KR20240044562A - 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히, 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이를 이루는 안테나 보드의 전면에 배치된 다수의 방사소자 모듈에 이중 편파의 빔 출력이 가능하도록 분기되어 전기적으로 연결되는 프론트 급전 스트립라인, 상기 안테나 보드의 전면에 배치되되, 상기 프론트 급전 스트립라인의 분기점을 연결하고 상기 방사소자 모듈의 제1편파측 및 제2편파측으로의 물리적인 전송 길이를 변화시키는 가변 접점 패턴이 구비된 고정 기판부 및 상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴에 대하여 무빙되면서 접점되는 통전 단자 패턴이 형성된 이동 기판부를 포함하고, 상기 고정 기판부는 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이가 형성하는 하나의 컬럼에 다수개가 이격되게 구비되되, 상기 이동 기판부는 상기 고정 기판부에 대응되는 개수로 구비됨으로써, 인접하는 컬럼 간 안테나 소자의 물리적인 간섭을 방지하여 제품의 슬림 제작이 가능한 이점을 제공한다.
Description
본 발명은 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치에 관한 것으로서, 안테나 장치 제품의 슬림 제작을 용이하게 하고, 다양한 제조 방식으로 제조할 수 있는 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다.
이동통신 시스템에서 기지국 안테나는 최초에 고정형 안테나가 사용되었으나, 근래에는 수직 (및/또는 수평) 빔 틸팅(beam tilting)이 가능한 수직 빔틸트 제어 안테나가 많은 장점으로 인하여 보급되고 있다. 이러한 수직 빔 틸트 제어 안테나에서 빔틸트 방식은 크게 기구적인 빔틸트 방식과 전기적인 빔틸트 방식으로 구분할 수 있다.
기구적 빔틸트 방식은 통상 안테나에서 지지폴과 결합하는 부위에 구비되는 수동 또는 동력작동 브라켓 구조에 기반한 방식이다. 이러한 브라켓 구조의 작동에 의해 안테나의 설치 기울기가 가변되어 안테나의 수직 빔틸트가 가능하게 된다. 전기적 빔틸트 방식은 다중 이상기(MLPS)에 기반한 방식으로서, 수직으로 배열된 각 안테나 방사 소자에 급전되는 신호의 위상차를 가변시켜 전기적 수직 빔틸팅이 가능하도록 하는 방식이다. 이러한 수직 빔틸팅에 관한 기술로는 'EMS Technologies, INc.'에서 출원한 미국 특허 번호 제6,864,837호(명칭: VERTICAL ELECTRICAL DOWNTILT ANTENNA, 발명자: Donald L. Runyon 외 2명, 특허일: 2005년 3월 8일)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.
이러한 전기적 수직 빔틸팅을 위해서는 다중 이상기가 필수적으로 구비되는데, 통상 다중 이상기는 특히 위상 배열 안테나(Phase Array Antenna)의 빔 제어를 비롯하여, 위상변조 기능을 수행하기 위해 RF 아날로그 신호처리단의 다양한 분야에서 사용된다. 다중 이상기의 원리는 입력신호를 적절히 지연시키므로 입력신호와 출력신호 간의 위상차가 발생하도록 하는 것으로서, 간단히 전송 선로의 물리적인 길이를 달리하는 것과 다양한 방식으로 전송 선로내의 신호전달 속도를 달리하는 것 등으로 구현할 수 있다. 이러한 이상기 예를 들어 길이 전송 선로를 가변할 수 있도록 하는 것 등에 의해, 위상천이 정도의 변경이 가능한 다중 이상기의 구조로 통상 사용된다.
특히, 최근 들어 이동통신 시스템에서는 기지국의 위상 배열 안테나의 수직빔 각도를 조절하여 기지국의 커버리지를 조정하기 위하여 위상 배열 안테나의 각 방사소자의 위상을 서로 조화롭게 가변하는 기술을 요구하고 있으며, 이러한 요구에 부응하여 다양한 구조의 다중 이상기가 개발 및 보급되고 있다. 이러한 다중 이상기는 특히 입력신호를 다수의 출력신호로 분배하며 각 출력신호의 위상차를 적절히 조절하기 위한 구조를 가질 수 있다. 이러한 수직 빔틸트를 위한 다중 이상기에 관한 기술로는 'Etenna Corporation'에서 출원한 미국 특허 번호 제6,831,602호(명칭: LOW COST TROMBONE LINE BEAMFORMER, 발명자: William E. McKinzie, III 외 2명, 특허일: 2004년 12월 14일)에 개시된 바를 예로 들 수 있다.
그런데, 이러한 다중 이상기는 해당 다중 이상기 자체의 구조나 처리 신호의 위상을 가변시키는 성능 향상을 위한 방향으로 주로 개발되었을 뿐 위상 배열 안테나와 같이 해당 다중 이상기가 설치되는 안테나의 구조를 고려하여서는 그 연구가 다소 미흡한 점이 있었다. 이에 본 발명의 출원인은, 향상된 성능 및 구조를 가지는 다중 이상기에 대한 연구 및 개발의 필요성이 대두되어 '수직 빔틸트 제어 안테나를 위한 다중 이상기'를 출원번호 제10-2009-0040978호로 출원 후 2015년 11월 04일에 등록번호 제10-1567882호(이하, '출원인의 등록특허'라 함)로 등록받은 바 있다.
