JP6282726B2 - 狭いビーム幅を有する無線通信アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムにおける基地局や中継器に使用される無線通信アンテナ（以下‘アンテナ’と称する）に関し、特に、狭いビーム幅を有するようにするための無線通信アンテナに関する。

無線通信システムの中継器などの基地局に使用されるアンテナは、多様な形態及び構造を有しており、最近、無線通信アンテナは偏波ダイバーシティ方式を適用して二重偏波アンテナ構造を一般的に使用している。

二重偏波アンテナは、通常、例えば、４個のダイポール形態の放射素子が縦方向に直立する少なくとも一つの反射板上に四角形状やひし形状で適切に配置される構造を有する。４個の放射素子は、例えば、相互対角線方向に位置する放射素子同士でペアになって、各放射素子のペアが、例えば、垂直（または水平）に対して＋４５度及び−４５度で整列される、相互直交する２個の線形偏波のうち対応する一つの線形偏波を送信（または受信）するために使用される。

このような二重偏波アンテナの例としては、Ｋａｔｈｒｅｉｎ−Ｖｅｒｋｅ Ｋａｇｅにより韓国で先出願された韓国出願特許第２０００−７０１０７８５号（名称：二重偏波多重帯域アンテナ）が挙げられる。

一方、無線通信アンテナにおける各放射素子（及び放射素子の組合せにより）で発生する放射ビームの水平ビーム幅は、当該アンテナの非常に主要な特性の一つであり、使用条件及び環境に要求されるビーム幅を満たすために放射素子及びアンテナ全体設計において不断な研究が行われている。この時、当該アンテナがより広いカバレッジを有するようにするためには、最大にビーム幅をひろめる方向に研究が進行され、より狭いカバレッジを有するようにするためには、最大にビーム幅を狭める方向に研究が進行されている。

狭いビーム幅と共にサイドローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）特性が優秀な無線通信アンテナは、競技場または大型公演場などのように、多くの加入者が特定地域に集中した場合に設置され得る基地局（例えば、小型または超小型基地局／中継器）に適用されるのに好ましい。すなわち、多くの加入者が特定地域に集中した場合には、当該基地局／中継器の処理可能な容量を考慮して、それに適用される無線通信アンテナは、狭いビーム幅を有するように設計される。また、事業者は、このように狭いビーム幅の無線通信アンテナを有する基地局／中継器を当該地域に密に設置して多くの加入者に対する処理容量を確保する。

図１は、一般的な狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの平面構造図であって、一つの反射板１０上に各々Ｘ偏波を発生する４個の放射モジュール１１，１２，１３，１４が四角形状の配置構造に設置された状態を示す。狭いビーム幅を有する無線通信アンテナは、このような４個の放射モジュール１１，１２，１３，１４の放射ビームが合成されて一つの（狭いビーム幅を有する）放射ビームを形成するようにする。この時、４個の放射モジュール１１，１２，１３，１４のそれぞれの放射ビームが適切に合成されるように、各４個の放射モジュール１１，１２，１３，１４間の間隔（ｄ）が精密に設定される。通常、狭いビーム幅は、当該処理周波数対比一定の距離をおいて設定されるが、狭いビーム幅であるほど放射モジュールの間の距離はより離隔されるべきである。

しかし、通常、狭いビーム幅を有する無線通信アンテナは、小型または超小型基地局／中継器に適用されるので、このように、４個の放射モジュール１１，１２，１３，１４を利用してアンテナを設計する場合に、当該アンテナのサイズが相当な負担になる。したがって、小さなサイズを有すると共に狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの必要性が切実に要求されている。

韓国特許出願番号第２０００−７０１０７８５号

したがって、本発明の目的は、より小さなサイズを有すると共に、より狭いビーム幅を発生させるようにするための無線通信アンテナを提供することにある。

本発明の他の目的は、小型または超小型基地局／中継器に適用されるのに好ましい狭いビーム幅を有する無線通信アンテナを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、狭いビーム幅を有する無線通信アンテナであって、四角形状の板の形態で設けられる反射板と、上記反射板上に設置されＸ偏波を発生する一つの放射モジュールとを含み、上記放射モジュールは、４個のダイポール構造の放射素子で構成され、上記４個の放射素子は上記反射板の４個の隅に各々配置され、各々２個の放射アームが上記隅を基準にして両側辺に沿って伸張する方向に配置されるように構成され、上記４個の放射素子のうち対角線方向に互いに対して対向する放射素子同士で連動して上記Ｘ偏波のうち各々一つの偏波を発生することを特徴とする。

