KR101913294B1 - 인터리브 편파 멀티-빔 안테나 - Google Patents

인터리브 편파 멀티-빔 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 인터리브 편파 멀티-빔 안테나를 개시한다. 이러한 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 적어도 하나의 이중 편파 안테나 소자 및 제1 버틀러 행렬 및 제2 버틀러 행렬을 포함하고, 이중 편파 안테나 소자는 +45° 편파의 제1 안테나 소자 및 -45° 편파의 제2 안테나 소자를 포함하며, 제1 버틀러 행렬은 제1 안테나 소자에 연결되어 제1 안테나 소자는 제1 타깃 빔을 전송하고, 제2 버틀러 행렬은 제2 안테나 소자에 연결되어 제2 안테나 소자는 제2 타깃 빔을 전송한다. 본 발명의 실시예에서 제1 타깃 빔 및 제2 타깃 빔은 교대로 배열되고, 서로 인접한 임의의 2개의 제1 타깃 빔 및 제2 타깃 빔은 상이한 편파 특성을 갖는다. 따라서, 버틀러 행렬의, 복잡성, 손실, 및 구현 비용이 효과적으로 감소될 수 있고, 인접한 다중화 빔 간의 간섭이 효과적으로 감소될 수 있다.

Description

인터리브 편파 멀티-빔 안테나
본 발명은 "인터리브 편파 멀티-빔 안테나"의 제목으로 2014년 12월 30일자로 중국 특허청에 출원된 출원번호 201410857222.5의 우선권을 주장하며, 이는 전체로서 본 발명에 포함된다.
본 발명은 통신 기술 분야에 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 인터리브 편파 멀티-빔 안테나에 관한 것이다.
이동 통신 시스템의 지속적인 업그레이드로 안테나에 대한 새로운 성능 요구 사항이 제기되었다. 예를 들어, 멀티-빔 및 소형화는 현대 안테나 설계의 주요 요소가 되었다. 멀티-빔 네트워크는 공간 선택성을 이용하여 멀티-빔 안테나를 구현하는 주요 기술이다. 공간 선택성을 이용하는 방법은 두 가지 측면, 첫째, 선택적 전송 및 수신을 수행하여 인접 셀과의 간섭 및 인접 셀로부터의 간섭을 감소시킬 수 있는 이점을 가져올 수 있다. 둘째, 공간 다중화는 멀티플 빔 사이에 형성된다.
멀티-빔 안테나 시스템은 두 부분으로 구성된다. 한 부분은 이중 편파 안테나 유닛(dual-polarized antenna unit)으로 형성된 이중 편파 어레이(dual-polarized array)이고 다른 한 부분은 버틀러(Butler) 행렬이며, 이중 편파 배열은 버틀러 행렬에 연결된다. 버틀러 행렬은 완전히 수동 및 상반 회로(passive and reciprocal)이며, 회로에는 여러 방향성 결합기와 위상 이동 요소가 포함된다. 버틀러 행렬은 빔(beam)을 생성하도록 구성되며, 버틀러 행렬에 의해 생성된 빔은 이중 편파 어레이를 사용하여 전송된다. 현재, 멀티-빔 안테나 시스템 애플리케이션에서, 네트워크를 형성하기 위해 동일한 빔이 2개의 편파 방향(polarization direction)으로 사용된다. 따라서, 각 빔 방향에 2개의 편파가 존재한다(도 1 참조). 전술한 멀티-빔 안테나 시스템은 크로스-편파 멀티-빔 안테나 시스템(ss-polarization multi-beam antenna system)이 된다. 이러한 크로스-편파 멀티 빔 안테나 시스템의 효과는 빔 내에서의 편파 다이버시티(polarization diversity) 또는 빔 내 다중화 및 빔 간 다중화(multiplexing inside a beam and multiplexing among beams)이다.
도 1은 4 컬럼 이중 편파 안테나(four-column dual-polarized antenna)에 의해 형성된 다수의 빔을 나타내며, 각 편파는 표 1의 진폭 및 위상을 사용하고, 2개의 편파는 모두 동일한 방향을 가리킨다.
컬럼 1 컬럼 2 컬럼 3 컬럼 4
빔 1 1∠-225 1∠-180 1∠-135 1∠-90
빔 2 1∠45 1∠-90 1∠-225 1∠0
빔 3 1∠-270 1∠-135 1∠0 1∠135
빔 4 1∠0 1∠-45 1∠-90 1∠-135
크로스-편파 멀티-빔 시스템은 직교 시스템(orthogonal system)이다. 즉, 각 편파의 빔의 최대값에 도달하는 각 방향은 기본적으로 동일한 편파의 다른 빔의 널(null) 또는 사이드로브(sidelobe)이다. 크로스-편파 멀티-빔 시스템의 주요 문제점은 다음과 같다.: 첫째, 일반적으로, 비교적 큰 양의 멀티 빔이 그러한 시스템에서 형성될 때, 멀티 빔 행렬의 스테이지의 수(quantity)가 증가한다. 예를 들어, 6개의 빔이 형성될 때 3-스테이지 네트워크가 사용되어야 하고, 네트워크 스테이지의 수가 증가할 때, 가공 난이도(machining difficulty) 및 네트워크 손실이 상당히 증가한다. 둘째로, 사이드로브는 감소시키기가 어렵고, 버틀러-타입 행렬에 대해서는 일반적으로 2개의 최 외측 빔(most-lateral beam)의 사이드 로브 레벨이 더 높다. 따라서, 인접하는 다중화 빔 간의 간섭이 증가한다.
본 발명의 실시예는 인터리브 편파 멀티-빔 안테나를 제공한다.
