KR101542359B1 - 능동 안테나 어레이들 - Google Patents

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티토스 코키노스
플로리안 피피트
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알까뗄 루슨트
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Abstract

복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들(다중-대역 시스템)과 함께 이용하기 위해 설계된, 능동 안테나 어레이의 무게, 비용 및 복잡성을 감소시키기 위해, 어레이는 복수의 안테나 그룹들로 분할되는 복수의 안테나 요소들; 및 트랜시버 세트들로 분할되는 복수의 RF 트랜시버들을 포함하고, 세트의 각각의 트랜시버는 상이한 모바일 원격통신 시스템 상에서 동작하도록 정렬되고, 각각의 트랜시버 세트와 개개의 안테나 그룹 사이에 결합된 개개의 위상 시프팅 및 피딩 네트워크들을 포함하여, 세트의 각각의 트랜시버가 개개의 안테나 그룹의 각각의 안테나 요소에 결합된다.

Description

능동 안테나 어레이들{ACTIVE ANTENNA ARRAYS}
본 발명은 모바일 통신 시스템들을 위한 능동 안테나 어레이들에 관한 것이다.
다르게 스마트 안테나들로서 공지된, 능동 안테나 어레이들(Active Antenna Arrays; AAA)은 최근에 미래의 셀룰러/모바일 네트워크들의 기지국들(BS)을 위한 후보 기술로서 인기를 얻고 있다. AAA의 맥락에서, BS 안테나 어레이의 각각의 라디에이터(radiator)는 도 1에 도시된 바와 같이, 지정된 RF 트랜시버/RF 프런트-엔드(front-end)에 의해 피딩된다. 도 1에서, 기지국(2)은 일련의 N개의 안테나 요소들(41...4N)을 포함하는 능동 안테나 어레이를 갖고, 각각은 개개의 RF 트랜시버(61....6N)에 결합된다. 전형적으로, 각각의 RF 트랜시버는 디지털 아날로그 변환기(DAC), 주파수 상향-변환 스테이지 및 파워 증폭기(PA)를 포함하는 송신 경로, 및 저 잡음 증폭기, 주파수 하향-변환 스테이지 및 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 포함하는 수신 경로를 포함한다. 트랜시버들에서, 또는 기저대역 신호 처리에서, 적절한 위상 시프트들은 안테나 빔을 "스티어링(steering)"하기 위해 어레이의 경로들을 송신 및 수신하도록 적용된다.
현재 및 미래의 기지국들은 400MHz로부터 2.6GHz까지의 범위일 수 있는 상이한 주파수들에 따라 동작하는 상이한 모바일 원격통신 시스템들 예를 들면, 2G(예를 들면, GSM), 3G(예를 들면, WCDMA) 또는 4G(예를 들면, LTE)를 지원하도록 요구될 수 있다. 이것은 각각의 시스템에 대한 별개의 안테나 어레이 구성들을 요구할 수 있고, 이는 명백하게 비용이 많이 들고 일반적으로 불편하다.
본 발명은 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 능동 안테나 어레이를 제공하고, 상기 능동 안테나 어레이는:
복수의 안테나 그룹들로 분할되는 복수의 안테나 요소들;
상기 복수의 상이한 시스템들의 수와 동일한 복수의 트랜시버 그룹들로 분할되는 복수의 트랜시버들로서, 각각의 트랜시버 그룹은 상기 복수의 상이한 시스템들의 개개의 모바일 원격통신 시스템에 따라 동작하도록 적응되는, 상기 복수의 트랜시버들, 및
상기 트랜시버들과 상기 안테나 요소들 사이에 결합된 피딩 및 위상 시프팅 네트워크(feeding and phase shifting network)를 포함하고, 이에 의해 각각의 상기 안테나 그룹에 대해, 복수의 각각의 상기 트랜시버 그룹은 그의 안테나 요소들에 선택적으로 결합된다.
