WO2018043808A1 - 차량에 탑재되는 안테나 시스템 - Google Patents

차량에 탑재되는 안테나 시스템 Download PDF

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WO2018043808A1
WO2018043808A1 PCT/KR2016/012369 KR2016012369W WO2018043808A1 WO 2018043808 A1 WO2018043808 A1 WO 2018043808A1 KR 2016012369 W KR2016012369 W KR 2016012369W WO 2018043808 A1 WO2018043808 A1 WO 2018043808A1
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antenna
antenna system
disposed
vehicle
beamforming
Prior art date
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PCT/KR2016/012369
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English (en)
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Inventor
김용곤
박종선
정선인
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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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
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H01Q15/08—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism formed of solid dielectric material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/04—Multimode antennas

Definitions

  • the present invention relates to an antenna system mounted on a vehicle. More particularly, the present invention relates to an antenna system mounted on a vehicle and transmitting and receiving a plurality of communication signals to provide a communication service.
  • Terminals may be divided into mobile / portable terminals and stationary terminals according to their mobility.
  • the mobile terminal may be further classified into a handheld terminal and a vehicle mounted terminal according to whether a user can directly carry it.
  • the functions of mobile terminals are diversifying. For example, data and voice communication, taking a picture and video with a camera, recording a voice, playing a music file through a speaker system, and outputting an image or video to a display unit.
  • Some terminals have an electronic game play function or a multimedia player function.
  • recent mobile terminals may receive multicast signals that provide visual content such as broadcasting, video, and television programs.
  • such a terminal is a multimedia player having a complex function such as taking a picture or a video, playing a music or video file, playing a game, or receiving a broadcast. Is being implemented.
  • the vehicle antenna system needs to support a communication service such as LTE, which is an existing communication service, as well as a 5G communication system.
  • LTE supports MIMO (Multi-Input Multi-Output) mode to improve transmission speed.
  • MIMO Multi-Input Multi-Output
  • isolation between LTE antennas is important, and there is a problem in that a method for securing sufficient isolation in a size that can be mounted in a vehicle has not been specifically presented.
  • a vehicle antenna system requires the ability to receive satellite signals, such a satellite signal receiving antenna is mainly used a patch antenna (silver) attached to the silver paste (silver paste) to the ceramic material.
  • a patch antenna has a problem that the ceramic substrate may be damaged by an external impact, thereby degrading antenna performance.
  • An object of the present invention to provide a planar vehicle antenna and a control method thereof that can provide not only the existing mobile communication service but also the next generation communication service.
  • an object of the present invention is to effectively arrange a plurality of antennas for providing a plurality of communication services in a vehicle antenna system structure, and to provide a communication service using the plurality of antennas.
  • a plurality of communication services may be provided through a planar vehicle antenna including a beamforming array antenna capable of providing next generation communication services and a MIMO antenna capable of providing existing mobile communication services.
  • different types of antennas are arranged on the side or the bottom of the dielectric structure in various ways, and a plurality of communication services are provided using the antennas.
  • FIG. 1 illustrates a structure in which the antenna system can be mounted in a vehicle in a mobile terminal including an antenna system mounted in a vehicle in accordance with the present invention.
  • FIG. 2 is a structural diagram of an antenna system mounted on a vehicle including a first antenna system and a second antenna system according to the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of an antenna system (vehicle antenna system) mounted on a vehicle including a first antenna system and a second antenna system according to the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of an antenna system including a first antenna system and a second antenna system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an antenna system including a first antenna system and a second antenna system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a detailed configuration of the antenna system according to the present invention and an integrated configuration with the vehicle test platform.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram related to a method for testing isolation between a plurality of antennas in relation to the second antenna system according to the present invention.
  • FIG. 8 illustrates a configuration of a ceramic material antenna implemented on a ceramic substrate such as an SDARS antenna and a GNSS antenna in connection with the present invention.
  • FIG. 9 illustrates a configuration of a ceramic material antenna implemented on a ceramic substrate such as an SDARS antenna and a GNSS antenna according to the present invention.
  • FIG. 10 illustrates a voltage standing wave ratio (VSWR) according to a frequency before and after breakage of a ceramic substrate for a silver paste type ceramic antenna.
  • VSWR voltage standing wave ratio
  • FIG. 11 shows standing wave ratios according to frequencies before and after breakage of a ceramic substrate for a metal plate type ceramic antenna having an outer case.
  • FIG. 12 shows a conceptual diagram of a modular antenna system according to the present invention.
  • FIG. 13 shows a module configuration diagram of the antenna system of the modular form according to the present invention.
  • FIG. 14 shows a detailed block diagram showing respective components of the antenna system according to the present invention and interfaces between them.
  • An antenna system mounted on a vehicle includes a first antenna system configured to perform beamforming by arranging a plurality of first communication antenna elements configured to transmit and receive a first signal according to a first communication system; And a second antenna system having a plurality of second communication antenna elements arranged to transmit and receive a second signal according to the second communication system to perform a multi-input multi-output (MIMO).
  • a plurality of communication services may be provided through a planar vehicle antenna having a beamforming array antenna capable of providing next generation communication services and a MIMO antenna capable of providing existing mobile communication services.
  • the first antenna system and the second antenna system may be disposed on the side or the bottom of the cube made of a dielectric.
  • first to fourth array antennas are disposed on four sides having a constant inclination angle of the hexahedron
  • first to fourth MIMO antennas are arranged in the first to fourth antennas. It can be arranged between the four array antenna.
  • the first antenna system and the second antenna system may be disposed on the side or the bottom of the cube made of a dielectric.
  • the first antenna system is disposed on the lower surface of the hexahedron
  • the second antenna system has a first to fourth MIMO antenna is disposed on the side of the hexahedron
  • the first antenna system is the one array antenna It may include or may include a first to fourth array antenna.
  • the first to fourth array antennas perform beamforming on the first to fourth regions, each of which is divided 360 degrees in an azimuth direction, and a portion of the first to fourth regions overlaps. Can be.
  • the first to fourth array antennas when the received signal or signal-to-interference ratio from the first communication system is greater than or equal to a threshold value, at least one of the first to fourth array antennas is used in diversity mode to perform first beamforming. can do.
  • the first to fourth array antennas when the received signal or signal-to-interference ratio is less than or equal to a threshold value, the first to fourth array antennas may be combined to perform second beamforming, which is finer beamforming than the first beamforming. .
  • each of the first to fourth array antennas is a two-dimensional array antenna, and each antenna element may be connected to a respective phase shifter. According to the change of the phase values by the phase shifter, while performing beamforming in a desired direction in azimuth and elevation angles, a null pattern of a beam may be generated in an interference signal direction.
  • two or more of the first to fourth array antennas may be coupled to each other to perform fine beamforming with respect to the overlapping partial regions of the first to fourth regions. have.
  • the first communication system and the second communication system may maintain a dual connectivity state.
  • the second signal may be received from the second communication system.
  • the first antenna system and the second antenna system may be disposed on a side or a bottom of a hexahedron made of a dielectric, and an integrated module may be disposed on a bottom of the bottom of the hexahedron.
  • the integrated module, the top cover (top cover) corresponding to the bottom surface of the hexahedron;
  • a bottom cover coupled to the top cover and corresponding to a bottom of the integrated module;
  • a modem card disposed on an upper surface of an inner space in which the upper cover and the lower cover are coupled and including a radio frequency (RF) integrated circuit of the first communication system;
  • RF radio frequency
  • the first communication system and the second communication system may each be a fifth generation (5G) communication system and an LTE communication system.
  • the first antenna system and the second antenna system may be disposed on the side or the bottom of the hexahedron made of a dielectric.
  • an SDARS antenna and a GNSS antenna may be further disposed on the bottom surface of the hexahedron.
  • the structure consisting of the cube may be disposed on the roof of the vehicle.
  • the structure consisting of the hexahedron may be disposed in the roof structure of the vehicle, and at least a part of the roof structure may be implemented as a nonmetal.
  • the modem card may include a modem processor, a Bluetooth (BT) / WiFi module and a C2X module.
  • the main board may include an application processor, an Ethernet switch, a power management unit, and a vehicle network connector.
  • the antenna system may include a 2X2 LTE MIMO input port and a C2X antenna port as a wireless interface, and include at least one of an Ethernet interface, an emergency call button interface, an airbag interface, an emergency call speaker interface, and a microphone interface as a wired interface. Can be.
  • the SDARS antenna and the GNSS antenna may include a patch antenna and a ground plane, which are implemented by metal plates on the front and rear surfaces of a ceramic material.
  • the dielectric of the ceramic material may be covered with the front and side surfaces by an outer case.
  • an antenna system mounted on a vehicle includes: a first antenna system configured to transmit and receive a first signal according to a first communication system; A second antenna system configured to transmit and receive a second signal according to the second communication system; And a processor that controls to receive the second signal from the second communication system when the first signal is not received from the first communication system.
  • the first communication system and the second communication system may maintain a dual connectivity state.
  • the first antenna system and the second antenna system may be disposed on the side or the bottom of the cube made of a dielectric.
  • first to fourth array antennas may be disposed on four sides having a predetermined inclination angle of the hexahedron.
  • first to fourth MIMO antennas may be disposed between the first to fourth array antennas.
  • the first antenna system and the second antenna system may be disposed on the side or the bottom of the cube made of a dielectric.
  • the first antenna system may be disposed on the lower surface of the hexahedron.
  • first to fourth MIMO antennas may be disposed on side surfaces of the hexahedron.
  • the first antenna system may include one array antenna or may include first to fourth array antennas.
  • the first to fourth array antennas when the received signal or signal-to-interference ratio from the first communication system is greater than or equal to a threshold value, at least one of the first to fourth array antennas is used in diversity mode to perform first beamforming. can do.
  • the first to fourth array antennas when the received signal or signal-to-interference ratio is less than or equal to a threshold value, the first to fourth array antennas may be combined to perform second beamforming, which is finer beamforming than the first beamforming. .
  • the mobile terminal described herein may include a mobile terminal mounted in a vehicle.
  • the mobile terminal may be a mobile phone, a smart phone, a laptop computer, a digital broadcasting terminal, a personal digital assistant, a portable multimedia player (PMP), Navigation, slate PC, tablet PC, ultrabook, wearable device (e.g., smart watch, smart glass, HMD (head) mounted display)).
  • PMP portable multimedia player
  • slate PC slate PC
  • tablet PC tablet PC
  • ultrabook ultrabook
  • wearable device e.g., smart watch, smart glass, HMD (head) mounted display
  • the mobile terminal referred to in the present specification mainly refers to a vehicle terminal implemented by an antenna system mounted on a vehicle, but may include a mobile terminal (electronic device) that is disposed inside the vehicle or possessed by a user who rides in the vehicle. have.
  • FIG. 1 illustrates a structure in which the antenna system can be mounted in a vehicle in a mobile terminal including an antenna system mounted in a vehicle in accordance with the present invention.
  • FIG. 1A illustrates a shape in which the antenna system 1000 is mounted on a roof of a vehicle.
  • FIG. 1B illustrates a structure in which the antenna system 1000 is mounted in a roof of a vehicle.
  • the existing Shark Fin antenna is replaced with a flat antenna of a non-protruding type.
  • the present invention along with the provision of the existing mobile communication service (LTE), proposes an antenna of the integrated form of the LTE antenna and 5G millimeter wave (mmWave) antenna considering the 5G (5G) communication after 2020.
  • the LTE antenna may be an LTE 4 ⁇ 4 MIMO (Multi-Input Multi-Output) antenna.
  • the present invention proposes a package-type antenna in order to enhance durability by the impact of the patch antenna mounted therein.
  • the antenna system 1000 is composed of a hexahedron structure and is disposed on a roof of a vehicle.
  • a radome 2000a may surround the antenna system 1000 to protect the antenna system 1000 from an external environment and an external shock when driving a vehicle.
  • the radome 2000a may be made of a dielectric material through which radio signals transmitted / received between the antenna system 1000 and the base station may be transmitted.
  • the antenna system 1000 may be disposed in a roof structure of a vehicle, and at least a part of the roof structure may be configured to be made of nonmetal.
  • at least a part of the roof structure 2000b of the vehicle may be made of a non-metal, and may be made of a dielectric material through which a radio signal transmitted / received between the antenna system 1000 and the base station may be transmitted.
