KR20110015423A - 초경제적 송신 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

초경제적 송신 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 시스템은 다수의 개별 셀을 규정하는 다수의 기지국을 포함하며, 각 기지국은 다수의 섹터를 갖는 위상 배열 안테나를 구비하고, 각 섹터는 다수의 수직 배열 안테나 패널을 가지며, 각 안테나 패널을 2개 이상의 엇갈린 열에 배치된 다수의 수직 배열 라디에이터를 갖는다. 본 발명의 방법은 다수의 수직 배열 안테나 패널을 이용하여 수평 및 수직 형상 빔을 형성하는 단계로, 각 안테나 패널은 2개 이상의 엇갈린 열에 배치된 다수의 수직 배열 라디에이터를 갖는, 단계와; 인접 지역, 중간 지역 및 먼 지역의 적어도 일부에 걸쳐서 기본적으로 균일한 전계강도를 갖는 출력 분포(power distribution)를 전송하는 단계를 포함한다.

Description

초경제적 송신 시스템 및 방법{SUPER ECONOMICAL BROADCAST SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 셀룰러 통신 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 초경제적 송신 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적어도 일부 미국(U.S.) 및 유럽연합(EU)에서 적용할 경우, 셀룰러 무선전화 시스템 기지국(base transceiver station, BTS)은 1640와트의 최대 허용가능한 유효 등방성 방사전력(effective isotropically radiated power, EIRP)에 관한 제한을 받을 수 있다. 시스템 성능의 척도로서 EIRP는 적어도 송신기 전력과 안테나 이득과의 상관관계를 갖는다. 셀룰러 BTS EIRP에 관한 제한의 결과로서, 미국, EU 및 기타 국가의 셀룰러 시스템 설계자들은 그들의 고객에게 적절한 품질의 서비스를 제공하기 위해서 다수의 BTS를 채용한다. 셀(기본 서비스 지역)에 관한 추가적인 제한은 셀 내에서 서비스를 받는 다수의 고객을 포함하며, 이것은 셀의 사이즈와 인구와의 상관관계를 만들 수 있다.
공지된 하나의 안테나 설비는 17.5dBi의 안테나 이득, 3dB(1,25" 선, 200ft 철탑)의 분배선 손실 및 3.5dB의 BTS 소음 지수를 가짐으로써, Ga-NFsys=17.5-3.5-3.0=11dBi(업링크에서)가 된다. 다운링크 송신기 전력은 일반적으로 50W이다. 총 -3.5dB의 분배선, 복식 필터 및 점퍼 케이블을 이용하면, 안테나에 대한 Pa 입력 전력은 일반적으로 16W이므로, EIRP는 16W+17.5dB=1,000W가 된다.
다수의 실시에 있어서, 실내 또는 기내와 같은 특수 목적을 위해, 더욱 작은 셀(마이크로셀, 나노셀, 피코셀 등)의 용도를 고려해서, 마크로셀 같은 용어로 종래에 다양하게 언급한 셀의 중심 근처에 각 BTS가 배치된다. 도시의 인구 밀집지역 같은 전형적인 셀은 3마일(5 킬로미터) 이하의 반경을 갖는다. EIRP 제한에 추가하여, BTS 안테나 타워는 일반적으로 다양한 지방 또는 지역적인 규제를 받는다. 따라서, 셀룰러 통신 공급업자들은 세계 각국에서 매우 유사한 시스템을 실시하고 있다.
이동 BTS EIRP 및 안테나 타워의 높이에 관한 제한은 각 국별로 다양하다. 빠른 속도로 성장하는 셀룰러 이동 통신에 대한 세계적인 요구뿐만 아니라, 인도나 중국 등과 같이, 우수하고 저렴한 서비스에 대한 비용을 지불할 의지와 능력을 스스로 갖고 있음에도 불구하고, 셀룰러 서비스에 접근하지 못하는 나라인 공업 선진국 내에서는 문자 그대로 수십억명의 사람들이 있다. 일부 국가에서는 현재 정부 보조금을 통해 보급을 용이하게 하고 있으나, 그러한 정부 보조금을 통한 보급에 관한 비용 및 시간의 최소화는 그래도 여전히 바람직하다. 이러한 상황에서, 여전히 종래의 셀룰러 통신 사업자가 해결해야 하는 문제는 셀룰러 기반시설의 확충과 연관된 자본 코스트를 어떻게 줄일까 하는 것이며, 그와 동시에 특히, 저소득층 및 낮은 인구밀도 지역에 대해서 어떻게 운영비를 낮출까 하는 것이다. 따라서 종래의 BTS 사이트 등가물(site-equivalent)의 수를 크게 줄이면서도 운영비를 감소시키는 혁신적인 해법이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예의 목적은 초경제적 송신 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 있어서, 셀룰러 통신 시스템은, 다수의 개별 셀을 규정하는 다수의 기지국을 포함하며, 각 기지국은 다수의 섹터를 갖는 위상 배열 안테나를 구비하고, 각 섹터는 다수의 수직 배열 안테나 패널을 가지며, 각 안테나 패널을 2개 이상의 엇갈린 열에 배치된 다수의 수직 배열 라디에이터를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 위상 배열 안테나를 이용하여 신호를 송신하는 방법은, 다수의 수직 배열 안테나 패널을 이용하여 수평 및 수직 형상 빔을 형성하는 단계로, 각 안테나 패널은 2개 이상의 엇갈린 열에 배치된 다수의 수직 배열 라디에이터를 갖는, 단계와; 인접 지역, 중간 지역 및 먼 지역의 적어도 일부에 걸쳐서 기본적으로 균일한 전계강도를 갖는 출력 분포(power distribution)를 전송하는 단계를 포함한다.
본원의 상세한 설명을 보다 잘 이해할 수 있도록, 그리고 당업자가 본 명세서를 보다 잘 이해할 수 있도록 하기 위해서, 상당히 넓게 본 발명의 특정 실시예를 서술하였다. 물론, 본 발명의 추가적인 실시예를 이하에서 설명할 것이며, 이는 여기에 첨부한 특허청구범위의 주제를 형성한다.
이 점에서, 본 발명의 적어도 하나의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명은 명세서의 상세한 설명에 대한 그의 적용 및 다음의 설명 또는 도면에 도시한 구성품 세트의 배율로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 여기에 기술한 실시예에 추가하여 다양한 방법으로 실시 및 실행할 수 있다. 또한, 여기에 채용된 어법 및 전문용어를 비롯하여, 요약서는 설명의 목적을 위한 것을 뿐, 제한하려고 하는 것은 아님을 이해해야 한다.
따라서, 당업자라면 본 개시내용이 토대를 두고 있는 개념은 본 발명의 다수의 목적을 실행하기 위한 기타 구조, 방법 및 시스템의 설계에 대한 기본으로서 쉽게 이용할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 특허청구범위가 그러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 간주하는 것이 중요하다.
본 발명에 의하면, 초경제적 송신 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 기지국 안테나를 나타내는 사시도이다.
도 2는 표준 셀 커버리지(coverage)와 본 발명의 실시예에 따르는 기지국 안테나에 의해서 제공된 커버리지를 비교한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나에 관한 수평 및 수직 방사 패턴을 나타낸다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따르는"로빈 훗(Robin Hood)" 원리의 다양한 개념을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나에 관한 안테나 패널 출력 및 위상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따르는 거리의 함수로서 위상 배열 안테나 신호 강도를 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널을 나타내는 반투명 사시도이다.
도 7b 및 7c는 본 발명의 각 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널을 각각 나타내는 사시도이다.
도 8a, 8b, 및 8c는 본 발명의 실시예들에 따르는 위상 배열 안테나 패널의 끝부분을 각각 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널을 나타내는 정면 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널을 나타내는 후면 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따르는 안테나 패널 스택(stack)을 나타내는 사시도이다.
본 발명의 실시예들은 초경제적 송신 시스템 및 방법을 제공한다.
