KR100611806B1 - 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파기지국 안테나 및 그의 제어 시스템 - Google Patents

프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파기지국 안테나 및 그의 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자를 다수 어레이시키고, 하나의 다중선로 지연기를 이용하여 다수 개의 방사소자에 급전되는 신호 지연을 제어함으로써 안테나 구성에 필요한 다중선로 지연기를 집적화할 수 있는 이중편파 기지국 안테나에 관한 것이다.
본 발명은, 전도성 재질로 이루어진 반사판과, 상기 반사판의 양 측면에 직립되게 설치된 측벽을 포함하는 지지체; 상기 지지체의 단부에 설치되며, 기지국 내에 위치하는 원격제어장치로부터 출력된 제어신호를 전송할 수 있도록 급전하는 급전수단; 상기 급전수단의 근접부에 설치되며, 그를 통해 입력되는 제어신호를 RF신호와 모터 구동을 위한 DC전압으로 분리하고, 다중선로지연기를 조정하는 안테나 제어수단; 상기 안테나 제어수단 일측에 설치되어 그로부터 분리된 RF신호를 입력받아 소정 수로 분배하여 출력하는 전력분배수단; 상기 지지체의 상면 소정위치에 장착되며, 상기 전력분배수단을 통해 입력되는 RF신호의 위상을 지연시킴으로써 안테나의 다운틸팅을 조정하는 다중 선로 지연수단; 및 상기 지지체의 상면에 등간격으로 배열되며, 2개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 상기 다중 선로 지연수단을 통해 출력된 신호를 방사하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 것을 포함하는 이중편파 기지국 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 구성된 이중편파 안테나를 제어하기 위한 장치로서, 기지국 내에 위치되어 안테나 빔의 다운틸팅을 제어하기 위한 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호 및 모터의 모터전압 그리고 이동통신을 위한 RF신호를 안테나에 전송하는 원격제어수단; 상기 지지체의 단부에 설치되며, 상기 원격제어수단으로부터 전송되는 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터의 모터전압 및 RF신호를 모두 합하여 전송하는 급전 케이블; 상기 지지체에 구비되며, 급전 케이블을 통해 입력되는 원격제어수단의 제어신호를 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터의 모터전압 및 RF신호로 분리하고, 모터의 회전상태에 따른 변화값을 상기 원격제어수단으로 출력하는 안테나 제어수단, 상기 안테나 제어수단으로부터 인가되는 모터전압에 의해 구동하여 안테나 빔의 방향 및 경사 각도를 조정하는 모터 구동수단을 포함하는 이중편파 기지국 안테나의 제어 시스템을 제공한다.
이중편파 기지국 안테나, 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자, 단자간 분리도, 디커플링 소자

Description

프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파 기지국 안테나 및 그의 제어 시스템 {DUAL POLARIZATION BASE STATION ANTENNA BE ARRAYED PATCH ANTENNA OF PROBE FEED AND CONTROL SYSTEM OF THE SAME}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중편파 기지국 안테나의 전체 구성을 나타내는 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 이중편파 기지국 안테나의 하단부를 나타내는 측면도,
도 3은 도 1에 도시된 이중편파 기지국 안테나를 나타내는 저면도,
도 4는 도 1에 도시된 이중편파 기지국 안테나의 주요부인 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자를 나타내는 투영도,
도 5는 도 1에 도시된 이중편파 기지국 안테나의 주요부인 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자를 나타내는 단면도,
도 6은 도 1에 도시된 이중편파 기지국 안테나의 지지체가 레이돔에 장착된 상태를 나타내는 결합 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 이중편파 기지국 안테나의 제어시스템에 대한 일 실시 예를 나타내는 흐름도,
도 8은 도 7에 도시된 정합부를 나타내는 회로도,
도 9는 도 7에 도시된 신호 분리부를 나타내는 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 지지체 2, 3 : 제1 및 제2 다중선로 지연기
4, 5 : 제1 및 제2 급전포트 6 : 프로브 급전의 적층형 안테나
14 : 5-웨이 전력 분배기 15 : 신호 전송기판
22, 23 : 상측 PCB 및 하측 PCB 24 : 급전 핀
25 : 상측 복사 패턴부 26 : 하측 복사 패턴부
27 : 원형 디스크 28 : 디커플링 패턴
29 : 요철부 41 : 2-웨이 전력 분배기
100 : 원격제어 수단 200 : 안테나 제어 수단
210, 210a, 210b : 신호 분리부
본 발명은 이동통신 시스템의 기지국 장치에 이용되는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파 기지국 안테나 및 그의 제어 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 방사소자를 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자로 구현하여 어레이시키고, 다수의 신호를 입력받아 그 각각의 신호를 각기 소정의 비율로 동시에 제어할 수 있는 다중선로 지연기를 채용하여 안테나의 빔 패턴 및 수직 다 운 틸팅각을 정밀 제어할 수 있는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파 기지국 안테나 및 그의 제어시스템에 관한 것이다.
