KR20230085169A - 다중 대역 공유 개구 안테나 및 통신 장치 - Google Patents
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Abstract
다중 대역 공유 개구 안테나 및 통신 장치가 제공된다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 결합 어레이 요소, 주파수 결합 유닛, 저주파 급전 유닛 및 고주파 급전 유닛을 포함한다. 결합 어레이 요소는 반사 패널에 배치된다. 주파수 결합 유닛은 결합 어레이 요소에 연결된다. 주파수 결합 유닛은 주파수 결합 층을 포함한다. 주파수 결합 층은 주파수 결합기를 포함한다. 주파수 결합기는 안테나 포트, 고주파 포트 및 저주파 포트를 포함한다. 하나의 층이 있는 경우, 안테나 포트는 결합 어레이 요소에 연결되고, 저주파 포트는 저주파 급전 유닛에 연결되고 고주파 포트는 고주파 급전 유닛에 연결된다. 적어도 2개의 층이 있는 경우, 인접한 2개의 층 사이에, 상위층 저주파 포트가 하위층 안테나 포트에 연결되고, 제1층 안테나 포트가 결합 어레이 요소에 연결되고, 제1층 고주파 포트가 고주파 급전 유닛에 연결되고, 최종층 저주파 포트가 저주파 급전 유닛에 연결되고, 최종층 고주파 포트는 고주파 급전 유닛에 연결된다. 전술한 기술 솔루션에 따르면, 안테나는 다중 주파수 확장 기능을 가지고 있으며 주파수 대역에서 광각 빔 스캔 기능을 가지고 있다.
Description
본 출원은 기지국 안테나 기술 분야, 특히 다중 대역 공유 개구 안테나 및 통신 장치에 관한 것이다.
기지국 안테나 네트워크의 진화 과정에서, 안테나 설치 플랫폼의 수량이 증가하고 있으며, 안테나 설치 플랫폼을 타워에 배치할 수 있는 물리적 공간 또한 감소하고 있다. 안테나 설치 플랫폼은 안테나가 위치하는 플랫폼이다. 따라서, 다중 대역 기지국 안테나가 현재 안테나 설계의 주류가 되고 있다. 안테나 개구(antenna aperture)가 제한된 경우, 안테나 주파수의 집적도를 최대한 향상시키는 것이 안테나 기술 개발의 추세이다. 현재, 대부분의 4G 다중 대역 기지국 안테나는 광각 빔 스캐닝 기능이 없다. 그러나, 5G MIMO(multiple-in multiple-out)(다중입출력) 어레이 안테나는 유연한 3D-M-MIMO 빔포밍 기능, 광각 빔 스캐닝 기능, 높은 스펙트럼 효율을 가지고 있어 안테나 커버리지를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
다중 대역 어레이 안테나에서, 광각 빔 스캐닝은 어레이 안테나 설계의 어려움이자 과제이다. 현재, 비용 효율적인 스캐닝 및 다중 주파수 커버리지를 갖는 어레이 안테나를 설계하는 것은 여전히 어렵고, 어레이 안테나를 대규모 상업적 용도로 사용하기가 어렵다. 따라서, 현재 광각 빔 스캐닝을 구현할 수 있는 위상 어레이 안테나와 5G MIMO 안테나는 여전히 단일 주파수 및 협대역 형태로 설계되고 있다. 새로 지정된 5G 저주파 대역은 5G 고속을 지원할 수는 없지만 우수한 주파수 커버리지를 제공할 수 있어 사업자들이 선호하고 있다. 그러나, 저주파 대역과 고주파 대역 사이에는 복수의 옥타브 대역이 존재하며, 기존 고주파 안테나에 저주파 대역을 통합하는 것은 어렵다. 기지국이 5G 저주파 대역의 요구 사항을 충족해야 하는 경우, 5G 저주파 대역의 요구 사항을 충족하는 안테나를 다시 배치해야 한다. 그러나, 타워의 공간이 부족하여 새로운 안테나를 다시 배치할 공간이 없다. 또한, 새로운 안테나를 재배치하려면 추가 비용이 필요하다. 따라서, 현재 광각 빔 스캐닝을 구현하고 복수의 주파수, 특히 복수의 주파수에서 비정수 주파수 비율(non-integer frequency ratio)을 지원할 수 있는 어레이 안테나를 설계하는 것은 어렵다.
본 출원은 다중 대역 공유 개구 안테나 및 통신 장치를 제공함으로써, 안테나 어레이가 강력한 다중 주파수 확장 능력을 가지며, 상이한 주파수 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 능력을 유지할 수 있다.
제1 양태에 따르면, 다중 대역 공유 개구 안테나가 제공된다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 복수의 결합 어레이 요소(a plurality of coupled array elements), 주파수 결합 유닛, 저주파 급전 유닛 및 고주파 급전 유닛을 포함한다.
각각의 결합 어레이 요소는 반사 패널 상에 배치된다.
주파수 결합 유닛은 복수의 결합 어레이 요소에 연결된다. 주파수 결합 유닛은 적어도 하나의 주파수 결합 층을 포함한다. 각 주파수 결합 층은 적어도 하나의 주파수 결합기를 포함한다. 각 주파수 결합기는 안테나 포트, 적어도 하나의 고주파 포트 및 적어도 하나의 저주파 포트를 포함한다. 복수의 고주파 포트는 적어도 하나의 고주파 포트 그룹을 형성하고, 복수의 저주파 포트는 적어도 하나의 저주파 포트 그룹을 형성한다. 각 층에 대해, 고주파 포트 그룹의 수량은 주파수 결합기의 수량보다 크지 않고, 저주파 포트 그룹의 수량은 주파수 결합기의 수량보다 작으며, 고주파 포트 그룹의 수량은 저주파 포트 그룹의 수량보다 적지 않다.
주파수 결합 유닛이 하나의 주파수 결합 층을 포함하는 경우, 주파수 결합기의 안테나 포트는 결합 어레이 요소에 연결되고, 복수의 저주파 포트는 저주파 급전 유닛에 연결되고, 복수의 고주파 포트는 고주파 급전 유닛에 연결된다.
주파수 결합 유닛이 적어도 2개의 주파수 결합 층을 포함하는 경우, 인접한 2개의 층 사이마다 복수의 상위층(upper-layer) 저주파 포트가 하위층(lower-layer) 안테나 포트에 연결되고, 제1층 주파수 결합기의 안테나 포트가 결합 어레이 요소에 연결되고, 제1층 주파수 결합기의 복수의 고주파 포트는 고주파 급전 유닛에 연결되며, 최종층 주파수 결합기의 복수의 저주파 포트는 저주파 급전 유닛에 연결되고, 최종층 주파수 결합기의 고주파 포트는 고주파 급전 유닛에 연결된다.
저주파 급전 유닛은 저주파 신호를 공급하도록 구성된다.
고주파 급전 유닛은 저주파 신호보다 높은 적어도 하나의 유형의 주파수 신호를 공급하도록 구성된다.
전술한 솔루션에서, 저주파 포트와 고주파 포트의 상이한 조합이 사용되므로, 안테나는 강력한 다중 주파수 확장 능력을 가지며, 상이한 주파수 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 능력을 유지할 수 있다. 급전 유닛의 구조가 재구성되기 때문에, 급전 포트의 수가 줄어든다. 따라서, 하드웨어 오버헤드와 전력 소비도 감소한다. 또한, 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생도 방지할 수 있다. 또한, 급전 유닛의 구조가 재구성되기 때문에, 급전 포트의 수가 줄어든다. 따라서, 하드웨어 오버헤드 및 전력 소비도 감소된다.
특정 구현 솔루션에서, 결합 어레이 요소는 상이한 포트 그룹에 기초하여 상이한 주파수 대역의 재구성 요소를 형성하고, 저주파 포트 그룹의 저주파 포트에 대응하는 결합 어레이 요소는 공동으로 저주파 재구성 요소를 형성하고, 고주파 포트 그룹의 고주파 포트에 대응하는 결합 어레이 요소는 공동으로 고주파 재구성 요소를 형성한다.
전술한 솔루션에서, 저주파 포트와 고주파 포트는 서로 다른 물리적 개구를 갖는 요소를 형성하기 위해 재결합되어, 주파수 대역에서 광각 빔 스캐닝 능력을 향상시킨다. 또한, 안테나 비용 및 복잡성을 효과적으로 감소시켜 안테나가 우수한 주파수 확산 기능을 가질 수 있으며, 정수 비율 및 비정수 주파수 비율을 갖는 다중 대역 공유 개구 안테나를 구성하는 솔루션이 제공된다.
특정 구현 솔루션에서, 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)는 후속하는 식을 충족할 수 있다.
여기서, n1은 고주파 포트 그룹 내의 고주파 포트의 수량이고, 
는 고주파 급전 유닛에 의해 입력되는 고주파 신호에 대응하는 파장이며, n1은 양의 정수이다.
인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)가 결정된다. 이러한 방식으로, 고주파 대역에서의 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생을 피할 수 있다.
특정 구현 솔루션에서, 다중 대역 공유 개구 안테나의 최대 스캐닝 각도가 
이고, 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)는 후속하는 식을 충족할 수 있다.
인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)가 설정된다. 이러한 방식으로, 고주파 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 기능이 있을 때 격자 로브의 발생을 피할 수 있다.
특정 구현 솔루션에서, 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량은 후속하는 식을 충족할 수 있다.
여기서, 
는 저주파 급전 유닛에 의해 입력되는 저주파 신호에 대응하는 파장이고, n2는 양의 정수이며, d는 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리이다.
인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)가 결정되고, 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량(n2)이 설정된다. 이러한 방식으로, 저주파 대역의 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생을 피할 수 있다.
특정 구현 솔루션에서, 다중 대역 공유 개구 안테나의 최대 스캐닝 각도가 
인 경우, 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량(n2)은 후속하는 식을 충족할 수 있다.
저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량(n2)이 설정된다. 이러한 방식으로, 저주파 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 기능이 있을 때 격자 로브의 발생을 피할 수 있다.
특정 구현 솔루션에서, 위상 시프트 유닛은 저주파 급전 유닛 및 고주파 급전 유닛에 더 존재할 수 있다. 각각의 위상 시프트 유닛은 저주파 급전 유닛 및 고주파 급전 유닛에 의해 방사되는 전자기파의 위상 지연/리드(phase lags/leads)를 결합 어레이 요소에 대응하는 특정 위상으로 조정하도록 구성되며, 위상 시프트 유닛은 디지털 위상 시프터, 아날로그 위상 시프터 및 하이브리드 위상 시프터 중 임의의 하나 이상일 수 있다.