본 발명의 실시예의 제1 측면은 인터리브 편파 멀티-빔 안테나(interleaved polarized multi-beam antenna)를 제공하고, 이러한 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는, +45° 편파 제1 안테나 소자 및 -45° 편파 제2 안테나 소자를 포함하는 적어도 하나의 이중 편파 안테나 소자(dual-polarized antenna element); 및 제1 버틀러 행렬(Butler matrix) 및 제2 버틀러 행렬을 포함하고, 상기 제1 버틀러 행렬은, 상기 1 안테나 소자가 제1 타깃 빔(target beam)을 전송할 수 있도록 상기 제1 안테나 소자에 연결되고, 상기 제1 타깃 빔은 적어도 1개의 제1 빔 포트(beam port)에 의해 수신된 제1 입력 신호에 따라 상기 제1 버틀러 행렬에 의해 생성되며, 각 제1 타깃 빔은 상이한 방향을 지시하고, 상기 제2 버틀러 행렬은, 상기 제2 안테나 소자가 제2 타깃 빔을 전송할 수 있도록 상기 제2 안테나 소자에 연결되고, 상기 제2 타깃 빔은 적어도 하나의 제2 빔 포트에 의해 수신된 제2 입력 신호에 따라 상기 제2 버틀러 행렬에 의해 생성되며, 각 제2 타깃 빔은 상이한 방향을 지시하고, 1개의 제2 타깃 빔은 서로 인접한 임의의 2개의 제1 타깃 빔 사이에 배치된다.
본 발명의 실시예의 제1 측면을 참조하면, 본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제1 구현 방식에서, 상기 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 6개의 이중 편파 안테나 소자를 포함하고, 제1 타깃 빔은 3개의 제1 빔 포트에 의해 수신된 제1 입력 신호에 따라 상기 제1 버틀러 행렬에 의해 생성되고, 상기 제2 타깃 빔은 2개의 제2 빔 포트에 의해 수신된 제2 입력 신호에 따라 상기 제2 버틀러 행렬에 의해 생성된다.
본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제1 구현 방식을 참조하면, 본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제2 구현 방식에서, 상기 제1 버틀러 행렬은 제1 브리지(bridge) 그룹, 제2 브리지 그룹, 및 제1 파워 스플리터(power splitter) 그룹을 포함하고, 상기 제1 브리지 그룹은, 3개의 제1 빔 포트들에 연결되어 3개의 제1 입력 신호를 수신하고 상기 3개의 제1 입력 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하고, 상기 제2 브리지 그룹은, 상기 제1 브리지 그룹에 연결되어 상기 제1 브리지 그룹에 의해 출력된 4개의 신호를 수신하여 상기 제1 브리지 그룹에 의해 출력된 4개의 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하고, 상기 제2 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 상기 제2 브리지 그룹에 연결된 상기 제1 파워 스플리터 그룹에 출력하고 상기 제2 브리지 그룹에 의해 생성된 다른 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 제1 안테나 소자에 출력하며, 상기 제1 파워 스플리터 그룹은, 상기 제2 브리지 그룹으로부터 입력된 2개의 신호 각각을 2개의 신호로 분리하고 4개의 상기 이중 편파 안테나 소자의 제1 안테나 소자에 상기 생성된 4개의 신호를 출력하여, 6개의 제1 안테나 소자가 상기 제1 타깃 빔을 전송한다.
본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제2 구현 방식을 참조하면, 본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제3 구현 방식에서, 상기 제1 브리지 그룹은 제1 브리지 및 제2 브리지를 포함하고, 상기 제1 브리지는 3dB 90°브리지이고, 상기 제2 브리지는 3dB 180°브리지이며, 상기 제2 브리지 그룹은 제3 브리지 및 제4 브리지를 포함하고, 상기 제3 브리지 및 상기 제4 브리지는 모두 3dB 180°브리지이고, 상기 제1 파워 스플리터 그룹은 제1 파워 스플리터 및 제2 파워 스플리터를 포함하고, 상기 제1 파워 스플리터 및 상기 제2 파워 스플리터에 의해 출력되는 전력의 분배비가 3:7이다.
본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제3 구현 방식을 참조하면, 본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제4 구현 방식에서, 상기 제2 버틀러 행렬은 제3 브리지 그룹, 제4 브리지 그룹, 제1 위상 시프터(phase shifter) 그룹, 제2 파워 스플리터 그룹, 및 제2 위상 시프터 그룹을 포함하고, 상기 제3 브리지 그룹은, 2개의 제2 빔 포트에 연결되고 2개의 제2 입력 신호를 수신하고 상기 2개의 제2 입력 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하며, 상기 제3 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 상기 제3 브리지 그룹에 연결된 상기 제1 위상 시프터 그룹에 출력하고 상기 제3 브리지 그룹에 의해 생성된 다른 2개의 신호를 상기 제3 브리지 그룹에 연결된 상기 제4 브리지 그룹에 출력하며, 상기 제4 브리지 그룹은, 상기 제1 위상 시프터 그룹에 연결되고, 상기 제1 위상 시프터 그룹에 의해 수행된 위상 시프트 후 출력된 2개의 신호 및 상기 제3 브리지 그룹에 의해 출력된 2개의 신호를 수신하고 4개의 신호를 생성하여 출력하며, 상기 제4 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자에 출력하고 상기 제4 브리지 그룹에 의해 출력된 다른 2개의 신호를 상기 제4 브리지 그룹에 연결된 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 출력하고, 상기 제2 파워 스플리터 그룹은, 상기 제4 브리지 그룹으로부터 입력된 2개의 신호 각각을 2개의 신호로 분리하여 총 4개의 신호를 형성하여 출력하며, 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 의해 출력된 2개의 신호를 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 연결된 상기 제2 위상 시프터 그룹에 출력하고, 위상 시프트된 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자에 출력하며, 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 의해 출력된 다른 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자에 출력하여, 6개의 제2 안테나 소자가 상기 제2 타깃 빔을 전송한다.
