KR20210129865A - 레이돔을 포함하는 안테나 장치 및 이를 포함하는 기지국 - Google Patents

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KR20210129865A
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최승호
고승태
금준식
김현진
이영주
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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 개시는 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 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 안테나 장치는, 안테나 모듈 및 상기 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔을 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 상기 레이돔의 일 면에 배치되는 제1 방사체 및 상기 일 면에서, 상기 제1 방사체로부터 기 설정된 길이만큼 이격되어 상기 제1 방사체의루프를 형성하는 적어도 하나의 제2 방사체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 루프 각각을 개방하는 복수의 갭(gap)을 포함한다.

Description

레이돔을 포함하는 안테나 장치 및 이를 포함하는 기지국{AN ANTENNA DEVICE INCLUDING A RADOME AND A BASE STATION INCLUDING THE ANTENNA DEVICE}
본 발명은 차세대 통신 기술에서 이용되는 안테나 장치 및 이를 포함하는 기지국에 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 대역에서의 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 빔 포밍, 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.
차세대 통신 시스템은 초고주파 대역(sub-6 GHz)을 이용할 수 있으며, 초고주파 대역에서 원활하게 통신할 수 있도록 다양한 빔을 형성하는 빔포밍 기술이 적용될 수 있다. 이와 같이 빔을 이용하여 통신하는 경우, 인접 셀과의 간섭 및 커버리지 영역을 고려하여 빔 설계를 최적화할 수 있는 안테나 구조가 요구된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 안테나 장치에 있어서, 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔을 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 상기 레이돔의 일 면에 배치되는 제1 방사체; 및 상기 일 면에서, 상기 제1 방사체로부터 기 설정된 길이만큼 이격되어 상기 제1 방사체의루프를 형성하는 적어도 하나의 제2 방사체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 루프 각각을 개방하는 복수의 갭(gap)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 장치를 포함하는 기지국에 있어서, 상기 안테나 장치는, 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔을 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 상기 레이돔의 일 면에 배치되는 제1 방사체; 및 상기 일 면에서, 상기 제1 방사체로부터 기 설정된 길이만큼 이격되어 상기 제1 방사체의루프를 형성하는 적어도 하나의 제2 방사체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 루프 각각을 개방하는 복수의 갭(gap)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 인접 셀과의 간섭을 최소화하면서 특정 영역을 적절히 커버할 수 있는 빔 폭을 디자인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따를 경우, 동작 주파수 대역을 변경하지 않으면서 특정 지향성을 갖는 빔의 설계가 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 massive MIMO(multiple input multiple output) 환경에서의 기지국의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2a는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 측면도이다.
도 2b는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3-sector 기지국의 빔 폭이 방사되는 일 예를 도시한 도면이다.
도 4a는 빔 폭을 최적화하는 방법의 예를 도시한 도면이다.
도 4b는 빔 폭을 최적화하는 방법의 예를 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 측면도이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체가 레이돔에 배치되는 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이돔의 일 면에 배치된 방사체의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체에 포함된 갭의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 빔의 동작 주파수 대역의 유지를 위한 커패시터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 빔의 동작 주파수 대역의 유지를 위한 커패시터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체와 일반적인 방사체의 구조를 비교하기 위한 도면이다.
도 12a는 도 11에 도시된 방사체들 간의 빔 폭 설계상 효과를 비교하기 위한 도면이다.
도 12b는 도 11에 도시된 방사체들 간의 빔 폭 설계상 효과를 비교하기 위한 도면이다.
도 12c는 도 11에 도시된 방사체들 간의 빔 폭 설계상 효과를 비교하기 위한 도면이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체의 갭 크기에 따른 빔 폭 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체의 개수 변경에 따른 빔 폭 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 구현하는 인쇄 패턴 본딩 기술에 관한 도면이다.
도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 구현하는 융착 기술에 관한 도면이다.
도 14c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 구현하는 hot stamping 기술에 관한 도면이다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 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 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 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.