저주파 급전 유닛 및 고주파 급전 유닛에 의해 방사되는 전자기파의 위상 지연/리드는, 전술한 다양한 위상 시프트 유닛을 사용하여, 결합 어레이 요소에 대응하는 지정된 위상으로 조정되어, 상이한 방향으로 빔을 형성함으로써 빔 스캐닝을 완료한다.
특정 구현 솔루션에서, 결합 어레이 요소는 적어도 하나의 다이폴 어레이 요소를 포함하고, 다이폴 어레이 요소의 편파 방향은 결합 어레이 요소의 편파 방향과 평행하며, 결합 커패시터는 다이폴 어레이 요소의 맨 끝의 양측에 존재한다. 다이폴 어레이 요소의 방향이 설정된다. 이러한 방식으로, 결합 어레이 요소는 더 많은 모드에서 편파 유형을 제공하기 위해, 적어도 한 방향의 편파 방향을 가질 수 있다.
특정 구현 솔루션에서, 결합 어레이 요소가 2개의 다이폴 어레이 요소를 포함할 때, 다이폴 어레이 요소는 직교로 배치된다. 다이폴 어레이 요소들은 직교로 배치되어, 결합 어레이 요소들이 수직 방향, 수평 방향 및 ±45° 방향과 같은 상이한 방향에서 이중 편파 특징을 가질 수 있다.
특정 구현 솔루션에서, 주파수 결합기는 주파수 분배기, 듀플렉서, 및 필터 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
주파수 분배기, 듀플렉서, 또는 필터의 인터페이스의 양이 설정된다. 이러한 방식으로, 주파수 결합기의 저주파 및 고주파 포트의 수량이 확장될 수 있고, 다른 방식으로 연결이 설정될 수 있다. 또한, 주파수 분배기는 이중 주파수 유형에 국한되지 않으며, 대안적으로 삼중 주파수 또는 다중 주파수 유형의 주파수 분배기를 사용할 수 있다. 이는 안테나의 비용과 복잡성을 보다 효과적으로 감소시키고, 안테나가 양호한 주파수 확산 기능을 가질 수 있게 한다.
제2 양태에 따르면, 통신 장치가 제공된다. 통신 장치는 전술한 다중 대역 공유 개구 안테나 중 어느 하나를 포함한다. 전술한 설계에 기초하여, 안테나는 강력한 다중 주파수 확장 능력을 가지며, 상이한 주파수 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 능력을 유지할 수 있다. 또한, 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생도 피할 수 있다. 또한, 급전 유닛의 구조가 재구성되기 때문에, 급전 포트의 수가 줄어든다. 따라서, 하드웨어 오버헤드와 전력 소비도 줄일 수 있다.
도 1은 기지국 구조의 개략도이다;
도 2a 및 도 2b는 오버랩-동축 방식으로 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2c 및 도 2d는 오버랩-인터리브 방식으로 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2e는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다.
도 2f는 반사 패널 분리 기술을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2g는 광대역 유닛 공유 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2h는 도 2g에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다.
도 2i는 밀접하게 결합된 위상 어레이 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2j는 도 2i에 도시된 구조를 상이한 주파수 대역으로 분리한 개략도이다.
도 2k는 도 2i에 도시된 구조에 대응하는 공급 구조의 개략도이다.
도 3a는 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 3b는 위상 시프트 유닛을 포함하는 다중 대역 공유 개구 안테나의 구조의 개략도이다.
도 4a는 아날로그 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다.
도 4b는 디지털 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다.
도 4c는 하이브리드 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다;
도 5a 내지 도 5d는 이중 대역 안테나의 개략도이다.
도 6은 3중 대역 안테나의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7i는 평면 어레이 유형의 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 8a는 주기적으로 배열된 어레이 요소의 개략도이다.
도 8b는 비주기적으로 배열된 어레이 요소의 개략도이다.
도 8c는 더미 요소를 포함하는 배열된 어레이 요소의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 이중 극성 결합 어레이 요소의 개략도이다.
도 10은 4중 대역 단일 극성 평면 어레이의 개략도이다.
도 11은 반사형 어레이 안테나의 개략도이다.
도 12는 지능형 반사체 표면의 개략도이다.
도 13은 반사 요소의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 오버랩-동축 방식으로 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2c 및 도 2d는 오버랩-인터리브 방식으로 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2e는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다.
도 2f는 반사 패널 분리 기술을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2g는 광대역 유닛 공유 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2h는 도 2g에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다.
도 2i는 밀접하게 결합된 위상 어레이 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 2j는 도 2i에 도시된 구조를 상이한 주파수 대역으로 분리한 개략도이다.
도 2k는 도 2i에 도시된 구조에 대응하는 공급 구조의 개략도이다.
도 3a는 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 3b는 위상 시프트 유닛을 포함하는 다중 대역 공유 개구 안테나의 구조의 개략도이다.
도 4a는 아날로그 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다.
도 4b는 디지털 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다.
도 4c는 하이브리드 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다;
도 5a 내지 도 5d는 이중 대역 안테나의 개략도이다.
도 6은 3중 대역 안테나의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7i는 평면 어레이 유형의 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다.
도 8a는 주기적으로 배열된 어레이 요소의 개략도이다.
도 8b는 비주기적으로 배열된 어레이 요소의 개략도이다.
도 8c는 더미 요소를 포함하는 배열된 어레이 요소의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 이중 극성 결합 어레이 요소의 개략도이다.
도 10은 4중 대역 단일 극성 평면 어레이의 개략도이다.
도 11은 반사형 어레이 안테나의 개략도이다.
도 12는 지능형 반사체 표면의 개략도이다.
도 13은 반사 요소의 개략도이다.
본 출원의 목적, 기술적 해결책 및 장점을 보다 명확하게 하기 위해, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 출원을 상세히 설명한다.
다음은 본 출원과 관련되거나 관련될 수도 있는 단어들을 설명한다.
1. "적어도 하나"는 하나 이상을 의미하며, 즉 하나, 둘, 셋 또는 그 이상을 포함한다.
2. "복수의"는 둘 이상을 의미하며, 즉 둘, 셋, 넷 또는 그 이상을 포함한다.
3. 연결은 전기적 연결을 구현하기 위한 직접 연결 또는 다른 구성요소를 통한 간접 연결을 포함하는 결합을 의미한다.
4. 격자 로브(grating lobe)는, 어레이 안테나의 요소들 간의 간격이 충분히 큰 경우 이 요소들이 복수의 방향 중 동일한 방향으로 중첩될 때 생성되는 메인 로브 이외의 로브를 말한다.
5. 위상 어레이 레이더(phased array radar, PAR)는 개별적으로 제어되는 소형 안테나 요소를 대량으로 사용하여 안테나 어레이를 형성한다. 각 안테나 요소는 독립적인 위상 시프트 스위치에 의해 제어된다. 각 안테나 요소에 의해 전송되는 위상은 제어되므로 상이한 위상을 갖는 빔들은 결합될 수 있다. 위상 어레이의 안테나 요소에 의해 전송되는 전자기파는 간섭 원리에 따라 대부분 직선형 레이더 메인 로브에 결합된다.
6. 마이크로파 무선 에너지 전송 기술은 에너지 전송 모드이며, 위성 에너지 전송, 지향성 에너지 무기, 생물 의학, 및 2곳(two-site) 전력 전송과 같은 분야에서 좋은 응용 전망을 가지고 있다. 마이크로파 무선 에너지 전송 기술에서의 수신 안테나와 정류기 회로는 두 가지 핵심 연구 기술 포인트이다.
7. 역지향성 안테나는 안테나 어레이이며, 특히 안테나가 도착 방향으로 신호를 수신할 때 우선적으로 소스 방향으로 전력을 반환하는 안테나를 지칭한다.
8. 밀접하게 결합된 위상 어레이(tightly coupled phased array, TCPA)는 요소들 간의 강력한 결합을 통해 위상 어레이의 대역폭을 개선하기 위한 어레이 안테나이다.
9. "공동 평면"은 작동을 위해 서로 다른 주파수 대역의 안테나들에 의해 동일한 개구가 사용되는 것을 의미한다. 비공동 평면 안테나와 비교하여, 공동 평면 안테나의 경우, 서로 다른 주파수 및 편파 특징을 갖는 복수의 안테나가 동일한 개구 내에 속하도록 적절하게 설계될 수 있다. 조밀한 안테나 구조를 유지하는 것 외에도, 공동 평면 안테나는 다중 주파수 및 다중 편파 동작 성능을 가지며, 미래 안테나의 발전 추세이다.
본 출원의 실시예에서 제공되는 다중 대역 공유 개구 안테나에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 먼저 다중 대역 공유 개구 안테나의 적용 시나리오를 설명한다. 본 출원의 실시예에서 제공되는 다중 대역 공유 개구 안테나는 이동 통신 시스템에 적용 가능하다. 본 명세서의 이동 통신 시스템은, 이동 통신을 위한 글로벌 시스템(global system for mobile communications, GSM) 시스템, 코드 분할 다중 접속(code division multiple access, CDMA) 시스템, 광대역 코드 분할 다중 접속(wideband code division multiple access, WCDMA) 시스템, 일반 패킷 무선 서비스(general packet radio service, GPRS) 시스템, 롱텀 에볼루션(long term evolution, LTE) 시스템, LTE 주파수 분할 듀플렉스(frequency division duplex, FDD) 시스템, LTE 시분할 듀플렉스(time division duplex, TDD) 시스템, 범용 이동 통신 시스템(universal mobile telecommunications system, UMTS), 마이크로파 액세스를 위한 전세계 상호 운용성(worldwide interoperability for microwave Access, WiMAX) 통신 시스템, 5세대(5th generation, 5G) 시스템 또는 새로운 라디오(new radio, NR) 시스템, 미래 6세대(6th generation, 6G) 시스템 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는다.
