KR102672496B1 - 광시야각을 갖는 mimo 안테나 어레이 - Google Patents

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Abstract

광시야각을 갖는 MIMO 안테나 어레이가 개시된다. 일 실시예에 따르면, 안테나 어레이는 중심이 오목한 제1 방사 패턴을 형성하도록 배열된 제1 안테나 소자들을 포함하는 제1 그룹, 및 중심이 볼록한 제2 방사 패턴을 형성하도록 배열된 제2 안테나 소자들을 포함하는 제2 그룹을 포함하고, 제1 안테나 소자들 및 제2 안테나 소자들은 각각 능동 소자들 및 더미 소자들을 포함한다.

Description

광시야각을 갖는 MIMO 안테나 어레이{MIMO ANTENNA ARRAY WITH WIDE FIELD OF VIEW}
아래 실시예들은 넓은 시야를 갖는 MIMO 안테나 어레이에 관한 것이다.
MIMO(multiple input multiple output) 레이더 시스템은 다중 수신 및 다중 송신 안테나로 구성된다. 또한, 시스템의 각 송신 안테나는 다른 송신 안테나와 독립적으로 임의의 파형을 방사한다. 각 수신 안테나는 이러한 신호를 수신 할 수 있다. N개의 송신 안테나의 필드 및 M개의 수신 안테나의 필드는 수학적으로 N·M개의 안테나 소자의 가상 필드 및 동일하게 증가된 MIMO 어레이의 가상 개구(aperture)의 크기를 가져올 수 있다. MIMO 레이더 시스템은 공간 분해능을 개선하는데 사용될 수 있으며 간섭에 대한 내성을 크게 향상시킨다. 신호 대 잡음비를 개선함으로써, 표적 검출 확률도 증가될 수 있다.
현재 레이더 시스템은 군사 장비, 통신, 차량 등 다양한 산업 분야에서 널리 응용되고 있다. 예를 들어, 3D/4D 레이더 시스템은 자동차 내비게이션의 핵심 구성 요소이다. 3D 레이더의 주요 특징은 방위각(수평) 및 고도(수직) 중 어느 하나의 평면에서 물체의 방향을 감지하고, 물체의 속도와 물체까지의 거리를 결정하는 것이다. 한편, 4D 레이더는 방위각 및 고도 모두의 평면에서 물체의 방향을 추적하고, 물체의 속도와 물체까지의 거리를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 안테나 어레이는 중심이 오목한 제1 방사 패턴을 형성하도록 배열된 제1 안테나 소자들을 포함하는 제1 그룹; 및 중심이 볼록한 제2 방사 패턴을 형성하도록 배열된 제2 안테나 소자들을 포함하는 제2 그룹을 포함한다.
상기 제1 안테나 소자들 및 상기 제2 안테나 소자들은 각각 능동 소자들 및 더미 소자들을 포함할 수 있다. 상기 능동 소자들 및 상기 더미 소자들은 동일한 폼 팩터를 가질 수 있다. 상기 능동 소자들 및 상기 더미 소자들을 포함하는 소자들 중 서로 인접한 소자들의 위상 중심들 사이의 거리는 *?*/2이고, 는 능동 소자에 의해 방사되는 전자기 파의 파장이다.
상기 제1 안테나 소자들은 제1 능동 소자들 및 제1 더미 소자들을 포함할 수 있고, 상기 제1 더미 소자들 중 적어도 하나는 상기 제1 능동 소자들 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 안테나 소자들은 제2 능동 소자들 및 제2 더미 소자들을 포함할 수 있고, 상기 제2 능동 소자들 중 적어도 둘은 서로 인접하게 배치될 수 있다.
상기 제1 안테나 소자들의 능동 소자들 및 더미 소자들은 다음의 케이스들 중 적어도 하나에 따라 배열될 수 있다. 1) 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되는 제1 케이스, 2) 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되는 제2 케이스, 3) 일 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되는 제3 케이스, 4) 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 다수의 더미 소자들이 배치되는 제4 케이스, 및 5) 일 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 다수의 더미 소자들이 배치되는 제5 케이스.
상기 제1 방사 패턴 및 상기 제2 방사 패턴이 서로 합성되어, 어레이 안테나의 시야가 증가될 수 있다. 상기 제1 그룹이 송신 소자들을 능동 소자들로서 포함하는 경우, 상기 제2 그룹은 수신 소자들을 능동 소자들로서 포함할 수 있고, 상기 제1 그룹이 수신 소자들을 능동 소자들로서 포함하는 경우, 상기 제2 그룹은 송신 소자들을 능동 소자들로서 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 어레이 안테나는 전자기 파를 방사하는 능동 소자; 및 상기 능동 소자와 동일한 폼 팩터를 갖고, 상기 능동 소자의 일 측 또는 양 측에 배치되는 적어도 하나의 더미 소자를 포함한다.
