WO2019194357A1 - 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나 - Google Patents

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WO2019194357A1
WO2019194357A1 PCT/KR2018/006387 KR2018006387W WO2019194357A1 WO 2019194357 A1 WO2019194357 A1 WO 2019194357A1 KR 2018006387 W KR2018006387 W KR 2018006387W WO 2019194357 A1 WO2019194357 A1 WO 2019194357A1
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WO
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conductor
antenna
polarized dipole
dipole antennas
tcda
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PCT/KR2018/006387
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English (en)
French (fr)
Inventor
남상욱
이학준
김성중
김용준
이학주
Original Assignee
서울대학교산학협력단
재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
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Publication date
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    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
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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
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    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
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    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H01Q7/06—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with core of ferromagnetic material
    • H01Q7/08—Ferrite rod or like elongated core

Definitions

  • the present invention relates to a strong coupled dipole array (TCDA) antenna, and more particularly, to a strong coupled dipole array antenna having a one-dimensional (1D) antenna array.
  • TCDA strong coupled dipole array
  • TSA Tapered Slot Array
  • a strong coupled array antenna is a method for designing a low-height wideband array antenna, and uses a coupling between elements formed by reducing the spacing of individual elements to improve low frequency band matching characteristics.
  • the conventional strong coupling array antenna may implement a dual polarization characteristic by arranging a vertical polarization antenna and a horizontal polarization antenna in a cross shape.
  • the conventional strong coupling array antenna may implement a wide band characteristic by inducing strong mutual coupling through a two-dimensional (2D) arrangement of individual antennas.
  • the conventional strong coupling array antenna can be basically implemented only in 2D. Therefore, it is difficult to implement a one-dimensional wide band array antenna such as a base station antenna with such a TCDA antenna.
  • the TCDA antenna requires a large number of antennas for the two-dimensional array, antenna manufacturing is complicated and the cost increases.
  • the present invention aims to solve the above and other problems. Still another object is to provide a strong coupled dipole array antenna capable of realizing wide band characteristics and dual polarization characteristics based on a one-dimensional antenna array.
  • Still another object is to provide a strong coupled dipole array antenna having a ferrite element that satisfies a Perfect Magnetic Conductor (PMC) boundary condition for vertically polarized dipole antennas arranged in one dimension.
  • PMC Perfect Magnetic Conductor
  • Yet another object is to provide a strong coupled dipole array antenna having conductor elements that satisfy the PEC boundary conditions for horizontally polarized dipole antennas arranged in one dimension.
  • Still another object is a ferrite element that satisfies the PMC boundary conditions for vertically polarized dipole antennas arranged in one dimension, and a conductor element that satisfies the PEC boundary condition for horizontally polarized dipole antennas disposed between the vertically polarized dipole antennas.
  • a substrate A plurality of horizontally polarized dipole antennas arranged in a first axial direction on the substrate; A plurality of vertically polarized dipole antennas arranged in the first axial direction and disposed between the plurality of horizontally polarized dipole antennas; And a first and second impedance barrier elements that satisfy PEC boundary conditions for the plurality of horizontally polarized dipole antennas and PMC boundary conditions of the plurality of vertically polarized dipole antennas.
  • the first and second impedance barrier elements comprise a conductor element that satisfies the PEC boundary conditions for the plurality of horizontally polarized dipole antennas, and a ferrite element that satisfies the PMC boundary conditions of the plurality of vertically polarized dipole antennas. Characterized in that it comprises a.
  • the conductor element comprises a dielectric sheet and a plurality of conductor slits formed on at least one surface of the dielectric sheet.
  • the dielectric sheet is formed in the same shape and size as the ferrite element.
  • the plurality of conductor slits are formed on the plane of the dielectric sheet facing the vertical and horizontal polarized dipole antennas.
  • the plurality of conductor slits may be formed on the dielectric sheet in a vertical direction and disposed at regular intervals on the dielectric sheet.
  • the plurality of conductor slits may be formed of a conductive metal material.
  • the first impedance barrier element is disposed in one side of the vertical and horizontal polarized dipole antennas, and the second impedance barrier element is a vertical corresponding to a position facing the first impedance barrier element. And the other direction of the horizontally polarized dipole antennas.
  • each of the vertical and horizontal polarized dipole antennas a PCB substrate, a first radiation pattern formed on the front surface of the PCB substrate, a second radiation pattern formed on the back surface of the PCB substrate, the first radiation And a second feed line connected to the pattern and a second feed line connected to the second radiation pattern.
  • the one-dimensional strong coupling dipole array antenna further comprises at least one of a superstrate and a spacer for impedance matching.
  • a second impedance barrier device that satisfies the PMC boundary conditions of the plurality of vertically polarized dipole antennas may be implemented in an electromagnetic band gap structure.
  • the electromagnetic band gap structure a conductor sheet is coupled to one side of the dielectric sheet, a plurality of conductor patches designed to different sizes to have multiple resonance characteristics on the other side of the dielectric sheet is coupled, a plurality of cylindrical The conductor sheet and the plurality of conductor patches are electrically connected through a conductor.
  • the substrate A plurality of horizontally polarized dipole antennas arranged in a first axial direction on the substrate; And a conductor element satisfying a PEC boundary condition for the plurality of horizontally polarized dipole antennas, wherein the conductor element comprises a dielectric sheet and a plurality of conductor slits formed on at least one surface of the dielectric sheet. It provides a one-dimensional strong coupled dipole array antenna comprising a.
  • the substrate A plurality of vertically polarized dipole antennas arranged on the substrate in a first axial direction; And a ferrite element that satisfies a PMC boundary condition of the plurality of vertically polarized dipole antennas.
  • TCDA one-dimensional strong coupled dipole array
  • a strong combined dipole array antenna having a one-dimensional array it can be applied to a base station antenna that requires a fan beam pattern, reducing the number of antennas required in the array antenna There is an advantage that it can.
  • the present invention by placing a ferrite element that satisfies the PMC boundary conditions for the vertically polarized dipole antenna in the adjacent region of the vertically polarized dipole antenna, one-dimensional strong having a wide band characteristics and vertical polarization characteristics
  • a combined dipole array (1D TCDA) antenna can be implemented.
  • an impedance barrier element that satisfies the PMC boundary condition for the vertically polarized dipole antenna and the PEC boundary condition for the horizontally polarized dipole antenna is disposed in an adjacent region of the vertical and horizontal polarized dipole antennas.
  • TCDA one-dimensional strong coupled dipole array
  • FIG. 1 shows a two dimensional strong coupled dipole array (2D TCDA) antenna according to the prior art
  • FIG. 2A is a diagram referred to for explaining boundary conditions of a vertically polarized dipole antenna constituting a 2D TCDA antenna;
  • FIG. 2B is a diagram referred to for explaining boundary conditions of a horizontally polarized dipole antenna constituting a 2D TCDA antenna;
  • FIG. 3 is a diagram referred to describe boundary conditions required for a 1D TCDA antenna according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram referred to explain boundary conditions required for a 1D TCDA antenna according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram referred to describe boundary conditions required for a 1D TCDA antenna according to a third embodiment of the present disclosure
  • FIG. 6 is a view showing the configuration of a 1D TCDA antenna according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates one configuration of a vertically polarized dipole antenna
  • FIG. 8 is a view showing the configuration of a 1D TCDA antenna according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the configuration of a conductor element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the configuration of a 1D TCDA antenna according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing the configuration of an impedance barrier device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 shows the VSWR and HPBW variation of a 1D TCDA antenna with width w s of conductor slit
  • FIG. 15 shows the VSWR and HPBW changes of the 1D TCDA antenna according to the height h a of the impedance barrier element
  • 16 is a view showing a 3D radiation pattern of the 1D TCDA antenna according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an impedance barrier device implemented with an electromagnetic band gap structure operating as a PMC interface according to the first and third embodiments of the present invention.
  • the present invention proposes a strong coupled dipole array antenna capable of realizing wide band characteristics and dual polarization characteristics based on a one-dimensional antenna array.
  • the present invention proposes a strong coupled dipole array antenna having a ferrite element that satisfies the PMC boundary condition for vertically polarized dipole antennas arranged in one dimension.
  • the present invention proposes a strong coupled dipole array antenna having a conductor element satisfying a PEC boundary condition for horizontally polarized dipole antennas arranged in one dimension.
  • the present invention also provides a ferrite element that satisfies the PMC boundary conditions for vertically polarized dipole antennas arranged in one dimension, and a conductor element that satisfies the PEC boundary conditions for horizontally polarized dipole antennas disposed between the vertically polarized dipole antennas.
  • a strong coupled dipole array antenna is provided.
