KR101094796B1 - 단일급전 빔 조향 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일급전 빔 조향 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기생소자를 이용한 단일급전 빔 조향 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 안테나의 복잡도를 줄일 수 있으며, 가격을 저렴하게 할 수 있고, 소형화가 가능한 빔 조향 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 조향 장치는, 단일 급전 빔 조향 장치에 있어서, 접지 평면상에 유전체가 평판형으로 구성되고, 상기 유전체의 상측면에 상기 단일 급전에 의하여 직접 RF 신호가 여기되는 하나의 능동소자와 상기 능동소자와 일정한 거리를 가지며 대칭적으로 구성된 적어도 2개 이상의 기생소자를 포함하는 유전체기판과, 상기 각 기생소자에 부하되는 리액턴스 값을 각각 제어하기 위한 리액턴스 회로와, 상기 리액턴스 회로의 전압을 제어하기 위한 제어회로와, 상기 능동소자에 상기 단일 급전을 공급하기 위한 급전부를 포함한다.

단일 급전, 빔 조향, 기생소자, 능동소자

Description

단일급전 빔 조향 장치{APPARATUS FOR SINGLE-FED BEAM-STEERING}

본 발명은 단일급전 빔 조향 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기생소자를 이용한 단일급전 빔 조향 장치에 관한 것이다.

"본 발명은 지식경제부의 공통서비스 인프라 구축, 운영사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: 2007-기반-16, 과제명: 공통서비스 인프라 구축, 운영].”

현재 이동 통신시스템은 가입자의 수의 증가와 고품질ㆍ광대역 데이터 통신에 대한 요구가 증가하면서 이동 통신에 사용되는 주파수원이 부족하게 되었으며 향후 이러한 현상은 훨씬 더 심각하게 될 것으로 전망된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 주파수의 사용 효율을 증가시킬 필요가 있다. 주파수의 사용효율을 증가시킬 수 있는 가장 좋은 방법은 주파수를 재사용(Frequence Reuse)하는 것이다. 주파수를 재사용하는데 있어서 주위 신호에 간섭을 일으키지 않고 주파수의 재사용률을 향상시키기 위한 방법으로는 공간적인 방향성을 가지는 안테나를 이용하는 것 과 송신하는 전력을 줄이는 것이 가장 대표적인 방법이다.

향후 신속한 신호 추적이 가능하고 안테나의 지향성을 조절할 수 있는 안테나는 보다 광범위하게 사용될 것이며 기술의 발전 속도도 급속히 증가할 것으로 예상된다. 이러한 빠른 신호추적과 지향성을 조절하기 위한 방법으로 스마트 안테나 기술이 대두되고 있다. 스마트 안테나 기술은 배열 안테나의 지향성 빔을 이용해 간섭신호 및 잡음을 제거함으로써 네트워크 및 신호 포맷 등을 포함한 시스템의 전체적인 구조 변경없이 신호 상호간 최적의 무선 인터페이스를 통하여 통화용량 증대와 통화 신뢰도 향상을 동시에 달성하는 기술이다. 대표적인 스마트 안테나인 적응형 배열 안테나는 다양한 빔 형성과 널(null) 조절의 측면에서 훌륭한 성능을 제공하지만 복잡한 구조와 높은 제조비용 때문에 거의 대부분 군사용 목적으로만 사용되어왔다. 최근에는 무선통신시스템에서는 몇몇의 상용화된 셀룰러 기지국에 사용되고 있다.

그러나 적응형 배열 안테나는 무선 통신시스템을 사용하는 사용자의 단말기와 같이 일반적으로 사용되기에는 아직도 매우 높은 가격이다. 일반적으로 적응형 배열 안테나의 가격은 안테나를 구성하고 있는 소자 수와 동일한 수의 고전력 증폭기와 저잡음 증폭기가 필요하기 때문에 배열안테나의 방사소자의 수의 증가에 비례하여 높아진다. 특히 디지털 빔 성형(Digital Beam-Forming : 이하 "DBF"라 칭함) 안테나는 증폭기와 더불어 같은 수의 D/A 또는 A/D 변환부와 주파수 변환부가 필요하다. 이러한 다수의 변환부들은 무거운 중량, 큰 전력소비, 그리고 제작비용의 증가의 원인이 되며 소자 수가 증가할수록 더 많은 영향을 끼치게 된다.

