KR102531003B1 - 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.
또한 본 발명은 안테나와 렌즈를 포함하는 안테나 모듈을 제공하며, 상기 안테나는 전파를 상기 안테나의 수직면으로부터 기설정된 제1 각도만큼 편향시켜 방사하는 제1 안테나 어레이를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 안테나와 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 안테나에서 방사하는 전파의 위상을 변경시킬 수 있다.

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 구조물에 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.
앞서 개시한 MIMO(Multi Input Multi Output) 통신 환경 등에서 하나의 안테나에는 복수개의 안테나 어레이가 포함될 수 있으며, 각각의 안테나 어레이에는 전파의 게인 이득과 커버리지를 향상시키기 위한 렌즈가 부착될 수 있다.
상기 렌즈는 안테나 어레이를 통해 방사되는 전파의 위상을 변화시켜 안테나 어레이의 성능을 향상시키는 장치이므로, 일반적으로 렌즈의 구조는 상기 렌즈와 결합되는 안테나 또는 안테나 어레이에 기반하여 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 모듈은 적어도 하나의 안테나 어레이가 배치되는 안테나와 렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 안테나는 전파를 상기 안테나의 수직면으로부터 기설정된 제1 각도만큼 편향시켜 방사하는 제1 안테나 어레이를 포함하며, 상기 렌즈는 상기 안테나와 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 안테나 어레이로부터 방사되는 전파의 위상을 변경시킬 수 있다.
상기 제1 각도는 상기 제1 거리 또는 상기 제1 안테나 어레이의 폭에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 안테나는 제1 안테나 어레이와 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 배치되는 제2 안테나 어레이를 더 포함하며, 상기 제2 안테나 어레이는 전파를 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제1 각도만큼 편향시켜 방사할 수 있다.
상기 제1 각도는 상기 제1 이격거리 또는 상기 제1 안테나 어레이의 폭 또는 상기 제2 거리에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 렌즈는 평면렌즈이며, 상기 안테나의 상단면을 덮을 수 있도록 일물로써 형성될 수 있다.
상기 안테나의 전파 위상 줌심축은 상기 제1 안테나 어레이의 중심축과 상기 제2 안테나 어레이의 중심축에 기반하여 결정되며, 상기 렌즈의 중심축은 상기 안테나의 전파 위상 중심축과 일치할 수 있다.
상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이의 전파 강도 중심축은 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제1 각도만큼 편향될 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 모듈을 포함하는 기지국에서 상기 안테나 모듈은 적어도 하나의 안테나 어레이가 배치되는 안테나와 렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 안테나는 전파를 상기 안테나의 수직면으로부터 기설정된 제1 각도만큼 편향시켜 방사하는 제1 안테나 어레이를 포함하며,
상기 렌즈는 상기 안테나와 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 상기 안테나 어레이로부터 방사되는 전파의 위상을 변경시킬 수 있다.
상기 제1 각도는 상기 제1 거리 또는 상기 제1 안테나 어레이의 폭에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 안테나는 제1 안테나 어레이와 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 배치되는 제2 안테나 어레이를 더 포함하며, 상기 제2 안테나 어레이는 전파를 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제1 각도만큼 편향시켜 방사할 수 있다.
상기 제1 각도는 상기 제1 이격거리 또는 상기 제1 안테나 어레이의 폭 또는 상기 제2 거리에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 렌즈는 평면렌즈이며, 상기 안테나의 상단면을 덮을 수 있도록 일물로써 형성될 수 있다.
상기 안테나의 전파 위상 줌심축은 상기 제1 안테나 어레이의 중심축과 상기 제2 안테나 어레이의 중심축에 기반하여 결정되며, 상기 렌즈의 중심축은 상기 안테나의 전파 위상 중심축과 일치할 수 있다.
상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이의 전파 강도 중심 축은 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제1 각도만큼 편향될 수 있다.