바람직한 것으로서, 트랜시버들은 복수의 트랜시버 세트들로 부가적으로 형성되고, 각각의 세트는 각각의 상기 트랜시버 그룹으로부터의 멤버(member)를 포함하고, 각각의 안테나 그룹은 개개의 트랜시버 세트에 결합된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 능동 안테나 어레이를 제공하고, 상기 능동 안테나 어레이는:
복수의 안테나 그룹들로 분할되는 복수의 안테나 요소들로서, 각각의 그룹은 하나보다 많은 안테나 요소를 포함하는, 상기 복수의 안테나 요소들;
복수의 트랜시버 세트들로 분할되는 복수의 트랜시버들로서, 트랜시버 세트의 각각의 트랜시버는 상기 복수의 상이한 시스템들의 개개의 모바일 원격통신 시스템에 따라 동작하도록 적응되는, 상기 복수의 트랜시버들; 및
피딩 및 위상 시프팅 네트워크를 포함하고,
각각의 트랜시버 세트는 위상 시프팅 네트워크를 통해 개개의 안테나 그룹에 결합되고, 이에 의해 트랜시버 세트의 적어도 하나의 트랜시버는 개개의 안테나 그룹의 안테나 요소들에 선택적으로 결합된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에서, 다중-대역(다중-대역은 다수의 모바일 원격통신 시스템들에 대해 공통적으로 이용된 용어이다) 능동 안테나 어레이들(AAA)의 효율적인 설계는 다중-대역 AAA의 통합을 위해 요구된 RF 트랜시버들의 총 수가 수동 또는 능동 피딩 네트워크를 통해 다수의 안테나 요소들을 피딩하기 위해 각각의 대역/시스템의 하나의 트랜시버를 이용함으로써 감소될 수 있다는 사실에 기초한다. 따라서, AAA가 상이한 모바일 원격통신 시스템들로 동작하기 위해 요구된 하드웨어의 양, 무게, 비용 및 복잡성이 감소될 수 있고, 여기서 안테나 요소들에 결합된 AAA의 각각의 대역의 RF 트랜시버들이 일-대-일 기반으로 할당되지 않지만, 대신에 위상 시프팅 및 피딩 (다중화/역다중화) 네트워크가 제공되어, 각각의 트랜시버가 하나보다 많은 안테나 요소에 결합되는 잇점이 발생한다. 비록 이것이 일부 상황들에서 품질의 일부 감소를 야기할 수 있을지라도, 접하게 되는 대부분의 실제 상황들에서, 품질의 감소는 중요하지 않다는 것이 발견되었다.
일 실시예에서, 상기 위상 시프팅 네트워크는 각각의 안테나 그룹에 대해, 각각의 트랜시버 세트의 멤버가 개개의 위상 시프팅 요소들을 통해 안테나 그룹의 각각의 안테나 요소에 결합되도록 정렬된다.
하나의 실시예에서, 트랜시버 요소들의 총 수는, 이러한 어레이들의 공통적으로 이용된 구성들 때문에 안테나 요소들의 총 수와 같다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상이한 수들이 이용될 수 있다. 그러나, 각각의 트랜시버 세트가 동일한 수의 안테나 요소들에 다중화되도록, 안테나 요소들의 총 수가 트랜시버 세트들의 수의 정확한 배수가 되어야 함이 바람직하다.
또 다른 실시예들에서, 트랜시버 세트의 하나 이상의 트랜시버들은 개개의 안테나 그룹의 하나 이상의 안테나 요소들로부터 분리될 수 있다.
일반적인 상황들에서, 서비스될 상이한 모바일 시스템들의 수는 2(이중-대역) 또는 3(3중-대역)일 수 있다. 서비스된 시스템들은 이용중이거나 예상된 임의의 유형 예를 들면, GSM(2G), UMTS(WCDMA, 3G) 및 LTE(4G)일 수 있다. 이들 시스템들은 예를 들면, 400MHz만큼 낮은 것으로부터 3GHz에 접근하는 넓은 주파수 범위의 동작 주파수들을 가질 수 있다. 이러한 넓은 주파수 범위에 걸쳐 만족스럽게 동작할 수 있는 단일 안테나 디바이스를 고안하는 것이 어렵기 때문에, 본 발명에 따라 하나보다 많은 안테나 하위-요소를 포함하는 각각의 안테나 요소를 갖는 것이 가능할 수 있고, 각각의 하위-요소는 기대한 주파수 범위의 상이한 부분에 대해 동작한다. 그러나, 일 실시예에 따라, 단일 디바이스로서 형성된 각각의 안테나 요소를 갖는 것이 바람직하고, 상기 단일 디바이스는 총 가능한 주파수 범위의 중요한 부분을 커버하기 위해 충분하게 광대역이다. 바람직한 것으로서, 약 400MHz와 1500MHz 사이의 주파수들에 응답하는 안테나 요소들을 가지는 제 1 실시예를 갖도록 제안된다. 또 다른 실시예에서, 약 1,6GHz와 2.7GHz 사이의 더 높은 주파수들은, 범위가 1.8, 1.9GHz(GSM), 2.1GHz(WCDMA), 및 LTE와 같은 4G 시스템들을 위한 2.7GHz를 포함하는 단일 안테나 요소에 의해 커버된다.
