KR20150064225A - 액티브 위상 배열 안테나를 이용한 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

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빔 네트웍스 엘티디.
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Abstract

본 발명은 일반적으로 광대역 접속에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액티브 위상 배열 안테나를 이용하는 무선 통신 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN), 셀룰러(cellular) 통신과 같은 시스템에서 이용된다.

Description

액티브 위상 배열 안테나를 이용한 통신 시스템 및 방법{COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD USING AN ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNA}
본 발명은 일반적으로 광대역 접속에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액티브 위상 배열 안테나를 이용하는 무선 통신 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN), 셀룰러(cellular) 통신과 같은 시스템에서 이용된다.
광대역 접속 솔루션을 위한 요구가 증가되고 있다. 와이맥스란 용어는 IEEE 802.16 표준의 적합성 및 상호운용성을 추진하는 와이맥스 포럼에 의해 마이크로웨이브 접속을 위한 월드와이드 상호호환성(Worldwide Interoperability for Microwave Access)으로 정의된다.
여러 방법 및 기술은 IEEE 802.16 및 유사 표준과 일치하는 광대역 접속을 가능하게 하기 위하여 채택되었고, 이 기준을 지원하는 가장 일반적인 기술은 MIMO(Multiple In Multiple Out)기술로 알려져 있고, 이 기술은 여러 개의 안테나의 배치에 기반한다.
그러나, MIMO 기술은 상대적으로 고비용으로 기인한 알려진 단점이 있다. 아울러, 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN), 셀룰러(cellular) 통신을 위해 사용되는 다른 기술과 같이, MIMO 기술은 요청된 주파수대역의 동적 변화에 대응하는 시스템 및 방법을 제공하지 못하고, 정밀한 지향적 송신 및 수신이 가능한 효율적인 방법을 제공하지 못한다.
와이맥스(WIMAX)에 관하여만 앞서 소개하였지만, 와이파이(WIFI) 표준(IEEE 802.11), 와이팬(WPAN)(IEEE 802.153C), 셀룰러(cellular) 통신 프로토콜 및 다른 방법, 다른 프로토콜들도 마찬가지로 유사한 문제점이 관련되어 있다. 본 발명은 상기 기술들 및 현재 알려진 또는 후에 발전된 통신 방법 및 프로토콜과 같은 다른 기술에 대해 상기 유사한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 실시예는 수 미터에서 수 킬로미터 거리에 존재하는 대상(object)들 사이에 액티브(active) 위상 배열 안테나 시스템을 통하여 전자 신호를 송수신하여 무선 통신을 수행하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예를 들면, 셀룰러(cellular) 기지국과 복수의 셀 폰(cellular phone) 장치 사이의 통신, 제어 기지국과 자동차 제어부 사이의 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN), 셀룰러(cellular) 통신, TV 셋탑 박스(STB; Set Top Box)에서 HDTV 수신기로의 HDTV 송신과 같다.
본 발명의 일 실시예를 따르면, 4개의 1차원 위상 배열 복사체(radiator)로 구성된 안테나 유닛은 복수의 장치 간에 통신(송수신)을 가능하게 한다. 여기서, 안테나 유닛은 안테나 유닛 주위의 넓은 각도로 위치된 특정 장치에 효율적인 송신(또는 수신)이 가능하도록 복수의 복사 모드 사이에 스위칭된다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 송수신 대상 사이에 높은 효율의 통신이 가능하도록 낮은 비용의 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 실내(indoor) 어플리케이션뿐만 아니라 실외(outdoor) 어플리케이션을 위한 높은 처리율의 통신을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복사의 송신 및 수신을 위한 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛 및 상기 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛을 구동하고 제어하는 위상 천이 회로를 포함하는 무선 통신 시스템이 제공된다. 여기서, 상기 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛은 4개 이상의 1차원 배열의 복사체들을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 안테나 유닛은 활성화(active) 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 1차원 배열의 복사체들은 선형(linear)이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 안테나 유닛은 수직 방향으로 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 1차원 배열의 복사체들은 대칭적이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 1차원 배열의 복사체들은 선형 및 대칭적이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 짝수 1차원 배열의 복사체들은 홀수 1차원 배열의 복사체들을 기준으로 2개의 근접한 복사체들 간의 거리의 약 1/2 정도 이동되어 위치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하나 이상의 위상 배열 안테나 부는 4개 이상의 복사체들을 포함한다. 여기서, 2개 이상의 그룹의 복사체들 중 하나는 기준 그룹으로 정의되고, 4개 이상의 그룹의 복사체 들 중 2개 이상은 상기 기준 그룹에 상응하여 프로그램이 가능한 위상 천이와 함께 송수신을 위한 위상 배열 회로에 의해 제어된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각 그룹의 복사체들은 적어도 하나의 1차원 배열의 복사체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 프로그램된 위상 천이는 ＋180 도 또는 －180 도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 선택적으로 3개 이상의 복사 모드 사이에 스위칭된다. 