KR20220014552A - 광대역 지원 가능한 안테나 모듈 및 이를 포함하는 기지국 - Google Patents

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KR20220014552A
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고승태
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박정민
이범희
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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 대각선으로 교차된 제 1 및 제 2 안테나 소자로 각각 구성된 제 1 내지 제 3 안테나 유닛; 제 1 RF(radio frequency) 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 분배하는 제 1 신호 분배기; 및 제 2 RF 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 분배하는 제 2 신호 분배기를 포함하고, 상기 제 1 신호 분배기의 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 제 1 스터브(stub) 회로를 연결하는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈을 제공한다.

Description

광대역 지원 가능한 안테나 모듈 및 이를 포함하는 기지국{ANTENNA MODULE POSSIBLE TO SUPPORT WIDEBAND AND BASE STATION INCLUDING THE ANTENNA MODULE}
본 발명은 차세대 통신 기술에서 광대역을 지원하기 위한 안테나 모듈 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(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 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.
한편, 통신 시스템 내에서 기지국이 다양한 주파수 대역을 지원하는 경우, 예컨대, 하나의 기지국이 LTE의 2.3GHz 대역과 5G의 3.5GHz 대역을 지원하는 경우, 각각의 대역에서의 통신을 위한 안테나 모듈을 각각 구비하지 않고, 하나의 안테나 모듈을 이용하여 모든 대역에서의 통신을 지원하는 방안이 모색되고 있다. 도 1을 참조하면, 기지국은 100과 110과 같이 각각의 주파수 대역에서의 신호 송수신을 위한 안테나 모듈을 각각 구비할 수도 있지만, 120과 같이 복수의 주파수 대역을 포함하는 광대역에서 신호 송수신을 수행하는 하나의 안테나 모듈을 구비할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 기지국이 하나의 안테나 모듈을 사용하여 복수의 주파수 대역을 포함하는 광대역의 통신을 지원하고자 하는 경우 이득이 불안정할 수 있고 신호의 위상이 안정적으로 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시 예는 하나의 안테나 모듈을 사용하여 복수의 주파수 대역을 포함하는 광대역의 통신을 지원하는 기술을 적용하여 안정적인 신호 송수신을 수행할 수 있는 안테나 모듈의 구성을 제안한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 대각선으로 교차된 제 1 및 제 2 안테나 소자로 각각 구성된 제 1 내지 제 3 안테나 유닛, 제 1 RF(radio frequency) 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 분배하는 제 1 신호 분배기, 및 제 2 RF 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 분배하는 제 2 신호 분배기를 포함하고, 상기 제 1 신호 분배기의 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 제 1 스터브(stub) 회로를 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국은, 안테나 모듈을 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 대각선으로 교차된 제 1 및 제 2 안테나 소자로 각각 구성된 제 1 내지 제 3 안테나 유닛, 제 1 RF(radio frequency) 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 분배하는 제 1 신호 분배기, 및 제 2 RF 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 분배하는 제 2 신호 분배기를 포함하고, 상기 제 1 신호 분배기의 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 제 1 스터브(stub) 회로를 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 복수의 주파수 대역을 포함하는 광대역 통신을 하나의 안테나 모듈을 통해 안정적으로 지원할 수 있어, 안테나 설치 공간 및 설비 투자 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 복수의 대역을 지원하는 안테나 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 안테나 유닛 및 이를 포함하는 안테나 서브 어레이에 신호를 분배하는 신호 분배기 및 이의 성능을 나타낸 도면이다.
도 3은 광대역을 지원하기 위하여 위상 조정 시 발생할 수 있는 위상 오프셋 문제를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시 예에서 사용 가능한 선로의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 대역을 포함하는 광대역을 지원하기 위한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 대역을 포함하는 광대역을 지원하기 위한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 문제를 해소하기 위한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 없이 광대역 지원 가능한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 없이 광대역 지원 가능한 안테나 서브어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 대역을 포함하는 광대역을 지원하기 위한 신호 분배기의 응용 예시를 나타낸 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 문제를 해소하기 위한 신호 분배기의 응용 예시를 나타낸 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.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 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 블록(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 블록(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 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 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 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 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.
