KR20220085918A - 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 Download PDF

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KR20220085918A
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Abstract

본 개시(disclosure)는 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. 다양한 실시 예들에 따를 때, 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치는, 위상 배열 안테나(phased array antenna), 적어도 하나의 무선 통신 회로 및 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 위상 배열 안테나를 향하는 방향인 제1 방향을 향하는 제1 면 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 향하는 제2 면을 포함하고, 상기 위상 배열 안테나에서 방사된 제1 빔이 상기 제1 면의 제1 점을 지나 굴절되고, 상기 제1 빔은 상기 렌즈의 내부에서 제1 경로 및 상기 제1 경로를 따라 상기 렌즈의 내부를 통과하여 상기 제2 면의 제2 점을 지나 굴절되는 제2 경로를 형성하고, 상기 제2 점에서의 굴절각은 상기 제1 빔의 방사각에 의존적(depending on)으로 형성될 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 {APPARATUS FOR CONTROLLING BY USING LENS IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치에 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 multi-input multi-output, massive MIMO), 전차원 다중입출력(full dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔포밍(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.
5G 시스템에서 mmWave 주파수 대역을 이용하는 경우, 자유 공간 경로 손실(free space path loss)의 증가와 회절 감소가 발생하는 바, 이를 해결하기 위한 다양한 기술들이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 위상 배열 안테나(phased array antenna)는 전기적 조절을 통하여 실시간으로 빔 조향(beam steering)이 가능하며 빔의 이득을 강화(enhance)할 수 있는 기술이다. 또 다른 예를 들어, ILA(integrated lens antenna)는 위상 배열 안테나에서, 렌즈(lens)를 안테나의 방사경로 등에 배치하여 광각(wide-angle) 조향할 수 있는 기술이다. 이 때, 렌즈의 설치를 위한 공간, 렌즈에 의한 빔 이득 향상, 및 렌즈에 의한 빔 조향 각도 등을 고려하여, 보다 효과적인 렌즈의 활용이 요구된다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔포밍 이득을 충족함과 동시에 광각을 제어하기 위한 장치를 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 광각을 제어하기 위한 렌즈의 내부면 및 외부면의 구조를 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 다양한 주파수 대역에서 광각을 제어하기 위한 장치를 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 임의의 안테나에 대해 광각을 제어하기 위한 장치를 제공한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치는, 위상 배열 안테나(phased array antenna), 적어도 하나의 무선 통신 회로 및 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 위상 배열 안테나를 향하는 방향인 제1 방향을 향하는 제1 면 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 향하는 제2 면을 포함하고, 상기 위상 배열 안테나에서 방사된 제1 빔이 상기 제1 면의 제1 점을 지나 굴절되고, 상기 제1 빔은 상기 렌즈의 내부에서 제1 경로 및 상기 제1 경로를 따라 상기 렌즈의 내부를 통과하여 상기 제2 면의 제2 점을 지나 굴절되는 제2 경로를 형성하고, 상기 제2 점에서의 굴절각은 상기 제1 빔의 방사각에 의존적(depending on)으로 형성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치는, 특정 구조를 갖는 렌즈를 통해 방사된 빔의 최대 조향 범위를 넓힘과 동시에, 빔의 이득을 유지할 수 있게 한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치는, 특정 구조를 갖는 렌즈를 통해 방사된 빔의 주파수 대역 및 안테나의 종류에 관계없이 적용함으로써, 효율적인 RF(radio frequency) 기기 설계를 가능하게 한다.
이 외에, 본 문서를 통해 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 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치의 구성을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신부의 구성을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 렌즈를 통한 신호 이득의 향상을 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 방사 신호의 렌즈 내부면으로의 입사의 예를 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 방사 신호의 렌즈 내부면에서의 굴절의 예를 도시한다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 방사 신호의 렌즈 외부면에서의 굴절의 예를 도시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 안테나와 렌즈의 예를 도시한다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 렌즈 배치에 따른 성능을 나타내기 위한 그래프이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
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 시스템에서 렌즈를 통해 빔포밍을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나 어레이에서 형성되는 빔이 렌즈에 투영되는 영역을 넓힘으로써, 빔포밍 이득을 증가시키기 위한 기술을 설명한다.
이하 설명에서 사용되는 신호를 지칭하는 용어(심볼, 스트림, 데이터, 빔포밍 신호), 빔과 관련된 용어(멀티-빔, 복수의 빔들, 싱글 빔, 듀얼 빔, 쿼드-빔, 빔포밍), 네트워크 객체(network entity)들을 지칭하는 용어, 장치의 구성 요소를 지칭하는 용어(안테나 어레이(antenna array), 안테나 요소(antenna element), 통신부, 안테나) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project))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 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1은 무선 통신 시스템에서 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국(110-1), 기지국(110-2), 단말(120)을 예시한다. 도 1은 2개의 기지국들을 도시하나, 기지국(110-1), 기지국(110-2)과 동일 또는 유사한 다른 기지국이 더 포함될 수 있다. 또한, 도 1은 1개의 단말만을 도시하나, 단말(120)과 동일 또는 유사한 다른 단말이 더 포함될 수 있다.
기지국(110-1) 및 기지국(110-2)은 단말(120)에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)다. 기지국(110-1) 및 기지국(110-2)은 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국(110-1) 및 기지국(110-2) 각각은 기지국(base station) 외에 '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 용어로 지칭될 수 있다.
단말(120)은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국(110-1), 기지국(110-2)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 단말(120)은 이동성(mobility)을 가지거나, 또는 고정된(fixed) 장치일 수 있다. 경우에 따라, 단말(120)은 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 예를 들어, 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)', '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', '사용자 장치(user device)', '고객 댁내 장치 (customer premise equipment, CPE)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
기지국(110-1), 기지국(110-2), 단말(120)은 밀리미터 파(mmWave) 대역(예: 28GHz, 30GHz, 38GHz, 60GHz)에서 무선 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 이때, 채널 이득의 향상을 위해, 기지국(110-1), 기지국(110-2), 단말(120)은 빔포밍(beamforming)을 수행할 수 있다. 여기서, 빔포밍은 송신 빔포밍 및 수신 빔포밍을 포함할 수 있다. 즉, 기지국(110-1), 기지국(110-2), 단말(120)은 송신 신호 또는 수신 신호에 방향성(directivity)을 부여할 수 있다. 이를 위해, 기지국(110-1), 기지국(110-2) 및 단말(120)은 빔 탐색(beam search) 또는 빔 관리(beam management) 절차를 통해 서빙(serving) 빔들(112, 113, 121, 131)을 선택할 수 있다. 서빙 빔들(112, 113, 121, 131)이 선택된 후, 이후 통신은 서빙 빔들(112, 113, 121, 131)을 송신한 자원과 QCL(quasi co-located) 관계에 있는 자원을 통해 수행될 수 있다.
제1 안테나 포트 상의 심볼을 전달한 채널의 광범위한(large-scale) 특성들이 제2 안테나 포트 상의 심볼을 전달한 채널로부터 추정될(inferred) 수 있다면, 제1 안테나 포트 및 제2 안테나 포트는 QCL 관계에 있다고 평가될 수 있다. 예를 들어, 광범위한 특성들은 지연 스프레드(delay spread), 도플러 스프레드(doppler spread), 도플러 쉬프트(doppler shift), 평균 이득(average gain), 평균 지연(average delay), 공간적 수신 파라미터(spatial receiver parameter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치의 구성을 도시한다. 도 2에 예시된 구성은 단말(120)의 구성으로서 이해될 수 있다. 이하 사용되는 '??부', '??기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2을 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이(220), 통신부(210), 렌즈(230), 저장부(240), 제어부(250)를 포함한다.
