KR101775456B1 - 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나 - Google Patents

편전효과를 이용한 빔포밍 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나에 관한 것으로, 본 발명에 따른 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나는, 통신용 메인보드에서 제공되는 송신용 신호를 원하는 RF신호로 변조하여 제공하고 수신되는 신호를 복조하여 상기 메인보드에 제공하는 RF보드부와; 상기 RF보드부에서 제공되는 RF신호를 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시키고, 디바이딩된 신호들 각각의 크기와 위상을 조절하여 제공하는 빔포밍회로부와; 상기 빔포밍회로부로부터 제공되는 신호들을 편전효과를 이용하여 방사하는 편전안테나를 구비하는 안테나부를 구비한다.

Description

편전효과를 이용한 빔포밍 안테나{Beam forming antenna using electro polarization}
본 발명은 편전효과를 이용한 빔포밍(beam forming) 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 편전효과를 이용하여 전파 간섭 현상이나 음영지역 발생 또는 속도저하 현상을 극복할 수 있는 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나에 관한 것이다.
최근 스마트폰을 이용한 무선통신의 가입자가 늘고 있고, 스마트폰을 이용하여 음성통신은 물론이고 영상통신, 심지어 TV방송시청까지 하고 있어 스마트폰 사용이 늘어나는 추세에 있다. 이에 따라 서비스 사업자는 다양한 용도에 사용하고, 대역폭의 활용도를 높이기 위하여 동일 주파수를 재배치하여 사용하고 있으며, 인접한 기지국의 경우 동일한 주파수를 사용하여 서비스를 제공하고 있는 추세에 있다. 이 경우 필연적으로 동일 주파수를 사용하는 인접 기지국간의 간섭이 발생되어 인근 근접된 기지국 간의 동일 주파수 간섭으로 인하여 통신불능 사태와 음역지역 발생 및 심지어 기지국 통신기의 고장까지 발생되는 문제점이 발생된다.
이러한 동일 주파수 간섭을 해결하는 좋은 방법으로는 기지국 안테나의 배열에 전자회로를 넣어 전자적 제어를 통하여 빔을 샤프하게 만들어 필요한 사용자에게만 전파를 발사하는 공간분할형 전파방식인 빔포밍 방법이 제안되었다.
이러한 빔포밍 방식의 전파를 보내기 위해서는 안테나의 배열을 MxN 구조로 배열하고 각 배열된 안테나 라디에이터에 제어용 전자회로를 부착하여 마이크로프로세서로 방향제어를 하게 된다. 이 경우에 인접하는 라디에이터에 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 신호를 배치하게 되면 인접되는 안테나의 간섭신호로 인하여 거리가 먼 사용자 단말기로 전파가 가기 전에 인접안테나로 전파가 수신되는 전파 간섭이 일어나 기지국 안테나 구현이 어렵게 된다. 또한, 인접하는 타 기지국에서 발생하는 전파와 충돌하여 전파 간섭현상이 발생되고 이로 인하여 통신상의 장애가 발생되고 음영지역 발생 및 속도 저하 현상이 발생되는 문제점이 있다.
(1) 대한민국 등록특허 제10-1017690호(2011.02.18.) (2) 대한민국 등록특허 제10-1547474호(2015.08.20.) (3) 대한민국 등록특허 제10-1591920호(2016.01.29.)
따라서 본 발명의 목적은, 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 편전효과를 이용한 빔포밍안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 오픈공간에서도 간섭이 없고 고이득이 가능한 안테나의 구현이 가능하고, 인근 기지국의 동일 주파수 간섭상황에서도 서로 간섭없는 안테나를 구현할 수가 있게 되어 초고속 데이터 서비스가 가능한 미래형 기지국 안테나 구성이 가능한 편전효과를 이용한 빔포밍안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 편전효과 및 빔포밍 방법을 이용하여 초고속 MIMO형 빔포밍 기지국용 안테나 및 점대점 혹은 점대다점, 이동형 기지국의 무선백홀용 안테나를 구현하는 것이 가능한 편전효과를 이용한 빔포밍안테나를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나는, 통신용 메인보드에서 제공되는 송신용 신호를 원하는 RF신호로 변조하여 제공하고 수신되는 신호를 복조하여 상기 메인보드에 제공하는 RF보드부와; 상기 RF보드부에서 제공되는 RF신호를 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시키고, 디바이딩된 신호들 각각의 크기와 위상을 조절하여 제공하는 빔포밍회로부와; 상기 빔포밍회로부로부터 제공되는 신호들을 편전효과를 이용하여 방사하는 편전안테나를 구비하는 안테나부를 구비한다.
