KR101559650B1 - 빔공간 mimo 기반의 통신 장치, 및 이의 동작 방법 - Google Patents

빔공간 mimo 기반의 통신 장치, 및 이의 동작 방법 Download PDF

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KR101559650B1 KR1020140008008A KR20140008008A KR101559650B1 KR 101559650 B1 KR101559650 B1 KR 101559650B1 KR 1020140008008 A KR1020140008008 A KR 1020140008008A KR 20140008008 A KR20140008008 A KR 20140008008A KR 101559650 B1 KR101559650 B1 KR 101559650B1
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element

Abstract

빔공간 MIMO 기반의 통신 장치, 및 이의 동작 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 통신 장치는 능동 안테나와 각각이 상기 능동 안테나와 상호 커플링하는 복수의 기생 안테나들을 포함하는 빔공간 MIMO 안테나와, 모뎀 회로로부터 전송된 시간 영역에서의 신호를 이용하여 상기 복수의 기생 안테나들에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로와, 상기 부하 임피던스 벡터에 기초하여 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 대응하는 각 부하 임피던스 값을 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 로딩하는 빔공간 MIMO RF 회로를 포함할 수 있다.

Description

빔공간 MIMO 기반의 통신 장치, 및 이의 동작 방법{COMMUNICATION DEVICE BASED ON BEAMSPACE MIMO, AND METHOD THEREOF}
아래 실시예들은 빔공간 MIMO 기반의 통신 장치, 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
MIMO 기술은 송수신 안테나가 복수의 환경에서 독립적인 공간 채널을 통해서 복수의 스트림을 동시에 전송하는 기술이다. 이때, 안테나의 개수에 비례하는 RF 체인이 지원되어야 기저대역에서 신호 처리를 통해서 용량 증대를 달성할 수 있기 때문에 안테나의 개수가 많아지는 경우 시스템의 복잡도를 유발할 수 있다.
빔공간 MIMO에서는 단일 RF 체인을 활용하여 반송 주파수를 전송하고, 복수의 기생 안테나들로 상호 커플링을 통해서 전류를 흐르도록 함으로써 복수의 스트림을 전송할 수 있도록 하여 MIMO 용량을 달성할 수 있도록 하는 기술이다.
실시예들은 시간 영역에서의 신호를 이용하여 기생 안테나들에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 통신 장치는 능동 안테나와 각각이 상기 능동 안테나와 상호 커플링하는 복수의 기생 안테나들을 포함하는 빔공간 MIMO 안테나와, 모뎀 회로로부터 전송된 시간 영역에서의 신호를 이용하여 상기 복수의 기생 안테나들에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로와, 상기 부하 임피던스 벡터에 기초하여 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 대응하는 각 부하 임피던스 값을 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 로딩하는 빔공간 MIMO RF 회로를 포함할 수 있다.
상기 빔공간 MIMO 안테나의 방사 패턴은 상기 각 부하 임피던스 값의 조절에 따라 형성될 수 있다.
상기 빔공간 MIMO 안테나, 상기 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로, 및 상기 빔공간 MIMO RF 회로 중에서 적어도 하나는 집적 회로(integrated circuit(IC))로 구현될 수 있다.
상기 각 부하 임피던스 값은 미리 설정될 수 있다.
상기 빔공간 MIMO 안테나는 평면형의 구조로 구현될 수 있다.
상기 능동 안테나는 마이크로스트립 원형 패치 안테나(microstrip circular patch antenna)이고, 상기 복수의 기생 안테나들 각각은 L형 슬롯 안테나(L-shaped slot antenna)일 수 있다.
상기 방사 패턴은 8가지의 직교 정규화 성분 패턴(ortho-normal basis pattern)을 포함할 수 있다.
