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KR100957548B1 - 전자파 저지대를 구비한 안테나 장치 - Google Patents

전자파 저지대를 구비한 안테나 장치 Download PDF

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KR100957548B1
KR100957548B1 KR1020070132737A KR20070132737A KR100957548B1 KR 100957548 B1 KR100957548 B1 KR 100957548B1 KR 1020070132737 A KR1020070132737 A KR 1020070132737A KR 20070132737 A KR20070132737 A KR 20070132737A KR 100957548 B1 KR100957548 B1 KR 100957548B1
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ground plane
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심동욱
권종화
곽상일
최형도
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한국전자통신연구원
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Abstract

전자파 저지대를 구비한 안테나 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 안테나 장치는 신호를 송, 수신하는 안테나, 상기 안테나를 급전시키는 급전선, 상기 급전선과 연결된 금속도체 접지면을 포함하고, 상기 금속도체 접지면은 전자파 저지대를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 안테나 주위의 방사 효율을 떨어뜨릴 수 있는 금속면에 전자파 저지대 구조를 적용하여 전자파 저지대가 갖는 고유의 전자기적 특성으로 안테나 전체 크기를 줄일 수 있으며, 안테나 장치의 후방 방사(back radiation)를 줄여 주 전방 방사(main forward radiation) 방향으로 지향성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
전자파 저지대(Electromagnetic Band Gap), 안테나(Antenna), 포토닉 밴드갭(PBG, Photonic BandGap)

Description

전자파 저지대를 구비한 안테나 장치{ANTENNA SYSTEM HAVING ELECTROMAGNETIC BANDGAP}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자파 저지대를 구비한 기지국용, 중계기용, 위성 추적용, 차량용 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-F-043-01, 과제명: 전자파 기반 진단 및 방호기술 연구].
전자파 저지대는 일반적인 전기 도체(electric conductor)상에 의도된 특정 단위셀 패턴을 일정 간격의 주기적 배열로 구현할 수 있으며 그 표면에서는 특정 대역에서 자기장의 접선 성분이 0이 되어 표면상에 전류가 흐를 수 없는 특성을 갖는다. 이는 일반적인 전기도체와는 정반대가 되는 개념으로 자기도체(magnetic conductor)라 할 수 있으며 전자파 저지대 표면을 회로적으로 고 임피던스(HIS, High Impedance Surface) 표면이 된다. 또한, 실제로 존재할 수 없는 이론적인 자기 도체 특성을 기존의 금속 도체 상에 인위적으로 구현했다 하여 인공자기도체(AMC, Artificial Magnetic Conductor)라고도 불린다. 최초 광학 분야에서 갇힌 구조(guided structure)에 대해 특정 대역에서 광파의 진행을 막기 위해 고안된 포토닉 밴드갭(PBG: Photonic BandGap) 기술에서 비롯된 것으로 최근 그 적용 주파수 대역이 광범위해지면서 마이크로파 대역에서 전자파 저지대로 불리며 주로 안테나, 필터, 도파관 등의 분야에 응용되고 있다.
전자파 저지대 기술은 안테나 분야에서 가장 많이 응용되고 있는 만큼 안테나를 예를 들어 그 특성을 잘 이해할 수 있다. 일반적으로 전기도체 접지면(ground)에 수평하게 놓인 안테나는 효율적으로 방사하기 위해 접지면으로부터
Figure 112007090758268-pat00001
이상의 거리를 필요로 한다.
Figure 112007090758268-pat00002
보다 가까운 거리에 있게 되면 안테나에 흐르는 전류와 반대방향인 표면 전류가 전기도체 접지면 표면에서 유기되기 때문에 서로 상쇄되어 안테나는 제대로 방사(radiation)할 수 없게 된다. 그러나, 이 경우 일반적인 전기도체 접지면을 대신하여 전자파 저지대 구조를 접지면으로 활용할 경우 특정 대역에서 전자파 저지대 표면에 표면 전류를 흐르지 않게 할 수 있어 일반적인 전기 도체 위에서보다 훨씬 더 가까운 거리에서 안테나를 동작시킬 수 있다. 곧, 접지면으로부터 안테나 사이의 거리를 줄일 수 있어 전체 안테나 크기를 소형화할 수 있다.
