KR100767209B1 - 수평 편파 무지향성 어레이 안테나 - Google Patents

수평 편파 무지향성 어레이 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수평 편파 무지향성 어레이 안테나가 제공하기 위한 것으로서, 상기 수평 편파 무지향성 어레이 안테나는 축방향이 수직 방향에 대응하도록 지지되고, 상기 축방향으로 서로에 대해 평행하게 배치된 한 쌍의 급전선로를 포함하고, 기부를 갖는 안테나 지지 부재와, 상기 한 쌍의 급전선로에 따라 배열 및 접속된 복수의 다이폴 안테나와, 상기 한 쌍의 급전선로에 직렬 급전을 행하기 위한 상기 기부의 급전측상에 형성된 평형/불평형 변환부를 포함한다.
무지향성 어레이 안테나

Description

수평 편파 무지향성 어레이 안테나{HORIZONTAL POLARIZED WAVE NON-DIRECTIONAL ARRAY ANTENNA}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 PHS 기지국용의 수평 편파 무지향성 어레이 안테나의 기본 구조를 도시한 도면.
도 2는 상기 실시예에 따른 제 1의 측정 결과를 도시한 스미스 차트(Smith chart).
도 3은 상기 실시예에 따른 제 1의 측정 결과의 리턴 로스(return loss)를 도시한 다이어그램.
도 4는 상기 실시예에 따른 상기 제 1의 측정 결과의 VSWR을 도시한 다이어그램.
도 5는 상기 실시예에 따른 제 2의 측정 결과를 도시한 스미스 차트.
도 6은 상기 실시예에 따른 제 상기 2의 측정 결과의 리턴 로스를 도시한 다이어 그램.
도 7은 상기 실시예에 따른 상기 제 2의 측정 결과의 VSWR을 도시한 다이어그램.
도 8은 상기 실시예에 따른 상기 제 1의 측정 결과의 수직 방향의 방사 패턴을 도시한 다이어그램.
도 9는 상기 실시예에 따른 상기 제 2의 측정 결과의 수직 방향의 방사 패턴을 도시한 다이어그램.
도 10은 상기 실시예에 따른 상기 제 1의 측정 결과의 수평 방향의 방사 패턴을 도시한 다이어그램.
기술분야
본 발명은 이동 통신 시스템의 기지국 등에 특히 알맞는 수평 편파 무지향성 어레이 안테나에 관한 것이다.
종래기술
종래 기술에 있어서, 수평 편파의 수평면에서 무지향성을 달성하는 휴대전화, PHS(Personal Handyphone System : 제 2세대 코드리스 전화 시스템) 등의 이동 통신 시스템의 기지국에서 사용되는 안테나 장치가 여러가지 생각되고 있다. (예를 들면, JP-A-11-340733을 참조)
그러나, 고이득화를 위한 어레이 안테나화를 생각한 경우에, 상기 언급된 JP-A-11-340733에 개시된 것을 포함하는 수평 편파 무지향성 안테나는 어느것이나 구조가 복잡하고 제조 비용이 상승되고, 또는 반대로 구조가 지나치게 간이하여 어레이화 하는 때의 기계적 강도를 확보할 수 없다는 결점이 생긴다.
본 발명은 상기한 바와 같은 실정을 감안하여 이루어진 것이다. 그 목적은 수평면에서의 충분한 무지향성을 실현하면서, 구조가 간이하고 생산성이 우수하고, 설치에 적합한 기계적 강도를 확보하는 것이 가능한 수평 편파 무지향성 어레이 안테나를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 축방향이 수직 방향에 대응하도록 지지되고, 상기 축방향으로 서로에 대해 평행하게 배치된 한 쌍의 급전선로를 포함하고, 기부(base portion)를 갖는 안테나 지지 부재와, 상기 한 쌍의 급전선로에 따라 배열 및 접속된 복수의 다이폴 안테나와, 상기 한 쌍의 급전선로에 직렬 급전을 행하기 위해 상기 기부의 급전측상에 형성된 평형/불평형 변환부를 포함한다.
양호하게는, 상기 복수의 다이폴 안테나 각각은 대상 주파수의 거의 1/2파장의 안테나 길이를 갖는다.
양호하게는, 상기 복수의 다이폴 안테나 각각은 상기 급전선로의 축방향에 대해 거의 직교하는 평면을 따라 링형상으로 형성된다.
