KR102355100B1 - 전자식 평판 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

전자식 평판 안테나 장치가 개시된다. 본 발명의 전자식 평판 안테나 장치는 기 설정된 대역의 신호를 입력받아 동기와 복조 및 디코딩을 수행하여 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 생성하는 모뎀; 및 상기 모뎀에서 생성된 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지 및 빔 추적을 수행하는 안테나 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자식 평판 안테나 장치{ELECTRONIC FLAT ANTENNA DEVICE}
본 발명은 전자식 평판 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안테나와 모뎀이 연동하여 빔 탐지 및 추적을 수행하는 전자식 평판 안테나 장치에 관한 것이다.
최근 움직이고 있는 이동체에서의 위성통신 서비스를 받고자 하는 사용자의 요구가 증가함에 따라 이를 수용하기 위한 이동형 위성통신 안테나 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 안테나는 이동체의 움직임에 따라 안테나의 최대 이득방향이 항상 위성을 향하도록 해야 한다. 이를 위해, 종래에는 안테나의 형태가 안테나 빔 방향을 기계적으로 제어하는 기계식 안테나이거나, 또는 전자적 빔 조향이 가능한 전자식 위상배열 안테나의 형태를 갖는다. 최근에는 기계식 안테나와 전자식 위상배열 안테나 형태를 적절히 조합하여 방위각 방향은 기계식으로 제어하고 앙각 방향은 전자식으로 제어하는 혼합형 안테나도 제안되고 있다.
특히, 전자식 위상배열 안테나의 경우, 위성 빔 탐지를 위해 비콘(beacon)에서 송신되는 무변조 sine파가 변조 대역폭을 갖는 신호보다 주파수당 세기가 높기 때문에 위성을 탐지할 수 있는데, 최근 들어서는 비콘으로 무변조 신호를 전송하지 않고 DVB-S2같은 변조 신호를 통하여 빔추적을 하고 있다. 변조신호를 이용하여 빔 추적을 하는 경우 안테나 제어 방식은 모뎀 정보에 기반하여 안테나의 지향 각도를 조정하는 것이다.
그러나, 종래에는 안테나와 모뎀이 개별적으로 분리되어 빔 탐지는 안테나부가 수행하고 동기와 복조는 모뎀이 수행하며, 단순히 신호품질에 의존하여 빔 탐지 및 빔 추적을 수행하여 매우 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio)에서는 빔 탐지 및 추적이 상대적으로 어려운 문제점이 있었다.
게다가, 최근의 DVB-S2X 규격은 SNR -10dB까지 매우 낮은 SNR (very low SNR, VL-SNR)에서도 동기와 디코딩이 가능한 무선 인터페이스를 제공하고 있어 낮은 SNR에서 신호품질만으로 동기와 디코딩하기를 위한 빔 탐지 여부를 판단하기는 어렵다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2017-0086504호(2017.07.26.)의 '무선 디바이스의 회전을 획득하기 위한 기법'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 안테나와 모뎀이 신호품질 정보와 모뎀상태 정보를 교환하여 빔 탐지 및 추적을 수행하는 전자식 평판 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전자식 평판 안테나 장치는 기 설정된 대역의 신호를 입력받아 동기와 복조 및 디코딩을 수행하여 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 생성하는 모뎀; 및 상기 모뎀에서 생성된 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지 및 빔 추적을 수행하는 안테나 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 모뎀상태 정보는 시간 동기, 주파수 동기 및 복조 상태 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 신호품질 정보는 신호대 잡음비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 신호대 잡음비는 비코히어런트 (non-coherent) 방식으로 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 안테나 제어 유닛은 상기 모뎀으로부터 전달받은 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지 및 빔 추적을 위한 삼각공간좌표를 생성하는 빔 처리부; 및 상기 빔 처리부에 의해 생성된 삼각공간좌표를 이용하여 빔형성 정보를 생성하는 빔형성정보 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 빔 처리부는 상기 모뎀으로부터 전달받은 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지를 위한 후보 삼각공간좌표를 생성하는 빔 탐지부; 및 상기 빔 탐지부에 의해 빔 탐지가 완료되면 상기 빔 탐지부로부터 전달받은 빔포착 각도의 증감에 따라 주빔의 삼각공간좌표를 생성하는 단일빔 추적부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 빔 탐지부는 삼각공간좌표의 후보 리스트에서 모뎀 동기 획득 여부를 반영하여 최대 신호대 잡음비를 갖는 삼각공간좌표를 찾고, 안테나 상태를 상기 모뎀에 제공하여 모뎀이 상태를 천이할지 안내하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 단일빔 추적부는 주빔의 앙각과 방위각을 증감하여 얻어지는 신호대 잡음비의 크기를 비교하여 주빔의 각도를 순차적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 빔형성정보 생성부는 상기 빔 탐지부와 상기 단일빔 추적부 각각으로부터 입력된 삼각공간좌표를 이용하여 위상 벡터 및 크기 벡터를 생성하여 수신 배열안테나의 코아칩 또는 송신 배열안테나의 코아칩에 각각 전달하는 배열안테나 위상벡터 