KR100697942B1 - 수직 중첩된 다수의 1차 안테나 모듈을 지닌 안테나 어레이 - Google Patents

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Abstract

개선된 안테나 어레이는 반사기(5)앞에 위치하고 서로 거리를 두고 수직으로 중첩되어 있는 적어도 2개의 1차 안테나 모듈(1,3)을 포함한다. 이 1차 안테나 모듈은 상이한 수평 1/2 전력 빔폭 및 구성 형태를 지닌 제1 및 제2 유형으로 제공된다. 이 배열을 사용하여, 결합된 안테나 배열의 상이한 총 수평 1/2 전력 빔폭을 얻을 수 있다.
1차 안테나, 반사기, 1차 안테나 모듈, 이중 다이폴, 크로스 다이폴

Description

수직 중첩된 다수의 1차 안테나 모듈을 지닌 안테나 어레이{ANTENNA ARRAY WITH SEVERAL VERTICALLY SUPERPOSED PRIMARY RADIATOR MODULES}
본 발명은 청구제1항의 상위개념에 따르는 다수의 수직으로 서로 중첩배열되어 있는 1차안테나-모듈(first antenna-module)을 가진 안테나배열(antenna array)에 관한 것이다.
이와 같은 수직으로 서로 인접해 배열되어 있는 1차안테나를 가진 안테나배열을 공지되어 있다. 2중편파(重偏波)안테나의 경우 이러한 서로 중첩되어 배열되어 있는 1차안테나는 2개의 직교하는 편파를 방사 또는 수신할 수 있다. 또한 하나의 배열로 배치된 이러한 1차 안테나는 2개의 직교하는 편파를 방사 또는 수신할 수 있다. 또한 하나의 배열로 배치된 이러한 1차안테나는 1차안테나-모듈이라고 할 수 있다. 이러한 성질의 모듈은 예컨대 EP 0685 900A1 또는 선원공개안테나(2편 장서각 만하임/비엔나/츄리히 1970. 47 내지 50페지 참조)에 공지되어 있는 바와 같이 예컨대 간단한 다이폴(dipole), 홈(groove), 평면안테나요소 또는 소위 패치안테나(patch antenna)로 구성될 수 있다. 다이폴배치에 있어서는 평면에서 보아 정방형구조(다이폴정방형)를 가지고 있는 특히 크로스형(cross form)으로 배치된 다이폴(크로스다이폴) 또는 2중다이폴이 사용된다.
2중편파안테나 또한 예컨대 WO 90/01923에도 공지되어 있다.
상기 선행기술의 경우에 각각의 1차안테나-모듈은 동일한 안테나특성을 가진 배열로 통합되어 있다. 이에 반하여 상이한 안테나특성을 가진 안테나의 상호접속은 상이한 영역의 전원을 공급하기 위하여 적용된다. 이 때에 양 방사전자계패턴 (radiated field pattern)의 중첩영역에는 미정의 위상위치가 존재하는 데 교대로 소멸 또는 추가 중복되는 단점이 실증된다. 이러한 결과의 방사전자계패턴은 이 경우 중첩영역에서 공지되어 있지 않다.
끝으로 또한 다영역안테나가 공지되어 있는 데 여기에는 다양한 주파수범위에 대한 다양한 1차안테나가 안테나의 주파수범위 목적으로 상호접속이 된다. 여기에서 그러나 각 안테나는 다른 주파수로 작동된다.
끝으로 주파수확장(예컨대 대칭구지안테나 또는 누설파안테나(leakage antenna) 목적을 위한 연속적인 크기확장에 의한 상이한 1차안테나의 상호접속이 공지되어 있다.
