KR20030024625A - 어레이 안테나의 교정 장치 및 방법 - Google Patents

어레이 안테나의 교정 장치 및 방법 Download PDF

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  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

본 발명의 장치는, 안테나 소자들 중에서 교정을 위한 복수의 제 1 안테나 소자; 2 이상의 제 1 안테나 소자에 인접한 제 2 안테나 소자, 또는 상기 제 1 안테나 소자에 접속된 결합기에 교정 신호를 공급하는 교정 신호 공급기; 복수의 안테나 소자에 의해 수신된 교정 신호 및 안테나 소자에 의해 각각 수신된 사용자 신호에 기초하여, 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동을 획득하는 부분; 2 이상의 제 1 안테나 소자에 의해 수신된 교정 신호 및 안테나 소자에 의해 각각 수신된 사용자 신호에 기초하여, 안테나 소자들 사이의 상대적 진폭 변동을 획득하는 교정 계수 공급기; 및 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 이용하여, 안테나 소자에 의해 각각 수신된 사용자 신호를 교정하는 빔 형성기를 구비한다.

Description

어레이 안테나의 교정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CALIBRATING ARRAY ANTENNA}
본 발명은 어레이 안테나의 교정 장치 및 방법에 관한 것이다.
디지털 빔 형성 장치 (digital beam forming device) 로 정확한 수신빔을 형성하기 위해서는, 안테나 소자에 각각 형성된 수신기 출력의 진폭 특성 및 위상 특성을 빔 형성 중에 일정하게 (uniform) 유지해야 한다.
어레이 안테나 교정 장치가 일본 특허공개공보 제 2000-151255 호 (Method and Apparatus for Calibrating Array Antenna) 및 일본 특허공개공보 평성 제 10-336149 호 (Array Antenna radio CDMA Communication Apparatus) 에 개시되어 있다. 종래의 어레이 안테나 교정 장치의 구성의 일례를 도 5 에 나타낸다.
이러한 어레이 안테나 교정 장치에서는, 안테나 소자 (801-2 내지 801-5) 와 수신기 (802-1 내지 802-4) 사이에 결합기 (coupler ; 821-1 내지 821-4) 가 각각 제공되어, 교정 신호 발생기 (810) 에 의해 발생된 교정 신호가 분배기 (809) 에 의해 분배된다. 이렇게 분배된 교정 신호는 결합기 (821-1 내지 821-4) 로부터 수신기 (802-1 내지 802-4) 로 각각 입력된다. 이렇게 수신기 (802-1 내지 802-4) 에 의해 수신된 교정 신호는 교정 신호 처리기 (806) 의 전파 계수 추정기 (propagation factor estimator ; 808-1 내지 808-4) 에서 각각 전파 계수 추정 과정을 거치고, 전파 계수 추정기는 전파 계수를 교정 계수 계산기 (805) 로 출력한다. 그 다음, 교정 계수 계산기 (805) 는, 수신기 (802-1 내지 802-4) 로부터의 신호의 진폭 및 위상이 각각 동일해지도록 하기 위해서, 전파 계수에 기초하여 교정 계수를 계산한다. 이렇게 얻어진 교정 계수는 각 사용자의 빔 형성기 (803) 로 입력되며, 빔 형성기 (803) 는 수신기 (802-1 내지 802-4) 로부터의 출력 신호 각각을 교정 계수에 따라 보정한다.
이와 같은 종래의 교정 장치에서는, 교정 신호가 안테나 소자 (801-2 내지801-5), 또는 안테나 소자 (801-2 내지 801-5) 와 결합기 (821-1 내지 821-4) 사이의 교차점을 지나지 않으므로, 이들 부품에 의한 특성 변동을 보정할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 종래의 교정 장치에서는, 교정 신호가 수신기 (802-1 내지 802-4) 로 입력될 때, 이들의 진폭 및 위상 모두가 동일해야 한다. 이러한 필요로 인해, 분배기 (809) 및 결합기 (821-1 내지 821-4) 가 높은 정확도 및 높은 안정성의 성능을 가져야 한다는 문제가 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해서, 도 6 에 나타낸 바와 같은 종래의 방법이 개시되었다. 이러한 종래의 방법은 일본 특허공개공보 제 2000-295152 호 (Array Antenna Radio Communication Apparatus) 에 개시되어 있다. 이러한 교정 방법에 의하면, 교정 신호 발생기 (810) 로부터 기지국 어레이 안테나로 교정 신호를 전송하기 위해서, 기지국의 어레이 안테나까지 장애물이 없는 위치에 교정 신호 발생기 (810) 가 설치된다. 이러한 교정 방법에 의하면, 교정 신호는 교정을 위해서 안테나 소자 (801-2 내지 801-5) 및 수신기 (802-1 내지 802-4) 에 의해 수신된다. 교정 신호는 안테나 소자 (801-1 내지 801-5) 로부터 수신기 (802-1 내지 802-4) 까지 교정을 위해 여러 가지 경로로 (all the way) 통과할 수 있다. 그러나, 이 방법은, 기지국의 전망이 막히지 않은 범위 내에 교정 신호 발생기가 설치되어야 한다는 문제가 있다. 또한, 기지국과 신호 발생기 사이의 정확한 위치 관계를 알아야 한다는 다른 문제도 있다.
