KR20070058005A - 다중 패턴 안테나 - Google Patents

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KR20070058005A
KR20070058005A KR1020077010182A KR20077010182A KR20070058005A KR 20070058005 A KR20070058005 A KR 20070058005A KR 1020077010182 A KR1020077010182 A KR 1020077010182A KR 20077010182 A KR20077010182 A KR 20077010182A KR 20070058005 A KR20070058005 A KR 20070058005A
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active
antenna
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빙 치앙
케네스 엠 가이니
제임스 에이 쥬니어 프록터
안토인 제이 로우팰
그리핀 케이 고타드
마이클 제이 린치
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아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
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Abstract

안테나 어셈블리는 반사기로 사용되는 하나 이상의 빔제어 또는 수동 안테나 소자와 함께 배열되는 적어도 2개의 능동 또는 주요 방사 전방향 안테나 소자들을 포함한다. 빔 제어 안테나 소자는 다중 리액턴스 소자들을 가질 수 있는데, 이는 능동 안테나 소자들과 빔 제어 안테나 소자들의 조합에 의하여 생성되는 입력 또는 출력 빔 패턴을 조정하기 위하여 전기적으로 리액턴스 소자들을 종단될 수 있다. 특히, 빔 제어 안테나 소자는 방향성 및 각 빔폭과 같은 빔 특성을 변경하기 위하여 서로 상이한 종단 리액턴스와 커플링될 수 있다. 프로세싱은 어느 종단 리액턴스를 사용할지를 선택하는데 사용된다. 그 결과, 무선 주파수(RF), 중간 주파수(IF) 및 기저대역 포르세싱을 이용함으로써, 안테나의 방사기 패턴은 특정한 타겟 수신기/송신기를 향하여 지향되고, 신호대 간섭 레벨을 감소시키고, 이득을 증가시킨다. 다중입력 다중출력(MIMO) 프로세싱 기술은 순시 빔 패턴을 갖는 안테나 어셈블리를 동작시키는데 사용될 수 있다.

Description

다중 패턴 안테나{MULTIPLE PATTERN ANTENNA}
도 1은 2개의 능동 안테나 소자를 갖는 종래 기술의 빔 형성 안테나 소자의 개략도.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 2개의 능동 안테나 소자들 및 하나의 빔 제어 안테나 소자를 포함하는 안테나 어셈블리를 갖는 빔 형성 안테나 시스템의 개략도.
도 3은 도 2의 안테나 어셈블리의 또 다른 실시예의 도면.
도 4a는 도 1의 안테나 어셈블리와 관련된 일반화된 웨이브 도면.
도 4b는 도 2 및 3의 안테나 어셈블리와 관련된 웨이브 도면.
도 5는 도 2의 빔 형성 시스템의 또 다른 실시예에 의하여 형성되는 빔 패턴의 평면도.
도 6은 도 2의 안테나 어셈블리의 또 다른 실시예의 도면.
도 7은 도 2의 빔 형성 시스템의 또 다른 실시예의 개략도.
도 8a는 외부 안테나 어셈블리와 함께 도 7의 빔 형성 시스템을 이용한 802.11 네트워크에서의 사용자국의 도면.
도 8b는 내부 안테나 어셈블리를 사용하는 도 8a의 사용자국의 도면.
도 9는 도 2의 안테나 어셈블리의 또 다른 실시예의 도면.
도 10a 내지 10d는 도 9의 안테나 어셈블리에 대한 안테나 방향성 패턴.
도 10e는 x, y, z 좌표축으로 표시된 도 9의 안테나 어셈블리의 도면.
도 11a 내지 11c는 안테나 어셈블리에 대한 안테나 방향성 패턴.
도 11d 내지 11f는 도 9의 안테나 어셈블리에 대한 안테나 방향성 패턴.
도 12a 내지 12c는 도 9의 안테나 어셈블리에 대한 3차원 안테나 방향성 패턴.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 310, 610a, 610b, 710, 910 : 능동 안테나 소자
115, 305, 605, 705, 905 : 빔 제어 안테나 소자
300, 500, 600, 900 : 안테나 어셈블리
무선 장치의 크기를 감소시켜서, 그 휴대성을 증진시키는 것이 더욱 더 중요시되고 있다. 예컨대, 오늘날의 최소형 가용 셀룰러 전화기 핸드셋은 셔츠 주머니 또는 작은 지갑에 맞을 정도로 편리하다. 사실상, 무선 장치에 대한 작은 크기를 획득하는데 많은 강조가 부여되어, 대응하는 안테나 이득은 매우 낮았다. 예컨대, 최소형 핸드헬드(handheld) 폰의 안테나 이득은 단지 -3dBi 이하이다. 그 결과, 이러한 폰에서의 수신기는 일반적으로 간섭을 경감시키거나 페이딩을 저감시킬 수 없었다.
