WO2015174723A1 - 송신 기기에서 신호 방사 장치 - Google Patents

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WO2015174723A1
WO2015174723A1 PCT/KR2015/004759 KR2015004759W WO2015174723A1 WO 2015174723 A1 WO2015174723 A1 WO 2015174723A1 KR 2015004759 W KR2015004759 W KR 2015004759W WO 2015174723 A1 WO2015174723 A1 WO 2015174723A1
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WO
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signal
antenna
radiation
present
guiding
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/004759
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English (en)
French (fr)
Inventor
홍원빈
김윤건
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H01Q1/46—Electric supply lines or communication lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/06—Waveguide mouths

Definitions

  • the present invention relates to an antenna of a wireless transmitting device.
  • a 5G communication system or a pre-5G communication system is called a system after a 4G network (Beyond 4G Network) or a system after an LTE system (Post LTE).
  • 5G communication systems are being considered for implementation in the ultra-high frequency (mmWave) band (eg, such as the 60 Gigabit (60 GHz) band).
  • mmWave ultra-high frequency
  • FD-MIMO massive array multiple input / output
  • FD-MIMO massive array multiple input / output
  • Array antenna, analog beam-forming, and large scale antenna techniques are discussed.
  • 5G communication systems have advanced small cells, advanced small cells, cloud radio access network (cloud RAN), ultra-dense network (ultra-dense network) , Device to Device communication (D2D), wireless backhaul, moving network, cooperative communication, Coordinated Multi-Points (CoMP), and interference cancellation
  • cloud RAN cloud radio access network
  • ultra-dense network ultra-dense network
  • D2D Device to Device communication
  • wireless backhaul moving network
  • cooperative communication Coordinated Multi-Points (CoMP), and interference cancellation
  • Hybrid FSK and QAM Modulation FQAM
  • SWSC sliding window superposition coding
  • ACM Advanced Coding Modulation
  • FBMC Fan Bank Multi Carrier
  • NOMA non orthogonal multiple access
  • SCMA sparse code multiple access
  • communication devices are gradually miniaturized, and various electronic devices provide network-based services using the communication devices. Accordingly, not only portable terminals (eg, cellular phones, smart phones, etc.) originally designed for communication, but also devices which have not been equipped with a communication function in the past, can provide various services using communication. Providing. In this case, in order to avoid the convenience of carrying and the inconvenience of wired communication, wireless communication technology is generally applied.
  • portable terminals eg, cellular phones, smart phones, etc.
  • wireless communication technology is generally applied.
  • an antenna for radiating a signal is essentially included.
  • the transmitting device In order to transmit a signal through an antenna, the transmitting device generates a baseband signal from the transmission data and generates a radio frequency (RF) through a radio frequency integrated circuit (RFIC).
  • RF radio frequency
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • the RFIC and the antenna are generally connected through a transmission line. However, due to signal transmission through the feed line, a loss of the transmission signal may occur. Loss of the transmitted signal reduces antenna gain, which in turn can lead to degradation of system performance.
  • One embodiment of the present invention provides an apparatus for improving antenna gain in a wireless transmission device.
  • Another embodiment of the present invention provides an apparatus for reducing losses caused by a transmission line in a wireless transmission device.
  • Another embodiment of the present invention provides an antenna device in which a feeder line size is minimized in a wireless transmission device.
  • An apparatus for signal radiation is composed of a feeding unit for emitting a signal and a plurality of elements spaced apart physically, the signal emitted from the feed unit And a guiding unit for adjusting the radiation pattern.
  • a method of operating a transmitter includes a process of radiating a signal and adjusting a radiation pattern of the signal through a guiding part composed of a plurality of physically spaced elements.
  • Antenna gain can be improved by removing a radio frequency integrated circuit (RFIC) and a feed line between antennas in a wireless transmission device.
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • FIG. 1 illustrates an example of a connection structure of a radio frequency integrated circuit (RFIC) and an antenna in a transmitting device.
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • FIG. 2 illustrates a connection structure of an RFIC and an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows an example of the configuration of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates measurement criteria of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a propagation direction and an electric field by an antenna in a transmitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates a structure of an antenna for controlling polarization characteristics in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates S-parameters of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates design variables for controlling the radiation characteristic of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 illustrates radiation characteristics according to antenna length in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 illustrates radiation characteristics according to a guide element spacing of an antenna in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 illustrates radiation characteristics according to the size of guide elements of an antenna in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • 12A and 12B illustrate an example of a structure for controlling a feeding direction of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 illustrates an example of a radiation characteristic according to a power feeding direction of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 illustrates another example of a radiation characteristic according to a power feeding direction of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • 15 illustrates an example of radiation characteristics when two antennas are used in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 illustrates an example of radiation characteristics when four antennas are used in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 illustrates examples of beamsteering using multiple antennas in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 illustrates an example of a configuration of an antenna in a transmitting device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 19 shows an example of a configuration of an antenna in a transmitting device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 illustrates a signal transmission procedure in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 21 shows an example of using an antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 illustrates radiation patterns of a wireless probe to which an antenna is applied according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 illustrates an arrangement of antennas installed in a wireless probe according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 illustrates an arrangement of an antenna installed in a wireless probe with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless transmission device may be a portable electronic device, a smart phone, a portable terminal, a mobile phone, a mobile pad, a media It may be a communication means included in one of a player, a tablet computer, a handheld computer, or a personal digital assistant (PDA).
  • the wireless transmission device may be a communication means for a device combining two or more functions of the above-described devices.
  • FIG. 1 illustrates an example of a connection structure of a radio frequency integrated circuit (RFIC) and an antenna in a transmitting device.
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • FIG. 1 An example of a connection structure between the RFIC and the antenna is shown in FIG. 1.
  • an RFIC 104 is installed on a board 102, and an antenna 108 is disposed near an edge of the board 102. Further, the RFIC 104 and the antenna 108 are connected via a transmission line 106 to transfer an RF signal from the RFIC 104 to the antenna 108.
  • the present invention proposes a connection structure of an RFIC and an antenna having a structure as shown in FIG. 2.
  • 2 illustrates a connection structure of an RFIC and an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the RFIC 204 and the antenna 208 of the transmitting device are connected without a feed line. That is, in order to reduce loss due to signal transmission through a feed line, the transmitting device according to the embodiments of the present invention includes a connection structure of the RFIC 204 and the antenna 208 with the feed line removed or minimized. do.
  • the RFIC 204 is a means for performing processing such as amplifying, filtering, and the like on an RF signal, and may be referred to by another name.
  • the RFIC 204 may be referred to as a transceiver, an RF processor, or the like.
  • the antenna 208 may have a shape in which the feed line is simply removed from the antenna according to the related art. According to another embodiment of the present invention, in addition to the shape of simply removing the feed line from the antenna according to the prior art, the antenna 208 may further include components for controlling the performance of signal radiation in the space where the feed line is to be located. Can be.
  • FIG 3 shows an example of the configuration of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna includes a feeding unit 310 and a guiding unit 320.
  • the power supply unit 310 receives an RF signal from an RFIC and radiates the RF signal.
  • the power supply unit 310 performs impedance matching with the antenna.
  • the RF signal from the RFIC may be input to the power supply unit 310 through a physical connection. That is, the feed unit 310 may be connected to the RFIC without a separate feed line. Alternatively, the feed unit 310 may be connected to the RFIC through a feed line having a length less than a threshold.
  • the feed part 310 is illustrated as including a plurality of sub-units. However, the structure of the power supply unit 310 shown in FIG. 3 is one example, and the power supply unit 310 may have a different structure.
  • the guiding part 320 radiates a signal radiated from the power feeding part 310 to the outside in a desired radiation pattern. That is, the signal radiated from the power feeding unit 310 is radiated to the outside of the transmitting device through the guiding unit 320, and at this time, the radiation pattern may vary depending on the specific structure of the guiding unit 320. .
  • the guiding part 320 is composed of a plurality of guide elements, and the guide elements are arranged along a predetermined direction. The guide elements are physically spaced apart, and the distance between adjacent guide elements may be constant, not constant, or substantially constant within a predefined error range.
  • FIG. 4 illustrates measurement criteria of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • (a) shows a plan view of the antenna
  • (b) shows a front view of the antenna.
  • the feeder 410 and the guiding part 420 are disposed in the dielectric 440.
  • the feeding part 410 and the guiding part 420 may be disposed in a form coupled to the inside of the dielectric 440, or the dielectric 440 may be the feeding part 410 and the guiding part 420. It can be installed in the form of a cover placed on top of. In this case, as shown in (b), some of the guide elements of the guiding part 410 may be exposed to the outside of the dielectric 440.
  • the dielectric 440 may be formed of at least one of a printed circuit board (PCB), silicon (silicon), low temperature co-fired ceramics (LTCC), and liquid crystal polymer (LCP).
  • PCB printed circuit board
  • silicon silicon
  • LTCC low temperature co-fired ceramics
  • LCP liquid crystal polymer
  • the dielectric 440 is surrounded by a conductor 430 on the plan view.
  • one surface of the dielectric 440 is open without being surrounded by the conductor 430. That is, in the antenna, some of the surfaces parallel to the longitudinal direction of the guiding part 420 are shielded by the conductor 430, and the other part is open.
