KR200371277Y1 - 단일 빔 안테나를 사용한 알 에프 중계시스템 - Google Patents

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KR200371277Y1 KR20-2004-0013803U KR20040013803U KR200371277Y1 KR 200371277 Y1 KR200371277 Y1 KR 200371277Y1 KR 20040013803 U KR20040013803 U KR 20040013803U KR 200371277 Y1 KR200371277 Y1 KR 200371277Y1
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Abstract

단일 빔 안테나를 사용한 RF 중계 시스템이 게시된다.
이하, 상기 단일 빔 안테나의 개념적 정의는 안테나의 수직과 수평의 방사 패턴에 있어 지향각인 반치각이 90도 보다 작은 예각이며, 실제적으로 주빔과 비교하여 -30db이하의 영점 또는 널(Null)의 유지각도 범위가 180도 보다 큰 광각(Wide Angle)의 널링(Nulling) 안테나로 정의하며,
RF 중계 시스템이란, 무선의 RF(Radio Frequency) 신호를 수신하고 이를 증폭하여 동일의 주파수 신호로서 재 방사하는 중계방식을 사용하는 중계시스템으로 정의한다.
본 고안은 RF 중계 시스템에서 직접적인 간섭의 양과 반사적인 간섭의 양을 최소화하는 안테나를 제공하기 위한 것으로 종래 고 지향의 링크안테나 및 중계장치 및 서비스 안테나로 구성된 RF 중계 시스템에 있어서, 상기 고 지향 링크 안테나를 사용 시 발생하는 주빔(Main Lobe) 이외의 방향에서 발생하는 부엽(Side Lobe)과 후방엽(Back Lobe)에 관하여 안테나 소자배열과 출력분배에 있어 반파장 배열의 이항급수분배를 시행하고, 안테나 구조에 있어, 가장자리의 코너반사를 통하여 상기 부엽과 후방엽을 효과적으로 억압함으로써 전측방비는(Front to Side Ratio) 통상 30db이상 및 전후방비(Front to Back Ratio)는 통상 40db이상의 극한 수준으로서 , 상기 안테나의 방사패턴 상 상위국에 대한 단일방향의 빔만이 존재하는 이상적인 안테나를 사용함을 특징으로 한다.
따라서, 본 고안은 상기 단일 빔 링크 안테나의 방사패턴에 있어 서비스 안테나에서 송신한 고출력의 신호에 대하여 단일 빔 방사 각도를 제외한 모든 방향에서 수신되는 궤환 간섭량을 최소화 할 수 있음으로 인하여 고 이득의 중계특성을 안정히 운용 할 수 있어, 각종 방송 및 통신산업에서 경제적으로 서비스를 확장 및 운용 할 수 있는 효과가 있다.

Description

단일 빔 안테나를 사용한 알 에프 중계시스템{The RF Repeater System Using Single Beam Antenna.}
본 고안은 무선통신에서 이용되는 중계 시스템에 관한 것으로, 특히 링크안테나 및 서비스 안테나 및 중계장치로 구성되는 RF 중계시스템에 관한 것이다.종래의 RF 중계시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 상위국(110)와 고 지향 링크 안테나 부(120) 및 중계장치(130) 및 서비스 안테나(140)가 결합되어 중계시스템으로 운용된다.이때 상기 고 지향 링크 안테나부(120)에서 수신되는 신호는 중계 모국(Donor)과 같은 상위국(110)신호와 상기 상위국 수신신호를 증폭하여 송신한 자기 송신신호의 일부가 사용하는 송신안테나부(140)와 고 지향 링크안테나부(120)간 직접적인 공간경로를 통하여 수신되는 직접궤환신호와 주변반사체(150)를 통하여 수신되는 반사궤환신호가 있다.본 고안의 설명에서는 설명의 편의상 순 방향만을 언급한다. 