일부 종래 기술 시스템은 이러한 목적으로 다중 소자 빔 형성기를 제공한다. 이 안테나 시스템들은 적어도 2개의 방사 소자들과 적어도 2개의 수신기들을 가져서 복소 크기 및 위상 가중치 필터를 이용하는데 특징이 있다. 이 기능들은 이산 아날로그 구성요소 또는 디지털 신호 처리기 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 이러한 종류의 안테나 시스템이 갖는 문제점은, 안테나 소자들 사이에 공간 분리에 의하여 성능이 심하게 영향을 받는다는 점이다. 안테나들이 서로 매우 근접한 경우, 또는 서로와 관련하여 부-최적화된 기하구조로 배치되는 경우에, 빔 형성 동작의 성능이 심하게 제한된다. 이는, 셀룰러 핸드셋, 무선 액세스 포인트 등과 같은 많은 컴팩트 무선 전자 장치의 경우에 그러하며, 여기서는 성능 향상을 위하여 안테나 소자들 사이에 충분한 스페이싱 또는 적절한 기하구조를 획득하는 것은 난해하다.
주로 주요 빔 외부에 있는 실내 다중 경로는 주요 빔 신호와 간섭되고, 페이딩을 생성한다. 실내 다중 경로는 또한 스탠딩 웨이브 널을 생성하며, 이는 방향성 안테나가 이 널에 위치되는 경우에 수신을 방해한다. 종래의 어레이에 있어서, 어레이의 하나의 소자가 널에 있는 경우에, 수신 신호는 심각하게 감소된다. 상반성은 송신 방향에 대하여도 이 효과를 유효하게 한다.
본 발명은 무선 통신 애플리케이션을 위한 적응형 안테나 어레이에 관한 것으로, 이는 선택적으로는 다중 수신기들을 사용한다. 본 발명은 다수의 이격된 공간 안테나 빔을 제공하거나 집합된 안테나 빔을 달성하는 부가적인 이점을 갖는 고성능을 제공하는 저비용의 간단한 안테나 시스템을 제공한다. 이는 다중입력 다중출력(MIMO) 애플리케이션에 적합한 다중 동시 송수신 기능에 사용될 수 있다.
본 발명에 기초하는 기술을 이용하는 장치는 IS-95, CDMA 2000 등과 같은 코드분할 다중접속(CDMA) 시스템, 시분할 다중접속(TDMA) 시스템, 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 시스템, IEEE 802.11 또는 WiFi 액세스 장비와 같은 무선 LAN 장치, 및/또는 ManPacks 등과 같은 군사용 통신 장비에 사용되는 것과 같은 셀룰러 전화기 핸드셋을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
일 실시예에서, 안테나 어셈블리는 적어도 하나의 빔 제어 또는 수동 안테나 소자와 함께 배치된 적어도 2개의 능동 또는 주요 방사 안테나 소자들을 포함하는데, 수동 안테나 소자는 능동 안테나 소자 사이에 전자기적으로 배치된다. 이하 빔 제어 또는 수동 안테나 소자로 지칭되는 빔 제어 안테나 소자는 능동 안테나 소자로 사용되지 않는다. 그 대신에, 빔 제어 안테나 소자는 고정 또는 가변 리액턴스로 그 신호 터미날을 종단시킴으로써 반사기로 사용된다. 그 결과, 안테나 어셈블리를 사용하는 시스템은 적어도 하나의 주요 방사 안테나 소자와 빔 제어 안테나 소자의 조합에 의하여 생성되는 입력 또는 출력 빔 패턴을 조정할 수 있다. 특히, 빔 제어 안테나는 방향 및 각 빔폭과 같은 빔 특성을 변경하기 위하여 선택적으로는 스위치를 통하여 서로 다른 종단 리액턴스에 접속될 수 있으며, 또는 빔 제어 안테나 소자들은 직접 그라운드에 부착될 수도 있다. 프로세싱은 어느 종단 리액턴스가 사용되는지를 선택하는데 사용될 수 있다. 그 결과, 안테나의 방사기 패턴은 특정한 타겟 수신기/송신기를 향하여 보다 쉽게 지향될 수 있으며, 신호대 간섭 레벨을 감소킬 수 있으며, 그리고/또는 이득을 증가시킬 수 있다. 또한, 방사 패턴은 실내 다중경로 효과를 포함한 다중경로 효과를 감소키는데 사용될 수 있다. 하나의 결과는 셀룰러 페이딩이 최소화될 수 있다는 점이다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 빔 제어 안테나 소자는 일차원 어레이 또는 곡선 어레이로 지칭되는 2개의 능동 안테나 소자와 함께 통상적인 라인을 따라서 놓이도록 배치된다. 그러나, 능동 및 빔 제어 안테나 소자가 동일한 라인을 따라서 놓이는 각도는, 애플리케이션의 특정한 요구에 의존하여 변할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2개를 넘는 능동 안테나 소자들이 원형과 같은 소정의 형태로 배열되고, 적어도 하나의 빔 제어 안테나 소자가 그 능동 안테나 소자들과 전자기적으로 커플링된다. 일차원 어레이 또는 곡선 어레이를 넘는 형태들은 일반적으로 2차원 어레이로 지칭된다.
