KR102205460B1 - 회전모드형 배열 안테나 장치, 그리고 무선 통신 단말기 및 방법 - Google Patents

회전모드형 배열 안테나 장치, 그리고 무선 통신 단말기 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전모드형 배열 안테나 장치, 그리고 무선 통신 단말기 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 복수 개의 안테나 소자를 구비한 안테나 배열, 및 신호의 송수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정하고, 상기 안테나 배열상에서 상기 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 안테나 소자들에 가중치를 부여하여 상기 가중치가 부여된 안테나 소자 기반의 회전모드 안테나를 구현하는 제어부를 포함한다.

Description

회전모드형 배열 안테나 장치, 그리고 무선 통신 단말기 및 방법{Array antenna apparatus for rotation mode, and wireless communication terminal and method}
본 발명은 회전모드형 배열 안테나 장치, 그리고 무선 통신 단말기 및 방법에 관한 것으로, 다중 배열 안테나 구조를 이용해 안테나 패턴을 재배열하는 기술에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 가용한 대역폭이 제한되기 때문에 더 높은 전송률을 달성하기 위해 동일 채널에 다중 빔을 이용하는 기술들이 연구되어왔다. 하지만, 동일 채널에 다중 빔을 이용하는 기술은 복잡한 구조와 현상의 어려움으로 인해 실제 환경에 적용하기 쉽지 않다.
최근, 다중 빔 안테나의 회전모드((Orbital Angular Momentum)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 회전모드의 경우 모드간에 직교성이 존재한다는 사실을 이용해 이론적으로 무한대의 전송채널을 구성할 수 있는 길이 열렸다. 하지만 실제 무선 전송 채널상에 회전모드를 적용하여 신호를 수신하는 기술에는 한계가 있다.
일 예로서, 회전모드의 경우 안테나의 방사 특성상 중심부에 에너지가 없는 홀이 발생하고 거리에 따라 퍼지는 방사패턴을 가진다. 따라서, 해당 안테나를 통해 신호를 수신하는 수신 안테나의 크기에 대해 많은 문제점들을 가지고 있다.
국내공개특허 제10-2012-0051360호
본 발명의 목적은, 다중 배열 안테나 구조를 이용해 안테나 패턴을 다양하게 재구성하여 안정적으로 신호를 송수신할 수 있는 회전모드형 배열 안테나 장치, 그리고 무선 통신 단말기 및 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나는, 복수 개의 안테나 소자를 구비한 안테나 배열, 및 신호의 송수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정하고, 상기 안테나 배열상에서 상기 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 안테나 소자들에 가중치를 부여하여 상기 가중치가 부여된 안테나 소자 기반의 회전모드 안테나를 구현하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 안테나 배열상에 복수 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열상의 하나의 안테나 패턴을 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전모드형 배열 안테나 장치는, 상기 하나의 안테나 패턴을 형성하는 안테나 소자들에 상기 회전모드 안테나별로 부여되는 가중치를 각 안테나 소자 단위로 결합하는 모드 결합기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 하나의 안테나 패턴을 형성하는 각 안테나 소자에 대응하여 상기 모드 결합기에 의해 결합된 가중치를 해당 안테나 소자에 부여하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열상의 서로 다른 안테나 소자를 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열상에서 서로 나란하게 이격된 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 이격된 적어도 두 개의 서클(circle) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 다른 방향으로 연장된 라인(line) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열상에서 서로 중첩되는 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 서로 교차되는 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 수신측 회전모드 안테나를 구성하는 안테나 소자들의 수신 전력 분포를 분석하여 분석 결과에 따라 상기 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 재배열하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 수신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴과 동일한 형상으로 형성하되 상기 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴 보다 크게 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 안테나 배열의 중심 영역에 위치한 안테나 소자들을 이용하여 송신측 회전모드 안테나를 구현하고, 상기 중심 영역과 이격된 외곽 영역의 안테나 소자들을 이용하여 수신측 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 가중치는, 상기 회전모드 안테나를 통해 송신 또는 수신하는 신호의 진폭 및 위상에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 회전모드 안테나의 이득은, 해당 안테나 패턴에 대응하는 안테나 소자들의 수에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 무선 통신 단말기는 상술한 회전모드형 배열 안테나 장치를 포함하고, 상기 회전모드형 배열 안테나 장치를 이용하여 무선 신호를 송수신하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 무선 통신 방법은, 복수 개의 안테나 소자를 구비한 안테나 배열을 구성하는 단계, 신호의 송수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정하고, 상기 안테나 배열상에서 상기 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 안테나 소자들에 가중치를 부여하는 단계, 상기 가중치가 부여된 안테나 소자 기반의 회전모드 안테나를 구현하는 단계, 및 상기 회전모드 안테나를 이용하여 신호를 송신 또는 수신하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 회전모드 안테나는, 상기 안테나 배열상에 복수 개 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다중 배열 안테나 구조를 이용해 안테나 패턴을 다양하게 재구성함으로써 안정적으로 신호를 송수신할 수 있을 뿐 아니라, 동시에 복수의 안테나를 구현할 수 있어 신호 송신 및/또는 수신 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 안테나 패턴에 대한 실시예를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 멀티 안테나 구현 실시예를 도시한 예시도이다.
