KR102541803B1 - Full-duplex transceiver with circular polarization - Google Patents

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KR102541803B1
KR102541803B1 KR1020210188249A KR20210188249A KR102541803B1 KR 102541803 B1 KR102541803 B1 KR 102541803B1 KR 1020210188249 A KR1020210188249 A KR 1020210188249A KR 20210188249 A KR20210188249 A KR 20210188249A KR 102541803 B1 KR102541803 B1 KR 102541803B1
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circular polarization
circularly polarized
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KR1020210188249A
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박창근
이호진
홍순기
장선혜
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숭실대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유전체 기판을 기준으로 전면부와 후면부에 각각 설정 패턴을 가지는 금속 패치가 격자 배열된 구조를 가지며, 전면부와 후면부를 통하여 서로 반대 방향의 원형 편파 신호를 선택적으로 투과시키도록 설계된 메타표면 구조체, 그리고 메타표면 구조체의 후방에 배치되며, 설정 방향의 원형 편파 신호를 상기 메타표면 구조체의 후면부로 입사시키고 상기 메타표면 구조체의 전면부로 입사되어 투과한 상기 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신하는 통신회로부를 포함하는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 방향의 원형 편파를 송수신 신호에 적용하여 초소형 및 고효율의 전이중 통신 기기를 구현할 수 있으며, 종래의 써큘레이터 역할을 하는 변압기를 전혀 사용하지 않고 전체 송수신 장치의 경량화 및 소형화의 달성이 가능한 장점을 갖는다.The present invention relates to a transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology. According to the present invention, it has a structure in which metal patches each having a set pattern are lattice-arranged on the front and rear surfaces of a dielectric substrate, and is designed to selectively transmit circularly polarized signals in opposite directions through the front and rear surfaces. A metasurface structure and disposed behind the metasurface structure, a circularly polarized signal in a setting direction is incident on the back side of the metasurface structure, and a circular polarization signal in a direction opposite to the setting direction transmitted through the front side of the metasurface structure Provided is a transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology including a communication circuit unit for receiving a signal.
According to the present invention, it is possible to implement a compact and high-efficiency full-duplex communication device by applying circular polarization in different directions to transmission and reception signals, and to reduce the weight and size of the entire transmission and reception device without using a conventional transformer serving as a circulator. It has achievable advantages.

Description

원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치{Full-duplex transceiver with circular polarization}Transmission and reception device for full-duplex communication using circular polarization technology {Full-duplex transceiver with circular polarization}

본 발명은 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 방향의 원형 편파(circular polarization)를 송신 신호와 수신 신호에 적용하여 초소형 및 고효율의 전이중 통신기를 구현할 수 있는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology, and more particularly, by applying circular polarization in different directions to a transmission signal and a reception signal, a circular polarization capable of realizing a compact and highly efficient full-duplex communication device. It relates to a transceiver for full-duplex communication using polarization technology.

5G 기술의 상용화와 더불어 빔포밍 기술은 무선통신을 위한 송수신 시스템의 핵심 기술 중의 하나로 자리매김 하고 있다. 이와 같은 빔포밍 기술은 시간분할 방식(TDD)과 주파수분할 방식(FDD)중 하나를 사용하게 된다. Along with the commercialization of 5G technology, beamforming technology is becoming one of the core technologies of transmission and reception systems for wireless communication. Such a beamforming technique uses one of a time division scheme (TDD) and a frequency division scheme (FDD).

도 1은 종래에 따른 시간 분할 방식을 이용한 송수신단 회로 구성도이다. 도 1에 나타낸 시간분할 방식의 경우는 동일한 주파수 대역의 송신 신호와 수신 신호의 처리를 서로 다른 시간에 수행하기 때문에 송신 안테나 및 수신 안테나를 하나로 통합하여 구성 할 수 있다는 이점이 있으며, 이는 전체 빔포밍 시스템의 소형화 및 경량화 관점에서 큰 장점을 가진다. 하지만, 시간분할 방식의 송수신단 구성을 위해, 송신 경로와 수신 경로를 선택할 수 있는 스위치의 사용이 필수적이며, 스위치에서 발생하는 전력 손실은 송신부에서의 출력전력과 수신부에서의 잡음지수를 열화시키는 주요 원인이 된다. 1 is a circuit diagram of a transmission/reception terminal using a time division method according to the related art. In the case of the time division method shown in FIG. 1, since the processing of the transmission signal and the reception signal of the same frequency band are performed at different times, there is an advantage in that the transmission antenna and the reception antenna can be integrated into one configuration. It has a great advantage in terms of miniaturization and light weight of the system. However, in order to construct a time-division transceiver, it is essential to use a switch capable of selecting a transmission path and a reception path, and the power loss occurring in the switch is a major deterioration of the output power in the transmission unit and the noise figure in the reception unit. cause

도 2는 종래에 따른 주파수 분할 방식을 이용한 송수신단 구성도이다. 도 2에 나타낸 주파수분할 방식의 경우는 송신 신호와 수신 신호의 주파수를 달리하는 것으로서, 시분할 방식과 비교하여 스위치를 제거할 수 있으나, 송신부 안테나와 수신부 안테나를 각각 구현해야 하며, 이는 빔포밍 송수신단의 안테나 면적으로 인해 전체 시스템의 크기가 증가한다는 문제점이 있다.2 is a configuration diagram of a transmitting/receiving unit using a conventional frequency division method. In the case of the frequency division method shown in FIG. 2, the frequencies of the transmission signal and the reception signal are different, and compared to the time division method, a switch can be removed, but a transmitter antenna and a receiver antenna must be implemented respectively, which is a beamforming transceiver. There is a problem that the size of the entire system increases due to the antenna area of .

