KR101504299B1 - 위상천이기 및 위상천이기를 포함하는 안테나 - Google Patents

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Abstract

위상천이기는 둘 또는 그 이상의 전도성 스트립들, 입력선, 및 입력선과 전도성 스트립들 모두에 결합하는 와이퍼를 포함한다. 회동점을 기준으로 한 와이퍼의 회전은 입력선과 출력 포트 또는 전도성 스트립에 연결된 안테나 요소 사이의 경로 길이를 변경한다. 와이퍼는 다중날 와이퍼이다. 다중날 와이퍼형 위상천이기의 위상 오류들이 감소된다. 위상천이기의 크기의 감소 또는 위상 천이 범위의 증가를 위한 장치가 설명된다.
위상천이기, 전도성 스트립, 입력선, 회동점, 출력 포트

Description

위상천이기 및 위상천이기를 포함하는 안테나 {PHASE SHIFTER AND ANTENNA INCLUDING PHASE SHIFTER}
본 발명은 위상천이기에 관한 것으로, 상세하게는 무선 통신 안테나용 다중날 와이퍼형(wiper-type) 위상천이기에 관한 것이나 이에 한정되지 않는다.
무선 안테나는 방사 요소(radiating element)로 보내지거나 또는 방사 요소로부터 수신되는 신호의 위상을 조절하는 위상천이기를 포함한다. 위상의 조절은 전자적 다운틸트(electronic downtilt)와 같이 빔 각도의 전자적 조절을 위해 사용될 수 있다.
차동 위상천이기는 한 쌍의 신호 포트들 사이의 위상을 조절한다. 정위상 천이(positive phase shift)는 상기 포트들 중 어느 하나에 적용되고 역위상 천이(negative phase shift)는 나머지 포트에 적용된다.
잘 알려진 위상천이기는 도 1에 간략하게 도시된 "와이퍼" 위상천이기(100)이다. 신호는 입력선(11)을 거쳐 위상천이기에 의해 수신되고 위상천이기를 통해 복수의 신호 포트들(A1, A2, A3 및 A4)로 전송된다. 이 신호는 신호 포트들(A1, A2, A3 및 A4)로부터 공급선(12)을 거쳐 방사 요소들(A1', A2', A3' 및 A4')로 공 급된다.
입력선(11)은 환형의 중앙 결합 영역(14)을 포함한다. 이러한 환형의 전도성 영역(14)은 전도성 와이퍼(15)와 전기용량적으로 결합하며, 전도성 와이퍼(15)는 각 끝단에서 전도성 호(arc)(16, 17)와 전기용량적으로 결합한다. 따라서, 입력선(11)을 거쳐 수신된 신호는 환형의 결합 영역(14)과 와이퍼(15)를 통해 전도성 호(16, 17)로 전송된다.
와이퍼(15)는 중앙 결합 영역(14)의 중심에 위치한 점(18)을 기준으로 회동한다. 중심점(18)을 기준으로 한 와이퍼(15)의 회전은 입력선(11)과 각각의 신호 포트(A1, A2, A3 및 A4) 사이의 경로 길이를 변경함으로써, 각 신호 포트에 전송되는 신호의 위상을 변화시킨다.
호(16)와 호(17)는 서로 다른 반경을 가지며, 일반적으로 둘 다 중심에 회동점(18)이 자리하고 있다. 이렇게 서로 다른 반경을 가짐으로써 각기 다른 호에 연결된 포트마다 다른 위상 천이를 갖는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 위상천이기에서, 호(17)는 호(16)보다 반경이 더 작다. 회동점(18)을 기준으로 한 와이퍼(15)의 동일한 회전각(θ)을 위하여, 호(17) 위의 포트들은 호(16) 위의 포트들보다 더 작은 위상 천이를 겪을 것이다. 따라서, 포트(A1)는 포트(A2)보다 더 큰 역위상 천이를 가지며, 포트(A4)는 포트(A3)보다 더 큰 정위상 천이를 갖는다.
출원인은 도 1에 도시된 구성이 바람직하지 않은 위상 오류들을 일으킨다는 사실을 발견하였다.
하기 설명은 각 포트에 공급된 신호의 위상에 대한 분석으로, R1은 호(16)의 반경, R2는 호(17)의 반경, r은 환형 중앙 결합 영역(14)의 반경, θ는 중심 위치에 대한 와이퍼(15)의 각도이다.
포트(A1)를 예로 들면, 위상 천이는 외측 호에서 경로 길이의 변화에 의하여 생성된 성분을 포함한다. 이 성분은
Figure 112009004331723-pat00001
Figure 112009004331723-pat00002
와 동일하며, 여기서 λ는 신호의 파장을, R1θ은 당연히 중심 위치(20)와 와이퍼(15)가 호(16)와 교차하는 지점(21) 사이의 외측 호의 길이를 의미한다.
그러나, 위상 천이는 또한 환형의 중앙 결합 영역(14)에서 경로 길이의 변화에 의하여 생성된 성분을 포함한다. 이 성분은
Figure 112009004331723-pat00003
와 동일하다.
각 포트에 유사한 분석을 적용하면 다음과 같다.
