KR101709076B1 - 안테나 장치 및 이를 포함하는 차량 - Google Patents

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Abstract

어레이 안테나의 복잡한 급전 구조를 채용하지 않고 간단한 스위칭을 통해 원하는 방향으로 지향성 패턴을 조절할 수 있는 안테나 장치 및 이를 포함하는 차량을 제공한다.
일 실시예에 따른 안테나 장치는, 급전부, 상기 급전부로부터 공급된 전파 신호가 통과하는 도파관 및 상기 도파관을 통과한 전파 신호가 방사되는 방사 슬롯을 포함하고, 정해진 각도에 따라 시프트(shift)되어 적층되는 복수의 안테나 소자; 및 상기 복수의 안테나 소자 중 적어도 하나를 선택하기 위해, 상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부 중 적어도 하나를 스위칭하는 스위칭부;를 포함한다.

Description

안테나 장치 및 이를 포함하는 차량{ANTENNA APPARATUS AND VEHICLE HAVING THE SAME}
지향성 패턴을 조절할 수 있는 안테나 장치 및 이를 포함하는 차량에 관한 것이다.
통신 대상의 위치가 변경되거나, 통신 대상의 위치를 찾기 위해 스캐닝을 해야 하는 경우, 안테나의 지향성 패턴의 변경이 필요하다.
종래에는 어레이 방사 소자 간의 위상차를 달리하여 메인 빔(main beam)의 방향을 제어하거나, 기계적인 회전을 이용하여 지향성 패턴을 변경하였다.
그러나, 위상차를 달리하는 방식의 경우에는 각 어레이 방사 소자의 위상을 제어하기 위한 다수의 부가 회로를 필요로 하며, 패턴 변화의 각도가 작고, 큰 사이드 로브를 발생시켜 안테나의 방사 효율을 감소시킨다.
또한, 기계적인 회전을 이용하는 경우에는 안테나를 회전시키기 위한 별도의 구조물이 필요하고, 통신 대상이 고속으로 이동하는 경우에는 정확한 방향으로 지향성 패턴을 변경하는 것이 어렵다.
어레이 안테나의 복잡한 급전 구조를 채용하지 않고 간단한 스위칭을 통해 원하는 방향으로 지향성 패턴을 조절할 수 있는 안테나 장치 및 이를 포함하는 차량을 제공한다.
일 실시예에 따른 안테나 장치는, 급전부, 상기 급전부로부터 공급된 전파 신호가 통과하는 도파관 및 상기 도파관을 통과한 전파 신호가 방사되는 방사 슬롯을 포함하는 복수의 안테나 소자를 포함하고, 상기 복수의 안테나 소자는, 정해진 각도에 따라 시프트(shift)되어 적층된다.
상기 안테나 장치는 상기 복수의 안테나 소자 중 적어도 하나를 선택하기 위해, 상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부 중 적어도 하나를 스위칭하는 스위칭부;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 안테나 소자는, 상하 방향으로 적층되는 복수의 기판에 의해 형성될 수 있다.
상기 안테나 소자는, 상판; 하판; 및 상기 상판과 하판 사이에 n개(n은 2 이상의 정수) 형성되어 n-1개의 도파관을 형성하는 격벽;을 포함할 수 있다.
상기 상판과 상기 하판은, 상기 복수의 기판 중 서로 인접한 두 개의 기판의 일 영역에 각각 형성될 수 있다.
상기 격벽은, 임계 거리 이하로 인접하는 복수의 핀으로 형성되고, 상기 복수의 핀은, 상기 상판과 상기 하판에 삽입될 수 있다.
상기 n-1개의 도파관은, 급전부로부터 공급된 전파 신호를 동일한 위상 및 동일한 진폭으로 분배할 수 있다.
상기 급전부와 n-1개의 도파관 사이에는, n-1개의 유도성 포스트가 배치될 수 있다.
상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부가 연결되는 공통 접지부;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 안테나 소자는, 한 층에 하나씩 적층될 수 있다.
상기 복수의 안테나 소자는, 한 층에 둘 이상씩 적층될 수 있다.
일 실시예에 따른 안테나 장치가 장착되는 차량에 있어서, 상기 안테나 장치는, 급전부, 상기 급전부로부터 공급된 전파 신호가 통과하는 도파관 및 상기 도파관을 통과한 전파 신호가 방사되는 방사 슬롯을 포함하고, 정해진 각도에 따라 시프트(shift)되어 적층되는 복수의 안테나 소자를 포함한다.
상기 안테나 장치는, 상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부 중 적어도 하나의 급전부를 선택하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 안테나 소자는, 상하 방향으로 적층되는 복수의 기판에 의해 형성될 수 있다.
상기 안테나 소자는, 상판; 하판; 및 상기 상판과 하판 사이에 n개(n은 2 이상의 정수) 형성되어 n-1개의 도파관을 형성하는 격벽;을 포함할 수 있다.
상기 상판과 상기 하판은, 상기 복수의 기판 중 서로 인접한 두 개의 기판의 일 영역에 각각 형성될 수 있다.
상기 격벽은, 임계 거리 이하로 인접하는 복수의 핀으로 형성되고, 상기 복수의 핀은, 상기 상판과 상기 하판에 삽입될 수 있다.
상기 n-1개의 도파관은, 급전부로부터 공급된 전파 신호를 동일한 위상 및 동일한 진폭으로 분배할 수 있다.
상기 급전부와 n-1개의 도파관 사이에는, n-1개의 유도성 포스트가 배치될 수 있다.
상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부가 연결되는 공통 접지부;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위칭부는, 통신 대상의 위치를 파악하기 위해 상기 급전부를 순차적으로 스위칭할 수 있다.
상기 스위칭부는, 통신 대상의 위치에 대응되는 안테나 소자의 급전부를 스위칭할 수 있다.
상기 스위칭부는, 통신 대상이 이동하면, 상기 통신 대상의 이동에 따라 상기 급전부를 스위칭하여 빔 트래킹(beam tracking)을 수행할 수 있다.
상기 스위칭부는, 상기 차량이 이동하면, 상기 차량의 이동에 따라 상기 급전부를 스위칭하여 빔 트래킹(beam tracking)을 수행할 수 있다.
일 측면에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 차량은 어레이 안테나의 복잡한 급전 구조를 채용하지 않고 간단한 스위칭을 통해 원하는 방향으로 지향성 패턴을 조절할 수 있다.
또한, 적층되는 안테나 소자의 개수를 조절하여 원하는 각도 범위 내에서 지향성 패턴을 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 위에서 내려다 본 평면도이다.
도 3 내지 도 7은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 구성하는 단일 안테나 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 복수의 안테나 소자가 적층되는 일 예시를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 각각의 안테나 소자에 전력을 공급하는 급전부를 나타내는 도면이다.
도 11은 안테나 소자를 선택할 수 있는 스위치를 나타낸 도면이다
도 12는 단일 안테나 소자의 방사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 지향성을 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 다른 구조를 나타낸 도면이다.
