KR20180120133A - 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나에 있어서; 제1포트를 통해 급전선을 거쳐 제공되는 송신 신호를 출력하는 송신 안테나 소자와; 수신 신호를 수신하여 제2포트로 제공하는 수신 안테나 소자와; 송신 신호를 일부 분배하는 제1커플러와; 제1커플러에서 분배된 신호를 미리 설정된 파형과 등화시키는 이퀄라이저와; 이퀄라이저의 출력을 제공받아 제2포트로 출력되는 신호에 결합하는 제2커플러와; 제1커플러, 이퀄라이저 및 제2커플러간의 신호 전달 경로를 형성하는 전도체를 포함하며; 전도체를 이용한 신호 전달 경로를 통해 제2포트에 결합되는 신호가 송신 안테나 소자에서 수신 안테나로 오유입되는 신호와 대비하여 실질적으로 동일한 크기 및 180도 위상 차이를 가지며 전체 동작 주파수 대역에서 동일한 형상을 가지도록, 상기 제1, 제2커플러의 커플링 성능, 상기 전도체의 길이 및 상기 이퀄라이저의 기능 특성이 설계된다.

Description

분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나{MULTI-POLARIZATION ANTENNA WITH ISOLATION SUPPLY DEVICE}

본 발명은 이동통신 시스템의 기지국이나 중계기 등에 사용되는 송수신이 가능한 안테나에 관한 것으로, 특히, 편파간 분리도를 향상시키기 위한 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나에 관한에 관한 것이다.

송신 및 수신을 동시에 수행하는 안테나를 설계하는 경우에, 주요하게 고려하여야 할 사항은 송신 안테나 소자와 수신 안테나 소자간의 분리도(isolation)를 확보하여, 수신 안테나 소자에서 송신 안테나로부터 송신된 신호가 유입되지 않도록 하는 것이다. 송신 및 수신 신호가 서로 다른 편파, 예를 들어, 서로 간 직교하는 편파를 발생하는 이중편파 안테나에서는 이러한 분리도를 상당히 확보할 수 있게 된다. 그러나 이러한 이중편파 안테나에서도 추가적인 분리도 개선 장치가 제안되고 있다.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나의 회로 블록 구성도로서, 도 1에 도시된 구성은 'Radio Frequency Systems'사의 미국 특허 번호 제6,141,539호(명칭: "ISOLATION IMPROVEMENT CIRCUIT FOR A DUAL-POLARIZATION ANTENNA", 발명자: 'Ronald A. Marion', 특허일: 2000년 8월 31일)에 개시된 구성과 대체로 동일하다.

도 1을 참조하면, 종래의 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나는 송신 안테나 소자(11) 및 이와 물리적 또는 전기적으로 직교하는 수신 안테나 소자(12)를 구비하는 이중편파 안테나부(10)를 다수개 구비할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 안테나는 (수직) 배열 안테나 구조를 예를 들어 보이고 있다. 송신 신호는 제1포트(P1)를 통해 제공되고, 급전선을 거쳐 다수의 이중편파 안테나부(10)의 각 송신 안테나 소자(11)에 분배되어 제공되며, 다수의 수신 안테나 소자(12)를 통해 수신된 신호는 제2포트(P2)로 결합되어 출력된다.

이러한 구조에서, 제1포트(P1)로 제공되는 송신 신호는 제1커플러(21)에 일부 분배되어 전도체(24)를 거처 제2커플러(22)로 제공되며, 제2커플러(22)는 전도체(24)를 거쳐 제공되는 신호를 제2포트(P2)로 출력되는 신호에 결합한다. 이때 제1커플러(21), 전도체(24) 및 제2커플러(22)를 통해 제2포트(P2)에 결합되는 신호는, 다수의 송신 안테나 소자(11)에서 방사되어 다수의 수신 안테나(12)로 수신되는 원하지 않은 유입 신호(이하 오유입 신호라 칭함)의 크기와 같으면서 180도 위상 차이를 가지도록, 상기 제1, 제2커플러(21, 22)의 성능 및 전도체(24)의 길이가 설계된다.