예를 들어, 본 출원의 다중 대역 공유 개구 안테나는 위상 어레이 레이더 분야에 더 적용될 수 있다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 위상 어레이 레이더의 위상 어레이 안테나로 사용된다. 이는 레이더 스캐닝 각도를 개선하고, 스캐닝 유연성을 향상시키며, 성능을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 다중 대역 공유 개구 안테나는 마이크로파 무선 에너지 전송 분야에 더 적용될 수 있다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 마이크로파 무선 에너지 전송을 위한 수신 안테나로 사용되어, 반사기 기능을 제공하고 마이크로파 정류기 회로에 연결하여 에너지를 수신 및 변환한다. 이러한 방식으로, 에너지 전송 주파수 대역의 수신 특징에 영향을 주지 않으면서 다른 주파수 대역의 반사체 표면 특징을 재구성할 수 있으며, 무선 에너지 전송을 구현하면서 반사 재구성 요소 어레이/반사체 안테나의 장점이 고려된다.
본 출원에서의 다중 대역 공유 개구 안테나 설계는 역지향성 안테나 분야에도 더 적용될 수 있다. 역지향성 안테나의 동작 모드는 어레이 안테나가 넓은 빔 스캐닝 각도와 넓은 주파수 대역폭을 가져야 한다는 것을 결정한다. 그러나, 기존 역지향성 안테나의 큰 빔을 가진 무선 주파수 트랜시버 컴포넌트로 인해 시스템 복잡성과 비용이 크게 증가하고 역지향성 안테나의 적용이 제한된다. 본 출원은 역지향성 안테나의 안테나 어레이로 확장될 수 있다. 전술한 실시예의 다중 대역 공유 개구 안테나를 어레이 안테나로 사용하여, 다중 대역 역지향성 안테나를 구현하고 대역폭을 확장한다. 커플러가 다중 대역 공유 개구 안테나에 추가로 탑재될 수 있고, 다중 대역 공유 개구 안테나의 결합 어레이 요소가 흡수 부하에 연결되며, 간섭 신호는 커플러 보정을 통해 자동으로 추적 및 정렬되어, 어레이 RCS(레이더 단면(radar cross-section))를 감소시키고 신호 보안을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 실시예에서 제공되는 다중 대역 공유 개구 안테나는 무선 네트워크 시스템에도 적용될 수 있다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 기지국 서브시스템(base station subsystem, BBS), 지상파 무선 액세스 네트워크(UMTS terrestrial radio access network, UTRAN), UMTS(universal mobile telecommunications system, universal mobile telecommunications system) 또는 진화형 지상파 무선 액세스 네트워크(evolved universal terrestrial radio access, E-UTRAN)에 적용될 수 있으며, 무선 신호의 셀 커버리지를 제공하여 무선 네트워크의 무선 주파수 단과 UE 사이의 연결을 설정하도록 더 구성된다.
실시예들에서의 다중 대역 공유 개구 안테나는 대안적으로 신호의 수신 및 전송을 구현하기 위해 무선 액세스 네트워크 장치에 배치될 수 있다. 구체적으로, 무선 액세스 네트워크 장치는 도 1에 도시된 기지국(100)을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 기지국(100)은 GSM 또는 CDMA 시스템에서 BTS(base transceiver station)일 수도 있고, 또는 WCDMA 시스템에서 NodeB(NB)일 수도 있고, 또는 LTE 시스템에서는 진화형 NodeB(evolved NodeB)일 수도 있고, 또는 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, CRAN) 시나리오에서는 무선 제어기일 수 있거나, 또는 기지국(100)은 중계국, 액세스 포인트, 차량 장착된 장치, 웨어러블 장치, 5G 네트워크의 기지국, 미래의 진화형 PLMN 네트워크의 기지국 등, 예를 들어 새로운 무선 기지국일 수 있다. 이것은 본 출원의 실시예에서 제한되지 않는다. 기지국(100)은 무선 셀 신호 커버리지를 제공하고, 하나 이상의 셀에서 단말 장치를 서비스할 수 있다.
도 1은 기지국(100)의 가능한 구조를 나타낸다. 이러한 구조의 기지국(100)은 기지국 안테나(101), 트랜시버(Transceiver, TRX)(102) 및 기저대역 처리 유닛(103)을 포함할 수 있다. TRX(102)는 기지국 안테나(101)의 안테나 포트에 연결되어, 안테나 포트는 TRX(102)에 의해 전송되는 송신될 신호를 수신하고 기지국 안테나(101)의 방사 요소를 통해 송신될 신호를 방사하도록 구성될 수 있고, 또는 방사 요소에 의해 수신된 수신된 신호를 TRX(102)로 전송한다. TRX(102)는 원격 무선 유닛(radio remote unit, RRU)일 수 있고, 기저대역 처리 유닛(103)은 기저대역 유닛(baseband unit, BBU)일 수 있다.
기저대역 유닛은 송신될 기저대역 광 신호를 처리하고 이 송신될 기저대역 광 신호를 RRU로 전송하거나, 또는 RRU에 전송된 수신된 기저대역 신호(즉, 신호 수신 프로세스에서 RRU가 기지국 안테나(101)에 의해 수신된 수신 무선 주파수 신호를 변환하여 얻은 기저대역 신호)를 수신 및 처리하도록 구성될 수 있다. RRU는 BBU에 의해 전송된 송신될 기저대역 광신호를 송신될 무선 주파수 신호로 변환할 수 있다(기저대역 신호에 대해 필요한 신호 처리, 예를 들어 신호 증폭을 수행하는 것을 포함). 그러면, RRU는 송신될 무선 주파수 신호를 안테나 포트를 통해 기지국 안테나(101)로 전송하여, 무선 주파수 신호가 기지국 안테나(101)를 통해 방사되도록 하거나, 또는 RRU는 기지국 안테나(101)의 안테나 포트를 통해 전송된 수신 무선 주파수 신호를 수신하고, 이 수신된 무선 주파수 신호를 수신 기저대역 신호로 변환하고 수신 기저대역 신호를 BBU로 보낼 수 있다.
기지국 안테나(101)는 어레이 안테나(1011), 급전망(1012) 및 안테나 포트(1013)를 포함할 수 있다. 어레이 안테나(1011)는 기하학적 규칙에 따라 배열된 방사 요소를 포함할 수 있으며, 무선파를 수신 및/또는 방사하도록 구성된다. 급전망(1012)의 출력단은 어레이 안테나(1011)에 연결되고 어레이 안테나(1011)의 각 방사 요소에 급전하도록 구성되어, 어레이 안테나(1011)가 복수의 빔을 방사하도록 하며, 여기서 서로 다른 빔은 서로 다른 범위를 커버할 수 있다. 급전망(1012)은 어레이 안테나(1011)에서 방사되는 빔의 방사 방향을 바꾸도록 구성된 위상 시프터를 포함할 수 있다. 급전망(1012)은 수직 차원 급전망과 수평 차원 급전망을 포함할 수 있다. 수직차원 급전망은 빔의 빔 폭과 수직차원 빔 방향을 조절하도록 구성될 수 있고, 수평차원 급전망은 전송되는 신호에 대해 수평차원 빔포밍을 수행하여 빔의 빔폭, 형상 및 빔 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 급전망(1012)의 입력단은 안테나 포트(1013)에 연결되어 송수신 채널을 형성한다. 각 안테나 포트(1013)는 하나의 송수신 채널에 대응하며, 안테나 포트(1013)는 TRX(102)에 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 각 기지국 안테나(101)는 복수의 안테나 포트(1013)를 가질 수 있고, 각 기지국 안테나(101)는 복수의 TRX(102)를 가질 수 있다. 각 안테나 포트(1013)는 하나의 TRX(102)에 연결된다. 기저대역 처리 유닛(103)은 하나 이상의 TRX(102)에 연결될 수 있다.
현재, 통신 기지국은 2G, 3G, 4G, 5G의 전대역 커버리지를 구현해야 한다. 따라서, 안테나에는 서로 다른 주파수 대역에 정합되는 방사 요소가 필요하다. 현재 안테나는 다중 대역 빔 스캐닝을 구현하기 위해 주로 다음과 같은 구조를 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
구조 1: 오버랩-동축(overlap-coaxial) 방식으로 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나
도 2a는 오버랩-동축 방식을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 정면도이고, 도 2b는 오버랩-동축 방식을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 상면도이다. 저주파 어레이 요소(2011)는 보울 모양(bowl-shaped)의 요소를 사용하며 두 쌍의 다이폴을 포함한다. 보울 모양의 요소는 가운데가 비어 있으며, 고주파 어레이 요소(2012)를 배치하도록 구성된다. 여기서, 보울 내부의 고주파 어레이 요소(2012)를 보울 내부 요소라 하고, 보울 외부에 남아있는 고주파 어레이 요소(2012)를 보울 외부 요소라 한다. 저주파 어레이 요소(2011)의 개구는 고주파 어레이 요소(2012)의 개구보다 크다. 보울 내부 및 외부의 고주파 어레이 요소(2012)는 종래의 교차 다이폴을 사용하여 이중 편파 요소를 형성한다.
구조 2: 오버랩-인터리브 방식을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나
도 2c는 오버랩-인터리브 방식을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나를 정면도이고, 도 2d는 오버랩-인터리브 방식을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나를 상면도이다. 다중 대역 안테나는 저주파 어레이 요소(2021)와 고주파 어레이 요소(2022)를 엇갈리게 교차하여 사용하여 형성된다. 도 2e는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다. 기지국 안테나는 저주파 어레이 요소 및 고주파 어레이 요소를 포함할 수 있다. 저주파 어레이 요소는 저주파 급전망에 의해 전송되는 신호(
)를 수신하도록 구성되고, 고주파 어레이 요소는 고주파 급전망에 의해 전송되는 신호(
)를 수신하도록 구성된다.
구조 3: 반사 패널 분리 기술을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나
도 2f는 반사 패널 분리 기술을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 저주파 어레이 요소(2031)와 고주파 어레이 요소(2032)를 포함한다. 저주파 어레이 요소(2031)의 방사 구조는 저주파 어레이 요소(2031)에 투명하고, 저주파 어레이 요소(2031)의 일부로 사용되며, 고주파 어레이 요소(2032)의 방사 장으로도 사용된다.
구조 4: 광대역 유닛 공유 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나
도 2g는 광대역 유닛 공유 기술을 이용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다. 다중 대역 공유 개구 안테나에는 광대역 안테나 요소(2051)가 포함되며, 동일한 광대역 안테나 요소(2051)가 복수의 대역에 공유된다. 도 2h는 도 2g에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다. 안테나는 광대역 안테나 요소를 포함할 수 있다. 광대역 안테나 요소는 저주파 급전망에 의해 전송되는 신호(
)와 고주파 급전망에 의해 전송되는 신호(
)를 수신하도록 구성된다.
