WO2023048421A1 - 사중 편파 다이버시티 안테나 시스템 - Google Patents

사중 편파 다이버시티 안테나 시스템 Download PDF

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WO2023048421A1
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polarization
antenna
qhc
arm
column
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PCT/KR2022/013147
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소성환
최오석
정헌정
서용원
조교진
조수빈
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주식회사 케이엠더블유
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    • 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
    • H01Q3/2605—Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays

Definitions

  • the present invention is a quad polarization diversity antenna capable of increasing the channel capacity of a system by improving the orthogonality of a radio channel by adjusting the polarization of beams so that spatially adjacent beams have different dual-polarization characteristics. It's about the system.
  • the polarization of an antenna refers to the direction of the electric field (E-plane) of a radio wave with respect to the Earth's surface and is determined, at least in part, by the physical structure and orientation of the antenna element.
  • E-plane electric field
  • a simple straight antenna element has one polarization when mounted vertically and another polarization when mounted horizontally.
  • the magnetic field of a radio wave is orthogonal to the electric field, but conventionally the polarization of an antenna element is understood to indicate the direction of the electric field.
  • a multiple-input multiple-output (MIMO) antenna is a dual-polarized antenna to reduce the fading effect caused by multipath and perform a polarization diversity function. It is common to design However, in a Massive MIMO system using multiple beams, a correlation coefficient of a radio channel increases due to interference between beams adjacent to each other, and it is difficult to efficiently use space resources.
  • MIMO multiple-input multiple-output
  • the present disclosure proposes a configuration of an antenna array suitable for separating spaces (or sectors) through beams having different polarizations, an antenna panel in which antenna arrays are arranged, and spatial multiplexing of beams using the same, in order to increase antenna gain. want to do
  • an antenna system includes an antenna array including a first column of dual-polarized antenna units and a second column of dual-polarized antenna units.
  • Each of the dual-polarized antenna units includes a first antenna element and a second antenna element that perpendicularly cross each other.
  • the first antenna elements are conductively connected to form a first sub-array
  • the second antenna elements are conductively connected to form a second sub-array.
  • the antenna system further includes an RF matrix that selectively phases RF input signals to generate RF output signals provided to the subarrays.
  • a first beam with +/-45° polarization and a second beam with 0°/90° polarization are formed, the first beam and The second beams are oriented in spatially different directions from each other.
  • the RF matrix may be implemented with quadrature hybrid couplers (QHCs) formed on a PCB.
  • QHCs quadrature hybrid couplers
  • the RF matrix selectively selects the phases of the plurality of branch signals based on the phase difference for forming the first beam and the second beam and the phase difference for determining polarizations of the first beam and the second beam. It can be configured to adjust to .
  • the phase adjusted by the RF matrix circuit for a pair of RF input signals propagated by the first beam defines for a desired spatial direction in which the first beam is formed.
  • a phase adjusted by the RF matrix circuit for a pair of RF input signals propagated by the second beam is defined for a desired spatial direction and polarization synthesis in which the second beam is formed.
  • the dual-polarization antenna units have +/-45° polarization characteristics, and the 0°/90° polarization of the second beam is obtained by polarization synthesis.
  • Figure 1 shows a conventional 4T4R polarization diversity antenna system using a +45°/-45° dual-polarized antenna array.
  • FIG. 2 shows a spatial multiplexed beam pattern that may be formed by the antenna system of FIG. 1 .
  • FIG. 3 shows a 4T4R polarization diversity antenna system in accordance with one embodiment of the present invention, using a +/ ⁇ 45° dual-polarized antenna array.
  • 4A is a conceptual diagram briefly illustrating an RF domain of the antenna system of FIG. 3 for convenience of description.
  • 4B illustrates a pair of beams that the antenna system of FIG. 3 can form and input signals involved in forming these beams.
  • 4C is a table showing phase shifts experienced while input signals T1, T2, T3, and T4 pass through an RF matrix to reach sub-arrays of an antenna array to form a pair of beams shown in FIG. 4B. .
  • 5A is an example of an RF matrix implemented using a quadrature hybrid coupler (QHC) according to an aspect of the present disclosure.
