KR100562227B1 - 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 N(N은 자연수)개의 안테나 소자와 상기 안테나 소자의 급전선에 설치하는 마이크로스트립 회로로 구현한 틸팅각 보정 장치를 포함하는 광대역 배열 안테나를 사용하는 이동 통신 시스템에서 셀 반경을 일정하게 유지하는 방법으로서, (a) 상기 안테나 소자로부터 낮은 주파수 대역 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계; (b) 상기 안테나 소자로부터 높은 주파수 대역 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계; 및 (c) 광대역 주파수 대역에서 중심 주파수 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치의 오픈 스터브의 특성 임피던스 값에 따라 전송 계수의 위상 특성을 변화시켜 낮은 주파수의 빔 패턴의 3 dB 빔폭이 되는 각도를 높은 주파수의 3dB 빔폭이 되는 각도와 일치하게 함으로써 셀 반경을 동일하게 유지할 수 있다.

광대역 배열 안테나, 셀 반경, 빔 패턴, 틸팅각, 보정 장치

Description

광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법 및 장치{Method and Apparatus for Adjusting Tilting Angles of Broadband Array Antenna}

도 1은 무선 통신 시스템의 안테나에서 송출하는 전자기파의 통상적인 빔 패턴을 간단히 나타낸 도면,

도 2는 종래의 배열 안테나의 틸딩 각도에 따른 안테나의 빔 패턴을 간단히 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 틸팅각 보정을 한 이후의 광대역 배열 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 N-배열 안테나를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 1.7 GHz 내지 2.5 GHz의 주파수 대역에서 오픈 스터브의 특성 임피던스 값에 따른 전송 계수(T)의 위상 특성을 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6-배열 안테나에 마이크로스트립 회로을 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치를 적용했을 때 주파수에 따른 위상의 변 화를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 메인 로브 102 : 사이드 로브

104 : 반전력 빔폭 106 : 널 영역

200 : 빔 패턴 A 202 : 빔 패턴 B

204 : 셀 반경 A 206 : 셀 반경 B

300 : 셀 반경 C 400 : 수직 N-배열 안테나

402 : 안테나 소자 A 404 : 안테나 소자 B

406 : 틸팅각 보정 장치 408 : 틸팅각 보정 장치(T₁)

500 : 급전선 502 : 오픈 스터브 A

504 : λc/4 길이의 급전선 506 : 오픈 스터브 B

700 : 틸팅각 보정 장치가 없는 급전선의 위상 변화

702 내지 710 : 틸팅각 보정 장치가 있는 급전선의 위상 변화

본 발명은 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 이동 통신 기지국용 배열 안테나의 급전선에서 전자기파의 위상 특성을 변경하여 주파수 변화에 관계 없이 이동 통신 셀 반경을 일정하게 유지할 수 있는 틸팅각 보정 방법 및 장치에 관한 것이다.

셀은 셀룰러 방식의 이동 통신 시스템에서 가장 기본적인 지역적 단위(하나의 기지국이 커버하는 지역)를 의미한다. 셀룰러 방식의 이동 통신 시스템에 있어서, 셀 설계시 기지국에 장착되는 안테나의 위치는 해당 셀에서 이동 통신 서비스를 제공할 수 있는 커버리지(Coverage)를 결정하는 중요한 변수가 된다. 일반적으로 안테나(Antenna)를 철탑과 같은 구조물에 장착할 때는 셀 커버리지를 크게하기 위해 안테나 주빔이 지평선 쪽을 향하도록 장착한다. 하지만, 상대적으로 약한 전파가 도달하는 기지국 근방과 인접하는 타기지국의 셀 커버리지와의 교차 간섭을 고려하여 안테나의 틸팅각(Tilting Angles)을 조절하여 안테나 주빔이 지평선 쪽을 향하도록 장착한다.

도 1은 무선 통신 시스템의 안테나에서 송출하는 전자기파의 통상적인 빔 패턴을 간단히 나타낸 도면이다.

