KR20240082813A - 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템 - Google Patents

시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템이 제공된다. 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템은, 복수의 송수신 겸용 안테나 소자를 포함하는 안테나 블록; 시분할 제어를 위한 타이밍 신호에 의해 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 연결되는 송신 경로와 수신 경로를 분리하는 TxRx 스위칭 블록; 및 라디오 유닛으로부터 제공된 송신 신호로부터 상기 타이밍 신호를 생성하는 TxRx 타이밍 회복기 블록을 포함한다.

Description

시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템{SEMI ACTIVE BASE STATION ANTENNA SYSTEM USING TIME DIVISION DUPLEXING}
본 발명은 시분할 듀플렉스 방식의 반능동(Semi Active) 기지국 안테나 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 MIMO(Multiple Input and Multiple Output) 구성의 기지국 안테나 시스템에서 단순화된 구조로 다중빔 조향 기능을 대체할 수 있는 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 셀룰러 기지국은 하나 이상의 안테나, 라디오 유닛(Radio Unit) 및 베이스밴드 유닛을 포함한다. RRH(Remote Radio Head)라고도 불리는 라디오 유닛에는 전력 증폭기(Power Amplifier; PA)가 있는 송신기 패스, 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)가 있는 수신기 패스 및 RF 채널 필터가 포함된다.
도 1은 종래에 제안된 기지국 안테나의 설치 구조를 설명하기 위한 도면이다. 셀룰러 시스템의 RF 주파수의 무선 신호가 도 1의 (a)와 같이 RRH로 연장된 동축 케이블을 통해 전송될 때 상당한 양의 신호 손실이 발생할 수 있다. C대역 주파수에서 작동하는 5G NR(New Radio) 모바일 네트워크 셀은 상호 연결된 케이블 및 내부 안테나 피더 손실로 인해 용량 및 전체 처리량 데이터에서의 손실이 더 크게 나타날 수 있다.
RRH와 안테나 사이의 연결 고주파 케이블 손실 문제를 해결하기 위해 도 1의 (b)와 같이 RRH를 타워 위 안테나 바로 밑에 연결하는 구조가 제안되었다. 또한 도 1의 (c)와 같이 무선 송수신기(Tx/Rx 체인)을 각각의 안테나 어레이 방사체 유닛과 완전히 통합하고 RRH의 무선 송수신기를 패치 안테나와 함께 멀티 레이어 PCB 공정으로 일체화한 안테나 구조가 특허문헌 1에 제시된 바 있다.
도 1의 (b) 및 (c)의 통합 안테나 솔루션은 상호 연결 동축 케이블의 손실을 감소시켜 데이터 전송 속도와 용량 및 커버리지 확대를 개선할 수 있었다. 그러나 라디오 장비와 안테나가 기지국 타워 상단에 할당되어 다중 안테나 시대에 설치 공간의 부족, 일체형 능동 안테나의 고가화에 따른 설치 비용 및 정비 유지 난이도 증가 등의 문제를 발생시킬 수 있다.
특히 32TRX, 64TRX와 같은 대규모 다중 입출력(massive Multi Input Multi Output; m-MIMO) 안테나는 라디오 유닛(Radio Unit)과 안테나를 일체화시켜 전송용량, 속도 및 지연 성능의 개선을 도모하고자 하였으나, 높은 초기 설치 비용으로 인해 전국적인 망구축비용을 지연시키는 주된 원인이 되었다. 게다가 32TRX, 64TRX 의 배열 안테나가 구비된 m-MIMO 안테나를 이용하더라도 수직 및 수평 빔조향은 이론상의 성능을 실현하기에는 부족한 부분이 많아 m-MIMO 안테나의 단점을 부각시킬 뿐이었다.