특히 이동무선범위에서 안테나가 그의 방사전자계패턴이 원하는 설정 1/2대역폭에 상당하도록 고안 조정되는 것이 필요하다. 선형, 수직정지안테나의 수평1/2대역폭조정은 이동무선에 대한 그러한 유형의 기지-안테나의 대표적인 유형에 해당되며 이때 1차안테나의 1/2대역폭 및 반사기와의 당해 변조(modulation)에 의하여 공지된 수단과 조치에 따라서 행한다. 이와 동시에 재차 동일한 형의 1차안테나가 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 수직으로 서로 중첩되어 배치된 2개 이상의 1차 안테나 모듈을 포함하는 안테나 어레이를 제공하는 것이며, 비교적 간단한 수단으로, 안테나 어레이의 소망 수평 1/2 전력 빔폭을 개선시킬 수 있다.
삭제
이와 같이 상이한 1차 안테나 모듈을 선택하여 안테나 어레이의 수평 1/2 전력 빔폭의 동조를 실행하도록 하는 것이 본 발명에 따라 해결될 수 있다는 것은 매우 획기적인 것이다. 이 경우에, 급전 회로망을 적절하게 선택함으로써 정해진 위상 관계로 모듈을 상호접속시킬 수 있다.
게다가, 수직 극선도를 최적화하여, 예컨대 사이드로브(sidelobe)를 감소시키는데 본 발명을 따른 모듈의 조합이 사용될 수 있다는 것 또한 획기적인 것이다. 이는 적어도 2개의 1차 안테나 모듈이 상이한 수평 및 수직 1/2 전력 빔폭을 갖기 때문에 가능하다. 이들 적어도 2개의 상이한 1차 안테나 모듈을 상호 접속시켜 선형 수직 적층된 어레이를 형성함으로써, 전체 안테나의 총 수평 1/2 전력 빔폭을 조정할 수 있다.
본 발명에 따르는 안테나는 이중 다이폴과 단일 다이폴을 포함하는 1차 안테나 모듈을 사용하여 구성될 수 있다.
본 발명은 예컨대 +/-45°편파 정렬로 동작하는 이중 편파 안테나의 경우에 적용될 수 있다(소위 X 어레이).
예컨대, 본 발명에 대응하는 전형적인 65°의 수평 1/2 전력 빔폭을 가진 3개의 이중 다이폴과 전형적인 90°의 수평 1/2 전력 빔폭을 가진 3개의 단일 다이폴과의 조합이 수직 중첩되어 배치되는 경우(즉, 소위 선형, 수직 적층된 안테나 어레이를 형성하도록 어셈블된다), 이는 대략 75°의 합성 수평 1/2 전력 빔폭을 제공한다.
예컨대 +/-45°의 편파 정렬된 이중-편파 안테나의 경우에, 크로스 다이폴(예컨대, 대략 85°의 수평 1/2 전력 빔폭)과 정방향 다이폴(예컨대, 대략 65°의 수평 1/2 전력 빔폭)의 조합에 의해 대략 75°의 합성 수평 1/2 전력 빔폭이 발생되고 사용된다.
본 발명의 한가지 바람직한 실시예에서, 1차 안테나 모듈의 각종 유형은 상당히 상이한 수평 1/2 전력 빔폭을 가지며, 이에 따라서, 5°이상, 특히 10°, 15° 또는 20°만큼 서로로부터 상이하게 된다.
대안적으로, 본 발명에 따르는 안테나 어레이를 상당히 상이한 수평 1/2 전력 빔폭을 지닌 패치 안테나 형태로 형성하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에서, 1차 안테나는 이중 편파 안테나를 포함할 수 있으며, 이 1차 안테나는 정방형 다이폴 및 크로스 다이폴로 형성될 수 있다.
본 발명을 따르는 안테나는 광범위하게 상이한 주파수 대역을 송, 수신하는데 사용될 수 있다. 통상적으로, 이동 방송 분야에서, 이와 같은 안테나는 1.71 내지 1.90GHz의 주파수 대역 범위, 즉 약 1.8GHz의 중간 주파수 범위에서 동작된다.
본 발명이 전형적인 실시예들과 관련하여 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따르는 안테나 어레이의 개요적인 투시도.
도 2는 도 1에 도시된 전형적인 실시예의 측면도.
도 3은 선형 안테나 형태로 수정된 본 발명에 따른 안테나 어레이의 개요적인 투시도.
