KR102467951B1 - 초고주파 빔 형성 안테나 - Google Patents

Abstract

다수의 혼 안테나를 반사판 안테나의 급전으로 사용함으로써 다수의 빔을 형성하고 빔 포밍이 가능한 초고주파 빔 형성 안테나가 개시된다. 초고파 빔 형성 안테나는, 안테나 몸체의 일면에 설치되는 주 반사경, 주 반사경의 중앙부에 설치되는 배열 혼 급전 구조, 주 반사경 상에서 배열 혼 급전 구조와 이격되어 배치되는 부 반사경, 및 배열 혼 급전 구조에 배열된 복수의 혼 안테나들 각각에 연결되는 복수의 도파관 급전들을 포함한다.

Description

초고주파 빔 형성 안테나{MICROWAVE BEAM-FORMING ANTENNA}

본 발명은 초고주파 안테나에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 다수의 혼 안테나를 반사판 안테나의 급전으로 사용함으로써 다수의 빔을 형성하고 빔 포밍이 가능한 초고주파 빔 형성 안테나에 관한 것이다.

테라헤르츠파는 0.1 ~ 10㎔ 대역의 주파수 자원으로써 전자기파 스펙트럼에서 원적외선과 밀리미터파 중간 영역에 해당하고 전파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 보여주는 특이한 물리적 특성을 가지는 미개척 주파수 전자파 자원이다.

테라헤르츠 주파수 대역은 분자 운동의 진동주파수 영역이기 때문에 물질의 성분 분석에 적합하여 물질의 물성, 분자, 생명 연구 등을 위한 분광 시스템, 측정한 분광 특성을 2차원 또는 3차원의 이미지로 형상화하는 이미징 시스템, 넓은 주파수 대역폭을 이용한 초고속 무선 통신 시스템에 응용이 가능하다.

현재 테라헤르츠파 대역의 연구는 근거리 주파수 대역의 신호를 생성, 검출하는 발진 및 검출 소자에 한정되어 있고, 저출력/저감도라는 단점이 존재한다.

앞으로 6G 이상의 무선통신 기술은 테라헤르츠파를 이용할 것으로 예상된다. 현재의 근거리 검출용 저 이득 안테나로는 장거리 무선통신에 적합하지 않다. 고 이득 장거리 전송용 안테나로는 혼 안테나와 카세그레인 안테나가 대표적이다.

카세그레인 안테나는 초 고 이득 특성 때문에 위성 통신에도 사용되지만 그 크기가 크고 제작의 복잡성 및 비싼 제작 단가 문제가 존재하고 전자적 빔포밍이 불가능하여 한계가 존재한다.

혼 안테나는 소형으로 제작이 가능하고 비교적 제작이 쉽다는 장점이 있지만 안테나 이득이 중 이득 정도이기 때문에 장거리 전송에는 한계가 따른다. 고 이득 안테나는 장거리 전송에 장점이 있지만 빔폭이 좁다는 단점이 존재한다.

빔폭이 좁으면 다수의 유저에게 서비스를 제공하기 어렵기 때문에 빔포밍 기술이 필수적으로 요구된다. 그러나 초고주파에서 반사판 안테나(카세그레인 안테나) 및 혼 안테나의 빔포밍 구현은 매우 어렵다. 파장이 매우 짧기 때문에 각각의 안테나 간 합성이 불가능하다.

이를 해결하고자 카세그레인 안테나의 경우, 부 반사판 또는 급전 혼의 각도를 기계적으로 회전시키는 방법으로 빔포밍을 구현한다. 이는 추가적인 물리적 구현을 위한 모터가 필요하며, 빔 스위칭 속도가 매우 느리기 때문에 한계가 존재한다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 한계를 극복하고자 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 고이득을 위해서 반사판 안테나 구조를, 넓은 빔폭을 위해서 카세그레인 안테나의 주반사판 크기를 소형으로 구현한 구조를 가지며, 빔 포밍을 위하여 다수의 급전 혼안테나를 배열하고, 다수의 급전 혼안테나에 신호를 전달하는 도파관을 카세그레인 안테나 측면에 구성함으로써, 초고주파 대역의 고 이득 빔포밍이 가능한 초고주파 빔 형성 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전체 안테나 크기를 줄이고 다수의 도파관 라인과 빔 포밍 칩을 연결한 전자적(electric) 빔포밍 방법, 각각의 도파관에 신호를 인가한 고정형 빔포밍 방법 그리고 그 둘을 결합한 빔포밍 방법을 이용하는 초고주파 빔 형성 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 초고파 빔 형성 안테나는, 안테나 몸체의 일면에 설치되는 주 반사경; 상기 주 반사경의 중앙부에 설치되는 배열 급전 혼; 상기 주 반사경 상에서 상기 배열 급전 혼과 이격되어 배치되는 부 반사경; 및 상기 배열 급전 혼에 배열된 복수의 혼 안테나들 각각에 연결되는 복수의 도파관 급전들을 포함한다.