  • the open surface may include a surface on which the guide elements of the guiding part 420 are exposed to the outside of the dielectric 440.
  • the x-axis size of the dielectric 440 is referred to as length, and the y-axis size is referred to as width.
  • the z-axis size of the dielectric is referred to as height.
  • the definition of the length, the width, and the height is an example for convenience of description below. Accordingly, the definition of the length, the width, and the height may be modified or interchanged according to the intention of the practitioner of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a propagation direction and an electric field by an antenna in a transmitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • (a) shows the electric field observed in the x-y plane corresponding to the front view of the antenna
  • (b) shows the electric field observed in the x-z plane corresponding to the side view of the antenna.
  • the antenna according to the embodiment of the present invention generates radio waves in a TE (Transverse Electric) mode.
  • the TE mode is a polarization type classified as linear polarization together with a TM (Transverse Magnetic) mode and a TEM (Transverse Electric Magnetic).
  • the TE mode means a linearly polarized wave in which a propagation direction of the radio wave is perpendicular to the electric field. That is, in the antenna according to the embodiment of the present invention, the electric field is formed perpendicular to the propagation direction.
  • Equation 1 the equation for propagation is as shown in Equation 1 below.
  • Equation 1 k is a propagation constant, Hz is a z-axis value of a magnetic field, h z is an amplitude of the z-axis value of a magnetic field, and ⁇ z is a z-axis. It means a phase constant.
  • FIG. 6 illustrates a structure of an antenna for controlling polarization characteristics in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • 6 shows a simplified structure of the antenna corresponding to the front view of the antenna.
  • the x and y axes are different from the x and y axes defined in FIG. 3, the x axis of FIG. 6 being the y axis of FIG. 3, and the y axis of FIG. 6 being the z axis of FIG. 3. Coincides with the axis.
  • Equation 2 the x-axis component of the electric field, y is the height direction size of the antenna, e y is the y-axis component of the electric field, x is the width direction size of the antenna.
  • Equation 3 an example of the condition of the height direction and the width direction of the antenna according to the frequency of the transmission signal is shown in Equation 3 below.
  • Equation 3 k c is a propagation constant of a cutoff frequency band, k x is an x-axis component of a propagation constant, k y is a y-axis component of a propagation constant, and ⁇ is a phase constant in a propagation direction.
  • k is the propagation constant
  • f c is the frequency of the transmission signal
  • ⁇ is pi
  • pi is the permeability of the medium inside the antenna
  • ⁇ is the permittivity of the medium inside the antenna
  • n is an arbitrary natural number
  • b is the height direction size of the antenna.
  • the TE mode may be divided into a TE 10 mode and a TE 01 mode.
  • the TE 10 mode and the TE 01 mode are classified according to the length of a wave length, and the TE 10 mode is a mode having a length of twice the width in the width direction of the antenna as the cutoff wavelength, and the TE 01 mode.
  • f TE10 is the transmission signal frequency in the TE 10 mode
  • ⁇ is the permeability of the medium inside the antenna
  • ⁇ is the dielectric constant of the medium inside the antenna
  • width is the width in the width direction of the antenna
  • the f TE01 is a transmission signal frequency in the TE 01 mode
  • the width refers to the height direction magnitude of the antenna.
  • the cross section of the antenna is represented by a rectangle.
  • the antenna having a rectangular cross section is an example, and according to various embodiments of the present disclosure, the cross section of the antenna may have a different shape.
  • the at least one corner may have an angle other than a right angle, or a pentagon, hexagon, or the like whose cross section is not rectangular.
  • FIG. 7 illustrates S-parameters of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • (a) shows S-parameters according to frequency in TE 10 mode
  • (b) shows S-parameters according to frequency in TE01 mode.
  • S11 denotes an input reflection coefficient
  • S12 denotes a reverse transfer coefficient.
  • the operating frequency of the TE 10 mode may be about 28 GHz and the operating frequency of the TE 01 mode may be about 73 GHz.
  • the antenna according to the embodiment of the present invention includes a feeding part and a guiding part, and has a length, a width, and a height.
  • the guiding part may include a plurality of guide elements, and the feeding part and the guiding part may be disposed in the dielectric.
  • at least one side of the dielectric may be shielded with a conductor and the other side may be open.
  • FIG. 8. 8 illustrates design variables for controlling the radiation characteristic of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the individual guide elements 822 constituting the guiding part are arranged at predetermined intervals, and the interval may be referred to as a 'pitch 824'.
  • the guide element 822 may be designed to have a width 826 on the y axis and a height 828 on the z axis.
  • the antenna has a length 852 on the x axis, a width 854 on the y axis and a height 856 on the z axis.
  • the radiation angle ⁇ 862 of the signal is defined in the x-z plane
  • the direction coinciding with the x axis is defined as 90 °
  • the direction coinciding with the z axis is defined as 0 °.
  • the radiation angle ⁇ 862 may vary depending on the length 852.
  • 9 illustrates radiation characteristics according to antenna length in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents the length 852, and the unit is a ratio with respect to the wavelength.
  • the left vertical axis represents the radiation angle ⁇ 862 and the right vertical axis represents gain. Referring to FIG. 9, as the length 852 becomes longer, the radiation angle ⁇ 862 increases. That is, the smaller the length 852 is, the closer the vertical radiation is, and the larger the length 852 is, the closer the horizontal radiation is.
  • FIG. 10 is a view illustrating radiation characteristics of a guide element interval of an antenna in a transmission device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents the pitch 824, and the unit is a ratio with respect to the wavelength.
  • the left vertical axis represents the radiation angle ⁇ 862 and the right vertical axis represents gain. Referring to FIG. 10, as the pitch 824 becomes longer, the radiation angle ⁇ 862 decreases. Relatively, it is confirmed that the change in gain is not large.
  • the gain of the antenna may vary depending on the size of the guide element 824.
  • 11 illustrates radiation characteristics according to the size of the guide element 824 of the antenna in the transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents the ratio of the size of the entire width 826 or the height 828 of the guide element 824
  • the vertical axis represents the gain. Looking at the width 826, the gain tends to increase as the width 826 approaches 1, but decreases above 6/7. Looking at the height 828, the gain also tends to increase as the height 828 increases.
  • the radiation characteristics (eg, radiation angle, gain, etc.) of the signal may vary according to the length of the antenna, the size of the guide element, the pitch of the guide element, and the like.
  • the radiation characteristics of the signal may vary according to the direction of the current flowing in the feeder. The direction of the current flowing in the feeder may vary depending on which point and in which direction the signal is input.
  • 12A and 12B illustrate an example of a structure for controlling a feeding direction of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • 12A and 12B (a) shows a conceptual switching structure for providing a signal to the feeder 1210, (b) shows signal input points according to the switch connection state, and (c) shows another Signal input points (d) and (e) show examples of another structure of the feeder 1210.
  • an RF signal may be provided to the power supply unit 1210 through an input terminal A 1281 or an input terminal B 1282 through a switch.
  • the switch for selecting the input terminal A 1281 or the input terminal B 1282 may be implemented as an electronic switch.
  • the power supply unit 1210 includes a first sub unit 1212 and a second sub unit 1214.
  • the first sub unit 1212 is disposed higher on the z-axis than the second sub unit 1214.
  • the RF signal is input to the input terminal A 1281 positioned on the side of the first sub unit 1212
  • the RF signal is input through an upper end of the power supply unit 1210.
  • the signal may be emitted in the form of endfire.
  • the RF signal is input to the input terminal B 1282 for the lower end of the second sub unit 1214
  • the RF signal is input through the lower end of the power supply unit 1210. In this case, the signal may be emitted in a broadside form.
  • the input terminal A 1281 may be referred to as an 'endfire source input', and the input terminal B 1282 may be referred to as a 'broadside source input'.
  • Specific examples of the signal radiation pattern according to the RF signal input to the input terminal A (1281) or the input terminal B (1282) are as shown in Figure 13 and 14 below.
  • a signal may be input to an input terminal C 1283 or an input terminal D 1284 for radiation of the end fire type.
  • the signal may be input to the input terminal C 1283 positioned in the middle of the side surface of the first sub unit 1212 of the power supply unit 1210.
  • the signal may be input to the input terminal D 1284 located at a lower side of the side surface of the first sub unit 1212 of the power supply unit 1210.
  • a signal may be input to the input terminal E 1285 for the broadside radiation.
  • the input terminal E 1285 is located at the lower end of the second sub unit 1214 similarly to the input terminal B 1282, but the signal is bypassed. That is, the signal input to the input terminal E 1285 is generated at the side of the antenna for the first time, but is bypassed inside the antenna to be input to the lower end of the second sub unit 1214 of the power supply unit 1210. .
  • first sub unit 1212 and the second sub unit 1214 illustrate different arrangements of the first sub unit 1212 and the second sub unit 1214.
  • the first sub unit 1212 and the second sub unit 1214 may be disposed at the same position on the z-axis.
  • the first sub unit 1212 may be disposed lower on the z axis than the second sub unit 1214.
  • FIG. 13 illustrates an example of a radiation characteristic according to a power feeding direction of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • (a) shows a current direction on the power supply unit 1310
  • (b) shows an example of a signal radiation pattern along the current direction as shown in (a).
