KR101586424B1 - 다중 편파 안테나의 위상변위기 구조 - Google Patents

다중 편파 안테나의 위상변위기 구조 Download PDF

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  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

본 발명은 다중 편파 안테나의 위상변위기 구조에 관한 것으로, 기본적으로는 급전부와 원호형 패턴이 형성된 베이스 기판과 상기 기판상 패턴의 중심에 축 회전 가능하게 결합되는 가변 위상기를 포함하는 위상변위기가, 복수로 구비되는 구조이다. 특징적으로는 상·하 대면하여 적층 방식으로 배치되는 베이스 기판과, 상·하측 가변 위상기를 구동 동기화 가능하게 결합시키는 동기화 수단과, 상기 가변 위상기의 하나에 대하여 회전력을 제공하는 구동부를 포함한다. 바람직하게, 상기 구동부는 기어 방깃이 아니라 푸시 방식으로 동력을 제공하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 위상변위기의 공간적 활용성이 뛰어나며, 상·하 구비된 변위기의 동작이 정확하고 안정적인 효과가 있다.

Description

다중 편파 안테나의 위상변위기 구조 {Phase Shifter Structure of Multi-Polaization Antenna}
본 발명은 이동통신 기지국 안테나에 관련된 것으로 특히, 그 안테나에 최적 적용되는 위상변위기의 구조에 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. 소위 위상 변위기는 이 안테나 시스템에서 상기와 같은 빔 틸트 방향의 제어를 위하여 구비되는 장치를 말한다.
관련된 분야의 전자적 위상변위기의 예로서, 도 1은 특허등록 제562534호에 개시된 "전력분배 기능을 구비한 위상가변기"를 나타낸다. 다른 예로서 특허등록 제480225호에 개시된 "고주파 위상 시프트 어셈블리", 일본 공개특허공보 제2008-53764호에 개시된 "분배이상기" 또는 "다분기 분배이상기" 등이 있으나, 위의 위상가변기(110)에 비하여 형태가 약간 다를 뿐 기본적 구성이 모두 마찬가지이므로 따로 설명하지 않는다.
위 특허들에 개시된 위상가변기(110)는 기본적으로 베이스 기판(111) 상에 형성된 급전부(112)와 원호형 패턴(113), 그리고 상기 패턴(113)의 중심축(115)에 회전가능하게 고정된 위상기(114)를 포함하여 구성된다. 상기 위상기(114)의 하면에는 전력전송 패턴이 형성되는 한편, 각 패턴(113)의 양단 각 출력포트에 안테나 어레이의 방사소자가 연결된다. 이 구성에서 상기 급전부(112)를 통해 공급된 전력은 위상기(114)를 경유하여 상기 원호형 패턴(113)에 커플링 급전되고 각 포트를 통하여 출력되는데, 상기 위상기(114)가 어느 한 방향으로 일정 각도 회전됨으로써 입력포트 또는 급전부(112)로부터 좌·우 출력포트 간의 거리 분배에 의한 위상차가 만들어지는 것이다.
한편, 안테나의 소형화 및 광대역 특성을 동시에 만족시키기 위하여, 이 안테나는 이중 편파 또는 다중 편파 구조로 설계되는 것이 보통이다. 요컨대 오늘날 사용되는 이동통신 기지국 안테나는 위상변위기를 이용한 가변 틸트 기능과 다중 편파 특성을 가진다고 할 수 있다.
이때 중요하게는 각 편파의 틸트 각을 동일하게 가변시킬 수 있어야 하는데, 이를 위하여 종래에는 복수의 위상변위기를 각 편파별로 구비하고 연결축들을 이용하여 각 변위기의 구동을 동기화시키는 방법을 이용하였다. 그러나 이러한 연결방식의 종래 기술은 연결축 간 불일치 및 유격이 발생할 수 있고, 조립 및 생산성이 떨어지며, 개별의 변위기의 위상 조절이 동시에 정확하게 이루어지기 어려운 등의 문제들이 있어왔다.
이에 제안된 것이 예컨대 등록특허공보 제10-1150466호에 개시된 "일체형 구조 위상가변기"이다. 도 2를 참조하면, 이 특허는 일체형 고정기판(121) 상에 복수의 가변기(122)를 평면 배열하여 복수의 위상가변기를 일체형 위상가변기(120)로 구현하며, 하나의 래크(123) 기어를 각 회전 가변기(122) 중심의 피니언(124)에 기어 연결되도록 구비하여, 각 가변기(122) 구동을 동기화시킬 수 있는 구조를 제안하고 있다.