미국 공개 특허 US20180192508A1 "A Multi-Layer Printed Circuit Board and a Wireless Communication Node"
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 장비는 지상에 있더라도 상호 접속 동축 케이블의 RF 손실을 해결하고 m-MIMO에 비견되는 5G NR 네트워크의 업링크 커버리지 및 처리용량을 향상시킴으로써 기지국 안테나 망 구축을 위한 설치 및 운영 비용을 개선할 수 있는 반능동(Semi Active) 안테나 구조를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 4섹터 또는 6섹트 등 정밀한 섹터링을 통해 전송요구용량 증가에 부응하고 넓은 서비스 커버리지를 확보함으로써 C-band 5G NR 네트워크 배치의 설치 및 운영 비용을 저감할 수 있는 기지국 안테나 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 일체형 기지국 안테나 시스템은, 복수의 송수신 겸용 안테나 소자를 포함하는 안테나 블록; 시분할 제어를 위한 타이밍 신호에 의해 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 연결되는 송신 경로와 수신 경로를 분리하는 TxRx 스위칭 블록; 및 라디오 유닛으로부터 제공된 송신 신호로부터 상기 타이밍 신호를 생성하는 TxRx 타이밍 회복기 블록을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 TxRx 스위칭 블록은, 상기 송신 경로와 수신 경로 양단을 선택적으로 연결하는 제1 스위치와 제2 스위치; 및 상기 수신 경로에서 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 타이밍 신호는, 제1 시간에서 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 상기 송신 경로에 연결하고, 상기 제1 시간 이외의 제2 시간에서 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 상기 수신 경로에 연결하고 상기 저잡음 증폭기를 턴 온 시킬 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 TxRx 스위칭 블록은, 라디오 유닛과 연결되는 입출력단과, 상기 안테나 블록 사이에 연결되어 상기 타이밍 신호에 따라 분리된 송신 경로와 수신 경로를 형성할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 TxRx 스위칭 블록으로부터 출력되는 송신 신호 및 상기 스위칭 블록으로 제공되는 수신 신호의 채널을 분리하는 채널 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 TxRx 스위칭 블록은, 상기 안테나 블록 내부에 삽입되어 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자 각각에 연결될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 채널 필터는 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 상기 TxRx 스위칭 블록 사이에 삽입될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 송신 신호를 분리하여 상기 TxRx 타이밍 회복기 블록으로 제공하는 커플러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 TxRx 타이밍 회복기 블록은, 로그 앰프 및 검파기를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자가 일렬로 배열되는 반사판을 더 포함하고, 상기 반사판은 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자 방향으로 일정 각도로 절곡된 일단 및 타단을 포함하여 수평 방향의 빔폭을 45도로 조절할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 복수의 송수신 겸용 안테나는 나란히 배열되어 제1 내지 제3 열의 안테나 어레이를 구성하고, 상기 제1 열, 제2 열 및 제3 열의 안테나 어레이는 전계의 진폭이 1:2:1의 웨이팅으로 급전되어 수평 방향의 빔폭이 33도로 조절될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 시분할 듀플렉스 방식의 일체형 기지국 안테나 시스템은, 복수의 송수신 겸용 안테나 소자를 포함하는 안테나 블록; 및 시분할 제어를 위한 타이밍 신호에 의해 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 연결되는 송신 경로와 수신 경로를 분리하는 TxRx 스위칭 블록을 포함하고, 상기 스위칭 블록은, 상기 송신 경로와 수신 경로 양단을 선택적으로 연결하는 제1 스위치와 제2 스위치; 및 상기 수신 경로에서 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 라디오 유닛으로부터 제공된 송신 신호로부터 상기 타이밍 신호를 생성하는 TxRx 타이밍 회복기 블록을 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템은 송신 안테나와 수신 안테나가 동일한 송수신 안테나 소자로 구성되며, 외부 유닛에 의한 타이밍 신호를 제공받을 필요 없이 송신 신호로부터 타이밍 회복에 의한 타이밍 신호를 통해 송신 경로 및 수신 경로를 분리한다. 이는 종래의 RRH와 통합형으로 구현될 필요 없이 바로 연결됨으로써 설치 및 유지 비용 저감의 효과가 탁월할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 기지국 안테나의 설치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템에 포함되는 안테나 배열 및 반사판의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템에 포함되는 안테나 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반능동 기지국 안테나 시스템에 적용될 수 있는 미세 섹터링 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반능동 기지국 안테나 시스템에 의해 얻어질 수 있는 빔 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성 요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템은, 복수의 송수신 겸용 안테나 소자를 포함하는 안테나 블록(110), 시분할 제어를 위한 타이밍 신호에 의해 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 연결되는 송신 경로와 수신 경로를 분리하는 TxRx 스위칭 블록(120) 및 라디오 유닛으로부터 제공된 송신 신호로부터 상기 타이밍 신호를 생성하는 TxRx 타이밍 회복기 블록(130)을 포함할 수 있다.