  • FIG. 2 shows a structural diagram of an antenna system mounted on a vehicle including a first antenna system and a second antenna system according to the present invention.
  • 3 is a conceptual diagram of an antenna system (vehicle antenna system) mounted on a vehicle including a first antenna system and a second antenna system according to the present invention.
  • the antenna system 1000 includes a first antenna system 100 and a second antenna system 200.
  • the first antenna system 100 and the second antenna system 200 may be a fifth generation (5G) communication system and an LTE communication system, respectively.
  • the antenna system 1000 may further include a satellite digital audio radio service (SDARS) antenna 300, a global navigation satellite system (GNSS) antenna 400, and a Wi-Fi / Bluetooth antenna 500. Can be.
  • SDARS satellite digital audio radio service
  • GNSS global navigation satellite system
  • Wi-Fi / Bluetooth antenna 500 can be.
  • the present invention is a vehicle antenna that can be equipped with both LTE 4 X 4 MIMO antenna and WiFi 2.5G / 5GHz, V2X, GNSS, SDARS and 5G mmWave antenna.
  • a vehicle antenna system of a size suitable for mounting on a vehicle roof of about 100 mm ⁇ 100 mm ⁇ 16 mm is presented.
  • the vehicle antenna system includes 1) 5G mmWave 28 GHz beamforming and beam switching antennas, 2) V2X (C2X 5.9 GHz IEEE802.11p), WiFi 2.4 GHz / 5 GHz and Bluetooth 2.4 GHz antennas, 3) LTE 4 X 4 MIMO antennas, 4 ) GNSS and SDARS antennas are arranged. Accordingly, the vehicle antenna system provides a flat antenna that implements the performances related to 1) to 4).
  • FIG. 2A corresponds to a perspective view of the antenna system 1000 and FIG. 2B corresponds to an exploded view of the antenna system 1000.
  • the first antenna system 100 performs beamforming by arranging a plurality of first communication antenna elements configured to transmit and receive a first signal according to the first communication system.
  • the first communication antenna element is an antenna operating in a frequency band for 5G communication.
  • the frequency band of the 5G communication system is not specifically determined yet, but may include a 20 GHz band, a 30 GHz band, or a 60 GHz band.
  • the 20 GHz band, the 30 GHz band, or the 60 GHz frequency band it has a constant bandwidth at a center frequency around 20 GHz, 30 GHz, or 60 GHz.
  • the high-speed communication is possible using the wide bandwidth of this high frequency band, and it is also referred to as mmwave communication.
  • the frequency band of the 5G communication system may include any frequency band below the 20 GHz frequency band.
  • each of the array antennas of the first antenna system 100 is disposed on the side of a cube formed of a dielectric. That is, in the first antenna system 100, the first to fourth array antennas are disposed on four side surfaces having a constant inclination angle of the hexahedron, and the top surface of the hexahedron is open. Meanwhile, a predetermined number of antenna elements are disposed in the horizontal and vertical directions of the first to fourth array antennas. For example, the first to fourth array antennas may have a 4 ⁇ 4 shape.
  • the first to fourth array antennas 100 may perform beamforming on the first to fourth array antennas, respectively, for the first to fourth regions obtained by dividing 360 degrees in an azimuth direction. That is, as shown in FIG. 3, the first to fourth array antennas 100 may cover the first to fourth regions corresponding to 90 degrees, respectively. Meanwhile, when the coverage of the first to fourth array antennas 100 is 90 degrees or more, some regions of the first to fourth regions may overlap. For example, when the coverage is 120 degrees, 150 degrees, or 180 degrees, the second region and the fourth region adjacent to the first region may be overlapped with some regions, for example, 30 degrees, 60 degrees, and 90 degrees. .
  • the first to fourth array antennas 100 may perform beamforming by subdividing an azimuth region corresponding to 90 degrees by using a phase difference of horizontal antenna elements. Alternatively, the first to fourth array antennas 100 may perform beamforming by subdividing an elevation area by using phase differences between antenna elements in a vertical direction. Alternatively, the first to fourth array antennas 100 may perform beamforming by subdividing the azimuth and elevation angle regions by using phase differences between the antenna elements in the horizontal and vertical directions.
  • two or more of the first to fourth array antennas may be coupled to each other to perform fine beamforming.
  • the second beamforming may be performed on the overlapping partial regions of the first to fourth regions.
  • the first to fourth array antennas may be disposed on a plane of a hexahedron.
  • the first to fourth array antennas may be disposed together with other antennas on the bottom surface of the hexahedron.
  • the first to fourth array antennas must be beamformed (beam scan) in an area of at least 90 degrees in the azimuth direction.
  • the first to fourth array antennas must be beam-formed in a predetermined angle region to enable communication with the base station or another terminal in the elevation angle.
  • the first to fourth array antennas may perform beamforming based on an angle tilted at a predetermined angle rather than a boresight direction in an elevation angle.
  • the beamforming is performed for communication with a base station of a 5G communication system or device to device (D2D) communication with another vehicle.
  • the D2D communication may include D2D communication between the vehicle and another vehicle, as well as D2D communication between the vehicle and another infrastructure or vehicle and another mobile communication terminal.
  • beamforming is preferably not performed to prevent the increase of the search time and the release of the link connection.
  • one or some of the antenna elements may be used.
  • the one antenna element may be an omni directional antenna having uniform radiation characteristics in a predetermined direction. have.
  • a wider beam beam has a wider beam width than when all of the antenna elements are used.
  • the first to fourth array antennas of the first antenna system 100 perform communication through one array antenna.
  • the first antenna system 100 may operate in a diversity or multi-input multiple output (MIMO) mode using a plurality of array antennas as necessary.
  • MIMO multi-input multiple output
  • the first communication system 100 may select at least one of the first to fourth array antennas in diversity mode or The first beamforming may be performed using the MIMO mode.
  • the first to fourth array antennas may be combined to perform second beamforming, which is finer beamforming than the first beamforming.
  • the second antenna system 200 includes a plurality of second communication antenna elements configured to transmit and receive a second signal according to a second communication system to provide a multi-input multi-output (MIMO).
  • the second communication antenna element is an antenna operating in a frequency band (WCDMA, LTE communication frequency band) for 2G / 3G / 4G communication.
  • WCDMA frequency band
  • LTE communication frequency band LTE communication frequency band
  • the second communication system may support both MIMO and beamforming at the base station, but the terminal supports MIMO. Since the second communication system operates in a lower frequency band than the first communication system, the second antenna system 200 corresponding to the terminal does not need to support beamforming. Therefore, four antenna elements of the second antenna system 200 may be referred to as first to fourth MIMO antennas.
  • first to fourth MIMO antennas are disposed on a hexahedron formed of the dielectric.
  • the first to fourth MIMO antennas are preferably spaced apart as far as possible in order to maintain isolation between each other.
  • first to fourth MIMO antennas may be disposed between the first to fourth array antennas of the first antenna system 100.
  • the first antenna system 100 and the second antenna system 200 are disposed on a side or a bottom of a hexahedron made of a dielectric, and an SDARS antenna on a bottom of the hexahedron.
  • 300 and the GNSS antenna 400 may be further disposed.
  • a Wi-Fi / Bluetooth (BT) antenna 500 may be additionally disposed on the lower surface of the hexahedron.
  • the manner in which the first to fourth array antennas and the first to fourth MIMO antennas are disposed on the hexahedral side may be referred to as a first manner (see FIG. 2). Meanwhile, the method in which the first to fourth array antennas are disposed on the hexahedral plane may be referred to as a second method (see FIG. 3). In addition, the manner in which one array antenna of the first antenna system is disposed on the hexahedral plane may be referred to as a third manner (see FIG. 4). In addition, the manner in which only one antenna element of the first antenna system is disposed on the hexahedral plane may be referred to as a third manner (see FIG. 5).
  • the first antenna system 100 has described how the first to fourth array antennas are arranged on the side or plane of the hexahedral structure. In the following description, a method of arranging the first antenna system 100 including one array antenna or one antenna element will be described.
  • FIG. 4 shows a conceptual diagram of an antenna system including a first antenna system and a second antenna system according to another embodiment of the present invention.
  • the first antenna system 100 and the second antenna system 200 is disposed on the side or bottom of the hexahedron made of a dielectric.
  • the first antenna system 100 is disposed on a lower surface of the hexahedron
  • the second antenna system 200 includes first to fourth MIMO antennas disposed on the side of the hexahedron. Can be. That is, the antenna system shown in FIG. 4 corresponds to the third scheme described above.
  • each of the first to fourth MIMO antennas may be disposed on different planes of the hexahedron.
  • each of the first to fourth MIMO antennas may be disposed on the hexahedron in any manner to optimize isolation.
  • each of the first to fourth MIMO antennas may be disposed only on one plane on the hexahedron.
  • the first antenna system 100 includes one array antenna, and the array antenna includes a plurality of antenna elements.
  • the array antenna may have a 4 X 4 shape. 2 and 3, the first antenna system 100 should be configured to perform 180 degree beamforming (beam scan). That is, in FIGS. 2 and 3, since the first to fourth array antennas are disposed in four compartments of the hexahedron, one of the first to fourth array antennas may beam scan a region of at least 90 degrees in the azimuth direction. On the other hand, the single array antenna of FIG. 4 must beam scan an area of 180 degrees in the horizontal and vertical directions in which the antenna elements are arranged.
  • Figure 5 shows a conceptual diagram of an antenna system including a first antenna system and a second antenna system according to another embodiment of the present invention.
  • the first antenna system 100 includes one antenna element. That is, the first antenna system 100 emits radio signals in all directions (360 degrees) using one antenna element (radiating element). That is, the antenna system shown in FIG. 5 corresponds to the fourth scheme described above.
  • the first antenna system 100 does not perform beamforming (beam scan), and thus does not require a separate phase shifter. In this manner, the beamforming is not performed in order to prevent an increase in search time and a link disconnection when the received signal level is sufficient.
  • FIG. 6 shows a detailed configuration of an antenna system according to the invention and an integration configuration with a vehicle test platform.
  • the antenna system 1000 includes first and second antenna systems 100 and 200, each of which is connected to a vehicle trial platform.
  • Table 1 presents a specification according to an example of the antenna system 1000 related to the present invention.
  • the specification is an example and may be variously changed according to the 5G standard.
  • Item Contents RF band 26.5-29.5 GHz RF bandwidth 100 to 800 MHz Data rate 1.0-7.0 Gbps Access technology TDD MIMO Capability 2x2, 4x4, (8x8) Modulation and Coding Scheme 64 QAM, LDPC Carrier Aggregation 5 CA Waveform OFDM
  • the first communication system 100 and the second communication system 200 may be configured to maintain a dual connectivity state.
  • the second signal may be received from the second communication system 200. That is, even when the link connection with the base station is released in the first communication system 100, the second communication system 200 always maintains a connection state, and thus, the second communication system 200 is separated from the second communication system 200. It can receive a signal.
  • the link connection through the first communication system 100 is released, it is also configured to be operated in a fall back mode for initiating a connection with the second communication system 200. It is possible.
  • the first antenna system 100 includes a patch antenna 110, a power amplifier 120, a low noise amplifier 130 (LNA), and a phase shifter 140. can do. Meanwhile, the first antenna system 100 is not displayed to operate in the 28 GHz frequency band, but may be configured to operate in the above-described frequency bands of 20, 30, and 60 GHz and a frequency band of 20 GHz or less.
  • LNA low noise amplifier 130
  • the patch antenna 110 may be disposed on a dielectric substrate attachable to a dielectric as shown in FIG. 2.
  • the patch antenna 110 may be implemented in the form of a micro strip in which the radiating element and the ground plane are disposed on the top and bottom surfaces of the dielectric substrate, respectively.
  • the patch antenna 110 may be configured as an array antenna as shown in Figures 2 to 4, or may be composed of a single antenna element as needed, as shown in FIG.
  • beamforming is performed by controlling phase values applied to each element of the array antenna through the phase shifter 140.
  • the beamforming may be performed within a specific angular range in azimuth and elevation directions.
  • the first antenna system performs beamforming in a desired direction in the azimuth and elevation angles according to the change of the phase values by the phase shifter 140, while the null pattern of the beam in the interference signal direction. ) Can be created.
