KR101657871B1 - A planar type antenna apparatus for beamspace mimo system - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치는, RF 신호를 공급하기 위한 급전부, 리액턴스 값을 제어하기 위한 리액턴스 제어부, 급전부와 급전점을 통해 연결되어 급전부로부터 RF 신호가 공급되는 능동 안테나 엘리먼트(antenna element), 리액턴스 제어부에 의해 리액턴스 값이 제어되는 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍, 및 능동 안테나 엘리먼트와 기생 안테나 엘리먼트 쌍이 형성되는 기판을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치는 제한된 공간 내에서 간섭이 적은 다수의 방사 패턴을 확보함으로써 기존의 MIMO 시스템보다 적은 RF 단에 의해서 MIMO 급의 성능을 낼 수 있어, 저복잡도와 저전력을 실현하여 통신 장치의 소형화를 달성할 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.The antenna apparatus for a beam-space MIMO system according to the present invention includes a feed unit for supplying an RF signal, a reactance control unit for controlling a reactance value, an active unit connected to the feed unit through a feed point, An antenna element, at least one parasitic antenna element pair whose reactance value is controlled by a reactance controller, and a substrate on which a pair of active antenna elements and parasitic antenna elements are formed.
The antenna device for the beam-space MIMO system according to the present invention can obtain MIMO-level performance by using fewer RF stages than a conventional MIMO system by securing a plurality of radiation patterns with less interference within a limited space, It is possible to provide an antenna device capable of achieving miniaturization of the communication device.
Description
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 방사 패턴을 제한된 공간 내에서 확보하여 단일 RF 회로만으로 MIMO 수준의 성능을 얻도록 한 안테나 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 음성통신 서비스를 기반으로 하는 통신시스템은 한정된 주파수 영역 안에서 협대역 채널 특성 위주로 단일 안테나 소자만 사용하는 SISO(Single Input Single Output) 시스템이 사용되었으나, 단일 안테나를 사용하는 SISO 시스템으로는 협대역 채널 안에서 대용량의 데이터를 고속으로 전송하기에는 많은 어려움이 존재하였다. 이에 다수의 안테나를 이용하여 각각의 안테나를 독립적으로 구동하게 하여 데이터 송/수신율을 더 빨리 더 낮은 오류 확률로 전송할 수 있는 차세대 무선 전송 기술인 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술이 등장하였다.In general, a communication system based on a voice communication service uses a single input single output (SISO) system using only a single antenna element in narrow frequency band characteristics within a limited frequency range. However, a SISO system using a single antenna has a narrow band There was a great deal of difficulty in transmitting large amounts of data at high speed within a channel. Thus, a MIMO (Multiple Input Multiple Output) technique has emerged as a next generation wireless transmission technology that enables the data transmission / reception ratio to be transmitted with a lower error probability by independently driving each antenna using a plurality of antennas.
그러나, 일반적인 배열 안테나를 이용하여 데이터 속도를 향상시키는 MIMO 기술은, 데이터 속도를 향상시키기 위해 안테나를 확장하는 경우, RF 단도 함께 증가하여 하드웨어의 복잡도가 증가하고 전력 소비를 증가시킨다. 이는 모바일 단말기의 제한적인 크기 및 전력 소비 요구 조건을 고려하면 MIMO 시스템을 확장하기 어렵게 하는 이유가 된다.However, the MIMO technique that improves the data rate using a general array antenna increases the complexity of the hardware and increases the power consumption when the antenna is extended to improve the data rate. This is why it is difficult to expand the MIMO system considering the limited size and power consumption requirements of the mobile terminal.