전자파 저지대는 또한 특정 대역에서 표면 전류를 차단시키기 때문에 유한한 접지면의 끝(edge)에서 표면 전류로부터 발생하는 불필요한 방사를 줄일 수 있고, 안테나로부터 접지면으로 방사된 전자파는 전자파 저지대에 의해 반대 방향으로 직접 방사하는 전자파에 동위상으로 반사되기 때문에 결국, 후방 방사(back radiation)를 줄이고, 주 빔(main beam) 방향으로 방사 이득을 향상시킬 수 있다.
전자파 저지대 기술의 이러한 특성은 주로 평판형 안테나 분야에 적용되어 안테나의 소형화, 안테나간 격리(isolation) 특성 향상, 또는 방사 특성을 향상시키기 위한 방법으로 최근 많이 응용되고 있다.
그러나, 기지국 및 중계기 안테나, 위성용 추적 안테나, 차량용 안테나 등에 대해서는 전자파 저지대 기술이 적용된 바가 없었다. 따라서, 본 발명은 안테나 주위의 방사 효율을 떨어뜨릴 수 있는 금속면에 전자파 저지대 구조를 적용함으로써, 전자파 저지대가 갖는 고유의 전자기적 특성으로 안테나 전체 크기를 줄이고, 안테나 장치의 후방 방사(back radiation)를 줄여 주 전방 방사(main forward radiation) 방향으로 지향성을 향상시키고자 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명에 의한 안테나 장치는 신호를 송, 수신하는 안테나, 안테나를 급전시키는 급전선, 급전선과 연결된 금속도체 접지면을 포함하고, 금속도체 접지면은 전자파 저지대를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 안테나는 기지국 안테나 또는 중계기 안테나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 기지국 안테나 또는 중계기 안테나는 상기 안테나에서 방사되는 신호를 반사하는 반사판을 더 포함하고, 반사판은 전자파 저지대를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 기지국 안테나는 모노폴 배열 안테나, 다이폴 배열 안테나 또는 패치형 배열 안테나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 안테나는 위성용 추적 안테나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 위성용 추적 안테나는 필름형 슬롯 배열 안테나 또는 도파관 슬롯 배열 안테나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 안테나는 차량용 안테나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 차량용 안테나는 모노폴 형 안테나 또는 글래스 구조형 안테나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전자파 저지대는 단위셀의 배열에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단위셀은 금속도체 접지면 위에 유전체가 형성되고, 유전체 위에 전자파 저지대 단위셀 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전자파 저지대 단위셀 패턴들이 일정 간격을 두고 인접하여 주기적으로 배열되어 전자파 저지대 전체 패턴을 형성하게 된다.
바람직하게는, 상기 단위셀은 상기 유전체를 관통하여 상기 금속 도체 접지면 및 상기 전자파 저지대 단위셀 패턴 간에 형성된 비아홀을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자파 저지대를 구비한 기지국 및 중계국 안테나, 위성용 추적 안테나, 차량용 안테나 장치는 안테나의 크기와 지향성, 그리고 방사 효율면에서 종래의 안테나 장치보다 향상된 성능을 나타낼 수 있다. 기지국 및 중계기 안테나, 위성용 추적 안테나는 안테나 장치의 소형화로 제작 단가와 설치 비용 절감 효과가 있고, 또한 후방 방사를 줄이고 주빔 방향으로 지향성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 차량용 안테나는 전자파 저지대를 적용하여 보다 나은 방사 특성을 갖게 됨으로써, 더 우수한 수신율을 갖는 차량용 라디오 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 3은 기지국 안테나의 평면도 및 정면도, 측면도를 도시한 것이다. 또한 도 4는 도 3에 도시한 기지국 안테나 상에 본 발명에 의한 전자파 저지대를 적용한 구조를 도시한 것이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 다이폴 안테나(108, 208, 308)는 무선 신호를 송, 수신한다. 급전선(102, 202, 302)은 위의 다이폴 안테나(108, 208, 308)를 급전시키고 전력 분배기의 역할을 한다. 금속도체 접지면(100, 200, 300, 400)은 위의 급전선(102, 202, 302)과 연결되어 안테나(108, 208, 308)를 접지시킨다. 또한 안테나 장치는 안테나에서 방사되는 신호를 반사하는 반사판(106, 206, 306)을 포함하고 있다.
