KR20130125361A - 무선 통신용 스마트 안테나 - Google Patents

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KR20130125361A
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티안 홍 로
하이타오 리우
스티븐 가오
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더 세크러테리 오브 스테이트 포 비즈니스 이노베이션 & 스킬스 오브 허 마제스티즈 브리태닉 거번먼트
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Abstract

스마트 안테나는 버랙터를 구비하는 복수의 기생 안테나 소자, 상기 버랙터에 연결되고 DC 전압을 공급하도록 동작가능하도록 배열된 전압 공급원, 및 상기 버랙터에 인가되는 DC 전압을 튜닝하도록 동작가능한 제어 유닛을 포함하되, 각 기생 안테나 소자는 인가되는 전압에 기초하여 반사기 또는 방향기로 재구성될 수 있다. 상기 구동 소자는 각각 실질적으로 25 및 50㎜의 반경에서 기생 소자의 제1 및 제2 환형 어레이에 의해 둘러싸이며, 각 환형 어레이는 6개의 안테나 소자를 구비한다. 이 어레이는 빔을 조향하도록 구성가능하다. 이 배열은 컴팩트하고 효율적이다.

Description

무선 통신용 스마트 안테나{SMART ANTENNA FOR WIRELESS COMMUNICATIONS}
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 바람직한 실시예에서 무선 통신에 사용하기 위한 컴팩트한 저비용 스마트 안테나에 관한 것이다.
스마트 안테나는 간섭 신호의 방향으로 널(null)을 형성하면서 원하는 사용자 쪽으로 메인 빔을 조향할 수 있다. 이것은 차세대 지상 무선 통신, 위성 통신 및 레이더를 위한 핵심 기술 중 하나이다. 이것은 전송되는 전력을 감소시키는 동시에 스펙트럼 효율을 증가시킴으로써 무선 통신 네트워크의 용량을 상당히 증가시킬 수 있다.
증가된 이득을 가지는 스마트 안테나는 디지털 링크에서 신호 대 잡음(Signal-to-Noise)을 감소시켜서 통신 링크의 비트 에러율(bit error rate)을 감소시킬 수 있다. 이것은 현대 수신기가 더 높은 데이터율(data rate)에서 동작할 수 있게 한다.
전통적인 스마트 안테나는 많은 안테나 소자(antenna elements)의 어레이로 구성되고, 각 소자는 RF 필터, 저잡음 증폭기, 믹서 및 RF 전력 증폭기를 구비하는 자기 자신의 송수신 RF 프론트 엔드(front end)를 요구한다. 각 소자는 자기 자신의 A/D(analogue-to-digital) 및 D/A(digital-to-analogue) 변환기를 더 요구한다. 이들은 스마트 안테나를 매우 비싸게 하고 볼륨 있게 하여, 상업적 무선 통신네트워크에서 광범위한 응용으로 사용하는데 방해되게 한다.
ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 단일 RF 프론트 엔드를 사용하는 저비용 스마트 안테나 시스템을 구성하는 유망한 구조이다. ESPAR 안테나의 위상 이동 성능은 예를 들어 저비용 버랙터(varactor)를 사용하여 각 소자의 응답 부하(reactive load)를 튜닝함으로써 달성될 수 있다. 일반적인 ESPAR 구조는 하나의 고정된 구동 소자(driven element)와, 이 구동 소자를 둘러싸는 여러 개의 튜닝가능한 기생 소자(parasitic element)로 구성된다. 대부분 널리 연구된 ESPAR 안테나는 수직으로 장착되고 수평면에서 스캐닝되는 7개의 1/4 파장 모노폴(monopole)을 포함한다. 하나의 1/4 파장 모노폴은 어레이의 중심에 배치되고, 다른 6개의 1/4 파장 모노폴은 이 주위에 있는 1/2 파장 직경의 원 상에 균등하게 이격 배치된다. 보고된 ESPAR 안테나는 2 내지 4dBi 영역의 보고된 이득을 가지고 있다. 그러나, 이 안테나 이득은 작고 종종은 너무 작아서 원하는 높은 데이터율에서 작동할 수 없다.
높은 이득을 가지는 전자 빔 스캐닝 안테나는 H. Scott 및 V. F. Fusco의 문헌["360도 Electronically controlled beam scan array" (IEEE transactions on antennas and propagation, Vol. 52, No. 1, Jan. 2004)]에 제시되어 있다. 이것은 전체 360도 방위각 스캔 범위에 걸쳐 12dBi의 이득을 가지고 있다. 이것은 2개의 동심 링에 접지 면에 걸쳐 배열된 25개의 와이어 소자의 원형 어레이로 구성된다. 각 기생 소자는 2상태 응답 소자가 적재되어(loaded) 반사기의 어레이로 배열되게 한다.
