KR20240081104A - 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나 - Google Patents

소형 광각 수동형 빔포밍 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사 방향을 향해 일렬 배치된 다수 개의 이중 급전 안테나와 RF 스위치를 직접 연결한 간단한 구조의 급전 라인을 통해, 전력소모가 심한 빔포밍 IC 또는 복잡하고 손실 높은 수동형 급전 회로의 도움 없이도 통신 음영 영역을 최소화하면서 넓은 통신 커버리지를 만족하도록 하는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나에 관한 것이다.

Description

소형 광각 수동형 빔포밍 안테나{A PASSIVE BEAMFORMING ANTENNA WITH A SMALL WIDE ANGLE}
본 발명은 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 방사 방향을 향해 일렬 배치된 다수 개의 이중 급전 안테나와 RF 스위치를 직접 연결한 간단한 구조의 급전 라인을 통해, 전력소모가 심한 빔포밍 IC 또는 복잡하고 손실 높은 수동형 급전 회로의 도움 없이도 통신 음영 영역을 최소화하면서 넓은 통신 커버리지를 만족하도록 하는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 밀리미터파 대역은 전자기파 (electromagnetic wave)의 고유 특성 상 원거리로 갈수록 전파(wave propagation)의 경로 손실 및 공기 중 수분에 의한 신호 감쇄도가 심하다. 따라서, 밀리미터파 대역에서는 특정 방향으로 전자기파를 집중해서 방사하는 빔포밍 기술이 효과적으로 활용되어야 한다. 빔포밍 기술을 적용할 경우 빔폭이 좁은 메인 빔을 활용하여 통신을 할 수도 있지만, 실내에서는 좁은 빔폭을 갖는 고지향성 안테나를 통해 송수신 대상 객체를 지속적으로 트래킹하며 사용할 경우 효율성이 떨어질 수 있다.
즉, 외부에서 고지향성 안테나를 통해 송수신 되는 신호를 실내에서는 넓은 빔폭을 가지며, 음영 영역없이 효과적으로 분산하여 송수신 할 수 있는 안테나가 필요하다.
이에, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 분산 안테나 시스템(Distributed antenna system; DAS)(다수의 안테나를 공간적으로 분산, 분리 배치하여 외부와 송수신하는 신호를 각기 다른 공간에 배치된 안테나들을 통해 다시 송수신하는 방식)을 이용하여 신호를 송수신하였다. DAS를 구성하는 분산 안테나는 적은 수로 통신 음영 영역을 제거할 경우 공간 효율, 시스템 효율 및 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
배열 안테나를 기반으로 하는 빔포빙 기술은 크게 도 2(a)와 같은 능동 위상 배열 안테나 구조와, 도 2(b)의 스위치 빔 안테나 구조로 나뉠 수 있다.
도 2(a)의 능동 위상 배열 안테나 구조는, 배열 안테나 소자로 급전되는 위상과 진폭을 제어하기 위한 위상 천이기와 감쇄기가 필요하다. 능동 위상 배열 안테나 구조의 경우, 빔을 조향할 수 있는 각도가 정밀하고 음영 영역이 최소화 되는 이점은 있지만, 필요한 능동형 소자들 전류를 추가적으로 소모하는 고전력 소자들이기 때문에 전력소모 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 도 2(b)의 스위칭 빔 안테나 구조는 일반적으로 적용되는 버틀러 매트릭스의 예시로써, 능동형 소자를 사용하지 않고 위치 동작에 따라 안테나로 급전되는 위상의 딜레이를 만들기 위한 피드 네트워크(feed network)가 필요며, 스위치할 수 있는 급전 포트 수에 비례한 수의 고정된 빔만 스위칭할 수 있다는 단점이 있다. 특히 딜레이 라인이 길어질 수록 손실이 증가되는 문제점도 있다.
또한, 능동 위상 배열 안테나 구조와 스위칭 빔 안테나 구조 모두 안테나 소자 자체의 빔폭 제약으로 인해 스캔할 수 있는 각도가 제한되거나, 고정된 위상 차이만 급전할 수 있기 때문에, 생성되는 빔의 방향이 고정되어 음영 영역이 일부 존재하는 공통된 단점을 가지고 있다.