도 1은 출원인의 등록특허(도 7 참고)의 회로도로서, 종래의 위상천이기 배치 관계를 나타낸 개념도이다.
여기서, 출원인의 등록특허도 문제라 할 것은, 도 1의 (a) 및 (a-1)에 도시된 바와 같이, 위상천이기의 이동 기판(12) 중 고정 기판(14)과 마주하는 면에는 다수의 위상 가변 패턴이 형성되는데, 위상 가변 패턴은 일측의 제1편파측과 타측의 제2편파측에 각각 입력 신호를 분리하여 입력하도록 패턴 인쇄되어야 하는 점에서 이동 기판(12)의 폭 방향으로 과도하게 그 인쇄 범위를 차지함에 따라 이동 기판(12)의 폭이 더욱 증가하고, 안테나(Antenna) 소자들이 이미 일정한 이격거리를 가지도록 배열된 일측 컬럼(C1)에서 타측 컬럼(C2) 사이에서 상호 간섭될 우려가 있는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여, 도 1의 (b) 및 (b-1)에 도시된 바와 같이, 제1편파측과 제2편파측에 해당하는 위상천이기의 이동 기판(12)을 나누어 수직 방향(즉, 안테나 장치의 전후 두께 방향)으로 배치하여 이동 가능하게 설치할 수 있으나, 이 경우에는, 안테나 장치의 전후 두께가 증가하여 제품의 슬림화 제조에 제한적인 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 안테나 장치의 두께 방향으로의 설치 공간을 증가시키지 않음은 물론, 다양한 제조 방식으로 제조 가능한 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터는, 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이를 이루는 안테나 보드의 전면에 배치된 다수의 방사소자 모듈에 이중 편파의 빔 출력이 가능하도록 분기되어 전기적으로 연결되는 프론트 급전 스트립라인, 상기 안테나 보드의 전면에 배치되되, 상기 프론트 급전 스트립라인의 분기점을 연결하고 상기 방사소자 모듈의 제1편파측 및 제2편파측으로의 물리적인 전송 길이를 변화시키는 가변 접점 패턴이 구비된 고정 기판부 및 상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴에 대하여 무빙되면서 접점되는 통전 단자 패턴이 형성된 이동 기판부를 포함하고, 상기 고정 기판부는 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이가 형성하는 하나의 컬럼에 다수개가 이격되게 구비되되, 상기 이동 기판부는 상기 고정 기판부에 대응되는 개수로 구비된다.
여기서, 상기 프론트 급전 스트립라인 및 상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴은, 상기 안테나 보드에 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 프론트 급전 스트립라인은, 상기 고정 기판부와 별도로 형성되고, 상기 PCB 재질로 구비된 상기 안테나 보드의 전면에 패턴 인쇄 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정 기판부는, PCB 재질로 구비된 인쇄회로기판으로써, 상기 가변 접점 패턴은 상기 고정 기판부의 전면에 패턴 인쇄 형성되고, 상기 프론트 급전 스트립라인은, 비도전성 재질로 구비된 상기 안테나 보드에 고정되는 단자 스트립 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 방사소자 모듈은, RF 필터의 전방에 전기적으로 연결되도록 구비되고, 소정 개수의 RF 체인(Chain)을 구축하여 안테나 빔포밍을 구현하도록 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이가 배열되며, 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이에 대한 물리적인 전송 선로의 길이비를 소정 비율로 변경시켜 위상값을 천이시킬 수 있다.
또한, 상기 이동 기판부의 통전 단자 패턴은, 상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴에서 무빙 접점되는 동작으로, 상기 각 RF 체인의 입력단 및 분기된 상기 2개의 출력단 중 어느 하나를 구성하는 전송 선로에서 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이의 위상값을 상이하게 천이시켜 방사하여, 동일 기준 위상면에 대하여 상기 소정 비율에 따른 선형적인 위상 분포를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 상기의 위상 쉬프터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치는, 안테나 장치의 두께 방향으로 설치 공간을 최소화하면서도 좌우 양측의 편파측 전송 선로에 대한 위상 천이가 동시에 가능하도록 구비됨으로써 제품의 신뢰성을 향상시키는 효과를 가진다.
