WO2018151484A1 - 빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템 - Google Patents

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WO2018151484A1
WO2018151484A1 PCT/KR2018/001831 KR2018001831W WO2018151484A1 WO 2018151484 A1 WO2018151484 A1 WO 2018151484A1 KR 2018001831 W KR2018001831 W KR 2018001831W WO 2018151484 A1 WO2018151484 A1 WO 2018151484A1
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WO
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input
port
power
output
hybrid coupler
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PCT/KR2018/001831
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English (en)
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Inventor
성원모
김기호
김의선
최세아
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주식회사 이엠따블유
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to beam forming techniques.
  • Beamforming is an antenna technology that enhances the directionality of the antenna, enabling high-speed wireless communication while being resistant to noise at low power.
  • digital and analog beamforming technologies There are digital and analog beamforming technologies. Among the analog methods, a separate phase shifter is used for beam steering.
  • Patent Document 0001 Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2016-0147499 (2016.12.23)
  • Patent Document 0002 Korean Registered Patent Publication No. 10-1045343 (2011.06.30)
  • An embodiment of the present invention is to provide a beam forming apparatus having an omni-directional directivity without a separate phase shifter and an antenna system having the same.
  • a beam forming apparatus includes: a beam forming apparatus configured to adjust beam directivity of an antenna array, the apparatus including: a plurality of input ports to which input power is input; At least one hybrid coupler having an input terminal connected to the input port; And a power supply unit configured to branch and supply the input power to at least two input ports of the plurality of input ports, wherein the power supply unit adjusts a power ratio of input power branched to the at least two input ports.
  • the beam directivity of the antenna array can be adjusted.
  • the hybrid coupler may include at least one input side hybrid coupler, each having two input terminals, each of the two input terminals being connected to two input ports of the plurality of input ports; And at least one output side hybrid coupler provided between the input side hybrid coupler and the antenna array and supplying power output from the input side hybrid coupler to the antenna array.
  • a beam forming apparatus is a beam forming apparatus that adjusts beam directivity of an antenna array, wherein a first input port is connected to a first input terminal, and a second input port is connected to a second input terminal.
  • a second hybrid coupler having a third input port connected to the first input terminal and a fourth input port connected to the second input terminal;
  • a first input terminal is connected to the first output terminal of the first hybrid coupler, a second input terminal is connected to the second output terminal of the second hybrid coupler, and a first output port is connected to the first output terminal;
  • a third hybrid coupler having a second output port connected to the second output terminal;
  • a first input terminal is connected to the first output terminal of the second hybrid coupler, a second input terminal is connected to the second output terminal of the first hybrid coupler, and a third output port is connected to the first output terminal;
  • a fourth hybrid coupler having a fourth output port connected to the second output terminal;
  • And a power supply unit provided to branch input power to
  • the power supply unit may adjust the beam directivity of the antenna array by adjusting a power ratio of input power branched to the at least two input ports.
  • the first hybrid coupler and the second hybrid coupler are provided to be spaced apart from each other along the first direction of the beam forming apparatus, and the second hybrid coupler and the fourth hybrid coupler are the first direction of the beam forming apparatus.
  • the first input port, the second input port, the third input port and the fourth input port are provided to be spaced apart from each other along a second direction perpendicular to the first axis, the first axis being the first axis that is a central axis of the first direction.
  • the first output port, the second output port, the third output port, and the fourth output port may be provided symmetrically with respect to a second axis that is a central axis in the second direction. have.
  • the third output port is located in a first quadrant of a coordinate system including the first axis and the second axis, the fourth output port is located in a second quadrant of the coordinate system, and the first output port is located in the coordinate system.
  • the second output port may be located in the third quadrant, and the second output port may be located in the fourth quadrant of the coordinate system.
  • the power supply unit may branch the input power to the first input port and the second input port, and adjust the power ratio of the input power branched to the first input port and the second input port to adjust the beam of the antenna array.
  • Directivity can be adjusted between + 45 ° and-45 °.
  • the power supply unit may branch the input power to the second input port and the third input port, and adjust the power ratio of the input power branched to the second input port and the third input port to adjust the beam of the antenna array.
  • Directivity can be adjusted between -45 ° and -135 °.
  • the power supply unit may branch the input power to the third input port and the fourth input port, and adjust the power ratio of the input power branched to the third input port and the fourth input port to adjust the beam of the antenna array.
  • Directivity can be adjusted between -135 ° and + 135 °.
  • the power supply unit may branch the input power to the fourth input port and the first input port, and adjust the power ratio of the input power branched to the fourth input port and the first input port to adjust the beam of the antenna array.
  • Directivity can be adjusted between + 135 ° and + 45 °.
  • the input power is simultaneously input to at least two of the plurality of input ports, and the power ratio is adjusted to adjust the directivity of the antenna array within 360 degrees without a separate phase shifter. It becomes possible.
  • FIG. 2 is a view showing the input and output relationship of the hybrid coupler according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view showing the configuration of a beam forming apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an antenna system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an output signal and an antenna array of first to fourth output ports when input power is sequentially applied to first to fourth input ports sequentially in a beam forming apparatus according to an embodiment of the present invention; Showing the beam directivity of the
  • FIG. 6 is a diagram illustrating output signals and antenna arrays of the first to fourth output ports when the input power is branched and applied to the first input port and the second input port in the beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention. Drawing showing beam directivity
  • FIG. 7 illustrates a beam pattern of an antenna array according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • 1 is a diagram illustrating input and output relationships of a general hybrid coupler.
  • the hybrid coupler 10 includes a first input terminal 10a, a second input terminal 10b, a first output terminal 10c, and a second output terminal 10d. can do.
  • the first input terminal 10a and the second input terminal 10b may be vertically symmetrical, and the first output terminal 10c and the second output terminal 10d may be vertically symmetrical.
  • a signal may be input to the first input terminal 10a and the second input terminal 10b may be isolated.
  • the first output terminal 10c positioned in a straight line direction with the first input terminal 10a is input to the first input terminal 10a.
  • a signal 2 / A ⁇ 0 having a signal magnitude of 2 / A and a phase of 0 ° is output.