빔 제어 안테나 소자들과 관련한 능동 안테나 소자들의 스페이싱은 애플리케이션에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 빔 조정 능력을 향상시키기 위하여 빔 제어 안테나 소자는 2개의 능동 안테나 소자들 각각으로부터 약 1/4 파장 길이에 위치될 수 있다. 이는 셀룰러 전화기 핸드셋과 같은 특정한 간단한 이동용 장치에서 사용되는 경우 약 0.5 내지 1.5 인치 사이의 스페이싱으로 해석될 수 있다. 이러한 안테나 시스템은, 이러한 스페이싱이 안테나가 동작하도록 기대되는 대응하는 무선 파장의 1/4보다 더 작다고 하더라도 기대한 바와 같이 동작할 것이다.
본 발명은 종래 기술에 비하여 많은 장점을 갖는다. 예컨대, 빔 제어 안테나 소자와 능동 안테나 소자의 조합은 입력/출력 빔 패턴의 빔 폭을 조정하는데 사 용될 수 있다. 몇몇의 소자를 사용하여, 본 발명의 원리를 이용하는 안테나 시스템은 휴대용 셀룰러 전화기 또는 PDA와 같은 간단한 장치로 쉽게 조립될 수 있다. 그 결과, 이 조정가능한 안테나 시스템은 제조에 저렴할 수 있다.
본 발명의 상술한 그리고 다른 목적, 특징 및 장점은 동일한 참조 부호가 서로 다른 도면을 통하여 동일한 부분을 지칭하는 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예의 후술하는 보다 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 도면은 반드시 스케일링되어 있는 것은 아니며, 그 대신에 본 발명의 원리를 설명하는데 강조가 부여되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 설명은 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에서의 다중 소자 빔 형성을 도시한다. 이러한 시스템은 관련된 전방향 방사 패턴(101-1, 101-2)을 각각 갖는 적어도 2개의 능동 또는 방사 안테나 소자들(100-1, 100-2)을 갖는 것을 특징으로 한다. 안테나 소자(100)는 다운 컨버터(110-1, 110-2)와 같은 대응하는 무선 수신기에 각각 접속되는데, 이는 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(120-1, 120-2)의 각 쌍에 기저대역 신호를 제공한다. 디지털 수신 신호는 디지털 신호 프로세서(130)에 공급된다. 그 후, 디지털 신호 프로세서(130)는 안테나 소자(100)로부터 수신되는 신호를 복소 크기 및 위상 가중치 펑션과 결합하는 것과 같은 기저대역 빔 형성 알고리즘을 수행한다.
이러한 종류의 시스템이 갖는 하나의 난점은 성능이 안테나 소자(100)의 공간 분리 및 기하구조 위치에 의하여 심하게 영향을 받는다는 점이다. 예컨대, 안테나 소자(100)가 너무 가깝게 스페이싱되면, 빔 형성 동작의 성능은 저감된다. 또한, 안테나 소자(100)는 원하는 전방향 패턴을 제공하고 원하는 파장에 대한 기하구조 내에서 동작하도록 적당한 유형을 갖는 기하구조를 전형적으로 가져야 한다. 따라서, 이 구조는 일반적으로는 셀룰러 폰 및/또는 저가의 무선 액세스 포인트 또는 (때때로 클라이언트 장치 또는 스테이션 장치로 지칭되는) 스테이션와 같은 컴팩트 핸드헬드 무선 전자 장치에서의 사용에는 바람직하지 않은데, 여기서는 소자들(100) 사이의 충분한 스페이싱을 얻기 어려우며, 또는 저가로 안테나 기하구조를 제조하는 것이 어렵다.
이와 대비하여, 본 발명의 일 태양은 매우 좁은 공간에서의 세미-옴니 또는 소위 "피넛" 패턴과 같은 방향성 다중 고정 안테나 빔을 형성하는 것이다. 특히, 도 2를 참조하면, 도 1의 종래 기술에서와 같은 동일한 쌍의 능동 안테나 소자들(100-1, 100-2)이 있으나, 본 발명의 원리에 의하면, 수동 또는 빔 제어 안테나 소자(115)가 능동 안테나 소자들(100) 사이에 삽입된다. 수신 모드에서, 종래 기술에서와 같이, 다운 컨버터(110-1, 110-2), A/D 컨버터(120-1, 120-2) 및 디지털 신호 프로세서(DSP; 130)의 대응하는 쌍에 수신 신호가 공급된다.
이 배치에서, 빔 제어 안테나 소자(115)가 스위치되거나 또는 제1 종단 리액턴스(150-1)에 공급될 때, 2개의 빔들(180-1, 180-2)이 반대 방향으로 동시에 형성된다. 제1 종단 리액턴스(150-1)은 빔 제어 안테나 소자(115)가 이 모드에서 반사기로 동작하게끔 특별히 선택된다. 이 2개의 패턴들(180-1, 180-2)은 반구의 거의 절반을 커버하기 때문에, 이들은 이용가능한 안테나 시스템에 대한 충분한 방향성 성능을 제공할 것이다.
선택적인 구성으로, 파선으로 도시한 "피넛" 패턴과 같이 서로 다른 안테나 패턴이 요구되는 경우, 다중 소자 스위치(170)는 제2 종단 리액턴스(150-2)를 빔 제어 안테나 소자(115)와 전기적으로 접속시키는데 이용될 수 있다. 다중 소자 안테나(170)는 서로 다른 패턴의 조합을 달성하기 위하여 다중 리액턴스(150) 사이에서 리액턴스를 선택하여, 하나 이상의 "피넛" 패턴(190)을 생성하는데 이용될 수 있다.
