WO2016117734A1 - 패턴/편파 안테나 장치와 이를 이용한 빔 형성 방법 - Google Patents

패턴/편파 안테나 장치와 이를 이용한 빔 형성 방법 Download PDF

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윤창배
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the present invention relates to a pattern / polarization antenna device, and more particularly, to an antenna device capable of obtaining a pattern / polarization gain and a method of forming a beam using such an antenna device.
  • a plurality of antennas having the same characteristics are arranged at half-wavelength intervals and beams are formed using the same. This is because, in the case of antennas having the same characteristics, when the antennas are arranged at intervals of less than half wavelength, channel characteristics are similar due to pattern similarity and physical close distance between the antennas.
  • MIMO multiple input multiple output
  • An arbitrary antenna radiation pattern f ( ⁇ , ⁇ ) can be represented by the following equation 1 using a spherical vector waves mode having orthogonality to each mode.
  • a a ( ⁇ , ⁇ ) represents a square vector wave mode
  • c a for each square vector wave mode means a coefficient of the radiation pattern
  • the MIMO system using a multi-antenna device integrates a dual polarized dipole antenna, thereby increasing channel capacity using only two modes among square vector wave modes.
  • an N-port pattern / polarization antenna device capable of obtaining a pattern / polarization gain using N square vector wave mode over using only two square vector wave modes and a beam forming method using the same. do.
  • the N-port pattern / polarization antenna device comprises a radiation pattern in which two types of unit antennas can use a square vector wave mode having an order of N or more, and the unit antennas are separated from each other. Is disposed below half wavelength, and the unit antenna includes an electric field antenna having a radiation pattern distributed in an even mode among the rectangular vector wave modes, and a magnetic field antenna having a radiation pattern distributed in an odd mode, and The magnetic field antenna may be integrated to face in different directions.
  • the N-port pattern / polarization antenna device comprises a radiation pattern in which three or more types of unit antennas can use a square vector wave mode having N or more orders, and the unit antennas are separated from each other.
  • the unit antenna has a radiation pattern having a beam width wider than that of the adjacent antenna, and the other unit has a radiation pattern having a higher directivity in a direction than the adjacent antenna. It can be integrated to have.
  • a beam forming method using an N-port pattern / polarization antenna wherein the two or more unit antennas comprise a radiation pattern capable of using a rectangular vector wave mode having N or more orders.
  • M integrated structures including N-port pattern / polarized antennas having a distance of less than half wavelength from each other form a specific arrangement, and one antenna selected from each of the M integrated structures into one beamforming antenna group.
  • a beam may be formed using the bundled N beamforming antenna groups.
  • a single beam may be formed by applying one beamforming weight setting value in one integrated structure.
  • Multiple beamforming weight setting values may be applied in one integrated structure to form multiple beams.
  • the M integrated structures may form an array of any one type of linear, two-dimensional, or three-dimensional solid.
  • the Nth integrated structure may include N pattern / polarized antennas
  • the N′-th integrated structure may include N ′ pattern / polarized antennas.
  • the N-port pattern / polarization antenna uses N square vector wave modes in addition to using only two square vector wave modes, the pattern / polarization gain is further improved as compared with the prior art.
  • the beam forming using the N-port pattern / polarized antenna has the effect of designing a low complexity transmission system.
  • FIG. 1 is a graph illustrating a radiation pattern square vector wave mode analysis of a single unit antenna in an N-port pattern / polarization antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are graphs illustrating a radiation pattern square vector wave mode analysis of two unit antennas in an N-port pattern / polarization antenna according to an embodiment of the present invention.
  • 3A, 3B, and 3C are graphs illustrating a radiation pattern square vector wave mode analysis of a multi-unit antenna in an N-port pattern / polarization antenna according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an example implemented as a four-port planar antenna of the N-port pattern / polarization antenna apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B illustrate an example of implementing a 16-port antenna of an N-port pattern / polarization antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a beamforming state diagram illustrating a method for forming a single beam using an N-port pattern / polarization antenna in an integrated structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a beamforming state diagram illustrating a multi-beam forming method using beamforming weight setting values of N-port pattern / polarization antennas in an integrated structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a beamforming state diagram illustrating a multi-beam formation method using an N-port pattern / polarization antenna and M array structures of an integrated structure according to an embodiment of the present invention.
  • a mobile communication system that can be implemented based on an N-port pattern / polarized antenna according to an embodiment of the present invention may be composed of a distributed node and a terminal node.
  • the distributed node and the terminal node can communicate using the N-port pattern / polarization antenna integrated structure and arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the distributed node can form a plurality of beams by using a pattern / polarization antenna array structure having an integration ratio of about N times that of the conventional MIMO system, and operates a beam formed by using channel information related to the pattern, polarization, and position. can do.
  • the terminal node can communicate by obtaining a diversity gain and a multi-signal gain according to a channel environment using a small pattern / polarization antenna integrated structure and an array structure.
  • the N-port pattern / polarization antenna capable of effectively obtaining the pattern / polarization gain should be an antenna composed of radiation patterns capable of using N or more square vector wave modes.
  • n is a coefficient represented by a positive integer
  • m is a coefficient determined by n
  • a ⁇ mn is an existing rectangular vector wave.
