KR102247745B1 - 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법 - Google Patents

Abstract

궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템은, 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구(large aperture)의 중심에 배치되어, 가우시안 빔(Gaussian beam)을 방사하는 가우시안 혼안테나; 상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구(small aperture)에 배치되어, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM(Orbital Angular Momentum) 빔으로 전환하여 출력하는 메타소재(Metamaterial structure); 및 상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신하는 수신부를 포함할 수 있다.

Description

궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법{SYSTEM AND DESIGN METHOD OF ORBITAL ANGULAR MOMENTUM BASED FULL DUPLEX COMMUNICATION ANTENNA}

본 발명은 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM) 모드의 신호의 송신 안테나로부터 이격된 거리에 따른 빔 발산 특성을 이용한 전이중(Full Duplex) 통신 안테나에 관한 것이다.

특히, 본 발명에서는, 가우시안 혼안테나에서 직진성이 강한 가우시안 빔을 방사하고, 이 가우시안 빔을 고유의 메타소재로 통과시켜 특정 모드의 OAM 빔으로 전환하여, 전이중 관계에 있는 대응쌍의 전이중 통신장치로 출력 함으로써, 자기간섭의 발생을 최소화하면서, 안테나에서의 수신신호대간섭잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio, SINR)를 현저히 낮출 수 있게 하는 기술을 제공한다.

통신 시스템에서의 송신기와 수신기 사이의 무선 전송은, 통신을 위한 무선 자원인 주파수, 시간 등을 이용하여 이루어지며, 기존 반이중(Half Duplex) 통신 시스템에서는 한번의 무선 자원의 이용으로 일방적인 통신 만을 수행 하였다.

이에 반해, 전이중 통신 시스템은 한번의 무선 자원 이용으로 양방향 통신이 가능하기 때문에, 링크 간 전송률을 이론적으로 최대 2배까지 달성할 수 있다.

특히, 대용량 전송이 이루어지는 무선 백홀 네트워크에서의 전이중 통신기술은 사용자들에게 제공할 수 있는 전송품질(Quality of Service, QoS)을 향상시킬 수 있는 파급력이 큰 기술이다.

이에 따라, 전이중 통신기술과, 궤도각운동량을 이용한 통신 기술을 접목한다면, 차세대 밀리미터파(Millimeter Wave, MmWave) 및 서브밀리미터파(Sub-Millimeter Wave) 기반 무선 백홀 전송용 전이중 통신 기술로 활용될 수 있을 것이다.

기존 통신 시스템에서는 반이중 통신 방법과 전이중 통신 방법이 존재한다.

도 1은 종래의 반이중 통신 방법과 전이중 통신 방법을 예시하기 위한 도면이다.

도 1(a)는 반이중 통신 시스템에서의 무선 자원의 이용을 보여주고, 도 1(b)는 전이중 통신 시스템에서의 무선 자원의 이용을 보여주고 있다.

도 1(a)에서와 같이, 반이중 통신 시스템에서는 하나의 단위 시간 동안, 하나의 주파수 자원 만을 이용하여 일방적인 통신 만을 수행한다.

예컨대 도 1(a)의 반이중 통신 시스템에서는 동일한 주파수 자원을 이용할 때, time slot 1에 대해 Node 1에서 Node 2로의 신호 만을 송신하고, time slot 2에 대해 Node 2에서 Node 1로의 신호 만을 송신하게 된다. 즉, 반이중 통신 시스템은 하나의 노드가 통신을 수행하게 되면, 다른 노드가 동작하지 않고 이를 수신하는 구조이다.

반면에, 도 1(b)에서와 같이, 전이중 통신 시스템에서는 하나의 단위 시간 동안에도, 동일한 주파수 자원을 이용하여 양방향으로 통신을 수행할 수 있다. 이때, 전이중 통신 시스템에서의 채널 용량은 반이중 통신 시스템에서의 채널 용량대비 이론적으로 2배까지 달성할 수 있다.

예컨대 도 1(b)의 전이중 통신 시스템에서는 time slot 1에 대해 Node 1에서 Node 2의 신호 뿐만 아니라 Node 2에서 Node 1로의 신호도 송신되어, 노드 양쪽에서의 동시 통신을 할 수 있다.

그러나, 전이중 통신 시스템에서는 전이중 안테나 내부에서 발생하는 자기간섭(Self-Interference, SI) 신호의 영향으로 인해, 안테나에서의 수신신호대간섭잡음비(SINR)가 크게 낮아질 우려가 있다.

이를 해결하기 위한 방법들이 수없이 연구되고 있으며, 잘 알려진 3가지 방법으로는,

첫째, 전이중 안테나로 송신되는 신호로부터 발생하는 자기간섭 신호와 다른 안테나로부터 수신되는 유효 신호를 전파영역(Propagation Domain)에서 분리시키는 격리(Isolation),

둘째, 전송한 신호를 알고 있는 점을 이용하여, 안테나로부터 수신된 자기간섭 신호 및 유효 신호에서 자기간섭 신호 만을 제거하는 아날로그영역(Analog Domain)에서의 자기간섭 제거,

셋째, 수신 신호로부터 정보를 획득하기 위한 수신 안테나의 아날로그-디지털 변환(Analog-Digital Conversion) 이후 전송한 자기간섭 신호를 제거하는 디지털 영역(Digital Domain)에서의 자기간섭 제거(Self-Interference Cancellation, SIC) 방법 등을 예시할 수 있다.

도 2는 종래의, 전이중 통신 시스템에서의 자기간섭 문제를 예시하기 위한 도면이다.

도 2에서는 Node 1의 안테나에서 신호가 송출됨에 따라, 안테나 자체에서 발생한 자기간섭 SI ; g1,1에 의해, Node 2의 안테나에서 전송되는 신호 g1,2가 간섭 받아, Node 1 안테나의 SINR이 현저히 떨어지는 것을 예시한다.

Node 2에서도 자기간섭 SI ; g2,2에 의한 Node 2 안테나의 SINR이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.

이하에서는, 전파영역에서의 격리에 해당하는 기술들을 예시한다.

한국 특허공개번호 10-2018-0125691(선행기술 1)은 다수의 OAM 신호를 동시에 송신 또는 수신할 수 있는 부분반사면들을 탑재한 반사판을 이용한 OAM 안테나 장치에 대한 기술이다. 선행기술 1에서, 각 OAM 신호를 송신 또는 수신할 수 있는 반사면들은 복수 개이고, 반사판 내 반사면들은 모두 동일한 크기를 갖는다.

