WO2017086750A1 - 안테나 - Google Patents

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WO2017086750A1
WO2017086750A1 PCT/KR2016/013371 KR2016013371W WO2017086750A1 WO 2017086750 A1 WO2017086750 A1 WO 2017086750A1 KR 2016013371 W KR2016013371 W KR 2016013371W WO 2017086750 A1 WO2017086750 A1 WO 2017086750A1
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transmission line
short
dielectric substrate
antenna
parasitic
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PCT/KR2016/013371
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English (en)
French (fr)
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김채영
김동주
장은석
양대근
김경수
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Original Assignee
Industry Academic Cooperation Foundation of KNU
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/20—Two collinear substantially straight active elements; Substantially straight single active elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/40—Element having extended radiating surface

Definitions

  • the present invention relates to an antenna, and more particularly, to an antenna capable of implementing beam steering without using passive elements such as an inductor, a capacitor, and the like.
  • An electronically steerable parasitic array radiator antenna is an antenna that uses active and peripheral parasitic elements to increase the hardware complexity and power consumption of multi-input multi-output (MIMO) systems using conventional array antennas. It is a technology that is being studied to overcome the disadvantages of the back.
  • IEEE Antenna and Propagation Magazine Vol. 47 NO. 2 and IEEE transactions on antenna and propagation Vol. 60 No. Fig. 2 shows a beam space MIMO system using an electron beam steering parasitic array antenna with a single RF chain.
  • Conventional electronically tuned parasitic radiator antennas have the disadvantage of using passive components such as inductors, capacitors, etc. to implement beam steering. In the conventional discrete devices L and C, the higher the speed of data transmission, the greater the effect of the embedded parasitic elements, which becomes a deterrent to the implementation of the high data rate.
  • An object of the present invention is to provide an antenna capable of implementing beam steering without using passive elements such as inductors, capacitors, and the like.
  • Another object of the present invention is to provide an electronically controlled parasitic radiator antenna capable of realizing high-speed data transmission by forming orthogonal beams without using passive elements such as inductors, capacitors, and the like.
  • An antenna according to an embodiment of the present invention is a dielectric substrate; A main monopole antenna formed on the dielectric substrate; A plurality of parasitic monopole antennas formed on the dielectric substrate and disposed with the main monopole antennas interposed therebetween; A ground plane formed on a bottom surface of the dielectric substrate; A ring-shaped transmission line formed on a lower surface of the dielectric substrate; A first short circuiting element formed on one side of the transmission line to short-circuit a first portion of the transmission line; And a second short circuiting element formed on the other side of the transmission line to short-circuit the second portion of the transmission line.
  • the ground plane may include a metal surface formed on a bottom surface of the dielectric substrate, and the transmission line may include a first etching line etched in a ring shape on the metal surface and surround the first etching line on the metal surface. It may include a second etching line etched in a ring shape.
  • the transmission line may be formed to pass through lower surfaces of the plurality of parasitic monopole antennas.
  • the first etching line may be formed inside the plurality of parasitic monopole antennas, and the second etching line may be formed outside the plurality of parasitic monopole antennas.
  • the first short circuit element includes a first stub for grounding the first portion of the transmission line to the ground plane, and the second short circuit element is configured to ground the second portion of the transmission line to the ground plane. It may include two stubs.
  • the antenna may have directivity adjusted according to a shorting position of the transmission line by the first shorting element and the second shorting element.
  • the antenna has a cavity penetrating through the dielectric substrate in the center of the transmission line, the main monopole antenna is formed through the cavity, and a feeder for feeding the main monopole antenna below the dielectric substrate. It may include.
  • the first short circuit device and the second short circuit device may be formed to be symmetrical with respect to a direction connecting the main monopole antenna and the plurality of parasitic monopole antennas.
  • the dielectric substrate A main monopole antenna formed on the dielectric substrate; A plurality of parasitic monopole antennas formed on the dielectric substrate and disposed with the main monopole antennas interposed therebetween; A ground plane formed on a bottom surface of the dielectric substrate; A ring-shaped transmission line formed on a lower surface of the dielectric substrate; And a plurality of short-circuit adjusting elements installed at different positions on the transmission line and short-circuit the transmission line according to a short-circuit signal.
  • the ground plane includes a metal surface formed on a bottom surface of the dielectric substrate, and the transmission line is formed to pass through lower surfaces of the plurality of parasitic monopole antennas, and the transmission line is etched in a ring shape on the metal surface.
  • a first etching line formed inside the plurality of parasitic monopole antennas;
  • a second etching line formed on the metal surface in an annular shape surrounding the first etching line and formed outside the plurality of parasitic monopole antennas.
  • the plurality of shorting control elements may include: a first diode shorting a first portion on the transmission line by the ground plane according to a first shorting signal; A second diode shorting a second portion on the transmission line by the ground plane according to the first short signal; A third diode shorting a third portion on the transmission line by the ground plane according to a second short signal; And a fourth diode shorting the fourth part on the transmission line by the ground plane according to the second short signal.
  • the first diode and the second diode are formed to be symmetrical with respect to a direction connecting the main monopole antenna and the plurality of parasitic monopole antennas, and the third diode and the fourth diode are the main monopole antenna. And a symmetry with respect to a direction connecting the plurality of parasitic monopole antennas.
  • the electronically tuned parasitic radiator antenna may form an orthogonal beam by the plurality of shorting control elements.
  • an antenna capable of implementing beam steering without using passive elements such as an inductor, a capacitor, and the like is provided.
  • an electronically adjusted parasitic radiator antenna capable of realizing high-speed data transmission by forming orthogonal beams without using passive elements such as inductors, capacitors, and the like.
  • FIG. 1 is a perspective view of an antenna 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the antenna 100 according to an embodiment of the present invention viewed from below.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the 'A' part shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the 'B' portion shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an optimized physical parameter of an antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates that the first short circuit element 160 and the second short circuit element 170 are rotated 75 ° and -75 ° in a clockwise direction based on the direction from the main monopole antenna 120 toward the first parasitic monopole antenna 131.
  • FIG. 7 is an image showing surface current and gain of the antenna shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 illustrates the first short circuit device 160 and the second short circuit device 170 in the clockwise direction with respect to the direction from the main monopole antenna 120 to the first parasitic monopole antenna 131, respectively.
  • FIG. 9 is an image showing surface current and gain of the antenna shown in FIG. 8.
  • FIG. 10 shows the first shorting element 160 and the second shorting element 170 in the clockwise direction by 90 ° and -90 °, respectively, based on the direction from the main monopole antenna 120 toward the first parasitic monopole antenna 131.
  • FIG. 11 is an image showing surface current and gain of the antenna shown in FIG. 10.
  • FIG. 12 is a graph showing impedance for each frequency of the antenna shown in FIG. 6.
