를 필요로 하고 있다.

도 4의 안테나를 배열로 만들어 2x2로 구성한 결과를 도 5에 제시하였다. 도시된 배열 안테나의 경우 방사 각도는 xz축으로 92.8도, yz축으로 91.8도가 된다. 또한 안테나 패치 간 간섭에 의해 방사효율이 80%로 떨어지는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 차세대 이동통신인 5G, 군용 레이더, 탐색기 등에 활용될 수 있도록 방사 각도와 방사 효율을 증가시킨 기생 링 구조를 이용한 광각 배열 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 패치 안테나는 기판; 기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및 기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함한다.

링은, 기판의 타면에 위치한 그라운드와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.

링은, 다수의 지점들에서 그라운드와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.

패치는, 사각형 형상이고, 링은, 사각링 형상일 수 있다.

패치와 링 간의 간격은, 일정할 수 있다.

링과 사각링은, 하나의 패치 안테나를 구성하며, 기판에는, 다수의 패치 안테나들이 마련되는 것일 수 있다.

다수의 패치 안테나들 간의 간격은, 다수의 패치 안테나들 간의 격리도를 기초로 결정될 수 있다.

패치의 길이와 면적은, 안테나에 요구되는 방사 각도를 기초로 결정될 수 있다.

링의 길이와 두께는, 안테나에 요구되는 방사 각도를 기초로 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 안테나; 및 안테나를 통해 신호를 송수신하는 송수신장치;를 포함하고, 안테나는, 기판; 기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및 기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템이 제공된다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 다수의 패치 안테나들;을 포함하고, 패치 안테나는, 기판; 기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및 기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나가 제공된다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 안테나; 및 안테나를 통해 신호를 송수신하는 송수신장치;를 포함하고, 안테나는, 다수의 패치 안테나들;을 포함하며, 패치 안테나는, 기판; 기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및 기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템이 제공된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 안테나의 패치에 이를 둘러싸는 기생 링을 형성하여 안테나의 방사 각도와 방사 효율을 증가시킴으로써, 5G 기지국과 같은 이동통신 시스템, 군용 레이더, 탐색기 등에 활용될 수 있도록 한다.

도 1은 일반적인 패치 안테나,
도 2는 기판을 뚫고 급전한 패치 안테나 측면,
도 3은 Aperture coupled 패치 안테나,
도 4는 Aperture coupled 패치 안테나의 방사패턴,
도 5는 Aperture coupled 패치 2X2 안테나 구조,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 구조,
도 7과 도 8은, 패치 안테나의 시뮬레이션 결과,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배열 안테나의 구조,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배열 안테나의 구조,
도 11과 도 12는 배열 안테나의 S11과 F-parameter,
도 13은 패치 안테나들 간의 간격을 결정,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 밀리미터웨이브 통신, 군용 통신부품, 5G 이동통신 등에 활용될 수 있도록 방사 각도와 방사 효율을 증가시킨 안테나 구조들을 제시한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 기생 링(Parasitic Ring)으로 패치를 둘러싸는 구조의 패치 안테나 및 이를 기반으로 한 배열 안테나로 방사 성능을 향상시킨다.

안테나의 대역폭을 만족시키기 위해 피딩 구조에 집중하였던 기존 안테나들과 달리, 본 발명의 실시예에 따른 안테나들은 광대역 특성을 그대로 유지하면서 안테나의 방사 각도를 증가시키고 안테나 패치 간 간섭을 최소화 함으로써 안테나 효율을 높일 수 있는 구조이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 구조를 평면에서 바라보면서 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(Substrate)(111), 패치(Patch)(112), 기생 링(Parasitic Ring)(113)을 포함하여 구성된다.

패치(112)는 방사가 이루어지는 소자로 기판(111)의 상면에 형성되어 있다. 패치(112)에는 Aperture Coupling Feeding 방식으로 급전이 이루어질 수 있지만, 다른 방식에 의한 급전 방식을 적용하는 것도 가능하다.

기생 링(113)은 기판(111)의 상면에서 패치(112)를 둘러싸는 구조로 형성되어 있으며, 기판(111)의 하면에 마련된 그라운드와 다수의 지점들에서 전기적으로 연결되어 있다. 도 6에서 기생 링(113)의 내부에 표시된 "○"가 그라운드와 도통되는 지점들이다.

한편, 도시된 바와 같이, 패치(112)는 정사각형 형상이고, 기생 링(113)은 정사각링 형상이다. 그리고, 패치(112)와 기생 링(113) 간의 간격은 일정하다. 구체적으로, 패치(112)의 외변들과 마주보는 기생 링(113)의 내변들 간 각각의 거리들은 동일하다.

기생 링(113)은 패치 안테나의 방사 각도를 증가시키기 위해 채택된 구조이다. 기생 링(113)에 의한 효과는 도 7과 도 8에 제시된 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.

구체적으로, 도 7은 기생 링(113)이 없는 종래 패치 안테나의 전류 밀도를 컴퓨터 시뮬레이션한 결과이고, 도 8은 종래 패치 둘레에 기생 링(113)을 추가한 패치 안테나의 전류 밀도를 컴퓨터 시뮬레이션한 결과이다.

도 7에 도시된 전류 밀도 분포와 도 8에 도시된 전류 밀도 분포를 비교해 보면, 본 발명의 실시예에 따른 기생 링(113)을 추가한 패치 안테나의 경우 전류가 한번 더 유도되면서 더 넓은 전류 밀도 분포를 보여주고 있다는 점을 확인할 수 있다.

이와 같은 넓은 전류 밀도 분포는, 안테나의 방사 각도를 xz 축으로 94도, yz축으로 111.5도로 향상시키는 결과로 나타났다.

