KR19990014810A - 방사소자간의 위상차조정이 가능한 2개의 방사소자를 갖춘안테나장치 - Google Patents

방사소자간의 위상차조정이 가능한 2개의 방사소자를 갖춘안테나장치 Download PDF

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Abstract

안테나장치는, 제 1특성 임피던스 Z1을 가지며 제 1전송라인에 연결되는 쌍 및 큰 방사기를 포함한다. 각 쌍은 적어도 제 1 및 제 2방사소자(1, 2) 및 제 1 및 제 2방사소자에 대한 제 1 및 제 2임피던스 트랜스포머(3, 4)를 포함한다. 각 트랜스포머의 한 측면은 각 소자에 연결되어 있다. 다른 측면은 결합된 임피던스로 제 2전송라인(8)에 의해 상호 연결된다. 제 2전송라인은 제 1특성 임피던스 Z1의 2배와 같은 저항성의 제 1임피던스 R1을 가진다. 제 1전송라인과 제 2전송라인간의 연결은 많은 가능한 접속점(9) 가운데 선택된 1곳에서 이루어진다. 선택된 접속점은 상기 제 1 및 제 2방사소자간의 단일 위상차를 결정한다.

Description

방사소자간의 위상차조정이 가능한 2개의 방사소자를 갖춘 안테나장치
지향성 빔 안테나장치 즉 셀룰러 텔레폰시스템에 있어서, 조정가능한 안테나를 사용하거나 혹은 특정한 빔방향 또는 기울기를 미리 세트하여, 방사된 에너지를 효과적으로 사용하고 발생한 방사를 효과적으로 수용한다. 안테나수단의 기계적/기하학적 조정능력은 종래의 기술에 공지되어 있으나, 다중방사 안테나장치의 경우에 있어서는, 전기적 조정능력이 안테나장치의 확실한 장착에 더 적합하다. 그러나, 전기적으로 조정가능한 종래기술의 장치는 디자인이 복잡하고, 안테나장치의 조립이나 제조에 있어 작은 변형이 있을 수 있다. 전기적으로 조정가능한 빔 안테나장치는 일본 특허출원번호 63-134241에 기술되어 있다. 상기 장치는 어레이에서 다른 방사소자로 피드라인(feed line)에 딜레이(delay)를 변화시키는 수단을 포함하고 있다.
본 발명은, 신호위상차조정이 가능한 방사소자(radiating element)의 그룹 또는 2개의 방사소자를 갖춘 무선통신 안테나장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 위상차를 조정할 수 있는 지향성 방사빔(radiating beam)을 만들기 위해 상호작용하는 방사소자의 그룹 혹은 2개의 방사소자를 가지는 안테나장치에 관한 것이다. 본 발명은 전방향성 또는 360°방사소자로부터 빔을 돌리는데 응용될 수 있다.
도 1은, 2개의 방사쌍극소자의 그룹, 발룬수단, 임피던스 트랜스포머, 및 제 2전송라인을 포함하고, 형성된 2개의 금속판소자로부터 형성된 제 1전송라인에 연결되고 접지면(도시되지 않음)상에 설치된 본 발명에 따른 안테나장치의 상면도를 나타낸 것이고,
도 2는 도 1의 안테나장치의 제 1측면도를 나타낸 것이고,
도 3은 장착된 안테나장치상의 접지면을 나타내는 도 1의 안테나장치의 제 2측면도를 나타낸 것이고,
도 4는 접지면, 임피던스 트랜스포머, 제 2전송라인 및 상기 접지면으로부터 일정한 간격을 두고 병렬로 놓인 기판상의 2개의 방사 마이크로스트립(microstrip)패치소자를 포함하여 제 1전송라인에 연결되는 본 발명에 따른, 또 다른 안테나장치의 절단부 및 부분 확대부를 나타내는 원근투시도이다.
본 발명의 주목적은 청구항 1의 서두에 따른 장치를 제공하는 것이다. 상기 장치에 의해, 전기적 조정능력이 달성되고, 연결되는 케이블/피드 전송라인의 수 및/또는 길이가 감소된다. 뿐만 아니라, 케이블수의 감소는 일반적으로 필요한 변압기 하우징의 수를 감소시킨다. 본 발명의 또 다른 목적은 소자의 집적화에 의해 안테나장치의 소자의 수를 줄이는 것이다. 또 다른 목적은, 기계적으로 견고하고 전기적으로 안정된 안테나장치를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은, 다른 파라메타 및 성능을 가진 다양한 안테나구성과 결합할 수 있는 모듈러 안테나장치를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은, 부품의 선택 및 교체에 있어서 매우 조심해야 하는 고주파 또는 초고주파에서 동작하는 무선통신, 즉 셀룰러 텔레폰 시스템에 적합한 안테나장치를 제공하는 것이다. 상기 특징이 조합된 안테나장치는 종래기술의 안테나장치보다 재료, 공정, 조립면에서 더욱 효과적이다.