안테나 블록(110)은 위상가변기(PS(n/1))와 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)을 포함할 수 있다. 안테나 블록(110)의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)들은 일정한 배열을 이루도록 반사판 상에 배치될 수 있다. 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)는 그 명칭에서와 같이 송수신 겸용으로 사용되며, 따라서 업링크 및 다운링크에 동일한 안테나 소자가 사용될 수 있다.
TxRx 스위칭 블록(120)은 TxRx 타이밍 회복기 블록(130)에서 제공하는 타이밍 신호에 의해 제어되어, 송신 경로(Tx)와 수신 경로(Rx)를 분리할 수 있다. TxRx 스위칭 블록(120)은 커플러(131)와 채널 필터(150) 사이에서 다운링크 연결의 경우 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 송신 경로(Tx)로 연결하고, 업링크 연결의 경우 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 수신 경로(Rx)로 연결할 수 있다.
TxRx 스위칭 블록(120)이 수신 신호를 수신 경로(Rx)로 연결할 때, 저잡음 증폭기(LNA)가 턴 온 되어 수신 신호를 저잡음 증폭시킬 수 있다. 도시된 것과 같이, 저잡음 증폭기(LNA)는 송신 경로(Tx)에는 연결되지 않고 수신 경로(Rx)에만 연결되어 수신 신호만을 증폭한다. 저잡음 증폭기(LNA)에 의해 수신 신호가 증폭됨으로써, 반능동 기지국 안테나 시스템(1)으로부터 지상으로 연장되는 고주파 케이블에 의한 전력 손실에 의한 수신 가능 신호 레벨의 감소를 방지할 수 있다.
한편, TxRx 스위칭 블록(120)이 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 연결을 통해 송신 경로(Tx)와 수신 경로(Rx)를 분리하는 것은 TxRx 타이밍 회복기 블록(130)에서 제공하는 타이밍 신호에 의하여 시분할 듀플렉스(Time Division Duplexing) 방식으로 수행될 수 있다. TxRx 타이밍 회복기 블록(130)은 커플러(131)와 TxRx 타이밍 회복기(132)를 포함할 수 있으며, 예를 들어 로그 앰프(Log amplifier)와 검파기(detector)를 포함하여, 반능동 기지국 안테나 시스템(1)이 제공받은 송신 신호로부터 TxRx 스위칭 블록(120)을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
타이밍 신호는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 제어를 위한 스위치 선택 신호와 저잡음 증폭기(LNA)의 턴 온을 제어하기 위한 앰프 제어 신호를 포함할 수 있다. 타이밍 신호에 의해 TxRx 스위칭 블록(120)이 송신 경로(Tx)를 연결하면 저잡음 증폭기(LNA)는 턴 오프되고, 수신 경로(Rx)가 연결되면 저잡음 증폭기(LNA)가 턴 온 되는 것은 앞서 설명한 것과 같다.
TxRx 타이밍 회복기 블록(130)과 안테나 블록(110) 사이에는 채널 필터(150)가 배치되어 송신 시 인접채널로의 신호 방사를 방지하고 수신 시 인접채널로부터 유입되는 스퓨리어스 신호에 의한 저잡음 증폭기(LNA)의 포화를 방지할 수 있다.
도 2의 반능동 기지국 안테나 시스템(1)에 의한 다운링크 동작은 다음과 같이 수행된다. 지상의 라디오 유닛에서 급전 고주파 케이블을 통해 입력된 송신 신호는 커플러(131)로부터 일부 분리되어 TxRx 타이밍 회복기(132)에 제공된다. TxRx 타이밍 회복기(132)는 송신 신호를 로그 증폭기와 검파기의 조합에 의해 TxRx 스위칭 블록(120)의 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 송신 경로(Tx)로 연결시키기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
TxRx 스위칭 블록(120)의 송신 경로(Tx)와 채널 필터(150)를 지난 송신 신호는 안테나 블록(110)으로 입력되고, 위상 가변기(PS(n/1))를 지나 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)를 통해 방사된다. 이때 송신 신호들은 iRET(internal Remote Electric Tilt)에서 지시한 방향으로 틸트될 수 있으며, 예를 들어 AISG v3.0(Antenna Interface Standards Group) 규격에 따라 틸트가 제어될 수 있다.
