KR20050094660A

KR20050094660A - 단일 빔 패턴의 안테나

Info

Publication number: KR20050094660A
Application number: KR1020040019948A
Authority: KR
Inventors: 정하재
Original assignee: (주)더블유엘호스트
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-09-28

Abstract

이상적인 단일 빔 패턴을 형성하고 불요한 방향의 분리도(Isolation)특성이 우수한 안테나 장치와 그에 따른 활용이 게시된다.

본 발명은 무선 통신시스템에서 사용하는 안테나 장치에 대하여 불요한 방향의 신호 전달 특성을 제로(0)화 함으로써 분리도 특성이 우수한 안테나 장치를 제공하기 위한 것으로서,

종래의 일부 안테나에서 후방차폐물을 다중 설치하여 분리도를 개선하여 사용하여 왔으나, 이로 인하여 안테나 장치의 무게와 크기가 증가하며, 전방에 대하여 부차적인 부엽(side lobe)을 발생하는 문제점이 있으며, 안테나 장치를 건물 옥상 위에 설치하는 경우는 인체에 대한 전자파 피해를 줄이기 위하여 옥상 위 표면에 동판과 같은 별도의 차폐물을 사용하여야하는 번거로운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 안테나의 부엽과 후방엽을 반복적으로 상쇄하는 유한의 이항 분배 소자배열과 가장자리의 간섭처리를 시행함으로써 무선통신 시스템에서 필요로 하는 통신방향에 한하여 이상적인 모양의 주빔(Main lobe)을 형성하고, 기타의 불요한 광각(Wide Angle)의 방향에 대하여 영점(Null)을 효과적으로 형성함을 특징으로 하며, 본 발명의 활용은,

동일 주파수 중계 시 필요한 송수신 안테나간 분리도 확보; 및

건물에 설치된 통신시설에서 건물 방향에 대한 유해 전자파 차단; 및

무선 환경 최적화; 등에 유용하게 사용 할 수 있다.

Description

단일 빔 패턴의 안테나{The Antenna of Single Beam Pattern}

본 발명은 무선통신 시스템에서 사용하는 안테나에 관한 것으로 , 특히 통신하지 않는 방향에 있어 신호전달 특성을 제로(0)화 하는 아이솔레이션 안테나에 관한 것이다.

종래의 아이솔레이션 안테나는 도 1에 도시한 바와 같이 배열 안테나의 간격(113)이 편파방향과 편파의 직교 방향에 있어 주로 주빔의 지향특성이 우수한 0.7파장 간격의 배열의 안테나 소자(110)을 사용하였으며, 상기 안테나 소자를 고정하고 반사판 역할을 하는 내부판넬(130) 및 상기 내부판넬 보다 큰 외부판넬(120)으로 구성된다. 이때 전방의 정면신호(150)에 대하여 안테나 소자(110)간 신호가 동시 합성되어 통신방향에 관한 주빔(160,Main Lobe)를 형성하며, 측면의 신호(151,152); 즉 제1 측면신호(151)와 제2측면신호(152)에 대하여 측면신호를 먼저 접하는 제1안테나 소자(111)와 나중에 접하는 제2안테나소자(112)간에 수신되는 세기가 상호차이가 있으며, 유한한 배열소자의 경우에 각각의 소자의 위치에 따라서 물리적으로 정면신호(150)에 대한 수신세기가 균일하지 않는 문제점으로 인하여 부엽(161,Side Lobe)과 후방엽(162)을 형성함으로써 상기의 부엽특성이 20db이상인 고성능의 단일빔 안테나 제조가 현실적으로 어려웠으며, 후방의 신호에 대하여 40db 이상 성능확보가 어려워 별도의 외부 판넬(120)을 통하여 부분적으로 전후방비(F/B)를 개선하여 사용하였다.

따라서, 상기 종래의 안테나에서는 시공시 사용이 간편한 광각의 영역에 있어 도면의 영점각도(163)가 협소하며, 극도의 분리도를 필요로 하는 무선통신설비에서는 사용하기 어려운 문제점이 있었다.

즉, 옥상 위에 설치하는 이동통신 안테나는 원거리의 수평방향에 대하여 지향성을 갖고 송신하나, 수직방향에 대하여 건물 내에서 생활하는 인체에는 비록 상기 주빔에 대하여 일 백분지 일 정도의 약한 세기라고 할지라도 거리가 근접하고 장기적으로 인체에 노출되는 문제점이 있다.

이러한 경우에 상기 일백 분지 일 정도(-20db) 수준의 근접 전자파 신호를 원거리에서 수신하는 세기의 경우보다도 적은 일만 분지 일 이하(-40db)의 극미한 수준으로 개선시킬 필요가 있으며, 일반 시공환경에서 간편히 설치하므로 인하여 설치건물 영역이 보호되는 규격화되고 광각의 영점영역을 갖는 안테나 장치를 필요로 한다.