  • the square vector wave mode tends to vary greatly as the value of n changes, and appears as an even mode for the Transverse Magnetic (TM) mode such as a loop antenna, and an odd number for the TE (Transverse Electric) mode such as a dipole antenna. Appears in mode.
  • the radiation pattern of the small antenna has a natural characteristic of having a large coefficient C ⁇ in a low order ⁇ square vector wave mode. Therefore, in order to effectively obtain the pattern / polarization gain through the N-port antenna, the rectangular vector wave mode of order ⁇ or more than N should be used.
  • Equation 2 shows the characteristics that appear as the spherical vector wave is rotated to a value of 90 ° or 180 ° about the origin when it is in 1 to 16 modes. This shows that as the square vector wave mode is rotated, it is converted to another square vector wave mode or changes in phase.
  • a ⁇ mn is the same as the existing square vector wave
  • a ' ⁇ mn is the same as the square vector wave rotated by 90 °
  • a " ⁇ mn is the same as the square vector wave rotated by 180 °
  • FIG. 1 is a graph illustrating a radiation pattern square vector wave mode analysis of a single unit antenna in an N-port pattern / polarization antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the unit antenna is uniformly distributed in odd and even modes in order to maintain orthogonality of the radiation pattern by using the property shown in Equation 2 Must have a characteristic with a pattern.
  • the N unit antennas are integrated to face different directions, and thus an N-port antenna having a small correlation can be configured.
  • FIG. 2A and 2B are graphs of a radiation pattern square vector wave mode analysis of two unit antennas in an N-port pattern / polarization antenna according to an embodiment of the present invention, wherein C 1 ⁇ of FIG. 2A is a type 1 unit antenna, C 2 ⁇ in FIG. 2B is a type 2 unit antenna.
  • the unit antennas may be divided into an electric field unit antenna and a magnetic field unit antenna.
  • the electric field antenna is an antenna having a radiation pattern distributed in an even mode
  • the magnetic field antenna is an antenna having a radiation pattern distributed in an odd mode. Since the electric field unit antenna and the magnetic field unit antenna are integrated to face different directions, the N-port antenna having a small correlation can be configured because the odd mode and the even mode maintain orthogonality with each other.
  • 3A, 3B, and 3C are graphs of a radiation pattern square vector wave mode analysis of a multi-unit antenna in an N-port pattern / polarization antenna according to an embodiment of the present invention, wherein C 1 ⁇ in FIG. 3A is a type 1 unit antenna. , C 2 ⁇ in FIG. 3B is a type 2 unit antenna, and C 3 ⁇ in FIG. 3C is a type 3 unit antenna.
  • the directivity of the radiation pattern tends to be increased in proportion to the order of the modes.
  • a unit antenna having a radiation pattern having a wide beam width and a unit antenna having a high directional radiation pattern in a predetermined direction are integrated adjacent to each other.
  • the radiation pattern has a low correlation / pattern
  • the antenna can be configured.
  • the antenna when n is 1, the antenna is used from mode 1 to mode 6, and n is 2 In one case, the antenna may use modes 7 to 16, and when n is 3, the antenna may use modes 17 to 32.
  • the unit antenna C 2 ⁇ has a narrower beam width than the unit antenna C 1 ⁇
  • the unit antenna C 3 ⁇ has a smaller beam width than the unit antenna C 2 ⁇ .
  • Figure 4 is an example implemented as a four-port planar antenna of the N-port pattern / polarization antenna apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the electric field antennas 103 and 105 having the radiation pattern distributed in the even mode and the magnetic field antennas 107 and 109 having the radiation pattern distributed in the odd mode are mutually arranged on the substrate 101. It can be integrated to look in the other direction.
  • the electric field antennas 103 and 105 may be implemented as patch antennas, and the magnetic field antennas 107 and 109 may be implemented as slot antennas.
  • FIG. 5A and 5B are examples of the 16-port antenna of the N-port pattern / polarization antenna apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A illustrates a polyhedral antenna 203 by arranging several rectangular planar antennas 201.
  • 5B illustrates an antenna formed on the rear surface of the planar antenna 201.
  • a plurality of unit antennas 205, 207, 209, and 211 may be formed on the front or the back of the rectangular planar antenna 201 plurally arranged to constitute the polyhedral antenna 203.
  • the slot-shaped unit antenna 205 has a radiation pattern having a wider beam width than the strip-shaped unit antenna 207, and the adjacent strip-shaped unit antenna 207 is more than the slot-shaped unit antenna 205. It may have a radiation pattern of higher directivity in a certain direction.
  • FIG. 5A illustrates a case in which a plurality of rectangular planar antennas 201 are arranged in left and right directions to implement a polyhedral antenna 203
  • the rectangular planar antennas 201 are arranged in different directions such as vertical and diagonal directions. It may be arranged to implement a polyhedral antenna 203.
  • the N-port pattern / polarization antenna according to the embodiment of the present invention can be extended into an array structure according to a given channel environment and communication system.
  • the arrangement of N-port pattern / polarization antenna has the following characteristics.
  • the N-port pattern / polarization antenna having a two-dimensional or three-dimensional shape can be extended to one, two, and three dimensions at regular intervals.
  • the shape of the N-port pattern / polarized antenna and array structure is determined not only by the azimuth angle, but also by the channel environment that includes features for elevation angles. Therefore, a gain not effectively obtained by the conventional MIMO can be obtained by an antenna array structure composed of various radiation patterns.
