KR20020048760A - Dual-Polarization Diversity Active Microstrip Antenna - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 단일 이중편파 마이크로스트립 방사소자에 송/수 분리용 듀플렉서 (Duplexer), 저잡음증폭기(LNA), 및 위상변위기(Phase Shifer) 등을 순서대로 집적하여 연결하고, 각각의 단일 이중편파 마이크로스트립 방사소자에 위상변위기를 통하여 전력을 분배공급함으로써, 입/출력되는 전파신호의 위상 및 입/출력레벨을 용이하게 조정할 수 있게 하는 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dual polarization diversity active microstrip array antenna, in particular a duplexer, a low noise amplifier (LNA), a phase shifter, and the like, for transmitting and receiving a single dual polarization microstrip radiating element. , Integrated in order, and distributed power to each single dual polarized microstrip radiating element through a phase shifter, thereby making it easy to adjust the phase and input / output levels of the input / output radio signal. A diversity active microstrip array antenna.
도 1 은 종래의 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나를이용한 기지국의 송신부의 구성 예시도이다.1 is an exemplary configuration diagram of a transmitter of a base station using a conventional dual polarization diversity active microstrip array antenna.
도면에 도시된 바와 같이, "11"은 전력분배기, "12"는 위상변위기, "13"은 전력 증폭기, "14"는 필터(대역여파기), "15"는 안테나, 및 "16"은 서큘레이터 (circulator)를 나타내며, 입력 전력(Pin)가 전력증폭기(13), 서큘레이터(16), 대역여파기(14), 전력분배기(11), 및 위상변위기(12)를 차례로 거쳐서 안테나(방사소자)에 입력된다. 여기서의 전력증폭기(13)은 고가의 전력 증폭기이다.As shown in the figure, "11" is a power divider, "12" is a phase shifter, "13" is a power amplifier, "14" is a filter (band filter), "15" is an antenna, and "16" is A circulator is shown, and the input power P in is passed through the power amplifier 13, the circulator 16, the bandpass filter 14, the power divider 11, and the phase shifter 12 in order. It is input to (radiating element). The power amplifier 13 here is an expensive power amplifier.
현재 이중편파 다이버시티를 이용한 기술이 많이 나오고 있으며, 이론과 더불어 수동형 이중편파 다이버시티 안테나가 개발되어지고 상업화가 이루어지고 있는 실정이며, 이러한 이중편파 다이버시티 안테나를 개발하기 위해 단일 패치 패턴 설계 및 안테나 제작 기술과 능동소자를 각각의 패치에 장착하지 않은 패치 어레이 설계 및 제작 기술은 국외적으로 많이 연구 개발되고 있다.At present, many technologies using dual polarization diversity have emerged, and passive dual polarization diversity antennas have been developed and commercialized with theories. In order to develop such dual polarization diversity antennas, a single patch pattern design and an antenna are developed. Fabrication techniques and patch array design and fabrication techniques that do not have active devices attached to each patch have been researched and developed abroad.
그러나, 현재 패치의 각각의 후면에 송/수 분리용 듀플렉서, 전력증폭기/구동증폭기(Power/driving Amp.), 위상변위기(Phase Shifter), 저잡음증폭기(LNA, Low Noise Amplifier) 능동 소자를 집적하는 기술개발은 국내에서는 거의 전무하다.However, on each rear of the current patch, a duplexer, power amplifier / driving amplifier, power shifter, phase shifter, and low noise amplifier (LNA) active elements are integrated. There is almost no technology development in Korea.
종래에 이동통신 기지국에서 사용하고 있는 시스템은 이중편파 수동형 마이크로 스트립 안테나를 이용함에 따라 안테나를 설치 운용하기 위해서는 2개 이상의 안테나를 적정한 거리(최소 1.2 m)에 맞추어야 하며, 운용자가 수동으로 안테나 입 출력 빔 방사 각도를 조정해야 한다는 문제점이 있었다.Conventionally, a system used in a mobile communication base station uses two-polarized passive microstrip antennas, so in order to install and operate the antennas, two or more antennas must be adjusted to an appropriate distance (at least 1.2 m), and the operator manually inputs and outputs the antennas. There was a problem that the beam emission angle must be adjusted.
