KR20220134466A - 4중 편파 안테나 어레이 및 이를 이용한 빔들의 공간적인 편파 분리 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 4중 편파 안테나 시스템은 복수의 RF 체인들, 및 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들과 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들이 수평 방향으로 번갈아 가며 배열된 안테나 어레이를 포함한다. 상기 제1 이중 편파 안테나 유닛과 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 상이한 이중 편파 특성을 가진다. 상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들은 +/-45° 편파를 가진 적어도 하나의 제1 빔과 적어도 하나의 제2빔을 형성하는 데에 이용되고, 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들은 0°/90° 편파를 가진 적어도 하나의 제3 빔과 적어도 하나의 제4 빔을 형성하는 데에 이용된다. 상기 제1 빔, 상기 제2 빔, 상기 제3 빔 및 상기 제4 빔은 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성되며, 상기 제1 빔들과 상기 제3빔들은 메인 로브에 해당하고, 상기 제2 빔과 상기 제4빔은 그레이팅 로브에 해당한다.

Description

4중 편파 안테나 어레이 및 이를 이용한 빔들의 공간적인 편파 분리{QUAD-POLARIZED ANTENNA ARRAY AND SPATIAL POLARIZATION SEPARATION USING THE SAME}

본 발명은 인접한 빔들이 서로 상이한 이중 편파를 가지도록 빔들을 공간적으로 분리함으로써, 무선 채널의 직교성을 향상시켜 시스템의 채널 용량을 증대시킬 수 있는 어레이 안테나 시스템에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

안테나의 편파는 지구 표면에 대한 전파의 전기장(즉, E-평면) 방향을 말하며, 안테나 엘리먼트의 물리적 구조와 방향에 적어도 부분적으로 의존하여 결정된다. 예컨대, 간단한 직선형 안테나 엘리먼트는 수직으로 장착될 때 하나의 편파를 가지며 수평으로 장착될 때 다른 편파를 갖는다. 전파의 자기장은 전기장과 직각을 이루지만 관례적으로 안테나 엘리먼트의 편파는 전기장의 방향을 가리키는 것으로 이해된다.

이동통신에서, MIMO(multiple-input multiple-output) 안테나는 다중 경로에 의한 페이딩(fading) 영향을 감소시키고, 편파 다이버시티(diversity) 기능을 수행하기 위해 이중 편파(dual-polarized) 안테나로 설계되는 것이 일반적이다. 그러나 다중 빔을 사용하는 Massive MIMO(multi-input and multi-output) 시스템에서는 서로 인접하는 빔들 간 간섭으로 인하여 무선 채널의 상관계수가 높아지고, 이로 인해 공간 자원을 효율적으로 사용하기 어렵다.

본 발명은 안테나의 이득을 높이기 위해, 각기 상이한 편파를 가지는 빔들을 통해 공간(섹터)를 분리하는 데에 적합한 안테나 어레이의 구성과 이를 이용한 빔들의 공간 다중화를 제시한다.

본 발명에 따른 4중 편파 안테나 시스템은 복수의 RF 체인들, 및 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들과 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들이 수평 방향으로 번갈아 가며 배열된 안테나 어레이를 포함한다. 상기 제1 이중 편파 안테나 유닛과 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 상이한 이중 편파 특성을 가진다.

상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들은 +/-45° 편파를 가진 적어도 하나의 제1 빔과 적어도 하나의 제2빔을 형성하는 데에 이용되고, 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들은 0°/90° 편파를 가진 적어도 하나의 제3 빔과 적어도 하나의 제4 빔을 형성하는 데에 이용된다. 상기 제1 빔들과 상기 제3빔들은 메인 로브에 해당하고, 상기 제2 빔과 상기 제4빔은 그레이팅 로브에 해당한다.

상기 제1 빔, 상기 제2 빔, 상기 제3 빔 및 상기 제4 빔은 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성된다. 상기 제1 빔과 상기 제2 빔은 서로 공간적으로 인접하지 않으며, 상기 제3 빔과 상기 제4빔은 공간적으로 서로 인접하지 않는다. 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 각각은, 상기 제3 빔과 상기 제4 빔 중 적어도 하나에 인접하여 형성된다.

