KR20150079039A - 공전 각운동량 모드들을 동시에 송신 및 수신하는 장치 및 방법 - Google Patents

공전 각운동량 모드들을 동시에 송신 및 수신하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

공전 각운동량 모드들을 동시에 송신 및 수신하는 장치 및 방법이 개시된다.
공전 각운동량 모드 송신 장치는 복수의 입력 신호들을 혼합 및 분배하여 위상과 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 하이브리드 결합기들; 및 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성하는 위상 지연기들을 포함하는 모드 다중화 장치; 및 상기 모드 신호들에 따라 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력하는 행렬 배열 안테나를 포함할 수 있다.

Description

공전 각운동량 모드들을 동시에 송신 및 수신하는 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR SIMULTANEOUS TRANSMISSION OR RECEIVING OF ORBITAL ANGULAR MOMENTUM MODES}
본 발명은 공전 각운동량 모드들을 동시에 송신 및 수신하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 행렬 배열 안테나를 통해 공전 각운동량 모드를 가진 전자파 신호들을 동시에 송신하거나, 동시에 수신하여 입력 신호를 복원하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum)은 전자파 모드를 이용하여 전자파를 송신 혹은 수신하는 기법으로 도파관이나 전송선에 사용되고 있다. 이때, 전자파 모드들은 서로 직교하며 독립적으로 전자파 전력을 전달할 수 있다. 따라서 공전 각운동량 기법을 무선 통신에 적용하면, 각각의 공전 각운동량 모드들이 서로 다르며 구분 가능한 독립적인 통신 채널을 구성할 수 있다.
종래의 공전 각운동량 기법을 적용한 통신 시스템은 광 통신 시스템이었다. 종래의 공전 각운동량 기법을 적용한 통신 시스템의 송신 장치는 빔 분배기(Beam Splitter)를 이용하여 레이저 빔을 복수의 빔들로 분광하고, 분광된 빔들에 각각 특정 공전 각운동량 모드를 발생하는 렌즈나 홀로그램을 적용하여 서로 다른 공전 각운동량 모드를 생성할 수 있다. 다음으로, 종래의 공전 각운동량 모드 송신 장치는 빔 결합기(Beam Combiner)로 공전 각 운동량 모드들이 생성된 빔들을 결합함으로써, 공전 각운동량 모드를 다중화하였다.
그러나, 전자파를 이용하는 비가시 무선 통신 시스템에 공전 각운동량 기법을 적용할 경우, 광 통신 시스템의 구조를 이용할 수 없다. 구체적으로, 무선 통신에 이용하는 전자파는 광 통신에 이용하는 레이저 빔과는 다르게 좁은 영역에 고밀도로 집속하는 것이 어려우므로 빔 분배기와 빔 결합기와 같은 동작을 수행하는 초고주파 장치를 제작하기 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 전자파를 이용하는 비가시 무선 통신 시스템에서 공전 각운동량 기법을 적용하여 다른 공전 각운동량 모드를 동시에 송신하거나 수신하는 방법이 요청되고 있다.
본 발명은 비가시 전자파 대역용 공전 각운동량 모드 통신에서 독립적인 통신 채널 역할을 하는 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드를 동시에 송신하거나 수신하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치는 복수의 입력 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 하이브리드 결합기들; 및 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성하는 위상 지연기들을 포함하는 모드 다중화 장치; 및 상기 모드 신호들에 따라 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력하는 행렬 배열 안테나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 출력 신호들은 하이브리드 결합기의 산란 행렬(Scattering Matrix)에 따라 진폭과 위상이 결정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 모드 다중화 장치는 적어도 하나의 하이브리드 결합기와 위상 지연기로 구성된 층(layer)이 계층 구조로 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 모드 신호들은 각 층간 하이브리드 결합기의 연결 구조 및 상기 위상 지연기의 위상 전이 값에 따라 위상 및 진폭이 결정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 행렬 배열 안테나는 모드 신호들 각각에 대응하는 복수의 요소 안테나들이 2차원 행렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 모드 다중화 장치는 요소 안테나들 각각에 대응되는 연결 전송선들을 이용하여 요소 안테나들 각각에게 모드 신호들을 송신할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치는 전자파용 공전 각운동량 모드(OAM: Orbital Angular Momentum)들에 의하여 여기된 모드 신호들을 출력하는 행렬 배열 안테나; 및 모드 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 모드 역 다중화 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치의 모드 역 다중화 장치는 행렬 배열 안테나로부터 수신한 복수의 모드 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 적어도 하나의 하이브리드 결합기; 및 출력 신호들을 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 적어도 하나의 위상 지연기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치의 행렬 배열 안테나는 전자파용 공전 각운동량 모드들 각각에 대응하는 복수의 소형 안테나들이 2차원 행렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 방법은 모드 다중화 장치로 복수의 입력 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 모드 신호들을 생성하는 단계; 및 상기 모드 신호들에 따라 행렬 배열 안테나로 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 방법은 전자파용 공전 각운동량 모드(OAM: Orbital Angular Momentum)들에 의하여 행렬 배열 안테나에 여기된 모드 신호들을 출력하는 단계; 및 모드 역 다중화 장치로 모드 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 입력 신호들을 다중화하여 진폭과 위상이 서로 다른 복수의 모드 신호들을 생성하고, 행렬 배열 안테나가 모드 신호들에 따라 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드들을 출력함으로써, 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드들을 동시에 송신하고 수신할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 수신한 전자파용 공전 각운동량 모드들에 대응하는 모드 신호들을 역 다중화하여 전자파용 공전 각운동량 모드 별로 분리된 입력 신호들을 복원할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 공전 각운동량 모드 각각을 서로 독립적인 통신 채널로 설정함으로써, 각각의 통신 채널로 전송하는 전자파용 공전 각운동량 모드의 주파수와 편파가 동일하더라도 구별할 수 있으므로, 무선 통신의 송신 및 수신 다중화를 실현하여 초고주파 대역의 주파수 이용 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중화 장치의 일례이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 행렬 배열 안테나의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 반사판 안테나의 일례이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 다중화 장치로 모드 신호를 생성한 결과의 일례이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 방법을 도시한 플로우차트이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 방법을 도시한 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 방법과 공전 각운동량 모드 수신 방법은 각각 공전 각운동량 모드 송신 장치와 공전 각운동량 모드 수신 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치(100)는 모드 다중화 장치(110)와 행렬 배열 안테나(120)를 포함할 수 있다.
