KR101929348B1 - Pimd 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PIMD 신호 제거가 가능한 기지국 안테나 장치에 관한 것으로, 접지 플레이트; 상기 접지 플레이트의 일측면에 상기 접지 플레이트에 의해 지지되어 배치된 하나 이상의 복사소자들; 상기 하나 이상의 복사소자들에 전력을 공급하는 전력분배회로; 하나 이상의 비선형 소자를 포함하는 PCB 회로 기판; 상기 PCB 회로 기판에 연결된 복수개의 케이블; 상기 복수개의 케이블을 전자파 차폐하기 위한 차폐수단; 상기 복수개의 케이블과 상기 차폐수단에 연결된 복수개의 필터수단; 및 상기 차폐수단과 상기 접지 플레이트를 연결하는 연결수단;을 포함한다.
본 발명에 의해, 안테나 내부의 비선형 소자에서 발생하는 PIMD 신호를 제거하거나 현저히 줄일 수 있다.

Description

PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치 {Low PIMD base station antenna having active elements}

본 발명은 PIMD 신호 제거가 가능한 기지국 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안테나 내부의 비선형 소자에서 발생하는 PIMD 신호를 제거하거나 현저히 줄일 수 있는 기지국 안테나 장치에 관한 것이다.

이동통신 시스템에서 수동소자인 안테나를 통한 고출력 송신 시에 안테나의 다중 대역 주파수간 상호 간섭에 의해 혼변조(Intermodulation, 이하 IMD라 함) 신호가 발생할 수 있는데 이를 수동 상호 변조 왜곡(PIMD, Passive Inter Modulation Distortion) 신호라 한다. 이러한 PIMD 신호는 정상 신호가 아닌 잡음 신호로서 일정 레벨 이상의 혼변조 신호가 유입되면 통신 시스템에서는 이를 데이터 신호로 처리하게 되므로 정상적인 신호가 왜곡되어 통화 품질이 떨어지게 된다. 그러므로 안테나의 PIMD 신호는 산업계에서 요구하는 적정 수준 이내로 억제되어야 한다.

한편, RF 부품에서 PIMD 발생 원인은 접촉 비선형성 (Contact Nonlinearity)과 재료 비선형성(Material Nonlinearity)으로 크게 구분할 수 있다. 접촉 비선형성의 원인으로는 도체들 사이의 얇은 산화층에 의한 접합용량, 금속 접촉에서 도체들 사이의 반도체 작용에 의한 터널 효과, 금속들 사이의 빈틈 공간과 미소 균열에 의한 Micro-discharge, 금속 표면의 먼지와 금속 입자들에 연관된 비선형성, 금속결합에서 발생되는 수축저항(Constriction resistance) 등이 있고, 재료 비선형성의 원인으로는 니켈, 철, 코발트 등의 히스테리시스(Hysteresis) 효과, Internal Schottky Effect, 도체에서의 한정된 전도율에 의한 Thermal heating 등이 있다.

이는 안테나에서 발생되는 PIMD 신호에 대해서도 마찬가지여서, 일반적으로 PIMD 신호는 안테나 내부에서 금속 간에 접촉하는 부위에서의 불완전 접촉으로 인해 주로 발생되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 종래에는 안테나의 PIMD 신호를 억제하기 위해 커넥터와 케이블 그리고 커넥터와 접속단자의 접속 안정성을 높이는 기술에 치중하였다.

