KR100586095B1

KR100586095B1 - 단일 빔 패턴의 안테나와 이를 사용한 알 에프 중계시스템

Info

Publication number: KR100586095B1
Application number: KR1020030074963A
Authority: KR
Inventors: 정하재
Original assignee: (주)더블유엘호스트
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2006-06-01
Also published as: KR20050039893A

Abstract

단일 빔 패턴의 안테나와 이를 사용한 RF 중계시스템이 개시된다. 본 발명은 RF 중계시스템에서 직접적인 간섭의 양과 반사적인 간섭의 양을 최소화하는 안테나와 이를 사용하는 RF 중계시스템을 제공하기 위한 것으로, 종래 고 지향의 링크안테나, 중계장치 및 서비스안테나로 구성된 RF 중계시스템에 있어서, 상기 고 지향 링크안테나를 사용 시 주빔(Main Lobe) 이외의 방향에서 발생하는 부엽(Side Lobe)을 안테나 소자의 출력분배에 있어 이항급수분배를 적용하고, 최소한 2차원 배열의 구조와 안테나 소자간 위치에 따른 수신균형 조정하여 후방신호를 제로(0)화하여 상위국에 대한 단일 방향의 빔만이 존재하는 방사패턴을 갖는다. 따라서, 본 발명은 상기 단일 빔 링크안테나의 방사패턴에 있어 서비스안테나에서 송신한 고출력의 신호에 대하여 단일 빔 방사 각도를 제외한 모든 방향에서 수신되는 궤환 간섭량을 최소화하여 고 이득의 중계특성을 안정적으로 운용할 수 있으며, 변파(Frequency Change) 및 광(Fiber Optic)과 같은 여타의 중계방식보다 본 발명의 RF중계방식이 구조가 간단하므로, 각종 방송 및 통신산업에서 경제적으로 서비스를 확장 및 운용 할 수 있는 효과가 있다.

링크안테나, 서비스안테나, RF 중계시스템, 급수분배 배열 안테나

Description

단일 빔 패턴의 안테나와 이를 사용한 알 에프 중계시스템{The Antenna And RF Repeater System Using Single Beam Pattern.}

도 1은 종래의 고 지향 안테나를 이용한 RF 중계시스템의 개념적인 구성 및 방사패턴을 보인 도면.
도 2는 본 발명 단일 빔 안테나를 일 실시 예를 통해 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명 단일 빔 패턴의 안테나를 사용한 알 에프 중계시스템의 개념적인 구성 및 방사패턴을 보인 도면.
*** 도면 부호의 간단한 설명 ***
110 : 상위국 120 : 고 지향 링크안테나
130 : 중계장치 140 : 고 지향 서비스안테나
150 : 반사체 220 : 단일 빔 링크안테나
240 : 단일 빔 서비스안테나 310: 안테나 구조체
312 : 입출력 커넥터 313 : 단일 빔 출력분배기
314 : 코너 반사판넬 315 : 보호 커버
316 : 안테나 소자