양호하게는, 상기 안테나의 배열 방향에 대해 직교하는 면에 대한 방사의 틸트(tilt) 각도는 상기 복수의 다이폴 안테나의 간격에 의해 설정된다.
양호하게는, 상기 평형/불평형 변환부는 상기 복수의 다이폴 안테나를 정합하기 위한 정합 회로를 포함한다.
양호하게는, 상기 안테나 지지 부재는 PPE(PolyPhenylene Ether : 폴리페닐렌에테르) 또는 불소 수지로 구성된다.
본 발명에 따르면, 구조가 간이하고 생산성에 우수하고, 설치에 적합한 기계 적 강도를 확보하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 직렬 급전을 이용하고 있기 때문에 급전선로의 폭을 좁힐 수 있고, 결과적으로 안테나 지지부재를 포함하는 안테나 전체의 외경을 작고 가늘게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 예를 들면 1.9[GHz]대의 전파를 사용하는 PHS에서 필요한 안테나 길이가 80[㎜] 보다 작게 되고, 다이폴 안테나의 형상을 궁리함에 의해 안테나 전체의 외경을 보다 작고 가늘게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수평면에서의 우수한 무지향성을 실현할 수 있음과 함께, 안테나 전체의 외경을 보다 작게 하고 둥근 파이프 형상의 레이돔(radome)에 수납할 수 있을 정도로 극히 실현성이 풍부한 구조로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 예를 들면, 기지국 안테나로서 시가지의 빌딩 옥상에 안테나를 설치하는 경우에 필요한 틸트 각을 설정하는 등, 필요한 틸트 각의 설정을 안테나 간격에 의해 용이하게 가변할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 안테나는 보다 높은 안테나 효율로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 안테나 소자인 다이폴 안테나와 입/출력 케이블 사이의 정합을 취하기 쉽고 무지향성을 얻기 쉽다.
이하, 본 발명을 1.9[GHz]대의 전파를 사용하는 PHS의 기지국 안테나에 적용한 경우의 한 실시예에 관해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 레이돔(radome)을 제거한 안테나의 기본 구조를 도시한 것이다. 상기 도면에서, 도면 번호 1은 그 긴변 방향이 수직으로 지지되는 직사각형 판형상의 안테나 기판이다. 상기 안테나 기판(1)은 예를 들면 PPE(PolyPhenylene Ether : 폴리페닐렌 에테르)(유전율 3.3 정도)나, 테플론(R)(유전율 2.3 정도) 등의 불소 수지등으로 구성된다. 상기 안테나 기판(1)은 평형/불평형 변환부(2)가 마련되고, 그 선단(front end)에서 커넥터(4)를 포함하고 동축 케이블에 의해 형성된 급전선(3)에 접속되는 급전 기부(feeding base)를 포함한다.
상기 평형/불평형 변환부(2)는 예를 들면 발룬(balun)에 의한 정합 회로를 겸하고 있다. 서로 평행한 한 쌍의 급전선로(5, 5)는, 상기 안테나 기판(1) 기부의 평형/불평형 변환부(2)를 통하여, 안테나 기판(1)의 긴변에 따라, 하나의 단부측의 표면 및 후면상에 각각 형성된다.
또한, 상기 급전선로(5, 5)을 따라 각각 반원형상으로 구부린 안테나 소자(6, 6, ‥‥)를 쌍으로 하여 배설하고, 수평 방향으로 상기 급전 선로에 의해 상기 안테나 소자(6, 6, ‥‥)가 지지되도록, 복수 쌍의 다이폴 안테나(dipole antenna)를 형성한다. 즉, 급전선로(5, 5)에 각각 접속된 한 쌍의 안테나 소자(6, 6)는 단일한 다이폴 안테나로서 기능하고, 그 복수 쌍이 안테나 기판(1)의 긴 변 방향을 따라 배열되고 급전선로(5, 5)에 의해 직렬 급전된다.
다이폴 안테나 각각을 구성하는 한 쌍의 안테나 소자(6, 6)에 따르면, 안테나 길이는 합쳐서 대상 주파수의 거의 λ/2(λ ; 파장)로 되도록 설정되고, 여기서 대상 주파수는 1.9[GHz]로 설정되면, λ/2는 78[㎜] 정도로 된다.
