KR102529946B1 - 렌즈를 포함하는 빔포밍 안테나 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4G 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G 통신 시스템을 IoT 기술과 융합하는 통신 기법 및 그 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 5G 통신 기술 및 IoT 관련 기술을 기반으로 지능형 서비스 (예를 들어, 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 헬스 케어, 디지털 교육, 소매업, 보안 및 안전 관련 서비스 등)에 적용될 수 있다.
본 발명은 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나, 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈를 포함하는 빔포밍 안테나 모듈을 제공한다.

Description

렌즈를 포함하는 빔포밍 안테나 모듈{BEAM FORMING ANTENNA MODULE INCLUDING LENS}
본 발명은 5G 통신 시스템에서 높은 게인과 커버리지를 확보하기 위해 렌즈를 포함시킨 빔포밍 안테나 모듈에 관한 것이다.
4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다. 높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다. 또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (Device to Device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다. 이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM (Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC (Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
한편, 인터넷은 인간이 정보를 생성하고 소비하는 인간 중심의 연결 망에서, 사물 등 분산된 구성 요소들 간에 정보를 주고 받아 처리하는 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 망으로 진화하고 있다. 클라우드 서버 등과의 연결을 통한 빅데이터(Big data) 처리 기술 등이 IoT 기술에 결합된 IoE (Internet of Everything) 기술도 대두되고 있다. IoT를 구현하기 위해서, 센싱 기술, 유무선 통신 및 네트워크 인프라, 서비스 인터페이스 기술, 및 보안 기술과 같은 기술 요소 들이 요구되어, 최근에는 사물간의 연결을 위한 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 연구되고 있다. IoT 환경에서는 연결된 사물들에서 생성된 데이터를 수집, 분석하여 인간의 삶에 새로운 가치를 창출하는 지능형 IT(Internet Technology) 서비스가 제공될 수 있다. IoT는 기존의 IT(information technology)기술과 다양한 산업 간의 융합 및 복합을 통하여 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 스마트 그리드, 헬스 케어, 스마트 가전, 첨단의료서비스 등의 분야에 응용될 수 있다.
이에, 5G 통신 시스템을 IoT 망에 적용하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 예를 들어, 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 5G 통신 기술이 빔 포밍, MIMO, 및 어레이 안테나 등의 기법에 의해 구현되고 있는 것이다. 앞서 설명한 빅데이터 처리 기술로써 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud RAN)가 적용되는 것도 5G 기술과 IoT 기술 융합의 일 예라고 할 수 있을 것이다.
본 발명은 렌즈의 성능을 극대화 하기 위한 안테나 모듈의 구조를 제안하고자 한다.
보다 구체적으로, 렌즈의 성능을 극대화하기 위해서는 렌즈와 안테나 간 충분한 이격거리가 확보되어야 한다. 그러나 본 발명에서는 복수개의 렌즈를 중첩하여 배치함으로써 렌즈와 안테나간 이격거리를 감소시키면서, 렌즈의 성능은 극대화할 수 있는 안테나 모듈 구조를 제공하고자 한다.
본 발명은 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나, 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈를 포함하는 빔포밍 안테나 모듈을 제공한다.
상기 제1 렌즈의 위상 분포와 상기 제2 렌즈의 위상 분포는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 렌즈의 위상은 상기 제1 렌즈의 중심에서 상기 제1 렌즈의 외곽으로 갈수록 낮아지며, 상기 제2 렌즈의 위상은 상기 제2 렌즈의 중심에서 상기 제2 렌즈의 외곽으로 갈수록 높아질 수 있다.
상기 제1 렌즈의 위상은 상기 제1 렌즈의 중심에서 상기 제1 렌즈의 외곽으로 갈수록 높아지며, 상기 제2 렌즈의 위상은 상기 제2 렌즈의 중심에서 상기 제2 렌즈의 외곽으로 갈수록 낮아질 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 모듈은 상기 빔포밍 안테나와 상기 제1 렌즈 사이에 배치되어 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면을 둘러쌀 수 있도록 유전체 렌즈(dielectric lens)로 형성된 빔포밍 안테나 케이스를 더 포함하며, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 평면 렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 평면렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 볼록렌즈 형상의 유전체 렌즈일 수 있다.
본 발명은 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나, 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되며, 각각 다른 위상 변경 레벨을 가지는 단위 셀들이 결합되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되며, 각각 다른 위상 변경 레벨을 가지는 단위 셀들이 결합되어 상기 제1 렌즈로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈를 포함하는 빔포밍 안테나 모듈을 제공한다.
상기 제1 렌즈는 위상 변경 레벨이 높은 단위 셀들부터 순차적으로 상기 제1 렌즈의 중심에서 외곽 방향으로 배치되며, 상기 제2 렌즈는 위상 변경 레벨이 낮은 단위 셀들부터 순차적으로 상기 제2 렌즈의 중심에서 외곽 방향으로 배치될 수 있다.
상기 제1 렌즈의 위상 분포는 포물선 형상으로 상기 제2 렌즈를 향해 볼록한 형상을 가지며, 상기 제2 렌즈의 위상 분포는 포물선 형상으로 상기 제1 렌즈를 향해 볼록한 형상을 가지고, 상기 제1 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률은 상기 제2 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률보다 작을 수 있다.