도 16은 5G 통신방식에 따른 기지국의 대규모 안테나 시스템을 도시한 도면이다.
도 17은 주변 차량과 통신을 수행하는 차량을 도시한 도면이다.
도 18 및 도 19는 일 실시예에 따른 차량의 외관도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 차량의 제어 블록도이다.
도 21은 통신부에 포함된 송수신기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 22 내지 도 25는 일 실시예에 따른 차량이 주변 차량과 통신을 수행하기 위해 형성하는 빔 패턴의 예시를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 측면에 따른 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 위에서 내려다 본 평면도이다. 후술하는 실시예에서는 z축 방향을 상하 방향으로 하여 설명한다. 따라서, 도 1의 사시도는 x축, y축, z축에 의해 정의되는 3차원 공간 상에서의 뷰(view)이고, 도 2는 xy 평면 상에서의 2차원 뷰이다.
일 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 복수의 안테나 소자들이 배열되는 어레이 안테나 구조를 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(100)를 구성하는 복수의 안테나 소자(110,120,130,140,150,160)는 z축 방향, 즉 상하 방향으로 적층된다.
도 1 및 도 2의 예시에서는 각각의 안테나 소자가 부채꼴의 형상을 갖고, 복수의 안테나 소자가 적층되어 형성되는 안테나 장치(100)는 원기둥의 형상을 갖는다. 그러나, 이는 안테나 장치(100)의 예시에 불과할 뿐이고, 각각의 안테나 소자는 부채꼴 외에 다각형, 원형, 반원형 등의 다른 형상을 갖는 것도 가능하다. 또한, 안테나 장치(100)의 형상 역시 원기둥 외에 다각형 기둥 등의 다른 형상을 갖는 것도 가능하다. 다만, 후술하는 실시예에서는 구체적인 구조를 설명하기 위해 각각의 안테나 소자가 부채꼴의 형상을 갖고 안테나 장치(100)가 원기둥의 형상을 갖는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 안테나 소자(110, 120, 130, 140, 150, 160)는 z축 방향으로 일렬로 적층되는 것이 아니라, 일정 각도씩 시프트(shift)되어 적층된다. 각각의 안테나 소자가 일정 각도씩 시프트됨으로써, 안테나 장치(100)의 방사 방향 또는 빔 패턴의 방향을 다양하게 조절할 수 있다. 이하, 구체적인 예시를 설명한다.
예를 들어, 제1안테나 소자(110), 제2안테나 소자(120), 제3안테나 소자(130), 제4안테나 소자(140), 제5안테나 소자(150) 및 제6안테나 소자(160)가 아래에서부터 차례로 적층되는 경우에, 제2안테나 소자(120)는 안테나 장치(100)의 xy 평면 상에서의 중심(C)을 기준으로 제1안테나 소자(120)로부터 반시계 방향으로 30도 시프트되고, 제3안테나 소자(130)는 제2안테나 소자(120)로부터 반시계 방향으로 30도 시프트되고, 제4안테나 소자(140)는 제3안테나 소자(130)로부터 반시계 방향으로 30도 시프트되고, 제5안테나 소자(150)는 제4안테나 소자(140)로부터 반시계 방향으로 30도 시프트되고, 제6안테나 소자(160)는 제5안테나 소자(150)로부터 반시계 방향으로 30도 시프트될 수 있다.
이 경우, 안테나 장치(100)는 180도 범위에서 방사 방향을 스위칭할 수 있다. 일 예로, 각각의 안테나 소자(110,120,130,140,150,160)가 90도의 방사 범위를 갖는 경우에, 안테나 장치(100)는 대략 240도 범위를 커버할 수 있고, 240도 범위 내에서 원하는 방향에 선택적으로 전파 신호를 방사할 수 있다. 또한, 단일 안테나 소자의 방사 범위, 안테나 소자들 사이의 시프트 각도, 안테나 소자의 개수 등을 다양하게 설계 변경하여 안테나 장치(100)의 커버리지를 조절할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 구성하는 단일 안테나 소자의 구조를 나타낸 도면이다. 도 3 내지 도 6의 예시에서는 최하층에 배치된 제1안테나 소자의 구조를 설명한다.
도 3을 참조하면, 제1안테나 소자(110)는 부채꼴 형상의 상판(111)과 하판(113) 및 안테나 소자 내에서 복수의 급전 도파관(feeding waveguide)(115)을 구획하는 격벽(112)을 포함한다.
부채꼴의 중심에는 급전부(114)가 연결되고, 급전부(114)으로부터 공급되는 전파 신호는 제1안테나 소자(110)를 통해 외부의 자유 공간으로 방사된다.
제1안테나 소자(110) 내부의 구조를 구체적으로 도시하기 위해, 도 4 내지 도 6에서는 상판(111)을 도시하지 않았다.
도 4는 제1안테나 소자를 위에서 내려다 본 평면도이고, 도 5는 급전부를 통해 공급된 전력의 분배를 나타낸 도면이며, 도 6 및 도 7은 유도성 포스트를 더 포함하는 안테나 소자의 평면도 및 사시도이다.
일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 안테나 소자에 6개의 도파관이 형성되는 경우, 도파관(115:115a, 115b, 115c, 115d, 115e, 115f)을 구획하는 격벽(112)은 제1격벽부터 제7격벽까지(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g) 모두 7개가 형성될 수 있다.
제1격벽(112a)과 제2격벽(112b)에 의해 제1도파관(115a)이 구획되고, 제2격벽(112b)과 제3격벽(112c)에 의해 제2도파관(115b)이 구획되며, 제3격벽(112c)과 제4격벽(112d)에 의해 제3도파관(115c)이 구획될 수 있다. 또한, 제4격벽(112d)과 제5격벽(112e)에 의해 제4도파관(115d)이 구획되며, 제5격벽(112e)과 제6격벽(112f)에 의해 제5도파관(115e)이 구획되고, 제6격벽(112f)과 제7격벽(112g)에 의해 제6도파관(115f)이 구획될 수 있다.
격벽(112)은 당해 예시와 같이 일정 간격으로 배열된 복수의 핀으로 구현될 수도 있고, 일반적인 판상 형태로 구현될 수도 있다. 복수의 핀으로 구현되는 경우에는 복수의 핀을 상판(111)과 하판(113)에 삽입하여 격벽(112)을 구현할 수 있으므로 제조 및 설계의 용이성이 향상된다.
격벽(112)이 복수의 핀으로 구현되는 경우에는 인접한 핀들 사이의 거리를 임계 거리 이하로 제한하여 도파관(115)을 통과하는 전파 신호의 손실을 방지할 수 있다. 일 예로, 복수의 핀을 전파 신호의 10분의 1 파장 이하로 배치하여 손실을 방지할 수 있다.
급전부(114)으로부터 공급되는 전파 신호는 6개의 도파관(115a, 115b, 115c, 115d, 115e, 115f)으로 분기되어 전파(propagation)되고, 각각의 도파관에 형성된 방사 슬롯(115a-1, 115b-1, 115c-1, 115d-1, 115e-1, 115f-1)을 통해 외부의 자유 공간으로 방사된다.