선행기술 1의 기술은 반이중 통신 시스템에 적용 됨으로써, 안테나의 각 부분 반사면들에서 상이한 OAM 신호를 동시에 전송하여 다중안테나(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 전송을 가능하게 한다.

특히, 선행기술 1에서는, 한 쌍의 OAM 안테나 장치를 이용한 전이중 통신의 예로서, 각 부분 반사면에서 서로 위상만 다른 OAM 신호를 송신 또는 수신하는 것을 예시한다.

예를 들면, 좌측 OAM 안테나의 제1부분 반사면에서는 +2(90도) OAM 신호를 우측 OAM 안테나의 제1부분 반사면으로부터 수신하며, 좌측 OAM 안테나의 제2부분 반사면에서는 -2(-90도) OAM 신호를 우측 OAM 안테나의 제2부분 반사면으로 송신한다.

다만, 선행기술 1에서 반이중 통신 시스템을 가정하면 다중 OAM 신호를 부분반사면을 통해 전송하는 기술은 빔 동축정렬이 되지 않았기 때문에 OAM통신의 큰 장점인 다중 OAM 신호간 직교성이 사라져 큰 간섭영향을 받아 통신품질이 저하되며, OAM 모드에 따른 빔 발산각이 다르기 때문에 규격화된 안테나 설계가 어려울 것이다.

또한, 한국 특허공개번호 10-2018-0119853(선행기술 2)은 구면반사기를 이용한 반이중 뿐만 아니라, 전이중 OAM 안테나 구조에 관한 것이다. 선행기술 2의 전이중 OAM 안테나는, 송신부와 수신부가 전송 방향으로 서로 평행하게 위치되어 있으며, OAM 신호를 생성하는 복수의 부반사기에 반사된 신호가 다시 주반사기에 반사되어 전송되는 구조이다. 선행기술 2의 특징으로는 실제 무선 전송되는 OAM 신호는 0 OAM 모드 상태의 신호이다.

선행기술 2에서는, 기본 구조에서 다양한 파생 구조를 도출할 수 있고, 예컨대, 동일 모드를 사용하는 구조, 상이한 모드를 사용하는 구조, 모드를 바꾸는 주반사판을 사용하는 구조, 및 1회 반사식 구조 등을 예시한다.

다만, 선행기술 2는 빔 동축정렬을 논하기 이전 무선 전송되는 신호가 0 OAM모드(즉 평면파)로 전송되므로, OAM 신호의 직교성이 존재하지 않아, OAM 신호의 이점을 활용하지 못한다.

국제특허등록번호 10439287(선행기술 3)은 다수의 균일원형배열(Uniform Circular Array, UCA) 안테나 기반 OAM 신호를 생성하여 송신하거나, 이를 이용한 OAM 신호를 수신하는 안테나 장치에 관한 것이다. 선행기술 3은 전이중 OAM 통신을 위한 균일원형배열된 안테나로서, 균일원형배열된 안테나 중에서, 가장 작은 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나는 송신부2에 해당되고, 중간 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나는 수신부, 가장 큰 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나는 송신부1에 해당된다.

또한, 선행기술 3에서는 전이중 전송과 별개로 유사한 구조로 설계가능한 반이중 궤도각운동량 모드분할다중화(Mode Division Multiplexing, MDM) 용 안테나를 개시하고 있다.

전이중 통신을 위한 OAM 안테나 구조와는 달리 모든 반경에 존재하는 균일원형배열안테나들은 한번에 OAM 신호의 송신 또는 수신만 지원하며, 예컨대 선행기술 3에서는 3개의 다중 OAM 모드를 이용한 전송을 예시한다.

예를 들어, 선행기술 3에서의 가장 작은 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나는 +1(45도) OAM 신호, 중간 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나는 +3(335도) OAM 신호, 가장 큰 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나는 +5(225도) OAM 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 이때 +1, +3, +5 OAM 신호들은 이론적으로 직교성을 만족하므로 동축정렬된 수신기에서 간섭영향없이 신호를 수신할 수 있다.

다만, 선행기술 3에서는 빔 동축정렬이 된 상황까지 고려한 전이중 OAM 안테나를 제안하였으나, 3개의 균등원형배열 안테나를 사용한 전이중 OAM 송/수신용 장치(송신부1,2, 수신부)에서 가장 반경이 작은 배열 안테나에서 송신된 OAM 신호가 대응 쌍을 이루는 전이중 OAM 송/수신용 장치의 중간 크기의 반경에 존재하는 배열 안테나에서 수신할 수는 있으나 가장 큰 크기의 반경에 존재하는 배열안테나에서 송신된 OAM신호는 쌍을 이루는 전이중 송/수신용 장치에서 수신 신호의 크기가 매우 작아 좋은 통신품질을 보장받기 어렵다.

특히, 선행기술 1 내지 선행기술 3은 자기간섭문제에 대한 문제해결방법이 전혀 언급되어 있지 않으며, OAM 신호를 이용한 전이중 통신 안테나 구조만을 제안하고 있다.

국제논문명 "An orbital angular momentum-based in-band full-duplex communication system and its mode selection, 저자: Zhaoyang Zhang, 논문지정보: IEEE Communication Letters, vol.21, no.5, May 2017"(선행기술 4)은 전이중 OAM 통신용 안테나 쌍에서 빔 동축정렬이 완벽한 경우와, 어긋난 경우, 자기간섭 신호의 영향 뿐만 아니라 수신 신호의 세기를 분석한다. 선행기술 4에서, 노드1은 l_1 OAM 신호를 노드2로 송신하고, 동시에 노드2는 l_2 OAM 신호를 노드1로 송신한다.

이때 전이중 통신 시스템을 고려하였기 때문에, 양측의 송신은 동일주파수 자원을 이용하여 동시에 이루어진다.

또한, 선행기술 4에서는, 노드1이 송신한 l_1 OAM 신호로부터 노드1의 수신에 자기간섭신호의 영향이 발생하게 되며, 마찬가지로 노드2가 송신한 l_2 OAM 신호로부터 노드2의 수신에 자기간섭 신호의 영향이 발생한다.

이에 따라 각 노드의 SINR이 낮아져 통신품질은 저하하게 된다.

추가로, 선행기술 4는 노드1의 빔축상에 노드2가 존재하지만 완전히 마주보고 있지 않은 틸트가 된 상황에서의 수신 신호의 세기를 분석하였고, 각 노드가 간섭을 최소화할 수 있는 OAM 모드를 선택하는 방법을 개시하고 있다.

