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JP6408705B2 - 移動通信基地局アンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、移動通信システムに用いられる移動通信基地局アンテナに関し、特に、デュアルバンド(dual band)二重偏波構造のアンテナに好適に採用される移動通信基地局アンテナに関する。
移動通信システムに用いられる中継器を始めとする基地局アンテナは、様々な形態及び構造を有し得るが、通常、長さ方向に直立する少なくとも1つの反射板上に多数の放射素子が適切に配置されている構造を有する。
近年、基地局アンテナに対する小型化及び軽量化の要求に応えるべく、様々な研究が行われている。その中でも、デュアルバンド二重偏波構造のアンテナの場合、例えば、700/800MHz帯の低周波数帯の第1の放射素子に、例えば、次世代無線サービス(AWS:Advanced Wireless Service)帯または2GHz帯の高周波数帯の第2の放射素子を積層(stack)した構造のアンテナが開発されている。
かかるアンテナは、例えば、パッチ(patch)型の第1の放射素子上に、パッチ型またはダイポール(dipole)型の第2の放射素子が設けられた積層構造の第1、第2の放射素子を有することができる。このような積層構造の第1、第2の放射素子は、第1の周波数帯の放射素子の配列を満たすための間隔で、多数個が反射板上に配置された構造を有することができる。
また、このように多数個が設けられた積層構造の第1、第2の放射素子の間には、該当第2の周波数帯の放射素子の配列を満たすために、第2の放射素子が反射板上にさらに設けられる構造を有する。このような配置方式により、全体的に小型化を満たすとともに、アンテナ利得を得ることができる。
図1は従来のデュアルバンド二重偏波構造の移動通信基地局アンテナの一例を示す平面図であり、図2は図1のA‐A´部分を透過した断面図である。図1及び図2を参照して、第1の放射素子に第2の放射素子が積層された構造を有するアンテナについて説明すると、第1の周波数帯(例えば、700/800MHz帯)のパッチ型第1の放射素子11、12が反射板1の上面に一定間隔で配置されている。また、第2の周波数帯(例えば、AWS帯)のダイポール型第2の放射素子21、22、23、24は、前記第1の放射素子11、12に積層されるか、または第1の放射素子11、12の間で反射板1の上面に直接設けられる。
それぞれの第1の放射素子11、12は、上部パッチ板11‐2、12‐2及び下部パッチ板11‐1、12‐1で構成される。下部パッチ板11‐1、12‐1は、反射板1を貫通する給電ケーブル112を介して、反射板1の後面に付着されている給電用導体パターンが形成された回路基板111と連結される。また、前記第1の放射素子11、12に積層された第2の放射素子21、22は、反射板1、及びそれに設けられた第1の放射素子11、12の上部及び下部パッチ板11‐1、11‐2を貫通する給電ケーブル212を介して給電網と連結される。
基地局アンテナは、その他にも、前記放射素子が設けられる反射板1及び内部の送受信信号の処理のための各種信号処理装備を全体的に囲む筒状に構成されるレドーム(不図示)と、前記反射板1の上下部をそれぞれ固定し、前記筒状のレドームの上下開放部を密封する上部キャップ及び下部キャップ(不図示)と、を備えることができる。
一方、図3は図1の第1の放射素子の給電構造を示した図であって、図3の(a)は平面図であり、図3の(b)は背面図である。説明の便宜のために、図3では、第1の放射素子のうち1つの下部パッチ板11‐1及び給電用導体パターンが形成された回路基板111を示しており、その他の構成は省略した。図1〜図3を参照すると、第1の放射素子11の下部パッチ板11‐1は、反射板1を貫通する給電ケーブル112を介して、反射板1の裏面に付着されている回路基板111と連結される。すなわち、第1の放射素子の給電用導体パターンは回路基板111上で印刷方式により形成され、回路基板111において給電ポイントa〜dと、下部パッチ板11‐1の給電ポイントa〜dとは、給電ケーブル112を介して連結される構造を有する。
