WO2019004542A1 - 렌즈를 포함하는 안테나 장치 및 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법 - Google Patents

렌즈를 포함하는 안테나 장치 및 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법 Download PDF

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lens
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electromagnetic waves
lens structure
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조동호
김윤식
성락주
노상미
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한국과학기술원
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Definitions

  • the following description relates to an antenna apparatus using a lens structure.
  • the major problem in integrated antennas for MIMO gain enhancement is the mutual interference between antennas in the antenna structure.
  • the mutual interference between the antennas becomes larger as the distance between physical antennas becomes closer. As the size increases, it becomes difficult for each antenna to transmit an independent signal.
  • a two-polarization dipole integrated antenna structure utilizing polarization characteristics has been proposed.
  • the technique described below is intended to provide a technique for increasing the channel capacity of an antenna apparatus using a lens structure.
  • An antenna apparatus including a lens includes a plurality of antenna units and a lens structure for changing the phase of an electromagnetic wave output from at least one of the plurality of antenna units.
  • the lens structure changes the phase so that the plurality of antenna units have different radiation patterns.
  • a communication method using a lens antenna includes a step in which a plurality of antenna units output an electromagnetic wave, a step in which each of the electromagnetic waves transmits a plurality of lens structures, and a step in which at least two electromagnetic waves out of the electromagnetic waves, As a communication channel.
  • the plurality of lens structures have different refractive indices.
  • a communication method using a lens antenna comprising: a step of outputting an initial electromagnetic wave from each of a plurality of antenna units; a step of transmitting a part of electromagnetic waves output from the plurality of antenna units through a lens structure; And using at least two electromagnetic waves among the electromagnetic waves whose phase has changed by transmitting the structure as a communication channel.
  • the technique described below applies a lens to the integrated antenna to suppress the correlation between the antennas to increase the channel capacity of the multi-antenna system.
  • the techniques described below can generate different channels using the same kind of antenna.
  • the techniques described below contribute to effective MIMO gain based on a simple integrated antenna.
  • 1 is an example of a conventional four-port integrated antenna.
  • Figure 2 is an example of a four port integrated antenna comprising a lens structure.
  • 3 is an example of an electromagnetic wave transmitted through a lens.
  • FIG. 4 is an example of a graph showing the relationship between the thickness of the lens structure and the degree of correlation of the radiation pattern.
  • FIG. 5 is an example of a graph showing the channel capacity of a four-port integrated antenna including a lens structure.
  • FIG. 6 is an example of a table analyzing the correlation of a four-port integrated antenna including a lens structure.
  • 9 is another example showing the arrangement of the lenses in the lens antenna.
  • first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, but may be used to distinguish one component from another .
  • the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
  • / or < / RTI &gt includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • each constituent part in this specification is merely a division by main functions of each constituent part. That is, two or more constituent parts to be described below may be combined into one constituent part, or one constituent part may be divided into two or more functions according to functions that are more subdivided.
  • each of the constituent units described below may additionally perform some or all of the functions of other constituent units in addition to the main functions of the constituent units themselves, and that some of the main functions, And may be carried out in a dedicated manner.
  • each of the processes constituting the method may take place differently from the stated order unless clearly specified in the context. That is, each process may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in the opposite order.
  • the techniques described below relate to an antenna arrangement comprising a lens structure.
  • the antenna apparatus described below basically includes a plurality of antenna units.
  • One antenna unit emits an electromagnetic wave having a predetermined radiation pattern.
  • the antenna apparatus described below has a structure in which a plurality of antenna units are integrated in one apparatus.
  • the antenna device described below may be a two-dimensional plane antenna or a three-dimensional antenna. However, for convenience of explanation, a description will be made mainly on a two-dimensional plane antenna.
  • FIG. 1 is an example of a conventional four port integrated antenna 50.
  • the antenna 50 includes a plurality of antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 .
  • the antenna 50 is formed by rotating the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 having a general deflection angle by 90 degrees.
  • the antenna units P 1 and P 3 are antennas (for example, V-pol antennas) having the same or similar polarization characteristics, and the antenna units P 2 and P 4 are antennas having the same or similar polarization characteristics to be.
  • the degree of correlation means the degree of correlation of the radiation pattern output from the antenna.
  • Highly correlated antenna units e.g., P 1 and P 3 ) reduce the rank of the channel matrix. Therefore, the antenna 50 having such an antenna unit is not assured of independence between signals, and it is difficult to obtain multiple gains.
  • FIG. 2 is an example of a four port integrated antenna 100 including a lens structure.
  • the antenna 100 includes a plurality of antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 .
  • the antenna 100 is a four-port integrated antenna having a structure similar to the antenna 50 of FIG.
