KR20150049356A - 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성을 위한 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성을 위한 안테나 장치에 관한 것이다. 실시예에 있어서, 입력 단자 및 출력 단자 내에서 격리 특성을 가지며, 입력 신호를 동일한 전력으로 분배시키는 광대역 버틀러 매트릭스; 상기 분배된 입력 신호를 소자들 각각에 입력 받는 광대역 배열 안테나; 상기 분배된 입력 신호의 광대역 배열 안테나로부터 방사되는 편파를 실시간으로 재구성하는 편파 재구성 회로망; 및 상기 광대역 배열 안테나의 소자들 간을 연결하고 공간 결합 전력과 동일한 크기 및 반전 위상을 갖는 신호를 인위적으로 형성하여 상기 광대역 배열 안테나의 소자들 간의 공간 결합 특성을 보상하는 비결합 브릿지 회로망을 포함하는 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 채널 형성 배열 안테나 장치가 제공될 수 있다.

Description

광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성을 위한 안테나 장치{Antenna Equipment for Wide-coverage Multi-beam formation with Broadband Operation and Polarization Reconfiguration}

본 발명은 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성을 위한 안테나 장치에 관한 것이다.

현대 및 미래는 무선 통신 서비스 종류의 증가로 무선 통신의 가장 중요한 자원인 주파수 자원이 고갈되어가고 있는 실정이며 또한, 및 고속 데이터 서비스 요구에 따른 서비스의 광대역화로 MIMO 통신 기술이 필수적으로 요구된다. 이러한, MIMO 통신 기술은 다중 안테나를 이용하여 서로 독립적인 다중 채널 전송을 함으로써, 통신 용량 증대를 목적으로 한다.

이러한 관점에서 미래의 광대역 및 광범위 서비스, 고속 데이터 서비스 요구 조건을 만족하기 위해서는 제한된 무선 통신 자원들(주파수, 편파, 방향, 거리)을 최적으로 활용할 필요가 있다. 고속 데이터 전송을 위한 광대역 MIMO 안테나용 지향성 특성 및 고격리 특성의 다중 채널을 형성할 필요가 있다.

이를 위해 종래에는 버틀러 매트릭스(Butler matrix) 및 배열 안테나(Array antenna)를 이용한 다중 빔 형성 안테나 기술을 사용하여 왔으나, 다중 빔 형성 범위는 상호 간섭 영향이 없는 또는 간섭이 미약한 배열 간격(안테나 소자 특성에 따라 다름)을 적용함으로써 ±60도 정도로 한정되었다. 또한, 상호 간섭을 감소시키기 위한 방법으로 안테나 배열 소자와 소자 사이에 도체 벽(wall)을 쌓는 방법, 변형된 접지 구조를 사용하는 방법, 접지 벽 및 연결선을 추가하는 방법 등을 이용해 격리도 특성을 향상시켜 왔다. 그러나, 이러한 방법으로는 협대역에서의 제한된 입출력 정합 및 격리 특성 개선 효과가 있었다.

이와 관련하여 한국공개특허 제2004-0077052호에서는 광대역 슬롯 안테나 및 그를 이용한 슬롯 배열 안테나에 대해서 기재하고 있다.

그러므로, 광대역 다중 빔 형성을 위해서는 광대역 버틀러 매트릭스 구조가 필요하며, 또한 광범위 다중 빔 형성을 위한 제한된 안테나 배열 소자 간격으로 인한 안테나 배열 소자들간의 상호 결합 문제를 해결할 필요가 있다.

본 발명의 실시예는 종래의 버틀러 매트릭스의 광대역 회로 구현 기술 및 광범위 빔 스캔을 위한 안테나 배열 소자들간의 제한된 배열 간격에 따른 배열 소자들간의 상호 간섭 또는 결합 영향을 보상해 주기 위한 안테나 급전 회로망 기술을 제공하기 위한 것이다.

실시예에 있어서, 무선 채널 환경에 적응하는 가변 편파 특성을 제공하기 위하여 임의의 편파를 재구성할 수 있는 장치를 포함하며, 또한 다중 빔 채널을 형성하기 위한 광대역 버틀러 매트릭스 장치를 포함하며, 배열 안테나 소자들간의 제한된 배열 간격에 따른 배열 소자들간의 상호 결합 문제를 해결하기 위한 안테나 배열 특성을 반영하는 비결합 브릿지 회로망 장치를 포함하는 배열 안테나 장치를 제안함으로써, 편파 재구성이 가능한 광대역 및 광범위 다중 빔 채널을 형성할 수 있는 소형 MIMO 배열 안테나 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

실시예에 있어서, 입력 단자 및 출력 단자 내에서 격리 특성을 가지며, 입력 신호를 동일한 전력으로 분배시키는 광대역 버틀러 매트릭스; 상기 분배된 입력 신호를 소자들 각각에 입력 받는 광대역 배열 안테나; 상기 분배된 입력 신호의 광대역 배열 안테나로부터 방사되는 편파를 실시간으로 재구성하는 편파 재구성 회로망; 및 상기 광대역 배열 안테나의 소자들 간을 연결하고 공간 결합 전력과 동일한 크기 및 반전 위상을 갖는 신호를 인위적으로 형성하여 상기 광대역 배열 안테나의 소자들 간의 공간 결합 특성을 보상하는 비결합 브릿지 회로망을 포함하는 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 채널 형성 배 안테나 장치가 제공될 수 있다.

