KR102466017B1 - 방사 패턴 재구성이 가능한 안테나 소자를 이용한 위상 배열 안테나 시스템 - Google Patents

방사 패턴 재구성이 가능한 안테나 소자를 이용한 위상 배열 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 실시예는, 기설정 개수의 방사패턴(radiation pattern)을 각각 형성하되 소정의 간격을 두고 배열되는 복수의 안테나 소자(antenna elements)를 포함하는 안테나부(antenna unit); 상기 복수의 안테나 소자에서 인접하는 안테나 소자 사이에 소정의 위상차를 갖는 상기 방사패턴이 생성되도록 제어하는 빔포밍부(beamforming unit); 및 상기 복수의 안테나 소자에 각각 상기 방사패턴이 형성되도록 상기 복수의 안테나 소자에 급전전력을 공급하는 급전제어부(feeder control unit)를 포함하는 위상배열 안테나 시스템(phased array antenna system)을 제공한다.

Description

방사 패턴 재구성이 가능한 안테나 소자를 이용한 위상 배열 안테나 시스템{Phased Array Antenna System Using Radiation Pattern-Reconfigurable Antenna Elements}
본 실시예는 방사 패턴 재구성이 가능한 안테나 소자를 이용한 위상 배열 안테나 시스템에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
위상 배열 안테나(phased array antenna)는 단일 안테나 소자로는 얻을 수 없는 방사 패턴(radiation pattern), 또는 빔 패턴(beam pattern)이 요구될 때, 2개 이상의 안테나 소자를 배열하고 각 신호의 위상을 변화시킬 수 있는 위상변환기(phase shifter)를 결합하여 특정 방향으로 높은 지향성을 갖는 방사 패턴을 얻는 장치를 말한다.
위상 배열 안테나는 군수용 레이더, 이동통신, 위성통신 등 다양한 RF(Radio Frequency) 시스템에 널리 이용되어 왔으며, 최근 5G(5-Generation) 이동통신, 사물인터넷, 차량용 레이더, 원거리 무선전력전송 등에 활발히 사용되며 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 안테나는 무선통신 시스템의 가장 첫 단(stage)이기 때문에 안테나 성능은 시스템의 전체적인 효율과 직결된다. 특히 동작 주파수가 높아질수록 공기 중에서 신호감쇠(signal attenuation)가 극심해지며, 이를 극복하기 위해서는 위상 배열 안테나에서 매우 높은 이득을 갖는 빔을 형성하고 방향을 정확히 제어하는 것이 필요하다.
위상 배열 안테나의 소형화를 위해서는 안테나 소자의 이득 증가가 필수적이다. 배열 안테나 이론에 따르면 N 개의 안테나 소자를 배열하였을 때 배열이득(Array Gain)과 안테나 소자 이득(Element Gain)의 관계는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020112529646-pat00001
한편, 위상 배열 안테나의 성능은 스캐닝 범위로 나타낼 수 있다. N 개의 안테나 소자를 d의 간격으로 선형 배열(linear arrangement)하고 안테나 소자 사이에 순차적인 위상차 Φ를 줄 때, 위상 배열 안테나의 배열 빔 패턴(array beam pattern, 또는 배열 패턴(array pattern))은 수학식 2와 같이 안테나 소자 빔 패턴(element beam pattern, 또는 소자 패턴(element pattern))과 배열 인자(array factor)의 곱으로 표현된다.
Figure 112020112529646-pat00002
수학식 2에서, f(θ)는 소자 패턴, k0는 파수(wave number)를 나타낸다. 수학식 2와 같은 관계에 의해 배열 빔 패턴이 개별 안테나 소자의 빔 패턴에 영향을 받기 때문에, 위상 배열 안테나의 스캐닝 범위는 개별 안테나 소자가 갖는 빔폭에 의해 결정된다.
일반적으로, 이득이 높은 안테나 소자를 이용하면 위상 배열 안테나를 소형화할 수 있고, 빔폭이 넓은 안테나 소자를 이용하면 위상 배열 안테나가 넓은 스캐닝 범위를 가질 수 있다.
만일, 높은 이득(high gain)을 가지면서 넓은 빔폭(wide beamwidth)을 갖는 안테나 소자가 있다면 넓은 스캐닝 범위를 갖는 위상 배열 안테나를 소형으로 구현할 수 있고 안테나 성능을 대폭 개선할 수 있다. 하지만, 안테나의 이득과 빔폭은 물리적으로 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있으므로 높은 이득과 넓은 빔폭을 동시에 갖는 안테나를 구현하는 것은 쉽지 않다.
