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KR100952976B1 - 안테나 소자 및 이를 이용하는 주파수 재구성 배열 안테나 - Google Patents

안테나 소자 및 이를 이용하는 주파수 재구성 배열 안테나 Download PDF

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KR100952976B1
KR100952976B1 KR1020070103459A KR20070103459A KR100952976B1 KR 100952976 B1 KR100952976 B1 KR 100952976B1 KR 1020070103459 A KR1020070103459 A KR 1020070103459A KR 20070103459 A KR20070103459 A KR 20070103459A KR 100952976 B1 KR100952976 B1 KR 100952976B1
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radiator
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frequency
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엄순영
정영배
전순익
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한국전자통신연구원
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Abstract

주파수 재구성 배열 안테나는 금속판 및 복수의 안테나 소자를 포함한다. 복수의 각 안테나 소자는 복수의 방사체 및 복수의 방사체 사이를 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 각 안테나 소자가 재구성하는 복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득은 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높다.
주파수 재구성 배열 안테나, 배열 성능, 안테나 소자, 배열 간격, 빔효율

Description

안테나 소자 및 이를 이용하는 주파수 재구성 배열 안테나{ANTENNA ELEMENT AND FREQUENCY RECONFIGURATION ARRAY ANTENNA USING THE ANTENNA ELEMENT}
본 발명은 주파수 재구성 안테나의 설계 기술에 관한 것으로, 특히 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능을 향상시키기 위하여, 배열을 구성하는 안테나 소자 자체를 변형하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다 [과제관리번호: 2007-F-041-01, 과제명: 지능형 안테나 기술개발].
재구성 안테나는 주파수, 편파, 패턴 등의 안테나 파라미터를 전기적 또는 기계적 제어에 의해서 동적으로 변화될 수 있으며, 이 중에서 주파수 재구성 안테나는 둘 이상의 서로 다른 주파수 대역에서 동작하도록 재구성 된다. 이때, 주파수 재구성 안테나 소자(이하, 안테나 소자)를 배열 안테나로 구성하는 경우, 배열 간격은 하나의 단일 주파수, 보통 전체 재구성 대역 중 중간 대역의 중심 주파수를 기준으로 고정한다.
이때, 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능은 복사 패턴에 의해 결정되며, 복사 패턴은 수학식1과 같다.
Figure 112007073601345-pat00001
여기서, Ptotal(w)은 전체 배열 안테나의 복사 패턴, Pelement(w)은 단일 소자인 안테나 소자의 복사 패턴, AF(w)는 배열 요소(Arrey Factor)를 나타낸다. 배열 요소는 안테나 소자간의 물리적 간격, 각 안테나 소자에 공급되는 신호의 크기 비 및 위상 차에 의해 결정된다. 그리고, 안테나 소자의 복사 패턴과 배열 요소는 모두 주파수에 따라 변하기 때문에 전체 주파수 재구성 배열 안테나의 복사 패턴 역시 주파수에 따라 변하게 된다.
그리고, 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능은 복사 패턴으로부터 결정되는 배열 이득(Gain), 빔폭(Beam Width), 부엽(Side-Lobe)의 크기 및 복사 패턴의 빔효율(Beam Efficiency)에 따라 결정된다.
