KR102274497B1 - 파라볼릭-하이퍼볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치 - Google Patents

파라볼릭-하이퍼볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치 Download PDF

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엘레나 알렉산드로브나 셰펠레바
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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는,
제1 방향에 평행하게 절개한 제1 단면들은 파라볼릭 형상 프로파일(a profile of a parabolic)을 가지고, 상기 제1 방향에 수직하게 절개하여 상기 제1 단면들과 수직하게 교차하는 제2 단면들은 하이퍼볼릭 형상 프로파일(a profile of a hyperbolic)을 가지는 반사기(reflector); 및
상기 반사기의 적어도 일부를 비추면서(illuminate) 빔(beam)을 스캐닝(scanning)하는 적어도 하나의 위상 안테나 어레이를 구비하는 방사 구조(radiating structure)를 포함할 수 있고,
상기 제1 단면의 파라볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조를 향하게 형성되고, 상기 제2 단면의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조로부터 멀어지는 방향을 향하게 형성될 수 있다.
상기와 같은 안테나 장치는 실시예에 따라 다양할 수 있다.

Description

파라볼릭-하이퍼볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치 {ANTENNA DEVICE INCLUDING PARABOLIC-HYPERBOLIC REFLECTOR}
본 발명의 다양한 실시예는 안테나 장치에 관한 것으로서, 예를 들면, 반사기를 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다.
지속적으로 증가하는 사용자 수요가 모바일 통신 기술의 급속한 발전의 동기가 되고 있다. 현재는 5G 밀리미터파(mmWave) 네트워크들이 활발히 개발 중에 있다. 5G 밀리미터파 네트워크들은 사용자 경험에 기반하면서 인근 장치들과의 연결 용이성과 개선된 에너지 효율과 같은 요소들을 포함하는 보다 높은 성능을 필요로 할 수 있다. 밀리미터파 기술은 안테나 어레이들의 물리학, 고속 트랜시버 구조 등과 관련된 다양한 기본 난제들과 조우한다.
밀리미터파 안테나들의 집적을 위해 여전히 남은 주요 과제들은 가격을 낮추고, 간섭 수준을 줄이고, 요구되는 통신 품질과 에너지 효율을 제공하도록 하는 것이다. 더 나아가 통신 채널은 통신 모바일 기기가 자신의 위치를 변경할 때 안정성을 유지해야 한다. 따라서 다음과 같은 요건들이 예컨대 기지국들의 안테나들에 부과될 수 있다:
1) 높은 이득,
2) 넓은 스캔 각도,
3) 고지향성,
4) 저 측대파(low side lobe) 레벨,
5) 속도를 높이고 데이터 전송의 안정성을 향상시키기 위한 이중 편파 빔 포밍,
6) 안테나의 높은 효율성.
스캐닝 안테나들의 동작에서 매우 중요한 작업은 스캔 각도(scan angle)를 높이는 것으로, 이를 통해 시스템의 효율성을 개선할 수 있다. 전통적인 안테나 어레이의 스캔 각도는 일반적으로, 이득의 상당한 감소 및 측대파(side lobe) 레벨의 과도한 증가를 야기하지 않기 위해 +-45도로 제한될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전통적으로 기지국(BS)를 구성함에 있어, +-45도의 스캔 각도를 가진 4개의 안테나들(BSA1, BSA2, BSA3, BSA4)이 배치되어 기지국(BS) 주위의 360도 영역을 커버할 수 있다. 한편, 전체 커버리지 영역을 커버하기 위해(전체 커버리지 영역에 원하는 레벨의 전파를 제공하기 위해) 4개 대신 3개의 안테나들을 사용하는 것은 기지국 트랜시버 측의 제어 및 분배 장치들의 복잡도에 대한 필요 요건들을 상당히 완화시키고, 기지국 규모를 줄이며, 기지국의 설치를 단순화 및 고속화할 수 있을 것이다. 따라서, 3개의 안테나들로 기지국을 구성하기 위해서는, 각각의 안테나가 +-60도 미만이 아닌, +-60도 이상의 스캔 각도를 가지는 것이 바람직하다.
밀리미터파 통신 주파수 대역에서 스캔 각도를 확장하기 위해 특수한 수단이 요구될 수 있다. 예를 들어, 등각 안테나 어레이(원기둥형), 루네부르크 렌즈 안테나들, 스위칭되는 선대칭 안테나들이 스캔 각도를 증가시키기 위해 현재 사용되고 있다. 이러한 종류의 안테나들은 +-90 이상의 스캔 각도를 제공할 수 있다. 그러나 이들은 몇 가지 단점이 있다. 예를 들면, 추가 손실을 일으키는 복잡한 스위칭 유닛을 포함하며, 큰 설치 공간을 필요로 하면서 안테나 구경 효율(efficiency of the antenna aperture)이 낮을 수 있다.
종래의 안테나 어레이들은 어레이 앞에 특별한 구조들을 설치함으로써 확장된 스캐닝 빔을 획득할 수 있다. 이러한 구조들은 파두(wave front)의 추가 편차를 일으킬 수 있으며, 일반적으로 큰 측면 어레이(broad side array)들에 사용된다.
상술한 요건들에 어느 정도 접근하는 종래의 밀리미터파 해법들이 몇몇 존재한다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제7차 EUCAP(European Conference on Antennas and Propagation) 2013의 공보 “무선 통신 시스템을 위한 E 밴드 원통형 반사기 안테나(An E-band Cylindrical Reflector Antenna for Wireless Communication Systems)”에서는 고주파 인가 및 높은 이득과 상대적으로 낮은 손실을 가지도록 설계된 원통형의 반사기 안테나가 개시된다. 그러나 이 안테나는 스캐닝을 할 수 없고, 약 60%의 효율성을 가지며, 단일 편파만으로 작동한다.
도 3을 참조하면, 23Ghz에서의 적용을 위한 또 다른 종래의 안테나가 마이크로 전자회로, 전자 부품들 및 재료들에 대한 베오그라드 대학 논문 IHTM-CMTM, 제43권 2호(2013), 97-102에 공개된 “인쇄 안테나 구조를 가진 원통형 파라볼릭 반사기(Cylindrical-parabolic reflector with printed antenna structures)”에 개시된다. 개시된 안테나는 쌍극의 마이크로스트립 안테나 어레이 형태의 방사 구조(radiating structure), 및 원통형 반사기를 구비한다. 앞의 예처럼, 이러한 안테나는 단일 편파만으로 동작할 뿐 스캔 기능을 가지고 있지 않다. 또한, 방사체들에 급전을 제공함에 있어, 베오그라드 대학 논문을 통해 개시된 안테나의 마이크로스트립 급전기(feeder)는 2-3db에 달하는 손실을 가지기 때문에, 겨우 56%의 효율로 동작한다. 밀리미터파 통신에 있어, 이러한 마이크로스트립 급전기의 손실은 유전 물질 손실이나 제조 결함(어떤 변칙들, 두껍게 됨(thickening), 협소화(narrowing), 패임(notches), 곡률, 코너 등이 재반사, 기생적 방사 등을 일으킬 수 있음) 등에 의해 더 증가될 수 있다. 따라서 급전 경로의 분산된 시스템(distributed system of the feeder path)은 밀리미터 안테나들의 단점이 될 수 있다.