상술한 관점에서, 본 발명의 목적은, 안테나 소자로부터 수신기에 이르는 전파 계수의 특성을 고려할 수 있으며, 기지국과 신호 발생기 사이의 위치 관계를 파악할 필요가 없는 어레이 안테나 교정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 4 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 5 는 종래의 일례에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 6 은 종래의 다른 일례에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 구성을 나타내는 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1-1 내지 1-6, 201-1 내지 201-10, 801-1 내지 801-6 : 안테나 소자
2-1 내지 2-4, 202-1 내지 202-8, 802-1 내지 802-4 : 수신기
3, 803 : 빔 형성기
4-1 내지 4-4, 8-1 및 8-2 : 전파 계수 추정기
204-1 내지 204-8, 208-1 내지 208-4 : 전파 계수 추정기
804-1 내지 804-4, 808-1 내지 808-4 : 전파 계수 추정기
5, 805 : 교정 계수 계산기
6, 806 : 교정 신호 처리기
7 : 위상차 계산기
9, 809 : 분배기
10, 810 : 교정 신호 발생기
17-1 및 17-2, 817-1 및 817-2 : 비반사 종단 장치
18 : 확산기
19-1 내지 19-4, 20-1 및 20-2 : 역확산기
21, 221-1 내지 221-3, 821-1 내지 821-4 : 결합기
30-1 내지 30-4 : 교정 신호 공급기
40-1 내지 40-3 : 교정 계수 공급기
본 발명은, 기지국에 사용된 선형 어레이 안테나의 수신 특성을 교정하는 새로운 교정 장치 및 방법을 제공한다. 도 1 을 참조하여, 본 발명의 장치의 구성을 설명한다.
본 발명의 어레이 안테나 교정 장치는, 어레이 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자 (1-2 내지 1-5), 상기 안테나 소자에 각각 접속된 수신기 (2-1 내지 2-4), 상기 수신기 (2-1 내지 2-4) 로부터 출력된 사용자 신호의 전파 계수를 각각 추정하는 전파 계수 추정기 (4-1 내지 4-4), 상기 어레이 안테나로 교정 신호를 송신하는 안테나 소자 (1-1 및 1-6), 상기 안테나 소자 (1-1 및 1-6) 로부터 등-진폭/등-위상 (equi-amplitude/equi-phase) 교정 신호를 전송하는 교정 신호 공급기 (30-1), 상기 어레이 안테나와 상기 안테나 소자 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득하기 위한 수단을 가진 교정 계수 공급기 (40), 및 상기 상대적 위상 변동 및 상기 상대적 진폭 변동에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 사용자 신호를 교정하는 빔 형성기 (3) 를 구비한다.
또한, 교정 신호 공급기 (30-1) 는, 등-진폭/등-위상 교정 신호를 전송하는 교정 신호 발생기 (10) 및 분배기 (9) 를 가지며, 안테나 소자 (1-2 내지 1-5) 에 접속된 수신기 (2-1 내지 2-4) 출력의 위상 특성 및 진폭 특성을 각각 일정하게만들기 위해, 어레이 안테나 양단에 각각 부가된 안테나 소자 (1-1 및 1-6) 에 교정 신호를 공급한다.
또한, 교정 계수 공급기 (40-1) 는, 수신기 (2-1 및 2-4) 가 각각 접속된, 어레이 안테나 양단의 안테나 소자 (1-2 및 1-5) 에 의해 수신된 교정 신호를 처리하는 교정 신호 처리기 (6), 및 교정 신호 처리기 (6) 로부터 송신된 교정 신호의 위상차 정보와 각 사용자의 전파 경로 추정기 (4-1 내지 4-4) 각각으로부터 송신된 전파 경로 추정치를 이용하여 교정 계수를 계산하는 교정 계수 계산기 (5) 를 구비한다. 이러한 구성에서, 교정 계수 공급기 (40-1) 는, 안테나 소자에 의해 수신된 교정 신호 및 어레이 안테나의 안테나 소자 각각에 의해 수신된 사용자 신호에 기초하여, 어레이 안테나의 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득함으로써, 교정 계수를 빔 형성기 (3) 로 송신한다.
