JP5869706B2 - 移動通信システム用可変ビーム制御アンテナ - Google Patents

Description

本発明は移動通信システムにおける基地局や中継器に適用されるアンテナに関し、特にアンテナの垂直ビームチルト調節と、水平ステアリング調節及び水平ビーム幅の制御などが可能に設計された可変ビーム制御アンテナに関する。

最近、移動通信システムにおける基地局アンテナは垂直（及び／又は水平）ビームティルティング（beam tilting）が可能な垂直ビームチルト制御アンテナが多いという長所によって普及されている。

垂直ビームチルト制御アンテナにおけるビームチルト方式は、機構的なビームチルト方式と電気的なビームチルト方式とに大別できる。機構的ビームチルト方式は、通常、アンテナで支持ポールと結合する部位に備えられる受動または動力作動ブラケット構造に基づいた方式である。このようなブラケット構造の作動によりアンテナの設置傾きが可変されてアンテナの垂直ビームチルトが可能になる。電気的ビームチルト方式は、多重位相遷移器（phase shifter）に基づいた方式であって、垂直に配列された各アンテナ放射素子に給電される信号の位相差を可変させて電気的垂直ビームチルトを可能にする方式である。このような垂直ビームチルトに関する技術には、‘EMS Technologies, Inc.’が出願した米国特許番号第６，８６４，８３７号（名称：VERTICAL ELECTRICAL DOWNTILT ANTENNA、発明者：Donald L. Runyonの他２人、特許日：２００５年３月８日）に開示したことを例に挙げることができる。

また、最近には水平方向にアンテナビームを制御してセクター指向方向をセルサイトの加入者分布に合せて調整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つ方式が可能であるが、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通じての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、かつこれを機械的に水平移動させて（Steering）制御する方式がある。

また、水平指向方向を調整する場合には陰影地域発生抑制及びオーバーラップゾーンの最小化を可能にするために水平ビーム幅可変が必須的に要求されるということができる。水平ビーム幅を可変するための技術として、水平方向に２列以上のアンテナを具現した後、各列の反射板の水平指向方向を機械的に交互に制御してビーム幅を制御する方式がありえる。このような技術の例には、本出願人により国内特許出願された第２００３−９５７６１号（名称：移動通信基地局アンテナビーム制御装置）を挙げることができる。

このように、移動通信システム用アンテナでは、垂直ビームチルト調節と、水平ステアリング調節及び水平ビーム幅の制御が可能な構造が要求されており、セクター別に一層最適化したビームパターンを形成するための要求が増加しているが、このような構造を適用する場合に比較的複雑で、かつ高費用の機構的装備が追加で採用されなければならず、これに従うアンテナ特性が不安定になる余地もあった。

米国特許第６８６４８３７号明細書 韓国公開特許第２００３−９５７６１号公報

したがって、本発明の目的はアンテナ設置時に一層安定性が優れて、外部環境による障害発生可能性を減らし、アンテナ特性がより安定化できるようにし、より単純な構造を有し、かつ垂直ビームチルト調節と、水平ステアリング調節、及び水平ビーム幅の制御を可能にすることによって、高機能、低費用、及び網最適化に適した移動通信システム用可変ビーム制御アンテナを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は移動通信システム用可変ビーム制御アンテナにおいて、信号が放射される前面に形成されるレドームと、垂直に少なくとも１列以上配列される多数の放射部と、上記レドームと上記多数の放射部を支持するフレーム部と、上記多数の放射部の放射方向を可変するために、上記多数の放射部別に各々１つの基準点に対して上下及び左右に回転させる方向可変モジュールを含むことを特徴とする。

好ましくは、上記多数の放射部は、各々１つの放射素子と、上記１つの放射素子の背面で該当放射素子を支持する１つの反射板と、上記反射板と第１連結棒を通じて連結される球形構造物と、上記球形構造物を球形関節構造で支持する支持台を含む。