삭제

본 발명은 무선통신에서 이용되는 중계시스템에 관한 것으로, 특히 링크안테나 및 서비스안테나 및 중계장치로 구성되는 RF 중계시스템에 관한 것이다.
종래의 RF 중계시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 상위국(110)과 고 지향 링크안테나(120), 중계장치(130) 및 고 지향 서비스안테나(140)가 결합되어 중계시스템으로 운용된다.
이때 상기 고 지향 링크안테나(120)에서 수신되는 신호는 중계 모국(Donor)과 같은 상위국(110) 신호와 상기 상위국 수신신호를 증폭하여 송신한 자기 송신신호의 일부가 궤환되는 궤환신호다. 이때 상기 고 지향 링크안테나(120)로 수신되는 궤환신호는 상기 고 이득 서비스안테나(140)로부터 직접적인 공간경로를 통하여 수신되는 직접궤환신호와 반사체(150)를 통하여 수신되는 반사궤환신호가 있다.
본 발명의 설명에서는 설명의 편의상 순 방향만을 언급한다. 즉, 상위국에서 링크안테나로 전달되는 신호에 대하여만 설명한다. 그 이유는 양방향의 통신시스템에서 역방향의 경우는 상기 서비스안테나를 링크안테나로 사용하며, 상기 링크안테나를 서비스안테나로 사용하기 때문이다.
상기 RF 중계시스템의 구성요소별 기능을 살펴보면, 상기 상위국(110)은 중계대상의 신호를 발생하는 무선국으로서 상기 상위국의 공중선장치를 통하여 자유공간으로 중계대상의 신호를 방사한다.
상기 고 지향 링크안테나(120)는 상기 상위국(110)으로부터 일정거리에 떨어져서 위치하여 상기 상위국의 중계신호를 수신한다. 따라서 상기 링크안테나(120)는 일반적으로 지향특성이 우수한 야기 및 빔 또는 파라볼릭 안테나를 사용하여 주변의 다른 신호와 구분하여 수신한다.
이때 상기 고 지향 링크안테나(120)는 상기 도 1에 수평 패턴의 지향특성을 도시한 바와 같이 지향특성이 우수한 야기 및 빔 안테나도 그 방사패턴을 보면, 주 빔(main lobe) 이외에 부엽(side lobe) 및 후방엽(back lobe)이 발생한다. 주 빔의 세기에 비교하여 예를 들어 부엽은 -13db, 후방엽은 -25db와 같이 일정비율이 존재하여 상위국이 아닌 방향의 신호를 적은 비율이나마 동시에 수신하는 문제점이 있다.
상기 중계장치(130)는 상기 고 지향 링크안테나(120)를 통하여 수신된 신호를 출력하기에 충분한 세기로 보강하는 기능을 담당하는 증폭장치이다. 기능에 따라서 출력을 일정레벨을 기준으로 제한하는 출력제어 중계장치 및 이득을 일정수준으로 제한하는 간이 중계장치 및 간섭을 검출하여 이득을 제어함으로서 일정한 품질수준을 유지하는 발진감지 중계장치 및 수신의 신호 중 간섭의 신호를 상쇄하여 증폭이득과 품질수준을 향상시키는 간섭제거 중계장치 등 다양한 기능의 장치를 상기 중계장치(130)로 포함하여 통칭한다.
상기 고 지향 서비스안테나(140)는 상기 중계장치를 통하여 보강된 출력신호를 자유공간으로 동일의 주파수대역 또는 동일 채널로서 재 방사한다. 이때 상기 서비스안테나(140)로부터 송신한 신호는 자유공간을 통하여 직접적으로 상기 링크안테나를 통하여 상기 부엽 및 후방엽의 특성에 의하여 수신되며, 주변의 반사체(150)를 통하여 상기 고 지향 링크안테나(120)로 수신되어 궤환하는 특징이 있다.
따라서, 상기 중계장치의 증폭이득은 상기 궤환되는 신호의 비율에 따라서 실제 양호한 통신의 품질로서 사용이 가능한 이득이 제한되는 문제점과 중계장치내의 수신부가 포화되는 문제점이 있다.

