KR20230149572A - 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일반적으로 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 통해 엔드파이어의 부엽(side lobe)을 복수 개 형성함으로써 확장된 커버리지를 구현한 안테나 구성에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 마이크로스트립 전송선로를 이용한 엔드파이어 방식의 안테나에서 수직 배열된 방사체를 비대칭(예: 0.75 대 0.45)으로 이격 설정함으로써 부엽이 복수 개(예: 30도, 60도) 이격 형성되도록 하여 무선랜 통신에 대한 확장된 커버리지를 구현한 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따른 커버리지 확장 안테나는 마이크로스트립 전송선로에 의해 복수의 방사체(21, 22, 23)가 수직 배열되어 연결된 엔드파이어 방사 패턴의 시리즈 배열 안테나를 구성하고, 중앙 방사체(22)의 센터라인(CL22)을 기준으로 상부 방사체(21)의 센터라인(CL21)에 대한 제 1 이격거리(A')와 하부 방사체(23)의 센터라인(CL23)에 대한 제 2 이격거리(A")가 비대칭 설정되어 기준 복사각 theta 90도에서 주엽(main lobe)을 형성하고 서로 상이한 제 1 복사각 및 제 2 복사각에서 이중 부엽(side lobes)을 형성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 일반적으로 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 통해 엔드파이어의 부엽(side lobe)을 복수 개 형성함으로써 확장된 커버리지를 구현한 안테나 구성에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 마이크로스트립 전송선로를 이용한 엔드파이어 방식의 안테나에서 수직 배열된 방사체를 비대칭(예: 0.75 대 0.45)으로 이격 설정함으로써 부엽이 복수 개(예: 30도, 60도) 이격 형성되도록 하여 무선랜 통신에 대한 확장된 커버리지를 구현한 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나에 관한 것이다.
[도 1]은 지향성 안테나의 일종인 엔드파이어 안테나(end-fire antenna)의 일반적인 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
[도 1] (a)는 엔드파이어 안테나의 방사 패턴을 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate)로 표시한 것이고, [도 1] (b)는 안테나 방사 패턴의 매개 변수를 나타낸 것이다. [도 1] (b)에는 주엽(main lobe), 후엽(back lobe), 부엽(side lobe), 널(null)의 개념이 도시되어 있다. 문헌에 따라서는 부엽(minor lobe)과 측엽(side lobe)을 구분하기도 하는데, 본 명세서에서는 이를 구분하지 않고 '부엽'이라고 통칭한다.
일반적으로 엔드파이어 설계의 핵심 과제는 주엽을 크게 만들고 부엽과 후엽을 작게 만드는 것으로, 이러한 핵심 과제를 달성하기 위해 다수의 안테나 설계 기술이 종래로 제시되어 있다.
본 발명의 목적은 일반적으로 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 통해 엔드파이어의 부엽(side lobe)을 복수 개 형성함으로써 확장된 커버리지를 구현한 안테나 구성을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 마이크로스트립 전송선로를 이용한 엔드파이어 방식의 안테나에서 수직 배열된 방사체를 비대칭(예: 0.75 대 0.45)으로 이격 설정함으로써 부엽이 복수 개(예: 30도, 60도) 이격 형성되도록 하여 무선랜 통신에 대한 확장된 커버리지를 구현한 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나를 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 해결 과제는 이들 사항에 제한되지 않으며 본 명세서의 기재로부터 다른 해결 과제가 이해될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나는 마이크로스트립 전송선로에 의해 복수의 방사체(21, 22, 23)가 수직 배열되어 연결된 엔드파이어 방사 패턴의 시리즈 배열 안테나를 구성하고, 중앙 방사체(22)의 센터라인(CL22)을 기준으로 상부 방사체(21)의 센터라인(CL21)에 대한 제 1 이격거리(A')와 하부 방사체(23)의 센터라인(CL23)에 대한 제 2 이격거리(A")가 비대칭 설정되어 기준 복사각 theta 90도에서 주엽(main lobe)을 형성하고 서로 상이한 제 1 복사각 및 제 2 복사각에서 이중 부엽(side lobes)을 형성하도록 구성된다.
본 발명에서 제 1 이격거리(A')와 제 2 이격거리(A")는 0.75 대 0.45의 비율로 비대칭 설정되어 theta 30도의 제 1 복사각과 theta 60도의 제 2 복사각에서 이중 부엽을 형성하도록 형성하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 마이크로스트립 전송선로를 이용한 엔드파이어 방식의 안테나에서 부엽이 복수 개(예: 30도, 60도) 이격 형성되도록 함으로써 무선랜 통신에 대한 확장된 커버리지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
[도 1]은 일반적인 엔드파이어 방사 패턴을 나타내는 도면.
