KR100657705B1

KR100657705B1 - 안테나 시스템

Info

Publication number: KR100657705B1
Application number: KR1019997000475A
Authority: KR
Inventors: 가부리엘로란트; 괴텔마크스; 킹거게오르크
Original assignee: 카트라인-베르케 카게
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2006-12-19
Also published as: CN1166033C; DE59805084D1; KR20000029472A; EP0916169A1; BR9804937A; DE19722742A1; WO1998054787A1; CN1228202A; US6195063B1; DK0916169T3; NZ333517A; ES2181241T3; AU8106898A; DE19722742C2; EP0916169B1; CA2261625C; HK1021774A1; AU729918B2; CA2261625A1; BR9804937B1

Abstract

이중 편파 안테나 시스템이 전자파를 송수신하기 위하여 제공된다. 이 안테나 시스템은 수직에 대해서 +45° 및 -45°각도로 다이폴을 사용하여 또는 패치 방사 요소의 형태로 정렬되는 적어도 하나의 십자형 방사 요소를 갖는다. 안테나 시스템은 적어도 하나의 방사 요소 모듈의 이면에 배열되는 도전성 반사기를 갖는다. 2개의 도전성 측벽부는 상기 적어도 하나의 방사 요소의 각 측에 제공되고 수직으로 배치된다. 적어도 하나의 슬롯은 방사 요소 모듈의 레벨에서 가 측벽부에 제공되어 반사기 면에 평행하게 뻗어 있다.

전자파, 반사기, 방사 요소 모듈, 패치-방사 요소, 이중 편파.

Description

안테나 시스템{ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 전자파 송수신을 위한 안테나 시스템, 특히 이중 편파 안테나에 관한 것이다.

