KR20090019511A - 재구성 하이브리드 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재구성 하이브리드 안테나 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 재구성 하이브리드 안테나 장치는 입사 신호를 반사시키는 반사판 및 반사판에 급전하는 하나 이상의 소자 안테나들로 구성되는 재구성 급전배열을 포함한다.
이때, 재구성 급전배열은 소자 안테나들의 전기적 재구성 및 물리적 재구성 및 소자 안테나들에서 방사되는 신호 전력의 방사 범위를 가변하는 재구성 특성을 구현한다.
이러한 재구성 특징으로 인해 물리적으로 하나의 안테나를 통해 다수개의 이동통신 서비스를 동시 혹은 개별적으로 제공할 수 있어 경제적인 기지국 안테나를 구현할 수 있고, 가설 기지국 수를 현격하게 감소시켜 기지국 유지보수 비용 역시 절감할 수 있다.
기지국 안테나, 하이브리드 안테나, 성형 반사판, 재구성 급전배열, 배열 재구성

Description

재구성 하이브리드 안테나 장치{Reconfigurable hybrid antenna device}
본 발명은 재구성 하이브리드 안테나 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 반사판 구조의 하이브리드 안테나 장치의 급전배열 재구성 기능에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-F-041-01, 과제명: 지능형 안테나 기술].
최근, 차세대 이동통신 기술 발전에 의해서 다수의 이동통신 서비스를 동시에 제공할 수 있는 통합 서비스 개념이 대두되면서 이를 충족시킬 수 있는 안테나 기술이 절실하게 요구된다. 즉 무선통신 서비스의 복합화로 인하여 차세대 복합 단말기 서비스를 지원할 수 있는 안테나가 필요하다.
그러나, 종래에는 Celluar, PCS, W-CDMA, Wibro, Wi-Fi 등의 서비스 각각마다 해당 기지국 안테나가 사용되는 것이 일반적이며, 그 구조 역시 평판형 및 선형 안테나 소자를 활용한 1차원 또는 2차원 배열을 갖는 단순한 형태의 배열안테나가 적용되고 있다.
이러한 종래의 배열안테나 구조의 경우, 상술한 바와 같이, 차세대 이동통신 기술에서 요구되는 다수의 이동통신 서비스를 구현하기 위해서는 1개의 기지국에 많은 배열안테나를 설치하여야 한다. 이는 기지국 장비의 관리에 따른 비용 증가와 함께, 주변 환경의 미관을 해치는 주요 원인으로도 작용한다.
또한, 차세대 이동통신 기술의 핵심인 초고속 대용량 통신 서비스를 위하여 요구되고 있는 MIMO(Multi-Imput Multi-Output) 안테나로 적용하기 어렵다는 단점을 갖는다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 종래의 일반적인 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c에 따르면, 하이브리드 안테나의 일반적인 구조는 반사판(10) 및 반사판(10)에 전력을 공급하는 급전 소자로서 하나 이상의 소자 안테나(21)로 구성된 급전배열(20)을 포함한다.
여기서, 급전배열(20)에서 방사된 신호 전력의 방향에 따라 반사판(10)을 경유한 최종적인 전파의 진행 방향(P11)이 결정된다.
도 1a는 급전배열(20)에서 방사된 신호 전력의 방향이 정방향인 경우를 나타낸다. 즉 급전배열(20)로부터 방사된 신호 전력은 반사판(10) 표면과의 상대적인 입사각에 따라 자유 공간으로 진행한다. 이때, 반사판(10)에서 반사된 최종적인 전파의 진행 방향(P11) 역시 정방향을 나타낸다.
도 1b 및 도 1c는 각각 급전배열(20)에서 방사된 신호 전력이 좌, 우 방향인 경우를 나타낸다. 도 1b 및 도 1c 역시 반사판(10)에서 반사된 최종적인 전파의 진행 방향(P11)은 각각 좌, 우 방향을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 종래의 하이브리드 안테나로부터 송신(혹은 수신)되는 전파의 방향을 제어하는 수준으로 그 기능이 한정되어 왔다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기지국 안테나가 다중대역 혹은 광대역에서 동작할 수 있도록 하며, 재구성 기능을 부가함으로써 차세대 이동통신에서 요구되는 MIMO 안테나 기능을 효율적으로 구현할 수 있는 재구성 하이브리드 안테나 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술한 바와 같은 과제를 이루기 위하여 본 발명의 특징에 따른 재구성 하이브리드 안테나 장치는,
입사 신호를 반사시키는 반사판; 상기 반사판에 급전하는 복수의 소자 안테나들로 구성되는 급전배열; 상기 급전배열을 구성하는 상기 복수의 소자 안테나들로부터 방사되는 신호 전력의 크기 및 위상을 제어하는 능동 채널부; 및 상기 능동 채널부와 연결되어 상기 복수의 소자 안테나들로부터 방사되는 신호 전력의 방사 범위를 가변시키도록 각각의 소자 안테나들로부터 입력 및 출력되는 신호 전력의 크기 및 위상 제어 값을 상기 능동 채널부로 출력하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 재구성 기능을 갖는 급전배열은 급전배열을 구성하는 소자 안테나의 동작을 온 및 오프 제어하여 다수개의 이동통신 서비스를 동시 혹은 개별적으로 제공할 수 있다.