  • QHC quadrature hybrid coupler
  • FIG. 5B shows a pattern of beams that can be formed using the RF matrix 500 illustrated in FIG. 5A and dual polarization characteristics of the beams.
  • 6A shows a 4T4R polarization diversity antenna system according to another embodiment of the present invention, using an antenna array comprising heterogeneous, dual-polarized antenna units.
  • FIG. 6B is a top view of an exemplary antenna panel that may be employed in the antenna system of FIG. 6A.
  • 6c and 6d are front views showing the structure of the antenna panel of FIG. 6b.
  • 6E shows a configuration in which subarrays of the same polarization located in different columns are connected to an RF chain through RF paths of different lengths.
  • FIG. 7A shows an antenna panel in which heterogeneous dual-polarized antenna units are arranged, according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B shows main coverage and sub coverage that can be covered using the antenna panel illustrated in FIG. 7A.
  • the present disclosure relates to a polarization diversity antenna system suitable for separating spaces (sectors) through beams having different polarizations in order to increase antenna gain.
  • Figure 1 shows a conventional 4T4R polarization diversity antenna system using a +45°/-45° dual-polarized antenna array.
  • the antenna system of FIG. 1 can achieve quadruple polarization diversity through polarization synthesis in the digital domain.
  • FIG. 2 shows a spatial multiplexed beam pattern that may be formed by the antenna system of FIG. 1 .
  • the antenna array employed in the antenna system consists of two columns of dual-polarized antenna units.
  • Each dual-polarized antenna unit includes a first antenna element 101a with +45° polarization and a second antenna element 101b with -45° polarization. That is, two columns of dual-polarized antenna units comprising +45° linear radiating elements and -45° linear radiating elements form an antenna array.
  • antenna elements 101a and 101b are connected to feeder lines 111a and 111b for each polarization.
  • first antenna elements 101a of +45° polarization are conductively connected to the first feeder line 111a to form a first sub-array
  • second antenna elements of -45° polarization are conductively connected to the second feeder line 111b to form a second sub-array.
  • the antenna elements 101a and 101b are divided into four subarrays.
  • Each RF chain 130 is connected to each antenna port.
  • Each RF chain 130 includes RF elements such as a low noise amplifier (LNA), a power amplifier (PA), and a filter, and provides an RF transmission path and an RF reception path. Therefore, the antenna system of FIG. 1 is 4T4R.
  • LNA low noise amplifier
  • PA power amplifier
  • the spacing distance between antenna elements having the same polarization characteristics is 0.5 ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the center frequency point of the frequency band of the antenna array.
  • ⁇ is the wavelength of the center frequency point of the frequency band of the antenna array.
  • the antenna system of FIG. 1 is obtained from a dual-polarized antenna array through polarization synthesis for signals T1 to T4 and phase adjustment in the digital domain (e.g., digital unit 120) for a desired beam direction.
  • two beams with different dual-polarization characteristics ie, a first beam of +/-45° orthogonal polarizations and a second beam of V/H orthogonal polarizations
  • a first beam of +/-45° orthogonal polarizations and a second beam of V/H orthogonal polarizations can be formed in different spatial directions.
  • beams having a beam width of about 40° relative to the horizontal plane may be formed in different spatial directions (10 o'clock direction and 2 o'clock direction in FIG. 2 ).
  • the dual-polarization characteristics of the 10 o'clock direction beam and the 2 o'clock direction beam are different from each other. In particular, these beams can have significant sidelobes.
  • ⁇ 45° marked to represent the dual-polarization characteristics of each beam indicates that the beam has two orthogonal polarizations consisting of +45° linear polarization and -45° linear polarization
  • V/H is the beam
  • V/H is the beam
  • a beam formed toward the 10 o'clock direction has radio waves of +45° polarization and radio waves of -45° polarization
  • a beam formed toward the 2 o'clock direction has radio waves of 90° polarization and 0°. It has polarized propagation. This is the same in other drawings.
  • a +/-45° orthogonal polarized beam is formed in the 10 o'clock direction
  • a +45° linearly polarized beam and a -45° linearly polarized beam are formed toward the 10 o'clock direction.