구조 5: 밀접하게 결합된 위상 어레이 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나
도 2i는 밀접하게 결합된 위상 어레이 기술을 사용하여 설계된 다중 대역 공유 개구 안테나의 개략도이다. 밀접하게 결합된 위상 어레이는 복수의 밀접하게 결합된 요소(2061)를 포함한다. 일반적으로, 밀접하게 결합된 위상 어레이의 각각의 밀접하게 결합된 요소(2061)의 전기적 크기는 작다. 서로 다른 주파수 대역에서 별개의 빔포밍을 구현하기 위해, 어레이 요소의 입력 포트를 주파수 분할 네트워크를 사용하여 서로 다른 주파수를 갖는 위상 시프터의 출력 포트에 별개로 연결하여 공동 평면 어레이를 구현한다. 도 2j는 상이한 주파수 대역에서 도 2i에 도시된 구조의 분리의 개략도이다. 도 2k는 도 2i에 도시된 구조에 대응하는 급전 구조의 개략도이다. 기지국 안테나는 밀접하게 결합된 요소(2061)를 포함할 수 있다. 각각의 밀접하게 결합된 요소(2061)는 저주파 급전망에 의해 전송되는 신호(
) 및 고주파 급전망에 의해 전송되는 신호(
)를 수신하도록 구성된다.
전술한 구조 1 및 2에서, 고주파 어레이 요소와 저주파 어레이 요소 사이에 방사 간섭이 발생한다. 서로 다른 유형의 고주파 어레이 요소와 저주파 어레이 요소가 필요하기 때문에, 비용도 증가한다. 또한, 고주파 어레이 요소와 저주파 어레이 요소가 배치되어 있기 때문에, 다른 주파수 대역을 확장하기 어렵다. 전술한 구조 3에서, 고주파 어레이 요소와 저주파 어레이 요소는 계층적인 3차원 구조로 있고, 구조가 복잡하고, 비용이 높으며, 실제 적용이 어렵다. 앞서 설명한 구조 4에서는 광대역 설계 중에, 대역폭 범위 내의 고주파수 대역에서 광각 빔 스캐닝을 구현하기가 어렵다. 그러나, 협대역 설계 중에는 주파수 확장을 수행할 수 없다. 전술한 구조 5에서는, 밀접하게 결합된 요소의 크기가 종래의 안테나 요소보다 작기 때문에, 급전 포트의 규모가 크고, 위상 시프터 또는 기저 대역 처리 모듈의 수량이 증가함에 따라 비용이 증가한다. 또한, 저주파 대역에서의 절연이 불량하다.
결론적으로, 현재, 다중 대역 확장, 특히 복수의 주파수에서 비정수 주파수 비율을 지원할 수 있고, 격자 로브를 생성하지 않으면서 광각 빔 스캐닝을 구현할 수 있으며, 저비용을 충족하고, 주파수 대역에서의 양호한 절연을 갖는 다중 대역 공유 개구 안테나를 제공하는 것은 여전히 어려운 실정이다.
전술한 문제를 고려하여, 본 출원의 실시예는 다중 대역 공유 개구 안테나를 제공한다. 동일한 개구의 결합 어레이 요소 상에서 서로 다른 주파수 대역이 설계되었다. 따라서, 안테나는 공동 평면 구조를 가지므로 안테나는 강력한 다중 주파수 확장 기능을 가지며 서로 다른 주파수 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 기능을 유지할 수 있다. 또한, 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생도 방지할 수 있다. 또한, 급전 유닛의 구조를 재구성하여 급전 포트의 수를 줄인다. 따라서, 하드웨어 오버헤드와 전력 소비도 줄어든다.
본 출원의 실시예에서 제공되는 다중 대역 공유 개구 안테나는 다음 조건을 충족할 수 있다. 동작 대역폭이 10:1의 대역폭을 초과하고 전대역 전압 정재파비가 2 미만이다. 이하에서는 도 3a에 도시된 구조를 상세히 설명한다. 도 3a는 본 출원에 따른 다중 대역 공유 개구 안테나 구조의 개략도이다. 다중 대역 공유 개구 안테나(101)는 복수의 결합 어레이 요소(301)를 포함할 수 있고, 각각의 결합 어레이 요소(301)는 반사 패널(302) 상에 배치된다.
주파수 결합 유닛(303)은 복수의 결합 어레이 요소(301)에 연결된다. 주파수 결합 유닛(303)은 적어도 하나의 주파수 결합 층(304)을 포함한다. 각 주파수 결합 층(304)은 적어도 하나의 주파수 결합기(305)를 포함한다. 각 주파수 결합기(305)는 안테나 포트(306), 적어도 하나의 고주파 포트(307) 및 적어도 하나의 저주파 포트(308)를 포함한다. 고주파 포트(307)는 적어도 하나의 고주파 포트 그룹을 형성하고, 저주파 포트(308)는 하나 이상의 저주파 포트 그룹을 형성한다. 각 층에 대해, 고주파 포트 그룹의 수는 주파수 결합기(305)의 수보다 크지 않고, 저주파 포트 그룹의 수는 주파수 결합기(305)의 수보다 적으며, 고주파 포트 그룹의 수는 저주파 포트 그룹의 수보다 적지 않다.
주파수 결합 유닛(303)이 하나의 주파수 결합 층(304)을 포함하는 경우, 주파수 결합기(305)의 안테나 포트(306)는 결합 어레이 요소(301)에 연결되고, 복수의 저주파 포트(308)는 저주파 급전 유닛(309)에 연결되며, 고주파 급전 유닛(310)에는 다수의 고주파 포트(307)가 연결된다.
주파수 결합 유닛(303)이 적어도 2개의 주파수 결합 층(304)을 포함하는 경우, 인접한 2개의 층 사이마다, 상위층 저주파 포트(308)가 하위층 안테나 포트(306)에 연결되고, 제1층 주파수 결합기(305)의 안테나 포트(306)는 결합 어레이 요소(301)에 연결되고, 제1층 주파수 결합기(305)의 고주파 포트(307)는 고주파 급전 유닛(310)에 연결되며, 최종층 주파수 결합기(305)의 저주파 포트(308)는 저주파 급전 유닛(309)에 연결되고, 최종층 주파수 결합기(305)의 고주파 포트(307)는 고주파 급전 유닛(310)에 연결된다.
저주파 급전 유닛(309)은 저주파 신호를 급전하도록 구성된다.
고주파 급전 유닛(310)은 저주파 신호보다 높은 적어도 하나의 유형의 주파수 신호를 급전하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 결합 어레이 요소(301)는 상이한 포트 그룹에 기초하여 상이한 주파수 대역의 재구성 요소를 형성한다. 저주파 포트 그룹의 저주파 포트(308)에 대응하는 결합 어레이 요소(301)는 공동으로 저주파 재구성 요소(311)를 형성하고, 고주파 포트 그룹의 고주파 포트(307)에 대응하는 결합 어레이 요소(301)는 공동으로 고주파 재구성 요소(312)를 형성한다.
전술한 방식으로, 동일한 결합 어레이 요소(301)에 서로 다른 주파수 대역을 적절하게 설계하여 공동 평면 구조를 형성할 수 있으며, 상이한 물리적 개구를 갖는 요소가 결합 어레이 요소(301)의 유연한 재구성을 통해 형성되어, 주파수 대역에서 광각 빔 스캐닝 기능을 향상시킬 수 있다. 또한, 안테나 비용 및 복잡도를 효과적으로 줄일 수 있어 기지국 안테나(101)가 양호한 주파수 확산 특성을 가지게 되고, 정수 비율과 비정수 주파수 비율을 갖는 다중 대역 공유 개구 안테나를 구성하는 솔루션을 제공할 수 있다. 또한, 결합 어레이 요소(301)의 재구성 후, 어레이 안테나의 격리가 요구 사항을 충족할 수 있으며, 빔 스캐닝 동안 급전 포트의 수를 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 위상 시프트 유닛(313)이 저주파 급전 유닛(309) 및 고주파 급전 유닛(310) 상에 더 존재한다.
도 3b는 위상 시프트 유닛을 포함하는 다중 대역 공유 개구 안테나의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 각 위상 시프트 유닛(313)은 저주파 급전 유닛(309) 및 고주파 급전 유닛(310)으로부터 방사되는 전자기파의 위상 지연/리드를, 결합 어레이 요소에 대응하는 특정 위상으로 조정하도록 구성되며, 위상 시프트 유닛(313)은 디지털 위상 시프터, 아날로그 위상 시프터 및 하이브리드 위상 시프터 중 어느 하나 이상이다. 저주파 급전 유닛과 고주파 급전 유닛에 의해 방사되는 전자기파의 위상 지연/리드는, 전술한 다양한 위상 시프트 유닛을 이용하여, 결합 어레이 요소에 대응하는 특정 위상으로 조정되어, 서로 다른 방향으로 빔을 형성함으로써, 빔 스캐닝을 완료할 수 있도록 한다.
구체적으로, 위상 시프트 유닛(313)은 방향성 빔을 생성하기 위해, 안테나 어레이 내의 각 안테나 요소의 가중 계수를 조정하도록 구성된다. 이를 빔포밍이라고 한다. 빔포밍 기술은 주로 세 가지 기술 솔루션, 즉 아날로그 빔포밍(analog beamforming, ABF), 디지털 빔포밍(digital beamforming, DBF), 하이브리드 빔포밍(hybrid-digital precoding beamforming, HBF)을 기반으로 한다. 간단 명료한 설명을 위해, 이하에서는 빔포밍을 구현하기 위해 1차원 어레이에서 빔 스캐닝을 수행하는 예를 사용하여 앞서 설명한 세 가지 빔포밍 방법을 설명한다. 본 출원은 1차원 빔 스캐닝에만 국한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 결합 어레이 요소의 적절한 재구성 및 급전 유닛의 적절한 레이아웃을 통해, 2차원 빔 스캐닝은 대안적으로 2차원 평면의 안테나 어레이에서 수행될 수 있으며, 안테나 어레이의 각 요소의 가중 계수를 조정하여 방향성 빔을 생성할 수 있다.
