KR100480159B1

KR100480159B1 - 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법

Info

Publication number: KR100480159B1
Application number: KR10-2002-0064521A
Authority: KR
Inventors: 홍준표; 김상기
Original assignee: 주식회사 엘지텔레콤; 주식회사 감마누
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2005-04-07
Also published as: KR20040035391A

Abstract

본 발명은 빔폭 가변요구에 대응하여 안테나의 교체없이 수직빔폭을 가변할 수 있도록 한 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법에 관한 것이다.

이 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법은 일렬로 배열되는 안테나소자들 중에서 최상단의 안테나 소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선에 유전체를 중첩시키고, 상기 유전체와 상기 안테나 급전선의 중첩면적을 증감하여 상기 안테나소자들로부터 방사되는 수직빔의 빔폭을 가변한다.

Description

빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법{ANTENNA SYSTEM OF VARIABLE BEAM WIDTH AND METHOD OF VARYING BEAM WIDTH}

본 발명은 방송 및 통신용의 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 빔폭 가변요구에 대응하여 안테나의 교체없이 수직빔폭을 가변할 수 있도록 한 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신망이나 무선가입자회선(wireless local loop : WLL)와 같은 무선통신망에서는 교환국과 가입자 단말기 간에 기지국을 설치하고, 기지국과 가입자 단말기 간에 무선신호를 교환하게 된다.

기지국에 설치되는 안테나는 가입자호의 공간적 분포를 고려하여 일정한 수직/수평빔패턴과 빔지향특성을 갖도록 설계된다.

최근에는 기존의 이동통신 사업자가 기존에 할당 받은 주파수대역 이외의 다른 주파수대역의 사업권을 획득하여 서비스를 다각화하고 있다. 이러한 전파환경의 변화의 요구에 대응하여 안테나의 빔폭이나 빔틸트와 같은 빔특성이 변화될 필요가 있다.

그런데 이러한 통신용 안테나 또는 방송용 안테나는 빔폭이 고정되어 있기 때문에 안테나의 빔폭 변경사항이 발생하게 되면 변경사항을 만족하는 다른 안테나로 교체되어야 한다. 이렇게 안테나가 교체되면 안테나 교체에 소요되는 시간만큼 서비스가 단절되고 교체비용이 발생할뿐 아니라, 교체 작업의 난이도가 높은 경우에 서비스 환경의 변화에 신속히 대응하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 빔폭 가변요구에 대응하여 안테나의 교체없이 수직빔폭을 가변할 수 있도록 한 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템은 일렬로 배열되는 다수의 안테나소자들과, 상기 안테나소자들 중에서 최상단에 배치된 최상단 안테나소자와 최하단에 배치된 최하단 안테나소자에 인가되는 고주파신호전력의 위상을 증감시켜 상기 안테나소자들로부터 복사되는 수직빔의 빔폭을 가변시키기 위한 빔폭 가변부를 구비한다. 상기 빔폭 가변부는 상기 안테나소자들 각각에 연결되어 고주파신호전력을 안테나소자들에 공급하기 위한 안테나 급전선과, 상기 최상단 안테나소자와 상기 최하단 안테나소자에 연결되는 상기 안테나 급전선과 중첩되는 유전체와, 상기 유전체와 상기 안테나 급전선의 중첩면적을 증감하는 기어부를 구비한다. 본 발명에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템은 일렬로 배열되는 다수의 안테나소자들과, 상기 안테나소자들 각각에 연결되어 고주파신호전력을 안테나소자들에 공급하기 위한 안테나 급전선과, 상기 안테나소자들 중에서 최상단에 배치되는 최상단 안테나 소자와 최하단에 배치되는 최하단 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선에 중첩되는 유전체와, 상기 유전체가 취부된 랙기어와, 상기 랙기어에 치합되어 회전에 의해 상기 랙기어를 직선운동시키기 위한 회전노브를 구비한다. 상기 랙기어의 직선운동에 의해 상기 안테나 급전선과 상기 유전체의 중첩면적이 증감하여 상기 안테나소자들로부터 방사되는 수직빔의 빔폭이 가변된다. 상기 빔폭 가변 안테나 시스템은 상기 랙기어를 회전시키기 위한 모터를 더 구비한다. 상기 최상단의 안테나 소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선은 상기 유전체와 중첩되며 'U'자 및 'W'자 형태 중 어느 한 형태로 절곡되는 절곡부를 구비한다. 상기 안테나소자는 복편파 안테나소자이다. 상기 유전체는 유전상수가 대략 3∼4이다. 상기 유전체는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)를 포함한다. 본 발명에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템의 빔폭 가변 방법은 일렬로 배열되는 안테나소자들 중에서 최상단의 안테나 소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선에 유전체를 중첩시키는 단계와, 상기 유전체와 상기 안테나 급전선의 중첩면적을 증감하여 상기 안테나소자들로부터 방사되는 수직빔의 빔폭을 가변하는 단계를 포함한다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하기로 한다.