안테나에서 방사하는 전자기파는 특정 방향으로 빔(Beam)을 형성한다. 빔은 안테나에서 송수신이 가능한 특정한 전자기파의 방향 및 형상을 지칭하며 빔 패턴(Beam Pattern) 또는 복사 패턴(Radiation Pattern)이라고 한다. 안테나의 종류, 안테나의 방향성에 따라서 안테나의 빔 패턴 또는 방사 패턴은 다르게 도시된다.

안테나의 빔 패턴은 메인 로브(100), 사이드 로브(102), 반전력 빔폭(104), 널 영역(106) 등으로 구성된다. 안테나는 특정 방향과 위치로 전자기파를 방사하는데 안테나가 방사하는 빔 패턴 중에서 제일 큰 빔 패턴을 메인 로브(Main Lobe)(100)라고 한다. 메인 로브(100) 이외의 성분을 사이드 로브(Side Lobe)(102)라고 부른다. 메인 로브(100)와 사이드 로브(102)사이 또는 사이드 로브(102)와 사이드 로브(102)사이의 빔 패턴이 나타나지 않는 영역을 널(Null) 영역(106)이라고 하며 이 영역에서는 안테나에서 전자기파를 수신하지 못한다.

반전력 빔폭(HPBW : Half Power Beam Width)(104)은 안테나 빔폭의 기준점으로 안테나가 방사하는 최대 빔 방향의 전력을 기준으로 전력이 반으로 줄어드는 지점의 간격을 말하며 일반적으로 3dB 빔폭이라고 한다.

도 2는 종래의 배열 안테나의 틸딩 각도에 따른 안테나의 빔 패턴을 간단히 나타낸 도면이다.

이동 통신 시스템의 기지국에 사용되는 안테나는 해당 셀의 커버리지를 결정하는 주요한 파라미터(Parameter)로서 고층 건물의 옥상이나 철탑 등의 구조물에 장착된다. 이러한 기지국용 안테나는 기지국이 위치하는 지역의 특성에 따라 빔의 방향을 조절할 필요가 발생한다. 예를 들어 안테나가 상당히 높은 위치에 설치될 경우 안테나의 주빔 방향을 수평으로하면 커버리지를 멀리까지 할 수 있으나 안테나에 인접한 지역에서는 수신 특성이 급속히 열화되는 경우가 발생한다. 따라서 기지국용 안테나는 셀 커버리지를 크게하면서도 수신 특성이 급속히 열화되는 경우와 인접 셀에 대한 간섭을 방지하기 위하여 안테나 주빔이 지평선쪽을 향하도록 기울여서 설치한다. 이를 안테나의 다운 틸팅(Down Tilting)이라고 하며 안테나의 빔 패턴에서 메인 로브가 지평선으로 향하는 각도를 다운 틸팅각이라고 한다.

일반적으로 셀 반경은 안테나의 수직 빔 패턴에서 반전력 빔폭이 3 dB 또는 10 dB 낮아지는 각도의 연장선과 지면이 만나는 지점으로 설계한다. 3 dB 또는 10 dB 빔폭 이상의 각도로 셀을 설계하면 안테나가 방사하는 빔 패턴의 유효 거리보다 셀 반경이 넓어진다. 따라서 셀의 중심에서 외곽으로 갈수록 안테나 이득이 급격하게 줄어들기 때문에 셀의 외곽 부근에서는 이동 통신 서비스를 제공하기가 어려워진다.

안테나 이득(Antenna Gain)은 최대 전계 방향을 기준으로 등방형(Isotropic)안테나의 복사 패턴에 대한 임의의 안테나 복사 패턴의 비율을 의미한다. 다른 수동 소자의 이득과는 달리 안테나 이득은 안테나로 인해 신호가 커지는 것이 아니라 사방으로 고르게 퍼져나가야 할 에너지가 일정 방향으로 집중되는 경우 그 일정 방향으로 집중되는 에너지의 비율을 의미한다. 안테나의 이득이 크면 신호를 보내기 위한 특정 방향으로 더욱 샤프하게 전자기파가 집중되는 것을 의미한다.