즉, 상위국에서 링크안테나로 전달되는 신호에 대하여 설명한다.그러나, 양방향의 통신시스템에서 역방향의 경우는 상기 서비스안테나부를 링크안테나부로 사용하며, 상기 링크 안테나부를 서비스 안테나부로 사용하나, 본 고안에서 구체적으로 언급하지 않는 이유는 본 고안의 응용사례로 하기 때문이다.상기 RF 중계 시스템의 구성요소별 기능을 살펴보면, 상기 상위국(110)은 중계대상의 신호를 발생하는 무선국으로서 상기 상위국의 공중선장치를 통하여 자유공간으로 중계대상의 신호를 방사한다.고 지향 링크안테나부(120)는 상기 상위국(120)으로부터 일정거리에 떨어져서 위치하여 상기 상위국의 중계신호를 수신한다. 따라서 상기 고 자향 링크안테나부는 일반적으로 지향특성이 우수한 야기 및 빔 또는 파라볼릭 안테나를 사용하여 주변의 다른 신호와 구분하여 수신한다.이때 상기 지향특성이 우수한 야기 및 빔 안테나의 방사패턴은 주 빔(main Lobe) 와 부엽(side lobe) 및 후방엽(back lobe)이 주 빔의 세기에 비교하여 예를 들어 부엽은 -13db, 후방엽은 -25db와 같이 일정비율이 존재하여 상위국이 아닌 방향의 신호를 적은 비율이나마 동시에 수신하는 문제점이 있다.중계장치(130)는 상기 링크안테나를 통하여 수신된 신호를 출력하기에 충분한 세기로 보강하는 기능을 담당하는 증폭장치이며,기능에 따라서 출력을 일정레벨을 기준으로 제한하는 출력제어 중계장치 및 이득을 일정수준으로 제한하는 간이 중계장치 및 간섭을 검출하여 이득을 제어함으로서 일정한 품질수준을 유지하는 발진감지 중계장치 및 수신의 신호 중 간섭의 신호를 상쇄하여 증폭이득과 품질수준을 향상시키는 간섭제거 중계장치 등 다양한 기능의 장치를 상기 중계장치로(130) 포함하여 통칭한다.서비스 안테나(140)는 상기 중계장치를 통하여 보강된 출력신호를 자유공간으로 재 방사한다. 이때, 상기 서비스 안테나로부터 송신한 신호는 자유공간을 통하여 직접적으로 상기 링크안테나를 통하여 상기 부엽 및 후방엽의 특성에 의하여 수신되며, 주변의 반사체(150)를 통하여 상기 링크안테나로 수신되어 궤환하는 특징이 있다.따라서, 상기 중계장치의 증폭이득은 상기 궤환되는 신호의 비율에 따라서 실제 양호한 통신의 품질로서 사용이 가능한 이득이 제한되는 문제점과 중계장치내의 수신부가 포화되는 문제점이 있다.
도 1은 종래의 안테나를 이용한 중계시스템의 구성을 보인 도면.도 2는 본 고안 단일 빔 안테나를 사용한 중계시스템을 보인 도면.도 3은 본 고안 단일 빔 안테나 제조의 일 실시 예를 보인 도면*** 도면 부호의 간단한 설명 ***110 : 상위국 120 : 고 지향 링크안테나부130 : 중계장치 140 : 서비스 안테나150 : 반사체 121 : 부엽 특성122 : 후방엽 특성210 : 상위국220 : 단일 빔 링크안테나 230 : 중계장치240 : 단일 빔 서비스 안테나 250 : 반사체221 : 부엽감소 222 : 후방엽 감소223 : 송수신이득 감소311: 입출력 콘낵터 312 : 단일 빔패턴 출력분배기313: 안테나 소자 314 : 코너반사판넬315 : 보호 커버 317 : 출력 분배 행열318 : 행 319 : 열
따라서 본 고안은 상기 기술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로 링크안테나와 서비스 안테나에 있어 부엽과 후방엽의 성분이 거의 존재하지 않고 주 빔만이 존재하는 이상적인 단일 빔 안테나를 사용하여 상기 궤환신호의 양을 최소화함으로써 고 이득의 안정된 RF 중계시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기 기술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 중계용 안테나를 제조함에 있어 배열(Array) 안테나의 구성을 이론적으로 부엽이 존재하지 않는 반파장 배열의 이항급수 신호분배를 사용함으로써 원리적으로 전방향에 대한 부엽과 안테나 반사판넬에 공진하는 후방엽의 신호를 제거하며, 특히 상기 안테나의 가장자리에 적정각도와 길이의 코너반사 굴절을 주어 소수의 배열안테나 소자로도 이상적인 단일빔 패턴을 획득하는 것을 특징으로 한다.