상기 빔공간 MIMO RF 회로는 상기 각 부하 임피던스 값을 독립적으로 제어하도록 상기 복수의 안테나들의 개수에 따라 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른 통신 장치의 동작 방법은 시간 영역에서의 신호를 이용하여 상기 통신 장치의 빔공간 MIMO 안테나에 포함된 복수의 기생 안테나들에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 단계와, 상기 부하 임피던스 벡터에 기초하여 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 대응하는 각 부하 임피던스 값을 상기 복수의 기생 안테나들에 각각에 로딩하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 빔공간 MIMO 안테나가 상기 각 부하 임피던스 값에 따라 방사 패턴을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 빔공간 MIMO 안테나는 능동 안테나를 더 포함하고, 상기 능동 안테나는 마이크로스트립 원형 패치 안테나(microstrip circular patch antenna)이고, 상기 복수의 기생 안테나들 각각은 L형 슬롯 안테나(L-shaped slot antenna)일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 능동 안테나와 기생 안테나들에 대한 전송 방향에 따른 경로차를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 빔공간 MIMO RF 회로의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 빔공간 MIMO 안테나와 상기 빔공간 MIMO 안테나의 S-parameter의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 빔공간 MIMO 안테나의 애지머스(azimuth) 방향의 방사 패턴과 상기 방사 패턴을 형성하기 위한 부하 임피던스의 일 실시예를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6d는 빔공간 MIMO 안테나의 엘리베이션(elevation) 방향의 방사 패턴과 상기 방사 패턴을 형성하기 위한 부하 임피던스의 일 실시예를 나타낸다.
도 7은 도 1에 도시된 통신 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 장치의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 통신 장치(10)는 모뎀 회로(100), 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200), 빔공간 MIMO RF 회로(300), 및 빔공간 MIMO 안테나(400)를 포함할 수 있다.
통신 장치(10)는 기지국 및/또는 단말장치일 수 있다. 상기 단말 장치는 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 상기 휴대용 전자 장치는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, 모바일 인터넷 디바이스(mobile internet device(MID)), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), PND(personal navigation device 또는 portable navigation device), 휴대용 게임 콘솔(handheld game console), 또는 e-북(e-book)으로 구현될 수 있다.
모뎀 회로(100)는 시간 영역에서의 신호를 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 상기 신호는 복소수의 신호일 수 있다. 모뎀 회로(100)는 LTE 모뎀 또는 LTE-A 모뎀으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따라, 모뎀 회로(100)는 마더보드(motherboard)와 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)), 집적 회로(integrated circuit(IC)), 또는 SoC(system on chip)로 구현될 수 있다.
빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)는 모뎀 회로(100)로부터 전송된 신호를 이용하여 빔공간 MIMO 안테나(400)의 각 기생 안테나(P_ANT)에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성할 수 있다.
예를 들어, 모뎀 회로(100)로부터 전송된 시간 영역에서의 신호인
Figure 112014006878569-pat00001
는 n번째 타임슬롯(timeslot)에서 m번째 스트림의 신호일 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00002
을 이용하여 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)로부터 생성된 부하 임피던스인
Figure 112014006878569-pat00003
은 n번째 타임슬롯에서 m번째 기생 안테나의 부하 임피던스일 수 있다.
즉, 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)는 매 타임슬롯 마다
Figure 112014006878569-pat00004
을
Figure 112014006878569-pat00005
으로 변환할 수 있다.
일 실시예에 따라, 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)는 마더보드(motherboard)와 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)), 집적 회로(integrated circuit(IC)), 또는 SoC(system on chip)로 구현될 수 있다.
빔공간 MIMO RF 회로(300)는 PA와 VCO를 포함하는 하나의 RF 체인을 통해 능동 안테나(A_ANT)에 반송 주파수(carrier frequency)를 전송할 수 있다. 예를 들어, 상기 반송 주파수는 2.4 GHz 일 수 있다. 상기 반송 주파수는 능동 안테나(A_ANT)와 각 기생 안테나(P_ANT)의 상호 커플링으로 각 기생 안테나에 유도될 수 있다.
