KR20210002918A - 안테나 어레이의 지향성을 개선하는 rf 렌즈 장치 및 그를 포함하는 송수신 안테나 시스템 - Google Patents

안테나 어레이의 지향성을 개선하는 rf 렌즈 장치 및 그를 포함하는 송수신 안테나 시스템 Download PDF

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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

안테나 어레이의 지향성을 개선하는 RF 렌즈 장치, 상기 RF 렌즈 장치를 포함하는 송수신 안테나 시스템 및 송수신 안테나 시스템에서 수행되는 빔포밍 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템은, 복수의 안테나들로 구성되는 안테나 어레이; 상기 안테나 어레이의 상부에 구비되는 안테나용 RF 렌즈들-상기 안테나용 RF 렌즈들은 상기 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치됨-; 및 상기 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되어, 안테나 어레이의 빔을 조절하는 어레이용 RF 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 안테나들 각각은, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행한다.

Description

안테나 어레이의 지향성을 개선하는 RF 렌즈 장치 및 그를 포함하는 송수신 안테나 시스템{RF LENS APPARATUS FOR IMPROVING DIRECTIVITY OF ANTENNA ARRAY AND TRANSMITTING-RECEIVING ANTENNA SYSTEM INCLUDING THE SAME}
아래의 설명은 다중 안테나를 갖는 송수신 안테나 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게 RF 렌즈를 이용함으로써 안테나 어레이의 지향성을 개선하는 송수신 안테나 시스템에 대한 것이다.
무선 통신 시스템 또는 레이더 등은 무선 신호를 송수신하는 송수신 안테나 시스템을 포함한다. 현대의 송수신 안테나 시스템은 다중 안테나를 이용하는 경우가 많으며, 다중 안테나 기반의 송수신 안테나 시스템의 경우, MIMO(Multiple-input multiple-output) 기술 또는 빔포빙(beamforming) 기술을 사용하면 데이터의 전송 속도를 높이거나, 장치 간의 간섭을 줄이거나, 신호의 전송 거리를 늘리거나, 신호대잡음비를 높이는 등의 많은 장점을 갖는다.
여기서, 송신 빔포밍(beamforming) 기술은 다중 안테나 각각에서 전송되는 신호의 위상(phase)과 크기(amplitude)를 조절하여 각기 다른 안테나에서 전송된 신호들이 방향에 따라 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)을 일으키면서 송신 신호가 지향성을 가지고 전송되도록 하는 기술이다. 수신 빔포밍(beamforming) 기술은 다중 안테나 각각에서 수신된 신호의 위상(phase)과 크기(amplitude)를 조절하고 결합(combine)하여 특정 방향에 대해 수신 감도를 높여 지향성을 가지고 수신하도록 하는 기술로 기본 원리는 송신 빔포밍과 동일하다. 송신 또는 수신 빔포밍은 각 안테나에서 송신 또는 수신되는 신호가 서로 상관 관계가 높은 경우(stochastically highly correlated) 적용할 수 있는 기술이다.
반면에, MIMO 기술은 빔포밍 기술과는 달리 각 안테나에서 송신 또는 수신되는 신호 간에 이상적으로는 서로 상관 관계가 없는 경우(stochastically uncorrelated) 사용하는 기술로, MIMO 기술은 다중 안테나를 이용하여 동시에 여러 개의 데이터 스트림을 송수신 하거나, 다중화 이득(diversity gain)을 이용하여 채널 환경 변화에도 강인한(robust) 성능을 얻을 수 있게 해준다. MIMO 기술은 각 안테나에서 송신 또는 수신되는 신호 간에 상관 관계가 높아짐에 따라 성능이 저하되는 경향이 있다.
최근 무선 통신 분야에서는 주파수 자원의 고갈과 함께 주파수 자원의 효율적 사용을 위한 방법들로서, 상술된 MIMO 및 빔포밍 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 MIMO 및 빔포밍 기술은 5세대(5G) 이동 통신의 핵심 기술이 될 전망이다. 또한, 첨단 운전자 보조시스템(Advanced Drier Assistance System; ADAS) 및 자율주행 자동차(self-driving cars)에 대한 관심이 높아짐에 따라 보다 성능이 우수한 자동차용 레이더 개발 경쟁이 치열해지면서 자동차용 레이더에도 점차 다중 안테나가 기본적으로 도입되고 있는 추세이다.
이에, 아래의 실시예들은 다중 안테나를 갖는 송수신 안테나 시스템에서, MIMO 및 빔포밍의 문제를 해결하고 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 제안한다.
일 실시예들은 상호 연동하며 동작하는 복수의 안테나들로 어레이를 구성하는 송수신 안테나 시스템에서, 공간 주파수와 입사각(또는 방사각) 사이의 비선형성과 안테나의 지향성에 의해 발생되는 안테나 어레이의 지향 성능 열하를 해결하고, 단일 안테나 어레이로 넓은 각도를 커버하거나 안테나 어레이의 지향성을 향상할 수 있는 기술을 제공한다.
구체적으로, 일 실시예들은 안테나 어레이를 구성하는 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치되는 안테나용 RF 렌즈들 및 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되는 어레이용 RF 렌즈를 포함하는 RF 렌즈 장치를 이용하는 송수신 안테나 시스템 및 빔포밍 방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 안테나 지향성을 개선하는 송수신 안테나 시스템은, 복수의 안테나들로 구성되는 안테나 어레이; 상기 안테나 어레이의 상부에 구비되는 안테나용 RF 렌즈들-상기 안테나용 RF 렌즈들은 상기 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치됨-; 및 상기 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되어, 상기 안테나 어레이의 빔을 조절하는 어레이용 RF 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 안테나들 각각은, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행한다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 안테나들 각각은, 상기 복수의 안테나들의 개수, 상기 복수의 안테나들 각각의 위치, 상기 복수의 안테나들 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 기초로, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 상기 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하고, 상기 안테나 어레이는, 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성하며, 상기 어레이용 RF 렌즈는, 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도 범위가 상기 제1 각도 범위로부터 상기 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경되도록 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도를 굴절시킬 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 상기 안테나 어레이는, 상기 복수의 안테나들 각각의 변경된 빔 모양에 의한 제약 조건을 만족시키는 상기 제1 각도 범위를 결정할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하여, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 상기 빔의 에너지를 분산시키기 위한 오목 부분을 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 렌즈 초점 거리를 제어 가능하도록 구비되어 상기 특정 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 상기 복수의 안테나들 각각의 이득이 상기 특정 각도 범위 내에서만 임계값을 갖도록 상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들은, 상기 복수의 안테나들과 각각 일대일 대응하도록 배치될 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 어레이용 RF 렌즈는, 렌즈 초점 거리를 제어 가능하도록 구비되어 상기 제2 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복수의 안테나들로 구성되는 안테나 어레이; 상기 안테나 어레이의 상부에 구비되는 안테나용 RF 렌즈들-상기 안테나용 RF 렌즈들은 상기 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치됨- 및 상기 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되는 어레이용 RF 렌즈를 포함하는 송수신 안테나 시스템에서 수행되는 빔포밍 방법은, 상기 복수의 안테나들 각각에서, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는 단계; 상기 안테나용 RF 렌즈들 각각에서, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하는 단계; 상기 안테나 어레이가, 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성하는 단계; 및 상기 어레이용 RF 렌즈에서, 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도 범위가 상기 제1 각도 범위로부터 상기 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경되도록 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도를 굴절시키는 단계를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는 단계는, 상기 복수의 안테나들 각각에서, 상기 복수의 안테나들의 개수, 상기 복수의 안테나들 각각의 위치, 상기 복수의 안테나들 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 기초로, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는 단계일 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 상기 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성하는 단계는, 상기 복수의 안테나들 각각의 변경된 빔 모양에 의한 제약 조건을 만족시키는 상기 제1 각도 범위를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하는 단계는, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하여, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경하는 단계는, 상기 복수의 안테나들 각각의 이득이 상기 특정 각도 범위 내에서만 임계값을 갖도록 상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하는 단계일 수 있다.