  • the three-dimensional extended N-dimensional pattern / polarized antenna array structure is suitable for the environment in which scattering and reflection occur a lot in the x, y, and z directions, and high transmission close to the offset value of a given antenna space. Capacity can be obtained.
  • a beam may be formed using an integrated structure composed of N-port patterns / polarization antennas.
  • the integrated structure for this is composed of N-port pattern / polarized antenna, the distance between the N port pattern / polarized antenna is less than half wavelength. Although the physical distance between them is less than half-wavelength, different channel characteristics are shown because the pattern / polarization characteristics are different for each antenna. Accordingly, a signal may be transmitted and received by forming a beam using N port patterns / polarizations located in one integrated structure.
  • beams may be formed using both N-port pattern / polarization antennas located in one integrated structure.
  • the N-port antenna located in the integrated structure may be represented by Equation 3.
  • 1 to N represent each N port antennas, and N is any natural number.
  • FIG. 6 is a beamforming state diagram illustrating a method for forming a single beam using an N-port pattern / polarization antenna in an integrated structure according to an embodiment of the present invention.
  • one beam may be generated by applying one beamforming weight set using both N port patterns / polarization antennas. This can be expressed as Equation 4.
  • w n denotes a beamforming weight corresponding to the n th antenna a n .
  • FIG. 7 is a beamforming state diagram illustrating a multi-beam forming method using beamforming weight setting values of N-port pattern / polarization antennas in an integrated structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a plurality of beamforming weight setting values may be made, and then a plurality of beams may be formed using both N-port patterns / polarized antennas through superposition. This can be expressed as Equation 5.
  • w k represents the k th beamforming weight setting value.
  • w k, n denotes a beamforming weight corresponding to the antenna a n among the kth beamforming weight setting values.
  • a beam may be formed by selecting a portion of the N-port pattern / polarization antenna located in one integrated structure.
  • one beam may be generated by selecting a portion of the N-port pattern / polarization antenna and applying one beamforming weight setting value.
  • a plurality of beams may be formed by forming a plurality of beamforming weight setting values and then forming a superposition by selecting some of different N port patterns / polarization antennas for each setting value.
  • FIG. 8 is a beamforming state diagram illustrating a multi-beam formation method using an N-port pattern / polarization antenna and M array structures of an integrated structure according to an embodiment of the present invention.
  • a beam can be formed using an integrated structure composed of N-port patterns / polarized antennas and an array structure in which M integrated structures are arranged.
  • the arrangement of the integrated structures can be formed.
  • the array structure includes all types of array structures, such as linear in two dimensions, planar in two dimensions, and three-dimensional in three dimensions.
  • each integrated structure constituting the array structure may be composed of the same integrated structure. That is, it refers to an arrangement structure in which a specific integrated structure is made into one module and arranged at regular intervals.
  • N port patterns / polarized antennas are arranged, and M identical integrated structures may form an array in a specific form. This can be expressed as in Equation 6.
  • a m denotes an integrated structure m located at the m th of the array structure
  • the N-port pattern / polarized antennas positioned within the m th integrated structure a m are each a 1 m ,. , a n m ,... , a N m can be represented.
  • B n is means the beam is created by using the n-th pattern / polarized antennas on each integrated structure
  • a n refers to the beamforming antenna group consisting of n-th pattern / polarized antennas on each integrated structure
  • a n [a n 1 ,... , a n m ,... , a n M ] H.
  • v n means a beamforming weight vector corresponding to the nth beamforming antenna group
  • v n m is a beamforming weight corresponding to the nth pattern / polarization antenna of the mth array structure.
  • a beamforming antenna group [a n 1 ,... , a n m ,... , a n M ] to make beams using only some antennas, to make beams using only some groups out of a total of N beamforming groups, or to combine and use only some of the beamforming groups. It is possible to make beams using only some antennas in the group.
  • N port patterns / polarization antennas are arranged, and M identical direct structures form an array in a specific form.
  • [a n 1 ,... , a n m ,... , a n M ] as well as the case of setting the pattern / polarization antenna having the same characteristic as the beamforming antenna group, it is possible to form the beam by setting the pattern / polarization antenna having the different characteristics as the beamforming group.
  • [a n 1 ,... , a p m ,... change the one antenna to the pth pattern / polarization antenna such as, a n M ] to set up the beamforming group, or [a p 1 ,... , a q m ,...
  • all M integrated structures forming an array structure and N port patterns / polarization forming the integrated structure are formed. Both antennas can be used to form a beam.
  • Each integrated structure of the arrangement may have a different shape.
  • the n-th integrated structure may be composed of a total of N pattern / polarized antennas
  • the N′-th integrated structure may be composed of a total of N ′ pattern / polarized antennas.
  • the N patterns / polarized antennas and the N ′ patterns / polarized antennas include all cases, such as when one becomes a subset of another, a case where only a part of antennas are intersected, and an entirely different pattern / polarized antenna.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

본 발명은 패턴/편파 안테나 장치와 이를 이용한 빔 형성 방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 패턴/편파 안테나 장치는, 2종의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치되며, 단위 안테나는, 구형벡터파 모드 중에서 짝수 모드에 분포하는 방사패턴을 가지는 전기장 안테나와 홀수 모드에 분포하는 방사패턴을 가지는 자기장 안테나를 포함하고, 전기장 안테나와 자기장 안테나를 다른 방향을 바라보도록 집적한다. N포트 패턴/편파 안테나가 2개의 구형벡터파 모드만을 이용하는 것을 넘어서 N개의 구형백터파 모드를 이용하기 때문에, 종래 기술과 비교할 때에 패턴/편파 이득이 더 향상된다.

