KR20110010097A

KR20110010097A - 초경제적 브로드캐스트 시스템을 위한 위상 배열 안테나 패널

Info

Publication number: KR20110010097A
Application number: KR1020107026396A
Authority: KR
Inventors: 토브욘 존슨; 존 샤들러; 게리 라이틀; 찰스 마이클 데이비슨; 안드레 스칼리나
Original assignee: 에스피엑스 코포레이션
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2011-01-31
Also published as: CN102077419A; US20100134374A1; EP2272131A1; BRPI0910684A2; RU2010147909A; WO2009132358A1; AP2010005477A0; MX2010011660A; EP2272131A4; CA2722451A1; US8115696B2

Abstract

본 발명은 초경제적 브로드캐스트 시스템을 위한 위상 배열 안테나 패널을 제공한다. 상기 위상 배열 안테나 패널 시스템은 안테나 패널 지지부재, 제 1 스트립라인 쌍 및 제 2 스트립라인 쌍을 포함한다. 상기 안테나 패널 지지부재는 제 1 및 제 2 일정 간격의 십자형 쌍극자 라디에이터 쌍을 지지하는 리플렉터 앞면, 제 1십자형 쌍극자 라디에이터 아래에 설치된 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍, 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래에 설치된 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 및 제 1 및 제 2 신호 분배 케이블 커넥터 쌍을 포함하는 뒷면을 포함한다. 상기 제 1 스트립라인 쌍은 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍 내에 각각 설치되고 제 1 신호 분배 커넥터 쌍 및 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼에 결합된다. 제 2 스트립라인 쌍은 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 내에 각각 설치되고 제 2 신호 분배 커넥터 및 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼에 결합된다.

Description

초경제적 브로드캐스트 시스템을 위한 위상 배열 안테나 패널{PHASED-ARRAY ANTENNA PANEL FOR A SUPER ECONOMICAL BROADCAST SYSTEM}

본 발명은 전체적으로 셀룰러 통신 시스템(cellular communication systems)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 위상 배열 안테나 패널에 관한 것이다.

적어도 미국 및 유럽연합 적용의 셀룰러 무선전화기 시스템 기지 송수신국(BTSs)은 1640 와트의 허용가능한 최대의 실효 동방성방사 전력(EIRP)에 제한되어 있을 수 있다. 시스템의 성능의 측정으로서의 실효 동방성방사 전력은 적어도 송신기 전력 및 안테나 이득의 함수이다. 셀룰러 기지 송수신국 실효 동방성방사 전력의 제한의 결과, 미국, 유럽연합 및 다른 셀룰러 시스템 디자이너들은 고객에게 적절한 질의 서비스를 제공하기 위하여 많은 기지 송수신국을 이용한다. 셀에의 추가적 제한은 셀 크기를 인구 밀도의 함수로 만들 수 있는 셀 내에서 서비스를 받을 고객의 수를 포함한다.

한 안테나 설치는 안테나 이득이 17.5dBi, 급전선 손실이 3dB(1.25" line, 200 ft mast) 및 기지 송수신국 잡음 인자가 3.5dB이고, 따라서 Ga-NFsys = 17.5-3.5-3.0 = 11dBi (상향링크에서)이다. 하향링크 송신기 전력은 전형적으로 50W이다. 합계가 -3.5dB인 급전선, 듀플렉스 필터 및 점퍼 케이블을 이용하여, 안테나로의 Pa 입력 전력은 전형적으로 16W이고, 따라서 실효 동방성방사 전력은 16W + 17.5dB = 1,000W이다.

많은 실시예에서, 각 기지 송수신국은 건물 내 또는 항공기 내 서비스와 같은 특화된 목적을 위하여 보다 작은 셀(마이크로셀, 나노셀, 피코셀 등)이 사용되는 것을 고려하여 다양하게 매크로셀과 같은 용어로 불리는 셀의 중앙 근처에 배치된다. 도시 인구 밀도용과 같은 전형적 셀은 3마일(5킬로미터) 미만의 반경을 갖는다. 실효 동방성방사 전력 제한 뿐만 아니라, 기지 송수신국 안테나 탑 높이는 전형적으로 다양한 국지적 또는 광역적 지역 제한에 의해 통제된다. 결과적으로, 세계 많은 지역의 셀룰러 통신 제공자는 매우 비슷한 시스템을 시행한다.

셀룰러 기지 송수신국 실효 동방성방사 전력 및 안테나 탑 높이의 제한은 나라마다 다르다. 모바일 셀룰러 통신에 대한 세계적 수요가 빠르게 증가하고 있을 뿐만 아니라, 인도, 중국 등과 같은 기술적으로 개발도상국인 나라의 수많은 사람들이 값싸고 좋은 서비스를 위해 돈을 낼 능력과 의지가 있음에도 불구하고 셀룰러 서비스에 접근하지 못하고 있다. 어떤 나라에서는, 정부 보조금이 증축을 용이하게 하고 있지만, 보조금의 도움을 받는 증축의 비용 및 시간의 최소화가 바람직하다. 이런 상황에서, 종래의 셀룰러 네트워크 사업자에 의해 해결될 문제는 어떻게 셀룰러 인프라스트럭쳐 배치와 관련된 비용을 줄이고, 동시에 특히 저임금 및/또는 저인구밀도 지역의 운영 비용을 줄이느냐 하는 것이다. 운영비용을 줄이면서 많은 종래의 기지 송수신국 사이트와 동등한 것을 크게 감소시키는 혁신적인 해법이 필요하다.

