KR101415540B1 - 대역별 가변틸트 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대역별 가변 틸트 안테나 장치에 관한 것으로 공용 안테나, 각 대역별 위상 변위기, 입출력 포트로부터 각 변위기에 대응하는 제1듀플렉서, 각 변위기로부터 각 소자에 대응하는 제2듀플렉서를 포함한다. 여기에서, 상기 안테나는 어레이의 말단 소자 외측에 상기 변위기 중 저주파수 대역 변위기에만 접속되는 저주파수용 소자를 더 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면, 안테나 장치의 콤팩트한 설계가 가능하며, 특히 저주파수 대역에 대한 서비스 음영지역이 해소되는 효과가 있다.

Description

대역별 가변틸트 안테나 장치 { Antenna device capable of variable tilt by band }

본 발명은 이동 통신용 기지국에서 사용되는 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 인접한 주파수 대역에서 대역별 빔(beam) 틸트의 조절이 가능하도록 설계된 소위 가변-틸트 안테나 장치에 관한 것이다.

일반적인 광대역 안테나에는 사용 주파수 대역별로 전용의 소자 어레이가 구비되어 있으며, 예컨대 특허공개 제2006-12625호 및 제2000-10139호에 개시된 안테나 시스템에서는 하나의 변위기가 공용되어 복수의 주파수 대역에서 빔 틸트가 동일하게 형성됨에 따라, 빔 틸트에 있어서 각 대역별 특성 또는 요구가 고려되지 못하는 문제가 있다.

따라서 각 주파수 대역별로 빔 틸트를 독립적으로 가변할 수 있는 안테나 장치가 필요하게 된 것이다. 이러한 필요에 의하여 제안된 예로서, 특허공개 제2006-12625호에 개시된 안테나 시스템이 있다.

도 1은 특허공개 제2006-12625호에 개시된 안테나 시스템을 편의상 간략하게 도시한 것으로, 이 시스템(1)은 두 개의 주파수 대역을 송수신하는 장치로서, 제1주파수 대역용 어레이 소자(2e)를 포함하는 제1안테나(2)와, 제2주파수 대역용 어레이 소자(3e)를 포함하는 제2안테나(3), 상기 제1안테나(2) 및 제2안테나(3)의 각 소자(2e,3e)에 각각 접속되어 대응 주파수 대역의 신호를 위상 제어하는 두 개의 변위기(4,5)로 구성되어 있다.

상기 시스템은 대역별 제1안테나(2) 및 제2안테나(3)의 각 소자(2e,3e)를 일렬 배치하고 각 안테나(2,3)에 대응하는 변위기(4,5)로 신호의 위상을 제어하는 방법으로, 각 안테나(2,3)의 빔 틸트를 독립적 또는 개별적으로 가변할 수 있다.

그러나 이 시스템(1)은 각 주파수 대역마다 전용의 안테나(2,3) 및 어레이 소자(2e,3e)를 구비하고 있으며, 이는 간단히 말해 두 개의 전용 안테나 장치를 서로 붙여 놀은 것으로서, 안테나 시스템(1)의 규모가 상당히 커질 수밖에 없다. 그리고, 이로 인해 안테나 장치 또는 시스템의 제작 및 설치가 복잡해지고, 경제적으로도 매우 불리하게 된다.

이에 하나의 안테나 장치에서 대역별 빔 틸트가 가능한 안테나 장치가 필요하게 된 것이며, 그 예가 특허공개 2006-4928호에 개시된 위상 어레이 안테나이다. 이러한 기능을 갖는 장치에서는 보통 소자 어레이(array), 위상 변위기(shifter), 듀플렉서(duplexer) 등을 이용하게 되는데, 이들을 적절히 배치함으로써 하나의 안테나 장치에서 대역별 빔 틸트가 가능해지는 효과가 있다.

그러나 이러한 안테나 장치에서는 사용되는 요소의 수가 많은 문제가 있으며, 특히 대역별로 서로 다른 빔 특성에 대하여 아무런 대책을 가지지 못하는 문제가 있다.