따라서 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서 필요로 하는 주빔의 각도 이외의 전 방향의 각도에 대하여 실제적으로 영점(Null)을 형성함으로써 방사패턴에 있어 단일 빔을 형성하는 이상적인 안테나장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술한 바와 같은 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 안테나를 제조함에 있어 반파장 간격으로 평면 배열된 유한의 배열(Array) 안테나 소자(211) 및 가장자리 간섭조정부(213) 및 안테나 판넬(212)를 포함하여 구성되는 배열 판넬부(210);와

신호 분배노드(231) 및 방사패턴제어 조정부(232)를 포함하는 이항신호 분배부(230); 및

접속 콘낵터와 같은 입출력부(240);로 구성되는 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 단일 빔 안테나 장치를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 단일 빔 안테나의 구성요소를 보인 도면이다.

먼저 배열 판넬부(210)에 있어 안테나의 배열 소자(211)는 안테나 판넬부(212)로부터 4분지1파장 수직 이격으로 고정되며, 배열간격(214)이 반파장 간격으로 배열하는 특징을 갖는다.

상기 반파장의 배열간격의 이유로서는,

전면의 중앙각도로부터 도래하는 정면신호(220)에 대하여 각각의 안테나소자(211)들이 동일의 위상으로 수신하며,

후면신호(222)로부터 유기된 내면공진신호(223)에 대하여 인접 소자간 상쇄효과를 발생하기 위하며,

정면신호(120)에서는 보강합성되며, 상기 정면신호를 기준으로 -90도 내지 +90도에서 도래하는 측면신호(221)에 대하여는 합성신호의 세기가 사인(Sin)함수의 곱이 됨으로써 중도에 영점이 없는 조건으로 단일 빔의 형성 조건으로서 적합하기 때문이다.

가장자리 간섭조정자(213)는 안테나 판넬에(112) 유동적인 위치에 고정하며, 간섭판넬(2131)과 유전체 또는 흡수체인 간섭체(2132)로 구성되어 상기 배열소자의 가장자리에서 상기 가장자리의 소자에 간섭의 영향을 주어 측면신호에 대한 입사방향 양단간의 수신 균형을 조정하는 조정수단이다.

즉, 가장자리 간섭 조정부(113)가 반사체인 경우에 있어 상기 가장자리 조정부(113)와 가장자리 소자간의 간격(115)이 4분지1파장이면 측면신호에 대한 입사측 소자는 수신신호가 차단되어 신호레벨이 저하되나, 상대측 가장자리 소자는 코너반사효과에 의하여 수신레벨이 상승한다.

또한, 상기 가장자리 간섭 조정부와 가장자리의 안테나 소자간의 거리가 반파장이면, 상기 상대측 가장자리 소자는 코너반사 상쇄효과를 발생하여 상기 입사측의 소자와 수신레벨이 유사하여 진다.

따라서, 상기 가장자리 간섭조정부는 반사체 및 유전체 및 흡수체를 사용하여 가장자리 소자주변의 적정의 위치에 고정함으로써 상기 측면신호(221)에 대한 가장자리 소자에 대한 수신균형을 이루는 조정요소이며, 상기 안테나의 크기를 줄이기 위하여 상기 반파장 간격의 효과를 발생하는 유전체 또는 무한 평면의 효과를 발생하는 흡수체를 혼합하여 사용하며, 상기 안테나 판넬의 각진 부분은 설계시 이에 따른 간격을 동일한 길이인 원형으로 조정하는 특징을 갖는다.

안테나 판넬(212)는 상기 반파장 배열소자(211)를 고정하는 평면반사체의 기능과 외부의 취부물과 결합하여 설비되는 구조체의 기능을 갖는다.

이항신호 분배부(230)는 단일 빔(251)을 형성하는 기본 원리로서 상기 정면의 신호(220)에 대하여 안테나 소자별(211)로 보강 합성되며, 측면(221)과 반사판넬내의 공진신호(223)는 안테나 소자별로 상쇄합성되는 저 손실 분배를 수행하는 분배노드와 상기 안테나 판넬부(212)의 배열소자별로 상기 상이한 이득을 보정하는 방사 패턴 제어 조정부로 이루어짐으로써 영점각도(252)가 넓은 실질적이며, 이상적인 단일 빔(251) 패턴을 생성하는 특징을 갖는다.

입출력부(240)는 상기 단일 빔의 신호(251)를 안테나 외부로 입출력하기 위한 접속 수단이다.

다음은 도3에 의하여 본 발명의 단일 빔 안테나를 이용하여 건물 옥상 위의 유해전자파 차단의 일 실시 예를 설명한다.