상기 능동 소자 및 상기 적어도 하나의 더미 소자를 포함하는 소자들 중 서로 인접한 소자들의 위상 중심들 사이의 거리는 /2이고, 는 상기 전자기 파의 파장이다.
상기 적어도 하나의 더미 소자는 적어도 하나의 역상 더미 소자 및 적어도 하나의 동상 더미 소자를 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 역상 더미 소자는 상기 전자기 파에 기초하여 상기 전자기 파의 에너지의 일부를 재방사하여 상기 전자기 파를 억제할 수 있고, 상기 적어도 하나의 동상 더미 소자는 상기 전자기 파에 기초하여 상기 전자기 파의 에너지의 다른 일부를 재방사하여 상기 전자기 파를 증폭할 수 있다.
상기 적어도 하나의 더미 소자는 복수의 더미 소자들을 포함하는 경우, 상기 복수의 더미 소자들 중 상기 능동 소자와 가장 가까운 제1 더미 소자는 상기 역상 더미 소자에 해당할 수 있고, 상기 복수의 더미 소자들 중 상기 제1 더미 소자 다음으로 상기 능동 소자와 가까운 제2 더미 소자는 상기 동상 더미 소자에 해당할 수 있다.
적어도 하나의 더미 소자에 의해 상기 능동 소자의 최대 방사 패턴이 억제될 수 있고, 어레이 안테나의 시야가 증가될 수 있다. 상기 능동 소자는 송신 소자 또는 수신 소자에 해당할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 방사 안테나 소자 및 다수의 더미 소자들을 포함하는 안테나 어레이의 일부의 동작 원리를 도시한다.
도 2는 더미 소자를 방사 소자에 추가한 효과를 도시한다.
도 3은 방사 소자 및 더미 소자들의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 4는 안테나 어레이에서 안테나 소자들의 다양한 구성의 실시예를 도시한다.
도 5는 MIMO 어레이의 최종 방사 패턴을 형성하는 원리를 도시한다.
도 6은 MIMO 어레이의 소자들의 그룹 #1 내 소자들의 배열 예시들을 도시한다.
도 7은 MIMO 어레이의 소자들의 그룹 #2 내 소자들의 배열 예시들을 도시한다.
도 8은 그룹 #1 및 그룹 #2의 소자들을 포함하는 MIMO 어레이의 일부의 예시적인 구성을 도시한다.
도 9는 그룹 #1의 소자들에 대한 방사 패턴의 예시들을 도시한다.
도 10은 그룹 #2의 소자들에 대한 방사 패턴의 예시들을 도시한다.
도 11은 그룹 #1 및 그룹 #2의 소자들의 결과적인 방사 패턴의 형성을 도시한다.
도 12는 실시예에 따른 MIMO 어레이(4Tx X 8Rx)의 가능한 구현을 도시한다.
도 13은 상이한 주파수 대역에서 실시예에 따른 MIMO 어레이의 방사 패턴을 도시한다.
아래 개시되어 있는 특정한 구조 또는 기능들은 단지 기술적 개념을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 아래 개시와는 달리 다른 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서의 실시예들을 한정하지 않는다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 방사 안테나 소자 및 다수의 더미 소자들을 포함하는 안테나 어레이의 일부의 동작 원리를 도시한다.
실시예에 따른 안테나 어레이는 통신 안테나 및 차량 레이더 등 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있다. 예를 들어, 최신 자동차 레이더 시스템은 30m-50m 미만 커버리지의 단거리 어플리케이션에 해당하는 SRR(short-range radar), 70m-100m 미만의 커버리지의 중거리 어플리케이션에 해당하는 MRR(middle-range radar) 및 150m-200m 미만의 커버리지의 장거리 어플리케이션에 해당하는 LRR(long-range radar)과 같은 다양한 모드에서 작동할 수 있다. SRR 및 MRR의 해상도를 높이기 위해, 최신 레이더 시스템은 디지털 빔 포밍에 MIMO 방식을 적용하여 대상으로의 방향을 찾을 수 있다.
자동차 레이더 시스템의 어플리케이션, 특히 SRR 모드를 위해 레이더 시스템의 넓은 시야(field of view, FoV)가 방위면(azimuth plane)에 제공될 필요가 있다. 예를 들어, 차량의 전방 (또는 후방) 물체를 검출하기 위해, 현재 2개의 안테나 어레이가 차량 범퍼 상에 장착되며, 각각의 어레이는 90도의 시야를 가지며, 이로써 약 180도의 전체 시야를 제공할 수 있다. 90도 이상의 시야각을 갖는 안테나 어레이의 방사 패턴에 기생 로브(parasitic lobe)들이 나타나서, 안테나 어레이의 에너지 효율을 감소시킬 수 있다.