본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제3 구현 방식을 참조하면, 본 발명의 실시예의 제1 측면의 가능한 제5 구현 방식에서, 상기 제3 브리지 그룹은 제5 브리지 및 제6 브리지를 포함하고, 상기 제5 브리지 및 상기 제6 브리지는 모두 3dB 90° 브리지이며, 상기 제4 브리지 그룹은, 제7 브리지 및 제8 브리지를 포함하고, 상기 제7 브리지 및 상기 제8 브리지는 모두 3dB 90° 브리지이며, 상기 제1 위상 시프터 그룹은 제1 위상 시프터 및 제2 위상 시프터를 포함하고, 상기 제1 위상 시프터 및 상기 제2 위상 시프터에 의해 시프트된 위상은 모두 -45°이며, 상기 제2 파워 스플리터 그룹은 제3 파워 스플리터 및 제4 파워 스플리터를 포함하고, 상기 제3 파워 스플리터 및 상기 제4 파워 스플리터에 의해 출력되는 전력의 분배비는 3:7이며, 상기 2 위상 시프터 그룹은 제3 위상 시프터 및 제4 위상 시프터를 포함하고, 상기 제3 위상 시프터 및 상기 제4 위상 시프터에 의해 시프트된 위상은 모두 -180°이다.
본 발명의 실시예는 인터리브 편파 멀티-빔 안테나를 제공하고, 이러한 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 적어도 하나의 이중 편파 안테나 소자 및 제1 버틀러 행렬과 제2 버틀러 행렬을 포함하고, 상기 이중 편파 안테나 소자는 +45° 편파의 제1 안테나 소자 및 -45° 편파의 제2 안테나 소자를 포함하며, 상기 제1 버틀러 행렬은 상기 제1 안테나 소자에 연결되어 제1 타깃 빔을 생성하고, 상기 제2 버틀러 행렬은 상기 제2 안테나 소자에 연결되어 제2 타깃 빔을 생성한다. 본 실시예에서, 제1 타깃 빔 및 제2 타깃 빔은 교대로 배치되고, 서로 인접한 제1 타깃 빔 및 제2 타깃 빔은 상이한 편파 특성을 갖는다. 따라서, 버틀러 행렬의, 복잡성, 손실, 및 구현 비용이 효과적으로 감소될 수 있고, 인접한 다중화 빔 간의 간섭이 효과적으로 감소될 수 있다.
도 1은 종래 기술에서 4 컬럼 이중 편파 안테나에 의해 형성된 4개의 빔의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브 편파 멀티-빔 안테나의 실시예의 개략적 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브 편파 멀티-빔 안테나의 제1 버틀러 행렬의 실시예의개략적 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3dB 90° 브리지의 브리지 원리에 대한 개략적 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3dB 180° 브리지의 브리지 원리에 대한 개략적 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브 편파 멀티-빔 안테나의 제2 버틀러 행렬의 실시예의개략적 구조도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브 편파 멀티-빔 안테나에 의해 형성된 5개의 빔의개략도이다.
본 발명의 실시예는 인터리브 편파 멀티-빔 안테나를 제공한다. 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 종래 기술에서, 구현이 매우 어렵고, 삽입 손실이 크며, 사이드로브 품질이 낮고, 크로스-편파 멀티-빔 시스템의 피딩 네트워크(feeding network)에서 존재하는 인접 빔들 간의 간섭이 커진다는 기술적 문제점을 효과적으로 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 인터리브 편파 멀티-빔 안테나의 구체적 구조는 이하 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
인터리브 편파 멀티-빔 안테나는, 적어도 하나의 이중 편파 안테나 소자를 포함하는 안테나 어레이(201)를 포함한다.
이중 편파 안테나 소자는 +45° 편파의 제1 안테나 소자 및 -45° 편파의 제2 안테나 소자(2012)를 포함한다.
본 실시예의 제1 안테나 소자(2011) 및 제2 안테나 소자(2012)는 직교하도록 ±45°로 배열되어 있고, 공간적으로 상호 직교하는 직선 편파의 전자파(mutually-orthogonal linearly-polarized electromagnetic wave)를 형성하도록 구성되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 열의 선형 이중 편파 안테나는 선형으로 배치된다. 이러한 이중 편파 안테나 소자의 특정 구조 및 구현 원리에 대해서는, 종래 기술을 참조하며, 본 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에서 안테나 어레이(201)에 포함되는 이중 편파 안테나 소자의 수는 n 개이고, 여기서 n은 양의 정수, 즉 이중 편파 안테나 소자의 구체적 수는 실시예에서 제한되지 않는다.
인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 추가로, 제1 버틀러 행렬(202) 및 제2 버틀러 행렬(203)을 포함한다.
제1 버틀러 행렬(202)은 제1 안테나 소자(2011)에 연결되어, 제1 안테나 소자(2011)는 제1 타깃 빔(target beam)을 전송한다.
구체적으로, 제1 타깃 빔은 제1 버틀러 행렬(202)에 의해, 적어도 1개의 제1 빔 포트에 의해 수신된 제1 입력 신호에 따라 생성되어, 제1 타깃빔은 제1 버틀러 행렬(202)에 연결된 제1 안테나 소자(2011)를 사용하여 전송된다.
구체적으로, 제2 타깃 빔은 적어도 1개의 제2 빔 포트에 의해 수신된 제2 입력 신호에 따라 생성되어, 제2 타깃 빔은 제2 버틀러 행렬(203)에 연결된 제2 안테나 소자(2012)를 사용하여 전송된다.
더욱 구체적으로, 1개의 제2 타깃 빔은 서로 인접한 임의의 2개의 제1 타깃 빔 사이에 배치, 즉, 서로 인접한 임의의 2개의 제1 타깃 빔 및 제2 타깃 빔은 상이한 편파 특성을 가진다.