  • the antenna 100 further includes a lens structure 150.
  • the lens structure 150 is a dielectric having a specific dielectric constant value.
  • the lens structure 150 is preferably a dielectric having at least one of a permittivity or a permeability of a certain value or more.
  • the lens structure 150 may have various shapes.
  • the lens structure 150 may be a planar form (substrate) having a constant thickness.
  • the antenna including the lens structure is referred to as a lens antenna.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 emit electromagnetic waves. The electromagnetic wave emitted by the antenna unit is transmitted through the lens structure 150.
  • the antenna 100 has a structure in which only electromagnetic waves emitted by some of the antenna units P 3 and P 4 pass through the lens structure 150.
  • the lens structure 150 is disposed at a position where only the electromagnetic waves emitted from the antenna units P 3 and P 4 are transmitted.
  • FIG. 3 is an example of an electromagnetic wave transmitted through a lens.
  • FIG. 3 shows an example of electromagnetic waves emitted from the antenna units P 1 and P 3 in the antenna 100 of FIG. It is presumed that the antenna units P 1 and P 3 are basically outputting electromagnetic waves E 1 having the same radiation pattern.
  • the transmitted signal includes not only the size but also the phase information.
  • the correlation coefficient ( ⁇ ) defined by correlation between the antenna radiation patterns is decreased as shown in the following Equation 1, and the antenna correlation is decreased. This, in turn, improves the rank of the channel matrix H, including inter-antenna interference, and improves channel capacity.
  • the antenna unit P 1 outputs an electromagnetic wave having a wavelength of a length d 1 .
  • the antenna unit P 3 also outputs an electromagnetic wave having a wavelength of a length d 1 .
  • Antenna unit (P 3) placing a lens structure 150 in front of, that of the electromagnetic wave signal to the antenna unit (P 3) occur when override the electrical losses of the lens and being affected by the lens structure 150, the thickness of the electromagnetic wave The phase information changes.
  • the electromagnetic wave output by the antenna unit P 3 is slowed in the lens structure 150.
  • the electromagnetic wave E 3 transmitted through the lens structure 150 has a constant phase difference ⁇ with respect to the electromagnetic wave E 1 emitted by the antenna unit P 1 .
  • the antenna 100 uses the lens structure 150 to increase the channel capacity by lowering the correlation between the antenna units (for example, P 1 and P 3 ).
  • the relationship between the radiation patterns emitted by the antenna units changes as the thickness of the lens structure 150 having a constant dielectric constant changes in the antenna 100 Change.
  • 4 is an example of a graph showing the relationship between the thickness of the lens structure 150 and the degree of correlation of the radiation pattern. As the thickness of the lens structure 150 becomes thicker, the effect of decreasing the degree of correlation becomes larger. This is because as the thickness of the lens structure 150 increases, the phase information of the electromagnetic wave transmitted through the lens structure 150 is further changed.
  • the material constituting the lens structure 150 affects the correlation of the radiation pattern. For example, if the refractive index of the dielectric constituting the lens structure 150 is increased, the degree of correlation of the radiation pattern may decrease in proportion to the refractive index. In summary, the material and thickness of the lens structure 150 influence the reduction of the correlation of the radiation pattern.
  • 5 is an example of a graph showing the channel capacity of a four-port integrated antenna including a lens structure. 5 shows the degree of channel capacity increase due to the decrease in correlation.
  • full scattering and NLOS (Non-Line-of-Sight) environment are assumed.
  • the entire channel matrix H can be expressed by the following equation (2).
  • FIG. 6 is an example of a table analyzing the correlation of a four-port integrated antenna including a lens structure.
  • FIG. 6 is an example of analyzing the correlation between the antenna 100 including the lens structure and the conventional antenna 50.
  • FIG. It is assumed that the lens antenna 100 uses a 3-cm-thick FR-4 substrate as a lens. 6 shows the absolute value of the correlation matrix R t for the conventional antenna 50 and the lens antenna 100. And also shows the eigenvalues of singular value decomposition of the correlation matrix. Referring to FIG. 6, it can be seen that the degree of correlation of the lens antenna 100 is significantly lower than that of the conventional antenna 50.
  • the lens antenna uses the lens structure to change the phase information of the electromagnetic wave output from the antenna unit. Thereby increasing the channel capacity of the integrated antenna. Increasing the channel capacity has two aspects. One is to add channels by making different radiation patterns emitted by a plurality of antenna units. The other is to reduce the interference of the electromagnetic waves emitted by the plurality of antenna units, thereby increasing the channel.
