KR20140134525A - 좁은 빔폭을 갖는 무선 통신 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나에 있어서; 사각형상으로 판의 형태로 구비되는 반사판과;; 상기 반사판 상에 설치되며 X편파를 발생하는 하나의 방사모듈을 포함하며; 상기 방사모듈은 4개의 다이폴 구조의 방사소자로 구성되며; 상기 4개의 방사소자는 상기 반사판의 4개의 모서리 부분에 각각 배치되며, 각각 2개의 방사 암이 상기 모서리를 기준으로 양측의 변을 따라 신장하는 방향으로 놓여지게 구성되며; 상기 4개의 방사소자들 중에서 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들끼리 연동하여 상기 X편파 중에 일 편파를 발생한다.

Description

좁은 빔폭을 갖는 무선 통신 안테나{WIRELESS COMMUNICATION ANTENNA WITH NARROW BEAM-WIDTH}
본 발명은 무선 통신 시스템에서 기지국이나 중계기 등에 사용되는 무선 통신 안테나(이하 '안테나'라 약칭함)에 관한 것으로, 특히 좁은 빔폭을 갖도록 하기 위한 무선 통신 안테나에 관한 것이다.
무선 통신 시스템의 중계기를 비롯한 기지국에 사용되는 안테나는 다양한 형태와 구조가 있을 수 있으며, 최근, 무선 통신 안테나는 편파 다이버시티 방식을 적용하여 이중편파 안테나 구조를 일반적으로 사용하고 있다.
이중편파 안테나는 통상, 예를 들어, 4개의 다이폴 형태의 방사 소자들이 길이방향으로 직립하는 적어도 하나의 반사판 상에 사각형 형태나 마름모 형태로 적절히 배치되는 구조를 가진다. 4개의 방사소자들은, 예를 들어, 서로 대각선 방향에 위치하는 방사소자들끼리 짝을 지어, 각 방사소자 쌍들이, 예를 들어, 수직(또는 수평)에 대하여 +45도와 -45도로 정렬되는, 서로 직교하는 2개의 선형 편파 중 대응하는 하나의 선형 편파를 송신(또는 수신)하는데 사용된다.
이러한 이중편파 안테나에 대해서는 카트라인-베르케 카게에 의해 국내 선출원된 특허 출원번호 제2000-7010785호(명칭: 이중편파 다중대역 안테나)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.
한편, 무선 통신 안테나에 각 방사소자(및 방사소자들의 조합에 의해)에서 발생되는 방사 빔의 수평 빔폭은 해당 안테나의 매우 주요한 특성 중의 하나로서, 사용 조건 및 환경에 요구되는 빔폭을 만족하기 위해 방사소자 및 안테나 전체 설계에 있어서 부단한 연구가 이루어지고 있다. 이때, 해당 안테나가 보다 넓은 커버리지를 가지게 하기 위해서는, 가능한 빔폭을 넓히는 방향으로 연구가 진행되고 있으며, 또는, 보다 좁은 커버리지를 가지게 하기 위해서는, 가능한 빔폭을 좁히는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
좁은 빔폭과 더불어 사이드 로브(side lobe) 특성이 우수한 무선 통신 안테나는, 경기장 또는 대형 공연장 등과 같이, 많은 가입자가 특정 지역에 집중된 경우에 설치될 수 있는 기지국(예를 들어, 소형 또는 초소형 기지국/중계기)에 적용되기에 바람직하다. 즉, 많은 가입자가 특정 지역에 집중된 경우에는, 해당 기지국/중계기의 처리 가능한 용량을 고려하여, 이에 적용되는 무선 통신 안테나는 좁은 빔폭을 가지도록 설계된다. 또한, 사업자는 이와 같이 좁은 빔폭의 무선 통신 안테나를 가지는 기지국/중계기를 해당 지역에 촘촘히 설치하여 많은 가입자들에 대한 처리 용량을 확보하게 된다.