한편, 반능동 기지국 안테나 시스템(1)에 의한 업링크 동작은 다음과 같이 수행된다. 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)를 통해 수신된 수신 신호는 위상가변기(PS(n/1)) 및 채널 필터(150)를 거치고 TxRx 스위칭 블록(120)으로 제공된다. TxRx 스위칭 블록(120)은 TxRx 타이밍 회복기 블록(130)에 의해 생성된 타이밍 신호에 의해 송신 경로(Tx)가 연결되는 시간 이외의 나머지 시간에는 수신 경로(Rx)를 연결하므로 수신 신호는 수신 경로(Rx)를 거쳐 저잡음 증폭된 후 지상의 라디오 유닛으로 제공될 수 있다.
정리하면, 본 발명의 실시예에 따른 반능동 기지국 안테나 시스템(1)은 송신 안테나와 수신 안테나가 동일한 송수신 안테나 소자로 구성되며, 외부 유닛에 의한 타이밍 신호를 제공받을 필요 없이 송신 신호로부터 타이밍 회복에 의한 타이밍 신호를 통해 송신 경로 및 수신 경로를 분리한다. 이는 도 1의 (a) 및 (b)와 같이 종래의 RRH에 바로 연결될 수 있는 효과를 부여한다.
또한 생성된 타이밍 신호에 의해 수신 경로가 연결된 경우 수신 신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기를 통해 증폭함으로써 수신 감도 및 업링크 커버리지가 개선될 수 있다. 즉, 본 발명의 기지국 안테나 시스템은 RRH 등의 라디오 유닛과 통합형으로 구현될 필요가 없어 상술한 설치 및 유지 비용 저감의 효과가 탁월할 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템(2)은 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)과 채널 필터(250-1~250-n)이 안테나 블록(210) 내부에 삽입되어 있는 점이 앞서 도 2의 실시예와는 다르다. 이와 관련하여 앞서 설명한 실시예와 차이점을 중심으로 설명하고 중복된 요소에 대한 설명은 생략한다.
구체적으로, TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)과 채널 필터(250-1~250-n)은 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)에 대응하여 각각 연결될 수 있다. 즉, 하나의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1)마다 TxRx 스위칭 블록(220-1)과 채널 필터(250-1)이 연결되는 것이다.
이에 따라 송신 신호로부터 생성되어 타이밍 회복기 블록(230)으로부터 제공되는 타이밍 신호는 각각의 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)으로 제공되어 송신 경로 및 수신 경로가 분리될 수 있다. 다만 복수의 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)이 제공받는 타이밍 신호는 동일하여, 하나의 스위칭 블록이 타이밍 신호에 의해 제어되어 송신 경로를 연결하면 나머지 스위칭 블록 또한 송신 경로를 연결하게 된다.
도 3의 반능동 기지국 안테나 시스템(2)의 다운링크 동작은 다음과 같이 수행된다. 지상의 라디오 유닛으로부터 급전 고주파 케이블을 통해 연결된 송신 신호는 커플러(231)로부터 일부 분리되어 타이밍 회복기(232)에 제공된다. 타이밍 회복기(232)는 송신 신호를 로그 증폭기와 검파기의 조합에 의해 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)에 각각 연결된 복수의 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)의 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 송신 경로(Tx)로 연결시키기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
송신 신호는 안테나 블록(210)으로 입력되고, 위상 가변기(PS(n/1))를 지난다. iRET의 틸트 제어에 따라 복수의 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)의 송신 경로로 분산되며, 채널 필터(250-1~250-n) 및 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)를 거쳐 자유 공간으로 복사될 수 있다.
한편, 반능동 기지국 안테나 시스템(2)에 의한 업링크 동작은 다음과 같이 수행된다. 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)를 통해 수신된 수신 신호는 채널 필터(250-1~250-n)를 거쳐 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)으로 제공된다. TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)은 타이밍 회복기 블록(230)에 의해 생성된 타이밍 신호에 의해 송신 경로(Tx)가 연결되는 시간 이외의 나머지 시간에는 수신 경로(Rx)를 연결하므로 수신 신호는 수신 경로(Rx)를 거쳐 저잡음 증폭된 후 위상가변기(PS(n/1))와 커플러(231)를 거쳐 지상의 라디오 유닛으로 제공될 수 있다.