상기 위상 시프팅 네트워크(들)는(은) 트랜시버 송신 경로들에 결합된 다운링크 경로들, 및 트랜시버 수신 경로들에 결합된 업링크 경로들로 분할될 수 있다. 다운링크 경로는 각각의 트랜시버에 결합되고, 각각의 트랜시버로부터 파워를 분할하기 위한, 송신 경로에서의 파워 분할기들을 포함할 수 있다. 윌킨슨(Wilkinson) 파워 분할기들과 같은 정상적인 수동 디바이스들이 존재한다. 또한 수동 디바이스들인 다중화 유닛들은 안테나 요소들의 입력부들에 접속될 수 있고 다양한 트랜시버들로부터의 입력들을 수신하기 위해 정렬될 수 있다. 업링크 경로는 안테나 요소들에 결합된 대응하는 역다중화 디바이스들 및 트랜시버들에 결합된 파워 조합기들을 포함할 수 있다. 파워 분할기들/조합기들과 다중화/역다중화 유닛들 사이에 위치된 위상 시프팅 디바이스들은 수동 디바이스들 또는 활성 디바이스들일 수 있다. 예를 들면, 수 와트 정도의 파워들과 같은 높은 파워 애플리케이션들에서, 수동 디바이스들이 바람직한데 이는 그들이 더 적은 손실들을 갖기 때문이다. 예를 들면, 임의의 길이의 송신 라인들이 이용될 수 있고, 이는 예를 들면, 조절가능한 유전체 충전을 가짐으로써 튜닝가능할 수 있다. 예를 들면, 250mW와 같은 낮은 파워 애플리케이션에 대해, 집적 회로 위상 시프팅 디바이스들과 같은 능동 디바이스들이 이용될 수 있고, 이는 인가된 전압에 의해 튜닝가능하다. 이들 디바이스들은 예를 들면, 약 3dB의 삽입 손실들을 갖고, 이는 그들을 높은 파워 애플리케이션들에 대해 적합하지 않게 한다.
다중화/역다중화 유닛들은 파워 요구조건들 및 요구된 입력부들의 수에 따라 선택된, 세라믹-기반(ceramic-based), 캐비티-기반(cavity-based) 또는 마이크로스트립-기반(microstrip-based)과 같은 상이한 기술들일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 이제 단지 예로서, 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 모바일 원격통신 시스템의 기지국에서 이용된 능동 안테나 어레이의 공지된 구성을 도시한 도면.
도 2는 다중-대역 아키텍처를 가지는, 본 발명을 설명하는 목적을 위한 기지국에서 이용된 능동 안테나 어레이의 구성을 도시한 도면.
도 3은 수동 피딩 네트워크가 이용되는 다중-대역 AAA를 위한 아키텍처를 도시하는, 본 발명의 제 1 실시예의 개략적인 블록도.
도 4는 능동 피딩 네트워크가 이용되는 다중-대역 AAA를 위한 아키텍처를 도시하는, 본 발명의 제 2 실시예의 개략적인 블록도.
도 5는 도 3 및 도 4의 아키텍처들에서 통합된 피딩 네트워크의 블록도. 위상 시프터들(Φi.j)은 수동(도 3의 수동 피딩 네트워크)이거나 능동(도 4의 수동 피딩 네트워크)일 수 있다.
도 6은 본 발명의 이중-대역 AAA의 특정 예를 형성하는 제 3 실시예의 개략적인 블록도.
도 7은 2개의 안테나 요소들에 상이한 대역들에 따라 동작하는 2개의 트랜시버 요소들을 결합시키기 위한, 다운링크 송신(Tx)의 경우에 대한, 도 6의 AAA에서 이용된 모듈의 블록도.
도 8은 2개의 안테나 요소들에 2개의 트랜시버 요소들을 결합시키기 위한, 업링크 수신(Rx)의 경우에 대한 도 7과 유사한 블록도.
도 9는 수신 안테나 포트 및 송신 안테나 포트에 대한 도 7 및 도 8의 피딩 네트워크의 시뮬레이팅된 성능을 도시하는 그래프들을 포함하는 도면들.
본 발명의 설명을 위해, 다중-대역(m-대역) AAA BS의 설계가 도 2에 도시된다(본 명세서에서, 용어 "대역"은 일반적인 말에 따라 모바일 원격통신 시스템을 나타내기 위해 이용된다). 도 1에서와 동일한 수인, N개의 안테나 요소들(201...20N)이 제공된다. 각각의 안테나 요소는 하나의 세트(221...22N)로부터 피딩되고, 각각의 세트는 m개의 지정된 RF 프론트-엔드들(트랜시버들)(241...24m)을 포함하고, 각각의 프론트-엔드는 상이한 대역/시스템에 따라 동작하도록 설계된다. 따라서, 트랜시버들의 총 수는 또한 m개의 그룹들로 분할되고, 각각의 그룹은 개개의 시스템 상에서 동작함이 보여질 수 있다. 각각의 피드 세트(feed set)(221...22N)는 개개의 다중화 네트워크(261...26N)를 통해 개개의 안테나 요소(201...20N)에 피딩된다. 기지국의 나머지는 28로 표시된다.
각각의 트랜시버(241...24m)는 디지털 아날로그 변환기(DAC), 주파수 상향-변환 스테이지 및 파워 증폭기(PA)를 포함하는 송신 경로, 및 저 잡음 증폭기, 주파수 하향-변환 스테이지 및 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 포함하는 수신 경로를 공통적으로 구비한다. 적절한 위상 시프트들은 안테나 빔들을 "스티어링"하기 위해 어레이의 송신 및 수신 경로들에 적용된다. 그러나, 본 명세서의 목적들을 위해, "트랜시버"는 적절한 수신 및/또는 송신 구성요소들을 갖는, 수신 경로 및/또는 송신 경로를 포함하는 RF 유닛을 의미하도록 이해될 것이다.