2012년 중국 스자좡(Shijiazhuang) 050081, CETC의 제54 연구소, 초고주파 및 밀리미터파 기술에 대한 국제 회의(ICMMT)에서 루 지용(Lu Zhiyong)이 공개한 “높은 이득 및 스캐닝 빔을 가진 안테나 어레이 설계(The Design on the Antenna Array with High Gain and Scanning Beam)”에는 또 다른 종래의 안테나(도 4 참조)가 개시된다. 여기서 원통형(파라볼릭) 반사기는 스캐닝 빔을 형성하기 위한 특수한 어레이에 의해 비춰진다. 개시된 안테나는 앞의 것들처럼, 단일 편파로 동작하고, 상대적으로 낮은 효율(약 60%)을 가진다. 또한, 개시된 안테나는 매우 제한된 스캔 각도(+-20도)를 가지므로, 360도 영역을 커버하려면 9 개의 안테나가 설치되어야 하며, 극도의 복잡도를 감안할 때, 모바일 통신을 위해 기지국에서 그러한 안테나를 사용하는 것은 거의 적합하지 않다.
도 5를 참조하면, 또 다른 밀리미터파 안테나로서 톰슨 CSF 레이다 Maser-T 안테나가 제안된 바 있다. 제안된 안테나는 복수의 선형 마이크로스트립 안테나 어레이들로 구성되는 복잡한 스캐닝 안테나 어레이이며, 각각의 스캐닝 안테나에 각자의 트랜시버 회로가 연결된다. 그러나 그러한 모든 복잡도에도 불구하고, 이 안테나의 스캔 각도는 +-40도로 제한되며, 그 마이크로스트립 구조가 급전선들에서의 높은 손실을 유발하여 안테나 효율을 저하시킬 수 있다.
이러한 종래의 기술들은 상기에서 나열한 요건들 모두를 동시에 만족시킬 수 있는 안테나 장치들을 제공함에 있어 적합하지 못하다.
상술한 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하기 위해, 본 발명의 다양한 실시예는 이중 편파 빔 포밍이 가능하고, 스캔 각도를 향상시킬 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는,
제1 방향에 평행하게 절개한 제1 단면들은 파라볼릭 형상 프로파일(a profile of a parabolic)을 가지고, 상기 제1 방향에 수직하게 절개하여 상기 제1 단면들과 수직하게 교차하는 제2 단면들은 하이퍼볼릭 형상 프로파일(a profile of a hyperbolic)을 가지는 반사기(reflector); 및
상기 반사기의 적어도 일부를 비추면서(illuminate) 빔(beam)을 스캐닝(scanning)하는 적어도 하나의 위상 안테나 어레이를 구비하는 방사 구조(radiating structure)를 포함할 수 있고,
상기 제1 단면의 파라볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조를 향하게 형성되고, 상기 제2 단면의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조로부터 멀어지는 방향을 향하게 형성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는, 복합적인 형상(예: 파라볼릭-하이퍼볼릭 형상)의 반사기를 포함함으로써, 통상적인 안테나 장치와 비교할 때, 이득, 스캔 각도, 지향성, 측대파(side lobe) 레벨, 이중 편파 빔 포밍(beam forming), 효율 등에 있어 개선된 특성을 가질 수 있다. 한 실시예에서, 하이퍼볼릭 형상의 프로파일에 따라 안테나의 스캔 각도가 한 평면 내에서 증가되고, 실질적인 규모의 증가 없이도 필요한 방사 패턴이 다른 평면 내에서 형성될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는, 이와 같이 스캔 각도를 증가시킴과 아울러, 필요한 방사 패턴을 다른 평면 내에 형성시키면서도, 효율성을 유지하면서 측대파 레벨의 증가를 억제할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는, 스캔 각도를 증기시킴으로써, 더 적은 수의 안테나로 360도 각도 범위를 커버하는 기지국을 구현할 수 있으므로, 기지국의 트랜시버 측 제어 및 분산 장치들의 복잡도에 대한 필요요건을 감소시키고, 기지국의 크기를 줄이고, 기지국 설치를 단순화 및 가속화하며 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 통상적인 기지국의 안테나 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 종래의 밀리미터파 안테나들의 예들을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 라인 A-A'을 따라 안테나 장치를 절개하여 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 6의 라인 B-B'을 따라 안테나 장치를 절개하여 나타내는 단면도이다.
도 9는 종래의 원통형 또는 파라볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치의 방사 특성을 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 파라볼릭-하이퍼볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치의 방사 특성을 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치를 이용한 기지국 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 안테나 어레이를 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 안테나의 구현 예를 설명하기 위한 분리 사시도이다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 안테나의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 14의 라인 C-C'을 따라 위상 안테나를 절개하여 나타내는 단면도이다.
도 16과 도 17은 각각 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 급전 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 종래의 원통형 또는 파라볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치의 수직 평면(vertical (elevation) plane) 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 수직 평면 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서, 반사기의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 산출 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 일부 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
'제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 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.
또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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 본 발명이 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 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)를 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6의 라인 A-A'을 따라 안테나 장치(100)를 절개하여 나타내는 단면도이다. 도 8은 도 6의 라인 B-B'을 따라 안테나 장치(100)를 절개하여 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)는, 반사기(101), 방사 구조(예: 위상 안테나 어레이(102))를 포함할 수 있다. 상기 방사 구조는 적어도 하나의 위상 어레이 안테나(102)를 포함할 수 있으며, 상기 위상 어레이 안테나(102)는 상기 반사기(101)의 적어도 일부를 비추게 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 위상 어레이 안테나(102)는 상기 반사기(101)를 향해 전파를 방사하거나, 외부로부터 입사되어 상기 반사기(101)에 의해 반사된 전파 중 적어도 일부를 수신할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 구조가 하나의 상기 위상 어레이 안테나(102)를 포함하는 경우, 상기 위상 어레이 안테나(102)는 실질적으로 상기 반사기(101)의 전체 영역을 비출 수 있다. 한 실시예에서, 상기 방사 구조가 복수(예: 적어도 두 개)의 상기 위상 어레이 안테나(102)를 포함하는 경우, 각각의 상기 위상 어레이 안테나(102)는 상기 반사기(101)의 서로 다른 부분을 비출수 있다. 예컨대, 도 6 또는 도 7을 참조하면, 두 개의 상기 위상 안테나 어레이(102)들 중 하나는 상기 반사기(101)의 상반부를 비추고, 다른 하나는 상기 반사기(101)의 하반부를 비출 수 있다.