N개의 송신기들 (또는 수신기들) 및 M개의 수신기들 (또는 송신기들)을 갖는 MIMO 레이더의 시야는 MIMO 어레이의 스캐닝 빔 포락선의 이득이 최대치 에 비해 3dB만큼 감소하는 각 방향(angular directions)에 의해 결정될 수 있다. MIMO 어레이의 스캐닝 빔 포락선의 이득은 다음과 같이 결정된다.
여기서 및 은 모든 N개의 송신기 및 모든 M개의 수신기의 방사 패턴이며, θ는 방위면에서 물체의 각도이다. 사이드 로브(side lobe)는 메인 로브가 아닌 원시야상(far field pattern)의 로브(로컬 최대 값)이다. 격자 로브(grating lobe)는 공간 앨리어싱 효과(spatial aliasing effect)로 인해 진폭이 실질적으로 커지고 위상 배열 안테나의 메인 로브의 레벨에 근접하는 사이드 로브이다.
실시예들에 따르면, 방사 안테나 소자(이하 "방사 소자(radiating element)"로 지칭되며, 1차 라디에이터라고 지칭될 수도도 있음)의 시야(field of view, FoV)는 더미 안테나 소자(이하 "더미 소자(dummy element)"로 지칭됨)들의 몇몇 열(row)들을 추가함으로써 증가될 수 있다. 소자들의 위상 중심(phase center)들 사이의 거리는 d~λ/2일 수 있다. 여기서 λ는 방사 소자의 대역폭의 전자기 파(electromagnetic wave)의 길이이다. 일반적으로 λ는 로 나타낼 수 있다. 여기서, λmax는 대역 내 최소 주파수에 대응하고, λmin은 대역 내 최대 주파수에 대응한다.
더미 소자들은 방사 소자와 동일할 수 있다. 예를 들어, 더미 소자들은 능동 소자(예: 방사 소자)와 동일한 폼 팩터를 가질 수 있다. 방사 소자들과 동일한 더미 소자들을 사용하면 소자들 자체 및 이들 소자들을 포함하는 안테나 어레이를 제조하는 공정을 통합하고 더 간단하게 만들 수 있다. 대안적으로, 더미 소자는 능동 소자와 다른 폼 팩터(form factor)를 가질 수도 있다.
능동 소자의 일 측 또는 양 측에 적어도 하나의 더미 소자가 배치될 수 있다. 방사 소자에 의해 방사되는 전자기 에너지의 일부를 더미 소자가 반사함으로써 FoV가 증가될 수 있다. 거리가 d~λ/2인 경우, 더미 소자들과 방사 소자 사이의 위상 차는 nπ이다. n=1, 2, 3, …, N이며, 더미 소자의 열 인덱스를 나타낸다. 따라서 홀수 인덱스의 더미 소자는 방사 소자의 역상(antiphase) 소자로 작용하고, 짝수 인덱스의 더미 소자는 동상(in-phase) 소자로 작용할 수 있다. 전자는 역상 더미 소자로 지칭될 수 있고, 후자는 동상 더미 소자로 지칭될 수 있다.
역상 더미 소자는 능동 소자에 의해 방사된 전자기 파에 기초하여 전자기 파의 에너지의 일부를 재방사하여 전자기 파를 억제할 수 있고, 동상 더미 소자는 능동 소자에 의해 방사된 전자기 파에 기초하여 전자기 파의 에너지의 다른 일부를 재방사하여 전자기 파를 증폭할 수 있다. n번째 열의 더미 소자가 방사 소자의 전자기 에너지의 부분인 Pn을 재방사(reradiate)하는 경우, 더미 소자의 n번째 열의 파형의 진폭은 An=Pn*A0와 같이 계산될 수 있다. A0는 방사 소자의 신호의 진폭을 의미한다.
이 실시예에서, 더미 소자들과 방사(송신) 안테나 소자의 상호 작용이 고려되지만, 더미 소자들은 수신 안테나 소자와 유사한 방식으로 기능할 수도 있다. 방사 안테나 소자 및 수신 안테나 소자는 능동 소자(active element)로 통칭될 수 있다.
결과적인 구성(방사 소자 + 더미 소자)은 아래의 수학식에 따라 2N+1개의 소자가 있는 어레이로 작동할 수 있다.
여기서 Evlaa는 가상 선형 안테나 배열의 전체 필드이고, A0는 방사 소자의 신호의 진폭이고, N은 방사 소자의 일 측에 있는 더미 소자의 수이다. vlaa는 Virtual Linear Antenna Array를 나타낸다. 양 측에 있는 더미 소자의 총 수는 2*N이다. n은 더미 소자의 인덱스이며, 더미 소자의 위치(열)를 특정할 수 있다. 능동 소자에 가장 가까운 더미 소자의 경우, n=1이다. Pn은 n 번째 더미 소자에 의해 재방사되는 방사 소자의 전자기 에너지의 일부이고, d는 소자들의 위상 중심들 사이의 거리이고, ko는 파수(wave number)이고, φ는 소자의 방사 패턴의 각 좌표(angular coordinate)이다.