도 1은 출원인의 등록특허(도 7 참고)의 회로도로서, 종래의 위상천이기 배치 관계를 나타낸 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터의 회로도 일반을 포함하는 개념도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치의 외관을 나타낸 사시도이고,
도 4는 도 3의 구성 중 레이돔 패널이 분리된 상태의 분해 사시도이며,
도 5a 및 도 5b는 방사소자 모듈을 분해한 전방부 및 후방부 분해 사시도이고,
도 6은 도 5a 및 도 5b의 방사소자 모듈의 구성 중 안테나 보드 및 이에 결합된 급전 스트립라인을 분해한 분해 사시도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치의 구성 중 위상 쉬프터의 작동 관계를 설명하기 위한 단면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터를 이용한 RF 단에서 수행되는 위상 변환 모습의 원리를 설명하기 위한 회로도 및 위상차도이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 32T32R의 전송 신호 채널 및 위상 천이 모습을 설명하기 위한 개념도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터의 회로도 일반을 포함하는 개념도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치의 외관을 나타낸 사시도이고,
도 4는 도 3의 구성 중 레이돔 패널이 분리된 상태의 분해 사시도이며,
도 5a 및 도 5b는 방사소자 모듈을 분해한 전방부 및 후방부 분해 사시도이고,
도 6은 도 5a 및 도 5b의 방사소자 모듈의 구성 중 안테나 보드 및 이에 결합된 급전 스트립라인을 분해한 분해 사시도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치의 구성 중 위상 쉬프터의 작동 관계를 설명하기 위한 단면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터를 이용한 RF 단에서 수행되는 위상 변환 모습의 원리를 설명하기 위한 회로도 및 위상차도이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 32T32R의 전송 신호 채널 및 위상 천이 모습을 설명하기 위한 개념도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 장치를 나타낸 분해 사시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터의 회로도 일반을 포함하는 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치의 외관을 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 구성 중 레이돔 패널이 분리된 상태의 분해 사시도이고, 도 5a 및 도 5b는 방사소자 모듈을 분해한 전방부 및 후방부 분해 사시도이며, 도 6은 도 5a 및 도 5b의 방사소자 모듈의 구성 중 안테나 보드 및 이에 결합된 급전 스트립라인을 분해한 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치의 구성 중 위상 쉬프터의 작동 관계를 설명하기 위한 단면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터를 이용한 RF 단에서 수행되는 위상 변환 모습의 원리를 설명하기 위한 회로도 및 위상차도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 32T32R의 전송 신호 채널 및 위상 천이 모습을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술이 반영된 안테나 장치일 수 있다.
MIMO 기술은, 다수의 안테나 서브 어레이를 사용하여 데이터 전송용량을 획기적으로 늘리는 기술로서, 송신기에서는 각각의 송신 안테나를 통해 서로 다른 데이터를 전송하고, 수신기에서는 적절한 신호처리를 통해 송신 데이터들을 구분해 내는 공간 다중화(Spatial multiplexing) 기법이다. 따라서, 송수신 안테나의 개수를 동시에 증가시킴에 따라 채널 용량이 증가하여 보다 많은 데이터를 전송할 수 있게 한다. 예를 들어 안테나 수를 10개로 증가시키면 단일 안테나 시스템에 비해 같은 주파수 대역을 사용하여 약 10배의 채널 용량을 확보하게 된다.
특히, 안테나 장치는, 송신기 및 수신기 기능을 수행하는 TRx 모듈(미도시)을 상하 수직 방향 및 좌우 수평 방향으로 V(Vertical)-H(Horizontal) 배열시키고, 각 TRx 모듈에 대하여 전기적으로 연결된 다수의 안테나 소자(350)가 배열될 수 있다. 여기서, 각 TRx 모듈 당 구축되는 채널 용량은 "RF 체인"으로 재 정의 가능하고, 다수의 안테나 소자(350)가 안테나 빔 포밍을 위해 배열된 안테나 소자(350)의 그룹 단위로서 "안테나 서브 어레이(350)"로 재정의 가능하다. 이하에서는, 'TRx 모듈'이라는 용어는 "RF 체인"과 동일한 의미로 혼용 사용 가능할 수 있고, 각 RF 체인 별로 RF 통신을 구축하는 안테나 소자(350)들의 배열의 정의를 기본적으로 "안테나 서브 어레이"라는 용어와 혼용하여 사용할 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 도 2에 참조된 바와 같이, 위상 천이기(이하, '위상 쉬프터'라 칭한다)를 포함할 수 있다.
위상 쉬프터는, 안테나 보드(후술하는 도면부호 '310' 참조)의 전방에 배치된 프론트 급전 스트립라인(311C)으로 구비된 고정 기판부(도면부호 미표기)와, 고정 기판부의 전면에서 안테나 서브 어레이(350) 및 후술하는 추가 안테나 서브 어레이(350')의 배열 방향인 컬럼(C)의 일정 부위에서 무빙되는 이동 기판부(도면부호 미표기)를 포함할 수 있다.
여기서, 고정 기판부에 배치된 프론트 급전 스트립라인(311C)은, 리어 급전 스트립라인(311B)으로부터 공급되는 급전 신호의 입력단으로부터 이중 편파 빔 형성을 위한 각 안테나(Antenna) 소자의 제1편파측 및 제2편파측으로의 물리적인 전송 길이를 변화시키는 길이 가변 패턴으로서의 기능을 수행할 수 있다.
다만, 프론트 급전 스트립라인(311C)은, 후술하는 이동 기판부의 배면에 형성된 통전 단자 패턴에 의하여 접점되는 가변 접점 패턴으로부터 다수개 분기되도록 형성될 수 있다.
