KR101085814B1 - 지향성 다이폴 안테나 - Google Patents
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Abstract
월등한 섹터 출력비(SPR, sector power ratio)를 갖는 이중 편파 가변 빔 틸트 안테나. 안테나는 지향기를 포함하는 경사 45 다이폴 방사 요소를 가질 수 있으며, 또한 안테나 조준 다운틸트를 배향시키도록 복수의 틸팅된 요소 트레이 상에 배치될 수 있다. 상기 지향기는 각각의 다이폴 방사 요소 위에 또는 근처에 배치될 수 있다. 안테나는 20 dB를 초과하는 빔 전방-대-측부비, 40 dB를 초과하는 수평 빔 전방-대-후방비, 및 높은 롤-오프를 가지며 확장된 주파수 범위에 걸쳐서 동작이 가능하다.
안테나, 지향기, 방사체, 트레이 요소, 방사 요소
Description
우선권 주장
본 출원은 2004년 6월 4일자로 출원된 발명의 명칭이 "안테나(Antenna)"인 미국 특허 가출원 번호 제60/577,138호에 대한 우선권을 주장하고, 2003년 7월 3일자로 출원된 발명의 명칭이 "빔 지향기를 구비한 밸룬 안테나(Balun Antenna With Beam Director)"인 미국 특허 가출원 번호 제60/484,688호에 대한 우선권을 주장하면서 2004년 12월 16일자로 출원된 발명의 명칭이 "최적화된 수평 빔 방사 패턴과 가변 수직 빔 틸트를 제공하는 광대역 이중 편파 기지국 안테나(Wideband Dual Polarized Base Station Antenna Offering Optimized Horizontal Beam Radiation Patterns And Variable Vertical Beam Tilt)"인 미국 특허 출원 번호 제10/737,214호의 일부계속(CIP) 출원이며, 또한 2003년 6월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "안테나 요소, 멀티밴드 안테나, 및 다수의 장치들과 통신하는 방법(Antenna Element, Multiband Antenna, and Method of Communicating with a Plurality of Devices)"인 미국 특허 가출원 번호 제60/482,689호에 대한 우선권을 주장하면서 2003년 11월 7일자로 출원된 발명의 명칭이 "안테나 요소, 급전 프로브, 유전체 스페이서, 안테나, 및 다수의 장치와 통신하는 방법(Antenna Element, Feed Probe, Dielectric Spacer, Antenna and Method of Communicating with a Plurality of Devices)"인 미국 특허 출원 번호 제10/703,331호의 일부계속 출원이다.
본 발명은 안테나 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 무선 통신 시스템에서 사용되는 다이폴 방사 요소를 갖는 안테나에 관한 것이다.
네트워크에 대한 트래픽 요구가 증가하고, 서비스 가능 영역이 확장되며, 또한 새로운 시스템이 설치됨에 따라, 무선 이동 통신 네트워크는 지속적 설치되면서 발전하고 있다. 셀룰러 유형의 통신 시스템은 일반적으로 셀로 지칭되는 섹터 또는 영역을 각각 서비스하는 복수의 안테나 시스템이 보다 넓은 서비스 영역에 대한 서비스 가능 영역을 달성하도록 구현되는 점에서 그 이름을 얻었다. 집합적인 셀들은 특정 무선 통신 네트워크에 대한 전체적인 서비스 영역을 구성한다.
각각의 셀을 서비스하는 것은 셀을 전반적인 통신 네트워크 내로 접속시키는 하나의 안테나 어레이 및 연관된 교환기들이다. 전형적으로, 안테나 어레이는 섹터들로 분할되며, 여기서 각각의 안테나는 각각의 섹터를 서비스한다. 예를 들어, 안테나 시스템의 세 개의 안테나는 세 개의 섹터를 서비스할 수 있는데, 각각의 섹터는 약 120°의 서비스 가능 영역 범위를 갖는다. 이를 안테나들은 통상 수직으로 편파되며 또한 고객이 사용하는 이동 송수신기를 향해서 안테나의 방사 패턴이 약간 하방으로 지향되도록 어느 정도의 다운틸트(downtilt)를 가지며 대개 수직 편파된다. 이러한 소정의 다운틸트는 종종 지형적인 그리고 다른 지리학적인 특성들의 함수이다. 그러나, 다운틸트의 최적값은 실제 설치 및 검사 이전에 항상 예측 가능한 것은 아니다. 그러므로, 실제 안테나의 설치 시에 각각의 안테나 다운틸트의 주문 설정에 대한 필요성이 항상 존재한다. 대개, 고용량 셀룰러 유형의 시스템은 24시간 주기 동안에 재최적화(re-optimization)를 요구할 수 있다. 또한, 고객들은 주어진 크기에 대한 최고의 이득을 가지면서 매우 낮은 혼변조(IM, intermodulation)를 갖는 안테나를 원한다. 그러므로, 고객은 주어진 네트워크 구현을 위해 어떤 안테나가 최적인지를 지시할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 섹터 출력비(SPR: sector power ratio)를 실현하도록 개선된 지향성을 가지면서 개선된 섹터 절연을 제공하는 개선된 지향성을 갖는 이중 편파 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 최적 수평면 방사 패턴을 갖는 이중 편파 안테나 어레이를 제공하는 것이다. 하나의 목적은 적어도 20 dB 수평 빔 전방-대-측부비(전측방비), 적어도 40 dB 수평 빔 전방-대-후방비(전후방비) 및 개선된 롤-오프(roll-off)를 갖는 방사 패턴을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 120°수평 섹터 내에서 10 dB 동일-편파 대 직교-편파비(co-pol to cross-pol ratio)의 최소값을 갖는 최적 직교 편파 성능을 갖는 안테나 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 50°내지 75°의 수평 패턴 빔폭을 갖는 안테나 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최소 혼변조를 갖는 안테나 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 확장된 주파수 범위에 걸쳐 작동할 수 있는 이중 편파 안테나 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조정 가능한 수직 평면 방사 패턴을 생성할 수 있는 이중 편파 안테나 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적어도 30 dB의 개선된 포트 대 포트 절연을 갖는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 값싼 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들은 +45° 및 -45°선형 편파를 갖는 전자기파를 전송하고 수신하기 위한 개선된 안테나 어레이에 의해 제공된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 이중 편파 안테나의 사시도이다.