또한 DBF 안테나는 아날로그 단계에서 수신된 신호를 합성 또는 분배하는 대신 디지털 단계에서 처리하기 위하여 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환한다. DBF 안테나의 특징은 위상 배열 안테나와 비교하면 쉽게 이해할 수 있다. 위상 배열 안테나는 각 소자 안테나의 급전부 위상을 조정함으로써 바라는 패턴(지향성)을 만들어 낼 수 있고 그 패턴을 주위전파 환경의 변화에 따라 적응적으로 제어할 수 있으며 안테나 패턴은 언제나 하나이다. 이 방법의 단점은 주엽(Main Lobe)을 제외한 부엽(Minor Lobe) 레벨의 까다로운 제어, 높은 손실, 개별적인 빔 형성 제어의 결여, 복잡한 구조, 그리고 무거운 장치 등을 들 수 있다.

한편 DBF 안테나는 각각의 안테나 신호의 주파수는 변환되지만 정보는 보존된 상태로 디지털 신호로 변환되어 수집된다. 수집된 신호는 각각 가중치를 주어 합성할 때 병렬 처리에 의해 복수개의 조합을 생성할 수 있기 때문에 하나의 안테나에서 여러 가지로 변환되는 복수의 패턴을 동시에 가질 수 있다. 그러나 이러한 안테나 특성은 동일한 기능을 가지는 아날로그 회로를 사용하여 실현하는 것도 가능하지만 급전 배선이 행렬상에 폭주하기 때문에 안테나 소자의 수가 많아져서 복잡도가 증가하고 빔 운용(빔의 재구성 등)에 유연성이 없는 것도 단점이다.

이러한 단점을 보안하기 위하여 전자적 조향 수동 배열 방사기(Electronically Steerable Passive Array Radiator : 이하"ESPAR "라 칭함)가 개발되었으며 위상변위기 없이 빔 조향을 가능하다. 그러나 현재까지는 ESPAR를 위상배열안테나에 적용하기에는 적합하지 않다. 최근 버전의 ESPAR의 최대 제한요소 는 수동방사기들의 수에 따라 빔 조향방향이 크게 좌우된다는 것이다. 다수의 수동방사기들은 위상배열안테나를 실현하기에는 바람직하지 않으며 항상 배열소자들의 동일한 공간분배가 필요하다. 그러므로 배열소자들의 공간 분배의 요구를 만족하기 위해서 동일한 공간을 갖는 경우 그 공간에서 ESPAR 내부의 수동방사기의 수가 줄어들게 된다. 이러한 수동방사기의 수의 감소는 시스템에서 요구하는 우수한 빔 조향을 위한 위상배열안테나의 빔 스캔 방향을 크게 줄어들게 만들었다. 또한 배열소자들은 다이폴과 모노폴 안테나와 같은 와이어안테나를 사용되었으며 이로 인하여 낮은 가격으로 구현하는 것이 불가능 하였다. 그리하여 구성이 간단하며 저가로 구현할 수 있는 아날로그 적응형 배열 안테나의 연구가 필요하다.

따라서 본 발명에서는 안테나의 복잡도를 줄일 수 있는 빔 조향 장치를 제공한다.

또한 본 발명에서는 가격을 저렴하게 할 수 있는 빔 조향 장치를 제공한다.

또한 본 발명에서는 소형화가 가능한 빔 조향 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 조향 장치는, 단일 급전 빔 조향 장치에 있어서, 접지 평면상에 유전체가 평판형으로 구성되고, 상기 유전체의 상측면에 상기 단일 급전에 의하여 직접 RF 신호가 여기되는 하나의 능동소자와 상기 능동소자와 일정한 거리를 가지며 대칭적으로 구성된 적어도 2개 이상의 기생소자를 포함하는 유전체기판과, 상기 각 기생소자에 부하되는 리액턴스 값을 각각 제어하기 위한 리액턴스 회로와, 상기 리액턴스 회로의 전압을 제어하기 위한 제어회로와, 상기 능동소자에 상기 단일 급전을 공급하기 위한 급전부를 포함한다.

본 발명의 빔 조향 장치는 안테나의 복잡도를 줄일 수 있고, 가격을 저렴하게 할 수 있으며, 소형화가 가능한 빔 조향 장치를 제공한다.

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. 그러면 이하에서 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 4개의 기생소자를 이용한 단일급전 빔 조향 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도이다.

도 1에서는 기생소자를 이용한 단일급전 마이크로스트립 배열 안테나는 능동소자(110), 4개의 수동소자(121 내지 124), 접지면(130), 유전체기판(140), 수동 소자에 대응하는 개수의 리액턴스 회로(151 내지 154), 제어회로(160)로 구성된다.