이에 따라, 전자적 조향 수동 배열 방사기(Electronically Steerable Passive Array Radiator; ESPAR)를 이용하는 빔 공간 MIMO (Beamspace MIMO) 기술이 등장하였는데, 이는 능동 소자 주변에 기생 소자가 배치된 구조의 ESPAR 안테나를 이용하여 기존 MIMO 시스템의 한계를 극복하기 위한 것이다. 기존의 MIMO 시스템에서 배열 안테나를 사용하여 각각의 안테나에 데이터 심볼을 맵핑하여 송신하므로 데이터 속도를 향상시키기 위해 안테나의 개수를 늘려서 더 많은 데이터 심볼을 맵핑하게 된다. 이에 따라 안테나의 개수가 증가하는만큼 시스템 복잡도는 크게 증가하게 된다. 이에 대하여, 빔 공간 MIMO 시스템의 경우 데이터 전송 속도를 증가시키기 위해 RF 단이 연결되는 능동 소자는 1개를 유지하면서 주변의 기생 소자들을 증가시키고, 기생 소자의 개수를 증가시키면 그에 따라 직교 기저 패턴의 수도 증가하며 더 많은 데이터 심볼을 더 많은 직교 기저 패턴에 맵핑할 수 있다. 따라서, 데이터 속도의 향상을 위해 소자를 확장하여도 RF 단은 단 하나만을 사용하기 때문에 기존 MIMO 시스템과 비교하여 시스템 복잡도 문제를 크게 개선할 수 있다.Accordingly, a beam space MIMO (Beamspace MIMO) technique using an electronically steerable passive array radiator (ESPAR) has appeared. This is achieved by using an ESPAR antenna having a parasitic element disposed around an active element, This is to overcome the limitation of the system. In the conventional MIMO system, the data symbols are mapped to the respective antennas using the array antennas, so that the number of the antennas is increased to further increase the data rate, thereby mapping more data symbols. As the number of antennas increases, the system complexity increases greatly. On the other hand, in the case of the beam-space MIMO system, in order to increase the data transmission rate, the number of active elements connected to the RF stage is increased while the number of parasitic elements is increased while the number of parasitic elements is increased. The number of data symbols can be increased and the more data symbols can be mapped to more orthogonal basis patterns. Therefore, the system complexity problem can be greatly improved as compared with the conventional MIMO system because only one RF stage is used even if the device is extended to improve the data rate.
다만, 기존의 MIMO 시스템의 단점을 개선한 빔 공간 MIMO 시스템은 모노폴 안테나, 다이폴 안테나 등의 3차원 구조를 갖는 와이어 안테나를 이용하여 구현됨에 따라, 이를 소형화하기 어려운 문제가 있다.However, the beam-space MIMO system in which the disadvantages of the existing MIMO system are improved is implemented using a wire antenna having a three-dimensional structure such as a monopole antenna or a dipole antenna, and thus it is difficult to downsize it.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 한 것으로, 제한된 공간 내에서 간섭이 적은 다수의 방사 패턴을 확보함으로써 기존의 MIMO 시스템보다 적은 RF 단에 의해서 MIMO 급의 성능을 낼 수 있으며, 저복잡도와 저전력을 실현하여 통신 장치의 소형화를 달성할 수 있는 안테나 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide MIMO-class performance with fewer RF stages than existing MIMO systems by securing a plurality of radiation patterns with less interference within a limited space, And it is an object of the present invention to provide an antenna device capable of realizing low power and achieving miniaturization of a communication device.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치는, RF 신호를 공급하기 위한 급전부, 리액턴스 값을 제어하기 위한 리액턴스 제어부, 급전부와 급전점을 통해 연결되어 급전부로부터 RF 신호가 공급되는 능동 안테나 엘리먼트(antenna element), 리액턴스 제어부에 의해 리액턴스 값이 제어되는 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍, 및 능동 안테나 엘리먼트와 기생 안테나 엘리먼트 쌍이 형성되는 기판을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an antenna apparatus for a beam-space MIMO system, including a feeder for supplying an RF signal, a reactance controller for controlling a reactance value, And a substrate on which a pair of parasitic antenna elements and a pair of parasitic antenna elements are formed, the pair of parasitic antenna elements having reactance values controlled by a reactance controller, and a substrate on which a pair of parasitic antenna elements are formed .