상기한 종래 변위기 구조에 비하면, 이 위상가변기 구조는 일체형 고정기판을 이용하고 하나의 래크로 복수의 가변기를 구동한다는 점에서, 조립 공정을 단순화 하고 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 여기에는 크게 보아 두 가지의 문제가 있다.
첫째, 공간적으로 비효율적이다. 즉, 이 위상가변기(120) 구조는 일체형 고정기판을 이용하지만 각 가변기는 역시 평면 배열되어 있으며, 이는 상기한 종래의 위상가변기 구조에 비하여 별 차이가 없이 전체적으로 상당한 평면적 공간을 차지하게 된다. 따라서 공간적으로 비효율적이며, 협소한 면적에서 설치 및 적용되기가 매우 어려워진다.
둘째, 오동작의 유려가 크다. 즉, 각 가변기는 기어 방식으로 구동하며 하나의 래크가 복수의 모든 가변기에 기어 방식으로 아주 정밀하게 접촉 및 결합되어야 하는데, 조립시 또는 구동시 이러한 접촉이 정밀하게 이루어지기는 상당히 어려울 뿐만 아니라 약간의 충격에도 이 접촉은 손상될 수 있다. 이렇게 되면 이 위상가변기(120)는 당연하게 오동작되는 것이다.
공개특허공보 제10-2010-0117838호 등록특허공보 제10-1150466호 등록특허공보 제10-1223747호 등록특허공보 제10-1314269호 등록특허공보 제10-1455667호
본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 구동이 동기화되는 복수의 위상변위기를 포함하되, 각 변위기가 상·하 적층 방식으로 결합되어 제한된 면적의 공간에 효과적으로 장착 및 사용될 수 있는 위상변위기 구조를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각 변위기의 구동을 위한 동기화 구조로서 기어방식이 아닌 슬라이드 푸시방식을 기술적으로 적용하여 조립성 및 생산성이 우수하며, 각 변위기가 안정적이고 견고하게 구동 및 유지될 수 있는 위상변위기 구조를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 위상변위기 구조는, 급전부와 원호형 선로 패턴이 형성된 베이스 기판과 상기 기판상 패턴의 중심에 축 회전 가능하게 결합되는 가변 위상기를 포함하는 위상변위기가, 복수로 구비되는 것을 기반으로 한다.
구체적으로, 상기 위상변위기 구조는:
상·하 대면하여 적층 방식으로 배치되는 베이스 기판과;
상기 베이스 기판 간에 연장 및 체결되는 스페이서와;
상측 가변 위상기와 하측 가변 위상기를 구동 동기화 가능하게 결합시키는 동기화 수단과;
상기 가변 위상기의 적어도 하나에 대하여 회전력을 제공하는 구동부;
를 포함하여 이루어진다.
바람직하게,
상기 가변 위상기는, 기판형 위상기 본체와 상기 본체의 표면에 고정되어 함께 회전하는 유도체를 포함하며;
상기 동기화 수단은 베이스 기판의 외측에서, 상측 위상기의 회전 유도체와 하측 위상기의 회전 유도체를 상호 결합시키는 수단인 것;
을 특징으로 한다.
또한,
상기 구동부는, 구동 바가 직선 이동하여 상기 가변 위상기의 단부를 슬라이드 푸시함으로써 상기 위상기가 축을 중심으로 회전되도록 설계되는 것;
을 특징으로 하며,
더욱 바람직하게,
상기 구동 바는 상기 가변 위상기의 회전 유도체의 단부를 푸시하는 것;
을 특징으로 한다.
본 발명의 위상변위기 구조는, 구동이 동기화되는 복수의 위상변위기를 포함하되 각 변위기가 상·하 적층 방식으로 대면 배치 및 설계되고, 동기화 수단에 의하여 결합되어 있다. 따라서 본 발명에 따른 위상변위기 구조는 제한된 면적의 공간에 효과적으로 장착 및 사용될 수 있는 효과가 있는 것이다.
또한 본 발명의 위상변위기 구조는, 구동 바가 직선 이동하여 상기 가변 위상기의 단부를 슬라이드 푸시함으로써 상기 위상기가 축을 중심으로 회전되도록 설계되어 있다. 이와 같이 구성 및 동작이 간편한 푸시 방식의 적용에 의하여, 본 발명에 따른 위상변위기 구조는 조립성 및 생산성이 우수하며, 각 변위기가 안정적이고 견고하게 구동 및 유지될 수 있는 효과가 있는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 위상가변기를 나타낸 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 위상가변기를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 위상변위기를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3의 분해도.
