KR20020068487A - 원편파형 고효율 안테나 - Google Patents

원편파형 고효율 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직으로 배열된 복사기들에 급전되는 전력비와 위상비(phase ratio)를 조절하여 저앙각으로 원편파를 방사하도록 된 고효율 원편파 안테나에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 안테나는 중앙 부위에 위치한 주급전점으로부터 상,하측으로 각각 n개의 복사기를 갖는 수직배열 안테나에 있어서, 수직방향으로 일렬로 배열됨과 아울러 수직 및 수평방향으로 각각의 부급전점을 갖고 원편파를 발생하는 2n개의 복사기; 상기 주급전점으로 급전된 전력을 해당 복사기로 분배하기 위한 2(n-1)개의 전력분배기; 상기 전력분배기를 통해 급전된 전력을 각 복사기별로 위상이 다르도록 위상 변환하기 위한 2n개의 제1 위상변위기; 및 상기 각 복사기의 수직 부급전점과 수평 부급전점 사이에 급전되는 신호가 90도의 위상차를 갖도록 하기 위해 상기 수직 부급전점이나 수평 부급전점에 연결되는 2n개의 제2 위상 변위기를 포함하여 상기 전력분배기에 의해 각 복사기에 인가되는 전력비를 조절하고 상기 제1 위상변위기에 의해 각 복사기에 인가되는 위상비를 조절하여 급전함으로써 안테나 전체의 전파복사 패턴이 고앙각 복사를 억제하고, 저앙각 복사를 증가시켜서 통신효율이 높도록 된 것이다.

Description

원편파형 고효율 안테나{A High Efficient Antenna For Circular Polarization}
본 발명은 무선통신에 사용되는 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직으로 배열된 복사기들에 급전되는 전력비(power ratio)와 위상비(phase ratio)를 조절하여 저앙각으로 원편파를 방사하도록 된 고효율 원편파 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 안테나는 무선전파를 자유공간으로 방사하거나 수신하기 위한 것으로, 다양한 분류기준이 있으나 통상적으로 선형 안테나, 개구면 안테나, 마이크로 스트립 안테나, 배열 안테나, 반사기 안테나, 렌즈 안테나 등으로 구분할 수 있다. 그리고 안테나에서 방사되는 전파는 일정한 패턴을 갖는데, 방사되는 전파의 편파는 전계나 자계가 진동하는 방향과 파동이 진행하는 방향에 따라 직선편파, 원편파, 타원편파 등으로 구분된다.
한편, 이동통신이나 고정통신에 사용되고 있는 기지국이나 중계기 등에는 송신기 및 수신기와 함께 안테나가 설치되어 있다. 그러나 현재 범용으로 사용되고있는 종래의 안테나들은 전파를 복사함에 있어 고앙각으로 복사되어 안테나의 복사효율이 저하되는 문제점이 있고, 복사 편파도 직선편파 또는 복편파를 사용함으로 반사 전파에 장애가 커서 통신효율이 낮은 문제점이 있다. 즉, 현재 상용서비스 중인 이동통신과 같이 음성신호 위주의 양방향 통신은 통신중단에 대한 대처가 다소 용이하나 IMT-2000과 같이 데이터 위주의 통신일 경우에는 통신중단으로 인한 복원이 어려우므로 보다 강화된 전파환경이 요구된다. 따라서 기존의 안테나에 비해서 서비스 지역으로 보다 강한 전파를 복사시켜줄 수 있는 개선된 방사패턴이 요구되고, 원형 편파를 사용함으로써 전자파 손실과 페이딩을 줄일 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 저앙각으로 원편파를 방사할 수 있는 고효율 원편파 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열된 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도,
도 1b는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열된 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도,
도 2a는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열되고 수직/수평 다이폴형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도,
도 2b는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열되고 수직/수평 다이폴형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도,
도 3a는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열되고 2 다이폴형 수직/수평 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도,
도 3b는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열되고 2 다이폴형 수직/수평 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도,
도 4a는 본 발명에 따라 수직 3열로 배열된 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도,
도 4b는 본 발명에 따라 수직 3열로 배열된 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도,
도 5a는 본 발명에 따른 원편파 안테나의 수직 복사 패턴,
도 5b는 본 발명에 따른 원편파 안테나의 수평 복사 패턴,
도 6a는 본 발명에 따른 2 주파수 원편파형 고효율 안테나의 정면도,
도 6b는 본 발명에 따른 2 주파수 원편파형 고효율 안테나의 평면도.