빔공간 MIMO RF 회로(300)는 부하 임피던스 벡터에 기초하여 각 기생 안테나(P_ANT)에 대응하는 부하 임피던스를 각 기생 안테나(P_ANT)에 로딩할 수 있다. 이 때, 각 기생 안테나(P_ANT)의 임피던스 값이 조절되어 각 기생 안테나(P_ANT)에 흐르는 전류의 진폭과 위상이 변화될 수 있다. 예를 들어, 상기 임피던스 값은 각 기생 안테나(P_ANT)의 포트와 접지 사이의 임피던스 값일 수 있다.
일 실시예에 따라, 빔공간 MIMO RF 회로(300)는 마더보드(motherboard)와 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)), 집적 회로(integrated circuit(IC)), 또는 SoC(system on chip)로 구현될 수 있다. 이때, 빔공간 MIMO RF 회로(300)는 각 기생 안테나(P_ANT)에 대응하는 부하 임피던스를 빠른 속도로 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 빔공간 MIMO RF 회로(300)를 작은 사이즈 (5mm x 5mm)의 CMOS IC로 구현할 때, 100MHz이상의 스위칭 속도를 얻을 수 있다.
빔공간 MIMO RF 회로(300)는 고집적화 되어 부하 임피던스의 실수부와 허수부를 각각 10bit의 고해상도로 표현할 수 있어 정확도를 많이 높일 수 있다.
빔공간 MIMO RF 회로(300)에서는 스위칭하는 각 기생 안테나(P_ANT)에 대응하는 부하 임피던스 값이 미리 계산되어(또는 설정되어) 범위가 정해질 수 있다. 예를 들어, 실수부와 허수부 각각이 10bit의 해상도를 가지면 총 1024 x 1024개의 부하 임피던스 combination을 얻을 수 있다. 또한, 빔공간 MIMO RF 회로(300)가 고집적화 되어 여러 개의 기생 안테나들(P_ANT)을 동시에 제어함으로써, 비용 및 크기를 절감할 수 있다.
빔공간 MIMO 안테나(400)는 능동 안테나(A_ANT)와 복수의 기생 안테나들(P_ANT)을 포함할 수 있다.
능동 안테나(A_ANT)를 통해 방사되는 전자기장이 복수의 기생 안테나들(P_ANT)에 상호 커플링을 통해 유도되어 복수의 기생 안테나들(P_ANT) 각각에서 방사 패턴이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 빔공간 MIMO 안테나(400)는 마더보드(motherboard)와 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)), 집적 회로(integrated circuit(IC)), 또는 SoC(system on chip)로 구현될 수 있다.
통신 장치(10)의 각 구성요소(100, 200, 300 및 400)가 별개의 칩으로 집적되어, 통신 장치(10)는 최소화 및 경량화될 수 있으며, 용량 및 에너지 소모를 최소화할 수 있다.
도 1에서는 통신 장치(10)의 각 구성요소(100, 200, 300 및 400)가 별개로 도시되어 있지만, 실시예에 따라 통신 장치(10)의 각 구성요소(100, 200, 300 및 400)는 하나의 마더보드(motherboard)와 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)), 집적 회로(integrated circuit(IC)), 또는 SoC(system on chip)에 구현될 수 있다.
이하에서는 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)가 빔공간 MIMO 안테나(400)의 각 기생 안테나(P_ANT)에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 방법을 상세히 설명한다.
도 2는 능동 안테나와 기생 안테나들에 대한 전송 방향에 따른 경로차를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 거리(d)는 능동 안테나(A_ANT)와 m번째 기생 안테나(P_ANT) 사이의 거리일 수 있다. 경로차(
Figure 112014006878569-pat00006
)는 능동 안테나(A_ANT)와 m번째 기생 안테나(P_ANT) 간의 경로차일 수 있다. 경로차(
Figure 112014006878569-pat00007
)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00008
여기서, 방위각(azimuth angle;
Figure 112014006878569-pat00009
)은 전송 방향(또는 신호 방향)에 대한 능동 안테나(A_ANT)의 방위각이고, 방위각(
Figure 112014006878569-pat00010
)은 전송 방향(또는 신호 방향)에 대한 m번째 기생 안테나(P_ANT)의 방위각일 수 있다.
