KR100452166B1 - 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나 - Google Patents

다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선통신용 안테나에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 하나의 구동축에 의해 연통(連動)되는 다중 위상기를 구비하고 상기 다중 위상기에 의해 각 복사소자의 급전 선로의 위상값을 변화시킴으로써 안테나의 수직 빔을 소정의 각도만큼 하향시킬 수 있는 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나에 관한 것이다.
종래의 안테나는 각각의 복사소자에 급전하는 동축 급전선로의 길이를 차등적으로 적용하여 제작하거나 복사소자에 일체화된 스트립라인의 길이를 서로 다르개 하여 제작함으로써 틸트 각도가 고정되므로 서비스 운용이나 사용자의 요구에 맞도록 틸트 각도를 조정하기 위해서는 안테나를 교체해야만 하는 문제점이 있었다. 또한, 수직 빔이 고정된 안테나의 클램프에 힌지와 홈을 구성하고 각도 표시를 함으로써 기구적인 빔 틸트가 가능하도록 한 안테나가 안출되었으나 설치하기 위해서 넓은 공간을 필요로 하고 틸트 각도를 조정하기 위해서는 안테나를 해체하여 클램프의 각도를 바꾸거나 안테나 자체를 교체해야만 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 안테나 각도를 변화시키기 위한 구조물 조정이나 안테나의 교체 없이 안테나 외부에서 하나의 조정손잡이만으로 각 복사소자에 급진되는 위상을 제어하여 빔을 틸트시키므로 안테나설치 구조물을 최소화하고 안테나 빔을 원하는 각도로 용이하게 조정할 수 있다.

