KR102413451B1 - 안테나 어레이용 온보드 보정회로 및 이를 포함하는 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 어레이용 온보드 보정회로 및 이를 포함하는 안테나 시스템에 관한 것으로, 안테나 시스템은 복수개의 안테나 어레이에 포함되는 각각의 안테나 중 2개의 안테나를 조합(combination)하여 복수개의 조를 만드는 제어부; 상기 제어부의 지시에 따라 복수개의 조 중에서 하나의 조를 순차적으로 선택하고, 선택된 조에 포함된 제1 안테나 및 제2 안테나에 각각 연결되는 스위치부; 상기 제1 안테나 및 제2 안테나의 출력신호의 위상이 180° 차이가 나도록 상기 제1 안테나의 출력신호 위상을 조정하여 결합하는 위상 변환기; 및 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점을 검출하는 검출기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점의 위상 및 진폭으로 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상 및 진폭을 고정한다.

Description

안테나 어레이용 온보드 보정회로 및 이를 포함하는 안테나 시스템{onboard calibration circuit for antenna array and an antenna system including the calibration circuit}

본 발명은 안테나 어레이용 온보드 보정회로 및 이를 포함하는 안테나 시스템을 제공한다.

차세대 통신 시스템에서는 이용되는 주파수 영역이 높아짐에 따라 안테나의 물리적 크기가 감소할 수 있으며, 이와 같은 추세에 따라 복수개의 안테나 엘리먼트를 포함하는 안테나 어레이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편, 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 엘리먼트의 위상 및 진폭을 조절함으로써 안테나 어레이는 빔포밍을 수행할 수 있다. 고주파수 대역에 이용되는 차세대 통신 시스템에서 빔포밍 기법은 안테나 어레이의 게인값 및 커버리지를 확보할 수 있는 필수적인 기법으로 이용될 수 있다.

그러나, 고주파수는 짧은 파장으로 인한 안테나 및 모듈의 소형화가 가능하다는 장점이 있으나, 위상 및 진폭 오차가 쉽게 발생한다는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 선행문헌 등록특허 제10-2121591에 게재된 “안테나 어레이 보정 방법 및 이를 포함하는 전자 장치”는 안테나에 포함된 각각의 안테나 엘리먼트의 배치에 따라 변경되는 위상 또는 진폭 오차를 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 선행문헌의 안테나 어레이 보정 방법에서, 안테나 구현시 발생하는 위상/진폭 오차를 제어하는 알고리즘을 제공하고 있다. 그러나, 선행문헌의 경우, 안테나 어레이 보정을 위한 보정회로가 안테나 내부에 포함되어 있지 않아, 공장 단위에서 또는 측정 셋업 장비가 갖춰진 상태에서만 보정을 수행할 수 있으므로, 상시 보정이 불가능하다.

또한, 종래의 온보드(on-board) 보정회로는 벡터 신호 비교와 다운 변환기 사용을 기반으로 하므로, 복잡한 회로가 요구되어 회로 사이즈를 커지게 한다는 문제가 있다. 또한, 종래의 온보드 보정회로는 샘플링하는 신호의 변화량이 위상과 진폭의 오차폭 대비 작기 때문에 보정할 수 있는 위상과 진폭의 해상도(resolution)이 좋지 않아 보정 정확도가 떨어진다는 문제가 있다.