삭제

따라서 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로 링크안테나와 서비스안테나에 있어 부엽과 후방엽의 성분이 거의 존재하지 않고 주 빔만이 존재하는 이상적인 단일 빔 패턴의 안테나를 제공하는 것을 목적으로 하고, 이를 사용하여 상기 궤환신호의 양을 최소화함으로써 고 이득의 안정된 중계시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명 단일 빔 패턴의 안테나는 RF 중계시스템에 이용되는 안테나에 있어서, 안테나의 외장 기구물인 안테나 구조체; 상기 안테나 구조체 내측에 설치되며, 안테나 소자의 행렬 위치에 해당하는 빔 제어 출력을 이항급수로 분배하는 단일 빔 출력분배기; 상기 단일 빔 출력분배기에 수직 및 수평 간격을 각각 반파장으로 이격되어 M(행)×N(열)의 수만큼 배열되어 고정 설치되는 안테나 소자; 상기 안테나 구조체에 결합되어, 상기 다수의 배열된 안테나 소자 중 가장자리에 위치하는 안테나 소자에 대한 개별 빔 패턴의 균형을 조정하는 코너 반사판넬; 상기 안테나 외장체의 외부로 노출되어 상기 RF 중계시스템의 중계장치와 접속하기 위한 입출력 커넥터; 및 상기 코너 반사판넬과 결합하여 안테나 내부 요소를 보호하는 전면보호커버;로 이루어진 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 코너 반사판넬은 최소한 1회 이상 내측으로 굴절되어 부엽과 후방엽에 대한 불요파를 추가로 억압하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 단일 빔 패턴의 안테나를 사용하는 본 발명 단일 빔 패터의 안테나를 사용하는 RF 중계시스템은 상위국의 무선신호를 링크안테나로 수신하여 중계장치를 통하여 증폭하고 서비스안테나를 통하여 상기 수신신호를 재 송신하는 중계시스템에 있어서, 상기 링크안테나와 서비스안테나 중 적어도 하나는 안테나의 외장 기구물인 안테나 구조체; 상기 안테나 구조체 내측에 설치되며, 안테나 소자의 행렬 위치에 해당하는 빔 제어 출력을 이항급수로 분배하는 단일 빔 출력분배기; 상기 단일 빔 출력분배기에 수직 및 수평 간격을 각각 반파장으로 이격되어 M(행)×N(열)의 수만큼 배열되어 고정 설치되는 안테나 소자; 상기 안테나 구조체에 결합되어, 상기 다수의 배열된 안테나 소자 중 가장자리에 위치하는 안테나 소자에 대한 개별 빔 패턴의 균형을 조정하는 코너 반사판넬; 상기 안테나 외장체의 외부로 노출되어 상기 RF 중계시스템의 중계장치와 접속하기 위한 입출력 커넥터; 및 상기 코너 반사판넬과 결합하여 안테나 내부 요소를 보호하는 전면보호커버;로 이루어진 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나는 코너 반사판넬이 최소한 1회 이상 내측으로 굴절되어 부엽과 후방엽에 대한 불요파를 추가로 억압하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 단일 빔 패턴의 안테나와 이를 사용한 알 에프 중계시스템을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명 단일 빔 안테나를 일 실시 예를 통해 설명하기 위한 도면이다. 상기 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 단일 빔 안테나는 급수 분배방식의 2차원 배열안테나로 안테나 구조체(310), 단일 빔 출력분배기(313), 안테나 소자(316), 코너 반사판넬(314), 입출력 커넥터(312) 및 전면보호커버(315)로 구성된다.
