KR20210152347A - 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210152347A
KR20210152347A KR1020200069330A KR20200069330A KR20210152347A KR 20210152347 A KR20210152347 A KR 20210152347A KR 1020200069330 A KR1020200069330 A KR 1020200069330A KR 20200069330 A KR20200069330 A KR 20200069330A KR 20210152347 A KR20210152347 A KR 20210152347A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antenna
polarization
pole
cross
cpr
Prior art date
Application number
KR1020200069330A
Other languages
English (en)
Inventor
최다빈
신동식
김종화
김지혜
박해권
윤승환
정종욱
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020200069330A priority Critical patent/KR20210152347A/ko
Priority to EP21821655.4A priority patent/EP4164055A4/en
Priority to CN202180041418.5A priority patent/CN115702524A/zh
Priority to PCT/KR2021/007174 priority patent/WO2021251735A1/ko
Publication of KR20210152347A publication Critical patent/KR20210152347A/ko
Priority to US18/075,864 priority patent/US20230170628A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/242—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for hand-held use
    • H01Q1/243—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for hand-held use with built-in antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H01Q1/46—Electric supply lines or communication lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0478—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with means for suppressing spurious modes, e.g. cross polarisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 개시는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 4G(4th generation) 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G(5th generation) 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 안테나 장치는 제1 편파를 위한 제1 급전선; 및 안테나를 포함하고, 상기 안테나는, 방사면 및 상기 제1 편파가 형성되는 적어도 하나의 대응면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파의 방향과 이루는 각도는 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파와 직교하는 편파의 방향과 이루는 각도보다 작을 수 있다.

Description

안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치{ANTENNA STURCTURE AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
후술되는 다양한 실시 예들은 안테나 구조(antenna structure) 및 이를 포함하는 전자 장치(electronic device)에 관한 것이다.
4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 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(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 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 Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(Non Orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(Sparse Code Multiple Access) 등이 개발되고 있다.
통신 성능을 높이기 위해, 이중 편파 안테나에서 CPR(cross polarization ratio)의 성능 개선이 요구되고 있다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 크로스-폴(cross polarization) 성분이 방사 영역에서 보다 작게 형성되도록 구성된 방사 소자를 포함하는 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
또한, 본 개시는 코-폴(co-polarization) 성분이 방사 영역에서 보다 크게 형성되도록 구성된 방사 소자를 포함하는 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
또한, 본 개시는 코-폴 성분이 보다 크게 또는 크로스-폴 성분이 보다 작게 생성되도록 형성된 방사 소자 또는 추가 구조물을 통해 개선된 CPR(cross polarization ratio) 성능을 갖는 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 안테나 장치는 제1 편파를 위한 제1 급전선; 및 안테나를 포함하고, 상기 안테나는, 방사면 및 상기 제1 편파가 형성되는 적어도 하나의 대응면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파의 방향과 이루는 각도는 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파와 직교하는 편파의 방향과 이루는 각도보다 작을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치는, 적어도 하나의 프로세서; 및 복수의 안테나 엘리멘트들을 포함하는 안테나 어레이(antenna array)를 포함하고, 상기 복수의 안테나 엘리멘트들 중 제1 안테나 엘리멘트는, 제1 편파를 위한 제1 급전선과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 안테나 엘리멘트는 방사면 및 상기 제1 편파가 형성되는 적어도 하나의 대응면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파의 방향과 이루는 각도는 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파와 직교하는 편파의 방향과 이루는 각도보다 작을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 신호의 크로스-폴 성분을 줄이기 위한 안테나 소자의 형상을 통해, CPR(cross polarization ratio) 성능을 향상시킬 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2a는 CPR(cross polarization ratio)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 CPR을 설명하기 위한 안테나 방사 패턴(pattern)의 예를 도시한다.
도 2c는 CPR을 설명하기 위한 안테나 간격에 따른 코-폴과 크로스-폴의 패턴의 예를 도시한다.
도 2d는 안테나 엘리멘트들 간 간격에 따라 근접 소자에 미치는 필드 분포의 예를 도시한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 예 도시한다.
도 4a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 설계 원리를 도시한다.
도 4b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자의 크로스-폴 필드의 예를 도시한다.
도 5는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조와 근접 소자의 크로스-폴 필드 감소 원리를 도시한다.
도 6a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자의 너비에 따른 CPR 성능의 예를 도시한다.
도 6b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자에 부가되는 구조물의 높이에 따른 CPR 성능의 예를 도시한다.
도 7a 내지 도 7h는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자의 예를 도시한다.
도 8a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조를 포함하는 어레이 안테나의 예를 도시한다.
도 8b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 CPR 성능의 개선도를 나타내기 위한 안테나 방사 패턴의 예를 도시한다.
도 8c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조를 포함하는 어레이 안테나에서 근접 소자의 CPR 영향을 나타내기 위한 크로스-폴 필드(field)의 예를 도시한다.
도 8d는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 근접 소자의 CPR 개선의 원리를 도시한다.
도 9는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 본 개시는 무선 통신 시스템을 위한 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 이중 편파 안테나(dual-polarized antenna)에서, 방사 소자(예: 방사 패치)의 적어도 하나의 변을 절단하거나 접음으로써(folding), 크로스-폴(cross-polarization) 성분을 최소화고, 이로 인해 단일 편파 또는 이중 편파 안테나에 대한 CPR(cross polarization ratio) 성능을 개선시키기 위한 기술을 설명한다. 특히, Massive MIMO 기술을 통해 점점 보다 훨씬 더 많은 수의 안테나를 갖는 장비가 사용될 것으로 예상되므로, 높은 CPR(cross polarization ratio) 성능과 함께 제조 시간, 생산 비용 측면에서 보다 효율적인 안테나 설계가 요구된다.
이하 설명에서 사용되는 전자 장치의 부품을 지칭하는 용어(예: 기판, PCB(print circuit board), FPCB(flexible PCB), 모듈, 안테나, 안테나 소자, 회로, 프로세서, 칩, 구성요소, 기기), 부품의 형상을 지칭하는 용어(예: 구조체, 구조물, 지지부, 접촉부, 돌출부, 개구부), 구조체들 간 연결부를 지칭하는 용어(예: 연결부, 접촉부, 지지부, 컨택 구조체, 도전성 부재, 조립체(assembly)), 회로를 지칭하는 용어(예: PCB, FPCB, 신호선, 급전선(feeding line), 데이터 라인(data line), RF 신호 선, 안테나 선, RF 경로, RF 모듈, RF 회로) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다. 또한, 이하 사용되는 '...부', '...기', '...물', '...체' 등의 용어는 적어도 하나의 형상 구조를 의미하거나 또는 기능을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 특정 조건의 만족(satisfied), 충족(fulfilled) 여부를 판단하기 위해, 초과 또는 미만의 표현이 사용될 수 있으나, 이는 일 예를 표현하기 위한 기재일 뿐 이상 또는 이하의 기재를 배제하는 것이 아니다. '이상'으로 기재된 조건은 '초과', '이하'로 기재된 조건은 '미만', '이상 및 미만'으로 기재된 조건은 '초과 및 이하'로 대체될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project), IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)에서 사용되는 용어들을 이용하여 다양한 실시 예들을 설명하지만, 이는 설명을 위한 예시일 뿐이다. 본 개시의 다양한 실시 예들은, 다른 통신 시스템에서도, 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1의 무선 통신 환경(100)은 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국(110) 및 단말(120)을 예시한다.
기지국(110)은 단말(120)에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 기지국(110)은 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국(110)은 기지국(base station) 외에 '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '5G 노드비(5G NodeB, NB)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)', '액세스 유닛(access unit)','분산 유닛(distributed unit, DU)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)','무선 유닛(radio unit, RU), 원격 무선 장비(remote radio head, RRH) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다. 기지국(110)은 하향링크 신호를 송신하거나 상향링크 신호를 수신할 수 있다.
단말(120)은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국(110)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 경우에 따라, 단말(120)은 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 즉, 단말(120)은 기계 타입 통신(machine type communication, MTC)을 수행하는 장치로서, 사용자에 의해 휴대되지 아니할 수 있다. 단말(120)은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '고객 댁내 장치'(customer premises equipment, CPE), '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', 또는 '차량(vehicle)용 단말', '사용자 장치(user device)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
통신 성능을 높이기 위해 무선 통신을 수행하는 장비의 안테나(또는 안테나 소자(antenna element))들의 개수는 증가하고 있다. 또한, 안테나 소자를 통해 수신되거나 송신되는 RF 신호를 처리하기 위한 RF 부품, 구성요소들(components)의 개수도 증가하게 되어 통신 장비를 구성함에 있어 통신 성능을 충족하면서 공간적 이득, 비용적 효율이 필수적으로 요구된다. 이러한 요구사항들을 충족시키기 위하여, 이중 편파 안테나(dual-polarized antenna)가 이용되고 있다. 서로 다른 편파의 신호들 간 채널 상 독립성이 충족될수록, 편파 다이버시티 및 이에 따른 신호 이득이 증가할 수 있다. 이에 따라, 이중 편파 안테나에서 CPR(cross polarization ratio)의 개선은 필수적으로 요구되고 있다. CPR은 처리량(throughput), BER(bit error rate), 편파 다이버시티(Pol diversity) 등 주요한 통신 성능에 비례하기 때문이다.