상기 빔포밍회로부는, 상기 RF보드부에서 제공되는 RF신호를 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시키는 분리합성기와; 상기 분리합성기를 통해 디바이딩된 신호들 각각의 위상과 크기를 조절하여 출력하는 복수의 송신 빔포밍회로들을 구비하되, 상기 송신빔포밍회로들 각각은, 디바이딩된 신호의 크기를 조절하기 위한 제1감쇄기(attenuator)와, 크기가 조절된 신호의 위상을 조절하기 위한 제1위상변환기(phase shifter) 및 크기조절 및 위상조절된 신호를 증폭하여 전송하기 위한 제1증폭기(HPA)를 구비한다.
상기 빔포밍회로부는, 상기 안테나부를 통해 수신된 각 신호들을 위한 수신 빔포밍회로부들을 더 구비하고, 상기 수신빔포밍회로들 각각은, 상기 안테나부를 통해 수신된 수신신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기 타입의 제2증폭기와, 상기 제2증폭기를 통해 증폭된 수신신호에 대한 위상조절을 수행하기 위한 제2위상변환기와, 상기 제2위상변환기를 통해 위상조절된 수신신호에 대한 크기를 조절하기 위한 제2감쇄기(attenuator)를 구비하고, 상기 분리합성기는 상기 수신빔포밍회로들로부터 제공되는 복수의 수신신호들을 결합하여 상기 RF보드부로 제공할 수 있다.
상기 안테나부는, 편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들을 구비하는 회로기판과, 상기 복수의 편파스트립 선로들과 결선되는 적어도 하나의 방사안테나로 이루어진 편전효과를 이용한 미모안테나를 구비할 수 있다.
상기 회로기판에는, 0도 편파신호를 발생시키는 0도 편파스트립 선로와; 45도 편파신호를 발생시키는 45도 편파스트립 선로와; 90도 편파신호를 발생시키는 90도 편파스트립 선로와; 135도 편파신호를 발생시키는 135도 편파스트립 선로가 형성될 수 있다.
상기 안테나부는, 회로기판의 일측면에 수평편파를 발생시키기 위한 수평편파스트립 복수개를 배치하여 형성하는 수평편파선로가 형성되고, 상기 수평편파선로에 대응하기 위해 회로기판의 반대측면에 형성되어 수직편파를 발생시키기 위한 수직편파스트립 복수개를 배치하여 형성되는 수직편파선로 및 상기 수평편파선로와 수직편파선로와 결선되는 방사안테나로 구성되는 편전 효과를 이용한 지향성 미모안테나를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 오픈공간에서도 간섭이 없고 고이득이 가능한 안테나의 구현이 가능하고, 인근 기지국의 동일 주파수 간섭상황에서도 서로 간섭없는 안테나를 구현할 수가 있게 되어 초고속 데이터 서비스가 가능한 미래형 기지국 안테나 구성이 가능한 장점이 있다. 또한, 초고속 MIMO형 빔포밍 기지국용 안테나 및 점대점 혹은 점대다점, 이동형 기지국의 무선백홀용 안테나를 구현하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에서 이용되는 편전효과를 설명하기 위한 개요도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나의 블록도이고,
도 3은 도 2의 빔포밍회로부의 구체구성을 나타낸 블록도이고,
도 4 내지 도 6은 도 2의 안테나부에 포함되는 편전효과를 이용한 미모안테나를 구성하는 회로기판의 선로도들이고,
도 7은 도 4 내지 6의 미모안테나의 측면도이고,
도 8은 4X4 미모 안테나를 위한 빔포밍 회로부의 구체구성을 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에서 이용되는 편전효과를 설명하기 위한 개요도이다.
도 1을 참조하여 편전효과에 대하여 간략하게 설명하면, 회로기판 상에 구현되는 마이크로스트립에 신호를 인가하게 되면, 인가된 신호의 '+'와 '-'의 신호가 각각 위상차에 따라 분리되고, 분리된 신호에 의해 안테나 급전이 이루어지게 되어 편전효과가 발생하게 된다.
