KR20190135854A - 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치 - Google Patents

밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치 Download PDF

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Abstract

밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치가 개시된다. 디지털 신호를 처리하는 처리부와 매칭되고 주파수 신호를 송수신하는 신호 송수신부(100); 안테나를 행과 열로 배열하며, 배열된 안테나에 의해 주파수 신호를 입력받아 무선 신호를 공기 중으로 출력하고, 공기 중의 무선 신호를 수신하여 주파수 신호를 출력하는 2D 배열 안테나(200); 및 입력단(311)과 출력단(312)의 전환에 따른 신호 나눔과 혼합에 의해 신호 송수신부(100)와 2D 배열 안테나(200)를 연결하는 선로 스위치(300)를 포함한다. 따라서 입력단과 출력단의 전환에 의해 신호 송수신무와 2D 배열 안테나를 연결하여 무선 빔포밍 장치의 성능을 높일 수 있고, 2D 배열 안테나에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 믹서를 연결하여 무선 환경의 변화에 적응하도록 무선 신호를 송수신하는 장점이 있고, 선로에 입력단 또는 출력단의 연결을 전환하여 선로가 주파수 신호를 나누는 나눔부 또는 주파수 신호를 혼합하는 혼합부로 동작할 수 있다.

Description

밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치{WIRELESS BEAMFORMING DEVICE MINIMIZING POWER LOSS IN MILLIMETER WAVEBAND}
본 발명은 무선 빔포밍 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치에 관한 것이다.
무선 빔포밍 장치는 2D 배열 안테나로 무선 경로에 따른 무선 신호의 위상 변화에 적응한다. 무선 빔포밍 장치는 위상이 다른 주파수 신호를 2D 배열 안테나로 출력해서 여러 위상의 무선 신호를 출력할 수 있다. 또한, 무선 빔포밍 장치는 2D 배열 안테나의 빔 형성을 변화시켜 안테나를 통해 수신되는 무선 신호에 정합한다. 2D 배열 안테나는 빔 형성이 통신하는 무선 신호에 따라 다르게 적응되어 데이터 에러율이 낮도록 해서 무선 신호를 송수신할 수 있다.
무선 빔포밍 장치는 MIMO 기술에 속하며, MIMO(미모 또는 마이모)는 무선 통신의 용량을 높이기 위한 스마트 안테나 기술이다. MIMO는 기지국과 단말기에 여러 안테나를 사용하여, 사용된 안테나수에 비례하여 용량을 높이는 기술이다. 예를 들어, 무선 빔포밍 장치는 디지털 신호를 처리하는 처리부와 매칭되고 주파수 신호를 송수신하는 신호 송수신부; 안테나를 행과 열로 배열하며, 배열된 안테나에 의해 주파수 신호를 입력받아 무선 신호를 공기 중으로 출력하고, 공기 중의 무선 신호를 수신하여 주파수 신호를 출력하는 2D 배열 안테나; 및 신호 송수신부와 2D 배열 안테나를 연결하는 선로 스위치로 구성되며, 선로 스위치가 어떻게 구성되는지에 따라 무선 빔포밍 장치의 성능이 달라질 수 있다.
등록번호 제10-1825852호, 무선 통신 빔포밍 장치, 시스템 및 방법 공개번호 제10-2014-0066484호, 빔포밍 기반 무선 통신 시스템에서 송수신 빔 패턴 변경에 따른 빔 이득 보상 운용을 위한 방법 및 장치
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 입력단과 출력단의 전환에 따른 신호 나눔과 혼합에 의해 신호 송수신부와 2D 배열 안테나를 연결하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치를 제공하는데 있다.
또한, 2D 배열 안테나에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 매칭된 버퍼를 경유해서 믹서와 연결하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치를 제공하는데 있다.
또한, 선로에 입력단 또는 출력단의 연결을 전환하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 디지털 신호를 처리하는 처리부와 매칭되고 주파수 신호를 송수신하는 신호 송수신부(100); 안테나를 행과 열로 배열하며, 배열된 안테나에 의해 주파수 신호를 입력받아 무선 신호를 공기 중으로 출력하고, 공기 중의 무선 신호를 수신하여 주파수 신호를 출력하는 2D 배열 안테나(200); 및 입력단(311)과 출력단(312)의 전환에 따른 신호 나눔과 혼합에 의해 신호 송수신부(100)와 2D 배열 안테나(200)를 연결하는 선로 스위치(300)를 포함한다.