  • the antenna 200 of FIG. 7 (a) includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and a lens structure 250.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 may be antennas in which some antennas have the same or similar polarization characteristics as shown in FIG.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may be antennas in which some antennas have the same radiation pattern as each other.
  • the antenna units P 1 and P 3 may have the same polarization pattern or radiation pattern.
  • the antenna units P 2 and P 4 may have the same polarization pattern or radiation pattern.
  • the lens structure 250 can be applied only to the antenna units P 3 and P 4 .
  • the lens structure 250 has an arrangement in which only the electromagnetic waves of the antenna units P 3 and P 4 are transmitted.
  • the correlation between the antenna units P 1 and P 3 (or the antenna units P 2 and P 4 ) decreases and the channel capacity increases.
  • the antenna units P 1 and P 3 emit electromagnetic waves of the first radiation pattern and the antenna units P 2 and P 4 emit electromagnetic waves of the second radiation pattern.
  • the antenna 200 changes the radiation pattern emitted by the antenna units P 3 and P 4 through the lens structure 250. Therefore, the radiation patterns of the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 have a low correlation with each other.
  • the antenna 300 of FIG. 7 (b) includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and two lens structures 351 and 352.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 may be antennas in which some antennas have the same or similar polarization characteristics as shown in FIG.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may be antennas in which some antennas have the same radiation pattern as each other.
  • the antenna units P 1 and P 3 may have the same polarization pattern or radiation pattern.
  • the antenna units P 2 and P 4 may have the same polarization pattern or radiation pattern.
  • the antenna 300 applies different lens structures 351 and 352 to the antenna units P 1 and P 2 and P 3 and P 4 , respectively.
  • the lens structure 351 and the lens structure 352 are structures having different refractive indices.
  • the lens structures 351 and 352 change the phase information of the electromagnetic waves of the antenna units " P 1 / P 2 " and " P 3 / P 4 " Therefore, the antenna 300 having such a structure decreases the correlation between the antenna units P 1 and P 3 (or the antenna units P 2 and P 4 ), thereby increasing the channel capacity.
  • the antenna 400 of Fig. 7 (c) includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and three lens structures 451, 452 and 453.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may all have the same or similar polarization characteristics. Or the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 may all have the same or similar radiation pattern.
  • the antenna 300 applies different lens structures 451, 452 and 453 to the antenna units P 1 , P 3 and P 4 , respectively.
  • Each lens structure 451, 452, or 453 is a structure having different refractive indices. That is, the lens structures 451, 452, or 453 change phase information of the electromagnetic waves of the antenna units "P 1 ", "P 3 ", and “P 4 ", respectively.
  • the antenna 400 having such a structure reduces the correlation between all of the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 .
  • the antenna 500 of FIG. 7 (d) includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and four lens structures 551, 552, 553 and 554.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may all have the same or similar polarization characteristics. Or the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 may all have the same or similar radiation pattern.
  • the antenna 300 applies different lens structures 551, 552, 553 and 554 to the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 , respectively.
  • Each lens structure 551, 552, 553, and 554 has a different refractive index structure.
  • the lens structures 551, 552, 553, and 554 change the phase information of the electromagnetic waves of the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4, respectively, differently.
  • the antenna 400 having such a structure reduces the correlation between all of the antenna units P 1 , P 2 , P 3, and P 4 .
  • the antenna 200, 300, 400 or 500 using the lens structure can minimize the interference of each antenna unit. Whereby the antenna 200, 300, 400 or 500 using the lens structure can increase the channel capacity. Further, the antenna 200, 300, 400 or 500 using the lens structure can use multiple channels using a radiation pattern having different characteristics. As shown in FIG. 7, if there are four antenna units, four channels can be used. An antenna 200, 300, 400, or 500 using a lens structure may transmit different packets to each of the four channels. Further, the antenna 200, 300, 400, or 500 using the lens structure may perform MIMO communication using four channels. If the antennas 200, 300, 400, or 500 shown in FIG. 7 are used for MIMO communication, the lens structure increases the MIMO gain by adding a relatively simple structure.
  • Fig. 8 is an example showing the arrangement of lenses in the lens antenna.
  • the lens structure may have various shapes. For convenience of explanation, it is assumed that it has the same planar structure as the substrate.
  • Fig. 8 shows one antenna unit and one lens structure for convenience of explanation.
  • the lens antenna 600 includes a substrate 611, an antenna unit 631, and a lens structure 651.
  • the antenna unit 631 is in the form of a plane stacked on the substrate 611.
  • the lens structure 651 is in the form of a plane stacked on the antenna unit 631.
  • the lens structure 651 may have an arrangement in contact with the antenna unit as shown in Fig. 8 (a).
  • the lens antenna 700 includes a substrate 711, an antenna unit 731, and a lens structure 751.