  • FIG. 13 is a graph illustrating impedance for each frequency of the antenna illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 14 is a graph illustrating impedance for each frequency of the antenna illustrated in FIG. 10.
  • FIG. 15 is a graph illustrating a radiation pattern of the antenna illustrated in FIG. 6.
  • FIG. 16 is a graph showing a three-dimensional radiation pattern gain of the antenna shown in FIG. 6.
  • FIG. 17 is a graph illustrating a radiation pattern of the antenna illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 18 is a graph showing a three-dimensional radiation pattern gain of the antenna shown in FIG.
  • 19 is a rear view of the electronically controlled parasitic radiator antenna 100 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is an enlarged view of a portion 'C' of FIG. 19 and illustrates a first short circuit device 190 constituting an electronically steerable parasitic array radiator antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a graph showing a radiation pattern of the electronically controlled parasitic radiator antenna shown in FIG. 19.
  • FIG. 22 is a graph showing a first basis pattern B1 of the electronically controlled parasitic radiator antenna shown in FIG. 19.
  • FIG. 23 is a graph showing a second base pattern B2 of the electronically controlled parasitic radiator antenna shown in FIG. 19.
  • an antenna includes a main monopole antenna and a plurality of parasitic monopole antennas on an upper surface of a dielectric substrate; A ground line and a ring-shaped transmission line under the dielectric substrate; It includes a short circuit element for shorting the transmission line.
  • An antenna according to an embodiment of the present invention has a length of a transmission line determined by a short circuit element, and has an omnidirectional or directivity depending on the length of the transmission line. According to this embodiment, the directivity of the antenna can be adjusted by adjusting the length of the transmission line by the position of the shorting element.
  • An electronically controlled parasitic radiator antenna includes a main monopole antenna and a plurality of parasitic monopole antennas on the top surface of the dielectric substrate; A ground line and a ring-shaped transmission line under the dielectric substrate; And a short adjustment element for shorting the transmission line according to the short signal.
  • the directivity of the antenna is adjusted by changing the length of the transmission line by a short circuit adjusting element.
  • the antenna 100 may include a dielectric substrate 110, a main monopole antenna 120, a plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132, a ground plane 140,
  • the transmission line 150 includes a first shorting device 160, a second shorting device 170, and a power feeding unit 180.
  • the dielectric substrate 110 may be provided with a dielectric material.
  • the dielectric substrate 110 has a disk shape but may have a different shape.
  • Dielectric substrate 110 may have cavities 112 and 114.
  • the cavities 112 and 114 may be formed to penetrate the dielectric substrate 110 in the thickness direction.
  • the primary monopole antenna 120 is inserted into the first cavity 112 formed at the center of the dielectric substrate 110, and the parasitic monopole antennas 131 and 132 are formed into the second cavity 114 formed at both sides of the dielectric substrate 110. Is inserted.
  • the main monopole antenna 120 is formed on the dielectric substrate 110 and is fed by the feed unit 180.
  • the main monopole antenna 120 may be formed at the center of the dielectric substrate 110.
  • the primary monopole antenna 120 may be made of metal.
  • the main monopole antenna 120 may be provided in a rod shape extending in the vertical direction with respect to the dielectric substrate 110.
  • the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132 may be formed on the dielectric substrate 110 and disposed on both sides with the main monopole antenna 120 interposed therebetween to emit a signal.
  • the parasitic monopole antennas 131 and 132 may be made of metal.
  • the parasitic monopole antennas 131 and 132 may be provided in a rod shape extending in a vertical direction with respect to the dielectric substrate 110.
  • two parasitic monopole antennas 131 and 132 are formed, but the number of parasitic monopole antennas may be increased.
  • the parasitic monopole antenna may be formed in a shape surrounding the main monopole antenna at a predetermined angle.
  • the first cavity 112 and the second cavity 114 may include lower cavities 112a and 114a having the same diameter as the main monopole antenna 120 and the parasitic monopole antennas 131 and 132, and It may be comprised of upper cavities 112b and 114b having a larger diameter than primary monopole antenna 120 and parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • the main monopole antenna 120 may be inserted into the lower cavity 112a of the first cavity 112 so that the bottom surface 120a may be electrically connected to the feed inner core 182 of the feeder 180 by soldering or the like. . Accordingly, the main monopole antenna 120 may be fed by the feed unit 180.
  • the parasitic monopole antennas 131 and 132 may be inserted into the lower cavity 114a of the second cavity 114 so that the bottom surfaces 131a and 132b may be electrically connected to the ground plane 140.
  • the ground plane 140 is formed on the bottom surface of the dielectric substrate 110.
  • the ground plane 140 may be provided as a metal surface formed on the bottom surface of the dielectric substrate 110.
  • the ground plane 140 may include a first ground plane 141 inside the transmission line 150, a second ground plane 142 outside the transmission line 150, a first ground plane 141, and a second ground plane 142.
  • a third ground plane 143 between the () may be made.
  • the third ground surface 143 may be formed in a ring shape between the first etching line 151 and the second etching line 152 of the transmission line 150.
  • Reference numeral 144 denotes a metal connecting plate for electrically connecting the first ground plane 141 and the second ground plane 142.
  • the transmission line 150 may be formed in a ring shape on the bottom surface of the dielectric substrate 110.
  • the transmission line 150 may include a first etching line 151 and a second etching line 152.
  • the first etching line 151 may be etched in a ring shape on the metal surface of the ground plane 140.
  • the second etching line 152 may be etched in a ring shape surrounding the first etching line 151 on the metal surface of the ground plane 140.
  • Transmission line 150 in the city is made of a circular ring shape, it is also possible to form a different ring shape, such as a square.
  • the transmission line 150 may be formed to pass through the bottom surfaces 131a and 132a of the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • the first etching line 151 may be formed inside the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132
  • the second etching line 152 may be formed outside the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • the first short circuit device 160 may be formed at one side of the transmission line 150 to short-circuit the first portion of the transmission line 150.
  • the first short circuit device 160 may be provided as a first stub for grounding the first portion of the transmission line 150 to the ground plane 140.
  • the second short circuit device 170 may be formed at the other side of the transmission line 150 to short-circuit the second portion of the transmission line 150.
  • the second shorting element 170 may be provided as a second stub for grounding the second portion of the transmission line 150 to the ground plane 140.
  • the first short circuit device 160 and the second short circuit device 170 may be made of metal.
  • the first short circuit device 160 and the second short circuit device 170 may be formed to be symmetrical with respect to a direction connecting the main monopole antenna 120 and the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • the semi-ring-shaped first etching portion is formed in the region forming part of the ring of the ground plane 140
  • the second etching portion is formed in the remaining portion of the ring, the first etching
  • the shorted transmission line 150 may be formed by etching.