본 발명은 개선된 스마트 안테나 및 바람직하게는 개선된 저비용 스마트 안테나를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 구성 디바이스를 구비하는 복수의 기생 안테나 소자, 상기 구성 디바이스에 연결되어 DC 전압을 공급하도록 배열된 전압 공급원, 및 상기 구성 디바이스에 인가된 DC 전압을 튜닝하도록 동작가능한 제어 유닛을 포함하는 스마트 안테나가 제공되며, 여기서 각 기생 안테나 소자는 인가되는 전압에 기초하여 반사기(reflector) 또는 방향기(director)로 재구성될 수 있다.
상기 구성 디바이스는 다수의 전자 구성요소(component) 중 어느 것일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 각 구성 디바이스는 버랙터 또는 핀 다이오드(pin diode)를 포함한다.
유리하게는, 스마트 안테나는 재구성가능한 방향성 안테나를 구동 소자로 사용한다. 이것은 구동 소자의 빔이 바람직한 실시예에서, 90도와 270도, 30도와 210도 및 150도와 330도의 방향으로 조향될 수 있는 구동 소자를 생성한다.
바람직한 실시예는 10dBi 이상의 이득을 달성할 수 있는 소형 사이즈와 저 비용을 가지는 전자적으로 빔 스위칭 또는 빔 스캐닝 스마트 안테나를 제공한다. 이러한 작은 스마트 안테나를 위한 바람직한 구조는 아래에 설명된다. 빔 스위칭 및 빔 스캐닝이라는 용어는 일반적으로 동일한 기능을 나타내며 그리하여 교환 가능하게 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
바람직한 실시예는 2.45㎓ 내지 2.55㎓의 주파수 대역을 커버하는 컴팩트한 저비용 전자적 빔 스위칭 또는 빔 스캐닝 스마트 안테나를 제공한다. 구동 소자는 3개의 역 F형 안테나(Inverted F-type Antenna: IFA) 소자를 구비하는 방향성 안테나이다. 구동 소자에 더하여, 바람직한 실시예에서 구동 소자 주위에 배열되고 구성 디바이스(일반적으로 버랙터 또는 핀 다이오드)가 적재된 12개의 IFA 기생 소자가 있다. 구성 디바이스에 인가되는 DC 전압을 튜닝함으로써, 각 기생 IFA 안테나 소자는 반사기 또는 방향기로 재구성될 수 있다. 이것은 빔 스위칭 또는 스캐닝 메커니즘을 제공한다. 안테나는 바람직하게는 50㎜의 반경과 40㎜의 높이를 지닌다. 다른 빔 스위칭 스마트 안테나에 비해 이 안테나는 소형 사이즈이고 저 비용이며 더 높은 이득을 구비한다.
유리하게는, 구동 소자는 기생 소자의 적어도 하나의 환형 어레이로 둘러싸인다. 이것은 스마트 안테나의 이득을 증가시켜서 종래 기술의 디바이스에 비해 사이즈의 감소를 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 구동 소자는 기생 소자의 적어도 제1 및 제2 환형 어레이로 둘러싸인다. 이론적으로, 기생 소자의 환형 어레이의 수에는 제한이 없으며, 환형 어레이의 수가 많으면 많을수록 이론상 안테나 이득을 더 증가시킬 수 있지만 비용과 안테나 볼륨을 더 크게 한다. 기생 소자의 2개의 환형 안테나는 성능, 비용 및 사이즈 사이에 우수한 균형을 제공하는 것으로 발견되었다.
각 환형 어레이는 원주방향으로 대칭적인 것이 바람직하다. 각 어레이에서 3개의 안테나 소자가 6개 또는 12개 또는 다른 짝수배수가 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예는 이제 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 아래에서 더 설명된다.
도 1은 구동 소자의 바람직한 실시예를 형성하는데 사용되는 IFA 구조의 개략도;
도 2는 3개의 IFA 방사 소자로 구성된 재구성가능한 구성 소자의 일례를 도시한 도면;
도 3은 3개의 IFA 방사 소자로 구성된 ESPAR 안테나의 일례의 평면도;
도 4는 내부 원에서 기생 소자의 구조를 도시한 도면;
도 5는 외부 원에서 기생 소자의 구조를 도시한 도면;
도 6은 높은 이득의 ESPAR 안테나의 바람직한 실시예의 3D 모델을 도시한 도면;
도 7은 도 6의 높은 이득의 ESPAR 안테나의 평면도;
도 8은 도 6 및 도 7의 높은 이득의 ESPAR 안테나의 1차 방사 패턴을 도시한 도면;
도 9는 도 6 및 도 7의 높은 이득의 ESPAR 안테나의 2차 방사 패턴을 도시한 도면.
