KR200187214Y1

KR200187214Y1 - 상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나

Info

Publication number: KR200187214Y1
Application number: KR2019990028491U
Authority: KR
Inventors: 선영식
Original assignee: 엘지정보통신주식회사
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2000-07-01

Abstract

본 고안은 이동통신용 기지국에 설치되는 안테나에 관한 것으로, 특히, 수직방향의 상단으로 방사되는 신호를 반사기에 의하여 반사 및 감쇠 시키고, 수평방향으로 이득을 증가 시키므로써, 안테나의 수평방향 이득 및 효율을 증가시키는 상단에 반사기가 설치된 기지국용 안테나에 관한 것이며, 이동통신용 고주파 신호를 송수신하는 다수의 다이폴 엘리먼트 안테나가 Z 축에 어레이 형태로 연결되는 기지국용 옴니 안테나가 동일 평면상에 소정의 간격으로 평행하게 다수 배치되어 전파 방사를 양방향으로 형성하고 일측 방향에 방사되는 전파를 차단 및 반사시킴으로써, 다른 일측 방향으로 만 방사되도록 하는 측부 반사판과, 상기 기지국용 양방향성 옴니 및 섹터 안테나와 측부 반사판의 상측 원점에 소정의 각도를 형성하고 부착되고, 쌍방향으로 방사되는 전파를 차단 및 반사시켜 수평 방향으로 최대의 전력이 방사되도록 구성되는 상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나를 특징으로 하므로써, 수평방향의 전계 강도를 높게 하고, 이득을 향상시키며, 서비스 영역 또는 커버리지 영역을 향상시킬 수 있는 공업적 이용 효과가 있다.

Description

상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나{A ANTENNA WITH UPPER REFLECTION PLATE FOR THE SITE}

본 고안은 이동통신용 기지국에 설치되는 안테나에 관한 것으로, 특히, 수직방향의 상단으로 방사(Radiation)되는 신호를 반사기(Reflector)에 의하여 반사 및 감쇄 시키고, 수평방향으로 이득을 증가 시킴으로써, 안테나의 수평반향 이득 및 효율을 증가시키는 상단에 반사기가 설치된 기지국용 안테나에 관한 것이다.

이동통신 시스템의 기지국에 사용되는 안테나는 무지향성 또는 전방향성의 옴니 안테나(Omni ANT), 지향성 또는 방향성 안테나로서 섹터 안테나(Sector ANT)가 있다.

이동통신 시스템의 기지국(BTS: Base Station)은 전파가 도달하는 거리를 최대한 늘리기 위하여, 도심지역에서는 건물의 높은 지역인 옥상에 그리고, 도시 근교 지역이나 농촌 지역에서는 안테나 탑을 세우거나 높은 구능지 또는 산의 정상 등을 이용하여 안테나를 시설 및 사용하고 있다.

그러나, 이동통신 시스템에 가입되어 사용되는 단말기들은 육상 이동국이므로, 안테나가 시설된 위치에서의 수평 상향으로 방사되는 전파는 사용할 수 없는 불필요한 것이고, 전력을 낭비하는 결과가 된다. 상기와 같이 상향으로 방사되는 전파를 수평방향으로 방사되도록 하면, 수평 방향의 이득 및 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 옴니 및 섹터 안테나의 구조를 설명한다.

도1 은 일반적인 어레이 형 기지국 옴니 안테나 구조도 이고, 도2 는 일반적인 어레이 형 기지국 섹터 안테나 구조도 이고, 도3 은 종래 기술에 의한 상부 반사판이 없는 기지국용 옴니 및 섹터 안테나 구조도 이다.

상기의 도1 을 참조하면, 일반적인 어레이(Array)형 기지국 옴니 안테나는, 이동통신에 사용되는 고주파(RF) 신호를 송수신하는 다이폴(Dipole) 안테나로 이루어진 엘리먼트 안테나(Element Antenna)(10)와,

상기의 엘리먼트 안테나(10) 다수를 일직선의 Z축 상에 어레이(Array) 형태로 연결하여 구성하므로써, 수평(Horizon) 방향성을 증가시킨 기지국용 옴니 안테나(20)로 구성된다.

상기 도2 를 참조하면, 일반적인 어레이(Array)형 기지국용 섹터 안테나(45)는, 상기의 기지국용 옴니 안테나(20)를 Z축의 동일 평면상에서 소정의 평행한 간격을 유지하도록 배치하고 앞 또는 뒤 방향으로 방사되는 것을 일측으로만 방사되도록, 일측을 차단 및 반사시키는 측부 반사판(30)으로 구성된다.