Figure 112009004331723-pat00004
상기 수학식으로부터, 다양한 포트들에 제공된 위상 천이가 제로 위상 천이에 대하여 대칭적이지 않는다는 사실을 알 수 있다. 즉, △Φ(A1)≠-△Φ(A4) 및 △Φ(A2)≠-△Φ(A3)이다. 게다가, 인접하는 모든 안테나 요소쌍 사이에 도입된 위상 천이가 동일하게 될 수 없다. 이것들은 위상천이기를 포함한 안테나의 성능에 부정적인 영향을 주는 바람직하지 않은 위상 오류들이다.
와이퍼 위상천이기는 또한 일반적으로 부피가 크므로, 일부 적용에는 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 향상된 안테나 성능을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 와이퍼형 위상천이기의 바람직하지 않은 위상 오류들을 감소시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 크기가 감소된 와이퍼형 위상천이기를 제공하는 것이다.
본 발명은 와이퍼형 위상천이기 및 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 안테나를 제공한다. 안테나 요소들 및 위상천이기는 종래 장치에 존재하던 위상 오류들이 감소되도록 배치된다. 특히, 가장 큰 정위상 천이를 갖도록 설계된 제1 안테나 요소와 가장 큰 역위상 천이를 갖도록 설계된 제2 안테나 요소는 위상천이기 내에서 서로 다른 호에 연결된다.
또한, 본 발명은 종래의 위상천이기보다 더욱 소형이고 및/또는 동급 크기의 종래의 위상천이기보다 더 큰 위상 천이를 제공하는 와이퍼형 위상천이기를 제공한 다. 위상천이기 내에 호들은 증가된 전기적 길이(electrical length)를 위하여 배치될 수 있다. 와이퍼는 증가된 전기적 길이를 위하여 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 복수의 안테나 요소들, 및 상기 안테나 요소들로 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하도록 구성되고 다중날 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 공급 네트워크를 구비하는 안테나를 제공하며, 상기 다중날 와이퍼형 위상천이기는 회동점 주위에 위치하는 둘 또는 그 이상의 전도성 스트립(strips); 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날(blade)과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날(blade)을 구비하는 와이퍼(wiper); 및 회동점 근처에서 와이퍼와 결합하도록 구성된 입력선(input line)을 구비하고, 상기 와이퍼는 입력선으로부터 전도성 스트립과 연결된 안테나 요소까지의 경로 길이를 변경하기 위하여 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고, 제1 최대 위상 천이를 갖는 하나의 안테나 요소는 제1 전도성 스트립과 연결되며, 제1 최대 위상 천이와 반대인 제2 최대 위상 천이를 갖는 다른 안테나 요소는 제2 전도성 스트립과 연결되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 회동점 주위에 위치하는 둘 또는 그 이상의 전도성 스트립; 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날을 구비하는 와이퍼; 회동점 근처에서 와이퍼와 결합하도록 구성된 입력선; 및 안테나 요소와 위상천이기 간의 연결을 위하여 전도성 스트립 위에 위치하는 복수의 출력 포트들을 구비하는 다중날 와이퍼형 위상천이기를 제공하고, 상기 출력 포트들은 제1 최대 위상 천이를 제공하는 제1 전도성 스트립 위에 위치하는 제1 출력 포트, 및 제1 최대 위상 천이와 반대인 제2 최대 위상 천이를 제공하는 제2 전도성 스트립 위에 위치하는 제2 출력 포트를 포함하고, 상기 와이퍼는 입력선부터 출력 포트까지의 경로 길이를 변경하기 위하여 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 복수의 안테나 요소들, 및 상기 안테나 요소들로 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하도록 구성되고 다중날 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 공급 네트워크를 구비하는 안테나를 제공하며, 상기 다중날 와이퍼형 위상천이기는 회동점 주위에 위치하는 둘 또는 그 이상의 전도성 스트립; 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날을 구비하는 와이퍼; 및 회동점 근처에서 와이퍼와 결합하도록 구성된 입력선을 구비하고, 상기 와이퍼는 입력선으로부터 전도성 스트립과 연결된 안테나 요소까지의 경로 길이를 변경하기 위하여 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고, 인접하는 안테나 요소들의 각 쌍의 요소들은 서로 다른 전도성 스트립과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 복수의 안테나 요소들, 및 상기 안테나 요소들로 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하도록 구성되고 다중날 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 공급 네트워크를 구비하는 안테나를 제공하며, 상기 다 중날 와이퍼형 위상천이기는 회동점 주위에 위치하는 둘 또는 그 이상의 전도성 스트립; 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날을 구비하는 와이퍼; 및 회동점 주위에 위치하여 입력선과 와이퍼를 결합시키는 환형의 중앙 결합 영역을 구비하고, 상기 와이퍼는 입력선으로부터 전도성 스트립과 연결된 안테나 요소까지의 경로 길이를 변경하기 위하여 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고, 적어도 한 쌍의 요소들 사이의 위상차는 중앙의 상기 결합 영역에 대한 와이퍼의 위치에 의하여 발생된 경로차에 의하여 실질적으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 와이퍼와 결합되는 입력선을 포함하는 다중날 와이퍼형 위상천이기를 제공하고, 상기 와이퍼는 복수의 전도성 스트립들과 결합되며 입력선으로부터 전도성 스트립과 연결된 출력 포트들까지의 효과적인 경로 길이를 변경하기 위하여 전도성 스트립에 대하여 이동가능하고, 상기 복수의 전도성 스트립들 중 적어도 하나는 동일한 물리적 크기의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 더 긴 전기적 길이를 갖는 전기적 길이가 증가된 전도성 스트립인 것을 특징으로 한다.