(KR) 등록특허 제10-2121591호

따라서 앞서 언급한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 다운컨버터와 벡터신호를 검출하기 위한 복잡한 회로를 포함하지 않고, 종래의 안테나 모듈을 위상 변환기와 출력 검출기를 이용하여 회로가 간단한 온보드 보정회로를 포함하는 안테나 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템은 상기 복수개의 안테나 어레이에 포함되는 각각의 안테나 중 2개의 안테나를 조합(combination)하여 복수개의 조를 만드는 제어부; 상기 제어부의 지시에 따라 복수개의 조 중에서 하나의 조를 순차적으로 선택하고, 선택된 조에 포함된 제1 안테나 및 제2 안테나에 각각 연결되는 스위치부; 상기 제1 안테나 및 제2 안테나의 출력신호의 위상이 180° 차이가 나도록 상기 제1 안테나의 출력신호 위상을 조정하여 결합하는 위상 변환기; 및 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점을 검출하는 검출기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점의 위상 및 진폭으로 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상 및 진폭을 고정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 스위치부, 상기 위상 변환기 및 상기 검출기는 동일 기판 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 위상 변환기는 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 시프트시키는 위상 시프터; 상기 제1 안테나의 위상이 시프트된 출력신호 및 제2 안테나의 출력신호를 결합하는 컴바이너; 결합된 출력신호를 증폭시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 안테나 어레이에 포함되는 안테나가 n개이면, 상기 제어부는 nC2개의 조를 만드는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 위상 변환기는 상기 제어부의 지시에 따라 연결된 2개의 안테나 중 보정된 안테나가 포함되어 있는 경우, 보정되지 않은 안테나를 제1 안테나로 하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 상향 조정하고, 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 증가하는 경우, 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 하향 조정하면서 상기 출력신호의 출력전압이 다시 증가하는지 확인하여, 상기 출력전압이 다시 증가하기 이전의 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상값을 상기 제1 안테나의 위상으로 고정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 안테나의 출력신호의 진폭을 상향 조정하고, 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 증가하는 경우, 상기 제1 안테나의 진폭을 하향 조정하면서 상기 출력신호의 출력전압이 다시 증가하는지 확인하여, 상기 출력전압이 다시 증가하기 이전의 상기 제1 안테나의 출력신호의 진폭값을 상기 제1 안테나의 진폭으로 고정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 안테나 어레이를 통해 방사되는 빔의 특성이 표시되는 모니터를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온보드 보정회로는 상기 복수개의 안테나 어레이에 포함되는 각각의 안테나 중 2개의 안테나 각각에 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 스위치부; 상기 스위치부에 연결된 제1 안테나 및 제2 안테나의 출력신호의 위상이 180° 차이가 나도록 상기 제1 안테나의 출력신호 위상을 조정하여 결합하는 위상 변환기; 및 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점을 검출하는 검출기를 포함하고, 상기 스위치부, 상기 위상 변환기 및 상기 검출기는 동일 기판 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 위상 변환기는 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 시프트시키는 위상 시프터; 상기 제1 안테나의 위상이 시프트된 출력신호 및 제2 안테나의 출력신호를 결합하는 컴바이너; 결합된 출력신호를 증폭시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따르면, 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 간의 위상 오차 또는 진폭 오차를 고려하여 안테나 어레이를 제어할 수 있게 됨으로써 사용자가 정확하게 원하는 방향으로 안테나 빔을 형성할 수 있다.

또한 본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따르면, 안테나의 위상 조정에 의해 변화되는 안테나 어레이의 진폭 변화가 종래 기술에 비해 커질 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따를 경우, 종래 기술보다 안테나 어레이의 보정 정확도가 향상될 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온보드 안테나 보정회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온보드 안테나 보정회로를 포함하는 4채널 안테나 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 온보드 안테나 보정회로의 회로구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동회로 기반 보정회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동회로 기반 보정회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 불균형을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 진폭 불균형을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기를 통해 검출된 전력을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이 보정 방법의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.

일 실시예에 따르면, 안테나 시스템은 안테나 모듈(10), 보정회로(20), 프로세서(30) 및 메모리(40)를 포함할 수 있다. 안테나 시스템의 구성요소는 기판 상에 배치될 수 있다. 기판은 PCB(printed circuit board) 기판일 수 있다.

안테나 모듈(10)은 복수개의 안테나를 갖는 안테나 어레이(100)를 포함하고, 안테나 어레이(100)를 통해 RF 신호를 송수신한다.

안테나 어레이(100)는 예를 들어, 도 1에서 도시한 바와 같이 4개의 안테나가 배열될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 일 실시예에 따르면, 하나의 안테나에는 적어도 하나의 안테나 엘리먼트가 포함될 수 있다. 예를 들어, 각각의 안테나에는 16개의 안테나 엘리먼트가 4열*4행 형태로 배치될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 고주파수 대역이 이용되는 차세대 이동 통신 시스템에서는 안테나의 물리적 크기가 감소함에 따라 복수개의 안테나를 포함하는 안테나 어레이의 이용이 증가할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 차세대 이동 통신 시스템에서는 안테나 어레이(100)를 이용하여 빔포밍을 수행할 수 있으며, 빔포밍을 통해 고주파수 대역에서도 안테나 어레이(100)의 적절한 게인값 및 커버리지를 확보할 수 있다.

