KR20170027678A - 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조 - Google Patents

이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조 Download PDF

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순다라라잔 니란잔
코작 찰리
테일렛 안토니
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에이스 안테나 컴퍼니 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 제1 주파수 대역(FL)과 제2 주파수 대역(FH)을 포함하는 적어도 두 공간 이격된 주파수 대역들에서 전자기 신호들을 수신 및 송신하기 위한 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조에 관한 것이다. 본 발명은 반사판과; 제1 및 제2 주파수 대역에서 두 선형 직교 편파를 송신 및 수신하는 방사 안테나 모듈로, 이 방사 안테나 모듈은 각각 볼록한 캐비티를 가지는 거의 평판형 소자를 가지며 대략 정사각형을 형성하도록 배치된 복수의 쌍극을 포함하여 제1 주파수 대역에서 동작하는 제1 세트의 방사 안테나 소자를 구비하는 방사 안테나 모듈과; 제2 주파수 대역에서 동작하며 제1 세트의 방사 안테나 소자의 볼록한 캐비티 상에 근접 배치되며 대략 사분면 형상을 형성하도록 배치되는 복수의 개구부 결합 패치 소자들을 포함하는 제2 세트의 방사 소자를 포함하여 이루어진다.

Description

이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조{DUAL-BAND DUAL-POLARIZED ANTENNA MODULE ARRANGEMENT}
본 발명은 일반적으로 통신 시스템 및 구성요소들에 관한 것으로, 특히 저주파 방사 소자의 구획 내에 위치하는 고주파 방사 소자의 4 분면(quadrature)을 가지면서 그 사이에 독립적인 작동을 제공하도록 공간적으로 배치된 복수의 구동 방사 소자들을 포함하는 다열 안테나 어레이 구조에 관한 것이다.
이동 통신을 위한 기지국 안테나는 페이딩(fading) 현상을 저감시키도록 하기 위한 공간 다이버시티(space diversity) 또는 편파 다이버시티(polarization diversity) 구조로 설계된다. 공간 다이버시티 구조는 송신 안테나와 수신 안테나를 서로 소정의 거리만큼 이격되도록 설치하는 것을 의미하는데, 공간에 큰 제약이 있고 원가 상에서도 불리하다. 이에 따라, 이동 통신 시스템은 전형적으로 편파 다이버시티 구조가 적용되는 이중 대역 이중 편파 안테나를 사용해왔다.
현대의 무선 안테나 어레이 구현예는 일반적으로 방사 신호 빔폭과 상하면 각도(elevation plane angle)를 결정하는 공통의 반사판 상에 배열될 수 있는 복수의 방사 소자들을 포함한다. 다중 대역 안테나는 복수의 무선 주파수 대역, 즉 둘 이상의 주파수 대역으로 무선 신호를 제공하는 안테나이다. 이들은 흔히 사용되며 GSM, GPRS, EDGE, UMTS, LTE, 그리고 WiMax 시스템 등의 무선 통신 시스템에서 잘 알려져 있다.
여기서, 안테나 어레이는 흔히 다른 주파수 대역으로 송신 및/또는 수신하도록 구성된 복수의 안테나 소자들을 구비한다. 단일 대역 안테나가 고주파 대역만으로 송신 및/수신하도록 구성되는 반면, 가장 흔한 이중 대역 안테나 소자들은 저주파 대역과 고주파 대역으로 송신 및/또는 수신하도록 구성된다.
이중 대역 및 단일 대역 안테나 소자들은 동일한 주파수로 송신/수신하는 두 인접 소자들의 중심 간의 거리가 소정의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장(λ)의 0.5 내지 1.0배, 전형적으로 그 파장의 약 0.8λ가 되도록 배치된다. 즉, 두 인접한 단일 대역 안테나 소자 간의 거리(Sx)가 흔히 고주파 대역의 중심 주파수의 파장의 0.8배인 반면, 두 인접한 이중 대역 안테나 소자 간의 거리(Qx)는 흔히 저주파 대역의 중심 주파수의 0.8배이다.