도 2는 안테나 유닛 및 이를 포함하는 안테나 서브 어레이에 신호를 분배하는 신호 분배기 및 이의 성능을 나타낸 도면이다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 기지국은 신호 송수신을 위한 안테나 모듈(미도시)을 포함할 수 있고, 각각의 안테나 모듈은 복수의 안테나 서브어레이(210)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 서브어레이(210)에는 세 개의 안테나 유닛(200)이 직렬로 배치되며, RF(radio frequency) 신호가 신호 분배기(217, 219)를 통해 분배되어 다이폴 안테나(본 개시에 따른 안테나 소자의 일 예)의 급전부(미도시)를 통해 각 안테나 유닛(200)으로 공급된다. 각 신호 분배기(217, 219)는 예컨대, T-접합 전력분배기(T-junction power divider)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 안테나 유닛(200)은 대각선으로 서로 교차된 제 1 다이폴 안테나(201) 및 제 2 다이폴 안테나(203)를 포함한다. 이때, 다이폴 안테나로 한정되는 것은 아니고, 패치 안테나 등 다양한 안테나 소자로 대체될 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 안테나 유닛은 대각선으로 교차된 안테나 소자를 포함할 수 있는 것이나, 본 도면에서는 설명의 편의를 위해 다이폴 안테나로 도시하였다. 각각의 다이폴 안테나는 안테나의 중앙을 기준으로 상하 또는 좌우로 구분될 수 있는데, 이를 각각 제 1 방향 및 제 2 방향으로 구분을 하면, 제 1 방향에 형성된 급전부로 RF 신호를 공급받는 경우와 제 2 방향에 형성된 급전부로 RF 신호를 공급 받는 경우, RF 신호의 위상 차이가 180도를 형성하게 된다.
도 2를 참조하면, 안테나 서브어레이(210)는 예컨대, PCB(printed circuit board) 기판에 마이크로 스트립 라인(microstrip line)으로 인쇄되는 제 1 신호 분배기(217) 및 제 2 신호 분배기(219)를 포함할 수 있다. PCB 기판에 형성된 도전 패치(211, 213, 215) 각각에 안테나 유닛(200)이 부착될 수 있다. 이때, 제 1 신호 분배기(217) 및 제 2 신호 분배기(219)에서 분배되는 RF 신호가 각 안테나 유닛(200)으로 공급된다. 예컨대, 제 1 신호 분배기(217)에서 분배되는 RF 신호는 각 안테나 유닛의 제 1 다이폴 안테나(201)의 급전부를 통해 공급되고, 제 2 신호 분배기(219)에서 분배되는 RF 신호는 각 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나(203)의 급전부를 통해 공급된다. 210을 참조하면, 제 1 신호 분배기(217)는 각 제 1 다이폴 안테나(201)의 소정 방향 (예컨대, 제 1 방향)으로 급전하고, 제 2 신호 분배기(219)는 각 제 2 다이폴 안테나(203)의 소정 방향(예컨대, 제 1 방향)으로 급전한다.
그러나, 이러한 신호 분배기(217, 219)를 포함하는 안테나 서브어레이(210)는, 예컨대 3.5Ghz 대역을 지원하도록 설계된 경우라면, 220과 같이 해당 주파수 대역에서만 신호 송수신 성능이 보장되게 된다. 즉, 도 1의 120과 같이 안테나가 복수의 주파수 대역을 지원하는 경우라도, 안테나 서브어레이(210)는 복수의 주파수 대역, 예컨대, 3.5Ghz 대역뿐만 아니라 2.3GHz 대역에서의 신호 송수신 성능을 보장할 수 없다. 따라서, 복수의 주파수 대역에서 신호 송수신 성능을 보장할 수 있도록 안테나 서브어레이(210)를 개선하는 것이 중요하다.
