KR101926986B1 - 렌즈를 포함하는 안테나 장치 및 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법 - Google Patents

렌즈를 포함하는 안테나 장치 및 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법 Download PDF

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Abstract

렌즈를 포함하는 안테나 장치는 복수의 안테나 유닛, 상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함한다. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.

Description

렌즈를 포함하는 안테나 장치 및 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법{ANTENNA APPARATUS INCLUDING LENS STRUCTURE AND COMMUNICATION METHOD USING LENS ANTENNA}
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조를 이용한 안테나 장치에 관한 것이다.
무선 통신 분야에서 채널 용량을 늘리기 위한 다양한 기법이 연구되었다. 전통적으로 채널의 개수를 늘리는 방법은 주파수 또는 시간을 분할하여 채널의 개수를 늘리는 방법이다. 나아가 동일한 주파수 대역에서 서로 다른 방사 패턴 또는 편파를 사용하여 채널 용량을 확대하는 방안이 제시되었다. 한편 서로 다른 채널을 이용하여 향상된 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 이득을 얻기 위한 다양한 연구도 진행되었다.
MIMO 이득 향상을 위한 집적 안테나에서 나타나는 주된 문제점은 안테나 구조에서 안테나 간 상호 간섭 신호이다. 안테나 간 상호 간섭은 물리적인 안테나 간 거리가 가까울수록 커지게 되며, 그 크기가 커질수록 각 안테나가 독립적인 신호를 보내기 어려워진다. MIMO 안테나에서 안테나 간 상호 간섭을 감소시키기 위하여 편파 특성을 활용한 2편파 다이폴 집적 안테나 구조 등이 제안된 바 있다.
한국등록특허 제10-1625805호
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조를 이용하여 안테나 장치의 채널 용량을 늘리는 기법을 제공하고자 한다.
렌즈를 포함하는 안테나 장치는 복수의 안테나 유닛 및 상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함한다. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.
렌즈 안테나를 이용한 통신 방법은 복수의 안테나 유닛이 각각 전자기파를 출력하는 단계, 상기 전자기파가 각각 복수의 렌즈 구조물을 투과하는 단계 및 상기 복수의 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함한다. 상기 복수의 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는다.
다른 측면에서 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법은 복수의 안테나 유닛이 각각 초기 전자기파를 출력하는 단계, 상기 복수의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파 중 일부의 전자기파가 렌즈 구조물을 투과하는 단계 및 상기 초기 전자기파 및 상기 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 집적 안테나에 렌즈를 적용하여 안테나 사이의 상관도를 억제하여 다중 안테나 시스템의 채널 용량을 증가시킨다. 이하 설명하는 기술은 동일한 종류의 안테나를 사용하여 서로 다른 채널을 생성할 수 있다. 이하 설명하는 기술은 구조가 단순한 집적 안테나를 기반으로 효과적인 MIMO 이득에 기여한다.
도 1은 종래 4포트 집적 안테나의 예이다.
도 2는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 예이다.
도 3은 렌즈를 투과한 전자기파에 대한 예이다.
도 4는 렌즈 구조물의 두께와 방사패턴의 상관도 사이의 관계를 도시한 그래프의 예이다.
도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다.
도 6은 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 상관도를 분석한 테이블의 예이다.
도 7은 렌즈 안테나의 구조를 도시한 예이다.
도 8은 렌즈 안테나에서 렌즈의 배치를 도시한 예이다.
도 9는 렌즈 안테나에서 렌즈의 배치를 도시한 다른 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조물을 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다. 이하 설명하는 안테나 장치는 기본적으로 복수의 안테나 유닛을 포함한다. 하나의 안테나 유닛을 일정한 방사 패턴을 갖는 전자기파를 방출한다. 이하 설명하는 안테나 장치는 복수의 안테나 유닛을 하나의 장치에 집적한 구조를 갖는다. 이하 설명하는 안테나 장치는 2차원 평면 안테나 또는 3차원 안테나일 수 있다. 다만 설명의 편의를 위해 기본적으로 2차원 평면 안테나를 중심으로 설명하고자 한다.