  • a signal 2 / A'-90 having a signal size of 2 / A and a phase of ⁇ 90 ° is output to the second output terminal 10d disposed diagonally with the first input terminal 10a. That is, the signal A ⁇ 0 input to the first input terminal 10a is branched into the first output terminal 10c and the second output terminal 10d in the hybrid coupler 10, and has a size 1/2. Will be reduced.
  • a phase difference of 90 degrees occurs between the signal branched to the first output terminal 10c and the second output terminal 10d.
  • FIG. 1B illustrates a case where the first input terminal 10a is isolated, and the signal B # 0 having a signal magnitude B and a phase of 0 ° is input to the second input terminal 10b. Then, a signal 2 / B / 0 having a signal size of 2 / B and a phase of 0 ° is output to the second output terminal 10d positioned in a linear direction with the second input terminal 10b. A signal 2 / B # -90 having a signal size of 2 / B and a phase of -90 ° is output to the first output terminal 10c disposed diagonally with the second input terminal 10b.
  • the general hybrid coupler 10 is provided with a signal input to any one of the first input terminal 10a and the second input terminal 10b, and the other is isolated.
  • FIG. 2 is a view showing the input-output relationship of the hybrid coupler according to an embodiment of the present invention.
  • the hybrid coupler 20 may include a first input terminal 20a, a second input terminal 20b, a first output terminal 20c, and a second output terminal 20d.
  • the first input terminal 20a and the second input terminal 20b may be vertically symmetrical, and the first output terminal 20c and the second output terminal 20d may be vertically symmetrical.
  • signals may be input to the first input terminal 20a and the second input terminal 20b, respectively.
  • a signal A ⁇ 0 having a signal amplitude of A and a phase of 0 ° is input to the first input terminal 20a, a signal magnitude of B and a phase of 0 ° to the second input terminal 20b.
  • the phosphorus signal B # 0 may be input.
  • a first signal 2 / A ⁇ 0 having a signal magnitude of 2 / A and a phase of 0 ° and a second signal having a signal magnitude of 2 / B and a phase of -90 ° ( 2 / B'-90) is outputted.
  • the second output terminal 20d includes a third signal 2 / A ⁇ -90 having a signal size of 2 / A and a phase of -90 °, and a fourth signal having a signal size of 2 / B and a phase of 0 °.
  • a signal obtained by combining (2 / B'0) is output.
  • the signal A'0 input to the first input terminal 20a and the signal B'0 input to the second input terminal 20b are respectively the first output terminal 20c in the hybrid coupler 20.
  • the second output terminal 20d is reduced in size by 1/2.
  • a phase difference of 90 ° occurs between the signal branched to the first output terminal 20c and the second output terminal 20d.
  • FIG 3 is a view showing the configuration of a beam forming apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a view showing the configuration of an antenna system according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna system 50 may include a beam forming apparatus 100 and an antenna array 200.
  • the antenna array 200 will be described as an embodiment 2 ⁇ 2 antenna array. That is, the antenna array 200 may include a substrate 202, a first antenna 204, a second antenna 206, a third antenna 208, and a fourth antenna 210.
  • the first antenna 204 to the fourth antenna 210 may be arranged on the substrate 202 in a symmetrical shape.
  • the first antenna 204 to the fourth antenna 210 is shown as a dipole antenna, the shape and type of the antenna is not limited thereto, and various types and types of antennas may be applied.
  • the antenna array 200 is illustrated as being a 2 ⁇ 2 antenna array, the present invention is not limited thereto, and the antenna array 200 may be applied to an antenna array including various arrays and a number of antennas.
  • the beam forming apparatus 100 is a component for beam forming of the antenna array 200.
  • the beam forming apparatus 100 includes a first input port 102, a second input port 104, a third input port 106, a fourth input port 108, a first output port 110, and a second output.
  • Port 112, third output port 114, fourth output port 116, first hybrid coupler 118, second hybrid coupler 120, third hybrid coupler 122, and fourth hybrid coupler 124 may include.
  • the first input port 102 may be connected to the first input terminal 118a of the first hybrid coupler 118.
  • the second input port 104 may be connected to the second input terminal 118b of the first hybrid coupler 118.
  • the third input port 106 may be connected to the first input terminal 120a of the second hybrid coupler 120.
  • the fourth input port 108 may be connected to the second input terminal 120b of the second hybrid coupler 120.
  • the first input port 102 to the fourth input port 108 may be electrically connected to a power supply (not shown).
  • the first output port 110 may be connected to the first output terminal 122c of the third hybrid coupler 122.
  • the second output port 112 may be connected to the second output terminal 122d of the third hybrid coupler 122.
  • the third output port 114 may be connected to the first output terminal 124c of the fourth hybrid coupler 124.
  • the fourth output port 116 may be connected to the second output terminal 124d of the fourth hybrid coupler 124.
  • the first output port 110 may be electrically connected to the first antenna 204.
  • the second output port 112 may be electrically connected to the second antenna 206.
  • the third output port 114 may be electrically connected to the third antenna 208.
  • the fourth output port 116 may be electrically connected to the fourth antenna 210.
  • the first output terminal 118c of the first hybrid coupler 118 may be connected to the first input terminal 122a of the third hybrid coupler 122.
  • the second output terminal 118d of the first hybrid coupler 118 may be connected to the second input terminal 124b of the fourth hybrid coupler 124.
  • the first output terminal 120c of the second hybrid coupler 120 may be connected to the first input terminal 124a of the fourth hybrid coupler 124.
  • the second output terminal 120d of the second hybrid coupler 120 may be connected to the second input terminal 122b of the third hybrid coupler 122.
  • input power for operating the antenna array 200 may be simultaneously input to at least two input ports of the first input port 102 to the fourth input port 108. That is, the input power supplied from the power supply unit (not shown) may be input by being branched to at least two input ports of the first input port 102 to the fourth input port 108. In an exemplary embodiment, a portion of the input power is input to any one of the first input port 102 to the fourth input port 108, and the remainder of the input power is first input port 102 to the fourth input port ( 108). As a result, the directivity of the antenna array 200 can be adjusted within a 360 degree direction.