아날로그 위상 시프터는 아날로그 빔포밍 기술에 대응한다. 도 4a는 아날로그 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다. 위상 시프터는 크게 물리적 길이를 변화시키는 위상 시프터와 유전 상수를 변화시키는 위상 시프터로 분류된다. 아날로그 위상 시프터는 안테나의 후단에 위치하며 일반적으로 위상을 연속적으로 조정할 수 있다. 아날로그 위상 시프터는 아날로그 신호에 가중치를 적용한다. 송신단에서, 디지털 신호가 DAC를 통과한 후, 디지털 신호는 먼저 전력 분배기에 의해 복수의 아날로그 신호로 분해되고, 그런 다음 아날로그 위상 시프터를 사용하여 아날로그 신호에 빔포밍이 수행된다. 수신단에서, 복수의 안테나에 의해 수신된 아날로그 신호는 위상 시프터를 이용하여 결합되고 그런 다음 DAC로 전송된다.
디지털 위상 시프터는 디지털 빔포밍 기술에 대응한다. 도 4b는 디지털 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다. 디지털 위상 시프터는 진폭과 위상을 포함한 가중치를 기저대역 신호의 프론트 엔드에 적용하는 데 사용된다. 구체적으로, 송신단에서는 디지털 위상 시프터가 DAC 앞에 위치하며, 수신단에서는 디지털 위상 시프터는 ADC 뒤에 위치한다. 안테나 어레이의 수량은 무선 주파수(RF) 체인의 수량과 일대일로 대응한다. 구체적으로, 각 RF 체인에는 DAC/ADC, 주파수 믹서, 필터, 전력 증폭기의 독립적인 세트가 필요하다. 무선 주파수 체인의 수량은 포트의 수량이 증가함에 따라 증가한다.
하이브리드 위상 시프터는 하이브리드 빔포밍 기술에 대응한다. 도 4c는 하이브리드 위상 시프터의 빔포밍의 원리 다이어그램이다. 하이브리드 위상 시프터는 디지털 위상 시프터와 아날로그 위상 시프터의 특징을 통합하고 무선 주파수 채널의 수량, 비용, 성능 및 시스템 설계 복잡성 간의 균형을 이루며, 디지털-아날로그 컨버터를 캐스케이딩하여 위상 인코딩 기능을 구현한다. 하이브리드 위상 시프터는 무선 주파수 채널의 수량을 효과적으로 감소시키고, 비용과 빔 스캐닝 성능의 균형을 맞출 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 결합기(305)는 주파수 분배기, 듀플렉서, 및 필터 중 임의의 하나 이상을 포함한다.
또한, 주파수 분배기는 이중 주파수 유형에 한정되지 않으며, 삼중 주파수 또는 다중 주파수 유형의 주파수 분배기가 대안적으로 사용될 수 있다.
구체적으로, 주파수 결합기(305)에는 저주파 포트(308) 및 고주파 포트(307) 이외의 다른 주파수 대역의 포트가 존재할 수 있다. 주파수 분배기, 듀플렉서 및 필터의 인터페이스의 수량이 설정된다. 이러한 방식으로, 주파수 결합기의 저주파 및 고주파 포트의 수량을 확장하고 다양한 방식으로 연결을 설정할 수 있다. 이는 안테나의 비용과 복잡성을 보다 효과적으로 줄이고 안테나가 우수한 주파수 확산 기능을 가질 수 있도록 한다. 당업자는 주파수 결합기(305)의 저주파 포트 및 고주파 포트 이외의 다른 주파수 대역의 포트들 사이의 특정 연결 방식 및 결합기 구조를 알고 있어야 한다. 자세한 내용은 본 명세서에서 설명하지 않는다.
일부 실시예에서, 인접한 2개의 결합 어레이 요소(301)마다의 중심 사이의 거리(d)는 
을 충족시킬 수 있는데, 
는 고주파 급전 유닛(310)에 의해 입력되는 고주파 신호에 대응하는 파장이며, n1은 양의 정수이다. 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)가 결정된다. 이러한 방식으로, 고주파 대역에서의 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생을 피할 수 있다.
일부 실시예에서, 다중 대역 공유 개구 안테나(101)의 최대 스캐닝 각도가 
인 경우, 인접한 2개의 결합 어레이 요소(301)마다의 중심 사이의 거리(d)는 
을 충족시킬 수 있다. 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)가 설정된다. 이러한 방식으로, 고주파 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 기능이 있을 때 격자 로브의 발생을 피할 수 있다.
구체적으로, 빔 스캐닝 동안, 저주파 및 고주파 재구성 요소 사이의 간격은 다음 공식을 충족한다.
따라서, 결합 어레이 요소(301)를 배열할 때, 결합 어레이 요소(301)의 중심 사이의 거리(d)는 재구성 요소 사이의 간격(D)과 고주파 포트 그룹 내 고주파 포트의 수량(n1)을 기준으로 설정될 필요가 있다.
선택적으로, 고주파 포트 그룹 내의 고주파 포트의 수량이 1인 경우, 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이에 설정되는 간격(d1)은 결합 어레이 요소(301)의 중심들 사이의 거리(d)와 동일하게 설정될 수 있다.
고주파 포트 그룹 내의 고주파 포트의 수량이 m인 경우, 결합 어레이 요소(301)의 중심들 사이에 설정되는 거리(d)는 고주파 재구성 요소(312) 사이의 간격(d)을 m으로 나눈 값과 같다.
일부 다른 실시예에서, 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트(308)의 수량(n2)은 후속하는 식을 충족할 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 다중 대역 공유 개구 안테나의 최대 스캐닝 각도가 
인 경우, 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량(n2)은 후속하는 식을 충족할 수 있다.
구체적으로, 결합 어레이 요소(301)가 배열된 후, 결합 어레이 요소(301)의 중심들 사이의 거리(d)가 결정되고, 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2)이 저주파 급전 유닛(309)에 의해 입력되는 저주파 신호에 대응하는 파장(
)과 공지된 d의 값에 기초하여 결정된다.
저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트(308)의 수량은 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2)이다. 이 경우, 저주파 포트 그룹 내 저주파 포트(308)의 수량은 다음을 충족해야 한다.
본 출원의 일부 실시예에서, 다중 대역 공유 개구 안테나 상에서 결합 어레이 요소(301)를 재구성한 후, 고 주파수와 저 주파수 사이의 정수 주파수 비율이 충족될 수 있고, 고 주파수 및 저 주파수에서 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않을 수 있다. 다음 실시예에서, 다중 대역 공유 개구 안테나의 빔 스캐닝 각도는 격자 로브를 생성하는 일 없이 ±60°의 최대 스캐닝 각도에서 스캐닝이 수행되는 것을 충족한다.
도 5a는 이중 대역 안테나의 개략도이다. 이 도면에서의 결합 어레이 요소(301)는 주파수 결합기(305)의 안테나 포트에 연결되도록 구성되고, 각 주파수 결합기(305)의 고주파 포트는 고주파 급전 유닛(310)에 연결되며, 2개의 저주파 포트(308)가 하나의 그룹으로 저주파 급전 유닛(309)에 연결된다. 고 주파수는 
이고, 저 주파수는 
이며, 
는 2:1이다. 저주파 재구성 요소(311)는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 주파수 비율이 2:1인 이중 대역 안테나를 구현한다. 재구성된 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이의 간격(d1) 및 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2)은 모두 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 조건을 충족한다.
본 출원의 일부 실시예에서, 다중 대역 공유 개구 안테나에서 결합 어레이 요소(301)를 재구성한 후, 고 주파수와 저 주파수 사이의 비정수 주파수 비율이 더 충족될 수 있으며, 고 주파수 및 저 주파수에서 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다.
예 1: 도 5b는 이중 대역 안테나의 개략도이다. 저주파 재구성 요소(311)는 5개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되어, 2.5:1의 주파수 비율을 갖는 이중 대역 안테나를 구현한다. 재구성된 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이의 간격(d1)과 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2)은 모두 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 조건을 충족한다.
예 2: 도 5c는 이중 대역 안테나의 개략도이다. 저주파 재구성 요소(311)는 3개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되어, 1.5:1의 주파수 비율을 갖는 이중 대역 안테나를 구현한다. 재구성된 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이의 간격(d1)과 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2)은 모두 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 발생하지 않는 조건을 충족한다.
또한, 이중 대역 안테나를 구현하기 위해, 정수 비율 및 비정수 비율을 참조하여 결합 어레이 요소 재구성이 추가로 수행될 수 있다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 일부 저주파 재구성 요소(311)는 4개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 일부 다른 저주파 재구성 요소(311)는 3개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성될 수 있다. 재구성된 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이의 간격(d1), 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d21)(4개의 결합 어레이 요소), 및 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d22)(3개의 결합 어레이 요소)는 모두 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 조건을 충족한다.
결합 어레이 요소(301)의 재구성이 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 전제 조건을 충족하는 경우, 인접한 결합 어레이 요소들은 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 조건에 대한 간격 범위 내에서 임의로 결합될 수 있으며, 재구성되는 결합 어레이 요소들의 수량은 동일한 주파수에서는 제한되지 않는다. 즉, 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 전제하에, 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량을 임의로 설정할 수 있다. 이는 본 명세서에 한정되지 않는다.
일부 실시예에서, 고주파 급전 유닛(310)은 주파수 결합기의 고주파 포트 그룹에 저주파 신호보다 높은 적어도 2가지 유형의 주파수 신호를 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 본 실시예에서, 고주파 급전 유닛(310)은 저주파 신호보다 높은 2가지 유형의 주파수 신호를 공급하도록 구성된다. 이하에서는 가장 높은 주파수를 갖는 신호가 고주파 신호(
)이고, 두 번째로 높은 주파수를 갖는 신호는 중간 주파수 신호(
)이며, 저주파 신호는 
로 하는 예를 사용한다. 도 6은 3중 대역 안테나의 개략도이다. 저주파 재구성 요소(311)는 4개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 중간 주파수 재구성 요소(314)는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함한다. 재구성된 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이의 간격(d1), 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2) 및 중간 주파수 재구성 요소(314)의 중심들 사이의 간격(d3)은 모두 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는 조건을 충족한다.
또한, 유사하게, 본 출원의 설계 솔루션은 4중 대역 안테나 또는 N중 대역 안테나로 확장될 수 있는데, 여기서 N은 양의 정수이고, 하나의 결합 어레이 요소(301)는 복수의 대역에서 공유되어 공동 평면 어레이를 형성한다. 따라서, 다중 대역 공유 개구 안테나에서 주파수 대역의 지향성 패턴이 잘 일치하고, 초 광대역의 유연한 재구성 기능 및 주파수 확장을 구현할 수 있다. 또한, 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는 조건이 다른 주파수에서도 여전히 충족되어, 동등한 광각 빔 스캐닝 기능을 제공한다. 결합 어레이 요소(301)의 재구성을 통해, 어레이 안테나의 경우, 활성 채널의 양과 복잡성을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 급전망의 복잡성과 안테나 비용이 감소되며, 최종적으로 안테나의 종합적인 경쟁력이 향상될 수 있다.