출원인의 위상천이기는 종래 기술에 따른 와이퍼형 위상천이기에 나타나던 위상 오류들을 현저히 감소시키거나 제거한다. 이것은 안테나 요소들 사이의 위상 및 진폭 분포의 정확성을 향상시키므로, 안테나 성능 향상에 기여한다.
위상 오류의 감소는 사이드로브(sidelobe) 성능을 향상시킨다. 일 실시예에서, 사이드로브 수준이 3 내지 5 dB 정도 향상될 수 있다. 이러한 위상 오류의 감소는 또한 널-필(null-fill) 성능을 향상시킨다. 일 실시예에서, 널-필 성능은 5 dB 정도 향상될 수 있다.
위상 오류의 감소로 양자화 로브 수준(quantization lobe level)이 감소함으로써, 안테나 이득 또한 향상된다. 일 실시예에서, 안테나 이득이 0.3 dB 정도 향상될 수 있다.
전기적 길이가 증가된 호를 사용하게 되면 위상 천이가 증가하게 된다. 이것은 위상천이기의 부피의 증가 없이 안테나 빔의 (전기적 다운틸트와 같은) 전기적 각도 조절 범위의 증가를 제공한다.
또는, 원하는 각도 조절 범위를 제공하면서 위상천이기의 크기를 감소시킬 수 있다.
참조의 용이를 위하여, 하기의 설명에서 B나 C 등과 같은 문자가 뒤따르는 참조번호들 1 내지 10은 위상천이기의 신호 포트들을 분류하는데 사용된다. 즉, 포트(1)는 가장 높은 역(또는 정) 위상 천이를 갖는 반면, 가장 높은 번호가 매겨진 포트는 가장 높은 정(또는 역) 위상 천이를 갖는다. 유사하게, 안테나 요소들에는 B1' 내지 B10' 등이 표시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나(30)의 개략적인 도면이다. 안테나(30)는 안테나 요소들에 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하는 공급 네트 워크를 구비할 수 있다. 이러한 공급 네트워크는 입력선(31)을 통해 신호를 수신하고 복수의 출력 신호 포트들(B1, B2, B3 및 B4)로 신호를 공급하는 와이퍼형 위상천이기를 포함할 수 있다.
출력 포트들은 예컨대, 안테나 공급선이 접합될 수 있는 공급선의 일부만을 포함하는, 안테나 요소들의 연결에 적합한 포트의 형태일 수 있다.
입력선(31)은 신호와 전도성 와이퍼(33)가 결합하는 환형의 중앙 결합 영역(32)을 포함할 수 있다. 전도성 와이퍼(33)는 중앙으로부터 제1 방향으로 연장하는 제1 날(33A)과 제2 방향으로 연장하는 제2 날(33B)을 구비하는 다중날 와이퍼일 수 있다. 와이퍼(33)는 환형의 결합 영역(32)의 중앙에서 회동점(33C)을 기준으로 회동할 수 있다. 따라서, 입력선(31)은 회동점(33C) 근처에서 와이퍼(33)와 결합한다.
신호는 와이퍼 날을 따라 이동하며 와이퍼(33)의 각각의 날을 통해 전도성 스트립과 결합한다. 전도성 스트립은 회동점(33C) 주위에 위치하며, 실질적으로 직선형이거나 적절한 곡률의 만곡형 스트립을 포함한 적절한 형태일 수 있다. 도시된 실시예에서, 전도성 스트립은 호(34, 35)의 형태이다. 호(34, 35)는 실질적으로 원형의 호일 수 있으며 그 중심에 회동점(33C)이 위치할 수 있다. 이의 장점은 환형의 결합 영역에서부터 전도성 스트립까지 와이퍼를 따라 이동하는 신호의 길이가 일정하다는 점이다.
신호 포트들(B1, B2, B3 및 B4)은 각 호(34, 35)의 각 말단에 연결되거나 위치할 수 있다. 각 신호 포트는 공급선(36)을 통해 안테나 요소들(B1', B2', B3' 및 B4')과 연결될 수 있다.
도시된 실시예에서, 안테나 요소들(B1 및 B3)은 상부 호(34)와 연결되는 반면, 안테나 요소들(B2 및 B4)은 하부 호(35)와 연결된다. 이것이 가장 큰 역위상 천이와 정위상 천이를 겪도록 설계된 요소들(즉, 요소(1 및 4))이 동일한 호에 연결되었던 종래의 위상천이기와 다른 점이다.
회동점(33C)을 기준으로 한 와이퍼(33)의 회전으로 입력선(31)과 각각의 신호 포트(B1, B2, B3 및 B4) 사이의 경로 길이가 변하여 위상 천이를 조절할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 각각의 호(34, 35)는 동일한 반경(R)을 갖는다. 환형의 중앙 영역(32)과 호(34, 35)의 경로차가 위상 천이에 미치는 영향을 분석함으로써, 하기의 수학식을 얻었다.
Figure 112009004331723-pat00005
여기서 R은 호(34, 35)의 반경, r은 환형 중앙 결합 영역(32)의 반경, θ는 중심 위치에 대한 와이퍼(33)의 각도, λ는 신호의 파장이다.
이 때에, 종래 기술에 존재하였던 바람직하지 않은 위상 오류들이 제거되었다. 실질적으로 선형인 위상 분포가 안테나 요소들에 걸쳐서 존재한다. 즉, △ Φ(B1)=-△Φ(B4) 및 △Φ(B2)=-△Φ(B3)이다. 원한다면, 인접하는 모든 요소쌍 사이의 위상차가 동일하게 될 수 있다.