여기서, 복사 모드는 다른 위상 천이에서 각각 송수신하는 복사체 그룹의 수 및 각 그룹의 복사체들과 연관되어 프로그램 가능한 위상 천이에 따라 정의된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3개 이상의 복사 모드 사이에서 상기 선택적인 스위칭은 실질적으로 넓은 수평 각도 이상의 대상들과 통신이 가능하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 수평각도는 90도 이상이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3 개 이상의 복사 모드간의 상기 선택적인 스위칭은 3개 이상의 복사 모드에서 수신된 신호 수준(level)에 달려있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 회로는 상기 위상 배열 안테나 유닛이 수직 빔(beam) 개구부(aperture)에서 복사되도록 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 좁은 수직 빔(beam) 개구부(aperture)는 프로그램된 패턴에 따라 수직적으로 조절된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 회로는 2 수준의 PSIPPO를 포함하고, 상기 좁은 수직 빔(beam) 개구부(aperture)는 2 수준의 PSIPPO에 제어신호를 제공함에 의해 프로그램된 패턴에 따라 수직적으로 조절된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템은 실외(outdoor) 통신을 위하여 이용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템은 실내(indoor) 통신을 위하여 이용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복사된 전자 신호의 송수신을 위한 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛은 다양한 현재 알려지거나 후에 발전되는 통신 프로토콜 및 방법들에 의해 송신하거나 수신한다. 그러한 예로 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), HDTV 또는 셀룰러(cellular) 통신에 규격의 데이터 신호들 또는 그들의 어떤 조합을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 안테나 주위의 지역을 360도 커버하기 위한 실질적으로 직사각형 구조에 위치되는 4개의 위상 배열 안테나를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 실시예는 수 미터에서 수 킬로미터 거리에 존재하는 대상(object)들 사이에 액티브(active) 위상 배열 안테나 시스템을 통하여 전자 신호를 송수신하여 무선 통신을 수행하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예를 들면, 셀룰러(cellular) 기지국과 복수의 셀 폰(cellular phone) 장치 사이의 통신, 제어 기지국과 자동차 제어부 사이의 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN), 셀룰러(cellular) 통신, TV 셋탑 박스(STB; Set Top Box)에서 HDTV 수신기로의 HDTV 송신과 같다.
본 발명의 일 실시예를 따르면, 4개의 1차원 위상 배열 복사체(radiator)로 구성된 안테나 유닛은 복수의 장치 간에 통신(송수신)을 가능하게 한다. 여기서, 안테나 유닛은 안테나 유닛 주위의 넓은 각도로 위치된 특정 장치에 효율적인 송신(또는 수신)이 가능하도록 복수의 복사 모드 사이에 스위칭된다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 송수신 대상 사이에 높은 효율의 통신이 가능하도록 낮은 비용의 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 실내(indoor) 어플리케이션뿐만 아니라 실외(outdoor) 어플리케이션을 위한 높은 처리율의 통신을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복사의 송신 및 수신을 위한 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛 및 상기 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛을 구동하고 제어하는 위상 천이 회로를 포함하는 무선 통신 시스템이 제공된다. 여기서, 상기 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛은 4개 이상의 1차원 배열의 복사체들을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 안테나 유닛은 활성화(active) 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 1차원 배열의 복사체들은 선형(linear)이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 안테나 유닛은 수직 방향으로 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 1차원 배열의 복사체들은 대칭적이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 1차원 배열의 복사체들은 선형 및 대칭적이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 짝수 1차원 배열의 복사체들은 홀수 1차원 배열의 복사체들을 기준으로 2개의 근접한 복사체들 간의 거리의 약 1/2 정도 이동되어 위치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하나 이상의 위상 배열 안테나 부는 4개 이상의 복사체들을 포함한다. 여기서, 2개 이상의 그룹의 복사체들 중 하나는 기준 그룹으로 정의되고, 4개 이상의 그룹의 복사체 들 중 2개 이상은 상기 기준 그룹에 상응하여 프로그램이 가능한 위상 천이와 함께 송수신을 위한 위상 배열 회로에 의해 제어된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각 그룹의 복사체들은 적어도 하나의 1차원 배열의 복사체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 프로그램된 위상 천이는 ＋180 도 또는 －180 도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 선택적으로 3개 이상의 복사 모드 사이에 스위칭된다. 여기서, 복사 모드는 다른 위상 천이에서 각각 송수신하는 복사체 그룹의 수 및 각 그룹의 복사체들과 연관되어 프로그램 가능한 위상 천이에 따라 정의된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3개 이상의 복사 모드 사이에서 상기 선택적인 스위칭은 실질적으로 넓은 수평 각도 이상의 대상들과 통신이 가능하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 수평각도는 90도 이상이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3 개 이상의 복사 모드간의 상기 선택적인 스위칭은 3개 이상의 복사 모드에서 수신된 신호 수준(level)에 달려있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 회로는 상기 위상 배열 안테나 유닛이 수직 빔(beam) 개구부(aperture)에서 복사되도록 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 좁은 수직 빔(beam) 개구부(aperture)는 프로그램된 패턴에 따라 수직적으로 조절된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 위상 배열 회로는 2 수준의 PSIPPO를 포함하고, 상기 좁은 수직 빔(beam) 개구부(aperture)는 2 수준의 PSIPPO에 제어신호를 제공함에 의해 프로그램된 패턴에 따라 수직적으로 조절된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템은 실외(outdoor) 통신을 위하여 이용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템은 실내(indoor) 통신을 위하여 이용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복사된 전자 신호의 송수신을 위한 하나 이상의 위상 배열 안테나 유닛은 다양한 현재 알려지거나 후에 발전되는 통신 프로토콜 및 방법들에 의해 송신하거나 수신한다. 그러한 예로 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), HDTV 또는 셀룰러(cellular) 통신에 규격의 데이터 신호들 또는 그들의 어떤 조합을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 안테나 주위의 지역을 360도 커버하기 위한 실질적으로 직사각형 구조에 위치되는 4개의 위상 배열 안테나를 포함한다.