이하, 본 개시의 연결 구조 및 이를 포함하는 전자 장치를 설명하기 위해, 기지국과 연결되는 무선 장비(예: MMU(massive MIMO unit))의 구성요소들을 예로 서술하나, 본 개시의 다양한 실시 예들은 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 연결 구조 및 이를 포함하는 전자 장치는 도 1의 단말(120), 기타 신호 처리를 위한 통신 부품들의 안정적인 연결 구조를 요구하는 장비에 적용될 수 있음은 물론이다.
기존의 넓은 빔을 사용하는 MIMO 시스템에서는 다중 안테나 기술을 사용하기 때문에, 공간 다이버시티(space diversity)의 극대화가 요구되었다. 이를 위해, 안테나들은, 안테나들 간 간격이 최소 1λ이상이 되도록 배치되었다. 한편, 5G 통신의 도입으로, 전파 경로 손실을 완화하고 전파의 전달 거리를 증가시키기 위한 기술 중 하나로써, 빔포밍 기술이 이용되고 있다. 빔포밍은, 일반적으로, 다수의 안테나들을 이용하여 전파의 도달 영역을 집중시키거나, 특정 방향에 대한 수신 감도의 지향성(directivity)를 증대시킨다. 빔포밍 성능의 향상을 위하 어레이 안테나에서 안테나들 간 간격의 축소(예: 0.5λ~0.74λ)되도록 배치될 것이 요구되고 있다. 그러나, 안테나들 간 간격이 축소되면, 인접 안테나들간 간섭이 증가하고 이는 CPR 성능의 열화를 야기한다.
4G 기지국 안테나 대비 5G 기지국 안테나의 경우, 안테나 간 좁은 간격으로 인하여 CPR 성능이 더욱 중요해진다. 넓은 빔을 사용하여 서비스하는 4G 기지국에서는 안테나 간격이 넓을수록 공간 분리도가 높아져 통신 성능이 향상되지만, 빔 폭이 좁고 전력 밀도가 높은 빔을 사용하여 서비스를 제공하는 5G 기지국에서는 빔포밍 영역을 넓히기 위해서 배열 안테나의 안테나 간격이 좁아져야만 한다. 이처럼, 4G 기지국(예: LTE의 eNB) 안테나 대비 5G 기지국(예: 5G NR의 gNB, NG-RAN node) 안테나의 좁은 안테나 간격으로 인하여, 안테나 간 간섭이 증가하기 때문에 CPR 열화를 막기 위한 기술이 반드시 필요하다. CPR 성능은, 통신 성능의 주요 지표인 처리량(throughput) 및 BER(bit error rate) 성능과도 비례하기 때문에 5G 통신 성능 향상을 위해 사업자들은 높은 CPR 요구하고 있다.
이하, 도 2a 내지 도 2d를 통해, 본 개시의 다양한 실시 예들이 개선하고자 하는 CPR의 원리 및 개선 방향이 서술된다. 또한, CPR 성능 향상을 위한 구조적 배경으로서, 5G 기지국을 언급하였으나, 5G 서비스를 지원하는 기지국 외에도(예: LTE 기지국) 필요에 따라 높은 CPR 성능을 요하는 경우에 본 개시의 실시 예들이 적용가능함은 물론이다.
도 2a는 CPR(cross polarization ratio)을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 편파(polarization)란 안테나에서 전파가 방사할 때, 전계의 진동 방향을 의미한다. 이때, 안테나에서 방사된 전계의 편파를 Co-pol. (Co polarization) 이라 정의하고 불가피하게 발생하는, Co-pol.에 직교하는 전계의 편파를 Cross-pol. (Cross polarization)이라 지칭한다. CPR은 이 Co-pol.과 Cross-pol.의 비(ratio)이다. 일 예로, CPR 규격은 안테나의 수평 방사 패턴에서 방사 각도 0도(boresight), ±60도(Sector edge)에서 관리하며, 배열 안테나의 경우 CPR은 모든 단일 소자들의 CPR성능에 영향을 받는다.
CPR이 높은 것은, 서로 다른 편파를 갖는 신호들 간 채널 상관이 낮음을 나타낸다. 서로 다른 편파를 갖는 신호들이 독립적인 채널을 겪을수록, 편파 다이버시티(polarization diversity)는 높아질 수 있다. 편파 다이버시티를 위하여 이중 편파 안테나가 활용된다. 편파 다이버시티가 높아질수록 신호 이득이 증가할 수 있고, 이는 곧 채널 용량(channel capacity)의 증가를 야기하기 때문에, 이중 편파 안테나에서 편파 성분들 간 독립성은 이중 편파 안테나의 성능을 나타내는 지표로 활용된다.
도 2a를 참고하면, 안테나(201)은 두 개의 편파 성분들을 포함하는 이중 편파 안테나일 수 있다. 안테나(201)은 제1 소자(210) 및 제2 소자(215)를 포함할 수 있다. 제1 소자와 제2 소자는 서로 다른 편파를 가질 수 있다. 제1 소자의 편파와 제2 소자의 편파는 서로 직교하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 소자(210)는 +45°의 편파에 대응하고 제2 소자(215)는 -45°의 편파에 대응할 수 있다. 방사 신호에서 원하는 편파에 대응하는 성분은 코-폴 성분으로 지칭될 수 있다. 방사 신호에서 원하는 편파에 직교하는 성분은 크로스-폴 성분으로 지칭될 수 있다.
제1 소자(210)에서 방사되는 신호는 제1 단말(220)에게는 코-폴 성분으로 작용할 수 있다. 한편, 제1 소자(210)에서 방사되는 신호는 제2 단말(225)에게는 크로스-폴 성분으로 작용할 수 있다. 마찬가지로, 제2 소자(215)에서 방사되는 신호는 제2 단말(225)에게는 코-폴 성분으로 작용하지만, 제1 단말(220)에게는 크로스-폴 성분으로 작용할 수 있다. 이러한, 크로스-폴 성분은 간섭으로 작용한다. 따라서, 크로스-폴 성분이 낮고 코-폴 성분은 높다면, 통신 성능이 향상될 수 있다.
전술된 바와 같이, CPR이란 특정 편파에서 신호 송신 시, 두 편파 성분들에 대한 비율을 의미한다. 예를 들어, CPR은 제1 안테나(210)를 기준으로, 제1 안테나(220)가 생성하는 P45에 대한 M45의 비율을 나타낸다. P45의 크기가 작아질수록 두 성분들 간 차이가 커지므로, CPR은 증가할 수 있다. CPR은 동등한 의미로서, 교차 편파 분리도(cross polarization discrimination, XPD)로 지칭될 수도 있다. 예를 들어, XPD는 하기의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, yco는 신호가 방사된 특정 편파(polarization)에서 송신 또는 수신된 신호 성분, ycross는 다른 편파에서 송신 또는 수신된 신호 성분을 나타낸다.
이상적인 통신 시스템에서는 이중 편파 안테나의 두 편파 성분들이 각자 크로스-폴 성분을 생성하지 않기 때문에, 서로 다른 편파의 신호 성분, 즉 크로스-폴 성분은 완전히 차단될 수 있다, 그러나, 실제 통신 시스템에서, 두 편파 성분들이 완전히 직교하기 어려우므로, CPR 개선은 필수적이다. 크로스-폴 성분은 간섭으로 작용하기 때문에, 통신 성능의 향상을 위해서 크로스-폴 성분을 작게 형성하도록 안테나를 설계하는 것이 요구된다. CPR의 열화는 편파 다이버시티를 높이기 위해 형성된 이중 편파(dual polarization)의 간섭을 발생시키고, 이는 곧 통신 성능의 저하로 이어지기 때문이다.
도 2b는 CPR을 설명하기 위한 안테나 방사 패턴(pattern)의 예를 도시한다. 이하, 본 개시에서는 섹터에서 CPR을 측정하고, CPR 변화에 따른 영향을 확인하기 위해, 안테나의 방사 패턴 및 전기장 필드(field)를 고려한다. 이 때, CPR은 섹터의 조준(boresight) 방향(0°)을 기준으로 약 ±60°의 경계(boundary)에서 관리될 수 있다.
도 2b를 참고하면, 그래프(230)은 안테나 방사 패턴에서 코-폴 성분과 크로스-폴 성분을 각각 나타낸다. CPR은 크로스-폴 성분에 대한 코-폴 성분에 대한 비율이다.
도 2c는 간격에 따른 코-폴과 크로스-폴의 패턴의 예를 도시한다. 여기서, 안테나들 간 간격이란, 어레이 안테나에서 안테나 엘리멘트들 간의 간격을 의미한다.
도 2c를 참고하면, 그래프(250)은 안테나들 간격에 따른 CPR 성능을 나타낸다. 가로축은 방사 패턴의 각도를 나타내고, 세로축은 코-폴 성분(251) 혹은 크로스-폴 성분(261, 263, 265)의 크기를 나타낸다. 제1 크로스-폴 성분(261)은 안테나들 간 간격이 0.5λ일 때, 크로스-폴 성분을 나타낸다. 제2 크로스-폴 성분(263)은 안테나들 간 간격이 0.74λ일 때, 크로스-폴 성분을 나타낸다. 제3 크로스-폴 성분(265)은 안테나들 간 간격이 1λ일 때, 크로스-폴 성분을 나타낸다. 그래프(250)의 대표 방향(-60°, 0°, 60°)에서 각 CPR 값은 하기의 표에 예시된다.