상기 제1 이중 편파 안테나 유닛은 서로 수직교차하는 제1 안테나 엘리먼트와 제2 안테나 엘리먼트를 구비하고, 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 수직교차하는 제3 안테나 엘리먼트와 제4 안테나 엘리먼트들을 구비한다. 상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 안테나 엘리먼트들은 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 안테나 엘리먼트들에 대해 45도 각도를 이룬다.

상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들 각각에서, 상기 제1 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, 상기 제2 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들 각각에서, 상기 제3 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제3 서브어레이를 형성하고, 상기 제 4 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제4 서브어레이를 형성한다.

서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제1 서브어레이들이 제1 RF 체인에 연결되고, 서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제2 서브어레이들이 제2 RF 체인에 연결되고, 서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제3 서브어레이들이 제3 RF 체인에 연결되고, 서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제4 서브어레이들이 제4 RF 체인에 연결된다. 한 쌍의 서브어레이들 간에 RF 체인까지의 RF 경로 차이(그로 인한 위상 차이)에 의해 빔의 방향이 결정될 수 있다.

도 1a는 이중 편파 어레이를 이용하는 4T4R 안테나 시스템의 일 예를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.
도 2a는 이중 편파 안테나 어레이를 이용한 4T4R 안테나 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.
도 3a는 본 개시의 일 측면에 따른, 4중 편파(quad-polarized) 안테나 어레이를 이용한 4T4R 안테나 시스템의 일 예를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.
도 4a는 본 개시의 다른 측면에 따른, 4중 편파 안테나 어레이를 이용한 8T8R 안테나 시스템의 일 예를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 개시의 기술들은, 인접한 빔들이 서로 상이한 이중 편파 특성을 가지도록, 공간적인 편파 분리를 달성하는 데에 유용한 안테나 어레이 구성에 관한 것이다.

본 개시에 따른 안테나 어레이는 제1 이중 편파 안테나 유닛들과 제2 이중 편파 안테나 유닛들로 구성된다. 제1 이중 편파 안테나 유닛과 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 다른 이중 편파 특성을 가진다.

제1 이중 편파 안테나 유닛들은 적어도 하나의 제1 빔과 적어도 하나의 제2 빔을 생성하는 데에 사용되며, 제2 이중 편파 안테나 유닛들은 적어도 하나의 제3 빔과 적어도 하나의 제4빔을 생성하는 데에 사용된다. 제1 빔들과 제3빔들은 메인 로브(main lobe)에 해당하고, 제2 빔과 제4빔은 그레이팅 로브(grating lobe)에 해당한다. 제1 빔과 제2 빔은 동일한 이중 편파 특성을 가지며, 제3 빔과 제4 빔은 동일한 이중 편파 특성을 가지며, 반면, 제1 빔과 제2 빔은 제3 빔과 제4 빔과는 상이한 이중 편파 특성을 가진다.

제1 빔 내지 제4 빔은 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성되며, 제1 빔들과 제3빔들은 메인 로브(main lobe)에 해당하고, 제2 빔과 제4빔은 그레이팅 로브(grating lobe)에 해당한다.

제1 빔과 제2 빔은 서로 공간적으로 인접하지 않으며, 제3 빔과 제4빔은 공간적으로 서로 인접하지 않는다. 반면, 제1 빔과 제2 빔 각각은 제3 빔과 제4 빔 중 적어도 하나에 인접하여 형성된다. 따라서 공간상에서 인접한 빔들은 서로 상이한 이중 편파 특성을 가지며, 인접한 빔들이 동일한 이중 편파 특성을 가지는 것에 비해, 인접한 빔들 간의 간섭이 효과적으로 감소될 수 있다.

제안된 기술의 기술적 유용성을 더 잘 이해시키기 위해, 이중 편파 어레이를 이용하는 안테나 시스템에서, 상이한 편파 특성을 가지는 빔들을 형성하기 위해 고려될 수 있는 솔루션들에 대한 설명으로 시작하는 것이 유용할 수 있다.

도 1a는 이중 편파 어레이를 이용하는 4T4R 안테나 시스템의 일 예를 도시하며, 도 1b는 도 1a의 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.