상기 도3 을 참조하면, 종래 기술에 의한 상부 반사판이 없는 기지국용 옴니 및 섹터 안테나는, 상기 도1 및 도2 에 도시된 기지국용 옴니 및 섹터 안테나를 이해하기 용이하도록 하나의 구조로 표시한 것이다.

이하, 상기와 같은 구성의 종래 기술에 의한 기지국용 옴니 및 섹터 안테나를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 기지국용 옴니(Omni) 안테나(20)는, 셀룰러 방식 이동통신 시스템의 기지국(BTS: Base Station)용으로 사용하는 옴니 안테나로서, 이동통신용 주파수와 특정한 함수 관계에 의하여 제작되는 다이폴(Dipole)형 안테나로 이루어지는 엘리먼트 안테나(Element Antenna)(10)를 안테나의 Z 축 상에 일직선의 어레이(Array) 형태로 연결하므로써, 상기 안테나의 Z 축과 직각이 되는 방향으로 방사 또는 전달되는 특성을 향상시킨 것이다.

상기의 엘리먼트 안테나(10)를 어레이(Array) 형태로 배치하는 간격(di)은 기지국 안테나에서 방사되는 전파의 목표 도달 거리에 따라서 다르게 설계되고 있으며, 상기의 목표 도달 거리가 일정하게 고정되어 있다고 하는 경우, 어레이(Array) 형태로 배치되는 각 엘리먼트 안테나(10)로부터 방사되는 전파의 방사(Radiation) 거리 또는 도달 거리 또는 전파(Propagation) 길이(Length)가 각각 다르게 된다.

상기와 같이 각 엘리먼트 안테나(10)로부터 방사(Radiation)되는 전파(Frequency)의 목표 도달 거리가 일정하게 또는 동일하게 하려면 각, 엘리먼트 안테나(10)로부터 방사되는 전파(Frequency)의 위상(Phase)이 목표 도달거리의 지점에서 동일하여야 하므로 다음과 같은 수학식으로 나타낸다.

P = di sinθ

상기 도1 을 참조하고 상기 수학식 1을 참조하면, 전파가 도달할 목표 도달지점에서의 각 엘리먼트 안테나(10)로부터 방사되는 전파의 위상은 어레이(Array) 형태로 배치되는 각 엘리먼트 안테나(10)의 위치 di 에 의하여 차이가 있음을 확인할 수 있다.

이동통신시스템의 기지국 안테나는 하나의 기지국(BTS)에서 넓은 지역까지 전파가 도달하여 서비스 영역(Service Area)으로 확보하기 위하여, 수평방향으로 이득(Gain)이 높고, 수평방향의 하방(Lower, θ가 양수로 표시됨)으로는 어느 정도의 전파 방사만 가능한 안테나가 필요하게 된다.

따라서, 수평방향, 즉, θ = 0°방향에서는 각각의 엘리먼트 안테나(10)로부터 방사되는 전파의 위상(Phase)이 동위상이 되고, 동시에, 안테나의 Z 축 방향 또는 수직방향인 θ = 90° 및 θ = - 90°의 방향에서는 역위상이 되도록 안테나의 각 엘리먼트 di를 배치 또는 설계하여야 한다.

상기와 같이 설계된 기지국용 옴니(Omni) 안테나(20)의 수직 방향에서의 방사 패턴은 각 각의 엘리먼트 안테나(10)의 위상 합으로 나타나며 다음의 수학식과 같이 표현된다.

단, N ; 수직방향으로 어레이 배열된 각 엘리먼트 안테나의 숫자

M ; 수평방향 방사 패턴의 경우는 적용되는 수평방향 안테나 수

λ : 사용주파수의 파장(Wave Length)

j : 단위 허수, j * j = -1

상기와 같은 수직방향 안테나 패턴을 표현하는 수학식에 의하면, 상기 기지국용 옴니 안테나의 전파 전달 패턴은 θ = 0°에서 최대가 되고, θ = ± 90°에서 최소인 0이 되며, 전체적으로는 θ = 0°를 중심으로 대칭 모양을 갖는다.

상기와 같은 구조의 기지국용 옴니(Omni) 안테나(20)의 경우, Z 축과 직각 방향으로는 360° 모든 방향으로 전파가 방사(Radiation) 되는 무지향성의 전파 전달 특성을 가지고 있다.