  • the patch antenna 110 may operate as a single antenna element by applying power to only one of the plurality of antenna elements of the array antenna.
  • the first antenna system (as shown in FIG. 5) may be used. Act as a single antenna element of 100).
  • the array antenna and the single antenna element configuration may be variably configured by power on / off and a circuit configuration capable of supporting the same.
  • the patch antenna 110 is variably configured as a single antenna element.
  • the patch antenna 110 is variably configured as an array antenna.
  • the patch antenna 110 is a transmission antenna for radiating the transmission signal from the power amplifier 110 in free space and a reception antenna for transmitting the received signal from the free space to the low noise amplifier 120 Can operate simultaneously. Therefore, the patch antenna 110 is configured to operate in both the transmission frequency band and the reception frequency band.
  • the power amplifier 120 is configured to high power amplify the signal from the 5G RF IC and transmit the signal through the patch antenna 100.
  • the power amplifier 120 receives an intermediate frequency (IF) band signal from the 5G RF IC and converts it into a radio frequency (RF) band signal.
  • IF intermediate frequency
  • RF radio frequency
  • up-converter the frequency up-conversion unit may convert the IF signal of the 10.6GHz band into an RF signal of the 28GHz band, and is not limited to the above-mentioned frequency band.
  • the low noise amplifier 130 low noise amplifies the signal received through the patch antenna 110 and transfers the received signal to a 5G RF IC.
  • the low noise amplifier 130 may include a frequency down-converter which down-converts the 28 GHz RF signal into an IF signal of 10.6 GHz band.
  • the phase shifter 140 is configured such that when the patch antenna 110 is configured as an array antenna, different phases are applied to the elements of the array antenna.
  • the phase shifter 140 is configured to be operable in both a transmission frequency band and a reception frequency band.
  • the phase shifter 140 may adjust the phase in an analog or digital manner.
  • the phase shifter 140 may receive a control signal for controlling phase from a 5G BB IC.
  • the phase shifter 140 may be configured to phase control a signal received from the low noise amplifier 130 because an insertion loss occurs due to an internal element. That is, the phase shifter 140 may perform phase control after low noise amplifying the signal received by the first antenna system 100 through the low noise amplifier 130.
  • the second antenna system 120 is configured to exchange radio signals with the existing mobile communication system 2G / 3G / 4G, and may include a plurality of antenna elements. As shown in FIGS. 2 to 5, the second antenna system 120 may operate in a MIMO mode to receive a plurality of stream signals from a base station through the plurality of antenna elements.
  • the plurality of antennas may include two or four, and the second antenna system 120 may support 2 X 2 and 4 X 4 MIMO modes, respectively.
  • the 2 X 2 and 4 X 4 MIMO mode is a case where one terminal (vehicle) receives both two and four stream signals, respectively, two and four stream signals transmitted from the base station.
  • a case in which one terminal (vehicle) receives a plurality of streams from a base station may be referred to as a single user (SU) -MIMO mode.
  • SU single user
  • MU-MIMO mode the case where a plurality of terminals (vehicles) respectively receive the plurality of streams.
  • the second antenna system 120 should be provided with a plurality of antenna elements.
  • the vehicle test platform includes a 5G RF IC interfaced with the first antenna system 100 and an LTE system interfaced with the second antenna system 200.
  • the LTE system may include a 3G system or a 2G system to support 3G WCDMA fallback.
  • the second antenna system 200 may be interfaced with the LTE system through a coaxial cable.
  • the vehicle test platform may further include a 5G base band (BB) IC, USIM, and LPDDR4.
  • the 5G BB IC exchanges baseband signals with the first and second communication systems 100 and 200.
  • the 5G BB IC may be interfaced with the 5G RF IC through a 2x MPHY interface, and may be interfaced with the LTE system through a PCIe 1.0 interface.
  • the USIM and LPDDR4 correspond to a mobile communication user identification module and a memory, respectively.
  • the second antenna system 200 since the operation in a lower frequency band than the first antenna system 100, a larger arrangement interval is required for independent operation between the antenna elements. This is because the isolation between them is particularly important for operating each antenna element in the MIMO mode.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram related to a method for testing the isolation between a plurality of antennas in relation to the second antenna system according to the present invention.
  • the plurality of antennas are arranged on the antenna system 1000 so as to be spaced apart from each other as far as possible.
  • it may be disposed on the side on the dielectric structure of the cube.
  • Figure 7 is shown in this regard, the plurality of antennas are arranged on the side of the four corners in the plane.
  • the plurality of antennas may operate in a 2 ⁇ 2 MIMO or 4 ⁇ 4 MIMO mode with a base station.
  • the antennas operate in the 4 ⁇ 4 MIMO mode.
  • the frequency of the 4 ⁇ 4 MIMO antenna may be separated for each band, and the isolation may be tested by dividing the antenna into a primary antenna and a diversity antenna.
  • the feeding point, the separation distance between the antenna elements and the antenna pattern are designed to optimize the isolation.
  • Table 2 is a result of displaying the isolation according to the size of the entire antenna system 100 in this regard.
  • S21 and S43 correspond to the amounts of interference to antennas 2 and 4 according to the inputs from antennas 1 and 3, respectively, and are expressed in dB scale, and an isolation of 10 dB or more can be realized.
  • 880 MHz, 1710 MHz, and 2170 MHz correspond to frequencies of a low band (LB), a middle band (MB), and a high frequency band (HB) in relation to an LTE communication system.
  • FIG. 8 illustrates a configuration of a ceramic material antenna implemented on a ceramic substrate such as an SDARS antenna and a GNSS antenna in connection with the present invention.
  • FIG. 9 illustrates a configuration of a ceramic material antenna implemented on a ceramic substrate such as an SDARS antenna and a GNSS antenna according to the present invention.
  • the ceramic material antenna 300 includes a silver paste 310 and a ceramic substrate 320. As shown in FIG. 8A, the ceramic material antenna 300 is configured to implement a metal pattern using the silver paste 310 on the ceramic substrate 320 of ceramic material. Meanwhile, as shown in FIG. 8B, the silver paste 310 is attached to the front and rear surfaces of the ceramic substrate 320 so that antenna patterns (patch antennas) and ground planes are respectively attached to the front and rear surfaces. Can be implemented.
  • the ceramic material antenna 300 ′ may be formed by using a metal plate 310 ′ on a ceramic substrate 320 ′ of a ceramic material. It is configured to be implemented. Meanwhile, as shown in FIG. 9B, the metal plate 310 ′ is attached to the front and rear surfaces of the ceramic substrate 320 ′ so that an antenna pattern (patch antenna) and a ground plane are respectively attached to the front and back surfaces. It can be implemented on the back.
  • the ceramic material antenna 300 ′ may be configured to cover the front and side surfaces of the ceramic substrate 320 ′ to which the metal plate 310 ′ is attached by an outer case 330 ′.
  • the outer case 330 ′ may be implemented by a plastic cover. In this case, the outer case 330 ′ is mounted on the ceramic material antenna 300 ′ to prevent damage due to an external impact, and even if the ceramic material is damaged, there is almost no change in antenna performance.
  • FIG. 10 illustrates a voltage standing wave ratio (VSWR) according to a frequency before and after breakage of a ceramic substrate for a silver paste type ceramic antenna.
  • VSWR voltage standing wave ratio
  • FIG. 11 illustrates standing wave ratios according to frequencies before and after breakage of a ceramic substrate for a metal plate type ceramic antenna having an outer case.
  • the average antenna gain (average gain) according to the frequency before and after the ceramic substrate breakage is shown in Table 4.
  • both the first and second frequencies represented by 1 and 2 have VSWRs of 2 or less.
  • the VSWR at the first and second frequencies both have a value of 6 or more.
  • the metal plate type ceramic antenna having an external case has almost no change in standing wave ratio before and after the ceramic substrate breakage.
  • the VSWR at the first and second frequencies both has a value of 2 or less before and after the ceramic substrate breakage.
  • FIG. 12 shows a conceptual diagram of an antenna system in the form of a module according to the invention.
  • the antenna system includes antenna elements 1000, a modem card 600, a subsystem connector 650, a main board 700, and a backup battery 750. It may include.
  • Figure 13 shows a module configuration diagram of a modular antenna system according to the present invention.
  • the antenna system includes an antenna element 1000, a modem card 600, an antenna and modem PCB 600 ', a main board 700 and a main PCB 700', and a backup. Battery 750 and a board-to-board connector (B to B Connector, 800).
  • the antenna system may further include external antenna ports and ethernet ports for interfacing with an external antenna and an external ethernet device.
  • two PCB configurations may be adopted, that is, the modem card 600 is connected with antenna elements thereon, Connected to the bottom via the main board 700 and board-to-board connector 700.
  • an additional antenna connector and RF for 5G millimeter wave integrated circuit (mmWave IC) interfaces It is possible to directly connect the antenna elements and the microwave components without a connector, and the antenna elements and the microwave components can be directly connected by one substrate or a stacked substrate.
  • the connection of the microwave components may be implemented by solder-type contact, via connection, or coupling method.
  • the antenna system may further include a radome 2000 that protects the antenna system from the outside.
  • the first and second antenna systems including other components except for the antenna elements 1000 may be disposed under an area where the antenna elements 1000 are disposed. That is, referring to FIGS. 2 and 13, the first antenna system and the second antenna system including the antenna elements 1000 are disposed on the side or the bottom surface of a hexahedron made of a dielectric.
  • an integrated module is disposed on a rear surface of the lower surface of the hexahedron, and the integrated module may include a top cover, a bottom cover, the modem card 600 and the main board 700. Can be.
  • the top cover corresponds to a bottom surface of an area (eg, a hexahedral structure) in which the antenna elements 1000 are disposed, and the bottom cover is coupled to the top cover and corresponds to a bottom surface of the integrated module.
  • the modem card 600 may be disposed on an upper surface of an inner space where the upper cover and the lower cover are coupled to each other, and may include a radio frequency (RF) integrated circuit of the first communication system.
  • the main board 700 may be disposed on a lower surface of the internal space.
  • the modem card 600 includes a modem processor 610 and a BTS 5.0 / WiFi module 620. It may include a C2X module 630.
  • the main board 700 may include an application processor 710, an Ethernet switch 720, a power managment 730, and a vehicle network connector 740.
  • the antenna system may include a 2X2 LTE MIMO input port and a C2X antenna port as a wireless interface.
  • the antenna system may include an Ethernet interface, an emergency call button interface, an airbag interface, an emergency call speaker interface, and a microphone interface as a wired interface.
  • Figure 14 shows a detailed configuration diagram showing each component of the antenna system according to the present invention and the interface between them.
  • the inner region indicated by dashed lines in FIG. 14 includes antenna elements 1000, modem card 600, antenna and modem PCB 600 ′ in FIG. 13.
  • the antenna system is configured to transmit and receive a first antenna system 100 configured to transmit and receive a first signal according to a first communication system and a second antenna system 200 configured to transmit and receive a second signal according to a second communication system.
  • the modem disposed in the inner region indicated by the dotted line or the AP disposed in the outer region corresponds to a controller for controlling the first and second antenna systems 100 and 200.
  • the control unit may be configured to control to receive the second signal from the second communication system when the first signal is not received from the first communication system.
  • the first communication system 100 and the second communication system 200 may be configured to maintain a dual connectivity state.
  • the antenna element of the first antenna system 100 may be referred to as a millimeter wave antenna, and the antenna element of the second antenna system 200 may perform a MIMO operation. ) May be referred to.
  • the second antenna system 200 since the second antenna system 200 has a capability of simultaneously receiving up to four streams from the base station using four antenna elements, the second antenna system 200 may be referred to as a 4X mobile antenna.
  • the first antenna system 100 and the second antenna system 200 may be disposed on the side or the bottom of a hexahedron formed of a dielectric.
  • the first antenna system 100 may be disposed on a bottom surface of the hexahedron.
  • the first antenna system 100 may include one antenna element or one array antenna or may include first to fourth array antennas.
  • first to fourth MIMO antennas may be disposed on the side of the hexahedron.
  • first to fourth array antennas are disposed on four sides having a constant inclination angle of the hexahedron, and the second antenna system 200.
  • the first to fourth MIMO antennas may be disposed between the first to fourth array antennas.
