JP4728404B2 - 移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、移動通信基地局におけるアンテナに関し、特に、アンテナの水平ビーム幅だけではなく、水平ステアリングも制御するように構成された可変ビーム制御アンテナに関する。

固定型アンテナは、開発の初期段階で、移動通信システムにおける基地局アンテナとして使用されたが、近年は、垂直可変ダウンティルティングアンテナが多くの長所により幅広く普及している。このような垂直可変ダウンティルティングアンテナは、位相器（Phase Shifter）を使用して垂直配列で位相を調整することにより、アンテナビームをセルサイトのカバレージに従って垂直に制御している。

最近では、セルサイト内の加入者の分布に従って、セクタの指向方向をアンテナビームを水平方向にステアリングする技術まで開発された。アンテナビームを水平方向に制御するためには、２種類の方式が考慮される。２列以上のアンテナを使用して各列に供給される信号の電気的位相制御を介した電気的な水平ビーム制御方式と、１列のアンテナを使用した機械的な水平ステアリング（Steering）制御方式とがある。

上記機械的なビーム制御方式は、アンテナサイズ及びコストの側面で有利であり、水平サイドローブが発生しない電気的な長所も有するので、幅広く使用される。言うまでもなく、上記垂直方向のビーム制御方式は、個別の動作により行われ、したがって、垂直ティルティング（tilting）方式及び水平ステアリング（Steering）方式の全てに同一に適用される。

このような垂直ティルティング及び水平ステアリングの２次元の制御機能を有するアンテナを使用すると、加入者分布に従う能動的な網最適化が可能である。しかしながら、２次元のビーム制御だけでは、実際のセルサイトで問題が発生し得る。例えば、最も一般的なセクタ構成、すなわち、１２０度単位の３セクタ構成において、加入者分布に従って水平ステアリング方向を調整すると、セクタ間陰影地域が発生するか、又はセクタ間オーバーラップゾーンが増加する。したがって、水平ステアリング方向を調整する場合には、水平ビーム幅の可変は、上記陰影地域を抑制し、上記オーバーラップゾーンを最小化するために必要とされる。

しかしながら、現在まで、水平ビーム幅可変機能は、容易に低価で実現することが難しかった。水平ビーム幅を可変するための従来の技術は、３種類の方式で要約することができる。

１番目の方式は、１列のアンテナにおいて、反射板（Reflector）の角度及び長さを調整する方式である。垂直偏波アンテナに古典的に適用された技術である。このような技術は、“Ｒｅｆ．Ｍｏｂｉｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｋ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ ａｎｄ Ｊ．Ｒ．Ｊａｍｅｓ ｐｐ．１３３〜１３４”に開示されている。しかしながら、上記水平ビーム幅可変方式の顕著な欠点は、有効な反射板の長さによりアンテナサイズが非常に大きくなるだけでなく、現在幅広く使用されている二重偏波アンテナで分離度（Isolation）及び交差偏波（Cross Polarization）特性が劣化する。

上記水平ビーム幅を可変する２番目の方式は、通常のアンテナ技術であり、３列以上のアンテナを水平方向に実現することにより、各列の分配比及び位相の制御を介してアンテナビーム幅を可変する方式である。このような技術の例では、“アンドルーコーポレーション”により出願された韓国特許出願第２００３-７０００４１８号（名称：セルラーアンテナ）を挙げることができる。しかしながら、上記方式は、移動通信基地局における商品化に適用するには無理がある。

所定のビーム幅が通常の移動通信基地局における１列又は２列のアンテナの使用で実現される一方、このような方式は、少なくとも３列のアンテナを必要とする。したがって、アンテナサイズ及びコストが増加する。さらに、分配比及び位相を可変するために、高価であり、損失が大きい部品を使用し、その結果、アンテナ利得を低減させる。したがって、この方式を使用するアンテナは、主に軍事目的で使用される。

３番目の方式は、２列以上のアンテナを水平方向に実現した後に、各列の反射板の水平ステアリング方向を機械的に交差するように制御することにより、ビーム幅を制御する方式である。しかしながら、実際には、このような方式のアンテナでセクタに適合した通常のアンテナビームを形成することが難しい。