광대역 배열 안테나는 높은 주파수 쪽과 낮은 주파수 쪽의 동작 주파수 비가 2 : 1인 대역폭 내에서 하나 이상의 파라미터, 예를 들어 안테나의 빔 패턴, 안테나의 이득, 안테나의 임피던스를 이용할 수 있는 성능을 갖는 안테나이다. 광대역 배열 안테나에서 전파는 급전점(Feed Point)에서 발생하며 방사없이 전력이 대부분 집중되어 있는 동작 영역(Active Region)으로 진행한다. 원형 구조의 광대역 배열 안테나는 한 파장의 원주 길이가 동작 영역이며 원형 편파를 발생한다. 선형 소자들로 만들어진 광대역 배열 안테나는 반 파장의 동작 영역을 갖고 있으며 소자들의 크기는 대략 반 파장이고 이러한 선형 소자에 평행한 선형 편파를 발생한다.

일반적으로 안테나의 빔 패턴은 주파수가 높아질수록 빔 패턴이 좁게 나타난 다. 반대로 주파수가 낮아질수록 안테나의 빔 패턴은 넓게 나타난다. 도면에서 도시된 바와 같이 높은 주파수의 빔 패턴 A(200)는 낮은 주파수의 빔 패턴 B(202)보다 빔폭이 좁기 때문에 3dB 빔폭 또한 좁아지게 된다. 주파수가 높아질수록 안테나의 전기적 길이가 길어지며 이에 따라 빔폭이 좁아지게 되기 때문이다. 따라서 광대역 배열 안테나를 사용하는 기지국에서 높은 주파수의 셀 반경 A(204)이 낮은 주파수의 셀 반경 B(206)보다 줄어들게 된다.

높은 주파수의 셀 반경 A(204)으로 이동 통신 시스템의 셀 설계를 하게 되면 낮은 주파수의 빔 패턴 B(202) 3 dB 빔폭보다 작은 각도에서 인접 셀의 안테나 빔 패턴과 서로 만나게 된다. 따라서 인접 셀에서 송신하는 신호를 수신하게 되기 때문에 간섭 신호가 증가하게 되는 문제점이 발생한다.

반대로 낮은 주파수의 셀 반경 B(206)으로 이동 통신 시스템의 셀 설계를 하게 되면 빔 패턴 A(200)의 3dB 빔폭보다 큰 각도에서 인접 셀의 안테나 빔 패턴과 서로 만나게 된다. 따라서 인접 셀에서 높은 주파수의 신호의 세기는 급격히 감소하게 되므로 저품질의 무선 통신 서비스를 제공받게 되는 문제점이 발생한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 높은 주파수의 안테나 빔 패턴과 낮은 주파수의 안테나 빔 패턴의 위상을 제어하여 틸팅각을 보정해 줌으로써 셀 커버리지를 넓게 하면서도 셀 커버리지 내에서는 주파수 대역에 상관없이 전파 특성을 일정하게 유지할 수 있는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

따라서 본 발명의 제 1 목적에 의하면, N(N은 자연수)개의 안테나 소자와 상기 안테나 소자의 급전선에 설치하는 마이크로스트립 회로로 구현한 틸팅각 보정 장치를 포함하는 광대역 배열 안테나를 사용하는 이동 통신 시스템에서 셀 반경을 일정하게 유지하는 방법으로서, (a) 상기 안테나 소자로부터 낮은 주파수 대역 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계; (b) 상기 안테나 소자로부터 높은 주파수 대역 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계; 및 (c) 광대역 주파수 대역에서 중심 주파수 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법을 제공한다.