예를 들어, 편파 면에 배열되어 있는 다이폴 및 이에 가로질러 배열되어 있는 슬롯 또는 패치 방사 요소와 같은 평면 방사 요소의 형태로 되어 있는 수평 또는 수직 편파 방사 요소가 오랜동안 알려져 왔다. 수평 편파 방사 요소의 경우, 다이폴은 수평으로 배열되어 있다. 이 경우에, 슬롯 형태의 방사 요소 배열은 수직으로 배열되어 있다. 2개의 직교 편파의 전자파를 동시 송,수신을 위하여 사용할 수 있는 이하에서 이중 편파 안테나라고 하는 방사 요소 배열이 공지되어 있다. 예를 들어 다이폴, 슬롯 또는 평면 방사 요소 형태의 다수의 요소를 포함하고 있는 방사요소는 EP 0 685 909 A1, 또는 "Antennen"[Antennas], 2nd part, Bibliographical Institute, Mannheim/Vienna/Zurich, pages 47 to 50에 공지되어 있다.
지향성을 개선시키기 위하여, 이러한 방사 요소 배열은 일반적으로 반사면, 소위 반사기 앞에 배열되어 있다. 또한 이동 무선 장치에서 이중 편파 방사 요소 배열을 경사지도록, 예를 들어 +45°또는 -45°로 되도록 하여, 각 시스템이 +45°또는 -45°에서 선형 편파을 전송하도록 하고 2개의 시스템이 서로에 대해서 직교되도록 하는 것이 유용하다는 것이 밝혀졌다.
각종 방사 요소 유형들의 경우에 +45°/-45°편파 정렬이 단지 주 빔 방향에서만 정확하게 된다는 단점이 있다는 것이 밝혀졌다. 방사 요소 유형에 따라서, 주 빔 방향으로부터 주 각도 편차에 대한 편파 정렬은 원하는 +45°또는 -45°와 다소 편차가 생길 수 있음으로, 전파 방향에 좌우된다. 방사 요소 유형이 예를 들어 +45°또는 -45°에서 다이폴 정렬되면, 이는 명백히 이해될 수 있다. 다이폴의 투영(projection)이 각 전송 방향에서 나타나기 때문에, 편파는 예를 들어 주 빔 방향에 대하여 거의 수직 직각으로 된다.
그러나, +45°/-45°이중 편파 안테나에 있어서, 선형 편파의 정렬이 전송 방향과 무관, 즉 적어도 거의 무관하게 되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 +45° 및 -45°로 정렬될 수 있는 경사진 편파면에 있어서, 전계 강도 벡터는 수평과 수직 성분으로 벡터-분리되는 경우 조차도, 수직 및 수평의 개별 성분의 폴라 다이어그램(polar diagrams)은 합 성분과 동일한 3dB 빔폭을 가져야만 한다는 것을 의미한다.
특히 60°~120°의 큰 수평 3dB 빔폭이 이동 무선 장치에 바람직하게 사용된다. 따라서, 이 경우에, 대부분의 방사 요소 유형에서 전송 방향의 편파 정렬을 따른 상기 언급한 효과는 수직 및 수평 개별 성분의 수평 폴라 다이어그램에 있어서 수직 성분의 3dB 빔폭은 수평 성분의 3dB 보다 크다는 것을 의미한다.
따라서, 경사진 편파를 지닌 안테나의 경우에, 특히 +45° 및 -45°로 정렬된 편파면을 지닌 안테나의 경우, 간단한 수단으로 85°~ 90°이상의 3dB 빔폭을 성취할 수 없고 또한 현재까지 공지되어 있는 수단으로는 거의 일정한 편파 정렬을 성취할 수 없다는 단점이 밝혀졌다.
예를 들어 동축 케이블, 스트립 선로(strip line)또는 3중 구조로 활성화되는 수직 배열된 슬롯 방사 요소는 비교적 큰 수평 3dB를 가진 수평 편파 특성을 가질 수 있다는 것이 또한 공지되어 있다.
소정의 3dB 빔폭을 성취하기 위하여, 예를 들어 EP 0 527 417 A1은 빔형성하도록 스트립 선로에 의하여 제공된 다수의 오프셋 슬롯을 제안하였다. 그러나, 이 형태의 단점은 슬롯이 각 방사 요소보다 좁은 3dB 빔폭을 갖는다는 것인데, 즉 시작시에 더욱 크게 지향된다는 것이다.
종래 기술을 나타내는 사전 공개된 US 5,481,272는 원편파 안테나 시스템을 개시하고 있다. 방사 요소 모듈은 서로에 대해서 십자형으로 배열되고 평면이 정사각형인 반사기 박스에서 대각선으로 정렬되는 2개의 다이폴을 포함한다. 다른 말로서, 다이폴 표면과 평행하게 배열된 반사기 박스 베이스는 실제 반사기 면을 형성하는데, 이 반사기 면은 자신에 대해 직각으로 정렬된 도전성 경계 벽과 함께 주위전체에 제공된다. 이 사전 공개는 원 편파(circular polarization)용 십자형 다이폴 배열을 개시한다.
DE VITO, G. 등은 1982.6 간행 IEEE 논문집 권 BC-28 페이지 65 내지 72에 원편파에 대한 개선된 다이폴-패널을 발표하였는데, 이는 원편파를 위한 십자형 다이폴 배열을 개시하며, 이 배열에서 반사기의 형태는 폴라 다이어그램에 영향을 미치도록 하기 위하여 사용된다. 이 경우에, 반사기 판은 십자형 다이폴의 평면도에서 또 다시 정사각형 형상을 갖는데, 이 십자형 다이폴은 대각선으로 정렬되고 예를 들어 반사기 면에 대해서 45°로 정렬되는 원주형 반사기 벽에 의해 둘러 쌓여진다.
DE-GM 71 42 601은 전방향성 안테나를 형성하기 위하여 원형 또는 전기 편파를 위한 전형적인 지향성 방사 요소를 개시한다.
최종적으로, 사전 공개된 EP 0 730 319 A1은 중첩되어 거리를 두고 수직으로 정렬되어 배치되고 반사기 판 앞에 설치된 2개의 다이폴 안테나를 갖는 안테나 시스템이 개시되어 있다. 이 경우에, 반사기에는 2개의 측 외부 반사기 섹션 또는 반사기 베인(vanes)이 제공되는데, 이는 수직으로 진행하고 다이폴과 평행한 벤드 에지에 대해서 앞으로 경사져 있다. 이것이 측들에서 전송을 억제하기 위하여 안테나 특성을 변경시켜야 한다. 이를 위하여, 측 반사기부는 45°내지 90°사이의 에지각을 사용하는 것이 바람직한데, 즉 반사기 면에 대해서 직각인 90°이다.
게다가, 이 안테나에는 반사기 면에 맞춰지고 각을 이룬 측 반사기 섹션 및 수직 정렬되도록 위치된 다이폴 사이에 위치되는 2개의 부가적인 반사기 레일이 제공되는데, 이 반사기 레일은 중앙에서 종방향의 슬롯을 갖는다. 종방향 슬롯은 2개의 수직 다이폴 사이에 위치되고, 측면도에서, 외부 반사기 판 섹션에 의해 커버된다.

