KR101525911B1 - 주파수 분할 및 전용을 위한 광대역 복편파 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 분리 및 전용을 위한 광대역 복편파 안테나 장치에 관한 것이다. 본 안테나 장치는 4개의 주파수 대역 신호를 송수신하며, 상대적 고주파인 제1주파수 대역의 일부 또는 그 대역 폭의 일부를 제3주파수 대역으로 분리하여 제2주파수 대역용 변위기 및 소자에 연결되도록 구성된다. 또한 여기에서 입·출력 포트는 인접대역 제2-3공용 포트 및 대차대역 제1-4공용 포트로 설계된다. 상기한 주파수 전용에 의하여 특히 제2주파수 대역에 대한 예측수요에 대하여 효과적으로 대응할 수 있으며, 상기한 포트 설계에 의하여 장치를 단순하게 구현하면서 특성 손실을 감소시키는 효과가 있다.

Description

주파수 분할 및 전용을 위한 광대역 복편파 안테나 장치 {Wideband dual-polarization antenna device for division and alienation of frequency}

본 발명은 이동 통신용 기지국에서 사용되는 광대역 복편파 안테나에 관한 것으로, 특히 대역 주파수 중의 일부를 다른 대역으로 전용(轉用)할 수 있도록 설계된 안테나 장치에 관한 것이다.

일반적인 광대역 안테나에는 사용 주파수 대역별로 전용의 소자 어레이가 구비되어 있으며, 예컨대 특허공개 제2006-12625호 및 제2000-10139호에 개시된 안테나 시스템에서는 하나의 변위기가 공용되어 복수의 주파수 대역에서 빔 틸트가 동일하게 형성됨에 따라, 빔 틸트에 있어서 각 대역별 특성 또는 요구가 고려되지 못하는 문제가 있다.

따라서 각 주파수 대역별로 빔 틸트를 독립적으로 가변할 수 있는 안테나 장치가 필요하게 된 것이다. 이러한 필요에 의하여 제안된 예로서, 특허공개 제2006-12625호에 개시된 안테나 시스템이 있다.

개시된 안테나 시스템을 편의상 간략하게 설명하면, 이 시스템은 두 개의 주파수 대역을 송수신하는 장치로서, 제1주파수 대역용 어레이 소자를 포함하는 제1안테나와, 제2주파수 대역용 어레이 소자를 포함하는 제2안테나, 상기 제1안테나 및 제2안테나의 각 소자에 각각 접속되어 대응 주파수 대역의 신호를 위상 제어하는 두 개의 변위기로 구성되어 있다.

상기 시스템은 대역별 제1안테나 및 제2안테나의 각 소자를 일렬 배치하고 각 안테나에 대응하는 변위기로 신호의 위상을 제어하는 방법으로, 각 안테나의 빔 틸트를 독립적 또는 개별적으로 가변할 수 있다.

그러나 이 시스템은 각 주파수 대역마다 전용의 안테나 및 어레이 소자를 구비하고 있으며, 이는 간단히 말해 두 개의 전용 안테나 장치를 서로 붙여 놓은 것으로서, 안테나 시스템의 규모가 상당히 커질 수밖에 없다. 그리고, 이로 인해 안테나 장치 또는 시스템의 제작 및 설치가 복잡해지고, 경제적으로도 매우 불리하게 된다. 이에 하나의 안테나 장치에서 대역별 빔 틸트가 가능한 안테나 장치가 필요하게 된 것이다.

그 필요에 대응하는 예가 특허공개 2006-4928호, 특허 제1415540호에 개시된 위상 어레이 안테나이다. 이러한 기능을 갖는 장치에서는 통상적으로 소자 어레이(array), 위상 변위기(shifter), 듀플렉서(duplexer) 등을 이용하게 되는데, 이들을 적절히 배치함으로써 하나의 안테나 장치에서 대역별 빔 틸트가 가능해지는 효과가 있다.

예컨대 도 1은 상기한 특허 제1415540호에 개시된 위상 어레이 안테나 장치를 나타낸다. 이 안테나 장치(100)는 대역별 가변 틸트 안테나 장치에 관한 것으로 공용 안테나(111), 각 대역별 위상 변위기(112,113), 입출력 포트(114)로부터 각 변위기(112,113)에 대응하는 제1듀플렉서(115), 각 변위기로(112,113)부터 각 소자에 대응하는 제2듀플렉서(116)를 포함한다. 여기에서, 상기 안테나(111)는 어레이의 말단 소자 외측에 상기 변위기(112,113) 중 저주파수 대역 변위기에만 접속되는 저주파수용 소자(111d)를 더 포함하여 이루어진다.