  • the first short circuit device 160 and the second short circuit device 170 may correspond to portions of the ground plane 140 that are not etched between the first and second etching parts in the transmission path 150. .
  • directivity may be adjusted according to a shorting position of the transmission line 150 by the first shorting element 160 and the second shorting element 170. That is, the length of the transmission line 150 is determined by the first short circuit element 160 and the second short circuit element 170, and the directivity of the beam transmitted by the antenna 100 corresponds to the length of the transmission line 150. This can be adjusted. Therefore, according to the present exemplary embodiment, beam steering may be implemented according to the formation positions of the first short circuit device 160 and the second short circuit device 170 without using passive elements such as an inductor and a capacitor. In the illustrated embodiment, two short circuit elements 160 and 170 are formed, but a larger number of short circuit elements may be formed according to the number of parasitic monopole antennas and the size of the dielectric substrate.
  • the diameter D3 of the dielectric substrate 110 is ⁇ / 4 ( ⁇ is a wavelength corresponding to a signal transmission frequency), and the length L1 of the main monopole antenna 120 and the parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • ⁇ / 4 the distance D1 between the primary monopole antenna 120 and the parasitic monopole antennas 131 and 132 may be determined as ⁇ / 10.
  • ⁇ when the signal transmission frequency is 2.45 GHz, ⁇ may be determined to be 122.4 mm.
  • the thickness of the dielectric substrate 110 is 2 mm, the upper diameters of the cavities 112 and 114 are 2 mm, the diameters of the main monopole antenna 120 and the parasitic monopole antennas 131 and 132 are 1 mm, and the transmission line 150
  • An antenna was fabricated with a total circumferential length of 76.8 mm and the beam steering characteristics of the antenna were analyzed.
  • FIG. 6 illustrates that the first short circuit element 160 and the second short circuit element 170 are rotated 75 ° and -75 ° in a clockwise direction based on the direction from the main monopole antenna 120 toward the first parasitic monopole antenna 131.
  • FIG. 7 is an image showing surface current and gain of the antenna shown in FIG. 6. 6 and 7, it can be seen that the beam of the antenna shown in FIG. 6 is directed in the 180 ° direction.
  • FIG. 8 illustrates the first short circuit device 160 and the second short circuit device 170 in the clockwise direction with respect to the direction from the main monopole antenna 120 to the first parasitic monopole antenna 131, respectively.
  • FIG. 9 is an image showing surface current and gain of the antenna shown in FIG. 8. 8 and 9, it can be seen that the beam of the antenna shown in FIG. 8 is directed in the 0 ° direction.
  • FIG. 10 shows the first shorting element 160 and the second shorting element 170 in the clockwise direction by 90 ° and -90 °, respectively, based on the direction from the main monopole antenna 120 toward the first parasitic monopole antenna 131.
  • FIG. 11 is an image showing surface current and gain of the antenna shown in FIG. 10. 8 and 9, it can be seen that the beam of the antenna shown in FIG. 8 is omnidirectional.
  • FIG. 12 is a graph showing impedance by frequency of the antenna shown in FIG. 6,
  • FIG. 13 is a graph showing impedance by frequency of the antenna shown in FIG. 8,
  • FIG. 14 is a graph showing impedance by frequency of the antenna shown in FIG. 10. It is a graph showing. 12 to 14, it can be seen that the antenna according to the present exemplary embodiment does not have a large change in impedance at a frequency of 2.45 GHz when the short circuiting devices 160 and 170 are changed in position.
  • FIG. 15 is a graph showing the radiation pattern of the antenna shown in FIG. 6,
  • FIG. 16 is a graph showing the three-dimensional radiation pattern gain of the antenna shown in FIG. 6,
  • FIG. 17 is a graph showing the radiation pattern of the antenna shown in FIG. 18 is a graph showing the three-dimensional radiation pattern gain of the antenna shown in FIG.
  • FIGS. 15 to 18 it can be seen that the antenna shown in FIG. 6 has a beam directivity in a 180 ° direction, and the antenna shown in FIG. 8 has a beam directivity in a 0 ° direction.
  • FIG. 19 is a rear view of the electronically controlled parasitic radiator antenna 100 according to another embodiment of the present invention.
  • a duplicate description of the same or corresponding configuration as the above-described embodiment may be omitted.
  • the embodiment of FIG. 19 allows the short circuit and the connection of the transmission line 150 to be controlled by the plurality of short circuit regulating elements 190 to 220 instead of the short circuit element, and by the short circuit regulating elements of the plurality of pairs 190, 200, 210 and 220. There is a difference from the above-described embodiment in one point to adjust the beam steering.
  • the first short regulating element 190 and the second short regulating element 200 are respectively 75 ° clockwise with respect to the direction from the main monopole antenna 120 toward the first parasitic monopole antenna 131.
  • the third short circuit adjusting element 210 and the fourth short circuit adjusting element 220 are formed at positions 105 ° and -105 °, but the short circuit adjusting elements 190 to 220 are formed at the ⁇ 75 ° position. May be variously modified.
  • the short-circuit control element is formed at 90 ° and -90 ° in the clockwise direction with respect to the direction from the main monopole antenna 120 toward the first parasitic monopole antenna 131, it is also possible to implement omnidirectionality. .
  • the plurality of short-circuit adjusting elements 190 to 220 may be installed at different positions on the transmission line 150 and may short-circuit the transmission line 150 according to a short circuit signal.
  • the plurality of short-circuit control elements 190 to 220 may include a first diode 192, a second diode 202, a third diode 212, and a fourth diode 222.
  • the short signal may be a signal for turning on / off a diode and may be provided from a control circuit (not shown).
  • FIG. 20 is an enlarged view of a portion 'C' of FIG. 19 and illustrates a first short circuit device 190 constituting an electronically steerable parasitic array radiator antenna according to an embodiment of the present invention.
  • the second to fourth shorting elements 200 to 220 may be provided in the same manner as the first shorting element 190.
  • the first short circuit device 190 includes a first diode 192 that operates according to a short signal provided through the input terminal 194.
  • the first diode 192 shorts the first portion on the transmission line 150 by the ground plane 140 according to the first short signal.
  • the second diode 202 shorts the second part on the transmission line 150 by the ground plane 140 according to the first short signal.
  • the third diode 212 shorts the third portion on the transmission line 150 by the ground plane 140 according to the second short signal.
  • the fourth diode 222 shorts the fourth part on the transmission line 150 by the ground plane 140 according to the second short signal.
  • the first diode 192 and the second diode 202 may be formed to be symmetrical with respect to the direction in which the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132 are connected to the main monopole antenna 120.