본 발명에서 제안하는 실시간 편파 재구성 및 광대역 및 광범위 다중 빔을 형성하기 위한 안테나 장치는 무선 채널 환경에 적응하는 가변 편파 특성을 제공하는 배열 안테나 설계 기술, 광대역 다중 빔 형성을 위한 상업용/군용 배열 안테나의 광대역 버틀러 매트릭스 설계 기술, 배열 안테나 소자들간의 상호 결합 특성에 의한 안테나의 전기적 특성 열화를 보상하는 급전 회로망 기술에 직접 활용될 수 있으며, 또한 미래 고속 무선 통신 데이터 전송에 적합한 실시간 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 채널 형성을 갖는 소형 MIMO 안테나 기술에 널리 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성 안테나 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 4X4 광대역 버틀러 매트릭스의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 편파 재구성 회로망 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 단위 편파 재구성 회로망의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광대역 배열 안테나 소자들간의 상호 공간 결합 특성 및 입력 정합 단자로의 영향에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광대역 배열 안테나 소자들간의 상호 공간 결합 영향을 억압하는 비결합 브릿지 회로를 표현한 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 비결합 브릿지 회로의 자세한 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 비결합 브릿지 회로망의 일례를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 이중 직교 선형 편파 배열 안테나 소자의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성을 위한 안테나 장치에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예는 다중 빔 생성 안테나 및 초고주파 부품 기술에 관한 것으로, 상세하게는 종래의 버틀러 매트릭스의 광대역 회로 구현 기술 및 광범위 빔 스캔을 위한 안테나 배열 소자들간의 제한된 배열 간격에 따른 배열 소자들간의 상호 간섭 또는 결합 영향을 보상해 주기 위한 안테나 급전 회로망 기술에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성 안테나 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 내부적으로 광대역 버틀러 매트릭스(100), 편파 재구성 회로망(200), 비결합 브릿지 회로망(300), 그리고 광대역 배열 안테나(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 이하의 구성에 대한 기능 및 인터페이스 그리고 상세한 설명은 송신 관점에서 서술하도록 한다.

광대역 버틀러 매트릭스(100)는 M(M=4, 8, 16 등)개의 입출력 단자를 가지는데, 입력 단자와 출력 단자의 수를 M개로 동일하게 포함시킬 수 있다. 각 입력 단자들간에 동작 대역 내에서 서로 격리 특성을 가지며, 또한 각 출력 단자들 간에도 마찬가지로 동작 대역 내에서 서로 격리 특성을 갖는다.

각 입력 단자로 입력된 신호는 서로 독립적인 내부 회로 경로를 거쳐 각 출력 단자들로 동일한 전력(1/M)으로 분배될 수 있다. 이때, 각 출력 단자에서 측정될 수 있는 출력 위상은 각 입력 단자들의 여기(Excitation) 위치에 따라 서로 다른 고유의 선형적인 위상 특성을 지닐 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 4X4 광대역 버틀러 매트릭스의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

광대역 버틀러 매트릭스(1000)는, 실시예에 있어서, 4X4 광대역 버틀러 매트릭스의 구성은 내부에 4개의 90도 광대역 브랜치 라인 하이브리드 결합기(BBHC)와 2개의 45도 광대역 위상 천이기(BPS), 0도 기준 광대역 위상 천이기(BPS), 그리고 2개의 RF 크로스오버(Crossover)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, RF 크로스오버는 2 개의 RF 신호가 전기적 특성의 열화 없이 그리고 서로 독립적으로 상호 결합 없이 교차되는 것을 의미한다.

실시예에 있어서, 광대역 버틀러 매트릭스(1000)는 입출력 단자 수를 8개(M=8), 16개(M=16) 등으로 증가시킴에 따라 다중 채널 확장 설계가 가능하다.

아래의 표 1은 도 2의 광대역 버틀러 매트릭스의 입출력 관계 특성을 설명하기 위한 것이다.

I1 내지 I4 까지는 입력 단자를, O5 내지 O8까지는 출력 단자를 의미한다.