통신부(210)는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 예를 들어, 통신부(210)는 시스템의 물리 계층 규격에 따라 기저대역 신호 및 비트열 간 변환 기능을 수행한다. 예를 들어, 데이터 송신 시, 통신부(210)는 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 데이터 수신 시, 통신부(210)는 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 또한, 통신부(210)는 기저대역 신호를 RF 대역 신호로 상향변환한 후 안테나를 통해 송신하고, 안테나를 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환한다. 예를 들어, 통신부(210)는 송신 필터, 수신 필터, 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다.
또한, 통신부(210)는 다수의 송수신 경로(path)들을 포함할 수 있다. 하드웨어의 측면에서, 통신부(210)는 디지털 회로 및 아날로그 회로(예: RFIC(radio frequency integrated circuit))로 구성될 수 있다. 여기서, 디지털 회로 및 아날로그 회로는 하나의 패키지로 구현될 수 있다. 또한, 통신부(210)는 다수의 RF 체인들을 포함할 수 있다. 나아가, 통신부(210)는 빔포밍을 수행할 수 있다.
통신부(210)는 상술한 바와 같이 신호를 송신 및 수신한다. 이에 따라, 통신부(210)의 전부 또는 일부는 '송신부', '수신부' 또는 '송수신부'로 지칭될 수 있다. 또한, 이하 설명에서 무선 채널을 통해 수행되는 송신 및 수신은 통신부(210)에 의해 상술한 바와 같은 처리가 수행되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
안테나 어레이(220)는 통신부(210)에 의해 생성된 신호를 방사하거나, 외부로부터 전송되는 신호를 수신한다. 안테나 어레이(220)는 다수의 안테나 요소(antenna element)들을 포함할 수 있다. 다수의 안테나 요소들을 통해 송신되는 신호들의 위상 값들에 의해 신호의 방향성이 부여될 수 있다. 즉, 안테나 어레이(220)는, 위상 값들을 통해 빔포밍을 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 안테나 어레이(220)에서 송신되는 신호들은, 복수의 방향들에 대응하는 복수의 빔들을 통해 방사될 수 있다.
렌즈(230)는 안테나 어레이(220)에서 방사된 신호 또는 외부로부터 전송되는 신호의 이득을 조절하기 위한 구성 요소이다. 예를 들어, 렌즈(230)는 신호가 통과함에 따라 이득이 조절되는 수동 소자(passive element)일 수 있다. 또한, 예를 들어, 렌즈(230)는 신호에 따라, 적응적으로 이득을 조절하기 위한 능동 소자(active element)일 수 있다.
렌즈(230)는 복수 개의 유닛 셀들(unit cells, UCs)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 렌즈(230)는 복수의 유닛 셀들을 포함할 수 있으며, 복수의 유닛 셀들 각각은 고유의 유전율(dielectric rate) 또는 고유의 형상을 가질 수 있다. 여기서, 각 유닛 셀의 유전율은 유닛 셀을 구성하는 물질(예: 유전체)의 종류, 유닛 셀에 포함되는 물질(예: 도체)의 형상 및 크기에 따라 결정될 수 있다. 유닛 셀의 유전율에 따라, 유닛 셀에 입사된 빔의 성분(예: 전파 성분)의 위상을 보상하기 위한 값이 달라질 수 있다. 등가 회로의 관점에서, 각 유닛 셀은 적어도 하나의 커패시터(capacitor) 또는 적어도 하나의 인덕터(inductor)를 포함하는 회로로 해석될 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 렌즈(230)는 다수의 층들로 구성될 수 있다. 또한, 렌즈(230)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 렌즈(230)는 평평한(flat) 구조, 즉 평면일 수 있고, 원형의 평면일 수 있고, 분할된 원형의 평면일 수 있다. 다른 예로, 렌즈(230)는 사각형의 형태일 수 있고, 팔각형의 형태일 수 있다.
저장부(240)는 빔포밍 장치의 동작을 위한 기본 프로그램, 응용 프로그램, 설정 정보 등의 데이터를 저장한다. 저장부(240)는 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다. 그리고, 저장부(240)는 제어부(250)의 요청에 따라 저장된 데이터를 제공한다. 다양한 실시 예들에 따라, 저장부(240)는, 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 위상 프로파일(phase profile)(예: 위상 패턴(phase pattern))을 저장할 수 있다.
제어부(250)는 빔포밍 장치의 전반적인 동작들을 제어한다. 예를 들어, 제어부(250)는 통신부(210)를 통해 신호를 송신 및 수신한다. 또한, 제어부(250)는 저장부(240)에 데이터를 기록하고, 읽는다. 그리고, 제어부(250)는 통신 규격에서 요구하는 프로토톨 스택의 기능들을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제어부(250)는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 통신부(210)의 일부 및 제어부(250)는 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 제어부(250)는 복수의 빔들(이하, 멀티-빔)을 형성(이하, 멀티-빔포밍)하기 위한 위상 패턴(phase pattern)을 적용하여 빔포밍을 수행하도록 통신부(210)를 제어할 수 있다. 여기서, 멀티-빔은 빔포밍시 형성되는 빔의 형상이 단일 방향을 가리키는 단일 빔(single beam)이 아니라 복수의 방향들을 가리키는 복수의 빔들을 의미한다. 예를 들어, 제어부(250)는 빔포밍 장치가 후술하는 다양한 실시 예들에 따른 동작들을 수행하도록 제어할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신부의 구성을 도시한다. 도 3a 내지 3c는 도 2의 통신부(210)의 상세한 구성에 대한 예를 도시한다. 구체적으로, 도 3a 내지 3c는 도 2의 통신부(210)의 일부로서, 빔포밍을 수행하기 위한 구성요소들을 예시한다.
도 3a를 참고하면, 통신부(210)는 부호화 및 변조부(302), 디지털 빔포밍부(304), 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N), 아날로그 빔포밍부(308)를 포함한다.
부호화 및 변조부(302)는 채널 인코딩을 수행한다. 채널 인코딩을 위해, LDPC(low density parity check) 코드, 컨볼루션(convoluation) 코드, 폴라(polar) 코드 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 부호화 및 변조부(302)는 성상도 맵핑(contellation mapping)을 수행함으로써 변조 심벌들을 생성한다.
디지털 빔포밍부(304)는 디지털 신호(예: 변조 심벌들)에 대한 빔포밍을 수행한다. 이를 위해, 디지털 빔포밍부(304)는 변조 심벌들에 빔포밍 가중치들을 곱한다. 여기서, 빔포밍 가중치들은 신호의 크기 및 위상을 변경하기 위해 사용되며, '프리코딩 행렬(precoding matrix)', '프리코더(precoder)' 등으로 지칭될 수 있다. 디지털 빔포밍부(304)는 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N)로 디지털 빔포밍된 변조 심벌들을 출력한다. 이때, MIMO(multiple input multiple output) 전송 기법에 따라, 변조 심벌들은 다중화되거나, 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N)로 동일한 변조 심벌들이 제공될 수 있다.
다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N)은 디지털 빔포밍된 디지털 신호들을 아날로그 신호로 변환한다. 이를 위해, 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N) 각각은 IFFT(inverse fast fourier transform) 연산부, CP(cyclic prefix) 삽입부, DAC, 상향 변환부를 포함할 수 있다. CP 삽입부는 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 방식을 위한 것으로, 다른 물리 계층 방식(예: FBMC(filter bank multi-carrier))이 적용되는 경우 제외될 수 있다. 즉, 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N)은 디지털 빔포밍을 통해 생성된 다수의 스트림(stream)들에 대하여 독립된 신호처리 프로세스를 제공한다. 단, 구현 방식에 따라, 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N)의 구성요소들 중 일부는 공용으로 사용될 수 있다.