건물(330) 옥상 위에는 무선통신 설비(310)에 의한 단일 빔 특성(321)의 안테나(320)가 설치되어 있으며 필요한 통신의 각도(일반적으로 20도이하)로 기울기(322,Tilting) 되어있으나, 본 발명의 안테나 장치는 주빔의 폭이 20(+/-10도)도 라면 +/-40도의 이상의 영역에서는 충분한 영점이 형성됨으로 인하여 상기 안테나의 기울기가 50도가 되었다고 할지라도 건물내를 직접 조향하지 않는 한 상기 주빔 이외에는 각도에서는 신호세기가 일만 분지 일 이하의 극미한 수준이므로 안테나가 설치된 건물 안에서 생활하는 인체(340)에는 안테나로부터 직접적인 전자파 영향을 받지 않는 광각의 전자파 보호영역(323)을 형성한다.

다음은 도4에 의하여 본 발명의 단일 빔 안테나를 이용한 중계장치를 설명한다.

상위국(400)으로서 기지국장치가 있으며, 상기 상위국의 서비스 영역(410)이 종료되는 지점에서 상기 상위국의 신호를 협각의 빔폭으로 수신받는 단일 빔 링크안테나부(422) 및 상기 단일빔 링크안테나부로부터 수신한 무선의 신호를 출력하기에 적정한 세기로 증폭하는 중계기(421) 및 상기 증폭된 신호를 새로운 광각의 서비스 방향으로 재송신하는 단일빔 서비스 안테나부(423)로 구성되며, 본 발명에 의한 상기 단일 빔 링크안테나(422)와 단일빔 서비스 안테나(423)의 분리도는 상호 영점영역에 위치하고 수직과 수평의 일정거리에 설치한다며, 실제적으로 100db가 초과됨으로 인하여 상기 중계장치의 중계이득이 궤환신호에(424)에 대한 궤환마진 20db 정도를 감한 80db정도의 이득으로 안정히 운용할 수 있어 원래의 서비스영역(410)이외에 제1확장영역(411) 및 상기 제1확장영역(411)에서 재차 확장되어 제2확장영역(412)을 용이하게 확장 할 수 있다.

본 설명에서는 안테나의 수신신호에 대하여 설명하였으나, 무선의 쌍대성의 원리에 의하여 송신의 경우에도 동일한 단일 빔의 패턴의 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 무선 통신시스템에서 불요한 방향에 대하여 효과적으로 신호송출을 억압하므로 즉, 일반 안테나의 영점각도(163)에 비하여 본 발명의 단일 빔 안테나 장치에 의하여 상기 영점각도(252)가 현저히 넓어짐으로 인하여 통신 중계에 의한 불량지역해소와 통신영역 확장이 용이하며, 건물의 옥상에 설치된 무선통신시설에 있어 근접의 건물내 침입하는 전자파의 세기를 획기적으로 경감할 수 있는 효과가 있다.

특히, 세룰러 AMPS 방식의 이동통신, 세룰러 CDMA방식의 이동통신, 세룰러 GSM방식의 이동통신,TRS 방식의 이동통신 , PCS 방식의 이동통신, 위성방송통신, W-CDMA 방식의 이동통신, 휴대 인터넷 통신, PHS 방식의 이동통신, 군 통신, 중계국간 고정통신, CDMA EV-DO 방식의 데이터 통신,무선호출 송신, 을 포함하는 다양한 무선통신 시스템에서 적용 하여 경제적인 서비스 영역을 확장할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 안테나와 빔 패턴

도 2는 본 발명 단일 빔 패턴의 안테나구성을 보인 도면.