도 5는 도 3의 'A-A'선 단면도.
도 6은 도 3의 위상변위기의 동작을 설명하기 위한 도면.
이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 "다중 편파 안테나의 위상변위기 구조"(이하 '위상변위기 구조'라 함)의 특징과 작용효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조화여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 3 이하의 도면에서, 본 발명에 따른 위상변위기 구조가 부호 10으로 표시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 위상변위기 구조(10)는 복수의 위상변위기(11)를 구비하며 각 위상변위기(11)는 입력신호 급전부(12)와, 신호전송을 위한 원호형 패턴(13)이 형성된 베이스 기판(14)과, 상기 기판(14) 상에서 패턴(13)의 중심에 축(22) 회전 가능하게 결합되는 가변 위상기(15)를 포함하여 이루어진다. 상기 위상기(15)의 하면에는 전력전송을 위한 패턴이 형성되는 한편, 상기 원호형 패턴(13)의 양단에는 출력포트(21)가 형성되고 각 출력포트(21)에 안테나 어레이의 방사소자가 연결될 것이다.
간략하게 살펴보면, 이 구성에서 상기 급전부(12)를 통해 공급된 전력은 위상기(15)를 경유하여 상기 원호형 패턴(13)에 커플링 급전되고 각 출력포트(21)를 통하여 출력되는데, 상기 위상기(15)가 어느 한 방향으로 일정 각도 회전됨으로써 입력포트 또는 급전부(12)로부터 좌·우 출력포트(21) 간의 거리 분배에 의한 위상차가 만들어지는 것이다. 다만, 이러한 구조 및 작용이 본 발명에서 특별한 것은 아니므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 위상변위기 구조(10)에서는 특징적으로 복수의 위상변위기(11)가 적층 방식으로 배치되며, 각 위상기(15)의 구동을 동기화시키는 수단이 상기 적층 방식에 적정 설계되어 별도로 구비된다.
구체적으로, 본 발명의 상기 위상변위기 구조(10)는, 상·하 대면하여 적층 방식으로 배치되는 베이스 기판(14)과, 상기 베이스 기판(14) 간에 연장 및 체결되는 스페이서(16)와, 상측 가변 위상기(15a)와 하측 가변 위상기(15b)를 구동 동기화 가능하게 결합시키는 동기화 수단(17)과, 상기 가변 위상기(15a,15b)의 적어도 하나에 대하여 회전력을 제공하는 구동부(18)를 포함하여 이루어진다. 각 가변 위상기(15a,15b)의 회전 축(22)은 별도로 구비되지만, 일체형일 수도 있다.
바람직하게 상기 각 가변 위상기(15a,15b)는, 기판형 위상기 본체(19)와, 양 단부가 기판(11)의 외측으로 노출되며 상기 본체(19)의 표면에 고정되어 함께 회전하는 회전 유도체(20a,20b)를 포함한다. 그리고 상기 동기화 수단(17)은, 상기 베이스 기판(11)의 외측에서 상측 위상기(15a)의 회전 유도체(20a)와 하측 위상기(15b)의 회전 유도체(20b)를 상호 결합시키는 수단으로 구성된다. 이 구성에 의하여, 상·하 배치된 복수의 위상기(15a,15b)가 상기 회전 유도체(20a,20b)에 의하여 일체로 회전된다.
설계에 따라, 상기 위상기 본체(19)와 회전 유도체(20a,20b)는 일체로 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 별도로 구비되고 일체로 고정되는 것으로 한다. 한편, 상기 스페이서(16)는 상·하 대면하여 적층 배치되는 베이스 기판(14)을 일정 간격으로 이격되도록 결합하며, 회전되는 위상기(15a,15b)가 베이스 기판(14)에 접촉 마찰되지 않도록 한다.