아날로그 빔포밍부(308)는 아날로그 신호에 대한 빔포밍을 수행한다. 이를 위해, 디지털 빔포밍부(304)는 아날로그 신호들에 빔포밍 가중치들을 곱한다. 여기서, 빔포밍 가중치들은 신호의 크기 및 위상을 변경하기 위해 사용된다. 구체적으로, 다수의 송신 경로들(306-1 내지 306-N) 및 안테나들 간 연결 구조에 따라, 아날로그 빔포밍부(308)는 도 3b 또는 도 3c와 같이 구성될 수 있다.
도 3b를 참고하면, 아날로그 빔포밍부(308)로 입력된 신호들은 위상/크기 변환, 증폭의 연산을 거쳐, 안테나들을 통해 송신된다. 이때, 각 경로의 신호는 서로 다른 안테나 집합들 즉, 안테나 어레이들을 통해 송신된다. 첫번째 경로를 통해 입력된 신호의 처리를 살펴보면, 신호는 위상/크기 변환부들(312-1-1 내지 312-1-M)에 의해 서로 다른 또는 동일한 위상/크기를 가지는 신호열로 변환되고, 증폭기들(314-1-1 내지 314-1-M)에 의해 증폭된 후, 안테나들을 통해 송신된다.
도 3c를 참고하면, 아날로그 빔포밍부(308)로 입력된 신호들은 위상/크기 변환, 증폭의 연산을 거쳐, 안테나들을 통해 송신된다. 이때, 각 경로의 신호는 동일한 안테나 집합, 즉, 안테나 어레이를 통해 송신된다. 첫번째 경로를 통해 입력된 신호의 처리를 살펴보면, 신호는 위상/크기 변환부들(312-1-1 내지 312-1-M)에 의해 서로 다른 또는 동일한 위상/크기를 가지는 신호열로 변환되고, 증폭기들(314-1-1 내지 314-1-M)에 의해 증폭된다. 그리고, 하나의 안테나 어레이를 통해 송신되도록, 증폭된 신호들은 안테나 요소를 기준으로 합산부들(316-1-1 내지 316-1-M)에 의해 합산된 후, 안테나들을 통해 송신된다.
도 3b 및 도 3c에 도시된 위상/크기 변환부들(312-1-1 내지 312-1-M)에 의해 변환되는 위상/크기 값들은 빔의 방향성을 조절하기 위한 위상/크기 값들 및 다수의 빔들(즉, 멀티-빔)을 형성하기 위한 위상/크기 값들을 포함할 수 있다. 다수의 빔들을 형성하기 위한 위상/크기 값들이란, 형성되는 빔들의 형태에 위상이 상쇄되는 음영 지역을 발생시킴으로써, 공간적으로 구분되는 방향들을 제공하는 빔포밍을 위한 위상/크기 값들을 의미한다. 이 때, 형성되는 빔들의 개수는 이득을 제어하기 위해 조절될 수 있으며, 예를 들어, 채널에 기반하여 조절되거나, 또는 렌즈에 의한 이득 향상 효과를 증대시키기 위해 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 렌즈에 의한 이득 향상 효과의 증대를 위해 멀티-빔을 형성하기 위한 위상/크기 값들은 위상/크기 변환부들(312-1-1 내지 312-1-M)의 기준(reference) 위상/크기 값으로서, 다시 말해, 위상/크기 변환부들(312-1-1 내지 312-1-M)의 초기(default) 설정 값으로서 사용될 수 있다.
도 3b는 송신 경로 별 독립적 안테나 어레이가 사용되는 예를, 도 3c 송신 경로들이 하나의 안테나 어레이를 공유하는 예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시 예에 따라, 일부 송신 경로들은 독립적 안테나 어레이를 사용하고, 나머지 송신 경로들은 하나의 안테나 어레이를 공유할 수 있다. 나아가, 또 다른 실시 예에 따라, 송신 경로들 및 안테나 어레이들 간 스위치 가능한(switchable) 구조를 적용함으로써, 상황에 따라 적응적으로 변화할 수 있는 구조가 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참고하여 설명한 빔포밍 장치(예: 단말(120))의 구성에 따르면, 빔포밍 장치는 렌즈를 이용하여 안테나 어레이에서 방사되는 신호 또는 안테나 어레이로 수신되는 신호의 이득을 향상시킬 수 있다. 유사하게, 기지국(예: 기지국(110-1) 또는 기지국(110-2)) 역시 적어도 하나의 렌즈를 구비할 수 있다. 나아가, 다양한 실시 예들에 따라, 기지국은 이하 후술되는 구조의 렌즈를 포함할 수 있다. 따라서, 이하 렌즈와 관련된 실시 예들은 이하 설명의 편의를 위해 단말을 기준으로 설명되나, 후술되는 다양한 실시 예들은 기지국뿐만 아니라 빔포밍을 수행하는 임의의 장치에 적용될 수 있다.
렌즈(예: 렌즈(230))를 사용함으로 인해, 신호의 이득이 향상될 수 있다. 렌즈는 공간 상의 EM(electronic magnetic) 웨이브의 위상 프로파일을 동위상으로 변경함으로써, 안테나의 이득을 높일 수 있다. 이하 도 4a 내지 도 4c를 통해, 렌즈에 의한 신호 이득의 증가의 원리를 설명한다. 도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 렌즈를 통한 신호 이득의 향상을 도시한다.
도 4a를 참고하면, 안테나 어레이(220)에서 방사된 신호는 렌즈(230)를 통과한다. 렌즈(230)를 통과한 빔(404)은 안테나 어레이(220)에서 방사된 빔(402)보다 좁은 빔 폭을 가질 수 있다. 빔(404)을 형성하기 위한 빔 성분들이 특정 공간 내에 보다 중첩됨으로써, 위상이 증가한다. 렌즈(230)에 의한 신호 이득의 향상은 동위상을 구의 표면에서 평면으로 변환함으로써 달성된다. 즉, 방사된 신호의 성분들 각각의 위상은, 렌즈(230)의 평면에서 동위상으로 변환될 수 있다. 구체적으로, 안테나 어레이(220)에서 생성된 빔은 안테나의 중심, 즉, 빔의 초점(focus)으로부터 방사되므로, 그 초점을 중심으로 하는 구의 표면에서 동위상 면이 형성된다. 이때, 렌즈(230)는 유닛 셀들을 이용하여 동위상 면을 평면으로 변환한다.
도 4b와 같이, 렌즈(230)의 반경, 렌즈(230) 및 안테나 어레이(220) 간 간격이 주어진 경우, 렌즈(230)의 표면에서 관찰되는 신호의 최대 위상 차이는 이하 <수학식 1>과 같다.
Figure pat00001
상기 Φmax는 최대 위상 차이, 상기
Figure pat00002
는 파장, 상기 D는 렌즈의 반경, 상기 F는 렌즈 및 안테나 어레이 간 간격을 의미한다.