  • a beam of V/H orthogonal polarization is formed in the direction of 2 o'clock” means that a beam of 90° (V) linear polarization and a beam of 0° (H) linear polarization are formed toward the 2 o'clock direction. .
  • the +/-45° orthogonal polarization beam in the direction of 10 o'clock provides T1 signals having different phases to the first antenna port and the third antenna port and T2 signals having different phases to the second antenna port and the second antenna port. It is formed by providing 4 antenna ports.
  • the V/H orthogonal polarization beam in the direction of 2 o'clock is formed by providing T3 signals having different phases and T4 signals having different phases to the first to fourth antenna ports.
  • T3 signals with different phases are radiated from the four subarrays of the antenna array, 90° (V) polarization is formed as a result of polarization synthesis.
  • T4 signals with different phases are radiated from the four subarrays of the antenna array, a 0° (H) polarization is formed as a result of polarization synthesis.
  • phase adjustment in the digital unit may be performed so that the beam at 10 o'clock has V/H orthogonal polarization and the beam at 2 o'clock has +/-45° orthogonal polarization, contrary to that illustrated in FIG. 2 . .
  • the antenna system shown in FIG. 1 performs polarization separation/synthesis and beamforming in the digital domain in an active antenna system (AAS) or remote radio antenna (RRA) system, which is an antenna system in which a remote radio head (RRH) is integrated. It can be implemented by adding a digital processing function for
  • the antenna system shown in FIG. 1 requires hardware for realizing beamforming performed in the digital domain and combining/separating polarized waves, and thus heat generation may increase.
  • FIG. 3 illustrates a 4T4R polarization diversity antenna system, in accordance with one embodiment of the present invention, utilizing a +/-45° dual-polarized antenna array.
  • the antenna system shown in FIG. 3 transmits two independent beams (i.e., a beam with +/-45° orthogonal polarization) in different spatial directions through RF signal processing including phase adjustment of signals in the RF domain. beam with V/H orthogonal polarization).
  • the antenna array employed in the antenna system of FIG. 3 is substantially the same as the antenna array employed in the antenna system of FIG. 1 . That is, the antenna array in FIG. 3 consists of two columns of dual-polarized antenna units. Each dual-polarization antenna unit includes a first antenna element 301a with +45° polarization and a second antenna element 301b with -45° polarization. In each column, antenna elements 301a and 301b are connected to feeder lines 311a and 311b for each polarization. Thus, in the dual-polarized antenna array shown in FIG. 3, the antenna elements 301a and 301b are divided into four subarrays.
  • the transmission signals T1, T2, T3, and T3 from the digital unit 320 are supplied to the four RF chains 330, and the RF signals output from the RF chains 330 form an RF matrix; 340 ), and then supplied to the four sub-arrays of the antenna array. Therefore, the antenna system of FIG. 3 is 4T4R.
  • the RF matrix 340 is configured to perform signal processing, including signal divergence and phase adjustment, on RF signals input from the RF chains 330 .
  • the RF matrix 340 may be implemented by passive elements such as hybrid couplers, directional couplers, and phase shifters.
  • the signal-processed RF signals output from the RF matrix 340 are spatially radiated through the four sub-arrays of the antenna array, and as a result, as illustrated in FIG. 2, two independent beams in different spatial directions ( That is, a beam with +/-45° orthogonal polarization and a beam with V/H orthogonal polarization) can be generated.
  • phase adjustment in the RF matrix 340 may be performed such that the beam at 10 o'clock has V/H orthogonal polarization and the beam at 2 o'clock has +/-45° orthogonal polarization. Note that
  • the antenna system of FIG. 3 can be implemented as an AAS/RRA system having an RF circuit on which an RF matrix 340 is formed, and an RF circuit board on which an RF matrix 340 is formed is disposed between the legacy antenna system and the RRH. It can also be implemented in a form. Accordingly, the existing legacy antenna system can be easily modified to support quadruple polarization diversity. However, RF loss due to the RF matrix 340 is accompanied, and it may be difficult to maintain an accurate inter-beam spacing.