도 1은 본 발명의 massive MIMO(multiple input multiple output) 환경에서의 기지국의 일 예를 도시한 도면이다.
차세대 통신 시스템에서는 앞서 개시한 바와 같이, 초고주파 대역에서 전파의 경로 손실을 감소시키기 위한 빔포밍 기술이 적용되며, 이를 적용하는 일 예로써 기지국은, 커버리지 중 특정 방향성을 소정의 각도로 각각 커버하는 복수의 안테나 장치를 포함할 수 있다.
도 1에서는, 일 예로, 커버리지를 3개의 섹터(sector)로 구분하는 3-sector 기지국(100)을 도시하였으며, 각 sector를 커버하는 각 안테나 장치는, 무선 신호를 송수신하기 위한 안테나 모듈과 안테나 모듈을 커버하는 레이돔(radome)(100)을 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 각 안테나 장치의 구조는 도 2a 및 도 2b를 이용하여 설명하기로 한다.
도 2a는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 측면도이고, 도 2b는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 개념도이다.
도 2a를 참조하면, 안테나 장치(200)는, 안테나 모듈(220) 및 상기 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔(210)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 일 실시 예에 따른 안테나 모듈(220)은, 안테나 동작을 위한 RF(radio frequency) 신호를 공급하는 무선통신칩 또는 PCB(Printed Circuit Board)(222)와 상기 RF 신호를 방사하는 방사체(radiator)(221)를 포함할 수 있다. 도면에는 도시하지 않았으나, 안테나 장치(200)는, PCB(222)로부터 공급되는 전기적 신호를 방사체(221)에 공급하기 위한 급전부, RF 신호를 분배하는 분배기 등을 더 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바에 따르면, 일 실시 예에 따른 안테나 장치(200)는, 도전 패턴을 통하여 방사체로 전기적 신호가 전달되도록 PCB의 일 면에 방사체가 배치되며, 방사체의 상단면으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 안테나 모듈을 외부에서 커버하도록 레이돔이 배치될 수 있다.
한편, 빔포밍에 있어서, 빔 폭(beam width)을 최적화할 수 있는 안테나 설계가 요구되고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 3-sector 기지국의 빔 폭이 방사되는 일 예를 도시한 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 빔 폭을 최적화하는 방법의 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 서비스 영역을 3개의 sector에서 커버하는 기지국이 방사하는 빔 폭의 예를 확인할 수 있다. 이와 같이, 각 안테나 장치에서 방사되는 빔은 인접 셀과의 간섭을 최소화하고 서비스 영역을 적절히 커버하기 위하여 적절히 설계될 필요가 있다.
일 예로, 기지국에 배치된 각 안테나 장치에서 방사되는 빔 폭을 확보하기 위하여 안테나 요소들 간의 간격을 조절하는 방법이 있다. 그러나, 예를 들어, 안테나 요소들 간의 간격을 축소시키는 경우 방사되는 빔 폭은 확보할 수 있을지라도, 안테나 요소들 간의 간섭으로 인하여 성능이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다. 또한, 설정된 영역 이외로 빔이 방사됨에 따른 인접 셀 간의 간섭 문제가 발생될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 기존 안테나 배치를 유지하되 외부 구조물을 활용하는 방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 4a와 같이 각 안테나에서 디커플링될 수 있도록 격벽(wall)을 배치(self-decoupling)하거나 도 4b와 같이 안테나들 간 격벽(wall)을 설치함으로써, 안테나 요소들 간의 간섭 문제를 부분적으로 해결할 수 있다.