☞도면의 주요부분에 대한 부호의 설명☜
111~11n,11'1~11'n: 원형 복사기12: 반사판
131~13n,13'1~13'n: 제2 위상 변위기141~14n,14'1~14'n: 제1 위상변위기
151~15n-1,15'1~15'n-1: 전력분배기16: 주급전부
17: 커버18: 지지대
21v1~21vn,21'v1~21'vn,21h1~21hn,21'h1~21'hn: 다이폴 복사기22: 반사판
231~23n,23'1~23'n: 제2 위상 변위기241~24n,24'1~24'n: 제1 위상변위기
251~25n-1,25'1~25'n-1: 전력분배기26: 주급전부
27: 커버28: 지지대
31v1~31vn,31'1~31'vn,31h1~31hn,31'h1~31'hn: 다이폴 복사기32: 반사판
331~33n,33'1~33'n: 제2 위상 변위기341~34n,34'1~34'n: 제1 위상변위기
351~35n-1,35'1~35'n-1: 전력분배기36: 주급전부
37: 커버38: 지지대
Q1,Q2: 부급전부
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 안테나는, 중앙 부위에 위치한 주급전점으로부터 상,하측으로 각각 n개의 복사기를 갖는 수직배열 안테나에 있어서, 수직방향으로 일렬로 배열됨과 아울러 수직 및 수평방향으로 각각의 부급전점을 갖고 원편파를 발생하는 2n개의 복사기; 상기 주급전점으로 급전된 전력을 해당 복사기로 분배하기 위한 2(n-1)개의 전력분배기; 상기 전력분배기를 통해 급전된 전력을 각 복사기별로 위상이 다르도록 위상 변환하기 위한 2n개의 제1 위상변위기; 및 상기 각 복사기의 수직 부급전점과 수평 부급전점 사이에 급전되는 신호가 90도의 위상차를 갖도록 하기 위해 상기 수직 부급전점이나 수평 부급전점에 연결되는 2n개의 제2 위상 변위기를 포함하여 상기 전력분배기에 의해 각 복사기에 인가되는 전력비를 조절하고 상기 제1 위상변위기에 의해 각 복사기에 인가되는 위상비를 조절하여 급전함으로써 안테나 전체의 전파복사 패턴이 고앙각 복사를 억제하고, 저앙각 복사를 증가시켜서 통신효율이 높도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복사기는 원형 복사기, 다이폴 복사기, 서로 직교하는 2중 다이폴 복사기 중 어느 하나이고, 상기 안테나는 복사기들이 적어도 2 열 이상으로 수직으로 배열되어 수평 복사 패턴을 좁히고 이득을 높인 것이다.
그리고 상기 제2 위상변위기가 수평 급전점에 연결되면 상기 복사기는 제1 방향으로 회전하는 회전 원편파를 생성하고, 상기 제2 위상변위기가 수직 급전점에 연결되면 상기 제1 방향과 반대되는 방향으로 회전하는 회전 원편파를 생성하며, 상기 복사기는 서로 다른 주파수 대역을 방사하는 복사기들이 교번적으로 배열되고, 서로 별개의 급전경로를 통해 급전되어 적어도 2개 이상의 주파수 대역을 지원할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따라 고앙각 전파복사를 억제하고, 저앙각 전파복사를 증가시켜서 지상, 및 건물에서 복사 전력을 증가시킬 수 있는 고효율 원편파 안테나는다양한 형태의 복사기를 다양한 방식으로 배열하여 구현될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 사용되는 복사기의 종류에 따라 원형 복사기를 사용하는 제1 실시예, 다이폴 복사기를 사용하는 제2 실시예, 이중 다이폴 복사기를 사용하는 제3 실시예로 구분하여 설명하고, 복사기들을 수직 3열로 배열한 예를 제4 실시예로, 수직 1열에서 2개의 주파수대를 지원하는 예를 제5 실시예로 구분하여 각각 설명한다.
제 1 실시예
도 1a는 본 발명에 따라 수직 1열로 배열된 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도이고, 도 1b는 그 안테나의 평면도이다.
