KR101857459B1 - 빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템 - Google Patents

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Abstract

빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템이 개시된다. 예시적인 실시예에 따른 빔 포밍 장치는, 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서, 입력 전원이 입력되는 복수 개의 입력 포트, 입력 단자가 입력 포트와 연결되는 적어도 하나의 하이브리드 커플러, 및 복수 개의 입력 포트 중 적어도 2개의 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하고, 전원 공급부는, 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절한다.

Description

빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템{APPARATUS FOR BEAM FORMING AND ANTENNA SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명의 실시예는 빔 포밍(Beam Forming) 기술과 관련된다.
빔 포밍은 안테나의 방향성을 강화시켜 낮은 전력으로 잡음에 강하면서 고속의 무선 통신을 가능하게 하는 안테나 기술이다. 빔 포밍 기술에는 디지털 방식 및 아날로그 방식이 있으며, 이 중 아날로그 방식에서는 빔 조향을 위해 별도의 위상 쉬프터(Phase Shifter)를 사용하게 된다.
한국공개특허공보 제10-2016-0147499호(2016.12.23) 한국등록특허공보 제10-1045343호(2011.06.30)
본 발명의 실시예는 별도의 위상 쉬프터 없이 전방향의 지향성을 가지는 빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템을 제공하기 위한 것이다.
개시되는 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치는, 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서, 입력 전원이 입력되는 복수 개의 입력 포트; 입력 단자가 상기 입력 포트와 연결되는 적어도 하나의 하이브리드 커플러; 및 상기 복수 개의 입력 포트 중 적어도 2개의 입력 포트로 상기 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하고, 상기 전원 공급부는, 상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절할 수 있다.
상기 하이브리드 커플러는, 2개의 입력 단자를 각각 구비하고, 상기 2개의 입력 단자가 상기 복수 개의 입력 포트들 중 2개의 입력 포트와 각각 연결되는 적어도 하나의 입력 측 하이브리드 커플러; 및 상기 입력 측 하이브리드 커플러와 상기 안테나 어레이 사이에 마련되고, 상기 입력 측 하이브리드 커플러로부터 출력되는 전원을 상기 안테나 어레이로 공급하는 적어도 하나의 출력 측 하이브리드 커플러를 포함할 수 있다.
개시되는 다른 실시예에 따른 빔 포밍 장치는, 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서, 제1 입력 단자에 제1 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제2 입력 포트가 연결되는 제1 하이브리드 커플러; 제1 입력 단자에 제3 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제4 입력 포트가 연결되는 제2 하이브리드 커플러; 제1 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제1 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제2 출력 포트가 연결되는 제3 하이브리드 커플러; 제1 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제3 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제4 출력 포트가 연결되는 제4 하이브리드 커플러; 및 상기 제1 입력 포트 내지 제4 입력 포트들 중 적어도 2개의 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함한다.
상기 전원 공급부는, 상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절할 수 있다.
상기 제1 하이브리드 커플러 및 상기 제2 하이브리드 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 제1 방향을 따라 상호 이격하여 마련되고, 상기 제2 하이브리드 커플러 및 상기 제4 하이브리 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 상호 이격하여 마련되며, 상기 제1 방향의 중심축인 제1 축을 기준으로 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트와 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트가 상호 대칭하여 마련되고, 상기 제2 방향의 중심축인 제2 축을 기준으로 상기 제1 출력 포트 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 출력 포트 및 상기 제4 출력 포트가 상호 대칭하여 마련될 수 있다.
