KR100392129B1 - 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 무선통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위해 사용되는 섹터안테나에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 신호를 송수신하는 복사소자로써 델타루프(Delta-loop) 어레이 구조를 사용함으로써 안테나의 제반 특성이 우수하고 대역폭이 넓은 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 무선통신 기지국용 안테나는 일반적으로 다이폴 구조의 복사체가 사용되는데, 이러한 다이폴 복사소자는 소자 자체가 가지는 대역폭이 10% 이내로 좁을 뿐만 아니라, 섹터 안테나 형태로 구성되었을 경우 주파수에 따라 빔폭의 변화가 크며, 사용 대역폭 이외의 대역에서는 전압정재파비 특성과 이득이 급격하게 감소하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 넓은 주파수 대역에서 균일한 복사특성을 갖는 델타 루프 복사소자를 사용하여 차세대 이동통신과 같은 광대역 시스템의 서비스 품질을 높일 수 있으며, 광대역 특성에 따라 하나의 안테나로 다중 대역을 서비스할 수 있어 설치되는 안테나 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 기지국 철탑 등의 기반 시설들을 그대로 이용할 수 있으므로 시스템 구축비용의 절감이 가능하다고 하는 효과를 갖는다.

Description

델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나{Wideband sector antenna by using the Delta-loop radiating elements}

본 발명은 각종 무선통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위해 사용되는 섹터안테나에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 신호를 송수신하는 복사소자로써 델타루프(Delta-loop) 어레이 구조를 사용함으로써 안테나의 제반 특성이 우수하고 대역폭이 넓은 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 이동통신 기지국 안테나는 통상 다이폴(dipole) 구조의 복사체가 사용되거나 상기 다이폴을 일부 변형한 구조가 사용되기도 한다. 도 1은 종래기술에 따른 다이폴 어레이 섹터 안테나의 구성도로서, 40°의 수평빔폭을 구현하기위해 2개의 다이폴을 수평으로 배열한 것을 다시 수직으로 2단 어레이(array)를 한 구조이다. 이러한 다이폴 복사소자는 소자 자체가 가지는 대역폭이 10% 이내로 협대역일 뿐만 아니라, 섹터 안테나 형태로 구성되었을 경우 주파수에 따라 빔폭의 변화가 크며, 사용 대역폭 이외의 대역에서는 안테나의 정합 상태를 나타내는전압정재파비(VSWR;Voltage Standing Wave Ratio) 특성이 현저하게 나빠지고 이득(gain)이 감소한다고 하는 단점이 있다.

일반적으로 기존의 이동통신 서비스에서는 셀룰러 이동전화의 경우 대역폭 70MHz로써 {70/859}×100=8.15%이고, 개인휴대통신의 경우 대역폭 120MHz로써 {120/1810}×100=6.63%인 것과 같이 주파수 대역이 광대역이 아니기 때문에 복사소자로서 기존의 다이폴 구조를 적용하여도 충분히 사용이 가능했으나, 향후 서비스될 차세대 이동통신용 주파수나 개인휴대통신에서 차세대 이동통신에 이르는 이중대역의 광대역에서는 차세대 이동통신의 경우 1920∼2170MHz이므로 {250/2045}×100=12.23% 대역폭이고, 이중대역의 경우 1750∼2170MHz이므로 {420/1960}×100=21.4% 대역폭이므로 기존의 다이폴 소자 자체가 갖는 대역폭의 한계 때문에 소정의 전압정재파비, 대역내에서의 빔폭의 변화정도, 이득의 변화정도 등 제반 특성을 구현하기가 불가능하다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차세대 이동통신의 단일 대역이나 개인휴대통신에서 차세대 이동통신에 이르는 이중대역의 넓은 주파수 대역에서 균일한 복사특성을 갖는 델타 루프 복사체를 사용함으로써 광대역 이동통신 시스템에 있어서 서비스 품질을 높일 수 있으며, 기존의 개인휴대통신 안테나가 설치된 기지국의 경우는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나로 교체하는 것만으로 개인휴대통신과 차세대 이동통신의 어느 것이든 서비스할 수 있어 설치되는 안테나 수를 줄일 수 있을 뿐만아니라, 기존의 기지국 철탑 등을 그대로 이용함으로써 비용절감이 가능한 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 다이폴 어레이 섹터 안테나의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 구성도.