이동통신 시스템의 기지국(BTS)은 상기와 같은 무지향성 옴니 안테나(20)를 사용하는 경우도 있지만, 일정한 방향으로 방사 되도록 하는 지향성 안테나를 사용하는 경우는, 상기 도2에 도시된 것과 같이, 어레이(Array)로 배열된 기지국용 옴니 안테나(20)를 동일 평면 또는, 상기 도2 에서의 ρ축상에 일정한 간격으로 평행 배치되고 상기 ρ 축의 일측면에 상기 측부 반사판(30)이 배치되어 일측 방향으로 만 방사되도록 하는 기지국용 섹터 안테나(45)를 사용하였다.

상기와 같은 기지국용 옴니 안테나(20) 및 섹터 안테나(45)는 상기 안테나의 원점으로 도시된 ρ축의 상방향, 즉, θ = 0°를 중심으로 Z 축의 상방향 또는 -θ 방향으로 방사되는 전파를 효율적으로 사용하지 못하는 문제가 있었다.

본 고안은 기지국용 옴니 및 섹터 안테나의 원점부분에 ρ축과 일정한 α의 각도를 갖는 상부 반사판을 부착하므로써, 불필요한 상방 및 하방으로의 전파 방사를 제거하여, 수평방향으로 최대의 전파 전달이 되도록 하므로써, 기존의 안테나보다 수평방향의 이득 및 효율을 향상시키는 기지국용 옴니 및 섹터 안테나를 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 고안은, 이동통신용 고주파 신호를 송수신하는 다수의 다이폴 엘리먼트 안테나가 Z 축에 어레이 형태로 연결되는 기지국용 옴니 안테나가 동일 평면상에 소정의 간격으로 평행하게 다수 배치되어 전파 방사를 양방향으로 형성하는 기지국용 양방향성 옴니 및 섹터 안테나와, 상기 기지국용 양방향성 옴니 및 섹터 안테나의 일측 방향에 방사되는 전파를 차단 및 반사시킴으로써, 다른 일측 방향으로 만 방사되도록 하는 측부 반사판과, 상기 기지국용 양방향성 옴니 및 섹터 안테나와 측부 반사판의 상측 원점에 소정의 각도를 형성하고 부착되고, 상방향으로 방사되는 전파를 차단 및 반사시켜 수평 방향으로 최대의 전력이 방사되도록 구성되는 상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나를 특징으로 한다.

도1 은 일반적인 어레이 형 기지국 옴니 안테나 구조도 이고,

도2 는 일반적인 어레이 형 기지국 옴니 및 섹터 안테나 구조도 이고,

도3 은 종래 기술에 의한 상부 반사판이 없는 기지국용 옴니 및 섹터 안테나 구조도 이고,

도4 는 본 발명에 의한 상부 반사판이 설치된 기지국용 옴니 및 섹터 안테나 구조도 이고,

도5 는 본 발명의 일 실시예로서 콘형 상부 반사판이 부착된 옴니 안테나의 구조도 이고,

도6 은 본 발명의 일 실시예로서 부채꼴형 상부 반사판이 부착된 섹터 안테나의 구조도 이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **

10 : 엘리먼트 안테나 20 : 기지국용 옴니 안테나

30 : 측부 반사판 40 : 반사판이 없는 기지국용 안테나

45 : 기지국용 섹터 안테나 65 : 상부 반사판

66 : 콘형 반사판 67 : 부채꼴형 반사판

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 기술에 의한 상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나를 설명한다.

도4 는 본 발명에 의한 상부 반사판이 설치된 기지국용 옴니 및 섹터 안테나 구조도 이고, 도5 는 본 발명의 일 실시예로서 콘형 상부 반사판이 부착된 옴니 안테나의 구조도 이고, 도6 은 본 발명의 일 실시예로서 부채꼴형 상부 반사판이 부착된 섹터 안테나의 구조도 이다.