도 2를 참조하여 후자의 문제를 부연하면, 구현된 빔 틸트에 있어서, 상대적으로 저주파 대역의 빔 폭(4G)이 고주파 대역의 빔 폭(3G)에 비하여 넓고, 이로 인하여 이득은 다소 떨어지게 된다. 이 경우 각 기지국 또는 안테나 장치(6) 간 저주파 대역의 빔 폭(4G)에 의한 서비스 음영지역(S)이 나타나게 되는 것이다. 이에 대한 대책으로서 이동통신용 기지국 간의 간격을 더욱 조밀하게 할 수 있겠으나, 이 경우 시설의 구축 및 관리가 복잡하고 어려워질 것은 당연한 일이다.

본 발명은 상기한 종래의 안테나 장치 또는 시스템의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 종래의 경우와 마찬가지로, 하나의 안테나로서 빔 틸트를 각 주파수 대역별 독립적으로 가변할 수 있도록 하는 것은 전제로 하되, 빔 특성을 보완하여 특히 저주파수 대역에 대한 서비스 음영지역이 나타나지 않도록 설계된 안테나 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 가변틸트 안테나 장치는,

복수의 주파수 대역에서 송수신하는 일렬 어레이 소자를 갖는 안테나와, 각 주파수 대역마다 구비되어 대역별로 신호 위상을 제어하는 변위기를 구비하는 안테나 장치에 있어서,

입·출력 포트 측에 구비되고 각 변위기에 접속되어, 송신신호를 대역별로 분리하여 각 변위기로 전송하는 한편, 각 변위기에서 위상 제어된 수신신호를 결합하여 상기 포트로 전송하는 제1듀플렉서;

각 소자 측에 구비되고 각 변위기에 접속되어, 각 변위기에서 대역별로 위상 제어된 송신신호를 소자로 전송하는 한편, 수신신호를 대역별로 분리하여 각 변위기에 전송하는 복수의 제2듀플렉서;

를 포함하며,

상기 안테나는 상기 어레이의 말단 소자 외측에 상기 변위기 중 저주파수 대역 변위기에만 접속되는 저주파수용 소자를 더 포함하며, 상기 저주파수용 소자와 인접 말단 소자는 상기 저주파수 대역 변위기 측에 구비되는 전력 분배기(divider)에 각각 접속되는 것;

를 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 안테나는 그 소자 어레이 중 양측 말단 소자를 제외한 가운데 소자 또는 그 일부가 상기 입·출력 포트와 제1듀플렉서 사이에 구비되는 전력 분배기에 접속되어, 상기 변위기 또는 듀플렉서를 거치지 않고 직접 입·출력 포트에 접속되도록 설계된다.

본 발명의 안테나 장치에 따르면, 상기 안테나는 어레이의 말단 소자 외측에 복수 변위기 중 저주파수 대역 변위기에만 접속되는 저주파수용 소자를 더 포함한다. 이 저주파수용 소자를 이용하여, 원칙적으로 고주파수 대역에 비하여 상대적으로 빔 폭이 넓고 이득이 낮은 저주파수 대역 빔 특성을 고주파수 대역의 빔 특성과 유사하게 할 수 있다. 따라서 저주파수 대역에 대한 서비스 음영지역이 나타나지 않는 효과가 있다.

또한 바람직한 예에서, 상기 안테나는 그 소자 어레이 중 일부가 듀플렉서 구성을 거치지 않고 직접 입·출력 포트에 접속되도록 구성된다. 이로써 듀플렉서 기타 다른 구성을 거치는 경우에 비하여, 좀 더 콤팩트한 설계가 가능한 동시에 전력손실을 효과적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 안테나 시스템의 개략 구성도.
도 2는 종래 안테나 시스템의 빔 틸트 특성도.
도 3은 본 발명에 따른 안테나 장치의 구성도.
도 4는 도 3 장치의 빔 틸트 특성도.

