KR20070088696A - 안테나 장치 및 관련 방법 - Google Patents

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텔레폰악티에볼라겟엘엠에릭슨(펍)
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Abstract

본 발명은 어레이 또는 서브-어레이에 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 포함한 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(100)에 관한 것이다. 상기 안테나 장치는 적어도 하나의 부가적인 안테나 섹션을 더 포함하며, 상기 적어도 2개의 안테나 섹션(101, 102, 103)은 실질적으로 직선, 비-직선을 따라 또는 장착 구조(40)에서 불규칙적으로 장착된다. 상기 장치는 빔 형성 제어를 허용하는 안테나 섹션(101, 102, 103)의 피딩을 제어하는 피딩 네트워크 제어 수단을 가진, 적어도 2개의 안테나 섹션에 피딩하는 피딩 네트워크 장치(20)를 포함한다.
방사 소자, 안테나 섹션, 안테나 장치, 장착 구조, 피딩 네트워크 장치.

Description

안테나 장치 및 관련 방법{AN ANTENNA ARRANGEMENT AND A METHOD RELATING THERETO}
본 발명은 서브-어레이 내에 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 갖는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 서브-어레이 내에 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 포함한 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법에 관한 것이다.
요즘 셀룰러 이동 통신 시스템의 무선 기지국에서 사용되는 안테나는 섹터 형태로 이루어진다. 3개, 6개 이상의 이와 같은 안테나는 함께 360도의 방위각을 커버한다. 무선 기지국의 커버리지를 확장시킬 수 있는 것이 일반적으로 바람직하다. 그러나, 고 이득 안테나가 필요로 된다. 일반적으로, 안테나가 기계적으로 길면 길수록, 방위각 빔-폭을 변경함이 없이 더 높은 이득을 제공하기가 더 쉬워진다. 그러나, 기계적으로 긴 안테나가 상술된 이유로 매력적일지라도, 기계적으로 긴 안테나와 관련된 여러 결점이 존재한다. 우선, 기계적으로 긴 안테나는 다루는 것, 수하는 것 및 장착하는 것이 성가시다. 설치는 시간을 소비하고 고가이다. 더구나, 이웃하는 셀에서 간섭을 감소시키기 위하여 빔을 아래로 틸팅(tilting)하는 수단이 통합되어야 할 것이다. 이와 같은 수단은 기계적 및/또는 전기적일 수 있 다. 틸팅 조항이 관련되는 한, 이 면에서 또한 긴 안테나와 관련된 여러 결점이 존재한다. 긴 안테나의 순수한 기계적인 기울기는 안테나가 수직선으로부터 상당히 많이 편이되도록 할 수 있고, 이는 안테나가 전형적으로 자신이 장착되는 철탑(mast)에 평행하지 않다는 것을 의미한다. 더구나, 기계적인 틸팅의 경우에, 강풍하중(high wind load)이 안테나의 손상을 초래할 수 있고, 안테나를 오작동시킬 수 있으며, 심지어 안테나가 전체적으로 파괴되기 쉽도록 할 수 있는 큰 토크를 발생시킬 것이다. 더구나, 안테나가 실제로 긴 경우에, 많은 기계적인 틸팅이 필요로 될 수 있고; 이와 같은 안테나는 미학적이 아닐 것이며, 안테나가 더 높아지면 높아질수록, 필요로 되는 기계적인 편이가 더 길어지고 결점이 더 심해진다.
한편, 소정 수의 방사 소자를 갖는 긴 안테나의 순수한 전기적인 틸트가 서브-어레이 당 단지 하나 또는 몇 개의 소자로 구현되는 경우에, 이것은 상당한 량의 하드웨어를 필요로 한다. 서브-어레이 당 방사 소자의 수를 증가시켜서 서브-어레이의 수를 감소시키면 하드웨어의 량이 감소된다. 그러나, 그레이팅 로브(grating lobe)로 인해 스캔 범위가 또한 감소되어, 이득을 감소시키고 공간적인 필터링을 감소시킬 것이고, 이것은 유용하지 않다.
그러므로, 예를 들어, 커버리지 또는 이득 관점에서 바람직한 안테나를 제공하는 문제에 관한 만족스러운 해결책이 지금까지 제시되지 않았다.
그러므로, (기계적으로) 길게 만들어질 수 있고, 그럼에도 불구하고, 제조 또는 획득이 용이하고 설치가 용이하고 수송이 용이하며, 고속이고 쉽게 장착될 수 있는 처음에 언급된 바와 같은 안테나 장치가 필요로 된다. 특히, 방위각 빔-폭의 변경을 필요로 함이 없이 고 이득을 제공할 수 있는 장치가 필요로 된다. 특히, 우수한 커버리지 및 고 이득을 가지며, 이웃하는 셀에서 간섭이 감소될 수 있는 안테나 장치가 필요로 된다.
미학적인 처음에 언급된 바와 같은 또 다른 안테나 장치가 필요로 되며, 훨씬 더 특정하게는, 강풍에 노출되기 쉽지 않고, 특히 모진 바람과 같은 어렵거나 극단적인 조건으로 인해 생성되는 큰 토크를 겪지 않는 안테나 장치가 필요로 된다.
특히, 쉬운 방식으로, 그리고 대량의 장비 또는 하드웨어를 필요로 함이 없이 틸팅이 제공될 수 있는 처음에 언급된 바와 같은 장치가 필요로 된다. 그러므로, 콤팩트하고, 즉, 성가시지 않고, 특히 장착되는 마스트 또는 다른 구조의 반드시 수직적인 것이 아니라, 길이방향의 신장에 수직한 방향으로 너무 많이 신장되지 않는 안테나 장치가 특히 필요로 된다. 훨씬 더 특정하게는, 기존의 안테나 부품 또는 상업적으로 입수 가능한 "기성품(off-the-shelf)" 안테나, 뿐만 아니라, 목적에 맞게 설계된 안테나의 사용을 허용하는 장치가 필요로 된다. 훨씬 더 특정하게는, 빔 형성이 제어될 수 있고/이거나, 이와 같은 이득이 용이한 방식으로 제어될 수 있는 안테나 장치가 필요로 된다. 가요적이며 다양한 조건에 대한 높은 제어 및 적응도를 허용하는 또 다른 안테나 장치가 필요로 된다. 훨씬 더 특정하게는, 감소된 스캔 손실이 제공될 수 있고, 특히 큰 서브-어레이가 전기적으로만 틸팅되는 안테나에 비하여 그레이팅 로브의 온-셋(on-set)이 관련되기 전에 증가된 틸트 범위가 허용되는 안테나 장치가 필요로 된다.
그러므로, 서브-어레이 내에 각각 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 또한 포함한 적어도 하나의 부가적인 안테나 섹션을 또한 포함하는 처음에 언급된 바와같은 안테나가 제공되는데, 상기 적어도 2개의 안테나 섹션은 실질적으로 직선을 따라, 또는 다소 불규칙적으로, 예를 들어, 장착 구조 상에서 직선 상이 아닌 곳에 장착된다. 상기 안테나 장치는 상기 적어도 2개의 안테나 섹션에 피딩하는 피딩 네트워크, 및 빔 형성을 제어하기 위하여 안테나 섹터의 피딩을 제어하는 피딩 네트워크 제어 수단을 더 포함한다. 상기 안테나 장치는 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 안테나 섹션은 특히, 본 발명의 안테나 장치를 위해 제조되고, 설계되며 판매될 수 있지만, 본 발명의 개념에 따른 장착을 위한 종래의 기성품 안테나 섹션을 사용하는 것이 또한 가능하다. 안테나 섹션이 바람직하게는, 별도의 유닛이라는 것이 명확해야 한다.
일 실시예에서, 상기 수의 안테나 섹션 중 적어도 2개는 실질적으로 동일하다. 훨씬 더 특정하게는, 모든 안테나 섹션은 실질적으로 동일하거나 완전히 동일하다. 또 다른 구현예에서, 적어도 2개의 안테나 섹션은 동일하고, 즉 상이하거나, 훨씬 더 특정하게는, 모든 안테나 섹션이 상이하거나 동일하지 않다.
