KR20210089900A - 위상 배열 안테나를 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

위상 배열 안테나를 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20210089900A
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Abstract

본 발명은 4G 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G 통신 시스템을 IoT 기술과 융합하는 통신 기법 및 그 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 5G 통신 기술 및 IoT 관련 기술을 기반으로 지능형 서비스(예를 들어, 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 헬스 케어, 디지털 교육, 소매업, 보안 및 안전 관련 서비스 등)에 적용될 수 있다.
본 발명은 위상 배열 안테나를 구성하며, 신호를 송신하는 복수의 RF 체인들; 및 상기 복수의 RF 체인들로부터 전송되는 제1 신호에 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 임의로 지정된 위상을 포함하는 복수의 제1 위상셋들이 적용된 제2 신호를 생성하고, 상기 생성된 제2 신호를 상기 복수의 RF 체인들을 통하여 송신하도록 처리하고, 상기 송신된 제2 신호를 획득하고, 상기 획득한 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 제어부;를 포함하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치를 개시한다.

Description

위상 배열 안테나를 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CALIBRATING PHASED ARRAY ANTENNA}
본 발명은 이동통신 시스템에서 신호의 제어에 관한 것으로서, 구체적으로는 위상 배열 안테나의 캘리브레이션에 관한 방법 및 장치에 관한 것이다.
4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후(Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다. 높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다. 또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication: D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다. 이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM(Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non-orthogonal multiple access), 및SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
한편, 인터넷은 인간이 정보를 생성하고 소비하는 인간 중심의 연결 망에서, 사물 등 분산된 구성 요소들 간에 정보를 주고 받아 처리하는 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 망으로 진화하고 있다. 클라우드 서버 등과의 연결을 통한 빅데이터(Big data) 처리 기술 등이 IoT 기술에 결합된 IoE(Internet of Everything) 기술도 대두되고 있다. IoT를 구현하기 위해서, 센싱 기술, 유무선 통신 및 네트워크 인프라, 서비스 인터페이스 기술, 및 보안 기술과 같은 기술 요소 들이 요구되어, 최근에는 사물간의 연결을 위한 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 연구되고 있다. IoT 환경에서는 연결된 사물들에서 생성된 데이터를 수집, 분석하여 인간의 삶에 새로운 가치를 창출하는 지능형 IT(Internet Technology) 서비스가 제공될 수 있다. IoT는 기존의 IT(information technology)기술과 다양한 산업 간의 융합 및 복합을 통하여 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 스마트 그리드, 헬스 케어, 스마트 가전, 첨단의료서비스 등의 분야에 응용될 수 있다.
이에, 5G 통신 시스템을 IoT 망에 적용하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 예를 들어, 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 5G 통신 기술이 빔포밍, MIMO, 및 어레이 안테나 등의 기법에 의해 구현되고 있는 것이다. 앞서 설명한 빅데이터 처리 기술로써 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud RAN)가 적용되는 것도 5G 기술과 IoT 기술 융합의 일 예라고 할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 내용을 바탕으로, 본 발명은 위상 배열 안테나의 캘리브레이션에 관한 방법 및 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 위상 배열 안테나에 포함된 복수의 무선 주파수(radio frequency, RF) 체인들을 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 위상 배열 안테나의 RF 체인을 캘리브레이션 하는데 소요되는 시간을 줄이기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 RF 체인들에서 각 체인들의 상대적인 위상값 차이에 기반하여 각 RF 체인을 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치을 제공한다.
또한, 본 발명은 기준 신호 및 알려진 위상값에 기반하여 복수의 RF 체인을 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 위상 배열 안테나의 캘리브레이션(calibration)을 위한 방법을 개시한다. 위상 배열 안테나의 캘리브레이션(calibration)을 위한 방법은, 복수의 RF 체인들로부터 전송되는 제1 신호에 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 임의로 지정된 위상을 포함하는 복수의 제1 위상셋들이 적용된 제2 신호를 송신하는 단계; 상기 제2 신호를 획득하는 단계; 상기 획득한 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하는 단계; 및 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 단계;를 포함한다.
상기 복수의 제1 위상셋들의 수는, 상기 복수의 RF 체인들의 수만큼 생성될 수 있다.
상기 제2 신호는, 상기 복수의 제1 위상셋들 각각을 상기 제1 신호에 적용하여 생성된 복수의 제3 신호들을 포함할 수 있다.
상기 제2 신호를 획득하는 단계는, 상기 복수의 RF 체인들과 연결된 커플러를 통하여 상기 제2 신호를 수신할 수 있다.
상기 제2 신호를 획득하는 단계는, 수신 모드의 안테나를 통하여 상기 제2 신호를 수신할 수 있다.
상기 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하는 단계는, 상기 복수의 제1 위상셋들의 수 또는 상기 복수의 제2 위상셋들의 수만큼 생성되는 선형방정식들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 단계는, 상기 위상차에 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬을 적용한 결과를 이용하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 제어값을 결정하는 단계; 및 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬은, 아래의 수학식에 기반하여 결정되고,
[수학식]
Figure pat00001
,
Figure pat00002
여기서, 2n은 상기 위상 배열 안테나에 포함된 RF 체인들의 수로 결정될 수 있다.
상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 단계는, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되는 위상 제어값을 결정하는 단계; 및 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 위상 배열 안테나의 캘리브레이션(calibration)을 위한 장치를 개시한다. 위상 배열 안테나의 캘리브레이션(calibration)을 위한 장치는, 상기 위상 배열 안테나를 구성하며, 신호를 송신하는 복수의 RF 체인들; 및 상기 복수의 RF 체인들로부터 전송되는 제1 신호에 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 임의로 지정된 위상을 포함하는 복수의 제1 위상셋들이 적용된 제2 신호를 생성하고, 상기 생성된 제2 신호를 상기 복수의 RF 체인들을 통하여 송신하도록 처리하고, 상기 송신된 제2 신호를 획득하고, 상기 획득한 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 복수의 RF 체인들의 수만큼 상기 복수의 제1 위상셋들의 수를 생성할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 제1 위상셋들 각각을 상기 제1 신호에 적용하여 생성된 복수의 제3 신호들 포함하여 상기 제2 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 RF 체인들과 연결된 커플러를 통하여 상기 제2 신호를 수신할 수 있다.
상기 제어부는, 수신 모드의 안테나를 통하여 상기 제2 신호를 수신할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 제1 위상셋들의 수 또는 상기 복수의 제2 위상셋들의 수만큼 생성되는 선형방정식들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 위상차에 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬을 적용한 결과를 이용하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 제어값을 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용할 수 있다.
상기 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬은, 아래의 수학식에 기반하여 결정되고,
[수학식]
Figure pat00003
,
Figure pat00004
여기서, 2n은 상기 위상 배열 안테나에 포함된 RF 체인들의 수로 결정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되는 위상 제어값을 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 방법 및 장치는, 위상 배열 안테나의 복수의 무선 주파수(radio frequency, RF) 체인들을 동시에 캘리브레이션 함으로써, 캘리브레이션에 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 위상 배열 안테나의 대량 생산에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 배열 안테나를 도시하는 블럭도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 복수의 RF 체인들의 위상의 설정 및 테스트 신호의 구성 예를 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 수신한 테스트 신호의 전력에 대한 그래프이다.
도 5은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 커플러의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션을 위한 솔루션의 부정확성의 감소와 관련하여 하다마르 행렬 또는 제안된 행렬을 적용한 경우의 테스트 신호에 대한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 신호가 처리되는 흐름을 도시하는 블록도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 송신 모드에서 계측기를 이용한 캘리브레이션 결과 및 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션 결과에 대한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 수신 모드에서 계측기를 이용한 캘리브레이션 결과 및 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션 결과에 대한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 블럭도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 상세한 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치 측정을 위한 장치 구성도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 동작 흐름을 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 일부 동작 흐름을 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 일부 동작 흐름을 도시한다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략하였다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 발명되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 발명이 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블럭과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블럭(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블럭(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블럭(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블럭은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블럭들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블럭들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블럭들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한 실시 예에서 '~부'는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하 설명의 편의를 위하여, 본 발명은 5G, NR(New Radio), LTE(Long Term Evolution) 시스템에 대한 규격에서 정의하는 용어와 명칭들을 사용한다. 하지만, 본 발명이 용어 및 명칭들에 의해 한정되는 것은 아니며, 다른 규격에 따르는 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.
이하 설명에서 사용되는 신호를 지칭하는 용어, 장치의 구성 요소를 지칭하는 용어 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 발명이 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
이하 본 발명은 위상 배열 안테나를 캘리브레이션(calibration)하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기준 무선 주파수(radio frequency, RF) 체인으로부터 송신되는 기준 신호의 위상과 대상(target) RF 체인으로부터 송신되는 신호의 위상간 위상차(phase difference)를 이용하여, 대상 RF 체인을 보다 빠르게 캘리브레이션하기 위한 기술을 설명한다.
무선 통신에서 공간 다중화는 동일한 시간/동일한 주파수 자원을 사용하여 다중 안테나로부터 다중 데이터 스트림이 동시에 전송되는 다중 입력 및 다중 출력(multiple-input and multiple-output, MIMO) 기술에 기반한다. 5G 네트워크는 밀리미터-웨이브(millimeter-wave, mmWave) 대역의 위상 배열 안테나를 사용하여 각 데이터 스트림의 빔포밍을 가능하게 하는 대규모 MIMO(massive MIMO, mMIMO)라는 새로운 MIMO 기술을 도입하고 있다.
예를 들면, mmWave의 단파장은 좁은 영역에 많은 수의 안테나 요소를 할당 할 수 있으며, mMIMO의 위상 배열 안테나는 특정 안테나 요소에서 방사상이 정렬되는 특정 사용자 장치에 초점을 맞추는 매우 좁은 범위의 지향성 빔을 형성할 수 있다.
빔의 방향은 위상 배열 안테나의 위상을 전기적으로 변경하여 실시간으로 조절이 가능하며, 결과적으로 빔포밍은 셀당 스펙트럼 효율을 개선하고, 다른 사용자에 대한 간섭을 감소시키며, 셀 에너지에서의 신호 품질을 향상시킬 수 있다.
단파장은 동일하지 않은 라인 길이, 구성 요소(component)의 임의 지연 편차, 또는 제조 비대칭 성으로 인한 불균형 등으로 인한 위상 오프셋에 매우 민감하기 때문에, 위상 배열 안테나를 포함하는 위상 배열 시스템은 최적의 어레이 성능을 얻기 위한 위상 배열 안테나의 캘리브레이션이 요구될 수 있다.
따라서, 성능을 저하시키지 않고 생산 비용을 최소화하며 위상 배열 안테나의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치가 요구되며, 일 실시 예로서 루프백(loop back)을 이용하는 캘리브레이션이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 배열 안테나 100을 도시하는 블럭도이다.
도 1을 참고하면, 위상 배열 안테나 100은 복수의 무선 주파수(radio frequency, RF) 체인들 110-1 내지 110-N을 포함한다. 이하, 설명의 편의를 위해, RF 체인 110-1의 구성들 및 각 구성들의 기능이 설명되나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 다른 RF 체인들(예: RF 체인 110-2 내지 110-N)의 각 구성들 또한 RF 체인 110-1의 각 구성들과 동일 또는 유사한 기능을 수행할 수 있다.