이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안 단일 빔 안테나를 사용한 RF 중계시스템을 상세히 설명한다.도 2는 본 고안 단일 빔 안테나를 사용한 무선 중계시스템의 구성을 보인 도면이다.상기 도 2에 도시한 바와 같이 본 고안의 무선 중계시스템은 상위국 및 단일 빔 링크안테나 및 중계장치 및 단일 빔 서비스 안테나로 구성된다.이때, 상위국(210) 및 중계장치(230) 기능은 종래의 기술 설명과 동일하나, 단일 빔 링크안테나(220) 및 단일 빔 서비스 안테나(240)의 특성은 상위국(210) 및 서비스 방향에 대한 송수신 이득은 같은 크기의 종래의 주로 균등 분배방식의 빔형 안테나를 사용하는 고 지향 링크안테나(120)에 비하여 이항급수 분배의 특성상 2db 내지 5db가 저하되나, 안테나 전방의 부엽에 있어 신호의 세기가 이론적으로 0(-∞db,실제상으로 주빔과 비교하여 -30db이하)이므로 실제로 간섭의 영향은 10db이상 획기적으로 줄어 중계의 이득을 실질적으로 높일 수 있으며, 후방엽은 배열안테나의 소자 간격이 다중의 반파장인 경우에 한하여 배열안테나의 이항신호분배 합성에 의하여 코너반사 판넬 내부의 공진이 상쇄 수신됨으로써 실제 RF 중계시스템이 운용되는 입체적인 다각도의 직접 및 반사의 간섭량이 종합적으로 크게 줄어들어 상기 무선 중계시스템을 안정히 운용할 수 있는 이점이 있다.또한, 상기 단일 빔 링크안테나와 단일 빔 서비스안테나의 방사패턴은 상호 배타적으로 운용함이 바람직하며, 이는 출원번호 10-2003-0054362의 "직렬 중계방법과 장치"에서 제시되었다.다음은 도3에 의하여 단일 빔 안테나 제조의 일 실시 예를 설명한다.단일 빔 안테나의 구성은 안테나의 외장 기구물역할과 가장자리에 대하여 적정의 각도와 길이로 최소 1회이상 굴곡되어, 반사 각도를 조정함으로써 가장자리 안테나 소자에 대한 빔 패턴을 보정하는 역할을 하는 코너반사 판넬(314) 및상기 코너반사 판넬(314)의 전면에 행과 열로써 최소한 2차원 이상의 어레이 방식으로 정열 하되, 그 간격이 반 파장간격으로 배치하는 안테나 소자(313) 및,상기 안테나 소자(313)의 각각에 대하여 급전선으로 연결되며, 상기 안테나 소자 각각에 해당하는 출력분배 기능을 수행하며, 상기 코너반사 판넬에 부착하는 며, 주로 이항급수 분배와 소자간 이득차을 보정하여 적용하는 단일 빔패턴 출력 분배기(312) 및,상기 단일 빔 패턴 출력분배기(312)로부터 집합된 신호를 상기 안테나 기구물(314)의 외부와 접속수단을 제공하는 입출력 콘낵타(312) 및상기 안테나의 소자부와 단일 빔패턴 출력분배기를 기상과 외력으로부터 보호하는 전면 보호 커버(315)로 구성되는 특징이 있다.상기 구성의 기능을 세부적으로 설명하면,안테나 소자 배열의 구성에 있어 수평의 구성은 수평패턴의 지향성을 높이며, 수직의 배열은 수직패턴의 지향성을 높이므로 중계시스템의 실제 운용환경에서 주변 건물과 같은 수평적 반사체와 지면과 같은 수직적 반사체에 대하여 반사간섭을 동시에 억압하기 위하여 본 고안의 단일 빔 링크안테나는 수평과 수직의 최소한 2차원적인 배열의 구조로 구성함이 바람직하다.