상기 제1 렌즈는 위상 변경 레벨이 낮은 단위 셀들로부터 순차적으로 상기 제1 렌즈의 중심에서 외곽방향으로 배치되며, 상기 제2 렌즈는 위상 변경 레벨이 높은 단위 셀들로부터 순차적으로 상기 제2 렌즈의 중심에서 외곽방향으로 배치될 수 있다.
상기 제1 렌즈의 위상 분포는 포물선 형상으로 상기 빔포밍 안테나 향해 오목한 형상을 가지며, 상기 제2 렌즈의 위상 분포는 포물선 형상으로 상기 제2 렌즈의 빔 방사방향을 향해 볼록한 형상을 가지고, 상기 제1 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률은 상기 제2 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률보다 클 수 있다.
상기 빔포밍 안테나 모듈은 상기 빔포밍 안테나와 상기 제1 렌즈 사이에 배치되어 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면을 둘러쌀 수 있도록 유전체 렌즈(dielectric lens)로 형성된 빔포밍 안테나 케이스를 더 포함하며, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 평면 렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 평면렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 볼록렌즈 형상의 유전체 렌즈일 수 있다.
본 발명에 따른 전자장치는 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나, 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈의 위상 분포와 상기 제2 렌즈의 위상 분포는 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따를 경우, 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 충분히 확보되지 않더라도 렌즈의 성능을 극대화시킬 수 있으며, 이를 통해 빔포밍 안테나의 게인값 및 커버리지를 향상시킬 수 있다.
도 1은 빔포밍을 지원하는 이동 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 렌즈를 포함하는 안테나 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 빔포밍 안테나와 렌즈간의 거리에 따라 렌즈를 통해 방사되는 빔의 강도 분포와 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 빔포밍 안테나에 복수개의 렌즈가 배치된 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제1 렌즈를 통과한 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제2 렌즈를 통과한 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 9a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 렌즈와 상기 제1 렌즈를 통과한 빔의 형상을 나타낸 도면이다.
도 10b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 렌즈와 상기 제1 렌즈를 통과한 빔의 형상을 나타낸 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한 실시 예에서 '~부'는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1은 빔포밍을 지원하는 이동 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 안테나 모듈을 포함하는 통신장치(120)와 복수개의 기지국(111, 112) 간의 통신을 나타내는 도면이다. 앞서 개시한 바와 같이 5G 이동 통신이 넓은 주파수 대역폭을 가질 수 있다.
반면에, 이로 인해 기지국(111, 112) 또는 통신장치(120)에서 전송되는 전파의 게인값과 커버리지가 약해질 수 있다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 5G 이동 통신 시스템에서는 기본적으로 빔포밍(beam forming) 기법을 이용한다.
즉, 5G 이동 통신 시스템을 지원하는 안테나 모듈을 포함하는 기지국(111, 112) 또는 통신장치(120)는 다양한 각도로 빔을 형성 할 수 있으며, 상기 형성된 빔 중 가장 통신환경이 좋은 빔을 이용하여 통신을 수행할 수 있다.
도 1을 예로 살펴보면, 통신장치(120)는 각각 다른 각도로 방사되는 세 종류의 빔을 형성시킬 수 있으며, 이에 대응하여 기지국도 각각 다른 각도로 방사되는 세 종류의 빔을 형성할 수 있다. 예를 들어 통신장치(120)에서 빔 인덱스(beam index) 1, 2, 3을 가지는 세 종류의 빔을 방사할 수 있으며, 제1 기지국은(111) 빔 인덱스 4, 5, 6을 가지는 세 종류의 빔을 방사할 수 있고, 제2 기지국(112) 빔 인덱스 7, 8, 9를 가지는 세 종류의 빔을 방사할 수 있다.
또한, 이 경우 통신장치(120)와 제1 기지국(111) 및 제2 기지국(112)간의 통신을 통해 통신장치와 제1 기지국은 통신환경이 가장 좋은 통신장치(120)의 빔 인덱스 2 빔와 제1 기지국(111)의 빔 인덱스 5 빔을 통해 통신을 수행할 수 있다. 동일한 방식으로 통신장치(120)와 제2 기지국(112)도 통신을 수행할 수 있다.
한편, 도 1에서는 5G 통신 시스템이 적용될 수 있는 일례만을 적용하고 있다. 즉, 통신장치 또는 기지국이 방사할 수 있는 빔의 개수는 증가 또는 감소할 수 있는바, 도 1에서 도시하고 있는 빔의 개수에 본 발명의 권리범위가 국한되어서는 안 될 것이다.
도 1에서 도시하고 있는 통신장치(120)는 기지국과 통신을 수행할 수 있는 다양한 장치를 포함한다. 예를 들어 CPE(Customer Premises Equipment) 또는 무선중계기가 이에 포함될 수 있다.
도 2는 렌즈를 포함하는 안테나 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 안테나 모듈은 적어도 하나의 안테나 어레이를 포함하는 안테나(200) 및 렌즈(210)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 안테나(200)는 복수개의 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어 하나의 안테나(200)에는 네 개의 안테나 어레이가 포함될 수 있으며, 상기 안테나 어레이를 통해 방사되는 빔의 각도를 각각 조정하여 최종적으로 안테나(200)를 통해 방사되는 빔의 각도를 결정할 수 있다.
