KR101679822B1 - 빔포밍 안테나 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 방사소자, 방사소자의 주변에 위치하고, 복수의 단위소자 및 복수의 단위소자를 연결하는 적어도 하나의 스위치가 포함된 복수의 기생소자, 그리고 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 빔포밍 안테나가 제공된다.

Description

빔포밍 안테나{Beamforming antenna}
본 발명은 빔의 지향 특성을 변경할 수 있는 빔포밍 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 방사 소자에 인접한, 반파장(λ/2) 보다 짧은 무급전 소자는 방사 소자와 커플링되어 신호의 지향 특성을 강화할 수 있다. 반대로, 반파장 보다 긴 길이를 가지는 무급전 소자는 방사 소자에서 방사된 전자기파를 반사할 수 있다. 이러한 무급전 소자의 특징은 야기 안테나 등 지향성 안테나에서 사용되고 있다.
현재 5G 등 이동통신분야는 멀티밴드를 구성하고 빔패턴의 조향특성을 이용하는 방향으로 진화하고 있는데, 위와 같은 기술을 이동통신분야에 적용할 경우 안테나의 크기를 소형화하기 어렵고 안테나 구성의 복잡도가 증가할 수 있다. 특히, 멀티밴드 구성은 신호의 상호 간섭 등의 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는, 다양한 주파수 대역에 적용할 수 있고, 빔의 지향 특성을 용이하게 변경할 수 있는 빔포밍 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 방사소자, 방사소자의 주변에 위치하고, 복수의 단위소자 및 복수의 단위소자를 연결하는 적어도 하나의 스위치가 포함된 복수의 기생소자, 그리고 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 빔포밍 안테나가 제공된다.
상기 빔포밍 안테나에서 제어부는, 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하여 복수의 기생소자의 역할을 도파기 또는 반사기 중 하나로 결정할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 제어부는, 복수의 기생소자 중 적어도 하나의 기생소자의 역할을 반사기로 결정하고, 복수의 기생소자 중 적어도 하나의 기생소자를 제외한 나머지 기생소자의 역할을 도파기로 결정할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 제어부는, 빔포밍 안테나의 동작 주파수를 바탕으로 복수의 기생소자의 역할을 도파기 또는 반사기 중 하나로 결정할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 제어부는, 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하여 방사소자에서 방사되는 빔을 복수의 기생소자의 길이 방향으로 기울일 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 적어도 하나의 스위치는 복수의 단위소자를 직선으로 연결할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 복수의 단위소자의 개수는 적어도 하나의 스위치의 개수보다 많을 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 복수의 단위소자 중 하나의 단위소자의 길이는, 빔포밍 안테나의 최대 동작 주파수에 대응하는 제1 파장의 1/4보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 하나의 기생소자의 길이는, 빔포밍 안테나의 최소 동작 주파수에 대응하는 제2 파장의 1/2보다 큰 값을 가질 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 복수의 기생소자는, 방사소자로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 곳에 위치할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서 복수의 기생소자는, 방사소자와 평행할 수 있다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 복수의 스위치를 이용하여 단위소자의 연결 개수를 조절하여 방사소자 주변에 위치한 기생소자의 길이를 적응적으로 제어함으로써, 빔포밍 안테나의 동작 주파수를 다양하게 하고, 빔의 지향 특성을 용이하게 제어할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나가 형성한 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나가 형성한 다른 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 1a는 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 정면도이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 한 개의 방사소자(Radiation Element, RE)(110)와, 방사소자의 주위를 둘러싼 복수의 기생소자(120)(Parasitic Element, PE)를 포함한다. 방사소자(110)는 서로 다른 주파수를 갖는 신호를 송수신할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 각 기생소자(120)는 방사소자(110)로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 곳에 위치하고, 이때 각 기생소자(120)와 방사소자(110) 사이의 거리는 모든 기생소자(120)에서 동일할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 방사소자(110), 복수의 기생소자(120), 그리고 제어부(130)를 포함한다. 그리고, 복수의 기생소자(120)는 제어부(130)에 연결되어 있다. 이때, 제어부(130)가 방사소자(110)에 신호를 급전할 수 있는 급전부(미도시)를 포함하는 경우, 방사소자(110)은 제어부와 연결될 수 있다.
복수의 기생소자(120)는, y방향(수직방향)으로 배열된 복수의 단위소자(121)를 포함한다. 본 발명의 한 실시 예에서 각 단위소자(121)의 길이는 빔포밍 안테나의 동작 주파수에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 빔포밍 안테나의 최대 동작 주파수가 f1이고 그에 대응하는 파장이 λ1인 경우, 하나의 단위소자(121)의 길이는 λ1/2 보다 작은 값으로 결정될 수 있다. 그리고, 빔포밍 안테나의 최소 동작 주파수가 f2(이때, f1>f2)이고 그에 대응하는 파장이 λ2인 경우, 하나의 기생소자(120)의 길이(즉, 복수의 단위소자와 적어도 하나의 스위치가 포함된 하나의 기생소자의 전체 길이)는 λ2/2 보다 큰 값으로 결정될 수 있다.