다만, 선행기술 4에서는 구체적인 전이중 OAM 안테나 설계에 대한 내용을 수록하지 않고, 전이중 OAM 안테나를 이용한 통신 시스템에서의 간섭 영향만을 분석했으며, 송/수신을 위한 동일하지 않은 상이한 OAM 모드를 고려하였다.

국제논문명 "An orbital angular momentum-based array for in-band full-duplex communications, 저자: Yi-Ming Zhang, 논문지정보: IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters, vol.18, no.5, Mar 2019"(선행기술 5)에서는 균등원형배열안테나 구조 기반의 전이중 OAM 통신용 안테나의 구조를 제안하고 있다. 선행기술 5은 2개의 서로 다른 반경을 갖는 원형배열된 패치안테나들을 탑재하였고, 내부 원형배열안테나는 송신, 외부 원형배열안테나는 수신을 위해 존재한다. 내부 원형배열된 패치안테나들은 각각 동일한 데이터를 포함하는 신호를 상이한 위상으로 천이시켜 송신하는데 이를 대응 쌍을 이루는 전이중 OAM 통신 장치에서 외부 원형배열 안테나에서 수신한다. 역방향에서도 동일한 방법으로 전이중 통신이 이루어진다. 이때 내부와 외부 원형배열 안테나들은 서로 완벽한 격리가 어렵기 때문에 자기간섭 신호의 영향을 받아 통신품질이 저하되는 문제가 발생하며 이에 대한 수학적 모델링하여 분석한다.

국제논문명 "Analyses and full-duplex applications of circularly polarized OAM arrays using sequential rotated configuration, 저자: Yi-Ming Zhang, 논문지정보: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.66, no.12, Dec. 2018"(선행기술 6)은, 1개의 균등원형배열안테나에서 송신과 수신을 동시에 실시할 수 있는 구조이다. 선행기술 6에서, 예를 들면, 송신을 위해서는 x편광된 신호를 이용하며, 수신을 위해서는 y편광된 신호(x와 90도를 이루는 신호)를 이용하여, 전파영역에서의 격리성을 향상시켰다. 즉, 선행기술 6에는 각각의 편광 신호의 송신을 위한 파란색 소자와 수신을 위한 빨간색 소자가 존재한다.

다만, 선행기술 5와 선행기술 6에서는 전이중 OAM 송/수신기를 가정한 상황에서의 수신 신호와 자기간섭 신호의 세기를 분석했고, 이때 자기간섭 신호를 감소시키기 위한 OAM 모드를 선택하는 방법을 제안했으나, 전이중 통신용 송/수신기는 동일한 주파수, 시간 뿐만 아니라 OAM통신에서는 동일한 OAM 모드를 사용해야 하는데, 그 이유는 OAM 모드가 커질수록 빔 발산각이 커지기 때문에 수신기 크기가 증가해야 하는 문제가 존재하므로 송/수신을 위한 OAM 모드가 상이하다면, 규격화된 장치를 생산하기 어려운 단점이 존재한다.

즉, 종래의 기술들은 전이중 통신시스템에서 무선 전송거리보다 전이중 안테나 내부에서 발생하는 자기간섭(Self-Interference, SI) 신호의 영향으로 각 안테나단에서의 수신신호대간섭잡음비 (Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)가 크게 낮아져, 전송품질이 매우 낮아질 우려가 있고, 이를 개선할 기술 개발이 절실히 필요한 실정이다.

본 발명의 실시예는, 가우시안 혼안테나에서 방사되는 가우시안 빔을 메타소재에 의해 OAM 빔으로 전환하여 출력 시킴으로써, 전이중 통신장치에서의 자기간섭 신호를 최소화시킬 수 있는, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역을 고려한 대칭성을 갖는 전이중 OAM 통신용 안테나 설계를 포함하고 있으며, 비교적 구조가 단순하고 명료하기 때문에 생산성도 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 잡음수준 이하의 자기간섭 영향으로 SINR 저하가 거의 없기 때문에 전이중 OAM 통신시스템에 적합한 안테나 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템은, 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구(large aperture)의 중심에 배치되어, 가우시안 빔(Gaussian beam)을 방사하는 가우시안 혼안테나; 상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구(small aperture)에 배치되어, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM(Orbital Angular Momentum) 빔으로 전환하여 출력하는 메타소재(Metamaterial structure); 및 상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신하는 수신부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법은, 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구의 중심에 배치되는 가우시안 혼안테나에서, 가우시안 빔을 방사하는 단계; 상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구에 배치되는 메타소재에서, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM 빔으로 전환하여 출력하는 단계; 및 수신부에서, 상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신하는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 가우시안 혼안테나에서 방사되는 가우시안 빔을 메타소재에 의해 OAM 빔으로 전환하여 출력 시킴으로써, 전이중 통신장치에서의 자기간섭 신호를 최소화시킬 수 있는, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역을 고려한 대칭성을 갖는 전이중 OAM 통신용 안테나 설계를 포함하고 있으며, 비교적 구조가 단순하고 명료하기 때문에 생산성도 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 잡음수준 이하의 자기간섭 영향으로 SINR 저하가 거의 없기 때문에 전이중 OAM 통신시스템에 적합한 안테나 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 반이중 통신 방법과 전이중 통신 방법을 예시하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의, 전이중 통신 시스템에서의 자기간섭 문제를 예시하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에서의 전이중 OAM 통신용 안테나 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 안테나 구조를 이용한 전이중 OAM 통신의 예시를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템(이하, '전이중 통신 안테나 시스템'이라 약칭함)(300)은 가우시안 혼안테나(310), 메타소재(320), 및 수신부(330)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 RF 렌즈(340)를 선택적으로 추가하여 구성할 수 있다.

우선, 가우시안 혼안테나(310)는 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구(large aperture)의 중심에 배치되어, 가우시안 빔(Gaussian beam)을 방사한다. 즉, 가우시안 혼안테나(310)는 데이터 신호를 송신하는 일단의 전이중 통신장치(제1 전이중 통신장치)의 내부로 가우시안 빔을 방사하는 수단으로서, 송신하고자 하는 데이터를 고유의 주파수에 실어 가우시안 빔으로 출력시키는 역할을 할 수 있다.

상기 제1 전이중 통신장치는 위아래로 대개구와 소개구(small aperture)를 구비하는 파라볼라 형태로 제작될 수 있고, 상대적으로 넓은 어퍼쳐인 대개구의 원 중앙으로, 가우시안 혼안테나(310)를 배치시킬 수 있다. 이를 통해, 가우시안 혼안테나(310)에서 방사된 가우시안 빔은 제1 전이중 통신장치의 내부 공간으로 진행하다가, 소개구에 배치되는 후술의 메타소재(320)로 수렴되어 통과될 수 있다.