  • the antenna unit 631 is in the form of a plane stacked on the substrate 711.
  • the lens structure 751 has an arrangement spaced apart from the antenna unit 731 by a predetermined distance d as in Fig. 8 (a).
  • Various physical structures can be used to uniformly separate the antenna unit 731. For example, as shown in FIG. 8 (b), a structure like a column can support the lens structure 751.
  • the antenna may have a three-dimensional structure rather than a two-dimensional shape.
  • Fig. 9 is another example showing the arrangement of the lenses in the lens antenna 800.
  • Fig. 9 is an example of a three-dimensional antenna.
  • the lens antenna 800 is composed of a plurality of surfaces. One face A has a lens antenna structure similar to that of Fig. 7 (a).
  • the antenna units P 1 (812) and P 3 (815) may have the same polarization characteristic or radiation pattern.
  • the antenna units P 2 (813) and P 4 (814) may have the same polarization characteristic or radiation pattern.
  • the lens structure 816 can be applied only to the antenna units P 3 (815) and P 4 (814).
  • the lens structure 816 has an arrangement that only transmits the electromagnetic waves of the antenna units P 3 (815) and P 4 (814).
  • FIG. 9 shows only the antenna structure on one side for convenience of description.
  • the lens antenna 800 may have the same or similar structure in other respects.
  • the lens antenna 800 may have an antenna having the same structure on all sides.
  • the lens structure 800 may be applied to any one of the antennas having a high degree of interference in order to eliminate the interference generated due to the three-dimensional structure.
  • the above-described lens antenna greatly increases channel capacity especially in an environment with high MIMO gain (NLOS, high egg production rate).
  • the lens antenna increases the channel capacity through the simple structure of the lens structure.
  • the lens antenna allows the signal to be distinguished according to the phase information of the radiation pattern of the antenna unit.
  • the above-described lens antenna enables low-correlation antenna integration without changing physical characteristics such as the direction of the radiation pattern or the intensity of the signal.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

렌즈를 포함하는 안테나 장치는 복수의 안테나 유닛, 상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함한다. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.

Description

렌즈를 포함하는 안테나 장치 및 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조를 이용한 안테나 장치에 관한 것이다.
무선 통신 분야에서 채널 용량을 늘리기 위한 다양한 기법이 연구되었다. 전통적으로 채널의 개수를 늘리는 방법은 주파수 또는 시간을 분할하여 채널의 개수를 늘리는 방법이다. 나아가 동일한 주파수 대역에서 서로 다른 방사 패턴 또는 편파를 사용하여 채널 용량을 확대하는 방안이 제시되었다. 한편 서로 다른 채널을 이용하여 향상된 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 이득을 얻기 위한 다양한 연구도 진행되었다.
MIMO 이득 향상을 위한 집적 안테나에서 나타나는 주된 문제점은 안테나 구조에서 안테나 간 상호 간섭 신호이다. 안테나 간 상호 간섭은 물리적인 안테나 간 거리가 가까울수록 커지게 되며, 그 크기가 커질수록 각 안테나가 독립적인 신호를 보내기 어려워진다. MIMO 안테나에서 안테나 간 상호 간섭을 감소시키기 위하여 편파 특성을 활용한 2편파 다이폴 집적 안테나 구조 등이 제안된 바 있다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조를 이용하여 안테나 장치의 채널 용량을 늘리는 기법을 제공하고자 한다.
렌즈를 포함하는 안테나 장치는 복수의 안테나 유닛 및 상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함한다. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.
렌즈 안테나를 이용한 통신 방법은 복수의 안테나 유닛이 각각 전자기파를 출력하는 단계, 상기 전자기파가 각각 복수의 렌즈 구조물을 투과하는 단계 및 상기 복수의 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함한다. 상기 복수의 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는다.
다른 측면에서 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법은 복수의 안테나 유닛이 각각 초기 전자기파를 출력하는 단계, 상기 복수의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파 중 일부의 전자기파가 렌즈 구조물을 투과하는 단계 및 상기 초기 전자기파 및 상기 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 집적 안테나에 렌즈를 적용하여 안테나 사이의 상관도를 억제하여 다중 안테나 시스템의 채널 용량을 증가시킨다. 이하 설명하는 기술은 동일한 종류의 안테나를 사용하여 서로 다른 채널을 생성할 수 있다. 이하 설명하는 기술은 구조가 단순한 집적 안테나를 기반으로 효과적인 MIMO 이득에 기여한다.
도 1은 종래 4포트 집적 안테나의 예이다.
도 2는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 예이다.
도 3은 렌즈를 투과한 전자기파에 대한 예이다.