그러나, 상술한 방법들 만으로는, 소정의 방향으로, 특정 각도 범위로 방사되는 다양한 빔 폭을 디자인하는데 한계가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 동작 주파수의 변경 없이 빔 폭을 다양화 및 최적화할 수 있는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조를 설명하기로 한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 측면도이며, 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조에 대한 개념도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체가 레이돔에 배치되는 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 안테나 모듈 및 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 예를 들어 도 2a에서 상술한 구성들을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 빔 폭 설계를 최적화하기 위하여, 안테나 모듈의 방사체를 레이돔 상에 부착하여 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 레이돔(510)의 일 면에는, 적어도 하나의 방사체(521)가 기 설정된 방식으로 패터닝(patterining)될 수 있다. 예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(PCB)(522)으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되어, 상기 PCB(522)를 커버하도록 배치된 레이돔(510)의 일 면에 방사체(521)가 배치될 수 있다. 이 경우, 방사체로 RF 신호를 전달하는 급전부는 예를 들어, 방사체(521)와 직접적으로 연결되지 않고, 도 5c에 도시된 PCB(522) 상에 배치되어 레이돔(510)에 배치된 방사체(521)와 갭 커플드(gap-coupled) 구조를 형성할 수 있다. 다만, 급전부의 배치 및 방사체와의 구조는 본 실시예(갭-커플드 구조)에 한정되지 않는다.
본 발명의 상기 구조에 따르면, 별도의 외부 구조물이나 안테나 요소들 간의 간격 조정 없이, 레이돔에 패터닝된 방사체를 다양한 구조로 구현함에 따라 빔 폭의 최적화 및 다양한 빔 폭 디자인이 가능할 수 있다.
상술한 예시에서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체(621)는, 예를 들어, 도 6의 상단에 도시된 바와 같이 빔이 방사되는 방향을 기준으로 레이돔(610)의 하단면에 배치되거나, 도 6의 하단에 도시된 바와 같이 레이돔(610)의 상단면에 배치될 수 있다. 이 경우, 레이돔의 상단면 또는 하단면에 배치된 방사체는, 급전부(623)와 소정의 거리를 유지할 수 있다. 일 예로, 레이돔에 배치된 방사체의 상단면은, 플레이트 형상의 PCB 상에 배치된 급전부의 상단면과 기 설정된 거리만큼 이격될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이돔의 일 면에 배치된 방사체의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
빔 폭을 변경하는 일 예로써, 빔을 방사하는 방사체의 크기를 조절하는 방법을 고려할 수 있다. 예를 들어, 방사체의 크기가 작을수록 빔 폭은 넓어지며, 방사체의 크기가 커질수록 특정 지향성(directivity)을 갖는 빔을 형성할 수 있다. 다만, 이와 같은 방법에 따를 경우, 방사체의 크기에 따른 빔 폭의 조절은 가능하나, 빔 폭이 변경되면서, 해당 빔의 동작 주파수도 함께 변경되는 문제가 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은 레이돔 상에 적어도 2개의 방사체를 특정 방식으로 구현할 수 있다.
보다 구체적으로 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 레이돔의 일 면에서 기 설정된 크기 및 형상을 갖도록 배치되는 제1 방사체(721a)와, 상기 레이돔의 일 면상에서 상기 제1 방사체(721a)와 기 설정된 간격을 가지면서, 소정의 폭을 가지고 상기 제1 방사체(721a)를 에워싸도록 형성되는 적어도 하나의 제2 방사체(721b)를 포함할 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 제2 방사체(721b)는 제1 방사체(721a)의 형상과 동일한 형상으로 제1 방사체(721a)에 대한 루프를 형성할 수 있다.
도 7에서, 제1 방사체(721a)는 예를 들어, 소정의 크기를 갖는 정사각형의 형상(또는 패치 형상)으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 제2 방사체(721b)는 2개가 구현된 것을 예시하였으나, 제2 방사체(721b)의 개수는 다양하게 설정될 수 있다.
일 실시예로, 도 7에 따르면, 레이돔의 일 면에는, 파장의 간격에 기반한 크기를 갖는 정사각형 형상을 갖는 제1 방사체(721a), 상기 제1 방사체와 기 설정된 제1 길이만큼 이격되어 제1 방사체의 제1 루프를 형성하는 제2 방사체(721b) 및 상기 제1 방사체와 기 설정된 제2 길이만큼 이격되어 제1 방사체의 제2 루프를 형성하는 제2 방사체(721b)가 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 루프를 형성하는 제2 방사체와 제2 루프를 형성하는 제2 방사체 사이의 간격은, 예를 들어 상기 제1 길이일 수 있다.