본 발명은 도면들과 함께 다음의 상세하게 기술된 설명으로부터 완전하게 이해되고 인식될 것이다. 하나 이상의 도면에서 나타난 식별된 구조, 요소 또는 부분은 모든 도면에서 동일하거나 유사한 참조번호가 부여된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 배열 안테나 유닛의 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 기둥(pole)에 위치된 4개의 위상 배열 안테나 유닛을 포함하는 위상 배열 안테나 시스템의 도식도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 운영 모드의 위상 배열 안테나 유닛의 (극 및 데카르트) 복사 패턴 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 운영 모드의 위상 배열 안테나 유닛의 (극 및 데카르트) 복사 패턴 그래프이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 운영 모드의 위상 배열 안테나 유닛의 (극 및 데카르트) 복사 패턴 그래프이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 서비스 필요에 따라 각각 다른 시간에 운영되는 3개의 운영 모드를 요약한 위상 배열 안테나 유닛의 (극 및 데카르트) 복사 패턴 그래프이다.
도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 기둥(pole)의 4개의 측면에 위치된 4개의 위상 배열 안테나 유닛의 3개의 운영 모드를 요약한 위상 배열 안테나 유닛의 극 좌표의 복사 패턴 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 운영 모드의 조합을 지원하는 위상 배열 안테나 회로를 수행하는 기본 회로의 개략도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 운영 모드의 조합을 지원하는 위상 배열 안테나 회로를 수행하는 도 3a의 고주파수 포트의 믹서들에 연결되는 트랜시버(transceiver)의 전단부(front end)의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 송수신 종점들(end points)과 통신하는 360도 위상 배열 안테나 시스템을 보여주는 도면이다.
본 출원에 참조로서 결합된 2006년 10월 3일에 출원된 PCT/IL2006/001144 및 2006년 9월 6일에 출원된 PCT/IL2006/001039에 개시된 내용에는 낮은 비용 및 경량 분산 액티브 위상 배열 안테나(light weight distributed active phased array antenna)를 제공하기 위한 상세한 구성 요소 및 회로 디자인에 대한 내용이 있다. 상기 출원들은 낮은 비용 및 작은 크기의 회로로 이행되거나 위상 배열 안테나에 의해 송신되고 감지되는 신호들을 생성하고 제어하기 위한 집적화된 칩으로 제조될 수 있는 회로를 설명하고 있다. 본 출원은 이하에서 더욱 상세히 설명할 현재 발명을 구현하기 위한 적합한 액티브 위상 배열 안테나를 제공하는 상기 출원들에서 설명된 개념을 구현하는 것이다.
도 1a는 마이크로스트립 기술을 이용하여 구현될 수 있고, 직사각형의 케이싱(105)에 위치되고, 관련된 베이스 플레이트와 함께 유전체 기판 상에 존재하는 4개 이상의 1차원 배열의 복사체("복사체들"이라 칭함)(110, 115, 120, 125)를 포함하는 액티브 위상 배열 안테나(APAA; Active Phased Array Antenna)("안테나 유닛"이라 칭함)(100)의 복사부(radiation part)를 보여준다. 도 1에 특히 도시된 전체 안테나 배열은 A1부터 A16, B1부터 B16, C1부터 C16, D1부터 D16까지 표시된 64개의 복사체들로 구성된다. 그러나, 다른 수의 복사체가 필요로 하는 파워 출력 및 정밀도에 기인하여 이용될 수 있다. 각 복사체는 예를 들면, A1(130)과 같은 6각형 패치 모양이다. 각 복사체는 각각 복사체의 상부 꼭지점(예를 들면, A1부터 A16, C1부터 C16) 또는 하부 꼭지점(예를 들면, B1부터 B16, D1부터 D16)에 피더(feeder)(복사체로부터 또는 복사체로 전자기파를 전달하는 I/O포트)(135, 145, 155, 165)를 가진다. 복사체의 육각형 모양은 사각형 또는 원형의 복사체보다 시뮬레이션에 의해 송신 이득 및/또는 수신 이득 및 근접한 복사체 간의 상대적으로 좋은 격리도(isolation) 면에서 더 나은 결과를 보여주었다. 그러나, 다른 기하학적 모양이 선택될 수도 있다.