상기 안테나(200)를 통해 방사되는 빔은 상기 안테나(200)와 기설정된 거리만큼 이격되어 배치되는 렌즈(210)를 통과할 수 있다. 상기 렌즈(210)는 상기 렌즈로 입사되는 빔 (또는 전파)의 위상을 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 렌즈(210)는 상기 렌즈에 형성된 패턴을 통해 상기 렌즈(210)로 입사되는 빔의 위상값을 모두 동일한 위상값으로 변경시켜, 렌즈(210) 외부로 방사시킬 수 있다.
따라서, 렌즈(210)를 통해 외부로 방사되는 빔은 안테나(200)를 통해 방사되는 빔보다 더욱 샤프(sharp)한 형상을 가진다. 즉, 렌즈(210)를 이용하여 안테나(200)를 통해 방사되는 빔의 게인값을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2와 같은 안테나 모듈 구조에서 빔을 형성하는 빔포밍 안테나(200)와 렌즈의 이격거리는 렌즈의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 보다 구체적으로, 렌즈의 성능은 렌즈에 입사되는 빔의 전기장(electric field) 분포면적에 기반하여 결정될 수 있다. 일반적으로 렌즈에 입사되는 빔의 전기장 분포면적이 클수록 렌즈의 성능이 향상될 수 있다. 이에 대한 보다 자세한 설명은 도 3a 내지 3d를 통해 후술하도록 한다.
도 3a 내지 도 3d는 빔포밍 안테나와 렌즈간의 거리에 따라 렌즈를 통해 방사되는 빔의 강도 분포와 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 3a는 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 5cm인 경우, 렌즈에 입사되는 빔의 강도 및 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이며, 도 3b는 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 10cm인 경우, 렌즈에 입사되는 빔의 강도 및 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이고, 도 3c는 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 20cm 인 경우, 렌즈에 입사되는 빔의 강도 및 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이며, 도 3d는 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 30cm인 경우, 렌즈에 입사되는 빔의 강도 및 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3d에서 렌즈에 입사되는 빔의 위상 분포는 E-plane과 H-plane으로 구분되어 도시되었다. E-plane과 H-plane은 안테나 등 전자파를 생성하는 장치에 대한 기준 평면을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로 E-plane은 선형 편파 안테나의 경우 최대 빔 방사 방향을 포함하는 평면이 될 수 있다. 즉, E-plane은 전파의 편파 또는 빔 방사 방향을 결정할 수 있다. 일례로 수직 편파 안테나의 경우 E-plane은 수직/고도(vertical/elevation) 평면과 일치할 수 있으며, 수평 편파 안테나의 경우 E-plane은 수평/방위각(horizontal/azimuth) 평면과 일치할 수 있다.
한편, H-plane은 선형 편파 안테나의 경우 자기장 벡터와 최대 빔 방사 방향을 포함하는 평면일 수 있다. 또한 상기 H-plane은 앞서 설명한 E-plane과는 직각을 이룰 수 있다. 일례로, 수직 편파 안테나의 경우 H-plane은 수평/방위 평면과 일치할 수 있으며, 수평 편파 안테나의 경우 H-plane은 수직/고도 평면과 일치할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d에서 개시하고 있는 빔의 강도 분포를 비교해 보면, 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 클수록 렌즈에 입사되는 빔의 면적이 넓어지는 것을 확인할 수 있으며, 이에 대응하여 렌즈에 입사되는 빔 중 빔의 세기가 강한 부분의 면적도 넓어지는 것을 알 수 있다.
또한 도 3a 내지 도 3d의 빔 위상 분포를 통해 빔의 최대 지향성(directivity)이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로 도 3a 내지 도 3d 모두 빔의 위상이 0°인 경우, 빔의 지향성 값이 최대가 되는 것을 확인할 수 있으며, 상기 빔의 최대 지향성 값은 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 증가할수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 여기서 지향성이란 빔이 한 방향으로 집중하여 나오는 정도를 의미하는 것으로, 지향성이 높을수록 빔은 샤프(sharp)한 형상을 가질 수 있다.
즉, 도 3a 내지 도 3d를 통해, 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 클수록, 렌즈에 입사되는 빔의 방사면적과 지향성이 커지므로, 이에 따라 렌즈의 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리의 한계등과 같은 문제점으로 인해 빔포밍 안테나와 렌즈간의 이격거리를 무한히 증가시킬 수는 없다. 따라서 이하에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 안테나 모듈 구조를 개시하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 빔포밍 안테나에 복수개의 렌즈가 배치된 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 4 (a)와 (b)에서 도시하고 있는 안테나 모듈 구조는 종래 기술에 따른 안테나 모듈의 구조이다. 보다 구체적으로 (a) 안테나 모듈 구조는 빔포밍 안테나(200)와 렌즈(210)간 이격거리가 D1인 경우이다. 이 경우, 상기 빔포밍 안테나(200)를 통해 상기 렌즈(210) 투영되는 전기장 분포면적은 A1이 될 수 있다.