가령, 하나의 안테나 소자에는 각각 일 편파(+45도) 및 타 편파(-45도)를 일으키도록 프론트 급전 스트립라인(311C)의 양 출력단이 연결되고, 컬럼(C)을 따라 일렬로 배열된 다른 안테나 소자들에도 마찬가지로 상술한 물리적인 전송 길이를 변화시키는 다른 분기된 양 출력단들이 연결되며, 이때, 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')에 의한 위상차가 동일한 위상차값을 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 이동 기판부에는, 상술한 통전 단자 패턴이 배면에 형성되고, 고정 기판부의 전면에 배치된 가변 접점 패턴에 접점되면서 상술한 물리적인 전송 길이를 각각 변화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 이동 기판부가 회전되면서 대략 원형으로 구비된 가변 접점 패턴을 통전시키는 가변 스위치 패널 타입으로 구비된 것으로 도시하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 컬럼(C)을 따라 길이방향으로 무빙 가능하게 구비된 직선 이동체 타입으로 구비되는 것도 가능할 것이다.
가변 접점 패턴은, 대략 컬럼(C)의 길이방향으로 길게 배열된 안테나 소자들 중 안테나 서브 어레이(350) 측과 관련된 부위에 하나 및 추가 안테나 서브 어레이(350') 측과 관련된 부위에 하나가 각각 배치되고, 프론트 급전 스트립라인(311C)은, 리어 급전 스트립라인(311B)의 각 입력단으로부터 분기된 상기 가변 접점 패턴의 분기단과 연결되어 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350') 측의 각 안테나 소자에 연결되도록 출력단이 분기 형성될 수 있다.
여기서, 종래의 위상 쉬프터는, 상술한 길이 가변 패턴으로 기능하는 프론트 급전 스트립라인에 해당하는 구성이 이동 기판부에 구비되고, 통전 단자 패턴에 해당하는 구성이 고정 기판부에 구비되는 것이었으나, 본 발명의 경우, 그 설치 위치를 반전시키는 것을 그 핵심적 구성요부로 한다.
통전 단자 패턴은, 컬럼(C)을 기준으로 할 때, 고정 기판부에 배치된 가변 접점 패턴 또는 프론트 급전 스트립라인(311C)에 비하여 상대적으로 그 형성되기 위한 폭의 범위가 좁으므로, 컬럼(C)과 인접하는 컬럼(C) 사이의 상호 간섭 우려가 없이 이동 기판부 측에 배치될 수 있다.
아울러, 가변 패턴으로 기능하는 프론트 급전 스트립라인(311C) 및 가변 접점 패턴은, 각 분기점으로부터 출력단까지 상호 겹쳐지지 않도록 배치 형성하면 족한 점에서, 인접하는 컬럼(C)과의 사이에 반 파장 간격으로 배치된 안테나 소자들 간 이격거리에 대하여 상호 간섭되지 않는 한도에서 충분한 배치 폭을 가질 수 있다.
여기서, 통전 단자 패턴이 형성된 이동 기판부는, 상술한 가변 접점 패턴이 형성된 부위에 각각 대응되게 다수개로 구비되고, 각 이동 기판부는 후술하는 위상천이 구동모터(510)의 구동에 의하여 동시 무빙되도록 구비될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 4에 참조된 바와 같이, V-방향으로 RF 체인이 2개가 구축될 수 있다. 여기서, 안테나 서브 어레이(350)는, 각 RF 체인 별로 3개가 V-방향으로 배열될 수 있다.
또한, 각 RF 체인에는 상술한 안테나 서브 어레이(350)와 동일한 사양 및 동일한 개수의 추가 안테나 서브 어레이(350')가 더 배열될 수 있다.
여기서, 각 RF 체인은 하나의 입력단으로부터 2개의 출력단으로 분기되도록 전송 라인을 통해 구축되되, 2개의 출력단 중 어느 하나에는 상술한 안테나 서브 어레이(350)가 연결되고, 2개의 출력단 중 다른 하나에는 상술한 추가 안테나 서브 어레이(350')가 더 배열될 수 있다.
따라서, 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')는, V-방향으로 총 24개가 배열될 수 있다.
이와 같이, 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')는, 그 명칭의 구분 없이 안테나 소자(350)들이 V-방향으로 총 24개가 배열되고, 후술하는 위상 쉬프터(500)가 구비되지 않은 경우에는, 도 1을 통해 이미 설명한 바와 같이, 일반적으로 64T64R의 전송 신호 채널(즉, 총 4개의 RF 체인)을 구현하는 안테나 장치로서의 의미가 있다.
그런데, 본 발명의 일 실시예에서는, 하나의 입력단으로부터 2개의 출력단으로 분기되도록 전송 선로를 구축한 후 각 출력단에 대응되는 부위에 각각 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')를 마련하고, 위상 쉬프터(500)에 의한 전송 선로 중 2개소에서의 위상 천이를 통해 2개의 RF 체인을 구현할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(1)는, 도 3 내지 도 6에 참조된 바와 같이, RF 필터(210)의 전방에 전기적으로 연결되도록 구비되고, 안테나 빔포밍을 구현하도록 배열된 다수의 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')를 포함하는 방사소자 모듈(300)과, 다수의 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')에 대한 물리적인 전송 선로의 길이비를 소정 비율로 변경시켜 위상값을 천이시키는 위상 쉬프터(500)를 포함한다.