일반 안테나가 수직 편파 또는 수평 편파와 같이 단일 편파를 갖는데 비하여, 일반적으로, 이중편파 기지국 안테나는 경사진 각도의 편파를 2개 갖는 안테나를 일컫는데, 보통 ±45도의 편파를 가지므로 듀얼 슬랜트 폴러라이즈드 안테나(dual slant polarized antenna)라고 불리며, 이동통신 시스템 내 기지국의 수신 경로 이중화 구현을 위한 안테나로 이용된다.
이러한 편파 다이버시티 안테나는 기존의 공간 다이버시티 안테나를 대신하여 통신 품질을 저하시키는 가장 큰 원인의 하나인 페이딩 현상에 의한 통신 열화를 방지하기 위한 대안으로 이용되고 있다.
상기 편파 다이버시티 안테나는 기존의 공간 다이버시티 안테나에 비하여 그 공간적인 활용도가 높을 뿐만 아니라, 공간 다이버시티 안테나가 가지는 각기 다른 두 개의 안테나를 하나의 안테나에 구성할 수 있으므로 비용적인 면에서 획기적으로 절감할 수 있었다.
상대적으로 높은 위치에 있는 기지국 안테나는 가입자에게 효율적인 서비스를 제공하기 위하여 우산형 패턴으로 다운틸팅을 하게 되는데, 이때 기존의 기계적 다운틸팅 안테나는 틸팅각도가 커짐에 따라 수평 빔 패턴이 상대적으로 넓어지므로 섹터가 중첩지역이 넓어지게 된다. 이로 인하여 핸드 오프율(hand-off rate)이 증가되고, pilot PN pollution이 심해지며, 또한 망 최적화시에 작업자의 사고위험 등이 항상 상존하는 문제점이 있다.
또한, 이중 편파 복사가 가능한 보다 간단한 안테나 구조로는 단층의 마이크로 스트립 패치 안테나 (microstrip patch antenna)가 있으며, 이는 제조비용이 사고, 제작이 편리하며, 다양한 구조와 기능의 안테나 제작이 가능하고, 부피가 작다는 장점이 있다. 또한, 다이폴 구조의 안테나에 비해 수평복사 패턴 측면에서의 롤-오프(roll-off) 특성이 양호하지만, 반면에 대역폭이 좁은 단점이 있다.
이중 편파 안테나의 가장 큰 해결과제는 보통 단자간 분리도의 성능이며, 종래에는 별도의 디커플링(decoupling) 소자를 안테나에 부착하여 개선하였다. 하지만, 이 또한 제품의 복잡도를 증가시키는 문제점이 있다.
안테나의 틸팅각을 조정하기 위한 종래의 방법에 있어서는 기계적으로 안테나에 부착되어 있는 각도 조정 장치의 볼트를 수동으로 조정하거나, 스크류 볼트를 이용한 기구장치를 사용하여 클램프에 부착된 각도장치에서 가르키는 안테나의 방위각을 육안으로 확인하여 조정하는 구조를 채택하고 있다.
또한, 최근에는 안테나에 모터를 장착하고 그 모터를 원격제어함으로써 모터에 의해 안테나의 빔방향 및 경사각도를 조정하고 있는 방법이 제시되었으나, 이 방법에서는 상기 안테나에 장착된 모터를 제어하기 위해서, 급전 케이블 외에 모터 제어용 신호를 전송하기 위한 별도의 케이블을 구비해야만 하기 때문에 설치비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
근래에 들어와서는 이중 편파 다이버시티를 이용한 기술이 많이 나오고 있으며, 이론과 더불어 수동형 이중 편파 다이버시티 안테나와 모터제어를 통한 이중 편파 다이버시티 안테나가 개발되어 상업화가 이루어지고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 슬랜트된 이중 편파 신호를 구동할 수 있으며, 튜닝 및 대량 생산이 용이하도록 단순한 구조로 설게된 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자를 다수 어레이시킨 이중 편파 기지국 안테나 및 그의 제어 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 넓은 VSWR 대역폭 및 이득 대역폭의 구현을 위하여, 두 개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 각 복사 패턴부 신호당 두 곳의 급전 위치를 통해 급전되는 구조로 설계되어 안테나의 편파 분리도와 단자간 분리도의 특성이 개선된 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나 및 그의 제어 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 복사 패턴부의 일정 부위에 작은 요철부를 첨가하여서 안테나의 단자간 분리도를 개선시킨 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나 및 그의 제어 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 안테나에 급전을 위한 급전 케이블(feeder cable)에 모터 제어신호를 함께 전송하여 별도의 전송 케이블 없이도 안테나를 원격제어할 수 있고, 모터의 회전상태를 검출하는 회로를 수동소자로 구성함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 전도성 재질로 이루어진 반사판과, 상기 반사판의 양 측면에 직립되게 설치된 측벽을 포함하는 지지체; 상기 지지체의 단부에 설치되며, 기지국으로부터 전송되는 RF신호 및 제어신호를 입력받아 전송하는 급전수단; 상기 급전수단의 근접부에 설치되며, 그를 통해 입력된 신호를 RF신호와 모터 구동을 위한 DC전압으로 분리하고, 안테나의 다운틸팅 경사각도를 조정하는 안테나 제어수단; 상기 안테나 제어수단 근접부에 설치되어 상기 안테나 제어수단으로부터 분리된 RF신호를 입력받아 이를 소정 수로 분배하여 출력하는 전력분배수단; 상기 지지체의 상면 소정 위치에 장착되며, 상기 전력분배수단을 통해 입력되는 RF신호의 위상을 지연시킴으로써 안테나의 다운틸팅을 조정하는 다중 선로 지연수단; 및 상기 지지체의 상면에 등간격으로 배열되며, 2개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 상기 다중 선로 지연수단을 통해 출력된 신호를 방사하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파 기지국 안테나를 개시한다.