본 발명에 의한 안테나 장치는 금속도체 접지면(100, 200, 300, 400) 및 반사판(106, 206, 306)에 각각 전자파 저지대(412, 414)가 형성되어 있다.
이와 같이 안테나 장치의 금속도체 접지면(100, 200, 300, 400) 및 반사 판(106, 206, 306)에 각각 전자파 저지대(412, 414)를 적용하면, 접지면(200)으로부터 안테나 높이(210)를 줄일 수 있어 전체 안테나 장치를 소형화 할 수 있고, 전자파 저지대(412, 414)가 적용되지 않은 안테나에 비하여 주빔 방향(z 방향)으로의 지향성을 높일 수 있다.
여기서 도면은 기지국 안테나 중에서 다이폴 안테나가 도시되어 있으나, 기지국 안테나에는 모노폴 배열 안테나, 다이폴 배열 안테나 또는 패치형 배열 안테나가 모두 사용될 수 있다.
도 5는 상용 기지국을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 기지국을 설치할 때 안테나(500)간의 커플링을 피하기 위해 안테나간 이격 거리(502)를 충분히 확보하여 설치해야 하므로 공간적으로 비효율적일 뿐만 아니라, 설치 비용 및 유지 보수 측면에서 문제가 된다. 본 발명에 의한 전자파 저지대(412, 414)를 구비한 안테나 장치의 경우 빔 패턴을 조정할 수 있고, 후방 및 측면 방사를 줄여 주 빔 방향으로 지향성을 향상시킬 수 있기 때문에 안테나간 이격 거리(502)를 줄일 수 있어서 기지국을 설치할 때 많은 이점이 있다.
한편, 도 1에서 도5까지의 도면은 기지국 안테나만을 도시하고 있으나, 기지국 안테나보다 좁은 영역의 통신 지원을 위한 실내외 중계기 안테나에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으며, 기지국 안테나와 마찬가지로 안테나의 소형화 및 지향성 향상이 가능하다.
도 6은 위성용 추적 안테나의 평면도를 도시한 것이다. 상용 위성 추적 안테나는 도 6의 예시처럼 평판형 안테나가 주를 이루고 있다. 특히, 도 6의 안테나는 필름형 슬롯 안테나로서 기지국 안테나의 예시처럼 급전점으로부터 급전패치부(전력분배기, 604)를 통해 필름형 슬롯 안테나를 동작시키는 구조이다.
도 6을 참조하면, 상기 위성용 추적 안테나는 금속도체 접지면(600), 유전체(602, 606, 610), 급전선(603), 급전패치부(604) 및 필름 안테나부(608)를 포함한다.
상기 필름 안테나(608)는 무선 신호를 송, 수신한다. 상기 급전선(603)은 위의 필름 안테나(608)를 급전시킨다. 상기 금속도체 접지면(600)은 위의 급전선(603)와 연결되어 안테나(608)를 접지시킨다.
금속도체 접지면(600) 위에서 안테나부(608)가 동작하기 위해서는 소정의 두께를 갖는 유전체(602, 606, 610)가 필요하다. 안테나의 높이를 줄이기 위해 유전체(602, 606, 610)는 공기의 유전율보다 큰 물질을 사용해야 하지만, 안테나의 방사효율과 대역폭에 좋지 않은 영향을 주기 때문에 대부분 공기의 유전율과 가까운 스티로폼을 사용하면서 소정의 두께를 가지게 된다.
도 7은 위성용 추적 안테나의 필름 안테나부(608)를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 상기 필름 안테나부(608)는 금속패치(700)와 슬롯(702)을 포함한다. 도면상에서는 슬롯(702)이 사각형으로 되어 예시되어 있으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 상기 슬롯(702)은 다양한 모양을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 위성용 추적 안테나의 급전부(604)를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 상기 급전부(604)는 급전점(800)과 전력분배기 급전회로(802)를 포함한다.