또한, 적어도 제2 방사체(721b) 각각에 대응되는 루프는, 기 설정된 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 여기에서, 적어도 하나의 제2 방사체 각각이 형성되는 폭의 크기 및 제1 방사체(721a)와 적어도 하나의 제2 방사체(721b) 사이의 간격은, 안테나 장치에서 방사하고자 하는 빔 폭을 어떻게 디자인하는지에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제2 방사체(721b)에 해당하는 각 루프는, 방사하고자 하는 빔 폭의 동작 주파수를 유지하기 위한 복수의 갭(gap)을 포함할 수 있다. 즉, 제2 방사체에 해당하는 각 루프는, 폐루프가 아니라 복수의 갭에 의하여 개방된 형태일 수 있다.
여기에서, 복수의 갭은, 제1 방사체(721a) 및 적어도 하나의 제2 방사체(721b)를 특정 방향으로 관통하도록 연장되는 연장선과 적어도 하나의 제2 방사체(721b)가 접하는 지점에서 형성될 수 있다.
보다 구체적인 예로, 적어도 하나의 제2 방사체(721b)는, 제1 방사체(721a) 및 적어도 하나의 제2 방사체(721b)를 제1 방향으로 관통하도록 연장되는 제1 연장선과 접하는 두 지점 각각에서 적어도 2개의 갭을 형성할 수 있다. 또한, 제1 방사체(721a) 및 적어도 하나의 제2 방사체(721b)를 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 관통하도록 연장되는 제2 연장선과 적어도 하나의 제2 방사체(721b)가 접하는 두 지점 각각에서도 적어도 2개의 갭을 형성할 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 제2 방사체(721b) 각각에 해당하는 루프는, 적어도 4개의 갭을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 방향은, 제1 방사체(721a) 및 적어도 하나의 제2 방사체(721b) 각각에 RF 신호를 공급하는 급전부가 형성되는 방향과 대응될 수 있다. 예를 들어, 급전부가 수평 편파와 관련된 전기적 신호를 공급하는 제1 급전부와 수직 편파와 관련된 전기적 신호를 공급하는 제2 급전부를 포함할 경우, 상기 제1 방향은 제1 급전부가 형성되는 방향과 대응되고 제2 방향은 제2 급전부가 형성되는 방향과 대응될 수 있다.
또 다른 예로, 제1 연장선과 소정의 각도를 갖는 제3 방향의 제3 연장선과 적어도 하나의 제2 방사체가 접하는 두 지점 및 제2 연장선과 소정의 각도를 갖는 제4 방향의 제4 연장선과 적어도 하나의 제2 방사체가 접하는 두 지점 각각에서 최소 4개의 갭이 더 형성될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 소정의 각도는 예를 들어, 45도일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이 경우, 적어도 하나의 제2 방사체 각각은, 적어도 8개의 갭을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 외부 구조의 추가 또는 안테나 장치의 구조 변경 없이도, 레이돔의 일 면 상에 배치되는 제1 방사체와, 제1 방사체를 에워싸는 제2 방사체의 폭, 개수 및 갭의 개수를 조절하는 상기 구조에 의하여, 동작 주파수의 변경 없이 특정 지향성을 갖는 빔 폭을 다양하게 디자인할 수 있다. 본 발명에 따른 방사체 구조가 동작 주파수의 변경이나 특정 빔 폭 형성에 대한 오류를 어떻게 최소화할 수 있는지와 관련하여는 도 8, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체에 포함된 갭의 역할을 설명하기 위한 도면이고, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 빔의 동작 주파수 대역의 유지를 위한 커패시터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체에 갭이 포함된 경우와 포함되지 않은 경우가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 특정 지향성을 갖는 빔을 형성하기 위하여 제2 방사체의 개수를 단순히 증가시키는 경우, 즉, 좌측에 도시된 바와 같이 제1 방사체에 대한 복수의 폐루프의 형태로 제2 방사체가 형성되는 경우, 루프 전류(current)가 발생하여 고차모드가 생성될 수 있고, 이에 따라 특정 지향성을 갖는 빔 폭 설계에 오류가 발생될 수 있다.