한편, 급전부(114)로부터 공급된 전파 신호가 분기될 때 전파 신호가 갖는 전력이 분배된다. 당해 예시에서는 격벽(112)구조가 전력 분배기의 기능을 수행할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 전파 신호의 분기를 전력 분배의 관점에서 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 도파관을 형성하는 격벽(114)의 길이를 조절하여, 급전부(116)로부터 공급되는 전력이 단계적으로 분배되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 제1도파관(115a)과 제2도파관(115b)의 경계인 제2격벽(112b), 제3도파관(115c)과 제4도파관(115d)의 경계인 제4격벽(112d), 제5도파관(115e)과 제6도파관(115f)의 경계인 제6격벽(112f)의 길이를 나머지 격벽들의 길이보다 짧게 구현할 수 있다. 격벽의 길이는 급전부(1146)와 인접한 격벽의 단부에서부터 반대쪽 단부까지의 길이를 의미하고, 단일 안테나 소자의 형상이 부채꼴인 경우에는 지름 방향의 길이를 의미한다.
급전부(114)의 전방은 전력 또는 전파 신호가 분배되는 방향이고, 후방은 부채꼴 형상을 갖는 안테나의 중심을 향하는 방향인 것으로 한다.
제3격벽(112c)과 제5격벽(112e)은 제2격벽(112b), 제4격벽(112d) 및 제6격벽(112f)보다는 길고 제1격벽(112a)과 제7격벽(112g)보다는 짧게 구현할 수 있다.
제1안테나 소자(110)가 전술한 격벽들로 이루어진 구조를 갖는 경우, 급전부(114)로부터 공급된 전력 P1은 제1격벽(112a)과 제3격벽(112c) 사이의 공간, 제3격벽(112c)과 제5격벽(112e) 사이의 공간 및 제5격벽(112e)과 제7격벽(112g) 사이의 공간으로 각각 분배되는바, 이 때 분배된 전력은 각각 P12, P34 및 P56이다.
분배된 전력 P12, P34 및 P56이 모두 동일한 크기를 갖도록 하기 위해, 제1격벽(112a)과 제3격벽(112c)이 이루는 각도θ12, 제3격벽(112c)과 제5격벽(112e)이 이루는 각도 θ34, 제5격벽(112e)과 제7격벽(112g)이 이루는 각도 θ56를 모두 동일하게 설계한다.
즉, P12=P34=P56 이 되기 위해서는 θ12= θ34= θ56 이어야 한다. 또한, 공급된 전력 P1이 동일한 크기의 세 전력으로 분배되었으므로, P1=3P12=3P34=3P56 의 관계가 성립된다.
제1격벽(112a)과 제3격벽(112c) 사이의 공간으로 분배된 전력 P12은 다시 제1격벽(112a)과 제2격벽(112b) 사이의 공간과 제2격벽(112b)과 제3격벽(112c) 사이의 공간으로 분배된다. 즉, 제1도파관(115a)와 제2도파관(115b)으로 분배된다. 이 때 분배된 전력은 각각 P1 및 P2이다.
제3격벽(112c)과 제5격벽(112e) 사이의 공간으로 분배된 전력 P34은 다시 제3격벽(112c)과 제4격벽(112d) 사이의 공간과 제4격벽(112d)과 제5격벽(112e) 사이의 공간으로 분배된다. 즉, 제3도파관(115c)와 제4도파관(115d)으로 분배된다. 이 때 분배된 전력은 각각 P3 및 P4이다.
제5격벽(112e)과 제7격벽(112g) 사이의 공간으로 분배된 전력 P56은 다시 제5격벽(112e)과 제6격벽(112f) 사이의 공간과 제6격벽(112f)과 제7격벽(112g) 사이의 공간으로 분배된다. 즉, 제5도파관(115e)와 제6도파관(115f)으로 분배된다. 이 때 분배된 전력은 각각 P5 및 P6이다.
마찬가지로, 각각의 도파관으로 분배되는 전력의 크기를 동일하게 하기 위해, 제1격벽(112a)과 제2격벽(112b)이 이루는 각도 θ1, 제2격벽(112b)과 제3격벽(112c)이 이루는 각도 θ2, 제3격벽(112c)과 제4격벽(112d)이 이루는 각도 θ3, 제4격벽(112d)과 제5격벽(112e)이 이루는 각도 θ3, 제5격벽(112e)과 제6격벽(114f)이 이루는 각도 θ4 및 제6격벽(112f)과 제7격벽(112g)이 이루는 각도 θ6를 동일하게 설계한다. 즉, θ12= 2θ1= 2θ2 이고, θ34= 2θ3= 2θ4 이며, θ56= 2θ5= 2θ6 이다.
결과적으로, P1=3P12=3P34=3P56 =6P1=6P2=6P3 =6P4=6P5=6P6 의 관계가 성립된다. 즉, 각각의 도파관으로 동일한 크기의 전력이 분배되고, 동일한 위상과 동일한 진폭을 갖는 전파 신호가 분기되어 방사 슬롯을 통해 방사될 수 있다.
예를 들어, 제1안테나 소자(110)가 90도의 방사 범위를 갖는 경우, θ12= θ34= θ56=30도가 될 수 있고, θ1= θ2= θ3 = θ4= θ5= θ6 = 15도가 될 수 있다.
한편, 전술한 격벽 구조를 이용하여 전력을 분배하는 것은 안테나 장치(100)에 적용될 수 있는 일 예시에 불과하고, 전력 분배의 단계를 더 세분화하거나, 한 번에 6방향으로 분배되도록 하거나, 도파관의 개수를 6개보다 더 작거나 많게 하는 등 다양한 변형 예가 가능함은 물론이다.
도 6 및 도 7은 유도성 포스트를 더 포함하는 급전 구조를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 반사계수(return loss)를 개선하기 위해 제1안테나 소자(110)에 유도성 포스트(inductive post)(116)가 더 포함될 수 있다. 유도성 포스트는 금속 핀으로 구현될 수 있다.
전력의 분배가 전술한 예시와 같이 이루어지는 경우, 급전부(114)와 인접한 위치에 세 개의 유도성 포스트(116g, 116h, 116i)를 먼저 배치하고, 그 뒤에 각각의 도파관에 대응되는 여섯 개의 유도성 포스트(116a, 116b, 116c, 116d, 116e, 116f)를 배치할 수 있다.
구체적으로, 제1격벽(112a)과 제3격벽(114c) 사이의 공간, 제3격벽(114c)과 제5격벽(114e) 사이의 공간 및 제5격벽(114e)과 제7격벽(114g) 사이의 공간에 각각 유도성 포스트(116g, 116h, 116i)를 배치할 수 있다.
그리고, 제1격벽(112a)과 제2격벽(112b) 사이의 공간, 제2격벽(112b)과 제3격벽(112c) 사이의 공간, 제3격벽(112c)과 제4격벽(112d) 사이의 공간, 제4격벽(112d)과 제5격벽(112e) 사이의 공간, 제5격벽(112e)과 제6격벽(112f) 사이의 공간, 제6격벽(112f)과 제7격벽(112g) 사이의 공간에 각각 유도성 포스트(116a, 116b, 116c, 116d, 116e, 116f)를 배치할 수 있다.