Figure pat00002
그래프(250)을 고려하면, 안테나들간 간격에 따라 코-폴 성분보다 크로스-폴 성분이 보다 크게 변화됨을 확인할 수 있다. 또한, 안테나들 간 간격이 축소되는 경우, 전체적으로 크로스-폴 성분의 크기가 커짐이 확인된다. 이는 곧, 안테나들 간 간격의 축소가 CPR 성능의 열화를 야기하는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 이하, 본 개시의 다양한 실시 예들은 상대적으로 변화폭이 더 큰 크로스-폴 성분을 감소시켜 CPR을 개선하기 위한 안테나 구조를 제안한다.
도 2d는 안테나 엘리멘트들 간 간격에 따라 근접 소자에 미치는 필드 분포의 예를 도시한다. 근접 소자란, 방사 소자의 주변 소자(예: 신호를 방사하는 안테나 엘리멘트에 인접한 다른 안테나 엘리멘트)를 의미한다.
도 2d를 참고하면, 안테나는 3x4 형태의 어레이 안테나를 포함할 수 있다. 어레이 안테나는 총 12개의 안테나 엘리멘트들을 포함할 수 있다. 한편, 3x4는 일 예시일 뿐, 본 개시의 실시 예들을 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 안테나 엘리멘트들 간의 간격에 따라 방사 소자로 인한 근접 소자의 영향이 다를 수 있다. 제1 안테나 어레이(270a)의 안테나 엘리멘트들 간의 간격은 1λ일 수 있다. 제2 안테나 어레이(270b)의 안테나 엘리멘트들 간의 간격은 0.74λ일 수 있다. 제3 안테나 어레이(270c)의 안테나 엘리멘트들 간의 간격은 0.5λ일 수 있다.
각 안테나 어레이의 가장 왼쪽 상단에 위치한 안테나 엘리멘트(이하, 방사 소자)에 신호가 인가됨을 가정하자. 일 예로, 코-폴 성분에 대응하는 소자에 신호가 인가된다. 필드(281a)는 제1 안테나 어레이(270a)의 방사 소자와 상기 방사 소자에 인접한 소자(이하, 근접 소자)에 대한 크로스-폴 성분의 분포를 나타낸다. 필드(281b)는 제2 안테나 어레이(270b)의 방사 소자 및 근접 소자에 대한 크로스-폴 성분의 분포를 나타낸다. 필드(281c)는 제3 안테나 어레이(270c)의 방사 소자 및 근접 소자에 대한 크로스-폴 성분의 분포를 나타낸다. 또한, 일 예로, 코-폴 성분에 대응하는 소자 및 크로스-폴 성분에 대응하는 소자 모두에 신호가 인가된다. 필드(283a)는 제1 안테나 어레이(270a)의 방사 소자의 듀얼 편파에 해당하는 포트들에 신호들이 인가되었을 때의 필드 분포를 나타낸다. 필드(283b)는 제2 안테나 어레이(270b)의 방사 소자의 듀얼 편파들에 해당하는 포트들에 신호들이 인가되었을 때의 필드 분포를 나타낸다. 필드(283c)는 제3 안테나 어레이(270c)의 방사 소자의 듀얼 편파들에 해당하는 포트들에 신호들이 인가되었을 때의 필드 분포를 나타낸다.
안테나들 간 간격이 좁아질수록 근접 소자의 크로스-폴 성분이 증가하는 것이 확인된다. 즉, 안테나들 간 간격이 좁아질수록 방사 소자에서 근접 소자로의 여기량이 증가한다. 이러한 여기량의 증가는 CPR 감소를 야기한다. 전체CPR은 방사 소자 자체에 의한 CPR 뿐만 아니라 근접 소자의 CPR을 고려하여야 하기 때문에, 근접 소자의 CPR 영향 또한 본 개시의 실시 예를 통해 개선하고자 하는 대상일 수 있다.
안테나를 정면으로 바라보았을 때, 안테나의 전계는 안테나 편파 방향과 동일한 방향으로 소자의 양끝에 집중되어 분포하며, 이 전계에 의하여 공간 상으로 전파가 방사된다. 전계가 집중되는 이 양끝 영역들은 안테나 소자의 '방사 근원 영역'이라 지칭할 수 있다. 전파의 편파는 방사 근원 영역에서 소자 형상의 전자기 경계 조건(전계는 도체 경계면에 수직으로만 입사함)에 만족하도록 결정된다. 따라서, 본 개시의 다양한 실시 예들은 편파가 결정되는 이 영역을 분석하여 CPR을 향상시킬 수 있는 안테나 형상 및 이를 포함하는 구조를 제안하고자 한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 예 도시한다. 일 실시 예에 따라, 안테나는 복수의 안테나 엘리멘트들을 포함하는 어레이 안테나일 수 있다. 도 3에서는 어레이 안테나의 안테나 엘리멘트로서, 안테나가 설명된다. 다른 일 실시 예에 따라, 안테나는 어레이 형태가 아니더라도 독립된 안테나의 CPR 개선을 위해 후술되는 실시 예들이 적용될 수 있다.
도 3을 참고하면, 안테나 구조는 CPR 개선 안테나(320), 제1 편파를 위한 제1 급전부(311), 및 제2 편파를 위한 제2 급전부(312)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제1 급전부(311)과 제2 급전부(312)는 CPR 개선 안테나(320)와의 커플링 급전을 통해 신호를 방사할 수 있다. 이 때, 제1 급전부(311) 및 제2 급전부(312)는 일자 구조이거나 'ㄱ'자 구조로 배치되어 신호를 급전할 수 있다. 한편, 이러한 구조는 일 예시일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 일자 또는'ㄱ'자 구조의 안테나 급전 구조로 한정되는 것은 아니다. 또한, 다른 일 실시 예에 따라, 제1 급전부(311)과 제2 급전부(312)는 CPR 개선 안테나(320)과 연결되어 신호를 직접 공급할 수 있다.
신호에 의해 제1 편파의 코-폴 성분이 제1 면(331)과 제3 면(333)에 생성될 수 있다. 코-폴 성분은 제1 면(331)과 제3 면(333)에 직교하는 반면, 크로스-폴 성분은 감소될 수 있다. CPR 개선 안테나(320)란, 후술하는 바와 같이, 크로스-폴 성분이 방사 영역에서 보다 작게 형성되도록 구성되는 안테나를 의미한다. 코-폴 성분이 생성되는 제1 면(331)과 제3 면(333)의 면적이 증가할수록 크로스-폴 성분은 감소하기 때문에 CPR 성능이 개선될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제1 편파와 제2 편파를 서로 직교할 수 있다. 예를 들어, 제1 편파는 -45° 편파(xy 평면에서 (-)45° 방향)이고, 상기 제2 편파는 +45° 편파(xy 평면에서 (+)45° 방향)이다.
CPR 개선 안테나(320)의 형상은, 정사각형의 패치 안테나(310)의 모서리가 절단된 구조를 포함할 수 있다. 정사각형의 각 모서리가 절단됨에 따라 팔각형의 형상이 형성된다. 소자 간격이 좁아짐에 따라 열화되는 CPR을 해결하기 위해, CPR 개선 안테나(320)의 형상은, 정사각형의 패치 안테나(310)에서 각 꼭지점이 대칭적으로 잘리거나 접어 내려진 구조를 포함할 수 있다.
정사각형의 4개의 꼭지점들 각각은, 패치 안테나(310)의 방사 근원 영역일 수 있다. 각 편파에 대한 코-폴 성분이 꼭지점으로 인가된다. 예를 들어, +45° 편파의 신호가 인가될 때, xy 평면(패치의 중심이 원점으로 가정)의 제1 사분면의 꼭지점 및 제3 사분면의 꼭지점이 방사 근원 영역에 대응한다. 또한, 예를 들어, -45° 편파의 신호가 인가될 때, xy 평면의 제2 사분면의 꼭지점 및 제4 사분면의 꼭지점이 방사 근원 영역에 대응한다.
제1 급전부에 의해 생성된 필드 중에서 도체면(예: 제1 면(331), 제3 면(333))에 수평인 벡터 성분, 즉 제1 편파의 크로스-폴 성분은 생성되지 못한다. 동일한 원리로, 제2 편파의 신호 중에서 도체면(예: 제2 면(332), 제4 면(334))에 수평인 벡터 성분, 즉, 제2 편파의 신호의 크로스-폴 성분은 생성되지 못한다. 이처럼, 크로스-폴 성분의 크기를 줄임으로써, CPR 성능이 향상될 수 있다. 이러한 방사 근원 영역을 형성하기 위해, 도 3의 CPR 개선 안테나(320)는 모서리 부분을 절단(cutting)하거나 혹은 접음(folding)으로써, CPR 향상이 극대화되도록 하는 형상을 갖는다. 이에 대한 구체적인 원리는 도 4a를 통해 보다 자세히 서술된다.
도 3에서는 절단된 것으로 도시되었으나, 절단뿐만 아니라 절단면을 기준으로 접어 내린 구조 혹은 접어 올린 구조 또한 본 개시의 실시 예로 이해될 수 있다.