このような技術の例では、本出願人により出願された韓国特許出願第２００３−９５７６１号（名称：移動通信基地局におけるアンテナビームを制御する装置）を挙げることができる。広いビーム幅がアンテナビーム幅を可変することにより得られる場合には、リップルは、アンテナの順方向に発生し、“Ｓｈａｒｐ Ｒｏｌｌ−ｏｆｆ”ではない放射パターンは、セクタ間のオーバーラップゾーンを増加させる。また、このような方式は、少なくとも２列のアンテナを必要とする。

したがって、本発明の目的は、水平ビーム幅を制御するように構成された１列のアンテナを提供することにある。

本発明の他の目的は、水平ビーム幅を制御することにより、高機能、低コスト、及び網最適化に適合するように構成された１列のアンテナである移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、水平ビーム幅及び水平ステアリングを制御するように構成された１列のアンテナである移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の一態様によれば、移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナを提供する。上記アンテナにおいて、少なくとも２つの放射部は、少なくとも１つの放射素子がそれぞれ設置された反射板を有し、垂直方向に配置される。少なくとも１つの動力発生部は、外部制御信号により回転力を提供し、動力伝達部は、上記動力発生部から発生した回転力を少なくとも１つの反射板に伝達することにより、上記少なくとも１つの反射板を回転させる。

本発明の別の態様によれば、上記アンテナは、上記放射部の全体を回転させるための回転力を提供する第２の動力発生部と、上記第２の動力発生部から発生した回転力を上記放射部の全体に伝達することにより、上記放射部の全体を回転させる第２の動力伝達部と、をさらに含むことが好ましい。

本発明による移動通信基地局用可変ビーム制御アンテナは、水平ビーム幅を制御することができる１列のアンテナになるように構成されるので、水平ビーム幅アンテナを低コストで製作することができ、最近の移動通信無線網で要求される自動最適化を容易に実現することができる。また、従来では、無線網の設計に従って基地局セクタごとにビーム幅が異なる多くの種類のアンテナを必要としたが、本発明によると、必要に応じて、１つのアンテナでビーム幅を容易に可変することができる。

さらに、このような１列のアンテナは、水平ビーム幅だけではなく、水平ステアリングも制御することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。下記には、具体的な構成素子などのような特定の事項が説明されているが、これは、本発明のより全般的な理解を助けるために提供される。したがって、本発明の範囲内であれば、ここに説明された実施形態の様々な変更及び変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。

図１は、本発明の第１の実施形態による移動通信基地局に設置された可変ビーム制御アンテナの概略図であり、図２は、図１に示したアンテナの中で反射板の回転位置の一例を概略的に示す図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の第１の実施形態による水平ビーム幅を可変するためのアンテナは、１列のアンテナ構成を有する。それは、垂直方向に３つの放射部を分離して設置する。すなわち、第１の放射部１０、第２の放射部２０、及び第３の放射部３０は、個別に構成される。

上記各放射部は、移動通信用無線信号を送受信するように適切に配置された少なくとも１つの放射素子を含むアンテナ素子が装着された反射板で構成される。

図１に示す例では、第１の放射部１０には、第１の放射素子１１１、第２の放射素子１１２、及び第３の放射素子１１３を含む第１の反射板１１が備えられる。第２の放射部２０には、第４の放射素子２１１、第５の放射素子２１２、及び第６の放射素子２１３を含む第２の反射板２１が備えられ、第３の放射部３０には、第７の放射素子３１１、第８の放射素子３１２、及び第９の放射素子３１３を含む第３の反射板３１が備えられる。

本発明の実施形態では、第１の放射部１０、第２の放射部２０、及び第３の放射部３０において、第１の反射板１１、第２の反射板２１、及び第３の反射板３１は、同一の回転中心をもって回転するように構成される。しかしながら、上記同一の回転中心からある程度外れた相互に異なる回転中心を有するように構成されることもできる。

外部制御信号に応じて、それぞれの第１の反射板１１、第２の反射板２１、及び第３の反射板３１に回転力を発生させるためのモーターなどで構成されることができる第１の動力発生部１３、第２の動力発生部２３、及び第３の動力発生部３３が備えられる。

また、複数のギア、シャフト、及びベアリングなどで構成され、第１の動力発生部１３、第２の動力発生部２３、及び第３の動力発生部３３から発生した回転力を第１の反射板１１、第２の反射板２１、及び第３の反射板３１に伝達することにより、対応する反射板を回転させることができるようにするための第１の動力伝達部１２、第２の動力伝達部２２、及び第３の動力伝達部３２が備えられる。

