성형 빔 패턴을 갖는 전기적인 다운 틸팅 안테나의 설계에 관한 연구 = A Study on Design of the Electrical Down Tilting Antenna with Shaped Beam Pattern

국문 초록 (Abstract)

한글초록:현재 이동 통신 시스템에 사용되는 기지국용 안테나는 수직 패턴의 형태에 따라 크게 5가지로 분류될 수 있다. 첫 번째는 높은 이득과 좁은 수직 빔 폭(beam width)을 갖는 안테나이며, 이는 개활지와 같이 넓은 커버리지(coverage)가 요구될 때에 사용된다. 이 패턴은 거의 균일한 전력 분배비로 설계되며, 높은 부엽(side lobe) 크기를 갖는다. 두 번째는 상측의 부엽을 억압한 복사 패턴을 갖는 경우이다. 자기 셀(cell) 내로 복사되는 하측 부엽과는 달리, 상측 부엽으로부터 복사되는 전력은 인접 셀에 간섭을 야기하며, 이로 인해 주파수 재사용 거리(frequency reuse distance) 등에도 악영향을 끼친다. 따라서, 이러한 불필요한 간섭을 줄이기 위하여, 상측 부엽이 억압된 패턴이 요구된다. 그러나, 모든 상측 부엽의 억압은 주엽(main lobe)의 빔 폭을 크게 변화시킬 수 있으므로, 제한적인 각도의 상측 부엽만을 억압하는 것이 일반적이다[1]. 세 번째는 하측의 널(null)이 널 필링(null filling)된 수직 패턴을 갖는 안테나이며, 이는 복사 패턴의 널로 인한 통신 품질의 열화를 방지하고자 하는 목적을 갖는다. 복사 패턴의 널 지역에 있는 가입자는 낮은 수신 전력을 받게 되며, 또한 전력 제어 과정에 의해서 다른 가입자에 비해 보다 큰 전력을 송신하게 된다. 이는 기지국의 용량 감소를 야기하게 되며, 그리고 인접 기지국에 대한 간섭 신호로 작용한다[2]. 네 번째는 코시컨트 제곱 패턴(cosecant square pattern)을 갖는 경우이며, 이는 커버리지 내의 모든 단말기의 수신 신호가 기지국과의 거리와는 무관하게 일정하도록 설계된 복사 패턴이다. 이 경우에 전력 분배비의 테이퍼(taper)가 심하므로, 안테나의 이득 감소가 심하다는 단점이 있다[1]. 다섯 번째는 전기적인 다운 틸팅 안테나(electrical down tilting antenna)이다. 기지국 안테나를 다운 틸팅(down tilting)하면, 안테나의 복사 전력이 커버리지 영역 내로 제한되고, 또한 인접 기지국에서 발생되는 신호의 간섭이 감소되며, 이로 인해 시스템 용량이 증대되는 효과가 나타난다[3]. 또한, 전기적인 다운 틸팅의 경우에는, 모든 방위각에 대해서 복사 빔의 틸팅 각이 동일하게 유지되며, 따라서 수평 패턴의 형태 및 빔 폭이 틸팅 각과는 관계없이 일정하게 유지된다. 이러한 장점은 핸드 오프 영역(hand off)의 조정을 용이하게 하며, 따라서 핸드 오프로 인하여 많은 자원을 낭비하고 있는 도심지에서 보다 큰 효과를 나타낼 수 있다[4,5,6]. 그러나, 전기적인 다운 틸팅 안테나는 빔 틸트 시에 상측 부엽이 수평면 쪽으로 이동하게 되므로, 패턴 설계 시에 상측 부엽에 대한 보다 세밀한 주의가 필요하다. 기지국 안테나의 설계에 있어서, 위의 5가지의 수직 패턴이 단독으로 적용되기도 하며, 또는 안테나가 사용되는 곳의 전파 환경에 따라서 복합적으로도 적용될 수 있다. 상측 부엽이 억압된 패턴이나 널 필링 패턴 그리고, 코시컨트 제곱의 패턴은 모두 성형 빔(shaped beam)의 영역에 속하므로, 안테나의 패턴 합성법에 의해 설계되며, 또한, 전기적인 다운 틸팅 안테나의 설계에는 위상 배열 안테나 기술이 적용된다.본 논문에서는 성형 빔 패턴을 갖는 전기적인 다운 틸팅 안테나를 설계 및 제작하였다. 이는 상측 부엽이 억압되고, 하측 널이 널 필링된 복합적인 수직 패턴을 가지며, 또한, 수직면 상에서 최대 빔 방향의 가변이 가능한 기지국용의 안테나이다. 그리고, 설계하고자 하는 안테나는 편파 다이버시티 (polarization diversity) 시스템에 적용될 수 있도록 45의 이중 편파의 성능을 갖는다. 성형 빔 설계는 엘리엇 (R. S. Elliott)의 패턴 합성법들을 순차적으로 적용하여 수행하였으며, 매쓰매티카(mathematica)로 작성한 프로그램을 이용하여 안테나의 급전 계수(excitation coefficient)를 구하였다. 또한, 위상 배열 안테나 기술을 적용하여 전기적인 다운 틸팅 기능을 구현하였다. 복사 소자로는 광대역의 특성을 갖는 구조인 정방형의 적층형 패치 안테나(stacked patch antenna)를 채택하여 설계하였으며, 편파 특성 및 단자간 분리도의 개선을 위하여 balanced-feed 기법을 사용하였다. 위상 천이기로는 variable dielectric strip-line phase shifter를 기본 구조로 하는 제품을 사용하였으며, 이 구조는 연속적인 위상 천이가 가능하며, 또한, 높은 전력의 구동이 가능하다는 장점이 있다. 그리고, 이 제품은 하나의 원형 하우징(housing) 안에 집적된 복수 개의 위상 천이 선로가 서로 간에 등비(等比)의 위상 변화량을 갖도록 설계되었으며, 따라서 위상 배열 안테나의 실제 제작에 적합한 제품이다. 다운 틸팅 범위는 도심 내의 작은 셀 반경을 고려하여 충분한 각도인 14까지 가능하게끔 설정하였으며, 설계 및 제작은 셀룰라 대역 (824~894MHz)을 목표로 하였다.본 연구 논문은 총 5장으로 구성되었다. 2장에서는 기지국 안테나에 적용될 수 있는 패턴 합성법을 고찰하였으며, 매쓰매티카로 작성된 프로그램을 사용하여 각 합성법에 대한 결과 패턴을 예시하였다. 3장에서는 안테나의 설계와 제작 과정을 서술하였다. 우선 목표 규격을 보였으며, 안테나의 전체 구조에 대한 설계 과정을 설명하였다. 그리고, 복사 소자인 적층형 패치 안테나의 구조를 제안하였으며, 시뮬레이션과 측정을 통하여 복사 소자를 설계하였다. 또한, 분배비의 구현에 사용되는 5-way 전력 분배기를 설계 및 제작하였다. 4장에서는 제작된 안테나의 측정 결과를 보였으며, 이 결과에 대해 고찰하였다. 결론인 5장에서는 본 연구에서 수행한 성형 빔 패턴을 갖는 전기적인 다운 틸팅 안테나의 설계에 대한 연구 결과와 의의에 대해 서술하였다. 그리고, 부록에 패턴 합성을 위해 작성된 프로그램을 첨부하였다