上記で、４個の放射素子のうち対角線方向に互いに対して対向する放射素子の間の距離は、処理周波数対比１λの範囲内で最大に離隔されるように構成されてもよい。

上記で、反射板は、上記４個の放射素子の設置領域を逸脱して実質的に外側に延長される領域がないように設計されることができる。

上記で、４個の放射素子のそれぞれのビームが放射される方向で固定されるように設置される導電性材質の４個のディレクタをさらに含むことができる。

上記で、反射板上で、上記４個の放射素子により形成される上記放射モジュールの真ん中に、Ｘ偏波を発生する放射モジュールをさらに有することができる。

上記した通り、本発明による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナは、より小さなサイズを有すると共に、より狭いビーム幅を発生させることができ、小型または超小型基地局／中継器に適用されるのに好ましい構造を有する。

一般的な狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの平面構造図である。 小型または超小型中継器／基地局に設置されるのに好ましいと考慮される無線通信アンテナの構造例示図である。 小型または超小型中継器／基地局に設置されるのに好ましいと考慮される無線通信アンテナの構造例示図である。 本発明の比較構造として考慮される、Ｘ偏波を発生する一つの放射モジュールを有する無線通信アンテナの構造図である。 本発明の比較構造として考慮される、Ｘ偏波を発生する一つの放射モジュールを有する無線通信アンテナの構造図である。 図３ａ及び図３ｂのアンテナの放射特性を示すグラフである。 図３ａ及び図３ｂのアンテナの放射特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの平面構造図である。 図５のアンテナの放射特性を示すグラフである。 図５のアンテナの放射特性を示すグラフである。 図５のアンテナの変形構造に対する一例を示す斜視図である。 図７のアンテナの放射特性を示すグラフである。 図７のアンテナの放射特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの構造図である。 本発明の第２の実施形態による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの構造図である。 図９ａ及び図９ｂのアンテナの放射特性を示すグラフである。 図９ａ及び図９ｂのアンテナの放射特性を示すグラフである。 図９ａ及び図９ｂのアンテナの変形構造に対する一例を示す斜視図である。

以下、本発明による好ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。下記説明では具体的な構成素子のような特定事項が示されるが、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だけであり、このような特定事項が本発明の範囲内で所定の変形や変更が可能であることは当業者にとっては明らかである。

一般に、タワーのような別途のポールにアンテナが設置される基地局でも同様であるが、特に小型または超小型基地局／中継器の設計時にはそのサイズが非常に重要な要素として考慮され、より小型化のために多角度の研究が行われている。この場合に、小型または超小型基地局／中継器は、図２ａまたは図２ｂに図示されるように、一つの反射板２０上にＸ偏波を発生する放射モジュール（２１または２２）を一つだけ有するものと考慮されてもよい（図２ｂでは、全体的に四角形状及びひし形状に配置される素子を利用してＸ偏波放射モジュールを構成した例が図示される）。

しかし、このように、一つの放射モジュール２１，２２だけを有するようにアンテナを設計する場合に、その設計の特性上、狭いビーム幅を形成するには限界がある。

図３ａ及び図３ｂは、Ｘ偏波を発生する一つの放射モジュールを有する無線通信アンテナの構造を示す平面図及び斜視図であり、図４ａ及び図４ｂは、図３ａ及び図３ｂのアンテナの放射特性を２次元及び３次元的に示すグラフを図示する。図３ａ乃至図４ｂに図示されるように、一つの反射板３０に一つの放射モジュール３１を設置してアンテナを実現する場合に、その放射特性を見ると、ビーム幅は約６３度であり、利得（ｇａｉｎ）は約８．８ｄＢｉであり、サイドローブは約１３ｄＢを示すことが分かる。

図３ａ乃至図４ｂに図示されるように、小型化だけを考慮して一つの反射板上にＸ偏波を発生する放射モジュールを一つだけ設置するアンテナを設計する場合にはそのビーム幅特性は比較的広く示される。

図５は、本発明の第１の実施形態による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの平面構造図であり、図５における矢印は各放射素子で発生する偏波方向を示し、図６ａ及び図６ｂは、図５のアンテナの放射特性を２次元及び３次元的に示すグラフを図示する。図７は、図５のアンテナの変形構造に対する一例を示す斜視図であり、図８ａ及び図８ｂは図７のアンテナの放射特性を２次元及び３次元的に示すグラフを図示する。

