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KR102093204B1 - 격리도 개선 구조를 갖는 광대역 mimo 안테나 - Google Patents

격리도 개선 구조를 갖는 광대역 mimo 안테나 Download PDF

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KR102093204B1
KR102093204B1 KR1020180142431A KR20180142431A KR102093204B1 KR 102093204 B1 KR102093204 B1 KR 102093204B1 KR 1020180142431 A KR1020180142431 A KR 1020180142431A KR 20180142431 A KR20180142431 A KR 20180142431A KR 102093204 B1 KR102093204 B1 KR 102093204B1
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KR
South Korea
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substrate
radiating elements
feeding
antenna
radiating
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지봉수
진원휘
김준희
윤상기
Original Assignee
주식회사 에이스테크놀로지
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Abstract

본 발명은 기판, 기판의 상부면에 기지정된 패턴으로 형성되어, 급전 포트를 통해 인가되는 급전 신호를 전달하는 다수의 급전 선로, 기판의 상부면에 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로 각각의 양측 방향으로 연장되도록 형성되어, 대응하는 급전 선로와 CPW 구조를 형성하는 다수의 접지 패턴, 기판의 양측에 배치되어 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로로부터 급전 신호를 전달받는 다수의 방사 소자, 및 기판의 하부면에 기지정된 패턴에 따라 형성되는 기생 패치를 포함하는 광대역 MIMO 안테나를 제공할 수 있다. 따라서 다수의 방사 소자간 격리도를 향상시키고, 로우 프로파일을 갖도록 구현될 수 있다.

Description

격리도 개선 구조를 갖는 광대역 MIMO 안테나{WIDEBAND MIMO ANTENNA HAVING ISOLATION IMPROVED STRUCTURE}
본 발명은 광대역 MIMO 안테나에 관한 것으로, 로우 프로파일 형태를 갖고 방사 소자간 높은 격리도를 갖는 광대역 MIMO 안테나에 관한 것이다.
이동통신 시스템은 매우 빠른 속도로 발전하고 있다. 이동통신 초기 단계에서 건물 내부의 통신은 실외의 중계기를 통해 서비스가 제공되었다. 이 경우, 건물의 벽에 의해 발생하는 높은 신호 손실 때문에 양질의 서비스 제공이 어려웠다. 특히 쇼핑센터, 빌딩, 경기장 등의 실내 통신 환경에서 발생하는 높은 트래픽 용량 문제를 해결하기 위하여 다양하고 많은 연구가 진행되어 왔다.
최근 이동통신 가입자 수가 급격하게 증가함에 따라 건물 내부에서의 통신 품질이 계속해서 문제가 되면서 실내 통신 환경에서 발생하는 높은 트래픽 용량 문제를 해결할 수 있고, 통신 음영 지역을 효과적으로 제거할 수 있는 방법 중 하나인 분산형 안테나 시스템의 설치가 빠르게 증가하고 있다.
분산형 안테나 시스템은 외부에 설치된 대형의 고이득 안테나를 통하여 신호를 공급받아, 그 신호를 분배하여 건물 내부 전체에 일정 간격을 두고 설치된 소형 안테나를 통하여 재 송출하는 시스템이다.
분산 안테나 시스템의 장점 중 하나는 시스템을 구성하는 중계기 장비 하나로 다중 주파수 수용이 가능하다는 것이다. 즉, GSM방식, CDMA방식, WCDMA방식 등 기존의 2세대 및 3세대 통신방식과 4세대 LTE 통신 방식 및 WiFi와 같이 현존하는 모든 통신방식을 커버할 수 있다. 또 다른 장점은 소형 안테나를 건물 내부에 분배하여 설치함으로써 효과적으로 통신 음영 지역을 해소하고 높은 트래픽 용량 문제를 해결할 수 있다는 점이다.
따라서, 분산 안테나 시스템에 장착되는 안테나 역시 GSM방식, CDMA방식, WCDMA방식 등 기존의 2세대 및 3세대 통신방식과 4세대 LTE 통신 방식 및 WiFi와 같이 제공되는 모든 통신방식의 주파수 범위를 커버할 수 있는 넓은 통신 대역폭을 가지며 전체 통신 대역에서 모든 방향으로 효율적인 방사를 하여 넓은 통신 범위를 확보할 수 있는 전방향성 방사패턴을 갖는 안테나가 요구되고 있다.