종래의 안테나 시스템의 안테나 조립체가 테일렛 등에 대한 미국 특허공개 제2013/0002505호로 개시되어 있다. 이 공개 공보에서, 안테나 조립체는 반사판과, 이 반사판 상에 배치된 제1 주파수 대역 방사 소자의 어레이와, 제1 반향으로 연장되는 하나 또는 복수 열로 배치된 소자들과, 그리고 제1 서브 그룹의 방사 소자들이 기본적으로 각각 대응하는 제1 주파수 대역 방사 소자들과 동위치(co-located)인 제1 및 제2 서브 그룹을 포함하여 반사판 상에 구성된 복수의 제2 주파수 대역 방사 소자들을 구비하며, 방사 소자의 제2 서브 그룹이 제1 주파수 대역 방사 소자의 외측에 배치되고, 제2 서브 그룹이 제1 서브 그룹의 방사 소자에 대해 제1 방향으로 편심된다.
이 방식의 안테나 소자 어레이 조립체가 채택되어 허용 성능을 나타내지만, 작동 주파수에 좌우되는 안테나 소자들 간의 간격에 기인하는 큰 크기와 중량 때문에 일부 안테나 특성들은 배치에 제약을 가진다. 저주파 대역에서 종래 기술로 구성된 이중 대역 안테나 소자의 소요 간격 = Vs1 + Vs2 + Vs1 > 2λ(여기서 Vs1 및 Vs2 크기는 HAx 축 간의 간격에 관련된다)가 되는데, 이는 반사판 상에 배치될 수 있는 이중 주파수 대역 안테나 소자의 개수를 제한하여 저주파 대역에서의 포워드 게인(forward gain)을 다른 방식보다 저하시키게 된다.
이에 따라, 다중 대역 안테나 어레이에 할당된 단위 용적 및 중량 당의 독립적인 RF 단자들의 수를 더 많이 제공하면서, 양 주파수 대역에서 더 큰 포워드 게인을 얻을 수 있도록 다중 대역 안테나의 소형화를 달성하고자 하는 요구가 있다.
본 발명은 종래기술의 안테나 어레이 구조의 단점들을 완전히 또는 부분적으로 경감 및/또는 해결할 수 있는 안테나 어레이 구조를 제공한다. 더 구체적으로 본 발명은 저주파(Fl)와 고주파(FH) 대역 간의 작동 주파수 범위가 저주파 대역보다 1.8 내지 3.4배 더 높은 이중 대역 소자를 지원할 수 있는 안테나 어레이 구조를 제공한다.
본 발명은 또한 종래기술보다 더 작고 더 가벼우며, 더 작은 바람 부하(풍압)를 가지는 안테나 어레이 구조를 제공한다. 본 발명은 또한 안테나 어레이에 할당된 전체적 용량과 중량을 동일하게 유지하면서 복수의 대역에 있어서 더 높은 포워드 게인을 제공함으로써 종래기술에 대해 대체적인 안테나 어레이 구조를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면 이 특징들은, 더 낮은 안테나 주파수 대역과 더 높은 안테나 주파수 대역에서 송신/수신하도록 구성된 복수의 제1 이중 대역 안테나 소자와, 더 높은 안테나 주파수 대역에서 송신/수신하도록 구성된 복수의 제1 단일 대역 안테나 소자를 구비하며, 제1 이중 대역 안테나 소자와 제1 단일 대역 안테나 소자가 나란히(in a row) 배치되고, 적어도 두 단일 대역 안테나 소자들이 서로 인접하여 배치되는, 다중 대역 안테나를 위한 안테나 어레이 구조에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징과 이점들은 아래의 상세한 설명으로 명확해질 것이다. 본 발명의 목적은 광범위한 주파수 범위를 달성하기 위해 깍지 타입 조립형 안테나 소자 기술을 채택한 이중 대역 다열 안테나를 제공하는 것이다. 본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징, 이점들을 구현하기 위해 조립 안테나 모듈에 기반하는 안테나 어레이가 무선 통신망 시스템에 제공된다.