도 1에서 도시된 1차원 배열 복사체는 선형(복사체가 직선을 따라 위치함)이고, 대칭적(복사체간 동일한 간격임)이지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서 1차원 배열의 복사체들은 비선형 또는 비대칭일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복사체 피더의 위치는 대칭적 구조로 형성된다. 첫 번째 및 세 번째 1차원 배열 복사체들에서 복사체의 피더는 육각형 패치의 상부 꼭지점에 위치하는 반면, 두 번째 및 네 번째 1차원 배열 복사체에서 복사체의 피더는 패치의 하부 꼭지점에 위치한다. 복사체 피더의 대칭적 위치는 대칭적인 복사 패턴에 선택적으로(optionally) 기여한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 짝수의 1차원 배열 복사체들은 홀수의 1차원 배열 복사체들을 기준으로 근접한 두 복사체간의 거리의 약 1/2 정도가 이동된다. 그러므로, 복사체 B1(140)은 복사체 A1(130) 밑에 보여지지 않고 복사체 A1 및 복사체 A2 사이에 보여진다. 복사체들의 이러한 배열은 주어진 지역에서 향상된 빔(beam) 형성을 하기 위하여 복사체들의 밀도를 최적화할 수 있다.
도 1a에서 안테나 케이싱(105)이 수평 방향에서 보여지는 반면, APAA 시스템의 실용적인 사용을 위하여 도 1b에서 보여진 바와 같이, 안테나는 수직적으로 위치할 수 있으며, 예를 들면, 복사체 A1, B1, C1, 및 D1은 안테나의 상단에 위치할 수 있고, A16, B16, C16 및 D16는 안테나의 하단에 위치할 수 있다.
안테나의 크기는 전파의 주파수 및 물질의 유전상수에 따라 달라진다. 그러나, 다른 어플리케이션에서 사용하기 위하여, 예를 들면, 와이맥스 어플리케이션의 경우, 복사체의 크기는 전형적으로 수 센티미터를 초과하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나(100)의 커버리지 지역에서 높은 파워 밀도를 유지하며, 장치와 통신하기 위한 더 넓은 방위각 커버리지를 만들기 위하여 3개의 다른 복사 패턴("복사 모드"라 칭함)이 동일한 물리적 배열의 복사체들에서 생성된다.
선택적으로, 안테나(100)에 의한 다중 복사 모드의 생성은 4개의 1차원 배열 복사체(110, 115, 120, 125) 사이의 상대적인 위상 천이에 의한 신호로 정의된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 복사모드는 4개의 1차원 배열 복사체들(110, 115, 120, 125)로 다음의 위상 천이 패턴을 제공함에 의해 정의된다. 선택적으로, 제1의 1차원 배열 복사체(110)은 0도의 위상 천이를 가진다. 이 배열이 참조 배열이 된다. 제2의 1차원 배열 복사체(115)는 제1 배열과 같이 0도의 동일한 위상 천이를 가진다. 제3의 1차원 배열 복사체(120)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)에 관련하여 180도의 위상천이를 가진다(예를 들면, 1<=i<=16인 복사체 Ci는 상응하는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)의 복사체 Ai에 관련하여 각각 180도의 위상이 천이됨). 이는 제1의 1차원 배열 복사체들을 참조로 180도 위상이 천이된 제4의 1차원 배열 또한 동일하게 적용된다.
동일한 복사체를 통하여 송신 및 수신이 함께 가능하고, 더 효율적인 구조라는 것에 유의해야 한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 송신 및 수신은 송신 복사체들과 수신 복사체들로 분리된다. 송신 및 수신을 위한 다른 복사체들의 배치는 2개의 다른 위상 천이 유닛(unit)으로 기능들을 분리하거나 또는 위상 배열 부분에서 상호보완적인 서브 그룹이 수신을 위하여 이용되면 송신을 위한 서브 그룹의 복사체들이 대안적으로 정의되는 등의 다양한 토폴리지(topology)에서 수행될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 복사 모드에서 안테나의 방위각 커버리지를 표시하는 복사패턴의 극 좌표(205) 및 데카르트(Cartesian) 좌표(210)의 표현을 개략적으로 보여주는 도면이다. 빔(205)(송수신을 위함)에 의해 커버되는 방위각은 실질적으로 수직방향으로 약 5도 정도의 개구부(aperture)를 갖는 평면형의 빔이다. 이러한 좁은 개구부(aperture) 각도는 1차원 배열에서 복사체들의 수에 따라 달라진다.
도 2a는 안테나 이득(dB) 대 방위각을 표현하는 데카르트 그래프(210)을 더 보여준다.
이하에서 더욱 설명하지만, 시스템은 복사체 Ak, Bk, Ck, Dk에 0도에서 180도의 위상을 설정하고, 분포된 각 1차원 배열의 복사체들에 동일하고 선형적인 위상들을 추가하여 복사 패턴을 수직적으로 조절하는 것이 가능하다. 이러한 방법으로 적합한 양각(elevation angle)이 커버될 것이다. 3개의 안테나 복사 모드에 의한 방위각 커버리지는 위상 배열 안테나의 전자적 조절에 의한 양각과 함께 송신된 신호의 높은 파워 밀도와 함께 시스템이 넓은 입체각(solid angle)을 커버되는 것이 가능하다.
도 2a는 약 100도의 각도를 커버하는 2개의 주(main) 로브(lobes)를 생성하는 제1 복사 모드를 보여준다. 그러나 제1 복사 모드는 2개의 최대 지점(2개의 로브를 형성)에서 최대 커버리지 및 2개의 주 로브 사이의 중간 지역에서 더 약한 커버리지를 제공한다. 선택적으로, 아래에서 설명하는 바와 같이, 다른 복사모드들이 제1 복사 모드의 빔(205)이 최적이 아닌 지역에서 커버리지를 확장하기 위하여 사용될 것이다.