일반적으로, 전통적인 ESPAR 안테나에서, 중심 구동 소자(1)는 모든 기생 소자(2, 3)를 균일하게 여기시키는 전방향 안테나이다. 안테나 이득을 증가시키기 위해, 스마트 안테나는 바람직하게는 구동 소자(1)로서 재구성가능한 방향성 안테나를 사용한다. 이것은 구동 소자의 빔이 이 예에서, 90도와 270도, 30도와 210도 및 150도와 330도 방향으로 조향될 수 있는 구동 소자를 생성한다.
바람직한 안테나는 도 7의 평면도에 구체적으로 도시된 바와 같이 기생 소자(2, 3)의 2개의 원을 사용한다. 이중 원(double-circle) 구조의 목적은 안테나 이득을 더 증가시키기 위한 것이다. 각 기생 소자(2, 3)는 필요한 만큼 반사기 또는 방향기로 재구성될 수 있다.
A. 방사 소자( radiating elements )
1) IFA 안테나 구조
IFA의 바람직한 실시예는 일반적으로 3개의 소자, 즉, 접지 면 위에 위치된 직사각형 와이어 안테나, 급전 메커니즘, 및 접지에 연결된 단락 핀(shorting pin)을 포함한다. IFA 안테나는 그 입력 임피던스가 단락 핀의 위치를 주의 깊게 튜닝함으로써 용이하게 매칭될 수 있으므로 전기적으로 작은 안테나를 위한 우수한 선택이다.
도 1은 바람직하게는 전기적으로 작고 재구성가능한 구동 소자에 사용되는 IFA 구조를 도시한다. 안테나는 안테나의 소자를 지지하는 기판(2)을 포함한다. IFA의 구리 방사 소자(1)는 구동 소자(3)와 같이 기판 위에 배치된다. 50옴(ohm)(일반적인) 동축 케이블이 구동 소자(3)에 실제 연결된다. 기생 소자에서 이곳은 버랙터가 솔더링되는(soldered) 곳이다.
IFA 접지면(4)은 도 2에 도시된 바와 같이 기판의 타측에 연속된다. DC 네트워크(6)는 접지면(4)과 차단 커패시터(5) 사이에 적용된다.
구동 소자는 PIN 다이오드(7)에 의해 제공된다. 이 구성에서, 커패시터(5)가 기생 소자를 위해 사용된다. IFA에서 단락 핀은 PIN 다이오드(7)를 통해 접지에 연결된다.
2) 동작 상태 설명
구동 소자로서, 도 1의 방사 소자는 2개의 동작 모드, 즉, 활성 모드(active mode)와 더미 모드(du㎜y mode)로 재구성될 수 있다. 이들은 다음과 같이 동작된다:
Figure pct00001
기생 소자로서, 도 4 및 도 5의 방사 소자는 2개의 동작 모드, 즉 반사기 모드와 방향기 모드로 재구성될 수 있다. 이들은 다음과 같이 동작된다:
Figure pct00002
상기한 바는 구동 소자가 핀 다이오드를 구비하고 기생 소자가 구성 디바이스로 버랙터를 구비하는 단 하나의 실시예를 도시하는 것으로 이해된다. 다른 실시예에서는 구성 디바이스가 핀 다이오드, 버랙터 또는 다른 적절한 디바이스인 경우 다른 구성 디바이스를 사용할 수 있다.
B. 구동 소자
1) 구동 안테나 구조
도 1에 도시된 3개의 소자를 구성함으로써, 구동 소자는 하나의 50옴의 RF 포트 주위에 형성될 수 있다. 도 2 및 도 3은 이 구조를 도시한다. 도 3은 이 소자가 바람직하게는 120도 방위각으로 균등하게 이격 배치되는 것을 도시하는 평면도이다. 3개의 소자는 중심에 위치된 동축 케이블에 모두 솔더링된다. 이런 방식으로 3개의 구동 소자는 동일한 RF 소스에 의해 여기된다.
IFA 방사 소자를 동축 케이블에 솔더링함으로써, 이들 3개의 IFA 방사 소자는 서로 병합된다. 모든 IFA 방사 소자는 동일한 RF 소스에 의해 여기될 수 있다.