  • FIG. 2A is a diagram referred to explain boundary conditions of a vertically polarized dipole antenna constituting a 2D TCDA antenna
  • FIG. 2B is a diagram referred to illustrate boundary conditions of a horizontal polarized dipole antenna constituting a 2D TCDA antenna.
  • the TCDA antenna 10 includes a plurality of vertically polarized dipole antennas 11 arranged two-dimensionally (ie, horizontally and vertically) on the substrate 15.
  • the TCDA antenna 10 may implement a wide band characteristic by inducing strong mutual coupling through the 2D array of the vertically polarized dipole antennas 11.
  • PMC Perfect Magnetic Conductor
  • PEC Perfect Electric Conductor
  • a virtual waveguide composed of the PMC 12 and the PEC 13 may be formed in the peripheral region of the unit cell. Maintaining such boundary conditions can preserve the characteristics of the strong mutually coupled array antenna, thus enabling the implementation of a TCDA antenna in which vertically polarized dipole antennas are arranged in one dimension.
  • the TCDA antenna 20 includes a plurality of horizontally polarized dipole antennas 21 arranged in two dimensions (ie, horizontal and vertical directions) on the substrate 25. Similarly, the TCDA antenna 20 may implement a wide band characteristic by inducing strong mutual coupling through a 2D array of horizontally polarized dipole antennas 21.
  • the PMC 22 boundary condition is formed in a direction parallel to the direction of the horizontal polarized dipole antenna 21.
  • the PEC 23 boundary condition is formed in a direction perpendicular to the direction of the horizontally polarized dipole antenna 21. That is, a virtual waveguide made of the PMC 22 and the PEC 23 may be formed in the peripheral region of the unit cell. Maintaining such boundary conditions can preserve the characteristics of the strong mutually coupled array antenna, thus enabling the implementation of a TCDA antenna in which horizontally polarized dipole antennas are arranged in one dimension.
  • 3 is a diagram referred to describe boundary conditions required for a 1D TCDA antenna according to the first embodiment of the present invention.
  • the TCDA antenna 300 includes a plurality of vertically polarized dipole antennas 320 arranged in the X-axis direction (ie, in one dimension) on the substrate 310. It includes.
  • the PEC 330 is formed in a direction perpendicular to the direction of the vertically polarized dipole antenna 320, but is vertically polarized. None is formed in the direction parallel to the direction of the dipole antenna 320. That is, the PEC boundary condition is automatically satisfied by the array antenna in the direction perpendicular to the antenna direction, but the PMC boundary condition is not satisfied because the array antenna does not exist in the direction parallel to the antenna direction.
  • the PMC boundary condition for the antenna 320 needs to be formed in a direction parallel to the direction of the vertically polarized dipole antenna 320. There is.
  • FIG. 4 is a diagram referred to describe boundary conditions required for the 1D TCDA antenna according to the second embodiment of the present invention.
  • a TCDA antenna 400 may include a plurality of horizontally polarized dipole antennas 420 arranged on an X-axis (ie, in one dimension) on a substrate 410. Include.
  • the PMC 430 is formed in a direction parallel to the direction of the horizontally polarized dipole antenna 420, but is horizontally polarized. None is formed in the direction perpendicular to the direction of the dipole antenna 420. That is, the PMC boundary condition is automatically satisfied by the array antenna in the direction parallel to the antenna direction, but the PEC boundary condition is not satisfied because the array antenna does not exist in the direction perpendicular to the antenna direction.
  • a PEC boundary condition for the antenna 420 needs to be formed in a direction perpendicular to the direction of the horizontally polarized dipole antenna 420. There is.
  • FIG. 5 is a diagram referred to describe boundary conditions required for the 1D TCDA antenna according to the third embodiment of the present invention.
  • a TCDA antenna 500 may include a plurality of vertically polarized dipole antennas 520 arranged on an X-axis (ie, in one dimension) on a substrate 510. And a plurality of horizontally polarized dipole antennas 530 disposed between the vertically polarized dipole antennas 520.
  • the PEC 540 is formed in a direction perpendicular to the direction of the vertically polarized dipole antenna 520, but is vertically polarized. None is formed in the direction parallel to the direction of the dipole antenna 520.
  • the PMC 550 is formed in a direction parallel to the direction of the horizontal polarized dipole antenna 530, nothing is formed in a direction perpendicular to the direction of the horizontal polarized dipole antenna 530.
  • a PMC boundary condition for the antenna 520 needs to be formed in a direction parallel to the direction of the vertically polarized dipole antenna 520.
  • a PEC boundary condition for the corresponding antenna 530 needs to be formed in a direction perpendicular to the direction of the horizontally polarized dipole antenna 530.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a 1D TCDA antenna according to a first embodiment of the present invention.
  • the 1D TCDA antenna 600 includes a substrate 610 and a plurality of vertically polarized dipole antennas 620 arranged in the X-axis direction on the substrate 610. And first and second ferrite elements 630 and 640 disposed at both sides of the antenna 620 in a direction parallel to the direction of the vertically polarized dipole antenna 620.
  • the substrate 610 supports the plurality of vertically polarized dipole antennas 620 and the first and second ferrite elements 630 and 640.
  • the substrate 610 may be formed of an aluminum plate or a copper plate, but is not necessarily limited thereto.
  • the vertically polarized dipole antenna 620 emits a radio wave having vertical polarization characteristics.
  • the vertically polarized dipole antenna 620 may include a radiation pattern having a predetermined shape, and a feed line for supplying power to the radiation pattern.
  • the vertically polarized dipole antenna 620 includes a PCB substrate 621, a first radiation pattern 622 formed on the front surface of the PCB substrate 621, and the PCB substrate 621.
  • a second radiation pattern 623 formed at a rear surface of the second radiation pattern 623, a first feed line 624 connected to the first radiation pattern 622, and a second feed line 625 connected to the second radiation pattern 623.
  • the first feed line 624 may be connected to the (+) power supply unit
  • the second feed line 625 may be connected to the (-) power supply unit or ground (ground).
  • a first ferrite element 630 is disposed in one direction of the vertically polarized dipole antenna 620, and a second ferrite element 640 is disposed in the other direction of the vertically polarized dipole antenna 620. That is, the first and second ferrite elements 630 and 640 are disposed to satisfy the PMC boundary condition of the vertically polarized dipole antenna 620.
  • the first and second ferrite elements 630 and 640 are ferromagnetic materials having high permeability made of iron oxide (Fe 2 O 3 ) as a main component.
  • the first and second ferrite elements 630 and 640 may be formed as flat plates or sheets having a rectangular shape. Therefore, the ferrite element may be referred to as a ferrite plate or a ferrite sheet.
  • the height h a and the thickness w f of the first and second ferrite elements 630 and 640 may be changed according to the operating frequency and antenna performance requirements of the 1D TCDA antenna 600.
  • the height h a of the first and second ferrite elements 630 and 640 may be equal to or higher than the height of the vertically polarized dipole antenna 620.
  • the separation distance between the first ferrite element 630 and the vertically polarized dipole antenna 620 may be equal to the separation distance between the second ferrite element 640 and the vertically polarized dipole antenna 620.
  • the 1D TCDA antenna 600 can preserve the performance of the 2D TCDA antenna by disposing the first and second ferrite elements 630 and 640 on both sides of the vertically polarized dipole antenna 620. .
  • the 1D TCDA antenna 600 may further include a superstrate and a spacer for impedance matching.
  • the superstrate may be composed of, but is not necessarily limited to, polytetrafluoroethylene (PTFE) having a predetermined dielectric constant and dielectric loss tangent.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a 1D TCDA antenna according to a second embodiment of the present invention.
  • the 1D TCDA antenna 800 includes a substrate 810 and a plurality of horizontal polarized dipole antennas 820 arranged in the X-axis direction on the substrate 810. And first and second conductor elements 830 and 840 disposed on both sides of the antenna 820 in a direction perpendicular to the direction of the horizontal polarized dipole antenna 820.
  • the substrate 810 supports the plurality of horizontally polarized dipole antennas 820 and the first and second conductor elements 830 and 840.
  • the substrate 810 may be formed of an aluminum plate or a copper plate, but is not necessarily limited thereto.
  • the horizontally polarized dipole antenna 820 emits a radio wave having a horizontal polarization characteristic.
  • the horizontally polarized dipole antenna 820 may include a radiation pattern having a predetermined shape, and a feed line for supplying power to the radiation pattern.
  • the horizontally polarized dipole antenna 820 includes a PCB substrate 821, a first radiation pattern 822 formed on the front surface of the PCB substrate 821, and the PCB substrate 821.
  • the first feed line 824 may be connected to a (+) power supply unit
  • the second feed line 825 may be connected to a ( ⁇ ) power supply unit or ground.