그에 더하여. 링형상의 다이폴 안테나의 직경을 0,18λ, 즉 28[㎜] 정도로 한다.
또한, 상기 각 다이폴 안테나의 어레이 간격은 수평 방향에 대해 필요한 틸트 각도에 의해 가변 설정하는 것으로 한다. 구체적으로는 기판상에서의 1λ에 상당하는 100[㎜]를 어레이 간격으로 하는 경우에, 틸트(tilt)는 실행되지 않고, 수평 방향으로 복사가 실행된다.
반면에, 각 다이폴 안테나의 어레이 간격을 상기 100[㎜]보다 작게 하면 급전 방향, 도 1에서는 지면(paper face)의 아래방향으로 틸트한다. 반대로 100[㎜]보다 크게 하면 급전 방향과는 역방향, 도 1에서는 지면의 윗방향으로 틸트한다.
상기한 바와 같은 구성에 있어서, 다음고 같은 실험의 결과로서 얻어진 각종 특성에 관해 설명한다.
(제 1의 측정예)
도 2 내지 도 4, 및 도 8은 수평 방향의 틸트각이 0°로 되도록 다이폴 안테나의 각각의 어레이 간격을 100[㎜]로 하고, 안테나 소자(6, 6, ‥‥)에 의한 다이폴 안테나를 16 쌍으로 하여 구성한 경우의 측정 결과를 도시한다.
이 경우에, PHS의 주파수대를 커버하고자 도면중에 삼각 기호에 의해 도시된 마커 '1' 내지 '3'이 다음 주파수의 값을 취한다. 즉,
마커 '1' : 1884.65[MHz]
마커 '2' : 1902.05[MHz]
마커 '3' : 1919.45[MHz]
도 2는 상기 마커 '2'의 주파수 1902,05[MHz]를 중심으로 하여 200[MHz]의 범위에 걸쳐서 측정한 결과를 도시한 스미스 차트(Smith chart)이다.
여기서, 마커 '1'은 약 67[Ω], 마커 '2'는 약 49[Ω], 마커 '3'은 약 62[Ω]이고, 중심 주파수의 마커 '2'가 이상치(ideal value) 50[Ω]에 근사한 값을 취하고 있기 때문에, 거의 소망하는 특성을 실현할 수 있는 것이라고 판단할 수 있다.
도 3은 리턴 로스(return loss)를 도시한 것으로, 상술한 주파수의 마커 '1'은 -16.277[dB], 마커 '2'는 -27,812[dB], 마커 '3'은 -16.646[ dB]이고, PHS에 필요한 주파수 범위에 걸쳐서 리턴 로스를 -14[dB] 이하가 되게 억제될 수 있음을 알 수 있다.
이러한 점은 도 4의 VSWR(전압 정재파비(voltage standing wave ratio))에서도 현저하고, 상술한 주파수를 갖는 마커 '1'의 VSWR은 1.3637, 마커 '2'의 VSWR은 1.0848, 마커 '3'의 VSWR은 1.3455의 값을 취하고 있고, PHS에 필요한 주파기 범위에 걸쳐서 VSWR을 1.5 이하로 억제할 수 있음을 알 수 있다.
도 2 내지 도 4의 결과로부터, 급전에 있어서 반사 등이 극히 적고, 매우 효율 좋게 복사 구동하는 것이 가능한 안테나 구조로 구성되어 있을 알 수 있다.
도 8은 수직면의 방사 패턴의 측정예를 도시한다. 상술한 바와 같이 거의 틸트각을 0도로 설정함에 의해, 안테나 방사는 수평면으로 실행되는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 이러한 설정 수치를 갖는 안테나 구조를 형성함으로써, 비교적 인구 밀도가 낮고, 넓은 범위에 걸쳐서 송수신을 행할 필요가 있는 교외 등에 기지국을 설치하는 경우에, 이런 종류의 틸트각을 설정하지 않은 수평면에서의 특성을 중시 한 안테나가 사용되게 된다.
(제 2의 측정예)
도 5 내지 도 7, 및 도 9는 틸트각이 (급전측의 아래방향으로) 8°가 되도록 다이폴 안테나의 각각의 어레이 간격을 93[㎜]로 하고, 안테나 소자(6, 6, ‥‥)에 의한 다이폴 안테나를 20쌍으로 하여 구성한 경우의 측정 결과를 도시한다.