도 1은 일반적인 좁은 빔폭을 가진 무선 통신 안테나의 평면 구조도로서, 하나의 반사판(10) 상에 각각 X편파를 발생하는 4개의 방사모듈(11, 12, 13, 14)이 사각형 배치 구조로 설치된 상태를 보이고 있다. 좁은 빔폭을 가진 무선 통신 안테나는, 이와 같은 4개의 방사모듈(11, 12, 13, 14)의 방사 빔이 합성되어 하나의 (좁은 빔폭을 가지는) 방사 빔을 형성하도록 한다. 이때, 4개의 방사모듈(11, 12, 13, 14)의 각각의 방사 빔들이 적절히 합성되도록, 각 4개의 방사모듈(11, 12, 13, 14)간의 간격(d)이 정밀히 설정된다. 통상 좁은 빔폭은 해당 처리 주파수 대비 일정 거리를 두어 설정되는데, 좁은 빔폭일수록 방사모듈 간 거리는 보다 더 이격되어야 한다.
그런데, 통상 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나는 소형 또는 초소형 기지국/중계기에 적용되므로, 이와 같이, 4개의 방사모듈(11, 12, 13, 14)을 이용하여 안테나를 설계할 경우에, 해당 안테나의 사이즈가 상당한 부담으로 다가온다. 따라서, 작은 사이즈를 가지면서 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 보다 작은 사이즈를 가지면서, 보다 좁은 빔폭을 발생시킬 수 있도록 하기 위한 무선 통신 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 소형 또는 초소형 기지국/중계기에 적용되기에 바람직한 좁은 빔폭을 가진 무선 통신 안테나를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나에 있어서; 사각형상으로 판의 형태로 구비되는 반사판과; 상기 반사판 상에 설치되며 X편파를 발생하는 하나의 방사모듈을 포함하며; 상기 방사모듈은 4개의 다이폴 구조의 방사소자로 구성되며; 상기 4개의 방사소자는 상기 반사판의 4개의 모서리 부분에 각각 배치되며, 각각 2개의 방사 암이 상기 모서리를 기준으로 양측의 변을 따라 신장하는 방향으로 놓여지게 구성되며; 상기 4개의 방사소자들 중에서 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들끼리 연동하여 상기 X편파 중에 각각 일 편파를 발생함을 특징으로 한다.
상기에서, 4개의 방사소자들 중에서 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들간의 거리는 처리 주파수 대비 1λ의 범위 내에서 최대한 이격되도록 구성될 수 있다.
상기에서, 반사판은 상기 4개의 방사소자의 설치 영역을 벗어나서 실질적으로 외측으로 연장되는 영역이 없도록 설계될 수 있다.
상기에서, 4개의 방사소자의 각각의 빔이 방사되는 방향에서 고정되게 설치되는 도전성 재질의 4개의 디렉터를 더 포함할 수 있다.
상기에서, 반사판 상에서 상기4개의 방사소자에 의해 형성되는 상기 방사모듈의 가운데 위치에, X편파를 발생하는 방사모듈을 더 구비할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 좁은 빔폭을 가진 무선 통신 안테나는, 보다 작은 사이즈를 가지면서, 보다 좁은 빔폭을 발생시킬 수 있으며, 소형 또는 초소형 기지국/중계기에 적용되기에 바람직한 구조를 가진다.