상기의 첨부된 도4 를 참조하면, 본 발명에 의한 상부 반사판이 설치된 기지국용 옴니 및 섹터 안테나는, 이동통신에 사용되는 고주파 신호를 송수신하는 다이폴(Dipole) 안테나로 이루어진 다수의 엘리먼트 안테나(Element Antenna)(10)를 일직선의 Z축 상에 어레이(Array) 형태로 연결하여 구성하므로써, 수평(Horizon) 방향성을 증가시킨 기지국용 옴니 안테나(20);

상기와 같은 기지국용 옴니 안테나(20)를 Z축과 평행한 동일 평면상에서, 즉, ρ축 상에서 소정의 평행한 간격을 유지하도록 배치하므로써, 상기 평행 배치된 평면의 앞 방향 및 뒤 방향의 양쪽 방향으로 만 방사(Radiation) 되는 지향성을 갖도록 하고, 앞 방향 또는 뒤 방향으로 방사되는 것 중에서 한쪽 방향으로 방사되는 것을 차단 및 반사(Reflect) 되도록 하므로써, 일측 방향으로만 방사(Radiation) 되도록 하는 측부 반사판(30)과,

상기 기지국용 양방향성 옴니 및 섹터 안테나(40)와 상기 측부 반사판(30)으로 이루어지는 기지국용 옴니 및 섹터 안테나(45)의 상측 끝 부분인 원점에 소정의 각도(α)를 형성하고 부착되며, 상방향으로 방사되는 전파를 차단 및 동위상(Same Phase)으로 반사(Reflect) 시킴으로써, 수평(Horizon) 방향으로 이동통신용 고주파(RF)의 최대(MAX) 방사(Radiation) 전력(Power)이 출력되도록 구성된다.

상기의 첨부된 도5 는, 기지국용 옴니(Omni) 안테나(20)의 상측부 끝단의 원점에 그물(Mash) 형태의 그리드(Grid) 또는 평판(Plane Plate)으로 이루어지고, 원뿔 모양의 콘(Cone) 형태로 상부 반사판(Reflect Plate)(66)이 부착된 구조의 상부 반사판이 설치된 기지국용 옴니 안테나 구성이다.

또한, 상기의 첨부된 도6 은, 기지국용 섹터(Sector) 안테나(45)의 상측부 끝단 원점에 그물(Mash) 형태의 그리드(Grid) 또는, 평판(Plane Plate)으로 이루어지고, 부채꼴 모양으로 상부 반사판(Reflect Plate)(67)이 부착된 구조의 상부 반사판이 설치된 기지국용 섹터 안테나 구성이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 상기와 같이 구성된 기지국용 옴니 및 섹터 안테나의 작용을 상세히 설명한다.

이동통신용 주파수를 송수신하는 다이폴형 엘리먼트 안테나(10)가 다수 일직선상의 Z 축에 일정한 거리 di 로서 어레이(Array) 배치되어, 기지국용 무지향성의 옴니(Omni) 안테나(20)를 구성하며, 상기 기지국용 옴니 안테나(20)는 안테나의 Z 축과 직각 방향인 수평(Horizon) 방향 또는 θ = 0°방향으로는 전송 또는 전달되는 전력(Power)이 최대(MAX)가 되고, 상기 Z 축과 직각 방향인 지상과의 수평(Horizon) 방향( θ = 0°)으로부터 멀어지는 θ = 90°방향 및 θ = - 90°방향으로 갈수록 상기 전송 또는 전달되는 전력(Power)이 최소(MIN)가 된다.

상기와 같은 무지향성의 기지국용 옴니(Omni) 안테나(20)는 이동통신 시스템의 가입자가 많지 않은 벌판 지역, 농촌 지방 또는 산간 지방 등에서 주로 사용하고, 시스템의 이용자 또는 사용자가 많거나 도시 지형에서와 같이, 고층건물 등과 같은 장애물에 의하여 전파가 용이하게 도달하지 않는 특정 일부 지역에, 별도로 구분하여 전파를 전송할 필요가 있는 경우에는, 지향성의 상기 기지국용 섹터(Sector) 안테나(45)를 사용한다.

그러나, 상기와 같은 기지국용 옴니 안테나(20) 및 섹터 안테나(45)는 Z 축과 수직 방향인 θ = 0°방향, 즉 지상과 수평 방향으로만, 이동통신 전파가 방사(Radiation) 되는 것이 아니라, 상기 Z 축과 직각 방향인 지상과의 수평(Horizon) 방향( θ = 0°)으로부터 멀어지는 θ = 90°방향 및 θ = - 90°방향으로도 전파가 방사(Radiation) 된다.

특히, 지상과 각도가 커지는 상단 방향, 즉, θ = - 90°방향으로 방사되는 전파의 전력은 불필요하게 낭비되는 것이다.

상기 상단방향의 θ = - 90°방향으로 불필요하게 방사되는 방사 전력을 지상과 평행 방향인 θ = 0°방향으로 방사(Radiation)되도록 하는 경우, θ = 0°방향에서 최대의 방사 전력을 얻을 수 있고, 해당 기지국의 서비스 영역(Service Area)을 최대로 할 수 있다.