이때, 주파수 재구성 안테나 소자는 주파수 대역에 따라 방사체의 면적이 달라지므로, 광대역 또는 다중대역 안테나와 달리 재구성되는 주파수 대역에서 비교적 균일한 이득을 갖는다. 이러한 일정한 이득을 갖는 안테나 소자가 높은 주파수 대역으로 주파수 대역을 재구성 하는 경우, 부엽의 크기의 증가로 빔효율이 감소되며, 그에 따라 높은 주파수 대역에서의 배열 성능이 감소되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 주파수 재구성 배열 안테나의 전체 재구성 대역 중 높은 주파수 대역에서의 배열 성능을 향상시킬 수 있는 변형된 안테나 소자를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 한 특징에 따르면, 주파수 재구성 배열 안테나에 있어서, 제1 금속판 및 상기 제1 금속판 위에 배열 간격에 따라 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하며, 상기 각 안테나 소자는 복수의 방사체 및상기 복수의 방사체 사이를 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 상기 각 안테나 소자가 재구성하는 복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득은 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 주파수 재구성 배열 안테나에 있어서, 금속판 및 상기 금속판 위에 각각 형성되어 배열 안테나를 형성하며, 배열 간격에 따라 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하며, 상기 각 안테나 소자는 제1 방사체, 상기 제1 방사체를 둘러 싸는 제2 방사체, 상기 제2 방사체를 둘러 싸는 제3 방사체, 상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체를 연결하는 제1 스위치, 및 상기 제2 방사체와 상기 제3 방사체를 연결하는 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치 소자의 온/오프 동작에 따라 상기 제1, 제2 및 제3 방사체에 의해 복수의 주파수 대역이 구성되며, 상기 복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득이 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 주파수 재구성 배열 안테나에 배치되는 안테나 소자에 있어서, 복수의 방사체 및 상기 복수의 방사체 사이를 서로 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 상기 복수의 주파수 대역은 상기 적어도 하나의 스위치의 온/오프 동작에 의해 상기 복수의 방사체에서 형성되며, 상기 복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득은 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 주파수 재구성 배열 안테나에 배치되는 안테나 소자는 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 가질 수 있도록 변형할 수 있으며, 변형된 안테나 소자를 이용하여 높은 주파수 대역에서의 배열 성능을 향상 시킬 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나의 구조에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나에서 재구성하는 주파수 대역을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자의 사시도이며, 도 4는 도 3의 안테나 소자의 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 주파수 재구성 배열 안테나(100)는 금속판(101) 및 안테나 소자(110,120)를 포함한다.
안테나 소자(110,120)는 배열 간격(d)에 따라 금속판(101) 위에 배치된다. 여기서, 금속판(101)은 평면 형태로 형성되어서 안테나 소자(110,120)의 반사판(reflector) 역할을 하며, 배열 간격(d)은 안테나 소자(110,120)가 가장 높은 배열 이득을 얻을 수 있는 주파수 대역의 중심 주파수에 따라 설정되며, 두 안테나 소자(110,120)의 중심 사이의 거리를 의미한다. 이때, 금속판(101)에 2N개의 안테나 소자가 형성되어 있으면, 금속판(101)에 의해 주파수 재구성 배열 안테나는 NX2 배열의 안테나 소자를 가진다. 도 1에서는 설명의 편의상 금속판(101)에 안테나 소자(110,120)가 형성되어 있는 1X2 배열의 주파수 재구성 배열 안테나를 예로 들어서 설명한다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 주파수 재구성 배열 안테나(100)의 각 안테나 소자(110,120)는 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz), 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz) 및 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)의 재구성 할 수 있는 것으로 가정한다. 이때, 안테나 소자(110,120)의 배열 간격(d)은 안테나 소자가 가장 높은 배열 이득을 얻을 수 있도록 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)의 중심 주파수 2.1GHz의 0.75λ에 해당하는 10.7cm로 설정한다.
도 3 및 도 4를 보면, 각 안테나 소자(110,120)는 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수(Radio Frequency,RF) 전원(115), 스위치(116,117) 및 기생 소자(118)를 포함한다.
방사체(111,112,113)는 서로 분리되어 금속판(101) 위에 배치되며, 방사체(112)는 사각형 형태의 방사체(111)를 둘러 싸는 형태로 형성되고, 방사체(113)는 방사체(112)를 둘러 싸는 형태로 형성된다. 그리고, 방사체(111)와 방사체(112)는 스위치(116)로 연결되고, 방사체(112)와 방사체(113)는 스위치(117)로 연결된다. 여기서 스위치(116,117)는 핀 다이오드(PIN Diode), 트랜지스터 및 마이크로 전기기계 장치(Micro-Electromechanical System, MEMS)가 될 수 있다. 그리고, 도 3 및 도 4에서는 각 스위치(116,117)를 사각형의 4변의 중점에 각각 형성되는 4개의 스위치로 도시하였지만, 스위치(116,117)의 개수는 다르게 사용될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 방사체(111) 위에는 수직 방향으로 기생 소자(118)가 적층된다. 이때, 적층되는 기생 소자(118)의 모양을 사각형 모양의 금속판으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 원형, 타원형 모양 등의 금속판이 될 수 있다. 그리고, 본 발명의 실시예에서는 4개의 금속판이 적층되어 기생소자가 형성되는 것으로 도시 하였으나, 적층되는 금속판의 개수는 이에 한정되 지 않는다.
