KR20030065609A - 광대역 특성을 갖는 비대칭 평판형 다이폴 안테나 및 이를이용한 다이폴 안테나 어레이 구조 - Google Patents

광대역 특성을 갖는 비대칭 평판형 다이폴 안테나 및 이를이용한 다이폴 안테나 어레이 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신(Cellular, PCS, IMT-2000 등) 서비스용 이중 편파 기지국 안테나에 적합한 다이폴 소자와 그 어레이 구조에 관한 것으로, 편파 다이버시티 방법을 적용하여 이동통신 서비스 품질을 저하시키는 페이딩 현상을 경감시켜 서비스의 질적 향상을 위한 것이다.
특히 평판형 다이폴 안테나에서, 안테나 급전은 에어스트립 급전부(132)와 케이블 급전부(134)를 혼용하여 사용하되 다이폴 소자 상단에 구성하여 광대역 및 임피던스 정합을 극대화 하였으며, 각 다이폴 소자(120)의 전체 길이를 비대칭(L, L')으로 하여 λ/2보다 짧게 구성하고, 이중 편파를 수신하기 위해 다이폴 소자를 마름모 형태로 배열하여 근접한 다이폴 소자(110)간의 상호결합 및 간섭현상을 최소화한 것을 특징으로 한다.

Description

광대역 특성을 갖는 비대칭 평판형 다이폴 안테나 및 이를 이용한 다이폴 안테나 어레이 구조{The asymmetrical flat type dipole antenna with broadband characteristics and dipole antenna array structure using the same elements}
본 발명은 이동통신(PCS, Cellular, IMT-2000 등) 서비스용 이중 편파 기지국 안테나에 적합한 다이폴 소자에 관한 것으로, 특히 이동통신 서비스 품질을 저하시키는 페이딩 현상을 경감시켜 서비스의 질적 향상을 위해 편파 다이버시티 방법을 적용한 이중 편파용 기지국 안테나의 방사 소자와 배열방법에 관한 것이다.
이동통신 기지국용 안테나의 방사 특성은 셀과 밀접한 관계가 있으며, 한정된 주파수를 효율적으로 이용하기 위해 이웃한 셀에서 동일 주파수를 재사용하고 있다. 이 때문에 기지국 안테나는 자국을 기점으로 하는 셀을 한정하여 조사하고, 다른 셀 방향으로 전파를 방사하지 않는 것이 바람직하다. 안테나의 지향성은 주빔 방향이 자국의 셀 영역 주변부를 향하도록(beam tilt)하여 간섭국에 대한 부엽이 충분히 낮아지도록 설계하여야하고, 안테나 이득은 셀 영역 주변부에서 소요 전계 강도를 만족할 수 있도록 전파 손실, 페이딩 열화량, 각종 마진에 의한 손실량을감안하여 결정함으로써 안테나의 크기와 주 빔폭이 결정된다. 또한 주파수의 반복 거리에서, 주빔의 수평 빔폭(섹터 수) 수직 빔 틸트 각 및 부엽 레벨이 정해지고, 송, 수신 겸용 여부에 따라 주파수 대역폭이 정해진다. 따라서, 이러한 안테나 특성을 만족하도록 안테나 소자를 적절히 선택하고, 선택된 소자를 이용해 배열 안테나를 설계해야 하며, 각 안테나들은 철탑 및 기타 구조물에 수직으로 부착되는 것을 고려하여 가급적 소형, 경량으로 제작되어야 한다.
도 1은 다이폴 배열 안테나에서 종래 다이폴 소자와 배열상태를 나타내는 도면으로, (a)는 케이블 급전 및 에어스트립 급전 다이폴 소자이고 (b)는 수직 배열을 나타낸다.
종래 안테나의 배열 구조를 살펴보면, 이동통신 서비스의 가장 큰 문제점이 되고 있는 페이딩 현상에 대하여 하나의 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나를 일정거리 이격시켜 설치하는 공간 다이버시티 방법을 이용하여 상기 페이딩 현상을 경감시키는데, 이러한 공간 다이버시티 방법은 공간적인 제약이 많을 뿐만아니라 비경제적인 것이 문제이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 편파 다이버시티 방법을 도입하여 이중 편파용 기지국 안테나를 제작하는데, 이런 종류의 안테나는 도 1의 간격 A, 간격 B와 같이 각 소자들이 물리적으로 서로 근접하게 설치되므로서 인접된 소자 상호간에 간섭현상이 발생되어 안테나 소자에 흐르는 전류의 크기, 위상 및 임피던스를 변화시켜 안테나 특성을 저하시키는 요인이 되어 기지국 시스템에 장애를 유발하게 된다. 결국 이러한 종류의 안테나에서 중요한 것은 간섭현상을 최소화하기 위한 방사 소자간의 격리도(isolation)에 관한 문제이다.