본 발명의 실시예는 초경제적 브로드캐스트 시스템을 위한 위상 배열 안테나 패널을 제공한다.

한 실시예에서, 위상 배열 안테나 패널 시스템은 안테나 패널 지지부재, 제 1 스트립라인 쌍 및 제 2 스트립라인 쌍을 포함한다. 상기 안테나 패널 지지부재는 일정 간격의, 제 1 및 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼을 지지하는 리플렉터 앞면, 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래에 설치된 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍, 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래에 설치된 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍, 및 제 1 및 제 2 신호 분배 케이블 커넥터 쌍을 포함하는 뒷면을 포함한다. 제 1 스트립라인 쌍은 각각 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍 내에 설치되며 제 1 신호 분배 커넥터 쌍 및 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼으로 결합된다. 제 2 스트립라인 쌍은 각각 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 내에 설치되며 제 2 신호 분배 커넥터 쌍 및 제 2 십자형-쌍극자 라디에이터 칼럼으로 결합된다.

또 다른 실시예에서, 위상 배열 안테나 패널은 리플렉터 앞면, 제 1 및 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 및 뒷면을 포함한다. 상기 리플렉터 앞면은 각각 제 1 및 제 2 일정 간격의, 십자형 쌍극자 라디에이터 스태거된 칼럼을 지지하는 한 쌍의 팽출부를 포함한다. 제 1 신호용 접지 캐비티는 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래 설치되고, 제 2 신호용 접지 캐비티는 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래 설치된다. 뒷면은 제 1 신호용 접지 캐비티 아래에 설치된 제 1 신호 분배 케이블 커넥터 쌍 및 제 2 신호용 접지 캐비티 아래에 설치된 제 2 신호 분배 케이블 커넥터 쌍을 포함한다.

본 발명의 상세한 설명을 더 잘 이해하게 하기 위하여, 그리고 기술에의 공헌을 제대로 인식하게 하기 위하여 본 발명의 몇 실시예가 나올 것이다. 본 발명의 청구범위를 형성할 추가 실시예도 아래에 설명될 것이다.

그 점에서, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명은 하기의 설명 또는 도면의 구조 및 요소의 배열에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 설명될 실시예를 다양한 방식으로 실행할 수 있다. 또한, 여기서 사용된 용어는 설명을 위한 것이지, 제한으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.

따라서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 본 발명이 기초한 구상이 본 발명의 몇 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계, 방법 및 시스템의 기초로서 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 청구항은 이러한 동등한 구조가 본 발명의 범위 및 취지를 벗어나지 않는 한 이러한 동등한 구조를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

본 발명을 통해 운영비용을 줄이면서 많은 종래의 기지 송수신국 사이트와 동등한 것을 크게 감소시킬 수 있는 초경제적 브로드캐스트 시스템을 위한 위상 배열 안테나 패널을 제시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기지 송수신국 안테나의 사시도이다.
도 2A는 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 반분해 사시도이다.
도 2B 및 2C는 각각 본 발명의 각 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 사시도이다.
도 3A, 3B 및 3C는 각각 본 발명의 각 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 단부의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 도 2에서 도시하는 위상 배열 안테나 패널의 단면도이다.
도 5A는 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 다수의 스트립라인의 사시도이다.
도 5B는 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 스트립라인의 한 예의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 정면사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 배면사시도이다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 셀 간격 즉, 인접한 기지 송수신국 사이의 거리는 유리하게는 각 셀 내의 일관된 서비스의 질(QoS)을 제공하면서 종래의 셀룰러 시스템에 비례하여 증가한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 각 기지 송수신국의 범위를 증가시킨다. 종래의 매크로셀은 반경이 전형적으로 약 0.25마일(400미터)부터 이론적 최대 반경 22마일(35킬로미터)까지 범위이다; 실제로는 고밀도 도심지 및 매우 오픈된 시골을 제외하고는 약 3 내지 6마일의 반경이 사용된다. 본 발명은 전형적 실시예에서는 GSM 제한 22마일에서 완전한 기능성을 제공하며, 몇 실시예에서는 이보다 크게 확장된다. 셀 크기는 사용자 용량에 의해 제한된 채로 유지되는데, 본 발명의 몇 실시예에서 종래의 매크로셀의 사이즈보다 크게 증가할 수 있다.

셀 크기 증가와 함께, 확대된 셀에 필요한 가시선(관례적인 4/3 직경 earth model) 전파로를 유지하며 기지 송수신국 안테나탑 높이도 증가한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 기지 송수신국 안테나탑의 높이를 약 200피트(60미터)에서 1,500피트(약 500미터)까지 증가시킨다. 종래의 셀룰러 송수신기(사용자의 손에 쥐고 쓸 수 있는 모바일 폰, 데이터 단말기, 컴퓨터 어댑터 등)의 전송 전력 및 수신 감도가 대체로 변하지 않게 유지하기 위하여, SEC 시스템의 타워탑 장치의 실효 동방성방사 전력 및 수신 감도를 종래의 셀룰러 시스템에 비례하여 먼 거리에서 증가시켰고, 안테나 기둥 근처에서 감소시켰다. 이 효과는 본 발명의 능동 전자제품뿐만 아니라, 위상 배열 안테나 및 관련 수동 회로 요소에 의해 달성된다.