다시, 도2 및 도3을 보면, 안테나 소자(110,120)는 모든 스위치(116,117)가 온(on)되면, 방사체(111,112,113)가 모두 연결되어 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz)을 구성한다. 그리고, 안테나 소자(110,120)는 스위치(116)가 온(on)되고, 스위치(117)가 오프(off)되면, 방사체(111,112)가 연결되어 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)을 구성한다. 또한, 안테나 소자(110,120)는 모든 스위치(116,117)가 오프(off)되면, 방사체(111)의 동작에 따라 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)을 구성한다.
본 발명의 실시예에서는 방사체 위에 기생 소자가 수직으로 적층되는 구조를 이용하여 높은 주파수 대역에서 이득을 증가시키는 안테나 소자에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 도 5a 내지 도 5e와 같은 안테나 구조를 이용하여 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 갖도록 안테나를 설계할 수 있다.
이하, 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 갖도록 다양한 구조로 설계되는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 소자에 대하여 설명한다.
도 5a에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115), 스위치(116,117) 및 기생 소자(118)를 포함한다.
금속판(101)위에 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115) 및 스위치(116,117)가 배치되는 것은 도 3에 도시된 안테나 소자와 동일하나, 도 5a에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113)가 배치되는 금속판(101)의 평면 위에 기생 소자(118)를 배치하여 높은 주파수 대역의 빔을 모아 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 갖도록 한다. 이때, 기생 소자(118)의 모양과 배치는 높은 주파수 대역의 빔을 모아주도록 설계된다.
도 5b에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115) 및 스위치(116,117)를 포함한다.
금속판(101)위에 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115) 및 스위치(116,117)가 배치되는 것은 도 3에 도시된 안테나 소자와 동일하나, 도 5b에 도시된 안테나 소자는 높은 주파수 대역의 빔을 모으기 위하여 금속판(101)의 모양을 변형한다. 이렇게 도 5b에 도시된 안테나 소자와 같이 금속판(101)의 모양이 변형된 구조를 서피스 마운티드 혼(Surface Mounted Horn)구조 라하며, 혼(Horn) 안테나와 같은 원리로 빔을 모아 높은 주파수 대역에서의 이득을 높인다.
도 5c에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115), 스위치(116,117) 및 공진기(119a)를 포함한다.
금속판(101)위에 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115) 및 스위치(116,117)가 배치되는 것은 도 3에 도시된 안테나 소자와 동일하나, 도 5c에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113)의 하부에 공진기(119a)를 배치하여 공진된 높은 주파수 대역의 빔을 모아 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 갖도록 한다. 이때, 공진기(119a)는 유전율이 높은 유전체로 채워진다.
도 5d에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(도시하지 않음), 스위치(116,117) 및 유전체(119b)를 포함한다.
금속판(101)위에 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(도시하지 않음) 및 스위치(116,117)가 배치되는 것은 도 3에 도시된 안테나 소자와 동일하나, 도 5d에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113)의 위에 유전체(119a)를 배치하여 높은 주파수 대역의 빔을 모아 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 갖도록 한다. 이때, 유전체(119b)의 유전율과 모양은 높은 주파수 대역의 빔을 모아주도록 설계된다.
도 5e에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115), 스위치(116,117) 및 기생 소자(118)를 포함한다.
금속판(101)위에 방사체(111,112,113), 직류 전원(114a,114b,114c), 무선 주파수 전원(115) 및 스위치(116,117)가 배치되는 것은 도 3에 도시된 안테나 소자와 동일하나, 도 5e에 도시된 안테나 소자는 방사체(111,112,113)의 위에 원형으로 형성되며 금속으로 이루어지는 기생 소자(118)를 주기적으로 배치하여 높은 주파수 대역의 빔의 모아 높은 주파수 대역에서의 높은 이득을 갖도록 한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나 소자는 높은 주파수 대역에서 높 은 이득을 갖도록 다양한 구조로 설계될 수 있으며, 도 3 내지 도 5e에 도시된 안테나 소자의 구조에 한정되지 않는다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 부엽의 크기에 따른 배열 성능에 대해 구체적으로 설명한다.
도 6은 1X2 배열의 패치 안테나를 나타낸 도면이며, 도 7은 1X2 배열의 패치 안테나의 복사 패턴을 나타낸 도면이다. 도 8은 도 7에서 도시된 복사 패턴을 이용하여 부엽의 크기에 따른 배열 성능을 나타낸 도면이다.