삭제

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템은 수직으로 배열된 n 개의 안테나소자들(11 내지 1n)과, 안테나소자들(11 내지 1n)에 연결된 안테나 급전선(8)과, 안테나소자들(11 내지 1n)로부터 복사된 안테나 복사패턴의 빔폭을 가변시키기 위한 위상 쉬프터(Phase Shifter)(2), 스텝모터(3), 모터 구동부(4) 및 원격 제어부(5)를 구비한다.

안테나소자들(11 내지 1n)은 다이폴 안테나소자 야기 안테나소자, 대수 안테나소자, 주기 안테나소자, 평면 안테나소자, 복편파 안테나소자 등으로 구현된다. 이러한 안테나소자들(11 내지 1n)은 자신에게 인가되는 고주파신호전력의 위상차에 의해 수직빔의 등위상전파면의 틸트각이 결정된다. 또한, 안테나소자들(11 내지 1n) 중 최상단에 배치된 첫 번째 안테나소자(11)와 최하단에 배치된 n 번째 안테나소자(1n)의 위상변화에 의해 수직빔폭이 가변된다.

안테나 급전선(8)은 안테나소자들(11 내지 1n)에 연결되어 안테나소자들(11 내지 1n)에 전력을 공급한다. 이 안테나 급전선(8)에는 하나의 안테나급전 콘넥터(6)가 연결된다. 안테나급전 콘넥터(6)는 도시하지 않은 기지국의 주급전케이블에 연결되어 기지국으로부터의 고주파신호전력(RF)을 안테나급전선(8)에 공급한다.

위상 쉬프터(2)는 안테나소자들(11 내지 1n) 중에 최상단에 배치된 첫 번째 안테나소자(11)와 최하단에 배치된 n 번째 안테나소자(1n)에 인가되는 고주파신호전력(RF)의 위상 변화를 일으킴으로써 수직빔폭을 가변시키게 된다. 이 위상 쉬프터(2)에 대한 상세한 설명은 도 2 및 도 3을 결부하여 후술된다.

스텝모터(3)는 위상 쉬프터(2)에 연결되어 위상 쉬프터(2)의 구동을 자동화하는 역할을 하게된다.

모터 구동부(4)는 원격 제어부(5)의 제어 하에 스텝모터(3)를 구동하는 역할을 한다.

원격 제어부(5)는 운용자 또는 미리 설정된 프로그램으로 하여금 원격지에서 수직빔의 빔폭을 가변하도록 한다. 이를 위하여, 원격 제어부(5)는 빔폭 가변 데이터가 저장된 메모리, 빔폭 가변을 실행시키는 프로그램, 운용자로부터의 데이터나 명령을 입력하게 하는 입력장치 및 안테나 시스템의 현재상태 등을 출력하는 출력장치를 포함하는 컴퓨터 시스템를 포함한다.

도 2는 6 개의 복편파 안테나소자들(11 내지 16)이 수직으로 배열된 안테나 시스템과 그 안테나 시스템에 연결되는 위상 쉬프터(2)를 나타내는 평면도이다. 도 3은 위상 쉬프터(2)를 알기 쉽게 나타내는 부분 절개 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템의 복편파 안테나소자들(11 내지 16) 각각은 +45도 편파(또는 수평편파)를 발생하는 제1 및 제3 안테나소자편(21a,21c)와 -45도 편파(또는 수직편파)를 발생하는 제2 및 제4 안테나소자편(21b,21d)을 포함한다.

