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KR100646850B1 - Planar Array Antenna with Spherical Beam Pattern - Google Patents

Planar Array Antenna with Spherical Beam Pattern Download PDF

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KR100646850B1
KR100646850B1 KR1020040054375A KR20040054375A KR100646850B1 KR 100646850 B1 KR100646850 B1 KR 100646850B1 KR 1020040054375 A KR1020040054375 A KR 1020040054375A KR 20040054375 A KR20040054375 A KR 20040054375A KR 100646850 B1 KR100646850 B1 KR 100646850B1
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array antenna
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distribution means
spherical
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김창주
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한국전자통신연구원
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

본 발명은 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나에 관한 것임.The present invention relates to a planar array antenna having a spherical beam pattern.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제2. The technical problem to be solved by the invention

본 발명은 수동 다단자망을 이용한 평면 배열 구조를 통하여 안테나의 빔이 구형 패턴을 갖도록 함으로써 인접 셀과의 빔 간섭을 감소시키고 원하는 빔 지향 범위 내에서 균일한 이득 특성과 낮은 사이드 로브 특성을 갖는 평면 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.According to the present invention, a planar array structure using a passive multi-terminal network has a rectangular pattern so that the beam of the antenna has a spherical pattern, thereby reducing beam interference with adjacent cells, and having a planar array having uniform gain characteristics and low side lobe characteristics within a desired beam directing range. The purpose is to provide an antenna.

3. 발명의 해결방법의 요지3. Summary of Solution to Invention

외부로부터 입력받은 신호를 동일한 전력 및 위상을 갖는 신호로 분배하여 출력하기 위한 입력전력분배수단; 상기 입력전력분배수단으로부터 입력받은 신호를 소정의 구형 빔 패턴 급전 요구 조건을 만족하도록 전력을 분배하고 위상을 제어하여 출력하기 위한 제1분배수단; 상기 제1분배수단으로부터 입력받은 신호를 동일한 전력 및 위상을 갖는 신호로 분배하여 출력하기 위한 제2분배수단; 및 상기 제2분배수단으로부터 입력받은 신호를 자유공간으로 방사하기 위한 방사수단을 포함함.Input power distribution means for distributing and outputting a signal received from the outside into a signal having the same power and phase; First distributing means for distributing electric power and controlling a phase of the signal received from the input electric power distributing means so as to satisfy a predetermined rectangular beam pattern power supply requirement; Second distributing means for distributing and outputting a signal received from the first distributing means into a signal having the same power and phase; And radiating means for radiating a signal received from the second distribution means to the free space.

4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention

본 발명은 이동 통신 기지국 안테나 등에 이용됨.The present invention is used for a mobile communication base station antenna and the like.

구형 빔 패턴, 배열 안테나, 마이크로스트립 방사소자, 180도 하이브리드 링 결합기, 윌킨슨 전력 분배기Spherical Beam Pattern, Array Antenna, Microstrip Radiator, 180 Degree Hybrid Ring Combiner, Wilkinson Power Divider

Description

구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나{Planar Array Antenna with Flat-Topped Element Pattern} Plane Array Antenna with Flat-Topped Element Pattern             

도 1a는 본 발명이 적용되는 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예를 나타내는 예시도,Figure 1a is an exemplary view showing an embodiment of a planar array antenna having a rectangular sector beam pattern to which the present invention is applied,

도 1b는 본 발명이 적용되는 일실시예로서 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 방위각 방향에서의 빔 커버리지를 나타내는 예시도,1B is an exemplary diagram illustrating beam coverage in the azimuth direction of a planar array antenna having a spherical sector beam pattern as an embodiment to which the present invention is applied;

도 2a는 본 발명이 적용되는 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 다른 실시예를 나타내는 예시도,2A is an exemplary diagram showing another embodiment of a planar array antenna having a spherical sector beam pattern to which the present invention is applied;

도 2b는 본 발명이 적용되는 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나 실시예의 빔 커버리지를 나타내는 예시도,2B is an exemplary diagram showing beam coverage of a planar array antenna embodiment having a spherical sector beam pattern to which the present invention is applied;

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 방위각 방향으로 배열된 16 안테나 배열 소자들의 요구 진폭 및 위상 분포를 나타내는 그래프,3 is a graph showing the required amplitude and phase distribution of the 16 antenna array elements arranged in the azimuth direction according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예 구성도,4 is a configuration diagram of an embodiment of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 동축 급전을 갖는 방사 소자의 일실시예 상세 구조를 나타내는 정면도 및 단면도,5 is a front view and a cross-sectional view showing a detailed structure of one embodiment of a radiating element having a coaxial feed according to the present invention;

도 6a는 본 발명에 따른 행 분배기의 일실시예 상세 구조도,6A is a detailed structural diagram of one embodiment of a row distributor according to the present invention;

도 6b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제작된 방사 소자 및 행 분배기 외형도,Figure 6b is an appearance of the radiating element and the row divider manufactured in accordance with a preferred embodiment of the present invention,

도 7a는 본 발명에 따른 열 분배기의 일실시예 상세 구조도,7A is a detailed structural diagram of an embodiment of a heat distributor according to the present invention;

도 7b는 본 발명에 따른 180o 링 하이브리드 결합기 소자의 일실시예 예시도,7B illustrates an embodiment of a 180 o ring hybrid coupler device in accordance with the present invention;

도 7c는 본 발명의 바람직한 일실시예 따라 제작된 열 분배기 외형도,7C is an external view of a heat distributor manufactured according to one preferred embodiment of the present invention;

도 8a는 본 발명에 따른 입력 전력 분배기의 일실시예 상세 구조도,8A is a detailed structural diagram of an embodiment of an input power divider according to the present invention;

도 8b는 본 발명의 바람직한 일실시예 따라 제작된 입력 전력 분배기 외형도,8b is an external view of an input power divider manufactured according to an embodiment of the present invention;

도 9는 본 발명에 따른 평면 배열 안테나의 상대적인 전력비와 위상차를 보정하기 위한 실험 보정 장치,9 is an experimental correction device for correcting the relative power ratio and phase difference of the planar array antenna according to the present invention,

도 10a는 본 발명에 따른 90o 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예 전면을 나타내는 예시도,10A is an exemplary view showing a front surface of an embodiment of a planar array antenna having a 90 o spherical beam pattern according to the present invention;

도 10b는 본 발명에 따른 90o 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예 후면을 나타내는 예시도,Figure 10b is an exemplary view showing the back of one embodiment of a planar array antenna having a 90 o spherical beam pattern according to the present invention,

도 11a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 방위각 방향에서의 주편파 및 교차 편파 방사 패턴 특성(주파수는 1.920 GHz)에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능을 비교한 그래프,FIG. 11A is a graph comparing measurement and simulation performance of principal polarization and cross polarization radiation pattern characteristics (frequency is 1.920 GHz) of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.