이는 유전체 회로기판 상에 스트립선로를 이용하여, 입력포트 및 신호를 분배하기 위한 T분배기와 180도 신호위상 변환기를 금속스트립선로로 구성하고, 금속판을 패치 안테나의 라디에이터로 적용하여 발생되는 편전효과를 이용하기 때문에 가능한 것이다.
이러한 편전효과를 발생시키기 위해 각각 편파되는 스트립들을 동일기판 상에 배치하여 안테나 효과를 나타내게 되는 것이다.
이와 관련한 구체적인 설명은 대한민국 등록특허 제10-1017690호(편전효과와 그 응용)에서 설명하고 있는 공지기술이므로 생략하도록 한다.
본 발명은 대한민국 등록특허 제10-1017690호(편전효과와 그 응용)에서 설명하고 있는 편전효과를 이용하여 더욱 고도화 하고 보다 정밀한 편파효과를 통해 신호 손실이 적으면서도 신호간섭이 없는 안테나를 구현하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나의 블록도이고, 도 3은 도 2의 빔포밍회로부의 구체구성을 나타낸 블록도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 일 실시예에 따른 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나(600)는 RF보드부(300), 빔포밍 회로부(400), 및 안테나부(500)를 구비한다.
상기 RF보드부(300)는 통신용 메인보드에서 제공되는 송신용 신호를 원하는 RF신호로 변조하여 제공하고, 상기 안테나부(500)를 통해 수신되는 신호를 복조하여 상기 메인보드에 제공한다.
상기 빔포밍회로부(400)는 상기 RF보드부(300)에서 제공되는 RF신호를 상기 안테나부(500)의 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시키고, 디바이딩된 신호들 각각의 크기와 위상을 조절하여 제공한다.
상기 안테나부(500)는 상기 빔포밍회로부(400)로부터 제공되는 신호들을 편전효과를 이용하는 편전안테나를 복수개로 구비하게 된다.
상기 빔포밍 회로부(400)는 구체적으로, 분리합성기(490)와 복수의 송신 빔포밍회로(470a)들 및 복수의 수신 빔포밍회로(470b)들을 구비하고, 제1스위치(480a), 제2스위치(480b)를 구비한다.
상기 분리합성기(490)는 신호 송신시에는 상기 RF보드부(300)에서 제공되는 RF신호를 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시켜 상기 복수의 송신 빔포밍회로(470a)들 각각에 제공하고, 신호수신시에는 상기 복수의 수신빔포밍회로(470b)들로부터 제공되는 복수의 수신신호들을 결합(combine)하여 상기 RF보드부(300)로 제공하게 된다.
상기 송신빔포밍회로(470a)들은 상기 분리합성기(490)를 통해 디바이딩된 신호들 각각의 위상과 크기를 조절하여 상기 안테나부(500)로 출력한다.
상기 송신빔포밍회로(470a)들 각각은, 디바이딩된 신호의 크기를 조절하기 위한 제1감쇄기(attenuator)(410)와, 크기가 조절된 신호의 위상을 조절하기 위한 제1위상변환기(phase shifter)(420) 및 크기조절 및 위상조절된 신호를 증폭하여 전송하기 위한 제1증폭기(HPA)(430)를 구비할 수 있다.
상기 수신빔포밍 회로(470b)들은 상기 안테나부(500)를 통해 수신된 각 신호들 각각의 위상과 크기를 조절하여 상기 분리합성기(490)로 전송한다.
상기 수신빔포밍회로(470b)들 각각은, 상기 안테나부(500)를 통해 수신된 수신신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기 타입의 제2증폭기(460)와, 상기 제2증폭기(460)를 통해 증폭된 수신신호에 대한 위상조절을 수행하기 위한 제2위상변환기(450)와, 상기 제2위상변환기(450)를 통해 위상조절된 수신신호에 대한 크기를 조절하기 위한 제2감쇄기(attenuator(440))를 구비할 수 있다.
상기 제1스위치(480a)는 신호 송신시에 상기 분리합성기(490)와 상기 송신빔포밍회로(470a)들을 연결하고 신호 수신시에 상기 분리합성기(490)와 상기 수신 빔포밍회로(470b)들을 연결할 수 있다. 그리고 상기 제2스위치(480b)는 신호 송신시에 상기 안테나부(500)와 상기 송신빔포밍회로(470a)들을 연결하고 신호 수신시에 상기 안테나부(500)와 상기 수신 빔포밍회로(470b)들을 연결할 수 있다.