도 2는 RF 초크 내의 RF 흡수재 및 접지면의 틸팅을 도시하기 위해서 광대역 경사 45 직교 다이폴 방사 요소가 제거되어 있는 한편 트레이의 일부를 잘라낸 상태의 다중 레벨 접지면 구조에 대한 사시도이다.
도 3은 다이폴 방사 요소 위에 지지된 N개의 직교 형상의 지향기들의 사시도이다.
도 4는 직교 다이폴 방사 요소들의 각각의 쌍을 급전(feeding)하기 위해 사용되는 마이크로 스트립 위상 변환기 설계를 도시하는 하나의 요소 트레이에 대한 배면도이다.
도 5는 각각의 마이크로 스트립 위상 변환기가 다른 이중 편파 안테나들 중 하나를 급전하고 있는 케이블 급전 네트워크를 도시하는 이중 편파 안테나의 배면도이다.
도 6은 RF 전류 직교 커플링을 방지하면서 위상 변환기 마이크로 스트립라인으로부터 RF 방사를 수행하도록 기능하는 RF 흡수재를 포함한 이중 편파 안테나의 사시도이다.
도 7은 전형적인 직교 다이폴 안테나 방사 패턴에 비교되는 바와 같이 본 발명에 의해 달성된 높은 롤-오프 방사 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 8a는 표준 패널 안테나를 사용하는 3 섹터 사이트 내에서의 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 8b 표준 패널 안테나를 사용하는 3 섹터 사이트 내에서의 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 9a는 본 발명에 따른 안테나를 사용하는 3 섹터 사이트 내에서의 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 9b는 본 발명에 따른 안테나를 사용하는 3 섹터 사이트 내에서의 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 10은 이중 밴드 방사 요소를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 11은 방사 요소들 중 하나의 방사 요소 위에 배치된 지향기 링들을 갖는 도 10에 도시된 실시예의 사시도이다.
도 12는 방사 요소들 중 각각의 방사 요소 위에 배치된 지향기 링들을 갖는 본 발명에 따른 실시예의 사시도이다.
도 13은 지향기의 다양한 적절한 구조들에 대한 도면이다.
도 14는 이중 대역 안테나에 대한 근접 도면이다.
도 15는 이중 대역 및 단일 대역 다이폴 방사 요소들의 어레이를 도시한다.
이제 도 1을 참조하면, 최적 수평 방사 패턴을 가지며 또한 가변 수직 빔 틸트를 갖는 광대역 이중 편파 기지국 안테나가 10에 도시되어 있다. 다이폴 쌍(16)으로 배열된 광대역 경사 45 직교 다이폴 (x 다이폴) 방사 요소(14)들이 상부에 배치된 복수의 요소 트레이(12)를 포함하도록 안테나(10)가 도시되어 있다. 요소 트레이(12) 각각은 "쓰러진 도미노(fallen domino)" 배열로 틸팅되고, 배열되며 또한 한 쌍의 트레이 지지대(20)에 의해 지지된다. 일체화된 요소 트레이(12) 및 트레이 지지대(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 트레이 지지대(20)들과 외부 트레이(22)의 측벽들 사이에 측방향으로 형성된 간극이 존재하도록 외부 트레이(22) 상에 그리고 내부에 고정된다. 각각의 트레이 요소(12)는 각각의 다이폴 쌍(16)에 대한 접지면을 형성하는 상부면을 가지며, 또한 도시된 바와 같이 다이폴 쌍(16)들의 다이폴 방사 요소(14)들 각각을 급전하면서 상부에 이격된 각각의 공기 유전체 마이크로 스트립라인(30, micro stripline)을 갖는다. 안테나(10)의 강성을 제공하며 또한 다이폴 방사 요소(14)들 사이의 절연을 개선하도록 트레이(22)의 측벽들 사이에 복수의 전기 도전성 아치형 스트랩(26)이 고정된다.