이하, 본 발명의 교정 방법을 설명한다. 안테나 소자 (1-1 및 1-6) 로부터 전송된 교정 신호는 각각, 안테나 소자들 사이의 전자기적 결합 (electromagnetic coupling) 에 의해, 안테나 소자 (1-2 및 1-5) 를 통해 수신기 (2-1 및 2-4) 에 의해 수신된다. 수신기 (2-1 및 2-4) 에 의해 수신된 교정 신호는, 개별적인 전파 계수의 추정을 위해서, 교정 신호 처리기 (6) 의 전파 계수 추정기 (8-1 및 8-2) 로 각각 송신된다.
얻어진 전파 계수는, 수신기 (2-1 및 2-4) 출력들 사이의 위상차를 계산하여 교정 계수 계산기 (5) 로 송신하는, 교정 신호 처리기 (6) 의 위상차 계산기 (7) 에 의해 이용된다.
또한, 사용자 신호는, 이 순서로, 안테나 소자 (1-2 내지 1-5) 및 수신기 (2-1 내지 2-4) 를 통해 수신되고, 안테나 소자에서 수신된 이들 사용자 신호의 전파 계수를 추정하고 전파 계수로서 출력하는 전파 계수 추정기 (4-1 내지 4-4) 로 송신된다. 이렇게 주어진 전파 추정치는 빔 형성기 (3) 로 송신되어 사용자-특정 빔을 형성하는데 이용되며, 교정 계수 계산기 (5) 로도 송신된다.
그 다음, 교정 계수 계산기 (5) 는, 교정 신호와 각 안테나 소자에서의 사용자-특정 전파 계수 사이의 위상차를 이용함으로써, 수신기 (2-1 내지 2-4) 각각의 출력에 대한 교정 계수를 계산한다. 교정 계수의 계산시, 모든 사용자의 전파 계수를 사용할 필요는 없으며, 임의의 수 만큼 선택할 수 있다. 또한, 교정 계수 계산기 (5) 에 의해 얻어진 교정 계수는 각 사용자의 빔 형성기 (3) 로 통지되어, 수신기 (2-1 내지 2-4) 각각으로부터 출력된 수신 신호를 보정하여 빔을 형성하는데 이용된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 수신된 사용자 신호 및 안테나 소자의 상호 결합을 통해 공급된 교정 신호를 이용하여 안테나의 교정을 위해 수신기의 진폭 및 위상 특성을 일정하게 한다는 것을 특징으로 한다.
본 발명은,
교정을 위한 어레이 안테나의 복수의 제 1 안테나 소자;
상기 어레이 안테나의 2 이상의 상기 제 1 안테나 소자에 인접한 제 2 안테나 소자 또는 상기 제 1 안테나 소자에 접속된 결합기에 교정 신호를 공급하는 교정 신호 공급기;
상기 2 이상의 제 1 안테나 소자에 의해 수신된 교정 신호 및 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자에 의해 각각 수신된 사용자 신호에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득하는 교정 계수 공급기; 및
상기 상대적 위상 변동 및 상기 상대적 진폭 변동을 이용하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자에 의해 각각 수신된 상기 사용자 신호를 교정하는 빔 형성기를 구비한 어레이 안테나 교정 장치를 제공한다.
상술한 어레이 안테나 교정 장치에서, 상대적 위상 변동을 획득하는 상기 수단은,
상기 제 1 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 교정 신호에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대해 상기 교정 신호에 관한 전파 계수를 획득하는 수단;
상기 전파 계수에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 제 1 위상차를 획득하는 수단;
상기 전파 계수의 상기 위상차에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 위상차의 평균을 획득하는 수단;
상기 사용자 신호에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상기 사용자 신호에 관한 전파 계수의 평균을 획득하는 수단;
상기 위상차의 상기 평균 및 상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 위상차를 획득하는 수단;
상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 평균, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 평균, 및 상기 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 상기 위상차에 기초하여, 기준으로서의 상기 제 1 안테나 소자들 중의 하나에 대해 상기 안테나 소자 각각의 상대적 위상 변동의 제 1 시간-평균을 획득하는 수단; 및
상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 위상차에 기초하여, 기준으로 이용되지 않는 상기 제 1 안테나 소자의 상대적 위상 변동의 제 2 시간-평균을 획득하는 수단을 구비한다.