또 다른 목적은 종속 청구항의 특징부에 따른 안테나장치에 도달하는 것이다. 실제적으로 종래기술의 안테나장치에 비하여 본 발명에 따른 안테나장치에 의하면, 피드 전송라인의 수 및 길이가 반감된다. 본 발명의 장점 및 상세한 설명이 아래에 언급되고 설명되어 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 또는 제 2방사소자 각각은 1개 이상의 방사소자로 구성되어 있다. 각 제 1 및 제 2방사수단은 방사수단의 그룹으로 구성될 수 있다. 이러한 그룹의 방사소자에 있어서, 신호는 각각의 위상이 있지만, 여러가지 상호작용 효과에 의하여 위상이 다를 수 있다.
1개의 제 1방사소자 및 1개의 제 2방사소자 또는 소자그룹을 가지는 것처럼 기술되어 있지만, 2개 또는 그 이상의 본 발명의 안테나장치 또는 다른 방사소자를 정렬하여, 더 긴 범위의 더욱 집중된 방사빔을 만드는 상호작용을 얻는 데에 효과적일 수 있다. 다중방사 안테나장치를 정렬하는 원리는 공지되어 있지만, 본 발명의 안테나장치는 상술된 바와 같이, 월등히 개선된 것이다.
안테나장치는, 공지된 기술로서, 제 1전송라인을 매개로 무선전송 및/또는 수신장치에 연결되어 있다. 그러나 제 1전송라인 및 제 2전송라인간의 연결은 본 발명의 안테나장치에 있어 중요하다. 제 1전송은 제 2전송라인의 특성 임피던스의 반을 가지기 때문에, 이 연결은 대체로 순수한 전류분할로 구성된다. 따라서, 제 1전송라인에서 접속점까지의 신호전달의 에너지는, 제 2전송라인에 접속점으로부터 각 방향으로 전달하는 에너지의 반으로 동등하게 나누어져 있고, 그 역으로도 마찬가지이다.
이것은, 접속점의 선택이 접속점으로부터 각각의 방사소자(또는, 방사소자의 그룹)로 신호패스의 길이에 대체로 영향을 준다는 것을 암시한다. 명백히, 제 2전송라인상의 접속점의 위치 및 방사소자의 신호위상간의 위상차 사이는 선형의 관계가 있다.
제 1 및 제 2방사소자간에 가능한 큰 위상차를 얻기 위해, 제 1전송라인에 대한 연결점은, 대체로 일정하고 저항특성의 임피던스를 가지는 제 2전송라인의 바깥부분이 선택될 수 있다. 매칭(matching), 위상 및 전원분리특성은 그 부분의 외부에서 변화되고, 방사소자중 한 개의 방향에서, 접속점을 선택하는 것이 가능하다. 그러나, 다소 안테나성능이 저하될 수 있다.
금속판 접지면으로 된 전도성 접지수단은, 제 1 및 제 2방사소자에 관한 소정의 전위 및 위치를 가지며, 방사소자가 명확한 빔방향 및 방사소자 임피던스특성을 가지도록 한다.
제 2전송라인의 임피던스의 어디에나 적용될 수 있는 발룬(balun)수단의 결합에 있어서, 제 1 및 제 2임피던스 전송수단은 방사소자의 임피던스매칭을 수행한다.
각 임피던스 트랜스포머는, 유연하고 상기 전도성 접지수단의 일부로 형성되는 제 1세선형 도전소자 및 확장됨에 따라 다른 특성임피던스를 가지는 제한부와 함께 상기 도전소자로부터 분리되며 나란히 병렬로 확장되는 제 2세선형 도전소자에 의해 형성된다.
제 2도전소자는, 특성임피던스의 변화를 얻기 위해, 2개의 인접한 부분사이에 단면영역에서의 스텝을 구비한다. 특성임피던스의 변화는 도전소자간의 유전체의 변화를 통해 얻어질 수 있다.
제 2도전소자는, 특성임피던스의 변화를 얻기 위해 2개의 인접한 부분사이의 단면영역에서의 스텝을 구비할 수 있다.
제 2전송라인은, 휘어짐이 가능하고 상기 도전접지수단의 일부로 형성되는 제 3세선형 도전소자 및 상기 도전소자로부터 분리되고 나란히 또는 병렬인 제 4세선형 도전소자에 의해 형성될 수 있다.
제 2전송라인은, 제 1전송라인의 한 개의 컨덕터를 부분적으로 에워싸는 제 1전송라인에 수직인 평면에 둥근형의 패스를 가질 수 있다.
안테나장치의 방사소자 또는 안테나장치의 그룹은, 중심에서 중심으로의 거리가 대략 한파장 또는 그 이하(전술한 값의 범위인 0.9∼1.0파장)인 영역인 평면 및 수직인 매트릭스에서 정렬될 수 있다.
제 1 및 제 2방사소자, 제 1 및 제 2트랜스포머, 및 제 2전송라인은 도전접지수단상에 설치된 1개 구조의 유니트(unit)를 형성할 수 있다.