전압(
Figure 112014006878569-pat00011
)이 능동 안테나(A_ANT)에 인가되는 전압일 때, (M+1)개의 성분을 갖는 전압 벡터(V)는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00012
전류(
Figure 112014006878569-pat00013
)는 능동 안테나(A_ANT)에 흐르는 전류를 의미하고, 전류(
Figure 112014006878569-pat00014
)는 m번째 기생 안테나(P_ANT)에 흐르는 전류를 의미할 수 있다. 예를 들어, m은 1 부터 M 까지의 자연수일 수 있다. (M+1)개의 성분을 갖는 전류 벡터(I)는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다
Figure 112014006878569-pat00015
Figure 112014006878569-pat00016
은 방위각(
Figure 112014006878569-pat00017
) 방향으로의 원거리장(far-field)에서의 신호로서 전기장 방사 패턴일 수 있고, 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00018
여기서,
Figure 112014006878569-pat00019
은 m번째 기생 안테나(P_ANT)에 단위 전류가 흐를 때의 전기장 방사 패턴을 의미할 수 있다.
이때,
Figure 112014006878569-pat00020
은 전기장 방사 패턴 벡터를 의미하고, 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00021
수학식 4의
Figure 112014006878569-pat00022
은 수학식 5를 이용하여 수학식 6과 같이 다시 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00023
m번째 안테나와 n번째 안테나 간의 상호 임피던스는
Figure 112014006878569-pat00024
로 표현되고, 행렬(Z)은 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00025
임피던스(xm)는 m번째 기생 안테나(P_ANT)에 인가해주는 부하 임피던스(loading impedance)를 의미하고, 부하 임피던스 벡터(X)는 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00026
전압 벡터(V)와 전류 벡터(I)는 수학식 9와 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00027
따라서, 복수의 기생 안테나들(P_ANT)에 인가되는 부하 임피던스 벡터(X)는 수학식 10을 통해 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00028
Figure 112014006878569-pat00029
Figure 112014006878569-pat00030
은 N개의 직교 정규화 성분(ortho-normal basis)을 포함할 수 있다. 이때, N개의 직교 정규화 성분은
Figure 112014006878569-pat00031
로 표현되고, 수학식 12를 만족할 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00032
표 1에서와 같이, N개의 직교 정규화 성분인
Figure 112014006878569-pat00033
은 능동 안테나(A_ANT)와 각 기생 안테나(P_ANT)의 방사 패턴인
Figure 112014006878569-pat00034
로부터 형성될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00035
방사 패턴인
Figure 112014006878569-pat00036
은 N개의 직교 정규화 성분인
Figure 112014006878569-pat00037
과 수학식 13에서 표현된 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00038
따라서,
Figure 112014006878569-pat00039
은 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00040
이때, 행렬(Q)는 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00041
그러면, 수학식 13으로부터 수학식 16이 만족될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00042
따라서, 전기장 방사 패턴 벡터인
Figure 112014006878569-pat00043
와 N개의 직교 정규화 성분인
Figure 112014006878569-pat00044
간에 수학식 17을 만족하는 전류 벡터들인
Figure 112014006878569-pat00045
이 존재할 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00046
수학식 18과 같이, 전기장 방사 패턴인
Figure 112014006878569-pat00047
을 형성하도록 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)에서 N개의 신호인
Figure 112014006878569-pat00048
는 N개의 직교 정규화 성분인
Figure 112014006878569-pat00049
에 실려서 전송될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00050
Figure 112014006878569-pat00051
은 전류 벡터인
Figure 112014006878569-pat00052
을 흐르도록 하는 부하 벡터(loading vector)를 의미할 수 있다. 이때,
Figure 112014006878569-pat00053
은 수학식 9를 통해 수학식 19와 같이 표현되고,
Figure 112014006878569-pat00054
은 수학식 11을 통해 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00055
Figure 112014006878569-pat00056
전류 벡터(I)가 수학식 21의 조건을 만족할 때, 수학식 18과 같은 전기장 방사 패턴인
Figure 112014006878569-pat00057
을 형성할 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00058
따라서, N개의 신호인
Figure 112014006878569-pat00059
을 송신하기 위한 수학식 18과 같은 전기장 방사 패턴인
Figure 112014006878569-pat00060
을 형성하는 부하 벡터(X)는 수학식 22와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00061
도 3은 도 1에 도시된 빔공간 MIMO RF 회로의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 각 기생 안테나(P_ANT)의 한 포트와 접지는 RF + 포트와 RF - 포트에 접속될 수 있다. 각 스위치는 DC 바이어싱 회로(미도시)에 의해서 DC 동작 영역을 확보할 수 있다.