  • a first conductor element 830 is disposed in one direction of the horizontal polarized dipole antenna 820, and a second conductor element 840 is disposed in the other direction of the horizontal polarized dipole antenna 820. That is, the first and second conductor elements 830 and 840 are disposed to satisfy the PEC boundary condition of the horizontally polarized dipole antenna 820.
  • the first and second conductor elements 830 and 840 are composed of a dielectric and a plurality of conductor slits formed on the dielectric.
  • the first and second conductor elements 830 and 840 have a rectangular shape on the dielectric sheets 831 and 841 and the dielectric sheets 831 and 841 (ie, in a vertical direction).
  • Dielectric sheets 831 and 841 may be formed of a dielectric substance having a predetermined dielectric constant and dielectric loss tangent. More preferably, the dielectric sheets 831 and 841 may be formed of a dielectric having a low dielectric constant. The height h a of the dielectric sheets 831 and 841 may be equal to or higher than the height of the horizontally polarized dipole antenna 820.
  • the plurality of conductor slits 832 and 842 may be formed on at least one of both surfaces of the dielectric sheets 831 and 841. More preferably, the plurality of conductor slits 832, 842 may be formed on the plane of the dielectric sheets 831, 841 facing the horizontally polarized dipole antenna 820.
  • the plurality of conductor slits 832 and 842 may be formed of a conductive metal material such as copper (Cu) or aluminum (Al). Each conductor slit 832, 842 may have the same length as each other. In addition, the distance d s between the conductor slits 832 and 842 may be uniformly formed.
  • the plurality of conductor slits 832 and 842 may not extend continuously from the top to the bottom of the dielectric sheets 831 and 841, but may extend only to a point spaced apart from the bottom by a distance g s . That is, each of the conductor slits 832 and 842 may extend to a point spaced apart from the top surface of the substrate 810 by a predetermined distance g s .
  • the distance g s between the substrate 810 and the substrate 810 may be changed according to an operating frequency of the 1D TCDA antenna 800 and antenna performance requirements.
  • the conductor slits 832, 842 may be used to connect the horizontal polarized dipole antenna 820. It works as a PEC. Accordingly, the 1D TCDA antenna 800 according to the present invention may preserve the performance of the 2D TCDA antenna by disposing the first and second conductor elements 830 and 840 on both sides of the horizontally polarized dipole antenna 820. .
  • the 1D TCDA antenna 800 may further include a superstrate and a spacer for impedance matching.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a 1D TCDA antenna according to a third embodiment of the present invention.
  • a 1D TCDA antenna 1100 may include a substrate 1110 and a plurality of vertically polarized dipole antennas 1120 arranged in an X-axis direction on the substrate 1110. And a plurality of horizontally polarized dipole antennas 1130 arranged in a cross shape with the vertically polarized dipole antennas 1120, and first and second horizontally polarized dipole antennas 1120 and 1130. Second impedance barrier elements 1140 and 1150 may be included.
  • the substrate 1110 supports the plurality of vertically polarized dipole antennas 1120, the plurality of horizontally polarized dipole antennas 1130, and the first and second impedance barrier devices 1140 and 1150.
  • the substrate 1110 may be formed of an aluminum plate or a copper plate, but is not necessarily limited thereto.
  • the plurality of horizontally polarized dipole antennas 1130 are arranged in the X-axis direction on the substrate, and the plurality of vertically polarized dipole antennas 1120 are also arranged in the X-axis direction. In this case, the plurality of vertically polarized dipole antennas 1120 are disposed between the plurality of horizontally polarized dipole antennas 1130.
  • the vertically polarized dipole antenna 1120 emits radio waves having vertical polarization characteristics
  • the horizontally polarized dipole antenna 1130 emits radio waves having horizontal polarization characteristics.
  • the vertical and horizontal polarized dipole antennas 1120 and 1130 may include a radiation pattern having a predetermined shape, and a feed line for supplying power to the radiation pattern. Meanwhile, in the following exemplary embodiment, for convenience of description, the vertically polarized dipole antenna 1120 and the horizontally polarized dipole antenna 1130 arranged in a cross shape are referred to as unit cells or unit cell antennas.
  • a first impedance surface wall element 1140 is disposed on one side of the unit cells 1120 and 1130 constituting the 1D TCDA antenna 1100, and faces the first impedance barrier element 1140.
  • the second impedance barrier element 1150 is disposed in the other direction of the unit cells 1120 and 1130 corresponding to the position. That is, the first and second impedance barrier elements 1140 and 1150 are disposed to satisfy both the PMC boundary condition of the vertically polarized dipole antenna 1120 and the PEC boundary condition of the horizontal polarized dipole antenna 1130.
  • the first and second impedance barrier elements 1140 and 1150 may be composed of ferrite elements and conductor elements. Since the ferrite element and the conductor element are the same as or similar to the above-described ferrite element of FIG. 6 and the conductor element of FIG. 8, detailed description thereof will be omitted.
  • the first and second impedance barrier elements 1140 and 1150 include ferrite elements 1141 and 1151 having a rectangular shape, and a dielectric sheet 1142 disposed on the ferrite element. 1152 and a plurality of conductor slits 1153 and 1153 disposed on the dielectric sheet.
  • the dielectric sheets 1142 and 1152 may be formed in the same shape and size as the ferrite elements 1141 and 1151.
  • the dielectric sheets 1142 and 1152 may be attached to one surface of the ferrite elements 1141 and 1151 through an adhesive or an adhesive sheet (not shown).
  • the plurality of conductor slits 1143 and 1153 may be formed on the plane of the dielectric sheets 1142 and 1152 facing the vertical and horizontal polarized dipole antennas 1120 and 1130.
  • the reason for placing the conductor slit rather than the conductor plate on the dielectric sheet is to not affect the PMC boundary conditions of the vertically polarized dipole antenna 1120.
  • the principle is that coupling does not occur because the magnetic field direction of the vertically polarized dipole antenna 1120 induces current in the conductor slit in the X-axis direction, but the magnetic field direction of the horizontally polarized dipole antenna 1130 is the conductor slit. Since the current is induced in the Z-axis direction, only the horizontally polarized dipole antenna 1130 is affected by the conductor slit.
  • the width (w s ) of the (1143, 1153), the distance (g s ) between the conductor slit (1143, 1153) and the substrate 1110 is changed according to the operating frequency and antenna performance requirements of the 1D TCDA antenna 1100 Can be.
  • the ferrite elements 1141 and 1151 of the first and second impedance barrier elements 1140 and 1150 provide high wave impedance, the ferrite elements 1141 and 1151 are the PMC for the vertically polarized dipole antenna 1120. It works.
  • the conductor slits 1143 and 1153 of the first and second impedance barrier elements 1140 and 1150 are disposed perpendicular to the electric field of the horizontally polarized dipole antenna 1130, so that the conductor slits 1143 and 1153 are disposed. Operates as a PEC for the horizontally polarized dipole antenna 1130.
  • the magnetic field formed by the vertically polarized dipole antenna (1120) induces a current parallel to the conductor slits (1143, 1153), so there is little coupling, so only the ferrite elements (1141, 1151) are shown to be effective.
  • the magnetic fields formed by the horizontally polarized dipole antenna 1130 induce currents perpendicular to the conductor slits 1143 and 1153 so that only the conductor slits 1143 and 1153 appear effective.
  • the 1D TCDA antenna 1100 according to the present invention may preserve the performance of the 2D TCDA antenna by disposing the first and second impedance barrier elements 1140 and 1150 on both sides of the unit cells 1120 and 1130. have.
  • the 1D TCDA antenna 1100 may further include a superstrate and a spacer for impedance matching.
  • FIG. 13 to 15 are diagrams illustrating changes in voltage standing wave ratio (VSWR) and half power beam width (HPBW) of a 1D TCDA antenna according to a third embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 13 is a view showing VSWR and HPBW variation of a 1D TCDA antenna according to the width of the conductor slit (w s ), and FIG. 14 is a 1D TCDA according to the distance g s between the conductor slit and the substrate. It is a figure which shows the VSWR and HPBW change of an antenna, and FIG. 15 is a figure which shows the VSWR and HPBW change of the 1D TCDA antenna according to the height h a of an impedance barrier element.
  • VSWR voltage standing wave ratio
  • HPBW half power beam width
  • the input matching of the horizontal polarization HP is possible from low frequency to the high frequency
  • the input matching of the vertical polarization VP is You can see a slight improvement.
  • horizontal polarization HP it can be seen that as the height h a of the impedance barrier element increases, the frequency having the maximum half power beamwidth Max HPBW decreases.
  • the half-power beamwidth HPBW of the vertical polarization VP increases slightly in the high frequency band.