일 실시예에 따르면 안테나 어레이(100)를 구성하는 각각의 안테나(101, 102)는 각 안테나(101, 102)와 전기적으로 연결된 보정 회로를 통해 특정한 위상을 가지는 전파를 방사할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 각 안테나(101, 102)에서 방사되는 전파를 통해 안테나 어레이(100)는 특정한 방사각도를 가지는 빔을 형성할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 각 안테나 간의 이격거리는 안테나 어레이를 통해 방사되는 빔의 파장에 기반하여 결정될 수 있다. 예를 들어 제1 안테나와 이웃하는 제2 안테나 간의 이격거리는 λ/2 (λ: 빔의 파장)가 될 수 있다.

보정회로(20)는 안테나 어레이(100)의 각 채널간 위상 및 진폭차를 실시간 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 안테나 모듈(10)과 보정회로(20)를 분리된 구성요소로서 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 보정회로(20)는 온보드용 보정회로(20)이므로 안테나 모듈(10)내에 포함될 수 있음은 물론이다.

프로세서(30)는 안테나 시스템을 제어하기 위한 하나 이상의 구성 요소를 포함하여 구현될 수 있다(이하, 제어부라고도 함). 또한, 프로세서(30)는 메모리(40)에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 안테나 시스템(100)의 다채널을 통해 송수신되는 신호들을 변조 또는 복조하는 변조 프로세스 및 복조 프로세스를 수행할 수 있다. 특히, 프로세서(30)는 메모리(40)에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 보정회로(20)를 통해 획득한 위상 및 진폭의 오차값을 안테나 모듈(10)에서 보정할 수 있도록 프로세스를 수행할 수 있다.

메모리(40)는 프로세서(30)가 변조 프로세스 및 복조 프로세스를 제어하기 위한 하나 이상의 프로그램(또는 인스트럭션)을 저장한다. 또한, 메모리(40)는 보정회로(20)에 의해 안테나 어레이(10) 중 선택된 채널의 신호의 위상 및 진폭의 오차값을 보정하기 위한 프로그램을 저장한다.

한편, 메모리(40)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지하는 비휘발성(non-volatile) 저장 장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장 장치를 통칭하는 것일 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 안테나 어레이를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 나타낸 도면이다.

안테나 모듈(10)은 각 안테나 마다 송수신 신호를 샘플링하는 Rx 샘플링부(11), Tx 샘플링부(12) 및 빔포머(13)를 포함한다.

일 실시예에 따르면 Rx 샘플링부(11)는 아날로그 형태의 신호를 디지털 방식으로 처리하기 위하여 표본화, 양자화, 부호화 과정 등을 수행할 수 있다.

일 실시예에 따르면 Tx 샘플링부(12)는 수신되는 디지털 신호를 복호화 및 저역통과 여파기를 사용하여 아날로그 신호로 복원할 수 있다.

빔포머(13)는 Rx 샘플링부(11) 및 Tx 샘플링부(12)으로부터 신호를 제공하거나 수신한다.

빔포머(13)는 안테나 어레이(100)를 통해 송출되는 신호를 특정 방향으로 선택적으로 강화된 신호를 생성하거나 안테나 어레이(100)에 수신된 신호를 집속할 수 있다. 여기서 특정 방향이란, 사용자에 의해 지정된 방향일 수도 있고, 미리 설정된 방향일 수도 있으며, 빔포머(13)가 스스로 적응적으로 결정할 수도 있다. 빔포머(13)는 일반적으로 수신신호의 이득을 보상하고, 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 수신된 신호를 집속하려는 위치에 따라 지연시키고 합성할 수 있다. 빔포머(13)에 의한 빔 포밍 방법은 미리 알려진 다양한 알고리즘을 통해 구현될 수 있으나, 본 발명의 핵심사항이 아니므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

변환기(120) 및 검출부(130)를 포함한다.