기지국 안테나는 여러 개의 복사소자를 가지고 있고 이로 인해 좁은 빔폭을 만들어서 서비스 영역을 제한한다. 이때 안테나 빔의 방향을 조절하기 위해 기구적으로 안테나 방향을 바꾸는 방법과 각각의 복사소자에 인가되는 신호의 위상을 조절하는 모터를 안테나 내부에 장착하고 이 모터를 회전시켜서 각 복사소자에 인가되는 신호에 소정 값의 위상차를 줌으로써 빔을 전기적으로 틸팅하는 방법이 있다. 이 때 빔의 방향을 인식하고 안테나 내부의 모터를 원하는 각도로 조절하는 장비를 RET(Remote Electrical Tilt)라 하는데 지금까지는 주로 안테나 외부에 설치하여 사용하였다. 그런데 안테나 제조사 별로 빔의 방향을 인식하는 신호 및 모터를 조절하는 신호가 다르므로 최근에는 각 제조사들이 iRET(Integrated Remote Electrical Tilt)를 안테나 내부에 장착하는 추세이다. 이렇게 능동소자(비선형 소자)가 포함된 회로 기판이 안테나 내부에 들어오게 되면, 수동소자만 존재하는 기존의 안테나와는 달리, 능동소자의 비선형 특성으로 인해 안테나의 PIMD 신호를 적정 수준으로 억제하기가 매우 곤란하여 진다.

최근까지 기지국 안테나의 PIMD 신호를 억제하기 위한 노력은 대표적으로 AISG(Antenna Interface Standards Group)와 같은 국제표준화기구를 통해 주로 접촉과 재료의 문제로서 접근하여 이루어져 왔으나, 능동소자를 포함하는 안테나의 경우에 있어서는 아직 만족스러운 성과를 얻지 못하고 있다.

KR 10-1017670　(2011.02.18)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기지국 안테나 분야에서 지금까지의 PIMD 신호 제거를 위한 노력이 주로 케이블과 커넥터에 대한 접촉과 재료의 관점에서 이루어진 것을 벗어나서 전혀 새로운 관점에서의 해결 수단에 의해, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나의 PIMD 신호를 제거하거나 줄이는 것을 목적으로 한다. 그래서 능동소자를 포함하는 기지국 안테나에 대해서 현재까지 달성하지 못하고 있는 산업계의 기준을 충족시킬 수 있는 결과를 얻는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른, PIMD 신호 제거가 가능한 기지국 안테나 장치는, 접지 플레이트; 상기 접지 플레이트의 일 측면에 상기 접지 플레이트에 의해 지지되어 배치된 하나 이상의 복사소자들; 상기 하나 이상의 복사소자들에 전력을 공급하는 전력분배회로; 하나 이상의 비선형 소자를 포함하는 PCB 회로 기판; 상기 PCB 회로 기판에 연결된 복수개의 케이블; 상기 복수개의 케이블을 전자파 차폐하기 위한 차폐수단; 상기 복수개의 케이블과 상기 차폐수단에 연결된 복수개의 필터수단; 및 상기 차폐수단과 상기 접지 플레이트를 연결하는 연결수단;을 포함한다.

상기 차폐수단은 금속 호일 또는 금속 브레이드(braid)일 수 있다.

상기 복수개의 복사수단은 서로 다른 주파수 대역의 신호를 복사하는 다중대역 복사수단일 수 있다.

상기 접지 플레이트는 복사수단에서 복사된 전력을 특정 방향으로 반사시키는 반사판일 수 있다.

상기 PCB 회로 기판은 접지부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른, PIMD 신호 제거가 가능한 기지국 안테나 장치는, 접지 플레이트; 상기 접지 플레이트의 일측면에 상기 접지 플레이트에 의해 지지되어 배치된 하나 이상의 복사소자들; 상기 하나 이상의 복사소자들에 전력을 공급하는 전력분배회로; 하나 이상의 비선형 소자 및 접지부를 포함하는 PCB 회로 기판; 상기 PCB 회로 기판에 연결된 복수개의 케이블; 및 상기 복수개의 각 케이블과 상기 접지부에 연결된 복수개의 필터수단;을 포함한다.

상기 차폐수단은 금속 호일 또는 금속 브레이드(braid)일 수 있다.

상기 복수개의 복사수단은 서로 다른 주파수 대역의 신호를 복사하는 다중대역 복사수단일 수 있다.

상기 접지 플레이트는 복사수단에서 복사된 전력을 특정 방향으로 반사시키는 반사판일 수 있다.

본 발명에 따르면, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 내부에서 발생하는 PIMD 신호를 제거하거나 현저하게 줄일 수 있다.

