KR100373412B1 - 3-dimensional beam steering system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 밀리미터파 빔 스티어링 시스템에 관한 것으로서, 이 시스템은 전기적으로 그리고 동시에 기계적으로 빔을 스티어링할 수 있는 단위 안테나와 이러한 단위 안테나가 배열된 안테나 어레이, 그리고, 3차원 빔 스티어링 소자와 MMIC 형태의 능동회로가 준광학적으로 집적된 3차원 밀리미터파 서브시스템으로 구성되어 있다. 상기 단위 안테나는 전자기적인 구동 방법에 의해 실시간으로 제어되어 공간상에서 2차원적으로 움직이게 된다. 다시 말하면 안테나의 빔이 위상 변위기에 의해 전기적으로 스티어링 됨과 동시에 기계적 구동에 의해 물리적으로 움직일 수 있는 3차원 빔 스티어링 시스템이다. 3차원 빔 스티어링 안테나와 소자는 MEMS 기술을 이용하여 모노리틱(monolithic)한 방법으로 한 기판위에 집적되고, 나머지 능동회로부분인 믹서(mixer), 전력증폭기(PA), 저손실증폭기(LNA), VCO 등은 MMIC 능동 어레이 형태로 구현된다. 3차원 빔 스티어링 소자와 능동 MMIC 회로의 연결(interconnection)을 위해 준광학적(quasi-optical)인 방법을 통해 시스템이 집적된다.The present invention relates to a three-dimensional millimeter wave beam steering system, comprising a unit antenna capable of electrically and mechanically steering a beam, an antenna array in which the unit antenna is arranged, and a three-dimensional beam steering element and an MMIC. Active circuits of this type consist of a semi-optically integrated three-dimensional millimeter wave subsystem. The unit antenna is controlled in real time by an electromagnetic driving method to move two-dimensionally in space. In other words, it is a three-dimensional beam steering system in which the beam of the antenna is electrically steered by a phase shifter and can be physically moved by mechanical driving. Three-dimensional beam steering antennas and devices are integrated on one substrate in a monolithic way using MEMS technology, and the remaining active circuits are mixers, power amplifiers (PAs), low loss amplifiers (LNAs), and VCOs. The back is implemented in the form of an MMIC active array. The system is integrated through a quasi-optical method for the interconnection of three-dimensional beam steering elements and active MMIC circuits.

본 발명에 의하면, 밀리미터파 대역에서 낮은 소자 출력 및 높은 공간 손실로 인하여 낮은 신호대 잡음비(SNR)를 가질 수 밖에 없다는 문제를 3차원 빔 스티어링이라는 새로운 전송방식 및 전기적, 기계적으로 움직이는 초소형 안테나 구조를 도입하여 해결함으로써, Pico cell 환경의 광대역 무선통신뿐만 아니라 3차원 이미징 이 가능하게 된다는 점에서 매우 획기적이라 할 수 있다.According to the present invention, a new transmission scheme called three-dimensional beam steering and an ultra-small antenna structure that are electrically and mechanically moved have been introduced to solve the problem of low signal-to-noise ratio (SNR) due to low device output and high space loss in the millimeter wave band. In this regard, it is very innovative in that 3D imaging as well as broadband wireless communication in a Pico cell environment will be possible.

Description

3차원 빔 스티어링 시스템{3-dimensional beam steering system}3-dimensional beam steering system

본 발명은 무선전송 시스템에 관한 것으로서 3차원적으로 전파 빔(beam)을 스티어링(steering)하고 공간에서 한 점으로 포커싱하여 신호 전송 효율을 극대화할 수 있는 무선전송 방법과 이를 구현하기 위한 안테나 구조와 이에 관련된 능동 MMIC 회로 및 시스템 집적 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless transmission system, and to a three-dimensional steering of a radio beam (beam) and focusing on a point in space, a wireless transmission method for maximizing signal transmission efficiency and an antenna structure for implementing the same and Related to this is an active MMIC circuit and system integration method.

새로운 주파수 자원인 밀리미터파 (millimeter-wave : 30-300 GHz) 대역은 보다 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 많은 량의 정보전송을 가능하게 한다. 이는 최근 관심을 끌고 있는 LMDS(Local Multi-point Distribution System), 무선 랜(wireless LAN) 등의 무선 시스템의 주파수 대역이 30 GHz, 60 GHz등의 밀리미터파 대역을 목표로 삼고 있는 점을 보아도 알 수 있다. 밀리미터파의 또 다른 중요한 응용으로는 이미징(imaging)이 있다. 기존의 이미징 기술은 주로 광(빛)이나 마이크로파 대역을 이용하고 있다. 보다 쉽게 접근 할 수 있는 새로운 개념의 3차원 이미징 기술 개발이 밀리미터파 대역에서 이루어진다면 정교한 해상도의 3차원 이미지를 필요로 하는 의학 및 공학의 여러 응용분야에 많은 도움이 되리라고 판단된다.A new frequency resource, the millimeter-wave (30-300 GHz) band, allows the use of a wider frequency band, thus enabling the transfer of large amounts of information. This can be seen from the fact that the frequency band of wireless systems such as LMDS (Local Multi-point Distribution System) and wireless LAN (WLAN), which are recently attracting attention, is aiming at the millimeter wave bands such as 30 GHz and 60 GHz. have. Another important application of millimeter waves is imaging. Conventional imaging techniques mainly use light (light) or microwave bands. The development of a new, more accessible concept of 3D imaging technology in the millimeter wave band would be of great help to many applications in medicine and engineering that require sophisticated resolution of 3D images.