도시된 바와 같이, 한 쌍의 케이블 지지대(32)들이 각각의 트레이 요소(12) 위로 연장된다. 지지대(32)들은 도 4를 참조하여 곧 상술되는 바와 같이 케이블(76)으로부터 공기 유전체 마이크로 스트립라인(30)까지 그리고 하부에 부착된 인쇄 회로 기판(50, printed circuit board) 상에 형성된 마이크로 스트립 급전 네트워크까지 각각의 낮은 혼변조 RF 접속 케이블(34)을 지지한다.
이제 도 2를 참조하면, "쓰러진 도미노" 배열로 구성된 틸팅된 트레이 요소(12)들을 드러내기 위해 하나의 트레이 지지대(20) 및 트레이(22)의 측벽이 부분적으로 일부 잘라내어진 요소 트레이(12)들의 사시도이다. 각각의 트레이 요소(12)는, 예를 들어 어레이 조정 가능한 틸트 범위의 중간일 수 있는 사전 설정된 다운틸트에 각각의 다이폴 방사 요소(14) 패턴 조준(照準, boresight)를 배향시키도록 이러한 "쓰러진 도미노" 배열로 배열된다. 이 예에서 안테나(10)의 소정의 최대 빔 사시각(squint) 레벨은, 요소 트레이(12)의 틸트가 없는 경우에 있을 기계적인 조준의 약 8°오프 대신에, 기계적인 조준의 약 4°다운틸트 오프와 일치한다. 본 발명에 따라서, 최대 수평 빔 사시각 레벨은 통상적인 접근 방안에 비해 약 5°로 감소되며, 이는 안테나의 폭넓은 작동 대역폭 및 틸트 범위를 고려한다면 허용 가능하다.
여전히 도 2를 참조하면, 그들 사이에 RF 초크(36)를 형성하는 긴 간극에 의해 트레이(22)의 각각의 인접한 측벽들로부터 트레이 지지대(20)들이 분리되어 있는 것이 도시된다. 물리 기하 구조에 의해 생성된 이러한 초크(36)는 유리하게는 외부 트레이(22)의 배면 상에 유동하는 RF 전류를 감소시킨다. 외부 트레이(22)의 배면 상의 유도 전류의 감소는 후방으로의 방사를 직접적으로 감소시킨다. 방사 전방-대-후방비를 최대로 하는 것과 관련된 이러한 RF 초크(36)의 중요한 설계 기준으로는 외부 트레이(22)의 접혀진 측벽(38)의 높이, 트레이 지지대(20)의 높이, 및 트레이(22)의 측벽 립(38)과 트레이 지지대(20) 사이의 RF 초크(36)가 있다. RF 초크(36)는 양호하게는 방사 요소(14) 중심 주파수의 λ/4 이며, 또한 RF 초크(36)는 공기 유전체에서의 내부 반사 소멸 때문에 주파수 의존적인 좁은 대역폭을 갖는데, 초크 대역폭은 중심 주파수의 약 22%이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, RF 초크가 덜 주파수 의존적이어서 그에 따라 더 광대역인 RF 초크를 생성하도록 RF 초크(36) 내로 RF 흡수재(39)가 추가될 수 있다. RF 흡수재(39)는 직교 다이폴 안테나(12)에 의해 생성된 주요 빔 방사를 초래하는 것으로부터 임의의 RF 반사파를 느리게 하고 방산(dissipation)시키는 양호하게는 높은 퍼센트의 탄소를 함유한다. 도시된 바와 같이 경사 45 직교 다이폴 안테나(14)는 +/- 45°배향에서 직교 편파 주요 빔 방사를 생성하는데, 여기서 각각의 빔은 수평 성분 및 수직 성분을 갖는다. 이들 성분들이 360°에서 균일하고 동일한 크기일 때 직교 편파는 양호하다. 선형 배열된 직교 다이폴(14)을 갖는 도 1에 도시된 패널 안테나(10)인 경우에 각각의 빔 배향의 수평 성분은 수직 성분보다 빠르게 롤-오프(roll-off)된다. 이는 각각의 빔 배향에 대해 수평 빔폭보다 수직 빔폭이 더 넓으며 각각의 트레이(12)의 에지를 따라 수평 성분보다 수직 성분이 더 이동한다는 것을 의미한다. 얇은 금속 트레이(12)가 제한된 표면적을 갖기 때문에, 그 위의 표면 전류는 수평 요소를 주요 빔 방사를 향해 덜 반사시킬 수 있다. 이와 달리, 각각의 트레이(12)의 에지를 따라, 층계 케이싱된 배플(35, stair cased baffles)은 많은 수직 성분 벡터 전류를 포함해야 한다. 유리하게는, RF 초크(36) 내로 RF 흡수재(39)를 추가함으로써, 각각의 빔 배향의 수직 성분이 직교 다이폴(14)의 주요 빔 방사 내로 반사되는 것이 최소화된다. 이로서, 직교 다이폴(14)에는 후방에 반사기가 구비되지 않는다.