국문 초록 (Abstract)

영문초록:When down tilting base station antenna, the radiated power from the antenna is confined in the coverage region and the interference with adjacent base stations is decreased, therefore the capacity of system is increased. And in the case of electrical down tilting applying phased array theory, horizontal HPBW and the pattern shape is kept constant with down tilting, but mechanical down tilting is not. This advantage makes a control of hand-off region be easy and then it is more effective in urban. But in beam tilting, the first upper side lobe moves to the horizontal plane and it may affect adjacent other cells. For this reason, the synthesis of vertical pattern with suppressed upper side lobe is needed on the design of electrical down tilting antenna. In this thesis, electrical down tilting antenna for base station with shaped beam pattern that is suppressed upper side lobe and is with null filling of lower nulls is designed and fabricated. And the antenna can be driven dual polarization. The pattern synthesis methods proposed by R. S. Elliott is used sequentially and using programs drawing up by Mathematica, the excitation coefficient of array is calculated. The frequency band of the design is cellular band (824~894MHz). The stacked microstrip patch that has broad bandwith is used as a radiated element and the balanced feed technique is applied to improve isolation between ports and discrimination of cross polarization. The Fabricated single radiator has frequency bandwidth about 12% (VSWR<1.5) and isolation between ports of Max. -34dB and horizontal beam width of 63°~66°. The 5-way divider that is based on the circuit of lossless divider is designed for realizing of the excitation coefficient of antenna. The phase shifter for electrical down tilting is the type of modified variable dielectric strip-line phase shifter and a continuous phase shifting and a driving of high power is possible. To verify low side lobe and null filling, pattern measurement of the fabricated antenna is carried out in anechoic chamber larger than a twice of far-field distance. Measured results show horizontal beam width of 65°~67°, gain of Min.13.3dBi and CPR of -18dB that proves the effect of the balanced-feed technique. And the antenna has down tilting range from 0°to 14°, and vertical beam width of 14°~16.4°. The first side lobe is suppressed to Max. -23dB successfully and null filling performance is favorable overall