본 발명에서 개시하고 있는 일실시예에 따를 경우, 안테나의 위상 분포 중심을 렌즈의 위상 분포 중심과 일치시킬 수 있어, 하나의 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치되더라도 안테나를 통해 방사되는 빔이 왜곡되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 빔포밍을 지원하는 이동 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 렌즈를 포함하는 안테나 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a는 안테나에 하나의 안테나 어레이가 배치된 경우, 안테나 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3b는 안테나에 하나의 안테나 어레이가 배치된 경우, 렌즈를 통해 방사되는 빔의 강도 분포를 나타낸 도면이다.
도 3c는 안테나에 하나의 안테나 어레이가 배치된 경우, 렌즈를 통해 방사되는 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치되는 경우, 안테나 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5a는 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치된 경우, 안테나 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5b는 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치된 경우, 렌즈를 통해 방사되는 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이다.
도 5c는 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치된 경우, 렌즈를 통해 방사되는 빔의 강도 분포를 나타낸 도면이다.
도 6의 그래프는 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치된 경우, 안테나에서 방사되는 빔과 렌즈를 통해 방사되는 빔의 위상 차이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치되며, 각각의 안테나 어레이에서 기설정된 각도만큼 빔을 편향시켜 방사하는 경우를 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. 렌즈(210)를 이용한 빔의 게인값 향상 및 위상 변화에 대한 보다 구체적인 설명은 이하 도 3a 내지 도 3c에 대한 설명으로 후술하도록 한다.
도 3a는 안테나에 하나의 안테나 어레이가 배치된 경우, 안테나 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
안테나에 하나의 안테나 어레이(200)만이 배치된 경우, 상기 안테나 어레이(200)를 통해 방사되는 전파 (또는 빔)는 도 3a에서 도시하고 있는 형상을 가질 수 있으며, 이와 같이 방사되는 전파의 강도 분포와 위상 분포는 도 3a에서 도시하고 있는 바와 같이 전파의 중심축을 중심으로 포물선 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 안테나 어레이(200)와 기설정된 거리만큼 이격되어 배치되는 렌즈(210)는 상기 전파의 중심축과 렌즈 중심축이 일치하도록 배치될 수 있다. 또한, 이 경우 상기 렌즈(210)의 위상 분포는 상기 전파의 위상 분포와는 반대의 형상을 가지는 포물선이 될 수 있다. (상기 렌즈의 위상 분포는 앞서 개시한 바와 같이 상기 렌즈에 형성되는 패턴을 통해 결정할 수 있다. 상기 위상 분포를 결정하기 위한 렌즈의 패턴 형성 방법은 본 발명에서 개시하고자 하는 권리범위 외의 부분이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.)
즉, 도 3a에서 개시하고 있는 안테나 모듈의 구조는 렌즈 중심축과 전파의 중심축이 일치하며, 렌즈 위상 분포 중심과 안테나 전파 위상 분포 중심 및 안테나 전파 강도 분포 중심도 모두 일치한다.
도 3a에서 개시하고 있는 안테나 모듈 구조에 따를 경우, 렌즈를 통해 방사되는 빔의 강도 분포를 나타낸 도면이 3b이며, 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이 도 3c이다.
도 3b 및 도 3c를 통해 렌즈를 통해 방사되는 전파의 게인값은 렌즈 중심축에 가까울수록 큼을 확인 할 수 있으며, 전파의 위상값도 렌즈 중심축과 전파의 중심축이 일치하도록 형성된 것을 확인할 수 있다.
한편, 하나의 안테나에는 복수개의 안테나 어레이가 포함될 수 있다. 특히 MIMO(Multi Input Multi Output) 통신 환경에서는 복수개의 안테나 어레이를 포함하는 안테나의 필요성이 증대된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치되는 경우, 안테나 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 안테나 모듈(400)은 적어도 하나의 안테나 어레이(201, 202, 203, 204)를 포함하는 안테나(200)를 포함할 수 있다. 상기 각각의 안테나 어레이(antenna array, 201, 202, 203, 204)는 복수개의 안테나 엘리먼트를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 안테나 어레이는 도 4에서 도시하고 있는 바와 같이 16개의 안테나 엘리먼트로 구성될 수 있으며, 상기 안테나 어레이는 각 안테나 엘리먼트를 제어하여 다양한 각도로 빔을 형성할 수 있다.