図５乃至図８ｂを参照すれば、本発明の第１の実施形態による無線通信アンテナは、反射板４０上にＸ偏波を発生する一つの放射モジュール４１を有するが、放射モジュール４１は４個のダイポール構造の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４で構成される。この時、４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４は、各々四角形状の反射板４０の４個の隅に各々配置される。この時、対角線方向に互いに対して対向する放射素子４１１＋４１３，４１２＋４１４が連動して、Ｘ偏波のうち各々一偏波を発生するように給電網（図示せず）を形成する。

また、４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４は、一般的なダイポール構造と同様に、各々バルーン構造の支持台（ｂ）により支持される２個の放射アームａｌ，ａ２で構成されるが、２個の放射アームａｌ，ａ２は、各々当該放射素子が設置された隅を基準にして直角な両側辺に沿って伸張する方向に配置されるように構成される。すなわち、このような構成によって、４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４それぞれの平面構造は全体的に‘π’字形態で構成される。

この時、狭いビーム幅を有するために、対角線方向に互いに対して対向する放射素子４１１＋４１３，４１２＋４１４の間の距離（ｄ）は、当該処理周波数対比１λの範囲内で最大に離隔されるように構成されるが、例えば、アンテナ放射パターンのサイドローブ特性を考慮して距離が決定されてもよい。また、この場合に反射板４０は、上記４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４の設置領域を逸脱して実質的に外側に延長する領域がなく、最小限のサイズを有するように設計されてもよい。

上記した構造を見ると、本発明の第１の実施形態によるアンテナは、グラウンドの役割をする反射板４０の面積を最大に活用する構造として、反射板４０の隅に各放射素子を配置して放射素子間の離隔距離を最大化させ、各放射素子の放射アームの形態を反射板４０の隅の形態に合わせることで、狭いビーム幅を有するアンテナを形成する構造であることが分かる。

図６ａ及び図６ｂを参照すれば、図５に図示される本発明の第１の実施形態によるアンテナを実現する場合に、その放射特性は、ビーム幅は約４３度の非常に狭いビーム幅を有し、利得は、約８．７ｄＢｉであり、サイドローブは約９ｄＢで示されることが分かる。

一方、上記した構造を有する本発明の第１の実施形態によるアンテナの放射特性のうち、利得とサイドローブ特性は、比較的満足できないことが分かる。これは、反射板４０が放射素子４１１，４１２，４１３，４１４に比べてその面積が小さいため発生することであり、これを解消するために、図７に図示されるように、本発明の第１の実施形態の変形構造では、それぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４のそれぞれのビームが放射される方向に各々ディレクタ（ｄｉｒｅｃｔｏｒ：４２１，４２２，４２３，４２４）を設置する。

ディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４は、電波がよく流れる導電性材質の金属体で構成され得るが、それぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４で発生する偏波方向に沿って長く形成される金属棒の形態を有してもよい。それぞれのディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４は、それぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４の上部で離隔されるように設置されるが、この時にそれぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４で両放射アームａｌ，ａ２間の給電部と対応する上部に設置されることが好ましい。

また、それぞれのディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４は、別途の支持構造（図示せず）を通して反射板４０上に、または、それぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４上に固定されるように設置される。このような支持構造は、放射特性に可能な限り影響を与えないように、プラスチック、ＰＥのような合成樹脂素材などで構成され得、ネジ結合構造を通してそれぞれのディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４及び反射板４０と固定される構造を有してもよい。

上記した支持構造をはじめ、当該それぞれのディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４の全体的なサイズ、形態及び設置位置などは、当該放射素子で放射される放射ビームの特性を測定して実験的に、または当該特性をシミュレーションして適切に設計される。

このような、ディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４は、それぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４で発生する放射ビームの方向を前方向に誘導する役割をして、全体的なアンテナのビーム幅をより減らすと共に、サイドローブの特性も良好にする。

図８ａ及び図８ｂを参照すれば、図７に図示されるようなディレクタを有するアンテナを実現する場合に、その放射特性は、ビーム幅は約３７度であり、利得は約１０．５ｄＢｉであり、サイドローブは１３ｄＢで示されることが分かる。