  • the antenna array illustrated in FIG. 3 has two columns of dual-polarized antenna units, but in another implementation, the antenna array has more columns to form more beams or to form a narrower beam width. may have
  • the RF matrix 340 must provide RF signals to signal including a phase shift. explain the processing.
  • 4A is a conceptual diagram briefly illustrating an RF domain of the antenna system of FIG. 3 for convenience of description.
  • 4B illustrates a pair of beams that the antenna system of FIG. 3 can form and input signals involved in forming these beams.
  • the table of FIG. 4C shows the phase experienced by the input signals T1, T2, T3, and T4 to reach the sub-arrays of the antenna array via the RF matrix 340 to form the pair of beams shown in FIG. 4B. show variation
  • the input signals T1 and T2 pass through the RF matrix 340 to form a first beam having +/-45° orthogonal polarization, and the input signals T3 and T4 Through the RF matrix 340, a second beam having V/H polarization is formed.
  • the above two beams have different spatial directions.
  • a first beam having +/-45° orthogonal polarization is directed toward the 10 o'clock direction
  • a beam having V/H orthogonal polarization is directed toward the 2 o'clock direction.
  • the RF matrix 340 performs signal processing on the input signals T1, T2, T3, and T4, that is, the input signals T1, T2, and T3. , T4) undergoes a phase shift while reaching the subarrays of the antenna array through the RF matrix 340 as follows.
  • the target polarization of the input signal T1 is +45° polarization, and the sub-array of +45° polarization antenna elements in the first column (C1 (left column)) passes through the RF matrix 340 (this is “C1 +45 in the table of FIG. 4B). ”) and a subarray of +45° polarized antenna elements in the second column (C2; right column) (labeled "C2 +45” in the table of Fig. 4b).
  • the target polarization of the input signal T2 is -45° polarization
  • the subarray of -45° polarization antenna elements in the first column (C1) is passed through the RF matrix 340 (this is indicated as "C1 -45” in the table of FIG. 4B). provided) and a sub-array (C2-45) of -45° polarized antenna elements in the second column (C2).
  • the target polarization of input signal T3 is H polarization
  • the target polarization of input signal T4 is V polarization.
  • the input signal T3 and the input signal T4 are provided to four sub-arrays (C1 +45; C1 -45; C2 +45; C2 -45) of the dual-polarization array via the RF matrix 340, respectively.
  • the input signal T1 is split into two branch signals by the RF matrix 340, so that one branch signal reaches the +45° polarized subarray (C1 +45) in the first column without phase shift and the other branch signal After undergoing a phase shift of -90°, the branch signal of reaches the sub-array (C2 +45) with +45° polarization in the second row. Since the target polarization of the input signal T1 is +45° polarization, the -90° phase shift is only for beamforming. Since the two branch signals corresponding to the input signal T1 are radiated by the subarrays C1 +45 and C2 +45 with a phase difference of -90° from each other, about 30 degrees to the left with respect to the normal of the antenna array. Forms a beam with +45° polarization in the direction of tilted space.
  • the input signal T2 is split into two branch signals by the RF matrix 340, so that one branch signal reaches the -45° polarized subarrays C1 -45 in the first column without phase shift and the other branch signal After undergoing a phase shift of -90°, the branch signal of reaches the sub-array (C2-45) having -45° polarization in the second row. Since the target polarization of the input signal T2 is -45° polarization, the -90° phase shift is only for beamforming.
  • the two branch signals corresponding to the input signal T2 are radiated by the subarrays C1 -45 and C2 -45 with a phase difference of -90° from each other, about 30 degrees to the left with respect to the normal of the antenna array. Forms a beam with a -45° polarization in the direction of tilted space.
  • the input signal T3 is split into four branch signals by the RF matrix 340, the first branch signal reaches the subarray C1 +45 in the first column without phase shift, the second branch signal, the third branch signal
  • the branch signal and the fourth branch signal undergo phase shifts of 180°, 90°, and 270°, respectively, and then the subarrays in the first column (C1 -45), the subarrays in the second column (C2 +45), and the subarrays in the second column (C2 -45) is reached.