[도 2]는 종래기술과 본 발명의 안테나 구성을 대비하여 나타내는 도면.
[도 3]은 종래기술에 따른 마이크로스트립 전송선로 안테나의 방사 특성을 나타내는 도면.
[도 4]는 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 방사 특성을 나타내는 도면.
[도 5]는 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 실물 예시도.
[도 6]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 전기적인 특성을 나타내는 도면.
[도 7]과 [도 8]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 무선랜 2.4 GHz 대역 방사 특성의 실험 결과를 나타내는 도면.
[도 9]와 [도 10]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 무선랜 5 GHz 대역 방사 특성의 실험 결과를 나타내는 도면.
[도 2]는 종래기술과 본 발명의 안테나 구성을 대비하여 나타내는 도면.
[도 3]은 종래기술에 따른 마이크로스트립 전송선로 안테나의 방사 특성을 나타내는 도면.
[도 4]는 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 방사 특성을 나타내는 도면.
[도 5]는 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 실물 예시도.
[도 6]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 전기적인 특성을 나타내는 도면.
[도 7]과 [도 8]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 무선랜 2.4 GHz 대역 방사 특성의 실험 결과를 나타내는 도면.
[도 9]와 [도 10]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 무선랜 5 GHz 대역 방사 특성의 실험 결과를 나타내는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[도 2]는 종래기술과 본 발명의 안테나 구성을 대비하여 나타내는 도면이다.
[도 2]는 마이크로스트립 전송선로에 의해 복수의 방사체(11, 12, 13; 21, 22, 23)가 수직 배열되어 연결된(즉, 수직 배열형) 엔드파이어 방사 패턴의 시리즈 배열 안테나(series array antenna)로서, [도 2] (a)는 종래기술에 따른 안테나 구성이고 [도 2] (b)는 본 발명에 따른 안테나 구성을 도시한 것이다.
[도 2] (a), (b)를 비교하면 본 발명에서는 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는다는 점이 특징이다.
상하 일렬로 배열된 방사체를 편의상 위에서부터 차례대로 상부 방사체(11, 21), 중앙 방사체(12, 22), 하부 방사체(13, 23)라고 불렀을 때, 중앙 방사체(12, 22)의 센터라인(CL12, CL22)을 기준으로 상부 방사체(11, 21)의 센터라인(CL11, CL21)에 대한 제 1 이격거리(A')와 하부 방사체(13, 23)의 센터라인(CL13, CL23)에 대한 제 2 이격거리(A")를 살펴보면 차이가 드러난다.
종래기술에서는 제 1 이격거리(A')와 제 2 이격거리(A")가 대칭 설정되어 있는 반면, 본 발명에서는 제 1 이격거리(A')와 제 2 이격거리(A")가 비대칭 설정되어 있다. 본 명세서에서 대칭(symmetry)과 비대칭(asymmetry)은 수학적으로 동일한지 여부로 판단하는 것이 아니라 엔드파이어 방사 패턴에서 부엽의 갯수에 영향을 줄 정도로 전기적으로 유의미한 차이가 있는지 여부에 의해 판단하는 개념으로 사용되었다.
[도 2] (a)의 종래기술에서는 제 1 이격거리(A')와 제 2 이격거리(A")가 각각 0.6λ 대 0.6λ로서 상호 대칭인 것으로 도시되었다. 반면, [도 2] (b)의 본 발명에서는 제 1 이격거리(A')와 제 2 이격거리(A")가 각각 0.75λ 대 0.45λ로서 상호 비대칭인 것으로 도시되었다. 구체적인 숫자는 예시적인 것으로 본 발명의 기술적 사상이 여기에 제한되는 것은 아니다.
[도 3]은 종래기술에 따른 마이크로스트립 전송선로 안테나의 방사 특성을 나타내는 도면이다.
[도 3] (a)는 종래기술에 따른 안테나 구성을 나타낸 것이고 [도 3] (b)는 이 안테나의 전기장(E-plane) 방사 특성을 극좌표(polar coordinate)로 나타낸 것이다. [도 3] (a)에는 안테나를 구성한 인쇄회로기판(PCB)의 양면(top, bottom)의 인쇄 패턴을 나타내었다.
종래의 안테나 설계는 H 평면(H plane)에서 피크이득(peak gain)을 높이는 것이 주 관심사였다. 이를 위해 중앙 방사체(12)의 센터라인(CL12)에서 상부 방사체(11)의 센터라인(CL11)까지의 제 1 이격거리(A')와 중앙 방사체(12)의 센터라인(CL12)에서 하부 방사체(13)의 센터라인(CL13)까지의 제 2 이격거리(A")를 0.5λ 내지 0.6λ로 설정하는데, [도 3] (a)에서는 0.6λ로 설정한 예를 도시하였다. 이때, λ는 무선통신신호의 파장을 의미한다.