한편, 이상의 안테나 장치들은 통신 기지국에서 Low Band (824-894 MHz) 및 High Band (1710-2200 MHz)를 동시에 사용한다. 그러나 High Band의 예에서 현실적으로 3G 대역 (1920-2200 MHz)의 수요는 점차로 줄어들고 있으며, 반대로 4G 대역 (1710-1870 MHz)의 수요는 큰 폭으로 증가하고 있는 실정이다. 물론, 향후 얼마간은 대세적으로 4G 대역이 주가 될 것이다.

따라서 기지국용 위상 어레이 안테나 장치에 있어서도 이러한 추세에 부응할 수 있는 즉, 3G 대역의 수요에 대응하면서도 늘어나는 4G 대역의 수요에 더욱 원활하게 대응할 수 있도록 하는 것이 필요하게 되었다. 이에 논의된 것이 3G 대역 주파수 일부를 4G 대역으로 전환 및 전용한다는 것이며, 실제로 지금은 그의 구체적인 설계에 개발의 초점이 있다.

마찬가지로, 본 발명은 상기한 바와 같은 요구 예컨대, 3G 대역의 수요에 대응하면서도 늘어나는 4G 대역의 수요에 더욱 원활하게 대응할 수 있는 안테나 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명자들은:

본 발명의 설계를 통하여, 3G 대역의 잉여 주파수를 분리하여 그 분리된 일부를 4G 대역으로 전용할 수 있음을 확인하였으며;

본 발명에 따른 안테나 장치가, 같은 목적을 갖는 다른 구성에 비하여 그 안테나 특성에 있어서 부족하지 않은 것은 물론 그 설계, 구현, 생산성 등에 있어서 우수함을 확인하고;

본 발명을 완성하였다.

본 발명의 안테나 장치는, 상대적으로 고주파인 제1주파수 및 저주파인 제2주파수 대역에서 송수신하는 어레이 소자를 갖는 안테나와, 각 주파수 대역마다 구비되어 대역별로 신호위상을 제어하는 제1변위기 및 제2변위기를 구비하는 안테나 장치를 기반으로 하는 안테나 장치를 기반으로 한다.

특징적으로, 상기 안테나 장치는:

상기 제1주파수 대역 중 제2주파수 대역에 인접한 일부 또는 그 대역 폭의 일부를 제3주파수 대역으로 분리하되, 상기 제3주파수 대역의 신호는 상기 제2변위기 및 제2주파수 대역 소자에 연결되도록 설계된 회로부;

상기 3개 대역 신호를 송수신하는 입·출력 포트;

상기 입·출력 포트 측에 구비되어 송수신 신호를 대역별로 분리 또는 결합하여 전송하는 적어도 하나의 멀티 또는 듀플렉서;

를 포함한다.

바람직하게, 상기 안테나 장치는 상기 3개 대역에 비하여 저주파인 제4주파수 대역에서 송수신하는 어레이 소자를 포함하는 안테나와, 상기 제4주파수 대역에 구비되어 신호위상을 제어하는 제3변위기를 구비하며,

상기 입·출력 포트는 4개 대역 신호를 송수신하며,

이때 상기 입·출력 포트는 공용 포트로서, 서로 인접대역인 제2주파수 및 제3주파수 공용의 제1포트와, 서로 대차대역인 제1주파수 및 제4주파수 공용의 제2포트를 포함하여;

이루어진다.

본 발명의 안테나 장치는 제1주파수 대역 중 제2주파수 대역의 인접한 부분을 분리하고, 그 분리된 일부가 제2주파수 대역의 안테나 소자를 이용하도록 구성되어 있다. 즉 이 구조에 따라 제1대역의 잉여 주파수를 분리하여 제2주파수 대역에 전용함으로써, 제2주파수 대역에 대한 예측수요에 대하여 효과적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.

한편 바람직한 예에서 공용 포트를 설계함에 있어서, 개별 송수신하는 신호 중 최고 및 최저 주파수(제1-4주파수) 대역을 공용으로 하고, 전용 및 통합 송수신하는 인접 주파수 대역(제2-3주파수)을 공용으로 함으로써 설계를 단순화하면서도 안테나 특성에 손실이 생기지 않는 효과가 있다.

도 1은 종래의 안테나 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 포트 측 신호 처리를 설명하기 위한 도면.