일반적으로, 환형의 결합 영역의 반경 및 가장 긴 전도성 호의 반경은 하기와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112009004331723-pat00006
여기서 βmax는 최대 안테나 빔 조절각, d는 인접하는 안테나 요소들 사이의 거리, θmax는 와이퍼의 최대회전각, εeff는 인쇄회로기판의 효과적인 유전상수, 및 N은 안테나 요소의 갯수이다.
동일한 반경의 두 개의 호(34, 35)를 사용하는 점이 서로 다른 반경의 호를 사용했던 종래 기술과 다른 점이다. 종래 기술에서, 위상 천이는 전적으로 호에서의 경로 길이의 변화로부터 기인하였다. 반대로, 출원인의 장치의 위상 천이는 호에서의 경로차 및 환형 결합 영역에 대한 와이퍼의 위치에 기인하는 경로차에 의한다.
사실, 포트들(B1 및 B2) 사이의 위상차 및 포트들(B3 및 B4) 사이의 위상차는 호의 반경(R)에 관계없이
Figure 112009004331723-pat00007
이다. 따라서, 포트들 사이의 위상차는 환형의 결합 영역에 대한 와이퍼의 위치에 기인하는 경로차에 의하여 실질적으로 결정된다.
일반적으로, 안테나는 위상천이기에 연결된 N개의 안테나 요소(들)을 구비할 수 있다. 안테나 요소들은 제1 최대 위상 천이(정 또는 역)를 갖는 요소로부터 제2 최대 위상 천이(역 또는 정)를 갖는 요소까지 위상천이 순으로 배치될 수 있다.
위상천이기에 연결된 안테나 요소들은 선형으로 배치될 수 있다. 안테나는 선형 배열된 일련의 안테나 요소들과 각각 연결된 둘 이상의 위상천이기들을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 선형 배열의 결합은 2차원 배열을 형성할 수 있다.
제1 최대 위상 천이를 갖는 안테나 요소(위상천이 순으로 제1 안테나 요소일 수 있음)는 제1 전도성 스트립과 연결될 수 있으며, 제1 최대 위상 천이와 반대인 제2 최대 위상 천이를 갖는 다른 안테나 요소는 제2 전도성 스트립과 연결될 수 있다. 따라서, 와이퍼가 도 2에 도시된 위치에 회동될 때, △Φ(B1)은 역위상인 반면, △Φ(B4)은 정위상이다. 그러나, 와이퍼는 중심 위치의 양방향으로 회전될 수 있으므로, 와이퍼가 시계방향으로 회전될 경우 △Φ(B1)은 정위상인 반면 △Φ(B4)는 역위상일 것이다.
위상천이 순으로 제2 안테나 요소는 N번째 요소와 동일한 전도성 스트립과 연결되는 반면, (N-1)번째 요소는 제1 요소와 동일한 전도성 스트립과 연결될 수 있다.
위상천이 순으로, 인접하는 안테나 요소들 각 쌍은 서로 다른 전도성 스트립 위에 위치할 수 있다.
출원인의 위상천이기의 출력 포트들은 이러한 위상 조건을 수행하도록 배치될 수 있다. 따라서, 제1 최대 위상 천이를 제공하는 제1 출력 포트는 제1 전도성 스트립 위에 위치할 수 있으며, 제1 최대 위상 천이와 반대인 제2 최대 위상 천이를 제공하는 제2 출력 포트는 제2 전도성 스트립 위에 위치할 수 있다.
유사하게, 적어도 한 쌍의 출력 포트들 사이의 위상차는 중앙 결합 영역에 대한 와이퍼의 위치에 의하여 실질적으로 결정된다. 또한, 위상 순으로 인접하는 출력 포트들은 서로 다른 전도성 스트립과 연결된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예는 신호 포트의 추가로 5개의 출력 포트들을 포함하는 위상천이기라는 점을 제외하고는 도 2와 유사하다. 중앙 포트(C3)는 중앙 결합 영역(32)과 간단하게 연결된다. 이는 중앙 포트(C3)의 위상이 와이퍼 각도에 독립적이라는 것을 의미한다. 중앙 포트(C3)에 적합한 고정 위상 천이가 제공될 수 있다. 마찬가지로, 인접하는 모든 요소쌍 사이의 위상차는 동일하게 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다. 본 실시예의 위상천이기(50)는 인쇄회로기판(PCB)(51) 상에 전도성 트레이스(conductive traces)를 생성함으로써 형성될 수 있다. 전도성 트레이스는 입력선(52), 중앙 결합 영역(53), 중앙 출력선(54), 및 전도성 호(55, 56, 57 및 58) 형태의 전도성 스트립을 포함한다.
중앙 결합 영역(53)의 양측에 호들(55, 56; 57, 58)이 두 개씩 제공된다. 본 실시예의 위상천이기는 9개의 출력 포트들을 포함하는 위상천이기로 구성되도록 중 앙 출력선(54)이 중앙 포트(E5)와 연결된다.
임피던스 정합 성능을 향상시키기 위하여, 입력선(52) 위에 정합회로(59)가 제공될 수 있으며 이는 당업자에게 자명하다.