또한, 상기 안테나 소자간의 배열간격은 이항 분포의 출력 분배 원리상 배열의 수가 무한히 증가하여도 전방(Front Side)의 부엽이 발생치 않는 설계 조건은 안테나 전방의 신호원에 대하여 -90도부터 시작하여 0도를 통과하여 +90도까지 이동하는 동안 단 1회의 최대의 증감변화를 발생시키기 위하여 반 파장간격이 바람직하며, 특히, 후방의 신호가 안테나 가장자리를 통하여 유입되어 안테나 반사체 내부에 공진되어 안테나 소자에 수신되나, 에에 대하여 상기 반파장 차[(2n-1)/2파장, 여기서 n은 자연수] 간격의 이항급수 출력분배는 +/- 90도의 각도에 대하여 반복적으로 영점을 형성함으로써 후방엽의 신호를 효과적으로 억압 할 수 있는 특징을 갖는다.따라서, 현실적으로 유한의 배열소자와 한정된 안테나 크기로써 효과적인 단일 빔 패턴을 조성하기 위하여 상기 안테나 반사체의 가장자리를 적정의 길이와 각도로서 최소한 1회이상 굴곡함으로써 양단 및 개별소자별 빔 패턴이 상호 유사하여 상기 이항급수 출력분배효과를 효과적으로 획득 할 수 있는 본 고안의 사상이 있으며, 이때, 형성되는 상기 단일 빔의 패턴은 안테나가 지향하는 방향에 대하여 90도 보다 작은 예각의 빔폭(Beam Width)을 형성하고, 상기 지향하는 빔(Beam) 에 대하여 대각의 방향을 중심으로 하여 180도 보다 큰 각도범위의 방향에 대하여 방사패턴에 있어 연속적인 영점(Null,실제상 주빔과 비교하여 -30db이하)을 형성하는 특징을 갖는다.상기 이항급수 출력 분배기는 단일 빔을 생성하기 위한 안테나 배열 소자별로 필요한 출력의 비율로 분배하는 수단이며, 그 분배의 원리는 도면의 예를 들어 7X4의 배열 구조에서 도식된 바와 같이 급수전개방법에 의하여 해당 배열 조합에 의하여 행열(matrix) 조합된다.이때, 단일 빔패턴 출력분배의 예로서 이항급수전개방법을 설명할 수있으며,이는 어레이 팩터(AF)=(1+z)^n으로 표시되는 다항식의 계수를 사용한다.즉 상기 행열 구조의 행이 4인 경우는 1:3:3:1의 전압크기로써 분배되며, 열이 7인경우는 1:6:15:20:15:6:1로써 분배된다.따라서 입체적인 배열소자의 출력분배는 상기 행과 열의 출력분배 상수들의 곱으로 계산하여 적용 분배한다.또한, 상기 이항급수는 분배에 있어, 배열소자의 단수가 많은 경우에는 부엽과 후방엽 제거가 용이하므로 인하여, 상기 이항급수분배 비율을 완화함으로써 적정 부엽레벨 기준의 범위내에서 안테나 이득과 지향성을 향상시키는 응용사례가 있으나, 기본적으로 이항분포의 상쇄의 원리를 이용하는 점에서 본 고안에 적용하여 사용하여 응용의 사례로서 충분히 사용 할 수 있다.입출력 콘낵타(311)는 중계장치(230)와 단일 빔 링크안테나(220)와의 연결 접속 수단이다.전면 보호 커버(315)는 전파는 투과하며, 눈비와 같은 기상 및 시공자의 외력으로부터 내부 소자(313)의 구조와 특성을 보전하기 위한 보호수단이다.상기 서술한 본 고안의 단일 빔 안테나를 사용한 RF 중계시스템의 응용은 일 실시 예로서 본 고안의 활용을 제한하고자 한 것이 아니고, 이해를 돕기 위한 설명이란 점에 유의하여야 하고, 단일 빔의 안테나를 다수의 각도로서 분할하여 서비스 안테나에 적용하는 것과 같이 본 고안의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 고안의 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
상기와 같은 본 고안은 RF 중계시스템에서 송신과 수신안테나간 간섭을 획기적으로 줄임으로 인하여 고 이득의 안정된 중계시스템을 다양한 환경에서 자유롭게 사용할 수 있는 효과가 있다.특히 RF 중계방식은 광,LASER,변파와 같은 여타의 중계방식보다 시설 및 운용유지가 경제적이므로 통신 및 방송 사업자에 대하여 음영지역 개선 및 서비스 확장에 필요한 비용의 부담을 최소화 할 수 있는 경제적인 장점이 있다.