안테나 섹션은 또한 여러 상이한 방식으로 장착될 수 있다. 일 실시예에서, 안테나 섹션은 각각의 인접한 안테나 섹션들(쌍-방식) 간의 간격이 실질적으로 동일하도록 장착된다. 다른 실시예에서, 안테나 섹션은 각각의 인접한 안테나 섹션들(쌍) 간의 각각의 간격이 상이하거나 어떤 간격은 동일한 반면, 하나 이상의 다른 간격은 상이하도록 장착될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 안테나 섹션은 예를 들어, 45°, 60°또는 90°방위각의 빔-폭을 갖는 종래의 섹터 안테나를 포함한다. 이러한 2개의 특성은 또한 임의의 방식으로 결합될 수 있는데, 예를 들어, 동일하지 않은 안테나 섹션이 상이한 간격, 등으로 결합될 수 있다.
피딩 네트워크 장치는 특히, 멀티-섹션 안테나의 섹션들 간의 위상 및/또는 진폭을 가변적으로 제어하여, 위상 및/또는 진폭 테이퍼링(tapering)을 허용하거나 상이한 피딩 신호의 공급을 제공하는, 즉, 위상 및/또는 진폭이 관련되는 한, 피딩 신호를 각각의 섹션에 상이하게 적응시키는 수단을 포함한다. 특히, 상기 장치는 상기 안테나 섹션으로 이루어진 안테나 장치를 유지하는 유지 수단, 예를 들어, 마스트가 장착되는 실제 또는 가상 장착 플레인의 법선과 대하여 빔을 틸팅하는 수단을 포함한다.
하나의 특정 실시예에서, 빔을 틸팅하는 상기 수단은 안테나 섹션을 기계적으로 틸팅하는 기계적인 틸팅 수단을 포함한다. 바람직하게는, 2개 이상 또는 가장 유용하게는, 모든 안테나 섹션은 개별적으로 기계적으로 틸팅된다.
또 다른 실시예에서, 안테나 섹션은 전기적으로 사전-틸팅되는데, 즉, 모든 안테나 섹션에 대해 동일하거나 여러 안테나 섹션에 대해 상이할 수 있고, 또는 하나 이상의 섹션에 대하여 전혀 존재하지 않을 수 있는 "빌트-인(built-in)" 빔 틸트를 포함한다. 특히, 일부 또는 모든 안테나 섹션에는 "빌트-인"되는 제어 가능한 전기적인 사전-틸트가 제공되는데, 예를 들어, 상기 섹션에는 전기적인 틸트가 제공된다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 특히, 피딩 네트워크 장치를 통해, 멀티-섹션 안테나를 전기적으로 틸팅하기 위해 제공되는 수단을 포함한다. 멀티-섹션 안테나 장치를 전기적으로 틸팅하는 수단은 특히, 각각의 위상 지연 및/또는 시간 지연이 각각의 안테나 섹션에 대해 도입되어, 적절한 위상 지연 및/또는 시간 지연이 각각의 안테나 섹션들 각각에 제공될 수 있도록 하는 방식으로 동작하는 피딩 네트워크 내 또는 상기 피딩 네트워크와 관련되는 위상 지연 수단 및/또는 시간 지연 수단을 포함한다.
특정 실시예에서, 기계적인 틸팅 수단은 전기적인 틸팅("사전-틸트" 및/또는 피딩 네트워크, 또는 지연 수단/위상 시프터, 등에 의해 제공된 전기적인 틸팅)과 결합될 수 있다. 그러므로, 특히 상술된 바와 같이 피딩 네트워크를 통해 제공되는 기계적인 틸팅 및 전기적인 틸팅은 임의의 원하는 방식으로 결합될 수 있다.
상이한 안테나 섹션에 별도로 또는 개별적으로 적용되는 기계적인 틸팅의 경우에, 패널이 개별적으로 틸팅될 때 생성되는 안테나 섹션의 변위는 피딩 네트워크를 통해 보상된다. 또한, 안테나 섹션이 각각의 안테나 섹션의 전기적인 틸트의 적용을 위해 개별적으로 사전-틸팅되거나 사전-구비될 때, 전기적인 틸팅 동작으로부터 발생하는 개별적인 안테나 섹션으로부터의 동위상 파면(phase-front)의 변위는 바람직하게는, 피딩 네트워크를 통해 보상되어야 한다.
(사전-구비된 안테나 섹션에 의해 또는 안테나 섹션 레벨에 대한 제어를 통해 전기적인 틸팅과 결합되거나 결합되지 않는) 기계적인 틸팅의 안테나 섹션 레벨 마다의 구현을 통해, 안테나 섹션 레벨에서의 기계적인 틸팅은 전체 안테나 또는 전체 구조가 기계적으로 틸팅되는 안테나 장치에 비하여 안테나 멀티-섹션 장치를 콤팩트하게 할 수 있다. 이것은 예를 들어, 강풍의 영향을 상당히 감소시키므로, 바람으로 인한 토크가 감소되는 동시에, 안테나 장치가 더 슬림해지고 더 미학적이 될 것이다. 유사하게, 안테나 서브-어레이 레벨 대신에 안테나 섹션 레벨에서의 전기적인 틸팅의 도입을 통하여, 필요로 되는 하드웨어의 량이 상당히 감소될 것이다.
그러므로, 전기적 및 기계적인 틸팅의 결합이 가능하며, 필요로 될 때, 피딩 네트워크 또는 상기 피딩 네트워크를 제어하는 제어 수단, 또는 별도의 보상 수단을 통해 동위상-파면 변위에 대한 보상이 제공될 수 있다.
하나의 특정 구현예에서, 피딩 네트워크 장치는 각각의 편파를 갖는 안테나 섹션에 각각 피딩하는 2개의 피딩 네트워크를 포함한다. 특히, 제1 및 제2 편파를 피딩하는데 동일한 피딩 신호가 사용되며, 각각의 피딩 네트워크는 특히 각각의 엘리베이션 빔 패턴의 전력 합이 되는 결합된 패턴이 발생되도록 상보적인 엘리베이션 커버리지(elevation coverage)를 가지는 각각의 편파의 엘리베이션 빔 패턴을 획득하기 위하여, 각각의 편파의 엘리베이션 빔 패턴을 제어하는 제어 수단을 포함한다. 그 목적을 위해, 각각의 피딩 네트워크는 특히 예를 들어, Butler 매트릭스 네트워크에 기초하는 멀티-포트 엘리베이션 피딩 네트워크를 포함할 수 있다.
가장 바람직하게는, 상기/각각의 피딩 네트워크는 각각의 안테나 섹션에 피딩되는 전력을 적절하게 분할하는 전력 분할 수단을 포함한다. 하나의 구현예에서, 전력은 특히, 안테나 섹션들이 동일한 경우에, 안테나 섹션들 간에서 동일하게 분할된다. 유사하게, 상기, 또는 어떤 섹션이 동일하지 않은 경우에, 전력은 멀티-섹션 안테나 장치에 걸쳐, 단위 길이당 동일한 전력 분포를 제공하도록 분할될 수 있다. 이와 같은 유형의 피딩 네트워크는 특히, 안테나 이득을 최대화하는 면에서 효율적이다. 예를 들어, 측면 로브 레벨과 같은 이득 이외의 파라미터가 중요한 경우, 전력 분포는 이에 따라 제어되거나 최적화될 수 있다. 빔 형성 또는 빔 셰이핑를 위해 개별적으로, 또는 임의의 조합으로 사용되는 수단은 진폭 테이퍼, 위상 테이퍼, 안테나 섹션 전기적 및/또는 기계적 틸팅, 안테나 섹션들 간의 간격 중 하나 이상을 제어하거나 상이한 편파를 제공하도록 동작한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 이러한 수단은 방사 패턴을 제어하기 위하여 빔 형성 또는 빔 셰이핑에 사용되어, 어떤 방향에서, 예를 들어, 주 빔 및 측면 로브 간, 또는 측면 로브들 간에서 하나 이상의 "널(null)", 즉, 매우 낮은 안테나 이득이 채워지거나, 전혀 채워지지 않도록 할 수 있는데, 즉, 이득 강하가 수용 가능한 레벨로 감소되거나, 완전히 억제되도록 할 수 있다.