또한 (b) 안테나 모듈 구조는 빔포밍 안테나(200)와 렌즈(210)간 이격거리가 D2인 경우이다. 여기서, D2는 D1보다 작다. 즉, (b) 안테나 모듈 구조에서 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리는 (a) 안테나 모듈 구조에서 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리보다 작다. 이 경우, 상기 빔포밍 안테나(200)를 통해 상기 렌즈(210)에 투영되는 전기장 분포면적은 A2가 될 수 있으며, 상기 A2의 면적은 도 3에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 A1의 면적보다 작을 것이다.
따라서, (a) 안테나 모듈 구조에서의 렌즈 성능이 (b) 안테나 모듈 구조에서의 렌즈 성능보다 좋을 것이다. 다만 (a) 안테나 모듈 구조는 빔포밍 안테나와 렌즈간 이격거리가 (b) 안테나 모듈 구조의 이격거리보다 크므로, (a) 안테나 모듈은 (b) 안테나 모듈보다 크기가 클 것이다.
한편, (c) 안테나 모듈 구조는 본 발명에서 개시하고자 하는 빔포밍 안테나 모듈 구조이다. 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 모듈은 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나(200), 상기 빔포밍 안테나(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로(200)부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈(220) 및 상기 제1 렌즈(220)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈(230)를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시에 따른 안테나 모듈 구조는 두 개의 렌즈(220, 230)를 포함할 수 있으며, 상기 두 개의 렌즈를 통해 렌즈와 빔포밍 안테나간에 충분한 이격거리가 확보되지 않더라도, 렌즈의 성능을 극대화할 수 있다.
보다 구체적으로 (c) 안테나 모듈 구조에서 빔포밍 안테나(200)와 제2 렌즈(230)간의 이격거리(D2)는 (b) 안테나 모듈 구조에서 빔포밍 안테나(200)와 렌즈(210)간의 이격거리와 동일하다. 반면에, 상기 제2 렌즈(230)에 투영되는 전기장 분포면적은 A4로, 상기 A4 면적은 (b) 안테나 모듈 구조에서 렌즈(210)에 투영된 전기장 분포면적 A3이 비해 크다. 즉, (c) 안테나 모듈 구조에서 제2 렌즈(230)의 성능이 동일한 이격거리(D2)를 가지는 (b) 안테나 모듈 구조에서 렌즈(210)의 성능보다 좋음을 확인 할 수 있다.
한편, (c) 안테나 모듈 구조에서 제2 렌즈(230)에 투영되는 분포면적 A4는 (a) 안테나 모듈 구조에서 렌즈(210)에 투영되는 분포면적 A1 보다도 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 안테나 모듈에 렌즈 두 개(220, 230)를 배치하는 경우, 제2 렌즈(230)와 빔포밍 안테나(200)간의 이격거리(D2)가 (a) 안테나 모듈 구조에서 이격거리(D1)보다 짧더라도, (c) 안테나 모듈 구조의 제2 렌즈(230) 성능이 (a) 안테나 모듈 구조에서의 렌즈(210) 성능보다 좋을 수 있다.
(c) 안테나 모듈 구조가 (a) 안테나 모듈 구조보다 빔포밍 안테나와 이격거리가 짧더라도 렌즈의 성능이 좋은 이유는 앞서 개시한 바와 같이 빔포밍 안테나 모듈에 두 개의 렌즈(220, 230)가 배치되기 때문이다. 보다 구체적으로, 빔포밍 안테나(200)를 통해 방사되는 빔이 1차적으로 제1 렌즈(220)에 분포면적 A3으로 투영되며, 제1 렌즈(220)는 상기 빔의 위상을 변경시켜 제2 렌즈(230)로 빔 전기장의 분포면적이 A4가 되도록 전달시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 하나의 빔포밍 안테나 모듈에 두 개의 렌즈만이 배치된 경우를 도시하고 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 국한되어서는 안 될 것이다. 즉, 빔포밍 안테나를 통해 방사되는 빔의 게인 값을 향상시키기 위한 렌즈는 두 개 이상 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 개시하고 있는 동작 원리와 동일한 동작 원리로 빔의 게인 값을 향상시킬 수 있다면, 중첩되어 배치되는 렌즈의 개수에 관계없이 본 발명의 권리범위가 미칠 수 있다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제1 렌즈를 통과한 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 5a의 그래프에 따를 경우, 제1 렌즈를 통과한 빔의 게인 값은 크게 향상되지는 않는 것을 알 수 있다. 다만, 도 5a의 H-plane에 도시된 바와 같이 빔의 지향성이 샤프한 형태를 가지지 않는다. 즉, 제1 렌즈를 통과한 빔의 형상은 샤프한 형상이 아닌, 브로드(broad)한 형상을 가지는 플랫 빔(flat beam) 형상이 될 수 있다. 따라서 이를 통해 제1 렌즈를 통과한 빔은 넓게 퍼져 넓은 빔 전기장 분포면적으로 제2 렌즈에 투영될 것이라고 예측 할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 6 내지 도 9b에 대한 설명을 통해 후술하도록 한다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제2 렌즈를 통과한 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 5b의 그래프에 따를 경우, 제2 렌즈를 통과한 빔의 게인 값은 제1 렌즈를 통과한 빔의 게인 값에 비해 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 빔의 지향성도 도 5a에 비해 샤프한 형상을 가지므로 제2 렌즈를 통과한 빔은 샤프한 형상을 가지는 펜슬 빔(pencil beam) 형상을 가질 것이라고 예측할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 6 내지 도 9b에 대한 설명을 통해 후술하도록 한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 6에서는 제1 렌즈(220)와 제2 렌즈(230)를 통해 빔포밍 안테나(200)를 통해 방사되는 빔의 위상이 변경되는 구체적인 과정을 도시하고 있다. 일차적으로 빔포밍 안테나(200)는 도 6에 도시된 빔포밍 안테나 위상 분포를 가지는 빔을 제1 렌즈(220)를 향해 방사할 수 있다. 또한 이 경우 상기 제1 렌즈(220)로 방사되는 빔의 제1 렌즈 실효면적은 도 6에 도시한 바와 같다. (상기 제1 렌즈의 실효면적은 도 4 (c) 안테나 모듈 구조의 A3에 대응될 수 있다.)