이에, 본 발명자는 기존의 능동 위상 배열 안테나 구조가 가지는 고전력 소모의 능동형 소자나, 기존의 스위치 빔 안테나 구조가 가지는 복잡한 피드 네트워크를 배제하면서도 에너지 효율성이 높고 넓은 통신 커버리지를 만족할 수 있도록 하는 안테나 구조를 개발하기에 이르렀다.
한국등록특허 제10-2264051호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위함으로써, 방사 방향을 향해 일렬 배치된 다수 개의 이중 급전 안테나와 RF 스위치를 직접 연결한 간단한 구조의 급전 라인을 통해, 전력소모가 심한 빔포밍 IC 또는 복잡하고 손실 높은 수동형 급전 회로의 도움 없이도 통신 음영 영역을 최소화하면서 넓은 통신 커버리지를 만족하도록 하는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나는 전방을 향해 일정 각도로 빔을 방사하는 중앙 안테나(111), 상기 중앙 안테나(111) 일측 사이드에서 일측 방향으로 90도 위상차를 가지는 틸팅된 빔을 방사하는 제1 사이드 안테나(112) 및 상기 중앙 안테나(111) 타측 사이드에서 타측 방향으로 90도 위상차를 가지는 틸팅된 빔을 방사하는 제2 사이드 안테나(113)로 구성되는 안테나층(110)을 포함하며, 상기 중앙 안테나(111)는 전방을 향해 기 설정된 방사각의 빔을 방사하도록 배치되고, 상기 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)는 각각 기 설정된 위상차를 가지는 틸팅된 빔을 방사하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각은 이중 급전 포트, 상기 이중 급전 포트 사이를 구획하는 수직 도체 라인 및 상기 수직 도체 라인의 양측면에서 상기 수직 도체 라인과 90도 각도로 배치되며, 상기 이중 급전 포트에서 표면전류가 발생하는 과정에서 형성된 자기장의 수평편파를 억제하도록 마련되는 한 쌍의 수평 도체 라인을 각각 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 수직 도체 라인에 포함된 다수 개의 숏팅 핀(shorting pin) 및 상기 한 쌍의 수평 도체 라인 각각에 포함된 다수 개의 숏팅 핀과 연결되는 그라운드층(120)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자기장의 수평편파가 상기 한 쌍의 수평 도체 라인 각각에 포함된 다수 개의 숏팅 핀을 통해 상기 그라운드층(120)으로 빠져나갈 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)와 연결되며, 입력된 안테나 선택 신호에 상응하여 특정 안테나를 선택하고, 해당 선택된 안테나에 급전이 진행되도록 하는 급전층(130)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 급전층(130)은 상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)와 각각 연결된 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132, 133)를 포함하며, 상기 안테나 선택 신호에 따라 상기 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132, 133) 중 어느 하나의 RF 스위치를 선택하고, 선택된 RF 스위치에 상응하는 안테나에 급전하여 빔 방사가 진행되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각을 통해 방사되는 빔의 방사각을 증폭시키는 방사각 증폭층(140)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방사각 증폭층(140)는 길이 방향을 따라 일렬 배치된 다수 개의 증폭용 도체 바(141)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각에 포함된 이중 급전 포트를 통해 형성되는 자기장은 싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴(single patch back-to-back magnetic dipole) 방식의 방사 패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 사이드 안테나(112)에 포함된 이중 급전 포트 중 상기 중앙 안테나(111)와 인접한 위치의 이중 급전 포트를 통해 형성되는 자기장은 상기 중앙 안테나(111) 및 제2 사이드 안테나(113)에 의해 반사(reflection)되어 상기 제1 사이드 안테나(112)를 향하는 방향으로 틸팅된 방사 패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 사이드 안테나(113)에 포함된 이중 급전 포트 중 상기 중앙 안테나(111)와 인접한 위치의 이중 급전 포트를 통해 형성되는 자기장은 상기 중앙 안테나(111) 및 제1 사이드 안테나(112)에 의해 반사(reflection)되어 상기 제2 사이드 안테나(112)를 향하는 방향으로 틸팅된 방사 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 방사 방향을 향해 일렬 배치된 다수 개의 이중 급전 안테나와 RF 스위치를 직접 연결한 간단한 구조의 급전 라인을 통해, 전력소모가 심한 빔포밍 IC 또는 복잡하고 손실 높은 수동형 급전 회로의 도움 없이도 통신 음영 영역을 최소화하면서 넓은 통신 커버리지를 만족할 수 있는 이점을 가진다.