  • the RF signal is input to the input terminal A (1281), as in (a)
  • the current flows in the vertical direction, that is, the z axis direction.
  • the radiation pattern has directivity in the horizontal direction as in the above (b).
  • a maximum gain of about 3 dBi or more may be obtained.
  • FIG. 14 illustrates another example of a radiation characteristic according to a power feeding direction of an antenna in a transmitting device according to an embodiment of the present invention.
  • (a) shows a current direction on the power supply unit 1410
  • (b) shows an example of a signal radiation pattern along the current direction as shown in (a).
  • the RF signal is input to the input terminal B (1282), as in (a)
  • the current flows in the horizontal direction, that is, the z axis direction.
  • the radiation pattern has directivity in the vertical direction as in the above (b).
  • a maximum gain of about 4.56 dBi or more may be obtained.
  • the antenna includes a power supply unit and a guiding unit.
  • the transmitting device may support beamsteering.
  • specific examples of the radiation characteristics according to the number of antennas are as follows with reference to FIGS. 15 and 16.
  • FIG. 15 illustrates an example of radiation characteristics when two antennas are used in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • two antennas are arranged side by side.
  • a maximum gain of 9.7 dBi is shown in the range of 60 to 70 degrees of radiation, and a maximum of 6.6 dBi is shown at 90 degrees of radiation.
  • FIG. 16 illustrates an example of radiation characteristics when four antennas are used in a transmission device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 16, four antennas are arranged side by side. As a result of the simulation, as shown in FIG. 16, a maximum gain of 11.7 dBi is shown in the range of 60 to 70 degrees of radiation, and a maximum of 8.4 dBi is shown at 90 degrees of radiation.
  • FIG. 17 illustrates examples of beamsteering using multiple antennas in a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • (A), (b), (c) and (d) of FIG. 17 illustrate radiation patterns having different directivities in the x-y plane.
  • (a) represents 0 °
  • (b) represents -15 °
  • (c) represents -30 °
  • (d) represents a horizontal radiation angle of -45 °. According to the simulation, in the case of FIG.
  • the gain of 12.2 dBi at the vertical emission angle of 65 ° and the gain of 8.9 dBi at the vertical emission angle of 90 ° are ( b) gain of 11.87 dBi at 65 ° vertical radiation and 8.7dBi at 90 ° vertical radiation, (c) gain of 11.3dBi at 65 ° vertical radiation and 8.3 With gain of dBi, a gain of 9.7 dBi at 65 ° vertical radiation angle and 8.1 dBi at 90 ° vertical radiation angle can be obtained.
  • the guiding part includes a plurality of guide elements.
  • the guide elements are arranged in a straight line.
  • the guide elements may be arranged non-linearly.
  • the guide elements may be arranged in a circle, curve, segment, or the like. An example of the nonlinear arrangement is shown in FIG. 18.
  • the antenna includes a power feeding unit 1810 and a guiding unit 1820.
  • Guide elements of the guiding unit 1820 are arranged in a non-linear manner, unlike the case of FIG. 3.
  • the guiding unit 1820 is linear.
  • the entire guiding unit 1820 may be configured to be non-linear.
  • the guiding part 1820 may have a curved shape including a unidirectional bending, but according to another embodiment of the present invention, the guiding part 1820 may have a complex curved shape including two or more refractions. Can be.
  • 19 shows an example of a configuration of an antenna in a transmitting device according to another embodiment of the present invention.
  • 19 illustrates a configuration of antennas in which a linear arrangement and a nonlinear arrangement of guide elements are mixed.
  • 19 illustrates seven antennas.
  • six or less or eight or more antennas may be similarly configured.
  • the first antenna includes a power feeding unit 1910-1 and a guiding unit 1920-1 including linearly arranged guide elements.
  • the second antenna includes a feeding portion 1910-2 and a guiding portion 1920-2 including nonlinearly arranged guide elements bent to the right.
  • the third antenna includes a guiding portion 1920-3 including a feed portion 1910-3 and non-linearly arranged guide elements bent to the left.
  • the curvature of the guiding part 1920-2 and the guiding part 1920-3 is the same.
  • the fourth antenna includes a feed section 1910-4 and a guiding section 1920-4 including non-linearly arranged guide elements bent to the right.
  • the fifth antenna includes a feeding portion 1910-5 and a guiding portion 1920-5 including nonlinearly arranged guide elements bent to the left.
  • the sixth antenna includes a feeding portion 1920-6 including a feed portion 1910-6 and a non-linearly arranged guide element bent to the right.
  • the seventh antenna includes a feeding portion 1910-7 and a guiding portion 1920-7 including non-linearly arranged guide elements bent to the left.
  • the curvatures of the guiding part 1920-6 and the guiding part 1920-7 are the same, and are larger than the curvatures of the guiding part 1920-4 and the guiding part 1920-5.
  • 20 illustrates a signal transmission procedure in a transmission device according to an embodiment of the present invention. 20 illustrates a signal transmission method using an antenna according to the above various embodiments. To this end, the transmitting device may further include at least one processor for controlling signal transmission.
  • the transmitting device determines a radiation pattern in step 2001.
  • the radiation pattern includes at least one of a beam direction, a beam size, and a beam width. That is, the transmitting device determines at least one of the direction of the beam, the size of the beam, and the beam width. For example, the transmitting device determines the radiation pattern for beam sweeping for beam training, or fixes the beam to fix the beam in the optimal beam direction determined through the beam training.
  • the pattern can be determined.
  • the transmitting device proceeds to step 2003 and determines whether to feed or not to feed.
  • the transmitting device has a plurality of antennas, ie an antenna array.
  • the transmitting device may control the beam width by adjusting the number of antennas to be powered.
  • signals are emitted in the form of an end fire or a broad site according to the feeding direction. That is, the transmitting device may determine the power feeding direction according to the radiation pattern determined in step 2001. That is, the feeding direction is related to the beam direction.
  • the transmitting device determines the phase of each antenna. That is, the transmitting device determines at least one phase for beamforming, at least for the antennas to be powered. Accordingly, by determining the phase for each antenna, the transmitting device may control the direction of the beam, specifically, the angle of the beam. Therefore, the transmitting device determines the phase for each antenna according to the radiation pattern determined in step 2001.
  • the transmitting device outputs a signal. That is, the transmitting device feeds at least one antenna selected in step 2003. In this case, the transmitting device feeds power in the feeding direction determined in step 2003. In addition, the transmitting device applies the phase determined in step 2005 to the signal fed to each antenna. Accordingly, the transmitting device may transmit a signal in the radiation pattern determined in step 2001. That is, the transmitting device adjusts the radiation pattern of the signal through a guiding part composed of a plurality of physically spaced elements.
  • 21 shows an example of using an antenna according to an embodiment of the present invention.
  • 21 illustrates a case in which an antenna according to an embodiment of the present invention is applied to an ultrasound inspection apparatus.
  • the antenna may be utilized to minimize the interruption between frames constituting an ultrasound image transmitted and received between the wireless probe 2180 and the ultrasound diagnosis apparatus 2190.
  • a signal transmission and reception direction between the wireless probe 2180 and the ultrasound diagnosis apparatus 2190 is largely in a line of sight (LOS) direction 2194 and a non-line of sight (NLOS) direction 2192. Can be distinguished.
  • the wireless probe 2180 is generally used with the ultrasonic diagnostic apparatus 2190 positioned in a vertical direction of a long axis (eg, an x axis).
  • the signal in order to transmit and receive the signal in the LOS direction 2130, the signal should be radiated in a direction perpendicular to the long axis (eg, the x axis) of the wireless probe 2180.
  • the signal in order to transmit and receive the signal in the NLOS direction 2140, the signal should be radiated in a direction similar to the long axis (eg, the x axis) of the wireless probe 2180.
  • the NLOS refers to a path through which a signal is reflected on another object (eg, a wall, a ceiling, etc.) to transmit and receive.
  • 22 illustrates radiation patterns of a wireless probe to which an antenna is applied according to an embodiment of the present invention. 22 illustrates signal radiation patterns for communication in the LOS direction 2130 and the NLOS direction 2140 in the wireless probe 2180.
  • a signal is radiated in the direction of a long axis (eg, z axis) of the wireless probe 2180 for communication in the NLOS direction 2192.
  • a signal for radiation in the broadside direction may be input to the feeder of the antenna.
  • a signal is radiated in a direction perpendicular to the long axis (eg, z axis) of the wireless probe 2180 for communication in the LOS direction 2194.
  • a signal for radiation in the direction of the end fire may be input to the feed section of the antenna.
  • the antenna is mounted on the top of the wireless probe 2180.
  • 23 illustrates an arrangement of antennas installed in a wireless probe according to an embodiment of the present invention.
  • 23 illustrates a circuit including an RFIC 2304 and a number of antennas 2308. The circuit as shown in FIG. 23 may be located on the top of the wireless probe 2180.
  • the circuit including the RFIC 2304 and the antennas 2308-1 to 2308-16 is perpendicular to the long axis (eg, z-axis) of the wireless probe 2308. Can be arranged. This arrangement allows signal transmission and reception in the broadside and endfire directions.