송수신기, 전력 공급원, 데이터 송신 시스템, 온도 조절 및 모니터링 시스템 등과 같은 표준 기지 송수신국 장비는 SEC 시스템 내에서 유리하게 사용될 수 있다. 일반적으로, 한 개에서 세 개 또는 더 많은 셀룰러 사업자(서비스 제공자)가 예를 들어 36 내지 96 송신기 및 216 내지 576 얼랑 용량(Erlang of capacity)을 특징으로 포함하는 각 기지 송수신국에서 동시에 지원될 수 있다. 대안적으로, 비용을 더 절감하고 에너지 소비를 줄이는 보다 많은 경제적 기지 송수신국 송신기(예. 0.1W의 송신기 전력)가 셀룰러 사업자에 의해 사용될 수 있다. 이러한 경제적 기지 송수신국은 부분적으로 땅이 아닌 위상 배열 안테나탑의 꼭대기에서의 송신된 신호 증폭 및 수신된 신호 처리의 성과 때문에 이전의 디자인보다 에너지 소비가 적다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기지 송수신국 안테나의 사시도이다.

기지 송수신국(10)은 안테나탑(12) 및 상기 안테나탑(12)의 상부에 설치되며 도에서 타워탑으로 나타나는 위상 배열 안테나(14)를 포함한다. 실시예의 안테나(14)는 대체로 원통형이며, 풍하중을 줄이는 역할을 하고, 예를 들어 6개의 섹터, 8개의 섹터, 12개의 섹터, 18개의 섹터, 24개의 섹터, 30개의 섹터, 36개의 섹터 등과 같은 다수의 섹터(16)를 갖는데 이 섹터들은 기지 송수신국과 관련된 셀에 전체적으로 무지향성 커버리지(omnidirectional coverage)를 제공한다. 각 섹터 (16)는 수직 스택에 많은 안테나 패널 (18)을 포함한다. 각 앨리베이션(elevation)(20)은 특정 높이에서 360°커버리지를 제공하는 지지 시스템을 둘러쌀 수 있으며, 각 패널(18)은 잠재적으로 다른 섹터(16)에 속하는 다수의 안테나 패널(18)을 포함한다. 각 안테나 패널(18)은 실시예의 패널(18)과 크기가 일치하는 레이돔 내에 에워싸인 복수의 수직 배열 라디에이터를 포함한다.

동축 케이블, 광섬유 케이블 등과 같은 급전선은 셀룰러 오퍼레이터 장비를 각 섹터(16) 뒤에 설치된 안테나 급전 시스템에 연결한다. 각 섹터(16)의 급전 시스템의 입력에는 위상 배열 안테나(14)로부터 송신되고 수신된 신호를 증폭하고 형성하는 디플렉서, 전력 송신 증폭기, 저소음 수신 증폭기 등이 있다. 한 실시예에서, 상기 급전 시스템은 각 섹터(16) 내에서 안테나 패널(18)을 서로 연결하고 그 섹터에서 패널(18)에 수직 로브 형성 및 빔 틸트를 제공하는 리지드 전력 분배기를 포함한다. 또 다른 실시예에서는, 유연한 동축 케이블이 급전 시스템 내에서 사용될 수 있다.

도 2A 및 3A는 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널(100)의 반분해 사시도이다. 바람직한 실시예에서, 지지부재(110)는 유리하게는 지지부재(110)(도 4 참조) 위에 칼럼과 평행하게 배열된 다수의 십자형 쌍극자 라디에이터(120)에 연속적 리플렉터 면(112)(또는 백플레인)을 제공한다. 십자형 쌍극자 라디에이터(120)를 신호 분배 케이블 및 도 1에 도시된 위상 배열 안테나(14)의 지지부재(110)의 뒤에 설치된 커플링에 연결하는 다수의 스트립라인이 지지부재(110) 내에 설치된다. 도시된 실시예에서는, 각각 여덟 개의 십자형 쌍극자 라디에이터(120)를 포함하는 두 칼럼이 각 패널(100)에 설치되고, 컴플리멘터리 페어(complimentary pair)로 배열된 네 개의 스트립라인(132,134,136,138)이 상기 십자형 쌍극자 라디에이터(120)를 신호 분배 케이블에 연결한다. 각 십자형 쌍극자 라디에이터는 각 쌍극자 라디에이터를 위한 두 개의 컨덕터를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 상기 라디에이터(120)는 가로놓인 사변형 십자형 쌍극자 라디에이터이다. 하나 이상의 관련 동시계속 특허 출원에서 가장 중요한 특징이 자세하게 설명된 가로놓인 사변형 십자형 쌍극자 라디에이터(120)의 예의 사시도가 도 2A에 제공된다. 가로놓인 사변형 십자형 쌍극자 라디에이터(120)는 낮은 교차 커플링을 보이도록 구성될 수 있고, 적절하게 설치되고 배향되고 적절한 배열 신호가 분배되었을 때 낮은 상호 커플링을 보이도록 구성될 수 있다.

도 2A의 실시예에서, 여덟 개의 일정한 간격의 쌍극자 라디에이터(120)가 두 개의 스태거된(staggered) 칼럼의 각각에 제공된다. 칼럼 사이를 번갈아 설치된 연속적인 라디에이터(120)의 효과적인 수직 간격은 바람직하게는 반에 의해 상쇄되고, 실시예의 라디에이터(120) 중앙 사이에 대략 반파 간격을 제공한다. 관련 동시계속 출원에서 다루어졌듯이, 안테나의 효과적인 송수신 특성은 라디에이터 사이 간격 및 급전선 간격에 의해 영향을 받는다. 교차 칼럼의 근위의 라디에이터(120)의 중앙을 통과하는 선은 지지부재(110)의 중앙선에 대하여 45°각도를 형성한다. 2,4,6,12,16 등과 같은 각 칼럼의 다른 개수의 일정 간격의 쌍극자 라디에이터(120) 또한 본 발명에 의해 다루어진다.

