KR101075983B1

KR101075983B1 - 안테나 위상 변위기

Info

Publication number: KR101075983B1
Application number: KR1020110050092A
Authority: KR
Inventors: 김영필
Original assignee: 주식회사 선우커뮤니케이션
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2011-10-21

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템의 기지국 안테나에 적용되어 복사 빔 패턴을 가변시킬 수 있는 안테나 위상 변위기에 관한 것이다. 본 발명의 위상 변위기는 기판상에 형성된 급전부와 원호형 패턴, 상기 패턴의 중심인 회전축에 회전가능하게 고정된 위상 변환기를 포함한다. 특히, 상기 위상 변환기는 기판의 상·하면에 각각 형성되고 비어홀로 상호 연결되는 급전선을 포함하되, 상기 상면과 하면의 급전선 선로의 길이가 서로 다르게 설계되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 종래 기술에 비하여, 안테나의 광대역을 실현할 수 있는 장점이 있다.

Description

안테나 위상 변위기 {Phase shifter for antenna}

본 발명은 위상 변위기에 관한 것으로 특히, 이동통신 시스템의 기지국 또는 중계기 안테나에 적용되어 복사 빔 패턴을 가변시킬 수 있는 안테나 위상 변위기에 관한 것이다.

통상의 이동통신 시스템에서는 지역별 또는 시간별로 사용자 접속 밀도가 변하는 등 통신환경이 가변적이며, 이러한 여러 상황들에 대응하여 최적의 서비스를 제공하기 위하여 사업자 측에서는 기지국 안테나의 빔 패턴 각도를 조절하여 유효 범위를 조정하는 네트워크 관리를 하고 있다.

위상 변위기는 안테나 시스템에서 상기와 같은 빔 방향의 제어를 위하여 구비되는 장치이며, 구현 방식에 따라 기계적 위상 변위기와 전자적 위상 변위기로 구분된다. 전자는 예컨대 생산비 측면에서 유리한 장점이 있으나 설치, 조작 및 유지보수가 상당히 불편하다. 이의 개선을 위하여 개발된 것이 후자의 전자적 위상 변위기이며, 본 발명이 이 기술분야에 속하는 것이다.

관련된 분야의 전자적 위상 변위기의 예로써, 도 1a는 특허등록 제480225호에 개시된 "고주파 위상 시프트 어셈블리"를 나타내고, 도 1b는 특허등록 제562534호에 개시된 "전력분배 기능을 구비한 위상 가변기"를 나타낸다.

위 특허들에 개시된 위상 변위기(110,120)는 기본적으로 기판(111,121) 상에 형성된 급전부(112,122)와 원호형 패턴(113,123), 그리고 상기 패턴(113,123)의 중심축(115,125)에 회전가능하게 고정된 위상 변환기(114,124)를 포함하여 구성된다. 상기 변환기(114,124)의 하면에는 전력전송 패턴이 형성된다. 각 패턴(113,123)의 양단 각 출력포트에 안테나 어레이의 방사소자가 연결된다.

이 구성에서 상기 급전부(112,122)를 통해 공급된 전력은 변환기(114,124)를 경유하여 상기 원호형 패턴(113,123)에 커플링 급전되고 각 포트를 통하여 출력되는데, 상기 변환기(114,124)가 어느 한 방향으로 일정 각도 회전됨으로써 좌·우 포트 간의 거리 분배에 의한 위상의 차이가 만들어지는 것이다.

다른 예로서, 도 2a는 일본 공개특허공보 제2008-53764호에 개시된 "분배이상기"를 나타내고, 도 2b는 일본 공개특허공보 제2008-53764호에 개시된 "다분기 분배이상기"를 나타낸다.

여기 개시된 위상 변위기(130,140)는, 위의 위상 변위기(110,120)에 비하여 형태가 약간 다를 뿐이다. 즉 마찬가지로 기판(131,141), 급전부(132,142), 원호형 패턴(133,143), 위상 변환기(134,144)를 포함하며, 상기 변환기(134,144)의 하면에 전력전송 스트립 패턴이 형성된다. 그리고 상기 변환기(134,144)가 축(135,145)을 중심으로 어느 방향으로 회전됨으로써 좌·우 포트 간의 거리 분배에 의한 위상의 차이가 만들어지는 것이다.

삭제

이상의 특허에 개시된 위상 변위기가, 안테나 어레이를 형성하는 각 방사 소자의 위상을 제어함으로써, 원하는 빔 패턴의 조절을 가능하게 하는 장점이 있다. 그러나 가장 중요하게는, 고주파수 대역에서 안테나의 광대역 특성을 구현하지 못하게 되는 단점이 있다.