따라서, 중앙 빔 제어 안테나 소자(115)는 고정 리액턴스에 접속되거나 또는 최소 비용으로 서로 다른 안테나 패턴(180, 190)을 생성하기 위하여 서로 다른 리액턴스들로 스위칭될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 2개의 능동 안테나 소자들(100) 및 단일한 수동 소자(115)를 포함하는 적어도 3개의 안테나 소자는 병렬로 정렬되는 라인에 배치된다. 그러나, 특정한 실시예에서 이들이 서로에 대하여 다양한 각도로 배치될 수 있음은 물론이다.
안테나 소자들(100), 스위치(170) 및 수동 빔 제어 안테나 소자(들)(115)의 다양한 다른 수 및 구성이 가능하다. 예컨대, 다중 능동 안테나 소자들(100; 예컨대, 16개)은 능동 안테나 소자들(100) 사이에 산재된 4개의 수동 빔 제어 안테나 소자들(115)과 함께 사용될 수 있는데, 각 수동 빔 제어 안테나 소자(115)는 능동 안테나 소자들(100)의 서브셋과 커플링되고, 여기서 서브셋은 예시된 실시예에서 2개만큼 적거나 16개 만큼 클 수 있다.
본 발명의 원리에 따른 안테나 어셈블리의 또 다른 실시예를 도 3에 도시된 안테나 어셈블리(300)를 참조하여 설명하기로 한다. 안테나 어셈블리(300)는 반 사기 또는 빔 제어 안테나 소자(305) 또는 다중 반사기 안테나 소자(미도시), 및 능동 안테나 소자들(310)의 위상 어레이를 사용한다. 이 실시예에서, 안테나 소자들(305, 310)은 그라운드 평면(315)에 기계적으로 배치된다. 반사기 안테나 소자(305)는 그 다중 경로를 생성하는데 사용된다.
이 다중 경로는 간단하며, 능동 안테나 소자(310) 내부에 있다. 능동 안테나 소자들(310)에 대한 반사기 안테나 소자(305)의 밀접한 근접성 때문에, 그 존재는 다른 다중 경로를 오버라이딩하며, 다른 다중 경로에 의하여 생성된 널을 제거한다. 이 새로운 다중 경로는 예측가능한 특성이며 따라서 제어가능하다. 위상 어레이는 신호 상의 빔을 포커싱하는데 사용될 수 있으며, 반사기 안테나 소자(305)와 능동 안테나 소자(310)의 조합은 TV 수신에서 종종 관찰되는 "고스트"를 생성하는 페이딩 및 신호 경로 부정렬을 제거한다.
이 실시예에서, 반사기(305)는 실린더형이며, 능동 안테나 소자(310)의 원형 어레이(300)의 중앙에 위치된다. 능동 안테나 소자(310)와 반사기 안테나 소자(305)의 도전성 표면 사이의 거리는 1/4 파장 이하로 유지될 수 있다. 실린더형 반사기 안테나 소자(305)의 존재는 임의의 웨이브가 능동 안테나 소자들(310)의 어레이(300)를 통하여 전파되는 것을 방지한다. 따라서, 이것은 도 4a에서의 화살표 415에 의하여 표시된 바와 같이 반대쪽으로 트래벌링(travelling)하는 웨이브(405)의 간섭 효과에 의하여 생성되는 스탠딩 웨이브의 형성을 방지한다. 그 결과는, 실내 널(410)이 어레이 소자들(310)의 부근으로부터 제거된다는 점이다. 그러나, 빔 제어 안테나 소자(305)는 도 4b에 도시한 바와 같이 그 자신의 스탠딩 웨이브를 생성한다.
도 4b를 참조하면, 트래벌링하는 웨이브(405)는 반사기(420)를 향하여(화살표 415) 트래벌링한다. 반사기(420)는 1/4 웨이브 스페이싱의 결과로 반사기 안테나 소자(305)를 둘러싸는 안테나 소자(310)에서의 피크를 갖는 스탠딩 웨이브(405) 및 반사기(420)에서의 노드(410)를 형성한다. 이 배치에서, 환경으로부터의 널이 제거되고, 동시에, 이 배치는, 안테나 어레이(300)에 커플링되는 프로세서(예컨대, 도 2에서의 DSP(130))에 의하여 판단되는 바와 같이, 가장 강한 신호 경로로 포인팅하는 빔으로 위상설정될 능동 안테나 소자(310)에 신호 피크를 한정시킨다.
도 5는 도 2의 선형 안테나 어셈블리에 의하여 형성되는 예시적인 안테나 빔 패턴(500)의 평면도이다. 이 배치에서, 빔 제어 안테나 소자(115)는 리액턴스 성분(예컨대, 도 2에서의 리액턴스 성분(150-1, 150-2))에 전기적으로 접속되는데, 이는 개개의 효율적인 반사 링(505-1, 505-2)를 생성한다. 예컨대, 인덕턴스가 커질수록, 빔 제어 안테나 소자(115) 주위의 링(505)의 유효 반경은 더 작아진다.