본 발명에 따른 제 1 실시예의 원편파 안테나는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 주급전부(16)가 있는 중앙을 중심으로 상측으로 n개의 원형 복사기(111~11n)가 수직으로 배열되어 있고, 하측으로도 n 개의 원형 복사기(11'1~11'n)가 수직으로 배열되어 있다. 각 원형 복사기(111~11n,11'1~11'n)는 수직방향의 부급전점(Q)과 수평방향의 부급전점(Q')을 갖고 있고, 각 부급전점(Q,Q')을 통해 서로 위상차가 90도 되는 고주파신호를 입력받아 원편파를 발생한다.
상부 원형 복사기들(111~11n)에 있어서 급전은 주급전부(16)에 가까운 전력분배기(151)부터 순차적으로 거치면서 이루어지는데, 각 전력분배기(151~15n-1)를 거친고주파신호는 해당 복사기(111~11n)에 연결된 제1 위상 변위기(141~14n)에서 일차로 위상 변위된 후 수직 부급전점(Q)으로는 제1 위상변위기(141~14n)를 거친 신호가 그대로 급전되고, 수평 부급전점(Q')으로는 제2 위상변위기(131~13n)에서 90도 위상변위된 신호가 급전된다. 따라서 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q')에 급전되는고주파신호는 90도의 위상차를 갖게 되고, 이에 따라 원형 복사기(111~11n)는 원편파를 방사하게 된다.
하부 원형 복사기(11'1~11'n)들에 있어서의 급전도 상부 복사기(111~11n)와 유사한 방식으로 이루어진다. 즉, 하부 원형 복사기들에 있어서 급전은 주급전부(16)에 가까운 전력분배기(15'1)부터 순차적으로 거치면서 이루어지는데, 각 전력분배기(15'1~15'n-1)를 거친 고주파신호는 해당 복사기(11'1~11'n)에 연결된 제1 위상변위기(14'1~14'n)에서 일차로 위상 변위된 후 수직 부급전점(Q)으로는 제1 위상변위기(14'1~14'n)를 거친 신호가 그대로 급전되고, 수평 부급전점(Q')으로는 제2 위상변위기(13'1~13'n)에서 90도 위상변위된 신호가 급전된다. 따라서 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q')에 급전되는고주파신호는 90도의 위상차를 갖게 되고, 이에 따라 원형 복사기(11'1~11'n)는 원편파를 방사하게 된다.
그리고 각 원형 복사기에서 방사된 전파들은 반사판(12)에 의해 전방으로 반사되어 전체적으로 도 5에 도시된 바와 같은 일정한 지향성을 갖는 방사 패턴을 형성하게 된다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예의 안테나는 전체 안테나의 중앙 부위에 위치한 주급전부(16)와, 수직 1열로 배열되고 수직 및 수평방향으로 각각의 부급전점을 갖는 2n개의 원형 복사기(111~11n,11'1~11'n)와, 주급전부(16)를 통해 급전된 전력을 해당 원형 복사기로 분배하기 위한 2(n-1)개의 전력분배기(151~15n-1,15'1~15'n-1)와, 급전된 전력을 입력받아 각 복사기별로 위상이 다르도록 위상 변환하기 위한 2n개의 제1 위상변위기(141~14n,14'1~14'n), 원형 복사기의 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q') 사이에 90도의 위상차를 갖도록 하기 위한 2n개의 제2 위상 변위기(131~13n,13'1~13'n)로 구성된다. 이러한 원형 복사기는 마이크로 스트립 안테나로 구현될 경우 기판 위에 구현될 수도 있고, 통상의 안테나에서와 같이 후면에 반사기(12)가 설치되고, 전면에는 커버(17)에 의해 보호되며 안테나 기구부재들에 의해 지지봉(18)에 부착되어 지지된다. 통상적으로 복사기(11)와 반사판(12)간의 거리는 λ/4가 바람직하며, 안테나 기구적인 부분에 대한 설명은 통상의 안테나와 동일하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 급전 커넥터(16)로 급전된 고주파신호는 전력 분배기들(151~15n-1,15'1~15'n-1)에서 분배되어 해당 복사기로 전달된다. 이때 제1 위상변위기(141~14n,14'1~14'n)는 수직 배열된 복사기간에 위상차가 발생하도록 일차로 위상 변위시킨 후 수직 부급전점(Q)으로 출력하고, 제2 위상변위기(131~13n,13'1~13'n)는 제1 위상변위기(141~14n,14'1~14'n)의 출력을 입력받아 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q') 사이에 90도 위상차를 갖도록 위상 변위시켜 수평 부급전점(Q')으로 출력한다.