상술한 어레이 안테나 교정 장치에서, 상대적 진폭 변동을 획득하는 상기 수단은,
상기 제 1 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 교정 신호에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대해 상기 교정 신호에 관한 전파 계수를 획득하는 수단;
상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 위상차를 획득하는 수단;
상기 전파 계수의 상기 위상차에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 신호의 상기 위상차의 평균을 획득하는 수단;
상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 평균을 획득하는 수단;
상기 전파 계수의 상기 위상차의 상기 평균 및 상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 위상차를 획득하는 수단; 및
상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 중의 하나를 기준으로 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상대적 진폭 변동의 시간-평균을 획득하는 수단을 구비한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
제 1 실시예
이하, 도 2 를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예를 설명한다. 도 2 는 CDMA 통신 시스템의 선형 어레이 안테나를 이용하는 기지국의 구성을 나타낸다. 본 실시예에는, 도 1 에 나타낸 본 발명의 기본적인 어레이 안테나 교정 장치가 CDMA 통신-시스템 기지국에 적용된다.
본 실시예의 어레이 안테나 교정 장치는 주로,
어레이 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자 (1-2 내지 1-5);
상기 안테나 소자에 각각 접속된 수신기 (2-1 내지 2-4);
상기 수신기 (2-1 내지 2-4) 로부터 출력된 신호에서 하나의 사용자 경로를 통해 도달하는 신호를 추출하는 역확산기 (19-1 내지 19-4);
이렇게 역확산된 신호의 전파 계수를 추정하는 전파 계수 추정기 (4-1 내지 4-4);
상기 어레이 안테나로 교정 신호를 송신하는 안테나 소자 (1-1 및 1-6);
상기 안테나 소자 (1-1 및 1-6) 로부터 등-진폭/등-위상 확산 교정 신호를 전송하는 교정 신호 공급기 (30-2);
상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득하는 수단을 가진 교정 계수 공급기 (40-2); 및
상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 이용하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 의해 수신된 사용자 신호를 교정하는 빔 형성기 (3) 를 구비한다.
또한, 등-진폭/등-위상 교정 신호를 전송하기 위한 본 실시예의 상기 교정 신호 공급기 (30-2) 는, 교정 신호 발생기 (10), 확산기 (18), 및 분배기 (9) 를 가지며, 상기 안테나 소자 (1-2 내지 1-5) 에 각각 접속된 상기 수신기 (2-1 내지 2-4) 출력의 위상 특성 및 진폭 특성을 일정하게 만들기 위해, 어레이 안테나의 양단에 각각 부가된 안테나 소자 (1-1 및 1-6) 에 확산된 교정 신호를 공급한다.
또한, 본 실시예의 상기 교정 계수 공급기 (40-2) 는, 수신기 (2-1 및 2-4) 가 접속되며 어레이 안테나의 양단에 각각 배치된 안테나 소자 (1-2 및 1-5) 에 의해 수신된 확산 교정 신호를 처리하는 교정 신호 처리기 (6), 및 상기 교정 신호 처리기 (6) 로부터 송신된 교정 신호의 위상차 및 각 사용자의 상기 전파 계수 추정기 (4-1 내지 4-4) 로부터 송신된 전파 계수의 정보를 이용하여 교정 계수를 계산하는 교정 계수 계산기 (5) 를 구비한다. 교정 신호 처리기 (6) 는 역확산기 (20-1 및 20-2), 전파 계수 추정기 (8-1 및 8-2), 및 위상차 계산기 (7) 를 구비하며, 수신기 (2-1 및 2-2) 로부터 각각 송신된 2 개의 확산 교정 신호에 기초하여위상차를 계산한다.
본 실시예의 구성에서, 교정 계수 공급기 (40-2) 는, 안테나 소자에 의해 수신된 확산 교정 신호 및 각각의 안테나 소자에 의해 수신된 사용자 신호에 기초하여, 어레이 안테나의 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득할 수 있다. 따라서, 교정 계수 공급기 (40-2) 는 적절한 교정 계수를 빔 형성기 (3) 로 송신할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 어레이 안테나 교정 장치의 동작을 순차적으로 설명한다.