산출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 빔 처리부는 상기 모뎀으로부터 전달받은 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지를 위한 후보 삼각공간좌표를 생성하는 빔 탐지부; 상기 빔 탐지부에 의해 빔 탐지가 완료되면 상기 빔 탐지부로부터 전달받은 빔포착 각도의 증감에 따라 주빔의 삼각공간좌표를 생성하는 단일빔 추적부; 및 상기 단일빔 추적부에 의해 생성된 주빔의 삼각공간좌표와 옵셋빔의 인덱스를 산출하여 상기 빔 처리부에 전달하는 이중빔 추적부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 빔 탐지부는 삼각공간좌표의 후보 리스트에서 모뎀 동기 획득 여부를 반영하여 최대 신호대 잡음비를 갖는 삼각공간좌표를 찾고, 안테나 상태를 상기 모뎀에 제공하여 모뎀이 상태를 천이할 지 안내하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 단일빔 추적부는 주빔의 앙각과 방위각을 증감하여 얻어지는 신호대 잡음비의 크기를 비교하여 주빔의 각도를 순차적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 이중빔 추적부는 배열 안테나를 4개의 하부 블록으로 구분하여 4개의 영역 신호를 위상 천이시켜 옵셋빔을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 이중빔 추적부는 옵셋빔에 대한 앙각 변화량, 방위각 변화량에 따라서 각도를 변화시키고 삼각공간좌표로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 빔형성정보 생성부는 상기 이중빔 추적부로부터 입력된 옵셋빔의 인덱스에 기 설정된 위상벡터를 생성하여 빔성형부에 전달하는 옵셋빔 위상벡터 산출기; 및 상기 빔 탐지부와 상기 단일빔 추적부 각각으로부터 입력된 삼각공간좌표를 이용하여 위상 벡터 및 크기 벡터를 생성하여 수신 배열안테나의 코아칩 또는 송신 배열안테나의 코아칩에 각각 전달하는 배열안테나 위상벡터 산출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 안테나 제어 유닛은 상기 신호품질 정보를 적용할 시점을 상기 모뎀으로부터 전달받은 활성화 신호에 따라 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전자식 평판 안테나 장치는 안테나와 모뎀이 신호품질 정보와 모뎀상태 정보를 교환하여 매우 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio)에서도 빔 탐지 및 추적이 가능하도록 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전자식 평판 안테나 장치는 안테나 제어 유닛이 빔 탐지와 추적을 위한 위상 벡터 산출기를 공유하여 구현 복잡도를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 평판 안테나 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 제어 유닛의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 제어 유닛의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀 상태 천이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 상태 천이도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 탐지 과정을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일빔 추적 과정을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중빔 추적 과정을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상벡터 산출기의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵셋빔 위상벡터 산출기의 동작 과정 도시한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀의 초기 동기 피크상관값 및 동기 획득 과정을 도시한 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 평판 안테나 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 평판 안테나 장치의 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 제어 유닛의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 평판 안테나 장치는 안테나 제어 유닛(100), 모뎀(200), 수신 배열안테나(300), 송신 배열안테나(400), 저잡음증폭기(800) 및 블록상향 변환기(900)를 포함한다. 미설명부호 510은 패치 안테나이다.
안테나 제어 유닛(100)은 수신 배열안테나(300)의 입사각을 추정하여 수신 배열안테나(300) 기판에 있는 N개의 위상천이기 코아칩(610)을 제어하기 위한 신호를 발생시킨다. 안테나 제어 유닛(100)으로부터 출력되는 제어 신호는 코아칩(610)으로 전달된다.
안테나 제어 유닛(100)과 모뎀(200)은 물리적으로 분리되어 있지만 안테나 제어 유닛(100)은 모뎀(200)의 상태정보와 신호품질 정보에 따라 동작한다.
신호품질 정보는 설정구간, 예컨대 프리앰블(Preamble) 구간 또는 파일럿(pilot) 구간에서 검출되므로 프레임 동기가 획득되어야 정확한 위치에서 프리앰블 정보와 파일럿 정보가 이용될 수 있다. 따라서, 신호품질 정보 뿐만 아니라 현재 모뎀(200)의 상태 정보가 함께 제공될 때 신호 품질을 신뢰할 수 있다.
빔 추적은 미세한 방향 조정에도 정확한 신호품질 정보가 필요하므로 모뎀(200)의 채널 환경 영향을 받지 않는 신호품질 측정 방식이 필요하다. 안테나 제어 유닛(100)은 모뎀(200)으로부터 신호품질 정보가 전달되지 않거나 잘못된 정보가 오는 경우에 모뎀상태에 따라서 안테나의 상태 천이가 달라질 수 있다.