대체로, 방사 소자간의 간격이 λ/2보다 작을 경우에는 무엇보다도 빔의 합성이 많이 이루어지지 않아 송수신 이득 증가가 작고(간격이 작을수록), λ/2보다 클 경우에는 이득은 향상되나 사이드로브(sidelobe)가 상대적으로 많이 커져서(간격이 클수록) 빔의 합성이 제대로 이루어지지 않는 형태로 나타난다. 따라서 기지국용 안테나에서 방사 소자간의 간격이 λ/2인 경우에 최적의 이득 및 패턴을 얻을 수 있는 것으로 판단된다. 그러나 상기한 종래의 안테나 어레이에서, 방사 소자간의 간격(A)을 λ/2로 하는 것은 물리적으로 거의 붙어야 하는 것을 의미하므로 구현이 어려울 뿐만 아니라 소자간의 간섭현상이 심각하게 발생하는 결과를 초래한다. 따라서 종래의 안테나 어레이에서, 방사 소자간의 간격(A, B)은 0.7-1λ로 유지되며, 이 경우에 간격(A, B)이 λ/2인 것에 비하여 사이드로브가 많이 발생하게 되는 것은 감수하는 실정이다.
한편, 격리도에 관계없이 위의 발진현상을 방지하기 위한 방법으로 기지국향 및 서비스향 주파수를 서로 다르게 사용하는 변파중계 방법, 기지국신호를 광으로 받아 서비스 지역을 중계하는 광중계 방법 등이 사용되고 있다. 그러나, 상기 변파중계 방법은 주파수 대역을 많이 차지함은 물론 다단 중계가 어렵다는 단점이 있고, 광중계 방법은 설치비·유지보수비·회선임대비 등이 비싸 경제적인 부담이 큰 단점을 가지고 있다. 여기에 도 1에서와 같이 동일 주파수를 사용하는 RF 중계방식을 취하되 격리도의 문제를 해결한 안테나의 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 이중 편파용 기지국 안테나에서 광대역 특성을 가지면서 소자 길이가 비대칭인 평판형 다이폴 소자를 제공하고, 방사 소자간의 이격 거리를 최적의 이득 조건인 λ/2로 하되 물리적으로 구현이 용이하고 방사 소자간의 간섭현상을 최소화할 수 있는 배열구조를 제공하는 것이다.
도 1은 다이폴 안테나 어레이에서 종래 다이폴 소자와 배열 구조를 나타내는 도면으로, (a)는 케이블 급전 및 에어스트립 급전 다이폴 소자이고 (b)는 수직 배열을 나타낸다.
도 2는 광대역 및 임피던스 정합을 위해 개량된 비대칭 평판형 다이폴 소자를 나타낸 도면으로, (a)는 다이폴 소자의 펼쳐진 평면도이고, (b)는 다이폴 소자의 사시도이다.