도 3은 도 1b를 기반으로 하여 구현된 안테나의 실제 정재파비를 나타낸 그래프이다. 참고로 839~894 MHz는 차세대 이동통신인 LTE(롱텀에볼루션)용 주파수 대역이다. 여기에서 보는 바와 같이 종래의 위상 변위기를 적용한 안테나는, 이 주파수 대역에서 공진 대역폭이 극단적으로 협소한 특성 즉 협대역 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 위상 변위기의 한계 내지 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은, 원호형 패턴과 회전하는 변환기 구조를 기반으로 하되, 실제로 광대역 특성을 구현하는 위상 변위기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 위상 변위기는:

기판상에 형성된 급전부와 원호형 패턴, 상기 패턴의 중심인 회전축에 고정된 위상 변환기를 포함하며, 상기 패턴의 양단 각 출력포트에 안테나 어레이의 방사소자가 연결되는 위상 변위기에 있어서,

상기 위상 변환기는:

일단에 홀이 형성되어 상기 회전축에 회전가능하게 고정되며, 상기 패턴 상에 중첩되는 커플링 포인트를 포함하도록 연장되는 회전기판과;

상기 급전부에 공급된 전력을 원호형 패턴에 전송하는 수단으로서, 상기 홀 주변에서 커플링 포인트까지 상기 회전기판의 상·하면에 각각 형성되고 비어홀로 상호 연결되는 급전선을 포함하되;

상기 상면과 하면의 급전선 선로는 길이가 서로 다르게 설계된 것;

을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 변환기는 일정 각도로 회전함으로써 커플링 포인트를 기준으로 원호형 패턴의 좌·우 출력포트 간 거리차이 및 그에 따른 위상차이를 만들어 낸다. 이는 종래의 것과 동일하다.

특히 본 발명에서, 상기 변환기는 상면과 하면에 각각 급전선을 형성하여 상호 보완되도록 함으로써, 실제 종래기술에서 발생하는 매칭(matching) 오류를 방지할 수 있다. 또한 상면과 하면의 급전선로의 길이를 달리함으로써, 상면 급전에 의한 공진 포인트와 하측 급전에 의한 공진 포인트가 다르게 되어 결과적으로 안테나의 광대역 특성을 구현할 수 있다.

도 1a, 도 1b는 종래 위상 변위기의 구성을 보인 도면.
도 2a, 도 2b는 종래 다른 위상 변위기의 구성을 보인 도면.
도 3은 도 1b를 기반으로 한 안테나의 정재파비 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 위상 변위기의 평면도.
도 5는 도 4의 분해 사시도.
도 6a, 도 6b는 도 4의 변환기의 정면도와 배면도.
도 7은 본 발명의 위상 변위기를 기반으로 한 안테나의 정재파비 그래프.

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 4 이하의 도면에서, 부호 10은 본 발명에 따른 위상 변위기를 나타낸다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 위상 변위기(10)는 축공(21)을 갖는 기판(20), 상기 기판(20)의 축공(21)에 끼워져 장착되는 회전축(30), 상기 회전축(30)과 함께 회전하는 위상 변환기(40)을 포함하여 이루어진다.

상기 기판(20) 상에는 입력포트(22)로부터 축공(21)의 주변으로 연장된 급전부(23)와, 상기 축공(21)을 중심으로 하는 소위 '50Ω 라인' 또는 '스트립 라인'으로서 원호형의 패턴(24,25)이 형성된다. 상기 급전부(23)와 원호형 패턴(24,25)은 동박 패턴이며, 상기 기판(20)으로서 상측 표면에 유전체 필름이 증착된 것을 사용한다.

본 실시예에서는 두 개의 원호형 패턴(24,25)이 축공(21)을 동심으로 하여 서로 다른 반지름(r1,r2)으로 이격적으로 형성된다. 다만, 본 발명이 상기 패턴(24,25)의 수에 한정되는 것은 아니다. 여기에서 상기 패턴(24,25)의 양단은 각각 출력포트(26a~26d)로서, 안테나 어레이의 방사소자가 연결된다. 즉, 필요한 출력포트(26a~26d)의 수에 따라 상기 패턴(24,25)의 수도 달라질 수 있다.

상기 회전축(30)은 회전 레버(31)와, 상기 레버(31)로부터 연장되어 상기 기판(20)의 축공(21)을 관통하고 위상 변환기(40)의 홀(41)에 각형 또는 톱니형으로 끼워지는 축(32)으로 이루어진다. 상기 축(32)의 끝단에 상기 변환기(40)를 고정시키는 부재를 끼울 수도 있을 것이다.

이상의 기판(20) 및 회전축(30) 구성은 통상의 위상 변위기와 다르지 않다. 그러나 위상 변환기(40)와 관련하여 본 발명의 기술적 특징이 있다.

상기 위상 변환기(40)는 일단에 홀(41)이 형성되어 상기 회전축(30)에 회전가능하게 고정되며, 상기 패턴(24,25) 상에 중첩되는 커플링 포인트(42,43)를 포함하도록 연장되는 회전기판이다. 그리고 상기 급전부(23)에 공급된 전력을 원호형 패턴(24,25)에 전송하는 수단으로서, 상기 홀(41) 주변에서 커플링 포인트(42,43)까지 연장된 급전선(44)을 포함한다.