이하의 구체적인 실시예를 설명함에 있어, 도 6의 '제1 방향(D1)'은 중력의 역방향을 의미할 수 있고, '제2 방향(D2)'는 상기 위상 어레이 안테나(102)를 이루는 방사체(예: 도 13의 도파로 안테나(102a))들이 배열된 방향이면서, 상기 제1 방향(D1)에 대하여 수직인 방향을 의미할 수 있으며, '제3 방향(D3)'은 상기 제1 방향(D1)과 상기 제2 방향(D2) 각각에 수직인 방향을 의미할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 안테나 장치(100)가 설치된 환경 또는 실제 설치 상태에 따라, 상기 제1 방향(D1)은 중력 방향(또는 그 역방향)에 대하여 경사진 방향을 의미할 수 있다. 이하의 상세한 설명에서 참조번호 'DX('X'는 자연수)'는 방향을 지시하는 의미로서, 또는, 일정 방향으로 배치된 평면을 나타내는 의미로서 활용될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 상기 반사기(101)와 상기 방사 구조는 지지체(103)를 통해 서로 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 제3 방향(D3)에서, 상기 반사기(101)는 상기 지지체(103)의 한 단부에, 상기 방사 구조(예: 상기 위상 어레이 안테나(102))는 상기 지지체(103)의 다른 단부에 각각 장착될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 방사 구조, 예컨대, 상기 위상 어레이 안테나(102)(들)는 상기 반사기(101)의 적어도 일부분을 비추게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 반사기(101)는, 상기 방사 구조의 주변을 적어도 부분적으로 감싸는 곡면 플레이트 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 방사 구조에서 볼 때, 상기 반사기(101)를 일 방향으로 절개한 제1 단면(들)은 파라볼릭 형상 프로파일을 가질 수 있으며, 상기 반사기(101)를 다른 방향(예: 상기 제1 단면과 수직하는 방향)으로 절개한 제2 단면(들)은 하이퍼볼릭 형상 프로파일을 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 단면(들)은, 예를 들면, D2-D3 평면에 대하여 수직하면서, D1-D3 평면과 평행하거나 경사진 평면을 따라 상기 반사기(101) 및/또는 상기 안테나 장치(100)를 절개한 단면을 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 7을 통해 도시된 단면은, D1-D3 평면과 평행하면서 도 6의 라인 A-A'을 포함하는 평면(이하, '제1 수직면')을 따라 상기 반사기(101) 및/또는 상기 안테나 장치(100)를 절개한 제1 단면으로서, 상기 반사기(101)의 단면 및/또는 상기 안테나 장치(100) 전체의 단면을 의미할 수 있다. 상기 제1 단면에서 상기 반사기(101)는 상기 방사 구조(예: 상기 위상 어레이 안테나(102))의 주위에서 파라볼릭 형상의 프로파일을 가질 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 반사기(101)(예: 상기 제1 단면)의 파라볼릭 형상 프로파일의 단부(PE)(들)은 상기 방사 구조를 향하게 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 방사 구조로부터 상기 제3 방향(D3)을 따라 상기 반사기(101)의 임의의 부분까지 거리(d)를 측정했을 때, 상기 파라볼릭 형상 프로파일의 단부(PE)들이 상기 방사 구조와 가장 가까이 위치할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 수직면에 평행하거나 경사진 평면들을 따라 상기 반사기(101) 및/또는 상기 안테나 장치(100)를 절개했을 때, 상기와 같은 파라볼릭 형상 프로파일 각각은 부분적으로 서로 다를 수 있다. 예컨대, 상기 안테나 장치(100)에 요구되는 스캔 각도, 지향성, 이득 등에 따라 상기 반사기(101)의 반사면 프로파일이 다양할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 단면(들)은, 예를 들면, D1-D3 평면에 대하여 수직하면서, D2-D3 평면과 평행하거나 경사진 평면을 상기 반사기(101) 및/또는 상기 안테나 장치(100)를 따라 절개한 단면을 의미할 수 있다. 예를 들면, 도 8을 통해 도시된 단면은, D2-D3 평면과 평행하면서 도 6의 라인 B-B'을 포함하는 평면(이하, '제1 수평면')을 따라 상기 반사기(101) 및/또는 상기 안테나 장치(100)를 절개했을 때 나타나는 제2 단면으로서, 상기 반사기(101)의 단면 및/또는 상기 안테나 장치(100) 전체의 단면을 의미할 수 있다. 상기 제2 단면에서 상기 반사기(101)는 상기 방사 구조(예: 상기 위상 어레이 안테나(102))에 대하여 하이퍼볼릭 형상의 프로파일을 가질 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 반사기(101)(예: 상기 제2 단면)의 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 단부(HE)(들)은 상기 방사 구조로부터 멀어지는 방향을 향하게 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 방사 구조로부터 상기 제3 방향(D3)을 따라 상기 반사기(101)의 임의의 부분까지 거리(d)를 측정했을 때, 상기 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 단부(HE)들이 상기 방사 구조로부터 가장 멀리 위치할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 수평면에 평행하거나 경사진 평면들을 따라 상기 반사기(101) 및/또는 상기 안테나 장치(100)를 절개했을 때, 상기와 같은 하이퍼볼릭 형상 프로파일 각각은 부분적으로 서로 다를 수 있다. 예컨대, 상기 안테나 장치(100)에 요구되는 스캔 각도, 지향성, 이득 등에 따라 상기 반사기(101)의 반사면 프로파일이 결정될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 위상 안테나 어레이(102)는 복수의 위상 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a))들을 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 위상 안테나들을 상기 제2 방향(D2)을 따라 선형으로 배열하여 상기 위상 안테나 어레이(102)를 형성할 수 있다. 한 실시예에서, 상기와 같은 위상 안테나들 각각은 상기 제2 단면들 중 하나와 동일 평면, 예를 들면, 도 7에서 라인 P1 또는 P2를 포함하면서 상기 제2 방향(D2)과 평행한 평면 상에 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기와 같은 위상 안테나들은 상기 제2 단면의 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 대칭축(예: 도 8의 'S'로 지시된 축(axis))과 직교하는 방향으로 정렬될 수 있다.