안테나 제어 유닛(100)은 모뎀(200)부로부터 동기를 포함한 모뎀상태 정보와 신호품질인 신호대 잡음비를 기반으로 빔 탐지와 빔 추적을 수행한다. 즉, 안테나 제어 유닛(100)은 빔 탐지 및 빔 포착시에는 모뎀(200)으로부터 피크 상관값, 신호대 잡음비와 같은 신호품질 정보, 및 모뎀상태 정보 중 적어도 하나를 필요에 따라 각각 수신하고, 이들 모뎀(200)으로부터 전달받은 정보를 토대로 빔 탐지 및 빔 추적을 수행한다.
이 경우, 안테나 제어 유닛(100)은 빔포착시 입사각 후보를 각도 좌표가 아닌 삼각공간좌표를 기반으로 계산하며, 각 후보 좌표의 유효성을 판단할 때 동기 획득 여부와 피크상관값을 이용할 수 있다.
아울러, 안테나 제어 유닛(100)은 빔 탐지 후 빔 추적시에는 주빔만을 이용하는 단일빔 추적 방식과 옵셋빔을 추가 이용하는 이중빔 추적 방식을 모두 이용할 수 있다.
이때, 안테나 제어 유닛(100)은 단일빔 추적 방식에서는 빔의 각도를 앙각과 방위각에서 증감하여 주빔 중심으로 수신 신호 크기의 변화량에 비례하여 각도를 조정하고, 이중빔 추적 방식에서는 주빔의 4개 영역으로 구분하여 2단계로 4개 영역에서 위상천이를 주어서 생성되는 4개의 옵셋빔을 통하여 얻어지는 수신 신호의 크기에 비례하여 각도를 조정한다.
안테나 제어 유닛(100)의 구체적인 동작 과정은 후술한다.
코아칩(610)은 위상천이기와 이득기를 포함하며, 안테나 제어 유닛(100)으로부터 전달된 제어 신호에 따라 위상 천이하여 빔포밍을 수행한다.
수신 배열안테나(300)는 4개의 하부 블록(310)으로 구분된다. 이 경우, 수신 배열안테나(300)가 N개의 안테나 소자로 구성된 안테나라면, 하부 블록(310)은 서로가 동일한 크기로 구분될 수 있다. 4개의 하부 블록(310)의 출력을 합하여 주빔(Main beam)으로 사용한다.
모뎀(200)은 L-대역 신호를 입력받아서 동기, 복조 및 디코딩을 수행하여 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 안테나 제어 유닛(100)에 전달하고, 안테나 제어 유닛(100)으로부터 안테나 상태정보를 전달받는다.
저잡음증폭기(800)는 수신 배열안테나(300)로부터 전달된 고주파수 대역의 신호를 중간 주파수 신호로 변환하여 모뎀(200)에 입력한다.
블록상향 변환기(900)는 저주파 신호의 주파수를 고주파 신호로 상향 변환하여 송신 배열안테나(400)로 전달한다.
도 2를 참조하면, 안테나 제어 유닛(100)은 신호 선택부(110), 빔 처리부(120), 정보 전달부(130), 및 빔형성정보 생성부(140)를 포함한다.
신호 선택부(110)는 빔 탐지 기능 또는 빔 추적 기능에 따른 인터페이스 기능을 수행하는 것으로서, 모뎀상태 정보와 신호품질 정보 및 안테나 상태 정보에 대한 인터페이스 기능을 제공한다. 예컨대, 신호 선택부(110)는 모뎀(200)으로부터 입력된 모뎀상태 정보와 신호품질 정보, 즉 SNR를 빔 처리부(120)에 전달하고, 빔 처리부(120)로부터 전달받은 안테나 상태 정보를 모뎀(200)에 전달한다.
신호 선택부(110)는 제1 신호 선택기(111) 및 제2 신호 선택기(112)를 포함한다.
제1 신호 선택기(111)는 모뎀(200)으로부터 전달받은 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 빔 처리부(120)의 빔 탐지부(121)에 전달하거나 제2 신호 선택기(112)에 전달하고, 빔 처리부(120)로부터 전달받은 안테나 상태 정보를 모뎀(200)에 전달한다.
제2 신호 선택기(112)는 제1 신호 선택기(111)로부터 전달받은 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 빔 처리부(120)의 단일빔 추적부(122)와 이중빔 추적부(123)에 전달하고, 단일빔 추적부(122) 또는 이중빔 추적부(123)로부터 전달받은 안테나 상태 정보를 제1 신호 선택기(111)에 전달한다.
빔 처리부(120)는 모뎀(200)으로부터 전달받은 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지 및 빔 추적을 위한 삼각공간좌표를 생성하여 빔형성정보 생성부(140)에 전달한다.
빔 처리부(120)는 빔 탐지부(121), 단일빔 추적부(122) 및 이중빔 추적부(123)를 포함한다.
빔 탐지부(121)는 모뎀(200)으로부터 전달받은 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지를 위한 다수의 후보 삼각공간좌표를 생성하고 생성된 다수의 후보 삼각공간좌표를 정보 전달부(130)에 입력한다.