바람직하게, 요소 트레이(12)는 황동 합금으로 제조되고 납땜이 가능하도록 주석 도금으로 마무리 처리된다. 요소 트레이의 주 기능은 도시된 바와 같이 특정 배향으로 방사 요소(14)를 지지하는 것이다. 이러한 배향은 안테나(10)의 두 포트에 대해 더 최적으로 균형이 잡힌 수직 및 수평 빔 패턴을 제공한다. 이러한 배향은 또한 각각의 포트 사이에 개선된 절연을 제공한다. 추가적으로, 요소 트레이(12)들은 동축 케이블/공기스트립(airstrip) 인터페이스에서 RF 접지점을 제공한다.
트레이 지지대들은 양호하게는 알루미늄 합금으로 제조된다. 트레이 지지대의 주 기능은 수평 패턴 빔 사시각을 최소화시키는 특정 배향으로 5개의 요소 트레이(12)들을 지지하는 것이다.
외부 트레이(22)는 양호하게는 요소 트레이(12)보다 더 두꺼운 알루미늄 합금으로 된 스톡(stock of aluminum alloy)으로 제조되며, 양호하게는 외부 환경 조건에 의한 부식을 방지하기 위해 알로딘(alodine) 코팅으로 처리된다. 외부 트레이(22)의 주 기능은 내부 어레이 성분을 지지하는 것이다. 부 기능은 후방쪽으로의 방사를 최소화함으로써 안테나(10)의 전방 섹터쪽으로 방사된 RF 출력 집속하는 것이며 그에 따라 전술한 바와 같이 방사 패턴 전방-대-후방비를 최대로 하는 것이 다.
이제 도 3을 참조하면, 도시된 바와 같이 방사 요소(14) 위에 배치되어 공기스트립 급전 네트워크(30)에 의해 급전되는 N 개의 측방향으로 연장된 기생 광대역 직교 다이폴 지향기(40)들을 가지는 하나의 방사체 요소(14)가 도시되어 있다. N은 1, 2, 3, 4... 이며, 본 실시예에서 N은 4로 도시되어 있다. 기생 광대역 직교 다이폴 지향기(40)의 측방향으로 연장된 상측 부재들은 바람직하게는 서로 균일하게 이격되는데, 여기서 상부 부재들은 대역폭을 넓히기 위해 도시된 바와 같이 더 짧은 길이를 갖는다. 하나의 반사기와 각각 이득을 생성하는 이격된 요소들을 갖는 야기-우다(Yage-Uda) 안테나와 달리, 지향기(40)에 의해 실제로 이득이 실현되지 않도록 유효 임피던스 정합을 유지하면서 패턴 개선을 제공하는 방식으로 RF 에너지를 지향기에 적절하게 커플링시키기 위해서, 지향기(40)의 하부 부재들은 방사 요소(14)로부터 더 가깝게 이격된다. 유리하게는, 실현된 이득보다는, 유사한 3 dB 빔폭을 유지하면서 방사 패턴의 3 dB 빔폭을 초과해서 개선된 패턴 롤-오프가 달성된다. 양호하게는, 지향기(40)의 상부 요소들은 서로로부터 약 0.033 λ(중심 주파수) 만큼 이격되는 반면, 하부 지향기 요소들은 기생부(42)에 의해 약 0.025 λ 만큼 방사 요소(14)로부터 이격된다(λ는 방사 요소(14) 설계의 중심 주파수의 파장임).
이제 도 4를 참조하면, 52에 도시된 마이크로 스트립 전기용량성 위상 변환기 시스템(microstrip capacitive phase shifter system)이 상부에 배치된 하나의 저손실 인쇄 회로 기판(PCB, 50)이 도시되어 있다. 저손실 PCB(50)는 각각의 요소 트레이(12)의 배면에 고정된다. 마이크로 스트립 전기용량성 위상 변환기 시스템(52)은 각각의 케이블(34)을 통해 방사 요소(14)들의 대향하는 각각의 쌍에 커플링되며 그 쌍을 급전한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로 스트립 위상 변환기 시스템(52)은 각각의 변환기 로드(60)에 의해 선회점(58)에 대하여 정확하게 조정 가능한 유전체 부재(54)가 하부에 고정된 위상 변환기 와이퍼 아암(56)을 포함한다. 변환기 로드(60)는 그를 통해 전달되는 위상 속도를 조정하기 위해 한 쌍의 아치형 급전라인(feedline)부(62 및 64)들 양단에 위상 변환기 와이퍼 아암(56) 및 각각의 유전체(54)를 선택적으로 위치시키도록 원격 핸들(미도시)에 의해 종방향으로 조정 가능하다. 변환기 로드(60)는 한 쌍의 비도전성 격리절연기(66, non-conductive standoffs)에 의해 PCB(50)에 고정되지만 그 위에 이격된다. 위상 변환기 시스템(52)과 방사 요소(14) 사이에 전기 접속을 제공하는 주요 전송 매체로서 저손실 동축 케이블(34)이 사용된다. 안테나(10)의 방사 요소(14) 양단에 위상 및 진폭 분포를 엄밀히 조절함으로써 이득 성능이 최적화된다. 도 4에 도시된 매우 안정적인 위상 변환기 설계는 이러한 제어를 달성한다.