이와 같이 제2 위상변위기(131~13n,13'1~13'n)에 의해 각 복사기의 급전점 Q, Q' 의 위상차를 약 90도가 되도록 급전함으로써 원편파(타원편파)를 구성하게 하여 전체 복사기에서 원편파가 복사되게 한다. 또한 본 발명의 다른 실시예로서 제2 위상 변위기(131~13n,13'1~13'n)를 Q측에 부착할 경우, 원편파의 방향이 역회전하게 되어 좌회전 원편파(LHCP), 또는 우회전 원편파(RHCP) 복사를 가능케 한다.
이와 같은 구성에서 본 발명은 전력분배기들(151~15n-1,15'1~15'n-1)을 통하여 수직 배열 소자들의 전력비율을 각기 다르게 분배 급전하고, 또 제1 위상 변위기(141~14n,14'1~14'n)를 통하여 각각 다른 위상으로 급전하여 고앙각 전파복사 억제하고, 저앙각 복사를 증가시켜서 지상, 및 건물에 복사 전력을 대폭 증가시켜서 고효율로 복사하게 한다. 이와 같이 하여 지상 가입자들의 송,수신율을 높임과 동시에 인근 타 기지국 서비스 영역에 까지 전파가 도달하는 것을 대폭 억제하여 전파 간섭을 억압할 수 있다.
다음 표 1은 본 발명의 제1 실시예에서 각 전력분배기와 제1 위상 변위기의 전력비 및 위상비의 예이다.
복사기구분 전력분배 위상변위
상부 n pn φn
... .... ....
3 p3 φ3
2 p2 φ2
1 p1 φ1
중앙 P φ
하부 1' p1' φ1'
2' p2' φ2'
3' p3' φ3'
... .... ....
n' pn' φn'
상기 표 1에서와 같이 안테나의 주 급전 커넥터로 급전되는 고주파신호의 크기를 P라하고 위상을 φ라 할 경우에, 전력분배기에 의해 각 상부 복사기로 분배되는 전력은 p1,p2,p3..pn이 되게 하고, 제1 위상변위기에 의해 위상을 φ1,φ2,φ3,..φn이 되게 한다. 그리고 전력분배기에 의해 각 하부 복사기로 분배되는 전력은 p1',p2',p3'..pn'이 되게 하고, 제1 위상변위기에 의해 위상을 φ1',φ2',φ3',..φn'이 되게 한다. 이와 같이 본 발명에 따르면 수직 배열된 복사기로 급전되는 전력과 위상을 적절히 조절함으로써 고앙각 전파복사 억제하고, 저앙각 복사를 증가시켜서 지상, 및 건물에 복사 전력을 대폭 증가시켜서 고효율로 복사할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 우드워드-로손 샘플링(Woodward-Lawson sampling) 방법을 이용한 안테나 합성법으로 역 코시컨트(Inverted Cosec2θ) 방사패턴을 얻을 수 있는데, 역 코시컨트 방사패턴은 수직 배열된 복사기에 인가되는 전력비와 위상비를 조정하여 형성할 수 있다.
제 2 실시예
도 2a는 본 발명에 따라 수직/수평 다이폴형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도이고, 도 2b는 수직/수평 다이폴형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도이다.
본 발명에 따른 제 2 실시예의 안테나는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 중앙 부위에 위치한 주급전점(26), 수직 1열로 배열되고 수직방향과 수평방향으로 각각의 부급전점을 갖는 2n개의 수직/수평 다이폴 복사기 쌍(21H1~21Hn,21V1~21Vn) (21'H1~21'Hn,21'V1~21'Vn)과, 주급전점(26)으로 급전된 전력을 해당 다이폴 복사기 쌍으로 분배하기 위한 2(n-1)개의 전력분배기(251~25n-1)(25'1~25'n-1), 급전된 전력을 입력받아 각 복사기 쌍별로 위상이 다르도록 위상 변환하기 위한 2n개의 제1 위상변위기(241~24n)(24'1~24'n), 복사기 쌍의 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q') 사이에 90도의 위상차를 갖도록 하기 위한 2n개의 제2 위상 변위기(231~23n)(23'1~23'n)로 구성된다.
