KR102647779B1 - 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법 - Google Patents

능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부를 다수(m)로 포함하는 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서, 인접하는 2 개의 빔포밍부마다 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) m/2 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것을 포함하는 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법이 제공된다.

Description

능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법{Method for rectifying beam squint of active phase array antenna system}
본 발명은 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 위상 천이기마다 실시간 지연기를 배치하여 RF 신호의 지연 시간을 조절함으로써, 빔 조향 방향을 설정한 RF 신호의 주파수가 아닌 다른 주파수에서의 빔 편이를 효과적으로 억제할 수 있는 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법에 관한 것이다.
다수의 위상 배열 안테나(Phase Array Antenna)를 채용하는 안테나 시스템에서는 다수의 위상 배열 안테나 각각에 위상 천이기를 배치하여 빔조향에 필요한 위상을 설정하고 있다.
그런데, 상술한 위상 천이기를 사용한 위상 배열 안테나(Phase Array Antenna)를 채용하는 안테나 시스템이 밀리미터파 5G 통신 같은 순시 대역폭이 넓은 주파수대역에서 구동되는 경우에, 빔조향을 설정한 주파수가 아닌 다른 주파수에서는 조향되는 RF 신호의 빔이 심각하게 편이되는 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들면 일부 밀리미터파 5G 통신 방식은 28 GHz 신호를 기반으로 순시 대역폭이 800 MHz에 이르고 있다. 즉, 중심 주파수가 28GHz인 5G 통신 방식은 27.6 GHz ~ 28.4 GHz에서 동작될 수 있고, 이 경우 28GHz에서 특정 방향으로 빔이 조향되도록 설정되면, 27.6GHz 또는 28.4GHz에서는 빔편이 현상이 발생되어 설정한 방향이 아닌 다른 방향으로 빔이 조향된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2017-0108365에 게시되어 있다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다수의 위상 천이기마다 실시간 지연기를 배치하여 RF 신호의 지연 시간을 조절함으로써, 빔 조향 방향을 설정한 RF 신호의 주파수가 아닌 다른 주파수에서의 빔 편이를 효과적으로 억제할 수 있는 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부를 다수(n)로 포함하는 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서, 인접하는 2 개의 빔포밍부마다 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) n/2 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것; 및 인접하는 2 개의 빔포밍부마다 배치되는 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) 2개마다 제 2 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) n/4 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것을 포함하며, 제 1 실시간 지연기 및 제 2 실시간 지연기는 제 1 지연 경로, 제 2 지연 경로, 제 3 지연 경로, 제 4 지연 경로, 제 5 지연 경로 및 제 6 지연 경로로 구성되고, 제 2 지연 경로는 제 1 지연 경로의 2 배이며, 제 3 지연 경로는 제 1 지연 경로의 4 배이고, 제 4 지연 경로는 제 1 지연 경로의 8 배이며, 제 5 지연 경로는 제 1 지연 경로의 16 배이고, 제 6 지연 경로는 제 1 지연 경로의 32 배이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부를 다수(q)로 포함하는 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서, 인접하는 w 개의 빔포밍부마다 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) q/w 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것; 및 인접하는 y 개의 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD)마다 제 2 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) q/(w*y) 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것을 포함하며, 제 1 실시간 지연기 및 제 2 실시간 지연기는 제 1 지연 경로, 제 2 지연 경로, 제 3 지연 경로, 제 4 지연 경로, 제 5 지연 경로 및 제 6 지연 경로로 구성되고, 제 2 지연 경로는 제 1 지연 경로의 2 배이며, 제 3 지연 경로는 제 1 지연 경로의 4 배이고, 제 4 지연 경로는 제 1 지연 경로의 8 배이며, 제 5 지연 경로는 제 1 지연 경로의 16 배이고, 제 6 지연 경로는 제 1 지연 경로의 32 배이다.
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본 발명의 실시예들에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 다수의 위상 천이기마다 실시간 지연기를 배치하여 RF 신호의 지연 시간을 조절함으로써, 빔 조향 방향을 설정한 RF 신호의 주파수가 아닌 다른 주파수에서의 빔 편이를 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 3 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법이 적용되는 능동 위상 배열 안테나 시스템의 회로도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예 및 제 4 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법이 적용되는 능동 위상 배열 안테나 시스템의 회로도.
도 3은 도 1 및 도 2의 능동 위상 배열 안테나 시스템에 채용되는 실시간 지연기의 세부 회로도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.
