KR20120116048A - 고 이득 평판형 안테나를 이용한 고층 빌딩 중계망 구축 방법 - Google Patents

Abstract

고층 빌딩 내부에 무선 중계망을 설치하려면 중계기에 연결 할 동축 케이블을 포설해야 하는데, 이것은 많은 비용과 시간을 필요로 한다. 그래서 옥상혹은 지상에서 수직으로 고 이득 안테나를 써서 빔을 쏘고(받고) 각 층 유리창에서 고 이득 평판형 안테나를 유리창 틀에 부착하여 받는(쏘고) 방식으로 층간 링크를 구성하면 중계링크의 이득을 최대화 할 수 있어서 케이블 포설 없이 태양 전지만으로 작동 가능한 소 출력 중계기만으로 망 구축이 가능해 진다. 이것을 가능케 하는 평판 형 고 이득 안테나와 설치 방법 그리고 중계망 구조를 특허로 제안 하였다.

Description

고 이득 평판형 안테나를 이용한 고층 빌딩 중계망 구축 방법{A method of construction for wireless relay network in high-rise building using flat high-gain antenna}

고층 빌딩의 내부에 무선망을 구축하기 위한 중계기 관련 기술과 무선 중계링크의 이득을 최대화하기 위한 전파로 구축 및 링크 해석이 기반이 되어야 한다. 또한 평판 형 다이폴 안테나 설계기술을 근간으로 하여 그것을 위상 배열함으로써 높은 이득을 얻을 수 있으면서도 빔의 방향을 용이하게 조절하기 위한 피딩 설계기술 등 안테나 및 전파 해석 기술이 필요하다.

빌딩 내 중계망을 구축하기 위한 링크 해석 및 발진 방지를 위한 링크-커버리지 안테나 간 루프 이득 해석 기술이 배경이 된다. RF 중계기의 루프 이득이 커져서 발진이 예상 될 경우에는 이것을 방지하기 위하여 추가로 중계링크 채널을 할당하는 변파 중계기를 채용하거나 중계기의 링크 포트를 동축 케이블를 포설하여 연결해 주어야 한다. 변파 중계기를 위하여 중계링크용 채널을 할당하는 것은 소중한 주파수 자원이 추가 되는 것이며, 동축 케이블을 포설하는 것은 많은 비용과 시간을 요하므로 투자비 증가의 원인이 된다.

고층 빌딩이 밀집한 지역에서 빌딩 내부는 이동통신 전파의 음영 지역이 발생 할 수밖에 없는데, 이것을 비용이 많이 들어가는 RF 케이블의 포설 없이 슬림형 고 이득 안테나와 무선 중계기만으로 해결하기 위한 것이다.

이를 해결하기 위하여 옥상(혹은 지상) 1층에서 수직 하방(상방)으로 전파를 쏘고 각 층에서 전파를 받아서 각 층의 내부로 전파를 중계는 방법을 제안한다. 이때 층간 링크 이득을 최대화하기 위하여 안테나의 이득, 형상 및 설치 방법 및 망 구축 방법 등을 특허로 제안한다. 안테나는 설치가 편리하면서도 고 이득의 얇은 평판 형으로 제작하여 창문틀에 부착하며, 중계기는 유리 창문을 통한 태양전지만으로 동작이 가능토록 소형화함으로써 전원선 없이 설치가 가능토록 하며, 중계망의 링크 이득이 최대가 되도록 옥상(혹은 지상1층)과 각 층간 유리창 사이의 최단 수직 경로로 무선 링크를 구축한다.

본 발명은 고층 빌딩 내부에 무선 중계망을 구축 할 때 가장 많은 비용과 시간을 요하는 동축 케이블 포설 공사를 배제함으로써 투자비 절감에 기여 할 수 있다. 또한 중계기의 설치도 빌딩의 창문에 함으로써 전원을 끌어올 필요 없이 상용 소형 태양전지만으로 가능케 하여 설치가 매우 간편하게 된다. 또한 안테나는 고 이득이면서도 얇은 평판 형으로 되어 있고 빔의 방향을 조정하기가 쉬운 구조라서 제작과 조정 및 설치가 매우 용이하다.