도 3은 본 발명을 활용한 전자파 차단 안테나의 사용일례를 보인 도면

도 4는 본 발명을 활용한 중계시스템 일례를 보인 도면

*** 도면 부호의 간단한 설명 ***

100 : 전면도 101 : 상측면도

102 : 수평패턴도 110 : 안테나 소자

111 : 제1안테나 소자 112 : 제2안테나 소자

113 : 안테나 소자 배치간격 120 : 외부판넬

121 : 외부판넬 공진 130 : 내부판넬

131 : 내부판넬 공진 150 : 정면신호

151 : 제1측면신호 152 : 제2측면신호

153 : 후면신호 160 : 주빔

161 : 부엽 162 : 후방엽

163 : 영점 각도

210 : 배열 판넬부 211 : 안테나 소자

2131 : 간섭판넬 2132 : 간섭체

214 : 배열간격 220 : 정면신호

221 : 측면신호 222: 후면신호

230 : 이항신호 분배부 231 : 분배노드

232 : 방사패턴 제어 조정부 240 : 입출력부

250 : 단일 빔 패턴도 251 : 단일 빔

252 : 영점 각도

310 : 무선통신 설비 320 : 단일 빔 안테나

321 : 단일 빔 패턴 322 : 틸팅 각도

330 : 건물 340 : 인체

400 : 상위국 410 : 원래서비스 영역

411 : 제1확장영역 412 : 제2확장영역

420 : 단일빔 중계시스템 421 : 중계기

422 : 링크안테나 423 : 서비스 안테나

424 : 궤환신호

Claims

무선통신에서 사용하는 단일의 빔 패턴을 갖는 안테나 장치에 있어서, 상기 안테나 장치의 구성은,

상기 안테나장치의 정면으로부터 수신되는 전파신호에 대하여 동일의 위상으로 수신하며, 반파장 간격으로 배열되며, 상기 정면의 전파신호에 대하여 배열의 배치에 있어 중앙부와 가강자리가 상호 불균일한 세기로 수신되는 특징을 갖는 유한의 배열안테나 소자; 및

상기 안테나 장치의 측면으로부터 수신되는 전파신호에 대하여 상기 배열안테나의 가장자리의 인접에 위치하고, 상기 배열안테나의 가장자리 부근의 소자에 대하여 수신간섭을 발생함으로써 대칭하는 위치의 안테나 소자간의 수신세기와 위상의 균형을 일치시키는 가장자리 간섭조정부 및;

상기 안테나장치의 후면으로부터 수신되는 전파신호를 배면으로 차단하며, 상기 배열안테나 소자를 전면에 4분지1파장의 수직거리에 고정하며,

상기 가장자리 간섭조정부를 가장자리에 고정하며,

상기 후면으로부터 수신되는 신호의 일부가 배면으로부터 전면에 전달되어 상기 전면의 표면에 공진함으로써 상기 배열안테나 소자에 미세한 비율로 전달되는 안테나 판넬부; 및

상기 정면 및 후면 및 측면의 전파신호를 상기 배열소자를 통하여 각각 수신하며, 상기 각각의 수신신호는 조정이 가능한 정밀한 감쇠기를 구비하여 조정함으로써 상기 유한의 배열구조와 상기 간섭자리 조정자에 의하여 발생한 수신오차를 보정하는 방사패턴 제어 조정부; 및

상기 각각의 방사패턴 제어 조정부로부터 수신신호를 수신하여 합성하되, 이항분배에 따른 어레이 팩터를 적용함으로써 주엽의 중앙부는 보강되며, 부엽과 후방엽의 신호는 배열소자의 단수에 따라서 반복적으로 상쇄시키는 이항분배부; 및

상기 이항분배부의 출력신호를 상기 안테나 장치의 외부와 접속하기 위한 입출력 콘낵터부;로 구성됨을 특징으로 하는 단일 빔 안테나 장치
제 1항에 있어, 안테나 장치는 무선의 쌍대성 원리에 의하여 송신의 경우에도 가역적으로 동일의 효과를 나타내는 것을 특징으로 하는 안테나 장치
제 1항에 있어, 가장자리 간섭 조정부는 가장자리 안테나 소자에 대하여 일정거리를 유지하기 위하여 안테나 사각의 모서리부근을 원형처리하는 것을 특징으로하는 안테나 장치
제1항에 있어, 단일 빔 안테나 장치는 무선통신설비와 결합되어 건물의 옥상에 취부되어 운용함으로써 건물 내 인체에 전자파 영향을 극소화하는 것을 특징으로하는 단일 빔 안테나장치를 사용한 무선통신 시스템
제 1항에 있어, 단일 빔 안테나 장치는 중계장치와 링크안테나 및 서비스안테나로서 결합되어 운용함으로써 상기 링크안테나와 서비스안테나간 분리도를 향상시키며, 상기 안테나 주변의 간섭체에 대하여 반사유입신호를 최소화함으로써 상기 중계장치가 안정적으로 운용됨을 특징으로 하는 단일 빔 안테나 장치를 사용한 중계 시스템 .
제1항에 있어, 단일 빔 안테나 장치를 무선통신 시스템에 사용하여 무선환경을 제어하여 통신품질을 개선함을 특징으로 하는 단일 빔 안테나 장치
제 1항에 있어, 단일 빔 안테나 장치의 사용용도는 세룰러 AMPS 방식의 이동통신, 세룰러 CDMA방식의 이동통신, 세룰러 GSM방식의 이동통신,TRS 방식의 이동통신 , PCS 방식의 이동통신, 위성방송통신, W-CDMA 방식의 이동통신, 휴대 인터넷 통신, PHS 방식의 이동통신, 군 통신, 중계국간 고정통신, CDMA EV-DO 방식의 데이터 통신,무선호출 송신, 을 포함하는 무선통신 시스템에 적용하는 것을 특징으로 하는 단일 빔 안테나장치.