안테나 소자 (1-1 및 1-6) 로부터 등-진폭/등-위상 방식으로 전송된 교정 신호는, 안테나 소자 (1-2 및 1-5) 와 각각 전자기적으로 (electromagnetically) 으로 결합되어 있는 수신기 (2-1 및 2-4) 에 의해 수신된다. 수신기 (2-1 및 2-4) 의 출력은, 안테나 소자 (1-2 및 1-5) 의 특성 변동, 수신기 (2-1 및 2-4) 의 특성 변동, 및 안테나 소자 (1-2 및 1-5) 와 수신기 (2-1 및 2-4) 를 상호 접속하는 케이블의 특성 변동 각각으로 인해, 진폭과 위상에서, 그리고 시간에 따라서도 변동한다. 교정 신호를 1 이라고 가정하면, 수신기 (2-1 및 2-4) 각각의 출력 신호 (xcal1(t) 및 xcal4(t)) 는 수학식 1 및 수학식 2 와 같이 주어지며, 여기서 A1(t) 및 A2(t) 는 수신기 (2-1 및 2-4) 의 진폭 변동을 나타내고 Ψ1(t) 및 Ψ2(t) 는 위상 변동을 나타낸다.
수신기 (2-1 및 2-4) 로부터 각각 출력된 교정 신호는, 교정 신호 처리기 (6) 의 역확산기 (20-1 및 20-2) 에 의해 역확산된 후, 이에 기초하여 전파 계수를 추정함으로써 전파 계수를 계산하는 전파 계수 추정기 (8-1 및 8-2) 로 송신된다. 전파 계수 hcal1(t) 및 hcal4(t) 는 수학식 3 및 수학식 4 와 같이 주어진다.
교정 신호 처리기 (6) 의 위상차 계산기 (7) 는 이들 전파 계수 (hcal1(t) 및 hcal4(t)) 를 이용하여 수신기 (2-1 및 2-4) 출력들 사이의 위상차 (δhcal(t)) 를 계산하고, 이를 교정 계수 계산기 (5) 로 송신한다 (교정 신호 위상차 계산 단계). 전파 계수의 위상차 (δhcal(t)) 는 수학식 5 와 같이 얻어지며, 여기서 * 는 공액 복소수를 나타낸다.
수신기 (2-1 내지 2-4) 로부터의 출력 신호 각각은, 역확산기 (19-1 내지 19-4) 에 의해 사용자 및 경로 각각에 대한 복수의 개별 성분으로 분배되며, 전파 계수 추정기 (4-1 내지 4-4) 는 사용자 및 경로 각각에 대해 전파 계수를 추정함으로써, 전파 계수를 계산한다 (사용자 신호 전파 계수 추정 단계). 이 경우, 시각 t 에 사용자 k 로부터의 경로 l 을 통해 송신된 신호의 전파 계수 h1(k, l, t), h2(k, l, t), h3(k, l, t), 및 h4(k, l, t) 는 수학식 6 내지 수학식 9 와 같이 주어지며, 여기서 A1(t), A2(t), A3(t), 및 A4(t) 는 수신기 (2-1 내지 2-4) 각각의 진폭 변동을 나타내고, Ψ1(t), Ψ2(t), Ψ3(t), 및 Ψ4(t) 는 수신기 (2-1 내지 2-4) 의 위상 변동을 나타낸다. 또한, A (k, l, t) 는 샘플링 시각 t 에서의 경로 l 을 통한 사용자의 진폭을 나타내고, θ(k, l, t) 는 도달 방향을 나타내며, β는 자유 공간 전파 상수 (2π/파장) 를 나타내고, d 는 안테나 소자 사이의 간격을 나타낸다.
다음으로, 추정된 전파 계수 h1(k, l, t), h2(k, l, t), h3(k, l, t), 및 h4(k, l, t) 는 교정 계수 계산기 (5) 로 송신된다.
교정 계수 계산기 (5) 는, 사용자 신호 각각의 빔을 형성하기 위한 교정 계수를 계산하기 위해서, 어레이 안테나의 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득하는 이하의 단계를 수행하는 기능을 가진다. 이하, 수학식과 함께 이 기능을 설명한다.
교정 계수 계산기 (5) 는, 교정 신호의 위상차 (δhcal(t)) 및 각 사용자에 대해 각 경로를 통한 개별적인 안테나 소자의 전파 계수 h1(k, l, t), h2(k, l, t), h3(k, l, t), 및 h4(k, l, t) 를 이용하여, 수신기 (2-1 내지 2-4) 의 출력 각각에 대한 교정 계수를 계산한다. 계산에는 임의의 수의 전파 계수를 선택하여 사용할 수 있지만, 이 일례에서는, K 개의 사용자에 대해, 각 사용자에 대해 L 개의 경로를 통한 T 개의 전파 계수 샘플을 선택하여 사용한다.
우선, 교정 계수 계산기 (5) 는, 안테나 소자 각각에 대해 경로들을 통한 사용자들의 전파 계수 샘플의 기하 평균 H1, H2, H3및 H4를 계산한다.