더미 소자의 수를 증가시키는 것은 방사 패턴의 각도 좌표에 따라 방사 소자의 방사 패턴의 FoV를 증가시키고, 결과적인 방사(resulting radiation)의 이득 레벨의 변동(fluctuation)을 감소시킬 수 있다.
도 2는 더미 소자를 방사 소자에 추가한 효과를 도시한다.
도 2a는 단일 방사 소자의 방사 패턴을 나타낸다. 더미 소자가 없으므로(N=0), 방사 소자는 단일 안테나 소자에 대한 표준 방사 패턴을 가지며 약 80도의 시야를 갖는다.
도 2b는 N=1인 경우의 방사 패턴을 나타낸다. 여기서, 방사 소자의 양 측면에 각각 하나의 더미 소자(홀수 소자)가 대칭적으로 배치된다. 이는 아래 수학식과 같이 표현할 수 있다.
2개의 더미 소자는 방사 소자에 역상 소자로 작용하고, 방사 소자의 최대 방사 패턴을 억제할 수 있다. 예를 들어, P1=-15dB인 경우, 0도에서의 결과적인 방사는 N=0인 경우와 비교하여 -2.45dB만큼 저하된다. 그러나, 이 경우 -3dB 레벨의 방사 패턴의 시야는 증가하며, 이는 약120도에 이른다.
도 2c는 N=2인 경우의 방사 패턴을 나타낸다. 여기서, 방사 소자의 양 측면에 각각 2개의 더미 소자 (홀수 소자 및 짝수 소자)가 대칭적으로 배치된다. 이는 아래 수학식과 같이 표현할 수 있다.
2개의 홀수 더미 소자는 방사 진폭(radiation amplitude) P1을 갖는 역상 소자로서 작용하는 반면, 2개의 짝수 더미 소자는 방사 진폭 P2를 갖는 동상 소자로서 작용할 수 있다. 동상 더미 소자는 역상 더미 소자의 영향을 보상할 수 있다. 따라서, 방사의 최소치는 높아지고, 최대치는 억제될 수 있다. 결과적으로, 시야각은 최대 130도까지 확장될 수 있다.
도 3은 방사 소자 및 더미 소자들의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 3을 참조하면, 더미 소자의 수가 증가함에 따라, 방사 패턴의 진동 주파수는 높아지고, 진동의 진폭은 감소하며, 특정 수의 더미 소자에 도달하면 FoV는 거의 확장되지 않는다.
도 3의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과들은 n=0 내지 n=6인 경우를 나타낸다. n=0일 때 -3dB 레벨의 경우 방사 소자의 방사의 FoV는 약 80도이다. n=1일 때, FoV는 약 122도로 증가한다. n=2일 때, FoV는 약 130도로 증가한다. n=3일 때, FoV는 약 136도로 증가한다. n=4일 때, FoV는 약 138도로 증가한다. n=5와 n=6일 때, 실질적으로 차이가 없으며, FoV는 약 140도이다.
안테나 어레이의 각 개별 소자들의 방사 패턴을 합성하여 결과적인 방사 패턴(resulting radiation pattern)이 얻어질 수 있다. 일반적으로 더미 소자와 함께 방사 소자의 방사 패턴을 계산하기 위한 수학식은 다음과 같다.
여기서 "+"는 방사 소자의 왼쪽에 있는 더미 소자를 나타내고 "-"는 오른쪽에 있는 더미 소자를 나타낸다. Pn(xn,dn,w,zn)은 방사 안테나 소자에 의해 방사된 전력의 어느 부분이 n번째 더미 소자에 의해 방사되는지를 정의하는 계수이다. xn은 방위 방향으로의 더미 소자의 특성 크기이고, dn은 방사 소자의 위상 중심과 n번째 더미 소자 사이의 거리이며, w는 신호 주파수이고, zn은 주파수 w에서의 파동 저항이다. 더미 소자의 경우 zn=∞이다. 인접 방사 소자의 경우 zn~50 Ohm이고, 최대 90 %의 에너지를 흡수한다.
능동 소자들 및 더미 소자들을 통칭하여 소자들이라고 할 때, 소자들 중 서로 인접한 소자들(간단히 인접 소자들로 지칭될 수 있음)의 위상 중심들 사이의 거리는 λ/2일 수 있다. 인접 소자들의 위상 중심들 사이의 거리가 λ/2와 다르면, 이들 소자들 사이의 위상차는 π와 다를 것이라는 점에 유의해야 한다. 일반적으로, 결과적인 방사 패턴은 Pn + 및 Pn -을 제어하여 조정될 수 있다. 예를 들어, Pn + 및 Pn -의 제어를 위해 더미 소자의 크기, 더미 소자 사이의 거리 또는 신호 주파수가 변경될 수 있다.