특히 본 발명에 따르면, 외부에서 고지향성 안테나를 통해 송수신 되는 신호를 실내에서는 넓은 빔폭을 가지며, 음영 영역없이 효과적으로 분산함으로써, 공간 효율성 및 시스템 효율성을 극대화하고 가격 경쟁력을 높일 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명에 따르면, 평면형 안테나 구조로 스위치와 결합이 용이해 모듈화 및 소형화에 용이한 이점을 가진다.
또한 본 발명에 따르면, 2개의 사이드 안테나 만으로 자체적인 틸팅된 빔을 형성할 수 있기 때문에, 전방은 물론 전방 양측을 모두 커버할 수 있는 이점을 가진다.
특히 본 발명에 따르면, 중앙 안테나는 전면을 향해 반구 영역의 넓은 통신 커버리지를 커버할 수 있으며, 중앙 안테나와 2개의 사이드 안테나를 분리시킨 구조를 통해 이중 급전 안테나 또는 광각 안테나에서 발생할 수 있는 안테나의 크로스 편파 열화 현상을 효과적으로 개선할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 분산 안테나 시스템(DAS)의 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 능동 위상 배열 안테나 구조와 스위치 빔 안테나 구조의 개념을 나타낸 도면이다.
도 3은 마그네틱 다이폴 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 마그네틱 다이폴 구조의 표면전류로부터 형성되는 자기장 및 크로스 편파(cross-pol) 발생 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 전체적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 안테나층(110), 그라운드층(120), 급전층(130) 및 방사각 증폭층(140)의 구조를 각각 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 안테나층(110) 및 급전층(130)의 연결 상태를 나타낸 개념도이다.
도 8은 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각을 통해 방사되는 빔을 나타낸 도면이다.
도 9는 안테나층(110)의 이중 급전 포트의 표면전류로부터 형성되는 자기장 및 수평편파가 억제되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 10은 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)로부터 틸팅된 방사 패턴이 형성되는 개념을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 실물 제작 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)를 통한 반사특성 및 방사패턴의 시뮬레이션 결과와 실제 측정된 방사패턴을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 3은 마그네틱 다이폴 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 마그네틱 다이폴 구조의 표면전류로부터 형성되는 자기장 및 크로스 편파(cross-pol) 발생 상태를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 살펴보면, 안테나 방사체는 기본적으로 마그네틱 다이폴 구조를 가지는데, 이는 구조적으로 봤을 때 일반적인 마그네틱 다이폴(magnetic dipole) 구조->백투백 마그네틱 다이폴(back-to-back magnetic dipole) 구조->싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴(single patch back-to-back magnetic dipole) 구조로 변화되었다.
기본적인 마그네틱 다이폴 구조는 한쪽 평면에 대해 넓은 빔폭 특성을 갖게 되며, 이때 안테나 사이즈를 줄이기 위하여 서로 다른 2개의 백투백 마그네틱 다이폴에 포함된 도체들을 서로 하나로 합쳐 싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴 구조를 형성하게 된다. 이때, 백투백 방식에서 급전부를 하나가 아닌 이중으로 늘리는 것은 반대쪽 도체가 반사판 효과를 보이기 때문에, 180도 위상차를 인가할 경우 기존의 마그네틱 다이폴의 방사 패턴을 유지할 수 있다.
한편, 일반적인 싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴 구조는 급전 포트로부터 표면전류가 발생하는 과정에서 그 주위로 자기장이 발생하게 된다. 자기장 분포는 한 방향이 다닌 다양한 방향으로 퍼지게 된다. 이때 자기장은 수직편파 및 수평편파 특성을 가지게 되는데, 일반적으로 수직편파 특성을 가지는 자기장을 통해 통신이 이루어지게 된다.