본 발명의 안테나 어레이 구조에 따르면, 종래기술의 안테나 어레이 구조의 단점들을 개선하고, 우수한 안테나 특성을 나타내면서 이중 대역 소자를 지원할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 안테나 어레이 구조에 따르면 종래 기술의 안테나에 비해 더 작고 더 가벼우면서, 풍압에 잘 견디는 효과가 있다. 나아가, 본 발명은, 안테나 어레이에 할당된 전체적 용량과 중량을 동일하게 유지하면서 복수의 대역에 있어서 더 높은 포워드 게인을 제공함으로써 종래기술에 대해 대체적인 안테나 어레이 구조를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 수직으로 위치한 다열 안테나 어레이의 정면도;
도 2는 수직으로 위치한 종래의 다열 안테나 어레이의 정면도;
도 3은 다중 대역 안테나 소자 모듈의 사시 및 단면도;
도 4는 저주파(FL) 쌍극 소자 구성의 상세를 보이는 다중 대역 안테나 소자 모듈의 부분 사시도;
도 5는 다중 대역 안테나 소자의 저대역부와 고대역부의 급전에 사용되는 수직 지지 부재의 사시도;
도 6은 다중 대역 안테나 소자의 저대역부와 고대역부의 급전에 사용되는 수직 지지 부재의 조립의 상세를 보이는 사시도;
도 7은 고대역 (FH) 개구부 결합 패치(ACP) 소자의 급전에 사용되는 안테나 소자 분배망의 평면도;
도 8은 분배망의 상세를 보이는 고대역 안테나 소자의 1/4의 평면도;
도 9는 12포트 안테나 시스템에 사용되는 RF 신호 분배망의 절반을 보이는 개략도;
도 10은 통합 개구부 급전 기판의 상세를 보이는 대체적인 고대역 안테나 소자의 평면도;
도 11은 기생 방사 소자들의 배치의 상세를 보이는 안테나 모듈 소자의 사시도; 그리고
도 12는 네 쌍극 쌍을 사용하는 고대역(FH) 방사소자들의 대체적인 실시예를 구비하는 안테나 모듈의 사시도이다.
본 발명의 다양한 관련 특징들의 설명을 보조하는 첨부된 도면을 참조하기로 한다. 평행한 경로들에 동일한 소자들의 다중 배치와 사용에 따라, 접미사는 소자들의 관련 쌍이나 그룹들의 어느 하나를 구분 없이 지칭하므로, 이들은 a나 b 등의 접미사 없이 지칭될 것이다. 이제 본 발명을 주로, 삽입된 이중 대역이 가능한 안테나 소자의 사용에 관련된 전술한 문제들의 해결에 관련하여 설명할 것인데, 본 발명은 안테나 어레이의 다중 대역 작동이 필요하거나 바람직한 다른 응용분야에도 적용될 수 있음을 명백히 이해해야 할 것이다.
이 점에 있어서, 이하의 다중 대역, 이중 열, 교차 편파(cross-polarized) 안테나 어레이는 예시와 설명의 목적으로 제시된 것이다. 뿐만 아니라, 이 설명은 본 발명을 여기 개시된 형태로 제한하고자 의도하는 것이 아니다. 이에 따라, 다음의 교시 내용과 관련 분야의 기술과 지식에 부합하는 변형과 변경들은 본 발명의 범위 내에 있다.
여기 설명되는 실시예들은 또한 여기 개시된 본 발명을 실현하는 공지의 방식(mode)들을 설명하여 당업계에 통상의 지식을 가진 다른 이가 본 발명의 특정한 응용 분야(들)과 용도(들)에 필요하다고 간주되는 다양한 변경들과 함께 본 발명을 동등하거나 대체적인 실시예들로 활용할 수 있게 하는 것을 의도한 것이다. 본 발명 안테나는 달리 지적되지 않는 한 신호 흐름이 상보적(complementary)이고 양방향(bidirectional)이라고 이해되어야 하므로, 무선 주파수(RF) 신호의 수신 및 송신에 적합하다.
본 발명은 안테나 어레이에서 수신과 송신을 위한 다중 대역 작동을 달성하기 위해 바람직하기로 조립 안테나 소자들을 제공한다. 먼저 도 1을 참조하여, 2열의 수직 방향의 대칭축(12, 14)을 가지며, 각 열은 공통의 안테나 반사판(10)의 외향면(10a) 상에 각 열의 축(12, 14)을 따라 종방향으로 위치하는 5개의 복합 안테나 모듈(20A 내지 20E, 30A 내지 30E)들을 가지는, 안테나 어레이(2)의 제1 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
복합 안테나 모듈(20A 내지 20E, 30A 내지 30E)의 수효는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 특정한 응용분야의 요구치에 따라 변경될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 외향면(전면)(10a)과 배면(10b)을 가지는 공통의 반사판(reflector panel; 10)은 (x축을 따른) 폭 크기(W)와 (y축을 따른) 길이 크기(L)를 가지는 알루미늄 합금 등의 도전성 재질을 사용하여 구성될 수 있다. 대체적인 재질과 기술들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 사용될 수 있다.