도 3a는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 요부인 델타 루프 복사체의 구조도.

도 3b는 도 3a를 간략화한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 신호급전을 위한 분배기의 구조도.

도 5는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 급전수단인 브리지형 parallel line의 구조도.

도 6은 본 발명에 따른 스델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 전압 정재파비 특성.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11, 21, 41. 반사판 12, 22. 초크 반사기

13, 23, 43. 급전 케이블 14, 24, 44. 분배기

15. 다이폴 소자 25, 38. 복사체 지지수단

26, 36. 델타 루프 복사체 27, 35. 스냅 링(snap ring)

31, 48, 51. 브리지형 parallel line 32. 에어스트립 지지수단

33. 스페이서(spacer) 34, 46, 임피던스 변환기

37, 47, 52. 접지 분배기 42. 콘넥터

45. 케이블 지지수단

본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나는 전파를 복사하기 위한 델타 루프 복사체; 상기 델타 루프 복사체를 소정의 위치에 고정, 지지하기 위한 복사체 지지수단; 상기 델타 루프 복사체에 신호를 급전하기 위한 급전수단인 브리지형 parallel line; 상기 델타 루프의 접지를 유지시켜 주는 접지 분배기; 다수의 델타 루프에 신호를 분배하여 공급하는 분배기; 상기 분배기와 브리지형 parallel line과의 임피던스 정합을 위한 임피던스 변환기; 상기 분배기를 소정의 간극(間隙)을 유지하면서 고정하기 위한 에어스트립 지지수단과 스페이서; 상기 분배기에 신호를 공급하기 위한 급전 케이블; 상기 다수의 델타 루프 복사체와 분배기 및 이들을 지지하기 위한 구성요소들이 고정되되, 소정 크기를 갖고 상기 델타 루프 복사체와 소정의 이격 거리를 가짐으로써 전파를 반사시키는 반사판; 및 상기 반사판에 장착되되 상기 델타 루프 복사체와 소정의 간격을 두고 길이 방향으로 좌우에 설치되어 사이드로브(side lobe)를 감소시키기 위한 초크 반사기를 포함한다.

이하 첨부하는 도면에 따라 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 각부 특성 및 동작원리를 상세히 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 다이폴 어레이 섹터 안테나의 구성도로서 도전성 금속재로 구성된 다이폴소자(15)가 2단×2열로 어레이(array)된 구조이다. 도 1의 안테나는 수평면에서 40°의 빔폭을 구현하기 위해 반사판(11) 위의 소정 위치에 2개의 다이폴 소자(15)를 수평으로 배열한 것을 다시 수직으로 2단 배열한 것이며, 급전 케이블(13)로부터 입력되는 신호를 각 다이폴 소자에 급전하는 것은 분배기(14)를 통해 이루어진다. 또한, 상기 반사판의 양측에 길이방향으로 길게 구비된 초크 반사기(12)는 양측면으로의 불요 복사를 감소시킴으로써 안테나의 사이드로브(side lobe)를 억제하는 효과가 있다.

도 2는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 구성도로서, 상기 도 1에서와 동등한 40°의 빔폭을 갖는 안테나를 구현하기 위해 본 발명에 따른 델타 루프 복사체(26)를 수직으로 2단 어레이한 형태이다. 이와같이 구성함으로써 종래의 다이폴 구조에 비해 광대역 특성을 얻을 수 있으며, 실제 안테나에서는 상기 델타 루프 복사체를 여러단 연결하여 원하는 이득(gain) 특성을 얻을 수 있다.