그리고 상기 빔포밍 회로부(400)는 상기 송신빔포밍회로(470a) 및 상기 수신빔포밍 회로(470b)를 컨트롤하기 위한 컨트롤러(455)를 구비하여, 각각의 송신빔포밍호뢰(470a) 및 각각의 수신 빔포밍회로(470b)에 적절한 위상제어값과 크기값으로 실시간 제어를 수행하게 된다.
상기 빔포밍회로부(400)를 구성하는 상기 송신 빔포밍회로(470a)들 및 수신 빔포밍회로(470b)들은 상기 안테나부(500)를 구성하는 MxN 안테나 어레이의 안테나 배열 숫자만큼 구비될 수 있다. 상기 빔포밍회로부(400)는 전체 MxN 배열의 안테나 엘리먼트 계수를 빔포밍제어보드를 통하여 전체 MxN 안테나 어레이의 위상과 ATT 팩터를 제어함으로 인하여 원하는 방향의 전파가 형성되도록 한다. 이를 위하여 여 MxN 배열의 안테나 팩터를 제어하는 테이블 값을 상기 빔포밍회로부(400)가 가지고 있으며, 상기 메인보드에서 받은 사용자 위치 정보를 근거로 원하는 방향으로 샤프한 빔을 방사할 수 있도록 회로가 구성된다.
구성예로서 아래의 좌측(case1)은 안테나 어레이 MxN 이 8x8 어레이 이고 4X4 MIMO인 안테나 구성을 위한 빔포밍 회로 구성 테이블이고, 아래 우측(case2)은 MxN 어레이가 4x4 이고 4x4 MIMO인 의 안테나 구성을 위한 빔포밍 회로 구성 테이블을 나타낸다.
Figure 112016041088585-pat00001
상술한 구성을 가지는 본 발명의 구체적 동작은 다음과 같다.
통신 신호는 상기 RF 보드부(300)에서 원하는 주파수로 변환되고 1x1 SISO 신호, 혹은 2x2 MIMO신호, 3x3 MIMO신호, 4x4 MIMO신호, 6x6 MIMO신호, 8x8 MIMO신호 등으로 멀티플렉싱 된다. MIMO(Multiple Input Multiple Output)신호로 멀티플렉싱 된 신호는 멀티플렉싱 숫자의 RF 신호로 빔포밍회로부(400)로 입력된다.
상기 빔포밍회로부(400)에서는 상기 RE 보드부(300)에서 RF(고주파) 신호로 변환되어 제공되는 고주파 신호를 상기 분리합성기(490)를 통해 MxN 배열의 신호들로 디바이딩 하고, 상기 송신 빔포밍회로(470a)를 통해 위상과 크기를 적절한 값으로 변화시켜 빔포밍 방향을 제어 한다. 여기서 입력된 RF 신호는 MxN 안테나 배열숫자만큼 디바이드 된다. 다음 상기 송신 빔포밍 회로(470a)를 거친 송신신호는 상기 안테나부(500)를 통해 전파로 방사된다. 상기 안테나부(500)는 편전효과를 이용한 안테나를 구비하여 전파를 방사하게 된다.
수신신호는 상기 안테나부(500)의 안테나 라디에이터를 통하여 수신되어 고주파 신호로 변환된 다음 상기 수신 빔포밍회로(470b)를 통하여 상기 분리합성기(490)로 MxN 디바이딩 신호들로 입력되고 상기 분리합성기(490)에서 하나의 신호로 합쳐진 후에 상기 RF보드부(300)로 입력된다.
본 발명에서는 상기 안테나부(500)가 편전효과를 이용한 편전안테나로 구성될 수 있다. 상기 안테나부(500)는 발명의 명칭이 "편전효과를 이용한 지향성 미모안테나"인 대한민국 등록특허 제10-1591920호(2016.01.29.)에 기재된 미모안테나가 상기 안테나부(300)의 구성요소로 포함될 수 있다.