일반적인 유형의 종래 기술로부터 공지되고 선형 편파가 수직에 대해서 +45° 및 -45°의 각도로 정렬되는 이중-편파 안테나를 토대로, 본 발명의 목적은 원하는 전송 면, 즉 특히 수평 전송 면에서 방사 특성을 확장시킴으로써 현저한 개선을 이루고자 하는 것이다..

삭제

본 발명의 목적은 청구항 1에 제시되어 있는 특징에 따라서 해결된다. 본 발명의 유용한 형태는 종속 청구항들에 제시되어 있다.

본 발명은 이미 공지된 해결책에 비해 상대적으로 간단한 수단을 사용하여 원하는 전파 면에서 전계 강도 벡터의 편파 정렬의 항상성(constancy)을 개선시켜, 이 전파 면에서 폴라 다이어그램을 상당히 확장시킨다.

이 경우에, 방사 요소 모듈의 측에 제공되는 슬롯이 측방향으로 방사형 모듈에 의하여 감안된 슬롯은 동시에 +45°편파 성분과 또한 -45°편파 성분에 의하여 동시에 활성화된다. 이것이 +45° 편파 성분과 -45°편파 성분 간의 감소와 디커플링을 야기한다라고 예상되지만, 그와는 정 반대 현상이 일어난다. 이 경우에, 본 발명을 따르면, 슬롯의 방사가 수직 편파 성분에 대하여 위상을 전혀 편이시키지 않거나 약간 위상을 편이시켜 +45°/-45°편파된 안테나의 편파 정렬을 상당히 개선시키도록 하는 방식으로 슬롯과 치수를 정할 수 있다. 최적의 전송 특성은 본 발명에 따라서 제공된 바와 같이 측벽부의 슬롯이 공진 범위 밖에서 방사하도록 하는 방식으로 선택될 때 성취된다.

EP 0 739 051 A1에는 다층 구조의 안테나가 공지되어 있는 데, 이는 접지면에 포함되는 직사각형 홈, 소위 개구에 의하여 한정된다. 안테나를 활성화시키는데 사용되는 수평으로 정렬된 여기 핀(excitation pins)이 이러한 1차 개구(primary apertures)에 대해서 수직 및 가로질러 90°로 오프셋되어 배열되어 이 1차 개구로 돌출된다.

수평 주 전파 방향에서 방사 로브(lobe)의 3dB 빔폭을 개선하기 위하여, 부가적인 직사각형 슬롯이 1차 개구와 나란한 측에 위치되는데, 이 슬롯 내로 수평 결합핀이 돌출될 수 있다. 이것이 결합 핀의 단면에서 방사 로브의 3dB 빔폭을 확대시킨다.