도 1은 일반적인 좁은 빔폭을 가진 무선 통신 안테나의 평면 구조도
도 2a 및 도 2b는 소형 또는 초소형 중계기/기지국에 설치되기에 바람직한 것으로 고려해 볼 수 있는 무선 통신 안테나들의 구조 예시도
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비교 구조로서 고려해 볼 수 있는, X편파를 발생하는 하나의 방사모듈을 구비한 무선 통신 안테나의 구조도
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b의 안테나의 방사 특성을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나의 평면 구조도
도 6a 및 도 6b는 도 5의 안테나의 방사 특성을 나타낸 그래프
도 7은 도 5의 안테나의 변형 구조에 대한 일 예시 사시도
도 8a 및 도 8b는 도 7의 안테나의 방사 특성을 나타낸 그래프
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제2실시예에 따른 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나의 구조도
도 10a 및 도 10b는 도 9a 및 도 9b의 안테나의 방사 특성을 나타낸 그래프
도 11은 도 9a 및 도 9b의 안테나의 변형 구조에 대한 일 예시 사시도
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
일반적으로, 타워 등과 같이 별도의 지주에 안테나가 설치되는 기지국에서 마찬가지만, 특히 소형 또는 초소형 기지국/중계기의 설계시에는 그 사이즈가 매우 중요한 요소로 고려되고 있으며, 보다 소형화를 위해 다각도의 연구가 이루어지고 있다. 이 경우에, 소형 또는 초소형 기지국/중계기는 도 2a 또는 도 2b에 도시된 바와 같이, 하나의 반사판(20)상에 X편파를 발생하는 방사모듈(21 또는 22)이 하나만 구비하는 것으로 고려해 볼 수 있다(도 2b에서는 전체적으로 사각형꼴 및 마름모꼴로 배치되는 소자를 이용하여 X편파 방사모듈을 구성한 예가 도시되고 있다).
그런데, 이와 같이, 하나의 방사모듈(21, 22)만을 구비하여 안테나를 설계할 경우에, 그 설계 특성상 좁은 빔폭을 형성하는데 한계가 있게 된다.
도 3a 및 도 3b는 X편파를 발생하는 하나의 방사모듈을 구비한 무선 통신 안테나의 구조를 나타내는 평면도 및 사시도이며, 도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b의 안테나의 방사 특성을 2차원 및 3차원적으로 나타낸 그래프가 도시된다. 도 3a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 하나의 반사판(30)에 하나의 방사모듈(31)을 설치하여 안테나를 구현할 경우에, 그 방사 특성을 살펴보면, 빔폭은 약 63도 이며, 이득(gain)은 약 8.8dBi이며, 사이드 로브는 약 13dB로 나타남을 알 수 있다.
상기 도 3a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 소형화만을 고려하여 하나의 반사판 상에 X편파를 발생하는 방사모듈을 하나만 설치하는 안테나를 설계할 경우에는 그 빔폭 특성은 비교적 넓게 나타나게 된다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나의 평면 구조도로서, 도 5에서 화살표는 각 방사소자에서 발생하는 편파방향을 나타내며, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 안테나의 방사 특성을 2차원 및 3차원적으로 나타낸 그래프가 도시된다. 도 7은 도 5의 안테나의 변형 구조에 대한 일 예시 사시도이며, 도 8a 및 도 8b는 도 7의 안테나의 방사 특성을 2차원 및 3차원적으로 나타낸 그래프가 도시된다.
도 5 내지 도 8b를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 무선 통신 안테나는 반사판(40) 상에 X편파를 발생하는 하나의 방사모듈(41)이 구비되는데, 방사모듈(41)은 4개의 다이폴 구조의 방사소자(411, 412, 413, 414)로 구성된다. 이때 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414)는 각각 사각형 형태의 반사판(40)의 4개의 모서리 부분에 각각 배치된다. 이때 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들끼리(411+413, 412+414) 연동하여, X편파 중에 각각 일 편파를 발생하도록 급전망(미도시)이 형성된다.
또한, 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414)는 일반적인 다이폴 구조와 유사하게 각각 발룬 구조의 지지대(b)에 의해 지지되는 2개의 방사 암(a1, a2)으로 구성되는데, 2개의 방사 암(a1, a2)은 각각 해당 방사소자가 설치된 모서리를 기준으로 직각하는 양측의 변을 따라 신장하는 방향으로 놓여지게 구성된다. 즉, 이러한 구성에 따라, 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414) 각각의 평면 구조는 전체적으로 'ㄱ'자 형태로 구성된다.
이때, 좁은 빔폭을 가지기 위해서, 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들간(411+413, 412+414)의 거리(d)는 해당 처리 주파수 대비 1λ의 범위 내에서 최대한 이격되도록 구성되는데, 예를 들어, 안테나 방사패턴의 사이드 로브 특성을 고려하여 거리가 결정될 수 있다. 또한, 이 경우에 반사판(40)은 상기 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414)의 설치 영역을 벗어나서 실질적으로 외측으로 연장되는 영역이 없이, 최소한의 사이즈를 갖도록 설계될 수 있다.