Description

패턴/편파 안테나 장치와 이를 이용한 빔 형성 방법
본 발명은 패턴/편파 안테나 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패턴/편파 이득을 얻을 수 있는 안테나 장치와 이러한 안테나 장치를 이용하여 빔을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적인 다중 안테나 장치는 동일한 특성을 갖는 안테나를 반파장 간격으로 다수 배치하고 이를 이용하여 빔을 형성하였다. 이는 동일한 특성을 갖는 안테나의 경우에 반파장 이하의 간격으로 안테나를 배치하게 되면 안테나 간의 패턴 유사성 및 물리적으로 가까운 거리로 인해 채널 특성이 비슷해지는 효과가 발생하기 때문이다.
그런데, 이 경우에는 다수의 채널이 서로 비슷한 특성을 보임에 따라 다중 안테나로부터 얻을 수 있는 다중화(multiplexing) 효과나 다중경로 페이딩(multi-path fading)에 대한 강인성 등의 우수한 특성을 얻지 못하는 단점이 생긴다.
이러한 단점 때문에 동일한 혹은 이중 편파의 안테나를 반파장 간격으로 다수 배치하고 이를 이용하여 이른바 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신을 수행하게 된다. 하지만 이것 또한 반파장 간격으로 안테나들이 위치해야 하기 때문에 안테나가 많은 공간을 차지하는 단점이 발생한다.
더욱이, 최근 연구되고 있는 매시브 MIMO(massive MIMO)와 같은 초다중 안테나 기술의 경우에는 수십 개 내지 수백 개의 안테나를 배치해야 하므로 안테나가 차지하는 공간에 대한 문제가 대두되고 있다.
임의의 안테나 방사패턴 f(θ,φ)는 각 모드에 대해서 직교성을 가지고 있는 구형벡터파(spherical vector waves) 모드를 이용하여 다음과 같은 수학식 1로 나타낼 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2015000759-appb-M000001
여기서, Aa (θ,φ)는 구형벡터파 모드를 나타내고, 각 구형벡터파 모드에 대한 ca은 방사패턴이 가지고 있는 계수를 의미한다.
종래 기술에 따른 다중 안테나 장치를 이용하는 MIMO 시스템은 이중 편파 다이폴 안테나를 집적하므로 구형벡터파 모드 중에 2개의 모드만을 이용하여 채널용량을 증대시킨 것이다.
그러나, 이러한 종래 기술에 의하면 2개의 구형벡터파 모드만을 이용하기 때문에 패턴/편파 이득을 효과적으로 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 실시예에 따르면, 2개의 구형벡터파 모드만을 이용하는 것을 넘어서 N개의 구형백터파 모드를 이용하여 패턴/편파 이득을 얻을 수 있는 N포트 패턴/편파 안테나 장치와 이를 이용한 빔 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제 1 관점에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 장치는, 2종의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 상기 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치되며, 상기 단위 안테나는, 상기 구형벡터파 모드 중에서 짝수 모드에 분포하는 방사패턴을 가지는 전기장 안테나와 홀수 모드에 분포하는 방사패턴을 가지는 자기장 안테나를 포함하고, 상기 전기장 안테나와 상기 자기장 안테나를 다른 방향을 바라보도록 집적할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 장치는, 3종 이상의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 상기 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치되며, 상기 단위 안테나는, 상호 인접하는 안테나 중에서 어느 하나는 인접 안테나보다 더 넓은 빔폭을 가지는 방사패턴을 가지며, 다른 하나는 인접 안테나보다 일정 방향으로 더 높은 지향성의 방사패턴을 가지도록 집적될 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성 방법은, 2종 이상의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 상기 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치된 N포트 패턴/편파 안테나가 포함된 M개의 집적구조가 특정 형태의 배열을 이루고, 상기 M개의 집적구조 각각에서 선정한 하나씩 안테나들을 하나의 빔포밍 안테나 그룹으로 묶은 N개의 빔포밍 안테나 그룹을 이용하여 빔을 형성할 수 있다.
여기서, 하나의 상기 집적구조 내에서 한 개의 빔포밍 가중치 설정값을 적용하여 단일 빔을 형성할 수 있다.
하나의 상기 집적구조 내에서 여러 개의 빔포밍 가중치 설정값을 적용하여 다중 빔을 형성할 수 있다.
상기 M개의 집적구조가 1차원의 선형, 2차원의 평면형 또는 3차원의 입체형 중에서 어느 한 형태의 배열을 이룰 수 있다.
상기 M개의 집적구조 중에서 N번째 집적구조는 N개의 패턴/편파 안테나로 이루어지며, N’번째 집적구조는 N’개의 패턴/편파 안테나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, N포트 패턴/편파 안테나가 2개의 구형벡터파 모드만을 이용하는 것을 넘어서 N개의 구형백터파 모드를 이용하기 때문에, 종래 기술과 비교할 때에 패턴/편파 이득이 더 향상된다.
또, 이러한 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성을 통해 저 복잡도의 전송 시스템을 설계할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나에서 단일 단위 안테나의 방사패턴 구형벡터파 모드 분석 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나에서 2종의 단위 안테나의 방사패턴 구형벡터파 모드 분석 그래프이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나에서 다중 단위 안테나의 방사패턴 구형벡터파 모드 분석 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 장치의 4-포트 평면 안테나로 구현한 예이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 장치의 16-포트 안테나로 구현한 예이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 집적구조 내 N포트 패턴/편파 안테나를 사용한 단일 빔 형성 방안을 나타낸 빔포밍 상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 집적구조 내 N포트 패턴/편파 안테나의 빔포밍 가중치 설정값을 이용한 다중 빔 형성 방안을 나타낸 빔포밍 상태도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 집적구조의 N포트 패턴/편파 안테나와 M개의 배열구조를 사용한 다중 빔 형성 방안을 나타낸 빔포밍 상태도이다.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 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 발명의 실시예에서의 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.
본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나를 기반으로 하여 구현할 수 있는 이동통신 시스템은 분산노드와 단말노드로 구성될 수 있다. 이러한 분산노드와 단말노드는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 집적구조 및 배열구조를 이용하여 통신할 수 있다. 분산노드는 종래의 MIMO 시스템보다 약 N배의 집적율을 가지는 패턴/편파 안테나 배열구조를 이용하여 다수의 빔을 형성할 수 있으며, 패턴, 편파, 위치와 관련된 채널 정보를 이용하여 형성된 빔을 운용할 수 있다. 단말노드는 소형의 패턴/편파 안테나 집적구조 및 배열구조를 이용하여 채널 환경에 따라 다이버시티 이득과 다중신호 이득을 얻어서 통신할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 패턴/편파 이득을 효과적으로 얻을 수 있는 N포트 패턴/편파 안테나는 N개 이상의 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성된 안테나이어야 한다.
구형벡터파 모드 Aa (θ,φ)의 차수 α는 α=2(n(n+1)-1+(-1)s m) +τ로 정해지고, 이를 Aa (θ,φ)=Aτσmn과 같이 표현 할 수 있다. 여기서, n은 양수의 정수로 나타나는 계수이고, m은 n에 따라 결정되는 계수이며, Aτσmn는 기존 구형벡터파이다.
구형벡터파 모드는 n의 값이 달라짐에 따라 그 특성이 크게 달라지는 경향이 있으며 루프 안테나와 같은 TM(Transverse Magnetic) 모드에 대해서는 짝수 모드로 나타나며, 다이폴 안테나와 같은 TE(Transverse Electric) 모드에 대해서는 홀수 모드로 나타난다. 소형 안테나가 가지는 방사패턴은 낮은 차수 α의 구형벡터파 모드에 큰 계수 Cα를 가지는 자연적인 특성을 가지고 있다. 따라서, N포트 안테나를 통해서 패턴/편파 이득을 효과적으로 얻기 위해서는 N 이상의 차수 α의 구형벡터파 모드를 이용하여야 한다.
아래의 수학식 2는 1에서 16모드일 때, 구형벡터파가 원점 중심으로 90˚ 혹은 180˚의 값으로 회전됨에 따라 나타나는 특성을 보여주고 있다. 이는 구형벡터파 모드가 회전됨에 따라서 다른 구형벡터파 모드로 변환이 되거나 위상의 변화를 가지는 것을 보여준다.
수학식 2
Figure PCTKR2015000759-appb-M000002
여기서. Aτσmn은 기존 구형벡터파와 같고, A'τσmn는 90° 회전된 구형벡터파와 같으며, A"τσmn는 180° 회전된 구형벡터파와 같고, 짝수 모드와 홀수 모드에 대해서 각각 σ=e, σ=o 와 같이 표현한다.
종래의 패턴/편파 안테나는 각 단위 안테나가 가지는 방사패턴의 직교성을 유지하기 위해서 각 단위 안테나가 서로 다른 구형벡터파 모드로 방사하도록 설계되었다. 하지만 수학식 2를 통해서 다수의 구형벡터파 모드로 방사하는 단위 안테나를 서로 다른 방향을 가지도록 집적하므로 같은 종류의 단위 안테나를 사용하여 방사패턴의 직교성을 유지하는 N포트 패턴/편파 안테나를 설계 할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 우선적으로 작은 공간에 집적 할 수 있고, 방사패턴의 직교성을 유지하면서 집적이 용이한 소형 단위 안테나 설계가 필요하다. 이러한 단위 안테나 설계는 채널 환경 및 주어지는 안테나 공간에 의존적이다. 하지만 몇 가지의 단위 안테나로 N포트 패턴/편파 안테나를 설계하는 가에 따라 다음과 같이 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나에서 단일 단위 안테나의 방사패턴 구형벡터파 모드 분석 그래프이다.
단일의 단위 안테나를 이용하여 N포트 패턴/편파 안테나를 구성 할 경우에, 수학식 2와 같은 성질을 이용하여 방사패턴의 직교성을 유지하기 위해서 단위 안테나는 홀수 모드와 짝수 모드에 균등하게 분포되는 방사패턴을 가지는 특징을 가져야 한다. 홀수 모드의 계수 값과 짝수 모드의 계수 값의 상관 관계로 이용하여 N개의 단위 안테나를 서로 다른 방향을 바라보도록 집적하므로 작은 상관도를 가지는 N포트 안테나를 구성 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나에서 2종의 단위 안테나의 방사패턴 구형벡터파 모드 분석 그래프로서, 도 2a의 C1 α은 종류 1의 단위 안테나이고, 도 2b의 C2 α는 종류 2의 단위 안테나이다.