도 3은 광대역을 지원하기 위하여 위상 조정 시 발생할 수 있는 위상 오프셋 문제를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 안테나 서브어레이(310)는 제 1 신호 분배기(311) 및 제 2 신호 분배기(313)를 포함할 수 있는데, 복수의 주파수 대역을 포함하는 광대역에서의 송수신 성능을 보장하기 위한 일 방안으로, 하나의 신호 분배기, 예컨대 제 2 신호 분배기(313)와 관련하여, 중앙에 위치한 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나로 RF 신호를 급전하는 방향을 양 사이드에 위치한 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나로 RF 신호를 급전하는 방향과 반대로 배치할 수 있다. 예컨대, 양 사이드에 위치한 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나의 급전 방향이 제 1 방향이라면, 중앙에 위치한 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나의 급전 방향은 제 2 방향일 수 있다. 이러한 배치를 통하여, 중앙에 위치한 안테나 유닛을 통해 송수신되는 신호의 위상을 양 사이드에 위치한 안테나 유닛을 통해 송수신되는 신호와 180도 차이 나게 조정할 수 있다. 이렇게 함으로써 광대역에서의 성능을 향상시킬 수 있다.
그러나, 320에 도시된 바와 같이, 예컨대, 설계 주파수 대역이 2.3GHz인 경우 해당 주파수 대역에서는 위상 차이가 180도가 되지만 다른 주파수 대역(예컨대, 3.5GHz)에서는 위상 오프셋이 발생하여 위상 차이가 틀어질 수 있다. 예컨대, 위상 차이가 도시된 바와 같이 280도로 틀어질 수 있다. 이렇게 위상이 틀어짐으로써 안테나의 이득이 감소될 수 있고, SLL(Side Lobe Level) 및 FBR(Front-to-Back Ratio)의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 광대역을 지원하면서 위상 오프셋이 발생되지 않도록 안테나 서브어레이를 설계하는 것이 중요하다. 본 발명의 다양한 실시 예에서는 신호 분배기에 추가 선로, 예컨대 추가 스터브(sub) 회로를 연결함으로써 상기 문제를 해소하는 방안을 제공한다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시 예에서 사용 가능한 선로의 등가 회로를 설명하는 도면이다. 즉, 본 발명의 다양한 실시 예에 따라 신호 분배기에 추가될 수 있는 선로의 예시이다.
410은 하이 임피던스 숏라인 요소(high-impedance short line element)를 도시한다. 420은 로우 임피던스 숏라인 요소(low-impedance short line element)를 도시한다. 430은 오픈 써킷 스터브(open circuited stub), 줄여서 오픈 스터브를 도시한다. 440은 숏 써킷 스터브(short circuited stub), 줄여서 숏 써킷 스터브를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 대역을 포함하는 광대역을 지원하기 위한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
500a는 Filter port를 통해 입력되는 RF 신호를 세 개의 안테나 유닛으로 공급할 수 있도록, 각 안테나 포트로 분배하는 신호 분배기의 일 예를 나타낸다.
상기 신호 분배기에는 앞선 도 2 및 도 3 에서 설명했던 신호 분배기의 선로에 추가적으로 스터브 회로가 연결된다. 추가되는 스터브 회로는, 예컨대 도 4에서 설명한 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 510을 참조하면, 세 개의 안테나 유닛에 연결되도록 분배되는 적어도 하나의 선로(도면에는 세 개의 선로 모두)에 스터브 회로가 연결됨을 알 수 있다. 511은 상기 스터브 회로가 연결된 하나의 선로를 추려낸 것이고, 513은 511의 등가 회로를 나타낸 것이다. 515는 선로의 등가 회로로서 하이 임피던스 숏라인 요소를 포함하고, 이에 연결되는 스터브 회로는 517과 같이 병렬 연결되는 오픈 스터브와 숏 스터브 회로를 포함할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 대역을 포함하는 광대역을 지원하기 위한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
500b는 Filter port를 통해 입력되는 RF 신호를 세 개의 안테나 유닛으로 공급할 수 있도록, 각 안테나 포트로 분배하는 신호 분배기의 일 예를 나타낸다.