この際、例えば、給電ポイントaに比べて、それと対角線方向に位置する給電ポイントcでの送信信号が180度位相遅延され、同様に、給電ポイントbに比べて、それと対角線方向に位置する給電ポイントdでの送信信号も180度位相遅延されるように、回路基板111で給電用導体パターンが形成される。これにより、第1の放射素子の下部パッチ板11‐1において、給電ポイントa、c及び給電ポイントb、dで互いに直交する二重偏波が発生することになる。
一方、第1の放射素子の上部パッチ板11‐2は、放射特性を最適化するために設けられるものであって、下部パッチ板11‐1と絶縁されるように、プラスチック素材などの支持台(図2の参照番号130など)を用いて設けられる。
上述の構造を有する基地局アンテナに関する技術としては、本出願人による先出願である韓国特許出願第10‐2009‐0110696号(名称:互いに異なる平面に配置される放射素子の設置方法及びそれを用いたアンテナ、発明者:ムン・ヨンチャン外4人、出願日:2009年11月17日)に開示されたものが挙げられる。
ところでが、前記特許出願第10‐2009‐0110696号にも開示されているように、パッチ型の第1の放射素子11にダイポール型の第2の放射素子21が積層される構造は、比較的複雑な構造を有し、第1の放射素子11及び第2の放射素子21を支持及び固定するための別の追加的な附属品が比較的多く必要である。また、この場合、パッチ型の第1の放射素子11に給電するための回路基板111は反射板1の後面に設けられ、また、第1の放射素子11に積層された第2の放射素子21の給電線路(例えば、給電ケーブル)がさらに前記回路基板111を貫通する形態などで設けられなければならないため、反射板1の後面にそれを設けるための空間が比較的多く必要となる。また、その他にも、反射板1の後面に設けられる位相シフタなどを始めとする各種信号処理装備の設置空間が制約され得る。そのため、全体的な基地局アンテナのサイズが大きくなるという問題があった。
したがって、本発明の目的は、パッチ型の放射素子にダイポール型の放射素子を積層可能なより簡単な構造を提供することにあり、特に、給電構造を改善して全体的なアンテナの構造を最適化するための移動通信基地局アンテナを提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によると、移動通信基地局アンテナであって、反射板と、前記反射板上に設けられるパッチ型の第1の放射素子と、前記第1の放射素子に積層されるように設けられるダイポール型の第2の放射素子と、前記反射板上において、前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子が設けられる面と同一面に設けられ、前記第1の放射素子に給電信号を提供するための給電用導体パターンが形成された給電用回路基板と、を含むことを特徴とする。
上記のように、本発明の実施形態による移動通信基地局アンテナは、非常に簡単な構造を有して、パッチ型の放射素子にダイポール型の放射素子を積層可能とするとともに、給電構造を改善して、反射板の後面空間の活用度を広げることができるなど、全体的なアンテナの構造を最適化することができる。
従来のデュアルバンド二重偏波構造の移動通信基地局アンテナの一例を示す平面図である。 図1のA‐A´部分を透過した断面図である。 図1の第1の放射素子の給電構造を示した平面図及び背面図である。 本発明の第1実施形態によるデュアルバンド二重偏波構造の移動通信基地局アンテナの斜視図である。 図4の側面図である。 図4の第1の放射素子の給電方式を概略的に示した図である。 図4の第1の放射素子と第2の放射素子との結合方式の第1の例を示す構造図である。 図4の第1の放射素子と第2の放射素子との結合方式の第2の例を示す構造図である。 本発明の第2実施形態によるデュアルバンド二重偏波構造の移動通信基地局アンテナの斜視図である。 図9の側面図である。 図9の信号カップリング用回路基板の詳細構造図である。
以下、本発明による好ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。下記説明において、具体的な構成素子などの特定事項が示されているが、これは、本発明のより全体的な理解のために提供されたものに過ぎず、このような特定事項が本発明の範囲内で変形または変更され得ることは、この技術分野において通常の知識を有する者にとって自明である。また、添付図面において、同一の構成要素には、できるかぎり同一の参照符号を付す。