각 복합 안테나 모듈(20A-20E, 30A-30E)들은 둘레 수직 및 수평 부분 펜스(fence)(16A-16B)에 전기적으로 둘러싸이고 안테나 반사판(10)의 외향면(10a)에 기계적으로 부착되어 저주파 소자의 교차 분리(cross isolation)를 향상시키는데 사용되지만, 둘레 변의 파형(corrugation), 관통 개구부(pass through opening), 구조적 보강 부재 등의 다른 반사판의 특징들도 도 1에는 도시되지 않았으나 필요에 따라 추가될 수 있음에 유의해야 한다. 제1 바람직한 실시예에서 각 복합 안테나 모듈(20A-20E, 30A-30E)들에 RF 신호를 주고받는 데 사용되는 RF 분배망(RF distribution networks; 40 내지 50)이 공통 안테나 반사판(10)의 배면(10b)에 위치한다. 안테나 급전망(Antenna feed networks; 40 내지 50)은 뒤에 상세히 설명할 것이다. 각 열(12, 14)은 반사판(10)의 중심선 축(CL)으로부터 (x축을 따라) 반사판 중심선(CL)의 양측에 거리(dx1 및 dx2)만큼 이격되어 있다.
제1 바람직한 실시예에서, 거리(dx1 및 dx2)는 동일하지만, 다른 빔폭 구성이나 응용분야를 달성하기 위해 각 크기는 변경될 수 있다. 거리(dx1 + dx2)는 복합 안테나 모듈(20A, 30A)의 중심 간의 x축을 따른 분리 거리(separation distance)를 형성한다. 전형적으로 이 종방향 분리 거리는 λ가 저주파 대역(FL)의 중심 주파수의 파장일 때, 0.6λ ≤ (dx1 + dx2) ≤ 0.9λ이다. 마찬가지로, 해당 열(12, 14)의 복합 안테나 모듈(20A-20E, 30A-30E)들도 각각 y축을 따른 수직 분리 거리(dy1, dy2)만큼씩 이격된다. dy1 = dy2는 다른 성능 요구치에 적합하도록 변경될 수 있지만, 제1 바람직한 실시예에서는 복합 안테나 모듈들 간에 동일한 거리가 사용됨에 주목해야 한다.
일반적으로, λ가 저주파 대역(FL)의 중심 주파수의 파장일 때, 0.6λ ≤ (dy1, dy2) ≤ 1.2λ이다. 저주파 대역(FL)에서의 현재의 휴대전화 시스템은 698 - 960MHz의 주파수 범위에서 동작되므로 LF 소자들은 24%보다 큰 동작 대역폭(operating bandwidth)과 50 내지 38도의 수평 빔폭(horizontal beamwidth)을 가진다. 고주파 대역(FH)에서는, 안테나 소자가 1710 내지 2690MHz의 주파수 범위에서 동작되므로 34%보다 큰 동작 대역폭과 37 내지 47도의 수평 빔폭을 가진다. 두 직교 편파(orthogonal polarization)의 상하 빔폭(elevation beamwidth)은 저주파 대역과 고주파 대역에 대해 각각 29도 내지 37도와 10도 내지 15도이다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 다른 주파수 범위가 사용될 수 있다.
안테나 어레이(2)의 제2 바람직한 실시예에서는 한 열 (12) 축만이 구비되는데, 공통 안테나 반사판(10)의 외향면(10a) 상에 종방향으로 위치하는 5개의 복합 안테나 모듈(20A 내지 20E, 30A 내지 30E)을 가지는 각 열에 대해 설명하기로 한다.
RF 인터페이스(90)은 안테나 어레이(2)의 바닥 박공(bottom gable; 101)에 구비되지만, 그 위치는 필요에 따라 적절한 위치로 변경될 수 있다. 제1 바람직한 실시예에서, 6 세트의 안테나 포트(antenna port; 91 내지 96)가 구비된다. 각 RF 안테나 포트들은 +45도와 -45도 편파(polarization) 전용의 RF 포트들로 구성되어 전체 12개의 RF 인터페이스(91a,b 내지 96a,b)들이 구비된다.
도 3을 참조하여, 이중 대역 복합 안테나 조립(interdigitated) 모듈(20A-20E, 30A-30E)들을 설명하기로 한다. 이중 대역 복합 안테나 모듈 구조는 세 주요 구성 부재들로 분리될 수 있다:
1) RF 신호를 각 안테나 소자에 주고받는 경로 수단과 공통 안테나 반사판(10)의 외향면(10a) 상의 방사 소자들의 기계적 지지 수단을 제공하는 수직 급전망(vertical feed network; 60).