  • the third diode 412 and the fourth diode 222 may also be formed to be symmetrical with respect to the direction connecting the main monopole antenna 120 and the plurality of parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • the first short control element pairs 190 and 200 and the second short control element pairs 210 and 220 may operate in a complementary relation. That is, while the first diode 192 and the second diode 202 operate to short-circuit the first and second portions of the transmission line 150, a short signal is transmitted to the third diode 212 and the fourth diode 222. May not be provided. On the contrary, while the third diode 412 and the fourth diode 222 operate to short-circuit the third and fourth portions of the transmission line 150, the first diode 192 and the second diode 202 are short-circuited. No signal may be provided.
  • the first short control element 190 and the second short control element 200 may be provided.
  • the transmission line 150 is shorted by the reference numeral 200.
  • the third shorting control element 210 and the fourth shorting control element 220 are opened, and the electronically controlled parasitic radiator antenna has the characteristics of the antenna as shown in FIG. 6 to realize beam steering in a 180 ° direction. do.
  • the transmission line 150 is provided by the third short circuit regulating device 210 and the fourth short circuit regulating device 220. Is short-circuited.
  • the first shorting regulating element 190 and the second shorting regulating element 200 operate in an open manner, and the electronically controlled parasitic radiator antenna has characteristics of the antenna as shown in FIG. 8, so that beam steering in the 0 ° direction is performed. Is implemented.
  • FIG. 21 is a graph showing a radiation pattern of the electronically controlled parasitic radiator antenna shown in FIG. 19.
  • 'DC (+1.5)' indicates a case where the transmission line 150 is shorted by the first diode 192 and the second diode 202
  • 'DC (-1.5)' indicates a third diode ( The case where the transmission line 150 is short-circuited by 212 and the 4th diode 222 is shown.
  • the angle is based on a direction perpendicular to a direction connecting the main monopole antenna 120 and the parasitic monopole antennas 131 and 132.
  • the beam directivity in the left-hand direction (90 ° direction in the drawing) is shown.
  • the left portion of the transmission line 150 is short-circuited by the diode 212 and the fourth diode 222, it can be seen that the beam directivity is in the even direction (270 ° direction in the figure).
  • FIG. 22 is a graph showing a first base pattern B1 of the electronically controlled parasitic radiator antenna illustrated in FIG. 19, and FIG. 23 is a second basic pattern of the electronically controlled parasitic radiator antenna illustrated in FIG. 19. pattern) (B2).
  • the first basic pattern B1 is (G 2 + G 1 ) / 2
  • the second basic pattern B2 is (G 2 -G 1 ) / 2. 22 and 23, it can be seen that the first basic pattern B1 and the second basic pattern B2 form an orthogonal relationship. That is, the electronically tuned parasitic radiator antenna according to the present embodiment may form an orthogonal beam by the plurality of short-circuit adjusting elements 190 to 220.
  • the electronically controlled parasitic radiator antenna according to an embodiment of the present invention can realize a beam steering technique by adjusting the length of a transmission line by a plurality of short-circuit adjusting elements.
  • the electronically tuned parasitic radiator antenna according to the present embodiment has an advantage in that beam steering can be implemented without using passive elements such as an inductor, a capacitor, and the like.
  • two orthogonal beams may be formed to realize high-speed data transmission.
  • the proposed structure maintains pure L and C even under theoretically infinite transmission speeds. That is, it does not become a factor of preventing high speed transmission. This is because the propagation mode of the applied circular transmission line is the TEM mode, and therefore there is no cutoff frequency according to the transmission line theory. As a result, the proposed circular transmission line maintains pure L and C even if the transmission speed is increased.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 본 실시 예에 따른 안테나는 유전체 기판; 유전체 기판상에 형성되는 주 모노폴 안테나; 유전체 기판상에 형성되고, 주 모노폴 안테나를 사이에 두고 배치되는 복수의 기생 모노폴 안테나; 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면; 유전체 기판의 하면에 형성되는 고리 형태의 전송선로; 전송선로의 일측에 형성되어 전송선로의 제1 부분을 단락시키는 제1 단락소자; 및 전송선로의 타측에 형성되어 전송선로의 제2 부분을 단락시키는 제2 단락소자를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 의하면 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 빔 조향을 구현할 수 있으며, 직교 빔을 형성하여 고속데이터 전송을 실현할 수 있다. 제시된 구조는 이론적으로 무한대의 전송속도를 갖는 상황에서도 순수 L과 C를 유지하게 된다. 즉, 고속 전송속도 구현의 저해요인이 되지 않는다. 그 이유는, 적용된 원형 전송선의 전파모드가 TEM모드로써 전송선 이론에 의하여 차단 주파수가 존재하지 않기 때문이다. 그 결과, 제안된 원형 전송선은 전송속도가 증가하더라도 순수 L과 C를 유지하게 된다.

Description

안테나
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 빔 조향을 구현할 수 있는 안테나에 관한 것이다.
전자적 조정 기생 방사체 안테나(electronically steerable parasitic array radiator antenna)는 능동 소자와 주변의 기생 소자를 이용하는 안테나로서, 기존의 배열 안테나를 사용하는 MIMO(multi-input multi-output) 시스템의 하드웨어 복잡도 및 전력 소비 증가 등의 단점을 극복하기 위해 연구되고 있는 기술이다. IEEE Antenna and Propagation Magazine Vol. 47 NO. 2 와 IEEE transactions on antenna and propagation Vol. 60 No. 2에는 단일 RF chain을 갖는 전자 빔 조향 기생 배열 안테나를 사용한 빔 공간 MIMO 시스템이 제시되어 있다. 종래의 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 빔 조향을 구현하기 위해서 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자를 사용해야 하는 단점을 갖는다. 기존의 이산소자 L과 C는 고속 데이터 전송일수록 내포된 기생소자의 효과 역시 커져 고속 전송속도 구현의 저해요인이 된다.
본 발명은 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 빔 조향을 구현할 수 있는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 직교 빔을 형성하여 고속데이터 전송을 실현할 수 있는 전자적 조정 기생 방사체 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 형성되는 주 모노폴 안테나; 상기 유전체 기판상에 형성되고, 상기 주 모노폴 안테나를 사이에 두고 배치되는 복수의 기생 모노폴 안테나; 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면; 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 고리 형태의 전송선로; 상기 전송선로의 일측에 형성되어 상기 전송선로의 제1 부분을 단락시키는 제1 단락소자; 및 상기 전송선로의 타측에 형성되어 상기 전송선로의 제2 부분을 단락시키는 제2 단락소자를 포함한다.
상기 접지면은 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 금속면을 포함하고, 상기 전송선로는, 상기 금속면에 고리 형태로 식각 형성된 제1 식각라인과, 상기 금속면에 상기 제1 식각라인을 둘러싸는 고리 형태로 식각 형성된 제2 식각라인을 포함할 수 있다.
상기 전송선로는 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 하단면을 경유하도록 형성될 수 있다.
상기 제1 식각라인은 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 내측으로 형성되고, 상기 제2 식각라인은 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 외측으로 형성될 수 있다.