  • the antennas 2308-1 to 2308-16 may be divided into two antenna groups arranged in different directions based on the RFIC 2304. have. Antenna groups arranged in different directions may be selectively used according to the relative positional relationship between the ultrasound diagnosis apparatus 2190 and the wireless probe 2180. For example, when the ultrasound diagnosis apparatus 2190 is located on the left side of the user who uses the wireless probe 2180 with his right hand, an antenna group located close to the ultrasound diagnosis apparatus 2190 may be used.
  • the circuit including the RFIC 2304 and the antennas 2308-1 to 2308-32 is perpendicular to the long axis (eg, z-axis) of the wireless probe 2308. Can be arranged. This arrangement allows signal transmission and reception in the broadside and endfire directions.
  • the antennas 2308-1 to 2308-32 may be divided into four antenna groups arranged in different directions based on the RFIC 2304. Antenna groups arranged in different directions may be selectively used according to the relative positional relationship between the ultrasound diagnosis apparatus 2190 and the wireless probe 2180. For example, an antenna group located near the ultrasound diagnosis apparatus 2190 may be used.
  • (a) illustrates two antenna groups for two directions
  • (b) illustrates four antenna groups for four directions.
  • the present invention is not limited to two or four directions. That is, according to another exemplary embodiment of the present disclosure, an antenna structure for only one direction, three directions, or five or more directions may be included in the wireless probe 2180.
  • 24 illustrates an arrangement of an antenna installed in a wireless probe with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
  • 24 illustrates a circuit including an RFIC 2404 and a number of antennas 2408-1 through 2408-16.
  • the circuit as shown in FIG. 23 may be located on the top of the wireless probe 2180.
  • a heat sink 2412 may be installed in addition to the RFIC 2404 and the antennas 2408-1 to 2408-16.
  • the heat sink 2412 functions to discharge heat generated from the RFIC 2404 and the antennas 2408-1 to 2408-16 to the outside.
  • 24 illustrates a case in which the heat sink 2412 is added to the same structure as in FIG. 23A, but the heat sink 2412 is also added to another antenna structure (eg, FIG. 23B). Can be.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 개시는 LTE와 같은 4G 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 제공될 5G 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 본 발명은 송신 기기에서 신호 방사를 위한 안테나 구조에 대한 것으로, 신호 방사를 위한 장치는, 신호를 방사하는 급전부(feeding unit)와, 물리적으로 이격된 다수의 원소들(element)들로 구성되며, TE(Transverse Electric) 모드의 전파를 생성함으로써, 상기 급전부에서 방사된 신호의 방사 패턴을 제어하는 가이딩부(guiding unit)를 포함한다. 또한, 본 발명은 상술한 실시 예와 다른 실시 예들도 포함한다.

Description

송신 기기에서 신호 방사 장치
본 발명은 무선 송신 기기의 안테나에 관한 것이다.
4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (Device to Device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM (Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC (Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
또한, 기술의 발달로 인해 통신 장치가 점차 소형화되고 있으며, 다양한 전자 장치들이 상기 통신 장치를 이용한 네트워크 기반의 서비스를 제공하고 있다. 이에 따라, 본래 통신을 목적으로 만들어진 휴대용 단말기(예: 셀룰러폰(cellular phone), 스마트 폰(smart phone) 등)은 물론, 종래에 통신 기능을 탑재하지 아니하였던 장치들도 통신을 이용한 다양한 서비스를 제공하고 있다. 이때, 휴대의 편의성 및 유선 통신의 불편함을 회피하기 위해, 무선 통신 기술이 적용되는 것이 일반적이다.
무선 통신을 위해, 신호를 방사(radiation)하기 위한 안테나가 필수적으로 포함된다. 안테나를 통해 신호를 송신하기 위해, 송신 기기는 송신 데이터로부터 기저대역(baseband) 신호를 생성하고, RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)을 통해 RF(Radio Frequency)를 생성한다.
상기 RFIC 및 상기 안테나는 급전선(transmission line)을 통해 연결되는 것이 일반적이다. 그러나, 상기 급전선을 통한 신호 전달로 인해, 송신 신호의 손실(loss)이 발생할 수 있다. 상기 송신 신호의 손실은 안테나 이득을 감소시키며, 결국, 시스템 성능의 저하를 야기할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예는 무선 송신 기기에서 안테나 이득을 향상시키기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예는 무선 송신 기기에서 급전선(transmission line)에 의한 손실을 감소시키기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 무선 송신 기기에서 급전선 크기를 최소화한 안테나 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 신호 방사를 위한 장치는, 신호를 방사하는 급전부(feeding unit)와, 물리적으로 이격된 다수의 원소들(element)들로 구성되며, 상기 급전부에서 방사된 신호의 방사 패턴을 조절하는 가이딩부(guiding unit)를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 동작 방법은, 신호를 방사하는 과정과, 물리적으로 이격된 다수의 원소들들로 구성되는 가이딩부를 통해 상기 신호의 방사 패턴을 조절하는 과정을 포함한다.
무선 송신 기기에서 RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit) 및 안테나 간 급전선을 제거한 구조를 통해, 안테나 이득을 향상시킬 수 있다.
도 1은 송신 기기에서 RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit) 및 안테나의 연결 구조의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 RFIC 및 안테나의 연결 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 구성 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 측정 기준을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나에 의한 전파 진행 방향 및 전기장을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 편파 특성을 제어하기 위한 안테나의 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 S-파라미터(parameter)를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 방사 특성을 제어하기 위한 설계 변수들을 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나 길이에 따른 방사 특성을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 가이드 원소(guide element) 간격에 따른 방사 특성을 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 가이드 원소 크기에 따른 방사 특성을 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 급전 방향의 제어를 위한 구조의 예를 도시한다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 급전 방향에 따른 방사 특성의 예를 도시한다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 급전 방향에 따른 방사 특성의 다른 예를 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 2개의 안테나들을 사용한 경우의 방사 특성의 예를 도시한다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 4개의 안테나들을 사용한 경우의 방사 특성의 예를 도시한다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 다수의 안테나들을 사용한 빔스티어링(beamsteering)의 예들을 도시한다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 구성 예를 도시한다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 구성 예를 도시한다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 신호 송신 절차를 도시한다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 활용 예를 도시한다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나가 적용된 무선 프로브의 방사 패턴들을 도시한다.
도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 프로브에 설치된 안테나의 배치를 도시한다.
도 24는 본 발명의 실시 예에 따른 방열판과 함께 무선 프로브에 설치된 안테나의 배치를 도시한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하 본 발명은 무선 송신 기기에서 신호 방사를 위한 기술에 대하 설명한다. 이하 설명에서 사용되는 안테나의 구성 요소(component)를 지칭하는 용어, 전파(radio wave) 특성을 설명하기 위한 용어 등은 설명의 편의를 위한 것이다. 따라서, 본 발명이 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 대상을 지칭하는 다른 용어가 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 무선 송신 기기는 휴대용 전자 장치(portable electronic device)일 수 있으며, 스마트폰(smart phone), 휴대용 단말기(portable terminal), 이동 전화(mobile phone), 이동 패드(mobile pad), 미디어 플레이어(media player), 태블릿 컴퓨터(tablet computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer) 또는 PDA(Personal Digital Assistant) 중 하나에 포함되는 통신 수단일 수 있다. 또한, 상기 무선 송신 장치는 상술한 장치들 중 둘 이상의 기능들을 결합한 장치를 위한 통신 수단일 수 있다.
일반적인 안테나를 포함하는 장치의 구조는 하기 도 1과 같다. 도 1은 송신 기기에서 RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit) 및 안테나의 연결 구조의 일 예를 도시한다. 상기 RFIC 및 상기 안테나의 연결 구조의 일 예는 도 1과 같다. 상기 도 1을 참고하면, 기판(board)(102) 상에 RFIC(104)가 설치되며, 상기 기판(102)의 모서리 부근에 안테나(108)가 배치된다. 나아가, 상기 RFIC(104)로부터 상기 안테나(108)로 RF 신호를 전달하기 위해, 상기 RFIC(104) 및 상기 안테나(108)는 급전선(transmission line)(106)을 통해 연결된다.
그러나, 상기 급전선을 통한 신호 전달로 인해, 송신 신호의 손실(loss)이 발생할 수 있다. 상기 송신 신호의 손실은 안테나 이득을 감소시키며, 결국, 시스템 성능의 저하를 야기할 수 있다. 따라서, 본 발명은 하기 도 2와 같은 구조의 RFIC 및 안테나의 연결 구조를 제안한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 RFIC 및 안테나의 연결 구조를 도시한다.
상기 도 2를 참고하면, 상기 송신 기기의 RFIC(204) 및 안테나(208)는 급전선 없이 연결된다. 즉, 급전선을 통한 신호 전달로 인한 손실(loss)를 감소시키기 위해, 본 발명의 실시 예들에 따른 송신 기기는 급전선을 제거 또는 최소화한 상기 RFIC(204) 및 상기 안테나(208)의 연결 구조를 포함한다. 상기 RFIC(204)는 RF 신호에 대하여 증폭(amplifying), 필터링(filtering) 등의 처리를 수행하는 수단으로서, 다른 명칭으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 상기 RFIC(204)는 트랜시버(transceiver), RF 처리부 등으로 지칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 상기 안테나(208)는 종래 기술에 따른 안테나에서 단순히 급전선을 제거한 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 종래 기술에 따른 안테나에서 단순히 급전선을 제거한 형상에 더하여, 상기 안테나(208)는 상기 급전선이 위치할 공간에 신호 방사의 성능을 제어하기 위한 구성 요소들을 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 구성 예를 도시한다.