여기서, 위상 쉬프터(500)에 의해 천이된 위상값으로 방사하는 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')의 방사 빔은, 종래의 각 RF 체인의 입력단으로부터 2개의 출력단으로 분기되지 않고 각 RF 체인별로 안테나 서브 어레이를 통해 빔을 방사하는 경우에 비해 +3dB의 이득(gain)이 향상되는 빔 포밍 구현이 가능하다.
즉, 위상 쉬프터(500)에 의해 천이된 위상값으로 방사하는 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')의 방사 빔은, 동일한 수의 RF 체인을 갖는 안테나 장치 대비 +3dB의 향상된 이득(gain)을 가지는 안테나 장치의 퍼포먼스를 구현할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(1)는, 방사소자 모듈(300)에, 32T32R의 전송 신호 채널을 구현하기 위하여 구비된 소정 개수의 RF 체인 별로 소정의 안테나 빔포밍을 구현하도록 배열된 다수의 안테나 서브 어레이와 함께 분기되도록 추가 안테나 서브 어레이가 V-방향으로 더 배열될 수 있다.
이 경우, 위상 쉬프터(500)는, 각 RF 체인의 다수의 어레이 안테나 소자(350) 및 추가 어레이 안테나 소자(350)의 위상값을 상이하게 천이시켜 방사함으로써 상술한 바와 같은 향상된 이득을 가질 수 있는 것으로 해석할 수 있다.
이는, 마치 위상 쉬프터(500)의 구비 없이 일반적으로 64T64R의 전송 신호 채널을 구현하도록 마련된 고사양의 안테나 장치를, 위상 쉬프터(500)를 추가하여 본 발명의 특유한 위상 천이 방식을 적용함으로써 32T32R의 전송 신호 채널을 구현하되, 이득이 향상된 안테나 빔의 방사가 가능하도록 하는 것과 같다. 다만, 이 경우, 각 RF 체인의 입력단 대비 2개의 출력단으로 분기되도록 전송 선로를 구축하여야 함은 물론, 위상 쉬프터(500)에 의하여 2개의 출력단으로 분기되기 전의 전송 선로에서 1번 위상을 천이하고, 분기된 후의 2개의 출력단으로 연결되는 전송 선로 중 어느 하나의 전송 선로에서 1번 위상을 천이하도록 설계함으로써, 위상 천이값이 기준 동일 위상면에 대하여 선형 분포를 구현하도록 하여야 할 것이다.
여기서, 이동통신의 MIMO 안테나 장치에 있어서 다수의 안테나 서브 어레이(350)들은, 다중 경로에 의한 페이딩(fading) 영향을 감소시키고 편파 다이버시트(diversity) 기능을 수행하기 위해, 복수 개의 이중 편파 안테나 모듈 어레이로 설계되는 것이 일반적이다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 안테나 장치의 좌우 측방 및 후방 외관을 형성하는 안테나 하우징부(도면부호 미표기)와, 안테나 장치의 전방 외관을 형성하고, 안테나 하우징부의 개구된 전면을 차폐하도록 구비되어 안테나 하우징부의 내부 공간에 구비된 내부 부품들(후술하는, RF 필터(210) 및 안테나 보드(310)를 포함함)를 외부로부터 보호하는 레이돔 패널(도면부호 미표기)을 포함할 수 있다. 레이돔 패널은, 단부를 따라 구비된 다수의 결합용 클립에 의해 안테나 하우징부의 전단부에 착탈 가능하게 고정될 수 있다.
여기서, 안테나 하우징부 및 레이돔 패널의 기능 및 세부적인 특징은 본 발명의 일 실시예의 기술적 특징과는 연관성이 매우 적으므로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
RF 필터(210)는, 안테나 하우징부의 내부 공간에 배치된 메인 보드(미도시)의 전면에 배치된 다수의 단위 RF 필터 바디(도면부호 미표기)로 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 상기와 같이 구성된 RF 필터(210)의 전방에 전기적으로 연결되도록 구비되고, 안테나 빔포밍을 구현하도록 배열된 다수의 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')를 포함하는 방사소자 모듈(300)을 더 포함할 수 있다.
방사소자 모듈(300)은, 다수의 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')들이 전면에 V-H 배열되도록 고정되는 안테나 보드(310)를 포함할 수 있다.
여기서, 안테나 보드(310)는, 다수의 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')들로부터 방사된 안테나 빔을 전방으로 반사시키도록 구비된 리플렉팅 패널(310A)과, 리플렉팅 패널(310A)의 배면 및 전면에 적층 결합되는 리어 패널(310B) 및 프론트 패널(310C)을 포함할 수 있다.
리플렉팅 패널(310A)은, 안테나 빔이 투과되지 않은 전자파 차폐 재질로 구비됨이 바람직하고, 리플렉팅 패널(310A)의 배면 및 전면에 구비된 리어 패널(310B) 및 프론트 패널(310C)은 부도체 재질로써 리플렉팅 패널(310A)과 몰딩 공법에 의하여 일체로 제조가 용이한 플라스틱 수지 재질로 구비됨이 바람직하다.