이러한 여러 장점을 지니고 있는 밀리미터파 주파수 대역을 이용하는 데에 있어서 가장 큰 과학 기술적인 문제점은 밀리미터파를 발생시키는 소자의 출력이 극히 제한되고 있다는 점이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 소자의 출력은 주파수의 제곱에 반비례한다는법칙에 따르기 때문이다. 또한 마이크로파에 비하여 파장이 짧아서 같은 거리를 전송할 경우라도 패스 로스(path loss)가 크다는 단점이 있다. 이러한 단점은 곧 주파수가 높아질수록, 수신된 신호의 크기가 작아질 수밖에 없다는 것을 의미한다. 신호의 크기뿐만 아니라 잡음 면에서도 밀리미터파는 취약점을 가지고 있다. 송수신기에 사용되는 능동소자들은 주파수가 높아질수록 이득은 감소하면서도 잡음지수는 증가하게된다. 즉, 능동소자는 증폭을 함과 동시에 잡음을 더하게 되는데, 이때 더하여지는 잡음의 양이 주파수에 따라 증가하는 것을 의미한다. 결과적으로 능동 소자를 통과한 신호는 주파수가 높을수록 신호대 잡음비가 나빠지는 것을 피할 수 없게 된다. 신호대 잡음비(SNR)는 신호 전송 시스템에서 가장 중요한 수치로서, 한계값(threshold) 이하의 SNR은 곧 그 시스템이 무의미하다는 것을 말한다.The biggest scientific and technical problem with using these millimeter wave frequency bands is that the output of the millimeter wave generating device is extremely limited. As shown in Figure 1, the output of the device is inversely proportional to the square of the frequency. Because it obeys the law. In addition, there is a disadvantage in that the path loss is large even when transmitting the same distance because the wavelength is shorter than the microwave. This disadvantage means that the higher the frequency, the smaller the size of the received signal. Millimeter waves are vulnerable in terms of signal size as well as noise. Active devices used in transceivers increase the frequency and decrease the gain while increasing the noise figure. That is, the active device amplifies and adds noise, which means that the amount of noise added increases with frequency. As a result, the signal passing through the active element is inevitably worsened at higher frequencies. Signal-to-noise ratio (SNR) is the most important figure in a signal transmission system, and an SNR below a threshold indicates that the system is meaningless.

이러한 밀리미터파가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 현재 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는데, 이 들은 주로 소자 level에서 잡음을 낮추고 출력을 높이는 데에 치중되어 있다. 또 다른 연구의 방향은 요소(component)간의 중간 연결(interconnection) 손실을 줄이고, 안테나의 이득을 높이는 것으로써, 안테나의 위상 배열(phased array)을 사용한 스마트 안테나(smart antenna) 시스템 등이 제안되고 있다. 그러나, 밀리미터파에서 소자의 잡음지수를 낮추기 위해서는 게이트 길이를 0.1-0.2μm정도로 줄이는 고가의 e-빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정이 필요하며, 이렇게 하더라도 얻을 수 있는 SNR의 향상은 1-2dB미만이다. 안테나의 경우에도, 이득을 높이기 위하여는 안테나의 물리적 크기가 커져야 하는데, 이는 가격을 높일뿐더러, 시스템 구성측면에서 많은 문제점을 야기한다. 이득을 높이는 또 다른 방법으로, 초전도체를 이용하는 등의 손실을 줄이는 방법이 있으나, 이러한 방법으로 얻을 수 있는 부가적인 이득은 1-2dB를 넘지 못한다. 스마트 안테나 시스템은 2차원적으로 빔을 형성하고 스티어링하는 시스템으로 본 연구에서 제안하는 3차원 빔 스티어링 시스템의 전 단계라고 볼 수 있다. 미국이나 일본 등 세계적으로 많은 연구팀이 스마트 안테나 시스템에 대한 연구를 수행하고 있으며 현재 수신 신호의 방향만을 탐지하는 안테나의 경우, 낮은 주파수 시스템은 일부 상용화되어 이동 통신 시스템에 이용되고 있다. 하지만 현재의 기술 수준으로는 스마트 안테나 시스템을 채택한 기지국의 단가가 높다는 경제적인 문제와 통화 품질 문제를 완전히 해결하기는 힘들다는 기술적인 문제를 가지고 있다. 이러한 문제는 2차원적인 방향 파악에 의존하는 기존의 스마트 안테나 기술로는 근본적인 해결이 어려운 것으로 판단된다. 따라서 현재 세계적으로 진행되고 있는 연구방법으로는 밀리미터파의 신호 대 잡음비를 획기적으로 증가시키지 못한다. 이는 수신된 신호의 전력은 송수신 안테나의 이득에 비례하고 송수신기간의 거리의 제곱에 반비례한다는 프리스 공식(Friis formula)에 의해서 제한되기 때문이다.In order to solve the problems of the millimeter wave, many studies are currently being conducted around the world, mainly focused on lowering noise and increasing output at the device level. Another research direction is to reduce the intermediate interconnection loss between components and increase the gain of the antenna, such as a smart antenna system using a phased array of the antenna has been proposed. . However, lowering the device's noise figure at millimeter waves requires an expensive e-beam lithography process that reduces the gate length to 0.1-0.2 μm , and the resulting SNR improvement is 1-. It is less than 2dB. In the case of an antenna, in order to increase the gain, the physical size of the antenna must be large, which increases the price and causes many problems in terms of system configuration. Another way to increase gain is to reduce losses, such as using superconductors, but the additional gain that can be gained by this method does not exceed 1-2dB. The smart antenna system is a two-dimensional beam forming and steering system, which can be considered as the previous stage of the three-dimensional beam steering system proposed in this study. Many research teams around the world, such as the United States and Japan, are conducting research on smart antenna systems. In the case of antennas that detect only the direction of a received signal, low frequency systems have been commercialized and used in mobile communication systems. However, the current technical level has economic problems such as high unit cost of base stations adopting smart antenna system and technical problems that it is difficult to completely solve the call quality problem. This problem cannot be solved fundamentally with the existing smart antenna technology, which relies on two-dimensional orientation. As a result, current research methods do not significantly increase the millimeter-wave signal-to-noise ratio. This is because the power of the received signal is limited by the Friis formula, which is proportional to the gain of the transmit / receive antenna and inversely proportional to the square of the distance of the transmit / receive period.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 밀리미터파 대역의 낮은 SNR 한계를 극복하고, 광대역 무선 전송 시스템 구현할 수 있는 3차원 빔 스티어링 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a three-dimensional beam steering system capable of overcoming the low SNR limitation of the millimeter wave band and implementing a broadband wireless transmission system.