도 2에서, BS 안테나 어레이(일반적으로 패널의 형태인)의 각각의 안테나 요소는 m개의 지정된 RF 프론트-엔드들로부터 피딩되고, 그들 각각은 상이한 주파수 대역에서 동작하도록 설계된다. 상기 경우에, 동일한 안테나 요소(20i)를 피딩하는 m개의 RF 프론트-엔드들(241...24m) 각각의 RF 신호들은 RF 다중화기(26i) 상에서 다중화되어야 하고, 또한 모든 m-대역들이 안테나 동작 대역폭에 포함되도록, 안테나 요소(20i)는 충분히 광대역이어야 한다.
다중-대역(AAA)의 설계에 대한 도 2의 방식은 m-대역의 N-안테나 요소 AAA 통합에 대해, (m×N)개의 RF 프론트-엔드들이 요구되는 주요 단점을 갖는다. 이것은 BS의 비용, 및 그것의 복잡성, 및 또한 그것의 무게 및 부피를 상당하게 증가시킨다. 모든 이러한 이유들 때문에, 다중-대역 AAA에 대한 더 효율적인 아키텍처들이 바람직하다.
다음 도면들에서, 도 2의 부분들에 대한 유사한 부분들은 동일한 참조 부호들로 표시된다.
도 3은 m개의 RF 트랜시버들(그들 각각은 상이한 대역에서 동작한다)의 송신/수신 RF 신호들을 M개의 광대역 안테나 요소들로/요소들로부터 분배하고 상기 송신/수신 RF 신호들을 다중화/역다중화하기 위해, 개개의 수동 피딩 네트워크가 이용되는 다중-대역 AAA를 위한 아키텍처를 도시하는, 본 발명의 제 1 실시예의 개략적인 블록도이다. 도 4는 m개의 RF 트랜시버들(그들 각각은 상이한 대역에서 동작한다)의 송신/수신 RF 신호들을 M개의 광대역 안테나 요소들로/요소들로부터 분배하고 상기 송신/수신 RF 신호들을 다중화/역다중화하기 위해 개개의 능동 피딩 네트워크가 이용되는 다중-대역 AAA를 위한 아키텍처를 도시하는, 본 발명의 제 2 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 3 및 도 4에서, AAA는 m개의 대역들을 지원하고, 안테나 패널은 N개의 방사 또는 안테나 요소들(201...20N)로 구성된다. AAA 아키텍처에 따라, N개의 안테나 요소들은 M개의 요소들(201...20M, 20M+1...202M, 등)의 (N/M)개의 세트들 또는 그룹들(30)로 그룹핑된다(이 이유 때문에, N/M의 모듈러스(modulus)는 0이어야 한다). 그 다음, 이들 그룹들(30) 각각은 수동(도 3) 네트워크(321..32(N/M)) 또는 능동 피딩 네트워크(도 4)에 의해 피딩된다(수동 및 능동 피딩 네트워크들은 구성 중에 능동 또는 수동인 네트워크들의 위상 시프팅 디바이스들에 의해 특징화된다). 각각의 피딩 네트워크(32 또는 34)의 입력부들은 m개의 RF 트랜시버들(241...24m)의 한 세트(221...22N/M)에 각각 결합되고, 한 세트의 각각의 트랜시버는 AAA에 의해 지원되는 m개의 상이한 시스템들(대역들) 중 하나에서 동작하도록 설계된다. 일반적인 경우에, AAA에 의해 지원된 모바일 원격통신 시스템들의 수(m)(및 따라서 각각의 피딩 네트워크를 피딩하는 독립적인 트랜시버들의 수) 및 동일한 피딩 네트워크에 의해 피딩된 안테나 요소들의 수(M)는 서로 완전하게 독립적이고, 그것은 더 작거나(m<M), 동일하거나(m=M) 더 클 수 있다(m>M).
피딩 네트워크들(32, 34)의 기능성은 도 5의 블록도에 도시되고, 상기 도 5는 송신 신호들 및 수신 신호들 둘 모두에 대한 단일 피딩 위상 시프팅 네트워크의 블록도이다. 기지국으로부터의 다운링크 송신(Tx-모드)의 경우에 대해, 피딩 네트워크의 제 1 스테이지에서, m개의 트랜시버들 각각의 RF 송신 신호들은 1:M 파워 분할기들(50)에 의해 M개의 카피들(copies)로 분할된다. 그 다음, 각각의 카피는 대응하는 위상-시프터(Φi.j)(52)에 의해 적절한 양만큼 위상-시프트된다. 마지막으로, 개개의 안테나 요소들(201...20M)에 결합된 M개의 다중화기들(54)이 제공되고, 상기 개개의 안테나 요소들(201...20M)은 각각의 파워 분할기(50)로부터 위상 시프트된 신호를 수신한다. 따라서, 동일한 안테나 요소로 송신되어야 하는 모든 RF 위상 시프트된 신호들은(상이한 대역들) 광대역 안테나 요소에서 피딩되기 전에 다중화된다. 기지국의 업링크 동작(Rx-모드)의 경우에, 다중화기들(54)이 수신된 신호들에 대한 역다중화기들로서 기능하고, 파워 분할기들(50)이 파워 조합기들로서 기능하는 상호 기능성이 구현된다. 다중화기들 앞의 모든 구성요소들이 단일-대역 구성요소들이고, 다중화기들이 다중-대역이고, 안테나 요소들이 광대역이어야 하는 단지 구성요소들임을 언급하는 것이 중요하다.