도 1a에 도시된 이중 편파 안테나 어레이는 이중 편파 안테나 유닛들의 2개의 열들로 구성된다. 각 이중 편파 안테나 유닛은 +45° 편파의 제1 안테나 엘리먼트(101a) 및 -45° 편파의 제2 안테나 엘리먼트(101b)를 포함한다. 각 열에서, 안테나 엘리먼트들이 편파 별로 피더 라인(feeder line)에 연결된다. 즉, 각 열에서, +45° 편파의 제1 안테나 엘리먼트들(101a)이 제1 피더 라인(111a)에 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, -45° 편파의 제2 안테나 엘리먼트들(101b)이 제2 피더 라인(111b)에 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 따라서, 도 1a에 도시된 이중 편파 안테나 어레이에서, 안테나 엘리먼트들은 4개의 서브어레이로 분할된다. 4개의 서브 어레이는 피더 라인들을 통해 4개의 안테나 포트에 각각 연결된다. 각 안테나 포트에는 각각의 RF 체인이 연결된다. RF 체인 각각은 LNA(low noise amplifier) 및 PA(power amplifier), 필터 등의 RF 소자들을 포함하며, RF 송신 경로와 RF 수신 경로를 제공한다. 따라서 도 1a의 안테나 시스템은 4T4R이다.

동일한 편파 특성을 가진 안테나 엘리먼트들 사이의 간격 거리는 0.5λ인 것이 일반적이며, 여기서 λ는 안테나 어레이의 주파수 대역의 중심 주파수 지점의 파장이다. 약한 상관 관계를 보장하기 위해 간격 거리는 클수록 더 좋다. 즉, 도시된 도면에서, 인접한 열들 사이의 간격 거리는 0.5λ ~ 1λ일 수 있다.

신호들(S1~S4)에 대한 편파 합성과 원하는 빔 방향을 위한 디지털 도메인(예를 들어, 디지털 유닛)에서의 위상 조정을 통해, 도 1a 에 도시된 이중 편파 안테나 어레이로부터, 서로 상이한 이중 편파 특성을 가진 2개의 빔들(즉, +/-45° 편파의 제1 빔과 V/H 편파를 가진 제2 빔)을 상이한 공간 방향으로 형성할 수 있다.

도 1b에서 +/-45° 편파의 좌상 방향의 빔은 상이한 위상을 가진 S1 신호들을 제1 안테나 포트와 제3 안테나 포트에 제공하고, 상이한 위상을 가진 S2 신호들을 제2 안테나 포트와 제4 안테나 포트에 제공함으로써 형성된다. 도 1b에서 V/H 편파의 우상 방향의 빔은 상이한 위상을 가진 S3 신호들과 상이한 위상을 가진 S4 신호들을 제1 내지 제4 안테나 포트들에 제공함으로써 형성된다. 상이한 위상을 가진 S3 신호들이 안테나 어레이의 서브어레이들로부터 방사되면, 편파 합성의 결과로서 90°(V) 편파를 형성하고, 상이한 위상을 가진 S4 신호들이 안테나 어레이의 서브어레이들로부터 방사되면, 편파 합성의 결과로서 0°(H) 편파를 형성한다. 이중 편파 안테나 어레이를 이용하여 +/-45° 편파와 V/H 편파를 가진 빔들을 형성하는 구체적인 방법은, 예를 들어, 본원 출원인에 의해 2020년 04월 16일자로 출원된 한국특허출원번호 제10-2020-0046256호에 개시되어 있다.

도 1b를 참조하면, 수평면을 기준으로 약 40°의 빔폭을 갖는 빔들이 서로 상이한 방향을 향해 형성될 수 있다. 특히, 인접한 빔들은 상이한 이중 편파 특성을 가진다. 도 1b에서 각 빔의 이중 편파 특성을 나타내기 위해 표기된 ±45°는 그 빔이 +45° 편파와 -45° 편파를 가지는 것을 나타내며, V/H는 그 빔이 90°(V) 편파와 0°(H) 편파를 가지는 것을 나타낸다. 이는 다른 도면들에서도 동일하다. 예컨대, 좌상측을 향해 형성된 빔은 +45° 편파의 무선 신호와 -45° 편파의 무선 신호를 가지며, 우상측을 향해 형성된 빔은 90° 편파의 무선 신호와 0° 편파의 무선 신호를 가진다.