구체적으로, 대한민국 등록특허 제10-1591920호(2016.01.29.)의 명세서에 상세히 설명하고 있는 바와 같이, 회로기판의 일측면에 수평편파를 발생키기 위해 마이크로스트립을 한쌍의 노드의 이격 방향이 수평방향을 향하도록 수평편파스트립을 형성하고, 상기 수평편파스트립 복수개를 배치하여 형성하는 수평편파선로가 형성되고, 상기 수평편파선로에 대응하기 위해 회로기판의 반대측면에 형성되어 수직편파를 발생시키기 위해 마이크로스트립을 한쌍의 노드의 이격방향이 수직방향으로 향하도록 수직편파스트립을 형성하고, 상기 수직편파스트립 복수개를 배치하여 형성되는 수직편파선로 및 상기 수평편파선로와 수직편파선로와 결선되는 방사안테나로 구성되되, 상기 수평편파선로와 수직편파선로에 각각 형성되는 수평편파스트립과 수직편파스트립에 결선되어 신호의 송신 및 수신을 담당하는 방사안테나는 수평편파스트립의 노드에 결선되는 제1리드핀과 회로기판을 관통하여 수직편파스트립의 노드에 결선되는 제2리드핀에 의해 수평편파선로와 수직편파선로에 인가된 신호를 방사하는 것을 특징으로 하는 편전 효과를 이용한 지향성 미모 안테나가 상기 안테나부(300)를 구성하는 안테나로 포함될 수 있다.
이외에 대한민국 등록특허 제10-1591920호(2016.01.29.)의 명세서에서 설명하고 있는 모든 편전 효과를 이용한 지향성 미모 안테나가 상기 안테나부(300)를 구성하는 안테나로 포함될 수 있다.
또한 상기 안테나부(500)는 또 다른 편전효과를 이용한 미모안테나가 포함될 수 있다. 이는 도 4 내지 도 7을 통해 설명한다.
도 4 내지 도 6은 도 2의 안테나부(500)에 포함되는 편전효과를 이용한 미모안테나를 구성하는 회로기판의 선로도들이고, 도 7은 도 4 내지 6의 미모안테나의 측면도이다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 미모안테나는 회로기판(100) 및 방사안테나(200)를 구비한다.
상기 회로기판(100)은 통상의 PCB 기판, 유전체 기판 등을 포함하며, 에칭 또는 프린팅 등의 방법을 통하여 마이크로 스트립 선로 등 편파스트립 선로의 구현이 가능한 모든 기판을 포함할 수 있다.
상기 회로기판(100)에는 편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들(110,120,130,140)이 구비된다.
상기 방사안테나(200)는 상기 복수의 편파스트립 선로들(110,120,130,140)과 결선되며 적어도 하나가 구비되게 된다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회로기판(100)에 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들(110,120,130,140)을 형성한다.
예를 들어, 상기 회로기판(100)에 0도, 45도, 90도, 135도 4개의 각도에 해당하는 편파스트립 선로들(110,120,130,140)을 형성한다.
0도 편파스트립 선로(110)는 제1입력포트(P1)를 가지고 0도 위상의 편파신호를 발생시키기 위해 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(110a,110b)의 이격방향이 0도 방향(수평방향)을 향하도록 형성하고, 45도 편파스트립 선로(120)는 제2입력포트(P2)를 가지고 45도 위상의 편파신호를 발생시키기 위한 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(120a,120b)의 이격방향이 45도 방향을 향하도록 형성한다.
90 도 편파스트립 선로(130)는 제3입력포트(P3)를 가지고 90도 위상의 편파신호를 발생시키기 위해 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(130a,130b)의 이격방향이 90도 방향(수직방향)을 향하도록 형성하고, 135도 편파스트립 선로(140)는 제4입력포트(P4)를 가지고 135도 위상의 편파신호를 발생시키기 위하 마이크로 스트립을 한쌍의 노드(140a,140b)의 이격방향이 135도 방향을 향하도록 형성한다.
상기 0도 편파스트립 선로(110)의 한쌍의 노드(110a,110b), 상기 45도 편파스트립 선로(120)의 한쌍의 노드(120a,120b), 상기 90도 편파스트립 선로(130)의 한쌍의 노드(130a,130b), 상기 135도 편파스트립 선로(140)의 한쌍의 노드(140a,140b) 각각은 도 7에 도시된 바와 같이 방사안테나(200)의 리드핀(250)에 결선된다. 상기 회로기판(100)과 상기 방사안테나(200)의 결선방식은 통상의 기술자에게 잘 알려진 방식이 이용될 수 있다.