일반적으로 고이득 안테나 소자는 높은 이득으로 인하여 적은 수의 안테나 소자로 위상배열 안테나를 형성할 수 있어 소형화에 강점이 있지만, 위상배열 안테나의 빔폭이 좁기 때문에 위상배열 안테나의 전체 스캐닝 범위가 좁다는 단점이 있다. 반면에 이득은 낮지만 넓은 빔폭을 가지는 안테나 소자로 위상배열 안테나를 구성하는 경우 넓은 스캐닝 범위를 확보할 수 있지만, 소형화가 힘들다는 단점이 있다.
대부분의 위상 배열 안테나의 경우 적당한 너비의 빔폭과 적당한 수준의 이득을 가지면서 구현이 용이하고 부피가 작은 마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna)가 사용된다. 마이크로스트립 패치 안테나는 일반적으로 5 ~ 6 dBi의 이득과 약 100°정도의 빔폭을 가지며, 주로 평판형(planar) 위상 배열 안테나를 구성하는 데에 사용된다.
종래의 위상 배열 안테나의 경우 반파장 간격으로 안테나 소자가 배열되고 이들 간의 위상차가 조절되어 위상 배열 안테나의 빔 방향이 제어된다. 위상 배열 안테나 내의 안테나 소자 사이의 위상차가 0° ~ -180° 값을 가질 경우 위상 배열 안테나의 빔이 앙각(elevation angle) 방향으로 0°와 -90° 사이에서 조향되며, 안테나 소자 사이의 위상차가 0° ~ 180° 값을 가질 경우 위상 배열 안테나의 빔이 0°와 90° 사이에서 조향된다. 하지만, 넓은 각도로 위상 배열 안테나의 빔이 조향될수록 사이드로브 레벨(side-lobe level)이 커지며, 조향 각도가 안테나 소자의 빔폭에 의해 제한되기 때문에 실질적인 스캐닝 범위가 일반적으로 -50° ~ 50° 정도의 수준에 그치는 단점이 있다.
본 실시예는 방사 패턴 재구성이 가능한 안테나 소자를 이용한 위상 배열 안테나 시스템를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 기설정 개수의 방사패턴(radiation pattern)을 각각 형성하되 소정의 간격을 두고 배열되는 복수의 안테나 소자(antenna elements)를 포함하는 안테나부(antenna unit); 상기 복수의 안테나 소자에서 인접하는 안테나 소자 사이에 소정의 위상차를 갖는 상기 방사패턴이 생성되도록 제어하는 빔포밍부(beamforming unit); 및 상기 복수의 안테나 소자에 각각 상기 방사패턴이 형성되도록 상기 복수의 안테나 소자에 급전전력을 공급하는 급전제어부(feeder control unit)를 포함하는 위상배열 안테나 시스템(phased array antenna system)을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 기설정 개수의 방사패턴을 각각 형성하되 소정의 간격을 두고 배열되는 복수의 안테나 소자를 구비하는 위상배열 안테나 시스템에서 방사패턴을 스캐닝하는 방법에 있어서, 상기 복수의 안테나 소자에서 인접하는 안테나 소자 사이에 소정 위상차를 갖는 상기 방사패턴이 생성되도록 제어하는 과정; 및 상기 복수의 안테나 소자에 각각 상기 방사패턴이 형성되도록 상기 복수의 안테나 소자에 급전전력을 공급하는 과정을 포함하는 위상배열 안테나 시스템의 스캐닝 방법을 제공한다.
본 실시예에 따르면, 방사 패턴 재구성이 가능한 고이득 안테나 소자를 이용하여 안테나 소자 배열을 구성한 위상 배열 안테나의 성능을 대폭 개선하는 효과가 있다.
또한, 본 실시예를 레이더나 통신 시스템에 적용할 경우 적은 수의 안테나로 넓은 스캐닝 범위를 커버할 수 있어서 시스템의 소형 경량화에 강점이 있고, 원거리 무선 전력 전송에 적용할 경우에 소형 경량화에 강점 외에도 전력 전송 효율 증대를 기대할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 높은 이득과 넓은 빔폭 특성을 동시에 가질 수 있으므로 넓은 스캐닝 범위를 확보하면서 위상 배열 안테나를 소형화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 위상배열 안테나 시스템을 블록도로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하나의 안테나 소자의 구성을 예시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나에서 스위칭 모드에 따른 스위칭부의 동작과 생성되는 빔 패턴 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 스위칭 모드에 따라 유전체 공진기의 여기 소자의 급전 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 위상배열 안테나 시스템의 구성요소를 상세히 도시한 도면이다.
도 6은 안테나 소자가 2 개의 스위칭 모드를 가질 때의 스캐닝 패턴을 도시한 도면이다.
도 7은 안테나 소자가 3 개의 스위칭 모드를 가질 때의 스캐닝 패턴을 도시한 도면이다.