또한, 신호 송수신부(100)는 인코딩된 디지털 신호를 출력하는 인코더(110); 인코더(110)의 디지털 신호를 아날로그 변환하는 디지털아날로그 컨버터(120); 일정 주파수 대역의 주파수 신호를 발진하는 발진기(130); 발진기(130)의 주파수 신호와 디지털아날로그 컨버터(120)의 아날로그 신호를 혼합하여 선로 스위치(300)로 출력하는 제1믹서(140); 선로 스위치(300)의 출력 신호가 입력되는 제2믹서(150)로부터 출력되는 아날로그 신호를 아날로그디지털 변환하는 아날로그디지털 컨버터(160); 및 아날로그디지털 컨버터(160)의 디지털 신호를 디코딩하는 디코더(170)를 포함한다.
또한, 선로 스위치(300)는 2D 배열 안테나(200)에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 매칭된 버퍼를 경유해서 제1믹서(140) 및 제2믹서(150)와 연결하는 전력나눔혼합부(310)를 포함한다.
또한, 전력나눔혼합부(310)는 주파수 신호를 입력하는 입력단(311); 주파수 신호를 출력하는 출력단(312); 하나의 입력단(311)을 두 개의 출력단(312)으로 나누는 나눔부(313); 및 두 개의 입력단(311)을 하나의 출력단(312)으로 혼합하는 혼합부(314)를 포함한다.
또한, 입력단(311)에는 행에 위상이 다른 다수의 I 신호와 열에 위상이 다른 다수의 Q 신호의 주파수 신호가 입력되고 혼합부(314)는 입력단(311)의 신호를 혼합하여 2D 배열 안테나(200)로 출력하고, 입력단(311)에는 2D 배열 안테나(200)로부터 주파수 신호가 입력되고 나눔부(313)는 입력단(311)의 주파수 신호를 나누어 행에 I 신호를 열에 Q 신호를 출력하는 출력단(312)으로 주파수 신호를 경유하여 신호 송수신부(100)에 전달한다.
또한, 전력나눔혼합부(310)는 입력단(311)과 출력단(312)이 연결되는 선로(315); 및 선로(315)에 입력단(311) 또는 출력단(312)의 연결을 전환하는 전환 스위치(316)를 포함한다.
또한, 2D 배열 안테나(200)가 시분할되어 일 시간에 송신 헤드로, 타 시간에 수신 헤드로 동작할 때 선로(315)는 전환 스위치(316)를 통해 일측에는 입력단(311)이, 타측에는 출력단(312)이 연결되는 티 선로(315)이다.
또한, 티 선로(315)는 일정 거리 이격되며 접지와 연결되어 기생 캐패시턴스의 전류 흐름을 감소시키는 홀(317)을 가진다.
상기와 같은 본 발명에 따른 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치를 이용할 경우에는 입력단과 출력단의 전환에 의해 신호 송수신무와 2D 배열 안테나를 연결하여 무선 빔포밍 장치의 성능을 높일 수 있다.
또한, 2D 배열 안테나에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 믹서를 연결하여 무선 환경의 변화에 적응하도록 무선 신호를 송수신하는 장점이 있다.
또한, 선로에 입력단 또는 출력단의 연결을 전환하여 선로가 주파수 신호를 나누는 나눔부 또는 주파수 신호를 혼합하는 혼합부로 동작할 수 있다.
도 1은 무선 빔포밍 장치의 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 신호 송수신부(100)의 구성을 보인 블록도이다.
도 3은 선로 스위치(300)의 구성을 보인 블록도이다.
도 4는 전력나눔혼합부(310)의 구성을 보인 블록도이다.
도 5는 전력나눔혼합부(310)의 실시예를 보인 예시도이다.
도 6은 선로(315)의 일례를 보인 예시도이다.
도 7은 티 선로(315)에 구성된 홀(317)을 보인 예시도이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 무선 빔포밍 장치의 구성을 보인 예시도이다.