안테나 어레이(220)에서 방사된 빔의 위상 프로파일(phase profile) 변화는 도 4c와 같다. 도 4c에서 그래프(432)는 안테나 어레이(220)에서 방사된 빔의 평면(예: 렌즈(230)의 표면 또는 렌즈(230)의 표면과 평행한 평면)에서의 위상 프로파일, 그래프(434)는 렌즈(230)의 위상 프로파일, 그래프(436)는 렌즈(230)를 통과한 빔의 인-페이즈(in-phase) 프로파일을 나타낸다. 그래프(432)와 같이, 평면의 중심으로부터의 거리 n가 증가할수록, 중심과의 위상 차이가 증가한다. 따라서, 그래프(434)와 같이, 그래프(432)와 같은 위상 프로파일을 보상하도록, 렌즈(230)는 중심으로부터의 거리가 증가할수록, 중심과의 위상 차이가 감소하도록 설계된다. 이에 따라, 렌즈(230)를 통과한 빔의 위상 프로파일은, 그래프(436)와 같이, 평면에서 동위상 또는 실질적으로 동위상을 가진다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 방사 신호의 렌즈 내부면으로의 입사의 예를 도시한다. 도 5에서는, 렌즈의 단면을 통해 입사 경로의 해석을 위한 각 변수들이 정의된다. 이하, 도 5에서는 각 변수들을 정의하기 위하여, 내부면은 타원체이고 외부면은 구체인 형태의 렌즈의 구조를 예시하나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 렌즈의 내부면은 타원체이고 외부면도 타원체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면은 구체이고 외부면도 구체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면은 구체이고 외부면은 타원체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면 및 외부면은 상술한 입체 구조들의 일부를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
도 5를 참고하면, 전자 장치(500)는 안테나(510)와 렌즈(520)를 포함할 수 있다. 도 2의 빔포밍 장치의 설명은 전자 장치(500)에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 안테나(510)는 도 2의 안테나 어레이(220)와 동일하게 이해될 수 있고, 렌즈(520)는 도 2의 렌즈(230)와 동일하게 이해될 수 있다. 또한, 설명의 편의를 위하여, 도 5는 전자 장치(500)를 z축상에서 바라본 xy평면을 기준으로 도시한다.
안테나(510)는 x축과 y축의 접점인 원점에 배치될 수 있다. 예를 들어, 안테나(510)의 중심은 원점에 배치될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 안테나(510)는 위상 배열 안테나(phased array antenna)일 수 있다. 위상 배열 안테나는 특정한 배열로 배치되는 안테나 엘리먼트(element)들을 포함할 수 있다. 위상 배열 안테나를 이용한 빔포밍 기술은 각각의 안테나 엘리먼트들에 대하여 전기적 조절을 통해 위상을 변경함으로써, 빔 조향(beam steering)이 가능한 고이득 안테나 기술이다. 일 실시 예에 따라, 위상 배열 안테나의 중심은 렌즈(520)의 중심과 일치될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 위상 배열 안테나는 다양한 형태들로 배치되는 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 위상 배열 안테나는 선형(linear)으로 구성될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 위상 배열 안테나는 판형(planar)으로 구성될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 위상 배열 안테나는 3차원(tridimensional) 구조로 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 빔 조향(beam steering)을 통해서, 안테나(510)에서 방사되는 빔의 방사각(511)이 조절될 수 있다. 위상 배열 안테나는 복수의 빔들을 형성할 수 있다. 각각의 빔들은 주엽(main lobe)와 부엽(side lobe)를 포함할 수 있고, 방사각(511)은 복수의 빔의 주엽 및 부엽의 합성에 의해서 가장 높은 빔 이득(gain)을 갖는 빔의 방향을 기준으로 결정될 수 있다. 도 5에서, 방사각(511)은 안테나(510)의 중심축인 y축을 기준으로 제1 빔(512)까지의 내각을 의미할 수 있다.
렌즈(520)의 중심은 안테나(510)의 중심과 일 직선상에서 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조할 때, 렌즈(520)는 y축을 기준으로 좌우대칭적 구조로 존재할 수 있고, 이 경우에 렌즈(520)의 중심은 y축과 렌즈(520)가 만나는 일 점이 될 수 있다. 따라서, 렌즈(520)의 중심과 안테나(510)의 중심은 일 직선상에서 배치될 수 있다.
렌즈(520)는 적어도 하나의 층(layer)의 유전체를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 렌즈(520)는 단수의 층을 갖는 단일 유전체를 포함할 수 있다. 렌즈(520)가 단일 유전체를 포함하는 경우, 물질의 불균일에 의해 형성될 수 있는 유전 손실이 줄어들어 복수 유전체를 포함하는 렌즈(520)에 비하여 통과하는 빔의 이득을 보존할 수 있다. 또한, 복수의 유전체를 이용하는 렌즈(520)에 비하여 쉽게 생산할 수 있고, 렌즈(520)가 차지하는 공간을 줄일 수 있다. 한편, 다른 일 실시 예에 따르면, 렌즈(520)는 복수의 층을 갖는 복수 유전체를 포함할 수 있다. 이 때, 추가적인 일 실시 예에 따라, 복수의 층을 갖는 복수의 유전체는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
도 5를 참조할 때, 렌즈(520)는 제1 면(530)과 제2 면(540)을 포함할 수 있다. 제1 면(530)은, 안테나(510)의 방사 경로상에 배치되는 렌즈(520)에 있어서, 안테나(510)를 향하는 방향을 제1 방향에 배치되는 면으로서 렌즈(520)의 내부면에 해당할 수 있다. 제2 면(540)은, 제1 방향에 반대되는 제2 방향에 배치되는 면으로서 렌즈(520)의 외부면에 해당할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 면(530)과 제2 면(540)은 입체도형의 일면에 해당할 수 있다. 예를 들어, 제1 면(530)은 타원체(ellipsoidal)의 일면에 해당할 수 있고, 제2 면(540)은 구체(spherical)의 일면에 해당할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 제1 면(530)을 타원체의 일면, 제2 면(540)을 구체의 일면으로 가정하여 설명하나 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
도 5와 같이, 안테나(510)의 중심에 해당하는 원점으로부터 제1 면(530)의 중심(531)까지의 간격(534)(이하, 제1 간격이라 지칭한다.)이 존재하는 경우, 제1 면(530)에 대한 방정식은 이하 <수학식 2>와 같다.
Figure pat00003
상기 <수학식 2>에서,　상기 r1은 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최소인 제1 반지름(532), 상기 r2는 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최대인 제2 반지름(533), 상기 r3는 제1 간격(534)을 의미한다.
도 5를 참고하면, 제1 면(530)은 타원체의 일면으로, 상기 r1, r2는 각각 제1 면(530)의 단축 및 장축에 해당할 수 있다. 또한, 상기 r3는 제1 면(530)의 중심과 안테나(510)의 거리를 의미할 수 있다.
또한, 제1 면(530)의 중심(531)에서 제2 면(540)의 중심(541)까지의 간격(543)(이하, 제2 간격이라 지칭한다.)이 존재하는 경우, 제2 면(540)에 대한 방정식은 이하 <수학식 3>과 같다.
Figure pat00004
상기 r3는 제1 간격(534), 상기 l1는 제2 면(540)의 제3 반지름(542)을, 상기 l2는 제1 면(530)의 중심(531)에서 제2 면(540)의 중심(541)까지의 제2 간격(543)을 의미한다.
일 실시 예에 따르면, 제1 점(521)의 좌표를 (x1,y1)이라 할 때, 제1 점(521)의 x좌표 및 y좌표간의 상관관계에 대한 식은 이하 <수학식 4>와 같다.
Figure pat00005
상기 x1는 제1 점(521)의 x좌표 값, 상기 y1는 제1 점(521)의 y좌표 값, 상기
Figure pat00006
p1는 제1 빔(512)과 y축 사이의 각인 방사각(511)을 의미한다.
상기 <수학식 4>의 값을 <수학식 2>에 대입하여 이를 정리하면 이하 <수학식 5>와 같다.
Figure pat00007
상기 x1는 제1 점(521)의 x좌표 값, 상기 y1는 제1 점(521)의 y좌표 값, 상기
Figure pat00008
p1는 제1 빔(512)과 y축 사이의 각인 방사각(511), 상기 r1은 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최소인 제1 반지름(532), 상기 r2는 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최대인 제2 반지름(533), 상기 r3는 제1 간격(534)을 의미한다.