복편파 안테나소자들(11 내지 16)은 제1 내지 제4 안테나소자편들(21a 내지 21d)이 4 각형 형태로 배치된다. 제1 및 제3 안테나소자편(21a,21c)은 사각형 배치에서 서로 대향하는 두변에 배치되며 각각 +45도 편파가 공급되는 안테나 급전선(도시하지 않음)에 연결된다. 제2 및 제4 안테나소자편(21b,22d)은 제1 및 제3 안테나소자편(21a,21c)의 사이에서 서로 대향하도록 배치되며 -45도 편파가 공급되는 안테나 급전선(8)에 연결된다. 이러한 복편파 안테나소자들(11 내지 16)은 다른 안테나소자 종류에 비하여 수직편파와 수평편파의 간섭이 최소화된다.

이러한 복편파 안테나소자들(11 내지 16)의 수직빔폭을 가변시키기 위한 위상 쉬프터(2)는 도 2 및 도 3과 같이 빔폭 가변 회전노브(22)와, 빔폭 가변 회전노브(22)에 연결되는 유전체판(23)과, 유전체판(23)이 부착되며 회전노브(22)에 치합되는 랙기어(31)를 구비한다.

빔폭 가변 회전노브(22)의 표면에는 오른 나사 형태로 꼬여진 기어열이 형성된다. 이 빔폭 가변 회전노브(22)는 스텝모터(3)의 로드에 연결되어 스텝모터(3)에 의해 회전과 동일한 방향으로 회전하여 랙기어(31)를 직선운동시키게 된다. 예컨데, 도 3에서 빔폭 가변 회전노브(22)가 시계방향으로 회전하게 되면 상승방향(u)으로 랙기어(31)가 직선운동하게 되며, 빔폭 가변 회전노브(22)가 반시계방향으로 회전하게 되면 하강방향(d)으로 랙기어(31)가 직선운동하게 된다.

유전체판(23)은 유전율이 1 이상인 물질을 포함한다. 예를 들면, 유전체판(23)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : 상품명 '테프론')을 포함한다. 이 유전체판(23)은 랙기어(31)에 의해 직선운동함으로써 안테나 급전선(8)과 중첩되는 중첩면적이 변하게 된다. 이 유전체판(23)에 비교적 긴 길이의 안테나 급전선(8)이 중첩될 수 있도록 안테나 급전선(8)에는 유전체판(23)에 중첩되는 부분에서 'U'자 또는 'W'자 형태로 절곡된 절곡부(8a)가 형성된다. 여기서, 안테나 급전선(8)의 절곡부(8a)는 유전체판(23)과 중첩되기만 하면 되므로 'U'자 또는 'W'자 형태에 한정되는 것이 아니라 종래와 같이 절곡되지 않거나 다른 형태로 절곡될 수 있음은 물론이다.

랙기어(31)는 빔폭 가변 회전노브(22)의 회전에 연동하여 직선운동함으로써 유전체판(23)을 상승 또는 하강방향(u,d)으로 직선운동시키게 된다.

이러한 위상 쉬프터의 동작을 결부하여 수직빔폭의 변화를 설명하면 다음과 같다. 회전노브(22)가 시계방향으로 회전하면 랙기어(31)와 유전체판(23)은 상승방향(u)으로 이동하게 된다. 그러면 유전체판(23)의 상승으로 인하여 유전체판(23)은 안테나 급전선(8)의 절곡부(8a)와의 중첩면적이 증가하게 된다. 이렇게 유전체판(23)과 안테나 급전선(8)의 절곡부(8a)의 중첩면적이 증가하게 되면 위상이 지연되고 전파의 진행속도가 느려지게 되므로 수직빔폭이 커지게 된다.

이와 반대로, 회전노브(22)가 반시계방향으로 회전하면, 랙기어(31)와 유전체판(23)은 하강방향(d)으로 이동하게 되고 유전체판(23)과 안테나 급전선(8)의 절곡부(8a)와의 중첩면적이 감소하게 된다. 유전체판(23)과 안테나 급전선(8)의 절곡부(8a)의 중첩면적이 감소하게 되면 위상지연양이 작아지게 되고 전파의 진행속도가 그 만큼 빨라지게 되므로 수직빔폭이 작아지게 된다.