이 과정에서, 수직편파와 함께 수평편파가 함께 발생되는 경우, 수평편파가 발생하는 만큼 자기장을 손해보게 되며, 수평편파가 발생함에 따른 주위 잡음신호들이 노이즈로써 유입될 수 있기 때문에 이러한 수평편파를 효과적으로 억제하기 위한 필요성이 있다.
이에, 하기에서는 싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴 구조에서 수평편파 발생을 억제하여 크로스 편파 특성을 열화시키지 않도록 방지하는 구조가 개선된 기술을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 전체적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 안테나층(110), 그라운드층(120), 급전층(130) 및 방사각 증폭층(140)의 구조를 각각 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5에 도시된 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 안테나층(110) 및 급전층(130)의 연결 상태를 나타낸 개념도이고, 도 8은 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각을 통해 방사되는 빔을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8을 함께 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)는 크게 안테나층(110), 그라운드층(120), 급전층(130) 및 방사각 증폭층(140)이 적층된 평면형 안테나 구조를 가진다.
안테나층(110)은 전방(혹은 방사 방향)을 향해 일정 각도로 빔을 방사하는 중앙 안테나(111)와, 중앙 안테나(111) 양측에 배치되는 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)를 포함하여 구성된다.
중앙 안테나(111)는 안테나층(110)의 중심부에서 전방을 향하도록 배치되며, 이때 전면 반구 영역의 방사각에 해당하는 넓은 통신 커버리지를 가지도록 구성된다. 제1 사이드 안테나(112)는 중앙 안테나(111)의 일측(도면 상에서는 좌측)에 마련되며, 중앙 안테나(111)와 동일한 반구 영역의 방사각에 해당하는 넓은 통신 커버리지를 가지도록 구성된다. 이때, 제1 사이드 안테나(112)는 중앙 안테나(111)의 위상 대비 90도의 위상차를 가지도록 틸팅된 빔을 방사하기 때문에, 중앙 안테나(111)를 통해 커버하지 못하는 좌측 영역을 전담하여 커버하게 된다.
이때, 중앙 안테나(111)와 제1 사이드 안테나(112)는 일측(좌측)에 일부 중첩 영역을 형성하기는 하지만, 중앙 안테나(111)와 제1 사이드 안테나(112) 사이에는 통신 음영 영역(null)이 발생되지 않아 빈틈없이 광각 통신 커버가 가능한 이점을 가질 수 있다.
제2 사이드 안테나(113)는 중앙 안테나(112)의 타측(도면 상에서는 우측)에 마련되며, 중앙 안테나(111)와 동일한 반구 영역의 방사각에 해당하는 넓은 통신 커버리지를 가지도록 구성된다. 이때, 제2 사이드 안테나(113)는 중앙 안테나(111)의 위상 대비 반대 방향으로 90도의 위상차를 가지도록 틸팅된 빔을 방사하기 때문에, 중앙 안테나(111)를 통해 커버하지 못하는 우측 영역을 전담하여 커버하게 된다.
이때도 마찬가지로, 중앙 안테나(111)와 제2 사이드 안테나(113)는 타측(우측)에 일부 중첩 영역을 형성하기는 하지만, 중앙 안테나(111)와 제2 사이드 안테나(113) 사이에는 통신 음영 영역(null)이 발생되지 않아 빈틈없이 광각 통신 커버가 가능한 이점을 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 본원발명에서는 중앙 안테나(111)를 기준으로 좌우측을 전담하여 커버하는 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)를 개별 구성함에 따라, 이중 급전 안테나 혹은 광각 안테나에서 발생할 수 있는 크로스 편파 열화 현상을 해소할 수도 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 9는 안테나층(110)의 이중 급전 포트의 표면전류로부터 형성되는 자기장 및 수평편파가 억제되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 9를 살펴보면, 본원발명에 따른 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 모두 싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴 구조를 가지며 이에 따른 방사 패턴을 형성하게 된다.