  • the first antenna system 100 is disposed on the bottom surface of the hexahedron, and the second antenna system 200 includes the first to fourth MIMO antennas on the side of the hexahedron.
  • the first antenna system 100 may include one antenna element or one array antenna or may include first to fourth array antennas.
  • an adaptive beamforming method in which the beam width is variably changed may be applied. That is, when the signal or the signal-to-interference ratio received from the first communication system 100 is greater than or equal to a threshold value, the first beamforming may be performed using at least one of the first to fourth array antennas in a diversity mode. have. On the other hand, when the received signal or signal-to-interference ratio is less than or equal to a threshold value, the first to fourth array antennas may be combined to perform second beamforming, which is finer beamforming than the first beamforming. .
  • the power amplifier 120, the low noise amplifier 130, and the phase shifter 140 may be provided in the RF IC or the RF front end of FIG. 14.
  • the antenna and modem PCB 600 ′ and the main PCB 700 ′ at the top and bottom of the integrated module may be interfaced through the board-to-board connector 800.
  • the components of the inner region indicated by dashed lines are disposed on the modem card 600 or the antenna and modem PCB 600 '.
  • a plurality of components including the AP in the outer region indicated by the dotted line are disposed on the main board 700 or the main PCB 700 '.
  • the present invention can provide a planar vehicle antenna and a control method thereof capable of providing a next generation communication service as well as an existing mobile communication service.
  • a plurality of communication services may be provided through a planar vehicle antenna having a beamforming array antenna capable of providing next generation communication services and a MIMO antenna capable of providing existing mobile communication services. Can be.
  • different types of antennas are arranged on the side or the bottom of the dielectric structure in various ways, and using them to provide a plurality of communication services.
  • the controller (modem or application processor) of the present invention described above can be embodied as computer readable codes on a medium in which a program is recorded.
  • the computer-readable medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include hard disk drives (HDDs), solid state disks (SSDs), silicon disk drives (SDDs), ROMs, RAMs, CD-ROMs, magnetic tapes, floppy disks, optical data storage devices, and the like. This also includes implementations in the form of carrier waves (eg, transmission over the Internet).
  • the computer may include a control unit of the terminal. Accordingly, the above detailed description should not be construed as limiting in all aspects and should be considered as illustrative. The scope of the invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 차량에 탑재되는 안테나 시스템은 제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1통신 안테나 소자가 복수로 배열되어 빔포밍을 수행하는 제1안테나 시스템; 및 제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2통신 안테나 소자가 복수 개 배치되어 다중입력 다중출력(MIMO: Multi Input Multi Output)을 수행하는 제2안테나 시스템을 포함하고, 차세대 통신 서비스를 제공할 수 있는 빔 포밍 배열 안테나와 기존 이동 통신 서비스를 제공할 수 있는 MIMO 안테나를 구비하는 평면형 차량용 안테나를 통해 복수의 통신 서비스를 제공할 수 있다.

Description

차량에 탑재되는 안테나 시스템
본 발명은 차량에 탑재되는 안테나 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 차량에 탑재되어 복수의 통신 신호들을 송신하고 수신하여 통신 서비스를 제공하는 안테나 시스템에 관한 것이다.
단말기는 이동 가능 여부에 따라 이동 단말기(mobile/portable terminal) 및 고정 단말기(stationary terminal)로 나뉠 수 있다. 다시 이동 단말기는 사용자의 직접 휴대 가능 여부에 따라 휴대(형) 단말기(handheld terminal) 및 거치형 단말기(vehicle mounted terminal)로 나뉠 수 있다.
이동 단말기의 기능은 다양화 되고 있다. 예를 들면, 데이터와 음성통신, 카메라를 통한 사진촬영 및 비디오 촬영, 음성녹음, 스피커 시스템을 통한 음악파일 재생 그리고 디스플레이부에 이미지나 비디오를 출력하는 기능이 있다. 일부 단말기는 전자게임 플레이 기능이 추가되거나, 멀티미디어 플레이어 기능을 수행한다. 특히 최근의 이동 단말기는 방송과 비디오나 텔레비전 프로그램과 같은 시각적 컨텐츠를 제공하는 멀티캐스트 신호를 수신할 수 있다.
이와 같은 단말기(terminal)는 기능이 다양화됨에 따라 예를 들어, 사진이나 동영상의 촬영, 음악이나 동영상 파일의 재생, 게임, 방송의 수신 등의 복합적인 기능들을 갖춘 멀티미디어 기기(Multimedia player) 형태로 구현되고 있다.
이러한 단말기의 기능 지지 및 증대를 위해, 단말기의 구조적인 부분 및/또는 소프트웨어적인 부분을 개량하는 것이 고려될 수 있다.
최근에는, 이러한 이동 단말기를 차량에 탑재하여 통신 서비스와 멀티미디어 서비스를 제공할 필요성이 증대되고 있다. 한편, 통신 서비스에 관련하여 LTE(Long Term Evolution) 등의 기존 통신 서비스뿐만 아니라, 차세대 통신 서비스인 5세대 통신 서비스(5G communications service)에 대한 필요성도 대두되고 있다.
이와 관련하여, 5세대 통신 서비스에 대한 규격에 대한 논의가 완료되지 않았을 뿐만 아니라, 이를 차량에서 구현하기 위한 안테나 시스템 및 통신 시스템에 대한 논의가 이루어지지 않고 있다는 문제점이 있다. 또한, 차량용 안테나 시스템을 차량에 탑재하는 방법과 관련하여, 평면형(flat) 안테나를 구현하는 방법에 대한 구체적인 방법이 제시되지 않고 있다는 문제점이 있다.
또한, 차량용 안테나 시스템은 5G 통신 시스템뿐만 아니라, 기존의 통신 서비스인 LTE 등의 통신 서비스를 지원할 필요가 있다. 이와 관련하여, LTE에서는 전송 속도의 향상을 위하여 MIMO(다중 입력 다중 출력: Multi-Input Multi-Output) 모드를 지원한다. 하지만, 이러한 MIMO 모드를 지원하기 위하여 LTE 안테나 간에 격리도(isolation)가 중요한데, 차량 내에 탑재 가능한 크기에서 충분한 격리도를 확보하는 방안이 구체적으로 제시되지 않고 있다는 문제점이 있다.
한편, 차량용 안테나 시스템은 위성 신호를 수신하는 능력을 요구하는데, 이러한 위성 신호 수신 안테나는 주로 세라믹 소재에 실버 페이스트(silver paste)를 부착시킨 패치 안테나(patch antenna)가 사용된다. 하지만, 이러한 패치 안테나는 외부 충격에 의해 세라믹 소재 기판이 파손될 수 있고, 이로 인해 안테나 성능이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 기존 이동 통신 서비스뿐만 아니라 차세대 통신 서비스를 제공할 수 있는 평면형 차량용 안테나와 그 제어방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 일 목적은 복수의 통신 서비스를 제공하는 복수의 안테나들을 차량용 안테나 시스템 구조물에 효과적으로 배치하고, 상기 복수의 안테나들을 이용하여 통신 서비스를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 차량에 탑재되는 안테나 시스템 및 그 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 차세대 통신 서비스를 제공할 수 있는 빔 포밍 배열 안테나와 기존 이동 통신 서비스를 제공할 수 있는 MIMO 안테나를 구비하는 평면형 차량용 안테나를 통해 복수의 통신 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유전체 구조물의 측면 또는 하면에 다양한 방법으로 서로 다른 타입의 안테나들을 배치하고, 이들을 이용하여 복수의 통신 서비스를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명과 관련하여 차량에 탑재되는 안테나 시스템을 포함하는 이동 단말기에 있어서, 상기 안테나 시스템이 차량 내에 탑재될 수 있는 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 차량에 탑재되는 안테나 시스템의 구조도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 차량에 탑재되는 안테나 시스템(차량용 안테나 시스템)의 개념도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 안테나 시스템의 개념도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 안테나 시스템의 개념도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 안테나 시스템의 세부 구성 및 차량 시험 플랫폼과의 통합 구성을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 상기 제2안테나 시스템과 관련하여 복수의 안테나들 간 격리도를 시험하기 위한 방법과 관련된 개념도이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, SDARS 안테나 및 GNSS 안테나와 같은 세라믹 기판에 구현되는 세라믹 소재 안테나의 구성을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따라, SDARS 안테나 및 GNSS 안테나와 같은 세라믹 기판에 구현되는 세라믹 소재 안테나의 구성을 도시한다.
도 10은 실버 페이스트 타입 세라믹 안테나에 대하여, 세라믹 기판 파손 이전과 이후의 주파수에 따른 정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 도시한다.
도 11은 외부 케이스를 구비하는 금속판 타입 세라믹 안테나에 대하여 세라믹 기판 파손 이전과 이후의 주파수에 따른 정재파비를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 모듈 형태의 안테나 시스템의 개념도를 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 모듈 형태의 안테나 시스템의 모듈 구성도를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 안테나 시스템의 각각의 구성부와 이들 간의 인터페이스를 나타내는 세부 구성도를 도시한다.