도 4a 및 도 4b는 회전모드형 배열 안테나 장치의 회전모드 구현 실시예를 도시한 예시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 일 실시예에 따른 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 다른 실시예에 따른 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 수신측 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 송수신측 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 무선 통신 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치가 적용된 무선 통신 단말기를 도시한 블록도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 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, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치(이하에서는 '안테나 장치'라 칭한다.)는 안테나 배열과 안테나 배열상에 회전모드 안테나를 구현하는 제어부를 포함할 수 있다.
먼저, 안테나 배열은 복수 개의 안테나 소자들을 배열한 것이다. 일 예로서, 안테나 배열은 안테나 소자들을 M x N 행렬 구조로 배열한 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 안테나 소자는 도파관, 마이크로스트립 패치, 슬롯 등과 같이 빔 형성을 위한 것이라면 어느 것이든 적용 가능하다.
또한, 안테나 배열은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일 예로서, 안테나 배열은 도 2a에 도시된 바와 같이 다이아몬드 형상으로 복수 개의 안테나 소자들을 배열한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 안테나 배열은 도 2b에 도시된 바와 같이 가운데가 뚫린 다이아몬드 형상으로 복수 개의 안테나 소자들을 배열한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 안테나 배열은 도 2c에 도시된 바와 같이 가운데가 뚫린 사각형으로 복수 개의 안테나 소자들을 배열한 형태로 구현될 수 있다. 그 외에도, 안테나 배열은 원형 또는 다양한 형태의 다각형으로 구현될 수 있다.
제어부는 안테나 배열에 구현하고자 하는 회전모드 안테나의 신호 송수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정한다. 여기서, 안테나 패턴은 안테나 배열상의 각 안테나 소자들에 대응된다. 제어부는 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 안테나 소자들에 빔 형성을 위한 가중치를 부여할 수 있다. 여기서, 가중치는 안테나 배열에 구현하고자 하는 회전모드 안테나를 통해 송신 또는 수신하는 신호의 진폭 및 위상에 따라 결정하도록 한다.
또한, 제어부는 가중치가 부여된 안테나 소자들에 회전모드를 적용하여 회전모드 안테나를 구현하도록 한다. 이때, 제어부는 하나의 안테나 배열상에 복수 개의 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 복수개의 회전모드 안테나는 안테나 패턴의 모양 및 크기 등이 다르게 형성될 수도 있다.
일 예로서, 제어부는 안테나 배열상의 하나의 안테나 패턴을 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이 경우, 회전모드형 배열 안테나 장치는 하나의 안테나 패턴을 형성하는 안테나 소자들에 회전모드 안테나별로 부여되는 가중치를 각 안테나 소자 단위로 결합하는 모드 결합기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 모드 결합기를 이용하여 회전모드 안테나를 구현하는 동작은 도 5a 및 도 5b의 실시예를 참조하도록 한다. 이 경우, 제어부는 하나의 안테나 패턴을 형성하는 각 안테나 소자에 대응하여 모드 결합기에 의해 결합된 가중치를 해당 안테나 소자에 부여할 수 있다.
다른 예로서, 제어부는 안테나 배열상의 서로 다른 안테나 소자를 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이 경우, 제어부는 안테나 배열상에서 서로 나란하게 이격된 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 6a의 실시예를 참조하도록 한다. 또한, 제어부는 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 이격된 적어도 두 개의 서클(circle) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 6b 및 도 6c의 실시예를 참조하도록 한다.