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 "주파수 분할 및 전용을 위한 광대역 복편파 안테나 장치"(이하 '안테나 장치')의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 2에서 본 발명에 따른 안테나 장치가 부호 10으로 표시되어 있다.

도 2을 참조하면, 본 발명의 안테나 장치(10)는 복수의 주파수 대역에서 송수신하는 주파수 공용의 안테나(11)와, 각 대역마다 구비되어 송수신 신호의 위상을 대역별로 제어하는 위상 변위기(12,13,14)를 기반으로 한다. 그리고 특별한 연결구성을 갖는 회로부(15), 입·출력 포트(16) 및 듀플렉서(19,20,21) 등을 유기적으로 포함하여 이루어진다.

한편 본 발명의 안테나 장치(10)는, 보통의 광대역 복편파 안테나 장치와 마찬가지로, 저주파수 대역(824-894 MHz) 및 고주파수 대역을 동시에 사용한다. 그리고 본 실시예에서는, 상기 고주파수 대역을 3G용 제1주파수 대역(1920-2200 MHz)과 4G용 제2주파수 대역(1710-1870 MHz)으로 구분하고, 상기 3G용 제1주파수 대역의 일부 또는 그 대역 폭의 일부를 2.1 LTE용 제3주파수 대역으로 분리하는 것을 전제로 한다.

이러한 구분은 상기 제3주파수 대역을 4G용으로 할당 및 전용(轉用)하고자 하는 것인데, 이는 전술한 바와 같이, 3G용 제1주파수 대역의 사용량은 줄어들고 4G용 제2주파수 대역 사용량은 늘어나는 현재 상황에 유연하게 대응하고자 하는 것이다. 편의상, 상기 저주파수 대역을 Low Band용 제4주파수 대역으로 구분한다.

상기 안테나(11)는 상기한 네 개의 주파수 대역에서 송수신하는 복수의 일렬 어레이 소자를 포함하여 구성된다. 상기 소자는 광대역 특성을 갖는 소자이며, 본 실시예의 안테나(11) 도면에서:

사이즈가 비교적 큰 5 개의 소자(①)는 Low Band 소자이고;

사이즈가 작은 소자 중 상단 측 6 개(②-⑦)는 3G용 소자;

하단 측 5 개(⑧-⑫)는 4G 및 2.1 LTE 공용 소자이다.

이와 같이 소자를 대역별로 구분하는 것은, 상기한 3G 대역으로부터 분리된 2.1 LTE 대역의 4G로의 전용(轉用)을 설계하는데 있어서 최적인 것으로 판단되기 때문이다.

상기 변위기(12,13,14)는, 소위 이상기(phase shifter)라고 하는 것으로, 상기 안테나(11)가 송수신하는 신호의 위상을 제어함으로써 안테나(11)의 수직 빔-틸트를 가변하는 일반적인 수단이다. 본 발명에서 상기 변위기(12,13,14)는 안테나 장치(10)에서 공용하는 주파수 대역의 수만큼, 상기 주파수 대역마다 구비되어 대역별로 신호 위상을 제어하도록 구비된다.

다만, 3G 대역으로부터 분리된 2.1 LTE 대역은 4G 대역의 변위기에 연결되어 있다. 따라서 본 실시예에서 상기 위상 변위기는 3G 대역용 제1변위기(12), 4G 및 2.1 LTE 대역 공용의 제2변위기(13) 및 상기 Low Band용 제3변위기(14)를 포함하여 도두 3개 구비된다. 그리고,

제1변위기(12)는 3G 제1주파수 대역용의 상단 측 소자(②-⑦)에;

제2변위기(13)는 4G 제2주파수 및 2.1 LTE 제3주파수 대역 공용의 하단 측 소자(⑧-⑫)에,

제3변위기(14)는 Low Band 제4주파수 대역 소자(①)에;

각각 접속된다.

상기 회로부(15)는 상기 3G 제1주파수 대역의 일부 또는 그 대역 폭의 일부를 2.1G LTE 제3주파수 대역으로 분리하되, 상기 제3주파수 대역의 신호는 상기 제2변위기에 연결되어 4G 제2주파수 대역 서비스에 할당되도록 구성 및 설계된다. 구체적으로는 제1주파수 대역으로부터 분리된 상기 제3주파수 대역용 신호를 제2주파수 대역용 변위기(13) 및 소자(⑧-⑫)에 연결되도록 구성된 것이다. 다시 말해, 제3주파수 대역은 본래 3G 대역의 범위에 속해 있지만 이를 분리하여 4G용으로 전용하는 것으로, 기본적으로는 2.1G LTE 대역과 4G 대역이 서로 인접해 있기 때문에 가능하다.