상기 제1 단락소자는 상기 전송선로의 상기 제1 부분을 상기 접지면으로 접지시키는 제1 스터브를 포함하고, 상기 제2 단락소자는 상기 전송선로의 상기 제2 부분을 상기 접지면으로 접지시키는 제2 스터브를 포함할 수 있다.
상기 안테나는 상기 제1 단락소자와 상기 제2 단락소자에 의한 상기 전송선로의 단락 위치에 따라 지향성이 조절될 수 있다.
상기 안테나는 상기 전송선로의 중심부에 상기 유전체 기판을 관통하는 공동이 형성되고, 상기 주 모노폴 안테나는 상기 공동을 관통하여 형성되고, 상기 유전체 기판의 하부에서 상기 주 모노폴 안테나를 급전하는 급전부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 단락소자 및 상기 제2 단락소자는, 상기 주 모노폴 안테나와 상기 복수의 기생 모노폴 안테나를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 형성되는 주 모노폴 안테나; 상기 유전체 기판상에 형성되고, 상기 주 모노폴 안테나를 사이에 두고 배치되는 복수의 기생 모노폴 안테나; 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면; 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 고리 형태의 전송선로; 및 상기 전송선로 상의 서로 다른 위치에 설치되고, 단락 신호에 따라 상기 전송선로를 단락시키는 복수의 단락 조절 소자를 포함하는 전자적 조정 기생 방사체 안테나가 제공된다.
상기 접지면은 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 금속면을 포함하고, 상기 전송선로는 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 하단면을 경유하도록 형성되며, 상기 전송선로는, 상기 금속면에 고리 형태로 식각 형성되고, 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 내측으로 형성된 제1 식각라인; 및 상기 금속면에 상기 제1 식각라인을 둘러싸는 고리 형태로 식각 형성되고, 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 외측으로 형성된 제2 식각라인을 포함할 수 있다.
상기 복수의 단락 조절 소자는, 제1 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제1 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제1 다이오드; 상기 제1 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제2 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제2 다이오드; 제2 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제3 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제3 다이오드; 및 상기 제2 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제4 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제4 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드는, 상기 주 모노폴 안테나와 상기 복수의 기생 모노폴 안테나를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성되고, 상기 제3 다이오드 및 상기 제4 다이오드는, 상기 주 모노폴 안테나와 상기 복수의 기생 모노폴 안테나를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있다.
상기 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 상기 복수의 단락 조절 소자에 의해 직교 빔을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 빔 조향을 구현할 수 있는 안테나가 제공된다.
또한 본 발명의 실시 예에 의하면 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 직교 빔을 형성하여 고속데이터 전송을 실현할 수 있는 전자적 조정 기생 방사체 안테나가 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나(100)의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나(100)를 하부에서 바라본 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 'A'부의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 'B'부의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나의 최적화된 물리적 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)를 각각 시계 방향으로 75°, -75° 위치에 형성하여 제조한 안테나의 후면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 안테나의 표면 전류(surface current) 및 이득(gain)을 보여주는 이미지이다.
도 8은 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)를 각각 시계 방향으로 105°, -105° 위치에 형성하여 제조한 안테나의 후면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 안테나의 표면 전류(surface current) 및 이득(gain)을 보여주는 이미지이다.
도 10은 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)를 각각 시계 방향으로 90°, -90° 위치에 형성하여 제조한 안테나의 후면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 안테나의 표면 전류(surface current) 및 이득(gain)을 보여주는 이미지이다.
도 12는 도 6에 도시된 안테나의 주파수별 임피던스를 보여주는 그래프이다.
도 13은 도 8에 도시된 안테나의 주파수별 임피던스를 보여주는 그래프이다.
도 14는 도 10에 도시된 안테나의 주파수별 임피던스를 보여주는 그래프이다.
도 15는 도 6에 도시된 안테나의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 16은 도 6에 도시된 안테나의 3차원 방사 패턴 이득을 보여주는 그래프이다.
도 17은 도 8에 도시된 안테나의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 18은 도 8에 도시된 안테나의 3차원 방사 패턴 이득을 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나(100)의 후면도이다.
도 20은 도 19의 'C'부 확대도로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나(electronically steerable parasitic array radiator antenna)를 구성하는 제1 단락소자(190)를 보여주는 도면이다.
도 21은 도 19에 도시된 전자적 조정 기생 방사체 안테나의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 22는 도 19에 도시된 전자적 조정 기생 방사체 안테나의 제1 기본 패턴(basis pattern)(B1)을 보여주는 그래프이다.
도 23은 도 19에 도시된 전자적 조정 기생 방사체 안테나의 제2 기본 패턴(basis pattern)(B2)을 보여주는 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는 유전체 기판 상면의 주 모노폴 안테나와 복수의 기생 모노폴 안테나; 유전체 기판 하면의 접지면과 고리 형태의 전송선로; 전송선로를 단락시키는 단락소자를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는 단락소자에 의해 전송선로의 길이가 결정되며, 전송선로의 길이에 따라 무지향성 또는 지향성을 갖게 된다. 본 실시 예에 의하면, 단락소자의 위치에 의해 전송선로의 길이를 조절하여 안테나의 지향성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 유전체 기판 상면의 주 모노폴 안테나와 복수의 기생 모노폴 안테나; 유전체 기판 하면의 접지면과 고리 형태의 전송선로; 단락 신호에 따라 전송선로를 단락시키는 단락 조절 소자를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 단락 조절 소자에 의해 전송선로의 길이가 변화하여 안테나의 지향성이 조절된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나(100)의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나(100)를 하부에서 바라본 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나(100)는 유전체 기판(110), 주 모노폴 안테나(120), 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132), 접지면(140), 전송선로(150), 제1 단락소자(160), 제2 단락소자(170) 및 급전부(180)를 포함한다.
유전체 기판(110)은 유전체 물질로 제공될 수 있다. 도시에서 유전체 기판(110)은 원판 형상으로 이루어져 있으나 다른 형상을 가질 수도 있다. 유전체 기판(110)은 공동(112,114)을 가질 수 있다. 공동(112,114)은 유전체 기판(110)을 두께 방향으로 관통하도록 형성될 수 있다. 유전체 기판(110)의 중심부에 형성된 제1 공동(112)으로는 주 모노폴 안테나(120)가 삽입되고, 유전체 기판(110)의 양측에 형성된 제2 공동(114)으로는 기생 모노폴 안테나(131,132)가 삽입된다.
주 모노폴 안테나(120)는 유전체 기판(110) 상에 형성되며, 급전부(180)에 의해 급전된다. 주 모노폴 안테나(120)는 유전체 기판(110)의 중심부에 형성될 수 있다. 주 모노폴 안테나(120)는 금속으로 이루어질 수 있다. 일 실시 예로, 주 모노폴 안테나(120)는 유전체 기판(110)에 대해 수직 방향으로 길게 연장되는 막대 형상으로 제공될 수 있다.
