KR20050087894A - Apparatus and method for measuring array antenna mutual coupling coefficient - Google Patents
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Abstract
본 발명은 어레이 안테나의 상호 결합 계수를 측정하는 장치에 있어서, 둘 이상의 안테나 방사 소자로 배열된 어레이 안테나와, 상기 어레이 안테나 수신 빔의 전계 신호를 분석하는 네트워크 분석기(Network Analyzer)와, 상기 네트워크 분석기로부터 수신된 빔의 전계 신호를 분석하여 두 개의 방사 소자들의 사이의 커플링 계수들을 산출하는 컴퓨터로 구성된 장치와 이동통신 망에서 산출된 커플링 계수를 보상하는 방법을 특징으로 한다.The present invention provides an apparatus for measuring a mutual coupling coefficient of an array antenna, comprising: an array antenna arranged with two or more antenna radiating elements, a network analyzer for analyzing an electric field signal of the array antenna receiving beam, and the network analyzer And a method of compensating the coupling coefficients calculated in a mobile communication network and a computer-configured apparatus that calculates the coupling coefficients between two radiating elements by analyzing the electric field signal of the beam received from the beam.
Description
본 발명은 이동 통신 시스템의 안테나 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 어레이 안테나의 상호 결합 측정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an antenna apparatus and method of a mobile communication system, and more particularly, to an apparatus and method for mutual coupling measurement of an array antenna.
종래의 기지국 안테나는 섹터 빔 고정 안테나의 형태로 멀티 안테나간에 발생하는 상호 결합 현상이 안테나 성능이나 시스템 성능에 큰 문제가 되지 않았으므로, 그 존재 여부와 발생 원리에 대해서는 이해하고 있으나 상호 결합 성분을 추출하는 방법 제안은 거의 전무하였다. In the conventional base station antenna, since the mutual coupling phenomenon between the multiple antennas in the form of a sector beam fixed antenna is not a big problem for the antenna performance or the system performance, the existence and the principle of occurrence are understood, but the mutual coupling component is extracted. There were almost no suggestions for how to do this.
근래는 시스템 성능이나 용량 향상을 위하여 여러 개의 안테나를 배열한 어레이(Array) 안테나, 사용자(User)들의 방향을 탐지해 안테나 빔(beam)을 할당해 주는 스마트(Smart) 안테나와, 사용자의 분포 정도 또는 방향에 따라 빔을 움직여 주는 적응(Adaptive) 안테나 기술들이 개발되었다. 이러한 안테나 기술들은 고정 안테나와 다르게 사용자(User)분포 정도에 따라 동작하므로, 안테나의 약간의 물리적 상태 변경만으로도 시스템 성능 저하에 영향을 줄 수 있다는 문제점이 있다.Recently, an array antenna with multiple antennas for improving system performance or capacity, a smart antenna that detects the direction of users and allocates an antenna beam, and the degree of distribution of users Alternatively, adaptive antenna technologies have been developed to move the beam along a direction. Unlike the fixed antennas, these antenna technologies operate according to the user distribution degree, so that a slight physical state change of the antenna may affect system performance.
따라서, 여러 개의 안테나를 배열한 어레이 안테나에서 인접 안테나간의 전자계 간섭에 의한 상호 결합 성분을 구체적 수치로 형상화하여, 이를 보상해 주는 기술이 요구된다. Accordingly, there is a need for a technique of compensating for the shape of a mutual coupling component due to electromagnetic interference between adjacent antennas in an array antenna in which several antennas are arranged to a specific value.