일실시예에서, 상기 복수의 도파관 급전들 중 다수의 도파관 급전들 각각은 상기 안테나 몸체 내부에서 직각으로 절곡되는 절곡부를 구비하고, 그 말단부들이 상기 안테나 몸체의 측면으로 연장한다.

일실시예에서, 상기 안테나 몸체 내부에서 상기 복수의 도파관 급전들은 중앙의 도파관 급전을 중심으로 방사상 방향에 위치할 수 있다.

일실시예에서, 초고주파 빔 형성 안테나는, 상기 안테나 몸체의 측면에서 상기 말단부들 각각에 연결되는 복수의 도파관 커넥터들을 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 복수의 도파관 급전들 중 어느 하나의 도파관 급전의 말단부는 상기 안테나 몸체의 하부면 또는 저면으로 연장하여 상기 안테나 몸체의 하부면 또는 저면에 노출될 수 있다. 상기 어느 하나의 도파관 급전의 말단부에는 도파관 커넥터가 연결될 수 있다.

일실시예에서, 상기 배열 급전 혼의 형태는 원형 또는 다각형일 수 있다.

일실시예에서, 상기 배열 급전 혼에 설치되는 복수의 혼 안테나들 각각의 형태는 원형 또는 다각형일 수 있다.

일실시예에서, 상기 복수의 혼 안테나들 각각은 그 중앙에 빔 방사 방향으로 개방된 직사각형 개구부를 구비하고, 상기 복수의 혼 안테나들 중 적어도 2개는 상기 직사각형 개구부의 길이 방향이 서로 다르게 배열될 수 있다.

일실시예에서, 상기 복수의 도파관 급전들의 개수는 상기 배열 급전 혼의 혼 안테나의 개수와 동일할 수 있다.

일실시예에서, 초고주파 빔 형성 안테나는 상기 배열 급전 혼에 배치되는 상기 복수의 혼 안테나들의 배열 위치에 따라 빔 포밍에 의한 빔 각도를 형성할 수 있다.

일실시예에서, 초고주파 빔 형성 안테나는, 상기 복수의 도파관 급전들 각각에 빔 포밍 칩을 연결하여 능동적인 빔 포밍에 의한 고정형 빔 포밍 음영지역을 커버할 수 있다.

일실시예에서, 초고주파 빔 형성 안테나는, 상기 안테나 몸체에 형성되는 접지체를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 넓은 빔폭을 위하여 카세그레인 안테나의 주반사판 크기를 소형으로 구현하고, 빔 포밍을 위하여 다수의 급전 혼안테나를 배열하고, 다수의 급전 혼안테나에 신호를 전달하는 도파관을 카세그레인 안테나 측면에 구성하여 전체 안테나 크기를 줄이고, 다수의 도파관 라인과 빔 포밍 칩을 연결한 전자적(electric) 빔포밍 방법과 각각의 도파관에 신호를 인가한 고정형 빔포밍 방법과 그 둘을 결합한 빔포밍 방법을 통해 초고주파 대역을 사용한 고 이득 빔포밍 안테나를 구현할 수 있으며, 이를 통해 안테나의 전력 소비 효율을 증가시키고 신호품질을 향상시키고 음영지역을 해소하여 효율적으로 주파수를 사용하는데 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초고주파 빔 형성 안테나에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나의 도파관 배열 구조는 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나의 도파관 배열 구조를 설명하기 위한 정면측에서 본 부분 투영 사시도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 채용할 수 있는 배열 혼 급전 구조를 나타낸 예시도들이다.
도 5는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 채용할 수 있는 수동 빔 포밍 동작 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 채용할 수 있는 능동 빔 포밍 동작 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7 및 도 8은 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나의 빔 패턴 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 결합할 수 있는 안테나 제어장치의 주요 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 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.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 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.