상기 안테나 소자(316)는 수평과 수직의 최소한 평면적인 2차 어레이(Array) 소자의 배열로 되며, 배열 소자의 간격은 수직과 수평이 각각 반 파장이며, 안테나의 외장 기구물인 안테나 구조체(310) 내부에 설치된 단일 빔 출력분배기(313) 상에 도시한 바와 같이 설치된다. 이때, 상기 안테나 소자(316) 간의 배열간격은 이항 분포의 출력 분배 원리상 배열의 수가 무한히 증가하여도 전방(Front Side)의 부엽이 발생치 않는 설계 조건은 안테나 전방(0도 방향)의 신호원에 대하여 -90도부터 시작하여 0도를 통과하여 +90도까지 이동하는 동안 단 1회의 최대의 증감변화를 발생시키기 위하여 반 파장간격이 바람직하다.
상기 안테나 구조체(310)의 내부에 설치되는 상기 단일 빔 출력분배기(313)는 상기 안테나 소자(316)들에 대한 이항급수 출력 분배역할을 한다.
즉, 상기 단일 빔 출력분배기(313)는 단일 빔을 생성하기 위한 안테나 배열 소자별로 필요한 출력의 비율을 이항급수로 분배하는 수단이다.
상기 도 2에 도시한 바와 같이 안테나 소자(316)가 4(M)X7(N)로 배열된 경우, 이항급수전개 방법에 의하여 해당 배열 조합에 의하여 행렬(matrix)이 조합되고, 이때, 이항급수전개 방법으로 출력의 전압비율은 어레이 팩터(AF)=(1+z)^n으로 표시되는 다항식의 계수를 사용한다.
즉 상기 행렬 구조에 있어서, 행(M)은 4행이므로 그 계수는 1:3:3:1이며, 이와 같은 비율로 행 별 안테나 소자의 출력전압 크기가 분배된다. 열(N)은 7열이므로 그 계수는 1:6:15:20:15:6:1이며, 이와 같은 비율로 열 별 안테나 소자의 출력전압 크기가 분배된다.
따라서 상기 2차원 행렬 구조의 배열소자 개별의 출력분배는 상기 행(1:3:3:1)과 열(1:6:15:20:15:6:1)의 출력분배 상수들의 곱으로 계산된다. 따라서 상기 도 2에 도시한 바와 같은 크기로 안테나 소자별로 출력전압 크기가 분배된다.
따라서 상기 단일 빔 출력분배기(313)에 설치된 안테나 소자(316)는 상기 단일 빔 출력분배기(313)에서 급수 분배된 신호를 자유공간에 방사한다.
상기 코너 반사판넬(314)은 상기 개별 안테나 소자(316)의 방사패턴 균형을 유지하기 위한 것으로 특히 상기 다수의 배열된 안테나 소자 중 가장자리에 위치하는 안테나 소자에 대한 개별 빔 패턴의 균형을 조정한다.
본 발명에 따른 단일 빔 패턴의 안테나에 있어서, 상기 코너 반사판넬(314)이 필요한 이유는 가장자리에 위치한 안테나 소자 간에 방사패턴이 가능한 상호 유사하게 하여 상기 이항급수분배를 통한 부엽 및 후방엽과 같은 불요파 억제에 대한 실질적인 효과를 향상시키기 위함이다. 이때 가장 바람직한 코너 반사판넬(314)은 가장자리에 위치한 안테나 소자와 인근의 코너 반사판넬(314) 부분이 10도와 같이 작은 각도를 사용하며, 안테나 가장자리는 45도와 같이 높은 각도를 적용하는 것과 같이 상기 도 2에 도시한 바와 같이 최소한 1회 이상의 굴절의 주는 것이 바람직하다.
상기 입출력 커넥터(312)는 RF 중계시스템의 중계장치와 본 발명에 따른 단일 빔 링크안테나를 연결하기 위한 접속 수단으로 상기 도 2에 도시한 바와 같이 상기 안테나 구조체(310)의 배면 외측으로 노출되는 것이 바람직하다.
상기 전면보호커버(315)는 눈비와 같은 기상 및 시공자의 외력으로부터 상기 코너 반사판넬(314)과 결합하여 안테나 구조체(310) 내부에 설치된 단일 빔 출력분배기(313)와 안테나 소자(316) 등을 보호하며, 전파는 투과시킨다.
도 3은 본 발명 단일 빔 패턴의 안테나를 사용한 알 에프 중계시스템의 개념적인 구성 및 방사패턴을 보인 도면이다. 상기 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 RF 중계시스템은 상위국(110), 단일 빔 링크안테나(220), 중계장치(130) 및 단일 빔 서비스안테나(240)로 구성된다.