여기서 상기 방사안테나는, 상기 0도 편파스트립 선로(110) 및 상기 90도 편파스트립 선로(130)와 결선되어 0도 편파신호 및 90도 편파신호를 방사하기 위한 제1방사안테나(200a)와, 상기 45도 편파스트립 선로(120) 및 상기 135도 편파스트립 선로(140)와 결선되어 45도 편파신호 및 135도 편파신호를 방사하기 위한 제2방사안테나(200b)를 구비할 수 있다.
여기서 0도 편파스트립 선로(110)와 90 도 편파스트립 선로(130)는 대한민국 등록특허 제10-1017690호(편전효과와 그 응용)에서 설명하고 있는 바와 같이, 아이솔레이션 특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 같은 원리로 45도 편파스트립 선로(120)와 135도 편파스트립 선로(130) 또한 아이솔레이션 특성이 우수하게 된다.
그러나 0도 편파스트립 선로(110)와 45도 편파스트립 선로(120) 간, 90도 편파스트립 선로(130)와 135도 편파스트립 선로(140)에는 아이솔레이션 특성이 우수하지 않아 0도 편파신호와 45도 편파신호, 90도 편파신호와 135도 편파신호 간에는 채널 간 간섭현상이 나타날 수 있다.
이러한 문제점을 해결하고 각 편파스트립 회로 사이의 각도를 정확하게 유지하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 0도 편파스트립 선로(110)와 상기 45도 편파스트립 선로(120)사이의 위상보정을 위하여 제1위상보정선로(125)를 구성하고, 상기 90도 편파스트립 선로(130)와 상기 135도 편파스트립 선로(140) 사이에 위상보정을 위한 제2위상보정선로(135)를 구성하게 된다.
상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135)를 통해 위상을 보정하게 되면, 0도와 45도, 90도와 135도 편파신호들 사이의 위상차이를 보상하게 되면 전체적으로 각 편파 사이의 위상차이를 45도씩 정확하게 위상보정하게 된다. 이에 따라 전체적으로 0도, 45도, 90도, 135도 4개의 편파신호를 가지면서 각 편파 사이의 아이솔레이션을 높일 수 있는 4X4 미모(MIMO) 안테나 구현이 가능하게 한다.
상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135) 각각은 관내파장(λg)의 45도 + 360xN(N은 양의정수)에 해당하는 선로 길이를 가지게 된다.
이에 따라 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135)를 통하여 신호가 전달되면, 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135) 각각의 선로의 길이에 해당되는 45도의 위상만큼 위상차이가 생기게 된다.
이때 사용하는 주파수의 신호로 연결하면 사용하는 주파수의 신호가 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135)를 통해 전달되어 신호 손실의 문제점이 발생될 수 있다.
이를 방지하기 위하여 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1위상보정선로(125) 및 상기 제2위상보정선로(135) 각각에 사용주파수 신호는 차단하고 상기 사용주파수 신호와 인접되는 주파수의 신호를 통과시켜 위상결합을 수행하기 위한 대역통과필터(150a,150b)가 구비될 수 있다.
즉 상기 제1위상보정선로(125) 사이에 제1대역통과필터(150a)를 연결하고, 상기 제2위상보정선로(135) 사이에 제2대역통과필터(150b)가 연결되게 되면, 상기 0도 편파스트립 선로(110)와 상기 45도 편파스트립 선로(120)사이 및 상기 90도 편파스트립 선로(130)와 상기 135도 편파스트립 선로(140) 사이에 원하는 위상차이를 만들 수 있게 되고, 사용하는 주파수의 신호에 대한 손실은 없게 된다.
결과적으로, 0도 편파스트립 선로(110)와 상기 45도 편파스트립 선로(120)사이의 제1위상보정선로(125) 사이에 제1대역통과필터(150a)를 구성하여, 0도 편파스트립 선로(110)의 제1입력포트(P1)을 통하여 들어오는 신호(예를 들면, 5.1GHz~5.8GHz)와 인접하면서 사용하지 않는 대역의 주파수 신호(예를 들면, 5.0GHz 또는 6.0GHz)를 이용하여 정밀 위상 결합을 얻을 수 있게 된다. 또한, 0도 편파스트립 선로(110)를 통하여 급전되는 고주파 신호와 45도 편파스트립 선로(120)를 통하여 급전되는 고주파 신호와의 결합과 위상 차이를 얻어 결과적으로 방사안테나(200)에서 방사되는 0도 편파신호와 45도 편파신호사이의 아이솔레이션을 극대화 할수 있게 된다.