아래의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션에 시편으로써 선택된 안테나는 수직빔을 발생하기 위한 안테나소자가 수직으로 12 개 배치되었다. 표 1에 있어서, '소자1'은 시편 안테나의 첫 번째 안테나이며, '소자2'는 시편 안테나의 열 두 번째 안테나이다.

수직빔폭[도]	소자별 위상[도]
수직빔폭[도]	소자1	소자12
9.5	0	0
	45	-45
	95	-95
12	105	105
	150	-60
	200	10
14	135	135
	180	90
	230	40

표 1에서 알 수 있는 바, 가장 상단에 배치된 첫 번째 안테나 소자(소자1)와 가장 하단에 배치된 12 번째 안테나소자(소자12)가 위상 지연값이 달라지게 되면 그 위상지연값에 따라 수직빔폭이 9.5[도], 12[도], 14[도] 등으로 변하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법은 일렬로 배열된 안테나소자들 중에서 빔폭을 결정하는 최상단의 안테나소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선 상에 유전체를 중첩시키고 그 중첩면적을 빔폭요구에 대응하여 증감하게 된다. 그 결과, 본 발명에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법은 최상단의 안테나소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선과 유전체 사이의 중첩면적을 증감함으로써 수직빔폭을 가변하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템 및 이를 이용한 빔폭 가변 방법은 안테나의 수직빔폭 변경 요구시 안테나 급전선과 유전체의 중첩면적만을 증감하여 수직빔폭을 가변함으로써 안테나를 교체할 필요없이 최소한의 시간으로 빔폭이 가변되고 서비스 단절시간을 최소화할 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔폭 가변 안테나 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 위상 쉬프터의 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 위상 쉬프터를 알기 쉽게 나타내는 부분 절개 사시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11 내지 1n : 안테나소자 2 : 위상 쉬프터

3 : 스텝모터 4 : 모터 구동부

5 : 원격 제어부 6 : 안테나급전 콘넥터

8 : 안테나 급전선 22 : 빔폭 가변 회전노브

23 : 유전체판 31 : 랙기어

Claims

일렬로 배열되는 다수의 안테나소자들과,

상기 안테나소자들 중에서 최상단에 배치된 최상단 안테나소자와 최하단에 배치된 최하단 안테나소자에 인가되는 고주파신호전력의 위상을 증감시켜 상기 안테나소자들로부터 복사되는 수직빔의 빔폭을 가변시키기 위한 빔폭 가변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 빔폭 가변부는,

상기 안테나소자들 각각에 연결되어 고주파신호전력을 안테나소자들에 공급하기 위한 안테나 급전선과,

상기 최상단 안테나소자와 상기 최하단 안테나소자에 연결되는 상기 안테나 급전선과 중첩되는 유전체와,

상기 유전체와 상기 안테나 급전선의 중첩면적을 증감하는 기어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
삭제
일렬로 배열되는 다수의 안테나소자들과,

상기 안테나소자들 각각에 연결되어 고주파신호전력을 안테나소자들에 공급하기 위한 안테나 급전선과,

상기 안테나소자들 중에서 최상단에 배치되는 최상단 안테나 소자와 최하단에 배치되는 최하단 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선에 중첩되는 유전체와,

상기 유전체가 취부된 랙기어와,

상기 랙기어에 치합되어 회전에 의해 상기 랙기어를 직선운동시키기 위한 회전노브를 구비하며,

상기 랙기어의 직선운동에 의해 상기 안테나 급전선과 상기 유전체의 중첩면적이 증감하여 상기 안테나소자들로부터 방사되는 수직빔의 빔폭이 가변되는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 랙기어를 회전시키기 위한 모터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 최상단의 안테나 소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선은,

상기 유전체와 중첩되며 'U'자 및 'W'자 형태 중 어느 한 형태로 절곡되는 절곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 안테나소자는 복편파 안테나소자인 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 유전체는 유전상수가 대략 3∼4인 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 유전체는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템.
일렬로 배열되는 안테나소자들 중에서 최상단의 안테나 소자와 최하단의 안테나소자에 연결되는 안테나 급전선에 유전체를 중첩시키는 단계와,

상기 유전체와 상기 안테나 급전선의 중첩면적을 증감하여 상기 안테나소자들로부터 방사되는 수직빔의 빔폭을 가변하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔폭 가변 안테나 시스템의 빔폭 가변 방법.