다음으로, 교정 계수 계산기 (5) 는 교정 신호들 사이의 위상차의 기하 평균치 (△Hcal) 를 수학식 14 와 같이 계산한다 (위상차 기하 평균값 계산 단계).
다음으로, 교정 계수 계산기 (5) 는 수학식 10, 수학식 13, 및 수학식 14 의 값을 이용하여, 수학식 15 와 같이, 도달 경로의 길이차에 의한 안테나 소자들 사이의 위상차 (△W) 를 얻는다 (도달 경로 위상차 계산 단계).
다음으로, 교정 계수 계산기 (5) 는, 수학식 15 의 값을 이용하여, 수학식 16 및 수학식 17 과 같이, 안테나 소자 (1-3 및 1-4) 의 수신기 출력에서의 (안테나 소자 1-2 에 대한) 상대적 위상 변동의 시간-평균 (및) 을 얻는다 (제 1 상대적 위상 변동 계산 단계).
또한, 교정 계수 계산기 (5) 는 교정 신호를 이용하여, 수학식 18 과 같이, 안테나 소자 1-5 의 수신기 출력에서의 상대적 위상 변동의 시간-평균 () 을 얻는다 (제 2 상대적 위상 변동 계산 단계).
다음으로, 교정 계수 계산기 (5) 는 기하 평균 H1내지 H4를 이용하여, 수학식 19 내지 수학식 21 과 같이, (안테나 소자 1-2 에 대한) 수신기 출력에서의 상대적 진폭 변동의 시간-평균 (△A2, △A3, 및 △A4)을 얻는다 (상대적 진폭 변동 계산 단계).
따라서, 교정 계수 계산기 (5) 는, 수학식 22 내지 수학식 25 와 같이, 개별적인 수신기 (2-1 내지 2-4) 출력의 교정 계수 (△W1, △W2, △W3, 및 △W4) 를 얻는다 (교정 계수 계산 단계).
또한, 수신기 (2-1 내지 2-4) 의 특성 변동 시간보다 충분히 짧은 평균 시간 (T) 을 선택함으로써, 수학식 16 내지 수학식 18, 및 수학식 19 내지 수학식 21 은 다음의 수학식 26 내지 수학식 28, 및 수학식 29 내지 수학식 31 로 각각 변형된다.
이렇게 얻어진 수학식 26 내지 수학식 28 및 수학식 29 내지 수학식 31 은, 수신기 2-1 의 출력에 대한 개별적인 수신기 (2-1 내지 2-4) 의 상대적 위상 특성 및 상대적 진폭 특성을 나타내고, 수학식 22 내지 수학식 25 를 교정 계수로 이용함으로써 수신기 출력에서의 특성 변동을 일정하게 할 수 있음을 보여준다.
따라서, 교정 계수 계산기 (5) 에 의해 얻어진 교정 계수를 각각의 경로를 통해 각 사용자의 빔 형성기 (3) 로 송신할 수 있고, 사용자 각각에 대한 각 경로를 통해, 빔 형성기에서, 수신기 (2-1 내지 2-5) 각각의 출력 신호에 교정 계수가 적용될 수 있으므로, 각 수신기 (2-1 내지 2-4) 의 진폭 및 위상 변동을 제거할 수 있다. 따라서, 정확한 빔 형성이 가능하다.
본 발명의 기능을 수학식과 함께 순차적으로 설명했지만, 이러한 수학식들 중 어떤 것은 통합될 수 있어 그 값이 실제적인 조작시의 계산 과정 중에 드러나지 않을 수 있다.
제 2 실시예
본 발명의 제 2 실시예를 도 3 에 나타낸다. 도 3 에서, 제 1 실시예의 부품과 동일한 기능을 가진 부품들은 동일한 참조 부호에 의해 지시되며, 그에 대한 설명은 생략한다. 이러한 본 실시예에서, 교정 신호 공급기 (30-3) 는, 수신기 (2-1 내지 2-4) 가 접속되는, 양단을 제외한 안테나 소자들 (1-2 내지 1-4) 중 임의의 안테나 소자 (1-3) 에 교정 신호를 공급하는 교정 신호 발생기 (10) 및 결합기를 구비한다. 여기서 어레이 안테나는 전형적인 선형 어레이 안테나이고, 양단에 배치된 안테나 소자 (1-1 및 1-6) 는 각각 비반사 종단 장치 (non-reflection terminators ; 17-1 및 17-2) 이다.