도 1은 마이크로파 및 밀리미터파 발생원의 주파수 대 출력의 비를 나타내는 그래프이고,1 is a graph showing the ratio of frequency to output of microwave and millimeter wave sources,

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 빔 포커싱 안테나의 사시도이고,2A is a perspective view of a three-dimensional beam focusing antenna according to an embodiment of the present invention;

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 빔 포커싱 안테나를 이루는 안테나 요소의 사시도이고,2b is a perspective view of an antenna element constituting a three-dimensional beam focusing antenna according to an embodiment of the invention,

도 3은 마이크로 거울의 사진이고,3 is a photograph of a micro mirror,

도 4는 본 발명에 따른 3차원 빔 포커싱에 의한 방식과 기존의 페이스드 어레이 방식의 수신 전력을 비교한 그래프이고,4 is a graph comparing the reception power of the 3D beam focusing method and the conventional faced array method according to the present invention;

도 5는 본 발명의 실시예에 다른 3차원 빔 포커싱 안테나에서 기계적으로 방향을 바꾸는 안테나 배열의 개념도이고,5 is a conceptual diagram of an antenna array mechanically redirected in a three-dimensional beam focusing antenna according to an embodiment of the present invention;

도 6은 전기적 및 기계적으로 동시에 3차원 포커싱한 경우, 전기적으로만 3차원 포커싱한 경우, 기계적으로 각 단위 안테나를 움직여 동일한 방향으로 향하게 한 2차원 빔 스티어링의 경우 및 기존의 2차원 페이스드 어레이의 E-평면상에서의 복사 전계의 세기를 비교하여 나타낸 그래프이고,FIG. 6 illustrates a case of two-dimensional beam steering in which the three-dimensional focusing is performed electrically and mechanically simultaneously, the three-dimensional focusing is performed only electrically, and the two-dimensional beam steering mechanically moves each unit antenna in the same direction. Is a graph comparing the intensity of the radiated electric field on the E-plane,

도 7은 준광학적으로 집적된 3차원 밀리미터파 서브시스템의 개념도이고,7 is a conceptual diagram of a semi-optically integrated three-dimensional millimeter wave subsystem,

도 8은 멀티레벨로 모노리틱하게 집적된 3차원 밀리미터파 서브시스템의 개념도이다.8 is a conceptual diagram of a multidimensional monolithically integrated three-dimensional millimeter wave subsystem.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 신호를 송수신하는 단위 안테나 및 단위 안테나를 기계적으로 구동시키는 구동부를 포함하는 3차원 빔 스티어링 소자가 적어도 2개 이상 배열되어 있는 3차원 밀리미터파 빔 스티어링 시스템을 제시한다.In order to solve this problem, the present invention provides a three-dimensional millimeter wave beam steering system in which at least two three-dimensional beam steering elements including a unit antenna for transmitting and receiving a signal and a driving unit for mechanically driving the unit antenna are arranged. .

이때, 단위 안테나에서 발진될 신호의 위상을 전기적으로 조정하는 위상 변위기(phase shifter)가 각 안테나 단위 소자에 연결되어 전기적으로 빔 스티어링을 하도록 한다. 3차원 빔 스티어링 소자와 준광학적인 방법으로 신호를 교환하는 MMIC 형태의 능동회로는 VCO, 믹서, 증폭기 등을 포함하여 전체 RF 송수신 시스템을 집적하는 것이 바람직하며, MMIC 형태의 능동회로와 상기 3차원 빔 스티어링 소자는 준광학적(quasi-optical) 방법이나 멀티레벨(multi-level) 집적기술에 의해 모노리틱(monolithic)하게 집적할 수 있다.At this time, a phase shifter for electrically adjusting the phase of the signal to be oscillated in the unit antenna is connected to each antenna unit element so as to electrically perform beam steering. The active circuit of the MMIC type that exchanges signals with the 3D beam steering element in a semi-optical manner is preferably integrated with the entire RF transmission / reception system including a VCO, a mixer, an amplifier, and the like. The beam steering element may be monolithically integrated by a quasi-optical method or a multi-level integration technique.

본 발명에 따른 3차원적 빔 포커싱 안테나의 이론적 배경은 다음과 같다.The theoretical background of the three-dimensional beam focusing antenna according to the present invention is as follows.

일반 신호전송 시스템에서 널리 쓰이는 프리스 공식에 의하면 수신 전력은 송신전력과 송수신 각각의 안테나의 이득에 비례하고 송수신단의 거리의 제곱에 반비례한다. 이에 따르면 일정한 거리에서 수신전력을 10배 높이기 위하여 송신전력을 10배 높이든지 안테나의 이득을 10배 높여야 한다. 송신전력을 높이는 데에는 앞에서 언급하였듯이법칙에 의하여 제약이 따르며, 단위 전력당 단가가 주파수에 따라 기하급수적으로 증가하므로 상용화 측면에서 거의 현실성이 없다. 또한 획기적인 방법에 의하여 높인다 하더라도 많은 에너지의 소모로 인하여 전파 환경을 열화시킨다. 또한 대용량 전지(battery)의 사용은 단말기의 크기를 키우는 부가적인 단점을 갖게된다. 안테나의 이득을 높이기 위하여는 안테나의 크기가 10배 커져야 하는 문제점이 따른다. 따라서 일정한 송수신 거리에서 일정한 송신 출력 및 안테나의 크기를 사용하면서 수신 전력을 프리스 공식에 의한 수신전력 이상 높이는 것은 일견 불가능하여 보인다. 하지만, 이는 안테나의 빔(beam)을 방향으로만 조정하는 2차원적인 신호 전송 방법에서 벗어나지 못하기 때문이다. 송신 안테나의 빔을 정교한 위상 조정(phase control)에 의하여 수신안테나의 위치에 3차원적으로 포커싱(focusing)하여 사용하게 되면 프리스(Friis) 공식에 따르지 않는 신호 전송 결과를 얻을 수 있다.According to the fleece formula widely used in general signal transmission systems, the received power is proportional to the transmit power and the gain of each antenna, and inversely proportional to the square of the distance between the transmitter and the receiver. According to this, in order to increase the reception power 10 times at a certain distance, the transmission power should be increased 10 times or the gain of the antenna should be increased 10 times. As mentioned earlier, to increase the transmission power There are restrictions due to the law, and since the unit cost per unit power increases exponentially with frequency, there is little practicality in terms of commercialization. In addition, even though it is increased by a breakthrough method, the radio environment is degraded due to the consumption of a lot of energy. In addition, the use of a battery (battery) has the additional disadvantage of increasing the size of the terminal. In order to increase the gain of the antenna has a problem that the size of the antenna must be increased 10 times. Therefore, it seems impossible to increase the reception power more than the reception power by the fleece formula while using a constant transmission power and antenna size at a constant transmission and reception distance. However, this is because the two-dimensional signal transmission method of adjusting the beam of the antenna only in the direction does not escape. When the beam of the transmitting antenna is three-dimensionally focused on the position of the receiving antenna by fine phase control, a signal transmission result that does not conform to the Friis formula can be obtained.