선택적으로, 제1 복사 모드는 4개의 1차원 복사체들(110, 115, 120, 125)로 다음의 위상 천이를 제공함에 의해 이루어질 수 있다. 선택적으로 제1의 1차원 배열 복사체들(110)은, 참조로서 0도 위상 천이되며, 제2의 1차원 배열 복사체들(115)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 동일한 위상 천이(예를 들면 0도)를 가진다. 제3의 1차원 배열 복사체들(120)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 180도의 위상 천이를 가진다. 제4의 1차원 배열 복사체(125)는 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 180도의 위상 천이(예를 들면 제3의 1차원 배열 복사체들은 동일한 위상 천이를 함)를 가진다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 복사 모드의 복사 패턴의 극 (230) 및 데카르트(235) 표현이며, 제2 복사 모드의 방위각 커버리지가 인식될 수 있다. 선택적으로, 제2 복사 모드는 4개의 1차원 복사체들(110, 115, 120, 125)로 다음의 위상 천이를 제공함에 의해 이루어질 수 있다. 선택적으로, 제1의 1차원 배열 복사체들(110)은, 참조로서 0도 위상 천이되며, 제2의 1차원 배열 복사체들(115)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 180도 위상 천이를 가진다. 제3의 1차원 배열 복사체들(120)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 0도의 위상 천이(예를 들면 제1의 1차원 배열 복사체들은 동일한 위상 천이를 함)를 가진다. 제4의 1차원 배열 복사체(125)는 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 180도의 위상 천이를 가진다.
도 2b는 안테나 이득(dB) 대 방위각을 표현하는 데카르트 그래프(235)을 더 보여준다.
도 2b는 하나의 주 로브(lobe)에서 송신 및 수신의 커버리지가 제공되는 제2 복사 모드를 보여준다. 제1 모드에서 기재된 바와 같이, 제2 복사 모드의 수직 빔 각도는 약 5도의 동일한 좁은 개구부(aperture)를 가진다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 복사 모드의 방위각 커버리지가 나타난 제3 복사 모드의 복사 패턴을 극(260) 및 데카르트(265) 표현을 보여준다. 제3 복사 모드는 4개의 1차원 배열 복사체들로 다음의 위상 천이를 제공함에 의해 이루어진다. 제1의 1차원 배열 복사체들(110)은, 참조로서 0도 위상 천이되며, 제2의 1차원 배열 복사체들(115)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 180도 위상 천이를 가진다. 제3의 1차원 배열 복사체들(120)는 제1의 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 180도의 위상 천이를 가진다. 제4의 1차원 배열 복사체(125)는 1차원 배열 복사체들(110)을 참조로 0도의 위상 천이(예를 들어 제1 1차원 배열 복사체들(110)과 동일한 위상임)를 가진다.
도 2c는 안테나 이득(dB) 대 방위각을 표현하는 데카르트 그래프(265)을 더 보여준다.
도 2c는 제3 복사 모드가 제1 및 제2 복사 모드에 의해 커버되는 지역 사이의 갭(gap)의 최적 커버리지를 제공하는 2개의 주 로브(lobe)에서 송신 및 수신 커버리지를 제공함을 보여준다. 제1 복사 모드에서 기재된 바와 같이, 제3 복사 모드의 수직 빔 각도는 약 5도의 동일한 좁은 개구부(aperture)를 가진다.
도 2d는 3개의 모드들의 합(summation)에 의해 제공되는 커버리지를 보여준다. 3개의 모드들의 합(summation)(극 그래프(280), 데카르트 그래프(285))은 90도 넓이보다 더 큰 부분의 우수한 커버리지를 제공하는 것을 보여준다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, APAA 시스템은 3개의 모드보다 더 많은 또는 더 적은 모드들 사이에 스위칭될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, APAA 시스템은 1차원 배열 복사체로 180도보다 크거나 작은 위상 천이를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, APAA 시스템은 4개의 1차원 배열 복사체들보다 많거나 적게 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, APAA 시스템은 복사체들의 어느 서브그룹이 어느 기준 서브 그룹을 참조로 프로그램 가능한 위상천이가 연관될 수 있는 다양한 조합의 복사체들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 안테나 유닛은 8개의 1차원 배열 복사체들을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2의 1차원 배열 복사체는 제1 그룹의 복사체들로 구성될 것이며, 제3 및 제4의 1차원 배열 복사체는 제2 그룹의 복사체들로 구성될 것이며, 제5 및 제6의 1차원 배열 복사체는 제3 그룹의 복사체들로 구성될 것이며, 제7 및 제8의 1차원 배열 복사체는 제4 그룹 복사체들로 구성될 것이다.
*안테나 유닛의 더욱 일반적인 케이스는 가능한 기하학적 구조에 위치한 N(8보다 큰 정수)개의 복사체들로 구성될 수 있다. 시스템은 복사 모드들 사이에서 선택적으로 스위칭되며, 복사모드는 그룹의 수와, 각 그룹에서 연관된 위상의 천이에 의해 정의된다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 APAA 시스템을 운영하는 경우, 시스템은 3개의 복사 모드 사이에서 스위칭된다. 스위칭은 주기적인 스위칭 모드일 수 있고, 어느 희망했던(desired) 모드일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템은 예를 들면, 시스템에 의해 커버되는 지역을 수신 소스 또는 송신 소스가 합쳐지거나 벗어날 때 또는 다른 필요 및 우선순위가 요구될 때 등 동적인 환경에 적응하기 위하여 스위칭 패턴을 변경할 수 있다. 선택적으로, 스위칭 패턴의 변경은 예를 들면, 특정 고객 장치에 대역을 증가시키는 등의 다른 지역에 대한 하나의 지역의 커버리지에서 우선순위를 제공한다.