스위치부(110)는 복수개의 안테나를 포함하는 안테나 어레이에서 임의의 안테나를 선택한다.

스위치부(110)는 안테나의 수에 따라 복수개의 스위치부(111, 112)를 포함할 수 있다. 각 스위치부는 하나 이상의 안테나 중 임의의 하나를 선택적으로 연결 및 차단할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 스위치부(111)에는 P1 내지 Pn까지 n개의 안테나가 연결되고, 제2 스위치부(112)에는 Pn+1 내지 Pm까지의 m-n개의 안테나가 연결된다. 여기서 m은 n보다 크다.

스위치부(110)는 m개의 안테나 중 서로 다른 2개를 선택하여 하나의 조 만든다. 전체 안테나 어레이를 보정하기 위하여 조합에 의해 2개의 조가 생성된다.

위상 변환기(120)는 스위치부(110)에 의해 선택된 2개의 안테나 중 하나의 안테나의 출력 신호를 기준으로 할 때, 다른 안테나의 출력신호의 위상을 180도 반전시킨다.

일 실시예에 따르면, 스위치부(111)에 의해 제1 안테나가 선택되고, 스위치부(112)에 의해 제2 안테나가 선택된 경우, 제2 안테나의 출력신호를 기준으로 하여, 제1 안테나의 출력신호의 위상을 180° 반전시킨다.

검출부(130)는 제1 안테나의 출력신호의 반전된 위상을 갖는 제1 신호와, 제2 안테나의 출력신호인 제2 신호의 결합된 신호의 출력(power)을 검출한다.

제어부(140)는 검출부(130)에 의해 검출되는 출력신호가 최소가 되는 지점으로 위상과 진폭을 고정함으로써 위상오차 보정값과 진폭오차 보정값을 획득할 수 있게 된다.

일 실시예에 따르면 제어부(140)는 도 1의 프로세서(30)에 포함될 수 있다.

제어부(140)는 위상오차와 진폭오차의 보정을 위한 보정값을 안테나 모듈(도 2의 10)의 빔포머(13)에 전달한다.

이로써, 안테나 모듈(도 2의 10)은 위상오차와 진폭오차를 실시간으로 보정할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온보드 안테나 보정회로를 포함하는 4채널 안테나 모듈의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 온보드 안테나 보정회로의 회로구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 안테나 모듈(10)은 각 안테나에 연결된 하나 이상의 수신 안테나 스위치(RxS)와 하나 이상의 송신 안테나 스위치(TxS)를 포함한다.

안테나 모듈(10)의 수신 안테나 스위치(RxS)와 송신 안테나 스위치(TxS)에 보정회로의 스위치부(110)가 연결된다.

일 실시예에 따르면, 4채널 안테나에 적용된 온보드 안테나 보정회로에서, 스위치부(110)는 제1 안테나(101)와 제2 안테나(102)에 연결된 제1 스위치부(113) 및 제2 안테나(103)와 제3 안테나(104)에 연결된 제2 스위치부(114)를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 제1 스위치부(113)는 제1 안테나(101)의 수신 안테나 스위치(SR-1)에 전기적으로 연결된 스위치(113-1), 제1 안테나(101)의 송신 안테나 스위치(ST-1)에 전기적으로 연결된 스위치(113-2), 제2 안테나(102)의 수신 안테나 스위치(SR-2)에 전기적으로 연결된 스위치(113-3), 제2 안테나(102)의 송신 안테나 스위치(ST-2)에 전기적으로 연결된 스위치(113-4)를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 제2 스위치부(114)는 제3 안테나(103)의 수신 안테나 스위치(SR-3)에 전기적으로 연결된 스위치(114-1), 제3 안테나(103)의 송신 안테나 스위치(ST-3)에 전기적으로 연결된 스위치(114-2), 제4 안테나(104)의 수신 안테나 스위치(SR-4)에 전기적으로 연결된 스위치(114-3), 제2 안테나(102)의 송신 안테나 스위치(ST-4)에 전기적으로 연결된 스위치(114-4)를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 복수의 안테나 어레이(101, 102, 103, 104)는 상기 제1 스위치부(111) 및 제2 스위치부(112)와 전기적으로 연결되어 상기 제1 스위치부(111) 및 제2 스위치부(112)에 연결된 복수개의 안테나 중에서 두 개의 안테나만 선택할 수 있도록 형성된다.