이 경우에소, PHS의 주파수대를 커버하고자 도면중에 삼각 기호에 의해 나타내는 마커 '1' 내지「3」은 다음의 주파수의 값을 취한다. 즉,
마커 '1' : 1884.65[MHz]
마커 '2' : 1902.05[MHz]
마커 '3' : 1919.45[MHz]
도 5는 상기 마커 '2'의 주파수 1902.05[MHz]를 중심으로 하여 200[MHz]의 범위에 걸쳐서 측정한 결과를 나타내는 스미스 차트이다.
여기서, 마커 '1'은 약 39[Ω], 마커 '2'는 약 48IΩ], 마커 '3'은 약 50[Ω]이고, 중심 주파수의 마커 '2'와 마커 '3'은 이상치 50[Ω]에 거의 근사한 값을 취하고 있기 때문에, 거의 소망하는 특성을 실현할 수 있다는 것이 판단될 수 있다.
도 6은 리턴 로스를 도시한 것으로, 상술한 주파수를 갖는 마커 '1'의 리턴 로스는 -17.700[dB], 마커 '2'의 리턴 로스는 -33,179[dB], 마커 '3'의 리턴 로스는 -23,591[dB]이고, PHS에 필요한 주파수 범위에 걸쳐서 리턴 로스를 -14[dB] 이하로 억제할 수 있게 되는 것을 알 수 있다.
이러한 점은 도 7의 VSWR에서도 현저하고, 상술한 주파수를 갖는 마커 '1'의 VSWR은 1.2996, 마커 '2'의 VSWR는 1.0448, 마커 '3'의 VSWR은 1.1415의 값을 취하고, PHS에 필요한 주파수 범위에 걸쳐서 VSWR을 1.5 이하로 충분히 여유를 갖고서 억제할 수 있게 되는 것을 알 수 있다.
상기 도 5 내지 도 7의 결과로부터, 급전에 있어서 반사 등이 극히 적고, 매우 효율 좋게 복사 구동하는 것이 가능한 안테나 구조로 구성되는 것을 알 수 있다.
도 9는 수직면의 방사 패턴의 측정예를 도시하는 것으로서 상술한 바와 같이 거의 틸트각을 (아래 방향으로) 8도로 하고 있다. 따라서 이러한 수치 설정을 갖는 안테나 구조를 형성함으로써, 비교적 인구 밀도가 높고, 한정된 범위 내에서 송수신을 행할 필요가 있는 예를 들면 시가지의 빌딩의 옥상에 기지국을 설치하는 경우 등에, 이런 종류의 수평면으로부터 약간 하향의 틸트각으로 설정한 안테나가 사용되게 된다.
최종적으로, 도 10은 상기 제 1의 측정예에서 설명한, 틸트각을 0°로 한 경우의 수평면에서의 방사 패턴을 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 360°의 전체 둘레에 걸쳐 거의 균일한 양호한 방사 특성을 얻고 있고, 소망되는 무지향성이 거의 양호하게 실현될 수 있다고 여겨진다.
이와 같이 하여, 상기 도 1에 도시한 바와 같은 안테나 구조를 채택함에 의해, 그리고, 안테나 기판(1)의 단변을 도시된 바와 같이 링형상의 다이폴 안테나의 외경 이하로 함에 의해, 상기 안테나 전체를 둥근 파이프 형상의 레이돔(radome) 내에 수납하는 것이 가능해진다.
이러한 점은 평행한 한 쌍의 급전선로(5, 5)에 의해 안테나 소자(6, 6, ‥‥)를 직렬 급전함으로써, 한 쌍의 급전선로의 폭을 포함하는 안테나 기판(1)의 단변(short side) 방향의 치수를 작게 설정할 수 있다는 사실로부터 기여한다. 안테나 자체의 구조가 간이하고 생산성이 우수하고, 설치에 적합한 기계적 강도를 확보하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 안테나 기판(1)을 포함하는 안테나 전체의 외경을 작고 가늘게 할 수 있다.