전술한 바와 같이 유도성 포스트를 배치함으로써, 각각의 공간으로 분기되는 전파 신호의 반사 손실을 20% 정도 개선시킬 수 있다.
유도성 포스트(116)는 모두 상판(111)과 하판(113)까지 연결될 수 있고, 유도성 포스트(116)의 지름에 따라 유도성 용량의 차이가 발생하므로 유도성 포스트(116)의 지름은 반사 손실량을 고려하여 결정할 수 있다.
또한, 유도성 포스트(116)와 급전부(114) 사이의 거리는 전파 신호의 중심 주파수에 따라 결정될 수 있다.
또한, 급전부(114)의 높이 역시 반사 손실량에 영향을 미치므로, 반사 손실량을 최소화할 수 있는 높이를 갖도록 설계할 수 있다. 이 때, 반사 손실량을 최소화할 수 있는 급전부(114)의 높이는 시뮬레이션, 실험 또는 계산에 의해 결정될 수 있다.
또한, 유도성 포스트(116)가 배치되면 상판(111)과 하판(113) 사이의 캐패시터 성분이 줄어들어 임피던스에 변화가 생기므로 유도성 포스트(116)의 배치 여부에 따라 급전부(114)의 높이를 적절하게 조절할 수 있다.
도 3 내지 도 7에 도시된 제1안테나 소자(110)의 구조는 나머지 안테나 소자(120, 130, 140, 150, 160)에도 동일하게 적용될 수 있으므로, 나머지 안테나 소자들의 구체적인 구조에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
도 8은 복수의 안테나 소자가 적층되는 일 예시를 나타낸 도면이다.
앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 일 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 복수의 안테나 소자(110, 120, 130, 140, 150, 160)가 z축 방향으로 적층된 구조를 갖는다. 이러한 구조를 형성하기 위한 일 예로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 기판(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107)을 z축 방향으로 적층할 수 있다.
각각의 기판은 도체로 형성될 수 있다. 예를 들어 기판은 구리, 알루미늄 납, 은, 스테인레스 스틸 등의 금속으로 이루어지거나 상기 금속이 표면에 코팅되거나, PCB 기판을 채용할 수 있다. PCB(Printed Circuit Board)를 채용하는 경우에는 인쇄와 비아 홀(via-hole)을 통해 안테나 소자의 구조를 형성할 수 있다.
구체적인 예로, 6개의 안테나 소자(110, 120, 130, 140, 150, 160)를 형성하기 위해 7개의 PCB 기판(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107)을 적층할 수 있다. 이 때, 기판들 사이에 도파관이 형성될 수 있도록 z축 방향으로 인접하는 기판들은 서로 접촉하지 않고 일정 간격으로 이격될 수 있다. 기판들 사이의 간격은 전파 신호의 주파수에 따라 결정될 수 있으며, 일 예로, 전파 신호의 중심 주파수가 60GHz인 경우에는 약 1mm의 간격으로 이격시킬 수 있다. 또한, 단일 안테나 소자의 반지름은 약 5mm 정도로 구현할 수 있다.
한편, 기판들 사이의 공간은 비어있을 수도 있고, 유전체가 채워질 수도 있다.
제1안테나 소자(110)는 제1기판(101)과 제2기판(102)을 이용하여 형성된다. 즉, 제1기판(101)의 일부 영역과 제2기판(102)의 일부 영역이 제1안테나 소자(110)의 상판(111)과 하판(113)으로 사용된다.
제2안테나 소자(120)는 제2기판(102)과 제3기판(103)을 이용하여 형성된다. 마찬가지로, 제2기판(102)의 일부 영역과 제3기판(103)의 일부 영역이 제2안테나 소자(120)의 상판과 하판으로 사용될 수 있다.
또한, 제3안테나 소자(130) 제3기판(103)과 제4기판(104)을, 제4안테나 소자(140)는 제4기판(104)과 제5기판(105)을, 제5안테나 소자(150)는 제5기판(105)과 제6기판(106)을, 제6안테나 소자(160)는 제6기판(106)과 제7기판(107)을 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 기판에서 상판과 하판으로 사용되지 않는 영역은 부도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상판과 하판으로 사용되는 영역에만 금, 은, 구리 등의 금속이 코팅되고, 그 이외의 영역은 상기 코팅이 제거될 수 있다.
전술한 도면에서 기판의 개수는 안테나 장치(100)에 적용될 수 있는 예시에 불과하며, 안테나 소자의 개수와 안테나 소자의 적층 방식에 따라 사용되는 기판의 개수가 달라질 수 있음은 물론이다.
도 9 및 도 10 각각의 안테나 소자에 전력을 공급하는 급전 구조를 나타내는 도면이고, 도 11은 안테나 소자를 선택할 수 있는 스위치를 나타낸 도면이다. 도 9는 급전부를 위에서 내려다 본 평면도이고, 도 10은 급전부를 옆에서 바라본 측면도이다.
복수의 안테나 소자(110, 120, 130, 140, 150, 160)는 각각 별도의 급전부(114, 124, 134, 144, 154, 164)를 갖는다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 급전부(114, 124, 134, 144, 154, 164)들은 안테나 장치(100)의 공통 접지부까지 연장되어 연결될 수 있는바, 공통 접지부는 안테나 장치(100)의 바닥면을 형성하는 기판에 형성될 수 있다. 안테나 장치(100)의 바닥면을 형성하는 기판은 제1기판(101)일 수도 있고, 제1기판(101)의 하부에 별도의 기판이 더 마련되어 바닥면을 형성하는 것도 가능하다.
안테나 장치(100)는 통신 대상이 위치하는 방향에 대응되는 안테나 소자를 통해 신호를 전송할 수 있는바, 해당 안테나 소자의 급전부를 선택함으로써 원하는 방향으로 신호를 전송할 수 있다. 이 때, 급전부는 한 개 선택될 수도 있고, 통신 대상의 수에 따라 두 개 이상 선택되는 것도 가능하다.
원하는 방향에 대응되는 급전부를 선택하기 위해, 안테나 장치(100)는 스위칭부를 더 포함할 수 있고, 스위칭부는 도 11에 도시된 바와 같은 안테나 선택 스위치(170)를 포함할 수 있다. 일 예로, 안테나 선택 스위치(170)는 RF 스위치로 구현될 수 있다.
제1안테나 소자(110)에 급전하는 급전부(114), 제2안테나 소자(120)에 급전하는 급전부(124), 제3안테나 소자(130)에 급전하는 급전부(134) 및 제4안테나 소자(140)에 급전하는 급전부(144)는 안테나 선택 스위치(170)에 연결된다.
안테나 선택 스위치(170)는 입력되는 제어 신호에 따라 복수의 급전부(114, 124, 134, 144, 154, 164) 중 적어도 하나를 선택할 수 있고, 선택된 급전부에 신호를 공급한다. 당해 실시예에서는 급전부를 선택하여 신호를 공급하는 것을 급전부의 스위칭이라 하기로 한다.