본 발명의 제 2 목적에 의하면, 전파를 수신하는 N(N은 자연수)개의 안테나 소자를 다단 배열한 무선 통신용 광대역 배열 안테나에 있어서 주파수 대역에 따른 다운 틸팅된 메인 로브의 지향 방향의 차이를 보정하기 위한 틸팅각 보정 장치로서, 상기 틸팅각 보정 장치는 상기 안테나 소자에 송신 및/또는 수신된 전파를 기설정된 셀 반경을 커버하도록 상기 주빔의 지향 방향을 보정하는 오픈 스터브; 및 상기 오픈 스터브에서 지향 방향이 보정된 상기 주빔을 상기 안테나 소자로 전송하기 위한 급전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 회로로 구현한 틸팅각 보정 장치를 제공한다.

본 발명의 제 3 목적에 의하면, 전파를 송신 및/또는 수신하는 N(N은 자연수)개의 안테나 소자를 다단 배열한 무선 통신용 광대역 배열 안테나에 있어서, 다운 틸팅된 메인 로브를 형성하는 상기 N개의 안테나 소자; 주파수 대역에 따른 메 인 로브의 틸팅각을 보정하여 기설정된 셀 반경에서 송신 및/또는 수신 주파수 대역이 일정하게 유지하는 틸팅각 보정 장치; 및 상기 틸팅각 보정 장치에서 상기 틸팅각을 보정한 상기 주빔을 전송하는 급전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 틸팅각 보정을 한 이후의 광대역 배열 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.

높은 주파수의 안테나 빔 패턴을 낮은 주파수의 안테나 빔 패턴보다 틸팅각이 적어지도록 보정해 줌으로써 셀 반경 C(300)내에서는 높은 주파수와 낮은 주파수에 상관없이 전파 특성이 일정한 셀 커버리지를 유지할 수 있다. 틸팅각은 안테나의 반전력 빔폭을 계산하여 구한다. 반전력 빔폭을 구하는 수식은 수학식 1과 같다.

수학식 1에서 λ는 신호의 파장, N은 등방성 안테나 소자의 개수, d는 다수의 등방성 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나에서 등방성 안테나 소자 사이의 간격, θ는 틸팅각을 나타낸다. 주파수와 파장은 반비례 관계에 있기 때문에 주파수(f)가 높아질수록 파장(λ)은 감소한다. 수학식 1에서 배열 안테나의 주파수가 높아질수록 반전력 빔폭 값은 작은 값이 나온다. 따라서 주파수가 높아질수록 배열 안테나의 전기적 길이가 길어지며 이에 따라 빔폭이 좁아지게 된다.

수학식 1에서 낮은 주파수의 반전력 빔폭값이 높은 주파수의 반전력 빔폭값과 같은 값이 나오는 θ로 틸팅각을 보정하여 셀 반경을 정한다. 안테나 소자들의 각 급전선에 마이크로스트립 회로로 구성한 틸팅각 보정 장치를 추가함으로써 낮은 주파수에서 방사되는 안테나 빔 패턴이 높은 주파수에서 방사되는 안테나 빔 패턴보다 틸팅각이 적어지도록 보정하여 주파수에 상관없이 셀 반경을 일정하게 유지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 N-배열 안테나를 나타낸 도면이다.

안테나의 이득을 증가 시키는 방법에는 안테나의 크기를 증가시키는 방법, 여러 개의 안테나 소자를 배열하는 방법 등이 있다. 배열 안테나는 안테나를 구성하는 안테나 소자를 다수 개로 배열하는 방법을 이용한다. 단일 안테나 소자의 전자기파 방사 패턴은 상대적으로 넓지만 전자기파 방사 패턴의 방향성은 적다. 하지만 안테나 소자를 배열 구조로 늘어놓으면 안테나 소자 각각의 빔 패턴이 공간적으로 합성되어 샤프한 빔이 만들어지기 때문에 빔의 방향성은 커진다. 장거리 통신에 서는 송신측에서 방사하는 전자기파를 될 수 있으면 전자기파가 사방으로 방사되지 않고 특정 방향으로 정확하게 전자기파 에너지를 집중해서 방사해야 한다. 따라서 장거리 통신을 수행하기 위해서는 높은 이득을 갖는 안테나가 필요하며 안테나의 이득을 증가시키는 방법으로 배열 안테나를 이용한다.