본 발명에 따른 차량에 탑재되는 안테나 시스템은 제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1통신 안테나 소자가 복수로 배열되어 빔포밍을 수행하는 제1안테나 시스템; 및 제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2통신 안테나 소자가 복수 개 배치되어 다중입력 다중출력(MIMO: Multi Input Multi Output)을 수행하는 제2안테나 시스템을 포함하고, 차세대 통신 서비스를 제공할 수 있는 빔 포밍 배열 안테나와 기존 이동 통신 서비스를 제공할 수 있는 MIMO 안테나를 구비하는 평면형 차량용 안테나를 통해 복수의 통신 서비스를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 일정한 경사각을 갖는 4개의 측면 상에 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치되고, 상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 하면 상에 배치되고, 상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치되고, 상기 제1안테나 시스템은 상기 하나의 배열 안테나를 포함하거나 또는 제1 내지 제4 배열 안테나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 방위각 방향으로 360도를 분할한 제1 내지 제4 영역에 대하여 각각 빔포밍을 수행하고, 상기 제1 내지 제4 영역 중 일부 영역이 중첩될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템으로부터의 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이상이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 적어도 하나를 다이버시티 모드로 사용하여 제1빔포밍을 수행할 수 있다. 반면에, 상기 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이하이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나를 결합하여 상기 제1빔포밍보다 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 각각 2차원 배열 안테나이고, 각각의 안테나 소자는 각각의 위상 변위기(phase shifter)와 연결될 수 있다. 이러한 상기 위상 변위기에 의한 위상 값들의 변화에 따라, 방위각 및 앙각 방향의 원하는 방향으로 빔 포밍을 수행하면서, 간섭 신호 방향으로 빔의 널 패턴(null pattern)을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 둘 이상의 상호 결합되어 상기 제1 내지 제4 영역 중 상기 중첩되는 일부 영역에 대해서 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템과 상기 제2통신 시스템은 이중 연결 (dual connectivity) 상태를 유지할 수 있다. 이때, 상기 제1통신 시스템으로부터 상기 제1신호가 수신되지 않는 경우 상기 제2통신 시스템으로부터 상기 제2신호를 수신할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고, 상기 육면체의 하면의 배면에는 집적 모듈이 배치될 수 있다. 이때, 상기 집적 모듈은, 상기 육면체의 하면에 해당하는 상면 커버(top cover); 상기 상면 커버와 체결되고, 상기 집적 모듈의 하면에 해당하는 하면 커버(bottom cover); 상기 상면 커버와 상기 하면 커버가 결합되는 내부 공간의 상면에 배치되고, 상기 제1통신 시스템의 무선(RF: Radio Frequency) 집적회로를 포함하는 모뎀 카드; 및 상기 내부 공간의 하면에 배치되는 메인 보드를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템과 상기 제2통신 시스템은 각각 5세대(5G) 통신 시스템과 LTE 통신 시스템일 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치될 수 있다. 또한, 상기 육면체의 하면에는 SDARS 안테나와 GNSS 안테나가 추가로 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 육면체로 이루어진 구조물은 차량의 지붕(roof) 위에 배치될 수 있다. 또는, 상기 육면체로 이루어진 구조물은 상기 차량의 지붕 구조물 내에 배치되고, 상기 지붕 구조물의 적어도 일부가 비금속으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 모뎀 카드는 모뎀 프로세서, 블루투스(BT)/와이파이(WiFi) 모듈 및 C2X 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 메인 보드는 어플리케이션 프로세서, 이더넷 스위치, 전력 관리부 및 차량 네트워크 커넥터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 안테나 시스템은 무선 인터페이스로 2X2 LTE MIMO 입력 포트와 C2X 안테나 포트를 구비하고, 유선 인터페이스로 이더넷 인터페이스, 응급 호출 버튼 인터페이스, 에어 백 인터페이스, 응급 호출 스피커 인터페이스 및 마이크로폰 인터페이스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 SDARS 안테나와 GNSS 안테나는, 세라믹(ceramic) 소재의 유전체 상의 전면과 후면에 금속 판(metal plate)로 구현되는 패치 안테나와 접지면을 포함할 수 있다. 이때, 상기 세라믹 소재의 유전체는 외부 케이스에 의해 전면과 측면이 커버될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른, 차량에 탑재되는 안테나 시스템은, 제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1안테나 시스템; 제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2안테나 시스템; 및 상기 제1통신 시스템으로부터 상기 제1신호가 수신되지 않는 경우 상기 제2통신 시스템으로부터 상기 제2신호를 수신하도록 제어하는 프로세서를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템과 상기 제2통신 시스템은 이중 연결 (dual connectivity) 상태를 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 일정한 경사각을 갖는 4개의 측면 상에 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 하면 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치될 수 있다. 한편, 상기 제1안테나 시스템은 하나의 배열 안테나를 포함하거나 또는 제1 내지 제4 배열 안테나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템으로부터의 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이상이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 적어도 하나를 다이버시티 모드로 사용하여 제1빔포밍을 수행할 수 있다. 반면에, 상기 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이하이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나를 결합하여 상기 제1빔포밍보다 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명되는 이동 단말기에는 차량에 탑재되는 이동 단말기를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 이동 단말기는 경우에 따라 차량 내에서 사용될 수 있는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 언급되는 이동 단말기는 차량에 탑재되는 안테나 시스템에 의해 구현되는 차량용 단말기를 주로 언급하지만, 차량 내부에 배치되거나 차량에 탑승한 사용자가 소지하는 이동 단말기(전자 기기)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련하여 차량에 탑재되는 안테나 시스템을 포함하는 이동 단말기에 있어서, 상기 안테나 시스템이 차량 내에 탑재될 수 있는 구조를 도시한다. 이와 관련하여, 도 1의 (a)는 상기 안테나 시스템(1000)이 차량의 지붕(roof) 위에 탑재되는 형상을 도시한다. 한편, 도 1의 (b)는 상기 안테나 시스템(1000)이 차량의 지붕 내에 탑재되는 구조를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서는 자동차(차량)의 외관 개선 및 충돌 시 텔레매틱스 성능을 보전하기 위해 기존의 샤크 핀(Shark Fin) 안테나를 돌출되지 않은 형태의 평면형(Flat) 안테나로 대체하고자 한다. 또한, 본 발명에서는 기존 이동통신 서비스(LTE) 제공과 함께, 2020년 이후 5세대(5G) 통신을 고려한 LTE 안테나와 5G 밀리미터파(mmWave) 안테나가 통합된 형태의 안테나를 제안하고자 한다. 이와 관련하여, 상기 LTE 안테나는 LTE 4 X 4 MIMO(다중 입출력: Multi-Input Multi-Output)안테나일 수 있다. 또한, 본 발명에서는 내부에 장착되는 패치(patch) 안테나의 충격에 의한 내구성 강화를 위하여 패키지(package) 형태의 안테나를 제안한다.
도 1의 (a)를 참조하면, 상기 안테나 시스템(1000)은 육면체로 이루어진 구조물로 구성되며, 차량의 지붕(roof) 위에 배치된다. 도 1의 (a)에서 상기 안테나 시스템(1000)을 외부 환경 및 차량 운전 시에 외부 충격으로부터 보호하기 위한 레이돔(radome, 2000a)이 상기 안테나 시스템(1000)을 둘러쌀 수 있다. 상기 레이돔(2000a)은 상기 안테나 시스템(1000)과 기지국 간 송신/수신되는 전파 신호가 투과될 수 있는 유전체(dielectric) 소재로 이루어질 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 상기 안테나 시스템(1000)은 차량의 지붕 구조물 내에 배치되고, 상기 지붕 구조물의 적어도 일부가 비금속으로 구현되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 차량의 지붕 구조물(2000b)의 적어도 일부는 비금속으로 구현되어, 상기 안테나 시스템(1000)과 기지국 간 송신/수신되는 전파 신호가 투과될 수 있는 유전체(dielectrice) 소재로 이루어질 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 본 발명에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 차량에 탑재되는 안테나 시스템의 구조도를 도시한다. 한편, 도 3은본 발명에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 차량에 탑재되는 안테나 시스템(차량용 안테나 시스템)의 개념도를 도시한다.
도 2와 도 3을 참조하면, 상기 안테나 시스템(1000)은 제1안테나 시스템(100)과 제2안테나 시스템(200)을 포함한다. 상기 제1안테나 시스템(100)과 상기 제2안테나 시스템(200)은 각각 5세대(5G) 통신 시스템과 LTE 통신 시스템일 수 있다. 한편, 상기 안테나 시스템(1000)은 SDARS(Satellite Digital Audio Radio Service)안테나(300), GNSS(Global Navigation Satellite System)안테나(400)와 와이파이/블루투스(WiFi/Bluetooth)안테나(500)를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 LTE 4 X 4 MIMO 안테나와 WiFi 2.5G/5GHz, V2X, GNSS, SDARS 및 5G mmWave 안테나가 모두 장착 가능한 차량용 안테나가 제시된다. 이와 관련하여, 도 1을 참조하면, 100mm x 100mm x16mm 정도의 차량 지붕에 장착하기 적합한 크기의 차량용 안테나 시스템이 제시된다. 상기 차량용 안테나 시스템은 1) 5G mmWave 28GHz 빔포밍 및 빔 스위칭 안테나, 2) V2X(C2X 5.9GHz IEEE802.11p), WiFi 2.4GHz/5GHz 및 Bluetooth 2.4GHz 안테나, 3) LTE 4 X 4 MIMO 안테나, 4) GNSS, SDARS 안테나가 배치된다. 따라서, 상기 차량용 안테나 시스템은 1) 내지 4)와 관련된 성능이 구현한 평면형(Flat) 안테나를 제공한다.
이와 관련하여, 도 2의 (a)는 상기 안테나 시스템(1000)의 사시도에 해당하고, 도 2의 (b)는 상기 안테나 시스템(1000)의 분해도에 해당한다.
상기 제1안테나 시스템(100)은 제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1통신 안테나 소자가 복수로 배열되어 빔포밍을 수행한다. 이때, 상기 제1통신 안테나 소자는 5G 통신을 위한 주파수 대역에서 동작하는 안테나이다. 한편, 5G 통신 시스템의 주파수 대역은 아직까지 구체적으로 정해진 바는 없으나, 20GHz 대역, 30GHz 대역 또는 60GHz 대역을 포함할 수 있다. 이때, 20GHz 대역, 30GHz 대역 또는 60GHz 주파수 대역과 관련하여, 20GHz, 30GHz, 또는 60GHz 부근의 중심 주파수에서 일정한 대역폭(bandwidth)을 갖는다. 이러한 높은 주파수 대역의 넓은 대역폭을 이용하여 초고속 통신이 가능하며, 밀리미터파(mmwave) 통신이라고 지칭되기도 한다. 한편, 5G 통신 시스템의 주파수 대역은 20GHz 주파수 대역 이하의 임의의 주파수 대역을 포함할 수 있다.
한편, 도 2의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1안테나 시스템(100)의 각각의 배열 안테나(array antenna)는 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면에 배치된다. 즉, 상기 제1안테나 시스템(100)은 상기 육면체의 일정한 경사각을 갖는 4개의 측면 상에 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치되고, 상기 육면체의 상면은 개방(open)된 형태인 것이 바람직하다. 한편, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 가로 및 세로 방향으로 일정한 개수의 안테나 소자들(antenna elements)이 배치된다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 4 X 4형태일 수 있다.
상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)는 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 방위각 방향(azimuth direction)으로 360도를 분할한 제1 내지 제4 영역에 대하여 각각 빔포밍을 수행할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)는 90도에 해당하는 상기 제1 내지 제4 영역을 각각 커버할 수 있다. 한편, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)의 커버리지(coverage)가 90도 이상인 경우, 상기 제1 내지 제4 영역 중 일부 영역이 중첩될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버리지가 120도, 150도, 180도인 경우, 상기 제1영역과 인접한 제2영역 및 제4영역과 일부 영역, 예를 들어, 30도, 60도, 90도가 중첩될 수 있다.
한편, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)는 가로 방향의 안테나 소자들의 위상 차(phase difference)를 이용하여 90도에 해당하는 방위각 영역을 세분화하여 빔포밍을 수행할 수 있다. 또는, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)는 세로 방향의 안테나 소자들 간의 위상 차를 이용하여 앙각 영역(elevation area)을 세분화하여 빔포밍을 수행할 수 있다. 또는, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)는 가로 및 세로 방향의 안테나 소자들의 위상 차를 이용하여 방위각 및 앙각 영역을 세분화하여 빔 포밍을 수행할 수 있다.
한편, 상기 빔 포밍 방법과 관련하여, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 둘 이상의 상호 결합되어 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제2빔포밍은 상기 제1 내지 제4 영역 중 상기 중첩되는 일부 영역에 대해서 수행될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 육면체의 평면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 상기 육면체의 하면 상에 다른 안테나들과 같이 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 방위각 방향으로 최소 90도의 영역을 빔 포밍 (빔 스캔)하여야 된다. 또한, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 앙각 방향으로는 기지국 또는 다른 단말과의 통신이 가능하도록 일정 각도 영역을 빔 포밍하여야 한다. 이와 관련하여, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 앙각 방향으로 중심선 방향(boresight direction)이 아니라 일정 각도로 틸팅된 각도를 기준으로 빔 포밍을 수행할 수 있다.
한편, 상기 빔포밍은 5G 통신 시스템의 기지국과의 통신 또는 다른 차량과의 기기 대 기기 (D2D: Device to Device) 통신을 위하여 수행된다. 이때, 상기 D2D 통신은 차량과 다른 차량과의 D2D 통신뿐만 아니라, 차량과 다른 인프라 구조(Infra structure) 또는 차량과 다른 이동 통신 단말기와의 D2D 통신을 포함할 수 있다.
상기 D2D 통신 또는 상기 기지국과의 통신의 경우에도 신호 레벨이 충분한 경우에는 탐색 시간 증가 및 링크 연결 해제를 방지하기 위하여 빔포밍을 수행하지 않는 것이 바람직하다. 상기 빔포밍을 수행하지 않는 경우, 상기 안테나 소자들 중 하나 또는 일부를 사용할 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)의 안테나 소자들 중 하나만이 사용되는 경우, 상기 하나의 안테나 소자는 일정 방향에 대해 균일한 방사 특성을 갖는 전방향성 안테나(omni directional antenna)일 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나(100)의 안테나 소자들 중 일부만이 사용되는 경우, 상기 안테나 소자들 전부가 사용되는 경우보다 빔 폭(beam width)이 넓은(wide) 넓은 빔(coarse beam)의 형태일 수 있다.
한편, 상기 제1안테나 시스템(100)의 상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 전술된 바와 같이, 기지국이 결정되면 하나의 배열 안테나를 통해서 통신을 수행하는 것이 원칙이다. 하지만, 상기 제1안테나 시스템(100)은 필요에 따라 복수의 배열 안테나를 이용해서 다이버시티(diversity) 또는 다중입력 다중출력(MIMO: Multi Input Multi Output) 모드로 동작할 수 있다.
즉, 상기 제1통신 시스템(100)으로부터의 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이상이면, 상기 제1통신 시스템(100)는 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 적어도 하나를 다이버시티 모드 또는 MIMO 모드로 사용하여 제1빔포밍을 수행할 수 있다. 또한, 상기 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이하이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나를 결합하여 상기 제1빔포밍보다 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행할 수 있다.