상기 신호 분배기에는 앞선 도 2 및 도 3 에서 설명했던 신호 분배기의 선로에 추가적으로 스터브 회로가 연결된다. 추가되는 스터브 회로는, 예컨대 도 4에서 설명한 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 520을 참조하면, 세 개의 안테나 유닛에 연결되도록 분배되는 적어도 하나의 선로(도면에는 세 개의 선로 모두)에 스터브 회로가 연결됨을 알 수 있다. 521은 상기 스터브 회로가 연결된 하나의 선로를 추려낸 것이고, 523은 521의 등가 회로를 나타낸 것이다. 525는 선로의 등가 회로로서 하이 임피던스 숏라인 요소를 포함하고, 이에 연결되는 스터브 회로는 스텝(step) 스터브 회로(527)로서 하이 임피던스 숏라인 요소와 오픈 스터브 회로(529)를 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 문제를 해소하기 위한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 600a는 Filter port를 통해 입력되는 RF 신호를 세 개의 안테나 유닛으로 공급할 수 있도록, 각 안테나 포트로 분배하는 신호 분배기의 일 예를 나타낸다.
상기 신호 분배기에는 앞선 도 3 에서 설명했던 신호 분배기(예: 313)의 선로에 추가적으로 스터브 회로가 연결된다. 추가되는 스터브 회로는, 예컨대 도 4에서 설명한 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 610을 참조하면, 세 개의 안테나 유닛 중 중앙에 연결되도록 분배되는 선로에 스터브 회로가 연결됨을 알 수 있다. 611은 상기 스터브 회로가 연결된 선로를 추려낸 것이고, 613은 611의 등가 회로를 나타낸 것이다. 615는 선로의 등가 회로로서 하이 임피던스 숏라인 요소를 포함하고, 이의 양단에 연결되는 스터브 회로는 617 및 619와 같이 병렬 연결되는 오픈 스터브와 숏 스터브 회로를 포함할 수 있다.
도 6b 및 아래 수식을 참조하여, 상기 신호 분배기에 의해 위상 오프셋 문제가 해소됨을 설명하도록 한다.
620을 참조하면, S21와 S43의 위상차이가 180도(π)에 수렴하는 경우 위상 오프셋 문제가 발생하지 않는다.
Figure pat00001
620의 추가 스터브 회로가 연결된 신호 분배기의 S21와 S43의 위상차이
Figure pat00002
를 위와 같이 계산한 결과, 주파수에 상관없이 π에 수렴함을 알 수 있다. 따라서, 상기 신호 분배기를 사용하면 위상 오프셋 문제를 해소할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 없이 광대역 지원 가능한 신호 분배기를 나타낸 도면이다.
본 실시 예는, 복수의 주파수 대역을 포함하는 광대역에서 이득을 유지 가능하고 위상 오프셋 문제가 발생하지 않는 신호 분배기를 제안한다.
도 7을 참조하면, 700은 Filter port를 통해 입력되는 RF 신호를 세 개의 안테나 유닛으로 공급할 수 있도록, 각 안테나 포트로 분배하는 신호 분배기의 일 예를 나타낸다.
상기 신호 분배기에는 앞선 도 3 에서 설명했던 신호 분배기(예: 313)의 선로에 추가적으로 스터브 회로가 연결된다. 추가되는 스터브 회로는, 예컨대 도 4에서 설명한 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 710과 720과 같이, 세 개의 안테나 유닛 중 양 사이드에 위치한 안테나 유닛들로 분배되는 선로에 연결되는 스터브 회로는, 앞서 도 5a 및 도 5b에서 설명한 스터브 회로(517 또는 527, 529)를 포함할 수 있다. 730과 같이, 세 개의 안테나 유닛 중 중앙에 위치한 안테나 유닛으로 분배되는 선로에 연결되는 스터브 회로는, 앞서 도 6a에서 설명한 스터브 회로(617, 619)를 포함할 수 있다. 이때, 추가되는 소자 관련 임피던스는 적정하게 조정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 위상 오프셋 없이 광대역 지원 가능한 안테나 서브어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 안테나 서브어레이(810)는 제 1 신호 분배기(811) 및 제 2 신호 분배기(813)를 포함한다.