또한, 반사판 표면을 일차원 혹은 이차원적으로 성형화한 반사판 구조로 인 해 고이득 특성을 구현하고 이동통신 서비스에서 요구하는 최적의 방사패턴을 구현할 수 있다.
이러한 반사판 기반의 하이브리드 안테나 구조는 소수의 소자 안테나로 구성된 급전배열을 전기적 및 기계적으로 제어하므로 안테나 전체의 주파수 및 동작방식에 대한 재구성 기능을 실현할 수 있어 차세대 이동통신 서비스에서 요구하는 고품질 통신서비스를 제공할 수 있는 경제적인 기지국 안테나를 구현할 수 있는 장점을 제공한다.
따라서, 다수의 이동통신 서비스를 단일 기지국에서 제공할 수 있어 가설 기지국 수를 현격하게 감소시켜 기지국 유지보수 비용 역시 절감할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “-부”등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 재구성 하이브리드 안테나 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 이때, 도면에서 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 따르면, 재구성 하이브리드 안테나는 입사 신호를 반사시키는 반사판(100)과 반사판(100)에 급전하는 복수의 소자 안테나(210)들을 포함하며 반사판(100)을 경유한 최종적인 최종적인 전파의 진행 방향(P101)을 제어하는 재구성 급전배열(200)로 구성된다.
이때, 재구성 급전배열(200)은 재구성 급전배열(200)을 구성하는 소자 안테나(210)가 개별적으로 동작을 온(ON) 또는 오프(OFF)할 수 있으며, 이를 통하여, 재구성 급전배열(200)을 구성하는 소자 안테나(210)의 전체 또는 일부를 동작시킬 수 있는 재구성 기능을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 이하 도 3에 도식된 바와 같이, 각각의 소자 안테나(210)에 연결된 능동채널부(300)를 통하여 소자 안테나(210)로부터 방사되는 신호 전력의 크기 및 위상을 제어할 수 있으며, 이를 통하여, 급전배열(200)로부터 방사되는 신호 전력의 방사 범위(P103)를 가변할 수 있다. 방사 범위(P103)는 반사판(100)의 유효 개구면 경계선(110) 사이의 수평 간격을 의미한다.
방사 범위(P103)는 형성되는 빔 패턴의 폭을 의미하고 빔 패턴의 폭은 서비 스 커버리지(coverage)와 직결되므로, 방사 범위(P103)의 가변으로 인해 결국 서비스 커버리지(coverage)를 능동적으로 가변시킬 수 있게 된다. 이러한 방사 범위의 가변 기능은 재구성 하이브리드 안테나가 운용되는 통신 환경에서 서비스 영역을 능동적으로 가변할 수 있어 운용 효율성을 배가시킨다.
또한, 도면에 구체적으로 나타나 있지는 않지만 반사판(100)의 표면을 일차원 또는 이차원으로 성형하여 이동통신 서비스에서 요구하는 최적의 방사패턴을 적용하여 고이득 특성을 구현할 수 있다.
단, 본 도에서는 본 도에서 설명하고자 하는 목적인 재구성 하이브리드 안테나 빔 패턴의 폭을 제어하는 기능에 대한 이해를 돕기 위하여 소자 안테나(210) 전체가 동작하는 형태로 도식하였으며, 소자 안테나(210)의 일부를 동작시킨 상태에서도 빔 패턴의 폭을 제어하는 기능은 유효하게 적용됨을 밝혀두는 바이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재구성 하이브리드 안테나의 능동 급전부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 따르면, 능동 급전부(1)는 도 2에서 설명한 바와 같이 방사 범위(도2의 P103)를 가변시키는 재구성 급전배열(200) 및 능동 채널부(300)를 포함한다.