第１の動力発生部１３、第２の動力発生部２３、及び第３の動力発生部３３の動作を制御する外部制御信号は、遠隔地、すなわち、アンテナの近所、基地局本体（図示せず）、又は基地局制御器から有線又は無線信号により提供されることができる。

高層ビルが建築されるか、又は新たな基地局が隣接地域に増設される場合に、又は一時的な通話量の増加などによって電波環境が変わる場合に、最適のセルプランニングのために、適切な制御信号が第１の動力発生部１３、第２の動力発生部２３、及び第３の動力発生部３３に出力されることにより、第１の反射板１１、第２の反射板２１、第３の反射板３１が適当に回転する。

上述した構成を有するアンテナにおいて、第１の放射部１０、第２の放射部２０、及び第３の放射部３０は、ハウジングとして機能する上側及び下側キャップ（図示せず）で密封される１つのレードーム（radome）５０内に装着される。すなわち、外観上では、１本のアンテナのように見える。

図３は、本発明の第２の実施形態による移動通信基地局に設置された可変ビーム制御アンテナの概略図である。上記アンテナは、図１に示したアンテナの構成と原理的に同一の構成を有する。第１の反射板１１、第２の反射板２１、及び第３の反射板３１に備えられる放射素子が図１のアンテナで１列配列の構成を有する一方、図３に示す本発明の第２の実施形態において、放射素子は、２列に配置される。

図４は、図１に示したアンテナのビーム幅制御シミュレーションの結果の例示図であり、図５は、図３に示したアンテナのビーム幅制御シミュレーションの結果の例示図である。図４及び図５を参照すると、中間の第２の反射板２１を基準にして第１の反射板１１及び第３の反射板３１の相互間の回転角度（方向）に従う水平ビーム幅の変化値が示され、良好なビーム形成がなされることを分かる。図４及び図５に示すシミュレーション結果は、下記の＜表１＞及び＜表２＞のように要約されることができる。

本発明の第１及び第２の実施形態による移動通信基地局用可変ビーム制御アンテナは、垂直に１列配置された第１の放射部１０、第２の放射部２０、及び第３の放射部３０の相互回転方向を適切に制御することにより、水平ビーム幅を可変的に制御することができ、また、上記アンテナの順方向にリップルが少ないビームを形成することができる。

この際、上記第１及び第２の実施形態によるアンテナでは、それぞれの第１の放射部１０、第２の放射部２０、及び第３の放射部３０にそれぞれの第１の動力発生部１３、第２の動力発生部２３、及び第３の動力発生部３３が備えられるようにし、これにより、第１の反射板１１、第２の反射板２１、及び第３の反射板３１が回転するようにする構成を有するが、１つのモーターを有する動力発生部だけを設置し、これからの動力をそれぞれの第１の放射部１０、第２の放射部２０、及び第３の放射部３０の一部又は全部に伝達するために、複数のギア及びギアシャフトなどを有する動力伝送機構部を備えることにより、第１の反射板１１、第２の反射板２１、及び第３の反射板３１の一部又は全部を回転させる構成を有しても良い。

図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、本発明の第３の実施形態による移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナの主要部を示す斜視図である。特に、図６Ａは、左側上部から見たアンテナ主要部の後面を示し、図６Ｂは、右側下部から見たアンテナ主要部の後面を示し、図６Ｃは、左側上部よりさらに低い高さから見たアンテナ主要部の後面を示す。図６Ｃにおいて、動力発生部の図示は省略された。また、図７は、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃに示したアンテナの主要部の中で第２の放射部の下部の部分拡大斜視図であり、アンテナ主要部の全面を左側上部から見た状態を示す。

図６Ａ乃至図６Ｃ及び図７を参照すると、本発明の第３の実施形態によるアンテナは、図１及び図３に示した第１及び第２の実施形態による構成と同様に、垂直に３つの放射部に分離して構成し、第１の反射板１１’、第２の反射板２１’、及び第３の反射板３１’が同一の回転中心を有するように垂直に設置される。この際、上記第１の実施形態で説明した通り、第１の反射板１１’、第２の反射板２１’、及び第３の反射板３１’は、同一でない回転中心を有するように設置することもできる。