  • the central axis of the first direction (eg, the longitudinal direction) is referred to as the first axis (ie, the x-axis), and the second direction (eg, perpendicular to the first direction)
  • the center axis in the width direction is referred to as the second axis (ie, the y axis).
  • the first input port 102, the second input port 104, the third input port 106, and the fourth input port 108 may be provided symmetrically with respect to the first axis.
  • the first output port 110, the second output port 112, the third output port 114, and the fourth output port 116 may be provided symmetrically with respect to the second axis.
  • the third output port 114 is located in the first quadrant
  • the fourth output port 116 is located in the second quadrant
  • the first output port 110 is located in the third direction in the counterclockwise direction about the first axis. It is located in the quadrant
  • the second output port 112 is located in the fourth quadrant.
  • the first quadrant may mean a region in which the antenna array 200 has a directivity of 0 ° to + 90 ° (ie, -270 ° to 0 °).
  • the second quadrant may refer to an area in which the directivity of the antenna array 200 is + 90 ° to + 180 ° (ie, ⁇ 180 ° to ⁇ 270 °).
  • the third quadrant may refer to an area in which the directivity of the antenna array 200 is + 180 ° to + 270 ° (ie, ⁇ 90 ° to ⁇ 180 °).
  • the fourth quadrant may mean an area in which the antenna array 200 has a directivity of + 270 ° to 0 ° (ie, 0 ° to ⁇ 90 °).
  • FIG. 5 illustrates that when the input power is sequentially applied to the first input port 102 (P1) to the fourth input port 108 (P4) in the beamforming apparatus 100 according to an embodiment of the present invention,
  • the output signals of the first output port 110 (P5) to the fourth output port 116 (P8) and the beam directivity of the antenna array 200 are shown.
  • an input power signal (for example, a signal having a magnitude of 1 and a phase of 0 °, 1 ⁇ 0) is a first signal. It is input to the first input terminal 118a of the hybrid coupler 118, branched in the first hybrid coupler 118, and output to the first output terminal 118c and the second output terminal 118d, respectively. At this time, the magnitude of the input power signal is reduced to half (1/2), and the signal output to the first output terminal 118c has a phase of 0 ° (that is, 0.5 k ⁇ ), and the second output terminal 118c. ) Outputs a phase of -90 ° (ie 0.5 ⁇ -90).
  • the signal output to the first output terminal 118c of the first hybrid coupler 118 (that is, 0.5 ⁇ 0) is input to the first input terminal 122a of the third hybrid coupler 122, and the third Branches in the hybrid coupler 122 are output to the first output terminal 122c and the second output terminal 122d, respectively.
  • the magnitude of the input power signal is reduced in half again, and the signal output to the first output terminal 122c (that is, the signal input to the first output port 110 (P5)) becomes 0 ° in phase. (I.e. 0.25 Hz), the signal output to the second output terminal 122c (i.e., the signal input to the second output port 112 (P6)) has a phase of -90 degrees (i.e. 0.25 Hz -90).
  • the signal output to the second output terminal 118d of the first hybrid coupler 118 (that is, 0.5 to 90) is input to the second input terminal 124b of the fourth hybrid coupler 124. Branched in the 4 hybrid coupler 124, it is output to the 1st output terminal 124c and the 2nd output terminal 124d, respectively. At this time, the magnitude of the input power signal is reduced in half again, and the signal output to the first output terminal 124c (that is, the signal input to the third output port 114 (P7)) has a phase of -180 °.
  • the signal output to the second output terminal 124c (i.e., the signal input to the fourth output port 116 (P8)) has a phase of -90 degrees (i.e., 0.25 ⁇ -90).
  • the beam directivity of the antenna array 200 is directed toward the third output port 114 side. More specifically, the beam directivity of the antenna array 200 is in the diagonal direction of the first quadrant (ie, 45 °).
  • the signal input to the first output port 110 is 1/4 in magnitude and phase in a manner similar to that described above.
  • 90 ° i.e. 0.25 ⁇ -90
  • the signal input to the second output port 112 is 1/4 in magnitude and -180 ° in phase (i.e. 0.25 ⁇ -180)
  • the signal input to the third output port 114 is 1/4 in magnitude and -90 ° in phase (that is, 0.25 ⁇ -90), and is input to the fourth output port 116 (P8).
  • the signal becomes 1/4 in magnitude and 0 ° in phase (i.e. 0.25 ⁇ 0).
  • the beam directivity of the antenna array 200 is directed toward the second output port 112 side. More specifically, the beam directivity of the antenna array 200 is in the diagonal direction of the fourth quadrant (ie, -45 °).
  • the signal input to the first output port 110 (P5) is 1/4 in magnitude and -180 ° in phase (that is, , 0.25 ⁇ -180)
  • the signal input to the second output port 112 (P6) is 1/4 in magnitude and -90 ° in phase (i.e., 0.25 ⁇ -90)
  • the third output port 114 the signal input to P7 is 1/4 in magnitude and the phase is 0 ° (i.e. 0.25 ⁇ 0)
  • the signal input to the fourth output port 116 (P8) is 1/4 in magnitude.
  • the phase is -90 ° (ie 0.25 ⁇ -90).
  • the beam directivity of the antenna array 200 is directed toward the first output port 110 side. More specifically, the beam directivity of the antenna array 200 is in the diagonal direction of the third quadrant (ie, -135 °).
  • the signal input to the first output port 110 (P5) is 1/4 in magnitude and -90 ° in phase (that is, , 0.25 ⁇ -90)
  • the signal input to the second output port 112 (P6) is 1/4 in magnitude and 0 ° in phase (that is, 0.25 ⁇ 0)
  • the third output port 114 The signal input to P7) is 1/4 in magnitude and the phase is ⁇ 90 ° (ie, 0.25 ⁇ -90)
  • the signal input to the fourth output port 116 (P8) is 1/4 in magnitude.
  • the phase is -180 ° (ie 0.25 ⁇ -180).
  • the beam directivity of the antenna array 200 is directed toward the fourth output port 116 side. More specifically, the beam directivity of the antenna array 200 is in the diagonal direction of the second quadrant (ie 135 °).
  • the beam directivity of the antenna array 200 is provided. Is any one of + 45 °, -45 °, -135 °, and + 135 °.