Ⅰ. 발명의 개요
본 발명의 초경제적 송신 시스템은 모든 저표준(sub-standard) 및 380 내지 3,800㎒ 주파수 범위에서의 변조를 충분히 지원함과 동시에, GSM-960/1800/1900, CDMA-450/850 및 UMTS-2170 표준에서 셀룰러 운영자의 요구를 해소하는 다양한 안테나 설계 및 무선 네트워크 입안 개념을 포함한다. 이익적으로, 본 발명의 초경제적 송신 시스템은 가령, 사이트 커버리지 영역의 10-30배 증가 및 최적의 무선 커버리지 입안 방법을 적용하면서도, 기술적인 효율성, 적용가능성 및 수익성 레벨 면에서 상당한 표준 기술로 인해서, 특별 자본 지출 및 운영비를 감소시킨다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서비스의 품질을 유지하거나 증가시키고, 새로운 네트워크 구성의 사용 또는 기존 네트워크의 팽창을 위해 모든 불필요한 BTS의 제거를 허용하면서도, 필요한 BTS의 수는 10-20배 감소된다. 이러한 향상된 자원관리의 효율은 운영자로 하여금 새로운 장비(BTS, 트랜시버)의 구매를 미루거나 멈추게까지 할 수 있어, 재원의 절약, 보다 높은 수익성, 및 증가된 기업자본을 가져온다. 본 발명의 교시를 따르는 셀의 현대화는 모뎀 및 보다 신뢰성 있는 장비의 실시로 인해서, 무선 억세스 네트워크의 보다 우수한 내고장성(fault-tolerance)을 가져온다. 유지보수 비용도 감소되며, 평균 무고장 시간(mean time between failures, MTBF)은 크게 증가되고, 셀룰러 네트워크의 총소유 코스트(total cost of ownership, TCO)가 크게 감소되어, 수익성 레벨이 유지되거나 꾸준히 증가된다.
본 발명의 초경제적 송신 시스템의 바람직한 실시예는, 그 중에서도 432 얼랭(Erlang)의 최대 가능 사이트 용량 및 가령 실내 커버리지에 대해 40km까지의 초장 범위(super long range)를 갖는 최적 사이트의 설치를 포함한다. 네트워크 1㎢ 당 예상 코스트는 저렴하고, 품질이 약간 떨어지는 BTS 및 표준 안테나로 만든 커버리지 코스트보다 10배 이상 낮다. 이들 최적 사이트는 그들의 업링크 및 다운링크 채널 모두에서 신호를 증폭하여, 10-20배 큰 커버리지 영역에 대해서 조차도, 표준 안테나 및 철탑과 비교해서 18-30dB의 링크 경비를 개선한다. 다운링크에서의 증폭은 캐리어당 80W 정도 도달할 수 있어, 이동 단말기의 에너지 소비 및 최소 RF 간섭을 줄일 수 있다.
또한, 이들 최적 사이트는 가령, 성숙한 네트워크에서 7.5-15 얼랭 내지 432 얼랭(+2,880%)의 초기 구성에 있어서, 용량 확대의 최대 유연성을 갖는 것을 특징으로 한다. 이것은 현대 원격통신 시장의 인구 통계학, 경제적 및 전략적인 상황과 대비하여 보면, 네트워크에 대한 최대 적응능력을 보장한다.
본 발명의 초경제적 송신 시스템은, 강력한 증폭기 및, 높게 장착하는 안테나가 40-50㎞(5,000 내지 8,000㎢)의 반경내 구역에 가시선(line of sight) 무선 커버리지를 제공하는 송신 네트워크에 유사하게 적용할 수 있다.
본 발명의 초경제적 송신 시스템은 운영자로 하여금 방대한 지리학적 영역 상에서 최소 자본지출로 음성 서비스를 신속하게 개시하도록 허용함으로써, 수백만명에게 그들의 삶의 질을 개선할 수 있는 기회를 제공한다. 이러한 방식으로, 운영자는 향후 다년간 사업 발전 전략의 주요 요소가 될 수 있는 경제적이며 이익적인 기술을 취득한다. 본 발명의 교시를 적용함으로써, 운영자는 높은 내부 수익률로 지원받을 수 있는 자기 금융으로 활용할 수 있다. 운영자는 프로젝트 자기 금융 과정을 시작하기 위해 자본 지출 총량의 15-25%만 있어도 되며, 나머지는 큰 발생 매상고에 의해서 자금을 댈 수 있다.
본 발명의 초경제적 송신 시스템은 원격통신 기반이 없거나 오래된 것을 이용해도, 원격통신 서비스(ARPU US$1-4)가 이루어지는 비교적 소비수준이 낮은 지역에서 가장 이익적일 수 있다. 그러한 지역에서, 최저 CAPEX 레벨(50-150 US$/㎢)을 갖는 이동 셀룰러 기반은 최상의 경제적 및 기술적인 이익을 제공할 수 있다. 비용셀의 용량 증가에서의 유연성, 50-95% 감소된 영업비, 모든 신규 표준(GPRS, EVDO, HSDPA WiMAX, UMB, OFDM/MIMO)와의 호환성은, 최저의 총 소유 코스트를 공동으로 보장하며, 수입이 적고 낮은 인구 밀도를 지닌 시장으로 확장해 나갈 수 있다.
Ⅱ. 본 발명의 다수의 실시예에 대한 상세한 설명
본 발명의 일 측면에 따르면, 셀 공간, 즉 인접한 BTS 간의 거리는 각 셀 내에서 일정한 서비스 품질(quality of service, QoS)를 제공하면서, 종래의 셀룰러 시스템에 비해서 증가되어 이익적이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 각 BTS의 범위를 증가시킨다. 종래의 마크로셀은 일반적으로, 약 1/4마일(400m)에서부터 반경(GSM 표준 하의 제한)이 이론적인 최대값인 22마일(35㎞)까지의 범위를 가지며; 고밀도 도시 영역 및 상당히 개방된 지방 영역을 제외하고, 특히 3 내지 5마일(5-10㎞) 정도의 반경을 채용한다. 본 발명의 대표적인 실시예에 대해서, 본 발명은 22마일의 GSM 한계에서 완전한 기능성을 제공하며, 일부 실시예에서는 이것을 넘어서 덜 확장된다. 셀 사이즈는 사용자 용량에 의해서 여전히 제한을 받으며, 이것은 본 발명의 일부 실시예에서 종래의 마크로 셀보다 상당히 자체적으로 증가될 수 있다.
셀 사이즈의 증가와 상응해서, BTS 안테나 타워의 높이도 증가하여, 확대된 셀에 대해 필요한 가시선(관례상 4/3 직경 접지 모델) 전파 경로를 유지한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 BTS 안테나 타워의 높이를 어디든 약 500ft(60m)에서 약 1,500ft(약 500m)까지 증가시킨다. 종래의 셀룰러 트랜시버(사용자의 핸드헬드 이동전화, 데이터 터미널, 컴퓨터 어댑터 등)의 송신 전력 및 수신 감도를 거의 변하지 않은 상태로 하기 위해서, SEC 시스템에 대한 타워 상부 장치의 EIRP 및 수신 감도 모두는 종래의 셀룰러 시스템에 비해서 먼 거리에서는 증가되며 철탑 근처에서는 감소된다. 이들 효과는 위상 배열 안테나 및 관련된 수동 소자를 비롯하여, 본 발명에 포함된 능동 전자기기에 의해서 달성된다.
트랜시버, 전력 공급장치, 데이터 전송 시스템, 온도 제어 및 감시 시스템 등과 같은 표준 BTS 장비는 SEC 시스템에서 유리하게 사용할 수 있다. 일반적으로, 한명에서 3명 이상의 셀룰러 운영자(서비스 제공업자)는 가령, 36 내지 96 트랜시버 및 216 내지 576 얼랭의 용량을 특별히 포함하여, 각 BTS에서 동시에 지원을 받을 수 있다. 또한, 추가적인 코스트 및 에너지 소비의 감소를 위해서 셀룰러 운영자는 보다 경제적인 BTS 송신기(가령, 0.1W 송신기 전력)를 사용할 수 있다. 이들 경제적인 BTS는, 어느 정도 지면보다는 위상 배열 안테나 타워의 상부에서 처리하는 송신된 신호 증폭 및 수신한 신호 처리의 성능으로 인해서, 이전의 디자인보다 작은 설치면적(footprint) 및 낮은 에너지 소모를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 BTS 안테나를 나타내는 사시도이다.