또한, 종래의 기술로서, 미국 특허공개공보(Patent Number: 6,043,790)에서는 편파 다이버시티를 구현하기 위해서 안테나를 45°기울인 형태로 하고, 안테나 후면에 각각의 능동소자와 수동소자가 집적하여 송/수신겸용으로 사용가능할 수 있게 되어 있으나, 틸트각 조정과 위상 조절의 위상변위기를 사용하지 않았기 때문에 송신측에서의 안테나 사이의 위상조절과 수신측에서의 위상조절을 하기가 곤란하여 시스템 자체의 구현이 곤란하다는 문제점이 있었다.In addition, in the prior art, in the US Patent Publication (Patent Number: 6,043,790), in order to implement the polarization diversity, the antenna is in the form of 45 ° tilted, and each active element and passive element are integrated on the rear of the antenna to transmit / receive Although it can be used as a dual-use, since the phase shifter of tilt angle adjustment and phase adjustment is not used, there is a problem that it is difficult to implement phase adjustment between the antenna on the transmitting side and phase adjustment on the receiving side. .
또한, 종래의 기지국에서는 다수(송/수신용 안테나 2 개 이상)의 안테나를 설치하여 운용하였기 때문에 운용상 만의 비용이 소요된다는 문제점이 있었다.In addition, the conventional base station has a problem in that it requires a cost only in operation because a large number of antennas (two or more antennas for transmission / reception) are installed and operated.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제시된 것으로, 단일 이중편파 마이크로스트립 방사소자에 송/수 분리용 듀플렉서(Duplexer), 저잡음증폭기(LNA), 및 위상변위기(Phase Shifer) 등을 순서대로 집적하여 연결하고, 각각의 단일 이중편파 마이크로스트립 방사소자에 위상변위기를 통하여 전력을 분배공급하는, 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and in order to transmit and receive a duplexer (Duplexer), low noise amplifier (LNA), phase shifter (Phase Shifer), etc. in a single dual polarization microstrip radiating element It is an object of the present invention to provide a dual polarization diversity active microstrip array antenna that is integrated and connected together and distributes power to each single dual polarization microstrip radiating element through a phase shifter.
도 1 은 종래의 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나를 이용한 기지국의 송신부의 구성 예시도.1 is an exemplary configuration of a transmitter of a base station using a conventional dual polarization diversity active microstrip array antenna.
도 2 는 본 발명에 따른 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 구성도.2 is a diagram illustrating an embodiment of a dual polarization diversity active microstrip array antenna according to the present invention;
도 3 은 본 발명에 따른 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나를 이용한 기지국의 송신부의 일실시예 구성도.3 is a diagram illustrating an embodiment of a transmitting unit of a base station using a dual polarization diversity active microstrip array antenna according to the present invention;
도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 단일 이중편파 마이크로스트립 안테나의 일실시예 구성도.4A-4C illustrate an embodiment configuration of a single dual polarized microstrip antenna in accordance with the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 유효 등방성 방사전력(EIRP)을 바탕으로 한 기지국의 송신부의 일실시예 구성도.5 is a diagram illustrating an embodiment of a transmitter of a base station based on effective isotropic radiation power (EIRP) according to the present invention.
도 6 은 유효 등방성 방사전력(EIRP)을 바탕으로 한 안테나의 입력단의 전력에 대한 설명도.6 is an explanatory diagram of power of an input terminal of an antenna based on effective isotropic radiated power (EIRP).
도 7 은 기지국의 송신부에 대한 이득과 손실에 대한 설명도.7 is an explanatory diagram for gain and loss for a transmitter of a base station.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawing
20, 35: 안테나(단일 이중편파 마이크로스트립 안테나)20, 35: antenna (single dual polarized microstrip antenna)
21: 듀플렉스(Duplexer) 22, 24, 27, 33:저잡음증폭기(LNA)21: Duplexer 22, 24, 27, 33: Low Noise Amplifier (LNA)
23, 25, 28, 32: 위상변위기 26, 34: 대역여파기(BPF)23, 25, 28, 32: phase shifters 26, 34: bandpass filter (BPF)
29, 31: 전력분배기 41: 급전선29, 31: power splitter 41: feeder
42: 기판 43: 접지면42: substrate 43: ground plane
44: 급전 슬롯 45: 아래면 패치 안테나44: feed slot 45: bottom patch antenna
46: 윗면 패치 안테나 47: 지지대46: top patch antenna 47: support
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일 이중편파 마이크로스트립 안테나에 있어서, 유전체로 이루어진 평판 기판; 상기 유전체 기판의 상측 전(全)표면에 적층되고, 소정의 각도를 이루는 두개의 급전 슬롯을 갖는 접지면; 상기 접지면으로부터 소정의 높이에 위치하며, 상기 접지면보다 좁은 면적의 하부 패치 방사 수단; 상기 하부 패치 안테나로부터 소정의 높이에 위치하며, 상기 하부 패치 안테나보다 좁은 면적의 상부 패치 방사 수단; 상기 평판 기판에 연결되어 상기 안테나에 전력을 공급하기 위한 급전선; 및 상기 접지면으로부터 상기 하부 패치 안테나와 상기 상부 패치 안테나를 지지하는 지지 수단을 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a single dual polarized microstrip antenna, comprising: a flat substrate made of a dielectric; A ground plane laminated on the entire upper surface of the dielectric substrate and having two feed slots at a predetermined angle; Lower patch radiating means located at a predetermined height from the ground plane and having a smaller area than the ground plane; Upper patch radiating means located at a predetermined height from the lower patch antenna and having a smaller area than the lower patch antenna; A feed line connected to the flat substrate to supply power to the antenna; And support means for supporting the lower patch antenna and the upper patch antenna from the ground plane.