상기한 구조를 살펴보면, 본 발명의 제1실시예에 따른 안테나는 그라운드 역할을 하는 반사판(40)의 면적을 최대한 활용하는 구조로서, 반사판(40)의 모서리 부분에 각 방사소자들을 배치하여 방사소자들간의 이격 거리를 극대화시키고, 각 방사소자의 방사 암들의 형태를 반사판(40)의 모서리 부분을 형태에 맞춤으로써, 좁은 빔폭을 가지는 안테나를 형성하는 구조임을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도 5에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 안테나를 구현할 경우에, 그 방사 특성은, 빔폭은 약 43도로서 상당히 좁은 빔폭을 가지며, 이득(gain)은 약 8.7dBi이며, 사이드 로브는 약 9dB로 나타남을 알 수 있다.
한편, 상기한 구조를 구비한 본 발명의 제1실시예에 따른 안테나의 방사 특성 중에서 이득(Gain)과 사이드 로브 특성은 비교적 만족스럽지 않음을 알 수 있다. 이는 반사판(40)이 방사소자들(411, 412, 413, 414)에 비해 그 면적이 작아서 발생하는 것에 기인한 것으로서, 이를 해소하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예의 변형 구조에서는 각각의 방사소자들(411, 412, 413, 414)의 각각의 빔이 방사되는 방향에 각각 디렉터(director: 421, 422, 423, 424)를 설치한다.
디렉터(421, 422, 423, 424)는 전파가 잘 흐르는 도선성 재질의 금속체로 구성될 수 있는데, 각각의 방사소자(411, 412, 413, 414)에서 발생되는 편파 방향을 따라 길게 형성되는 금속 막대 형태를 가질 수 있다. 각각의 디렉터(421, 422, 423, 424)는 각각의 방사소자(411, 412, 413, 414)의 상부에서 이격되게 설치되는데, 이때 각각의 방사소자(411, 412, 413, 414)에서 양 방사 암(a1, a2)간의 급전 부위와 대응되는 상부에 설치됨이 바람직하다.
또한, 각각의 디렉터(421, 422, 423, 424)는 별도의 지지 구조(미도시)를 통해 반사판(40) 상에, 또는 각각의 방사소자(411, 412, 413, 414) 상에 고정되게 설치된다. 이러한 지지 구조는 방사 특성에 최대한 영향을 주지 않도록 플라스틱, PE 등과 같은 합성수지 소재 등으로 구성될 수 있으며, 나사 결합 구조를 통해 각각의 디렉터(421, 422, 423, 424) 및 반사판(40)과 고정되는 구조를 가질 수 있다.
상기한 지지 구조를 비롯하여, 해당 각각의 디렉터(421, 422, 423, 424)의 전체적인 크기, 형태 및 설치 위치 등은 해당 방사소자에서 방사되는 방사 빔의 특성을 측정하여 실험적으로, 또는 해당 특성을 시뮬레이션하여 적절히 설계된다.
이와 같은, 디렉터(421, 422, 423, 424)는 각각의 방사소자(411, 412, 413, 414)에서 발생되는 방사 빔의 방향을 전방향으로 유도하는 역할을 하여, 전체적인 안테나의 빔폭을 보다 더 줄이면서, 사이드 로브의 특성도 양호하게 한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도 7에 도시된 바와 같은 디렉터를 구비한 안테나 안테나를 구현할 경우에, 그 방사 특성은, 빔폭은 약 37도이며, 이득(gain)은 약 10.5dBi이며, 사이드 로브는 13dB로 나타남을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제2실시예에 따른 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나의 구조도이며, 도 10a 및 도 10b는 도 9a 및 도 9b의 안테나의 방사 특성을 2차원 및 3차원적으로 나타낸 그래프가 도시된다. 도 9a 내지 도 10b에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나는 상기 도 5에 도시된 제1실시예의 구조와 유사하지만, 사이드로 로브 특성을 양호하게하며 빔폭을 보다 더 줄이기 위해, 반사판(40)의 가운데, 즉 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414)에 의해 형성되는 방사모듈의 가운데 위치에, X편파를 발생하는 별도의 방사모듈(43)을 더 구비하는 구조를 가진다.