  • FIG. 6 illustrates a method of branching and applying input power to the first input port 102 (P1) and the second input port 104 (P2) in the beam forming apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the output signals of the first output port 110 (P5) to the fourth output port 116 (P8) and the beam directivity of the antenna array 200 are shown.
  • the input power signal when the magnitude of the input power signal is 1, the input power signal is input to the first input port 102 (P1) while decreasing the magnitude of the input power signal by 0.1, and the input power signal is input to the second input port 104 (P2).
  • P1 the input power signal is input to the first input port 102
  • P2 the second input port 104
  • the case of inputting while increasing the size of by 0.1 will be described, where the sum of the magnitudes of the power input to the first input port 102 (P1) and the second input port 104 (P2) is 1. do.
  • the beam directivity of the antenna array 200 becomes + 45 ° as in FIG. 5 (1).
  • the beam of the antenna array 200 is applied.
  • Directivity becomes + 40 ° (2).
  • an input power having a size of 0.8 is applied to the first input port 102 (P1) and an input power having a size of 0.2 is applied to the second input port 104 (P2), the antenna array 200 is applied.
  • the beam directivity of is + 34 ° (3).
  • the antenna array 200 when the input power of size 0.7 is applied to the first input port 102 (P1) and the input power of size 0.3 is applied to the second input port 104 (P2), the antenna array 200 The beam directivity of is + 25 ° (4). In addition, when the input power having a size of 0.6 is applied to the first input port 102 (P1) and the input power having a size of 0.4 is applied to the second input port 104 (P2), the antenna array 200 is applied. The beam directivity of is + 14 ° (5). In addition, when the input power having a size of 0.5 is applied to the first input port 102 (P1) and the input power having a size of 0.5 is applied to the second input port 104 (P2), the antenna array 200 is applied. The beam directivity of is 0 ° (6).
  • the antenna array 200 is applied.
  • the beam directivity of is-14 ° (7).
  • the antenna array 200 is applied.
  • the beam directivity of is -25 ° (8).
  • the antenna array 200 is applied.
  • the beam directivity of is -34 ° (9).
  • the antenna array 200 is applied.
  • the beam directivity is -40 °.
  • the beam directivity of the antenna array 200 becomes -45 ° as shown in FIG.
  • the beam directivity of the antenna array 200 is + 45 ° and -45. It can be adjusted freely between °.
  • the beam directivity of the antenna array 200 is -45 ° and -135 °. It can be adjusted freely between.
  • the beam directivity of the antenna array 200 is -135 ° and + 135 °. It can be adjusted freely between.
  • the ratio of power input to the fourth input port 108 (P4) and the first input port 102 (P1), respectively the beam directivity of the antenna array 200 is + 135 ° and + 45 °. It can be adjusted freely between.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a beam pattern of the antenna array 200 according to an embodiment of the present invention.
  • a beam pattern of the antenna array 200 is formed in a + 45 ° direction (a).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in the 0 ° direction (b).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in the ⁇ 45 ° direction (c).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in the ⁇ 90 ° direction (d).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in the direction of ⁇ 135 ° (e).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in the + 180 ° direction (f).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in a direction of + 135 ° (g).
  • the beam pattern of the antenna array 200 is formed in the + 90 ° direction (h).
  • the directivity of the antenna array 200 can be adjusted within 360 degrees without a separate phase shifter.
  • the directivity of the antenna array 200 can be adjusted within 360 degrees without a separate phase shifter.

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Abstract

빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템이 개시된다. 예시적인 실시예에 따른 빔 포밍 장치는, 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서, 입력 전원이 입력되는 복수 개의 입력 포트, 입력 단자가 입력 포트와 연결되는 적어도 하나의 하이브리드 커플러, 및 복수 개의 입력 포트 중 적어도 2개의 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하고, 전원 공급부는, 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절한다.

Description

빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템
본 발명의 실시예는 빔 포밍(Beam Forming) 기술과 관련된다.
빔 포밍은 안테나의 방향성을 강화시켜 낮은 전력으로 잡음에 강하면서 고속의 무선 통신을 가능하게 하는 안테나 기술이다. 빔 포밍 기술에는 디지털 방식 및 아날로그 방식이 있으며, 이 중 아날로그 방식에서는 빔 조향을 위해 별도의 위상 쉬프터(Phase Shifter)를 사용하게 된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 한국공개특허공보 제10-2016-0147499호(2016.12.23)
(특허문헌 0002) 한국등록특허공보 제10-1045343호(2011.06.30)
본 발명의 실시예는 별도의 위상 쉬프터 없이 전방향의 지향성을 가지는 빔 포밍 장치 및 이를 구비하는 안테나 시스템을 제공하기 위한 것이다.
개시되는 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치는, 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서, 입력 전원이 입력되는 복수 개의 입력 포트; 입력 단자가 상기 입력 포트와 연결되는 적어도 하나의 하이브리드 커플러; 및 상기 복수 개의 입력 포트 중 적어도 2개의 입력 포트로 상기 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하고, 상기 전원 공급부는, 상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절할 수 있다.
상기 하이브리드 커플러는, 2개의 입력 단자를 각각 구비하고, 상기 2개의 입력 단자가 상기 복수 개의 입력 포트들 중 2개의 입력 포트와 각각 연결되는 적어도 하나의 입력 측 하이브리드 커플러; 및 상기 입력 측 하이브리드 커플러와 상기 안테나 어레이 사이에 마련되고, 상기 입력 측 하이브리드 커플러로부터 출력되는 전원을 상기 안테나 어레이로 공급하는 적어도 하나의 출력 측 하이브리드 커플러를 포함할 수 있다.
개시되는 다른 실시예에 따른 빔 포밍 장치는, 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서, 제1 입력 단자에 제1 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제2 입력 포트가 연결되는 제1 하이브리드 커플러; 제1 입력 단자에 제3 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제4 입력 포트가 연결되는 제2 하이브리드 커플러; 제1 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제1 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제2 출력 포트가 연결되는 제3 하이브리드 커플러; 제1 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제3 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제4 출력 포트가 연결되는 제4 하이브리드 커플러; 및 상기 제1 입력 포트 내지 제4 입력 포트들 중 적어도 2개의 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함한다.