제 1 신호 분배기(811)에서 분배되는 RF 신호는 각 안테나 유닛의 제 1 다이폴 안테나의 급전부를 통해 공급된다. 제 1 신호 분배기(811)는 광대역에서의 송수신 이득을 보장하기 위하여 추가 스터브 회로를 포함할 수 있고, 상기 제 1 신호 분배기(811)는 예컨대, 도 5a 또는 도 5b에 도시된 회로일 수 있다. 이때, 제 1 신호 분배기(811)는 각 제 1 다이폴 안테나의 소정 방향 (예컨대, 제 1 방향)으로 안테나 유닛들로 RF 신호를 급전할 수 있다.
제 2 신호 분배기(813)에서 분배되는 RF 신호는 각 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나(203)의 급전부를 통해 공급된다. 제 2 신호 분배기(813)는 광대역에서의 송수신 이득을 보장하면서 위상 오프셋 문제를 해소하기 위하여 추가 스터브 회로를 포함할 수 있다. 상기 제 2 신호 분배기(813)는 예컨대, 도 7에 도시된 회로일 수 있다. 이때, 제 2 신호 분배기(813)는 중앙에 위치한 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나에 급전하는 방향(제 1 방향)과 양 사이드에 위치한 안테나 유닛의 제 2 다이폴 안테나에 급전하는 방향(제 2 방향)이 반대가 되도록 배치할 수 있다. 즉, 상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향은 180도 차이가 날 수 있다.
820은 810의 안테나 서브어레이를 통하여 신호를 송수신하였을 때 얻게 되는 반사 계수(S11)를 나타낸다. 종래에는 a와 같이 설계 주파수(예컨대, 3.5GHz)에서만 송수신 이득을 보장할 수 있었지만, 제 1 신호 분배기(811)와 제 2 신호 분배기(813)를 사용하는 경우 각각 b 및 c와 같이 오픈 스터브 회로에 의한 영향으로 폴(pole)이 추가되고, 따라서 bandwidth가 확장 효과가 발생함을 알 수 있습니다.
830은 810의 안테나 서브어레이를 통하여 신호를 송수신하였을 때 얻게 되는 각 안테나 유닛의 신호 위상을 나타낸다. 도시된 바와 같이 양 사이드에 위치한 안테나 유닛의 신호 위상과 중앙에 위치한 안테나 유닛의 신호 위상이 주파수 대역에 상관없이 거의 일정하게 180도로 유지됨을 알 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 대역을 포함하는 광대역을 지원하기 위한 신호 분배기의 응용 예시를 나타낸 도면이다.
도 9a는 앞서 설명한 도 5a 또는 도 5b의 신호 분배기를 기반으로 하되, 추가되는 스터브 회로를 910과 같이 multi-stage로 구현함으로써, 앞서 설명한 두 개의 주파수 대역 이상의 주파수 대역에서의 신호 송수신을 가능하게 할 수 있다.
도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 오프셋 문제를 해소하기 위한 신호 분배기의 응용 예시를 나타낸 도면이다.