단일빔 추적부(122)는 빔 탐지부(121)에 의해 빔이 탐지되면 빔 탐지부(121)로부터 전달받은 빔포착 각도의 증감에 따른 주빔의 삼각공간좌표를 생성하여 전달 전달부에 입력한다.
이중빔 추적부(123)는 주빔의 삼각공간좌표와 옵셋빔의 인덱스를 산출하고, 산출된 삼각공각좌표를 정보 전달부(130)에 입력하고, 옵셋빔의 인덱스를 빔형성정보 생성부(140)의 옵셋빔 위상벡터 산출기(142)에 전달한다.
정보 전달부(130)는 빔 처리부(120) 내 빔 탐지부(121)와 단일빔 추적부(122) 및 이중빔 추적부(123) 중 어느 하나로부터 입력된 삼각공간좌표를 빔형성정보 생성부(140)의 배열안테나 위상벡터 산출기(141)에 전달한다.
빔형성정보 생성부(140)는 빔 처리부(120)로부터 전달받은 삼각공간좌표를 이용하여 빔형성 정보를 수신 배열안테나(300)의 코아칩(610) 또는 송신 배열안테나(400)의 코아칩(610)에 각각 전달하거나, 옵셋빔 인덱스를 토대로 위상 벡터를 생성하여 빔성형부(700)에 전달한다.
빔형성정보 생성부(140)는 배열안테나 위상벡터 산출기(141) 및 옵셋빔 위상벡터 산출기(142)를 포함한다.
배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 빔 탐지와 빔 추적에 모두 이용될 수 있으며 빔 처리부(120)로부터 전달받은 삼각공간좌표를 이용하여 빔형성 정보, 예컨대 위상 및 크기 벡터를 생성하여 수신 배열안테나(300)의 코아칩(610) 또는 송신 배열안테나(400)의 코아칩(610)에 각각 전달한다.
옵셋빔 위상벡터 산출기(142)는 이중빔 추적부(123)로부터 전달받은 옵셋빔 인덱스에 기 정의된 위상 벡터를 생성하고, 생성된 위상 벡터를 빔성형부(700)에 전달한다.
빔 성형부(700)는 옵셋빔 위상벡터 산출기(142)로부터 전달받은 위상 벡터를 토대로 위상천이를 수행하거나, 수신 배열안테나(300) 또는 송신 배열안테나(400)로부터 전달받은 4개의 하부 블록(310)에 대한 위상천이를 수행한다.
이하, 본 실시예에서의 모뎀(200)과 안테나 제어 유닛(100)의 구체적인 동작 과정을 도 3 내지 도 12를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀의 동작 과정을 도시한 순서도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 제어 유닛의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 모뎀(200)은 단계별 동기 상태가 있고 시간 동기와 주파수/위상 동기를 수행한 후에 심볼 복조 디코딩을 수행할 수 있다.
먼저, 모뎀(200)은 수신이득 값을 ADC(analog digital converter)한 후, 측정한 평균 전력에 AGC 이득을 차감해서 신호세기를 측정하거나(S102, S106), 전압미터를 통해 측정된 저잡음증폭기(800)의 출력에서의 전압 크기를 이용하여 신호세기를 측정한다(S100,S106).
이어, 모뎀(200)은 시간 지연이나 클럭 오차등에서 생기는 심볼 단위 타이밍을 보정한다(S104). 이 경우, 모뎀(200)은 빔 탐지에서 각 삼각 공간좌표에 따라서 신호세기가 크게 변경되므로 올바른 빔 포밍일 때 심볼 단위 타이밍 루프 필터가 수렴되어 SNR이 정상적으로 나오는 시점에 활성화 신호 SNR_en을 출력한다. 여기서, SNR_en은 SNR 정보를 적용할 시점에 펄스 형태로 ‘1’을 갖고 그 이외에는 ‘0’을 갖는 활성화(enable) 신호이다. 이에, 안테나 제어 유닛(100)은 상기 신호품질 정보를 적용할 시점을 상기 모뎀으로부터 전달받은 활성화 신호에 따라 결정하게 된다.
또한 모뎀(200)은 프레임의 시작점을 발견하는 역할을 수행하는 프레임 동기를 수행한다(S108). 모뎀(200)은 프레임 동기를 통해 SNR 측정하거나 주파수/위상 동기를 위한 프리앰블, 파일롯 위치를 알 수 있다.
모뎀(200)은 상기한 프레임 동기 이후에 프리앰블이나 파일롯을 이용하여 SNR을 측정한다(S110). 이 경우, 모뎀(200)은 주파수/위상 오차까지 보정하고서 SNR을 측정하는 코히어런트(coherent) 방식과 주파수/위상 오차에도 SNR을 측정하는 비코히어런트(non-coherent) 방식 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 본 실시예에서 비코히어런트 방식을 이용할 수 있다.
한편, 모뎀(200)은 상기한 과정에서, 프레임 동기가 미획득된 경우에는 안테나 제어 유닛(100)에 SNR_en을 전달하고, SNR을 ‘0’으로 전달할 수 있다. 모뎀(200)은 프레임 길이마다 동일한 위치에 SOF(start of frame) 신호가 있는지, 또는 물리계층 시그널링(physical layer signaling)이 성공적으로 복조되는지 확인하여 프레임 동기 성공 여부를 판단할 수 있다(S112).