  • phase shift (180°) of the second branch signal is only for polarization synthesis
  • the phase shift (90°) of the third branch signal is only for beamforming
  • the phase shift (270°) of the fourth branch signal is It is the sum of the phase shift (90°) for beamforming and the phase shift (180°) for polarization synthesis.
  • first branch signal and the second branch signal corresponding to the input signal T3 are radiated by the subarrays C1 +45 and C1 -45 of the first column C1 with a phase difference of 180 °, 0 ° (H) Forming a beam with polarization (ie, polarization synthesis occurs). Since the third branch signal and the fourth branch signal are radiated by the subarrays C1 +45 and C1 -45 of the first column C1 with a phase difference of 180°, they have a 0° (H) polarization. form a beam (i.e., polarization synthesis takes place).
  • the first branch signal radiated by the subarray C1 +45 in the first column and the third branch signal radiated by the subarray C2 +45 in the second column have a phase difference of +90°
  • the antenna A beam with 0° (H) polarization is formed in a spatial direction inclined by about 30° to the right with respect to the normal of the array.
  • the input signal T4 is split into four branch signals by the RF matrix 340, the first branch signal reaches the subarray C1 +45 in the first column without phase shift, the second branch signal, the third branch signal
  • the branch signal and the fourth branch signal undergo phase shifts of 180°, 90°, and 270°, respectively, and then the subarrays in the first column (C1 -45), the subarrays in the second column (C2 +45), and the subarrays in the third column (C2 -45) is reached.
  • first branch signal and the second branch signal corresponding to the input signal T4 are radiated by the subarrays C1 +45 and C1 -45 of the first column C1 with a phase difference of 0 °, a 90 ° (V) Forming a beam with polarization (ie, polarization synthesis occurs). Since the third branch signal and the fourth branch signal are radiated by the subarrays C1 +45 and C1 -45 of the first column C1 with a phase difference of 0°, they have a 90° (V) polarization. form a beam (i.e., polarization synthesis takes place).
  • the first branch signal radiated by the subarray C1 +45 in the first column and the third branch signal radiated by the subarray C2 +45 in the second column have a phase difference of +90°
  • the antenna A beam having a 90° polarization is formed in a spatial direction inclined by about 30° to the right with respect to the normal of the array.
  • FIG. 5A is an example of an RF matrix 500 implemented using a quadrature hybrid coupler (QHC) according to one aspect of the present disclosure.
  • QHC quadrature hybrid coupler
  • a QHC is also referred to as a "branch-line coupler" or a "90° Hybrid coupler”.
  • FIG. 5B shows a pattern of beams that can be formed using the RF matrix 500 illustrated in FIG. 5A and dual polarization characteristics of the beams. Note that the polarization characteristics of the beams illustrated in FIG. 5B are opposite to those shown in FIG. 4B. That is, in FIG. 4B, the beam in the 10 o'clock direction has +45°/-45° orthogonal polarization, and in FIG.
  • the beam in the 2 o'clock direction has +45°/-45° orthogonal polarization.
  • a beam of +/-45° orthogonal polarization is formed in the direction of 2 o'clock means that a beam of +45° linear polarization and a beam of -45° linear polarization are formed at 2 o'clock. direction
  • a beam of V/H orthogonal polarization is formed in the 10 o'clock direction means that a 90° (V) linear polarization beam and a 0° (H) linear polarization beam are formed in the 10 o'clock direction means that it is formed towards
  • the RF matrix 500 illustrated in FIG. 5A has four input ports (indicated by white circles) on a PCB, three QHCs 510a, 510b, and 510c formed of conductive strips, and four output ports (black circles) on a PCB. marked with a circle).
  • each of the QHCs 510a, 510b, and 510c has four arms (ie, first to fourth arms), and when a signal is input to the first arm, the second arm and the second arm Output appears on the 3rd arm, but no output appears on the 4th arm.
  • the QHCs 510a, 510b, and 510c have a vertically/left-right symmetrical shape, and when a signal is input to the second arm, an output appears on the first and fourth arms, but no output on the third arm. That is, it operates in a completely symmetrical structure.
  • the input signal T1 is transmitted through the "first input port - first arm of the first QHC 510a - second arm of the first QHC 510a - first output port" to the subarray C1 +45 in the first column. ) is reached.