한편, 분산 안테나 시스템에서는 더 빠른 통신 속도를 위해 시스템에 MIMO(Multi Input Multi Output) 기술을 탑재하고 있기 때문에 안테나 또한 복수개의 방사 소자가 하나의 안테나에 탑재되어 다중 입출력 동작을 수행할 수 있는 MIMO 안테나가 요구된다.
여기서 하나의 안테나에 복수개의 방사 소자를 탑재하기 위해서는 두 방사 소자의 거리를 충분히 확보하여 방사 소자 간 격리도를 확보하는 것이 중요하다. 하지만 안테나가 실내에 장착되기 때문에 소형 및 박형으로 설계되어야 하고 이러한 이유로 인하여 하나의 안테나에 복수개의 방사 소자를 탑재하고 방사 소자간 거리가 근접해 있어도 격리도를 확보할 수 있는 안테나 설계 기술이 요구되고 있다.
한국 공개 특허 제10-2007-0020279호 (2007.02.20 공개)
본 발명의 목적은 로우 프로파일을 가져 실내에 용이하게 설치될 수 있는 광대역 MIMO 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 MIMO 시스템에 적용 가능하며, 방사 소자간 높은 격리도를 갖는 광대역 MIMO 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 모든 통신 대역에서 모든 방향으로 효율적으로 방사할 수 있는 광대역 MIMO 안테나를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 기판; 상기 기판의 상부면에 기지정된 패턴으로 형성되어, 급전 포트를 통해 인가되는 급전 신호를 전달하는 다수의 급전 선로; 상기 기판의 상부면에 상기 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로 각각의 양측 방향으로 연장되도록 형성되어, 대응하는 급전 선로와 CPW 구조를 형성하는 다수의 접지 패턴; 상기 기판의 양측에 배치되어 상기 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로로부터 상기 급전 신호를 전달받는 다수의 방사 소자; 및 상기 기판의 하부면에 기지정된 패턴에 따라 형성되는 기생 패치; 를 포함한다.
상기 다수의 방사 소자는 상기 기판의 양측에서 상기 급전 선로를 기준으로 기지정된 패턴에 따라 확장되는 형태로 형성되며, 전후 방향에서 비대칭 크기를 가질 수 있다.
상기 기생 패치는 상기 급전 선로가 배치된 영역과 중첩되지 않도록 형성될 수 있으며, 상기 급전 선로를 기준으로 비대칭 크기를 갖는 상기 다수의 방사 소자의 면적이 큰 방향에 형성될 수 있다.
상기 기생 패치는 상기 기판의 상부면에 형성된 상기 다수의 접지 패턴 각각과 중첩된 영역을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 다수의 방사 소자는 상기 급전 신호의 반파장 길이를 갖는 연결 소자에 의해 서로 연결될 수 있으며, 상기 연결 소자는 상기 급전 선로를 기준으로 비대칭 크기를 갖는 상기 다수의 방사 소자의 면적이 큰 방향의 일단에 각각 연결될 수 있다.
상기 다수의 방사 소자는 알루미늄 시트로 구현되어 상기 기판의 양측에 일부 영역 중첩 배치되고, 상기 급전 선로는 상기 방사 소자가 상기 기판 중첩되는 영역과 중첩되도록 일단이 형성되어, 상기 급전 신호가 인가되면 상기 방사 소자와 커플링될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 기판; 상기 기판의 상부면에 기지정된 패턴으로 형성되어, 급전 포트를 통해 인가되는 급전 신호를 전달하는 다수의 급전 선로; 상기 기판의 상부면에 상기 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로 각각의 양측 방향으로 연장되도록 형성되어, 상기 급전 선로와 CPW 구조를 형성하는 다수의 접지 패턴; 상기 기판의 양측에 배치되어 상기 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로로부터 상기 급전 신호를 전달받는 다수의 방사 소자; 및 상기 급전 신호의 반파장 길이를 갖고, 상기 다수의 방사 소자를 서로 연결하는 연결 소자; 를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 다수의 방사 소자간 높은 격리도를 가질 뿐만 아니라 소형 및 박형의 로우 프로파일을 가지므로 실내에 장착되기 용이하고, 모든 통신 대역에서 모든 방향으로 효율적으로 방사할 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 외형을 나타낸다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 구조를 나타낸다.
도3 내지 도6 은 도2 의 광대역 MIMO 안테나의 구성 요소 각각에 대한 상세 구조를 나타낸다.