믹서(mixer) 110-1-1은 입력 신호의 중심 주파수를 변환하고, 변환된 중심 주파수를 가지는 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 믹서 110-1-1은 중간 주파수(intermediate frequency, IF) 신호를 RF 신호로 변환하거나, RF 신호를 IF 신호로 변환할 수 있다. 여기에서, RF 신호의 주파수는 IF 신호의 주파수와 국부 발진기(local oscillator, LO) 신호의 주파수의 합으로 표현될 수 있고, 반대로 IF 신호의 주파수는 RF 신호의 주파수에서 LO 신호의 주파수를 뺀 결과로 표현될 수 있다. 이를 위해, 믹서 110-1-1은 도 1에 도시되어 있지는 않지만 LO와 연결될 수 있다.
위상 변환기(phase shifter) 110-1-3은 입력 신호의 위상을 변환하고, 변환된 위상을 가지는 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 위상 변환기 110-1-3은 입력 신호의 위상을 지연시키거나, 위상을 전진시킬 수 있다. 위상 변환기 110-1-3에는 복수의 위상값(phase value)들 중 하나의 위상값이 설정될 수 있다. 복수의 위상값들은 각각 0도 내지 360도 범위의 각도들 중 하나에 대응될 수 있고, 서로 다른 위상값들은 서로 다른 각도에 대응될 수 있다. 따라서, 위상 변환기 110-1-3이 위상 변환기 110-1-3에 현재 설정된 위상값을 변경하기 위한 외부 제어 신호를 수신하는 경우, 위상 변환기 110-1-3은 위상값 변화에 대응하는 각도 또는 위상만큼 입력 신호의 위상을 변환시킬 수 있다.
증폭기 110-1-5는 입력 신호를 증폭시킬 수 있다. 증폭기 110-1-5는 증폭된 신호를 방사 소자(radiator) 110-1-7에 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 증폭기 110-1-5는 전력 증폭기로 구성될 수 있다.
방사 소자(radiator) 110-1-7은 입력된 전기적 신호를 전자기파로 변환하고, 전자기파를 자유 공간(free space)으로 방사할 수 있다. 방사 소자(radiator)는 신소 송신 또는 수신을 위한 안테나로 구비될 수 있다.
신호 120-1은 믹서 110-1-1, 위상 변환기 110-1-3, 증폭기 110-1-5 및 방사 소자 110-1-7을 거쳐(through) RF 체인 110-1로부터 송신되거나, 방사 소자 110-1-7, 증폭기 110-1-5, 위상 변환기 110-1-3 및 믹서 110-1-1을 거쳐 RF 체인 110-1에 의해 수신될 수 있다. 유사하게, 신호 120-2는 RF 체인 110-2로부터 송신되거나, RF 체인 110-2에 의해 수신될 수 있고, 신호 120-N은 RF 체인 110-N으로부터 송신되거나, RF 체인 110-N에 의해 수신될 수 있다.
여기서, 복수의 RF 체인들 110-1 내지 110-N이 동시에 송신하는 신호들 120-1 내지 120-N의 위상(phase)이 동일한 경우, 신호들 120-1 내지 120-N은 전체로써 평면파를 형성하고, 특정 방향으로 전파될 수 있다. 즉, 특정 방향으로 전파되는 신호들 120-1 내지 120-N은 특정 방향으로 빔(예: 빔 130)을 형성(form)할 수 있다. 신호들 120-1 내지 120-N의 위상이 동일한 상태에서 각각의 복수의 위상 변환기들 110-1-3 내지 110-N-3에 설정된 위상값이 동일한 값만큼 변경되는 경우, 신호들 120-1 내지 120-N은 여전히 전체로써 평면파를 형성할 수 있고, 특정 방향에서 위상값 변화에 대응하는 각도만큼 변경된 방향으로 전파될 수 있다.
따라서, 신호들 120-1 내지 120-N의 위상이 동일하도록 각각의 복수의 위상 변환기들 110-1-3 내지 110-N-3에 위상값이 설정되면, 위상 배열 안테나 100을 이용하는 장치는 복수의 위상 변환기들 110-1-3 내지 110-N-3에 특정 각도 변화에 대응하는 동일한 위상값 변화를 입력하여, 원하는 방향으로 빔을 형성하거나, 빔을 조향(steer)할 수 있다.
다시 말해서, 신호들 120-1 내지 120-N의 위상이 동일하도록 각각의 복수의 위상 변환기들 110-1-3 내지 110-N-3을 제어함으로써 전체로서의 평면파 유지가 가능하며, 따라서 빔포밍이 가능하다. 이를 위해서는 신호들 120-1 내지 120-N의 초기 위상이 동일하게 설정될 필요가 있으며, 각각의 복수의 위상 변환기들 110-1-3 내지 110-N-3에 초기 위상값에 차이가 있는 경우 이를 제어하는 것이 요구된다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 캘리브레이션은 신호 120-1 내지 120-N의 초기 위상이 동일해 지도록 위상 변환기 110-1-3 내지 110-N-3의 위상값을 설정하는 것을 의미한다. 캘리브레이션은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N에 대해 수행될 수 있다. 예를 들어, RF 체인 110-1에 캘리브레이션이 수행되는 경우, 신호 120-1의 초기 위상이 기준 RF 체인이 송신하는 신호의 초기 위상과 동일해 지도록 RF 체인 110-1에 포함된 위상 변환기 110-1-3에 위상값이 설정될 수 있다.
여기에서, 기준 RF 체인은 적어도 하나의 다른 RF 체인의 캘리브레이션을 위한 기준이 되는 위상값을 가지는 RF 체인을 의미한다. 기준 RF 체인은 복수의 RF 체인들 110-1 내지 110-N 중 하나가 될 수 있다. 예를 들어, 기준 RF 체인이 110-1인 경우, 나머지 RF 체인들 110-2 내지 110-N에 대해 캘리브레이션이 수행될 수 있다. 이 경우, 캘리브레이션이 수행되어야 할 나머지 RF 체인들 110-2 내지 110-N은 '캘리브레이션 대상(target) RF 체인', 또는 간단히 '대상 RF 체인'으로 지칭될 수 있다.
어떤 RF 체인에 대해 캘리브레이션이 수행된 경우, 그 RF 체인은 다른 RF 체인의 캘리브레이션을 위해 기준 RF 체인으로서 기능할 수 있다. 다시 말해서, 복수의 RF 체인들을 캘리브레이션 하는 동안 기준 RF 체인은 변경될 수 있다. 예를 들어, RF 체인 110-2의 캘리브레이션을 위해 RF 체인 110-1이 기준 RF 체인으로 사용된 경우, RF 체인 110-3의 캘리브레이션을 위해 캘리브레이션 된 RF 체인 110-2가 기준 RF 체인으로 사용될 수 있다.
또한, 기준 RF 체인이 특정되지 않고, 위상 배열 안테나 100에 포함되는 복수의 RF 체인들 110-1 내지 110-N 전체에 대하여 캘리브레이션이 수행될 수도 있다.
위상 배열 안테나 100에 포함된 복수의 RF 체인들 110-1 내지 110-N에 대한 캘리브레이션은 캘리브레이션 장치에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해서, 캘리브레이션 장치는 위상 배열 안테나 100에 포함된 복수의 RF 체인들 110-1 내지 110-N을 동시에 또는 적어도 일부를 캘리브레이션 할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 위상 배열 안테나 100에 포함된 각각의 복수의 RF 체인들 110-1 내지 110-N을 캘리브레이션 하는 것은 위상 배열 안테나 100을 캘리브레이션 하는 것으로 이해될 수 있으며, 캘리브레이션이 수행될 위상 배열 안테나는 '대상 위상 배열 안테나'로 지칭될 수 있다.
위상 배열 안테나 100을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 장치(예: 캘리브레이션 장치 200)의 구성은 도 2a에서 보다 상세히 설명된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2a 및 도 2b에서, 설명의 편의를 위해 캘리브레이션 장치 200, 201은 위상 배열 안테나 100, 101을 캘리브레이션 하는 것으로 가정하나, 이는 예시적인 것이고, 캘리브레이션 장치 200, 201에 포함된 또는 연결된 임의의(any) 위상 배열 안테나를 캘리브레이션 할 수 있다.
도 2a를 참고하면, 캘리브레이션 장치 200은 제어부 210, 신호 생성기 220, 수신 안테나 230, 및 계측기 240을 포함한다. 여기서, 캘리브레이션 장치 200은 위상 배열 안테나 100을 포함하여 구성될 수도 있다.
제어부 210은 캘리브레이션 장치 200의 전반적인 동작들을 제어한다. 예를 들어, 제어부 210은 신호 생성기 220이 초기 입력 신호를 생성하도록 제어할 수 있다. 제어부 210은 상술한 제어 동작을 수행하기 위해, 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 제어부 210은 각각의 위상 변환기 110-1-1 내지 110-N-1에 위상값을 설정할 수 있고, 설정된 위상값을 변경할 수 있다. 위상 변환기 110-1-1 내지 110-N-1에 위상값을 설정하는 것은 RF 체인들 110-1 내지 110-N에 위상값을 설정하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 위상 변환기 110-1-1에 위상값을 설정하는 것은 위상 변환기 110-1-1을 포함하는 RF 체인 110-1에 위상값을 설정하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 각각의 위상 변환기 110-1-1 내지 110-N-1에 설정된 위상값은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N의 위상값으로 이해될 수 있다. 제어부 210은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N의 위상값을 설정하여, 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N이 설정된 위상값에 대응하여 초기 위상이 교정된 신호를 송신하도록 제어할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 제어부 210은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N를 온/오프(on/off) 상태를 제어할 수 있다. 다시 말해서, 제어부 210은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N를 온하거나, 오프할 수 있다. 이를 위해, 제어부 210은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N의 공급 전압(supply voltage)을 차단하거나, 유지할 수 있다. 또한, 제어부 210은 각각의 RF 체인들 110-1 내지 110-N에 온/오프 상태를 제어하기 위한 제어 신호를 송신할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 제어부 210은 위상 배열 안테나 100으로부터 송신된 신호의 전력을 측정할 수 있다. 구체적으로, 제어부 210은 위상 배열 안테나 100에서 각각의 RF 체인으로부터 송신되는 신호의 전력을 측정할 수 있고, 둘 이상의 RF 체인들로부터 송신되는 신호들의 조합 신호(combined signal)에 대한 전력을 측정할 수 있다.
신호 생성기 220은 위상 배열 안테나 100을 캘리브레이션하기 위한 초기 입력 신호를 생성할 수 있다. 신호 생성기 220은 생성된 초기 입력 신호를 위상 배열 안테나 100에 제공하여, 위상 배열 안테나 100에서 온 상태의 RF 체인들로부터 신호가 송신되도록 할 수 있다. 예를 들면, 신호 생성기 220은 제어부 210의 제어에 따라서 위상 배열 안테나의 RF 체인들의 위상을 캘리브레이션 하기 위한 신호를 생성할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 신호 생성기 220은, 신호의 생성 및 송신을 수행하는 송신기의 일부로 구성될 수 있다. 또한, 신호 생성기 220은 위상 배열 안테나 100이 신호를 송신하는 일 실시 예에서 수행되는 동작을 설명하기 위한 것으로서, 위상 배열 안테나가 신호를 수신하는 수신 안테나의 역할을 수행하는 경우 신호 생성기 220은 수신기로 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 신호 생성기 220는 송수신기(transceiver)로 구성될 수도 있다. 이 때, 위상 배열 안테나 101은 송신 모드 또는 수신 모드가 선택적으로 동작 가능하도록 구성될 수 있다.