도 1을 참조하여 기생소자를 이용한 단일급전 마이크로스트립 배열 안테나의 구성에 관하여 살펴보기로 한다. 단일급전에 의해 직접 RF 신호가 여기 되는 능동소자(110)와 일정한 거리를 가지며, 2개씩 상호 대각선이 되도록 기생소자(121 내지 124)를 배치한다. 각각의 기생소자(121 내지 124)는 후술될 리액턴스 회로(151 내지 154)와 50[Ω]의 SMA 커넥터를 통해 능동소자와 동일한 급전점(170)에 연결된다. 또한 각각의 기생소자(121 내지 124)에서 흐르는 전류는 후술될 제어회로(160)의 바이어스 전압 제어를 통해 리액턴스 회로(151 내지 154)의 리액턴스 값을 제어한다. 이러한 리액턴스 값을 제어함으로써 기생소자(121 내지 124)의 부하 임피던스를 제어할 수 있다.

기생소자(121 내지 124)의 부하 임피던스 변화는 원하는 방향으로의 빔 조향 을 가능하게 한다. 이러한 기생소자의 리액턴스 부하 제어를 통하여 신속한 빔 스캐닝과 빔 조향을 생성할 수 있다. 이러한 아날로그 방식의 빔 조향기술은 다른 위상배열안테나와 DBF 방식보다 저가, 단순성, 그리고 저전력에 대한 장점을 가지고 있다.

도 1을 참고하여 이하에서 구체적인 기생소자의 배열을 예로 들어 설명하기로 한다. 기생소자의 배열은 도 1에 도시한 바와 같이 4개인 경우이며, 각각은 사각형의 꼭지점에 해당하도록 배열한 형태를 가정하여 설명한다.

단일급전(170)에 의해 직접 RF 신호가 여기 되는 능동소자(110)와 일정한 거리를 두고 45도, 135도, 225도, 315도 대각선방향으로 4개의 기생소자 1(121), 기생소자 2(122), 기생소자 3(123), 기생소자 4(124)가 H-면(x-z평면), E-면(y-z평면)에 대하여 대칭적으로 구성되어 있다. 유전체기판(140)은 두께와 재질에 따라서 안테나의 대역폭 및 유전체 손실을 결정한다. 그리고 마이크로스트립 단일소자인 능동소자(110)와 기생소자 1(121) 내지 기생소자 4(124)까지는 동일한 반지름을 갖는 원형패치 형태로 구성되며, 원형패치의 반지름은 안테나의 동작주파수인 공진주파수를 결정하는 중요한 요소이다. 각각의 기생소자(121 내지 124)의 부하는 범용적으로 사용되는 50[Ω] SMA 커넥터를 이용하며 리액턴스 회로(151 내지 154)에 연결 되고 각각의 리액턴스 회로는 제어회로(160)에 의해 제어 된다. 리액턴스 회로(151 내지 154)의 리액턴스 값은 바렉터 다이오드(201) 전압제어를 통해 제어할 수 있다. 바렉터 다이오드는 다이오드의 PN 접합 공핍 영역 물리적 폭이 바이어스 조건에 따라 달라지는 특성을 이용하는 소자로서, PN 접합부에 역 바이어스를 가하 면 캐패시터로 동작한다. 바렉터 다이오드는 전압을 조절해서 가변 캐패시턴스를 요구하는 시스템에서 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 리액턴스 값의 제어를 위한 리액턴스 회로의 구성도이다. 도 2에서는 바렉터 다이오드(210), 마이크로 스트립라인(220), 방사형 스터브(230), 바이패스 콘덴서(240), 급전점(250), 제어회로 연결부(260)로 구성된다. 도 2를 참조하여 리액턴스 회로의 동작을 살펴보면 리액턴스 회로는 바렉터 다이오드(210)에 역바이어스를 인가하여 원하는 리액턴스 값을 급전점(250)에서 50 [Ω] SMA 커넥터를 통해 기생소자의 부하에 연결한다. 바렉터 다이오드(210)는 가변 정전용량을 가지는 소자로 역바이어스 전압에 따라 양에서 음까지의 리액턴스 값을 가지도록 제어될 수 있으며 마이크로스트립선로(220)는 원하는 리액턴스 범위를 가지도록 길이 L을 변화시켜 얻을 수 있다. 방사형 스터브(Radial stub, 230)는

길이의 얇은 두께의 약 0.01mm의 마이크로스트립선로와 연결되어 고주파적으로 신호를 개방시키는 역할을 한다. 여기서

는 방사형 스터브(230)에서 방사되는 전자파의 관내파장을 의미한다. 바이패스 콘덴서(240)는 제어회로(160)에서 인가되는 바이어스 전압의 저주파 잡음을 차단하여 원하지 않는 저주파 발진성분들을 제거하는 역할을 한다.