  • the width of the conductor slit (w s ), the distance between the conductor slit and the substrate (g s ), and the impedance barrier element for implementing a TCDA antenna with optimal performance. Height h a may be determined.
  • the 1D TCDA antenna according to the present invention may implement a fan beam pattern having a scan angle of about 30 degrees.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an impedance barrier device implemented with an electromagnetic band gap structure operating as the PMC interface according to the first and third embodiments of the present disclosure. That is, FIG. 17A shows a cross-sectional view of the impedance barrier element, and FIG. 17B shows a shape of the impedance barrier element shown in FIG.
  • the impedance barrier device 1700 having an electromagnetic band gap structure includes a dielectric sheet 1710 having a rectangular shape and a conductor sheet 1720 coupled to one surface of the dielectric sheet 1710.
  • a plurality of cylindrical conductors 1730 extending in the vertical direction from the conductor sheet 1720 and penetrating through the dielectric sheet 1710, and disposed on the other surface of the dielectric sheet 1710 and having a plurality of cylindrical conductors 1730.
  • the plurality of conductor patches may include a first conductor patch 1740 having a first size and a second conductor patch 1750 having a second size.
  • the first and second conductor patches 1740 and 1750 may be periodically arranged on the surface of the dielectric sheet 1710.
  • the conductor sheet 1720, the cylindrical conductor 1730, and the conductor patches 1740 and 1750 may be formed of a conductive metal material such as copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the sizes of the conductor patches 1740 and 1750 illustrated in FIG. 17 ( ), The length of the groove included in the conductor patches 1740, 1750 ( ), The depth of the groove ( ) And the diameters of the cylindrical conductors 1730 ( ) can be determined to determine the structure to obtain the optimal PMC characteristics.
  • Each conductor patch can be designed to have a different resonant frequency to operate as a PMC over a wide bandwidth.
  • conductors of different sizes may be arranged aperiodically in the horizontal and vertical directions.
  • the existing 2D TCDA antenna has a pencil beam pattern
  • the 1D TCDA antenna according to various embodiments of the present invention has a fan beam pattern.
  • 1D TCDA antennas are applicable to applications such as base station antennas that require fan beam patterns.

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들; 상기 제1 축 방향으로 배열되고, 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들 사이에 배치되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들; 및 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건과, 상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC 경계 조건을 만족하는 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자를 포함한다.

Description

1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나
본 발명은 강한 결합 다이폴 배열(TCDA) 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 1차원(1D) 안테나 배열을 갖는 강한 결합 다이폴 배열 안테나에 관한 것이다.
다목적 레이더, 전자 전, 5G 통신 등과 같은 다양한 무선 통신 분야에서 낮은 높이를 가지면서 넓은 대역, 넓은 조향 능력을 가지는 배열 안테나에 대한 요구가 점점 증가하고 있다. 이러한 배열 안테나는 넓은 대역에서 높은 G/T (gain to noise temperature ratio)를 가져야 하고, 저비용으로 구현이 가능해야 한다. 이러한 이슈를 해결하기 위하여 다양한 방식의 배열 안테나가 연구되어왔다.
기존에 널리 알려진 배열 안테나로는, 광 대역 구현이 가능한 비발디((Vivaldi) 안테나 또는 TSA(Tapered Slot Array) 안테나 등이 있다. 하지만, 비발디 안테나 또는 TSA 안테나는 높이가 높고, 스캔 시 큰 교차 편파 방사(cross-polarization radiation)를 갖는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 강한 결합 배열 안테나(TCDA)가 제안되었다.
강한 결합 배열 안테나(TCDA)는 낮은 높이의 광 대역 배열 안테나를 설계하는 방법 중 하나로, 개별 소자의 간격을 줄여 형성된 소자 간 커플링을 저주파 대역 매칭 특성 향상에 이용하는 방식이다.
가령, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 강한 결합 배열 안테나(TCDA)는 수직 편파 안테나와 수평 편파 안테나를 십자가 형태로 배치하여 이중 편파 특성을 구현할 수 있다. 또한, 종래의 강한 결합 배열 안테나(TCDA)는 개별 안테나들의 2차원(2D) 배열을 통해 강한 상호 결합(coupled capacitance)을 유도하여 광 대역 특성을 구현할 수 있다.
그런데, 종래의 강한 결합 배열 안테나(TCDA)는 기본적으로 2D로만 구현이 가능하다. 따라서, 이러한 TCDA 안테나로 기지국 안테나 등과 같은 1차원 광 대역 배열 안테나를 구현하기 어려운 문제가 있다. 또한, TCDA 안테나는 2차원 배열을 위해 많은 개수의 안테나를 필요로 하기 때문에, 안테나 제작이 복잡하고 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, 1차원 안테나 배열을 기반으로 광 대역 특성 및 이중 편파 특성을 구현할 수 있는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공함에 있다.
또 다른 목적은, 1차원으로 배열된 수직 편파 다이폴 안테나들을 위한 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 구비하는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공함에 있다.
또 다른 목적은, 1차원으로 배열된 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC(Perfect Electric Conductor) 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 구비하는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공함에 있다.
또 다른 목적은, 1차원으로 배열된 수직 편파 다이폴 안테나들을 위한 PMC 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자와, 상기 수직 편파 다이폴 안테나들 사이에 배치된 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 구비하는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들; 상기 제1 축 방향으로 배열되고, 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들 사이에 배치되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들; 및 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건과, 상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC 경계 조건을 만족하는 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자를 포함하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자는, 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자와, 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 컨덕터 소자는, 유전체 시트와, 상기 유전체 시트의 적어도 일 면에 형성되는 복수의 컨덕터 슬릿들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 유전체 시트는 페라이트 소자와 동일한 모양 및 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 복수의 컨덕터 슬릿들은, 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들을 바라보는 유전체 시트의 평면 상에 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 복수의 컨덕터 슬릿들은, 유전체 시트 상에 수직 방향으로 형성되고, 상기 유전체 시트 상에서 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 복수의 컨덕터 슬릿들은, 도전성 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 제1 임피던스 장벽 소자는, 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들의 일 측 방향에 배치되고, 상기 제2 임피던스 장벽 소자는, 상기 제1 임피던스 장벽 소자와 마주보는 위치에 해당하는 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들의 타 측 방향에 배치되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들 각각은, PCB 기판, 상기 PCB 기판의 전면에 형성되는 제1 방사 패턴, 상기 PCB 기판의 배면에 형성되는 제2 방사 패턴, 상기 제1 방사 패턴에 연결되는 제1 급전 라인 및 상기 제2 방사 패턴에 연결되는 제2 급전 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나는 임피던스 정합을 위한 슈퍼스트레이트(superstrate) 및 스페이서(spacer) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC 경계 조건을 만족하는 제2 임피던스 장벽 소자를 전자기적 밴드 갭 구조로 구현하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전자기적 밴드 갭 구조는, 유전체 시트의 일 면에 컨덕터 시트가 결합되고, 상기 유전체 시트의 타 면에 다중 공진 특성을 갖도록 서로 다른 크기로 설계된 복수의 컨덕터 패치들이 결합되며, 복수의 원통형 컨덕터를 통해 상기 컨덕터 시트와 상기 복수의 컨덕터 패치들이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들; 및 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC(Perfect Electric Conductor) 