예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법이 적용되는 능동 위상 배열 안테나 시스템은 도 1에 도시된 것처럼, 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부(BF1 내지 BF16)를 다수로 포함한다. 여기에서, 능동 위상 배열 안테나 시스템이 송신단에 채용되는 경우에는, 제 1 증폭기는 전력 증폭기로, 제 2 증폭기는 게인 블록 증폭기로 구성되며, 능동 위상 배열 안테나 시스템이 수신단에 채용되는 경우에는, 증폭기의 방향이 반대이며 제 1 증폭기는 저잡음 증폭기로, 제 2 증폭기는 게인 블록 증폭기로 구성된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 빔포밍부(BF1 내지 BF16)가 16개(m)로 구성되는 경우에, 인접하는 2 개의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)마다 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) 8 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절한다.
한편, 실시간 지연기 각각은 도 3에 도시된 것처럼, 제 1 지연 경로(L1), 제 2 지연 경로(L2), 제 3 지연 경로(L3), 제 4 지연 경로(L4), 제 5 지연 경로(L5) 및 제 6 지연 경로(L6)로 구성되어 있다. 여기에서 제 2 지연 경로(L2)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 2 배이며, 제 3 지연 경로(L3)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 4 배이고, 제 4 지연 경로(L4)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 8 배이며, 제 5 지연 경로(L5)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 16 배이고, 제 6 지연 경로(L6)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 32 배이다.
구체적으로, 제 1 지연 시간(T1)이 1ps인 경우에, 제 2 지연 시간(T2)은 2ps이고, 제 3 지연 시간(T3)은 4ps이며, 제 4 지연 시간(T4)은 8ps이고, 제 5 지연 시간(T5)은 16ps이며, 제 6 지연 시간(T6)은 32ps이므로, 지연 시간은 0ps ~ 63ps의 범위에서 조절된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 8(m/2) 개의 실시간 지연기 각각을 인접하는 2 개의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)마다 배열함으로써 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정하고, 빔포밍부(BF1 내지 BF16) 각각에 구성되어 있는 위상 천이기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 1 차적으로 실시간 지연기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정하고, 2 차적으로 빔포밍부(BF1 내지 BF16) 각각에 구성되어 있는 위상 천이기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정함으로써, 빔 조향 방향을 설정한 RF 신호의 주파수가 아닌 다른 주파수에서의 빔 편이를 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법이 적용되는 능동 위상 배열 안테나 시스템은 도 2에 도시된 것처럼, 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부(BF1 내지 BF16)를 다수로 포함한다. 여기에서, 능동 위상 배열 안테나 시스템이 송신단에 채용되는 경우에는, 제 1 증폭기는 전력 증폭기로, 제 2 증폭기는 게인 블록 증폭기로 구성되며, 능동 위상 배열 안테나 시스템이 수신단에 채용되는 경우에는, 증폭기의 방향이 반대이며 제 1 증폭기는 저잡음 증폭기로, 제 2 증폭기는 게인 블록 증폭기로 구성된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 빔포밍부(BF1 내지 BF16)가 16개(n)로 구성되는 경우에, 인접하는 2 개의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)마다 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) 8 개(TD11, TD12, TD21, TD22)를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하고, 상기 인접하는 2 개의 제 1 실시간 지연기마다 제 2 실시간 지연기 4 개(TD10, TD20)를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절한다.
한편, 제 1 실시간 지연기(TD11, TD12, TD21, TD22) 및 제 2 실시간 지연기(TD10, TD20) 각각은 도 3에 도시된 것처럼, 제 1 지연 경로(L1), 제 2 지연 경로(L2), 제 3 지연 경로(L3), 제 4 지연 경로(L4), 제 5 지연 경로(L5) 및 제 6 지연 경로(L6)로 구성되어 있다. 여기에서 제 2 지연 경로(L2)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 2 배이며, 제 3 지연 경로(L3)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 4 배이고, 제 4 지연 경로(L4)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 8 배이며, 제 5 지연 경로(L5)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 16 배이고, 제 6 지연 경로(L6)의 길이는 제 1 지연 경로(L1)의 32 배이다.