모드 다중화 장치(110)는 복수의 입력 신호를 이용하여 복수의 모드 신호들을 생성할 수 있다.
이때, 모드 신호들은 행렬 배열 안테나(120)에 입력되어 행렬 배열 안테나(120)가 전자파용 공전 각 운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드를 출력하도록 하는 신호일 수 있다. 또한, 입력 신호의 개수는 모드 신호들의 개수에 대응할 수 있다. 그리고, 하나의 공전 각운동량(OAM) 모드는 하나의 통신 채널에 해당하므로 모드 다중화 장치(110)에 입력된 입력 신호의 개수와 모드 다중화 장치(110)가 출력하는 모드 신호들의 개수는 동일할 수 있다.
즉, 모드 다중화 장치(110)는 K개의 입력 신호를 혼합하고 분배하여 K개의 모드 신호를 출력함으로써, K개의 통신 채널을 독립적으로 형성할 수 있다. 그리고, 모드 다중화 장치(110)는 K개의 통신 채널을 독립적으로 형성함으로써, 동일한 주파수와 편파 특성을 가진 통신 채널 용량을 K배 만큼 확장할 수 있다.
이때, 모드 다중화 장치(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 하이브리드 결합기(111)들과 위상 지연기(112)들을 포함할 수 있다.
하이브리드 결합기(Hybrid Coupler)(111)들은 복수의 입력 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성할 수 있다.
이때, 출력 신호들은 하이브리드 결합기(111)의 산란 행렬(Scattering Matrix)에 따라 진폭과 위상이 결정될 수 있다.
또한 하이브리드 결합기(111)는 능동 소자, 또는 수동 소자로 구성할 수 있다. 예를 들어, 수동 소자로 구현된 하이브리드 결합기(111)는 브랜치 라인 하이브리드(Branch-Line Hybrid), 링 하이브리드(Ring Hybrid), 매직 티(Magic Tee) 등 일 수 있다.
위상 지연기(Phase Shifter)(112)들은 하이브리드 결합기(111)들이 생성한 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성할 수 있다.
구체적으로, 위상 지연기(112)들은 출력 신호들을 미리 정해진 위상으로 위상 지연하여 출력함으로써, 모드 신호들을 생성할 수 있다. 또한, 위상 지연기(112)들은 능동 소자 또는 수동 소자로 구현될 수 있다.
그리고, 모드 다중화 장치(110)는 적어도 하나의 하이브리드 결합기(111)와 위상 지연기(112)로 구성된 층(layer)이 계층 구조로 배치될 수 있다. 하이브리드 결합기(111)와 위상 지연기(112)로 구성된 층들이 계층 구조로 배치된 모드 다중화 장치(110)의 상세 구성 및 동작은 이하 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
모드 다중화 장치(110)가 생성하는 모드 신호들인
Figure pat00001
는 모드 다중화 장치(110)에 포함된 하이브리드 결합기(111)와 위상 지연기(112)의 특성에 기초하여 수학식 1로 결정될 수 있다.
Figure pat00002
이때,
Figure pat00003
는 모드 다중화 장치(110)에 입력되는 입력 신호일 수 있다. 또한, S는 모드 다중화 장치(110)의 입출력 행렬이며, 각 층의 하이브리드 결합기(111)와 위상 지연기(112)의 입출력 행렬에 따라 결정될 수 있다.
구체적으로, 산란 행렬 S의 각 요소 Sik는 하이브리드 결합기(111)의 각 층별 결선과 위상 지연기(112)의 위상 지연 값에 따라 결정될 수 있다.