도 3의 실시예에 따른 반능동 기지국 안테나 시스템(2)은 복수의 TxRx 스위칭 블록(220-1~220-n)이 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn) 각각에 연결됨에 따라 위상가변기(PS(n/1))를 거쳐 분배되는 과정에서 발생하는 안테나 내부의 피더 손실까지 보장할 수 있다. 이에 따라 급전 케이블에 의한 전력 손실뿐만 아니라 상술한 피더 손실과 같이 겉으로 잘 드러나지 않는 안테나 내부 손실까지 보상함으로써 안테나 이득이 최적화되고, 업링크 성능이 향상될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 다른 몇몇 실시예에서, 채널 필터(250-1~250-n)가 수신 경로(Rx)의 뒷단, 즉 위상가변기(PS(n/1))와 복수의 스위칭 블록(220-1~220-n) 사이에 연결되도록 구성될 수도 있다. 만약 5G NR 서비스 사업자들 간 TX 및 RX 타이밍 제어가 시간적으로 동시에 수행될 수 있다면 인접 사업자로부터 누설 전자파에 의한 수신 저잡음 증폭기의 포화 문제는 사라질 수 있다. 이러한 경우 채널 필터(250-1~250-n)가 수신 경로(Rx)에서 저잡음 증폭기(LNA) 뒤에 배치됨으로써 채널 필터(250-1~250-n)의 삽입 손실만큼 수신 안테나 이득이 개선되고, 업링크 수신 감도 및 커버리지가 개선될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템에 포함되는 안테나 배열 및 반사판의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 블록(110, 210)은 (b)와 같이 일렬로 배열되는 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE1~AEn)를 지지하는 반사판(300)을 포함할 수 있다. 반사판(300)은 복수의 송수신 겸용 안테나 소자(AE) 방향으로 일정 각도로 절곡된 일단 및 타단(310)을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 안테나 블록(110, 210)의 수평 방향 빔폭을 45도로 조절함으로써 m-MIMO가 구현하는 수평방향 빔조향 기능을 단순화하여 구현할 수 있다. 이와 함께 수직 방향은 종래의 4T4R 안테나 또는 m-MIMO 안테나와 동등 이상의 개구면 크기를 갖도록 배열할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템에 포함되는 안테나 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 3개 열의 이중 편파 패치 안테나를 배치하되, 이항 분포(binomial distribution) 급전 이론에 따라 3개의 이중 편파 패치 안테나 전계의 진폭을 1:2:1 웨이팅으로 급전함으로써 33도의 수평 방향의 빔폭을 얻고 수평 방향의 부엽을 제거함으로써 인접 셀과의 간섭이 개선될 수 있다.
도 4 및 5의 안테나 배치 및 급전 구조에 따라 본 발명의 반능동 기지국 안테나 시스템은 수평 수직 방향의 빔조향 기능이 단순화될 수 있으며, 도 2 및 3의 구조와 맞물려 기존의 32TRX m-MIMO에 비견될 수 있는 업링크 커버리지 성능을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반능동 기지국 안테나 시스템에 적용될 수 있는 미세 섹터링 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 도 4의 반사판 구조가 적용되어 수평 방향 빔폭이 45도로 제어됨에 따라 4섹터 구조가 적용된 구조가 도시되며, 도 6의 (b)는 도 5의 급전 및 배치 구조가 적용되어 수평 방향의 빔폭이 33도로 제어되는 구조가 도시된다. 도 6의 (b)의 경우 부엽이 없어 인접 셀과의 간섭이 감소되며, 시스템의 에너지 효율이 개선됨에 따라 6섹터 구조가 적용되어 시스템의 전송 용량이 개선될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반능동 기지국 안테나 시스템에 의해 얻어질 수 있는 빔 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 이중편파 패치 안테나 두 개를 반사판을 중심으로 서로 반대 방향으로 배치하여 등위상 급전함으로써 수평 방향 빔폭이 거의 360도인 전방향 pseudo omni directional의 수평패턴(도 7의 (a)) 및 수직패턴(도 7의 (b))이 얻어지는 것을 설명하기 위한 도면으로, 도 6 및 7의 구조는 도 2 및 3의 반능동 안테나 구조와 조합되어 다양한 섹터 구분을 통해 5G NR망의 설치 비용 및 운영 비용이 저감될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 2: 반능동 기지국 안테나 시스템 110, 210: 안테나 블록
120, 220: TxRx 스위칭 블록 130, 230: TxRx 타이밍 회복기 블록
131, 231: 커플러 150, 250: 채널 필터

Claims (22)

  1. 복수의 송수신 겸용 안테나 소자를 포함하는 안테나 블록;
    시분할 제어를 위한 타이밍 신호에 의해 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 연결되는 송신 경로와 수신 경로를 분리하는 TxRx 스위칭 블록; 및
    라디오 유닛으로부터 제공된 송신 신호로부터 상기 타이밍 신호를 생성하는 TxRx 타이밍 회복기 블록을 포함하는,
    시분할 방식의 반 능동(Semi Active) 기지국 안테나 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록은,
    상기 송신 경로와 수신 경로 양단을 선택적으로 연결하는 제1 스위치와 제2 스위치; 및
    상기 수신 경로에서 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)를 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 타이밍 신호는, 제1 시간에서 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 상기 송신 경로에 연결하고,