2종의 단위 안테나로 N포트 패턴/편파 안테나를 구성할 경우에, 단위 안테나는 전기장 단위 안테나와 자기장 단위 안테나로 나눌 수 있다. 전기장 안테나는 짝수 모드에 분포하는 방사패턴을 가진 안테나이고, 자기장 안테나는 홀수 모드에 분포하는 방사패턴을 가진 안테나이다. 이러한 전기장 단위 안테나와 자기장 단위 안테나를 다른 방향을 바라보도록 집적하므로, 홀수 모드와 짝수 모드가 서로 직교성을 유지하기 때문에 작은 상관도를 가지는 N포트 안테나를 구성 할 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나에서 다중 단위 안테나의 방사패턴 구형벡터파 모드 분석 그래프로서, 도 3a의 C1 α는 종류 1의 단위 안테나이고, 도 3b의 C2 α는 종류 2의 단위 안테나이며, 도 3c의 C3 α는 종류 3의 단위 안테나이다.
다종의 단위 안테나를 이용하여 N포트 패턴/편파 안테나를 설계할 경우에, 모드의 차수에 비례하여 방사패턴의 지향성이 높아지는 경향이 있다. 이를 이용하여 넓은 빔폭을 가지는 방사패턴을 가지는 단위 안테나와 일정 방향으로 높은 지향성의 방사패턴을 가지는 단위 안테나를 이웃하게 집적하므로, 방사패턴이 겹치는 구조임에도 불구하고 방사패턴의 상관도가 낮은 패턴/편파 안테나를 구성할 수 있다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 예시와 같이 3종의 단위 안테나를 이용하여 N포트 패턴/편파 안테나를 설명할 때에 n이 1일 경우에 안테나는 모드 1부터 모드 6까지 이용하고, n이 2일 경우에 안테나는 모드 7부터 모드 16까지 이용하며, n이 3일 경우에 안테나는 모드 17부터 모드 32까지 이용할 수 있다. 여기서, 단위 안테나 C2 α는 단위 안테나 C1 α보다 빔폭이 더 좁고, 단위 안테나 C3 α는 단위 안테나 C2 α보다 빔폭이 더 좁다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 장치의 4-포트 평면 안테나로 구현한 예이다.
이에 나타낸 바와 같이 실시예에 따르면, 기판(101) 상에 짝수 모드에 분포하는 방사패턴을 가진 전기장 안테나(103, 105)와 홀수 모드에 분포하는 방사패턴을 가진 자기장 안테나(107, 109)를 서로 다른 방향을 바라보도록 집적할 수 있다. 실시예에 따라, 전기장 안테나(103, 105)는 패치 안테나로 구현하고, 자기장 안테나(107, 109)는 슬롯 안테나로 구현할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나 장치의 16-포트 안테나로 구현한 예로서, 도 5a는 여러 개의 사각형 평면 안테나(201)를 배열하여 다면체 안테나(203)로 구현한 예이며, 도 5b는 평면 안테나(201)의 배면에 형성된 안테나를 나타낸 것이다.
이에 나타낸 바와 같이 실시예에 따르면, 복수개가 배열되어 다면체 안테나(203)를 구성하는 사각형 평면 안테나(201)는 다종의 단위 안테나(205, 207, 209, 211)가 전면 또는 배면에 형성될 수 있다. 예컨대, 슬롯 형태의 단위 안테나(205)는 스트립 형태의 단위 안테나(207)보다 더 넓은 빔폭을 가지는 방사패턴을 가지며, 이에 인접한 스트립 형태의 단위 안테나(207)는 슬롯 형태의 단위 안테나(205)보다 일정 방향으로 더 높은 지향성의 방사패턴을 가질 수 있다.
여기서, 도 5a에는 여러 개의 사각형 평면 안테나(201)를 좌우 방향으로 배열하여 다면체 안테나(203)를 구현한 경우를 예시하였으나, 이들 사각형 평면 안테나(201)를 상하 방향이나 대각선 방향 등과 같이 다른 방향으로 배열하여 다면체 안테나(203)를 구현할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 N포트 패턴/편파 안테나는 주어진 채널 환경 및 통신 시스템에 따라 배열구조로 확장 할 수 있다. N포트 패턴/편파 안테나의 배열구조는 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 2차원 혹은 3차원의 형태를 가지는 N포트 패턴/편파 안테나를 일정 간격을 가지고 1차원, 2차원, 3차원으로 확장할 수 있다. 방위각(azimuth) 각도만이 아니라, 높낮이(elevation) 각도에 대한 특징을 포함하는 채널 환경에 따라서 N포트 패턴/편파 안테나 및 배열구조의 형태가 결정된다. 따라서 종래의 MIMO가 효과적으로 얻지 못하는 이득을 다양한 방사패턴으로 구성된 안테나 배열구조로 얻을 수 있다. 특별히, 3차원으로 확장된 N차원 패턴/편파 안테나가 확장된 형태의 배열구조는 x, y, z 방향으로 모두 분산 및 반사가 많이 일어나는 환경에서 적합하며 주어진 안테나 공간 대비 상계치에 근접하는 높은 전송용량을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 N포트 패턴/편파 안테나로 구성된 집적구조를 이용하여 빔을 형성할 수 있다. 이를 위한 집적구조는 N포트 패턴/편파 안테나로 구성이 되며, N포트 패턴/편파 안테나는 서로 간의 거리가 반파장 이하이다. 서로 간의 물리적인 거리가 반파장 이하지만 안테나 별로 패턴/편파 특성이 상이하기 때문에 서로 다른 채널 특성을 보이게 된다. 따라서 하나의 집적구조 내에 위치한 N포트 패턴/편파를 이용하여 빔을 형성하여 신호를 송수신 할 수 있다.