일 실시 예에 따르면, 렌즈(520)는 제1 면(530) 및 제2 면(540)을 포함하고 있으며, 각각 타원체의 일면, 구체의 일면에 해당한다. 또한, 안테나(510)는 렌즈(520)의 제1 면(530)에 의해 형성되는 내부 공간에 배치될 수 있고, 안테나(510)의 중심은 렌즈(520)의 중심이 존재하는 y축 상에 배치될 수 있다. 상기 <수학식 4>는 렌즈(520)의 제1 면(530)에 존재하는 제1 점(521)에서의 상관관계를 나타낸 것이지만, 이는 안테나(510)에서 방사된 제1 빔(512)의 제1 면(530)에 입사하기 전의 경로를 의미할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 방사 신호의 렌즈 내부면에서의 굴절의 예를 도시한다. 도 6에서는, 렌즈의 단면을 통해 입사 경로의 해석을 위한 각 변수들이 정의된다. 이하, 도 6에서는 각 변수들을 정의하기 위하여, 내부면은 타원체이고 외부면은 구체인 형태의 렌즈의 구조를 예시하나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 렌즈의 내부면은 타원체이고 외부면도 타원체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면은 구체이고 외부면도 구체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면은 구체이고 외부면은 타원체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면 및 외부면은 상술한 입체 구조들의 일부를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
도 6을 참고하면, 안테나(510)에서 방사된 제1 빔(512)은 제1 면(530)의 제1 점(521)을 지나 렌즈(520)의 내부로 입사될 수 있다. 제1 빔(512)은 렌즈(520)의 적어도 하나의 층을 갖는 유전체에 의해서 굴절되어, 제1 경로(513)의 지향성을 가질 수 있다. 제1 경로(513)의 방향에 따라, 제1 점(521)에서의 입사각(521a)과 제1 점(521)에서의 굴절각(521b)이 정의된다. 이하에서는, 굴절된 제1 경로(513)이 렌즈(520)의 내부로 진입한 경우, 렌즈(520)의 내부에서의 경로를 이하의 <수학식 6> 내지 <수학식 11>에 의해 설명한다.
제1 면(530)에 대한 방정식인 <수학식 2>를 x에 대하여 미분하여 정리하면, 이하의 <수학식 6>과 같다.
Figure pat00009
상기 r1은 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최소인 제1 반지름(532), 상기 r2는 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최대인 제2 반지름(533), 상기 r3는 제1 간격(534), 상기 dy/dx는 x에 대하여 y를 미분(differentiation)을 의미한다.
또한, 도 6을 참고할 때, 제1 점(521)에서의 접선과 x축이 이루는 둔각을 제1 각(550)이라 하면, 제1 각(550)과 상술한 <수학식 6>과의 관계는 이하의 <수학식 7>과 같다.
Figure pat00010
상기 x1은 상기 r1은 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최소인 제1 반지름(532), 상기 r2는 제1 면(530)의 반지름에서 길이가 최대인 제2 반지름(533), 상기 r3는 제1 간격(534), 상기 dy/dx는 x에 대하여 y를 미분(differentiation), 상기
Figure pat00011
p2는 제1 각(550)을 의미한다.
상술한 <수학식 7>을 참고할 때, 제1 면(530)의 제1 반지름(532), 제2 반지름(532) 및 제1 점(521)의 좌표를 통해 제1 각(550)의 값이 특정되면, 제1 점(521)에서의 입사각(521a)이 이하의 <수학식 8>을 통해 특정될 수 있다.
Figure pat00012
상기
Figure pat00013
p1는 제1 빔(512)과 y축 사이의 각인 방사각(511), 상기
Figure pat00014
p2는 제1 각(550), 상기
Figure pat00015
i1은 제1 점(521)에서의 입사각(521a)을 의미한다.
또한, 제1 점(521)에서의 굴절각(521b)은 제1 점(521)에서의 입사각(521a) 및 렌즈(520)의 굴절률에 의해 결정되며, 이하의 <수학식 9>와 같다.
Figure pat00016
상기
Figure pat00017
t1은 제1 점(521)에서의 굴절각(521b), 상기
Figure pat00018
i1은 제1 점(521)에서의 입사각(521a), 상기 nt는 렌즈(520)의 굴절률을 의미하고, <수학식 9>은 스넬의 법칙(snell's law)에 의한다.
제1 점(521)에서 x축과 평행한 직선과 굴절된 제1 경로(513)이 이루는 예각을 제2 각(560)이라 하면, 굴절된 제1 경로(513)의 렌즈(520)의 내부 경로는 제2 각(560)에 의해 특정될 수 있다. 이 때, 제2 각(560)은 이하 <수학식 10>에 의해 정해질 수 있다.
Figure pat00019
상기
Figure pat00020
c2는 제2 각(560), 상기
Figure pat00021
t1은 제1 점(521)에서의 굴절각(521b), 상기
Figure pat00022
p2는 제1 각(550), 상기
Figure pat00023
의
Figure pat00024
는 원주율을 의미한다. 상기 원주율의 단위는 라디안(radian)에 해당한다.
상술한 <수학식 10>에 의해서 특정되는 제2 각(560)을 고려할 때, 제1 점(521)을 지나는 굴절된 제1 경로(513)의 렌즈(520)의 내부에서의 경로는 이하 <수학식 11>과 같다.
Figure pat00025
상기
Figure pat00026
c2는 제2 각(560), 상기 x1은 제1 점(521)의 x좌표 값, 상기 y1은 제1 점(521)의 y좌표 값을 의미한다.
상술한 바와 같이, 제1 빔(512)은 렌즈(520)의 제1 면(530)에 입사되면서 굴절되고, 이에 따라 굴절된 제1 경로(513)이 형성된다. <수학식 11>에서 개시된 굴절된 제1 경로(513)의 경로는 제1 빔(512)의 방사각(511), 렌즈(520)의 제1 면(530)과 제2 면(540)의 구조(예를 들어, 반지름, 곡률 등) 및 굴절률에 따라 변경될 수 있다.
도 6에서는 렌즈가 단일 층을 가정하여, 하나의 굴절률을 갖는 것으로 도시되었으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 일 실시 예에 따르면, 렌즈(520)는 단일 층 대신 복수의 층들을 포함할 수 있다. 이 때, 적어도 두 층의 유전율은 다르게 구성될 수 있다. 따라서, 상술한 수학식을 이용하여, 다른 층들 간의 빔 방향의 굴절을 통한 렌즈 설계가 가능할 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 방사 신호의 렌즈 외부면에서의 굴절의 예를 도시한다. 도 7에서는, 렌즈의 단면을 통해 입사 경로의 해석을 위한 각 변수들이 정의된다. 이하, 도 7에서는 각 변수들을 정의하기 위하여, 내부면은 타원체이고 외부면은 구체인 형태의 렌즈의 구조를 예시하나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 렌즈의 내부면은 타원체이고 외부면도 타원체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면은 구체이고 외부면도 구체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면은 구체이고 외부면은 타원체의 형태를 갖는 렌즈일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 렌즈의 내부면 및 외부면은 상술한 입체 구조들의 일부를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
도 7을 참고하면, 전자 장치의 안테나(510)에서 방사된 신호는 렌즈(520)의 내부를 지나 렌즈(520)의 외부로 방사될 때 굴절될 수 있다. 예를 들어, 굴절된 제1 경로(513)의 빔이 제2 면(540)의 제2 점(522)을 지나 렌즈(520)의 외부로 방사되면서, 렌즈(520)의 적어도 하나의 층을 갖는 유전체에 의해 굴절된 빔은 다시 굴절될 수 있다. 빔은 제1 면(530)과 제2 면(540)을 통과함으로써, 제2 경로(514)로 방사될 수 있다. 또한, 제2 경로(514)에 따라, 제2 점(522)에서의 입사각(522a)과 제2 점(522)에서의 굴절각(522b)이 정의될 수 있다. 이하에서는, 제2 경로(514) 및 제1 면(530)과 제2 면(540)의 곡률이 이하의 <수학식 12> 내지 <수학식 16>에 의해 설명된다.