第２の反射板２１’は、図７の固定用ガイド４４０ａ及び４４０ｂによりレードーム（図示せず）に固定され、第１の反射板１１'及び第３の反射板３１’は、回転可能に設置される。

また、モーターを含む動力発生部３３’は、第３の反射板３１’の下部に設置され、上記モーターの回転軸は、ギアにより第３の反射板３１’に接続され、これにより、第３の反射板３１’がモーターの回転とともに回転する。

このような構成において、第１の反射板１１’は、複数のギア及びギアシャフトを有する動力伝達部を介して第３の反射板３１’の回転と連動して反対方向に回転するように構成される。上記動力伝達部は、第１のギア４１１乃至第５のギア４１５とギアシャフト４１６とから構成される。

第１のギアは、第３の反射板３１’の上端部に付着され、これにより、第１のギアが第３の反射板３１’の回転とともに回転することができる。第２のギア４１２は、第１のギア４１１とかみ合って回転するように設置され、第３のギア４１３は、第２のギア４１２とかみ合って回転するように設置される。また、第５のギア４１５は、第１の反射板１１’の下端部に付着され、これにより、第１の反射板１１’が第５のギア４１５の回転とともに回転することができる。第４のギア４１４は、第５のギア４１５とかみ合って回転するように設置される。

第３のギア４１３は、ギアシャフト４１６により第４のギア４１４に接続される。第３のギア４１３が回転する際に、ギアシャフト４１６が回転することにより、第４のギア４１４が順に回転する。

第３の反射板３１’が動力発生部３３’を駆動することにより回転する場合に、第１のギア４１１、第２のギア４１２、第３のギア４１３、ギアシャフト４１６、第４のギア４１４、及び第５のギア４１５が順に回転する。その結果、第１の反射板１１’は、第３の反射板３１’の回転方向とは反対方向に回転する。

本発明の第３の実施形態による可変ビーム制御アンテナにおいて、第１の反射板１１’及び第２の反射板３１’は、第２の反射板２１’を基準に相互に連動することにより、反対方向に回転する。したがって、上記水平ビーム幅は、可変的に制御されることができる。一方、図６Ａ乃至図６Ｃ及び図７において、支持棒４３０は、第２の反射板２１’をしっかり支持するために適切な位置に設置される。

図８Ａ及び図８Ｂは、図６Ａ及び図６Ｂに示したアンテナから変形されたアンテナの例示図である。図８Ａは、左側上部から見たアンテナ主要部の後面を示し、図８Ｂは、右側下部から見たアンテナ主要部の後面を示す。図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、このようなアンテナは、第３の実施形態によるアンテナの構成とほぼ同一であり、水平ビーム幅だけでなく、水平ステアリングの制御が可能であるように、第１の反射板１１’、第２の反射板２１’、及び第３の反射板３１’の全体を回転させるためのモーター（図示せず）を有する第２の動力発生部５３及び第２の動力伝達部５２を備える。

第２の動力発生部５３は、外部制御信号に応じて動作し、第１の反射板１１’、第２の反射板２１’、及び第３の反射板３１’の全体を回転させるためのモーターで構成される。また、第２の動力伝達部５２は、動力発生部３３’の固定フレームの下部に設置される。したがって、第２の動力発生部５３内のモーターの回転軸が動力発生部３３’の固定フレームにギアで接続され、これにより、上記固定フレームが第２の動力発生部５３のモーターの回転に従って回転する。したがって、動力発生部３３’の固定フレームが回転することにより、第１の反射板１１’、第２の反射板２１’、及び第３の反射板３１’の全体が回転する。

図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃにおいて、第２の反射板２１’が図７の固定用ガイド４４０ａ及び４４０ｂによりレードーム（図示せず）に固定されると説明されているが、第２の反射板２１’は、図８Ａ及び図８Ｂに示すアンテナ構成で回転可能に設置され、したがって、レードームに固定されない。

変形されたアンテナにおいて、第１の反射板１１’、第２の反射板２１’、及び第３の反射板３１’の全体が回転し、その結果、アンテナの水平ステアリングが可変的に制御されることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