안테나 선택 스위치(170)에 입력되는 제어 신호는 안테나 장치(100) 외부의 제어부에서 생성된 것일 수도 있고, 안테나 장치(100)에 마련된 제어부에서 생성된 것일 수도 있다.
후자의 경우, 안테나 장치(100)에 마련된 제어부는 안테나 장치(100)가 장착되는 기기(예를 들어, 차량)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 안테나 선택 스위치(170)를 제어할 수도 있고, 스스로 판단하여 제어 신호를 생성할 수도 있다.
안테나 장치(100)에 제어부가 포함되는 경우에는, 후술하는 차량의 제어부가 안테나 장치(100)를 제어하기 위해 수행하는 동작의 일부 또는 전부가 안테나 장치(100)의 제어부에서 수행되는 것이 가능하다.
안테나 선택 스위치(170)는 복수의 급전부가 접지되는 공통 접지부에 형성될 수 있다.
도 12는 단일 안테나 소자의 방사 패턴을 나타낸 도면이고, 도 13은 안테나 장치의 지향성을 나타낸 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 단일 안테나 소자의 방사 패턴에서 사이드 로브(side lobe)의 크기가 매우 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 안테나 소자를 구성하는 복수의 도파관에 동일한 진폭과 동일한 위상을 갖는 신호가 공급되었기 때문이다.
또한, 메인 로브(main lobe)는 안테나 소자의 방사 슬롯이 형성된 방향을 향해 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 우수한 방사 효율 및 우수한 지향성을 갖는다.
이러한 방사 패턴을 갖는 복수의 안테나 소자(110, 120, 130, 140, 150, 160)를 일정 각도씩 시프트시켜 적층하면 도 13에 도시된 바와 같이, 다양한 방향으로의 빔 패턴(P1, P2, P3, P4, P5, P6)을 갖는 안테나 장치(100)를 구현할 수 있다.
각각의 안테나 소자마다 특정 방향으로 지향성을 가지므로, 원하는 방사 방향에 대응되는 안테나 소자를 선택하여 급전하면 원하는 방향으로 전파를 방사시킬 수 있다. 이 때, 통신 대상의 수나 위치에 따라 하나의 안테나 소자만을 선택할 수도 있고, 둘 이상의 안테나 소자를 동시에 선택할 수도 있다.
도 14 및 도 15는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 다른 구조를 나타낸 도면이다.
전술한 실시예에서는 z축 방향으로 6개의 안테나 소자(110, 120, 130, 140, 150, 160)가 한 층에 하나씩 적층되는 구조를 예로 들어 설명하였으나, 안테나 소자의 개수나 적층 구조, 시프트 각도 등은 상기 예시에 제한되지 않고 변경 가능하다.
다른 예로, 도 14에 도시된 바와 같이, 12개의 안테나 소자(110~220)가 한 층에 하나씩 적층되는 12층 구조로 구현되는 것도 가능하다. Z축 방향으로 인접한 안테나 소자들 사이의 시프트 각도를 30도로 하면 수평 방향으로 360도 범위를 커버할 수 있다.
또 다른 예로, 도 15에 도시된 바와 같이, 12개의 안테나 소자(110~220)가 한 층에 두 개씩 적층되는 6층 구조로 구현되는 것도 가능하다. 이 경우에도 z축 방향으로 인접한 안테나 소자들 사이의 시프트 각도를 30도로 설계하고, 같은 층에 배치되는 안테나 소자들은 시프트 각도를 180도 하여 서로 반대 방향을 지향하도록 설계함으로써 수평 방향으로 360도 범위를 커버할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 차량에 장착되어 해당 차량이 외부 단말기, 외부 서버 또는 다른 차량과 통신을 수행하도록 전파 신호를 송수신할 수 있다.
이하, 안테나 장치(100)가 장착된 차량의 실시예를 설명하도록 한다.
일 실시예에 따른 안테나가 송수신하는 전파 신호는 시간 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access: TDMA)과 부호 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access: CDMA) 등의 제2 세대(2G) 통신 방식, 광대역 부호 분할 다중 접속(Wide Code Division Multiple Access: WCDMA)과 CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000)과 와이브로(Wireless Broadband: Wibro)와 와이맥스(World Interoperability for Microwave Access: WiMAX) 등의 3세대(3G) 통신 방식, 엘티이(Long Term Evolution: LTE)와 와이브로 에볼루션(Wireless Broadband Evolution) 등 4세대(4G) 통신 방식, 또는 5세대(5G) 통신 방식에 따른 신호일 수 있다.
이하 상술할 실시예에서는 안테나가 5세대 통신 방식에 따른 전파 신호를 송수신하는 것으로 하여 설명하도록 한다.
도 16은 5G 통신방식에 따른 기지국의 대규모 안테나 시스템을 도시한 도면이고, 도 17은 주변 차량과 통신을 수행하는 차량을 나타낸 도면이다.
5G 통신방식에는 대규모 안테나 시스템이 채용될 수 있다. 대규모 안테나 시스템은 안테나를 수십 개 이상 사용하여 초고대역 주파수까지 커버 가능하고, 다중 접속을 통해 많은 양의 데이터를 동시에 송수신 가능한 시스템을 의미한다. 구체적으로, 대규모 안테나 시스템은 안테나 엘리먼트의 배열을 조정하여 특정 방향으로 더 멀리 전파를 송수신할 수 있게 해줌으로써, 대용량 전송이 가능할 뿐만 아니라, 5G 통신 네트워크 망의 사용 가능한 영역을 확장시킬 수 있다.
도 16을 참조하면, 기지국(BS)은 대규모 안테나 시스템을 통해 많은 기기들과 데이터를 동시에 주고 받을 수 있다. 또한, 대규모 안테나 시스템은 전파를 송신하는 방향 외의 방향으로 유출되는 전파를 최소화하여 노이즈를 감소시킴으로써, 송신 품질 향상과 전력량의 감소를 함께 도모할 수 있다.
또한, 5G 통신방식은 직교주파수 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식을 통해 송신 신호를 변조하는 기존과 달리, 비직교 다중접속(Non-Orthogonal Multiplexing Access, NOMA) 방식을 통해 변조한 무선 신호를 전송함으로써, 더 많은 기기의 다중 접속이 가능하며, 대용량 송수신이 동시에 가능하다.
예를 들어, 5G 통신방식은 최고 1Gbps의 전송속도의 제공이 가능하다. 5G 통신방식은 대용량 전송을 통해 UHD(Ultra-HD), 3D, 홀로그램 등과 같이 대용량 전송이 요구되는 몰입형 통신의 지원이 가능하다. 이에 따라, 사용자는 5G 통신방식을 통해 보다 정교하고 몰입이 가능한 초 고용량 데이터를 보다 빠르게 주고 받을 수 있다.