제3 각(570)은 렌즈(520)의 제2 면(540)의 중심(541)에서 제2 점(522)까지를 이은 직선과 제2 면(540)의 중심(541)에서 x축과 평행한 직선이 이루는 예각이다. 제3 각(570) 및 제2 각(560)에 의해 결정되는 제2 점(522)에서의 입사각(522a)은 이하 <수학식 12>와 같다.
Figure pat00027
상기
Figure pat00028
i2는 제2 점(522)에서의 입사각(522a), 상기
Figure pat00029
c2는 제2 각(560), 상기
Figure pat00030
c1은 제3 각(570)을 의미한다.
또한 제2 점(522)에서의 굴절각(522b)은 제2 점(522)에서의 입사각(522a) 및 렌즈(520)의 굴절률에 의해 결정되며, 이하의 <수학식 13>와 같다.
Figure pat00031
상기
Figure pat00032
t2은 제2 점(522)에서의 굴절각(522b), 상기 nt는 렌즈(520)의 굴절률을 의미하고, <수학식 13>은 스넬의 법칙(snell's law)에 의한다. 이 때, 제2 점(522)의 굴절각(522b)은 안테나(510)에서 방사된 제1 빔(512)의 방사각(511)에 비하여 크거나 같을 수 있다. 예를 들어, 방사각(511)이 0°인 경우에는 굴절각(522b)은 0°로 같고, 방사각(511)이 0°보다 큰 경우에는 굴절각(522b)은 방사각(511)보다 크다.
도 7을 참고하면, 제2 빔(514)이 렌즈(520)의 외부로 방사된 경우의 경로는, 제2 빔(514)과 제2 점(522)에서의 x축과 평행한 직선이 이루는 예각과 제2 점(522)에서의 좌표에 의해서 특정된다. 제2 빔(514)의 경로는 이하 <수학식 14>와 같다.
Figure pat00033
상기
Figure pat00034
c1은 제3 각(570), 상기
Figure pat00035
t2는 제2 점(522)에서의 굴절각(522b), 상기 x2는 제2 점(522)의 x좌표 값, 상기 y2는 제2 점(522)의 y좌표 값을 의미한다.
상술한 <수학식 14>에서 개시된 제2 경로(514)는 안테나(510)에서 방사된 제1 빔(512)의 렌즈(520)의 외부로 방사되는 경로를 의미한다.
상술한 제1 빔(512)의 제2 경로(514)와 관련하여, 굴절각(522b)가 과도하게 커지는 경우 전반사(total reflection)가 발생할 수 있다. 스넬의 법칙(snell's law)에 따라, 입사각(522a)이 임계각(critical angle)을 넘어서는 경우, 제2 경로(514)는 렌즈(520)의 제2 면(540)을 따라 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 7에서는, 안테나(510)에서 방사된 빔이 렌즈(520)를 지나 굴절되면서 렌즈(520)의 외부로 빔이 방사되는 과정을 설명하였다. 도 5 내지 도 7의 내용을 정리하면, 렌즈(520)의 외부로 빔이 방사되는 경로, 즉 제2 경로(514)는 다음과 같은 원인들에 의해 결정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 안테나(510)의 방사각(511) 및 렌즈(520) 내부의 굴절률이 조절됨으로써, 제1 각(560) 및 제1 점(521)에서의 입사각(521a) 및 굴절각(521b)이 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 안테나(510)의 방사각(511) 및 렌즈(520) 내부의 굴절률이 조절됨으로써, 제2 점(522)에서의 입사각(522a) 및 굴절각(522b)이 조절될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 렌즈(520)의 제1 면(530)과 제2 면(540)의 곡률이 조절됨에 따라 렌즈(520)의 외부로 방사되는 굴절각(예를 들어, 제2 점(522)에서의 굴절각(522b))이 조절될 수 있다. 도면에 개시되지는 않았으나, 렌즈(520)의 제1 면(530)과 제2 면(540)의 곡률에 의해서 렌즈(520)의 구조가 특정될 수 있다. 렌즈(520)의 구조를 특정하기 위한, 렌즈(520)의 제1 면(530)의 곡률은 이하의 <수학식 15>, 렌즈(520)의 제2 면(540)의 곡률은 이하의 <수학식 16>에 의해 결정될 수 있다.
Figure pat00036
상기 r1은 제1 면(530)의 제1 반지름(532), 상기 r2는 제1 면(530)의 제2 반지름(533), 상기
Figure pat00037
p1은 안테나(510)에서 방사된 제1 빔(512)의 방사각(511)을 의미한다.
Figure pat00038
상기 l1은 제2 면(540)의 제3 반지름(542)을 의미한다.
<수학식 15>에서 언급한 바와 같이, 렌즈(520)의 제1 면(530)의 곡률은 제1 반지름(532), 제2 반지름(533) 및 방사각(511)에 의해서 결정될 수 있다. 이 때, 제1 면(530)의 곡률에 따라 제1 점(521)에서의 기울기가 달라진다. 제1 면(530)의 곡률은 <수학식 7>를 참고할 때, 제1 각(550)에 영향을 미칠 수 있다. <수학식 8>을 참고하면, 제1 각(550)이 조절됨에 따라 제1 점(521)에서의 입사각(521a)이 조절될 수 있다. 또한, <수학식 16>에서 언급한 바와 같이, 렌즈(520)의 제2 면(540)의 곡률은 제3 반지름(542)에 의해서 결정될 수 있다. 이 때, 제2 면(540)의 곡률은 제3 반지름(542)에 의해 결정된다. 제2 면(540)의 제3 반지름(542)에 따라 굴절된 제1 경로(513)에 따른 빔이 제2 면(540)에 입사하는 지점, 즉 제2 점(522)의 위치가 달라진다. 따라서, 제2 면(540)의 곡률은 제3 각(570) 및 제2 점(522)에서의 입사각(522a)에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 렌즈(520)의 제1 면(530)과 제2 면(540)의 곡률이 조절됨에 따라 렌즈(520)의 외부로 방사되는 굴절각이 조절될 수 있다.
즉, 렌즈(520)의 설계 시, 각 면의 곡률을 설계함에 있어 상술된 원리가 적용될 수 있다. 예를 들어, 제1 면(530)의 제1 반지름(532)을 높이면서 특정 지점에서의 곡률은 유지하고 싶은 경우, 제1 면(530)의 제2 반지름(533) 및 제1 빔(512)의 방사각(511)을 조절하여, 제1 면(530)의 특정 지점에서의 곡률은 유지하면서 구조는 상이한 렌즈가 생성될 수 있다. 뿐만 아니라, 렌즈(520)의 두께에 따라 제1 면(530)을 통과한 빔이 제2 면(540)에 입사하는 지점이 달라지게 된다. 예를 들어, 기존의 제1 경로(513)이 유지된다고 가정할 때, 렌즈(520)의 두께가 감소하면, 즉 제2 면(540)의 제3 반지름(542)가 짧아지면, 제2 점(522)은 기존보다 제1 점(521)에 가까운 곳에서 형성될 수 있다. 이에 따라, 제3 각(570) 및 제2 점(522)에서의 입사각(522a) 및 굴절각(522b)가 달라질 수 있다. 예를 들어, 렌즈(520)의 두께를 얇게 설계하는 경우, 렌즈(520)의 제2 경로(514)가 변경될 수 있는 바, 이를 고려하여 렌즈(520)의 유전체가 갖는 굴절률 등을 조절하여, 기존과 동일한 굴절각(522b)을 형성하는 렌즈를 설계할 수 있다.