일 실시예들은 상호 연동하며 동작하는 복수의 안테나들로 어레이를 구성하는 송수신 안테나 시스템에서, 공간 주파수와 입사각(또는 방사각) 사이의 비선형성과 안테나의 지향성에 의해 발생되는 안테나 어레이의 지향 성능 열하를 해결하고, 단일 안테나 어레이로 넓은 각도를 커버하거나 안테나 어레이의 지향성을 향상할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예들은 안테나 어레이를 구성하는 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치되는 안테나용 RF 렌즈들 및 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되는 어레이용 RF 렌즈를 포함하는 RF 렌즈 장치를 이용하는 송수신 안테나 시스템 및 빔포밍 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 송수신 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 공간 주파수와 입사각 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나의 각도에 따른 이득 특성과 지향성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 0° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 30° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 60° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 90° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나의 각도에 따른 이득 특성과 지향성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 0° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 30° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 60° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 90° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 14는 다중 안테나 기술이 적용된 송신 안테나 시스템 및 수신 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 15는 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 안테나용 RF 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 안테나용 RF 렌즈를 설명하기 위한 또 다른 도면이다.
도 17은 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 어레이용 RF 렌즈의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 어레이용 RF 렌즈의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템에서의 빔포밍 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(Terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 다중 안테나를 갖는 송수신 안테나 시스템에 관한 것으로, 안테나 어레이를 구성하는 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치되어 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하는 안테나용 RF 렌즈들 및 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되어 안테나 어레이가 제1 각도 범위 내에서 형성한 빔의 지향 각도를 굴절시켜 안테나 어레이의 빔의 지향 각도 범위를 제1 각도 범위로부터 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경하는 어레이용 RF 렌즈를 포함하도록 송수신 안테나 시스템을 구성함으로써, 공간 주파수와 입사각 사이의 비선형성과 안테나의 지향성에 의해 발생되는 안테나 어레이의 지향 성능 열하를 해결하고, 단일 안테나 어레이로 넓은 각도를 커버할 수 있도록 한다.
이하, 다중 안테나를 갖는 송수신 안테나 시스템은 상호 연동하며 동작하는 복수의 안테나들로 구성되는 안테나 어레이를 포함하여, 신호를 송수신하는 시스템을 의미한다. 또한, 본 발명은 설명의 편의를 위하여, 송수신 안테나 시스템에서의 빔포밍 기술을 예를 들어 설명되지만, 이에 제한되거나 한정되지 않고, MIMO 송수신 기술에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 이하, 안테나 어레이가 1차원 선형 어레이인 것으로 설명되나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 2차원 또는 3차원 어레이에도 확장되어 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 송수신 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 송수신 안테나 시스템은 복수의 안테나들(A0, A1, A2, A3, A4, A5)로 구성되는 선형 안테나 어레이(100)를 포함하는 구조를 갖는다. 이 때, 선형 안테나 어레이(100)에서 복수의 안테나들(A0, A1, A2, A3, A4, A5)의 간격은 등 간격으로 반송파 주파수의 반파장(λ/2)인 것으로 가정하나, 이에 제한되거나 한정되지는 않는다. 이하, 도 2 내지 12를 참조하여 후술되는 이상적인 송수신 안테나 시스템 및 현실적인 송수신 안테나 시스템은 도 1과 같은 구조를 갖는 것을 전제로 한다.
도 2는 공간 주파수와 입사각 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하여 상술된 종래 구조의 송수신 안테나 시스템에서 선형 안테나 어레이에 신호가 수신되면, 선형 안테나 어레이를 구성하는 복수의 안테나들 각각에 수신되는 신호는 입사각에 따라 서로 다른 위상 값을 갖게 된다. 이렇게 공간에 따른 위상의 변화율을 공간 주파수라 하며, 공간 주파수는 신호의 입사각과 도 2의 그래프(200)와 같이 비선형 관계를 갖게 된다.
도 3은 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나의 각도에 따른 이득 특성과 지향성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 0° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 30° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 60° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 90° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래 구조의 이상적인 송수신 안테나 시스템에서 안테나의 각도에 따른 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계(cartesian coordinate system)에서 나타내었을 때 310과 같이 -90° 내지 90° 방향 범위에 대해서 항상 1인 특성을 갖는다면, 310을 극좌표계(polar coordinate system)에서 그래프로 그리면 320과 같이 나타난다. 이처럼 이상적인 경우의 송수신 안테나 시스템(종래 구조의 송수신 안테나 시스템)에서 선형 안테나 어레이가 특정 방향으로 지향(steering)되었을 때 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴은 도 4 내지 7과 같이 나타난다.