도7 은 도2 의 연결 소자의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도8 및 도9 는 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다.
도10 및 도11 은 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나 장치의 두 안테나간 격리도 특성을 나타낸다.
도12 및 도13 은 기생 패치의 형성 여부에 따른 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
도14 내지 도19 는 기생 패치의 패턴에 따른 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
도20 및 도21 은 연결 소자의 형성 여부에 따른 격리도 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도22 및 도23 는 연결 소자의 패턴에 따른 격리도 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도24 는 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나 장치의 동작 주파수별 방사 패턴을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 외형을 나타낸다.
도1 을 참조하면, 본 실시예의 광대역 MIMO 안테나의 외형은 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)로 구성되어 전체적으로 원반형으로 구현될 수 있다.
그리고 하부 케이스(120)에는 급전 신호를 광대역 MIMO 안테나를 공급하기 위한 2개의 급전 포트(130)가 삽입될 수 있다. 도1 에 도시된 바와 같이, 2개의 급전 포트(130)는 독립적으로 구분되어 삽입되며, 원형의 하부 케이스(120)의 중앙부에 삽입될 수 있다. 급전 포트(130)의 삽입 위치는 다양하게 조절될 수 있다. 급전 포트(130)는 일예로 동축 케이블(Coaxial Cable)로 구현될 수 있다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 구조를 나타내고, 도3 내지 도6 은 광대역 MIMO 안테나의 구성 요소 각각에 대한 상세 구조를 나타낸다.
도2 에서 (a) 및 (b)는 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 상부면 및 하부면을 나타내고, 도3 은 광대역 MIMO 안테나의 급전 선로와 급전부의 상세 구조를 나타내며, 도4 는 급전 선로와 방사 소자 사이의 커플링 영역에 대한 상세 구조를 나타낸다. 그리고 도5 에서 (a)는 기판 상부면 상에 형성되는 급전 선로와 접지 패턴의 상세 구조를 나타내며, (b)는 기판 하부면 상에 형성되는 기생 패치의 상세 구조를 나타낸다. 또한 도6 은 방사 소자의 상세 구조를 나타낸다.
본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 기판(210), 방사 소자(220), 급전 선로(230), 접지 패턴(240), 급전부(250) 및 기생 패치(260)를 포함한다.
본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 MIMO 시스템을 위한 안테나로서, 서로 이격된 다수개의 방사 소자(220)를 포함하고, 다수개의 방사 소자(220)에 대응하여, 다수의 급전 선로(230)와 다수의 접지 패턴(240) 및 다수의 급전부(250)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 일예로 광대역 MIMO 안테나가 2개의 방사 소자(220)를 구비하고, 이에 대응하여 2개의 급전 선로(230)와 2개의 접지 패턴(240) 및 2개의 급전부(250)가 구비된다.
2개의 방사 소자(220)와 2개의 급전 선로(230), 2개의 접지 패턴(240) 및 2개의 급전부(250)가 기판(210) 상에서 양측으로 대칭되어 배치되므로, 본 실시예에 따른 광대역 전방향 안테나는 각각 방사 소자(220), 급전 선로(230), 접지 패턴(240) 및 급전부(250)를 포함하는 2개의 안테나부(ANT1, ANT2)를 포함하는 것으로 볼 수 있다.
도2 및 도 6을 참조하면, 2개의 방사 소자(220)는 기판(210)의 상부면 상에서 양측 방향에 배치된다. 여기서 2개의 방사 소자(220)는 일부 영역이 기판(210)에서 일부 대응하는 영역과 중첩되도록 배치될 수 있다. 방사 소자(220)는 전체가 기판(210) 상에 배치되는 것이 아니라 일부만이 기판(210)의 일부 대응하는 영역에 배치되면, 기판(210)은 방사 소자(220)의 크기와 독립적인 크기를 가질 수 있다. 즉 2개의 방사 소자(220)가 기판(210) 상에 배치될 필요가 없으므로, 기판(210)의 크기를 크게 줄 일 수 있다.
이는 고성능 안테나에서 주로 이용되는 고가의 저손실 기판의 크기를 줄일 수 있도록 하여, 광대역 MIMO 안테나의 제조 비용을 저감할 수 있도록 한다.
그리고 2개의 방사 소자(220) 각각은 기판과 중첩된 위치로부터 기지정된 패턴에 따라 확장되는 형태로 형성된다. 2개의 방사 소자(220)는 기판의 양측에 배치되며, 기판을 중심으로 서로 대칭되는 형태로 형성된다.
특히 2개의 방사 소자(220) 각각은 기판(210) 상에 형성된 급전 선로(230)를 기준으로 전방 및 후방으로 비대칭 크기를 갖는다.
도2 을 참조하면, 방사 소자(220)는 전방으로 확장된 면적이 후방으로 확장된 면적보다 크게 형성되어 있음을 알 수 있다. 여기서 전방향, 후방향 및 양측은 설명의 편의를 위해 지정된 방향으로 본 실시예의 광대역 전방향 안테나의 기능과 무관하다.
2개의 방사 소자(220)는 다양한 도전체 소재로 구현될 수 있으며, 일예로 알루미늄 시트로 구현될 수 있다. 그리고 2개의 방사 소자(220) 각각이 기판(210)의 상부면 상에 형성된 급전 선로(230)의 대응 영역과 밀착되도록 배치된다. 이는 급전 선로(230)를 통해 인가되는 급전 신호를 커플링 현상을 이용하여 전달 받을 수 있도록 하기 위함이다. 그러나 2개의 방사 소자(220)는 기판(210)과의 급전 선로(230)와 직접 전기적으로 연결되도록 구성될 수도 있다.
특히 본 실시예에서 2개의 방사 소자(220)는 기지정된 패턴으로 형성되는 연결 소자(221)에 의해 서로 연결될 수 있다. 여기서 연결 소자(221)는 전후방에서 비대칭 크기를 갖는 방사 소자(220)의 면적이 큰 방향(여기서는 전방향)의 일단에서 2개의 방사 소자(220)에 연결될 수 있다.
연결 소자(221)는 일예로 λ/2길이를 갖는 기지정된 패턴으로 형성될 수 있다. 그리고 2개의 방사 소자(220)와 연결 소자(221)는 독립적으로 제조되는 것이 아니라, 도6 에 도시된 바와 같이, 동일한 도전체에 일체로 제조될 수 있다.
연결 소자(221)의 기능에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
한편 도2 내지 4 를 참조하면, 2개의 급전 선로(230)는 각각 2개의 급전부(250) 중 대응하는 급전부와 2개의 방사 소자(220) 중 대응하는 방사 소자 사이에 연결된다. 급전 선로(230)는 대응하는 급전부(250)를 통해 급전 신호를 인가받아 대응하는 방사 소자(220)로 전달한다. 이때, 급전 선로(230)는 상기한 바와 같이 커플링 현상을 이용하여 급전 신호를 방사 소자(220)로 전달할 수 있다. 도4 에 도시된 바와 같이, 방사 소자(220)와의 커플링 현상이 용이하게 발생되도록, 급전 선로(230)는 방사 소자(220)가 기판(210) 상에 중첩되는 중첩 영역에 대응하는 패턴으로 형성될 수 있다. 즉 급전 선로(230)에서 방사 소자(220)와 중첩되는 영역은 방사 소자(220)와 커플링되는 커플링 영역(410)으로 형성될 수 있다.
그리고 2개의 급전 선로(230) 각각은 2개의 접지 패턴(240) 중 대응하는 접지 패턴과 함께 CPW(Coplanar Waveguide) 구조를 형성하여 급전부(250)에서 전달되는 급전 신호를 대응하는 방사 소자(220)로 전달할 수 있다.
2개의 접지 패턴(240)은 기판(210)의 상부면 상에 각각 2개의 급전 선로(230) 중 대응하는 급전 선로의 양측 방향(도면 상의 전후 방향)으로 연장되도록 형성되며, 이로 인해, 대응하는 급전 선로(230)와 함께 CPW 구조를 형성할 수 있다. 그리고 2개의 접지 패턴(240)은 각각 2개의 급전부(250) 중 대응하는 급전부(250)에 연결되어 접지된다.
2개의 급전부(250)는 기판(210)의 기지정된 위치에 각각 분리되어 형성된다. 여기서는 2개의 급전부(250)가 기판(210)의 중앙 영역에서 서로 인접하여 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
2개의 급전부(250) 각각은 급전 포트(130)를 통해 인가되는 급전 신호를 급전 선로(230)로 전달하고, 접지 전원을 접지 패턴(240)에 인가한다. 2개의 급전부(250) 각각은 기판(210)을 관통하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 도2 및 도5 를 참조하면, 본 실시예에 따른 광대역 전방향 안테나는 기판(210)의 하부면에 기지정된 패턴의 기생 패치(260)가 더 형성될 수 있다. 기생 패치(260)는 기판(210)의 상부면에 형성된 2개의 접지 패턴(240)과 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
즉 기생 패치(260)의 일부 영역은 기판(210)을 사이에 두고 접지 패턴(240)과 일정 간격 이격되어 형성된다. 따라서 커플링 현상을 유도하고, 이로 인해, 방사 소자(220)와 급전 선로(230)가 광대역에서 임피던스 정합될 수 있도록 하며, 유사 전방향(Quasi Omni-directional) 패턴으로 전자계 에너지를 발생할 수 있도록 한다. 회로적 관점에서 기생 패치는 인덕턴스 성분으로 해석될 수 있으며, 접지 패턴(240)과 기생 패치(260)가 중첩된 영역은 캐패시턴스 성분으로 해석될 수 있다. 따라서 접지 패턴(240)과 기생 패치(260)가 중첩된 영역은 병렬 인덕터 및 캐패시터 임피던스 정합 회로로 해석될 수 있다. 그리고 중첩되지 않은 영역의 기생 패치(260)는 직렬 인덕터 임피던스 정합 회로로 해석될 수 있다.
특히 본 실시예에서 기생 패치(260)는 급전 선로(230)가 배치된 영역과 중첩되지 않도록 형성된다. 또한 급전 선로(230)를 기준으로 전방향으로만 형성된다. 즉 전후 방향으로 비대칭 크기를 갖는 상기 다수의 방사 소자의 크기가 큰 방향으로 형성된다. 기생 패치(260)에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
도7 은 도2 의 연결 소자의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
MIMO 시스템에서 다수개의 방사 소자(220)들은 기지정된 간격(λ/4) 이상으로 이격 배치되어야 한다. 그러나 이는 광대역 MIMO 안테나의 크기를 줄이기 어렵게 하는 요인이 된다. 즉 광대역 MIMO 안테나가 로우 프로파일(Low profile) 형태를 갖기 어렵게 한다.
이에 광대역 MIMO 안테나의 크기를 더욱 줄이기 위해서는 다수개의 방사 소자(220)들의 간격이 기지정된 간격 미만이어도 상호 영향을 미치지 않을 수 있어야 한다. 즉 방사 소자(220)들 사이의 격리도가 향상되어야 한다.
그리고 방사 소자(220)들 사이의 격리도를 향상 시키기 위해, 본 실시예에서는 2개의 방사 소자(220)를 λ/2길이를 갖는 연결 소자(221)를 이용하여 서로 연결한다. λ/2길이를 갖는 연결 소자(221)에 의해 2개의 방사 소자(220)는 서로 전류 경로가 전기적으로 차단된 것과 유사한 효과를 유발할 수 있다.
도7 에서 즉 다수개의 방사 소자(220)들이 기지정된 간격(λ/4) 미만으로 이격되어 배치되더라도 상호 영향을 미치지 않도록 한다. 연결 소자(221)는 급전 선로(230)를 통해 하나의 방사 소자(220)에 급전 신호가 인가될 때, 나머지 급전 선로에 유기되는 전류와 나머지 접지 패턴(240)에 집중되는 전류의 양을 감소시킬 수 있다.
이로 인해 다수개의 방사 소자(220) 사이의 간격을 줄일 수 있게 됨에 따라 광대역 MIMO 안테나가 소형의 로우 프로파일로 구현될 수 있도록 한다.
도7 에서 (a)와 (b)는 모두 제2 안테나(ANT2)의 방사 소자(220)에 급전 신호가 공급되어 방사하는 경우를 나타내며, (a)는 연결 소자(221)가 형성되지 않은 경우를 나타내고, (b)는 연결 소자(221)에 의해 2개의 방사 소자(220)가 연결된 경우를 나타낸다.
(a)와 (b)를 비교하면, (a)에서는 제2 안테나(ANT2) 급전 선로(230)를 통해 방사 소자(220)로 급전 신호가 인가되는 경우에, 제1 안테나(ANT1) 급전 선로(230)에도 전류가 유기되고 있음을 알 수 있다. 또한 제1 안테나(ANT1)의 접지 패턴(240)에서 일부 영역에 집중 전류가 발생된다. 그러나 2개의 방사 소자(220)를 연결 소자(221)로 연결하는 경우, 연결 소자(221)는 전류 경로가 전자기적으로 차단되는 것과 유사한 효과를 유발하여, (b)에 도시된 바와 같이, 급전 선로(230)에 유기되는 전류를 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라 접지 패턴(240)의 일부 위치에 유기될 수 있는 집중 전류를 감소 시킬 수 있다.
이로 인해 2개의 방사 소자(220)가 가깝게 배치되는 경우에도 하나의 안테나에서 신호를 방사할 때, 다른 방사 소자에 유기되는 전류를 감소시킬 수 있다. 즉 2개의 방사 소자(220) 사이의 격리도를 향상 시킬 수 있다.
도8 및 도9 는 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나의 반사 손실 특성을 나타내며, 도8 은 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도9 는 실제 측정 결과를 나타낸다. 그리고 도8 및 도9 각각에서 (a)는 제1 안테나(ANT1)의 반사 손실 특성을 나타내고, (b)는 제2 안테나(ANT2)의 반사 손실 특성을 나타낸다.
도8 및 도9 를 참조하면, 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 시뮬레이션뿐만 아니라 실제 측정 결과에서도 여러 통신 방식의 통신 대역인 698MHz ~ 6GHz의 동작 주파수 대역에서 전압 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio: 이하VSWR) 값이 2:1 이하로서, 안테나로서 동작하기 위한 반사손실 특성을 양호하게 만족하면서 매우 넓은 동작 대역폭을 갖는 것을 알 수 있다.
이는 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나GSM방식, CDMA방식, WCDMA방식 등 기존의 2세대 및 3세대 통신방식과 4세대 LTE 통신 방식 및 WiFi와 같이 제공되는 모든 통신방식의 주파수 범위에 대응할 수 있음을 의미한다.
도10 및 도11 은 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나 장치의 두 안테나간 격리도 특성을 나타내며, 도8 및 도9 와 유사하게, 도10 은 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도11 은 실제 측정 결과를 나타낸다.
도10 및 도11 에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고이득 전방향성 안테나는, 통신 대역인 698MHz ~ 960MHz의 동작 주파수대역에서 S21값이 -15dB 이하이며, 1710MHz ~ 6GHz의 동작 주파수대역에서 S21값이 -20dB 이하로서, 넓은 동작 대역폭에서 매우 양호한 격리도 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도12 및 도13 은 기생 패치의 형성 여부에 따른 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
도12 의 (a)에서는 기판(210)의 하부면에 기생 패치(260)가 형성된 경우를 나타내고, (b)는 형성되지 않은 경우를 나타낸다. 그리고 도13 의 (a) 및 (b)는 각각 도12 의 (a) 및 (b)의 안테나에 대한 반사 손실 특성을 나타낸다.
도13 의 (a)와 (b)를 참조하면, 도12 의 (b)와 같이, 안테나에 기생 패치(260)가 형성되지 않는 경우, 기생 패치(260)가 형성된 경우에 비해, 상대적으로 낮은 주파수 통신 대역인 698MHz에서의 VSWR값이 4.1:1 로 매우 높아진 것을 확인할 수 있다. 그리고 중간 주파수 통신대역인 1710MHz 에서 2.2:1로 높아진 것을 확인할 수 있다. 즉 기생 패치(260)가 존재하지 않을 경우, VSWR 값이 높아지므로 광대역 임피던스 정합을 달성하기 어렵다.
도14 내지 도19 는 기생 패치의 패턴에 따른 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
도14 및 도15 는 기생 패치(260)와 급전 선로(230)의 중첩 여부에 따른 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
도14 의 (a)에서는 기생 패치(260)가 급전 선로(230)와 중첩되는 패턴으로 형성된 경우를 나타내고, (b)는 급전 선로(230)와 중첩되지 않고 급전 선로(230)를 기준으로 전방으로만 형성된 경우를 나타낸다. 그리고 도15 의 (a) 및 (b)는 각각 도14 의 (a) 및 (b)의 안테나에 대한 반사 손실 특성을 나타낸다.
도15 의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 기생 패치(260)가 급전 선로(230)와 중첩되어 형성된 경우, 전방으로만 형성된 경우와 비교하여 낮은 주파수 통신 대역인 698MHz와 960MHz에서의 VSWR값이 각각 2.7과 2.6으로 높아진 것을 확인할 수 있다. 또한 중간 주파수 통신대역인 1710MHz 에서 2.4:1로 높아진 것을 확인할 수 있다. 따라서 기생 패치(260)가 급전 선로(230)와 중첩되는 패턴으로 형성되는 경우, 광대역 임피던스 정합을 달성하기 어렵다.
도16 및 도17 은 다수의 기생 패치(260)가 배치되는 경우의 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
도16 의 (a)에서는 기생 패치(260)가 급전 선로(230)와 중첩되지는 않지만, 전방향 및 후방향으로 2개가 형성된 반면, (b)에서는 전방향으로 1개만이 형성되어 있다.
도17 에서는 반사 손실 특성(붉은선)과 제1 및 제2 안테나부(ANT1, ANT2)의 사이의 격리도 특성(초록선)을 함께 나타내었다. 도17 의 (a)와 (b)를 비교하면, 도16 의 (a)에 도시된 바와 같이, 후방향에도 기생 패치(260)가 추가로 형성되면, 698MHz ~ 6GHz대역에서 반사손실 값이 -10dB 이하로 임피던스 정합이 개선된 것을 확인할 수 있다. 그러나 격리도 특성은 698MHz에서 -7.7dB로 반대방향에 기생 패치(260)가 존재하지 않는 경우의 -11dB와 비교하여 매우 열화 된 것을 확인할 수 있다. 따라서 광대역 임피던스 정합을 위한 기생 패치(260)는 두 안테나의 격리도 특성을 열화 시키지 않도록 한쪽에만 적용되는 것이 바람직하다.
도18 및 도19 는 기생 패치(260)의 배치 위치에 따른 임피던스 정합 수준을 설명하기 위한 도면이다.
상기한 바와 같이, 기생 패치(260)는 제1 및 제2안테나부(ANT1, ANT2)의 사이의 격리도를 향상시키기 위해, 급전 선로(230)를 기준으로 양쪽이 아닌 한쪽에만 배치되는 것이 바람직하다. 이에 도18 의 (a)와 (b)는 각각 기생 패치(260)가 전방향에 배치된 경우와 후방향에 배치된 경우를 나타내었다.
도19 에서도 반사 손실 특성과 제1 및 제2 안테나부(ANT1, ANT2)의 사이의 격리도 특성을 함께 나타내었다. 도19 의 (a)와 (b)를 비교하면, 기생 패치(260)의 위치가 (b)와 같이 후방향에 형성된 경우에 (a)와 같이 전방향에 형성된 경우에 비해 698MHz대역에서 반사손실 값이 -5.6dB, 720MHz대역에서 반사손실 값이 -4.0dB, 1710MHz대역에서 반사손실 값이 -9.7dB 로 임피던스 정합이 열화 된 것을 확인할 수 있다. 또한, 격리도 특성에서도 698MHz에서 -8.4dB, 960MHz에서 -10.9dB로 (a)의 경우와 비교하여 열화 된 것을 확인할 수 있다. 따라서 광대역 임피던스 정합을 위한 기생 패치(260)는 방사 소자(220)가 더 크게 확장되어 형성되는 방향에 형성되어야 격리도 특성의 열화 현상없이 광대역 임피던스 정합 효과를 갖는다는 것을 알 수 있다.
도20 및 도21 은 연결 소자의 형성 여부에 따른 격리도 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도20 의 (a)에서는 2개의 방사 소자(220)의 전방향 일단이 연결 소자(221)에 의해 연결된 반면, (b)에서는 연결 소자(221)가 형성되지 않아 독립적으로 배치되어 있다. 도21 에서 (a)는 도20 의 (a)에 따라 연결 소자(221)가 형성된 경우의 격리도를 나타내며, (b)는 도20 의 (b)에 따라 연결 경로가 형성되지 않은 경우의 격리도를 나타낸다.
도21 의 (a)와 (b)를 비교하면, 연결 소자(221)가 없는 (b)의 경우에 낮은 주파수 통신 대역인 698MHz ~ 960MHz의 동작 주파수대역에서 S21값이 -11dB ~ -13dB 이하인 반면, 연결 소자(221)가 형성된 경우에 S21값이 -17dB ~ -21dB 로 매우 큰 폭의 격리도 개선이 이루어 지는 것을 확인할 수 있다.
도22 및 도23 는 연결 소자의 패턴에 따른 격리도 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도22 에서 (a)는 연결 소자(221)가 2개의 방사 소자(220)의 전방향 일단에 연결된 반면, (b)에서는 연결 소자(221)가 2개의 방사 소자(220)의 후방향 일단에 연결되어 서로 다른 패턴으로 형성되었다.