본 발명에 따르면, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 내부에서 발생하는 PIMD 신호에 대한 산업계의 요구 기준을 충족시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.

도 1은 기지국 안테나에서 PIMD 신호가 발생하는 원리를 도시한 것이다.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치를 도시한 것이다.
도3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치를 도시한 것이다.

본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 'PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치'에 관해 상세하게 설명한다.

전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시 예들을 통해 구체화된다. 각 실시 예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시 예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 나아가 제안된 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소들과는 상관없이 이 구성요소를 반드시 포함한다는 의미이지 다른 구성 요소들의 포함 가능성을 배제하고자 하는 것이 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 명세서 전체에서 신호는 전압이나 전류 등의 전기량을 의미한다.

도 1은 기지국 안테나에서 PIMD 신호가 발생하는 것을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 안테나 입력 포트로 들어온 송신 전력이 안테나의 복사소자에 이르기까지 전력분배 회로와 복사소자 등에서 접지 플레이트(Ground Plate) 뒤쪽으로 누설 전력이 발생한다. 그리고 모터, 센서 등의 각 신호발생기와 비선형 소자들이 포함된 PCB 회로 기판을 연결하는 케이블에 이 누설 전력이 유입될 수 있다. 이렇게 케이블을 통해 PCB 회로 기판에 입력된 두 주파수 대역의 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})은 PCB 회로 기판 내의 비선형 소자들에 의해 상호 변조(IMD)된 신호(P_{2f2 -f1}, P_{2f1 -f2})를 발생시키고, 이렇게 발생된 상호 변조(IMD) 신호는 다시 케이블을 통해 안테나 접지 플레이트와 전력분배회로로 재 방사됨으로써 정상신호를 왜곡시켜 통화 품질을 저하시키는 원인으로 작용한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, PIMD 신호 제거가 가능한 기지국 안테나 장치는, 케이블(100)을 통해 신호발생기(10)와 전기적으로 연결되며 복수개의 비선형 소자(210)들을 포함하는 PCB 회로 기판(200), 필터수단(600), PCB 회로 기판(200)의 비선형소자(210)가 형성된 면의 반대 측에 형성된 접지부(220), 접지부(220)과 복사소자(400) 사이에 설치되는 접지 플레이트(300) 등을 포함한다.

케이블(100)은 모터, 센서 등의 각 신호발생기(10)에서 발생된 신호를 PCB 회로 기판(200)에 형성된 패턴(비선형 소자)(210)과 전기적으로 연결시키는 구성으로, PCB 회로 기판(200)의 비선형 소자(210)와 연결된다. 즉, 케이블(100)은 PCB 회로 기판(200) 상에 형성된 비선형 소자(210)들과 신호를 주고 받기 위해 전기적으로 연결된다.

또한, 케이블(100)은 비선형 소자(210)에 유입되는 f1+f2의 안테나 송신 전력을 줄여야 비선형 소자(210)에서 발생하는 PIMD를 줄일 수 있어서 케이블(100)을 금속 도체 등으로 된 차폐수단(500)으로 차폐(shield)하고 연결수단(510)에 의해 접지 플레이트(300)과 연결한다. 연결수단(510)은 접지선으로서 차폐수단(500) 끝단 중 한쪽 또는 양쪽에 연결될 수 있다.

PCB 회로 기판(200)에는 복수의 비선형 소자들(210)이 존재하고, 각 신호발생기(10)에서 발생된 신호들은 케이블(100)을 거쳐 PCB 회로 기판(200)의 비선형 소자(210)로 전송된다. 안테나 입력 포트로 들어온 송신 전력이 복사소자 및 전력분배회로로부터의 누설전력에 의해 PCB 회로 기판(200)에 입력된 두 주파수 대역의 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})은 PCB 회로 기판(200) 내의 비선형 소자(210)에 의해 IMD 신호(P_{2f2 -f1}, P_{2f1 -f2})를 발생시키는데, 비선형 소자(210)에서 발생한 PIMD 신호는 케이블(100)로 유출되고 이 케이블에서 재 방사되어 전력분배회로 및 복사소자(400)로 다시 유입되어 정상 신호를 왜곡시킨다.