제1 버틀러 행렬(202) 및 제2 버틀러 행렬(203)에 구체적으로 포함되는 구성 요소 및 제1 버틀러 행렬(202) 및 제2 버틀러 행렬(203)의 특정 구조는 본 실시예에서 제한되지 않는다. 제1 타깃 빔을 생성하고 제2 버틀러 행렬(203)은 제2 타깃 빔을 생성한다.
본 실시예에서, 제1 버틀러 행렬(202)은 +45° 편파 된 제1 안테나 소자(2011)에만 연결되어, 제1 버틀러 행렬(202)에 의해 생성된 제1 타깃 빔은 각 빔 방향에서 고유한 포지티브-편파 특성(positive-polarization characteristic)을 가진다. 제2 버틀러 행렬(203)은 -45° 편파 된 제2 안테나 소자(2012)에만 연결되어 제2 버틀러 행렬(203)에 의해 생성된 제2 타깃 빔은 각 빔 방향에서 고유한 네거티브-편파 특성(negative-polarization characteristic)만을 갖는다. 또한, 각각의 제1 타깃 빔과 제2 타깃 빔은 교대로 배열된다. 즉, 임의의 인접한 2개의 빔은 상이한 편파 특성을 가지며, 빔은 상이한 방향을 갖는다.
본 실시예에서 제1 타깃 빔과 제2 타깃 빔은 교대로 배치된다. 따라서, 본 실시예의 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 버틀러 행렬의, 복잡성, 손실, 및 구현 비용을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 인접한 멀티플렉스 빔(multiplexed beam) 사이의 간섭을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
2개의 인접하는 임의의 빔이 상이한 편파 특성이 있고, 빔이 상이한 방향을 갖는다면, 제1 타깃 빔 및 제2 타깃 빔의 구체적 수는 본 실시예에서 제한되지 않는다.
본 실시예에서, 제1 버틀러 행렬(202) 및 제2 버틀러 행렬(203)은 안테나 어레이(201)에 모두 연결된다면, 제1 버틀러 행렬(202) 및 제2 버틀러 행렬(203)의 구체적인 배치 방식은 제한되지 않는다. 2개의 버틀러 행렬을 사용하여 버틀러 행렬의 네트워크 스테이지의 수를 1씩 감소시켜 기계화(machining)의 어려움을 크게 줄이고 네트워크 손실을 감소시킨다.
본 실시예에서의 제1 버틀러 행렬(202) 및 제2 버틀러 행렬(203)은 병렬로 또는 이에 대응하여 수직으로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 제1 버틀러 행렬(202)과 제2 버틀러 행렬(203)을 수직으로 배치한 예를 사용하여, 2개의 버틀러 행렬을 수직 배열함으로써 안테나가 차지하는 면적을 줄일 수 있는 효과가 있고, 따라서 조립 및 유지 보수가 용이하다.
제1 버틀러 행렬(202)의 구체적 구조는 도 3을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다.
도 3에 도시된 제1 버틀러 행렬(202)의 구조는, 제1 버틀러 행렬(202)이 전술한 조건을 만족시키는 제1 타깃 빔을 생성할 수 있다면, 제1 버틀러 행렬(202)의 특정 구조에 대한 제한이 아니라 단지 예시에 불과하다.
도 3에 도시된 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 이중 편파 안테나 소자가 6개인 예를 사용하여 설명된다. 본 실시예에서의 이중 편파 안테나 소자의 수는 제한이 아니라 설명을 위한 예이다.
구체적으로, 6개의 이중 편파 안테나 소자는 +45° 편파 된 제1 안테나 소자(M1, M2, M3, M4, M5, M6) 및 -45° 편파 된 제2 안테나 소자(N1, N2, N3, N4, N5 및 N6)를 포함한다. 즉, 제1 안테나 소자(M1)와 제2 안테나 소자(N1)는 직교하도록 ± 45° 배열되고, 제1 안테나 소자(M6)와 제2 안테나 소자(N6)는 직교하도록 ±45° 배열되어있다.
본 실시예에서의 제1 버틀러 행렬은, 제1 브리지 그룹(31), 제2 브리지 그룹(32), 및 제1 파워 스플리터 그룹(33)을 포함한다.
제1 브리지 그룹(31)의 일단은 제1 빔 포트에 연결된다.
제1 브리지 그룹(31)은 3개의 제1 빔 포트에 연결되어 3개의 제1 입력 신호를 수신하고, 제1 브리지 그룹(31)은 3개의 제1 입력 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력한다.
제2 브리지 그룹(32)은 제1 브리지 그룹(31)에 연결되어 제1 브리지 그룹(31)에 의해 출력된 4개의 신호를 수신하고, 제2 브리지 그룹(32)은 제1 브리지 그룹(31)에 의해 출력된 4개의 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하고,
제2 브리지 그룹(32)은 제2 브리지 그룹(32)에 의해 생성된 2개의 신호를 제2 브리지 그룹(32)에 연결된 제1 파워 스플리터 그룹(33)에 출력하고, 제2 브리지 그룹 제2 브리지 그룹(32)에 의해 생성된 다른 2개의 신호를 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제1 안테나 소자(M4 및 M3)에 출력한다.
제1 파워 스플리터 그룹(33)은, 6개의 이중 편파 안테나 소자(M1, M2, M3, M4, M5, M6)가 제1 타깃 빔을 송신하도록, 제2 브리지 그룹(32)으로부터 입력된 2개의 신호를 각각 2개의 신호로 분리하고, 생성된 4개의 신호를 제1 안테나 소자(M2, M6, M1, M5)로 출력하도록 구성된다.