이제 도 5를 참조하면, 케이블 급전 네트워크를 도시하는 안테나(10)의 배면이 도시되어 있는데, 여기서 각각의 마이크로 스트립 위상 변환기 시스템(52)은 다른 편파 안테나(14)들 중 하나를 급전한다. 입력(72)은 포트I로 지칭되며 -45 편파된 경사를 위한 입력이며, 입력(74)은 +45 편파된 경사를 위한 포트II 입력이다. 케이블(76)은 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 각각의 위상 변환기 시스템(52)에 커플링된 급전 라인이다. 출력(1 내지 5)으로 도시된 위상 변환기 시스템(52)의 출력들은 위상 변환기(52) 시스템의 각각의 출력에 의해 급전된 다이폴 쌍(16)을 나타낸다.
이제 도 6을 참조하면, 요소 트레이(12) 각각의 하부와 안테나(10) 뒤에 위치되며, 또한 위상 변환기 마이크로 스트립 라인으로부터 임의의 후방 RF 방사를 방산하도록 기능해서 RF 전류가 위상 변환기 시스템(52) 사이에서 커플링되는 것을 방지하는 RF 흡수재(78)를 더 포함하는 안테나(10)가 도시되어 있다.
이제 도 7을 참조하면, 69에 도시된 다이폴 방사 패턴을 갖는 표준 65°패널 안테나에 비해, 본 발명에 따른 안테나(10)에 의해 달성되는 높은 롤-오프(roll-off) 및 전방-대-후방비 방사 패턴이 68로 도시되어 있다. 이러한 높은 롤-오프 방사 패턴(68)은 전형적인 다이폴 방사 패턴(69)에 비해서 상당히 개선된 것이다. 수평 빔 폭은 3 dB 지점에서 대략 65°로 여전히 유지된다.
또한, 지향기(40)를 갖는 방사 요소(14)의 설계는 안테나의 수평 빔 방사 패턴에 상당한 개선을 제공하며, 전방-대-측부 레벨은 도 7에서 23 dB로 도시되어 있다. 통상적인 직교 다이폴 방사 요소들은 도 7에 도시된 바와 같이 약 17 dB 전방-대-측부비를 갖는 수평 빔 방사 패턴을 생성한다. 본 발명에 따라 방사 요소(14) 상에 일체화된 광대역 기생 지향기(40)는 유리하게는 10 dB까지 안테나 전방-대-측부비를 개선시키며, 도 7의 예에서 6 dB 델타로 도시되어 있다. 이러한 개선된 전방-대-측부비 효과는 "높은 롤-오프" 설계로 지칭된다. 더 큰 이득을 갖도록 더 많은 지향기를 갖고 그에 따라 수평 빔폭을 감소시키는 임의의 통상적인 야기-우다 안테나와는 달리, 이러한 실시예에서 방사 요소(14)와 직교 다이폴 지향기(40)는 유리하게는 안테나의 3 dB 지점에서 대략 65°수평 빔폭을 유지한다.
다시 도 7을 참조하면, 안테나(10)의 우수한 전방-대-후방비가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 패널 안테나(10)는 실제로 감소된 배면 로브(backside lobe)를 가지며, 그에 따라 약 40 dB의 전방-대-후방비를 달성한다. 더군다나, 표준 65°패널 안테나의 경우에 26 dB인데 비해, 안테나(10)는 약 40 dB의 다음 섹터 안테나/안테나 절연을 갖는다. 도 7에서 또한 이해될 수 있는 바와 같이, 후방 로브의 상당한 감소에 따라, 본 발명에서 "무방사 원뿔(cone of silence)"로 지칭되는 120°섹터 간섭 자유 영역이 방사 로브 뒤에 구비된다.
이제 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 3 섹터 사이트 내에 사용될 때 본 발명의 몇 가지 장점들이 도시되어 있다. 도 8a는 3 섹터 사이트 내에 사용된 표준 65°평탄 패널 안테나를 도시하며, 또한 도 8b는 3 섹터 사이트 내에 사용된 표준 90°패널 안테나를 도시한다. 이들 안테나 방사 패턴들의 상당한 중첩은 증가된 소프터 핸드오프(softer hand-offs)를 해야 하는 상황, 간섭하는 신호, 중단된 호출(dropped call) 및 감소된 용량을 제공하는 불완전한 분할을 형성한다.
이제 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명에 따라 3 섹터 사이트에서 각각 사용된 65°패널 안테나와 90°패널 안테나를 사용하는 본 발명의 기술적인 장점이 도시되어 있다. 도 9a을 참조하면, 안테나 방사 로브의 상당히 감소된 중첩이 도시되어 있으며, 그에 따라 훨씬 더 작은 핸드오프 영역을 실현시킨다. 이는 상당한 통화 품질 개선 및 5-10% 사이트 용량 개선을 가져온다.