와이퍼(60)는 중앙 회동점에 회동 탑재되고, 도 5에 도시된 바와 같이, 전도성 호들(55, 56, 57, 58)과의 더욱 효과적인 결합을 위하여 아치형 확장 영역들(61)을 포함한다. 도 5는 또한 PCB(51) 상에서 중앙 결합 영역(53)과 결합하도록 구성된 와이퍼의 환형의 결합 영역(62)을 보여준다.
도 4 및 5의 실시예에서, 중앙 결합 영역(53)의 반경은 외측 호(55, 58)의 반경의 1/8 정도일 수 있다. 내측 호(56, 57)의 반경은 외측 호(55, 58)의 반경의 1/2 정도일 수 있다. 요소(E5')의 적절한 고정 위상 천이 덕분에, 인접하는 요소들의 각 쌍 사이의 위상 천이가 동일하게 될 수 있다.
도 4 (및 실제로는 도 2 및 3의 실시예)에서, 위상천이기는 동일한 호를 쌍으로 포함한다. 호(55)와 호(58)는 동일한 반경을 가지며, 호(56)와 호(57)는 동일한 반경을 갖는다. 이러한 경우, 안테나 요소들 사이의 위상 천이는 중앙의 결합 영역(53)에서의 경로차에 의해서만 제공된다. 예를 들어, 환형 영역(53)의 경로차에 의해서만 기인하는 요소들(E1' 및 E2') 사이의 경로차는
Figure 112009004331723-pat00008
이다. 요소쌍(E3'과 E4', E6'과 E7', 및 E8'과 E9')에서도 동일하다.
따라서, 출원인의 장치는 위상 천이를 위해 환형의 중앙 결합 영역(53)을 사용한다. 이것이 환형의 중앙 영역을 입력선과 와이퍼를 결합하기 위해서만 사용했 던 종래 기술에 따른 장치와 다른 점이다.
몇몇의 실시예에서, 동일한 반경의 두 개의 호들을 포함하지 않을 수 있다. 그러나, 이러한 실시예에서도 위상 천이를 위하여 환형의 중앙 결합 영역(53)을 사용한다.
몇몇의 실시예에서, 전도성 스트립은 전기적 길이의 증가를 위하여, 즉 동일한 물리적 크기를 가진 단순한 전도성 스트립보다 더 긴 전기적 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 증가된 전기적 길이는 특정 크기의 위상천이기에 대해 증가된 위상 천이 범위를 허용하므로 증가된 전기적 각도 조절 및/또는 더욱 소형화된 위상천이기를 구현할 수 있다.
도 6a는 증가된 전기적 길이를 위하여 형성된 호(65, 66)를 포함하는 일 실시예를 보여준다. 도 6b는 도 6a에서 "6A"로 표시된 전도성 호의 일부를 확대하여 보여주는 확대도이다.
여기서, 각 호는 안쪽 가장자리와 바깥쪽 가장자리에 모두 형성된 일련의 노치(67)를 포함한다. 노치(67)의 너비(68)는 전도성 호의 너비(69)의 1/5 미만, 바람직하게는 전도성 호의 너비(69)의 1/10 미만일 수 있다. 노치(67)의 길이(70)는 전도성 호의 너비(69)의 약 0.3 내지 0.7, 바람직하게 전도성 호의 너비(69)의 약 0.5일 수 있다. 인접하는 노치 사이의 거리(71)는 전도성 호의 너비의 약 0.6 내지 1.4, 바람직하게 전도성 호의 너비와 거의 동일할 수 있다.
각각의 노치는 직렬 인덕턴스로 작용하며, 직렬 인덕턴스의 추가는 각각 호의 전기적 길이를 증가시킨다. 노치의 사용은 전도성 스트립의 전기적 길이를 약 50%까지 증가시킬 수 있다.
도 6c는 도 6a의 위상천이기에 적합한 와이퍼를 보여준다.
도 7a는 노치가 각 호(65, 66)의 바깥쪽 가장자리에만 형성된 또 다른 실시예를 보여준다. 도 7b는 도 7a에서 "7A"로 표시된 전도성 호의 일부를 확대하여 보여주는 확대도이다. 따라서, 노치는 전도성 호의 바깥쪽 가장자리에만 또는 안쪽 가장자리에만 형성될 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 파형 영역(72)을 포함하는 전도성 호의 물리적 길이를 보여주는 또 다른 실시예를 보여준다. 파형선은 그 부피 때문에 상기한 실시예의 노치선보다 덜 바람직하다. 그러나, 파형선은 몇몇의 적용에 적합할 수 있다.
파형선은 곡류(meanders)를 포함함으로써 직선의 물리적 길이를 증가시키므로 매커니즘 또한 다소 다르다는 점을 염두해 두어야 한다. 반대로, 노치선은 일련의 인덕턴스를 부가하여 직선의 전기적 길이를 증가시킨다.
도 9a는 증가된 전기적 길이를 위하여 형성된 호(75, 76)를 포함하는 또 다른 실시예를 보여준다. 각 호는 복수의 개방회로 스터브들(stubs)(77)을 포함한다. 각 스터브의 길이(78)는 ~λ/4이다. 각 스터브는 등가 회로 요소로서 병렬 연결된 커패시터를 구비하여 용량성 부하를 제공한다. 이러한 용량성 부하는 호의 전기적 길이를 증가시킨다. 개방회로 스터브들의 사용은 전도성 스트립의 전기적 길이를 약 50%까지 증가시킬 수 있다.