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명 "대역별 가변틸트 안테나 장치"(이하 '안테나 장치')의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 3에서 본 발명에 따른 안테나 장치가 부호 10으로 표시되어 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 안테나 장치(10)는:

복수의 주파수 대역에서 송수신하는 주파수 공용의 안테나(11)와, 각 주파수 대역마다 구비되어 송수신 신호의 위상을 대역별로 제어하는 두 개의 위상 변위기(12,13)을 기반으로 하며;

안테나 입·출력 포트(16)와 상기 변위기(12,13) 사이에 접속되는 단일의 제1듀플렉서(14)와, 상기 안테나(11)와 변위기(12,13) 사이에 접속되는 복수의 제2듀플렉서(15)를 포함하여 이루어진다.

구체적으로, 상기 안테나(11)는 두 개의 주파수 대역에서 송수신하는 복수의 일렬 어레이 소자(11a,11b,11c)를 포함한다. 상기 안테나 소자(11a,11b,11c)는 광대역 특성을 갖는 소자이며, 두 개의 주파수 대역으로서 2.1 GHz 대역(3G) 및 1.8 GHz 대역(4G)을 공용하여 신호를 송수신하는 것이다. 본 실시예에서, 이와 같이 두 개의 주파수 대역을 공용하는 것으로 설명되지만, 설계에 따라서는 그 이상 대역 수 또는 다른 대역의 공용이 가능할 것이다.

상기 변위기(12,13)는, 소위 이상기(phase shifter)라고 하는 것으로, 상기 안테나(11)가 송수신하는 신호의 위상을 제어함으로써 안테나(11)의 수직 빔 틸트를 가변하는 일반적인 수단이다. 본 발명에서 상기 변위기(12,13)는 안테나 장치(10)에서 공용하는 주파수 대역의 수만큼 구비되며, 따라서 본 실시예에서 상기 변위기(12,13)의 수는 두 개이다. 여기에서, 제1변위기(12)는 3G 전용이며 제2변위기(13)는 4G 전용이다.

상기 제1변위기(12)는 그 후단이 제1듀플렉서(14)를 경유하여 안테나 입·출력 포트(16) 측에 접속되는 한편, 그 전단은 각 제2듀플렉서(15)를 경유하여 각 소자(11a,11b)에 병렬로 접속된다. 마찬가지로, 상기 제2변위기(13) 역시 그 후단이 제1듀플렉서(14)를 경유하여 안테나 입·출력 포트(16) 측에 접속되는 한편, 그 전단은 각 제2듀플렉서(15)를 경유하여 각 소자(11a,11b)에 병렬로 접속된다.

이 구조에 의하여 본 발명의 안테나 장치는, 전제로 보아, 송신신호를 1입력 다출력 방식으로 안테나(11) 측에 전송하게 되는 한편, 수신신호를 다입력 1출력 방식으로 포트(16) 측에 전송하게 된다.

도면에 나타난 바와 같이, 본 실시예에서, 상기 안테나(11)는 그 어레이 소자(11a,11b,11c) 중 양측 말단 소자(11a,11b)를 제외한 가운데 부분의 소자(11c)가 상기 포트(16)와 제1듀플렉서(14) 사이에 구비되는 전력 분배기(17)에 접속되어, 상기 변위기(12,13)나 제1듀플렉서(14) 기타 다른 요소를 거치지 않고 직접 입·출력 포트(16)에 접속되도록 설계된다.

이러한 설계는, 실제로 어레이 안테나에서 위상 가변의 Reference('0')가 되는 중간 부분의 소자에는 전력이 가장 크게 공급되고 특별히 위상 가변의 필요도 생기지 않는다는 점에 착안한 것이며, 변위기 또는 듀플렉서 등을 배제함으로써 콤팩트한 구현이 가능해지는 한편, 구현시 중간 부분의 소자에 공급되는 전력의 손실을 크게 줄일 수 있게 되는 효과를 발견하고 완성된 것이다.