제1 버틀러 행렬의 특정 내부 구조는 아래에 자세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 입력 신호를 수신하기 위한 3개의 제1 빔 포트(즉, A1, A2 및 A3)가 있다.
제1 버틀러 행렬의 제1 브리지 그룹(31)은 구체적으로는 제1 브리지(311) 및 제2 브리지(312)를 포함하고, 제1 브리지(311)는 3dB 90° 브리지이고, 제2 브리지(312)는 3dB 180° 브리지이다. 제2 브리지 그룹(32)은 제3 브리지(321) 및 제4 브리지(322)를 포함하고, 제3 브리지(321) 및 제4 브리지(322)는 모두 3dB 180° 브리지이다.
3dB 90° 브리지의 브리지 원리는 도 4를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
3dB 90° 브리지는 4개의 포트를 갖는 전력 하이브리드 네트워크(power hybrid network)에 의해 형성되며, 2개의 출력 포트(401, 402)는 90°의 위상 차를 갖는 신호를 출력하는 특성을 가지며, 다이렉트 포트(direct port) 및 커플 포트(coupled port)는 -90° 차이가 난다.
즉, 403에서 신호가 입력되면 다이렉트 포트(401)와 커플 포트(402)의 위상은 각각 -180°와 -90°이고, 두 포트의 전력비는 1:1이다. 404에서 신호가 입력되면 다이렉트 포트(402)와 커플 포트(401)의 위상은 각각 -90°와 -180°이고 두 포트의 전력 비는 1:1이다.
3dB 180° 브리지의 브리지 원리는 도 5를 참조하여 아래에 상세히 설명한다.
3dB 180° 브리지의 Σ와 △는 각각 180° 브리지의 합 포트와 180° 브리지의 차이 포트를 나타낸다. 3dB 180° 브리지의 경우 신호가 합 포트(Σ)에서 입력될 때 다이렉트 포트(direct port)와 커플 포트(coupled port)의 위상은 대체로 모두 -90°이고 두 출력 포트의 위상 편이의 차이는 0°이며, 출력 포트(501)와 출력 포트(502)의 전력비는 1:1이고, 차분 포트(difference port, △)로부터 신호가 입력되면, 다이렉트 포트와 커플 포트의 위상이 각각 -270°와 -90°가 되고, 2개의 출력 포트의 위상 변화의 차가 -180°가 되며, 출력 포트(501)와 출력 포트(502)의 전력 비는 1:1이다.
아래의 3dB 90° 브리지와 3dB 180° 브리지의 브리지 원리에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하며, 세부 사항은 다시 설명하지 않는다.
도 3을 더 참조하면, 3dB 90° 브리지인 제1 브리지(311)는 제1 빔 포트(A1) 및 제1 빔 포트(A2)로부터 제1 입력 신호를 수신하고, 3dB 180° 브리지인 제2 브리지(312)의 합 포트(sum port)는 제1 입력 신호를 수신하도록 구성된 제1 빔 포트(A3)이고, 제2 브리지(312)의 차이 포트는 접지(ground)된다.
제1 브리지(311)의 출력 포트(3111)는 제2 브리지 그룹(32) 내의 제3 브리지(321)의 차이 포트(difference port)에 연결되고, 제1 브리지(311)의 출력 포트(3112)는 제2 브리지 그룹(32)의 제4 브리지(322)의 차이 포트에 연결된다.
제2 브리지(312)의 출력 포트(3121)는 제2 브리지 그룹(32) 내의 제3 브리지(321)의 합 포트에 연결되고, 제2 브리지(312)의 출력 포트(3122)는 제2 브리지 그룹(32) 내의 제4 브리지(322)의 합 포트에 연결된다.
제3 브리지(321)의 출력 포트(3211)는 제1 파워 스플리터 그룹(33) 내의 제1 파워 스플리터(331)에 연결되고, 제3 브리지(321)의 출력 포트(3212)는 제1 안테나 소자(M4)에 연결된다.
제4 브리지(322)의 출력 포트(3221)는 제1 안테나 소자(M3)에 연결되고, 제4 브리지(322)의 출력 포트(3222)는 제1 파워 스플리터 그룹(33) 내의 제2 파워 스플리터(332)에 연결된다.
구체적으로, 제1 파워 스플리터(331)와 제2 파워 스플리터(332)가 출력하는 전력의 분배비는 3:7이다.
본 실시예에서 파워 스플리터에 의해 출력된 전력의 분배비는 제한이 아닌 설명의 예로서 사용된다.
제1 파워 스플리터(331)는 제3 브리지(321)에 의해 입력된 신호를 출력 신호의 전력의 분배비가 3:7인 2개의 신호로 분리하여 제1 안테나 소자(M2 및 M6)로 각각 출력한다.
제2 파워 스플리터(332)는 제4 브리지(322)에 의해 입력된 신호를 출력 신호의 전력의 분배비가 3:7인 2개의 신호로 분리하여 제1 안테나 소자(M5 및 M1)로 각각 출력하여, 제1 안테나 소자(M1, M2, M3, M4, M5, M6)는 제1 타깃 빔을 송신한다.
구체적으로, 제1 버틀러 행렬의 편파 빔(polarized beam)의 진폭 및 위상을 표 2에 나타낸다.
M1 M2 M3 M4 M5 M6
A1 0.54∠90 0.84∠0 1∠-90 1∠-180 0.84∠90 0.54∠0
A2 0.54∠180 0.84∠-90 1∠0 1∠90 0.84∠180 0.54∠-90
A3 0.54∠0 0.84∠0 1∠0 1∠0 0.84∠0 0.54∠0
제2 버틀러 행렬의 특정 구조는 도 6을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
제2 버틀러 행렬에는 구체적으로 제3 브리지 그룹(61), 제4 브리지 그룹(63), 제1 위상 시프터 그룹(62), 제2 위상 시프터 그룹, 및 제2 파워 스플리터 그룹(64)을 포함한다.