메타소재(Metamaterial structure)(320)는, 상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구에 배치되어, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM(Orbital Angular Momentum) 빔으로 전환하여 출력한다. 즉, 메타소재(320)는 고유의 유효 유전율을 갖는 소재로 제작되어, 입사되는 가우시안 빔이 소재를 통과하면서 위상 변환 됨에 따라, 정해진 위상각의 OAM 빔을 생성하는 역할을 할 수 있다.

실시예에 따라, 메타소재(320)는 복수의 섹터로 구분되어 제작될 수 있고, 섹터 각각에 대해, 서로 다른 유효 유전율을 갖게 할 수 있다. 이를 통해, 메타소재(320)는 통신 환경에 따라, 가우시안 빔을, 다양한 위상을 갖는 제1 OAM 빔으로 변환시킬 수 있다.

여기서, 유효 유전율(Effective Dielectric Constant)은 유전체 뿐만 아니라 유전체 외부의 영향을 통합해서 하나의 유전체처럼 모델링 한 유전율을 지칭할 수 있다.

또한, 메타소재(320)는, 직진성이 강한 가우시안 빔을 통과시켜, OAM 빔으로 전환하는 과정에서, 자기간섭 신호의 발생을 최소화할 수 있도록 설계될 수 있다.

실시예에서, 본 발명의 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 평면파의 가우시안 빔을, 원하는 위상의 OAM 빔으로 전환하여, 대응 쌍인 제2 전이중 통신장치를 향해 출력시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 가우시안 혼안테나(310)는, 상기 가우시안 빔을, 위상이 일정한 평면파로 상기 제1 전이중 통신장치의 내면으로 방사할 수 있다. 즉, 가우시안 혼안테나(310)는 0 OAM의 가우시안 빔을 파라볼라 형태의 제1 전이중 통신장치로 방사할 수 있다.

메타소재(320)는, 서로 다른 유효 유전율 값을 갖는 다수의 섹션으로 구분되는 구조로서, 각 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 상기 평면파의 가우시안 빔에 대해 위상을 변화시켜 제1 OAM 빔으로 전환할 수 있다. 즉, 메타소재(320)는 가우시안 빔이 강한 직진성을 유지하여 투과되게 하여, 자기간섭 발생 확률을 줄이면서도, 통신 환경에 맞게 다양한 위상으로 상기 가우시안 빔을 OAM 빔으로 변환하여 출력할 수 있다.

또한, 메타소재(320)는, 상기 섹션의 개수에 연동하여, 각 섹션에서 상기 가우시안 빔에 대해 변화시키는 위상의 크기를 조정할 수 있다. 즉, 메타소재(320)는 전체 360도의 위상을 섹션의 개수를 나누어, 각 섹션에서 위상을 변화시키는 폭을 변경할 수 있다.

예컨대, 메타소재(320)가 8개의 섹션으로 구성되는 경우에는, 각 섹션에서, 가우시안 빔에 대해 변화시키는 위상의 크기를 45도(= 360도/8)로 조정할 수 있다. 이를 통해, 메타소재(320)는 각 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 위상이 일정한(평면파) 가우시안 빔을, Δ45, 90, ... , 360도 의 8개 위상의 OAM 빔으로 전환할 수 있다.

수신부(330)는, 상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신한다. 즉, 수신부(330)는 상기 제1 OAM 빔과 동시간 대에, 제2 전이중 통신장치에서 출력되는 제2 OAM 빔을 수신하는 역할을 할 수 있다.

본 발명의 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 상기 제1 전이중 통신장치와, 상기 제1 전이중 통신장치와 전이중 관계에 있는 대응 쌍인 제2 전이중 통신장치를 포함하여 구성할 수 있다.

즉, 상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치는, 상기 제1 OAM 빔과 상기 제2 OAM 빔을 동일 시간 동안, 동일 주파수 자원으로 서로 교환하여 양방향으로 통신하는 전이중(Full Duplex) 대응쌍 관계일 수 있다.

제2 전이중 통신장치는 동일 시간에서 동일 주파수 자원을 활용하여, 제1 전이중 통신장치와 데이터 신호를 교환하는 장치일 수 있다.

다시 말해, 제1 전이중 통신장치의 수신부(330)에서, 제2 전이중 통신장치에서 출력되는 제2 OAM 빔을 수신하고 동시간에, 제2 전이중 통신장치의 수신부에서는, 제1 전이중 통신장치에서 출력되는 제1 OAM 빔을 수신할 수 있다.

또한, 수신부(330)는 상술의 메타소재(320)로부터 적절히 이격시켜 배치 됨으로써, 최소화되어 발생되는 자기간섭 영향 하에서도 최대한으로 벗어날 수 있게 설계될 수 있다.

즉, 수신부(330)는, 수신되는 상기 제2 OAM 빔의 세기가 가장 강한, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점, 또는 신호대간섭잡음비(SINR, Signal to Interference and Noise Ratio)가 가장 큰, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점에 복수 개로 배치될 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 운영자는, 사전에, 전이중 통신장치 내 다수의 지점에 도달되는 OAM 빔 또는 자기간섭 신호의 세기를 관측할 수 있고, 각 지점에서 관측된 세기를 비교하여, OAM 빔의 세기가 상대적으로 큰 정해진 개수의 지점 또는 자기간섭 신호의 세기가 상대적으로 작은 정해진 개수의 지점을, 결정할 수 있다.

즉, 수신부(330)는 사전에 결정된 전이중 통신장치 내 지점에 다수 개 배치됨으로써, 자체적으로 발생하는 자기 간섭 신호가 최소가 되는 위치에서, 대응 쌍의 전이중 통신장치로부터의 OAM 빔을 최적한 상태에서 수신할 수 있게 하는 환경을 마련할 수 있다.

실시예에 따라, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 전이중 통신장치의 직경을, 출력되는 OAM 빔을 고려하여 제작 함으로써, 전이중 통신시의 통신 효율을 극대화할 수 있다.

즉, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 가우시안 혼안테나(310)와 메타소재(320) 간의 거리를, 상기 제1 OAM 빔이 상기 제2 전이중 통신장치의 수신부로 전달될 때에, 상기 제1 OAM 빔의 직경이 최소화 되도록 설계할 수 있다.