도면에서 도시된 수직 N-배열 안테나(400)를 사용하여 셀의 커버리지를 일정하게 유지하기 위해서는 수직 N-배열 안테나(400)의 하단의 안테나 소자 A(402)를 제외한 각 안테나 소자에 연결된 각 급전선에 틸팅각 보정 장치(406)를 추가하여 높은 주파수에서 방사하는 안테나 빔 패턴이 낮은 주파수에서 방사하는 안테나 빔 패턴보다 틸팅각이 작아지도록 보정한다. 수직 N - 배열 안테나(400)의 하단의 안테나 소자 A(402)는 광대역 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장을 방사하는 빔 패턴의 틸팅각으로 고정되어 있다. 예를 들어 안테나 소자 B(404)의 틸팅각은 틸팅각 보정 장치(T₁)(408)을 사용하여 안테나 소자 A(402)의 틸팅각으로 보정한다. 배열 안테나를 사용하는 셀에서 주파수에 따른 안테나 소자의 틸팅각을 틸팅각 보정 장치(406)를 사용하여 조절함으로써 셀의 커버리지를 동일하게 유지하면서 주파수 대역에 상관없이 셀의 유효 반경 내에서 고르게 전자기파를 송신 또는 수신할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치를 나타낸 도면이다.

낮은 주파대역에서 사용되는 일반 회로 기판(PCB : Printed Circuit Board) 에서는 각 소자와 소자간의 레이아웃(Layout), 즉 선로의 형상이나 길이에 의해 그 회로가 영향을 받지만 주로 안정성과 동작 에러와 관련된 부분에서 영향을 주게 되며 주파수가 올라갈수록 배선 간의 간섭은 심해지기 때문에 일반 회로 기판으로는 회로 구현이 힘들어진다. 이는 주파수가 계속 높아질수록 신호선과 그라운드(GND : Ground)사이에 교류 에너지가 집중되기 때문이다.

또한 주파수가 높아질수록 표면 효과(Skin Effect)가 발생한다. 표면 효과는 주파수가 올라갈수록 교류 전류는 금속의 내부가 아니라 표면에 집중되어 흐르는 현상을 말한다. 낮은 주파수에서는 금속의 내부를 전하가 이동하면서 신호가 전달되지만 높은 주파수에서는 도체 표면을 따라 전하가 전달된다. 따라서 주파수가 높아짐에 따라 신호의 전계도 표면 부분에 집중되어서 특성 임피던스가 높아지는 현상이 발생한다.

따라서 고주파 회로 설계에서는 마이크로스트립(Microstrip)으로 회로를 구현하게 된다. 마이크로스트립 기판의 한 쪽면은 그라운드(Ground) 금속으로 완전히 코팅되어 있으며 다른 쪽면에는 신호선만을 배치하여 신호선과 그라운드 사이로 신호가 전송되도록 되어 있다.

마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치는 급전선(500), 오픈 스터브(Open Stub) A(502), 오픈 스터브 B(506)를 포함하여 구성한다. 급전선(500)은 송신기의 출력단자 또는 수신기의 입력 단자와 공중선을 접속하여 고주파 전력을 전송하기 위해 사용하는 선로를 의미한다. 마이크로스트립을 이용한 고주파 회로 기판은 동작 주파수 대역이 수십 GHz의 신호를 다루기 때문에 표면 효 과를 피하기 위해서 분포 정수 회로(Distributed Circuit)로 소자와 회로를 구현한다. 분포 정수 회로는 선로의 폭, 길이, 배치, 구조 등에 의해 여러 가지 소자와 회로를 형성하는 것을 말한다. 즉, 마이크로스트립 자체가 '회로'로서 사용되는 것을 말한다.

오픈 스터브는 스터브(Stub)의 길이 L이 L＜λ/4의 범위에서는 캐패시터로서 동작하는 것을 말한다. 한편, 스터브의 길이 L이 λ/4＜L＜λ/2 의 범위에서는 인덕터로서 동작한다. 쇼트 스터브(Short Stub)는 스터브의 길이 L이 L＜λ/4 의 범위에서는 인덕터로서, λ/4＜L＜λ/2 의 범위에서는 캐패시터로서 동작한다.