다시 도 7을 참조하면, 120°방사 섹터를 넘어 연장되는 바람직하지 않은(Undesired) 경우의 로브는 도 8a 및 도 8b 그리고 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 인접한 안테나 방사 패턴과의 중첩을 생성한다. 이러한 120°섹터 내측으로 전달된 바람직한(Desired) 경우의 출력에 비교되는 120°전방 섹터 에지의 외측으로 로브 내에 전달된 바람직하지 않은 경우의 출력은 섹터 출력비(SPR, sector power ratio)로서 지칭되는 것을 형성한다. 유리하게는 본 발명은 2% 미만인 SPR를 달성하는데, SPR은 다음 식으로 정의된다.
(위 식에서 PUndesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 외측으로 전달된 바람직하지 않은 출력을 나타내며, PDesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 바람직한 출력을 나타낸다)
(위 식에서 PUndesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 외측으로 전달된 바람직하지 않은 출력을 나타내며, PDesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 바람직한 출력을 나타낸다)
삭제
이러한 SPR은 표준 패널 안테나에 비해 상당한 개선이며, 본 발명의 기술적인 장점을 나타내는 하나의 척도이다. 지향기(40)는 마이크로 스트립라인(30)에 90옴에서 정합된 임피던스로서, 이러한 임피던스에 대한 제한이 거론되지는 않는다. 방사 요소(14) 및 직교 다이폴 지향기(40)는 정합 네트워크의 소스 전압 및 90옴에서의 소스 임피던스와 함께 생성하는 상호 동시적인 전자기 커플링을 갖는다. 많은 다른 시스템 레벨 성능 장점들은 증가된 섹터-대-섹터 거부에 기인하는 개선된 연성 핸드오프 성능, 감소된 동일 사이트 채널 간섭(co-site channel interference) 및 증가된 기지국 시스템 성능을 포함하면서, 이러한 높은 롤-오프 안테나 설계의 합체에 의해 제공된다.
이제 도 10을 참조하면, 도 11을 참조하여 곧 후술되는 바와 같이, 하나의 경사 45 직교 다이폴 방사 요소와 상기 다이폴을 둘러싸는 하나의 45 마이크로 스트립 환형 링(MAR, microstrip annular ring) 방사체(94)를 포함하는 대역 듀얼폴 안테나(80, band, dualpol antenna)를 포함하도록 도시된 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 안테나(80)는 방사 요소(14) 위에 배치된 N 개의 환형(링형) 지향기(82)를 포함하는데, 여기서 N은 1, 2, 3, 4 ....이다. 지향기(82)의 이러한 기하학적 구조에 대한 제한이 추론되지는 않지만, N 개의 지향기(82)들은 동심 링으로 도시된 수직으로 이격된 평행한 다각형 형상의 부재로서 구성된다. 지향기의 다른 기학학적 구조들이 도 13에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다.
링 지향기(82)는 개선된 롤-오프에 의해 안테나(10)의 전방-대-측부비를 개선하도록 상응하는 다이폴 방사 요소(14)와 상호작용한다. 상승 링 지향기(82)가 연속적으로 더 작은 원주를 가지면서, 링 지향기(82)는 상응하는 x 다이폴 방사 요소(14) 위에 양호하게는 균일하게 이격된다. 링 지향기(82)는 도시되지 않은 전기적 비도전성 스페이서에 의해 분리되면서 양호하게는 0.15 λ(λ는 안테나 설계의 중앙 주파수의 파장임) 미만만큼 이격되면서 비교적 서로 가까운 간격을 유지한다. 추가적으로, 링 지향기(82)의 그룹화는 최하부 지향기(82)와 상응하는 다이폴 방사 요소의 상부 사이에 비교적 가까운 간격을, 양호하게는 0.15 λ미만을 유지한다. 몰딩된 형태 및 전기 절연성인 클립과 같은 평탄형 지향기(82)의 세트를 형성하기 위한 많은 방법이 있다.
적층된 링 지향기(82)들의 세트는, 또한, 유사한 3 dB 빔폭을 유지하면서 전 술한 시스템의 장점을 가진 개선된 SPR을 가져오는 개선된 롤-오프의 유사한 성능을 유지하면서 동일한 원주의 링들로 이루어질 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 적층된 마이크로 스트립 환형 링(MAR) 방사체(94) 위에 배치된 지향기 링(92)들의 세트를 포함하는 이중 대역 안테나가 90에 도시되어 있다. 이러한 관점에서, MAR 방사체(94)의 이중 수직 편파를 급전하면서 쌍으로 배열된 네 개의 급전프로브(feedprobe)(2 개의 균형화된 급전 쌍)가 도시되어 있다. 본 발명의 이러한 실시예에서 지향기(92)는 도시된 바와 같이 각각의 MAR 지향기(94) 위에 적층된 얇은 링이다. 유리하게는, 이러한 이중 대역 안테나(90)는 또한 3 dB 빔폭을 넘는 개선된 요소 패턴 롤-오프도 또한 가지며, 그에 따라 등가 3 dB 빔폭을 유지하면서 SPR을 증가시킨다.