이어, 모뎀(200)은 빔 탐지 완료가 되는지를 확인하여 빔 탐지가 완료되면 최고의 신호품질을 갖는 빔의 방향으로 지향하고 주파수/위상 상태로 천이한다(S114).
상기한 바와 같이 빔 탐지가 완료됨에 따라, 모뎀(200)은 프리앰블이나 파일롯 구간에서 주파수 동기 및 위상 동기를 수행하고(S116), 동기가 완료되면 심볼 복조 및 디코딩을 수행하여 모뎀상태 정보, 예컨데, 시간 동기, 주파수 동기 및 복조 상태를 추출한다(S118).
안테나 제어 유닛(100)은 상기한 모뎀(200)으로부터 전달받은 모뎅상태 정보와 신호품질 정보를 이용하여 빔탐지와 빔추적을 수행한다.
도 4를 참조하면, 안테나 제어 유닛(100)은 모뎀(200)으로부터 모뎀상태 정보, SNR, SNR_en을 전달받고, 이를 통해 빔 탐지를 수행한다(S200). 이 경우 안테나 제어 유닛(100)은 모뎀상태 정보, SNR, SNR_en을 수신하여 가장 높은 SNR을 갖는 후보 삼각 공간 좌표 값을 선택한다. 여기서, SNR_en은 SNR을 수신하는 시점으로 제공 시점이 가변될 수 있으며 특히 심볼 동기 루프 필터의 수렴을 위해서 그 시간이 조정할 수 있다.
이때, 안테나 제어 유닛(100)은 빔 탐지가 완료되는지를 판단한다(S202). 안테나 제어 유닛(100)은 후보 공간 좌표를 전체적으로 적용한 후에 시간 동기를 획득한 빔이 있을 때만 완료로 판단할 수 있다.
안테나 제어 유닛(100)은 빔 탐지가 완료되면 단일빔 기반과 이중빔 기반으로 위성 및 지상 단말의 이동에 따른 입사각 변화를 추적한다(S204).
이 경우, 안테나 제어 유닛(100)은 프레임 동기 실패하는 경우나 프레임 오류가 과다하게 발생하면 안테나 초기화 상태로 천이한다(S206).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀 상태 천이도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 모뎀(200)은 동기 상태에 따라서 초기 상태 (‘000’), 시간 동기 진행 중(‘001’), 프레임 동기 획득 (‘010’), 주파수/위상 동기 진행 중(‘011’), 주파수/위상 동기 획득(‘100’), 복조 및 디코딩 상태 (‘101’)로 천이된다.
시간동기(310)는 심볼 동기와 프레임 동기를 포함한 것으로 시간 동기 완료 후에 빔추적 상태로 진입(320)하면서 상태 천이가 이루어진다.
복조 및 디코딩 상태에서 지속적으로 프레임 오류가 발생하면 안테나가 초기 상태로 진입하게 되고 모뎀상태도 초기 상태로 진입한다(330).
도 6을 참조하면, 안테나 상태에 따라서 초기 상태 (‘00’), 빔 탐지 상태 (‘01’), 빔 추적 상태 (‘10’)로 천이한다.
여기서, 빔 탐지 상태(400)는 후보들의 삼각 공간 좌표을 개별적으로 대입하며 최고 신호 품질을 찾는 과정으로 프레임 동기를 획득하면 빔 탐지하였다고 판단한다.
빔 탐지 실패 즉 모두 후보들의 삼각 공간 좌표에서 프레임 동기를 획득하지 못하면 실패하였다고 판단하고 빔 탐지를 재시작한다(410).
또한, 안테나의 빔에 옵셋을 주면서 주빔이나 옵셋빔을 움직여서 모뎀(200)의 신호품질 SNR에 따라서 방향을 추적한다(420).
모뎀상태가 초기 상태로 변경되면 안테나 상태도 초기 상태로 천이된다(430).
이하, 안테나 제어 유닛(100)의 빔 탐지 및 빔 추적 과정을 도 7 내지 도 12를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 탐지 과정을 도시한 순서도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일빔 추적 과정을 도시한 순서도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중빔 추적 과정을 도시한 순서도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상벡터 산출기의 동작 과정을 도시한 순서도이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵셋빔 위상벡터 산출기의 동작 과정 도시한 순서도이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀의 초기 동기 피크상관값 및 동기 획득 과정을 도시한 순서도이다.
먼저, 빔 탐지 과정은 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 빔 탐지부(121)는 모뎀(200)으로부터 신호 선택부(110)를 통해 입력된 모뎀상태 정보 및 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지를 위한 다수의 후보 삼각공간좌표를 생성한다(S500).
이 경우 빔 탐지부(121)는 R개의 후보 삼각공간좌표에서 배열안테나 위상벡터 산출기(141)에 전달할 후보 삼각공간좌표를 순차적으로 결정한다.