교정 신호는 수신기 (2-1 내지 2-4) 가 각각 접속된, 양단을 제외한 안테나 소자들 (1-2 내지 1-4) 중의 임의의 안테나 소자 (1-3) 에 의해 전송되어, 안테나 소자 (1-3) 에 인접한 안테나 소자 (1-2 및 1-4) 각각이 전자기적으로 (electro-magnetically) 결합된 교정 신호를 측정하게 한다. 이렇게 측정된 교정 신호는, 제 1 실시예에서와 거의 동일한 방법으로 교정 처리를 수행하는데 이용될 수 있다.
제 3 실시예
본 발명의 제 3 실시예의 구성을 도 4 에 나타낸다. 도 4 에서, 제 1 실시예의 부품과 동일한 기능을 가진 부품은 동일한 참조 부호에 의해 나타내고, 그에 대한 설명은 생략한다. 본 실시예에서, 교정 신호 공급기 (30-4) 는 교정 신호 발생기 (10), 분배기 (9), 및 복수의 결합기 (221-1 내지 221-3) 를 구비하며, 이러한 구성에서, 교정 신호는 수신기 (202-1 내지 202-8) 에 각각 접속된 안테나 소자 (201-2 내지 201-9) 에서 선택된 임의의 수의 안테나 소자로부터 전송된다.
도 4 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서, 동일한 교정 신호가 수신기 (202-1 내지 202-8) 에 각각 접속된 안테나 소자 (201-1 내지 201-9) 에서 선택된 임의의 수의 안테나 소자로부터 전송되므로, 이들에 의해 검출된 교정 신호는 제 1 실시예와 거의 동일한 방법으로 교정을 수행하는데 이용될 수 있다.
또한, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서, 안테나 소자 (201-2, 201-5, 및 201-9) 로부터 교정 신호를 전송할 수도 있으며, 이들 교정 신호는 인접한 안테나 소자 (201-3, 201-4, 201-6, 및 201-8) 에 의해 수신되어 교정이 수행할 수 있다. 그런데, 교정 신호 처리기 (6) 의 위상차 계산기 (7) 는, 전파 계수 4 개의 위상을 선형적으로 근사했을 때 주어지는 경사를 위상차로서 이용한다. 따라서, 분배기 또는 결합기의 특성 변동에 의한 교정 정확도에 대한 영향을 완화할 수 있다.
제 4 실시예
또한, 본 발명은 TDMA 또는 FDMA 통신 시스템의 기지국에 적용 가능하다. TDMA 통신 시스템에 적용될 경우, 교정 신호용 타임 슬롯 (time slot) 을 할당하거나 그 안에 교정 신호를 입력하기 위한 빈 타임 슬롯을 이용함으로써, 교정 신호를 측정한다. 또한, 전파 계수는 복수의 타임 슬롯에 대해 추정되어 기하 평균된다. 이렇게 얻어진 교정 신호의 위상차 및 평균 전파 계수는 교정 계수를 계산하는데 이용된다. 한편, 본 발명을 FDMA 통신 시스템에 적용한다면, 교정 신호용 주파수 채널을 할당하거나 그 안에 교정 신호를 입력하기 위한 빈 주파수 채널을 이용함으로써, 교정 신호를 측정한다. 또한, 전파 계수는 복수의 주파수 채널에 대해 추정되어 기하 평균된다. 이렇게 얻어진 교정 신호의 위상차 및 평균 전파 계수는 교정 계수를 계산하는데 이용된다.
상술한 바와 같이, 외부에 교정국을 제공하지 않고, 안테나 소자의 입사면으로부터 수신기의 출력에 이르는 경로의 상대적 진폭 및 상대적 위상 변동이 제거될 수 있으므로, 정확한 빔 형성의 효과를 줄 수 있다.