상기 방사모듈(43)은 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414)의 가운데 위치에서, X편파를 발생하도록 구성되며, 이러한 방사모듈(43)을 포함함으로써, 4개의 방사소자(411, 412, 413, 414)를 포함한 전체 방사소자들 사이의 배열간격이 좁아지게 되어 , 전체적인 안테나의 이득 및 사이드 로브의 특성도 양호하게 한다. 즉, 방사모듈(43)과 4개의 방사소자들(411, 412, 413, 414)간의 이격 거리는 해당 처리 주파수 대비 0,5λ의 범위 이내로 설정된다. 도 10a 및 도10b를 참조하면, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 방사모듈(43)을 구비한 안테나 안테나를 구현할 경우에, 그 방사 특성은, 빔폭은 약 38도이며, 이득(gain)은 약 10.5dBi이며, 사이드 로브는 15dB로 나타남을 알 수 있다.
도 11은 도 9a 및 도 9b의 안테나의 변형 구조에 대한 일 예시 사시도이다. 도 11을 참조하면, 안테나에서 방사되는 빔폭을 더욱 좁히기 위하여, 본 발명의 제2 실시에의 변형 구조에서는, 도 7에 도시된 바와 유사하게, 각각의 방사소자들(411, 412, 413, 414)의 각각의 빔이 방사되는 방향에 각각 디렉터(421, 422, 423, 424)가 설치된다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 좁은 빔폭을 갖는 무선 통신 안테나의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다.
예를 들어, 상기의 설명에서는, 도 9a 및 도 9b에 도시된 제2실시예의 구조에서, 반사판(40)의 가운데 위치에 설치되는 방사모듈(43)의 상세 구조는, 다양한 구조의 방사소자들을 이용하여 전체적으로 X편파를 발생시키도록 다양한 구조로 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 좁은 빔폭을 가지는 무선 통신 안테나에 있어서,
    사각형상으로 판의 형태로 구비되는 반사판과;
    상기 반사판 상에 설치되며 X편파를 발생하는 하나의 방사모듈을 포함하며;
    상기 방사모듈은 4개의 다이폴 구조의 방사소자로 구성되며;
    상기 4개의 방사소자는 상기 반사판의 4개의 모서리 부분에 각각 배치되며, 각각 2개의 방사 암이 상기 모서리를 기준으로 양측의 변을 따라 신장하는 방향으로 놓여지게 구성되며;
    상기 4개의 방사소자들 중에서 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들끼리 연동하여 상기 X편파 중에 각각의 일 편파를 발생함을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 4개의 방사소자들 중에서 서로 대각선 방향으로 마주보는 방사소자들간의 거리는 처리 주파수 대비 1λ의 범위 내에서 최대한 이격되도록 구성됨을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반사판은 상기 4개의 방사소자의 설치 영역을 벗어나서 실질적으로 외측으로 연장되는 영역이 없도록 설계됨을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 4개의 방사소자의 각각의 빔이 방사되는 방향에서 고정되게 설치되는 도전성 재질의 4개의 디렉터를 더 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 4개의 디렉터는 해당 설치되는 방사소자에서 발생되는 편파 방향을 따라 길게 형성되는 금속 막대 형태를 가지며, 해당 설치되는 방사소자의 상기 2개의 방사 암간의 급전 부위와 대응되는 상부에 설치됨을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
  6. 제1항 내지 제3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사판 상에서 상기 4개의 방사소자에 의해 형성되는 상기 방사모듈의 가운데 위치에, X편파를 발생하는 방사모듈을 더 구비함을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
  7. 제6항에 있어서, 상기 4개의 방사소자의 각각의 빔이 방사되는 방향에서 고정되게 설치되는 도전성 재질의 4개의 디렉터를 더 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 안테나.
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