상기에 언급된 수단 중 어느 하나는 단독으로, 또는 서로와의 다양한 조합에서 사용될 수 있다. 특히, 위상이 (위상 테이퍼를 제공하는) 상이한 안테나 섹션에 상이하게 분포될 수 있고, 전력이 상이한 섹션에 동일하지 않게 분배될 수 있으므로, 진록 테이퍼를 제공하면, 섹션은 (기계적으로 및/또는 전기적으로) 상이하게 틸팅될 수 있고, 안테나 섹션은 상이하게 변위되고/되거나 동일하지 않을 수 있다. 상이한 편파를 갖는 또 다른 방사 패턴이 사용될 수 있다.
널-채움은 관련 애플리케이션에 적합한 임의의 방식으로 빔 틸팅과 결합될 수 있다.
멀티-섹션 안테나 장치가 송신이나 수신 또는 송신 및 수신을 위해 사용된다는 것이 명백해야 한다.
하나의 구현예에서, 상기 장치는 공통 마스트에 장착되는 3개의 안테나 섹션을 포함한다. 더 일반적으로, 상기 장치는 공통 마스트 또는 다른 구조 상에 장착되는 2개 및 6개 사이, 또는 일부 경우에, 훨씬 더 많은 안테나 섹션을 포함할 수 있다.
특히, 상술된 바와 같은 안테나는 셀룰러 이동 통신 시스템의 무선 기지국에서 사용된다.
그러므로, 본 발명은 또한 서브-어레이 내에 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 각각 포함한 다수의 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법을 제안한다. 상기 방법은 상기에 언급된 바와 같고, 예를 들어, 마스트 또는 어떤 다른 구조 상에서 실질적으로 직선을 따라 장착되는 적어도 2개의 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치에서, 피딩 네트워크에 의해 안테나 섹션에 피딩하는 단계; 바람직하게는, 이득 및 빔 형성을 제어하기 위하여 개별적인 빔 틸트를 각각의 안테나 섹션에 기계적으로 및/또는 전기적으로 적용하고/하거나, 안테나 섹션의 서로에 대한 배치 및/또는 각각의 안테나 섹션의 형태/크기를 제어하면서, 피딩을 제어하는 단계를 포함한다.
특히, 상기 방법은 이것에 의해 구비된 안테나 섹션을 통해 획득되는 기계적인 틸팅 및/또는 전기적인 틸팅에 기인하는 각각의 안테나 섹션으로부터의 동위상 파면의 변위를 피딩 네트워크를 사용하여 보상하는 단계를 포함한다.
더구나, 상기 방법은 유용하게도, 전기적인 빔 틸팅 또는 널-채움을 제공하기 위하여 각각의 안테나 섹션 피딩 신호에 개별적인 시간 지연 및/또는 위상 시프트를 적용하는 단계를 포함한다. 하나의 특정 실시예에서, 상기 방법은 피딩 (RF) 신호를 사용하여, 안테나 섹션이 제1 편파를 피딩하기 위해 제1 피딩 네트워크를 사용하는 단계, 및 동일한 피딩 (RF) 신호를 사용하여, 안테나 섹션에 제2 편파를 피딩하기 위해 제2 피딩 네트워크를 사용하는 단계를 포함한다. 특히, 상기 방법은 그 후에, 각각의 편파에 다수의 빔을 제공하기 위하여, 예를 들어, Butler 매트릭스 네트워크에 기초한 멀티-포트 엘리베이션 피딩 네트워크를 사용하는 단계를 포함한다. 특히, 상기 방법은 피딩 네트워크 장치를 수동으로 제어하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 상기 방법은 원격 제어 유닛 또는 유사한 유닛에 의하여, 피딩 네트워크 장치를 원격으로 제어하는 단계를 포함한다. 상기 피딩 네트워크 장치는 또한 자동적으로 제어될 수 있다.
본 발명은 비-제한적인 방식으로, 그리고, 첨부 도면을 참조하여 이하에 더 설명될 것이다.
도1은 기계적으로 틸팅되는 종래 기술에 따른 안테나 장치를 도시한 도면.
도2는 개별적으로 기계적으로 틸팅되는 3개의 안테나 섹션으로 이루어지는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치를 도시한 도면.
도3은 전력 분할기 및 고정된 위상 시프터를 포함하는 3개의 안테나 섹션에 피딩하는 피딩 네트워크의 제1 구현예를 도시한 도면.
도4는 3개의 안테나 섹션에 분할한 전력을 제공하고 가변 위상 시프팅 수단을 포함을 포함하는 피딩 네트워크의 제2 실시예를 도시한 도면.
도5는 전력 분할 수단을 포함하고 가변 시간 지연 수단을 포함하는 피딩 네트워크의 제3 실시예를 도시한 도면.
도6은 전력 분할 수단 및 시간 지연 수단을 포함하는 피딩 네트워크를 갖는 본 발명에 따른 안테나 장치의 부가적인 실시예를 도시한 도면.
도7은 안테나 섹션이 서로에 대해 동일하지 않게 변위되는 본 발명에 따른 안테나 장치의 또 다른 구현예를 개략적으로 도시한 도면.
도8은 동일하지 않은, 즉, 상이한 안테나 섹션이 사용되는 본 발명에 따른 안테나 장치의 더 부가적인 실시예를 도시한 도면.
도9는 전기적으로 틸팅되는 안테나 섹션을 갖는 안테나 장치를 도시한 도면.
도10은 전기적인 틸트만을 갖는 안테나 장치에 비하여, 전기적 및 기계적인 틸트를 갖는 안테나 장치에 대한 로브를 도시한 도면.
도11은 무선 기지국에서 안테나 장치에 의해 제공되며, 엘리베이션에서 좁은 빔을가지며, 널-채움이 있거나 널-채움이 없는 방사 패턴의 단면도.
도12는 3개의 동일한 안테나 섹션이 상이한 상대 진폭 테이퍼를 가지는 장치 및 진폭 테이퍼를 갖지 않는 장치 간의 비교를 도시한 도면.
도13은 널-채움 용도를 위해 안테나 섹션들 사이에 위상 테이퍼가 제공되는 장치 및 테이퍼가 균일한 장소 간의 비교를 도시한 방사 패턴의 도면.
도14는 기계적인 틸트 및 진폭 테이퍼가 없는 장치에 비하여, 널-채움 용도를 위해 진폭 테이퍼와 함께 기계적인 틸트를 구현하는 장치에 대한 방사 패턴을 도시한 도면.
도15는 전기적인 빔 틸트 및 위상 테이퍼가 존재하지 않는 장치에 비하여, 전기적인 틸트 이외에, 안테나 섹션들 간의 위상 테이퍼를 포함하는 장치들에 대한 방사 패턴의 도면.
도16은 균일한 간격을 갖는 장치에 비하여, 안테나 섹션이 널-채움 용도를 위해 상이하게 변위되는(도7 참조) 장치에 대한 방사 패턴을 도시한 도면.
도17은 이중-편파된 안테나 섹션을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치를 도시한 도면.
도18은 틸팅이 적용될 때 널-채움이 저하되지 않는다는 것을 도시한 도면.
문서의 부가적인 이해를 위하여, 사용되는 용어가 간략히 설명된다. 안테나 소자는 여기서 개별적인 방사 소자를 나타내지만; 용어 방사 소자가 본 문서에서 주로 사용된다. 서브-어레이는 여기서 서로 어떤 관계를 가지는 방식으로 배열되는 안테나 소자, 즉, 방사 소자의 그룹을 의미한다. 이들은 전형적으로 각각의 안테나 소자들 또는 방사 소자들 간에 동일하거나 동일하지 않은 간격으로 직선 상에 위치된다. 안테나 섹션은 물리적인 유닛이다. 이것은 예를 들어, 특히 멀티-섹션 안테나를 제공하기 위하여 제조되는 기성품 안테나 또는 안테나 섹션일 수 있다. 안테나 섹션은 하나 이상의 빔, 예를 들어, 이중 편파된 안테나를 발생시킬 수 있다. 특히, 빔당 하나의 RF-커넥터가 존재한다. 안테나 섹션은 상업적으로 입수 가능한 안테나, 예를 들어, 45°, 60°또는 90°방위각의 빔-폭을 갖는 섹터 안테나일 수 있다. 그러나, 이것은 또한 특정하게 설계된 안테나 섹션일 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 장치 또는 더 간략하게 멀티-섹션(즉, 적어도 2개의 섹션)에서, 일정 수의 개별적인 안테나 섹션 또는 개별적인 안테나 섹션의 그룹은 서로 일정한 관계를 가지도록 배열된다. 일반적으로, 이들은 실질적으로 직선 상에 위치되고, 상이한 실시예에서 각각의 안테나 섹션들 간의 간격은 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 상이한 실시예에 따르면, 안테나 섹션은 동일하거나 상이할 수 있고, 또는 멀티-섹션 안테나 장치 내의 안테나 섹션 중 일부는 동일한 반면, 다른 것은 상이할 수 있다.