무선 빔포밍 장치는 디지털 신호를 처리하는 처리부와 매칭되고 주파수 신호를 송수신하는 신호 송수신부(100); 안테나를 행과 열로 배열하며, 배열된 안테나에 의해 주파수 신호를 입력받아 무선 신호를 공기 중으로 출력하고, 공기 중의 무선 신호를 수신하여 주파수 신호를 출력하는 2D 배열 안테나(200); 및 입력단(311)과 출력단(312)의 전환에 따른 신호 나눔과 혼합에 의해 신호 송수신부(100)와 2D 배열 안테나(200)를 연결하는 선로 스위치(300)를 포함한다.
신호 송수신부(100)는 디지털 신호를 처리하는 처리부와 매칭되고 주파수 신호를 송수신한다. 신호 송수신부(100)는 처리부에서 디지털 신호를 처리하도록 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하거나 처리부의 디지털 신호를 주파수 신호로 변환한다.
2D 배열 안테나(200)는 안테나를 행과 열로 배열하며, 배열된 안테나에 의해 주파수 신호를 입력받아 무선 신호를 공기 중으로 출력하고, 공기 중의 무선 신호를 수신하여 주파수 신호를 출력한다.
선로 스위치(300)는 입력단(311)과 출력단(312)의 전환에 따른 신호 나눔과 혼합에 의해 신호 송수신부(100)와 2D 배열 안테나(200)를 연결한다. 신호 나눔은 나눔부(313)가 신호 혼합은 혼합부(314)가 담당한다.
도 2는 신호 송수신부(100)의 구성을 보인 블록도이다.
신호 송수신부(100)는 인코딩된 디지털 신호를 출력하는 인코더(110); 인코더(110)의 디지털 신호를 아날로그 변환하는 디지털아날로그 컨버터(120); 일정 주파수 대역의 주파수 신호를 발진하는 발진기(130); 발진기(130)의 주파수 신호와 디지털아날로그 컨버터(120)의 아날로그 신호를 혼합하여 선로 스위치(300)로 출력하는 제1믹서(140); 선로 스위치(300)의 출력 신호가 입력되는 제2믹서(150)로부터 출력되는 아날로그 신호를 아날로그디지털 변환하는 아날로그디지털 컨버터(160); 및 아날로그디지털 컨버터(160)의 디지털 신호를 디코딩하는 디코더(170)를 포함한다.
인코더(110)는 인코딩된 디지털 신호를 출력한다. 인코더(110)는 무선 전송에 적합하도록 디지털 신호를 인코딩하여 출력한다.
디지털아날로그 컨버터(120)는 인코더(110)의 디지털 신호를 아날로그 변환한다.
발진기(130)는 일정 주파수 대역의 주파수 신호를 발진한다.
제1믹서(140)는 발진기(130)의 주파수 신호와 디지털아날로그 컨버터(120)의 아날로그 신호를 혼합하여 선로 스위치(300)로 출력한다.
아날로그디지털 컨버터(160)는 선로 스위치(300)의 출력 신호가 입력되는 제2믹서(150)로부터 출력되는 아날로그 신호를 아날로그디지털 변환한다. 제2믹서(150)는 선로 스위치(300)의 출력 신호를 다운 컨버전하여 아날로그디지털 컨버터(160)로 출력한다.
디코더(170)는 아날로그디지털컨버터의 디지털 신호를 디코딩한다.
도 3은 선로 스위치(300)의 구성을 보인 블록도이다.
선로 스위치(300)는 2D 배열 안테나(200)에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 매칭된 버퍼를 경유해서 제1믹서(140) 및 제2 믹서와 연결하는 전력나눔혼합부(310)를 포함한다.
전력나눔혼합부(310)는 2D 배열 안테나(200)에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 매칭된 버퍼를 경유해서 제1믹서(140) 및 제2 믹서와 연결한다.
도 4는 전력나눔혼합부(310)의 구성을 보인 블록도이다.
전력나눔혼합부(310)는 주파수 신호를 입력하는 입력단(311); 주파수 신호를 출력하는 출력단(312); 하나의 입력단(311)을 두 개의 출력단(312)으로 나누는 나눔부(313); 및 두 개의 입력단(311)을 하나의 출력단(312)으로 혼합하는 혼합부(314)를 포함한다.