한편, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2통신 안테나 소자가 복수 개 배치되어 다중입력 다중출력(MIMO: Multi Input Multi Output)을 수행한다. 이때, 상기 제2통신 안테나 소자는 2G/3G/4G 통신을 위한 주파수 대역(WCDMA, LTE 통신 주파수 대역)에서 동작하는 안테나이다. 이와 관련하여, 상기 제2통신 시스템은 기지국에서 MIMO와 빔포밍을 모두 지원할 수 있으나, 단말에서는 MIMO를 지원한다. 상기 제2통신 시스템은 상기 제1통신 시스템보다 낮은 주파수 대역에서 동작하므로 단말에 해당하는 상기 제2안테나 시스템(200)은 빔포밍을 지원할 필요성이 크지 않다. 따라서, 상기 제2안테나 시스템(200)의 네 개의 안테나 소자는 제1 내지 제4 MIMO 안테나로 지칭될 수 있다.
한편, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 유전체로 이루어진 육면체에 배치된다. 이때, 상기 제1 내지 제4 MIMO 안테나는 서로 간의 격리도(isolation)를 유지하기 위하여 가능하게는 멀리 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 제1안테나 시스템(100)의 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 사이에 배치될 수 있다.
한편, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1안테나 시스템(100)과 상기 제2안테나 시스템(200)은 유전체로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고, 상기 육면체의 하면에는 SDARS 안테나(300)와 GNSS 안테나(400)가 추가로 배치될 수 있다. 또한, 상기 육면체의 하면에는 와이파이(WiFi)/블루투스(BT) 안테나 (500)가 추가로 배치될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나와 상기 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 육면체 측면 상에 배치된 방식은 제1 방식 (도 2 참조)으로 지칭될 수 있다. 한편, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나가 육면체 평면상에 배치된 방식은 제2 방식 (도 3 참조)으로 지칭될 수 있다. 또한, 상기 제1안테나 시스템의 하나의 배열 안테나가 육면체 평면상에 배치된 방식은 제3 방식 (도 4 참조)으로 지칭될 수 있다. 또한, 상기 제1안테나 시스템의 하나의 안테나 소자만이 육면체 평면상에 배치된 방식은 제3 방식 (도 5 참조)으로 지칭될 수 있다.
전술된 바와 같이, 상기 제1안테나 시스템(100)이 상기 제1 내지 제4 배열 안테나가 육면체 구조물의 측면 또는 평면상에 배치되는 방식에 대해 기술하였다. 한편, 이하에서는 하나의 배열 안테나 또는 하나의 안테나 소자를 구비하는 상기 제1안테나 시스템(100)이 배치되는 방식에 대해 기술하기로 한다.
이와 관련하여, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 안테나 시스템의 개념도를 도시한다.
한편, 상기 제1안테나 시스템(100)과 상기 제2안테나 시스템(200)은 유전체로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치된다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1안테나 시스템(100)은 상기 육면체의 하면 상에 배치되고, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 안테나 시스템은 전술한 제3 방식에 해당한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제4 MIMO 안테나의 각각은 상기 육면체의 서로 다른 평면 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제4 MIMO 안테나의 각각은 격리도를 최적화하기 위한 임의의 방식으로 상기 육면체 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제4 MIMO 안테나의 각각은 상기 육면체 상의 일 평면 상에만 배치될 수 있다.
도 4와 관련하여, 상기 제2안테나 시스템(200), SDARS 안테나(300), GNSS 안테나(400) 및 WiFi/BT 안테나 (500)에 대한 나머지 설명은 도 2 내지 도 3에서의 설명으로 갈음한다.
한편, 상기 제1안테나 시스템(100)은 하나의 배열 안테나를 포함하고, 상기 배열 안테나는 복수의 안테나 소자들을 포함한다. 상기 배열 안테나는 4 X 4 형태일 수 있다. 이때, 도 2 및 도 3과 달리, 상기 제1안테나 시스템(100)은 180도 빔 포밍(빔 스캔)을 수행하도록 구성되어야 한다. 즉, 도 2 및 도 3에서는 육면체의 네 개의 구획 내에 각각 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치되므로, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 하나는 방위각 방향에서 최소 90도의 영역을 빔 스캔하면 된다. 반면에, 도 4의 상기 하나의 배열 안테나는 안테나 소자들이 배열된 가로 및 세로 방향으로 180도의 영역을 빔 스캔하여야 한다.
한편, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1안테나 시스템과 제2안테나 시스템을 포함하는 안테나 시스템의 개념도를 도시한다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 상기 제1안테나 시스템(100)은 하나의 안테나 소자를 구비한다. 즉, 상기 제1안테나 시스템(100)은 하나의 안테나 소자 (방사 소자)를 이용하여 전방향(360도)으로 무선 신호를 방사한다. 즉, 도 5에 도시된 안테나 시스템은 전술한 제4 방식에 해당한다.
따라서, 상기 제1안테나 시스템(100)은 빔 포밍 (빔 스캔)을 수행하지 않으므로, 별도의 위상 천이기(phase shifter)를 요구하지 않는다. 이와 같이 빔 포밍을 수행하지 않는 방식은, 수신되는 신호 레벨이 충분한 경우에 탐색 시간 증가 및 링크 연결 해제를 방지하기 위함이다.
한편, 도 2 내지 도 4와 관련하여, 상기 제1 및 제2안테나 시스템(100, 200)을 포함하는 안테나 시스템(1000)은 차량 시험 플랫폼과 연결된다. 이와 관련하여, 도 6은 본 발명에 따른 안테나 시스템의 세부 구성 및 차량 시험 플랫폼과의 통합 구성을 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 안테나 시스템(1000)은 제1 및 제2안테나 시스템(100, 200)을 포함하고, 이들은 각각 차량 시험 플랫폼(Automotive Trial Platform)과 연결된다. 이러한, 상기 안테나 시스템(1000)과 관련하여, 표 1은 본 발명과 관련된 상기 안테나 시스템(1000)의 일 예시에 따른 Specification을 제시한다. 이와 관련하여, 상기 Specification은 일 예시이며, 향후 5G 표준에 따라 다양하게 변경 가능하다.
항목 내용
RF 밴드 26.5 - 29.5 GHz
RF 대역폭 100 to 800 MHz
최대 데이터 속도 1.0 - 7.0 Gbps
Access 기술 TDD
MIMO Capability 2x2, 4x4, (8x8)
변조 및 코딩 방식 64 QAM, LDPC
Carrier Aggregation 5 CA
Waveform OFDM
한편, 상기 제1 및 제2안테나 시스템(100, 200)과의 링크 연결 상태에 대해 살펴보면 다음과 같다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템(100)과 상기 제2통신 시스템(200)은 이중 연결 (dual connectivity) 상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1통신 시스템(100)으로부터 상기 제1신호가 수신되지 않는 경우 상기 제2통신 시스템(200)으로부터 상기 제2신호를 수신할 수 있다. 즉, 상기 제1통신 시스템(100)에서 기지국과의 링크 연결이 해제되는 경우에도, 상기 제2통신 시스템(200)은 항상 연결 상태를 유지하므로, 상기 제2통신 시스템(200)으로부터 상기 제2신호를 수신할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제1통신 시스템(100)을 통한 링크 연결이 해제되는 경우에, 상기 제2통신 시스템(200)과의 연을 개시하는 폴백(fall back)모드로 동작되도록 구성되는 것도 가능하다.
상기 제1 안테나 시스템(100)은 패치 안테나(Patch antenna, 110), 전력 증폭기(Power Amplifier, 120), 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 130) 및 위상 변위기(Phase Shifter, 140)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 제1 안테나 시스템(100)은 28GHz 주파수 대역에서 동작하는 것으로 표시되는 것은 아니라, 전술된 20, 30, 60GHz의 주파수 대역과 20GHz 이하의 주파수 대역에서 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 패치 안테나(Patch antenna, 110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체 위에 부착 가능한 유전체 기판 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 패치 안테나(110)는 유전체 기판 상면과 하면에 각각 방사 소자와 그라운드 평면이 배치되는 마이크로 스트립 형태로 구현될 수 있다. 한편, 상기 패치 안테나(110)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 배열 안테나로 구성되거나, 또는 도 5에 도시된 바와 같이 필요에 따라 단일 안테나 소자로 구성될 수 있다.
상기 제1안테나 시스템(100)의 배열 안테나로 구성되는 경우, 상기 위상 변위기(140)를 통해 상기 배열 안테나의 각 소자에 인가되는 위상 값들을 제어하여 빔 포밍(빔 스캔)을 수행한다. 예를 들어, 상기 빔 포밍은 방위각 방향 및 앙각 방향에서 특정 각도 범위 내에서 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 제1안테나 시스템은 상기 위상 변위기(140)에 의한 위상 값들의 변화에 따라 방위각 및 앙각 방향의 원하는 방향으로 빔 포밍을 수행하면서, 간섭 신호 방향으로 빔의 널 패턴(null pattern)을 생성할 수 있다.
한편, 상기 패치 안테나(110)는 배열 안테나의 복수의 안테나 소자들 중 어느 하나에만 전력을 인가하여 단일 안테나 소자로 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 도 4를 참조하면, 상기 제1안테나 시스템(100)의 배열 안테나(4 X 4 배열 안테나) 중 어느 하나에만 전력을 인가하면, 도 5에 도시된 바와 같은 상기 제1안테나 시스템(100)의 단일 안테나 소자처럼 동작할 수 있다.
즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 배열 안테나와 단일 안테나 소자 구성은 전력 온/오프 및 이를 지원할 수 있는 회로 구성에 의해 가변적으로 구성 가능하다. 따라서, 기지국 또는 다른 통신 대상 기기와의 거리가 충분히 가까워서 신호 레벨(또는 신호 대 간섭비)이 충분한 경우, 상기 패치 안테나(110)는 단일 안테나 소자로 가변적으로 구성된다. 반면에, 신호 레벨(또는 신호 대 간섭비)이 충분하지 않은 경우, 상기 패치 안테나(110)는 배열 안테나로 가변적으로 구성된다.
한편, 상기 패치 안테나(110)는 상기 전력 증폭기(110)로부터의 송신 신호를 자유 공간(free space)으로 방사하는 송신 안테나와 상기 자유 공간으로부터 수신 신호를 상기 저잡음 증폭기(120)로 전달하는 수신 안테나로서 동시에 동작할 수 있다. 따라서, 상기 패치 안테나(110)는 송신 주파수 대역과 수신 주파수 대역에서 모두 동작되도록 구성된다.
상기 전력 증폭기(120)는 5G RF IC로부터의 신호를 고출력 증폭하여 상기 패치 안테나(100)를 통해 상기 신호를 전송하도록 구성된다. 이와 관련하여, 상기 전력 증폭기(120)는 상기 5G RF IC로부터의 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency) 대역 신호를 수신하여, 무선 주파수 (RF: Radio Frequency) 대역 신호로 변환하는 주파수 상향 변환부(frequency up-converter)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 주파수 상향 변환부는 10.6GHz 대역의 IF 신호를 28GHz 대역의 RF 신호로 변환할 수 있으며, 상기 언급된 주파수 대역에 한정되는 것은 아니다.
상기 저잡음 증폭기(130)는 상기 패치 안테나(110)를 통해 수신된 신호를 저잡음 증폭하여, 상기 수신된 신호를 5G RF IC로 전달한다. 이와 관련하여, 상기 저잡음 증폭기(130)는 상기 28GHz의 RF 신호를 10.6GHz 대역의 IF 신호로 하향 변환하는 주파수 하향 변환부부(frequency down-converter)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 위상 천이기(140)는 상기 패치 안테나(110)가 배열 안테나로 구성된 경우, 상기 배열 안테나의 각 소자들에 서로 다른 위상이 인가되도록 구성된다. 이와 관련하여, 상기 위상 천이기(140)는 송신 주파수 대역 및 수신 주파수 대역에서 모두 동작 가능하도록 구성된다. 상기 위상 천이기(140)는 아날로그 또는 디지털 방식으로 위상을 조절하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 상기 위상 천이기(140)는 5G BB IC로부터 위상 제어를 위한 제어 신호(Control Signal)을 수신할 수 있다. 또한, 상기 위상 천이기(140)는 내부 소자로 인하여 삽입 손실(insertion loss)이 발생하므로, 상기 저잡음 증폭기(130)로부터 수신한 신호를 위상 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 위상 천이기(140)는 상기 제1안테나 시스템(100)에서 수신된 신호를 상기 저잡음 증폭기(130)를 통해 저잡음 증폭한 이후에 위상 제어할 수 있다.