일부 실시예에서, 안테나의 방사 효과를 향상시키기 위해, 어레이 안테나를 재구성하는 방식은 전술한 1차원 결합 어레이 요소(301)의 재구성 및 주파수 확장에 국한되지 않을 수 있으며, 대안적으로 2차원 평면에서 결합 어레이 요소(301)를 재구성할 수 있다. 도 7a는 평면 어레이 유형의 이중 대역 안테나의 개략도이다. 어레이 안테나에서, 결합 어레이 요소는 일반적으로 2차원 평면 어레이 유형으로 결합 및 배열된다. 도 7a의 두 줄의 결합 어레이 요소(301)가 예로서 사용된다. 결합 어레이 요소(301)는 주파수 결합기(305)의 안테나 포트에 연결되도록 구성되고, 각 주파수 결합기(305)의 고주파 포트는 고주파 급전 유닛(310)에 연결되며, 4개의 저주파 포트(308)는 하나의 그룹으로서 저주파 급전 유닛(309)에 연결된다. 고 주파수는 
이고, 저 주파수는 
이다. 도 7b는 저주파 재구성 요소의 개략적인 연결도이다. 저주파 재구성 요소(311)는 2*2 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성된다. 도 7c는 고주파 재구성 요소의 개략적인 연결도이다. 고주파 재구성 요소(312)는 하나의 결합 어레이 요소(301)를 포함한다. 재구성된 고주파 재구성 요소(312)의 중심들 사이의 간격(d1)과 재구성된 저주파 재구성 요소(311)의 중심들 사이의 간격(d2)은 모두 빔 스캐닝 동안 격자 로브가 생성되지 않는다는 조건을 충족한다. 따라서, 공급 포트를 위한 채널의 양이 효과적으로 감소되어 비용이 절감된다.
또한, 전술한 어레이 안테나의 재구성 방식은 전술한 1차원 및 2차원 재구성에 국한되지 않으며, 대안적으로 등각 평면 안테나 어레이 유형일 수도 있다. 도 7d는 등각 평면 어레이 유형의 안테나의 개략도이다. 도 7e는 등각 평면 어레이 유형의 안테나 급전의 개략도이다. 등각 평면 상에서의 결합 어레이 요소의 특정 재구성 방식은 전술한 재구성 방식과 동일한 개념에 기초하며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 다시 설명하지 않는다.
일부 실시예에서, 어레이 요소 재구성은 단일 편파 평면 어레이 상에서 수행될 수 있다. 단일 편파 재구성 방식은 다음과 같은 방식을 포함할 수 있다.
방식 1: 도 7f는 결합 어레이 요소를 수평 방향으로 재구성하여 형성된 평면 어레이의 개략도이다. 이 도면의 왼쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수평 방향으로 2개의 결합 어레이 요소(301)를 이용하여 수평 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여 수평 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다. 도면의 중간 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수평 방향으로 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수직 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다. 도면 오른쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수평 방향으로 2×2 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직 및 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 하나의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수직 및 수평 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다.
방식 2: 도 7g는 결합 어레이 요소를 수직 방향으로 재구성하여 형성된 평면 어레이의 개략도이다. 이 도면의 왼쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수직 방향으로 2개의 결합 어레이 요소(301)를 이용하여 수평 방향으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 하나의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수평 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다. 도면의 중간 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수직 방향으로 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 하나의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수직 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다. 도면의 오른쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수직 방향으로 2×2 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직 및 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 하나의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수직 및 수평 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다.
방식 3: 도 7h는 결합 어레이 요소를 수평 방향으로 재구성하여 형성되는 비정수 비율을 갖는 평면 어레이의 개략도이다. 이 도면의 왼쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)가 3개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 방향으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)가 2개의 결합 어레이 요소(301)를 수평 방향으로 사용하여 재구성되어, 수평 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다. 도면 우측에서는, 저주파 재구성 요소(311)가 수평 방향으로 3*3 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직 및 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)가 수평 방향으로 2*2 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직 및 수평으로 재구성되어, 수직 및 수평 방향으로 이중 대역 안테나를 재구성한다.
방식 4: 도 7i는 수평 방향으로 결합 어레이 요소를 재구성하여 형성된 3중 대역 평면 어레이의 개략도이다. 이 도면의 왼쪽 부분에서는, 저주파 재구성 요소(311)가 4개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 방향으로 재구성되고, 중간 주파수 재구성 요소(314)가 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 방향으로 재구성되며, 고주파 재구성 요소(312)는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 수평 방향으로 포함하여, 수평 방향으로 3중 대역 안테나를 재구성한다. 도면의 중간 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수평 방향으로 2*4개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 및 수직으로 재구성되고, 중간 주파수 재구성 요소(314)는 수평 방향으로 2*2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 및 수직으로 재구성되며, 고주파 재구성 요소(312)는 수평 방향으로 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수직 및 수평 방향으로 3중 대역 안테나를 재구성한다. 도면의 우측에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수평 방향으로 4*4 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 및 수직으로 재구성되고, 중간 주파수 재구성 요소(314)는 수평 방향으로 2*2 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수평 및 수직으로 재구성되며, 고주파 재구성 요소(312)는 수평 방향으로 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함하여, 수직 및 수평 방향으로 3중 대역 안테나를 재구성한다.
결합 어레이 요소(301)의 주기적 재구성 후, 재구성된 평면 어레이는 주기적 어레이이다. 결합 어레이 요소(301)에 대해 비주기적 재구성이 수행되는 경우, 재구성된 어레이는 스파스 어레이(sparse array)와 동일하다. 구체적으로, 어레이 안테나의 요구 사항에 따라 유연한 배열이 수행될 수 있다. 선택적으로, 결합 어레이 요소(301)는 평면 어레이 상에 주기적으로 또는 비주기적으로 배열될 수 있다.
방식 1: 평면 어레이는 주기적 배열을 사용한다. 도 8a는 주기적으로 배열된 어레이 요소의 개략도이다. 결합 어레이 요소(301)의 재구성은 하나의 주파수 대역에서 수행된다(이는 다른 주파수 대역과 유사하다). 재구성된 결합 어레이 요소(301)에 연결된 포트에 대해 서로 다른 여기 값을 구성하여, 최종적으로 특정 성능의 지향성 패턴 특징을 구현할 수 있다. 도면의 왼쪽 부분은 결합 어레이 요소(301)의 재구성의 개략도이고, 도면의 중간 부분은 재구성된 등가 안테나 요소의 분포의 개략도이며, 도면의 오른쪽 부분은 여기 진폭의 분포의 개략도이다. 서로 다른 여기 진폭을 나타내기 위해 서로 다른 패턴이 사용된다.
방식 2: 평면 어레이는 비주기적 배열을 사용한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 도면의 왼쪽 부분은 결합 어레이 요소(301)의 재구성의 개략도이고, 도면의 중간 부분은 재구성된 등가 안테나 요소의 분포의 개략도이며, 도면의 오른쪽 부분은 여기 진폭의 분포의 개략도이다.
방식 3: 더미 요소(더미) 영역이 스파스 어레이를 구현하기 위해 평면 어레이 상에 구성될 수 있다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 각각의 재구성된 요소는 동일한 수량 또는 다른 수량의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 재구성될 수 있다. 스파스 어레이 안테나의 경우, 어레이 성능에 대해 알고리즘 최적화가 수행될 수 있다. 도면의 왼쪽 부분은 결합 어레이 요소(301)의 재구성에 대한 개략도이다. 점선 박스로 표시된 더미 요소는 평면 어레이에 배치될 수 있고, 더미 요소에 대해서는 급전 구성이 수행되지 않아, 등가의 스파스 어레이를 구현한다. 도면의 가운데 부분은 재구성된 등가 어레이의 분포의 개략도이다. 도면의 오른쪽 부분은 등가 어레이의 진폭 분포의 개략도이다.
일부 실시예에서, 결합 어레이 요소(301)는 적어도 하나의 다이폴 어레이 요소를 포함한다.
다이폴 어레이 요소의 편파 방향은 결합 어레이 요소(301)의 편파 방향과 평행하고, 결합 커패시터는 다이폴 어레이 요소의 맨 끝의 양측에 존재한다. 다이폴 어레이 요소의 방향이 설정된다. 이러한 방식으로, 결합 어레이 요소는 더 많은 모드에서 편파 유형을 제공하기 위해 적어도 한 방향의 편파 방향을 가질 수 있다.
전술한 실시예에서, 모두 단일 편파 방향에 있는 결합 어레이 요소(301)가 제공된다. 선택적으로, 다중 대역 공유 개구 안테나는 다중 편파 방향을 더 지원할 수 있다. 다이폴 어레이 요소들은 직교로 배치되어, 결합 어레이 요소들이 수직 방향, 수평 방향 및 ±45° 방향과 같은 상이한 방향에서 이중 편파 특징을 가질 수 있다.
결합 어레이 요소(301)가 이중 편파 형태로 설계되고, 결합 어레이 요소(301)가 2개의 다이폴 어레이 요소를 포함하는 경우, 다이폴 어레이 요소들은 직교 배치된다. 직교 배치 방식은 결합 어레이 요소(301)에 대해 다음과 같은 방식을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
방식 1: 2개의 다이폴 어레이 요소는 수직 및 수평 방향으로 설계된다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 도면의 왼쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수직 및 수평 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 2개의 결합 배열 요소(301)를 이용하여 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 수직 및 수평 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 결합 배열 요소(301)를 포함한다. 도면의 중간 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수직 및 수평 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 2개의 결합 배열 요소(301)를 이용하여 수직으로 재구성되며, 고주파 재구성 요소(312)는 수직 및 수평 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 결합 배열 요소(301)를 포함한다. 도면의 우측에서, 저주파 재구성 요소(311)는 수직 및 수평 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 2×2개의 결합 배열 요소(301)를 이용하여 수직 및 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 수직 및 수평 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 1개의 결합 배열 요소(301)를 포함한다.