이하, 빔 패턴은 안테나의 방사 패턴 또는 다중 안테나로 이루어진 안테나 어레이의 방사 패턴을 의미하고, 지향성(directivity)은 안테나 또는 안테나 어레이의 빔 패턴이 특정 방향에 집중되는 정도 또는 성질을 의미한다. 또한, 이하, 안테나 또는 안테나 어레이의 방사 패턴은, 안테나 또는 안테나 어레이에서 방향에 따라 에너지가 방사되는 정도(송신의 경우) 또는 방향에 따른 수신 감도(수신의 경우)를 패턴으로 나타낸 것이다. 지향성은 빔 패턴, 즉 빔 모양(빔의 모양; beam shape)에 의해서 결정되며 지향성이 높다, 크다, 낮다, 작다, 있다, 없다 등의 표현으로 사용될 수 있다. 이 때, 지향성이 높으면 빔 모양은 좁고, 지향성이 낮으면 빔 모양이 넓은 관계를 갖는다. 이하, 빔 모양은 빔의 폭(beam width)을 포함하는 개념으로서, "빔 모양을 변경하는 것"은 일정 각도 범위 외의 에너지 방사(또는 수신)를 제거하여 빔의 폭이 일정 각도 범위 내에 위치하도록 하는 동시에, 일정 각도 범위 내에서 안테나 이득을 유지시키는 것을 의미할 수 있다.
또한, 지향(steering)은 지향성 안테나 또는 지향성 안테나 어레이의 지향 각도가 원하는 방향으로 향하도록 하는 것을 의미한다.
도 4를 참조하면, 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 0° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일(linear scale)의 그래프로 그리면 410과 같이 나타나며, 410의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 420과 같이 나타난다.
이 때, 안테나 어레이의 빔 패턴은 안테나 어레이를 구성하는 안테나의 개수가 많을수록 지향성이 커지며, 날카롭게 형성될 수 있다. 그러나 안테나의 개수가 동일하다 하더라도 어레이가 0° 방향으로 지향(steering)되었을 때의 빔 패턴이 가장 지향성이 크며, 지향 각도가 90° 방향 또는 -90° 방향으로 갈수록 빔 패턴의 지향성이 떨어지는 특성을 가진다. 이러한 문제는 도 2에 도시된 바와 같이 신호의 입사각 및 공간 주파수 사이의 관계가 비선형 관계이기 때문에 발생될 수 있다.
이하, 지향 각도(steering angle)는 지향성을 가진 안테나 또는 지향성을 가진 안테나 어레이의 에너지 방사가 집중된 각도 또는 방향을 의미한다. 이 때, 지향 각도는 빔의 방향과 동일한 의미를 갖는다.
도 5를 참조하면, 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 30° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 510과 같이 나타나며, 510의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 520과 같이 나타난다.
여기서, 안테나 어레이가 30° 방향으로 지향되었을 때의 빔 패턴은 도 4를 참조하여 상술된 빔 패턴에 비해서 지향성이 조금 떨어졌으나, 비교적 양호한 지향성을 유지하고 있음이 확인된다.
도 6을 참조하면, 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 60° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 610과 같이 나타나며, 610의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 620과 같이 나타난다.
이 때, 안테나 어레이가 60° 방향으로 지향되었을 때의 빔 패턴은 도 4를 참조하여 상술된 빔 패턴 및 도 5 를 참조하여 상술된 빔 패턴에 비해 지향성이 눈에 띄게 저하되었으며, -90° 방향에 대한 안테나 어레이의 이득이 4.5 이상이기 때문에, 원하지 않는 방향인 -90° 방향으로부터의 신호에 의한 간섭이 크게 발생될 수 있는 문제를 갖는다.
도 7을 참조하면, 이상적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 90° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 710과 같이 나타나며, 710의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 720과 같이 나타난다.
여기서, 안테나 어레이가 90° 방향으로 지향되었을 때의 빔 패턴은 지향성이 크게 떨어진 것이 확인되며, 90° 방향으로부터 수신되는 신호와 -90° 방향으로부터 수신되는 신호를 구분하지 못하는 문제를 갖는다.
이상, 안테나의 각도에 따른 이득이 -90° 내지 90° 방향 범위에 대해서 항상 1인 특성을 갖는 이상적인 경우의 송수신 안테나 시스템이 설명되었으나, 실제 무선 송수신 환경에서는 안테나 자체의 이득 특성 또한 지향성을 갖게 됨에 따라, 안테나의 각도에 따른 이득과 지향성은 도 3과 다르게 나타난다. 이에 대한 상세한 설명은 도 8을 참조하여 기재하기로 한다.
도 8은 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나의 각도에 따른 이득 특성과 지향성을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 0° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이며, 도 10은 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 30° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 60° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 종래 구조의 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이를 90° 방향으로 지향했을 때의 각도에 따른 안테나 어레이의 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 종래 구조의 송수신 안테나 시스템에서 안테나의 지향 각도에 따른 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 나타내었을 때 810과 같이 0° 방향에 대한 이득을 1로 정규화(normalize) 할 경우, -90° 방향 또는 90° 방향으로 각도가 이동됨에 따라 이득이 점차 감소되는 특성을 가지며, 810을 극좌표계에서 그래프로 그리면 820과 같이 나타난다. 이처럼 현실적인 경우의 송수신 안테나 시스템(종래 구조의 송수신 안테나 시스템)에서 선형 안테나 어레이가 특정 방향으로 지향되었을 때 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴은 도 9 내지 12와 같이 나타난다.
도 9를 참조하면, 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 0° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 910과 같이 나타나며, 910의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 920과 같이 나타난다.
이 때, 920과 같은 안테나 어레이의 빔 패턴은 도 4를 참조하여 상술된 빔 패턴보다 더 큰 지향성을 갖고 있음이 확인되는데, 이는 안테나 자체가 지향성을 가지고 있으며, 안테나의 지향 각도와 안테나 어레이의 지향 각도가 일치하기 때문이다.
도 10을 참조하면, 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 30° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 1010과 같이 나타나며, 1010의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 1020과 같이 나타난다.
여기서, 30° 방향으로 지향되었을 때 안테나 어레이의 실제 지향 방향은 의도한 30° 방향보다 약간 왼쪽으로 이동된 경향을 보이는 것이 확인된다. 즉, 현실적인 송수신 안테나 시스템과 같이 안테나 자체의 지향성이 있는 경우 안테나 자체의 지향 각도와 안테나 어레이의 지향 각도가 일치하지 않으면, 안테나 어레이의 지향 방향을 조절하는데 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
도 11을 참조하면, 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 60° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 1110과 같이 나타나며, 1110의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 1120과 같이 나타난다.
이 때, 안테나 어레이가 60° 방향으로 지향되었을 때 안테나 어레이의 실제 지향 방향은 의도한 60° 방향으로부터 크게 벗어날 뿐만 아니라 빔 패턴의 메인 로브(main lobe)의 이득(gain)이 현저히 줄어든 것이 확인되며, 이는 지향성이 있는 안테나의 안테나 자체 지향 각도와 안테나 어레이의 지향 각도가 일치하지 않아서 발생하는 현상이다.