따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실측된 어레이 안테나 빔을 이용하여 상호 결합 성분을 측정하여, 이를 보상하는 안테나 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention to solve the above problems is to provide an antenna device and method for measuring and compensating for the mutual coupling component using the measured array antenna beam.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 어레이 안테나의 상호 결합 계수를 측정하는 장치에 있어서, 둘 이상의 안테나 방사 소자로 배열된 어레이 안테나와, 상기 어레이 안테나의 빔의 전계 신호를 수신하여 측정하는 네트워크 분석기와, 상기 네트워크 분석기로부터 수신된 빔의 전압으로부터 두 개의 방사 소자들의 사이의 커플링 계수들을 산출하는 컴퓨터로 구성됨을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring a mutual coupling coefficient of an array antenna, comprising: an array antenna arranged with two or more antenna radiating elements, and a network for receiving and measuring an electric field signal of a beam of the array antenna; An analyzer and a computer for calculating the coupling coefficients between the two radiating elements from the voltage of the beam received from the network analyzer.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 예는 어레이 안테나의 상호 결합 성분을 보상하는 방법에 있어서, 송신 어레이 안테나의 상호 결합 계수 역행렬을 송신 안테나의 전단에서 미리 보상하는 제 1 과정과, 송신 안테나의 방사를 수신 어레이 안테나가 수신하는 제 2 과정과, 미리 추출되어진 수신 어레이 안테나의 상호 결합 계수 역행렬을 수신된 신호에 보상하는 제 3 과정으로 구성됨을 특징으로 한다. Another embodiment of the present invention for achieving the above object is a method for compensating the mutual coupling component of the array antenna, the first process of precompensating the mutual coupling coefficient inverse of the transmitting array antenna in front of the transmitting antenna, And a second process of receiving the radiation of the transmitting antenna by the receiving array antenna, and a third process of compensating the pre-extracted mutual coupling coefficient inverse of the receiving array antenna to the received signal.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 상세 동작 및 구조에 대하여 상세히 설명한다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Hereinafter, the detailed operation and structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that reference numerals and like elements among the drawings are denoted by the same reference numerals and symbols as much as possible even though they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명이 바람직한 실시 예에 따른 어레이 안테나의 상호 결합 계수 측정 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an apparatus for measuring mutual coupling coefficients of an array antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 둘 이상의 안테나 방사 소자로 배열된 어레이 안테나(100)는 턴테이블(110)에 설치되고, 상기 턴테이블(110)은 무반사실(120)에 위치된다. 상기 무반사실(Chamber)(120)은 다른 변동 요소들을 배제하기 위함이다. 상기 턴테이블(Turntable)(110)은 기준 안테나(120)를 360도 회전 가능한 모터로 구성되며, 회전 각도는 컴퓨터(150)와 턴테이블 제어기(115)에 의해 조절된다. 상기 기준 안테나(120)는 어레이 안테나(100)의 위치에서 10 lambda 이상 떨어진 곳에 위치되고, 전방성 안테나로 이루어진 상용 안테나로 안테나 빔 패턴 데이터가 주어진다. 네트워크 분석기(Network Analyzer)는 수신 전계의 복소 성분을 추출함으로써 수신 신호의 위상까지 검출 가능하다. 어레이 안테나 N개의 방사소자 중 2개를 각각 동축 케이블을 통하여 네트워크 분석기와 연결하고, 네트워크 분석기에서 측정된 전계 신호의 커플링 계수를 분석하기 위하여 네트워크 분석기와 컴퓨터를 연결한다. 상기 턴테이블 제어기(115)가 컴퓨터에 입력된 회전 각도만큼 턴테이블(110)을 회전시킨다. 상기 회전 각도는 보통 0.5 또는 1도 간격이 된다. 네트워크 분석기와 컴퓨터를 통해 기준 안테나 회전각도 및 안테나 수신 레벨을 볼 수 있다. Referring to FIG. 1, an array antenna 100 arranged as two or more antenna radiating elements is installed on a turntable 110, and the turntable 110 is located in the anechoic chamber 120. The chamber 120 is for excluding other variations. The turntable 110 is composed of a motor capable of rotating the reference antenna 120 by 360 degrees, and the rotation angle is controlled by the computer 150 and the turntable controller 115. The reference antenna 120 is located at 10 lambda or more away from the position of the array antenna 100, the antenna beam pattern data is given to a commercial antenna composed of a forward antenna. The network analyzer can detect the phase of the received signal by extracting the complex component of the received electric field. Two antennas of N array antennas are connected to the network analyzer through the coaxial cable, and the network analyzer and the computer are connected to analyze the coupling coefficient of the electric field signal measured by the network analyzer. The turntable controller 115 rotates the turntable 110 by a rotation angle input to the computer. The angle of rotation is usually 0.5 or 1 degree apart. The network analyzer and computer can see the reference antenna rotation angle and antenna reception level.
그러면, 상기 도 1에 도시된 바와 같은 장치에서의 상호 결합 계수 측정 방법을 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.Then, the method of measuring the mutual coupling coefficient in the apparatus as shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. 2.
도 2를 참조하면, 200 단계에서 기준 안테나에서 방사되는 빔을 0.5도 간격으로 0도 ~ 360도까지 N개의 어레이 안테나 중 2개의 방사소자를 급전시켜 네트워크 분석기(140)에서 수신한다. 이 때, 수신된 빔의 형태는 전압이 된다. 210 단계에서 하나의 안테나에서 0~360도까지 0.5도 간격으로 측정된 데이터는 컴퓨터(150)에 탑재된 프로그램을 통해 커플링 계수로 추출된다. Referring to FIG. 2, in operation 200, two beams of N array antennas are supplied to the network analyzer 140 from 0 degree to 360 degrees at 0.5 degree intervals, and are received by the network analyzer 140. At this time, the shape of the received beam becomes a voltage. In step 210, the data measured at intervals of 0.5 degrees from one antenna to 0 to 360 degrees is extracted as a coupling coefficient through a program mounted on the computer 150.
상기 커플링 계수를 추출하는 210 단계를 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.The step 210 of extracting the coupling coefficient will be described in more detail.
1~N개의 방사 소자 중, m번째와 n번째에서 수신된 전압( )을 최대 전기폭(Maximum electric magnitude)( )으로 정규화한다.Voltage received at mth and nth of 1 ~ N radiating elements ) Is the maximum electric magnitude ( Normalize to
상기 정규화된 수신 신호의 형태는 하기의 <수학식 1>에 의해 표현될 수 있다.The normalized received signal may be represented by Equation 1 below.