  • the input signal T1 is transmitted via "first input port - first arm of first QHC 510a - ( 90° phase delay ) - third arm of first QHC 510a - third output port” , reaches the subarray (C2 +45) in the second column.
  • the radio signal emitted from the sub-array C2 +45 in the second column has a phase delay of 90° compared to the radio signal emitted from the sub-array C1 +45 in the first column.
  • a beam having +45° polarization is formed in a spatial direction tilted to the right by about 30° with respect to the normal of the antenna array.
  • the input signal T2 passes through “the second input port - the first arm of the second QHC 510b - the second arm of the second QHC 510b - the second output port” to the subarrays C1 - 45 in the first column. ) is reached.
  • the input signal T2 is transmitted via "second input port - first arm of second QHC 510b - ( phase delay of 90° ) - third arm of second QHC 510b - fourth output port” , reaches the subarrays C1-45 in the second column.
  • the radio signal emitted from the sub-array C2-45 in the second column has a phase delay of 90° compared to the radio signal emitted from the sub-array C1-45 in the first column.
  • a beam having +45° polarization is formed in a spatial direction tilted to the right by about 30° with respect to the normal of the antenna array.
  • Input signal T3 is "third input port - fourth arm of third QHC 510c - (90° phase delay) - second arm of third QHC 510c - fourth arm of first QHC 510a" It reaches the sub-array C1 +45 in the first row via the arm - (90° phase delay) - the second arm of the first QHC 510a - the first output port.
  • the input signal T3 is “third input port - fourth arm of third QHC 510c - (90° phase delay) - second arm of third QHC 510c - first QHC 510a Through the fourth arm - the third arm of the first QHC 510a - the third output port, it reaches the subarray C2 +45 in the second row.
  • the input signal T3 is “third input port - fourth arm of the third QHC 510c - third arm of the third QHC 510c - (90° phase delay) - second QHC 510b
  • the fourth arm - (90° phase delay) - the second arm of the second QHC 510b - the second output port it reaches the subarrays C1 - 45 in the first row.
  • the input signal T3 is “third input port - fourth arm of the third QHC 510c - third arm of the third QHC 510c - (90° phase delay) - second QHC 510b
  • the fourth arm - the third arm of the second QHC 510b - the fourth output port" is supplied to the subarrays C2 - 45 in the second row.
  • the radio signals emitted from the subarrays C1 -45 in the first column have a phase delay of 0° compared to the radio signals emitted from the subarrays C1 +45 in the first column.
  • the radio signals emitted from the sub-arrays C2-45 in the first row have a phase delay of 0°.
  • a beam with 90° (V) polarization is formed (ie, polarization synthesis occurs).
  • the radio signal emitted from the sub-array C1 +45 in the first column has a phase delay of 90° compared to the radio signal emitted from the sub-array C2 +45 in the second column, and the sub-array C2 in the second column has a phase delay of 90°.
  • the radio signal radiated from the sub-arrays (C1-45) in the first column has a phase delay of 90° compared to the radio signal radiated from the antenna array, as shown in FIG.
  • a beam with a 90° (V) polarization is formed in a spatial direction tilted by about 30° to the left.
  • the input signal T4 is "the fourth input port - the first arm of the third QHC 510c - the second arm of the third QHC 510c - the fourth arm of the first QHC 510a - (a phase delay of 90°) ) - the second arm of the first QHC 510a - the first output port", and reaches the subarray C1 +45 in the first column.
  • the input signal T4 is "the fourth input port - the first arm of the third QHC 510c - the second arm of the third QHC 510c - the fourth arm of the first QHC 510a - the first QHC ( 510a) through the third arm - third output port" to reach the subarray C2+45 in the second column.
  • the input signal T4 is “fourth input port - first arm of third QHC 510c - (90° phase delay) - third arm of third QHC 510c - (90° phase delay) - 4th arm of the 2nd QHC 510b - (phase delay of 90°) - 2nd arm of the 2nd QHC 510b - via the 2nd output port" to the sub-array C1-45 in the first row is reached
  • the input signal T4 is “fourth input port - first arm of third QHC 510c - (90° phase delay) - third arm of third QHC 510c - (90° phase delay) -
  • the fourth arm of the second QHC 510b - The third arm of the second QHC 510b -
  • the fourth output port is supplied to the subarrays C2 - 45 in the second row.