도 8은 안테나 소자가 5 개의 스위칭 모드를 가질 때의 스캐닝 패턴을 도시한 도면이다.
도 9는 위상배열 안테나 시스템의 스캐닝 방법을 흐름도로 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 위상배열 안테나 시스템을 블록도로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 위상배열 안테나 시스템(100)은 안테나부(antenna unit, 110), 빔포밍부(beamforming unit, 120) 및 급전제어부(feeder control unit, 130)를 포함한다.
안테나부(110)는 복수의 안테나 소자(111, 112, 113)를 포함한다. 각 안테나 소자(111, 112, 113)는 각각 기설정 개수의 방사패턴(radiation pattern)을 생성하며, 인접하는 개별 안테나 소자(111, 112, 113) 사이에 소정의 간격(즉, 이격거리)를 두고 선형적으로(linearly), 예컨대 직선으로, 배열될 수 있다.
본 실시예에서, 복수의 안테나 소자(111, 112, 113)가 선형적으로 배열되는 것을 가정하여 설명하나 본 발명은 이에 한정되지 않고 평면형(planar) 등 다양한 형태로 배열될 수 있다. 따라서, 이하에서 설명하는 안테나 소자(111, 112, 113)의 간격의 설명에서도, 예컨대 안테나 소자(111, 112, 113)가 평면형으로 배열되는 경우, 직선적인 좌우 또는 상하 간격만을 의미하는 것이 아니라 상하 및 좌우의 간격을 포함하는 것을 의미할 수 있다.
빔포밍부(120)는 인접하는 안테나 소자(111, 112, 113) 사이에 소정 위상차를 갖는 방사패턴이 안테나 소자(111, 112, 113)에서 각각 생성되도록 제어한다.
급전제어부(130)는 안테나 소자(111, 112, 113)에 각각 방사패턴이 생성되도록 안테나 소자(111, 112, 113)에 급전전력을 공급한다.
본 실시예에 따른 위상배열 안테나 시스템(100)에서 각 안테나 소자(111, 112, 113)는 각각 방사 패턴 재구성이 가능하도록 구성된다. 다시 말해서, 각 안테나 소자(111, 112, 113)는 M(M은 자연수) 개의 스위칭 모드를 갖고 각 스위칭 모드마다 소정의 방사 패턴을 발생할 수 있도록 형성된다.
급전제어부(130)는 M 개의 스위칭 모드 각각에서 각 안테나 소자(111, 112, 113)에서 방사 패턴이 생성되도록 각 안테나 소자(111, 112, 113)에 급전전력을 공급한다.
급전제어부(130)는 급전부(131) 및 스위칭부(132)를 포함한다.
급전부(131)는 급전 전력을 제공하는 기능을 한다.
스위칭부(132)는 각 안테나 소자(111, 112, 113)의 스위칭 모드에 따라 급전부(131)로부터 각 안테나 소자(111, 112, 113)에 이르는 급전 경로를 제어한다.
빔포밍부(120)는 인접하는 안테나 소자(111, 112, 113)의 배열 배턴 사이의 위상차를 제공한다. 이와 같이, 각 안테나 소자(111, 112, 113)들의 스위칭 모드와 인접하는 안테나 소자(111, 112, 113)의 배열 배턴 간의 위상차를 제어함으로써 위상배열 안테나 시스템(100)에서 방사되는 빔을 조향한다. 이러한 시스템을 M 개의 방향으로 방사 패턴 재구성이 가능한 고이득 안테나 소자를 이용한 위상 배열 안테나 시스템이라 칭한다.
위상배열 안테나 시스템(100)에서 각 안테나 소자(111, 112, 113)의 구성에 따라 서로 다른 개수의 스위칭 모드를 갖도록 구현될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 하나의 안테나 소자(111, 112, 113)의 구성을 예시한 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna)에서 스위칭 모드에 따른 스위칭부의 동작과 생성되는 빔 패턴 형태를 도시한 도면이고, 도 4는 스위칭 모드에 따라 유전체 공진기(230)의 여기 소자(221, 222)의 급전 상태를 도시한 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 함께 참조하면서 본 실시예에 따른 위상배열 안테나 시스템(100)에 대하여 설명한다.
도 2는 하나의 안테나 소자(111, 112, 113)로서 구현된 유전체 공진기 안테나(200)를 예시한 것으로서 기판(substrate, 210), 제1 여기 소자(excitation element, 221) 제2 여기 소자(excitation element, 222) 및 유전체 공진기(230)를 포함한다.
도 3은 도 1의 블록들 중에서 하나의 안테나 소자(111) 및 급전제어부(130)의 구조를 상세히 도시한 도면이다. 급전제어부(130)의 출력 f1 및 f2가 빔포밍부(120)를 경유하여 각각 안테나 소자(111)의 Port 1 및 Port 2에 연결된 상태로서, 편의상 빔포밍부(120)의 도시는 생략한 것이다.