도 1은 인 빌딩 내 무선망을 케이블 포설 없이 고 이득 평판 형 안테나와 중계기만으로 구축하기위한 층간 무선링크를 이용한 망 구조
도 2는 층간 무선 링크의 이득을 최대화하고 전원 없이 중계기를 설치하기 위한 평판형 안테나와 중계기의 설치 방법
도 3은 고 이득이며 유리창에 설치가 간편하고 안테나의 빔 방향을 용이하게 조정 할 수 있는 슬림 평판 형 안테나 구조
도 4는 도 3 안테나의 피딩 라인과 방사용 평판 다이폴의 구조
도 5는 배열 안테나의 빔 방향을 결정하기 위한 개별 안테나 소자들의 위상 차 및 배열 간격
도 6은 각각 단일 section과 3section의 다이폴 배열 안테나들의 H-평면 방사 특성
도 7은 도 3 구조를 갖는 안테나의 송수신 분리를 위한 피딩 라인의 길이를 결정하기 위한 조건

고층 빌딩 밀집지역에서는 어느 위치에 기지국을 두더라도 인접한 빌딩에 가려지게 되므로 전파 음영지역이 발생할 수밖에 없다. 이때 음영 지역의 빌딩 내부에 무선 중계망을 구축해야 하는데, 이를 위해서는 빌딩 내부의 각 층 각 구획 공간마다 중계기를 설치하고 이것들을 연결하기 위하여 빌딩 내부를 거미줄처럼 연결하는 RF 케이블망을 포설해야 한다. 이것은 매우 많은 투자비를 요구하며, 공사 기간 또한 많이 요구된다. 그래서 본 특허에서는 일체의 통신용 케이블 공사 없이 빌딩 내부의 무선망을 효과적으로 구축 할 수 있는 망 구축 방법과 그것을 위한 안테나 구조 및 설치 방법 등을 제안코자 한다.

건물 내로 전파를 보낼 때 링크 이득을 크게 하기 위해서는 중계기의 링크 안테나가 기지국의 링크 안테나가 마주 보아야 한다. 그런데 고층 건물들이 밀집한 지역에서는 이러한 구조를 만들 수가 없다. 그런데 도 1에 나타낸 것처럼, 옥상 난간 혹은 1층 난간에서 수직 하(상)방으로 고 이득 안테나를 이용하여 전파를 송신하고 실내에서 각 층의 유리창에서 고 이득 평판 안테나로 받을 수 있다면 전파 경로 상 가장 큰 링크 버짓을 가질 수 있게 된다. 이렇게 될 경우, 실내로 중계하는 중계기의 이득을 크게 줄일 수 있게 되어, 기존에는 발진 때문에 실내에서는 쓸 수 없었던 RF 중계기를 쓰는 것도 가능하게 된다. 이때 실내에 중계하는 중계기는 소출력이 가능해지며, 도 2에서처럼 안테나의 설치 장소 또한 유리창 난간이어서 햇빛을 받을 수 있으므로, 시판되는 소형 솔라 셀을 전원으로 사용 할 수도 있게 되어 설치가 매우 간편해 진다. 한편 시판되는 고 이득 안테나는 입체적인 구조를 갖는 것이 대부분이므로 유리창 난간에 붙이기 위해서는 본 특허에서 제안한 평판 형으로써 측면 방향(broadside) 혹은 배열 방향(end-fire)빔을 갖는 구조라야 가능하다.

이러한 목적에 적합한 고 이득의 평판 형 안테나의 구조를 도 3에 제안하였다. 이 구조는 마이크로 스트립 피더 라인에 수직으로 인쇄된 평판 형 다이폴이 결합되어 있다. 이때 마이크로 스트립 피더라인이 수직의 인쇄 형 다이폴의 정 중앙에 위치 할 경우에는 다이폴에 여기 되는 전류가 마이크로 스트립을 중심으로 대칭 상태가 되어서 원거리에서 보면 크기가 같고 방향이 반대인 전류 원으로 보이므로 복사가 일어나지 않는다. 그러므로 다이폴들을 중심에서

만큼씩 어긋나게 배치해야 적절한 크기의 전류 결합을 통해서 복사가 이루어진다. 한편, 다이폴의 길이

는 공진 주파수에 직접 영향을 미치므로 다이폴의 길이를 원하는 주파수 대역의 중심에서 반 파장에 근접하도록 설계해야 한다. 이 구조에서는 다이폴의 길이와 어긋남이 복사량을 결정하므로 이 값들을 조정하여 임피던스를 정합 시켜야 한다.