제2 스위치부(114)는 출력 신호의 위상을 조정하는 위상 시프터(121)에 연결된다.

위상 시프터(121)는 제1 스위치부(111)에 의해 연결된 안테나의 출력신호와 제2 스위치부(112)에 의해 연결된 안테나의 출력신호의 위상 차이가 180° 차이가 나도록 제2 스위치부(112)에 연결된 안테나의 출력신호의 위상을 조정한다.

이와 같이 2개의 안테나 예컨대 제1 안테나와 제2 안테나 각각의 출력신호의 위상 차이가 180°가 되도록 조정하는 방법은 다양한 방법이 존재할 수 있으나, 하나의 안테나(예를 들어 제1 안테나)는 기준 안테나로 위상값을 고정하고, 다른 하나의 안테나(예를 들어 제2 안테나)의 위상값만을 조정하여 안테나 간의 위상 차이를 조정하는 방법이 가장 바람직할 수 있다.

제1 안테나와 제2 안테나의 위상 차이가 180°로 조정되면 안테나 어레이의 정중심(즉, 빔 방사각도가 0°인 지점)에는 빔이 형성되지 않거나 매우 낮은 게인값을 가지는 빔(이하에서는 최소게인빔이라 칭한다.)이 형성된다. 이와 같이 빔 방사각도가 0°인 지점의 출력전압은 최소(예컨대 0)가 됨을 예상할 수 있다. 따라서, 출력전압만으로 최소게인빔을 용이하게 확인할 수 있다.

한편, 실제 안테나 어레이에서는 정교하게 제1 안테나와 제2 안테나 간의 위상 차이를 조정한다고 하더라도 하드웨어에서 발생하는 오차 또는 기타 다양한 요인에 의해 최소게인빔이 안테나 어레이의 정중심에 형성되지 않을 수 있다. 예를 들어 제1 안테나와 제2 안테나 간의 위상 차이를 180°로 조정한다고 하더라도, 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하는 안테나 어레이의 +7°방향으로 최소게인빔이 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이와 같은 오차를 보상하기 위해 안테나 어레이의 출력전압이 최소가 되는 지점이 안테나 어레이의 0° 방향으로 형성되도록 제1 안테나의 위상을 결정할 수 있다. 안테나의 위상을 보정하는 방법은 다양한 방법이 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 미리 결정된 단위 예컨대 1° 씩 상향 조정하고, 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 증가하는 경우, 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 미리 결정된 단위 예컨대 1° 씩 하향 조정하면서 상기 출력신호의 출력전압이 다시 증가하는지 확인하여, 상기 출력전압이 다시 증가하기 이전의 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상값을 상기 제1 안테나의 위상으로 고정한다.

일 실시예에 따르면, 안테나 어레이의 출력전압의 크기에 기반하여 안테나의 감쇠도를 결정할 수 있다. 제1 안테나와 제2 안테나의 위상 차이가 180°로 조정되면 안테나 어레이의 정중심(즉, 빔 방사각도가 0°인 지점)에는 빔이 형성되지 않거나 최소게인빔이 형성됨을 예상할 수 있다.

그러나, 실제 안테나 어레이에서는 정교하게 제1 안테나 엘리먼트와 제2 안테나 간의 위상 차이를 조정한다고 하더라도 하드웨어에서 발생하는 오차 또는 기타 다양한 요인에 의해 안테나 어레이의 정중심에 최소게인빔이 안테나 어레이의 정중심에 형성되지 않을 수 있다. 예를 들어 제1 안테나와 제2 안테나의 위상 차이를 180°로 조정한다고 하더라도, 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하는 안테나 어레이의 -4°방향으로 최소게인빔이 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이와 같은 오차를 보상하기 위해 340 동작을 통해 안테나 어레이의 최소게인빔이 안테나 어레이의 0° 방향으로 형성되는 제1 안테나의 진폭의 감쇠도를 결정할 수 있다. 제1 안테나의 감쇠도를 결정하는 방법은 다양한 방법이 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 안테나의 출력신호의 진폭을 미리 결정된 단위 예컨대 -0.1dB 간격으로 상향 조정하고, 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 증가하는 경우, 상기 제1 안테나의 진폭을 미리 결정된 단위 예컨대 -0.1dB 간격으로 하향 조정하면서 상기 출력신호의 출력전압이 다시 증가하는지 확인하여, 상기 출력전압이 다시 증가하기 이전의 상기 제1 안테나의 출력신호의 진폭값을 상기 제1 안테나의 진폭(Null의 크기)으로 고정한다.