보다 구체적으로, 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각은 이중 급전 포트와 수직 도체 라인을 포함하여 구성된다. 특히, 본원발명에서는 수직 도체 라인의 양측면에서 수직 도체 라인과 90도 각도로 배치되어 이중 급전 포트에서 표면전류가 발생하는 과정에서 형성된 자기장의 수평편파를 억제하도록 한 쌍의 수평 도체 라인이 마련된다.
수직 도체 라인은 이중 급전 포트 사이를 수직 방향으로 구획하게 되며, 이는 각각의 이중 급전 포트에 180도 위상차를 가지는 전류가 인가될 경우 형성되는 자기장이 반사되어 반대 방향으로 틸팅 되도록 유도하기 위한 구성이다. 이러한 수직 도체 라인은 다수 개의 숏팅 핀(shorting pin)을 포함하며, 각각의 숏팅 핀은 그라운드층(120)과 전기적으로 연결되어 있다.
한편, 수직 도체 라인 만으로는 이중 급전 포트에서 표면전류가 발생하는 과정에서 다방향으로 자기장이 형성되는데, 이때는 통신을 위한 수직편파 외에도 수평편파가 발생하게 된다. 이러한 수평편파는 그대로 주위 잡음을 끌어들일 수 있기 때문에 이를 억제할 필요가 있다. 따라서, 본원발명에서는 수직 도체 라인 각각의 측면(도면 상에서는 상하측)에 각각 수평 도체 라인을 배치하였다.
한 쌍의 수평 도체 라인은 수직 도체 라인과 동일한 형태이지만, 방향이 수직 도체 라인과 90도를 향하도록 틀어진 상태이다. 이때, 수평 도체 라인 또한 다수 개의 숏팅 핀을 포함하며, 각각의 숏팅 핀은 그라운드층(120)과 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 이중 급전 포트에 전류가 인가되어 표면전류가 발생하는 과정에서 자기장의 수평편파가 발생하는 경우, 발생된 수평편파가 숏팅 핀을 타고 그라운드층(120)으로 빠져나감으로써 크로스 편파 특성 열화가 해소될 수 있는 것이다.
뿐만 아니라, 이러한 한 쌍의 수평 도체 라인 구조는 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 중 어느 하나의 사이드 안테나에 전류가 인가되는 경우, 해당 사이드 안테나의 보조적인 반사판(reflector) 역할을 하면서 틸팅된 빔을 생성할 수 있도록 한다. 이에 대해서는 도 10을 통해 살펴보기로 한다.
도 10은 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)로부터 틸팅된 방사 패턴이 형성되는 개념을 나타낸 도면이다.
도 10을 살펴보면, 제1 사이드 안테나(112)에 포함된 이중 급전 포트 중 중앙 안테나(111)와 인접한 위치의 이중 급전 포트를 통해 자기장이 형성되는 경우, 이때 형성된 자기장은 중앙 안테나(111)는 물론 제2 사이드 안테나(113)에 포함된 수직 도체 라인 및 수평 도체 라인에 의해 반사(reflection)되어 제1 사이드 안테나(112)를 향하는 방향으로 틸팅(Tilted beam 1)되어 방사 패턴을 형성하게 된다.
마찬가지로, 제2 사이드 안테나(113)에 포함된 이중 급전 포트 중 중앙 안테나(111)와 인접한 위치의 이중 급전 포트를 통해 자기장이 형성되는 경우, 이때 형성된 자기장은 중앙 안테나(111)는 물론 제1 사이드 안테나(112)에 포함된 수직 도체 라인 및 수평 도체 라인에 의해 반사(reflection)되어 제2 사이드 안테나(113)를 향하는 방향으로 틸팅(Tilted beam 2)되어 방사 패턴을 형성하게 된다.
급전층(130)은 안테나층(110)과 연결되며, 상황에 따라 입력되는 안테나 선택 신호에 상응하도록 안테나를 선택하고, 해당 선택된 안테나에 급전을 진행하여 그에 상응하는 빔이 방사되도록 한다.