수신 안테나 230은 위상 배열 안테나 100의 방사 소자로부터 송신된 신호를 수신할 수 있다.
계측기 240은 수신 안테나 230을 통해 수신된 신호를 분석할 수 있다. 계측기 240은 상술한 제어 동작을 수행하기 위해, 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다.
계측기 240은 제어부 210와 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다. 또한, 제어부 210와 연결되어 구성되거나 제어부 210의 일부에 포함되어 구성될 수도 있다.
계측기 240은 수신 안테나 230을 통해 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 계측기 240은 대상 위상 배열 안테나(예: 위상 배열 안테나 100)로부터 송신된 신호를 수신할 수 있고, 수신된 신호의 스펙트럼(spectrum)을 분석할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 계측기 240은 위상 배열 안테나 100으로부터 송신된 신호의 전력을 측정할 수 있다. 구체적으로, 계측기 240은 위상 배열 안테나 100에서 각각의 RF 체인으로부터 송신되는 신호를 수신 안테나 230을 통하여 수신할 수 있고, 수신된 신호의 전력을 측정할 수 있다. 이때, 계측기 240은 둘 이상의 RF 체인들로부터 송신되는 신호들의 조합 신호(combined signal)에 대한 전력을 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치 200은 RF 체인들 110-1 내지 110-N을 캘리브레이션 함에 있어서, 기준 위상값을 결정하고, 기준 위상값을 이용하여 복수의 RF 체인들을 캘리브레이션 할 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션 장치 200은 복수의 RF 체인들의 위상값을 변경해가면서 신호(이하, 테스트(test) 신호)를 송신하고, 수신한테나 230을 통하여 테스트 신호를 수신한 계측기 240는 수신한 테스트 신호를 이용하여 복수의 RF 체인들의 위상차를 결정할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 계측기 240은 수신된 테스트 신호에 포함된 위상셋들에 기반하여 RF 체인들의 위상차(위상 틀어짐)를 결정할 수 있다.
계측기 240은 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 결정된 위상차 및 기준 위상값에 기반하여 복수의 RF 체인들을 캘리브레이션 하기 위한 위상 제어값을 결정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치 200은 RF 체인들 110-1 내지 110-N 중에서 기준 RF 체인을 선택하고, 기준 RF 체인을 이용하여 복수의 RF 체인들을 캘리브레이션 할 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션 장치 200은 복수의 RF 체인들의 위상값을 변경해가면서 테스트 신호를 송신하고, 수신 안테나 230을 통하여 테스트 신호를 수신한 계측기 240는 수신한 테스트 신호를 이용하여 복수의 RF 체인들의 위상차를 결정할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 계측기 240은 수신된 테스트 신호에 포함된 위상셋들에 기반하여 RF 체인들의 위상차를 결정할 수 있다.
계측기 240은 복수의 RF 체인들 중 하나를 기준 RF 체인으로 결정하여 나머지 RF 체인들을 기준 RF 체인의 위상에 맞춰 캘리브레이션 하기 위한 위상 제어값을 결정할 수 있다.
계측기 240은 복수의 RF 체인들 중 적어도 하나에 대한 위상 제어값을 결정함에 있어서, 조합 신호에 대한 이득이 최대가 되도록 복수의 RF 체인들 각각의 신호에 대한 위상 제어값을 결정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 계측기 240은 수신 안테나 230을 통해서 수신하는 신호를 분석하는 신호 분석기로 구성될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 송신된 테스트 신호의 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 설정된 위상과 수신한 테스트 신호의 RF 체인들 각각에 대하여 확인된 위상이 동일할 경우 이득이 최대가 될 수 있다.
캘리브레이션 장치 200은 수신한 테스트 신호로부터 확인되는 복수의 RF 체인들 각각의 위상을 송신 시 설정된 복수의 RF 체인들 각각의 위상 대비 이득이 최대가 되도록 위상 제어값을 결정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치 200은 RF 체인들을 포함하는 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되도록 RF 체인들 각각의 위상 제어값을 결정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 위상 배열 안테나 100의 캘리브레이션은 테스트 신호의 송신 시 설정된 복수의 RF 체인들 각각의 위상 대비 이득이 최대가 되도록 제어하기 위한 위상 제어값을 결정하는 것에 한정하지 않고, 상술한 바와 같이 다양한 기준 값들을 설정하여 캘리브레이션에 적용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들은 위상 배열 안테나를 캘리브레이션하기 위하여, 복수의 RF 체인들에 대한 소요되는 시간을 줄이고, 위상 배열 안테나의 대량 생산을 가능하게 하는 장치 및 방법을 제안하며, 이는 하기에서 보다 상세히 설명된다.
상술한 바에 따르면, 도 2a는 캘리브레이션 장치에서 위상 배열 안테나 100의 송신 모드에서의 동작을 설명한 것이다. 다양한 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치는 위상 배열 안테나의 수신 모드에서 캘리브레이션을 수행할 수 있으며, 도 2b를 참고하여 설명할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2b에서, 설명의 편의를 위해 캘리브레이션 장치 201은 도 2a의 캘리브레이션 장치와 동일 또는 유사한 구성 요소들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치 201은 제어부 211, 신호 생성기 221, 송신 안테나 231, 및 신호 수신기 241을 포함한다. 여기서, 캘리브레이션 장치 200은 위상 배열 안테나 101을 포함하여 구성될 수도 있다.
이 때 위상 배열 안테나 101은 수신 모드로 동작할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 위상 배열 안테나 101에 포함되는 복수의 RF 체인들은 수신 모드로 동작하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 수신 모드로 동작하는 위상 배열 안테나 101에 포함되는 RF 체인 101-1은 믹서 101-1-1, 위상 변환기 101-1-3, 증폭기 101-1-5, 및 방사 소자 101-1-7를 포함하여 구성될 수 있다.
신호 생성기 221은 신호를 수신하는 위상 배열 안테나 101을 캘리브레이션하기 위한 테스트 신호를 생성할 수 있다. 신호 생성기 221은 생성된 테스트 신호를 송신 안테나 231을 통하여 송신하고, 제어부 211은 위상 배열 안테나 101에서 온 상태의 RF 체인들을 통하여 신호를 수신하도록 처리할 수 있다. 예를 들면, 신호 생성기 221은 위상 배열 안테나의 RF 체인들의 위상을 캘리브레이션 하기 특정 신호를 생성할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 신호 생성기 221은, 신호의 생성 및 송신을 수행하는 송신기의 일부로 구성될 수 있다. 또한, 신호 생성기 221은 위상 배열 안테나 101이 신호를 수신하는 일 실시 예에서 수행되는 동작을 설명하기 위한 것으로서, 위상 배열 안테나가 신호를 송신하는 송신 안테나의 역할을 수행하는 경우 신호 생성기 221은 송신기로 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 신호 생성기 220는 송수신기(transceiver)로 구성될 수도 있다. 이 때, 위상 배열 안테나 101은 송신 모드 또는 수신 모드가 선택적으로 동작 가능하도록 구성될 수 있다.
송신 안테나 231은 신호 생성기 221에서 생성된 신호(예, 테스트 신호)를 송신할 수 있다. 송신 안테나 231을 통해서 송신된 테스트 신호는 위상 배열 안테나 101를 통하여 수신될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 송신 안테나 231을 통해서 송신된 테스트 신호는 위상 배열 안테나 101의 복수의 RF 체인들 각각에 구성된 방사 소자에서 수신하며, 복수의 RF 체인들 각각에 구성된 증폭기, 위상 변환기, 및 믹서를 거쳐 신호 수신기 241에 전송될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 위상 배열 안테나 101를 구성하는 복수의 RF 체인들을 통하여 테스트 신호를 수신하여 신호 수신기 241에 전송하는 동작은 복수의 RF 체인들 중 하나인 RF 체인 101-1을 이용하여 설명할 수 있다.
방사 소자 101-1-7은 자유 공간(free space)으로 전자기파 형태의 테스트 신호를 수신하고, 전기적 신호로서 출력할 수 있다. 방사 소자(radiator)는 신소 송신 또는 수신을 위한 안테나로 구비될 수 있다.
증폭기 101-1-5는 입력 신호를 증폭시킬 수 있다. 증폭기 101-1-5는 증폭된 신호를 위상 변환기 101-1-3에 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 증폭기 101-1-5는 저잡음 증폭기로 구성될 수 있다.
위상 변환기 101-1-3은 입력 신호의 위상을 변환하고, 변환된 위상을 가지는 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 위상 변환기 101-1-3은 입력 신호의 위상을 지연시키거나, 위상을 전진시킬 수 있다. 위상 변환기 101-1-3에는 복수의 위상값(phase value)들 중 하나의 위상값이 설정될 수 있다. 복수의 위상값들은 각각 0도 내지 360도 범위의 각도들 중 하나에 대응될 수 있고, 서로 다른 위상값들은 서로 다른 각도에 대응될 수 있다. 따라서, 위상 변환기 101-1-3이 위상 변환기 101-1-3에 현재 설정된 위상값을 변경하기 위한 외부 제어 신호를 수신하는 경우, 위상 변환기 101-1-3은 위상값 변화에 대응하는 각도 또는 위상만큼 입력 신호의 위상을 변환시킬 수 있다.
믹서(mixer) 101-1-1은 입력 신호의 중심 주파수를 변환하고, 변환된 중심 주파수를 가지는 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 믹서 101-1-1은 중간 주파수(intermediate frequency, IF) 신호를 RF 신호로 변환하거나, RF 신호를 IF 신호로 변환할 수 있다. 여기에서, RF 신호의 주파수는 IF 신호의 주파수와 국부 발진기(local oscillator, LO) 신호의 주파수의 합으로 표현될 수 있고, 반대로 IF 신호의 주파수는 RF 신호의 주파수에서 LO 신호의 주파수를 뺀 결과로 표현될 수 있다. 이를 위해, 믹서 101-1-1은 도 1에 도시되어 있지는 않지만 LO와 연결될 수 있다.
신호 수신기 241은 위상 배열 안테나 101의 복수의 RF 체인들 각각에 포함되는 믹서들로부터 테스트 신호를 수신할 수 있다. 신호 수신기 241은 복수의 체인들 각각으로부터 전송되는 테스트 신호들을 제어부 211에 전송할 수 있다.
제어부 211은 신호 수신기 241을 통해 수신된 신호를 분석할 수 있다. 제어부 211은 상술한 제어 동작을 수행하기 위해, 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다.
제어부 211은 신호 생성기 221과 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다. 이때, 신호 수신기 241에서 수신하는 테스트 신호는 제어부 211의 제어에 따라서 결정된 횟수만큼 신호 생성기 221에서 생성되어 송신 안테나 231을 통해서 송신된 신호일 수 있다.
예를 들면, 제어부 211은 위상 배열 안테나 101에서 캘리브레이션을 위한 RF 체인들의 수만큼 테스트 신호를 생성하도록 신호 생성기 221에 요청할 수 있다.
제어부 211은 위상 배열 안테나 101에 포함된 복수의 RF 체인들 각각으로부터 신호 수신기 241에 전송되는, 제어부 211를 통하여 요청된 수만큼의 테스트 신호를 신호 수신기 241로부터 수신할 수 있다.
이 때, 신호 수신기 241로부터 수신하는 각각의 테스트 신호는 제어부 211에서 각각의 신호에 대하여 결정된 임의의 위상이 위상 변환기를 통해서 적용된 신호일 수 있다.