바람직한 900㎒ 밴드 실시예에서, 각 칼럼 내의 라디에이터(120)는 안테나 패널(100)의 길이를 따라 약 12인치(예. 12.033인치) 분리되고, 인접한 칼럼 내의 라디에이터에 대하여 안테나 패널(100)의 길이를 따라 약 6인치(예. 6.017인치) 상쇄된다. 이 실시예에서, 칼럼은 약 7.5인치(7.680인치) 분리된다. 바람직한 1800㎒ 밴드 실시예에서, 높이, 너비, 길이는 모두 0.5배 감소하고; 다른 실시예는 비슷하게 맞추어질 수 있다. 독창적 시스템에 의해 실제로 방사되고 수신되는 신호는 이 중심 주파수보다 더 크고, 더 작거나 같다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 900㎒ 밴드 실시예는 예를 들어 890-915㎒과 같은 기지국 수신의 주파수 범위 및 935-960㎒과 같은 기지국 송신의 주파수 범위를 포함할 수 있다.

한 실시예에서, 지지부재(110)는 예를 들어 알루미늄 합금과 같은 고강도 물질로부터 압출성형되고, 길이방향으로 연재하는 몇 캐비티는 그 안에 형성된다. 냉간 압연, 용접 등과 같은 다른 제조방법 및 물질은 지지부재(110)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 지지부재(110)는 각 스트립라인(132,134,136,138)이 설치된 네 개의 신호용 접지 캐비티(104)를 포함한다. 지지부재(110)는 추가적인 측면 치수, 강도 등을 제공하기 위하여 하나 이상의 구조적 캐비티(108)를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 도 2A, 3A에서 도시하고 있는 위상 배열 안테나 패널의 단면도를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 각 신호용 접지 캐비티(104)는 세로 방향으로 신호용 접지 캐비티(104)의 전체 길이를 따라 확장하는 가로 크로스부재(106)를 포함한다. 크로스부재(106)는 일부분은 리플렉터 면(112)에 평행한 신호용 접지 캐비티(104)의 너비에 따라 중앙 웹(114)으로부터 확장하고 따라서 중앙 웹(114)으로부터 떠받쳐지고 있으며, 따라서 신호용 접지 캐비티(104)의 C자형 프로파일을 스트립라인(132,134,136,138)이 설치된 신호용 접지 캐비티(104)에 설치한다. 크로스부재(106)는 부분적으로 각 캐비티(104)의 형태를 한정하기 때문에, 크로스부재(106)의 너비는 바람직하게는 임피던스 균일성 및 스트립라인(132,134,136,138)의 신호 전파 특성과 같은 것에 의해 결정된다.

엔드온(end-on) 측면에서 보면, 인접한 신호용 접지 캐비티(104)의 각 크로스부재(106)는 "십자형" 또는 "T자형" 부(105)를 형성한다. 신호용 접지 캐비티(104)의 내면뿐만 아니라 크로스부재(106)는 각 스트립라인(130)의 접지판을 제공한다. 또한, 크로스부재(106)는 일반적으로 지지부재(110)의 강성도를 증가시킨다. 따라서, 지지부재(106)를 포함하는 신호용 접지 캐비티(104)를 갖는 압출성형된 지지부재(110)는 유리하게는 저손실 급전 시스템 하우징, 쌍극자 라디에이터 리플렉터 및 결합된 조각의 구조적 백본의 기능을 결합한다.

또 다른 실시예에서, 지지부재(110)는 각각 각 가로부재(106)와 함께 두 개의 신호용 접지 캐비티(104) 및 하나 이상의 선택적 구조적 캐비티(108)를 포함하는 두 개의 지지부재부 110A 및 110B로 형성될 수 있다. 상기 두 부는 압출성형에 의해 형성될 수 있고, 이어서 예를 들어 용접과 같은 많은 방법에 의해 연결될 수 있다. 상기 두 지지부재부(110A,110B)는 서로의 거울상이거나 동일할 수 있다. 대안의 실시예에서, 분리된 지지부재부는 전도성 요소를 이용하여 서로 연결될 수 있고, 이로 인해 바람직한 라디에이터 분리를 유지하면서 쌍극자 라디에이터의 백플레인이 설치될 수 있다. 대안적으로, 쐐기 형상의 연결부재가 인접한 지지부재부의 각 백플레인 사이의 상대각을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.

안테나 패널(100)의 또 다른 실시예는 도 2B 및 3B에서 도시하고 있다. 이 실시예에서, 팽출부(122)는 쌍극자 라디에이터(120)의 추가적인 지지를 제공하기 위하여 지지부재(110) 위에 형성된다. 이 실시예에 의해 지지되는 주파수 범위는 예를 들어 900㎒ 밴드이다.

