KR102019432B1 - 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치 - Google Patents

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이왕상
서동근
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경상대학교 산학협력단
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Abstract

광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치는 제1 빔을 방사하는 제1 안테나, 제2 빔을 방사하는 제2 안테나 및 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제1 모드 및 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제2 모드를 제공하는 급전 장치를 포함한다. 상기 급전 장치는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드가 반복적으로 수행되도록 제어하고, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 z축 상에 수평 배치되고 서로 반파장 이내의 간격을 갖다.

Description

광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치{ARRAY ANTENNA APPARATUS FOR WIDE ELEVATION}
이하 설명하는 기술은 다중 빔 안테나에 관한 것이다.
무선 통신 환경 발전과 변화에 따라 다양한 안테나가 연구되었다. 종래 안테나는 주로 방위각면에서 넓은 범위를 서비스하는 기술에 초점이 있었다. 최근 안테나 기술은 방위각뿐만 아니라 앙각(elevation)에 대한 정밀한 빔 포밍 또는 넓은 앙각 범위에 대한 요구가 증가하고 있다. 예컨대, 5G 통신을 위한 3D 빔포밍 기술은 앙각 범위에서도 정밀한 빔포밍이 필요하다. 나아가 IoT 서비스 등장과 함께 서로 높낮이가 다른 객체 사이의 통신 필요성이 증가하고 있다.
미국등록특허 US 9,595,767호
종래 안테나는 넓은 앙각에서는 이득이 감소하는 구조를 갖는다. 따라서 넓은 앙각 범위에서 이득이 높은 안테나가 요구되고 있다. 이하 설명하는 기술은 브로드 사이드 배열(broadside arrray)과 앤드-파이어 배열(end-fire array)의 조합된 특징을 갖는 안테나 장치를 제공하고자 한다.
광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치는 제1 빔을 방사하는 제1 다이폴 안테나, 제2 빔을 방사하는 제2 다이폴 안테나 및 상기 제1 다이폴 안테나와 상기 제2 다이폴 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제1 모드 및 상기 제1 다이폴 안테나와 상기 제2 다이폴 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제2 모드를 제공하는 급전 장치를 포함한다. 상기 급전 장치는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드가 반복적으로 수행되도록 제어하고, 상기 제1 다이폴 안테나와 상기 제2 다이폴 안테나는 z축 상에 수평 배치되고 서로 반파장 이내의 간격을 갖는다.
다른 측면에서 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치는 제1 빔을 방사하는 제1 다이폴 안테나, 제2 빔을 방사하고, 상기 제1 다이폴 안테나와 수직인 제2 다이폴 안테나, 제3 빔을 방사하고, 상기 제1 다이폴 안테나와 수평인 제3 다이폴 안테나, 제4 빔을 방사하면서 상기 제3 다이폴 안테나와 수직인 제4 다이폴 안테나, 상기 제1 다이폴 안테나와 상기 제3 다이폴 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제1 모드 및 상기 제1 다이폴 안테나와 상기 제3 다이폴 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제2 모드를 제공하는 제1 급전 장치 및 상기 제2 다이폴 안테나와 상기 제4 다이폴 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제3 모드 및 상기 제2 다이폴 안테나와 상기 제4 다이폴 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제4 모드를 제공하는 제2 급전 장치를 포함한다. 상기 급전 장치는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드가 반복적으로 수행되고, 상기 제3 모드와 상기 제4 모드가 반복적으로 수행되도록 제어하고, 상기 제1 다이폴 안테나와 상기 제3 다이폴 안테나는 z축 상에 수평 배치되고 서로 반파장 이내의 간격을 갖는다.
이하 설명하는 기술은 복수의 선형 배열 안테나에 공급되는 신호 위상을 동적으로 조절하여 브로드 사이드 빙과 앤드-파이어 빔을 생성한다. 이를 통해 이하 설명하는 기술은 넓은 앙각 범위에 대한 커버리지(coverage)를 제공한다.
도 1은 무선 통신을 수행하는 IoT 환경에 대한 예이다.
도 2는 N개 선형 배열 안테나에 대한 브로드 사이드 배열과 앤드-파이어 배열에 대한 예이다.
도 3은 z 축 수평 배열 안테나에 대한 예이다.
도 4는 도 3의 안테나에 대한 급전 장치 구조의 예이다.
도 5는 도 3의 안테나 방사 패턴에 대한 예이다.
도 6은 z 축 배열 안테나에 대한 예이다.
도 7은 도 6의 수평 배열 안테나에 대한 급전 장치 구조의 예이다.
도 8은 도 6의 수직 배열 안테나에 대한 급전 장치 구조의 예이다.
도 9는 도 6의 안테나 방사 패턴에 대한 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.