Description

다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나{Beam tilt antenna by using the variable phase shifter}
본 발명은 무선통신 시스템에 사용되는 기지국 안테나에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 하나의 구동축에 의해 연동(連動)되는 다중 위상기를 구비하고 상기다중 위상기에 의해 각 복사소자의 급전 선로의 위상값을 변화시킴으로써 안테나의 수직 빔을 소정의 각도만큼 하향시킬 수 있는 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나에 관한 것이다.
종래의 안테나는 각각의 복사조에 급전하는 동축 급전선로의 길이를 차등적으로 적용하여 제작하거나 복사소자에 일체화된 스트립라인의 길이를 서로 다르게 하여 제작함으로써 틸트 각도가 고정되므로 서비스 운용이나 사용자의 요구에 맞도록 틸트 각도를 조정하기 위해서는 안테나를 교체해야만 하는 문제점이 있었다. 또한, 수직 빔이 고정된 안테나의 클램프에 힌지와 홈을 구성하고 각도 표시를 함으로써 기구적인 빔 틸트가 가능하도록 한 안테나가 안출되었으나 설치하기 위해서 넓은 공간을 필요로 하고 틸트 각도를 조정하기 위해서는 안테나를 해체하여 클램프리 각도를 바꾸거나 안테나 자체를 교체해야만 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 따른 안테나의 단점을 보완하기 위하여 안출된 것으로, 기지국 시스템에서 안테나 각도를 변화시키기 위한 구조물조정이나 안테나의 교체 없이 안테나 외부에서 조정 손잡이를 조작하여 각각의 복사소자에 급전되는 위상을 제어하여 안테나 빔의 각도를 제어하므로 안테나 설치 구조물을 최소화하고 효과적으로 안테나 빔을 원하는 각도로 조정할 수 있는 다중위상기를 이용한 빔 가변 안테나를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.
도 1a는 종래 기술에 따른 안테나의 외관도와 설치 구조물.
도 1b는 빔 틸트 안테나에 있어서 복사전파의 등위상면을 나타내는 도면.
도 2a는 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 블록도.
도 2b는 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 내부 구조도.
도 2c는 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 복사소자 외관도.
도 3a는 본 발명에 따른 다중 위상기의 외관도.
도 3b는 본 발명에 따른 다중 위상기의 내부 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 외관도.
도 5는 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 외관도와 설치 구조물.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11, 54. 지지파이프 12, 43, 53. 안테나 설치 구조물
13. 기계적 각도 구조물 14, 41, 51. 콘넥터
15, 42, 52. 레이돔 16. 복사소자에 여기된 전류분포
17. 복사전파의 등위상면 21. 급전점
22. 전력 분배기 23a. 위상기 a
23b. 위상기 b 23n. 위상기 n
24. 제 1 복사소자 24a. 복사소자 a
24b. 복사소자 b 24n. 복사소자 n
211. 복사 소자 212, 316. 급전 선로
213. 다중 위상기 214, 311. 주전력 분배기
215. 부전력 분배기 216. 제 1 반사수단
217. 제 2 반사 수단 218, 317. 구동축
219, 318, 44. 조정 손잡이 312. 제 1 포트
313. 제 2 포트 314. 제 3 포트
315. 제 4 포트 319. 가변 선로
320. 하우징 321. 가이드 슬롯
322. 동축케이블 연결 포트
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속재의 평판 양단부가 소정 각도로 절곡되어 측면으로의 복사에너지를 여과하는 제 1 반사수단; 상기 제 1 반사수단의 상하단부에 소정간격으로 위치하여 복사에너지를 여과하는 제 2 반사수단; 상기 제 1 반사수단에 소정 간격으로 배치되어 신호를 송수신하는 다수개의 복사소자; 상기 제 1 반사수단의 일측에 위치하여 복사소자에 급전되는 위상을 제어하는 다중 위상기; 상기 다중 위상기와 일체형으로 결합되어 다수의 복사소자에 전력을 분배하는 전력분배수단; 상기 다중 위상기에서 안테나 외부로 연장되어 미세하게 위상을 제어하는 조정 손잡이; 및 상기 구성요소들을 외부환경으로부터 보호하기 위하여 상기 제 1 반사수단과 결합되는 레이돔을 포함한다.
도 1b는 빔 틸트 안테나에 있어서 복사전파의 등위상면을 나타내는 도면이다. 도 1b에서 가장 상부에 위치한 복사소자에 공급되는 급선선의 전기적 길이를 기준으로 하여, 그보다 하부에 위치한 복사소자에 대한 급전선의 전기적 길이를 일정길이 △L씩 길게 한 급전구조로 함으로써 각 복사소자의 급전위상은 가장 상부에 위치된 복사소자의 급전위상을 기준으로 하여 일정값만큼 지연된다. 그 결과 각 복사소자에서 복사된 전파가 동위상이 되는 복사방향은 상기 도 1b에 도시된 것과 같이 T만큼 하향 틸트된다. 도 1b에서 기호 16은 복사소자에 여기된 전류분포를 나타내며, 기호 17은 복사전파의 등위상면을 나타낸다.
이하 첨부된 도면에 따라 본 발명의 각부 특성 및 동작 원리를 상세히 설명한다. 도 2a는 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 블록도로서 신호를 송수신하기 위한 수단으로서 제 1 복사소자(24) 내지 복사소자 n(24n)을 구비하고 있으며, 급전점(21)을 통해 급전된 신호는 전력 분배기(22)에서 상기 복사소자의 개수만큼 동위상, 동진폭으로 분배되어 복사소자에 각각 공급된다. 이때, 상기 전력 분배기와 복사소자 a 내지 복사소자 n의 사이에는 위상기 a(23a) 내지 위상기 n(23n)이 접속되어 각 복사소자마다 전기적으로 소정의 값만큼 위상을 지연시켜 안테나의 수직 빔을 원하는 각도만큼 하향시키게 된다.
어레이 안테나에 있어서 이와같은 틸트를 주기 위해서는 각 복사소자에 접속되는 위상기에 다음의 수학식 1에 의해 계산되는 위상 지연값을 줌으로써 구현할 수 있다. 여기서, λ는 파장, D는 소자간격(element separation), T는 틸트 각도이다.
도 2b와 도 2c는 각각 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나의 내부 구조도와 복사소자 외관도이다. 도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나는, 평판에 양단부가 소정 각도로 절곡되어 측면으로의 복사 에너지를 여과하는 제 1 반사수단(216)과, 상기 제 1 반사수단의 상하단에 소정간격으로 위치하여 복사 에너지를 여과하는 제 2 반사수단(217), 상기 제 1 반사수단의 소정 위치에 장착되되 선로의 길이를 가변하여 복사소자(211)에 급전되는 위상을 미세하게 조정하는 다중 위상기(213)와, 상기 다중 위상기와 결합되어 다수의 복사소자에 전력을 차등 분배하는 주전력 분배기(214)와, 상기 주전력 분배기로부터의 신호를 복사소자에 공급하기 위한 부전력 분배기(215), 및 상기 다중 위상기에서 안테나 외부로 돌출되어 미세하게 위상을 조정하는 조정 손잡이(219)로 구성되어 있다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 다중 위상기의 외관도와 내부 구조도이다.
도 3a에서 도시한 바와 같이 주전력 분배기(311)는 안테나의 사이드 로브(side lobe)를 감소시키기 위해 급전 케이블로 인입되는 전력을 제 1 포트(312)와 제 2 포트(313)에 집중하여 중앙부의 복사소자에 공급하고, 제 3 포트(314)와 제 4 포트(315)에는 전력을 적게 하여 상하측의 복사소자에 공급할 수 있도록 하며, 부전력 분배기(215)는 좌우에 위치한 복사소자에 균등한 전력을 공급하기 위한 것이다.
여기서, 상기 다중 위상기(213)의 제 1 포트 내지 제 4 포트는 각 복사소자에 연결되어 있으며, 안테나 외부에 돌출된 조정 손잡이(318)를 좌우로 돌리면 각 포트에 연결된 전체 가변선로(319)의 길이가 미세하게 가변되어 각 단에 연결된 복사소자에 각기 다른 위상의 신호를 보내므로 원하는 각도로의 조정이 가능하다.
이때, 상기 제 1 포트 내지 제 4 포트는 각각 서로 다른 기어비를 갖도록 구성되되 이들 기어가 하나의 회전축에 의해 회전하도록 되어 있으므로, 상기 조정 손잡이를 회전시키면 각 포트마다 가변되는 선로의 길이가 달라지게 된다. 따라서, 각 복사소자에 공급되는 신호의 위상이 서로 다르게 되어 안테나의 빔을 조정할 수 있게 된다.
도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 안테나의 외관도와 설치 구조물을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이 레이돔(42)과 콘넥터(41), 그리고 조정 손잡이(44)와 설치 구조물(43)로 이루어진 안테나는, 도 5에서와 같이 일반적으로 설치 구조물(53)에 의해 지지 파이프(54) 등에 장착된다.
본 발명에 따른 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나는 전술한 바와 같이 하나의 조정 손잡이에 의해 외부에서 원하는 각도로의 빔 틸트가 가능하므로 종래기술에 따른 안테나에 비하여 안테나 설치 구조물이 단순화되고, 원하는 각도로 빔을 조정하는 것이 용이하다고 하는 효과를 가진다.