도 4는 도 3에 도시된 전형적인 실시예의 측면도.
도 5는 패치 안테나 형태의 본 발명에 따르는 안테나 어레이의 개요적인 투시도.
도 1 및 도2 각각은, 수직으로 중첩되어 배치된 다수의 1차 안테나 모듈(1, 3)을 지닌 본 발명을 따른 안테나 어레이(A)의 제1의 전형적인 실시예에 대한 개요적인 투시 평면도 및 수평 측면도를 도시한 것이며, 이 안테나 어레이는 부분적으로 선형 수직 적층된 안테나 어레이로서 도시되어 있다.
이 안테나 어레이(A)는 도시된 전형적인 실시예에서 직사각형 형상이며 보다 긴 세로 연장부가 수직 방향으로 정렬된 반사기(5) 앞에 배치된 안테나 모듈(1, 3)을 포함한다.
이 반사기(5)는 전도성이다. 반사기의 배면에는 급전 회로망(F)이 위치될 수 있으며, 이 회로망을 통해서 제1 및 제2의 1차 안테나 모듈이 전기적으로 접속된다. 일반적으로, 공통 급전 회로망(F)이 이 목적을 위하여 제공되며, 상기 회로망을 통해서 제1 및 제2 유형의 1차 안테나 모듈(1, 3)은 규정된 전력 및 위상을 공급받아, 수직 방사 특성을 형성한다. 이 경우에, 급전 회로망(F)은 또한, 각종 1차 안테나 모듈간의 상이한 위상 관계에 대한 보상을 실행한다. 이 제1의 1차 안테나 모듈(1)은 도1에 도시된 전형적인 실시예에서 다수의 다이폴(1a), 즉 정방형 다이폴처럼 배치된 4개의 다이폴(1a)을 포함한다. 이 다이폴(1a)은 소위 밸런싱 요소(balancing element)(7)(도3 참조)에 의해서 반사기 또는 이 반사기 뒤에 위치된 패널에 대해 기계적으로 고정되고, 이들은 전기 접촉되어, 제2 급전 회로망(F)을 통해서 급전된다.
2개의 인접한 안테나 모듈(1 및 3)간의 수직 거리는 항상, 2개의 안테나 모듈(1) 및 2개의 안테나 모듈(3)간의 거리의 1/2과 일치한다. 다시 말하면, 한 유형의 안테나 모듈은 항상, 예시된 실시예에서 다른 유형의 2개의 안테나 모듈간의 수직 거리의 중간에 위치한다.
안테나 모듈(1 및 3)의 양 유형은 규정된 전력 및 위상으로 공통 급전 회로망(F)에 의해 급전되어, 수직 방사 특성을 형성한다. 즉, 두개의 안테나 모듈은 동일한 주파수 대역에서 동작된다. 예를 들어 크로스-다이폴, 정방형 다이폴 등의 다이폴 요소를 사용할 때, 이 다이폴은 통상적으로, 대략 동일한 길이로 된다.
특히 도 2에 도시된 측면도로부터 알수 있는 바와 같이, 개별 다이폴 요소들(1a, 3a)은 같은 높이로 될 필요가 없다. 반사기(5)면 및 다이폴(1a, 3a)면 사이의 거리는 한 파장보다 길지 않으며 파장의 1/2보다 짧지 않은 것이 바람직 하다. 다이폴 요소(1a, 3a)의 면 및 반사기(5)간의 거리가 파장의 40%보다 크지 않을 때, 바람직하게는 파장의 30% 보다 크지 않을 때, 특히 유용한 범위가 얻어진다.
용어 "파장"은 안테나를 동작시키는 안테나의 동작 주파수 또는 주파수 대역 범위에 관련된 동작 파장을 의미한다. 도시된 전형적인 실시예에서, 안테나는 1.71GHz 내지 약 1.90GHz 범위 내에서 동작되는데, 즉 약 1.80GHz의 중간 주파수를 갖는다. 이러한 안테나들은 이동 무선 분야에서 사용된다. 다이폴과 반사기면사이의 적절한 하한 컷오프(cutoff) 값은 파장(동작 파장)의 10% 이상, 특히 20% 또는 1/4이다. 이 경우에, 다이폴(1a)은 도 2에 알 수 있는 바와 같이 다이폴(3a)처럼 반사기(5)에 대하여 동일한 평면 내에 위치될 필요는 없다.