이 실시예에서, 어레이 패널(100)은 약 100인치(예. 98.00인치)의 전체 길이, 12인치(예. 12.60인치)의 전체 너비 및 2인치(예.1.91인치)의 전체 높이를 갖는다. 일반적으로, 상기 어레이 패널(100)은 중앙 웹(114) 및 크로스부재(106) 뿐만 아니라 패널의 둘레를 포함하여 약 0.1인치(예. 0.08인치)의 두께를 갖는다. 팽출부(122)는 지지부재(110) 위에 약 0.2인치(예. 0.17인치) 솟아있고 지지부재(110)의 중앙선으로부터 약 4인치(예. 3.84인치) 상쇄된다. 두 외부 중앙 웹(114)은 각각 각 팽출부(122)의 중앙선 아래에 설치되고, 두 내부 중앙 웹(114)은 각각 어레이 패널(100)의 중앙선 및 팽출부(122)의 중앙선 사이에 설치된다. 전체적으로 사각형이며 거의 같은 부피를 갖는 신호용 접지 캐비티(104) 네 개가 형성된다. 예를 들어, 두 내부 신호용 접지 캐비티의 너비는 약 2인치, 높이는 1.5인치(예. 2.06인치×1.58인치)일 수 있고, 두 외부 신호용 접지 캐비티(104)의 너비는 약 2.25인치, 높이는 1.5인치(예. 2.29인치×1.58인치)일 수 있다.

도 3B에서 도시하고 있듯이, 패널에 설치된 레이돔(도 2B에서 점선으로 표시됨)으로부터 결합 원형 플랜지를 수용하기 위한 원형 홈(120)이 지지부재(110)의 각 측에 형성된다. 레이돔은 예를 들어 폴리카보네이트와 같은, 레이돔에 적절한 RF-투명 물질로 만들어질 수 있다. 이 실시예에서, 홈(120)은 약 0.25인치(예. 0.22인치)의 반경을 가질 수 있다. 상기 레이돔은 두 앤드캡(end cap) 및 중앙부를 포함하며, 구부러진 형태의 외부 면을 갖고, 지지부재(110) 위의 최대 높이 약 8인치(예. 7.75인치)를 갖는다. 약 0.5인치 직경의 카운터썽크 구멍(countersunk holes)(도시되지 않음)이 각 라디에이터(120)의 설치에 필요한 공간을 제공하기 위하여 팽출부(122)에 설치된다. 도 4에서 도시하고 있듯이, 각 라디에이터(120)의 두 개의 내부 컨덕터가 팽출부(122)의 구멍을 통과하여 아래 신호용 접지 캐비티(104) 내에 설치된 각 스트립라인에 연결된다.

안테나 패널(100)의 또 다른 실시예가 도 2C 및 3C에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 팽출부(122)는 쌍극자 라디에이터(120)에 추가적인 지지를 제공하기 위하여 지지부재(110) 위에 형성된다. 이 실시예에 의해 지지되는 주파수 범위는 예를 들어 1800MHz 밴드일 수 있다. 이 실시예에서, 어레이 패널(100)은 약 50인치의 전체 길이, 12인치의 전체 너비 및 2인치의 전체 높이를 갖는다. 일반적으로, 상기 어레이 패널(100)은 중앙 웹(114)뿐만 아니라 패널의 둘레를 포함하여 약 0.1인치의 두께를 가지며; 이 실시예에서는 크로스부재는 사용되지 않는다. 도 3C에서 도시하고 있듯이, 원형 홈(120)은 패널에 설치된 레이돔으로부터 (도 2C에서 점선으로 표시됨) 결합 원형 플랜지를 수용하기 위하여 지지부재(110)의 각 측에 형성된다. 상기 레이돔은 예를 들어 폴리카보네이트와 같이 레이돔에 적합한 RF-투명 물질로 만들어질 수 있다. 이 실시예에서, 홈(120)은 약 0.25 인치의 반경을 가질 수 있다. 레이돔은 두 개의 앤드캡 및 중앙부를 포함하며, 구부러진 형태의 외부 면을 갖는다.

도 5A는 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 다수의 스트립라인의 사시도이다. 이 실시예에서, 네 개의 스트립라인(132,134,136,138)은 지지부재(110)의 "C자형" 신호용 접지 캐비티(104) 내에 설치된다. 두 개의 스트립라인은 각 쌍극자 라디에이터(120)를 신호 분배 케이블(도시하지 않음)에 연결한다. 특히, 스트립라인(132,134)는 각 동축 커넥터(142,144)를 통하여 한 칼럼의 쌍극자 라디에이터(120)를 신호 분배 케이블에 연결하고, 스트립라인(136,138)은 각 동축 커넥터(146,148)를 통하여 다른 칼럼의 쌍극자 라디에이터(120)를 신호 분배 케이블에 연결한다. 스트립라인(132,134,136,138)은 비전착성 또는 비슷한 구리합금, 스프링용 브라스, 인청동, 베릴륨구리, 알루미늄 합금과 같은 적합한 전도성 물질로부터 만들어진다. 그들은 내식성, 강화된 표면 전도성 등을 위해 코팅되거나 도금되고, 열처리될 수 있다. 스트립라인(132,134,136,138)은 플랫 스톡(flat stock)과 같은 것으로부터 절단되고, 최종 형태로 구부러질 수 있고, 또는 전착 또는 증착되거나 맨드렐(mandrel)에 도금되거나 다른 방법으로 형성될 수 있다.