도 1은 종래 4포트 집적 안테나(50)의 예이다. 안테나(50)는 복수의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)을 포함한다. 안테나(50)는 일반적인 편향각을 가진 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)을 90도씩 회전시킨 형태이다. 안테나 유닛 P1 및 P3는 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나(예컨대, V-pol 안테나)이고, 안테나 유닛 P2 및 P4는 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나(예컨대, H-pol 안테나)이다. 안테나(50)와 같은 집적 구조를 갖는 경우 편향각을 가지더라도 편파 성분에 의해 90도의 배치 간격을 갖는 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P2) 간의 상관도가 낮지만, 180도의 배치 간격을 가진 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P3) 간의 상관도는 상대적으로 크게 나타나게 된다. 여기서 상관도는 안테나가 출력하는 방사패턴의 상관도를 의미한다. 상관도가 높은 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P3)는 채널 매트릭스(Matrix)의 랭크(Rank)를 감소시킨다. 따라서 이러한 안테나 유닛을 갖는 안테나(50)는 신호 간 독립성이 보장되지 않아 다중 이득을 얻기가 어렵다.
도 2는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나(100)의 예이다. 안테나(100)는 복수의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)을 포함한다. 기본적으로 안테나(100)는 도 1의 안테나(50)와 유사한 구조를 갖는 4포트 집적 안테나이다.
나아가 안테나(100)는 렌즈 구조물(150)을 더 포함한다. 렌즈 구조물(150)은 특정한 유전율 값을 갖는 유전체이다. 렌즈 구조물(150)은 일정한 값 이상의 유전율 내지 투자율 중 적어도 하나를 갖는 유전체인 것이 바람직하다. 렌즈 구조물(150)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 렌즈 구조물(150)은 일정한 두께를 갖는 평면 형태(기판)일 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하 렌즈 구조물을 포함하는 안테나를 렌즈 안테나라고 명명하였다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 전자기파를 방출한다. 안테나 유닛이 방출한 전자기파는 렌즈 구조물(150)을 투과한다. 안테나(100)는 일부 안테나 유닛(P3 및 P4)이 방출한 전자기파만이 렌즈 구조물(150)을 투과하는 구조를 갖는다. 렌즈 구조물(150)은 안테나 유닛(P3 및 P4)이 방출하는 전자기파만을 투과하는 위치에 배치된다.
도 3은 렌즈를 투과한 전자기파에 대한 예이다. 도 3은 도 2의 안테나(100)에서 안테나 유닛(P1 및 P3)이 방출하는 전자기파에 대한 예를 도시한다. 안테나 유닛(P1 및 P3)은 기본적으로 동일한 방사 패턴을 갖는 전자기파(E1)를 출력한다고 전제한다.
전자기파 신호는 단순한 실수값이 아니라 복소수 신호 이므로 전달되는 신호는 크기뿐 아니라 위상 정보를 포함한다. 안테나의 위상 정보를 변화시키는 경우, 아래 수학식 1과 같이 안테나 방사패턴 간 상관도로 정의되는 상관 계수(Envelope correlation coefficient) ρ는 분자가 감소하게 되어 안테나 상관도가 감소하게 된다. 이는 결과적으로 안테나 간 간섭을 포함한 채널 매트릭스 H의 랭크를 향상시키고, 채널 용량을 향상시킨다.
Figure 112017062834241-pat00001
안테나 유닛(P1)은 길이 d1의 파장을 갖는 전자기파를 출력한다. 안테나 유닛(P3)도 길이 d1의 파장을 갖는 전자기파를 출력한다. 안테나 유닛(P3)의 앞에 렌즈 구조물(150)을 배치하면, 렌즈의 전기적 손실을 무시할 때 안테나 유닛(P3)이 발생시키는 전자기파의 신호가 렌즈 구조물(150) 두께에 의해 영향을 받아 전자기파의 위상 정보가 변하게 된다. 안테나 유닛(P3)이 출력하는 전자기파는 렌즈 구조물(150)에서 속도가 느려진다. 따라서 결과적으로 렌즈 구조물(150)을 투과한 전자기파(E3)는 안테나 유닛(P1)이 방출하는 전자기파(E1)와 일정한 위상 차이(θ)를 갖게된다. 이를 통해 안테나(100)는 렌즈 구조물(150)을 이용하여 안테나 유닛(예를 들어 P1 및 P3) 사이의 상관도를 낮추어 채널 용량을 확대한다.
도 2를 예를 들어 설명하면, 안테나(100)에서 일정한 유전율을 갖는 렌즈 구조물(150)의 두께가 변화하면 안테나 유닛(예를 들어 P1 및 P3)이 방출하는 방사패턴 사이의 상관도도 변화하게 된다. 도 4는 렌즈 구조물(150)의 두께와 방사패턴의 상관도 사이의 관계를 도시한 그래프의 예이다. 렌즈 구조물(150)의 두께가 두꺼워짐에 따라 상관도 감소 효과가 더 크게 나타나다. 렌즈 구조물(150)의 두께가 두꺼워질수록 렌즈 구조물(150)을 투과하는 전자기파의 위상 정보가 더 변경 되기 때문이다.