또한, 제어부는 상기 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 다른 방향으로 연장된 라인(line) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 6d의 실시예를 참조하도록 한다. 또한, 제어부는 안테나 배열상에서 서로 중첩되는 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 서로 교차되는 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 6e의 실시예를 참조하도록 한다.
제어부에 의해 안테나 배열상에 구현되는 적어도 두 개의 회전모드 안테나는 수신측 안테나일 수 있으며, 송신측 안테나일 수도 있다. 한편, 안테나 배열상에는 수신측 회전모드 안테나와 송신측 회전모드 안테나가 동시에 구현될 수도 있다.
여기서, 회전모드 안테나의 경우 기본적으로 LOS(line-of-sight)가 유지되는 환경에서 동작하는 것으로 가정한다. 이 경우, 회전모드 안테나를 이용한 무선 통신 시스템은 고속 점대점 통신시스템이 된다. 고속 점대점 서비스의 경우 초기 과정에서 안테나 간에 빔 정렬을 하지만 여러가지 환경 요인에 의해 정확한 빔 정렬이 되지 않을 수 있다. 이에, 회전모드 안테나의 링크 손실을 최소화하기 위하여, 제어부는 수신측 회전모드 안테나를 구성하는 안테나 소자들의 수신 전력 분포를 분석하고, 분석 결과에 따라 회전모드 안테나의 중심을 재설정하고, 재설정된 중심을 기반으로 안테나 패턴을 재배열할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 7a의 실시예를 참조하도록 한다.
안테나 소자들에 의해 형성되는 빔은 거리가 멀어짐에 따라 점점 퍼지는 현상이 발생할 수 있다. 회전모드의 경우 빔의 중심에 에너지가 없는 홀을 만들기 때문에 수신측 회전모드 안테나의 경우 수신 효율을 증대시키기 위해서는 안테나 패턴의 크기가 커져야 한다. 따라서, 제어부는 수신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴과 동일한 형상으로 형성하되 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴 보다 크게 형성하도록 한다.
한편, 하나의 안테나 배열에 송신측 회전모드 안테나와 수신측 회전모드 안테나를 동시에 구현하는 경우, 제어부는 안테나 배열의 중심 영역에 위치한 안테나 소자들을 이용하여 송신측 회전모드 안테나를 구현하고, 중심 영역과 이격된 외곽 영역의 안테나 소자들을 이용하여 수신측 회전모드 안테나를 구현하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 멀티 안테나 구현 실시예를 도시한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 회전모드형 배열 안테나 장치는 하나의 안테나 배열상에 복수 개의 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 이때, 회전모드형 배열 안테나 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 안테나의 신호 송수신 특성에 따라 안테나 배열상에 서로 다른 형태의 안테나 패턴(31, 33, 35, 37)을 형성할 수 있다. 이 경우, 안테나 패턴을 형성하는 안테나 소자들의 개수, 너비, 폭 등은 안테나 이득에 따라 다양하게 구현할 수 있으며, 각 안테나 소자들에 부여되는 가중치는 회전모드 안테나를 통해 송신 또는 수신하는 신호의 진폭, 위상에 따라 다양하게 구현 가능하다.
도 4a 및 도 4b는 회전모드형 배열 안테나 장치의 회전모드 구현 실시예를 도시한 예시도이다. 특히, 도 4a 및 도 4b는 중심점 P를 중심으로 한바퀴 돌며 360도의 위상차이를 갖는 회전모드 안테나를 구현하는 예를 나타낸 것이다.
여기서, 안테나 장치는 도 4a와 같이 사각형 형태의 안테나 배열상에 P를 중심으로 원형 패턴의 선상에 위치한 안테나 소자들에 가중치를 부여하고, 가중치 부여된 안테나 소자들을 이용하여 360도 위상차를 갖는 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 한편, 안테나 장치는 도 4b와 같이 다이아몬드 형태의 안테나 배열상에 P를 중심으로 하는 원형 패턴에서 P점을 제외하고 원형 패턴을 형성하는 안테나 소자들에 가중치를 부여하고, 가중치 부여된 안테나 소자들을 이용하여 360도 위상차를 갖는 회전모드 안테나를 구현할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서와 같이, 동일한 특성의 회전모드 안테나를 구현하는 경우라 하더라고 그 안테나 패턴은 다양하게 구현 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 일 실시예에 따른 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
먼저, 도 5a는 안테나 장치의 모드 결합기를 이용하여 복수 개의 회전모드 안테나을 구현하기 위해 하나의 안테나 소자에 부여되는 가중치들을 결합하고, 결합된 가중치를 해당 안테나 소자에 부여하는 동작을 나타낸 것이다.
