KR102371804B1 - 고주파 빔 포밍 장치 - Google Patents

Abstract

고주파 빔 포밍 장치가 개시된다. 고주파 빔 포밍 장치는, 안테나와 결합된 발진기가 2차원 배열되는 2D 방사 배열 구조부; 및 상기 2D 위상 배열 구조부에 형성된 발진기들 사이에 커플링 연결되며, 상기 커플링 연결된 발진기간의 위상 차이를 검출하는 복수의 위상차 검출기를 포함한다.

Description

고주파 빔 포밍 장치{High frequency beam forming device}

본 발명은 위상차 검출기 기반의 고주파 빔 포밍 장치에 관한 것이다.

고주파, 특히 밀리미터파/테라헤르츠 주파수 대역은 이미징, 분광학, 생화학 검출, 천문학, 광대역 통신 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 이러한 주파수 대역을 향한 관심은 점점 증가하는 추세이며, 작은 크기, 저비용, 저전력 구동 등과 같은 장점이 있는 반도체 소자를 기반으로 한 시스템 구현에 동기 부여가 되고 있다.

밀리미터파/테라헤라츠 주파수 대역 무선 송수신 시스템에서 가장 관심 있는 부분은 송수신 이득을 비약적으로 높일 수 있는 빔포밍 기술이라고 할 수 있다. 예를 들어 빔포밍 기술에 대해 설명하자면, 무선 통신 시스템에서의 빔포밍은 스마트 안테나의 한 방식으로, 안테나의 빔이 해당 단말에게만 국한하여 비추도록 하는 기술이다. 5G 시스템과 같이 데이터 전송률을 높이기 위한 광대역 무선 통신 시스템은 대역폭을 확보하기 위해 전송 주파수를 수 GHz 혹은 수십 GHz 대역으로 높이고 있다. 전송 주파수가 높아질수록 전자기파의 직진성이 강해지고 전송 손실이 커지기 때문에 전송 이득을 높이기 위해 빔포밍 기술은 필수적으로 탑재되고 있다.

빔포밍 시스템의 기본적인 구조는 송수신용 안테나 이전에 위상 변위기를 통해 각 안테나에서 송수신 되는 신호의 위상을 조절하게 되어있다. 여기서 전송 주파수가 높아질수록 위상 변위기의 전력 손실이 커지고 정확도가 감소하므로 빔포밍을 위한 위상 배열을 구현하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 위상 변위기 없이 발진기만을 이용한 위상 배열 구조를 기반으로 빔 스티어링이 가능한 고주파 빔 포밍 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 각 발진기간의 위상 차이를 실시간 확인할 수 있어 복잡한 측정 셋업 없이 원하는 각도의 빔을 구현할 수 있는 고주파 빔 포밍 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 위상 변위기 없이 발진기만을 이용한 위상 배열 구조를 기반으로 빔 스티어링이 가능한 고주파 빔 포밍 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나와 결합된 발진기가 2차원 배열되는 2D 방사 배열 구조부; 및 상기 2D 위상 배열 구조부에 형성된 발진기들 사이에 커플링 연결되며, 상기 커플링 연결된 발진기간의 위상 차이를 검출하는 복수의 위상차 검출기를 포함하는 고주파 빔포밍 장치가 제공될 수 있다.

상기 2D 위상 배열부에 형성된 발진기는, 동일한 발진 주파수로 동작되며, 발진기의 위치에 따라 상이하게 인가되는 제어 전압에 따라 상이한 위상의 신호를 출력할 수 있다.

상기 위상차 검출기는, 상기 2D 방사 배열 구조부에서 커플링 네트워크를 형성한 발진기들 사이에서 커플링되며, 상기 커플링 연결된 발진기들에서 출력되는 신호를 더하는 전력 결합기; 및 상기 전력 결합기의 출력단과 연결되며, 상기 전력 결합기에 의해 결합된 신호를 검출하는 전력 검출기를 포함할 수 있다.