본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제1 렌즈(220)는 도 6에 도시된 바와 같은 렌즈 위상 분포를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 렌즈(220)의 위상 분포는 포물선 형상으로 상기 제2 렌즈(230)를 향해 볼록한 형상을 가질 수 있다. 도 6에서 도시하고 있는 바와 같은 제1 렌즈 위상 분포를 가지기 위한 제1 렌즈(220)의 구조는 도 7a에 대한 설명을 통해 후술한다.
도 6에서 도시하고 있는 위상 분포를 가지는 제1 렌즈를 투과한 빔은 앞서 개시한 바와 같이 브로드(broad)한 형상의 플랫 빔(flat beam) 형상을 가질 수 있다. 또한 상기 플랫 빔 즉, 제1 렌즈를 통과한 빔의 위상 분포는 도 6에서 도시한 바와 같이 제1 렌즈 위상 분포 포물선보다 곡률이 큰 형상의 포물선이 될 수 있다. 왜냐하면, 빔포밍 안테나 위상 분포의 제1 렌즈 위상 분포가 동일한 방향으로 볼록한 형상을 가지는 포물선이기 때문이다.
또한, 빔포밍 안테나(200)를 통해 방사되는 빔의 형태가 제1 렌즈(220) 투과 이후, 도 6에 도시된 바와 같이 브로드(broad)해지므로, 제1 렌즈를 투과한 빔이 제2 렌즈에 투영되는 제2 렌즈의 실효면적은 제1 렌즈 실효면적보다 현저히 클 수 있다. (상기 제2 렌즈의 실효면적은 도 4 (c) 안테나 모듈 구조의 A4에 대응될 수 있다.)
본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제2 렌즈(230)는 도 6에 도시된 바와 같은 렌즈 위상 분포를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제2 렌즈(230)의 위상 분포는 포물선 형상으로 상기 제1 렌즈(220)를 향해 볼록한 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1 렌즈 위상 분포 포물선과 제2 렌즈 위상 분포 포물선은 반대의 형상을 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 제2 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률은 제1 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률보다 클 수 있다. 왜냐하면 제2 렌즈 위상 분포 포물선은 제1 렌즈 통과 후 빔의 위상 분포 포물선에 대응되어야 하는데, 앞서 개시한 바와 같이 제1 렌즈 통과 후 빔의 위상 분포 포물선은 제1 렌즈 위상 분포 포물선보다 곡률이 크기 때문이다. 상기의 제2 렌즈 위상 분포를 가지기 위한 제2 렌즈(230)의 구조는 도 7b에 대한 설명을 통해 후술한다.
한편, 제2 렌즈(230)를 투과한 빔포밍 안테나 빔의 위상 분포는 도 6에서 도시한 바와 같이 직선 형태의 위상 분포를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 제2 렌즈(230)를 투과한 빔은 샤프한 형상의 펜슬 빔(pencil beam)이 될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 제1 렌즈(220)는 복수개의 단위 셀이 결합된 렌즈일 수 있다. 상기 각각의 단위 셀은 서로 다른 위상을 가지며, 상기 각각의 단위 셀들이 서로 결합하여 제1 렌즈(220)의 위상 분포를 결정할 수 있다.
한편, 제1 렌즈(220)의 위상 분포 포물선은 앞서 개시한 바와 같이 빔포밍 안테나의 위상 분포 포물선과 동일한 방향으로 볼록한 형상을 가져야 한다. 따라서 이와 같은 위상 분포 포물선 형상을 가지기 위해 제1 렌즈(220)의 위상은 상기 제1 렌즈(220)의 중심에서 상기 제1 렌즈(220)의 외곽으로 갈수록 낮아져야 한다.
즉, 본 발명에 따를 경우 제1 렌즈(220)는 위상 변경 레벨이 높은 단위 셀들부터 순차적으로 상기 제1 렌즈(220)의 중심에서 외곽 방향으로 배치될 수 있다. 일례로 도 7a에 도시한 바와 같이 330°의 위상을 가지는 단위 셀(221)이 제1 렌즈(220)의 중심에 배치될 수 있으며, 이후 점차 제1 렌즈(220)의 외곽으로 갈수록 300°의 위상을 가지는 단위 셀(222), 270°의 위상을 가지는 단위 셀(223), 240°의 위상을 가지는 단위 셀(224)이 배치될 수 있다.