기지국(BTS, 10)은 안테나 타워(12)와, 이 타워(12)의 상부(도면에서는 타워 꼭대기로 도시함)에 배치된 위상 배열 안테나(14)를 포함한다. 도시한 실시예에서 안테나(14)는 대략 원통 형상으로 되어 있으며, 이것은 풍하중을 줄이는 기능을 하고, 가령, 6섹터, 8섹터, 12섹터, 18섹터, 24섹터, 30섹터, 36섹터 등과 같이, 다수의 섹터(16)를 갖는다. 이들 섹터는 BTS와 관련된 셀에 대한 전방향 커버리지를 총괄하여 제공한다. 각 섹터(16)는 수직 스택에 다수의 안테나 패널(18)을 포함한다. 각 고각(elevation)(20)은 지지 시스템을 감싸서 특정 높이에서 360° 커버리지를 제공할 수 있는 다수의 안테나 패널(18)을 구비하며, 각 패널(18)은 상이한 섹터(16)에 잠재적으로 속한다. 각 안테나 패널(18)은 다수의 수직 배열 라디에이터를 구비하며, 이것은 도시한 실시예에서, 패널과 크기가 일치하는 덮개인 레이돔 내에 감싸져 있다.
동축 케이블, 광섬유 케이블 등과 같은 분배선은 셀룰러 동작 장비를 각 섹터(16) 뒤에 배치한 안테나 분배 시스템에 연결한다. 각 섹터(16)에 대한 분배 시스템으로의 입력에는, 위상 배열 안테나(14)로부터 전송되고 그에 의해 수신한 신호를 증폭 및 형상화하는 다이플렉서, 송전 증폭기, 저소음 수신 증폭기 등이 있다. 일 실시예에 있어서, 분배 시스템은 각 섹터(16)내에서 안테나 패널(18)을 서로 연결하고, 섹터 내의 패널(18)에 수직 로브(vertical lobe, 수직 방사군) 형상 및 빔 틸트(beam tilt)를 제공하기 위한 견고한 전력 분배기를 구비한다. 다른 실시예에서는, 분배 시스템 내에서 유연 동축 케이블을 사용할 수 있다.
도 2는 표준 셀 커버리지와 본 발명의 실시예에 따르는 BTS 안테나에 의해 제공된 커버리지를 비교한다. 표 1은 종래의 셀룰러 사이트에 대한 안테나 파라미터 및 커버리지와 본 발명의 2개의 상이한 실시예와 비교한다. 이 비교를 위해서 GSM 870-960㎒ 대역을 사용한다.
표준 사이트 제 1실시예 제 2실시예
안테나 파라미터
섹터 ＠ 빔 폭 3 ＠ 65° 6 ＠45° 9 ＠30°
고각 1 8 12
패널 3 48 108
안테나 개구 2.5m 20m 30m
설치 높이 48m 126m 247m
안테나 이득 17.5 dBi 28.0 dBi 31.0 dBi
업링크PL효율 +0.0 dB +26.6 dB +36.4 dB
신호 이득 계수 1 457 4365
커버리지
셀 반경 5 km 23 km 41 km
실내 커버리지 구역 80 ㎢ 1710 ㎢ 5280 ㎢
커버리지 영역 지수 1.0 21.4 66.1
Okumura-Hata exp. 4.0 4.0 4.0
일반적으로, 안테나 타워(12)는 받침 쇠줄 또는 자가 지지 안테나 철탑이다. 이 철탑은 약 3,000 내지 20,000Ibs 탑재물을 지지하고, 약 200ft 내지 약 1,500ft의 총 철탑 높이를 가지며, 높은 내(耐)풍하중으로 SEC 안테나를 지지할 수 있어야 한다. 대안으로, 원하는 구조적인 강성을 제공하고 탑재물 지지율을 만족시키는 표준 안테나 철탑, 굴뚝, 타워 또는 기타 구조물을 사용할 수 있다. BTS에 대한 전력 및 일반전화의 통신 기반부담을 줄이기 위해 태양광 발전 집전장치, 마이크로웨이브 링크, 풍력 발전기 등을 제공할 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 위상 배열 안테나(14)는 3개 내지 36개의 섹터(16)에 배열된 24 내지 288개의 안테나 패널(18)을 사용한다. 각 섹터는 2개 내지 16개, 바람직하게는 8개 내지 12개의 안테나 패널(18)의 고각(20)을 구비한다. 일반적으로, 각 섹터(16)는 10% 정도의 대역폭, 7° 내지 65°(바람직하게, 12 섹터 또는 8 섹터의 실시예에서는 30° 내지 45°)의 수평 빔 폭, 및 0.66° 내지 2°의 수직 빔 폭을 갖는다. 바람직한 실시예에 대해서, 안테나 패널(18)의 8개 고각(20)의 수직 배열은 신호 송신 및 수신 모두에 관한 안테나 개구 효율을 향상시킨다. 섹터(16)의 콤팩트한 원주방향 배열을 통해 원통 형상이 확립된다. 일부 안테나(14) 실시예는 교통 및 성장 요구를 충족시키기 위해 용량 증가를 지원할 수 있다.
특히 460㎒, 750㎒, 900㎒, 2㎓, 2.8㎓, 및 3.5㎓ 부근의 적어도 미리 할당된 대역을 포함하도록, 870-960㎒ 이외의 주파수 할당을 동일하게 실현할 수 있다. 그러한 대역 뿐만 아니라, 할당되어 있거나 후속으로 얻을 수 있는 다른 대역은, 본원에 기술한 서비스를 제공하기 위해서 사이즈가 확연히 다르거나 구성이 어느 정도 상이한 장치를 각각 필요로 할 수 있다. 예를 들면, 방사장비는 종종 약 10% 범위(즉, 중심 주파수의 +/- 5%) 이상으로 유효하고, 치수에 관해서 규정할 수 있기 때문에, 460㎒ 대역을 서비스하고, 2㎓ 대역에 대해 이들 치수를 반으로 줄이기 위해, 상술한 900㎒ 대역과 비교하여, 개별 라디에이터의 물리적인 사이즈 및 그들 사이의 공간을 대략 2배로 할 필요가 있을 수도 있다.
본 발명을 위해 고려한 다른 실시예에서, 보다 넓은 대역폭의 라디에이터는 적어도 모든 미국 및 EU GSM 또는 CDMA 대역을 지원할 수 있으며, 예를 들어, 관련 필터는 물리적인 치수가 다른 장치를 제조하기보다는 재조율(retuning)을 통해서 그러한 여러 대역을 수용할 수 있다. 관련 있는 미국 및 EU 대역이 중첩되지 않기 때문에, 각 대역에 대한 송신 및 수신 주파수는 대역의 각 송신 및 수신 주파수보다 서로 가까우며, 그로 인해 대역에 대한 필터는 별도의 범위에서 바람직하게 작동한다. 이것은 가령, 다수의 필터가 라디에이터의 소수 배열을 지원할 수 있는 경우에, 허가될 다수의 밀집된 대역을 고려해야 할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 각 안테나 패널(18)은 프레임 및 반사기, 사이즈가 약 8ft×12in×8in(2.5m×5㎝×20㎝)이고 중량이 약 30파운드(15㎏)인 단일 알루미늄 사출품으로 제조된다. 이 사출품에는 라디에이터, 단일 분배 핏팅(distribution fitting), 레이돔, 장착용 하드웨어 등이 부착된다. 안테나 패널(18)은 모든 안테나 및 철탑 요소의 구조적인 최적화에 의해서 부분적으로 제공되고, 매운 높은 공면성(coplanarity, 가령, +/-0.25°)을 갖는 위상 배열 안테나(14)의 각 섹터(16) 내에 설치된다. 또한, 이들 안테나 패널은 유효 풍하중 면적을 감소시킨다. 이익적으로, 이들 특징은 업링크 채널 감도(안테나 이득)를 증가시키면서도 다운링크 채널 처리량을 향상시키기 위해 결합할 수 있다. 다른 섹터(16)의 구성 및 안테나 패널(18)의 치수 역시 본 발명에서 고려할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따르는 32° 빔 폭을 실현하도록 구성된 라디에이터를 이용하는 단일 섹터(16)에 관한 수평 방사패턴을 나타낸다. 위상 배열 안테나(14)는 각 섹터(16)들 내의 배열에 배치된 다수의 쌍극자 라디에이터에 의해서 생성된, 널 파일링(null filling) 및 효율적인 상부 로브 억제(upper lobe suppression)에 관한 비대칭 계수와 함께, 고정 방사 패턴을 갖는다. 일 실시예에 있어서, 각 안테나 패널(18)은 8개의 쌍극자 라디에이터의 2개의 인접한 수직 배향의 엇갈린 열을 구비한다. 8개의 이들 안테나 패널(18)을 포함하는 섹터(16)에 대해서, 64개 쌍극자 라디에이터의 2개의 수직 배열이 각기 제공된다. 이 실시예에서, 각 열에 있는 쌍극자 라디에이터는 대략 1파장의 간격으로 일정하게 이격되어 있는 한편, 이들 열은 대략 1/2 파장으로 서로에 대해 엇갈려 있다. 다시 말해서, 인접한 교대 쌍극자 라디에이터는 1/2 파장 간격으로 일정하게 이격된다.