일 예로서, 안테나 장치는 안테나 배열상의 하나의 안테나 패턴을 이용하여 N개의 회전모드 안테나를 구현하고자 하는 경우, 안테나 패턴에 대응하는 안테나 소자들은 모두 N개의 가중치가 부여될 수 있다. 다시 말해, 제1 안테나 소자(51)에는 제1 회전모드 안테나를 구현하기 위한 제1 가중치(Weight 1), 제2 회전모드 안테나를 구현하기 위한 제2 가중치(Weight 2)를 부여할 수 있으며, 이와 같은 방식으로 제N 회전모드 안테나를 구현하기 위한 제N 가중치(Weight N)까지 총 N 개의 가중치가 부여될 수 있다. 이 경우, 모드 결합기는 제1 안테나 소자(51)에 부여되는 제1 가중치(Weight 1) 내지 제N 가중치(Weight N)를 모두 결합하도록 한다.
마찬가지로, 모드 결합기는 제2 안테나 소자(53)를 이용하여 제1 회전모드 안테나를 구현하기 위한 제1 가중치(Weight 1), 제2 회전모드 안테나를 구현하기 위한 제2 가중치(Weight 2), ...., 그리고 제N 회전모드 안테나를 구현하기 위한 제N 가중치(Weight N)를 모두 결합하도록 한다.
모드 결합기는 안테나 패턴에 대응하는 모든 안테나 소자들에 대하여 각 안테나 소자 단위로 가중치를 결합할 수 있다. 이때, 안테나 장치는 모드 결합기에 의해 결합된 가중치를 대응하는 각 안테나 소자에 부여하도록 한다.
이와 같이, 모드 결합기에 의해 결합된 가중치를 안테나 소자들에 부여한 실시예는 도 5b와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 도 5b에 도시된 안테나 패턴은 총 3 개의 회전모드(m=-1, m=0, m=+1)를 결합한 것으로, 안테나 장치는 정지상태(m=0)의 회전모드 안테나를 구현할 수 있으며, 가중치가 부여된 안테나 소자들을 도면부호 '55'와 같이 좌측 방향으로 회전시키는 경우 (m=-1)에 대한 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 또한, 안테나 장치는 가중치가 부여된 안테나 소자들을 도면부호 '57'과 같이 우측 방향으로 회전시키는 경우 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 구현할 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 다른 실시예에 따른 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
안테나 장치는 하나의 안테나 배열상에 복수 개의 회전모드 안테나를 구현하기 위해 다양한 형태로 안테나 패턴을 배치할 수 있다.
이때, 안테나 장치는 도 6a에 도시된 바와 같이, 안테나 배열을 서로 이격된 네 개의 영역(61, 63, 65, 67)으로 분리하고, 분리된 각 영역(61, 63, 65, 67)에 각 회전모드 안테나를 구현하기 위한 안테나 패턴을 구성할 수 있다.
여기서, 제1 영역(61)은 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 구현하기 위한 안테나 패턴을 배치한 것으로, 안테나 장치는 제1 영역(61)에 배치한 안테나 패턴에 대응하는 안테나 소자들을 우측 방향으로 회전시켜 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 구현하도록 한다. 제2 영역(63) 및 제3 영역(65)은 (m=0)에 대한 회전모드 안테나를 구현한 것이다. 또한, 제4 영역(67)은 (m=-1)에 대한 회전모드 안테나를 구현하기 위한 안테나 패턴을 배치한 것으로, 안테나 장치는 제4 영역(67)에 배치한 안테나 패턴에 대응하는 안테나 소자들을 좌측 방향으로 회전시켜 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 구현하도록 한다.
도 6a의 실시예에 따르면, 안테나 장치는 안테나 배열의 서로 다른 영역을 활용하여 (m=+1), (m=0), (m=-1) 각각에 대한 회전모드 안테나를 동시에 구현할 수 있게 된다.