예를 들어, 제어부 211은 복수의 RF 체인들의 위상값을 변경해가면서 테스트 신호를 수신하고, 수신한 테스트 신호를 이용하여 위상 배열 안테나 101에 구성되는 복수의 RF 체인들의 위상차를 결정할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부 211은 수신된 테스트 신호에서 확인되는 위상셋들에 기반하여 RF 체인들의 위상차(위상 틀어짐)를 결정할 수 있다.
제어부 211은 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 결정된 위상차 및 기준 위상값에 기반하여 복수의 RF 체인들을 캘리브레이션 하기 위한 위상 제어값을 결정할 수 있다.
제어부 211에서 수신한 테스트 신호들에서 위상셋들을 획득하고, 위상셋들에 기반하여 RF 체인들의 위상차 및/또는 위상 제어값을 결정하는 동작은 도 6에서 후술하는 수학식들을 응용하여 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부 211은 수학식 (10)에서 HR·AR이 상수 값 CR으로 결정되는 동작을 HT·AT에 적용하는 방식으로 위상 배열 안테나 101에 포함된 복수의 RF 체인들 각각에서 발생되는 위상차(위상 틀어짐)을 계산할 수 있다. 제어부 211은획득한 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되도록 RF 체인들 각각의 위상 제어값을 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 복수의 RF 체인들의 위상의 설정 및 테스트 신호 300의 구성 예를 도시하는 그래프이다.
위상 배열 안테나를 구성하는 RF 체인들은 위상 설정 과정에서, 구조적 성능 차이, 또는 오차 등의 원인으로 인하여 설정된 위상과 출력의 불일치(variation)가 발생될 수 있다. 이러한 불일치는 신호의 송신 단계에서 불일치가 발생되는 RF 체인들의 위상값을 일시적, 또는 영구적으로 미리 조정함으로써 송신된 신호와의 위상 불일치 문제를 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 위상 배열 안테나에서 복수의 RF 체인들의 캘리브레이션을 수행하는 방법에 있어서 복수의 RF 체인들에 대한 캘리브레이션을 동시에 수행하는 방법 및 장치를 발명한다.
예를 들면, 캘리브레이션 장치 200은 상술한 바와 같이 복수의 RF 체인들의 위상값을 변경해가면서 테스트 신호를 송신한다. 이때, 테스트 신호에 설정되는 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상값은 알려진 위상값을 적용하며, 계측기 240으로부터 확인되는 테스트 신호의 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상값에 기반하여 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 틀어짐을 확인할 수 있다. 계측기 240은 확인된 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 틀어짐에 기반하여 위상 배열 안테나 100의 캘리브레이션을 위한 위상 제어값을 결정할 수 있다.
도 3을 참고하여, 4-way 위상 배열 안테나에서 4개의 RF 체인들에 대하여 캘리브레이션을 수행함에 있어서 테스트 신호의 구성 및 RF 체인들 각각에 대한 위상의 설정을 설명할 수 있다. 여기서, 4개의 RF 체인들에 대한 위상은 4-way 위상 배열 안테나에서의 알려진 16개 위상(예: 제1 위상 311 내지 제16 위상 341) 중에 설정될 수 있으며, 각각의 위상 간격은 22.5°로 설정될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 4개의 RF 체인들에 대하여 각각의 위상 제어값을 결정하기 위해서는, 4개의 선형방정식이 요구되며, 따라서 캘리브레이션 장치 200은 4개의 RF 체인들의 위상값을 변경 또는 유지하며 4회의 신호를 송신함으로써 4개의 RF 체인들의 위상차 및 제어 위상값을 결정할 수 있다.
따라서, 4개의 RF 체인들의 위상을 캘리브레이션 하기 위한 캘리브레이션 장치 200의 제어부 210은 테스트 신호를 송신함에 있어서, 4개의 RF 체인들 각각에 대하여 알려진 임의의 위상을 결정하여 위상셋(phase code set)을 구성한다. 예를 들면, 제어부 210은 테스트 신호에 포함되는
Figure pat00005
11(제1 송신 신호(y1)의 제1 RF 체인)에 제3 위상 315,
Figure pat00006
12(제1 송신 신호(y1)의 제2 RF 체인)에 제7 위상 323,
Figure pat00007
13(제1 송신 신호(y1)의 제3 RF 체인)에 제11 위상 331, 및
Figure pat00008
14(제1 송신 신호(y1)의 데4 RF 체인)에 제15 위상 339를 적용하도록 제1 위상셋 301을 구성할 수 있다. 제어부는 210은 이러한 위상셋을 구성하는 동작을 제2 위상셋 302, 제3 위상셋 303 및 제4 위상셋 304와 같이 순차적으로 수행함으로써, 제2 송신 신호(y2), 제3 송신 신호(y3), 및 제4 송신 신호(y4)를 생성할 수 있다. 제어부 210은 생성된 제1 송신 신호(y1), 제2 송신 신호(y2), 제3 송신 신호(y3), 및 제4 송신 신호(y4)를 순차적으로 전송함으로써 총 4회의 서로 다른 위상셋들이 적용된 송신 신호들을 송신하도록 테스트 신호를 구성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 초기 입력 신호에 제1 위상셋 301 내지 제4 위상셋 304를 적용하는 동작은, 위상 전이를 수행하는 동작으로 설명할 수 있다.
또한, 각각의 위상셋은 위상 배열 안테나에 대하여 특정 조건을 만족하도록 RF 체인들의 위상이 조합된 상태로 미리 결정될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 각각의 위상셋은 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되도록 RF 체인들의 위상을 조합하여 결정될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 16-way 위상 배열 안테나를 캘리브레이션 하는 경우 16개 선형방정식의 계산이 요구되므로, 16개의 RF 체인들에 대응하여 16개의 송신 신호에 대한 16개의 위상셋이 구성되며, 테스트 신호는 초기 입력 신호에 16개의 위상셋이 각각 적용되어 송신되도록 구성될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상술한 실시 예들에 따른 4-way 위상 배열 안테나에서의 테스트 신호 송신 방법 또는 16-way 위상 배열 안테나에서의 테스트 신호 송신 방법은 16-way를 초과하는 대규모 위상 배열 안테나의 테스트 신호 송신에 적용될 수도 있을 것이다.
계측기 240은 생성된 테스트 신호에 대한 정보를 제어부 210으로부터 수신할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부 210은 테스트 신호의 생성과 관련된 캘리브레이션을 위한 RF 체인들의 수, 각각의 RF 체인들에 설정된 위상값, 각각의 송신 신호에 설정된 RF 체인들의 위상값들을 포함하는 위상셋, 초기 입력 신호 중 적어도 일부를 포함하는 테스트 신호에 대한 정보를 생성할 수 있다. 계측기 240은 테스트 신호에 대한 정보를 제어부 210으로부터 수신할 수 있다. 이때, 계측기 240은 유선 또는 무선 통신을 통하여 제어부 210으로부터 테스트 신호에 대한 정보를 수신하거나, 안테나 230를 통하여 수신하는 테스트 신호에 포함된 테스트 신호에 대한 정보를 확인할 수 있다.
계측기 240은 위상 배열 안테나 100으로부터 송신되는 테스트 신호를 수신 안테나 230을 통하여 수신하며, 수신된 테스트 신호를 이용하여 선형방정식을 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 테스트 신호의 초기 입력 신호 x는 복소신호로서 신호의 크기 및 위상을 포함하여 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
(1)
계측기 240은 수신된 테스트 신호에서 4개의 RF 체인들 각각에 대하여 측정된 위상값과, 위상 틀어짐에 대한 변수(a)를 적용함으로써 다음과 같이 송신된 테스트 신호(y) 및 수신된 테스트 신호를 이용한 4개의 선형방정식을 결정할 수 있다.
Figure pat00010
(2)
Figure pat00011
(3)
Figure pat00012
(4)
Figure pat00013
(5)
또한, 수학식 (2) 내지 (5)를 다음과 같이 함수로서 정리할 수 있다.
Figure pat00014
(6)
여기서,
Figure pat00015
(7)
Figure pat00016
(8)
Figure pat00017
(9)
계측기 240은 송신된 테스트 신호(y)에 대한 함수 Y 및 수신된 테스트 신호에 대한 함수 M에 기반하여 4개의 RF 체인들 각각에 대한 초기 위상과의 위상 틀어짐에 대한 변수 A를 결정함으로써 4개의 RF 체인들 각각에 대하여 적용된 초기 위상에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, RF 페인들 각각에 대하여 적용된 초기 위상에 대한 위상차는, 수신된 테스트 신호에서 확인된 위상셋과 위상셋에 포함된 위상들 각각에 대한 위상 틀어짐에 대한 변수값으로 결정될 수 있다.
계측기 240은 4개의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 4개의 RF 체인들 중 적어도 하나의 캘리브레이션을 위한 위상 제어값을 결정할 수 있다. 계측기 240은 결정된 위상 제어값을 제어부 210에 전송할 수 있다.
제어부 210은 계측기 240으로부터 수신한 위상 제어값에 기반하여 위상 배열 안테나 100를 구성하는 RF 체인의 위상을 제어할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부 210은 위상 제어값을 RF 체인의 위상 변환기에 적용함에 있어서 위상 제어값의 역수를 취하여 적용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 수신한 테스트 신호의 전력에 대한 그래프 400이다.
일 실시 예에 따르면, 계측기 240은 수신 안테나 230을 통해서 위상 배열 안테나 100이 송신한 테스트 신호를 수신할 수 있고, 테스트 신호에 포함된 복수의 송신 신호들에 대한 시간(time)-전력값(value)을 확인할 수 있다.
도 4에 따르면, 16-way 위상 배열 안테나에서 송신된 테스트 신호 중 하나의 송신 신호에 대하여 측정된 전력을 도시하고 있다. 여기서, 보류 상태(hold state)는 테스트 신호의 시작과 끝을 나타내고, 위상셋의 전력이 클수록 해당 위상셋의 위상에서의 복수의 RF 체인들 각각에 대한 안테나 성능이 우수한 것으로 판단할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 계측기 240은 가장 큰 전력을 가지는 것으로 측정되는 위상셋에 기반하여 위상 제어값을 결정할 수 있다. 예를 들면, 계측기 240은 전력이 가장 큰 것으로 확인되는 제7 위상셋에 기반하여 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 제어값을 결정할 수 있다.
계측기 240은 결정된 위상 제어값을 제어부 210에 전송할 수 있다.
제어부 210는 계측기 240으로부터 수신한 위상 제어값을 해당되는 RF 체인들의 위상 변환기에 적용함으로써 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치 500의 구성을 도시하는 블럭도이다.
일 실시 예에 따르면, 도 5에 따른 캘리브레이션 장치는 멀티스트림 송수신기(또는 트랜시버, transceiver)를 포함하는 통신장치의 일부로 구성될 수 있다. 예를 들면, 멀티스트림 송수신기를 포함하는 통신장치는 복수의 송수신기를 포함하고, 각각의 송수신기에 위상 배열 안테나가 연결된 통신장치일 수 있다.
도 5를 참고하면, 캘리브레이션 장치 500은 제1 송수신기(transceiver) 520 및 제2 송수신기 540을 포함하고, 제1 송수신기 520에 연결된 제1 위상 배열 안테나 501와 제2 송수신기 540에 연결된 제2 위상 배열 안테나 503을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 송수신기 520 및 제2 송수신기 540은 별도의 모듈인 것으로 도시되어 있지만, 하나의 모듈에 포함되어 구성될 수 있다. 또한, 제1 송수신기 520 및 제2 송수신기 540은 제어부 510에 포함되어 구성될 수도 있다.