보다 상세하게는, 리플렉팅 패널(310A)은 리어 패널(310B)과 프론트 패널(310C)을 구성하는 재질과는 상이한 이종 재질로 구비된 것으로서, 리플렉팅 패널(310A)을 기준으로 리어 패널(310B) 및 프론트 패널(310C)이 이중 사출 방식으로 일체로 제조되기에 용이한 플라스틱 수지 재질로 구비될 수 있다.
참고로, 안테나 보드(310)가 통상의 PCB 재질(예를 들면, FR4 재질)로써 인쇄회로기판 형태로 구비되고, 급전 피딩 라인(전송 라인, 후술하는 본 발명의 급전 스트립라인과 대응되는 구성임)이 인쇄회로기판의 전면 또는 배면에 패턴 인쇄 공법으로 인쇄 형성될 수 있다.
다만, 이와 같은 인쇄회로기판의 전면 또는 배면에 급전 피딩 라인을 패턴 인쇄 공법으로 인쇄 형성하는 경우에는, 소정의 유전율을 가진 유전체층에 직접 급전 피딩 라인이 형성됨으로써 삽입 손실을 증가시키는 문제점이 있었다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에 있어서, 방사소자 모듈(300)은, 도 5a 및 도 5b에 참조된 바와 같이, 리어 패널(310B) 및 프론트 패널(310C)에 슬릿 형태로 가공된 스트립라인 설치 슬릿(도면부호 미표기) 중 어느 하나에 배설되고, RF 필터(210)와의 사이에 전기적인 연결을 위하여 배설된 도체 재질의 다수의 리어 급전 스트립라인(311B) 및 프론트 급전 스트립라인(311C)을 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 프론트 급전 스트립라인(311C)은, 비도전성 재질로 구비된 안테나 보드(310)에 고정되는 단자 스트립 형태로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 실질적으로 급전 전송 라인 기능을 수행하는 프론트 급전 스트립라인(311C)이 에어 스트립 타입으로 구성된 것으로 도시 및 한정하여 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 일반의 PCB(인쇄회로기판)의 일면에 패턴 인쇄된 PCB 타입으로 형성되는 것도 가능하다.
여기서, 안테나 보드(310)에는, 리어 급전 스트립라인(311B) 및 프론트 급전 스트립라인(311C)이 공기층을 매질로 하여 수용되도록 스트립라인 설치 슬릿(도면부호 미표기)이 전후 방향으로 관통되게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 도 3 내지 도 7에 참조된 바와 같이, RF 필터(210)로부터 다수의 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')로 연결되는 급전 스트립라인(311B,311C)의 전송 선로 길이를 물리적으로 변경시켜 위상을 기준 위상 동일면에 대하여 소정값만큼 가변하여 원하는 위상 천이값을 구현하는 위상 쉬프터(500)를 더 포함할 수 있다.
위상 쉬프터(500)는, 안테나 보드(310)의 배면 측으로서, 단위 RF 필터 바디 사이에 고정된 위상천이 구동모터(510)와, 위상천이 구동모터(510)의 모터축 회전 방향에 따라 안테나 보드(310)의 배면 측에서 상하 방향으로 수평 이동하는 수평 마운팅 바(520)와, 안테나 보드(310)의 좌우 측단을 회피하여 수평 마운팅 바(520)의 좌우 측단부와 연결되고, 수평 마운팅 바(520)와 연동하여 안테나 보드(310)의 전면에서 상하 방향으로 무빙되는 전면 수평 무빙 바(590)와, 일단은 전면 수평 무빙 바(590)에 연결되고, 타단은 후술하는 가변 스위치 패널(540)에 대하여 힌지 연결된 수직 마운팅 바(530) 및 안테나 보드(310) 중 리플렉팅 패널(310A)의 전면에 고정된 가변 회로 보드(도면부호 미표기)의 전면에서 회동 가능하게 구비된 상술한 가변 스위치 패널(540)을 포함할 수 있다.
가변 회로 보드는 일종의 인쇄회로기판으로써, 그 전면에는 전송 선로를 통한 주파수의 위상을 가변할 수 있는 적어도 하나 이상의 단전 지점을 가지는 가변 회로가 패턴 인쇄되고, 가변 스위치 패널(540)의 배면에는, 가변 회로 보드의 단전 지점을 통전시키는 적어도 하나의 통전 단자 패턴이 인쇄 형성될 수 있다.
여기서, 가변 스위치 패널(540)은, 판 스프링으로 구비된 탄성부재(도면부호 미표기)를 매개로 가변 회로 보드의 전면 측으로 상시 탄성 지지되도록 구비되며, 탄성부재는 힌지 패널(도면부호 미표기)에 의하여 힌지 고정됨으로써 가변 스위치 패널(540)을 향하여 탄성 지지될 수 있다.