일반적으로, 각 스트립라인은 동축 케이블 커넥터일 수 있는 중앙에 설치된 신호 분배점과 함께 하부 수평 세그먼트를 포함하고, 두 개의 수직 세그먼트 및 네 개의 쌍극자 라디에이터 연결점에서 각각 끝나는 두 개의 상부 수평 세그먼트를 포함한다. 명확성과 편리를 위하여, 상기 스트립라인의 유리한 특성은 스트립라인(132)에 대하여 설명할 것이다. 동축 커넥터(142)는 어떤 방향으로든 길이방향으로 연재하는 하부 수평 세그먼트(152)의 중앙에 부착된다. 하부 수평 세그먼트(152)의 단부는 각 더블벤드(double-bend), 수직 트랜지션 세그먼트(162,172)로 트랜지션하고, 수직 트랜지션 세그먼트(162,172)는 상부 수평 세그먼트(182,192)의 각 중앙부에서 티 형태로 트랜지션하고 나뉜다. 상부 수평 세그먼트(182,192)는 중앙 티에 공급 암 세그먼트(202,212,222,232)를 포함하고, 각 세그먼트(202,212,222,232)는 두 개의 쌍극자 라디에이터 연결점(1-8)에서 끝난다. 상부 수평 세그먼트(182,192)는 하부 수평 세그먼트(152)에 대하여 동일 평면 상에 있다.

신호 분배 케이블 커넥터(142)부터 쌍극자 라디에이터 연결점(1-8)까지의 경로 길이는 실질적으로 실시예에서 동일하다. 다른 실시예에서, 각 경로 길이는 다를 수 있고, 따라서 라디에이터 연결점(1-8)에 도달하는 신호 사이의 위상 차이가 생기게 되고, 이는 부분적으로 빔 특성을 결정한다.

임피던스는 티 앞의 스트립라인(132)의 너비를 정상화하고, 동축 라인 임피던스 계산에 사용한 것과 비슷한 알고리즘에 따라 티로부터 리드아웃하는 각 세그먼트의 너비를 줄이고, 티로부터의 바람직한 거리에서 각 세그먼트의 너비를 다시 정상화하여 스트립라인(132)의 각 티 분할부에서 제어된다. 실시예에서, 각 티는 신호를 실질적으로 동일하게 분할한다. 다른 실시예에서, 전력 분배는 각 티에 다른 너비를 갖게 하고, 따라서 다른 임피던스를 갖게 하여 동일하지 않게 이루어질 수 있고 따라서 각 결합된 전력의 비율이 따로 결정되도록 할 수 있다. 전설한 위상 조절과 같이, 전력 조절은 부분적으로 빔 특성을 결정할 수 있다.

스트립라인(132)은 일반적으로 3차원의 "C자형" 신호용 접지 캐비티(104)에 일치한다. 비전도성 스탠드 오프(stand-off)(12)는 그것으로부터 일정한 간격을 실질적으로 달성하는 데 사용되고, 이는 예를 들어 임피던스 제어 등과 같은 몇 장점을 제공한다. 신호용 접지 캐비티(104)의 각 면까지의 거리뿐만 아니라 스트립라인(132)의 최종 치수는 스트립라인(132)이 연결된 신호 분배 케이블 및 커플링의 임피던스에 실질적으로 맞추도록 선택된다.

한 실시예에서, 스탠드 오프(12)는 예를 들어 저손실 세라믹, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE) 등과 같은 유전체 물질로 만들어진다. 스탠드오프(12)는 스트립라인(132)의 각 측에 부착되고 신호용 접지 캐비티(104)의 면에 접촉한다. 다른 실시예에서, 일면 또는 양면의 스탠드오프(12)가 내부로 끼워지고 신호용 접지 캐비티(104)의 벽의 상응하는 구멍에 맞춰지고, 유전체 스크루는 위치를 잡기 위하여 스탠드오프(12)로 끼워질 수 있다. 대안적으로, 스탠드오프(12)는 관 형상이고, 단면은 움푹할 수 있고, 신호용 접지 캐비티(104)를 통해 확장하는 유전체 로드는 스탠드오프(12)를 설치하기 위해 사용될 수 있다. 추가의 실시예에서, 발포 유전체 물질은 스트립라인을 둘러싸고 하나 이상의 디스크리트 스탠드오프(12)의 사용 대신에 또는 이에 더하여 전체적으로 또는 부분적으로 각 신호용 접지 캐비티(104)를 채울 수 있다.

개별 스탠드오프(12)는 고체 물질의 보다 높은 유전체 계수(ε)특성과 관련된 신호용 접지 캐비티(104) 내의 신호 전파 속도의 변화로 인한 라디에이터 간의 위상 변이가 낮게 유지되도록 챔버(104)의 부피의 작은 부분을 채우는 것을 볼 수 있을 것이다. 비슷하게, 고체의 밀도의 약 30%를 가질 수 있는 PTFE 또는 PE와 같은 발포 유전체 물질의 선택적 사용은 고체 물질의 보다 높은 ε의 효과를 실질적으로 무시해도 될 정도의 레벨로 감소시킬 수 있다.

스트립라인(132,134,146,148)의 각 신호용 접지 캐비티(104)로의 설치는 스트립라인의 특정 치수 및 조성뿐만 아니라 신호용 접지 캐비티(104)의 기하학에 의해 복잡해질 수 있다. 설치를 용이하게 하기 위하여, 각 스트립라인을 각 신호용 접지 캐비티(104)에 도입하기 위한 캐리어가 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 캐리어는 단단한 지지를 제공하며, 저마찰 외부를 포함할 수 있다. 신호용 접지 캐비티 내의 스트립라인의 설치 및 스탠드오프(12)에의 부착 후, 캐리어는 제거될 수 있다.