1번 입력 단자로 입력된 신호는 서로 독립적인 내부 회로 경로를 거쳐 O5 내지 O8의 각 출력 단자들로 입력된 신호의 1/4 크기의 동일한 전력 분배될 수 있으며, 이때, 각 출력 신호들의 위상은 45도씩 지연(Lag)되는 특성을 가질 수 있다.

2번 입력 단자도 서로 독립적인 내부 회로 경로를 거쳐 각 출력 단자들로 입력된 신호의 1/4 크기의 동일한 전력으로 분배시키며, 이때 각 출력 신호들의 위상은 135도씩 선행(Lead)되는 특성을 가질 수 있다.

또한, 3번 입력 단자로 입력된 신호는 서로 독립적인 내부 회로 경로를 거쳐 각 출력 단자들로 입력 신호의 1/4 크기의 동일한 전력으로 분배되며, 이 때 각 출력 신호들의 위상은 135도씩 지연 특성들을 갖는다.

4번 입력 단자로 입력되는 신호는 서로 독립적인 내부 회로 경로를 거쳐 각 출력 단자들에 입력 신호의 1/4 크기로 동일하게 분배될 수 있으며, 이때 각 출력 신호들의 위상은 45도씩 선행 특성을 가질 수 있다.

한편, 편파 재구성 회로망(200)은 배열 안테나 소자로부터 방사되는 편파를 실 시간적으로 재구성해 주는 기능을 제공한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 편파 재구성 회로망 구조를 설명하기 위한 블록도이다. 실시예에 따른 편파 재구성 회로망(200)은 입력 단자 수의 2배로 출력 단자를 포함할 수 있다.

편파 재구성 회로망(200)은 배열 안테나 소자로부터 방사되는 편파를 실 시간적으로 재구성해 주는 기능을 제공할 수 있다. 편파 재구성 회로망(200)의 내부는 단위 편파 재구성 회로망(210, 내지 240)을 입력 단자의 수만큼 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 단위 편파 재구성 회로망(210, 내지 240)의 구성의 실시예에 대해서 설명하면 도 4를 참조할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 단위 편파 재구성 회로망의 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 실시예에 있어서, 1:1 전력 분배기(211), 1-비트 90도 위상 천이기(212), 1-비트 180도 위상 천이기(213), 그리고 디지털 위상 천이기 제어 회로(214)를 포함하여 구성될 수 있다.

1:1 전력 분배기(211)는 출력 단자들 간의 격리 특성을 제공할 수 있는 윌킨슨 전력 분배기, 또는 90도 하이브리드 결합기가 사용될 수 있으며, 입력되는 전력을 같은 비율로 나누는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 각각 90도, 180도 위상 변화를 제공하기 위해서 1-비트 90도 위상 천이기(212), 1-비트 180도 위상 천이기(213) 이렇게 2개의 디지털 위상 천이기가 요구되며, 마지막으로 두 1-비트 위상 천이기의 위상을 제어하기 위한 디지털 위상 제어 회로(214)가 필요하다. 두 1-비트 위상 천이기를 통해 위상이 다른 두 개의 출력 신호를 생성할 수 있다.

단위 편파 재구성 회로망(210)은 하기 표 2와 같은 출력 특성을 제공하며, 이러한 결과는 이중 선형 직교 안테나의 공간 결합을 통해 4가지의 독립적인 편파 특성을 형성할 수 있다.

단위 편파 재구성 회로망(210)의 출력 단자들은 이중 직교 선형 편파(+45도/-45도) 안테나 배열 소자들로 구성된 광대역 배열 안테나(400)의 입력 단자들과 연결될 수 있다. 이때, 하기의 수학식 1을 통해 선형 빔 조향 조건에 따라 ±90도의 광범위 내에서 일실시예로 4개의 다중 빔을 형성하기 위해서는 배열 간격 dx가 0.35~0.4 파장 정도의 좁은 배열 간격을 요구할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광대역 배열 안테나 소자들간의 상호 공간 결합 특성 및 입력 정합 단자로의 영향에 대해서 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 좁은 배열 간격 조건에서는 광대역 배열 안테나(400) 소자들 간의 상호 공간 결합 특성에 의해 발생하는 인접 신호들 때문에, 해당 입력 정합 특성 및 안테나 방사 효율이 열화될 수 있다.

따라서, 이를 방지하기 위해 안테나 배열 소자들 사이에 비결합 브릿지 회로망(300)을 삽입할 수 있다.