도 9a에 도시된 실시예에서, 개방회로 스터브들은 약 λ/4의 경로 길이만큼 이격된 쌍으로 형성된다. 따라서, 호(75) 위에서 제1 스터브와 제5 스터브, 제2 스 터브와 제6 스터브 등은 λ/4의 경로 길이만큼 이격될 수 있다. 서로 다른 개방회로 스터브들의 신호의 반사는 상호 상쇄되므로, 이러한 이격 거리는 양호한 임피던스 정합 성능을 제공한다.
도 9b는 도 9a의 위상천이기에 적합한 와이퍼(79)를 보여준다. 와이퍼(79)는 또한 임피던스 정합 성능을 위하여 환형 결합 영역(80)과 아치형 확장 결합 영역(81) 사이에 약 λ/4의 길이를 갖는다.
도 10은 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙 결합 영역의 양측에 각각 두 개의 호를 구비하는 위상천이기에 적합한 와이퍼(82)를 보여준다.
와이퍼(82)는 환형 결합 영역(83), 및 전도성 호와 각각 결합하는 아치형 확장 결합 영역들(84, 85, 86, 87)을 포함한다. 환형 결합 영역(83)과 각각의 아치형 확장 결합 영역(85, 86) 사이의 전기적 길이는 약 λ/4이어야 함이 임피던스 정합 성능에 바람직하다. 유사하게, 아치형 내부 결합 영역들(85, 86)과 아치형 외부 결합 영역들(84, 87) 사이의 전기적 길이는 약 λ/4이어야 한다.
와이퍼(82)의 물리적 길이를 감소시키기 위하여, 복수의 루프부들(88)이 내부에 형성된다. 각각의 루프는 중앙 공간을 포함하며, 전도성 배선이 중앙 공간의 제1 말단부터 시작하여 양측 주위를 돌아 제2 말단에 돌아온다. 각각의 루프는 동일한 전기적 길이를 위하여 와이퍼(82)의 물리적 크기가 감소되도록 할 수 있다. 예컨대, 결합 영역들(84와 85) 사이의 물리적 길이는 약 λ/8 내지 λ/6 일 수 있다. 유사하게, 결합 영역들(83과 85, 83과 86, 86과 87) 사이의 물리적 길이는 약 λ/8 내지 λ/6 일 수 있다.
따라서, 와이퍼 날은 증가된 전기적 길이를 갖는다. 즉, 와이퍼 날의 적어도 일부의 전기적 길이는 동일한 물리적 길이를 가진 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 더 길다. 상기한 전도성 스트립의 노치선이나 용량적으로 부하된 선은 이러한 목적을 위하여 와이퍼 날 위에도 사용될 수 있다.
도 11은 비선형 위상 천이가 제공되는 또 다른 실시예를 보여준다. 본 실시예의 위상천이기(90)는 4개의 전도성 호들(91, 92, 93, 94)이 모두 도 6a 및 6b에 도시된 노치와 유사한 복수의 노치들(95)을 포함한다는 점을 제외하면 도 4의 위상천이기와 유사하다. 따라서, 이러한 전도성 호의 전기적 길이는 동일한 물리적 길이를 가진 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 더 크다.
그러나, 하나의 전도성 호(91) 위에서, 노치(95)는 호의 전체 길이를 연장하지 않는다. 출력 포트(J1)에 근접한 호(91)의 일부분(96)에 노치가 제공되지 않는다. 이 부분은 단순한 전도성 스트립이며 동일한 물리적 길이의 노치선 보다 짧은 전기적 길이를 갖는다.
이는 와이퍼 각도에 대한 위상 천이의 비선형 의존성을 제공한다. 기지국 안테나에서, 이것은 높은 빔 경사각에서 사이드로브(sidelobe) 억제에 유용할 수 있다.
상부 사이드로브는 이웃하는 안테나 사이트들 사이에 간섭을 일으킬 수 있다. 높은 빔 경사각에서 상부에 위치하는 사이드로브가 이러한 간섭에 기여한다. 비선형 위상 천이를 이용하는 것은 높은 빔 경사각에서 상부 사이드로브의 감소를 도움으로써, 이러한 간섭을 줄일 수 있다.
도 11의 실시예에서, 중심 위치에서 제로 와이퍼 각도 주위로 이어지는 선형 배열의 사용은 제로 또는 작은 경사각을 위하여 높은 안테나 이득이 얻어질 수 있도록 한다. 이러한 각도에서 상부 사이드로브는 상향하며, 이웃하는 안테나 위치들 사이의 간섭에 크게 기여하지 않는다.
도 2 내지 11에 도시된 실시예들은 중앙 회동점의 각 측면 위에 동일한 수의 전도성 스트립을 포함한 반면, 다른 구성도 고려될 수 있다. 예컨대, 위상천이기는 회동점의 하나의 측면 위에 하나의 호를, 다른 측면 위에 두 개의 호를 포함할 수 있다.
도시된 구성들은 양날 와이퍼를 포함하지만, 날이 두 개, 세 개 또는 네 개 등을 포함한 다중날 와이퍼일 수 있다.
안테나는 무선 통신 안테나일 수 있다.
상기한 실시예에서는 신호가 입력선으로부터 위상천이기를 지나 복수의 안테나 요소들까지 전송되는 것에 대하여 주로 설명하였으나, 위상천이기는 수신된 신호에서 위상 천이를 발생시키는데 사용될 수도 있다.