본 발명의 기본적인 아이디어는 특히 2개 이상의 개별적인 안테나 섹션, 또는 더 일반적으로는, 상업적으로 입수 가능할 뿐만 아니라, 그 목적을 위해 특정하게 설계되며, 피딩 네트워크에 접속되는 안테나를 사용함으로써 셀룰러 이동 통신 시스템에 사용하기 위한 긴 안테나 또는 긴 안테나 장치를 제공하는 것이다. 일반적으로, 기계적으로 더 긴 안테나는 더 높은 이득을 제공하므로, 방위각 빔-폭을 변경함이 없이 확장된 커버리지를 제공한다. 상이한 실시예에 따르면, 빔의 기계적 및/또는 전기적인 틸팅은 예를 들어, 경로 이득을 최대화하고/하거나 이웃하는 셀에서 발생될 수 있는 간섭을 감소시키기 위하여 통합될 수 있다. 그러나, 본 발명은 임의의 특정 종류의 틸팅을 제공하는 것이 전혀 국한되지 않는다. 여하튼, 기본적인 개념에 따르면, 틸팅이 임의의 방식으로 생성되면, 상기 틸팅은 또한 다른 목 적에 사용될 수 있다. 다음에서, 첨부 도면이 참조될 것이다.
도1은 마스트(400)에 접속되고 피더 케이블(300)을 통하여 피딩 네트워크(도시되지 않음)에 의해 피딩되는 안타네(100)를 포함하는 종래 기술의 안테나 장치(1000)를 도시한다. 도시된 안테나(100)는 기계적인 틸팅 디바이스(500)에 의해 틸팅된다. 그러나, 이와 같은 장치는 본 문서에서 상술된 결점을 겪게 된다.
도2는 실질적으로 직선을 따라 마스트(40)에 모두 접속되는 3개의 안테나 섹션(101, 102, 103)을 포함하는 본 발명에 따른 안테나 장치(100)를 도시한다. 안테나 섹션(101, 102, 103)은 공통 피드 포인트로부터 상이한 안테나 섹션을 통하여, 그리고 원하는 빔 방향(62)의 파 필드(far field)로의 RF 경로에서의 위상 편이를 보상하기 위하여 동일하지 않은 길이를 갖는 피딩 케이블(211, 212, 2123)에 의해 접속되는 피딩 네트워크(20)에 의해 피딩된다. 공통의 메인 피더 케이블(30)은 피딩 네트워크에 피딩한다. 이 실시예에서, 안테나 섹션(101, 102, 103)은 기계적인 틸팅 수단(501, 502, 503)에 의해 기계적으로 틸팅되고, 다른 종류의 틸팅을 위해 제공될 수 있는데, 즉, 안테나 섹션 빔 방향은 멀티-섹션 안테나 장치의 원하는 빔 방향(62)과 일치하지 않아도 된다. 도면의 점선(61)은 보상 후 안테나 섹션으로부터의 공통 동위상 파면을 도시한다. 이 실시예에서, 모든 안테나 섹션이 동일하지 않고, 안테나 섹션들 간의 간격이 동일하지 않으며, 안테나 섹션들이 하나의 동일한 방식으로 기계적으로 틸팅되지는 않는다고 가정된다. 이것은 본 발명에 따라 인 에이블되는 빔 형성 또는 빔 셰이핑의 하나의 방식이다.
일반적으로, 피딩 네트워크(20)는 상이한 방식으로 동작하고 피딩 네트워크에 포함되거나 피딩 네트워크가 어떻게든 이에 접속될 수 있는 제어 수단에 의해 제어된다; 제어는 구현예에 따라 수동 또는 원격으로 수행될 수 있다.
각각의 안테나 섹션들 간에 전력을 분배하는 가장 간단하고 가장 직접적인 방식은 안테나 섹션들이 동일한 경우 안테나 섹션들 사이에 동일하게 전력을 분할하는 것이다. 안테나 섹션이 동일하지 않은 경우, 전력은 안테나 장치에 걸쳐 단위 길이당 동일한 전력 분배를 제공하기 위해 예를 들어, 전력 분할기를 사용하여 분할될 수 있다. 이와 같은 피딩 네트워크는 안테나 장치의 이득을 최대화하는 면에서 효율적이다.
그러나, 예를 들어, 측면 로브 레벨과 같은 이득 이외의 파라미터가 또한 상당히 중요할 수 있으며, 피딩 네트워크(신호 분배)는 상이한 실시예에 따르면, 이와 같은 다른 파라미터에 대해서도 또한, 또는 이와 같은 파라미터에 대해서만 최적화될 수 있다.
아래에 철저히 설명되는 바와 같이, 빔 형성, 또는 빔 셰이핑을을 수행하는 여러 수단이 존재한다. 사용될 수 있는 수단 또는 동작 중 일부는 예를 들어, 안테나 섹션들 사이에 비-등거리 간격을 제공하는 것을 통하여, 그리고 편파를 혼합함으로써 진폭 테이퍼, 위상 테이퍼, (섹션 레벨 당) 안테나 섹션 틸트를 제공하는 것이다.
상술된 바와 같이, 각각의 안테나 섹션들 사이에 신호를 분배하는데 사용되 는 피딩 네트워크는 상이한 복잡도로 이루어질 수 있고, 매우 간단한 피딩 네트워크로부터의 모든 것은 단순히 피딩 네트워크(20A)가 각각의 안테나 섹션(도시되지 않음)에 접속하는 상이한 길이의 피딩 케이블(21A1, 21A2, 21A3)을 갖는 전력 분할기/결합기를 포함하며, 공통 피더 케이블(30A)이 피딩 네트워크(20A)에 피딩하는 도3에 도시된 바와 같은 (동일한) 전력 분할기 (및 고정된 위상 시프트)를 포함한다.
도4는 다소 더 복잡하고, 가변의 동일하지 않은 전력 분할기/결합기 및 동일한 길이의 피딩 케이블(21B1, 21B2, 21B3)을 통하여 각각의 안테나 섹션(도시되지 않음)에 접속되는 가변 위상 시프터(22B1, 22B2, 22B3)를 포함하는 피딩 네트워크(20B)의 또 다른 예를 도시한다. 이전 실시예에서와 같이, 피딩 네트워크는 하나의 피더 케이블(30B)에 의해 피딩된다.
도5는 가변의 동일하지 않은 전력 분할기/결합기 및 동일한 길이를 갖는 피딩 케이블(21C1, 21C2, 21C3)을 통하여 각각의 안테나 섹션(도시되지 않음)에 각각의 피딩 신호를 적절하게 지연시키는 가변 시간 지연 수단(22C1, 22C2, 22C3)을 포함하는 다소 더 복잡한 피딩 네트워크(20C)의 또 다른 구현예를 도시한다. 피딩 네트워크(20C)는 이전 실시예에서와 같이 피딩 케이블(30C)에 의해 피딩된다. 상술된 바와 같이, 피딩 네트워크에서의 진폭 및 시간 지연 설정의 제어는 피딩 네트워크에 통합되거나, 자립형일 수 있는 제어 시스템(도시되지 않음)에 의하여 원격으로 또는 수동으로 수행될 수 있다.
도6은 가변 시간 지연 수단(τ1, τ2, τ3)(22D1, 22D2, 22D3)을 포함하는, 도5에 도시된 피딩 네트워크와 유사한 피딩 네트워크를 사용하는 안테나 장치(200)를 도시한다. 그러나, 피딩 네트워크(20D)는 여기서 동일한 길이를 갖는 피딩 케이블(21D1, 21D2, 21D3)을 통하여 동일하고 등거리로 접속되는 3개의 안테나 섹션(10D1, 10D2, 10D3)에 접속된다. (도시되지 않은 또 다른 구현예에 따르면, 소정의 길이의 케이블을 사용함으로써 필요로 되는 시간 지연을 달성할 수 있다.) 여기서 안테나 섹션(10D1, 10D2, 10D3)이 각도(α)로 동일하게 기계적으로 틸팅된다고 가정된다.