실시예에 있어서, 안테나 소자(410)와 안테나 소자(420) 사이를 비결합 브릿지 회로(310)로 연결하고, 안테나 소자(420)와 안테나 소자(430) 사이를 비결합 브릿지 회로(320)로 연결하는 등의 방법을 통해 연속적으로 연결할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광대역 배열 안테나 소자들간의 상호 공간 결합 영향을 억압하는 비결합 브릿지 회로를 표현한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 광대역 배열 안테나 소자들 사이에 비결합 브릿지 회로망(300)을 삽입할 수 있다. 비결합 브릿지 회로(300)는 배열 안테나 소자들 간의 공간 결합 특성을 보상하기 위한 것이다. 도시된 바와 같이, 파워 커플링 및 위상 보상 회로 구성을 포함하는 구성을 개시한다. 비결합 브릿지 회로(310) 및 비결합 브릿지 회로(320)는 안테나 소자 특성에 따라 같은 회로 구성을 가지거나 다른 구성을 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 비결합 브릿지 회로의 자세한 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

실시예에 있어서, 각 안테나 배열 소자들 간의 공간 결합양을 예측하여 광대역에 걸쳐 동일한 신호 크기와 서로 반대되는 위상 특성을 갖는 신호 특성 또는 서로 켤레 복소수인 신호 특성을 인위적으로 형성해 줄 수 있다.

이러한 조건이 만족되는 경우에는 좁은 배열 간격에서도 높은 단자간의 격리 특성을 얻을 수 있기 때문에 양호한 입력 정합 특성 및 안테나 방사 특성을 얻을 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 비결합 브릿지 회로망의 일례를 도시한 도면이다.

실시예에 있어서, 파워 커플링으로 비균일 윌킨슨 전력 분배기를 이용한 구성과 개방 병렬 스터브 및 전송 선로 길이 조정을 이용하는 위상 보상 회로 구조를 갖는 비결합 브릿지 회로망(310)을 실시예로 개시할 수 있다.

각각의 광대역 배열 안테나(의 소자들은 2개의 직교 입력 단자들을 가질 수 있으며, 안테나 배열 가장자리에 위치하는 2개의 배열 소자는 더미(Dummy) 소자로서 안테나 입력 단자는 50옴(Ω)으로 종단될 수 있으며, 인접 배열 안테나 소자의 방사 특성을 보상하는 역할을 수행할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 이중 직교 선형 편파 배열 안테나 소자의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바에 의하면, 각각의 안테나 배열 소자들은 공간 결합에 의한 편파 특성을 재구성하기 위하여 도 9에서와 같이 이중 직교 선형 편파(+45도/-45도) 배열 안테나 소자 형태를 가지며, 2개의 독립적 입력 단자를 가질 수 있다. 실시예에 있어서, 배열 안테나 소자로서 입체 프린트형 교차 다이폴 구조 또는 스택 마이크로 스트립 패치 구조 등이 사용될 수 있다.

도 9의 배열안테나 소자는 도 6 및 도 7의 배열 안테나 소자의 위치에 대응하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 제안하는 광대역, 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 형성 안테나 장치를 구현할 경우, 일실시예로, ±90도의 광범위 내에서 동시에 4개의 독립적 편파 특성 및 고이득 특성을 갖는 독립적 다중 빔 특성을 형성할 수 있다. 실시예에 있어서, 4개 채널의 편파 특성은 무선 전파 환경 요구 조건과 인접 채널의 직교성 요구 조건에 따라 임의로 선택될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나 장치는, 무선 채널 환경에 적응하는 가변 편파 특성을 제공하는 배열 안테나 설계 기술, 광대역 다중 빔 형성을 위한 상업용/군용 배열 안테나의 광대역 버틀러 매트릭스 설계 기술, 배열 안테나 소자들간의 상호 결합 특성에 의한 안테나의 전기적 특성 열화를 보상하는 급전 회로망 기술에 직접 활용될 수 있으며, 또한 미래 고속 무선 통신 데이터 전송에 적합한 실시간 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 채널 형성을 갖는 소형 MIMO 안테나 기술에 널리 응용될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등한 것들에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

100: 광대역 버틀러 매트릭스
200: 편파 재구성 회로망
300: 비결합 브릿지 회로망
400: 광대역 배열 안테나

Claims (1)

1. 입력 단자 및 출력 단자 내에서 격리 특성을 가지며, 입력 신호를 동일한 전력으로 분배시키는 광대역 버틀러 매트릭스;
   상기 분배된 입력 신호를 소자들 각각에 입력 받는 광대역 배열 안테나;
   상기 분배된 입력 신호의 광대역 배열 안테나로부터 방사되는 편파를 실시간으로 재구성하는 편파 재구성 회로망; 및
   상기 광대역 배열 안테나의 소자들 간을 연결하고 공간 결합 전력과 동일한 크기 및 반전 위상을 갖는 신호를 인위적으로 형성하여 상기 광대역 배열 안테나의 소자들 간의 공간 결합 특성을 보상하는 비결합 브릿지 회로망
   을 포함하는 편파 재구성 및 광범위 다중 빔 채널 형성 배열 안테나 장치.

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