보다 구체적으로, 급전층(130)은 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)와 각각 연결되는 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132, 133)를 포함하며, 안테나 선택 신호에 따라 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132, 133) 중 어느 하나의 RF 스위치를 선택하고, 선택된 RF 스위치에 상응하는 안테나에 급전을 진행하여 빔 방사가 되도록 할 수 있다.
여기에서, 안테나 선택 신호라 함은 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)가 설치된 장소, 위치를 기준으로 송수신 대상의 위치에 따라 관리 단말을 통해 입력되는 RF 스위치의 선택 신호를 의미할 수 있다. 예를 들어, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)가 방 안의 우측 벽에 붙은 경우, 제1 사이드 안테나(112)를 이용하여 좌측으로 신호를 집중시키면 되기 때문에 급전층(130)에서 제2 RF 스위치(132)를 선택하게 되고, 해당 선택된 제2 RF 스위치(132)에 급전을 하여 해당 방향에 대한 틸팅된 빔이 방사되도록 하는 것이다.
반대로, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)가 방 안의 좌측 벽에 붙은 경우, 제2 사이드 안테나(113)를 이용하여 우측으로 신호를 집중시키면 되기 때문에 급전층(130)에서 제3 RF 스위치(133)를 선택하게 되고, 해당 선택된 제3 RF 스위치(133)에 급전을 하여 해당 방향에 대한 틸팅된 빔이 방사되도록 하는 것이다.
이렇듯, 급전층(130)에서는 안테나 선택 신호에 따라 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 중 빔 방사가 필요한 안테나를 선택적으로 구동할 수 있기 때문에, 기존의 빔포밍 IC와 같은 전력소모를 방지할 수 있는 이점을 가진다.
방사각 증폭층(140)은 안테나층(110) 상측에 적층되며, 길이 방향을 따라 일렬 배치된 다수 개의 증폭용 도체 바(141)를 포함하여 구성된다.
안테나층(110)의 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)를 통해 방사되는 빔은 안테나에서 멀어질수록 가장자리 세기가 약해지게 된다. 본원발명에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)는 인도어(indoor) 타입의 와이드 빔(wide beam) 조건을 만족하여 더욱 명확한 빔이 더욱 넓은 영역으로 방사될 수 있도록 각 안테나 별로 방사되는 빔이 해당 방향으로 더욱 꺾여서 방사될 수 있도록 하며, 이를 통해 빔의 통신 커버리지가 더윽 확장될 수 있다.
이때, 방사각 증폭측(140)의 중심부에 위치한 증폭용 도체 바(141)는 상대적으로 그 길이 및 폭이 넓게 형성될 수 있고, 사이드 방향으로 갈수록 그 길이 및 폭이 점점 줄어드는 형태로 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 28GHz 실물 제작 사진이다.
도 11을 살펴보면, 먼저 도 11(a)는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 실물 상측면(Top)을 나타낸 것이다. 이때, 도면 상으로 최상측에는 방사각 증폭층(140)이 있고, 하측에 안테나층(110)이 적층된 것을 확인할 수 있다. 안테나층(110)의 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 상측에 다수 개의 증폭용 도체 바(141)가 위치된 것을 알 수 있다. 이를 통해, 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각을 통해 방사되는 빔의 통신 커버리지가 더욱 확장될 수 있다.
도 11(b)는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 실물 하측면(Bottom)을 나타낸 것이다. 이때, 도면 상으로 최하측면에 급전층(130)이 있고, 상측으로 그라운드층(120)이 적층된 것을 확인할 수 있다. 급전층(130)에 마련된 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132 133)는 각각 안테나층(110)의 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 그라운드층(120)은 다시 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)에 포함된 수직 도체라인 및 수평 도체 라인의 숏팅 핀과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)를 통한 반사특성 및 방사패턴의 시뮬레이션 결과와 실제 측정된 방사패턴을 비교한 그래프이다.