한 실시예에서, 스트립라인(132,134,136,138)의 치수는 쌍극자 라디에이터 연결점(1-8)이 적절하게 예를 들어 12인치 간격으로 놓이도록 900MHz 밴드를 수용하도록 만들어진다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서, 각 스트립라인의 두께는 약 0.125인치이다. 스트립라인(132)에 대하여, 예를 들어, 하부 수평 세그먼트(152)의 중앙부는 너비가 약 0.2인치(예.0.178인치)이고 일련의 스텝폭 섹션에서 더블벤드, 수직 트랜지션 세그먼트(162,172)로의 트랜지션에서 약 0.6인치(0.620인치)까지 확장한다. 수직 세그먼트(162,172)는 너비가 약 0.2인치(예. 0.178인치)이고 일련의 스텝폭 섹션에서 약 0.9인치(예. 0.880인치)까지 확장하고 각 공급 암 세그먼트(202,212,222,232)로 트랜지션하기 전에는 각각 약 0.370인치의 너비를 갖는 상부 수평 세그먼트(182,192)의 중앙부로 각각 트랜지션한다. 스트립라인(132)의 전체 길이는 약 84인치(예. 84.601인치)이고, 높이는 약 1인치(예. 0.954인치)이고, 최대 너비는 약 1.5인치(예. 1.534인치)이다.

바람직한 실시예에서, 스텝폭 트랜지션의 두 쌍은 하부 수평 세그먼트(152)에 설치되고, 각 쌍은 약 0.25인치(예. 0.237인치)의 너비 및 약 3.3인치(예. 3.300인치)의 길이의 제 1트랜지션 섹션 및 약 0.4인치(예. 0.390인치)의 너비 및 약 3.3인치(예. 3.345인치)의 길이의 제 2트랜지션 섹션을 포함한다. 비슷하게, 스텝폭 트랜지션의 한 쌍이 각 상부 수평 세그먼트(182,192)에 설치되고, 각 쌍은 약 0.4인치(예. 0.395인치)의 너비 및 약 3.5인치(예. 3.510인치)의 길이를 포함한다.

도 5B는 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 스트립라인의 예의 사시도이다. 이 실시예에서, 스트립라인(132)의 치수는 쌍극자 라디에이터 연결점(1-8)이 적절하게 예를 들어 6인치 간격으로 놓이도록 1800㎒ 밴드를 수용하도록 만들어진다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서, 각 스트립라인의 두께는 약 0.125인치이고, 스트립라인(132)의 전체 길이는 약 42인치(예. 42.370인치)이다. 유리하게는, 수직 트랜지션 세그먼트(162,172)가 싱글 벤드를 갖기 때문에, 상부 수평 세그먼트(182,192)는 하부 수평 세그먼트(152)에 수직으로 설치되고, 크로스부재(106)는 요구되지 않는다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나 패널의 정면사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나의 배면사시도이다.

신호 분배 케이블 커넥터(142,144,146,148)는 신호 분할기(310,312)에 결합되고, 신호 분할기는 신호 공급선(320,322)에 의해 운반된 각 신호를 분할한다. 도 7에서 도시하고 있는 실시예에서, 신호 공급선(320)에 의해 운반된 신호는 신호 분할기(310)에 의해 분할되고 신호 분배 케이블 커넥터(142,146)로 제공되며, 신호 공급선(322)에 의해 운반된 신호는 신호 분할기(312)에 의해 분할되고, 신호 분배 케이블 커넥터(144 및 148)로 제공된다. 이 실시예에서, 각 쌍극자 라디에이터는 유리하게는 양 신호 공급선(320,322)에 결합된다. 바람직한 실시예에서, 신호 분할기(310,312)는 신호 공급선(320,322)에 의해 운반된 각 신호를 직교 성분으로 분할한다.

레이돔(302)은 관심의 주파수에 실질적으로 투명하고, 날씨 등의 불리한 효과에 대하여 쌍극자 라디에이터(120)를 보호하기 위하여 안테나 패널(100)을 에워싼다. 한 실시예에서, 하나의 섹터(16)가 사용될 수 있고, 추가의 백플레인 면(300)이 안테나 패널(100)의 각 측에 부착될 수 있다.

본 발명의 많은 특징 및 장점은 상세한 설명에서 명확해지고, 따라서 본 발명의 요지 및 범위에 포함되는 그러한 본 발명의 모든 특징 및 장점을 다루는 청구항에 의해 명확해진다. 또한, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 많은 수정 및 변형을 할 수 있을 것이기 때문에, 본 발명을 설명된 구조 및 작동에 한정하는 것은 바람직하지 않으며, 본 발명의 범위 내에 포함되는 모든 적절한 수정 및 그에 상응하는 것은 허용될 수 있다.