각 스위치의 입력 포트와 출력 포트의 전압 범위가 Vdd/2 정도 일 수 있다. 각 스위치는 transmission gate 스위치로 구현될 수 있다.
부하 임피던스 벡터(X)가 결정되면, Switching logic & Decoder는 스위치 신호를 전송하고, 전체적인 임피던스 값이 결정될 수 있다.
어느 기생 안테나를 10bit의 해상도로 임피던스를 제어할 때, 1024개의 동일한 저항이 몇 개가 켜지게 하는 thermometer방식으로 동작할 수 있고, 10개의 binary weighted된 저항으로 이진수처럼 켜지게 하는 binary-weighted방식으로 동작할 수도 있다. Fabrication과 CMOS technology를 고려하여 두 개의 방식을 적절하게 혼용할 수 있다.
빔공간 MIMO RF 회로(300)는 대응하는 각 기생 안테나(P_ANT)의 임피던스를 독립적으로 제어하도록 구현될 수 있다. 빔공간 MIMO RF 회로(300)는 각 기생 안테나(P_ANT)를 제어하기 위해 8개의 제어 회로를 포함할 수 있다.
Switching logic & Decoder는 실수부, 허수부 각각 80bit의 정보를 수신하고, 각 스위치의 온/오프를 결정하고 각 스위치에 스위치 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, Switching logic & Decoder는 thermometer coding방식일 때 총 16384개의 스위치로, binary weighted coding 방식일 때 총 160개의 스위치로 한번에 스위치 신호를 전송할 수 있다.
일 실시예에 따라, ESD protection 회로(미도시)가 RF + 포트와 RF - 포트에 접속되어 전압이 VDD보다 높게 혹은 GND보다 낮게 유지되지 않도록 할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 빔공간 MIMO 안테나와 상기 빔공간 MIMO 안테나의 S-parameter의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 능동 안테나(A_ANT)는 마이크로스트립 원형 패치 안테나(microstrip circular patch antenna)로 구현될 수 있다. 복수의 기생 안테나들(P_ANT) 각각은 슬롯 안테나(slot antenna), 예를 들어 L형 슬롯 안테나(L-shaped slot antenna)로 구현될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 빔공간 MIMO 안테나(400)는 평면형의 구조로 구현되어 공간적인 효율을 높일 수 있다. 또한, 능동 안테나(A_ANT)와 복수의 기생 안테나들(P_ANT)이 서로 다른 구조로 구현 가능하므로, 빔공간 MIMO 안테나(400)를 설계함에 있어서 구조적인 자유도가 높을 수 있다.
예를 들어, 능동 안테나(A_ANT)와 복수의 기생 안테나들(P_ANT)은 2.4GHz에서 공진하도록 설계가 될 수 있다. 빔공간 MIMO 안테나(400)는 표 2와 같은 사양(spec)을 갖도록 설계될 수 있다.
Figure 112014006878569-pat00062
도 5a 내지 도 5d는 빔공간 MIMO 안테나의 애지머스(azimuth) 방향의 방사 패턴과 상기 방사 패턴을 형성하기 위한 부하 임피던스의 일 실시예를 나타내고, 도 6a 내지 도 6d는 빔공간 MIMO 안테나의 엘리베이션(elevation) 방향의 방사 패턴과 상기 방사 패턴을 형성하기 위한 부하 임피던스의 일 실시예를 나타낸다.