이상 바람직한 실시예의 설명으로 본 발명을 예증하였으며, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 특허청구범위를 한정하거나 어떠한 식으로든 제한하기 위하여 상세하게 설명된 바가 아님을 밝히며 이는 출원인의 의도와 다르다. 추가적인 장점 및 개량이 가능함은 당업자에게 자명하다. 따라서, 광범위한 면에서 본 발명은 특정한 설명, 대표적인 장치 및 방법, 그리고 도시된 예시들에 한정되지 않는다. 이에 따라, 출원인의 일반적인 신규한 개념의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 변형이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 위상천이기의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상천이기의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상천이기의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위상천이기를 보여준다.
도 5는 도 4의 위상천이기의 와이퍼를 보여준다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위상천이기를 보여준다.
도 6b는 도 6a의 위상천이기의 호의 일부를 확대하여 보여주는 확대도이다.
도 6c는 도 6a의 위상천이기의 와이퍼를 보여준다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위상천이기를 보여준다.
도 7b는 도 7a의 위상천이기의 호의 일부를 확대하여 보여주는 확대도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 호의 일부를 확대하여 보여주는 확대도이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위상천이기를 보여준다.
도 9b는 도 9a의 위상천이기의 와이퍼를 보여준다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와이퍼를 보여준다.
도 11은 비선형 위상 천이를 제공하는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위상천이기를 보여준다.

Claims (25)

  1. 복수의 안테나 요소들, 및 상기 안테나 요소들로 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하도록 구성되고, 다중날 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 공급 네트워크를 구비하는 안테나에 있어서,
    상기 다중날 와이퍼형 위상천이기(phase shifter)는:
    (ⅰ) 회동점 주위에 위치하는 둘 이상의 전도성 스트립들(strips);
    (ⅱ) 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날(blade)과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날(blade)을 구비하는 와이퍼; 및
    (ⅲ) 상기 회동점 근처에서 상기 와이퍼와 결합하도록 구성된 입력선(input line)을 구비하고,
    상기 와이퍼는 상기 입력선으로부터 전도성 스트립과 연결된 안테나 요소까지의 경로 길이를 변경하기 위하여, 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고,
    제1 최대 위상 천이를 갖는 하나의 안테나 요소는 제1 전도성 스트립과 연결되며, 상기 제1 최대 위상 천이와 반대인 제2 최대 위상 천이를 갖는 다른 안테나 요소는 제2 전도성 스트립과 연결되며,
    전도성 스트립들 중 적어도 하나는 동일한 물리적 길이의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 긴 전기적 길이를 갖는 전기적 길이가 증가된 전도성 스트립인 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력선은 상기 회동점 주위에 위치되고, 상기 와이퍼와 결합을 위한 제1 환형 결합 영역(annular coupling region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 한 쌍의 안테나 요소들 사이의 위상차는 중앙의 상기 결합 영역에 대한 상기 와이퍼의 위치에 의해 발생된 경로차에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 와이퍼는 상기 제1 환형 결합 영역과 결합하는 제2 환형 결합 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상천이기에 연결되며, 제1 안테나 요소에서 N번째 안테나 요소까지 위상 천이 순으로 배치된 N개의 안테나 요소들을 포함하고, 상기 제1 안테나 요소는 상기 제1 최대 위상 천이를 갖는 안테나 요소이며, 상기 N번째 안테나 요소는 상기 제2 최대 위상 천이를 갖는 안테나 요소이고, 상기 제1 안테나 요소와 (N-1)번째 안테나 요소는 상기 제1 전도성 스트립과 연결되며, 상기 제2 안테나 요소와 N번째 안테나 요소는 상기 제2 전도성 스트립과 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    인접하는 안테나 요소들의 각 쌍의 요소들은 서로 다른 전도성 스트립과 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 와이퍼는 양날(two-bladed) 와이퍼이며, 제1 전도성 스트립과 제2 전도성 스트립은 상기 회동점의 양측에 각각 위치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 날이 제1 전도성 스트립과 제3 전도성 스트립과 결합되고 상기 제2 날이 제2 전도성 스트립과 제4 전도성 스트립에 결합되도록 위치된 제3 전도성 스트립과 제4 전도성 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    전도성 스트립들은 하나 이상의 원형인 호를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    전기적 길이가 증가된 전도성 스트립은 파형 영역, 노치 영역 및 용량성 부하 영역 중 하나 이상을 포함하며, 영역들은 증가된 전기적 길이를 제공하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 와이퍼는 동일한 물리적 크기의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 긴 전기적 길이를 갖는 하나 이상의 전기적 길이가 증가된 전도성 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 위상천이기는 상기 입력선과 연결된 출력선을 포함하며, 상기 출력선에 연결된 안테나 요소의 위상은 와이퍼 각도에 독립적인 것을 특징으로 하는 안테나.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 무선 통신 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나.