본 출원의 실시예들에서, “A 및 B 중에서 적어도 하나”는 “A 또는 B 중에서 적어도 하나” 또는 “A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나”를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, “A 및 B 중에서 하나 이상”은 “A 또는 B 중에서 하나 이상” 또는 “A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상”을 의미할 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system)이 설명될 것이다. 통신 시스템은 4G 통신 시스템(예를 들어, LTE(long-term evolution) 통신 시스템, LTE-A 통신 시스템), 5G 통신 시스템(예를 들어, NR(new radio) 통신 시스템) 등일 수 있다. 4G 통신 시스템은 6GHz 이하의 주파수 대역에서 통신을 지원할 수 있고, 5G 통신 시스템은 6GHz 이하의 주파수 대역뿐만 아니라 6GHz 이상의 주파수 대역에서 통신을 지원할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있고, "LTE"는 "4G 통신 시스템", "LTE 통신 시스템" 또는 "LTE-A 통신 시스템"을 지시할 수 있고, "NR"은 "5G 통신 시스템" 또는 "NR 통신 시스템"을 지시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초고주파 빔 형성 안테나에 대한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 초고주파 빔 형성 안테나는, 카세그레인 안테나로서, 주 반사경(10), 부 반사경(11), 배열 혼 급전(12), 접지체(13), 도파관 커넥터(14)를 포함한다. 초고주파 빔 형성 안테나(간략히 '카세그레인 안테나'라고 한다)는 두 개의 초점과 주 반사경 및 부 반사경으로 구성된다.

주 반사경(10)은 가상의 초점(virtual focal point)에 의한 포물면을 형성한다. 부 반사경(11)은 실제 배열 급전 혼(12)의 위상 중심점과 일치하는 초점과 가상 초점의 관계로부터 형성되는 쌍곡면으로 구성된다.

기존의 카세그레인 안테나는 고이득 특성을 가지지만 빔폭이 매우 좁다. 이런 이유로, 넓은 커버리지를 확보해야 하는 이동통신 분야에는 잘 사용되지 않고 주로 위성 통신에 사용된다. 그러나 높은 주파수를 사용하고 고속통신이 가능해야하는 테라헤르츠 이동통신에서는 혼 또는 패치 안테나 사용이 불가능하다. 이에 본 실시예에서는 주 반사경(10)의 지름을 줄여 빔폭을 확장한다.

본 실시예에서 주 반사경(10)의 지름은 기존의 카세그레인 안테나의 직경(예컨대, 수십 ㎝ 이상)에 비해 매우 작은 30㎜ 이상 내지 18㎝ 이하일 수 있다. 카세그레인 안테나의 직경이 30㎜인 경우, 100Gbps에서 1Tbps의 채널 용량을 갖고 수 km의 거리에서 송수신할 수 있는 테라헤르츠 송수신기에 효과적으로 적용가능하다.

또한, 기존의 카세그레인 안테나의 급전부는 원형 또는 사각형의 하나의 혼 안테나를 사용한다. 전통적인 카세그레인 안테나는 빔 포밍이 불가능하기 때문에 모터를 사용하여 기계적으로 부 반사경을 움직여 빔 포밍을 수행한다. 이는 부 반사경이 모터에 의해 제어되기 때문에 안테나의 크기가 커지고 구조가 복잡해지며 고속의 빔 포밍이 불가능하다. 이에 본 실시예에서는 혼 급전부를 배열 혼(12) 구조를 사용하고, 접지체(13) 측면으로 급전 혼(12)의 개수만큼 도파관 급전(14)을 형성하여 안테나 전체 크기를 증가시키지 않고도 각각의 도파관 급전으로 신호를 인가하여 빔 포밍을 유도하도록 구성한다.

본 실시예에서 혼 급전부는 복수의 혼 안테나들이 배열된 구조로서, 배열 혼, 배열 혼 구조, 배열 급전 혼, 배열 혼 급전, 배열 급전 혼 구조, 배열 혼 급전 구조 등으로 지칭될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 각각의 도파관 커넥터(14)를 통해 인가되는 신호가 배열 혼 급전(12)을 통과하여 부 반사경(11)에서 1차 반사되고, 1차 반사된 신호는 주 반사경(10)을 통하여 2차 반사되어 공기 중으로 전파될 수 있다. 신호 수신의 경우는 위의 경우와 반대이다.