그리고, 90도 편파스트립 선로(130)와 상기 135도 편파스트립 선로(140)사이의 제2위상보정선로(135) 사이에 제2대역통과필터(150b)를 구성하여, 90도 편파스트립 선로(130)의 제3입력포트(P3)을 통하여 들어오는 신호(예를 들면, 5.1GHz~5.8GHz)와 인접하면서 사용하지 않는 대역의 주파수 신호(예를 들면, 5.0GHz 또는 6.0GHz)를 이용하여 정밀 위상 결합을 얻을 수 있다. 또한, 90도 편파스트립 선로(130)를 통하여 급전되는 고주파 신호와 135도 편파스트립 선로(140)를 통하여 급전되는 고주파 신호와의 결합과 위상 차이를 얻어 결과적으로 방사안테나(200)에서 방사되는 90도 편파신호와 135도 편파신호사이의 아이솔레이션을 극대화 할 수 있게 된다.
상술한 구성을 가지는 미모 안테나에서, 0도 편파스트립 선로(110)를 통하여 발생되는 0도 편파신호와 45도 편파스트립 선로(120)를 통하여 발생되는 45도 편파신호는 상기 제1위상보상선로(125) 와 상기 제1대역통과필터(150a)를 통하여 위상차이가 정밀하게 조절되면서 동기신호가 만들어진다.
이에 따라 0도 편파전파는 게인이 9dBi 이상이 되고, 45도 편파전파는 게인이 9dBi 이상 되면서 그 사이의 아이솔레이션은 20dBi 이상 얻을 수 있게 된다.
또한, 90도 편파스트립 선로(130)를 통해 발생되는 90도 편파신호와 135도 편파스트립 선로(140)를 통하여 발생되는 135도 편파신호는 상기 제2위상보상선로(135)와 상기 제2대역통과필터(150b)를 통하여 위상차이가 정밀하게 조정되면서 동기신호가 만들어지게 된다. 이에 따라 90도 편파전파는 게인이 9dBi 이상되고, 135도 편파전파는, 게인이 9dBi 이상 되면서 그 사이의 아이솔레이션은 20dBi 이상 얻을 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 4X4 미모(MIMO) 전파가 발생되는 안테나가 구현이 되면, 4개의 편파인 0도, 45도, 90도, 135도 편파의 전파의 효율이 90%이상이 되고 각 4개의 편파 안테나 게인이 9dBi 이상이 되며, 4개의 편파신호들의 이이솔레이션을 20dBi 이상 최대 30dBi 까지 얻을 수 있게 된다.
도 8은 도 4 내지 도 7을 통해 설명한 4x4 MIMO 인 안테나의 경우 빔포밍 회로와 안테나 연결의 경우를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 안테나부(500)를 구성하는 전체 8x8 배열의 안테나 어레이가 4x4 MIMO 인 경우 전체 안테나 엘리먼트는 256개가 되며, 빔포밍 회로 역시 256개가 필요해진다. 상기 빔포밍회로부(400)는 전체 256개 송신빔포밍회로(470a)들 및 수신빔포밍회로(470b)들을 통해 전파가 원하는 방향으로 제어를 하게 된다.
이로서 4x4 MIMO 가 되면서 각 MIMO 사이의 간섭은 최소화 되고 MxN 어레이를 통하여 빔이 샤프하면서 원하는 방향으로 제어가 가능한 MIMO형 빔포밍안테나를 구현할 수가 있게 된다.