여기서, 상기 방사소자는 상측 PCB와 하측 PCB로 명명된 두 개의 PCB를 상하로 적층하여 구성되며, 상기 하측 PCB의 상면에 인쇄되어 직렬 캐패시턴스 성분을 구현한 원형 디스크; 상기의 하측 PCB의 저면에 인쇄된 사각형의 하측 복사 패턴부; 상기의 사각형의 하측 복사 패턴부의 일부분에 생성된 요철부; 상기의 상측 PCB의 저면에 인쇄된 사각형의 상측 복사 패턴부와 상기의 상측 복사 패턴부의 일부분에 생성된 요철부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 기지국 내에 위치되어 안테나 빔의 다운틸팅을 제어하기 위한 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호 및 모터의 모터전압 그리고 이동통신을 위한 RF신호를 안테나에 전송하는 원격제어수단; 전도성 재질의 반사판과, 상기 반사판의 양 측면에 직립되게 설치된 측벽을 포함하는 지지체; 상기 지지체의 단부에 설치되며, 상기 원격제어수단으로부터 전송되는 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터의 모터전압 및 RF신호를 모두 합하여 전송하는 급전케이블; 상기 지지체에 구비되며, 급전 케이블을 통해 입력되는 원격제어수단의 제어신호를 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터의 모터전압 및 RF신호로 분리하고, 모터의 회전상태에 따른 변화값을 상기 원격제어수단으로 출력하는 안테나 제어수단; 상기 안테나 제어수단으로부터 인가되는 모터전압에 의해 구동하여 다중선로지연기를 조정하는 모터구동수단; 상기 안테나 제어수단을 통해 분리된 RF신호를 입력받아 소정 수로 분배하여 출력하는 전력분배수단; 상기 지지체의 상면 소정위치에 장착되며, 상기 전력분배기를 통해 입력되는 RF신호를 임의의 수로 분배하여 안테나의 다운틸팅을 조정하는 다중 선로 지연수단; 상기 다중 선로 지연수단의 각 단자와 개별적으로 연결된 다수의 분배단자 패턴이 인쇄되어 다중선로 지연수단으로부터 분배된 신호를 전송하는 신호전송기판; 상기 지지체의 상면에 등간격으로 배열되며, 2개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 상기 다중 선로 지연수단을 통해 출력된 신호를 방사하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자; 및 상기 지지체의 저면에 장착되며, 하나의 편파 성분 신호를 두 개의 급전 핀을 통하여 복사 소자에 전달하기 위해 신호를 분배하는 2-웨이 전력 분배기를 포함하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중편파 기지국 안테나의 제어 시스템을 개시한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중편파 기지국 안테나 및 그의 제어 시스템은 현지 서비스 지역의 여건에 적합하게 안테나의 수직 다운틸팅각을 자동으로 원격제어하여 제한된 주파수대의 이용효율을 극대화 할 수 있도록 구현한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 편파 기지국 안테나는 도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 전도성 재질로 이루어진 반사판(1a)과, 상기 반사판(1a)의 양 측면에 직립되게 설치된 측벽(1b)을 구비하는 지지체(1)와; 상기 지지체(1)의 단부에 설치되며, 기지국이나 원격제어 수단(100)과의 신호 전송을 위한 제1 및 제2 급전포트(4, 5)와; 상기 제1 및 제2 급전포트(4, 5)의 근접부에 설치되며, 그를 통해 입력되는 신호를 RF신호와 모터 구동을 위한 DC전압으로 분리하고, 안테나 빔의 다운틸팅을 조정하는 안테나 제어수단(200)과; 상기 안테나 제어수단(200)의 근접부에 설치되어 상기 안테나 제어수단(200)으로부터 분리된 RF 신호를 입력받아 이를 분배하여 출력하는 5-웨이 전력분배기(14, 14')와; 상기 지지체(1)의 일측 반사판(1a) 상면에 장착되며, 상기 5-웨이 전력분배기(14, 14')로부터 입력되는 RF 신호의 위상을 지연시킴으로써 안테나의 다운틸팅을 조정하는 동심원 구조의 제1 및 제2 다중선로지연기(2, 3); 및 상기 지지체(1)의 상면에 등간격으로 배열되며, 2개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 상기 제1 및 제2 다중선로 지연기(2, 3)를 통해 출력된 이중 편파 신호를 동시에 복사하는 5개의 방사소자(6)가 어레이된 것을 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 구성에서, 이중 편파 기지국 안테나는 서로 직교하는 두 종류의 편파를 얻기 위하여 급전포트, 5-웨이 전력분배기 및 다중선로 지연기를 각각 2개씩 마련한 것이다.