도 7a에서 개시하고 있는 제1 렌즈를 구성하는 단위 셀의 형상과 단위 셀의 개수는 일실시예에 불과한 것이므로 본 발명의 권리범위가 이에 국한되어서는 안 될 것이다.
도 7b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 제2 렌즈(230)도 복수개의 단위 셀이 결합된 렌즈일 수 있다. 상기 각각의 단위 셀은 서로 다른 위상을 가지며, 상기 각각의 단위 셀들이 서로 결합하여 제2 렌즈(230)의 위상 분포를 결정할 수 있다.
한편, 제2 렌즈(230)의 위상 분포 포물선은 앞서 개시한 바와 같이 제1 렌즈 위상 분포 포물선과 반대 방향으로 볼록한 형상을 가져야 한다. 따라서 이와 같은 위상 분포 포물선 형상을 가지기 위해 제2 렌즈(230)의 위상은 상기 제2 렌즈(230)의 중심에서 상기 제2 렌즈(230)의 외곽으로 갈수록 높아져야 한다.
즉, 본 발명에 따를 경우 제2 렌즈(230)는 위상 변경 레벨이 낮은 단위 셀들로부터 순차적으로 상기 제2 렌즈(230)의 중심에서 외곽 방향으로 배치될 수 있다. 일례로 도 7b에서 도시한 바와 같이 240°의 위상을 가지는 단위 셀(221)이 제2 렌즈(230)의 중심에 배치될 수 있으며, 이후 점차 제2 렌즈(230)의 외곽으로 갈수록 270°의 위상을 가지는 단위 셀(222), 300°의 위상을 가지는 단위 셀(223), 330°의 위상을 가지는 단위 셀(224)이 배치될 수 있다.
도 7b에서 개시하고 있는 제2 렌즈를 구성하는 단위 셀의 형상과 단위 셀의 개수는 일실시예에 불과한 것이므로 본 발명의 권리범위가 이에 국한되어서는 안 될 것이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 모듈 구조는 대체적으로 제1 실시예에 따른 안테나 모듈 구조와 동일하다. 다만, 제1 실시예와 제2 실시예는 제1 렌즈(220)와 제2 렌즈(230)의 위상 분포가 서로 상이하다.
즉, 제2 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에서 제1 렌즈(220)의 위상 분포 포물선은 빔포밍 안테나(200)를 향해 볼록한 형상을 가지며, 제2 렌즈(230)의 위상 분포 포물선은 제2 렌즈(230)의 빔 방사방향을 향해 볼록한 형상을 가질 수 있다. 또한 이 경우 제1 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률을 제2 렌즈 위상 분포 포물선의 곡률보다 클 수 있다.
상기 차이점 외에 제2 실시예에 따른 안테나 모듈 구조와 제1 실시예에 따른 안테나 모듈 구조는 동일하므로, 제2 실시예에 따른 안테나 모듈 구조에 대한 설명은 제1 실시예에 대한 설명으로 갈음한다.
도 9a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 렌즈의 구조를 나타낸 도면이며, 도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
앞서 도 8에 대한 설명에서 개시한 바와 같이 제2 실시예에 따른 안테나 모듈에서 제1 렌즈(220)의 위상 분포와 제2 렌즈(230)의 위상 분포는 서로 상이하다. 따라서 제2 실시예에 따른 제1 렌즈(220)와 제2 렌즈(230)의 구조는 제1 실시예에 따른 제1 렌즈(220)와 제2 렌즈(230)의 구조와는 상이하다.
보다 구체적으로 제2 실시예에 따른 제1 렌즈(220)의 위상 분포 포물선은 빔포밍 안테나 위상 분포 포물선과 반대 방향으로 볼록한 형상을 가져야 한다. 따라서 이와 같은 위상 분포 포물선 형상을 가지기 위해 제1 렌즈(220)의 위상은 상기 제1 렌즈(220)의 중심에서 상기 제1 렌즈(220)의 외곽으로 갈수록 높아져야 한다.
즉, 본 발명에 따를 경우 제1 렌즈(220)는 위상 변경 레벨이 낮은 단위 셀들로부터 순차적으로 상기 제1 렌즈(220)의 중심에서 외곽 방향으로 배치될 수 있다. 일례로 도 9a에서 도시한 바와 같이 240°의 위상을 가지는 단위 셀(221)이 제1 렌즈(220)의 중심에 배치될 수 있으며, 이후 점차 제1 렌즈(220)의 외곽으로 갈수록 270°의 위상을 가지는 단위 셀(222), 300°의 위상을 가지는 단위 셀(223), 330°의 위상을 가지는 단위 셀(224)이 배치될 수 있다.
한편, 제2 실시예에 따른 제2 렌즈(230)의 위상 분포 포물선은 앞서 개시한 바와 같이 빔포밍 안테나(200)의 위상 분포 포물선과 동일한 방향으로 볼록한 형상을 가져야 한다. 따라서 이와 같은 위상 분포 포물선 형상을 가지기 위해 제2 렌즈(230)의 위상은 상기 제2 렌즈(230)의 중심에서 상기 제2 렌즈(230)의 외곽으로 갈수록 낮아져야 한다.