이하에서는, 안테나(510)와 렌즈(520)를 포함하는 전자 장치에 있어서, 안테나(510)에서 방사된 빔의 방사각에 따른 렌즈(520)의 외부로 방사되는 빔의 이득(gain)을 설명한다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 안테나와 렌즈의 예를 도시한다. 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 렌즈 배치에 따른 성능을 나타내기 위한 그래프이다.
도 8을 참고하면, 전자 장치(800)는 안테나(810)와 렌즈(820)을 포함할 수 있다. 이 때, 안테나(810)는 x축과 y축이 만나는 지점, 즉, 원점에 안테나의 중심이 배치될 수 있다. 또한, 안테나(810)의 방사 경로상에, 안테나(810)와 인접한 방향에 배치되는 내부면과 반대방향에 배치되는 외부면을 포함하는 렌즈(820)가 배치될 수 있다. 각
Figure pat00039
는 안테나(810)에서 방사되는 빔이 y축과 이루는 각을 의미할 수 있다. 이 때, 각
Figure pat00040
는 안테나(810)에서 방사되는 빔이 주엽(main lobe)와 부엽(side lobe)를 포함할 때, 주엽과 y축이 이루는 각을 의미할 수 있다.
또한, 도 8은 도 5 내지 도 7에서 도시된 전자 장치(500)를 y축을 기준으로 하여 360°회전하여 형성되는 입체도형을 xy평면을 기준으로 절단하여 z축 상에서 바라본 전자 장치(800)를 나타낸 도면이다. 도 8의 전자 장치(800)에는 도 5 내지 도 7의 전자 장치(500)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(820)는 도 5 내지 도 7의 렌즈(520)와 동일하게 이해될 수 있다.
도 9는 안테나(810)에서 방사된 빔이 단일 유전체(예: 유전율=3.7, 유전손실=0.02)를 포함하는 렌즈(820)를 지나 굴절되면서 외부로 방사되는 경우, y축을 기준으로
Figure pat00041
만큼 떨어진 지점에서의 방사된 빔의 이득을 도시한다. 안테나(810)에서 방사된 빔은 주엽(main lobe)과 부엽(side lobe)을 포함하며, 빔의 이득은 주엽과 부엽의 합성에 의해서 결정될 수 있다. 이에 따라, 도 9는 주엽이 y축과 이루는 각인 방사각(예: 도 8의
Figure pat00042
)을 변화시키면서 형성되는 빔의 이득을 도시한다.
도 9를 참고하면, 제1 그래프(901)는 안테나(810)에서 방사된 빔의 주엽의 방사각이 0°일 때, y축을 기준으로
Figure pat00043
에서의 빔의 이득을 나타낸다. 제2 그래프(903)는 안테나(810)에서 방사된 빔의 주엽의 방사각이 30°일 때, y축을 기준으로
Figure pat00044
에서의 빔의 이득을 나타낸다. 제3 그래프(905)는 안테나(810)에서 방사된 빔의 주엽의 방사각이 60°일 때, y축을 기준으로
Figure pat00045
에서의 빔의 이득을 나타낸다. 제4 그래프(907)는 안테나(810)에서 방사된 빔의 주엽의 방사각이 82°일 때, y축을 기준으로
Figure pat00046
에서의 빔의 이득을 나타낸다.
제1 그래프(901)를 참고하면, 안테나(810)에서 방사된 빔의 주엽의 방사각(이하, "주엽의 방사각"을 "방사각"이라 한다.)이 0°일 때, 렌즈(820)를 통과하면서 굴절된 빔의 이득은
Figure pat00047
가 약 0°되는 지점에서 약 7.5dBi로 최대가 됨을 확인할 수 있다. 또한, 제2 그래프(903)를 참고하면, 안테나(810)에서 방사된 빔의 방사각이 30°일 때, 렌즈(820)를 통과하면서 굴절된 빔의 이득은
Figure pat00048
가 약 30°되는 지점에서 약 7.5dBi로 최대가 됨을 확인할 수 있다. 또한, 제3 그래프(905)를 참고하면, 안테나(810)에서 방사된 빔의 방사각이 60°일 때, 렌즈(820)를 통과하면서 굴절된 빔의 이득은
Figure pat00049
가 약 60°되는 지점에서 약 7.5dBi로 최대가 됨을 확인할 수 있다. 또한, 제4 그래프(907)를 참고하면, 안테나(810)에서 방사된 빔의 방사각이 82°일 때, 렌즈(820)를 통과하면서 굴절된 빔의 이득은
Figure pat00050
가 약 82°되는 지점에서 약 6dBi로 최대가 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 전자 장치(800)는 안테나(810)에서 방사된 빔의 방사각이 약 60°이상이 되더라도, 렌즈(820)를 통과한 빔의 이득은 약 60°이상에서도 목표하는 값(예를 들어, 빔의 이득이 최대인 0°에서의 빔의 이득 값과 비교하여 방사각에 따른 최대 이득 값의 차이가 약 6dBi 이내)을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 9를 참고하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는 상술된 바와 같이 렌즈의 내부면 및 외부면의 곡률, 렌즈에 포함되는 유전체의 굴절률 및 안테나에서 방사되는 빔의 방사각을 조절하는 것으로써, 광각(예를 들어, 최대 조향 각도가 약 60°이상)의 빔 조향을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 렌즈의 내부면 및 외부면의 곡률과 렌즈 내부의 유전체들의 굴절률 값의 한계를 고려하여, 전자 장치는, 안테나에서 방사되는 빔의 방사각을 조절함으로써, 렌즈의 외부로 방사되는 빔의 굴절각을 조절할 수 있다. 전자 장치는, 상술된 도 5 내지 도 7의 원리에 따라, 렌즈 외부로 방사되는 빔의 굴절을 조절함으로써 광각의 빔 조향을 수행할 수 있다. 안테나에서 방사되는 빔의 방사각을 조절하는 방법은 안테나의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 위상 배열 안테나는 전기적 신호에 의해서 위상을 조절하여 방사각을 조절할 수 있다. 또 다른 예를 들어, active 렌즈는 물리적으로 방사체의 방사 방향을 달라지게 하여 방사각을 조절할 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시 예에 따른 렌즈를 포함하는 전자 장치는 안테나의 종류에 무관하게 적용될 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 본 개시의 원리는 전자 장치에 포함되는 렌즈의 설계에 적용될 수 있다. 안테나에서 방사되는 빔의 방사각의 한계를 고려하여, 렌즈의 내부면 및 외부면의 곡률, 렌즈 내부의 유전체들의 굴절률을 조절하여 렌즈가 설계될 수 있다. 안테나에서 형성되는 빔의 방사각이 같더라도 안테나에서 형성되는 빔이 어느 렌즈에 입사하는지에 따라 렌즈의 외부로 방사되는 빔의 굴절각이 달라질 수 있다. 전자 장치는, 요구되는 광각에 따라 정해지는 렌즈를 이용하여, 렌즈의 외부로 방사되는 빔의 굴절각을 조절하여 광각의 빔 조향을 수행할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는, 위상 배열 안테나에 렌즈를 부가하는 종래의 ILA(integrated lens antenna)기술과 비교하여, 제작 공정이 간소하고 임의의 안테나에 적용될 수 있어 실용적이다. 또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는, 광각의 빔 조향 시에도 광각이 아닌 경우와 유사한 빔의 이득을 형성할 수 있다. 예를 들어, 기존의 ILA 기술에 따른 단일 또는 복수의 유전체로 구성되며 입체구조(예: 구형(spherical), 연장된 반구형(extended hemispherical), 타원체(elliptical), 계단식 구조(stepped profile) 등)를 갖는 렌즈를 이용한 경우, 최대 조향 각도가 약 60°이하로서 광각 조향이 불가능하다. 그러나 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는 단일 유전체로 구성되는 렌즈를 이용하여 최대 조향 각도가 약 60°이상 약 90°미만에 이르는 광각 조향이 가능하다. 또 다른 예를 들어, 기존의 ILA 기술에 따른 메타물질(metamaterial)로 구성되는 렌즈를 포함하는 전자 장치는 최대 조향 각도가 약 90°로서 광각 조향이 가능하나 협대역에만 이용가능하여 실용성이 떨어진다. 그러나, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는 광각 조향이 가능하고, 상술한 <수학식>들을 고려할 때, 렌즈를 통과하는 빔의 주파수 대역폭에 상관없이 이용가능한 바 실용성이 높다. 또 다른 예를 들어, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는 임의의 안테나(예: 선형(lienar) 위상 배열 안테나, 판형(planar) 위상 배열 안테나, 3차원(tridimensional) 구조의 위상 배열 안테나 등)에 적용될 수 있어 실용성이 높다.