현재까지 안테나의 빔을 가장 효율적으로 이용하는 방법으로 알려진 시스템은 스마트(smart) 안테나 시스템이다. 이 시스템은 위상배열 안테나 시스템의 한 종류로서 여러 개의 안테나를 공간적으로 배열한 후, 각 안테나에 필요한 위상지연을 각각 주어 빔의 방향을 목적하는 방향으로만 송신하게 하는 시스템이다. 이 시스템을 공간상에서 거리 분해 능력은 존재하지 않고 방향만을 조절하는 2차원 빔 스티어링 시스템이다. 현재 사용하는 위상 배열 안테나는 일반적으로 안테나를 평면에 고정하여 사용하고 있다. 이렇게 하는 이유는 수백 개의 안테나를 포함하는 전체 위상 배열 안테나를 제작하는 데에 있어서, 제작 공정이 쉽고 대량 생산이 용이하여 제작 비용이 저렴하다는 장점 때문이다. 하지만 물리적으로 방향이 고정되어 있는 안테나를 사용할 경우, 각 안테나 측면에서 보았을 때에는 전체 빔의 방향이 각 안테나의 최대 이득을 갖는 방향으로부터 이탈 될 수밖에 없다. 따라서, 전기적인 성능은 저하될 수밖에 없다. 기존에는 가격 대 성능이라는 트레이드 오프(trade-off)에서 가격절감을 선택하였다. 하지만, 최근 빠른 MEMS(Micro Electromechanical System) 기술의 발달은, 기계적으로 회전시킬 수 있는 수천 개의 안테나를 일괄공정에 의해 저렴한 비용으로 제작 할 수 있는 가능성을 제공하고 있다. 따라서, 보내고자하는 빔의 방향으로 각 안테나의 방향을 기계적으로 바꾸어 줌으로써 모든 방향에서 최대의 이득을 얻을 수 있다.To date, a system known as the most efficient way to use the beam of the antenna is a smart antenna system. This system is a type of phased array antenna system that spatially arranges multiple antennas and then gives each phase necessary for each antenna to transmit the beam direction only in the intended direction. The system is a two-dimensional beam steering system that adjusts only direction without space resolution capability in space. Current phased array antennas generally use antennas fixed on a plane. The reason for this is that in manufacturing a total phased array antenna including several hundred antennas, the manufacturing process is easy, mass production is easy, and the manufacturing cost is low. However, when using antennas that are physically fixed in direction, when viewed from the side of each antenna, the direction of the entire beam must be deviated from the direction having the maximum gain of each antenna. Therefore, electrical performance is inevitably deteriorated. Traditionally, they chose to cut prices in the trade-off of price versus performance. However, recent advances in rapid MEMS (Micro Electromechanical System) technology offer the possibility of producing thousands of mechanically rotatable antennas at low cost by a batch process. Therefore, the maximum gain can be obtained in all directions by mechanically changing the direction of each antenna in the direction of the beam to be sent.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 3차원 빔 포커싱 안테나에 관하여 설명한다.Next, a 3D beam focusing antenna according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 빔 포커싱 안테나를 구비한 소형 기지국의 사시도이다.2A is a perspective view of a small base station with a three-dimensional beam focusing antenna according to an embodiment of the invention.

원통형의 기지국(1)과 같은 송수신 장치의 앞면에 3차원 빔 포커싱 안테나를 이루는 안테나 요소(10)가 배열되어 있다. 도 2a에서는 7개의 안테나 요소(10)가 매트릭스(matrix)형으로 배열되어 있는 것으로 도시되어 있으나 안테나 요소(10)의 수나 배열 형태는 얼마든지 변형될 수 있다. 예를 들어, 10개의 안테나 요소(10)가 동심원상으로 배열될 수도 있다.An antenna element 10 constituting a three-dimensional beam focusing antenna is arranged on the front side of a transmitting and receiving device such as a cylindrical base station 1. In FIG. 2A, seven antenna elements 10 are shown arranged in a matrix form, but the number or arrangement of antenna elements 10 may vary. For example, ten antenna elements 10 may be arranged concentrically.

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 포커싱 안테나의 각 안테나 요소를 확대한 도면이다.2B is an enlarged view of each antenna element of the three-dimensional focusing antenna according to the embodiment of the present invention.

각 안테나 요소는 3차원적인 회전이 가능한 단위 안테나(10), 단위 안테나(10)를 3차원적으로 회전시키는 구동부(12) 및 단위 안테나(10)를 통하여 발진될 신호의 위상을 제어할 수 있는 위상 변위기(11)로 이루어져 있다.Each antenna element may control a phase of a signal to be oscillated through a unit antenna 10 capable of three-dimensional rotation, a driver 12 for rotating the unit antenna 10 three-dimensionally, and a unit antenna 10. It consists of a phase shifter 11.