이에 따라 본 발명 안테나 장치(10)의 입·출력 포트(16)는 상기 4 개의 주파수 대역신호를 송수신하도록 설계된다. 이때 상기 입·출력 포트(16)는 공용으로 설계될 수 있는데, 본 실시예에서는 2.1 LTE/4G 공용 제1포트(17) 및 Low Band/3G 공용 제2포트(18)로 구분하여 설계되었다. 상기 제1포트(17)는 모두 4G용의 신호를 처리하지만, 제2포트(18)는 서로 용도가 다른 신호를 처리한다. 따라서 포트(18) 측에는 신호의 분리 또는 결합을 위한 듀플렉서(19)가 구비되는 것이다.

상기 입·출력 포트(16)에서 2.1 LTE 및 4G 포트가 공용 포트(17)로 설계되는 것은, 본 발명에서 2.1 LTE 신호가 4G용으로 전용되는 것이며 상호 인접한 대역이므로 굳이 포트를 나누어 구성할 필요가 없기 때문이다. 또한 Low Band 및 3G 포트가 공용 제2포트(18)로 설계되는 것은, 이 경우 사용 주파수의 차이가 큰 대차대역이므로, 신호격리를 위하여 통상 사용되는 필터 등의 소재를 부가하지 않아도 되기 때문이다.

예컨대 3G와 2.1 LTE가 공용의 포트를 사용하는 경우는 사용 주파수의 차이가 거의 없기 때문에 신호대역을 걸러주는 필터가 다수 필요하게 되는데, 이때에 약 -2dB의 이득손실이 발생한다. 이에 비하여, 본 발명에서 Low Band/3G 공용 제2포트(18)는 별다른 대책 없이도 거의 손실이 발생하지 않는다. 따라서 본 실시예의 상기 입·출력 포트(16)의 설계가 구조적으로 단순하면서도 안테나 특성에 반하지 않는, 오히려 유리한 특징이 있음을 알 수 있다.

도 3을 참조하여 살펴보면, 상기 입·출력 포트(16)의 후단에서, 상기 4G(22)와 2.1 LTE(24)가 듀플렉서(20)을 경유하여 상기 공용 제1포트(17)로 연결되고, 3G(23)와 Low Band(25)가 듀플렉스(21)을 경유하여 상기 공용 제2포트(18)로 연결되는 것이다.

다시 도 2로 돌아와, 상기 안테나 장치(10)에서는 듀플렉서(19)가 입·출력 포트(16)의 일측에 필요에 따라 구비되고 각 변위기(12,13,14)에 접속되거나 비-접속되어 송수신 신호를 대역별로 분리 또는 결합하여 전송하게 된다. 상기 안테나 장치(10)를 회로의 측면에서, 변위기(12,13,14)를 중심으로 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 제1변위기(12)는 그 후단이 듀플렉서(19)를 경유하여 Low Band/3G 제2포트(18) 측에 접속되는 한편, 그 전단은 안테나(11)의 3G용 소자((②-⑦)에 접속되며;

상기 제2변위기(13)는 그 후단이 직접 2.1 LTE/4G 제1포트(17) 측에 접속되는 한편, 전단은 안테나(11)의 4G용 소자(⑧-⑫)에 접속된다.

또한, 상기 제3변위기(14)는 후단이 듀플렉서(19)를 경유하여 Low Band/3G 제2포트(18) 측에 접속되는 한편, 그 전단은 안테나(11)의 Low Band용 소자(①)에 접속된다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 안테나 장치(10)는 아래와 같이 동작한다.

예컨대 송신신호는 High Band 3 개 대역 즉 3G(22) 대역, 4G(23) 대역, 3G 대역에서 분리된 2.1LTE(24) 대역과 Low Band(25) 1 개 대역으로 구분된다. 그 중 2.1LTE(24) 및 4G(23) 대역 신호가 듀플렉서(20)에서 결합되어 공용 제1포트(17)를 통과한 후 제2변위기(13)에서 함께 위상 제어된다. 이와 같이 제어된 통합신호는 4G 전용의 소자(⑧-⑫)를 통하여 전파로서 방사되는 것이다. 이때, 4G 및 2.1LTE 대역 신호는 구조적으로 같은 소자(⑧-⑫)를 이용한다.