또한, 도 9는 위성용 추적 안테나에 전자파 저지대를 적용한 것을 도시한 도면이다. 도 6 및 도 9를 참조하면, 금속 접지면(600, 900) 위에 유전체가 들어가게 되고, 그 위에 전자파 저지대 단위셀(902)이 일정 간격을 두고 주기적으로 배열되어 형성되어 있다. 위성용 추적 안테나의 경우 일반 안테나의 경우에 비하여 주 방사 방향으로 지향성이 훨씬 좋아야 한다. 따라서 도 9에서와 같이 금속접지면(900)에 전자파 저지대를 적용하면 위의 기지국 안테나 또는 중계기 안테나에서 기술한 바와 같이 안테나를 소형화 할 수 있고, 안테나의 지향성을 향상시킬 수 있다.
여기서 도면은 위성용 추적 안테나 중에서 필름형 슬롯 안테나가 도시되어 있으나, 상기 위성용 추적 안테나는 필름형 슬롯 배열 안테나 또는 도파관 슬롯 배열 안테나가 모두 사용될 수 있다.
도 10은 차랑용 글래스 구조형 안테나 주위의 금속도체에 전자파 저지대가 적용된 도면을 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 차량용 글래스 안테나의 후면 글래스(1000)를 둘러싼 네 부분의 금속도체 상에 전자파 저지대 단위셀 패턴(1002)이 주기적으로 배열되어 있다. 차량용 글래스 안테나의 경우 후면 글래스(1000) 주위의 금속 도체에 유기되는 표면 전류로 인한 방사상의 커플링으로 인하여 안테나의 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 본 발명에서와 같이 차량용 글래스 안테나 주위의 금속 도체에 전자파 저지대를 적용할 경우, 표면 전류를 억제하고 방사 효율을 높일 수 있다.
여기서 도면은 차량용 안테나 중에서 글래스 구조형 안테나가 도시되어 있으나, 상기 차량용 안테나에는 모노폴 형 안테나 또는 글래스 구조형 안테나가 모두 사용될 수 있다. 따라서 모노 폴형 안테나의 경우에도 같은 방식으로 방사 효율을 높일 수 있다.
도 11은 본 발명에 의한 전자파 저지대의 일 실시예를 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 전자파 저지대는 전자파 저지대 단위셀(1100)의 배열에 의하여 형성되는데, 상기 단위셀(1100)은 금속도체 접지면(1102), 유전체(1104), 전자파 저지대 단위셀 패턴(1106)을 포함한다. 상기 금속도체 접지면(1102) 위에 유전체(1104)가 형성되고, 상기 유전체(1104) 위에 전자파 저지대 단위셀 패턴(1106)이 형성된다.
상기 전자파 저지대 단위셀 패턴(1106)은 인접한 전자파 저지대 단위셀 패턴(1106)과 일정한 간격을 가지며, 주기적으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단위셀(1100)은 상기 유전체(1104)를 관통하여 상기 금속 도체 접지면(1102) 및 상기 전자파 저지대 단위셀 패턴(1106) 간에 형성된 비아홀(1108)을 더 포함할 수도 있다. 상기 비아홀(1108)은 단위셀(1100) 내에 형성되는 인덕턴스(inductance)와 관계된 파라미터로 이는 곧 단위셀(1100)의 동작 주파수 대역을 결정하는 변수 중의 하나이다.
도 12a 및 도 12b 는 전자파 저지대 단위셀(1100)의 패턴(1106)을 예시한 것으로서, 도 12a는 비아홀이 있는 패턴을 예시한 것이고, 도 12b는 비아홀이 없는 패턴을 예시한 것이다. 도 12a를 참조하면 금속도체(1200) 위에 패턴이 형성되어 있고, 그 중앙에 비아홀(1202)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 12a에서 금속 도체위에 패턴이 형성된 곳에는 금속 도체 아래에 형성된 유전체(1204)가 드러나게 됨을 볼 수 있다. 또한, 도 12b를 참조하면, 금속도체 위에 패턴이 형성되어 있고, 도 12a에서와 같이 패턴이 형성된 곳에는 금속도체 아래에 형성되어 있는 유전체(1204)가 드러나게 된다. 전자파 저지대의 동작 대역을 결정하는 구조로서 금속도체 패턴(1106)의 길이와 패턴 사이의 간격 그리고 금속도체 접지면(1102)과의 간격에 형성되는 인덕턴스와 커패시턴스(capacitance)에 의해 단위셀(1100) 동작 대역과 대역폭이 결정된다.