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안 중 하나로, 전이중(Full-Duplex) 통신 기술이 있다. 전이중 통신의 경우, 동일한 주파수 대역의 신호를 활용하면서도 송신 안테나와 수신 안테나를 하나로 통합 할 수 있는 기술로서, 시간분할 방식의 이점과 주파수분할 방식의 이점을 동시에 달성하기 위한 기술이다. As one of the methods for solving this problem, there is a full-duplex communication technology. In the case of full-duplex communication, it is a technology that can integrate a transmission antenna and a reception antenna into one while using signals of the same frequency band, and is a technology for achieving the advantages of time division and frequency division at the same time.

도 3은 전이중 통신을 위한 주파수 및 시간 슬롯 개념도이고, 도 4는 종래에 따른 변압기 기반의 전이중 통신을 위한 송수신단 개념도이다. 도 3에서 보인 바와 같이 전이중 통신의 경우, 송신 신호와 수신 신호의 주파수 대역이 동일하며 신호의 송신 및 수신이 동시에 가능하다는 이점이 있다. 3 is a conceptual diagram of a frequency and a time slot for full-duplex communication, and FIG. 4 is a conceptual diagram of a transceiver for transformer-based full-duplex communication according to the related art. As shown in FIG. 3, in the case of full-duplex communication, the frequency band of the transmission signal and the reception signal are the same, and there is an advantage in that transmission and reception of signals are possible at the same time.

이와 같은 전이중 통신을 위한 송수신부의 구성은 도 4와 같이 송신부, 수신부 및 송수신 안테나 사이에 변압기 기반의 서큘레이터를 사용하는 것이 일반적이다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 변압기를 기반으로 하는 전이중 통신은 수신단의 저잡음증폭기(LNA: Low-noise amplifier)가 차동 구조로 설계 되며, 송신단의 전력증폭기(PA: Power amplifier)가 단일 종단 구조로 설계된다. As shown in FIG. 4, a transceiver for full-duplex communication generally uses a transformer-based circulator between the transmitter, the receiver, and the transmit/receive antenna. As shown in FIG. 4, in the transformer-based full-duplex communication, the low-noise amplifier (LNA) of the receiving end is designed as a differential structure, and the power amplifier (PA) of the transmitting end is designed as a single-ended structure. do.

하지만, 이와 같은 변압기 기반의 전이중 통신은 이론적으로, 전력증폭기의 출력 전력 중 50%만이 안테나로 전달되며, 변압기 및 정합회로(MN: Matching network) 등에 의한 전력 손실을 고려한다면 이보다 적은 전력량이 안테나로 전달되는 한계가 있다. However, in this transformer-based full-duplex communication, theoretically, only 50% of the output power of the power amplifier is delivered to the antenna, and considering the power loss caused by the transformer and matching network (MN), less power is transmitted to the antenna. There are limits to transmission.

무선통신 시스템에서 전력증폭기의 출력 전력이 안테나로 전달되는 량이 감소한다는 것은 전력증폭기가 더 큰 출력 전력을 생성해야 하는 요인이 되며, 전력증폭기가 전체 시스템에서 소모하는 dc 전력량이 가장 큰 점을 고려할 때, 전체 시스템의 전력 변환 효율 저하 등의 문제점이 있다. In a wireless communication system, the decrease in the amount of output power delivered to the antenna of the power amplifier is a factor for the power amplifier to generate a larger output power, considering that the power amplifier consumes the largest amount of dc power in the entire system. , there are problems such as lowering of the power conversion efficiency of the entire system.

이와 같은 변압기 기반의 전이중 통신을 위한 송수신부의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래 기술은 직교 선형 편파 기술을 이용하는 것인데 이의 구성도를 도 5에 보였다. Another conventional technique for solving the problem of the transceiver for transformer-based full-duplex communication is to use orthogonal linear polarization technology, the configuration of which is shown in FIG. 5.

도 5는 종래의 직교 선형 편파를 이용한 메타표면 기반의 전이중 통신을 위한 송수신단 개념도이다. 도 5와 같은 직교 선형 편파 기술의 경우, 메타 표면(Meta surface)과 안테나 어레이(Antenna array) 및 송수신단 회로부로 구성된다. 이때, 송신부(Transmitter)와 수신부(Receiver)는 하나의 송수신 안테나와 공통으로 연결되며, 기존의 시간 분할 방식과는 달리 송신부 및 수신부 신호를 선택하는 스위치가 제거된 것을 알 수 있다.5 is a conceptual diagram of a transceiver for metasurface-based full-duplex communication using conventional orthogonal linear polarization. In the case of the orthogonal linear polarization technology as shown in FIG. 5, it is composed of a meta surface, an antenna array, and a transceiver circuit. At this time, it can be seen that the transmitter and the receiver are commonly connected to one transmit/receive antenna, and the switch for selecting the transmitter and receiver signals is removed, unlike the conventional time division method.

도 6은 도 5의 직교 선형 편파를 이용한 메타 표면에서 편파에 따른 신호 투과 동작을 예시한 개념도이다. 도 6과 같은 직교 선형 편파 특성을 가지는 메타 표면의 경우, 왼쪽 그림과 같이, 메타 표면의 전면부로 입사되는 신호 중 X축 편파 신호는 메타 표면의 후면부로 통과하지만, Y축 편파 신호는 차단되는 특성을 가진다. 아울러, 우측 그림과 같이 메타 표면의 후면부로 입사되는 신호 중 Y축 편파 신호는 메타 표면의 전면부로 통과하지만, X축 편파 신호는 차단되는 특성을 가진다. FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a signal transmission operation according to polarization in the metasurface using orthogonal linear polarization of FIG. 5 . In the case of the metasurface having orthogonal linear polarization characteristics as shown in FIG. 6, as shown in the left figure, the X-axis polarized signal among the signals incident on the front part of the metasurface passes through the rear part of the metasurface, but the Y-axis polarized signal is blocked. have In addition, as shown in the right figure, among the signals incident on the back side of the meta surface, the Y-axis polarized signal passes through the front side of the meta surface, but the X-axis polarized signal is blocked.