그러한 실시예에 따르는 위상 배열 안테나(14)는 약 29dBi 내지 32dBi의 신호 이득 계수를 실현할 수 있으며, 캐리어당 80W까지 안테나 입력을 수용할 수 있다. 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라, 단일 섹터에 관한 총 수직 방사패턴을 나타낸다.
종래의 셀룰러 안테나와 비교하면, 위상 배열 안테나(14)의 전계강도는 먼 지역(즉, 5㎞ 내지 30㎞)에서 17㏈ 내지 27㏈까지 증가되며, 인접 지역(즉, 0㎞ 내지 1㎞)에서는 10㏈까지 감소되고, 중간 지역(즉, 1㎞ 내지 5㎞)에서는 변함없이 그대로 있다. 이들 효과는 위상 배열 안테나(14)의 가깝고 먼 지역에서 보다 균일한 전계강도 분포 패턴을 만들며, 이것은 가령, 종래의 셀룰러 안테나와 비교하면, 셀의 커버리지 영역을 10 내지 40배 증가시키게 된다. 이것은 "로빈 훗" 원리의 예이며, 도 4a 및 4b에 도시한 바와 같이, 가까운 곳의 전력 레벨 및 EIRP를 낮으면서 확장된 범위로 유지하기 위해, 잉여분의 수직 영역으로부터 부족분의 수직 영역까지 전력/이득을 전용(轉用)하고 있다.
일 실시예에 있어서, 경로 손실에서 매 +1㏈은 25% 이상의 신호를 제공한다.
또한, 위상 배열 안테나(14)는 다중 신호 입력 및 다중 신호 출력(multiple signal input and multiple signal output, MIMO)기술을 지원하며, 반송비/간섭비를 이익적으로 증가시키고 다중 경로의 도달 방향(direction of arrival,DOA)속도, 최적의 다운 틸트 및 과도범위 무선 주파수 간섭의 신속한 컷오프의 감소로 인해서, 처리량은 향상된다. 패널(16) 프레임/반사기 구성요소의 근접 및 라디에이터 설계를 통해서 추가로 강화되는 측면 및 후면 로브의 억제는, 신호 수신의 신뢰성을 추가로 증가시키고 셀 내에서 약해진 셀의 수를 줄이는데 도움을 준다.
상술한 바와 같이, 그러한 얇고 유연한 동축 케이블을 통해 BTS 셀룰러 동작 장비를 위상 배열 안테나(14)의 하부에 연결한다. 일 실시예에서는 수직 로브의 방사 패턴(가령, LLVLSU-저손실 수직 로브 형상 유닛)을 형상화하기 위한 능동 저손실 디바이스, 용이한 유지보수 및 신뢰성을 위한 저에너지 밀도 디자인을 갖는 80W 단일 반송파 전력 증폭기(가령, LPDPA-저전력 밀도 전력 증폭기), 다이플렉서/필터, 콤바이너, 멀티커플러, 저소음 증폭기(low-noise amplifier, LAN), 극저소음 증폭기(very low-noise amplifier, VLNA) 및 케이플 점퍼를 포함한다. LLVLSU는 위상 배열 안테나(14)로 셀을 만드는 역할을 하며, "로빈 훗" 원리를 이용하여 중간 및 먼 지역에서의 널 파일링을 위한 진폭 밸런싱을 실현한다.
얇은 유연 동축 케이블은 분배선의 중량, 구매 비용, 및 풍하중을 감소시키며, 설치 등을 용이하게 한다. 얇은 유연 동축 케이블의 추가적인 신호 감쇠는 안테나 패널(18) 바로 뒤의 위상 배열 안테나(14)의 하부에 설치된, 다운링크 채널 내의 단일 반송파 80W 전력 증폭기에 의해서 충분히 보상된다. 추가적인 신호 증폭은, 마찬가지로 안테나 패널 및 기후 보호대 뒤에 배치되고, 1㏈ 이하의 소음지수를 갖는 극저소음 증폭기에 의해서 업링크 채널에서 실행된다.
다이플렉서/필터, 콤바이너, 멀티커플러는 가령, 푸리스 캐스케이드 공식(Friis cascading rule) 등을 사용하여, 신호 캐스케이드 과정 중에 일부는 구성품의 품질제어를 통해, 그리고 일부는 디바이스의 정합에 대한 특수 감쇠를 통해서 낮은 레벨을 유지하는 각각의 소음 지수를 가질 수 있다. 적절히 선택하고 구성한 안테나 요소는 높은 전기 효율, 즉 예를 들어 10% 이상의 통과대역을 1.15 초과하지 않는 전압 정재파비(voltage standing wave ratio, VSWR)를 특징으로 할 수 있다. 그러한 VSWR의 낮은 레벨은 모든 시스템 구성품의 임피던스 정합을 통해서 달성할 수 있으며, 에너지 손실 및 무선 BTS의 고주파수 장비에 대한 고장 위험을 줄일 수 있다. 낮은 VSWR은 전력 증폭기 및 위상 배열 안테나(14)의 능력을 충분히 이용할 수 있는 여러가지 가능성을 제공한다. 모든 능동 RF 구성품은, 추가적인 에너지 효율을 위한 대류 공기 냉각방식을 이용하고 시스템 레벨 내(耐)고장 및 소프트 페일 속성을 특징화하여, 매우 낮은 에너지 밀도로 바람직하게 설계된다.
