KR101551567B1 - 초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 시스템 및 동작 방법 - Google Patents

초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 시스템 및 동작 방법 Download PDF

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Abstract

초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 시스템 및 동작 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 시스템은 상기 안테나가 배열되는 접지면을 포함하는 유전체 기판, 상기 유전체 기판에 수직으로 위치하고, 수직 편파 빔 발생을 유도하는 수직 편파 안테나 방사부, 상기 수직 편파 빔 성형을 위해 다면체 구조로 배열된 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부, 상기 유전체 기판에 수평으로 위치하고, 수평 편파 빔 발생을 유도하는 수평 편파 안테나 방사부, 상기 수직 편파 빔 및 수평 편파 빔의 방사 모드를 조절하는 스위치를 포함할 수 있다.

Description

초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 시스템 및 동작 방법{Method and System for Multi-band, dual-polarization, dual beam-switched antenna for small cell base station}
본 발명은 패턴 재구성 다중 안테나 및 스위치 모드 빔 성형 안테나에 관한 것이다. 방사체로 수정된 평면형 모노폴 타입 안테나가 사용되었으며 다중 대역 이중 편파 이중 안테나 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 초소형 셀 기지국의 스위치 모드 안테나 시스템 설계에 관한 것으로 다중 안테나 무선 통신에서 높은 채널 용량을 제공하기 위해 적합하다.
무선 통신 기술이 발전함에 따라 초고속 다기능 무선 통신 기기의 수요가 증가하였다. 이로 인하여 다중 안테나 (MIMO) 시스템이 제안되었다. 다중 안테나 시스템은 다중 경로 페이딩 환경에서 높은 채널 용량을 제공하기 위하여 송신기와 수신기에 각각 2개 이상의 안테나를 사용한다. 일반적인 다중 안테나 시스템은 높은 채널 용량을 위하여 안테나 요소들 간의 상관 관계가 낮아야 한다. 또한, 빔 성형 안테나를 이용하여 제한적인 주파수 스펙트럼 내에서 채널 용량을 늘릴 수 있다. 일반적으로 기지국 안테나는 전방향 통신을 위해 이중 편파, 전 방향성 안테나 패턴, 높은 채널 용량을 요구로 한다.
실내 또는 실외 전파 환경에서 전력 각도 스펙트럼 (Power angular spectrum)은 균일하지 않다. 전력 각도 스펙트럼은 다양한 전파 환경에 따라 다르다. 일반적인 다중 안테나 시스템의 방사 패턴은 정적이기 때문에 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio - SNR)가 불량인 방향에서는 신호를 수신하기 어렵다. 따라서 안테나 시스템의 공진 주파수와 반사 계수 (Reflection coefficient - S11) 특성을 유지한 채 방사패턴을 재구성 할 수 있는 다중 안테나 설계는 매우 중요하다. 이러한 안테나는 패턴 재구성 안테나 (Pattern reconfigurable antenna - PRA)로 불리며 동작 주파수를 유지하면서 동시에 방사 특성의 변경이 가능하다.
휴대 단말기 또는 실내 기지국을 위한 다양한 패턴 재구성 안테나 기법이 있다. 전형적인 위상 천이 기법은 다수의 안테나 요소들이 사용되고, 시스템 복잡도가 증가하여 휴대 단말기 또는 실내 기지국 안테나에 적합하지 않다. 패턴 재구성 안테나를 위한 일반적인 방법은 방사체 근방의 기생 방사 소자를 사용하는 것이다. 일반적으로 모노폴 또는 패치 안테나 구조에서 많이 사용된다. 또한, 대칭 구조를 가진 다중 모드 안테나 구조에 적용 가능하다. 하지만 이러한 안테나는 접지 면에서 위치가 바뀜에 따라 안테나의 방사 특성은 크게 변화한다.
따라서 앞으로 출시될 다중 안테나의 각 안테나 소자 방사 패턴 재구성 기능은 매우 중요하다. 또한 소형 휴대용 기기에 적합한 최적의 초소형 패턴 재구성 안테나가 요구된다.