도 3에서는 패치 안테나(310)를 기준으로 CPR 개선 안테나(320)의 형상이 설명되었으나, 이는 본 개시의 CPR 향상을 설명하기 위해 종래의 패치 안테나(310)와 비교하기 위한 것일 뿐, 본 개시의 실시 예에서 제안하고자 하는 형상의 특징을 한정하거나 제조 방법을 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
도 4a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 설계 원리를 도시한다. 설계 원리는, 방사 근원 영역 중에서 크로스-폴이 발생하는 영역을 축소하여, 크로스-폴 성분을 감소시킴으로써, CPR 향상을 제공하는 것이다. 또한, 이를 통해 전기장 필드 분포의 비대칭성이 감소될 수 있다. 이하, 도 4를 통해 설명되는 각 단계는 CPR 개선의 원리를 설명하기 위한 단계이지, 특정 방법의 동작이나 알고리즘의 순서로 해석되어, 실시 예를 제한하는 것으로 이용되지 않는다.
본 개시의 다양한 실시 예들은 최적의 CPR을 얻기 위해서, 코-폴 성분만 존재하는 조건의 방사 근원 영역을 갖는 안테나 형상을 제안한다. 즉 코-폴 성분에 직교하는 면(혹은 모서리)가 닿게 하는 것이다. 방사 근원 영역이 코-폴 성분에 직교하는 모서리에서 생성되는 경우 크로스-폴 성분은 존재하지 않고, 코-폴 성분만 존재하게 된다. 방사 근원 영역의 모서리가 코-폴 성분과 직교하지 않게 될 수록, 크로스-폴 성분의 발생이 증가하게 된다. 이에 대한 원리는 도 4의 벡터 분해(vector decomposition) 방법을 통해 구체적으로 서술된다.
도 4a를 참고하면, 단계(400)에서, 정사각형 패치에 +45° 방향으로 신호가 인가될 수 있다. 각 화살표는 전기장 필드(electric field)에서 코-폴 성분 및 크로스-폴 성분을 나타낸다. 방사 근원 영역은 1,3사분면 꼭지점을 중심으로 형성된다. 생성되는 전계는, 전자기 경계 조건에 따라, 도체 경계면에 신호의 수직 벡터 성분이 생성되므로, 전계는 코-폴 성분(단계(410))과 크로스-폴 성분(단계(415))으로 구별될 필요가 있다. 이를 위해, 신호에 벡터 분해(vector decomposition)가 수행될 수 있다.
단계(410)에서, 벡터 분해 이후, +45° 편파의 전계(+45° 편파에 대응하는 신호의 방사로 인해 생성되는 전계)의 코-폴 성분은 +45° 방향만 존재하게 된다. 단계(415)에서, 벡터 분해 이후, +45° 편파의 전계의 크로스-폴 성분은 -45° 방향만 존재하게 된다. 제1 사분면의 꼭지점과 제3 사분면의 꼭지점을 중심으로 하는 양 모서리는 코-폴 성분과 수직하지 않은 형상이다. 전계는 도체 평면에 수직한 성분만 존재할 수 있기 때문에, 이 수직/수평인 모서리에는 수평/수직한 방향으로 전계가 형성된다. 수평/수직한 전계를 코-폴 성분과 크로스-폴 성분으로 나누어 해석을 하면, 양 모서리에는 코-폴 성분과 크로스-폴 성분이 동시에 존재하게 된다. 즉 가장 최적의 CPR을 얻을 수 없는 것이다.
편파가 형성되는 패치 옆면에 수직인 코-폴 성분을 최대화하기 위해서, 옆면은 편파 방향에 수직이어야 한다. 방사 근원 영역의 모서리를 코-폴 성분에 수직하게끔 변형시키면 도체 평면에 수직한 전계 성분만 존재하기 때문에 크로스-폴 성분은 존재하지 않게 되고, 코-폴 성분과 크로스-폴 성분의 비율인 CPR이 향상된다. 따라서, 단계(420)에서와 같이, +45° 편파 방향에 수직이 되는 경계 면을 갖는 안테나 형상이 요구된다. 동일한 원리로, 단계(425)에서, 크로스-폴 성분의 -45° 편파 방향에 수평이 되는 경계 면을 갖는 안테나 형상이 요구된다. 코-폴 성분의 요구 조건과 크로스-폴 성분의 요구 조건을 모두 고려하여, 단계(440)에서는 +45° 편파를 갖는 신호의 CPR 성능을 극대화하는 안테나 형상의 설계가 제안된다. 정사각형의 패치 안테나 중 제1 사분면에 대응하는 모서리와 제3 사분면에 대응하는 모서리, 즉 방사 근원 영역(430)에서 안테나는 편파 방향에 수직인 경계 면을 갖도록 형성된다. 이중 편파 안테나에서 실제 신호 방사 시 두 편파들 모두 이용되는 바, 안테나는 단계(450)과 같이 4개의 모서리들 모두가 인가 신호에 수직인 경계면을 갖도록 형성될 수 있다.
도 4a에서는, 방사 근원 영역의 형상과 CPR 개선의 원리를 설명하기 위해 2차원 벡터로 도시하였으나 실제 안테나와 인가되는 신호는 3차원에서 형성될 수 있다. 이러한 경우에도, 3차원 전계 중에서 경계면에 수직인 벡터 성분만 생성되므로, 도 3에서 설명된 원리가 동일 또는 유사한 방식으로 적용될 수 있다.
도 4a를 통해 설명된 원리를 고려할 때, 본 개시의 실시 예들에 따른 안테나 형상은 편파가 생성되는 대응면(즉, 편파 방향에 대응하는 방사 패치의 옆면)의 배치에 의해 정의될 수 있다. 여기서, 대응면은 편파가 생성되는 면을 의미할 수 있다. 일 예로, 도 3에서 제1 편파(제1 급전선(311)에 의한 편파)가 생성되는 대응면은 제1 면(331) 및 제3 면(333)일 수 있다. 또한, 일 예로, 정사각형 패치라면, 모서리의 인접면들 모두 대응면에 대응할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따를 때, CPR 개선을 위한 안테나 형상은, 편파가 생성되는 적어도 하나의 대응면 각각에 대하여, 편파의 코-폴 방향과 해당 대응면이 이루는 각도(이하, 코-폴 각도)가 상기 편파의 크로스-폴 방향과 상기 대응면이 이루는 각도(이하, 크로스-폴 각도)보다 크도록 구성되는 형상을 포함할 수 있다. 여기서, 선과 면이 형성하는 각도는 두 각들 중에서 작거나 같은 각(즉, 예각 혹은 직각)을 의미한다. 즉, 상기 안테나는, 적어도 하나의 대응면 각각에서, 상기 제1 편파의 방향에 대한 크로스-폴이 대응면과 이루는 제1 각도는, 상기 제1 편파의 방향에 대한 코-폴이 상기 대응면이 이루는 제2 각도보다 작도록 구성되고, 여기서, 제1 각도는 예각 혹은 0도이고, 제2 각도는 예갹 혹은 직각일 수 있다.
기존의 사각형 패치를 고려하자. 전계의 코-폴 각도와 크로스-폴 각도는 모두 45도를 형성한다. 따라서, 코-폴 성분과 크로스-폴의 성분이 모두 존재하게 되므로, CPR 성능이 저하된다. 사각형 패치를 비스듬하게 배치한다면, 편파가 생성되는 일 대응면은 코-폴 각도가 크로스-폴 각도보다 크게 형성되는 한편, 편파가 생성되는 다른 대응면은 크로스-폴 각도가 코-폴 각도보다 크게 형성되므로, 여전히 크로스-폴 성분이 존재하여 CPR 성능이 개선되지 않는다. 따라서, 전계의 모든 대응면(들) 각각에서 코-폴 각도가 크로스-폴 각도보다 크게 형성되도록 대응면을 새로이 형성할 필요가 있다. 이하, 본 개시에서 이러한 대응면은 수직-대응면으로 지칭되어 서술된다. 수직-대응면은 반드시 편파의 방향과 반드시 수직으로만 각을 형성하지는 않는다. 즉, '수직-대응면'의 용어는 좁은 의미에서의 편파 방향과 수직으로 형성되는 면뿐만 아니라 대응면에 생성되는 편파의 코-폴 성분이 상기 대응면에 생성되는 편파의 크로스-폴 성분보다 큰 준-수직 대응면을 포함하는 개념으로 이용될 수 있다.
도 4b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자의 CPR 영향의 예를 도시한다. CPR 영향은 안테나의 크로스-폴 성분의 크기를 통해 확인될 수 있다.
도 4b를 참고하면, 전기장 필드(460)는 각 안테나의 크로스-폴 성분을 나타낸다. 전기장 필드(460)의 왼쪽 부분은 정사각형 패치 안테나의 전계를 나타낸다. 전기장 필드(460)의 오른쪽 부분은 수직-대응면 형상의 안테나(예: 도 3의 CPR 개선 안테나(310), 도 4a의 단계(450)의 안테나)의 전계를 나타낸다. 방사 근원 영역에서의 크로스-폴 성분을 비교하자. 정사각형 패치의 모서리에는 높은 크로스-폴 성분이 확인된다. 그러나, 수직-대응면 형상, 즉 팔각형의 대칭되는 두 변들에는 정사각형 패치보다 낮은 크로스-폴 성분이 확인된다. 즉, 방사 근원 영역에서 편파 방향에 수직인 경계면이 배치됨으로써, 크로스-폴 성분이 낮아진다. 낮은 크로스-폴 성분으로 인해 CPR은 향상될 수 있다.
도 5는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조와 근접 소자의 크로스-폴 필드 감소 원리를 도시한다. 근접 소자의 CPR 영향은 크로스-폴 성분의 전계로 확인될 수 있다.