제3 브리지 그룹(61)은 2개의 제2 빔 포트에 연결되어 2개의 제2 입력 신호를 수신하고, 제2 빔 포트는 제2 안테나 소자에 연결된다.
제3 브리지 그룹(61)은 2개의 제2 입력 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 4개의 신호를 출력하고, 제3 브리지 그룹은 제3 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 제3 브리지 그룹에 연결된 제1 위상 시프터 그룹(62)에 출력하고, 제3 브리지 그룹(61)에 의해 생성된 다른 2개의 신호를 제3 브리지 그룹(61)에 연결된 제4 브리지 그룹(63)에 출력한다.
제4 브리지 그룹(63)은 제1 위상 시프터 그룹(62)에 연결되고, 제4 브리지 그룹(63)은 위상 시프트를 수행한 다음 제1 위상 시프터 그룹(62)에 의해 출력되는 2개의 신호 및 제3 브리지 그룹(61)에 의해 출력된 2개의 신호를 수신하고 4개의 신호를 생성하고, 4개의 신호를 출력한다.
제4 브리지 그룹(63)은 제4 브리지 그룹(63)이 출력 한 2개의 신호를 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자(N4, N3)에 출력하고, 제4 브리지 그룹(63)은 제4 브리지 그룹(63)에 의해 출력된 다른 2개의 신호를 제4 브리지 그룹(63)에 연결된 제2 파워 스플리터 그룹(64)에 출력한다.
제2 파워 스플리터 그룹(64)은 제4 브리지 그룹(63)으로부터 입력된 2개의 신호를 각각 2개의 신호로 분리하여 총 4개의 신호를 생성하고 4개의 신호를 출력하고, 제2 파워 스플리터 그룹(64)은 제2 파워 스플리터 그룹(64)에 의해 출력된 2개의 신호를 제2 파워 스플리터 그룹(64)에 연결된 제2 위상 시프터 그룹으로 출력한다.
제2 위상 시프터 그룹은 위상 편이 된 2개의 신호를 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자(N1 및 N6)에 출력하고, 제2 파워 스플리터 그룹(64)은 제2 파워 스플리터 그룹(64)에 의해 출력된 다른 2개의 신호를 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자(N2, N5)에 출력하여, 6개의 제2 안테나 소자가 제2 타깃 빔을 송신한다.
제2 버틀러 행렬의 구체적 내부 구조는 이하 자세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제2 입력 신호를 수신하기 위한 2개의 제2 빔 포트(즉, B1 및 B2)가 있다.
제2 버틀러 행렬의 제3 브리지 그룹(61)은 제5 브리지(611) 및 제6 브리지(612)를 포함하고, 제5 브리지(611) 및 제6 브리지(612)는 모두 3dB 90° 브리지이다.
제4 브리지 그룹(63)은 제7 브리지(631)와 제8 브리지(632)를 포함하고, 제7 브리지(631)와 제8 브리지(632)는 모두 3dB 90° 브리지이다.
구체적으로, 제5 브리지(611)의 입력 포트(B1)는 제2 빔 포트이고, 즉 제5 브리지(611)는 제2 빔 포트(B1)에 의해 제2 입력 신호를 수신하고, 제5 브리지(611)의 다른 입력 포트는 접지된다.
제6 브리지(612)의 입력 포트(B2)는 제2 빔 포트이고, 즉 제6 브리지(612)는 제2 빔 포트(B2)를 통해 제2 입력 신호를 수신하고, 제6 브리지(612)의 다른 입력 포트는 접지된다.
제5 브리지(611)의 출력 포트(6111)는 제1 위상 시프터 그룹(62) 중 제1 위상 시프터(621)에 연결된다. 즉, 제1 위상 시프터(621)는 제5 브리지(611)의 출력 포트(6111)로부터 입력되는 신호를 수신하고 위상 시프트를 수행하다.
본 실시예에서, 제1 위상 시프터(621)에 의해 시프트된 위상은 -45°이다.
제1 위상 시프터(621)에 의해 시프트 된 위상은 본 실시예에서 -45°인 것은 제한이 아니라 설명의 예로 사용된다는 것을 유의해야한다.
제5 브리지(611)의 출력 포트(6112)는 제4 그룹 브리지(63)의 제8 브리지(632)의 입력 포트(6321)에 연결된다.
제6 브리지(612)의 출력 포트(6121)는 제4 브리지 그룹(63) 내의 제7 브리지(631)의 입력 포트(6311)에 연결된다.
제6 브리지(612)의 출력 포트(6122)는 제1 위상 시프터 그룹(62) 내의 제2 위상 시프터(622)에 연결, 즉 제2 위상 시프터(622)는 제6 브리지(612)의 출력 포트(6122)로부터 입력되는 신호를 수신하고 위상 시프트룰 수행하다.
본 실시예에서, 제2 위상 시프터(622)에 의해 시프트 된 위상은 -45°이다.
제2 위상 시프터(622)에 의해 시프트 된 위상은 본 실시예에서 -45°인 것은 제한이 아니라 설명의 예로 사용된다는 점에 유의해야한다.
제1 위상 시프터(621)의 출력 포트는 제7 브리지(631)의 입력 포트(6312)에 연결된다.
제2 위상 시프터(622)의 출력 포트는 제8 브리지(632)의 입력 포트(6322)에 연결된다.
제7 브리지(631)의 출력 포트(6313)는 제2 파워 스플리터 그룹(64) 내의 제3 파워 스플리터(641)의 입력 포트에 연결되고, 제7 브리지(631)의 출력 포트(6314)는 제2 안테나 소자(N4)에 연결된다.