입력단(311)에는 주파수 신호가 입력된다.
출력단(312)은 주파수 신호를 출력한다.
나눔부(313)는 하나의 입력단(311)을 두 개의 출력단(312)으로 나눈다.
혼합부(314)는 두 개의 입력단(311)을 하나의 출력단(312)으로 혼합한다.
입력단(311)에는 행에 위상이 다른 다수의 I 신호와 열에 위상이 다른 다수의 Q 신호의 주파수 신호가 입력되고 혼합부(314)는 입력단(311)의 신호를 혼합하여 2D 배열 안테나(200)로 출력한다. 여기서, 위상이 다른 다수의 I신호와 Q신호는 위상 차가 랜덤하게 설정되고 입력단(311)에 입력될 수 있다. 이는 2D 배열 안테나(200)를 통해 출력되는 무선 신호가 무선 경로에 따라 전파될 때 다른 위상 특성을 나타내도록 영향을 미칠 수 있다. I신호와 Q신호의 랜덤 설정은 두 2D 배열 안테나(200)간에 송수신되는 데이터의 에러율에 따라 변화될 수 있다. 데이터 에러율이 적은 방향으로 랜덤 설정이 조정될 수 있다. 랜덤 설정은 고정된 2D 배열 안테나(200)인 경우 큰 효과를 낼 수 있다. 2D 배열 안테나(200)가 이동 단말기에 적용된 경우 실시간 무선 경로 특성이 달라질 수 있지만 고정된 경우에는 시간 또는 날씨에 따라 무선 경로 특성이 달라질 수 있으므로 예측 가능한 조건하에서 랜덤 설정이 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 이유는 무선 경로 특성이 예측 가능할 경우 랜덤 설정이 데이터 에러율을 낮출 수 있다. 낮은 데이터 에러율은 높은 데이터 전송 속도에 필수적이다.
랜덤 설정에는 가중치가 적용될 수 있다. 가중치 값으로 랜덤 설정이 변화한다. 학습 데이터로 송신단 I신호, Q신호 및 결과로 수신단 데이터 에러율이 주어지면 가중치가 정해질 수 있다. 이후, 가중치에 따라 송신단 I신호와 Q신호의 랜덤 설정이 조정되고, 결과인 데이터 에러율이 피드백되어 가중치 값이 업데이트될 수 있다. 가중치 업데이트는 학습으로 행해질 수 있다. 실시예로, 가중치 값 결정에는 고유 함수 또는 신경망이 사용될 수 있다.
입력단(311)에는 2D 배열 안테나(200)로부터 주파수 신호가 입력되고 나눔부(313)는 입력단(311)의 주파수 신호를 나누어 행에 I 신호를 열에 Q 신호를 출력하는 출력단(312)으로 주파수 신호를 경유하여 신호 송수신부(100)에 전달한다. 무선 환경의 경로 특성을 고려한 2D 배열 안테나(200)의 주파수 신호는 입력단(311)에 입력되어 나눔부(313)를 통해 신호 송수신부(100)에 전달될 수 있다. 신호 송수신부(100)는 디지털 I신호와 Q신호를 처리해서 복호화한다.
도 5는 전력나눔혼합부(310)의 실시예를 보인 예시도이다.
전력나눔혼합부(310)는 입력단(311)과 출력단(312)이 연결되는 선로(315); 및 선로(315)에 입력단(311) 또는 출력단(312)의 연결을 전환하는 전환 스위치(316)를 포함한다.
선로(315)에는 입력단(311)과 출력단(312)이 연결된다.
전환 스위치(316)는 선로(315)에 입력단(311) 또는 출력단(312)의 연결을 전환한다.
도 6은 선로(315)의 일례를 보인 예시도이다.
2D 배열 안테나(200)가 시분할되어 일 시간에 송신 헤드로, 타 시간에 수신 헤드로 동작할 때 선로(315)는 전환 스위치(316)를 통해 일측에는 입력단(311)이, 타측에는 출력단(312)이 연결되는 티 선로(315)이다. 티 선로(315)는 양단에 입력단(311)이, 하단에 출력단(312)이 연결될 수 있다. 또한, 티 선로(315)는 하단에 입력단(311)이, 양단에 출력단(312)이 연결될 수 있다. 이와 같이 티 선로(315)에는 입력단(311)과 출력단(312)이 서로 전환되어 연결될 수 있다.