도 4는 안테나 어레이에서 안테나 소자들의 다양한 구성의 실시예를 도시한다. 안테나 배열에서 안테나 소자의 구성은 응용 시나리오에 따라 크게 달라질 수 있다.
도 4a는 방사 소자들의 열을 포함하는 안테나 어레이의 배열을 도시하며, 방사 소자와 동일한 더미 소자는 각각의 방사 소자로부터 양측에 대칭적으로 배치된다. 이러한 안테나 어레이는 FoV의 연장에 수직인 방향으로 이득을 증가시키고 FoV를 감소시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 수평 방향으로 FoV를 연장하는 경우에 이러한 배열을 사용하면 FoV는 수직 방향으로 좁아진다. 이러한 배열은 네비게이션을 위한 자동차 레이더 시스템에서 사용될 수 있다.
도 4b는 하나의 방사 소자를 포함하는 안테나 어레이의 배열을 도시하며, 여기서 더미 소자는 방사 소자로부터 양측에 대칭으로 배치되고, 더미 소자는 다른 폭을 갖는다. 더미 소자들의 상이한 폭은 이 배열의 결과적인 방사 패턴을 동일하게(equalize) 할 수 있다. 또한, 이러한 배열은 FoV를 연장할 수 있게 한다. 이 배열은 통신 장치(예 : 5G 기지국) 또는 자동차(외부 범퍼에 장착된 경우)에 사용될 수 있다.
도 4c는 방사 소자들의 열을 포함하는 안테나 어레이의 구성을 도시하며, 여기서 더미 소자는 각각의 방사 소자의 양면에 대칭적으로 배치되고, 더미 소자는 다른 폭을 갖는다. 도 4a의 배열과 유사하게, 안테나 어레이는 FoV의 연장에 수직인 방향으로 이득을 증가시키고 FoV를 감소시키는데 사용될 수 있다. 도 4b의 배열과 유사하게, 더미 소자들의 상이한 폭은 이 배열의 결과적인 방사 패턴을 동일하게 할 수 있다. 이러한 배열은 또한 통신 장치 또는 자동차에 사용될 수 있다.
도 4d는 방사 소자들의 열을 포함하는 안테나 어레이의 배열을 도시하며, 여기서 더미 소자는 각각의 방사 소자로부터 양측에 대칭적으로 배치되고, 각 방사 소자에 대한 더미 소자의 수는 상이하다. 안테나 어레이는 FoV의 연장에 수직인 방향으로 이득을 증가시키고 FoV를 감소시키는데 사용될 수 있다. 이 경우 다른 개수의 더미 소자가 빔 방향에 따라 다른 FoV를 제공한다. 이 배열은 5G 통신 장치 또는 자동차 내비게이션에 사용될 수 있다.
도 4e는 하나의 방사 소자를 포함하는 안테나 어레이의 배열을 도시하며, 여기서 더미 소자는 방사 소자의 일 측에만 배치된다. 이러한 배열은 방사 대칭이 중요하지 않은 경우에 활용될 수 있으며, 이러한 배열에 따라 안테나 어레이의 크기가 감소될 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어 5G 통신 장치에 응용될 수 있다.
도 4f는 방사 소자들의 열을 포함하는 안테나 어레이의 배열을 도시하며, 여기서 더미 소자는 방사 소자의 일 측에만 배치된다. 이 경우, 더미 소자들은 다른 폭을 가질 수 있다. 대안적으로, 더미 소자는 방사 소자의 2개의 측면에 배치될 수 있지만, 방사 소자의 일 측의 더미 소자는 방사 소자의 다른 측의 더미 소자와 다르게 구성된다. 이러한 구성은 방사 패턴을 조정하고, FoV의 연장에 수직인 방향으로 이득을 증가시키고 FoV를 감소시킬 수 있다. 이 배열은 예를 들어 5G 통신 장치에 응용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 방사 소자 및 더미 소자들은 동일한 유형, 예를 들어 패치 안테나일 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에 따르면, 소자들은 슬롯 안테나, 쌍극자 등일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 더미 소자는 방사 소자와 다를 수 있다. 또한, 이러한 소자들의 다른 조합도 가능하다. 예를 들어, 방사 소자로서의 패치 안테나 및 더미 소자로서의 슬롯 안테나, 방사 소자로서의 슬롯 안테나 및 더미 소자로서의 패치 안테나, 방사 소자로서의 쌍극자 및 더미 소자로서의 슬롯 안테나 등이다.
다른 대안적인 실시예에 따르면, 더미 소자에 의해 재방사되는 신호의 위상은 위상 테이퍼(phase taper)에 대응하는 소자들을 더미 소자에 추가로 연결함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 이러한 소자들은 스트립 라인, 마이크로 스트립 라인 등을 포함할 수 있으며, 이러한 소자들의 길이는 재방사된 신호의 위상을 정의할 수 있다.