도 12를 참조하면, 현실적인 송수신 안테나 시스템에서, 안테나 어레이가 90° 방향으로 지향되었을 때, 각도에 따른 안테나 어레이의 이득, 즉 빔 패턴을 직각좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 1210과 같이 나타나며, 1210의 빔 패턴을 극좌표계에서 선형 스케일의 그래프로 그리면 1220과 같이 나타난다.
이와 같이 현실적인 송수신 안테나 시스템에서 빔포밍이 수행되는 경우, 안테나 자체의 지향성으로 인해, 안테나 어레이의 빔 지향 각도가 커지는 경우, 빔포밍 성능이 심하게 열하되는 문제가 발생된다. 또한, 종래 구조의 송수신 안테나 시스템은 상기 문제를 해결하지 못하였기 때문에, 안테나 어레이의 빔 패턴의 지향 각도가 120°보다 훨씬 좁은 각도 범위로 제한되는 단점을 갖는다.
그러나 이동 통신에서 섹터 안테나의 경우 120°를 커버하여야 하는 경우가 많으며, 최근 연구가 활발히 이루어지고 있는 자율주행 자동차용 근거리 레이더의 경우에도 약 120°를 커버해야 한다. 하지만 종래 구조의 송수신 안테나 시스템으로는 도 8 내지 12에서 설명된 바와 같이 단일 안테나 어레이로는 120°를 커버하는 것이 불가능하다.
이에, 아래의 실시예들은 RF 렌즈 장치를 포함함으로써, 안테나 어레이의 지향 성능 열하를 해결하고, 단일 안테나 어레이로 넓은 각도를 커버할 수 있는 송수신 안테나 시스템을 제안한다.
도 13은 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템(1300)은, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)로 구성되는 안테나 어레이(1310) 및 RF 렌즈 장치(1320)를 포함한다. 이하, 안테나 어레이(1310)는 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)이 서로 상호 연동되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이에 대한 상세한 설명은 아래에서 기재하기로 한다.
또한, 이하, 안테나 어레이(1310)에서 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)의 간격은 등 간격으로 반송파 주파수의 반파장(λ/2)인 것으로 가정하나, 이에 제한되거나 한정되지는 않는다. 또한, 안테나 어레이(1310)가 도면과 같이 1차원 선형 어레이인 것으로 설명되나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)이 2차원 또는 3차원으로 배치되는 2차원 또는 3차원 어레이일 수도 있다. 이러한 경우에도 후술되는 RF 렌즈 장치(1320)는 동일하게 적용될 수 있다.
RF 렌즈 장치(1320)는 안테나 어레이(1310)의 상부에 구비되어 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)에 각각 대응하도록 배치되는 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326) 및 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326)의 상부에 구비되는 어레이용 RF 렌즈(1330)를 포함한다.
여기서, 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326)은 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)과 각각 일대일 대응하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, A0 안테나용 RF 렌즈(1321)는 A0 안테나(1311)의 상부에 배치되고, A1 안테나용 RF 렌즈(1322)는 A1 안테나(1312)의 상부에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 나머지 안테나용 RF 렌즈들(1323, 1324, 1325, 1326)은 각각 나머지 안테나들(1313, 1314, 1315, 1316)에 일대일 대응하도록 배치될 수 있다.
안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326) 각각은, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 빔 모양을 변경할 수 있다. 예를 들어, A0 안테나용 RF 렌즈(1321)는 A0 안테나(1311)의 빔 모양을, A1 안테나용 RF 렌즈(1322)는 A1 안테나(1312)의 빔 모양을, A2 안테나용 RF 렌즈(1323)는 A2 안테나(1313)의 빔 모양을, A3 안테나용 RF 렌즈(1324)는 A3 안테나(1314)의 빔 모양을, A4 안테나용 RF 렌즈(1325)는 A4 안테나(1315)의 빔 모양을, A5 안테나용 RF 렌즈(1326)는 A5 안테나(1316)의 빔 모양을 각각 빔 폭이 2*θ1으로 되도록 변경하여 대부분의 방사가 -θ1~θ1 내에서 이루어지도록 변경할 수 있다. 이하, 2*θ1은 안테나용 RF 렌즈(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326)에 의해 변경된 안테나 빔 패턴의 빔 모양(폭)을 나타내는 양으로, θ1은 변경된 안테나 빔 패턴과 관련된 파라미터를 의미한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 15를 참조하여 기재하기로 한다.
본 명세서에서 방사는 송수신 안테나 시스템에서 송신 시 RF 신호가 방출되는 것을 의미한다. 만약 송수신 안테나 시스템이 수신 모드로의 동작을 설명하는 경우 방사는 RF 신호의 수신을 의미한다.
이 때, 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326) 각각이 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 빔 모양을 변경한다는 것은, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 방사 특성(안테나 자체가 갖는 방사 특성)을 변경하는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326) 각각은 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 자체 방사 특성을 고려하여 설계될 수 있다(일례로, 비구면 렌즈 등이 사용될 수 있으며, 1개 이상의 렌즈 요소(element)가 사용될 수 있음). 만약, 안테나가 패치 안테나(patch antenna)와 같이 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 위에 구현된 경우 안테나용 RF 렌즈는 인쇄 회로 기판에 밀착되면서 안테나에 해당되는 부분의 전체 또는 일부를 덥도록(cover) 구성될 수 있다.
안테나 어레이(1310)는 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성한다. 이 때, 안테나 어레이(1310)는 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326) 각각에 의해 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 변경된 빔 모양에 의한 제약 조건을 만족시키는 제1 각도 범위를 결정함으로써, 결정된 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성할 수 있다. 예를 들어, 안테나 어레이(1310)는 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 변경된 빔의 방사 범위인 -θ1~θ1 내에 제1 각도 범위인 -φ1~ φ1가 위치하도록(φ1<θ1) 제1 각도 범위인 -φ1~φ1의 값을 결정할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 안테나 어레이(1310)는 빔을 형성하는 제1 각도 범위의 파라미터 φ1을 결정함에 있어, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 변경된 빔 모양의 파라미터 θ1에 의한 제약 조건으로서, φ1=θ1-(안테나 어레이(1310)의 빔 너비)/2의 식을 이용할 수 있다. 이하, 제1 각도 범위인 -φ1~φ1는 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도의 범위를 나타내는 값을 의미한다.
어레이용 RF 렌즈(1330)는 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도 범위가 제1 각도 범위로부터 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경되도록 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도를 굴절시킨다. 다시 말해, 어레이용 RF 렌즈(1330)는 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도 범위를 제1 각도 범위로부터 제2 각도 범위로 변경할 수 있다.
