KR20100067645A - 반파장간격의 배열 소자군을 사용한 이중편파 안테나의 설계방법과 그에 따른 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

반파장단위의 소자군에 대한 백터합성을 통한 45도 이중편파 안테나의 설계 방법 및 장치가 개시된다. 종래 백터합성을 통한 이중 편파 안테나 장치는 사각형의 모양으로 수직축과 수평축의 다이폴 소자를 대략 1/2파장 간격으로 배치하고 신호 합성함으로써 수직축을 기준으로 ＋45°기울어진 편파와 ―45°기울어진 편파를 사용한다.
이때, 상기 사각형의 다이폴 소자군은 배열시 대략 1파장간격으로 배치되어 수직축의 신호억압이 이루어지지 않으며, 수평축 또한 상기 사각형의 다이폴 소자군의 급전부로 인한 간섭이 발생하여 신호억압이 이루어지지 않음으로써 전체적으로 전후방비 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 이중편파 안테나의 반사판 전면에서 수평축으로는 2열의 다이폴소자 배치하고, 상기 2열의 중심을 대략으로 기준하여 2행의 다이폴소자를 수직선상에 배치하되, 상기 2열의 다이폴 소자와는 상기 2행의 소자가 서로 교차(우물 井 또는 #모양) 하도록 구성하여 소자군 하나의 크기를 획기적으로 줄이고 상기 작은 크기의 소자군을 지그재그 모양의 엊각으로 배치하여 상기 이중편파의 분리도 특성을 유지하면서도 상기 소자군을 대략 반파장간격으로 배열 할 수 있도록 하여,
안테나 배열간격이 반파장에 따른 빔제어가 용이하여 단일빔과 같은 빔폼밍 패턴을 형성할 수 있으며, 안테나 틸트(Tilt)운용 시 이중의 편파가 안테나 전방의 중심선에 대하여 대칭이고 상호 커버리지가 운용각에 무관하게 일치하며, 특히 안테나 전후방비가 개선되며, 또한 가변틸트의 경우는 다양한 가변의 각도에서 주빔의 충실도가 개선된 빔 특성을 제공하며, 그레이팅 로브(Grating Lobe)와 같은 불요파를 생성하지 않는 효과가 있다.

Description

반파장간격의 배열 소자군을 사용한 이중편파 안테나의 설계방법과 그에 따른 안테나 장치{Design Method for Dual Polarization Antenna Using Array Element Group of Half Wavelength Interval and that Antenna Apparatus There of }
본 발명은 무선통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위한 이중 편파 안테나 장치를 설계하는 방법 및 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 이동통신 기지국과 중계국에서 사용되는 안테나 장치를 설계하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래 이중 편파 안테나 장치는 인접한 안테나 장치와의 혼선과 다중 경로 페이딩(fading)에 의한 수신부의 전송 오류를 개선하기 위해 두 개의 직교하는 선형 편파를 제공하는 이중 편파 다이버시티(diversity) 방식에 따라 하나의 신호 전파를 수신할 때 두 종류 이상의 공중선과 수신기를 사용하여 그 출력을 합성하기 위한 안테나 장치로써 하나의 안테나에서 두 개의 직교하는 선형 편파를 제공하여 설치면적, 설치비용 및 유지비용을 현저히 줄이는 효과가 있다.
이와 같은 종래 이중 편파 안테나 장치는 도 1 종래 이중 편파 안테나의 소자 배열 및 방사 패턴을 설명하기 위한 도면에 도시한 형태가 가장 일반적으로 설계되는 형태이며, 가장 널리 이용되고 있다.
도 1(a)에 도시한 바와 같은 종래 이중 편파 안테나 장치는 반사판(10) 상에 수직축을 기준으로 ―45°기울어지게 수직방향으로 배열된 소자로 이루어진 제1편파 소자부(111)와 ＋45°기울어지게 수직방향으로 배열된 소자로 이루어진 제2편파 소자부(112)가 이중편파 제1소자군(11)으로 구성되고, 제1편파 소자부(111)의 소자는 -45도 수직신호 합성부(13)를 통해 -45도 편파신호를 출력하고, 제2편파 소자부(112)의 소자는 +45도 수직신호 합성부(14)를 통해 +45도 편파신호를 출력한다.
이때, 상기 제1소자군은 동일 내지 유사한 모양으로 제2소자군(12)을 형성하여 각각 수직신호합성부(13,14)를 통하여 신호합성하여 출력되는데, 특히 반파장 간격으로 배열이 가능한 장점이 있으나,
상기 제1소자부(111)와 제2소자부(112)는 다이폴소자이므로 8자 지향특성으로 인하여 +45도 내지 -45도의 기울어진 형태에서는 도1-b와 같이 틸팅(tilting)이라는 운용각을 이룰시 커버리지가 편파신호 상호(15,16)간 달라지며, 서비스 중심지역으로부터 대칭성을 잃게되는 치명적인 문제점이 있다.
이를 개선하기 위하여 도2-a 와 같이 다이폴 소자를(211) 수직과 수평의 구조로서 4각형을 이루는 형태로 소자군(21,22)을 형성하고 상기 4각형 소자(211)의 백터합성을 통한 +45도 및 -45도의 이중편파를 조합하는 방법을 사용한다.
허나, 이의 경우는 수직적으로는 소자군(21,22)의 간격이 대략 1파장정도가 됨으로써 단일빔과 같은 급수분배를 적용할 수 없을뿐더러 특히나, 수직축상에 부엽을 충분히 억압치 못하고 도2-b의 수평축방향 측엽(25)과 같이 형성하게 되며, 상기 소자군(21)과 동일 공간상에 구성하는 다이폴 급전부(212)에 의한 전파간섭으로 인하여 수평적으로도 축방향의 신호억압이 어려워 도2b의 수직축방향 측엽(25)과 같이 충분히 억압되지 않음으로 인하여 안테나 전체적으로 전후방비가 저하되는 치명적인 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 이중 편파 안테나 장치의 문제점을 해결하기 위하여,
반파장간격으로 배열하면서도 백터합성이 가능한 소자군과 이를 이용한 안테나장치를 설계하는 방법과 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여,
이중편파 안테나 소자군을 설계하는데 있어서,
반사판 전면에서 수평축으로는 2열의 다이폴소자 배치하고, 상기 2열의 중심을 대략으로 기준하여 2행의 다이폴소자를 수직선상에 배치하되, 상기 2열의 다이폴 소자와는 상기 2행의 소자가 서로 교차(우물 井 또는 #모양) 하도록 구성하여 소자군 하나의 크기를 획기적으로 줄이고 상기 작은 크기의 소자군을 지그재그 모양의 엊각으로 배치하여 상기 이중편파의 분리도 특성을 유지하면서도 상기 소자군을 대략 반파장간격으로 배열 할 수 있도록 함이 주요 해결수단이다.
상기 해결수단으로부터 발생되는 효과는,
반파장 간격으로 배치되어 수직과 수평의 편파신호를 백터합성하는 이중편파 소자군을 사용하여 본 발명의 안테나를 설계한다면,
1. 반파장에 따른 빔제어가 용이하여 단일빔과 같은 빔폼밍 패턴을 형성할 수 있으며,
2. 안테나 틸트(Tilt)운용 시 이중의 편파가 안테나 전방의 중심선에 대하여 대칭이고 상호 커버리지가 운용각에 무관하게 일치하며,
3. 안테나 전후방비가 개선되며,
4. 특히, 상기 반파장 간격의 빔폼밍 중 가변틸트의 경우는 넓은 각도범위에서 주빔의 충실도를 유지할 수 있으며, 그레이팅 로브(Grating Lobe)와 같은 불요파를 생성하지 않는다.
도 1은 종래 반파장간격의 소자군에 대한 45도 이중편파 안테나의 소자 배열 및 방사 패턴을 설명하기 위한 도면,
도 2는 종래 1파장간격의 소자군에 대한 백터합성을 통한 45도 이중편파 안테나의 소자배열 및 방사패턴을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명 반파장간격의 소자군에 대한 백터합성을 통한 45도 이중편파 안테나의 소자배열 및 방사패턴을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명 반파장간격의 소자군에 대한 백터합성을 통한 단일빔 특성을 갖는 45도 이중편파 안테나의 구성과 방사패턴을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명 반파장간격의 소자군에 대한 백터합성을 통안 실제안테나 구성을 설명하기 위한 도면,
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명 반파장간격의 소자군에 대한 백터합성을 통한 45도 이중편파 안테나 설계 방법 및 장치는 아래와 같은 기술적 특징이 있으며, 설명의 편의상 기지국이나 중계국에서 가장 많이 사용하는 2xn(n은 임의의 자연수)형 배열어레이 안테나를 대표적인 예로서 설명하며, 학술적으로 일반적인 nxn형에 대한 적용은 이의 확장 및 응용개념으로 간주한다.