부엽의 크기에 따른 배열 성능을 살펴보기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 동작 주파수가 2.2GHz이고, 가로와 세로가 4.5cm인 패치 안테나(111,121)를 1X2로 배열한다. 이때, 각 패치 안테나(111,121)에 공급되는 신호(S1,S2)의 크기(A)와 위상(θ)은 동일하게 설정한다. 그리고, 안테나 소자 간의 배열 간격(d)을 7.6cm와 20.2cm로 변경하여 배열 안테나의 복사 패턴을 구하면 도 7과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이, 배열 간격(d)을 7.6cm로 설정했을 때의 복사 패턴(501)과 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때의 복사 패턴(502)을 비교해 보면, 두 복사 패턴의 이득은 10.2dBi로 동일하다. 그러나, 배열 간격(d)이 7.6cm일 때의 복사 패턴(501)은 빔폭이 46°, 부엽의 크기가 -21dB이고, 배열 간격(d)이 20.2cm일 때의 복사 패턴(502)은 빔폭이 19°, 부엽의 크기가 -2dB로 배열 간격(d)을 7.6cm로 설정했을 때와 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때 서로 상이한 배열 특성을 나타낸다. 즉, 두 복사 패턴의 이득은 같지만, 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때의 복사 패턴(502)은 주엽(Main_Lobe)과 비교하여 -2dB(63.1%) 크기의 에너 지를 부엽의 방향으로 방사하므로 안테나의 효율은 낮아진다. 반면, 배열 간격(d)을 7.6cm로 설정했을 때의 복사 패턴(501)은 주엽과 비교하여 -21dB(0.8%) 크기의 에너지만을 부엽의 방향으로 방사하므로 그만큼 안테나 효율은 높아진다.
여기서, 안테나 효율은 복사 패턴의 빔효율, 입력 단자의 임피던스 정합(Matching) 정도, 구성 재료에 의한 손실, 레이돔(Radome)이나 외부 케이스의 반사 손실 등과 같은 요소에 의해 복합적으로 결정된다. 그러나, 주파수 재구성 배열 안테나에서는 정합 정도, 재료 손실, 반사 손실은 일정하므로, 배열 안테나의 배열 성능은 복사 패턴의 빔효율에 의해 결정되며, 빔효율 계산식은 수학식2와 같다.
Figure 112007073601345-pat00002
여기서,
Figure 112007073601345-pat00003
는 주빔의 빔면적이며,
Figure 112007073601345-pat00004
는 복사 패턴의 전체 빔면적(Beam Area)으로, 아래 수학식3으로 계산된다.
Figure 112007073601345-pat00005
여기서,
Figure 112007073601345-pat00006
는 최대 크기가 1로 정규화된 복사 패턴이다.
수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 빔효율을 계산하면, 배열 간격(d)을 7.6cm로 설정했을 때의 복사 패턴(501)의 빔효율은 99.92%이며, 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때의 복사 패턴(502)의 빔효율은 45.80%이다. 즉, 배열 간격(d)을 7.6cm로 설정했을 때의 복사 패턴(501)에서 더 우수한 배열 성능을 나타낸다.
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때의 복사 패턴(502)의 빔폭을 19°로 유지하고, 부엽의 크기를 배열 간격(d)을 7.6cm로 설정했을 때의 복사 패턴(501)의 부엽의 크기와 같이 -21dB로 낮추면, 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때의 복사 패턴(503)의 빔효율은 99.03%로 증가한다. 여기서, 주빔의 빔폭이 일정하므로, 증가된 빔효율은 안테나 이득의 증가로 나타나며, 배열 간격(d)을 20.2cm로 설정했을 때의 안테나의 이득은 10.2dBi에서 15.0dBi로 증가한다.
이와 같이, 동일한 이득을 갖는 복사 패턴이라도 부엽의 크기에 따라서 빔효율이 증가될 수 있으므로, 배열 성능은 안테나의 이득과 부엽의 크기를 동시에 고려해야 한다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나와의 비교를 위해, 도 3에서 방사체에 기생 소자가 적층되지 않는 안테나 소자(이하, "일반적인 주파수 재구성 배열 안테나 소자"라고 함)가 1X2 배열로 배치된 주파수 재구성 배열 안테나(이하, "일반적인 주파수 재구성 배열 안테나"라고 함)를 가정한다. 그리고, 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나의 각 안테나 소자 간의 배열 간격을 안테나 소자가 가장 높은 배열 이득을 얻을 수 있도록 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)의 중심 주파수 2.1GHz의 0.75 λ에 해당하는 10.7cm로 설정한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자 및 일반적인 주파수 재구성 안테나 소자의 이득을 나타내는 도면이다. 도 10은 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능을 나타낸 그래프이다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 9에 도시된 바와 같이, 일반적인 주파수 재구성 안테나 소자의 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz)의 이득은 7.1~7.6dBi이며, 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서의 이득은 6.4~8.2dBi이고, 제 3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)에서 이득은 7.2~7.4dBi이다.
도 9에 도시한 각 주파수 대역의 이득에 따라, 도 10에 도시한 바와 같이, 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나의 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz)에서 빔폭은 65~74.4°이고, 부엽은 존재하지 않으므로 빔효율은 100%가 되며, 이득은 8.0~8.7dBi이다.
제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서의 빔폭은 30.2~45.0°이고, 부엽은 -13.0~ -9.0dB이며, 이득은 10.1~11.5dBi이다. 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서 주파수가 증가할수록 빔폭은 줄어들어 이득은 증가하지만, 동시에 부엽의 크기도 증가되어 빔효율은 99.21%에서 87.63%까지 감소된다.
제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)에서의 빔폭은 21.8~23.1°이고, 부엽은 -3.0dB이므로 빔효율은 52.65%~53.71%가 되며, 이득은 9.6~10.1dBi이다.
일반적인 주파수 재구성 배열 안테나의 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz) 중에서 1.7GHz는 이득이 10.1dBi, 빔효율이 99.21%이다. 그리고, 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz) 중에서 3.6GHz 이득이 10.1dBi, 빔효율이 52.65%이다. 이때, 다른 조건이 모두 동일하다면, 동일한 전력이 입력되었을 때 3.6GHz에서의 빔효율(52.65%)은 1.7GHz에서의 빔효율(99.21%)의 약 1/2배의 빔효율을 갖으므로, 3.6GHz에서는 1.7GHz에서 방사되는 전력의 1/2에 대응하는 전력만을 공중으로 방사하게 된다. 즉, 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나는 제1 및 제2 주파수 대역(0.8~0.9GHz, 1.7~2.5GHz)과 같이 낮은 주파수 대역에서는 최적의 배열 성능을 보이나, 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)과 같이 높은 주파수 대역에서는 배열 성능이 열화되는 문제점이 발생한다.
그런데, 도 9에 도시된 바와 같이 도 3과 같이 형성된 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자에서 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz)의 이득은 7.1~7.6dBi이며, 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서의 이득은 6.4~8.2dBi이고, 제 3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)에서 이득은 10.2~10.4dBi이다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자는 일반적인 주파수 재구성 안테나 소자와 달리 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)에서 높은 이득을 가진다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자에 따르면, 높은 주파수 대역(제3 주파수 대역)을 형성하는 방사체 위에 형성된 기생 소자가 높은 주파수 대역에서 공진하여 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 가질 수 있다.
이처럼 각 주파수 대역의 이득에 따라, 도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나의 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz)에서 빔폭은 65~74.4°이고, 부엽은 존재하지 않으며, 이득은 8.0~8.7dBi이므로, 빔효율은 100%가 된다.
제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서의 빔폭은 30.2~45.0°이고, 부엽은 -13.0~ -9.0dB이며, 이득은 10.1~11.5dBi이다. 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서 주파수가 증가할수록 빔폭은 줄어들어 이득은 증가하지만, 동시에 부엽의 크기도 증가되어 빔효율은 99.21%에서 87.63%까지 감소된다.
제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)에서의 빔폭은 20.7~22.0°이고, 부엽은 -9.50dB이며, 이득은 13.3~13.5dBi이므로, 빔효율은 85.10%~85.94%가 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나는 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나와 제1 주파수 대역(0.8~0.9GHz) 및 제2 주파수 대역(1.7~2.5GHz)에서의 이득 및 빔효율은 동일하므로 배열 성능도 동일하다. 즉, 제1 및 제2 주파수 대역과 같이 낮은 주파수 대역에서의 배열 성능은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나와 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나에서 동일하다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나는 높은 주파수에서 높은 이득을 갖도록 설계된 안테나 소자를 사용함에 따라 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)과 같은 높은 주파수 대역에서 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나 보다 이득이 증가(3dB)한다. 그에 따라 부엽의 크기(-3.0dB에서 -9.5dB로)가 감소되고, 빔효율이 증가(약 33%)이 증가하여 높은 주파수 대역에서의 배열 성능이 향상된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나는 높은 주파수 대역에서 높은 이득을 갖도록 설계된 안테나 소자를 이용함에 따라, 안테나 소자의 복사 패턴 자체를 변경할 수 있으며, 그에 따라 제3 주파수 대역(3.4~3.6GHz)과 같이 높은 주파수 대역에서의 배열 성능을 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 높은 주파수 대역에서 이득을 증가시키기 위하여 방사체에 기생 소자가 적층되는 구조를 가지는 안테나 소자로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 높은 주파수 대역에서 이득을 증가시키기 위한 다른 구조를 사용할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나에서 재구성하는 주파수 대역을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자의 사시도이다.