제안된 수동 또는 능동 피딩 네트워크들(32, 34)의 제 1 RF 구성요소들은 1:M 파워 분할기/조합기들이다. 수동적인 2-방식의 구성요소들이 존재하고 그들은 완전하게 균형을 이루거나 균형을 이루지 않을 수 있고, 바람직하게 동일한 그룹(30)의 안테나 요소들에 대해 진폭 테이퍼링(amplitude tapering)을 구현한다.
피딩 네트워크의 위상-시프터(Φi.j)(52)는 동일한 피딩 네트워크(빔 스티어링 애플리케이션들)를 통해 피딩된 안테나 요소들에 걸쳐 대역 당 임의의 위상 진행을 유지하기 위해 이용된다. 도 1 또는 도 2의 AAA와 유사한 AAA의 일반적인 경우에, 임의의 빔 스캐닝 각을 성취하기 위한 연속적인 안테나 요소들 사이에 (대역 당) 요구된 위상-시프트는 동일한 대역의 N개의 독립 트랜시버들에 의해 능동적으로 설정될 수 있다. 이것은 예를 들면, 위상을 송신기의 디지털 도메인에서 또는 송신기의 RF-섹션에서 시프팅함으로써 달성될 수 있다. 동일한 것이 수신 경로에 대해서도 유효하다. 도 3 및 도 4의 아키텍처의 경우에, 임의의 빔 스캐닝 각을 성취하기 위해 요구된 위상 진행을 유지할 수 있는(트랜시버의 디지털 도메인 또는 RF-섹션에서) 대역 당 단지 N/M개의 독립 트랜시버들이 존재한다. 이들 트랜시버들 각각이 M개의 연속적인 안테나 요소들을 피딩할 것이라고 가정하면, 독립 트랜시버들에 의해 설정될 수 있는 위상-시프트들은 임의의 빔 스캐닝 각을 유지하기 위해 인접한 안테나 요소들 사이에 요구된 위상 진행의 M배와 동일해야 한다. 그 다음, 피딩 네트워크의 위상-시프터(Φi.j)(52)는 동일한 그룹(30)의 연속적인 안테나 요소들 사이에 요구된 위상 진행을 유지하기 위해 이용되어야 한다. 빔 스캐닝 요구조건들이 제한되고(즉, 0° 내지 10°오프-브로드사이드(off-broadside)), 매크로-셀 배치들에서 이용된 고-파워 AAA의 경우에, 필요한 모든 빔 스캐닝 각들을 성취하기 위해 요구된 위상-시프트 범위의 중간에서 진행중인 위상-시프트를 제공하도록 설계된, 수동 마이크로웨이브 송신 라인들과 같은 수동 구성요소들이 적절하게 양호한 해결책을 제공할 수 있음이 보여질 수 있다. 이 경우에, 피딩 네트워크는 단지 수동일 수 있는데(도 3), 이는 파워 분할기들 및 다중화기들이 일반적으로 수동 디바이스들이기 때문이다. 또한, 이 경우에, 수동 피딩 네트워크는 2-방식 마이크로웨이브 회로이고 따라서, 단일 네트워크는 다운링크(Tx) 및 업링크(Rx) 둘 모두에 대해 이용될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 작은-셀 배치들, 다중-섹터 배치들 등에 대한 AAA와 같은 큰 빔 스캐닝 각들을 요구하는 애플리케이션들에서, 위상-시프터들을 위한 수동 해결책은 적절하지 않다. 대신에, 위상-시프터들은 능동(전압 제어된 칩들)이어야 하고 RF 신호들을 피딩 네트워크로 피딩하고 있는 대역들의 트랜시버들에 의해 제어되어야 한다. 이 경우에, 피딩 네트워크는 능동 네트워크가 될 것이다(도 4). 이러한 능동 RF 위상-시프터들이 일반적으로 손실(예를 들면, <50% 효율성)되는 것임에 주의하라. 그럼에도 불구하고, (250mW 정도의) 저-파워 AAA의 맥락에서, 이러한 손실 구성요소들은 반드시 완전하게 전후 맥락을 벗어나는 것은 아니다. 마지막으로, 능동 RF 위상-시프터들이 일반적으로 단일-방식의 디바이스들이라고 가정하면, 2개의 피딩 네트워크들은 안테나 요소들의 그룹 당 요구된다; 하나는 다운링크(Tx)를 위한 것이고 하나는 업링크(Rx)를 위한 것이다.