한편, 패치(112)의 길이와 면적을 패치 안테나에 요구되는 방사 각도를 만족시킬 수 있는 길이와 면적으로 결정/조정할 수 있다. 마찬가지로, 기생 링(113)의 길이와 두께 역시 패치 안테나에 요구되는 방사 각도를 만족시킬 수 있는 길이와 두께로 결정/조정할 수 있다.

다른 한편으로, 위 실시예에서 패치(112)는 정사각형 형상이고, 기생 링(113)은 정사각링 형상인 것을 상정하였는데, 변형이 가능하다. 예를 들어, 패치(112)를 정사각형이 아닌 다른 사각형 형상으로, 기생 링(113)은 정사각링 형상이 아닌 다른 사각링 형상으로 구현하는 것이 가능하다.

더 나아가, 패치(112)와 기생 링(113)을 사각형과 사각링 형상이 아닌 다른 다각형과 다각형링 형상으로 구현하거나, 원형과 원형링 형상으로 구현하는 것으로 확대될 수도 있다.

또한, 위 실시예에서 패치(112)와 기생 링(113) 간의 간격은 일정하게 구현하였는데, 필요에 따라 간격이 균일하지 않거나, 균등하지 않거나, 비대칭적으로 구현할 수도 있다.

이하에서는, 도 6에 제시된 패치 안테나들을 기반으로 구현할 수 있는 배열 안테나의 구조에 대해, 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 평면에서 바라보면서 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 4개의 패치 안테나들(110,120,130,140)이 2x2 형태로 배열된 안테나이다. 패치 안테나들(110,120,130,140) 각각은 도 6에 제시된 패치 안테나이다.

본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나의 특성을 시뮬레이션한 결과, 방사 각도는 xz축으로 96.4도, yz축으로 112.2도로 나타나는 것으로 확인되었는데, 배열 구조도 광각 특성을 그대로 유지할 수 있음을 나타낸다. 아울러, 효율은 86%로 나타났는데, 도 5에 제시한 기존 배열 안테나 보다 6% 개선된 결과이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 평면에서 바라보면서 도시한 도면이다.

패치 안테나들(110,120,130,140) 간의 간격이 없었던 도 9에 도시된 배열 안테나와 달리, 도 10에 제시된 배열 안테나에서는 패치 안테나들(110,120,130,140)이 일정한 간격을 두고 배열되어 있다.

패치 안테나들(110,120,130,140) 간의 간격은 패치 안테나들(110,120,130,140) 간의 격리도를 최적화할 수 있는 길이로 결정/조정함이 바람직하다. 즉, 패치 안테나들(110,120,130,140) 간의 간격 조절에 의해 배열 안테나의 효율 개선이 가능하다.

도 11은 기생 링 구조가 없이 패치만 배열된 안테나의 S11과 F-parameter이고, 도 12는 기생 링 구조가 패치 주변에 형성된 배열 안테나의 간격을 적절히 조절하면 단일 패치가 보여주는 S11과 동일한 S11을 얻을 수 있게 됨을 나타내고 있는데, 방사효율이 단일 안테나의 효율과 같은 97%로 확인되었다.

도 13에는 이같은 방법으로 패치 안테나들(110,120,130,140) 간의 간격을 결정할 수 있음을 개념적으로 나타내었다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템은, 도 14에 도시된 바와 같이, 안테나(100), 송수신 장치(200) 및 신호처리 장치(300)를 포함하여 구성된다.

안테나(100)는 전술한 도 6에 도시된 패치 안테나, 도 9에 도시된 배열 안테나, 도 10에 도시된 배열 안테나 중 어느 것으로 구현하여도 무방하다.

송수신 장치(200)는 안테나(100)를 통해 신호를 송신하고 수신하며, 신호처리 장치(300)는 송신 신호와 수신 신호에 대해 필요한 신호처리를 수행하는 소자이다.

지금까지, 안테나의 패치에 이를 둘러싸는 기생 링을 형성한 패치 안테나 및 이를 기반으로 구현한 배열 안테나들에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나는 방사 각도와 방사 효율을 증가시킴으로써, 5G 기지국과 같은 이동통신 시스템, 군용 레이더, 탐색기 등에 활용될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110,120,130,140 : 패치 안테나(Patch Antenna)
111 : 기판(Substrate)
112 : 패치(Patch)
113 : 기생 링(Parasitic Ring)

Claims

기판;
기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및
기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 1에 있어서,
링은,
기판의 타면에 위치한 그라운드와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 2에 있어서,
링은,
다수의 지점들에서 그라운드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 1에 있어서,
패치는,
사각형 형상이고,
링은,
사각링 형상인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 4에 있어서,
패치와 링 간의 간격은,
일정한 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 1에 있어서,
링과 사각링은,
하나의 패치 안테나를 구성하며,
기판에는,
다수의 패치 안테나들이 마련되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 6에 있어서,
다수의 패치 안테나들 간의 간격은,
다수의 패치 안테나들 간의 격리도를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 1에 있어서,
패치의 길이와 면적은,
안테나에 요구되는 방사 각도를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
청구항 8에 있어서,
링의 길이와 두께는,
안테나에 요구되는 방사 각도를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
안테나; 및
안테나를 통해 신호를 송수신하는 송수신장치;를 포함하고,
안테나는,
기판;
기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및
기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
다수의 패치 안테나들;을 포함하고,
패치 안테나는,
기판;
기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및
기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나.
안테나; 및
안테나를 통해 신호를 송수신하는 송수신장치;를 포함하고,
안테나는,
다수의 패치 안테나들;을 포함하며,
패치 안테나는,
기판;
기판의 일면에 형성되어, 급전 신호를 방사하는 패치; 및
기판의 일면에서 패치를 둘러싸도록 형성된 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.