도 2는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나의 도파관 배열 구조는 설명하기 위한 평면도이다. 도 3은 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나의 도파관 배열 구조를 설명하기 위한 정면측에서 본 부분 투영 사시도이다.

도 2에 도시한 초고주파 빔 형성 안테나의 도파관 배열 구조는, 도 1의 초고주파 빔 형성 카세그레인 안테나의 중간면을 절단하여 상측에서 본 구조이다.

초고주파 빔 형성 안테나의 도파관 배열 구조는 접지체(20)에 급전 혼 개수만큼의 복수의 도파관들(21a 내지 21h)을 안테나 몸체의 중심에 위치한 급전핀(21)을 중심으로 방사 방향으로 형성하고 있다.

또한, 도파관 배열 구조는 도 3에 도시한 바와 같이 급전 혼(24; 도 1의 12에 대응한다)에서 수직으로 내려온 후 안테나 몸체 내부의 중간 부분에서 접지체(22; 도 2의 13에 대응한다) 외측면 측으로 대략 직각으로 굴곡되어 안테나 몸체의 측면에 형성된다. 즉, 도파관 배열에서 대부분의 도파관들 각각의 일단부들(23a 내지 23h)은 안테나 몸체의 측면에 노출되어 안테나 커넥터 내부의 도파관으로 연장되거나 연결될 수 있다. 도파관 배열에서 하나의 도파관의 일단부(23)는 안테나 몸체의 후면/저면의 노출될 수 있다. 이러한 도파관 배열 구조에 의하면, 기존의 일반적인 카세그레인 안테나와 같이 도파관 구조가 안테나 몸체의 후면/저면에 위치할 때 안테나 전체의 크기가 커지는 단점을 방지할 수 있다.

도 4a 내지 도 4e는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 채용할 수 있는 배열 혼 급전 구조를 나타낸 예시도들이다.

도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 배열 혼 급전 구조는, 다수의 혼 안테나의 직사각형 개구부를 다양한 방향으로 회전시킨 배열로 배치할 수 있다.

도 4a를 참조하면, 9개의 혼 안테나들(31a 내지 31i)을 배열할 때, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 가로 방향을 향하도록 5개의 혼 안테나들(31i, 31a, 31c, 31e, 31g)을 배열 혼 급전 구조(30; 도 1의 12에 대응한다)의 중앙과 동서남북 방향에 각각 배치하고, 4개의 혼 안테나들(31b, 31d, 31f, 31h)을 그 직사각형 개구부의 길이 방향이 북동과 남서 방향을 향하도록 배열 혼 급전 구조(30)의 북서, 서남, 남동, 동북 방향에 각각 배치할 수 있다.

이때, 배열 혼 급전 구조(30)의 단면 형상은 사각형 또는 정사각형 모양을 가지고 그 네 모서리가 동서남북 방향으로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 배열 혼 급전 구조의 단면 형상은 다각형, 원형 등 다양한 형태가 가능하다. 그리고, 혼 안테나의 단면 형상은 사각형 또는 정사각형 모양을 가지나, 이에 한정되지는 않고, 배열 혼 급전 구조의 단면 형상은 다각형, 원형 등 다양한 형태가 가능하다.

도 4b를 참조하면, 그 단면이 사각형 또는 정사각형 모양을 가지고 그 네 변들 각각이 동서남북 방향으로 배치되는 배열 혼 급전 구조(40; 도 1의 12에 대응한다)에 9개의 혼 안테나들(41a 내지 41i)을 배열할 때, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 가로 방향을 향하도록 5개의 혼 안테나들(41i, 41a, 41c, 41e, 41g)을 배열 혼 급전 구조(40)의 중앙과 동서남북 방향에 각각 배치하고, 4개의 혼 안테나들(41b, 41d, 41f, 41h)을 그 직사각형 개구부의 길이 방향이 북동, 북서, 북동 및 북서를 각각 향하도록 배열 혼 급전 구조(40)의 북서, 서남, 남동, 동북 방향에 각각 배치할 수 있다.