상기 제2 안테나 시스템(120)은 기존 이동 통신 시스템(2G/3G/4G)와 무선 신호를 교환하도록 구성되며, 복수의 안테나 소자들을 포함할 수 있다. 상기 제2 안테나 시스템(120)은 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 안테나 소자들을 통해 기지국으로부터의 복수의 스트림 신호(stream signal)를 수신하도록 MIMO 모드로 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 복수의 안테나는 2개 또는 4개를 구비할 수 있고, 상기 제2 안테나 시스템(120)은 각각 2 X 2 와 4 X 4 MIMO 모드를 지원할 수 있다. 이때, 2 X 2 와 4 X 4 MIMO 모드는 기지국으로부터 송신된 2개와 4개의 스트림 신호를 하나의 단말(차량)이 각각 2개와 4개의 스트림 신호를 모두 수신하는 경우이다. 이와 같이, 기지국으로부터의 복수의 스트림을 하나의 단말(차량)이 모두 수신하는 경우를 SU(Single user)-MIMO 모드라고 지칭될 수 있다. 반면에, 상기 복수의 스트림을 여러 단말(차량)이 각각 수신하는 경우을 MU-MIMO 모드라고 지칭될 수 있다. 상기 SU-MIMO 모드를 지원하기 위해서, 상기 제2 안테나 시스템(120)은 복수의 안테나 소자를 구비하여야 한다.
상기 차량 시험 플랫폼은 상기 제1안테나 시스템(100)과 인터페이스되는 5G RF IC와 상기 제2안테나 시스템(200)과 인터페이스되는 LTE system을 포함한다. 한편, 상기 LTE system은 3G WCDMA 폴백(fallback)을 지원하도록 3G system을 포함하거나, 또는 2G system을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2안테나 시스템(200)은 동축 케이블(coaxial cable)을 통해 상기 LTE system과 인터페이스될 수 있다.
또한, 상기 차량 시험 플랫폼은 5G BB(Base Band: 기저 대역) IC, USIM 및 LPDDR4를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 5G BB IC는 상기 제1 및 제2통신 시스템(100, 200)과 기저 대역 신호를 교환한다. 여기서, 상기 5G BB IC는 상기 5G RF IC와는 2x MPHY 인터페이스를 통해 인터페이스되고, 상기 LTE system과는 PCIe 1.0인터페이스를 통해 인터페이스될 수 있다. 한편, 상기 USIM 및 LPDDR4은 각각 이동 통신 사용자 식별 모듈과 메모리에 해당한다.
한편, 상기 제2안테나 시스템(200)과 관련하여, 상기 제1안테나 시스템(100) 보다 저주파수 대역에서 동작하므로 안테나 소자들 간의 독립적인 동작을 위해서는 보다 넓은 배치 간격이 필요하다. 이는 각 안테나 소자들을 MIMO 모드로 동작시키기 위해서는 이들 간의 격리도가 특히 중요하기 때문이다.
이와 관련하여, 도 7은 본 발명에 따른 상기 제2안테나 시스템과 관련하여 복수의 안테나들 간 격리도를 시험하기 위한 방법과 관련된 개념도이다. 이와 관련하여, 상기 복수의 안테나들은 도 2 내지 도 5에서 도시된 바와 같이, 상기 안테나 시스템(1000) 상에 상호 간에 가능한 멀리 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 도 2와 같이, 육면체의 유전체 구조물 상의 측면에 배치될 수 있다. 한편, 도 7은 이와 관련하여, 상기 복수의 안테나들이 평면상에서 네 모서리의 측면에 배치되는 것으로 도식되었다. 전술한 바와 같이, 상기 복수의 안테나들은 기지국과 2 X 2 MIMO 또는 4 X 4 MIMO 모드로 동작할 수 있고, 여기서는 4 X 4 MIMO 모드로 동작하는 경우를 가정한다. 한편, 일 실시예에 따르면, 상기 4 X 4 MIMO 안테나의 주파수를 대역(band) 별로 분리하고, 주(primary) 안테나와 다이버시티(diversity) 안테나로 구분하여, 격리도를 테스트할 수 있다. 이때, 상기 격리도가 최적화되도록 급전 위치(feeding point) 및 안테나 소자 간 이격 거리와 안테나 패턴(pattern)등이 최적화 설계되었다.
한편, 표 2는 이와 관련하여, 전체 안테나 시스템(100)의 크기에 따른 격리도를 표시한 결과이다. 여기서, S21, S43은 각각 안테나 1번 및 3번에서의 입력에 따른 안테나 2번 및 4번으로의 간섭량에 해당하고, dB 스케일로 표시되며, 10dB 이상의 격리도가 구현 가능하다. 한편, 880MHz, 1710MHz 및 2170MHz는 LTE 통신 시스템과 관련하여, 저주파수 대역(LB: Lower Band), 중간 주파수 대역(MB: Middle Band), 고주파수 대역(HB: High Band)의 주파수에 해당한다.
Size 80 X 60 100 X 100
S21 & S43 880MHz -15.40 -15.54
1710MHz -11.87 -22.26
2170MHz -18.40 -30.70
S31 & S42 880MHz 15.29 -13.94
1710MHz -8.77 -12.41
2170MHz -23.44 -24.33
S41 & S32 880MHz -25.03 -21.47
960MHz -15.23 -26.10
1710MHz -23.70 -22.44
2170MHz -23.74 -37.06
도 8은 본 발명과 관련하여, SDARS 안테나 및 GNSS 안테나와 같은 세라믹 기판에 구현되는 세라믹 소재 안테나의 구성을 도시한다. 한편, 도 9는 본 발명에 따라, SDARS 안테나 및 GNSS 안테나와 같은 세라믹 기판에 구현되는 세라믹 소재 안테나의 구성을 도시한다.
도 8을 참조하면, 상기 세라믹 소재 안테나(300)는 실버 페이스트(silver paste, 310)와 세라믹 기판(320)을 포함한다. 도 8의 (a)에 도시되는 바와 같이, 상기 세라믹 소재 안테나(300)는 세라믹 소재의 상기 세라믹 기판(320) 상에 상기 실버 페이스트(310)를 이용하여 금속 패턴이 구현되도록 구성된다. 한편, 도 8의 (b)에 도시되는 바와 같이, 상기 실버 페이스트(310)를 상기 세라믹 기판(320)의 전면과 후면에 부착시켜 각각 안테나 패턴(패치 안테나)과 접지면을 상기 전면과 후면에 구현할 수 있다.
이와 관련하여, 도 9의 (a)를 참조하면, 상기 세라믹 소재 안테나(300')는 세라믹 소재의 상기 세라믹 기판(320') 상에 금속 판(metal plate, 310')을 이용하여 금속 패턴이 구현되도록 구성된다. 한편, 도 9의 (b)에 도시되는 바와 같이, 상기 금속 판(310')을 상기 세라믹 기판(320')의 전면과 후면에 부착시켜 각각 안테나 패턴(패치 안테나)과 접지면을 상기 전면과 후면에 구현할 수 있다. 또한, 상기 세라믹 소재 안테나(300')는 상기 금속 판(310')이 부착된 상기 세라믹 기판(320')의 전면과 측면을 외부 케이스(330')에 의해 커버 되도록 구성될 수 있다. 상기 외부 케이스(330')는 플라스틱 커버(Plastic cover)에 의해 구현될 수 있다. 이때, 상기 외부 케이스(330')를 상기 세라믹 소재 안테나(300')에 장착하여 외부 충격에 의한 파손을 방지하고, 세라믹 소재가 파손된다고 하더라도 안테나 성능의 변화가 거의 없는 것이 특징이다.
이와 관련하여, 도 10은 실버 페이스트 타입 세라믹 안테나에 대하여, 세라믹 기판 파손 이전과 이후의 주파수에 따른 정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 도시한다. 이때, 세라믹 기판 파손 이전과 이후의 주파수에 따른 안테나 평균 이득(average gain)은 표 3에 도시된 바와 같다.
Band Freq. [MHz] Average Gain (dBi)
세라믹 파손 이전 세라믹 파손 이후
GPS 1575 -1.46 -5.58
1598 -1.71 -6.24
1602 -1.63 -5.68
1605 -1.57 -5.84
Average -1.59 -5.84
한편, 도 11은 외부 케이스를 구비하는 금속판 타입 세라믹 안테나에 대하여 세라믹 기판 파손 이전과 이후의 주파수에 따른 정재파비를 도시한다. 이때, 세라믹 기판 파손 이전과 이후의 주파수에 따른 안테나 평균 이득(average gain)은 표 4에 도시된 바와 같다.
Band Freq. [MHz] Average Gain (dBi)
세라믹 파손 이전 세라믹 파손 이후
GPS 1575 -1.43 -1.47
1598 -1.64 -1.59
1602 -1.59 -1.62
1605 -1.52 -1.54
Average -1.54 -1.56
도 10의 (a)를 참조하면, 1번과 2번으로 표시되는 제1 및 제2 주파수에서 모두 2 이하의 VSWR을 갖는다. 반면에, 도 10의 (b)를 참조하면, 상기 제1 및 제2 주파수에서 VSWR은 모두 6 이상의 값을 갖는다.
한편, 외부 케이스를 구비하는 금속판 타입 세라믹 안테나는 세라믹 기판 파손 이전과 이후에 정재파비에 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 이와 관련하여, 도 11의 (a)와 (b)를 참조하면, 세라믹 기판 파손 이전과 이후에 모두 상기 제1 및 제2 주파수에서 VSWR은 모두 2이하의 값을 갖는다.
다음으로는, 본 발명과 관련하여, 모듈 형태(modularity)의 안테나 시스템에 대하여 살펴보기로 하자. 이와 관련하여, 도 12는 본 발명에 따른 모듈 형태의 안테나 시스템의 개념도를 도시한다. 상기 안테나 시스템은 안테나 소자들(Antenna Elements, 1000, 모뎀 카드(Modem Card, 600), 서브시스템 커넥터(Subsystem Connector, 650), 메인 보드(Main board, 700) 및 백업 배터리(Back up battery, 750)를 포함할 수 있다.
한편, 도 13은 본 발명에 따른 모듈 형태의 안테나 시스템의 모듈 구성도를 도시한다. 도 13을 참조하면, 상기 안테나 시스템은 안테나 엘리먼트(1000), 모뎀 카드(600), 안테나 및 모뎀 PCB(Antenna & Modem PCB: 600'), 메인 보드(700) 및 메인 PCB(700'), 백업 배터리(750) 및 보드-대-보드 커넥터(B to B Connector, 800)를 포함한다. 또한, 상기 안테나 시스템은 외부 안테나 및 외부 이더넷 기기와 인터페이스할 수 있는 외부 안테나 포트들(External Antenna Ports)와 이더넷 포트(Ethernet Port)를 더 포함할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 모듈 형태(modularity)와 관련하여, 두 개의 PCB 구성(two PCB configuration이 채택될 수 있다. 즉, 상기 모뎀 카드(600)는 상부에 안테나 소자들과 연결되고, 하부에 상기 메인 보드(700)와 보드-대-보드 커넥터(700)를 통해 연결된다. 상기 안테나 소자들과 연결과 관련하여, 추가적인 안테나 커넥터와 5G 밀리미터파 집적회로(mmWave IC) 인터페이스들을 위한 RF 커넥터 없이 안테나 소자들과 초고주파 부품의 직접 연결이 가능하다. 이러한 안테나 소자들과 초고주파 부품의 직접 연결은 하나의 기판 또는 상호 적층된 기판에 의해 가능하다. 이때, 상호 적층된 기판에 안테나 소자들과 초고주파 부품의 연결은 솔더 -타입 접촉(solder-type contact), 비아 연결(via connection) 또는 커플링 방식(coupling method)에 의해 구현될 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 상기 안테나 시스템은 상기 안테나 시스템을 외부로부터 보호하는 레이돔(2000)을 더 포함할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 안테나 소자들(1000)을 제외한 나머지 구성요소들을 포함하는 제1 및 제2 안테나 시스템은 상기 안테나 소자들(1000)이 배치되는 영역 하부에 배치될 수 있다. 즉, 도 2와 도 13을 참조하면, 상기 안테나 소자들(1000)을 포함하는 상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치된다. 이때, 상기 육면체의 하면의 배면에는 집적 모듈이 배치되고, 상기 집적 모듈은, 상면 커버(top cover), 하면 커버(bottom cover), 상기 모뎀 카드(600), 상기 메인 보드(700)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 상면 커버는 상기 안테나 소자들(1000)이 배치되는 영역(예컨대, 육면체 구조물)의 하면에 해당하고, 상기 하면 커버는 상기 상면 커버와 체결되고, 상기 집적 모듈의 하면에 해당한다. 한편, 상기 모뎀 카드(600)는 상기 상면 커버와 하면 커버가 결합되는 내부 공간의 상면에 배치되고, 상기 제1통신 시스템의 무선(RF: Radio Frequency) 집적회로를 포함할 수 있다. 또한, 상기 메인 보드(700)는 상기 내부 공간의 하면에 배치될 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 상기 모뎀 카드(600)는 모뎀 프로세서(610), BTS 5.0/WiFi 모듈(620). C2X 모듈(630)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인 보드(700)는 어플리케이션 프로세서(Application Processor, 710), 이더넷 스위치(Ethernet Switch, 720), 전력 관리부(Power managment, 730) 및 차량 네트워크 커넥터(740)를 포함할 수 있다.