응답으로, 선형으로 배치된 안테나 어셈블리(500)에 의하여 생성되는 안테나 빔 패턴(510, 515)는 파선으로 도시한 바와 같이, "신장(kidney)" 모양이다. 주지하는 바와 같이, 반사 링(505)의 직경이 작아질수록, 빔은 더 좁아지고, 그 결과 선형 어레이의 축에 대하여 직교 방향으로 능동 안테나 소자(100)에 제공되는 이득은 더 커진다. 커플링되지 않은 안테나 빔 패턴(510, 515)은 도 2에서와 같은 "피넛" 패턴을 형성하지 않는데, 이는 리액턴스 성분(150)의 선택에 의하여 부분적 으로 초래된다.
이 능동/빔 제어/능동 안테나 소자 배치를 갖는 부차적인 이점은, 빔 제어 안테나 소자(115)가 2개의 능동 안테나 소자들(100)을 이격시켜서, 어레이의 크기를 감소시킬 가능성이 있다는 점이다. 능동 안테나 소자들(100)은 애플리케이션에 의존하여 서로에게 더 가깝게 또는 서로에게 더 멀리 스페이싱될 수 있다. 또한, 능동 안테나 소자들(100) 사이에 전자기적으로 배치된 반사 안테나 소자(115)는 상호 커플링으로 인한 손실을 감소시킨다. 그러나, 빔 제어 안테나 소자(115) 상의 로딩은 반사 대신에 방향성을 갖게 하며, 이는 능동 안테나 소자들(100) 사이의 커플링 및 그로 인한 커플링 손실을 증가시킨다. 따라서, 특정한 애플리케이션에 적당한 빔 제어 안테나 소자(115)에 적용될 수 있는 리액턴스의 범위가 있게 된다.
계속하여 도 5를 참조하면, 안테나 어레이의 동작에는 2개의 기본적인 모드가 있다: (1) 빔 제어 안테나 소자(115)가 반사형인 듀얼 빔 고 이득 (즉, 비 전방향) 모드, 그리고 (2) 중앙 안테나 소자(115)가 충분히 짧지만, 각 능동 안테나 소자(100)가 도시된 바와 같이 신장 형태의 빔(510, 515)을 나타낼 정도는 아닌, 낮은 상호 커플링을 갖는 듀얼 준-옴니 모드. 이것이 준-옴니인 이유는, 안테나 어레이가 원형이 아니기 때문이며, 따라서, 진정한 전방향 모드는 아니다. 상술한 바와 같이, 빔 제어 안테나 소자(115)에 전기적으로 접속되는 리액턴스를 변경하는 것은 안테나 어레이(500)의 동작 모드를 변경시킨다.
이 중심 수동 안테나 소자(115)에 적용될 수 있는 리액턴스의 예는 약 -500 옴 내지 500 옴 사이에 있다. 또한, 능동 안테나 소자들(100)의 높이는 약 1.2 인치이고, 수동 안테나 소자(115)의 높이는 약 1.45 인치이고, 2.4 GHz의 동작 주파수를 갖는다. 이 리액턴스 및 치수는 단시 예시적인 것이고, 비례적이거나 또는 비례적이지 않은 스케일 인자에 의하여 변할 수 있다.
도 6은 원형 안테나 어셈블리(600)의 기계적인 도면이다. 원형 안테나 어셈블리(600)는 또 다른 서브셋의 능동 안테나 소자들(610b)로부터 다중 빔 제어 안테나 소자들(605)에 의하여 분리되는 능동 안테나 소자들(610a)를 포함한다. 능동 안테나 소자들(610a, 610b)은 원형 어레이를 형성한다. 빔 제어 안테나 소자들(605)은 선형 어레이를 형성한다.
빔 제어 안테나 소자들(605)은 리액턴스 소자들(미도시)에 전기적으로 접속된다. 빔 제어 안테나 소자들(605) 각각은 스위치들을 통하여 개개의 리액턴스 소자들에 선택가능하게 접속되며, 여기서 개개의 리액턴스 소자들은 빔 제어 안테나 소자들(605)의 길이를 따라서, 동일한 양만큼 빔 제어 안테나 소자들(605)을 둘러싸는 사각형 형상의 반사기(620)의 치수가 증가되도록, 동일한 범위 또는 동일한 값의 리액턴스 세트를 포함할 수 있다. 사각형 반사기(620)의 치수를 변경함으로써, 능동 안테나 소자들(610a, 610b)에 의하여 생성되는 빔의 형태가 변경될 수 있으며, 부차적으로는, 능동 안테나 소자(610a, 610b) 사이의 상호 커플링이 주어진 애플리케이션에 대하여 증감될 수 있다. 다소의 빔 제어 안테나 소자들(605)이 원하는 능동 안테나 소자(610a, 610b) 사이의 상호 커플링 또는 빔 패턴의 형태에 의존하여 서로 다른 애플리케이션에 대하여 사용될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 빔 제어 안테나 소자들(605)의 선형 어레이 대신에, 어레이는 원형 또는 사각형 형상일 수 있다.