제2 실시예의 복사기는 서로 직교하는 수평 다이폴(21H1~21Hn)(21'H1~21'Hn)과 수직 다이폴(21V1~21Vn)(21'V1~21'Vn) 쌍으로 이루어지고, 통상의 안테나에서와 같이 후면에 반사기(22)가 설치되고, 전면에는 커버(27)에 의해 보호되며 안테나 기구부재들에 의해 지지봉(28)에 부착되어 지지된다. 통상적으로 복사기와 반사판간의 거리는 λ/4가 바람직하며, 안테나 기구적인 부분에 대한 설명은 통상의 안테나와 동일하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 급전 커넥터(26)로 급전된 고주파신호는 전력분배기들(251~25n-1)(25'1~25'n-1)에서 분배되어 해당 복사기로 전달된다. 이때 제1 위상변위기(241~24n)(24'1~24'n)는 수직 배열된 복사기간에 위상차가 발생하도록 일차로 위상 변위시킨 후 수직 부급전점(Q)으로 출력하고, 제2 위상 변위기(231~23n)(23'1~23'n)는 제1 위상변위기(241~24n)(24'1~24'n)의 출력을 입력받아 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q') 사이에 90도 위상차를 갖도록 위상 변위시켜 수평 부급전점(Q')으로 출력한다.
원편파를 발생하기 위한 하나의 수직/수평 복사기 쌍은 통상의 반파장 다이폴이 수직방향과 수평방향으로 직교하도록 배열되어 있고, 각 수직 다이폴에는 제1 위상분배기의 출력이 수직 급전점(Q)을 통해 급전되고, 각 수평 다이폴에는 제2 위상변위기에서 90도 위상변위된 신호가 수평 급전점(Q')을 통해 급전된다. 이와 같이 제2 위상변위기에 의해 각 복사기의 부급전점 Q, Q' 의 위상차를 약 90도가 되도록 급전함으로써 원편파(타원편파)를 구성하게 하여 전체 복사기에서 원편파가 복사되게 한다. 또한 본 발명의 다른 실시예로서 제2 위상 변위기를 Q측에 부착할 경우, 원편파의 방향이 역회전하게 되어 좌회전, 또는 우회전 편파 복사를 가능케 한다.
이와 같은 구성에서 본 발명은 전력분배기들을 통하여 수직 배열 소자들의 전력비율을 각기 다르게 분배 급전하고, 또 제1 위상 변위기를 통하여 각각 다른 위상으로 급전하여 고앙각 전파복사 억제하고, 저앙각 복사를 증가시켜서 지상, 및 건물에 복사 전력을 대폭 증가시켜서 고효율로 복사하게 한다. 이와 같이 수평/수직 다이폴 복사기쌍을 이용한 경우에도 복사기의 구조가 다른 점을 제외하고 전체 동작은 제 1 실시예와 동일하므로 반복을 피하기 위하여 더 이상의 설명은 생략한다.
제 3 실시예
도 3a는 본 발명에 따라 2 다이폴형 수직/수평 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도이고, 도 3b는 2 다이폴형 수직/수평 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도이다.
본 발명에 따른 제 3 실시예의 안테나도 앞서 설명한 제1 실시예 및 제2 실시예의 구조와 동일하다. 다만 제 3 실시예의 복사기는 도 3a에 도시된 바와 같이 수직방향으로 좌우 2개의 다이폴(21V1~21Vn,21'V1~21'Vn)이 설치되어 수직 부급전점(Q)을 통해 급전되고, 수평방향으로 상하 2개의 다이폴(21H1~21Hn, 21'H1~21'Hn)이 설치되어 수평 부급전점(Q')을 통해 급된되어 원편파를 방사한다. 이와 같이 제 3 실시예의 경우에도 복사기의 구조가 다른 점을 제외하고, 전체 동작은 제 1 실시예와 동일하므로 반복을 피하기 위하여 더 이상의 설명은 생략한다.
제 4 실시예
도 4a는 본 발명에 따라 수직 3열 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 정면도이고, 도 4b는 수직 3열 원형 복사기를 이용한 원편파 안테나의 평면도이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 안테나는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 주급전부(46)가 있는 중앙을 중심으로 상측으로 3n개의 원형 복사기가 수직 3열(A/1~A/n)(B/1~B/n)(C/1~C/n)로 배열되어 있고, 하측으로도 3n 개의 원형 복사기가 수직 3열(A/1'~A/n')(B/1'~B/n')(C/1'~C/n')로 배열되어 있다. 각 원형 복사기는 수직방향의 부급전점(Q)과 수평방향의 부급전점(Q')을 갖고 있고, 각 부급전점을 통해 서로 위상차가 90도되는 고주파신호를 입력받아 원편파를 발생한다.