이때, 상위국(110) 및 중계장치(130) 기능은 종래의 기술 설명과 동일하나, 상기 단일 빔 링크안테나(220) 및 단일 빔 서비스안테나(240)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 안테나의 외장 기구물인 안테나 구조체, 상기 안테나 구조체 내측에 설치되며, 안테나 소자의 행렬 위치에 해당하는 빔 제어 출력을 이항급수로 분배하는 단일 빔 출력분배기, 상기 단일 빔 출력분배기에 수직 및 수평 간격을 각각 반파장으로 이격되어 M(행)×N(열)의 수만큼 배열되어 고정 설치되는 안테나 소자, 상기 안테나 구조체에 결합되어, 상기 다수의 배열된 안테나 소자 중 가장자리에 위치하는 안테나 소자에 대한 개별 빔 패턴의 균형을 조정하는 코너 반사판넬, 상기 안테나 외장체의 외부로 노출되어 상기 RF 중계시스템의 중계장치와 접속하기 위한 입출력 커넥터 및 상기 코너 반사판넬과 결합하여 안테나 내부 요소를 보호하는 전면보호커버로 이루어진 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나는 코너 반사판넬이 최소한 1회 이상 내측으로 굴절되어 부엽과 후방엽에 대한 불요파를 추가로 억압하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 단일 빔 패턴의 안테나를 사용하는 RF 중계시스템은 상기 단일 빔 패턴의 안테나의 특성상 대상 상위국(110)과 대상 서비스지역에 대한 송수신 이득은 같은 크기의 종래의 주로 균등 분배방식의 빔형 안테나를 사용하는 고 지향 링크안테나(120)에 비하여 상기 도 3에 도시한 바와 같이 이항급수분배의 특성상 2db 내지 5db의 이득(gain)이 저하되나, 이를 최소한 2차원적으로 구성함으로써 안테나 구조체(310)와 코너 반사판넬(314)을 통과하여 최종적으로 입출력 커넥터(312)에 전달되는 전달함수는 단일 빔 출력분배기(313)에 의하여 이항분배의 평면 방향의 상쇄원리가 행과 열 별로 작용 되므로 인해 상기 안테나 구조체(310)와 코너 반사판넬(314)을 통과하여 안테나 소자(316)에 대하여 평면적으로 유입되는 후방엽 신호의 세기가 이론적으로 0(-∞db)이 되는 특징이 발생하며, 이러한 특징을 이용하는 본 발명의 단일 빔 패턴의 안테나를 사용하면, 종래의 안테나와 비교하여 전방만을 제외한 후방 및 상하좌우 방향에 대한 입체적인 다각도에서 직접 및 반사의 간섭량이 10db이상 획기적으로 줄어 중계의 이득을 실질적으로 높일 수 있으므로 상기 RF 중계시스템을 안정적으로 운용할 수 있다.
이와 같은 본 발명 RF 중계시스템에 사용되는 단일 빔 안테나는 상기에서 설명한 바와 같이 안테나 소자(316)의 배열구성이 수평의 배열구성은 수평패턴의 지향성을 높이며, 수직의 배열구성은 수직패턴의 지향성을 높이므로 중계시스템의 실제 운용환경에서 주변 건물과 같은 수평적 반사체와 지면과 같은 수직적 반사체에 대하여 반사간섭을 동시에 억압하기 위하여 본 발명의 단일 빔 링크안테나는 최소한 수평과 수직의 2차원적인 배열의 구조로 구성함이 바람직하며, 3차원인 경우는 지향특성과 간섭특성이 더욱 우수한 특징이 있으나, 본 발명의 응용사례로 간주한다.
상기 서술한 본 발명의 단일 빔 링크안테나를 사용한 중계시스템의 응용은 일 실시 예로서 본 발명의 활용을 제한하고자 한 것이 아니고, 이해를 돕기 위한 설명이란 점에 유의하여야 하고, 단일 빔의 안테나를 서비스안테나에 적용하는 것과 같이 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