1차원 배열 복사체들 사이에서 위상 천이가 0도 또는 180도인 복사 모드의 사용은 도 3a 및 도 3b에서 보여진 바와 같이, APAA 시스템에서 송신 및 수신을 지원하는 전자 회로를 간단하게 하는 것이 가능하다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 배열 복사체들에 복사 신호를 제공하기 위한 기본 회로의 바람직한 실시예이다.
PCT/IL2006/001144에서 자세하게 기재된 바와 같이, 회로는 그 출력이 "매니폴드(manifold)"라고 불려지는 분기 구성요소(306-312)를 통하여 8개의 가지로 분기되는 오실레이터 유닛(305)이 이용된다. 그리고 나서, 신호들은 제1 단계의 PSIPPO(phase shifted injection locked push-push oscillator; 위상 천이 주사 고착 푸쉬-푸쉬 오실레이터)(320-327)에 도달한다. 당업자들은 이 단계의 PSIPPO에서 결정되는 위상 천이가 빔을 수직적 높이에서 조절한다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 제1 단계 및 제2 단계의 PSIPPO에서 0도의 위상 천이를 적용하는 것은 복사 패턴(빔)은 도 2a, 2b 및 2c에서 참조번호 205, 230 및 260(각각은 안테나 표면에서 수직적인 대칭 축을 가짐)에 도시된 바와 같이, 평평한 종류의 "팬(fan)"일 것이다.
제1 단계의 PSIPPO에서 출력된 신호들은 또 다른 단계의 분기 구성요소(330-337)로 분기되고, 수직적 높이에서 빔을 조절하는 데 기여하는 제2 단계의 PSIPPO(340-355)로 진행된다. 도 3a는 저주파수에서 마스터 오실레이터(305)로부터 출발하여, 매니폴드(306-312)의 전력 분기점을 거쳐서, 두 단계의 PSIPPO(320-327 및 340-355), 도 3b에 도시되어 복사체 근처에 위치한 스위치 380a-380d 및 383a -383d의 위치에 따라서 업-컨버터 또는 다운-컨버터로 행동되는 믹서(361a-361p)까지 시스템 요소를 보여준다.
도 3b에 도시된 스위치 라인 없이 회로 구조에 의해 원칙적으로 동일한 시스템 거동이 확실할 수 있다. 그러나 이 방법은 훨씬 많은 수의 요소를 포함하며, 낮은 상업적 이익을 제공한다.
일반적인 경우에서, 16X4 복사체들에 의해 송신되거나 수신되는 안테나는 도 3a에서 보여진 바와 같이 4개의 회로의 사용을 요구될 수 있다. 그러나, 도 3b의 도식을 이용하면, 시스템은 덜 비싸지고 더 효율적이게 된다. 사실, 도 3b는 상위 및 하위 경로의 두 단계의 스위치 라인과 함께 복사체들 Ak, Bk, Ck, Dk로 0도 또는 180도의 위상의 신호를 전달할 수 있다. 그것은 단지 도 3a의 단 하나의 서브시스템이 3개의 안테나 모드에 의해 요구된 모든 신호를 제공하는 데 충분하다는 것을 의미한다.
도 3a를 참조하면, 제2 단계의 PSIPPO(340-355)로부터 출력된 신호는 업-컨버트(또는 다운-컨버트)가 가능한 펌프 신호, 기저대(base band)의 신호가 IF 포트를 통하여 믹서로 입력되는 신호(또는 복사체들로부터 나온 RF 시그널이 RF포트를 통하여 믹서들에 입력되는 신호)이다. 동일 신호들이 동일 위상에서 송신 및 수신 운영을 위해 이용된다는 사실은 송신 및 수신에서 빔의 동일방향을 확실히 한다.
16개의 믹서들의 고주파수 포트는 도 3b의 블록과 각각 연결된다. 믹서의 각 고주파수 포트는 4개의 복사체들 Ak, Bk, Ck, Dk(1<=k<=16)의 세트로(로부터) 신호를 전달(또는 수신)한다.
도 3b는 위상 천이 신호가 4개의 1차원 배열의 4개의 복사체들-각각은 4개의 다른 선형 배열 중 하나이고, 각각은 16개의 구성요소를 포함하며, 배열에서 동일한 위치임-에게 제공되는 낮은 비용의 간단한 회로를 보여준다. 도 3b에서 보여준 회로는 하나의 배열의 패치들의 16개의 위치에 상응하여 16번 반복되고, 각각의 믹서들(361a-361p)과 연결된다. 도 3b는 3개의 식별된 스위치 경로를 포함한다. 제1은 지연 요소(delay element, 373) 및 2개의 스위치(372, 374)를 포함한다. 제2 스위치 경로는 지연 요소(378b) 및 2개의 스위치 (377b, 379b)를 포함하고, 제3 스위치 경로는 지연 요소(378d) 및 2개의 스위치 (377d, 379d)를 포함한다. 회로는 스위치(380, 383) 및 증폭기(381, 382)를 각각 포함하는 4개 방향의 서브 회로를 더 포함한다(여기서, 인덱스 a-d는 각각의 서브 회로를 지시함).