도 4는 렌즈 구조물(150)의 두께와 상관도 감소의 관계를 도시하였다. 렌즈 구조물(150)을 구성하는 재질은 방사패턴의 상관도에 영향을 준다. 예컨대, 렌즈 구조물(150)을 구성하는 유전체의 굴절률이 높아진다면 방사패턴의 상관도는 굴절률에 비례하여 감소할 수 있다. 정리하면 렌즈 구조물(150)의 재질 및 두께는 방사 패턴의 상관도 감소에 영향을 준다.
도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다. 도 5는 상관도 감소에 의한 채널 용량 증가의 정도를 나타낸다. 시뮬레이션에서는 최대 산란(Full Scattering) 및 NLOS(Non-Line-of-Sight) 환경을 가정하였다. 전체 채널 매트릭스 H는 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112017062834241-pat00002
여기서 매트릭스 Rt 및 Rr은 상관 매트릭스의 요소 Rt,(i,j) = ρ(i,j)이므로 시스템의 환경 채널 Matrix HW와는 별개로 전체 채널 H의 랭크 향상에 기여한다. LOS(Line-of-Sight) 환경에서는 효과가 다소 감소하지만, 렌즈 구조물에 의한 위상 변화가 안테나 신호 간 독립성을 향상시켜 매트릭스 Rt 및 Rr의 랭크가 향상되므로 역시 채널 용량이 증가하게 된다.
도 6은 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 상관도를 분석한 테이블의 예이다. 도 6은 렌즈 구조물을 포함하는 안테나(100)와 종래 안테나(50)의 상관도를 분석한 예이다. 렌즈 안테나(100)는 3cm 두께의 FR-4 기판을 렌즈로 이용하는 경우를 가정하였다. 도 6은 종래 안테나(50) 및 렌즈 안테나(100)에 대한 상관 매트릭스 Rt의 절대값을 나타낸다. 또한 상관 매트릭스의 특이값 분해(Singular Value Decomposition)한 경우의 고유값(Eigenvalue)들을 나타낸다. 도 6을 살펴보면, 종래 안테나(50)에 비하여 렌즈 안테나(100)의 상관도가 크게 낮은 것을 알 수 있다.
렌즈 안테나는 렌즈 구조물을 이용하여 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상 정보를 변경한다. 이를 통해 집적 안테나의 채널 용량을 늘리는 것이다. 채널 용량을 늘리는 것은 두 가지 측면이 있다. 하나는 복수의 안테나 유닛이 방출하는 방사 패턴을 서로 다르게 하여 채널을 추가하는 것이다. 또 하나는 복수의 안테나 유닛이 방출하는 전자기파의 간섭을 줄여서 채널을 늘리는 것이다.
도 7은 렌즈 안테나의 구조를 도시한 예이다. 도 7(a)의 안테나(200)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 렌즈 구조물(250)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 도 2와 같이 일부 안테나들이 서로 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나일 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 일부 안테나가 서로 동일한 방사패턴을 갖는 안테나일 수도 있다. 예컨대, 안테나 유닛 P1 및 P3는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2 및 P4는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 이 경우 안테나 유닛 P3 및 P4에 대해서만 렌즈 구조물(250)을 적용할 수 있다. 렌즈 구조물(250)이 안테나 유닛 P3 및 P4의 전자기파만을 투과하는 배치를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 안테나(200)는 안테나 유닛 P1 및 P3(또는 안테나 유닛 P2 및 P4) 사이의 상관도가 감소하여 채널 용량이 증대된다.
안테나 유닛 P1 및 P3이 제1 방사패턴의 전자기파를 방출하고, 안테나 유닛 P2 및 P4가 제2 방사패턴의 전자기파를 방출한다고 가정한다. 안테나(200)는 렌즈 구조물(250)을 통해 안테나 유닛 P3 및 P4가 방출하는 방사패턴을 변경한다. 따라서 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)의 방사 패턴은 서로 상관도가 낮아지게 된다.
도 7(b)의 안테나(300)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 2개의 렌즈 구조물(351 및 352)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 도 2와 같이 일부 안테나들이 서로 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나일 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 일부 안테나가 서로 동일한 방사패턴을 갖는 안테나일 수도 있다. 예컨대, 안테나 유닛 P1 및 P3는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2 및 P4는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛 "P1 및 P2"와 "P3 및 P4"에 각각 서로 다른 렌즈 구조물(351 및 352)을 적용한다. 렌즈 구조물(351) 및 렌즈 구조물(352)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 이 경우 렌즈 구조물(351 및 352)가 각각 안테나 유닛 "P1 / P2"와 "P3 / P4"의 전자기파의 위상 정보를 동일하게 변경한다. 따라서 이와 같은 구조를 갖는 안테나(300)는 안테나 유닛 P1 및 P3(또는 안테나 유닛 P2 및 P4) 사이의 상관도가 줄어들어 채널 용량이 증대된다.
