KR101943769B1 - 배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법 - Google Patents

배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법 Download PDF

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광운대학교 산학협력단
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Abstract

배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법이 개시된다. 배열 안테나 시스템은, 4 x 4 배열 패치 안테나들을 포함하는 배열 안테나; 및
상기 패치 안테나들을 이용하여 2 x 2 배열 패치 안테나들을 각각 하나의 그룹으로 하여 5개의 방사 방향에 따른 고정된 5개 방사 패턴을 형성하도록 각 패치 안테나에 고정된 위상 배열값을 제공하는 빔포밍 회로부를 포함한다.

Description

배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법{Array antenna system and operation method for fast angle-of-arrival measurement thereof}
본 발명은 배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법에 관한 것이다.
기존 AOA측정 시스템은 다양한 방법으로 구현되어 왔다. 첫번째 기존 기술로서 "M. Malajner et al "Angle of Arrival Estimation Using RSSI and Omnidirectional Rotatable Antennas", IEEE Sensors Journal, vol. 12, no. 6, pp. 1950-1957, June 2012"에 의하면, 4개의 회전하는 안테나를 사용하여 AOA 추정을 위한 구성을 제안한다. 사용된 4개의 마이크로 스트립 안테나를 회전시키면서 수신 신호 강도 표시기 (Received Signal Strength Indicator: RSSI)가 최대인 방향이 수신 신호의 도달각에 해당한다는 원리에 기초한 알고리즘을 적용하여 구현하였다. 실외 측정에서 평균 오차가 4 ° 미만이고 실내에서는 6 ° 미만이다. 하지만, 안테나와 별개로 AOA 측정을 위해 안테나를 회전시키는 기계적 동력 기구를 별도로 제작해야 하기 때문에 구조의 복잡도 및 구현 비용이 올라가는 단점이 있다.
두번째 기술로서 "B. Hood et al "Estimating DoA From Radio-Frequency RSSI Measurements Using an Actuated Reflector", IEEE Sensors Journal, vol. 11, no. 2, pp. 413-417, Feb. 2011"에 의하면 전방향 방사를 하는 다이폴 안테나는 고정시키고, 안테나 주위로 포물선 반사경을 위치한 후 반사경을 회전시킴으로써 안테나의 방사 빔의 방향을 조정할 수 있도록 구성하였다. 반사경을 회전시키면서 수신된 신호 강도 측정 후 최대 값에 해당하는 각도를 식별하여 전파 도달각을 측정하는 방법이다. 이 기술은 포물선 반사경을 회전시키는 기계적인 장치와 RSSI측정을 위한 전기적인 장치가 동시에 작동해야 해서 구현의 복잡도와 비용이 상승한다. 또한, 포물선 반사경의 특성상 근처에 존재하는 타 반사체를 통한 다중 반사등에 취약한 특성을 갖는다.
세번째 기술로는, 동일한 기판에 인쇄된 상보적 패턴 (complementary pattern)을 갖는 안테나를 기반으로 소형 도달각 측정 시스템이 제안되었다"S. Maddio et al "An Azimuth of Arrival Detector based on a Compact Complementary Antenna System", The 3rd European Wireless Technology Conference, pp. 249-252, Sept. 2010". 이 시스템은 하나의 RSS 기반 기술로 작동하는 시스템에 비해 상보적 패턴 안테나로부터 측정된 각각의 RSS 값에 기반하여 도달된 전파의 방위각을 비교적 정확히 측정 할 수 있다. 두 개의 패턴 안테나는 각각 지정된 방향으로 지향된 방사 특성을 갖도록 구성된다. 안테나 구성은 저비용의 FR4 유전체 기판으로 제작되었고 두 안테나 모두 ISM 밴드에서 동작하도록 설계되었다. 하지만 실제 구현된 상보적 패턴 안테나의 경우 방사 패턴의 차이가 크지 않아 특정 방향을 측정할 때의 정확도가 매우 떨어지는 특성을 보이고 있다.