또한, 안테나 장치는 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 이격된 적어도 두 개의 서클(circle) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현할 수 있다.
도 6b의 경우, 안테나 장치는 중심부에 (m=0)에 대한 회전모드 안테나를 구현하고, 그 외측으로 이격된 서클 영역에 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 구현하였다. 또한, 안테나 장치는 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나의 외측으로 이격된 서클 영역에 (m=-1)에 대한 회전모드 안테나를 구현하였다. 한편, 도 6c의 경우, 안테나 장치는 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나와 (m=-1)에 대한 회전모드 안테나를 도 6b의 실시예와 동일하게 구현한 반면, (m=0)에 대한 회전모드 안테나는 중심부가 아닌 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나의 외측으로 이격된 영역에 구현하였다.
또한, 안테나 장치는 도 6d에 도시된 바와 같이, 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 다른 방향으로 연장된 라인(line) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 여기서, 안테나 장치는 (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 '+' 형상으로 구현하고, (m=-1)에 대한 회전모드 안테나를 '×' 형상으로 구현하였다.
한편, 안테나 장치는 안테나 배열상에서 서로 중첩되는 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 서로 교차되는 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현할 수 있다. 도 6e의 경우, 안테나 배열상에 마치 하나의 안테나 패턴을 형성한 것과 유사하나, (m=+1)에 대한 회전모드 안테나를 구성하는 안테나 소자들과 (m=-1)에 대한 회전모드 안테나를 구성하는 안테나 소자들이 서로 중첩되지 않게 배치된 것을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 수신측 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다. 도 7a 및 도 7b는 설명의 편의를 위해 안테나 배열상의 단일 안테나를 이용하여 설명하나, 복수 개의 회전모드 안테나를 구현한 경우에도 동일하게 적용 가능함은 당연한 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 회전모드 안테나에 고속 점대점 시스템을 적용하는 경우 여러가지 환경 요인에 의해 송신측과 수신측 사이에 정확한 빔 정렬이 되지 않을 수 있으므로, 안테나 장치는 회전모드 안테나의 링크 손실을 최소화하기 위하여 수신측 회전모드 안테나를 구성하는 안테나 소자들의 수신 전력 분포를 분석하고, 분석 결과에 따라 회전모드 안테나의 중심을 재설정할 수 있다.
도 7a의 경우, 초기의 회전모드 안테나는 도면부호 71과 같이 안테나 배열의 P를 중심으로 하는 원형 패턴으로 구현하였다. 이후 안테나 장치는 환경 요인에 의해 원형 패턴의 안테나 소자들이 수신하는 신호의 수신 전력 분포에 따라 Q의 위치를 계산하고, 도면부호 73과 같이 중심점을 P에서 Q로 위치 이동하여 안테나 패턴을 재배열할 수 있다. 이때, 안테나 장치는 Q를 중심으로 재배열된 안테나 패턴의 회전모드 안테나를 이용하여 신호를 수신할 수 있다.
도 7b의 경우, 안테나 장치가 수신측 회전모드 안테나를 구현하는 경우, 안테나 소자들에 의해 형성되는 빔이 거리가 멀어짐에 따라 점점 퍼지는 현상을 고려하여, 수신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴과 동일한 형상으로 형성하되 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴 보다 크게 형성할 수 있다. 이 경우, 수신측 회전모드 안테나를 송신측 회전모드 안테나 보다 크게 형성함으로써 수신 효율을 증대시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치의 송수신측 회전모드 안테나 구현 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 안테나 장치는 하나의 안테나 배열에 송신측 회전모드 안테나와 수신측 회전모드 안테나를 동시에 구현할 수 있다.
이 경우, 안테나 장치는 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴보다 수신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 더 크게 형성하도록 한다.
일 예로서, 도면부호 81의 경우 (m=+1)에 대한 송신측 회전모드 안테나를 내측의 서클 영역에 형성하고, 그의 외측으로 이격된 서클 영역에 (m=-1)에 대한 수신측 회전모드 안테나를 형성할 수 있다. 이에 대응하여 도면부호 85의 경우, 도면부호 81에 도시된 (m=+1)에 대한 송신측 회전모드 안테나로부터 송신된 신호를 수신하기 위한 (m=+1)에 대한 수신측 회전모드 안테나를 외측의 서클 영역에 형성하고, 그 내측으로 이격된 서클 영역에 (m=-1)에 대한 송신측 안테나를 형성할 수 있다.