도 13은 단위셀 패턴에 대한 동작 대역의 변화를 도시한 것이다. 도 13을 참조하면, 단위셀(1100) 한한 변의 길이 변화에 따른 전자파 저지대 반사특성의 변화를 알 수 있다. 즉, 한 변의 길이가 증가할 수록, 인덕턴스가 크게 되어 동작 주파수 대역이 낮아짐을 알 수 있다(1300, 1302, 1304, 1306). 이러한 전자파 저지대 단위셀(1100)의 설계는 먼저 원하는 주파수 대역에서 동작하도록 길이와 간격에 의한 패턴을 설계한 후 적용 대상과의 전자기적 커플링으로 인한 성능 변화 양상을 분석한 다음 최종 성능 매칭(matching)을 위해 적용 대상과의 미세 튜닝(tuning) 작업으로 최적화 할수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
도 1 내지 도 3은 기지국 안테나의 평면도 및 정면도, 측면도를 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시한 기지국 안테나 상에 본 발명에 의한 전자파 저지대를 적용한 구조를 도시한 것이다.
도 5는 상용 기지국을 도시한 도면이다.
도 6은 위성용 추적 안테나의 평면도를 도시한 것이다.
도 7은 위성용 추적 안테나의 필름 안테나부(608)를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 위성용 추적 안테나의 급전부(604)를 도시한 것이다.
도 9는 위성용 추적 안테나에 전자파 저지대를 적용한 것을 도시한 도면이다.
도 10은 차랑용 글래스 구조형 안테나 주위의 금속도체에 전자파 저지대가 적용된 도면을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명에 의한 전자파 저지대의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b 는 전자파 저지대 단위셀(1100)의 패턴(1106)을 예시한 것으로서, 도 12a는 비아홀이 있는 패턴을 예시한 것이고, 도 12b는 비아홀이 없는 패턴을 예시한 것이다.
도 13은 단위셀 패턴에 대한 동작 대역의 변화를 도시한 것이다.

Claims (12)

  1. 신호를 송, 수신하는 안테나;
    상기 안테나를 급전시키는 급전선; 및
    상기 급전선과 연결된 금속도체 접지면을 포함하고,
    상기 금속도체 접지면은 전자파 저지대를 포함하여 형성되며,
    상기 급전선은 전원이 공급되는 급전점과 상기 안테나의 각 부분으로 전력을 분배하는 전력분배기 급전회로를 포함하여 형성되는
    것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는 기지국 안테나 또는 중계기 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기지국 안테나 또는 중계기 안테나는 상기 안테나에서 방사되는 신호를 반사하는 반사판을 더 포함하고,
    상기 반사판은 전자파 저지대를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기지국 안테나는 모노폴 배열 안테나, 다이폴 배열 안테나 또는 패치형 배열 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는 위성용 추적 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위성용 추적 안테나는 필름형 슬롯 배열 안테나 또는 도파관 슬롯 배열 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는 차량용 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 차량용 안테나는 모노폴 형 안테나 또는 글래스 구조형 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 전자파 저지대는 단위셀의 배열에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 단위셀은
    상기 금속도체 접지면 위에 유전체가 형성되고,
    상기 유전체 위에 전자파 저지대 단위셀 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자파 저지대 단위셀 패턴 들이 일정 간격을 두고 인접하여 주기적으로 배열되어 전자파 저지대 전체 패턴을 형성하게 되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 단위셀은 상기 유전체를 관통하여 상기 금속 도체 접지면 및 상기 전자파 저지대 단위셀 패턴 간에 형성된 비아홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
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