한편, 본 발명은, 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나에 있어서, 단일 이중편파 마이크로스트립 방사소자(radiation element)에 대역여파수단, 저잡음 증폭수단, 및 위상변위 수단이 순서대로 결합되어 마이크로스트립 패치(patch)를 이루고, 상기 마이크로스트립 패치(patch)가 소정의 개수 일렬로 배열되어 이루어진 두 개의 패치 어레이; 및 상기 마이크로스트립 패치(patch) 각각에 전력을 공급하기 위한 전력분배 수단을 포함하며, 두 개의 상기 패치어레이가 평행하게 배열되어 이루지는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the present invention, in the dual polarization diversity active microstrip array antenna, a bandpass means, a low noise amplification means, and a phase shifting means are coupled to a single dual polarization microstrip radiation element in order to form a microstrip patch. two patch arrays forming a patch and the microstrip patches arranged in a predetermined number of rows; And power distribution means for supplying power to each of the microstrip patches, wherein the two patch arrays are arranged in parallel.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 는 본 발명에 따른 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 구성도이다.2 is a block diagram of an embodiment of a dual polarization diversity active microstrip array antenna according to the present invention.
도면에서, "20"은 안테나(즉, 단일 이중편파 마이크로스트립 안테나), "21"는 듀플렉스(Duplexer), "23", "25", "28"는 위상변위기, "22", "24", "27"은 저잡음증폭기(LNA: Low Noise Amplifier), "26"은 대역여파기 (BPF), "29"는 전력분배기를 나타낸다.In the figure, "20" is an antenna (ie, a single bipolar microstrip antenna), "21" is a duplexer, "23", "25", "28" is a phase shifter, "22", "24" "27" denotes a low noise amplifier (LNA), "26" denotes a bandpass filter (BPF), and "29" denotes a power divider.
이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나의 구조를 설명하면, 다음과 같다. 단일 이중편파 마이크로스트립 안테나(즉, 방사소자(radiation element))(20)에 대역여파기, 저잡음 증폭기, 및 위상변위기들이 순서대로 결합되어 마이크로스트립 패치(patch)(200)를 이루고; 마이크로스트립 패치(patch)(200)가 일정한 개수 만큼 일렬로 배열되어 이루어진 두 개의 패치 어레이; 및 마이크로스트립 패치(patch) 각각에 전력을 공급하기 위한 전력분배기(29) 포함하며; 또한, 두 개의 패치어레이가 평행하게 배열되어 이루어진다.The structure of the dual polarization diversity active microstrip array antenna is as follows. A bandpass filter, a low noise amplifier, and a phase shifter are sequentially combined with a single dual polarization microstrip antenna (ie, radiation element) 20 to form a microstrip patch 200; Two patch arrays in which microstrip patches 200 are arranged in a line in a predetermined number; And a power divider 29 for supplying power to each of the microstrip patches; In addition, two patch arrays are arranged in parallel.
여기서, 상기 마이크로스트립 패치(patch)(200)는, 대역여파기, 저잡음 증폭기, 및 위상변위기가 순서대로 결합된 쌍(21, 내지 23 ; 21, 24, 25; 26 내지 28)이 단일 이중편파 마이크로스트립 안테나(방사소자)(20)에 3 개가 연결되며, 두 개의 대역여파기 (26, 21), 저잡음 증폭기(27, 24), 및 위상변위기(28, 25)이 결합된 쌍은 수신 기능을 수행하고, 하나의 대역여파기(21), 저잡음 증폭기(22), 및 위상변위기(23)이 결합된 쌍은 송신 기능을 수행한다.Here, the microstrip patch (200), the pair 21, to 23; 21, 24, 25; 26 to 28, in which a band filter, a low noise amplifier, and a phase shifter are combined in order, is a single dual polarization micro. Three are connected to the strip antenna (radio element) 20, and a pair of two band filters 26 and 21, low noise amplifiers 27 and 24, and a phase shifter 28 and 25 provides a reception function. And a pair of one of the band filter 21, the low noise amplifier 22, and the phase shifter 23 performs a transmission function.