상기 서술한 본 고안의 단일 빔 링크안테나를 사용한 중계시스템의 응용은 일 실시 예로서 본 고안의 활용을 제한하고자 한 것이 아니고, 이해를 돕기 위한 설명이란 점에 유의하여야 하고, 단일 빔의 안테나를 다수의 각도로서 분할하여 서비스 안테나에 적용하는 것과 같이 본 고안의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 고안의 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
상기와 같은 본 고안은 RF 중계시스템에서 송신과 수신안테나간 간섭을 획기적으로 줄임으로 인하여 고 이득의 안정된 중계시스템을 다양한 환경에서 자유롭게 사용할 수 있는 효과가 있다.특히 RF중계방식은 광,LASER,변파와 같은 여타의 중계방식보다 시설 및 운용유지가 경제적이므로 통신 및 방송 사업자에 대하여 음영지역 개선 및 서비스 확장에 필요한 비용의 부담을 최소화 할 수 있는 경제적인 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 상위국의 무선신호를 링크안테나를 통하여 수신하여 상기 수신신호를 증폭하고, 상기 증폭신호를 서비스 방향에 서비스 안테나를 통하여 재 송신하는 RF(Radio Frequency) 중계 시스템에 있어서,
    상기 링크안테나와 서비스 안테나 중 적어도 1개 이상은
    안테나가 지향하는 방향에 대하여 90도 보다 작은 예각의 빔폭(Beam Width)을 갖는 단일 빔(Single Beam)을 형성하고, 상기 지향하는 빔(Beam) 에 대하여 대각의 방향을 중심으로 하여 180도 보다 큰 각도범위의 방향에 대하여 방사패턴에 있어 연속적인 영점(Null,실제상 주빔과 비교하여 -30db이하)을 형성하는 단일 빔 안테나 장치를 포함하여 구성되는 RF 중계 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 단일 빔 안테나 장치의 구성은,
    수평과 수직의 최소한 2차원 어레이(Array)로 구성되는 안테나 소자 및;
    상기 안테나 소자를 기구적으로 고정하고 반사판 역할을 하며, 가장자리에 적정의 반사 각도와 길이를 두어 상기 안테나 소자 중 가장자리 주변의 소자에 대하여 개별 빔 패턴을 보정하는 코너반사 판넬 및,
    상기 코너반사판넬에 부착되며, 상기 최소한 2차원 어레이 안테나 소자 각각의 출력을 급수 분배와 이득을 보정하여 신호를 공급함으로써 상기 안테나 장치의 방사패턴(Radiation Pattern)이 단일 빔을 형성하는 단일 빔 패턴 출력분배기 및;
    상기 출력 분배기로부터 상기 단일의 방사 빔 패턴 신호를 입출력하는 입출력 콘낵타 및;
    상기 코너반사 판넬의 전면에 위치하며, 상기 2차원 어레이 안테나 소자의 전파 방사에 있어, 전파는 투과하며, 눈 비와 같은 기상 및 시공자의 외력으로부터 상기 안테나 소자의 구조와 전기적 특성을 보전하는 전면 보호커버;를
    포함하는 안테나 장치를 사용하는 RF 중계시스템.
  3. 제 2항의 있어서, 2차원 어레이(Array) 소자배열은 사용하는 주파수에 따른 반 파장 차 [(2n-1)/2파장,n은 자연수] 간격으로 하는 안테나 장치를 사용하는 RF 중계 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 단일 빔 패턴 출력분배기의 출력분배는 배열소자의 단수가 부엽과 후방엽을 제어하기에 충분한 경우에 한하여 이항급수의 비율을 완화하여 일정의 부엽레벨을 기준으로 이득과 지향성을 높이는 안테나 장치를 사용하는 RF 중계 시스템.
  5. 삭제
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