그리고, 행렬 S의 각 요소 Sik와 입력 신호 간의 관계는 수학식 2와 같은 일차 연립 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00004
이때,
Figure pat00005
이고,
Figure pat00006
는 번째 입력 신호만 0이 아니고 나머지 입력 신호는 모두 0인 경우
Figure pat00007
번째 출력 신호의 진폭과 위상 값일 수 있다.
그리고, 통신 채널로 사용할 공전 각운동량(OAM) 모드의 번호가 선택되면 행렬 배열 안테나(120)에 입력되는 모드 신호들의 입력 진폭과 위상도 종속적으로 결정될 수 있다. 따라서, 행렬 배열 안테나(120)의
Figure pat00008
번째 요소 안테나가 출력하는 공전 각운동량(OAM) 모드에 따라 번째 출력 신호의 진폭과 위상 값이 결정될 수 있다. 또한, 입력 신호 xk도 결정된 정보이므로, 수학식 2에 공전 각운동량(OAM) 모드에 대응하는
Figure pat00009
와 xk를 대입하여 Sik가 결정될 수 있다. 그리고, 모드 다중화 장치(110)에서 하이브리드 결합기(111)와 위상 지연기(112)로 구성된 층간의 계층 구조는 결정된 Sik에 기초하여 설계될 수 있다.
행렬 배열 안테나(Matrix Array Antenna)(120)는 모드 다중화 장치(110)가 생성한 모드 신호들에 따라 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드를 출력할 수 있다. 이때, 전자파용 공전 각운동량 모드는 공전 각운동량 모드를 가진 전자파 신호일 수 있다.
이때, 행렬 배열 안테나(120)는 모드 신호들 각각에 대응하는 복수의 요소 안테나들이 2차원 행렬로 배열될 수 있다. 또한, 요소 안테나들의 개수는 모드 신호들 및 전자파용 공전 각운동량 모드들의 개수일 수 있다.
그리고, 행렬 배열 안테나(120)는 요소 안테나들 각각에 일대일로 대응하는 연결 전송선들로 모드 다중화 장치(110)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 행렬 배열 안테나(120)의 2차원 행렬 배열이 M행과 N열을 가지는 경우, 연결 전송선 개수인 T는 M x N일 수 있다. 그리고, 모드 다중화 장치(110)는 요소 안테나들 각각에 연결된 연결 전송선들을 통하여 요소 안테나들에게 모드 신호들을 송신할 수 있다.
또한, 행렬 배열 안테나(120)는 반사판 안테나를 향하여 전자파용 공전 각운동량 모드들을 출력하는 행렬 급전(Matrix Feed)으로 이용될 수도 있다.
공전 각운동량 모드 송신 장치(100)는 입력 신호들을 다중화하여 진폭과 위상이 서로 다른 복수의 모드 신호들을 생성하고, 행렬 배열 안테나가 모드 신호들에 따라 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드들을 출력함으로써, 비가시 전자파 대역용 공전 각운동량 모드 통신에서 독립적인 통신 채널 역할을 하는 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드들을 동시에 송신할 수 있다.
또한, 공전 각운동량 모드는 서로 직교하므로, 전자파용 공전 각운동량 모드가 다른 전자파용 공전 각운동량 모드와 동일한 주파수와 편파를 사용하더라도 서로 구별할 수 있다. 즉, 공전 각운동량 모드 송신 장치(100)가 출력한 전자파용 공전 각운동량 모드들 중 동일한 주파수와 편파를 이용하는 복수의 전자파용 공전 각운동량 모드들을 공전 각운동량 모드 수신 장치가 구별할 수 있으므로, 무선 통신의 송신 및 수신 다중화를 실현하여 초고주파 대역의 주파수 이용 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
공전 각운동량 모드 송신 장치의 모드 다중화 장치(110)는 복수의 입력 신호(210)들을 수신할 수 있다. 그리고, 모드 다중화 장치(110)는 하이브리드 결합기(111)들로 입력 신호(210)들을 분배하고 혼합할 수 있다. 또한, 모드 다중화 장치(110)는 위상 지연기(112)로 혼합된 신호의 위상을 지연시켜 모드 신호들을 출력할 수 있다.
이때, 모드 신호들은 요소 안테나들 각각에 일대일로 대응하는 연결 전송선(220)들을 통하여 행렬 배열 안테나(120)의 요소 안테나들로 전송될 수 있다.
그리고, 행렬 배열 안테나(120)의 요소 안테나들은 수신한 모드 신호들에 따라 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드(230)를 공간 상에 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중화 장치의 일례이다.
모드 다중화 장치(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 하이브리드 결합기와 위상 지연기로 구성된 제1 층(310), 제2 층(320) 내지 제L 층(330)이 계층 구조로 배치될 수 있다.
먼저, 제1 층(310)의 하이브리드 결합기(311)들은 각각 입력 신호를 수신할 수 있다. 그리고, 하이브리드 결합기(311)들은 수신한 입력 신호를 복수의 제1 출력 신호로 분배하여 제1 층(310)의 위상 지연기(312)들에 전송할 수 있다.