Claims (6)

  1. 복수의 안테나 소자를 가진 어레이 안테나에 이용되는 교정 장치에 있어서,
    상기 안테나 소자들 중에서 교정을 위한 복수의 제 1 안테나 소자;
    상기 어레이 안테나의 2 이상의 상기 제 1 안테나 소자에 인접한 제 2 안테나 소자 또는 상기 제 1 안테나 소자에 접속된 결합기에 교정 신호를 공급하는 교정 신호 공급기;
    상기 2 이상의 제 1 안테나 소자에 의해 수신된 교정 신호 및 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들에 의해 각각 수신된 사용자 신호에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득하는 교정 계수 공급기; 및
    상기 상대적 위상 변동 및 상기 상대적 진폭 변동을 이용하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들에 의해 각각 수신된 상기 사용자 신호를 교정하는 빔 형성기를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상대적 위상 변동을 획득하는 상기 수단은,
    상기 제 1 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 교정 신호에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대해 상기 교정 신호에 관한 전파 계수를 획득하는 수단;
    상기 전파 계수에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 제 1 위상차를 획득하는 수단;
    상기 전파 계수의 상기 위상차에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 위상차의 평균을 획득하는 수단;
    상기 사용자 신호에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상기 사용자 신호에 관한 전파 계수의 평균을 획득하는 수단;
    상기 위상차의 상기 평균 및 상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 위상차를 획득하는 수단;
    상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 평균, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 평균, 및 상기 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 상기 위상차에 기초하여, 기준으로서의 상기 제 1 안테나 소자들 중의 하나에 대해 상기 안테나 소자 각각의 상대적 위상 변동의 제 1 시간-평균을 획득하는 수단; 및
    상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 위상차에 기초하여, 기준으로서 이용되지 않은 상기 제 1 안테나 소자의 상대적 위상 변동의 제 2 시간-평균을 획득하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상대적 진폭 변동을 획득하는 상기 수단은,
    상기 제 1 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 교정 신호에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대해 상기 교정 신호에 관한 전파 계수를 획득하는 수단;
    상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 위상차를 획득하는 수단;
    상기 전파 계수의 상기 위상차에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 위상차 평균을 획득하는 수단;
    상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 평균을 획득하는 수단;
    상기 전파 계수의 상기 위상차의 상기 평균 및 상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 위상차를 획득하는 수단; 및
    전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 중의 하나를 기준으로, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상대적 진폭 변동의 시간-평균을 획득하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 어레이 안테나의 2 개 이상의 제 1 안테나 소자에 인접한 제 2 안테나 소자 또는 상기 제 1 안테나 소자에 접속된 결합기에 교정 신호를 공급하는 단계;
    상기 2 개 이상의 제 1 안테나 소자에 의해 수신된 교정 신호 및 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들에 의해 각각 수신된 사용자 신호에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 사이의 상대적 위상 변동 및 상대적 진폭 변동을 획득하는 단계; 및
    상기 상대적 위상 변동 및 상기 상대적 진폭 변동을 이용하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들에 의해 각각 수신된 상기 사용자 신호를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 교정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상대적 위상 변동을 획득하는 상기 수단은,
    상기 제 1 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 교정 신호에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대해 상기 교정 신호에 관한 전파 계수를 획득하는 교정 신호 전파 계수 추정 단계;
    상기 전파 계수에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관해 상기 전파 계수의 제 1 위상차를 획득하는 교정 신호 위상차 계산 단계;
    상기 전파 계수의 상기 위상차에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관해 상기 전파 계수의 상기 위상차의 평균을 획득하는 위상차 기하 평균 계산 단계;
    상기 사용자 신호에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대해 상기 사용자 신호에 관한 전파 계수의 평균을 획득하는 사용자 신호 전파 계수 추정 단계;
    상기 위상차의 상기 평균 및 상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 위상차를 획득하는 도달 경로 위상차 계산 단계;
    상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 평균, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 평균, 및 상기 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 상기 위상차에 기초하여, 기준으로서의 상기 제 1 안테나 소자들 중의 하나에 대해 상기 안테나 소자 각각의 상대적 위상 변동의 제 1 시간-평균을 획득하는 제 1 상대적 위상 변동 계산 단계; 및
    상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 위상차에 기초하여, 기준으로서 이용되지 않은 상기 제 1 안테나 소자의 상대적 위상 변동의 제 2 시간-평균을 획득하는 제 2 상대적 위상 변동 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상대적 진폭 변동을 획득하는 상기 수단은,
    상기 제 1 안테나 소자 각각에 의해 수신된 상기 교정 신호에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자 각각에 대해 상기 교정 신호에 관한 전파 계수를 획득하는 교정 신호 전파 계수 추정 단계;
    상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이의 상기 교정 신호에 관해 상기 전파 계수의 위상차를 획득하는 교정 신호 위상차 계산 단계;
    상기 전파 계수의 상기 위상차에 기초하여, 상기 제 1 안테나 소자들 사이에서 상기 교정 신호에 관한 상기 전파 계수의 상기 위상차의 평균을 획득하는 위상차 기하 평균 계산 단계;
    상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대한 상기 사용자 신호에 관해 상기 전파 계수의 평균을 획득하는 사용자 신호 전파 계수 추정 단계;
    상기 전파 계수의 상기 위상차의 상기 평균 및 상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 도달 경로의 길이차에 의한 상기 안테나 소자들 사이의 위상차를 획득하는 도달 경로 위상차 계산 단계; 및
    상기 전파 계수의 상기 평균에 기초하여, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자들 중 하나를 기준으로, 상기 어레이 안테나의 상기 안테나 소자 각각에 대한 상대적 진폭 변동의 시간-평균을 획득하는 상대적 진폭 변동 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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