도 4c를 참조하면, 그 단면이 사각형 또는 정사각형 모양을 가지고 그 네 변들 각각이 동서남북 방향으로 배치되는 배열 혼 급전 구조(50; 도 1의 12에 대응한다)에 9개의 혼 안테나들(51a 내지 51i)을 배열할 때, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 가로 방향을 향하도록 5개의 혼 안테나들(51i, 51a, 51c, 51e, 51g)을 배열 혼 급전 구조(50)의 중앙과 동서남북 방향에 각각 배치하고, 4개의 혼 안테나들(51b, 51d, 51f, 51h)을 그 직사각형 개구부의 길이 방향이 동북, 서북, 동북 및 서북를 각각 향하도록 배열 혼 급전 구조(50)의 북서, 서남, 남동, 동북 방향에 각각 배치할 수 있다.

본 실시예에서 혼 안테나의 단면 형상은 원형 모양을 가지나, 이에 한정되지는 않고, 그 단면 형상은 정사각형, 직사각형, 사각형, 8각형, 다각형, 원형 등 다양한 형태가 가능하다.

도 4d를 참조하면, 그 단면이 사각형 또는 정사각형 모양을 가지고 그 네 변들 각각이 동서남북 방향으로 배치되는 배열 혼 급전 구조(60; 도 1의 12에 대응한다)에 9개의 혼 안테나들(61a 내지 61i)을 배열할 때, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 가로 방향을 향하도록 3개의 혼 안테나들(61i, 61c, 61g)을 배열 혼 급전 구조(60)의 중앙과 동서 방향에 각각 배치하고, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 세로 방향을 향하도록 2개의 혼 안테나들(61a, 61e)을 배열 혼 급전 구조(60)의 남북 방향에 각각 배치하고, 4개의 혼 안테나들(61b, 61d, 61f, 61h)을 그 직사각형 개구부의 길이 방향이 중앙을 각각 향하도록 배열 혼 급전 구조(50)의 북서, 서남, 남동, 동북 방향에 각각 배치할 수 있다.

본 실시예에서 혼 안테나의 단면 형상은 8각형 모양을 가지나, 이에 한정되지는 않고, 그 단면 형상은 정사각형, 직사각형, 사각형, 8각형 이외의 다각형, 원형 등 다양한 형태가 가능하다.

도 4e를 참조하면, 그 단면이 사각형 또는 정사각형 모양을 가지고 그 네 변들 각각이 동서남북 방향으로 배치되는 배열 혼 급전 구조(70; 도 1의 12에 대응한다)에 7개의 혼 안테나들(71a 내지 71g)을 배열할 때, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 가로 방향을 향하도록 1개의 혼 안테나(71g)을 배열 혼 급전 구조(70)의 중앙에 배치하고, 혼 안테나 중앙의 직사각형 개구부의 길이 방향이 지면에서 중앙의 혼 안테나(71g)를 둘러싸는 형태로 6개의 혼 안테나들(71a 내지 71f)을 중앙의 혼 안테나(71g) 주위에 각각 배치할 수 있다.

본 실시예에서 혼 안테나의 단면 형상은 6각형 모양을 가지나, 이에 한정되지는 않고, 그 단면 형상은 정사각형, 직사각형, 사각형, 6각형 이외의 다각형, 원형 등 다양한 형태가 가능하다.

전술한 배열 혼 급전 구조의 각각의 혼 안테나는 빔을 형성한다. 배열 혼 급전의 크기는 부 반사경의 크기와 같거나 그 이하일 수 있다. 배열 혼 안테나의 개수는 전술한 9개 또는 7개 외에 빔 개수 만큼 증가 또는 감소할 수 있다.

도 5는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 채용할 수 있는 수동 빔 포밍 동작 구조를 설명하기 위한 예시도이다.

도 5를 참조하면, 카세그레인 안테나는 도파관 급전(80 내지 80h), 주 반사경(81), 배열 혼 급전(82) 및 부 반사경(83)을 포함한다. 주 반사경(81), 배열 혼 급전(82) 및 부 반사경(83)은 기재된 순서대로 도 1의 구성요소들(10, 12, 11)에 각각 대응될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 원하는 빔 수에 따른 도파관 급전(80 내지 80h)을 형성하고, 도파관 급전(80 내지 80h)을 통해 인가된 신호는 배열 급전 혼(82)을 통해 부 반사경(83)에 1차 반사되고, 반사된 신호는 주 반사경(81)을 통해 2차 반사되어 도파관 급전(80 내지 80h)과 배열 급전 혼(82)의 개수만큼 빔 패턴(84, 84a 내지 84h)을 형성하는데 이용된다. 본 실시예의 수동 빔 포밍 동작 구조는 빔의 각도를 능동적으로 변경할 수 없고 배열 혼 급전(82) 내 혼 안테나들 간의 간격에 따라 고정된 빔 포밍이 가능하다.