상술된 바와 같은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 무선 통신 시스템에서의 빔포밍 장치에 있어서, 위상 배열 안테나(phased array antenna), 적어도 하나의 무선 통신 회로 및 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 위상 배열 안테나를 향하는 방향인 제1 방향을 향하는 제1 면 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 향하는 제2 면을 포함하고, 상기 위상 배열 안테나에서 방사된 제1 빔이 상기 제1 면의 제1 점을 지나 굴절되고, 상기 제1 빔은 상기 렌즈의 내부에서 제1 경로 및 상기 제1 경로를 따라 상기 렌즈의 내부를 통과하여 상기 제2 면의 제2 점을 지나 굴절되는 제2 경로를 형성하고, 상기 제2 점에서의 굴절각은 상기 제1 빔의 방사각에 의존적인(depending on)으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 면은 타원체(ellipsoidal)의 일면에 해당하고, 상기 타원체의 반지름 중 길이가 최소인 반지름을 제1 반지름, 길이가 최대인 반지름을 제2 반지름이라 할 때, 상기 제1 반지름, 상기 제2 반지름, 및 상기 제1 빔의 방사각의 변화에 의해 상기 제1 면의 곡률이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 면은 구체의(spherical) 일면에 해당하고, 상기 구체의 반지름을 제3 반지름이라 할 때, 상기 제3 반지름의 변화에 의해 상기 제2 면의 곡률이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 위상 배열 안테나의 중심과 상기 렌즈의 중심이 일 직선상에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 렌즈는 단수의 층(layer)을 갖는 단일 유전체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 렌즈는 복수의 층(layer)을 갖는 복수 유전체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 복수의 층(layer)을 갖는 복수의 유전체는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 빔의 방사각 및 상기 제1 면의 곡률의 변화에 의해 상기 제1 점에서의 입사각이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 렌즈의 적어도 하나의 유전체의 굴절률 및 상기 제1 점에서의 입사각의 변화에 의해 상기 제1 점에서의 굴절각이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 점에서의 굴절각 및 상기 제2 면의 곡률의 변화에 의해 상기 제2 점에서의 입사각이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 렌즈의 적어도 하나의 유전체의 굴절률 및 상기 제2 점에서의 입사각의 변화에 의해 상기 제2 점에서의 굴절각이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 점에서의 굴절각이 상기 제1 점에서의 방사각보다 큰 값을 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 점에서의 굴절각이 60°이상 90°미만일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 위상 배열 안테나는 선형(linear) 배열로 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 위상 배열 안테나는 판형(planar) 배열로 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 위상 배열 안테나는 3차원(tridimensional) 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 점에서의 굴절각의 제1 굴절각 값에 따른 상기 방사각의 제1 방사각 값은 상기 제2 점에서의 굴절각의 제2 굴절각 값에 따른 상기 방사각의 제2 방사각 값과 다르고, 상기 제1 굴절각 값은 상기 제2 굴절각 값과 다를 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 렌즈는 제1 렌즈이고, 상기 제1 렌즈의 상기 제2 빔의 경로 상에 이격되어 배치되는 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 렌즈는 상기 제2 경로가 상기 제1 빔의 방사 경로와 평행하지 않도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 위상 배열 안테나의 위상 패턴(pattern)을 조절하기 위한 통신부를 더 포함할 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 (20)

  1. 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치에 있어서,
    위상 배열 안테나(phased array antenna);
    적어도 하나의 무선 통신 회로; 및
    렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 위상 배열 안테나를 향하는 방향인 제1 방향을 향하는 제1 면 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 향하는 제2 면을 포함하고,
    상기 위상 배열 안테나에서 방사된 제1 빔이 상기 제1 면의 제1 점을 지나 굴절되고, 상기 제1 빔은 상기 렌즈의 내부에서 제1 경로 및 상기 제1 경로를 따라 상기 렌즈의 내부를 통과하여 상기 제2 면의 제2 점을 지나 굴절되는 제2 경로를 형성하고,
    상기 제2 점에서의 굴절각은 상기 제1 빔의 방사각에 의존적인(depending on), 빔포밍 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 면은 타원체(ellipsoidal)의 일면에 해당하고,
    상기 타원체의 반지름 중 길이가 최소인 반지름을 제1 반지름, 길이가 최대인 반지름을 제2 반지름이라 할 때, 상기 제1 반지름, 상기 제2 반지름, 및 상기 제1 빔의 방사각의 변화에 의해 상기 제1 면의 곡률이 변화되는, 빔포밍 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 면은 구체의(spherical) 일면에 해당하고,
    상기 구체의 반지름을 제3 반지름이라 할 때, 상기 제3 반지름의 변화에 의해 상기 제2 면의 곡률이 변화되는, 빔포밍 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나의 중심과 상기 렌즈의 중심이 일 직선상에 배치되는, 빔포밍 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는 단수의 층(layer)을 갖는 단일 유전체를 포함하는, 빔포밍 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는 복수의 층(layer)을 갖는 복수 유전체를 포함하는, 빔포밍 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수의 층(layer)을 갖는 복수의 유전체는 서로 다른 굴절률을 갖는, 빔포밍 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 빔의 방사각 및 상기 제1 면의 곡률의 변화에 의해 상기 제1 점에서의 입사각이 변화되는, 빔포밍 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 렌즈의 적어도 하나의 유전체의 굴절률 및 상기 제1 점에서의 입사각의 변화에 의해 상기 제1 점에서의 굴절각이 변화되는, 빔포밍 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 점에서의 굴절각 및 상기 제2 면의 곡률의 변화에 의해 상기 제2 점에서의 입사각이 변화되는, 빔포밍 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 렌즈의 적어도 하나의 유전체의 굴절률 및 상기 제2 점에서의 입사각의 변화에 의해 상기 제2 점에서의 굴절각이 변화되는, 빔포밍 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 점에서의 굴절각이 상기 제1 점에서의 방사각보다 큰 값을 갖는, 빔포밍 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 점에서의 굴절각이 60°이상 90°미만인, 빔포밍 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는 선형(linear) 배열로 배치되는, 빔포밍 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는 판형(planar) 배열로 배치되는, 빔포밍 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는 3차원(tridimensional) 구조를 갖는, 빔포밍 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 점에서의 굴절각의 제1 굴절각 값에 따른 상기 방사각의 제1 방사각 값은 상기 제2 점에서의 굴절각의 제2 굴절각 값에 따른 상기 방사각의 제2 방사각 값과 다르고,
    상기 제1 굴절각 값은 상기 제2 굴절각 값과 다른, 빔포밍 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는 제1 렌즈이고,
    상기 제1 렌즈의 상기 제2 빔의 경로 상에 이격되어 배치되는 제2 렌즈를 더 포함하는, 빔포밍 장치.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 제2 경로가 상기 제1 빔의 방사 경로와 평행하지 않도록 구성되는, 빔포밍 장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나의 위상 패턴(pattern)을 조절하기 위한 통신부를 더 포함하는, 빔포밍 장치.
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