먼저 하나의 집적구조 내에 위치한 N포트 패턴/편파 안테나를 모두 사용하여 빔을 형성할 수 있다. 집적구조 내에 위치한 N포트 안테나는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2015000759-appb-M000003
여기서, 1~N 은 N포트 안테나 각각을 나타내며 N은 임의의 자연수이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 집적구조 내 N포트 패턴/편파 안테나를 사용한 단일 빔 형성 방안을 나타낸 빔포밍 상태도이다.
이에 나타낸 바와 같이, N포트 패턴/편파 안테나를 모두 이용하여 한 개의 빔포밍 가중치 설정값(beamforming weight set)를 적용함으로써 하나의 빔을 만들어 낼 수 있다. 이는 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2015000759-appb-M000004
여기서, wn은 n번째 안테나 an 에 해당하는 빔포밍 가중치를 뜻한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 집적구조 내 N포트 패턴/편파 안테나의 빔포밍 가중치 설정값을 이용한 다중 빔 형성 방안을 나타낸 빔포밍 상태도이다.
이에 나타낸 바와 같이, 빔포밍 가중치 설정값을 여러 개 만든 후 중첩의 원리(superposition)를 통해 N포트 패턴/편파 안테나를 모두 이용하면서 다수 개의 빔을 형성할 수 있다. 이는 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2015000759-appb-M000005
여기서, wk 는 k번째 빔포밍 가중치 설정값을 나타낸다. 또한 wk,n 은 k번째 빔포밍 가중치 설정값 중에서 안테나 an에 해당하는 빔포밍 가중치를 뜻한다.
본 발명의 실시예에 의하면 하나의 집적구조 내에 위치한 N포트 패턴/편파 안테나 중 일부를 선택하여 빔을 형성할 수 있다. 이때 채널 상황을 보고 선택하는 경우, 패턴/편파 안테나 특성을 고려하여 선택하는 경우, 통신 상대방의 안테나 특성을 고려하여 선택하는 경우 등을 모두 포함한다. 여기서 N포트 패턴/편파 안테나 중 일부를 선택하여 한 개의 빔포밍 가중치 설정값을 적용함으로써 하나의 빔을 만들어 낼 수 있다. 또는 빔포밍 가중치 설정값을 여러 개 만든 후 각 설정값 별로 서로 다른 N포트 패턴/편파 안테나 중 일부를 선택하여 중첩을 형성함으로써 다수 개의 빔을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 집적구조의 N포트 패턴/편파 안테나와 M개의 배열구조를 사용한 다중 빔 형성 방안을 나타낸 빔포밍 상태도이다.
이에 나타낸 바와 같이, N포트 패턴/편파 안테나로 구성된 집적구조와 그 집적구조가 M 개 배열되어 있는 배열구조를 이용하여 빔을 형성할 수 있다. N포트 패턴/편파 안테나의 집적구조를 일정 간격으로 배열함으로써 집적구조의 배열구조를 형성할 수 있다. 여기서 배열구조는 1차원의 선형, 2차원의 평면형, 3차원의 입체형 등 다양한 방식의 배열 구조를 모두 포함한다.
집적구조를 이용하여 배열구조를 만듦에 있어 배열구조를 이루는 각 집적구조는 동일한 집적구조로 구성될 수 있다. 즉, 특정한 집적구조를 하나의 모듈로 하여 이를 일정 간격으로 배치한 배열구조를 말한다.
각 집적구조에는 N포트 패턴/편파 안테나가 배치되어 있으며 M개의 동일한 집적구조가 특정 형태의 배열을 이루어 배열구조를 이룰 수 있다. 이는 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2015000759-appb-M000006
여기서, am은 배열구조의 m 번째에 위치한 집적구조 m을 나타내며, m번째 집적구조 am 내에 위치한 N포트 패턴/편파 안테나는 각각 a1 m,…,an m,…,aN m 로 나타낼 수 있다.