스위치 모드 빔 재구성 안테나는 비교적 간단한 구조, 뛰어난 방사 특성, 제조의 용이성, 낮은 단가 등의 이유로 유망하다. 스위치 제어로 안테나 구조 또는 기생 방사 소자 제어가 가능하며, 이를 통해 방사 패턴 방향을 변경할 수 있다.
공간상 데이터 송수신의 제약이 큰 실내 환경에서도 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 단순화된 구조의 스위치 모드 빔 성형 안테나가 제공된다. 빔 성형에 있어 보다 다양하고 정밀한 빔 성형 모드를 얻을 수 있는 스위치 모드 빔 성형 안테나가 제공된다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 다중 대역 이중 편파 스위치 모드 빔 성형 안테나 시스템은 메인PCB 기판에 평판 형 수평, 수직 편파 안테나가 배열되고, 상기 안테나의 일측에 접속되는 급전부 및 상기 방사부의 일측에 접속되어 상기 급전부를 통해 공급되는 전력을 접지하는 접지면을 포함할 수 있다.
상기 평판형 수직 편파 안테나는 상기 안테나와 다면체 구조의 각 면에 한 개 이상의 스위치를 포함하는 복수개의 기생 방사 소자가 배열될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 평판형 수직 편파 안테나는 다중 대역에서 동작할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 평편형 수직 편파 안테나는 평판형 모노폴 안테나일 수 있다.
상기 평판형 수평 편파 안테나는 복수개의 스위치를 포함하는 복수개의 안테나 소자가 배열될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 수평, 수직 편파 안테나는 상기 급전부를 통해 공급되는 전력으로 단일 안테나 모드 및 다중 안테나 모드 중 적어도 하나로 동작함으로써 빔 성형할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 수평, 수직 편파 안테나는 방사 패턴이 직교하도록 배열됨으로써 상기 인접한 안테나 간의 간섭이 최소화될 수 있다.
무선 통신을 수행하는 송수신기는 단일 기판 면에 배열되고, 판형의 수평, 수직 편파 방사부, 상기 방사부의 일측에 접속되는 급전부 및 상기 방사부의 일측에 접속되어 상기 급전부를 통해 공급되는 전력을 접지하는 접지면을 포함하여 복수개의 스위치 모드로 빔 성형하는 안테나를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 시스템은 상기 안테나가 배열되는 접지면을 포함하는 유전체 기판, 상기 유전체 기판에 수직으로 위치하고, 수직 편파 빔 발생을 유도하는 수직 편파 안테나 방사부, 상기 수직 편파 빔 성형을 위해 다면체 구조로 배열된 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부, 상기 유전체 기판에 수평으로 위치하고, 수평 편파 빔 발생을 유도하는 수평 편파 안테나 방사부, 상기 수직 편파 빔 및 수평 편파 빔의 방사 모드를 조절하는 스위치를 포함할 수 있다.
상기 접지면은 상기 안테나의 일 측에 접속되는 급전부 및 상기 방사부의 일 측에 접속되어 상기 급전부를 통해 공급되는 전력을 접지할 수 있다.
상기 수직 편파 안테나 방사부 및 수평 편파 안테나 방사부는 상기 급전부를 통해 공급되는 전력으로 단일 안테나 모드 및 다중 안테나 모드 중 적어도 하나로 동작함으로써 빔 성형을 수행할 수 있다.
상기 수직 편파 안테나 방사부 및 수평 편파 안테나 방사부는 상기 인접한 안테나 간의 간섭이 최소화되도록 직교하여 배열될 수 있다.
상기 수직 편파 안테나 방사부는 상기 안테나 방사부와 다면체 구조의 각 면에 한 개 이상의 스위치를 포함하는 복수의 기생방사 소자가 배열될 수 있다.
상기 수직 편파 안테나 방사부는 복수의 패치를 포함함으로써 LTE 대역 및 WLAN 대역을 포함하는 다중 대역에서 동작할 수 있다.
상기 수직 편파 안테나 방사부는 평판형 모노폴 안테나일 수 있다.
상기 수평 편파 안테나는 복수의 패치로 이루어진 복수의 스위치를 포함하는 복수의 안테나 소자가 배열될 수 있다.