도1 및 도2에 도시된 전형적인 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 다이폴, 예를 들어 정방형 다이폴을 지지하고 있는 밸런싱 요소(7) 뿐아니라 제2 유형의 1차 안테나 모듈을 위한 다이폴(3a)을 지지하는 밸런싱 요소(9)는 반사기면에 대해 직각이 아니라 기울어져 있다. 다이폴 요소 및 반사기(5)의 평면 간의 거리는 파장의 1/4보다 작을 수 있으며, 예컨대 파장의 0.2보다 작을 수 있다. 대안적으로, 다른 홀더가 또한, 밸런싱 요소용으로 동시에 동작할 필요가 없는 다이폴을 위해 제공될 수 있다.
따라서, 도시된 전형적인 실시예에서, 각 경우에, 선형 수직 적층된 안테나 어레이는 2쌍의 안테나 모듈(1 및 3)을 포함하며, 상기 안테나 모듈(1)은 정방형 다이폴로 형성되고 상기 안테나 모듈(3)은 크로스 다이폴로 형성된다.
예컨대 +/-45°의 편파 정렬을 지닌 이중 편파 안테나의 도시된 전형적인 실시예에서, 예컨대 대략 85°의 수평 1/2 전력 빔폭을 가진 크로스 다이폴 형태인 안테나 모듈(1)과 대략 65°의 수평 1/2 전력 빔폭을 가진 상기 정방형 다이폴을 조합하면은 전체 이중 편파 안테나가 대략 75°의 합성 수평 1/2 전력 빔폭이 되도록 한다.
도3 및 도4에 도시된 바와 같은 변형된 전형적인 실시예가 이하에서 설명되는데, 이 경우에, 제1 및 제2 유형의 1차 안테나 모듈은 +/-45˚ 이중 편파 1차 안테나 모듈(1, 3)을 포함하는 것이 아니라 선형 편파 안테나 모듈(1, 3)을 포함한다.
이 경우에, 안테나 모듈(1)은 수평 방향에서 정렬되고 이중 형태(duplicated form), 즉 수평 방향에서 측방향 옵셋되어 서로 나란한 다이폴(1a)을 포함한다.
선형 편파된 안테나 모듈(3)은 이 방식으로 형성된 각각 2개의 이중의 단일편파된 1차 안테나 모듈(1)간에 배치되며, 각각은 수직 정렬된 다이폴(3a)을 포함한다.
게다가, 도3은 또한, 안테나 모듈(1)용 밸런싱 요소(7) 및 안테나 모듈(3)용 밸런싱 요소(9)를 도시한다.
이 전형적인 실시예와 관련하여 그리고 도3 및 도4로부터, 수평면에 대한 안테나를 대칭적으로 설계할 수 있으며, 즉 안테나 모듈(3)의 수가 기수(이 전형적인 실시예에서 3개의 모듈을 포함한다)인 반면 대조적으로, 안테나 모듈(1)은 중간 구간에서 단지 2개가 존재한다는 것을 알 수 있다.
도 5의 전형적인 실시예는 적절한 홀더(7 및 9)를 통해서 다시 한번 고정되는 패치 안테나(P)에 대해 수정한 것이다.
이 경우에, 안테나 모듈(1)은 측방향 옵셋되어 서로 나란히 수평으로 배치된 이중 패치 안테나를 포함하는 반면에, 대조적으로, 제2 유형에 속하는 패치 안테나 중 단지 한 패치 안테나가 제공된다. 이외에도, 이 방식으로 형성된 안테나 어레이는 앞서의 전형적인 실시예들과 비교될 수 있으며, 반사기(5)의 면 및 패치 안테나 소자의 면간의 거리는 공지된 바와 같이 작게 된다.