(m=0)에 대한 회전모드 안테나의 경우 송신측 회전모드 안테나와 수신측 회전모드 안테나를 동일한 크기로 형성해도 무관하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나의 신호 송수신 동작에 대한 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명에 따른 무선 통신 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 안테나 장치는 복수 개의 안테나 소자들을 이용하여 M x N 구조의 안테나 배열을 구성하고(S110), 구현하고자 하는 수신측 회전모드 안테나의 수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정한다(S120). 이때, 'S120' 과정에서 안테나 장치는 안테나 패턴에 대응하는 안테나 소자들의 개수, 위치, 너비, 폭 등을 결정할 수 있다.
이후, 안테나 장치는 안테나 배열상에서 'S120' 과정에서 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 각 안테나 소자들에 가중치를 부여하고(S130), 'S130' 과정에서 가중치 부여된 안테나 소자들을 기반으로 수신측 회전모드 안테나를 구현하도록 한다(S140).
이때, 안테나 장치는 'S140' 과정에서 구현된 수신측 회전모드 안테나를 이용하여 신호를 수신할 수 있다(S150).
도 9의 실시예를 수신측 안테나 장치를 이용하여 신호를 수신하는 동작을 나타낸 것이나, 송신측 안테나 장치의 경우에도 동일한 과정을 거쳐 신호를 송신할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치가 적용된 무선 통신 단말기를 도시한 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 통신 단말기는 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 네트워크 인터페이스(1700) 및 회전모드형 배열 안테나 장치(1800)를 포함할 수 있다. 무선 통신 단말기(1000)의 각 유닛들은 버스(1200)에 의해 서로 연결될 수 있다.
회전모드형 배열 안테나 장치에 대한 구체적인 설명은 도 1 내지 도 8의 실시예를 참조하도록 하며, 이에 대한 중복 설명은 생략하도록 한다.
이에, 회전모드형 배열 안테나 장치는 무선 통신 단말기의 송신 신호를 외부 단말, 서버 등으로 송신한다. 또한, 회전모드형 배열 안테나 장치는 외부 단말, 서버 등으로부터 송신된 신호를 수신한다. 여기서, 회전모드형 배열 안테나 장치는 송신측 회전모드 안테나 및 수신측 회전모드 안테나로 구현되는 것으로 한다. 이때, 송신측 회전모드 안테나 및 수신측 회전모드 안테나는 각각 별도의 안테나 배열상에 구현될 수 있으며, 하나의 안테나 배열상에 동시에 구현될 수도 있다.
회전모드형 배열 안테나 장치는 무선 통신 단말기의 내부에 구현될 수 있다. 이때, 회전모드형 배열 안테나 장치는 무선 통신 단말기의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있다. 한편, 회전모드형 배열 안테나 장치는 무선 통신 단말기의 외부에서 연결 수단에 의해 연결될 수도 있다.
사용자 인터페이스 입력 장치는 사용자로부터의 제어 명령을 입력받기 위한 수단으로, 무선 통신 단말기 외부에 구현되는 키 버튼이 해당 될 수 있으며, 무선 통신 단말기의 디스플레이 상에 구현되는 소프트 키가 해당 될 수도 있다. 또한, 사용자 인터페이스 입력 장치는 마우스, 조이스틱, 조그 셔틀, 스타일러스 펜과 같은 형태의 입력 수단일 수도 있다.
사용자 인터페이스 출력 장치(1500)는 무선 통신 단말기의 동작 상태 및 결과 등이 표시되는 디스플레이를 포함할 수 있으며, 동작 상태 및 결과를 음성으로 안내하는 스피커를 포함할 수 있다.
여기서, 디스플레이는 터치 동작을 감지하는 센서가 구비되는 경우, 출력 장치 이외에도 입력 장치로도 사용될 수 있다. 즉, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 터치 센서가 디스플레이에 구비되는 경우, 디스플레이는 터치 스크린으로 동작하며, 사용자 인터페이스 입력 장치와 사용자 인터페이스 출력 장치(1500)가 통합된 형태로 구현될 수 있다.