상기 <수학식 1>에서 u=sinq (q는 빔의 수신 각도), gm(u)는 수신된 빔의 어레이 계수, fi(u)는 이론상의 어레이 계수, n은 1~N개의 안테나 중 커플링이 발생되는 방사소자의 넘버를 의미하고, 은 m번째 방사 소자와 n번째 방사 소자 사이에서 발생된 상호 결합 계수이다.In Equation 1, u = sinq (q is a reception angle of a beam), g m (u) is an array coefficient of a received beam, f i (u) is a theoretical array coefficient, and n is 1 to N antennas. Means the number of radiating elements in which the coupling is generated, Is the mutual coupling coefficient generated between the mth and nth radiating elements.
상기 <수학식 1>에 푸리에 변환(Fourier Transform)을 적용한 하기의 <수학식 2>을 이용해 상호 결합 계수 을 구한다.Mutual Coupling Coefficient using Equation 2 to which Fourier Transform is applied to Equation 1 Obtain
상기 220 단계에서 N개의 방사 소자에 대하여, 각각 개의 조합을 생성하여, 상기 210 단계를 수행한다. 그리고, 상기 컴퓨터(150)는 230 단계에서 상기 210 단계에서 추출된 상호 결합 N x N개의 계수를 각 구성 요소(element)로 가지는 상호 결합 계수 행렬을 구한다.For the N radiating elements in step 220, respectively Combinations are generated, and step 210 is performed. In operation 230, the computer 150 obtains a mutual coupling coefficient matrix having N × N coefficients extracted in operation 210 as elements.
상기에서 구한 상호 결합 계수 행렬을 이용하여 어레이 안테나의 상호 결합 성분을 보상하는 방법을 도3을 참조하여 살펴보기로 한다. 도 3은 이동통신에 사용되는 송수신 안테나가 모두 어레이 안테나인 경우를 나타낸 것이다. A method of compensating for the mutual coupling component of the array antenna using the obtained mutual coupling coefficient matrix will be described with reference to FIG. 3. 3 illustrates a case where all of the transmitting and receiving antennas used for mobile communication are array antennas.
300단계는 상기에서 언급한 방법으로 추출되어진 송신 어레이 안테나의 상호 결합 계수 역행렬을 송신 안테나의 전단에서 미리 보상하는 과정이다. 310단계의 송신 안테나의 방사를 거쳐 320단계와 같이 수신 어레이 안테나가 수신하는 과정을 수행한다. 330단계는 300단계와 마찬가지로 미리 추출되어진 수신 어레이 안테나의 상호 결합 계수 역행렬을 320단계에서 수신된 신호에 보상하는 과정이다. 이와 같은 과정으로 이동통신 망에서 어레이 안테나를 사용할 경우, 커플링에 의한 성분을 보상하여 수신 정확도를 높여줄 수 있다. Step 300 is a process of previously compensating the inverse coupling coefficient inverse of the transmission array antenna extracted by the above-mentioned method in front of the transmission antenna. After receiving the radiation of the transmitting antenna in step 310, the receiving array antenna performs a process as in step 320. Step 330 is a process of compensating for the received signal in step 320 by compensating the mutual coupling coefficient inverse of the reception array antenna, which is extracted in advance, in step 300. By using the array antenna in the mobile communication network as described above, the reception accuracy can be improved by compensating the components due to the coupling.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 측정된 어레이 안테나 간 상호 결합 계수를 수신단에서 수신 전압 신호에 역으로 보상해 줌으로써 어레이 안테나의 수신 정확도를 높여 줄 수 있으며 이는 시스템의 성능 향상에도 큰 기여를 하게 될 것이다. 특히, 앞으로 시스템에 적용될 스마트 안테나에서 수신 성능을 저하시키는 요인으로 지적되고 있는 상호 결합 현상을 효과적으로 개선시킬 수 있다는 이점이 있다.As described above, the present invention can increase the reception accuracy of the array antenna by compensating the measured mutual coupling coefficients between the array antennas and the received voltage signal at the receiving end in reverse. will be. In particular, there is an advantage that it is possible to effectively improve the mutual coupling phenomenon, which is pointed out as a factor to reduce the reception performance in the smart antenna to be applied to the system in the future.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 어레이 안테나의 상호 결합 계수 장치를 도시한 도면,1 is a view showing a mutual coupling coefficient device of an array antenna according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 어레이 안테나의 상호 결합 방법을 설명하기 위한 순서도. 2 is a flowchart illustrating a mutual coupling method of an array antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 발명의 바람직한 실시 예에 따른 어레이 안테나를 송수신 안테나로 사용하는 이동통신 망에서 상호 결합 성분 보상을 설명하기 위한 순서도 3 is a flowchart illustrating mutual coupling component compensation in a mobile communication network using an array antenna as a transmission / reception antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
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2004
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