도 3은 본 발명에 따른 리액턴스 회로의 전압제어용 제어회로에 대한 구성도이다. 도 3에서 제어회로는 제어기(310), D/A 변환기(320), 연산증폭기(330)로 구성된다. 제어회로(160)는 리액턴스 회로(151 내지 154)에 인가되는 바이어스 전압 을 제어하는 역할을 수행한다. 제어회로(160)는 컴퓨터와 통신하는 기능, 전압제어 및 기본적인 전압을 인가하는 제어기(310), 디지털신호를 아날로그 신호로 변환해 주는 디지털 아날로그 변환기(320) 그리고 기본적인 변환기의 출력전압을 원하는 전압으로 높여주는 연산증폭기(330)로 구성된다.

이상에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 구성요소들에 대하여 설명하였으며, 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참고로 하여 본 발명의 구조에 따른 빔 조향 안테나의 동작원리를 상세하게 설명한다.

제어회로(160)의 제어기(310)는 약 0.0015 V의 전압을 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 디지털 아날로그 변환기(320)는 제어기(310)를 통해 인가되는 기본 전압값을 아날로그 값으로 변환한다. 연산증폭기(330)는 디지털 아날로그 변환기에서 변환된 전압값을 원하는 전압으로 증폭하여 리액턴스 회로(151 내지 154)에 인가한다. 도 2의 리액턴스 회로의 바렉터 다이오드(201)는 연산증폭기(330)에 의해 인가된 전압에 의해 역바이어스 전압이 인가된다. 마이크로스트립선로(220)는 마이크로스트립선로의 길이 값(L)에 따라 원하는 리액턴스 값을 급전점(250)의 50 [Ω] SMA 커넥터를 통해 각각의 기생소자에 인가할 수 있으며 원하는 방향으로 빔 조향을 생성할 수 있다.

본 발명에서는 E-면(

=0도, y-z평면)으로의 빔을 조향하기 위해서는 기생소자 1(121), 기생소자 4(124) 부하의 리액턴스 회로 1(151), 리액턴스회로 4(154)의 리액턴스 값은 능동소자(110)의 상호결합에 의해 최대의 표면전류분포를 가지도록 하고 기생소자 2(122), 기생소자 3(123) 부하의 리액턴스회로 2(152), 리액턴스회로 3(153)의 리액턴스 값은 능동소자(101)의 상호결합에 의해 최소의 표면전류분포를 가지도록 하여 빔을 E-면(

=0도, y-z평면)의 앙각(elevation,

) + 방향으로 조향을 할 수 있으며, 반대로 E-면(

=0도, y-z평면)의 앙각(elevation,

) - 방향으로 조향을 할 경우는 제어회로(160)에서 리액턴스회로 1(151), 리액턴스회로 4(122)에 인가되는 전압과 리액턴스회로 2(152), 리액턴스회로 3(123)에 인가되는 전압을 반대로 제어하여 성취할 수 있다.

동일한 방법으로 H-면(

=90도, x-z평면)의 앙각(elevation,

) + 방향으로 조향을 할 경우는 제어회로(160)에서 리액턴스회로 1(151), 리액턴스회로 2(152)에 인가되는 전압과 리액턴스회로 3(153), 리액턴스회로 4(154)에 인가되는 전압을 제어 하여 빔 조향을 하고, H-면(

=90도, x-z평면)의 앙각(elevation,

) - 방향으로 조향을 할 경우는 제어회로(160)에서 리액턴스회로 3(153), 리액턴스회로 4(154)에 인가되는 전압과 리액턴스회로 1(151), 리액턴스회로 2(152)에 인가되는 전압을 반대로 제어하여 생성할 수 있다.

또한,

=-45도의 앙각(elevation,

) + 방향으로 조향할 경우는 제어회로(160)에서 기생소자 1(121)의 리액턴스 회로 리액턴스회로 1(151)의 리액턴스 값 은 능동소자(110)의 상호결합에 의해 최대의 표면전류분포를 가지도록 하고 전압을 인가하고 기생소자 2(122), 기생소자 3(123), 기생소자 4(124) 부하의 리액턴스 회로 리액턴스회로 2(152), 리액턴스회로 3(153), 리액턴스회로 4(154)의 리액턴스 값은 능동소자(110)의 상호결합에 의해 최소의 표면전류분포를 가지도록 제어회로(160)의 전압을 제어하고,

=-45도 앙각(elevation,

) - 방향으로 조향할 경우는 리액턴스회로 1(151)과 리액턴스회로 3(153)의 전압을 반대로 인가하여 성취할 수 있다.