일부 실시예에 있어서, 수동 저손실 정밀 수직 로브 형상기(low loss precision vertical lobe shaper, LLVLSU)를 이용하여, 사이트에서는 "로빈 훗" 원리에 따라서 그의 방사 전력을 전용할 수 있으며, 인접, 중간, 및 먼 지역에서의 전자장 강도의 상당한 균일성을 보장할 수 있다. 도 3b는 LLVLSU에 의해 형성된 수직 방사 패턴을 나타낸다. 도시한 실시예에서 최대 신호 출력은 -0.5°의 다운 틸트 각도에서 달성된다. 신호 출력은 널 파일링에 의해서 점차 감소되는(-3.125°, -2.125°, 및 -1.25°) 한편, 상부 로브는 25㏈ 이상까지 효과적으로 억제되어 과도한 레벨의 RF간섭을 피할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 능동 수직 로브 형상화를 통해서 비슷한 "로빈 훗" 전계강도를 얻을 수 있다. 이 실시예의 형태에서, 견고한 전력 분배기 같은 하나의 수동 전력 분배기 뒤에는 모든 패널에 대한 개별 동축 분배선이 있을 수 있으며, 또는 전력 분배기능을 가령, 다수의 3포트(또는 그 이상) 전력 분배장치 중 하나에 분배할 수 있다. 그러한 실시예에 있어서, 각 패널에 공급된 전력은 다른 패널의 전력에 대해서 증가되거나 감소되어 LLVLSU 분배와 비슷한 분배를 실현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나에 관한 전력(32) 및 위상(34)의 분포 스펙트럼(30)을 나타낸다. 전력 스펙트럼(32 및 36)에 있어서, 위상 배열 안테나(14)의 각 섹터(16)는 도 1에 도시한 바와 같이, 개별 안테나 패널(18)의 8개의 고각(20)을 구비한다. 도 5의 계단식 전력(32) 및 위상(34) 분포는 능동 또는 수동 수직 로브 형상화에 의해서 어떤 원하는 레벨의 정밀도를 실현할 수 있다. 다른 전력 및 위상 분포 스펙트럼 역시 본 발명에서 고려할 수 있다. 예를 들면, 도 5는 전력 스펙트럼(32)에 대한 최대 전력레벨이 제 3패널에 제공된 한편, 전력 스펙트럼(36)에 대한 최대 전력 레벨이 제 6패널 등에 제공되는 것을 나타낸다. 또 다른 실시예에서는 도 5의 제 3전력 스펙트럼(38)에 도시한 바와 같이, 각 패널(18)내에서 각 라디에이터에 결합된 신호 강도의 어느 정도 추가적인 변화를 통해서, 각 패널에 대한 전력보다는 각 라디에이터에 대한 전력을 변화시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따르는 위상 배열 안테나의 신호 강도(40)를 거리의 함수로 나타낸다. 이 실시예에 있어서, 도 5에 도시한 특수 전력 분포(32)는 구성요소의 공간 및 위상의 소정값과 결합하여, 빔 틸트 및 하방 로브 억제의 특정값을 제공할 수 있다. 종래의 안테나 설계는 일반적으로, 본 발명에서 실시한 안테나의 신호 강도(8)의 분포보다, 인접 지역(44)에서는 훨씬 높고 먼 지역(46)에서는 훨씬 낮은 신호 강도(42)를 실현하는데 있어서 제한을 받는다. 가령, 섹터(16) 내의 각 패널(18)에 대해 유일한 전력 분포(38)로 대체되는 도 5에 도시한 예시적인 패널 바이 배널(panel-by-panel) 전력 분포(32) 같은 위상 배열 안테나(14)의 다른 실시예는, 서비스 지역에 걸쳐서 많은 위치에서 보다 개선된 신호 강도/이득(50)을 달성할 수 있다.
도 7a 및 8a는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널(100)을 나타내는 반투명 사시도이다. 바람직한 실시예에 있어서, 지지부재(110)는 이익적으로, 다수의 교대 쌍극자 라디에이터(120)용 연속 반사기면(112)을 구비하는데, 이것은 지지부재(110)상의 열과 평행하게 배열되어 있다. 지지부재(110) 내에는 교대 쌍극자 라디에이터(120)를 신호 분배 케이블 및 도 1에 도시한 위상 배열 안테나 (14)의 지지부재(110) 뒤에 배치된 커플링에 연결하는 다수의 스트립선로가 구비된다. 도시한 실시예에 있어서, 각 패널(100) 상에는 각기 8개의 교대 쌍극자 라디에이터(120) 2열이 구비되고, 상호 보완관계가 있는 쌍으로 배열된 스트립선로(132, 134, 136, 138)를 통해 교대 쌍극자 라디에이터(120)가 신호 분배 케이블에 연결된다. 각 교대 쌍극자 라디에이터는 각 쌍극자 라디에이터용으로 하나씩, 2개의 도체를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 라디에이터(120)는 가로로 놓인 4각 교대 쌍극자 라디에이터이다. 예시한 가로로 놓인 4각 교대 쌍극자 라디에이터(120)의 사시도가 도 7a에도 제공되어 있으며, 가장 중요한 특징은 하나 이상의 관련된 동시계속 특허출원에 보다 상세하게 기재되어 있다. 가로로 놓인 4각 교대 쌍극자 라디에이터(120)는 낮은 교대 결합을, 적절히 배치 및 배향되고 적절히 위상 신호가 공급될 경우는 낮은 상호 결합을 보이도록 구성할 수 있다.
도 7a의 실시예에 있어서, 2개의 각 엇갈린 열에는 동일하게 이격된 8개의 쌍극자 라디에이터(120)가 구비된다. 열 사이에서 번갈아 교대하는 연속적인 라디에이터(120)의 유효한 수직 공간은 바람직하게 절반이 엇갈려서, 도시한 실시예에서 라디에이터(120)의 중심 간에 대략 반파장 공간을 제공한다. 관련 계속출원에 기재된 바와 같이, 안테나의 유효 송신 및 수신 특성은 라디에이터 대 라디에이터 공간 및 분배선 위상 모두에 의해서 영향을 받는다. 엇갈린 열 내의 인접한 라디에이터(120)의 선 중심을 통해서 지지부재(110)의 중심선에 대해 45°의 각도를 형성한다. 2, 4, 6, 12, 16 등과 같이, 각 열에서 동일하게 이격된 쌍극자 라디에이터(120)의 다른 수를 본 발명에서 고려할 수 있다.
900㎒ 대역의 바람직한 실시예에 있어서, 각 열의 라디에이터(120)는 안테나 패널(100)의 길이를 따라서 약 12in(가령, 12.033in)가 인접한 열의 라디에이터에 대해 엇갈려 있고, 안테나 패널(100)의 길이를 따라서 약 6in(가령, 6.017in)가 이격되어 있다. 이 실시예에 있어서, 열은 약 7 1/2in(7.680in)가 이격되어 있다. 1800㎒ 대역의 바람직한 실시예에 있어서, 치수는 모두 0.5배만큼 감소되며; 다른 실시예를 유사하게 수용할 수도 있다. 본 발명의 시스템에 의해서 실제로 방사 및 수신한 신호는 이들 중심 주파수보다 크거나, 그보다 작거나 동일하다는 것을 주목해야 한다. 예를 들어, 900㎒ 대역의 일 실시예는 기지국 수신을 위한 주파수의 범위, 가령 890-915㎒, 및 기지국 송신을 위한 주파수의 범위, 가령 935-960㎒를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 지지부재(110)는 알루미늄 합금 같은 고강도 소재로 압출되며, 그 안에는 길이방향으로 연장되는 다수의 공동이 형성된다. 지지부재(110)를 형성하기 위해 가령, 냉간 압연이나 용접 등과 같은 다른 제조방법 및 소재를 사용할 수도 있다. 도시한 실시예에 있어서, 지지부재(110)는 4개의 신호 접지 공동(104)을 구비하며, 여기에는 각 스트립선로(132, 134, 136, 138)가 배치된다. 또한, 지지부재(110)는 추가적인 측면 치수, 강도 등을 제공하기 위해서, 하나 이상의 구조적인 공동(108)을 구비할 수도 있다.
안테나 패널(100)의 다른 실시예가 도 7b 및 8b에 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 쌍극자 라디에이터(120)에 대한 추가적인 지지를 제공하기 위해서, 지지부재(110) 상에는 상승부(122)가 형성되어 있다. 이 실시예에 의해서 지원되는 주파수 범위는 가령, 900㎒ 대역일 수 있다.
이 실시예에 있어서, 배열 패널(100)은 약 100in(가령, 98.00in)의 전체 길이와, 12in(가령, 12.60in)의 전체 폭 및 2in(가령, 1.91in)의 전체 높이를 갖는다. 일반적으로, 배열 패널(100)은, 패널의 둘레 및 중앙 웹(114)과 십자형 부재(106)를 포함해서, 약 0.1in(가령, 0.08in)의 두께를 갖는다. 상승부(122)는 지지부재(110)위로 약 0.2in(가령, 0.17in) 상승되어 있고 지지부재(110)의 중심선으로부터는 약 4in(가령, 3.84in) 엇갈려 있다. 각 상승부(122)의 중심선 아래에는 2개의 외측 중심웹(114)이 각각 배치되는 한편, 배열 패널(100)의 중심선과 상승부(122)의 중심선 사이에는 2개의 내측 중심웹(114)이 배치된다. 4개의 대략 4각형 신호 접지 공동(104)이 형성되어 있어, 각기 동일한 체적을 감싸고 있다. 예를 들면, 2개의 내측 신호 접지 공동은 약 2in의 폭과 1 1/2in의 높이(가령, 2.06in × 1.58in)를 가질 수 있는 한편, 2개의 외측 신호 접지 공동(104)은 약 2 1/4in의 폭과 1 1/2in의 높이(가령, 2.29in × 1.58in)를 가질 수 있다.