또한, 5G 통신방식은 최대 응답 속도 1ms 이하의 실시간 처리가 가능하다. 이에 따라, 5G 통신방식에서는 사용자가 인지하기 전에 반응하는 실시간 서비스의 지원이 가능하다.
예를 들어, 5G 통신을 가능하게 하는 통신 모듈이 차량에 장착되면, 차량 자체가 데이터를 주고 받는 통신 주체가 될 수 있다. 이에 따라 외부 기기와 통신을 수행할 수 있는 차량은 주행 중에도 각종 기기로부터 센서정보를 전달 받아, 실시간 처리를 통해 자율주행 시스템을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 각종 원격제어를 제공할 수 있다.
5G 통신방식은 밀리미터파(millimeter wave) 대역을 사용할 수 있다. 예를 들어, 5G 통신방식은 28GHz 대역의 주파수를 사용할 수 있다. 안테나 장치(100)의 크기는 전파 신호의 파장이 길수록 커진다. 즉, 전파 신호의 주파수가 높을수록 안테나 장치(100)의 크기는 작아진다. 따라서, 안테나 장치(100)를 5G 통신에 이용하는 경우, 안테나 장치(100)를 초소형, 저자세(low profile)로 구현할 수 있다.
5G 통신이 제공하는 실시간 처리 및 대용량 전송을 통해, 차량(300)은 차량 내 탑승객들에게 빅데이터 서비스를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 차량은 각종 웹 정보, SNS 정보 등을 분석하여, 차량 내 탑승객들의 상황에 적합한 맞춤형 정보를 제공할 수 있다. 일 예시로, 차량은 빅데이터 마이닝을 통해 주행 경로 주변에 존재하는 각종 맛집, 볼거리 정보들을 수집하여 실시간으로 이를 제공함으로써, 탑승객들이 주행 중인 지역 주변에 존재하는 각종 정보들을 바로 확인할 수 있게 한다.
또한, 5G 통신의 네트워크 망에서는 멀티홉(multihop) 방식을 통한 무선 신호의 릴레이 전송이 수행될 수 있다. 예를 들어, 기지국(BS)의 네트워크 망 내부에 위치한 차량은 기지국(BS)의 네트워크 망 외부에 위치한 다른 차량 또는 기기가 전송하고자 하는 무선 신호를 기지국(BS)으로 릴레이 전송할 수 있다. 이에 따라, 5G 통신 네트워크 망이 지원되는 영역을 확대함과 동시에, 셀 내의 사용자가 많을 경우 생기는 버퍼링 문제를 해결할 수 있다.
한편, 5G 통신방식은 차량, 통신 기기 등에 적용되는 기기간 직접(Device-to-Device, D2D) 통신이 가능하다. 기기간 직접 통신은 기기들이 기지국을 통하지 않고 집적 무선 신호를 송수신하는 통신을 의미한다. 기기간 직접 통신방식에 의할 경우, 기지국을 거쳐 무선 신호를 주고 받을 필요가 없고, 기기 간에 직접 무선 신호 전송이 이루어지므로, 불필요한 에너지를 절감할 수 있다.
이 경우, 도 17에 도시된 바와 같이, 차량(300)은 5G 통신방식을 통해 차량 주변에 존재하는 다른 차량들(20,30,40)과의 센서정보를 실시간으로 처리하여 충돌발생 가능성을 실시간으로 사용자에게 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 주행경로 상에 발생될 교통상황 정보들을 실시간으로 제공할 수 있다.
도 18 및 도 19는 일 실시예에 따른 차량의 외관도이다.
도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 차량(300)은 차량(300)을 이동시키는 차륜(301), 차량(300)의 외관을 형성하는 본체(302), 차륜(301)을 회전시키는 구동 장치(미도시), 차량 내부를 외부로부터 차폐시키는 도어(303), 차량 내부의 운전자에게 차량 전방의 시야를 제공하는 전면 유리(304), 운전자에게 차량 후방의 시야를 제공하는 사이드 미러(305)를 포함한다.
엔진 후드(307) 내부에 마련되는 구동 장치는 차량이 전방 또는 후방으로 이동하도록 차륜(301)에 회전력을 제공한다.
이와 같은 구동 장치는 화석 연료를 연소시켜 회전력을 생성하는 엔진(engine) 또는 축전기(미도시)로부터 전원을 공급받아 회전력을 생성하는 모터(motor)를 채용할 수 있다.
도어(303)는 본체(302)의 좌측 및 우측에 회동 가능하게 마련되어 개방 시에 운전자가 차량(300)의 내부에 탑승할 수 있도록 하며, 폐쇄 시에 차량(300)의 내부를 외부로부터 차폐시킨다.
전면 유리(304)는 본체(302)의 전방에 마련되어 내부의 운전자가 차량(300) 전방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 하는 것으로서, 윈드쉴드 글래스(windshield glass)라고도 한다.
또한, 사이드 미러(305)는 차량(300) 내부의 운전자가 본체(302) 측면 및 후방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 한다.
안테나 장치(100)는 차량(300)의 외부에 장착될 수 있다. 안테나 장치(100)는 초소형, 저자세로 구현되기 때문에 도 18의 예시와 같이, 루프 위에 장착될 수도 있고, 엔진 후드(307) 위에 장착될 수도 있으며, 그 위치에 제한이 없다.
또한, 도 19의 예시와 같이 후방 유리(306)의 상측에 장착된 샤크 안테나와 함께 일체형으로 구현되는 것도 가능하다.
또한, 안테나 장치(100)가 차량(300)에 두 개 이상 장착되는 것도 가능하다. 예를 들어, 엔진 후드(307) 위에 전방 240도 범위를 커버하는 안테나 장치(100)를 장착하고, 트렁크(308) 또는 샤크 안테나에 후방 240도 범위를 커버하는 안테나 장치(100)를 장착할 수 있다.
안테나 장치(100)의 위치나 개수에는 제한이 없으며, 안테나 장치(100)의 용도, 차량(300) 디자인, 전파의 직진성 등을 고려하여 적절한 위치와 개수, 안테나 장치(100)의 방사 범위를 결정할 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 차량의 제어 블록도이고, 도 21은 통신부에 포함된 무선 신호 변환 모듈의 구성을 나타낸 도면이다. 도 20의 제어 블록도는 차량의 통신과 관련된 구성을 도시하며, 차량의 구동이나 내부 환경 제어 등 다른 동작과 관련된 구성들은 생략되어 있다. 따라서, 도 20의 제어 블록도에 도시되지 않았다고 하여 차량(300)의 구성요소에서 제외되는 것은 아니다.
도 20을 참조하면, 차량(300)은 차량(300) 내부의 차량 통신 네트워크를 통하여 차량(300) 내부의 각종 전자 장치와 통신하는 내부 통신부(310), 차량(300) 외부의 기기, 기지국, 서버 또는 다른 차량과 통신하는 무선 통신부(330) 및 내부 통신부(310)와 무선 통신부(230)를 제어하는 제어부(320)를 포함할 수 있다.
내부 통신부(310)는 차량 통신 네트워크와 연결되는 내부 통신 인터페이스(311) 및 신호를 변조/복조하는 내부 신호 변환 모듈(312)을 포함할 수 있다.