그러나, 본 발명을 따른 안테나 시스템은 완전히 다른 방식으로 구성되어 있다. 게다가, 본 발명에 따르는 해결책에서 슬롯은 측면에 제공된다. 그러나 이러한 슬롯들은 층 구조로 된 안테나에 있어서는 전혀 사용되지 않고 있으며 다이폴 배열 또는 패치 반사기(patch reflector)의 경우에 사용한다. 그러나 무엇보다도 본 발명을 따른 안테나는 수직에 대하여 +45°와 -45°의 편파 정렬된다는 것이다. 본 발명을 따른 해법은 2개의 편파들을 디커플링시 발생되는 어떠한 열화 없이도 주 빔 방향을 폭 특성을 개선시킨다는 점에서 대단히 획기적인 것이다. 이는 본 발명을 따른 해법의 경우에, 방사 요소 모듈의 측에 제공되는 슬롯이 +45°편파 성분 및 -45°편파 성분에 의하여 동시에 활성화되기 때문이다. 이 경우에, +45° 및 -45°편파간의 디커플링을 감소시킨다는 것을 예상할 수 있을 것이다.

게다가, 본 발명을 따른 안테나 시스템의 경우에, 슬롯의 방사 기여도가 수직 편파 성분에 대해서 위상을 전혀 또는 약간 편이시켜(다른 유형의 정합 및 위치를 위하여 원형 성분이 발생된다) +45°/-45°편파 안테나의 편파 정렬을 상당히 개선시키도록 한다는 점에서 대단히 획기적인 것이다.
최종적으로, 본 발명을 따른 이점은, 반사기가 제공될 때 반사기 면에서 돌출되는 측벽이 제공되는 경우조차도 얻어지는데, 여기서 대향 슬롯이 대략 1차 방사 요소의 레벨에 파여있다. 이것이 1차 방사 요소와 전자기 결합을 초래하는데, 이에 따라서, 폴라 다이어그램은 현재까지 예측하지 못한 방식으로 확장될 수 있다.
본 발명에 따라서 반사기 상에 제공되고 슬롯과 함께 반사기 면으로부터 바람직하게 돌출되는 측벽은 결합된 슬롯에 의해 전송되는 파의 진폭 및 위상을 발생시킨다. 이는 주빔 방향 및 역방향에서 소거가 발생되고 부가적인 중첩이 주 빔 방향에 대해서 직각으로 이루어짐으로써 성취되어, 방사 특성을 확장시킨다.
본 발명을 따른 안테나 시스템은 광대역 특성을 갖는다는 점에서 또한 획기적이다.

삭제

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 전형적인 실시예가 설명될 것이다.

도 1은 이중 편파 안테나 시스템의 제1 실시예의 개요도.

도 2는 도 1을 따른 전형적인 실시예의 개요적인 수평 단면도.

도 3은 종래의 배열을 사용하여 폴라 다이어그램을 설명하기 위한 도면.

도 4는 발명에 따른 이중 편파 안테나 시스템을 사용하는 도 3에 대응하는 도면 .