상기와 같은 델타 루프 복사체의 개념은 평면도체의 중앙에 사각 형상의 슬롯(slot)을 구성하여 전파가 복사되도록 한 구조에서 도체부의 테두리면을 작게 줄여도 안테나로 동작한다는 점을 이용한 것으로, 낮은 Q값으로 인해 넓은 대역폭을 가질 수 있으며, 하나의 복사체만으로 다이폴 2개가 어레이된 것과 같은 효과를 갖기 때문에 크기를 줄이면서도 광대역, 고이득 안테나의 구현이 용이하다고 하는 장점이 있다. 즉, 상기 도 1과 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이 동일한 이득과 수평 빔폭을 갖기 위해 종래 기술에 따른 도 1에서는 4개의 다이폴 소자가 사용되는 반면 본 발명에 따른 도 2에서는 2개의 델타 루프 복사체만이 사용되므로 소자의 수를 줄일 수 있고, 또한 도 1에서 2단×2열로 구성되는 것을 도 2에서는 델타 루프 복사체 2단만으로 구성할 수 있으므로 안테나의 크기가 현저하게 감소되는 것이다.

도 2에서 안테나의 동작은 급전 케이블(23)에 의해 급전된 신호를 중앙의 분배기(24)를 통해 2개로 나누고, 이 신호는 브리지형 parallel line을 통해 델타 루프 복사체(26)로 전달된다. 또한, 상기 델타 루프 복사체에서는 중앙부분의 급전부를 통해 다시 각각 2개로 분기가 되면서 좌우 2개의 루프로 급전이 되는데, 이와같이 맞닿아 있는 형상의 2개의 루프가 각각 하나의 다이폴처럼 동작을 하면서 전체적으로 2개의 다이폴이 어레이된 것과 같은 효과가 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 요부인 델타 루프 복사체의 구조도로서, 복사 소자의 양쪽 끝에서부터 중심부분의 급전점으로 갈수록 폭이 작아져 하나의 루프가 마치 그리스 문자의 델타(Δ) 형상으로 구성된다. 도 3a에서 상기 델타 루프 복사체에의 급전 방식은 금속재질(본 발명의 실시에서는 황동판)을 이용한 에어 스트립라인(air stripline)에 의한 직접 급전방식을 이용함으로써 일반적인 마이크로 스트립라인에 비해 비용절감 및 유전체 손실을 줄일 수 있다. 상기 델타 루프 복사체와 에어 스트립라인과의 접속은 납땜 등으로 견고하게 고정한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 델타 루프의 재질을 황동을 사용하였으나 대량생산시 제작 단가를 낮추고 복사체의 치수를 동일하게 할수 있도록 인쇄회로기판(PCB;Printed Circuit Board)에 제작하여 사용할 수도 있다.

도 3b는 도 3a를 간략화한 도면으로서, 본 발명의 실시예에 따른 델타 루프복사체의 크기는 폭(도 3b에서 W)이 0.85λ(λ는 사용 주파수의 파장)이고 높이(도 3b에서 H)가 0.4λ인 삼각 형상(그리스 문자Δ형상)을 기본 구조로 한다. 이때, 델타 루프는 급전점을 중심으로 2개의 다이폴이 어레이된 것과 같은 효과를 가지게되며(도 3b에서 '하나의 다이폴로 동작'이라 표시된 부분), 상기와 같은 기본 구조에서 델타 루프의 수평 빔폭은 약 40°이다.