도 2a로 돌아와서(제1 복사모드로 동작하기 위하여), 180도의 위상 천이가 제3 및 제4의 1차원 배열 복사체들에 제공될 수 있다. 0도의 위상 천이는 제1 및 제2의 1차원 배열 복사체들에 제공될 수 있다. 이것은 도 3b에서 다음의 경로를 선택하는 것에 의해 수행될 수 있다.
복사체 Ak는 위상 0도를 참조로 하여 390a를 통한 경로를 따르는 신호를 복사할 것이다.
복사체 Bk는 위상 0도를 참조로 하여 1001/1000/401/500을 통한 경로를 따르는 신호를 복사할 것이다.
복사체 Ck는, 신호를 180도 천이하는 지연 요소(373)를 통하여 신호가 라우트(route) 되는 한, 위상 180도로 하여 390c를 통한 경로를 따르는 신호를 복사할 것이다.
복사체 Dk는, 신호를 180도 천이하는 지연 요소(373)를 통하여 신호가 라우트(route) 되는 한, 위상 180도로 하여 390d를 통한 경로를 따르는 신호를 복사할 것이다.
신호들은 모든 16X4 복사체들에게 유사하게(또는 구별되어: 빔 조절에 따라서) 전달되기 위하여, 작동은 모든 "k(1<=<=16)" 믹서들에서 나온 신호에 의하여 실행된다.
지연 요소들(373, 378b 및 378d)은 간단하고 낮은 비용의 송신 라인이고, 경로들(391a, 390a, 390b, 390 및 390d) 또한 간단한 송신 라인이다. 제1 및 제2 그룹의 라인 사이의 전기적 차이점은 180도이다. 도 3a의 멀티 서브시스템을 사용하는 대신, 전자적 스위치 및 송신라인의 사용은 비용 및 전체 시스템의 크기를 줄인다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 APAA 시스템(400)을 보여준다. 시스템은 4개의 위상 배열 안테나 유닛들(410, 415, 420 및 425)은 각각 폴(pole)의 다른 측면에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 4개의 위상 배열 안테나 유닛들은 방위각에서 90도 이상을 커버하고, 이러한 방법으로 모든 4개의 위상 배열 안테나 유닛들은 360도를 커버한다. 각각의 위상 배열 안테나 유닛은 도 2a-2c에서 도시된 바와 같이 3개의 복사 모드 사이를 스위칭한다. 동시에 각각의 4개의 위상 배열 안테나 유닛들은 또한 빔의 수직적 높이(elevation)를 조절한다. 빔을 수직적으로 조절하는 것은 2개의 배열의 PSIPPO(320-327 및 350-355)(도 3a )에 의해 제어된다.
선택적으로 모든 4개의 위상 배열 유닛들은 1개의 위상 배열 회로에 의해 제어된다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 4개의 위상 배열 유닛 각각의 또는 부분은 개별적인 위상 배열 회로에 의해 구동되고 제어된다.
데이터를 송신 및 수신하는 동안, 시스템은 위상 배열 유닛(415)으로 데이터를 송신하는 PC 장치(430) 및 동일한 위상 배열 유닛(415)로 데이터를 송신하는 차량 제어 장치(435)를 감지할 수 있다. 도 4는 위상 배열 안테나 유닛(410)에 의해 수신된 데이터를 송신하는 중계기 장치(440)의 안테나 및 셀 폰 장치(445)를 더 보여준다. 시스템은 3개의 복사 모드에서 스위칭하므로, 각각의 장치의 송신은 3개의 복사 모드 각각 다른 강도(intensity)에서 차단될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템은 수신된 신호가 최대(maximal)일 때, 3개 수신 모드 사이에 각 장치를 위한 최상 수신 모드를 식별하고, 최상 수신 모드에서 장치에 송신 및 수신에서 우선권을 할당한다. 그러므로, PC장치(430)를 위한 최상 수신 모드가 제1 복사 모드이고, 차량 제어 장치를 위한 최상 수신 모드가 제3 복사 모드인 경우, 시스템은 제2 복사 모드에서 송신 및 수신을 위하여 할당된 시간을 줄일 수 있고, 제1 및 제3 복사 모드에 할당된 시간을 늘릴 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 송신 장치에 의해 부여된 요구 주파수 대역에 따라 송신 및 수신 시간 슬롯을 할당한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 송신장치가 가장 잘 수신되는 수직적 높이(elevation)를 고려하여 수직적 높이(elevation)를 변경하는 타임 슬롯을 할당한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 4개의 위상 배열 안테나 유닛들(410, 415, 420 및 425) 각각에 분리된 제어 회로는 4개의 위상 배열 안테나들 각각에 분리되어 요구된 주파수 대역을 취적화할 수 있다.