수직 축으로부터의 기계적인 틸트 각도(α)는 동일하고, 도면에서 점선을 통해 도시된 각각의 안테나 섹션에 대한 동위상 파면(24D1, 24D2, 24D3)은 각각의 안테나 섹션 내에서 전기적인 빔 틸트가 존재하지 않는다고 가정되기 때문에 평행하다. 각각의 안테나 섹션의 기계적인 틸트로부터 나오는 동위상 파면들 간의 편이는 각각의 안테나 섹션의 복잡한 방사 패턴의 코히어런트 중첩(coherent superpositioin)을 달성하기 위하여 보상될 필요가 있다. 차이가 순수한 기계적인 틸티, 순사한 전기적인 틸트에 의해 발생되는지 또는 이들의 결합에 의해 발생되는지에 관계없이, 안테나 섹션들 간의 동위상 파면의 변위는 각각의 시간 지연에 기인할 수 있다. 최대 신호 레벨의 경우에, 안테나 섹션(n)의 시간 어드밴스(time advance)는 다음으로서 제공되며:
τ = dntan(α)/c,
dn은 위상 중심 간의 거리이며, c는 광속도이다.
위상 시프터 대신에 사용되는, 도4의 것과 유사한 피딩 네트워크의 경우에, 대응하는 위상 어드밴스는 다음으로서 제공될 것이며:
Φn = 2πdntan(α)/λ,
λ는 RF 신호 파장이다.
위상 어드밴스는 통상적으로 Φn 모듈러 2π 라디안(360°)로서 구현된다.
도7은 본 발명에 따른 안테나 장치(300)의 또 다른 구현예를 개략적으로 도시한다. 3개의 실질적으로 동일한 안테나 섹션(10E1, 10E2, 10E3)이 예를 들어, 마스트(40E) 상에서 실질적으로 직선을 따라 장착된다. 그러나, 이 경우에, 각각의 안테나 섹션들 간의 거리는 상이하며, 안테나 섹션(10E3)은 안테나 섹션(10E2)에 대하여 변위된다고 할 수 있다. 안테나 섹션(10E2 및 10E3) 간의 거리는 예를 들어, 안테나 섹션(10E1 및 10E2) 간의 거리의 합 및 동일한 방향의 안테나 섹션(10E3)(이 경우에, 다른 안테나 섹션의 길이와 동일함)의 절반이다. 안테나 섹션(10E1, 10E2, 10E3)은 피더 케이블(30E)에 의해 피딩되는 피딩 네트워크(20E)에 케이블(21E1, 21E2, 21E3)을 통하여 접속된다. 또한 상이한 크기의, 즉, 동일하지 않은(이들은 또 한 크기 이외의 양상에서 동일하지 않을 수 있음) 안테나 섹션을 갖는 것이 물론 가능하며, 2개의 섹션은 동일할 수 있는 반면, 제3 섹션은 상이하다. 크기 및 안테나 섹션 분리에서의 변형이 원칙적으로 가능하다. 물론, 3개의 섹션의 사용에 대한 제한이 존재하지 않고, 섹션이 또한 더 많이(각각의 안테나 섹션들 간에 적어도 2개의 상이한 거리를 제공하지 않는 다른 실시예에서는 더 적게) 사용될 수 있다.
도8에서, 피더 케이블(30F)에 의해 차례로 피딩되는 피딩 네트워크(20F)에 의해 피딩 케이블(21F1, 21F2, 21F3)을 통하여 피딩되는 3개의 안테나(10F1, 10F2, 10F3)을 또한 포함하는 안테나 장치(400)를 도시한 또 다른 실시예가 개시된다. 그러나, 이 경우에, 안테나 섹션은 동일하지 않다; 이 특정한 경우에, 안테나 섹션(10F1) 및 안테나(10F3)는 동일한 반면, 안테나 섹션(10F2)은 더 크다고 가정된다. 적어도 2개의 안테나 섹션을 갖는 장치의 경우에, 상이한 크기를 갖는 안테나 섹션이 사용될 수 있다. 안테나 섹션(10F1)이 물론 상이할 크기를 가지거나 대안적으로 안테나 섹션(10F3)이 상이한 크기를 가질 수 있다. 임의의 변형이 원칙적으로 가능하다. 도8에서, 각각의 안테나 섹션들 간의 거리를 동일하다; 또한 상기 거리는 상술된 바와 같이 상이할 수 있다. 모든 도시된 안테나 장치에서, 단지 3개의 안테나 섹션이 도시되어 있을지라도, 실제로 임의의 또는 거의 모든 경우에, 예를 들어, 2개의 안테나 섹션, 4개의 안테나 섹션, 5개, 6개, 7개 또는 8개 또는 임의의 적절한 수를 갖는 것이 가능하지만, 명확성을 위해, 이것은 임의의 도면에 명시 적으로 도시되지 않는다는 것이 또한 명백해야 한다.
상술된 바와 같이, 여러 이유 때문에, (가상) 장착 플레인의 법선에 대해 빔을 틸팅할 수 있는 것이 종종 바람직하다. 일반적으로, 빔을 틸팅하는 목적은 셀 내의 원하는 위치에 방사된 전력을 지향시키는 것이다. 빔 틸팅은 예를 들어, 수평 또는 셀 경계가 예를 들어, 높은 마스트 또는 전망에서의 엘리베이션 변화로 인하여 "기지국에서의 수평 플레인 아래에" 있는 경우에 필요로 될 수 있다. 빔을 틸팅하는 다른 이유는 안테나 장치가 비-수직 축을 따라 장착되어야 하는 것일 수 있다.
빔 틸트는 현재 피딩 네트워크에서 널리 공지되어 있고 통상적으로 사용되는 기술이다. 일반적으로, 2개의 상이한 구현예, 즉, 빔이 안테나에 걸쳐 시간 지연(도5, 도6 참조) 또는 위상 지연(도4 참조)을 적용함으로써 틸팅되는 전기적인 틸트, 및 원하는 빔 방향을 달성하기 위한 것과 같이 안테나가 물리적으로 장착되는 기계적인 틸트가 존재한다. 이러한 2개의 기술은 또한 결합되어, 안테나 장치의 특성 및 특징을 제어하도록 부가적인 유연성을 제공할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 시간 지연 또는 위상 지연이 적용되거나 특정 방식으로 전기적으로 장착되는 것은 안테나 섹션인데, 즉, 전기적 및/또는 기계적인 빔 틸트는 단일 안테나, 즉, 하나의 섹션, 뿐만 아니라, 2개 이상의 개별적인 안테나 섹션에 관련된다. 이 외에도, 각각의 안테나 섹션은 빌트-인되는 전기적인 빔 틸트 수단이 사전-구비될 수 있는데, 즉, 안테나는 사전-필트된다고 할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따르면(틸팅이 구현되는 경우에), 각각의 안테나 섹션 은 개별적으로 틸팅되거나, 2개 이상의 안테나 섹션이 존재하는 경우에, 예를 들어, 통상적으로 안테나 섹션 중 2개를 틸팅하는 것이 물론 가능하지만, 부가적인 안테나 섹션(또는 그 이상)이 개별적으로 틸팅된다.
상술된 바와 같이, 안테나 섹션이 개별적으로 틸팅될 때 발생하는 동위상 파면의 변위는 피딩 네트워크에서 보상된다.
기계적인 틸트가 안테나 섹션마다 제공되거나, 적어도 2개의 안테나 섹션이 개별적으로 틸팅된다는 사실로 인하여, 전체 구조, 즉 전체 안테나가 기계적으로 틸팅되는 경우(도1 참조)보다 훨씬 더 콤팩트한 설치를 달성할 수 있다. 강품으로 인해 발생된 토크가 감소되는 동시에, 더 미학적인 설치를 제공할 수 있다는 것이 특히 장점이다.
전기적인 틸팅은 다음에서 다소 더 상세한 방식으로 설명될 것이다.