제8 브리지(632)의 출력 포트(6323)는 제2 안테나 소자(N3)에 연결되고, 제8 브리지(632)의 출력 포트(6324)는 제2 파워 스플리터 그룹(64) 내의 제4 파워 스플리터(642)의 입력 포트에 연결된다.
제3 파워 스플리터(641)는, 제3 파워 스플리터(641)의 입력 포트에 의해 수신되고 제7 브리지(631)의 출력 포트(6313)로부터 입력되는 신호를 2개의 신호로 분할하여 1개의 신호를 제2 안테나 소자(N2)에 출력하고 다른 신호를 제2 위상 시프터 그룹 내의 제3 위상 시프터(651)에 출력한다.
제4 파워 스플리터(642)는, 제4 파워 스플리터(642)의 입력 포트에 의해 수신되고 제8 브리지(632)의 출력 포트(6324)로부터 입력되는 신호를 2개의 신호로 분리하여, 제2 안테나 소자(N5)를 거쳐 제2 위상 시프터의 제4 위상 시프터(652)로 출력한다.
구체적으로, 제2 파워 스플리터 그룹(64) 내에서 제3 파워 스플리터(641)와 제4 파워 스플리터(642)에 의해 출력된 전력의 분배비는 3:7이다.
제2 위상 시프터 그룹 내에서 제3 위상 시프터(651)와 제4 위상 시프터(652)에 의해 시프트 된 위상은 모두 -180°이다.
제4 위상 시프터(652)는 제2 안테나 소자(N1)로 위상 시프트된 신호를 출력하고, 제3 위상 시프터(651)는 제2 안테나 소자(N6)로 위상 시프트된 신호를 출력하여, 제2 안테나 소자(N1, N2, N3, N4, N5, 및 N6)는 제2 타깃 빔을 송신한다.
구체적으로, 제2 버틀러 행렬의 편파 빔의 진폭 및 위상을 표 3에 나타낸다. 삼.
N1 N2 N3 N4 N5 N6
B1 0.54∠0 0.84∠-45 1∠-90 1∠-135 0.84∠-180 0.54∠-225
B2 0.54∠-225 0.84∠-180 1∠-135 1∠-90 0.84∠-45 0.54∠0
본 실시예에서 제1 버틀러 행렬 및 제2 버틀러 행렬을 사용하여, 안테나 어레이는 도 7에 도시된 빔을 송신한다.
본 실시예의 인터리브 편파 멀티-빔 안테나에 의하면, 버틀러 행렬의 복잡도, 손실, 및 구현 비용이 효과적으로 감소될 수 있고, 인접한 다중화 빔 간의 간섭이 효과적으로 감소될 수 있음을 알 수 있다.
인터리브 편파 멀티 빔 안테나가 본 실시예에서 5개의 빔을 형성한다는 것은 제한이 아니라 설명을 위한 예로서 사용된다. 즉, 제1 타깃 빔과 제2 타깃 빔이 교대로 배치되고 임의의 서로 인접한 2개의 빔이 서로 다른 방향 및 편극(polarization)을 가진다면, 인터리브 편파 멀티 빔 안테나에 의해 구체적으로 형성될 수 있는 빔의 수는 본 실시예에서 제한되지 않는다.
당업자는 본 출원에 제공된 몇몇 실시예에서, 개시된 시스템, 장치, 및 방법이 다른 방식으로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 설명된 장치 실시예는 단지 예시적이다. 예를 들어, 유닛 부분은 논리적인 기능 부분 일 뿐이며 실제 구현에서는 다른 부분일 수 있다. 예를 들어, 복수의 유닛 또는 구성 요소가 결합하거나 다른 시스템에 통합되거나, 일부 특징이 무시되거나 수행되지 않을 수 있다. 또한, 표시되거나 논의된 상호 연결 또는 직접 연결 또는 통신 연결은 일부 인터페이스를 사용하여 구현될 수 있다. 장치 또는 유닛 간의 간접적 연결 또는 통신 연결은 전자적, 기계적 또는 다른 형태로 구현될 수 있다.
전술 한 실시예는 단지 본 발명의 기술적 해결수단을 설명하기 위한 것이지 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 발명은 전술한 실시예를 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 실시예의 기술적 해결 수단의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 당업자는 전술한 실시예에서 설명된 기술적 해결 수단에 여전히 수정을 가할 수 있거나 또는 그 기술적 특징에 대한 동등한 대체물을 만들 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (6)

  1. 인터리브 편파 멀티-빔 안테나(interleaved polarized multi-beam antenna)로서,
    +45° 편파 제1 안테나 소자 및 -45° 편파 제2 안테나 소자를 포함하는 적어도 하나의 이중 편파 안테나 소자(dual-polarized antenna element); 및
    제1 버틀러 행렬(Butler matrix) 및 제2 버틀러 행렬
    을 포함하고,
    상기 제1 버틀러 행렬은, 상기 1 안테나 소자가 제1 타깃 빔(target beam)을 전송할 수 있도록 상기 제1 안테나 소자에 연결되고, 상기 제1 타깃 빔은 적어도 1개의 제1 빔 포트(beam port)에 의해 수신된 제1 입력 신호에 따라 상기 제1 버틀러 행렬에 의해 생성되며, 각 제1 타깃 빔은 상이한 방향을 지시하고,
    상기 제2 버틀러 행렬은, 상기 제2 안테나 소자가 제2 타깃 빔을 전송할 수 있도록 상기 제2 안테나 소자에 연결되고, 상기 제2 타깃 빔은 적어도 하나의 제2 빔 포트에 의해 수신된 제2 입력 신호에 따라 상기 제2 버틀러 행렬에 의해 생성되며, 각 제2 타깃 빔은 상이한 방향을 지시하고, 1개의 제2 타깃 빔은 서로 인접한 임의의 2개의 제1 타깃 빔 사이에 배치되고,
    상기 인터리브 편파 멀티-빔 안테나는 6개의 이중 편파 안테나 소자를 포함하고,
    상기 제1 타깃 빔은 3개의 제1 빔 포트에 의해 수신된 제1 입력 신호에 따라 상기 제1 버틀러 행렬에 의해 생성되고, 상기 제2 타깃 빔은 2개의 제2 빔 포트에 의해 수신된 제2 입력 신호에 따라 상기 제2 버틀러 행렬에 의해 생성되고,