구체적으로, 제 1 지연 시간(T1)이 1ps인 경우에, 제 2 지연 시간(T2)은 2ps이고, 제 3 지연 시간(T3)은 4ps이며, 제 4 지연 시간(T4)은 8ps이고, 제 5 지연 시간(T5)은 16ps이며, 제 6 지연 시간(T6)은 32ps이므로, 지연 시간은 0ps ~ 63ps의 범위에서 조절된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 8(n/2) 개의 제 1 실시간 지연기(TD11, TD12, TD21, TD22) 및 4(n/4) 개의 제 2 실시간 지연기(TD10, TD20)를 캐스케이드(cascade) 방식으로 배열함으로써, 인접하는 2 개의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)의 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정하고, 빔포밍부(BF1 내지 BF16) 각각에 구성되어 있는 위상 천이기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 1 차적으로 제 1 실시간 지연기(TD11, TD12, TD21, TD22) 및 제 2 실시간 지연기(TD10, TD20)를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정하고, 2 차적으로 빔포밍부(BF1 내지 BF16) 각각에 구성되어 있는 위상 천이기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정함으로써, 빔 조향 방향을 설정한 RF 신호의 주파수가 아닌 다른 주파수에서의 빔 편이를 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법에 대해서는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법과의 차이점에 대해서만 설명한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 빔포밍부(BF1 내지 BF16)가 1024 개(p)로 구성되는 경우에, 인접하는 256 개(x)의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)마다 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) 4 개(p/x)를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 4 개(p/x)의 실시간 지연기(TD1, TD2, TD3, TD4) 각각을 인접하는 256 개(x)의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)마다 배열함으로써 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정하고, 1024 개(p)의 빔포밍부(BF1 내지 BF16) 각각에 구성되어 있는 위상 천이기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정할 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법에 대해서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법과의 차이점에 대해서만 설명한다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 빔포밍부(BF1 내지 BF16)가 1024 개(q)로 구성되는 경우에, 인접하는 256 개(w)의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)마다 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) 4(q/w) 개(TD11, TD12, TD21, TD22)를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하고, 상기 인접하는 2 개(y)의 제 1 실시간 지연기마다 제 2 실시간 지연기 2(q/(w*y)) 개(TD10, TD20)를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절한다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법은 4(q/w) 개의 제 1 실시간 지연기(TD11, TD12, TD21, TD22) 및 2(q/(w*y)) 개의 제 2 실시간 지연기(TD10, TD20)를 캐스케이드(cascade) 방식으로 배열함으로써, 인접하는 256 개(w)의 빔포밍부(BF1 내지 BF16)의 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정하고, 1024 개(q)의 빔포밍부(BF1 내지 BF16) 각각에 구성되어 있는 위상 천이기를 이용하여 인가되는 RF 신호의 위상을 조정할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.
오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
BF1 내지 BF16 : 빔포밍부
L1 : 제 1 지연 경로
L2 : 제 2 지연 경로
L3 : 제 3 지연 경로
L4 : 제 4 지연 경로
L5 : 제 5 지연 경로
L6 : 제 6 지연 경로
T1 : 제 1 지연 시간
T2 : 제 2 지연 시간
T3 : 제 3 지연 시간
T4 : 제 4 지연 시간
T5 : 제 5 지연 시간
T6 : 제 6 지연 시간
TD11, TD12, TD21, TD22 : 제 1 실시간 지연기
TD10, TD20 : 제 2 실시간 지연기

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부를 다수(n)로 포함하는 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서,
    인접하는 2 개의 빔포밍부마다 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) n/2 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것; 및
    인접하는 2 개의 빔포밍부마다 배치되는 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) 2개마다 제 2 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) n/4 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것을 포함하며,
    제 1 실시간 지연기 및 제 2 실시간 지연기는 제 1 지연 경로, 제 2 지연 경로, 제 3 지연 경로, 제 4 지연 경로, 제 5 지연 경로 및 제 6 지연 경로로 구성되고,
    제 2 지연 경로는 제 1 지연 경로의 2 배이며,
    제 3 지연 경로는 제 1 지연 경로의 4 배이고,
    제 4 지연 경로는 제 1 지연 경로의 8 배이며,
    제 5 지연 경로는 제 1 지연 경로의 16 배이고,
    제 6 지연 경로는 제 1 지연 경로의 32 배인 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법.
  3. 삭제
  4. 안테나, 제 1 증폭기, 위상 천이기, 가변 감쇄기 및 제 2 증폭기로 구성되는 빔포밍부를 다수(q)로 포함하는 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서,
    인접하는 w 개의 빔포밍부마다 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) q/w 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것; 및
    인접하는 y 개의 제 1 실시간 지연기(True Time Delay; TTD)마다 제 2 실시간 지연기(True Time Delay; TTD) q/(w*y) 개를 배치하여 인가되는 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 것을 포함하며,
    제 1 실시간 지연기 및 제 2 실시간 지연기는 제 1 지연 경로, 제 2 지연 경로, 제 3 지연 경로, 제 4 지연 경로, 제 5 지연 경로 및 제 6 지연 경로로 구성되고,
    제 2 지연 경로는 제 1 지연 경로의 2 배이며,
    제 3 지연 경로는 제 1 지연 경로의 4 배이고,
    제 4 지연 경로는 제 1 지연 경로의 8 배이며,
    제 5 지연 경로는 제 1 지연 경로의 16 배이고,
    제 6 지연 경로는 제 1 지연 경로의 32 배인 능동 위상 배열 안테나 시스템의 빔 편이 보정 방법.
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