[실시예]
도 1과 2에 따른 전형적인 실시예에서, 수직으로 정렬된 다수의 주 방사 요소를 갖는 이중 편파 안테나 어레이(1)의 방사 요소 모듈(3)은 십자형 모듈(3a) 또는 패치 방사 요소로 형성될 수 있다. 다른 구조의 십자형 모듈로서 예를 들어 정방형으로 배열되어 있는 다이폴 모듈의 형태를 들 수 있다.
이 안테나 어레이는 방사형 모듈(3)이 십자형 모듈(3a)의 유형에 따라 배열되어 있음으로 수직에 대하여(또는 수평에 대하여) +45° 및 -45°각도로 선형 편파를 송수신하는 구조로 되어 있다. 이러한 방식의 안테나 어레이는 이하에서 또한 X-편파 안테나 어레이이라고 한다.
도시되어 있는 실시 예의 방사 요소 모듈(3)은 반사면, 소위 반사기(7) 앞에 위치되어 지향성을 증가시킨다. 이러한 방사 요소 모듈은 그의 방사 요소 피트(feet) 또는 평형 요소(3b)에 의해 반사기(7)상에 부착되어 유지되어 있다.
도시된 전형적인 실시예에서 다이폴 면은 수직에 대하여 즉 수평 단면(9)에 대하여 +45°또는 -45° 방향으로 되어 있다.
이 수평 단면(9)을 가로지르고 반사기 면(11)을 가로질러 수평 방향에 따라서 2개의 측벽부(15)가 설치되어 있는 데, 이 측벽 부분은 수평 방향에서 반사기(7)의 측 영역(13)에서 이격되어 거리를 두고 도시되어 있는 실시 예에서 서로에 대해 평행하게 신장된다. 측벽부(15)는 도시되어 있는 실시 예에 반사기(7)의 일부이며 반사기(7) 요소 또는 판의 일부가 될 수 있는, 이 측벽부는 위로 또는 주위로 굽혀짐으로써 형성되어 있다.
따라서, 측벽부(15)는 가로질러, 즉 도시된 전형적인 실시 예에서 반사기 면(11)에 대해 직각으로 가로질러 정렬되어 반사기 면(11) 위에서 돌출되며, 이들 방사 요소 모듈(3)은 보다 정확히 말하면 안테나 어레이(1)의 전면에서 보아 2개의 평행하게 서로 마주보고 뻗어 있는 측벽부(15)사이에 접해 있는 반사기 면(11)상에 돌출 되어 있다.
방사 요소 모듈(3)의 높이에서 각 측벽부(5)에는 슬롯(17)이 파여 있고 반사기 면(11)에 대하여 평행이며 이에 따라서 다이폴(3,3a)이 위치하여 있는 면에 고정되어 있는 다이폴면(19)에 병렬로 뻗어 있다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 다이폴면(19)과 반사기 면(11)간의 거리는 슬롯(17)과 반사기 면(11)간의 거리(21)보다 크다.
즉, "반사기(7)의 반사면(11)에서 방사소자 모듈(3)(3a)의 상단부인 십자형상의 다이폴면(19)에 이르는 거리(높이)는 상기 반사기의 반사면(11)에서 반사기(7)의 양측에 돌출되게 형성된 측벽부(5)에 형성된 슬롯(좁고 긴 구멍)(17)에 이르는 거리(21)리 보다 크다"는 것으로 이는 결국 반사기에 배치된 각 방사소자 모듈(3)(3a)의 다이폴면(19)이 측벽부(5)의 슬롯(17)보다 높게 형성된 구성을 설명한 것입니다. 따라서 슬롯(17)과 다이폴면(19)의 거리(높이)차이로 양자 간에 전파에 대한 동작의 간섭이 없습니다.
슬롯의 위치와 치수, 특히 그의 길이방향에 따른 확장 및 그의 폭은 다르게 선택할 수 있으며 특히 결합되어 있는 슬롯에 의하여 반사된 파, 또는 전자기파의 반사된 수평 편파 성분의 진폭과 위상은 주 방사 방향(23)과 역방향에서 소멸되고 주 방사 방향에 수직으로 추가 간섭이 이루어지며 또한 수직 편파 주성분에 대하여 가능한 근소한 위상 편이 되도록 정해진다. 이 경우에, 특히 1/4파장 내지 하나의 완전 파장의 범위에 있는 슬롯의 길이가 선택된다.
또한, 폴라 다이어그램은, 방사 특성이 사이드로브 방향(25), 즉 도시된 실시예에서 사이드에서 수평 전파 방향으로 크게 확장되기 때문에 상술된 방식으로 수정되는데, 이 방향은 주 빔 방향에 직각이며 주 전파 또는 수평 평면(9)에 대하여 평행하게 뻗어 있거나 이러한 주 전파 면(9)에 위치된다. 다이폴 정렬에 의해 한정되고 주 전파면(9)과 일치하는 전계 강도 벡터는 다른 말로서 주 빔 방향(23)과 방위각 면에서 다른 사이드 영역에서조차도 3dB 보다 큰 대역폭을 지닌 사이드 로브 방향(25)에서 전송된다.
따라서, 상기 슬롯(17)은 방사 특성을 목표한 대로 확장되며, 개선된 방사 특성은 대역폭이 좁을 뿐만 아니라 또한 넓기도 하다.
이 경우에, 슬롯(17)의 크기와 위치는 슬롯 방식으로 형성되어 방사가 미약한 기생 방사 요소는 공진되지 아니하고 동일위상으로 방사되지 않고 역상(逆相)반사로 방사가 되도록, 최적으로 정해진다.
개선된 방사 특성은 도 3 및 4에서 알 수 있는데, 도 4를 따른 다이어그램은 수직, 수평 및 +45°/-45°성분의 3dB 빔폭의 일치 및 이에 의한 예를 들어 도 1 및 2에 따르는 발명에 따른 안테나 어레이에서 3dB 빔폭의 편파 정수는 종래 배열에 비하여 명백히 개선되어 있다는 점이다. 이 경우에, 도3 및 도4에 도시된 도면은 광대역에 걸쳐서 방사 특성을 개선시킬 수 있다는 것을 보여준다.
최종적으로, 슬롯을 가진 측벽 영역은 각각 분리된 구성부로 될 수 있으나 반사기와 확고하게 결합되어 있다. 특히 접혀지거나 굽혀질 수 있는 반사기 판 또는 어떤 다른 재료가 사용되고 도전성 및 반사 표면을 가지면, 측벽부는 반사기 판을 접고 굽힘으로써 발생될 수 있다.
이 경우에, 측벽부는 반사기(7)의 외부 에지 영역(31)상에 반드시 배치될 필요가 없다. 대조적으로, 이들은 바깥쪽으로 오프셋 배열되거나 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 외부 에지(31)로부터 더욱 안쪽으로 배치되어 외부 에지 스트림(41)을 형성한다.
반사기의 반사판(11)에서 측벽부(15)에 형성된 슬롯(17)에 이르는 거리는 반사기(7)의 반사면(11)에서 십자형 방사소자 모듈(3a) 및 다이폴면(19)에 이르는 거리보다 작은 것이 바람직하다.