한편, 이러한 단위 다이폴들을 여러 개를 배열해야 이득이 높은 다이폴 배열 안테나를 얻을 수 있는데, 이때 다이폴들의 배열 간격

를 조정하여 전체 안테나 빔의 방향을 결정지을 수 있다. 예를 들어, 측면(broadside) 빔을 위해서는 배열에 수직한 방향에서 모든 다이폴들이 동 위상이 되어야 하므로, 배열의 간격은 마이크로 스트립의 관내 파장이 되어야 한다. 즉 단위 파장의 정수배로 배열을 하면 된다. 또한 배열과 같은 방향(end-fire)으로 빔 방향을 설정하기 위해서는 마이크로 스트립의 피딩 라인에서의 위상 지연이 배열 간격에 의한 위상지연과 같으면 된다. 그런데 마이크로 스트립의 관내 파장이 자유 공간에서보다 작으므로, 같은 위상 지연을 얻기 위해서는 마이크로 스트립 피딩 라인을 휘어서 적절한 위상 지연을 얻을 수 있도록 조정해야 한다. 도 4는 이것을 나타내었다. 빔의 방향을 조정하는 과정은 다음과 같다. 배열 안테나의 빔의 방향을

로 하기 위해서는,

의 조건을 만족하도록

를 조정해 주어야 하는데, 여기서

는

방향으로 나가는 빔의 위상,

는 자유공간의 파수(wave number),

는 다이폴의 배열 간격이며,

는 인접 소자간의 위상 지연이므로,

가 되어야 원하는

방향으로 빔을 보낼 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 도 4의 구부러진 폭 은 다음과 같이 된다.

여기서

는 각각 자유공간과 피딩 라인에서의 파장을 나타낸다.

이때 상술한 broadside 빔의 경우에는

가 90도 이므로,

가 0이 되도록 하기 위해서는(즉 인접 다이폴과 동 위상이 되기 위해서는) 마이크로 스트립으로 피딩되는 모든 다이폴들의 위상이 같아져야 한다. 그러므로 구부림이 없이(M=0) 마이크로 스트립으로 가이드 되는 한 파장

만큼씩 다이폴들을 이격시키면 된다. 반면에 end-fire 형의 빔을 갖기 위해서는

가 0이 되므로,

만큼의 폭으로 meander 피딩 라인을 구부려 주면 된다.

제안된 안테나 구조는 빔의 방향을 다이폴의 배열 간격과 구부러진 피더의 길이를 변화시켜서 용이하게 조절 할 수 있으며, 임피던스 정합 및 중심 주파수 또한 다이폴의 길이와 어긋남으로 조절하기가 편하므로, 안테나를 설계하고 측정하는 과정에서 특성을 튜닝하기에 매우 유리한 구조이다. 도 6에서는 2.12GHz에서 다이폴 1개와 다이폴 3개의 H-평면 방사 패턴을 나타내었다. 한 개의 다이폴일 때 비하여 3개의 다이폴을 배열 할 경우 같은 각도에서 약 4dB 가량 안테나 이득이 높아짐을 볼 수 있다. 피딩 라인을 길게 뽑아 놓고 다이폴 배열의 개수를 추가하기만 함으로써 원하는 높은 이득의 안테나를 용이하게 설계 수 있음을 알 수 있다.

도 7에서는 송 수신단의 분리를 위한 피딩 라인의 길이 조정을 나타내었다. 이러한 다이폴 배열 안테나의 대역폭이 넓지 않으므로 FDD(Frequency Division Multiplex)방식의 경우에는 송/수신 안테나를 분리하여 설계해야 하는데, 이때 두 안테나의 서로 상대 주파수에서는 개방(open)된 부하로 보여야 한다. 즉 안테나 패턴의 상단부가 수신용이고, 하단 부를 송신용이라고 할 때, 송신 주파수에서는 상단 수신 부 안테나의 임피던스가 개방 단으로 보이도록 상단 피딩 길이를 조정하고, 수신 주파수에서는 하단 송신 안테나의 임피던스가 개방 단으로 보이도록 하단 피딩 길이를 조정해 주어야 한다.

1 : 기판 유전체
2 : 마이크로 스트립 피딩 라인
3 : 다이폴 지지 유전체
4 ; 다이폴 패턴
5 ; 마이크로 스트립 그라운드

: 다이폴 길이

: 배열 다이폴 간의 간격

: 다이폴의 중심과 마이크로 스트립의 중심의 어긋난 길이

: 구부러진 피딩 라인의 폭

: 자유공간에서의 파수(wave number)

: 자유 공간에서의 파장

: 마이크로 스트립으로 가이드되는 파장

: 배열 안테나의 빔 방향

Claims (3)

1. 도 1의 건물 내 중계망 구축 방법
2. 도 2의 평판 슬림형 안테나의 설치 방법
3. 도 3의 슬림 평판형 안테나 구조

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