도 1a의 안테나 시스템은, 동일한 이중 편파 특성을 가진 (65도 빔폭의) 4개의 빔들을 형성하는 Legacy 안테나 시스템에 비해, 용량(capacity)를 증가시킬 수 있다. 3.5GHz 이상의 주파수 대역에서는 이중 편파 안테나 유닛들이 차지하는 공간에 비해 함체의 공간이 넓어서 비효율적이다. 그에 따라, 함체의 빈 공간을 적극적으로 활용하기 위해, 도 2a와 같은 더 많은 서브어레이들을 가진 안테나 어레이가 고려될 수 있다.

도 2a는 이중 편파 안테나 어레이를 이용한 4T4R 안테나 시스템의 다른 예를 도시하며, 도 2b는 도 2a에 도시된 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.

도 2a에 도시된 안테나 어레이는 이중 편파 안테나 유닛들의 4개의 열들로 구성된다. 각 이중 편파 안테나 유닛은 +45° 편파의 제1 안테나 엘리먼트 및 -45° 편파의 제2 안테나 엘리먼트를 포함한다. 각 열에서, 안테나 엘리먼트들이 편파 별로 피더 라인(feeder line)에 연결되어 제1 서브어레이와 제2 서브어레이를 형성한다. 따라서, 도 2a에 도시된 이중 편파 안테나 어레이에서, 안테나 엘리먼트들은 8개의 서브어레이로 분할된다. 8개의 서브 어레이는 피더 라인들을 통해 8개의 안테나 포트에 각각 연결된다. 8개의 안테나 포트는 RF 매트릭스(matrix)를 통해 4개의 RF 체인에 연결된다. 따라서 도 2a의 안테나 시스템은 4T4R이다.

도 2a의 안테나 시스템은 RF 매트릭스의 편파 재구성을 통해 상이한 공간 방향으로 4개의 독립된 빔(즉, +/-45° 편파의 2개의 빔들과 V/H 편파의 2개의 빔들)을 형성할 수 있다. RF 매트릭스는 하이브리드 커플러, 방향성 결합기, 위상 시프터와 같은 수동소자들에 의해 구현될 수 있다. RF 매트릭스의 기능은 도 1a의 안테나 시스템과 동일하게, 디지털 도메인에서 기저대역 신호들에 대한 프로세싱으로 구현될 수도 있다.

도 2b를 참조하면, 수평면을 기준으로 약 40°의 빔폭을 갖는 4개의 빔들이 서로 상이한 방향을 향해 형성될 수 있다. 특히, 인접한 빔들은 상이한 이중 편파 특성을 가진다. 예컨대, 좌측으로부터 +/-45°의 빔들과 0°/90°의 빔들이 번갈아 가며 형성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 이중 편파 안테나 어레이를 이용한 안테나 시스템들은 디지털 도메인 혹은 RF 도메인에서의 신호 처리를 통해 상이한 이중 편파 특성을 가진 빔들을 공간적으로 분리할 수 있다. 그러나, 디지털 도메인에서 수행되는 편파 합성/분리를 구현하기 위한 별도의 하드웨어가 요구되며, 그에 따라 안테나 시스템의 발열이 증가한다. RF 매트릭스에 의한 편파 재구성은 매트릭스를 구성하는 소자들로 인한 손실을 수반하며, 정확한 빔간 간격 유지가 어렵다.

전술한 바와 같이, 본 개시는, 인접한 빔들이 서로 상이한 이중 편파 특성을 가지도록, 공간적인 편파 분리를 달성하는 데에 유용한 안테나 어레이 구성을 제시한다.

도 3a는 본 개시의 일 측면에 따른, 4중 편파(quad-polarized) 안테나 어레이를 이용한 4T4R 안테나 시스템의 일 예를 도시하며, 도 3b는 도 3a에 도시된 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.