다시 말해, 가우시안 혼안테나(310)와 메타소재(320) 간의 거리는, 제1 OAM 빔이 전달하는 과정에서 가장 강한 직진성을 유지할 수 있게, 제1 OAM 빔의 직경을 최소화 하는 방향으로 설계될 수 있다.

이를 통해, 전이중 통신 안테나 시스템(300)는 출력되는 OAM 빔의 고유의 직진성을 유지하여 통신 과정에서 신호 손실이 최대한 억제하도록, 전이중 통신장치를 제작할 수 있다.

또한, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 출력되는 OAM 빔이 대응 쌍의 전이중 통신장치의 수신부(330)로 대부분 입사되게 유도 할 수 있다.

이를 위해, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 RF 렌즈(340)를 추가적으로 포함하여 구성할 수 있다.

RF 렌즈(340)는, 상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치 사이에 배치되어, 상기 제1 OAM 빔 또는 상기 제2 OAM 빔의 발산각을 최소화 할 수 있다. 즉, RF 렌즈(340)는 출력된 OAM 빔 전체가 대응 쌍의 전이중 통신장치의 수신부에 정확하게 도달되게, OAM 빔의 발산각을 특정의 각도 범위로 수렴되게 할 수 있다.

이를 통해, RF 렌즈(340)는, 대응 쌍의 전이중 통신장치의 수신부로, OAM 빔 전체가 집중되어 도달되게 함으로써, 대응 쌍의 전이중 통신장치에서 자기간섭 신호가 발생하더라도, 자기간섭 신호의 영향으로 OAM 빔이 왜곡되지 않고, 곧바로 수신부에서 수신할 수 있게 하는 환경을 마련할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 가우시안 혼안테나에서 방사되는 가우시안 빔을 메타소재에 의해 OAM 빔으로 전환하여 출력 시킴으로써, 전이중 통신장치에서의 자기간섭 신호를 최소화시킬 수 있는, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역을 고려한 대칭성을 갖는 전이중 OAM 통신용 안테나 설계를 포함하고 있으며, 비교적 구조가 단순하고 명료하기 때문에 생산성도 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 잡음수준 이하의 자기간섭 영향으로 SINR 저하가 거의 없기 때문에 전이중 OAM 통신시스템에 적합한 안테나 구조를 제공할 수 있다.

전이중 통신 안테나 시스템을 구성하는 가우시안 혼안테나(Gaussian horn antenna)는 0 OAM 모드의 신호(평면파)를 생성할 수 있다.

이때, 0 OAM 모드의 신호에는 송신할 데이터를 포함하고 있다.

가우시안 혼안테나에서 방사된 신호는 방사방향으로 전파되며, 메타소재(Metamaterial structure)를 통과하게 되면, 평면파가 위상 변환되어 OAM 신호로 바뀌게 된다.

이렇게 생성되는 OAM 신호는 메타소재의 설계 방법에 따라 +1, -1, +3, -3 등의 OAM 모드를 발생시킬 수 있다.

발생된 OAM 신호는 대응쌍을 이루는 빔 동축정렬된 또 다른 전이중 통신장치의 수신부(Rx)로 전송거리에 따라 빔이 발산하여 수신되게 된다.

역방향에서의 처리도 성립 가능하다.

한편, 메타소재에 반사되어 수신부(Rx)에 영향을 주는 반사파들이 존재하며, 이러한 반사파들은 자기간섭 신호로서 영향을 발생시킨다.

그러나, 반송파 주파수를 83.5GHz, 가우시안 혼안테나에서 송신 전력을 1W, 초기빔폭(가우시안 빔(Gaussian beam)이 메타소재를 투과하여 OAM 신호가 발생된 직후의 폭)을 8mm로 설계하였을 때, OAM 빔의 강한 직진성으로 인하여 95% 이상의 메타소재를 직진투과 하였고, 반사된 성분은 5% 미만이었으며 수신부에 영향 미치는 영향은 -200dB 미만으로 시뮬레이션 될 수 있다.

본 발명은 가우시안 혼안테나에서 방사된 밀리미터파/서브밀리미터파의 직진성과 고투과율 OAM 메타구조 방식을 이용한 구조로서, 기존 문제인 SINR이 거의 없는 전이중 통신용 안테나 설계의 구현을 가능하게 한다.

본 발명은, 밀리미터파 대역을 고려한 대칭성을 갖는 전이중 OAM 송/수신용 안테나 설계를 포함하고 있으며, 비교적 구조가 단순하고 명료하기 때문에 생산성도 용이할 뿐만 아니라 전파영역에서의 격리성을 모의실험으로 검증한 결과, 자기간섭제거 성능이 우수한 것을 확인하였다.

도 4는 본 발명에서의 전이중 OAM 통신용 안테나 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4(a)에서는 가우시안 혼안테나(Tx)에서 평면파의 가우시안 빔을 방사하고, 상기 가우시안 빔이 메타소재를 통과함에 따라, 상기 평면파가 '+1' 위상을 갖는 +1 OAM 신호로 전환되는, 전이중 통신장치를 예시한다.

이때, 메타소재에서는 가우시안 빔 중 일부가 반사되어, 반사로 인한 자기간섭 신호를 발생시킬 수 있다. 발생된 자기간섭 신호는, 전이중 통신장치의 내면을 타고, 수신부(Rx)로 전달되어, 대응 쌍의 전이중 통신장치로부터 수신되는 OAM 신호를 왜곡 시킬 수 있다.

이러한 자기간섭 신호에 의한 영향을 줄이기 위해, 본 발명의 전이중 통신 안테나 시스템에서는, 도 4(b)와 같이, 가우시안 혼안테나와 메타소개 간의 거리를, 출력되는 OAM 빔의 직경이 최소화 되도록 하는 거리인 예컨대 d=150mm로 설계할 수 있다.

가우시안 혼안테나는 전이중 통신장치의 대개구의 중심에 배치되고, 메타소재는, 전이중 통신장치의 소개구에 배치될 수 있다.

도 5는 안테나 구조를 이용한 전이중 OAM 통신의 예시를 설명하는 도면이다.

도 5(a)에서는 Node1(제1 전이중 통신장치)에 출력되는 OAM 신호가, 대응 쌍인 Node2(제2 전이중 통신장치)의 수신부(Rx)에 도달되고, 동시에, Node2(제2 전이중 통신장치)에 출력되는 OAM 신호가, 대응 쌍인 Node1(제1 전이중 통신장치)의 수신부(Rx)에 도달되어, 전이중 통신을 수행하는 것을 예시한다.