Claims

일정 간격의 십자형 쌍극자 라디에이터의 제 1 및 제 2칼럼을 지지하는 리플렉터 앞면; 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하고, 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래 설치된 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍; 상기 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터의 칼럼 아래에 설치된 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍; 및 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍 아래에 설치된 제 1 신호 분배 케이블 커넥터 쌍 및 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 아래에 설치된 제 2 신호 분배 케이블 커넥터 쌍을 포함하는 뒷면을 포함하는 안테나 지지부재;
제 1 신호용 접지 캐비티 쌍 내에 각각 설치되고 제 1 신호 분배 커넥터 쌍 및 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼에 결합된 제 1 스트립라인 쌍; 및
제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 내에 각각 설치되고 제 2 신호 분배 커넥터 쌍 및 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼에 결합된 제 2 스트립라인 쌍을 포함하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 각 스트립라인은 복수의 일정 간격의 라디에이터 연결점을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 각 라디에이터 연결점은 하나의 십자형 쌍극자 라디에이터에 결합되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 각 라디에에터 연결점은 상기 십자형 쌍극자 라디에이터의 하나의 쌍극자에 결합하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 스트립라인의 각 쌍은 하나의 십자형 쌍극자 라디에이터에 각각 결합된 복수의 일정 간격의 라디에이터 연결점 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 5항에 있어서, 상기 제 1 스트립라인 쌍으로부터의 라디에이터 연결점 쌍은 제 2 스트립라인 쌍으로부터의 각 라디에이터 연결점 쌍에 스태거되어 배열되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 6항에 있어서, 각 스트립라인 쌍 내의 라디에이터 연결점 쌍은 약 1 작동파장의 일정 간격을 갖고, 상기 각 스트립라인 쌍 사이의 각 라디에이터 연결점 쌍은 약 0.5 작동파장 만큼 스태거되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 1항에 있어서, 각 스트립라인은 각 신호 분배 커넥터에 결합된 중앙부를 갖는 하부 수평 세그먼트, 하부 수평 세그먼트의 각 단에 결합된 수직 트랜지션 세그먼트 한 쌍 및 각 수직 트랜지션 세그먼트에 결합하는 중앙부를 각각 갖는 상부 수평 세그먼트 쌍 및 끝에 라디에이터 연결점을 각각 갖는 공급 암 세그먼트의 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 하부 수평 세그먼트 및 상부 수평 세그먼트 쌍이 동일 평면상에 있는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 하부 수평 세그먼트 및 상부 수평 세그먼트는 수직인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 1항에 있어서, 각 신호용 접지 캐비티는 캐비티의 길이를 따라 길이방향으로 연재하고 캐비티로 가는 적어도 중간까지 가로로 확장하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 11항에 있어서, 각 스트립라인은 신호용 접지 캐비티를 갖는 크로스부재와 일치하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 신호 분배 케이블 커넥터 쌍에 각각 결합되는 신호 분할기 한 쌍 및 신호 분할기 쌍에 각각 결합되는 신호 공급선 한 쌍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.
일정 간격의 십자형 쌍극자 라디에이터의 제 1 및 제 2 스태거된 칼럼을 각각 지지하는 한 쌍의 팽출부를 포함하는 리플렉터 앞면, 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며, 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래에 설치된 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍, 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며, 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼 아래에 설치된 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍, 및 제 1 신호용 접지 캐비티 쌍 아래에 설치된 제 1 신호 분배 케이블 커넥터 쌍 및 제 2 신호용 접지 캐비티 쌍 아래에 설치된 제 2 신호 분배 케이블 커넥터를 포함하는 뒷면을 포함하는 위상 배열 안테나 패널.
제 14항에 있어서, 상기 각 신호용 접지 캐비티는 캐비티의 길이를 따라 길이방향으로 연재하고 캐비티로 가는 적어도 중간까지 가로로 확장하는 중앙 크로스부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널.
제 14항에 있어서, 상기 안테나 패널의 각 측면에 설치되고 레이돔의 결합 원형 플랜지를 수용하는 한 쌍의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널.
제 14항에 있어서, 상기 팽출부 쌍은 작동 파장의 적어도 반에 의해 서로 가로로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 패널.
내부 쌍극자 컨덕터 쌍을 각각 갖는 일정 간격의 가로놓인 제 1 사변형 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼;
내부 쌍극자 컨덕터 쌍을 각각 갖는 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼에 대하여 스태거되어 배열된 일정 간격의 제 2 가로놓인 사변형 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼;
제 1 및 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼을 지지하는 리플렉터 앞면, 안테나 패널 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 적어도 일부분 아래에 설치된 제 1 신호용 접지 캐비티, 안테나 패널 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 적어도 일부분 아래에 설치된 제 2 신호용 접지 캐비티, 안테나 패널 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며, 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 적어도 일부분 아래에 설치된 제 3 신호용 접지 캐비티, 안테나 패널 지지부재를 따라 길이방향으로 연재하며 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 적어도 일부분 아래에 설치된 제 4 신호용 접지 캐비티 및 제 1 신호용 접지 캐비티 아래에 설치된 제 1 신호 분배 케이블 커넥터, 제 2 신호용 접지 캐비티 아래에 설치된 제 2 신호 분배 케이블 커넥터, 제 3 신호용 접지 캐비티 아래에 설치된 제 3 신호 분배 케이블 커넥터, 제 4 신호용 접지 캐비티 아래에 설치된 제 4 신호 분배 케이블 커넥터를 포함하는 뒷면;
제 1 신호용 접지 캐비티 내에 설치되고 제 1 신호 분배 커넥터 및 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 제 1 내부 쌍극자 컨덕터에 결합되는 제 1 스트립라인;
제 2 신호용 접지 캐비티 내에 설치되고 제 2 신호 분배 커넥터 및 제 1 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 제 2 내부 쌍극자 컨덕터에 결합되는 제 2 스트립라인;
제 3 신호용 접지 캐비티 내에 설치되고 제 3 신호 분배 커넥터 및 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 제 1 내부 쌍극자 컨덕터에 결합되는 제 3 스트립라인; 및
제 4 신호용 접지 캐비티 내에 설치되고 제 4 신호 분배 커넥터 및 제 2 십자형 쌍극자 라디에이터 칼럼의 제 2 내부 쌍극자 컨덕터에 결합되는 제 4 스트립라인을 포함하는 위상 배열 안테나 패널 시스템.