도면에서는 특성 임피던스가 Z₀인 급전선(500)에 λc/4 길이의 급전선(504) 사이에 특성 임피던스가 Z₁인 λc/2 길이의 오픈 스터브 A(502)와 오픈 스터브 B(506) 2개를 평행하게 배치시킨 구조를 하고 있다. 여기서 λc는 광대역 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장이다. 전술한 구조의 마이크로스트립 회로는 급전선(500)의 그룹 지연(Group Delay)을 변화시킬 수 있기 때문에 틸팅각 보정 장치가 없는 급전선의 위상 지연 특성과 비교하면 낮은 주파수에서는 위상 지연을 감소시키고 높은 주파수에서는 위상 지연을 증가시키게 된다.

그룹 지연은 신호가 필터 내부를 통과하면서 발생한 신호의 시간 지연을 의미한다. 이것은 결국 시간축에서 사인(Sine) 파형이 약간 밀려서 위상차를 가진 것처럼 보이게 된다. 그룹 지연에 관한 수학식은 수학식 2와 같이 표현된다.

그룹 지연에 관한 수학식 2에서 ω (=2πf)는 각주파수로 δω는 각 주파수의 변화량을 의미하며, θ는 위상을 의미한다. 즉, 군지연 수학식은 각주파수 ω (=2πf)에 따른 위상의 변화량(δθ)을 의미한다.

군지연은 필터의 크기나 구조에 많이 의존하며 필터의 크기나 구조에 의해 발생한 시간 지연 현상은 단순히 신호가 늦게 전송되는 것이 아니라 신호 자체의 왜곡(Distortion)을 가져올 수 있는 데 있다. 신호 자체의 왜곡은 단순한 주기적 파형을 계속하는 사인 파형이 문제가 아니라 변조(Modulation)된 신호에서 왜곡이 발생된다. 변조된 신호는 캐리어 주파수와 캐리어 주파수 양 옆에 변조되기 전 신호 성분을 가지게 되는데 그러한 USB(USB : Upper Side Band), LSB(LSB : Lower Side Band) 변조 신호들은 캐리어와 저대역 주파수 차이만큼 떨어져 있다. 그런데 군지연과 같이 일정한 양만큼 시간 지연이 발생하면 서로 다른 LSB와 USB 주파수 신호는 군지연이 발생한 양만큼 시간이 지연되게 된다.

이런식으로 변조 신호의 필터링이 이루어질 때 넓은 변조 대역에서 똑같은 시간 지연은 서로 다른 위상 지연값을 만들어내게 되어서 주파수-시간축 간의 퓨리에 변환 관계를 깨트리게 된다. 다시 말해 군지연이 크면 통과되는 주파수 대역의 주파수마다 위상 관계가 조금씩 더 틀어지며 결국 이것은 신호의 왜곡으로 나타나게 된다.

마이크로스트립 회로를 이용하는 틸팅각 보정 장치를 구현하기 위해서는 ABCD 파라미터 수학식을 이용하여 오픈 스터브 A(502)와 오픈 스터브 B(506)의 전기적 특성을 산출한다.

수학식 3에서 우변의 첫번째와 세번째 행렬식은 λc/2 길이의 오픈 스터브 A(502), 오픈 스터브 B(506)의 ABCD 파라미터이며

이고

이다. 또한 우변의 두번째 행렬식은 λc/4 길이의 급전선(504)의 ABCD 파라미터이며

가 된다. 여기서 εe, ε'e는 각 급전선의 실효 유전율을 의미하며 Y₀ = 1/Z₀, Y₁ = 1/Z ₁ 이다. f_c는 광대역 주파수 대역의 중심 주파수, f는 상기 안테나 소자에 송신 및/또는 수신되는 전자기파의 주파수이다. β는 위상 상수라고 불리우는데 전송 선로상에서 파동이 단위 길이를 진행하는 동안에 변화되는 위상각을 의미하며 단위는 rad/m 이다. βl은 스터브의 전기적 길이를 의미한다.