=45도의 앙각(elevation,

) + 방향으로 조향할 경우는 제어회로(160)에서 기생소자2(122)의 리액턴스 회로 리액턴스회로 2(152)의 리액턴스 값은 능동소자(110)의 상호결합에 의해 최대의 표면전류분포를 가지도록 하고 전압을 인가하고 기생소자 1(121), 기생소자 3(123), 기생소자 4(125) 부하의 리액턴스 회로 리액턴스회로 1(151), 리액턴스회로 3(153), 리액턴스회로 4(154)의 리액턴스 값은 능동소자(110)의 상호결합에 의해 최소의 표면전류분포를 가지도록 제어회로(160)의 전압을 제어하고,

=45도 앙각(elevation,

) - 방향으로 조향할 경우는 리액턴스회로 2(152)와 리액턴스회로 4(154)의 전압을 반대로 인가하여 성취할 수 있다.

도 4는 각각의

방향에 따라

방향으로의 빔 조향 특성을 실측 방사 패턴의 극 다이어그램이다.

도 4에서는 각각 0도(410), 30도(420), -30도(430)일 경우의 빔 조향 특성에 관하여 표시하고 있다.

본 발명에 관련되는 빔 조향 안테나는 소형의 간단한 구조로 자유로운 지향성 제어를 할 수 있으며 다양한 응용분야 예를 들어 무선 인터넷 및 ad hoc 네트워크 통신망 등에 적용할 수 있고, 마이크로웨이브대역에선 집적화가 가능할 수 있어 다양한 용도에도 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 4 개의 기생소자를 이용한 단일급전 빔 조향 마이크로스트립 배열 안테나의 일실시예 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 리액턴스 값의 제어를 위한 리액턴스 회로의 구성도,

도 3는 본 발명에 따른 리액턴스 회로의 전압제어용 제어회로의 구성도,

도 4는 각각의

방향에 따라

방향으로의 빔 조향 특성을 실측 방사 패턴의 극 다이어그램.

Claims (7)

1. 단일 급전 빔 조향 장치에 있어서,

   접지 평면상에 유전체가 평판형으로 구성되고, 상기 유전체의 상측면에 상기 단일 급전에 의하여 직접 RF 신호가 여기되는 하나의 능동소자와 상기 능동소자와 일정한 거리를 가지며 대칭적으로 구성된 적어도 2개 이상의 기생소자를 포함하는 유전체기판과,

   상기 각 기생소자에 부하되는 리액턴스 값을 각각 제어하기 위한 리액턴스 회로와,

   상기 리액턴스 회로의 전압을 제어하기 위한 제어회로와,

   상기 능동소자에 상기 단일 급전을 공급하기 위한 급전부를 포함하고,

   상기 리액턴스 회로는,

   인가된 역바이어스 전압에 따라 상기 리액턴스 값이 결정되는 바렉터 다이오드와,

   상기 바렉터 다이오드와 연결되며, 길이(L)에 따라 상기 리액턴스 값이 결정되는 마이크로스트립 선로와,

   상기 마이크로스트립 선로와 연결되어 고주파적으로 신호를 개방시키는 방사형 스터브와,

   상기 제어회로에서 인가되는 바이어스 전압의 저주파 잡음을 차단하여 원하지 않는 저주파 발진성분들을 제거하는 바이패스 콘덴서

   를 포함하는 빔 조향 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 리액턴스 회로는 각각 커넥터를 통하여 상기 각 기생소자에 연결된 빔 조향장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 커넥터는,

   50 [Ω] SMA 커넥터를 포함하는 빔 조향 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 리액턴스 회로에 제어회로의 신호를 제공하는 제어회로 연결부를 더 포함하는 빔 조향 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,

   기준 전압을 인가하고 제어하는 제어기와,

   상기 제어기에서 인가된 상기 기준 전압을 디지털 값에서 아날로그 값으로 변환하는 디지털/아날로그 변환기와,

   상기 디지털/아날로그 변환기에서 변환된 상기 아날로그 값을 증폭하는 증폭기를 포함하는 빔 조향 장치.
7. 삭제

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