상기 스위치는 상기 스위치를 제어하기 위한 스위치 전원회로를 포함하고, 상기 스위치의 온-오프 상태에 따라 전방향 방사 모드 또는 특정 방향 방사 모드로 편파 빔 성형을 수행하도록 할 수 있다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 동작 방법에 있어서, 수직 편파 빔 및 수평 편파 빔 발생을 유도하도록 제어하는 단계, 상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계, 상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔과 상기 수평 편파 빔이 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어하는 단계, 상기 스위치가 오프일 경우, 상기 수직 편파 빔이 전방향으로 방사하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계는 스위치 전원 회로를 이용하여 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계는 복수의 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부를 불활성화 하여 상기 스위치를 오프 할 수 있다.
상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계는 복수의 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부 중 하나를 활성화 하여 상기 스위치를 온 할 수 있다.
상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어하는 단계는, 상기 최대 방사 방향은 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부의 반대 방향으로 방사할 수 있다.
상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어하는 단계는 상기 수직 편파 빔이 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부의 배열 구조에 따라 미리 정해진 방향으로 방사할 수 있다.
무선통신 시스템에서 다중 대역에서 이중 편파 스위치 모드 빔 성형 안테나를 사용함으로써 단순한 구조로 다양한 모드의 빔 성형을 제공함에 따라, 실내 무선통신 망에서의 시스템 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형 안테나 3차원 뷰와 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 다중 대역 수직 편파 안테나 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 편파 안테나 구조에 따른 수직 편파 안테나의 주파수 응답이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수평 편파 안테나 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수평 편파 안테나 구조에 따른 수평 편파 안테나의 주파수 응답이다.
도 6은 스위치 제어를 위한 스위치 전원 회로 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 제작된 안테나의 측정된 산란 파라미터이다.
도 8은 수직 편파 안테나의 전방향 모드 방사패턴이다.
도 9는 스위치 제어에 따른 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형 안테나의 방사패턴을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서 개시된 안테나 시스템은 초소형 셀 기지국 빔 성형 안테나 시스템에 관한 것으로 크기, 중량, 비용 및 성능 면에서 상당한 이점을 제공한다. 본 발명은 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형 안테나 시스템으로 초소형 셀 기지국에 적합하다. 동작 주파수의 특정모드에서 각 안테나의 방사패턴은 반사계수를 유지하는 동시에 90 도 간격으로 수평평면에서 360 도, 수직평면에서 -70 도에서 + 70 도까지 커버한다. 또한 설계된 안테나는 LTE (1.7-2.1GHz) 대역과 WLAN (2.5GHz, 5.8GHz) 대역에서 동작가능 하다.
실내 전파 환경에서 전자기 신호는 다중 반사 및 산란을 겪기 때문에 소형 셀 기지국의 안테나는 다양한 편파 성분에 대응하는 능력을 가져야 한다. 본 발명은 수평, 수직 편파 신호 수신이 가능하고 실내 전파 환경에 적합한 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형 안테나이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형안테나 3차원 뷰와 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형 안테나 시스템의 구성은 안테나가 배열되는 접지면을 포함하는 유전체기판(101), 판형의 수직 편파 안테나 방사부(102), 판형의 수직 편파 안테나 기생 방사부(103), 판형의 수평 편파 안테나 방사부(104), 안테나시스템케이스(105) 을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 시스템에는 도시된 것과 같이 변형된 평판형 모노폴(monopole) 안테나가 이용될 수 있다.
수직 편파 안테나 방사부(102)는 모노폴 안테나 타입이며, 0.8mm FR4 기판에 프린트되어있으며, 크기는30 x 10 x 0.8 mm3 이며, 수직 편파 발생을 유도하기 위하여 상기 유전체기판(101)에 수직으로 위치한다. 수직 편파 빔 성형을 위하여 다면체구조로 배열된 재구성 선택적 주파수반사체(Reconfigurable Frequency Selective Reflector -RFSR)로 불리는 판형의 수직 편파 안테나 기생 방사부(103)로 둘러 쌓여 있다. 각 면의 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부(103)는 스위치로 연결되어 있으며, 스위치의 온/오프(On/Off) 상태에 따라서 전방향 방사모드 또는 특정방향방사모드(스위치모드)로 수직 편파 빔 성형을 가능케 한다. 스위치를 제어하기 위한 추가적인 전원회로가 포함된다.