도 3a에 도시된 안테나 어레이는 제1 이중 편파 안테나 유닛들과 제2 이중 편파 안테나 유닛들로 구성된다. 제1 이중 편파 안테나 유닛과 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 다른 이중 편파 특성을 가진다. 예를 들어, 제1 이중 편파 안테나 유닛은 +45° 편파의 제1 안테나 엘리먼트(301a) 및 -45° 편파의 제2 안테나 엘리먼트(301b)를 포함하며, 제2 이중 편파 안테나 유닛은 V(90°) 편파의 제1 안테나 엘리먼트(302a) 및 H(0°) 편파의 제2 안테나 엘리먼트(302b)를 포함한다. 따라서, 본 개시에 따른 안테나 어레이는 "4중 편파 안테나 어레이"로 지칭될 수 있다.

도 3a에 도시된 안테나 어레이에서, +45°/-45°의 이중 편파 안테나 유닛들의 열과 V/H의 이중 편파 안테나 유닛들의 열이 번갈아 가며 배열되어 있다. 즉, 수평 방향으로는 +45°/-45°의 이중 편파 안테나 유닛들과 V/H의 이중 편파 안테나 유닛들이 번갈아 가며 배열되어 있으며, 수직 방향으로는 동일한 이중 편파 특성을 가진 안테나 유닛들이 배열되어 있다. 다시 말해, 서로 인접한 이중 편파 안테나 유닛들의 열은 서로 다른 이중 편파 특성을 가진다.

각 열에서, 안테나 엘리먼트들이 편파 별로 피더 라인(feeder line)에 연결되어 제1 서브어레이와 제2 서브어레이를 형성한다.

구체적으로, +45°/-45°의 이중 편파 안테나 유닛들의 열(즉, 첫 번째 열과 세 번째 열)에서, +45° 편파의 제1 안테나 엘리먼트들(301a)이 제1 피더 라인(311a)에 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, -45° 편파의 제2 안테나 엘리먼트들(301b)이 제2 피더 라인(311b)에 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. V/H의 이중 편파 안테나 유닛들의 열(즉, 두 번째 열과 네 번째 열)에서, V 편파의 제1 안테나 엘리먼트들(302a)이 제1 피더 라인(312a)에 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, H 편파의 제2 안테나 엘리먼트들(302b)이 제2 피더 라인(312b)에 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 따라서, 도 3a에 도시된 4중 편파 안테나 어레이에서, 안테나 엘리먼트들은 8개의 서브어레이로 분할된다. 8개의 서브 어레이는 피더 라인들을 통해 8개의 안테나 포트에 각각 연결된다. 8개의 안테나 포트는 4개의 RF 체인에 연결된다. 따라서 도 3a의 안테나 시스템은 4T4R이다. RF 체인들의 개수는 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들의 개수와 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들의 개수의 합과 같다.

각 편파 별로 빔을 형성하기 위해, 엇갈려 배치된 동일한 편파를 가진 2개의 서브어레이들에 하나의 RF 체인이 적용된다. 별도의 위상 시프터 없이도, 2개의 서브어레이들 간에 RF 체인까지의 RF 경로 차이(그로 인한 위상 차이)에 의해 빔의 방향이 결정될 수 있다.

주목할 점은 동일한 편파를 가진 2개의 서브어레이들 사이의 간격(d)이 λ보다 더 크다는 것이다. 예를 들어, 2개의 서브어레이들 사이의 간격(d)은 1.5λ 내지 2λ일 수 있다. λ는 안테나 어레이의 주파수 대역의 중심 주파수 지점의 파장이다. 이러한 배열에서, 원하는 빔 방향에 발생되는 메인 로브(main lobe) 외에 위상이 2π의 배수가 되는 방향에서 메인 로브의 크기에 필적하는 사이드 로브(side lobe)인 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생한다. 그레이팅 로브가 발생하는 방향은 서브어레이들 사이의 간격(d), 파장(λ), 메인 로브가 생성될 원하는 빔 방향으로의 빔 조향각(θ)에 의해 결정된다.

본 개시의 안테나 시스템은 감쇄시키는 것이 일반적인 그레이팅 로브를 활용하여, 도 2b와 유사한 빔 패턴을 형성할 수 있다.