상기 전원 공급부는, 상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절할 수 있다.
상기 제1 하이브리드 커플러 및 상기 제2 하이브리드 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 제1 방향을 따라 상호 이격하여 마련되고, 상기 제2 하이브리드 커플러 및 상기 제4 하이브리 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 상호 이격하여 마련되며, 상기 제1 방향의 중심축인 제1 축을 기준으로 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트와 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트가 상호 대칭하여 마련되고, 상기 제2 방향의 중심축인 제2 축을 기준으로 상기 제1 출력 포트 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 출력 포트 및 상기 제4 출력 포트가 상호 대칭하여 마련될 수 있다.
상기 제3 출력 포트는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 포함하는 좌표계의 제1 사분면에 위치하고, 상기 제4 출력 포트는 상기 좌표계의 제2 사분면에 위치하며, 상기 제1 출력 포트는 상기 좌표계의 제3 사분면에 위치하고, 상기 제2 출력 포트는 상기 좌표계의 제4 사분면에 위치할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기시키고, 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 45°와 - 45°사이에서 조절할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기시키고, 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 45°와 - 135°사이에서 조절할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기시키고, 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 135°와 + 135°사이에서 조절할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 입력 전원을 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기시키고, 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 135°와 + 45°사이에서 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 입력 전원을 복수 개의 입력 포트들 중 적어도 2개의 입력 포트로 동시에 입력하면서 그 전원 비율을 조정함으로써, 별도의 위상 쉬프터 없이도 안테나 어레이의 지향성을 360도 전 방향 내에서 조절할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치의 구성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템의 구성을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치에서 제1 입력 포트 내지 제4 입력 포트에 순차적으로 입력 전원을 선택적 인가하였을 때, 제1 출력 포트 내지 제4 출력 포트의 출력 신호 및 안테나 어레이의 빔 지향성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치에서 제1 입력 포트 및 제2 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 인가할 때, 제1 출력 포트 내지 제4 출력 포트의 출력 신호 및 안테나 어레이의 빔 지향성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이의 빔 패턴을 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
한편, 상측, 하측, 일측, 타측 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 하이브리드 커플러(10)는 제1 입력 단자(10a), 제2 입력 단자(10b), 제1 출력 단자(10c), 및 제2 출력 단자(10d)를 포함할 수 있다. 제1 입력 단자(10a) 및 제2 입력 단자(10b)는 상하 대칭하여 형성되고, 제1 출력 단자(10c) 및 제2 출력 단자(10d)는 상하 대칭하여 형성될 수 있다. 여기서, 제1 입력 단자(10a)로 신호가 입력되고, 제2 입력 단자(10b)는 아이솔레이션(Isolation) 될 수 있다.
제1 입력 단자(10a)로 신호 크기가 A이고, 위상이 0°인 신호(A∠0)가 입력되는 경우, 제1 입력 단자(10a)와 직선 방향에 위치한 제1 출력 단자(10c)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 0°인 신호(2/A∠0)가 출력된다. 제1 입력 단자(10a)와 대각선에 위치한 제2 출력 단자(10d)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 -90°인 신호(2/A∠-90)가 출력된다. 즉, 제1 입력 단자(10a)로 입력된 신호(A∠0)는 하이브리드 커플러(10) 내에서 제1 출력 단자(10c) 및 제2 출력 단자(10d)로 분기되면서 크기가 1/2로 줄어들게 된다. 그리고, 제1 출력 단자(10c) 및 제2 출력 단자(10d)로 분기된 신호 간에는 위상차가 90°발생하게 된다.
도 1의 (b)는 제1 입력 단자(10a)가 아이솔레이션 되고, 제2 입력 단자(10b)로 신호 크기가 B이고, 위상이 0°인 신호(B∠0)가 입력되는 경우이다. 그러면, 제2 입력 단자(10b)와 직선 방향에 위치한 제2 출력 단자(10d)로는 신호 크기가 2/B이고 위상이 0°인 신호(2/B∠0)가 출력된다. 제2 입력 단자(10b)와 대각선에 위치한 제1 출력 단자(10c)로는 신호 크기가 2/B이고 위상이 -90°인 신호(2/B∠-90)가 출력된다.
이와 같이, 일반적인 하이브리드 커플러(10)는 제1 입력 단자(10a) 및 제2 입력 단자(10b) 중 어느 하나로 신호가 입력되고, 다른 하나는 아이솔레이션 되어 마련되게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 커플러의 입출력 관계를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 커플러(20)는 제1 입력 단자(20a), 제2 입력 단자(20b), 제1 출력 단자(20c), 및 제2 출력 단자(20d)를 포함할 수 있다. 제1 입력 단자(20a) 및 제2 입력 단자(20b)는 상하 대칭하여 형성되고, 제1 출력 단자(20c) 및 제2 출력 단자(20d)는 상하 대칭하여 형성될 수 있다. 여기서, 제1 입력 단자(20a) 및 제2 입력 단자(20b)로 각각 신호가 입력될 수 있다.
구체적으로, 제1 입력 단자(20a)로 신호 크기가 A이고, 위상이 0°인 신호(A∠0)가 입력되고, 제2 입력 단자(20b)로 신호 크기가 B이고, 위상이 0°인 신호(B∠0)가 입력될 수 있다. 그러면, 제1 출력 단자(20c)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 0°인 제1 신호(2/A∠0) 및 신호 크기가 2/B이고 위상이 -90°인 제2 신호(2/B∠-90)가 합성된 신호가 출력된다. 그리고, 제2 출력 단자(20d)로는 신호 크기가 2/A이고 위상이 -90°인 제3 신호(2/A∠-90) 및 신호 크기가 2/B이고 위상이 0°인 제4 신호(2/B∠0)가 합성된 신호가 출력된다.
즉, 제1 입력 단자(20a)로 입력된 신호(A∠0) 및 제2 입력 단자(20b)로 입력된 신호(B∠0)는 각각 하이브리드 커플러(20) 내에서 제1 출력 단자(20c) 및 제2 출력 단자(20d)로 분기되면서 크기가 1/2로 줄어들게 된다. 그리고, 제1 출력 단자(20c) 및 제2 출력 단자(20d)로 분기된 신호 간에는 위상차가 90°발생하게 된다.