본 발명에 따른 안테나 설계 방법은
일반적으로 이중편파를 구성하는데 있어 보편적으로 포함되는 구성요소로서 반사판(20) 및, 상기 반사판의 전면에 배치하는 최소한 하나 이상의 소자군(21,22) 및, 상기 소자군의 신호를 합성조합하는 수직신호 합성부(23,24)인데,
일반적으로 상기 개별소자군은 사각형 또는 마름모 모양으로 수직편파 소자 2개와 수평편파 2개가 신호조합 된다.
본 발명에서는 특히, 상기 소자군을 구성하는데 있어 소자군과 상기 소자군에 포함되는 각 소자(211)에 급전되는 급전부(212)의 크기를 획기적으로 줄이기 위하여
상기 반사판 전면에서 수평축으로는 2열의 다이폴소자(311,313) 배치하고, 상기 2열의 중심을 대략으로 기준하여 2행의 다이폴소자(312,314)를 수직선상에 배치하되, 상기 2열의 다이폴 소자와는 상기 2행의 소자가 서로 교차(우물 井 또는 #모양) 하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 우물정(井) 모양의 소자군은 일반적인 사각형모양의 소자군 보다는 소자의 간격이 짧고 특히, 급전부의 길이가 다이폴의 크기보다 획기적으로 줄어들어 방사 공간내에서 불필요한 공진요소를 줄일 수 있어 전후방비 특성과 빔 균형특성이 우수한 특별한 장점이 있다.
또한, 상기 본 발명의 소자군의 크기가 획기적으로 작아짐으로 인하여 비교적 넓은 빔폭의 수평과 수직 빔폭을 형성하는 특성이 있는데 이는 상기 소자군의 배열을 통하여 필요한 빔폭과 이득을 설계 할 수 있는 중요한 장점이 된다.
따라서, 보다 고 이득이나 보다 좁은 빔폭의 안테나를 설계하기 위하여서는 상기 작아진 크기를 충분히 활용하여 배열하는데 이중편파 안테나의 특성상 상기 소자군의 이종편파가 상호 근접시 분리도 성능이 치명적으로 저하된다.
일반적으로 이러한 문제 때문에 일반적인 소자군은 크기가 반파장 이상으로 클 뿐더러 배열의 간격 또한 대략 1파장 또는 그 이상을 사용하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 소자군을 배치시 상호 인접하는 소자군과는 동일편파가 인접토록 서로 엊각의 모양으로 배치한다.
이때 상기 엊각(지그재그) 배치시 수평축 간격은 수평적 빔 특성을 결정하고 수직축 간격은 수직적 빔 특성을 결정한다.
따라서 상기 지그재그모양의 엊각 배치는 임의의 빔폭을 설계 할 수 있을 뿐만아니라 수직축으로 반파장의 배열을 사용한다면 수직방향의 신호가 강하게 억압되어 전방지향특성과 전/후방비 특성이 획기적으로 개선된다.
또한, 상기 본 발명의 개별 소자군에 포함되는 4개의 다이폴소자에 급전되는 급전부는 소자군 중심부에서부터 분배조합되어 급전되는데 우물井 모양에서의 다이폴소자의 크기가 반파장이라면 중심부에서 급전점까지의 거리는 이보다 월등히 작게된다. 따라서 방사공간내 수평(x)과 수직(y)의 편파성분이 이중편파의 신호와 함께 공존하는 상기 급전부의 공진주파수는 다이폴소자의 주파수와는 차이가 있어 불필요한 공진요소를 제거할 수있다.
즉, 소자군의 크기가 반파장 이상 이라면 급전부 또한 사용되는 방사소자의 크기와 비슷하든지 그 이상이 되어 특정 주파수에서 최소 공배수 공진을 할 수 있음으로 인하여 광대역 설계가 어려운 문제점이 발생하며, 급전부의 길이가 다이폴의 길이보다 월등히 작다면 공진이 억압되어 안정적으로 광대역 설계를 할수있는 특징이 있다.
상기 본 발명 소자군과 엊각의 배열방법을 활용하여 실제 안테나를 설계하는 일례를 도 5를 통하여 보인다.