2) 저주파 대역(FL)에서 교차 편파(cross polarization)를 제공하는 한 쌍(2x)의 조립 평판 쌍극 소자(70, 71). 평판 쌍극 소자(70, 71) 급전이 독립적으로 송수신기(transceiver) 전단에 결합되면, 이 구조는 저주파 대역(FL)에서 2 x 2 MIMO 동작을 허용한다.
3) 평판 쌍극 소자(70a-b, 71a-b)들로 형성되는 둘레 내에 위치하는 개구 결합, 교차 편파 패치((aperture coupled, cross polarized patch; ACP) 안테나 소자를 사용하는 고주파 대역(FH) 마이크로스트립 어레이 안테나 소자(80a-d)의 4분면(quadrature; 4x). 고주파 대역(FH) 마이크로스트립 어레이 안테나 소자(80a-d) 패치(ACP) 안테나 소자의 급전이 독립적으로 송수신기 전단에 결합되면, 이 구조는 고주파 대역(FH)에서 4 x 4 MIMO 동작을 허용한다.
도 3과 도 4를 더 참조하여, 이중 대역 복합 조립 안테나 모듈의 방사 안테나 소자 구성의 상세에 대해 설명한다. 부분 도면인 도 4에서, 교차 편파(-45/+45도) 전자기 신호를 수신 및 송신하는 저주파 대역(FL) 쌍(2x)의 조립 평판 쌍극 소자(70, 71)가 구비된다. 각 쌍극 소자(70, 71)는 두 정사각형 평판 쌍극 아암(arm)(70a, 70b; 71a, 71b)들을 사용하여 구성된다. 네 평판 쌍극 소자(71a, 70a, 71b, 70b)들은 바람직하기로 두 직교 좌표축(+45도 및 -45도)에 의해 분리되는 평면의 네 사분면을 형성하도록 배치되어 공통의 두 수직 대칭축(12, 14)에서 두 축의 교차가 발생된다. 각 쌍극 아암의 전체적 크기는 LF 주파수 대역에서 적절한 방사 특성을 제공하도록 선택되는데, 이는 현대의 EM 소프트웨어를 사용하여 연산될 수 있다.
쌍극 아암(70a, b; 71a, b)들은 일반적으로 예를 들어 알루미늄 등의 도전성 재질의 평판으로 구성된다. 그러나 전착 플라스틱(electroplated plastic) 등의 대체적인 재질도 사용될 수 있을 것이다. 제1 LF 쌍극(70)은 x축에 대해 -45도를 향하는 쌍극 아암(70a, 70b) 쌍을 이용하는 반면, 제2 쌍극(71)은 x축에 대해 +45도를 향하는 쌍극 아암(71a, 71b) 쌍을 이용한다. 또한 각 정사각형 평판 쌍극 아암(70a, b; 71a, b)들은 소정의 둘레와 깊이를 가지는 볼록 캐비티(convex cavity)(72a, b; 73a, b)들을 구비한다. 바람직하기로, 이 캐비티들은 일반적으로 입방 용적(cubic volume)을 가지지만, 고주파(FH) 대역 소자 성능을 위한 필요 성능을 제공하기 위해 원형 또는 타원형 곡선주(cylindroid) 등의 대체적인 형상 또는 형상들의 조합들도 사용될 수 있다. 캐비티 바닥면의 볼록부는 안테나 반사판(10)의 외향면(전면)(10a)에 근접한다.
이 도면에서는 생략된 고주파(FH) 대역 개구부에 결합된 패치 소자로부터의 후방 방사(back side radiation)를 방지하기 위해 네 캐비티(72a, b; 73a, b)가 사용된다. 각 캐비티의 기하학적 중심은 또한 각 FH 방사 소자(80a-d)와 이들의 각 분리 거리(dx3, dy3)의 중심점을 형성한다. y축 중심선(12a, b; 14a, b)들은 수직 대칭축(12, 14)에 대해 거리(dx3/2)만큼 편심(offset)된다. 마찬가지로 수평 x축 중심선(18a, b)들도 안테나 모듈 수평 대칭축(18)로부터 거리(dy3/2)만큼 편심된다. FH 대역 소자 구조의 더 구체적인 상세에 대해서는 후술할 것이다. FL 대역 쌍극 소자(70a, b, 71a, b)들은 FL 대역에서 방사하면서 FH 대역 소자들에 대해 후방 캐비티 차폐(back cavity shield)를 제공함으로써 FH 대역에서 제어된 방사 패턴을 제공한다.