제 1임피던스 트랜스포머의 제 1 및 제 3연결수단은 제 1 및 제 2발룬수단을 경유하여 제 1 및 제 2방사소자에 각각 연결될 수 있다.
방사소자 및/또는 세선형 도전소자는 단일 금속판소자로 구성될 수 있다.
제 1 및 제 2방사소자 사이의 신호에 있어서, 소정의 위상차를 주는 각 접속점의 가능한 위치를 나타내는 표시가 제 2전송에 제공된다.
제 2전송라인은, 파장의 1/8 또는 그 이하의 전기적 길이를 가질 수 있다.
방사소자는 분극 또는 위상과 동일한 방향으로 전위될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 관련하여, 안테나장치는, 위상이 공급되고 반파장보다 작게 분리되는 서로 평행한 2개의 제 1방사 2극 안테나수단(1)과, 위상이 공급되고 중심과 중심의 거리를 대략 반파장으로 하여 제 1방사소자(1)중 각 1개에 대하여 전위되어 정렬되는 2개의 제 2방사 2극 안테나수단(2)을 구비한다.
각 2극 안테나(1, 2)는 대략 반파장의 길이를 가지고 대략 1/4 파장의 간격으로 도전 접지면(5)에 병렬로 놓여져 있다.
제 1 및 제 2방사소자(1, 2)는, 제 1 및 제 2발룬수단(12, 14, 13, 15)을 각각 매개로 하여 제 1 및 제 2임피던스 트랜스포머(3, 4)로부터 공급된다. 제 1 및 제 2임피던스 트랜스포머는 제 2전송라인(8)에 의해 상호연결된다.
2극 안테나(1, 2), 발룬수단의 부품(14, 15), 및 임피던스 트랜스포머(3, 4)의 단일 접지도전체 및 제 2전송라인(8)은 안테나장치의 바탕부을 구성하는 1개의 제 1금속판으로부터 천공되어 형성된다. 이 바탕부는, 반파장보다 작게 분리되는 인접한 전기적 접속점에 대하여 나사와 너트로 리플렉터(reflector ; 5)에 고정되어 있으며 상대적으로 아래로 돌출된 혹(wart ; 6)에 의해 제공된다.
발룬수단의 부품(12, 13), 임피던스 트랜스포머(3, 4)의 신호전송부품 및 제 2전송라인(8)은, 바탕부의 하부에 고정된 안테나장치의 상부로 구성된 제 2금속판에 의해 형성되고, 비도전체의 고정수단(17)에 의해 바탕부로부터 일정한 간격을 두고 병렬로 놓여지며, 도전체의 고정수단으로 발룬수단에 고정된다. 대량생산되기 위해 제 2의 판은 펀칭(punching)에 의해 생산될 수 있다.
제 1 및 제 2임피던스 트랜스포머(3, 4)의 상부는 스텝(18, 19)에서 변화하는 폭을 가진다. 이러한 변화는 부분적인 특성 임피던스의 차이를 제공하며, 안테나에 연결된 발룬수단과 100Ω의 특성 임피던스를 가지는 제 2전송라인(8)간에 효과적인 임피던스결합을 제공한다. 안테나수단에 연결된 제 1전송라인(도시되지 않음)은 50Ω의 동축케이블이다. 이 동축케이블은 바탕부내의 슬롯(slot ; 7)의 어떤 지점에 접지되고 고정될 수 있는 접지 및 고정블록(도시되지 않음)에 장착된다. 원하는 위상차의 선택을 유도하기 위해 제 2전송라인(8)상에 마크(mark ; 9)가 있다.
도 1 내지 도 3에 나타낸 형태의 안테나장치는 동일한 접지면(리플렉터)상에 정방형으로 더 정렬되어 서로 상호작용하는 방법으로 제 1안테나장치의 방사기와 상호작용한다.
도 4와 관련하여, 안테나장치는, 평면 비도전체 기판(42)상에 마이크로스트립(microstrip)인쇄회로에 의해 형성된 제 1방사패치(patch)소자(31)를 포함하고, 이 소자(31)를 제 2임피던스 트랜스포머(34)에 연결된 100Ω의 아크(arc)형의 전송라인(38)에 연결하고 결합하는 제 1임피던스 트랜스포머(33, 43)를 갖추고, 상기 제 1방사패치소자(31)에 대칭되는 형태의 제 2방사패치소자(32)는 제 2임피던스 트랜스포머(34)에 연결되어 있으며, 또한 기판(42)으로부터 평행하게 분리시키는 분리 및 고정수단(46, 47)에 의해 지지되는 도전체의 리플렉터(35)로 구성된다. 동축케이블은 기판에 수직으로 들어가고, 중앙 도전체(36)을 경유하여 제 2전송라인에 접속되고, 세그먼트(segment ; 37)에서의 위치(39)는 위상차를 결정한다. 도 4는 절단부(44) 및 부분 확대부(45)를 포함한다.
지향성 빔 안테나장치 즉 셀룰러 텔레폰시스템에 있어서, 조정가능한 안테나를 사용하거나 혹은 특정한 빔방향 또는 기울기를 미리 세트하여, 방사된 에너지를 효과적으로 사용하고 부수적인 방사를 효과적으로 수용한다.