상기 도 3을 참고하면, 안테나는 급전부(feeding unit)(310) 및 가이딩부(guiding unit)(320)를 포함한다.
상기 급전부(310)는 RFIC로부터 RF 신호를 공급받고, 상기 RF 신호를 방사한다. 상기 급전부(310)는 상기 안테나와의 임피던스(impedance) 매칭(matching)을 수행한다. 상기 RFIC로부터의 상기 RF 신호는 물리적 연결을 통해 상기 급전부(310)로 입력될 수 있다. 즉, 상기 급전부(310)는 별도의 급전선 없이 상기 RFIC와 연결될 수 있다. 또는, 상기 급전부(310)는 임계치 미만의 길이를 가지는 급전선을 통해 상기 RFIC와 연결될 수 있다. 상기 도 3의 경우, 상기 급전부(310)는 다수의 서브유닛(sub-unit)들을 포함하는 것으로 도시되었다. 그러나, 상기 도 3에 도시된 상기 급전부(310)의 구조는 일 예로서, 상기 급전부(310)는 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 가이딩부(320)는 상기 급전부(310)로부터 방사된 신호를 원하는(desired) 방사 패턴(pattern)으로 외부로 방사한다. 즉, 상기 급전부(310)에서 방사된 신호는 상기 가이딩부(320)를 통해 상기 송신 기기의 외부로 방사되며, 이때, 상기 방사 패턴은 상기 가이딩부(320)의 구체적인 구조에 의해 달라질 수 있다. 상기 가이딩부(320)는 다수의 가이드 원소(guide element)들로 구성되며, 상기 가이드 원소들은 일정한 방향에 따라 배열된다. 상기 가이드 원소들은 물리적으로 이격되어 있으며, 인접한 가이드 원소들 간 간격(distance)은 일정하거나, 일정하지 아니하거나, 또는, 미리 정의된 오차 범위 내에서 대체적으로(substantially) 일정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 측정 기준을 도시한다. 상기 도 4에서, (a)는 상기 안테나의 평면도를, (b)는 상기 안테나의 정면도를 도시한다.
상기 4를 참고하면, 급전부(410) 및 가이딩부(420)는 유전체(dielectric)(440) 내에 배치된다. 상기 급전부(410) 및 상기 가이딩부(420)는 상기 유전체(440)의 내부에 결합된 형태로 배치되거나, 또는, 상기 유전체(440)가 상기 급전부(410) 및 상기 가이딩부(420)의 위에 놓여진 덮개의 형태로 설치될 수 있다. 이때, 상기 (b)와 같이, 상기 가이딩부(410)의 가이드 원소들의 일부가 상기 유전체(440)의 외부로 노출될 수 있다. 상기 유전체(440)는 PCB(Printed Circuit Board), 실리콘(silicon), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics), LCP(Liquid Crystal Polymer) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
상기 (a)와 같이, 상기 유전체(440)는, 상기 평면도 상에서, 도체(conductor)(430)로 둘러 쌓여있다. 또한, 상기 (b)와 같이, 상기 유전체(440)의 일면은 상기 도체(430)로 둘러 쌓여있지 아니하고, 개방되어 있다. 즉, 상기 안테나에서, 상기 가이딩부(420)의 길이 방향(longitudinal)에 평행한 면들 중 일부는 상기 도체(430)에 의해 차폐되고, 나머지 일부는 개방된다. 예를 들어, 상기 개방되는 면은 상기 가이딩부(420)의 가이드 원소들이 상기 유전체(440) 외부로 노출되는 면을 포함할 수 있다.
상술한 구조에서, 상기 (a)와 같이, 상기 유전체(440)의 x 축 크기는 길이(length), y 축 크기는 너비(width)로 지칭된다. 또한, 상기 (b)와 같이, 상기 유전체의 z 축 크기는 높이(height)로 지칭된다. 상기 길이, 상기 너비, 상기 높이의 정의는 이하 설명의 편의를 위한 일 예이다. 따라서, 본 발명의 실시자의 의도에 따라 상기 길이, 상기 너비, 상기 높이의 정의는 수정되거나 또는 서로 바뀔 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나에 의한 전파 진행 방향 및 전기장(electric field)를 도시한다. 상기 도 5에서, (a)는 상기 안테나의 정면도에 대응하는 x-y 평면에서 관측된 전기장을, (b)는 상기 안테나의 측면도에 대응하는 x-z 평면에서 관측된 전기장을 도시한다.
상기 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는, TE(Transverse Electric) 모드(mode)의 전파를 생성한다. 상기 TE 모드는 TM(Transverse Magnetic) 모드, TEM(Transverse Electric Magnetic)와 함께 직선 편파(linear polarization)로 분류되는 편파 형태이다. 상기 TE 모드는 전파의 진행 방향되 전기장이 수직인 직선 편파를 의미한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나에서, 전기장은 전파 진행 방향과 수직으로 형성된다. 이 경우, 전파에 대한 방정식은 하기 <수학식 1>과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2015004759-appb-M000001
상기 <수학식 1>에서, 상기 k는 전파 상수(propagation constant), 상기 Hz는 자기장의 z축 값, 상기 hz는 자기장의 z축 값의 크기(amplitude), 상기 βz는 z축으로 진행되는 위상 상수(phase constant)를 의미한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 편파 특성을 제어하기 위한 안테나의 구조를 도시한다. 상기 도 6은 상기 안테나의 정면도에 대응하는 상기 안테나의 간략화된 구조를 도시한다. 상기 도 6에서, x 축 및 y 축은 상기 도 3에 정의된 x 축 및 y 축과 상이하며, 상기 도 6의 x 축은 상기 도 3의 y축과, 상기 도 6의 y 축은 상기 도 3의 z 축과 일치한다.
상기 도 6을 참고하면, 상기 안테나의 4면 중 제1면(670)을 제외한 3면은 단락(short) 상태이고, 상기 제1면은 개방(open) 상태이다. 즉, 상기 안테나의 4면 중 3면은 도체로 차폐되며, 나머지 1면인 상기 제1면(670)은 개방되어 있다. 이때, 경계 조건(boundary condition)은 하기 <수학식 2>와 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2015004759-appb-M000002
상기 <수학식 2>에서, 상기 전기장의 x축 성분, 상기 y는 안테나의 높이 방향 크기, 상기 ey는 전기장의 y축 성분, 상기 x는 안테나의 너비 방향 크기를 의미한다.
또한, 송신 신호의 주파수에 따른 안테나의 높이 방향 크기 및 너비 방향 크기의 조건의 일 예는 하기 <수학식 3>과 같다.
수학식 3
Figure PCTKR2015004759-appb-M000003
상기 <수학식 3>에서, 상기 kc는 차단 주파수 대역의 전파 상수, 상기 kx는 전파 상수의 x축 성분, 상기 ky는 전파 상수의 y축 성분, 상기 β는 전파 진행 방향의 위상 상수, 상기 k는 전파 상수, 상기 fc는 송신 신호의 주파수, 상기 Π는 파이(pi), 상기 μ는 안테나 내부 매질의 투자율(permeability), 상기 ε는 안테나 내부 매질의 유전율(permittivity), 상기 a는 안테나의 너비 방향 크기, 상기 n은 임의의 자연수, 상기 b는 안테나의 높이 방향 크기를 의미한다.
상기 TE 모드는 TE10 모드 및 TE01 모드로 구분될 수 있다. 상기 TE10 모드 및 상기 TE01 모드는 차단 파장(wave length)의 길이에 따른 구분으로서, 상기 TE10 모드는 상기 안테나의 너비 방향 크기의 2배 길이를 차단 파장으로 가지는 모드이고, 상기 TE01 모드는 상기 안테나의 너비 방향 크기의 2배 길이를 차단 파장으로 가지는 모드를 의미한다. 상기 <수학식 3>을 정리하면, TE10 모드 및 TE01 모드에서의 주파수는 하기 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2015004759-appb-M000004
상기 <수학식 4>에서, 상기 fTE10은 상기 TE10 모드에서의 송신 신호 주파수, 상기 μ는 안테나 내부 매질의 투자율, 상기 ε는 안테나 내부 매질의 유전율, 상기 width는 상기 안테나의 너비 방향 크기, 상기 fTE01은 TE01 모드에서의 송신 신호 주파수, 상기 width는 상기 안테나의 높이 방향 크기를 의미한다.
상기 도 3에 도시된 실시 예에서, 상기 안테나의 단면은 직사각형으로 표현되었다. 상기 직사각형의 단면을 가지는 안테나는 일 예로서, 본 발명의 다양한 실시 예들에 따라, 상기 안테나의 단면은 다른 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 송신 기기 내의 설치 공간의 제약으로 인해, 적어도 하나의 모서리가 직각이 아닌 각도를 가지거나, 단면이 사각형이 아닌 오각형, 육각형 등의 모양을 가질 수 있다.
