KR100454102B1 - 다이폴 안테나 어레이 구조 및 이를 이용한 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이폴 안테나 어레이에 관한 것으로서, 안테나의 수직 어레이에서 최적의 이득 및 패턴조건을 만족할 수 있으며 또한 어레이 간격이 가까워 발생하는 다이폴 소자 상호간의 간섭현상을 최소화 할 수 있도록 하기 위하여, 안테나를 구성하는 각 다이폴 소자(102)를 전체 길이 대략 λ/2로 유지하되 소자(102) 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이를 λ/2보다 작게 구성하고, 각 안테나를 수직 배열할 때 상하로 이웃하는 다이폴 소자(102)간의 간격은 λ/2인 것을 특징으로 한다.

Description

다이폴 안테나 어레이 구조 및 이를 이용한 안테나{Dipole antenna array structure and antenna device using the same}

본 발명은 다이폴 안테나 어레이에 관한 것으로서, 특히 전파 음영지역의 이동통신 서비스를 효율적으로 제공하기 위하여 설치되는 중계기용 다이폴 안테나의 어레이에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 이동통신(PCS, Cellular, IMT-2000 등) 서비스는 셀의 설계에 의하여 해당 지역에 직접 서비스를 제공하는 기지국과, 전파 음영지역에 설치되어 기지국과 단말기의 신호를 증폭하여 중계하는 중계기에 의하여 이루어진다. 따라서 중계기용 안테나는 복수개의 안테나를 동시에 필요로 하게 되며, 각 안테나들은 일정한 간격으로 배열된다.

도 1은 종래의 RF 중계용 안테나에서 대략 λ/2의 길이를 갖는 방사소자의 배열에 관한 도면으로서, (a)는 방사소자가 다이폴이고, (b)는 방사소자가 패치이다. 이 때, 기지국과 중계기간의 중계 주파수와 중계기와 단말기간의 서비스 주파수가 동일하고, 각 소자는 물리적으로 서로 인접하게 설치됨에 따라서 중계기 내에 발진현상이 발생한다. 즉, 서비스 신호가 기지국향 안테나 입력단으로 들어가거나 기지국향 신호가 서비스향 안테나 입력단으로 들어가는 등의 소자간 간섭현상이 발생되어 중계 시스템에 장애를 유발하게 된다. 결국 이러한 종류의 안테나에서 중요한 것은 간섭현상을 최소화하기 위한 방사소자간의 격리도(isolation)에 관한 문제이다.

대체로 방사소자간의 간격이 λ/2보다 작을 경우에는 무엇보다도 빔의 합성이 많이 이루어지지 않아 송수신 이득 증가가 작고(간격이 작을수록), λ/2보다 클 경우에는 이득은 향상되나 사이드로브(sidelobe)가 상대적으로 많이 커져서(간격이 클수록) 빔의 합성이 제대로 이루어지지 않는 형태로 나타난다. 따라서 중계기용 안테나에서 방사소자간의 간격이 λ/2인 경우에 최적의 이득 및 패턴을 얻을 수 있는 것으로 판단된다. 그러나 상기한 종래의 안테나 어레이에서, 방사소자간의 간격(A)을 λ/2로 하는 것은 물리적으로 거의 붙어야 하는 것을 의미하므로 구현이 어려울 뿐만 아니라 소자간의 간섭현상이 심각하게 발생하는 결과를 초래한다. 따라서 종래의 안테나 어레이에서, 방사소자간의 간격(A, B)은 0.7-1λ로 유지되며, 이 경우에 간격(A, B)이 λ/2인 것에 비하여 사이드로브가 많이 발생하게 되는 것은 그대로 감수하는 실정이다.

한편, 격리도에 관계없이 위의 발진현상을 방지하기 위한 방법으로 기지국향 및 서비스향 주파수를 서로 다르게 사용하는 변파중계 방법, 기지국신호를 광으로 받아 서비스지역을 중계하는 광중계 방법 등이 사용되고 있다. 그러나, 상기 변파중계 방법은 주파수 대역을 많이 차지함은 물론 다단 중계가 어렵다는 단점이 있고, 광중계 방법은 설치비·유지보수비·회선임대비 등이 비싸 경제적인 부담이 큰 단점을 가지고 있다. 여기에 도 1에서와 같이 동일 주파수를 사용하는 RF 중계방식을 취하되 격리도의 문제를 해결한 안테나의 필요성이 있다.