캘리브레이션 장치 500이 캘리브레이션을 수행함에 있어서 제1 송수신기 520이 송신 모드(Tx mode)인 경우 제2 송수신기 540은 수신(Rx mode) 모드로 동작할 수 있다. 또한, 제1 송수신기 520이 수신 모드(Rx mode)인 경우 제2 송수신기 540은 송신(Tx mode) 모드로 동작할 수 있다.
제1 위상 배열 안테나와 제2 위상 배열 안테나는 커플러를 통하여 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치 500은 캘리브레이션을 위해 적어도 하나의 RF 체인으로부터 방사된 신호를 수신하는 대신, 위상 변환기에 의해 위상 변환된 신호를 커플러(또는 커플링(coupling) 회로)를 통해 직접 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 커플링 회로는 송신 모드의 위상 배열 안테나에서 각 RF 체인에 포함된 전력 증폭기의 출력단과, 수신 모드의 위상 배열 안테나에서 각 RF 체인에 포함된 수신기의 입력단을 연결하도록 구성될 수 있다.
제1 송수신기 520이 송신 모드인 경우 제1 위상 배열 안테나를 통하여 송신된 테스트 신호는 커플러로 모니터링되고, 제2 위상 배열 안테나의 수신단에 전달될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 송신 모드로 동작하는 제1 위상 배열 안테나의 증폭기 출력단으로부터 커플러를 통하여 확인된 테스트 신호는 컴바이너로 결합되고 감쇠기를 거쳐 디바이더로 나뉜 다음 수신 모드로 동작하는 제2 위상 배열 안테나의 증폭기 입력단에 전달될 수 있다. 즉, 캘리브레이션 장치 500은 복수의 송수신기 및 복수의 송수신기 각각에 연결된 적어도 하나의 위상 배열 안테나를 포함하는 통신장치의 루프백(loopback) 신호를 이용하여 위상 배열 안테나를 캘리브레이션 할 수 있다. 루프백 신호를 위한 적어도 하나의 커플러를 포함하는 회로 550의 구성은 도 6을 통하여 후술한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 커플러의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 6을 참고하면, 커플러를 포함하는 회로 600에서, 커플러 607은 증폭기와 방사 소자 사이에 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 듀얼 스트림 송수신기를 포함하여 구성되는 캘리브레이션 장치에서 위상 배열 안테나 각각에 포함되는 복수의 RF 체인들 각각에는 송신 모드 및 수신 모드를 위한 증폭기를 포함할 수 있다. 예를 들면, RF 체인의 위상 변환기와 방사 소자 사이에는 송신 모드를 위한 전력 증폭기 601와 수신 모드를 위한 저잡음 증폭기 603이 병렬로 연결되고, 선택적으로 구동될 수 있도록 증폭기들의 양단에는 각각 스위치 609, 611이 연결된다. 이 때, 커플러 607는 증폭기에서 방사 소자 방향으로 연결된 스위치 611과 방사 소자 사이에 구성될 수 있다.
즉, 커플러는 송신 모드로 동작하는 위상 배열 안테나의 RF 체인에 구성되는 전력 증폭기를 통하여 출력되는 신호를 확인하고, 수신 모드로 동작하는 위상 배열 안테나의 RF 체인에 구성되는 저잡음 증폭기로 루프백 신호를 출력할 수 있다.
다시 도 5로 돌아가서, 커플러를 통하여 모니터링 된 테스트 신호는 제2 위상 배열 안테나의 일부에 전달될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부 510은 제2 송수신기 540이 수신 모드로 동작하는 경우, 제2 위상 배열 안테나에 포함되는 복수의 RF 체인들 중 일부를 오프(off)할 수 있다. 예를 들면, 제어부 510은 제2 송수신기 540의 수신모드에서 제2 위상 배열 안테나의 RF 체인 503-1을 제외한 나머지 RF 체인들을 오프할 수 있다.
제어부 510은 제1 위상 배열 안테나 501에 포함되는 복수의 RF 체인들 중 캘리브레이션하기 위한 RF 체인들에 대하여 위상셋을 결정하고, 초기 입력 신호에 위상셋이 적용된 테스트 신호를 송신할 수 있다.
제1 위상 배열 안테나 501을 통하여 송신된 테스트 신호는 커플러를 통하여 모니터링 되고, 제2 위상 배열 안테나 503의 RF 체인 503-1에 전송될 수 있다. 제어부 510은 제1 위상 배열 안테나 501에서 송신된 테스트 신호 및 제2 위상 배열 안테나 503의 RF 체인 503-1의 방사 소자로부터 수신한 테스트 신호에 기반하여 복수의 제1 위상 배열 안테나 501을 캘리브레이션하기 위하여 수학식 (6)을 응용할 수 있다.
예를 들면, 수학식 (6)에서는 테스트 신호를 송신하는 송신 측의 위상배열 안테나 100에서 발생되는 위상 틀어짐에 대한 변수(A)를 고려하였다면, 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션에서는 송신 측의 제1 위상 배열 안테나 501에서 발생되는 위상 틀어짐에 대한 변수 AT 뿐만 아니라 수신 측의 제2 위상 배열 안테나 503에서 발생되는 위상 틀어짐에 대한 변수 AR을 함께 고려할 필요가 있다.
루프백 신호를 이용하여 제1 위상 배열 안테나 501을 캘리브레이션 하기 위한 선형방정식은 다음과 같다.
Figure pat00018
(10)
여기서, x는 초기 입력 신호, HT는 제1 위상 배열 안테나 501에서 테스트 신호를 위해서 결정되는 알려진 임의의 위상값, HR은 제2 위상 배열 안테나 503에서 테스트 신호를 수신하여 RF 체인 503-1에서 확인되는, 테스트 신호를 위해서 결정된 알려진 임의의 위상값에 대응되는 측정된 위상값일 수 있다.
수학식 (7) 내지 (9)와 유사한 방법으로 수학식 (10)을 정리할 수 있다.
예를 들면,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
(11)
Figure pat00021
(12)
Figure pat00022
(13)
을 적용하고, 제1 위상 배열 안테나 501을 캘리브레이션 하는 경우, 제2 위상 배열 안테나 503의 RF 체인 503-1을 제외한 나머지 RF 체인들을 오프하였으므로, HR 측의 θRn은 고정된 값(예를 들면, 0)으로 결정될 수 있고, HR·AR·LATT 는 상수 값 CR로 결정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 수학식 (10)의 풀이는, 수학식 (1)을 계산하기 위하여 도 3에서 설명한 기법을 유사하게 적용할 수 있다. 예를 들면, m개의 RF 체인들을 캘리브레이션 하려는 경우 알려지지 않은 AT는 aT1, aT2, 내지 aTm, 즉 m개의 선형방정식이 필요하며, 따라서 HT는 mxm 행렬로서 결정되고, 수학식 (10)은 AT에 대하여 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00023
(14)
즉, 수학식 (14)는 수학식 (6)과 유사하게 정리되며, 제어부 510은 m개의 RF 체인들 각각에 대한 초기 위상과의 위상 틀어짐에 대한 변수 AT를 결정함으로써 m개의 RF 체인들 각각에 대하여 적용된 초기 위상에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 수학식 (14)는 초기 입력 신호, 초기 입력 신호에 복수의 위상셋이 적용된 송신 신호, 및 테스트 신호를 송신한 RF 채널들에 대하여 측정된 위상값의 성분들을 이용하여, 테스트 신호를 송신한 RF 채널들에서의 위상 틀어짐에 대한 변수값을 결정하기 위한 방정식이며, 따라서, 도 2의 계측기 240를 이용하는 캘리브레이션 장치에 적용할 수 있을 것이다.
일 실시 예에 따르면, 수학식 (6) 및 수학식 (14)에서 솔루션의 부정확성을 최소화하기 위해서는 행렬 H(또는 HT)의 조건 수(cond(H))가 가능한 작도록 결정할 필요가 있다. 이 때 복수의 RF 체인들에 대하여 이러한 위상차의 편차가 크게 발생되는 경우, 위상차 확인에 대한 부하가 발생되거나 또는 고성능의 장치가 요구될 수 있어, 이러한 편차가 작게 측정되도록 위상차에 대한 계산 결과를 정리 또는 개선할 필요가 있다.
이에 일 실시 예에 따르면, 하다마르 행렬(Hadamard matrix)은 아래 수학식 (15)와 같이 order 2 k case의 m의 경우 최소 조건 수(예를 들면, cond(H)=1)를 갖는 것으로 알려져 있다.
Figure pat00024
,
Figure pat00025
(15)
(여기서, 2n은 위상 배열 안테나에 포함된 RF 체인들의 수, 또는 캘리브레이션을 위한 RF 체인들의 수)
다만, 하다마르 행렬을 적용하는 경우의 문제는 제1 행의 합이 m이고, 제2 행의 합이 0으로 구성된다는 것이다. 일반적으로, 위상 배열 시스템은 대칭적으로 설계됨에 따라서, 안테나 어레이의 방사상은 정확하지는 않지만, 대체적으로 거의 일정하게 정렬된다.
즉, 하다마르 행렬을 적용하는 경우, 도 7에서 도시된 하다마르 행렬이 적용된 결과와 같이 제1 측정값(y1)은 매우 커지고 다음 측정값(y2)은 매우 작아지는 형식이 반복적으로 나타나게 되며, 시스템에 대한 very high signal-to-noise ratio(SNR)이 매우 높게 요구되어 캘리브레이션의 효율성이 떨어지게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션을 위한 솔루션의 부정확성의 감소와 관련하여 하다마르 행렬 또는 제안된 행렬을 적용한 경우의 테스트 신호에 대한 결과를 나타내는 그래프 700이다.
그래프 700에서 수학식 (14)에 하다마르 행렬이 적용된 결과를 참고하면, 위상 배열 안테나의 RF 채널들에 대한 위상 제어값을 확인함에 있어서 송신 신호들의 전력 크기 편차가 높게 나타나며, 이를 측정하기 위해서는 고성능의 신호 측정 장비가 요구된다.
따라서, 수학식 (16)과 같이 H(또는 HT)의 조건 수가 1인 새로운 행렬이 제안될 수 있다.
Figure pat00026
,
Figure pat00027
(16)
(여기서, 2n은 위상 배열 안테나에 포함된 RF 체인들의 수, 또는 캘리브레이션을 위한 RF 체인들의 수)
수학식 (16)의 경우 행의 합은 동일한 값으로 나타나며, 예를 들어, H P 16의 경우 수학식 (17)과 같이 표현되며, 각 행의 합은 -4로 결정된다.
Figure pat00028
(17)
도 7에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션을 위한 솔루션의 부정확성의 감소와 관련하여 제안된 행렬을 적용한 경우의 테스트 신호에 대한 결과를 확인할 수 있다.
수학식 (14)에 제안된 행렬이 적용된 결과를 참고하면, 위상 배열 안테나의 RF 채널들에 대한 위상차를 확인함에 있어서 송신 신호들의 전력 크기 편차가 고르게 나타나며, 이를 측정하기 위한 장치의 성능이 크게 제한되지 않으며 비용적인 측면과 캘리브레이션 속도적인 측면에서 유리하게 적용될 수 있다.