도 5를 참고하면, 안테나(510)과 안테나(515)는 어레이 안테나 상에서 인접하여 배치될 수 있다. 안테나(510)에 신호가 인가된다. 인가된 신호는 안테나(510)을 통해 방사되고, 방사된 전자계는 안테나(515)에 여기되고, 이는 재방사를 야기한다. 이 때, 근접 소자로 여기되는 전계의 크로스-폴 성분은 전체 안테나(예: 어레이 안테나)의 CPR 성능 열화로 작용할 수 있다. 전기장 필드(517)는 안테나(510)과 안테나(515)의 크로스-폴 필드를 나타낸다. 방사 소자인 안테나(510)으로 인해 근접 소자인 안테나(515)의 크로스-폴 성분이 모서리 끝에서 확인된다. 이러한 성능 열화는 도 2d에서 언급된 바와 같이, 안테나들이 밀집되는 어레이 안테나에서 보다 두드러지게 나타난다. 어레이 안테나에서 안테나 소자 간 간격이 가까워지게 될 경우, 방사 소자와 근접 소자가 가까워지면서 크로스-폴 성분이 근접 소자로 여기 되고, 여기 된 성분이 재 방사되면서 어레이 안테나의 전체 CPR 성능을 열화시킨다. 전체 CPR 성능은 방사 소자의 CPR 뿐만 아니라 근접 소자의 CPR도 고려하여야 하기 때문에, 근접 소자의 CPR 성능을 개선할 필요가 있다.
도 4a에서 서술된 CPR 개선 원리에 의할 때, 단일 소자의 크로스-폴 성분의 전계가 감소하면, 간섭이 일어나는 근접 소자의 크로스-폴 성분의 전계 또한 감소할 수 있다. 안테나(520)과 안테나(525)는 어레이 안테나 상에서 인접하여 배치될 수 있다. 안테나(520)에 신호가 인가된다. 인가된 신호는 안테나(520)을 통해 방사되고, 방사된 전계는 안테나(525)에 여기되고, 안테나(525)의 재방사를 야기한다. 이 때, 근접 소자로 여기되는 신호의 크로스-폴 성분은 경계면과 평행하므로 크로스-폴의 전계가 감소한다. 전기장 필드(527)는 안테나(520)과 안테나(525)의 크로스-폴 필드 분포를 나타낸다. 전기장 필드(517)과 비교할 때, 근접 소자인 안테나(525)의 크로스-폴 성분이 모서리 끝에서 상대적으로 약해짐이 확인된다.
소자 간 간격 축소로 크로스-폴 성분이 여기 되더라도 근접 소자에서 크로스-폴 성분이 집중되는 영역을 근본적으로 제거하기 때문에, 크로스-폴 성분의 재 방사가 줄어들게 된다. 즉 간격의 축소에 따라 크로스-폴 성분은 증가하지만, 크로스-폴 성분을 최소화시키는 안테나 형상(예: 수직-경계면 형상)(예: 도 3의 CPR 개선 안테나(310), 도 4a의 단계(450)의 안테나)을 통해, 전체 어레이 안테나의 CPR은 최대로 개선될 수 있다.
도 6a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자의 너비에 따른 CPR 성능의 예를 도시한다. 여기서 너비는, 방사 소자의 수직-대응면의 길이에 대응한다. 수직-대응면이란, 인가되는 신호의 편파 성분이 생성되는 대응면을 의미한다. 예를 들어, 도 3의 경우, 제1 편파의 수직-대응면은 제1 면(331) 및 제3 면(333)일 수 있다. 본 개시의 실시 예들에 따른 형상은 생성되는 전계의 코-폴 성분이 크로스-폴 성분보다 많도록, 대응면이 배치된다. 이러한 배치면은 '수직 대응면'으로 지칭될 수 있다.
도 6a를 참고하면, 안테나(610)은 사각형 패치에서 각 모서리가 접힌 형태(접혀진 부분은 미도시)인, 팔각형의 패치를 포함할 수 있다. 급전선으로 인가되는 신호에 수직인 면 및 대칭인 면의 너비는 'folding_W'로 표현된다. 그래프(601)은 조준 방향(0°)에서의 CPR 성능을 너비에 따라 나타낸다. 가로축은 너비의 길이, 세로축은 CPR을 나타낸다. 그래프(603)은 섹터 경계(-60°, +60°)에서 CPR 성능을 너비에 따라 나타낸다. 가로축은 너비의 길이, 세로축은 CPR을 나타낸다.
너비가 증가할수록 CPR 성능이 향상됨이 확인된다. 이는 수직-대응면의 면적이 커질수록 수직 방향(즉, 편파 방향)의 벡터 성분들이 증가하는 반면, 수평 방향(즉, 편파의 직교 방향)의 벡터 성분들은 감소하기 때문이다. 기존 형상(예: 정사각형 패치) 대비 잘라내는 폭이 증가할수록 CPR 성능이 향상된다.
도 6b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자에 부가되는 구조물의 높이에 따른 CPR 성능의 예를 도시한다. 구조물의 높이는 방사 소자에 추가적으로 부가되는 구조물의 수직 성분의 길이를 의미한다.
도 6b를 참고하면, 안테나(660)은 사각형 패치에서 각 모서리가 접힌 형태(접혀진 부분은 미도시)인, 팔각형의 패치를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 팔각형의 패치에는 일정 높이를 갖는 추가적인 구조물이 부가될 수 있다. 여기서, 구조물의 높이는 'folding_H'로 표현된다. 그래프(651)은 조준 방향(0°)에서 높이에 따른 CPR 성능을 나타낸다. 가로축은 높이, 세로축은 CPR을 나타낸다. 그래프(653)은 섹터 경계(-60°, +60°)에서 너비에 따른 CPR 성능을 나타낸다. 가로축은 너비의 길이, 세로축은 CPR을 나타낸다.
잘려진 부분에 구조물이 추가되어도 향상된 CPR이 유지됨이 확인될 수 있다. 추가적으로, 기존 구조(예: 정사각형 패치)에서 코-폴 성분에 수직한 모서리의 길이가 증가함에 따라 방사 근원 영역에서 크로스-폴 성분의 성분은 감소하므로 CPR은 이에 비례하여 개선된다. 또한 2차원으로 정의했던 방사 근원 영역을 안테나의 높이 벡터를 포함하는 3차원 공간으로 확장시키면 기존에 정의된 방사 근원 영역은 높이를 가지는 영역으로 확장되게 된다. 즉 제안 구조를 적용한 소자의 기본 형상이 유지된다면 확장된 방사 근원 영역에 코-폴 성분만 존재하도록 하는 조건으로 구조물의 추가도 가능하다. 예를 들어 정사각형 패치 안테나 기준 구조물이 변형된 모서리의 하단으로 수직하게 추가되게 되면(예: 패치를 접어 내린 형상), 해당 구조물은 패치 하단에 생성되는 크로스-폴 성분의 전계를 상쇄시키는 효과를 제공할 수 있다. 크로스-폴 성분이 감소함에 따라 CPR의 성능이 개선될 수 있다.
도 3 및 도 4a를 통해 대표적으로 제안된 구조는, 이중 편파로서 대칭적인 구조를 가진다. 그러나, 본 개시의 실시 예들을 통해 설명하고자 하는 CPR 개선의 원리는 이중 편파 혹은 대칭 구조에 제한되는 것이 아니다. 이하, 도 7a 내지 도 7h를 통해 다양한 실시 변형이 가능함이 서술된다. 즉, 기존 안테나 패치가 사각형이 아니더라도(예: 원) 적용 가능하고, 일부 모서리만을 폴딩함으로써, 일부 방사 근원 영역에서만 크로스-폴 성분을 제거할 수 있다.
도 7a 내지 도 7h는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 방사 소자의 예를 도시한다.
도 7a를 참고하면, 제1 안테나(701)는 단일 편파를 위한 형상을 포함할 수 있다. 즉, 제1 안테나(701)는 이중 편파를 위해 각 편파 방향마다 대칭적으로 모서리 부분이 접혀지는 것이 아니라, 일 방향에 대응하는 모서리만 접힌 형태의 형상을 포함할 수 있다. 한편, 도 7a는 도시되지 않았으나, 이중 편파 안테나라 하더라도 구조의 한계, 생산 제약 등의 이유로 제1 안테나(701)이 사용될 수도 있다. `
도 7b를 참고하면, 제2 안테나(703)는 원형 패치기반으로 수직-대응면을 포함하는 형상을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4a에서는 사각형 패치의 모서리를 접거나 절단하여, 편파에 수직인 대응면을 형성하도록 제안되었다. 그러나, 모서리가 아니더라도 원형 패치에서 편파가 생성되는 지점(혹은 3차원 좌표)의 일정 범위를 접거나 절단함으로서, 편파에 수직인 경계면이 형성될 수 있다. 도 7b에서는 원형이 예로 서술되었으나, 원형뿐만 아니라 5각형 등 다른 다각형 기타 폐곡선으로 구성되는 도형이라면, 편파가 생성되는 위치에 기반하여, 안테나의 형상은 편파 방향에 수직인 대응면을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 7c를 참고하면, 제3 안테나(705)는 수직-대응면이 형성되고 및 추가 구조물이 위로 접힌 형상을 포함할 수 있다. 추가 구조물의 배치가 위로 형성되면, 패치의 위에서 전달되는 크로스-폴 성분을 감쇄될 수 있다. 이로 인해, CPR 성능이 향상될 수 있다. 도 7c에서는 추가 구조물을 사각 기둥으로 예시하였으나, 구조물의 형태는 제한되지 않는다. 패치 안테나가 접히는 방향, 패치 안테나의 절단 방향에 따라 다양한 구조물이 위를 향하여 부착될 수 있다.