보다 상세히 설명하면, 분리도 제공 장치를 설치하기에 앞서, 미리 이중 편파간 분리도를 측정한다. 대역간 분리도 측정시 오유입 신호의 크기와 신호의 지연시간을 측정한다. 이후, 분리도 제공 장치에서 제1커플러(21) 및 제2커플러(22)의 커플링의 크기는 상기 분리도 제공 장치를 구비하지 않은 상태에서 측정한 오유입 신호의 크기의 주파수별 평균값과 유사한 값을 갖도록 한다. 또한 제1커플러(21), 제2커플러(22) 및 전도체(24)의 길이에 따른 지연시간은 상기 분리도 제공 장치를 구비하지 않은 상태에서 측정한 오유입 신호의 지연시간과 대비하여 주파수별 평균값에 180도 위상차이를 갖도록 전도체(24)의 길이를 설계한다.

이에 따라, 제1포트(P1)에서 다수의 송신 안테나 소자(11)를 거쳐 방사된 후 다수의 수신 안테나 소자(12)로 수신되어 제1포트(P2)로 전달되는 오유입 신호는, 제1커플러(21), 전도체(24) 및 제2커플러(22)를 통해 제2포트(P2)로 전달되는 신호와 서로 상쇄되어 제거된다.

한편, 안테나가 소형화됨에 따라 단일 혹은 배열 안테나의 반사기의 크기 또한 작아져야 한다. 일반적으로 반사기의 크기가 충분하지 못한 경우 이중편파 안테나의 편파간 분리도는 열화된다. 또한, 안테나가 동작하는 주파수 범위에서 편파간 분리도의 크기가 일정하지 않다.

그런데, 상기 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술의 구조를 통해서는 송신 신호의 동작 주파수범의 전체 범위를 걸쳐 편파간 분리도의 크기가 일정한 경우에 대해서만 효과를 얻을 수 있고, 그렇지 아니한 경우에는 동작 주파수 범위 전체에서 원하는 편파간 분리도의 개선 효과를 얻을 수 없게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 보다 우수한 편파간 분리도 성능을 얻을 수 있도록 하기 위한 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 동작 주파수 범위 전체서 편파간 분리도 크기가 일정하지 않은 경우에도 원하는 분리도 성능을 얻을 수 있도록 하기 위한 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나에 있어서; 제1포트를 통해 급전선을 거쳐 제공되는 송신 신호를 출력하는 적어도 하나의 송신 안테나 소자와; 수신 신호를 수신하여 제2포트로 제공하는 적어도 하나의 수신 안테나 소자와; 상기 제1포트로 제공되는 송신 신호를 일부 분배하는 제1커플러와; 상기 제1커플러에서 분배된 신호를 상기 송신 신호의 주파수 대역과 동일한 주파수 범위에서 미리 설정된 파형의 형상과 등화시키는 이퀄라이저와; 상기 이퀄라이저의 출력을 제공받아 상기 제2포트로 출력되는 신호에 결합하는 제2커플러와; 상기 제1커플러, 상기 이퀄라이저 및 상기 제2커플러간의 신호 전달 경로를 형성하는 전도체를 포함하며; 상기 전도체를 이용한 신호 전달 경로를 통해 상기 제2포트에 결합되는 신호가 상기 적어도 하나의 송신 안테나 소자에서 출력되어 상기 적어도 하나의 수신 안테나로 수신되는 오유입 신호와 대비하여 실질적으로 동일한 크기 및 180도 위상 차이를 가지며 전체 동작 주파수 대역에서 동일한 형상을 가지도록, 상기 제1, 제2커플러의 커플링 성능, 상기 전도체의 길이 및 상기 이퀄라이저의 기능 특성이 설계됨을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나는 동작 주파수 범위 전체서 편파간 분리도 크기가 일정하지 않은 경우에도 원하는 분리도 성능을 얻을 수 있는 등, 우수한 분리도 성능을 가질 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나의 회로 블록 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나의 회로 블록 구성도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나의 회로 블록 구성도
도 4는 도 2 또는 도 3 중 이퀄라이저의 기능 특성 예를 나타낸 그래프