그러나, 우측에 도시된 바와 같이, 폐루프에 복수의 갭이 포함되도록 개방된 형태의 루프로 제2 방사체를 구현하는 경우, 고차모드 생성을 최소화함에 따라 특정 지향성을 갖는 빔 폭 설계가 최적화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체는, 제1 방사체와 적어도 하나의 제2 방사체 사이에 커패시턴스(capacitance)를 추가로 형성할 수 있다.
보다 구체적인 예로, 도 9를 참조하면, 일 실시 예로, 본 발명의 레이돔에 배치된 방사체는, 제1 방사체, 상기 제1 방사체와 제1 길이만큼 이격되어 제1 방사체에 대한 제1 루프를 형성하는 제2 방사체 및 제1 방사체와 제2 길이만큼 이격되어 제1 방사체에 대한 제2 루프를 형성하는 제2 방사체를 포함할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 루프 및 제2 루프 각각은, 8개의 갭을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 제1 및 제2 루프에서, 각 갭에 의하여 분할된 구성들을 세그먼트(segment)라고 명명하기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 방사체와 제1 루프의 세그먼트들 사이에는, 각각 커패시터가 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 루프의 각 세그먼트와 제1 방사체 사이 추가되는 커패시터의 개수는, 세그먼트의 개수 또는 갭의 개수와 동일할 수 있다. 마찬가지로 제1 루프의 각 세그먼트와 제2 루프의 각 세그먼트 사이에도 커패시터들이 직렬로 연결될 수 있다.
이와 같이 커패시터들이 직렬로 연결됨에 따라, 공진 주파수가 천이되는 문제를 방지할 수 있다. 즉, 커패시터의 추가 없이 방사체들만 구현하는 경우, 도 10의 좌측에 도시된 바와 같이 인덕터 및 커패시터의 연결만 존재하게 되어 안테나 대형화를 적용할 경우 공진 주파수 천이의 문제가 발생될 수 있다. 그러나, 도 10의 우측에 도시된 바와 같이, 공진 주파수 천이를 방지하기 위한 직렬 커패시터(101)를 추가함에 따라 커패시턴스 canceling을 적용할 수 있기 때문에 원하는 동작 주파수 대역폭을 유지하면서 다양한 빔 폭의 설계가 가능할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체와 일반적인 방사체의 구조를 비교하기 위한 도면이고, 도 12a, 도 12b 및 도 12c는 도 11에 도시된 방사체들 간의 빔 폭 설계상 효과를 비교하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 좌측의 경우 제1 방사체 및 적어도 하나의 제2 방사체를 포함하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체(1121)가 도시되어 있고, 우측의 경우 패치 형상으로 구현되는 일반적인 방사체(1131)가 도시되어 있다. 도 11에 도시된 두 방사체를 본 발명에 따른 안테나 장치에 적용하는 경우, 빔 폭을 설계함에 있어 상이한 효과가 도출된다.
보다 구체적으로, 도 12a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체의 구조가 적용되는 경우, 특정 서비스 영역을 얼마나 잘 커버할 수 있는지의 효과를 확인할 수 있다. 도 12a에서 실선은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체 구조가 적용된 경우이고, 점선은 일반적인 방사체 구조가 적용된 경우를 도시하고 있다. 도 12a에 따르면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체가 적용될 경우, 인접 셀 간 간섭이 최소화되면서, 적절한 커버리지 영역으로 안테나 이득이 최대화되는 효과를 확인할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 특정 방향으로의 빔 폭이 잘 설계될 수 있는지와 관련된 지향성(directivity) 효과를 확인할 수 있다. 도 12b에서 점선을 참조하면, 지향성 증가를 위해 일반적인 방사체 구조를 대형화할 경우, 고차 모드로 인해 빔 패턴이 훼손되지만, 본 발명의 일 실시 예에 따를 경우, 실선으로 도시된 바와 같이 고차 모드가 발생하지 않아 특정 방향성에 집중된 빔 폭이 설계됨을 확인할 수 있다.