    상기 제1 시간 이외의 제2 시간에서 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 상기 수신 경로에 연결하고 상기 저잡음 증폭기를 턴 온 시키는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록은,
    라디오 유닛과 연결되는 입출력단과, 상기 안테나 블록 사이에 연결되어 상기 타이밍 신호에 따라 분리된 송신 경로와 수신 경로를 형성하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록으로부터 출력되는 송신 신호 및 상기 TxRx 스위칭 블록으로 제공되는 수신 신호의 채널을 분리하는 채널 필터를 더 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록은,
    상기 안테나 블록 내부에 삽입되어 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자 각각에 연결되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 채널 필터는 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 상기 TxRx 스위칭 블록 사이에 삽입되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 송신 신호를 분리하여 상기 TxRx 타이밍 회복기 블록으로 제공하는 커플러를 더 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 TxRx 타이밍 회복기 블록은,
    로그 앰프 및 검파기를 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자가 일렬로 배열되는 반사판을 더 포함하고,
    상기 반사판은 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자 방향으로 일정 각도로 절곡된 일단 및 타단을 포함하여 수평 방향의 빔폭을 45도로 조절하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 송수신 겸용 안테나는 나란히 배열되어 제1 내지 제3 열의 안테나 어레이를 구성하고,
    상기 제1 열, 제2 열 및 제3 열의 안테나 어레이는 전계의 진폭이 1:2:1의 웨이팅으로 급전되어 수평 방향의 빔폭이 33도로 조절되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  12. 복수의 송수신 겸용 안테나 소자를 포함하는 안테나 블록; 및
    시분할 제어를 위한 타이밍 신호에 의해 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 연결되는 송신 경로와 수신 경로를 분리하는 TxRx 스위칭 블록을 포함하고,
    상기 TxRx 스위칭 블록은,
    상기 송신 경로와 수신 경로 양단을 선택적으로 연결하는 제1 스위치와 제2 스위치; 및
    상기 수신 경로에서 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기를 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    라디오 유닛으로부터 제공된 송신 신호로부터 상기 타이밍 신호를 생성하는 TxRx 타이밍 회복기 블록을 더 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 타이밍 신호는, 제1 시간에서 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 상기 송신 경로에 연결하고,
    상기 제1 시간 이외의 제2 시간에서 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 상기 수신 경로에 연결하고 상기 저잡음 증폭기를 턴 온 시키는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록은,
    라디오 유닛과 연결되는 입출력단과, 상기 안테나 블록 사이에 연결되어 상기 타이밍 신호에 따라 분리된 송신 경로와 수신 경로를 형성하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록으로부터 출력되는 송신 신호 및 상기 TxRx 스위칭 블록으로 제공되는 수신 신호의 채널을 분리하는 채널 필터를 더 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 TxRx 스위칭 블록은,
    상기 안테나 블록 내부에 삽입되어 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자 각각에 연결되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 채널 필터는 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 상기 TxRx 스위칭 블록 사이에 삽입되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 채널 필터는 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자와 상기 TxRx 스위칭 블록 사이에 삽입되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 TxRx 타이밍 회복기 블록은,
    로그 앰프 및 검파기를 포함하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  21. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자가 일렬로 배열되는 반사판을 더 포함하고,
    상기 반사판은 상기 복수의 송수신 겸용 안테나 소자 방향으로 일정 각도로 절곡된 일단 및 타단을 포함하여 수평 방향의 빔폭을 45도로 조절하는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
  22. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 송수신 겸용 안테나는 나란히 배열되어 제1 내지 제3 열의 안테나 어레이를 구성하고,
    상기 제1 열, 제2 열 및 제3 열의 안테나 어레이는 전계의 진폭이 1:2:1의 웨이팅으로 급전되어 수평 방향의 빔폭이 33도로 조절되는,
    시분할 듀플렉스 방식의 반능동 기지국 안테나 시스템.
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