리플렉팅 패널(310A)은, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상술한 바와 같이 전자파를 차폐할 수 있는 재질로 구비된 패널 타입으로 구비된 것으로서, 전면에는 상술한 위상 쉬프터(500)의 구성 중 가변 회로 보드가 고정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 도 5a 및 도 5b에 참조된 바와 같이, 단위 RF 필터 바디의 출력 포트(미도시)에 연결되고, 다수의 급전 스트립라인(311B,311C)의 입력단(도면부호 미표기)에 연결된 저대역통과 필터(330, Low Pass Filter, LPF)를 더 포함할 수 있다.
저대역통과 필터(LPF)(330)는, 고주파 노이즈를 제거하기 위한 필터로써, 일종의 관 형태로 구비되어, 상단 및 하단부가 각 급전 스트립라인(311B,311C)의 입력단 부위에 연결되도록 구비될 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 리플렉팅 패널(310A)의 전면에는 다수의 접지 와셔(315)가 한 쌍 단위로 배치되어 접지 기능을 수행할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 종래와 대비하여, 안테나 보드(310)를 통상의 PCB 재질로 이루어진 인쇄회로기판을 배제하고, 리플렉팅 패널(310A)을 기준으로 배면과 전면에 플라스틱 수지 재질로 이루어진 리어 패널(310B) 및 프론트 패널(310C)로 일체 성형하되, 전송 선로의 기능을 수행하는 급전 스트립라인(311B,311C)이 공기 유전체층에 수용되도록 함으로써 삽입 손실을 최소화시킬 수 있는 이점을 창출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 위상 쉬프터(500)를 이용한 RF 단에서 수행되는 위상 변환 모습의 원리를 설명하기 위한 회로도 및 위상차도이다.
일반적으로, 각 RF 체인에서 전송 선로의 길이를 변화시키는 경우 Mirror Symmetry 구조의 구현을 위해서는 4개의 안테나 서브 어레이(350) 중 적어도 2개의 안테나 서브 어레이(350)로 급전되는 신호의 위상은 Digital 단에서의 서포트(Support) 작업을 요한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에 있어서, 위상 쉬프터(500)는 상술한 Digital 단에서의 서포트 작업을 생략하기 위한 것으로서, 도 8에 참조된 바와 같이, 한 개의 TRx 모듈(메인 보드 또는 증폭 소자부에 각각 실장된 송수신 소자들을 의미함)로부터 입력된 급전 신호는 각 입력단으로부터 2개의 출력단으로 분기되기 전의 제1단전 지점(미도시) 및 분기된 후의 제2단전 지점(미도시)에서 가변 스위치 패널(540)의 제1통전 패턴 단자(도면부호 미표기) 및 제2통전 패턴 단자(도면부호 미표기)에 의해 일측 전송 선로 및 타측 전송 선로의 길이가 소정 비율로 가변되도록 회동되게 구비될 수 있다.
그러므로, 하나의 입력단으로부터 2개의 출력단으로 분기되기 전의 제1단전 지점은 가변 스위치 패널(540)의 제1통전 패턴 단자에 의해 일측 전송 선로 및 타측 전송 선로의 물리적인 길이를 변화시켜 위상을 △Φ 및 -△Φ만큼 가변하여 원하는 위상 천이값을 구현하고, 2개의 출력단으로 분기된 후의 출력단의 전송 선로인 제2단전 지점은 가변 스위치 패널(540)의 제2통전 패턴 단자에 의해 타측 전송 선로의 물리적인 길이를 변화시켜 위상을 2△Φ 및 -2△Φ만큼 가변하여 원하는 위상 천이값을 구현할 수 있다.
이 경우, 동일 위상면을 기준으로 2개의 안테나 서브 어레이(350) 및 2개의 추가 안테나 서브 어레이(350')에 대한 위상 천이값은 선형 위상 분포를 이룰 수 있어, 도 8에 참조된 바와 같은 가장 효율적인 빔 포밍 성능을 갖는 Mirror Symmetry 구조를 구현할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(1)는, 도 9에 참조된 바와 같이, 총 32T32R의 전송 선로 채널을 구현하도록 마련된 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')들 중 RF 체인의 입력단으로부터 2개의 출력단으로 분기되기 전의 전송 선로의 1개소 및 분기된 후의 2개의 출력단 중 어느 하나의 출력단을 연결하는 전송 선로의 1개소에서 소정 비율의 물리적인 길이비를 갖도록 위상 천이하여 빔 포밍을 구현한다.
이에 따라, 2개의 RF 체인을 갖되 위상 쉬프터(500)가 구비되지 않는 32T32R의 전송 선로 채널을 갖는 안테나 장치에 비하여 +6dB의 이득(gain)이 향상되고, 2개의 RF 체인을 갖고 위상 쉬프터를 구비하지만 2개의 출력단으로 분기되지 않는 32T32R의 전송 선로 채널을 가지는 안테나 장치에 비하여 +3dB의 이득(gain)이 향상되기 때문에, 빔 폭이 좁고 안테나 이득이 큰 빔을 방사할 수 있는 이점을 가진다.