도 4는 도 3의 안테나 소자의 평면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자의 사시도이다.
도 6은 1X2 배열의 패치 안테나를 나타낸 도면이다.
도 7은 1X2 배열의 패치 안테나의 복사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에서 도시된 복사 패턴을 이용하여 부엽의 크기에 따른 배열 성능을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 안테나 소자 및 일반적인 주파수 재구성 안테나 소자의 이득을 나타내는 도면이다.
도 10은 일반적인 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 재구성 배열 안테나의 배열 성능을 나타낸 그래프이다.

Claims (15)

  1. 주파수 재구성 배열 안테나에 있어서,
    제1 금속판, 및
    상기 제1 금속판 위에 배열 간격에 따라 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하며,
    상기 각 안테나 소자는,
    복수의 방사체,
    상기 복수의 방사체 사이를 연결하는 적어도 하나의 스위치, 및
    복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득을 높이기 위한 기생 소자를 포함하며,
    상기 각 안테나 소자가 재구성하는 상기 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득은 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높은 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주파수 대역은 상기 복수의 주파수 대역 중 가장 높은 주파수 대역을 포함하는 배열 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사체는 제1 방사체, 상기 제1 방사체를 둘러 싸는 제2 방사체 및 상기 제2 방사체를 둘러 싸는 제3 방사체를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 스위치는 상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체를 연결하는 제1 스위치 및 상기 제2 방사체와 상기 제3 방사체를 연결하는 제2 스위치를 포함하는 배열 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 복수의 방사체 중 적어도 하나의 방사체 위에 적층되는 적어도 하나의 제2 금속판을 포함하는 배열 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 제1 금속판 위에 배치되어 있는 적어도 하나의 제2 금속판을 포함하는 배열 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 복수의 방사체 중 적어도 하나의 방사체 위에 형성되는 유전체를 포함하는 배열 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 복수의 방사체 중 적어도 하나의 방사체 위에 주기적으로 배치되어 있는 복수의 제2 금속판을 포함하는 배열 안테나.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 금속판은 서피스 마운티드 혼(Surface Mounted Horn) 구조를 가지는 배열 안테나.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 안테나 소자는,
    상기 제1 금속판 아래에 형성되어 있으며 유전체로 채워져 있는 공진기를 더 포함하는 배열 안테나.
  11. 주파수 재구성 배열 안테나에 있어서,
    금속판, 및
    상기 금속판 위에 각각 형성되어 배열 안테나를 형성하며, 배열 간격에 따라 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하며,
    상기 각 안테나 소자는,
    제1 방사체,
    상기 제1 방사체를 둘러 싸는 제2 방사체,
    상기 제2 방사체를 둘러 싸는 제3 방사체,
    상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체를 연결하는 제1 스위치, 및
    상기 제2 방사체와 상기 제3 방사체를 연결하는 제2 스위치를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 스위치 소자의 온/오프 동작에 따라 상기 제1, 제2 및 제3 방사체에 의해 복수의 주파수 대역이 구성되며, 상기 복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득이 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높은 배열 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주파수 대역은 상기 복수의 주파수 대역 중 가장 높은 주파수 대역을 포함하는 배열 안테나.
  13. 주파수 재구성 배열 안테나에 배치되는 안테나 소자에 있어서,
    복수의 방사체,
    상기 복수의 방사체 사이를 서로 연결하는 적어도 하나의 스위치, 및
    복수의 주파수 대역 중 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득을 높이기 위한 기생 소자를 포함하며,
    상기 복수의 주파수 대역은 상기 적어도 하나의 스위치의 온/오프 동작에 의해 상기 복수의 방사체에서 형성되며, 상기 적어도 하나의 주파수 대역에서의 이득은 다른 주파수 대역에서의 이득보다 높은 안테나 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주파수 대역은 상기 복수의 주파수 대역 중 가장 높은 주파수 대역을 포함하는 안테나 소자.
  15. 삭제
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