이와 같은 직교 선형 편파 특성을 가지는 메타 표면을 이용하여 도 5에서 보인 전이중 통신 송수신단을 구성할 경우, 후면부에 안테나 어레이와 송수신단 회로부가 순차적으로 위치하게 되면, 수신 신호를 X축 편파 신호로 활용하고, 송신 신호를 Y축 편파 신호로 활용할 수 있다. When the full-duplex communication transceiver shown in FIG. 5 is constructed using the metasurface having such orthogonal linear polarization characteristics, when the antenna array and the transceiver circuit are sequentially located on the rear side, the received signal is used as the X-axis polarization signal. And the transmission signal can be used as a Y-axis polarization signal.

하지만 이와 같은 직교 선형 편파 메타 표면을 활용하는 전이중 통신용 송수신단의 경우, 서로 무선 통신을 수행하는 두 시스템, 예를 들어 두 개의 전자 기기 간에 X축과 Y축 정렬(align)이 정확하게 일치해야만 원하는 신호를 원활하게 송신 및 수신할 수 있다는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점은 무선 통신의 이동성 및 편의성을 고려할 때, 직교 선형 편파 메타 표면을 사용하는 전이중 통신용 송수신단의 실제 사용이 현실적으로 많은 제약 사항이 있다. However, in the case of a transceiver for full-duplex communication using such an orthogonal linear polarization metasurface, the desired signal must be exactly matched in the X-axis and Y-axis alignment between two systems that perform wireless communication with each other, for example, two electronic devices. There is a problem that can be smoothly transmitted and received. Considering the mobility and convenience of wireless communication, there are many limitations in practical use of a transceiver for full-duplex communication using an orthogonal linear polarization metasurface.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2247745호(2021.05.04 공고)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-2247745 (Announced on May 4, 2021).

본 발명은 서로 다른 방향의 원형 편파를 송수신 신호에 적용하여 초소형 및 고효율의 전이중 통신 기기를 구현할 수 있는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a transmission/reception device for full-duplex communication using circular polarization technology capable of realizing a compact and highly efficient full-duplex communication device by applying circular polarization in different directions to transmission and reception signals.

본 발명은, 유전체 기판을 기준으로 전면부와 후면부에 각각 설정 패턴을 가지는 금속 패치가 격자 배열된 구조를 가지며, 상기 전면부와 후면부를 통하여 서로 반대 방향의 원형 편파 신호를 선택적으로 투과시키도록 설계된 메타표면 구조체, 및 상기 메타표면 구조체의 후방에 배치되며, 상기 설정 방향의 원형 편파 신호를 상기 메타표면 구조체의 후면부로 입사시키고 상기 메타표면 구조체의 전면부로 입사되어 투과한 상기 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신하는 통신회로부를 포함하는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치를 제공한다.The present invention has a structure in which metal patches each having a set pattern are lattice-arranged on the front and rear surfaces of a dielectric substrate, and is designed to selectively transmit circularly polarized signals in opposite directions through the front and rear surfaces. A metasurface structure, and disposed behind the metasurface structure, the circularly polarized signal in the setting direction is incident on the rear side of the metasurface structure, and the direction opposite to the setting direction transmitted through the front side of the metasurface structure Provided is a transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology including a communication circuit unit for receiving a circular polarization signal.

또한, 상기 통신회로부는, 상기 메타표면 구조체의 후방에 배치되며, 상기 설정 방향의 원형 편파 신호에 해당한 송신 신호를 상기 후면부로 제공하고, 상기 전면부로 입사된 후 상기 후면부로 투과되는 상기 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신하는 안테나부, 및 상기 설정 방향의 원형 편파 신호를 생성하기 위한 전기 신호를 상기 안테나부로 전달하는 송신 회로부와, 상기 안테나부로부터 상기 반대 방향의 원형 편파 신호에 해당한 전기적 신호를 전달받는 수신 회로부를 구비한 송수신 회로부를 포함한다. In addition, the communication circuit unit is disposed behind the metasurface structure, provides a transmission signal corresponding to a circularly polarized signal in the setting direction to the rear part, and is incident on the front part and transmitted through the rear part in the setting direction. An antenna unit for receiving a circularly polarized signal in the opposite direction and a transmission circuit unit for transmitting an electrical signal to the antenna unit for generating a circularly polarized signal in the setting direction, and corresponding to the circularly polarized signal in the opposite direction from the antenna unit It includes a transmission/reception circuit unit having a reception circuit unit that receives an electrical signal.

또한, 상기 메타표면 구조체는, 상기 전면부로 입사되는 제1 및 제2 방향의 원형 편파 신호 중 상기 제1 방향의 원형 편파 신호만을 투과시키고 상기 제2 방향의 원형 편파 신호를 차단시키고, 상기 후면부로 입사되는 제1 및 제2 방향의 원형 편파 신호 중 상기 제2 방향의 원형 편파 신호만을 투과시키고 상기 제1 방향의 원형 편파 신호를 차단시키며, 상기 제1 방향 및 제2 방향 중 어느 하나는 시계 방향이고 나머지 하나는 반시계 방향일 수 있다.In addition, the metasurface structure transmits only the circular polarized signal in the first direction among the circular polarized signals in the first and second directions incident on the front part, blocks the circular polarized signal in the second direction, and transmits the circular polarized signal in the second direction to the rear part. Among the incident circular polarization signals in first and second directions, only the circular polarization signal in the second direction is transmitted and the circular polarization signal in the first direction is blocked, and one of the first and second directions is clockwise. and the other may be counterclockwise.