도 12c를 참조하면, 방사체를 통하여 원하는 빔이 잘 방사되는지와 관련된 return loss의 결과를 확인할 수 있다. 도 12c의 점선과 같이 일반적인 방사체 구조를 대형화할 경우 공진 주파수가 낮은 대역으로 이동하여 빔이 잘 방사되지 않고 입력단으로 재반사되어 0 dB 에 근접한 return loss 를 보이는 반면, 본 발명에 따를 경우 공진 주파수가 대역 내에서 유지되어 적절히 방사가 이루어짐을 확인할 수 있다
이하, 도 13a 및 도 13b를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체 구조가 달라짐에 따른 빔 폭 변경 효과를 설명하기로 한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체의 갭 크기에 따른 빔 폭 변경을 설명하기 위한 도면이고, 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체의 개수 변경에 따른 빔 폭 변경을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체를 구성하는 루프를 개방하는 갭의 크기를 조절함에 따라 빔 폭 변경이 가능하다.
도 13a를 참조하면, 도시된 갭의 크기는 최소한 소정의 크기 이상으로 형성될 수 있다. 이때, 소정의 크기에 가까울수록 빔의 지향성이 높아지며, 갭의 크기가 커질수록 주변 로딩 구조에 대한 커플링(coupling)이 약해지기 때문에 빔의 지향성이 낮아짐을 확인할 수 있다.
도 7에서도 상술한 바 있듯이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체의 크기가 커질수록 방사되는 빔의 지향성이 높아질 수 있다.
이는, 도 13b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 방사체의 개수가 커질수록, 안테나 대형화 효과가 도출될 수 있기 때문에 빔의 지향성이 높아짐을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 별도의 외부 구조물의 추가또는 안테나 구조의 변경 없이도, 제1 방사체와 제2 방사체 간의 간격, 제2 방사체들 간의 간격, 제2 방사체에 포함된 갭의 크기 및 개수, 제2 방사체의 개수 및 제2 방사체를 구성하는 루프의 폭 등을 조절함에 따라 다양한 빔을 용이하게 설계할 수 있다는 효과가 있다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 포함하는 안테나 장치를 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 구현하는 인쇄 패턴 본딩 기술에 관한 도면이고, 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 구현하는 융착 기술에 관한 도면이며, 도 14c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사체를 구현하는 hot stamping 기술에 관한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 방사체는, 다양한 방법으로 레이돔의 상단면 또는 하단면에 구현될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 방사체는, 도 14a와 같이, 인쇄형 필름을 접합하여 구현하는 방식, 도 14b와 같이 금속 패치 안테나에 융착하는 방식, 도 14c와 같이 hot stamping을 이용하여 패터닝하는 방식, 또는 ARC spray를 이용하여 분사하는 방식 등과 같이 다양한 방식에 기반하여 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 다양한 종류의 기지국에 배치되어, MU-MIMO(Multiple user - MIMO), massive-MIMO 등의 통신 방식에 따라 운용될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국은, 예를 들어, BTS(base transceiver station), DU(Digital unit), RRH(Remote Radio Head) 등을 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시 예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 제안하는 방법들의 일부분들이 서로 조합되어 기지국과 단말이 운용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템의 안테나 장치에 있어서,
    안테나 모듈; 및
    상기 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔을 포함하고,
    상기 안테나 모듈은,
    상기 레이돔의 일 면에 배치되는 제1 방사체; 및
    상기 일 면에서, 상기 제1 방사체로부터 기 설정된 길이만큼 이격되어 상기 제1 방사체의루프를 형성하는 적어도 하나의 제2 방사체를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 루프 각각을 개방하는 복수의 갭(gap)을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 갭은, 편파(polarization) 당 적어도 2개인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 갭은,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 제1 방향으로 관통하도록 연장되는 제1 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제1 지점 및 제2 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭과,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 관통하도록 연장되는 제2 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제3 지점 및 제4 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 안테나 모듈은,
    상기 제1 방향을 따라 상기 제1 방사체 및 상기 적어도 하나의 제2 방사체로 RF(radio frequency) 신호를 공급하는 제1 급전부; 및