도 5a 내지 도 6d를 참조하면, 능동 안테나(A_ANT)와 복수의 기생 안테나들(P_ANT)의 부하 임피던스 조절에 의하여 빔공간 MIMO 안테나(400)의 방사패턴이 형성될 수 있다. 빔공간 MIMO 안테나(400)의 방사패턴은 8가지의 직교 정규화 성분 패턴(ortho-normal basis pattern)을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이, 패턴 1~4는 애지머스 방향으로 주 로브(main lobe)가 형성되는 4개의 방사패턴일 수 있다.
도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이 패턴 5~8은 엘리베이션 방향이 추가된 형태의 방사 패턴일 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 통신 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 7을 참조하면, 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로(200)는 시간 영역에서의 신호를 이용하여 빔공간 MIMO 안테나(400)에 포함된 복수의 기생 안테나들(P_ANT)에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성할 수 있다(510).
빔공간 MIMO RF 회로(300)는 부하 임피던스 벡터에 기초하여 복수의 기생 안테나들(P_ANT) 각각에 대응하는 각 부하 임피던스 값을 복수의 기생 안테나들(P_ANT)에 각각에 로딩할 수 있다(530).
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, FPGA(field programmable gate 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 (12)

  1. 능동 안테나와 각각이 상기 능동 안테나와 상호 커플링하는 복수의 기생 안테나들을 포함하는 빔공간 MIMO 안테나;
    매 타임슬롯(timeslot) 마다 시간 영역에서의 신호를 이용하여 상기 복수의 기생 안테나들에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로; 및
    상기 부하 임피던스 벡터에 기초하여 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 대응하는 각 부하 임피던스 값을 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 로딩하는 빔공간 MIMO RF 회로
    를 포함하는 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔공간 MIMO 안테나의 방사 패턴은 상기 각 부하 임피던스 값의 조절에 따라 형성되는 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔공간 MIMO 안테나, 상기 빔공간 MIMO 베이스밴드 회로, 및 상기 빔공간 MIMO RF 회로 중에서 적어도 하나는 집적 회로(integrated circuit(IC))로 구현되는 통신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 부하 임피던스 값은 미리 설정되는 통신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔공간 MIMO 안테나는 평면형의 구조로 구현되는 통신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 능동 안테나는 마이크로스트립 원형 패치 안테나(microstrip circular patch antenna)이고,
    상기 복수의 기생 안테나들 각각은 L형 슬롯 안테나(L-shaped slot antenna)인 통신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 방사 패턴은 8가지의 직교 정규화 성분 패턴(ortho-normal basis pattern)을 포함하는 통신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔공간 MIMO RF 회로는 상기 각 부하 임피던스 값을 독립적으로 제어하도록 상기 복수의 안테나들의 개수에 따라 구현되는 통신 장치.
  9. 통신 장치의 동작 방법에 있어서,
    매 타임슬롯(timeslot) 마다 시간 영역에서의 신호를 이용하여 상기 통신 장치의 빔공간 MIMO 안테나에 포함된 복수의 기생 안테나들에 대한 부하 임피던스 벡터를 생성하는 단계; 및
    상기 부하 임피던스 벡터에 기초하여 상기 복수의 기생 안테나들 각각에 대응하는 각 부하 임피던스 값을 상기 복수의 기생 안테나들에 각각에 로딩하는 단계
    를 포함하는 통신 장치의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔공간 MIMO 안테나가 상기 각 부하 임피던스 값에 따라 방사 패턴을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 통신 장치의 동작 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 빔공간 MIMO 안테나는 능동 안테나를 더 포함하고,
    상기 능동 안테나는 마이크로스트립 원형 패치 안테나(microstrip circular patch antenna)이고,
    상기 복수의 기생 안테나들 각각은 L형 슬롯 안테나(L-shaped slot antenna)인 통신 장치의 동작 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중에서 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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