[도 3] (b)를 참조하면 종래기술의 안테나에서는 기준 복사각인 theta 90도에서 피크이득이 발생되어 주엽(main lobe)을 형성하고 복사각 theta 45도 근방에서 부엽(side lobe)을 형성한다.
[도 4]는 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 방사 특성을 나타내는 도면이다.
[도 4] (a)는 본 발명에 따른 안테나 구성을 나타낸 것이고 [도 4] (b)는 이 안테나의 전기장(E-plane) 방사 특성을 극좌표로 나타낸 것이다.
[도 3]과 대비하여 [도 4]를 살펴보면, 본 발명에서는 수직 배열된 상부 방사체(21), 중앙 방사체(22), 하부 방사체(23)를 비대칭으로 이격 설정함으로써 2개의 부엽을 형성하고, 이를 통해 무선통신(예: 무선랜)의 커버리지(통신가능구역)을 확장한 것이 특징이다.
본 발명의 바람직한 실시예로서 [도 4]에서는 중앙 방사체(22)의 센터라인(CL22)에서 상부 방사체(21)의 센터라인(CL21)까지의 제 1 이격거리(A')와 중앙 방사체(22)의 센터라인(CL22)에서 하부 방사체(23)의 센터라인(CL23)까지의 제 2 이격거리(A")를 각각 0.75λ와 0.45λ로 설정하였다. 이 경우, 기준 복사각 theta 90도에서 피크이득이 발생되어 주엽을 형성하면서 theta 30도와 theta 60도에서 2개의 부엽(이중 부엽)이 형성된다. 이처럼 2개의 부엽이 서로 겹치지 않고 90도의 각도를 삼분하면서 펼쳐져 형성됨에 따라 무선통신의 커버리지를 크게 개선할 수 있다.
[도 5]는 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 실물 예시도이다. [도 5] (a)에 도시된 인쇄회로기판(PCB)의 형태로 안테나를 구성한 후에 [도 5] (b)에 도시된 하우징에 담아 무선랜 외장 안테나를 구성한다.
[도 6]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 전기적인 특성, 특히 임피던스 정합 및 반사손실 특성을 나타내는 도면이다.
[도 7]과 [도 8]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 무선랜 2.4 GHz 대역 방사 특성의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
현행 기술규격에 따르면 무선랜 2.4 GHz 대역의 주파수 범위가 2.400 GHz 내지 2.483 GHz이므로 5개의 주파수 2.402 GHz, 2.427 GHz, 2.442 GHz, 2.462 GHz, 2.482 GHz에 대해서 본 발명에 따른 커버리지 확장 안테나의 방사 특성을 실험을 통해 얻고 [도 7]과 [도 8]에 나타내었다.
[도 9]와 [도 10]은 본 발명에 따른 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나의 무선랜 5 GHz 대역 방사 특성의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
현행 기술규격에 따르면 무선랜 5 GHz 대역의 주파수 범위가 5.150 GHz 내지 5.825 GHz이므로 3개의 주파수 5.180 GHz, 5.550 GHz, 5.875 GHz에 대해서 본 발명에 따른 커버리지 확장 안테나의 방사 특성을 실험을 통해 얻고 [도 9]와 [도 10]에 나타내었다.
[도 7] 내지 [도 10]의 실험 결과로부터 본 발명의 커버리지 확장 안테나에 의하면 무선랜 대역에서의 안테나 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 2.4 GHz 대역에서는 종래기술보다 피크이득이 1 dBi 이상 개선되었고, 5 GHz 대역에서는 H 평면에서 기존 피크이득을 유지하면서 하나의 부엽을 추가 형성함에 따라 무선통신의 커버리지가 확장되었다.
Claims (2)
- 마이크로스트립 전송선로에 의해 복수의 방사체(21, 22, 23)가 수직 배열되어 연결된 엔드파이어 방사 패턴의 시리즈 배열 안테나를 구성하고, 중앙 방사체(22)의 센터라인(CL22)을 기준으로 상부 방사체(21)의 센터라인(CL21)에 대한 제 1 이격거리(A')와 하부 방사체(23)의 센터라인(CL23)에 대한 제 2 이격거리(A")가 비대칭 설정되어 기준 복사각 theta 90도에서 주엽(main lobe)을 형성하고 서로 상이한 제 1 복사각 및 제 2 복사각에서 이중 부엽(side lobes)을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 이격거리(A')와 상기 제 2 이격거리(A")는 0.75 대 0.45의 비율로 비대칭 설정되어 theta 30도의 상기 제 1 복사각과 theta 60도의 상기 제 2 복사각에서 이중 부엽을 형성하도록 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상하 비대칭의 방사체 이격구조를 갖는 커버리지 확장 안테나.
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| GRNT | Written decision to grant |