이어 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 빔 탐지부(121)에 의해 생성된 후보 후보 삼각공간좌표에 대해서 수신 배열안테나(300)의 코아칩(610)의 개수만큼 위상 정보를 생성한다(S502).
한편, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 수신 배열안테나(300)에 위상 정보가 설정된 이후에 모뎀(200)이 보내준 SNR과 모뎀상태 정보를 수신하여 프레임 동기가 획득되지 않았다면 수신된 SNR은 최저값 예컨데‘0’으로 처리한다(S504).
이어, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 가장 높은 SNR을 갖는 후보 인덱스를 찾고(S506), 찾은 인덱스가 프레임 동기를 성공하였는지를 확인하여(S508), 프레임 동기를 성공하지 못했다면 초기부터 다시 시작하고, 프레임 동기를 성공하였다면, 최대 SNR에 해당하는 삼각공간 좌표를 각도로 환산하고(S510), 해당 최대 SNR에 해당하는 삼각공간 좌표로 지향하도록 한다(S512).
빔 탐지 과정이 완료되면 빔 추적 과정을 수행한다. 먼저 단일빔 추적 과정에 대해서 설명한다.
도 8을 참조하면, 단일빔 추적부(122)는 빔 탐지부(121)로부터 입력받은 빔포착 각도를 시작 각도로 이용한다.
단일빔 추적부(122)는 단일빔으로 주빔을 이용하여 추적하고 옵셋을 적용할 때마다 SNR을 초기화한다(S600).
단일빔 추적부(122)는 앙각을 증감하여 SNR 측정하는 1, 2번째 단계와 앙각 조정하고 SNR을 측정하는 3번째 단계, 방위각을 증감하여 측정하는 4, 5번째 단계와 방위각을 조정하고 SNR을 측정하는 6번째 단계로 구성된다. 이와 같은 6개의 단계를 trk_idx의 1부터 6까지로 표현한다. trk_idx=1~6까지에 대해서 평균 SNR을 측정하기 위해서 누적하고(S602), 이때 SNR이 누적되면 trk_idx는 순차적으로 증가한다(S604).
여기서, trk_idx는 1에서 6까지 가지며 1, 2에서 앙각을 증감하고 4,5에서 방위각을 증감하고, 3에서 앙각을 변화시키고 6에서 방위각을 변화시킨다. 이 경우, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 삼각공간좌표를 입력으로 받아 위상 벡터 및 크기 벡터를 생성한다.
단일빔 추적부(122)는 trk_idx가 1,2,4,5에 대해서는 아래와 같이 각도에 증감을 적용한다. 즉, 단일빔 추적부(122)는 trk_idx =1이면 앙각 θ에 대한 양으로 Δ 만큼 증가 적용하고, Trk_idx =2이면 앙각 θ에 대한 음으로 Δ 만큼 감소 적용하며, Trk_idx =4이면 방위각 Φ에 대한 양으로 Φ 만큼 증가 적용하며, Trk_idx =5이면 방위각 Φ에 대한 음으로 Φ 만큼 감소 적용하여(S606), 이들 각도를 삼각공간좌표로 변환한다(S612).
이어, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 삼각공간좌표를 토대로 빔형성 정보, 예컨대 위상 벡터와 크기 벡터를 생성하여 안테나의 빔을 지향하도록 한다(S614).
한편, 단일빔 추적부(122)는 trk_idx=3이면 앙각 변화량 적용하여 앙각을 증가한 경우와 앙각을 감소한 경우의 차를 변화를 주지 않은 경우, 즉 직전에 trk_idx 6에서 측정된 SNR
Figure 112020052993745-pat00001
으로 나눠서 앙각의 조정 각도를 추정하고(S608), 이 각도를 삼각공간좌표로 변환한다(S612).
이어, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 삼각공간좌표를 토대로 빔형성 정보, 예컨대 위상 벡터와 크기 벡터를 생성하여 안테나의 빔을 지향하도록 한다(S614).
또한, 단일빔 추적부(122)는 trk_idx=6이면 방위각 변환량 적용하여 방위각을 증가한 경우와 감소한 경우의 차를 변화를 주지 않은 경우, 즉 trk_idx 3에서 측정된 SNR
Figure 112020052993745-pat00002
으로 나눠서 방위각의 조정 각도를 추정하고(S610), 이 각도를 삼각공간좌표로 변환한다(S612).
이어, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 삼각공간좌표를 토대로 빔형성 정보, 예컨대 위상 벡터와 크기 벡터를 생성하여 안테나의 빔을 지향하도록 한다(S614).
다음으로, 이중빔 추적 과정에 대해서 설명한다.
본 실시예에서는 주빔(main beam)과 옵셋빔 2가지를 동시에 가진다. 옵셋빔은 4가지의 종류가 있으므로 각각에 대한 평균 SNR을 구할 수 있다. 옵셋빔은 인덱스 1~4을 가지며 1,2는 앙각의 증감을 의미하고, 3,4는 방위각의 증감을 의미한다.