본 발명의 목적은 다이폴 안테나의 수직 어레이에서, 소자간의 간격을 최적의 이득 및 패턴조건인 λ/2로 하되 물리적인 구현이 용이하고 소자간의 간섭현상이 최소화될 수 있는 어레이 구조를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 상기 목적은 안테나의 수직 어레이에서 각 안테나간의 간격을 λ/2로 하기 위하여, 안테나를 전체 길이 대략 λ/2를 유지하되 다이폴 소자 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이를 λ/2보다 작게 구성하고 함으로써 구현될 수 있다.

도 1은 일반적인 안테나의 수직 어레이에서 방사 소자의 형태와 상하 배열상태를 나타내는 도면으로, (a)는 방사소자가 다이폴인 것을, (b)는 방사소자가 패치인 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 어레이에서 다이폴 소자의 형태와 배열상태를 나타내는 도면으로, (a)는 수직 어레이를, (b)는 수직/수평 어레이를 포함하는 것이다.

도 3은 도2의 어레이 구조가 적용된 안테나를 도시한 평면도이다.

도 4는 도 3에서 일단위 안테나의 정면도이다.

도 5는 도 3에서 일단위 안테나의 측면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 단위 안테나 102 : 다이폴 소자

104 : 고정부재 106 : 급전부

112 : 리플렉터 116 : 급전/매칭부

본 발명의 어레이 구조 및 그 구조를 이용한 안테나를 특징적으로 살펴보면 다음과 같다.

다이폴 안테나 어레이는;

안테나를 구성하는 다이폴 소자의 전체 길이를 대략 λ/2로 유지하되 그 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이를 λ/2보다 작게 구성하고, 안테나를 수직 배열할 때 상하로 이웃하는 각 소자간의 간격은 λ/2인 것을 특징으로 한다.

또한 다이폴 안테나는;

입력된 전력을 각 다이폴 소자로 분배하여 전송하는 급전부,

상기 급전부의 단부에 결합되는 복수의 리플렉터(reflector),

상기 각 리플렉터의 상단에서 고정부재를 매개로 하여 결합되며 전체 길이는 λ/2로 하되 그 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이가 λ/2보다 작게 형성된 다이폴 소자,

상기 급전부에 전력을 공급하고 또한 수신된 신호의 복사임피던스와 신호처리를 수행하는 회로임피던스를 정합하는 급전/매칭부를 포함하여 구성되며,

상기의 안테나가 복수로 구비되어 수직으로 배열될 때 상하로 이웃하는 다이폴 소자 간의 간격이 λ/2인 것을 특징으로 한다.

부가적으로 상기 안테나에서, 전력의 분배 및 전송은 에어스트립 라인 전송방식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이폴 어레이 구조를 나타내는 도면으로, (a)는 수직구조, (b)는 수직 및 수평구조를 도시한다. 이에 도시된 바와 같이, 안테나를 구성하는 각각의 다이폴 소자(102)는 전체 길이가 통상의 방사 소자(10, 10')와 마찬가지로 λ/2이다. 그러나, 그 형태를 대략의 "Ｓ"형상으로 하여수직 길이가 λ/2보다 작게 구성되도록 하였다. 이에 따라 복수의 안테나가 수직으로 배열되는 구조에서 이웃하는 상하 다이폴 소자(102) 간의 간격(C)을 상술한 최적 이득 및 패턴조건으로서의 λ/2로 하더라도, 물리적으로는 간격(c) 만큼의 이격 거리가 발생한다. 따라서 도 1의 종래 안테나에 있어서 방사 소자(10, 10')간의 간격(A, B)이 λ/2일 때의 물리적인 간격(a, b)보다 크게 되므로(즉, 소자간의 간격이 λ/2일 때, c>a 또는 b 이다.) 소자간의 간섭현상이 최소화될 수 있다.

또한 본 실시예에서 방사소자를 패치가 아닌 다이폴로 하는 것은, 도 2(b)에서와 같은 다이폴의 수평 배열에서 소자(102)간의 간격을 0.1-0.5λ범위 내에서 조정 가능하도록 설계할 수 있기 때문이다.

도 3은 상기 도 2의 어레이 구조를 적용한 안테나의 평면도이고, 도 4, 5는 도 3에서의 단위 안테나의 정면도와 측면도이다. 도면에 따르면, 각 단위의 안테나(100)는 다수의 다이폴 소자(102)와, 입력된 전력을 분배하여 각 다이폴 소자(102)에 전력을 전송하는 급전부(106)와, 방사 신호의 전후방비를 향상시키는 리플렉터(reflector)(112)로 이루어진다.

상기 다이폴 소자(102)는 상술한 것과 동일한 것으로 한다. 즉, 전체 길이 대략 λ/2를 유지하되 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이를 λ/2보다 작게 구성한 것이다.