일 실시예에 따르면, 고정된 안테나의 위상 및 진폭에 기반하여 안테나 어레이의 출력신호 보정을 수행할 수 있다. 앞선 예를 인용하면, 최소게인빔이 안테나 어레이 0° 방향으로 형성되는 제1 안테나의 위상과 진폭에 기반하여 제1 안테나의 보상값을 결정할 수 있다. 예를 들어 제1 안테나의 고정된 제1 안테나 위상이 180°이며 감쇠도가 5dB이고, 출력되는 제1 안테나 위상이 172°이고 진폭이 7dB라면, 제1 안테나의 위상은 -8°만큼 보정되고 감소되는 +2dB만큼 보정될 수 있다.

위상 시프터(121)와 제1 스위치부(113)는 컴바이너(combiner)(122)에 연결되어 하나의 출력으로 결합한다.

컴바이너(combiner)(122)는 증폭기(123)에 연결될 수 있다. 컴바이너(122)는 디바이더(divider), 커플러(coupler) 등 다양하게 변형될 수 있다.

증폭기(123)는 결합된 출력신호를 증폭시킨다. 증폭기에 의해, 위상과 진폭의 해상도를 높일 수 있다. 증폭기(123)는 검출기(130)에 연결된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 스위치부(111, 112), 위상 변환기(120) 및 검출기(130)는 동일 기판(B) 상에 배치되므로, 소형의 보정회로를 구성할 수 있다. 또한, 안테나 어레이와 동일 기판에 배치될 수 있으므로, 위상 및 진폭 오차를 상시 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동회로 기반 보정회로를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 보정회로는 수동회로를 기반으로 구현될 수 있으며, 수동회로를 기반으로 하는 보정회로는 제1 스위치부(611), 제2 스위치부(612), 위상 시프터(621), 컴바이너(622), 검출기(630)를 포함할 수 있다.

제1 스위치부(611), 제2 스위치부(612), 위상 시프터(621) 및 검출기(630)는 각각 도 4의 제1 스위치부(113), 제2 스위치부(114), 위상 시프터(122) 및 검출기(130)에 대응하므로 상세한 설명을 생략한다.

수동회로 기반의 보정회로에서 컴바이너(622)는 윌킨스 디바이더(Wilkinson divider)를 채택할 수 있다.

윌킨스 디바이더(Wilkinson divider)는 일반적으로 대칭 전력 분배기로 사용된다.

이와 같은 수동회로에 기반하는 경우, 컴바이너(622)에 의한 전력소모는 없는 반면 손실이 추가될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동회로 기반 보정회로를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 보정회로는 능동회로를 기반으로 구현될 수 있으며, 능동회로를 기반으로 하는 보정회로는 제1 스위치부(711), 제2 스위치부(712), 위상 시프터(721), 컴바이너(722) 및 검출기(730)를 포함할 수 있다.

제1 스위치부(711), 제2 스위치부(712), 위상 시프터(721) 및 검출기(730)는 각각 도 4의 제1 스위치부(113), 제2 스위치부(114), 위상 시프터(122) 및 검출기(130)에 대응하므로 상세한 설명을 생략한다.

능동회로 기반의 보정회로에서 컴바이너(622)는 RF 증폭기를 채택할 수 있다.

RF 증폭기를 채택하는 경우, 일반적으로 직류전원에 의해 구동되어 전력을 소비하는 반면 신호를 증폭시켜 이득이 발생한다. 이득값은 출력 신호 진폭의 입력 전원의 비율이다. 이득값이 1보다 커서 입력신호보다 출력신호의 출력전력을 크게 한다.