도 11b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 방위각 방향에서의 주편파 및 교차 편파 방사 패턴 특성(주파수는 2.045 GHz)에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능을 비교한 그래프,FIG. 11B is a graph comparing measurement and simulation performances of principal polarization and cross polarization radiation pattern characteristics (frequency is 2.045 GHz) in the azimuth direction of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to an embodiment of the present invention;

도 11c는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 방위각 방향에서의 주편파 및 교차 편파 방사 패턴 특성(주파수는 2.170 GHz)에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능을 비교한 그래프,11C is a graph comparing measurement and simulation performance of principal polarization and cross polarization radiation pattern characteristics (frequency is 2.170 GHz) in azimuth direction of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to an embodiment of the present invention;

도 12a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 앙각 방향에서의 주편파 방사 패턴 특성(주파수는 1.920 GHz)에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능을 비교한 그래프,12A is a graph comparing measurement and simulation performance of a polarization radiation pattern characteristic (frequency is 1.920 GHz) in an elevation angle of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to an embodiment of the present invention;

도 12b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 앙각 방향에서의 주편파 방사 패턴 특성(주파수는 2.045 GHz)에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능을 비교한 그래프,12B is a graph comparing measurement and simulation performance of a polarization radiation pattern characteristic (frequency is 2.045 GHz) in an elevation angle of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to an embodiment of the present invention;

도 12c는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 앙각 방향에서의 주편파 방사 패턴 특성(주파수는 2.170 GHz)에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능을 비교한 그래프이다.12C is a graph comparing measurement and simulation performance of a polarization radiation pattern characteristic (frequency is 2.170 GHz) in an elevation angle of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to an exemplary embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

10 : 동축 급전 마이크로스트립 방사 소자(RA #1 ~RA #4)10: coaxial feed microstrip radiating element (RA # 1 to RA # 4)

20 : 1-4 행 분배기(CD #1 ~ CD #8)20: 1-4 row divider (CD # 1 to CD # 8)

30 : 1-8 열 분배기 블록(RD #1 ~ RD #4)30: 1-8 heat splitter block (RD # 1 to RD # 4)

40 : 1-4 입력 전력 분배기(IPD)40: 1-4 Input Power Divider (IPD)

RH1 ~ RH7 : 180o 링 하이브리드 결합기 소자RH1 to RH7: 180 o ring hybrid coupler element

Z1, Z2 : 하이브리드 결합기 소자의 전송선로의 특성 임피이던스Z 1 , Z 2 : Characteristic impedance of transmission line of hybrid coupler element

E1 ~ E3 : 하이브리드 결합기 소자의 전송선로의 전기적인 길이E 1 ~ E 3 : Electrical length of transmission line of hybrid coupler element

60 : 50Ω 종단 소자(T1 #1 ~ T1 #3, T2 #1 ~ T2 #7)60: 50Ω termination element (T1 # 1 to T1 # 3, T2 # 1 to T2 # 7)

본 발명은 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 섹터 기지국 안테나 시스템에 적용 가능한 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a planar array antenna having a spherical beam pattern, and more particularly, to a planar array antenna having a spherical beam pattern applicable to a multi-sector base station antenna system.

종래의 기지국 안테나 시스템에는 일반적인 정형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나가 사용되고 있다. In the conventional base station antenna system, an array antenna having a general shaped beam pattern is used.

하지만, 향후 유동적인 트래픽 조절 및 최대 용량의 증가를 위해 기지국 안테나 시스템에 기존의 3섹터 빔(120o)보다 많은 수의 섹터 빔이 적용될 경우, 일반적인 정형 빔 패턴을 갖는 종래의 배열 안테나는 좁아진 빔 폭과 인접 빔과의 크로스오버(Cross-over) 문제 때문에 적용이 곤란하다.However, when more sector beams than conventional three sector beams 120 o are applied to the base station antenna system in order to increase traffic capacity and increase maximum capacity in the future, the conventional array antenna having a general shaped beam pattern becomes narrower. The application is difficult because of the cross-over problem between the width and the adjacent beam.

따라서, 이동 통신 기지국 안테나 시스템은 다양한 빔 형태와 다양한 이득을 갖는 많은 독립적인 빔을 제공할 수 있고, 빔 폭내에서는 균일한 이득 그리고 빔 가장자리에서는 급격히 떨어지는 이득을 제공할 수 있는 낮은 사이드 로브 특성을 갖는 안테나가 적용되어야 한다.Thus, the mobile communication base station antenna system can provide many independent beams with various beam shapes and various gains, and has low side lobe characteristics that can provide uniform gain within the beam width and sharp drop off beam edges. Antennas should be applied.

일반적으로 구형 섹터 빔 패턴은 패턴 특성상 낮은 안테나 개구면 효율과 낮은 사이드 로브 레벨 특성을 보여주므로, 다중 섹터 빔을 갖는 안테나 시스템에 적합하다.In general, the spherical sector beam pattern shows low antenna aperture efficiency and low side lobe level characteristics in terms of pattern characteristics, and thus is suitable for an antenna system having a multi-sector beam.

종래의 구형 빔 패턴을 구현 하는 기술로는 수동 다단자 망을 이용한 배열 구조, 결합 이중 모드 도파관을 이용한 배열 구조, 수동 반동 부하 소자 배열 구조, 유사 광학망을 이용한 배열 구조, 돌출 유전체 막대를 이용한 배열 구조 그리고 최근에 발표되고 있는 다층 원형 도체 배열 구조가 있는데, 이 중 60o~90o 의 구형 빔 패턴 폭과 같이 비교적 넓은 구형 빔 패턴을 얻을 때 유리한 구조인 수동 다단자 망으로 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나를 구현하는 것이 바람직하다.Conventional spherical beam pattern implementation techniques include an array structure using passive multi-terminal networks, an array structure using coupled dual-mode waveguides, a passive reaction load element array structure, an array structure using similar optical networks, and an array using protruding dielectric bars. There is also a recently announced multi-layer circular conductor array structure, of which a passive multi-terminal network, which is advantageous when obtaining a relatively large spherical beam pattern such as a spherical beam pattern width of 60 o to 90 o , has a spherical beam pattern. It is desirable to implement an array antenna.

한편, 구형 빔 패턴을 얻기 위하여 안테나 개구면의 전류 분포를 분배하기 위한 종래의 진폭 제어 방법으로 이차원적 급전회로를 구현하는 것은, 위상 성분은 0o 또는 180o로 변하며 상대적으로 진폭 성분 변화도 심하기 때문에, 급전회로가 복잡해 진다는 문제가 있다.On the other hand, implementing a two-dimensional power supply circuit with a conventional amplitude control method for distributing the current distribution of the antenna aperture to obtain a spherical beam pattern, the phase component is changed to 0 o or 180 o and the amplitude component change is relatively severe. Therefore, there is a problem that the power supply circuit becomes complicated.