이때, 한 개의 모터로 기어열을 통해 두 개의 다중선로지연기를 제어하기 때문에, 모터구동을 위한 DC신호는 두 개의 급전포트 중 어느 한쪽으로만 전송되면 된다. 본 발명에서는 제1 급전포트(4)를 통해서만 RF신호와 DC신호가 공급된다. 따라서, 상기 제2 급전포트(5)에는 RF신호만 입력된다.
상기와 같이 구성된 이중편파 기지국 안테나를 제어하기 위한 안테나 제어수단(200)의 세부 구성이 도 2, 도 3 및 도 7에 도시된다. 아울러, 도 8은 도 7의 정합부(130)의 세부 구성을, 도 9는 도 7의 신호분리부(210)의 세부 구성을 각각 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 이중편파 기지국 안테나에서, 안테나의 하단부에 대한 측면도이고, 도 3은 도 1의 저면도이며, 도 7은 본 발명의 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템에 대한 일 실시 예를 나타내는 흐름도이다.
상기 안테나 제어 시스템은 기지국 내에 위치하여 모터를 구동하기 위한 모터 전압(DC신호)와 정현파 신호 및 RF신호를 혼합하여 출력하는 원격제어수단(100)과; 상기 원격제어수단(100)의 출력신호를 급전케이블을 통해 입력받아 이를 모터 전압(DC신호), 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호인 정현파 신호 및 이동통신을 위한 RF신호로 분리하여 각기 전송함으로써 안테나 빔의 다운틸팅을 조정함과 아울러 모터의 회전상태에 따른 변화값을 상기 원격제어수단(100)으로 출력하는 안테나 제어수단(200)으로 구성된다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 원격제어수단(100)은 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호인 정현파를 발생하는 주파수 발생부(110)와; 안테나에 장착된 모터의 구동에 필요한 전압을 발생하는 모터전압 발생부(120)와; 상기 주파수 발생부(110)의 출력신호와 상기 모터전압 발생부(120)의 출력전압을 서로 간섭없이 합하여 출력함과 아울러 모터의 회전상태에 따른 변화값을 인가받는 정합부(130)와; 상기 정합부(130)의 출력신호와 이동통신을 위한 RF신호를 합하여 급전케이블을 통해 안테나측으로 전송하기 위한 바이어스 티(140)와; 안테나 측으로부터 상기 정합부(130)로 전송된 모터의 회전상태에 따른 변화값 신호를 검출하여 이를 구형파 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부(150)와; 상기 모터를 구동하기 위한 전압 및 제어신호를 출력하고 그 결과값을 상기 신호 검출부(150)로부터 입력받아 계속하여 모터전압발생부(120) 및 주파수 발생부(110)를 제어하는 제어부(160)를 포함한다.
상기 안테나 제어수단(200)은 상기 바이어스 티(140)의 출력신호를 급전케이블을 통해 입력받아 이를 이동통신을 위한 RF신호, 모터를 구동하기 위한 모터 전압 및 정현파신호로 분리하여 출력하는 신호 분리부(210, 210a, 210b)와; 상기 신호 분리부(210, 210a, 210b)에 의해 분리된 모터 전압를 입력받아 구동하여 상기 다중선로 지연기를 조정하는 모터(220)와; 상기 모터(220)의 회전상태에 따라 저항값이 가변됨으로써 가변된 정현파 신호를 상기 원격제어수단(100)의 정합부(130)로 출력하는 엔코더(230);와 제1 및 제2 다중선로 지연기(2, 3)의 상부에 설치되며, 상기 모터(130)의 구동력을 인가받아 회전하여 상기 다중선로 지연기를 조정하는 기어열(11a, 11b, 11c)로 구성된다.
상기 5-웨이 전력분배기(14, 14')는 도 3에 도시된 바와 같이 RF신호와 DC전압이 입력되는 상기 제1 급전포트(4)와, RF신호만이 입력되는 제2 급전포트(5)에 각각 대응되도록 2개가 구비되며, 그들을 통해 입력되는 신호를 5개로 분배하여 다중선로 지연기(2, 3)에 입력한다.
상기 급전포트(4)를 통해 입력된 RF신호와 DC전압이 입력되며, 커패시터(C2)를 통해 안테나의 각 방사소자측으로 RF신호가 분리되어 입력되고, DC전압은 인덕터(L1, L2)에 의해 분리되어 모터(220)에 인가된다.
또한, 정현파 신호는 커패시터(C3)를 통해 엔코더(230)에 인가된다. 이때, DC전압과 정현파 신호는 통과시키고, RF신호는 통과되지 못하도록 설정된 값을 갖는 커패시터(C4, C5)에 의해 상기 RF신호가 차단되어 모터(220)나 엔코더(230) 측으로 넘어오지 못하게 된다.
다음에, 상기 방사소자(6)의 세부 구성에 대하여 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는 방사소자의 투영도이고, 도 5는 방사소자의 단면도를 각각 나타낸 것이다.