図９ａ及び図９ｂは、本発明の第２の実施形態による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの構造図であり、図１０ａ及び図１０ｂは、図９ａ及び図９ｂのアンテナの放射特性を２次元及び３次元的に示すグラフを図示する。図９ａ乃至図１０ｂに図示される本発明の第２の実施形態によるアンテナは、図５に図示される第１の実施形態の構造と類似であるが、サイドローブ特性を良好にすると共にビーム幅をより減らすために、反射板４０の真ん中に、すなわち４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４により形成される放射モジュールの真ん中に、Ｘ偏波を発生する別途の放射モジュール４３をさらに有する構造を有する。

放射モジュール４３は、４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４の真ん中でＸ偏波を発生するように構成され、このような放射モジュール４３を含むことによって、４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４を含む全体放射素子の間の配列間隔が狭くなり、全体的なアンテナの利得及びサイドローブの特性も良好にする。すなわち、放射モジュール４３及び４個の放射素子４１１，４１２，４１３，４１４間の離隔距離は、当該処理周波数対比０．５λの範囲内で設定される。図１０ａ及び図１０ｂを参照すれば、図９ａ及び図９ｂに図示されるような放射モジュール４３を有するアンテナを実現する場合に、その放射特性は、ビーム幅は約３８度であり、利得は約１０．５ｄＢｉであり、サイドローブは１５ｄＢで示されることが分かる。

図１１は、図９ａ及び図９ｂのアンテナの変形構造に対する一例を示す斜視図である。図１１を参照すれば、アンテナで放射されるビーム幅をより狭めるために、本発明の第２の実施形態の変形構造では、図７に図示されるように、それぞれの放射素子４１１，４１２，４１３，４１４のそれぞれのビームが放射される方向に各々ディレクタ４２１，４２２，４２３，４２４が設置される。

上記のように本発明の一実施形態による狭いビーム幅を有する無線通信アンテナの構成及び動作が行われることができ、一方、上記した本発明の説明では具体的な実施形態に関して説明したが、多様な変形が本発明の範囲を逸脱しない範囲で実施できる。

例えば、上記の説明では、図９ａ及び図９ｂに図示される第２の実施形態の構造において、反射板４０の真ん中に設置される放射モジュール４３の詳細構造は、多様な構造の放射素子を利用して全体的にＸ偏波を発生させるように多様な構造で実現できる。

同様に、本発明の多様な変形及び変更が可能であり、従って、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められず、特許請求の範囲と、特許請求の範囲と均等なものとによって定められるべきである。

２１、２２ 放射モジュール
３０ 反射板
３１ 放射モジュール
４０ 反射板
４１ 放射モジュール
４１１、４１２、４１３、４１４ 放射素子
４２１、４２２、４２３、４２４ ディレクタ
４３ 放射モジュール
ａ１、ａ２ 放射アーム

Claims (5)

1. 狭いビーム幅を有する無線通信アンテナであって、
   四角形状の板の形態で設けられる反射板と、
   前記反射板上に設置され、Ｘ偏波を発生する一つの放射モジュールとを含み、
   前記放射モジュールは、４個のダイポール構造の放射素子で構成され、
   前記４個の放射素子は、前記反射板の４個の隅に各々配置され、各々２個の放射アームが前記隅を基準にして両側辺に沿って伸張する方向に配置されるように構成され、
   前記４個の放射素子のうち対角線方向に互いに対して対向する放射素子同士で連動して、前記Ｘ偏波のうちそれぞれの一偏波を発生し、
   前記反射板上で前記４個の放射素子により形成される前記放射モジュールの真ん中に、前記４個の放射素子により発生されるＸ偏波と同一に対応する周波数及び追加的なＸ偏波を発生する別途の放射モジュールをさらに有することを特徴とする、無線通信アンテナ。
2. 前記４個の放射素子のうち対角線方向に互いに対して対向する放射素子の間の距離は、処理周波数対比１λの範囲内で最大に離隔されるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信アンテナ。
3. 前記反射板は、前記４個の放射素子の設置領域を逸脱して実質的に外側に延長する領域がないように設計されることを特徴とする、請求項２に記載の無線通信アンテナ。
4. 前記４個の放射素子のそれぞれのビームが放射される方向で固定されるように設置される、導電性材質の４個のディレクタをさらに含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の無線通信アンテナ。
5. 前記４個のディレクタは、当該設置される放射素子で発生する偏波方向に沿って長く形成される金属棒の形態を有し、当該設置される放射素子の前記２個の放射アーム間の給電部と対応する上部に設置されることを特徴とする、請求項４に記載の無線通信アンテナ。

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