図4は本発明の第1実施形態によるデュアルバンド二重偏波構造の移動通信基地局アンテナの平面図であり、図5は図4の側面図である。図4及び図5では、説明の便宜のために、本発明の第1実施形態によるパッチ型の第1の放射素子14にダイポール型の第2の放射素子13が積層される構造を1つのみ示した。この際、さらに、ダイポール型の放射素子(不図示)が、前記積層された構造の放射素子の間で反射板1上に直接設けられることができる。
図4及び図5を参照すると、本発明の第1実施形態による基地局アンテナは、反射板1と、反射板1上に設けられるパッチ型の第1の放射素子14と、第1の放射素子14に積層されるように設けられるダイポール型の第2の放射素子13と、前記第1の放射素子14及び第2の放射素子13を支持するバルーン支持体134、144と、を含んで構成される。
パッチ型の第1の放射素子14は、該当基地局アンテナの送信周波数帯のうち、例えば、第1の帯域に該当する周波数帯の無線周波数を発生するための予め設定されたサイズに設計され、金属材質の四角板状に形成されるパッチ板140と、前記パッチ板140の下部で、該当パッチ板140に給電信号を提供する多数の第1の給電線路142と、を含んで構成される。この第1の給電線路142は、全体的にX字状に配置され、前記パッチ板140にそれぞれカップリング方式により給電信号を提供する多数、すなわち、4つの給電信号カップリング用ストリップライン構造を有することができる。このような多数の第1の給電線路142を形成する信号カップリング用ストリップラインは、パッチ板140にカップリング方式により給電信号を提供するために、該当カップリング信号伝達部位がパッチ板140との適切な離間距離を有するように、反射板1上において比較的高い位置を維持するように設けられる。この際、多数の信号カップリング用ストリップラインの設置状態を支持及び固定するために、例えば、テフロン(登録商標)などの合成物質で形成された適切な形態の支持物148がさらに設けられる。
ダイポール型の第2の放射素子13は、該当基地局アンテナの送信周波数帯のうち、例えば、第2の帯域に該当する周波数帯の無線周波数を発生するための予め設定された構造の多数の放射アーム130を含んで設計される。このようなダイポール型の第2の放射素子13の放射アーム130の構造は、通常のダイポール型アンテナに適用される様々な放射アームの構造をそのまま採用して構成することができる。
バルーン支持体134、144は、前記パッチ型の第1の放射素子14を支持する下部バルーン支持体144と、前記ダイポール型の第2の放射素子13を支持する上部バルーン支持体134と、に区分して構成されることができる。この際、第2の放射素子13に給電するための給電信号は、通常のダイポール型の放射素子の給電方式と同様に第2の給電線路132を介して提供されることができる。第2の給電線路132は、通常のダイポール型の放射素子の給電方式と同様に、給電ケーブル構造や信号カップリング用ストリップライン構造で構成されることができる。このような第2の給電線路132は、反射板1(及び前記第1の放射素子14)に形成された貫通孔を介して反射板1の後面まで延び、反射板1の後面において図5のaで示したような地点で、給電ケーブルと連結される構成を有することができる。
上記の構成で、前記パッチ型の第1の放射素子14にカップリング方式により給電信号を提供する4つの信号カップリング用ストリップラインのそれぞれは、本発明の特徴によって、給電用導体パターンが形成された給電用回路基板16を介してそれぞれ給電信号が提供されるように給電経路が形成される。このような給電経路は同様にストリップラインで構成されることができる。
この際、本発明の特徴によると、給電用回路基板16は、反射板1の後面ではなく、該当放射素子が設けられる反射板1の前面における適切な領域に固定されるように設けられる。給電用回路基板16を反射板1に固定されるように設けることは、ねじ締結構造や半田付けなどの方式を適用して行うことができる。通常、反射板1の前面には、放射素子の設置空間の間に比較的広い空き領域がある。したがって、前記給電用回路基板16を設けるための空間確保に格別の困難性がなく、さらなる設置空間が不要である。
図6は図4の第1の放射素子の給電方式を概略的に示した図であって、図6をさらに参照して給電用回路基板16で給電用導体パターンが形成される方式を説明すると、パッチ板140の下部で若干離隔してX字状に配置される4つの第1の給電線路142、すなわち、4つの信号カップリング用ストリップラインのうち互いに対角線方向に位置したストリップライン同士が対を成し、X字状の二重偏波の一偏波をそれぞれ発生するように構成される。