    상기 제2 방향을 따라 상기 제1 방사체 및 상기 적어도 하나의 제2 방사체로 RF 신호를 공급하는 제2 급전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 갭은,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 제3 방향으로 관통하도록 연장되는 제3 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제5 지점 및 제6 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭과,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 제4 방향으로 관통하도록 연장되는 제4 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제7 지점 및 제8 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연장선과 상기 제3 연장선은 기 설정된 제1 각도를 형성하고,
    상기 제2 연장선과 상기 제4 연장선은 기 설정된 제2 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체 각각은, 기 설정된 폭을 갖는 루프인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 제1 방사체로부터 상기 기 설정된 길이만큼 이격된 제1 루프를 포함하고,
    상기 안테나 모듈은, 상기 제1 방사체와 상기 제1 루프를 연결하는 복수의 커패시터를 더 포함하며,
    상기 복수의 커패시터 개수는, 상기 제1 루프에 포함된 갭의 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체의 개수는, 상기 안테나 모듈에 의하여 형성될 빔 폭에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 일 면은, 상기 레이돔의 상면 또는 하면인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  11. 무선 통신 시스템에서 안테나 장치를 포함하는 기지국에 있어서,
    상기 안테나 장치는, 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈의 적어도 일부를 커버하는 레이돔을 포함하고,
    상기 안테나 모듈은,
    상기 레이돔의 일 면에 배치되는 제1 방사체; 및
    상기 일 면에서, 상기 제1 방사체로부터 기 설정된 길이만큼 이격되어 상기 제1 방사체의루프를 형성하는 적어도 하나의 제2 방사체를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 루프 각각을 개방하는 복수의 갭(gap)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 갭은, 편파(polarization) 당 적어도 2개인 것을 특징으로 하는 기지국.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 갭은,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 제1 방향으로 관통하도록 연장되는 제1 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제1 지점 및 제2 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭과,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 관통하도록 연장되는 제2 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제3 지점 및 제4 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 안테나 모듈은,
    상기 제1 방향을 따라 상기 제1 방사체 및 상기 적어도 하나의 제2 방사체로 RF(radio frequency) 신호를 공급하는 제1 급전부; 및
    상기 제2 방향을 따라 상기 제1 방사체 및 상기 적어도 하나의 제2 방사체로 RF 신호를 공급하는 제2 급전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 갭은,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 제3 방향으로 관통하도록 연장되는 제3 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제5 지점 및 제6 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭과,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체를 제4 방향으로 관통하도록 연장되는 제4 연장선과 상기 루프 각각이 접하는 제7 지점 및 제8 지점에서 형성되는 적어도 2개의 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 연장선과 상기 제3 연장선은 기 설정된 제1 각도를 형성하고,
    상기 제2 연장선과 상기 제4 연장선은 기 설정된 제2 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체 각각은, 기 설정된 폭을 갖는 루프인 것을 특징으로 하는 기지국.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체는, 상기 제1 방사체로부터 상기 기 설정된 길이만큼 이격된 제1 루프를 포함하고,
    상기 안테나 모듈은, 상기 제1 방사체와 상기 제1 루프를 연결하는 복수의 커패시터를 더 포함하며,
    상기 복수의 커패시터 개수는, 상기 제1 루프에 포함된 갭의 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 기지국.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 방사체의 개수는, 상기 안테나 모듈에 의하여 형성될 빔 폭에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 기지국.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 일 면은, 상기 레이돔의 상면 또는 하면인 것을 특징으로 하는 기지국.
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