기지국에 설치된 RF송수신부의 전력증폭기 출력단으로부터 RF 급전선을 통하여 안테나 측으로 입력된 기지국 서비스용 RF주파수의 출력전력은 도 2 의 전력분배기(power divider)(29)에서 분리되어 안테나의 송신측 경로에 전달된다.The output power of the base station service RF frequency inputted from the power amplifier output stage of the RF transmitter / receiver unit installed in the base station to the antenna side through the RF feeder line is separated by the power divider 29 of FIG. 2 and transferred to the transmit side path of the antenna. .
송신측 경로에 입력된 RF신호는 전력레벨과 임의의 서비스용 주파수가 혼합된 것으로서, 서비스용 RF신호라고 할 수 있다.The RF signal input to the transmission side path is a mixture of a power level and an arbitrary service frequency, and may be referred to as a service RF signal.
무선(RF)신호는 일반적으로 안테나의 빔 방사패턴에 따라서 서비스 영역으로 전달되며, 안테나의 종류에 따라서 전방향 또는 방향성을 갖게 되고, 전달된 빔 패턴은 전파전파의 장애(방해)없이 서비스를 받는 단말기에 전달되어야 할 것이다.Radio (RF) signal is generally transmitted to the service area according to the beam radiation pattern of the antenna, and has omni-directional or directional depending on the type of antenna, and the transmitted beam pattern receives service without interference (interference) of radio waves. Should be delivered to the terminal.
이에 따라, 본 발명은 안테나 패치의 각각의 후면에 송/수 분리용 듀플렉서(21), 위상변위기(Phase Shifter)(23, 25, 28), 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier)(22, 24, 27), 대역여파기(26) 등을 집적하여 구성한 차세대 이동통신 시스템(IMT-2000)용 이중편파 능동형 마이크로 스트립 배열안테나에 관한 것이다.Accordingly, the present invention provides a duplexer 21 for separating the water and water on each rear surface of the antenna patch, a phase shifter 23, 25, and 28, and a low noise amplifier 22, 24, and the like. 27) and a dual polarization active microstrip array antenna for a next generation mobile communication system (IMT-2000) comprising an integrated band filter 26 or the like.
이하에서는 송신되는 과정을 중심으로 설명할 것이며, 수신 과정은 송신과정의 역과정에 해당하게 된다.Hereinafter, a description will be given of a transmission process, and the reception process corresponds to an inverse process of the transmission process.
송/수 분리용 듀플렉서(21)라 함은 대역 여파기로 구성되며, IMT-2000의 송/수신(1920∼1980, 2110∼2170 MHz) 주파수가 서로 다르므로 상대 주파수를 제외한 주파수만을 통과하도록 하는 수동소자이다. 즉, 듀플렉서(duplexer)는 송/수 분리를 나타낸다.The duplexer 21 for transmitting / receiving water is composed of a bandpass filter, and since the transmit / receive (1920 to 1980 and 2110 to 2170 MHz) frequencies of the IMT-2000 are different from each other, a passive unit that passes only frequencies except for a relative frequency Element. In other words, the duplexer represents the transmission / number separation.
한편, 전력분배기(power divider)(29)에서 분리된 송신신호는 안테나의 위상변위기(8개)(23)를 통하여 서로 다른 8개의 위상을 가지며, 각각의 위상을 갖는 신호는 저잡음증폭기에 입력된다. 이때, 저잡음증폭기에서는 선택(위상이 결정된 신호)된 송신신호를 약 10∼15 dB 만큼 증폭시키고, 저잡음증폭기(LNA) 다음에 접속한 듀플렉서(21)를 통한 송신신호는 마이크로 스트립 배열 안테나(20)에 전달된다.Meanwhile, the transmission signals separated by the power divider 29 have eight different phases through the phase shifters 8 and 23 of the antenna, and the signals having the respective phases are input to the low noise amplifier. do. In this case, the low noise amplifier amplifies the selected (phase-determined signal) transmission signal by about 10 to 15 dB, and transmits the signal through the duplexer 21 connected after the low noise amplifier (LNA) to the microstrip array antenna 20. Is passed on.