도 6은 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 채용할 수 있는 능동 빔 포밍 동작 구조를 설명하기 위한 예시도이다.

도 6를 참조하면, 카세그레인 안테나는 빔 포밍 칩(beam-forming chip, 90), 도파관 급전(91), 주 반사경(92), 배열 혼 급전(93), 부 반사경(94)을 포함할 수 있다. 배열 혼 급전(93)은 배열 급전 혼(array feed horns)으로 지칭될 수 있다. 주 반사경(92), 배열 혼 급전(93) 및 부 반사경(94)은 기재된 순서대로 도 1의 구성요소들(10, 12, 11)에 각각 대응될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 빔포밍 카세그레인 안테나는 도파관 급전(91)을 위상과 진폭을 능동적으로 조정할 수 있는 빔 포밍 칩(91)에 연결하여 능동적 빔포밍을 수행한다. 빔 포밍 칩(91)은 LNA(low-noise amplifier), 믹서(mixer), 증폭기, 커플러(coupler), 주파수 체배기(frequency multiplier), 위상동기회로(phase-locked loop, PLL), 전압제어발진기(voltage-controlled oscillator, VCO), 전력증폭기(power amplifier, PA), 또는 이들의 조합에 상응하는 기능을 수행하는 수단이나 이러한 수단에 대응하는 구성부를 구비할 수 있다.

본 실시예의 카세그레인 안테나는, 도 5의 카세그레인 안테나와 유사하게 수동 빔 포밍 동작 모드에서 동작할 때, 배열 급전 혼의 개수와 위치에 따라 고정된 빔 포밍만이 가능하여 각각의 빔 사이에 음영지역을 가질 수 있으나, 능동 빔 포밍 동작 모드를 결합함으로써 음역지역을 해소할 수 있다. 즉, 본 실시예의 카세그레인 안테나는 수동과 능동 빔 포밍 구조를 결합한 형태를 가질 수 있다.

본 실시예에 의하면, 능동적 빔포밍이 필요없는 지역에서는 서비스가 필요한 위치에 각각의 도파관 급전에 신호를 인가하여 빔 포밍(95)을 수행하여 전력소비 효율을 높이고, 능동적 빔 포밍이 필요한 지역에는 빔 포밍 칩(90)을 사용하여 고속의 빔 포밍(95)을 수행함으로써 신호 품질 향상과 음영지역 해소를 담당할 수 있다.

도 7 및 도 8은 도 6의 초고주파 빔 형성 안테나의 빔 패턴 특성을 설명하기 위한 도면들이다.

먼저, 능동적 빔포밍이 필요없는 지역에서 초고주파 빔 형성 안테나는 수동 빔 포밍 동작 모드로 작동할 수 있다. 그 경우, 초고주파 빔 형성 안테나는 통신 서비스가 필요한 위치에 각각의 도파관 급전에 신호를 인가하여 빔 포밍(95)을 수행할 수 있다. 그 경우, 수동형 빔은 도 7의 빔 패턴들(100 내지 180)에서 보는 바와 같이 배열 급전 혼 안테나의 개수와 위치에 따라 빔이 형성되며 각각의 빔들 사이에 음영지역이 존재한다.

이에 본 실시예에 따른 초고주파 빔 형성 안테나는 수동 빔 포밍 구조와 능동 빔 포밍 구조를 함께 적용하도록 구성될 수 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 초고주파 빔 형성 안테나는 수동형 빔들(190) 사이에 능동형 빔들(192)이 존재하도록 동작할 수 있으며, 그로 인해 서비스 음영지역을 사라지게 할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 급전 부분을 배열 안테나로 구성하고 선택적으로 렌즈를 통하여 안테나의 이득을 향상시킬 수 있는 배열 안테나를 통해 빔 포밍을 수행할 수 있고, 특유의 구조, 구성요소의 위치, 매질과 특유의 작동 메커니즘을 가지는 초고주파 빔 형성 안테나를 제공할 수 있다.