상기 TE10 모드 및 상기 TE01 모드에서, 안테나의 입력 전력 대비 출력 전력을 나타내는 S-파라미터(parameter)의 일 예는 하기 도 7과 같다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 S-파라미터를 도시한다. 상기 도 7에서, (a)는 TE10 모드에서 주파수에 따른 S-파라미터를, (b)는 TE01 모드에서 주파수에 따른 S-파라미터를 도시한다. 또한, S11은 입력단 반사 계수를, S12은 역방향 전달 계수를 의미한다. 상기 도 7을 참고하면, 상기 TE10 모드의 동작 주파수는 약 28GHz, 상기 TE01 모드의 동작 주파수는 약 73GHz이 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 급전부 및 가이딩부를 포함하며, 길이, 너비, 높이를 가진다. 또한, 상기 가이딩부는 다수의 가이드 원소들을 포함하며, 상기 급전부 및 상기 가이딩부는 유전체 내부에 배치될 수 있다. 또한, 상기 유전체의 적어도 하나의 면은 도체로 차폐되되고, 나머지 면은 개방될 수 있다.
상기 길이, 상기 너비, 상기 높이, 상기 가이딩부의 길이, 상기 가이드 원소들 간 간격, 각 가이드 원소의 크기 등을 조절함으로써, 서로 다른 신호 방사 패턴이 얻어질 수 있다. 상기 신호 방사 패턴을 제어하기 위한 설계 변수들은 하기 도 8과 같다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 방사 특성을 제어하기 위한 설계 변수들을 도시한다.
상기 도 8을 참고하면, 가이딩부를 구성하는 개개의 가이드 원소(822)들은 미리 정해진 간격으로 배치되며, 상기 간격은 '피치(pitch)(824)'라 지칭될 수 있다. 상기 가이드 원소(822)는 y 축에서 너비(826)를, z 축에서 높이(828)를 가지도록 설계될 수 있다. 상기 안테나는 x 축에서 길이(852), y 축에서 너비(854), z 축에서 높이(856)를 가진다. 또한, 이하 설명에서, 신호의 방사각 θ(862)는 x-z 평면에서 정의되며, x 축과 일치하는 방향은 90°, z축과 일치하는 방향은 0°로 정의된다.
상기 방사각 θ(862)는 상기 길이(852)에 따라 달라질 수 있다. 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나 길이에 따른 방사 특성을 도시한다. 상기 도 9에서, 가로축은 상기 길이(852)를 나타내며, 단위는 파장에 대한 비율이다. 상기 도 9에서, 좌측 세로축은 상기 방사각 θ(862), 우측 세로축은 이득을 나타낸다. 상기 도 9를 참고하면, 상기 길이(852)가 길어질수록 상기 방사각 θ(862)이 증가한다. 즉, 상기 방사각 θ(862)은, 상기 길이(852)가 작을수록 수직 방사에 가까워지며, 상기 길이(852)가 커질수록 수평 방사에 가까워진다.
또한, 상기 방사각 θ(862)는 상기 피치(824)에 따라 달라질 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 가이드 원소 간격에 따른 방사 특성을 도시한다. 상기 도 10에서, 가로축은 상기 피치(824)를 나타내며, 단위는 파장에 대한 비율이다. 상기 도 10에서, 좌측 세로축은 상기 방사각 θ(862), 우측 세로축은 이득을 나타낸다. 상기 도 10을 참고하면, 상기 피치(824)가 길어질수록 상기 방사각 θ(862)가 감소한다. 상대적으로, 이득의 변화는 크지 아니함이 확인된다.
상기 안테나의 이득은 상기 가이드 원소(824)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 상기 가이드 원소(824) 크기에 따른 방사 특성을 도시한다. 상기 도 11에서, 가로축은 상기 가이드 원소(824)의 너비(826) 또는 높이(828)의 안테나 전체에 대한 크기 비율(ratio of size)을 나타내고, 세로축은 이득을 나타낸다. 상기 너비(826)를 살펴보면, 상기 너비(826)가 1에 가까워질수록 이득이 증가하는 경향이 나타나나, 6/7을 초과하면 이득이 감소한다. 상기 높이(828)를 살펴보면, 상기 높이(828)의 증가에 따라 상기 이득도 증가하는 경향이 나타난다.
상술한 바와 같이, 안테나의 길이, 가이드 원소의 크기, 가이드 원소의 피치 등에 따라 신호의 방사 특성(예: 방사각, 이득 등)이 달라질 수 있다. 따라서, 안테나의 길이, 가이드 원소의 크기, 가이드 원소의 피치 등을 조절함으로써, 다양한 방사 특성들이 의도될 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나에서, 급전부에 흐르는 전류의 방향에 따라 신호의 방사 특성이 달라질 수 있다. 상기 급전부에 흐르는 전류의 방향은 상기 급전부의 어느 지점, 어느 방향에서 신호가 입력되는지 여부에 따라 달라질 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 급전 방향의 제어를 위한 구조의 예를 도시한다. 상기 도 12a 및 도 12b에서, (a)는 급전부(1210)에 신호를 제공하기 위한 개념적 스위칭(switching) 구조를, (b)는 스위치 연결 상태에 따른 신호 입력 지점들을, (c)는 다른 신호 입력 지점들을, (d) 및 (e)는 상기 급전부(1210)의 다른 구조의 예시들을 도시한다.
상기 도 12a의 (a)를 참고하면, RF 신호는 스위치를 통해 입력단A(1281) 또는 입력단B(1282)를 통해 상기 급전부(1210)로 제공될 수 있다. 상기 입력단A(1281) 또는 상기 입력단B(1282)를 선택하기 위한 스위치는 전자적 스위치로 구현될 수 있다.
상기 도 12a의 (b)를 참고하면, 상기 급전부(1210)은 제1서브유닛(1212) 및 제2서브유닛(1214)를 포함한다. 상기 도 12a의 (b)의 예시에서, 상기 제1서브유닛(1212)는 상기 제2서브유닛(1214)보다 z축 상 더 높게 배치된다. 상기 제1서브유닛(1212)의 측면에 위치한 상기 입력단A(1281)로 상기 RF 신호가 입력된 경우, 상기 RF 신호는 상기 급전부(1210)의 상단을 통해 입력된다. 이 경우, 신호는 엔드파이어(endfire) 형태로 방사될 수 있다. 상기 제2서브유닛(1214) 하단에 위한 상기 입력단B(1282)로 상기 RF 신호가 입력된 경우, 상기 RF 신호는 상기 급전부(1210)의 하단을 통해 입력된다. 이 경우, 신호는 브로드사이드(broadside) 형태로 방사될 수 있다. 상기 신호의 방사 형태에 따라, 상기 입력단A(1281)는 '엔드파이어 소스 입력(source input)', 상기 입력단B(1282)는 '브로드사이드 소스 입력'으로 지칭될 수 있다. 상기 입력단A(1281) 또는 상기 입력단B(1282)로의 RF 신호 입력에 따른 신호 방사 패턴의 구체적인 예시는 이하 도 13 및 이하 도 14와 같다.
상기 도 12b의 (c)를 참고하면, 상기 엔드파이어 형태의 방사를 위해 입력단C(1283) 또는 입력단D(1284)로 신호가 입력될 수 있다. 다시 말해, 상기 신호는 상기 급전부(1210)의 상기 제1서브유닛(1212)의 측면 중간에 위치한 상기 입력단C(1283)으로 입력될 수 있다. 또는, 상기 신호는 상기 급전부(1210)의 상기 제1서브유닛(1212)의 측면 하단에 위치한 상기 입력단D(1284)로 입력될 수 있다. 또한, 상기 브로드사이드 형태의 방사를 위해, 입력단E(1285)로 신호가 입력될 수 있다. 상기 입력단E(1285)는, 상기 입력단B(1282)와 유사하게, 상기 제2서브유닛(1214)의 하단에 위치하나, 신호가 우회한다. 즉, 상기 입력단E(1285)로 입력되는 신호는 최초 상기 안테나의 측면에서 발생하지만, 상기 안테나의 내부에서 우회함으로써, 상기 급전부(1210)의 상기 제2서브유닛(1214)의 하단으로 입력된다.