상기 위상차 검출기에 의해 검출된 위상 차이를 분석하여 타겟 각도로의 빔 스티어링을 위한 제어 전압을 상기 발진기들로 각각 인가하는 전압 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 안테나와 제2 안테나; 상기 제1 안테나와 연결된 제1 발진기와 상기 제2 안테나에 연결된 제2 발진기; 및 상기 제1 발진기와 상기 제2 발진기 사이에 커플링 연결되어 상기 제1 발진기와 상기 제2 발진기에서 출력되는 신호를 결합하여 위상 차이를 검출하는 위상차 검출기를 포함하는 방사 배열 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔 포밍 장치를 제공함으로써, 위상 변위기 없이 발진기만을 이용한 위상 배열 구조를 기반으로 빔 스티어링이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명은 각 발진기간의 위상 차이를 실시간 확인할 수 있어 복잡한 측정 셋업 없이 원하는 각도의 빔을 구현할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 위상 변위기를 사용한 빔 포밍 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔포밍 장치의 블록도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔포밍 장치의 상세 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 발진기의 위상 검출을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 발진기간의 위상 차이를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상차 검출기의 기본 원리를 설명하기 위해 도시한 도면.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 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, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 위상 변위기를 사용한 빔 포밍 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

전송파 신호가 인가되면, 분배 네트워크를 통해 위상 변위기로 신호가 전달된다. 빔 포밍 각도를 반영한 가변 전압을 위상 변위기에 입력한 후 전송파 신호를 변환하면 각 안테나에서 위상이 다른 전송파 신호가 순차적으로 방사된다.

이로 인해, 도 1과 같은 종래 구조는 각 안테나에서 방사되는 신호의 위상 변화에 따라 빔의 각도 및 폭이 정해지게 된다. 전송파 주파수가 높아질수록 분배 네트워크, 위상 변위기의 전력 손실이 더욱 커지는 문제점이 있다.

주파수가 높아질수록 안테나 크기가 작아져 안테나 개수를 증가시키기에 유리하나, 각 안테나에 위상 변위를 집적하는 난이도 또한 높아지게 되는 문제점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔포밍 장치의 블록도를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔포밍 장치의 상세 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 발진기의 위상 검출을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 발진기간의 위상 차이를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상차 검출기의 기본 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔 포밍 장치(200)는 복수의 안테나(210), 복수의 발진기(220), 위상차 검출기(230) 및 전압 제어부(240)를 포함하여 구성된다.

안테나(210)와 발진기(220)는 2차원 방사 배열 구조로 형성된다. 즉, 각 발진기(220)에 각 안테나(210)가 각각 결합된 형태로 2차원 배열 구조로 배치될 수 있다. 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 안테나와 발진기를 2D 방사 배열 구조부로 칭하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2D 방사 배열 구조부에 형성된 발진기들은 커플링 네트워크를 형성할 수 있다.

2D 방사 배열 구조부에 포함된 각각의 발진기들은 발진 주파수가 모두 동일하며, 제어 전압에 따라 상이한 위상을 가지는 출력 신호를 출력할 수 있다.

2D 방사 배열 구조부는 발진기들이 상호간 커플링 연결될 수도 있으며, 다른 구성을 통해 커플링 연결되어 커플링 네트워크를 형성할 수도 있다.

도 3에는 이에 대한 상세 구조가 도시되어 있다.

안테나와 발진기들이 집적된 형태로 2D 방사 배열 구조로 배열된 2D 방사 배열 구조부에 포함된 발진기들은 서로 커플링되어 커플링 네트워크를 형성할 수 있다. 이때, 위상차 검출기(230)가 커플링된 발진기들 사이에 커플링되되, 커플링된 발진기들에서 출력되는 신호를 더하여 위상 차이를 검출할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 발진기와 제2 발진기 사이에는 제1 위상차 검출기가 커플링 연결될 수 있으며, 제2 발진기와 제3 발진기 사이에는 제2 위상차 검출기가 커플링 연결될 수 있다.

제1 발진기와 수직 방향으로 배열된 발진기 사이에도 위상차 검출기가 커플링 연결될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 2D 방사 배열 구조부에 형성된 발진기와 발진기 사이에는 위상차 검출기가 각각 커플링 연결될 수 있다.