도 7은 빔 제어 안테나 소자(705) 및 원형 배치에서 반사 표면(707) 상에 배치되고, 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자(705)에 전자기적으로 커플링되는 다중 능동 안테나 소자들(710)을 갖는 안테나 어셈블리(702)를 포함하는 안테나 시스템(700)의 또 다른 실시예이다. 상술한 바와 같이, 빔 제어 안테나 소자(705)는 인덕터(750a), 지연 라인(750b) 또는 커패시턴스(750c)와 같은 리액턴스에 전기적으로 접속되며, 이들은 그라운드에 전기적으로 접속되어 있다. 다른 실시예들은 (i) 커패시터 및 인덕터 또는 (ii) 가변 리액턴스 소자와 같은 럼핑된(lumped) 리액턴스를 포함할 수 있는데, 이는 디지털 제어 라인의 사용을 통하여 설정된다. 이 실시예에서, 리액티브 소자(750)는 단일 폴의 다중 스로우(throw) 스위치(745)를 통하여 공급 라인(715)에 접속된다. 공급 라인(715)은 빔 제어 안테나 소자(705)를 스위치(745)에 접속시킨다.
제어 라인(765)은 스위치(745)에 자기적으로 접속되는 코일(760)을 통한 별도의 신호 귀환 또는 그라운드(755)에 접속된다. 코일(760)의 활성화는 스위치로 하여금 선택된 리액턴스 소자(750)를 통하여 그라운드(755)로 빔 제어 안테나 소자(705)를 접속시키도록 한다. 이 실시예에서, 스위치(745)는 기계적 스위치로 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 스위치(745)는 고체 상태의 스위치이거나 또는 광학 제어와 같은 다른 형태의 제어 입력을 갖는 다른 종류의 스위치일 수 있다. 스위치(745) 및 리액턴스 소자들(750)은 하이브리드 회로(740), ASIC(740), 또는 회로 기판 상의 분리된 소자들과 같은 다양한 형태로 제공될 수 있다.
프로세서(770)는 안테나 어레이(702)로부터의 출력을 시퀀싱하여, 신호대 잡음비(SNR)를 최대화, 예컨대 또 다른 빔 방향 관련 메트릭을 최대화하는 방향을 판정할 수 있다. 이 방식으로, 안테나 어셈블리(702)는 프로세서(770)가 없는 경우보다 더 많은 신호 용량을 제공할 수 있다. MIMO(735)를 가지고, 안테나 시스템(700)은 항상 모든 섹터를 관찰하여, 그 결과를 추가할 수 있는데, 이는 2개보다 많은 안테나 소자들을 갖는 다이버시티 안테나의 형태이다. 따라서, MIMO(735)의 사용은 정보 처리량에 있어서 많은 증가를 제공한다. 예컨대, 주 방향으로 안테나 빔을 통하여만 신호를 수신하는 대신에, MIMO(735)는 주 신호 및 다중 경로 신호를 송수신 할 수 있다. 항상 모든 섹터를 관찰할 수 없다면, 다중 경로 방향으로부터의 부가된 신호 강도는 손실된다.
도 8a는 방향성 안테나 어레이(502a)가 사용될 수 있는 예시적인 용례의 도면이다. 이 예에서, 예컨대 802.11 네트워크에서의 스테이션(800a), 예컨대 CDMA 네트워크에서의 가입자국은 개인용 컴퓨터, PDA 또는 방향성 안테나 어셈블리(502)를 사용하는 셀룰러 폰과 같은 휴대용 디지털 시스템(820)을 포함할 수 있다. 방향성 안테나 어셈블리(502)는 다중 능동 안테나 소자들(805) 및 그 능동 안테나 소자들(805)에 전자기적으로 커플링되는 빔 제어 안테나 소자(806)를 포함할 수 있다. 방향성 안테나 어셈블리(502a)는 USB 포트(815)를 통하여 휴대용 디지털 시스템(820)에 접속될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도 8b의 스테이션(800b)은 PCMCIA 카드(825) 상에 방 향성 안테나 어셈블리(502b)를 포함하는 카드(825)를 포함한다. PCMCIA 카드(825)는 휴대용 디지털 장치(820)에 탑재된다.
도 8a 또는 8b의 어느 하나의 구현에서의 안테나 어셈블리(502)는 802.11 네트워크에서의 액세스 포인트(AP) 또는 무선 셀룰러 네트워크에서의 기지국에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 원리는 불루투스(Bluetooth) 네트워크 등과 같은 다른 종류의 네트워크에서 사용될 수도 있다.
도 9 내지 11은 안테나 어셈브릴(900) 및 그에 의하여 생성되는 관련된 시뮬레이션된 안테나 빔 패턴을 나타낸다.
먼저 도 9를 참조하면, 안테나 어셈블리(900)는 원 둘레를 따라서 배치된 4개의 능동 안테나 소자들(910) 및 중앙 빔 제어 안테나 소자(905)를 포함한다. 안테나 소자들(905, 910)은 그라운드 평면(915)에 기계적으로 접속된다.
이 실시예에서, 능동 안테나 소자들(910)은 0.25″내지 3.0″× 0.5″W 내지 3.0″H의 치수를 가지며, 이들은 2.4GHz ISM 대역(802.11b)에 대하여 최적화되어 있다. 빔 제어 안테나 소자(905)는 0.2″W × 1.45″H의 치수를 갖는다. 빔 제어 안테나 소자(905)의 높이는 이 실시예에서는 보다 길어서, 추가적인 리액턴스를 제공하며, 방향성 특성을 감소시킬 정도로 넓지는 않다.