도 1은 무선 통신을 수행하는 IoT 환경에 대한 예이다. 도 1은 무선 통신을 위한 안테나가 사용되는 환경에 대한 예이다. 도 1은 IoT 환경 중 자율주행 차량과 드론에 대한 예를 도시한다. 차량(21)은 다른 차량(22)와 차량 간 통신(V2V:Vehicle to Vehicle)을 수행한다. 나아가 차량은 도로주변에 설치된 인프라와 통신할 수 있다. 차량(21)은 건물 위에 배치된 인프라(10)와 통신(V2I:Vehicle to Infra)한다. 인프라(10)는 주변 정보를 수집하는 AP와 같은 장치일 수 있다. 차량(22)은 공중에 있는 위성(5)과 통신을 한다. 한편 드론도 유사한 통신 환경을 갖는다. 드론(31)은 다른 드론(32)와 통신할 수 있다(U2U: UAV to UAV). 또 드론(31)은 위성(50)과 통신을 할 수도 있다. 이와 같이 차량이나 드론과 같은 객체는 수평면에 있지 않고, 높이(고도) 차이가 큰 객체와 통신을 할 수 있다. 다만 현재 안테나는 제한된 앙각 범위에서만 이득이 높다는 문제가 있다.
최근 국제전기통신연합(ITU, International Telecommunication Union) 산하의 세계 전파통신회의(WRC, World Radio Conference)는 전세계적으로 무인항공기 지상제어 전용으로 5030~5150MHz 대역을 분배하였다. 지상의 무인 항공기 제어 목적으로 5030~5150MHz 대역을 할당하여 수 km까지 통신이 가능하도록 환경을 조성하였다. 이하 설명하는 배열 안테나도 5000MHz 대역 서비스가 가능하다.
이하 설명하는 기술은 배열 안테나에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 다중 빔을 생성하는 배열 안테나에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 넓은 앙각 범위를 지원하는 배열 안테나에 관한 것이다. 배열 안테나에 대하여 먼저 간략하게 설명한다.
단일 안테나 소자는 다양한 방사 패턴을 갖지 못한다. 개발자는 특정한 지향성(방사 패턴)을 갖는 안테나를 개발하고자 할 때 배열 안테나를 사용할 수 있다. 배열 안테나는 2개 이상의 안테나 소자를 동시에 사용한 배열을 포함한다.
배열 안테나는 안테나 소자를 일정한 형태로(기하학적으로) 배열하여 일정한 방사 패턴을 생성할 수 있다. 안테나 소자의 배열 형태에 따라 다양한 종류의 안테나가 있다. 예컨대, 선형 배열 안테나(linear array antenna)는 배열 소자 중심이 직선을 따라 배치되는 안테나이다. 선형 배열 안테나에서 안테나 소자 사이의 간격을 일정할 수 있다.
배열 안테나는 배열된 안테나 소자에 공급되는 전류 위상을 제어하여 원하는 방사 패턴을 생성하기도 한다. 배열 안테나는 안테나 소자에 공급되는 급전 신호(전류)의 진폭 및/또는 위상을 전기적으로 제어하여 특정한 방사 패턴을 생성한다. 위상 조정은 위상 변환기(Phase Shifter)를 이용할 수 있다. 진폭 조정은 감쇠기(Attenuator)를 이용할 수 있다.
이하 설명하는 배열 안테나는 선형 배열 안테나이다. 이하 배열 안테나를 구성하는 안테나 요소를 다이폴 안테나로 가정하고 설명한다. 다만 배열 안테나는 다이폴 안테나 외에 모노폴 안테나, 루프 안테나, 야기 안테나, 비발디 안테나(Vivaldi antenna), 준-야기 안테나 (Quasi-yagi antenna) 등과 같은 다른 유형의 안테나가 사용될 수도 있다.
도 2는 N개 선형 배열 안테나에 대한 브로드 사이드 배열과 앤드-파이어 배열에 대한 예이다. 도 2(A)는 선형 배열 안테나에 대한 예이다. 도 2(A)는 N개의 안테나 소자가 z축 상에 수평 상태로 배열되는 예이다. 도 2(A)는 7개의 다이폴 안테나를 포함하는 선형 배열 안테나이다. 도 2(A)는 안테나 소자 사이의 간격이 반파장 이내라고 전제한다. 예컨대, 연속된 안테나 소자 사이의 간격은 1/4λ일 수 있다.
도 2(B)는 도 2(A)의 배열 안테나에 대한 브로드 사이드 배열의 예이다. 브로드 사이드 배열은 배열면에 대하여 직각 방향으로 최대 방사가 일어난다. 도 2(B)는 z 축에 수직 방향으로 최대 방사가 일어나는 예를 도시한다. 브로드 사이드 배열 경우 안테나 소자는 위상차를 갖지 않는다.
도 2(C)는 도 2(A)의 배열 안테나에 대한 앤드-파이어 배열의 예이다. 앤드-파이어 배열은 배열축 방향으로 최대 방사가 일어난다. 도 2(C)는 z 축 방향으로 최대 방사가 일어나는 예를 도시한다. 앤드-파이어 배열 경우 안테나 소자는 90°위상차를 갖는다.
제1 실시예
도 3은 z 축 수평 배열 안테나(100)에 대한 예이다. 도 3은 다이폴 안테나를 사용한 선형 배열 안테나에 대한 예이다. 도 3의 배열 안테나는 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)를 포함한다. 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 성능 요구에 따라 일정한 대역의 신호를 송수신한다. 예컨대, 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 5GHz 대역 신호를 처리할 수 있다.