따라서, 안테나 개구면의 전류 분포 중에서 진폭 성분은 특정한 분포를 갖게 하고 위상 성분을 제어하여 구형 빔 패턴을 형성함으로써 급전회로를 단순화 할 수 있는 안테나의 구현이 요구된다.Therefore, an implementation of an antenna capable of simplifying a power supply circuit by forming a spherical beam pattern by controlling the phase component of the amplitude component among the current distribution of the antenna aperture is performed.

본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 수동 다단자망을 이용한 평면 배열 구조를 통하여 구형 빔 패턴을 갖도록 함으로써 인접 셀과의 빔 간섭을 감소시키고 원하는 빔 지향 범위 내에서 균일한 이득 특성과 낮은 사이드 로브 특성을 갖는 평면 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to meet the above requirements, and has a spherical beam pattern through a planar array structure using a passive multi-terminal network to reduce beam interference with adjacent cells and to achieve uniform gain characteristics and low within the desired beam directing range. It is an object to provide a planar array antenna having side lobe characteristics.

또한, 방사 소자에 가우시안 분포 형태의 특정한 진폭 성분을 갖게하고 위상 성분을 제어함으로써 상대적으로 급전 회로가 단순한 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
It is also an object of the present invention to provide a planar array antenna in which a radiating element has a specific amplitude component in the form of a Gaussian distribution and controls a phase component so that the power supply circuit has a simple spherical beam pattern.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. In addition, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 안테나 개구면의 진폭 성분은 일정한 분포를 갖게 하고 위상 성분을 제어하여 방위각 또는 앙각 방향에서 구형 빔 패턴을 형성하기 위한 배열 안테나로서, 외부로부터 입력받은 신호를 동일한 전력 및 위상을 갖는 신호로 분배하여 출력하기 위한 입력전력분배수단; 상기 입력전력분배수단으로부터 입력받은 신호를 소정의 구형 빔 패턴 급전 요구 조건을 만족하도록 전력을 분배하고 위상을 제어하여 출력하기 위한 제1분배수단; 상기 제1분배수단으로부터 입력받은 신호를 동일한 전력 및 위상을 갖는 신호로 분배하여 출력하기 위한 제2분배수단; 및 상기 제2분배수단으로부터 입력받은 신호를 자유공간으로 방사하기 위한 방사수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is an array antenna for forming a spherical beam pattern in the azimuth or elevation direction by controlling the phase component to have a constant distribution of the amplitude component of the antenna aperture surface, the same as the signal received from the outside Input power distribution means for distributing and outputting a signal having power and phase; First distributing means for distributing electric power and controlling a phase of the signal received from the input electric power distributing means so as to satisfy a predetermined rectangular beam pattern power supply requirement; Second distributing means for distributing and outputting a signal received from the first distributing means into a signal having the same power and phase; And radiating means for radiating a signal received from the second distribution means to the free space.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, whereby those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. There will be. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이러한 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나는 아래의 도 1a, 도 2a와 같이 다중 섹터 기지국 안테나 시스템에 적용될 수 있다.The planar array antenna having the spherical beam pattern may be applied to a multi-sector base station antenna system as shown in FIGS. 1A and 2A below.

도 1a는 본 발명이 적용되는 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예를 나타내는 예시도이다.1A is an exemplary diagram illustrating an embodiment of a planar array antenna having a spherical sector beam pattern to which the present invention is applied.

도 1a에 도시된 바와 같은 1열_6섹터로 배치된 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평 면 배열 안테나에 본 발명은 적용 가능하다.The present invention is applicable to a planar array antenna having a spherical sector beam pattern arranged in one column — six sectors as shown in FIG. 1A.

도 1b는 도 1a에 도시된 평면 배열 안테나의 방위각 방향에서의 빔 커버리지를 나타내는 예시도이다.FIG. 1B is an exemplary diagram showing beam coverage in the azimuth direction of the planar array antenna shown in FIG. 1A.

도 2a는 본 발명이 적용되는 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 다른 실시예를 나타내는 예시도이다.Figure 2a is an exemplary view showing another embodiment of a planar array antenna having a rectangular sector beam pattern to which the present invention is applied.

보다 상세하게, 도 2a는 공간적으로 안테나 빔의 다중화가 요구될 경우의 본 발명이 적용되는 실시예로서 2열_6섹터로 배치된 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나 구조를 나타낸다.More specifically, FIG. 2A illustrates a planar array antenna structure having a spherical sector beam pattern arranged in two columns — six sectors as an embodiment to which the present invention is applied when spatial multiplexing of antenna beams is required.

도 2b는 본 발명이 적용되는 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나 실시예의 빔 커버리지를 나타내는 예시도이다.2B is an exemplary diagram showing beam coverage of a planar array antenna embodiment having a spherical sector beam pattern to which the present invention is applied.

보다 상세하게 도 2b는 본 발명이 적용되는 실시예로서 1열_6섹터, 2열_12섹터로 배치된 구형 섹터 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 빔 커버리지를 나타낸다.More specifically, FIG. 2B illustrates beam coverage of a planar array antenna having a spherical sector beam pattern arranged in one column_six sectors and two columns_12 sectors as an embodiment to which the present invention is applied.

상기 안테나 구조는 다중 빔 안테나들의 1열 배열 구조나 단일 빔 안테나들의 2열 배열 구조로서 구현될 수 있다.The antenna structure may be implemented as a single-row array structure of multiple beam antennas or a two-row array structure of single beam antennas.

한편, 평면 배열 안테나는 안테나 개구면의 전력(또는 전류) 진폭 및 위상을 제어하여 원하는 구형 빔 패턴을 형성할 수 있다.On the other hand, the planar array antenna may control the power (or current) amplitude and phase of the antenna aperture to form a desired spherical beam pattern.

즉, 요구되는 구형 빔 폭에 따라 안테나 개구면의 전력(또는 전류) 진폭 및 위상 조합이 결정되며, 이러한 조합은 요구 패턴의 제한 성능에 따라 여러 개의 진폭 및 위상 조합들이 생길 수도 있다.That is, the power (or current) amplitude and phase combination of the antenna aperture is determined by the required spherical beam width, which may result in several amplitude and phase combinations depending on the limiting performance of the desired pattern.

본 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 일실시예로서 방위각 방향에서 90o 구형 빔 패턴을 갖고, 앙각 방향에서는 10o의 정형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나 설계에 대하여 기술한다. In the present description has a 90 o rectangular beam pattern in the azimuth direction, as an embodiment of the present invention, the elevation angle direction in a description is made of the planar array antenna design having a fixed form beam patterns of 10 o.