Node1과 Node2 사이는 전송 거리(Transmission distance)로 정의한다.

도 5(a)에 도시한 바와 같이, Node1의 가우시안 혼안테나에서 방사된 가우시안 빔은 특정 모드(예를 들면 +1)를 발생시키도록 설계된 메타소재를 투과하면서 OAM 빔으로 전환된다. 전환된 OAM 빔은 제1 데이터 신호로서, Node2로 송신된다.

제1 데이터 신호는 Node1이 Node2로 송신하는 데이터를 포함하며, 무선채널을 통해 대응하는 Node2의 Rx로 전달된다.

동시에, Node2의 가우시안 혼안테나에서 방사된 가우시안 빔은 메타소재e를 투과하여 특정 모드의 OAM 빔으로 전환되고, 전환된 OAM 빔은 제2 데이터 신호로서, Node1로 송신된다.

제2 데이터 신호는 Node2가 Node1로 송신하는 데이터를 포함하며, 무선채널을 통해 대응하는 Node1의 Rx로 전달된다.

이러한 전이중 통신 시스템은 동일한 시간 및 주파수 자원을 사용하면서 동시에 양방향으로 통신이 이루어지는 대칭형 구조를 가지고 있다.

전이중 통신 시스템에서의 1개의 전이중 통신장치 내에서의 자기 간섭(self-interference)은 출력단에서 발생한 송신 신호로부터 동일한 장치 내 Rx에 미치는 간섭(interference 또는 cross-talk)로 인해 SINR(signal to interference and noise ratio)가 낮아져 channel capacity를 감소시키는 요인 중 하나가 될 수 있다.

가우시안 혼안테나(Gaussian horn antenna)는 출력 신호가 가우시안 분포를 갖는 전자기파인 가우시안 빔을 발생하는 안테나이다. 가우시안 빔은 직진성(Directivity)가 높고 유효한 빔 직경 내에서 위상이 일정한 특징을 갖는다. 가우시안 빔은 비교적 근거리장 내에서도 평면파에 가까운 wavefront를 가지며 자유 공간으로 전파될 수 있다. 입력신호는 사각형 도파관의 기본 모드인 TE₁₀ 이다.

메타소재(Metamaterial structure)는 가우시안 혼안테나로부터 발생된 가우시안 빔을 OAM 빔으로 전환하는데 사용되는 구조를 가지고 있다. 메타소재는 총 8개의 섹션으로 나누어져 있으며, 각각 다른 유효 유전율 값을 가진다. 섹션의 수는 설계 시 설계자의 선택에 따라 더 적을 수도 많을 수도 있다. 메타소재는 각 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 위상이 일정한(평면파) 가우시안 빔을 Δ45, 90, ... , 360° 로 위상 변화시켜서 OAM 빔으로 전환한다.

수신부(Rx)는 OAM 빔의 데이터 신호를 수신하는 안테나이다. Rx의 위치는 전산모사를 통해 예측된 OAM 빔의 세기가 가장 강한 곳, 또는 SINR이 극대화되는 위치에 배치할 수 있다. 본 발명에서는, 정해진 Rx 위치에 따라 형성된 line of sight 채널에 대한 channel capacity를 얻을 수 있다.

특히, 동일 Node 내의 빔 출력단으로부터 발생된 신호가 이격된 수신부(Rx)에 미치는 자기 간섭의 신호 전력 Level이 높을 경우, 이를 최소화하기 위한 수신부(Rx)의 위치도 고려해야 하지만 (전이중 통신에서의 안테나 격리), 본 발명에서는, OAM기반 전이중 통신용 장치의 가우시안 혼안테나로부터 방사된 빔의 Directivity가 매우 높아 가우시안 빔 출력단과 Rx 간의 Cross-talk이 매우 작은 수준으로 Self Interference 문제가 크지 않다.

시뮬레이션 실험을 통해 가우시안 빔이 메타소재에서 반사되어 수신부(Rx)에 들어오는 신호 레벨도 입력파워 대비 -200dB 이하로 확인되었다. 따라서, 본 발명에 따른 전이중 통신 안테나 시스템은 자기 간섭의 영향이 매우 작으므로 빔 출력단에서 최대한 멀리하여 수신부(Rx)의 위치를 배치하되, 현실적인 가우시안 빔폭을 고려한 설계가 필요하다.

가우시안 혼안테나와, 메타소재 간의 거리 d는 Node1에서 발생된 OAM 빔이 Node2 로 전달되었을 때 OAM 빔의 직경이 최소화 되도록 도출한 거리이며, 목표하는 통신 거리에 따라 가변될 수 있다. 또한, 거리 d가 커질수록 전이중 통신용 안테나 장치의 부피가 커지면서 path-loss로 인해 신호 전력이 감소하지만, 초기 빔폭이 커지기 때문에 빔 directivity는 향상될 수 있다.

도 5(b)에서는 RF 렌즈를 이용한 빔 발산각을 제어하는 일례를 설명한다.

OAM 빔은 자유 공간상에서 발산각이 매우 크므로 무선 통신 거리 증대를 위해서 해결해야 할 난제 중 하나이다. 본 발명의 RF 렌즈는 밀리미터파의 준광학적 특성을 이용하여 OAM 빔의 발산각을 최소화 하는 역할을 한다. 다만 실제로 설계된 RF 렌즈의 focal point는 얻어지지 않고 발산각을 감소시키는 현상만 확인할 수 있다. OAM mode에 따라 RF 렌즈의 설계는 변경되어야 하며 Transmission loss가 최소화 되도록 설계해야 한다. RF 렌즈는 메타소재와 통합하여 하나의 구조로 제작이 가능하다.

이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 전이중 통신 안테나 시스템(300)의 설계를 위한 작업 흐름을 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법을 도시한 흐름도이다.

우선, 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구의 중심에 배치되는 가우시안 혼안테나에서, 가우시안 빔을 방사한다(610). 단계(610)는 데이터 신호를 송신하는 일단의 전이중 통신장치(제1 전이중 통신장치)의 내부로 가우시안 빔을 방사하는 가우시안 혼안테나에서, 송신하고자 하는 데이터를 고유의 주파수에 실어 가우시안 빔으로 출력시키는 과정일 수 있다.

상기 제1 전이중 통신장치는 위아래로 대개구와 소개구를 구비하는 파라볼라 형태로 제작될 수 있고, 상대적으로 넓은 어퍼쳐인 대개구의 원 중앙으로, 가우시안 혼안테나를 배치시킬 수 있다. 이를 통해, 가우시안 혼안테나에서 방사된 가우시안 빔은 제1 전이중 통신장치의 내부 공간으로 진행하다가, 소개구에 배치되는 메타소재로 수렴되어 통과될 수 있다.