마이크로 스트립 배열 안테나(20)에 전달된 신호는 45°의 각도로 설계된 안테나 슬롯을 통하여 공간(서비스 영역)에 빔으로 방사된다.The signal transmitted to the microstrip array antenna 20 is beamed into the space (service area) through an antenna slot designed at an angle of 45 °.
한편, 수신과정은 상기의 송신과정의 역으로서, 패치안테나에 신호(8개의 슬롯에 입력된 모든 신호)가 입력되고 각각의 패치에 수신된 RF신호는 패치별로 접속시킨 대역여파기(BPF: band pass filter)를 통과하며 수신주파수 대역내의 신호만을 저잡음증폭기에 입력시킨다.On the other hand, the reception process is the reverse of the above transmission process, a signal (all signals input to eight slots) is input to the patch antenna and the RF signal received in each patch is connected to each patch bandpass (BPF: band pass) Only the signal in the receiving frequency band is passed to the low noise amplifier.
이와 같이 저잡음증폭기를 통하여 입력된 RF 수신신호는 본 발명에서 실장한 위상변위기(8개)를 통하며, 서비스 영역(여러 각도)에서 전송된 각각의 수신신호는 각각의 위상을 갖는 신호로 변화되어 기지국의 수신단에 접속된다.As described above, the RF received signals inputted through the low noise amplifier are transmitted through eight phase shifters mounted in the present invention, and each received signal transmitted in the service area (various angles) is changed into a signal having a respective phase. And is connected to the receiving end of the base station.
도 3 은 본 발명에 따른 이중편파 다이버시티 능동형 마이크로스트립 배열 안테나를 이용한 기지국의 송신부의 일실시예 구성도이다.3 is a configuration diagram of an embodiment of a transmitter of a base station using a dual polarization diversity active microstrip array antenna according to the present invention.
도면에서, "31"은 전력분배기, "32"는 위상변위기, "33"은 저잡음증폭기 (LNA), "34"는 필터(대역여파기), "35"는 안테나를 나타낸다.In the figure, "31" represents a power divider, "32" represents a phase shifter, "33" represents a low noise amplifier (LNA), "34" represents a filter (band filter), and "35" represents an antenna.
본 발명의 기지국 송신측 구성도(도 3 참조)와 종래의 PCS 기지국 송신측 구성도(도 1 참조)를 비교함으로써, 양자의 구조상의 특징이 명확하게 드러난다.By comparing the configuration diagram of the base station transmitting side of the present invention (see FIG. 3) with the conventional configuration diagram of the PCS base station transmitting side (see FIG. 1), the structural features of both are clearly revealed.
상기 양자의 가장 큰 차이점은 전력분배기(11, 31)의 위치와 위상변위기 (12, 32)의 위치에 있으며, 또한 도 1 에서는 전력증폭기(13)의 출력레벨에 따라서 동일한 전력레벨을 전력 분배한 것이고, 도 3 에서는 위상별로 전력레벨을 달리하는 것을 나타낸다.The biggest difference between the two is at the positions of the power dividers 11 and 31 and the positions of the phase shifters 12 and 32, and in FIG. 1, the same power level is distributed according to the output level of the power amplifier 13. In FIG. 3, the power level is changed for each phase.
도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 단일 이중편파 마이크로스트립 안테나의 일실시예 구성도이다.4A to 4C are diagrams illustrating an embodiment of a single dual polarization microstrip antenna according to the present invention.
단일 패치 안테나는 ±45°의 편파를 갖는 단일패치를 제작하고, 주파수범위는 차세대 이동통신(IMT2000)의 대역폭(1,885∼2,200MHz)을 확보하여야 하고, 이중편파간의 격리도(isolation)도 20 [dB] 이하로 하고, 이득은 5 [dBi]이상 되어야한다.The single patch antenna produces a single patch with ± 45 ° polarization, and the frequency range should secure bandwidth (1,885 ~ 2,200MHz) of the next generation mobile communication (IMT2000), and the isolation between the dual polarization is also 20 [ dB] or less, and the gain should be 5 [dBi] or more.
도 4a 내지 도 4c 는 상기와 같은 조건을 만족시킬 수 있는 단일 이중편파 마이크로 스트립 안테나의 구조를 나타내고 있다.4A to 4C show the structure of a single dual polarized microstrip antenna capable of satisfying the above conditions.
단일 이중편파 마이크로스트립 안테나에 대하여, 도 4a 는 3 차원구조도, 도 4b 는 측면도, 도 4c 는 급전선의 상세도를 나타낸다.For a single dual polarization microstrip antenna, FIG. 4A shows a three-dimensional structure diagram, FIG. 4B shows a side view, and FIG. 4C shows a detail view of a feed line.