好ましくは、上記方向可変モジュールは、上記第１連結棒を直接・間接的に連結する別途の附属肢を用いて上下及び左右に回転させる構造を有する。

好ましくは、上記別途の附属肢は、上記第１連結棒と上記反射板とが連結される球形構造物の第１軸と平面上９０度角度をなす第２軸に形成される少なくとも１つの第２連結棒であり、上記少なくとも１つの第２連結棒は少なくとも１つのピニオンギアの回転中心軸に固定されるように連結される。

好ましくは、上記方向可変モジュールは、上記球形構造物の少なくとも１つの第２連結棒に設置された少なくとも１つのピニオンギアと連結されるために上下に長く伸びた少なくとも１つのラックギア部と、上記少なくとも１つのラックギア部が上下に移動可能にしながら、上記ラックギア部を支持し、上記球形構造物２６の垂直軸を基準に左右に回転可能に設置される上下可変部と、上記上下可変部を上記球形構造物の垂直軸を基準に左右に回転させる左右可変部とを含む。

好ましくは、上記ラックギア部は、上記多数の放射部の各々の球形構造物の第２連結棒に形成されたピニオンギアと共通的に連結される。

上記したように、本発明に従う移動通信システム用可変ビーム制御アンテナは、設置時に一層安定性が優れて、外部環境による障害発生可能性を減らし、アンテナ特性がより安定化できるようにし、より単純な構造を有しながら、垂直ビームチルト調節と、水平ステアリング調節、及び水平ビーム幅の制御を可能にすることができる。

本発明の一実施形態に従う移動通信システム用可変ビーム制御アンテナの構造を示す概略的な分解斜視図である。 図１うちの一放射部の詳細構造図であって、放射部の分解斜視図を示す。 図１うちの一放射部の詳細構造図であって、図２ａの一部結合斜視図を示す。 図１うちの一放射部の詳細構造図であって、放射部の背面図を示す。 図１うちの一放射部の詳細構造図であって、放射部の平面図を示す。 図１うちの一放射部の詳細構造図であって、放射部の上面図を示す。 図１のうちの方向可変モジュールの詳細構造図であって、方向可変モジュールの一側方向の全体斜視図を示す。 図１のうちの方向可変モジュールの詳細構造図であって、方向可変モジュールの他側方向の全体斜視図を示す。 図１のうちの方向可変モジュールの詳細構造図であって、方向可変モジュールのうちの上下可変部の主要部斜視図を示す。 図１のうちの方向可変モジュールの詳細構造図であって、方向可変モジュールのうちの左右可変部の主要部斜視図を示す。 図１のうちの方向可変モジュールの詳細構造図であって、図３ｄの左右可変状態を示す関連部の平面図を示す。 レドームと放射部の配置構造図である。 本発明の他の実施形態に従う移動通信システム用可変ビーム制御アンテナの構造を示す概略的な分解斜視図である。

以下、本発明に従う好ましい実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。下記の図面では同一な構成要素に対しては同一な参照番号を与える。

図１は、本発明の一実施形態に従う移動通信システム用可変ビーム制御アンテナの構造を示す概略的な分解斜視図である。図１を参照すると、本発明の一実施形態に従うアンテナは信号が放射される前面に形成されるレドーム１０と、垂直に配列される多数の放射部２０と、レドーム１０と多数の放射部２０を支持するフレーム部３０と、多数の放射部２０の放射方向を可変するために、外部制御信号により多数の放射部２０別に各々１つの基準点に対して上下及び左右に回転させる方向可変モジュール（後述するラックギア部４０、上下可変部５０、及び左右可変部６０を含み）を含んで構成される。

フレーム部３０には該当アンテナの送受信信号増幅及びフィルタリングのような信号処理動作を始めとしてアンテナの姿勢制御などと関連した制御動作のための信号処理及び制御装備３２がさらに備えられることができ、外部面には該当装備３２で発生する熱を放出するための放熱フィン３４が形成できる。しかしながら、このような装備３２は別途のハウジングを有する別途の装置で具現されて、アンテナの外部にさらに設置される構造を有することもできる。

多数の放射部２０は、各々放射素子２２と、各々の放射素子２２の背面で該当放射素子２２を支持する反射板２４と、各々の放射部２０の反射板２４を１つの基準点に対して回転可能な状態で該当基準点を中心に位置が固定されるように支持する支持台２８を備える。