상기 제3 출력 포트는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 포함하는 좌표계의 제1 사분면에 위치하고, 상기 제4 출력 포트는 상기 좌표계의 제2 사분면에 위치하며, 상기 제1 출력 포트는 상기 좌표계의 제3 사분면에 위치하고, 상기 제2 출력 포트는 상기 좌표계의 제4 사분면에 위치할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기시키고, 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 45°와 - 45°사이에서 조절할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기시키고, 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 45°와 - 135°사이에서 조절할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기시키고, 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 135°와 + 135°사이에서 조절할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기시키고, 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 135°와 + 45°사이에서 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 입력 전원을 복수 개의 입력 포트들 중 적어도 2개의 입력 포트로 동시에 입력하면서 그 전원 비율을 조정함으로써, 별도의 위상 쉬프터 없이도 안테나 어레이의 지향성을 360도 전 방향 내에서 조절할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치의 구성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템의 구성을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치에서 제1 입력 포트 내지 제4 입력 포트에 순차적으로 입력 전원을 선택적 인가하였을 때, 제1 출력 포트 내지 제4 출력 포트의 출력 신호 및 안테나 어레이의 빔 지향성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치에서 제1 입력 포트 및 제2 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 인가할 때, 제1 출력 포트 내지 제4 출력 포트의 출력 신호 및 안테나 어레이의 빔 지향성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이의 빔 패턴을 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
한편, 상측, 하측, 일측, 타측 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 하이브리드 커플러(10)는 제1 입력 단자(10a), 제2 입력 단자(10b), 제1 출력 단자(10c), 및 제2 출력 단자(10d)를 포함할 수 있다. 제1 입력 단자(10a) 및 제2 입력 단자(10b)는 상하 대칭하여 형성되고, 제1 출력 단자(10c) 및 제2 출력 단자(10d)는 상하 대칭하여 형성될 수 있다. 여기서, 제1 입력 단자(10a)로 신호가 입력되고, 제2 입력 단자(10b)는 아이솔레이션(Isolation) 될 수 있다.
제1 입력 단자(10a)로 신호 크기가 A이고, 위상이 0°인 신호(A∠0)가 입력되는 경우, 제1 입력 단자(10a)와 직선 방향에 위치한 제1 출력 단자(10c)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 0°인 신호(2/A∠0)가 출력된다. 제1 입력 단자(10a)와 대각선에 위치한 제2 출력 단자(10d)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 -90°인 신호(2/A∠-90)가 출력된다. 즉, 제1 입력 단자(10a)로 입력된 신호(A∠0)는 하이브리드 커플러(10) 내에서 제1 출력 단자(10c) 및 제2 출력 단자(10d)로 분기되면서 크기가 1/2로 줄어들게 된다. 그리고, 제1 출력 단자(10c) 및 제2 출력 단자(10d)로 분기된 신호 간에는 위상차가 90°발생하게 된다.
도 1의 (b)는 제1 입력 단자(10a)가 아이솔레이션 되고, 제2 입력 단자(10b)로 신호 크기가 B이고, 위상이 0°인 신호(B∠0)가 입력되는 경우이다. 그러면, 제2 입력 단자(10b)와 직선 방향에 위치한 제2 출력 단자(10d)로는 신호 크기가 2/B이고 위상이 0°인 신호(2/B∠0)가 출력된다. 제2 입력 단자(10b)와 대각선에 위치한 제1 출력 단자(10c)로는 신호 크기가 2/B이고 위상이 -90°인 신호(2/B∠-90)가 출력된다.
이와 같이, 일반적인 하이브리드 커플러(10)는 제1 입력 단자(10a) 및 제2 입력 단자(10b) 중 어느 하나로 신호가 입력되고, 다른 하나는 아이솔레이션 되어 마련되게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 커플러(20)는 제1 입력 단자(20a), 제2 입력 단자(20b), 제1 출력 단자(20c), 및 제2 출력 단자(20d)를 포함할 수 있다. 제1 입력 단자(20a) 및 제2 입력 단자(20b)는 상하 대칭하여 형성되고, 제1 출력 단자(20c) 및 제2 출력 단자(20d)는 상하 대칭하여 형성될 수 있다. 여기서, 제1 입력 단자(20a) 및 제2 입력 단자(20b)로 각각 신호가 입력될 수 있다.
구체적으로, 제1 입력 단자(20a)로 신호 크기가 A이고, 위상이 0°인 신호(A∠0)가 입력되고, 제2 입력 단자(20b)로 신호 크기가 B이고, 위상이 0°인 신호(B∠0)가 입력될 수 있다. 그러면, 제1 출력 단자(20c)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 0°인 제1 신호(2/A∠0) 및 신호 크기가 2/B이고 위상이 -90°인 제2 신호(2/B∠-90)가 합성된 신호가 출력된다. 그리고, 제2 출력 단자(20d)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 -90°인 제3 신호(2/A∠-90) 및 신호 크기가 2/B이고 위상이 0°인 제4 신호(2/B∠0)가 합성된 신호가 출력된다.