도 9는 도 1의 초고주파 빔 형성 안테나에 결합할 수 있는 안테나 제어장치또는 이를 포함하는 통신 노드의 주요 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 9를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

다만, 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(270)가 아니라, 프로세서(210)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 메모리(220), 송수신 장치(230), 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수 있다.

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

송수신 장치(230)에는 도 1 내지 도 8을 참조하여 앞서 설명한 초고주파 빔 형성 안테나(300)가 연결될 수 있다.

초고주파 빔 형성 안테나(300)를 탑재한 통신 노드(200)는 기지국이나 사용자 단말로 사용될 수 있다. 기지국이나 사용자 단말은 무선 통신으로 상호간 연결되어 무선 액세스 네트워크를 형성할 수 있다.

사용자 단말은 UE(user equipment), 터미널(terminal), 액세스 터미널(access terminal), 모바일 터미널(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 모바일 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), 노드(node), 다바이스(device), IoT(Internet of Thing) 장치, 탑재 장치(mounted module/device/terminal 또는 on board device/terminal 등) 등으로 지칭될 수 있다.

기지국은 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 4G 통신, 5G 통신 또는 5G 이후의 무선 통신 등을 지원할 수 있다. LTE(long term evolution)와 LTE-A(advanced)를 포함하는 4G 통신은 6GHz 이하의 주파수 대역에서 수행될 수 있고, NR(new radio)로 지칭되는 5G 통신은 6GHz 이하의 주파수 대역뿐만 아니라 6GHz 이상의 주파수 대역에서 수행될 수 있다. 한편, 하나 이상의 통신 노드들 중 적어도 일부는 독자적인 방식 또는 독자적인 규격에 따라 상호간 통신을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 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 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 안테나 몸체의 일면에 설치되는 주 반사경;
   상기 주 반사경의 중앙부에 설치되는 배열 급전 혼;
   상기 주 반사경 상에서 상기 배열 급전 혼과 이격되어 배치되는 부 반사경;
   상기 배열 급전 혼에 배열된 복수의 혼 안테나들 각각에 연결되는 복수의 도파관 급전들; 및
   상기 안테나 몸체의 중심을 기준으로 상기 안테나 몸체의 상기 일면에 접하는 측면에 방사형으로 배치되고, 상기 복수의 도파관 급전들의 각 말단부에 각각 연결되는 복수의 도파관 커넥터들;을 포함하고,
   상기 복수의 도파관 급전들 중 다수의 도파관 급전들 각각은 상기 안테나 몸체 내부에서 절곡되는 절곡부를 구비하고, 그 말단부들이 상기 안테나 몸체의 측면으로 연장하는, 초고주파 빔 형성 안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 도파관 급전들 중 어느 하나의 도파관 급전의 말단부는 상기 안테나 몸체의 하부면 또는 저면으로 연장하여 상기 안테나 몸체의 하부면 또는 저면에 노출되는, 초고주파 빔 형성 안테나.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 배열 급전 혼의 형태가 원형 또는 다각형인, 초고주파 빔 형성 안테나.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 배열 급전 혼에 설치되는 복수의 혼 안테나들 각각의 형태가 원형 또는 다각형인, 초고주파 빔 형성 안테나.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 복수의 혼 안테나들 각각은 그 중앙에 빔 방사 방향으로 개방된 직사각형 개구부를 구비하고, 상기 복수의 혼 안테나들 중 적어도 2개는 상기 직사각형 개구부의 길이 방향이 서로 다르게 배열되는, 초고주파 빔 형성 안테나.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 도파관 급전들의 개수는 상기 배열 급전 혼의 혼 안테나의 개수와 동일한, 초고주파 빔 형성 안테나.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 배열 급전 혼에 배치되는 상기 복수의 혼 안테나들의 배열 위치에 따라 빔 포밍에 의한 빔 각도가 형성되는, 초고주파 빔 형성 안테나.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 도파관 급전들 각각에 빔 포밍 칩을 연결하여 능동적인 빔 포밍에 의한 고정형 빔 포밍 음영지역을 커버하는, 초고주파 빔 형성 안테나.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나 몸체에 형성되는 접지체를 더 포함하는, 초고주파 빔 형성 안테나.

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