도 8b에 도시한 바와 같이, 지지부재(110)의 각 측면에는 패널(도 7b에 점선으로 도시함) 위에 설치된 레이돔으로부터 정합 원형 플랜지를 수용하기 위해 원형홈(121)이 형성되어 있다. 레이돔은 가령, 폴리카보네이트 같이, 레이돔용으로 적절한 RF 투명소재로 만들 수 있다. 이 실시예에 있어서, 원형홈(121)은 약 1/4in(가령, 0.22in)의 반경을 가질 수 있다. 레이돔은 2개의 엔드캡 및 중앙부를 가지며, 외부면은 만곡된 형상이고, 지지부재(110) 보다 약 8in(가령, 7.75in) 높은 최대 높이를 갖는다. 각 라디에이터(120)의 설치를 수용하기 위해, 상승부(122)에는 약 1/2in 직경의 원뿔형 납작홀(도시 생략)이 구비된다. 각 라디에이터(120)의 2개의 내부 도체는 상승부(122) 내의 홀을 통과한 다음, 신호 접지 공동(104) 내에 배치된 각 스트립선로에 하부에서 서로 연결된다.
안테나 패널(100)의 다른 실시예가 도 7c 및 8c에 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 쌍극자 라디에이터(120)에 대한 추가적인 지지를 제공하기 위해 지지부재(110) 상에는 상승부(122)가 형성되어 있다. 이 실시예에서 지원하는 주파수 범위는 가령, 1800㎒ 대역일 수 있다. 이 실시예에 있어서, 배열 패널(100)은 약 50in의 전체 길이, 12in의 전체 폭, 및 2in의 전체 높이를 갖는다. 일반적으로, 배열 패널(100)은 패널의 둘레 및 중앙 웹(114)을 포함해서, 약 0.1in의 두께를 가지며, 이 실시예에서 십자형 부재는 사용하지 않는다. 도 8c에 도시한 바와 같이, 지지부재(110)의 각 측면에는 패널(도 7c에 점선으로 도시함) 위에 설치된 레이돔으로부터 정합 원형 플랜지를 수용하기 위해 원형홈(121)이 형성되어 있다. 레이돔은 가령, 폴리카보네이트 같이, 레이돔용으로 적절한 RF 투명소재로 만들 수 있다. 이 실시예에 있어서, 원형홈(121)은 약 1/4in의 반경을 가질 수 있다. 레이돔은 2개의 엔드캡 및 중앙부를 가지며, 외부면은 만곡된 형상을 갖는다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널을 나타내는 정면 사시도이고, 반면에, 도 10은 본 발명의 실시예에 따르는 위상 배열 안테나 패널을 나타내는 후면 사시도이다.
신호 분배 케이블 커넥터(142, 144, 146, 148)는 신호 분배선(320, 322)에 의해 전송된 각 신호를 나누는 신호 분배기(310, 312)에 결합된다. 도 10에 도시한 실시예에 있어서, 신호 분배선(320)에 의해 전송된 신호(들)은 신호 분배기(310)에 의해서 분배되고, 이후 신호 분배 케이블 커넥터(142, 146)에 제공되는 한편, 신호 분배선(322)에 의해 전송된 신호(들)은 신호 분배기(312)에 의해서 분배되고, 이후 신호 분배 케이블 커넥터(44, 148)에 제공된다. 이 실시예에 있어서, 이익적으로 각 쌍극자 라디에이터는 양 신호 분배선(320, 322)에 결합된다. 바람직한 실시예에 있어서, 신호 분배기(310, 312)는 신호 분배선(320, 322)에 의해서 전송된 각 신호를 직교성분으로 나눈다.
레이돔(302)은 관심 있는 주파수의 방사입자를 통과시키며, 기후 등의 악영향에 대해 쌍극자 라디에이터(120)를 보호하기 위해서 안테나 패널(100)을 감싼다. 일 실시예에 있어서, 하나의 섹터(16)를 채용할 수 있으며, 추가로 뒤판(backplane) 표면(300)을 안테나 패널(100)의 각 측면에 부착할 수 있다.
도 11은 위상 배열 안테나(14)의 내부에서 본 것으로, 도 1에 도시한 실시예에서, 섹터(16)에 대응하는 하나의 패널 스택(60)을 나타낸다. 스택(60)은 다수의 라디에이터 패널(62), 한쌍의 접속 배선함(64), 한쌍의 (송신) 전력 증폭기(power amplifier, PA)(66), 한쌍의 수신 증폭기(receiving amplifier, RA)(68), 한쌍의 다이플렉서/필터(70), 한쌍의 제 1T 접속/전력 분배기 조립체(72), 다수의 제 2T 접속/전력 분배기 조립체(74), 다수의 제 3T 접속/전력 분배기 조립체(76), 다수의 최종 전력 분배기(78) 및 다수의 연결 케이블(80)을 구비한다. 도 11은 패널(62)의 일측면에 보조 반사 연장면(82)을 구비하는 실시예를 보이며; 다른 실시예에서, 하나의 측면에 대해 섹터(16)를 형성하는 추가 패널(62)은 연장면(82)을 구비하지 않을 수도 있다.
케이블(80)에 의해서 서로 연결된 T(72, 74, 76, 78)는 필터/다이플렉서(70)에 의해서 송신기(66) 신호 출력 분배 및 수신기(68) 신호 입력 수집을 제공한다. 송신은 다음의 논의에서 명확히 기술하며, 수신 기능은 송신을 반영시킨다. 각 T조립체(72)는 다음 2개의 T(74)의 입력에 케이블(80)로 연결된 2개의 출력 간의 단향 2로 통신의(diplexed) 전송 신호를 분배한다. T(74)는 추가로 신호를 나누고 이를 추가적인 케이블(80)을 통해서 각 줄의 최종 제 4의 T(76)에 통과시킨다. 적어도 일부 실시예에 있어서, T(72, 74, 76)는 실질적으로 동일한 전파 타이밍 특성을 보일 수 있으나, 입력에서 각 출력으로 전달된 전력의 양과 다를 수 있다.
도 5의 차트에 도시한 신호 분포(30)의 비율은, T(72, 74, 76) 위에서 특히 약 60:40 및 70:30 분할 같이, 2개의 전력 분할값을 이용하여 나타낸 실시예에서 달성된다. 각 패널과 연관된 송신을 위한 신호강도 또는 수신을 위한 이득의 값은 좋은 근사값에 대한 전력 분할의 산물이다. 예를 들면, 패널을 분배하는 각각의 연속적인 T가 30% 분기를 갖고, 30% 분기는 그 패널의 분배와 연쇄되면, 그 패널에 도달하는 송신기 에너지의 비율은 .3*.3*.3, 또는 2.7%이다. 마찬가지로, 70%, 60%, 60% 연쇄는 이용가능한 전력의 25.2%를 패널에 제공한다.
모두 동일하게 분할(50:50)되는 T는 상대적으로 기본 빔 형성과 함께 거의 균일한 전력 분배를 제공한다. 대안으로, 도시한 실시예에서 70:30 및 60:40 분할의 조합보다는 오히려, 7개의 각 T(72, 74, 76)로 하여금 패널 스택(60) 내에서의 1지점에 대해 최적인 전력 분할을 갖도록 허용함으로써, 과도한 분배(30)의 변화를 실현할 수 있다. 다수의 라디에이터 간의 전력 분배는 도 6에 도시한 바와 같이, 안테나로부터의 각 거리에서 신호 강도를 제어하는 인자로서 언급한다. 각 T에 대한 특정 내부 구성의 선택은 그러한 전력 분배에 대한 실현성을 제공할 수 있다. 현명한 절충안은 제품의 단순화 및 수반되는 시스템 코스트의 절감을 허용하면서도 어떤 바람직한 정도까지 특수 성능의 목표에 접근할 수 있게 한다.