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 포함하고, 상기 컨덕터 소자는, 유전체 시트와, 상기 유전체 시트의 적어도 일 면에 형성되는 복수의 컨덕터 슬릿들을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들; 및 상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 포함하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 1차원 강한 결합 다이폴 배열(TCDA) 안테나의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 1차원 배열을 갖는 강한 결합 다이폴 배열 안테나로 구현함으로써, 팬 빔 패턴을 필요로 하는 기지국 안테나에 적용할 수 있고, 배열 안테나에서 요구되는 안테나의 개수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 수직 편파 다이폴 안테나를 위한 PMC 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 상기 수직 편파 다이폴 안테나의 인접 영역에 배치함으로써, 광 대역 특성 및 수직 편파 특성을 갖는 1차원 강한 결합 다이폴 배열(1D TCDA) 안테나를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 수평 편파 다이폴 안테나를 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 상기 수평 편파 다이폴 안테나의 인접 영역에 배치함으로써, 광 대역 특성 및 수평 편파 특성을 갖는 1차원 강한 결합 다이폴 배열(1D TCDA) 안테나를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 수직 편파 다이폴 안테나를 위한 PMC 경계 조건과 수평 편파 다이폴 안테나를 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 임피던스 장벽 소자를 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들의 인접 영역에 배치함으로써, 광 대역 특성 및 이중 편파 특성을 갖는 1차원 강한 결합 다이폴 배열(1D TCDA) 안테나를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 1차원 강한 결합 다이폴 배열(TCDA) 안테나가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 2차원 강한 결합 다이폴 배열(2D TCDA) 안테나를 나타내는 도면;
도 2a는 2D TCDA 안테나를 구성하는 수직 편파 다이폴 안테나의 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 2b는 2D TCDA 안테나를 구성하는 수평 편파 다이폴 안테나의 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나에 필요한 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나에 필요한 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나에 필요한 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 구성을 나타내는 도면;
도 7은 수직 편파 다이폴 안테나의 일 구성을 예시하는 도면;
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 구성을 나타내는 도면;
도 9는 수평 편파 다이폴 안테나의 일 구성을 예시하는 도면;
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨덕터 소자의 구성을 나타내는 도면;
도 11은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 구성을 나타내는 도면;
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 장벽 소자의 구성을 나타내는 도면;
도 13은 컨덕터 슬릿의 너비(ws)에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR 및 HPBW 변화를 나타내는 도면;
도 14는 컨턱터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs)에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR 및 HPBW 변화를 나타내는 도면;
도 15는 임피던스 장벽 소자의 높이(ha)에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR 및 HPBW 변화를 나타내는 도면;
도 16은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 3D 방사 패턴을 나타내는 도면;
도 17은 본 발명의 제1 및 제3 실시 예에 따른 PMC 경계면으로 동작하는 전자기적 밴드 갭 구조로 구현된 임피던스 장벽 소자의 구성을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 1차원 안테나 배열을 기반으로 광 대역 특성 및 이중 편파 특성을 구현할 수 있는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제안한다. 또한, 본 발명은 1차원으로 배열된 수직 편파 다이폴 안테나들을 위한 PMC 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 구비하는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제안한다. 또한, 본 발명은 1차원으로 배열된 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 구비하는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제안한다. 또한, 본 발명은 1차원으로 배열된 수직 편파 다이폴 안테나들을 위한 PMC 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자와, 상기 수직 편파 다이폴 안테나들 사이에 배치된 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 구비하는 강한 결합 다이폴 배열 안테나를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a는 2D TCDA 안테나를 구성하는 수직 편파 다이폴 안테나의 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 2b는 2D TCDA 안테나를 구성하는 수평 편파 다이폴 안테나의 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 2a를 참조하면, TCDA 안테나(10)는 기판(15) 상에 2차원(즉, 가로 방향 및 세로 방향)으로 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(11)을 포함한다. 상기 TCDA 안테나(10)는 수직 편파 다이폴 안테나들(11)의 2D 배열을 통해 강한 상호 결합을 유도하여 광 대역 특성을 구현할 수 있다.
이러한 TCDA 안테나(10)를 구성하는 단위 셀(즉, 개별 안테나)을 기준으로 경계 조건(boundary condition)을 살펴보면, 수직 편파 다이폴 안테나(11)의 방향과 수평한 방향으로는 PMC(Perfect Magnetic Conductor, 12) 경계 조건이 형성되고, 상기 수직 편파 다이폴 안테나(11)의 방향과 수직한 방향으로는 PEC(Perfect Electric Conductor, 13) 경계 조건이 형성된다. 즉, PMC(12)와 PEC(13)로 이루어진 가상의 도파관(virtual waveguide)이 단위 셀의 주변 영역에 형성될 수 있다. 이러한 경계 조건을 유지하면 강한 상호 결합 배열 안테나의 특성을 그대로 보존할 수 있기 때문에, 수직 편파 다이폴 안테나들이 1차원으로 배열되는 TCDA 안테나의 구현이 가능하다.
한편, 도 2b를 참조하면, TCDA 안테나(20)는 기판(25) 상에 2차원(즉, 가로 방향 및 세로 방향)으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(21)을 포함한다. 마찬가지로, 상기 TCDA 안테나(20)는 수평 편파 다이폴 안테나들(21)의 2D 배열을 통해 강한 상호 결합을 유도하여 광 대역 특성을 구현할 수 있다.
이러한 TCDA 안테나(20)를 구성하는 단위 셀(즉, 개별 안테나)을 기준으로 경계 조건을 살펴보면, 수평 편파 다이폴 안테나(21)의 방향과 수평한 방향으로는 PMC(22) 경계 조건이 형성되고, 상기 수평 편파 다이폴 안테나(21)의 방향과 수직한 방향으로는 PEC(23) 경계 조건이 형성된다. 즉, PMC(22)와 PEC(23)로 이루어진 가상의 도파관이 단위 셀의 주변 영역에 형성될 수 있다. 이러한 경계 조건을 유지하면 강한 상호 결합 배열 안테나의 특성을 그대로 보존할 수 있기 때문에, 수평 편파 다이폴 안테나들이 1차원으로 배열되는 TCDA 안테나의 구현이 가능하다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나에 필요한 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 TCDA 안테나(300)는 기판(310) 상에 X축 방향으로(즉, 1차원으로) 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(320)을 포함한다.
이러한 TCDA 안테나(300)를 구성하는 단위 셀(즉, 개별 안테나)을 기준으로 경계 조건을 살펴보면, 수직 편파 다이폴 안테나(320)의 방향과 수직한 방향으로는 PEC(330)가 형성되지만, 수직 편파 다이폴 안테나(320)의 방향과 수평한 방향으로는 아무것도 형성되지 않는다. 즉, 안테나 방향과 수직한 방향으로는 배열 안테나에 의해 자동으로 PEC 경계조건을 만족하지만, 안테나 방향과 수평한 방향으로는 배열 안테나가 존재하지 않기 때문에 PMC 경계 조건을 만족하지 못한다. 따라서, 1D TCDA 안테나(300)에서 상술한 2D TCDA 안테나의 성능을 그대로 보존하기 위해서는, 수직 편파 다이폴 안테나(320)의 방향과 수평한 방향으로 해당 안테나(320)를 위한 PMC 경계 조건이 형성될 필요가 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나에 필요한 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 TCDA 안테나(400)는 기판(410) 상에 X축으로 (즉, 1차원으로) 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(420)을 포함한다.
이러한 TCDA 안테나(400)를 구성하는 단위 셀(즉, 개별 안테나)을 기준으로 경계 조건을 살펴보면, 수평 편파 다이폴 안테나(420)의 방향과 수평한 방향으로는 PMC(430)가 형성되지만, 수평 편파 다이폴 안테나(420)의 방향과 수직한 방향으로는 아무것도 형성되지 않는다. 즉, 안테나 방향과 수평한 방향으로는 배열 안테나에 의해 자동으로 PMC 경계조건이 만족하지만, 안테나 방향과 수직한 방향으로는 배열 안테나가 존재하지 않기 때문에 PEC 경계 조건을 만족하지 못한다. 따라서, 1D TCDA 안테나(400)에서 상술한 2D TCDA 안테나의 성능을 그대로 보존하기 위해서는, 수평 편파 다이폴 안테나(420)의 방향과 수직한 방향으로 해당 안테나(420)를 위한 PEC 경계 조건이 형성될 필요가 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나에 필요한 경계 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 TCDA 안테나(500)는 기판(510) 상에 X축으로(즉, 1차원으로) 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(520)과, 상기 수직 편파 다이폴 안테나들(520) 사이에 배치되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(530)을 포함한다.
이러한 TCDA 안테나(500)를 구성하는 단위 셀(즉, 개별 안테나)을 기준으로 경계 조건을 살펴보면, 수직 편파 다이폴 안테나(520)의 방향과 수직한 방향으로는 PEC(540)가 형성되지만, 수직 편파 다이폴 안테나(520)의 방향과 수평한 방향으로는 아무것도 형성되지 않는다. 또한, 수평 편파 다이폴 안테나(530)의 방향과 수평한 방향으로는 PMC(550)가 형성되지만, 수평 편파 다이폴 안테나(530)의 방향과 수직한 방향으로는 아무것도 형성되지 않는다.
따라서, 1D TCDA 안테나(500)에서 상술한 2D TCDA 안테나의 성능을 그대로 보존하기 위해서는, 수직 편파 다이폴 안테나(520)의 방향과 수평한 방향으로 해당 안테나(520)를 위한 PMC 경계 조건이 형성될 필요가 있고, 수평 편파 다이폴 안테나(530)의 방향과 수직한 방향으로 해당 안테나(530)를 위한 PEC 경계 조건이 형성될 필요가 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나(600)는 기판(610), 상기 기판(610) 상에 X축 방향으로 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(620)과, 상기 수직 편파 다이폴 안테나(620)의 방향과 수평한 방향으로 해당 안테나(620)의 양쪽에 배치되는 제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)를 포함할 수 있다.