단일 이중편파 마이크로스트립 안테나는, 유전체로 이루어진 평판 기판(42), 유전체 기판(42)의 상측 전(全)표면에 탑재되고 90도의 각도를 이루는 두개의 급전 슬롯을 갖는 접지면(43), 접지면(43)으로부터 일정한 높이에 위치하며 접지면(43)보다 좁은 면적의 아래면(하부) 패치 안테나(45), 하부 패치 안테나(45)로부터 일정한 높이에 위치하며 하부 패치 안테나(45)보다 좁은 면적의 윗면(상부) 패치 안테나(46), 평판 기판(42)에 연결되어 안테나에 전력을 공급하기 위한 급전선(41) ,및 접지면(43)으로부터 하부 패치 안테나(45)와 상부 패치 안테나(46)를 지지하는 지지대(47)로 구성된다.A single dual polarized microstrip antenna includes a flat substrate 42 made of a dielectric, a ground plane 43 mounted on the entire upper surface of the dielectric substrate 42 and having two feed slots at an angle of 90 degrees, ground Located at a constant height from the surface 43 and located at a constant height from the lower (bottom) patch antenna 45 and the lower patch antenna 45 of a smaller area than the ground plane 43 and narrower than the lower patch antenna 45. A top patch antenna (46) of the area, a feed line (41) connected to the flat substrate (42) for supplying power to the antenna, and a bottom patch antenna (45) and an upper patch antenna (from the ground plane 43); And a support 47 for supporting 46.
도 4a 및 도 4b 에서, "41"은 급전선을 나타내며 저항이 50 ohms을 사용하고, "42"는 유전율이 4.7인 fr4 기판, "43"은 접지면(ground-plane), "44"는 접지면(43) 위의 급전 슬롯, "45"는 아래면 패치 안테나이고 크기는 63 [mm] × 63[mm]이며, "46"은 윗면 패치 안테나이고 크기는 53 [mm] × 53 [mm] 이다. 또한, 급전선(41)은 아래면 패치(45)와 윗면 패치(46)의 가로를 기준으로 ±4°기울여서 제작된다.In Figures 4A and 4B, "41" represents a feed line and uses 50 ohms of resistance, "42" is a fr4 substrate with a dielectric constant of 4.7, "43" is a ground-plane, and "44" is a ground. Feed slot on face 43, "45" is the bottom patch antenna, size 63 [mm] × 63 [mm], "46" is the top patch antenna, size 53 [mm] × 53 [mm] to be. In addition, the feed line 41 is manufactured by tilting ± 4 ° relative to the width of the bottom patch 45 and the top patch 46.
"47"은 안테나에 영향을 미치지 않는 플라스틱 지지대이며, 지름이 5 [mm]이고 길이는 25 [mm]이고, "48"은 접지면(ground-plane)(43)과 아래면 패치 안테나(45) 사이의 공기층을 나타내고 높이는 6 [mm]이다 (도 4b 참조)."47" is a plastic support that does not affect the antenna, is 5 [mm] in diameter and 25 [mm] in length, and "48" is a ground-plane 43 and a bottom patch antenna 45 ) And the height is 6 [mm] (see Fig. 4b).
"49"는 아래면 패치 안테나(45)와 윗면 패치 안테나(46) 사이의 공기층이고 높이는 12 [mm]이다(도 4c 참조).&Quot; 49 " is an air layer between the bottom patch antenna 45 and the top patch antenna 46 and is 12 [mm] in height (see Fig. 4C).
이하, 도 4c 는 급전선의 상세도를 나타내며, 이에 대한 설명은 다음과 같다.4C shows a detailed view of the feeder, and a description thereof is as follows.
각 부분의 명칭은 앞에서 설명한 바와 같으며(도 4a 및 도 4b 참조), "40"은 급전선(41)에 임피던스 정합을 위해 사용되어진 개방 스터브(open stub)를 나타낸다.The names of the parts are as described above (see FIGS. 4A and 4B), and "40" represents an open stub used for impedance matching to the feed line 41.
본 발명에서는 급전선(41)의 격리도를 확보하기 위하여 급전선(41)을 45°기울여서 사용하고, 급전 슬롯(aperture feeding)(44)을 패치와 급전선의 상호 결합(aperture coupling)과 임피던스 정합에 영향을 주지 않는 범위에서 8 [mm]로 이격시킨다.In the present invention, the feed line 41 is used by tilting 45 ° in order to secure the isolation of the feed line 41, and the feeding slot 44 has an influence on the aperture coupling and impedance matching between the patch and the feed line. Space it 8 mm apart.