기판(210)은 PCB 기판일 수 있다. 여기 소자(221, 222)는 급전 장치(310)로부터 전력을 공급받아 유전체 공진기(230)를 여기(excite)한다. 도 2에서 유전체 공진기(230)는 두 개의 여기 소자(221, 222)와 접촉되도록 형성된다. 전력을 공급받은 여기 소자(121, 122) 중 적어도 하나에 의해 유전체 공진기(230)에서 빔 패턴이 생성된다. 도 2에서 여기 소자(221, 222)는 두 개인 것을 예로 들었으나, 유전체 공진기 안테나(200)에는 더 많은 여기 소자가 포함될 수도 있다. 또한, 여기 소자(221, 222)는 다양한 소재 및 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 또한, 각각의 여기 소자(221, 222)는 유전체 공진기(230)의 표면의 서로 다른 위치에 배치된다.
여기 소자(221, 222)는 도 2에 도시한 바와 같이 기판(210) 상에 배치될 수도 있으며, 기판(210)과 접촉하지 않는 유전체 공진기(230)의 표면에 배치될 수도 있다. 여기 소자(221, 222)가 유전체 공진기(230)의 표면에 배치되는 경우, 여기 소자(221, 222)와 기판(210)이 상호 도선(conductor)으로 연결될 수 있다.
도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 스위칭모드(Mode 1)에서는 스위칭부(312) 내의 SW1, SW2 및 SW3의 스위칭에 의하여 Port 1이 ON 되며, 급전부(311)가 제1 여기 소자(221)에 연결되어 전력이 공급된다. 이 경우, 유전체 공진기(230)의 빔 패턴이 좌측으로 향하는 형태가 된다.
도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 스위칭모드(Mode 2)에서는 SW1, SW2 및 SW3의 스위칭에 의하여 Port 1 및 Port 2가 ON 되며, 급전부(311)가 제1 여기 소자(221) 및 제2 여기 소자(222)에 연결되어 전력이 공급된다. 이 경우, 유전체 공진기(230)의 빔 패턴은 제1 여기 소자(221) 및 제2 여기 소자(222)에 의해 생성된 두 빔의 벡터 합 방향인 0°방향을 향하는 형태가 된다.
도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 제3 스위칭모드(Mode 3)에서는 SW1, SW2 및 SW3의 스위칭에 의하여 Port 2가 ON 되며, 급전부(311)가 제2 여기 소자(222)에 연결되어 전력이 공급된다. 이 경우, 유전체 공진기(230)의 빔 패턴이 우측으로 향하는 형태가 된다.
도 5는 위상배열 안테나 시스템(100)의 구성요소를 상세히 도시한 도면이다.
도 5에서 위상배열 안테나 시스템(100)은 기판(210) 상에 8개의 유전체 공진기(230)가 형성되어 8개의 개별 안테나 소자를 구비하며, 인접하는 안테나 소자 사이는 0.9 λ0(단, λ0는 안테나 소자 빔의 파장)의 이격거리를 갖도록 구성된 것이다.
참고로, 안테나 소자(111, 112, 113)는 각 방사패턴에 대해 각각 9 dBi 이상의 고이득을 갖는 안테나 소자로서 구현될 수 있다.
본 실시예에서, 안테나 소자(111, 112, 113)가 9 dBi 이상의 고이득 소자인 경우 좋은 성능의 위상배열 안테나 시스템(100)의 구현이 용이하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 이득의 안테나 소자를 사용할 수 있다.
빔포밍부(120)는 전력분배부(121, power combiner), 위상변환부(122, phase shifter) 및 저잡음증폭부(133, low noise amplifier)를 포함한다.
전력분배부(121)는 급전부(131) 및 스위칭부(132)를 경유하여 공급되는 단일 공급 전력을 여러 갈래의 파생 전력으로 나누어 위상변환부(122)에게 균등하게 공급한다.
위상변환부(122)는 급전 전력과 함께 제공되는(또는 급전전력으로서 제공되는) 고주파 안테나 소자 여기 신호에 위상차를 부여한다. 여기서 여기 신호에 부여되는 위상차에 의해 인접 안테나 소자(111, 112, 113)에서 생성되는 방사패턴 사이에 소정의 위상차가 존재한다.
위상변환부(122)는 안테나 소자(111, 112, 113)로부터 각각 발생하는 방사패턴이 해당하는 부분공간(subspace) 내에 형성되도록 인접 안테나 소자(111, 112, 113)에서 발생하는 방사 패턴 사이의 위상차를 설정하는 기능을 갖는다.