상기 급전부(106)는 중앙에 케이블 컨넥터(108)가 형성된 것으로, 바람직하게 케이스의 내부에 미도시의 에어스트립 라인 방식의 전송선로가 형성된 것으로 한다. 통상적으로, 에어스트립 라인 방식의 전송선로는 케이스의 상하에 각각 위치하는 접지상면과 접지하면, 상하 접지면 사이에 위치하는 동판 에어스트립 라인 및 상기 에어스트립 라인의 위치를 고정시켜주는 지지포스트로 이루어지는 것이다. 다만, 본 발명에서는 에어스트립 선로의 구체적인 형태에 국한되는 것이 아니므로 이에 대한 설명은 생략한다.

다이폴 소자(102)의 후방 복사신호를 반사시켜 전후방비를 향상시키기 위하여 제공되는 상기 리플렉터(112)는 상기 다이폴 소자(102)에 대향하여 평면으로 설치되며, 전송선로를 포함하는 케이스와는 일정한 간격으로 유지된다. 또한 상기 다이폴 소자(102)는 안테나(100) 하부에 평면적으로 배치되는 리플렉터(112)와 고정부재(104)를 매개로 하여 연결된다.

또한 통상의 안테나에 제공되는 것과 같이, 본 안테나(100)는 상기 급전부(106)에 전력을 공급함과 아울러 다이폴 소자(102)에 수신된 신호의 복사임피던스와 신호를 처리하는 회로소자의 회로임피던스를 정합하는 급전/매칭부(116)를 포함한다.

이와 같이 구성된 안테나(100)는 다이폴 소자(102)가 고정부재(104)를 매개로 하여 리플렉터(112)에 고정되는 상태로 지면이나 구조물에 고정된다. 이러한 구조물에 상기 안테나(100)가 수직으로 배열되었을 때 상하 다이폴 소자(102)간의 간격은 상술한 최적 이득 및 패턴 조건으로서의 λ/2이며, 이 때의 물리적 간격은 C이다.

이와같이 구성된 안테나(100)의 작용을 살펴보면, 먼저 외부 케이블로부터 소정 레벨의 전력이 케이블 컨넥터(108)로 입력되면 급전부(106)의 에어스트립 전송라인을 따라 흐르고, 매칭부(116)를 거쳐 각 다이폴 소자(102)에 분배·공급된다.

이와같이 전력이 공급되고 있는 상태에서 RF신호가 인가되면 상기 다이폴 소자(102)는 그 이득특성 및 방향성패턴에 따라 특정 신호를 수신함과 아울러 방사하게되는 것이다. 이때, 상기 다이폴 소자(102)간의 수직 배열 간격은 λ/2로서 최적의 이득을 얻을 수 있으며, 각 소자가 "Ｓ"형상으로 이루어졌기 때문에 소자간 간격(C)이 충분히 유지될 수 있고 따라서 수직 배열시 소자(102)간의 간격이 가까워 발생하는 간섭현상을 최소화 할 수 있게 된다.

본 발명에 따르면 다이폴 소자가 "S"자 형상으로 구성되기 때문에, 안테나의 수직 어레이에서 최적의 이득 및 패턴조건을 만족할 수 있으며, 어레이 간격이 가까워 발생하는 다이폴 소자 상호간의 간섭현상을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 안테나를 구성하는 각 다이폴 소자(102)를 전체 길이 λ/2로 유지하되 소자(102) 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이를 λ/2보다 작게 구성하고, 각 안테나를 수직 배열할 때 상하로 이웃하는 다이폴 소자(102)간의 간격은 λ/2인 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나 어레이 구조.
2. 각 안테나(100)는 입력된 전력을 분배하여 각 다이폴 소자로 전송하는 급전부(106)와, 상기 안테나(100)의 하부에 평면적으로 배치되는 리플렉터(112)와, 상기 리플렉터(112)와 고정부재(104)를 매개로 하여 연결되며 전체 길이는 λ/2로 하되 그 형태를 "S"자형으로 하여 직선 길이가 λ/2보다 작게 형성된 다이폴 소자(102)와, 상기 급전부(106)에 전력을 공급하고 또한 수신된 신호의 복사임피던스와 신호처리를 수행하는 회로임피던스를 정합하는 급전/매칭부(116)를 포함하여 구성되며, 상기의 안테나(100)가 복수로 구비되어 수직으로 배열될 때 상하로 이웃하는 다이폴 소자 (102)간의 간격이 λ/2인 것을 특징으로 다이폴 안테나.
3. 제 2 항에 있어서, 각 안테나(100)에서의 전력의 분배 및 전송은 에어스트립 라인 전송방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나.