도 7은 티 선로(315)에 구성된 홀(317)을 보인 예시도이다.
티 선로(315)는 일정 거리 이격되며 접지와 연결되어 기생 캐패시턴스의 전류 흐름을 감소시키는 홀(317)을 가진다. 홀(317)은 접지와 연결되어 전류 패스를 가진다. 티 선로(315)에는 일정 거리 이격된 홀(317)을 가져 티 선로(315)에서 발생하는 누설 전류가 홀(317)을 통해 흐를 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 신호 송수신부 110: 인코더
120: 디지털아날로그 컨버터 130: 발진기
140: 제1믹서 150: 제2믹서
160: 아날로그디지털 컨버터 170: 디코더
200: 2D 배열 안테나 300: 선로 스위치
310: 전력나눔혼합부 311: 입력단
312: 출력단 313: 나눔부
314: 혼합부 315: 선로
316: 전환 스위치 317: 홀

Claims (7)

  1. 디지털 신호를 처리하는 처리부와 매칭되고 주파수 신호를 송수신하는 신호 송수신부(100);
    안테나를 행과 열로 배열하며, 배열된 안테나에 의해 주파수 신호를 입력받아 무선 신호를 공기 중으로 출력하고, 공기 중의 무선 신호를 수신하여 주파수 신호를 출력하는 2D 배열 안테나(200); 및
    입력단(311)과 출력단(312)의 전환에 따른 신호 나눔과 혼합에 의해 상기 신호 송수신부(100)와 상기 2D 배열 안테나(200)를 연결하는 선로 스위치(300)를 포함하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 송수신부(100)는 인코딩된 디지털 신호를 출력하는 인코더(110);
    상기 인코더(110)의 디지털 신호를 아날로그 변환하는 디지털아날로그 컨버터(120);
    일정 주파수 대역의 주파수 신호를 발진하는 발진기(130);
    상기 발진기(130)의 주파수 신호와 상기 디지털아날로그 컨버터(120)의 아날로그 신호를 혼합하여 상기 선로 스위치(300)로 출력하는 제1믹서(140);
    상기 선로 스위치(300)의 출력 신호가 입력되는 제2믹서(150)로부터 출력되는 아날로그 신호를 아날로그디지털 변환하는 아날로그디지털 컨버터(160); 및
    상기 아날로그디지털 컨버터(160)의 디지털 신호를 디코딩하는 디코더(170)를 포함하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선로 스위치(300)는 상기 2D 배열 안테나(200)에서 일정 수의 안테나를 선택하고 안테나와 매칭된 버퍼를 경유해서 상기 제1믹서(140) 및 상기 제2믹서(150)와 연결하는 전력나눔혼합부(310)를 포함하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력나눔혼합부(310)는 주파수 신호를 입력하는 입력단(311);
    상기 주파수 신호를 출력하는 출력단(312);
    하나의 입력단(311)을 두 개의 출력단(312)으로 나누는 나눔부(313); 및
    두 개의 입력단(311)을 하나의 출력단(312)으로 혼합하는 혼합부(314)를 포함하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력나눔혼합부(310)는 상기 입력단(311)과 상기 출력단(312)이 연결되는 선로(315); 및
    상기 선로(315)에 상기 입력단(311) 또는 상기 출력단(312)의 연결을 전환하는 전환 스위치(316)를 포함하는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2D 배열 안테나(200)가 시분할되어 일 시간에 송신 헤드로, 타 시간에 수신 헤드로 동작할 때 상기 선로(315)는 상기 전환 스위치(316)를 통해 일측에는 상기 입력단(311)이, 타측에는 상기 출력단(312)이 연결되는 티 선로(315)인 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 티 선로(315)는 일정 거리 이격되며 접지와 연결되어 기생 캐패시턴스의 전류 흐름을 감소시키는 홀(317)을 가지는 밀리미터파 대역의 전력 손실을 최소화하는 무선 빔포밍 장치.
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