2) 구동 소자 동작 상태
각 구동 소자는 0도, 120도 및 240도의 각도 위치로 한정된다. 빔의 방향은 다음과 같다:
Figure pct00003
Figure pct00004
C. 기생 소자
기생 소자는 반사기 또는 방향기로서 재구성될 수 있다. 버랙터에 의해 제공되는 커패시턴스를 변경시킴으로써, 기생 소자의 반사되는 위상이 튜닝될 수 있다.
내부 원에서 기생 소자의 구조는 도 4에 제시된다. IFA의 구리 방사 소자(10)는 기판 위에 배치된다. 10nH 인덕터는 위치(13)에 솔더링되고 버랙터는 (12)에 솔더링된다. 10㎌의 DC 필터링 커패시터는 (14)에서 솔더링되고 100nH RF 초크 인덕터는 방소 소자(11)와 솔더링 패드(15) 사이의 (16)에서 솔더링된다. 외부 원에서 기생 소자의 구조는 도 5에 제시된다. IFA의 구리 방사 소자(20)는 기판 위에 배치된다. 25nH 인덕터는 위치(23)에서 솔더링되고 버랙터는 (22)에서 솔더링된다. 10㎌의 DC 필터링 커패시터는 (24)에서 솔더링되고 100nH RF 초크 인덕터는 방사 소자(21)와 솔더링 패드(25) 사이의 (26)에서 솔더링된다.
D. 제안된 ESPAR 안테나의 전체 구조
도 6은 높은 이득의 ESPAR 안테나의 바람직한 실시예의 3D 모델을 도시한다. 기생 소자(2, 3)는 2개의 동심 원으로 중심에 위치된 재구성가능한 구동 소자(1)를 둘러싼다. 내부 원은 실질적으로 50㎜의 직경을 가지고, 외부 원은 실질적으로 100㎜의 직경(각각 25㎜ 및 50㎜의 반경)을 가진다. 각 링은 6개의 IFA 안테나를 소유한다. 도 6은 새의 눈(bird's eye)의 시야로 이 레이아웃을 도시한다.
도 8은 높은 이득의 ESPAR 안테나의 1차 방사 패턴을 도시한다. 1차 패턴의 선택적 방향은 0도와 90도, 30도와 210도 및 150도와 330도이다. 1차 방사 패턴에서 하나의 기생 소자는 각 원에서 반사기로 구성된다. 역방향 바이어스된 제어 전압을 가지는 기생 소자는 방향기로 구성된다는 것이 주목된다. 모든 다른 기생 소자는 반사기로 구성된다.
높은 이득의 ESPAR 안테나의 바람직한 실시예의 2차 방사 패턴은 도 9에 제시된다. 1차 패턴의 선택적 방향은 120도와 300도, 60도와 240도, 및 0도와 180도이다. 2차 방사 패턴에서, 각 원에서 방향기로 구성된 2개의 기생 소자들이 있다. 모든 다른 기생 소자는 반사기로서 구성된다.
적응적 빔 조향 방법은 ESPAR 안테나로 하여금 원하는 신호의 방향을 예측하고 원하는 신호 쪽으로 메인 로브(main lobe)를 형성하게 한다. 바람직한 실시예에서 사용되는 적응적 알고리즘은 비 블라인드된 알고리즘(un-blinded algorithm)이고 기준 신호는 적응적 알고리즘을 수행하는데 사용된다.
첫째, 알고리즘은 6개의 메인 패턴으로부터 최상의 교차 상관 공동 효율(cross correlation co-efficiency: CCC) 값을 검색하고 다음 반복의 시작 점을 결정한다. 시작점을 결정한 후에, 알고리즘은 CCC의 가장 가파른 구배(steepest gradient)를 따라 반복한다. 빔 성형은 버랙터 양단에 인가되는 전압을 제어함으로써 달성된다. 버랙터의 응답 부하를 튜닝시킴으로써, 기생 소자의 표면 전류의 위상이 제어될 수 있다.
높은 이득을 가지는 저비용 소형 안테나가 전술되었다. 이 빔을 전자적으로 스위칭함으로써 안테나는 360도의 전체 범위를 커버할 수 있다. 시뮬큘레이션 결과에 따르면 재구성가능한 IFA 안테나 소자로 구성된 빔 스위칭 스마트 안테나는 8.5 내지 10.5dBi의 이득을 달성할 수 있다는 것을 보여주었다. 이것은 지금까지 보고된 대부분의 ESPAR 안테나의 것보다 더 높은 이득을 달성한다. 이 안테나는 0.4λ의 반경과 0.3λ의 높이만을 구비한다. 이 안테나는 이에 따라 컴팩트한 사이즈를 구비하고 저 비용이어서 무선 라우터, 모바일 통신 기지국, 방향 탐지 등과 같은 응용에 사용될 수 있다.