따라서, 상기 상단 방향으로 방사(Radiation)되는 전파의 전력을, 상기 기지국용 안테나의 상단 끝 부분인 원점에 형성되는 ρ축과 일정한 α각을 갖는 상부 반사판(65)을 사용하여 반사(Reflect) 시킴으로써, 반사된 전파의 신호가 지상과 수평방향으로 방사(Radiation) 되도록 한다.

상기 첨부된 도4 를 참조하여 다시 설명하면, 상기 반사판(65)이 설치되는 경우, 지상과 수평 및 하단 방향인 θ > -α에서는, 각 엘리먼트 안테나(10)로부터 직접 방사되는 전파와 상기 상부 반사판(65)에서 반사(Reflect)되어 방사되는 전파의 합으로, 상기 목표 지점에서 검출되고, 지상과 수평 및 상단 방향인 θ < -α에서는, 각 엘리먼트 안테나(10)로부터 직접 방사되는 전파와 상기 상부 반사판(65)에서 차폐되어 전파(Propagation) 또는 방사(Radiation) 되지 못한다.

따라서, 상단방향인 θ < -α에서는 전파(Frequency)의 방사를 거의 없게 하고, θ = 0° 방향에서는 최대 이득(Gain)을 얻을 수 있으며, θ > -α에서 방사되는 패턴(Pattern)은 각 엘리먼트 안테나(10)와 상부 반사판(65)에서 반사된 전파 전력의 합으로써, 각 전파의 위상(Phase)을 고려하여 구하면, 다음 수학식과 같이 구할 수 있다.

상기의 수학식3 에서의 지상과의 수평 방향 이득이 최대인 경우는, 각 엘리먼트 안테나(10)로부터 직접 방사되는 전파와 상기 반사기(65)에서 반사된 전파의 위상이 θ = 0°에서 동위상이 되는 경우이고, 2π/λ di sin(2α)=(2i-1)π인 경우는, 각각의 엘리먼트 안테나(10)가 기지국용 안테나 상단 끝 부분의 원점으로부터 어레이(Array) 형태로 배치되는 거리(di)는 다음 수학식과 같이 구할 수 있다.

di = (2i - 1) λ/2sin(2α)

각각의 엘리먼트 안테나(10)의 위치는 상기의 수학식 4를 이용하여 계산 및 설치하고, 상기의 수학식 3을 이용하여 상기 반사판(65)의 설치 각도를 구하면, 기존의 기지국용 안테나보다 지상의 수평 방향으로 최대의 이득(Gain)을 구할 수 있을 뿐 아니라 효율적인 기지국용 안테나를 운용할 수 있다.

상기 반사판(67)은 망 또는 그믈(Mesh) 형태의 그리드(Grid) 판을 사용하므로써 강한 바람에 의한 저향력을 적게 하고 무게를 가볍게 할 수 있으며, 상한 바람 또는 무게 등에 영향을 받지 않는 곳에서는 평판으로 사용할 수도 있다.

상기 첨부된 도5 는 기지국용 옴니 안테나(20)의 상단 끝 부분에 콘(Cone) 형태로 설치된 반사판(66)을 보여 주고 있으며, 상기 도6에서는 기지국용 섹터 안테나의 상단 끝 부분에 부채꼴 형태로 설치된 반사판(67)을 보여 주고 있다.

상기와 같은 본 고안의 기술은 기지국용 옴니 및 섹터 안테나에 있어서, 상단 끝 부분의 원점에 일정한 각도를 갖는 반사판을 설치하고, 각각의 엘리먼트 안테나로부터 방사되는 전파 신호의 위상이 동위상이 되도록 하므로써, 수평방향의 전계 강도를 높게 하고, 이득을 향상시키며, 서비스 영역(Service Area) 또는 커버리지 영역(Coverage Area)을 향상시킬 수 있는 공업적 이용 효과가 있다.

Claims

기지국용 안테나에 있어서,

기지국용 안테나와 측부 반사판의 상측 원점에 소정의 각도를 형성하며 부착되고, 상방향으로 방사되는 전파를 차단 및 반사시켜 수평방향으로 최대의 번력이 방사되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나
제1 항에 있어서,

상기 측부 및 상부 반사판은 그리드판 또는 평판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 상부 반사판이 설치된 기지국용 안테나