도 12를 살펴보면, 도 12(a)는 본원발명에 따른 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)를 통한 반사특성을 시뮬레이션 한 결과이고, 도 12(b)는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)를 통한 방사 패턴을 시뮬레이션 한 결과이며, 도 12(c)는 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나(100)의 28GHz 실물을 이용하여 방사패턴을 실제 측정한 결과이다. 도 12(a) 내지 도 12(c)를 비교하여 보면, 실제 측정된 방사 패턴과 시뮬레이션을 통한 반사특성 및 방사 패턴이 유사한 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나
110: 안테나층
111: 중앙 안테나
112, 113: 제1 및 제2 사이드 안테나
120: 그라운드층
130: 급전층
131, 132, 133: 제1 내지 제3 RF 스위치
140: 방사각 증폭층
141: 증폭용 도체 바

Claims (11)

  1. 전방을 향해 일정 각도로 빔을 방사하는 중앙 안테나(111), 상기 중앙 안테나(111) 일측 사이드에서 일측 방향으로 90도 위상차를 가지는 틸팅된 빔을 방사하는 제1 사이드 안테나(112) 및 상기 중앙 안테나(111) 타측 사이드에서 타측 방향으로 90도 위상차를 가지는 틸팅된 빔을 방사하는 제2 사이드 안테나(113)로 구성되는 안테나층(110);을 포함하며,
    상기 중앙 안테나(111)는 전방을 향해 기 설정된 방사각의 빔을 방사하도록 배치되고, 상기 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)는 각각 기 설정된 위상차를 가지는 틸팅된 빔을 방사하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각은,
    이중 급전 포트;
    상기 이중 급전 포트 사이를 구획하는 수직 도체 라인; 및
    상기 수직 도체 라인의 양측면에서 상기 수직 도체 라인과 90도 각도로 배치되며, 상기 이중 급전 포트에서 표면전류가 발생하는 과정에서 형성된 자기장의 수평편파를 억제하도록 마련되는 한 쌍의 수평 도체 라인;을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수직 도체 라인에 포함된 다수 개의 숏팅 핀(shorting pin) 및 상기 한 쌍의 수평 도체 라인 각각에 포함된 다수 개의 숏팅 핀과 연결되는 그라운드층(120);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자기장의 수평편파가 상기 한 쌍의 수평 도체 라인 각각에 포함된 다수 개의 숏팅 핀을 통해 상기 그라운드층(120)으로 빠져나가는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)와 연결되며, 입력된 안테나 선택 신호에 상응하여 특정 안테나를 선택하고, 해당 선택된 안테나에 급전이 진행되도록 하는 급전층(130);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 급전층(130)은,
    상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113)와 각각 연결된 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132, 133);를 포함하며,
    상기 안테나 선택 신호에 따라 상기 제1 내지 제3 RF 스위치(131, 132, 133) 중 어느 하나의 RF 스위치를 선택하고, 선택된 RF 스위치에 상응하는 안테나에 급전하여 빔 방사가 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각을 통해 방사되는 빔의 방사각을 증폭시키는 방사각 증폭층(140);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방사각 증폭층(140)는,
    길이 방향을 따라 일렬 배치된 다수 개의 증폭용 도체 바(141);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 중앙 안테나(111), 제1 및 제2 사이드 안테나(112, 113) 각각에 포함된 이중 급전 포트를 통해 형성되는 자기장은,
    싱글 패치 백투백 마그네틱 다이폴(single patch back-to-back magnetic dipole) 방식의 방사 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 사이드 안테나(112)에 포함된 이중 급전 포트 중 상기 중앙 안테나(111)와 인접한 위치의 이중 급전 포트를 통해 형성되는 자기장은,
    상기 중앙 안테나(111) 및 제2 사이드 안테나(113)에 의해 반사(reflection)되어 상기 제1 사이드 안테나(112)를 향하는 방향으로 틸팅된 방사 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제2 사이드 안테나(113)에 포함된 이중 급전 포트 중 상기 중앙 안테나(111)와 인접한 위치의 이중 급전 포트를 통해 형성되는 자기장은,
    상기 중앙 안테나(111) 및 제1 사이드 안테나(112)에 의해 반사(reflection)되어 상기 제2 사이드 안테나(112)를 향하는 방향으로 틸팅된 방사 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 소형 광각 수동형 빔포밍 안테나.
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