본 발명의 도 6 및 도 7을 참조한 수동회로 기반 보정회로와 능동회로 기반 보정회로는 일 예로서 기재되었을 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 구조를 나타낸 도면이다.

일 실시예에 따르면 측정 장치(700)는 복수개의 안테나를 포함하는 안테나 어레이의 각각의 안테나 중 2개의 안테나를 조합(combination)하여 복수개의 조를 만드는 제어부(720) 및 제어부(720)의 지시에 따라 복수개의 조 중에서 하나의 조를 순차적으로 선택하고, 선택된 조에 포함된 제1 안테나 및 제2 안테나에 각각 연결되는 각 안테나 엘리먼트와 전기적으로 연결되어, 연결된 2개의 안테나의 위상 차이가 위상이 180° 차이가 나도록 상기 제1 안테나의 출력신호 위상을 조정하여 결합하고, 결합된 신호의 출력전압이 최소가 되는 지점을 검출하는 보정회로(730)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면 안테나 어레이에 포함되는 안테나가 n개이면, 제어부(720)는 nC2개의 조를 생성한다. 제어부(720)는 안테나 조합에 의해 생성된 모든 조에 대하여 위상 제어를 수행함으로써 안테나 어레이의 모든 안테나의 위상 및 진폭을 보정할 수 있다.

제어부(720)는 보정회로(730)에 연결된 2개의 안테나 중 보정된 안테나가 포함되어 있는 경우, 보정된 안테나를 기준안테나로 하고, 보정되지 않은 안테나의 위상 및 진폭을 제어하도록 한다.

제어부(720)는 보정회로(730)에 연결된 2개의 안테나 중 보정된 안테나가 포함되어 있지 않은 경우, 제일 처음 배열된 안테나를 기준안테나로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일 실시예에 따르면 제어부(720)는 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점의 위상 및 진폭으로 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상 및 진폭을 고정한다.

다양한 실시예에 따르면, 모니터(710)는 상기 제어부(720)와 전기적으로 연결되어 상기 보정회로(730)의 출력전압이 표시될 수 있다.

따라서, 보정회로는 안테나 어레이에 탑재된 온보드 보정회로인 반면, 제어부(720)와 모니터(710)는 분리된 구성요소일 수 있다.

따라서, 안테나 어레이에 제어부(720)와 모니터(710)를 전기적 연결하여 상시보정이 가능하다.

도 9 내지 도 11은 도 8의 모니터를 통해 표시되는 그래프의 일 예이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 불균형을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 진폭 불균형을 나타낸 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기를 통해 검출된 전력을 나타낸 그래프이다.

사용자는 모니터(도 8의 710)에 의해 도 9 내지 도 11에 예시된 바와 같이 표시되는 그래프에 기반하여 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나의 위상 및 진폭을 보정할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이 보정 방법의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

보다 구체적으로 도 12의 (a) 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따라 진폭 보정을 행하기 전과 후의 주파수에 대한 진폭을 나타낸 그래프이다.

도 12의 (a)에서 좌측의 그래프는 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 의 위상을 동일하게 적용한 후 각각의 안테나 어레이에 연결된 빔포머의 출력의 진폭의 크기의 차이를 나타내는 그래프이며 도 12의 (a)에서 우측의 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따라 모든 채널에 대하여 진폭 오차 보정을 행한 후 각각의 안테나 어레이에 연결된 빔포머로부터 출력되는 출력의 진폭의 차이를 나타내는 그래프이다. 도 12의 (a) 그래프에서 진폭 오차를 보정하기 이전의 최대 진폭 오차는 약 10dB이며, 진폭 오차를 보정한 이후의 최대 진폭 오차는 약 1dB 이내인 것을 알 수 있다.