우선, 전기적인 틸트는 안테나 섹션이 이와 같은 틸팅 수단을 위해 사전-구비되는 경우에, 각각의 안테나 섹션 내에서 개별적으로 전기적인 틸트를 제공함으로써 구현될 수 있다. 전기적인 틸트 동작으로부터 발생하는 개별적인 안테나 섹션으로부터의 동위상 파면의 변위는 피딩 네트워크에서보상되어야 한다(상술된 식 참조). 물론, 이 경우에, (기계적인 틸팅이 제공되는 경우와 마찬가지로) 안테나 장치의 제한된 수의 안테나 섹션에만 개별적으로 각각의 틸트를 적용하거나 모든 또는 제한된 수의 섹션에만 동일한 틸트를 제공하거나, 또는 모든 섹션에 상이한 틸트를 적용하는 것이 또한 가능하다.
안테나 섹션들 간에 전기적인 틸트를 제공하는 다른 방식이 존재한다. 긴 안 테나의 전기적인 빔 틸트는 서브-어레이 당 단지 하나 또는 몇 개의 안테나 소자를 갖는 서브-어레이에 기초한 스티어링(steering)으로서 구현될 때, 상당한 량의 하드웨어를 필요로 할 것이다. 본 발명에 따르면, 하드웨어의 량은 안테나 섹션 레벨로 전기적인 스티어링을 적용함으로써 상당히 감소된다. 그 후, 빔 틸트는 단지 피딩 네트워크에서 적절한 시간 지연 또는 위상 지연을 도입함으로써 적용될 수 있다.
도9는 각각의 안테나 섹션에 어떤 전기적인 틸트가 적용되는 이와 같은 실시예를 예시하는 안테나 장치(500)를 개략적으로 도시한다. 그러므로, 동일하지 않은 길이의 피딩 케이블(21G1, 21G2, 21G3)을 통해 개별적인 안테나 섹션(10G1, 10G2, 10G3)에 개별적으로 피딩하는 피딩 네트워크(20G)에서 적절한 시간 지연 및/또는 위상 시프ㅌ가 도입된다. 단지 동위상 파면의 편이를 보상하는 것 이외에, 피드 네트워크는 또한 개별적인 안테나 섹션에 의해 제공된 것과 상이한 원하는 빔 틸트를 적용할 수 있다. 이 빔 틸트 범위는 안테나 섹션 거리가 크기 때문에 그레이팅 로브의 온셋으로 인해 제한될 수 있다.
기계적인 틸트 및 전기적인 틸트가 임의의 방식으로 결합될 수 있는 것이 명확해야 한다.
도10은 dB 대 Θ°에서의 상대 전력을 도시한 도면이며, Θ는 아래의 도11에서 규정된다. 이 도면(도10)은 0.82 파장 떨어져 이격된 8개의 안테나 소자를 갖는 4개의 안테나 섹션을 가진 안테나 장치(명백하게 도시되지 않음)의 예와 관련된다. 도면에서, 실선(IE)은 안테나 섹션의 전기적인 틸트만을 갖는 쓰리 디그리 빔 틸트(three degree beam tilt) 에 대한 방사 패턴을 도시하는 반면, 점선(IE +M)은 안테나 섹션의 결합된 전기적 및 기계적인 틸트를 도시한다. 그러므로, 실선은 빔 쓰리 디그리를 스캔하기 위하여 각각의 안테나 섹션의 위상 세팅들을 갖는 경우에 대한 제1 측면 로브 및 메인 빔을 도시한다(각각의 안테나 섹션 내에 전기적인 빔 틸트가 없음). 그레이팅 로브는 큰 간격으로 인해 발생된다. 그레이팅 로브는 안테나 섹션의 위상 세팅 이외에, 안테나 섹션이 쓰리 디그리로 기계적으로 틸팅되는 경우에 피해질 수 있다(상술된 바와 같은 점선 참조).
특히, 엘리베이션에서의 섹터 안테나의 방사 패턴은 메임 빔 및 측면 로브를 가지는 것을 특징으로한다. 메인 빔 및 각각의 측면 로브 사이, 및 측면 로브들 사이의 매우 낮은 이득은 종종 "널"이라 칭해진다. 이러한 널은 전형적으로 절반-전력 빔폭의 n 배에서 발생하며, n은 정수이다. 이들 소위 널 방향에서의 낮은 안테나 이득으로 인해, 경로 이득이 낮아지고, 이는 기지국 및 단말기 사이 또는 그 반대 사이의 송신에 심각한 영향을 준다.
통상적인 (넓은) 엘리베이션 빔-폭을 갖는 안테나의 경우에, 메인 빔 아래의 통상적으로 가장 심한 것인 제1 널의 방향은 셀 경계보다 훨씬 낮은 사이트로부터의 거리에 대응한다. 그러므로, 낮은 안테나 이득은 낮은 경로 손실에 의해 보상되고, 이동 시스템에서 송신 문제가 존재하지 않는다.
반면, 전형적으로 엘리베이션에서 매우 좁은 빔-폭을 가지는 더 높은 이득 안테나의 경우에, 제1 널이 셀 범위에 비하여 비교적 큰 거리에 대응하는 메인 빔에 비교적 가깝게 발생할 것이다. 이것은 더 낮은 안테나 이득이 더 낮은 경로 손실에 의해 충분히 보상될 수 없다는 것을 의미한다. 이것은 셀 내의 어떤 에어리어에서 양호하지 않은 커버리지 초래할 수 있다. 송신된 신호가 전체 셀(가능한한 많은 셀)을 커버하는 것이 매우 중요하다. 그러므로, 양호하지 않은 커버리지를 방지하기 위하여, "널-채움"이라 칭하는 기술이 적용될 수 있다. 이것은 어떤 또는 특히 어떤 선택된 널 방향에서의 이득 강하게 수용 가능한 레벨로 제한되도록 방사 패턴이 설계되는 것을 의미한다.
그러므로, 통상적인 짧은 안테나의 경우에, "널"의 발생 문제는 그 안테나가 넓은 빔을 가지기 때문에 심각하지 않은 반면, 엘리베이션에서 좁은 빔-폭을 갖는 고 이득 안테나의 경우에, 이 문제는 훨씬 더 심각할 것이다.
도11은 엘리베이션에서 좁은 빔-폭을 갖는 높은 이득 안테나 장치(10')를 가진 기지국(10D)으로부터의 방사 패턴을 도시한 엘리베이션 컷(elevation cut)이다. BNF, 즉, 점선은 예를 들어, 파선을 따라 위치된, 즉, 널-채움이 없는 단말기 MS를 향한 널을 가진 방사 패턴을 도시한다. BFO(실선)은 메인 빔 아래의 제1 널의 채움을 도시하는데, 즉, 어떤 종류의 널-채움이 구현되어서, MS는 기지국과 통신할 수 있는데, 이것은 널 채움이 없었다면 가능하지 않았다. Θ는 안테나 장치(10')가 장착되는 실질적으로 수직선 및 메인 빔의 중심 간의 각도이다.
널-채움을 달성하기 위한, 그리고 고 이득 안테나에 적용 가능한 여러 상이 한 기술이 구현될 수 있다.
방사 패턴에서 널을 감소시키기 위하여, 각각의 안테나 섹션에 동일하지 않은 전력 분배가 제공될 수 있다. 도12는 0 dB, -3 dB 및-6 dB의 상대적인 진폭 테이퍼를 갖는 3개의 동일한 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(도시되지 않음)에 대하여, 진폭 테이퍼가 구현되지 않은 경우(실선(IIAN))에 비하여, 진폭 테이퍼를사용한 널-채움(점선(IIAT))을 가진 dB 대 Θ°(도11에 도시된 바와 같은 Θ)에서의 상대 전력의 방사 패턴을 도시한 도면이다. 이 장치에서, 각각의 안테나 섹션은 0.82 파장 떨어져 이격된 8개의 방사 소자로 이루어지는 것으로 가정된다. 상기 장치가 예를 들어, 본 출원에서 앞서 논의된 바와 같은 기계적 및/또는 전기적인 틸팅과 결합될 수 있다는 것이 명백해야 한다.
도13은 널-채움을 위해 제공되고, 안테나 섹션들 사이의 동일하지 않은 위상 분배의 사용에 기초하며, 방사 패턴에서 널을 감소시키기 위한 또 다른 방법을 설명하는 또 다른 장치에 대한, 도11에 도시된 바와 같은 dB 대 Θ에서의 방사 패턴, 상대 전력을 도시한 도면이다. 상기 장치(도시되지 않음)에서, 예를 들어, 도12의 장치와 유사하지만, 0°, -30° 및 0°의 상대적인 위상 테이퍼를 대신 사용하는 3개의 동일한 안테나 섹션이 사용된다고 가정된다. 도면에서, 점선(IIIPT)은 균일한 테이퍼(실선(IIIUT), 즉, 임의의 널-채움이 없는 것에 비하여, 위상 테이퍼를 갖는 구현예와 관련된다.