캘리브레이션 장치는 상술한 바와 같이 제안된 행렬이 적용된 상태에서 RF 체인들에 대한 위상차를 확인함으로써, 보다 효과적으로 위상 제어값을 결정할 수 있다.
상술한 바와 같이 수항식 (14)에 하다마르 행렬을 적용한 결과와 제안된 행렬을 적용한 결과는 도 7의 측정 결과 그래프 700에 도시되어 있다. 일 실시 예에 따르면, 그래프 700은 계측기 240를 통하여 확인된 테스트 신호에서 16개 위삿셋의 위상 전이(PSs)에 대한 엔벌로프 전력 변화(envelope-power change)에 대한 그래프이다.
5G mmWave 송수신기는 모든 심볼에서 100ns의 전이시간(transient time) 내에 모든 PSs를 동시에 전환 할 수 있어야 한다. 5G NR FR2 120kHz 서브 캐리어 간격의 심볼 지속 시간은 약 8.9us로 나타난다.
일 실시 예에 따르면, 상술한 바와 같이 하다마르 행렬의 PS 설정에 의한 전력 다이내믹 레인지는 40dB 이상이고 제안된 행렬의 PS 설정에 의한 전력 다이나믹 레인지는 약 5dB로 나타난다. 5G NR의 모든 심볼주기에서 PS 설정을 전환하면 16 개 요소의 측정 지속 시간은 150us 미만으로 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 5, 도 6, 또는 도 7을 통하여 설명되는 동작들은 캘리브레이션 장치 200의 제어부 510를 통하여 처리될 수 있다. 도 5을 참고하면, 제어부 510은 하나로 구성되어 제1 송수신기 520 및 제2 송수신기 540에 연결된 것으로 도시되어 있지만, 복수개로 구성되어 제1 송수신기 520 및 제2 송수신기 540에 각각 연결될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치에서 신호가 처리되는 흐름을 도시하는 블록도이다.
일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치가 상술한 바와 같이 듀얼 스트림 송수신기를 포함하는 경우, 제1 스트림의 송수신기 801 및 제2 스트리밍 송수신기 803을 포함하여 구성될 수 있다. 도 8을 참고하여 수학식 (10)의 성분들을 캘리브레이션 장치의 세부 구성요소들에 대비하여 설명할 수 있다.
제1 스트림의 송수신기 801은 송신 모드에서 RF 체인들의 위상 틀어짐을 캘리브레이션하기 위해서 RF 체인들에 알려진 위상들을 설정하고, 설정된 위상들을 초기 입력 신호 x(신호의 길이, l)에 적용하여 송신할 수 있다.
이 때 캘리브레이션 장치는 캘리브레이션을 위한 제1 송수신시 801의 RF 체인들의 수(m)만큼 신호를 송신하며, 커플러를 통하여 신호 Y를 수신함으로써 RF 체인들의 위상차를 확인할 수 있다.
캘리브레이션 장치는 수신한 신호(예: 테스트 신호 또는 제2 신호)를 이용하여, 수신된 신호 Y에 대한 선형방정식을 생성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치는 송신측 제1 송수신기801의 RF 체인들에 대하여 HT·AT로 정의하고, 수신측 제2 송수신기 803의 RF 체인들에 대하여 HR·AR로 정의함으로써 제1 송수신기 801의 RF 체인들에 대하여 설정된 이상적인 위상들에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면 캘리브레이션 장치는 제1 송수신기의 RF 체인들을 캘리브레이션함에 있어서, 수신 모드의 제1 송수신기 801 및 송신 모드의 제2 송수신기 803에서 송수신하는 신호 및 설정된 위상들 또한 함께 고려될 수 있다.
또한, 캘리브레이션 장치의 제1 송수신기 801과 제2 송수신기 803 사이에 적어도 하나의 감쇠기가 포함되어 구성될 수 있다. 이 때는 감쇠기에 의한 변수(LATT)가 계산에 적용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 송신 모드에서 계측기를 이용한 캘리브레이션 결과 및 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션 결과에 대한 그래프이다.
도 9a를 참고하면, 계측기 240을 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과를 나타내는 그래프 910 및 제1 위상 배열 안테나 501의 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과의 그래프 920을 도시한다.
도 9b를 참고하면, 위상 배열 안테나에 포함된 RF 채널들의 1:1 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과와 계측기 240을 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과 및 제1 위상 배열 안테나 501의 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과에 대한 이득 변화 그래프 903 및 위상 변화 그래프 950을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 수신 모드에서 계측기를 이용한 캘리브레이션 결과 및 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션 결과에 대한 그래프이다.
도 10a를 참고하면, 계측기 240을 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과를 나타내는 그래프 1010 및 제1 위상 배열 안테나 501의 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과의 그래프 1020을 도시한다.
도 10b를 참고하면, 위상 배열 안테나에 포함된 RF 채널들의 1:1 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과와 계측기 240을 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과 및 제1 위상 배열 안테나 501의 루프백 신호를 이용한 캘리브레이션에 따른 테스트 신호에 대하여 측정한 결과에 대한 이득 변화 그래프 1030 및 위상 변화 그래프 1050을 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 블록도 1100이다.
일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치 200는 듀얼 스트림 송수신기를 포함하는 장치일 수 있다. 캘리브레이션 장치 200에서, 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converters, DACs)로부터의 베이스 밴드 Tx 신호는 11.2GHz 중간 주파수(intermediate-frequency, IF)로 상향 변환(up-converted)되고 다시 28GHz로 상향 변환되어 안테나 어레이로 전송된다. 또한, 안테나 어레이(antenna arrays)로부터의 28GHz Rx 신호는 11.2GHz IF로 하향 변환(down-converted)되고 다시 베이스 밴드로 하향 변환되어 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converters, ADCs)로 전송된다.
캘리브레이션 장치 200의 교정 모드에서는 스트림 #1에 대한 송수신기 1110은 Tx 모드로 동작하고, 스트림 #2에 대한 송수신기 1120은 Rx 모드로 동작할 수 있다. 이때, 28GHz 위상 배열 IC(28GIC) 1140으로부터의 Tx 신호는 커플러를 통하여 모니터링되고, 16-way 컴바이너를 통하여 결합되며, 감쇠기(attenuator, ATT) 1170을 거쳐 16-way 디바이더를 통하여 나뉜 다음 다른 28GIC 1180의 Rx 포트에 연결(coupled into)될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 상세한 구성을 나타내는 블록도 1200이다.
캘리브레이션 장치 200은 28GHz x16 위상 배열 IC(28-GHz x16 phased-array IC) 1210 및 1214 중 적어도 하나를 포함하고, 11.2GHZ 듀얼 스트림 IF 송수신기(IF transceiver, IFIC) 1270을 포함할 수 있다.
도 12를 참고하면, 28GHz x16 위상 배열 IC 1210은 4개의 TRx 블럭들, 4 웨이 Wilkinson 컴바이너, 업/다운 믹서, IF 가변 증폭기, IF 스위치, 로컬 발진기(local-oscillator, LO) 스위치 및 LO 주파수 트리플러를 포함하여 구성될 수 있다.
TRx 블럭들 각각은 4 개의 TRx 요소들, 4 웨이 Wilkinson 컴바이너, Rx 증폭기 및 Tx 드라이버 증폭기를 포함하여 구성될 수 있다.
TRx 요소들 각각은 저잡음 증폭기(low-noise amplifier, LNA), 전력 증폭기(power amplifier, PA), 스위치 및 4 비트 양방향 수동 위상 시프터(phase shifter, PS)가 있습니다. IFIC는 가변 이득 증폭기(variable-gain amplifiers, VGA), 발룬(baluns), 동상 및 직교 위상(inphase- and quadrature-phase, IQ) 다운 믹서(DMIX), IQ 업 믹서(UMIXx), 프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amplifiers, PGA), 4 차 수동 저역 통과 필터(4th-order passive low-pass filters, LPFs), 버퍼 증폭기(buffer amplifiers, Buf), LO 주파수 쿼드러플러(LO frequency quadrupler)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
일 실시 예에 따르면, 도 13a의 캘리브레이션 장치는 제1 스트림(strm1)의 송신기 1311 및 이와 연결된 송신을 위한 위상 배열 안테나 1313와 제2 스트림(strm2)의 수신기 및 이와 연결된 수신을 위한 위상 배열 안테나 1323을 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 송신을 위한 위상 배열 안테나 1313은 송신을 위한 복수의 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N을 포함할 수 있고, 수신을 위한 위상 배열 안테나 1313은 수신을 위한 복수의 RFIC 1323-1, 1323-3, 내지 1323-N을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면 송신을 위한 복수의 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N 각각은 수신을 위한 복수의 RF 채널들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도1 및 도2a의 위상 배열 안테나 100에 포함되는 복수의 RF 채널들 각각은 수신을 위한 복수의 RF 채널들을 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 도 1의 RF 체인 110-1은 복수의 RF 체인들을 포함하여 구성될 수 있고, 이 때 RF 체인 110-1은 모듈 방식으로 구성될 수 있다.
마찬가지로, 수신을 위한 복수의 RFIC 1323-1, 1323-3, 내지 1323-N 각각은 수신을 위한 복수의 RF 채널들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 2b의 위상 배열 안테나 101에 포함되는 복수의 RF 채널들 각각은 수신을 위한 복수의 RF 채널들을 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 도 2a의 RF 체인 101-1은 복수의 RF 체인들을 포함하여 구성될 수 있고, 이 때 RF 체인 101-1은 모듈 방식으로 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 스트림(strm1)의 송신기 1311 및 이와 연결된 복수의 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N를 통하여 송신하는 신호는 복수의 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N 각각에 포함된 방사 소사를 통하여 송신될 수 있다. 이때, 루프백 신호를 이용하여 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N을 캘리브레이션 하는 경우, 커플러를 통하여 복수의 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N 각각으로부터 송신되는 신호를 모니터링하며, 컴바이너, 감쇠기(또는 스위치) 1331, 디바이더 중 적어도 하나를 통해서 수신 모드의 제2 스트림(strm2) 의 수신기 1321에 연결된 RFIC 1323-1에 전송될 수 있다.
캘리브레이션 장치는 RFIC 1323-1에 수신된 테스트 신호 및 도 5을 통하여 설명한 수학적 기법을 이용하여 RFIC 1313-1, 1313-3, 내지 1313-N의 위상 제어값을 결정할 수 있다.
도 13a에 도시된 바와 같이 캘리브레이션 장치는 제1 스트림(strm1)의 송신기 1311에 연결된 복수의 RFIC 모듈들을 캘리브레이션 하는 경우, 제2 스트림(strm2)의 수신기 1321과 연결된 위상 배열 안테나 중 하나의 RF 채널 또는 복수의 RF 채널들을 포함하는 하나의 RFIC 모듈을 이용할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 RF 채널들을 포함하는 RFIC 모듈, 그리고 복수의 RFIC 모듈들을 포함하여 구성되는 위상 배열 안테나를 캘리브레이션 함에 있어서, 하나의 RFIC 모듈에 포함되는 복수의 RF 채널들 각각의 성능은 동일한 것으로 가정하고, 복수의 RFIC 모듈들 각각의 성능에 차이가 있는 것으로 가정함으로써, 캘리브레이션 장치는 위상 배열 안테나에 포함되는 RFIC 모듈들 사이의 상대적인 위상차를 캘리브레이션하도록 처리할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 13b의 캘리브레이션 장치 제1 스트림(strm1)의 수신기 1351 및 이와 연결된 수신을 위한 위상 배열 안테나 1353과 제2 스트림(strm2)의 송신기 1361 및 이와 연결된 송신을 위한 위상 배열 안테나 1363을 포함하여 구성될 수 있다.