이러한 요구 빔 패턴을 얻기 위하여 요구되는 안테나 배열 소자의 간격은 방위각 방향으로 0.55λo이며, 앙각 방향으로는 0.65λo 이다. The spacing of the array antenna elements for obtaining the required beam pattern such 0.55λ o the azimuth direction, is 0.65λ o the elevation direction.

본 발명의 바람직한 일실시예로서의 평면 배열 안테나에서는 방위각 방향에서의 90o 구형 빔 패턴을 형성하기 위해 사용된 개구면 전력(또는 전류) 분포는 진폭 및 위상을 제어하는 방법을 사용하였으며, 좌우 대칭적으로 8개씩 전체 16개의 배열 소자들이 사용되었다. In the planar array antenna according to the preferred embodiment of the present invention, the aperture power (or current) distribution used to form the 90 o spherical beam pattern in the azimuth direction uses a method of controlling amplitude and phase, and symmetrically. A total of 16 array elements, 8 each, were used.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 방위각 방향으로 배열된 16 안테나 배열 소자들의 요구 진폭 및 위상 분포를 나타내는 데이터는 하기의 [표 1]과 같고, 그래프는 도 3과 같다.According to a preferred embodiment of the present invention, data representing the required amplitude and phase distribution of the 16 antenna array elements arranged in the azimuth direction are shown in Table 1 below, and the graph is shown in FIG. 3.

Figure 112004030904307-pat00001
Figure 112004030904307-pat00001

90o 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나를 응용할 분야로 IMT2000용 이동통신 기지국 안테나를 고려하였다. 이러한 안테나의 설계 규격은 하기의 [표 2]와 같다.The mobile communication base station antenna for the IMT2000 is considered as an application field for the planar array antenna with the 90 o spherical beam pattern. Design specifications of such an antenna are shown in Table 2 below.

Figure 112004030904307-pat00002
Figure 112004030904307-pat00002

도 4는 본 발명에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예 구성도이다.4 is a configuration diagram of an embodiment of a planar array antenna having a spherical beam pattern according to the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 대칭적으로 4 등분되는 구조를 갖는 본 발명에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나는 급전회로망과 128개의 방사 소자로 구성된다.As shown in FIG. 4, the planar array antenna having a spherical beam pattern according to the present invention having a symmetrically divided into four parts is composed of a feed network and 128 radiating elements.

급전회로망은 입력 전력 분배기(IPD)(40), 열 분배기(RD #1~RD #4)(30) 4개, 행 분배기(CD #1~CD #8)(20) 32(=8x4)개를 포함하고, 상기 방사 소자(10)는 마이크로스트립 방사 소자(RA #1~RA #4)가 적용된다.The feed network consists of 4 input power divider (IPD) 40, 4 heat divider (RD # 1 ~ RD # 4) (30), 32 (= 8x4) row divider (CD # 1 ~ CD # 8) (20) It includes, the radiating element 10 is a microstrip radiating element (RA # 1 ~ RA # 4) is applied.

상기 입력 전력 분배기(40)는 윌킨슨 전력 분배기 구조를 갖고, 외부로부터 입력받은 안테나 입력 신호(AI)를 이용하여 4개의 동일한 전력 및 위상을 갖는 4개의 신호를 각각 4개의 열 분배기(30)로 출력하며, 각 출력 단자간 고 격리 특성을 제공한다.The input power divider 40 has a Wilkinson power divider structure, and outputs four signals having four identical powers and phases to four heat dividers 30 by using an antenna input signal AI received from the outside. It provides high isolation between each output terminal.

그리고, 열 분배기(30)는 180o 링 하이브리드 결합기를 기본 소자로 사용하여 입력 전력 분배기(40)에서 제공받은 신호를 상기 [표 1] 및 도 3과 같은 급전(진폭 및 위상) 요구 조건을 만족하도록 전력을 분배하고 위상을 제어하여 동축케이블로 연결된 8개의 행 분배기(20)로 출력한다. 이 때, 열 분배기(30)는 단자간 격리 특성이 우수하며, 180o 링 하이브리드 결합기 소자의 4단자중 사용하지 않는 격리 단자는 50Ω으로 정합되고, 단락 회로(Short Circuit)는 0.25 파장 전송 선로로 구현된다.In addition, the heat distributor 30 uses the 180 o ring hybrid coupler as a basic element to satisfy the power supply (amplitude and phase) requirements of the input power divider 40 as shown in [Table 1] and FIG. 3. The power is distributed and the phase is controlled so as to be output to eight row dividers 20 connected by coaxial cables. At this time, the heat splitter 30 has excellent isolation characteristics between terminals, and the unused isolation terminals among the four terminals of the 180 o ring hybrid coupler element are matched to 50 Hz, and the short circuit is a 0.25 wavelength transmission line. Is implemented.

그리고, 행 분배기(20)는 윌킨슨 전력 분배기를 기본 구조로 이용하며, 해당 열 분배기(30)로부터 입력받은 신호를 동축 핀으로 연결된 4개의 방사소자에 동일한 진폭 및 위상을 공급하며, 각 방사 소자간 고 격리 특성을 제공한다.In addition, the row divider 20 uses a Wilkinson power divider as a basic structure, and supplies the same amplitude and phase to the four radiating elements connected by coaxial pins using the signal received from the corresponding column divider 30, and between each radiating element. High isolation properties.

상기 각 구성요소의 기능상의 상호 결합관계를 요약하면 다음과 같다.The functional mutual relationship of each component is summarized as follows.

안테나로 입력된 신호 AI를 입력 전력 분배기(40)는 동일한 전력 및 위상을 갖는 4개의 신호로 분배하여 출력하고, 출력된 4개의 신호는 동일한 동축 케이블에 의해 4개의 열 분배기(RD #1 ~ RD #4)(30)에 입력된다.The input power divider 40 divides and outputs the signal AI input to the antenna into four signals having the same power and phase, and outputs the four signals divided by four heat splitters (RD # 1 to RD) by the same coaxial cable. # 4) (30).

각 열 분배기(30)는 180o 링 하이브리드 결합기를 기본 소자로 사용하여 [표 1] 또는 도 3과 같은 급전(진폭 및 위상) 요구 조건을 만족시키는 8개의 신호를 출력한다.Each heat distributor 30 outputs eight signals satisfying the feeding (amplitude and phase) requirements as shown in [Table 1] or FIG. 3 using a 180 o ring hybrid coupler as a base element.