위상배열 안테나 시스템(100)의 전체 스캐닝 범위는, 개별 안테나 소자(111, 112, 113)에서 발생하는 방사패턴의 종류에 각각 대응되는 부분공간으로 분할된다.
만일, 도 3에 도시한 바와 같이 개별 안테나 소자(111, 112, 113)에서 발생하는 방사패턴의 종류가 3가지이면 스위칭 모드의 개수 M은 3이 된다. 이 경우, 전체 스캐닝 범위가 스위칭 모드의 개수로 나뉘어 3개의 부분공간으로 나뉘어진다.
전체 스캐닝 범위가 ±θmax 인 경우, 각 부분공간은 수학식 3과 같이 계산된다.
Figure 112020112529646-pat00003
또한, 안테나 소자(111, 112, 113)의 각 방사 패턴의 틸트각(tilt angle)은 수학식 4와 같이 계산된다. 참고로, 틸트각은 방사 패턴의 방향을 나타내는 것으로서 각 부분공간의 중심을 향하는 각도이다.
Figure 112020112529646-pat00004
전체 스캐닝 범위가 -70° ~ 70°이고 M = 3인 경우, 세 개의 부분공간인 부분공간 I, 부분공간 Ⅱ 및 부분공간 Ⅲ은 각각 -70° ~ -23.3°, -23.3° ~ 23.3°, 23.3° ~ 70°가 된다. 또한, 스위칭 모드 1, 스위칭 모드 2 및 스위칭 모드 3에 해당하는 방사 패턴의 틸트각 θ1, θ2 및 θ3은 각각 -46.7°, 0° 및 46.7°가 된다.
안테나 소자(111, 112, 113)의 빔이 다른 부분공간을 침범하지 않도록 하기 위하여 안테나 소자(111, 112, 113)의 HPBW(Half-Power BeamWidth)의 최대값(HPBWmax)이 설정되어야 한다. HPBWmax는 안테나 소자(111, 112, 113)의 빔의 메인 로브(main lobe)와 격자 로브(grating lobe) 사이의 최소 각도 차이 θgap를 기반으로 산출된다.
메인 로브 각도와 격자 로브 각도를 산출하기 위한 주요 매개 변수로서 안테나 소자(111, 112, 113) 사이의 간격 d는 수학식 5를 이용하여 산출된다. 또한, 메인 로브 각도는 수학식 6으로부터 산출되며, 격자 로브 각도는 수학식 7로부터 산출된다.
Figure 112020112529646-pat00005
Figure 112020112529646-pat00006
Figure 112020112529646-pat00007
수학식 5 내지 7로 산출된 결과를 이용하여 θgap은 수학식 8로부터 산출된다.
Figure 112020112529646-pat00008
한편, 안테나 소자(111, 112, 113)의 -5 dB 빔폭이 θgap과 같을 때 안테나 소자(111, 112, 113)의 HPBW가 HPBWmax의 근사값이 됨이 실험적으로 확인되었다. HPBWmax가 결정되면 수학식 9와 같이 스위칭 모드 개수의 최소값이 도출될 수 있다.
Figure 112020112529646-pat00009
수학식 9에서 알 수 있듯이, M의 최소값은 전체 스캐닝 범위 2θmax를 HPBWmax로 나눈 것을 기반으로 구할 수 있다. 예를 들어, 대상 스캐닝이 ±70°이고 소자 간격 d가 0.9 λ0인 경우 HPBWmax는 54.4°가 되고, 수학식 9에 의해 M은 3이 된다. 따라서 이 경우의 안테나 소자(111, 112, 113)는 최소 3 개의 스위칭 모드를 가져야 하며 수학식 4에 따라 각 스위칭 모드에서의 빔의 틸트각은 각각 -46.7°, 0° 및 46.7°가 된다. 즉, 전체 스캐닝 범위 및 소자 간격 d에 따라 M의 최소값, 틸트각 θk 및 HPBWmax와 같은 안테나 소자(111, 112, 113)의 특성이 도출될 수 있다.
인접하는 안테나 소자(111, 112, 113) 사이의 간격 및 -5 dB 빔폭을 기반으로 HPBW가 산출되고 전체 스캐닝 범위를 HPBW로 나눈 값을 기반으로 부분공간의 수가 결정되므로, 안테나 소자의 간격 d는 부분공간의 수 및 전체 스캐닝 범위와 관련이 있음을 알 수 있다. 즉, 안테나 소자의 간격은 부분공간의 수 및 전체 스캐닝 범위를 기반으로 수학식 5 내지 9를 이용하여 산출될 수 있다.