상부 원형 복사기들(A/1~A/n)(B/1~B/n)(C/1~C/n)에 있어서 급전은 주급전부에 가까운 전력분배기(451)부터 순차적으로 거치면서 이루어지는데, 각 전력분배기(451~45n-1)를 거친 고주파신호는 동일한 행의 복사기에 연결된 제1 위상변위기(441~44n)에서 일차로 위상 변위된 후 동일 행에 위치한 각 복사기의 수직 부급전점(Q)으로는 그대로 급전되고, 각 원형 복사기의 수평 부급전점(Q')으로는 각 원형 복사기의 수평 부급전점에 연결된 각각의 제2 위상변위기(431~43n)에서 90도 위상변위된 신호가 급전된다. 따라서 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q')에 급전되는고주파신호는 90도의 위상차를 갖게 되고, 이에 따라 각 원형 복사기는 원편파를 방사하게 된다. 여기서, 각 복사기들은 ±45도 임의 각으로 회전하여 설치할 수 있으나 각 복사기의 Q, Q' 위상은 전기각 90도를 유지하도록 해야 한다.
하부 원형 복사기들(A/1'~A/n')(B/1'~B/n')(C/1'~C/n')에 있어서의 급전도 상부 복사기와 유사한 방식으로 이루어진다. 즉, 하부 원형 복사기들에 있어서 급전은 주급전부(46)에 가까운 전력분배기(45'1)부터 순차적으로 거치면서 이루어지는데, 각 전력분배기(45'1~45'n)를 거친 고주파신호는 동일 행의 각 복사기에 연결된 제1 위상변위기(44'1~44'n)에서 일차로 위상 변위된 후 각 수직 부급전점(Q)으로 그대로 급전되고, 동일 행의 각 복사기 수평 부급전점(Q')으로는 각각의 제2 위상변위기(43'1~43'n)에서 90도 위상 변위된 신호가 급전된다. 따라서 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q')에 급전되는 고주파신호는 90도의 위상차를 갖게 되고, 이에 따라 각 원형 복사기는 원편파를 방사하게 된다.
그리고 각 원형 복사기에서 방사된 전파들은 반사판(42)에 의해 전방으로 반사되어 전체적으로 도 5에 도시된 바와 같은 일정한 지향성을 갖는 방사 패턴을 형성하게 된다.
도 5a는 본 발명에 따른 안테나의 수직 복사 패턴으로서, 철탑(51) 위 지지대(52)에 설치된 안테나(53)가 전방으로 방사하는 패턴이 도시되어 있고, 안테나(53)에서 지면에 수평한 일점쇄선은 앙각이 0도인 것을 나타낸다. 그리고 본 발명의 실시예에서는 앙각이 0도 이상인 것을 고앙각이라 하고, 0도 이하인 것을 저앙각이라 한다. 도 5b는 본 발명에 따른 안테나의 수평 복사 패턴이다.
도 5a의 수직 패턴도에서 "A"는 기존 운용(사용)중인 안테나의 복사 패턴이고, "B"는 발명에 따른 안테나의 수직 패턴도이다. "A"와 "B"를 비교해 보면, 본 발명에 따라 안테나에서 방사되는 전력이 저앙각(지상)으로 대폭 증가(2배 이상)된 것을 알 수 있다.
도 5b는 본 발명 안테나의 수평 복사 패턴으로, "C"는 수직 1열 배열시 복 패턴이고, "D"는 수직 다열 (A,B,C …열) 배열시 복사 패턴이다. 도 5b를 참조하면, 수직 다열로 배열할 경우에 폭이 좁아져 지향성이 향상되고 이득이 커져 도달거리가 향상된 것을 알 수 있다.
제 5 실시예
도 6a는 본 발명에 따른 2 주파수 원편파형 고효율 안테나의 정면도이고, 도 6b는 본 발명에 따른 2 주파수 원편파형 고효율 안테나의 평면도이다.
본 발명에 따른 제 5 실시예의 원편파 안테나는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 주급전부(L6,H6)가 있는 중앙을 중심으로 상측과 하측으로 고주파수대의 복사기(H11~H1n,H1'1~H1'n)와 저주파수대의 복사기(L11~L1n,L1'1~L1'n)가 교번적으로 설치되어 있고, 서로 다른 급전경로를 통해 별개로 급전되는 것을 알 수 있다.