필터수단(600)은 케이블(100)에 유입된 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})이 PCB 회로 기판의 비선형 소자로 유입되는 것을 차단하기 위한 구성으로, 케이블(100) 및 케이블 차폐수단(500)과 연결된다. 즉, 복수의 필터수단(600)은 연결선(610)을 통해 케이블(100)과 연결되고, 그 연결선(610)은 케이블 차폐수단(500)에도 연결된다. 따라서, 필터수단(600)은 입력된 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})을 케이블 차폐수단(500)을 통해 접지 플레이트(300)에 전달함으로써 PIMD 신호 발생을 억제한다.

필터수단(600)은 각 신호발생기별로 구비되고, 주파수 특성에 따라 다양하게 구성할 수 있으며, 원하는 주파수 대역을 차단하거나 통과시킬 수 있으면 그 종류에는 제한이 없다. 필터는 신호발생기 및 케이블의 숫자만큼 구비되어 각 케이블에 연결될 수 있다.

접지 플레이트(300)의 일면에는 복사소자(400)가 배치되고, 복사소자에 입력신호를 분배하는 선로들이 타면에 형성되어 있다.

접지 플레이트(300)은 복사소자에서 나오는 전력이 안테나 앞쪽으로 향하도록 반사판 역할을 하며 전력분배회로(번호 없음)는 접지 플레이트의 타면에 배치되어 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 안테나 장치에서 PIMD 신호가 제거되는 과정에 대해 설명하기로 한다.

모터, 센서 등의 각 신호발생기(10)를 구동하는 전원과 신호발생기에서 발생된 신호들은 케이블(100)을 거쳐 PCB 회로 기판(200)에 입력되는데, 안테나의 복사소자 및 전력분배회로 등으로부터 누설된 누설전력 또한 이 케이블(100)을 통해 PCB 회로 기판(200)의 비선형 소자(210)로 전송된다. 이 누설전력에서 비롯되어 비선형 소자(210)로 입력된 두 주파수 대역의 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})은 PIMD 신호(P_{2f2 -f1}, P_{2f1 -f2})를 발생시킨다. 본 발명에서는 복사소자 및 전력분배회로 등으로부터 누설되어 케이블(100)로 유입된 신호들을 필터수단(600)에서 필터링하여 접지선(510)을 통해 접지 플레이트(300)으로 흘려 보냄으로써 누설전력에 의한 신호들이 PCB 회로 기판(200)의 비선형 소자에 전달되지 않게 하여 PIMD 신호(P_{2f2 -f1}, P_2f1-f2)의 발생을 억제할 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, PIMD 신호 제거가 가능한 안테나 장치는, 케이블(100)을 통해 신호발생기(10)와 전기적으로 연결되며 복수개의 비선형 소자(210)들 및 접지부를 포함하는 PCB 회로 기판(200), PCB 회로 기판(200) 상에 형성된 복수개의 필터수단(600), PCB 회로 기판(200)의 비선형소자(210)들이 배치된 면의 반대 측에 형성된 접지부(220), 및 접지 플레이트(300) 등을 포함한다.

도3의 실시예가 도2의 실시예와 다른 점은, 케이블(100)을 차폐하는 차폐수단을 갖지 않고, 각 케이블(100)에 연결되는 필터수단(600)들이 PCB 회로 기판(200)의 접지부(220)에 연결되어 있다는 것이다.

그 외의 다른 구성 및 그 기능은 도2의 설명에서와 같다.

도2의 실시예에서와 마찬가지로 안테나 복사소자 등으로부터의 누설전력에 의한 신호들은 비선형 소자들에 의해 PIMD 신호를 발생시키므로, 도3의 PCB 회로 기판(200) 상에는 케이블(100)에 유입된 PIMD 신호를 제거하기 위해 필터수단(600)들이 형성되어 있다.