これにより、給電用回路基板16上では、互いに対を成す信号カップリング用ストリップライン同士が給電信号を分配して提供するように給電パターンが形成される。この際、何れか一対の信号カップリング用ストリップラインの間に伝達される給電信号が互いに180度の位相差を有するように、給電用回路基板16上に適切な長さ及びパターンの給電パターンが形成される。同様に、他の対の信号カップリング用ストリップラインの間に伝達される給電信号も互いに180度の位相差を有するように、給電用回路基板16の給電パターンが形成される。
図7は図4の第1の放射素子と第2の放射素子との結合方式の第1の例を示す構造図である。図7を参照すると、第1の放射素子14と第2の放射素子13を支持及び結合するバルーン支持体134、144が、全体的に1つの構造物として一体型に形成されることができる。このように一体型に形成されるバルーン支持体134、144の断面と対応する形態の貫通孔が第1の放射素子14の中央に形成され、これを介してバルーン支持体134、144が挿入される形態で設けられることができる。この際、第2の放射素子13は、バルーン支持体134、144にねじ結合などにより固定されるように設けられることができる。図7の例では、第2の放射素子13を適正位置に固定されるように支持する追加の支持構造物202が提供されることが示されており、このような支持構造物により、第2の放射素子13がねじ結合などによりバルーン支持体134、144に固定されるように構成することもできる。このような構造は、第1の放射素子14と第2の放射素子13を積層して設ける際に非常に便利な構造であることが分かる。
図8は図4の第1の放射素子と第2の放射素子との結合方式の第2の例を示す構造図である。図8を参照すると、第1の放射素子14と第2の放射素子13を支持及び結合するバルーン支持体134、144が、上部バルーン支持体134と下部バルーン支持体144とに別に形成されることもできる。すなわち、下部バルーン支持体144は第1の放射素子14を固定されるように支持し、上部バルーン支持体134は、この第1の放射素子14上に固定されるように設けられることができる。この際、上部バルーン支持体134は、第1の放射素子14上にねじ結合などにより固定されるように設けられることができる。図8の例では、上部バルーン支持体134を第1の放射素子14上で固定されるように支持する追加の支持構造物204が提供されることが示されている。
上記のように、図4〜図8に示された本発明の第1実施形態による基地局アンテナの構造は、パッチ型の第1の放射素子14にダイポール型の第2の放射素子13が積層される構造が、比較的簡単な構造を有し、例えば、一体型に形成されるバルーン支持体144、134を用いて第1の放射素子14及び第2の放射素子13を簡単に支持及び固定することができる。
また、この場合、パッチ型の第1の放射素子14に給電するための給電用回路基板16が反射板1の前面に設けられるため、反射板1の後面には、従来に比べて余裕空間が比較的生じることになる。これにより、全体的なアンテナのサイズをより最適化することができ、反射板1の後面に設けられる位相シフタなどを始めとする各種信号処理装備の設置空間を容易に確保することができる。
図9は本発明の第2実施形態によるデュアルバンド二重偏波構造の移動通信基地局アンテナの斜視図であり、図10は図9の側面図であり、図11は図9の信号カップリング用回路基板の詳細構造図である。図9〜図11を参照すると、本発明の第2実施形態による基地局アンテナは、上記の図4〜図8に示された第1実施形態の構造と同様に、反射板1と、反射板1上に設けられるパッチ型の第1の放射素子14と、第1の放射素子14に積層されるように設けられるダイポール型の第2の放射素子13と、を含んで構成される。この際、第2の放射素子13は、第1実施形態の構造と類似に、バルーン支持体136により支持される構造を有することができるが、第2実施形態による第1の放射素子14は、信号カップリング用回路基板344:344‐1、344‐2により支持される構造を有する。