재구성 급전배열(200)은 신호 전력의 송신 및 수신을 담당하는 복수의 소자 안테나(210)들로 구성된다.
능동 채널부(300)는 재구성 급전배열(200)에서 방사되는 신호 전력의 크기 및 위상을 제어한다. 능동 채널부(300)는 보다 세부적으로, 신호 전력의 세기를 조절하는 증폭기(310) 및 위상을 제어하는 위상 천이기(330)를 포함한다. 이때, 능동 채널부(300)는 송신용 능동채널로 도시되어 있으나, 수신용인 경우에도 역시 동일한 개념의 능동채널임은 자명하다.
제어부(400)는 능동 채널부(300)와 각각 연결되어 방사 범위(P103)를 가변시키기 위한 능동 채널부(300)의 신호 전력 크기 및 위상 제어 구동을 제어한다. 또한, 제어부(400)는 능동 채널부(300)와 연결되어 재구성 급전배열(200)의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어한다.
즉 제어부(400)는 능동 채널부(300)의 신호 전력 크기 및 위상 제어 값을 설정하여 재구성 급전배열(200)의 방사 범위(P103)를 능동적으로 가변한다. 도면에서 실선은 주 신호원인 RF 신호 전력이 능동 채널부(300)에 입력되고 출력되는 선을 의미하고 점선은 제어부(400)로부터 능동 채널부(300)로 입력되는 신호 전력 크기 및 위상 제어 값이 출력되는 선을 의미한다.
또한, 제어부(400)는 재구성 급전배열(200)을 구성하는 소자 안테나(210)들의 온/오프 제어를 통하여 재구성 급전배열(200)의 방사 범위(P103)를 능동적으로 가변한다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 안테나가 재구성 동작하는 두 가지 방식에 대하여 도시하고 있다. 도 4는 전기적인 방식의 재구성 하이브리드 안테나 구조이며, 도 5는 기계적인 방식의 하이브리드 안테나 구조를 도시한다.
먼저, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 전기적 재구성을 적용한 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이때, 도 4a 내지 도 4d에서 보인 재구성 급전배열(200)은 광대역 특성 및 다중대역 특성을 포함하는 일반적인 개념의 소자 안테나(210)들로 구성된다. 일반적인 개념의 소자 안테나(210)는 다수개의 이동통신 서비스의 주파수 대역에서 동작이 가능한 것을 전기적 특징으로 하는 광대역 소자 안테나 및 다중대역 소자 안테나를 포함하는 포괄적인 개념을 의미한다.
도 4a는 전체 소자 안테나(210)들 중에서 중앙의 16개의 소자 안테나(210)들만 온 된 상태를 나타내고 도 4b는 전체 소자 안테나(210)들이 모두 온 된 상태를 나타낸다. . 이때, 도 4a 및 도 4b는 온 된 상태의 소자 안테나(210) 간의 전기적인 결합으로 인하여 하나의 통합된 빔 패턴(P105)이 형성된다.
또한, 동작하고 있는 소자 안테나(210)의 수(Number)에 따라서, 급전배열(200)의 유효 개구면이 바뀌며, 이에 따라서, 반사판(100)을 경유한 최종 안테나 의 빔(P105)의 폭과 이득이 가변될 수 있다. 단, 본 도에서는 급전배열(200)을 구성하는 각각의 소자 안테나(210)로부터 방사되는 신호전력의 크기 및 위상이 동일하다는 조건 하에서 도시하고 있으며, 이에 따라서, 도 4b에서 도식하고 있는 안테나 빔(P105)의 이득이 상대적으로 크며, 빔 폭은 좁아짐을 알 수 있다.
도 4c는 서로 일정한 거리만큼 이격되어 각각 네 개의 영역을 이루는 일부 소자 안테나(210)들만이 온 된 상태를 나타내고 도 4d는 재구성 급전배열(200)의 양 끝에 두 개의 영역을 이루는 일부 소자 안테나(210)들만이 온 된 상태를 나타낸다.
도 4c 및 도 4d에서는 각각 각각 네 개의 영역 및 각각 두 개의 영역에 속 하는 소자 안테나(210)들에서 방사되는 신호 전력 간에 전기적인 결합이 없는 상태를 도식하고 있으며, 이에 따라서, 각각 네 개의 개별 빔 패턴(P105) 및 두 개의 개별 빔 패턴(P105)을 형성한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 기계적인 방식의 재구성을 적용한 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이때, 도 5a 및 도 5b에서 보인 멀티 재구성 급전배열(500)은 서로 다른 서비스 대역에서 동작하고 서로 다른 위치에 구성된 복수의 멀티 소자 안테나(510)들을 포함한다.