또한, 상기 안테나부는, 복수 개의 안테나가 매트릭스 형태로 배열된 어레이 안테나 구조를 가질 수 있다.In addition, the antenna unit may have an array antenna structure in which a plurality of antennas are arranged in a matrix form.

또한, 상기 송수신 회로부는, 상기 송신 회로부와 상기 수신 회로부의 쌍을 상기 안테나 별로 구비할 수 있다.In addition, the transmit/receive circuit unit may include a pair of the transmit circuit unit and the receive circuit unit for each antenna.

또한, 상기 송수신 회로부는, 상기 안테나부의 후방에 배치될 수 있다.In addition, the transmit/receive circuit unit may be disposed behind the antenna unit.

또한, 상기 금속 패치는, 중앙이 비어 있는 사각형 모양을 가지며 네 모서리 지점 중 대각선 방향의 한 쌍의 모서리 지점이 끊어진 구조를 가질 수 있다.In addition, the metal patch may have a rectangular shape with an empty center and a pair of corner points in a diagonal direction among four corner points may have a broken structure.

또한, 상기 메타표면 구조체는, 상기 유전체 기판을 기준으로 상기 전면부에 격자 배열된 금속 패치와 후면부에 격자 배열된 금속 패치 간 대칭 구조를 가질 수 있다.In addition, the metasurface structure may have a symmetric structure between the metal patches lattice-arranged on the front side and the metal patches lattice-arranged on the rear side with respect to the dielectric substrate.

본 발명에 따르면, 서로 다른 방향의 원형 편파를 송수신 신호에 적용하여 초소형 및 고효율의 전이중 통신 기기를 구현할 수 있으며, 종래의 써큘레이터 역할을 하는 변압기를 전혀 사용하지 않고 전체 송수신 장치의 경량화 및 소형화의 달성이 가능한 장점을 갖는다.According to the present invention, it is possible to implement a compact and high-efficiency full-duplex communication device by applying circular polarization in different directions to transmission and reception signals, and to reduce the weight and size of the entire transmission and reception device without using a conventional transformer serving as a circulator. It has achievable advantages.

아울러, 본 발명의 경우, 무선 통신을 수행하는 두 전자 기기 간의 완벽한 정렬의 필요성을 제거하여 무선 통신의 이동성 및 편의성을 확보할 수 있는 효과가 있다. In addition, in the case of the present invention, there is an effect of securing mobility and convenience of wireless communication by eliminating the need for perfect alignment between two electronic devices performing wireless communication.

도 1은 종래에 따른 시간 분할 방식을 이용한 송수신단 회로 구성도이다.
도 2는 종래에 따른 주파수 분할 방식을 이용한 송수신단 구성도이다.
도 3은 전이중 통신을 위한 주파수 및 시간 슬롯 개념도이다.
도 4는 종래에 따른 변압기 기반의 전이중 통신을 위한 송수신단 개념도이다.
도 5는 종래의 직교 선형 편파를 이용한 메타표면 기반의 전이중 통신을 위한 송수신단 개념도이다.
도 6은 도 5의 직교 선형 편파를 이용한 메타 표면에서 편파에 따른 신호 투과 동작을 예시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 전이중 송수신 장치의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 각각 도 7에 도시된 메타표면 구조체의 전면부 및 후면부의 입사 신호 투과 특성에 대한 일례를 설명한 도면이다1 is a circuit diagram of a transmission/reception terminal using a time division method according to the related art.
2 is a configuration diagram of a transmitting/receiving unit using a conventional frequency division method.
3 is a conceptual diagram of frequencies and time slots for full-duplex communication.
4 is a conceptual diagram of a transmitting/receiving terminal for transformer-based full-duplex communication according to the related art.
5 is a conceptual diagram of a transceiver for metasurface-based full-duplex communication using conventional orthogonal linear polarization.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a signal transmission operation according to polarization in the metasurface using orthogonal linear polarization of FIG. 5 .
7 is a diagram schematically showing the configuration of a transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the full-duplex transceiver shown in FIG. 7 in more detail.
9 and 10 are diagrams illustrating examples of incident signal transmission characteristics of the front and rear portions of the metasurface structure shown in FIG. 7, respectively.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Then, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice it. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. . In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 발명은 서로 다른 방향의 원형 편파를 송수신 신호에 적용한 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치를 제안한다. 본 발명에 따른 전이중 통신을 위한 송수신 장치는 도 5와 유사하게 구성되지만, 종래 기술과는 달리 메타표면은 직교 선형 편파 신호에 대한 선택적 투과 특성이 아닌, 원형 편파 신호에 대한 선택적 투과 특성을 가진다. 일반적으로 메타표면은 직교 선형 편파 혹은 원형편파 신호를 선택으로 투과 혹은 차단하는 특성을 가지도록 설계가 가능하다. The present invention proposes a transmission/reception device for full-duplex communication using a circular polarization technique in which circular polarization in different directions is applied to a transmission/reception signal. The transceiver for full-duplex communication according to the present invention is configured similarly to FIG. 5, but unlike the prior art, the metasurface has selective transmission characteristics for circular polarization signals, not orthogonal linear polarization signals. In general, metasurfaces can be designed to selectively transmit or block orthogonal linear polarization or circular polarization signals.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.7 is a diagram schematically showing the configuration of a transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology according to an embodiment of the present invention.