제1 층(310)의 위상 지연기(312)들은 수신한 제1 출력 신호들을 위상 지연하여 제1 위상 지연 신호들로 변화시킬 수 있다. 그리고, 위상 지연기(312)들은 제1 위상 지연 신호들을 제2 층(320)의 하이브리드 결합기(321)들로 전송할 수 있다. 이때, 위상 지연기(312)들은 복수의 제1 위상 지연 신호들을 각각 다른 하이브리드 결합기(321)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 위상 지연기11은 제1 위상 지연 신호를 하이브리드 결합기 21, 하이브리드 결합기 22 및 하이브리드 결합기 2B로 전송할 수 있다.
다음으로, 제2 층(320)의 하이브리드 결합기(321)들은 수신한 제1 위상 지연 신호를 혼합하고, 복수의 제2 출력 신호로 분배하여 제2 층(310)의 위상 지연기(322)들에 전송할 수 있다. 이때, 하이브리드 결합기(321)들은 복수의 위상 지연기(312)들로부터 각각 다른 제1 위상 지연 신호를 수신하고, 수신한 제1 위상 지연 신호들을 혼합할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 결합기21은 위상 지연기11, 위상 지연기12, 위상 지연기 13 내지 위상 지연기 1A로부터 각각 입력 신호 1, 입력 신호 2, 입력 신호 3 내지 입력 신호 K를 위상 지연 시킨 제1 위상 지연 신호들을 수신할 수 있다. 그리고, 하이브리드 결합기21은 수신한 제1 위상 지연 신호들을 혼합하여 분배함으로써, 위상 지연된 입력 신호 1, 입력 신호 2, 입력 신호 3 내지 입력 신호 K를 혼합하고 분배하여 위상 지연기21에 전송할 수 있다.
제2 층(320)의 위상 지연기(322)들은 수신한 제2 출력 신호들을 위상 지연하여 제2 위상 지연 신호들로 변화시킬 수 있다. 그리고, 위상 지연기(312)들은 제2 위상 지연 신호들을 제3 층의 하이브리드 결합기들로 전송할 수 있다.
상기 과정은 모드 다중화 장치(110)의 마지막 층인 제L 층(330)까지 반복 수행될 수 있다.
그리고, 제L 층(330)의 하이브리드 결합기(331)는 수신한 위상 지연 신호를 혼합하고, 복수의 제L 출력 신호로 분배하여 제L 층(330)의 위상 지연기(332)로 전송할 수 있다. 이때, 제L 층(330)의 위상 지연기(322)들은 수신한 제L 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들인 들을 출력할 수 있다.
이때, 모드 신호들인 들은 연결 전송선들을 통하여 행렬 배열 안테나(120)의 요소 안테나로 전송될 수 있다.
그리고, 제1 층(310), 제2 층(320) 내지 제L 층(330)에 포함된 하이브리드 결합기와 위상 지연기의 개수는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 층(310)에 포함된 하이브리드 결합기와 위상 지연기의 개수는 A개이고, 제2 층(320)에 포함된 하이브리드 결합기와 위상 지연기의 개수는 B개이며, L 층(330)에 포함된 하이브리드 결합기와 위상 지연기의 개수는 T개일 수 있다. 이때, A, B, T는 동일한 숫자일 수도 있고, 다른 숫자일 수도 있다.
그리고, 하이브리드 결합기가 분배하는 출력 신호의 개수는 다음 층의 하이브리드 결합기의 개수에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(310)의 하이브리드 결합기(311)는 입력 신호를 B개의 제1 출력 신호로 분배할 수 있다. 또한, 제2 층(320)의 하이브리드 결합기(321)는 제1 위상 지연 신호를 혼합하고, 혼합된 제1 위상 지연 신호를 제3 층의 하이브리드 결합기 개수에 따라 분배할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 행렬 배열 안테나의 일례이다.
행렬 배열 안테나(120)는 복수의 요소 안테나(400)들로 구성될 수 있다. 이때, 요소 안테나는 능동 소자 혹은 수동 소자로 구현할 수 있다. 예를 들어, 수동 소자로 구현한 요소 안테나는 다이폴 안테나, 혼 안테나, 마이크로 스트립 패치 안테나 등이 될 수 있다. 또한, 요소 안테나(400)들은 각각 연결 전송선(220)을 통하여 모드 다중화 장치(110)와 연결되고, 연결 전송선(220)를 통하여 모드 신호를 수신할 수 있다.
그리고, 행렬 배열 안테나(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 요소 안테나(400)들을 M행과 N열을 가진 2차원 행렬 형태로 배치하여 구성될 수 있다. 이때, 요소 안테나(400)에 표시된 각 요소 안테나 번호 i는 수학식 3으로 정의될 수 있다.
Figure pat00010
이때, 요소 안테나 번호
Figure pat00011
는 수학식 2의 출력 번호 와 동일할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 반사판 안테나의 일례이다.