제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 z 축 기준으로 수평 배열을 갖는다. 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 서로 다른 xy 평면에 배치되는 형태이다. 동시에 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 z 축을 따라 그 중심이 배열된다. 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112) 사이의 거리 d는 반파장 이내(d ≤ 2/λ)이다. 도 3은 두 개의 다이폴 소자를 사용하는 예를 도시하였는데, 경우에 따라서 보다 많은 소자를 사용할 수도 있다. 다만 N 개의 소자를 사용하는 경우에도 각 안테나 소자는 z축을 따라 선행 배열되는 형태이다.
배열 안테나(100)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔을 모두 생성할 수 있다. 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔을 조합하여 앙각이 넓은 빔 패턴을 제공한다. 이를 위하여 각 안테나에 대한 신호(전력)에 위상 조절이 필요하다. 이를 위한 급전 장치 구조를 설명한다.
도 4는 도 3의 안테나에 대한 급전 장치(200) 구조의 예이다. 급전 장치(200)는 제1 스위치(210), 제2 스위치(220), 제3 스위치(230), 제1 반 전력 분배기(240), 제2 반 전력 분배기(250) 및 위상 변환기(260)를 포함한다. 도 4는 전력 공급원 내지 신호 공급원은 생략하였다. 급전 장치(200)는 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)에 공급되는 신호가 서로 0° 또는 90°위상차를 갖도록 제어한다.
전력 공급원 내지 신호 공급원에서 전달되는 신호(RFIN)가 두 개의 경로 중 어느 하나를 통해 안테나에 전달된다. (1) 제1 경로는 신호가 순서대로 제1 스위치(210), 제1 반 전력 분배기(240) 및 제2 스위치(220)를 거쳐 제1 다이폴 안테나(111)에 전달된다. 또 신호가 순서대로 제1 스위치(210), 제1 반 전력 분배기(240) 및 제3 스위치(230)를 거쳐 제2 다이폴 안테나(112)에 전달된다. (2) 제2 경로는 신호가 순서대로 제1 스위치(210), 제2 반 전력 분배기(250) 및 제2 스위치(220)를 거쳐 제1 다이폴 안테나(111)에 전달된다. 또 신호가 순서대로 제1 스위치(210), 제2 반 전력 분배기(250), 위상 변환기(260) 및 제3 스위치(230)를 거쳐 제2 다이폴 안테나(112)에 전달된다.
제1 스위치(210), 제2 스위치(220) 및 제3 스위치(230)는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치가 사용될 수 있다. 반 전력 분배기(two-way power divider, 240 및 250)는 공급되는 전력(신호)을 분배한다. 반 전력 분배기는 입력 전력을 각각 절반의 비율로 분배할 수 있다. 위상변환기(260)는 입력되는 신호의 위상을 90°변환한다.
제1 스위치(210)는 전력 공급원 내지 신호 공급원과 연결되는 입력 단자, 제1 출력 단자(P1) 및 제2 출력 단자(P3)를 포함한다. 제2 스위치(220)는 제1 반 전력 분배기(240)와 연결된 제1 입력 단자(P3), 제2 반 전력 분배기(250)와 연결된 제2 입력 단자(P4) 및 제1 다이폴 안테나(111)에 연결되는 출력 단자를 포함한다. 제3 스위치(230)는 제1 반 전력 분배기(240)와 연결된 제1 입력 단자(P5), 위상변환기(260)의 출력 신호를 입력받는 제2 입력 단자(P6) 및 제2 다이폴 안테나(112)에 연결되는 출력 단자를 포함한다.
스위치의 연결상태가 아래 표 1과 같을 때 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)에 전달되는 신호의 위상이 0°(동일) 하거나 90°위상차를 갖는다.
빔 패턴 종류 제1 다이폴 안테나 위상 제2 다이폴 안테나 위상 스위치 연결 상태
빔 패턴 1 0° 0° P1, P3, P5
빔 패턴 2 0° 90° P2, P4, P6
제1 스위치(210)가 P1, 제2 스위치(220)가 P3, 제3 스위치(230)가 P5에 연결되면, 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 제1 반 전력 분배기(240)에서 출력되는 신호가 위상 차이 없이 수신한다. 이 경우 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 배열 상태가 되고, 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 브로드 사이드 빔을 방사한다.
제1 스위치(210)가 P2, 제2 스위치(220)가 P4, 제3 스위치(230)가 P6에 연결되면, 제1 다이폴 안테나(111)는 제2 반 전력 분배기(240)에서 출력되는 신호를 그대로 수신하고, 제2 다이폴 안테나(112)는 위상 변환기(260)에 의해 90°위상이 변환된 신호를 수신한다. 이 경우 배열 안테나(100)는 앤드-파이어 배열 상태가 되고, 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)는 앤드-파이어 빔을 방사한다.