복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)는 유전체 기판(110) 상에 형성되며, 주 모노폴 안테나(120)를 사이에 두고 양측에 배치되어 신호를 방사할 수 있다. 기생 모노폴 안테나(131,132)는 금속으로 이루어질 수 있다. 일 실시 예로, 기생 모노폴 안테나(131,132)는 유전체 기판(110)에 대해 수직 방향으로 길게 연장되는 막대 형상으로 제공될 수 있다. 도시된 실시 예에서 2개의 기생 모노폴 안테나(131,132)가 형성되어 있으나, 기생 모노폴 안테나의 개수는 이보다 증가될 수도 있다. 이때 기생 모노폴 안테나는 일정 각도를 이루어 주 모노폴 안테나를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 'A'부의 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 'B'부의 단면도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 공동(112) 및 제2 공동(114)은 주 모노폴 안테나(120) 및 기생 모노폴 안테나(131,132)와 동일한 직경을 갖는 하부 공동(112a,114a)과, 주 모노폴 안테나(120) 및 기생 모노폴 안테나(131,132)보다 큰 직경을 갖는 상부 공동(112b,114b)으로 이루어질 수 있다.
주 모노폴 안테나(120)는 제1 공동(112)의 하부 공동(112a)에 삽입되어, 하단면(120a)이 급전부(180)의 급전 내심(182)에 납땜 등에 의하여 전기적으로 접속될 수 있다. 이에 따라 주 모노폴 안테나(120)는 급전부(180)에 의해 급전될 수 있다. 기생 모노폴 안테나(131,132)는 제2 공동(114)의 하부 공동(114a)에 삽입되어, 하단면(131a,132b)이 접지면(140)에 전기적으로 접속될 수 있다.
접지면(140)은 유전체 기판(110)의 하면에 형성된다. 접지면(140)은 유전체 기판(110)의 하면에 형성되는 금속면으로 제공될 수 있다. 접지면(140)은 전송선로(150) 내측의 제1 접지면(141), 전송선로(150) 외측의 제2 접지면(142), 제1 접지면(141)과 제2 접지면(142) 사이의 제3 접지면(143)으로 이루어질 수 있다. 제3 접지면(143)은 전송선로(150)의 제1 식각라인(151)과 제2 식각라인(152) 사이에 고리 형태로 형성될 수 있다. 미설명부호 144는 제1 접지면(141)과 제2 접지면(142)을 전기적으로 접속시키는 금속연결판이다.
전송선로(150)는 유전체 기판(110)의 하면에 고리 형태로 형성될 수 있다. 전송선로(150)는 제1 식각라인(151)과 제2 식각라인(152)을 포함할 수 있다. 제1 식각라인(151)은 접지면(140)의 금속면에 고리 형태로 식각 형성될 수 있다. 제2 식각라인(152)은 접지면(140)의 금속면에 제1 식각라인(151)을 둘러싸는 고리 형태로 식각 형성될 수 있다. 도시에서 전송선로(150)는 원형의 고리 형태로 이루어져 있으나, 사각형 등의 다른 고리 형태로 이루어지는 것도 가능하다.
전송선로(150)는 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)의 하단면(131a,132a)을 경유하도록 형성될 수 있다. 일 실시 예로, 제1 식각라인(151)은 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)의 내측으로 형성되고, 제2 식각라인(152)은 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)의 외측으로 형성될 수 있다.
제1 단락소자(160)는 전송선로(150)의 일측에 형성되어 전송선로(150)의 제1 부분을 단락시킬 수 있다. 일 실시 예로, 제1 단락소자(160)는 전송선로(150)의 상기 제1 부분을 접지면(140)으로 접지시키는 제1 스터브(stub)로 제공될 수 있다. 제2 단락소자(170)는 전송선로(150)의 타측에 형성되어 전송선로(150)의 제2 부분을 단락시킬 수 있다. 일 실시 예로, 제2 단락소자(170)는 전송선로(150)의 상기 제2 부분을 접지면(140)으로 접지시키는 제2 스터브로 제공될 수 있다. 제1 단락소자(160) 및 제2 단락소자(170)는 금속으로 제공될 수 있다.
제1 단락소자(160) 및 제2 단락소자(170)는 주 모노폴 안테나(120)와 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시 예에서, 접지면(140)의 고리의 일부를 이루는 영역에 반고리 형태의 제1 식각부를 형성하고, 고리의 나머지 일부를 이루는 영역에 제2 식각부를 형성하고, 제1 식각부와 제2 식각부가 간극을 갖도록 하여, 단락된 전송선로(150)를 식각에 의해 형성할 수 있다. 이때 제1 단락소자(160) 및 제2 단락소자(170)는 전송경로(150)에서 제1 식각부와 제2 식각부 사이에 식각되지 않은 접지면(140)의 부분에 해당한다고 할 수 있다.
본 실시 예에 따른 안테나(100)는 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)에 의한 전송선로(150)의 단락 위치에 따라 지향성이 조절될 수 있다. 즉 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)에 의해 전송선로(150)의 길이가 결정되고, 전송선로(150)의 길이에 상응하여 안테나(100)에 의해 전송되는 빔의 지향성이 조절될 수 있다. 따라서 본 실시 예에 의하면 인덕터, 커패시터 같은 수동 소자를 사용하지 않고, 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)의 형성 위치에 따라 빔 조향을 구현할 수 있다. 도시된 실시 예에서, 2개의 단락소자(160,170)가 형성되어 있으나, 기생 모노폴 안테나의 개수, 유전체 기판의 크기 등에 따라 더 많은 개수의 단락소자가 형성되는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나의 최적화된 물리적 파라미터를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 유전체 기판(110)의 직경(D3)은 λ/4 (λ는 신호 전송 주파수에 상응하는 파장), 주 모노폴 안테나(120)와 기생 모노폴 안테나(131,132)의 길이(L1)는 λ/4, 주 모노폴 안테나(120)와 기생 모노폴 안테나(131,132) 간의 거리(D1)는 λ/10 로 결정될 수 있다.
일 실시 예로, 신호 전송 주파수가 2.45 GHz 일 경우, λ 는 122.4 mm 로 결정될 수 있다. 유전체 기판(110)의 두께를 2mm 로 하고, 공동(112,114)의 상부 직경을 2mm 로 하고, 주 모노폴 안테나(120)와 기생 모노폴 안테나(131,132)의 직경을 1mm 로 하고, 전송선로(150)의 전체 둘레 길이를 76.8mm 로 하여 안테나를 제작하고, 안테나의 빔 조향 특성을 분석하는 실험을 하였다.