또한 상기 안테나 모듈(400)은 필요에 따라 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 안테나 모듈(400)은 상기 안테나 모듈(400)에 전원을 제공하는커넥터(230)와 상기 커넥터(230)를 통해 제공되는 전압을 변환하는 DC/DC 컨버터(210)를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 안테나 모듈(400)은 FPGA(Field Programmable Gate Array, 220)를 더 포함할 수 있다. 상기 FPGA(220)는 설계 가능 논리 소자와 프로그래밍 가능한 내부선이 포함된 반도체 소자이다. 상기 가능 논리 소자는 AND, OR, XOR, NOT 등의 논리 게이트 및 더 복잡한 디코더 기능을 복제하여 프로그래밍 할 수 있다. 또한 상기 FPGA는 플립플롭(flip-flop)이나 메모리를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 안테나 모듈(400)은 LDO(Low DropOut, 240) 레귤레이터를 포함할 수 있다. 상기 LDO 레귤레이터(240)는 입력 전압보다 출력 전압이 낮으며, 입력 전압과 출력 전압 사이에 전압차이가 작을 때 효율이 높은 레귤레이터로써, 입력 전원의 노이즈를 제거할 수도 있다. 또한, 상기 LDO 레귤레이터(240)는 출력 임피던스가 낮아 회로 내에 주극점(dominant pole)을 위치시켜, 회로를 안정화 시키는 기능도 할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 모듈의 구조를 개시하고 있는 것이므로 본 발명의 권리범위가 도 4에서 도시하고 있는 안테나 모듈의 구조에만 국한되어서는 안 될 것이다.
즉, 도 4에서는 네 개의 안테나 어레이가 하나의 안테나를 구성하고 있는 경우를 도시하고 있으나, 하나의 안테나에 포함되는 안테나 어레이의 개수는 필요에 따라 증가 또는 감소가 가능하다. 뿐만 아니라, 앞서 언급한 커넥터(230), DC/DC 컨버터(210), FPGA(220) 또는 LDO 레귤레이터(240)는 필요에 따라 추가 또는 제거될 수 있다.
도 4에서 도시하고 있는 바와 같이 하나의 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 포함되는 경우, 상기 안테나와 렌즈를 포함한 안테나 모듈의 구조는 도 5a와 같다. 구체적으로 상기 도 5a는 하나의 안테나(500)에 두 개의 안테나 어레이(200, 202)가 포함된 경우를 도시하고 있다.
하나의 안테나(500)를 구성하는 제1 안테나 어레이(200)와 제2 안테나 어레이(202)는 기설정된 거리만큼 이격되어 배치되며, 제1 안테나 어레이(200)와 제2 안테나 어레이(202)는 각각 렌즈(210)를 향해 전파를 방사할 수 있다.
도 5a에서 볼 수 있듯이, 제1 안테나 어레이(200)와 제2 안테나 어레이(2020)를 포함하는 안테나 모듈의 구성에서, 상기 렌즈(210)의 중심축은 상기 제1 안테나 어레이(200)의 전파 중심축 및 상기 제2 안테나 어레이(202)의 전파 중심축과 일치하지 않는다.
왜냐하면, 물리적으로 제1 안테나 어레이(200)와 제2 안테나 어레이(202)는 중첩되서 위치할 수 없기 때문이다. 따라서, 제1 안테나 어레이(200)와 제2 안테나 어레이(202)를 통해 방사되는 전파는 중첩되지 않고, 도 5a에서 도시하고 있는 바와 같이 서로 이격되어 존재한다.