도 5는 MIMO 어레이의 최종 방사 패턴을 형성하는 원리를 도시한다.
도 5a를 참조하면, MIMO 어레이는 각각 능동 소자 및 더미 소자들을 포함하는 그룹 #1(T로 표시됨) 및 그룹 #2(R로 표시됨)와 같은 두 개의 소자 그룹으로 구성될 수 있다. 그룹 #1(T)에 송신 소자(송신기)가 능동 소자로 포함되어 있으면, 그룹 #2(R)에 수신 소자(수신기)가 능동 소자로 포함될 수 있다. 반대로, 그룹 #1(T)에 수신 소자가 능동 소자로 포함되어 있으면, 그룹 #2(R)에 송신 소자가 능동 소자로 포함될 수 있다.
도 5b를 참조하면, MIMO 어레이의 최종 방사 패턴이 형성되는 과정이 도시되어 있다. MIMO 어레이의 스캐닝 빔 포락선은 수학식 1에 의해 결정될 수 있다. 수학식 1에 따르면, MIMO 어레이의 결과적인 방사 패턴과 FoV는 송신 소자들의 방사 패턴들의 합과 수신 소자들의 방사 패턴들의 합의 곱으로 결정될 수 있다.
MIMO 어레이 구성에 따르면, 적어도 2개의 안테나 소자(예: 수신 안테나 소자)가 서로 인접하여 배치될 수 있다. 정의에 따라 MIMO 어레이 기능을 제공하려면, 두 개의 인접한(예: λ/2만큼 떨어진) 능동 소자들이 필요할 수 있다. 인접한 능동 소자들 중 어느 하나는 나머지 하나의 방사를 재방사하지 않고 이를 큰 각도로 흡수할 수 있다. 예를 들어, 인접한 능동 소자들은 상호 이득을 큰 각도에서 상호 감소(reduce) 또는 감쇠(attenuate)하여, 중심이 볼록한(convex) 방사 패턴을 형성하고 FoV를 감소시킬 수 있다. 이는 그룹 #2(R)의 소자들의 방사 패턴이 매번 중앙에서 볼록하게 형성되어 FoV를 감소시킨다는 것을 의미할 수 있다.
넓은 FoV를 형성하기 위해, 그룹 #1(T) 및 그룹 #2(R)의 소자들로부터 2가지 유형의 방사 패턴들이 형성될 수 있다. 그룹 #1(T)의 안테나 소자들에 의해 중심이 오목한(recess) 방사 패턴들이 형성될 수 있고, 그룹 #2(R)의 안테나 소자들에 의해 중심이 볼록한 방사 패턴들이 형성될 수 있다. 반대로, 그룹 #1(T)의 안테나 소자들에 의해 중심이 볼록한 방사 패턴들이 형성되고, 그룹 #2(R)의 안테나 소자들에 의해 중심이 오목한 방사 패턴이 형성되는 것도 가능하다. 도 5와 같이, 방사 패턴들의 기하학적 평균화를 통해, 오목한 형상의 방사 패턴과 볼록한 형상의 방사 패턴이 서로 합성되어 FoV가 증가될 수 있다.
도 6은 MIMO 어레이의 소자들의 그룹 #1 내 능동 소자들 및 더미 소자들의 배열 예시들을 도시한다. MIMO 어레이는 넓은 방사 패턴을 형성하기 위해 몇 가지 조건을 충족할 수 있다.
그룹 #1의 소자들은 다수의 능동 소자들(송신 또는 수신), 및 모든 능동 소자 및 더미 소자들의 위상 중심들과의 거리가 ~λ/2인 다수의 더미 소자들로 구성될 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 더미 소자가 능동 소자들 사이에 제공될 수 있다. 모든 안테나 소자는 아래 5 가지 경우 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 아래 5 가지 케이스는 도 6에 도시되어 있다.
1) 케이스 1("a" 타입 소자): 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음(인접한) 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치됨;
2) 케이스 2("b" 타입 소자): 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치됨;
3) 케이스 3("c" 타입 소자): 일 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치됨;
4) 케이스 4 ("d" 타입 소자): 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 다수의 더미 소자들이 배치됨(에지 케이스);
5) 케이스 5("e" 타입 소자): 일 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 다수의 더미 소자들이 배치됨(에지 케이스).
그룹 #1의 소자들의 이러한 배열은 중심이 오목한 방사 패턴을 보장할 수 있다.