도 9b는 앞서 설명한 도 6a의 신호 분배기를 기반으로 하되, 추가되는 스터브 회로를 920과 같이 multi-stage로 구현함으로써, 앞서 설명한 두 개의 주파수 대역 이상의 주파수 대역에서 위상 오프셋 문제없이 신호 송수신을 가능하게 할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 도 7의 신호 분배기에도 상기 도 9a 및 도 9b와 같이 추가되는 스터브 회로를 multi-stage로 구현할 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 (14)

  1. 대각선으로 교차된 제 1 및 제 2 안테나 소자로 각각 구성된 제 1 내지 제 3 안테나 유닛;
    제 1 RF(radio frequency) 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 분배하는 제 1 신호 분배기; 및
    제 2 RF 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 분배하는 제 2 신호 분배기를 포함하고,
    상기 제 1 신호 분배기의 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 제 1 스터브(stub) 회로를 연결하는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나 유닛 및 상기 제 2 안테나 유닛은 소정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제 3 안테나 유닛은 상기 제 1 안테나 유닛과 상기 제 2 안테나 유닛 사이 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    분배된 상기 제 1 RF 신호는, 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자의 제 1 방향에 형성된 급전부를 통해 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 공급되는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    분배된 상기 제 2 RF 신호는, 상기 제 1 및 제 2 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자의 제 1 방향에 형성된 급전부, 및 상기 제 3 안테나 유닛의 상기 제 2 안테나 소자의 제 2 방향에 형성된 급전부를 통해 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 공급되는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 신호 분배기의 상기 제 1 및 제 2 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 상기 제 1 스터브 회로를 연결하고,
    상기 제 2 신호 분배기의 상기 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 선로에, 위상 오프셋(offset)을 제거하기 위한 제 2 스터브 회로를 연결하는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스터브 회로는,
    하이 임피던스 숏라인 요소(high-impedance short-line element) 일 단에 병렬로 연결되는 오픈 스터브 회로와 숏 스터브(short stub) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 스터브 회로는,
    하이 임피던스 숏라인 요소 양 단에 병렬로 연결되는 오픈 스터브 회로와 숏 스터브 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
  8. 안테나 모듈을 포함하는 기지국에 있어서,
    상기 안테나 모듈은,
    대각선으로 교차된 제 1 및 제 2 안테나 소자로 각각 구성된 제 1 내지 제 3 안테나 유닛;
    제 1 RF(radio frequency) 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 분배하는 제 1 신호 분배기; 및
    제 2 RF 신호를 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 분배하는 제 2 신호 분배기를 포함하고,
    상기 제 1 신호 분배기의 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 제 1 스터브(stub) 회로를 연결하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나 유닛 및 상기 제 2 안테나 유닛은 소정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제 3 안테나 유닛은 상기 제 1 안테나 유닛과 상기 제 2 안테나 유닛 사이 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 기지국.
  10. 제 9 항에 있어서,
    분배된 상기 제 1 RF 신호는, 상기 제 1 내지 제 3 안테나 유닛 각각의 상기 제 1 안테나 소자의 제 1 방향에 형성된 급전부를 통해 각각의 상기 제 1 안테나 소자로 공급되는 것을 특징으로 하는 기지국.
  11. 제 9 항에 있어서,
    분배된 상기 제 2 RF 신호는, 상기 제 1 및 제 2 안테나 유닛 각각의 상기 제 2 안테나 소자의 제 1 방향에 형성된 급전부, 및 상기 제 3 안테나 유닛의 상기 제 2 안테나 소자의 제 2 방향에 형성된 급전부를 통해 각각의 상기 제 2 안테나 소자로 공급되는 것을 특징으로 하는 기지국.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 신호 분배기의 상기 제 1 및 제 2 안테나 유닛으로 연결되는 각 선로에, 광대역에서 이득을 확보하기 위한 상기 제 1 스터브 회로를 연결하고,
    상기 제 2 신호 분배기의 상기 제 3 안테나 유닛으로 연결되는 선로에, 위상 오프셋(offset)을 제거하기 위한 제 2 스터브 회로를 연결하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 스터브 회로는,
    하이 임피던스 숏라인 요소(high-impedance short-line element) 일 단에 병렬로 연결되는 오픈 스터브 회로와 숏 스터브(short stub) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 스터브 회로는,
    하이 임피던스 숏라인 요소 양 단에 병렬로 연결되는 오픈 스터브 회로와 숏 스터브 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
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