본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서, 하나의 기생소자(120)에 포함된 복수의 단위소자(121)는 적어도 하나의 스위치(122)를 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 하나의 기생소자(120)에서, 각 스위치(122)는 독립적으로 열리고 닫힐 수 있고, 닫힌 스위치의 양 끝에 위치한 단위소자는 유기적으로 연결됨으로써 방사패턴이 생성될 수 있다. 즉, 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서, 스위치의 개폐 위치에 따라 기생소자의 역할(도파기 또는 반사기)이 결정될 수 있고, 기생소자의 역할 변경에 따라 다양한 형태의 방사패턴이 생성될 수 있다. 또한, 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는, 스위치의 개폐 위치에 따라 복수의 동작 주파수에서 동작할 수 있다.
제어부(130)는, 빔포밍 안테나의 동작 주파수에 따라서 기생소자에 포함된 적어도 하나의 스위치를 적응적으로 열고 닫을 수 있다. 즉, 제어부(130)는, 방사소자에 인가되는 신호의 주파수에 따라서 복수의 기생소자의 역할을 변경할 수 있다. 예를 들어, 빔포밍 안테나의 동작 주파수가 f1인 경우, 제어부(130)는 복수의 기생소자 중 제1 기생소자에 포함된 스위치의 개폐를 제어하여 제1 기생소자를 도파기로 동작시키고, 복수의 기생소자 중 제2 기생소자에 포함된 스위치의 개폐를 제어하여 제2 기생소자를 반사기로 동작시킬 수 있다. 즉, 제어부(130)는 도파기 또는 반사기로 동작되는 기생소자의 개수를 빔포밍 안테나의 동작 주파수에 따라 적응적으로 조절할 수 있고, 본 발명의 한 실시 예에서 제어부(130)는 프로세서 등으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 기생소자(2201) 및 제2 기생소자(2202)는 9개의 단위소자(221)를 포함하고, 제1 기생소자(2201) 및 제2 기생소자(2202)에 포함된 각 단위소자는 스위치(222 또는 223)를 통해 서로 연결되어 있다. 본 발명의 한 실시 예에서 닫힌 스위치(222)의 양쪽에 연결된 단위소자는 단락(short)되고, 열린 스위치(223)의 양쪽에 연결된 단위소자는 개방(open)된다. 아래에서, 기생소자에 포함된 단위소자 및 스위치의 번호는 도면의 위쪽에서부터 아래쪽 방향으로 순차적으로 증가한다.
도 2의 왼쪽에 도시된 제1 기생소자(2201)는 9개의 단위소자(221)와, 6개의 닫힌 스위치(switch on)(222) 및 2개의 열린 스위치(switch off)(223)를 포함하고 있다. 제1 기생소자(2201)의 첫 번째 및 두 번째 단위소자가 서로 연결되고, 세 번째, 네 번째, 다섯 번째, 여섯 번째, 그리고 일곱 번째 단위소자가 서로 연결되며, 여덟 번째 및 아홉 번째 단위소자가 서로 연결되어, 제1 기생소자(2201)는 도파기(director)로 동작할 수 있다. 도 2의 오른쪽에 도시된 제2 기생소자(2202)는 9개의 단위소자(221)와, 8개의 닫힌 스위치(222)를 포함하고 있다. 제2 기생소자(2202)에 포함된 모든 단위소자(221)는 닫힌 스위치(222)를 통해서 모두 연결되어 있고, 따라서 제2 기생소자(2202)는 반사기(reflector)로 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나가 형성한 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 방사소자(310)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 왼쪽에 위치한 제1 기생소자(321)는 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 오른쪽으로 치우친 방사패턴이 형성될 수 있다. 도 3의 (b)를 참조하면, 방사소자(310)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 위쪽에 위치한 제2 기생소자(322)가 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 아래쪽으로 치우친 방사패턴이 형성될 수 있다. 도 3의 (c)를 참조하면, 방사소자(310)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 오른쪽에 위치한 제3 기생소자(323)는 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 왼쪽으로 치우친 방사패턴이 형성될 수 있다. 도 3의 (d)를 참조하면, 방사소자(310)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 아래쪽에 위치한 제4 기생소자(324)는 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 위쪽으로 치우친 방사패턴이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나가 형성한 다른 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 방사소자(410)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 왼쪽에 위치한 제1 기생소자(421) 및 아래쪽에 위치한 제2 기생소자(422)는 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 오른쪽 상방 45도 방향으로 치우친 방사패턴이 형성될 수 있다. 도 4의 (b)를 참조하면, 방사소자(410)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 왼쪽, 위쪽 및 오른쪽에 위치한 제3, 제4 및 제5 기생소자(423, 424, 425)가 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 아래쪽으로 치우친 방사패턴이 형성될 수 있다. 