APAA 시스템에 관하여 앞 서 기재된 바와 같이, 본 발명이 액티브 통신에만 제한되지 않고 어느 적합한 통신 프로토콜 또는 방법-예를 들면, HDTV, 셀룰러(cellular) 통신 표준 및 프로토콜 들뿐만 아니라 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN)을 포함함-에 적용할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
앞에서 기술한 방법 및 시스템은 생략되거나 추가되는 단계, 단계의 순서의 변경, 사용된 장치의 종류를 포함하여 많은 방법에서 변경될 수 있음을 자명하다. 다른 특징은 다른 방법에서 결합될 수 있음은 자명하다. 특히 앞에서 보여준 특별한 실시예에서 보여진 특징은 발명의 실시예에서 모두 필요하지 않는다. 앞 서 언급한 특징의 또 다른 조합은 발명의 다른 실시예의 범위에서 고려될 수 있다. 예를 들면, 위에서 언급한 시스템은 몇 개이든 복사체들을 포함하는 4개의 선형 배열 안테나들에서 작동할 수 있다.
본 발명은 위에서 부분적으로 보여지고 기재된 발명에 한정되지 않음은 당업자에게 자명하다. 또한, 본 발명의 범위는 다음의 청구항에 의하여만 정의된다.

Claims (15)

  1. 무선 통신 시스템에 있어서,
    데이터 통신의 송신 및 수신을 위한 적어도 하나의 액티브(active) 위상 배열 안테나 유닛;
    상기 적어도 하나의 액티브 위상 배열 안테나 유닛을 구동 및 제어하기 위한 위상 배열 회로를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 액티브 위상 배열 안테나 유닛은 적어도 4개의 1차원 배열 복사체를 포함하고, 상기 위상 배열 회로는 다수의 위상 천이 주사 고착 푸쉬-푸쉬 오실레이터(PSIPPO; phased shifted injection locked push-push oscillators)를 포함하는 무선 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 1차원 배열 복사체는 선형인 무선 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액티브 위상 배열 안테나 유닛은 수직 방향에서 위치되는 무선 통신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 1차원 배열 복사체들은 대칭적인 무선 통신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 1차원 배열 복사체들은 선형이고 대칭적인 무선 통신 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    짝수의 1차원 배열 복사체들은 홀수의 1차원 배열 복사체들을 기준으로 2개의 인접한 복사체간 간격의 약1/2 이동되어 위치된 무선 통신 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위상 배열 회로는 수직 빔 개구부(vertical beam aperture)에서 상기 액티브 위상 배열 안테나 유닛을 제어하는 무선 통신 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    좁은 상기 수직 빔 개구부는 프로그램 가능한 패턴에 따라 수직적으로 조절되는 무선 통신 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 위상 배열 회로는 2개 수준의 PSIPPO 및 상기 좁은 수직 빔 개구부는 상기 2개 수준의 PSIPPO에 제어신호를 제공하기 위하여 프로그램 가능한 패턴에 따라 수직적으로 조절하는 무선 통신 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 실외(outdoor) 통신에 이용되는 무선 통신 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 실내(indoor) 통신에 이용되는 무선 통신 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액티브 위상 배열 안테나 유닛은 전자 복사의 송신 및 수신을 위한 것이고, 상기 위상 배열 회로는 와이맥스(WIMAX), 와이파이(WIFI), 와이팬(WPAN), 고화질텔레비젼(HDTV) 또는 셀룰러(cellular) 통신에 부합하는 데이터 신호들의 송신 및 수신에 적합한 무선 통신 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 4개의 액티브 위상 배열 안테나 유닛들을 포함하되, 상기 4개의 액티브 위상 배열 안테나 유닛들은 주변 지역 360도를 커버하기 위하여 실질적으로 직사각형 구조에서 위치하는 무선 통신 시스템.
  14. 위상 배열 안테나 무선 통신 시스템을 구동하는 회로에 있어서,
    a. 참조 신호를 제공하기 위한 오실레이터 회로;
    b. 상기 위상 배열 안테나 프레임에 의해 생성된 빔을 조절하기 위하여 적어도 2개의 수준의 위상 천이 주사 고착 푸쉬-푸쉬 오실레이터(PSIPPO; phased shifted injection locked push-push oscillators);
    c. 상기 위상 배열 안테나에 의해 송신된 신호를 보다 높은 주파수로 변환하기 위한 업 컨버터(up converters) 및 상기 위상 배열 안테나에 의해 수신된 신호를 보다 낮은 주파수로 변환하기 위한 다운 컨버터(down converters); 및
    d. 상기 업 컨버터 또는 다운 컨버터에 제공되는 참조 신호에 위상 천이를 선택적으로 제공하는 송신 라인(transmission lines)을 포함하는 위상 배열 안테나 무선 통신 시스템을 구동하는 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    적어도 2가지 수준의 위상 천이 주사 고착 푸쉬-푸쉬 오실레이터(PSIPPO; phased shifted injection locked push-push oscillators)들 중 적어도 하나가 상기 위상 배열 안테나 프레임에 의해 수평적으로 생성된 빔을 조절하기 위하여 이용되고, 적어도 2가지 수준의 위상 천이 주사 고착 푸쉬-푸쉬 오실레이터(PSIPPO; phased shifted injection locked push-push oscillators)들 중 적어도 하나가 상기 위상 배열 안테나 프레임에 의해 수직적으로 생성된 빔을 조절하기 위하여 이용되는 위상 배열 안테나 무선 통신 시스템을 구동하는 회로.
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