도 5 는 본 발명에 따른 유효 등방성 방사전력(EIRP)를 바탕으로 한 기지국의 송신부의 일실시예 구성도로서, 기지국의 송신부의 전체 회로 구성을 동일한 특성의 모듈로 집합시킨 것이다.FIG. 5 is an exemplary configuration diagram of a transmitter of a base station based on effective isotropic radiation power (EIRP) according to the present invention, in which the entire circuit configuration of the transmitter of the base station is assembled into modules having the same characteristics.
Pi,tx는 전력분배기(50)의 입력전력으로서, 송신(tx)되는 신호의 입력 전력 (input power)를 나타내고, 위상변위기(51)는 도 2 의 위상변위기 전체 구성의 총합을 나타내고, HPA(52)는 저잡음증폭기(LNA)의 총합을 나타내는데, 이는 모두 합하면 출력이 커진다는 표현을 위하여 HPA로 나타내었고, 듀플렉서(53)는 도 2 의듀플렉서 전체 구성의 총합을 나타낸다. Gtot는 "50" 에서 "53"까지의 전체이득을 나타낸다.P i, tx is the input power of the power divider 50, which represents the input power of the signal to be transmitted (tx), and the phase shifter 51 represents the sum total of the overall configuration of the phase shifter of FIG. , HPA 52 represents the sum of the low noise amplifier (LNA), which is represented by HPA for the sum that the sum increases the output, the duplexer 53 represents the sum of the duplexer overall configuration of FIG. G tot represents the overall gain from "50" to "53".
기존의 방식(pcs 기준)의 값들은 정량적으로 기록하였고, 본 발명의 값들은 배열 안테나의 갯수와 단일 패치 안테나의 이득에 따라 변하는 특성을 나타내었다.The values of the conventional scheme (pcs basis) were quantitatively recorded, and the values of the present invention showed characteristics that changed according to the number of array antennas and the gain of a single patch antenna.
여기서, 다중 빔 능동형 위상 배열 안테나에서의 EIRP 계산은 다음의 (수학식 1)에 의한다.Here, the EIRP calculation in the multi-beam active phased array antenna is based on Equation 1 below.
여기서, Pin는 안테나(54)에 입력되는 전력(전력증폭기의 출력+ RF단의 손실), N2는 안테나의 갯수, Gpatch는 단일 이중편파 안테나의 이득을 나타낸다.Here, P in represents the power input to the antenna 54 (loss of the output + RF stage of the power amplifier), N 2 represents the number of antennas, G patch represents the gain of a single polarized antenna.
상기의 (수학식 1)은 안테나의 갯수를 결정하고 난 후, 안테나에 입력되는 전력 증폭기의 출력을 구할 수 있다. 먼저, 전력증폭기의 출력을 얻고, 다른 RF 단의 듀플렉서(duplexer), 차폐기(isolator), 위상변위기(phase shifter), 전력분배기 (power divider) 등의 손실을 고려하여 전력증폭기만의 출력과 이득을 계산 할수 있다.In Equation 1, after determining the number of antennas, the output of the power amplifier input to the antenna can be obtained. First, the output of the power amplifier is obtained, and considering the loss of the duplexer, isolator, phase shifter, power divider, etc. of the other RF stage, The gain can be calculated.
본 발명에서 실시예로 구성한 안테나의 갯수(N)는 2×8=16 개이고, 단일패치의 안테나의 이득(Gpatch)은 3.16[5 dBi]이고, 패치(Patch)가 45°만큼 기울어져 있으므로, 편파방향으로 정확하게 배열되지 않았으며, 패치(Patch) 간의 위상차의 흐트러짐 및 상호 결합 효과 등을 고려 할 때, 배열 안테나가 N·Gpatch(17.03 dBi)만큼의 이득을 얻기는 어렵다.In the present invention, the number N of antennas configured as an embodiment is 2 × 8 = 16, the gain G patch of a single patch is 3.16 [5 dBi], and the patch is inclined by 45 °. However, the array antenna is not precisely arranged in the polarization direction, and considering the disturbance of the phase difference between the patches and the mutual coupling effect, it is difficult for the array antenna to gain as much as N · G patch (17.03 dBi).