도 6은 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)를 각각 시계 방향으로 75°, -75° 위치에 형성하여 제조한 안테나의 후면도이다. 도 7은 도 6에 도시된 안테나의 표면 전류(surface current) 및 이득(gain)을 보여주는 이미지이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6에 도시된 안테나의 빔은 180° 방향으로 지향되는 것을 알 수 있다.
도 8은 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)를 각각 시계 방향으로 105°, -105° 위치에 형성하여 제조한 안테나의 후면도이다. 도 9는 도 8에 도시된 안테나의 표면 전류(surface current) 및 이득(gain)을 보여주는 이미지이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8에 도시된 안테나의 빔은 0° 방향으로 지향되는 것을 알 수 있다.
도 10은 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 제1 단락소자(160)와 제2 단락소자(170)를 각각 시계 방향으로 90°, -90° 위치에 형성하여 제조한 안테나의 후면도이다. 도 11은 도 10에 도시된 안테나의 표면 전류(surface current) 및 이득(gain)을 보여주는 이미지이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8에 도시된 안테나의 빔은 무지향성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 12는 도 6에 도시된 안테나의 주파수별 임피던스를 보여주는 그래프이고, 도 13은 도 8에 도시된 안테나의 주파수별 임피던스를 보여주는 그래프이고, 도 14는 도 10에 도시된 안테나의 주파수별 임피던스를 보여주는 그래프이다. 도 12 내지 도 14와 같이, 본 실시 예에 따른 안테나는 단락소자(160,170)의 위치 변화시 2.45 GHz 주파수에서의 임피던스 변화가 크지 않은 것을 알 수 있다.
도 15는 도 6에 도시된 안테나의 방사 패턴을 보여주는 그래프이고, 도 16은 도 6에 도시된 안테나의 3차원 방사 패턴 이득을 보여주는 그래프이고, 도 17은 도 8에 도시된 안테나의 방사 패턴을 보여주는 그래프이고, 도 18은 도 8에 도시된 안테나의 3차원 방사 패턴 이득을 보여주는 그래프이다. 도 15 내지 도 18의 도시와 같이, 도 6에 도시된 안테나는 180° 방향의 빔 지향성을 가지며, 도 8에 도시된 안테나는 0° 방향의 빔 지향성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나(100)의 후면도이다. 도 19의 실시 예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 도 19의 실시 예는 단락 소자 대신 복수의 단락 조절 소자(190~220)에 의해 전송선로(150)의 단락과 연결을 조절할 수 있도록 하고, 복수 쌍(190,200)(210,220)의 단락 조절 소자에 의해 빔 조향을 조절할 수 있도록 한 점에서 앞서 설명한 실시 예와 차이가 있다.
도 19에서, 제1 단락 조절 소자(190)와 제2 단락 조절 소자(200)는 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 각각 시계 방향으로 75°, -75° 위치에 형성되고, 제3 단락 조절 소자(210)와 제4 단락 조절 소자(220)는 105°, -105° 위치에 형성되어 있으나, 단락 조절 소자(190~220)가 형성되는 각도는 다양하게 변형될 수 있다. 또한 주 모노폴 안테나(120)에서 제1 기생 모노폴 안테나(131)를 향하는 방향을 기준으로 각각 시계 방향으로 90°, -90° 위치에 단락 조절 소자를 형성할 경우, 무지향성을 구현하는 것도 가능하다.
복수의 단락 조절 소자(190~220)는 전송선로(150) 상의 서로 다른 위치에 설치되고, 단락 신호에 따라 전송선로(150)를 단락시킬 수 있다. 일 실시 예로, 복수의 단락 조절 소자(190~220)는 제1 다이오드(192), 제2 다이오드(202), 제3 다이오드(212) 및 제4 다이오드(222)를 포함할 수 있다. 단락 신호는 다이오드를 온(on)/오프(off)시키는 신호일 수 있으며, 도시되지 않은 제어회로로부터 제공될 수 있다.
도 20은 도 19의 'C'부 확대도로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나(electronically steerable parasitic array radiator antenna)를 구성하는 제1 단락소자(190)를 보여주는 도면이다. 도시되지 않았으나, 제2 내지 제4 단락소자(200~220)는 제1 단락소자(190)와 동일하게 제공될 수 있다. 제1 단락소자(190)는 입력단자(194)를 통해 제공되는 단락 신호에 따라 동작하는 제1 다이오드(192)를 포함한다.
제1 다이오드(192)는 제1 단락 신호에 따라 전송선로(150) 상의 제1 부분을 접지면(140)에 의해 단락시킨다. 제2 다이오드(202)는 상기 제1 단락 신호에 따라 전송선로(150) 상의 제2 부분을 접지면(140)에 의해 단락시킨다. 제3 다이오드(212)는 제2 단락 신호에 따라 전송선로(150) 상의 제3 부분을 접지면(140)에 의해 단락시킨다. 제4 다이오드(222)는 상기 제2 단락 신호에 따라 전송선로(150) 상의 제4 부분을 접지면(140)에 의해 단락시킨다.
제1 다이오드(192) 및 제2 다이오드(202)는 주 모노폴 안테나(120) 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있다. 제3 다이오드(212) 및 제4 다이오드(222) 역시 주 모노폴 안테나(120)와 복수의 기생 모노폴 안테나(131,132)를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있다.
제1 단락 조절 소자 쌍(190,200)과, 제2 단락 조절 소자 쌍(210,220)은 보수관계(complementary relation)로 동작할 수 있다. 즉 제1 다이오드(192)와 제2 다이오드(202)가 동작하여 전송선로(150)의 제1 부분과 제2 부분이 단락되는 동안 제3 다이오드(212)와 제4 다이오드(222)로는 단락 신호가 제공되지 않을 수 있다. 반대로, 제3 다이오드(212)와 제4 다이오드(222)가 동작하여 전송선로(150)의 제3 부분과 제4 부분이 단락되는 동안 제1 다이오드(192)와 제2 다이오드(202)로는 단락 신호가 제공되지 않을 수 있다.
일 실시 예로, 전송선로(150)를 단락시키는 단락 신호가 제1 단락 조절 소자(190)와 제2 단락 조절 소자(200)로 제공되면, 제1 단락 조절 소자(190)와 제2 단락 조절 소자(200)에 의해 전송선로(150)가 단락된다. 이때 제3 단락 조절 소자(210)와 제4 단락 조절 소자(220)는 개방 동작하고, 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 도 6에 도시된 바와 같은 안테나의 특성을 갖게 되어 180° 방향의 빔 조향이 구현된다.
반대로, 단락 신호가 제3 단락 조절 소자(210)와 제4 단락 조절 소자(220)로 제공되면, 제3 단락 조절 소자(210)와 제4 단락 조절 소자(220)에 의해 전송선로(150)가 단락된다. 이때 제1 단락 조절 소자(190)와 제2 단락 조절 소자(200)는 개방 동작하고, 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 도 8에 도시된 바와 같은 안테나의 특성을 갖게 되어, 0° 방향의 빔 조향이 구현된다.