이 때, 단위 안테나(11)와 구동부(12)는 MEMS 기술을 사용하여 일괄 공정으로 형성할 수 있다. 여기에는 구동 마이크로 거울(micro mirror) 제작 기술을 사용한다. 도 3은 구동 마이크로 거울의 사진이다. 마이크로 거울은 광학적으로 빛을 반사하기 위한 소자로써, 구동 신호에 따라 거울의 방향을 기계적으로 제어하여 빛을 유도하는 소자이다. 본 발명에 따른 패치 안테나는 그 구조가 마이크로 거울과 흡사하므로 마이크로 거울 기술을 거의 그대로 응용할 수 있다. 여기에 UCLA 대학의 M.C.Wu 교수팀이 제안한 MESA(Micro-Elevator by Self-Assembly) 공정을 이용하여 2차원 기계적 스티어링 안테나 어레이(steering antenna array)를 구현할 수도 있다.In this case, the unit antenna 11 and the driver 12 may be formed in a batch process using MEMS technology. This uses a driving micro mirror fabrication technology. 3 is a photograph of a driving micromirror. The micro mirror is an element for optically reflecting light, and is a device for inducing light by mechanically controlling the direction of the mirror according to a driving signal. Since the structure of the patch antenna according to the present invention is similar to the micro mirror, the micro mirror technology can be applied almost as it is. In addition, a two-dimensional mechanical steering antenna array can be implemented using the Micro-Elevator by Self-Assembly (MESA) process proposed by UCLA's M.C.Wu professor team.

3차원적인 RF 빔의 스티어링을 위해서는 고정밀의 각도 및 거리 분해능이 필요한데 이는 위상 변위기(11)를 이용하여 전기적으로 행한다.High-precision angle and distance resolution are required for the steering of the three-dimensional RF beam, which is done electrically using the phase shifter 11.

위상 변위기(11)는 위상배열 방식의 빔 스티어링 소자에서 가장 중요한 요소로써 일반적으로 전기적인 소자인 PIN 다이오드(diode)나 숏키 다이오드(Schottky diode)를 이용하여 구현하는 데, 이 경우 고주파, 특히 30GHz 이상의 밀리미터파 대역에서 큰 손실을 야기하게 된다. 따라서 본 발명에서는 밀리미터파 대역에서 손실을 줄이고 효율을 극대화하기 위하여 MEMS 기술을 응용한 새로운 형태의 저손실 위상 변위기를 설계하고 구현한다. 전기적인 소자인 다이오드 등을 사용하는 기존의 방법과는 달리, MEMS 기술을 응용하여 기계적으로 전송선로의 치수(dimension)를 바꾸어 위상 변위를 일으키는 마이크로머신드 페이스 쉬프터(micromachined phase shifter)를 구현한다. 이러한 기계적인 위상 변위기는 반도체를 사용하지 않고 도체만을 사용하여 구현하므로, 손실을 획기적으로 줄일 수 있으며 위상 변위량도 연속적으로 조절할 수 있다. 따라서, 밀리미터파 대역에서 임의의 방향으로 빔 스티어링이 가능한 페이스드 어레이를 구현하는 데에 있어서 최적의 소자라고 하겠다.The phase shifter 11 is the most important element in a phased array beam steering element and is generally implemented using an electrical element, a PIN diode or a Schottky diode. In this case, high frequency, in particular 30 GHz In the above millimeter wave band, a large loss is caused. Therefore, the present invention designs and implements a new type of low loss phase shifter using MEMS technology in order to reduce loss and maximize efficiency in the millimeter wave band. Unlike conventional methods using electrical devices such as diodes, MEMS technology is applied to realize micromachined phase shifters that cause phase shift by mechanically changing the dimensions of transmission lines. Since the mechanical phase shifter is implemented using only a conductor without using a semiconductor, the loss can be drastically reduced and the amount of phase shift can be continuously adjusted. Therefore, it is an optimal device for implementing a faced array capable of beam steering in any direction in the millimeter wave band.

그러면 본 발명에 따른 3차원 빔 포커싱 안테나가 우수한 신호 전송 효율을 나타낼 수 있는 원리를 설명한다.Next, the principle that the 3D beam focusing antenna according to the present invention can exhibit excellent signal transmission efficiency will be described.

일반적인 전자파의 손실은 금속의 표피효과에서 오는 저항손실(conductor loss), 유전체의 불완전성에서 오는 유전손실(dielectric loss)과 전파의 복사에 의한 복사손실(radiation loss)로 나누어 볼 수 있다. 동작주파수가 높아짐에 따라 위에서 열거한 손실은 급격히 증가하게 되므로 기존 전송 매체인 동축케이블, 도파관 등은 효율적인 전송 수단이 되지 못한다. 또한, 도체와 유전체 손실에 의하여 주어지는 전파의 감쇠는 항상형식(는 진행거리)의 지수 함수적 감쇠로 주어지므로 작은 감쇠정수, α, 값에 의해서도 장거리의 경우 큰 감쇠를 피할 수 없게 된다. 이러한 형태의 전파 감쇠 효과를 피하고 먼 거리에서도 효율적인 전송을 하기 위해서, 안테나를 이용한 자유 공간(free-space) 전파 방법이 장거리 통신에서는 사용된다. 이 경우 전파의 전력은, 이상적인 진공 상태에서의 전송을 가정할 경우, 지수함수가 아닌형식(은 거리)으로 감쇠가 되므로, 장거리 전파시 상대적으로 적은 감쇠를 가능하게 한다. 단, 무지향성 안테나를 사용할 경우 원하는 방향이 아닌 다른 방향으로 누설되는 전파가 너무 많으므로 포인트 두 포인트 연결(point-to-point link)의 경우 이득이 큰 고지향성 안테나로 빔을 모아 전송하게 된다. 이러한 저 손실 자유 공간 전송기법과 빔을 모아 마치 빛처럼 전송하는 기법을 인터커넥션(interconnection)에 응용하여 구현된 RF 시스템이 소위 "준광학적 RF 시스템(Quasi-Optical RF System)" 이다. 밀리미터파 대역에서 준광학적으로 RF 시스템을 구성할 경우 기존의 도파관이나 동축케이블 등의 전송선을 이용하는 경우에 비하여 상대적으로 작은 인터커넥션 손실을 얻을 수 있고 이에 따른 SNR의 향상을 기대할 수 있다.In general, the loss of electromagnetic waves can be divided into resistance loss due to the skin effect of metal, dielectric loss due to incompleteness of dielectric, and radiation loss due to radiation of radio waves. As the operating frequency is increased, the losses listed above are rapidly increased, and therefore, the existing transmission media such as coaxial cables and waveguides are not efficient transmission means. Also, the attenuation of radio waves given by conductor and dielectric losses is always form( Is given by the exponential decay of the distance traveled, so even with a small decay constant, α, the large decay cannot be avoided over long distances. In order to avoid this type of propagation attenuation and to transmit efficiently over long distances, a free-space propagation method using an antenna is used in long distance communication. In this case, the power of the radio waves is not an exponential function, assuming the transmission under ideal vacuum. form( Is attenuated by a distance), so that relatively little attenuation is possible in a long distance propagation. However, when the omni-directional antenna is used, since there are too many radio waves leaking in a direction other than the desired direction, the point-to-point link collects and transmits the beam to a high-gain antenna having a large gain. An RF system implemented by applying such a low loss free space transmission technique and a method of collecting beams and transmitting them as if they are light is called a "Quasi-Optical RF System". When the RF system is configured semi-optically in the millimeter wave band, relatively small interconnection loss can be obtained compared to the case of using a transmission line such as a conventional waveguide or coaxial cable, and thus an improvement in SNR can be expected.