수평 편파 안테나 방사부(104)는 수평 편파 유도를 위하여 상기 유전체기판(101)과 평행하게 위치하며, 복수개의 안테나 소자로 구성되고, 각 안테나 소자에는 별도의 스위치가 존재하여, 각 안테나 소자의 스위치를 제어함으로써 수평 편파 빔을 성형하게 된다. 스위치를 제어하기 위한 추가적인 전원회로가 포함된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 다중 대역 수직 편파 안테나(102)도면이다. 상기 안테나(102)는 변경된 모노폴 타입 안테나이며, 3 개의 패치(Patch)로 구성된다. 또한, 수직 편파 스위치 모드 빔 성형을 위해서 상기 안테나(102) 주위에4 개의기생 방사부(103)인 재구성 선택적 주파수 반사체에 의해 둘러 쌓인다. 상용EM 시뮬레이션 툴을 이용한 최적화 작업을 통해 상기 안테나(102) 중앙으로부터25mm 떨어져있다. 재구성 선택적 주파수반사체(103)는 비유전율2.2, 0.508 mm 두께의 테플론기판에 프린트되어 있으며, 일반적으로 풀링(Pulling) 패턴을 위해 재구성 선택적 주파수반사체(103)는 상기 안테나(102)의 길이보다 짧다. 반대로 푸싱(Pushing) 패턴을 위해서는 재구성 선택적 주파수반사체(103)는 상기 안테나(102)의 길이보다 길다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 편파 안테나 구조에 따른 수직 편파 안테나의 주파수응답이다.
상기 다중 대역 수직 편파 안테나(102)는 3 개의 패치(Patch)로 구성되는데, 각 패치(Patch)의 유무에 따른 주파수 응답 특성을 확인하였다. 패치(Patch) A (201)에 패치(Patch) B (202) 또는 수정된 패치 B(Patch B modified) (203)와 패치(Patch) C (204)를 위치시킴으로써 LTE 대역(1.7-2.1 GHz)과 WLAN (2.5GHz, 5.8GHz) 대역을 포함하는 다중 대역동작을 가능케 하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수평 편파 안테나(104) 도면이다. 상기 안테나(104)는 4 개의안테나소자(401), 안테나 소자간의 격리도를 향상시키기 위한 기생접지소자(402)와 4 개의RF 스위치(403)으로 구성된다. 각각의 안테나소자(401)는 다중 대역 동작을 위하여 3 개의Patch (404, 405, 406)로 이루어진다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수평 편파 안테나구조에 따른 수평 편파 안테나의 주파수응답이다.
상기 다중 대역 수평 편파 안테나(104)는3 개의 패치(Patch)로 구성되는데, 각Patch의 유무에 따른 주파수 응답특성을 알아보았다. 패치(Patch) A (404)에 패치(Patch) B(405)와 패치(Patch) C (406)를 위치시킴으로써 LTE 대역과 WLAN 대역을 포함하는 다중 대역 동작을 가능케 하였다.
이러한 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어할 수 있다. 이때, 스위치 전원 회로를 이용하여 상기 스위치를 제어할 수 있다. 따라서, 스위치를 제어하기 위한 추가적인 전원회로가 포함될 수 있다. 스위치 제어를 위한 스위치 전원회로는 수직 편파 빔 성형을 위한 재구성 선택적 주파수 반사체와 수평 편파 빔 성형을 위한 수평 편파 안테나 방사부의 전원회로를 포함할 수 있다. 재구성 선택적 주파수반사체는 다중 대역 빔 성형을 위하여 다양한 크기의 직사각형 반사체로 구성될 수 있다. 반사체의 크기는 동작주파수대역과 밀접한 관련이 있고, 다양한 모양으로 변경 가능하다. 상기 반사체는 다면체구조로 배열되고 각 면에 하나의 RF 스위치가 필요하다. 수평 편파 안테나 방사부는 복수개의 안테나소자로 구성되며, 각 안테나 소자에는 하나의RF 스위치가 필요하다. 상기RF 스위치는 다이오드나RF 스위치를 적용할 수 있다.