이하에서는, 상기 하이브리드 커플러(20)를 기반으로 360도 전 방향으로 빔 포밍이 가능한 빔 포밍 장치 및 이를 구비한 안테나 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 안테나 시스템(50)은 빔 포밍 장치(100) 및 안테나 어레이(200)를 포함할 수 있다. 여기서, 안테나 어레이(200)는 2×2 안테나 어레이인 것을 일 실시예로 설명하기로 한다. 즉, 안테나 어레이(200)는 기판(202), 제1 안테나(204), 제2 안테나(206), 제3 안테나(208), 및 제4 안테나(210)를 포함할 수 있다. 제1 안테나(204) 내지 제4 안테나(210)는 기판(202) 상에 좌우 상하 대칭 형태로 배열되어 형성될 수 있다. 여기서는, 제1 안테나(204) 내지 제4 안테나(210)가 다이폴 안테나인 것으로 도시하였으나, 안테나의 형태 및 종류는 이에 한정되지 않으며 다양한 형태 및 종류의 안테나가 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 여기서는 안테나 어레이(200)는 2×2 안테나 어레이인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 여러 배열 및 개수의 안테나를 포함하는 안테나 어레이에 적용될 수 있음은 물론이다.
빔 포밍 장치(100)는 안테나 어레이(200)의 빔 포밍(Beam Forming)을 위한 구성이다. 빔 포밍 장치(100)는 제1 입력 포트(102), 제2 입력 포트(104), 제3 입력 포트(106), 제4 입력 포트(108), 제1 출력 포트(110), 제2 출력 포트(112), 제3 출력 포트(114), 제4 출력 포트(116), 제1 하이브리드 커플러(118), 제2 하이브리드 커플러(120), 제3 하이브리드 커플러(122), 및 제4 하이브리드 커플러(124)를 포함할 수 있다.
제1 입력 포트(102)는 제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 입력 단자(118a)에 연결될 수 있다. 제2 입력 포트(104)는 제1 하이브리드 커플러(118)의 제2 입력 단자(118b)에 연결될 수 있다. 제3 입력 포트(106)는 제2 하이브리드 커플러(120)의 제1 입력 단자(120a)에 연결될 수 있다. 제4 입력 포트(108)는 제2 하이브리드 커플러(120)의 제2 입력 단자(120b)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108)는 전원 공급부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 출력 포트(110)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제1 출력 단자(122c)에 연결될 수 있다. 제2 출력 포트(112)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제2 출력 단자(122d)에 연결될 수 있다. 제3 출력 포트(114)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제1 출력 단자(124c)에 연결될 수 있다. 제4 출력 포트(116)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제2 출력 단자(124d)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 출력 포트(110)는 제1 안테나(204)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 출력 포트(112)는 제2 안테나(206)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 출력 포트(114)는 제3 안테나(208)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제4 출력 포트(116)는 제4 안테나(210)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 출력 단자(118c)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제1 입력 단자(122a)와 연결될 수 있다. 제1 하이브리드 커플러(118)의 제2 출력 단자(118d)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제2 입력 단자(124b)와 연결될 수 있다. 제2 하이브리드 커플러(120)의 제1 출력 단자(120c)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제1 입력 단자(124a)에 연결될 수 있다. 제2 하이브리드 커플러(120)의 제2 출력 단자(120d)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제2 입력 단자(122b)와 연결될 수 있다.
여기서, 안테나 어레이(200)를 동작시키기 위한 입력 전원은 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 적어도 2개의 입력 포트로 동시에 입력될 수 있다. 즉, 전원 공급부(미도시)로부터 공급되는 입력 전원은 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 적어도 2개의 입력 포트로 분기되어 입력될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 입력 전원의 일부는 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 어느 하나로 입력되고, 입력 전원의 나머지는 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 다른 하나로 입력될 수 있다. 이로써, 안테나 어레이(200)의 지향성을 360도 전 방향 내에서 조절할 수 있게 된다.
구체적으로, 빔 포밍 장치(100)에서 제1 방향(예를 들어, 길이 방향)의 중심축을 제1 축(즉, x축)이라 하고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(예를 들어, 폭 방향)의 중심축을 제2 축(즉, y축)이라고 한다. 여기서, 제1 입력 포트(102) 및 제2 입력 포트(104)와 제3 입력 포트(106) 및 제4 입력 포트(108)는 제1 축을 중심으로 상호 대칭하여 마련될 수 있다. 또한, 제1 출력 포트(110) 및 제2 출력 포트(112)와 제3 출력 포트(114) 및 제4 출력 포트(116)는 제2 축을 중심으로 상호 대칭하여 마련될 수 있다.
또한, 제1 축을 중심으로 반시계 방향으로 제3 출력 포트(114)는 제1 사분면에 위치하고, 제4 출력 포트(116)는 제2 사분면에 위치하며, 제1 출력 포트(110)는 제3 사분면에 위치하고, 제2 출력 포트(112)는 제4 사분면에 위치하게 된다. 여기서, 제1 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 0°~ + 90°(즉, -270°~ 0°)인 영역을 의미할 수 있다. 제2 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 + 90°~ + 180°(즉, - 180°~ - 270°)인 영역을 의미할 수 있다. 제3 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 + 180°~ + 270°(즉, - 90°~ - 180°)인 영역을 의미할 수 있다. 제4 사분면은 안테나 어레이(200)의 지향성이 + 270°~ 0°(즉, 0°~ - 90°)인 영역을 의미할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치(100)에서 제1 입력 포트(102)(P1) 내지 제4 입력 포트(108)(P4)에 순차적으로 입력 전원을 선택적 인가하였을 때, 제1 출력 포트(110)(P5) 내지 제4 출력 포트(116)(P8)의 출력 신호 및 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 입력 포트(102)(P1)에만 입력 전원을 인가한 경우, 입력 전원 신호(예를 들어, 크기가 1이고 위상이 0°인 신호, 1∠0)는 제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 입력 단자(118a)로 입력되고, 제1 하이브리드 커플러(118) 내에서 분기되어 제1 출력 단자(118c) 및 제2 출력 단자(118d)로 각각 출력된다. 이때, 입력 전원 신호의 크기는 절반(1/2)으로 줄어들게 되며, 제1 출력 단자(118c)로 출력되는 신호는 위상이 0°가 되고(즉, 0.5∠0), 제2 출력 단자(118c)로 출력되는 신호는 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.5∠- 90).