이 때, 수신을 위한 위상 배열 안테나 1353은 수신을 위한 복수의 RFIC 1353-1, 1353-3, 내지 1353-N을 포함할 수 있고, 송신을 위한 위상 배열 안테나 1363은 송신을 위한 복수의 RFIC 1363-1, 1363-3, 내지 1363-N을 포함할 수 있다..
이때, 캘리브레이션 장치는 제1 스트림(strm1)의 수신기 1351에 연결된 복수의 RFIC 1353-1, 1353-3, 내지 1353-N을 캘리브레이션하도록 처리할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 테스트 신호는 제2 스트림(strm2)의 송신기 1361와 연결된 RFIC 1363-1을 통해서 송신되며, 이때 송신되는 테스트 신호는 커플러를 통하여 모니터링되며, 컴바이너, 감쇠기(또는 스위치) 1371, 디바이더 중 적어도 하나를 통해서 수신 모드의 제1 스트림(strm1)의 수신기 1351에 연결된 RFIC 1353-1, 1353-3, 내지 1353-N에 전송될 수 있다.
캘리브레이션 장치는 도 2b의 위상 배열 안테나 101에 수신된 테스트 신호 및 도 5을 통하여 설명한 수학적 기법을 이용하여 RFIC 1353-1, 1353-3, 내지 1353-N의 위상 제어값을 결정할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프백 신호를 이용하는 캘리브레이션 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 14a를 참조하면, 송신 모드로 동작하는 제1 스트림(strm1)의 송수신기 1411 또는 수신 모드로 동작하는 제2 스트림(strm2)의 송수신기 1421은 도 5에서 설명된 제1 송수신기 520 또는 제2 송수신기 540으로 구성될 수 있다.
제1 스트림(strm1)의 송수신기 1411 또는 제2 스트림(strm2)의 송수신기 1421은 도 13a를 통하여 설명된 제1 스트림(strm1)의 송신기 1311 또는 제2 스트림(strm2)의 수신기 1321, 및 도 13b를 통하여 설명된 제1 스트림(strm1)의 수신기 1351 또는 제2 스트림(strm2)의 송신기 1361과 동일 또는 유사하게 동작할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 각각의 RFIC 모듈을 캘리브레이션하기 위하여 캘리브레이션 장치는 각각의 RFIC 모듈에 포함되는 복수의 방사 소자들 중 커플러를 통하여 테스트 신호를 확인하거나 전송하기 위한 적어도 하나의 방사 소자를 선택할 수 있다.
예를 들면, 도 14a에 도시된 바와 같이, 캘리브레이션 장치는 송신 모드로 동작하는 제1 스트림(strm1)의 송수신기 1411에 연결된 송신 모드로 동작하는 RFIC 1413-1, 1413-3, 내지 1413-N 각각에 포함된 복수의 방사 소자들 중 제n 방사소자를 통하여 테스트 신호를 획득하고, 수신 모드로 동작하는 제2 스트림(strm2)의 송수신기 1421에 연결된 수신 모드로 동작하는 RFIC 1423-1, 1423-3, 내지 1423-N의 방사 소자들 중 온(on) 상태의 RFIC 1423-1 제3 방사 소자에 테스트 신호를 전송할 수 있다.
도 14b를 참조하면, 송신 모드로 동작하는 제1 스트림(strm1)의 송수신기 1461 또는 수신 모드로 동작하는 제2 스트림(strm2)의 송수신기 1451은 도 5에서 설명된 제1 송수신기 520 또는 제2 송수신기 540으로 구성될 수 있다.
제1 스트림(strm1)의 송수신기 1461 또는 제2 스트림(strm2)의 송수신기 1451은 도 13a를 통하여 설명된 제1 스트림(strm1)의 송신기 1311 또는 제2 스트림(strm2)의 수신기 1321, 및 도 13b를 통하여 설명된 제1 스트림(strm1)의 수신기 1351 또는 제2 스트림(strm2)의 송신기 1361과 동일 또는 유사하게 동작할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 도 14a를 통하여 설명한 바와 마찬가지로 캘리브레이션 장치는 각각의 RFIC 모듈에 포함되는 복수의 방사 소자들 중 커플러를 통하여 테스트 신호를 확인하거나 전송하기 위한 적어도 하나의 방사 소자를 선택할 수 있다.
예를 들면, 도 14b에 도시된 바와 같이, 캘리브레이션 장치는 송신 모드로 동작하는 제2 스트림(strm2)의 송수신기 1461에 연결된 송신 모드로 동작하는 RFIC 1463-1, 1463-3, 내지 1463-N 각각에 포함된 복수의 방사 소자들 중 온 상태의 RFIC 1463-1의 제n 방사소자를 통하여 테스트 신호를 획득하고, 수신 모드로 동작하는 제1 스트림(strm1)의 송수신기 1421에 연결된 수신 모드로 동작하는 RFIC 1453-1, 1453-3, 내지 1453-N의 방사 소자들 중 제3 방사 소자들에 테스트 신호를 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, 각각의 RFIC 모듈에서 복수의 방사 소자들 중 적어도 하나의 방사 소자를 선택하여 캘리브레이션을 위한 테스트 신호를 송신 및 수신하는 동작은, 제어부를 통하여 수행될 수 있다. 이 때, 제어부는 위상 배열 안테나 또는 RFIC 모듈들의 상태에 기반하여 캘리브레이션을 위한 테스트 신호의 송신 및 수신을 위한 방사 소자를 결정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상술한 바와 같이, RFIC 모듈에 포함된 복수의 방사 소자들 중 적어도 하나를 선택하여 캘리브레이션을 위한 테스트 신호를 송신 및 수신하는 동작은, 도 13a 또는 13b와 같이 송신기와 수신기를 포함하여 구성되는 캘리브레이션 장치에 적용할 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치 시뮬레이션을 위한 장치 구성도이다.
도 15 및 16을 참고하면, 캘리브레이션의 측정을 위한 장치 블록도 1700, 1800은, 측정이 프로그래밍된 컨트롤러 1710, 1810 및 측정을 구현하기 위한 회로 1520, 1620을 포함한다. 여기서, 회로 1520, 1620의 동작을 위한 신호발생기 1540, 1640, 전원부(power supply) 1550, 1650 및 신호 분석기 1560, 1660 중 적어도 하나의 장치를 더 포함할 수 있다.
도 15을 참고하면, 무선으로 송출되는 테스트 신호를 수신하여 계측기에서 테스트 신호를 분석하는 실시 예를 측정하기 위하여 신호 분석기 1560와 연결되는 수신 안테나 1570을 더 포함할 수 있다.
도 16을 참고하면, 커플러를 통하여 획득하는 송신 신호를 분석하는 실시 예를 측정하기 위하여 회로 1620의 구성을 설명한다.
일 실시 예에 따르면, 측정에 사용된 온보드 16-way Wilkinson 컴바이너는 안테나 및 커플러에 연결하는 대신 28GIC의 전력 증폭기(PA) 출력에 연결되었다. 컴바이너 출력은 방향성 커플러에 연결되었으며, 방향성 커플러의 출력 포트는 신호 분석기에 연결되었다. 방향성 커플러의 20dB 결합 포트는 온보드 16-way 디바이더에 연결되고, 분배된 포트들은 다른 28GIC의 저잡음 증폭기(LNA)의 입력들에 연결된다. 14비트 2차동채널 임의 파형 발생기(14-bit 2-differential-channel arbitrary waveform generator)는 DACs로 사용하고, 10비트 4채널 오실로스코프는 ADCs로 사용하였다. 4096개의 샘플을 가진 100MHz 대역폭의 1.96608-GSps Zadoff-Chu 시퀀스는 테스트 신호의 초기 입력 신호 x로 사용되었다.
일 실시 예에 따르면, 상술한 바와 같이 구성된 캘리브레이션 장치를 측정 한 결과를 아래 표 및 도 17과 같이 확인할 수 있다.
Figure pat00029
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 측정 결과를 도시한 그래프 1700이다.
도 17에 따르면, 제11 RFIC 모듈(RFIC #11)에서 테스트 신호의 송신 시 설정된 위상과 크게 차이를 보이는 것으로 나타나고 있다. 캘리브레이션 장치는 송신한 테스트 신호 및 수신한 테스트 신호에 기반하여 [표 1]과 같이 확인되는 위상 정보에 기반하여 제11 RFIC 모듈(RFIC #11)의 위상차 및 위상 제어값을 결정할 수 있고, 제11 RFIC 모듈(RFIC #11)의 위상을 제어함으로써 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 동작 흐름을 도시한다.
도 3을 참고하면, 1801 단계에서 캘리브레이션 장치는 제1 신호에 복수의 RF 체인에 대하여 임의로 지정된 복수의 제1 위상셋이 적용된 제2 신호를 송신한다.
여기서, 제1 신호는 초기 입력 신호일 수 있다. 캘리브레이션 장치는 위상 배열 안테나에 포함된 복수의 RF 체인들을 캘리브레이션 하기 위하여 알려진 위상값들 중 임의의 위상값을 설정하고, 제1 신호에 적용하여 송신할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, N개의 RF 체인들을 캘리브레이션 하기 위해서는 N개의 선형방정식이 요구된다. 예를 들면, N개의 RF 체인들 각각에 대하여 알려진 위상값들 중 임의의 값을 선택함으로써 생성되는 위상셋을 N개 생성하고, 생성된 N개의 위상셋 각각을 제1 신호에 적용함으로써 N개의 서로 다른 송신 신호를 전송할 수 있다.
즉, 제2 신호는 N개의 서로 다른 송신 신호를 포함하여 구성될 수 있으며, 위상 배열 안테나로부터 송신되는 테스트 신호일 수 있다.
1803 단계에서, 캘리브레이션 장치는 송신된 2 신호로부터 확인된 복수의 제2 위상셋을 이용하여 복수의 RF 체인에 발생되는 위상차를 결정한다.
일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치는 제1 신호, 제1 신호에 복수의 위상셋이 적용된 송신 신호, 및 복수의 송신 신호를 포함하는 제2 신호로부터 RF 채널들에 대하여 측정된 제2 위상셋의 성분들을 이용하여, 제2 신호를 송신한 RF 채널들에서의 위상 틀어짐에 대한 변수값을 결정하기 위한 선형방정식을 결정할 수 있다.