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치에서, 능동 안테나 엘리먼트는 기판에 대해 수직인 방향의 방사 패턴을 조정하고, 기생 안테나 엘리먼트 쌍은 기판에 대해 수평인 방향의 방사 패턴을 조정할 수 있으며, 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍은 각각 능동 안테나 엘리먼트를 중심으로 하여 서로 대칭으로 형성될 수 있고, 능동 안테나 엘리먼트 및 기생 안테나 엘리먼트는 평판 형상을 가질 수 있으며, 능동 안테나 엘리먼트 및 기생 안테나 엘리먼트는 기판의 상면 또는 하면에만 형성되거나 또는 기판의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있고, 능동 안테나 엘리먼트 및 기생 안테나 엘리먼트는 기판의 상면 또는 하면의 일부를 개방함으로써 형성될 수 있으며, 능동 안테나 엘리먼트는 원형의 마이크로 스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna)일 수 있고, 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍의 각각의 기생 안테나 엘리먼트는 "L"자 형의 슬롯 안테나(slot antenna)일 수 있다.In addition, in the antenna apparatus for a beam-space MIMO system according to an embodiment of the present invention, the active antenna element adjusts a radiation pattern in a direction perpendicular to the substrate, and the pair of parasitic antenna elements radiate in a direction And the at least one pair of parasitic antenna elements may be formed symmetrically with respect to each other around the active antenna element, the active antenna element and the parasitic antenna element may have a flat plate shape, and the active antenna element and the parasitic antenna element The active antenna element and the parasitic antenna element may be formed by opening a part of the upper surface or the lower surface of the substrate, and the active antenna element and the parasitic antenna element may be formed on the upper surface or the lower surface of the substrate, A round microstrip Antenna may be a (microstrip patch antenna), may be at least one of the parasitic antenna elements of each of the parasitic antenna element pair is "L" shaped slot antenna type (slot antenna).
본 발명에서 개시된 기술은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The technique disclosed in the present invention can have the following effects. It is to be understood, however, that the scope of the disclosed technology is not to be construed as limited thereby, as it is not meant to imply that a particular embodiment should include all of the following effects or only the following effects.
본 발명에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치는 제한된 공간 내에서 간섭이 적은 다수의 방사 패턴을 확보함으로써 기존의 MIMO 시스템보다 적은 RF 단에 의해서 MIMO 급의 성능을 낼 수 있어, 저복잡도와 저전력을 실현하여 통신 장치의 소형화를 달성할 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.The antenna device for the beam-space MIMO system according to the present invention can obtain MIMO-level performance by using fewer RF stages than a conventional MIMO system by securing a plurality of radiation patterns with less interference within a limited space, It is possible to provide an antenna device capable of achieving miniaturization of the communication device.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치에서 각 안테나 엘리먼트들의 배치와 전류 분포도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치에 대한 S 파라미터 특성을 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치에 의해 다양한 방사 패턴이 형성된 실시예를 로그 스케일로 나타낸 것이다.
도 6은 도 4의 실시예 일부를 선형 스케일로 나타낸 것이다.
도 7은 RF 신호에 가중치가 실린 경우에 대한 방사 패턴 형성의 실시예이다.
도 8은 기존의 ESPAR 안테나로서 3개의 소자를 갖는 ESPAR 안테나를 예시한 것이다.1 illustrates an antenna apparatus for a beam-space MIMO system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of antenna elements and a current distribution diagram in an antenna device for a beam-space MIMO system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates S-parameter characteristics for an antenna apparatus for a beam-space MIMO system according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 4 and 5 show a log scale of an embodiment in which various radiation patterns are formed by an antenna device for a beam space MIMO system according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a portion of the embodiment of Figure 4 on a linear scale.
FIG. 7 shows an embodiment of radiation pattern formation when a weight is added to an RF signal.
FIG. 8 illustrates an ESPAR antenna having three elements as a conventional ESPAR antenna.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
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 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
일반적인 배열 안테나를 이용하여 데이터 속도를 향상시키는 MIMO 기술에 대해서는 이미 잘 알려져 있다. 기존의 MIMO 기술은 안테나를 확장할 경우 RF 단도 함께 증가하여 하드웨어 복잡도 및 전력 소비가 증가하는 문제가 있다. 이러한 문제는 전력이 제한적인 모바일 단말기에서는 큰 단점으로 작용한다. 따라서, 전송 속도의 향상을 위해 MIMO 시스템을 확장하기가 어렵다. 그러나 모바일 단말기에서의 데이터 사용량은 지속적으로 증가하고 있고 더 빠른 속도를 요구하고 있다. 최근 기존의 선형 배열 안테나를 사용하는 MIMO 시스템의 단점을 극복하기 위하여, 전자적 조향 수동 배열 방사기(Electronically Steerable Passive Array Radiator; ESPAR)를 이용하는 빔 공간 MIMO (Beamspace MIMO) 기술이 등장하였다. 이는 능동 소자 주변에 기생 소자가 배치된 구조의 ESPAR 안테나를 이용하여 기존 MIMO 시스템의 한계를 극복하기 위한 것이다. 기존의 MIMO 시스템에서 배열 안테나를 사용하여 각각의 안테나에 데이터 심볼을 맵핑하여 송신하므로 데이터 속도를 향상시키기 위해 안테나의 개수를 늘려서 더 많은 데이터 심볼을 맵핑하게 된다. 이에 따라 안테나의 개수가 증가하는만큼 시스템 복잡도는 크게 증가하게 된다. 이에 대하여, 빔 공간 MIMO 시스템의 경우 데이터 전송 속도를 증가시키기 위해 RF 단이 연결되는 능동 소자는 1개를 유지하면서 주변의 기생 소자들을 증가시키고, 기생 소자의 개수를 증가시키면 그에 따라 직교 기저 패턴의 수도 증가하며 더 많은 데이터 심볼을 더 많은 직교 기저 패턴에 맵핑할 수 있다. 따라서, 데이터 속도의 향상을 위해 소자를 확장하여도 RF 단은 단 하나만을 사용하기 때문에 기존 MIMO 시스템과 비교하여 시스템 복잡도 문제를 크게 개선할 수 있다.MIMO techniques for improving data rate using a general array antenna are already well known. In the conventional MIMO technology, when the antenna is extended, the RF stage also increases, thereby increasing hardware complexity and power consumption. This problem is a major disadvantage in mobile terminals with limited power. Therefore, it is difficult to extend the MIMO system to improve the transmission rate. However, data usage on mobile handsets is steadily increasing and demands faster speeds. Recently, a beam space MIMO (Beamspace MIMO) technique using an electronically steerable passive array radiator (ESPAR) has emerged in order to overcome the drawbacks of a conventional MIMO system using a linear array antenna. This is to overcome the limitation of the existing MIMO system by using the ESPAR antenna having a parasitic element disposed around the active element. In the conventional MIMO system, the data symbols are mapped to the respective antennas using the array antennas, so that the number of the antennas is increased to further increase the data rate, thereby mapping more data symbols. As the number of antennas increases, the system complexity increases greatly. On the other hand, in the case of the beam-space MIMO system, in order to increase the data transmission rate, the number of active elements connected to the RF stage is increased while the number of parasitic elements is increased while the number of parasitic elements is increased. The number of data symbols can be increased and the more data symbols can be mapped to more orthogonal basis patterns. Therefore, the system complexity problem can be greatly improved as compared with the conventional MIMO system because only one RF stage is used even if the device is extended to improve the data rate.
다만, 기존 MIMO 시스템의 단점을 개선한 빔 공간 MIMO 시스템은 모노폴 안테나, 다이폴 안테나 등의 3차원 구조를 갖는 와이어 안테나를 이용하여 구현되었는데, 도 8은 이러한 3차원 구조를 갖는 기존의 ESPAR 안테나를 이용한 빔 공간 MIMO 시스템의 예를 나타낸 것이다.However, the beam-space MIMO system, which improves the disadvantages of the existing MIMO system, is implemented using a wire antenna having a three-dimensional structure such as a monopole antenna and a dipole antenna. FIG. An example of a beam-space MIMO system is shown.
구체적으로, 도 8의 빔 공간 MIMO 시스템(800)에서는, 급전부(820)에서 RF 신호를 능동 안테나(810)로 공급하고, 리액턴스 제어부(821, 822)에 의해 각 기생 안테나(811, 812)의 리액턴스 값이 제어되는 구조를 갖는다. 이 경우, 급전부(820)에 의해 능동 안테나(810)로 단일 급전이 이루어지고, 이로써 각 기생 안테나(811, 812)에 유도 전류가 발생되며, 각 기생 안테나(811, 812)의 리액턴스 값의 변경을 통해 빔 조향이 이루어진다. 이에 따라, 단일 급전에 의하더라도 다수의 안테나 소자로 확장이 가능하여 데이터 속도의 향상을 위해 소자를 확장하여도 시스템 복잡도가 크게 증가하지 않을 수 있다.Specifically, in the beam-
다만, 이러한 기존의 ESPAR 안테나를 갖는 빔 공간 MIMO 시스템(800)에서는, 도 8에 도시한 바와 같이 모노폴 안테나 소자를 갖는 ESPAR 안테나로 구현되었으며, 혹은 다이폴 안테나 소자로 구현될 수도 있다. 그런데, 이와 같이 기존의 ESPAR 안테나가 모노폴 또는 다이폴 안테나와 같은 와이어 안테나로 구현됨에 따라, 3차원 구조를 갖기 때문에 이러한 기존의 ESPAR 안테나는 소형화하기 어려운 문제가 있다.However, in the beam-
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 도 1을 참조하면, 빔 공간 MIMO 시스템에 사용되기 위한 안테나 장치(100)로서, RF 신호를 공급하기 위한 급전부(120), 기생 안테나 엘리먼트(111 내지 118)의 리액턴스(121 내지 128) 값을 제어하기 위한 리액턴스 제어부(미도시), 급전부와 급전점을 통해 연결되어 급전부로부터 RF 신호가 공급되는 능동 안테나 엘리먼트(110), 리액턴스 제어부에 의해 리액턴스 값이 제어되는 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍(111 내지 118), 및 능동 안테나 엘리먼트와 기생 안테나 엘리먼트 쌍이 형성되는 기판(101)을 포함한다.1, an
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(100)에서는 능동 안테나 엘리먼트(110)로 급전점(102)을 통해 RF 신호가 공급되어 능동 안테나 엘리먼트(110)에 의해 기판에 대해 수직 (elevation) 방향의 방사 패턴이 조정되며, 기생 안테나 엘리먼트(111 내지 118)의 리액턴스(121 내지 128)가 제어됨에 따라 기판(101)에 대해 수평 (azimuth) 방향의 방사 패턴이 조정된다. 이로써 기판(101) 상에 2차원적인 평판 형상으로 형성된 안테나 엘리먼트(110 내지 118)에 의해 방사 패턴이 조정되어, 0.5λ × 0.5λ (λ: 전송 신호 파장) 평면 내에 간섭이 적은 다수의 방사 패턴을 확보할 수 있게 된다.In the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치(100)를 나타낸 것이다. 본 실시예에서는, 안테나 사이즈를 62.5 × 62.5 × 0.87 ㎣ 로 하고, 설계 목표의 공진 주파수를 2.4 GHz로 하였으며, 테프론 기판 상에, 능동 안테나 엘리먼트로서 1개의 원형 마이크로 스트립 패치 안테나(microstrip circular patch antenna)(110)를 형성하고, 기생 안테나 엘리먼트로서 8개, 즉 4쌍의 "L"자 형의 슬롯 안테나(slot antenna)(111 내지 118)를 1개의 원형 마이크로 스트립 패치 안테나(110) 주위에 형성하였다.FIG. 1 illustrates an
여기서, 각 슬롯 안테나 쌍(111과 115, 112와 116, 113과 117, 114와 118)은 1개의 원형 마이크로 스트립 패치 안테나(110)를 중심으로 하여 서로 대칭이 되도록 형성하였다. 또한, 원형의 마이크로 스트립 패치 안테나(110)에는 급전점(102)이 형성되어 이를 통해 급전부(120)로부터 RF 신호를 공급받도록 하였다. 그리고, 각각의 "L"자 형의 슬롯 안테나(111 내지 118)는 리액턴스 제어부(미도시)와 연결되어 그 리액턴스(121 내지 128) 값이 각각 제어될 수 있으며, 이를 통해 수평 방향인 방위각 (azimuth) 방향으로의 방사 패턴이 조정될 수 있다. Here, each
즉, 능동 안테나 엘리먼트인 원형의 마이크로 스트립 패치 안테나(110)에 의해 수직 방향의 방사 패턴이 조정되고 기생 안테나 엘리먼트인 "L"자 형의 슬롯 안테나(111 내지 118)에 의해 수평 방향의 방사 패턴이 조정되므로, 이를 통해 시스템 복잡도가 증가하지 않으면서도 원하는 방사 패턴을 얻을 수 있게 된다.That is, the radiation pattern in the vertical direction is adjusted by the circular
도 2는 본 실시예에 따른 안테나 장치에서 각 안테나 엘리먼트들의 배치와 전류 분포도를 나타낸 것이다. 즉, 기판 상에 능동 안테나 엘리먼트인 원형의 마이크로 스트립 패치 안테나(110)와 기생 안테나 엘리먼트인 "L"자 형의 슬롯 안테나(111 내지 118)가 2차원적으로 형성되어 있으며, 능동 안테나 엘리먼트인 원형의 마이크로 스트립 패치 안테나(110)를 중심으로 기생 안테나 엘리먼트인 "L"자 형의 슬롯 안테나 쌍(111과 115, 112와 116, 113과 117, 114와 118)이 각각 서로 대칭 형상으로 배치되어 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 2에서 전류 분포도를 참조하면, 이는 RF 신호가 급전점(102)을 통해 공급되는 능동 안테나 엘리먼트에 해당하는 1개의 원형 마이크로 스트립 패치 안테나(110)와 기생 안테나 엘리먼트에 해당하는 "L"자 형의 슬롯 안테나(111 내지 118)의 전류 커플링 특성을 나타낸 것인데, 급전이 이루어지는 능동 안테나 엘리먼트에서의 전류 분포는 급전되는 RF 신호에 따라 결정되고, 이로부터 급전이 이루어지지 않는 기생 안테나 엘리먼트에서도 유도 전류가 발생하는 것을 볼 수 있으며, 이는 기생 안테나 엘리먼트의 리액턴스 값에 따라 제어되므로, 이러한 전류 분포의 제어에 따른 방사 패턴의 조정이 가능하다.FIG. 2 shows the arrangement of antenna elements and the current distribution diagram in the antenna device according to the present embodiment. That is, on the substrate, a circular
도 3은 본 실시예에 따른 안테나 장치에 대한 S 파라미터를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 본 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 안테나 사이즈를 62.5 × 62.5 × 0.87 ㎣ 로 하고, 설계 목표의 공진 주파수를 2.4 GHz로 하였다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에서의 설계 목표인 2.4 GHz에서 공진하는 것을 확인할 수 있으며, 양호한 방사 특성을 갖는 것을 볼 수 있다.3 is a graph illustrating a result of measurement of S parameters for the antenna apparatus according to the present embodiment. In this embodiment, as described above, the antenna size is 62.5 x 62.5 x 0.87 mm, and the resonance frequency of the design target is 2.4 GHz. Referring to FIG. 3, it can be seen that resonance occurs at 2.4 GHz, which is the design target in the present embodiment, and it can be seen that it has good radiation characteristics.
도 4 및 도 5는 본 실시예에 따른 안테나 장치에 의해 다양한 방사 패턴이 형성된 실시예를 로그 스케일로 나타낸 것이다. FIGS. 4 and 5 illustrate an embodiment in which various radiation patterns are formed by the antenna device according to the present embodiment in a log scale.
구체적으로, 본 실시예에서는 8개의 방사 패턴을 형성하였으며, 각 방사 패턴을 형성하기 위하여 기생 안테나 엘리먼트인 슬롯 안테나(111 내지 118)의 리액턴스(121 내지 128) 값을 조정하였다. 본 실시예에서 슬롯 안테나(111 내지 118)의리액턴스 값을 조정하기 위한 슬롯 안테나(111 내지 118)의 인덕턴스(L), 커패시턴스(C) 값과 저항 성분(R)의 값을 다음의 표 1 내지 표 8에 나타낸다.
Specifically, in this embodiment, eight radiation patterns are formed, and the reactance values 121 through 128 of the
표 1 내지 표 8과 같이 특정 방향으로의 빔 패턴을 형성하기 위하여 특정의 기생 안테나 엘리먼트에 해당하는 슬롯 안테나의 리액턴스를 그 외의 기생 안테나 엘리먼트에 해당하는 슬롯 안테나들의 리액턴스와 다르게 조정하였다. 이로써, 빔 패턴의 수직 및 수평 방향의 제어가 가능하다.As shown in Tables 1 to 8, in order to form a beam pattern in a specific direction, the reactance of a slot antenna corresponding to a specific parasitic antenna element is adjusted differently from the reactance of slot antennas corresponding to other parasitic antenna elements. This makes it possible to control the vertical and horizontal directions of the beam pattern.
즉, 도 4 및 도 5에 도시된 방사 패턴과 표 1 내지 표 8에 나타낸 슬롯 안테나(111 내지 118)에 대한 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시턴스(C) 값으로부터, 기생 안테나 엘리먼트인 슬롯 안테나(111 내지 118)의 리액턴스(121 내지 128) 값을 조정함으로써 원하는 방사 패턴을 형성할 수 있음을 알 수 있으며, 이로써 1개의 능동 안테나 엘리먼트(110)로의 급전만으로도 제한적인 공간 내에서 간섭이 적은 다수의 방사 패턴을 형성할 수 있으므로, 시스템의 복잡도와 소비 전력을 감소시킬 수 있게 되며, 이에 따라 통신 장비의 소형화를 달성할 수 있다.That is, from the radiation pattern shown in FIGS. 4 and 5 and the resistance R, inductance L, and capacitance C for the
한편, 도 6은 도 4의 실시예 일부를 선형 스케일(linear scale)로 나타낸 것으로, 구체적으로, 도 4의 pattern 1과 pattern 2의 방사 패턴을 선형 스케일로 나타낸 것이다. 즉, 도 6의 pattern 1과 pattern 2는 도 4의 pattern 1과 pattern 2의 방사 패턴을 선형 스케일로 나타냄으로써 방사 패턴의 형성이 용이하게 제어 가능한 점을 시각적으로 두드러지게 표시되도록 하였다.FIG. 6 shows a part of the embodiment of FIG. 4 on a linear scale. Specifically, the radiation patterns of
또한, 도 7은 RF 신호에 가중치가 실린 경우에 대한 방사 패턴 형성의 실시예를 나타낸 것이다. 즉, 도 7에서는, 기저 패턴에 가중치가 실린 경우에 대한 것으로, 가중치의 값에 따라 방사 패턴이 특정한 일 방향으로만 형성될 뿐 아니라 동시에 여러 방향으로 지향성이 있는 방사 패턴의 형성이 가능함을 보여 주는 것이다. 즉, 이러한 RF 신호가 공급되는 1개의 능동 안테나 엘리먼트와 그 주변의 기생 안테나 엘리먼트에 의하여 동시에 여러 방향으로 지향성이 있는 방사 패턴을 형성함으로써 용이하게 원하는 방향으로 빔을 조향할 수 있다.Fig. 7 shows an embodiment of the radiation pattern formation in the case where a weight is added to the RF signal. That is, FIG. 7 shows a case in which a weight is added to a base pattern, and it is possible to form a radiation pattern having not only a radiation pattern is formed in only one specific direction according to a weight value, will be. That is, it is possible to easily steer the beam in a desired direction by forming a radiation pattern having directivity in various directions at the same time by one active antenna element supplied with such an RF signal and the parasitic antenna element around the active antenna element.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치(100)는, 능동 안테나 엘리먼트(110)와 기생 안테나 엘리먼트(111 내지 118)가 평판 형상을 갖는다. 이에 따라, 능동 안테나 엘리먼트(110)와 기생 안테나 엘리먼트(111 내지 118)는 기판의 상면 또는 하면 중 어느 면에라도 형성될 수 있으며, 기판의 상면에 모두 형성되거나 기판의 하면에 모두 형성될 수도 있고, 기판의 상면과 하면에 각각 형성될 수도 있다. 또한, 능동 안테나 엘리먼트(110)와 기생 안테나 엘리먼트(111 내지 118)는 기판의 상면 또는 하면의 일부를 개방하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(101)에서 상면 또는 하면에 형성된 수지 절연층의 일부를 제거함으로써 수지 절연층 내부의 동박면을 노출시킴으로써 형성할 수도 있다.Meanwhile, in the
상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치는, 제한된 공간 내에서 간섭이 적은 다수의 방사 패턴을 확보함으로써 기존의 MIMO 시스템보다 적은 RF 단에 의해서 MIMO 급의 성능을 낼 수 있어, 저복잡도와 저전력을 실현하여 통신 장치의 소형화를 달성할 수 있는 효과를 갖는다.The antenna device for a beam-space MIMO system according to an embodiment of the present invention has a plurality of radiation patterns with less interference within a limited space, thereby achieving MIMO-grade performance It is possible to realize a low complexity and a low power, thereby achieving the miniaturization of the communication device.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체 (Computer Readable Storage Medium)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. That is, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively coupled to one or more of them. In addition, although all of the components may be implemented as one independent hardware, some or all of the components may be selectively combined to perform a part or all of the functions in one or a plurality of hardware. As shown in FIG. The codes and code segments constituting the computer program may be easily deduced by those skilled in the art. Such a computer program is stored in a computer readable storage medium, readable and executed by a computer, thereby realizing an embodiment of the present invention. As the storage medium of the computer program, a magnetic recording medium, an optical recording medium, or the like can be included.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (9)
RF 신호를 공급하기 위한 급전부;
리액턴스 값을 제어하기 위한 리액턴스 제어부;
상기 급전부와 급전점을 통해 연결되어 상기 급전부로부터 상기 RF 신호가 공급되는 능동 안테나 엘리먼트 (active antenna element);
상기 리액턴스 제어부에 의해 리액턴스 값이 제어되는 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 (parasitic antenna element) 쌍; 및
상기 능동 안테나 엘리먼트와 상기 기생 안테나 엘리먼트 쌍이 형성되는 기판을 포함하고,
상기 능동 안테나 엘리먼트는, 상기 기판에 대해 수직 방향의 방사 패턴을 조정하고, 상기 기생 안테나 엘리먼트 쌍은, 상기 기판에 대해 수평 방향의 방사 패턴을 조정하여, 수직 방향 및 수평 방향이 상이한 복수의 방사 패턴을 형성하는, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.1. An antenna apparatus for a beam-space MIMO system,
A feeding part for feeding an RF signal;
A reactance controller for controlling a reactance value;
An active antenna element connected to the power feeder through a feed point and supplied with the RF signal from the feeder;
At least one pair of parasitic antenna elements whose reactance value is controlled by the reactance controller; And
And a substrate on which the active antenna element and the parasitic antenna element pair are formed,
Wherein the active antenna element adjusts a radiation pattern in a direction perpendicular to the substrate and the parasitic antenna element pair adjusts a radiation pattern in a horizontal direction with respect to the substrate to form a plurality of radiation patterns / RTI > antenna system for a beam-space MIMO system.
상기 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍은 각각 상기 능동 안테나 엘리먼트를 중심으로 하여 서로 대칭으로 형성된, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the at least one pair of parasitic antenna elements are symmetrically symmetrical about the active antenna element, respectively.
상기 능동 안테나 엘리먼트 및 상기 기생 안테나 엘리먼트는 평판 형상을 갖는, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the active antenna element and the parasitic antenna element have a planar shape.
상기 능동 안테나 엘리먼트 및 상기 기생 안테나 엘리먼트는, 상기 기판의 상면 또는 하면에만 형성되거나 또는 상기 기판의 상면과 하면에 각각 형성되는, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the active antenna element and the parasitic antenna element are formed only on an upper surface or a lower surface of the substrate or on an upper surface and a lower surface of the substrate, respectively.
상기 능동 안테나 엘리먼트 및 상기 기생 안테나 엘리먼트는 상기 기판의 상면 또는 하면의 일부를 개방함으로써 형성되는, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the active antenna element and the parasitic antenna element are formed by opening a portion of an upper surface or a lower surface of the substrate.
상기 능동 안테나 엘리먼트는 원형의 마이크로 스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna)인, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein the active antenna element is a circular microstrip patch antenna. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
상기 적어도 하나의 기생 안테나 엘리먼트 쌍의 각각의 기생 안테나 엘리먼트는 "L"자 형의 슬롯 안테나(slot antenna)인, 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치.The method according to claim 1,
Wherein each parasitic antenna element of the at least one parasitic antenna element pair is an "L" shaped slot antenna.
9. A beam space MIMO system, comprising an antenna arrangement according to any one of the preceding claims.
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