도 4는 렌즈 구조물의 두께와 방사패턴의 상관도 사이의 관계를 도시한 그래프의 예이다.
도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다.
도 6은 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 상관도를 분석한 테이블의 예이다.
도 7은 렌즈 안테나의 구조를 도시한 예이다.
도 8은 렌즈 안테나에서 렌즈의 배치를 도시한 예이다.
도 9는 렌즈 안테나에서 렌즈의 배치를 도시한 다른 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조물을 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다. 이하 설명하는 안테나 장치는 기본적으로 복수의 안테나 유닛을 포함한다. 하나의 안테나 유닛을 일정한 방사 패턴을 갖는 전자기파를 방출한다. 이하 설명하는 안테나 장치는 복수의 안테나 유닛을 하나의 장치에 집적한 구조를 갖는다. 이하 설명하는 안테나 장치는 2차원 평면 안테나 또는 3차원 안테나일 수 있다. 다만 설명의 편의를 위해 기본적으로 2차원 평면 안테나를 중심으로 설명하고자 한다.
도 1은 종래 4포트 집적 안테나(50)의 예이다. 안테나(50)는 복수의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)을 포함한다. 안테나(50)는 일반적인 편향각을 가진 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)을 90도씩 회전시킨 형태이다. 안테나 유닛 P1 및 P3는 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나(예컨대, V-pol 안테나)이고, 안테나 유닛 P2 및 P4는 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나(예컨대, H-pol 안테나)이다. 안테나(50)와 같은 집적 구조를 갖는 경우 편향각을 가지더라도 편파 성분에 의해 90도의 배치 간격을 갖는 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P2) 간의 상관도가 낮지만, 180도의 배치 간격을 가진 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P3) 간의 상관도는 상대적으로 크게 나타나게 된다. 여기서 상관도는 안테나가 출력하는 방사패턴의 상관도를 의미한다. 상관도가 높은 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P3)는 채널 매트릭스(Matrix)의 랭크(Rank)를 감소시킨다. 따라서 이러한 안테나 유닛을 갖는 안테나(50)는 신호 간 독립성이 보장되지 않아 다중 이득을 얻기가 어렵다.
도 2는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나(100)의 예이다. 안테나(100)는 복수의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)을 포함한다. 기본적으로 안테나(100)는 도 1의 안테나(50)와 유사한 구조를 갖는 4포트 집적 안테나이다.
나아가 안테나(100)는 렌즈 구조물(150)을 더 포함한다. 렌즈 구조물(150)은 특정한 유전율 값을 갖는 유전체이다. 렌즈 구조물(150)은 일정한 값 이상의 유전율 내지 투자율 중 적어도 하나를 갖는 유전체인 것이 바람직하다. 렌즈 구조물(150)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 렌즈 구조물(150)은 일정한 두께를 갖는 평면 형태(기판)일 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하 렌즈 구조물을 포함하는 안테나를 렌즈 안테나라고 명명하였다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 전자기파를 방출한다. 안테나 유닛이 방출한 전자기파는 렌즈 구조물(150)을 투과한다. 안테나(100)는 일부 안테나 유닛(P3 및 P4)이 방출한 전자기파만이 렌즈 구조물(150)을 투과하는 구조를 갖는다. 렌즈 구조물(150)은 안테나 유닛(P3 및 P4)이 방출하는 전자기파만을 투과하는 위치에 배치된다.
도 3은 렌즈를 투과한 전자기파에 대한 예이다. 도 3은 도 2의 안테나(100)에서 안테나 유닛(P1 및 P3)이 방출하는 전자기파에 대한 예를 도시한다. 안테나 유닛(P1 및 P3)은 기본적으로 동일한 방사 패턴을 갖는 전자기파(E1)를 출력한다고 전제한다.
전자기파 신호는 단순한 실수값이 아니라 복소수 신호 이므로 전달되는 신호는 크기뿐 아니라 위상 정보를 포함한다. 안테나의 위상 정보를 변화시키는 경우, 아래 수학식 1과 같이 안테나 방사패턴 간 상관도로 정의되는 상관 계수(Envelope correlation coefficient) ρ는 분자가 감소하게 되어 안테나 상관도가 감소하게 된다. 이는 결과적으로 안테나 간 간섭을 포함한 채널 매트릭스 H의 랭크를 향상시키고, 채널 용량을 향상시킨다.