스캐닝 범위가 ±70°인 경우 인접 안테나 소자(111, 112, 113) 사이의 간격 d에 따른 위상배열 안테나 시스템(100)의 특성은 표 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112020112529646-pat00010
인접 안테나 소자(111, 112, 113) 사이의 간격(즉, 소자 간격)이 0.6 λ0 또는 0.7 λ0 인 경우, 1 < (2θmax / HPBWmax) ≤ 2이기 때문에 M의 최소값은 2이고 각 스위칭 모드에서의 틸트각은 각각 -35° 및 35°가 된다.
소자 간격이 0.8 λ0 또는 0.9 λ0 또는 1.0 λ0 인 경우, 2 < (2θmax / HPBWmax) ≤ 3이기 때문에 M의 최소값은 3이고 각 스위칭 모드에서의 틸트각은 각각 -46.7°, 0° 및 46.7°가 된다.
소자 간격이 1.1 λ0 또는 1.2 λ0 인 경우, 3 < (2θmax / HPBWmax) ≤ 4이므로 M의 최소값은 4이고 각 스위칭 모드에서의 틸트각은 각각 52.5°, 17.5°, 17.5°, 52.5°가 된다.
소자 간격이 1.3 λ0 또는 1.4 λ0 또는 1.5 λ0 인 경우 4 < (2θmax / HPBWmax) ≤ 5이므로 M의 최소값은 5이고 각 스위칭 모드에서의 틸트각은 각각 -56°, -28°, 0°, 28° 및 56°가 된다.
한편, 급전제어부(130)는, 복수의 안테나 소자(111, 112, 113)에서 발생하는 방사패턴이 복수의 부분공간(subspace)에 대하여 순차적으로 스캐닝되도록 복수의 안테나 소자(111, 112, 113)에 대한 급전을 제어한다. 그리고, 복수의 안테나 소자(111, 112, 113)에 방사패턴이 발생하는 경우, 이 방사패턴들은 서로 다른 부분공간으로 스캐닝되는 일이 없이 모두 동일한 부분공간으로 스캐닝된다.
급전제어부(130)는, 복수의 안테나 소자(111, 112, 113)에서 발생하는 모든 방사패턴이 어느 한 부분공간으로 스캐닝되도록 안테나 소자(111, 112, 113)에 대한 급전을 제어하되 스캔 대상의 모든 부분공간을 순차적으로 스캐닝되도록 제어하며, 또한, 이러한 순차적 스캐닝이 반복적으로 이루어지도록 안테나 소자(111, 112, 113)에 대한 급전을 제어한다.
위상배열 안테나 시스템(100)의 스캐닝 성능을 보여주기 위해 안테나 소자가 2, 3 및 5 개의 스위칭 모드를 가질 때의 스캐닝 패턴을 도 6, 도 7 및 도 8에 각각 나타내었다.
도 6은 안테나 소자(111, 112, 113)가 두 방향으로 방사 패턴 재구성이 가능한 경우로서, 도 6의 (a)는 안테나 소자(111, 112, 113)들이 제1 스위칭모드(Mode 1)로 동작할 때 인접 안테나 소자(111, 112, 113)의 방사 패턴 사이의 위상차에 따라 제1 부분공간(Subspace I)이 스캐닝되는 패턴을 보여주고, 도 6의 (b)는 안테나 소자들이 제2 스위칭모드(Mode 2)로 동작할 때 인접 안테나 소자(111, 112, 113)의 방사 패턴 사이의 위상차에 따라 제2 부분공간(Subspace II)이 스캐닝되는 패턴을 보여준다.
도 6은 N이 8, θmax가 70°, d가 0.7 λ0 인 경우의 스캐닝 성능을 보여준다. 여기서 안테나 소자(111, 112, 113)는 틸트각이 35° 및 35°인 두가지 스위칭 모드를 갖는다.
수학식 6으로부터, 메인 로브는 안테나 소자 사이의 위상차에 따라 -45.6° ∼ 45.6°에서 발생한다. 따라서, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 스위칭 모드 1에서, 45.6° ~ 0° 범위가 메인 로브를 사용하여 스캐닝될 수 있으며, 70° ∼ 45.6° 범위가 격자 로브를 사용하여 스캐닝될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 6의 (b)와 같이 스위칭 모드 2에서, 0° ~ 45.6° 범위는 메인 로브를 사용하여 스캐닝될 수 있으며 45.6° ~ 70° 범위는 격자 로브를 사용하여 스캐닝될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 격자 로브가 메인 빔으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 안테나 소자(111, 112, 113)가 세 방향으로 방사 패턴 재구성이 가능한 경우로서, 도 7의 (a)는 안테나 소자들이 제1 스위칭모드(Mode 1)로 동작할 때 위상차에 따라 제1 부분공간(Subspace I)이 스캐닝되고, 도 7의 (b)는 안테나 소자들이 제2 스위칭모드(Mode 2)로 동작할 때 위상차에 따라 제2 부분공간(Subspace II)이 스캐닝되고, 도 7의 (c)는 안테나 소자들이 제3 스위칭모드(Mode 3)로 동작할 때 위상차에 따라 제3 부분공간(Subspace III)이 스캐닝되는 패턴을 보여준다.