기판(610)은 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(620)과 제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)를 지지하는 역할을 수행한다. 상기 기판(610)은 알루미늄 플레이트(aluminum plate) 또는 구리 플레이트(copper plate) 등으로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
수직 편파 다이폴 안테나(620)는 수직 편파(Vertical Polarization) 특성을 갖는 전파를 방사한다. 상기 수직 편파 다이폴 안테나(620)는 미리 결정된 모양을 갖는 방사 패턴과, 상기 방사 패턴으로 전원을 공급하는 급전 라인으로 구성될 수 있다. 가령, 도 7에 도시된 바와 같이, 수직 편파 다이폴 안테나(620)는 PCB 기판(621)과, 상기 PCB 기판(621)의 전면에 형성되는 제1 방사 패턴(622), 상기 PCB 기판(621)의 배면에 형성되는 제2 방사 패턴(623), 상기 제1 방사 패턴(622)에 연결되는 제1 급전 라인(624)과, 상기 제2 방사 패턴(623)에 연결되는 제2 급전 라인(625)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 급전 라인(624)은 (+) 전원부와 연결될 수 있고, 제2 급전 라인(625)은 (-) 전원부 또는 접지(ground)와 연결될 수 있다.
수직 편파 다이폴 안테나(620)의 일 측 방향에는 제1 페라이트 소자(ferrite element, 630)가 배치되고, 상기 수직 편파 다이폴 안테나(620)의 타 측 방향에는 제2 페라이트 소자(640)가 배치된다. 즉, 상기 제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)는 수직 편파 다이폴 안테나(620)의 PMC 경계 조건을 만족하도록 배치된다.
제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)는 산화철(Fe2O3)을 주성분으로 만들어진 투자률이 높은 강자성체이다. 상기 제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)는 사각형 모양의 평평한 판(plate) 또는 시트(sheet) 등으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 페라이트 소자는 페라이트 플레이트 또는 페라이트 시트 등으로 지칭될 수 있다.
제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)의 높이(ha)와 두께(wf)는 1D TCDA 안테나(600)의 동작 주파수 및 안테나 성능 요구 사항 등에 따라 변경될 수 있다. 상기 제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)의 높이(ha)는 수직 편파 다이폴 안테나(620)의 높이와 동일하거나 혹은 그 보다 높게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 페라이트 소자(630)와 수직 편파 다이폴 안테나(620) 간의 이격 거리는 상기 제2 페라이트 소자(640)와 수직 편파 다이폴 안테나(620) 간의 이격 거리와 동일하게 배치될 수 있다.
제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)는 하이 웨이브 임피던스(high wave impedance)를 제공하기 때문에, 상기 페라이트 소자들(630, 640)은 수직 편파 다이폴 안테나(620)를 위한 PMC로 동작한다. 따라서, 본 발명에 따른 1D TCDA 안테나(600)는 수직 편파 다이폴 안테나(620)의 양쪽에 제1 및 제2 페라이트 소자(630, 640)를 배치함으로써, 2D TCDA 안테나의 성능을 그대로 보존할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 1D TCDA 안테나(600)는 임피던스 정합을 위한 슈퍼스트레이트(superstrate)와 스페이서(spacer) 등을 추가로 포함할 수 있다. 상기 슈퍼스트레이트는 미리 결정된 유전율(dielectric constant) 및 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)를 갖는 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)으로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나(800)는 기판(810), 상기 기판(810) 상에 X축 방향으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(820)과, 상기 수평 편파 다이폴 안테나(820)의 방향에 수직한 방향으로 해당 안테나(820)의 양쪽에 배치되는 제1 및 제2 컨덕터 소자(830, 840)를 포함할 수 있다.
기판(810)은 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(820)과 제1 및 제2 컨덕터 소자(830, 840)를 지지하는 역할을 수행한다. 상기 기판(810)은 알루미늄 플레이트(aluminum plate) 또는 구리 플레이트(copper plate) 등으로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
수평 편파 다이폴 안테나(820)는 수평 편파(Horizontal Polarization) 특성을 갖는 전파를 방사한다. 상기 수평 편파 다이폴 안테나(820)는 미리 결정된 모양을 갖는 방사 패턴과, 상기 방사 패턴으로 전원을 공급하는 급전 라인으로 구성될 수 있다. 가령, 도 9에 도시된 바와 같이, 수평 편파 다이폴 안테나(820)는 PCB 기판(821)과, 상기 PCB 기판(821)의 전면에 형성되는 제1 방사 패턴(822), 상기 PCB 기판(821)의 배면에 형성되는 제2 방사 패턴(823), 상기 제1 방사 패턴(822)에 연결되는 제1 급전 라인(824)과, 상기 제2 방사 패턴(823)에 연결되는 제2 급전 라인(825)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 급전 라인(824)은 (+) 전원부와 연결될 수 있고, 제2 급전 라인(825)은 (-) 전원부 또는 접지(ground)와 연결될 수 있다.
수평 편파 다이폴 안테나(820)의 일 측 방향에는 제1 컨덕터 소자(conductor element, 830)가 배치되고, 상기 수평 편파 다이폴 안테나(820)의 타 측 방향에는 제2 컨덕터 소자(840)가 배치된다. 즉, 상기 제1 및 제2 컨덕터 소자(830, 840)는 수평 편파 다이폴 안테나(820)의 PEC 경계 조건을 만족하도록 배치된다.
제1 및 제2 컨덕터 소자(830, 840)는 유전체와, 상기 유전체 상에 형성되는 복수의 컨덕터 슬릿들(conductor slits)로 구성된다. 가령, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 컨덕터 소자(830, 840)는 사각형 모양을 갖는 유전체 시트(831, 841)와 상기 유전체 시트(831, 841) 상에 수직 방향(즉, 세로 방향)으로 배열되는 복수의 컨덕터 슬릿들(832, 842)을 포함할 수 있다.
유전체 시트(831, 841)는 미리 결정된 유전율 및 유전 손실 탄젠트를 갖는 유전체(dielectric substance)로 형성될 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 유전체 시트(831, 841)는 낮은 유전율을 갖는 유전체로 형성될 수 있다. 상기 유전체 시트(831, 841)의 높이(ha)는 수평 편파 다이폴 안테나(820)의 높이와 동일하거나 혹은 그 보다 높게 형성될 수 있다.
복수의 컨덕터 슬릿들(832, 842)은 유전체 시트(831, 841)의 양 면 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 상기 복수의 컨덕터 슬릿들(832, 842)은 수평 편파 다이폴 안테나(820)를 바라보는 유전체 시트(831, 841)의 평면 상에 형성될 수 있다.
복수의 컨덕터 슬릿들(832, 842)은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등과 같은 도전성 금속 재질로 형성될 수 있다. 각 컨덕터 슬릿(832, 842)의 길이는 서로 동일하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 컨덕터 슬릿들(832, 842) 간의 간격(ds)은 일정하게 형성될 수 있다.
복수의 컨덕터 슬릿들(832, 842)은 유전체 시트(831, 841)의 상단에서 하단까지 계속 연장되지 않고, 상기 하단으로부터 일정 거리(gs)만큼 이격된 지점까지만 연장될 수 있다. 즉, 각 컨덕터 슬릿(832, 842)은 기판(810)의 상면으로부터 일정 거리(gs)만큼 이격된 지점까지 연장될 수 있다.
유전체 시트(831, 841)의 높이(ha), 각 컨덕터 슬릿(832, 842) 간의 간격(ds), 각 컨덕터 슬릿(832, 842)의 너비(ws), 각 컨턱터 슬릿(832, 842)과 기판(810) 사이의 거리(gs)는 1D TCDA 안테나(800)의 동작 주파수 및 안테나 성능 요구 사항 등에 따라 변경될 수 있다.
복수의 컨덕터 슬릿들(832, 842)은 수평 편파 다이폴 안테나(820)의 전기장(electric field)에 평행하게 배치되어 있기 때문에, 상기 컨덕터 슬릿들(832, 842)은 수평 편파 다이폴 안테나(820)를 위한 PEC로 동작한다. 따라서, 본 발명에 따른 1D TCDA 안테나(800)는 수평 편파 다이폴 안테나(820)의 양쪽에 제1 및 제2 컨덕터 소자(830, 840)를 배치함으로써, 2D TCDA 안테나의 성능을 그대로 보존할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 1D TCDA 안테나(800)는 임피던스 정합을 위한 슈퍼스트레이트(superstrate)와 스페이서(spacer) 등을 추가로 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나(1100)는 기판(1110), 상기 기판(1110) 상에 X축 방향으로 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(1120)과, 상기 수직 편파 다이폴 안테나들(1120)과 십자 형태로 배치되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나(1130)들과, 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들(1120, 1130)의 양쪽에 배치되는 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)를 포함할 수 있다.