상기 도 12b의 (d) 및 (e)는 상기 제1서브유닛(1212) 및 상기 제2서브유닛(1214)의 다른 배치를 예시한다. 상기 12b의 (d)와 같이, 상기 제1서브유닛(1212) 및 상기 제2서브유닛(1214)은 z축 상 동일한 위치에 배치될 수 있다. 또한, 상기 12b의 (e)와 같이, 상기 제1서브유닛(1212)이 상기 제2서브유닛(1214)보다 z축 상 더 낮게 배치될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 급전 방향에 따른 방사 특성의 예를 도시한다. 상기 도 13에서 (a)는 급전부(1310) 상 전류 방향을, (b)는 (a)와 같은 전류 방향에 따른 신호 방사 패턴의 예를 도시한다. 상기 입력단A(1281)로 상기 RF 신호가 입력된 경우, 상기 (a)와 같이, 전류는 수직 방향, 즉, z 축 방향으로 흐른다. 이 경우, 상기 방사 패턴은, 상기 (b)와 같이, 수평 방향의 지향성을 가진다. 상기 도 13의 경우, 약 3dBi 이상의 최대 이득이 얻어질 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 급전 방향에 따른 방사 특성의 다른 예를 도시한다. 상기 도 14에서 (a)는 급전부(1410) 상 전류 방향을, (b)는 (a)와 같은 전류 방향에 따른 신호 방사 패턴의 예를 도시한다. 상기 입력단B(1282)로 상기 RF 신호가 입력된 경우, 상기 (a)와 같이, 전류는 수평 방향, 즉, z 축 방향으로 흐른다. 이 경우, 상기 방사 패턴은, 상기 (b)와 같이, 수직 방향의 지향성을 가진다. 상기 도 14의 경우, 약 4.56dBi 이상의 최대 이득이 얻어질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 안테나는, 급전부 및 가이딩부를 포함한다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상술한 급전부 및 가이딩부를 포함하는 다수의 안테나들을 배치함으로써, 송신 기기는 빔스티어링(beamsteering)을 지원할 수 있다. 예를 들어, 상기 안테나 개수에 따른 방사 특성의 구체적인 예는 이하 도 15 및 이하 도 16과 같다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 2개의 안테나들을 사용한 경우의 방사 특성의 예를 도시한다. 상기 도 15를 참고하면, 2개의 안테나들이 나란히 배치되어 있다. 모의 실험 결과, 상기 도 15와 같은 경우, 방사각 60° 내지 70° 범위에서 최대 9.7dBi의 이득이 나타나며, 방사각 90°에서 최대 6.6dBi의 이득이 나타난다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 4개의 안테나들을 사용한 경우의 방사 특성의 예를 도시한다. 상기 도 16을 참고하면, 4개의 안테나들이 나란히 배치되어 있다. 모의 실험 결과, 상기 도 16과 같은 경우, 방사각 60° 내지 70° 범위에서 최대 11.7dBi의 이득이 나타나며, 방사각 90°에서 최대 8.4dBi의 이득이 나타난다.
다수의 안테나들을 이용하여, 수평 방향에서의 빔의 방향이 제어될 수 있다. 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 다수의 안테나들을 사용한 빔스티어링(beamsteering)의 예들을 도시한다. 상기 도 17의 (a), (b), (c), (d)는 x-y 평면에서 서로 다른 지향성을 가지는 방사 패턴들을 도시한다. y 축의 방향을 0°로 정의할 때, (a)는 0°, (b)는 -15°, (c)는 -30°, (d)는 -45°의 수평 방사각을 나타낸다. 모의 실험에 의하면, 상기 도 17과 같은 경우, 수직 방사각에 따른 이득을 살펴보면, (a)의 경우 수직 방사각 65°에서 12.2dBi의 이득 및 수직 방사각 90°에서 8.9dBi의 이득이, (b)의 경우 수직 방사각 65°에서 11.87dBi의 이득 및 수직 방사각 90°에서 8.7dBi의 이득이, (c)의 경우 수직 방사각 65°에서 11.3dBi의 이득 및 수직 방사각 90°에서 8.3dBi의 이득이, (d)의 경우 수직 방사각 65°에서 9.7dBi의 이득 및 수직 방사각 90°에서 8.1dBi의 이득이 얻어질 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 안테나에서, 가이딩부는 다수의 가이드 원소들을 포함한다. 상술한 다양한 실시 예들에서, 상기 가이드 원소들은 직선으로 배열되었다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 가이드 원소들은 비선형으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 가이드 원소들은 원형, 곡선형, 분절형 등으로 배열될 수 있다. 상기 비선형 배열의 일 예는 하기 도 18과 같다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 구성 예를 도시한다. 상기 도 18에서, (a)는 사시도, (b)는 평면도를 도시한다. 상기 도 18을 참고하면, 상기 안테나는 급전부(1810) 및 가이딩부(1820)를 포함한다. 상기 가이딩부(1820)의 가이드 원소들은, 상기 도 3의 경우와 달리, 비선형으로 배열된다. 상기 도 18의 경우, 상기 급전부(1810)로부터 일정 범위 내에서, 상기 가이딩부(1820)는 선형으로 구성된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 가이딩부(1820) 전체가 비선형으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 도 18의 경우, 상기 가이딩부(1820)는 단방향의 굴절(bending)을 포함하는 곡선의 형태를 가지나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라 둘 이상의 굴절을 포함하는 복합적 곡선의 형태를 가질 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 송신 기기에서 안테나의 구성 예를 도시한다. 상기 도 19는 가이드 원소의 선형 배열 및 비선형 배열이 혼합된 안테나들의 구성을 예시한다. 상기 도 19는 7개의 안테나들을 예시한다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 6개 이하 또는 8개 이상의 안테나들이 유사하게 구성될 수 있다.
상기 도 19를 참고하면, 제1안테나는 급전부(1910-1) 및 선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-1)를 포함한다. 제2안테나는 급전부(1910-2) 및 우측으로 구부러진(bending) 비선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-2)를 포함한다. 제3안테나는 급전부(1910-3) 및 좌측으로 구부러진 비선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-3)를 포함한다. 여기서, 상기 가이딩부(1920-2) 및 상기 가이딩부(1920-3)의 곡률(curvature)은 동일하다. 제4안테나는 급전부(1910-4) 및 우측으로 구부러진 비선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-4)를 포함한다. 제5안테나는 급전부(1910-5) 및 좌측으로 구부러진 비선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-5)를 포함한다. 여기서, 상기 가이딩부(1920-4) 및 상기 가이딩부(1920-5)의 곡률은 서로 동일하며, 상기 가이딩부(1920-2) 및 상기 가이딩부(1920-3)의 곡률보다 크다. 제6안테나는 급전부(1910-6) 및 우측으로 구부러진 비선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-6)를 포함한다. 제7안테나는 급전부(1910-7) 및 좌측으로 구부러진 비선형 배열된 가이드 원소들을 포함하는 가이딩부(1920-7)를 포함한다. 여기서, 상기 가이딩부(1920-6) 및 상기 가이딩부(1920-7)의 곡률은 서로 동일하며, 상기 가이딩부(1920-4) 및 상기 가이딩부(1920-5)의 곡률보다 크다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 기기에서 신호 송신 절차를 도시한다. 상기 도 20은 상술한 다양한 실시 예들에 따른 안테나를 이용한 신호 송신 방법을 예시한다. 이를 위해, 상기 송신 기기는 신호 송신의 제어를 위한 적어도 하나의 프로세서(processor)를 더 포함할 수 있다.
상기 도 20을 참고하면, 상기 송신 기기는 2001단계에서 방사 패턴을 결정한다. 상기 방사 패턴은 빔의 방향, 빔의 크기, 빔 폭 중 적어도 하나를 포함한다. 즉, 상기 송신 기기는 빔의 방향, 빔의 크기, 빔 폭 중 적어도 하나를 결정한다. 예를 들어, 상기 송신 기기는 빔 훈련(beam training)을 위한 빔 스위핑(sweeping)을 위해 상기 방사 패턴을 결정하거나, 또는, 상기 빔 훈련을 통해 결정된 최적의 빔 방향으로 빔을 고정하기 위해 상기 방사 패턴을 결정할 수 있다.
이어, 상기 송신 기기는 2003단계로 진행하여 급전 여부 및 급전 방향을 결정한다. 상기 송신 기기는 다수의 안테나들, 즉, 안테나 어레이를 구비한다. 이때, 상기 송신 기기는 급전할 안테나 개수를 조절함으로써, 빔 폭을 제어할 수 있다. 또한, 상기 도 12a 및 상기 도 12b를 참고하여 설명한 바와 같이, 급전 방향에 따라 엔드파이어 형태 또는 브로드사이트 형태로 신호가 방사된다. 즉, 상기 송신 기기는 상기 2001단계에서 결정된 방사 패턴에 따라 상기 급전 방향을 결정할 수 있다. 즉, 상기 급전 방향은 빔 방향에 관련된다.
이어, 상기 송신 기기는 2005단계로 진행하여 안테나 별 위상을 결정한다. 즉, 상기 송신 기기는 급전할 적어도 안테나들에 대하여, 빔포밍을 위한 적어도 하나의 위상을 결정한다. 이에 따라, 상기 안테나 별 위상을 결정함으로써, 상기 송신 기기는 빔의 방향, 구체적으로, 빔의 각도를 제어할 수 있다. 따라서, 상기 송신 기기는 상기 2001단계에서 결정된 방사 패턴에 따라, 상기 안테나 별 위상을 결정한다.
이후, 상기 송신 기기는 2007단계로 진행하여 신호를 출력한다. 즉, 상기 송신 기기는 상기 2003단계에서 선택된 적어도 하나의 안테나로 급전한다. 이때, 상기 송신 기기는 상기 2003단계에서 결정된 급전 방향으로 급전한다. 또한, 상기 송신 기기는 상기 2005단계에서 결정된 위상을 각 안테나로 급전되는 신호에 적용한다. 이에 따라, 상기 송신 기기는 상기 2001단계에서 결정된 방사 패턴으로 신호를 송신할 수 있다. 즉, 상기 송신 기기는 물리적으로 이격된 다수의 원소들들로 구성되는 가이딩부를 통해 상기 신호의 방사 패턴을 조절한다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 활용 예를 도시한다. 상기 도 21은 초음파 검사 장비에 본 발명의 실시 예에 따른 안테나가 적용된 경우를 예시한다. 상기 도 21과 같이, 상기 안테나는 무선 프로브(probe)(2180) 및 초음파 진단 장치(2190) 간 송수신되는 초음파 영상을 구성하는 프레임 간에 발생하는 끊김을 최소화하기 위해 활용될 수 있다.