상기 제1듀플렉서(14)는 하나로 구비되며, 안테나 입·출력 포트(16)와 두 개의 변위기(12,13) 사이에 배치된다. 구체적으로, 이 제1듀플렉서(14)는 그 후단이 단일로 구비된 입·출력 포트(16)에 접속되는 한편 그 전단은 각 변위기(12,13) 측에 병렬 접속된다, 그리하여 송신 기준, 입력된 신호를 3G 및 4G 신호로 분리하여 각 전용의 변위기(12 또는 13)에 전송하는 것이다.

이 구성은 안테나 장치(10)에 있어서, 수신 및 송신시 실질적인 1입력 및 1출력을 가능하게 하는 것이며, 이에 따라 안테나 장치(10)에서 각 주파수 대역마다 별도의 포트를 구비할 필요는 없게 된다.

상기 제2듀플렉서(15)는 안테나 소자(11a,11b)와 변위기(12,13) 사이에 배치된다. 구체적으로, 제2듀플렉서(15)는 필요한 소자(11a,11b)에 비례하여 적정 수 구비되며 전단의 각 소자(11a,11b)와 이대일(2:1)로 접속되어 있다. 다만, 이러한 수적 대응관계가 본 발명을 한정하지는 않는다. 여기에서 각 제2듀플렉서(15)는 후단의 모든 변위기(12,13)에 접속되어 있다.

본 발명에서, 상기 안테나(11)는 상기 어레이의 말단 소자(11a) 외측에 상기 변위기(12,13) 중 저주파수 대역 변위기(13)에만 접속되는 저주파수용 소자(11d)를 더 포함한다. 그리고, 상기 저주파수용 소자(11d)와 그 인접 말단 소자(11a)는 상기 저주파수 대역 변위기(13) 측에 구비되는 전력 분배기(17)에 각각 접속된다.

일반적으로, 안테나의 물리적 간격이 동일할 때 저주파수 대역의 빔 폭(4G)이 고주파 대역의 빔 폭(3G)에 비하여 넓고, 이로 인하여 이득은 다소 떨어지게 된다. 이에 각 기지국 또는 안테나 장치 간 저주파 대역의 빔 폭(4G)에 의한 서비스 음영지역이 나타나게 되는 것이다(도 2 참조). 본 발명자는 상기한 저주파수용 소자(11d) 및 그 배치를 통하여 이 문제를 해결할 수 있음을 확인하였으며, 이는 여타의 방법이나 장치에 비하여 간편하고 효율적인 것으로 판단된다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 안테나 장치(10)는 신호 송수신시 아래와 같은 방법으로 동작한다.

동작 1: 송신

우선 입·출력 포트(16) 측으로부터 송신신호가 입력되면, 제1듀플렉서(14)에서 이를 수신하여 각 대역별 신호로 분리하고 각각 전용의 변위기(12,13)에 전송한다. 본 실시예에서, 이 신호는 2.1 GHz 대역(3G) 및 1.8 GHz 대역(4G)으로 분리되어 각각 전용의 제1변위기(12)와 제2변위기(13)로 전송되는 것이다.

분리된 각 대역의 신호는 전용의 변위기(12,13)에서 위상이 제어된다. 이와 같이 위상이 제어된 각 신호는 각 변위기(12,13)에 접속된 제2듀플렉서(15)를 통하여 신호 결합된 다음. 안테나의 각 소자(11a,11b)에 전송되고 전파로서 방사되는 것이다. 이때 송신신호는 주파수 대역마다 각 전용의 변위기(12,13)에서 독립적으로 위상이 제어되어 있기 때문에, 주파수 대역마다 원하는 빔 틸트를 얻을 수가 있는 것이다.