이러한 위상차 검출기(230)는 커플링 연결된 발진기간의 위상 차이를 검출하기 위한 수단이다.

위상차 검출기(230)의 상세 구조는 도 4에 도시된 바와 같다. 즉, 위상차 검출기(230)는 전력 결합기(232)와 전력 검출기(234)를 포함한다.

전력 결합기(232)는 발진기와 발진기 사이에 커플링 연결되며, 커플링 연결된 발진기에서 출력되는 신호를 결합하기 위한 수단이다.

예를 들어, 전력 결합기(232)는 제1 발진기와 제2 발진기 사이에 커플링되는 경우, 제1 발진기와 제2 발진기에서 각각 출력된 신호를 더하여 결합할 수 있다.

2D 방사 배열 구조부에 형성된 각 발진기들의 커플링 네트워크에 전력 결합기(232)를 통해 커플링과 동시에 전력을 더할 수 있는 구조로 집적되었다. 이로 인해, 전력 결합기(232)는 커플링 네트워크에서 커플링 연결된 발진기들에서 출력되는 신호를 더하여 출력할 수 있다.

전력 결합기(232)의 출력단에는 전력 검출기(234)가 결합된다. 따라서, 전력 검출기(234)에 의해 커플링 연결된 발진기간에 출력된 신호를 결합한 전력(전압)을 검출할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 발진기들로 인가된 제어 전압에 따른 각 발진기들 사이의 위상 차이를 검출할 수 있으므로, 제어 전압을 변화시킴에 따른 위상 변화를 실시간 모니터링할 수 있다.

예를 들어, 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

제1 발진기로 인가된 제1 제어 전압이

라고 가정하기로 한다. 이때, 제1 발진기의 위상은 0도일 수 있다. 제1 발진기와 커플링된 제2 발진기로 인가된 제2 제어 전압이

라고 가정하기로 한다. 이때, 제1 발진기와 제2 발진기 사이에 커플링된 제1 위상차 검출기가 두 발진기 사이의 위상 차이를 검출함에 따라 제2 발진기의 위상을 확인할 수 있다.

예를 들어, 제1 위상차 검출기가 제1 발진기와 제2 발진기 사이의 위상 차이를 10도로 검출한 경우, 제1 발진기의 위상이 0도로 고정되어 있으므로, 제2 발진기의 위상은 10도인 것을 알 수 있다.

이와 같은 방식으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2D 방사 배열 구조부에 형성된 발진기들 사이의 위상 차이를 검출함으로써 각 발진기의 위상을 파악할 수 있는 이점이 있다.

위상 변위기를 사용하지 않는 방사 배열 구조에서 정확한 형태의 빔을 형성하기 위해서는 각 발진기에서 송신하는 신호의 위상을 알아야 한다. 수십 GHz 이상의 발진 주파수를 갖는 발진기 배열의 경우, 각 발진기 간의 위상 차이를 기존 기술로는 파악하기 어려운 문제점이 있다.

예를 들어, 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 도 5에는 100GHz의 발진 신호와 45도의 위상 차이를 가지고 있는 4개의 발진기간의 위상 차이를 도시한 그래프이다. 100GHz의 발진 신호의 주기는 약 10ps이며, 45도의 차이를 시간으로 나타내면,

이다. 이를 위상 검출기와 같은 혼합기 기반의 회로로 검출하려 2.5ps의 펄스를 검출하는 것과 마찬가지로 실제 구현이 어려운 문제점이 있다.

그러나 본 발명의 일 실시예와 같이 각 발진기들의 커플링 네트워크에서 발진기와 발진기 사이에 전력 결합기를 커플링함과 동시에 발진기간에 출력되는 신호를 더하면, 위상 차이에 따라 결합된 전력(전압)의 수준이 달라진다.

도 6과 같이 위상 차이가 많이 나는 신호일수록 전압 폭이 점점 작아지는 것을 이론적으로 확인할 수 있다.

즉, 전력 검출기(234)에서 각 발진기 간의 위상 차이에 따른 전력 수준을 충분한 민감도로 감지할 수 있다면 각 발진기간의 위상 차이를 발진기의 제어 전압에 따라 1:1로 매핑할 수 있다.