すなわち、パッチ型の第1の放射素子14の該当周波数帯の無線周波数を発生するパッチ板140は、直立する形態で結合され、全体的な平面形態がX字状に設けられた信号カップリング用回路基板344により支持されるように構成されることができる。図11により詳細に示されたように、信号カップリング用回路基板344は、直立する長方形状の2つの回路基板、すなわち、第1の信号カップリング用回路基板344‐1と第2の信号カップリング用回路基板344‐2とが互いに結合し、相互直立する形態を保持するように構成されることができる。この際、第1及び第2の信号カップリング用回路基板344‐1、344‐2には、互いに係止するように形成される溝構造が、互いに対応する側面の中央地点に形成されている。このような溝構造により、相互結合状態をより強固に保持することができる。
一方、このような構造の他にも、信号カップリング用回路基板344は、別に製作された4つの回路基板を互いに結合して構成することができる。例えば、長方形状の4つの回路基板を直立状態で一基準点で互いに固定されるように付着することで、全体的な平面形態がX字状を有するように構成することができる。
このような信号カップリング用回路基板344において、X字状のそれぞれの端部に該当する回路基板には、前記パッチ板140にそれぞれカップリング方式により給電信号を提供する多数の信号カップリング用線路パターン342が印刷される。このような信号カップリング用線路パターンを介してパッチ板140にカップリング方式により給電信号を提供するために、該当カップリング信号の伝達部位がパッチ板140との適切な離間距離を有するように、信号カップリング用線路パターン342の形態及び信号カップリング用回路基板344のサイズなどが適切に設計される。この際、信号カップリング用回路基板344の設置状態を支持及び固定するために、例えば、テフロンなどの合成物質で形成された適切な形態の支持物(不図示)がさらに設けられることができる。
一方、ダイポール型の第2の放射素子13は、従来の構造と類似に、該当周波数帯の無線周波数を発生する多数の放射アーム130を備えることができる。また、バルーン支持体136も従来と類似の構造を有することができ、第1の放射素子14のパッチ板140上に固定されるように設けられることができる。この際、バルーン支持体136は、第1の放射素子14上にねじ結合などにより固定されるように設けられることができる。
この際、第2の放射素子13に給電するための給電信号は、通常のダイポール型の放射素子の給電方式と同様に、別の給電線路132を介して提供されることができる。この際、第2の放射素子13の給電線路132は、図9〜図11に示されたように、前記信号カップリング用回路基板344における前記信号カップリング用線路パターン342とともに、適切な部位に形成される信号伝達用線路パターン346を介して給電信号が提供されるように構成されることができる。
このような信号伝達用線路パターン346の下端部が形成される回路基板の部位は、反射板1の対応する部位に形成された貫通孔を介して反射板1の後面まで延びる形態を有し、反射板1の後面で、例えば、給電ケーブルと連結される構成を有することができる。また、同様に、前記信号伝達用線路パターン346の上端部が形成される回路基板の部位は、第1の放射素子14(のパッチ板140)の対応する部位に形成された貫通孔を介して第1の放射素子14の上部まで延びる形態を有し、反射板1の後面で、例えば、給電ケーブルと連結される構成を有することができる。
上記の構造をさらにみると、信号伝達用回路基板344により、第1の放射素子14を支持することができるとともに、第1の放射素子14だけでなく第2の放射素子13にも同時に給電信号を伝達することができる構造であることが分かる。このような構造は、第1の放射素子14の支持構造を実現するとともに、第1及び第2の放射素子14、13の複雑な給電構造を単純化することができる。
上記の構成において、前記パッチ型の第1の放射素子14にカップリング方式により給電信号を提供する信号カップリング用回路基板344におけるそれぞれの4つの信号カップリング用線路パターン342は、それぞれ、前記第1実施形態の構造と同様に、本発明の特徴による給電用導体パターンが形成された給電用回路基板16を介してそれぞれ給電信号が提供されるように給電経路が形成される。このような給電経路は、同様に、ストリップラインで構成されることができる。また、前記給電用回路基板16において、4つの信号カップリング用線路パターン342のそれぞれに対する給電方式は、前記第1実施形態の構造と同様に実現される。
上記のように、本発明の一実施形態による移動通信基地局アンテナが構成されることができる。一方、上記の本発明の説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形が実施されることができる。