기판(1110)은 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(1120), 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(1130), 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)를 지지하는 역할을 수행한다. 상기 기판(1110)은 알루미늄 플레이트 또는 구리 플레이트 등으로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(1130)은 기판 상에서 X축 방향으로 배열되고, 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(1120) 역시 X축 방향으로 배열된다. 이때, 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들(1120)은 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들(1130) 사이에 배치된다.
수직 편파 다이폴 안테나(1120)는 수직 편파 특성을 갖는 전파를 방사하고, 수평 편파 다이폴 안테나(1130)는 수평 편파 특성을 갖는 전파를 방사한다. 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들(1120, 1130)은 미리 결정된 모양을 갖는 방사 패턴과, 상기 방사 패턴으로 전원을 공급하는 급전 라인으로 구성될 수 있다. 한편, 이하 본 실시 예에서는, 설명의 편의상, 십자 형태로 배치된 수직 편파 다이폴 안테나(1120)와 수평 편파 다이폴 안테나(1130)를 단위 셀 또는 단위 셀 안테나로 지칭하도록 한다.
1D TCDA 안테나(1100)를 구성하는 단위 셀(1120, 1130)의 일 측 방향에는 제1 임피던스 장벽 소자(impedance surface wall element, 1140)가 배치되고, 상기 제1 임피던스 장벽 소자(1140)와 마주보는 위치에 해당하는 단위 셀(1120, 1130)의 타 측 방향에는 제2 임피던스 장벽 소자(1150)가 배치된다. 즉, 상기 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)는 수직 편파 다이폴 안테나(1120)의 PMC 경계 조건과 수평 편파 다이폴 안테나(1130)의 PEC 경계 조건을 모두 만족하도록 배치된다.
제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)는 페라이트 소자와 컨덕터 소자로 구성될 수 있다. 상기 페라이트 소자 및 컨덕터 소자는, 상술한 도 6의 페라이트 소자와 상술한 도 8의 컨덕터 소자와 동일 또는 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)는 사각형 모양을 갖는 페라이트 소자(1141, 1151)와, 상기 페라이트 소자 상에 배치되는 유전체 시트(1142, 1152)와, 상기 유전체 시트 상에 배치되는 복수의 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)을 포함할 수 있다.
유전체 시트(1142, 1152)는 페라이트 소자(1141, 1151)와 동일한 모양 및 크기로 형성될 수 있다. 상기 유전체 시트(1142, 1152)는 접착제 또는 접착 시트(미도시) 등을 통해 페라이트 소자(1141, 1151)의 일 면에 부착될 수 있다.
복수의 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)은 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들(1120, 1130)을 바라보는 유전체 시트(1142, 1152)의 평면 상에 형성될 수 있다.
유전체 시트 상에 컨덕터 플레이트(conductor plate)가 아닌 컨덕터 슬릿을 배치하는 이유는 수직 편파 다이폴 안테나(1120)의 PMC 경계 조건에 영향을 주지 않기 위함이다. 그 원리는 수직 편파 다이폴 안테나(1120)의 자기장(magnetic field) 방향은 컨덕터 슬릿에 전류를 X축 방향으로 유기시키기 때문에 커플링이 발생하지 않지만, 수평 편파 다이폴 안테나(1130)의 자기장 방향은 컨덕터 슬릿에 Z축 방향으로 전류를 유기시키기 때문에 수평 편파 다이폴 안테나(1130)만 컨덕터 슬릿의 영향을 받는다.
페라이트 소자(1141, 1151)의 높이(ha)와 두께(wf), 유전체 시트(1142, 1152)의 높이(ha), 컨덕터 슬릿(1143, 1153) 간의 간격(ds), 컨덕터 슬릿(1143, 1153)의 너비(ws), 컨턱터 슬릿(1143, 1153)과 기판(1110) 사이의 거리(gs)는 1D TCDA 안테나(1100)의 동작 주파수 및 안테나 성능 요구 사항 등에 따라 변경될 수 있다.
제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)의 페라이트 소자들(1141, 1151)은 하이 웨이브 임피던스를 제공하기 때문에, 페라이트 소자들(1141, 1151)은 수직 편파 다이폴 안테나(1120)를 위한 PMC로 동작한다. 또한, 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)의 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)은 수평 편파 다이폴 안테나(1130)의 전기장에 수직하게 배치되어 있기 때문에, 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)은 수평 편파 다이폴 안테나(1130)를 위한 PEC로 동작한다.
즉, 수직 편파 다이폴 안테나(1120)에 의해 형성되는 자기장은 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)에 평행하게 전류를 유기하므로 커플링이 거의 없기 때문에 페라이트 소자들(1141, 1151)만 유효하게 보입니다. 이에 반해, 수평 편파 다이폴 안테나(1130)에 의해 형성되는 자기장은 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)에 수직하게 전류를 유기하므로 컨덕터 슬릿들(1143, 1153)만이 유효하게 보입니다. 따라서, 본 발명에 따른 1D TCDA 안테나(1100)는 단위 셀(1120, 1130)의 양쪽에 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자(1140, 1150)를 배치함으로써, 2D TCDA 안테나의 성능을 그대로 보존할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 1D TCDA 안테나(1100)는 임피던스 정합을 위한 슈퍼스트레이트(superstrate)와 스페이서(spacer) 등을 추가로 포함할 수 있다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 및 HPBW(Half Power Beam Width) 변화를 나타내는 도면이다. 좀 더 구체적으로, 도 13은 컨덕터 슬릿의 너비(ws)에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR 및 HPBW 변화를 나타내는 도면이고, 도 14는 컨턱터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs)에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR 및 HPBW 변화를 나타내는 도면이며, 도 15는 임피던스 장벽 소자의 높이(ha)에 따른 1D TCDA 안테나의 VSWR 및 HPBW 변화를 나타내는 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 수직 편파(Vertical Polarization, VP)의 경우, 컨덕터 슬릿의 너비(ws)가 증가할수록 고주파 대역에서 임피던스 매칭이 나빠지는 것을 확인할 수 있고, 수평 편파(Horizontal Polarization, HP)의 경우, 컨덕터 슬릿의 너비(ws)가 증가할수록 반사 손실(return loss)이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 컨덕터 슬릿의 너비(ws)가 증가할수록, 수직 편파(VP) 및 수평 편파(HP)의 반 전력 빔폭(HPBW)은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이, 컨덕터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs)가 감소할수록 수평 편파(HP)의 대역폭이 감소하게 되고, 컨덕터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs)가 증가할수록 수평 편파(HP)의 입력 매칭(input matching)에 부정적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 또한, 컨덕터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs)가 증가할수록, 수평 편파(HP)의 반 전력 빔폭(HPBW)은 저주파 대역에서 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 수직 편파(VP)의 VSWR 및 HPBW은 컨덕터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs)에 무관함을 확인할 수 있다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 임피던스 장벽 소자의 높이(ha)가 증가함에 따라, 수평 편파(HP)의 입력 매칭은 저주파에서 고주파까지 가능하게 되고, 수직 편파(VP)의 입력 매칭은 약간 향상되는 것을 확인할 수 있다. 수평 편파(HP)의 경우, 임피던스 장벽 소자의 높이(ha)가 증가함에 따라 최대 반 전력 빔폭(Maximum HPBW)을 갖는 주파수가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 임피던스 장벽 소자의 높이(ha)가 증가함에 따라 수직 편파(VP)의 반 전력 빔폭(HPBW)이 고주파 대역에서 약간 증가하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 시뮬레이션 결과 및/또는 측정 결과들에 기초하여, 최적의 성능을 갖는 TCDA 안테나를 구현하기 위한 컨덕터 슬릿의 너비(ws), 컨덕터 슬릿과 기판 사이의 거리(gs), 임피던스 장벽 소자의 높이(ha) 등을 결정할 수 있다.
도 16은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 1D TCDA 안테나의 3D 방사 패턴을 나타내는 도면이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 1D TCDA 안테나는 약 30도의 스캔 각도(scan angle)를 갖는 팬 빔 패턴(fan beam pattern)을 구현할 수 있다.
도 17은 본 발명의 제1 및 제3 실시 예에 따른 PMC 경계면으로 동작하는 전자기적 밴드 갭 구조로 구현된 임피던스 장벽 소자의 구성을 나타내는 도면이다. 즉, 도 17의 (a)는 임피던스 장벽 소자의 단면도를 나타내고, 도 17의 (b)는 도 17의 (a)에 도시된 임피던스 장벽 소자를 우측 방향에서 바라본 형상을 나타낸다.