Figure PCTKR2018000215-appb-M000001
안테나 유닛(P1)은 길이 d1의 파장을 갖는 전자기파를 출력한다. 안테나 유닛(P3)도 길이 d1의 파장을 갖는 전자기파를 출력한다. 안테나 유닛(P3)의 앞에 렌즈 구조물(150)을 배치하면, 렌즈의 전기적 손실을 무시할 때 안테나 유닛(P3)이 발생시키는 전자기파의 신호가 렌즈 구조물(150) 두께에 의해 영향을 받아 전자기파의 위상 정보가 변하게 된다. 안테나 유닛(P3)이 출력하는 전자기파는 렌즈 구조물(150)에서 속도가 느려진다. 따라서 결과적으로 렌즈 구조물(150)을 투과한 전자기파(E3)는 안테나 유닛(P1)이 방출하는 전자기파(E1)와 일정한 위상 차이(θ)를 갖게된다. 이를 통해 안테나(100)는 렌즈 구조물(150)을 이용하여 안테나 유닛(예를 들어 P1 및 P3) 사이의 상관도를 낮추어 채널 용량을 확대한다.
도 2를 예를 들어 설명하면, 안테나(100)에서 일정한 유전율을 갖는 렌즈 구조물(150)의 두께가 변화하면 안테나 유닛(예를 들어 P1 및 P3)이 방출하는 방사패턴 사이의 상관도도 변화하게 된다. 도 4는 렌즈 구조물(150)의 두께와 방사패턴의 상관도 사이의 관계를 도시한 그래프의 예이다. 렌즈 구조물(150)의 두께가 두꺼워짐에 따라 상관도 감소 효과가 더 크게 나타나다. 렌즈 구조물(150)의 두께가 두꺼워질수록 렌즈 구조물(150)을 투과하는 전자기파의 위상 정보가 더 변경 되기 때문이다.
도 4는 렌즈 구조물(150)의 두께와 상관도 감소의 관계를 도시하였다. 렌즈 구조물(150)을 구성하는 재질은 방사패턴의 상관도에 영향을 준다. 예컨대, 렌즈 구조물(150)을 구성하는 유전체의 굴절률이 높아진다면 방사패턴의 상관도는 굴절률에 비례하여 감소할 수 있다. 정리하면 렌즈 구조물(150)의 재질 및 두께는 방사 패턴의 상관도 감소에 영향을 준다.
도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다. 도 5는 상관도 감소에 의한 채널 용량 증가의 정도를 나타낸다. 시뮬레이션에서는 최대 산란(Full Scattering) 및 NLOS(Non-Line-of-Sight) 환경을 가정하였다. 전체 채널 매트릭스 H는 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2018000215-appb-M000002
여기서 매트릭스 Rt 및 Rr은 상관 매트릭스의 요소 Rt,(i,j ) = ρ( i,j )이므로 시스템의 환경 채널 Matrix HW와는 별개로 전체 채널 H의 랭크 향상에 기여한다. LOS(Line-of-Sight) 환경에서는 효과가 다소 감소하지만, 렌즈 구조물에 의한 위상 변화가 안테나 신호 간 독립성을 향상시켜 매트릭스 Rt 및 Rr의 랭크가 향상되므로 역시 채널 용량이 증가하게 된다.
도 6은 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 상관도를 분석한 테이블의 예이다. 도 6은 렌즈 구조물을 포함하는 안테나(100)와 종래 안테나(50)의 상관도를 분석한 예이다. 렌즈 안테나(100)는 3cm 두께의 FR-4 기판을 렌즈로 이용하는 경우를 가정하였다. 도 6은 종래 안테나(50) 및 렌즈 안테나(100)에 대한 상관 매트릭스 Rt의 절대값을 나타낸다. 또한 상관 매트릭스의 특이값 분해(Singular Value Decomposition)한 경우의 고유값(Eigenvalue)들을 나타낸다. 도 6을 살펴보면, 종래 안테나(50)에 비하여 렌즈 안테나(100)의 상관도가 크게 낮은 것을 알 수 있다.
렌즈 안테나는 렌즈 구조물을 이용하여 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상 정보를 변경한다. 이를 통해 집적 안테나의 채널 용량을 늘리는 것이다. 채널 용량을 늘리는 것은 두 가지 측면이 있다. 하나는 복수의 안테나 유닛이 방출하는 방사 패턴을 서로 다르게 하여 채널을 추가하는 것이다. 또 하나는 복수의 안테나 유닛이 방출하는 전자기파의 간섭을 줄여서 채널을 늘리는 것이다.
도 7은 렌즈 안테나의 구조를 도시한 예이다. 도 7(a)의 안테나(200)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 렌즈 구조물(250)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 도 2와 같이 일부 안테나들이 서로 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나일 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 일부 안테나가 서로 동일한 방사패턴을 갖는 안테나일 수도 있다. 예컨대, 안테나 유닛 P1 및 P3는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2 및 P4는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 이 경우 안테나 유닛 P3 및 P4에 대해서만 렌즈 구조물(250)을 적용할 수 있다. 렌즈 구조물(250)이 안테나 유닛 P3 및 P4의 전자기파만을 투과하는 배치를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 안테나(200)는 안테나 유닛 P1 및 P3(또는 안테나 유닛 P2 및 P4) 사이의 상관도가 감소하여 채널 용량이 증대된다.