급전 장치(200)는 스위치(210, 220 및 230)를 이용하여 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)가 서로 동일한 위상 또는 서로 90°위상차 있는 신호를 전송한다. 설명의 편의를 위해 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)에 전달되는 신호가 서로 동일한 위상을 갖는 상태를 제1 모드라고 한다. 제1 다이폴 안테나(111) 및 제2 다이폴 안테나(112)에 전달되는 신호가 90°위상차를 갖는 상태를 제2 모드라고 한다. 급전 장치(200)는 시간에 따라 제1 모드와 제2 모드가 반복적으로 수행되도록 할 수 있다. 즉, 급전 장치(220)는 시간 제1 구간에서는 제1 모드로 동작하고, 제2 구간에서는 제2 모드로 동작하고, 제3 구간에서는 제1 모드로 동작하고, 제4 구간에서는 제2 모드로 동작할 수 있다. 이와 같이 급전 장치(200)가 제1 모드와 제2 모드를 반복하면 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔이 조합된 형태의 빔을 형성할 수 있다.
도 5는 도 3의 안테나 방사 패턴에 대한 예이다. 도 5(A)는 브로드 사이드 빔에 대한 방사 패턴의 예이다. 도 5(B)는 앤드-파이어 빔에 대한 방사 패턴의 예이다. 도 5(C)는 zy 평면(양각 평면)에서 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔의 형태를 도시한다. 배열 안테나의 빔 조합을 통하여 200°이상의 앙각을 갖는 빔 패턴을 형성함을 실험으로 확인하였다.
항목 브로드 사이드 빔 앤드-파이어 빔
앙각 170.6 142.4
최대 이득(dBi) 2.54 5.56
이득(θ> 90) (dBi) >2.45
표 2는 배열 안테나(100)가 형성한 빔에 대한 앙각과 이득에 대한 데이터이다. 표 2에서 θ는 빔을 형성하는 각도를 의미한다. 90도가 넘는 각도에서도 유효한 이득이 나오는 것을 확인할 수 있다.
제2 실시예
도 6은 z 축 배열 안테나(300)에 대한 예이다. 배열 안테나(300)는 두 개의 단위 안테나(310, 320)를 z축에 배열한 선형 배열 안테나이다.
하나의 단위 안테나는 xy 평면상에 배치된다. 하나의 단위 안테나는 두 개의 다이폴 안테나로 구성된다. 제1 단위 안테나(310)는 제1 다이폴 안테나(311) 및 제2 다이폴 안테나(312)를 포함한다. 제1 다이폴 안테나(311) 및 제2 다이폴 안테나(312)는 동일한 xy 평면에 배치되는 형태이다. 제1 다이폴 안테나(311) 및 제2 다이폴 안테나(312)는 서로 직교하는 형태를 갖는다. 소위 ±45도 다이폴 안테나 배열에 해당한다. 제2 단위 안테나(320)는 제3 다이폴 안테나(321) 및 제2 다이폴 안테나(332)를 포함한다. 제3 다이폴 안테나(321) 및 제4 다이폴 안테나(322)는 동일한 xy 평면에 배치되는 형태이다. 제3 다이폴 안테나(321) 및 제4 다이폴 안테나(322)는 서로 직교하는 형태를 갖는다. 소위 ±45도 다이폴 안테나 배열에 해당한다. 제1 단위 안테나(310) 및 제2 단위 안테나(320)는 z 축을 따라 그 중심이 배열된다. 제1 단위 안테나(310) 및 제2 단위 안테나(320) 사이의 거리 d는 반파장 이내(d ≤ 2/λ)이다. 도 6은 두 개의 단위 안테나를 사용하는 예를 도시하였는데, 경우에 따라서 보다 많은 단위 안테나를 사용할 수도 있다. 다만 N 개의 단위 안테나를 사용하는 경우에도 각 단위 안테나는 z축을 따라 선행 배열되는 형태이다.
배열 안테나(300)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔을 모두 생성할 수 있다. 배열 안테나(300)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔을 조합하여 앙각이 넓은 빔 패턴을 제공한다. 배열 안테나(300)는 각 단위 안테나에 포함되는 다이폴 안테나의 종류(배치 방향)가 빔 형성에 중요하다. 제1 단위 안테나(310) 중 x 축에 수평인 제1 다이폴 안테나(311)와 제2 단위 안테나 중 x 축에 수평인 제3 다이폴 안테나(321)은 빔 형성에 유사한 특성을 갖는다. 설명의 편의를 위하여 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)를 수평 배열 안테나라고 명명한다. 한편 제1 단위 안테나(310) 중 y 축에 수평인 제2 다이폴 안테나(312)와 제2 단위 안테나 중 x 축에 수직인 제4 다이폴 안테나(322)은 빔 형성에 유사한 특성을 갖는다. 설명의 편의를 위하여 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(322)를 수직 배열 안테나라고 명명한다.
배열 안테나(300)는 각 단위 안테나에 포함된 개별 다이폴 안테나에 대한 신호(전력)에 위상 조절이 필요하다. 이를 위한 급전 장치 구조를 설명한다.
도 7은 도 6의 수평 배열 안테나에 대한 제1 급전 장치(400) 구조의 예이다. 제1 급전 장치(400)는 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)에 대한 신호를 공급한다. 즉, 제1 급전 장치(400)는 수평 배열 안테나에 대한 급전을 담당한다.