대안적으로, 방사 패턴에서 널을 감소시키기 위하여 안테나 장치의 안테나 섹션을 기계적으로 상이하게 틸팅하는 것이 가능하다.
도14는 도12, 13에 대해 논의된 바와 같은 3개의 안테나 섹션이 수직 플레인에 대해 0°, 0° 및 +2°에서 기계적으로 틸팅(α)되는 장치에 대한 dB 대 Θ에서의 상대 전력으로서 방사 패턴을 도시한다. 도12의 실시예와 유사하게, 0 dB, 0 dB, -6 dB인 상대적인 진폭 테이퍼가 부가된다. 도면의 실선은 기계적인 틸트가 없고 진폭 테이퍼(IVUT)가 없는 대응하는 장치를 도시하는 반면, 점선(IVM+AT)는 기계적인 틸트 및 진폭 테이퍼를 포함하는 상술된 실시예와 관련된다.
다른 구현예에서, 방사 패턴에서의 하나 이상의 널은 안테나 섹션을 전기적으로 상이하게 틸팅함으로써 감소된다. 유용한 실시예에서, 선택된 틸트는 안테나 섹셕들 간의 위상 테이퍼와 결합된다.
도15에서, 전기적으로 틸팅(0°, 0° 및 +1°)되고, 이 외에도, 0°, 0° 및 20°의 상대적인 위상 테이퍼가 적용되는 3개의 안테나 섹션을 포함하는 상기 논의된 바와 같은 장치에 대한 방사 패턴을 설명하는 도면이 도시되어 있다. 점선(VE + PT)은 전기적인 빔 틸트 및 위상 테이퍼를 포함하는 장치에 대한 상대 전력을 도시하는 반면, 실선(VUT)은 빔 틸트 및 위상 테이퍼가 적용되지 않는 대응하는 장치와의 비교이다.
또 다른 널-채움은 도7과 관련하여 논의되고 상술된 바와 같은 안테나 섹션들 간의 동일하지 않은 간격을 사용하는 것을 통해 달성될 수 있다.
도16은 변위가 존재하는 경우의 방사 패턴을 도시하는 실선(VIO)에 비하여, 하나의 안테나 섹션이 도7을 참조하여 논의된 바와 같이 절반 섹션의 폭 또는 길이에 대응하는 길이만큼 변위되는 경우에 대한 방사 패턴(점선(VID))을 도시한 도면이다. 다른 안테나 장치가 다른 안테나 섹션 간격으로 구현될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
여러 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 널은 상술된 널-채움 기술 중 어느 하나의 구현을 통해 효율적으로 감소될 수 있다. 그러나, 다른 널-채움 기술을 구현하는 것이 또한 가능하다; 예를 들어, 방사 패턴에서의 널은 동일하지 않은 안테나 섹션을 접속함으로써(도8 참조) 감소될 수 있다.
더 부가적으로, 방사 패턴에서의 널은 상이한 (이중) 방사 패턴 편파를 갖는 안테나 섹션의 접속을 통해 감소될 수 있다.
동일하지 않은 (이중) 편파는 빔 형성 용도로 제공되며, 도17은 안테나 마스트(40H) 또는 이와 유사한 것 상에 장착되고, 동일하지 않은 길이를 갖는 피딩 케이블(21H1, 21H2, 21H3)을 통해 전력 분할기/결합기를 포함하는 제1 피딩 네트워크(20H1)에 결합되며, 또한 동일하지 않은 길이를 갖는 피딩 케이블(21H1, 21H2, 21H3)을 통해 전력 분할기/결합기를 포함하는 제2 피딩 네트워크(20H2)에 접속되는 3개의 이중 편파된 안테나 섹션(10H1, 10H2, 10H3)을 갖는 안테나 장치(600)를 도시한다. RF 신호를 피딩하는 제1 피딩 네트워크(20H1)는 차례로 피더 케이블(30H1)에 의해 피딩되고, 상기 신호는 제1 편파를 통하여 송신/수신되는 반면, 피더 케이 블(30H2)은 제2 편파를 통해 송신/수신된 RF 신호를 제2 피딩 네트워크(20H2)에 피딩한다. 그러므로, 2개의 별도의 피딩 네트워크(20H1, 20H2)는 전체 안테나 장치에 2개의 편파를 피딩한다. 피딩 네트워크(20H1, 20H2)는 각각의 편파에 대한 특정한 원하는 엘리베이션 빔 패턴을 제공하기 위하여 개별적으로 최적화될 수 있다.
하나의 실시예에서, 2개의 방사 패턴은 상보적인 엘리베이션 커버리지를 가지도록 설계되어, 2개의 편파가 동일한 RF 신호를 사용하여 피딩될 때, 2개의 편파 특정 패턴의 전력 합인 결합된 패턴이 생성되도록 하며, 상기 전력-합산된 패턴은 예를 들어, 무 널 깊이(no null depth)와 같은 새로운 세트의 원하는 특성을 갖는다.
예를 들어, Butler 매트릭스 네트워크에 기초한 멀티-포트 엘리베이션 피딩 네트워크를 사용함으로써, 각각의 편파에 대해 다수의 빔이 제공됨으로써, 2개 이상의 빔이 편파 특정 방사 패턴의 상술된 전력 합산을 사용하여 발생되도록 한다.
도18은 빔 틸트가 구현되지 않는 실선에 비하여 전기적인 빔 틸트와 결합된 널-채움을 갖는 방사 패턴(점선(VIIPT + BT))을 도시한 도면이다. 도18에서 언급된 장치(도시되지 않음)는 널-채움 기술이 빔 틸트와 결합되는 실시예를 설명한다. 널-채움은 여기서 8개의 방사 소자를 각각 포함하는 4개의 동일한 안테나 섹션들 간의 위상만의 테이퍼링에 의해 달성된다. 메인 빔 아래의 제1 및 제2 널이 채워지고, 빔은 제1 채워진 널 상에 거의 어떤 영향을 줌이 없이 안테나 섹션들 사이의 위상 기울기를 적용함으로써 전기적으로 스캔될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 개념이 첨부된 청구항의 범위를 벗어남이 없이 다수의 방식으로 변화될 수 있다는 것이 명백하다. 본 발명이 임의의 특정 수의 안테나 섹션에 국한되는 것이 아니라, 애플리케이션에 따라 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 등이 존재할 수 있다는 것이 또한 명백해야 한다. 본 발명은 또한 안테나 섹션 내에 특정 수의 방사 소자에 국한되지 않고, 이들은 많은 상이한 종류 및 크기로 제공될 수 있다.
더 부가적인 많은 상이한 틸팅 및/또는 널-채움 기술이 임의의 원하는 방식과 결합될 수 있고, 기계적 및 전기적인 틸트는 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있으며, 하나 이상의 안테나 섹션들 간의 거리는 변화될 수 있다; 이것은 단지 2개 사이 또는 3개의 안테나 섹션 사이에서 상이하거나, 임의의 쌍의 안테나 사이에서 상이할 수 있을 뿐만 아니라, 안테나 섹션은 동일할 수 있는데, 예를 들어, 상이한 안테나 섹션에 대해 서브-어레이 길이가 동일하지 않거나, 그렇지 않을 수 있고, 상이한 길이는 상이한 거리 및 상이한 기계적인 틸팅 정도와 결합될 수 있다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 안테나 섹션 중 일부 (또는 모두)는 빌트 인되는 전기적인 틸트 및/또는 이전에 논의된 바와 같은 다른 수단에 의해 제공되는 전기적인 틸팅을 포함할 수 있고, 임의의 종류의 널-채움 및 이중 편파가 구현될 수 있다. 또한 다른 양상에서, 본 발명은 특정하게 설명된 실시예에 국한되지 않는다. 상기 문서에서 언급된 다른 장점 이외에, 하나의 장점은 안테나 장치가 상이한 종류의 구조 상에, 불규칙적이거나 규칙적으로 또는 소정 형태로, 수직 또는 기울여 장착될 수 있다는 것이다.