例えば、上記の説明では、第2の放射素子の構造の一例を開示しているが、第2の放射素子に対しては、従来の何れのタイプや種類の構造を殆ど設計変更なしにそのまま本発明の構造に採用することができる。
また、上記の説明では、第2の放射素子の給電線路が反射板の後面に設けられると説明したが、その他にも、第2の放射素子の給電線路が反射板の前面に設けられてもよい。
また、上記で説明した各種構造物の他にも、特に第2実施形態の構造では、該当第1の放射素子のパッチ板をさらに安定して固定及び支持するための追加的な支持構造物が提供されてもよい。

Claims (6)

  1. 移動通信基地局アンテナであって、
    反射板と、
    前記反射板上に設けられるパッチ型の第1の放射素子と、
    前記第1の放射素子に積層されるように設けられるダイポール型の第2の放射素子と、
    前記反射板の一側において前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子が設けられる面と同一面に設けられ、前記第1の放射素子に給電信号を提供するための給電用導体パターンが形成された給電用回路基板と、を含み、
    前記第1の放射素子は、
    一定周波数帯の無線周波数を発生するために予め設定されたサイズの板状に形成されたパッチ板と、
    前記パッチ板の下部に、一定間隔を置いて位置して全体的にX字状に配置され、前記パッチ板にそれぞれカップリング方式により給電信号を提供する多数の信号カップリング用ストリップラインで構成される給電線路と、を含み、
    前記給電用回路基板は、前記多数の信号カップリング用ストリップラインにそれぞれ給電信号を提供することを特徴とする、基地局アンテナ。
  2. 前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子を支持するバルーン支持体を含み、
    前記バルーン支持体が全体的に一体型に形成されることを特徴とする、請求項に記載の基地局アンテナ。
  3. 移動通信基地局アンテナであって、
    反射板と、
    前記反射板上に設けられるパッチ型の第1の放射素子と、
    前記第1の放射素子に積層されるように設けられるダイポール型の第2の放射素子と、
    前記反射板の一側において前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子が設けられる面と同一面に設けられ、前記第1の放射素子に給電信号を提供するための給電用導体パターンが形成された給電用回路基板と、を含み、
    前記第1の放射素子は、
    該当周波数帯の無線周波数を発生するための予め設定されたサイズに設計され、金属材質の四角板状に形成されるパッチ板と、
    直立する形態で結合され、全体的な平面形態がX字状に設けられて前記パッチ板を支持する信号カップリング用回路基板と、を含み、
    前記信号カップリング用回路基板において、前記X字状のそれぞれの端部に該当する部位には、前記パッチ板にそれぞれカップリング方式により給電信号を提供する多数の信号カップリング用線路パターンが印刷されており、
    前記給電用回路基板が前記多数の信号カップリング用線路パターンにそれぞれ給電信号を提供することを特徴とする、基地局アンテナ。
  4. 前記信号カップリング用回路基板には、前記第2の放射素子に給電信号を伝達するための信号伝達用線路パターンが印刷されることを特徴とする、請求項に記載の基地局アンテナ。
  5. 前記給電用回路基板には、互いに対角線方向に位置した前記信号カップリング用ストリップライン同士が対を成して給電信号を分配し、前記対を成す信号カップリング用ストリップラインの間に伝達される給電信号が互いに180度の位相差を有するように、給電パターンが形成されることを特徴とする、請求項1または2に記載の基地局アンテナ。
  6. 前記給電用回路基板には、互いに対角線方向に位置した前記信号カップリング用線路パターン同士が対を成して給電信号を分配し、前記対を成す信号カップリング用線路パターンの間に伝達される給電信号が互いに180度の位相差を有するように、給電パターンが形成されることを特徴とする、請求項3または4に記載の基地局アンテナ。
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