제1 급전 장치(400)는 제1 스위치(410), 제2 스위치(420), 제3 스위치(430), 제1 반 전력 분배기(440), 제2 반 전력 분배기(450) 및 위상 변환기(460)를 포함한다. 도 4는 전력 공급원 내지 신호 공급원은 생략하였다. 제1 급전 장치(400)는 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)에 공급되는 신호가 서로 0° 또는 90°위상차를 갖도록 제어한다.
전력 공급원 내지 신호 공급원에서 전달되는 신호(RFIN)가 두 개의 경로 중 어느 하나를 통해 안테나에 전달된다. (1) 제1 경로는 신호가 순서대로 제1 스위치(410), 제1 반 전력 분배기(440) 및 제2 스위치(420)를 거쳐 제1 다이폴 안테나(311)에 전달된다. 또 신호가 순서대로 제1 스위치(410), 제1 반 전력 분배기(440) 및 제3 스위치(430)를 거쳐 제3 다이폴 안테나(321)에 전달된다. (4) 제2 경로는 신호가 순서대로 제1 스위치(410), 제2 반 전력 분배기(450) 및 제2 스위치(420)를 거쳐 제1 다이폴 안테나(311)에 전달된다. 또 신호가 순서대로 제1 스위치(410), 제2 반 전력 분배기(450), 위상 변환기(460) 및 제3 스위치(430)를 거쳐 제3 다이폴 안테나(321)에 전달된다.
제1 스위치(410), 제2 스위치(420) 및 제3 스위치(430)는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치가 사용될 수 있다. 반 전력 분배기(two-way power divider, 240 및 250)는 공급되는 전력(신호)을 분배한다. 반 전력 분배기는 입력 전력을 각각 절반의 비율로 분배할 수 있다. 위상변환기(460)는 입력되는 신호의 위상을 90°변환한다.
제1 스위치(410)는 전력 공급원 내지 신호 공급원과 연결되는 입력 단자, 제1 출력 단자(Q1) 및 제2 출력 단자(Q3)를 포함한다. 제2 스위치(420)는 제1 반 전력 분배기(440)와 연결된 제1 입력 단자(Q3), 제2 반 전력 분배기(450)와 연결된 제2 입력 단자(Q4) 및 제1 다이폴 안테나(311)에 연결되는 출력 단자를 포함한다. 제3 스위치(430)는 제1 반 전력 분배기(440)와 연결된 제1 입력 단자(Q5), 위상변환기(460)의 출력 신호를 입력받는 제2 입력 단자(Q6) 및 제3 다이폴 안테나(321)에 연결되는 출력 단자를 포함한다.
스위치의 연결상태가 아래 표 1과 같을 때 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)에 전달되는 신호의 위상이 0°(동일) 하거나 90°위상차를 갖는다.
빔 패턴 종류 제1 다이폴 안테나 위상 제3 다이폴 안테나 위상 스위치 연결 상태
빔 패턴 1 0° 0° Q1, Q3, Q5
빔 패턴 2 0° 90° Q2, Q4, Q6
제1 스위치(410)가 Q1, 제2 스위치(420)가 Q3, 제3 스위치(430)가 Q5에 연결되면, 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)는 제1 반 전력 분배기(440)에서 출력되는 신호가 위상 차이 없이 수신한다. 이 경우 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 배열 상태가 되고, 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)는 브로드 사이드 빔을 방사한다. 제1 스위치(410)가 Q2, 제2 스위치(420)가 Q4, 제3 스위치(430)가 Q6에 연결되면, 제1 다이폴 안테나(311)는 제2 반 전력 분배기(440)에서 출력되는 신호를 그대로 수신하고, 제3 다이폴 안테나(321)는 위상 변환기(460)에 의해 90°위상이 변환된 신호를 수신한다. 이 경우 배열 안테나(100)는 앤드-파이어 배열 상태가 되고, 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)는 앤드-파이어 빔을 방사한다.
제1 급전 장치(400)는 스위치(410, 220 및 230)를 이용하여 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)가 서로 동일한 위상 또는 서로 90°위상차 있는 신호를 전송한다. 설명의 편의를 위해 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)에 전달되는 신호가 서로 동일한 위상을 갖는 상태를 제1 모드라고 한다. 제1 다이폴 안테나(311) 및 제3 다이폴 안테나(321)에 전달되는 신호가 90°위상차를 갖는 상태를 제2 모드라고 한다. 제1 급전 장치(400)는 시간에 따라 제1 모드와 제2 모드가 반복적으로 수행되도록 할 수 있다. 즉, 급전 장치(420)는 시간 제1 구간에서는 제1 모드로 동작하고, 제2 구간에서는 제2 모드로 동작하고, 제3 구간에서는 제1 모드로 동작하고, 제4 구간에서는 제2 모드로 동작할 수 있다. 이와 같이 제1 급전 장치(400)가 제1 모드와 제2 모드를 반복하면 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔이 조합된 형태의 빔을 형성할 수 있다.