예를 들면, 캘리브레이션 장치는 제2 신호를 구성하는 N개의 송신 신호를 확인하고, 각각의 송신 신호로부터 N개의 RF 채널에 대한 위상값들을 포함하는 N개의 제2 위상셋을 확인할 수 있다. 캘리브레이션 장치는, 송신 시점에 N개의 송신 신호에 설정된 위상값들에 대하여 수신한 테스트 신호에 포함된 N개의 송신 신호에서 확인되는 위상값들에 기반하여 N개의 선형방정식을 생성하고, 각각의 RF 채널에 대하여 송신 시 설정된 위상값 대비 확인된 위상값의 위상 틀어짐에 대한 변수(a)를 계산하여 N개의 RF 체인들에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
1805 단계에서, 캘리브레이션 장치는 N개의 RF 체인들에 대하여 결정된 위상차에 기반하여 결정된 위상차에 대응되는 RF 체인들의 위상을 제어할 수 있다. 이때, 캘리브레이션 장치는 RF 체인들의 위상을 임시로 또는 영구적으로 제어된 상태로 유지시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치는 결정된 위상차에 기반하여 RF 체인들의 위상을 제어함에 있어서, 단순히 확인된 위상차만큼의 보정을 수행하는 것에 한정하지 않고, 확인된 RF 체인들에 대한 위상차에 대한 값들을 정리함으로써, 보다 효과적으로 RF 체인들을 캘리브레이션할 수 있는 위상 제어값을 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 캘리브레이션 장치는 위상 제어값을 결정하는 동작에서의 성능 향상을 위하여, 제안된 행렬을 적용할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 위상차를 결정함에 있어서, 테스트 신호로부터 확인된 N개의 RF 체인들 및 N개의 위상셋에 대한 위상값에 대한 행렬이 조건수 1이 됨을 만족하기 위한 NxN 정사각 행렬을 적용할 수 있다. 이 때의 제안된 NxN 정사각 행렬은 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하도록 결정된다.
즉, RF 체인들 각각의 위상차에 대한 편차를 작게 조절함으로써, 보다 효과적으로 RF 체인들의 위상을 제어할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 일부 동작 흐름을 도시한다.
일 실시 예에 따르면, 도 19의 동작들은 캘리브레이션 장치에서 송신된 제2 신호를 확인하는 방법으로 수행되는 것일 수 있다. 예를 들면, 1901 단계는, 도 18의 1801 단계 이후 수행될 수 있다.
1901 단계에서, 캘리브레이션 장치는 위상 배열 안테나로부터 송신된 제2 신호를 수신 안테나를 통해서 수신할 수 있다. 수신 안테나를 통하여 수신된 제2 신호는 수신 안테나와 연결된 계측기(또는 신호분석기)에 전달되며, 계측기는 수신한 제2 신호로부터 제1 위상셋에 대응되는 제2 위상셋을 확인할 수 있다.
1903 단계에서, 캘리브레이션 장치는 제2 신호로부터 획득한 제2 위상셋 및/또는 제1 신호에 적용된 제1 위상셋을 이용하여 N개의 RF 체인들에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 계측기는 제어부로부터 제2 신호에 대한 정보를 수신함으로써 제1 위상셋을 확인할 수 있고, 수신한 제2 신호에 대한 정보로부터 제2 위상셋을 확인할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 계측기는 수신 안테나를 통하여 수신한 제2 신호에 포함된 제2 신호에 대한 정보를 확인할 수 있다.
캘리브레이션 장치는 도 18의 1803 단계에서 설명한 방법과 동일 또는 유사한 방법을 적용하여 제1 위상셋의 위상값들 및/또는 제2 위상셋의 위상값들을 이용하여 N개의 선형방정식을 결정하고, N개의 RF 체인들에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
캘리브레이션 장치는 1903 단계를 수행하면, 도 19의 동작을 종료할 수 있다. 도 19의 동작이 종료되면, 캘리브레이션 장치는 도 18의 1805 단계를 수행할 수 있다.
도 20는 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 장치의 일부 동작 흐름을 도시한다.
일 실시 예에 따르면, 도 20의 동작들은 캘리브레이션 장치에서 송신된 제2 신호를 확인하는 방법으로 수행되는 것일 수 있다. 예를 들면, 2001 단계는, 도 18의 1801 단계 이후 수행될 수 있다.
2001 단계에서, 캘리브레이션 장치는 위상 배열 안테나로부터 송신된 제2 신호를 커플러를 통해서 수신할 수 있다. 예를 들면, 제2 신호를 송신하는 위상 배열 안테나를 구성하는 N개의 RF 체인들 각각은 커플러에 연결될 수 있다. 캘리브레이션 장치의 제어부는 커플러를 통하여 모니터링되는 루프백 신호를 제2 신호로서 수신할 수 있다.
제어부는 수신한 제2 신호로부터 제2 신호로부터 제1 위상셋에 대응되는 제2 위상셋을 확인할 수 있다.
2003 단계에서, 캘리브레이션 장치는 제2 신호로부터 획득한 제2 위상셋 및/또는 제1 신호에 적용된 제1 위상셋을 이용하여 N개의 RF 체인들에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부는 위상 배열 안테나를 통해서 송신한 제2 신호에 적용된 제1 위상셋을 확인할 수 있고, 커플러를 통해서 수신한 제2 신호에 대한 정보로부터 제2 위상셋을 확인할 수 있다.
캘리브레이션 장치는 도 18의 1803 단계에서 설명한 방법과 동일 또는 유사한 방법을 적용하여 제1 위상셋의 위상값들 및/또는 제2 위상셋의 위상값들을 이용하여 N개의 선형방정식을 결정하고, N개의 RF 체인들에 대한 위상차를 결정할 수 있다.
캘리브레이션 장치는 2003 단계를 수행하면, 도 20의 동작을 종료할 수 있다. 도 20의 동작이 종료되면, 캘리브레이션 장치는 도 18의 1805 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 캘리브레이션 장치 또는 이의 구성 요소들은 위상 배열 안테나(예: 위상 배열 안테나 100)를 이용하여 무선 통신을 수행하는 장치(이하, 무선 통신 장치)의 구성 요소(element)들일 수 있다.
다시 말해서, 캘리브레이션 장치는 무선 통신 장치와 별도로 구현되지 않고, 무선 통신 장치 내부에서 구현될 수 있다. 이 경우, 무선 통신 장치는 이미 캘리브레이션이 수행된 위상 배열 안테나에 대해 필요한 경우(예: 무선 통신 장치의 내부 회로의 온도가 변화한 경우) 추가 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 장치는 전자 장치(electronic device), 단말(terminal), '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '사용자 장치(user device)', '기지국(base station)', '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어 중 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나로서 구성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 캘리브레이션 장치를 구성하는 위상 배열 안테나의 위상 변환기는 IF 신호의 위상을 변환하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 캘리브레이션 장치의 제어부는 위상 배열 안테나의 위상 변환기들을 제어하여, 송신기로부터 전달된 최초 입력 신호의 위상을 IF 대역에서 변환할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 캘리브레이션 장치에서 위상 배열 안테나의 위상 변환기는 LO 신호의 위상을 변환하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 캘리브레이션 장치의 제어부는 위상 배열 안테나의 위상 변환기들을 제어하여, 위상이 변환된 LO 신호들을 각 RF 체인의 믹서에 제공할 수 있다. 위상이 변환된 LO 신호에 기반하여 IF 신호로부터 변환된 RF 신호는 LO 신호에 대한 위상 변화가 반영되어 있으므로, 캘리브레이션 장치는 LO 신호의 위상을 변환하도록 구성된 위상 변환기들을 제어하여 결과적으로 각 RF 체인이 송신하는 신호의 위상을 변환할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 캘리브레이션 장치의 위상 배열 안테나는 디지털-아날로그 변환기(digital to analog converter, DAC)를 포함할 수 있다. DAC는 디지털 신호에 빔포밍 가중치를 곱하여 디지털 신호에 대한 빔포밍을 수행하고, 빔포밍된 디지털 신호들을 아날로그 신호로 변환할 수 있다. 여기에서, 빔포밍 가중치들은 신호의 크기 및/또는 위상을 변경하기 위해 사용되며, '프리코딩 행렬(precoding matrix)', '프리코더(precoder)' 등으로 지칭될 수 있다. 캘리브레이션 장치는 각 RF 체인과 관련된 DAC를 제어하여 초기 입력 신호의 위상이 각 RF 체인마다 변경되도록 하고, 결과적으로 각 RF 체인이 송신하는 신호의 위상을 변환할 수 있다.
본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명함에 있어서, 3GPP가 규격을 정한 통신 규격을 주된 대상으로 할 것이지만, 본 발명의 주요한 요지는 유사한 기술적 배경을 가지는 여타의 통신 시스템에도 본 발명의 범위를 크게 벗어나지 아니하는 범위에서 약간의 변형으로 적용 가능하며, 이는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 기술적 지식을 가진 자의 판단으로 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 위상 배열 안테나의 캘리브레이션(calibration)을 위한 방법에 있어서,
    복수의 RF 체인들로부터 전송되는 제1 신호에 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 임의로 지정된 위상을 포함하는 복수의 제1 위상셋들이 적용된 제2 신호를 송신하는 단계;
    상기 제2 신호를 획득하는 단계;
    상기 획득한 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 단계;를 포함하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 위상셋들의 수는, 상기 복수의 RF 체인들의 수만큼 생성되는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호는, 상기 복수의 제1 위상셋들 각각을 상기 제1 신호에 적용하여 생성된 복수의 제3 신호들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호를 획득하는 단계는,
    상기 복수의 RF 체인들과 연결된 커플러를 통하여 상기 제2 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호를 획득하는 단계는,
    수신 모드의 안테나를 통하여 상기 제2 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하는 단계는,
    상기 복수의 제1 위상셋들의 수 또는 상기 복수의 제2 위상셋들의 수만큼 생성되는 선형방정식들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 단계는,
    상기 위상차에 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬을 적용한 결과를 이용하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 제어값을 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬은 아래의 수학식에 기반하여 결정되고,
    [수학식]
    Figure pat00030
    ,
    Figure pat00031


    여기서, 2n은 상기 위상 배열 안테나에 포함된 RF 체인들의 수로 결정되는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 단계는,
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되는 위상 제어값을 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 방법.
  10. 위상 배열 안테나의 캘리브레이션(calibration)을 위한 장치에 있어서,
    신호를 송신하는 복수의 RF 체인들을 포함하여 구성되는 상기 위상 배열 안테나; 및
    상기 복수의 RF 체인들로부터 전송되는 제1 신호에 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 임의로 지정된 위상을 포함하는 복수의 제1 위상셋들이 적용된 제2 신호를 생성하고, 상기 생성된 제2 신호를 상기 복수의 RF 체인들을 통하여 송신하도록 처리하고, 상기 송신된 제2 신호를 획득하고, 상기 획득한 제2 신호로부터 상기 복수의 제1 위상셋들에 상응하여 측정된 복수의 제2 위상셋들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 중 적어도 일부에 대한 위상을 캘리브레이션하는 제어부;를 포함하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 RF 체인들의 수만큼 상기 복수의 제1 위상셋들의 수를 생성하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 제1 위상셋들 각각을 상기 제1 신호에 적용하여 생성된 복수의 제3 신호들 포함하여 상기 제2 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 RF 체인들과 연결된 커플러를 통하여 상기 제2 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    수신 모드의 안테나를 통하여 상기 제2 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 제1 위상셋들의 수 또는 상기 복수의 제2 위상셋들의 수만큼 생성되는 선형방정식들에 기반하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상차를 결정하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 위상차에 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬을 적용한 결과를 이용하여 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대한 위상 제어값을 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 각 행의 합이 하나의 상수로 수렴하는 정사각 행렬은, 아래의 수학식에 기반하여 결정되고,
    [수학식]
    Figure pat00032
    ,
    Figure pat00033


    여기서, 2n은 상기 위상 배열 안테나에 포함된 RF 체인들의 수로 결정되는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 위상 배열 안테나의 이득이 최대가 되는 위상 제어값을 결정하고, 상기 복수의 RF 체인들 각각에 대하여 상기 결정된 위상 제어값을 적용하는 것을 특징으로 하는, 위상 배열 안테나의 캘리브레이션을 위한 장치.
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