도 7d를 참고하면, 제4 안테나(707)는 수직-대응면이 형성되고 추가 구조물이 아래로 접힌 형상을 포함할 수 있다. 추가 구조물의 배치가 아래로 형성되면, 패치의 아래에서 전달되는 크로스-폴 성분이 감쇄될 수 있다. 이로 인해, CPR 성능이 향상될 수 있다. 도 7d에서는 추가 구조물을 사각 기둥으로 예시하였으나, 구조물의 형태는 제한되지 않는다. 패치 안테나가 접히는 방향, 패치 안테나의 절단 방향에 따라 다양한 구조물이 아래를 향하여 부착될 수 있다.
도 7e를 참고하면, 제5 안테나(709)는 비대칭의 수직-대응면의 형상을 포함할 수 있다. 즉, 편파 방향에 대응하는 두 변들 모두에 수직-대응면을 형성하는 것이 아니라, 일 면에만 수직 대응면을 형성할 수도 있다. 일 실시 예에 따라, 어레이 안테나에서 특정 위치에서 크로스-폴 성분으로 인한 성능 저하가 다소 미비한 경우, 제5 안테나(709)가 특정 위치에 배치될 수 있다. 도 7e에서는 신호의 인가 방향에만 수직-대응면이 형성되었으나, 신호의 인가 방향의 반대편 모서리에 수직-대응면이 형성되는 것 또한 본 개시의 일 실시 예로써 이해될 수 있다.
도 7f를 참고하면, 제6 안테나(711)는 패치의 일부 면이 파인 형상을 포함할 수 있다. 이 때, 사각형 패치의 각 모서리인 방사 근원 영역에는 수직-대응면이 형성될 수 있다. 천공 영역과 함께 수직-대응면을 통해 CPR 성능이 극대화될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 파인 면은 절곡되어 기판(미도시)에 수직으로 배치 및 지지 기둥으로써 이용될 수 있다. 이 때, 일 예로, 지지 기둥은 지지 기둥 자체의 역할만을 수행하거나 혹은 도체로서 급전선의 역할을 함께 수행할 수도 있다.
도 7g를 참고하면, 제7 안테나(713)는 비대칭의 수직-대응면의 다른 형상을 포함할 수 있다. 즉, 편파 방향에 대응하는 두 변들 모두에 수직-대응면을 형성하는 것이 아니라, 일 면에는 수직 대응면을 형성하지 않을 수도 있다.
도 7h를 참고하면, 제7 안테나(715)는 준(quasi)-수직 대응면을 포함할 수 있다. 모두가 편파에 수직하는 경계면이 형성되지 않더라도, 대응면에서 생성되는 편파 방향인 코-폴 성분이 크로스-폴 성분보다 N배 크다면(여기서, N은 1보다 큰 실수) 해당 경계면은 준-수직 대응면으로 지칭될 수 있다.
도 7a 내지 도 7h를 통해 안테나 엘리멘트들의 다양한 변형이 서술되었다. 그러나, 도 7a 내지 도 7h는 본 개시의 CPR 개선 원리가 적용되어 다양한 안테나 엘리멘트들이 구성됨을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 도시된 안테나 엘리멘트들로 한정되는 것은 아니다. 대응면에 형성되는 전계 중 코-폴 성분이 대응면에 수직하는 비율이 크로스-폴 성분이 대응면에 수직하는 비율이 크게 크게 형성된다.
도 8a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조를 포함하는 어레이 안테나의 예를 도시한다.
도 8a를 참고하면, 3 x 4 형태의 어레이 안테나(800)가 예시된다. 안테나들 간 간격은 0.5λ로 배치된다. 어레이 안테나(800)는 제1 안테나 엘리멘트(801), 제2 안테나 엘리멘트(803), 제3 안테나 엘리멘트(805), 제4 안테나 엘리멘트(807), 제5 안테나 엘리멘트(811), 제6 안테나 엘리멘트(813), 제7 안테나 엘리멘트(815), 제8 안테나 엘리멘트(817), 제9 안테나 엘리멘트(821), 제10 안테나 엘리멘트(823), 제11 안테나 엘리멘트(825), 제12 안테나 엘리멘트(827)를 포함할 수 있다. 여기서, 각 안테나 엘리멘트는 도 2 내지 도 7h를 통해 서술된 안테나에 대응할 수 있다.
어레이 안테나(800)을 예로, 후술되는 도 8b, 도 8c의 CPR 성능이 서술된다. 그러나, 도 8a에 도시된 어레이 안테나(800) 가 본 개시의 안테나 어레이의 실시 형태를 제한하는 것으로 해석되지는 않는다. 일 실시 예에 따라, 안테나 어레이 내 안테나 엘리멘트들은 서로 다른 형상을 가질 수 있다. 안테나 어레이 내 위치에 따라 근접 소자에게 미치는 CPR 영향이 다를 수 있다. 이에 따라, 안테나 어레이 내 위치에 따라 서로 다른 형상을 갖는 안테나 엘리멘트가 이용될 수 있다. 예를 들어, 어레이 안테나의 모서리 끝에는 도 7(g)의 안테나(713)이 배치되고 어레이 안테나의 중간에는 도 7(a)의 안테나(701)이 배치될 수 있다.
도 8b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조를 포함하는 어레이 안테나의 CPR 성능을 나타내기 위한 안테나 방사 패턴의 예를 도시한다.
도 8b를 참고하면, 그래프(830)는 안테나들 간격에 따른 CPR 성능을 나타낸다. 가로축(831)은 방사 패턴의 각도를 의미하고, 세로축(832)은 코-폴 성분(251) 혹은 크로스-폴 성분의 크기를 나타낸다. 도 8a의 어레이 안테나(800), 즉, 3x4 어레이를 기준으로 성능은 하기의 표와 같이 예시될 수 있다.
min max avg
기존구조
(unfolded)		 CPR -60º 3.89 6.87 4.91
0º 17.88 30.85 23.92
60º 3.80 6.74 4.82
제안구조
(folded)		 CPR -60º 8.98 12.88 10.75
0º 23.48 34.46 28.94
60º 8.82 12.90 10.71
개선 정도 CPR -60º 5.09 6.01 5.85
0º 5.61 3.61 5.02
60º 5.02 6.16 5.90
표 2는, 3x4 어레이 안테나에서, 1 열(column) 씩 신호를 인가해가며, 어레이 안테나의 CPR 성분을 확인한 것이다. 'min'은 열 별 결과들 중에서 가장 낮은 값을 의미하고, 'max'는 열 별 결과들 중에서 가장 높은 값을 의미한다. 'avg'는 열 별 결과들의 평균을 의미한다. 섹터 범위 내에서 CPR 성능이 전체적으로 개선됨이 확인될 수 있다. 패치 모서리 부분을 접음으로써, 편파의 수직 벡터 성분이 증가하고, 수평 벡터 성분(크로스-폴 성분)이 감소하도록 경계면이 형성되기 때문이다.
도 8c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조를 포함하는 어레이 안테나에서 근접 소자의 CPR 영향을 나타내기 위한 크로스-폴 필드(field)의 예를 도시한다. CPR 영향은 크로스-폴 성분의 전계로 표현된다. 크로스-폴 성분이 높아질수록 CPR 성능은 열화되고, 크로스-폴 성분이 낮아질수록 CPR 성능은 향상된다.
도 8c를 참고하면, 전기장 필드(861)은 사각형 패치 안테나를 포함하는 안테나 어레이의 전계를 나타낸다. 전기장 필드(863)은 본 개시의 실시 예들에 따른 제안 구조, 즉 수직-대응면 형상의 안테나를 포함하는 안테나 어레이의 전계를 나타낸다. +45° 편파의 신호가 인가되는 경우, 안테나 어레이 전체에서 크로스-폴 성분이 감소함이 확인될 수 있다.
도 8d는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 근접 소자의 CPR 개선의 원리를 도시한다. 안테나는 2x3 어레이 안테나가 예시된다.
도 8d를 참고하면, 안테나 어레이(800)는 제1 안테나 엘리멘트(801), 제2 안테나 엘리멘트(803), 제3 안테나 엘리멘트(805), 제4 안테나 엘리멘트(807), 제5 안테나 엘리멘트(809), 제6 안테나 엘리멘트(811)를 포함할 수 있다. 안테나 어레이(800)의 각 안테나 엘리멘트는 사각형 패치의 형상을 포함한다. 이 때, 방사 소자인 제1 안테나 엘리멘트(801)의 전계 중 일부는 인접한 소자인 제2 안테나 엘리멘트(803)으로 여기될 수 있다. 이 때, 사각형 패치의 방사 근원 영역에서 여기되는 전계에 따른 편파 방향과 대응면이 형성하는 각은 크로스-폴 성분 및 코-폴 성분 모두 45도의 각도를 형성한다. 따라서, 신호의 수직 벡터를 원활하게 형성하지 못하고, 수평 성분 또한 잔존하므로 크로스-폴 성분이 전체적으로 증가하게 된다. 증가된 크로스-폴 성분은 전체 CPR 성능 저하를 야기한다.