전형적인 실시예들로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 유형의 동일한 수의 1차 안테나 모듈(1) 및 제2 유형의 1차 안테나 모듈(3)중 어느 하나가 제공될 수 있으며, 또는 이 수는 바림직하게는 1씩 상이하게 되어, 수평면에 대해서 대칭적인 안테나를 형성한다.
본 발명은 서로 수직으로 중첩 배치된 다수의 1차 안테나 모듈(primary radiator module)을 가진 안테나 어레이(antenna array)에 관한 것이다.
서로 수직으로 중첩되어 배치된 1차 안테나를 가진 안테나 어레이가 공지되어 있다. 이중 편파 안테나의 경우, 이와 같이 서로 중첩되어 배치된 1차 안테나는 2개의 직교 편파를 방사 또는 수신할 수 있다. 또한, 어레이를 형성하기 위하여 배치된 이러한 1차 안테나를 1차 안테나 모듈이라고 한다. 이와 같은 모듈은 예컨대, EP0685900A1 또는 종래 공개(" Antennen [Antennas], 2nd Part, Bibliographisches Institut, Manheim[sic]/Vienna/Zurich, 1970, pages 47 to 50)에 공지되어 있는 바와 같이, 간단한 다이폴(dipole), 슬롯, 평면 안테나 요소 또는 소위 패치 안테나(patch antenna)를 포함할 수 있다. 다이폴 배열은 평면도에서, 정방형 구조(정방형 다이폴)인 이중 다이폴 배열 또는 십자형(cruciform 또는 cross) 형상의(크로스 다이폴)로 배치된 다이폴이 바람직하다.
이중 편파 안테나는 또한, 예컨대 WO 90/01923에 공지되어 있다.
상기 종래 기술에서, 동일한 안테나 특성을 가진 1차 안테나 모듈은 어레이를 형성하도록 결합되어 있다. 이에 반하여, 상이한 안테나 특성을 가진 안테나의 상호접속은 상이한 영역에 전원을 공급하는데 사용된다. 이 경우에, 2개의 극선도(polar diagrams)의 중첩 영역의 위상 관계성이 불특정하게 되어, 교대로 소멸 또는 추가 중첩되는 단점이 있다. 이 경우에, 이러한 결과의 극선도는 중첩 영역에서 공지되지 않는다.
다중대역 안테나가 또한, 공지되어 있는데, 이 안테나에서 상이한 주파수 대역을 위한 상이한 1차 안테나가 안테나의 주파수 대역을 확장할 목적으로 상호접속된다. 그러나, 이 경우에 각 안테나는 상이한 주파수로 동작한다. 또한 주파수 대역의 확장을 위하여 연속적으로 가변하는 크기를 갖는 상이한 주파수 안테나를 상호접속하는 것이 공지되어 있다(예를 들어, 대수적 안테나(logarithmic antennas) 또는 누설파 안테나(leakage antennas)).
특히, 이동 무선 에리어에서, 극선도가 소망의 소정 수평 1/2 전력 빔폭(horizontal half power bema-width)에 대응하도록 안테나를 설계하고 설정할 필요가 있다. 이 경우에, 이동 무선용 기지국 안테나의 통상적인 구성에 대응하는 선형 수직 적층된 어레이의 수평 1/2 전력 빔폭의 설정은 공지된 수단을 사용하여 실행되고 1차 안테나의 수평 1/2 전력 빔폭을 선택하고 반사기를 사용하여 적절하게 동조함으로써 측정된다. 또다시, 상기와 같은 설계를 지닌 1차 안테나가 일반적으로 사용된다.
이미 공지되어 있는 유형의 단점은, 1차 안테나의 위상 관계가 공지되지 않고, 더구나, 정해진 방식으로 방사 특성에 영향을 미치기 위한 어레이를 형성하도록 상이한 1차 안테나들의 정해진 상호접속이 공지되어 있지 않다.