마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치의 반사 계수(Γ)와 전송 계수(T)는 ABCD 파라미터에서 S 파라미터 변환 공식을 수학식 4를 이용하 여 계산할 수 있다.

Γ는 반사 계수를 나타내는 지표로 특정 위치에서의 들어오는 전압에 대한 나가는 전압의 비율로 말 그대로 특정 위치에서 전압이 얼마나 반사되었는가를 나타내는 지표이다. 반사 계수(Γ)는 마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치의 반사 특성을 나타낸다.

수학식 5에서 T 또는 τ(타우)로 불리우는 전달 계수는 삽입 손실을 다룰 때 주로 사용된다. 입력된 전력이 출력단에 완벽하게 손실없이 모두 전달되었을 때, 그 값을 1로 본다면 T(전달계수) = 1 + Γ(반사계수)로 정의된다. 삽입 손실(Insertion loss) = -20 log T 로 정의되어 결국 삽입 손실이란 전달 계수값의 dB값을 말한다. 당연히 Γ값이 작을수록 T값도 작아져서 손실이 작아지게 된다.

전송 계수(T)는 마이크로스트립 라인을 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치의 삽입 손실과 위상 특성을 나타낸다. 각 급전선의 위상 특성은 전송 계수의 위상 특성에 따라서 변하게 된다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 1.7 GHz 내지 2.5 GHz의 주파수 대역에서 오픈 스터브의 특성 임피던스 값에 따른 전송 계수(T)의 위상 특성을 나타낸 그래프이다.

오픈 스터브의 특성 임피던스 값에 따른 전송 계수의 위상 특성을 나타낸 그래프는 X축은 오픈 스터브의 임피던스, Y축은 전송 계수(T)의 위상 특성을 나타내고 있다.

마이크로스트립 회로로 구현한 틸팅각 보정 장치는 오픈 스터브의 특성 임피던스 값에 따라 전송 계수(T)의 위상 특성은 변하게 된다. 오픈 스터브의 특성 임피던스가 커질수록 위상 지연 차이는 감소하며 반대로 오픈 스터브의 특성 임피던스가 커질수록 위상 지연 차이는 증가하게 된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6-배열 안테나에 마이크로스트립 회로을 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치를 적용했을 때 주파수에 따른 위상의 변화를 나타낸 그래프이다.

틸팅각 보정 장치를 적용한 6-배열 안테나의 위상 변화를 나타낸 그래프는 X축은 주파수, Y축은 위상, 틸팅각 보정 장치가 없는 급전선의 위상 변화(700), 지면에서 수직 방향으로 위치하는 각 급전선의 틸팅각 보정 장치가 있는 급전선의 위상 변화(702 내지 710)를 나타낸다.

틸팅각 보정 장치가 있는 급전선의 위상 변화(702 내지 710)는 틸팅각 보정 장치가 없는 급전선의 위상 변화(700)와 비교하면 중심 주파수(f_c)에서는 위상 지연 변화가 없지만 낮은 주파수(f_L) 대역에서는 위상 지연이 감소하고 높은 주파수(f_H) 대역에서는 위상 지연이 증가하게 된다.

따라서 배열 안테나의 지면에서 윗 방향으로 각 배열 안테나의 소자와 연결된 틸팅각 보정 장치의 오픈 스터브의 특성 임피던스 값을 점차적으로 줄어들게 하여 위상 지연 차이가 일정하게 유지되도록 한다. 각 배열 안테나 소자에 도달하는 신호의 위상 특성은 낮은 주파수에서는 각 급전선의 위상 지연이 감소하고 높은 주파수에서는 각 급전선의 위상 지연이 증가하게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 광대역 배열 안테나는 지면에서 수직 방향으로 광대역 배열 안테나 소자의 위상 지연이 점차적으로 증가하면 주빔이 지면에서 위쪽으로 향한다. 반대로 위상 지연이 점차적으로 감소하면 주빔이 지면쪽으로 향하게 된다. 마이크로스트립 회로를 이용하여 구현한 틸팅각 보정 장치의 오픈 스터브의 특성 임피던스 값에 따라 전송 계수의 위상 특성을 변화시켜 낮은 주파수의 빔 패턴이 3 dB 빔폭이 되는 각도를 높은 주파수의 3 dB 빔폭이 되는 각도와 일치하게 함으로써 셀 반경을 동일하게 유지할 수 있다.