도 9는 종래의 원통형 또는 파라볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치의 방사 특성을 측정하여 나타내는 그래프이다. 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 파라볼릭-하이퍼볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치의 방사 특성을 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 9와 도 10의 방사 특성 측정 결과는, 반사기의 형상 또는 프로파일의 차이에 따른 방사 특성을 비교하기 위한 것으로서, 반사기를 제외한 다른 구성요소들은 동일한 조건에서 측정된 것이다. 이러한 측정은 26.65GHz, 27.925GHz, 29.2GHz 주파수 대역에서 각각 이루어졌다.
도 9는, 예를 들면, 선형 단면을 가지는 반사기를 포함하는 종래의 안테나 장치(예: 도 2 또는 도 3의 안테나 장치)의 방사 특성(예: 지향성)을 측정한 그래프이다. 도 9를 통해 나타난 바와 같이, 종래의 안테나 장치는, +45도보다 큰 굴절 각도에서 메인 빔을, -45도보다 작은 굴절 각도에서 메인 빔과 유사한 레벨의 기생 굴절 측대파(parasitic diffraction lobe)를 생성함을 알 수 있다. 이러한 메인 빔 및/또는 기생 굴절 측대파는 지향 방향(main direction; 0도 방향)에서의 이득보다 지나치게 강한 송수신 레벨을 가짐으로써, 지향 방향에서의 이득을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기와 같은 종래의 안테나 장치는 대체로 +-45도의 스캔 각도를 가질 수 있지만, 지향 방향에서의 이득과 메인 빔(및/또는 기생 굴절 측대파)의 이득 사이의 차이가 클수록 안테나 장치의 스캔 각도는 협소해질 수 있다.
도 10은, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치, 예를 들면, 도 6에 도시된 안테나 장치(100)의 방사 특성(예: 지향성)을 측정한 그래프이다. 도 10을 통해 나타난 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시에에 따른 안테나 장치는, (종래의 안테나 장치와 비교할 때) -45도를 초과하는 스캔 방향에서 기생 굴절 측대파의 생성이 억제되며, -45도를 초과하는 스캔 방향의 일정 범위(I)(예: 대략 30도 각도 범위)에서 송수신 레벨(이득)은 지향 방향의 이득과 유사한 정도로 유지됨을 알 수 있다. 이와 같이, 기생 굴절 측대파의 생성이 억제됨으로써, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는 지향 방향에서의 이득을 개선할 수 있으며, 스캔 각도가 일정 범위(I)만큼 확장될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 도 9의 스캔 각도 범위의 이득과 비교해 보면, 도 10의 측정 결과는 지향 방향의 이득이 개선되고, 스캔 각도 범위(+-45 + I) 전반에서의 이득이 균일해짐(편차가 감소됨)을 나타내고 있다. 예컨대, 다른 조건(예: 다른 구성요소들의 배치나 성능)이 동일하다면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는, 종래의 안테나 장치와 비교할 때, 이득, 효율성, 지향성 등을 개선하거나 적어도 유지하면서, 스캔 각도를 개선(확장)할 수 있다. 하이퍼볼릭 형상 프로파일은 객체의 이미지(the image of the object)를 줄인다는 것은, 예를 들면, 위상 어레이 안테나에 비춰지는 반사기에 하이퍼볼릭 형상 프로파일을 적용함으로써, 방사 소자(radiating element, 예컨대, 위상 안테나)들 사이의 전기적인 거리(electrical distance)가 가상적으로(virtually) 감소되는 것을 의미하며, 이를 통해 안테나 장치의 특성, 예컨대, 이득, 효율성, 지향성 등을 개선하거나 적어도 유지하면서, 스캔 각도가 개선(확장)되는 등의 통합적인 효과가 설명될 수 있다.
하이퍼볼릭 형상 프로파일이 적용된 반사기는 기생 굴절 측대파의 생성을 억제할 수 있으며, 기생 굴절 측대파가 없을 때, 상기 위상 안테나 어레이를 형성하는 위상 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a))들 사이의 거리(예: 전기적인 거리)는 다음의 [수학식 1]을 만족할 수 있다.
Figure 112017052613919-pat00001
[수학식 1]에서, 'a'는 위상 안테나들 사이의 전기적인 거리, 'θmax'는 빔(beam)의 최대 굴절각, 'λ'는 파장을 의미한다.
위 [수학식 1]을 통해 나타난 바와 같이, 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 반사기를 활용함으로써, 방사 소자들 사이의 전기적인 거리가 감소될 수 있으며, 이를 통해 스캔 각도, 예컨대, 빔의 최대 굴절각(θmax)을 향상시킬 수 있다. 어떤 실시예에서, 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 곡률이 클수록 더 큰 스캔 각도가 제공될 수 있다. 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 반사기를 적용한 경우, 방사 소자들 사이의 전기적인 거리가 감소될 수 있지만, 방사 소자들 사이의 실제 거리는 변경되지 않을 수 있다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치를 이용한 기지국 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 더 참조하면, 상기와 같은 안테나 장치(100)는 D2-D3 평면에서 대체로 +-60도 이상의 스캔 각도를 가질 수 있다. 예컨대, 기지국을 구성함에 있어, 도 6의 라인 A-A'이 중력 방향과 대체로 평행하도록 또는 설치 환경에 따라 지면에 수직하도록 상기 안테나 장치(100)가 배치된다면, 3개의 안테나 장치(100a, 110b, 100c)를 조합함으로써 D2-D3 평면에서 전체 커버리지 영역, 예컨대, 360각도 범위의 빔 스캐닝이 가능하다. 이를 통해,
- 기지국의 트랜시버 측 제어 및 분배 장치들의 복잡도를 개선, 완화하고,
- 전체 커버리지 영역의 빔 스캐닝을 위한 안테나 장치의 수를 줄일 수 있으며,
- 안테나 장치의 수가 줄어든 만큼 기지국의 설치를 단순화, 고속화가 가능해지고,
- 에너지의 효율성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 다양한 수직 평면(elevation plane)에서의 방사 패턴 형성 성능은 종래의 안테나 장치보다 개선되거나 적어도 유지될 수 있다.
한 실시예에서 방사 구조, 예를 들면, 도 6의 위상 안테나 어레이(102)는 원이나 사각형과 유사한 형상을 가질 수 있으며, 안테나 장치(100)의 중심축 상에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 위상 안테나 어레이(102)는 선형이면서, 수평 평면(horizontal plane) 상에서 상기 안테나 장치(100)의 중심축을 중심으로 대칭을 이루게 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 위상 안테나 어레이(102)를 이루는 위상 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a))들은 상술한 제2 단면들 중 하나(예: 도 7의 라인 P1 또는 P2를 포함하면서 상기 제2 방향(D2)과 평행한 평면에 위치된 제2 단면)와 동일 평면 상에 정렬되면서, 해당 평면에 형성된 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 대칭축과 직교하는 방향으로 정렬될 수 있다. 상기와 같은 방사 구조의 형상이나 배열 등은 안테나 장치에 요구되는 사양이나 안테나 장치가 설치될 환경 등을 고려하여 적절하게 변형될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 6의 안테나 장치(100))의 위상 안테나 어레이(예: 도 6의 위상 안테나 어레이(102)), 위상 안테나 어레이를 구성하는 위상 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a)), 각 위상 안테나의 급전 구조 등의 구성에 관해 도 12 내지 도 17을 참조하여 좀더 상세하게 살펴보기로 한다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 안테나 어레이(102)를 나타내는 사시도이다.