네번째 기술은 가장 발전되고 정확한 도달각을 측정할 수 있지만, 하드웨어나 소프트웨어가 매우 복잡한 시스템이다. "[4] B. Li et al "On the Efficient Beam-Forming Training for 60GHz Wireless Personal Area Networks", IEEE Transactions on Wireless Communicaions, vol. 12, no. 2, pp. 504-515, Feb. 2013"에 기술된 방법에 의하면, 다수의 위상배열 안테나 시스템에 각 안테나 엘레먼트 별로 위상 및 진폭을 조정할 수 있도록 구성한다. 그리고, 배열안테나를 조정하여 방사되는 빔의 방향과 빔폭을 다양한 조합으로 구성할 수 있도록 하드웨어를 구성한다. 이후, AOA를 식별하기 위해서 미리 빔 코드북 (Beam Code Book)을 만들고 검색기능을 향상시키는 로젠브록(Rosenbrock) 수치 알고리즘을 이용하여 수신신호 세기를 측정한다. 배열 안테나를 이용하여 처음에는 360도 전방향으로 측정하고, 두 번째는 빔폭을 좁혀서 2개의 180도 빔폭을 만들어서 측정한 후, 마지막으로 4개의 90도 빔폭을 만들어서 측정한다. 이러한 방법은 정확한 수신신호를 측정하지만, 변수가 너무 많고 측정시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
본 발명은 고정된 위상배열값을 제공하는 회로 구성을 통해 전파의 도달각을 측정할 수 있는 배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
이를 통해, 본 발명은 복잡한 기계적인 구동부의 필요 없이 간단한 구성을 통해 빠르게 전파 도달각을 측정할 수 있는 배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발명은 고정된 위상배열값을 제공하는 회로 구성을 통해 전파의 도달각을 측정할 수 있는 배열 안테나 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 4 x 4 배열 패치 안테나들을 포함하는 배열 안테나; 및 상기 패치 안테나들을 이용하여 2 x 2 배열 패치 안테나들을 각각 하나의 그룹으로 하여 5개의 방사 방향에 따른 고정된 5개 방사 패턴을 형성하도록 각 패치 안테나에 고정된 위상 배열값을 제공하는 빔포밍 회로부를 포함하는 배열 안테나 시스템이 제공될 수 있다.
제1 그룹 내지 제4 그룹은 상기 4 x 4 배열 패치 안테나를 각각 2 x 2 배열로 서로 다른 패치 안테나들을 각각 그룹핑하여 형성되되, 제5 그룹은 상기 1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 각 패치 안테나를 하나씩 공유하는 구조로 형성될 수 있다.
상기 빔포밍 회로부는, 상기 패치 안테나 각각에 고정된 위상값과 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부를 포함하되, 상기 제1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 제1 패치 안테나는 60도 고정된 위상값과 -20dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되며, 제2 패치 안테나는 140도 고정된 위상값과 -6dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되며, 제3 패치 안테나는 150도 고정된 위상값과 -6dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되며, 제4 패치 안테나는 0도 고정된 위상값과 -0dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결될 수 있다.
상기 4 x 4 배열 패치 안테나들 중 중심 2 x 2 패치 안테나는 0도 고정된 위상값과 -0dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 각각 연결되되, 상기 제5 그룹은 상기 중심 2 x 2 패치 안테나를 이용하여 제5 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성할 수 있다.
상기 빔포밍 회로부는, 각 패치 안테나와 각 고정위상배열부를 스위칭하는 스위치를 더 포함하되, 상기 빔포밍 회로부는, 제1 안테나 그룹부터 제5 안테나 그룹까지 순차적으로 동작하도록 각 안테나 그룹에 연결된 고정위상배열부를 순차적으로 동작시켜 각 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성하여 전파를 발생시킬 수 있다.