상술한 바와 같이, 위상차 검출기(230)를 통해 2D 방사 배열 구조부에서 각 발진기의 제어 전압에 따라 위상을 얼마나 변화시킬 수 있는지 자가 보정을 통해 모니터링이 가능하므로, 복잡한 측정과 보정 작업 없이도 실시간으로 빔 스티어링을 정확하게 구현할 수 있는 이점이 있다.

전압 제어부(240)는 룩업 테이블에 기초하여 2D 방사 배열 구조부에 포함된 각각의 발진기들의 위상 차이를 분석하여 타겟 각도로의 빔 스티어링을 위한 제어 전압을 발진기들로 각각 상이하게 인가할 수 있다.

다시 정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 2D 방사 배열 구조를 형성하고 있는 발진기들 사이에 위상차 검출기가 커플링되되, 위상차 검출기를 통해 각 발진기들 사이의 위상 차이를 검출할 수 있으며, 이를 통해 각 발진기에서 방사하는 전파의 위상을 정확히 파악할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 빔 포밍 장치(200)는 각 발진기들의 제어 전압 변화에 따른 위상 변화를 실시간 모니터링이 가능하여 원하는 타겟 각도의 빔을 정확한 제어 전압 수치로 형성할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 장치 및 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(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.

상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

200: 고주파 빔 포밍 장치
210: 안테나
220: 발진기
230: 위상차 검출기
240: 전압 제어부

Claims (6)

1. 안테나와 결합된 발진기가 2차원 배열되는 2D 방사 배열 구조부; 및
   상기 2D 방사 배열 구조부에 형성된 발진기들 사이에 커플링 연결되며, 상기 커플링 연결된 발진기간의 위상 차이를 검출하는 복수의 위상차 검출기를 포함하되,
   상기 위상차 검출기는,
   상기 2D 방사 배열 구조부에서 커플링 네트워크를 형성한 발진기들 사이에서 커플링되며, 상기 커플링 연결된 발진기들에서 출력되는 신호를 더하는 전력 결합기; 및
   상기 전력 결합기의 출력단과 연결되며, 상기 전력 결합기에 의해 결합된 신호를 검출하는 전력 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 빔포밍 장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 2D 방사 배열 구조부에 형성된 발진기는,
   동일한 발진 주파수로 동작되며, 발진기의 위치에 따라 상이하게 인가되는 제어 전압에 따라 상이한 위상의 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파 빔포밍 장치.
   
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 위상차 검출기에 의해 검출된 위상 차이를 분석하여 타겟 각도로의 빔 스티어링을 위한 제어 전압을 상기 발진기들로 각각 인가하는 전압 제어부를 더 포함하는 고주파 빔포밍 장치.
   
5. 제4 항에 있어서,
   제어 전압과 위상이 매핑된 룩업 테이블이 저장되되,
   상기 전압 제어부는,
   상기 룩업 테이블을 참조하여 상기 위상차 검출기에서 검출된 위상 차이를 기초로 타겟 각도로의 빔 스티어링을 위한 제어 전압을 상기 발진기들로 상이하게 인가하는 것을 특징으로 하는 고주파 빔포밍 장치.
   
6. 제1 안테나와 제2 안테나;
   상기 제1 안테나와 연결된 제1 발진기와 상기 제2 안테나에 연결된 제2 발진기; 및
   상기 제1 발진기와 상기 제2 발진기 사이에 커플링 연결되어 상기 제1 발진기와 상기 제2 발진기에서 출력되는 신호를 결합하여 위상 차이를 검출하는 위상차 검출기를 포함하되,
   상기 위상차 검출기는,
   커플링 네트워크를 형성한 상기 제1 발진기와 상기 제2 발진기 사이에서 커플링되며, 상기 커플링 연결된 상기 제1 발진기와 상기 제2발진기들에서 출력되는 신호를 더하는 전력 결합기; 및
   상기 전력 결합기의 출력단과 연결되며, 상기 전력 결합기에 의해 결합된 신호를 검출하는 전력 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 배열 시스템.
   
   
   

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