한편, 안테나 어레이 중 소자 11c는 이상 설명한 변위기(12,13) 및 듀플렉서(14,15)에 상관없이 포트(16)에 연결되어 있으며, 소자 11d는 제2듀플렉서(15)에 상관없이 저주파수 대역을 위한 제2변위기(13)에 연결되어 있다. 이로 인하여, 저주파수 대역에서 이득이 떨어지는 점을 보완할 수 있으며, 대역별 빔 폭 및 이득을 고주파수 대역을 기준으로 대역마다 유사하게 함으로써 서비스 음영지역(도 2의 A 부분)을 대부분 해소할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 안테나 장치(10)을 이용하고, 송신신호 2.1 GHz 대역(3G) 및 1.8 GHz 대역(4G)으로 하여 대역별로 가변 수행한 경우의 빔 틸트를 예시한다. 이 도면에서, 본 발명의 안테나 장치(10)에서 각 주파수 대역마다 틸트가 독립적으로 제어 및 가변될 수 있음을 알 수 있으며 특히, 각 대역별 빔 폭 및 이득이 고주파수 대역(3G)을 기준으로 대역마다 유사하게 구현됨을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 빔 특성은 저주파수 대역의 서비스 음영지역을 대부분 해소할 수 있게 되는 효과가 있다.

동작 1: 수신

당연하게, 수신신호는 상기 송신신호와 역으로 처리될 것이다. 먼저, 안테나 소자(11a-11d)에 수신된 신호는 각 소자(11a,11b)에 접속된 제2듀플렉서(15)를 통하여 신호 분리된 다음, 각 주파수 대역별 전용의 변위기(12,13)로 전송된다. 그리고, 분리된 각 대역의 신호는 개별적으로 전용 변위기(12,13)에서 위상 제어된다.

이와 같이 위상이 제어된 각 신호는 단일의 제1듀플렉서(14)를 통하여 신호 결합된 다음, 하나의 포트(16)을 통하여 수신되는 것이다. 물론 그 외의 다른 소자(11c,11d)는 경로를 달리하지만, 역시 하나의 포트(16)을 통하게 되는 것이다.

10. 안테나 장치
11. 안테나 11a-11d. 소자
12,13. 변위기 14. 제1듀플렉서
15. 제2듀플렉서 16. 입·출력 포트
17. 전력 분배기

Claims (5)

1. 복수의 주파수 대역에서 송수신하는 일렬 어레이 소자(11a-11c)를 갖는 안테나(11)와, 각 주파수 대역마다 구비되어 대역별로 신호 위상을 제어하는 변위기(12,13)를 구비하는 안테나 장치에 있어서,
   입·출력 포트(16) 측에 구비되고 각 변위기(12,13)에 접속되어, 송신신호를 대역별로 분리하여 각 변위기(12,13)로 전송하는 한편, 각 변위기(12,13)에서 위상 제어된 수신신호를 결합하여 상기 포트(16)로 전송하는 제1듀플렉서(14)와; 각 소자 측에 구비되고 각 변위기에 접속되어, 각 변위기(12,13)에서 대역별로 위상 제어된 송신신호를 소자로 전송하는 한편, 수신신호를 대역별로 분리하여 각 변위기에 전송하는 복수의 제2듀플렉서(15)를 포함하며,
   상기 안테나(11)는 어레이의 말단 소자(11a) 외측에 상기 변위기 중 저주파수 대역 변위기(13)에만 접속되는 저주파수용 소자(11d)를 더 포함하며, 상기 저주파수용 소자와 인접 말단 소자(11a)는 상기 저주파수 대역 변위기(13) 측에 구비되는 전력 분배기(17)에 각각 접속되는 것;
   을 특징으로 하는 대역별 가변틸트 안테나 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 안테나(11)는:
   소자 어레이 중 양측 말단 소자(11a)를 제외한 가운데 소자(11c) 또는 그 일부가 상기 포트(16)와 제1듀플렉서(14) 사이에 구비되는 전력 분배기(17)에 접속되어, 상기 변위기(12,13) 또는 듀플렉서(14,15)를 거치지 않고 직접 상기 포트(16)에 접속되는 것;
   을 특징으로 하는 대역별 가변틸트 안테나 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 주파수 대역은 2.1 GHz 대역(3G) 및 1.8 GHz 대역(4G)인 것을 특징으로 하는 대역별 가변틸트 안테나 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 입·출력 포트(16)는 단일로 구비되어 단일의 제1듀플렉서(14)에 접속되는 것을 특징으로 하는 대역별 가변틸트 안테나 장치.
   

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