例えば、本発明の実施形態によるアンテナが３つの放射部に分離されて構成されると説明したが、本発明の他の実施形態では、２つ又は４つ以上の放射部で構成されることができる。このような放射部の構成は、垂直サイドローブ（side lobe）特性、実際製作時の容易性、及びコストを考慮して適切に設計されることができる。

また、上記の説明では、本発明の実施形態によるアンテナのそれぞれの放射部が動力発生部及び動力伝達部を介して回転する構成、すなわち、機械的水平ビーム幅可変方式を採用したが、各放射素子から送信された信号の位相を制御することにより、アンテナビームの水平方位角、すなわち水平ステアリングを制御する電気的水平ステアリング方式と同様に、本発明の他の実施形態では、それぞれの放射部の放射素子から送信された信号の位相を制御することにより、アンテナの水平ビーム幅を制御する構成、すなわち、電気的水平ビーム幅可変方式を採用することもできる。

したがって、特許請求の範囲により定義されているように、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、本発明の様々な変形及び変更がなされてもよい。

本発明の第１の実施形態による移動通信基地局に設置された可変ビーム制御アンテナの概略図である。 図１に示したアンテナの中で反射板の回転位置の一例を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態による移動通信基地局に設置された可変ビーム制御アンテナの概略図である。 図１に示したアンテナのビーム幅制御シミュレーションの結果の例示図である。 図３に示したアンテナのビーム幅制御シミュレーションの結果の例示図である。 本発明の第３の実施形態による移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナの主要部を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態による移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナの主要部を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態による移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナの主要部を示す斜視図である。 図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃに示したアンテナの主要部の中で第２の放射部の下部の部分拡大斜視図である。 図６Ａ及び図６Ｂに示したアンテナから変形されたアンテナの例示図である。 図６Ａ及び図６Ｂに示したアンテナから変形されたアンテナの例示図である。

符号の説明

１０ 第１の放射部
１１ 第１の反射板
１２ 第１の動力伝達部
１３ 第１の動力発生部
２０ 第２の放射部
２１ 第２の反射板
２２ 第２の動力伝達部
２３ 第２の動力発生部
３０ 第３の放射部
３１ 第３の反射板
３２ 第３の動力伝達部
３３ 第３の動力発生部
５０ レードーム（radome）
１１１ 第１の放射素子
１１２ 第２の放射素子
１１３ 第３の放射素子
２１１ 第４の放射素子
２１２ 第５の放射素子
２１３ 第６の放射素子
３１１ 第７の放射素子
３１２ 第８の放射素子
３１３ 第９の放射素子

Claims (5)

1. 移動通信基地局における可変ビーム制御アンテナであって、
   少なくとも１つの放射素子がそれぞれ設置された反射板を有し、垂直方向に順に配置された第１、第２、及び第３の放射部と、
   外部制御信号により前記第３の放射部の反射板を回転させるための回転力を提供する動力発生部と、
   前記第３の放射部の反射板の回転とともに、前記第１の放射部の反射板を前記第３の放射部の反射板の回転方向と反対方向に回転させる動力伝達部と、を含む
   ことを特徴とする可変ビーム制御アンテナ。
2. 前記動力伝達部は、
   前記第３の放射部の反射板の一端部に付着され、前記第３の放射部の反射板の回転とともに回転する第１のギアと、
   前記第１のギアの回転とともに回転する第２のギアと、
   前記第２のギアの回転とともに回転する第３のギアと、
   前記第３のギアの回転とともに回転するギアシャフトと、
   前記ギアシャフトの回転とともに回転する第４のギアと、
   前記第１の放射部の反射板の一端部に付着され、前記第４のギアの回転とともに回転することにより、前記第１の放射部の反射板を回転させる第５のギアと、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変ビーム制御アンテナ。
3. 前記反射板は、ハウジングとして機能する上側及び下側キャップで密封される１つのレードーム内に装着される
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変ビーム制御アンテナ。
4. 前記放射素子は、前記反射板に１列又は２列に配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１項に記載の可変ビーム制御アンテナ。
5. 前記放射部、前記動力発生部、及び前記動力伝達部の全体を回転させるための回転力を提供する第２の動力発生部と、
   前記第２の動力発生部から発生した回転力を少なくとも前記動力伝達部に伝達することにより、前記放射部、前記動力発生部、及び前記動力伝達部の全体を回転させる第２の動力伝達部と、をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１項に記載の可変ビーム制御アンテナ。

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