도 12를 참조하면, 상기 위상 안테나 어레이(102)는 도파로 부재(121)와, 상기 도파로 부재(121)에 형성된 다수의 도파로(123)들을 포함할 수 있다. 상기 도파로(123)들은 일 방향을 따라 선형으로(예: 상기 제2 방향(D2)와 평행하게) 정렬될 수 있으며, 상술한 반사기(예: 도 6의 반사기(101))의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 단면들 중 하나와 동일 평면에 배치될 수 있다. 각각의 상기 도파로(123)들은 다른 방향(예: 상기 제2 방향(D2)에 대하여 수직하는 방향)을 따라 연장된 형상으로서, 서로에 대하여 독립된 급전을 제공받거나 동일한 급전을 제공받아 전파를 송수신하는 안테나로서 작동할 수 있다. 어떤 실시예에서, 각각의 상기 도파로(123)들로 제공되는 급전 구조, 상기 도파로(123)들의 내부 구조 등에 따라 도파로 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a)) 및/또는 상기 위상 안테나 어레이(102)는 이중 편파 빔 포밍(beam forming)을 수행할 수 있다. 상기 도파로(123)들의 급전 구조, 내부 구조는 안테나 장치의 기생적 방사의 억제와 이득, 효율 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 상기와 같은 급전 구조나 도파로 내부 구조 등에 관해서는 도 13 등을 통해 더 구체적으로 살펴보게 될 것이다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 안테나의 구현 예를 설명하기 위한 분리 사시도이다. 도 14는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 안테나의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 15는 도 14의 라인 C-C'을 따라 위상 안테나를 절개하여 나타내는 단면도이다.
도 12를 통해 살펴본 위상 안테나 어레이(102)는 복수의 도파로(123)들의 조합에 의해 형성되며, 각각의 도파로(123)들은 서로에 대하여 독립된 안테나로서 작동할 수 있다. 예컨대, 상기 도파로(123)들 각각은 도파로 안테나를 형성할 수 있으며, 이들이 조합되어 상기 위상 안테나 어레이(102)가 형성될 수 있다. 도 13 내지 도 15는 상기 위상 안테나 어레이(102)를 형성하는 위상 안테나, 예를 들면, 도파로 안테나(102a)의 예를 설명하기 위한 것으로서, 이하에서 설명될 도파로 안테나(102a)의 조합을 통해 상기 위상 안테나 어레이(102)가 형성될 수 있다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 상기 도파로 안테나(102a)(예: 방사기(radiator))는, 금속이거나 금속화된 공동(metalized hollow)의 구조를 가질 수 있으며, 금속이거나 금속화된 공동(metalized hollow)의 내부에 형성된 도파로(123)를 포함할 수 있다. 상기 도파로(123)를 형성하는 내벽에는 돌출부(124a, 124b, 124c) 등이 제공되어 상기 도파로(123) 및/또는 상기 도파로 안테나(102a)는 복합적인 단면(compound cross-section)을 가질 수 있다. 한 실시예에서, 상기 도파로(123)는 상기 도파로 안테나(102a)의 일면(예:제1 면(F1))에서 반사기(예: 도 6의 반사기(101))를 향해 개방되며, 그 반대면(예: 제2 면(F2))에서는 닫혀있는 공동 도파로일 수 있다. 상기 도파로(123)의 폐쇄된 단부는 반사면을 제공하며, 상기 도파로(123)는 개방된 단부를 통해 전파를 방사할 수 있다. 상기 도파로(123)의 단면 형상과 크기 등은 일반 전파의 도파 조건을 만족시킬 수 있다. 예를 들어, 도파로의 단면 크기에 따라 전파의 통과를 차단하는 임계 값(예: 임계 주파수)을 가질 수 있으므로, 이러한 임계 값을 고려하여 상기 도파로(123)의 단면 크기가 적절하게 설계될 수 있다. 상기와 같은 도파로 단면의 크기, 형상 등은 상기 돌출부(124a, 124b, 124c) 등에 의해 조절될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나(102a)는 상기 도파로(123)의 내부로 급전을 제공하는 적어도 하나의 마이크로스트립 라인(127a, 127b)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)은 인쇄회로 기판(125a, 125b)에 형성, 지지되며, 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)의 한 단부가 상기 도파로(123)의 내부로 연장되어 상기 도파로(123)의 내부에서 여자 프로브(excitation waveguide probe)를 형성할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)의 한 단부(예: 여자 프로브)는 상기 도파로(123)의 내벽(또는 상기 돌출부(124a, 124b, 124c)의 단부)에 수직한 상태로 상기 도파로(123)의 내부로 돌출되며, 돌출된 길이는 대략 도파로 높이의 3/4 정도에 이를 수 있다. 이러한 돌출 길이는 상기 도파로 안테나(102a)에 요구되는 사양에 따라 다양할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)은 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)의 양면에 각각 형성되어 서로 대칭을 이루게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나(102a)는 상기 도파로(123)의 제1 부분(123a)을 포함하는 제1 도파로 부재(121a)와 상기 도파로(123)의 제2 부분(123b)을 포함하는 제2 도파로 부재(121b)를 포함할 수 있으며, 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)은 상기 제1 도파로 부재(121a)와 상기 제2 도파로 부재(121b) 사이에 배치될 수 있다. 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)을 구비하는 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)은 상기 도파로(123)가 연장된 방향 또는 그와 평행한 축에 대하여 수직인 평면에 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)은 상기 제1 부분(123a)과 제2 부분(123b) 사이에 배치되면서 상기 제1 도파로 부재(121a)와 상기 제2 도파로 부재(121b) 사이에 고정될(clamped) 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)(복수로 제공된 경우 하나의 인쇄회로 기판)은 상기 도파로(123)의 폐쇄된 단부로부터 약 1/4 파장의 거리에 배치되어 상기 도파로(123)를 상기 제1 부분(123a)과 상기 제2 부분(123b)으로 분할할 수 있다.