상기 8개의 출력 신호는 해당 행 분배기(CD #1 ~ CD #8)(20)에 동축케이블을 통해 입력된다. 이 때 상기 동축케이블의 길이는 요구 진폭 및 위상 조건을 만족시키기 위해 조정 될 수 있다. 행 분배기에 대한 상세한 설명은 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.The eight output signals are input to the corresponding row dividers (CD # 1 to CD # 8) 20 via coaxial cables. At this time, the length of the coaxial cable can be adjusted to satisfy the required amplitude and phase conditions. A detailed description of the row divider will be provided later with reference to FIG. 9.

상기 각 행 분배기(20)는 해당 열 분배기로부터 입력받은 신호를 이용하여 분배한 동일한 출력 전력 및 위상을 동축 급전(FP1)을 통하여 연결된 4개의 방사 소자로 제공한다.Each row divider 20 provides the same output power and phase distributed to each of the four radiating elements connected through the coaxial feeder FP1 using the signal received from the corresponding column divider.

도 5는 본 발명에 따른 동축 급전을 갖는 방사 소자의 일실시예 구조를 나타 내는 정면도 및 단면도이다.5 is a front view and a cross-sectional view showing an embodiment structure of a radiating element having a coaxial feed according to the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 동축 급전 구조를 갖는 본 발명에 따른 방사 소자(RA#i, i=1~4)(10)는 마이크로스트립 구조로서 각각 길이 L=67mm, 폭 W=34 mm, 동축 급전의 위치 lexe=53.5 mm, 높이 h=8mm를 갖는다. 높이 h사이에는 공기로 채워진다.As shown in FIG. 5, the radiating elements (RA # i, i = 1 to 4) 10 according to the present invention having a coaxial feeding structure are microstrip structures, respectively, having a length L = 67mm and a width W = 34 mm, Coaxial feeding has a position lexe = 53.5 mm and a height h = 8 mm. Between h heights are filled with air.

도 6a는 본 발명에 따른 행 분배기의 일실시예 상세 구조도로서 PCB 레이아웃을 나타낸다.6A shows a PCB layout as a detailed structural diagram of one embodiment of a row divider in accordance with the present invention.

1:1 윌킨슨 전력 분배기를 기본 소자로 사용하여 도 6a에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 행 분배기(CD#i, i=1, 4)(20)는 하나의 신호(Input)를 입력받아 동일한 전력 및 위상 특성을 갖는 신호(Output 1 ~ Output 4)를 출력한다. 즉, 한 개의 입력에 4개의 동일한 출력을 갖는다.A row divider (CD # i, i = 1, 4) 20 having a structure as shown in FIG. 6A using a 1: 1 Wilkinson power divider as a base element receives the same power and receives the same power. And output signals having a phase characteristic (Output 1 to Output 4). That is, one input has four identical outputs.

급전 회로에 사용된 기본 소자로 사용된 윌킨슨 전력 분배기의 입출력 VSWR 값은 1.92 ~ 2.17GHz 동작 대역내에서 1.2보다 작으며, 삽입 손실은 대역폭내에서 3.3dB보다 작다. 격리 저항(R)으로는 100Ω 칩 저항이 사용된다.The input and output VSWR of the Wilkinson power divider used as the base element used in the feed circuit is less than 1.2 in the 1.92 to 2.17GHz operating band, and the insertion loss is less than 3.3dB in bandwidth. As the isolation resistor R, a 100kΩ chip resistor is used.

그리고, 한 개의 행 분배기(30)에 4개의 방사 소자(10)가 동축 핀(FP1)으로 연결되며, 도 4에서 수직(또는 앙각) 방향으로 나열된 각 4개의 방사 소자(10)에는 동일한 진폭 및 위상이 제공된다. In addition, four radiating elements 10 are connected to one row divider 30 by coaxial pins FP1, and each of the four radiating elements 10 listed in the vertical (or elevation) direction in FIG. 4 has the same amplitude and Phase is provided.

도 6b는 상기 도 5 및 도 6a의 구조에 따른 방사 소자 및 행 분배기 외형도이다.6B is an outline view of the radiating element and the row divider according to the structure of FIGS. 5 and 6A.

도 7a는 본 발명에 따른 열 분배기의 일실시예 상세 구조도로서 PCB 레이아웃을 나타낸다.7A shows a PCB layout as a detailed structural diagram of an embodiment of a heat distributor according to the present invention.

전술한 바와 같이, 열 분배기(RD#i, i=1, 8)(30)는 전체 배열 안테나에 4개 필요하며, 각 열 분배기(30)는 좌우 그리고 상하 대칭 구조를 갖는다.As described above, four heat distributors RD # i, i = 1, 8) 30 are required for the entire array antenna, and each heat distributor 30 has left and right symmetrical structures.

각 열 분배기(30)의 PCB 도(레이아웃)는 도 7a와 같으며, 180o 링 하이브리드 결합기를 기본 소자로 사용한다. The PCB diagram (layout) of each heat distributor 30 is the same as that of FIG. 7A, using a 180 o ring hybrid coupler as a base element.

180o 링 하이브리드 결합기의 구조는 90o 브랜치라인 하이브리드 구조에 비하여 상대적으로 넓은 대역에서 입출력 VSWR 및 단자간 격리 특성이 우수하다. 180 o-ring structure of the hybrid coupler is excellent in isolation characteristic between the input and output VSWR, and a terminal in a relatively wide band as compared to the 90 o branch-line hybrid structure.

도 7b는 본 발명에 따른 180o 링 하이브리드 결합기 소자의 일실시예 예시도이고, 도 7c는 도 7a 및 도 7b에 따라 제작된 열분배기의 외형도이다.Figure 7b is an illustration of an embodiment of a 180 o ring hybrid coupler device according to the present invention, Figure 7c is an external view of a heat distributor manufactured according to Figures 7a and 7b.

도 7b에 도시된 바와 같은 180o 링 하이브리드 결합기 소자는 각 열 분배기에 7개가 사용된다. 각 링 하이브리드 결합기의 설계 변수는 아래의 [표 3]과 같다.Seven 180 o ring hybrid coupler elements as shown in FIG. 7B are used for each heat distributor. The design parameters of each ring hybrid coupler are shown in Table 3 below.

Figure 112004030904307-pat00003
Figure 112004030904307-pat00003

열 분배기(30)는 90o 구형 빔 패턴을 형성하기 위하여 한 개의 입력에 8개의 요구되는 진폭 및 위상 값들을 출력한다.The heat distributor 30 outputs eight required amplitude and phase values at one input to form a 90 o spherical beam pattern.

또한, 한 개의 열 분배기(30)의 8개의 출력은 행 분배기(20)의 각 입력과 동축 케이블을 통해 연결된다.In addition, the eight outputs of one column divider 30 are connected via a coaxial cable with each input of the row divider 20.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제작된 열 분배기(30)의 전기적인 특성으로서의 대역폭 내에서 2.0 이하이고, 출력 단자간 격리 특성은 20dB이상이다.It is 2.0 or less within the bandwidth as an electrical characteristic of the heat distributor 30 manufactured according to the preferred embodiment of the present invention, the isolation characteristic between the output terminals is 20dB or more.