도 7의 (a-c)는 N이 8, θmax가 70°, d가 0.9 λ0 인 경우 각각 모드 1, 모드 2 및 모드 3의 스캐닝 성능을 보여준다. 여기서 안테나 소자(111, 112, 113)는 틸트각이 46.7°, 0° 및 46.7°인 세가지 스위칭 모드를 가지며, 전체 스캐닝 범위가 세 개의 부분공간으로 나뉘고 각 부분공간에서 메인 로브와 격자 로브를 사용하여 스캐닝 성능이 획득됨을 알 수 있다.
도 8은 N이 8, θmax가 70°, d가 1.5 λ0 인 경우의 스캐닝 성능을 보여준다.
도 8은 안테나 소자(111, 112, 113)가 다섯 방향으로 방사 패턴 재구성이 가능한 경우로서, 도 8의 (a)는 안테나 소자(111, 112, 113)들이 제1 스위칭모드(Mode 1)로 동작할 때 위상차에 따라 제1 부분공간(Subspace I)이 스캐닝되고, 도 8의 (b)는 안테나 소자(111, 112, 113)들이 제2 스위칭모드(Mode 2)로 동작할 때 위상차에 따라 제2 부분공간(Subspace II)이 스캐닝되고, 도 8의 (c)는 안테나 소자(111, 112, 113)들이 제3 스위칭모드(Mode 3)로 동작할 때 위상차에 따라 제3 부분공간(Subspace III)이 스캐닝되고, 도 8의 (d)는 안테나 소자(111, 112, 113)들이 제4 스위칭모드(Mode 4)로 동작할 때 위상차에 따라 제4 부분공간(Subspace IV)이 스캐닝되고, 도 8의 (e)는 안테나 소자(111, 112, 113)들이 제5 스위칭모드(Mode 5)로 동작할 때 위상차에 따라 제5 부분공간(Subspace V)이 스캐닝되는 패턴을 보여준다. 이처럼 안테나 소자(111, 112, 113)가 M 개의 스위칭 모드를 가질 때 스캐닝 범위가 M개의 부분공간으로 분할되어 스캐닝된다.
도 8에서, 안테나 소자(111, 112, 113)는 틸트각 -56°, -28°, 0°, 28° 및 56°를 갖는 5가지 스위칭 모드를 가지며, 소자 간격이 상당히 크더라도 원하는 스캐닝 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 위상배열 안테나 시스템(100)의 스캐닝 방법을 흐름도로 도시한 블록도이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 함께 참조하면서 스위칭 모드가 3개인 경우 본 실시예에 따른 위상배열 안테나 시스템(100)의 스캐닝 방법을 설명한다.
급전부(131)는 안테나 소자(111, 112, 113)에 각각 방사패턴이 생성되도록 안테나 소자(111, 112, 113)에 급전전력을 공급한다(S910).
위상배열 안테나 시스템(100)의 스위칭 모드를 확인한다(S920).
스위칭 모드가 제1 스위칭모드(Mode 1)인 경우, 스위칭부(312) 내의 SW1, SW2 및 SW3의 스위칭을 제어하여 Port 1이 ON 되도록 설정한다(S930). 이 경우, 급전부(311)가 제1 여기 소자(221)에 연결되어 전력이 공급되며, 유전체 공진기(230)의 빔 패턴이 좌측으로 향하는 형태가 된다.
스위칭 모드가 제2 스위칭모드(Mode 2)인 경우, SW1, SW2 및 SW3의 스위칭을 제어하여 Port 1 및 Port 2가 ON 되도록 설정한다(S940). 이 경우, 급전부(311)가 제1 여기 소자(221) 및 제2 여기 소자(222)에 연결되어 전력이 공급되며, 유전체 공진기(230)의 빔 패턴은 제1 여기 소자(221) 및 제2 여기 소자(222)에 의해 생성된 두 빔의 벡터 합 방향인 0°방향을 향하는 형태가 된다.
스위칭 모드가 제3 스위칭모드(Mode 3)인 경우, SW1, SW2 및 SW3의 스위칭을 제어하여 Port 2가 ON 되도록 설정한다(S950). 이 경우, 급전부(311)가 제2 여기 소자(222)에 연결되어 전력이 공급되며, 유전체 공진기(230)의 빔 패턴이 우측으로 향하는 형태가 된다.