단, 본 도에서는 본 발명의 재구성 하이브리드 안테나를 구성하는 급전배열(200)의 소자 안테나(210)에 대한 구조적인 다양성을 설명하기 위하여 멀티 소자 안테나(510)를 도시하였으나, 소자 안테나(210)의 형태 및 사양은 설계자의 요구에 따라 자유로이 가변될 수 있다.
또한, 도 5a 내지 도 5b는 제어부(도 3의 400)의 제어 하에 설정된 신호 전력의 크기 및 위상 제어 값은 동일한 상태에서 소자 안테나(210)들의 물리적 거리를 변경하여 방사 범위(P103)를 가변시키는 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 나타낸다.
도 5a는 멀티 재구성 급전배열(500)을 구성하는 멀티 소자 안테나(510)들간의 이격 거리가 “d2”인 경우를 나타낸다. 여기서, 이격거리 “d2”는 각각의 멀티 소자 안테나(410)들에서 방사된 신호 전력이 상호 전자기적으로 결합할 수 있는 거리를 나타낸다. 따라서, 도 5a에 보인 바와 같이 하나의 통합된 빔 패턴(P105)이 형성된다.
도 5b는 멀티 재구성 급전배열(500)을 구성하는 멀티 소자 안테나(510)들간의 이격 거리가 “d1”인 경우를 나타낸다. 여기서, 이격거리 “d1”은 각각의 멀티 소자 안테나(410)들에서 방사된 신호 전력 간에 상호 전자기적인 영향이 없는 거리를 나타낸다. 따라서, 도 4c 및 도 4d에서와 같이, 다수개의 개별 빔 패턴(P105)을 형성한다.
또한, 도 5a 및 도 5b에는 나타나 있지 않으나, 멀티 소자 안테나(410)들의 동작을 온/오프 제어하여 개별 빔 패턴(P103)의 갯수를 자유롭게 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 재구성 하이브리드 안테나는 물리적인 하나의 안테나를 이용하여 다수개의 안테나를 운용하는 효과를 구현하므로, 차세대 이동통신에서 요구하는 MIMO 안테나 기능을 구현하는데 매우 효율적임을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 종래의 일반적인 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재구성 하이브리드 안테나의 능동 급전부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 전기적인 방식의 재구성을 적용한 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 물리적인 방식의 재구성을 적용한 재구성 하이브리드 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (9)

  1. 입사 신호를 반사시키는 반사판;
    상기 반사판에 급전하는 복수의 소자 안테나들로 구성되는 급전배열;
    상기 급전배열을 구성하는 상기 복수의 소자 안테나들로부터 방사되는 신호 전력의 크기 및 위상을 제어하는 능동 채널부; 및
    상기 능동 채널부와 연결되어 상기 복수의 소자 안테나들로부터 방사되는 신호 전력의 방사 범위를 가변시키도록 각각의 소자 안테나들로부터 입력 및 출력되는 신호 전력의 크기 및 위상 제어 값을 상기 능동 채널부로 출력하는 제어부
    를 포함하는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 급전배열을 구성하는 소자 안테나의 동작을 온 및 오프 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 급전배열은,
    다중대역 또는 광대역에서 동작하는 복수의 소자 안테나들로 구성되는 것을 특징으로 하는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 소자 안테나들 중에서 하나의 통합된 빔 패턴을 형성하기 위한 상호 전자기적인 영향을 미치는 거리를 이루며 이격된 소자 안테나들을 온 시키는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 소자 안테나들 중에서 서로 다른 둘 이상의 빔 패턴을 형성하기
    위한 상호 전자기적인 영향을 미치지 않는 거리를 이루며 이격된 소자 안테나들을 온 시키는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 급전배열은,
    상기 급전배열을 구성하는 복수의 소자 안테나들 간의 거리 이동이 가능한 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 급전배열은,
    하나의 통합된 빔 패턴을 형성하기 위한 상호 전자기적인 영향을 미치는 거리를 이루며 이격된 소자 안테나들로 구성되는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 급전배열은,
    서로 다른 둘 이상의 빔 패턴을 형성하기 위한 상호 전자기적인 영향을 미치지 않는 거리를 이루며 이격된 소자 안테나들로 구성되는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사판은,
    표면이 1차원 또는 2차원으로 성형되는 재구성 하이브리드 안테나 장치.
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