그리고, 스위치의 온/오프(On/Off) 상태에 따라서 상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 전방향 방사모드 또는 특정방향방사모드(스위치모드)로 수직 편파 빔 성형을 가능케 한다. 이러한 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계는 복수의 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부를 불활성화 하여 상기 스위치를 오프 할 수 있다. 반면에 복수의 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부 중 하나를 활성화 하여 상기 스위치를 온 할 수 있다.
상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어할 수 있다. 이때 상기 최대 방사 방향은 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부의 반대 방향으로 방사할 수 있다. 또한, 상기 수직 편파 빔이 상기 수평 편파 빔에 대하여 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부의 배열 구조에 따라 미리 정해진 방향으로 방사할 수 있다. 다시 말해, 복수개의 재구성 선택적 주파수반사체를 불활성화하여 스위치를 모두 오프(Off)로 함으로써 수직 편파 안테나는 수평(xy) 평면 상에서 전방향 모드로 방사할 수 있다.
상기 스위치가 오프일 경우, 상기 수직 편파 빔이 상기 수평 편파 빔에 대하여 전방향으로 방사하도록 제어할 수 있다. 다시 말해, 수직 편파의 경우 4 개의 재구성 선택적 주파수반사체 중 하나의 재구성 선택적 주파수 반사체를 활성화할 수 있다. 따라서 하나의 스위치를 온(On) 시킴으로써 수평(xy) 평면에서 각각0도, 90도, 180도, 270도 방향으로 향하는 빔을 형성 하는 특정 방향 모드로 동작할 수 있다. 안테나 최대 방사 방향은 활성화된 재구성 선택적 주파수반사체의 반대 방향으로 형성할 수 있다. 도 6 내지 도 9를 참조하여 스위치제어에 따른 동작에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 6은 스위치 제어를 위한 스위치 전원회로 도면이다. 수직 편파 빔 성형을 위한 재구성 선택적 주파수 반사체(103)과 수평 편파 빔 성형을 위한 수평 편파 안테나 방사부(104)의 전원회로 도면이다. 상기 재구성 선택적 주파수반사체(103)는 다중 대역 빔 성형을 위하여 다양한 크기의 직사각형 반사체(301, 302)로 구성된다. 반사체의 크기는 동작주파수대역과 밀접한 관련이 있다. 다양한 모양으로 변경 가능하다. 상기 반사체(103)는 다면체구조로 배열되는데 각 면에 하나의 RF 스위치(303)가 필요하다.
수평 편파 안테나 방사부(104)는 복수개의 안테나소자로 구성되며, 각 안테나 소자에는 하나의RF 스위치(407)가 필요하다.
상기RF 스위치(303, 407)는 다이오드나RF 스위치를 적용할 수 있다.
<표 1>
Figure 112014023722533-pat00001
표1. 제작된 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형안테나의 최적화된 물리적 변수 값
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 제작된 안테나의 측정된 산란 파라미터이다. 표 1의 최적화 변수 값에 따라 다중 대역, 이중 편파 이중 빔 성형 안테나를 제작하였다. 제작된 수평, 수직 편파안테나는 Agilent-HP 8357A 네트워크분석기를 이용하여 측정하였으며, 그 결과 두 안테나 모두LTE 대역과 WLAN 대역을 포함하는 다중 대역 동작을 함을 알 수 있다. 또한, 편파 다이버서티(Diversity)와 공간 다이버서티로 동작 대역 내 격리도는 -25dB 이하로 매우 뛰어나다.
도 8은 수직 편파 안테나의 전방향 모드 방사패턴이다. 복수개의 재구성 선택적 주파수반사체(103)를 불활성화하여, 즉 스위치를 모두 오프(Off)로 함으로써 수직 편파 안테나(102)는 수평(xy) 평면 상에서 전방향 모드로 방사한다. 최대
방사이득은3.9 dBi 이며, 수직평면상에서30도 근방에서 관찰된다.