반파장 간격의 백터합성을 통한 제1소자군(51)과 상기 제1소자군과 동일 내지 유사한 형태로서 상기 제1소자군과는 수평선상에서 임의의 거리로, 또한 수직적으로는 대략 반파장간격인 지그재그형으로 배열하는 안테나 제2소자군(52) 및,
상기 소자군을 고정하고 반사판의 기능을 하는 반사판(50) 및,
상기 반사판(50)의 일면에 부착되어 +45도 및 -45도의 이중편파에 대한 백터합성과 수직신호 합성에 대한 가변위상을 포함한 위상 및 출력에 대한 분배기의 회로 기능을 하는 신호조합 분배부(58) 및,
상기 신호조합 분배부(58)에 불필요한 잡음의 유입을 차단하는 차폐실(54) 및,
상기 차폐실(54) 내부에 전파의 공진을 방지하는 전파흡수체(55) 및,
상기 신호조합 분배부(58)와 접속하여 45도 이중편파신호를 각각 출력하는 콘낵터(56,57)로 구성할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 본 발명 소자군을 PCB에 구성하다든지 가변틸트에 필요한 주변장치를 부가한다든지 등 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에 게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 도면부호의 설명 ***
10,20,30,40,50 : 반사판
11,21,31,41,51 : 제1 소자군
12,22,32,42,52 : 제2 소자군
13,23,33,43 : -45도 수직신호 합성부
14,24,34,44 : +45도 수직신호 합성부
15 : X형 +45도 커버리지 16 : X형-45도 커버리지
211 : 다이폴 소자부 212 : 다이폴 급전부
25 : 수직축방향 측엽 26 : 수평축방향 측엽
311 : 제1 수직편파 소자 312 : 제1 수평편파 소자
313 : 제2 수직편파소자 314 : 제2 수평편파 소자
315~318 : 각 소자 급전부
35,45 : 반파장간격 백터합성형 안테나의 수직축 방향 신호억압
36,46 : 반파장 간격 백터합성형 안테나의 수평축방향 신호억압
511 : 제1열 수직편파 소자 512 : 제2열 수직편파 소자
513 : 수평편파 소자 53 : 반사판
54 : 차폐실 55 : 전파 흡수체
56,57 : 입출력 콘낵터 58 : 신호조합 분배 PCB

Claims (4)

  1. 반사판(20) 및, 상기 반사판의 전면에 배치하는 하나 이상의 소자군(21,22) 및, 상기 소자군의 신호를 합성조합하는 수직신호 합성부(23,24)로 구성된 이중편파 안테나를 설계하는 방법에 있어서,
    상기 소자군 중 최소한 하나이상(31,32)은
    상기 반사판 전면에서 수평축으로는 2열의 다이폴소자(311,313) 배치하고, 상기 2열의 중심을 대략으로 기준하여 2행의 다이폴소자(312,314)를 수직선상에 배치하되, 상기 2열의 다이폴 소자와는 상기 2행의 소자가 서로 교차(우물 井 또는 #모양) 하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 안테나 설계방법.
  2. 상기 1항에 있어서 소자군을 배열하는 방법은,
    상기 소자군(31)의 대략 중심부가 인접하는 다른 소자군(32)과는 배열의 축을 기준으로 엊각(지그재그 모양)으로 구성하는 특징의 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    개별 소자군(31,32)을 형성하는 각 소자들(311~314)의 급전(315~318)은 상기 각 소자들의 배치 공간상에서 수평(x)과 수직(y)의 편파성분이 상기 각 소자들의 다이폴보다 길이가 짧은 특징의 안테나 설계방법
  4. 제1항에 있어서, 45도 이중편파 안테나 장치의 구성은
    반파장 간격의 백터합성을 통한 제1소자군(51)과 상기 제1소자군과 동일 내지 유사한 형태로서 상기 제1소자군과는 수평선상에서 임의의 거리로 배치하며, 수직적으로는 대략 반파장 간격인 엊각(지그재그)형으로 배열하는 안테나 제2소자군(52) 및,
    상기 소자군을 고정하고 반사판의 기능을 하는 반사판(50) 및,
    상기 반사판(50)의 일면에 부착되어 +45도 및 -45도의 이중편파에 대한 백터합성과 수직신호 합성에 대한 가변위상을 포함한 위상 및 출력에 대한 분배기의 회로 기능을 하는 신호조합 분배부(58) 및,
    상기 신호조합 분배부(58)에 불필요한 잡음의 유입을 차단하는 차폐실(54) 및,
    상기 차폐실(54) 내부에 전파의 공진을 방지하는 전파흡수체(55) 및,
    상기 신호조합 분배부(58)와 접속하여 45도 이중편파신호를 각각 출력하는 콘낵터(56,57)로 구성되는 특징의 안테나 장치
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