안테나 어레이(850)는 제1 안테나 엘리멘트(851), 제2 안테나 엘리멘트(853), 제3 안테나 엘리멘트(855), 제4 안테나 엘리멘트(857), 제5 안테나 엘리멘트(859), 제6 안테나 엘리멘트(861)를 포함할 수 있다. 안테나 어레이(800)의 각 안테나 엘리멘트는 사각형 패치에서 모서리 부분이 절단된 형상(2차원의 팔각형 패치, 혹은 3차원의 수직-대응면 형상)을 포함한다. 이 때, 방사 소자인 제1 안테나 엘리멘트(851)의 전계 중 일부는 인접한 소자인 제2 안테나 엘리멘트(853)로 여기될 수 있다. 이 때, 대응면의 방사 근원 영역(880)에서 전계의 편파 방향과 대응면이 형성하는 각은 크로스-폴 성분의 경우, 0도의 각도를 형성하고, 코-폴 성분의 경우, 90도의 각도를 형성한다. 따라서, 신호의 수직 벡터의 크기가 극대화되는 한편, 수평 성분은 감소하므로, CPR이 향상된다. 본 개시에서, 선과 면이 형성하는 각도는, 선을 기준으로 형성된 두 각도들 중 작거나(즉, 예각) 같은 각(즉, 직각)을 의미한다.
본 개시에서는 편파 안테나의 성능 향상을 위한 파라미터로서, 각각 CPR 및 XPD가 예시로 서술되었다. 즉, 본 개시는 CPR을 예시로 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 성능, 효과, 성능/효과와 구조물에 대한 인과 관계, 성능/효과와 구조물의 배치 형태의 상관 관계를 서술하였으나, 특정 메트릭(metric)이 본 개시의 실시 예를 한정하는 것으로 해석되지 않는다. 즉, 편파와 편파 간의 독립성을 나타내는 다른 메트릭(metric)이 본 개시의 실시 예들을 설명 및 식별하는데 사용될 수 있음은 물론이다. 편파와 편파 간의 독립성은 편파 다이버시티 이득의 향상을 통해 채널 품질의 향상을 야기하기 때문이다.
본 개시에서는, 편파와 편파 간의 독립성을 향상시키기 위한 구조로서, 이중 편파 안테나가 예로 주로 서술되었다. 그러나, 본 개시의 실시 범위는 인가되는 신호에 의한 전계의 크로스-폴 성분을 기존 안테나(예: 도 2의 사각형 패치를 갖는 안테나(201)) 대비 작아지도록 하기 위한 구조라면 어떠한 유형의 안테나든 모두 적용 가능함은 물론이다. 예를 들어, 단일 편파로 구현되는 안테나(예: 도 7a의 제1 안테나(701))와 같이, 반드시 이중 편파들을 위한 구조가 아니더라도 본 개시의 실시 예들이 적용될 수 있다. 또한, 안테나들 간 간격이 밀집되는 구조(예: 안테나 엘리멘트들 간 간격: 0.74λ)이 아니더라도, 높은 CPR 성능을 구현하기 위하여 본 개시의 실시 예가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 9는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다. 전자 장치(910)는, 도 1의 기지국(110) 혹은 단말(120) 중 하나일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 전자 장치(910)는 MMU일 수 있다. 도 1 내지 도 8d를 통해 언급된 안테나 구조 자체 뿐만 아니라,이를 포함하는 전자 장치 또한 본 개시의 실시 예들에 포함된다. 밀집되는 안테나들 간의 CPR 성능 개선을 위하여, 전자 장치(901)는 전술된 전계의 코-폴 성분에 수직인 대응면을 갖는 형상의 다수의 안테나들을 포함할 수 있다.
도 9를 참고하면, 전자 장치(910)의 예시적인 기능적 구성이 도시된다. 전자 장치(910)은 안테나부(911), 필터부(912), RF(radio frequency) 처리부(913), 제어부(914)를 포함할 수 있다.
안테나부(911)는 다수의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 안테나는 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나는 상향 변환된 신호를 무선 채널 상에서 방사하거나 다른 장치가 방사한 신호를 획득할 수 있다. 각 안테나는 안테나 엘리멘트 또는 안테나 소자로 지칭될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안테나부(911)는 복수의 안테나 엘리멘트들이 열(array)을 이루는 안테나 어레이(antenna array)를 포함할 수 있다. 안테나부(911)는 RF 신호선들을 통해 필터부(912)와 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나부(911)는 다수의 안테나 엘리멘트들을 포함하는 PCB에 실장될 수 있다. PCB는 각 안테나 엘리멘트와 필터부(912)의 필터를 연결하는 복수의 RF 신호선들을 포함할 수 있다. 이러한 RF 신호선들은 급전 네트워크(feeding network)로 지칭될 수 있다. 안테나부(911)는 수신된 신호를 필터부(912)에 제공하거나 필터부(912)로부터 제공된 신호를 공기중으로 방사할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 안테나부(911)는 이중 편파 안테나를 갖는 적어도 하나의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 이중 편파 안테나는 일 예로, 크로스-폴(x-pol) 안테나일 수 있다. 이중 편파 안테나는 서로 다른 편파에 대응하는 2개의 안테나 엘리멘트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이중 편파 안테나는 +45°의 편파를 갖는 제1 안테나 엘리멘트와 -45°의 편파를 갖는 제2 안테나 엘리멘트를 포함할 수 있다. 편파는 +45°, -45° 외에 직교하는 다른 편파들로 형성될 수 있음은 물론이다. 각 안테나 엘리멘트는 급전선(feeding line)과 연결되고, 후술되는 필터부(912), RF 처리부(913), 제어부(914)와 전기적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따를 때, 이중 편파 안테나는 패치 안테나(혹은 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna))일 수 있다. 이중 편파 안테나는 패치 안테나의 형태를 가짐으로써, 배열 안테나로의 구현 및 집적이 용이할 수 있다. 서로 다른 편파를 갖는 두 개의 신호들이 각 안테나 포트에 입력될 수 있다. 각 안테나 포트는 안테나 엘리멘트에 대응한다. 높은 효율을 위하여, 서로 다른 편파를 갖는 두 개의 신호들 간 코-폴(co-pol) 특성과 크로스-폴(cross-pol) 특성과의 관계를 최적화시킬 것이 요구된다. 이중 편파 안테나에서, 코-폴 특성은 특정 편파 성분에 대한 특성 및 크로스-폴 특성은 상기 특정 편파 성분과 다른 편파 성분에 대한 특성을 나타낸다. 다양한 실시 예들에 따를 때, 본 개시의 실시 예들에 따른 안테나 형상은, 안테나의 방사 근원 영역에 최대한 코-폴 성분만 존재하도록 하여, CPR을 개선하기 위하여 구성될 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시 예들에 따른 안테나 형상은 다수의 안테나들이 밀집되어, 안테나 소자 간 간격이 가까워져야만 하는 어레이 안테나에서 통신 성능 향상을 위해 필수적으로 요구될 수 있다.
필터부(912)는 원하는 주파수의 신호를 전달하기 위해, 필터링을 수행할 수 있다. 필터부(912)는 공진(resonance)를 형성함으로써 주파수를 선택적으로 식별하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 필터부(912)는 구조적으로 유전체를 포함하는 공동(cavity)을 통해 공진을 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서 필터부(912)는 인덕턴스 또는 캐패시턴스를 형성하는 소자들을 통해 공진을 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서, 필터부(912)는 BAW(bulk acoustic wave) 필터 혹은 SAW(surface acoustic wave) 필터와 같은 탄성 필터를 포함할 수 있다. 필터부(912)는 대역 통과 필터(band pass filter), 저역 통과 필터(low pass filter), 고역 통과 필터(high pass filter), 또는 대역 제거 필터(band reject filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 필터부(912)는 송신을 위한 주파수 대역 또는 수신을 위한 주파수 대역의 신호를 얻기 위한 RF 회로들을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 필터부(912)는 안테나부(911)와 RF 처리부(913)를 전기적으로 연결할 수 있다.
RF 처리부(913)는 복수의 RF 경로들을 포함할 수 있다. RF 경로는 안테나를 통해 수신되는 신호 혹은 안테나를 통해 방사되는 신호가 통과하는 경로의 단위일 수 있다. 적어도 하나의 RF 경로는 RF 체인으로 지칭될 수 있다. RF 체인은 복수의 RF 소자들을 포함할 수 있다. RF 소자들은 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 처리부(913)는 기저대역(base band)의 디지털 송신신호를 송신 주파수로 상향 변환하는 상향 컨버터(up converter)와, 상향 변환된 디지털 송신신호를 아날로그 RF 송신신호로 변환하는 DAC(digital-to-analog converter)를 포함할 수 있다. 상향 컨버터와 DAC는 송신경로의 일부를 형성한다. 송신 경로는 전력 증폭기(power amplifier, PA) 또는 커플러(coupler)(또는 결합기(combiner))를 더 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, RF 처리부(913)는 아날로그RF 수신신호를 디지털 수신신호로 변환하는 ADC(analog-to-digital converter)와 디지털 수신신호를 기저대역의 디지털 수신신호로 변환하는 하향 컨버터(down converter)를 포함할 수 있다. ADC와 하향 컨버터는 수신경로의 일부를 형성한다. 수신 경로는 저전력 증폭기(low-noise amplifier, LNA) 또는 커플러(coupler)(또는 분배기(divider))를 더 포함할 수 있다. RF 처리부의 RF 부품들은 PCB에 구현될 수 있다. 기지국(910)은 안테나 부(911)-필터부(912)-RF 처리부(913) 순으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 안테나들과 RF 처리부의 RF 부품들은 PCB 상에서 구현될 수 있고, PCB와 PCB 사이에 필터들이 반복적으로 체결되어 복수의 층들(layers)을 형성할 수 있다.