도 7(c)의 안테나(400)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 3개의 렌즈 구조물(451, 452 및 453)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 편파 특성을 가질 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 방사패턴을 가질 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛 "P1", "P3" 및 "P4"에 각각 서로 다른 렌즈 구조물(451, 452 및 453)을 적용한다. 각 렌즈 구조물(451, 452 또는 453)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 즉, 렌즈 구조물(451, 452 또는 453)은 각각 안테나 유닛 "P1", "P3" 및 "P4"의 전자기파의 위상 정보를 서로 다르게 변경한다. 결과적으로 이와 같은 구조를 갖는 안테나(400)는 모든 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 사이의 상관도가 줄어든다.
도 7(d)의 안테나(500)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 4개의 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 편파 특성을 가질 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 방사패턴을 가질 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 각각에 서로 다른 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)을 적용한다. 각 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 즉, 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)은 각각 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)의 전자기파의 위상 정보를 서로 다르게 변경한다. 결과적으로 이와 같은 구조를 갖는 안테나(400)는 모든 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 사이의 상관도가 줄어든다.
전술한 바와 같이 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 각 안테나 유닛의 간섭을 최소화할 수 있다. 이를 통해 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 채널 용량을 증대할 수 있다. 나아가, 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 서로 다른 특성을 갖는 방사패턴을 이용하여 다중 채널을 사용할 수 있다. 도 7과 같이 4개의 안테나 유닛이 있다면 4개의 채널을 사용할 수 있다. 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 4개의 채널 각각에 서로 다른 패킷을 전송할 수 있다. 나아가 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 4개의 채널을 이용하여 MIMO 통신을 수행할 수도 있다. 도 7에 도시한 안테나(200, 300, 400 또는 500)가 MIMO 통신에 사용된다면, 렌즈 구조물이란 비교적 단순한 구성을 부가하여 MIMO 이득을 확대하게 된다.
도 8은 렌즈 안테나에서 렌즈의 배치를 도시한 예이다. 렌즈 구조물은 다양한 형태를 가질 수 있다. 설명의 편의를 위해 기판과 같은 평면 구조를 갖는다고 가정한다. 도 8은 설명의 편의를 위해 하나의 안테나 유닛과 하나의 렌즈 구조물을 도시하였다.
도 8(a)는 렌즈 안테나(600)의 구조를 도시한 예이다. 렌즈 안테나(600)는 기판(611), 안테나 유닛(631) 및 렌즈 구조물(651)을 포함한다. 안테나 유닛(631)은 기판(611) 위에 적층된 평면 형태이다. 렌즈 구조물(651)은 안테나 유닛(631) 위에 적층된 평면 형태이다. 렌즈 구조물(651)은 도 8(a)와 같이 안테나 유닛에 접촉한 상태의 배치를 가질 수 있다.
도 8(b)는 렌즈 안테나(700)의 구조를 도시한 예이다. 렌즈 안테나(700)는 기판(711), 안테나 유닛(731) 및 렌즈 구조물(751)을 포함한다. 안테나 유닛(631)은 기판(711) 위에 적층된 평면 형태이다. 렌즈 구조물(751)은 도 8(a)와 달리 안테나 유닛(731)에서 일정한 거리 d 만큼 이격된 상태의 배치를 갖는다. 안테나 유닛(731)을 일정하게 이격시키기 위하여 다양한 물리적 구조가 사용될 수 있다. 예컨대, 도 8(b)와 같이 기둥과 같은 구조가 렌즈 구조물(751)을 지지할 수 있다.
한편 안테나는 2차원 형태가 아닌 3차원 구조를 가질 수 있다. 도 9는 렌즈 안테나(800)에서 렌즈의 배치를 도시한 다른 예이다. 도 9는 3차원 안테나에 대한 하나의 예이다. 렌즈 안테나(800)는 복수의 면으로 구성된다. 하나의 면(A)은 도 7(a)와 유사한 렌즈 안테나 구조를 갖는다. 예컨대, 안테나 유닛 P1(812)및 P3(815)는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2(813) 및 P4(814)는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 이 경우 안테나 유닛 P3(815) 및 P4(814)에 대해서만 렌즈 구조물(816)을 적용할 수 있다. 렌즈 구조물(816)은 안테나 유닛 P3(815) 및 P4(814)의 전자기파만을 투과하는 배치를 갖는다. 도 9는 설명의 편의를 위해 하나의 면에 있는 안테나 구조에 대해서만 도면 부호를 표시하였다.