방식 2: 2개의 다이폴 어레이 요소는 ±45° 방향으로 설계된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 도면의 왼쪽 부분에서는 저주파 재구성 요소(311)가 ±45° 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 이용하여 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 ±45° 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함한다. 도면의 중간 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)는 ±45° 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 이용하여 수직으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 ±45°방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 1개의 결합 어레이 요소(301)를 포함한다. 도면의 오른쪽 부분에서, 저주파 재구성 요소(311)가 ±45° 방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 2개의 결합 어레이 요소(301)를 사용하여 수직 및 수평으로 재구성되고, 고주파 재구성 요소(312)는 ±45°방향으로 다이폴 어레이 요소를 포함하는 1개의 결합 배열 요소(301)를 포함한다.
또한, 본 출원은 4중 대역 안테나의 예를 제공한다. 도 10은 4중 대역 단일 편파 평면 어레이의 개략도이다. 이 도면은 12 * 12 결합 어레이 요소(301)를 포함하고, 결합 어레이 요소(301)의 물리적 개구는 19mm × 19mm이고, 어레이 요소 간격도 19mm이다. 공동 평면 어레이 안테나는 대역 3, 대역 41, 대역 42 및 LAA 대역을 포함한다. 4중 대역 안테나의 정재파 대역폭은 1.5GHz ~ 6GHz에 달할 수 있다. 본 출원에서 제공하는 다중 대역 공유 개구 안테나에 따르면, 재구성 요소에 대응하는 작동 주파수 대역에서 각 재구성된 요소의 물리적 개구는 ± 60 ° 스캐닝 중에 격자 로브가 생성되지 않는 조건을 충족시킬 수 있고, 안테나의 급전 포트의 양을 줄일 수 있으며, 재구성된 요소의 절연을 향상시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 각 주파수 대역에 대해 적절한 채널 수를 유지하고, 안테나의 급전 포트 수를 줄이며 비용을 절감하고 안테나의 종합적인 경쟁력을 향상시킨다. 구체적으로, 격자 로브가 없는 어레이 스캐닝 공식에 따르면, 결합 어레이 요소 사이의 간격은 약 0.5λLAA이다. 결합 어레이 요소(301) 사이의 간격이 0.5λLAA로 설정되면, 결합 어레이 요소(301)의 재구성은 LAA 대역의 최고 주파수에서는 수행되지 않을 수 있다. 결합 어레이 요소(301)는 LAA 대역의 안테나 요소이다. 3.5G(대역 42)에서의 재구성을 위해 최대 4개의 결합 어레이 요소(301)가 사용될 수 있고, 2.6G(대역 41)에서의 재구성을 위해 최대 9개의 결합 어레이 요소(301)가 사용될 수 있으며, 1.7G(대역 3)에서의 재구성을 위해 최대 16개의 결합 어레이 요소(301)가 사용될 수 있다. 상기와 같은 안테나 구조를 이용하면 급전 포트의 수량을 줄일 수 있고, 비용도 절감할 수 있다. 재구성 가능한 결합 어레이 요소의 최대 수량의 범위 내에서, 상이한 주파수 대역 및 상이한 안테나 요소를 포함하는 재구성 요소는 유연하게 배치될 수 있다.
선택적으로, 다음 표 1에 도시된 바와 같이, 주파수가 낮을수록 재구성 가능한 결합 어레이 요소의 수량이 많고 재구성 방식이 더 유연하다는 것을 나타낸다. 표 1의 어두운 부분은 서로 다른 주파수 대역에 대해 선택할 수 있는 결합 어레이 요소의 재구성 규모를 나타낸다. 재구성 안테나 요소 사이의 간격이 재구성 후 해당 주파수 대역 파장의 약 0.5배를 초과하지 않으면, 스캐닝 동안 격자 로브 없이 ±60도의 빔 스캐닝 각도를 충족할 수 있다. 또한, 재구성 방식이 다르기 때문에, 어레이 안테나에 설계할 수 있는 재구성 안테나 요소의 수량도 달라진다. 전술한 12*12 어레이 안테나의 경우, LAA 대역에서 최소 144개의 재구성 안테나 요소가 어레이 안테나에 설계될 수 있고, 대역 42에서 최소 36개의 재구성 안테나 요소가 어레이 안테나에 설계될 수 있고, 대역 42에서 최소 16개의 재구성 안테나 요소가 어레이 안테나에 설계될 수 있고, 대역 3에서 9개의 재구성 안테나 요소가 어레이 안테나에 설계될 수 있다. 다음 표 2에 도시된 바와 같이, 종래의 4중 대역 안테나 어레이와 비교하여, 본 출원에서 제공하는 4중 대역 안테나는 서로 다른 주파수 대역에서 동작하여, 급전 포트의 양을 줄이고 비용을 절감할 수 있다.
대역 3의 경우 급전 포트의 양을 144-9만큼 줄일 수 있고, 대역 41의 경우, 급전 포트의 양을 144-16만큼 줄일 수 있으며, 대역 42의 경우, 급전 포트의 양을 144-36만큼 줄일 수 있다. 따라서, 기존 솔루션의 급전 포트 수와 비교하여, 12×12 결합 어레이 요소가 있는 4중 대역 안테나의 경우 이 솔루션의 급전 포트 수는 
만큼 감소한다. 이에 의해, 빔포밍을 위한 안테나 복잡성과 급전 포트의 양이 효과적으로 감소한다. 대규모 스파스 안테나 어레이는 각각의 재구성된 요소의 결합 어레이 요소의 수량을 유연하게 조정함으로써 구성되어, 더 높은 성능 또는 특수 요구 사항을 가진 안테나 어레이를 구현할 수 있다.
표 1
표 2
본 출원에서 제공하는 다중 대역 공유 개구 안테나에 따르면, 결합 어레이 요소는 밀접하게 결합된 위상 어레이 기술을 기반으로 재구성되고, 결합 어레이 요소는 서로 다른 주파수 대역에서 물리적 개구의 요소로 유연하게 재구성되어, 다중 대역 공동 평면 안테나 어레이를 구현하고, 서로 다른 주파수 비율에 대해 개구를 공유하고, 주파수 대역에서 광각 빔 스캐닝 기능을 구현한다. 또한, 안테나 비용과 복잡성을 효과적으로 줄이고 강력한 다중 주파수 확장 기능을 제공하여 정수 주파수 비율과 비정수 주파수 비율을 가진 솔루션을 구축할 수 있다. 기존의 밀접하게 결합된 요소 간의 포트 절연과 비교하여, 재구성 요소 간의 포트 격리는 재구성 후 최소 6dB 향상된다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 공동 평면 형태로 설계되고 동일한 결합 어레이 요소를 공유하기 때문에, 다중 대역 공유 개구 안테나는 제조 가능성이 우수하고 주파수 대역의 지향성 패턴이 잘 일치하며 다른 주파수 대역에서 동일한 빔 스캐닝 각도를 유지할 수 있어, 지나치게 큰 간격으로 인해 격자 로브가 생성되는 문제를 해결할 수 있다. 이는 급전 포트의 양과 비용을 더욱 감소시킨다.
일부 실시예에서, 본 출원의 다중 대역 공유 개구 안테나는 반사 어레이 안테나의 설계에 더 적용될 수 있다. 도 11은 반사 어레이 안테나의 개략도이다. 반사 어레이 안테나는 급전부(1101) 및 반사체 표면(1102)을 포함한다. 반사체 표면(1102)은 일반적으로 평면 구조이다. 급전부(1101)에 의해 조사되는 평면에 배열된 요소는 안테나가 포물선 형상을 가질 수 있도록 구성된다. 주요 원리는 반사체 표면(1102) 상의 요소 구조 크기를 서로 다른 위치에서 조정하여, 안테나의 반사체 표면(1102)이 서로 다른 값의 위상 지연을 가지도록 하고, 정확한 설계를 통해 빔 초점 및 안테나의 방향을 조정할 수 있도록 하는 것이다. 그러나, 종래의 반사 어레이 안테나는 협대역 특성을 가지고 있다. 또한, 주파수에 따라 공간 위상 지연 차이가 달라지기 때문에, 종래의 마이크로 스트립 패치 요소에 의해 형성된 반사 어레이 안테나의 대역폭은 5% 미만이며, 높은 이득 대역폭을 유지하기 어렵다는 단점이 있다.
반사체 표면(1102)은 지능형 반사체 표면(intelligent reflector surface, IRS)으로 설계될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 지능형 반사체 표면(IRS)은 다음을 포함한다.
반사 진폭/위상 시프트 정보를 수신하도록 구성된 IRS 제어기(1201); IRS 제어기(1201)에 의해 트리거되고 각 반사 요소(1204)의 반사 진폭/위상 시프트를 조정하는 제어 회로 기판(1202); 및 신호 에너지 누출을 방지하도록 구성된 구리 판(1203)을 포함한다. 반사 요소(1204)에는 PIN 다이오드가 내장되어 있으며, 반사 요소(1204)의 바이어스 전압은 DC 급전기를 사용하여 제어된다. 핀 다이오드는 "온" 상태와 "오프" 상태를 전환하여 π의 위상차를 발생시킨다. 또한, 반사 진폭을 효과적으로 제어하기 위해, 반사 요소(1204)의 설계에 가변 저항 부하를 적용하고 각 반사 요소(1204)에서 저항 값을 변경하여 입사 신호 에너지의 다른 부분을 소비하여 [0,1] 내에서 제어 가능한 반사 진폭을 구현할 수 있다. 그러나, 패치 요소의 형태에 의해 제한되어, 지능형 반사체 표면의 대역폭이 낮다. 본 출원의 다중 대역 공유 개구 안테나 설계가 반사 요소에 적용되는 경우, 반사체 표면의 각 반사 요소(1204)는 결합 어레이 요소와 등가일 수 있다. 도 13은 반사 요소의 개략도이다. 다이오드, MEMS(micro-electro-mechanical system, 미세 전자 기계 시스템) 스위치 등이 각 패치 요소에 로드되어 운영하는 작동 주파수에서 반사 빔을 조정 및 제어한다. 패치 요소(1301)가 부하에 연결되고 재구성 및 조합이 수행된 후, 반사 어레이 안테나의 요소의 물리적 개구를 동등하게 연장하기 위해 제어 다이오드(1302)가 로드되어, 반사체 표면에 새로운 주파수를 추가한다. 이러한 방식으로, 다중 주파수 공유 개구 반사체 표면 기능이 구현되고 반사 어레이 안테나에 대한 대역폭 확장이 구현된다. 또는, 흡수 저항기(1303)가 재구성 요소에 추가로 로드되어, 특정 주파수 대역에서 전파 흡수 기능을 생성하고, 레이더 산란 인터페이스를 줄이고, 반사 어레이의 스텔스 기능을 구현하고, 보안을 개선할 수 있다.