무선통신에서 일반적인 Link budget를 계산하기 위하여 사용되는 가장 기본적인 공식은 다음과 같은 Friis 공식이다.The most basic formula used to calculate the general link budget in wireless communication is the following Friis formula.

Pr= Pt P r = P t

Pr: 수신 전력 Pt: 송신 전력P r : Receive Power P t : Transmit Power

Gt: 수신안테나의 이득 Gt: 송신안테나의 이득G t : gain of receiving antenna G t : gain of transmitting antenna

: 전자파의 파장 r : 송신기와 수신기의 거리 : Wavelength of electromagnetic wave r: Distance between transmitter and receiver

위 수식은 원거리장(far field : 초점 길이를 무한대로 가정한 경우)에서의 수식으로써 평면파를 가정했을 때 성립하는 일반적인 식이다. 위 식은, 안테나의 이득이 아무리 크더라도 거리의 제곱에 따라 수신 전력이 감쇠하는 특성을 보여준다. 본 연구에서 제안하는 3차원 빔 스티어링(beam steering)을 이용하면 빔의 횡단(transverse) 방향뿐만 아니라 빔의 종단(longitudinal) 방향에서 초점을 맞추는것이 가능하므로, 빔을 2차원 공간에서 가정하는 위의 프리스(Friis) 공식은 무의미하여지며 만약 수신안테나의 유효면적이 빔의 웨이스트 에리어(waist area)보다 큰 경우에는 거리에 무관한 수신 전력을 얻을 수 있게 된다.The above formula is a formula in the far field (assuming focal length is infinite) and is a general formula that assumes a plane wave. The above equation shows that the received power decays according to the square of the distance, no matter how large the gain of the antenna. Using the three-dimensional beam steering proposed in this study, it is possible to focus not only in the transverse direction of the beam but also in the longitudinal direction of the beam. The Friis formula is insignificant and if the effective area of the receiving antenna is larger than the waste area of the beam, distance-independent receiving power can be obtained.

가우시안 빔(Gaussian beam) 이론에 의하면, 초점에서의 빔의 웨이스트(waist)는 가우시안 빔을 가정할 때 다음과 같이 표현된다.According to Gaussian beam theory, the waste of the beam at the focal point is expressed as follows assuming a Gaussian beam.

: 렌즈의 반지름 : Radius of lens

: 초점에서의 웨이스트의 반지름 : Radius of waist at focus

: 초점까지의 거리 : Distance to focus

이 수식에서 볼 때, 100GHz에서 동작하는 반경 10cm의 송신 배열 안테나를 사용하고 수신안테나를 초점인 10m의 거리에 두면 반경이 약 10cm의 수신안테나로 거의 모든 빔을 수신할 수 있다. 즉, 3차원 beam steering 기법을 사용할 경우 무선통신의 기본 rule인 수신 전력이으로 감소한다는 Friis 공식의 한계를 극복할 수 있다.In this equation, using a 10-cm-radius array antenna operating at 100 GHz and placing the receiving antenna at a distance of 10 m as a focal point can receive almost all beams with a receiving antenna of about 10 cm in radius. That is, when the 3D beam steering technique is used, the received power, which is a basic rule of wireless communication, We can overcome the limitation of Friis's formula to decrease.

이러한 이론을 검증하기 위하여 간단한 경우인 25개의 패치 안테나(patch antenna)를 5×5 형식으로 22cm×22cm 판에 배열하고, 본 발명의 방법과 기존 방법의 차이를 살펴보았다. 즉, 3차원적으로 빔을 스티어링(steering)하였을 때의 거리에 따른 수신 전력의 변화를 시뮬레이션(simulation)하여, 기존의 2차원 페이스드 어레이(phased array) 방법과 비교하였다. 이 때, 수신안테나의 크기는 8cm8cm이었으며 그 계산 결과가 도 4에 나타나 있다.In order to verify this theory, 25 patch antennas, which are simple cases, were arranged on a 22cm × 22cm plate in a 5 × 5 format, and the difference between the method of the present invention and the existing method was examined. That is, the change of the received power according to the distance when the beam is steered in three dimensions is simulated and compared with the conventional two-dimensional phased array method. At this time, the size of the receiving antenna is 8cm 8 cm and the calculation results are shown in FIG. 4.