본 발명에 따른 180o 링 하이브리드 결합기에 사용된 정합 부하는 λ/4 개방 마이크로스트립 선로로 실험적으로 조정되었으며, 종단 저항으로 50Ω칩 저항이 사용되었다.The matching load used in the 180 o ring hybrid coupler according to the present invention was experimentally adjusted with a λ / 4 open microstrip line and a 50 kW chip resistor was used as the termination resistor.

초고주파 대역에서 전기적인 단락은 λ/4 개방 마이크로스트립 선로로 의해 구현될 수 있다. Electrical short-circuits in the ultra-high frequency band can be realized with λ / 4 open microstrip lines.

도 8a는 본 발명에 따른 입력 전력 분배기의 일실시예 상세 구조도로서, PCB 레이아웃을 나타낸다.8A is a detailed structural diagram of an embodiment of an input power divider according to the present invention, showing a PCB layout.

도 8a에 도시된 바와 같이, 입력 전력 분배기(IPD)(40)는 행 분배기(20)와 유사한 구조를 갖는다.As shown in FIG. 8A, the input power divider (IPD) 40 has a structure similar to the row divider 20.

입력 전력 분배기(40)는 동일한 전력 및 위상 특성을 출력하며, 도 8a의 구조에 따라 제작된 입력 전력 분배기의 외형은 도 8b와 같다.The input power divider 40 outputs the same power and phase characteristics, and the appearance of the input power divider manufactured according to the structure of FIG. 8A is the same as that of FIG. 8B.

입력 전력 분배기(40)는 1:1 윌킨슨 전력 분배기를 기본 소자로 사용하며, 한 개의 입력 전력 분배기(40)에 4개의 열 분배기(10)가 동축 케이블을 통해 연결된다. The input power divider 40 uses a 1: 1 Wilkinson power divider as a base element, and four heat dividers 10 are connected to one input power divider 40 through a coaxial cable.

이하에서는 도 9를 참조하여 평면 급전 배열 안테나에서 요구하는 각 방사 소자에서의 상대적인 전력비와 위상차를 얻는 과정에 대하여 설명한다.Hereinafter, a process of obtaining a relative power ratio and phase difference in each radiating element required by the planar power feeding array antenna will be described with reference to FIG. 9.

도 9는 본 발명에 따른 평면 배열 안테나의 상대적인 전력비와 위상차를 보정하는 실험 보정 장치를 나타내는 예시도이다.9 is an exemplary view showing an experimental correction device for correcting the relative power ratio and phase difference of the planar array antenna according to the present invention.

입력 전력 분배기(IPD)와 4개의 열 분배기(RD#i, i=1, 8)까지의 상대적인 요구 전력비와 위상차는 도 9와 같은 실험 보정 장치를 통해 구현할 수 있다.Relative required power ratios and phase differences between the input power divider IPD and the four heat dividers RD # i, i = 1 and 8 may be implemented through the experimental correction apparatus as shown in FIG.

입력 전력 분배기(IPD)의 4개중 3개의 출력에는 50Ω 종단 소자(T1#i, i=1, 3)를 부착하고 나머지 출력 단자는 해당 열 분배기(RD #1)에 그대로 연결한다.Three of the four outputs of the input power divider (IPD) are fitted with 50-kV termination elements (T1 # i, i = 1, 3) and the remaining output terminals remain connected to the corresponding heat divider (RD # 1).

또한, RD #1 열 분배기의 출력 단자 8개중에서 7개 출력 단자는 50Ω 종단 소자(T2#i, i=1, 7)에 의해 종단되고 남은 한 개의 출력 단자인 2번 출력 단자(CD #2 연결 단자)만 실험에 사용된다. In addition, seven of the eight output terminals of the RD # 1 heat splitter are output terminals # 2 (CD # 2), the remaining one output terminal terminated by a 50-kΩ termination element (T2 # i, i = 1, 7). Only connecting terminals are used for the experiment.

그러므로, 상대적인 요구 전력비와 위상차는 안테나 입력 단자(AI)와 RD #1 열 분배기 2 번 출력 단자 사이에서 실험적으로 측정 및 보정된다. Therefore, the relative required power ratio and phase difference are experimentally measured and corrected between the antenna input terminal (AI) and the output terminal of RD # 1 heat splitter # 2.

같은 방법으로 RD #1 열 분배기의 모든 출력 단자에 대해서 그리고 나머지 열 분배기에 대해서도 동일한 방법으로 수행된다. In the same way, the same is done for all output terminals of the RD # 1 heat splitter and for the remaining heat splitters.

상기 과정에 따라 측정 보정된 각 열 분배기의 실험 보정 결과는 하기의 [표 4]와 같다.Experimental calibration results of each heat splitter measured and calibrated according to the above process are shown in Table 4 below.

Figure 112004030904307-pat00004
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참고로, 요구치는 열 분배기 RD # 4의 값들을 기준으로 사용하였으며, 각 열 분배기의 상대적인 요구 진폭 비와 위상 오차는 각각 1.3 dB rms 진폭 오차 그리고 8.1o rms 위상 오차를 보여준다. 만약에 구형 빔 패턴 특성에 민감하게 영향을 주는 5, 6, 7, 8 배열 소자들만을 고려하면 각각 0.6 dB rms 진폭 오차 및 6.1o rms 위상 오차를 보여준다. 이러한 분석 결과는 1, 2, 3, 4 배열 소자들은 상대적으로 구형 빔 패턴 특성에 덜 민감하게 작용하며, 또한 상대적으로 큰 진폭비(-20 ~ -26 dB)를 급전 회로상에서 정확하게 구현하기 어렵다는 것을 의미한다. 그리고, 전체 배열 소자에서 요구하는 [표 1] 또는 도 3의 상대적인 요구 진폭 비와 위상 차는 표 4를 바탕으로 동축 케이블들을 이용하여 보정된다.For reference, the requirements are based on the values of the heat splitter RD # 4, and the relative required amplitude ratio and phase error of each heat splitter show 1.3 dB rms amplitude error and 8.1o rms phase error, respectively. If we consider only the 5, 6, 7, and 8 array elements that are sensitive to the spherical beam pattern characteristics, they show 0.6 dB rms amplitude error and 6.1o rms phase error, respectively. These results indicate that 1, 2, 3, and 4 array elements are less sensitive to spherical beam pattern characteristics, and that it is difficult to accurately implement a relatively large amplitude ratio (-20 to -26 dB) on a feeder circuit. do. The relative required amplitude ratios and phase differences in Table 1 or FIG. 3 required by the entire array element are corrected using coaxial cables based on Table 4.