평면(이 경우, 수평 평면)에 넓은 방사 패턴을 형성하려면, 이 평면(어레이의 수평 열 내)에 안테나 소자를 배치하는 것이 중요하게 작용될 수 있다. 인접한 열에서 안테나 소자의 상대적 배열은 주로 다른 방향의 방사 패턴에 영향을 미칠 수 있다. 상기 케이스들을 통해 이러한 영향이 무시될 수 있다. 따라서, 실시예들에서 안테나 어레이의 각각의 수평 열에서의 안테나 소자들의 배치는 수평 면에서 이 안테나 어레이의 요구 방사 패턴만을 고려하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 그룹 #1 소자의 넓은 FoV를 형성하기 위해 다음과 같은 경우의 조합이 가능하다.
1) Y=2: d=2, a=b=c=e=0;
2) Y=3: b=d=e=1, a=c=0;
3) Y≥4: b≥1, c≥0, a≥0, 2≥d≥0, 2≥e≥0.
여기서 Y는 그룹 #1의 능동 소자의 수이고 a, b, c, d, e는 각각 케이스 1 내지 케이스 5에서 능동 소자의 수이다.
도 7은 MIMO 어레이의 소자들의 그룹 #2 내 소자들의 배열 예시들을 도시한다. 그룹 #2의 소자들은 다수의 능동 소자들(수신 또는 송신), 및 모든 활성 안테나 및 더미 소자들의 위상 중심들과의 사이의 거리가 ~λ/2인 다수의 더미 소자들로 구성된다. 또한, 적어도 두 개의 능동 소자는 ~λ/2 거리에 이격되어 있으며, 그 사이에는 더미 소자가 없을 수 있다. 다시 말해, 능동 소자들 중 적어도 둘은 서로 인접하게 배치될 수 있다. 그룹 #2의 소자들의 이러한 배열은 중심이 볼록한 방사 패턴을 보장할 수 있다.
도 8은 그룹 #1과 그룹 #2의 소자들을 포함하는 MIMO 어레이의 일부 배열을 도시한다. 그룹 #1의 배열에서 Y=8, a=2, b=2, c=2, d=2, e=0이다.
도 9는 그룹 #1의 소자들에 대한 방사 패턴의 예시들을 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 케이스 1과 같이 배열된 그룹 #1의 소자들은 중심이 깊게 오목한 방사 패턴을 형성할 수 있다. 케이스 3의 소자들에 의한 보상 없이 케이스 1의 소자들이 다수 존재할 경우, 오목한 정도가 지나치게 커질 수 있다. 따라서, 케이스 1의 수와 케이스 3의 수가 서로 맞춰지는 것이 바람직할 수 있다.
일 측에 배치된 2개의 더미 소자가 다른 측에 배치된 하나의 더미 소자에 의해 보상되는, 케이스 2와 같이 배열된 그룹 #1의 소자들은 중심에 평평한 영역을 갖는 방사 패턴을 형성할 수 있다.
케이스 3과 같이 배열된 그룹 #1의 소자들은 방사 패턴의 오목한 형상의 중심에 볼록한 형상을 형성할 수 있다. 케이스 1의 소자들에 의한 보상 없이 케이스 3의 소자들이 다수 존재할 경우, 오목한 형상의 중심에 존재하는 볼록한 형상이 지나치게 커질 수 있다. 따라서, 케이스 1의 수와 케이스 3의 수가 서로 맞춰지는 것이 바람직할 수 있다.
케이스 4 및 5와 같이 배열된 소자는 안테나 어레이의 에지(edge) 또는 코너(corner)에 배치될 수 있고, 케이스 1 내지 케이스 3에 비해 적은 수의 소자들(예: 4 미만)로 이용되는 것이 바람직할 수 있다.
그룹 #1의 소자들을 가장 잘 배열하는 것 중 하나는 케이스 1의 소자의 수가 케이스 3의 소자의 수와 동일한 것을 포함할 수 있다. 이 경우, 케이스 2의 소자의 수는 임의로 선택될 수 있다.
도 10은 그룹 #2의 소자들에 대한 방사 패턴의 예시들을 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 그룹 #2의 소자들의 배치에 대한 가능한 케이스들은 중심이 볼록한 방사 패턴을 형성할 수 있다.
도 11은 그룹 #1 및 그룹 #2의 소자들의 결과적인 방사 패턴의 형성을 도시한다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 오목한 형상을 포함하는 그룹 #1의 소자들의 방사 패턴 및 볼록한 형상을 포함하는 그룹 #2의 소자들의 방사 패턴으로부터 결과적인 방사 패턴이 형성될 수 있다. 이것에 의해, 결과적인 방사 패턴은 넓은 FoV를 가질 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 MIMO 어레이(4Tx X 8Rx)의 가능한 구현을 도시한다. 도 12를 참조하면, MIMO 어레이는 능동 소자들(Txi, Rxj) 및 더미 소자들을 포함한다. i는 송신 소자의 인덱스를 나타내고, 수신 소자의 인덱스를 나타낸다. 인접한 소자들은 d의 거리만큼 떨어져 배치된다. 도 13은 상이한 주파수 대역에서 실시예에 따른 MIMO 어레이의 방사 패턴을 도시한다. 실시예들은 다양한 넓은 주파수 대역폭에서 사용될 수 있다. 도 13을 참조하면, SRR(77-81 GHz), MRR I(77-79 GHz), MRR II(79-81 GHz) 모드에서 자동차 레이더 시스템에 사용될 때, 실시예들의 MIMO 어레이는 FoV가 약 140도로 증가함을 보여준다.