예를 들어, 어레이용 RF 렌즈(1330)는 -φ1~φ1의 제1 각도 범위를 갖는 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도를 굴절시켜, 안테나 어레이(1310)의 빔이 -φ2~φ2의 제2 각도 범위를 갖도록 할 수 있다. 이에, 어레이용 RF 렌즈(1330)는 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도를 굴절시킴으로써, 안테나 어레이(1310)의 커버리지를 좁히거나 넓힐 수 있다. 이하, 제2 각도 범위인 -φ2~φ2는 안테나 어레이(1310)의 빔이 어레이용 RF 렌즈(1330)를 통과한 후 굴절에 의해 변경된 지향 각도의 범위를 나타내는 값을 의미한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 17 내지 18을 참조하여 기재하기로 한다.
이처럼, 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템(1300)은, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 빔 모양을 변경하는 안테나용 RF 렌즈들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325, 1326) 및 안테나 어레이(1310)가 제1 각도 범위 내에서 형성한 빔의 지향 각도를 굴절시켜 안테나 어레이(1310)의 빔의 지향 각도 범위를 제1 각도 범위로부터 제2 각도 범위로 변경하는 어레이용 RF 렌즈(1330)를 포함함으로써, 공간 주파수와 입사각 사이의 비선형성과 안테나의 지향성에 의해 발생되는 안테나 어레이의 지향 성능 열하를 해결하고, 단일 안테나 어레이로 넓은 각도를 커버할 수 있다.
안테나 어레이(1310)는 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)이 상호 연동되도록 구성됨을 특징으로 한다. 이하, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)이 상호 연동되도록 구성된다는 것은, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각이 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하도록 구성된다는 것을 의미한다. 즉, 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각은 안테나 어레이(1310)를 구성하는 모든 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 개수, 안테나 어레이(1310)를 구성하는 모든 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 위치, 안테나 어레이(1310)를 구성하는 모든 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 기초로, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, A1 안테나(1312)는 안테나 어레이(1310)를 구성하는 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)의 개수, 안테나 어레이(1310)를 구성하는 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316) 각각의 상대적 위치, A0 안테나(1311), A2 안테나(1313), A3 안테나(1314), A4 안테나(1315) 및 A6 안테나(1316) 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 고려하여, 안테나 어레이(1310)의 성능이 극대화되도록 안테나 어레이(1310)를 구성하는 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)과 상호 연동하며 신호를 발생시키거나 신호를 처리할 수 있다.
이는, 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템(1300)에 다중 안테나 기술이 적용되었기 때문이다. 다중 안테나 기술은 안테나 어레이를 구성하는 여러 개의 안테나들 중 어떤 안테나에서 어떤 신호를 전송할 지 또는 어떤 안테나에서 수신된 신호를 어떻게 처리할지를, 안테나들의 개수, 상대적 위치, 안테나들에서 어떤 신호가 전송 또는 수신되는지 등을 고려한다. 이러한 다중 안테나 기술은 크게 미모(MIMO: multiple-input and multiple-output) 기술과 빔포밍 기술로 나눌 수 있으며, 미모 기술 및 빔포밍 기술은 다중 안테나 기술이 적용된 송신 안테나 시스템 및 수신 안테나 시스템을 도시한 도 14를 참조한 아래의 수식들로 정의될 수 있다.
도 14에서 송신 안테나 시스템(1410)은
Figure pat00001
개의 송신 안테나들로 구성되는 어레이로 구현되며, 식 1과 같은 송신 신호 벡터
Figure pat00002
를 구성하여 전송하는 역할을 하며, 송신 신호 벡터
Figure pat00003
의 각 원소는 송신 안테나 시스템(1410)을 구성하는 복수의 안테나들 중 해당 원소에 대응하는 안테나에 의해 송신된다.
<식 1>
Figure pat00004
식 1에서
Figure pat00005
는
Figure pat00006
의 송신 신호 벡터를 나타낸다.
Figure pat00007
의 메시지 벡터
Figure pat00008
는 아래의 식 2와 같은 구조를 가진다.
<식 2>
Figure pat00009
식 2에서
Figure pat00010
는 송신 안테나 시스템(1410)이 신호를 보내고자 하는 수신자(수신 안테나 시스템(1420))의 수,
Figure pat00011
는 수신자 1에게 송신하고자 하는 스트림 수,
Figure pat00012
는 수신자 2에게 송신하고자 하는 스트림 수,
Figure pat00013
는 수신자
Figure pat00014
에게 송신하고자 하는 스트림 수를 나타낸다.
식 1에서
Figure pat00015
는
Figure pat00016
의 프리코딩 행렬로서,
Figure pat00017
개의 송신 안테나들 중 각 안테나에서 전송되는 신호를
Figure pat00018
의 메시지 벡터
Figure pat00019
의 요소들로부터 어떻게 구성할 지를 결정한다. 일례로,
Figure pat00020
는 빔포밍 기술을 사용하는지 또는 미모 기술을 사용하는지, 만약 미모 기술을 사용할 경우 어떤 미모 기술을 사용하는지에 따라 결정될 수 있다.
Figure pat00021
는
Figure pat00022
의 대각선 행렬로서, 아날로그 빔포밍을 정의하는 행렬이다.
한편, 도 14에서
Figure pat00023
는 무선 채널의 특성을 나타내는 채널 행렬로서,
Figure pat00024
의
Figure pat00025
번째 행
Figure pat00026
번째 열의 원소는 송신 안테나 시스템(1410)에 포함되는
Figure pat00027
번째 송신 안테나와 수신 안테나 시스템(1420)에 포함되는
Figure pat00028
번째 수신 안테나 사이의 채널 특성을 나타낸다.
Figure pat00029
개의 수신 안테나로 구성되어 어레이를 구현하는 수신 안테나 시스템(1420)에서의 수신 신호 벡터
Figure pat00030
은 아래의 식 3과 같이 정의된다.
<식 3>
Figure pat00031
식 3에서
Figure pat00032
은
Figure pat00033
의 수신 신호 벡터를 의미한다.
이 때, 일반적으로 수신 안테나 시스템(1420)은
Figure pat00034
를 모르기 때문에, 식 4와 같이
Figure pat00035
대신에 추정값인
Figure pat00036
를 사용한다. 만약 수신 안테나 시스템(1420)이
Figure pat00037
와
Figure pat00038
를 알고 있는 경우
Figure pat00039
만을 추정하여
Figure pat00040
대신에
Figure pat00041
를 사용할 수 있다.