도 3은 도 2의 다이폴 소자에 적용된 안테나 급전부를 나타낸 도면으로, 케이블 급전부가 (a)는 좌측에, (b)는 우측에 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이폴 안테나 어레이에서 다이폴 소자 배열 구조를 나타낸 도면으로, (a)는 일단위 안테나부에서 이중 편파를 수신하기 위한 다이폴 소자 배열 구조를, (b)는 수직/수평 배열 구조를 나타낸다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 안테나부102: 고정부재
104: 지지각110: 리플렉터
120: 다이폴 소자130: 급전부
132: 에어스트립 급전부133: 연결단
134: 케이블 급전부
상기된 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이중 편파용 기지국 안테나에서, 다이폴 소자의 전체 길이는 비대칭으로 λ/2보다 짧게 구성되고, 안테나 급전은 방사 소자 상단에 형성한 에어스트립 급전 라인의 가장자리에 케이블 급전부를 형성하며, 방사 소자간의 이격 거리는 λ/2로 하고 각 단의 이격거리는 0.7∼1λ로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 방사 소자 간의 상호결합 및 간섭현상을 최소화하기 위하여 각 단은 마름모 형태의 배열방법을 취한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 광대역 및 임피던스 정합을 위해 개량된 비대칭 평판형 다이폴 소자를 나타낸 도면으로, (a)는 다이폴 소자의 펼쳐진 평면도이고, (b)는 다이폴 소자의 사시도이다. 도 3은 도 2의 다이폴 소자에 적용된 안테나 급전부를 나타낸 도면으로, 케이블 급전부가 (a)는 좌측에, (b)는 우측에 있는 것이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 특성을 갖는 비대칭 평판형 다이폴 안테나(100)는
상기 안테나(100)의 하부에 평면적으로 배치되는 리플렉터(110)와,
상기 리플렉터(110)의 상단에 고정부재(102)를 매개로 하여 지지각(104) 상측단에 결합되며 좌우 비대칭(L, L')으로 전체 길이(D)가 λ/2보다 짧게 이루어진 다이폴 소자(120)와,
상기 다이폴 소자(120)의 일측 상단에 형성된 에어스트립 급전부(132)와 상기 고정부재(102)측으로부터 상기 에어스트립 급전부(132)의 가장자리 일측에 설치되는 케이블 급전부(134)로 이루어지며 입력된 전력을 분배하여 각 다이폴 소자(120)로 전송하는 급전부(130)로 구성된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 안테나를 구성하는 각 다이폴 소자(120)의 전체 길이(D)는 종래 다이폴 소자(=λ/2)보다 짧고, 좌우의 길이가 비대칭(L, L')으로 이루어지며, 이것은 다이폴 소자(120)간의 이격거리를 보다 크게 하여 방사 소자간의 상호결합 및 간섭현상을 최소화하기 위한 것이다.
상기 고정부재(102)는 리플렉터(110) 상측에 고정되고, 상기 고정부재(102)의 상측에 수직으로 설치되는 지지각(104)는 상기 리플렉터(110)와 다이폴 소자(120) 사이에 일정한 간격을 유지한다.
특히, 상기 다이폴 소자(120)와 에어스트립 급전부(132), 케이블 급전부(134)는 평판으로 이루어지며 지면에 수평하게 구성된다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 형성된 평판을 각부에서 직각으로 접어서 도 2b와 같이 형성된 안테나부(100)를 만들게 되며, 상술된 바와 같이 상기 다이폴 소자(120)와 급전부(130)의 면은 지면에 수평을 이루게 된다.
상기 에어스트립 급전부(132)와 케이블 급전부(134)를 포함하는 급전부(130)는 상기 다이폴 소자(120)에 대하여 수평을 이루기 위하여 연결단(133)으로 다이폴 소자(120)의 상측에 연결되며, 안테나 급전을 다이폴 소자 상단에 구성하므로서 광대역 및 임피던스 정합을 극대화한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다이폴 배열 안테나에서 다이폴 소자 배열상태를 나타낸 도면으로, (a)는 일단위 안테나부에서 이중 편파를 수신하기 위한 다이폴 소자 배열상태를, (b)는 수직/수평 배열상태를 나타낸다.
본 발명에 따른 광대역 특성을 갖는 비대칭 평판형 다이폴 안테나 어레이는 이중 편파를 수신하기 위하여 마름모 형태로 이루어져 있으며 최적 이득조건을 얻을 수 있도록 마주하는 각 다이폴 소자(120) 사이의 간격이 λ/2로 구성된다.
이때, 복수 개의 다이폴 소자(120)가 마름모 및 수직/수평 형태로 배열되는 구조에서 각 다이폴 소자(120) 사이에 간격 C와 간격 C'의 이격 거리가 발생되며,도 4a에 도시된 바와 같다.
특히, 각 다이폴 소자(120)간의 간격이 λ/2로 설치되어도 상기 다이폴 소자(120)의 전체 길이(D)가 λ/2보다 짧게 이루어져 있기 때문에, 상기 간격 C와 C'는 종래 안테나에서 각 방사 소자간의 간격을 λ/2로 하였을 때의 물리적인 이격 거리인 A, B(도 1b 참조)보다 크게 되므로, 즉 C 〉A,B 그리고 C'〉A,B , 방사 소자간의 상호결합 및 간섭현상을 최소화하게 된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 일단위의 안테나부(100)간의 간격은 격리도를 감안하여 0.7 ∼ 1λ로 한다.