Claims (3)

  1. 무선통신 시스템의 기지국에 사용되는 안테나에 있어서,
    금속재의 평판 양단부가 소정 각도로 절곡되어 측면으로의 복사에너지를 여과하는 제 1 반사수단;
    상기 제 1 반사수단의 상하단부에 소정간격으로 위치하여 복사에너지를 여과하는 제 2 반사수단;
    상기 제 1 반사수단에 소정 간격으로 배치되어 신호를 송수신하는 다수개의 복사소자;
    상기 제 1 반사수단의 일측에 위치하여 복사소자에 급전되는 위상을 제어하는 다중 위상기;
    신호의 입출력을 위한 급전 콘넥터;
    상기 다중 위상기와 일체형으로 결합되어 다수의 복사소자에 전력을 분배하는 전력분배수단;
    상기 다중 위상기와 일체형으로 결합되되 상기 급전 콘넥터로부터의 신호를 분배하는 주전력 분배기;
    상기 주전력 분배기로부터의 신호를 상기 복사소자 각각으로 전달하기 위한 다수의 급전 케이블;
    상기 주전력 분배기로부터의 신호를 다수의 복사소자에 공급하기 위한 부전력 분배기;
    상기 다중 위상기에서 안테나 외부로 연장되어 미세하게 위상을 제어하는 조정 손잡이; 및 상기 구성요소들을 외부환경으로부터 보호하기 위하여 상기 제 1 반사수단과 결합되는 레이돔을 포함하고,
    상기 다중 위상기는 제 1 포트, 제 2 포트, 제 3 포트 및 제 4 포트로 구성되고, 상기 각각의 포트는 서로 다른 기어비를 갖도록 구성되며, 각 포트마다 가변선로의 길이를 가변하여 상기 각각의 복사소자에 공급되는 신호의 위상이 서로 달라지게 함으로서 안테나의 빔을 조정하는 것을 특징으로 하는 다중 위상기를 이용한 빔가변 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 위상기는 상기 급전 콘넥터로부터 입력되는 신호를 분배하는 주전력 분배기와 일체형으로 제작되되, 상기 다중 위상기의 제 1 포트 내지 제 4 포트는 상기 조정손잡이의 회전에 의하여 각각 포트의 가변선로 길이가 가변되는 것을 특징
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주전력 분배기는, 안테나의 사이드 로브를 감소시키기 위해 급전 케이블로 인입되는 전력을 제 1 포트(312)와 제 2 포트(313)에 집중하여 중앙부의 복사소자에 공급하고, 제 3 포트(314)와 제 4 포트(315)에는 전력을 적게 하여 상하측의 복사소자에 공급할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 위상기를 이용한 빔 가변 안테나.
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