컨트롤러를 더 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 배열 안테나를 통해 각 안테나 그룹에 상응하여 발생된 방사 패턴에 따른 전파에 상응하여 검출된 각 방사 방향의 수신신호강도(RSSI)를 저장하며, 각 방사 방향에서 검출된 수신신호강도 중 가장 높은 수신신호강도에 해당하는 안테나 그룹을 선택한 후 상기 선택된 안테나 그룹의 전파 도달각을 결정하도록 제어할 수 있다.
상기 빔포밍 회로부는 상기 고정위상배열부 전단에 연속위상배열부를 더 포함하되, 상기 각 그룹에 따른 방사 패턴을 형성시 상기 연속위상배열부를 비활성화되되, 상기 각 그룹에 따른 방사 패턴을 형성 이후 전파 도달각이 결정된 이후 상기 고정위상배열부는 비활성화되고, 상기 연속위상배열부가 활성화되어 빔포밍의 정밀 제어에 이용될 수 있다.
상기 배열 안테나는 제1 기판, 제2 기판 및 제3 기판을 포함하되, 상기 4 x 4 배열 패치 안테나는 상기 제1 기판에 형성되되, 각 안테나 패치간 중심 피치가 동일하도록 배열되어 형성되고, 상기 패치 안테나로의 안테나 급전부는 상기 제3 기판에 형성되되, 각 그룹에 포함된 패치 안테나들간의 안테나 급전부의 연결이 대칭이 되도록 안테나 급전부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배열 안테나 시스템을 이용한 빠른 도달각 측정 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배열 안테나 시스템을 이용한 빠른 도달각 측정 방법에 있어서, (a) 제1 안테나 그룹부터 제5 안테나 그룹까지 순차적으로 동작하도록 각 안테나 그룹에 연결된 고정위상배열부를 순차적으로 동작시켜 각 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성하여 전파를 발생시킨 후 각 방사 방향의 수신신호강도(RSSI)를 검출하는 단계; (b) 상기 각 방사 방향에서 검출된 수신신호강도 중 가장 높은 수신신호강도에 해당하는 안테나 그룹을 선택하는 단계; 및 (c) 상기 선택된 안테나 그룹의 전파 도달각을 결정하는 단계를 포함하는 배열 안테나 시스템을 이용한 도달각 측정 방법이 제공될 수 있다.
상기 (c) 단계 이후에, 상기 고정위상배열부를 비활성화하고, 연속위상배열부를 활성화하여 타겟과 통신하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템 및 이를 이용한 빠른 전파 도달각 측정 방법을 제공함으로써, 고정된 위상배열값을 제공하는 회로 구성을 통해 전파의 도달각을 측정할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 복잡한 기계적인 구동부의 필요 없이 간단한 구성을 통해 빠르게 전파 도달각을 측정할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 5개의 고정된 방사 방향을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구좌표계를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 패치 안테나 배치 및 각 그룹을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 평면 및 측면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 후면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 상세 회로도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템을 이용한 도달각(AOA) 측정을 위한 동작 방법을 나타낸 순서도.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 동작을 검증하기 위해 도 8의 고정위상배열부를 이용한 4 x 4 배열 안테나에 대해, 전자장 해석 상용 프로그램을 이용하여 방사패턴을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 구성을 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 5개의 고정된 방사 방향을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구좌표계를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 패치 안테나 배치 및 각 그룹을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 구조를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 평면 및 측면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 후면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 상세 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템(100)은 배열 안테나(110), 빔포밍 회로부(120) 및 컨트롤러(130)를 포함하여 구성된다.