도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 방사소자(6)는 두 개의 PCB(22, 23)에 구현된 상측, 하측 복사 패턴부(25, 26)를 상하로 적층하여 구성되며, 4개의 급전 핀(24)을 이용하여 신호를 급전받는다. 상기 복사 패턴부(25, 26)들은 마이크로스트립 패치를 이용하여 구현될 수 있다.
안테나의 편파 분리도(CPR) 및 단자간 분리도 특성 개선을 위하여 각 편파신호당 두 개의 급전 핀을 이용하여 복사 소자로 급전되며, 두 개의 급전핀(27a, 27b, 27c, 27d)은 대각선 방향에 위치한다. 이 두 개의 급전 핀을 통해 입력되는 신호는, 지지체(1) 저면에 위치한 2-웨이 분배기(41)에서 분배된 것이며, 분배된 두 신호의 위상차가 180도 이어야 한다.
하측 PCB(23)의 저면에는 사각형의 인쇄회로 패턴으로 하측 복사 패턴부(26)가 구현되어 있으며, 안테나의 1차 공진을 발생시키며, 여기서 공진된 신호는 전자기 결합(electromagnetic coupling)의 에너지 형태로 상측 복사 패턴부(25)에 전달된다.
상측 PCB(22)의 저면에는 사각형의 인쇄 패턴으로 상측 복사 배턴부(25)가 구현되어 있으며, 이는 2차 공진을 발생시킨다. 상측과 하측의 복사 패턴부(25, 26)의 이중 공진은 안테나의 대역폭을 확대시킨다. 상측 복사 패턴부(25)에서 인쇄 패턴 중앙부의 사각형의 요철부(29)은 복사 소자의 편파 분리도를 개선시키기 위한 것이다.
일반적으로 단자간 분리도 성능은 반사판을 기준으로 볼 때, 상하, 좌우 대칭 구조에서 가장 좋은 성능을 나타내지만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 안테나 장치의 경우 반사판의 상하 길이가 좌우 방향보다 상대적으로 넓게 구현되며, 상기 상측 복사 패턴부(25)에 형성된 상기 요철부(29)는 상기와 같은 반사판 형상으로 인한 단자간 분리도 성능의 저하를 보완해 주게 된다.
복사 패턴부(25, 26)가 각각 구현된 두 개의 PCB는 전기적인 성능에 전혀 영향을 주지 않는 플라스틱 재질의 구조물(21)을 사용하여 지지하였다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 편파 성분 신호를 두 개의 급전 핀을 통하여 각 복사 패턴부(25, 26)에 전달하기 위해 신호를 분배하는 2-웨이 전력분배기(41)가 상기 지지체(1)의 저면에 장착된다.
상기 2-웨이 전력분배기(41)에는 신호전송기판(15)의 각 단자에 연결된 5개의 케이블(16)중 하나의 케이블과 연결되어 급전하기 위한 경로를 제공하는 주선로패턴(41a)과, 상기 주선로패턴(41a)의 단부에서 분기되어 두 개의 급전 핀을 통하여 하측 복사 패턴부(26)의 원형 디스크(27)로 급전하기 위한 분기 선로 패턴(41b, 41c)으로 구성되며, 두 개의 분기 선로 패턴은 전기적으로 180도의 위상차를 갖는다.
상기 원형의 디스크(27)는 프로브로 사용된 급전 핀(24)의 인덕턴스 성분을 보상하여 대역폭 성능을 개선시키기 위한 것으로서, 직렬 캐패시턴스 성분을 원형 디스크 형상의 인쇄회로 패턴으로 형성한 것으로서 하측 PCB(23)에 형성된다.
분기 선로 패턴의 단부에는 급전 핀(24)을 장착하기 위한 관통 홀이 있으며, 또한 지지체의 같은 위치에도 관통 홀이 형성되어 있어 급전 핀이 직각으로 장착되어질 수 있다.
상기와 같은 2-웨이 전력분배기(41)는 인쇄회로기판의 양면 에칭기법을 통하여 구성됨으로써 기존에서와 같이 급전을 위한 별도의 전력분배기가 필요없게 된다.
한편, 지지체(1)에는 그에 장착되는 방사소자와 다중선로 지연기 및 부가 구성물들을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 레이돔이 장착되는데, 이에 대한 구성이 도 6에 도시되었다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 지지체(1)의 측벽(1b) 외면에는 가이드 레일(1c)이 연장되며, 상기 가이드 레일(1c)의 상면에는 소정 간격으로 다수의 엠보싱(51)이 형성되어 있다. 상기 엠보싱(51)은 레이돔(52)의 레일홈(52a)에 가이드 레일(1c)이 끼워질 때, 레일홈(52a) 내에서 가이드 레일(1c)이 유동되는 것을 방지할 수 있도록 지지해주는 역할을 수행한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 이중 편파 기지국 안테나를 제어하기 위한 제어 시스템의 동작원리 및 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1 및 제2 급전포트(4, 5)를 통해 신호가 입력되면, 안테나 제어수단(200)을 통하여 모터를 일정 각도로 회전시키며, 이로 인해 다중 선로 지연기의 출력신호의 위상이 소정 비율로 조정되며, 따라서 안테나 빔의 수직 다운 틸팅이 제어된다.