즉, 본 발명에 따를 경우 제2 렌즈(230)는 위상 변경 레벨이 높은 단위 셀들부터 순차적으로 상기 제2 렌즈(230)의 중심에서 외곽 방향으로 배치될 수 있다. 일례로 도 9b에 도시한 바와 같이 330°의 위상을 가지는 단위 셀(221)이 제2 렌즈(230)의 중심에 배치될 수 있으며, 이후 점차 제2 렌즈(230)의 외곽으로 갈수록 300°의 위상을 가지는 단위 셀(222), 270°의 위상을 가지는 단위 셀(223), 240°의 위상을 가지는 단위 셀(224)이 배치될 수 있다.
한편, 도 9a 및 도 9b에서 개시하고 있는 제1 렌즈와 제2 렌즈를 구성하는 단위 셀의 형상과 단위 셀의 개수는 일실시예에 불과한 것이므로 본 발명의 권리범위가 이에 국한되어서는 안 될 것이다.
도 10a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 렌즈와 상기 제1 렌즈를 통과한 빔의 형상을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 개시하고 있는 제1 실시예에 따를 경우, 도 10a에서 도시하고 있는 바와 같이, 제1 렌즈 중심에서 제1 렌즈 외곽 방향으로 갈수록 위상이 순차적으로 낮아질 수 있다. 또한 빔포밍 안테나(200)를 통해 방사되는 빔은 상기와 같은 위상 분포를 가지는 제1 렌즈를 투과함에 따라 도 10a에서 도시하고 있는 바와 같은 복수개의 빔 형상을 가질 수 있다.
따라서, 제2 렌즈(230)에 투영되는 제2 렌즈 실효 면적은 도 10a에 도시된 바와 같이 넓은 면적을 가질 수 있으며, 이를 통해 제2 렌즈(230)는 높은 게인 값을 가지는 샤프한 빔을 빔포밍 안테나 모듈 외부로 방사시킬 수 있다.
도 10b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 렌즈와 상기 제1 렌즈를 통과한 빔의 형상을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 개시하고 있는 제2 실시예에 따를 경우, 도 10b에서 도시하고 있는 바와 같이 제1 렌즈 중심에서 제1 렌즈 외곽 방향으로 갈수록 위상이 순차적으로 높아질 수 있다. 또한 빔포밍 안테나(200)를 통해 방사되는 빔은 상기와 같은 위상 분포를 가지는 제1 렌즈를 투과함에 따라 도 10b에서 도시하고 있는 바와 같은 복수개의 빔 형상을 가질 수 있다.
따라서, 제2 렌즈(230)에 투영되는 제2 렌즈 실효 면적은 도 10b에 도시된 바와 같이 넓은 면적을 가질 수 있으며, 이를 통해 제2 렌즈(230)는 높은 게인 값을 가지는 샤프한 빔을 빔포밍 안테나 모듈 외부로 방사시킬 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시에 따라 파생될 수 있는 실시예를 도시한 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 도 11 내지 도 11d에서 도시하고 있는 빔포밍 안테나 모듈 구조에 한정되어서는 안 될 것이다.
도 11a의 빔포밍 안테나 모듈 구조는, 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나(200), 상기 빔포밍 안테나(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈(220), 상기 제1 렌즈(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈(230) 및 상기 빔포밍 안테나(200)와 상기 제1 렌즈(220) 사이에 배치되어 상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면을 둘러쌀 수 있도록 볼록렌즈 형상으로 형성된 빔포밍 안테나 케이스(240)를 포함할 수 있다. 또한, 이 경우 상기 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230)는 평면렌즈 일 수 있으며, 앞서 개시한 바와 같이 상기 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230)의 위상 분포는 서로 다를 수 있다.
도 11b의 빔포밍 안테나 모듈 구조는 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나(200), 상기 빔포밍 안테나(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈(220) 및 상기 제1 렌즈(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈(230)를 포함할 수 있다. 또한, 이 경우 상기 제1 렌즈(220)는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈(230)는 평면렌즈이고, 앞서 개시한 바와 같이 상기 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230)의 위상 분포는 서로 다를 수 있다.
도 11c의 빔포밍 안테나 모듈 구조는 빔포밍 안테나 모듈 구조는 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나(200), 상기 빔포밍 안테나(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈(220) 및 상기 제1 렌즈(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈(230)를 포함할 수 있다. 또한, 이 경우 상기 제1 렌즈(220)는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈이며, 상기 제2 렌즈(230)는 볼록렌즈 현상의 유전체 렌즈이고, 앞서 개시한 바와 같이 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230)의 위상 분포는 서로 다를 수 있다.