各々の放射素子２２は通常的な構造の輻射体及びバルーン構造を有するダイポール素子で構成されることもできるが、後述するように、共振パターンが形成される多数の放射パターン部が形成される輻射体が全体的に前方に凸な部分球面形態をなすように形成され、該当輻射体を支持し、給電するための給電及びバルーン構造を有するダイポール素子で形成できる。各々の反射板２４は放射素子２２に対して凹な部分形態や皿形態を有するように構成できる。

従来のアンテナ構造は、長く伸びる１つの平板型反射板に多数の放射素子が配置される構造を通例的に有しているが、本発明ではこのような構造を採用せず、各々の放射素子別に各々適切な構造の反射板が個別的に設置される構造を有することが分かる。このように、本発明では従来の１つの平板型反射板に多数の放射素子が配置される構造でないので、各放射素子の締結によるＰＩＭＤ（Passive Inter Moduation Distortion）問題が改善されることができ、各々の放射素子が隣接した放射素子に影響を受けないようになるので、各々の放射素子別に最適化した設計が可能でありうる。また、本発明で各々の反射板２４が部分球面形態を有するようになるので、同一体積内で平面形態の反射板に比べて反射板面積をより大きく有することができる。

レドーム１０は、各々の放射部２０の凸な形態の放射素子２２に対応する面が同様に前方に凸な部分球面１２を有するように形成されるが、図４に一層明確に図示したように、レドーム１０の部分球面１２は放射素子２２が上下・左右回転移動をしても常にレドーム１２と放射素子２２との距離は一定に維持できるようにする。これによって、各々の放射素子２２の個別チルトに対する電気的特性が変化が発生しないようにすることができる。また、このような構造のレドーム１０の構造は放射素子の形状に合う最適化した設計によって全体構造がスリムになる。また、抗力係数の面でも球面形態であるので有利であり、風による影響も既存のレドーム構造と対比して減って、設置されるタワーに負担を減少させることができるようになる。特に、アンテナに信号処理及び制御装備３２などが追加される場合に、重さと共に、風による抗力を減らすことが非常に重要であるが、この点で本発明に従うレドーム構造は従来に比べて相当な長所を有するようになる。

図２ａ乃至図２ｅは図１のうちの一放射部の詳細構造図であって、図２ａは放射部の分解斜視図、図２ｂは図２ａの一部結合斜視図、図２ｃは放射部の背面図、図２ｄは放射部の平面図、図２ｅは放射部の上面図を示す。図２ａ乃至図２ｅを参照すると、本発明の一実施形態に従う多数の放射部２０の各々は放射素子２２及び反射板２４と共に、反射板２４の後面の中心部と第１連結棒２６２を通じて第１軸（例えば、Ｙ軸、便宜上、前面に該当する軸）が固定されるように連結される球形構造物２６を備える。球形構造物２６において、上記第１軸と平面上９０度角度をなす第２軸（例えば、Ｘ軸、便宜上、左右面に該当する軸）には少なくとも１つの第２連結棒２６４が少なくても１つのピニオンギア２６６の回転中心軸に固定されるように連結される。

放射部２０の反射板２４を１つの基準点に対して回転可能な状態に支持する支持台２８は、上部支持台２８２と下部支持台２８４が固定されるように結合される構造を有することができるが、上部支持台２８２と下部支持台２８４は各々上記球形構造物２６の上部及び下部を覆いかぶせる構造を有しながら上記球形構造物２６の位置が固定されるようにすることによって、結果的に放射部２０を支持するようになる。

この際、支持台２８は球形構造物２６の第１連結棒２６２が上記球形構造物２６を基準に上下及び左右に予め設定された範囲内で回転可能に溝またはホール構造が形成され、上記球形構造物２６の第２連結棒２６４が上記球形構造物２６を基準に左右に予め設定された範囲内で回転可能に溝またはホール構造が形成される。このような支持台２８はフレーム部３０やレドーム１０の内面にねじ結合などにより固定されるように設置できる。

