KR101604386B1 - 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 메타물질의 비등방성 특성을 제어하여 단일 안테나의 빔의 방향을 조절하는 안테나 빔포밍 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 메타물질의 비등방성 특성을 제어하여 단일 안테나의 빔의 방향을 조절함으로써, 기존의 위상 배열 안테나 기반의 안테나 빔포밍 기술들의 단점인 안테나의 대형화와 RF 단의 복잡도를 극복하고, 비용 절감 및 저손실 특성을 얻을 수 있도록 한다.

Description

비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치{ANTENNA BEAMFORMING APPARATUS BY USING ANISOTROPIC RADOME}

본 발명은 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 메타물질의 비등방성 특성을 제어하여 단일 안테나의 빔의 방향을 조절하는 안테나 빔포밍 장치에 관한 것이다.

종래의 안테나 빔포밍 (Antenna beamforming) 기술은 주로 위상 배열 안테나를 사용하거나 안테나를 기계적으로 틸팅(tilting)하여 구현하였다. 일반적으로 사용되는 위상 배열 안테나 기반의 빔포밍 방식은 고전적인 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍 방식 등이 있으나, 빔포밍을 위한 위상 천이 회로와 위상 제어를 위한 RF 회로들이 복잡도를 증가시키고, 안테나의 대형화를 초래하였다. 특히 차세대 이동통신 기술에서 안테나 빔포밍 기술이 포함되는 기지국의 소형화와 기타 국방 기술 등에서 빔 포밍을 구현하는 안테나의 소형화는 매우 중요한 이슈이다. 종래의 위상 배열 안테나 기반의 빔포밍 기술은 배열 안테나의 배열 소자에 급전되는 신호의 위상을 천이시켜 빔포밍을 구현하는 아날로그 빔포밍이 고전적이며, 급전 신호의 다양한 조합을 통한 더욱 고성능의 빔포밍 특성을 구현하는 디지털 빔포밍, 그리고 2가지 방법을 혼용하는 하이브리드 빔포밍 기법들이 주로 연구되고 있다. 그러나 이들은 배열 안테나의 배열 소자들에 급전되는 신호를 제어하기 때문에 기본적으로 다수 개의 안테나를 사용하는 배열 안테나를 사용할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

도 1은 그와 같은 종래의 빔(10) 포밍 기술의 개요를 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이 기존의 위상 배열 안테나 기반의 빔포밍 기술은 다수 개의 안테나 소자를 가지는 배열 안테나(50)의 급전 신호의 위상을 천이하여 구현하게 된다. 이에 따라 각 안테나 소자에는 위상 천이기(phase shifter)(60)가 연결되며, 위상 천이기(60)를 제어하는 회로부가 필요하게 된다. 또한 디지털 빔 포밍 방식의 경우는, 위상 천이를 제어하는 방식이 더욱 복잡하고 고차원적인 접근법에 의해, 다양한 방법으로 위상 천이를 제공하게 된다.

KR 10-2012-0010632 A

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 메타물질의 비등방성 특성을 제어하여 단일 안테나의 빔의 방향을 조절함으로써, 기존의 위상 배열 안테나 기반의 안테나 빔포밍 기술들의 단점인 안테나의 대형화와 RF 단의 복잡도를 극복하고, 비용 절감 및 저손실 특성을 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른, 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치는, 전파 빔(beam)을 방사하는 안테나; 및 상기 안테나를 덮는 덮개로서, 비등방성(anisotropy)을 갖는 물질로 구성되어 상기 안테나로부터 방사되는 빔이 특정 방향으로 형성(forming)되게 하는 기능을 수행하는 비등방성 레이돔(radome)을 포함하고, 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향은, 상기 안테나에 대한 상기 비등방성 레이돔의 상대적 위치를 조정함에 의해 제어되거나, 상기 비등방성 레이돔의 비등방성 특성의 방향을 가변시킴으로써 제어되고, 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 제어하기 위해, 특정 소자값을 가변시킴에 의해 상기 비등방성 레이돔의 비등방성 특성의 방향을 가변시키기 위한 회로(이하 '가변회로'라 한다)를 구비하는 비등방성 특성 제어장치를 포함하며, 기 설정된 조건이 충족될 경우 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 특정 방향으로 제어하기 위하여 상기 가변회로를 구동하는 제어부를 포함하고, 상기 비등방성 특성의 방향의 가변은, 상기 비등방성 레이돔의 한 방향의 투자율을 가변시킴으로써 이루어진다.
상기 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치는, 기 설정된 조건이 충족될 경우 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 특정 방향으로 제어하기 위하여, 상기 안테나에 대한 상기 비등방성 레이돔의 상대적 위치를 자동으로 제어하는 레이돔 위치 제어부를 더 포함할 수 있다.

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본 발명에 의하면, 메타물질의 비등방성 특성을 제어하여 단일 안테나의 빔의 방향을 조절함으로써, 기존의 위상 배열 안테나 기반의 안테나 빔포밍 기술들의 단점인 안테나의 대형화와 RF 단의 복잡도를 극복하고, 비용 절감 및 저손실 특성을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 빔포밍 기술의 개요를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치를 도시한 도면.
도 3은 안테나 레이돔의 비등방성 방향 변화에 따른 빔 조향 특성을 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치를 도시한 도면이다.

비등방성 매질(anisotropic medium)이라는 개념은 인공 자기 구조(artificial magnetic structure) 또는 메타물질 (metamaterial)의 범주에 포함되며, 이들의 범주의 주요 특성 중 하나가 비등방성을 나타낸다. 여기서 비등방성은 매질에 대한 전기상수(유전율 또는 투자율)가 매질의 벡터 방향에 따라서 다른 특성을 나타냄을 의미한다. 본 발명의 예로써 나타낸 비등방성은 투자율에 대한 비등방성을 이용한 것이다. 인공 자기 구조에 대한 전기상수인 상대 투자율은 아래의 수학식 1의 텐서(tensor) 형태로 나타낼 수 있다.

수학식 1과 같이 x, y, z 방향에 대한 전기 상수가 다를 수 있음을 나타내며, 일반적인 물질에서는 μ _xx , μ _yy , μ _zz 가 모두 같은 등방성 매질이다. 인공자기구조 혹은 메타물질은 한 방향에 대해서만 유효 투자율이 가변된다. 그 예로써 z축 방향에 대한 유효 투자율을 가질 때, 일반적인 메타물질에서의 투자율은 아래의 수학식 2로 표현될 수 있다.

수학식 2에서 F는 filling factor이며, ω=2πf 이다. Γ는 손실 계수이다. 상기의 식에서 메타물질로 동작하는 주파수 대역에서는 μ _zz 가 음수가 되며, 이 때의 분산식을 수학식 3으로 쓸 수 있다.

즉, 전파의 분산식인 수학식 3에서 μ _zz 가 음수인 경우에 x축 방향의 파수 k가 허수가 된다. 분산식에 대한 전기장 성분을 다시 쓰면 수학식 4로 나타낼 수 있다.

즉, μ _zz 가 음수가 되면서, 전기장의 y축 성분이 소멸파 (evanescent wave)가 된다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명의 이 예시에서 전파의 벡터 성분들 중에서 전기장의 y축 성분은 모두 메타물질 또는 비등방성 매질을 통과하면서 모두 소멸되고, 전기장의 x축 성분만이 통과하게 된다. 즉, 파수 벡터는 오직 z축 방향의 성분만이 통과하게 되면서 비등방성 매질을 통과하면서 빔의 방향성이 결정되게 된다.

즉, 이것은 메타물질의 비등방성 특성의 방향을 조절하게 되면 빔의 방향을 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 이것이 본 발명의 핵심이며, 안테나의 레이돔(radome) 또는 덮개로써 인공 자기구조 형태의 메타물질 기술을 적용함으로써 가능하게 된다. 여기서 비등방성에 대한 방향성을 전기적으로 또는 기계적으로 변화를 주어 제어를 할 수 있다.

이러한 기술적 사상을 도 2의 구성을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치(100)는, 전파 빔(beam)(20)을 방사하는 안테나(101) 및, 그 안테나(101)를 덮는 덮개로서 비등방성(anisotropy)을 갖는 물질로 구성되어 상기 안테나로부터 방사되는 빔(20)이 특정 방향으로 형성(forming)되게 하는 기능을 수행하는 비등방성 레이돔(radome)(102)를 포함한다. 이러한 비등방성 레이돔(radome)(102)은 비등방성 매질(anisotropic medium)로서, 인공 자기 구조(artificial magnetic structure) 또는 메타물질 (metamaterial)의 범주에 포함됨은 전술한 바와 같다.

상기 안테나(101)로부터 방사되는 빔의 방향은, 전술한 바와 같이 전기적으로 또는 기계적으로 변화를 주어 제어를 할 수 있는데, 기계적으로 변화를 주어 제어한다는 것은, 안테나(101)에 대한 상기 비등방성 레이돔(102)의 상대적 위치를 조정함에 의해 제어하는 것이다. 이 경우 빔의 방향을 조정하여야 할 경우, 관리자가 그러한 조건을 체크하여 이에 따라 그 비등방성 레이돔(102)의 상대적 위치를 조정할 수도 있고, 또는 자동으로 조정되도록 할 수도 있다. 즉, 빔의 방향을 바꾸어야 할 기 설정된 조건을 지속적으로 체크하여, 그 조건이 충족될 경우, 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 특정 방향으로 제어하기 위하여 상기 안테나에 대한 상기 비등방성 레이돔의 상대적 위치를 자동으로 제어하는 레이돔 위치 제어부(103) 등의 장치를 더 포함할 수도 있다.