즉, 제1 안테나 어레이(200)를 통해 방사되는 전파의 안테나 전파 각도 분포 및 안테나 전파 위상 분포는 제2 안테나 어레이(202)를 통해 방사되는 전파의 안테나 전파 각도 분포 및 안테나 전파 위상 분포와 일치하지 않는다.
또한 상기 제1 안테나 어레이(200)를 통해 방사되는 전파의 위상 분포와 상기 제2 안테나 어레이(202)를 통해 방사되는 전파의 위상 분포의 합과 상기 렌즈 위상 분포가 서로 상반되지 않는바, 이에 의하여 렌즈의 성능(게인값 향상 및 커버리지 향상)이 하락될 수 있다. (렌즈의 성능을 가장 극대화시킬 수 있는 조건은 앞서 도 3a에서 살펴본 바와 같이 안테나 전파 위상 분포가 형성하는 포물선과 렌즈 위상 분포가 형성하는 포물선이 서로 상반되는 경우이다.)
도 5b는 도 5a와 같은 안테나 모듈 구조에서 렌즈를 통해 방사되는 빔의 위상 분포를 나타낸 도면이며, 도 5c는 도 5a와 같은 안테나 모듈 구조에서 렌즈를 통해 방사되는 빔의 강도 분포를 나타낸 도면이다.
상기 도 5b 및 도 5c에서 확인할 수 있듯이, 렌즈 중심축과 제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이를 포함하는 안테나에서 방사되는 전파의 축은 일치하지 않음을 확인할 수 있다.
이에 따라 렌즈를 통해 방사되는 전파의 강도는 렌즈 중심축과 안테나 전파의 중심축을 경계로 좌우로 고르게 분포되는바, 렌즈를 통해서 외부로 방사되는 빔은 샤프한 형상을 가지지 못할 수 있다. (즉, 렌즈를 통해 향상되는 게인값이 감소할 수 있다.)
도 6의 그래프는 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치된 경우, 안테나에서 방사되는 전파와 렌즈의 위상 차이를 나타낸 그래프이다. 앞서 살펴본 전파 게인값 감소효과 외에, 도 5a의 구조에 따를 경우 큰 문제점이 존재할 수 있으며, 도 6의 그래프를 통해 이를 확인할 수 있다.
도 6의 그래프를 살펴보면, 렌즈의 위상(그래프상 렌즈로 표기) 분포와 안테나로부터 방사되어 전파(그래프상 안테나로 표기)의 위상 분포는 서로 상이하다. 보다 구체적으로 렌즈는 렌즈 중심축을 중심으로 입사각도가 0°가 되는 지점을 중심축으로 위상 분포가 형성되나, 안테나로부터 방사되는 전파는 렌즈 중심축을 중심으로 입사각도가 약 12°가 되는 지점을 중심으로 위상 분포가 형성된다.
따라서 도 5a와 같은 안테나 모듈 구조는 안테나 중심축과 렌즈 중심축이 서로 일치하지 않을 수 있으며, 이에 따라 상기 안테나 모듈은 정확한 각도로 빔을 형성하기 어려울 수 있다. (앞서 5G 이동 통신 시스템은 기설정된 각도 간격으로 복수개의 빔을 형성하는 빔포밍 기술이 핵심기술이라고 하였다. 따라서 상기 복수개의 빔을 정확한 각도로 형성할 수 없다는 문제점은 5G 이동 통신 시스템의 적용에 있어 중요한 문제이다.)
도 7은 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 배치되며, 각각의 안테나 어레이에서 기설정된 각도만큼 빔을 편향시켜 방사하는 경우를 나타낸 도면이다.
앞서 살펴보면 도 5a에서 개시하고 있는 안테나 모듈의 문제점은 안테나에 복수개의 안테나 어레이가 포함됨에 따라 안테나를 통해 방사되는 전파의 위상 분포가 렌즈 위상 분포에 대응되지 않는다는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 안테나를 통해 방사되는 전파의 위상 분포를 렌즈 위상 분포에 대응되도록 상기 안테나(500)를 구성하는 제1 안테나 어레이(201)와 제2 안테나 어레이(202)의 전파 방사각도를 제어하고자 한다.