도 4의 (c)를 참조하면, 방사소자(310)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자 중, 왼쪽 및 오른쪽에 위치한 제6 및 제7 기생소자(426, 427)는 반사기로 동작하고, 나머지 기생소자는 도파기로 동작하여 아래위로 긴 방사패턴이 형성될 수 있다. 도 4의 (d)를 참조하면, 방사소자(310)의 주변에 위치한 네 개의 기생소자가 모두 도파기로 동작하여 왜곡된 원형의 방사패턴이 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 왼쪽에 위치한 기생소자1(510)에서 3번 스위치 및 6번 스위치가 개방되어 기생소자1(510)이 도파기로 동작할 수 있고, 오른쪽에 위치한 기생소자2(520)에서 2번 및 7번 스위치가 개방되어 기생소자2(520)가 반사기로 동작할 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 왼쪽에 위치한 기생소자3(530) 및 오른쪽에 위치한 기생소자4(540)에서 모두 3번 스위치 및 6번 스위치가 개방되어 기생소자3(530) 및 기생소자4(540)는 모두 도파기로 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 두 개의 기생소자(621, 622)에서 3번 스위치 및 6번 스위치가 개방되어, 빔이 방사소자(611)에서 x방향(수평방향)으로 평행하게 방사될 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 두 개의 기생소자(623, 624)에서 2번 스위치, 5번 스위치, 그리고 8번 스위치가 개방되어, 빔이 y방향(수직방향)으로 기울어지게 방사소자에서 방사될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 제어부는 기생소자의 중심을 기준으로 스위치를 비대칭으로 개폐하여 수직방향으로 기울어진 빔을 방사할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 복수의 방사소자(711 내지 71n), 복수의 방사소자의 주위에 위치된 복수의 기생소자(721, 722), 그리고 제어부(730)를 포함한다.
도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는, 도 1에 도시된 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나 n개가 수직 방향으로 길게 연결된 것과 같은 모양이 될 수 있다. 도 7에서, 복수의 방사소자(711 내지 71n)에는 서로 다른 신호가 인가되어, 제어부(730)는 복수의 방사소자(711 내지 71n)로 인가되는 신호를 제어함으로써, 빔의 수직 방향 틸팅 각도(tilting angle)를 더욱 크게 형성할 수 있다.
위와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수의 스위치를 이용하여 단위소자의 연결 개수를 조절하여 방사소자 주변에 위치한 기생소자의 길이를 적응적으로 제어함으로써, 빔포밍 안테나의 동작 주파수를 다양하게 하고, 빔의 지향 특성을 용이하게 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 방사소자,
    상기 방사소자의 주변에 위치하고, 복수의 단위소자 및 상기 복수의 단위소자를 연결하는 적어도 하나의 스위치가 포함된 복수의 기생소자, 그리고
    상기 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하여 상기 방사소자에서 방사되는 빔을 상기 복수의 기생소자의 길이 방향으로 기울이는, 빔포밍 안테나.
  2. 제1항에서,
    상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 스위치의 개폐를 제어하여 상기 복수의 기생소자의 역할을 도파기 또는 반사기 중 하나로 결정하는 빔포밍 안테나.
  3. 제2항에서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 기생소자 중 적어도 하나의 기생소자의 역할을 반사기로 결정하고, 상기 복수의 기생소자 중 상기 적어도 하나의 기생소자를 제외한 나머지 기생소자의 역할을 도파기로 결정하는 빔포밍 안테나.
  4. 제1항에서,
    상기 제어부는, 상기 빔포밍 안테나의 동작 주파수를 바탕으로 상기 복수의 기생소자의 역할을 도파기 또는 반사기 중 하나로 결정하는 빔포밍 안테나.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 적어도 하나의 스위치는 상기 복수의 단위소자를 직선으로 연결하는 빔포밍 안테나.
  7. 제6항에서,
    상기 복수의 단위소자의 개수는 상기 적어도 하나의 스위치의 개수보다 많은 빔포밍 안테나.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 단위소자 중 하나의 단위소자의 길이는, 상기 빔포밍 안테나의 최대 동작 주파수에 대응하는 제1 파장의 1/4보다 작은 값을 갖는 빔포밍 안테나.
  9. 제1항에서,
    상기 하나의 기생소자의 길이는, 상기 빔포밍 안테나의 최소 동작 주파수에 대응하는 제2 파장의 1/2보다 큰 값을 갖는 빔포밍 안테나.
  10. 제1항에서,
    상기 복수의 기생소자는, 상기 방사소자로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 곳에 위치한 빔포밍 안테나.
  11. 제1항에서,
    상기 복수의 기생소자는, 상기 방사소자와 평행한 빔포밍 안테나.
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