<식 4>
Figure pat00042
수신 안테나 시스템(1420)은 식 4에서
Figure pat00043
의 의사 역행렬을 수신 신호 벡터
Figure pat00044
의 앞에 곱해주어
Figure pat00045
를 추정하거나, 최소 제곱법을 이용한 해(least squares solution)를 구함으로써
Figure pat00046
를 추정할 수 있다.
이처럼 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템(1300)은 송수신 안테나 시스템(1300)에 포함되는 복수의 안테나들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315, 1316)을 상호 연동하여 동작시킴으로써, 하나의 어레이로 동작함을 특징으로 한다.
도 15는 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 안테나용 RF 렌즈를 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 안테나용 RF 렌즈를 설명하기 위한 또 다른 도면이다. 이하, 도 15를 참조하여 설명되는 안테나용 RF 렌즈(1500)는 도 13을 참조하여 상술된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 안테나용 RF 렌즈들 각각을 나타낸다.
도 15를 참조하면, 안테나용 RF 렌즈(1500)는 실제 무선 송수신 환경에서 안테나의 빔 모양이 도 16과 같은 특성을 갖도록 한다. 보다 상세하게, 안테나용 RF 렌즈(1500)는 안테나의 빔의 에너지 분포를 변경하여 안테나의 빔 모양을 특정 각도 범위(일례로, -θ1~θ1) 내로 변경할 수 있다.
예를 들어, 안테나용 RF 렌즈(1500)는 안테나의 빔의 에너지 중 0°에 가까운 방향으로 방사되는 에너지(1510)는 분산시켜 0°에 가까운 방향의 안테나 이득을 줄여주고, 안테나의 빔의 에너지 중 90° 또는 -90°에 가까운 방향으로 방사되는 에너지(1520)는 특정 각도 범위(-θ1~θ1) 내부에서 방사가 되도록 함으로써, 방사가 특정 각도 범위(-θ1~θ1)의 외부 방향으로 이루어 지는 것을 방지하고, 안테나의 이득이 특정 각도 범위(-θ1~θ1) 내에서 일정한 값을 갖도록 하거나 특정 범위의 값을 갖도록 할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 일반적으로 사용되는 포탄형, 반구형, 또는 구형 RF 렌즈와는 다른 형태의 RF 렌즈를 사용할 수 있다. 예를 들어 도 15에 도시한 RF 렌즈의 경우, 0°에 가까운 방향으로 방사되는 에너지(1510)를 분산시켜 0°에 가까운 방향의 안테나 이득을 줄여주기 위해서 움푹한 모양의 오목 부분(1530)을 포함할 수 있다.
기존의 RF 렌즈들이 주로 안테나의 방사 패턴을 특정 방향으로 집중시켜 그 특정 방향에 대한 이득을 높이는 것(광학에 비유하면 볼록 렌즈의 역할을 하는 것)이 목적인 것에 반해, 일 실시예에 따른 안테나용 RF 렌즈(1500)는 그 응용분야의 요구사항에 따라 안테나의 방사 패턴이 특정 모양을 가지도록 하는 것이 목적이다. 도 15 및 도 16은 안테나의 방사 패턴이 부채꼴 모양이 되도록 하는 것이 목적인 경우를 예를 들어 설명하였으나 안테나의 방사 패턴이 부채꼴이 아닌 다른 모양이 되도록 할 수 있으며 이를 위해서 안테나용 RF 렌즈(1500)의 모양은 도 15에서 도시한 오목 부분(1530)을 포함하는 형태뿐만 아니라 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 16은 안테나용 RF 렌즈(1400)에 의해 안테나에서 방사되는 빔의 에너지 분포가 변경되면서 안테나의 빔 모양이 변경되는 도 15의 과정을 다른 방법으로 설명하고 결과적으로 변경된 안테나의 빔 패턴을 도시하고 있다. 이러한 경우, 안테나의 이득은 1610과 같이 -θ1~θ1 내에서 방향에 상관없이 항상 일정한 임계값(이하, 임계값은, 빔포밍 또는 통신에서 유의한 안테나의 이득의 값을 의미함)을 가지며, -θ1보다 작은 방향 또는 θ1보다 큰 방향에 대해서는 0의 값을 갖는 특성을 보이며, 1610을 극좌표계에서 그리면 1620과 같이 나타난다. 따라서, 안테나용 RF 렌즈(1500)는 안테나에서 원치 않는 방향으로부터의 간섭을 방지할 수 있다.
이상 설명된 안테나의 빔 모양이 변경된 -θ1~θ1의 특정 각도 범위(안테나의 빔 패턴의 빔이 커버하는 각도 범위)는 상술된 안테나용 RF 렌즈(1500)의 구조 및 동작이 적용된 송수신 안테나 시스템(도 13을 참조로 설명된 송수신 안테나 시스템)에 포함되는 안테나 어레이가 빔을 형성하고자 하는 각도 범위(제1 각도 범위)를 결정하는 제약 조건에 영향을 줄 수 있다.
이에, 안테나용 RF 렌즈(1500)는 θ1값를 제어 가능하도록 구비되어(zooming 기능을 갖도록 구현되어) 특정 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있고, 안테나용 RF 렌즈(1500)가 적용된 송수신 안테나 시스템은 복수의 안테나들 각각의 조절된 빔 모양에 의한 제약 조건에 따라, 안테나 어레이의 빔이 형성되는 제1 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있다
도 17은 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 어레이용 RF 렌즈의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 도 13에서 상술된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 어레이용 RF 렌즈(1700)는, φ1<θ1<φ2인 상황에서, 제1 각도 범위인 -φ1~φ1의 지향 각도 범위를 갖는 안테나 어레이의 빔(1710)의 지향 각도를 굴절시켜, 안테나 어레이의 빔(1720)이 -φ1~φ1보다 넓은 제2 각도 범위인 -φ2~φ2의 지향 각도 범위를 갖도록 할 수 있다. 따라서, 어레이용 RF 렌즈(1700)를 거치기 이전에 안테나 어레이의 빔(1710)의 지향 각도는 -θ1~θ1 내에 포함되지만, 어레이용 RF 렌즈(1700)를 거친 이후의 안테나 어레이의 빔(1720)의 지향 각도는 -θ1~θ1보다 더 넓은 각도 범위를 커버하면서도 기존의 빔포밍에서 발생되는 지향 성능 열하의 문제가 발생되지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 어레이용 RF 렌즈(1700) 없이 빔포밍을 수행하는 가운데 -60o~60o와 같이 빔의 지향 방향의 범위를 넓게 할 경우 0o 방향에서는 우수한 빔포밍 성능을 성취할 수 있으나, 도 6과 도 11을 이용하여 설명한 바와 같이 -60o 와 60o 방향에서는 만족할 수 있는 빔포밍 성능을 얻는 것이 불가능하다. 그러나 어레이용 RF 렌즈(1700)를 이용하면, 어레이용 RF 렌즈(1700)를 거치기 전의 빔의 지향 방향 범위가 -30o~30o가 되도록 하고, 이렇게 형성된 빔을 어레이용 RF 렌즈(1700)를 이용해 각도를 변경해 주어 빔의 지향 범위가 -60o~60o가 되도록 함으로써, 빔포밍 성능 저하 없어 아주 넓은 빔의 지향 범위인 -60o~60o를 용이하게 확보하는 것이 가능하다.