또한, 상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구에 배치되는 메타소재에서, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM 빔으로 전환하여 출력한다(620). 단계(620)는 고유의 유효 유전율을 갖는 소재로 제작되는 메타소재에, 입사되는 가우시안 빔이 통과하면서 위상 변환 됨에 따라, 정해진 위상각의 OAM 빔을 생성하는 과정일 수 있다.

실시예에 따라, 메타소재는 복수의 섹터로 구분되어 제작될 수 있고, 섹터 각각에 대해, 서로 다른 유효 유전율을 갖게 할 수 있다. 이를 통해, 메타소재는 통신 환경에 따라, 가우시안 빔을, 다양한 위상을 갖는 제1 OAM 빔으로 변환시킬 수 있다.

여기서, 유효 유전율은 유전체 뿐만 아니라 유전체 외부의 영향을 통합해서 하나의 유전체처럼 모델링 한 유전율을 지칭할 수 있다.

또한, 메타소재는, 직진성이 강한 가우시안 빔을 통과시켜, OAM 빔으로 전환하는 과정에서, 자기간섭 신호의 발생을 최소화할 수 있도록 설계될 수 있다.

실시예에서, 메타소재는 평면파의 가우시안 빔을, 원하는 위상의 OAM 빔으로 전환하여, 대응 쌍인 제2 전이중 통신장치를 향해 출력시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 가우시안 혼안테나는 상기 가우시안 빔을, 위상이 일정한 평면파로 상기 제1 전이중 통신장치의 내면으로 방사할 수 있다. 즉, 가우시안 혼안테나는 0 OAM의 가우시안 빔을 파라볼라 형태의 제1 전이중 통신장치로 방사할 수 있다.

메타소재는, 서로 다른 유효 유전율 값을 갖는 다수의 섹션으로 구분되는 구조로서, 각 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 상기 평면파의 가우시안 빔에 대해 위상을 변화시켜 제1 OAM 빔으로 전환할 수 있다. 즉, 메타소재는 가우시안 빔이 강한 직진성을 유지하여 투과되게 하여, 자기간섭 발생 확률을 줄이면서도, 통신 환경에 맞게 다양한 위상으로 상기 가우시안 빔을 OAM 빔으로 변환하여 출력할 수 있다.

또한, 메타소재는, 상기 섹션의 개수에 연동하여, 각 섹션에서 상기 가우시안 빔에 대해 변화시키는 위상의 크기를 조정할 수 있다. 즉, 메타소재는 전체 360도의 위상을 섹션의 개수를 나누어, 각 섹션에서 위상을 변화시키는 폭을 변경할 수 있다.

예컨대, 메타소재가 8개의 섹션으로 구성되는 경우에는, 각 섹션에서, 가우시안 빔에 대해 변화시키는 위상의 크기를 45도(= 360도/8)로 조정할 수 있다. 이를 통해, 메타소재는 각 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 위상이 일정한(평면파) 가우시안 빔을, Δ45, 90, ... , 360도 의 8개 위상의 OAM 빔으로 전환할 수 있다.

또한, 전이중 통신 안테나 시스템(300)는, 수신부를 통해, 상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신한다(630). 단계(630)는 상기 제1 OAM 빔과 동시간 대에, 제2 전이중 통신장치에서 출력되는 제2 OAM 빔을 수신하는 과정일 수 있다.

본 발명의 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 상기 제1 전이중 통신장치와, 상기 제1 전이중 통신장치와 전이중 관계에 있는 대응 쌍인 제2 전이중 통신장치를 포함하여 구성할 수 있다.

즉, 상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치는, 상기 제1 OAM 빔과 상기 제2 OAM 빔을 동일 시간 동안, 동일 주파수 자원으로 서로 교환하여 양방향으로 통신하는 전이중(Full Duplex) 대응쌍 관계일 수 있다.

제2 전이중 통신장치는 동일 시간에서 동일 주파수 자원을 활용하여, 제1 전이중 통신장치와 데이터 신호를 교환하는 장치일 수 있다.

다시 말해, 제1 전이중 통신장치의 수신부에서는, 제2 전이중 통신장치에서 출력되는 제2 OAM 빔을 수신하고 동시간에, 제2 전이중 통신장치의 수신부에서는, 제1 전이중 통신장치에서 출력되는 제1 OAM 빔을 수신할 수 있다.

또한, 수신부는 메타소재로부터 적절히 이격시켜 배치 됨으로써, 최소화되어 발생되는 자기간섭 영향 하에서도 최대한으로 벗어날 수 있게 설계될 수 있다.

즉, 수신부는, 수신되는 상기 제2 OAM 빔의 세기가 가장 강한, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점, 또는 신호대간섭잡음비(SINR, Signal to Interference and Noise Ratio)가 가장 큰, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점에 복수 개로 배치될 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 운영자는, 사전에, 전이중 통신장치 내 다수의 지점에 도달되는 OAM 빔 또는 자기간섭 신호의 세기를 관측할 수 있고, 각 지점에서 관측된 세기를 비교하여, OAM 빔의 세기가 상대적으로 큰 정해진 개수의 지점 또는 자기간섭 신호의 세기가 상대적으로 작은 정해진 개수의 지점을, 결정할 수 있다.

즉, 수신부는 사전에 결정된 전이중 통신장치 내 지점에 다수 개 배치됨으로써, 자체적으로 발생하는 자기 간섭 신호가 최소가 되는 위치에서, 대응 쌍의 전이중 통신장치로부터의 OAM 빔을 최적한 상태에서 수신할 수 있게 하는 환경을 마련할 수 있다.

실시예에 따라, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 전이중 통신장치의 직경을, 출력되는 OAM 빔을 고려하여 제작 함으로써, 전이중 통신시의 통신 효율을 극대화할 수 있다.

즉, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 가우시안 혼안테나와 메타소재 간의 거리를, 상기 제1 OAM 빔이 상기 제2 전이중 통신장치의 수신부로 전달될 때에, 상기 제1 OAM 빔의 직경이 최소화 되도록 설계할 수 있다.

다시 말해, 가우시안 혼안테나와 메타소재 간의 거리는, 제1 OAM 빔이 전달하는 과정에서 가장 강한 직진성을 유지할 수 있게, 제1 OAM 빔의 직경을 최소화 하는 방향으로 설계될 수 있다.