따라서, 상술한 양호한 무지향성과 안테나 효율을 확보하면서도, 안테나를 매우 컴팩트하고 설치 등의 취급이 용이하고, 또한 내 기후성에도 우수하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 도 1에 도시된 안테나 기판(1)의 단변 방향의 치수가 링형상의 다이폴 안테나의 직경과 개략 동등하게 설정되고, 다이폴 안테나를 구성하는 각각의 안테나 소자(6, 6, ‥‥)의 선단(front end)이 안테나 기판(1)의 급전선로(5, 5)를 마련한 측과는 반대측상의 안테나 기판(1)의 단부에 의해 각각 지지되는 경우에, 안테나 소자(6, 6, ‥‥)의 기계적 강도를 더욱 올릴 수 있다.
또한, 본 발명은 안테나 기판(1)과 같은 직사각형 판형상의 형상으로 한정하는 것이 아니라, 예를 들면 환봉형상의 안테나 지지부재에 평형/불평형 변환부(2)와 급전선로(5, 5)를 마련하여 안테나 소자(6, 6, ‥‥)를 배열하는 것으로 하여도 좋다.
또한, 상기 설명된 실시예에 따라 1.9[GHz]대의 전파를 사용하는 PHS의 기지 국 안테나에 적용한 경우에 관해 설명한 것이지만, 본 발명은 사용하는 주파수대나 용도, 각 안테나 소자의 형상이나 배열 간격, 배열 수 등을 한정하는 것도 아니다.
그 밖에, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
또한, 상기 설명된 실시예에는 여러 단계의 발명이 포함되어 있고, 개시된 복수의 구성 요건을 적절히 조합함에 의해 의해 여러가지의 발명이 추출될 수 있다. 예를 들면, 실시예에 나타나는 전체 구성 요건으로부터 몇개의 구성 요건이 삭제되는 경우에도, 발명이 이루고자 하는 기술적 과제에서 기술된 문제점들 중의 적어도 하나는 해결될 수 있고, 발명의 효과에서 기술되어 있는 효과 중의 적어도 하나는 달성되는 경우에, 구성 요건이 삭제된 구성이 본 발명으로서 추출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 구조가 간이하고 생산성에 우수하고, 설치에 적합한 기계적 강도를 확보하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 직렬 급전을 이용하고 있기 때문에 급전선로의 폭을 좁힐 수 있고, 결과적으로 안테나 지지부재를 포함하는 안테나 전체의 외경을 작고 가늘게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 예를 들면 1.9[GHz]대의 전파를 사용하는 PHS에서 필요한 안테나 길이가 80[㎜] 보다 작게 되고, 다이폴 안테나의 형상을 궁리함에 의해 안테나 전체의 외경을 보다 작고 가늘게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수평면에서의 우수한 무지향성을 실현할 수 있음과 함께, 안테나 전체의 외경을 보다 작게 하고 둥근 파이프 형상의 레이돔(radome)에 수납할 수 있을 정도로 극히 실현성이 풍부한 구조로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 예를 들면, 기지국 안테나로서 시가지의 빌딩 옥상에 안테나를 설치하는 경우에 필요한 틸트 각을 설정하는 등, 필요한 틸트 각의 설정을 안테나 간격에 의해 용이하게 가변할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 안테나는 보다 높은 안테나 효율로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 안테나 소자인 다이폴 안테나와 입/출력 케이블 사이의 정합을 취하기 쉽고 무지향성을 얻기 쉽다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 수평 편파 무지향성 어레이 안테나에 있어서,
    축방향이 수직 방향에 대응하도록 지지되고, 상기 축방향으로 서로에 대해 평행하게 배치된 한 쌍의 급전선로를 포함하고, 기부를 갖는 안테나 지지 부재와, 상기 한 쌍의 급전선로에 따라 배열 및 접속된 복수의 다이폴 안테나와, 상기 한 쌍의 급전선로에 직렬 급전을 행하기 위해 상기 기부의 급전측상에 형성된 평형/불평형 변환부를 포함하고,
    상기 복수의 다이폴 안테나 각각은 대상 주파수의 1/2파장의 안테나 길이를 갖고,
    상기 복수의 다이폴 안테나 각각은 상기 급전선로의 축방향에 대해 직교하는 평면을 따라 링형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수평 편파 무지향성 어레이 안테나.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 안테나의 배열 방향에 대해 직교하는 면에 대한 방사의 틸트(tilt) 각도는 상기 복수의 다이폴 안테나의 간격에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 수평 편파 무지향성 어레이 안테나.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 평형/불평형 변환부는 상기 복수의 다이폴 안테나를 정합하기 위한 정합 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 편파 무지향성 어레이 안테나.
  6. 삭제
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