그리고, 제1 하이브리드 커플러(118)의 제1 출력 단자(118c)로 출력된 신호(즉, 0.5∠0)는 제3 하이브리드 커플러(122)의 제1 입력 단자(122a)로 입력되며, 제3 하이브리드 커플러(122) 내에서 분기되어 제1 출력 단자(122c) 및 제2 출력 단자(122d)로 각각 출력된다. 이때, 입력 전원 신호의 크기는 다시 절반으로 줄어들게 되며, 제1 출력 단자(122c)로 출력되는 신호(즉, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호)는 위상이 0°가 되고(즉, 0.25∠0), 제2 출력 단자(122c)로 출력되는 신호(즉, 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호)는 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.25∠- 90).
또한, 제1 하이브리드 커플러(118)의 제2 출력 단자(118d)로 출력된 신호(즉, 0.5∠- 90)는 제4 하이브리드 커플러(124)의 제2 입력 단자(124b)로 입력되며, 제4 하이브리드 커플러(124) 내에서 분기되어 제1 출력 단자(124c) 및 제2 출력 단자(124d)로 각각 출력된다. 이때, 입력 전원 신호의 크기는 다시 절반으로 줄어들게 되며, 제1 출력 단자(124c)로 출력되는 신호(즉, 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호)는 위상이 - 180°가 되고(즉, 0.25∠-180), 제2 출력 단자(124c)로 출력되는 신호(즉, 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호)는 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.25∠- 90). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제3 출력 포트(114) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제1 사분면의 정대각선 방향(즉, 45°)이 된다.
또한, 제2 입력 포트(104)(P2)에만 입력 전원을 인가한 경우, 앞에서 설명한 바와 유사한 방식으로, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되고(즉, 0.25∠-90), 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 -180°가 되며(즉, 0.25∠-180), 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되며(즉, 0.25∠-90), 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 0°가 된다(즉, 0.25∠0). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제2 출력 포트(112) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제4 사분면의 정대각선 방향(즉, -45 °)이 된다.
또한, 제3 입력 포트(106)(P3)에만 입력 전원을 인가한 경우, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 180°가 되고(즉, 0.25∠-180), 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 -90°가 되며(즉, 0.25∠-90), 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 0°가 되며(즉, 0.25∠0), 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 된다(즉, 0.25∠-90). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제1 출력 포트(110) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제3 사분면의 정대각선 방향(즉, -135 °)이 된다.
또한, 제4 입력 포트(108)(P4)에만 입력 전원을 인가한 경우, 제1 출력 포트(110)(P5)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되고(즉, 0.25∠-90), 제2 출력 포트(112)(P6)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 0°가 되며(즉, 0.25∠0), 제3 출력 포트(114)(P7)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 90°가 되며(즉, 0.25∠-90), 제4 출력 포트(116)(P8)로 입력되는 신호는 크기가 1/4, 위상이 - 180°가 된다(즉, 0.25∠-180). 이 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제4 출력 포트(116) 측을 향하게 된다. 보다 자세하게는, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 제2 사분면의 정대각선 방향(즉, 135 °)이 된다.
이와 같이, 빔 포밍 장치(100)에서 제1 입력 포트(102)(P1) 내지 제4 입력 포트(108)(P4)에 순차적으로 입력 전원을 선택적 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 45°, -45°, -135°, +135°중 어느 하나가 되게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 장치(100)에서 제1 입력 포트(102)(P1) 및 제2 입력 포트(104)(P2)로 입력 전원을 분기하여 인가할 때, 제1 출력 포트(110)(P5) 내지 제4 출력 포트(116)(P8)의 출력 신호 및 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 나타낸 도면이다.
여기서는, 입력 전원 신호의 크기를 1이라고 하였을 때, 제1 입력 포트(102)(P1)로는 입력 전원 신호의 크기를 0.1씩 줄여가면서 입력하고, 제2 입력 포트(104(P2)로는 입력 전원 신호의 크기를 0.1씩 증가시키면서 입력하는 경우를 살펴보기로 한다. 이때, 제1 입력 포트(102)(P1)와 제2 입력 포트(104)(P2)로 입력되는 전원의 크기의 합은 1이 된다.
도 6을 참조하면, 제1 입력 포트(102)(P1)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하는 경우, 도 5에서와 같이 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 45°가 된다(①). 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.9인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.1인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 40°가 된다(②). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.8인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.2인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 34°가 된다(③). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.7인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.3인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 25°가 된다(④). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.6인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.4인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 + 14°가 된다(⑤). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 0°가 된다(⑥).
또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.4인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.6인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 14°가 된다(⑦). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.3인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.7인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 25°가 된다(⑧). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.2인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.8인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 34°가 된다(⑨). 또한, 제1 입력 포트(102)(P1)로 크기가 0.1인 입력 전원을 인가하고, 제2 입력 포트(104)(P2)로 크기가 0.9인 입력 전원을 인가하는 경우, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 40°가 된다(⑩). 또한, 제2 입력 포트(104)(P2)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하는 경우, 도 5에서와 같이 안테나 어레이(200)의 빔 지향성은 - 45°가 된다(⑪).