도 12의 (b)에서 좌측의 그래프는 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 의 위상을 동일하게 적용한 후 각각의 안테나 어레이에 연결된 빔포머의 출력의 위상의 차이를 나타내는 그래프이며 도 12의 (b)에서 우측의 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따라 모든 채널에 대하여 위상 오차 보정을 행한 후 각각의 안테나 어레이에 연결된 빔포머로부터 출력되는 출력의 위상의 차이를 나타내는 그래프이다. 도 12의 (b) 그래프에서 위상 오차를 보정하기 이전의 동일 위상에 대하여 주파수는 약 3Ghz 오차를 나타내며, 위상 오차를 보정한 이후의 위상 오차는 약 0 인 것을 알 수 있다.

즉, 종래기술에 비해 본 발명에서 개시하고 있는 실시예에 따를 경우 안테나 어레이의 출력만으로 안테나 어레이의 위상 및 진폭 변화를 보다 손쉽게 감지할 수 있어 안테나 어레이의 보정이 용이해질 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 복수개의 안테나 어레이에 포함되는 각각의 안테나 중 2개의 안테나를 조합(combination)하여 복수개의 조를 만드는 제어부;
   상기 제어부의 지시에 따라 복수개의 조 중에서 하나의 조를 순차적으로 선택하고, 선택된 조에 포함된 제1 안테나 및 제2 안테나에 각각 연결되는 스위치부;
   상기 제1 안테나 및 제2 안테나의 출력신호의 위상이 180° 차이가 나도록 상기 제1 안테나의 출력신호 위상을 조정하여 결합하는 위상 변환기; 및
   결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점을 검출하는 검출기
   를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점의 위상 및 진폭으로 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상 및 진폭을 고정하며,
   상기 위상 변환기는
   상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 시프트시키는 위상 시프터;
   상기 제1 안테나의 위상이 시프트된 출력신호 및 제2 안테나의 출력신호를 결합하는 컴바이너;
   결합된 출력신호를 증폭시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   안테나 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위치부, 상기 위상 변환기 및 상기 검출기는 동일 기판 상에 배치되는 것을 특징으로 하는,
   안테나 시스템.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 안테나 어레이에 포함되는 안테나가 n개이면,
   상기 제어부는 nC2개의 조를 만드는 것을 특징으로 하는,
   안테나 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 위상 변환기는 상기 제어부의 지시에 따라 연결된 2개의 안테나 중 보정된 안테나가 포함되어 있는 경우, 보정되지 않은 안테나를 제1 안테나로 하는 것을 특징으로 하는,
   안테나 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 상향 조정하고, 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 증가하는 경우, 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 하향 조정하면서 상기 출력신호의 출력전압이 다시 증가하는지 확인하여, 상기 출력전압이 다시 증가하기 이전의 상기 제1 안테나의 출력신호의 위상값을 상기 제1 안테나의 위상으로 고정하는 것을 특징으로 하는,
   안테나 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1 안테나의 출력신호의 진폭을 상향 조정하고, 상기 결합된 출력신호의 출력전압이 증가하는 경우, 상기 제1 안테나의 진폭을 하향 조정하면서 상기 출력신호의 출력전압이 다시 증가하는지 확인하여, 상기 출력전압이 다시 증가하기 이전의 상기 제1 안테나의 출력신호의 진폭값을 상기 제1 안테나의 진폭으로 고정하는 것을 특징으로 하는,
   안테나 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 안테나 어레이를 통해 방사되는 빔의 특성이 표시되는 모니터를 더 포함하는,
   안테나 시스템.
   
9. 복수개의 안테나 어레이에 포함되는 각각의 안테나 중 2개의 안테나 각각에 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 스위치부;
   상기 스위치부에 연결된 제1 안테나 및 제2 안테나의 출력신호의 위상이 180° 차이가 나도록 상기 제1 안테나의 출력신호 위상을 조정하여 결합하는 위상 변환기; 및
   결합된 출력신호의 출력전압이 최소가 되는 지점을 검출하는 검출기
   를 포함하고,
   상기 스위치부, 상기 위상 변환기 및 상기 검출기는 동일 기판 상에 배치되며,
   상기 위상 변환기는
   상기 제1 안테나의 출력신호의 위상을 시프트시키는 위상 시프터;
   상기 제1 안테나의 위상이 시프트된 출력신호 및 제2 안테나의 출력신호를 결합하는 컴바이너;
   결합된 출력신호를 증폭시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   온보드 보정회로.
   
   
10. 삭제

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