도 8은 도 6의 수직 배열 안테나에 대한 제2 급전 장치(500) 구조의 예이다. 제2 급전 장치(500)는 제1 다이폴 안테나(311) 및 제4 다이폴 안테나(324)에 대한 신호를 공급한다. 즉, 제2 급전 장치(500)는 수평 배열 안테나에 대한 급전을 담당한다.
제2 급전 장치(500)는 제1 스위치(510), 제2 스위치(520), 제3 스위치(530), 제1 반 전력 분배기(540), 제2 반 전력 분배기(550) 및 위상 변환기(560)를 포함한다. 도 4는 전력 공급원 내지 신호 공급원은 생략하였다. 제2 급전 장치(500)는 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)에 공급되는 신호가 서로 0° 또는 90°위상차를 갖도록 제어한다.
전력 공급원 내지 신호 공급원에서 전달되는 신호(RFIN)가 두 개의 경로 중 어느 하나를 통해 안테나에 전달된다. (1) 제1 경로는 신호가 순서대로 제1 스위치(510), 제1 반 전력 분배기(540) 및 제2 스위치(520)를 거쳐 제2 다이폴 안테나(312)에 전달된다. 또 신호가 순서대로 제1 스위치(510), 제1 반 전력 분배기(540) 및 제3 스위치(530)를 거쳐 제4 다이폴 안테나(324)에 전달된다. (5) 제2 경로는 신호가 순서대로 제1 스위치(510), 제2 반 전력 분배기(550) 및 제2 스위치(520)를 거쳐 제2 다이폴 안테나(312)에 전달된다. 또 신호가 순서대로 제1 스위치(510), 제2 반 전력 분배기(550), 위상 변환기(560) 및 제3 스위치(530)를 거쳐 제4 다이폴 안테나(324)에 전달된다.
제1 스위치(510), 제2 스위치(520) 및 제3 스위치(530)는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치가 사용될 수 있다. 반 전력 분배기(two-way power divider, 240 및 250)는 공급되는 전력(신호)을 분배한다. 반 전력 분배기는 입력 전력을 각각 절반의 비율로 분배할 수 있다. 위상변환기(560)는 입력되는 신호의 위상을 90°변환한다.
제1 스위치(510)는 전력 공급원 내지 신호 공급원과 연결되는 입력 단자, 제1 출력 단자(R1) 및 제2 출력 단자(R3)를 포함한다. 제2 스위치(520)는 제1 반 전력 분배기(540)와 연결된 제1 입력 단자(R3), 제2 반 전력 분배기(550)와 연결된 제2 입력 단자(R4) 및 제2 다이폴 안테나(312)에 연결되는 출력 단자를 포함한다. 제3 스위치(530)는 제1 반 전력 분배기(540)와 연결된 제1 입력 단자(R5), 위상변환기(560)의 출력 신호를 입력받는 제2 입력 단자(R6) 및 제4 다이폴 안테나(324)에 연결되는 출력 단자를 포함한다.
스위치의 연결상태가 아래 표 1과 같을 때 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)에 전달되는 신호의 위상이 0°(동일) 하거나 90°위상차를 갖는다.
빔 패턴 종류 제2 다이폴 안테나 위상 제4 다이폴 안테나 위상 스위치 연결 상태
빔 패턴 1 0° 0° R1, R3, R5
빔 패턴 2 0° 90° R2, R4, R6
제1 스위치(510)가 R1, 제2 스위치(520)가 R3, 제3 스위치(530)가 R5에 연결되면, 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)는 제1 반 전력 분배기(540)에서 출력되는 신호가 위상 차이 없이 수신한다. 이 경우 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 배열 상태가 되고, 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)는 브로드 사이드 빔을 방사한다. 제1 스위치(510)가 R2, 제2 스위치(520)가 R4, 제3 스위치(530)가 R6에 연결되면, 제2 다이폴 안테나(312)는 제2 반 전력 분배기(540)에서 출력되는 신호를 그대로 수신하고, 제4 다이폴 안테나(324)는 위상 변환기(560)에 의해 90°위상이 변환된 신호를 수신한다. 이 경우 배열 안테나(100)는 앤드-파이어 배열 상태가 되고, 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)는 앤드-파이어 빔을 방사한다. 제2 급전 장치(500)는 스위치(510, 220 및 230)를 이용하여 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)가 서로 동일한 위상 또는 서로 90°위상차 있는 신호를 전송한다. 설명의 편의를 위해 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)에 전달되는 신호가 서로 동일한 위상을 갖는 상태를 제3 모드라고 한다. 제2 다이폴 안테나(312) 및 제4 다이폴 안테나(324)에 전달되는 신호가 90°위상차를 갖는 상태를 제4 모드라고 한다. 제2 급전 장치(500)는 시간에 따라 제3 모드와 제4 모드가 반복적으로 수행되도록 할 수 있다. 즉, 급전 장치(520)는 시간 제1 구간에서는 제3 모드로 동작하고, 제2 구간에서는 제4 모드로 동작하고, 제3 구간에서는 제3 모드로 동작하고, 제4 구간에서는 제4 모드로 동작할 수 있다. 이와 같이 제2 급전 장치(500)가 제3 모드와 제4 모드를 반복하면 배열 안테나(100)는 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔이 조합된 형태의 빔을 형성할 수 있다.