스택 패널(62) 간의 위상 조정은, 언급한 바와 같이 전파 지연을 제어하도록 상대 케이블(80)의 길이를 이용하여 T(72, 74, 76) 위상의 정상화에 의해서 상당한 정도까지 전력 분배와 별개로 이루어질 수 있음을 주목해야 한다. 도시한 실시예에서 위상은 동일한 길이의 케이블(80)을 통한 전파 지연의 균등화에 의해서 거의 균일하게 만들어지며, 다른 실시예에서 전력 분배를 따르는 위상 조정은, 후면 및 측면 로브의 추가적인 감소, 빔 틸트 및 주요한 빔 형상의 추가적인 조정 등에 의해서, 셀에 걸쳐서 빔 특성의 추가적인 제어를 제공할 수 있다.
전력 분배 및 위상 조정의 조합은, 정치적인 영역에 의해서 특정 안테나(10)에 허용된 커버리지에 대한 지형의 변동, 한계 같은 인자를 보상하기 위해서, 도 1에 도시한 위상 배열 안테나(14) 내에서 섹터(16)로부터 섹터(16)까지 추가로 변화될 수 있다. 그러므로, 일관된 전도성 지면(신뢰성있는 접지면) 상의 완전히 평탄한 지형에 배치된 전용 타워(16) 상의 안테나(14)는 가령, 모든 섹터(16)에 대한 균일한 분배와 함께 최대 크기의 셀을 지원할 수 있다. 다른 예로서, 건물 꼭대기의 라디에이터 안테나(14)는 일방향에 돌이 많은 절벽이 있고 반대쪽에는 천천히 증가하는 숲이 있는 호수 근처에 위치할 수 있으며, 균일하지 않은 주변의 셀을 서비스하는데 필요할 수 있으며, 셀의 방위각 의존 특성에 맞는 각 스택(60) 내의 전력/위상 분배를 요한다.
라디에이터 쌍극자(140, 142)의 변형된 4각형 구성 및 그들의 공간은 셀룰러 통신을 위해 필요한 최소한의 대역폭 이상으로, 다시 말해 기본 900㎒ GSM 대역에 대해 약 7.6%, 또는 그 대역의 확장된 버전인 P-, E-, 또는 R-에 대해 9.1%까지 저전압 정재파를 추가로 제공한다. 1.8㎓ GSM 대역에 대해서, E-GSM 대역과 대략 동일한 송신 및 수신 주파수 간의 갭과 함께, 대역폭은 다시 약 9.1%이다.
본 발명의 초경제적 송신 시스템의 바람직한 실시예는 상술한 능동 구성품으로 인해서, 3.5㏈의 소음 지수를 갖는 표준 BTS에 공급하여, 30dBi의 안테나 이득, 15㏈(960㎐ 미만에서, 0.25"선, 200m 철탑)의 분배선 손실, 30㏈의 이득을 갖는다. 캐스케이드 푸리스 공식을 이용하면, 안테나 포트에서 NFsys는 1.0㏈ 미만이다. 따라서, GA-NFsys=30.0-1.0=29.0dBi(업링크에서)가 된다. 다운링크 송신기 전력은 0.1 내지 80W 사이에서 가변된다. 총 -15.0㏈의 분배선, 복식 필터 및 점퍼 케이블을 이용하면, 안테나에 대한 Pa 입력 전력은 80W이며, 그로 인해 ERIP는 80W*1000=80,000W가 된다.
상기 배경설명 부분에서 논의한 공지의 안테나 설비와 비교하면, 업링크에서의 개선은 20.9-11.0=18.0㏈인 한편, 다운링크에서의 개선은 30.0-15.5+10 log 80/16=14.5+7=21.5㏈가 된다. ERIP는 141배만큼 향상된다.
EIRP 계산이 공칭 안테나 이득을 취하는 한편, 본 발명의 초경제적 송신 시스템에 의해 제공된 실제 이득은 5,000m보다 먼 거리에서, 그리고 수직 로브 최대와 상응하는 지면 상의 높이에서도 나타난다. 기지국에 가까울수록, 완전한 이득이 나타나지 않으며, 수직 로브 최대의 높이에서 이득은 표준 안테나보다 낮다. 또한, 지면 레벨을 향하는 이득은 좁은 로브로 인해서 추가로 감소된다. 이러한 방식에 있어서, 본 발명의 로빈 훗 원리는 인접 지역에 보다 낮은 방사 EIRP를 전달한다.
본 발명의 많은 특징 및 이익은 상세한 설명으로부터 명백해지며, 그러므로 이것은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에 있는 본 발명의 모든 그러한 특징 및 이익을 커버하는 첨부한 특허청구의 범위에 의해서 의도된다. 또한, 다양한 수정 및 변형은 당업자에 의해 쉽게 일어날 수 있으며, 이것은 본 발명을 본원에 도시 및 설명한 정확한 구성과 작동으로 제한하고자 하는 것은 아니며, 따라서, 모든 적절한 수정 및 등가물은 물론 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 보아야 한다.

Claims (20)

  1. 셀룰러 통신 시스템으로서, 다수의 개별 셀을 규정하는 다수의 기지국을 포함하며, 각 기지국은 다수의 섹터를 갖는 위상 배열 안테나를 구비하고, 각 섹터는 다수의 수직 배열 안테나 패널을 가지며, 각 안테나 패널은 2개 이상의 엇갈린 열에 배치된 다수의 수직 배열 라디에이터를 갖는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 각 열은 8개 이상의 일정하게 이격되며 가로로 놓인 4각 교대 쌍극자 라디에이터를 구비하는 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 각 열에 있는 라디에이터 간의 수직 공간은 대략 1파장인 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 인접한 교대 라디에이터 간의 수직 공간은 대략 1/2 파장인 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 2개의 인접한 라디에이터의 중심 사이로 인입된 각 열로부터 하나의 선은 안테나 패널의 중심선에 대해서 약 45°의 각도를 형성하는 시스템.
  6. 제 2항에 있어서, 다수의 섹터는 6개 이상의 섹터를 포함하는 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 각 섹터는 8개 이상의 안테나 패널을 포함하는 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 각 섹터는 약 7° 내지 약 65°의 수평 빔 폭과, 약 0.66° 내지 약 2°의 수직 빔 폭을 갖는 지향성 안테나 빔을 형성하는 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 각 섹터는 약 30° 내지 약 약 45°의 수평 빔 폭을 갖는 지향성 안테나 빔을 형성하는 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 위상 배열 안테나는 인접 지역 전계강도, 중간 지역 전계강도, 먼 지역 전계강도를 갖는 신호를 송신하며, 인접 지역은 약 0㎞ 내지 1㎞에 위치하고, 중간 지역은 약 1㎞ 내지 5㎞에 위치하며, 먼 지역은 약 5㎞ 내지 30㎞에 위치하는 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 위상 배열 안테나의 인접 지역 전계강도는 종래의 셀룰러 안테나의 전계강도보다 약 10㏈ 작고, 위상 배열 안테나의 먼 지역 전계강도는 종래의 셀룰러 안테나의 전계강도보다 약 17㏈ 내지 27㏈ 큰 시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 각 섹터는 미리 결정된 신호 출력 및 미리 결정된 신호 위상을 각 안테나 라디에이터에 분배하는 능동 분배 시스템을 포함하는 시스템.
  13. 제 10항에 있어서, 각 안테나 패널은 미리 결정된 신호 출력 및 미리 결정된 신호 위상을 각 안테나 라디에이터에 분배하는 능동 분배 시스템을 포함하는 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 능동 분배 시스템은 스트립선로인 시스템.
  15. 위상 배열 안테나를 이용하여 신호를 송신하는 방법으로서,
    다수의 수직 배열 안테나 패널을 이용하여 수평 및 수직 형상 빔을 형성하는 단계로, 각 안테나 패널은 2개 이상의 엇갈린 열에 배치된 다수의 수직 배열 라디에이터를 갖는, 단계와;
    인접 지역, 중간 지역 및 먼 지역의 적어도 일부에 걸쳐서 기본적으로 균일한 전계강도를 갖는 출력 분포(power distribution)를 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 인접 지역은 약 0㎞ 내지 1㎞에 위치하고, 중간 지역은 약 1㎞ 내지 5㎞에 위치하며, 먼 지역은 약 5㎞ 내지 30㎞에 위치하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 인접 지역 전계강도는 종래의 셀룰러 안테나의 전계강도보다 약 10㏈ 작고, 먼 지역 전계강도는 종래의 셀룰러 안테나의 전계강도보다 약 17㏈ 내지 27㏈ 큰 방법.