한 실시예에서, 상기 제1 도파로 부재(121a)는 예를 들면, 금속으로 제작될 수 있으며, 상기 제1 부분(123a)은 상기 제2 도파로 부재(121b) 및/또는 상술한 반사기(예: 도 6의 반사기(101))를 향하는 면에서 개방되고 그 반대면, 예를 들면, 상기 도파로 안테나(102a)의 제2 면(F2)에서 폐쇄될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제2 도파로 부재(121b)는 예를 들면, 금속으로 제작될 수 있으며, 상기 제2 부분(123b)은 상기 제2 도파로 부재(121b)의 양면, 예컨대, 상기 제1 도파로 부재(121a)를 향하는 면과 반사기(예: 도 6의 반사기(101))를 향하는 면(예: 상기 도파로 안테나의 제1 면(F1))에서 모두 개방될 수 있다. 예컨대, 상기 도파로(123)는 적어도 상기 제1 부분(123a)과 상기 제2 부분(123b)의 조합으로 이루어질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 돌출부(124a, 124b, 124c)(들)는 상기 도파로(123)의 임계 주파수 조절, 수직 및/또는 수평 편파의 도파 등을 위한 것으로서, 그 형상, 크기, 형성 위치 등은 다양할 수 있다. 예컨대, 상기 돌출부(124a, 124b, 124c)(들)는 상기 도파로(123)의 단면 크기 등을 조절함으로써, 상기 도파로 안테나(102a)의 임계 주파수를 낮출 수 있다. 한 실시예에서, 상기 돌출부(124a, 124b, 124c)(들)는 상기 도파로(123)의 폐쇄된 단부와 상기 인쇄회로 기판 중 하나(예: 참조번호 '125a'로 지시된 인쇄회로 기판) 사이, 상기 인쇄회로 기판 중 다른 하나(예: 참조번호 '125b'로 지시된 인쇄회로 기판)와 상기 도파로(123)의 개방된 단부 사이, 복수의 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)이 제공된 경우, 후술할 더미 도파로 부재(121c)의 개구(123c) 상에도 형성될 수 있으며, 그 형상 등은 상기 도파로 안테나(102a)에서 요구되는 사양에 따라 다양할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나(102a)는 상기 제1 도파로 부재(121a)와 상기 제2 도파로 부재(121b) 각각에 형성된 홈(129a, 129b)들을 더 포함할 수 있다. 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)이 상기 제1 도파로 부재(121a)와 상기 제2 도파로 부재(121b) 사이에 고정되었을 때, 상기 홈(129a, 129b)들은 각각 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)이 형성된 영역과 대응하게 위치할 수 있다. 예컨대, 상기 홈(129a, 129b)들은 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)이 상기 제1 도파로 부재(121a) 및/또는 상기 제2 도파로 부재(121b)의 금속 부분과 접촉하는 것을 방지하며, TEM 파의 전파를 위한 환경을 조성할 수 있다. 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)의 선폭, 상기 홈(129a, 129b)들의 각각의 폭 등은 상기 도파로 안테나(102a)에서 요구되는 임피던스 등에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)은 복수로 제공될 수 있으며, 각각의 인쇄회로 기판을 통해 제공되는 급전 구조가 상이할 수 있다. 예컨대, 상기 도파로 안테나(102a)는 서로 다른 급전 구조를 통해 각각 급전을 제공받아 이중 편파 빔 포밍을 수행할 수 있다. 좀더 구체적으로 살펴보면, 두 개의 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)이 제공된 경우, 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)들 중 제1 인쇄회로 기판에 배치된 마이크로스트립 라인은 제2 인쇄회로 기판에 배치된 마이크로스트립 라인에 대하여 수직 방향으로 정렬될 수 있으며, 상기 도파로(123)는 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)들 각각으로부터 급전으로 제공받아 서로 직교하는 이중 편파(예: 수평 편파와 수직 편파)를 생성할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 도파로 안테나(102a)가 복수의 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)을 포함하는 경우, 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)들 사이에는 상기 더미 도파로 부재(121c)가 배치될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 더미 도파로 부재(121c)는 상기 제1 도파로 부재(121a) 및/또는 상기 제2 도파로 부재(121b)와 동일한 금속 또는 금속화된 공동의 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 더미 도파로 부재(121c)는 금속으로 제작되면서, 상기 도파로(123)의 제1 부분(123a) 및/또는 상기 도파로(123)의 제2 부분(123b)과 상응하는 개구(123c)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 인쇄회로 기판(125a, 125b)들 각각의 양면에 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)이 배치된 경우, 상기 더미 도파로 부재(121c) 또한 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)이 형성된 영역에 상응하는 홈(129c)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나(102a)는 측면들 중 일부에 각각 형성된 급전 단자(227a, 227b)들을 포함할 수 있다. 상기 급전 단자(227a, 227b)들은 예를 들면, 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b)들과 상기 홈(129a, 129b)들의 조합을 적어도 부분적으로 포함할 수 있으며, 각각이 무선통신모듈(RFIC)에 연결될 수 있다. 한 실시예에서 상기 급전 단자들 중 제1 급전 단자(예: 참조번호 '227a'로 지시된 급전 단자)는 수직 편파 생성을 위한 급전을 제공받을 수 있으며, 제2 급전 단자(예: 참조번호 '227b'로 지시된 급전 단자)는 수평 편파 생성을 위한 급전을 제공받을 수 있다. 상기 무선통신모듈(RFIC)은 상기 급전 단자(227a, 227b)들 서로에 대하여 독립된 또는 동일한 급전 신호를 제공할 수 있다.
상술한 도파로 안테나(102a)의 구조는 실시예에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 인쇄회로 기판은 하나만 제공될 수 있으며, 하나의 인쇄회로 기판의 양면에 각각 마이크로스트립 라인들이 제공될 수 있다. 어떤 실시예에서 하나의 인쇄회로 기판의 일면에는 복수의 마이크로스트립 라인들이 서로 수직하는 방향으로 정렬되어 이중 편파를 위한 급전을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 도파로 안테나(102a)가 단일 편파를 생성하는 안테나라면, 상기와 같은 인쇄회로 기판, 마이크로스트립 라인 등의 배치 구조는 좀더 단순해질 수도 있다. 또 다른 실시예에서 상기 도파로 안테나(102a)가 단일 편파를 생성하는 안테나라면, 서로 인접하는 도파로 안테나는 서로 다른 편파의 전파를 방사할 수 있다.
도 16과 도 17은 각각 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 급전 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 16과 도 17을 참조하면, 상기 위상 안테나 어레이(예: 도 12의 위상 안테나 어레이(102)) 및/또는 상기 도파로 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a)는 제1 도파로 부재(121a)와 더미 도파로 부재(121c) 사이에 고정된 인쇄회로 기판(125a)을 포함할 수 있으며, 마이크로스트립 라인(127a)과 상기 홈(129a, 129c)들의 조합을 통해 급전 구조가 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 인쇄회로 기판이 하나만 배치되는 경우, 인쇄회로 기판은 제1 도파로 부재와 제2 도파로 부재 사이에 고정될 수 있다. 상기 마이크로스트립 라인(127a)은, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 인쇄회로 기판(125a)의 양면에 각각 배치되어 서로 대칭을 이룰 수 있다. 상기 마이크로스트립 라인(127a)들 각각은 상기 홈(129a, 129c)들과 상기 인쇄회로 기판(125a)의 일부 영역(예: 상기 마이크로스트립 라인(127a)들 각각이 형성된 영역)으로 정의된 공간 내에 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 급전 구조, 예컨대, 상기 마이크로스트립 라인(127a)이 일정 공간 내에 배치된 급전 구조에 급전 신호가 제공되면, 전자계의 분포는 상기 마이크로스트립 라인(127a)을 중심으로 대기 중에(예: 상기 마이크로스트립 라인(127a)들이 각각 배치된 공간 내에) 집중되도록 최적화될 수 있다. 이를 통해 급전 구조에서의 손실을 실질적으로 감축하고, 안테나 효율을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 타코닉(Taconic) TLY 기반 유전체를 사용하는 H=0.8mm 및 28GHz 주파수의 일반적인 마이크로스트립 라인의 손실은 약 0.5dB/cm인 반면에, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 급전 구조에서는 상술한 제1, 제2 도파로 부재(121a, 121b)(및/또는 더미 도파로 부재(121c))를 그라운드로 활용하면서 상기 마이크로스트립 라인(127a, 127b) 주위에 일정 공간을 형성한 구조(air filling structure)를 통해 마이크로스트립 라인의 손실을 약 0.1dB/cm에 불과함을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 급전 구조를 서로에 대하여 수직 방향으로 배치하여 이중 편파 빔 포밍이 가능하며, 이때, 교차 편파는 -15dB 이내로 억제되고, 상기 안테나 장치(예: 도 6의 안테나 장치(100))는 높은 효율을 유지할 수 있다. 이로써, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는 설치 환경 등에 따라 요구되는 특정 조건과 부합하도록 수직 평면이나 수평 평면에서 방사 패턴의 형상이나 진폭 위상 분포(amplitude-phase distribution)를 형성할 수 있다.
상기와 같은 도파로 안테나들의 조합으로 이루어진 위상 안테나 어레이와 파라볼릭-하이퍼볼릭 형상 프로파일을 조합한 안테나 장치(예: 도 6의 안테나 장치(100))는, 실제 제작된 크기, 형상 등에 따라 다소 차이가 있지만, 대체로, +-60도의 스캔 각도를 가지며, 각 도파로 안테나(예: 도 13의 도파로 안테나(102a))들의 급전 구조(예: 도 16의 급전 구조)들을 통해 이중 편파 빔 포밍이 가능하고, 에너지 효율이 대략 74% 정도에 이르며, 급전 손실은 1.5dB 미만으로 억제될 수 있다. 상기와 같은 안테나 장치는, 예를 들면, 차세대 통신 표준(예: 5G 표준)에 부합할 수 있으며, 차량용 레이다, 서치 레이다 등 모바일 밀리미터파 네트워크에서 유용하게 활용될 수 있다.
도 18은 종래의 원통형 또는 파라볼릭 반사기를 포함하는 안테나 장치의 수직 평면(verticla (elevation) plane) 방사 패턴을 나타내는 도면이다. 도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 수직 평면 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 종래의 안테나 장치는 수직 평면에서 충분한 스캔 각도를 확보하지 못하므로, 추가적인 빔 스캐닝이 요구될 수 있다. 추가적인 빔 스캐닝은 트랜시버 측 제어 및 분배 장치 등의 복잡도를 높일 수 있다. 추가적인 빔 스캐닝을 하지 않으면서, 원하는 커버리지 영역 전반에 충분한 전파를 제공하기 위해서는 추가의 안테나 장치가 설치될 필요가 있다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 6의 안테나 장치(100))를 통해 용이하게 구현되는 코시컨트(cosecant) 패턴을 수직 평면에 적용함으로써, 추가적인 빔 스캐닝이나 추가의 안테나 장치를 설치하지 않더라도, 원하는 커버리지 영역(적어도 도 18에서 도시하는 커버리지 영역) 전반에서 충분한 전파를 제공할 수 있으며, 해당 커버리지 영역의 가장자리에서도 이득의 손실없이 안정된 무선통신 환경을 제공할 수 있다.
어떤 실시예에서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는 다중 입력 다중 출력(multi input multi output; MIMO) 방식으로 동작할 수도 있다.
도 20은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서, 반사기의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 산출 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 반사기(예: 도 6의 반사기(102))의 하이퍼볼릭 형상 프로파일은 다음의 [수학식 2]를 통해 산출될 수 있다. [수학식 2]에서 'M'은 초기 파라미터로서, 1.3~1.6 범위의 값 중에서 선택될 수 있다. 초기 파라미터가 상기한 범위를 벗어나 더 큰 값을 가지는 경우 스캔 각도가 증가할 수 있으나, 안테나 이득은 감소할 수 있다.