한편 기본적으로 제1 급전 장치(400)와 제2 급전 장치(500)는 서로 독립적으로 각 다이폴 안테나에 대한 신호 위상을 제어할 수 있다. 나아가 제1 급전 장치(400)와 제2 급전 장치(500)는 제어하는 안테나의 종류와 위상을 제어하는 구간에 대한 일정한 패턴을 가질 수 있다. (1) 예컨대, 제1 구간에서 제1 급전 장치(400)가 제1 모드로 동작하고, 제2 급전 장치(500)가 제3 모드로 동작할 수 있다. 제1 구간에 이은 제2 구간에서 제1 급전 장치(400)가 제2 모드로 동작하고, 제2 급전 장치(500)가 제4 모드로 동작할 수 있다. 즉 제1 급전 장치(400)와 제2 급전 장치(500)가 시간 흐름에 따라 90°위상차를 주는 구간을 동일하게 할 수 있다. (2) 이와는 반대로 제1 급전 장치(400)와 제2 급전 장치(500)가 시간 흐름에 따라 90°위상차를 주는 구간을 서로 중복되지 않게 할 수 있다. 즉, 제1 구간에서 제1 급전 장치(400)가 제1 모드로 동작하고, 제2 급전 장치(500)가 제4 모드로 동작할 수 있다. 제1 구간에 이은 제2 구간에서 제1 급전 장치(400)가 제2 모드로 동작하고, 제2 급전 장치(500)가 제3 모드로 동작할 수 있다. (3) 또는 경우에 따라 제1 급전 장치(400)와 제2 급전 장치(500)가 시간 흐름에 따라 서로 다른 구간을 사용할 수도 있다. 기본적으로 배열 안테나(300)는 시간의 흐름에 따라 브로드 사이드 빔과 앤드-파이어 빔의 조합된 특성을 가지면 된다. 따라서 제1 급전 장치(400)와 제2 급전 장치(500)는 위상차를 제어하는 시기에 따라 서로 다양한 빔 조합을 생성할 수 있다.
도 9는 도 6의 안테나 방사 패턴에 대한 예이다. 배열 안테나(300)은 빔 조합을 통해 반구 영역을 포함하는 200°이상의 앙각을 갖는 빔 패턴을 형성함을 실험으로 확인하였다. 반구 영역은 빔 패턴에서 구의 절반에 해당하는 영역에 빔 패턴이 형성되는 것을 의미한다. 도 9(A)는 수평 배열 안테나가 형성하는 브로드 사이드 빔에 대한 방사 패턴의 예이다. 도 9(B)는 수평 배열 안테나가 형성하는 앤드-파이어 빔에 대한 방사 패턴의 예이다. 도 9(C)는 수직 배열 안테나가 형성하는 브로드 사이드 빔에 대한 방사 패턴의 예이다. 도 9(B)는 수직 배열 안테나가 형성하는 앤드-파이어 빔에 대한 방사 패턴의 예이다.
또한, 상술한 바와 같은 배열 안테나의 방사 패턴 생성 방법 내지 배열 안테나에 대한 급전 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다. 상기 프로그램은 안테나 장치의 디지털 회로의 저장 매체에 저장될 수 있다.
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.
5 : 위성
10 : 인프라
21, 22 : 차량
31, 32 : 드론(UAV)
100 : 배열 안테나
111 : 제1 다이폴 안테나
112 : 제2 다이폴 안테나
200 : 급전 장치
210 : 제1 스위치
220 : 제2 스위치
230 : 제3 스위치
240 : 제1 반 전력 분배기
250 : 제2 반 전력 분배기
260 : 위상변환기
300 : 배열 안테나
311 : 제1 다이폴 안테나
312 : 제2 다이폴 안테나
313 : 제3 다이폴 안테나
314 : 제4 다이폴 안테나
400 : 제1 급전 장치
410 : 제1 스위치
420 : 제2 스위치
430 : 제3 스위치
440 : 제1 반 전력 분배기
450 : 제2 반 전력 분배기
460 : 위상변환기
500 : 제2 급전 장치
510 : 제1 스위치
520 : 제2 스위치
530 : 제3 스위치
540 : 제1 반 전력 분배기
550 : 제2 반 전력 분배기
560 : 위상변환기

Claims (11)

  1. 제1 빔을 방사하는 제1 안테나;
    제2 빔을 방사하는 제2 안테나; 및
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제1 모드 및 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제2 모드를 제공하는 급전 장치를 포함하되,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 z축 상에 수평 배치되고 서로 반파장 이내의 간격을 갖고,
    상기 급전 장치는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드가 반복적으로 수행되도록 제어하여, 상기 제1 모드에 따른 제1 빔과 상기 제2 모드에 따른 제2 빔이 조합되어 브로드 사이드 빔 및 앤드-파이어 빔이 조합된 다중 빔을 형성하는 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모드에서 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 브로드 사이드 배열(broadside arrray) 상태인 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 모드에서 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 앤드-파이어 배열(end-fire array) 상태인 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급전 장치는
    신호 공급원에 연결되는 입력단자, 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는 제1 스위치;
    상기 제1 출력단자에 연결되고, 전력을 반으로 분배하는 제1 반 전력 분배기;
    상기 제2 출력단자에 연결되고, 전력을 반으로 분배하는 제2 반 전력 분배기;
    상기 제1 반 전력 분배기에 연결되는 제1 입력단자, 상기 제2 반 전력 분배기에 연결되는 제2 입력단자 및 상기 제1 안테나에 연결되는 출력단자를 포함하는 제2 스위치;
    상기 제2 반 전력 분배기의 출력 신호에 대한 위상을 90도 변환하는 위상 변환기; 및