즉, 저주파수대의 복사기들(L11~L1n,L1'1~L1'n)은 중앙의 주급전부(L6)로부터 상측으로 n개의 원형 복사기(L11~L1n)가 수직으로 배열되어 있고 하측으로도 n 개의 원형복사기(L1'1~L1'n)가 수직으로 배열되어 있다. 그리고 각 원형 복사기(L11~L1n, L1'1~L1'n)는 수직방향의 부급전점(Q)과 수평방향의 부급전점(Q')을 갖고 있고, 각 부급전점(Q,Q')을 통해 서로 위상차가 90도가 되는 고주파신호를 입력받아 원편파를 발생한다.
상부 및 하부의 저주파수대 원형 복사기들(L11~L1n,L1'1~L1'n)에 있어서 급전은 주급전부(L6)에 가까운 전력분배기(L51)부터 순차적으로 거치면서 이루어지는데, 각 전력분배기(L51~L5n)(L5'1~L5'n)를 거친 고주파신호는 해당 복사기에 연결된 제1 위상변위기(L41~L4n)(L4'1~L4'n)에서 일차로 위상 변위된 후 수직 부급전점(Q)으로는 제1 위상변위기(L41~L4n)(L4'1~L4'n)를 거친 신호가 그대로 급전되고, 수평 부급전점(Q')으로는 제2 위상변위기(L31~L3n)(L3'1~L3'n)에서 90도 위상 변위된 신호가 급전된다. 따라서 수직 부급전점(Q)과 수평 부급전점(Q')에 급전되는 고주파신호는 90도의 위상차를 갖게 되고, 이에 따라 원형 복사기는 원편파를 방사하게 된다.
한편, 고주파수대의 복사기들(H11~H1n,H1'1~H1'n)은 중앙의 주급전부(H6)로부터 상측으로 n개의 원형 복사기(H11~H1n)가 수직으로 배열되어 있고, 하측으로도 n 개의 원형 복사기(H1'1~H1'n)가 수직으로 배열되어 있다. 그리고 각 원형 복사기(H11~H1n,H1'1~H1'n)는 수직방향의 부급전점(Q)과 수평방향의 부급전점(Q')을 갖고 있고, 각 부급전점(Q,Q')을 통해 서로 위상차가 90도 되는 고주파신호를 입력받아 원편파를 발생한다.
이와 같이 제 5 실시예에 있어서는 수직 1열로 배열된 복사기들이 중앙을 중심으로 상하 대칭되는 구조로 되어 있고, 서로 다른 주파수대의 복사기들이 교번적으로 배열되어 서로 다른 2개 주파수 대역에 대한 무선신호를 방사하도록 되어 있다.
이러한 본 발명의 제 5 실시예는 2주파수 밴드 예컨대, 셀룰러와 IMT-2000, 또는 셀룰러와 PCS, 또는 PCS와 IMT-2000 등으로 배열된 안테나로서, 낮은 주파수 밴드의 복사기 배열 사이에 높은 주파수 밴드의 복사기가 삽입되어 있다. 그리고 각 주파수 밴드의 복사기들은 제 1 실시예와 같은 원리로 동작하는데, 예컨대 낮은 주파수 밴드의 안테나는 주급전부(L6)에 급전된 전력을 전력분배기(L51~L5n) (L5'1~L5'n)와 제1 위상변위기(L41~L4n) (L4'1~L4'n)와 제2 위상변위기(L31~L3n) (L3'1~L3'n)를 거쳐 낮은 주파수대 복사기(L11~L1n,L1'1~L1'n)로 전달하여 고앙각 복사를 억압하고, 저앙각 복사를 증가시킨 원편파를 방사하고, 높은 주파수 밴드의 안테나는 주급전부(H6)에 급전된 전력을 전력분배기(H51~H5n)(H5'1~H5'n)와 제1 위상변위기(H41~H4n)(H4'1~H4'n)와 제2 위상변위기(H31~H3n)(H3'1~H3'n)를 거쳐 각 복사기(H11~H1n,H1'1~H1'n)에 전달하여 고앙각 복사를 억압하고 저앙각 복사를 증가시킨 원편파를 방사한다.