이때, 디스플레이는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(Flexible Display), 전계 방출 디스플레이(Feld Emission Display, FED), 3차원 디스플레이(3D Display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 일 예로서, 저장 매체는 플래시 메모리 타입(Flash Memory Type), 하드 디스크 타입(Hard Disk Type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro Type), 카드 타입의 메모리(예를 들면, SD 또는 XD 메모리 등), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크, 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), PROM(Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 중 적어도 하나ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
네트워크 인터페이스(1700)는 무선 인터넷 기술을 활용하여 회전모드형 안테나를 통해 송수신되는 신호를 처리하는 장치이다. 여기서, 무선 인터넷 기술로는 무선랜(Wireless LAN, WLAN), 와이브로(Wireless Broadband, Wibro), 와이 파이(Wi-Fi), 와이맥스(World Interoperability for Microwave Access, Wimax), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등이 포함될 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 안테나 소자
100: 안테나 배열
110: 제어부
150: 모드 결합기

Claims (16)

  1. 복수 개의 안테나 소자를 구비한 안테나 배열; 및
    신호의 송수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정하고, 상기 안테나 배열상에서 상기 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 안테나 소자들에 가중치를 부여하여 상기 가중치가 부여된 안테나 소자 기반의 회전모드 안테나를 구현하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 안테나 배열상에 복수 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열상의 하나의 안테나 패턴을 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하고,
    상기 하나의 안테나 패턴을 형성하는 안테나 소자들에 상기 회전모드 안테나별로 부여되는 가중치를 각 안테나 소자 단위로 결합하는 모드 결합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 하나의 안테나 패턴을 형성하는 각 안테나 소자에 대응하여 상기 모드 결합기에 의해 결합된 가중치를 해당 안테나 소자에 부여하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열상의 서로 다른 안테나 소자를 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열상에서 서로 나란하게 이격된 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 이격된 적어도 두 개의 서클(circle) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열상의 어느 한 점을 중심으로 하여 서로 다른 방향으로 연장된 라인(line) 영역의 안테나 소자들을 이용하여 각 영역별로 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열상에서 서로 중첩되는 적어도 두 개의 영역의 안테나 소자들을 이용하여 서로 교차되는 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    수신측 회전모드 안테나를 구성하는 안테나 소자들의 수신 전력 분포를 분석하여 분석 결과에 따라 상기 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 재배열하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    수신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴을 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴과 동일한 형상으로 형성하되 상기 송신측 회전모드 안테나의 안테나 패턴 보다 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 배열의 중심 영역에 위치한 안테나 소자들을 이용하여 송신측 회전모드 안테나를 구현하고, 상기 중심 영역과 이격된 외곽 영역의 안테나 소자들을 이용하여 수신측 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 가중치는,
    상기 회전모드 안테나를 통해 송신 또는 수신하는 신호의 진폭 및 위상에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전모드 안테나의 이득은,
    해당 안테나 패턴에 대응하는 안테나 소자들의 수에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 회전모드형 배열 안테나 장치.
  15. 청구항 1, 4 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 회전모드형 배열 안테나 장치를 포함하고, 상기 회전모드형 배열 안테나 장치를 이용하여 무선 신호를 송수신하는 무선 통신 단말기.
  16. 복수 개의 안테나 소자를 구비한 안테나 배열을 구성하는 단계;
    신호의 송수신 특성에 따라 안테나 패턴을 결정하고, 상기 안테나 배열상에서 상기 결정된 안테나 패턴에 대응하는 위치의 안테나 소자들에 가중치를 부여하는 단계;
    상기 가중치가 부여된 안테나 소자 기반의 회전모드 안테나를 구현하는 단계; 및
    상기 회전모드 안테나를 이용하여 신호를 송신 또는 수신하는 단계를 포함하며,
    상기 회전모드 안테나는, 상기 안테나 배열상에 복수 개 구현되는 것을 특징으로 하고, 상기 안테나 배열상의 하나의 안테나 패턴을 이용하여 적어도 두 개의 회전모드 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하며, 상기 하나의 안테나 패턴을 형성하는 안테나 소자들에 상기 회전모드 안테나별로 부여되는 가중치를 각 안테나 소자 단위로 결합하는 무선 통신 방법.
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