도 3, 4 및 5를 참조하여, 이중 대역 안테나 모듈(20A-20E, 30A-30E)의 주 급전망(main feed network; 60)을 설명하기로 한다. 제1 바람직한 실시예에서, 주 급전망(60)은 그 사이의 길이 축을 따라 직교하게 위치하는 제1 및 제2 평판 구조(61a, 61b)를 구비한다. 제1 및 제2 평판 구조(61a, 61b)는 마이크로스트립 기판(microstrip substrate)을 형성하기에 적합한 유전 재질(64a, 64b)로 제조된다. 맞물린 X 구조가 형성될 수 있도록 각 유전 재질 기판(64a, b)에 슬롯(slot)이 형성된다. 각 평판 구조(61a, b)는 마이크로스트립 도전 측에 대향하는 연속적인 도전면(conductor plane) 측을 가지는 마이크로 스트립 기판으로 사용된다. 연속적인 도전면은 마이크로스트립 도선(62a-e, 63a-e)들에 접지 기준을 제공한다.
바람직하기로, 안테나 소자들과 RF 분배망 간의 마이크로스트립 도선(62a-e, 63a-e)들의 경로는 반사판(10)의 배면에 위치한다. 이와는 달리, 동축 케이블, 스트립 배선(strip line), 그리고 다른 전송 배선 기술들이 평판 유전 기판(61a, 61b)를 대신하여 사용될 수 있다. 아래 표 1은 각 마이크로스트립에 대한 신호 경로의 상세를 제공한다.
기판 마이크로스트립 안테나 소자 기능(대역, 편파)
61a 62a 80d HB +45
61a 62b 80d HB -45
61a 62c 70b, d LB +45
61a 62d 80b HB -45
61a 62e 80b HB +45
61b 63a 80c HB +45
61b 63b 80c HB -45
61b 63c 70a, c LB -45
61b 63d 80a HB -45
61b 63e 80a HB +45
J-급전망이 저주파 대역(FL)에 사용되는 평판 쌍극 소자에 결합하는데 사용된다. 고대역은 고주파 대역(FH) 동작에 사용되는 개구부 결합 패치에 결합된 안테나 소자에 급전한다. 윗변(64a, b)들은 쌍극 아암(70a, b; 71a, b)들의 대응 슬롯들을 통해 돌출한다. 복합적 용량 결합된(capacitively coupled) 접지 연결이, 네 개구부 결합 패치(ACP) 안테나 소자(80a-d)에 접지 기준을 제공하기 위한 주 급전망(60)의 제1 및 제2 평판 구조(61a, b)의 접지면과 조립 평판 쌍극 아암(70, 71) 사이의 구멍과 함께 상측 접지 패치(65a-d)를 통해 제공된다.
도 7에서, 이중 대역 안테나 모듈(20, 30)은 네 개구부 결합 패치(Aperture Coupled Patch; ACP) 안테나 소자(80a-d)를 구비한다. 명확성을 위해 개구부 급전 기판(81a-d) 상에 위치한 개구부(83a-d)와 디렉터 패치 소자(director patch element; 84a-d, 85a-d)들이 제거되어, 그 밑에 위치한 개구부 급전 기판(81a-d)를 바로 관찰할 수 있다. 네 고대역 ACP 소자(80a-d)들은 유사하게 구성되어 다음 설명들이 네 모든 ACP 안테나 소자들에 적용된다. 네 개구부 결합 패치(ACP) 안테나 소자(80a-d)들은 각 대응 쌍극 아암(70a, b; 71a, b)들의 외향면 상에 위치한다.
캐비티(72a, b; 73a, b)들은 ACP 소자들에 전방 및 후방 방사 패턴의 제어를 제공한다. 개구부 급전 기판(81a-d)은 저주파 대역(FL)에서 쌍극 성능 특성에 악영향을 미치지 않으므로, 바람직하기로 각 대응 쌍극 아암(70a, b; 71a, b)의 외향면과 동일면에 장착된다. 뿐만 아니라, 개구부 급전 기판은 네 개별적인 기판(81a-d)를 대신하여 통합된 재질(81)로 구성될 수도 있다.