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 도면 전체를 통틀어 동일한 구성요소에 대해서는 가능한 동일한 참조번호를 부여하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나의 회로 블록 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나는 제1포트(P1)를 통해 급전선을 거쳐 제공되는 송신 신호를 출력하는 송신 안테나 소자(11)와; 상기 송신 안테나 소자(11)와 물리적 또는 전기적으로 직교하게 설치되며, 수신 신호를 수신하여 제2포트(P2)로 제공하는 수신 안테나 소자(12)를 구비하는 이중편파 안테나부(10)를 기본적으로 구비한다.

이러한 구조를 가지는 이중편파 안테나에서 본 발명에 따른 분리도 제공 장치가 구비되는데, 본 발명에 따른 분리도 제공 장치는 상기 제1포트(P1)로 제공되는 송신 신호를 일부 분배하는 제1커플러(21)와; 제1커플러(21)에서 분배된 신호를 상기 송신 신호의 동작 주파수 대역과 동일한 주파수 범위에서 미리 설정된 파형의 형상과 등화시키는 이퀄라이저(30)와; 상기 이퀄라이저(30)의 출력을 제공받아 상기 제2포트(P2)로 출력되는 신호에 결합하는 제2커플러(22)와; 상기 제1커플러(21), 이퀄라이저(30) 및 제2커플러(22)간의 신호 전달 경로를 형성하는 전도체(24)를 포함한다.

상기 제1, 제2커플러(21, 22)는 통상적인 접촉식, 또는 비접촉식 전력 분배기/결합기 구조를 채용할 수 있다. 또한 상기 전도체(24)는 통상적인 동축선로나, 스트립 선로, 또는 마이크로스트립 선로 등을 이용하여 구성할 수 있다.

이때, 제1커플러(21), 이퀄라이저(30)) 및 제2커플러(22)를 통해 전도체(24)를 이용하여 제2포트(P2)에 결합되는 신호는, 송신 안테나 소자(11)에서 방사되어 수신 안테나(12)로 수신되는 원하지 않은 오유입 신호와 대비하여 실질적으로 그 크기와 같으면서 180도 위상 차이를 가지며, 후술하는 바와 같이, 송신 신호의 전체 동작 주파수 대역에서 동일한 형상을 가지도록, 상기 제1, 제2커플러(21, 22)의 커플링 성능, 이퀄라이저(30)의 기능 특성 및 전도체(24)의 길이가 설계된다.

보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 분리도 제공 장치를 설치하기에 앞서, 미리 이중 편파간 분리도를 측정한다. 대역간 분리도 측정시 오유입 신호의 크기와 신호의 지연시간을 측정하며, 또한 본 발명의 특징에 따라, 송신 신호의 동작 주파수 전체 대역에서 분리도를 측정한다. 이후, 분리도 제공 장치에서 제1커플러(21) 및 제2커플러(22)의 커플링의 크기는 상기 분리도 제공 장치를 구비하지 않은 상태에서 측정한 오유입 신호의 크기의 주파수별 평균값과 유사한 값을 갖도록 한다. 또한 제1커플러(21), 이퀄라이저(30) 및 제2커플러(22)를 거치는 전도체(24) 상에서의 지연시간은 상기 분리도 제공 장치를 구비하지 않은 상태에서 측정한 오유입 신호의 지연시간과 대비하여 주파수별 평균값에 180도 위상 차이를 갖도록 전도체(24)의 길이를 설계한다.

특히, 이 경우에 본 발명의 특징에 따라, 상기 이퀄라이저(30)는 제1커플러(21)에서 제공된 신호의 파형을 송신 주파수 전체 대역에서 실제 측정된 오유입 신호의 파형과 대응되게 신호 처리하도록 설계된다.