이제 도 12를 참조하면, 링 지향기(82 및 92)를 갖는 이중 밴드 안테나(100)가 도시되어 있다. MAR 방사체(94) 위의 링 지향기(92)는, 유사한 3 dB 빔폭을 유지하면서 전술한 시스템 장점과 개선된 SPR을 가져오는 개선된 전방-대-후방 방사는 물론 3 dB 빔폭의 외측으로 주요 빔의 개선된 롤-오프를 포함하면서 x 다이폴 방사 요소를 위한 몇 가지 추가적인 빔형상을 제공하며 x 다이폴 방사 요소(14)와 또한 간섭한다.
MAR 방사체 요소(94)와 x 다이폴 방사 요소(14)는 그 위에 각각의 링 지향기를 갖는다. x 다이폴 방사 요소(14)용 링 지향기(82)도 또한 MAR 방사체(94)용 링 지향기(92)와 동심적이다. 지향기에 대해 전술한 장점들은 또한 여기에서 주파수 대역에 대해 적용될 수 있다(즉, 3 dB 빔폭을 넘는 개선된 롤-오프 및 개선된 SPR 을 야기하는 전방-대-후방비).
이제 도 13을 참조하면, 지향기(82 및 92)의 다른 적절한 기하학적 구조가 도시되어 있으며, 원형 링형 지향기에 대한 제한은 추단되지 않는다. 원은 무한으로 변을 갖는 다각형으로 고려되며, 용어 '다각형'은 첨부된 청구항에서 사용된다.
이제 도 14를 참조하면, 방사 요소(14) 위로 연장된 직교 형상의 지향기(40) 및 연관된 환형 지향기를 갖지 않는 MAR 지향기(94)를 갖는 이중 대역 안테나(80)의 근접도가 도시되어 있다.
이제 도 15를 참조하면, 방사 요소(14)의 어레이를 갖는 패널 안테나(110)가 도시되어 있는데, 여기서 각각의 방사 요소(14)는 직교 지향기(40)를 갖고, 방사 요소(14)들은 공통 접지면(112) 위에 배치된 MAR 지향기(94)를 교대로 구비한다. 이러한 설계의 장점은 이중 대역 토폴로지에서 더 높은 주파수 방사 요소에 대한 개선된 H-면 패턴을 포함한다. 개선된 H-면 패턴은 3 dB을 넘어 개선된 롤-오프 및 개선된 전방-대-후방비를 제공한다. 개선된 롤-오프는 측부 및 후방 방사의 더 낮은 레벨에 기인하여 합체된 지향기의 수에 따른 방사체에 대한 약간의 디커플링을 추가적으로 제공한다.
본 발명은 특정한 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 많은 변형과 수정이 본 명세서를 독해할 때 당업자에게 명백해질 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항들은 모든 이러한 변형과 수정을 포함하도록 종래 기술의 관점에서 가능한 한 넓게 해석되는 것을 의도하였다.
Claims (50)
- +45°및 -45°선형 편파를 갖는 전자파를 송·수신하는 안테나에 있어서,요소 트레이 평면상에 45°경사로 설치되고, 3dB 빔폭 및 다음과 같이 정의되는 섹터 출력비(SPR)를 가지는 제1빔을 발생시키기 위해 구비되는 적어도 하나의 다이폴 방사요소(14)(위 식에서 PUndesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 외측으로 전달된 바람직하지 않은 출력을 나타내며, PDesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 바람직한 출력을 나타낸다); 및등가 3dB 빔폭을 유지하면서 상기 빔의 SPR을 개선하기 위해 구비된 상기 다이폴 방사요소에 근접 배치되는 적어도 하나의 지향기(40,82,92);를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 안테나는 2-10%의 섹터 출력비를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 안테나는 2-5%의 섹터 출력비를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 지향기(40,82,92)는 상기 방사요소(14)로부터 0.01-0.15λ 간격으로 이격 배치되며, 상기 λ는 상기 방사요소의 중심 주파수의 파장인 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 지향기(40,82,92)는 적어도 2개 구비되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제5항에 있어서, 상기 지향기(40,82,92)는 서로 평행한 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제5항에 있어서, 상기 지향기(40,82,92) 중 적어도 일부는 서로 균일하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제7항에 있어서, 상기 지향기 중 하나는 인접한 상기 지향기보다 방사요소에 더 가깝게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 방사요소(14)는 직교 다이폴 방사 요소인 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제9항에 있어서, 상기 지향기는 적어도 2 개의 부재들을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제10항에 있어서, 상기 부재들은 수직 방향에서 상기 직교 다이폴 방사요소에 평행한 직교 형상의 부재들인 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 지향기는 다각형 형상의 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제12항에 있어서, 상기 지향기는 상기 방사요소(14) 위에 배치된 복수의 다각형 형상의 링들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제13항에 있어서, 상기 다각형 형상의 링들은 동심적인 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제14항에 있어서, 상기 다각형 형상의 링들은 공통의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제14항에 있어서, 상기 다각형 형상의 링들은 상이한 직경을 갖으며 또한 테이퍼형 지향기를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제10항에 있어서, 상기 부재들은 상이한 길이를 갖으며 또한 테이퍼형 지향기를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 안테나는 적어도 20 dB의 전측방비를 갖으며, 상기 전측방비는 안테나에 의하여 제공된 섹터의 외측으로 전달된 전력 대비 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 전력으로 정의되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 안테나는 적어도 40 dB의 전후방비를 갖으며, 상기 전후방비는 안테나에 의하여 제공된 섹터의 후방으로 전달된 전력 대비 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 전력으로 정의되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- "쓰러진 도미노(fallen-domino)" 배열로 구성된 복수의 틸팅 접지면; 및상기 접지면 상에 배치되고 기계적 조준 다운틸트(a mechanical boresight downtilt)를 형성하며, 상기 다운틸트는 수평에 대한 방사요소의 각도로 