도 3a를 참조하면, 첫 번째 열의 +45° 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트와 세 번째 열의 +45° 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트가 +45° 편파의 빔을 형성하기 위해 제1 RF 체인에 결합된다. 첫 번째 열의 -45° 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트와 세 번째 열의 -45° 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트가 -45° 편파의 빔을 형성하기 위해 제2 RF 체인에 결합된다. +45° 편파의 빔의 메인 로브와 -45° 편파의 빔의 메인 로브가 제1 공간 방향을 향해 형성되고, +45° 편파의 빔의 그레이팅 로브와 -45° 편파의 빔의 그레이팅 로브가 제2 공간 방향을 향해 형성되며, 따라서 2개의 공간 방향에 +45°/-45° 이중 편파가 존재한다.

그리고, 두 번째 열의 H(0°) 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트와 네 번째 열의 H(0°) 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트가 H(0°) 편파의 빔을 형성하기 위해 제3 RF 체인에 결합된다. 두 번째 열의 V(90°) 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트와 네 번째 열의 V(90°) 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트가 V(90°) 편파의 빔을 형성하기 위해 제4 RF 체인에 결합된다. H(0°) 편파의 빔의 메인 로브와 V(90°) 편파의 메인 로브가 제3 공간 방향을 향해 형성되고, H(0°) 편파의 빔의 그레이팅 로브와 V(90°) 편파의 빔의 그레이팅 로브가 제4 공간 방향을 향해 형성되며, 따라서 2개의 공간 방향에 H/V 이중 편파가 존재한다.

도 3b를 참조하면, 수평면을 기준으로 4개의 빔들이 서로 상이한 방향을 향해 형성될 수 있다. 특히, 인접한 빔들은 상이한 이중 편파 특성을 가지며, 예컨대, 좌측으로부터 +/-45°의 이중 편파 빔들과 0°/90°의 이중 편파 빔들이 번갈아 가며 형성된다. +/-45°의 이중 편파 빔들 중 하나는 메인 로브에 의한 것이며, 다른 하나는 그레이팅 로브에 의한 것이다. 또한, 0°/90°의 이중 편파 빔들 중 하나는 메인 로브에 의한 것이며, 다른 하나는 그레이팅 로브에 의한 것이다.

도 3a에 도시된 안테나 시스템은 RF 도메인 상에서 안테나 엘리먼트들의 서브어레이들을 RF 체인에 연결하는 간단한 컴바인너(combiner)을 구성함으로써, 편파 빔들의 공간 다중화를 달성할 수 있다. 공간 다중화된 빔 패턴의 형성은 순수한 RF 회로 구성으로 구현가능하므로, 디지털 도메인에서 구현되어야 하는 도 1a에 도시된 안테나 시스템에 비해, 신호처리를 위한 하드웨어가 요구되지 않으며 그에 따른 발열 문제도 개선될 수 있다. 또한, 도 2a에 도시된 안테나 시스템에 비해 정확한 빔간 간격 유지가 가능하며, SINR에 영향을 미치는 빔들 간의 오버랩되는 영역을 최소화할 수 있다.

도 4a는 본 개시의 다른 측면에 따른, 4중 편파 안테나 어레이를 이용한 8T8R 안테나 시스템의 일 예를 도시하며, 도 4b는 도 4a에 도시된 안테나 시스템에 의해 구현될 수 있는 예시적인 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다. 안테나 어레이의 구성을 강조하기 위해, RF 체인들과 디지털 유닛은 도 4a에서 생략되어 있다.

도 4a에 도시된 안테나 어레이는, 서로 번갈아 가며 배열된, +45°/-45°의 이중 편파 안테나 유닛들의 4개의 열과 V/H의 이중 편파 안테나 유닛들의 4개의 열을 포함한다. 즉, 수평 방향으로는 +45°/-45°의 안테나 유닛들과 V/H의 안테나 유닛들이 번갈아 가며 배열되어 있으며, 수직 방향으로는 동일한 이중 편파 특성을 가진 안테나 유닛들이 배열되어 있다.

각 열에서, 안테나 엘리먼트들이 편파 별로 피더 라인(feeder line)에 연결되어 제1 서브어레이와 제2 서브어레이를 형성한다. 따라서, 도 4a에 도시된 4중 편파 안테나 어레이에서, 안테나 엘리먼트들은 16개의 서브어레이로 분할된다. 16개의 서브 어레이는 피더 라인들을 통해 16개의 안테나 포트에 각각 연결된다. 16개의 안테나 포트는 8개의 RF 체인(미도시)에 연결된다.