도 4를 참조하여, 보다 상세히 설명하면, 이중편파 안테나부(10)에서 측정된 오유입 신호의 크기는 통상 전체 동작 주파수 범위(fo) 내에서 동일하지 않은 경우가 대부분이며, 예를 들어 도 4의 (a)에서 실선으로 도시된 바와 같이, 전체 동작 주파수 범위(fo) 내에서 상대적으로 저주파 대역은 신호의 크기가 작으며, 전체 동작 주파수 범위(fo) 내에서 상대적으로 고주파 대역은 신호의 세기가 클 수 있다. 제1커플러(21)에서 분기되어 전도체(24) 상에서 전달되는 신호는 예를 들어, 도 4의 (a)에서 점선으로 도시한 바와 같이, 전체 동작 주파수 범위(fo)에서 균일하므로, 이러한 경우에, 종래와 같이 단순히 평균적인 신호 크기만을 고려할 경우에는, 비록 위상차가 180도인 신호라 할지라도 오유입 신호를 완전히 상쇄시킬 수가 없게 된다. 이에 본 발명에서는, 제1커플러(21)에서 분기되어 전도체(24) 상에서 전달되는 신호를 이퀄라이저(30)를 이용하여 예를 들어, 도 4의 (a)에서 실선으로 도시된 파형과 일치시킨다.

이퀄라이저(30)는 필터 구조를 이용하여 구현가능한데, 비교적 소형이며 간단한 PCB(Printed Circuit Board) 타입의 필터로 구현할 수도 있다. 이때 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 오유입 신호의 경우에는 이퀄라이저(30)를 HPF(High Pass Filter) 구조로 구현할 수 있으며, 도 4의 (b) 내지 (d)에 도시된 바와 같은 경우에는 각각 LPF(Low Pass Filter), BSF(Band Stop Filter), BPF(Band Pass Filter) 구조로 구현할 수 있다.

이러한 구성 및 기능을 가지므로, 제1포트(P1)에서 송신 안테나 소자(11)를 거쳐 방사된 후 수신 안테나 소자(12)로 수신되어 제1포트(P2)로 전달되는 오유입 신호는, 제1커플러(21), 이퀄라이저(30) 및 제2커플러(22)를 통해 전도체(24)를 이용하여 제2포트(P2)로 전달되는 신호와 비교할 경우에, 두 신호는 그 동작 주파수 전체 범위내에서 그 크기와 형상이 동일하며 위상차이는 서로 190 서로 완전히 상쇄되어 제거될 수 있게 된다.

도 1에 도시된 바와 같은, 종래 기술과 비교해 보면, 종래 기술에서는 이중편파 안테나의 편파간 분리도의 크기가 동작 주파수 내에서 일정할 때에만 개선성능을 보장할 수 있다. 그러나 실제 사용 환경상 그러한 동작 주파수 범위내에서 편파간 분리도는 불균일하며, 본 발명에서는 이중편파 안테나에서 동작 주파수 범위가 균일하지 않은 경우에도 편파간 분리도를 효과적으로 개선할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나의 회로 블록 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조는 상기 도 2에 도시된 구조와 비교하여, 단지 이중편파 안테나부(10-1, ..., 10-n)가 다수개 구비된 (수직) 배열 안테나 구조를 가진다는 점에서만 차이가 있다. 이 경우에, 송신 신호는 제1포트(P1)를 통해 제공되고, 급전선을 거쳐 다수의 이중편파 안테나부(10-1, ..., 10-n)의 각 송신 안테나 소자(11)에 분배되어 제공되며, 다수의 수신 안테나 소자(12)를 통해 수신된 신호는 제2포트(P2)로 결합되어 출력된다.