Claims (17)

  1. 반사기, 상기 반사기 앞에 위치된 수직으로 중첩되어 배치되는 2개의 안테나 모듈(1, 3) 및 상기 2개의 안테나 모듈에 규정된 전력 및 위상을 공급하는 공통 급전 회로망을 포함하는 안테나 어레이에 있어서,
    소정의 편파를 갖는 제1 유형의 제1의 1차 안테나 모듈(1); 및,
    상기 제1의 1차 안테나 모듈(1)에 거리를 두고 수직으로 위에 배치된 제2 유형의 제2의 1차 안테나 모듈(3)을 포함하는데,
    상기 제2의 1차 안테나 모듈은 상기 제1의 1차 안테나 모듈과 동일한 소정의 편파를 가지며,
    상기 제1 유형의 제1의 1차 안테나 모듈은 상기 제2 유형의 제2의 1차 안테나 모듈과 상이한 수평 1/2 전력 빔폭을 가지며,
    상기 제1 유형의 제1의 1차 안테나 모듈의 물리적 설계는 상기 제2 유형의 제2의 1차 안테나 모듈에 대하여 상이한 구조형태를 갖는 안테나 어레이.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 다수의 제1의 1차 안테나 모듈 및 상기 다수의 제1의 1차 안테나 모듈과 교대로 수직으로 배치된 다수의 제2의 1차 안테나 모듈을 더 포함하는 안테나 어레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈은 선형 편파된 안테나를 포함하는 안테나 어레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈은 이중 다이폴을 포함하고 상기 제2의 1차 안테나 모듈은 단일 다이폴을 포함하는 안테나 어레이.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈은 이중-편파된 안테나를 포함하는 안테나 어레이.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈은 패치 안테나를 포함하는 안테나 어레이.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 안테나 모듈의 물리적 구조를 달리 설계한 2가지 상이한 유형을 갖는 수직 중첩된 다수의 1차 안테나 모듈을 갖는 안테나 어레이를 구성하는 안테나들의 조합을 포함하는 안테나 어레이.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈의 수는 우수이고 상기 제2의 1차 안테나 모듈의 수는 기수인 안테나 어레이.
  13. 반사기 앞에 수직으로 중첩하여 배치되어 동일한 방향으로 방출하는 제1의 1차 안테나 모듈 및 제2의 1차 안테나 모듈을 포함하는 안테나 어레이로서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈 및 제2의 1차 안테나 모듈 각각은 물리적 구조에 부합되게 설계되고 수평 1/2 전력 빔폭을 갖는 안테나 어레이에 있어서,
    상기 제1의 1차 안테나 모듈의 물리적 구조에 대한 설계는 상기 제2의 1차 안테나 모듈의 물리적 구조에 대한 설계와 다르며,
    상기 제1의 1차 안테나 모듈 및 상기 제2의 1차 안테나 모듈은 동일판 편파를 가지며,
    상기 제1의 1차 안테나 모듈의 수평 1/2 전력 빔폭은 상기 제2의 1차 안테나 모듈의 수평 1/2 전력 빔폭과 다르며,
    사용시에, 상기 제1의 1차 안테나 모듈 및 상기 제2의 1차 안테나 모듈이 함께 동작할 때, 상기 제1의 1차 안테나 모듈 및 상기 제2의 1차 안테나 모듈은 상기 제1의 1차 안테나 모듈의 수평 1/2 전력 빔폭 및 상기 제2의 1차 안테나 모듈의 수평 1/2 전력 빔폭과 다른 총 수평 1/2 전력 빔폭을 제공하도록 협동하는 안테나 어레이.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈 및 제2의 1차 안테나 모듈의 수평 1/2 전력 빔폭은 10˚ 만큼 서로 상이한 안테나 어레이.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1의 1차 안테나 모듈 및 제2의 1차 안테나 모듈의 수평 1/2 전력 빔폭은 20˚ 만큼 서로 상이한 안테나 어레이.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제2의 1차 안테나 모듈은 이중-편파된 안테나를 포함하는 안테나 어레이.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제2의 1차 안테나 모듈은 패치 안테나를 포함하는 안테나 어레이.
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