결과적으로 본 발명에 따르면, MIMO 형의 전파를 내면서 각 MIMO간의 간섭을 최소화 하고, 사용자가 있는 단말기 위치만으로 전파를 보내어 인접하는 동일 주파수를 사용하는 타 기지국의 간섭 신호로부터 간섭의 영향을 받지 않고도 기지국과 사용자 단말기 간의 LOS(Line Of Sight)구간에 초고속 MIMO 통신을 사용자 단말기에 서비스 할 수가 있게 된다. 또한 MIMO형의 전파를 오픈공간상에서 서로 발사하여 링크를 구축하여 무선백홀을 구현할 수가 있게 되고 이동형 무선백홀 및 점대다점의 무선백홀을 구현할 수가 있게 된다. 그리고, 편전 현상을 이용하여 복수개의 편파 MIMO 안테나를 MxN 배열의 어레이 안테나를 이용하여 게인이 높고 빔이 매우 좁은 전파를 사용자에 포커싱 할 수 있게 되어 인근 기지국에서 나오는 동일 주파수가 서로 다른 공간에 발사됨으로 인해 전파 간섭에서부터 해방될 수 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
300 : RF보드부 400 : 빔포밍회로부
500 : 안테나부

Claims (6)

  1. 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나에 있어서:
    통신용 메인보드에서 제공되는 송신용 신호를 원하는 RF신호로 변조하여 제공하고 수신되는 신호를 복조하여 상기 메인보드에 제공하는 RF보드부와;
    상기 RF보드부에서 제공되는 RF신호를 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시키고, 디바이딩된 신호들 각각의 크기와 위상을 조절하여 제공하는 빔포밍회로부와;
    상기 빔포밍회로부로부터 제공되는 신호들을 편전효과를 이용하여 방사하는 편전안테나를 구비하는 안테나부를 구비하고,
    상기 안테나부는,
    편전효과를 이용하여 서로 다른 각을 가지는 편파신호들을 각각 발생하는 복수의 편파스트립 선로들을 구비하는 회로기판과, 상기 복수의 편파스트립 선로들과 결선되는 적어도 하나의 방사안테나와, 상기 복수의 편파스트립 선로들 중 적어도 두 개의 편파스트립 선로들 사이에 위상보정을 위한 위상보정선로로 이루어진 미모(MIMO)안테나를 구비하고,
    상기 회로기판에는,
    0도 편파신호를 발생시키는 0도 편파스트립 선로와;
    45도 편파신호를 발생시키는 45도 편파스트립 선로와;
    90도 편파신호를 발생시키는 90도 편파스트립 선로와;
    135도 편파신호를 발생시키는 135도 편파스트립 선로가 형성되고,
    상기 위상보정선로는,
    상기 0도 편파스트립 선로와 상기 45도 편파스트립 선로 사이에 구비되는 제1위상보정선로와;
    상기 90도 편파스트립 선로와 상기 135도 편파스트립 선로사이에 구비되는 제2위상보정선로를 포함함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 빔포밍회로부는,
    상기 RF보드부에서 제공되는 RF신호를 안테나 배열숫자 만큼 디바이딩시키는 분리합성기와;
    상기 분리합성기를 통해 디바이딩된 신호들 각각의 위상과 크기를 조절하여 출력하는 복수의 송신 빔포밍회로들을 구비하되,
    상기 송신 빔포밍회로들 각각은, 디바이딩된 신호의 크기를 조절하기 위한 제1감쇄기(attenuator)와, 크기가 조절된 신호의 위상을 조절하기 위한 제1위상변환기(phase shifter) 및 크기조절 및 위상조절된 신호를 증폭하여 전송하기 위한 제1증폭기(HPA)를 구비함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 빔포밍회로부는,
    상기 안테나부를 통해 수신된 각 신호들을 위한 수신 빔포밍회로들을 더 구비하고,
    상기 수신 빔포밍회로들 각각은, 상기 안테나부를 통해 수신된 수신신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기 타입의 제2증폭기와, 상기 제2증폭기를 통해 증폭된 수신신호에 대한 위상조절을 수행하기 위한 제2위상변환기와, 상기 제2위상변환기를 통해 위상조절된 수신신호에 대한 크기를 조절하기 위한 제2감쇄기(attenuator)를 구비하고,
    상기 분리합성기는 상기 수신 빔포밍회로들로부터 제공되는 복수의 수신신호들을 결합하여 상기 RF보드부로 제공함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 미모 안테나는,
    상기 제1위상보정선로 상에 구비되는 제1대역통과필터와;
    상기 제2위상보정선로 상에 구비되는 제2대역통과필터를 더 구비함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 방사안테나는,
    상기 0도 편파스트립 선로 및 상기 90도 편파스트립 선로와 결선되어 상기 0도 편파신호 및 상기 90도 편파신호를 방사하기 위한 제1방사안테나와;
    상기 45도 편파스트립 선로 및 상기 135도 편파스트립 선로와 결선되어 상기 45도 편파신호 및 상기 135도 편파신호를 방사하기 위한 제2방사안테나를 구비함을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 빔포밍 안테나.
  6. 삭제
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