구체적으로 설명하면, 기지국 내에 위치된 원격제어수단(100)의 모터전압발생부(120)에서는 제어부(160)의 제어신호에 따라 모터전압(예: DC ±15V)을 출력하고, 주파수 발생부(110)에서는 제어부(160)의 제어신호에 따라 일정한 정현파 신호를 출력한다.
그리고, 상기 주파수 발생부(110)에서 발생된 정현파 신호는 정합부(130)인 트랜스포머(T1)의 접점a를 통해 접점b에 인가된다. 이때, 접점b에는 모터 전압발생부(120)에서 발생된 DC전압(예: DC ±15V)이 인가되며, 상기 두 신호는 정합부(130)에서 정합되어 바이어스 티(140)에 인가된다.
상기 바이어스 티(140)는 상기 정합부(130)의 출력신호, 즉 교류인 정현파 신호와 직류인 모터전압이 합해진 신호를 이동통신을 위한 RF신호와 합하여 출력하며, 상기 바이어스 티(140)에서 출력된 신호는 급전 케이블을 통해 안테나 제어수단(200) 측으로 전송되고, 신호분리부(210, 210a, 210b)에 의해 다시 이동통신을 위한 RF신호, 모터 구동을 위한 DC전압 및 정현파 신호로 분리된다.
다시 말하면, 초고주파신호인 RF신호는 커패시터(C2)를 통해 안테나의 각 방사소자(6) 측으로 전송되고, 모터전압은 인덕터(L1, L2)를 통해 모터(220)에 인가된다. 또한, 정현파 신호는 커패시터(C3)를 통해 엔코더(230)에 인가된다. 이때, 상기 RF신호는 커패시터(C4, C5)에 의해 차단되어 모터(220)나 엔코더(230)측으로 인가되지 않는다.
상기 모터(220)는 인덕터(L1, L2)를 통해 인가된 직류전압에 따라 구동되는데, 인가되는 전원의 극성에 따라 회전방향이 바뀐다. 예를 들어 +15V가 인가되면 시계방향으로 회전하고, -15V가 인가되면 반시계방향으로 회전을 한다.
상기와 같이 모터(220)가 회전을 하면 엔코더(230)는 모터(220)의 회전상태에 따른 변화값을 출력하는데, 상기 엔코더(230)는 모터(220)의 정회전 및 역회전 정도에 따라 각기 다른 저항값, 즉 가변된 저항값을 가지도록 구성되어 있다.
상기 엔코더(230), 급전 케이블, 바이어스 티(140) 그리고 정합부(130)는 하나의 폐회로처럼 구성되어 있기 때문에 모터(220)의 회전에 따라 엔코더(230)의 저항값이 가변되며 정현파 신호의 진폭이 가변되고, 이는 트랜스포머(T1)의 접점a에 그대로 나타난다.
이때, 신호검출부(150)는 상기 접점a에 나타난 정현파 신호의 진폭의 변화를 커패시터(C1)를 통해 입력받아 이를 구형파신호로 변환하여 제어부(160)에 인가한다.
상기 신호검출부(150)로부터 검출신호를 입력받은 제어부(160)는 이를 기준으로 안테나 빔의 다운틸팅의 제어를 계속한다.
상기와 같은 안테나 제어과정에 따라, 안테나 제어수단(200)의 모터(220)에 모터전압이 인가되면, 상기 모터(220)가 구동하여 기어열(11a, 11b, 11c)이 회전되면서, 다중선로지연기(2, 3)를 구동시킨다.
이로 인해 각 방사소자(6)에 공급되는 신호의 위상을 소정의 비율로 조정할 수 있게 되어 결국, 안테나 빔의 다운틸팅이 조정된다.
이때, 상기 신호전송기판(15)에서 분배된 신호는 2-웨이 전력분배기(41)를 통해 방사소자(6)에 급전되며, 방사 소자(6)는 급전된 신호를 원격 제어수단으로 설정된 방향으로 복사한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 슬랜트된 이중 편파 신호를 구동할 수 있으며, 튜닝 및 대량생산이 용이하도록 단순한 구조로 설계된 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자를 다수 어레이시킨 안테나를 구성함으로써 조립공정 및 가격이 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 안테나를 넓은 VSWR 대역폭 및 이득 대역폭의 구현을 위하여 두 개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조로 설계하며, 또한 각 편파 신호당 두 곳의 급전위치를 통해 급전되는 구조로 설계하여 안테나의 편파 분리도와 단자간 분리도의 특성이 개선되는 또 다른 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 안테나의 모터를 제어하기 위한 제어신호 및 모터전압을 기존에 사용하고 있는 급전 케이블을 통해 전송할 수 있기 때문에, 별도의 케이블이 필요하지 않아 비용이 절감된다. 또한, 신호를 정합하여 전송하는 정합부 및 이를 분리하는 신호 분리부 그리고 모터의 회전상태를 검출하는 검출수단 등이 모두 수동소자로만 되어 있기 때문에 가격이 저렴하고 신뢰성이 높아지는 또 다른 효과를 가진다.