배열 안테나(110)는 n개의 패치 안테나들을 포함한다. 여기서, n은 복수일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 4 x 4 배열 패치 안테나를 이용하여 5개의 서로 다른 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성하고, 이를 기반으로 빠른 도달각(AOA)를 측정할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 패치 안테나가 4 x 4 배열 16개 마이크로스트립 패치 형태로 구성되는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하기로 한다. 다만, 구현에 따라 배열 안테나의 개수 및 배열 형태가 달라질 수 있음은 당연하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배열 안테나(110)는 4 x 4 배열 패치 안테나를 이용하여 5개의 서로 다른 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사 패턴이 예시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나(110)는 빠른 도달각 측정을 위해 서로 다른 방사 방향을 가지는 5개의 방사 패턴을 형성할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 배열 안테나 시스템은 5개의 고정된 방사 패턴을 발생시키고 각 방사 패턴에 따른 수신신호강도(RSS)를 측정할 수 있다. 이의 상세한 동작에 대해서는 하기에서 별도의 도면을 참조하여 설명하기로 하며, 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 5개의 방사 패턴을 형성하기 위한 배열 안테나 배치 구조 및 그룹 배치에 대해 우선 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 5개의 서로 다른 방사 방향에 따른 방사 패턴을 편의상 D1 내지 D5라 칭하기로 한다. D1 내지 D5는 고정된 방향의 고도각(θ)과 방위각(φ)을 가진다. D1 내지 D5의 고정된 방향의 고도각 및 방위각은 도 3에 도시된 구좌표계 표현법을 따르는 것을 가정하기로 한다.
예를 들어, D1은 θ = 90o, φ = 320 o, D2은 θ = 50 o, φ = 0 o, D3은 θ = 90 o, φ = 40o, D4은 θ = 130 o, φ = 0o, D5은 θ = 0 o, φ = 0일 수 있다.
이와 같은 고정된 서로 다른 방사 방향에 따른 5개의 방사 패턴을 형성하기 위해 배열 안테나(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 4 x 4 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 4 x 4 배열 패치 안테나는 16개의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체로 구성될 수 있다. 서로 다른 방사 방향에 따른 5개의 방사 패턴을 형성하기 위해 16개의 패치 안테나 중 서로 다른 패치 안테나 4개를 하나의 그룹으로 4개의 그룹이 구성된다. 그리고 제5 그룹은 4 x 4 배열 안테나 중 중심에 위치한 2 x 2 패치 안테나들을 하나의 그룹으로 구성하여 형성될 수 있다.
도 4를 참조하여 이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배열 안테나가 4 x 4 배열 패치 안테나 방사체로 구성되어 있다고 가정하기로 한다.
제1 그룹은 2 x2 배열 패치 안테나들(A1, A2, A3, A4)을 엘리먼트로 하여 구성된다. 또한, 제2 그룹은 제1 그룹과 겹치지 않는 2 x 2 배열 패치 안테나들(A5, A6, A7, A8)을 각각 엘리먼트로 하여 구성된다. 마찬가지로 제3 그룹은 제1 및 제2 그룹과 겹치지 않는 2 x 2 배열 패치 안테나들(A9, A10, A11, A12)을 각각 엘리먼트로 하여 구성된다. 그리고, 제4 그룹은 제1 내지 제3 그룹과 겹치지 않는 2 x 2 배열 배치 안테나들(A13, A14, A15, A16)을 각각 엘리먼트로 하여 구성된다.
마지막으로 제5 그룹은 제1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 각각 하나의 패치 안테나들(A4, A8, A12, A16)을 각각 엘리먼트로 하여 구성될 수 있다.
도 5에는 배열 안테나 시스템 구조가 도시되어 있다.
도 5에서 보여지는 바와 같이 배열 안테나 시스템(100)은 제1 기판, 제2 기판 및 제3 기판을 포함하여 구성된다.
제1 기판에는 복수의 패치 안테나가 위치된다. 복수의 패치 안테나는 도 4에서 설명한 바와 같이 4 x 4 배열로 배치될 수 있다.
예를 들어, 패치 안테나는 가로/세로 크기가 3.3mm일 수 있으며, 패치 안테나의 중심간 거리(즉, 피치(picth))는 5mm일 수 있다.
또한, 측면에서의 배열 안테나 시스템의 전체 두께는 0.525mm일 수 있다(도 6 참조).
제2 기판은 중간 층이다.
제3 기판에는 안테나 급전부 패턴이 형성되며, 빔포밍 회로부(120)가 위치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템(100)은 28GHz 대역에서 동작한다. 이로 인해 각각의 안테나에서 방사하는 빔의 위상차이가 중요하다. 빔포밍 회로를 통해 각각의 안테나 위상을 조절하지만, 패턴의 길이가 위상 차이의 원인이 되기 때문에 안테나 급전부는 최대한 대칭 구조를 가지도록 형성된다(도 7 참조).
본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나(110)는 4 x 4 배열 패치 안테나를 이용하여 서로 다른 고정된 방사 방향에 따른 5개의 방사 패턴을 형성할 수 있다. 이를 위해, 이미 전술한 바와 같이, 각각 2 x 2 패치 안테나를 각각 엘리먼트로 하여 5개 그룹으로 구성될 수 있다.
빔포밍 회로부(120)는 16개의 패치 안테나에 각각 고정된 위상값과 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부를 포함한다.
도 8에는 빔포밍 회로부(120)의 상세 회로도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 회로부(120)는 연속위상배열부(810) 및 고정위상배열부(820)를 포함한다.
연속위상배열부(810)는 고정위상배열부(820)를 이용하여 도달각(AOA)를 측정한 이후, 도달각의 정밀한 측정이나 빔포밍의 정밀한 제어를 위해 동작된다.
빠른 도달각 측정을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 회로부(120)는 고정위상배열부(820)가 우선 동작한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 16개의 패치 안테나는 각각 연속위상배열부(810)와 고정위상배열부(820)가 연결된다. 고정위상배열부(820)는 고정위상변위기와 감쇄기를 각각 포함한다.
즉, 각각의 패치 안테나는 도 8에서 보여지는 바와 같이 고정위상변위기 및 감쇄기와 각각 연결된다. 이를 통해 각각의 패치 안테나는 고정된 위상값과 감쇄값을 제공할 수 있다.
5개의 방사 방향에 따른 방사 패턴을 제공하기 위한 각각의 안테나 그룹은 이미 전술한 바와 같이, 4개의 패치 안테나를 각각 엘리먼트로 포함하여 그룹을 형성한다.
각 안테나 그룹에 포함된 패치 안테나 중 첫번째 안테나 엘리먼트는 60도 위상변위기와 -20dB 감쇄기가 연결되며, 두번째 안테나 엘리먼트는 140도 위상변위기와 -6dB 감쇄기가 연결된다. 또한, 각 안테나 그룹에 포함된 패치 안테나 중 세번째 안테나 엘리먼트는 150도 위상변위이기와 -6dB 감쇄기가 연결되며, 네번째 안테나 엘리먼트는 0도 위상변위기와 0dB 감쇄기가 각각 연결된다.
이와 같이, 제1 그룹 내지 제4 그룹에 대한 안테나 엘리먼트에 연결되는 위상변위기와 감쇄기가 연결되도록 구성한 후 제5 그룹의 경우, 제1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 안테나 엘리먼트 중 네번째 안테나 엘리먼트 즉, 0도 위상변위기와 0dB 감쇄기가 연결되는 안테나 엘리먼트로 구성하며 제1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 안테나 엘리먼트에 해당하는 위상변위기와 감쇄기의 동작 변화 없이 그대로 사용될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에서는 구현의 복잡도와 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.
컨트롤러(130)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템(100)의 내부 구성 요소들(예를 들어, 빔포밍 회로부(120), 배열 안테나(110) 등)을 제어하기 위한 수단이다.
예를 들어, 컨트롤러(130)는 배열 안테나를 통해 각 안테나 그룹에 상응하여 발생된 방사 패턴에 따른 전파에 상응하여 검출된 각 방사 방향의 수신신호강도(RSSI)를 저장할 수 있다. 컨트롤러(130)는 각 방사 방향에서 검출된 수신신호강도 중 가장 높은 수신신호강도에 해당하는 안테나 그룹을 선택한 후 상기 선택된 안테나 그룹의 전파 도달각을 결정하도록 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템을 이용한 도달각(AOA) 측정을 위한 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
단계 910에서 배열 안테나 시스템(100)은 전파의 도달각을 찾기 위해 고정위상배열부를 동작시킨다. 이때, 배열 안테나 시스템(100)은 빔포밍 회로부(120)에 포함된 연속위상배열부는 끄고 고정위상배열부만 동작시킨다.
단계 915에서 배열 안테나 시스템(100)은 고정위상배열부에서 4개씩 안테나 그룹 G1부터 G5까지 순차적으로 배열 안테나를 구동시킨다.
따라서, G1 그룹에 해당하는 배열 안테나(A1, A2, A3, A4) 방향으로 스위치(SPDT1, SPDT2, SPDT3, SPDT4)를 스위칭하여(변환하여) 제1 방사 패턴(D1)을 구현한 후 해당 제1 방사 패턴에 따른 방사 방향에서 수신신호 강도(RSSI)를 검출한 후 검출된 수신신호 강도를 저장한다(단계 920).
단계 925에서 배열 안테나 시스템(100)은 모든 안테나 그룹에 대해 방사 패턴을 구현하여 수신신호 강도를 검출하여 저장하였는지 여부를 판단한다.
단계 915 내지 단계 920을 제1 안테나 그룹에서 제5 안테나 그룹까지 순차적으로 반복하여 수행한다.
만일 모든 안테나 그룹에 대해 동작되지 않은 경우, 단계 915를 수행한다.
그러나 만일 모든 안테나 그룹에 대해 동작한 경우, 단계 930에서 배열 안테나 시스템(100)은 5개의 방사 패턴에 상응하여 측정된 수신신호 강도(RSSI) 중 가장 높은 RSSI에 해당하는 그룹을 선택한다.
이어, 단계 935에서 배열 안테나 시스템(100)은 선택된 그룹의 전파 도달각을 결정한다.
단계 940에서 배열 안테나 시스템(100)은 빔포밍 회로부(120)의 고정위상배열부를 끄고 연속위상배열부를 동작시킨다.
단계 945에서 배열 안테나 시스템(100)은 연속위상배열부의 위상변위기와 감쇄기를 적절히 조정한다.
단계 950에서 배열 안테나 시스템(100)은 송수신기와 빔포밍 회로부 및 배열 안테나까지의 스위치를 연결하여 타겟과 통신한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템의 동작을 검증하기 위해 도 8의 고정위상배열부를 이용한 4 x 4 배열 안테나에 대해, 전자장 해석 상용 프로그램을 이용하여 방사패턴을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
우선, 그룹 G1에서 G4는 대칭적인 구조이고, G5는 전면방사를 하고 있으므로, 대표적으로 G1 및 G5의 방사패턴을 표시하였다.
도 10의 (a)와 (b)는 G1의 방사패턴 결과를 2차원 및 3차원으로 표시한 것이다. 또한, 도 11의 (a)와 (b)는 G5의 방사패턴 결과를 2차원 및 3차원으로 표시한 것이다. 도 10 및 도 11에서 보여지는 바와 같이, 배열 안테나 시스템은 고정위상배열시스템을 이용하여 5개의 방사패턴 방향을 성공적으로 제공하고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 시스템은 28GHz 대역의 동작을 위해 설계되었고 구현 되었다. 하지만, 전 세계적으로 ISM 대역에 해당하는 2.4GHz, 5.8GHz, 24GHz, 61GHz 등의 다양한 전파 대역뿐만 아니라 원하는 모든 주파수 대역에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 빠른 도달각 측정 4x4 배열안테나 시스템을 구현할 수 있음은 자명할 것이다.