이러한, 구조에서는 제1커플러(21), 이퀄라이저(30)) 및 제2커플러(22)를 통해 전도체(24)를 이용하여 제2포트(P2)에 결합되는 신호는, 다수의 송신 안테나 소자(11)에서 방사되어 다수의 수신 안테나(12)로 수신되는 원하지 않은 오유입 신호와 대비하여 실질적으로 그 크기와 같으면서 180도 위상 차이를 가지며, 전체 동작 주파수 대역에서 동일한 형상을 가지도록, 상기 제1, 제2커플러(21, 22)의 커플링 성능, 이퀄라이저(30)의 기능 특성 및 전도체(24)의 길이가 설계된다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 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, 상기 도 1 내지 도 3에서, 송신 안테나 소자(11) 및 수신 안테나 소자(12)의 도시된 형태는 이들이 물리적으로 상호 직교하는 것으로 도시되고 있지만, 위상 배열을 이용하여 전기적으로 직교하는 구조를 가질 수도 있으며, 또한 송신 및 수신 안테나 소자들의 실제 물리적인 설치 구조도 X 자 형태로 네모 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있는 등, 상기 송신 안테나 소자(11) 및 수신 안테나 소자(12)의 구성은 기존의 다양한 구조의 이중편파 안테나 구조 중 하나의 구조를 채용할 수 있다.

또한, 상기의 설명에서는 본 발명이 서로 직교하는 이중편파 안테나에 적용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이외에 어떠한 다른 선형 편파나 원형 편파를 갖는 구조의 안테나, 또는 다중편파 안테나에도 적용 가능하다.

Claims (3)

1. 분리도 제공 장치를 구비한 이중편파 안테나에 있어서,
   제1포트를 통해 급전선을 거쳐 제공되는 송신 신호를 출력하는 적어도 하나의 송신 안테나 소자와;
   수신 신호를 수신하여 제2포트로 제공하는 적어도 하나의 수신 안테나 소자와;
   상기 제1포트로 제공되는 송신 신호를 일부 분배하는 제1커플러와;
   제1단자 및 제2단자를 가지며, 상기 제1커플러에서 분배된 신호를 상기 송신 신호의 전체 동작 주파수 대역의 파형에 대응되도록 미리 설정된 파형과 등화시키는 이퀄라이저와;
   상기 이퀄라이저의 출력을 제공받아 상기 제2포트로 출력되는 신호에 결합하는 제2커플러와;
   상기 제1커플러에 일단이 연결되며, 상기 이퀄라이저의 상기 제1단자에 타단이 연결되어, 상기 제1커플러에서 분배된 신호를 상기 이퀄라이저에 제공하는 제1전도체와,
   상기 이퀄라이저의 상기 제2단자에 일단이 연결되며, 상기 제2커플러에 타단이 연결되어, 상기 이퀄라이저에서 출력되는 신호를 상기 제2커플러로 제공하는 제2전도체를 포함하며,
   상기 제1전도체 및 상기 제2전도체를 이용한 신호 전달 경로를 통해 상기 제2포트에 결합되는 신호가 상기 적어도 하나의 송신 안테나 소자에서 출력되어 상기 적어도 하나의 수신 안테나로 수신되는 오유입 신호와 대비하여 실질적으로 동일한 크기 및 180도 위상 차이를 가지며 전체 동작 주파수 대역에서 동일한 형상을 가지도록, 상기 제1, 제2커플러의 커플링 성능, 상기 제1전도체 및 상기 제2전도체의 길이 및 상기 이퀄라이저의 기능 특성이 설계되며,
   상기 이퀄라이저는 HPF(High Pass Filter), LPF(Low Pass Filter), BSF(Band Stop Filter), BPF(Band Pass Filter) 중 어느 하나의 구조로 구성함을 특징으로 하는 이중편파 안테나.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제1커플러 및 상기 제2커플러는 접촉식 또는 비접촉식 전력 분배기/결합기 구조를 가짐을 특징으로 하는 이중편파 안테나.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 제1전도체 및 상기 제2전도체는 동축선로, 스트립 선로, 또는 마이크로스트립 선로 중 어느 하나로 구성함을 특징으로 하는 이중편파 안테나.

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