  15. 다중날 와이퍼형 위상천이기에 있어서,
    (ⅰ) 회동점 주위에 위치하는 둘 이상의 전도성 스트립들;
    (ⅱ) 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날을 구비하는 와이퍼;
    (ⅲ) 상기 회동점 근처에서 상기 와이퍼와 결합하도록 구성된 입력선; 및
    (ⅳ) 안테나 요소를 상기 위상천이기에 연결하기 위하여 전도성 스트립에 위치하는 복수의 출력 포트들을 구비하고,
    상기 출력 포트들은,
    (a) 제1 최대 위상 천이를 제공하는 제1 전도성 스트립 위의 제1 출력 포트, 및
    (b) 상기 제1 최대 위상 천이와 반대인 제2 최대 위상 천이를 제공하는 제2 전도성 스트립 위의 제2 출력 포트를 포함하는 복수의 출력 포트들을 구비하고,
    상기 와이퍼는 상기 입력선으로부터 상기 출력 포트까지의 경로 길이를 변경하기 위하여, 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고,
    전도성 스트립들 중 적어도 하나는 동일한 물리적 길이의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 긴 전기적 길이를 갖는 전기적 길이가 증가된 전도성 스트립인 것을 특징으로 하는 안테나.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 입력선은 상기 회동점 주위에 위치하고 상기 와이퍼와 결합을 위한 제1 환형 결합 영역을 포함하며, 적어도 한 쌍의 출력 포트들 사이의 위상차는 중앙의 상기 결합 영역에 대한 상기 와이퍼의 위치에 의해 발생된 경로차에 의하여 실질적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 다중날 와이퍼형 위상천이기.
  17. 제15항에 있어서,
    위상 순으로 인접하는 출력 포트들의 각 쌍의 출력 포트들은 서로 다른 전도성 스트립에 연결되는 것을 특징으로 하는 다중날 와이퍼형 위상천이기.
  18. 복수의 안테나 요소들, 및 상기 안테나 요소들로 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하도록 구성되고 다중날 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 공급 네트워크를 구비하는 안테나에 있어서,
    상기 다중날 와이퍼형 위상천이기는:
    (ⅰ) 회동점 주위에 위치하는 둘 이상의 전도성 스트립들;
    (ⅱ) 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날을 구비하는 와이퍼; 및
    (ⅲ) 상기 회동점 근처에서 와이퍼와 결합하도록 구성된 입력선을 구비하고;
    상기 와이퍼는 상기 입력선으로부터 전도성 스트립과 연결된 안테나 요소까지의 경로 길이를 변경하기 위하여, 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고;
    인접하는 안테나 요소들의 각 쌍의 요소들은 서로 다른 전도성 스트립에 연결되고;
    상기 전도성 스트립들 중 적어도 하나는 동일한 물리적 길이의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 긴 전기적 길이를 갖는 전기적 길이가 증가된 전도성 스트립인 것을 특징으로 하는 안테나.
  19. 복수의 안테나 요소들, 및 상기 안테나 요소들로 신호를 공급하거나 그로부터 신호를 수신하도록 구성되고 다중날 와이퍼형 위상천이기를 포함하는 공급 네트워크를 구비하는 안테나에 있어서,
    상기 다중날 와이퍼형 위상천이기는:
    (ⅰ) 회동점 주위에 위치하는 둘 이상의 전도성 스트립들;
    (ⅱ) 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되며, 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제1 방향으로 연장하는 제1 날과 하나 이상의 전도성 스트립과 결합하기 위하여 제2 방향으로 연장하는 제2 날을 구비하는 와이퍼; 및
    (ⅲ) 상기 회동점 주위에 위치하여 입력선과 상기 와이퍼를 결합시키는 환형 중앙 결합 영역을 포함하고,
    상기 와이퍼는 상기 입력선으로부터 상기 전도성 스트립과 연결된 안테나 요소까지의 경로 길이를 변경하기 위하여, 상기 회동점을 기준으로 회동하도록 구성되고,
    적어도 한 쌍의 요소 사이의 위상차는 중앙의 상기 결합 영역에 대한 상기 와이퍼의 위치에 의해 발생된 경로차에 의하여 결정되고,
    전도성 스트립들 중 적어도 하나는 동일한 물리적 길이의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 긴 전기적 길이를 갖는 전기적 길이가 증가된 전도성 스트립인 것을 특징으로 하는 안테나.
  20. 제19항에 있어서,
    선형인 위상 분포가 상기 안테나 요소들에 걸쳐서 제공되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  21. 와이퍼와 결합되는 입력선을 포함하고, 상기 와이퍼는 복수의 전도성 스트립들과 결합되며 상기 입력선으로부터 상기 전도성 스트립과 연결된 출력 포트까지의 효과적인 경로 길이를 변경하기 위하여 상기 전도성 스트립에 대하여 이동가능하고, 상기 전도성 스트립들 중 적어도 하나 및/또는 상기 와이퍼의 날의 적어도 일부는 동일한 물리적 크기의 단순한 전도성 스트립의 전기적 길이보다 더 긴 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 와이퍼형 위상천이기.
  22. 제21항에 있어서,
    증가된 전기적 길이를 갖는 상기 전도성 스트립은 상기 전도성 스트립의 가장자리로부터 돌출하는 하나 이상의 치형부(teeth)를 구비하는 용량성 부하 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이퍼형 위상천이기.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 치형부는 한 쌍 이상의 치형부를 포함하며, 각 쌍의 치형부는 상기 치형부로 인한 신호의 반사가 상호 상쇄되도록 이격되는 것을 특징으로 하는 와이퍼 형 위상천이기.
  24. 제21항에 있어서,
    증가된 전기적 길이를 갖는 상기 전도성 스트립은 노치 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이퍼형 위상천이기.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 와이퍼 날의 일부는 루프부(loop portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이퍼형 위상천이기.
KR1020090005515A 2008-01-25 2009-01-22 위상천이기 및 위상천이기를 포함하는 안테나 KR101504299B1 (ko)

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US12/020,147 2008-01-25
US12/020,147 US7907096B2 (en) 2008-01-25 2008-01-25 Phase shifter and antenna including phase shifter

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