도22 의 (a)와 같이, 연결 소자(221)가 방사 소자(220)의 전방향에서 연결되는 경우, 낮은 주파수 통신 대역인 698MHz ~ 960MHz의 동작 주파수대역에서 S21값이 -17dB ~ -21dB 이하이인 반면, (b)와 같이, 연결 소자(221)가 후방향에서 연결된 경우, S21값이 -8dB ~ -15dB 로 열화 된다.
따라서 연결 소자(221)가 방사 소자(220)의 크기가 더 크게 확장된 전방향에서 방사 소자(220)들과 연결되는 경우에만 매우 큰 폭의 격리도 개선이 이루어 지는 것을 확인할 수 있다.
도24 는 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나 장치의 동작 주파수별 방사 패턴을 나타내며, Azimuth Plane에서 측정된 2D 방사 패턴을 나타낸다.
도24 에서 (a) 내지 (c)는 각각 698MHz, 1710MHz 및 2.7GHz 동작 주파수에서의 방사 패턴을 나타낸다. 그리고 (a) 내지 (c) 각각에서 제1 안테나부(ANT1)와 제2 안테나부(ANT2) 각각의 독립적 방사 패턴과 제1 및 제2 안테나부(ANT1, ANT2)이 동시에 방사하는 경우의 방사 패턴을 함께 도시하였다.
도 24에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 광대역 MIMO 안테나는 제1 안테나부(ANT1)와 제2 안테나부(ANT2)가 단독으로 동작할 때는 완벽한 전방향성 패턴을 갖지 않지만, 제1 안테나부(ANT1)와 제2 안테나부(ANT2)가 동시에 동작하는 경우 유사 전방향성(Quasi Omni-directional) 형태의 방사패턴을 갖는다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 상부 케이스 120: 하부 케이스
130: 급전 포트 210: 기판
220: 방사 소자 221: 연결 소자
230: 급전 선로 240: 접지 패턴
250: 급전부 260: 기생 패치
410: 커플링 영역

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부면에 기지정된 패턴으로 형성되어, 급전 포트를 통해 인가되는 급전 신호를 전달하는 다수의 급전 선로;
    상기 기판의 상부면에 상기 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로 각각의 양측 방향으로 연장되도록 형성되어, 대응하는 급전 선로와 CPW 구조를 형성하는 다수의 접지 패턴;
    상기 기판의 양측에 배치되어 일부 영역만이 상기 기판과 중첩되며 상기 다수의 급전 선로 중 대응하는 급전 선로로부터 상기 급전 신호를 전달받는 다수의 방사 소자; 및
    상기 기판의 하부면에 기지정된 패턴에 따라 형성되는 기생 패치; 를 포함하되,
    상기 다수의 방사 소자는
    상기 기판의 양측에서 상기 급전 선로를 기준으로 기지정된 패턴에 따라 확장되는 형태로 형성되고, 전후 방향에서 비대칭 크기를 가지고,
    상기 기생 패치는 상기 급전 선로가 배치된 영역 및 상기 다수의 방사 소자가 배치된 영역과 중첩되지 않도록 형성되며,
    상기 기생 패치는 상기 급전 선로를 기준으로 비대칭 크기를 갖는 상기 다수의 방사 소자의 면적이 큰 방향에 형성되고,상기 기판의 상부면에 형성된 상기 다수의 접지 패턴 각각과 중첩된 영역을 갖도록 형성되며,
    상기 다수의 방사 소자는 상기 급전 신호의 반파장 길이를 갖는 연결 소자에 의해 서로 연결되고, 상기 연결 소자는 상기 급전 선로를 기준으로 비대칭 크기를 갖는 상기 다수의 방사 소자의 면적이 큰 방향의 일단에 각각 연결되는 광대역 MIMO 안테나.

  2. 삭제
  3. 삭제
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  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서, 상기 다수의 방사 소자는
    알루미늄 시트로 구현되어 상기 기판의 양측에 일부 영역 중첩 배치되는 광대역 MIMO 안테나.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 급전 선로는
    상기 방사 소자가 상기 기판상에 중첩되는 영역과 중첩되도록 일단이 형성되어, 상기 급전 신호가 인가되면 상기 방사 소자와 커플링되는 광대역 MIMO 안테나.
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