즉, 제1 입력 단자(20a)로 입력된 신호(A∠0) 및 제2 입력 단자(20b)로 입력된 신호(B∠0)는 각각 하이브리드 커플러(20) 내에서 제1 출력 단자(20c) 및 제2 출력 단자(20d)로 분기되면서 크기가 1/2로 줄어들게 된다. 그리고, 제1 출력 단자(20c) 및 제2 출력 단자(20d)로 분기된 신호 간에는 위상차가 90°발생하게 된다.
이하에서는, 상기 하이브리드 커플러(20)를 기반으로 360도 전 방향으로 빔 포밍이 가능한 빔 포밍 장치 및 이를 구비한 안테나 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 안테나 시스템(50)은 빔 포밍 장치(100) 및 안테나 어레이(200)를 포함할 수 있다. 여기서, 안테나 어레이(200)는 2×2 안테나 어레이인 것을 일 실시예로 설명하기로 한다. 즉, 안테나 어레이(200)는 기판(202), 제1 안테나(204), 제2 안테나(206), 제3 안테나(208), 및 제4 안테나(210)를 포함할 수 있다. 제1 안테나(204) 내지 제4 안테나(210)는 기판(202) 상에 좌우상하 대칭 형태로 배열되어 형성될 수 있다. 여기서는, 제1 안테나(204) 내지 제4 안테나(210)가 다이폴 안테나인 것으로 도시하였으나, 안테나의 형태 및 종류는 이에 한정되지 않으며 다양한 형태 및 종류의 안테나가 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 여기서는 안테나 어레이(200)는 2×2 안테나 어레이인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 여러 배열 및 개수의 안테나를 포함하는 안테나 어레이에 적용될 수 있음은 물론이다.
빔 포밍 장치(100)는 안테나 어레이(200)의 빔 포밍(Beam Forming)을 위한 구성이다. 빔 포밍 장치(100)는 제1 입력 포트(102), 제2 입력 포트(104), 제3 입력 포트(106), 제4 입력 포트(108), 제1 출력 포트(110), 제2 출력 포트(112), 제3 출력 포트(114), 제4 출력 포트(116), 제1 하이브리드 커플러(118), 제2 하이브리드 커플러(120), 제3 하이브리드 커플러(122), 및 제4 하이브리드 커플러(124)를 포함할 수 있다.
제1 입력 포트(102)는 제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 입력 단자(118a)에 연결될 수 있다. 제2 입력 포트(104)는 제1 하이브리드 커플러(118)의 제2 입력 단자(118b)에 연결될 수 있다. 제3 입력 포트(106)는 제2 하이브리드 커플러(120)의 제1 입력 단자(120a)에 연결될 수 있다. 제4 입력 포트(108)는 제2 하이브리드 커플러(120)의 제2 입력 단자(120b)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108)는 전원 공급부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 출력 포트(110)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제1 출력 단자(122c)에 연결될 수 있다. 제2 출력 포트(112)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제2 출력 단자(122d)에 연결될 수 있다. 제3 출력 포트(114)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제1 출력 단자(124c)에 연결될 수 있다. 제4 출력 포트(116)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제2 출력 단자(124d)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 출력 포트(110)는 제1 안테나(204)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 출력 포트(112)는 제2 안테나(206)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 출력 포트(114)는 제3 안테나(208)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제4 출력 포트(116)는 제4 안테나(210)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 출력 단자(118c)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제1 입력 단자(122a)와 연결될 수 있다. 제1 하이브리드 커플러(118)의 제2 출력 단자(118d)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제2 입력 단자(124b)와 연결될 수 있다. 제2 하이브리드 커플러(120)의 제1 출력 단자(120c)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제1 입력 단자(124a)에 연결될 수 있다. 제2 하이브리드 커플러(120)의 제2 출력 단자(120d)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제2 입력 단자(122b)와 연결될 수 있다.
여기서, 안테나 어레이(200)를 동작시키기 위한 입력 전원은 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 적어도 2개의 입력 포트로 동시에 입력될 수 있다. 즉, 전원 공급부(미도시)로부터 공급되는 입력 전원은 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 적어도 2개의 입력 포트로 분기되어 입력될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 입력 전원의 일부는 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 어느 하나로 입력되고, 입력 전원의 나머지는 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 다른 하나로 입력될 수 있다. 이로써, 안테나 어레이(200)의 지향성을 360도 전 방향 내에서 조절할 수 있게 된다.