실시예에 따라, 배열구조를 이루는 각 집적구조에서 동일한 특성을 갖는 패턴/편파 안테나끼리 빔포밍 그룹을 만들어 빔을 형성 할 수 있다. 즉, (an )H=[an 1,…,an m,…,an M ]H 와 같이 배열구조를 이루는 집적구조(1~M) 각각에서 동일한 패턴/편파 특성을 지닌 안테나 n을 뽑아서 하나의 빔포밍 안테나 그룹으로 묶을 수 있다. 따라서 같은 특성의 패턴/편파 안테나를 사용한 총 N개의 빔포밍 안테나 그룹을 이용한 빔 형성이 가능하다. 이러한 상황에서 총 N 개의 빔포밍 안테나 그룹을 모두 이용하는 빔 형성 방안을 통해 집적구조의 N포트 패턴/편파 안테나와 M개의 배열구조를 모두 사용한 빔 형성이 가능하다. 이는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2015000759-appb-M000007
여기서, Bn 은 각 집적구조에서 n번째 패턴/편파 안테나를 사용하여 만든 빔을 뜻하며 an 은 각 집적구조에서 n번째 패턴/편파 안테나로 이루어진 빔포밍 안테나 그룹을 의미하며 an=[an 1,…,an m,…,an M ]H 이다. 또, vn 은 n번째 빔포밍 안테나 그룹에 해당하는 빔포밍 가중치 벡터를 의미하고 vn m 은 m번째 배열구조의 n번째 패턴/편파 안테나에 해당하는 빔포밍 가중치 이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 빔포밍 안테나 그룹 [an 1,…,an m,…,an M] 중에서 일부 안테나 만을 사용하여 빔을 만드는 경우와 총 N 개의 빔포밍 그룹 중에서 일부 그룹만을 사용하여 빔을 만드는 경우, 또는 그 두 경우가 복합되어 빔포밍 그룹 중에서 일부 그룹만을 사용하면서 해당 그룹 중에서도 일부 안테나 만을 사용하여 빔을 만드는 것이 가능하다.
각 집적구조에는 N포트 패턴/편파 안테나가 배치되어 있으며 M 개의 동일한 직접구조가 특정 형태의 배열을 이루어 배열구조를 이루고 있다. 여기서는 위에서 설명한 [an 1,…,an m,…,an M] 와 같이 동일한 특성의 패턴/편파 안테나를 빔포밍 안테나 그룹으로 설정하는 경우뿐만 아니라 서로 다른 특성의 패턴/편파 안테나를 빔포밍 그룹으로 설정하여 빔을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어 [an 1,…,ap m,…,an M] 와 같이 하나의 안테나를 p 번째 패턴/편파 안테나로 변경하여 빔포밍 그룹을 설정하거나 [ap 1,…,aq m,…,ar M] 와 같이 다양한 패턴/편파 안테나를 빔포밍 그룹으로 설정하여 빔을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 특성을 지닌 다양한 패턴/편파 안테나를 빔포밍 그룹으로 설정하여 빔을 형성할 때에 배열구조를 이루는 모든 M개의 집적구조와 그 집적구조를 이루는 N포트 패턴/편파 안테나를 모두 사용하여 빔을 형성할 수 있다.
배열구조를 이루는 각 집적구조는 서로 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 n번째 집적구조는 총 N개의 패턴/편파 안테나로 이루어지나 N’번째 집적구조는 총 N’개의 패턴/편파 안테나로 이루어질 수 있다. N개의 패턴/편파 안테나와 N’개의 패턴/편파 안테나는 어느 것이 다른 것의 부분 집합이 되는 경우, 일부의 안테나만을 교집합으로 갖는 경우, 완전히 다른 패턴/편파 안테나로 이루어지는 경우 등 모든 경우를 포함한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 2종의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 상기 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치되며,
    상기 단위 안테나는, 상기 구형벡터파 모드 중에서 짝수 모드에 분포하는 방사패턴을 가지는 전기장 안테나와 홀수 모드에 분포하는 방사패턴을 가지는 자기장 안테나를 포함하고, 상기 전기장 안테나와 상기 자기장 안테나를 다른 방향을 바라보도록 집적한 N포트 패턴/편파 안테나 장치.
  2. 3종 이상의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 상기 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치되며,
    상기 단위 안테나는, 상호 인접하는 안테나 중에서 어느 하나는 인접 안테나보다 더 넓은 빔폭을 가지는 방사패턴을 가지며, 다른 하나는 인접 안테나보다 일정 방향으로 더 높은 지향성의 방사패턴을 가지도록 집적된 N포트 패턴/편파 안테나 장치.
  3. 2종 이상의 단위 안테나가 N개 이상의 차수를 가지는 구형벡터파 모드를 사용할 수 있는 방사패턴으로 구성되고, 상기 단위 안테나가 서로 간의 거리가 반파장 이하로 배치된 N포트 패턴/편파 안테나가 포함된 M개의 집적구조가 특정 형태의 배열을 이루고,
    상기 M개의 집적구조 각각에서 선정한 하나씩 안테나들을 하나의 빔포밍 안테나 그룹으로 묶은 N개의 빔포밍 안테나 그룹을 이용하여 빔을 형성하는 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    하나의 상기 집적구조 내에서 한 개의 빔포밍 가중치 설정값을 적용하여 단일 빔을 형성하는 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    하나의 상기 집적구조 내에서 여러 개의 빔포밍 가중치 설정값을 적용하여 다중 빔을 형성하는 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 M개의 집적구조가 1차원의 선형, 2차원의 평면형 또는 3차원의 입체형 중에서 어느 한 형태의 배열을 이루는 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 M개의 집적구조 중에서 N번째 집적구조는 N개의 패턴/편파 안테나로 이루어지며, N’번째 집적구조는 N’개의 패턴/편파 안테나로 이루어진 N포트 패턴/편파 안테나를 이용한 빔 형성 방법.
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