정의되는 복수의 다이폴 방사요소;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제20항에 있어서, 상기 안테나는 상기 복수의 다이폴 방사요소에 커플링된 급전 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제21항에 있어서, 상기 조준 다운틸트는 전체적인 빔 다운틸트의 중심점에서 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제22항에 있어서, 상기 접지면들은 서로 고정된 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제21항에 있어서, 상기 다이폴 방사 요소는 쌍으로 그룹핑되고, 상기 쌍은 각 접지면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 배면을 갖는 트레이 위에 배치되며 상기 트레이 상부에 배치된 접지면을 갖는 방사요소와; 상기 접지면으로부터 이격된 측벽과의 사이에 간극을 형성하는 트레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제25항에 있어서, 상기 간극은 트레이의 배면 내에 유동하는 RF 전류를 감소시키도록 구성된 RF 초크를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제26항에 있어서, 상기 RF 초크 내에 배치된 RF 흡수재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제25항에 있어서, 상기 트레이 측벽의 높이는 안테나의 전후방비를 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제25항에 있어서, 상기 접지면 뒤에 배치된 RF 흡수재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- +45°및 -45°선형 편파를 갖는 전자파를 송·수신하는 이중 대역 안테나에 있어서,트레이 평면상 45°경사로 설치되며 제1 주파수에서 제1 빔을 발생시키기 위해 구비되는 다이폴 제1 방사요소(14)와;등가 3dB 빔폭을 유지하면서 다음과 같이 정의되는 상기 빔의 SPR을 개선하기 위해 구비된 상기 다이폴 방사요소에 근접 배치되는 제1 지향기(40,82,92)(위 식에서 PUndesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 외측으로 전달된 바람직하지 않은 출력을 나타내며, PDesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 바람직한 출력을 나타낸다); 및상기 제1 방사요소(14)에 근접 배치되며 제2 주파수에서 제2 빔을 발생시키기 위해 구비되는 제2 방사요소(94);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제30항에 있어서, 등가 3 dB 빔폭을 유지하면서 제2 빔의 섹터 출력비를 향상시키도록 구비된 제2 방사요소(94)에 근접 배치된 제2 지향기(92)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제31항에 있어서, 상기 제1 지향기(14)는 적어도 두 개의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제32항에 있어서, 상기 제2 지향기(92)는 적어도 두 개의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제33항에 있어서, 상기 제1 지향기(40) 및 제2 지향기(92)는 각각의 제1 방사요소(14) 및 제2 방사요소(94) 위에 배치된 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제30항에 있어서, 상기 제2 방사요소는 경사 45 마이크로 스트립 환형 링 방사요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제30항에 있어서, 상기 제1 방사요소는 직교 형상의 방사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제30항에 있어서, 상기 제2 방사요소는 다각형 형상의 방사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제30항에 있어서, 상기 제1 지향기는 적어도 하나의 직교 형상의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제31항에 있어서, 상기 제2 지향기는 적어도 하나의 다각형 형상의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제37항에 있어서, 상기 제1 지향기는 복수의 다각형 형상의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제31항에 있어서, 상기 제2 지향기(92)는 복수의 다각형 형상의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제30항에 있어서, 상기 제2 방사요소(94)는 상기 제1 방사요소(14)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제42항에 있어서, 상기 제1 방사요소(14)는 직교 형상의 다이폴 방사요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제42항에 있어서, 상기 제2 방사요소는 다각형을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- +45°및 -45°선형 편파를 갖는 전자파를 송·수신하는 이중 대역 안테나에 있어서,트레이 평면상 45°경사로 설치되며 빔을 발생시키기 위해 구비되는 다이폴 방사요소(14)와;등가 3dB 빔폭을 유지하면서 다음과 같이 정의되는 상기 빔의 SPR을 개선하기 위해 구비된 빔 지향용 지향기 수단(위 식에서 PUndesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 외측으로 전달된 바람직하지 않은 출력을 나타내며, PDesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 바람직한 출력을 나타낸다);을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제45항에 있어서, 상기 지향기 수단은 2-10%의 빔 섹터 출력비를 설정하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제45항에 있어서, 상기 지향기 수단은 2-5%의 빔 섹터 출력비를 설정하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제45항에 있어서, 상기 지향기 수단은 2%의 빔 섹터 출력비를 설정하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제45항에 있어서, 상기 지향기 수단은 적어도 40 dB의 빔 전후방비를 설정하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
- 제45항에 있어서, 상기 지향기 수단은 적어도 20 dB의 빔 전측방비를 설정하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
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