도 7에 나타낸 것과 같이, 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치(100)는 메타표면 구조체(110) 및 통신회로부(120)를 포함한다.As shown in FIG. 7 , the transceiver 100 for full-duplex communication using circular polarization technology includes a metasurface structure 110 and a communication circuit unit 120 .

메타표면 구조체(110)는 유전체 기판을 기준으로 전면부와 후면부에 각각 설정 패턴을 가지는 금속 패치(115)가 격자 배열된 구조를 가지며, 전면부와 후면부를 통하여 서로 반대 방향의 원형 편파 신호를 선택적으로 투과시키도록 설계된다.The metasurface structure 110 has a structure in which metal patches 115 each having a set pattern are lattice-arranged on the front and rear surfaces of a dielectric substrate, and selectively transmits circularly polarized signals in opposite directions through the front and rear surfaces. designed to penetrate.

여기서 유전체 기판은 아크릴, 테플론, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있고, 메타표면을 위한 금속 패치(115)는 카본, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 그래핀 및 인듐 주석 산화물(ITO) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다. Here, the dielectric substrate may be formed of a material including at least one of acrylic, teflon, PET, styrofoam, foam composite, and glass epoxy, and the metal patch 115 for the metasurface may be made of carbon, copper (Cu), or silver (Ag). ), gold (Au), graphene, and indium tin oxide (ITO).

본 발명의 실시예에서 금속 패치(115)는 중앙이 비어 있는 사각형 모양의 형상을 가지되, 사각형의 네 모서리 지점 중에서 대각선 방향의 한 쌍의 모서리 지점이 끊어진 구조를 갖는다. 여기서, 전면부에 형성된 금속 패치는 유전체 기판을 사이에 두고 후면부에 격자 배열된 금속 패치(115)와 대칭 구조로 형성될 수 있다. 이를 통하여 각 면에서 서로 반대 방향의 원형 편파가 입사될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the metal patch 115 has a rectangular shape with an empty center, but has a structure in which a pair of corner points in a diagonal direction among four corner points of the rectangle are broken. Here, the metal patch formed on the front part may be formed in a symmetrical structure with the metal patch 115 lattice-arranged on the rear part with the dielectric substrate interposed therebetween. Through this, circularly polarized waves in opposite directions may be incident on each surface.

물론, 원형 편파를 선택적으로 투과하도록 설계되는 메타 표면의 금속 패치(115)의 형상은 보다 다앙한 실시예가 존재할 수 있으며, 패치 형상, 선폭, 두께 등의 조절에 의해 원하는 조건으로 설계 가능하다. Of course, the shape of the meta-surface metal patch 115 designed to selectively transmit circularly polarized waves may exist in more diverse embodiments, and may be designed under desired conditions by adjusting the patch shape, line width, and thickness.

통신회로부(120)는 메타표면 구조체(110)의 후방에 배치되며, 설정 방향의 원형 편파 신호를 메타표면 구조체의 후면부로 입사시키고 메타표면 구조체의 전면부로 입사되어 투과한 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신 처리한다. 통신회로부(120)는 회로 기판에 구현될 수도 있고 IC 칩 등의 형태로 제작될 수 있다.The communication circuit unit 120 is disposed at the rear of the metasurface structure 110, incidents a circularly polarized signal in the setting direction to the rear part of the metasurface structure, and is incident on the front part of the metasurface structure to transmit a circular polarization signal in the opposite direction to the setting direction. Receive and process the polarized signal. The communication circuit unit 120 may be implemented on a circuit board or manufactured in the form of an IC chip.

도 8은 도 7에 도시된 전이중 송수신 장치 구조를 보다 상세히 나타낸 도면이다. FIG. 8 is a diagram showing the structure of the full-duplex transceiver shown in FIG. 7 in more detail.

도 8에 나타낸 것과 같이, 통신회로부(120)는 메타표면 구조체(110)와 나란히 배치된 안테나부(121)와, 안테나부(121)의 송수신 신호를 전기적으로 처리하는 송수신 회로부(125)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 8, the communication circuit unit 120 includes an antenna unit 121 arranged side by side with the metasurface structure 110, and a transmission/reception circuit unit 125 that electrically processes transmission/reception signals of the antenna unit 121. can be configured.

안테나부(121)는 메타표면 구조체(110)의 후방에 배치되며, 설정 방향의 원형 편파 신호에 해당한 송신 신호를 메타표면 구조체(110)의 후면부로 제공하고, 메타표면 구조체(110)의 전면부로 입사된 후 후면부로 투과되는 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신하여 처리한다. The antenna unit 121 is disposed at the rear of the metasurface structure 110, provides a transmission signal corresponding to a circularly polarized signal in a setting direction to the rear part of the metasurface structure 110, and the front surface of the metasurface structure 110. It receives and processes the circularly polarized signal in the opposite direction to the setting direction transmitted through the rear part after being incident on the part.

송수신 회로부(125)는 안테나부(121)의 후방에 배치되며, 설정 방향의 원형 편파 신호를 생성하기 위한 전기 신호를 안테나부로 전달하는 송신 회로부(126)(Transmitter; Tx)와, 안테나부(121)로부터 반대 방향의 원형 편파 신호에 해당한 전기적 신호를 전달받아 처리하는 수신 회로부(127)(Receiver; Rx)를 구비한다. The transmission/reception circuit unit 125 is disposed behind the antenna unit 121, and includes a transmission circuit unit 126 (Transmitter; Tx) that transmits an electric signal for generating a circularly polarized wave signal in a setting direction to the antenna unit, and an antenna unit 121 ) and a receiving circuit unit 127 (Receiver; Rx) for receiving and processing an electrical signal corresponding to a circularly polarized signal in the opposite direction.