직진성이 강한 고주파 대역에서, 신호 방사의 방향성은 신호 품질에 큰 영향을 미친다. 상기 도 21을 참고하면, 상기 무선 프로브(2180) 및 상기 초음파 진단 장치(2190) 간 신호 송수신 방향은 크게 LOS(Line of sight) 방향(2194) 및 NLOS(Non Line of sight) 방향(2192)으로 구분될 수 있다. 상기 도 21을 참고하면, 상기 무선 프로브(2180)는 일반적으로 상기 초음파 진단 장치(2190)를 장축(예: x축)의 수직 방향에 놓고 사용된다. 따라서, 상기 LOS 방향(2130)의 신호 송수신을 위해서, 상기 무선 프로브(2180)의 상기 장축(예: x축) 에 수직하는 방향으로 신호가 방사되어야 한다. 또한, 상기 NLOS 방향(2140)의 신호 송수신을 위해서, 상기 무선 프로브(2180)의 상기 장축(예: x축)과 유사한 방향으로 신호가 방사되어야 한다. 여기서, 상기 NLOS는 타물체(예: 벽, 천장 등)에 신호가 반사되어 송수신이 이루어지는 경로를 의미한다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나가 적용된 무선 프로브의 방사 패턴들을 도시한다. 상기 도 22는 상기 무선 프로브(2180)에서 LOS 방향(2130) 및 NLOS 방향(2140)의 통신을 위한 신호 방사 패턴들을 예시한다.
상기 도 22의 (a)를 참고하면, NLOS 방향(2192)의 통신을 위하여 상기 무선 프로브(2180)의 장축(예: z축)의 방향으로 신호가 방사된다. 이를 위해, 안테나의 급전부에 브로드사이드 방향으로의 방사를 위한 신호가 입력될 수 있다. 상기 도 22의 (b)를 참고하면, LOS 방향(2194)의 통신을 위하여 상기 무선 프로브(2180)의 상기 장축(예: z축)과 수직한 방향으로 신호가 방사된다. 이를 위해, 상기 안테나의 급전부에 엔드파이어 방향으로의 방사를 위한 신호가 입력될 수 있다. 이때, 일반적인 상기 무선 프로브(2180)의 사용 방식을 고려하면, 사용자의 손에 의해 신호 방사에 대한 방해를 방지하기 위해, 상기 무선 프로브(2180)의 최상단에 안테나가 실장되는 것이 바람직하다.
도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 프로브에 설치된 안테나의 배치를 도시한다. 상기 도 23은 RFIC(2304) 및 다수의 안테나들(2308)을 포함하는 회로를 예시한다. 상기 도 23과 같은 회로는 상기 무선 프로브(2180)의 상단에 위치할 수 있다.
상기 도 23의 (a)를 참고하면, 상기 RFIC(2304) 및 안테나들(2308-1 내지 2308-16)를 포함하는 회로는 상기 무선 프로브(2308)의 장축(예: z축)에 수직하도록 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통해, 브로드사이드 및 엔드파이어 방향으로의 신호 송수신이 가능하다. 구체적으로, 상기 도 23의 (a)와 같이, 상기 안테나들(2308-1 내지 2308-16)은 상기 RFIC(2304)를 기준으로 서로 다른 방향을 향해 배치된 2개의 안테나 그룹들로 구분될 수 있다. 서로 다른 방향으로 배치된 안테나 그룹들은 상기 초음파 진단 장치(2190) 및 상기 무선 프로브(2180) 간의 상대적 위치 관계에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 오른손으로 상기 무선 프로브(2180)를 사용하는 사용자의 좌측에 상기 초음파 진단 장치(2190)가 위치하면, 상기 초음파 진단 장치(2190)와 가까이 위치하는 안테나 그룹이 사용될 수 있다.
상기 도 23의 (b)를 참고하면, 상기 RFIC(2304) 및 안테나들(2308-1 내지 2308-32)를 포함하는 회로는 상기 무선 프로브(2308)의 장축(예: z축)에 수직하도록 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통해, 브로드사이드 및 엔드파이어 방향으로의 신호 송수신이 가능하다. 구체적으로, 상기 안테나들(2308-1 내지 2308-32)은 상기 RFIC(2304)를 기준으로 서로 다른 방향을 향해 배치된 4개의 안테나 그룹들로 구분될 수 있다. 서로 다른 방향으로 배치된 안테나 그룹들은 상기 초음파 진단 장치(2190) 및 상기 무선 프로브(2180) 간의 상대적 위치 관계에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 진단 장치(2190)와 가까이 위치하는 안테나 그룹이 사용될 수 있다.
상기 23에서, (a)는 2개의 방향들을 위한 2개의 안테나 그룹들을 예시하고, (b)는 4개의 방향들을 위한 4개의 안테나 그룹들을 예시한다. 그러나, 본 발명은 2개 또는 4개의 방향들에 제한되지 아니한다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 1개의 방향만을 고려하거나, 3개의 방향들을 고려하거나, 5개 이상의 방향들을 위한 안테나 구조가 상기 무선 프로브(2180)에 포함될 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시 예에 따른 방열판과 함께 무선 프로브에 설치된 안테나의 배치를 도시한다. 상기 도 24은 RFIC(2404) 및 다수의 안테나들(2408-1 내지 2408-16)을 포함하는 회로를 예시한다. 상기 도 23과 같은 회로는 상기 무선 프로브(2180)의 상단에 위치할 수 있다. 상기 도 24를 참고하면, 상기 RFIC(2404) 및 상기 안테나들(2408-1 내지 2408-16)에 더하여, 방열판(2412)이 설치될 수 있다. 상기 방열판(2412)는 상기 RFIC(2404) 및 상기 안테나들(2408-1 내지 2408-16)에서 발생한 열을 외부로 방출하는 기능을 수행한다. 상기 도 24는 상기 도 23의 (a)와 같은 구조에 상기 방열판(2412)이 추가된 경우를 예시하나, 다른 안테나 구조(예: 상기 도 23의 (b)에도 상기 방열판(2412)이 추가될 수 있다.
상술한 본 발명의 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 발명이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 신호 방사를 위한 장치에 있어서,
    신호를 방사하는 급전부(feeding unit)와,
    물리적으로 이격된 다수의 원소들(element)들로 구성되며, 상기 급전부에서 방사된 신호의 방사 패턴을 조절하는 가이딩부(guiding unit)를 포함하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이딩부는, TE(Transverse Electric) 모드의 전파를 생성하는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전부는, RF(Radio Frequency) 처리부로부터, 급전선(transmission line) 없이 또는 임계치 미만의 길이를 가지는 급전선을 통해 RF 신호를 제공받는 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전부 및 상기 가이딩부는, 유전체 내부에 배치되며,
    상기 유전체에서 상기 가이딩부의 길이 방향에 평행한 일부 면은, 도체로 차폐되는 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사 패턴은, 상기 급전부 및 상기 가이딩부를 포함하는 유전체의 길이, 상기 가이딩부를 구성하는 원소들 간 간격, 상기 원소들 각각의 크기에 기초하여 결정되는 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 방사 패턴은, 수직 방사각, 수평 방사각, 이득 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수직 방사각은, 상기 급전부 및 상기 가이딩부를 포함하는 유전체의 길이에 기초하여 제어되고,
    상기 수직 방사각은, 상기 가이딩부를 구성하는 원소들 간 간격에 기초하여 제어되고,
    상기 이득은, 상기 원소들 각각의 크기에 기초하여 제어되는 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전부는, RF(Radio Frequency) 처리부로부터 신호를 제공받으며,
    상기 방사 패턴은, 상기 신호가 입력되는 지점에 따라 수평 지향성 및 수직 지향성 중 하나를 가지는 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전부는, RF(Radio Frequency) 처리부로부터 신호를 제공받으며,
    상기 급전부에서 상기 신호의 입력 지점을 선택하기 위한 다수의 입력 경로들을 더 포함하는 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이딩부는, 선형 또는 비선형으로 배열된 다수의 원소들을 포함하는 장치.
  11. 송신 장치의 동작 방법에 있어서,
    신호를 방사하는 과정과,
    물리적으로 이격된 다수의 원소들(element)들로 구성되는 가이딩부(guiding unit)를 통해 상기 신호의 방사 패턴을 조절하는 과정을 포함하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 방사 패턴은, 빔의 방향, 빔의 크기, 빔 폭 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    빔 폭에 따라 급전할 적어도 하나의 안테나 개수를 결정하는 과정을 더 포함하는 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    빔 방향에 따라 적어도 하나의 안테나의 급전 방향을 결정하는 과정을 더 포함하는 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    빔 방향에 따라 적어도 하나의 안테나로 입력될 신호의 위상을 결정하는 과정을 더 포함하는 방법.
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