上記した構造を見ると、第２連結棒２６４に連結されたピニオンギア２６６の回転時に球形構造物２６がこれに従って回転するようになり、結局、第１連結棒２６２が球形構造物２６を基準に上下に回転するようになって、最終的に放射部２０が上下に回転するようになることが分かる。また、第２連結棒２６４を球形構造物２６を基準に左右に回転させれば、結局、第１連結棒２６２が球形構造物２６を基準に左右に回転するようになって、最終的に放射部２０が上下に回転するようになる。

このような球形構造物２６及び支持台２８の連結構造及び球形構造物２６を通じて放射部２０が回転する構造は、球形関節構造（ball and socket joint）を用いた固定及び回転構造と類似することができる。即ち、上記球形構造物２６は球形関節構造のボール（ball）に該当し、上記支持台２８は球形関節構造のソケットに該当する。

この際、放射部２０を球形構造物２６と連結する第１連結棒２６２を直接・間接的に連結される別途の附属肢（例えば、上記第２連結棒２６４など）を用いて上下及び左右に回転させる構造、例えば、方向可変モジュールを備えることによって、放射部２０を上下及び左右に回転させるようになる。

図３ａ乃至図３ｅは、図１のうちの方向可変モジュールの詳細構造図であって、図３ａは方向可変モジュールの一側方向の全体斜視図、図３ｂは方向可変モジュールの他側方向の全体斜視図、図３ｃは方向可変モジュールのうちの上下可変部の主要部斜視図、図３ｄは方向可変モジュールのうちの左右可変部の主要部斜視図、図３ｅは図３ｄの左右可変状態を示す関連部の平面図を示す。図３ａ乃至図３ｅを参照すると、本発明の一実施形態に従う方向可変モジュールは、上記球形構造物２６の少なくとも１つの第２連結棒２６４に設置された少なくとも１つのピニオンギア２６６と連結されるために上下に長く伸びた少なくとも１つのラックギア部４０と、上記少なくとも１つのラックギア部４０が上下に移動可能にしながら、上記ラックギア部４０を支持し、上記球形構造物２６の垂直軸（例えば、Ｚ軸）を基準に左右に回転可能に設置される上下可変部５０と、上記上下可変部５０を上記球形構造物２６の垂直軸（Ｚ軸）を基準に左右に回転させる左右可変部６０とを含んで構成する。

上下可変部５０は、第１モータ５２により回転される少なくとも１つの第１回転ギア５４を備え、少なくとも１つの第１回転ギア５４は上記ラックギア部４０で上記第２連結棒２６４のピニオンギア２６６と連結される面または他の面に形成されるラックギア構造と連結されるように構成される。これによって、第１モータ５２の回転によりこの時に第１回転ギア５４が回転し、これと連結されるラックギア部４０が上下に移動するようになり、結局、第２連結棒２６４のピニオンギア２６６を回転させるようになる。

上記第１モータ５２及び少なくとも１つの第１回転ギア５４は、ガイド／固定構造物５６に固定されるように設置できるが、ガイド／固定構造物５６は、上記ラックギア部４０を上下に溝構造に嵌めて移動可能に支持するための構造と、上記球形構造物２６の垂直軸（Ｚ軸）を基準に左右に回転可能に設置されるための構造を有する。例えば、ガイド／固定構造物５６は、図２ａ乃至図２ｅに図示された支持台２８に固定されながら球形構造物２６の垂直軸（Ｚ軸）に長く延びるように設置される補助支持台５８に一側が嵌まりながら固定される構造を有することができる。勿論、この場合にガイド／固定構造物５６自体は上下に移動しないように設置される。

この際、上記ガイド／固定構造物５６では、一側で上記球形構造物２６の垂直軸（Ｚ軸）を回転中心とする回転ギア構造５６２が一部分形成できる。上記回転ギア構造５６２は、左右可変部６０と連動して回転するようになるが、これによって上下可変部５０が全体的に左右方向に回転するようになり、これに連結されたラックギア部４０が上記球形構造物２６の垂直軸（Ｚ）を基準に回転するようになり、球形構造物２６の第２連結棒２６４が左右に回転するようになって、結局、放射部２０が左右に回転するようになる。