도 10a는 본 발명에 따른 90o 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실 시예 전면을 나타내는 예시도이고, 도 10b는 본 발명에 따른 90o 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 일실시예 후면을 나타내는 예시도이다.Figure 10a is an exemplary view showing a LOST o'clock front of the plane array antenna having a 90 o rectangular beam pattern according to the invention, Figure 10b is a one embodiment the back of the plane array antenna having a 90 o rectangular beam pattern according to the invention It is an exemplary figure to show.

부연하면, 도 10a와 도 10b는 각각 본 발명의 바람직한 일실시예로서 제작된 90o 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 전면부와 후면부를 나타낸다.10A and 10B show front and rear portions of a planar array antenna having a 90 o spherical beam pattern, respectively, fabricated as one preferred embodiment of the present invention.

이하에서는 도 11a 내지 도 11c 및 도 12a 내지 도 12c를 참조하여 본 발명에 따른 구형 빔 패턴을 갖는 평면 배열 안테나의 방사 패턴 특성에 대하여 측정 방사 패턴 특성과 시뮬레이션 패턴을 비교하여 설명한다.Hereinafter, the radiation pattern characteristics of the planar array antenna having the spherical beam pattern according to the present invention will be described by comparing measured radiation pattern characteristics and simulation patterns with reference to FIGS. 11A to 11C and 12A to 12C.

시뮬레이션 결과는 상용 시뮬레이터인 HFSS를 사용하여 실제로 설계된 마이크로스트립 패치 방사 소자의 빔 패턴에 배열 인자를 곱한 것으로 얻어진 것이다.The simulation results were obtained by multiplying the array pattern by the beam pattern of a microstrip patch radiating element actually designed using a commercial simulator, HFSS.

방위각 방향에서의 주편파(Co_Pol) 및 교차 편파(Cross_Pol) 방사 패턴 특성에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능 비교 그래프로서, 도 11a는 f=1.920 GHz, 도 11b는 f=2.045GHz, 도 11c는 f=2.170GHz를 사용하여 얻어진 결과를 나타낸다.Measurement and simulation performance comparison graphs for the characteristics of Co_Pol and Cross_Pol radiation patterns in the azimuth direction. FIG. 11A shows f = 1.920 GHz, FIG. 11B shows f = 2.045 GHz, and FIG. 11C shows f = 2.170. The result obtained using GHz is shown.

여기서, 도면에 기재된 "Simulated Co_Pol"는 시뮬레이션된 주편파 방사 패턴이고, "Simulated Cross_Pol"은 시뮬레이션된 교차편파 방사 패턴이며, "Measured Co_Pol"는 측정된 주편파 방사 패턴이고, "Measured Cross_Pol"은 시뮬레이션된 교차편파 방사 패턴이다.Here, "Simulated Co_Pol" described in the figure is a simulated polarization radiation pattern, "Simulated Cross_Pol" is a simulated cross polarization radiation pattern, "Measured Co_Pol" is a measured polarization radiation pattern, and "Measured Cross_Pol" is simulation Cross-polarized radiation pattern.

도 11a 내지 도 11c에 도시된 시뮬레이션 및 측정 결과는 사이드 로브 부분에서는 약간의 차이가 있긴 하지만 빔 패턴의 주 빔 부분은 거의 일치하여, 결과적 으로 매우 낮은 사이드 로브 특성을 갖는 만족스러운 구형 빔이 구현되는 것을 알 수 있다.The simulation and measurement results shown in FIGS. 11A-11C are slightly different in the side lobe portion, but the main beam portion of the beam pattern is almost identical, resulting in a satisfactory spherical beam having very low side lobe characteristics. It can be seen that.

일반적으로 사이드 로브 특성은 안테나 자체 성능과 측정실에서의 반사효과에 의해 크게 영향을 받는다. 그러므로, 측정실 환경에 의한 영향인지 확인하기 위하여 안테나를 180o 회전하여 빔 패턴을 측정한 결과 빔 패턴은 좌우로 대칭인 현상을 보여주었는데, 이는 측정실 환경이 빔 패턴에 거의 영향을 주지 않음을 학인 할 수 있었다. 그러므로, 시뮬레이션 및 측정 결과의 사이드 로브 부분에서는 레벨 차이는 케이블의 진폭 및 위상 오차와 방사 소자간 상호 결합 효과 등에 기인한 것으로 추정된다. 측정된 사이드 로브 레벨은 대역내에서 22 dBc 이상이었으며, 교차 편파 레벨은 정방향에서 30 dBc 이상이었다.In general, side lobe characteristics are greatly affected by the antenna's own performance and its reflection in the measurement room. Therefore, the beam pattern was measured by rotating the antenna 180 o to confirm the effect of the room environment. The beam pattern was symmetrical to the left and right, indicating that the room environment had little effect on the beam pattern. Could. Therefore, in the side lobe portion of the simulation and measurement results, the level difference is assumed to be due to the amplitude and phase error of the cable and the mutual coupling effect between the radiating elements. The measured side lobe level was above 22 dBc in band and the cross polarization level was above 30 dBc in the forward direction.

또한, 앙각 방향에서의 주편파 방사 패턴 특성에 대한 측정 및 시뮬레이션 성능 비교 그래프로서, 도 12a는 f=1.920 GHz, 도 12b는 f=2.045 GHz, 도 12c는 f=2.170 GHz에서 각각 얻어진 결과를 나타낸다.In addition, as a graph comparing the measurement and simulation performance of the characteristics of the polarization radiation pattern in the elevation angle, FIG. 12A shows results obtained at f = 1.920 GHz, FIG. 12B shows f = 2.045 GHz, and FIG. 12C shows f = 2.170 GHz, respectively. .

도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 앙각 방향에서는 일반 정형 빔을 형성하며 측정 및 시뮬레이션 비교 결과는 매우 만족스럽게 일치함을 알 수 있다. 그리고, 측정된 사이드 로브 레벨은 대역내에서 12.8 dBc이상이었다.As shown in Figs. 12A to 12C, it can be seen that a normal shaped beam is formed in the elevation angle, and the measurement and simulation comparison results are very satisfactory. And the measured side lobe level was 12.8 dBc or more in band.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제작된 평면 배열 안테나의 안테나 이득은 표준 혼 안테나를 이용(15.1 ~ 15.7dBi, 1.92 ~ 2.17GHz)하여 측정하였으며, 측정 결과는 아래의 [표 5]와 같다.Antenna gain of the planar array antenna manufactured according to the preferred embodiment of the present invention was measured using a standard horn antenna (15.1 ~ 15.7dBi, 1.92 ~ 2.17GHz), the measurement results are shown in Table 5 below.