보다 구체적으로, 도 7에서 개시하고 있는 바와 같이 제1 안테나 어레이(201)를 통해 방사되는 전파와 제2 안테나 어레이(202)를 통해 방사되는 전파가 합쳐져 상기 안테나(500)를 통해 방사되는 전파의 위상 분포가 형성하는 포물선이 상기 렌즈(210)를 중심으로 렌즈 위상 분포가 형성하는 포물선과 상반되도록 하며, 상기 안테나 전파 위상 분포의 중심축과 렌즈 중심축이 일치하도록 상기 제1 안테나 어레이(201)와 상기 제2 안테나 어레이(202)를 제어할 수 있다.
일례로, 상기 제1 안테나 어레이(201)와 상기 제2 안테나 어레이(202)는 상기 안테나의 수직면으로부터 기설정된 제1 각도만큼 편향되어 전파를 방사할 수 있으며, 상기 제1 각도는 안테나 어레이와 렌즈 사이의 거리 또는 안테나 어레이의 폭 또는 안테나 어레이 간의 간격에 의하여 결정될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 편향되는 제1 각도는 하기의 수식에 의하여 결정될 수 있다.
θ=tan-1((W+p)/(2*D))
θ: 제1 각도, W: 안테나 어레이 폭, D: 안테나 어레이와 렌즈 사이의 거리, p: 안테나 어레이 간의 간격
한편, 본 발명에서는 하나의 안테나에 두 개의 안테나 어레이가 포함되는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 국한되어서는 안 될 것이다. 즉, 필요에 따라 안테나에 포함되는 안테나 어레이의 개수는 증가 또는 감소할 수 있다.
뿐만 아니라, 앞서 제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이가 동일한 제1 각도로 편향되어 전파를 방사할 수 있다고 개시하고 있으나, 필요에 따라 상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이는 서로 상이한 각도로 편향되어 전파를 방사할 수 있다. (다만, 이 경우에도 안테나 전파 위상 분포의 중심축과 렌즈 중심축은 일치해야 할 것이다.)
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.

Claims (14)

  1. 안테나 모듈에 있어서,
    안테나 평면 상의 복수의 안테나 어레이들이 배치되는 안테나, 상기 복수의 안테나 어레이들은 제1 안테나 어레이 및 제2 안테나 어레이를 포함하고; 및
    상기 복수의 안테나 어레이들에 의해 생성되는 전파들의 위상 값을 변경하기 위한 패턴이 형성된 제1 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 안테나 어레이는, 상기 안테나 평면에 대한 수직면으로부터, 상기 수직면의 일 측에 대하여 제1 기설정된 각도만큼 편향된, 제1 전파를 방사하고,
    상기 제2 안테나 어레이는, 상기 안테나 평면에 대한 상기 수직면으로부터, 상기 수직면의 일 측과 반대되는 다른 측에 대하여 제2 기설정된 각도만큼 편향된, 제2 전파를 방사하고,
    상기 제1 전파 및 상기 제2 전파의 결합에 기초하여 형성되는 결합된 전파의 위상 분포는 상기 제1 렌즈의 위상 분포에 대응되고,
    상기 제1 기설정된 각도 및 상기 제2 기설정된 각도는, 상기 결합된 전파의 상기 위상 분포가 상기 제1 렌즈의 상기 위상 분포의 중심축과 일치하도록 결정되고,
    상기 제1 기설정된 각도는, 상기 제1 렌즈와 상기 안테나 평면 간의 거리, 상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이 간의 거리, 및 상기 제1 안테나 어레이의 폭에 기반하여 결정되고,
    상기 제2 기설정된 각도는, 상기 제1 렌즈와 상기 안테나 평면 간의 거리, 상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이 간의 거리, 및 상기 제2 안테나 어레이의 폭에 기반하여 결정되고,
    상기 제1 렌즈는 상기 안테나와 기설정된 제1 거리만큼 이격되어, 상기 패턴을 통해, 상기 안테나로부터 방사되는 상기 결합된 전파의 위상을 변경시키는 것을 특징으로 하는,
    안테나 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 평면 렌즈이며, 상기 안테나의 상단면을 덮을 수 있도록 일물로써 형성된 것을 특징으로 하는,
    안테나 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결합된 전파의 위상 값들은 동일한 위상 값이고,
    상기 제1 렌즈의 상기 위상 분포에 의해 형성된 포물선은 상기 결합된 전파의 상기 위상 분포에 의해 형성된 포물선의 형상과 반대되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는,
    안테나 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 어레이의 전파 강도 중심축은 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제1 기설정된 각도만큼 편향되고,
    상기 제2 안테나 어레이의 전파 강도 중심축은 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제2 기설정된 각도만큼 편향되는 것을 특징으로 하는,
    안테나 모듈.