본 발명의 일실시예에 따른 반사판 안테나는 행렬 급전(Matrix Feed)(510)과 반사판(520)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사판(520)는 포물형 반사판, 반사배열 안테나(Reflect array Antenna) 등이 될 수 있다.
이때, 행렬 급전(510)은 행렬 배열 안테나(120)와 동일한 구성일 수 있다. 즉, 행렬 급전(510)은 모드 다중화 장치(110)가 생성한 모드 신호에 따라 반사판 안테나(520)를 향하여 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 반사판 안테나는 적은 개수의 행렬 급전으로 고 이득 특성을 가진 공전 각운동량(OAM) 모드를 동시에 생성하여 송신하거나 수신할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치(600)는 행렬 배열 안테나(610)와 모드 역 다중화 장치(620)를 포함할 수 있다.
행렬 배열 안테나(610)는 공전 각운동량 모드 송신 장치(100)의 행렬 배열 안테나(120)가 출력한 복수의 전자파용 공전 각운동량 모드들을 수신할 수 있다. 이때, 행렬 배열 안테나(610)는 전자파용 공전 각운동량 모드들 각각에 대응하는 복수의 요소 안테나들이 2차원 행렬로 배열될 수 있다.
또한, 행렬 배열 안테나(610)가 수신한 전자파용 공전 각운동량 모드들은 행렬 배열 안테나의 각 요소 안테나 별로 서로 다른 진폭과 위상을 가지는 모드 신호들을 여기할 수 있다. 그리고, 행렬 배열 안테나(610)는 전자파용 공전 각운동량 모드들에 의하여 여기된 모드 신호들을 모드 역 다중화 장치(620)로 출력할 수 있다. 이때, 행렬 배열 안테나(610)는 요소 안테나들 각각에 연결된 연결 전송선들을 통하여 모드 역 다중화 장치(620)로 모드 신호들을 출력할 수 있다.
예를 들어, 행렬 배열 안테나(120)와 행렬 배열 안테나(610)가 수동 소자로만 구성된 경우, 행렬 배열 안테나(120)와 행렬 배열 안테나(610)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 도 4는 행렬 배열 안테나(610)의 상세 구성일 수 있다.
모드 역 다중화 장치(620)는 행렬 배열 안테나(610)로부터 수신한 모드 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 입력 신호들을 복원할 수 있다.
이때, 모드 역 다중화 장치(620)는 도 6에 도시된 바와 같이 하이브리드 결합기(621)들과 위상 지연기(622)들을 포함할 수 있다.
하이브리드 결합기(Hybrid Coupler)(621)들은 복수의 모드 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성할 수 있다.
이때, 출력 신호들은 하이브리드 결합기(621)의 산란 행렬(Scattering Matrix)에 따라 진폭과 위상이 결정될 수 있다.
또한 하이브리드 결합기(621)는 능동 소자, 또는 수동 소자로 구성할 수 있다. 예를 들어, 수동 소자로 구현된 하이브리드 결합기(621)는 브랜치 라인 하이브리드(Branch-Line Hybrid), 링 하이브리드(Ring Hybrid), 매직 티(Magic Tee) 등이 될 수 있다.
위상 지연기(Phase Shifter)(622)들은 하이브리드 결합기(621)들이 생성한 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성할 수 있다.
구체적으로, 위상 지연기(622)들은 출력 신호들을 미리 정해진 위상으로 위상 지연하여 출력함으로써, 입력 신호들을 복원할 수 있다. 또한, 위상 지연기(622)들은 능동 소자 또는 수동 소자로 구현될 수 있다.
그리고, 모드 역 다중화 장치(620)는 적어도 하나의 하이브리드 결합기(621)와 위상 지연기(622)로 구성된 층이 계층 구조로 배치될 수 있다. 이때, 모드 역 다중화 장치(620)에서 하이브리드 결합기(621)와 위상 지연기(622)로 구성된 층 간의 계층 구조는 모드 다중화 장치(110)과 같이 수학식 1과 수학식 2에 따라 설계될 수 있다.
구체적으로, 먼저, 수학식 1을 이용하여 모드 역 다중화 장치(620)의 입출력 행렬을 결정할 수 있다. 그리고, 특정 공전 각운동량 모드에 대응하는 모드 신호의 진폭과 위상은 고정되어 있으므로, 수학식 2를 이용하여 모드 역 다중화 장치(620)의 입출력 행렬의 요소인 Sik를 결정할 수 있다. 마지막으로, 결정된 Sik에 기초하여 하이브리드 결합기(621)와 위상 지연기(622)로 구성된 층간의 계층 구조가 설계될 수 있다.
예를 들어, 모드 다중화 장치(110)와 모드 역 다중화 장치(620)가 수동 소자로만 구성된 경우, 입출력의 가역성이 성립하므로 모드 다중화 장치(110)와 모드 역 다중화 장치(620)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 도 3은 모드 역 다중화 장치(620)의 상세 구성일 수 있다.
즉, 행렬 배열 안테나(610)와 모드 역 다중화 장치(620)가 수동 소자로 구성된 경우, 행렬 배열 안테나(610)와 모드 역 다중화 장치(620)를 포함하는 공전 각운동량 모드 수신 장치(600)는 공전 각운동량 모드 송신 장치(100)로 사용될 수도 있다.
또한, 공전 각운동량 모드들은 서로 직교하므로 모드 다중화 장치(110), 또는 모드 역 다중화 장치(620)는 동시에 입력 신호를 이용한 모드 신호의 생성과, 모드 신호를 이용한 입력 신호의 복원을 수행할 수도 있다.
예를 들어, 모드 다중화 장치(110), 또는 모드 역 다중화 장치(620)가 도 3과 같은 구조를 가지는 경우, 송신할 입력 신호를 입력 신호 1로 하이브리드 결합기 11에 입력하고, 행렬 배열 안테나(610)에서 수신한 모드 신호를 입력 신호 K로 하이브리드 결합기 1A에 입력할 수 있다.
이때, 공전 각운동량 모드들은 서로 직교하므로, 모드 다중화 장치(110), 또는 모드 역 다중화 장치(620)는 동시에 입력 받은 입력 신호와 모드 신호를 이용하여 모드 신호 생성과 입력 신호 복원을 동시에 수행하는 송수신 듀플렉스(Tx-Rx Duplex)로 동작할 수 있다.
그러나, 공전 각운동량 모드를 이용한 송수신 듀플렉스의 송수신 분리도는 제1 층(310), 제2 층(320) 내지 제L 층(330)에 포함된 하이브리드 결합기의 포트 간 분리도 특성에 심하게 영향을 받을 수 있다. 따라서, 모드 다중화 장치(110), 또는 모드 역 다중화 장치(620)를 송수신 듀플렉스로 이용할 경우, 제1 층(310), 제2 층(320) 내지 제L 층(330)에 포함된 하이브리드 결합기의 포트 간 분리도가 임계 값 이상이 되도록 모드 다중화 장치(110), 또는 모드 역 다중화 장치(620)의 구조가 설계될 수 있다.
공전 각운동량 모드 수신 장치(600)는 수신한 전자파용 공전 각운동량 모드들에 대응하는 모드 신호들을 역 다중화하여 전자파용 공전 각운동량 모드 별로 분리된 입력 신호들을 복원할 수 있다. 그리고, 공전 각운동량 모드 수신 장치(600)는 공전 각운동량 모드가 서로 직교하는 특성에 따라 동일한 주파수와 편파를 이용하는 복수의 신호들을 구별할 수 있으므로, 무선 통신의 송신 및 수신 다중화를 실현하여 초고주파 대역의 주파수 이용 효율을 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
행렬 배열 안테나(610)의 요소 안테나들은 행렬 배열 안테나(120)가 출력한 전자파용 공전 각운동량 모드(230)를 수신할 수 있다.
이때, 행렬 배열 안테나(610)의 요소 안테나들은 수신한 전자파용 공전 각운동량 모드(230)들에 의하여 각 요소 안테나 별로 서로 다른 진폭과 위상을 가지는 모드 신호들이 여기될 수 있다. 그리고, 행렬 배열 안테나(610)는 여기된 모드 신호들을 요소 안테나들 각각에 일대일로 대응하는 연결 전송선(710)들을 통하여 모드 역 다중화 장치(620)로 출력할 수 있다.
공전 각운동량 모드 수신 장치의 모드 역 다중화 장치(620)는 연결 전송선(710)를 통하여 수신한 모드 신호들을 분배하고 혼합할 수 있다. 또한, 모드 역 다중화 장치(620)는 위상 지연기(622)로 혼합된 신호의 위상을 지연시켜 서로 독립적으로 분리된 입력 신호(720)를 복원할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 다중화 장치로 모드 신호를 생성한 결과의 일례이다.
도 8은 2x2 행렬 배열 다중화 장치를 이용해 공전 각운동량(OAM) 모드 1번을 생성한 수치해석 결과의 일례이다.
이때, 행렬 배열 안테나(120)는 2x2 혼 안테나로 구성되었으며 도 5와 같이 반사판 안테나의 행렬 급전(510)으로 이용될 수 있다, 또한, 반사판(520)는 포물형 반사판이며 행렬 급전(510)는 포물선의 초점에 위치할 수 있다. 그리고, 모드 다중화 장치(110)는 도 3과 같은 구성일 수 있다.
모드 다중화 장치(110)가 전자파용 공전 각운동량 모드 번호 1번에 대응하는 모드 신호를 행렬 배열 안테나(120)에 입력한 경우, 행렬 급전(510)을 포함하는 반사판 안테나는 전자파용 공전 각운동량 모드 1번을 출력할 수 있다.
이때, 도 8에 도시된 방위각 방향과 전기장 위상 변화 간의 관계를 통하여 반사판 안테나가 전자파용 공전 각운동량 모드 1번을 출력한 것을 확인할 수 있다.
공전 각운동량(OAM) 모드 1번이 출력된 경우, 전기장의 위상은 방위각 방향으로 선형적으로 변할 수 있다. 또한, 공전 각운동량(OAM) 모드 1번이 출력 된 상태에서 방위각이 0에서 360도로 변할 경우, 전기장의 위상도 0에서 360도로 변할 수 있다.
도 8에서 전기장의 위상이 방위각 방향에 따라 선형적으로 변화하고, 방위각이 0에서 360도로 변할 경우, 전기장의 위상도 0에서 360도로 변하므로, 반사판 안테나가 전자파용 공전 각운동량 모드 1번을 출력한 것으로 판단될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 송신 방법을 도시한 플로우차트이다.
단계(910)에서 모드 다중화 장치(110)는 송신할 입력 신호를 수신할 수 있다. 이때, 모드 다중화 장치(110)의 제1 층에 포함된 하이브리드 결합기들은 수신한 입력 신호를 복수의 제1 출력 신호로 분배하고, 제1 층에 포함된 위상 지연기들은 제1 출력 신호들의 위상을 지연하여 제2 층의 하이브리드 결합기로 전송할 수 있다.
단계(920)에서 모드 다중화 장치(110)의 하이브리드 결합기(111)는 단계(910)에서 수신한 입력 신호를 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성할 수 있다.
단계(930)에서 모드 다중화 장치(110)의 위상 지연기(112)는 단계(920)에서 생성한 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성할 수 있다.
모드 다중화 장치(110)에서 적어도 하나의 하이브리드 결합기와 위상 지연기로 구성된 층(layer)이 계층 구조로 배치된 경우, 제2 층 내지 마지막 층에 포함된 하이브리드 결합기와 위상 지연기들이 단계(920)와 단계(930)을 수행할 수 있다.
단계(940)에서 모드 다중화 장치(110)는 연결 전송선(220)들을 통하여 단계(930)에서 생성한 모드 신호들을 행렬 배열 안테나(120)의 요소 안테나들로 전송할 수 있다. 이때, 연결 전송선(220)들은 요소 안테나들 각각에 일대일로 대응하는 복수의 전송선들일 수 있다.
단계(950)에서 행렬 배열 안테나(120)의 요소 안테나들은 단계(940)에서 수신한 모드 신호들에 따라 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 공전 각운동량 모드 수신 방법을 도시한 플로우차트이다.
단계(1010)에서 행렬 배열 안테나(610)의 요소 안테나들은 행렬 배열 안테나(120)가 출력한 전자파용 공전 각운동량 모드(230)를 수신할 수 있다.
이때, 행렬 배열 안테나(610)의 요소 안테나들은 수신한 전자파용 공전 각운동량 모드들에 의하여 각 요소 안테나 별로 서로 다른 진폭과 위상을 가지는 모드 신호들이 여기될 수 있다.
단계(1020)에서 행렬 배열 안테나(610)는 단계(1020)에서 여기된 모드 신호들을 요소 안테나들 각각에 일대일로 대응하는 연결 전송선(710)들을 통하여 모드 역 다중화 장치(620)로 출력할 수 있다.
단계(1030)에서 모드 역 다중화 장치(620)의 하이브리드 결합기(621)는 단계(1020)에서 수신한 모드 신호들을 분배하고 혼합하여 출력 신호를 생성할 수 있다.
단계(1040)에서 모드 역 다중화 장치(620)의 위상 지연기(622)는 단계(1030)에서 생성한 출력 신호의 위상을 지연시켜 서로 독립적으로 분리된 입력 신호를 복원할 수 있다.
본 발명은 입력 신호들을 다중화하여 진폭과 위상이 서로 다른 복수의 모드 신호들을 생성하고, 행렬 배열 안테나가 모드 신호들에 따라 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드들을 출력함으로써, 비가시 전자파 대역용 공전 각운동량 모드 통신에서 독립적인 통신 채널 역할을 하는 서로 다른 전자파용 공전 각운동량 모드들을 동시에 송신할 수 있다. 또한, 수신한 전자파용 공전 각운동량 모드들에 대응하는 모드 신호들을 역 다중화하여 입력 신호들을 복원할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공전 각운동량 모드는 서로 직교하므로, 전자파용 공전 각운동량 모드가 다른 전자파용 공전 각운동량 모드와 동일한 주파수와 편파를 사용하더라도 서로 구별할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 공전 각운동량 모드 송신 장치 및 공전 각운동량 모드 수신 장치는 동일한 주파수와 편파를 이용하는 복수의 전자파용 공전 각운동량 모드들을 구별할 수 있으므로, 무선 통신의 송신 및 수신 다중화를 실현하여 초고주파 대역의 주파수 이용 효율을 높일 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 공전 각운동량 모드 송신 장치
110: 모드 다중화 장치
111: 하이브리드 결합기
112: 위상 지연기
120: 행렬 배열 안테나
600: 공전 각운동량 모드 수신 장치
610: 행렬 배열 안테나
620: 모드 역 다중화 장치
621: 하이브리드 결합기
622: 위상 지연기

Claims (20)

  1. 복수의 입력 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 하이브리드 결합기들; 및
    출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성하는 위상 지연기들
    을 포함하는 모드 다중화 장치; 및
    상기 모드 신호들에 따라 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력하는 행렬 배열 안테나
    를 포함하는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 신호들은,
    하이브리드 결합기의 산란 행렬(Scattering Matrix)에 따라 진폭과 위상이 결정되는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모드 다중화 장치는,
    적어도 하나의 하이브리드 결합기와 위상 지연기로 구성된 층(layer)이 계층 구조로 배치되는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모드 신호들은,
    각 층간 하이브리드 결합기의 연결 구조 및 상기 위상 지연기의 위상 전이 값에 따라 위상 및 진폭이 결정되는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 행렬 배열 안테나는,
    모드 신호들 각각에 대응하는 복수의 요소 안테나들이 2차원 행렬로 배열되는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모드 다중화 장치는,
    요소 안테나들 각각에 대응되는 연결 전송선들을 이용하여 요소 안테나들 각각에게 모드 신호들을 송신하는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 행렬 배열 안테나는,
    반사판 안테나를 향하여 전자파용 공전 각운동량 모드들을 출력하는 행렬 급전(Matrix Feed)으로 이용되는 공전 각운동량 모드 송신 장치.
  8. 전자파용 공전 각운동량 모드(OAM: Orbital Angular Momentum)들에 의하여 여기된 모드 신호들을 출력하는 행렬 배열 안테나; 및
    모드 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 모드 역 다중화 장치
    를 포함하고,
    상기 모드 신호들은,
    전자파용 공전 각운동량 모드 별로 위상 및 진폭이 서로 다른 공전 각운동량 모드 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모드 역 다중화 장치는,
    행렬 배열 안테나로부터 수신한 복수의 모드 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 적어도 하나의 하이브리드 결합기; 및
    출력 신호들을 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 적어도 하나의 위상 지연기
    를 포함하는 공전 각운동량 모드 수신 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 모드 역 다중화 장치는,
    적어도 하나의 하이브리드 결합기와 위상 지연기를 포함하는 층(layer)이 계층 구조로 배치되는 공전 각운동량 모드 수신 장치.
  11. 제17항에 있어서,
    상기 행렬 배열 안테나는,
    전자파용 공전 각운동량 모드들 각각에 대응하는 복수의 소형 안테나들이 2차원 행렬로 배열되는 공전 각운동량 모드 수신 장치.
  12. 모드 다중화 장치로 복수의 입력 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 모드 신호들을 생성하는 단계; 및
    상기 모드 신호들에 따라 행렬 배열 안테나로 전자파용 공전 각운동량(OAM: Orbital Angular Momentum) 모드들을 출력하는 단계
    를 포함하는 공전 각운동량 모드 송신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    모드 다중화 장치에 포함된 하이브리드 결합기들로 복수의 입력 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 단계;
    모드 다중화 장치에 포함된 위상 지연기들로 출력 신호들을 위상 지연하여 모드 신호들을 생성하는 단계
    를 포함하는 공전 각운동량 모드 송신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 출력 신호들은,
    하이브리드 결합기의 산란 행렬(Scattering Matrix)에 따라 진폭과 위상이 결정되는 공전 각운동량 모드 송신 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 모드 다중화 장치는,
    적어도 하나의 하이브리드 결합기와 위상 지연기로 구성된 층(layer)이 계층 구조로 배치되는 공전 각운동량 모드 송신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 모드 신호들은,
    각 층간 하이브리드 결합기의 연결 구조 및 상기 위상 지연기의 위상 전이 값에 따라 위상 및 진폭이 결정되는 공전 각운동량 모드 송신 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 행렬 배열 안테나는,
    모드 신호들 각각에 대응하는 복수의 요소 안테나들이 2차원 행렬로 배열되는 공전 각운동량 모드 송신 방법.
  18. 전자파용 공전 각운동량 모드(OAM: Orbital Angular Momentum)들에 의하여 행렬 배열 안테나에 여기된 모드 신호들을 출력하는 단계; 및
    모드 역 다중화 장치로 모드 신호들을 혼합, 분배 및 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 단계
    를 포함하고,
    상기 모드 신호들은,
    전자파용 공전 각운동량 모드 별로 위상 및 진폭이 서로 다른 공전 각운동량 모드 수신 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복원하는 단계는,
    모드 역 다중화 장치의 하이브리드 결합기로 복수의 모드 신호들을 혼합 및 분배하여 위상 및 진폭이 서로 다른 복수의 출력 신호들을 생성하는 단계; 및
    위상 지연기로 출력 신호들을 위상 지연하여 입력 신호들을 복원하는 단계
    를 포함하는 공전 각운동량 모드 수신 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 모드 역 다중화 장치는,
    적어도 하나의 하이브리드 결합기와 위상 지연기를 포함하는 층(layer)이 계층 구조로 배치되는 공전 각운동량 모드 수신 방법.
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