도 10a 내지 도 10d는 도 9의 안테나 어셈블리(900)에 대한 시뮬레이션된 빔 패턴이다. 안테나 어셈블리(900)는 도 10e에 도시한 바와 같이 x, y, z축으로 재도시되어 있다. 도 10a 내지 도 10d의 시뮬레이션된 빔 패턴은 개별적인 능동 안테나 소자들(910)에 대한 것이다. 시뮬레이션은 캐리어 주파수 2.45 GHz를 갖는 802.11b에 대한 것이다. 빔 패턴은 Phi = 0도 내지 360도 그리고 경사 = 30도, 즉 theta = 60도에서 방위각(x-y 평면)에 대하여 도시된다. 도 10a의 시뮬레이션 빔 패턴은 +x 축을 따라서 위치하는 능동 안테나 소자(910)에 대응한다. 180도 방향에서의 널은 능동 안테나 소자(910)와 빔 제어 안테나 소자(905) 사이의 상호작용을 나타낸다. 유사하게, 도 10b의 시뮬레이션된 빔 패턴은 +y 축을 따라서 위치하는 능동 안테나 소자를 나타내고, 도 10c의 시뮬레이션된 빔 패턴은 -x 축을 따라서 위치하는 능동 안테나 소자를 나타내고, 도 10d의 시뮬레이션된 빔 패턴은 -y 축을 따라서 위치하는 능동 안테나 소자를 나타낸다. 도 10b 내지 10d의 시뮬레이션된 빔 패턴에서의 널들은 능동 안테나 소자들(910)과 빔 제어 안테나 소자(905) 사이의 개별적인 상호작용을 나타낸다.
도 11a 내지 11c를 참조하면, 이 시뮬레이션된 안테나 방향성(즉, 빔) 패턴은 +x 축을 따라서 위치하는 안테나 어셈블리(900)에서의 능동 안테나(910)에 의하여 생성되는 안테나 빔들에 대응한다. 도 11a 내지 11c의 각각은 theta = 30, 60, 90도에 대한 3개의 안테나 방향성 커브를 가지며, 여기서 각도들은 천정(즉, +z 축을 따르는 0도 포인트)으로부터의 각도이다. 도 11a 내지 11c의 시뮬레이션은 각각 2.50, 2.45, 및 2.40 GHz에 대한 것이다.
도 11d 내지 11f는 도 11a 내지 11c의 시뮬레이션된 안테나 방향성(즉, 빔) 패턴에 대응하는 상승 방향에 대한 시뮬레이션된 안테나 방향성 패턴이다. 3개의 커브들은 Phi = 0, 45, 90도에 대응하며, 여기서 각도들은 천정으로부터의 각도이다.
도 12a 내지 12c는 도 11a 내지 11f의 누적 플롯에 대응하는 3차원 플롯이다.
본 발명을 그 바람직한 실시예를 참조하여 특히 도시 및 설명하였지만, 당업자는 형태 및 세부사항에 대한 다양한 변경이 첨부된 특허청구범위에 의하여 포함되는 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않고도 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 다중입력 다중출력(MIMO) 애플리케이션에 적합한 다중 동시 송수신 기능에 사용될 수 있고, 다수의 이격된 공간 안테나 빔을 제공하거나 집합된 안테나 빔을 달성하는 부가적인 이점을 갖는 고성능을 제공하는 저비용의 간단한 안테나 시스템이 제공된다.

Claims (42)

  1. 다중 능동 안테나 소자들; 및
    상기 능동 안테나 소자들의 서브셋과 전자기적으로 커플링되고, 상기 능동 안테나 소자들의 적어도 2개 사이에 전자기적으로 배치되는 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자에 동작적으로 커플링되어, 상기 안테나 어셈블리에 의하여 형성되는 하나 이상의 안테나 빔 패턴에 영향을 주는 하나 이상의 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 디바이스는 상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자에 동작적으로 커플링되어, 상기 능동 안테나 소자들중 적어도 2개 사이에서의 상기 전자기적 커플링에 영향을 주는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 디바이스는 상기 안테나 어셈블리에 대하여 적어도 2개의 동작 모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모드는 비전방향 모드 및 실질적 전방향 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모드는 상기 능동 안테나 소자들의 적어도 서브셋 사이에서 개별적인 양만큼씩 전자기적 커플링을 감소시키는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 제어 안테나 소자는 그라운드에 직접 부착되거나, 리액턴스를 통하여 그라운드에 접속되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 디바이스는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위치는 다수의 스위치 상태들 및 상기 스위치에 커플링되는 동일한 수의 리액턴스 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들 사이의 스페이싱은 상기 능동 안테나 소자들에 의하여 송수신되는 캐리어 신호의 파장의 약 절반인 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들과 빔 제어 안테나 소자들 사이의 스페이싱은 상기 능동 안테나 소자들에 의하여 송수신되는 캐리어 신호의 파장의 약 1/4인 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들 및 상기 하나 이상의 디바이스에 커플링되는 프로세서를 더 포함하고, 그 로직이 상기 능동 안테나 소자들에 의하여 수신되는 신호에 기초하여 상기 하나 이상의 디바이스에 대한 상태 설정을 선택하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들은 일차원 어레이 또는 곡선 어레이로 배열되는 것 을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들은 2차원 어레이로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 2차원 어레이는 실질적으로 원형 패턴인 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  16. 제 1 항에 있어서,
    다중 빔 제어 안테나 소자들을 포함하고, 상기 빔 제어 안테나 소자들은 1차원 어레이로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  17. 제 1 항에 있어서,
    다중 빔 제어 안테나 소자들을 포함하고, 상기 빔 제어 안테나 소자들은 2차원 어레이로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 능동 안테나 소자들과 함께 동작하도록 적합화된 다중 송신기들 또는 수신기들을 갖는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 프로세싱 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는 기지국, 핸드셋, 무선 액세스 포인트, 또는 클라이언트 또는 스테이션 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는 셀룰러 네트워크, 무선 지역망 네트워크(WLAN), 시분할 다중접속(TDMA) 시스템, 코드분할 다중접속(CDMA) 시스템 또는 GSM 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  21. RF 통신을 지원하는 방법에 있어서,