PCB 회로 기판(200) 상에 형성된 필터수단(600)은 각 케이블마다 구비된 구성으로, 연결선(710)을 통해 케이블(100)과 접지부(220)을 연결한다.

이하, 상기와 같이 구성된 안테나 장치에서 PIMD 신호를 제거하는 원리에 대해 설명하기로 한다.

모터, 센서 등의 각 신호발생기(10)에서 발생된 신호들은 케이블(100)을 거쳐 PCB 회로 기판(200)에 입력되는데, 안테나의 복사소자 및 전력분배회로 등으로부터 누설된 누설전력 또한 이 케이블(100)을 통해 PCB 회로 기판(200)의 비선형 소자(210)로 전송된다. 이 누설전력에서 비롯되어 비선형 소자(210)로 입력된 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})은 PIMD 신호(P_{2f2 -f1}, P_{2f1 -f2})를 발생시킨다. 본 발명에서는 복사소자 및 전력분배회로 등으로부터 누설되어 케이블(100)로 유입된 신호들(I_1+,f1+f2, I_1-,f1+f2 … I_N,_{f1 +f2})이 필터수단(600)에서 필터링되어 연결선(710)을 통해 접지부(220)으로 흘러 나가게 되므로 PCB 회로 기판(200)의 비선형 소자(210)에 전달되는 것을 막을 수 있어 PIMD 발생을 억제할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상과 필수적 특징을 유지한 채로 다른 형태로도 실시될 수 있음을 인지할 수 있을 것이다.

따라서 이상에서 기술한 실시예들은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 앞의 실시예들로만 제한하고자 하는 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 순서도들은 본 발명을 실시함에 있어서 가장 바람직한 결과를 얻기 위해 예시적으로 도시한 순서에 불과하며, 다른 단계들이 더 추가되거나 일부 단계들이 삭제될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 범위는 특허청구범위에 의하여 규정되어질 것이지만, 특허청구범위 기재사항으로부터 직접적으로 도출되는 구성은 물론 그와 등가인 구성으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. 접지 플레이트;
   상기 접지 플레이트의 일측면에 상기 접지 플레이트에 의해 지지되어 배치된 하나 이상의 복사소자들;
   상기 하나 이상의 복사소자들에 전력을 공급하는 전력분배회로;
   하나 이상의 비선형 소자를 포함하는 PCB 회로 기판;
   상기 PCB 회로 기판에 연결된 복수개의 케이블;
   상기 복수개의 케이블을 전자파 차폐하기 위한 차폐수단;
   상기 복수개의 케이블과 상기 차폐수단에 연결된 복수개의 필터수단; 및
   상기 차폐수단과 상기 접지 플레이트를 연결하는 연결수단;
   을 포함하는,
   PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치에 있어서,
   상기 복수개의 필터수단은,
   연결선을 통해 상기 차폐수단과 상기 차폐수단의 외부에서 연결되며,
   상기 비선형 소자에서 발생한 PIMD 신호 전부를 상기 차폐수단을 통해 상기 연결수단을 경유하여 상기 접지 플레이트로 전달하는,
   PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치
   
2. 청구항1에 있어서,
   상기 차폐수단은 금속 호일 또는 금속 브레이드(braid)인 것을 특징으로 하는, PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치
   
3. 청구항1에 있어서,
   상기 복수개의 복사수단은 서로 다른 주파수 대역의 신호를 복사하는 다중대역 복사수단인 것을 특징으로 하는, PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치
   
4. 청구항1에 있어서,
   상기 접지 플레이트는 복사수단에서 복사된 전력을 특정 방향으로 반사시키는 반사판인 것을 특징으로 하는, PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치
   
5. 청구항1에 있어서,
   상기 PCB 회로 기판은 접지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치
   
6. 청구항1에 있어서,
   상기 복수개의 필터수단은 상기 PCB 회로 기판 외부에 설치된 것을 특징으로 하는, PIMD 신호 제거가 가능한, 능동소자를 포함하는 기지국 안테나 장치
   
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