이러한 어레이용 RF 렌즈(1700)의 동작은, 어레이용 RF 렌즈(1700)가 초점의 위치를 조절하는 특정 형상(일례로, 오목 렌즈의 형상)으로 구현됨에 따라 수행될 수 있다. 또한, 어레이용 RF 렌즈(1700)는 zooming 기능을 갖도록 구현되어 제1 각도 범위가 변경되는 제2 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있다.
도 18은 도 13에 도시된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 어레이용 RF 렌즈의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 도 13에서 상술된 송수신 안테나 시스템에 포함되는 어레이용 RF 렌즈(1800)는, φ2<φ1<θ1인 상황에서, 제1 각도 범위인 -φ1~φ1의 지향 각도 범위를 갖는 안테나 어레이의 빔(1810)의 지향 각도를 굴절시켜, 안테나 어레이의 빔(1820)이 -φ1~φ1보다 좁은 제2 각도 범위인 -φ2~φ2의 지향 각도 범위를 갖도록 할 수 있다. 따라서, 어레이용 RF 렌즈(1800)를 거치기 이전의 안테나 어레이의 빔(1810)보다 어레이용 RF 렌즈(1800)를 거친 이후의 안테나 어레이의 빔(1820)이 날카로워짐에 따라, 더 높은 공간 분해능(spatial resolution)을 가지고 더 정교한 빔의 스티어링이 가능하게 될 수 있다. 이러한 특성은 이동 통신에서 셀 용량의 증가로 나타날 수 있으며 레이더 시스템에서는 대상 인식을 위한 개선된 공간 분해능으로 나타날 수 있다. 빔의 지향 방향의 변경은 각 안테나에서 전송 또는 수신되는 신호의 위상을 조절하여 이루어지는데, 빔의 지향 방향의 미세 조절을 위해서는 안테나 신호의 위상의 미세 조절이 필요하다. 그러나 안테나 신호의 위상 값을 적절한 오차 범위 내에서 미세 조절하는 것은 매우 어려운 경우가 발생한다(특히 아날로그 도메인에서 RF 빔포밍을 수행할 경우). 예를 들어 -10o~10o와 같이 빔의 지향 방향의 범위를 좁게 하고자 하는 경우, 어레이용 RF 렌즈(1800) 없이 빔포밍을 수행한다면 안테나 신호의 위상의 미세 조절이 필요하기 때문에 만족할 수 있는 빔포밍 성능을 얻는 것이 불가능할 수 있다. 그러나 어레이용 RF 렌즈(1800)를 이용하면 어레이용 RF 렌즈(1800)를 거치기 전의 빔의 지향 방향 범위가 -30o~30o가 되도록 하고, 이렇게 형성된 빔을 어레이용 RF 렌즈(1800)를 이용해 각도를 변경해 주어 빔의 지향 방향 범위가 -10o~10o가 되도록 함으로써, 안테나 신호의 위상의 미세 조절 없이 -10o~10o의 좁은 지향 방향 범위를 확보하는 것이 가능하다.
이러한 어레이용 RF 렌즈(1800)의 동작은, 어레이용 RF 렌즈(1800)가 초점의 위치를 조절하는 특정 형상(일례로, 볼록 렌즈의 형상)으로 구현됨에 따라 수행될 수 있다. 또한, 어레이용 RF 렌즈(1800)는 zooming 기능을 갖도록 구현되어 제1 각도 범위가 변경되는 제2 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있다.
도 17과 도 18에서 φ1<θ1<φ2인 경우와 φ2<φ1<θ1인 경우의 예시가 기재되었으나, 상술된 원리는 φ1<φ2<θ1인 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
앞에서 설명한 대로 다중안테나 기술은 크기 미모(MIMO) 기술들과 빔포밍 기술들로 분류할 수 있다. 미모(MIMO) 기술의 경우 안테나 간의 신호 들이 서로 상관 관계가 없는 것이 바람직하기 때문에 인접한 안테나 간의 간격을 사용하는 반송파의 파장 보다 크게 구성하는 것이 바람직하다. 그러나 빔포밍 기술을 사용할 경우 안타나 간의 신호들이 서로 높은 상관 관계를 유지한다고 가정할 뿐만 아니라 인접한 안테나 간의 간격이 커지면 빔포밍을 수행할 경우 사이드 로브(side lobe)의 크기가 커지는 등 부작용이 발생하기 때문에 인접한 안테나 간의 간격이 사용하는 반송파의 파장의 절반 정도가 되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 빔포밍 기술을 사용하는 경우 인접한 안테나 간의 간격이 반송파 파장이 0.5배가 되도록 하거나 0.6배가 되도록 할 수 있다. 그러나 일반적으로 RF Lens의 크기는 반송파의 파장보다 훨씬 크기 때문에 빔포밍 기술을 사용하는 일반적인 RF 렌즈를 사용하여 본 발명을 실시하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 효과적인 실시를 위해서는 기존의 설계 방식으로 설계된 RF 렌즈가 아닌 새로운 설계 방식을 이용한 RF 렌즈의 사용이 필요할 수 있다.
일반적으로 RF 렌즈는 준광학(準光學; quasi-optics) 이론을 이용하여 설계하며, 이렇게 설계된 RF 렌즈는 반송파 파장보다 훨씬 크다(예: D > 3
Figure pat00047
). 전자파의 레이(ray)의 굴절만을 고려하는 광학과 달리 준광학에서는 전자파의 레이의 굴절 현상뿐만 아니라 전자파의 회절(diffraction) 현상을 함께 고려하여야 한다. 그러나 RF 렌즈가 이보다 더 작아지면 전자파의 방사가 point source로부터 이루어진다고 가정할 수 없으며 준광학 이론을 사용하여 RF 렌즈를 설계하는 것이 불가능하기 때문에 근접장(near-field) 영역에서 Maxwell 방정식을 이용한 설계를 방식을 이용할 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 송수신 안테나 시스템에서의 빔포밍 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 19를 참조하면, 일 실시예에 따른 빔포밍 방법은 도 13 및 15 내지 18에서 상술된 송수신 안테나 시스템(특히, RF 렌즈 장치)을 주체로 수행될 수 있다.