삭제

Claims

전자파의 송수신을 위한 이중 편파 안테나 시스템에 있어서,

수직 방향 및 상기 수직 방향에 수직한 수평면에 대해서 +45° 및-45°의 각도로 다이폴을 사용하여 정렬된 하나 이상의 십자형 방사 요소 모듈,

상기 하나 이상의 방사 요소 모듈의 이면 상에 배치되는 도전성 반사기,

상기 하나 이상의 방사 요소 모듈의 각 측면 상의 수직면에 각각 배치되고 슬롯이 제공되는 제1 및 제2 도전성 측벽부를 포함하며, 상기 슬롯은 각 방사 요소의 수직 레벨에서 각 측벽부에 형성되며, 상기 각 슬롯의 위치 및 치수는 슬롯이 공진영역을 벗어나 반사하도록 결정되는 있는 것을 특징으로 하는 이중 편파 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 슬롯은 방사 요소 모듈의 다이폴면 및 반사기의 반사면과 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 이중 편파 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 각 측벽부는 방사요소 모듈의 다이폴면 및 반사기의 반사면 중 한 면에 대해서 횡으로 배치된 것을 특징으로 하는 이중 편파 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 방사요소 모듈 및 반사기의 반사면과 다이폴면에 이르는 거리는 반사면에서 측벽부에 형성된 슬롯에 이르는 거리보다 크게 된 것을 특징으로 하는 이중 편파 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 슬롯의 위치 및 치수 중 하나는 상기 슬롯이 2차적인, 즉 기생 방사요소(parasitic radiating elements)로서 작용하고 역상(逆相)으로 방사되도록 정합되는 것을 특징으로 하는 이중 편파 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 복수 개의 방사 요소 모듈은 수직 정렬된 안테나 어레이를 형성하도록 중첩 배치되어 제공되는 것을 특징으로 하는 이중 편파 안테나 시스템.