도 9는 스위치제어에 따른 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 성형 안테나의 방사 패턴을 나타낸다. 수직 편파의 경우, 4 개의 재구성 선택적 주파수반사체(103) 중 하나의 재구성 선택적 주파수 반사체(103)를 활성화함으로써, 즉 하나의 스위치를 온(On) 시킴으로써 수평(xy) 평면에서 각각0도, 90도, 180도, 270도 방향으로 향하는 빔을 형성 하는 특정 방향 모드로 동작한다. 안테나 최대 방사 방향은 활성화된 재구성 선택적 주파수반사체(103)의 반대 방향으로 형성한다. 특정 방향 방사모드에서 최대 방사이득은7.4 dBi이다. 또한, 재구성 선택적 주파수 반사체의 배열구조에 따라 특정 방향으로 향하는 빔을 형성할 수 있다.
반면에 다중 대역 수평 편파 안테나(104)는 특정 방향 방사모드만이 가능하다. 각 안테나 소자(401,402,403,404)에 연결된 RF 스위치를 제어함으로써30도, 120도, 210도, 330도 방향으로 향하는 빔을 형성한다.
상기 안테나 시스템의 수직, 수평 편파 안테나(103,104)는 각각 독립적으로 운영 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구범위뿐 아니라 이 특허 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
초소형 셀 기지국용 다중 대역, 이중 편파, 이중 빔 스위치 안테나 동작 방법은 수직 편파 빔 및 수평 편파 빔 발생을 유도하도록 제어하는 단계(1010), 상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계(1020), 상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 상기 수평 편파 빔에 대하여 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어하는 단계(1030), 상기 스위치가 오프일 경우, 상기 수직 편파 빔이 상기 수평 편파 빔에 대하여 전방향으로 방사하도록 제어하는 단계(1040)를 포함할 수 있다.
단계(1010)에서, 수직 편파 빔 및 수평 편파 빔 발생을 유도하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 수직 편파 안테나 방사부는 모노폴 안테나 타입이며, 0.8mm FR4 기판에 프린트될 수 있고, 크기는30 x 10 x 0.8 mm3 이며, 수직 편파 빔 발생을 유도하기 위하여 상기 유전체기판에 수직으로 위치할 수 있다. 또한, 수평 편파 안테나 방사부는 수평 편파 빔 유도를 위하여 상기 유전체기판과 평행하게 위치하며, 복수개의 안테나 소자로 구성되고, 각 안테나 소자에는 별도의 스위치가 존재하여, 각 안테나 소자의 스위치를 제어함으로써 수평 편파 빔을 성형하게 된다.
단계(1020)에서, 상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 결정하기 위해 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어할 수 있다. 단계(1020)에서 스위치 전원 회로를 이용하여 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 스위치를 제어하기 위한 추가적인 전원회로가 포함될 수 있다. 스위치 제어를 위한 스위치 전원회로는 수직 편파 빔 성형을 위한 재구성 선택적 주파수 반사체와 수평 편파 빔 성형을 위한 수평 편파 안테나 방사부의 전원회로를 포함할 수 있다. 상기 재구성 선택적 주파수반사체는 다중 대역 빔 성형을 위하여 다양한 크기의 직사각형 반사체로 구성될 수 있다. 반사체의 크기는 동작주파수대역과 밀접한 관련이 있고, 다양한 모양으로 변경 가능하다. 상기 반사체는 다면체구조로 배열되는데 각 면에 하나의 RF 스위치가 필요하다. 수평 편파 안테나 방사부는 복수개의 안테나소자로 구성되며, 각 안테나 소자에는 하나의RF 스위치가 필요하다. 상기RF 스위치는 다이오드나RF 스위치를 적용할 수 있다.
그리고, 스위치의 온/오프(On/Off) 상태에 따라서 상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 전방향 방사모드 또는 특정방향방사모드(스위치모드)로 수직 편파 빔 성형을 가능케 한다. 이러한 스위치의 온-오프를 선택하도록 제어하는 단계는 복수의 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부를 불활성화 하여 상기 스위치를 오프 할 수 있다. 반면에 복수의 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부 중 하나를 활성화 하여 상기 스위치를 온 할 수 있다.