실시예들은 표준 PCB 기술의 프레임 워크 내에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에 따른 광각 MIMO 안테나 어레이는 FoV를 확장하기 위해 추가적인 소자들(렌즈 등)이 필요하지 않고, 기존 PCB에 비해 구조를 복잡하게 하지 않으면서, PCB의 상부 층에 구현될 수 있다. 따라서, 실시예들은 넓은 화각 및 고해상도를 갖는 단순하고 컴팩트하며 저렴한 MIMO 어레이를 제공할 수 있다.
실시예들에 따른 MIMO 어레이는 네비게이션에 사용되는 자율주행 자동차를 포함하는 차량의 레이더 시스템에 응용될 수 있다. 약 140도의 FoV를 갖는 실시예들에 따른 하나의 MIMO 어레이는, 차량의 전방(또는 후방)의 물체를 검출하기 위해 차량에서 현재 사용되는 각각 약 90도의 FoV를 가지는 2개의 종래의 안테나 어레이를 대체할 수 있다. 따라서 차량의 총 레이더 수를 감소시킴에 따라, 전력 소비를 줄이고 설치 및 튜닝 프로세스를 간소화할 수 있다.
또한, 실시예들은 진화된 5G 및 WiGig 표준의 무선 통신 시스템 및 IoT (internet of things)에서 사용될 수 있다. 이 경우, 실시예들은 기지국 및 이동 단말기의 안테나 모두에 사용될 수 있다. 이 경우, 실시예들은 초광각 기지국을 설계하는데 사용될 수 있다. 로봇 공학에서 사용될 때, 실시예들의 안테나 어레이는 장애물을 검출/회피하는데 사용될 수 있다.
실시예들은 또한, LWPT(long-distance wireless power transfer)와 같은 모든 유형(예: 실외/실내, 자동차, 모바일 등)의 무선 전력 송신 시스템에 응용될 수 있다. 또한, 모든 시나리오에서 높은 전력 송신 효율이 보장될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 중심이 오목한 제1 방사 패턴을 형성하도록 배열된 제1 안테나 소자들; 및
    중심이 볼록한 제2 방사 패턴을 형성하도록 배열된 제2 안테나 소자들
    을 포함하고,
    상기 제1 안테나 소자들이 송신 소자들을 상기 제1 안테나 소자들의 능동 소자들로서 포함하는 경우, 상기 제2 안테나 소자들의 능동 소자들은 수신 소자들로서 구성되는,
    안테나 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자들 및 상기 제2 안테나 소자들은 각각 능동 소자들 및 더미 소자들을 포함하는,
    안테나 어레이.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 능동 소자들 및 상기 더미 소자들은 동일한 폼 팩터를 갖는,
    안테나 어레이.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 능동 소자들 및 상기 더미 소자들을 포함하는 소자들 중 서로 인접한 소자들의 위상 중심들 사이의 거리는 λ/2이고, λ는 능동 소자에 의해 방사되는 전자기 파의 파장인,
    안테나 어레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자들은 제1 능동 소자들 및 제1 더미 소자들을 포함하고,
    상기 제1 더미 소자들 중 적어도 하나는 상기 제1 능동 소자들 사이에 배치되는,
    안테나 어레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 안테나 소자들은 제2 능동 소자들 및 제2 더미 소자들을 포함하고,
    상기 제2 능동 소자들 중 적어도 둘은 서로 인접하게 배치되는,
    안테나 어레이.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자들의 능동 소자들 및 더미 소자들은 아래의 케이스들 중 적어도 하나에 따라 배열되는,
    1) 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되는 제1 케이스,
    2) 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되는 제2 케이스,
    3) 일 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되는 제3 케이스,
    4) 일 측에서 하나의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 다수의 더미 소자들이 배치되는 제4 케이스, 및
    5) 일 측에서 2개의 더미 소자가 능동 소자와 다음 능동 소자 사이에 배치되고, 다른 측에서 다수의 더미 소자들이 배치되는 제5 케이스,
    안테나 어레이.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방사 패턴 및 상기 제2 방사 패턴이 서로 합성되어, 어레이 안테나의 시야가 증가되는,
    안테나 어레이.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자들이 수신 소자들을 상기 제1 안테나 소자들의 능동 소자들로서 포함하는 경우, 상기 제2 안테나 소자들의 능동 소자들은 송신 소자들로서 구성되는,
    안테나 어레이.
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