도 21은 도 19에 도시된 전자적 조정 기생 방사체 안테나의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 21에서 'DC(+1.5)'는 제1 다이오드(192)와 제2 다이오드(202)에 의해 전송선로(150)를 단락시킨 경우를 나타내고, 'DC(-1.5)'는 제3 다이오드(212)와 제4 다이오드(222)에 의해 전송선로(150)를 단락시킨 경우를 나타낸다.
도 21에서 각도는 주 모노폴 안테나(120)와 기생 모노폴 안테나(131,132)를 연결하는 방향과 수직인 방향을 기준으로 한 것이다. 도 21를 참조하면, 제1 다이오드(192)와 제2 다이오드(202)에 의해 전송선로(150)의 우측 부분을 단락시킨 경우 좌수 방향(도시에서 90° 방향)의 빔 지향성을 가지며, 제3 다이오드(212)와 제4 다이오드(222)에 의해 전송선로(150)의 좌측 부분을 단락시킨 경우 우수 방향(도시에서 270° 방향)의 빔 지향성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 22는 도 19에 도시된 전자적 조정 기생 방사체 안테나의 제1 기본 패턴(basis pattern)(B1)을 보여주는 그래프이고, 도 23은 도 19에 도시된 전자적 조정 기생 방사체 안테나의 제2 기본 패턴(basis pattern)(B2)을 보여주는 그래프이다. 여기서 제1 기본패턴(B1)은 (G2+G1)/2 이고, 제2 기본패턴(B2)은 (G2-G1)/2 이다. 도 22 및 도 23의 도시로부터, 제1 기본패턴(B1)과 제2 기본패턴(B2)은 직교 관계를 이루는 것을 알 수 있다. 즉 본 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 복수의 단락 조절 소자(190~220)에 의해 직교 빔을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 복수의 단락 조절 소자에 의해 전송선로의 길이를 조절하여 빔 조향 기술을 실현할 수 있다. 본 실시 예에 따른 전자적 조정 기생 방사체 안테나는 특히 인덕터, 커패시터, 등의 수동소자 사용 없이 빔 조향을 구현할 수 있는 이점을 갖는다. 또한 본 실시 예에 의하면 두 개의 직교 빔을 형성하여 고속데이터 전송을 실현할 수 있다. 제시된 구조는 이론적으로 무한대의 전송속도를 갖는 상황에서도 순수 L과 C를 유지하게 된다. 즉, 고속 전송속도 구현의 저해요인이 되지 않는다. 그 이유는, 적용된 원형 전송선의 전파모드가 TEM모드로써 전송선 이론에 의하여 차단 주파수가 존재하지 않기 때문이다. 그 결과, 제안된 원형 전송선은 전송속도가 증가하더라도 순수 L과 C를 유지하게 된다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

Claims (13)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판상에 형성되는 주 모노폴 안테나;
    상기 유전체 기판상에 형성되고, 상기 주 모노폴 안테나를 사이에 두고 배치되는 복수의 기생 모노폴 안테나;
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면;
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 고리 형태의 전송선로;
    상기 전송선로의 일측에 형성되어 상기 전송선로의 제1 부분을 단락시키는 제1 단락소자; 및
    상기 전송선로의 타측에 형성되어 상기 전송선로의 제2 부분을 단락시키는 제2 단락소자를 포함하는 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 접지면은 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 금속면을 포함하고,
    상기 전송선로는, 상기 금속면에 고리 형태로 식각 형성된 제1 식각라인과, 상기 금속면에 상기 제1 식각라인을 둘러싸는 고리 형태로 식각 형성된 제2 식각라인을 포함하는 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전송선로는 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 하단면을 경유하도록 형성되는 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 식각라인은 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 내측으로 형성되고,
    상기 제2 식각라인은 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 외측으로 형성되는 안테나.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 단락소자는 상기 전송선로의 상기 제1 부분을 상기 접지면으로 접지시키는 제1 스터브를 포함하고,
    상기 제2 단락소자는 상기 전송선로의 상기 제2 부분을 상기 접지면으로 접지시키는 제2 스터브를 포함하는 안테나.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 단락소자와 상기 제2 단락소자에 의한 상기 전송선로의 단락 위치에 따라 지향성이 조절되는 안테나.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전송선로의 중심부에 상기 유전체 기판을 관통하는 공동이 형성되고,
    상기 주 모노폴 안테나는 상기 공동을 관통하여 형성되고,
    상기 유전체 기판의 하부에서 상기 주 모노폴 안테나를 급전하는 급전부를 더 포함하는 안테나.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 단락소자 및 상기 제2 단락소자는, 상기 주 모노폴 안테나와 상기 복수의 기생 모노폴 안테나를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성되는 안테나.
  9. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판상에 형성되는 주 모노폴 안테나;
    상기 유전체 기판상에 형성되고, 상기 주 모노폴 안테나를 사이에 두고 배치되는 복수의 기생 모노폴 안테나;
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 접지면;
    상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 고리 형태의 전송선로; 및
    상기 전송선로 상의 서로 다른 위치에 설치되고, 단락 신호에 따라 상기 전송선로를 단락시키는 복수의 단락 조절 소자를 포함하는 전자적 조정 기생 방사체 안테나.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 접지면은 상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 금속면을 포함하고,
    상기 전송선로는 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 하단면을 경유하도록 형성되며,
    상기 전송선로는,
    상기 금속면에 고리 형태로 식각 형성되고, 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 내측으로 형성된 제1 식각라인; 및 상기 금속면에 상기 제1 식각라인을 둘러싸는 고리 형태로 식각 형성되고, 상기 복수의 기생 모노폴 안테나의 외측으로 형성된 제2 식각라인을 포함하는 전자적 조정 기생 방사체 안테나.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 단락 조절 소자는,
    제1 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제1 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제1 다이오드;
    상기 제1 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제2 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제2 다이오드;
    제2 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제3 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제3 다이오드; 및
    상기 제2 단락 신호에 따라 상기 전송선로 상의 제4 부분을 상기 접지면에 의해 단락시키는 제4 다이오드를 포함하는 전자적 조정 기생 방사체 안테나.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드는, 상기 주 모노폴 안테나와 상기 복수의 기생 모노폴 안테나를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성되고,
    상기 제3 다이오드 및 상기 제4 다이오드는, 상기 주 모노폴 안테나와 상기 복수의 기생 모노폴 안테나를 연결하는 방향을 기준으로 대칭을 이루도록 형성되는 전자적 조정 기생 방사체 안테나.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 단락 조절 소자에 의해 직교 빔을 형성하는 전자적 조정 기생 방사체 안테나.
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