Claims (21)

  1. 전도성 재질로 이루어진 반사판과, 상기 반사판의 양 측면에 직립되게 설치된 측벽을 포함하는 지지체;
    상기 지지체의 단부에 설치되며, 기지국과의 신호송수신을 위한 급전수단;
    상기 급전수단의 근접부에 설치되며, 그를 통해 입력되는 제어신호를 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터 구동을 위한 DC전압 및 이동통신을 위한 RF신호로 분리하고, 안테나의 빔 방향 및 경사 각도를 조정하는 안테나 제어수단;
    상기 안테나 제어수단의 일측에 설치되어 그로부터 분리된 RF신호를 입력받아 소정 수로 분배하여 출력하는 전력분배수단;
    상기 지지체의 상면 소정 위치에 장착되며, 상기 전력분배수단을 통해 입력되는 RF신호의 위상을 조정함으로서 안테나 빔의 다운틸팅을 조정하는 다중 선로 지연수단; 및
    상기 지지체의 상면에 등간격으로 배열되며, 2개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 상기 다중 선로 지연수단을 통해 출력된 신호를 방사하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나 제어수단은,
    원격제어장치로부터 출력된 제어신호를 급전수단을 통해 입력받으며, 상기 급전수단을 통해 급전되는 신호 중 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터를 구동하기 위한 DC전압 및 이동통신을 위한 RF신호로 분리하여 출력하는 신호 분리부;
    상기 신호 분리부에 의해 분리된 DC전압을 입력받아 구동하는 모터;
    상기 모터의 회전상태에 따라 저항값이 가변됨으로써 가변된 정현파 신호를 상기 원격제어수단의 정합부에 출력하는 엔코더; 및
    상기 다중 선로 지연수단의 상부에 설치되며, 상기 모터의 구동력을 인가받아 상기 다중 선로 지연수단을 제어하는 기어열을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 전력분배수단의 일측에 위치되며, 상기 다중선로 지연수단의 각 출력단자와 개별적으로 연결된 다수의 분배단자패턴이 인쇄되어 다중선로 지연수단으로부터의 신호를 방사소자로 전송하는 신호전송기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 지지체의 저면에 장착되며, 상기 신호전송기판으로부터 전송되는 하나의 편파 성분 신호를 두 개의 급전 핀을 통하여 복사 소자에 전달하기 위해 신호를 분배하는 2-웨이 전력 분배기; 상기 2-웨이 전력 분배기의 출력신호를 적층형 패치 방사소자로 전달하는 금속 재질의 구조물인 급전 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 2-웨이 전력 분배기는
    신호전송기판의 각 단자에 연결된 케이블 중 하나의 케이블과 연결되어 급전하기 위한 경로를 제공하는 주선로패턴과, 상기 주선로배턴의 단부에서 분기되어 두 개의 급전핀을 통하여 하측 복사 패턴부의 원형 디스크로 급전하기 위한 분기선로패턴으로 구성되며, 두 개의 분기 선로 패턴이 전기적으로 180도의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 2-웨이 전력 분배기는
    분기선로 패턴의 단부에 급전 핀을 장착하기 위한 수직 관통 홀이 있으며, 또한 상기 지지체의 같은 위치에도 관통 홀이 형성되어 있어서 급전 핀이 직각으로 장착되어질 수 있는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 전력분배수단이 5-웨이 분배기를 갖는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자는
    상측 PCB와 하측 PCB로 명명된 두 개의 PCB; 상기 하측 PCB의 상면에 인쇄되어 직렬 캐피시턴스 성분을 구현한 원형 디스크; 상기 하측 PCB의 저면에 인쇄된 사각형의 하측 복사 패턴부; 상기의 하측 복사 패턴부의 일부분에 생성된 요철부; 상기 상측 PCB의 저면에 인쇄된 사각형의 상측 복사 패턴부와 상기 상측 복사 패턴부의 일부분에 생성된 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자는
    안테나의 편파 분리도(CPR) 및 단자간 분리도 특성 개선을 위하여 각 편파 신호당 두 개의 급전 핀을 이용하여 급전되며, 두 개의 급전 핀이 복사 패턴부의 대각선 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자는
    VSWR 대역폭 및 이득 대역폭 특성 개선을 위하여 PCB 상의 인쇄 패턴으로 구현된 두 개의 복사 패턴부를 상하로 적층하여 구성된 구조인 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자는
    프로브로 사용된 급전 핀의 인덕턴스 성분을 보상하여 복사 소자의 대역폭 성능을 개선시킬 수 있는 직렬 캐패시턴스 성분을 원형 디스크로 구현한 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  12. 삭제
  13. 제8 항에 있어서,
    단자간 분리도 성능을 개선하기 위하여 사각형의 복사 패턴부 패턴의 일부분에 생성된 작은 요철부를 갖는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 급전수단은 RF신호와 모터제어를 위한 DC전압이 입력되는 제1 급전 포트와, 상기 RF신호만이 입력되는 제2 급전 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 지지체의 측벽하단부에서 외면으로 연장된 가이드 레일; 및
    상기 가이드 레일 상면에 소정 간격마다 돌출되게 구비되어 레이돔의 레일홈에 가이드 레일이 삽입된 상태에서 유동되는 것을 방지하기 위한 엠보싱부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나.