제어부(914)는 전자 장치(910)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 제어부 (914)은 통신을 수행하기 위한 다양한 모듈들을 포함할 수 있다. 제어부(914)는 모뎀(modem)과 같은 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 제어부(914)는 디지털 신호 처리(digital signal processing)을 위한 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(914)는 모뎀을 포함할 수 있다. 데이터 송신 시, 제어부(914)은 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 예를 들어, 데이터 수신 시, 제어부(914)은 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 제어부(914)는 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다.
도 9에서는 본 개시의 안테나 구조가 활용될 수 있는 장비로서, 전자 장치 (910)의 기능적 구성을 서술하였다. 그러나, 도 9에 도시된 예는 도 1 내지 도 8c를 통해 서술된 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 활용을 위한 예시적인 구성일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 도 9에 도시된 장비의 구성 요소들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 안테나 구조를 포함하는 안테나 모듈, 다른 구성의 통신 장비, 안테나 구조물 자체 또한 본 개시의 실시 예로써 이해될 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (16)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    제1 편파를 위한 제1 급전선; 및
    안테나를 포함하고,
    상기 안테나는, 방사면 및 상기 제1 편파가 형성되는 적어도 하나의 대응면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파의 방향과 이루는 각도는 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파와 직교하는 편파의 방향과 이루는 각도보다 작도록 구성되는 안테나 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나는, 적어도 하나의 대응면 각각에서, 상기 제1 편파의 방향에 대한 크로스-폴이 대응면과 이루는 예각은, 상기 제1 편파의 방향에 대한 코-폴이 상기 대응면이 이루는 예각보다 작도록 구성되는 형상을 포함하는 안테나 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제2 편파를 위한 제2 급전선을 더 포함하고,
    상기 안테나는 상기 제1 급전선을 위한 제1 폴 및 상기 제2 급전선을 위한 제2 폴을 포함하는 이중 편파 안테나를 포함하는 안테나 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 이중 편파 안테나는 정사각형 패치의 적어도 하나의 모서리가 접힌 형상을 포함하는 안테나 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 이중 편파 안테나는 정사각형 패치의 적어도 하나의 모서리가 절단된 형상을 포함하는 안테나 장치.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 이중 편파 안테나는 패치에서 상기 제1 급전선의 신호가 편파 방향에 실질적으로 수직인 접선에 따라 접힌 형상을 포함하는 안테나 장치.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 이중 편파 안테나는 패치에서 상기 제2 급전선의 신호의 편파 방향에 실질적으로 수직인 접선에 따라 접힌 형상을 포함하는 안테나 장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 이중 편파 안테나는 팔각형의 패치를 포함하고,
    상기 제1 편파는, 상기 팔각형의 패치 중에서 서로 마주보는 두 변들에서 생성되고,
    상기 제2 편파는, 상기 팔각형의 패치 중에서 서로 마주보는 다른 두 변들에서 생성되는 안테나 장치.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 편파는 +45° 편파이고, 상기 제2 편파는 -45° 편파인 안테나 장치.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 안테나는 상기 제1 급전선의 신호의 코-폴 성분에 수직이고, 상기 제1 급전선의 신호의 크로스-폴 성분에 수평인 면을 포함하는 안테나 장치.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 안테나는 상기 제2 급전선의 신호의 코-폴 성분에 수직이고, 상기 제2 급전선의 신호의 크로스-폴 성분에 수평인 면을 포함하는 안테나 장치.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 이중 편파 안테나는,
    상기 제2 급전선의 신호에 의해 생성되는 코-폴 성분이 크로스-폴 성분보다 크도록 배치되는 형상을 포함하는 안테나 장치.
  13. MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    복수의 안테나 엘리멘트들을 포함하는 안테나 어레이(antenna array)를 포함하고,
    상기 복수의 안테나 엘리멘트들 중 제1 안테나 엘리멘트는,
    제1 편파를 위한 제1 급전선과 전기적으로 연결되고,
    상기 제1 안테나 엘리멘트는 방사면 및 상기 제1 편파가 형성되는 적어도 하나의 대응면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파의 방향과 이루는 각도는 상기 적어도 하나의 대응면과 상기 제1 편파와 직교하는 편파의 방향과 이루는 각도보다 작도록 구성되는 MMU 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 안테나는, 적어도 하나의 대응면 각각에서, 상기 제1 편파의 방향에 대한 크로스-폴이 대응면과 이루는 각도는, 상기 제1 편파의 방향에 대한 코-폴이 상기 대응면이 이루는 예각보다 작도록 구성되는 형상을 포함하는 MMU 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    제2 편파를 위한 제2 급전선을 더 포함하고,
    상기 안테나는 상기 제1 급전선을 위한 제1 폴 및 상기 제2 급전선과 연결되는 제2 폴을 포함하는 이중 편파 안테나를 포함하는 MMU 장치.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 이중 편파 안테나는 정사각형 패치의 적어도 하나의 모서리가 절단된 형상을 포함하는 MMU 장치.
KR1020200069330A 2020-06-08 2020-06-08 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치 KR20210152347A (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200069330A KR20210152347A (ko) 2020-06-08 2020-06-08 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치
EP21821655.4A EP4164055A4 (en) 2020-06-08 2021-06-08 ANTENNA STRUCTURE AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME
CN202180041418.5A CN115702524A (zh) 2020-06-08 2021-06-08 天线结构和包括其的电子设备
PCT/KR2021/007174 WO2021251735A1 (ko) 2020-06-08 2021-06-08 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치
US18/075,864 US20230170628A1 (en) 2020-06-08 2022-12-06 Antenna structure and electronic device comprising same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200069330A KR20210152347A (ko) 2020-06-08 2020-06-08 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210152347A true KR20210152347A (ko) 2021-12-15

Family

ID=78846386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200069330A KR20210152347A (ko) 2020-06-08 2020-06-08 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230170628A1 (ko)
EP (1) EP4164055A4 (ko)
KR (1) KR20210152347A (ko)
CN (1) CN115702524A (ko)
WO (1) WO2021251735A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TR2022000230A2 (tr) * 2022-01-10 2022-02-21 Ali Okatan İki̇ tarafi i̇çbükey alt katmana sahi̇p mi̇kroşeri̇t yama anten

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE509448C2 (sv) * 1997-05-07 1999-01-25 Ericsson Telefon Ab L M Dubbelpolariserad antenn samt enkelpolariserat antennelement
EP1064696A1 (en) * 1997-12-29 2001-01-03 Chung Hsin-Hsien Low cost high performance portable phased array antenna system for satellite communication
JP4336259B2 (ja) * 2004-07-06 2009-09-30 古河電気工業株式会社 円偏波マイクロストリップアンテナ及び多周波共用アンテナ
CN102856640B (zh) * 2012-09-26 2014-06-04 电子科技大学 一种带有寄生圆片的高隔离度双极化e型微带天线
KR20140119562A (ko) * 2013-04-01 2014-10-10 주식회사 에이스테크놀로지 레이더 배열 안테나
KR101743962B1 (ko) * 2015-02-16 2017-06-07 주식회사 에이스테크놀로지 이중 편파 패치 안테나
DE102016207434B4 (de) * 2016-04-07 2017-11-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Antennenvorrichtung
CN107453044A (zh) * 2017-07-25 2017-12-08 重庆邮电大学 一种双极化微基站mimo天线单元

Also Published As

Publication number Publication date
US20230170628A1 (en) 2023-06-01
EP4164055A4 (en) 2023-12-06
CN115702524A (zh) 2023-02-14
WO2021251735A1 (ko) 2021-12-16
EP4164055A1 (en) 2023-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6981475B2 (ja) アンテナ、アンテナの構成方法及び無線通信装置
US11552400B2 (en) Antenna structure and electronic device including the same
US20230387598A1 (en) Antenna structure and electronic device comprising same
US20230170628A1 (en) Antenna structure and electronic device comprising same
US20230231321A1 (en) Antenna structure and electronic device comprising same
US20230231296A1 (en) Antenna structure and electronic device comprising same
KR102527851B1 (ko) 다중 편파 포트들을 포함하는 배열 안테나 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20220137487A (ko) 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 장치
US20230187844A1 (en) Antenna and electronic device including the same
KR20210151615A (ko) 무선 통신 시스템에서 안테나 필터 및 이를 포함하는 전자 장치
US20230378658A1 (en) Matching network for antenna element of antenna array and electronic device including the same
KR20220137484A (ko) 안테나 레이돔 및 이를 포함하는 전자 장치
US20240056520A1 (en) Wireless module and electronic device including the same
KR20230090193A (ko) 안테나 및 이를 포함하는 전자 장치
US20230187845A1 (en) Antenna structure and electronic device including the same
EP4231439A1 (en) Transmission line structure for reducing insertion loss, and electronic device comprising same
KR20230163252A (ko) 안테나 어레이의 안테나 엘리멘트를 위한 매칭 네트워크 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20240023242A (ko) 무선 모듈 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20220158562A (ko) 안테나 및 이를 포함하는 전자 장치
CN114552218A (zh) 一种多输入多输出mimo天线以及通信装置
KR20220085562A (ko) 저손실을 위한 트랜스포머 및 이를 포함하는 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal