KR20190090952A - 편파 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보다 상세하게는 무선통신 시스템의 LOS(Line Of Sight) 환경에서 4x4 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 성능 확보를 위하여 적어도 4종류의 편파 안테나로 구성된 편파 안테나 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의한 편파 안테나 시스템은 서로 직교하는 2개의 선형 편파 안테나 및 2개의 원형 편파 안테나로 구성될 수 있다. 본 발명에 의하면, 5G 이동 통신 시스템의 중요 핵심 목표 중 하나인 고용량 및 전송 속도(throughput) 증가를 극대화 유효한 기술을 제공할 수 있으며, 특히 실외의 LOS 환경에서도 4x4 MIMO 성능을 획득할 수 있는 전송 기술을 제공하는 효과가 있다.

Description

편파 안테나 시스템{Polarization Antenna System}

본 발명은 편파 안테나 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선통신 시스템의 LOS(Line Of Sight) 환경에서 4x4 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 성능 확보를 위하여 적어도 4종류의 편파 안테나로 구성된 편파 안테나 시스템에 관한 것이다.

무선통신 시스템 발전의 일 방향으로서 대용량의 데이터를 빠른 속도로 제공하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 즉, 사용자들의 무선 인터넷 및 영상 자료의 교환 등과 같은 수요에 맞추어 무선 통신 시스템도 대용량 데이터를 사용자에게 빨리 제공할 수 있는 방향으로 발전하고 있다. 이러한 발전 방향의 일환으로 무선통신 기지국용 안테나 시스템은 복수의 안테나를 사용하는 안테나 시스템을 이용하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템을 구현하고 있으며, 이때, 2가지의 선형 편파 안테나를 이용하여 구현하고 있다. 하지만, 2가지의 선형 편파 안테나를 이용하여 4x4 MIMO 안테나 시스템을 구성하는 경우 송신 안테나와 수신 안테나가 서로 직접 보이는 LOS(Line Of Sight) 환경에서는 4x4 MIMO 이득을 얻기가 힘든 문제점이 있다. 즉, 송신 안테나와 수신 안테나가 직접 보이지 않는 NLOS(Non Line Of Sight) 환경에서는 다중 경로 다이버시티(multi path diversity)에 의하여 4x4 MIMO 이득을 얻을 수 있으나 LOS 환경에서는 1개의 주 경로(dominant path)에 의한 신호에 의하여 다중 경로 다이버시티를 획득할 수 없으며 이에 따라 4x4 MIMO 이득일 얻기가 힘들다. 기존의 2종류의 선형 편파 조합을 사용하여 MIMO 안테나 시스템을 구성하는 경우 LOS 환경에서 4x4 MIMO 성능이 안테나만으로는 확보가 불가능하며 모뎀(modem) 단에서의 신호 처리가 필요하고, 이러한 신호 처리가 없이는 2x2 MIMO 성능만 확보가 가능하다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 LOS 환경에서도 4x4 MIMO 이득을 획득할 수 있는 편파 안테나 시스템을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 2 종류의 선형 편파 안테나 및 서로 회전 방향이 다른 2종류의 원형 편파 안테나를 사용하는 편파 안테나 시스템을 제시한다.

2 종류의 선형 편파 안테나는 '+' 혹은 'x' 형태를 사용하여 아이솔레이션 (isolation)을 확보할 수 있으며, 2종유?l 원형 편파 안테나는 우선회(Right-Handed Circular Polarization) 및 좌선회(Left-Handed Circular Polarization)를 사용하여 아이솔레이션을 확보할 수 있다.

또한, 선형 편파와 원형 편파는 PLF(Polarization Loss Factor)에서 진폭(amplitude)은 -3dB의 감쇄가 있지만, 우선회 원형 편파와 좌선회 원형 편파의 위상차가 180도이므로 수신시에 서로 상쇄되어 아이솔레이션을 확보할 수 있다.

본 발명에 의하면, 5G 이동 통신 시스템의 중요 핵심 목표 중 하나인 고용량 및 전송 속도(throughput) 증가를 극대화 유효한 기술을 제공할 수 있으며, 특히 실외의 LOS 환경에서도 4x4 MIMO 성능을 획득할 수 있는 전송 기술을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, LOS 통신 환경에서 고속의 전송 속도를 지원할 수 있어 그 활용도가 점차 커지게 될 것이며 이동 및 무선 통신 시장에 매우 큰 파급 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편파 안테나 시스템의 안테나 구성을 도시한다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편파 안테나 시스템의 어레이 형태로 배열된 안테나 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명에서 제시하는 편파 안테나 시스템과 종래 편파 안테나 시스템 간의 스펙트럼 효율을 시뮬레이션을 통해 비교한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 시스템을 도시한다.
도 6은 2개의 원형 편파 안테나로 가는 피딩선의 길이에 따른 스펙트럼 효율을 도시한 도면이다.
도 7은 신호 주입부(510)에서 랜덤한 위상 및 크기의 신호를 생성하는 알고리즘을 적용하여 각각의 편파 안테나에 인가한 경우의 스펙트럼 효율을 도시한 도면이다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편파 안테나 시스템의 안테나 구성을 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 편파 안테나 시스템은 적어도 2개의 선형 편파 안테나(130, 140) 및 적어도 2개의 원형 편파 안테나(110, 120)를 포함한다. 여기서 2개의 선형 편파 안테나는 수직 편파 안테나(130) 및 수평 편파 안테나(140)일 수 있고, 2개의 원형 편파 안테나는 좌선회 원형 편파 안테나(110) 및 우선회 원형 편파 안테나(120)일 수 있다. 그리고 도 1에 도시된 배치 순서 및 편파 방향은 일 예로서 도 1과 다른 순서로 배치될 수도 있고, 다른 편파 방향을 가질 수도 있다. 즉, 수직 편파 안테나는 45도 편파 안테나 및/또는 135도 편파 안테나일 수 있다.

본 발명에서 제시하는 편파 안테나 시스템에서의 편파란 전자기파의 진행 방향에 대한 E 필드의 극성 방향을 의미한다. 안테나마다 고유의 편파 형태를 갖고 있으며, 서로 완전히 직교하는 편파를 가지게 되면 신호 교류가 되지 않는다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 2개의 선형 편파 안테나(130, 140)의 경우 서로 직교하기 때문에 서로 간의 신호 전송에 영향을 미치지 않는다. 원형 편파의 경우도 회전방향이 왼쪽이나 오른쪽이냐에 따라 두 가지의 형태가 존재하며 좌선회 원형 편파와 우선회 원형 편파는 서로 간의 신호 전송에 영향을 미치지 않는다.

상술한 것처럼 본 발명에서 제시하는 편파 안테나 시스템은 신호 간에 영향을 미치지 아니하는 2개의 선형 편파 안테나와 2개의 원형 편파 안테나를 사용함으로써 서로 간의 신호 영향을 최소화하여 LOS 환경에서도 4x4 MIMO 성능을 획득할 수 있다.

그뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 편파 안테나 시스템은 적어도 2개의 선형 편파 안테나(130, 140) 및 적어도 2개의 원형 편파 안테나(110, 120)가 어레이 형태로 부착되어 구성될 수 있다.

도 2 및 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편파 안테나 시스템의 어레이 형태로 배열된 안테나 구성을 도시한다.

도 2 및 3을 참조하면, 복수 개의 선형 편파 안테나와 복수 개의 원형 편파 안테나를 다양하게 조합하며, 다양한 어레이 형태로 배열된 편파 안테나 시스템을 구성할 수 있다.

이처럼 어레이 형태의 편파 안테나 시스템을 구성함으로써 방사되는 전자파에 편파 성분뿐만 아니라 전자파의 복사 전력이 특정한 방향으로 더 멀리 갈 수 있도록 하는 빔 패턴을 형성할 수 있도록 하는 방향성 성분까지 추가할 수 있다. 이에 의하여 더 효율적인 안테나 빔 패턴을 구성할 수 있다.

도 4는 본 발명에서 제시하는 편파 안테나 시스템과 종래 편파 안테나 시스템 간의 스펙트럼 효율을 시뮬레이션을 통해 비교한 결과이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에서 제시하는 2개의 선형 편파 및 2개의 원형 편파 안테나를 사용하여 4x4 MIMO가 구성된 안테나 시스템(410)을 종래의 2개의 선형 편파 안테나를 사용하여 2x2 MIMO가 구성된 안테나 시스템(440), 수직, 수평 선형 편파 안테나를 사용하여 4x4 MIMO가 구성된 안테나 시스템(430), 및 수직, 수평, 45도, 및 135도 선형 편파 안테나를 사용하여 4x4 MIMO가 구성된 안테나 시스템(420)과 스펙트럼 효율을 비교한 결과, 종래 편파 안테나 시스템보다 상당히 좋은 스펙트럼 효율을 보임을 알 수 있다.

즉, 도 4는 송신 안테나 시스템과 수신 안테나 시스템의 거리가 1.5m이고, 안테나 공진 주파수가 2.3GHz인 경우의 시뮬레이션 결과를 도시하고 있으며, 신호대 잡음비(SNR)이 20dB일 때, 2개의 선형 편파 안테나를 사용하여 2x2 MIMO 안테나 시스템을 구성한 것(440)은 10.2 bps/Hz의 스펙트럼 효율을 가지며, 수직, 수평 선형 편파 안테나를 사용하여 4x4 MIMO 안테나 시스템을 구성한 것(430)은 12.6bps/Hz의 스펙트럼 효율을 가지며, 본 발명에서 제시하는 편파 안테나 시스템(410)의 경우에는 17.3 bps/Hz의 스펙트럼 효율을 가진다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 시스템을 도시한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 시스템은 신호 주입부(510), 및 각 편파 안테나(110 내지 140)와 신호 주입부(510)를 연결하여 신호 주입부(510)로부터 각 편파 안테나(110 내지 140)에 신호를 전달하는 피딩선(521 내지 524)을 포함할 수 있다. 특히 각 편파 안테나(110 내지 140)에 연결된 피딩선(521 내지 524)은 동일한 길이를 가질 수 있다.

하지만, 또다른 일실시 예로 원형 편파 안테나(110, 120)중의 하나로 가는 피딩선(521 또는 522)의 길이를 2개의 원형 편파 안테나(110, 120)로 주입되는 신호의 위상 차이가 180도가 되도록 설정할 수 있다. 이처럼 180도 위상차를 주는 경우에는 좌선회 원형 편파와 우선회 원형 편파가 서로 상쇄되어 선형 편파에 미치는 영향을 최소화함으로써 스펙트럼 효율을 증가시킬 수 있다.

도 6은 2개의 원형 편파 안테나로 가는 피딩선의 길이에 따른 스펙트럼 효율을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 피딩선의 길이가 동일한 경우(640)에는 비록 4x4 MIMO로 구성되어 있지만 3x3 MIMO의 최대 이론치(630)보다 낮은 스펙트럼 효율을 보이는 반면에 180도의 위상차가 생기도록 1개의 원형 편파 안테나로 가는 피딩선의 길이를 조정하는 경우(620) 비록 4x4 MIMO의 최대 이론치(610)보다는 낮지만은 3x3 MIMO 최대 이론치(630)보다 높은 스펙트럼 효율을 보임을 알 수 있다.

특히 도 6의 결과는 송신 안테나와 수신 안테나가 아주 먼거리에 있는 LOS 환경을 가정하여 시뮬레이션한 것으로 종래의 편파 안테나 시스템으로는 절대 달성할 수 없는 스펙트럼 효율을 획득할 수 있음을 보여주고 있다.

또다른 일실시 예로서 피딩선(521 내지 524)의 길이는 동일하게 하면서 신호 주입부(510)에서 랜덤(random)한 위상 및 크기의 신호를 생성하는 알고리즘을 적용하여 각각의 편파 안테나에 인가함에 의하여서도 유사한 스펙트럼 효율을 획득할 수 있다.

도 7은 신호 주입부(510)에서 랜덤한 위상 및 크기의 신호를 생성하는 알고리즘을 적용하여 각각의 편파 안테나에 인가한 경우의 스펙트럼 효율을 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 6과 유사하게 랜덤한 위상 및 크기의 신호를 생성하는 알고리즘을 적용한 경우에 비록 4x4 MIMO의 최대 이론치(710)보다는 낮지만은 3x3 MIMO 최대 이론치(730)보다 높은 스펙트럼 효율을 획득할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본원 발명에서 제시하는 2개의 선형 편파 안테나 및 2개의 원형 편파 안테나를 포함하는 4가지 종류의 편파 안테나를 사용한 안테나 시스템에 의하여 LOS 환경에서도 4x4 MIMO 통신이 가능함을 보여주고 있다. 특히 본원 발명에서 제시하는 편파 안테나 시스템은 종래의 편파 안테나 시스템보다 원거리 LOS 환경에서도 스펙트럼 효율이 상당히 증가한다는 것을 보임으로써 원거리 LOS 환경에서도 4x4 MIMO를 달성할 수 있음을 보이고 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 편파 안테나 시스템으로서,
   2개의 선형 편파 안테나 및 2개의 원형 편파 안테나로 구성되는,
   편파 안테나 시스템.
   

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