또한, 도 8에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(1)는 각 RF 체인 당 4개의 안테나 서브 어레이에 대해 위상 변화를 줄 수 있기 때문에 64T64R 안테나 장치와 같은 효과의 빔 포밍을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 2개의 RF 체인을 갖기에 4개의 RF 체인을 갖는 64T64R 안테나 장치 대비 원가와 공정면에서 유리한 이점을 갖는다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 장치(1A)를 나타낸 분해 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 장치(1A)는, 도 3 내지 도 9에 참조된 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(1)와 비교하면, 안테나 서브 어레이(350) 및 추가 안테나 서브 어레이(350')의 배열이, 실질적으로는 V-방향으로 2개의 RF 체인이 구축되도록 배열되되, 위상 쉬프터(500)에 의한 원하는 위상 천이값으로 변화시켜 안테나 빔을 방사하는 경우에는 1개의 RF 체인을 구현함으로써 마치 16T16R의 전송 신호 채널을 구현하는 것과 같은 효과를 달성하는 실시예이다.
상술한 차이점 외의 나머지는 본 발명의 일 실시예(1)와 동일하거나 유사하므로, 중첩되는 범위에서의 구체적인 설명은 일 실시예(1)의 설명으로 대체하기로 한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 쉬프터 및 이를 포함하는 안테나 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예가 반드시 상술한 일 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 및 균등한 범위에서의 실시가 가능함은 당연하다고 할 것이다. 그러므로, 본 발명의 진정한 권리범위는 후술하는 청구범위에 의하여 정해진다고 할 것이다.
210: RF 필터
211: 단위 RF 필터 바디
310: 안테나 보드 310A: 리플렉팅 패널
310B: 리어 패널 310C: 프론트 패널
311B: 리어 급전 스트립 라인 311C: 프론트 급전 스트립라인
350: 안테나 서브 어레이 350': 추가 안테나 서브 어레이
500: 위상 쉬프터 510: 위상천이 구동모터
520: 수평 마운팅 바 530: 수직 마운팅 바
540: 가변 스위치 패널 590: 전면 수평 무빙 바
310: 안테나 보드 310A: 리플렉팅 패널
310B: 리어 패널 310C: 프론트 패널
311B: 리어 급전 스트립 라인 311C: 프론트 급전 스트립라인
350: 안테나 서브 어레이 350': 추가 안테나 서브 어레이
500: 위상 쉬프터 510: 위상천이 구동모터
520: 수평 마운팅 바 530: 수직 마운팅 바
540: 가변 스위치 패널 590: 전면 수평 무빙 바
Claims (7)
- 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이를 이루는 안테나 보드의 전면에 배치된 다수의 방사소자 모듈에 이중 편파의 빔 출력이 가능하도록 분기되어 전기적으로 연결되는 프론트 급전 스트립라인;
상기 안테나 보드의 전면에 배치되되, 상기 프론트 급전 스트립라인의 분기점을 연결하고 상기 방사소자 모듈의 제1편파측 및 제2편파측으로의 물리적인 전송 길이를 변화시키는 가변 접점 패턴이 구비된 고정 기판부; 및
상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴에 대하여 무빙되면서 접점되는 통전 단자 패턴이 형성된 이동 기판부; 를 포함하고,
상기 고정 기판부는 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이가 형성하는 하나의 컬럼에 다수개가 이격되게 구비되되, 상기 이동 기판부는 상기 고정 기판부에 대응되는 개수로 구비된, 위상 쉬프터. - 청구항 1에 있어서,
상기 프론트 급전 스트립라인 및 상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴은, 상기 안테나 보드에 일체로 형성된, 위상 쉬프터. - 청구항 1에 있어서,
상기 프론트 급전 스트립라인은, 상기 고정 기판부와 별도로 형성되고,
상기 PCB 재질로 구비된 상기 안테나 보드의 전면에 패턴 인쇄 형성된, 위상 쉬프터. - 청구항 1에 있어서,
상기 고정 기판부는, PCB 재질로 구비된 인쇄회로기판으로써, 상기 가변 접점 패턴은 상기 고정 기판부의 전면에 패턴 인쇄 형성되고,
상기 프론트 급전 스트립라인은, 비도전성 재질로 구비된 상기 안테나 보드에 고정되는 단자 스트립 형태로 구비된, 위상 쉬프터. - 청구항 1에 있어서,
상기 방사소자 모듈은, RF 필터의 전방에 전기적으로 연결되도록 구비되고, 소정 개수의 RF 체인(Chain)을 구축하여 안테나 빔포밍을 구현하도록 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이가 배열되며,
상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이에 대한 물리적인 전송 선로의 길이비를 소정 비율로 변경시켜 위상값을 천이시키는, 위상 쉬프터. - 청구항 5에 있어서,
상기 이동 기판부의 통전 단자 패턴은, 상기 고정 기판부의 가변 접점 패턴에서 무빙 접점되는 동작으로, 상기 각 RF 체인의 입력단 및 분기된 상기 2개의 출력단 중 어느 하나를 구성하는 전송 선로에서 상기 다수의 안테나 서브 어레이 및 추가 안테나 서브 어레이의 위상값을 상이하게 천이시켜 방사하여, 동일 기준 위상면에 대하여 상기 소정 비율에 따른 선형적인 위상 분포를 구현하는, 위상 쉬프터. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 위상 쉬프터를 포함하는, 안테나 장치.
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