    상기 제1 버틀러 행렬은 제1 브리지(bridge) 그룹, 제2 브리지 그룹, 및 제1 파워 스플리터(power splitter) 그룹을 포함하고,
    상기 제1 브리지 그룹은, 3개의 제1 빔 포트들에 연결되어 3개의 제1 입력 신호를 수신하고 상기 3개의 제1 입력 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하고,
    상기 제2 브리지 그룹은, 상기 제1 브리지 그룹에 연결되어 상기 제1 브리지 그룹에 의해 출력된 4개의 신호를 수신하여 상기 제1 브리지 그룹에 의해 출력된 4개의 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하고, 상기 제2 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 상기 제2 브리지 그룹에 연결된 상기 제1 파워 스플리터 그룹에 출력하고 상기 제2 브리지 그룹에 의해 생성된 다른 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 제1 안테나 소자에 출력하며,
    상기 제1 파워 스플리터 그룹은, 상기 제2 브리지 그룹으로부터 입력된 2개의 신호 각각을 2개의 신호로 분리하고 4개의 상기 이중 편파 안테나 소자의 제1 안테나 소자에 상기 생성된 4개의 신호를 출력하여, 6개의 제1 안테나 소자가 상기 제1 타깃 빔을 전송하는, 인터리브 편파 멀티-빔 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 브리지 그룹은 제1 브리지 및 제2 브리지를 포함하고, 상기 제1 브리지는 3dB 90°브리지이고, 상기 제2 브리지는 3dB 180°브리지이며,
    상기 제2 브리지 그룹은 제3 브리지 및 제4 브리지를 포함하고, 상기 제3 브리지 및 상기 제4 브리지는 모두 3dB 180°브리지이고,
    상기 제1 파워 스플리터 그룹은 제1 파워 스플리터 및 제2 파워 스플리터를 포함하고, 상기 제1 파워 스플리터 및 상기 제2 파워 스플리터에 의해 출력되는 전력의 분배비가 3:7인, 인터리브 편파 멀티-빔 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 버틀러 행렬은 제3 브리지 그룹, 제4 브리지 그룹, 제1 위상 시프터(phase shifter) 그룹, 제2 파워 스플리터 그룹, 및 제2 위상 시프터 그룹을 포함하고,
    상기 제3 브리지 그룹은, 2개의 제2 빔 포트에 연결되고 2개의 제2 입력 신호를 수신하고 상기 2개의 제2 입력 신호에 따라 총 4개의 신호를 생성하여 출력하며, 상기 제3 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 상기 제3 브리지 그룹에 연결된 상기 제1 위상 시프터 그룹에 출력하고 상기 제3 브리지 그룹에 의해 생성된 다른 2개의 신호를 상기 제3 브리지 그룹에 연결된 상기 제4 브리지 그룹에 출력하며,
    상기 제4 브리지 그룹은, 상기 제1 위상 시프터 그룹에 연결되고, 상기 제1 위상 시프터 그룹에 의해 수행된 위상 시프트 후 출력된 2개의 신호 및 상기 제3 브리지 그룹에 의해 출력된 2개의 신호를 수신하고 4개의 신호를 생성하여 출력하며, 상기 제4 브리지 그룹에 의해 생성된 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자에 출력하고 상기 제4 브리지 그룹에 의해 출력된 다른 2개의 신호를 상기 제4 브리지 그룹에 연결된 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 출력하고,
    상기 제2 파워 스플리터 그룹은, 상기 제4 브리지 그룹으로부터 입력된 2개의 신호 각각을 2개의 신호로 분리하여 총 4개의 신호를 형성하여 출력하며, 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 의해 출력된 2개의 신호를 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 연결된 상기 제2 위상 시프터 그룹에 출력하고, 위상 시프트된 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자에 출력하며, 상기 제2 파워 스플리터 그룹에 의해 출력된 다른 2개의 신호를 상기 이중 편파 안테나 소자 중 2개의 이중 편파 안테나 소자의 제2 안테나 소자에 출력하여, 6개의 제2 안테나 소자가 상기 제2 타깃 빔을 전송하는, 인터리브 편파 멀티-빔 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 브리지 그룹은 제5 브리지 및 제6 브리지를 포함하고, 상기 제5 브리지 및 상기 제6 브리지는 모두 3dB 90° 브리지이며,
    상기 제4 브리지 그룹은, 제7 브리지 및 제8 브리지를 포함하고, 상기 제7 브리지 및 상기 제8 브리지는 모두 3dB 90° 브리지이며,
    상기 제1 위상 시프터 그룹은 제1 위상 시프터 및 제2 위상 시프터를 포함하고, 상기 제1 위상 시프터 및 상기 제2 위상 시프터에 의해 시프트된 위상은 모두 -45°이며,
    상기 제2 파워 스플리터 그룹은 제3 파워 스플리터 및 제4 파워 스플리터를 포함하고, 상기 제3 파워 스플리터 및 상기 제4 파워 스플리터에 의해 출력되는 전력의 분배비는 3:7이며,
    상기 제2 위상 시프터 그룹은 제3 위상 시프터 및 제4 위상 시프터를 포함하고, 상기 제3 위상 시프터 및 상기 제4 위상 시프터에 의해 시프트된 위상은 모두 -180°인, 인터리브 편파 멀티-빔 안테나.
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