전력의 공급 및 전달은 각 동박 패턴과 급전선(44)이 중첩되는 지점, 커플링 포인트(42,43)에서의 전자기식 결합 즉 EM(Electro-Magnetic) 커플링에 의하여 이루어진다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 급전선(44)은 위상 변환기(40) 회전기판의 상·하면에 각각 형성되고 다수의 비어홀(45)로 상호 연결되는 급전선(44a,44b)을 포함한다. 예컨대, 하면 급전선(44b)의 선로 폭을 조절함으로써 각 패턴(24,25) 상의 상기 출력포트(26a~26d)에 분배되는 전력비를 조절할 수가 있다. 다만 이 경우 급전선(44b)과 패턴(24,25) 간 미스 매칭이 발생할 수 있는데, 이때에는 상면 급전선(44a)이 보완적인 역할을 한다.

본 발명에서 상기 상면과 하면의 급전선(44a,44b) 선로는 길이가 서로 약간 다르게 설계된다. 예시적으로, 상면 급전선(44a)의 길이가 하면 급전선(44b)에 비하여 짧다. 이렇게 함으로써 상면 급전에 의한 공진 주파수 포인트와 하측 급전에 의한 공진 주파수 포인트를 다르게 설정(예컨대 800MHz 및 850MHz)할 수 있고, 결과적으로 안테나의 광대역 특성을 구현할 수 있었다.

본 발명에 따른 위상 변위기(10)에서 전력이 분배되는 과정을 살펴보면,

먼저, 무선 주파수 신호는 상기 기판(20)의 입력포트(22)를 통하여 입력되고 계속하여 급전부(23)를 경유한다.

다음, 상기 위상 변환기(40)로 공급되는데 상기 변환기(40) 회전기판의 상·하면에 형성되고 비어홀(45)로 쇼트된 급전선(44a,44b)을 통하여 각 커플링 포인트(42,43)로 이동되며,

이 전력은 전력은 전술한 EM 커플링 방법으로 상기 변환기(40)의 각 커플링 포인트(42,43)로부터 원호형 패턴(24,25)에 전달된다.

그리고 나면, 상기 원호형 패턴(24,25)에서 양방향으로 분리되어 각 출력포트(26a~26d)로 분배되는 것이다.

그런데 상기 위상 변환기(40)는 회전축(30)과 함께 회전하므로, 이 변환기(40)를 좌·우로 회전시키면 커플링 포인트(42,43)의 위치가 달라지고, 이에 따라 원호형 패턴(24,25)에서 커플링 포인트(42,43)를 중심으로 한 양단의 각 출력포트(26a~26d)까지 신호 경로길이(6a-42:42-26d, 6b-43:43-6c)가 가변된다.

또한 각 원호형 패턴(24,25)은 동심에서 반지름(r1,r2)이 서로 다르다. 따라서 각 출력포트(26a~26d)에서 모두 다른 위상을 갖는 신호를 출력할 수가 있는 것이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 위상 변위기(10)의 특성을 측정하여 본 결과 차세대 이동통신인 LTE용 주파수 대역(839~894 MHz)을 포함하여 광대역 특성을 나타내었다. 본 발명의 이러한 특성은, 종래의 위상 변위기를 측정한 도 3의 결과와 비교하여 월등한 효과로 인식되는데, 이는 위상 변환기(40)의 상·하면에 각각 형성되고 선로 길이가 서로 다르게 설계되는 급전선(44)의 특별한 구조에 기인한 것으로 판단된다.

10. 위상 변위기
20. 기판 21. 축공
22. 입력포트 23. 급전부
24,25. 원호형 패턴 26a~26d. 출력포트
30. 회전축 40. 위상 변환기
41. 홀 42,43. 커플링 포인트
44. 급전선 44a. 상면 급전선
44b. 하면 급전선 45. 비어홀

Claims

기판상에 형성된 급전부와 원호형 패턴, 상기 패턴의 중심인 회전축에 고정된 위상 변환기를 포함하며, 상기 패턴의 양단 각 출력포트에 안테나 어레이의 방사소자가 연결되는 위상 변위기에 있어서,
상기 위상 변환기는:
일단에 홀이 형성되어 상기 회전축에 회전가능하게 고정되며, 상기 패턴 상에 중첩되는 커플링 포인트를 포함하도록 연장되는 회전기판과;
상기 급전부에 공급된 전력을 원호형 패턴에 전송하는 수단으로서, 상기 홀 주변에서 커플링 포인트까지 상기 회전기판의 상·하면에 각각 형성되고 비어홀로 상호 연결되는 급전선을 포함하되;
상기 상면과 하면의 급전선 선로는 길이가 서로 다르게 설계되는 것;
을 특징으로 하는 안테나 위상 변위기.
제1항에 있어서,
상기 원호형 패턴은 두 개 이상의 패턴이 축공을 동심으로 하여 서로 다른 반지름으로 이격적으로 형성된 것을 특징으로 하는 안테나 위상 변위기.
제2항에 있어서,
상기 하면의 급전선의 선로 폭을 조절하여 각 패턴 상의 출력포트에 분배되는 전력비를 조절하는 것을 특징으로 하는 안테나 위상 변위기.