삭제

상기와 같은 본 발명은 단일 빔 패턴의 안테나는 링크안테나와 서비스안테나에 있어 부엽과 후방엽의 성분이 거의 존재하지 않고 주 빔만이 존재하는 이상적인 단일 빔 패턴을 갖는 효과가 있고, 이를 사용하여 RF 중계시스템은 상기 궤환신호의 양을 최소화하여 RF 중계시스템에서 송신과 수신 안테나 간 간섭을 획기적으로 줄여 고 이득의 안정된 중계시스템을 다양한 환경에서 자유롭게 사용할 수 있는 효과가 있다.
특히 RF 중계방식은 광, LASER, 변파와 같은 여타의 중계방식보다 시설 및 운용유지가 경제적이므로 통신 및 방송 사업자에 대하여 음영지역 개선 및 서비스 확장에 필요한 비용의 부담을 최소화 할 수 있는 경제적인 장점이 있다.

삭제

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
RF 중계시스템에 이용되는 안테나에 있어서,

안테나의 외장 기구물인 안테나 구조체;

상기 안테나 구조체 내측에 설치되며, 안테나 소자의 행렬 위치에 해당하는 빔 제어 출력을 이항급수로 분배하는 단일 빔 출력분배기;

상기 단일 빔 출력분배기에 수직 및 수평 간격을 각각 반파장으로 이격되어 M(행)×N(열)의 수만큼 배열되어 고정 설치되는 안테나 소자;

상기 안테나 구조체에 결합되어, 상기 다수의 배열된 안테나 소자 중 가장자리에 위치하는 안테나 소자에 대한 개별 빔 패턴의 균형을 조정하는 코너 반사판넬;

상기 안테나 외장체의 외부로 노출되어 상기 RF 중계시스템의 중계장치와 접속하기 위한 입출력 커넥터; 및

상기 코너 반사판넬과 결합하여 안테나 내부 요소를 보호하는 전면보호커버;로 이루어진 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나인 것을 특징으로 하는 단일 빔 패턴의 안테나.
제7항에 있어서, 상기 코너 반사판넬은

최소한 1회 이상 내측으로 굴절되어 부엽과 후방엽에 대한 불요파를 추가로 억압하는 것;을 특징으로 하는 단일 빔 패턴의 안테나.
상위국의 무선신호를 링크안테나로 수신하여 중계장치를 통하여 증폭하고 서비스안테나를 통하여 상기 수신신호를 재 송신하는 중계시스템에 있어서,

상기 링크안테나와 서비스안테나 중 적어도 하나는

안테나의 외장 기구물인 안테나 구조체; 상기 안테나 구조체 내측에 설치되며, 안테나 소자의 행렬 위치에 해당하는 빔 제어 출력을 이항급수로 분배하는 단일 빔 출력분배기; 상기 단일 빔 출력분배기에 수직 및 수평 간격을 각각 반파장으로 이격되어 M(행)×N(열)의 수만큼 배열되어 고정 설치되는 안테나 소자; 상기 안테나 구조체에 결합되어, 상기 다수의 배열된 안테나 소자 중 가장자리에 위치하는 안테나 소자에 대한 개별 빔 패턴의 균형을 조정하는 코너 반사판넬; 상기 안테나 외장체의 외부로 노출되어 상기 RF 중계시스템의 중계장치와 접속하기 위한 입출력 커넥터; 및 상기 코너 반사판넬과 결합하여 안테나 내부 요소를 보호하는 전면보호커버;로 이루어진 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나인 것을 특징으로 하는 단일 빔 패턴의 안테나를 사용한 알 에프 중계시스템.
제9항에 있어서, 상기 이항급수 분배방식의 2차원 배열안테나는

코너 반사판넬이 최소한 1회 이상 내측으로 굴절되어 부엽과 후방엽에 대한 불요파를 추가로 억압하는 것;을 특징으로 하는 단일 빔 패턴의 안테나를 사용한 알 에프 중계시스템.