左右可変部６０は、第２モータ６２により回転される第２回転ギア６４を備え、上記第２回転ギア６４は上記ガイド／固定構造物５６の回転ギア構造５６２と噛み合うように構成される。この際、左右可変部６０の第２モータ６２は別途の構造物を通じて完全に固定されるように設置できるが、例えば、上記補助支持台５８の下端と固定されるように連結できる。このような構造を有するので、第２モータ６２の回転によりこの時に第２回転ギア６４が回転し、これと連結される上記ガイド／固定構造物５６の回転ギア構造５６２が回転するようになる。

上記において、ラックギア部４０は多数の放射部２０の各々の球形構造物２６の第２連結棒２６４に形成されたピニオンギア２６６と共通的に連結できる。これによって、１つの上下可変部５０及び左右可変部６０のみを備えることによって、多数の放射部２０の上下及び左右方向を全体的に可変することができる。

その他にも、上記ラックギア部４０と上記多数の放射部２０に共通的に連結されるように構成せず、ラックギア部４０と上下可変部５０及び左右可変部６０が多数の放射部２０別に各々分離されて多数個を備える場合には、各々の放射部２０別に各々異なるように上下及び左右方向を可変する構造を有することもできる。この場合には、たとえ備えられる部品数が増加するようになるが、より最適化し、精密なビームパターンの形成のためにはこのような構造を採用する余地がある。また、この場合にはラックギア部４０を備える必要無しで、上下可変部５０が球形構造物２６の第２連結棒に設置されたピニオンギア２６６を直接的に回転させるように構成することができる。

上記のような本発明の実施形態に従うアンテナ構造を見ると、従来の垂直及び水平ビーム可変アンテナではアンテナを回転させるための回転軸が全体的に１つで構成された平板型反射板の上下にありうるが、この場合には回転時に構造的に不安定な面がある。これに比べて、本発明では各放射素子別の回転軸が支持され、アンテナの中間に駆動部を配置することができるので、回転時に不安定な部分が相当に改善できる。

また、本発明では球形関節形態の回転軸を具現することによって、上下左右運動を１つの中心点（球形構造物の中心）を基準に具現することができるので、機構的な駆動部のサイズを最小化することができ、これによって全体アンテナのボリュームを減らし、重さを減らすことができるようになる。

図５は、本発明の他の実施形態に従う移動通信システム用可変ビーム制御アンテナの構造を示す概略的な分解斜視図である。図５を参照すると、本発明の他の実施形態に従うアンテナは、信号が放射される前面に形成されるレドーム１０’と、垂直に２列ずつ配列される多数の放射部２０、２０’と、レドーム１０’と垂直に２列ずつ配列される多数の放射部２０、２０’を支持するフレーム部３０’と、垂直に２列ずつ配列される多数の放射部２０、２０’の放射方向を可変する方向可変モジュールを備える。図５に図示された構造は、上記図１乃至図４に図示された第１実施形態に従う構造で放射部２０及びこれと関連した構造を２列ずつ（二重に）配列した構造であることが分かる。各構成部の詳細構造は、上記第１実施形態に従う構造と類似することができる。

上記のように、本発明の実施形態に従う移動通信システム用可変ビーム制御アンテナが構成されることができ、一方、上記の説明では本発明の具体的な実施形態に対して説明したが、その他にも本発明の構造に対する多様な変形や変更がありうる。

例えば、上記図５の図示と類似するように、本発明の他の実施形態では２列または３列以上に放射部が配列されることも構成されることができ、この場合、少なくとも１つの列の放射部が本発明に従う構造を採用することと構成することもできる。

また、本発明の他の実施形態では電気的垂直ビームチルトを具現するために追加的に多重位相遷移器（phase shifter）を設置することができるが、この場合に、多重位相遷移器をラックギア部４０に装着することができる。これによって、多重位相遷移器がラックギア部と共に移動及び回転できるので、多重位相遷移器と各々の放射素子間の連結ケーブルが捩れることを防止し、連結ケーブルに加えられるストレスを減らすことができるようになる。