    다중 능동 안테나 소자들에 의한 하나 이상의 안테나 빔 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 능동 안테나 소자들중 적어도 2개와 전자기적으로 커플링되고 그 사이에 전자기적으로 배치되는 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자에 의하여 상기 하나 이상의 안테나 빔 패턴에 영향을 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리에 의하여 형성되는 하나 이상의 안테나 빔 패턴에 영향을 주기 위하여 상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자의 리액턴스를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자의 리액턴스를 조정하는 단계는 능동 안테나 소자들중 적어도 2개 사이에서의 상기 전자기적 커플링에 영향을 주는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자의 리액턴스를 조정하는 단계는 적어도 2개의 동작 모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모드는 비전방향 모드 및 실질적으로 전방향 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모드는 상기 능동 안테나 소자들의 적어도 서브셋 사이에 서 개별적인 양만큼씩 전자기적 커플링을 감소시키는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 빔 제어 안테나 소자는 그라운드에 직접 부착되거나, 리액턴스를 통하여 그라운드에 접속되는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    적어도 2개의 동작 모드를 지원하는 것은 상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자에 커플링되는 디바이스를 동작시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 디바이스를 동작시키는 것은 상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자에 하나 이상의 리액턴스 소자를 선택적으로 커플링시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  30. 제 21 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들 사이의 스페이싱은 상기 능동 안테나 소자들에 의하여 송수신되는 캐리어 신호의 파장의 약 절반 미만인 것을 특징으로 하는 RF 통 신 지원 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들과 빔 제어 안테나 소자들 사이의 스페이싱은 상기 능동 안테나 소자들에 의하여 송수신되는 캐리어 신호의 파장의 약 1/4인 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  32. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자의 리액턴스의 조정은 상기 리액턴스를 조정하기 위하여 상기 능동 안테나 소자들에 의하여 수신되는 신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  33. 제 21 항에 있어서,
    일차원 어레이 또는 곡선 어레이에서의 상기 능동 안테나 소자들을 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  34. 제 21 항에 있어서,
    2차원 어레이에서의 상기 능동 안테나 소자들을 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 2차원 어레이는 실질적으로 원형 패턴인 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  36. 제 21 항에 있어서,
    상기 다중 빔 제어 안테나 소자들은 1차원 어레이로 배열되는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  37. 제 21 항에 있어서,
    상기 다중 빔 제어 안테나 소자들은 2차원 어레이로 배열되는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  38. 제 21 항에 있어서,
    상기 능동 안테나 소자들과 상기 능동 안테나 소자들로 동작하도록 적합화되는 다수의 송신기들 또는 수신기들을 갖는 다중입력 다중출력(MIMO) 프로세싱 유닛들 사이에서 RF 신호를 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  39. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법은 기지국, 핸드셋, 무선 액세스 포인트, 또는 클라이언트 또는 스 테이션 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 RF 통신 지원 방법.
  40. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법은 셀룰러 네트워크, 무선 지역망 네트워크(WLAN), 시분할 다중접속(TDMA) 시스템, 코드분할 다중접속(CDMA) 시스템 또는 GSM 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  41. 다중 능동 안테나 소자들; 및
    상기 다중 능동 안테나 소자들에 의하여 형성되는 하나 이상의 안테나 빔 패턴을 조정하는 빔 제어 수단을 포함하고,
    상기 능동 안테나 소자들중 적어도 2개와 전자기적으로 커플링되고 그 사이에 전자기적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
  42. 다중 능동 안테나 소자들; 및
    상기 능동 안테나 소자들에 전자기적으로 커플링되고, 상기 능동 안테나 소자들중 적어도 2개 사이에 전자기적으로 배치되는 하나 이상의 빔 제어 안테나 소자; 및
    안테나 어셈블리에 의하여 형성되는 하나 이상의 안테나 빔 패턴에 영향을 주기 위하여 상기 하나 이상의 수동 안테나 소자의 리액턴스를 조정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 어셈블리.
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