또한 상기 안테나(101)로부터 방사되는 빔의 방향에 대하여 전기적으로 변화를 주어 제어한다는 것은, 비등방성 레이돔(102)의 비등방성 특성의 방향을 전기적으로 가변시킴으로써 제어하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 비등방성 특성의 방향의 가변은, 상기 비등방성 레이돔(102)의 특정 방향의 투자율을 가변시킴으로써 이루어질 수 있다. 이때, 상기 안테나(101)로부터 방사되는 빔의 방향을 제어하기 위해 상기 비등방성 레이돔(102)의 비등방성 특성의 방향을 가변시키기 위한 회로(이하 '가변회로'라 한다)를 구비하는 비등방성 특성 제어장치(104)를 더 포함할 수 있다. 즉 예를 들어 가변회로에서의 특정 소자값을 가변시킴에 의해 그와 같이 투자율을 변화시킬 수도 있다.

또한 빔의 방향을 바꾸어야 할 기 설정된 조건을 지속적으로 체크하여, 그 조건이 충족될 경우, 상기 안테나(101)로부터 방사되는 빔의 방향을 특정 방향으로 제어하기 위하여 상기 가변회로를 구동하는 제어부(105)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 그 제어부(105)는 비등방성 특성 제어장치(104)에 포함되어 있을 수도 있고, 별개의 장치로 구성될 수도 있다.

한편, 도 2에서는 비등방성에 대한 방향성을 기계적으로 변화를 주어 제어하는 경우와 전기적으로 변화를 주어 제어하는 경우의 장치를 모두 도시하였으나, 반드시 함께 설치되어야 하는 것은 아니며, 기계적으로만 변화를 주거나 또는 전기적으로만 변화를 주도록 구성된 장치일 수도 있다.

도 3은 안테나 레이돔의 비등방성 방향 변화에 따른 빔 조향 특성을 나타내는 도면이다.

도 3의 경우는, 일반적인 2개의 패치 형태의 배열 안테나에 인공자기구조물의 비등방성 특성의 방향을 조절함에 따라 메인 빔의 방향의 변화를 관찰한 것이다. 여기서 인공자기구조물의 비등방성의 방향 변화는 기계적으로 틸팅을 하여 구현한 실시예이다. 도면을 참조하면, 레이돔의 비등방성 특성 변화에 따라 빔의 방향이 틸팅되는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명의 의도한 효과를 잘 표현하고 있다.

10,20: 안테나 빔(beam)
50: 배열 안테나
60: 위상 천이기(phase shifter)
100: 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치
101: 안테나
102: 비등방성 레이돔
103: 레이돔 위치 제어부
104: 비등방성 특성 제어장치
105: 제어부

Claims (7)

1. 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치로서,
   전파 빔(beam)을 방사하는 안테나; 및
   상기 안테나를 덮는 덮개로서, 비등방성(anisotropy)을 갖는 물질로 구성되어 상기 안테나로부터 방사되는 빔이 특정 방향으로 형성(forming)되게 하는 기능을 수행하는 비등방성 레이돔(radome)
   을 포함하고,
   상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향은,
   상기 안테나에 대한 상기 비등방성 레이돔의 상대적 위치를 조정함에 의해 제어되거나,
   상기 비등방성 레이돔의 비등방성 특성의 방향을 가변시킴으로써 제어되고,
   상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 제어하기 위해, 특정 소자값을 가변시킴에 의해 상기 비등방성 레이돔의 비등방성 특성의 방향을 가변시키기 위한 회로(이하 '가변회로'라 한다)를 구비하는 비등방성 특성 제어장치
   를 포함하며,
   기 설정된 조건이 충족될 경우 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 특정 방향으로 제어하기 위하여 상기 가변회로를 구동하는 제어부
   를 포함하고,
   상기 비등방성 특성의 방향의 가변은,
   상기 비등방성 레이돔의 한 방향의 투자율을 가변시킴으로써 이루어지는 것
   을 특징으로 하는 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   기 설정된 조건이 충족될 경우 상기 안테나로부터 방사되는 빔의 방향을 특정 방향으로 제어하기 위하여, 상기 안테나에 대한 상기 비등방성 레이돔의 상대적 위치를 자동으로 제어하는 레이돔 위치 제어부
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비등방성 레이돔을 이용한 안테나 빔포밍 장치.
   
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