구체적으로, 빔 포밍 장치(100)에서 제1 방향(예를 들어, 길이 방향)의 중심축을 제1 축(즉, x축)이라 하고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(예를 들어, 폭 방향)의 중심축을 제2 축(즉, y축)이라고 한다. 여기서, 제1 입력 포트(102) 및 제2 입력 포트(104)와 제3 입력 포트(106) 및 제4 입력 포트(108)는 제1 축을 중심으로 상호 대칭하여 마련될 수 있다. 또한, 제1 출력 포트(110) 및 제2 출력 포트(112)와 제3 출력 포트(114) 및 제4 출력 포트(116)는 제2 축을 중심으로 상호 대칭하여 마련될 수 있다.
또한, 제1 축을 중심으로 반시계 방향으로 제3 출력 포트(114)는 제1 사분면에 위치하고, 제4 출력 포트(116)는 제2 사분면에 위치하며, 제1 출력 포트(110)는 제3 사분면에 위치하고, 제2 출력 포트(112)는 제4 사분면에 위치하게 된다. 여기서, 제1 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 0°~ + 90°(즉, - 270°~ 0°)인 영역을 의미할 수 있다. 제2 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 + 90°~ + 180°(즉, - 180°~ - 270°)인 영역을 의미할 수 있다. 제3 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 + 180°~ + 270°(즉, - 90°~ - 180°)인 영역을 의미할 수 있다. 제4 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 + 270°~ 0°(즉, 0°~ - 90°)인 영역을 의미할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치(100)에서 제1 입력 포트(102)(P1) 내지 제4 입력 포트(108)(P4)에 순차적으로 입력 전원을 선택적 인가하였을 때, 제1 출력 포트(110)(P5) 내지 제4 출력 포트(116)(P8)의 출력 신호 및 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 입력 포트(102)(P1)에만 입력 전원을 인가한 경우, 입력 전원 신호(예를 들어, 크기가 1이고 위상이 0°인 신호, 1∠0)는 제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 입력 단자(118a)로 입력되고, 제1 하이브리드 커플러(118) 내에서 분기되어 제1 출력 단자(118c) 및 제2 출력 단자(118d)로 각각 출력된다. 이때, 입력 전원 신호의 크기는 절반(1/2)으로 줄어들게 되며, 제1 출력 단자(118c)로 출력되는 신호는 위상이 0°가 되고(즉, 0.5∠0), 제2 출력 단자(118c)로 출력되는 신호는 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.5∠- 90).
그리고, 제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 출력 단자(118c)로 출력된 신호(즉, 0.5∠0)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제1 입력 단자(122a)로 입력되며, 제3 하이브리드 커플러(122) 내에서 분기되어 제1 출력 단자(122c) 및 제2 출력 단자(122d)로 각각 출력된다. 이때, 입력 전원 신호의 크기는 다시 절반으로 줄어들게 되며, 제1 출력 단자(122c)로 출력되는 신호(즉, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호)는 위상이 0°가 되고(즉, 0.25∠0), 제2 출력 단자(122c)로 출력되는 신호(즉, 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호)는 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.25∠- 90).
또한, 제1 하이브리드 커플러(118)의 제2 출력 단자(118d)로 출력된 신호(즉, 0.5∠- 90)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제2 입력 단자(124b)로 입력되며, 제4 하이브리드 커플러(124) 내에서 분기되어 제1 출력 단자(124c) 및 제2 출력 단자(124d)로 각각 출력된다. 이때, 입력 전원 신호의 크기는 다시 절반으로 줄어들게 되며, 제1 출력 단자(124c)로 출력되는 신호(즉, 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호)는 위상이 - 180°가 되고(즉, 0.25∠-180), 제2 출력 단자(124c)로 출력되는 신호(즉, 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호)는 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.25∠- 90). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제3 출력 포트(114) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제1 사분면의 정대각선 방향(즉, 45°)이 된다.
또한, 제2 입력 포트(104)(P2)에만 입력 전원을 인가한 경우, 앞에서 설명한 바와 유사한 방식으로, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되고(즉, 0.25∠-90), 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 -180°가 되며(즉, 0.25∠-180), 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되며(즉, 0.25∠-90), 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 0°가 된다(즉, 0.25∠0). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제2 출력 포트(112) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제4 사분면의 정대각선 방향(즉, -45 °)이 된다.
또한, 제3 입력 포트(106)(P3)에만 입력 전원을 인가한 경우, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 180°가 되고(즉, 0.25∠-180), 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 -90°가 되며(즉, 0.25∠-90), 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 0°가 되며(즉, 0.25∠0), 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.25∠-90). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제1 출력 포트(110) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제3 사분면의 정대각선 방향(즉, -135 °)이 된다.
또한, 제4 입력 포트(108)(P4)에만 입력 전원을 인가한 경우, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되고(즉, 0.25∠-90), 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 0°가 되며(즉, 0.25∠0), 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되며(즉, 0.25∠-90), 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 180°가 된다(즉, 0.25∠-180). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제4 출력 포트(116) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제2 사분면의 정대각선 방향(즉, 135 °)이 된다.
이와 같이, 빔 포밍 장치(100)에서 제1 입력 포트(102)(P1) 내지 제4 입력 포트(108)(P4)에 순차적으로 입력 전원을 선택적 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 45°, -45°, -135°, +135°중 어느 하나가 되게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치(100)에서 제1 입력 포트(102)(P1) 및 제2 입력 포트(104)(P2)로 입력 전원을 분기하여 인가할 때, 제1 출력 포트(110)(P5) 내지 제4 출력 포트(116)(P8)의 출력 신호 및 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 나타낸 도면이다.
여기서는, 입력 전원 신호의 크기를 1이라고 하였을 때, 제1 입력 포트(102)(P1)로는 입력 전원 신호의 크기를 0.1씩 줄여가면서 입력하고, 제2 입력 포트(104(P2)로는 입력 전원 신호의 크기를 0.1씩 증가시키면서 입력하는 경우를 살펴보기로 한다. 이때, 제1 입력 포트(102)(P1)와 제2 입력 포트(104)(P2)로 입력되는 전원의 크기의 합은 1이 된다.
도 6을 참조하면, 제1 입력 포트(102)(P1)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하는 경우, 도 5에서와 같이 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 45°가 된다(①). 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.9인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.1인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 40°가 된다(②). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.8인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.2인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 34°가 된다(③). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.7인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.3인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 25°가 된다(④). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.6인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.4인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 14°가 된다(⑤). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 0°가 된다(⑥).
또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.4인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.6인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 14°가 된다(⑦). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.3인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.7인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 25°가 된다(⑧). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.2인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.8인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 34°가 된다(⑨). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.1인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.9인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 40°가 된다(⑩). 또한, 제2 입력 포트(104)(P2)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하는 경우, 도 5에서와 같이 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 45°가 된다(⑪).
이와 같이, 제1 입력 포트(102)(P1) 및 제2 입력 포트(104)(P2)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정함으로써, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 + 45°와 - 45°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 마찬가지로, 제2 입력 포트(104)(P2) 및 제3 입력 포트(106)(P3)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정하면, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 - 45°와 - 135°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 또한, 제3 입력 포트(106)(P3) 및 제4 입력 포트(108)(P4)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정하면, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 - 135°와 + 135°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 또한, 제4 입력 포트(108)(P4) 및 제1 입력 포트(102)(P1)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정하면, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 + 135°와 + 45°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이(200)의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 입력 포트(102)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 45°방향으로 형성된다(a). 제1 입력 포트(102) 및 제2 입력 포트(104)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 0°방향으로 형성된다(b). 제2 입력 포트(104)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 - 45°방향으로 형성된다(c). 제2 입력 포트(104) 및 제3 입력 포트(106)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 - 90°방향으로 형성된다(d). 제3 입력 포트(104)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 - 135°방향으로 형성된다(e). 제3 입력 포트(106) 및 제4 입력 포트(108)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 180°방향으로 형성된다(f). 제4 입력 포트(108)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 135°방향으로 형성된다(g). 제1 입력 포트(102) 및 제4 입력 포트(108)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 90°방향으로 형성된다(h).