그리고 원형 복사기는 마이크로 스트립 안테나로 구현될 경우 기판 위에 구현될 수도 있고, 통상의 안테나에서와 같이 후면에 반사기(62)가 설치되고, 전면에는 커버(67)에 의해 보호되며 안테나 기구부재들에 의해 지지봉(68)에 부착되어 지지된다. 안테나 기구적인 부분에 대한 설명은 통상의 안테나와 동일하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상의 실시예들에서 본 발명의 고효율 원편파 안테나를 구성함에 있어 각 안테나 소자들 즉, 전력분배기와 위상변위기들은 "모듈"형으로 사용할 수도 있고, 또는 마이크로 스트립형으로 구성할 수도 있으며, 혹은 동축형으로도 구성할 수 있다. 특히, 마이크로 스트립형으로 구성할 경우는 제1 위상변위기와 제2 위상변위기, 전력분배기는 동일 마이크로 스트립 배선상에 설계 구성할 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명한 실시예에 국한되지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 즉, 본 발명은 다양하게 안테나 소자, 위상변위기, 전력분배기를 구성하여 원편파 (좌회전, 또는 우회전 ) 형성하고, 또 고앙각 (수평각 0도 이상) 복사율을 대폭 억제하고, 저앙각 (수평각 0도 이하 아랫방향)으로 복사율을 대폭 증가시켜서 안테나 통신 효율을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 수직으로 배열된 복사기들에 급전되는 전력이 90도 위상차게 되게 하여 원편파를 방사하고, 전력분배기와 위상변위기를 이용하여 각 복사기에 인가되는 전력비와 위상비를 조절하여 고앙각 전파복사를 억제하고 저앙각으로 방사하도록 하여 고효율의 안테나를 제공할 수 있다. 또한, 제2 위상 변위기를 부착하는 위치에 따라 원편파의 방향이 역회전하게 되어 좌회전, 또는 우회전 편파 복사를 가능케 한다. 특히, 서로 다른 주파수대의 복사기를 교번적으로 설치한 후 서로 다른 주파수대의 신호를 급전함으로써 하나의 안테나로 다양한 주파수대를 서비스할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 중앙 부위에 위치한 주급전점으로부터 상,하측으로 각각 n개의 복사기를 갖는 수직배열 안테나에 있어서,
    수직방향으로 일렬로 배열됨과 아울러 수직 및 수평방향으로 각각의 부급전점을 갖고 원편파를 발생하는 2n개의 복사기;
    상기 주급전점으로 급전된 전력을 해당 복사기로 분배하기 위한 2(n-1)개의 전력분배기;
    상기 전력분배기를 통해 급전된 전력을 각 복사기별로 위상이 다르도록 위상 변환하기 위한 2n개의 제1 위상변위기; 및
    상기 각 복사기의 수직 부급전점과 수평 부급전점 사이에 급전되는 신호가 90도의 위상차를 갖도록 하기 위해 상기 수직 부급전점이나 수평 부급전점에 연결되는 2n개의 제2 위상 변위기를 포함하여
    상기 전력분배기에 의해 각 복사기에 인가되는 전력비를 조절하고 상기 제1 위상변위기에 의해 각 복사기에 인가되는 위상비를 조절하여 급전함으로써 안테나 전체의 전파복사 패턴이 고앙각 복사를 억제하고, 저앙각 복사를 증가시켜서 통신효율이 높도록 된 것을 특징으로 하는 원편파형 고효율 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복사기는 원형 복사기인 것을 특징으로 하는 원편파형 고효율 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복사기는 서로 직각으로 교차하는 다이폴 복사기인 것을 특징으로 하는 원편파형 고효율 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복사기는 서로 직교하는 2중 다이폴 복사기인 것을 특징으로 하는 원편파형 고효율 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 복사기들이 적어도 2 열 이상으로 수직으로 배열되어 수평 복사 패턴을 좁히고 이득을 높인 것을 특징으로 하는 고효율 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 위상변위기가 수평 급전점에 연결되면 상기 복사기는 제1 방향으로 회전하는 회전 원편파를 생성하고, 상기 제2 위상변위기가 수직급전점에 연결되면 상기 제1 방향과 반대되는 방향으로 회전하는 회전 원편파를 생성하는 것을 특징으로 하는 고효율 안테나.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복사기는 서로 다른 주파수 대역을 방사하는 복사기들이 교번적으로 배열되고, 서로 별개의 급전경로를 통해 급전되어 적어도 2개 이상의 주파수 대역을 지원할 수 있는 것을 특징으로 하는 다주파수 밴드 고효율 안테나.
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