안테나부(121)의 안테나 패치면은 메타표면 구조체(110)를 향하도록 배치될 수 있다. 도 7에 도시된 안테나 패치 구조는 설명의 편의를 위한 것으로, 실질적으로 안테나의 패치 면은 메타표면 구조체(110)와 마주보는 안테나부(121)의 전면부에 형성될 수 있으며, 안테나의 패치면은 기판 배선, 선로, 비아홀 등을 통하여 후면의 송수신 회로부(125)와 직접적으로 연결될 수 있다. The antenna patch surface of the antenna unit 121 may be disposed to face the metasurface structure 110 . The antenna patch structure shown in FIG. 7 is for convenience of explanation, and the patch surface of the antenna may be substantially formed on the front surface of the antenna unit 121 facing the metasurface structure 110, and the patch surface of the antenna may be directly connected to the transmit/receive circuit unit 125 on the back side through a substrate wiring, a line, a via hole, or the like.

여기서, 안테나부(121)는 도 8과 같이 복수 개의 안테나(122)가 매트릭스 형태로 배열된 어레이 안테나 구조를 가질 수 있다. 어레이 안테나 구조를 사용할 경우 빔을 더욱 샤프하게 만들 수 있고 특정 방향으로 제어할 수 있으며 빔 집속 효율을 높일 수 있다. Here, the antenna unit 121 may have an array antenna structure in which a plurality of antennas 122 are arranged in a matrix form as shown in FIG. 8 . When an array antenna structure is used, a beam can be made sharper, can be controlled in a specific direction, and beam focusing efficiency can be increased.

또한, 어레이 안테나 구조에 대응하여, 송수신 회로부(125) 내의 송신 회로부(126)와 수신 회로부(127)의 쌍은 안테나(122) 별로 존재할 수 있다. 즉, 송신 회로부(126) 및 수신 회로부(127)는 하나의 안테나(121)를 공유한다. 이와 같이 송수신 회로 쌍은 안테나 별로 구비되며 상호 일대일 접속될 수 있다. In addition, corresponding to the array antenna structure, a pair of a transmission circuit unit 126 and a reception circuit unit 127 in the transmission and reception circuit unit 125 may exist for each antenna 122 . That is, the transmitting circuit unit 126 and the receiving circuit unit 127 share one antenna 121 . In this way, the transmit/receive circuit pairs are provided for each antenna and may be connected one-to-one.

안테나부(121)와 송수신 회로부(125)는 회로 배선 등으로 연결될 수 있다. 또한, 안테나부(121)는 그 전면부가 메타표면 구조체(110)의 후면부에 대해 설정 간격으로 이격 설치될 수 있다. 물론 본 발명의 실시예에 따른 전이중 통신용 송수신 장치(100)는 메타표면 구조체(110) 및 통신회로부(120)를 내장한 형태로 모듈화 제작 가능하다.The antenna unit 121 and the transmission/reception circuit unit 125 may be connected through circuit wiring or the like. In addition, the front part of the antenna unit 121 may be spaced apart from the rear part of the metasurface structure 110 at a set interval. Of course, the transceiver 100 for full-duplex communication according to an embodiment of the present invention can be modularized and manufactured in a form in which the metasurface structure 110 and the communication circuit unit 120 are embedded.

본 발명의 실시예에서, 메타표면 구조체(110)는 전면부로 입사되는 제1 및 제2 방향의 원형 편파 신호 중 제1 방향의 원형 편파 신호만을 투과시키고 제2 방향의 원형 편파 신호를 차단시킨다. 반대로, 후면부로 입사되는 제1 및 제2 방향의 원형 편파 신호 중 제2 방향의 원형 편파 신호만을 투과시키고 제1 방향의 원형 편파 신호를 차단시키다.In an embodiment of the present invention, the metasurface structure 110 transmits only the circular polarized signal in the first direction among the circular polarized signals in the first and second directions incident on the front surface and blocks the circular polarized signal in the second direction. Conversely, among the first and second direction circular polarization signals incident on the rear surface, only the circular polarization signal in the second direction is transmitted and the circular polarization signal in the first direction is blocked.

여기서, 제1 방향 및 제2 방향 중 어느 하나는 시계 방향이고 나머지 하나는 반시계 방향을 나타낸다. 이하에서는 제1 방향은 반시계 방향, 제2 방향은 시계 방향인 것을 대표 예시로 한다. 물론 금속 패치의 설계를 달리하여 반대로 동작하는 구조로도 구현 가능하다.Here, one of the first direction and the second direction represents a clockwise direction and the other represents a counterclockwise direction. Hereinafter, as a representative example, the first direction is counterclockwise and the second direction is clockwise. Of course, it is also possible to implement a structure that operates in the opposite way by changing the design of the metal patch.

이러한 본 발명에 따르면, 메타표면 설계를 통하여 동일 주파수 대역에서 송신과 수신을 동시에 수행하는 전이중 통신을 수행할 수 있으며, 이때 동일 주파수 대역을 사용하면서 메타표면의 전면부를 통해서는 반시계 방향의 원형 편파만 입사 및 투과가 가능하고 후면부를 통해서는 시계 방향의 원형 편파만 입사 및 투과가 가능하도록 구성될 수 있다.According to the present invention, it is possible to perform full-duplex communication in which transmission and reception are simultaneously performed in the same frequency band through the metasurface design. Incidence and transmission may be possible only, and only clockwise circularly polarized waves may be incident and transmitted through the rear part.