이와 같이, 제1 입력 포트(102)(P1) 및 제2 입력 포트(104)(P2)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정함으로써, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 + 45°와 - 45°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 마찬가지로, 제2 입력 포트(104)(P2) 및 제3 입력 포트(106)(P3)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정하면, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 - 45°와 - 135°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 또한, 제3 입력 포트(106)(P3) 및 제4 입력 포트(108)(P4)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정하면, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 - 135°와 + 135°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 또한, 제4 입력 포트(108)(P4) 및 제1 입력 포트(102)(P1)로 각각 입력되는 전원의 비율을 조정하면, 안테나 어레이(200)의 빔 지향성을 + 135°와 + 45°사이에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이(200)의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 입력 포트(102)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 45°방향으로 형성된다(a). 제1 입력 포트(102) 및 제2 입력 포트(104)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 0°방향으로 형성된다(b). 제2 입력 포트(104)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 - 45°방향으로 형성된다(c). 제2 입력 포트(104) 및 제3 입력 포트(106)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 - 90°방향으로 형성된다(d). 제3 입력 포트(104)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 - 135°방향으로 형성된다(e). 제3 입력 포트(106) 및 제4 입력 포트(108)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔패턴은 + 180°방향으로 형성된다(f). 제4 입력 포트(108)로만 크기가 1인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 135°방향으로 형성된다(g). 제1 입력 포트(102) 및 제4 입력 포트(108)로 각각 크기가 0.5인 입력 전원을 인가하면, 안테나 어레이(200)의 빔 패턴은 + 90°방향으로 형성된다(h).
본 발명의 실시예에 의하면, 입력 전원을 제1 입력 포트(102) 내지 제4 입력 포트(108) 중 적어도 2개의 입력 포트로 동시에 입력하면서 그 전원 비율을 조정(즉, 입력 전력비를 조정)함으로써, 별도의 위상 쉬프터 없이도 안테나 어레이(200)의 지향성을 360도 전 방향 내에서 조절할 수 있게 된다. 여기서, 입력 포트 간의 입력 전력비만 조정하면 되므로, 빔 포밍 시스템을 간소화 하면서도 모든 방향으로의 빔 조향이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
[부호의 설명]
50 : 안테나 시스템
100 : 빔 포밍 장치
102 : 제1 입력 포트
104 : 제2 입력 포트
106 : 제3 입력 포트
108 : 제4 입력 포트
110 : 제1 출력 포트
112 : 제2 출력 포트
114 : 제3 출력 포트
116 : 제4 출력 포트
118 : 제1 하이브리드 커플러
120 : 제2 하이브리드 커플러
122 : 제3 하이브리드 커플러
124 : 제4 하이브리드 커플러
200 : 안테나 어레이
202 : 기판
204 : 제1 안테나
206 : 제2 안테나
208 : 제3 안테나
210 : 제4 안테나

Claims (11)

  1. 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서,
    입력 전원이 입력되는 복수 개의 입력 포트;
    입력 단자가 상기 입력 포트와 연결되는 적어도 하나의 하이브리드 커플러;및
    상기 복수 개의 입력 포트 중 적어도 2개의 입력 포트로 상기 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하고,
    상기 전원 공급부는, 상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는, 빔 포밍 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 커플러는,
    2개의 입력 단자를 각각 구비하고, 상기 2개의 입력 단자가 상기 복수 개의 입력 포트들 중 2개의 입력 포트와 각각 연결되는 적어도 하나의 입력 측 하이브리드 커플러; 및
    상기 입력 측 하이브리드 커플러와 상기 안테나 어레이 사이에 마련되고, 상기 입력 측 하이브리드 커플러로부터 출력되는 전원을 상기 안테나 어레이로 공급하는 적어도 하나의 출력 측 하이브리드 커플러를 포함하는, 빔 포밍 장치.
  3. 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는 빔 포밍 장치로서,
    제1 입력 단자에 제1 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제2 입력 포트가 연결되는 제1 하이브리드 커플러;
    제1 입력 단자에 제3 입력 포트가 연결되고, 제2 입력 단자에 제4 입력 포트가 연결되는 제2 하이브리드 커플러;
    제1 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제1 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제2 출력 포트가 연결되는 제3 하이브리드 커플러;
    제1 입력 단자가 상기 제2 하이브리드 커플러의 제1 출력 단자와 연결되고, 제2 입력 단자가 상기 제1 하이브리드 커플러의 제2 출력 단자와 연결되며, 제1 출력 단자에 제3 출력 포트가 연결되고, 제2 출력 단자에 제4 출력 포트가 연결되는 제4 하이브리드 커플러; 및
    상기 제1 입력 포트 내지 제4 입력 포트들 중 적어도 2개의 입력 포트로 입력 전원을 분기하여 공급할 수 있도록 마련되는 전원 공급부를 포함하는, 빔 포밍장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 적어도 2개의 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 조절하는, 빔 포밍 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 하이브리드 커플러 및 상기 제2 하이브리드 커플러는 상기 빔 포밍장치의 제1 방향을 따라 상호 이격하여 마련되고,
    상기 제2 하이브리드 커플러 및 상기 제4 하이브리 커플러는 상기 빔 포밍 장치의 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 상호 이격하여 마련되며,
    상기 제1 방향의 중심축인 제1 축을 기준으로 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트와 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트가 상호 대칭하여 마련되고,
    상기 제2 방향의 중심축인 제2 축을 기준으로 상기 제1 출력 포트 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 출력 포트 및 상기 제4 출력 포트가 상호 대칭하여 마련되는, 빔 포밍 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 출력 포트는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 포함하는 좌표계의 제1 사분면에 위치하고, 상기 제4 출력 포트는 상기 좌표계의 제2 사분면에 위치하며, 상기 제1 출력 포트는 상기 좌표계의 제3 사분면에 위치하고, 상기 제2 출력 포트는 상기 좌표계의 제4 사분면에 위치하는, 빔 포밍 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기시키고, 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 45°와 - 45°사이에서 조절하는, 빔 포밍 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기시키고, 상기 제2 입력 포트 및 상기 제3 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 45°와 - 135°사이에서 조절하는, 빔포밍 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기시키고, 상기 제3 입력 포트 및 상기 제4 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 - 135°와 + 135°사이에서 조절하는, 빔포밍 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 입력 전원을 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기시키고, 상기 제4 입력 포트 및 상기 제1 입력 포트로 분기되는 입력 전원의 전력비를 조절하여 상기 안테나 어레이의 빔 지향성을 + 135°와 + 45°사이에서 조절하는, 빔포밍 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 하나의 항에 기재된 빔 포밍 장치; 및
    상기 빔 포밍 장치와 연결되고, 상기 빔 포밍 장치에 의해 빔 지향성이 조절되는 안테나 어레이를 포함하는, 안테나 시스템.
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