도 5의 RF 다중화기들/역다중화기들과 관련하여, 이들 디바이스들의 요구된 동작은 특정 AAA 아키텍처 및 정확한 시스템 구성에 훨씬 의존한다. (동일한 안테나에서 피딩하는 고려중인 모든 대역들이) 예상될 수 있는 가장 일반적인 경우에, 이들 다중화기들/역다중화기들은 고려중인 모든 대역들의 모든 Tx 및 Rx RF 신호들을 다중화/역다중화해야 한다. Tx 및 Rx 신호들이 상이한 주파수 대역들에 할당되는 FDD (주파수 다중화) 시스템의 경우에 대해, 이 디바이스는 2m개의 상이한 대역들을 다중화/역다중화해야 한다. 또 다른 방식은 이 디바이스가 다중-대역 AAA의 전체 m개의 대역들을 단지 다중화/역다중화하는 것일 수 있다('전체 대역들'은 Tx 및 Rx 스펙트럼들 둘 모두가 각각의 다중화된 대역의 총 스펙트럼에 포함되는 것을 의미한다). 이 경우에, 종래의 듀플렉싱 디바이스들(duplexing devices)은 Tx 및 Rx 신호들을 듀플렉싱하기 위해 대역들 각각의 RF 프론트-엔드(RF 체인들)에서 요구될 수 있다(FDD 시스템의 경우에 대해). 그럼에도 불구하고, 다중화 디바이스들의 정확한 동작에 대한 다른 경우들이 또한 정확한 AAA 아키텍처에 의존하여 고려될 수 있다. 하나의 이러한 경우가 다음 예에서 논의될 것이다.
도 6을 참조하면, 이중 대역(m=2) AAA의 일 실시예가 제시된다. 관심 있는 2개의 대역들은 UMTS 배치(DL: 2.11-2.17GHz, UL: 1.92-1.98GHz)에 대한 2.1GHz이고 LTE 배치(DL: 2.62-2.19GHz, UL: 2.50-2.57GHz)에 대한 2.6GHz이다. AAA는 N=8인 방사 요소들로 구성되고(N이 임의의 짝수이어야 하는 일반적인 경우에), 안테나 요소들은 쌍들(M=2)로 그룹핑된다. 이 특정한 경우에 대해, m=M이다. 이용된 방사 요소들은 광대역이고, 이중-편파되고, 하나의 편파(+45°)는 다운링크 송신(Tx 포트/+45°)을 위해 이용되고 직교 편파(-45°)는 업링크 수신(Rx 포트)을 위해 이용된다(이 가정은 수동/능동 피딩 네트워크의 다중화 디바이스들의 동작에 영향을 미친다).
도 6에서, 4개의 모듈들(60)은 각각 한 쌍의 RF 프론트-엔드들(241, 242)(하나는 2.1GHz를 위한 것이고 하나는 2.6GHz를 위한 것이다), 피딩 및 위상 시프팅 네트워크(321...324) 및 각각의 안테나 그룹(30)에 대한 한 쌍의 안테나 요소들(201, 202)을 포함하는 트랜시버 세트(221 내지 224)로 구성된다. 이 구현에 대해, 다운링크(Tx) 및 업링크(Rx) 회로들을 각각 포함하는 이들 모듈들(60) 각각의 블록도들은 도 7 및 도 8에 도시된다.
도 7을 참조하면, 트랜시버(241)들은 UMTS IF 및 BB 신호들을 위한 섹션(70), 이어서 송신기 섹션(72)을 포함한다. 트랜시버(242)는 LTE IF 및 BB 신호들을 위한 섹션(74), 이어서 송신기 섹션(72)을 포함한다. 각각의 송신기 섹션(72)은 DAC(80), 승산기들(82)을 포함하는 I 및 Q 경로들(76, 78)을 포함하고, 기저 대역 신호는 LO(84)로부터의 위상 시프트된 IF 신호로 승산되고, 상기 LO(84)는 86, 88에서 위상 시프트된다. IQ 신호들은 90에서 조합되고 파워 증폭기(92)에 피딩된다.
도 7에서, 2개의 파워 증폭기들(92)(2.1GHz(UMTS) 및 2.6GHz(LTE) 각각에서의) 출력은 필터링되지 않고 위상 시프팅 송신 네트워크(321T)에 제공되고, 출력들은 파워 분할기들(96)에서 분할되고 그의 출력들은 위상 시프터들(98, 99)에서 적당하게 위상-시프트된다. 듀플렉서들(100)은 각각의 파워 분할기로부터 신호들을 수신하고, 2개의 트랜시버들로부터의 조합된 신호는 각각의 듀플렉서로부터 적당한 안테나 요소(201, 202)로 피딩된다. 이 경우에, 각각의 안테나 요소는 이중 편파된 안테나이고, 출력 신호는 안테나 요소들(201, 202)의 2개의 직교 편파들(이 경우, 안테나 요소(201)의 +45°입력, 및 안테나 요소(202)의 +45°입력) 중 하나에 인가된다.