  8. 안테나 모듈을 포함하는 기지국에 있어서,
    안테나 평면 상의 복수의 안테나 어레이들이 배치되는 안테나, 상기 복수의 안테나 어레이들은 제1 안테나 어레이 및 제2 안테나 어레이를 포함하고; 및
    상기 복수의 안테나 어레이들에 의해 생성되는 전파들의 위상 값을 변경하기 위한 패턴이 형성된 제1 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 안테나 어레이는, 상기 안테나 평면에 대한 수직면으로부터, 상기 수직면의 일 측에 대하여 제1 기설정된 각도만큼 편향된, 제1 전파를 방사하고,
    상기 제2 안테나 어레이는, 상기 안테나 평면에 대한 상기 수직면으로부터, 상기 수직면의 일 측과 반대되는 다른 측에 대하여 제2 기설정된 각도만큼 편향된, 제2 전파를 방사하고,
    상기 제1 전파 및 상기 제2 전파의 결합에 기초하여 형성되는 결합된 전파의 위상 분포는 상기 제1 렌즈의 위상 분포에 대응되고,
    상기 제1 기설정된 각도 및 상기 제2 기설정된 각도는, 상기 결합된 전파의 상기 위상 분포가 상기 제1 렌즈의 상기 위상 분포의 중심축과 일치하도록 결정되고,
    상기 제1 기설정된 각도는, 상기 제1 렌즈와 상기 안테나 평면 간의 거리, 상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이 간의 거리, 및 상기 제1 안테나 어레이의 폭에 기반하여 결정되고,
    상기 제2 기설정된 각도는, 상기 제1 렌즈와 상기 안테나 평면 간의 거리, 상기 제1 안테나 어레이와 상기 제2 안테나 어레이 간의 거리, 및 상기 제2 안테나 어레이의 폭에 기반하여 결정되고,
    상기 제1 렌즈는 상기 안테나와 기설정된 제1 거리만큼 이격되어, 상기 패턴을 통해, 상기 안테나로부터 방사되는 상기 결합된 전파의 위상을 변경시키는 것을 특징으로 하는,
    기지국.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 평면 렌즈이며, 상기 안테나의 상단면을 덮을 수 있도록 일물로써 형성된 것을 특징으로 하는,
    기지국.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 결합된 전파의 위상 값들은 동일한 위상 값이고,
    상기 제1 렌즈의 상기 위상 분포에 의해 형성된 포물선은 상기 결합된 전파의 상기 위상 분포에 의해 형성된 포물선의 형상과 반대되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는,
    기지국.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 안테나 어레이의 전파 강도 중심축은 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제1 기설정된 각도만큼 편향되고,
    상기 제2 안테나 어레이의 전파 강도 중심축은 상기 안테나의 수직면으로부터 상기 제2 기설정된 각도만큼 편향되는 것을 특징으로 하는,
    기지국.
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