Claims (20)

1. N(N은 자연수)개의 안테나 소자와 상기 안테나 소자의 급전선에 설치하는 마이크로스트립 회로로 구현한 틸팅각 보정 장치를 포함하는 광대역 배열 안테나를 사용하는 이동 통신 시스템에서 셀 반경을 일정하게 유지하는 방법으로서,

   (a) 상기 안테나 소자로부터 중심주파수(fc)보다 낮은 주파수(f_L) 대역 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계;

   (b) 상기 안테나 소자로부터 중심주파수(fc)보다 높은 주파수(f_H) 대역 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계; 및

   (c) 광대역 주파수 대역에서 중심 주파수 전자기파의 틸팅각을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 틸팅각 보정 장치는 상기 마이크로스트립 회로의 오픈 스터브의 특성 임피던스를 조절하여 높은 주파수 빔 패턴의 3 dB 빔폭이 되는 각도와 낮은 주파수의 3 dB 빔폭이 되는 각도를 일치시킴으로써 셀 반경을 동일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (a)에서

   상기 틸팅각 보정 장치가 상기 중심주파수(fc)보다 낮은 주파수(f_L) 대역의 전자기파의 위상 지연을 감소시켜 주빔이 아래쪽으로 향하게 하여 상기 주빔이 기설정된 상기 셀 반경을 벗어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서

   상기 틸팅각 보정 장치가 상기 중심주파수(fc)보다 높은 주파수(f_H) 대역의 전자기파의 위상 지연을 증가시켜 주빔이 위쪽으로 향하게 하여 상기 주빔이 기설정된 상기 셀 반경을 벗어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (c)에서

   상기 틸팅각 보정 장치는 상기 안테나 소자가 광대역 주파수 대역에서 중심 주파수의 전자기파를 방사하는 경우에는 위상 지연을 발생시키지 않는 것을 특징으로 하는 광대역 배열 안테나의 틸팅각 보정 방법.
6. 삭제
7. 삭제
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9. 삭제
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11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 전파를 송신 또는 수신하는 N(N은 자연수)개의 안테나 소자를 다단 배열한 무선 통신용 광대역 배열 안테나에 있어서,

    다운 틸팅된 메인 로브를 형성하는 상기 N개의 안테나 소자;

    주파수 대역에 따른 메인 로브의 틸팅각을 보정하여 기설정된 셀 반경에서 송신 또는 수신 주파수 대역이 일정하게 유지하는 틸팅각 보정 장치; 및

    상기 틸팅각 보정 장치에서 상기 틸팅각을 보정한 상기 주빔을 전송하는 급전선

    을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 광대역 배열 안테나는 송신 또는 수신하는 주파수 대역이 800 MHz 내지 2.5 GHz대역인 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 광대역 배열 안테나는 N개의 안테나 소자를 수직 또는 수평으로 다단 배열하는 배열 안테나인 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 틸팅각 보정 장치는 마이크로스트립 회로로 구현하는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 틸팅각 보정 장치는 λc / 4(광대역 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장) 길이의 급전선을 사이에 두고 λc / 2 길이의 오픈 스터브 2개를 평행하게 배치하는 구조인 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.
19. 제 14 항에 있어서,

    상기 틸팅각 보정 장치는 상기 메인 로브의 위상 지연 제어값으로 상기 주빔의 틸팅각을 보정하는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 위상 지연 제어값은 상기 오픈 스터브의 특성 임피던스 값으로 상기 주 빔의 위상을 지연하는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 광대역 배열 안테나.

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