    상기 제1 반 전력 분배기에 연결되는 제1 입력단자, 상기 위상 변환기의 출력 신호를 입력받는 제2 입력단자 및 상기 제2 안테나에 연결되는 출력단자를 포함하는 제3 스위치를 포함하는 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  5. 삭제
  6. 제1 빔을 방사하는 제1 안테나;
    제2 빔을 방사하고, 상기 제1 안테나와 수직인 제2 안테나;
    제3 빔을 방사하고, 상기 제1 안테나와 수평인 제3 안테나;
    제4 빔을 방사하면서 상기 제3 안테나와 수직인 제4 안테나;
    상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제1 모드 및 상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제2 모드를 제공하는 제1 급전 장치; 및
    상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 없는 제3 모드 및 상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도인 제4 모드를 제공하는 제2 급전 장치를 포함하되,
    상기 급전 장치는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드가 반복적으로 수행되고, 상기 제3 모드와 상기 제4 모드가 반복적으로 수행되도록 제어하고,
    상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나는 z축 상에 수평 배치되고 서로 반파장 이내의 간격을 갖는 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 모드에서 상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나는 브로드 사이드 배열(broadside arrray) 상태이고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나는 앤드-파이어 배열(end-fire array) 상태인 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3 모드에서 상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나는 브로드 사이드 배열(broadside arrray) 상태이고, 상기 제4 모드에서 상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나는 앤드-파이어 배열(end-fire array) 상태인 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 급전 장치는
    신호 공급원에 연결되는 입력단자, 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 상기 제1 출력단자에 연결되고, 전력을 반으로 분배하는 제1 반 전력 분배기;
    상기 제1 스위치의 상기 제2 출력단자에 연결되고, 전력을 반으로 분배하는 제2 반 전력 분배기;
    상기 제1 반 전력 분배기에 연결되는 제1 입력단자, 상기 제2 반 전력 분배기에 연결되는 제2 입력단자 및 상기 제1 안테나에 연결되는 출력단자를 포함하는 제2 스위치;
    상기 제2 반 전력 분배기의 출력 신호에 대한 위상을 90도 변환하는 위상 변환기; 및
    상기 제1 반 전력 분배기에 연결되는 제1 입력단자, 상기 위상 변환기의 출력 신호를 입력받는 제2 입력단자 및 상기 제3 안테나에 연결되는 출력단자를 포함하는 제3 스위치를 포함하는 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 급전 장치는
    신호 공급원에 연결되는 입력단자, 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 상기 제1 출력단자에 연결되고, 전력을 반으로 분배하는 제1 반 전력 분배기;
    상기 제1 스위치의 상기 제2 출력단자에 연결되고, 전력을 반으로 분배하는 제2 반 전력 분배기;
    상기 제1 반 전력 분배기에 연결되는 제1 입력단자, 상기 제2 반 전력 분배기에 연결되는 제2 입력단자 및 상기 제2 안테나에 연결되는 출력단자를 포함하는 제2 스위치;
    상기 제2 반 전력 분배기의 출력 신호에 대한 위상을 90도 변환하는 위상 변환기; 및
    상기 제1 반 전력 분배기에 연결되는 제1 입력단자, 상기 위상 변환기의 출력 신호를 입력받는 제2 입력단자 및 상기 제4 안테나에 연결되는 출력단자를 포함하는 제3 스위치를 포함하는 광범위 앙각을 갖는 배열 안테나 장치.
  11. 급전 장치가 제1 안테나와 제2 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차가 없도록 신호를 공급하는 제1 모드로 동작하는 단계;
    상기 급전 장치가 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나에 전달되는 신호 사이의 위상차이가 90도가 나도록 신호를 공급하는 제2 모드로 동작하는 단계; 및
    상기 급전 장치가 상기 제1 모드와 상기 제2 모드를 반복적으로 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 z축 상에 수평 배치되고 서로 반파장 이내의 간격을 갖고,
    상기 제1 모드에서 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 브로드 사이드 (broadside) 빔을 형상하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 앤드-파이어 (end-fire) 빔을 형성하여 상기 브로드 사이드 빔 및 상기 앤드-파이어 빔이 조합된 다중 빔을 형성하는 z 축에 수평 배열된 안테나에 대한 신호 제공 방법.
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