도면에서, 상기 동기화 수단(17)은 상측 위상기(15a)의 회전 유도체(20a) 측에서 하향 돌출된 수용돌기(17a)와 하측 위상기(15a)의 회전 유도체(20b) 측에서 상향 돌출된 체결돌기(17b)가 서로 대응하여 결합되도록 설계되어 있다. 다만, 여기의 결합 방식은 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
상기 구동부(18)는, 회전 축(22)을 중심으로 동기화 수단(17)의 반대쪽에 구비되며, 구동 바(23)가 직선 이동하여 상기 가변 위상기(15b)의 단부를 슬라이드 푸시함으로써 상기 위상기(15b)가 축(22)을 중심으로 회전되도록 설계된다. 구체적으로, 상기 구동 바(18)는 위상기(15b)의 회전 유도체(20b) 단부를 푸시하도록 되어 있다. 이를 위하여, 회전 유도체(20b)의 기판(11) 외부로 돌출된 단부에는 장공 또는 'U'홈(30)이 형성되며, 상기 구동 바(23)에는 상기 'U'홈(30)에 끼워지는 연결돌기(24)가 구비된다.
이 구성에 따라, 구동 바(23)가 직선 이동하면 상기 연결돌기(24)에 의해 상기 가변 위상기(15b)의 단부가 회전방향으로 슬라이드 푸시되어 축(22)을 중심으로 회전되는 것이다. 도면에서 부호 25는 상기 위상기(15a,15b)의 과도한 회전을 방지하기 위하여 상기 연결돌기(24)의 일측 또는 양측에 구비되는 스토퍼이다.
상기한 방식의 위상기(15b)-구동 바(18) 연결 구조는, 기어 방식을 비롯한 종래 연결 구조에 비하여:
구성, 조립, 동작이 간편하고 용이하며,
언제나 정확한 힘 전달이 가능하면서 견고하게 유지될 수 있고,
특히, 구동 바(18)에 대한 가변 위상기(15a,15b)의 위치를 임의로 이동 및 조절할 수 있는,
등의 장점이 있다.
도 5를 참조하면, 상기 회전 유도체(20a,20b)는 각 변위기(11)를 구성하는 가변 위상기(15a,15b)가 베이스 기판(14)으로부터 분리 또는 격리되지 않도록 하는 형성된 탄력 지지수단(26)을 포함하여 이루어진다. 이러한 격리가 발생하면 입력신호의 전송이 불가능해지거나 불량해지기 때문이다.
구체적으로 상기 지지수단(26)은 'ㄴ'형으로 굴곡되어 베이스 기판(14)과 위상기 본체(19)가 겹쳐 삽입되는 거치부(27)와, 하향하는 탄성편으로서 상기 위상기 본체(19)의 상면을 가압하는 누름편(28)을 포함한다. 즉, 베이스 기판(14)과 위상기 본체(19)가 겹쳐진 상태를 아래에서 받치고 위에서 가압함으로써, 상호 밀접한 상태가 유지될 수 있도록 하는 것이다. 도면에서 부호 29는 회전 유도체(20a,20b)에서 하향하여 상기 위상기 본체(19)의 측면 모서리에 간섭함으로써, 상기 회전 유도체(20a,20b)에 의하여 위상기 본체(19)가 일체로 회전하는데에 부가적 힘을 제공하는 걸림편이다.
한편, 본 실시예에서 상기 연결돌기(24)는 상기 위상기(15a,15b) 중의 하나 즉, 하측 위상기(15b)에 연결되어 있으며, 다른 상측 위상기(15a)에는 연결되어 있지 않다. 이것은 상기 연결돌기(24)의 높이 각 지점에 따라 조금씩 다른 정도의 힘이 전달되는데, 예컨데 상·하측 위상기(15a,15b)에 모두 연결돌기(24)가 연결된다면 각 위상기(15a,15b)에 다른 회전력이 전달되는 것이다. 이렇게 되면 결과적으로는 각 변위기(11) 및 이를 구성하는 각 요소의 손상, 휨, 비틀림 등의 변형이 발생할 수 있다.
따라서 본 실시예에서 상기 연결돌기(24)는 선택적으로 하나의 위상기 즉, 하측 위상기(15b)에만 연결되며, 상측 위상기(15b)에 대한 회전력은 상기 동기화 수단(17)을 통하여 하측 위상기(15b)로부터 전달되도록 한다.
도 6을 참조하면, 두 개의 위상 변위기(11)가 적층 구조로 중첩되어 본 발명의 위상 변위기 구조(10)를 구성한다. 전술한 바와 같이, 각 베이스 기판(14)의 급전부(12)를 통해 공급된 전력은 각 변위기(11)의 위상기(15a,15b)를 경유하여 상기 원호형 패턴(13)에 커플링 급전되고 각 출력포트(21)를 통하여 출력되는데, 상기 위상기(15a,15b)가 어느 한 방향으로 일정 각도 회전됨으로써 입력포트 또는 급전부(12)로부터 좌·우 출력포트(21) 간의 거리 분배에 의한 위상차가 만들어진다.