단계(S1910)에서 복수의 안테나들 각각은, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행한다. 보다 상세하게, 단계(S1910)에서 복수의 안테나들 각각은 복수의 안테나들의 개수, 복수의 안테나들 각각의 위치, 복수의 안테나들 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 기초로, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행할 수 있다.
그 다음, 단계(S1920)에서 RF 렌즈 장치에 포함되는 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경한다.
구체적으로, 단계(S1920)에서 안테나용 RF 렌즈들 각각은, 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하여, 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경할 수 있다.
또한, 안테나용 RF 렌즈들 각각은 렌즈 초점 거리를 제어 가능하도록 구비되어 특정 각도 범위를 적응적으로 조절할 수 있다.
이 때, 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경하는 것은, 복수의 안테나들 각각의 이득이 특정 각도 범위 내에서만 임계값을 갖도록 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하는 것을 의미할 수 있다.
이어서, 단계(S1930)에서 RF 렌즈 장치가 구비되는 안테나 어레이는, 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성한다. 특히, 안테나 어레이는 복수의 안테나들 각각의 변경된 빔 모양에 의한 제약 조건을 만족시키는 제1 각도 범위를 결정한 뒤, 결정된 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성할 수 있다. 예를 들어, 단계(S1920)에서 복수의 안테나들 각각의 빔 모양이 -θ1~θ1로 변경되었다면, 단계(S1930)에서 안테나 어레이는 φ1<θ1의 제약 조건을 만족시키는 -φ1~φ1로 제1 각도 범위를 결정하고, -φ1~φ1의 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성할 수 있다.
그 후, 단계(S1940)에서 RF 렌즈 장치에 포함되는 어레이용 RF 렌즈는, 안테나 어레이의 빔의 지향 각도 범위가 제1 각도 범위로부터 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경되도록 안테나 어레이의 빔의 지향 각도를 굴절시킨다.
다시 말해, 단계(S1940)에서 어레이용 RF 렌즈는 안테나 어레이의 빔의 지향 각도를 제1 각도 범위로부터 제2 각도 범위로 변경할 수 있다.
이상, 빔포밍 방법이 3개의 단계들(S1910 및 S1940)을 포함하는 것으로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 다른 단계들을 추가적으로 더 포함할 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 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 안테나 지향성을 개선하는 송수신 안테나 시스템에 있어서,
    복수의 안테나들로 구성되는 안테나 어레이;
    상기 안테나 어레이의 상부에 구비되는 복수의 안테나용 RF 렌즈들-상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은 상기 안테나 어레이를 구성하는 상기 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치되어, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔을 조절함-; 및
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되어, 상기 안테나 어레이의 빔을 조절하는 어레이용 RF 렌즈
    를 포함하고,
    상기 복수의 안테나들 각각은,
    상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는, 송수신 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나들 각각은,
    상기 복수의 안테나들의 개수, 상기 복수의 안테나들 각각의 위치, 상기 복수의 안테나들 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 기초로, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는, 송수신 안테나 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은,
    상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하고,
    상기 안테나 어레이는,
    제1 각도 범위 내에서 빔을 형성하며,
    상기 어레이용 RF 렌즈는,
    상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도 범위가 상기 제1 각도 범위로부터 상기 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경되도록 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도를 굴절시키는, 송수신 안테나 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 안테나 어레이는,
    상기 복수의 안테나들 각각의 변경된 빔 모양에 의한 제약 조건을 만족시키는 상기 제1 각도 범위를 결정하는, 송수신 안테나 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은,
    상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하여, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경하는, 송수신 안테나 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은,
    상기 빔의 에너지를 분산시키기 위한 오목 부분을 포함하는, 송수신 안테나 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은,
    렌즈 초점 거리를 제어 가능하도록 구비되어 상기 특정 각도 범위를 적응적으로 조절하는, 송수신 안테나 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각은,
    상기 복수의 안테나들 각각의 이득이 상기 특정 각도 범위 내에서만 임계값을 갖도록 상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하는, 송수신 안테나 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들은,
    상기 복수의 안테나들과 각각 일대일 대응하도록 배치되는, 송수신 안테나 시스템,
  10. 제3항에 있어서,
    상기 어레이용 RF 렌즈는,
    렌즈 초점 거리를 제어 가능하도록 구비되어 상기 제2 각도 범위를 적응적으로 조절하는, 송수신 안테나 시스템.
  11. 복수의 안테나들로 구성되는 안테나 어레이; 상기 안테나 어레이의 상부에 구비되는 복수의 안테나용 RF 렌즈들-상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들은 상기 복수의 안테나들에 각각 대응하도록 배치됨-; 및 상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들의 상부에 구비되는 어레이용 RF 렌즈를 포함하는 송수신 안테나 시스템에서 수행되는 통신 방법에 있어서,
    상기 복수의 안테나들 각각에서, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는 단계;
    상기 복수의 안테나용 RF 렌즈들 각각에서, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하는 단계;
    상기 안테나 어레이가, 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 어레이용 RF 렌즈에서, 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도 범위가 상기 제1 각도 범위로부터 상기 제1 각도 범위보다 넓거나 좁은 제2 각도 범위로 변경되도록 상기 안테나 어레이의 빔의 지향 각도를 굴절시키는 단계
    를 포함하는 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는 단계는,
    상기 복수의 안테나들 각각에서, 상기 복수의 안테나들의 개수, 상기 복수의 안테나들 각각의 위치, 상기 복수의 안테나들 각각이 수행하는 신호 발생 및 신호 처리를 기초로, 상호 연동하여 신호 발생 및 신호 처리를 수행하는 단계인, 통신 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 각도 범위 내에서 빔을 형성하는 단계는,
    상기 복수의 안테나들 각각의 변경된 빔 모양에 의한 제약 조건을 만족시키는 상기 제1 각도 범위를 결정하는 단계
    를 포함하는 통신 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 변경하는 단계는,
    상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하여, 상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경하는 단계
    를 포함하는 통신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 안테나들 각각의 빔 모양을 특정 각도 범위 내로 변경하는 단계는,
    상기 복수의 안테나들 각각의 이득이 상기 특정 각도 범위 내에서만 임계값을 갖도록 상기 복수의 안테나들 각각의 빔의 에너지 분포를 변경하는 단계인, 통신 방법.
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