도 9 및 도 10은 각각 도 7에 도시된 메타표면 구조체의 전면부 및 후면부의 입사 신호 투과 특성에 대한 일례를 설명한 도면이다. 9 and 10 are diagrams for explaining examples of incident signal transmission characteristics of the front and rear portions of the metasurface structure shown in FIG. 7, respectively.

이러한 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전이중 통신을 위한 송수신 장치에 사용되는 원형 편파 신호를 선택적으로 투과 혹은 차단하는 메타 표면의 특성을 개념적로 보인 것이다. 9 and 10 conceptually show the characteristics of a metasurface that selectively transmits or blocks a circularly polarized wave signal used in a transceiver for full-duplex communication according to an embodiment of the present invention.

도 9의 경우 메타표면 구조체(110)의 전면부로부터 입사되는 수신 신호 중 반시계 방향 편파 신호는 투과되고, 시계 방향 편파 신호는 차단되는 특성을 보이고 있으며, 도 10은 메타표면의 후면부로부터 입사되는 송신 신호 중 시계 방향 편파 신호는 투과되고 반시계 방향 편파 신호는 차단되는 특성을 보이고 있다. In the case of FIG. 9, among the received signals incident from the front side of the metasurface structure 110, the counterclockwise polarized signal is transmitted and the clockwise polarized signal is blocked. Among transmission signals, clockwise polarized signals are transmitted and counterclockwise polarized signals are blocked.

도 9 및 도 10에 보인 원형 편파 신호를 선택적으로 투과 및 차단하는 메타표면은 본 발명에 의한 전이중 통신용 송수신 장치에 사용되는 메타표면의 일 예를 보인 것으로, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에 의한 전이중 통신용 송수신 장치를 위한 메타표면은 원형 편파 특성을 가지는 송신 신호 및 수신 신호에 대하여, 전면부 혹은 후면부로 입사되는 신호를 원형 편파 방향에 따라 선택적으로 투과 및 차단하는 특성을 가지는 모든 메타표면을 포함한다.The metasurface that selectively transmits and blocks circularly polarized signals shown in FIGS. 9 and 10 is an example of a metasurface used in a transceiver for full-duplex communication according to the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. That is, the metasurface for a transmission/reception device for full-duplex communication according to the present invention has a characteristic of selectively transmitting and blocking signals incident to the front or rear surfaces of a transmission signal and a reception signal having circular polarization characteristics according to the circular polarization direction. Branches include all metasurfaces.

이와 같은 원형 편파 특성을 가지는 메타표면은 원형 편파된 수신 신호와 송신 신호의 투과 방향을 원형 편파 방향에 따라 설정 가능하며, 이러한 메타표면은 종래기술에 의한 송수신 장치에서 써큘레이터의 역할을 수행하는 것으로 간주될 수 있다. The metasurface having such a circular polarization characteristic can set the transmission direction of the circularly polarized reception signal and transmission signal according to the circular polarization direction, and this metasurface is believed to play the role of a circulator in a transmission/reception device according to the prior art. can be considered

이에 따라, 본 발명에 의한 전이중 통신용 송수신 장치의 기본적인 동작을 수신 경로 및 송신 경로로 나누어 기술하면 다음과 같다. 수신 경로의 경우, 메타표면 구조체(110)의 전면부로 입사되어 후면부로 투과되도록 미리 설정된 원형 편파 방향으로 가공된 수신 신호는 메타표면 투과 후 안테나부(121)에 포함된 송수신 단일 안테나 어레이에서 전기적 신호로 변환되며, 이를 수신 회로부(127)가 입력으로 받아 가공하게 된다. 반대로 송신 경로의 경우는, 송신 신호가 메타표면 구조체(110)의 후면부로 입사되어 전면부로 투과될 수 있도록 미리 설정된 원형 편파 방향을 가지도록, 송신 회로부(126) 및 안테나부(121)에서 가공되어 메타표면 구조체(110)의 후면부로 입사된다. Accordingly, the basic operation of the transceiver for full-duplex communication according to the present invention is divided into a reception path and a transmission path and will be described below. In the case of the reception path, the received signal incident on the front side of the metasurface structure 110 and processed in a preset circular polarization direction so as to be transmitted to the rear side is an electrical signal in the transmitting and receiving single antenna array included in the antenna unit 121 after passing through the metasurface. It is converted to , and the receiving circuit unit 127 receives it as an input and processes it. Conversely, in the case of the transmission path, the transmission circuit unit 126 and the antenna unit 121 are processed to have a circular polarization direction set in advance so that the transmission signal is incident on the back side of the metasurface structure 110 and transmitted through the front side. It is incident on the back side of the metasurface structure 110 .

이와 같은 본 발명에 의한 전이중 통신용 송수신 장치에 따르면, 송신 및 수신 회로부(126,127)는 하나의 안테나를 스위치 없이도 공유가 가능하며, 기존과 다르게 송수신 경로를 선택할 수 있는 스위치를 사용하지 않고도, 혹은 송신 안테나 및 수신 안테나를 각각 구비하지 않더라도, 전이중 통신을 가능하도록 한다. According to the transmission/reception apparatus for full-duplex communication according to the present invention, the transmission and reception circuits 126 and 127 can share one antenna without a switch, and without using a switch that can select a transmission/reception path differently from the prior art, or a transmission antenna. and full-duplex communication is possible even without a receiving antenna.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 동일 주파수 대역에서 서로 다른 방향의 원형 편파를 송수신 신호에 적용하여 초소형 및 고효율의 전이중 통신 기기를 구현할 수 있으며, 종래의 써큘레이터 역할을 하는 변압기를 전혀 사용하지 않고 전체 송수신 장치의 경량화 및 소형화의 달성이 가능한 장점을 갖는다.According to the present invention as described above, it is possible to implement a compact and high-efficiency full-duplex communication device by applying circular polarization in different directions to transmission and reception signals in the same frequency band. It has the advantage of being able to achieve light weight and miniaturization of the transceiver.