상기 상·하측의 각 위상기(15a,15b)는 서로 동일한 각도로 회전하는데, 이때의 회전 메카니즘을 설명하면 다음과 같다.
우선 구동 바(18)가 외부 힘으로 직선 운동(화살표 ① 참조)하는 것에 의하여 연결돌기(24)가 하측 회전 유도체(20b)의 일측 단부를 푸시하며, 이에 하측 회전 유도체(20b)가 축(22)을 중심으로 회전 운동(화살표 ②)을 한다. 이 운동은 회전 유도체(20b)의 타측 단부에 구비된 동기화 수단(17)을 매개로 하여 상측 회전 유도체(20a)에 전달되고, 이에 하측 회전 유도체(20b)의 운동량 만큼 상측 회전 유도체(20a)가 동일하게 회전되는 것이다.
그리고 상·하측 위상기(15a,15b)는 각각 상·하측 회전 유도체(20a,20b)와 함께 회전하므로, 결국 단일의 직선 운동에 의하여 상·하로 적층된 각 변위기(11)에서 동일한 위상차가 만들어지는 것이다.
10. 위상변위기 구조
11. 위상변위기 12. 급전부
13. 원호형 패턴 14. 베이스 기판
15,15a,15b. 위상기
16. 스페이서 17. 동기화 수단
18. 구동부 19. 위상기 본체
20a,20b. 회전 유도체
21. 출력포트 22. 축
23. 구동 바 24. 연결돌기
25. 스토퍼 26. 지지수단
27. 거치부 28. 누름편
29. 걸림편 30. 홈

Claims (6)

  1. 급전부(12)와 원호형 패턴(13)이 형성된 베이스 기판(14)과 상기 기판(14)상 패턴(14)의 중심에 축(22) 회전 가능하게 결합되는 가변 위상기(15)를 포함하는 위상변위기(11)가, 복수로 구비되는 구조에 있어서,
    상·하 대면하여 적층 방식으로 상·하 배치되는 복수의 베이스 기판(14); 상기 베이스 기판(14) 간에 연장 및 체결되어 상기 베이스 기판(14)을 이격적으로 결합시키는 스페이서(16); 상측 가변 위상기(15a)와 하측 가변 위상기(15b)를 구동 동기화 가능하게 결합시키는 동기화 수단(17); 상기 가변 위상기(15a,15b)의 적어도 하나에 대하여 회전력을 제공하는 구동부(18)를 포함하며,
    상기 가변 위상기(15a,15b)는 기판형 위상기 본체(19)와, 상기 본체(19)와 일체로 형성되거나 상기 본체(19)의 표면에 고정되어 함께 회전하는 회전 유도체(20a,20b)를 포함하며; 이때 상기 동기화 수단(17)은 베이스 기판(11)의 외측에서, 상측 위상기(15a)의 회전 유도체(20a)와 하측 위상기(15b)의 회전 유도체(20b)를 상호 결합시키는 수단이며,
    상기 회전 유도체(20b)의 기판(11) 외부로 돌출된 단부에는 장공 또는 'U'홈(30)이 형성되며, 상기 구동부(18)는 상기 'U'홈(30)에 끼워지는 연결돌기(24)가 구비된 구동 바(23)를 포함하여; 상기 구동 바(23)가 직선 이동하면 상기 연결돌기(24)에 의해 상기 가변 위상기(15b)의 단부가 회전방향으로 슬라이드 푸시되어 회전되는 것,
    을 특징으로 하는 다중 편파 안테나의 위상변위기 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부(18)는 상기 가변 위상기(15a,15b) 중의 하나에 대하여만 회전력을 제공하도록 설계된 것을 특징으로 하는 다중 편파 안테나의 위상변위기 구조.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전 유도체(20a,20b)는 지지수단(26)으로서, 'ㄴ'형으로 굴곡되어 베이스 기판(14)과 위상기 본체(19)가 겹쳐 삽입되는 거치부(27)와, 하향하는 탄성편으로서 상기 위상기 본체(19)의 상면을 가압하는 누름편(28)을 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 다중 편파 안테나의 위상변위기 구조.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020150147709A 2015-10-23 2015-10-23 다중 편파 안테나의 위상변위기 구조 KR101586424B1 (ko)

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