각 편파 별로 빔을 형성하기 위해, 다른 열에 위치한 동일한 편파를 가진 2개의 서브어레이들에 하나의 RF 체인이 적용된다. 2개의 서브어레이들 간에 RF 체인까지의 RF 경로 차이(그로 인한 위상 차이)에 의해 빔의 방향이 결정될 수 있다.

다양한 각도의 빔 방향을 지원하기 위해, 하나의 RF 체인에 결합된 서브어레이 간의 수평방향의 간격이 도 3a에 비해 크다. 예를 들어, 첫 번째 열의 +45° 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트와 다섯 번째 열의 +45° 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트가 +45° 편파의 빔을 형성하기 위해 하나의 RF 체인에 결합된다. 두 번째 열의 H(0°)의 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트와 여섯 번째 열의 H(0°)의 편파를 가진 안테나 엘리먼트들이 연결된 안테나 포트가 하나의 RF 체인에 결합된다. 도 4b를 참조하면, 수평면을 기준으로 8개의 빔이 서로 상이한 방향을 향해 형성되며, 인접한 빔들은 상이한 이중 편파를 가진다. 전술한 바와 같이, 8개의 빔들 중에서, 4개의 빔은 그레이팅 로브에 의한 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 실시예들의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. 복수의 RF 체인들; 및
   제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들과 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들이 수평 방향으로 번갈아 가며 배열된 안테나 어레이
   를 포함하고,
   상기 제1 이중 편파 안테나 유닛과 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 상이한 이중 편파 특성을 가지며,
   상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들은 +/-45° 편파를 가진 적어도 하나의 제1 빔과 적어도 하나의 제2빔을 형성하는 데에 이용되고, 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들은 0°/90° 편파를 가진 적어도 하나의 제3 빔과 적어도 하나의 제4 빔을 형성하는 데에 이용되며,
   상기 제1 빔, 상기 제2 빔, 상기 제3 빔 및 상기 제4 빔은 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성되며, 상기 제1 빔들과 상기 제3빔들은 메인 로브에 해당하고, 상기 제2 빔과 상기 제4빔은 그레이팅 로브에 해당하는,
   4중 편파 안테나 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 빔과 상기 제2 빔은 서로 공간적으로 인접하지 않으며, 상기 제3 빔과 상기 제4빔은 공간적으로 서로 인접하지 않는, 4중 편파 안테나 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 빔과 상기 제2 빔 각각은,
   상기 제3 빔과 상기 제4 빔 중 적어도 하나에 인접하여 형성되는, 4중 편파 안테나 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 이중 편파 안테나 유닛은 서로 수직교차하는 제1 안테나 엘리먼트와 제2 안테나 엘리먼트를 구비하고, 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛은 서로 수직교차하는 제3 안테나 엘리먼트와 제4 안테나 엘리먼트들을 구비하는, 4중 편파 안테나 시스템.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 안테나 엘리먼트들은,
   상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 안테나 엘리먼트들에 대해 45도 각도를 이루는, 4중 편파 안테나 시스템.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들 각각에서, 상기 제1 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, 상기 제2 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제2 서브어레이를 형성하고,
   상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들 각각에서, 상기 제3 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제3 서브어레이를 형성하고, 상기 제 4 안테나 엘리먼트들이 피더 라인으로 연결되어 제4 서브어레이를 형성하고,
   서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제1 서브어레이들이 제1 RF 체인에 연결되고, 서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제2 서브어레이들이 제2 RF 체인에 연결되고, 서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제3 서브어레이들이 제3 RF 체인에 연결되고, 서로 상이한 열에 위치한 한 쌍의 제4 서브어레이들이 제4 RF 체인에 연결되는, 4중 편파 안테나 시스템.
7. 제6 항에 있어서,
   각 RF 체인들 간의 길이 차이에 의해 상기 제1빔 내지 제4빔의 방향이 정의되는, 4중 편파 안테나 시스템.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 RF 체인들의 개수는 상기 제1 이중 편파 안테나 유닛들의 열들의 개수와 상기 제2 이중 편파 안테나 유닛들의 열들의 개수의 합과 같은, 4중 편파 안테나 시스템.

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