도 8에 도시된 업링크 수신의 경우에 대해, 도 7의 부분들과 유사한 부분들은 동일한 참조 숫자들에 의해 표시된다. 송신 섹션들(72)은 수신 섹션들(120)에 의해 대체되고, 위상 시프팅 네트워크(321)는 분할 및 다중화 기능부(321T)로부터 역다중화 및 조합 기능부(321R)로 변경된다. 2개의 안테나 요소들(201, 202)의 편파 포트들(-45°)에서 수신된 신호들은 도 7의 상호 처리에 대한 역 상호 처리에 의해 102에서, 1.9GHz(UMTS) 대역에서 수신된 신호 및 2.5GHz(LTE) 대역에서 수신된 신호로 역다중화되고 그 다음, 신호들은 104, 106에서 위상-시프트되고, 마지막으로 동일한 대역의 신호들은 각각의 수신기(120)의 LNA들(저 잡음 증폭기들)의 110에서 증폭되기 전에 파워 조합기들(108)에서 조합된다(정확한 시스템 구성에 의존하여, LNA들은 역다중화기들 바로 뒤에 위치될 수 있다). 각각의 LNA의 출력은 2개의 IQ 경로들(76, 78)로 분할될 수 있고, 신호들은 82, 84, 86, 88에서 기저 대역으로 변환되고, ADC들(112)에 인가된다.
Tx 및 Rx 동작들이 상이한 안테나 편파들(따라서, 상이한 안테나 포트들) 상에서 고려된다고 가정하면, Tx 피딩 네트워크는 Rx 피딩 네트워크로부터 완전하게 독립적이다. 그럼에도 불구하고, 이용된 다중화/역다중화 디바이스들은 또한 동일한 대역의 Tx와 Rx 신호들 사이에 요구된 분리(isolation)을 제공해야 한다. 예를 들면, 2개의 Tx 신호들 사이의 분리를 제외하고, 도 7(다운링크)의 듀플렉싱 디바이스들은 또한 대응하는 Rx 신호들에 대한 대역들 둘 모두의 Tx 신호들 사이에 요구된 분리를 제공해야 한다. 이러한 다중화 유닛들이 상이한 모바일 원격통신 시스템들로부터 다운링크 신호들을 수신할 것이고, 이러한 역다중화 유닛들이 상이한 모바일 원격통신 시스템들로부터 업링크 신호들을 수신할 것이고, 따라서 이들 신호들이 주파수에서 큰 차이가 있을 것임을 언급하는 것이 중요하다. 따라서, 이것은 이러한 유닛들의 구성을 단순하게 하는데, 이는 필터링 요구조건들이 공통 다중화 상황과 비교하여 감소되기 때문이고, 모든 다중화된 신호들은 동일한 주파수 대역 상에 있다.
상기 언급된 요구조건들을 명백하게 하기 위해, 도 7 및 도 8의 수동 피딩 네트워크들의 시뮬레이션의 결과들은 도 9에서 제시된다. 이 시뮬레이션에 대해, 파워 조합기/분할기들, 위상-시프터들 및 듀플렉서들 모두는 수동 구성요소들로서 모두 설계된다. 특히, 듀플렉서들에 관하여, 그들은 세라믹 듀플렉서들이다. 특히, 도 9에서, 도 8(수신 안테나 포트) 및 도 7(송신 안테나 포트)의 수동 피딩 네트워크들의 성능(S-파라미터들)이 각각 제시된다. 이들 결과들은 예를 들면, 다운링크 송신의 경우에, 2개의 대역들의 Tx 신호들이 적절하게 분리될 뿐만 아니라, UMTS Tx와 Rx 신호들 및 LTE Tx와 Rx 신호들 사이에 양호한 분리가 성취되었음을 도시했다. 유사한 성능이 Rx 경우들에 대해 성취된다.
상기 설명된 실시예들의 잇점은 전체적인 AAA의 무게, 비용 및 복잡성을 감소시키기 위해 감소된 수의 트랜시버들을 갖는 다중-대역 또는 다중-시스템 AAA의 설계 및 구현이다.
설명 또는 도면들은 단지 본 발명의 원리들을 예시한다. 따라서, 당업자들이 비록 여기에 명백하게 설명되거나 도시되지 않을지라도, 본 발명의 원리들을 구현하고 그의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 장치들을 고안할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 또한, 여기에서 언급된 모든 예들은 원리적으로 독자가 본 발명의 원리들 및 해당 분야의 발전을 위해 발명자(들)에 의해 기여된 콘셉트들을 이해하는데 도움이 되기 위해 단지 교육적인 목적을 위한 것이 될 수 있도록 분명하게 의도되고, 이러한 특정하게 언급된 예들 및 조건들에 대해 제한이 없는 것으로서 해석되어야 한다. 또한, 본 발명의 원리들, 양태들, 및 실시예들 뿐만 아니라, 그의 특정 예들을 언급하는 여기에서의 모든 진술들은 그의 등가물들을 포함하도록 의도된다.