도 11d의 빔포밍 안테나 모듈 구조는 특정 방향으로 빔을 방사하는 빔포밍 안테나(200), 상기 빔포밍 안테나(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제1 렌즈(220), 상기 제1 렌즈(200)의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나(200)로부터 방사되는 빔의 위상을 변경시키는 제2 렌즈(230) 및 상기 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230) 사이에 배치되어 상기 제1 렌즈(220)의 빔 방사면을 둘러쌀 수 있도록 볼록렌즈 형상으로 형성된 제1 렌즈 케이스(250)를 포함할 수 있다. 또한, 이 경우 상기 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230)는 평면렌즈일 수 있으며, 상기 제1 렌즈(220)와 상기 제2 렌즈(230)의 위상 분포는 서로 다를 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시 예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 제안하는 방법들의 일부분들이 서로 조합되어 기지국과 단말이 운용될 수 있다. 또한 상기 실시예들은 LTE/LTE-A 시스템을 기준으로 제시되었지만, 5G, NR 시스템 등 다른 시스템에도 상기 실시예의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 빔포밍 안테나 모듈에 있어서,
    제1 위상 분포 포물선을 갖는 위상의 빔을 특정 방향으로 방사하는 빔포밍 안테나;
    상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 제2 위상 분포 포물선에 따라 변경시키는 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 상기 제1 렌즈로부터 방사되는 빔의 위상을 제3 위상 분포 포물선에 따라 변경시키는 제2 렌즈; 및
    상기 빔포밍 안테나 및 상기 제1 렌즈 사이에 배치되고, 상기 빔포밍 안테나의 상기 빔 방사면을 둘러쌓는 유전체 렌즈로 형성된 빔포밍 안테나 케이스를 포함하고,
    상기 제3 위상 분포 포물선에 따른 위상 변화는, 직선 형태의 위상 분포 포물선을 갖는 빔을 방사하도록, 상기 제1 위상 분포 포물선 및 상기 제2 위상 분포 포물선에 따른 위상 변화와 반대로 대응되는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 위상은 상기 제1 렌즈의 중심에서 상기 제1 렌즈의 외곽으로 갈수록 낮아지며, 상기 제2 렌즈의 위상은 상기 제2 렌즈의 중심에서 상기 제2 렌즈의 외곽으로 갈수록 높아지는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 위상은 상기 제1 렌즈의 중심에서 상기 제1 렌즈의 외곽으로 갈수록 높아지며, 상기 제2 렌즈의 위상은 상기 제2 렌즈의 중심에서 상기 제2 렌즈의 외곽으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 평면 렌즈인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 평면렌즈인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 볼록렌즈 형상의 유전체 렌즈인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  8. 빔포밍 안테나 모듈에 있어서,
    제1 위상 분포 포물선을 갖는 위상의 빔을 특정 방향으로 방사하는 빔포밍 안테나;
    상기 빔포밍 안테나의 빔 방사면으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되며, 각각 다른 위상 변경 레벨을 가지는 단위 셀들이 결합되어 상기 빔포밍 안테나로부터 방사되는 빔의 위상을 제2 위상 분포 포물선에 따라 변경시키는 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈의 빔 방사면으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되며, 각각 다른 위상 변경 레벨을 가지는 단위 셀들이 결합되어 상기 제1 렌즈로부터 방사되는 빔의 위상을 제3 위상 분포 포물선에 따라 변경시키는 제2 렌즈; 및
    상기 빔포밍 안테나 및 상기 제1 렌즈 사이에 배치되고, 상기 빔포밍 안테나의 상기 빔 방사면을 둘러쌓는 유전체 렌즈로 형성된 빔포밍 안테나 케이스를 포함하고,
    상기 제3 위상 분포 포물선에 따른 위상 변화는, 직선 형태의 위상 분포 포물선을 갖는 빔을 방사하도록, 상기 제1 위상 분포 포물선 및 상기 제2 위상 분포 포물선에 따른 위상 변화와 반대로 대응되는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 위상 변경 레벨이 높은 단위 셀들부터 순차적으로 상기 제1 렌즈의 중심에서 외곽 방향으로 배치되며, 상기 제2 렌즈는 위상 변경 레벨이 낮은 단위 셀들부터 순차적으로 상기 제2 렌즈의 중심에서 외곽 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 위상 분포 포물선은 상기 제2 렌즈를 향해 볼록한 형상을 가지며, 상기 제3 위상 분포 포물선은 상기 제1 렌즈를 향해 볼록한 형상을 가지고, 상기 제2 위상 분포 포물선의 곡률은 상기 제3 위상 분포 포물선의 곡률보다 작은 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 위상 변경 레벨이 낮은 단위 셀들로부터 순차적으로 상기 제1 렌즈의 중심에서 외곽방향으로 배치되며, 상기 제2 렌즈는 위상 변경 레벨이 높은 단위 셀들로부터 순차적으로 상기 제2 렌즈의 중심에서 외곽방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 위상 분포 포물선은 상기 빔포밍 안테나 향해 오목한 형상을 가지며, 상기 제3 위상 분포 포물선은 상기 제2 렌즈의 빔 방사 방향을 향해 볼록한 형상을 가지고, 상기 제2 위상 분포 포물선의 곡률은 상기 제3 위상 분포 포물선의 곡률보다 큰 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 평면 렌즈인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 평면렌즈인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 오목렌즈 형상의 유전체 렌즈(dielectric lens)이며, 상기 제2 렌즈는 볼록렌즈 형상의 유전체 렌즈인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 안테나 모듈.
  16. 삭제
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