  16. 기지국 내에 위치되어 안테나의 빔 방향 및 경사각도를 제어하는 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호 및 모터의 모터전압 그리고 이동통신을 위한 RF신호를 안테나에 전송하는 원격제어수단;
    전도성 재질의 반사판과, 상기 반사판의 양 측면에 직립되게 설치된 측벽을 포함하는 지지체;
    상기 지지체의 단부에 설치되며, 상기 원격제어수단으로부터 전송되는 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터의 모터전압 및 RF신호를 모두 합하여 전송하는 급전 케이블;
    상기 지지체에 구비되며, 급전 케이블을 통해 입력되는 원격제어수단의 제어신호를 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호, 모터의 모터전압 및 RF신호로 분리하고, 모터의 회전상태에 따른 변화값을 상기 원격제어수단으로 출력하는 안테나 제어수단;
    상기 안테나 제어수단으로부터 인가되는 모터전압에 의해 구동하여 안테나 빔의 다운틸팅을 조정하기 위한 모터구동수단;
    상기 안테나 제어수단을 통해 분리된 Rf신호를 입력받아 소정 수로 분배하여 출력하는 전력분배수단;
    상기 지지체의 상면 소정위치에 장착되며, 상기 전력분배기를 통해 입력되는 RF신호의 위상을 제어함으로써 안테나 빔의 다운틸팅을 조정하는 다중선로 지연수단;
    상기 다중 선로 지연수단의 각 단자와 개별적으로 연결된 다수의 분배단자패턴이 인쇄되어 다중선로 지연수단으로부터의 신호를 전송하는 신호전송 기판;
    상기 지지체의 상면에 등간격으로 배열되며, 2개의 복사 패턴부가 상하로 적층된 구조이며, 상기 다중 선로 지연수단을 통해 출력된 신호를 방사하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자; 및
    상기 지지체의 저면에 장착되며, 하나의 편파 성분 신호를 두 개의 급전 핀을 통하여 방사 소자에 전달하기 위해 신호를 분배하는 2-웨이 전력 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 모터구동수단은
    상기 안테나 제어수단에서 분리되어 출력되는 모터전압에 의해 구동하는 모터; 및
    상기 다중선로 지연수단의 상부에 설치되며, 상기 모터의 구동력을 인가받아 상기 다중선로 지연수단을 구동하는 기어열을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템.
  18. 제16 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원격제어수단은
    안테나의 빔 방향 및 경사각도를 제어하는 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호를 발생하는 주파수 발생부;
    안테나에 장착된 모터의 구동에 필요한 전압을 발생하는 모터전압 발생부;
    상기 주파수 발생부의 출력신호와 상기 모터전압 발생부의 출력전압을 서로 간섭없이 합하여 출력하되, 상기 안테나 제어수단으로부터 모터의 회전상태에 따른 변화값을 인가받는 정합부;
    상기 정합부의 출력신호와 이동통신을 위한 RF신호를 합하여 급전 케이블을 통해 상기 안테나 제어수단으로 전송하기 위한 바이어스 티;
    상기 안테나 제어수단으로부터 상기 정합부로 전송된 모터의 회전상태에 따른 변화값 신호를 검출하여 이를 구형파 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부; 및
    상기 모터를 구동하기 위한 전압 및 제어신호를 출력하고 그 결과값을 상기 신호검출부로부터 입력받아 계속하여 모터전압 발생부 및 주파수 발생부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 안테나 제어수단은
    바이어스 티의 출력신호를 급전 케이블을 통해 입력받아 이를 이동통신을 위한 RF신호, 모터를 구동하기 위한 모터 전압 및 안테나의 빔 방향 및 경사각도의 변화에 따른 변화값의 기준신호로 분리하되, 모터전압을 상기 모터에 출력하는 신호 분리부; 및
    상기 모터의 회전상태에 따라 저항값이 가변됨으로서 가변된 상기 기준신호를 상기 정합부로 출력하는 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 정합부가
    트랜스포머로 이루어진 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템.
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 신호분리부는
    DC신호가 안테나 방사 소자 측으로 전달되는 것을 차단시키기 위한 커패시터(C2);
    모터전압을 상기 모터로 통과시키기 위한 인덕터(L1, L2);
    안테나의 빔 방향 및 경사각도를 제어하는 모터의 회전상태를 측정하기 위한 기준신호를 상기 엔코더로 통과시키기 위한 커패시터(C3); 및
    모터전압과 정현파 신호만을 통과할 수 있도록 소정 값이 설정되어, RF신호를 상기 모터 및 엔코더 측으로 인가되지 못하도록 하는 커패시터(C4, C5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 급전의 적층형 패치 방사소자가 어레이된 이중 편파 기지국 안테나의 제어 시스템.
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