Figure 112017052613919-pat00002
Figure 112017052613919-pat00003
[수학식 2]에서,
Figure 112017052613919-pat00004
이고,
Figure 112017052613919-pat00005
이며, 't'는 자유 파라미터, 'f'는 초점 거리(도 20 참조)를 의미한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는,
제1 방향에 평행하게 절개한 제1 단면들은 파라볼릭 형상 프로파일(a profile of a parabolic)을 가지고, 상기 제1 방향에 수직하게 절개하여 상기 제1 단면들과 수직하게 교차하는 제2 단면들은 하이퍼볼릭 형상 프로파일(a profile of a hyperbolic)을 가지는 반사기(reflector); 및
상기 반사기의 적어도 일부를 비추면서(illuminate) 빔(beam)을 스캐닝(scanning)하는 적어도 하나의 위상 안테나 어레이를 구비하는 방사 구조(radiating structure)를 포함할 수 있고,
상기 제1 단면의 파라볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조를 향하게 형성되고, 상기 제2 단면의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조로부터 멀어지는 방향을 향하게 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 위상 안테나 어레이는 선형으로 배열된 위상 안테나들을 포함할 수 있고,
상기 위상 안테나들은 상기 제2 단면들 중 하나와 동일 평면 상에 정렬되면서, 상기 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 대칭축과 직교하게 정렬될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 구조는 적어도 두 개의 상기 위상 안테나 어레이들을 포함할 수 있고,
각각의 상기 위상 안테나 어레이는 상기 반사기의 서로 다른 부분을 비추게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 위상 안테나 어레이는 이중 편파 빔 포밍을 수행할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 위상 안테나 어레이를 이루는 각각의 위상 안테나는 도파로 안테나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는, 상기 반사기를 향하는 면이 개방되고 그 반대면은 폐쇄된 도파로를 포함할 수 있고,
상기 도파로는 금속 또는 금속화된 공동(metalized hollow)의 내부에 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는,
금속 또는 금속화된 공동(metalized hollow)으로 이루어진 도파로; 및
상기 도파로의 내부로 급전을 제공하는 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는,
상기 도파로의 제1 부분을 포함하는 제1 도파로 부재;
상기 도파로의 제2 부분을 포함하는 제2 도파로 부재; 및
상기 마이크로스트립 라인을 구비하는 적어도 하나의 인쇄회로 기판을 더 포함할 수 있고,
상기 인쇄회로 기판이, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서 상기 도파로의 축에 수직인 평면에 배치되어 상기 제1 도파로 부재와 상기 제2 도파로 부재 사이에 고정될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는 상기 제1 도파로 부재와 상기 제2 도파로 부재에 각각 형성된 홈들을 더 포함할 수 있고,
상기 홈들은 상기 마이크로스트립 라인이 형성된 영역과 대응하게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 마이크로스트립 라인은 상기 인쇄회로 기판에서 선형으로 연장될 수 있으며,
상기 마이크로스트립 라인의 한 단부는 상기 도파로의 내부로 연장되어 상기 도파로의 내벽과 수직을 이루게 배치됨으로써 상기 도파로의 내부에서 여자 프로브(excitation waveguide probe)를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 인쇄회로 기판의 양면에 상기 마이크로스트립 라인이 각각 배치되어 서로 대칭을 이룰 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는 두 개의 상기 인쇄회로 기판들을 포함할 수 있고,
상기 인쇄회로 기판들 중 하나에 배치된 마이크로스트립 라인은 상기 인쇄회로 기판들 중 다른 하나에 배치된 마이크로스트립 라인과 수직으로 정렬될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는,
두 개의 상기 인쇄회로 기판들 사이에 배치된 더미 도파로 부재를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 더미 도파로는 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분에 상응하는 개구를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도파로 안테나는 상기 도파로의 내벽을 따라 형성된 돌출부들을 더 포함할 수 있고,
상기 돌출부들은 상기 도파로 안테나의 임계 주파수를 낮출 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100: 안테나 장치 101: 반사기
102: 위상 어레이 안테나 102a: 도파로 안테나
103: 지지체

Claims (15)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    제1 방향에 평행하게 절개한 제1 단면들은 파라볼릭 형상 프로파일(a profile of a parabolic)을 가지고, 상기 제1 방향에 수직하게 절개하여 상기 제1 단면들과 수직하게 교차하는 제2 단면들은 하이퍼볼릭 형상 프로파일(a profile of a hyperbolic)을 가지는 반사기(reflector); 및
    상기 반사기의 적어도 일부를 비추면서(illuminate) 빔(beam)을 스캐닝(scanning)하는 적어도 하나의 위상 안테나 어레이를 구비하는 방사 구조(radiating structure)를 포함하고,
    상기 제1 단면의 파라볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조를 향하게 형성되고, 상기 제2 단면의 하이퍼볼릭 형상 프로파일 단부들은 상기 방사 구조로부터 멀어지는 방향을 향하게 형성된 안테나 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 위상 안테나 어레이는 선형으로 배열된 위상 안테나들을 포함하며,
    상기 위상 안테나들은 상기 제2 단면들 중 하나와 동일 평면 상에 정렬되면서, 상기 하이퍼볼릭 형상 프로파일의 대칭축과 직교하게 정렬된 안테나 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 방사 구조는 적어도 두 개의 상기 위상 안테나 어레이들을 포함하고,
    각각의 상기 위상 안테나 어레이는 상기 반사기의 서로 다른 부분을 비추게 배치된 안테나 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 위상 안테나 어레이는 이중 편파 빔 포밍을 수행하는 안테나 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 위상 안테나 어레이를 이루는 각각의 위상 안테나는 도파로 안테나를 포함하는 안테나 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는, 상기 반사기를 향하는 면이 개방되고 그 반대면은 폐쇄된 도파로를 포함하며,
    상기 도파로는 금속 또는 금속화된 공동(metalized hollow)의 내부에 형성된 안테나 장치.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는,
    금속 또는 금속화된 공동(metalized hollow)의 내부에 형성된 도파로; 및
    상기 도파로의 내부로 급전을 제공하는 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 포함하는 안테나 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는,
    상기 도파로의 제1 부분을 포함하는 제1 도파로 부재;
    상기 도파로의 제2 부분을 포함하는 제2 도파로 부재; 및
    상기 마이크로스트립 라인을 구비하는 적어도 하나의 인쇄회로 기판을 더 포함하고,
    상기 인쇄회로 기판이, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서 상기 도파로의 축에 수직인 평면에 배치되어 상기 제1 도파로 부재와 상기 제2 도파로 부재 사이에 고정된(clamped) 안테나 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는 상기 제1 도파로 부재와 상기 제2 도파로 부재에 각각 형성된 홈들을 더 포함하고,
    상기 홈들은 상기 마이크로스트립 라인이 형성된 영역과 대응하게 배치된 안테나 장치.
  10. 제8 항에 있어서, 상기 마이크로스트립 라인은 상기 인쇄회로 기판에서 선형으로 연장되고,
    상기 마이크로스트립 라인의 한 단부는 상기 도파로의 내부로 연장되어 상기 도파로의 내벽과 수직을 이루게 배치됨으로써 상기 도파로의 내부에서 여자 프로브(excitation waveguide probe)를 형성하는 안테나 장치.
  11. 제8 항에 있어서, 상기 인쇄회로 기판의 양면에 상기 마이크로스트립 라인이 각각 배치되어 서로 대칭을 이루는 안테나 장치.
  12. 제8 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는 두 개의 상기 인쇄회로 기판들을 포함하며,
    상기 인쇄회로 기판들 중 하나에 배치된 마이크로스트립 라인은 상기 인쇄회로 기판들 중 다른 하나에 배치된 마이크로스트립 라인과 수직으로 정렬된 안테나 장치.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는,
    두 개의 상기 인쇄회로 기판들 사이에 배치된 더미 도파로 부재를 더 포함하는 안테나 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 더미 도파로 부재는 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분에 상응하는 개구를 포함하는 안테나 장치.
  15. 제7 항에 있어서, 상기 도파로 안테나는 상기 도파로의 내벽을 따라 형성된 돌출부들을 더 포함하고,
    상기 돌출부들은 상기 도파로 안테나의 임계 주파수를 낮추는 안테나 장치.
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