이를 통해, 전이중 통신 안테나 시스템(300)는 출력되는 OAM 빔의 고유의 직진성을 유지하여 통신 과정에서 신호 손실이 최대한 억제하도록, 전이중 통신장치를 제작할 수 있다.

또한, 전이중 통신 안테나 시스템(300)은 출력되는 OAM 빔이 대응 쌍의 전이중 통신장치의 수신부로 대부분 입사되게 유도 할 수 있다.

RF 렌즈는, 상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치 사이에 배치되어, 상기 제1 OAM 빔 또는 상기 제2 OAM 빔의 발산각을 최소화 할 수 있다. 즉, RF 렌즈는 출력된 OAM 빔 전체가 대응 쌍의 전이중 통신장치의 수신부에 정확하게 도달되게, OAM 빔의 발산각을 특정의 각도 범위로 수렴되게 할 수 있다.

이를 통해, RF 렌즈는, 대응 쌍의 전이중 통신장치의 수신부로, OAM 빔 전체가 집중되어 도달되게 함으로써, 대응 쌍의 전이중 통신장치에서 자기간섭 신호가 발생하더라도, 자기간섭 신호의 영향으로 OAM 빔이 왜곡되지 않고, 곧바로 수신부에서 수신할 수 있게 하는 환경을 마련할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 가우시안 혼안테나에서 방사되는 가우시안 빔을 메타소재에 의해 OAM 빔으로 전환하여 출력 시킴으로써, 전이중 통신장치에서의 자기간섭 신호를 최소화시킬 수 있는, 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템 및 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역을 고려한 대칭성을 갖는 전이중 OAM 통신용 안테나 설계를 포함하고 있으며, 비교적 구조가 단순하고 명료하기 때문에 생산성도 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 잡음수준 이하의 자기간섭 영향으로 SINR 저하가 거의 없기 때문에 전이중 OAM 통신시스템에 적합한 안테나 구조를 제공할 수 있다.

실시예에 따른 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

300 : 전이중 통신 안테나 시스템
310 : 가우시안 혼안테나 320 : 메타소재
330 : 수신부 340 : RF 렌즈

Claims (15)

1. 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구(large aperture)의 중심에 배치되어, 가우시안 빔(Gaussian beam)을 방사하는 가우시안 혼안테나;
   상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구(small aperture)에 배치되어, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM(Orbital Angular Momentum) 빔으로 전환하여 출력하는 메타소재(Metamaterial structure); 및
   상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신하는 수신부
   를 포함하는 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가우시안 혼안테나는,
   상기 가우시안 빔을, 위상이 일정한 평면파로 상기 제1 전이중 통신장치의 내면으로 방사하고,
   상기 메타소재는,
   서로 다른 유효 유전율 값을 갖는 다수의 섹션으로 구분되는 구조로서, 각 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 상기 평면파의 가우시안 빔에 대해 위상을 변화시켜 상기 제1 OAM 빔으로 전환하는
   궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 메타소재는,
   상기 섹션의 개수에 연동하여, 각 섹션에서 상기 가우시안 빔에 대해 변화시키는 위상의 크기를 조정하는
   궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 수신부는,
   수신되는 상기 제2 OAM 빔의 세기가 가장 강한, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점, 또는 신호대간섭잡음비(SINR)가 가장 큰, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점에 복수 개로 배치되는
   궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치는,
   상기 제1 OAM 빔과 상기 제2 OAM 빔을 동일 시간 동안, 동일 주파수 자원으로 서로 교환하여 양방향으로 통신하는 전이중(Full Duplex) 대응쌍 관계인
   궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가우시안 혼안테나와 상기 메타소재 간의 거리는,
   상기 제1 OAM 빔이 상기 제2 전이중 통신장치의 수신부로 전달될 때에, 상기 제1 OAM 빔의 직경이 최소화 되도록 설계하는
   궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치 사이에 배치되어, 상기 제1 OAM 빔 또는 상기 제2 OAM 빔의 발산각을 최소화 하는 RF 렌즈
   를 더 포함하는 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템.
8. 제1 전이중 통신장치의 일측을 구성하는 대개구의 중심에 배치되는 가우시안 혼안테나에서, 가우시안 빔을 방사하는 단계;
   상기 제1 전이중 통신장치의 타측을 구성하는 소개구에 배치되는 메타소재에서, 상기 가우시안 빔을 제1 OAM 빔으로 전환하여 출력하는 단계; 및
   수신부에서, 상기 제1 전이중 통신장치와 대응되는 제2 전이중 통신장치로부터 출력된 제2 OAM 빔을 수신하는 단계
   를 포함하는 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 가우시안 혼안테나에서, 상기 가우시안 빔을, 위상이 일정한 평면파로 상기 제1 전이중 통신장치의 내면으로 방사하는 단계; 및
   상기 메타소재에서, 서로 다른 유효 유전율 값을 갖는 다수의 섹션 마다 서로 다른 위상 지연을 통해, 상기 평면파의 가우시안 빔에 대해 위상을 변화시켜 상기 제1 OAM 빔으로 전환하는 단계
   를 더 포함하는 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 메타소재에서, 상기 섹션의 개수에 연동하여, 각 섹션에서 상기 가우시안 빔에 대해 변화시키는 위상의 크기를 조정하는 단계
    를 더 포함하는 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
11. 제8항에 있어서,
    상기 수신부는,
    수신되는 상기 제2 OAM 빔의 세기가 가장 강한, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점, 또는 신호대간섭잡음비(SINR)가 가장 큰, 상기 제1 전이중 통신장치 내 지점에 복수 개로 배치되는
    궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치는,
    상기 제1 OAM 빔과 상기 제2 OAM 빔을 동일 시간 동안, 동일 주파수 자원으로 서로 교환하여 양방향으로 통신하는 전이중(Full Duplex) 대응쌍 관계인
    궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
13. 제8항에 있어서,
    상기 가우시안 혼안테나와 상기 메타소재 간의 거리는,
    상기 제1 OAM 빔이 상기 제2 전이중 통신장치의 수신부로 전달될 때에, 상기 제1 OAM 빔의 직경이 최소화 되도록 설계하는
    궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전이중 통신장치와 상기 제2 전이중 통신장치 사이에 배치되는 RF 렌즈에서, 상기 제1 OAM 빔 또는 상기 제2 OAM 빔의 발산각을 최소화 하는 단계
    를 더 포함하는 궤도각운동량을 이용한 전이중 통신 안테나 시스템의 설계 방법.
15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.

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