Claims (9)

  1. 제 1특성 임피던스 Z1을 가지는 제 1전송라인에 연결되는 안테나장치에 있어서,
    적어도 1개의 제 1방사소자와,
    적어도 1개의 제 2방사소자,
    상기 제 1방사소자에 연결되는 제 1 연결수단 및 제 2연결수단을 갖춘 제 1임피던스 트랜스포머수단 및,
    상기 제 2방사소자에 연결되는 제 3연결수단 및 제 4연결수단을 갖춘 제 2임피던스 트랜스포머수단을 구비하고,
    상기 제 2연결수단에서의 상기 제 1임피던스 트랜스포머수단 및 상기 제 4연결수단에서의 상기 제 2임피던스 트랜스포머수단은 상기 제 1특성 임피던스 Z1의 2배와 대체로 동일한 저항성의 제 1임피던스 R1과 대체로 동일하게 나타나고,
    상기 제 2 및 제 4연결수단은 상기 제 1임피던스 R1과 대체로 동일한 제 2특성 임피던스 Z2를 가지는 제 2전송라인과 서로 연결되며,
    제 1전송라인은 상기 제 1 및 제 2방사소자간의 신호 위상차를 결정하는 접속점에서 상기 제 2전송라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  2. 제 1항에 있어서, 도전체의 접지수단, 상기 도전체의 접지수단으로부터 소정의 간격을 가지는 상기 제 1방사소자 및 상기 도전체의 접지수단으로부터 소정의 간격을 가지는 상기 제 2방사소자를 더 구비한 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제 1세선형 도전소자 및 상기 도전소자로부터 일정한 간격으로 나란히 있는 제 2세선형 도전소자는 확장에 따라 다른 특성 임피던스를 가지는 섹션(section)을 제한하는 각 임피던스 트랜스포머를 구비한 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 제 3세선형 도전소자 및 상기 도전소자로부터 일정한 간격으로 나란히 있는 제 4세선형 도전소자를 구비한 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1전송라인의 1개 도전체를 부분적으로 둘러싸는 상기 제 1전송라인에 수직인 둥근 패스를 갖춘 상기 제 2전송라인을 구비한 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나장치의 방사소자가 중심에서 중심까지의 거리가 대략 반파장인 영역에서 대체로 평면이고 수직인 매트릭스로 정렬되는 적어도 1개의 안테나장치에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나어레이(array).
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2방사소자, 상기 제 1 및 제 2트랜스포머, 및 상기 제 2전송라인이 상기 도전체 접지수단상에 장착되어 1개 구조의 유니트(unit)를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1임피던스 트랜스포머의 제 1 및 제 3연결수단은 제 1 및 제 2발룬수단을 매개로 상기 제 1 및 제 2방사소자에 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사소자 및/또는 상기 세선형 도전소자는 단일 금속판소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나장치.
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