이중빔 추적부(123)는 해당 인덱스에 따른 옵셋빔 위상을 생성하며, 옵셋빔에 대한 앙각 변화량, 방위각 변화량에 따라서 각도를 변화시키고 삼각공간좌표로 변환하여 옵셋빔 위상벡터 산출기(142)로 출력한다.
먼저, 이중빔 추적부(123)는 주빔(main beam)과 옵셋빔 2가지를 동시에 가지고 옵셋빔은 4가지의 종류가 있으므로 각각에 대한 평균 SNR을 구하고(S700), 옵셋빔 인덱스가 5일 때는 조정각을 계산한다(S702).
이중빔 추적부(123)는 인덱스 1~4에 대해서 사전에 정해진 4개의 위상천이기의 위상값을 제공하고(S704), 인덱스가 5이면 위상 조정량을 계산한다(S706,S708).
이 경우, 이중빔 추적부(123)는 앙각과 방위각을 조정하며, 앙각의 조정량은 옵셋빔의 1번째와 2번째 SNR 차이와 주빔SNR의 비율로 정해지고, 방위각의 조정량은 옵셋빔의 3번째와 4번째 SNR차이와 주빔SNR의 비율로 정해진다.
이어, 이중빔 추적부(123)는 상기한 바와 같이 앙각과 방위각에 따라 각도를 변화시키고, 이 각도를 삼각공간좌표로 변환(S710)한다.
옵셋빔 위상벡터 산출기(142)는 이중빔 추적부(123)에 의해 변환된 삼각공간좌표를 토대로 위상벡터를 생성하여 코아칩(610)으로 전달한다(S712).
한편, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 도 10에 도시된 바와 같이 빔 처리부(120)로부터 전달받은 삼각공간좌표를 전달받으면, 배열안테나의 개수 N에 해당하는 위상행렬을 생성하고, 생성된 행렬은 해당 인터페이스를 통하여 배열안테나에 전달한다.
즉, 배열안테나 위상벡터 산출기(141)는 삼각공간좌표값(u, v)을 입력받으면 N 크기의 벡터를 생성(S800)하고, 행렬은 안테나의 능동소자에 해당 인터페이스를 통하여 전달한다(S802). 여기서, 해당 인터페이스는 N개의 안테나 방사 소자의 위상을 제어하기 위한 코아칩(610)과의 인터페이스 기능을 제공한다.. 예를 들어, 인터페이스는 SPI(serial peripheral interface)일 수 있다.
옵셋빔 위상벡터 산출기(142)는 도 11에 도시된 바와 같이 이중빔 추적부(123)로부터 입력된 옵셋빔 인덱스에 정의된 4개의 각도를 산출하고, 산출된 4개의 각도에 따라 된 위상 벡터를 생성하여 생성된 위상 벡터를 해당 인터페이스부를 통해 빔성형부(700)에 전달한다(S900,S902).
여기서, 해당 인터페이스는 N개의 안테나 방사 소자의 위상을 제어하기 위한 코아칩(610)과의 인터페이스 기능을 제공한다. 예를 들어, 인터페이스는 SPI(serial peripheral interface)일 수 있다.
한편, 모뎀(200)은 초기 동기의 피크 상관값 및 동기를 획득하여 동기 획득 여부와 함께 빔 탐지부(121)에 제공한다.
도 12를 참조하면, 모뎀(200)은 신호 전력을 얻기 위해서 프리앰블과 파일롯 구간을 누적 합산한 다음에 절대값의 제곱을 제공(S1000,S1002)하고, 수신 전력을 얻기 위해서 프리앰블과 파일롯 구간을 절대갑의 제곱을 한 후에 누적 합산(S1004,S1006)한다.
이어, 모뎀(200)은 신호 전력과 수신 전력의 비율에서 최대가 되는 위치를 프레임 샘플 개수(Nframe) 범위에서 검색하고(S1008), 이전에 찾은 최대 비율을 갖는 샘플 위치와 현재 찾은 샘플 위치가 동일하면 프레임 동기가 성공하였다고 ‘1’을 출력하고 다르면 실패하였다고 ‘0’을 출력(S1010)한다.