도 4는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 신호 급전을 위한 분배기의 구조도이다. 도 4에서 콘넥터(42)에 인력된 신호는 동축형 급전 케이블(43)을 거쳐 분배기(44)에 인가된다. 이때, 상기 급전 케이블과 분배기간의 접속은 납땜 등으로 연결되며 케이블 지지수단(45)에 의해 그 높이가 일정하게 유지되도록 한다. 상기 분배기를 거친 신호는 상하의 경로로 나뉘어(본 발명의 실시예에서는 2분배) 브리지형 parallel line(48)을 통해 각각의 델타 루프 복사체에 급전되는데, 상기 분배기와 브리지형 parallel line 사이에는 임피던스 정합을 위한 임피던스 변환기(46)가 구비되어 있고, 상기 브리지형 parallel line의 접지측에는 접지 분배기(47)가 구비되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 급전수단인 브리지형 parallel line의 구조도로서 본 발명에 따른 델타 루프의 경우 복사체의 위·아래 수직으로 급전을 하여야 하기 때문에 복사소자를 수직으로 어레이할 경우 각 복사체에의 급전을 용이하게 하기 위하여 일자(一字)형으로 구성함으로써 브리지형 parallel line(51)과 접지 분배기(52)에 의해 각각의 델타 루프 복사체에 급전하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나의 전압정재파비 특성이다. 도 6에서 1번으로 표시된 1.85GHz에서부터 2번으로 표시된 2.25GHz까지는 모두 전압정재파비 1.5 이하인 주파수 대역으로써 약 400MHz 정도의 광대역임을 알 수 있다. 따라서, 이때의 대역폭은 중심주파수가 2050MHz이므로 {400/2050} ×100=19.5%이다.

따라서, 본 발명에 따른 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나는 넓은 주파수 대역에서 균일한 복사특성을 갖는 복사소자를 사용하여 차세대 이동통신의 서비스 품질을 높일 수 있으며, 광대역 특성에 따라 하나의 안테나로 다중 대역을 서비스할 수 있어 설치되는 안테나 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 기지국 철탑 등을 그대로 이용할 수 있으므로 함으로써 비용절감이 가능하다고 하는 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 무선통신 시스템에서 전파를 송수신하기 위한 섹터 안테나에 있어서,

   전파를 복사하기 위한 델타 루프 복사체;

   상기 델타 루프 복사체를 소정의 위치에 고정, 지지하기 위한 복사체 지지수단;

   상기 델타 루프 복사체에 신호를 급전하기 위한 급전수단인 브리지형 평행라인(Parallel line);

   상기 델타 루프의 접지를 유지시켜 주는 접지 분배기;

   다수의 상기 델타 루프에 신호를 분배하여 공급하는 분배기;

   상기 분배기와 브리지형 평행라인과의 임피던스 정합을 위한 임피던스 변환기;

   상기 분배기를 소정의 간극(間隙)을 유지하면서 고정하기 위한 에어스트립 지지수단과 스페이서;

   상기 분배기에 신호를 공급하기 위한 급전 케이블;

   상기 다수의 델타 루프 복사체와 분배기 및 이들을 지지하기 위한 구성요소들이 고정되되 소정의 크기를 갖고 상기 델타 루프 복사체와 소정의 이격 거리를 가짐으로써 전파를 반사시키는 반사판; 및

   상기 반사판에 장착되되 상기 델타 루프 복사체와 소정의 간격을 두고 길이 방향으로 좌우에 설치되어 안테나의 사이드로브를 감소시키기 위한 초크 반사기를 포함하는 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 델타 루프는 평면도체의 중앙에 델타(Δ) 형상의 슬롯이 구성되고 중앙부분의 급전부를 통해 다시 2개로 분기되어 좌우 2개의 루프로 급전되도록 구성되어, 맞닿아 있는 형상의 2개의 루프가 각각 하나의 다이폴처럼 동작을 하면서 전체적으로 2개의 다이폴이 어레이된 것과 동등한 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 델타 루프의 재질은 전도성이 우수한 황동 또는 알루미늄과 같은 금속재를 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 델타 루프의 재질은 정밀한 치수 관리와 경량화 및 균일한 특성유지를 위해 프린트 기판 위에 프린트된 패턴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 델타 루프 복사체에 급전하기 위한 수단으로서 접지 분배기 부분을 브리지형으로 구성한 평행라인 급전 구조를 이용함으로써 델타 루프 복사체를 수직으로 어레이할때 급전을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 델타 루프 복사소자를 이용한 광대역 섹터 안테나.