2: 기지국 32, 34: 피딩 네트워크
50: 파워 분할기 54: 다중화기
80: DAC 82: 승산기
92: 파워 증폭기 100: 듀플렉서
108: 파워 조합기 120: 수신기
201, 202: 안테나 요소
241, 242: RF 프론트-엔드

Claims (11)

  1. 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이로서:
    복수의 안테나 그룹들(30)로 분할되는 복수의 안테나 요소들(201...20N)로서, 각각의 그룹은 하나보다 많은 안테나 요소(201...20M)를 포함하는, 상기 복수의 안테나 요소들(201..20N); 및
    복수의 피딩 및 위상 시프팅 네트워크들(feeding and phase shifting networks)(321, 314..32, 34(N/M))을 포함하는, 상기 안테나 어레이에 있어서,
    상기 안테나 어레이는 능동 안테나 어레이이고, 복수의 트랜시버들을 포함하고, 상기 복수의 트랜시버들은 복수의 트랜시버 세트들(221..22N/M)로 분할되고, 각각의 세트는 하나보다 많은 트랜시버(241..24m)를 포함하고, 트랜시버 세트의 각각의 트랜시버는 상기 복수의 상이한 시스템들(m)의 개개의 모바일 원격통신 시스템 상에서 동작하도록 적응되고;
    각각의 트랜시버 세트는 개개의 피딩 및 위상 시프팅 네트워크를 통해 개개의 안테나 그룹에 결합되어, 트랜시버 세트의 각각의 트랜시버는 능동 안테나 어레이를 제공하기 위해 상기 개개의 안테나 그룹의 각각의 안테나 요소에 결합되고, 상기 복수의 안테나 요소들의 인접한 요소들에 걸쳐 안테나 신호의 미리 결정된 위상 진행을 생성하는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    개개의 상기 트랜시버 세트의 선택된 멤버들(members)은 상기 미리 결정된 위상 진행을 생성하기 위해 개개의 위상 시프팅 디바이스(52, 98, 99, 104, 106)를 통해 상기 안테나 그룹의 각각의 안테나 요소에 결합되는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 트랜시버 세트는 2개의 시스템들의 개개의 시스템을 서빙(serving)하는 2개의 트랜시버들을 포함하고, 각각의 상기 안테나 그룹은 2개의 안테나 요소들을 포함하는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 위상 시프팅 네트워크는 업링크 경로(321R) 및 다운링크 경로(321T), 및 상기 다운링크 경로에 대해, 하나 이상의 다중화 디바이스들(100)를 포함하고, 상기 하나 이상의 다중화 디바이스들(100) 각각은 상기 세트의 상이한 트랜시버들로부터 상이한 모바일 전화 시스템들의 복수의 다운링크 신호들을 수신하기 위해 안테나 요소에 결합되는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 위상 시프팅 네트워크는 업링크 경로(321R) 및 다운링크 경로(321T), 및 상기 업링크 경로에 대해, 하나 이상의 다중화 디바이스들(102)를 포함하고, 상기 하나 이상의 다중화 디바이스들(102) 각각은 상기 세트의 상이한 트랜시버들로 상이한 모바일 전화 시스템들의 복수의 업링크 신호들을 피딩하기 위해 안테나 요소에 결합되는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  6. 제 4 항에 있어서,
    각각의 위상 시프팅 네트워크는 다운링크 경로(321T)를 포함하고, 상기 다운링크 경로(321T)는 상기 트랜시버들에 결합된 파워 분할기들(96), 상기 안테나 요소들에 결합된 다중화기들(100), 및 상기 파워 분할기들과 다중화기들 사이에 선택적으로 결합된 위상 시프팅 디바이스들(98, 99)을 포함하는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  7. 제 5 항에 있어서,
    각각의 위상 시프팅 네트워크는 업링크 경로(321R)를 포함하고, 상기 업링크 경로(321R)는 상기 트랜시버들에 결합된 파워 조합기들(108), 상기 안테나 요소들에 결합된 역다중화기들(102), 및 상기 파워 분할기들과 역다중화기들 사이에 선택적으로 결합된 위상 시프팅 디바이스들(104, 106)을 포함하는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 시프팅 네트워크는 능동 위상 시프팅 디바이스들(52)을 포함하는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 시프팅 네트워크는 수동 위상 시프팅 디바이스들(52)을 포함하는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 안테나 요소는 이중 편파된 안테나(201, 202)이고, 하나의 편파는 상기 개개의 트랜시버들의 송신 경로에 결합되고, 다른 편파는 상기 개개의 트랜시버들의 수신 경로에 결합되는, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 안테나 요소는 상기 복수의 상이한 시스템들의 동작 주파수들의 적어도 일부를 커버(cover)하기 위해 충분히 광대역인, 복수의 상이한 모바일 원격통신 시스템들과 함께 이용하기 위해 적응된 안테나 어레이.
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