내부 통신 인터페이스(311)는 차량 통신 네트워크를 통하여 차량(300) 내부의 각종 전자 장치로부터 송신된 통신 신호를 수신하고, 차량 통신 네트워크를 통하여 차량(300) 내부의 각종 전자 장치로 통신 신호를 송신할 수 있다. 여기서, 통신 신호는 차량 통신 네트워크를 통하여 송수신되는 신호를 의미한다.
이와 같은 내부 통신 인터페이스(311)는 통신 포트(communication port) 및 신호를 송/수신하는 송수신기(transceiver)를 포함할 수 있다.
내부 신호 변환 모듈(312)은 아래에서 설명하는 제어부(320)의 제어에 따라 내부 통신 인터페이스(311)를 통하여 수신된 통신 신호를 제어 신호로 복조하고, 제어부(320)로부터 출력된 제어 신호를 내부 통신 인터페이스(311)를 통하여 송신하기 위한 아날로그 통신 신호로 변조할 수 있다.
내부 신호 변환 모듈(312)은 제어부(320)가 출력한 제어 신호를 차량 네트워크의 통신 규약에 따른 통신 신호로 변조하고, 차량 네트워크의 통신 규약에 따른 통신 신호를 제어부(320)가 인식할 수 있는 제어 신호로 복조한다.
이와 같은 내부 신호 변환 모듈(212)는 통신 신호의 변조/복조를 수행하기 위한 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리, 메모리에 저장된 프로그램과 데이터에 따라 통신 신호의 변조/복조를 수행하는 프로세서를 포함할 수 있다.
제어부(320)는 내부 신호 변환 모듈(312)과 통신 인터페이스(311)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 통신 신호를 송신하는 경우, 제어부(320)는 통신 인터페이스(311)를 통하여 통신 네트워크가 다른 전자 장치에 의하여 점유되었는지를 판단하고, 통신 네트워크가 비어있으면 통신 신호를 송신하도록 내부 통신 인터페이스(311)와 내부 신호 변환 모듈(312)을 제어한다. 또한, 통신 신호를 수신하는 경우, 제어부(320)는 통신 인터페이스(311)를 통하여 수신된 통신 신호를 복조하도록 내부 통신 인터페이스(311)와 신호 변화 모듈(312)을 제어한다.
이와 같은 제어부(320)는 내부 신호 변환 모듈(312)과 통신 인터페이스(311)을 제어하기 위한 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리, 메모리에 저장된 프로그램과 데이터에 따라 제어 신호를 생성하는 프로세서를 포함할 수 있다.
무선 통신부(330)는 신호를 변조/복조하는 무선 신호 변환 모듈(331) 및 변조된 신호를 외부로 송신하거나 외부로부터 신호를 수신하는 안테나 장치(100)를 포함할 수 있다.
무선 신호 변환 모듈(231)은 안테나 장치(100)가 수신한 전파 신호를 복조하는 수신기와, 제어부(220)로부터 출력된 제어 신호를 외부로 송신하기 위한 전파 신호로 변조하는 송신기의 역할을 수행하므로, 송수신기(transceiver)라 할 수도 있다.
전파 신호는 고주파수(예를 들어, 5G 통신 방식의 경우 약 28GHz)의 반송파에 신호를 실어 보낸다. 이를 위하여 무선 신호 변환 모듈(331)은 제어부(320)로부터 출력된 제어 신호에 따라 고주파수(예를 들어, 5G 통신 방식의 경우 약 28GHz)의 반송파를 변조함으로써 전파 신호를 생성하고, 안테나 장치(100)가 수신한 전파 신호를 복조함으로써 신호를 복원할 수 있다.
예를 들어, 도 21에 도시된 바와 같이 무선 신호 변환 모듈(331)은 부호화기(Encoder, ENC) (331a), 변조기(Modulator, MOD) (331b), 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 부호화기(331c), 프리코더(Pre-coder)(331d), 역 고속 푸리에 변환기(Inverse Fast Fourier Transformer, IFFT)(331e), 병렬-직렬 변환기(Parallel to Serial converter, P/S)(331f), 순환 프리픽스(Cyclic Prefix, CP) 삽입기(331g), 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, DAC)(231h), 주파수 변환기(331i)를 포함할 수 있다.
L개의 제어 신호들은 부호화기(331a)와 변조기(331b)를 거쳐 다중 입출력 부호화기(331c)로 입력된다. 다중 입출력 부호화기(331c)로부터 출력된 M개의 스트림들은 프리코더(331d)에 의하여 프리코딩되어, N개의 프리코딩된 신호들로 변환된다. 프리코딩된 신호들은 역 고속 푸리에 변환기(331e), 병렬-직렬 변환기(331f), 순환 프리픽스 삽입기(331g), 디지털-아날로그 변환기(331h)를 거쳐 아날로그 신호로 출력된다. 디지털-아날로그 변환기(331h)로부터 출력된 아날로그 신호는 주파수 변환기(331i)를 통하여 라디오 주파수(Radio Frequency, RF) 대역으로 변환된다.
무선 신호 변환 모듈(331)에서 출력되는 전압/전류의 전기 신호는 안테나 장치(100)에서 전파 신호로 변환되어 외부의 자유 공간으로 방사된다.
이와 같은 무선 신호 변환 모듈(331)은 통신 신호의 변조/복조를 수행하기 위한 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리, 메모리에 저장된 프로그램과 데이터에 따라 통신 신호의 변조/복조를 수행하는 프로세서를 포함할 수 있다.
다만, 도 21에 도시된 무선 신호 변환 모듈(331)의 구성은 일 예시에 불과하며, 상기 예시 외에 다른 구성으로 구현될 수도 있음은 물론이다.
차량(300)은 안테나 장치(100)를 통해 외부의 서버나 관제 센터와 통신하여 실시간 교통 정보, 사고 정보, 차량의 상태 정보 등을 주고 받을 수 있다. 또한, 다른 차량과의 통신을 통해 각 차량에 마련된 센서가 측정한 센서 정보 등을 주고 받으면서 도로 상황에 적응적으로 대처하거나, 사고 발생 시 사고와 관련된 정보를 수집하는 것도 가능하다. 여기서, 차량에 마련된 센서는 영상 센서, 가속도 센서, 충돌 센서, 자이로 센서, 근접 센서, 조향각 센서 및 차속 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 차량(300)이 주변의 다른 차량들과 통신을 하여 신호를 주고 받는 실시예를 설명하도록 한다.
도 22 내지 도 25는 일 실시예에 따른 차량이 주변 차량과 통신을 수행하기 위해 형성하는 빔 패턴의 예시를 나타낸 도면이다.
차량(300)이 주변 차량에 신호를 전송하기 위해서는 통신 대상 차량의 위치를 파악해야 한다. 일 예로, 도 22에 도시된 바와 같이 여러 방향으로 빔 패턴(BP)을 형성하여 방사한 후에 응답(response)이 되돌아오는 방향에 주변 차량(20)이 위치하는 것으로 판단하는 빔 스캐닝을 수행할 수 있다.