빔포밍부(120)는 서로 인접하는 안테나 소자(111, 112, 113) 사이에 소정 위상차를 갖는 방사패턴이 안테나 소자(111, 112, 113)에서 각각 생성되도록 급전 전력과 함께 제공되는(또는 급전전력으로서 제공되는) 고주파 안테나 소자 여기 신호의 위상을 변환시킨다(S960). 여기서 각 안테나 소자(111, 112, 113)에 해당하는 모든 안테나 소자 여기 신호의 위상을 변환시킨다.
이상에서, 서로 인접하는 안테나 소자(111, 112, 113) 사이에 소정 위상차를 갖는다는 의미는 서로 인접하는 안테나 소자(111, 112, 113) 사이에 동일한 위상차를 가질 수도 있으며, 동일한 위상차가 아닌 서로간의 소정의 위상차에서 약간의 오차를 갖도록 형성될 수도 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 위상배열 안테나 시스템
110: 안테나부 111, 112, 113: 안테나 소자
120: 빔포밍부 130: 급전제어부
131: 급전부 132: 스위칭부
200: 유전체 공진기 안테나 210: 기판
221: 제1 여기 소자 222: 제2 여기 소자
230: 유전체 공진기

Claims (11)

  1. 기설정 개수의 방사패턴(radiation pattern)을 각각 형성하되 소정의 간격을 두고 배열되는 복수의 안테나 소자(antenna elements)를 포함하는 안테나부(antenna unit);
    상기 복수의 안테나 소자에서 인접하는 안테나 소자 사이에 소정의 위상차를 갖는 상기 방사패턴이 생성되도록 제어하는 빔포밍부(beamforming unit); 및
    상기 복수의 안테나 소자에 각각 상기 방사패턴이 형성되도록 상기 복수의 안테나 소자에 급전전력을 공급하는 급전제어부(feeder control unit)를 포함하되,
    상기 급전제어부의 스위칭 모드의 개수는 상기 기설정 게수와 동일한 것을 특징으로 하고,
    상기 스위칭 모드의 개수는,
    다음 수학식에 따라 산출되는 위상배열 안테나 시스템(phased array antenna system).
    [수학식]
    Figure 112022044132552-pat00021

    여기서,
    Figure 112022044132552-pat00022
    는 HPBW(Half-Power BeamWidth)의 최대 값이고,
    Figure 112022044132552-pat00023
    는 전체 스캐닝 범위이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상배열 안테나 시스템의 전체 스캐닝 범위(target scanning range)는, 상기 기설정 개수의 방사패턴에 각각 대응되는 복수의 부분공간(subspace)으로 분할되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 빔포밍부는,
    상기 복수의 안테나 소자로부터 각각 발생하는 방사패턴이 해당하는 부분공간 내에 형성되도록 상기 위상차를 설정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 급전제어부는,
    상기 복수의 안테나 소자에서 발생하는 방사패턴이 상기 복수의 부분공간(subspace)에 대하여 순차적으로 스캐닝되도록 상기 복수의 안테나 소자에 대한 급전을 제어하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자에 발생하는 방사패턴은 모두 동일한 부분공간으로 스캐닝되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 전체 스캐닝 범위가 -θmax 내지 +θmax인 경우, 수학식
    Figure 112020112529646-pat00011

    에 의해 상기 부분공간이 분할되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 방사패턴의 방향은 상기 부분공간의 중심인 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 부분공간의 수 및 상기 전체 스캐닝 범위를 기반으로 상기 안테나 소자의 간격이 결정되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 급전제어부의 스위칭 모드의 개수는 상기 기설정 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 소자는,
    상기 기설정 개수의 방사패턴에 대해 각각 9 dBi 이상의 안테나 소자 이득을 갖는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템.
  11. 기설정 개수의 방사패턴을 각각 형성하되 소정의 간격을 두고 배열되는 복수의 안테나 소자를 구비하는 위상배열 안테나 시스템에서 방사패턴을 스캐닝하는 방법에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자에서 인접하는 안테나 소자 사이에 소정 위상차를 갖는 상기 방사패턴이 생성되도록 제어하는 과정; 및
    상기 복수의 안테나 소자에 각각 상기 방사패턴이 형성되도록 상기 복수의 안테나 소자에 급전전력을 공급하는 과정을 포함하되,
    상기 복수의 안테나 소자에 급전전력을 공급하기 위한 스위칭 모드의 개수는 상기 기설정 개수와 동일한 것을 특징으로 하고,
    상기 스위칭 모드의 개수는,
    다음 수학식에 따라 산출되는 위상배열 안테나 시스템의 스캐닝 방법.
    [수학식]
    Figure 112022044132552-pat00024

    여기서,
    Figure 112022044132552-pat00025
    는 HPBW(Half-Power BeamWidth)의 최대 값이고,
    Figure 112022044132552-pat00026
    는 전체 스캐닝 범위이다.
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