상기와 같이 구성되는 안테나부(100)는 복수 개로 구성되어 미도시된 구조물 상측에 수직방향으로 설치되고, 상기 구조물은 안테나를 고정하기 위한 통상의 구조물이며, 옥외용 철탑 등이 여기에 포함된다.
또한, 본 발명의 상기 안테나부(100)는 옥외용 철탑 및 기타 구조물에 수직으로 부착되는 것을 고려하여 소형 및 경량으로 제작되는 것이 바람직하다.
상기된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 광대역 특성을 갖는 비대칭 다이폴 소자를 이용한 배열 안테나의 작용을 살펴보면, 먼저 외부 컨넥터로부터 일정 레벨의 외부 입력 전력이 공급되고, 공급된 전력은 전력 분배기를 통하여 일단의 안테나부(100)로 각각 공급되며, 일단의 안테나부(100)로 공급된 전력은 종래의 안테나 급전과는 달리 다이폴 소자(120) 상단에 형성된 에어스트립 급전부(132)의 가장자리에 위치한 케이블 급전부(134)를 통해 1차적으로 공급되고 2차적으로 에어스트립 급전부(132)를 통하여 각각의 안테나 방사 소자에 공급된다.
상기 각 다이폴 소자(120)에 전력이 공급되고 있는 상태에서 RF 신호가 인가되면, 다이폴 소자(120)는 전기적 특성(이득, 주 빔폭, 대역폭 등)에 따라 특정 신호를 송수신하게 된다.
이때, 상기 다이폴 소자(120)의 배열 방법에 있어서 각 다이폴 소자(120)의 배열 간격이 λ/2이고 일단위의 안테나부(100)간의 간격이 0.7∼1λ로 수직 배열되어 있기 때문에, 최적의 이득을 얻을 수 있고 격리도를 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 광대역 특성을 갖는 비대칭 평판형 다이폴 소자를 이용한 배열 안테나는 다이폴 소자(120)의 전체 길이(D)가 비대칭(L, L')의 형태로 λ/2보다 짧게 구성되고 상기 다이폴 소자(120)의 배열이 마름모 형태를 취함으로서 이중 편파를 수신할 수 있을 뿐만아니라 다이폴 소자(120)간의 간격이 가까워 발생되는 상호결합 및 간섭현상을 최소화할 수 있도록 하는데 효과가 있다.
또한, 페이딩 현상을 경감시켜 이동통신 서비스를 질적으로 향상시키는데 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 각 안테나(100)의 하부에 평면적으로 배치되는 리플렉터(110)와, 상기 리플렉터(110)의 상단에 고정부재(102)를 매개로 하여 지지각(104) 상측단에 결합되는 다이폴 소자(120)와, 상기 다이폴 소자(120)에 전원을 공급하는 급전부(130)로 이루어지는 안테나에 있어서,
    상기 다이폴 소자(120)는 좌우 비대칭(L, L')으로 전체 길이(D)를 λ/2보다 작게 하여 안테나 배열시에 이웃하는 다이폴 소자(120)간의 간격을 λ/2로 배열하여도 격리도가 개선되는 다이폴 소자(120)간의 이격거리(C, C')를 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 비대칭 평판형 다이폴 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 급전부(130)는 상기 다이폴 소자(120)의 상측에 연결단(133)으로 연결되는 에어스트립 급전부(132)와 상기 고정부재(102)측으로부터 상기 에어스트립 급전부(132)의 가장자리 일측에 설치되는 케이블 급전부(134)로 구성되어, 상기 급전부(130)는 입력된 전원이 1차적으로 케이블 급전부(132)를 통하고 2차적으로 에어스트립 급전부(132)를 통하여 각 안테나(100)의 다이폴 소자(120)에 분배공급하여 전송하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 비대칭 평판형 다이폴 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다이폴 소자(120)와 에어스트립 급전부(132)는 평판으로 이루어지고 그 면이 지면에 수평인 것을 특징으로 하는 비대칭 평판형 다이폴 안테나.
  4. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 다이폴 안테나를 배열함에 있어서, 상기 다이폴 소자(120)간의 간격은 이중 편파를 수신하면서 최적 이득조건을 위하여 λ/2로 배열되며, 다이폴 소자(120)의 배열은 이격거리가 근접하여 발생되는 소자간 상호결합 및 간섭현상을 최소화할 수 있도록 마름모 형태로 배열되어 이루어진 것을 특징으로 하는 비대칭 평판형 다이폴 안테나 어레이 구조.
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