전술된 실시예는 단지 예시를 위한 것이며 이들은 원하는 기능의 상실 없이 변형될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 구동 소자는 3개의 IFA 소자로 구성된 방향성 안테나일 필요가 없고 상이한 수의 IFA 소자들이 사용될 수 있다. 마찬가지로, 구동 소자 주위에 배열되고 버랙터가 적재된 12개의 IFA 기생 소자 대신에, 안테나는 상이한 수의 IFA 기생 소자를 구비할 수 있다.

Claims (22)

  1. 스마트 안테나로서,
    구성 디바이스를 구비하는 복수의 기생 안테나 소자, 상기 구성 디바이스에 연결되고 DC 전압을 공급하도록 배열된 전압 공급원, 및 상기 구성 디바이스에 인가되는 DC 전압을 튜닝하도록 동작가능한 제어 유닛을 포함하되,
    각 기생 안테나 소자는 인가되는 전압에 기초하여 반사기(reflector) 또는 방향기(director)로 재구성될 수 있는 것인 스마트 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 각 구성 디바이스는 버랙터(varactor) 또는 핀 다이오드를 포함하는 것인 스마트 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구동 소자는 재구성가능한 방향성 안테나인 것인 스마트 안테나.
  4. 제3항에 있어서, 상기 구동 소자는 서로 방사방향으로 이격 배치된 3개의 안테나 소자를 구비하는 것인 스마트 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 안테나 소자는 120도만큼 서로 방사방향으로 이격 배치된 것인 스마트 안테나.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 안테나 소자는 공통 중심에 위치된 동축 케이블에 연결된 것인 스마트 안테나.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 소자는 제1, 제2 및 제3 역 F형 안테나(Inverted F-type Antenna: IFA) 소자를 구비하는 방향성 안테나인 것인 스마트 안테나.
  8. 제7항에 있어서, 상기 구동 소자 주위에 배열되고 버랙터가 적재된(loaded) 12개의 IFA 기생 소자를 포함하는 것인 스마트 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 버랙터에 인가되는 상기 DC 전압은 반사기 또는 방향기로 각 기생 IFA 안테나 소자를 재구성하도록 튜닝가능한 것인 스마트 안테나.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 튜닝 가능성은 상기 안테나 빔에 대한 스위칭 또는 스캐닝 메커니즘을 제공하는 것인 스마트 안테나.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 소자는 기생 소자의 적어도 하나의 환형 어레이에 의해 둘러싸인 것인 스마트 안테나.
  12. 제11항에 있어서, 상기 구동 소자는 기생 소자의 적어도 제1 및 제2 환형 어레이에 의해 둘러싸인 것인 스마트 안테나.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기생 소자는 각각 실질적으로 25 및 50㎜의 반경에 있는 것인 스마트 안테나.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 각 환형 어레이는 원주방향으로 대칭적인 것인 스마트 안테나.
  15. 제14항에 있어서, 각 환형 어레이는 3개의 안테나 소자를 6개 또는 12개 또는 다른 짝수배수 포함하는 것인 스마트 안테나.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 방사 패턴의 생성을 위해, 하나의 기생 소자는 각 환형 어레이에서 반사기로 구성되는 것인 스마트 안테나.
  17. 제16항에 있어서, 상기 반사기는 역방향 바이어스된 제어 전압에 의해 구동되는 상기 기생 소자인 것인 스마트 안테나.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 모든 다른 기생 소자는 반사기로 구성된 것인 스마트 안테나.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 2차 방사 패턴을 위해 2개의 기생 소자는 각 환형 어레이에서 방향기로 구성되고, 모든 다른 기생 소자는 반사기로 구성되는 것인 스마트 안테나.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나는 실질적으로 50㎜의 반경과 실질적으로 40㎜의 높이를 지니는 것인 스마트 안테나.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 소자는 90도와 270도, 30도와 210도 및 150도와 330도 방향으로 조향가능한 빔을 생성하도록 동작할 수 있는 재구성가능한 안테나인 것인 스마트 안테나.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나는 실질적으로 2.45㎓ 내지 실질적으로 2.55㎓ 주파수 대역에서 동작가능한 것인 스마트 안테나.
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