또한, 도 12에 미도시 되었지만, 상기 안테나 시스템은 무선 인터페이스로 2X2 LTE MIMO 입력 포트와 C2X 안테나 포트를 구비할 수 있다. 또한, 상기 안테나 시스템은, 유선 인터페이스로 이더넷 인터페이스, 응급 호출 버튼 인터페이스, 에어 백 인터페이스, 응급 호출 스피커 인터페이스 및 마이크로폰 인터페이스를 포함할 수 있다.
한편, 도 14는 본 발명에 따른 안테나 시스템의 각각의 구성부와 이들 간의 인터페이스를 나타내는 세부 구성도를 도시한다.
이와 관련하여, 도 14에서 점선으로 표시된 내부 영역은 도 13에서의 안테나 소자들(1000), 모뎀 카드(600), 안테나 및 모뎀 PCB(600')를 포함한다. 상기 안테나 시스템은 제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1안테나 시스템(100)과 제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2안테나 시스템(200)을 포함한다. 한편, 점선으로 표시된 내부 영역에 배치된 Modem 또는 외부 영역에 배치된 AP는 상기 제1 및 제2 안테나 시스템(100, 200)을 제어하는 제어부에 해당한다. 상기 제어부는 상기 제1통신 시스템으로부터 상기 제1신호가 수신되지 않는 경우 상기 제2통신 시스템으로부터 상기 제2신호를 수신하도록 제어하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1통신 시스템(100)과 상기 제2통신 시스템(200)은 이중 연결 (dual connectivity) 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제1안테나 시스템(100)의 안테나 소자는 밀리미터파 안테나 (mmWave Antenna)로 지칭될 수 있으며, 상기 제2안테나 시스템(200)의 안테나 소자는 MIMO 동작을 수행하는 이동 단말기 안테나(Mobile Antenna)로 지칭될 수 있다. 또한, 상기 제2안테나 시스템(200)은 4개의 안테나 소자들을 이용하여 기지국으로부터 4개까지의 스트림을 동시에 수신할 수 있는 능력을 구비하므로, 4X Mobile Antenna로 지칭될 수 있다. 또한, 도 2 내지 5를 참조하면, 상기 제1안테나 시스템(100)과 상기 제2안테나 시스템(200)은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1안테나 시스템(100)은 상기 육면체의 하면 상에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템(100)은 하나의 안테나 소자 또는 하나의 배열 안테나를 포함하거나 또는 제1 내지 제4 배열 안테나를 포함할 수 있다. 반면에, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치될 수 있다.
보다 상세하게는 도 2를 참조하면, 상기 제1안테나 시스템(100)은 상기 육면체의 일정한 경사각을 갖는 4개의 측면 상에 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치되고, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 사이에 배치될 수 있다. 또한, 도 3 내지 5를 참조하면, 상기 제1안테나 시스템(100)은 상기 육면체의 하면 상에 배치되고, 상기 제2안테나 시스템(200)은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 시스템(100)은 하나의 안테나 소자 또는 하나의 배열 안테나를 포함하거나 또는 제1 내지 제4 배열 안테나를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1통신 시스템(100)에서의 빔 포밍은 빔 폭이 가변적으로 변경되는 적응적 빔 포밍 방식이 적용될 수 있다. 즉, 상기 제1통신 시스템(100)으로부터 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이상이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 적어도 하나를 다이버시티 모드로 사용하여 제1빔포밍을 수행할 수 있다. 반면에, 상기 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이하이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나를 결합하여 상기 제1빔포밍보다 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 상기 전력 증폭기(120), 상기 저잡음 증폭기(130) 및 상기 위상 변위기(140)는 도 14의 RF IC 또는 RF 프론트 엔드(Front End)에 구비될 수 있다.
한편, 도 13을 참조하면 상기 보드-대-보드 커넥터(800)를 통해서 상기 집적 모듈의 상단 및 하단의 안테나 및 모뎀 PCB(600')와 상기 메인 PCB(700')는 인터페이스될 수 있다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 점선으로 표시된 내부 영역의 부품들은 상기 모뎀 카드(600) 또는 상기 안테나 및 모뎀 PCB(600')에 배치된다. 반면에, 점선으로 표시된 외부 영역에서 AP를 포함하여 복수의 구성 부품들은 상기 메인 보드(700) 또는 상기 메인 PCB(700')에 배치된다.
이러한 구성 및 제어 방법을 통해, 본 발명은 기존 이동 통신 서비스뿐만 아니라 차세대 통신 서비스를 제공할 수 있는 평면형 차량용 안테나와 그 제어방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 차세대 통신 서비스를 제공할 수 있는 빔 포밍 배열 안테나와 기존 이동 통신 서비스를 제공할 수 있는 MIMO 안테나를 구비하는 평면형 차량용 안테나를 통해 복수의 통신 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 유전체 구조물의 측면 또는 하면에 다양한 방법으로 서로 다른 타입의 안테나들을 배치하고, 이들을 이용하여 복수의 통신 서비스를 제공하는 데에 있다.
전술한 본 발명의 제어부(모뎀 또는 어플리케이션 프로세서)는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (18)

  1. 차량에 탑재되는 안테나 시스템에 있어서,
    제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1통신 안테나 소자가 복수로 배열되어 빔포밍을 수행하는 제1안테나 시스템; 및
    제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2통신 안테나 소자가 복수 개 배치되어 다중입력 다중출력(MIMO: Multi Input Multi Output)을 수행하는 제2안테나 시스템을 포함하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고,
    상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 일정한 경사각을 갖는 4개의 측면 상에 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치되고,
    상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 사이에 배치되는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고,
    상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 하면 상에 배치되고,
    상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치되고,
    상기 제1안테나 시스템은 상기 하나의 배열 안테나를 포함하거나 또는 제1 내지 제4 배열 안테나를 포함하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 방위각 방향으로 360도를 분할한 제1 내지 제4 영역에 대하여 각각 빔포밍을 수행하고, 상기 제1 내지 제4 영역 중 일부 영역이 중첩되는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1통신 시스템으로부터의 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이상이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 적어도 하나를 다이버시티 모드로 사용하여 제1빔포밍을 수행하고,
    상기 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이하이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나를 결합하여 상기 제1빔포밍보다 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 배열 안테나는 각각 2차원 배열 안테나이고, 각각의 안테나 소자는 각각의 위상 변위기(phase shifter)와 연결되고, 상기 위상 변위기에 의한 위상 값들의 변화에 따라 방위각 및 앙각 방향의 원하는 방향으로 빔 포밍을 수행하면서, 간섭 신호 방향으로 빔의 널 패턴(null pattern)을 생성하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 둘 이상의 상호 결합되어 상기 제1 내지 제4 영역 중 상기 중첩되는 일부 영역에 대해서 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1통신 시스템과 상기 제2통신 시스템은 이중 연결 (dual connectivity) 상태를 유지하고, 상기 제1통신 시스템으로부터 상기 제1신호가 수신되지 않는 경우 상기 제2통신 시스템으로부터 상기 제2신호를 수신하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고,
    상기 육면체의 하면의 배면에는 집적 모듈이 배치되고,
    상기 집적 모듈은,
    상기 육면체의 하면에 해당하는 상면 커버(top cover);
    상기 상면 커버와 체결되고, 상기 집적 모듈의 하면에 해당하는 하면 커버(bottom cover);
    상기 상면 커버와 상기 하면 커버가 결합되는 내부 공간의 상면에 배치되고, 상기 제1통신 시스템의 무선(RF: Radio Frequency) 집적회로를 포함하는 모뎀 카드; 및
    상기 내부 공간의 하면에 배치되는 메인 보드를 포함하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1통신 시스템과 상기 제2통신 시스템은 각각 5세대(5G) 통신 시스템과 LTE 통신 시스템이고,
    상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고,
    상기 육면체의 하면에는 SDARS 안테나와 GNSS 안테나가 추가로 배치되는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 육면체로 이루어진 구조물은 차량의 지붕(roof) 위에 배치되거나, 또는 상기 차량의 지붕 구조물 내에 배치되고, 상기 지붕 구조물의 적어도 일부가 비금속으로 구현되는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 모뎀 카드는 모뎀 프로세서, 블루투스(BT)/와이파이(WiFi) 모듈 및 C2X 모듈을 포함하고,
    상기 메인 보드는 어플리케이션 프로세서, 이더넷 스위치, 전력 관리부 및 차량 네트워크 커넥터를 포함하고,
    상기 안테나 시스템은 무선 인터페이스로 2X2 LTE MIMO 입력 포트와 C2X 안테나 포트를 구비하고, 유선 인터페이스로 이더넷 인터페이스, 응급 호출 버튼 인터페이스, 에어 백 인터페이스, 응급 호출 스피커 인터페이스 및 마이크로폰 인터페이스를 포함하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 SDARS 안테나와 GNSS 안테나는, 세라믹(ceramic) 소재의 유전체 상의 전면과 후면에 금속 판(metal plate)로 구현되는 패치 안테나와 접지면을 포함하고,
    상기 세라믹 소재의 유전체는 외부 케이스에 의해 전면과 측면이 커버되는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  14. 차량에 탑재되는 안테나 시스템에 있어서,
    제1통신 시스템에 따른 제1신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제1안테나 시스템;
    제2통신 시스템에 따른 제2신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제2안테나 시스템; 및
    상기 제1통신 시스템으로부터 상기 제1신호가 수신되지 않는 경우 상기 제2통신 시스템으로부터 상기 제2신호를 수신하도록 제어하는 프로세서를 포함하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1통신 시스템과 상기 제2통신 시스템은 이중 연결 (dual connectivity) 상태를 유지하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고,
    상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 일정한 경사각을 갖는 4개의 측면 상에 제1 내지 제4 배열 안테나가 배치되고,
    상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 제1 내지 제4 배열 안테나의 사이에 배치되는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1안테나 시스템과 상기 제2안테나 시스템은 유전체(dielectric)로 이루어진 육면체의 측면 또는 하면에 배치되고,
    상기 제1안테나 시스템은 상기 육면체의 하면 상에 배치되고,
    상기 제2안테나 시스템은 제1 내지 제4 MIMO 안테나가 상기 육면체의 측면에 배치되고,
    상기 제1안테나 시스템은 하나의 배열 안테나를 포함하거나 또는 제1 내지 제4 배열 안테나를 포함하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1통신 시스템으로부터의 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이상이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나 중 적어도 하나를 다이버시티 모드로 사용하여 제1빔포밍을 수행하고,
    상기 수신된 신호 또는 신호 대 간섭비가 임계 값 이하이면, 상기 제1 내지 제4 배열 안테나를 결합하여 상기 제1빔포밍보다 세밀한(fine) 빔포밍인 제2빔포밍을 수행하는, 차량에 탑재되는 안테나 시스템.
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