また、上記の説明において、ラックギア部４０が２つ備えられる場合に、２つのラックギア部４０を安定に支持するために、２つのラックギア部４０の間に適正位置で互いに固定するための別途の固定構造物と、ラックギア部４０の上下及び回転移動をガイドしながら追加的なガイド構造物がさらに備えられることもできる。

１０，１０’ ・・・レドーム
１２ ・・・部分球面
２０，２０’ ・・・放射部
２２ ・・・放射素子
２４ ・・・反射板
２６ ・・・球形構造物
２８ ・・・支持台
３０ ・・・フレーム部
３２ ・・・信号処理及び制御装備
３４ ・・・放熱フィン
４０ ・・・ラックギア部
５０ ・・・上下可変部
６０ ・・・左右可変部
２６２ ・・・第１連結棒
２６４ ・・・第２連結棒
２６６ ・・・ピニオンギア

Claims (7)

1. 移動通信システム用可変ビーム制御アンテナであって、
   信号が放射される前面に形成されるレドームと、
   垂直に少なくとも１列以上配列される多数の放射部と、
   前記レドームと前記多数の放射部を支持するフレーム部と、
   前記多数の放射部の放射方向を可変するために、前記多数の放射部別に各々１つの基準点に対して上下及び左右に回転させる方向可変モジュールと、
   を含み、
   前記多数の放射部は、各々、
   １つの放射素子と、
   前記１つの放射素子の背面で該当放射素子を支持する１つの反射板と、
   前記反射板と第１連結棒を通じて連結される球形構造物と、
   前記球形構造物を球形関節構造で支持する支持台と、
   を含み、
   前記方向可変モジュールは、前記第１連結棒を直接・間接的に連結される別途の附属肢を用いて上下及び左右に回転させる構造を有し、
   前記別途の附属肢は、
   前記第１連結棒と前記反射板とが連結される球形構造物の第１軸と平面上９０度角度をなす第２軸に形成される少なくとも１つの第２連結棒であり、
   前記少なくとも１つの第２連結棒は、少なくとも１つのピニオンギアの回転中心軸に固定されるように連結されることを特徴とする、可変ビーム制御アンテナ。
2. 前記方向可変モジュールは、
   前記球形構造物の少なくとも１つの第２連結棒に設置された少なくとも１つのピニオンギアと連結されるために上下に長く伸びた少なくとも１つのラックギア部と、
   前記少なくとも１つのラックギア部が上下に移動可能にしながら、前記ラックギア部を支持し、前記球形構造物２６の垂直軸を基準に左右に回転可能に設置される上下可変部と、
   前記上下可変部を前記球形構造物の垂直軸を基準に左右に回転させる左右可変部と、
   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. 前記ラックギア部は、前記多数の放射部の各々の球形構造物の第２連結棒に形成されたピニオンギアと共通的に連結されることを特徴とする、請求項２に記載の可変ビーム制御アンテナ。
4. 前記フレーム部には該当アンテナの送受信信号増幅及びフィルタリングのための信号処理動作とアンテナの姿勢制御のための制御動作のための信号処理、及び制御装備が備えられ、外部面には熱を放出するための放熱フィンが形成されることを特徴とする、請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の可変ビーム制御アンテナ。
5. 前記多数の放射部の各々の放射素子は、輻射体及びバルーン構造を有するダイポール素子で構成され、前記輻射体は全体的に前方に凸な部分球面形態をなすように形成され、 前記多数の放射部の各々の反射板は前記放射素子に対して凹な部分を有する部分球面形態または皿形態を有するように形成されることを特徴とする、請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の可変ビーム制御アンテナ。
6. 前記レドームは、多数の放射部の各々凸な形態の放射素子に対応する面が同様に前方に凸な部分球面を有するように形成されることを特徴とする、請求項５に記載の可変ビーム制御アンテナ。
7. 電気的垂直ビームチルトのために、多重位相遷移器（phase shifter）が前記ラックギ
   ア部に装着されることを特徴とする、請求項２または３に記載の可変ビーム制御アンテナ。

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