그러므로, 합성 손실을 약 2 [dB]로 고려하여 배열 안테나의 이득을 15 dBi로 예상할 때에 요구되는 통신시스템에서 필요한 EIRP를 위해서는 단위 패치(Patch)에 인가되는 전력인 Pin을 구할 수 있다.Therefore, considering the synthesis loss as about 2 [dB], P in , which is the power applied to the unit patch, can be obtained for the required EIRP required in the communication system required when the gain of the array antenna is estimated to be 15 dBi.
도 6 은 유효 등방성 방사전력(EIRP)을 바탕으로 한 안테나의 입력단의 전력에 대한 설명도로서, 이동통신 시스템에서 요구되어지는 EIRP가 500 [W]에서 1600[W]까지 필요로 할때, 각각의 안테나에 입력되는 전력을 나타낸다.FIG. 6 is an explanatory diagram of input power of an antenna based on effective isotropic radiated power (EIRP). When EIRP required in a mobile communication system requires 500 [W] to 1600 [W], respectively. Represents the power input to the antenna.
도 7 은 기지국의 송신부에 대한 이득과 손실에 대한 설명도로서, 하향 경로에서 기존의 방식(pcs 기준)과 본 발명의 기지국 파라미터에 대한 성능 차이를 나타낸다.FIG. 7 is an explanatory diagram for gain and loss of a transmitter of a base station, and shows a performance difference between a conventional scheme (based on pcs) and a base station parameter of the present invention in a downlink path.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 해당하는 안테나의 성능이 우수함을 알 수 있다.As shown in the figure, it can be seen that the performance of the antenna corresponding to the present invention is excellent.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains, and the above-described embodiments and accompanying It is not limited by the drawings.
상기와 같은 본 발명은, 기지국/중계기용 무선주파수(RF) 송신부의 고출력 증폭기의 출력을 이용하여 안테나의 출력 레벨을 사용하는 대신에 저출력인 3∼4 [W]의 증폭도를 갖는 전력증폭기를 사용하여, 고출력 증폭기의 효과를 얻을 수 있게 고안되었기 때문에 설치 운용비를 절감할 수 있으며, 또한 본 발명의 안테나에 적용되는 송/수 분리용 듀플렉서, 위상변위기 및 저잡음증폭기에 대한 능동 소자의 모듈 특성이 저가의 제품으로 대처할 수 있게 하는 효과가 있다.As described above, the present invention uses a power amplifier having a low power output of 3 to 4 [W] instead of using the output level of the antenna by using the output of the high output amplifier of the base station / relay radio frequency (RF) transmitter. Since it is designed to obtain the effect of a high power amplifier, it is possible to reduce the installation and operation cost, and also the module characteristics of the active element for the transmission / water separation duplexer, phase shifter and low noise amplifier applied to the antenna of the present invention It is effective to cope with low cost products.
또한, 본 발명은, 기존에 사용하고 있는 기지국의 단점인 다수(송신, 수신용 안테나 2개 이상)의 안테나를 설치/운용으로 인한 고비용의 소모비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 안테나 장비 운용 유지 보수를 원격으로 안테나의 입출력 빔의 방향을 조종함으로써 수행할 수 있게 하는 효과가 있다.In addition, the present invention, it is possible to reduce the high cost of the cost of installing / operating a plurality of antennas (transmitting, receiving antennas two or more) which is a disadvantage of the existing base station, and also antenna equipment operation maintenance There is an effect that can be performed by remotely controlling the direction of the input and output beam of the antenna.
또한, 본 발명은 경제적과 사회적 측면으로는 안테나의 난립 방지를 줄이고, 기지국 안테나 설치 비용 절감시키며, 전력 증폭기의 전력의 효율성과 높은 안정성을 확보하고, 운용 유지 비용을 절감하며, 도시미관을 개선하고, 기지국에서의 전자파로 인한 피해 감소시킬 수 있으며; 또한 기술적 측면으로는 차세대 이동통신 (IMT-2000) 기지국 및 중계기용 능동형 배열 이중편파 다이버시티 안테나 개발 기술 축적과 IMT-2000 중계기 모듈 응용 기술과 임피던스 정합 기술 축적, 원격 제어 기술 확보, 안테나 집적 기술 확보를 할 수 있게 하는 효과가 있다.In addition, the present invention in terms of economics and social aspects, reducing the antenna interference, reducing the installation cost of the base station antenna, ensuring the power efficiency and high stability of the power amplifier, reduce the operation maintenance cost, improve the city view Reduce damage caused by electromagnetic waves at the base station; In addition, technical aspects include the development of active array dual polarization diversity antenna for next-generation mobile communication (IMT-2000) base station and repeater, IMT-2000 repeater module application technology, impedance matching technology, remote control technology, antenna integration technology It has the effect of making it possible.
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