스마트 안테나에 있어서, 평면상에 배열시킨 안테나 배열의 경우 빔의 방향을 넓은 변 방향으로부터 약 70도내의 방향전환이 가능하다. 하지만 이 시스템은 물리적으로 방향이 고정되어 있는 안테나 요소의 배열을 사용하고 있기 때문에, 각 안테나 요소 측면에서 보았을 때에는 전체 빔의 방향이 각 안테나 요소의 최대 이득을 갖는 방향으로부터 이탈 될 수밖에 없다. 일반적인 패치 안테나의 경우, 수직으로부터 60도 경사진 방향으로 빔을 보낼 때, 6dB 이상의 이득손실을 가져온다. 따라서, 물리적으로 고정된 안테나 요소의 배열을 사용하여야 한다는 기존의 고정관념에서부터 벗어나 보내고자하는 빔의 방향으로 각 안테나 요소의 물리적인 방향을 바꾸어 줄 수 있다면 방향에 관계없이 최대의 이득을 얻을 수 있을 것이다. 도 5는 이와 같이 기계적으로 방향을 바꾸는 안테나 배열의 개념을 3차원적으로 보여주고 있다. 이와 같이 안테나의 방향을 실시간으로 변화시키기 위하여는 MEMS 기술을 사용하여 정전기적 힘(electrostatic force) 또는 정자기적 힘(magnetostatic force)으로 안테나를 구동시키면 된다. 따라서, 3차원 빔 전송을 위하여 위상조정의 전기적인 방법과 안테나 요소의 방향을 기계적으로 바꾸는 방법을 동시에 사용하면 수신신호를 극대화시킬 수 있다. 이러한 개념의 안테나 구동 시스템은 기본적으로 각 단위 안테나를 개별적으로 움직일 수 있도록 한 것이기 때문에 주파수에 관계없이 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 모두 이용할 수 있는 기술이 된다.In the smart antenna, in the case of the antenna array arranged on a plane, the direction of the beam can be changed within about 70 degrees from the wide side direction. However, because the system uses an array of antenna elements that are physically fixed in direction, the direction of the entire beam is inevitably deviated from the direction of the maximum gain of each antenna element when viewed from the side of each antenna element. In the case of a typical patch antenna, when the beam is sent in a direction inclined 60 degrees from the vertical, a gain loss of 6 dB or more is obtained. Therefore, if the physical direction of each antenna element can be changed in the direction of the beam to send away from the conventional stereotype that the arrangement of physically fixed antenna elements should be used, the maximum gain can be obtained regardless of the direction. will be. FIG. 5 shows the concept of the mechanically changing antenna arrangement in three dimensions. In order to change the direction of the antenna in real time, the antenna may be driven by electrostatic force or magnetostatic force using MEMS technology. Therefore, when the electrical method of phase adjustment and the method of mechanically changing the direction of the antenna element are simultaneously used for the 3D beam transmission, the received signal can be maximized. Since the antenna driving system of this concept basically allows each unit antenna to move independently, it becomes a technology that can be used in both microwave and millimeter wave band regardless of frequency.

도 6은 일반 패치 배열에 대하여 빔을 수신 점에 전기적, 기계적으로 동시에3차원 포커싱 한 경우(a), 전기적으로만 3차원 포커싱한 경우(b)와 기계적으로 각 단위 안테나를 움직여 동일한 방향으로 향하게 한 2차원 빔 스티어링의 경우(c) 및 기존의 페이스드 어레이(phased array)에서 사용하고 있는 2차원 방법(d)을 비교하여 복사 전계의 세기를 나타내었다. 도 6에 의하면 본 발명에 의한 경우(a)가 기존의 방법(b)와 (d)에 비하여 방향에 따라 3dB에서 10dB 이상 좋아진 것을 알 수 있고, 또한 2차원적으로 빔을 기계적으로 스티어링 한 경우(c)도 기존의 페이스드 어레이에서 사용하고 있는 2차원 방법(d)보다는 특성이 훨씬 좋다는 것을 알 수 있다. 결국 기존의 단위 안테나가 고정된 경우보다는 기계적으로 직접 각 단위 안테나를 움직이는 시스템이 빔 스티어링의 차원(1,2 또는 3)에 관계없이 그 특성이 더 좋음을 알 수 있다.FIG. 6 shows that when the beam is three-dimensionally focused at the same time electrically and mechanically with respect to the general patch arrangement (a), and only three-dimensionally electrically (b), the unit antennas are mechanically moved in the same direction. The intensity of the radiated electric field was shown by comparing the two-dimensional beam steering (c) and the two-dimensional method (d) used in the conventional phased array. According to FIG. 6, it can be seen that the case (a) according to the present invention is improved by 3 dB to 10 dB or more depending on the direction compared to the conventional methods (b) and (d), and also when the beam is mechanically steered in two dimensions. (c) also shows much better characteristics than the two-dimensional method (d) used in the conventional faced array. As a result, it can be seen that a system that moves each unit antenna mechanically is better than the case where the conventional unit antenna is fixed regardless of the beam steering dimension (1, 2 or 3).

도 7은 3차원 빔 스티어링 소자와 능동 MMIC 회로의 연결(interconnection)을 준광학적(quasi-optical) 집적방법에 의해 구현하는 서브시스템의 한 예를 보여주고 있다.FIG. 7 shows an example of a subsystem for implementing the interconnection of a three-dimensional beam steering element with an active MMIC circuit by a quasi-optical integration method.

신호발생기에 해당하는 VCO(voltage controlled oscillator) 웨이퍼로부터 반송파(carrier signal)가 생성되어 가이딩 월(guiding wall)을 통해서 믹서(mixer) 웨이퍼에 전송되고 믹서 웨이퍼는 기저신호파(baseband signal)를 변조하여 변조파(mudulated signal)를 생성한다. 변조파는 다시 가이딩 월을 통하여 증폭기에 전송되어 증폭되고 증폭된 신호파는 3차원 빔 스티어링 웨이퍼에 전송된 후 안테나를 통해 외부로 복사된다. 도 7의 가이딩 월(guiding wall)로는 포토닉 밴드갭(photonic bandgap)물질이나 메탈 월(metal wall)을 사용할 수 있다.A carrier signal is generated from a voltage controlled oscillator (VCO) wafer corresponding to a signal generator and transmitted to a mixer wafer through a guiding wall, and the mixer wafer modulates a baseband signal. To generate a mudulated signal. The modulated wave is transmitted to the amplifier through the guiding wall and amplified. The amplified signal wave is transmitted to the three-dimensional beam steering wafer and then radiated to the outside through an antenna. As the guiding wall of FIG. 7, a photonic bandgap material or a metal wall may be used.

도 8은 멀티레벨(multi-level)로 모노리틱(monolithic)하게 집적된 3차원 밀리미터파 서브시스템(sub-system)의 개념도이다. 이는 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 기술을 응용한 새로운 수직 집적(vertical integration) 방법을 제시하는 것이다.8 is a conceptual diagram of a three-dimensional millimeter wave sub-system monolithically integrated in a multi-level. This suggests a new vertical integration method using bulk micromachining technology.

본 발명에 따르면 밀리미터파 대역에서 낮은 소자 출력 및 높은 공간 손실로 인하여 낮은 신호 대 잡음비(SNR)를 가질 수밖에 없다는 난제를 새로운 무선전송 방식과 안테나 시스템을 이용하여 해결함으로써 새로운 3차원 무선전송기법을 제시하였다. 빔 포커싱 효과에 의하여 수신 신호의 크기가 증가되고, 또한, 기존의 스마트 안테나에서 얻을 수 있는 방향에 따른 페이딩(fading) 제거 뿐 만 아니라, 같은 방향의 다른 거리에 있는 송신기에 의한 혼신 및 잡음도 제거할 수 있어서 전체 잡음 레벨도 낮출 수 있다. 따라서, 획기적인 신호 대 잡음비의 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서 제안된 2차원적으로 단위 안테나가 움직이는 안테나 어레이는 1차원, 2차원 및 3차원적으로 빔을 스티어링할 수 있기 때문에 기본적으로 마이크로파 및 밀리미터대역에서 모두 응용 가능한 기술이며, 특히 이 연구는 밀리미터파 주파수 개척의 최대 걸림돌이 되는 낮은 신호 대 잡음비 문제를 해결하여 광기술과 마이크로파 기술이 복합된 무선전송이라는 연구 분야 개척에 기여할 것이고, 그 결과 광대역 통신뿐만 아니라 3차원 이미징, 우주전파, 천문 등의 밀리미터파를 이용하는 제반 과학 기술 분야에 큰 파급효과를 줄 것이다. 본 발명에서는 현재와 같이 높은 출력을 요구하는 소자 및 증폭기가 필요 없고, 또한 안테나 및 필요한 수동소자의 경우 대량생산이 가능한 MEMS 기술을 사용함으로 인해 낮은 가격으로 밀리미터파 대역의 통신 부품 및 시스템 시장의 개척에 매우 경쟁력이 있을 것이다.According to the present invention, a novel three-dimensional radio transmission technique is proposed by solving the problem of low signal-to-noise ratio (SNR) due to low device output and high space loss in the millimeter wave band using a novel radio transmission scheme and an antenna system. It was. The beam focusing effect increases the size of the received signal, and eliminates fading along the direction that can be obtained from a conventional smart antenna, as well as interference and noise by transmitters at different distances in the same direction. This can lower the overall noise level. Therefore, it is possible to expect a significant improvement in the signal-to-noise ratio. The proposed antenna array in which the two-dimensional unit antenna moves in this study is fundamentally applicable to both microwave and millimeter bands because it can steer beams in one, two, and three dimensions. Solving the low signal-to-noise ratio problem, which is the biggest obstacle to millimeter-wave frequency pioneering, will contribute to the pioneering research field of wireless transmission combining optical technology and microwave technology. It will have a big ripple effect in all fields of science and technology using millimeter waves. In the present invention, there is no need for devices and amplifiers that require high outputs as of today, and the use of MEMS technology for mass production of antennas and required passive devices opens up the market for communication components and systems in the millimeter wave band at a low price. Will be very competitive.

Claims (9)

단위 안테나와 상기 단위 안테나를 전기적 그리고 기계적으로 스티어링 할 수 있는 독립적인 구동부를 포함하는 빔 스티어링 소자가 적어도 2개 이상 배열되어 있는 빔 스티어링 시스템.A beam steering system comprising at least two beam steering elements comprising a unit antenna and an independent drive for electrically and mechanically steering the unit antenna. 제1항에서,In claim 1, 상기 구동부는 상기 단위 안테나를 기계적으로 1차원 및 2차원 스티어링하여 빔의 방향을 1차원, 2차원 및 3차원적으로 스티어링 하는 것을 특징으로 하는 빔 스티어링 시스템.And the driving unit mechanically steers the unit antenna one-dimensionally and two-dimensionally to steer the beam in one, two, and three dimensions. 제1항에서,In claim 1, 상기 빔 스티어링 시스템은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 빔 스티어링 시스템.The beam steering system operating in microwave and millimeter wave bands. 제1항에서,In claim 1, 상기 빔 스티어링 소자와 신호를 교환하는 MMIC 형태의 능동회로를 더 포함하는 빔 스티어링 시스템.And a MMIC type active circuit for exchanging signals with the beam steering element. 제4항에서,In claim 4, 상기 MMIC 형태의 능동회로는 VCO, 믹서, 증폭기 등을 포함하는 빔 스티어링 시스템.The MMIC type active circuit includes a VCO, a mixer, an amplifier, and the like. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 MMIC 형태의 능동회로와 상기 빔 스티어링 소자는 준광학적(quasi-optical) 방법이나 멀티레벨(multi-level) 집적기술에 의해 모노리틱(monolithic)하게 집적된 것을 특징으로 하는 빔 스티어링 시스템.The MMIC type active circuit and the beam steering element are monolithically integrated by a quasi-optical method or a multi-level integration technique. 제1항에서,In claim 1, 상기 빔 스티어링 소자와 연결되어 있으며, 상기 단위 안테나에서 발진될 신호의 위상을 전기적으로 조정하는 위상 변위기(phase shifter)를 더 포함하는 빔 스티어링 시스템.And a phase shifter connected to the beam steering element and electrically adjusting a phase of a signal to be oscillated in the unit antenna. 제1항에서,In claim 1, 상기 빔스티어링 소자는 빔 스티어링을 위해 각 단위 안테나의 위상을 조정하는 전기적인 방법과 단위 안테나의 방향을 물리적으로 움직이는 기계적인 방법을 동시에 사용하는 것을 특징으로 하는 빔 스티어링 시스템.The beam steering device is a beam steering system, characterized in that to use the electric method for adjusting the phase of each unit antenna and the mechanical method for physically moving the direction of the unit antenna for beam steering at the same time. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 마이크로머시닝(micromaching) 기법에 의해 그 소자(components)가 제작되는것을 특징으로 하는 빔 스티어링 시스템.A beam steering system, characterized in that the components are fabricated by micromaching techniques.
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