구체적으로, 차량(300)은 안테나 장치(100)를 통해 전(全)방향(omnidirection) 또는 여러 방향으로 리퀘스트(request) 신호를 전송하고, 차량(300)의 주변에 위치하는 주변 차량(20)으로부터 애크(ack) 신호가 돌아오면, 애크 신호가 돌아온 방향에 주변 차량(20)이 위치하는 것으로 판단할 수 있다. 이 때, 주변 차량(20)은 애크 신호에 GPS 정보를 실어서 함께 보내는 것도 가능하다. 이 경우, 차량(300)을 기준으로 같은 방향에 중첩되어 위치하는 복수의 주변 차량들이 존재하더라도 이들을 구분할 수 있다.
여러 방향으로 빔 패턴(BP)을 형성하기 위해, 복수의 안테나 소자 중 일부 또는 전부를 순차적으로 선택할 수 있다. 여기서, 안테나 소자를 선택한다는 것은, 해당 안테나 소자의 급전부를 스위칭하여 급전하는 것을 의미한다.
안테나 소자의 선택은 스위칭부가 수행할 수 있고, 스위칭부는 제어부(320)의 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
또한, 주변 차량(20)과 통신이 연결된 후에 주변 차량(20)이 이동하거나 차량(300)이 이동하여 주변 차량(20)과 차량(300)의 상대적인 위치가 변하는 경우에는 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이 주변 차량(20)의 이동 또는 차량(300)의 이동 방향에 따라 빔 트래킹(beam tracking)을 수행할 수 있다. 여기서, 빔 트래킹은 통신 대상의 움직임 또는 상대적인 위치 변화에 따라 빔 패턴을 스위칭하는 것을 의미한다. 빔 패턴의 스위칭은 급전부의 스위칭을 통해 이루어질 수 있다.
또한, 통신 대상 주변 차량(20, 30)이 둘 이상인 경우에는 도 25에 도시된 바와 같이 각각의 통신 대상의 위치에 대응되는 안테나 소자를 선택하여 동시에 둘 이상의 주변 차량과 통신을 수행할 수 있다.
전술한 실시예에 따른 안테나 장치에 의하면, 복잡한 급전 구조나, 안테나를 기계적으로 회전시키기 위한 구조를 적용하지 않고서도 안테나 소자를 선택적으로 급전하는 것만으로 원하는 방향으로 빔 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 적층되는 안테나 소자의 개수를 조절하여 커버리지 범위를 원하는 대로 조절할 수 있다.
이러한 안테나는 저자세, 초소형으로 구현이 가능하다. 따라서, 이를 차량에 적용하여 5G 통신을 수행할 경우, 안테나 소자의 선택적 스위칭을 통한 빔 스캐닝을 이용하여 통신 대상의 위치를 용이하게 파악할 수 있다.
또한, 통신 대상 차량이 이동하더라도 안테나 소자를 스위칭하여 빔 패턴이 통신 대상 차량의 이동을 트래킹하도록 할 수 있다.
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.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용된 것으로서, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
100: 안테나 장치
110, 120, 130, 140, 150, 160: 안테나 소자
111: 상판
112: 격벽
113: 하판
115: 도파관
116: 전력 분배기
114: 급전부
300: 차량

Claims (24)

  1. 급전부, 상기 급전부로부터 공급된 전파 신호가 통과하는 도파관 및 상기 도파관을 통과한 전파 신호가 방사되는 방사 슬롯을 포함하는 복수의 안테나 소자를 포함하고,
    상기 복수의 안테나 소자는,
    정해진 각도에 따라 시프트(shift)되어 상하 방향으로 적층되고, 서로 다른 지향각을 갖는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자 중 적어도 하나를 선택하기 위해, 상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부 중 적어도 하나의 급전부를 스위칭하는 스위칭부;를 더 포함하는 안테나 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는,
    상판;
    하판; 및
    상기 상판과 하판 사이에 n개(n은 2 이상의 정수) 형성되어 n-1개의 도파관을 형성하는 격벽;을 포함하는 안테나 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상판과 상기 하판은,
    상기 복수의 기판 중 서로 인접한 두 개의 기판의 일 영역에 각각 형성되는 안테나 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 격벽은,
    임계 거리 이하로 인접하는 복수의 핀으로 형성되고,
    상기 복수의 핀은,
    상기 상판과 상기 하판에 삽입되는 안테나 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 n-1개의 도파관은,
    급전부로부터 공급된 전파 신호를 에 동일한 위상 및 동일한 진폭으로 분배하는 안테나 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 급전부와 상기 n-1개의 도파관 사이에는,
    n-1개의 유도성 포스트가 배치되는 안테나 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부가 연결되는 공통 접지부;를 더 포함하는 안테나 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자는,
    한 층에 하나씩 적층되는 안테나 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자는,
    한 층에 둘 이상씩 적층되는 안테나 장치.
  12. 안테나 장치가 장착되는 차량에 있어서,
    상기 안테나 장치는,
    급전부, 상기 급전부로부터 공급된 전파 신호가 통과하는 도파관 및 상기 도파관을 통과한 전파 신호가 방사되는 방사 슬롯을 포함하고, 정해진 각도에 따라 시프트(shift)되어 상하 방향으로 적층되고, 서로 다른 지향각을 갖는 복수의 안테나 소자를 포함하는 차량.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 안테나 장치는,
    상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부 중 적어도 하나의 급전부를 선택하는 스위칭부;를 더 포함하는 차량.
  14. 삭제
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는,
    상판;
    하판; 및
    상기 상판과 하판 사이에 n개(n은 2 이상의 정수) 형성되어 n-1개의 도파관을 형성하는 격벽;을 포함하는 차량.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상판과 상기 하판은,
    상기 복수의 기판 중 서로 인접한 두 개의 기판의 일 영역에 각각 형성되는 차량.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 격벽은,
    임계 거리 이하로 인접하는 복수의 핀으로 형성되고,
    상기 복수의 핀은,
    상기 상판과 상기 하판에 삽입되는 차량.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 n-1개의 도파관은,
    급전부로부터 공급된 전파 신호를 동일한 위상 및 동일한 진폭으로 분배하는 차량.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 급전부와 상기 n-1개의 도파관 사이에는,
    n-1개의 유도성 포스트가 배치되는 차량.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자에 포함되는 급전부가 연결되는 공통 접지부;를 더 포함하는 차량.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    통신 대상의 위치를 파악하기 위해 상기 급전부를 순차적으로 스위칭하는 차량.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    통신 대상의 위치에 대응되는 안테나 소자의 급전부를 스위칭하는 차량.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    통신 대상이 이동하면, 상기 통신 대상의 이동에 따라 상기 급전부를 스위칭하여 빔 트래킹(beam tracking)을 수행하는 차량.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    상기 차량이 이동하면, 상기 차량의 이동에 따라 상기 급전부를 스위칭하여 빔 트래킹(beam tracking)을 수행하는 차량
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