다른 두 개 즉, 3G(22) 및 Low Band(25) 대역 신호는 듀플렉서(21)에서 결합되어 공용 제2포트(18)을 통과한 후 다시 듀플렉서(19)에서 분리되어 각각 다른 변위기 및 소자를 경유하게 된다. 즉, 3G(22) 대역 신호는 제1변위기(12)에서 함께 위상 제어되고, 3G 전용의 소자(②-⑦)를 통하여; 그리고 Low Band(25) 대역 신호는 제3변위기(14)에서 위상 제어되고, Low Band 전용의 소자(①)를 통하여 방사되는 것이다.

이상의 본 발명의 안테나 장치(10)는 3G 제1주파수 대역을 분리하여 그 분리된 일부가, 제1주파수 대역의 안테나 소자(②-⑦)가 아닌, 4G 제2주파수 대역의 안테나 소자(⑧-⑫)를 이용하도록 구성되어 있다. 이 구조에 따라 3G 제1주파수 대역의 잉여 주파수를 분리하여 제2주파수 대역에 전용(轉用)함으로써, 제2주파수 대역에 대한 예측수요에 대하여 효과적으로 대응할 수 있게 되는 것이다.

한편 회로부(15) 및 입·출력 포트(16) 설계에 있어서, 인접대역 2.1LTE(24) 및 4G(23)가 공용으로서 변위기(13) 간 듀플렉서를 적용하지 않으며, 대차대역 3G(22) 및 Low Band(25)가 공용으로서 변위기(12) 간 듀플렉서(19)를 적용한다. 이 구조에 따라 안테나 장치(10)의 설계가 구조적으로 단순하면서도 안테나 특성에 반하지 않는 장점이 있다.

10. 안테나 장치
11. 안테나 12,13,14. 변위기
15. 회로부 16. 입·출력 포트
17. 제1포트 18. 제2포트
19,20,21. 듀플렉서

Claims (5)

1. 상대적으로 고주파인 제1주파수 및 저주파인 제2주파수 대역에서 송수신하는 어레이 소자를 갖는 안테나(11)와, 각 주파수 대역마다 구비되어 대역별로 신호위상을 제어하는 제1변위기(12) 및 제2변위기(13)를 구비하는 안테나 장치를 기반으로 하는 안테나 장치에 있어서,
   상기 제1주파수 대역 중 제2주파수 대역에 인접한 일부 또는 그 대역 폭의 일부를 제3주파수 대역으로 분리하되, 상기 제3주파수 대역의 신호는 상기 제2변위기(13) 및 제2주파수 대역 소자(⑧-⑫)에 연결되도록 설계된 회로부;
   상기 3개 대역 신호를 송수신하는 입·출력 포트(16);
   상기 입·출력 포트 측에 구비되어 송수신 신호를 대역별로 분리 또는 결합하여 전송하는 적어도 하나의 멀티 또는 듀플렉서(19,20,21);
   상기 3개 대역에 비하여 저주파인 제4주파수 대역에서 송수신하는 어레이 소자(①)를 포함하는 안테나(11)와, 상기 제4주파수 대역에 구비되어 신호위상을 제어하는 제3변위기(14)를 포함하며,
   상기 입·출력 포트(16)는 제4주파수 대역 포함 4개 대역 신호를 송수신하며, 이때 상기 입·출력 포트(16)는 공용 포트로서, 서로 인접대역인 제2주파수 및 제3주파수 공용의 제1포트(17)와, 서로 대차대역인 제1주파수 및 제4주파수 공용의 제2포트(18)를 포함하는 것,
   을 특징으로 하는 광대역 복편파 안테나 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1주파수 대역, 제2주파수 대역, 제3주파수 대역은 각각 3G 대역, 4G 대역, 2.1 LTE 대역인 것을 특징으로 하는 광대역 복편파 안테나 장치.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2포트(18) 측에는 제1변위기(12) 및 제3변위기(14)에 대한 송수신 신호의 결합 및 분리를 위한 듀플렉서(19)가 구비되는 것을 특징으로 하는 광대역 복편파 안테나 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 입·출력 포트(16)의 후단에서:
   상기 제2주파수 및 제3주파수 대역 신호가 듀플렉서(20)를 통하여 공용 제1포트(17)로 연결되고;
   상기 제1주파수 및 제4주파수 대역 신호가 듀플렉서(21)를 통하여 공용 제2포트(18)를 연결되는 것;
   을 특징으로 하는 광대역 복편파 안테나 장치.
   

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