안테나 유닛 P1 및 P3이 제1 방사패턴의 전자기파를 방출하고, 안테나 유닛 P2 및 P4가 제2 방사패턴의 전자기파를 방출한다고 가정한다. 안테나(200)는 렌즈 구조물(250)을 통해 안테나 유닛 P3 및 P4가 방출하는 방사패턴을 변경한다. 따라서 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)의 방사 패턴은 서로 상관도가 낮아지게 된다.
도 7(b)의 안테나(300)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 2개의 렌즈 구조물(351 및 352)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 도 2와 같이 일부 안테나들이 서로 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나일 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 일부 안테나가 서로 동일한 방사패턴을 갖는 안테나일 수도 있다. 예컨대, 안테나 유닛 P1 및 P3는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2 및 P4는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛 "P1 및 P2"와 "P3 및 P4"에 각각 서로 다른 렌즈 구조물(351 및 352)을 적용한다. 렌즈 구조물(351) 및 렌즈 구조물(352)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 이 경우 렌즈 구조물(351 및 352)가 각각 안테나 유닛 "P1 / P2"와 "P3 / P4"의 전자기파의 위상 정보를 동일하게 변경한다. 따라서 이와 같은 구조를 갖는 안테나(300)는 안테나 유닛 P1 및 P3(또는 안테나 유닛 P2 및 P4) 사이의 상관도가 줄어들어 채널 용량이 증대된다.
도 7(c)의 안테나(400)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 3개의 렌즈 구조물(451, 452 및 453)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 편파 특성을 가질 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 방사패턴을 가질 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛 "P1", "P3" 및 "P4"에 각각 서로 다른 렌즈 구조물(451, 452 및 453)을 적용한다. 각 렌즈 구조물(451, 452 또는 453)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 즉, 렌즈 구조물(451, 452 또는 453)은 각각 안테나 유닛 "P1", "P3" 및 "P4"의 전자기파의 위상 정보를 서로 다르게 변경한다. 결과적으로 이와 같은 구조를 갖는 안테나(400)는 모든 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 사이의 상관도가 줄어든다.
도 7(d)의 안테나(500)는 4개의 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 및 4개의 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)을 포함한다. 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 편파 특성을 가질 수 있다. 또는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 방사패턴을 가질 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 각각에 서로 다른 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)을 적용한다. 각 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 즉, 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)은 각각 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)의 전자기파의 위상 정보를 서로 다르게 변경한다. 결과적으로 이와 같은 구조를 갖는 안테나(400)는 모든 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 사이의 상관도가 줄어든다.
전술한 바와 같이 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 각 안테나 유닛의 간섭을 최소화할 수 있다. 이를 통해 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 채널 용량을 증대할 수 있다. 나아가, 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 서로 다른 특성을 갖는 방사패턴을 이용하여 다중 채널을 사용할 수 있다. 도 7과 같이 4개의 안테나 유닛이 있다면 4개의 채널을 사용할 수 있다. 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 4개의 채널 각각에 서로 다른 패킷을 전송할 수 있다. 나아가 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 4개의 채널을 이용하여 MIMO 통신을 수행할 수도 있다. 도 7에 도시한 안테나(200, 300, 400 또는 500)가 MIMO 통신에 사용된다면, 렌즈 구조물이란 비교적 단순한 구성을 부가하여 MIMO 이득을 확대하게 된다.
도 8은 렌즈 안테나에서 렌즈의 배치를 도시한 예이다. 렌즈 구조물은 다양한 형태를 가질 수 있다. 설명의 편의를 위해 기판과 같은 평면 구조를 갖는다고 가정한다. 도 8은 설명의 편의를 위해 하나의 안테나 유닛과 하나의 렌즈 구조물을 도시하였다.
도 8(a)는 렌즈 안테나(600)의 구조를 도시한 예이다. 렌즈 안테나(600)는 기판(611), 안테나 유닛(631) 및 렌즈 구조물(651)을 포함한다. 안테나 유닛(631)은 기판(611) 위에 적층된 평면 형태이다. 렌즈 구조물(651)은 안테나 유닛(631) 위에 적층된 평면 형태이다. 렌즈 구조물(651)은 도 8(a)와 같이 안테나 유닛에 접촉한 상태의 배치를 가질 수 있다.