참고로, 본 실시예에서는 단일빔 추적 방식과 이중빔 추적 방식을 모두 사용하는 것을 예시로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 단일빔 추적 방식과 이중빔 추적 방식 중 어느 하나만을 선택적으로 이용할 수 있다. 따라서, 필요에 따라 단일빔 추적부(122)와 이중빔 추적부(123) 중 어느 하나만 선택적으로 이용될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 평판 안테나 장치는 안테나와 모뎀(200)이 신호품질 정보와 모뎀상태 정보를 교환하여 매우 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio)에서도 빔 탐지 및 추적이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 평판 안테나 장치는 안테나 제어 유닛이 빔 탐지와 추적을 위한 위상 벡터 산출기를 공유하여 구현 복잡도를 낮출 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
100: 안테나 제어 유닛 110: 신호 선택부
111: 제1 신호 선택기 112: 제2 신호 선택기
120: 빔 처리부 121: 빔 탐지부
122: 단일빔 추적부 123: 이중빔 추적부
130: 정보 전달부 140: 빙형성정보 생성부
141: 배열안테나 위상벡터 산출기 142: 옵셋빔 위상벡터 산출기
200: 모뎀 300: 수신 배열안테나
310: 하부 블록 400: 송신 배열안테나
510: 패치 안테나 610: 코아칩
700: 빔성형부 800: 저잡음증폭기
900: 블록상향 변환기

Claims (16)

  1. 기 설정된 대역의 신호를 입력받아 동기와 복조 및 디코딩을 수행하여 모뎀상태 정보와 신호품질 정보를 생성하는 모뎀; 및
    상기 모뎀에서 생성된 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지 및 빔 추적을 수행하는 안테나 제어 유닛을 포함하고,
    상기 안테나 제어 유닛은 상기 모뎀으로부터 전달받은 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지 및 빔 추적을 위한 삼각공간좌표를 생성하는 빔 처리부; 및 상기 빔 처리부에 의해 생성된 삼각공간좌표를 이용하여 빔형성 정보를 생성하는 빔형성정보 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모뎀상태 정보는 시간 동기, 주파수 동기 및 복조 상태 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 신호품질 정보는 신호대 잡음비를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 신호대 잡음비는 비코히어런트 (non-coherent) 방식으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 처리부는
    상기 모뎀으로부터 전달받은 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지를 위한 후보 삼각공간좌표를 생성하는 빔 탐지부; 및
    상기 빔 탐지부에 의해 빔 탐지가 완료되면 상기 빔 탐지부로부터 전달받은 빔포착 각도의 증감에 따라 주빔의 삼각공간좌표를 생성하는 단일빔 추적부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 빔 탐지부는
    삼각공간좌표의 후보 리스트에서 모뎀 동기 획득 여부를 반영하여 최대 신호대 잡음비를 갖는 삼각공간좌표를 찾고, 안테나 상태를 상기 모뎀에 제공하여 모뎀이 상태를 천이할지 안내하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 단일빔 추적부는
    주빔의 앙각과 방위각을 증감하여 얻어지는 신호대 잡음비의 크기를 비교하여 주빔의 각도를 순차적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 빔형성정보 생성부는
    상기 빔 탐지부와 상기 단일빔 추적부 각각으로부터 입력된 삼각공간좌표를 이용하여 위상 벡터 및 크기 벡터를 생성하여 수신 배열안테나의 코아칩 또는 송신 배열안테나의 코아칩에 각각 전달하는 배열안테나 위상벡터 산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 처리부는
    상기 모뎀으로부터 전달받은 상기 모뎀상태 정보와 상기 신호품질 정보를 이용하여 빔 탐지를 위한 후보 삼각공간좌표를 생성하는 빔 탐지부;
    상기 빔 탐지부에 의해 빔 탐지가 완료되면 상기 빔 탐지부로부터 전달받은 빔포착 각도의 증감에 따라 주빔의 삼각공간좌표를 생성하는 단일빔 추적부; 및
    상기 단일빔 추적부에 의해 생성된 주빔의 삼각공간좌표와 옵셋빔의 인덱스를 산출하여 상기 빔 처리부에 전달하는 이중빔 추적부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 빔 탐지부는
    삼각공간좌표의 후보 리스트에서 모뎀 동기 획득 여부를 반영하여 최대 신호대 잡음비를 갖는 삼각공간좌표를 찾고, 안테나 상태를 상기 모뎀에 제공하여 모뎀이 상태를 천이할 지 안내하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 단일빔 추적부는
    주빔의 앙각과 방위각을 증감하여 얻어지는 신호대 잡음비의 크기를 비교하여 주빔의 각도를 순차적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 이중빔 추적부는
    배열 안테나를 4개의 하부 블록으로 구분하여 4개의 영역 신호를 위상 천이시켜 옵셋빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 이중빔 추적부는
    옵셋빔에 대한 앙각 변화량, 방위각 변화량에 따라서 각도를 변화시키고 삼각공간좌표로 변환하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 빔형성정보 생성부는
    상기 이중빔 추적부로부터 입력된 옵셋빔의 인덱스에 기 설정된 위상벡터를 생성하여 빔성형부에 전달하는 옵셋빔 위상벡터 산출기; 및
    상기 빔 탐지부와 상기 단일빔 추적부 각각으로부터 입력된 삼각공간좌표를 이용하여 위상 벡터 및 크기 벡터를 생성하여 수신 배열안테나의 코아칩 또는 송신 배열안테나의 코아칩에 각각 전달하는 배열안테나 위상벡터 산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나 제어 유닛은
    상기 신호품질 정보를 적용할 시점을 상기 모뎀으로부터 전달받은 활성화 신호에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 전자식 평판 안테나 장치.
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JP2001281316A (ja) * 2000-01-24 2001-10-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電波到来方向推定装置及び指向性可変送受信装置

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