Figure 112004030904307-pat00005
Figure 112004030904307-pat00005

방위각 방향에서 90도의 구형 빔 패턴과 앙각 방향에서 10도의 일반 빔 패턴을 갖는 안테나의 이상적인 지향성은 약 16 dBi이다. The ideal directivity of an antenna with a spherical beam pattern of 90 degrees in the azimuth direction and a general beam pattern of 10 degrees in the elevation direction is about 16 dBi.

상기 [표 5]의 시뮬레이션 결과 및 측정 결과는 매우 유사한 결과를 보여주었으며, 중심 주파수 2.045 GHz에서 14.0 dBi값을 보여준다. The simulation results and the measurement results in [Table 5] showed very similar results, showing a 14.0 dBi value at the center frequency of 2.045 GHz.

안테나 효율은 보정 케이블의 오차(위상 및 진폭), 회로 손실, 방사 소자간 상호 결합 효과 및 불규칙성 등에 기인한 것으로 추정된다. 동일한 개구면을 갖는 구형 빔 패턴 안테나와 비교하면 구형 빔을 갖는 안테나가 상대적으로 매우 낮은 지향성을 가짐을 알 수 있다.Antenna efficiency is presumed to be due to errors (phase and amplitude) of the cabling cable, circuit loss, the effect of mutual coupling between radiating elements, and irregularities. Compared with the spherical beam pattern antenna having the same aperture, it can be seen that the antenna having the spherical beam has a relatively very low directivity.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 상기 방사 소자는 실시예로서 전술한 동축 급전 마이크로 스트립 단일 방사 소자 대신에 직접 급전 마이크로 스트립 스택 방사 소자를 치환 하여 적용할 수 있다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings. For example, the radiating element may be applied by substituting the direct feeding micro strip stack radiating element instead of the coaxial feed micro strip single radiating element described above as an embodiment.

상기와 같은 본 발명은, 인접 셀과의 빔 간섭을 감소시키고 원하는 빔 지향 범위 내에서 균일한 이득 특성과 낮은 사이드 로브 특성을 갖는 구형 빔을 형성할 수 있는 효과가 있으며, 배열 안테나의 급전 회로를 간단히 구현할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of reducing beam interference with adjacent cells and forming a spherical beam having uniform gain characteristics and low side lobe characteristics within a desired beam directing range. The effect is simple to implement.

한편, 본 발명은 주변 영역과의 빔 간섭을 줄여 기지국 마이크로 셀 설계에 유용하게 활용할 수 있고, 향후 이동/위성 통신/방송용 기지국 안테나 응용 분야를 포함하여 근거리 무선망 통신, ITS(Intelligent Transport System) 통신과 같이 제한된 서비스 영역 내에서만 통신이 이루어지는 로우 프로파일(Low profile) 평면 배열 안테나 시스템에도 직접 활용할 수 있는 부가적 효과가 있다.On the other hand, the present invention can be useful in the design of the base station microcell by reducing the beam interference with the surrounding area, and in the near field wireless network communication, ITS (Intelligent Transport System) communication, including the application field of the base station antenna for mobile / satellite communication / broadcasting In addition, there is an additional effect that can be directly utilized in a low profile planar array antenna system in which communication is performed only within a limited service area.

Claims (8)

외부로부터 입력받은 신호를 동일한 전력 및 위상을 갖는 신호로 분배하여 출력하기 위한 입력전력분배수단;Input power distribution means for distributing and outputting a signal received from the outside into a signal having the same power and phase; 상기 입력전력분배수단으로부터 입력받은 신호를 구형 빔 패턴 급전 요구 조건을 만족하도록 전력을 분배하고 위상을 제어하여 출력하기 위한 제1분배수단;First distributing means for distributing power and controlling a phase of the signal received from the input power distributing means to satisfy a rectangular beam pattern feeding requirement; 상기 제1분배수단으로부터 입력받은 신호를 동일한 전력 및 위상을 갖는 신호로 분배하여 출력하기 위한 제2분배수단; 및Second distributing means for distributing and outputting a signal received from the first distributing means into a signal having the same power and phase; And 상기 제2분배수단으로부터 입력받은 신호를 자유공간으로 방사하기 위한 방사수단Radiating means for radiating a signal received from the second distribution means to a free space 을 포함하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.Array antenna having a spherical beam pattern comprising a. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입력전력분배수단은 하나의 입력신호를 4개의 신호로 분배하여 출력하고, 상기 제1분배수단은 하나의 입력신호를 8개의 신호로 분배하여 출력하고, 상기 제2분배수단은 하나의 입력신호를 4개의 신호로 분배하여 출력하는 것The input power distribution means divides and outputs one input signal into four signals, and the first distribution means divides and outputs one input signal into eight signals and the second distribution means outputs one input signal. Outputting by dividing into four signals 을 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.Array antenna having a spherical beam pattern, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 방사수단과 상기 제2분배수단은 동축 핀으로 연결되고, 상기 제2분배수단과 상기 제1분배수단은 동축케이블로 연결되며,상기 제1분배수단은 상기 입력전력분배수단과 동일한 길이의 동축케이블로 연결되는 것The radiating means and the second distribution means are connected by coaxial pins, the second distribution means and the first distribution means are connected by a coaxial cable, and the first distribution means is coaxial with the same length as the input power distribution means. Connected by cable 을 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.Array antenna having a spherical beam pattern, characterized in that. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 방사수단은 The radiating means 동축 급전 마이크로스트립 방사 소자를 이용하여 선형 수직 편파를 방사하 는 것을 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.An array antenna having a spherical beam pattern, characterized by radiating linear vertical polarization using a coaxial feed microstrip radiating element. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 방사수단은 The radiating means 직접 급전 마이크로스트립 스택 소자를 이용하여 선형 수직 편파를 방사하 는 것을 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.An array antenna having a spherical beam pattern characterized by radiating linear vertical polarization using a direct feed microstrip stack element. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 제1분배수단 및 상기 제2분배수단은 The first distribution means and the second distribution means 윌킨슨 전력 분배기 구조를 이용하는 것을 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.An array antenna having a spherical beam pattern, characterized by using a Wilkinson power divider structure. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 제2분배수단은 The second distribution means 180o 링 하이브리드 결합기 구조를 이용하는 것을 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.An array antenna having a spherical beam pattern, characterized by using a 180 o ring hybrid coupler structure. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제2분배수단은 The second distribution means 단락회로로서 λ/4 마이크로스트립 전송 선로를 이용하는 것을 하는 특징으로 하는 구형 빔 패턴을 갖는 배열 안테나.An array antenna having a spherical beam pattern, characterized by using a λ / 4 microstrip transmission line as a short circuit.
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