본 발명의 실시예에 의하면, 입력 전원을 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 적어도 2개의 입력 포트로 동시에 입력하면서 그 전원 비율을 조정(즉, 입력 전력비를 조정)함으로써, 별도의 위상 쉬프터 없이도 안테나 어레이(200)의 지향성을 360도 전 방향 내에서 조절할 수 있게 된다. 여기서, 입력 포트 간의 입력 전력비만 조정하면 되므로, 빔 포밍 시스템을 간소화 하면서도 모든 방향으로의 빔 조향이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
50 : 안테나 시스템
100 : 빔 포밍 장치
102 : 제1 입력 포트
104 : 제2 입력 포트
106 : 제3 입력 포트
108 : 제4 입력 포트
110 : 제1 출력 포트
112 : 제2 출력 포트
114 : 제3 출력 포트
116 : 제4 출력 포트
118 : 제1 하이브리드 커플러
120 : 제2 하이브리드 커플러
122 : 제3 하이브리드 커플러
124 : 제4 하이브리드 커플러
200 : 안테나 어레이
202 : 기판
204 : 제1 안테나
206 : 제2 안테나
208 : 제3 안테나
210 : 제4 안테나

Claims (11)

  1. 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서,
    복수 개의 입력 포트;
    2개의 입력 단자를 각각 구비하고, 상기 2개의 입력 단자가 상기 복수 개의 입력 포트들 중 2개의 입력 포트와 각각 연결되는 적어도 하나의 입력 측 하이브리드 커플러;
    상기 입력 측 하이브리드 커플러와 상기 안테나 어레이 사이에 마련되고, 상기 입력 측 하이브리드 커플러로부터 출력되는 전원을 상기 안테나 어레이로 공급하는 적어도 하나의 출력 측 하이브리드 커플러; 및
    입력 전원의 일부는 상기 복수 개의 입력 포트 중 하나의 입력 포트로 공급하고, 상기 입력 전원 중 상기 일부를 제외한 나머지는 상기 복수 개의 입력 포트 중 다른 하나의 입력 포트로 동시에 공급하는 전원 공급부를 포함하고,
    상기 입력 측 하이브리드 커플러는, 상기 2개의 입력 단자로 동시에 입력 전원이 입력될 수 있도록 마련되는, 빔 포밍 장치.
  2. 삭제
  3. 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서,
    제1 입력 단자에 제1 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제2 입력 포트가 연결되는 제1 하이브리드 커플러;
    제1 입력 단자에 제3 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제4 입력 포트가 연결되는 제2 하이브리드 커플러;
    제1 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제1 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제2 출력 포트가 연결되는 제3 하이브리드 커플러;
    제1 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제3 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제4 출력 포트가 연결되는 제4 하이브리드 커플러; 및
    상기 제1 입력 포트 내지 제4 입력 포트들 중 적어도 2개의 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하는, 빔 포밍 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는, 빔 포밍 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 하이브리드 커플러 및 상기 제2 하이브리드 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 제1 방향을 따라 상호 이격하여 마련되고,
    상기 제2 하이브리드 커플러 및 상기 제4 하이브리 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 상호 이격하여 마련되며,
    상기 제1 방향의 중심축인 제1 축을 기준으로 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트와 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트가 상호 대칭하여 마련되고,
    상기 제2 방향의 중심축인 제2 축을 기준으로 상기 제1 출력 포트 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 출력 포트 및 상기 제4 출력 포트가 상호 대칭하여 마련되는, 빔 포밍 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 출력 포트는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 포함하는 좌표계의 제1 사분면에 위치하고, 상기 제4 출력 포트는 상기 좌표계의 제2 사분면에 위치하며, 상기 제1 출력 포트는 상기 좌표계의 제3 사분면에 위치하고, 상기 제2 출력 포트는 상기 좌표계의 제4 사분면에 위치하는, 빔 포밍 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기시키고, 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 45°와 - 45°사이에서 조절하는, 빔 포밍 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기시키고, 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 45°와 - 135°사이에서 조절하는, 빔 포밍 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기시키고, 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 135°와 + 135°사이에서 조절하는, 빔 포밍 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기시키고, 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 135°와 + 45°사이에서 조절하는, 빔 포밍 장치.
  11. 청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 10 중 어느 하나의 항에 기재된 빔 포밍 장치; 및
    상기 빔 포밍 장치와 연결되고, 상기 빔 포밍 장치에 의해 빔 지향성이 조절되는 안테나 어레이를 포함하는, 안테나 시스템.
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