도 8을 참조하여, RF 신호를 +45도 편파 채널과 -45도 편파 채널로 여기되도록 결합시키는 개구부 급전 기판(81a-d)의 상세에 대해 설명한다. 급전 도선 구조는개구부 급전 기판(81a)의 외향면에 위치하여 두 100옴(Ohm) 도선(88d, f; 89d, f)으로 분리되는 50옴 도선(87d, f)을 구비한다. 이 두 도선들이 유전 재질(82a-d) 상에 구성되며 개구부 급전 기판(81a) 상에 대칭으로 위치하는 개구부(83a)를 여기시킨다.
전체 주파수 범위에 걸쳐 입력 임피던스(input impedance)를 100옴으로 매칭(matching)시키기 위해 도선들은 개방 회로 스터브(stub)로 종단하고, 작은 크기의 대칭 용량 튜닝(symmetrical capacitive tuning; 88-89 t, s; 88q, r)들이 양 채널에 적용될 수 있다. 이중 편파 동작은 급전망(88a)과 함께 교차 형상의 개구부(83a)(도 7, 8에는 도시되지 않음)에 의해 제공된다. 이 급전 구조는 포트(63f, 63d) 간의 높은 절연과 전체 주파수 범위에 걸친 우수한 교차 편차를 위한 대칭을 제공한다. 양 편파 채널에 대한 급전(88d, f; 89d, f)들이 동일한 층에 위치하므로 마이크로 스트립 도선들이 서로 교차하는 위치에 공중 브리지(air bridge; 89j)가 구성될 필요가 있다. 패치들의 크기와 위치는 주파수 범위의 하부 및 상부 대역에서 우수한 성능을 나타내도록 선택된다.
방위각 빔폭을 제어하기 위해, 추가적인 디렉터 패치 소자(84a, 85a)들이 교차 형상 개구부(83a)로부터 외측 방향으로 위치한다. 인접 모듈들(20a-b; 20b-c; 30a-b; 30b-c 등등) 간의 극간 격리도(cross pole isolation)를 향상시키기 위해 복수의 수직 정렬(vertically aligned) 기생 공진 소자(parasitic resonating element; 103a-d)들이 공통의 수직 대칭축(12a, b; 14a, b)을 따라 LF 쌍극에 용량 결합된다.
본 발명에 있어서, 네 기생 공진 소자가 채택될 수 있지만, 임의의 적절한 수효가 사용될 수 있다. 이와는 달리, 복수의 수평 위치 기생 공진 소자(105a-d)들이 플라스틱 나사나 팝 리벳(pop rivet) 등의 비도전성 수단을 사용하여 인접 열의 모듈들(20a, 30a; 20b, 30b 등등) 간의 공통의 수평 대칭축(18a, 18b)를 따라 LF 쌍극에 용량 결합 및 기계적 부착될 수도 있다. 극간 절연 성능의 제공을 위해 수직 및 수평 정렬된 기생 공진 소자(103a-d 및 105a-d) 모두가 임의 수의 조합으로 구비될 수 있다.
도 8을 참조하여, RF 결합 포트로부터 방사 안테나 소자로 RF 급전하는 분배망의 상세를 설명한다. 도 8에는 안테나의 절반 - 좌측의 상세가 도시되어 있다. 안테나의 우측은 동일하게 구성되어, 짝이 되는 저주파 PL2, 고주파 PH3, PH4 대역 위상과 관련 배선을 포함한다.
제1 바람직한 실시예에서, 안테나는 고대역에 대해 4x4 MIMO, 저대역에 대해 2x2 MIMO로 구성된다. 전체 13개의 RF 인터페이스 포트(91-96 a, b)가 안테나의 바닥 박공(90)에 구비된다. 인터페이스 포트(91-96 a, b)는 내부적으로 해당 저대역(PL1, PL2) 및 고대역(PH1 to 4) 위상 변환기(phase shifter) - 전력 분배망(power dividing network)에 결합된다. 고정빔(fixed beam) 다운 틸트(down tilt)를 위해서는 고정된 위상 변환기 - 전력 분배망(PL1, 2; PH1 to 4)을 사용하는 것이 통례지만, 대체적인 가변 위상 변환기 망은 조정 가능한 빔 틸트를 제공할 수 있다. 안테나 좌반부에 대한 연결의 상세는 아래 표와 같은데, 우반부도 유사하게 구성된다.