도 8(b)는 렌즈 안테나(700)의 구조를 도시한 예이다. 렌즈 안테나(700)는 기판(711), 안테나 유닛(731) 및 렌즈 구조물(751)을 포함한다. 안테나 유닛(631)은 기판(711) 위에 적층된 평면 형태이다. 렌즈 구조물(751)은 도 8(a)와 달리 안테나 유닛(731)에서 일정한 거리 d 만큼 이격된 상태의 배치를 갖는다. 안테나 유닛(731)을 일정하게 이격시키기 위하여 다양한 물리적 구조가 사용될 수 있다. 예컨대, 도 8(b)와 같이 기둥과 같은 구조가 렌즈 구조물(751)을 지지할 수 있다.
한편 안테나는 2차원 형태가 아닌 3차원 구조를 가질 수 있다. 도 9는 렌즈 안테나(800)에서 렌즈의 배치를 도시한 다른 예이다. 도 9는 3차원 안테나에 대한 하나의 예이다. 렌즈 안테나(800)는 복수의 면으로 구성된다. 하나의 면(A)은 도 7(a)와 유사한 렌즈 안테나 구조를 갖는다. 예컨대, 안테나 유닛 P1(812)및 P3(815)는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2(813) 및 P4(814)는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 이 경우 안테나 유닛 P3(815) 및 P4(814)에 대해서만 렌즈 구조물(816)을 적용할 수 있다. 렌즈 구조물(816)은 안테나 유닛 P3(815) 및 P4(814)의 전자기파만을 투과하는 배치를 갖는다. 도 9는 설명의 편의를 위해 하나의 면에 있는 안테나 구조에 대해서만 도면 부호를 표시하였다.
또한 도 9와 달리 복수의 면 중 다른 면에서 유사한 안테나 구조를 가질 수 있다. 한편 렌즈 안테나(800)는 다른 면에서 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 렌즈 안테나(800)는 모든 면에 동일한 구조를 갖는 안테나를 가질 수 있다. 나아가 렌즈 안테나(800)는 입체적 구조로 인하여 추가적으로 발생하는 간섭을 제거하기 위하여 간섭 정도가 심한 안테나 중 어느 하나에 렌즈 구조물을 적용할 수도 있다.
렌즈 구조물을 갖는 안테나에 대해 설명하였다. 전술한 렌즈 안테나는 특히 MIMO 이득이 높은 환경(NLOS, 높은 산란율)에서 채널 용량을 크게 증대시킨다. 렌즈 안테나는 렌즈 구조물이란 단순한 구조를 통해 채널 용량을 늘린다. 렌즈 안테나는 안테나 유닛의 방사 패턴의 위상정보에 따라 신호를 구분하게 한다. 따라서 전술한 렌즈 안테나는 방사 패턴의 방향 또는 신호의 세기와 같은 물리적인 특성을 변경하지 않고도, 상관도가 낮은 안테나 집적을 가능하게 한다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 복수의 안테나 유닛; 및
    상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함하되,
    상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경하는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛은 동일한 편파 또는 동일한 방사 패턴을 출력하는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛은 서로 다른 편파 또는 서로 다른 방사 패턴을 출력하는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 구조물은 제1 기준값 이상의 유전율 또는 제2 기준값 이상의 투자율 중 적어도 하나를 갖는 유전체인 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 구조물은 상기 적어도 하나의 안테나 유닛과 접합되거나 일정한 거리로 이격된 배치를 갖는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  6. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛 중 적어도 2개의 안테나 유닛에 대해 배치되고, 상기 적어도 2개의 안테나 유닛에 배치된 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  7. 복수의 안테나 유닛이 각각 전자기파를 출력하는 단계;
    상기 전자기파가 각각 복수의 렌즈 구조물을 투과하는 단계; 및
    상기 복수의 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파를 이용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 방식의 통신을 수행하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛은 동일한 방사 패턴을 갖는 전자기파를 출력하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 서로 방사 패턴이 상이한 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파는 기준값 이상으로 서로 간섭하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 방사 패턴의 상관도가 기준값 이상 낮은 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  13. 복수의 안테나 유닛이 각각 초기 전자기파를 출력하는 단계;
    상기 복수의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파 중 일부의 전자기파가 렌즈 구조물을 투과하는 단계; 및
    상기 초기 전자기파 및 상기 렌즈 구조물을 투과하여 위상이 변경된 전자기파 중 적어도 2개의 전자기파를 통신 채널로 이용하는 단계를 포함하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파를 이용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 방식의 통신을 수행하는 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 서로 방사 패턴이 상이한 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전자기파는 방사 패턴의 상관도가 기준값 이상 낮은 렌즈 안테나를 이용한 통신 방법.
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