  18. 제 15항에 있어서, 수평 빔 폭은 약 7° 내지 약 65°이고, 수직 빔 폭은 약 0.66° 내지 약 2°인 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 각 열은 8개 이상의 일정하게 이격되며 가로로 놓인 4각 교대 쌍극자 라디에이터를 구비하고, 각 열에 있는 라디에이터 간의 수직 공간은 대략 1파장이며, 인접한 교대 라디에이터 간의 수직 공간은 대략 1/2 파장인 방법.
  20. 위상 배열 안테나를 이용하여 신호를 송신하는 시스템으로서,
    수평 및 수직 형상 빔을 형성하는 수단과;
    인접 지역, 중간 지역 및 먼 지역의 적어도 일부에 걸쳐서 기본적으로 균일한 전계강도를 갖는 출력 분포(power distribution)를 전송하는 수단을 포함하는 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020263548A1 (en) * 2019-06-24 2020-12-30 Commscope Technologies Llc Base station antenna
US11641055B2 (en) 2020-09-01 2023-05-02 Commscope Technologies Llc Base station antennas having staggered linear arrays with improved phase center alignment between adjacent arrays

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BRPI0911586A2 (pt) * 2008-05-02 2016-01-05 Spx Corp sistema e método de broadcast supereconômico
US8373612B2 (en) 2010-06-03 2013-02-12 Qwest Communications International Inc. Antenna installation apparatus and method
US8565106B2 (en) * 2010-06-28 2013-10-22 Accelera Mobile Broadband, Inc. Iterative localization techniques
JP5983089B2 (ja) * 2012-06-27 2016-08-31 日本電気株式会社 アンテナおよびこれを備えた無線通信装置
US8564497B1 (en) 2012-08-31 2013-10-22 Redline Communications Inc. System and method for payload enclosure
US9054810B2 (en) * 2013-02-11 2015-06-09 Centurylink Intellectual Property Llc Distributed outdoor network apparatus and methods
US9680234B2 (en) 2013-08-28 2017-06-13 Harris Corporation Dual polarization ground-based phased array antenna system for aircraft communications and associated methods
US9531482B2 (en) 2013-12-04 2016-12-27 Css Antenna, Llc Canister antenna producing a pseudo-omni radiation pattern for mitigating passive intermodulation (PIM)
US9728855B2 (en) * 2014-01-14 2017-08-08 Honeywell International Inc. Broadband GNSS reference antenna
DE102014000964A1 (de) * 2014-01-23 2015-07-23 Kathrein-Werke Kg Antenne, insbesondere Mobilfunkantenne
KR200482343Y1 (ko) * 2014-09-05 2017-01-13 주식회사 케이엠더블유 이동통신 시스템용 안테나 장치
US9634386B2 (en) * 2015-01-19 2017-04-25 Christopher C. Dundorf Apparatus for safely securing radiation-transparent panels covering the antenna service bays of wireless telecommunication towers and methods of installing the same
WO2019070562A2 (en) * 2017-10-02 2019-04-11 Skywave Networks Llc OPTIMIZING THE LOCATION OF AN ANTENNA SYSTEM IN A LOW LATENCY / NARROW BANDWIDTH DATA LINK USED IN CONJUNCTION WITH A HIGH LATENCY / HIGH BANDWIDTH CONNECTION
US11374309B2 (en) 2018-07-05 2022-06-28 Commscope Technologies Llc Multi-band base station antennas having radome effect cancellation features

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NZ235010A (en) * 1990-08-22 1993-12-23 Deltec New Zealand Dipole panel antenna with electrically tiltable beam.
SE511079C2 (sv) * 1996-04-29 1999-08-02 Radio Design Innovation Tj Ab Modulärt antennsystem med en sluten ring av antennpaneler
US6094166A (en) * 1996-07-16 2000-07-25 Metawave Communications Corporation Conical omni-directional coverage multibeam antenna with parasitic elements
US5835062A (en) * 1996-11-01 1998-11-10 Harris Corporation Flat panel-configured electronically steerable phased array antenna having spatially distributed array of fanned dipole sub-arrays controlled by triode-configured field emission control devices
US5914946A (en) * 1996-11-08 1999-06-22 Lucent Technologies Inc. TDM-based fixed wireless loop system
DE19712510A1 (de) * 1997-03-25 1999-01-07 Pates Tech Patentverwertung Zweilagiger Breitband-Planarstrahler
US6072439A (en) * 1998-01-15 2000-06-06 Andrew Corporation Base station antenna for dual polarization
US6034649A (en) * 1998-10-14 2000-03-07 Andrew Corporation Dual polarized based station antenna
US7076227B1 (en) * 1998-12-03 2006-07-11 Apex/Eclipse Systems, Inc. Receiving system with improved directivity and signal to noise ratio
US6418327B1 (en) * 1999-04-06 2002-07-09 Spike Broadband Systems, Inc. Methods and determining an optimum sector distribution within a coverage area of a wireless communication system
US6211841B1 (en) * 1999-12-28 2001-04-03 Nortel Networks Limited Multi-band cellular basestation antenna
US6351247B1 (en) * 2000-02-24 2002-02-26 The Boeing Company Low cost polarization twist space-fed E-scan planar phased array antenna
ATE303677T1 (de) * 2000-05-05 2005-09-15 Celletra Ltd System und verfahren zur polarisationsanpassung einer vorwärtsverbindung bei zellularer kommunikation
US6480167B2 (en) * 2001-03-08 2002-11-12 Gabriel Electronics Incorporated Flat panel array antenna
DE60128837T2 (de) * 2001-04-16 2008-02-28 Fractus, S.A. Doppelbandige dualpolarisierte gruppenantenne
US7173572B2 (en) * 2002-02-28 2007-02-06 Andrew Corporation Dual band, dual pole, 90 degree azimuth BW, variable downtilt antenna
WO2003096560A1 (en) * 2002-05-07 2003-11-20 Ipr Licensing, Inc. Antenna adaptation in a time division duplexing system
US6924776B2 (en) * 2003-07-03 2005-08-02 Andrew Corporation Wideband dual polarized base station antenna offering optimized horizontal beam radiation patterns and variable vertical beam tilt
US7953372B2 (en) * 2003-04-07 2011-05-31 Yoram Ofek Directional antenna sectoring system and methodology
US7075485B2 (en) * 2003-11-24 2006-07-11 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Low cost multi-beam, multi-band and multi-diversity antenna systems and methods for wireless communications
FR2863111B1 (fr) * 2003-12-01 2006-04-14 Jacquelot Antenne en reseau multi-bande a double polarisation
US7061441B2 (en) * 2004-05-19 2006-06-13 Spx Corporation Stripline fed stub-loop doublet antenna system and method
CN100336269C (zh) * 2004-07-28 2007-09-05 西安海天天线科技股份有限公司 四极化六扇区阵列全向天线
BRPI0911586A2 (pt) * 2008-05-02 2016-01-05 Spx Corp sistema e método de broadcast supereconômico

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020263548A1 (en) * 2019-06-24 2020-12-30 Commscope Technologies Llc Base station antenna
US11108169B2 (en) 2019-06-24 2021-08-31 Commscope Technologies Llc Base station antenna
US11600931B2 (en) 2019-06-24 2023-03-07 Commscope Technologies Llc Base station antenna
US11641055B2 (en) 2020-09-01 2023-05-02 Commscope Technologies Llc Base station antennas having staggered linear arrays with improved phase center alignment between adjacent arrays
US11909103B2 (en) 2020-09-01 2024-02-20 Commscope Technologies Llc Base station antennas having staggered linear arrays with improved phase center alignment between adjacent arrays

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Publication number Publication date
US20090305710A1 (en) 2009-12-10
WO2009135203A1 (en) 2009-11-05
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US20120220339A1 (en) 2012-08-30
MX2010011941A (es) 2011-03-03
AP2010005491A0 (en) 2010-12-31
EP2289125A1 (en) 2011-03-02
BRPI0911586A2 (pt) 2016-01-05
CN102017304A (zh) 2011-04-13
CA2722542A1 (en) 2009-11-05
US8175648B2 (en) 2012-05-08

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