단계(1030)에서, 상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어할 수 있다. 상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어하는 단계는 상기 최대 방사 방향은 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부의 반대 방향으로 방사할 수 있다. 또한, 상기 스위치가 온일 경우, 상기 수직 편파 빔이 상기 수평 편파 빔에 대하여 미리 정해진 각도 방향으로 방사하도록 제어하는 단계는 상기 수직 편파 빔이 상기 수평 편파 빔에 대하여 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부의 배열 구조에 따라 미리 정해진 방향으로 방사할 수 있다. 다시 말해, 복수개의 재구성 선택적 주파수반사체를 불활성화하여 스위치를 모두 오프(Off)로 함으로써 수직 편파 안테나는 수평(xy) 평면 상에서 전방향 모드로 방사할 수 있다. 예를 들어, 이때 최대 방사이득은3.9 dBi 이며, 수직평면상에서30도 근방에서 관찰될 수 있다.
단계(1040)에서, 상기 스위치가 오프일 경우, 상기 수직 편파 빔이 전방향으로 방사하도록 제어할 수 있다. 다시 말해, 수직 편파의 경우 4 개의 재구성 선택적 주파수반사체 중 하나의 재구성 선택적 주파수 반사체를 활성화할 수 있다. 따라서 하나의 스위치를 온(On) 시킴으로써 수평(xy) 평면에서 각각0도, 90도, 180도, 270도 방향으로 향하는 빔을 형성 하는 특정 방향 모드로 동작할 수 있다. 안테나 최대 방사 방향은 활성화된 재구성 선택적 주파수반사체의 반대 방향으로 형성할 수 있다. 예들 들어, 특정 방향 방사모드에서 최대 방사이득은7.4 dB일 수 있다. 또한, 재구성 선택적 주파수 반사체의 배열구조에 따라 특정 방향으로 향하는 빔을 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 스위치 안테나 시스템에 있어서,
    안테나가 배열되는 접지면을 포함하는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판에 수직으로 위치하고, 수직 편파 빔의 발생을 유도하는 수직 편파 안테나 방사부;
    상기 수직 편파 빔의 성형을 위해 다면체 구조로 배열된 재구성 선택적 주파수 반사체인 수직 편파 안테나 기생 방사부;
    상기 유전체 기판에 수평으로 위치하고, 수평 편파 빔의 발생을 유도하는 수평 편파 안테나 방사부; 및
    상기 수직 편파 빔 및 상기 수평 편파 빔의 방사 모드를 조절하는 복수의 스위치
    를 포함하는 스위치 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접지면은,
    상기 안테나의 일 측에 접속되는 급전부 및 상기 수직 편파 안테나 방사부, 상기 수직 편파 안테나 기생 방사부 및 상기 수평 편파 안테나 방사부의 일 측에 접속되어 상기 급전부를 통해 공급되는 전력을 접지하는
    스위치 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수직 편파 안테나 방사부 및 상기 수평 편파 안테나 방사부는,
    상기 급전부를 통해 공급되는 전력으로 단일 안테나 모드 및 다중 안테나 모드 중 적어도 하나로 동작함으로써 빔 성형을 수행하는
    스위치 안테나 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수직 편파 안테나 방사부 및 상기 수평 편파 안테나 방사부는,
    안테나 간의 간섭이 최소화되도록 직교하여 배열되는
    스위치 안테나 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수직 편파 안테나 방사부는,
    다면체 구조의 각 면에 한 개 이상의 스위치를 포함하는 복수의 기생방사 소자가 배열되는
    스위치 안테나 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수직 편파 안테나 방사부는,
    복수의 패치를 포함함으로써 LTE 대역 및 WLAN 대역을 포함하는 다중 대역에서 동작하는
    스위치 안테나 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수직 편파 안테나 방사부는 평판형 모노폴 안테나인
    스위치 안테나 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수평 편파 안테나 방사부는,
    복수의 패치로 이루어진 복수의 스위치를 포함하는 복수의 안테나 소자가 배열되는
    스위치 안테나 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 스위치를 제어하기 위한 스위치 전원회로
    를 포함하고,
    상기 스위치의 온-오프 상태에 따라 전방향 방사 모드 또는 특정 방향 방사 모드로 편파 빔 성형을 수행하도록 하는
    스위치 안테나 시스템.
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