Claims (36)

  1. 어레이 또는 서브-어레이에 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 포함한 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(100;200;300;400;500;600)에 있어서,
    실질적으로 직선, 비-직선을 따라 또는 장착 구조(40;40D;40E;40F;40G; 40H)에서 불규칙적으로 장착되는 하나의 부가적인 안테나 섹션(101,102,103:10D1,10D2,10D3:10E1,10E2,10E3:10F1,10F2,10F3:10G1,10G2,10G3:10H1,10H2,10H3),
    빔 형성 제어를 허용하는 상기 안테나 섹션(101,102,103:10D1, 10D2,10D3:10E1,10E2,10E3:10F1,10F2,10F3:10G1,10G2,10G3:10H1,10H2,10H3)의 피딩을 제어하는 피딩 네트워크 제어 수단을 갖는, 상기 적어도 2개의 안테나 섹션(101,102,103:10D1,10D2,10D3:10E1,10E2,10E3:10F1,10F2,10F3:10G1,10G2,10G3:10H1,10H2,10H3)에 피딩하는 피딩 네트워크 장치(20;20A;20B;20C;20D;20E;20F;20G;20H1;20H2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(100;200;300;400;500;600).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수의 안테나 섹션 중 적어도 2개는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(200;300;400;500;600).
  3. 제2항에 있어서,
    모든 안테나 섹션은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(200;300;400;500;600).
  4. 제1항 또는 2항에 있어서,
    적어도 2개의 안테나 섹션(101,102,103:10F1,10F2,10F3)은 동일하지 않은, 즉, 상이한 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(100;400).
  5. 제1항에 있어서,
    모든 안테나 섹션(101,102,103)은 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(100).
  6. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 섹션은 각각의 인접한 안테나 섹션 간의 간격(들)이 실질적으로 동일하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치(200;400;500;600).
  7. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 섹션은 각각의 인접한 안테나 섹션들 간의 간격이 상이하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 섹션은 예를 들어, 45°, 60°또는 90°방위각의 빔-폭을 갖는 종래의 섹터 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  9. 제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피딩 네트워크 장치(20;20A;20B;20C;20D;20E;20F;20G;20H1;20H2)는 안테나 섹션들 간의 위상 및/또는 진폭을 가변으로 제어하여, 위상 및/또는 진폭 테이퍼링을 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  10. 제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    유지 수단, 예를 들어, 마스트가 상기 안테나 섹션을 유지하기 위하여 장착되는 실제 또는 가상 장착 플레인의 법선에 대해 빔을 틸팅하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    빔을 틸팅하는 상기 수단은 안테나 섹션을 기계적으로 틸팅하는 기계적인 틸팅 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    적어도 2개의, 바람직하게는 모든 안테나 섹션은 개별적으로 기계적으로 틸팅되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  13. 제1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    안테나 섹션 중 적어도 일부는 전기적으로 사전-틸팅되는데, 즉, 상이한 안테나 섹션에 대해 동일하거나 상이할 수 있는 "빌트-인" 틸트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    빔을 틸팅하는 상기 수단은 안테나 섹션을 전기적으로 틸팅하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    안테나 섹션을 전기적으로 틸팅하는 상기 수단은 각각의 안테나 섹션을 개별 적으로 틸팅할 수 있는데, 즉, 각각의 안테나 섹션을 개별적으로 그리고 별도로 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 피딩 네트워크 장치는 위상 지연 수단(22B1, 22B2, 22B3) 및/또는 시간 지연 수단(22C1, 22C2, 22C3)을 포함하며, 안테나 섹션의 전기적인 틸팅은 각각의 안테나 섹션이 위상 지연 및/또는 시간 지연을 도입함으로서 달성되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  17. 제1항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피딩 네트워크 장치는 각각의 상이한 편파를 안테나 섹션에 각각 피딩하는 2개의 피딩 네트워크(20H1, 20H2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    동일한 신호는 제1 및 제2 편파를 피딩하는데 사용되며, 상기 각각의 피딩 네트워크(20H1, 20H2)는 특히, 상보적인 엘리베이션 커버리지를 갖는 각각의 편파의 엘리베이션 빔 패턴을 획득하여, 각각의 엘리베이션 빔 패턴의 전력 합인 결합된 빔 패턴이 생성되도록 각각의 편파의 엘리베이션 빔 패턴을 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 각각의 피딩 네트워크(20H1, 20H2)는 예를 들어, Butler 매트릭스 네트워크에 기초한 멀티-포트 엘리베이션 피딩 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  20. 제1항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기/각각의 피딩 네트워크는 각각의 안테나 섹션에 피딩된 전력을 적절한 분할하는 전력 분할 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  21. 제1항 내지 20항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 선택된 방향에서 이득 강하를 제한하기 위하여, 즉, 상기 적어도 하나의 방향에서 "널-채움"을 제공하기 위하여 이득이 제어될 수 있도록 방사 패턴을 제어하는 빔 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 빔 형성 수단은 빔을 기계적으로 및/또는 전기적으로 틸딩하는 하나 이상의 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  23. 제1항 내지 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 섹션은 방사 패턴이 제어되어 이득 강하가 적어도 하나의 선택된 방향에서 제한/방지될 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    적어도 하나의 섹션은 하나 이상의 다른 안테나 섹션과 상이하며, 적어도하나의 안테나 섹션은 인접한 안테나 섹션까지의 거리가 적어도 2개의 다른 안테나 섹션 사이 또는 안테나 섹션 및 또 다른 인접한 안테나 섹션 사이의 거리와 상이하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  25. 제21항 내지 24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피딩 네트워크는 2개의 별도의 피딩 네트워크(20H1, 20H2)를 포함하며, 이 네트워크 각각은 안테나 섹션 각각에 이중 편파를 피딩하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  26. 제1항 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 섹션(101,102,103:10D1, 10D2,10D3:10E1,10E2,10E3:10F1,10F2,10F3: 10G1,10G2,10G3:10H1,10H2,10H3)은 별도의 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  27. 제1항 내지 26항 중 어느 한 항에 있어서,
    공통 마스트 또는 임의의 다른 장착 구조(40;40D;40E;40F;40G; 40H) 상에 장착된 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 7개의 안테나 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  28. 제1항 내지 27항 중 어느 한 항에 있어서,
    신호를 송신 또는 수신 또는 송수신하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  29. 제1항 내지 28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 섹션은 평면이 아닌 표면에 장착될 수 있고, 예를 들어, 동일하지 않은 방위로 장착되는 것을 특징으로 하는 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치.
  30. 셀룰러 이동 통신 시스템의 무선 기지국에서 제1항 내지 29항 중 어느 한 항에 따른 배열의 사용.
  31. 서브-어레이에 배열될 수 있는 다수의 방사 소자를 각각 포함한 다수의 안테나 섹션을 포함하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법에 있어서,
    적어도 2개의 안테나 섹션이 실질적으로 직선을 따라 또는 장착 구조에서 불규칙적으로 장착되며, 상기 방법은:
    - 피딩 네트워크에 의해 안테나 섹션에 피딩하는 단계;
    - 이득 및/또는 빔 형성을 제어하기 위하여 각각의 안테나 섹션에 개별적인 빔 틸트를 기계적 및/또는 전기적으로 적용하면서 피딩을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    - 전기적인 사전-틸트 및/또는 기계적인 틸트에 기인하는 각각의 안테나 섹션으로부터의 동위상 파면의 변위를 피딩 네트워크를 사용하여 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법.
  33. 제31항 또는 32항에 있어서,
    - 전기적인 빔 틸팅을 제공하기 위하여 각각의 안테나 섹션에 개별적인 시간 지연 및/또는 위상 시프트를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법.
  34. 제31항 내지 33항에 있어서,
    - 모든 안테나 섹션에서 제1 편파를 갖는 소자에 신호를 피딩하기 위하여 제1 피딩 네트워크를 사용하는 단계,
    - 모든 안테나 섹션에서 제2 편파를 갖는 소자에 동일한 신호를 피딩하기 위하여 제2 피딩 네트워크를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    - 각각의 편파에 다수의 빔을 제공하기 위하여 예를 들어, Butler 매트릭스 네트워크에 기초한 멀티-포트 엘리베이션 피딩 네트워크를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법.
  36. 제31항 내지 35항 중 어느 한 항에 있어서,
    수동으로, 또는 원격 제어 유닛을 통하여 피딩 네트워크 장치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치에서 빔 형성을 제어하는 방법.
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