도 17에 도시된 바와 같이, 전자기적 밴드 갭 구조로 구현된 임피던스 장벽 소자(1700)는 사각형 모양을 갖는 유전체 시트(1710), 상기 유전체 시트(1710)의 일 면에 결합된 컨덕터 시트(1720), 상기 컨덕터 시트(1720)로부터 수직 방향으로 연장되고 상기 유전체 시트(1710)를 관통하여 형성되는 복수의 원통형 컨덕터(1730), 상기 유전체 시트(1710)의 타 면에 배치되어 복수의 원통형 컨덕터(1730)와 전기적으로 연결되는 복수의 컨덕터 패치들(1740, 1750)을 포함할 수 있다.
복수의 컨덕터 패치들은 제1 크기를 갖는 제1 컨덕터 패치(1740)와 제2 크기를 갖는 제2 컨덕터 패치(1750)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 컨덕터 패치들(1740, 1750)은 유전체 시트(1710)의 표면에 주기적으로 배열될 수 있다.
이러한 컨덕터 시트(1720), 원통형 컨덕터(1730) 및 컨덕터 패치(1740, 1750)는 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등과 같은 도전성 금속 재질로 형성될 수 있다.
한편, 시뮬레이션 결과에 기초하여 도 17에 도시된 컨덕터 패치들(1740, 1750)의 크기(
Figure PCTKR2018006387-appb-I000001
), 컨덕터 패치들(1740, 1750)에 포함된 홈의 길이(
Figure PCTKR2018006387-appb-I000002
), 홈의 깊이(
Figure PCTKR2018006387-appb-I000003
), 그리고 원통형 컨덕터들(1730)의 지름(
Figure PCTKR2018006387-appb-I000004
)을 조절하여 최적의 PMC 특성을 얻기 위한 구조를 결정할 수 있다. 각 컨덕터 패치는 넓은 대역폭에서 PMC로 동작할 수 있도록 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설계될 수 있다. 또한, 각 컨덕터 패치는 배열될 때 가로, 세로 방향으로 서로 다른 크기의 컨덕터가 비주기적으로 배치될 수 있다.
기존의 2D TCDA 안테나는 펜슬 빔 패턴(pensile beam pattern)을 갖는 반면, 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 1D TCDA 안테나는 팬 빔 패턴을 갖게 된다. 따라서, 1D TCDA 안테나는 팬 빔 패턴을 요구하는 기지국 안테나와 같은 애플리케이션에 응용 가능하다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들;
    상기 제1 축 방향으로 배열되고, 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들 사이에 배치되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들; 및
    상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC(Perfect Electric Conductor) 경계 조건과, 상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 경계 조건을 만족하는 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자를 포함하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 임피던스 장벽 소자는, 상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자와, 상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨덕터 소자는, 유전체 시트와, 상기 유전체 시트의 적어도 일 면에 형성되는 복수의 컨덕터 슬릿들을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 컨덕터 슬릿들은, 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들을 바라보는 유전체 시트의 평면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 컨덕터 슬
    릿들은, 상기 유전체 시트 상에 수직 방향으로 형성되고, 상기 유전체 시트 상에서 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 컨덕터 슬릿들은, 도전성 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 유전체 시트는 상기 페라이트 소자와 동일한 모양 및 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 장벽 소자는, 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들의 일 측 방향에 배치되고,
    상기 제2 임피던스 장벽 소자는, 상기 제1 임피던스 장벽 소자와 마주보는 위치에 해당하는 상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들의 타 측 방향에 배치되는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    임피던스 정합을 위한 슈퍼스트레이트(superstrate) 및 스페이서(spacer) 중 적어도 하나를 더 포함하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수직 및 수평 편파 다이폴 안테나들 각각은, PCB 기판, 상기 PCB 기판의 전면에 형성되는 제1 방사 패턴, 상기 PCB 기판의 배면에 형성되는 제2 방사 패턴, 상기 제1 방사 패턴에 연결되는 제1 급전 라인 및 상기 제2 방사 패턴에 연결되는 제2 급전 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC 경계 조건을 만족하는 제2 임피던스 장벽 소자를 전자기적 밴드 갭 구조로 구현하는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자기적 밴드 갭 구조는, 유전체 시트의 일 면에 컨덕터 시트가 결합되고, 상기 유전체 시트의 타 면에 다중 공진 특성을 갖도록 서로 다른 크기로 설계된 복수의 컨덕터 패치들이 결합되며, 복수의 원통형 컨덕터를 통해 상기 컨덕터 시트와 상기 복수의 컨덕터 패치들이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  13. 기판;
    상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들; 및
    상기 복수의 수평 편파 다이폴 안테나들을 위한 PEC(Perfect Electric Conductor) 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자를 포함하고,
    상기 컨덕터 소자는, 유전체 시트와, 상기 유전체 시트의 적어도 일 면에 형성되는 복수의 컨덕터 슬릿들을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
  14. 기판;
    상기 기판 상에 제1 축 방향으로 배열되는 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들; 및
    상기 복수의 수직 편파 다이폴 안테나들의 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 경계 조건을 만족하는 페라이트 소자를 포함하는 1차원 강한 결합 다이폴 배열 안테나.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110299610A (zh) * 2019-06-21 2019-10-01 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种超宽带低剖面共形天线
CN112636006A (zh) * 2020-11-30 2021-04-09 Oppo广东移动通信有限公司 毫米波阵列天线、壳体组件以及电子设备
CN112952374A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 电子科技大学 铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线
CN113612019A (zh) * 2021-07-06 2021-11-05 南京航空航天大学 一种应用于v2x的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列
WO2023110074A1 (en) * 2021-12-15 2023-06-22 Huawei Technologies Co., Ltd. An antenna assembly, an apparatus comprising the antenna assembly, and a method of manufacturing the antenna assembly

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210060184A (ko) 2019-11-18 2021-05-26 삼성전자주식회사 안테나 및 그것을 포함하는 전자 장치
CN112397898B (zh) * 2020-10-22 2023-08-08 Oppo广东移动通信有限公司 天线阵列组件及电子设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120058462A (ko) * 2009-06-26 2012-06-07 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 무선 통신장치
KR20130095128A (ko) * 2012-02-17 2013-08-27 한국전자통신연구원 리더 안테나 및 이를 포함하는 ｒｆｉｄ 전자 선반

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9991605B2 (en) * 2015-06-16 2018-06-05 The Mitre Corporation Frequency-scaled ultra-wide spectrum element
US10056699B2 (en) * 2015-06-16 2018-08-21 The Mitre Cooperation Substrate-loaded frequency-scaled ultra-wide spectrum element

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120058462A (ko) * 2009-06-26 2012-06-07 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 무선 통신장치
KR20130095128A (ko) * 2012-02-17 2013-08-27 한국전자통신연구원 리더 안테나 및 이를 포함하는 ｒｆｉｄ 전자 선반

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DOANE, JONATHAN P. ET AL.: "A Wideband, Wide Scanning Tightly Coupled Dipole Array With Integrated Balun (TCDA-IB", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 61, no. 9, September 2013 (2013-09-01), pages 4538 - 4548, XP011525653, DOI: 10.1109/TAP.2013.2267199 *
NOVAK, MARKUS H. ET AL.: "Ultrawideband Antennas for Multiband Satellite Communications at UHF-Ku Frequencies", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 63, no. 4, April 2015 (2015-04-01), pages 1334 - 1341, XP011578021, DOI: 10.1109/TAP.2015.2390616 *
PAPANTONIS, DIMITRIOS K. ET AL.: "Dual-Polarized Tightly Coupled Array With Substrate Loading", IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, vol. 15, 2016, pages 325 - 328, XP011600171, DOI: 10.1109/LAWP.2015.2443725 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110299610A (zh) * 2019-06-21 2019-10-01 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种超宽带低剖面共形天线
CN112636006A (zh) * 2020-11-30 2021-04-09 Oppo广东移动通信有限公司 毫米波阵列天线、壳体组件以及电子设备
CN112636006B (zh) * 2020-11-30 2024-03-08 Oppo广东移动通信有限公司 毫米波阵列天线、壳体组件以及电子设备
CN112952374A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 电子科技大学 铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线
CN112952374B (zh) * 2021-01-28 2021-10-22 电子科技大学 铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线
CN113612019A (zh) * 2021-07-06 2021-11-05 南京航空航天大学 一种应用于v2x的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列
CN113612019B (zh) * 2021-07-06 2022-06-10 南京航空航天大学 一种应用于v2x的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列
WO2023110074A1 (en) * 2021-12-15 2023-06-22 Huawei Technologies Co., Ltd. An antenna assembly, an apparatus comprising the antenna assembly, and a method of manufacturing the antenna assembly

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KR101954819B1 (ko) 2019-03-07

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