또한, 본 출원의 실시예는 통신 장치를 더 제공한다. 통신 장치는 전술한 다중 대역 공유 개구 안테나 중 임의의 하나를 포함한다. 전술한 설계에서, 다중 대역 공유 개구 안테나를 포함하는 통신 장치는 강력한 다중 주파수 확장 능력을 가지며, 상이한 주파수 대역에서 강력한 광각 빔 스캐닝 능력을 유지할 수 있다. 또한, 빔 스캐닝 프로세스에서 격자 로브의 발생도 피할 수 있다. 또한, 급전 유닛의 구조가 재구성되기 때문에, 급전 포트의 수가 줄어든다. 따라서, 하드웨어 오버헤드 및 전력 소비도 감소될 수 있다.
본 출원의 솔루션에서, 본 출원에서 제공하는 다중 대역 공유 개구 안테나 및 통신 장치에 따르면, 결합 어레이 요소는 밀접하게 결합된 위상 어레이 기술을 기반으로 재구성되고, 결합 어레이 요소는 다른 주파수 대역에서 물리적 개구의 요소로 유연하게 재구성되어, 다중 대역 공동 평면 안테나 어레이를 구현하고, 상이한 주파수 비율에 대해 개구를 공유하고, 주파수 대역에서 광각 빔 스캐닝 기능을 구현한다. 또한, 안테나 비용과 복잡성을 효과적으로 줄이고 강력한 다중 주파수 확장 기능을 제공하여 정수 주파수 비율과 비정수 주파수 비율을 가진 솔루션을 구축할 수 있다. 기존의 긴밀하게 결합된 요소 간의 포트 격리와 비교하여, 재구성 요소 간의 포트 격리는 재구성 후 최소 6dB 향상된다. 다중 대역 공유 개구 안테나는 공동 평면 형태로 설계되고 동일한 결합 어레이 요소를 공유하기 때문에, 다중 대역 공유 개구 안테나는 제조 가능성이 우수하고 주파수 대역의 지향성 패턴이 잘 일치하며 상이한 주파수 대역에서 동일한 빔 스캐닝 각도를 유지할 수 있어, 지나치게 큰 간격으로 인해 격자 로브가 생성되는 문제를 해결할 수 있다. 이에 따라, 급전 포트의 수량과 비용을 더욱 줄일 수 있다.
당업자는 본 출원의 실시예가 방법, 시스템 또는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 출원은 하드웨어 전용 실시예, 소프트웨어 전용 실시예, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합을 갖는 실시예의 형태를 사용할 수 있다. 또한, 본 출원은 컴퓨터 사용 가능한 프로그램 코드를 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 사용 가능한 저장 매체(디스크 메모리, CD-ROM, 광 메모리 등을 포함하되 이에 한정되지 않음)에 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 사용할 수 있다.
본 출원은 본 출원에 따른 방법, 장치(시스템) 및 컴퓨터 프로그램 제품의 순서도 및/또는 블록 다이어그램을 참조하여 설명된다. 컴퓨터 프로그램 명령어는 순서도 및/또는 블록 다이어그램에서 각 프로세스 및/또는 각 블록을 구현하기 위해 사용될 수 있고, 순서도 및/또는 블록 다이어그램에서 프로세스 및/또는 블록의 조합을 구현하기 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 컴퓨터 프로그램 명령어는 범용 컴퓨터, 전용 컴퓨터, 임베디드 프로세서, 또는 임의의 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서가 머신을 생성하도록 제공될 수 있으며, 컴퓨터 또는 임의의 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서에 의해 실행되는 명령어들은 순서도 내의 하나 이상의 프로세스 및/또는 블록도 내의 하나 이상의 블록에서 특정 기능을 구현하기 위한 장치를 생성하도록 한다.
이들 컴퓨터 프로그램 명령어는 컴퓨터 또는 임의의 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치로 하여금 특정 방식으로 작동하게 끔 지시하도록 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장될 수 있어, 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 명령어는 명령어 장치를 포함하는 아티팩트를 생성한다. 명령어 장치는 순서도 내의 하나 이상의 프로세스 및/또는 블록도 내의 하나 이상의 블록에서 특정 기능을 구현한다.
이러한 컴퓨터 프로그램 명령어는 대안적으로 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치에 로딩될 수 있어, 이 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치에서 일련의 동작 및 단계들이 수행되어, 컴퓨터로 구현된 처리를 생성할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치에서 실행되는 명령어들은 순서도 내의 하나 이상의 절차 및/또는 블록도 내의 하나 이상의 블록에서 특정 기능을 구현하기 위한 단계들을 제공한다.
당업자는 본 출원의 범위를 벗어나지 않고 본 출원에 대한 다양한 수정 및 변형을 할 수 있음은 명백하다. 이러한 방식으로, 본 출원은 본 출원의 청구범위 및 그에 상응하는 기술의 범위 내에 속하는 경우, 본 출원의 이러한 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.
Claims (11)
- 복수의 결합 어레이 요소(plurality of coupled array elements), 주파수 결합 유닛, 저주파 급전 유닛 및 고주파 급전 유닛을 포함하는 다중 대역 공유 개구 안테나로서,
각각의 결합 어레이 요소는 반사 패널에 배치되고,
상기 주파수 결합 유닛은 상기 복수의 결합 어레이 요소에 연결되고, 상기 주파수 결합 유닛은 적어도 하나의 주파수 결합 층을 포함하고, 각 주파수 결합 층은 적어도 하나의 주파수 결합기를 포함하며, 각 주파수 결합기는 안테나 포트, 적어도 하나의 고주파 포트 및 적어도 하나의 저주파 포트를 포함하고, 복수의 고주파 포트가 적어도 하나의 고주파 포트 그룹을 형성하고, 복수의 저주파 포트가 적어도 하나의 저주파 포트 그룹을 형성하고, 각 층에 대해, 고주파 포트 그룹의 수량은 주파수 결합기의 수량보다 크지 않고, 저주파 포트 그룹의 수량은 상기 주파수 결합기의 수량보다 작고, 상기 고주파 포트 그룹의 수량은 상기 저주파 포트 그룹의 수량보다 작지 않고,
상기 주파수 결합 유닛이 하나의 주파수 결합 층을 포함하는 경우, 상기 주파수 결합기의 안테나 포트는 상기 결합 어레이 요소에 연결되고, 상기 복수의 저주파 포트는 상기 저주파 급전 유닛에 연결되고, 상기 복수의 고주파 포트는 상기 고주파 급전 유닛에 연결되고,
상기 주파수 결합 유닛이 적어도 2개의 주파수 결합 층을 포함하는 경우, 인접한 2개의 층 사이마다, 복수의 상위층 저주파 포트가 하위층 안테나 포트에 연결되고, 제1층 주파수 결합기의 안테나 포트가 상기 결합 어레이 요소에 연결되고, 상기 제1층 주파수 결합기의 복수의 고주파 포트가 상기 고주파 급전 유닛에 연결되고, 최종층 주파수 결합기의 복수의 저주파 포트가 상기 저주파 급전 유닛에 연결되고, 상기 최종층 주파수 결합기의 고주파 포트가 상기 고주파 급전 유닛에 연결되고,
상기 저주파 급전 유닛은 저주파 신호를 공급하도록 구성되고,
상기 고주파 급전 유닛은 상기 저주파 신호보다 높은 적어도 하나의 유형의 주파수 신호를 공급하도록 구성된,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항에 있어서,
상기 결합 어레이 요소는 상이한 포트 그룹에 기초하여 상이한 주파수 대역의 재구성 요소를 형성하고, 상기 저주파 포트 그룹 내의 상기 저주파 포트에 대응하는 결합 어레이 요소는 공동으로 저주파 재구성 요소를 형성하며, 상기 고주파 포트 그룹 내의 상기 고주파 포트에 대응하는 결합 어레이 요소는 공동으로 고주파 재구성 요소를 형성하는,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)는
을 충족하되,
n1은 상기 고주파 포트 그룹 내의 고주파 포트의 수량이고,는 상기 고주파 급전 유닛에 의해 입력되는 고주파 신호에 대응하는 파장이며, n1은 양의 정수인,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제3항에 있어서,
상기 다중 대역 공유 개구 안테나의 최대 스캐닝 각도가인 경우, 상기 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리(d)는,
을 충족시키는,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저주파 포트 그룹 내의 저주파 포트의 수량(n2)은,
을 충족하되,
는 상기 저주파 급전 유닛에 의해 입력되는 저주파 신호에 대응하는 파장이고, n2는 양의 정수이며, d는 인접한 2개의 결합 어레이 요소마다의 중심 사이의 거리인,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제5항에 있어서,
상기 다중 대역 공유 개구 안테나의 최대 스캐닝 각도가인 경우, 상기 저주파 포트 그룹 내의 상기 저주파 포트의 수량(n2)은,
을 충족하는,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
위상 시프트 유닛이 상기 저주파 급전 유닛 및 상기 고주파 급전 유닛에 더 존재하고,
각각의 위상 시프트 유닛은 상기 저주파 급전 유닛 및 상기 고주파 급전 유닛에 의해 방사되는 전자기파의 위상 지연/리드(phase lags/leads)를 상기 결합 어레이 요소에 대응하는 지정된 위상으로 조정하도록 구성되며, 상기 위상 시프트 유닛은 디지털 위상 시프터, 아날로그 위상 시프터 및 하이브리드 위상 시프터 중 임의의 하나 이상인,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합 어레이 요소는 적어도 하나의 다이폴 어레이 요소를 포함하고, 상기 다이폴 어레이 요소의 편파 방향은 상기 결합 어레이 요소의 편파 방향과 평행하며, 결합 커패시터가 상기 다이폴 어레이 요소의 맨 끝의 양측에 존재하는,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제8항에 있어서,
상기 결합 어레이 요소가 2개의 다이폴 어레이 요소를 포함하면, 상기 다이폴 어레이 요소는 직교로 배치되는,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 결합기는 주파수 분배기, 듀플렉서, 및 필터 중 임의의 하나 이상을 포함하는,
다중 대역 공유 개구 안테나. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 다중 대역 공유 개구 안테나를 포함하는 통신 장치.
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