또한 도 9와 달리 복수의 면 중 다른 면에서 유사한 안테나 구조를 가질 수 있다. 한편 렌즈 안테나(800)는 다른 면에서 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 렌즈 안테나(800)는 모든 면에 동일한 구조를 갖는 안테나를 가질 수 있다. 나아가 렌즈 안테나(800)는 입체적 구조로 인하여 추가적으로 발생하는 간섭을 제거하기 위하여 간섭 정도가 심한 안테나 중 어느 하나에 렌즈 구조물을 적용할 수도 있다.
렌즈 구조물을 갖는 안테나에 대해 설명하였다. 전술한 렌즈 안테나는 특히 MIMO 이득이 높은 환경(NLOS, 높은 산란율)에서 채널 용량을 크게 증대시킨다. 렌즈 안테나는 렌즈 구조물이란 단순한 구조를 통해 채널 용량을 늘린다. 렌즈 안테나는 안테나 유닛의 방사 패턴의 위상정보에 따라 신호를 구분하게 한다. 따라서 전술한 렌즈 안테나는 방사 패턴의 방향 또는 신호의 세기와 같은 물리적인 특성을 변경하지 않고도, 상관도가 낮은 안테나 집적을 가능하게 한다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
50 : 안테나
100, 200, 300 ,400, 500 ,600, 700, 800 : 렌즈 안테나
150, 250, 351, 352, 451, 452, 453, 551, 552, 553, 554, 651, 751, 816 : 렌즈 구조물
631, 731, 812, 813, 814, 815 : 안테나 유닛

Claims (16)

  1. 복수의 안테나 유닛; 및
    상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함하되,
    상기 렌즈 구조물은 상기 전자기파의 방사 방향을 변경하지 않고, 상기 복수의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파가 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경하여, 상기 복수의 안테나 유닛 사이의 방사패턴 상관도를 감소시키고 상기 복수의 안테나 유닛의 다중 이득을 증대하고, 상기 복수의 안테나 유닛 중 상관도가 기준값 이상 높은 안테나 유닛들 각각에 대한 개별 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절율을 갖는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛은 동일한 편파 또는 동일한 방사 패턴을 출력하는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛은 서로 다른 편파 또는 서로 다른 방사 패턴을 출력하는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 구조물은 상기 적어도 하나의 안테나 유닛과 접합되거나 일정한 거리로 이격된 배치를 갖는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 2개의 안테나 유닛에 대해 배치되고, 상기 적어도 2개의 안테나 유닛에 배치된 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  7. 복수의 안테나 유닛이 각각 전자기파를 출력하는 단계;
    상기 전자기파가 각각 복수의 렌즈 구조물을 투과하는 단계; 및
    상기 복수의 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖고,
    상기 복수의 렌즈 구조물을 투과한 전자기파는 각각 방사 방향이 변경되지 않고, 상기 적어도 2개의 전자기파는 서로 다른 방사 패턴을 갖게되어, 상기 복수의 안테나 유닛 사이의 방사패턴 상관도를 감소시키고 상기 복수의 안테나 유닛의 다중 이득이 증대하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파를 이용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 방식의 통신을 수행하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛은 동일한 방사 패턴을 갖는 전자기파를 출력하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 서로 방사 패턴이 상이한 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 상기 렌즈 구조물 투과 전보다 투과 후에 서로 방사 패턴의 상관도가 낮아지는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  13. 복수의 안테나 유닛이 각각 초기 전자기파를 출력하는 단계;
    상기 복수의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파 중 일부의 전자기파가 렌즈 구조물을 투과하는 단계; 및
    상기 초기 전자기파 및 상기 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함하되,
    상기 렌즈 구조물을 투과한 전자기파는 방사 방향이 변경되지 않고, 상기 적어도 2개의 전자기파는 서로 다른 방사 패턴을 가져 상기 복수의 안테나 유닛 사이의 방사패턴 상관도를 감소시키고 상기 복수의 안테나 유닛의 다중 이득이 증대하고, 상기 복수의 안테나 유닛 중 상관도가 기준값 이상 높은 안테나 유닛들 각각에 대한 개별 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절율을 갖는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파를 이용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 방식의 통신을 수행하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 서로 방사 패턴이 상이한 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 상기 렌즈 구조물 투과 전보다 투과 후에 서로 방사 패턴의 상관도가 낮아지는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
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