100: 배열 안테나 시스템
110: 배열 안테나
120: 빔포밍 회로부
130: 컨트롤러

Claims (10)

  1. 4 x 4 배열 패치 안테나들을 포함하는 배열 안테나; 및
    상기 패치 안테나들을 이용하여 2 x 2 배열 패치 안테나들을 각각 하나의 그룹으로 하여 5개의 방사 방향에 따른 고정된 5개 방사 패턴을 형성하도록 각 패치 안테나에 고정된 위상 배열값을 제공하는 빔포밍 회로부를 포함하되,
    상기 빔포밍 회로부는,
    상기 패치 안테나 각각에 고정된 위상값과 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부를 포함하되,
    제1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 제1 패치 안테나는 60도 고정된 위상값과 -20dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되며,
    제2 패치 안테나는 140도 고정된 위상값과 -6dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되며,
    제3 패치 안테나는 150도 고정된 위상값과 -6dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되며,
    제4 패치 안테나는 0도 고정된 위상값과 -0dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 연결되되,
    제1 그룹 내지 제4 그룹은 상기 4 x 4 배열 패치 안테나를 각각 2 x 2 배열로 서로 다른 패치 안테나들을 각각 그룹핑하여 형성되되,
    제5 그룹은 상기 제1 그룹 내지 제4 그룹에 포함된 각 패치 안테나를 하나씩 공유하는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 4 x 4 배열 패치 안테나들 중 중심 2 x 2 패치 안테나는 0도 고정된 위상값과 -0dB 고정된 감쇄값을 제공하는 고정위상배열부와 각각 연결되되,
    상기 제5 그룹은 상기 중심 2 x 2 패치 안테나를 이용하여 제5 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 빔포밍 회로부는, 각 패치 안테나와 각 고정위상배열부를 스위칭하는 스위치를 더 포함하되,
    상기 빔포밍 회로부는,
    제1 안테나 그룹부터 제5 안테나 그룹까지 순차적으로 동작하도록 각 안테나 그룹에 연결된 고정위상배열부를 순차적으로 동작시켜 각 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성하여 전파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    컨트롤러를 더 포함하되,
    상기 컨트롤러는 상기 배열 안테나를 통해 각 안테나 그룹에 상응하여 발생된 방사 패턴에 따른 전파에 상응하여 검출된 각 방사 방향의 수신신호강도(RSSI)를 저장하며,
    각 방사 방향에서 검출된 수신신호강도 중 가장 높은 수신신호강도에 해당하는 안테나 그룹을 선택한 후 상기 선택된 안테나 그룹의 전파 도달각을 결정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 빔포밍 회로부는 상기 고정위상배열부 전단에 연속위상배열부를 더 포함하되,
    상기 각 그룹에 따른 방사 패턴을 형성시 상기 연속위상배열부를 비활성화되되, 상기 각 그룹에 따른 방사 패턴을 형성 이후 전파 도달각이 결정된 이후 상기 고정위상배열부는 비활성화되고, 상기 연속위상배열부가 활성화되어 빔포밍의 정밀 제어에 이용되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 배열 안테나는 제1 기판, 제2 기판 및 제3 기판을 포함하되,
    상기 4 x 4 배열 패치 안테나는 상기 제1 기판에 형성되되, 각 안테나 패치간 중심 피치가 동일하도록 배열되어 형성되고,
    상기 패치 안테나로의 안테나 급전부는 상기 제3 기판에 형성되되, 각 그룹에 포함된 패치 안테나들간의 안테나 급전부의 연결이 대칭이 되도록 안테나 급전부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 시스템.
  9. 배열 안테나 시스템을 이용한 빠른 도달각 측정 방법에 있어서,
    (a) 제1 안테나 그룹부터 제5 안테나 그룹까지 순차적으로 동작하도록 각 안테나 그룹에 연결된 고정위상배열부를 순차적으로 동작시켜 각 방사 방향에 따른 방사 패턴을 형성하여 전파를 발생시킨 후 각 방사 방향의 수신신호강도(RSSI)를 검출하는 단계;
    (b) 상기 각 방사 방향에서 검출된 수신신호강도 중 가장 높은 수신신호강도에 해당하는 안테나 그룹을 선택하는 단계;
    (c) 상기 선택된 안테나 그룹의 전파 도달각을 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 고정위상배열부를 비활성화하고, 연속위상배열부를 활성화하여 타겟과 통신하는 단계를 포함하는 배열 안테나 시스템을 이용한 도달각 측정 방법.

  10. 삭제
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