도 9는 12포트 안테나 시스템에 사용되는 RF 신호 분배망의 절반을 보이는 개략도이다. 도 10은 통합 개구부 급전 기판의 상세를 보이는 고대역 안테나 소자의 평면도이다. 도 11은 기생 방사 소자의 위치의 상세를 보이는 안테나 모듈 소자의 사시도이다. 도 12는 네 쌍극 쌍을 사용하는 고대역(FH) 방사 소자의 다른 실시예를 구비하는 안테나 모듈의 사시도이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
대체적인 구성 역시 가능하다. 예를 들어 더 높은 게인의 2x2 MIMO도 가능하다.

Claims (12)

  1. 제1 주파수 대역(FL)과 제2 주파수 대역(FH)을 포함하는 적어도 두 공간 이격된 주파수 대역들에서 전자기 신호들을 수신 및 송신하기 위한 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조에 있어서,
    반사판(10)과;
    반사판으로부터 공간 이격되고 각각 대칭축(12, 14)에 대해 +45도 및 -45도 축에 배치되며, 제1 주파수 대역(FL)에서 한 선형 직교 편파를 송신및 수신하도록 동작하고 대략 네 사분면 배치를 형성하는 제1(71a, b) 및 제2(70a, b) 세트의 평판 안테나 소자;
    제1 및 제2 평판 안테나 소자들과 동일면 상에 근접하여 제2 주파수 대역(FH)에서 두 선형 직교 편파들을 송신 및 수신하도록 동작하고, 제1 및 제2 평판 안테나 소자들의 4 분면 내에 배치되는 제3 세트의 안테나 소자(80a-d);
    를 구비하며,
    평판 안테나 소자의 상기 제1(71a, b) 및 제2(70a, b) 세트와 네 안테나 소자(80a-d)의 상기 제3 세트가 함께 제2 주파수 대역(FH) 내에서 소정의 빔폭을 생성하는 것;
    을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    평판 안테나 소자의 제1(71a, b) 및 제2(70a, b) 세트들이 +45도 축, -45도축과 대칭축(12, 14)의 교차점에 근접한 꼭지점에 각 급전점을 형성하는 평판 쌍극(70, 71)을 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    평판 안테나 소자의 제1(71a, b) 및 제2(70a, b) 세트들이 볼록한 캐비티(73a, 72a, 73b, 72b)들을 가지며, 제1 및 제2 평판 안테나 소자(70a, b; 71a, b)의 네 사분면 구조 내에 위치하는 제1 편심 열(12a, 14a)과 제1 편심 행(18a)을 따라 배치된 고대역 안테나 소자들의 제1 서브셋(80a, d)과, 제2 편심 열(12b, 14b)과 제2 편심 행(18b)을 따라 배치된 고대역 안테나 소자들의 제2 서브셋(80b, c)을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    평판 안테나 소자의 제1(71a, b) 및 제2(70a, b) 세트들이 698 내지 960MHZ에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 송신 및 수신하기 위한 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    네 안테나 소자(80a-d0의 제3 세트가 1710 내지 2690MHz에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    평판 안테나 소자의 제1(71a, b) 및 제2(70a, b) 세트들이 제1 주파수 대역에서 24%보다 큰 대역폭과 50도 내지 38도 범위의 수평 빔폭으로 동작하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    네 안테나 소자(80a-d0의 제3 세트가 제1 주파수 대역에서 34%보다 큰 대역폭과 37도 내지 47도 범위의 수평 빔폭으로 동작하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  8. 제6항에 있어서,
    평판 안테나 소자의 제1 및 제2 세트의 두 직교 편파들의 상하 빔폭이 29도 내지 37도 범위인 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  9. 제7항에 있어서,
    네 안테나 소자들의 제3 세트의 상하 빔폭이 10도 내지 15도의 범위인 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    네 안테나 소자(80a-d)들의 제3 세트가 네 안테나 소자들의 복수의 그룹을 구비하고, 네 안테나 소자의 상기 한 그룹이 제1 및 제2 평판 안테나 소자들의 각 사분면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  11. 제1항에 있어서,
    네 안테나 소자들의 제3 세트가 평판 안테나 소자들의 제1 및 제2 세트에 의해 형성된 둘레 내에 위치하는 개구부 결합, 교차 편파 패치 안테나 소자 마이크로스트립의 사분면을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
  12. 제11항에 있어서,
    네 평판 안테나 소자들의 제3 세트와 4x4 복수 입력 복수 출력(MIMO) 동작을 제공하도록 구성된 송수신기 전단 사이에 결합된 안테나 소자 급전을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 이중 편파 안테나 모듈 구조.
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