아울러, 본 발명의 경우, 무선 통신을 수행하는 두 전자 기기 간의 완벽한 정렬(align)의 필요성을 제거하여 무선통신의 이동성 및 편의성을 확보할 수 있는 효과가 있다. In addition, in the case of the present invention, there is an effect of securing mobility and convenience of wireless communication by eliminating the need for perfect alignment between two electronic devices performing wireless communication.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 전이중 통신용 송수신 장치
110: 메타표면 구조체 115: 금속 패치
120: 회로부 121: 안테나부
122: 안테나 125: 송수신 회로부
126: 송신 회로부 127: 수신 회로부100: transmitting and receiving device for full-duplex communication
110: metasurface structure 115: metal patch
120: circuit part 121: antenna part
122: antenna 125: transmission and reception circuit unit
126: transmission circuit unit 127: reception circuit unit

Claims (8)

유전체 기판을 기준으로 전면부와 후면부에 각각 설정 패턴을 가지는 금속 패치가 격자 배열된 구조를 가지며, 상기 전면부로 입사되는 제1 및 제2 방향의 원형 편파 신호 중 상기 제1 방향의 원형 편파 신호만을 투과시키고 상기 제2 방향의 원형 편파 신호를 차단시키고, 상기 후면부로 입사되는 제1 및 제2 방향의 원형 편파 신호 중 상기 제2 방향의 원형 편파 신호만을 투과시키고 상기 제1 방향의 원형 편파 신호를 차단시키도록 설계된 메타표면 구조체; 및
상기 메타표면 구조체의 후방에 배치되며, 설정 방향의 원형 편파 신호를 상기 메타표면 구조체의 후면부로 입사시키고 상기 메타표면 구조체의 전면부로 입사되어 투과한 상기 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신하는 통신회로부를 포함하며,
상기 제1 방향 및 제2 방향 중 어느 하나는 시계 방향이고 나머지 하나는 반시계 방향이며,
상기 통신회로부는,
상기 메타표면 구조체의 후방에 배치되며, 상기 설정 방향의 원형 편파 신호에 해당한 송신 신호를 상기 후면부로 제공하고, 상기 전면부로 입사된 후 상기 후면부로 투과되는 상기 설정 방향과 반대 방향의 원형 편파 신호를 수신하는 안테나부; 및
상기 안테나부의 후방에 배치되고, 상기 설정 방향의 원형 편파 신호를 생성하기 위한 전기 신호를 상기 안테나부로 전달하는 송신 회로부와, 상기 안테나부로부터 상기 반대 방향의 원형 편파 신호에 해당한 전기적 신호를 전달받는 수신 회로부를 구비한 송수신 회로부를 포함하며,
상기 금속 패치는,
중앙이 비어 있는 사각형 모양을 가지며 네 모서리 지점 중 대각선 방향의 한 쌍의 모서리 지점이 끊어진 구조를 가지고,
상기 메타표면 구조체는,
상기 유전체 기판을 기준으로 상기 전면부에 격자 배열된 금속 패치와 후면부에 격자 배열된 금속 패치 간 대칭 구조를 가지는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치.It has a structure in which metal patches each having a set pattern are arranged in a lattice arrangement on the front and back sides of a dielectric substrate, and only the circular polarized signals in the first direction among the first and second direction circular polarized signals incident on the front side are used. transmission, blocks the circularly polarized signal in the second direction, transmits only the circularly polarized signal in the second direction among the circularly polarized signals in the first and second directions incident to the rear surface, and transmits the circularly polarized signal in the first direction A metasurface structure designed to block; and
It is disposed behind the metasurface structure, and a circularly polarized signal in a set direction is incident on the back side of the metasurface structure, and a circular polarization signal in a direction opposite to the set direction transmitted through the front portion of the metasurface structure is received. Including a communication circuit,
One of the first and second directions is clockwise and the other is counterclockwise,
The communication circuit part,
It is disposed at the rear of the metasurface structure, provides a transmission signal corresponding to the circularly polarized signal in the setting direction to the rear part, and transmits a circular polarized signal in a direction opposite to the setting direction transmitted through the rear part after being incident on the front part. an antenna unit for receiving; and
A transmission circuit unit disposed behind the antenna unit and transmitting an electrical signal for generating a circularly polarized signal in the setting direction to the antenna unit, and receiving an electrical signal corresponding to the circularly polarized signal in the opposite direction from the antenna unit. Includes transmit/receive circuitry having receive circuitry;
The metal patch,
It has a square shape with an empty center and a pair of diagonal corner points among the four corner points are broken.
The metasurface structure,
A transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology having a symmetrical structure between the metal patches lattice-arranged on the front side and the metal patches lattice-arranged on the rear side with respect to the dielectric substrate. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 안테나부는,
복수 개의 안테나가 매트릭스 형태로 배열된 어레이 안테나 구조를 가지는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치.The method of claim 1,
The antenna part,
A transceiver for full-duplex communication using circular polarization technology having an array antenna structure in which a plurality of antennas are arranged in a matrix form. 청구항 4에 있어서,
상기 송수신 회로부는,
상기 송신 회로부와 상기 수신 회로부의 쌍을 상기 안테나 별로 구비하는 원형 편파 기술을 이용한 전이중 통신용 송수신 장치.The method of claim 4,
The transmission and reception circuit unit,
A transmitting/receiving device for full-duplex communication using a circular polarization technology having a pair of the transmitting circuit unit and the receiving circuit unit for each antenna. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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