  • the radio signals emitted from the subarrays C1 -45 in the first column have a phase delay of 180° compared to the radio signals emitted from the subarrays C1 +45 in the first column.
  • the radio signals emitted from the sub-arrays C2-45 in the first row have a phase delay of 180°.
  • a beam with 0° (H) polarization is formed (ie, polarization synthesis occurs).
  • the radio signal emitted from the sub-array C1 +45 in the first column has a phase delay of 90° compared to the radio signal emitted from the sub-array C2 +45 in the second column, and the sub-array C2 in the second column has a phase delay of 90°.
  • the radio signal radiated from the sub-arrays (C1-45) in the first column has a phase delay of 90° compared to the radio signal radiated from the antenna array, as shown in FIG.
  • a beam having a polarization of 0° (H) is formed in a spatial direction tilted by about 30° to the left.
  • 6A illustrates a 4T4R polarization diversity antenna system according to another embodiment of the present invention, using an antenna array comprising heterogeneous, dual-polarized antenna units.
  • the antenna system shown in FIG. 6A uses heterogeneous dual-polarized antenna units to generate spatially multiplexed orthogonally polarized beams similar to those of FIG. 1 or 3 without requiring signal processing in the digital domain or the RF domain. Accordingly, the Tx signals T1, T2, T3, and T4 shown in FIG. 6A are signals to which polarization synthesis in the digital domain is not applied. Similarly, polarization synthesis in the digital domain is not applied to Rx signals.
  • FIG. 6A an antenna array in which heterogeneous dual-polarized antenna units are arranged in four columns is shown.
  • the two columns on the left are composed of +45°/-45° dual-polarized antenna units, and the two columns on the right are composed of V/H dual-polarized antenna units.
  • antenna elements 601a, 601b, 602a, and 602b are connected to feeder lines 611a, 611b, 612a, and 612b for each polarization.
  • +45° polarized first antenna elements 601a are connected to the first feeder line 611a to form a first sub-array
  • -45° polarized first antenna elements 601a are connected to each other.
  • the second antenna elements 601b are connected to the second feeder line 611b to form a second sub-array.
  • first antenna elements 602a of 90° (V) polarization are connected to the first feeder line 612a to form a first sub-array, and 0° (H) polarization
  • the second antenna elements 602b are connected to the second feeder line 612b to form a second sub-array.
  • the antenna elements 601a, 601b, 602a, and 602b are divided into eight subarrays.
  • subarrays having the same polarization are connected to each other in the RF domain. That is, a pair of subarrays for each polarization are coupled to each other in the RF domain so as to be connected to one RF chain 630 .
  • the antenna system is 4T4R.
  • the combination of subarrays can be achieved by constructing a simple RF combiner on the RF domain.
  • the first area (or first surface) of the antenna panel in which antenna units having +45°/-45° polarization are arranged and the antenna panel in which antenna units having V/H polarization are arranged The antenna panel is formed so that the second region (or the second surface) of the antenna panel forms a predetermined obtuse angle (90 ° ⁇ ⁇ ⁇ 180 °).
  • the first area and the second area may form, for example, 120°. Therefore, due to the antenna panel bent in the longitudinal direction, the dual-polarized antenna arrays of +45°/-45° and the dual-polarized antenna arrays of H/L are spatially arranged to face different directions.
  • the beam with +45°/-45° polarization and the beam with V/H polarization are mechanically steered in the direction of space viewed by the two areas of the antenna panel, and thus the two areas of the antenna panel
  • the antenna system of FIG. 6A can generate spatially multiplexed orthogonal polarized beams similar to those of FIG. 1 or FIG. 3 .
  • the antenna system of FIG. 6a requires only simple RF components such as an RF combiner to form a spatially multiplexed beam pattern, and hardware for signal processing in the digital domain (required in the antenna system of FIG. 1) is required. It is not required, and the resulting heat generation problem can also be improved.
  • the antenna system of FIG. 6a can maintain an accurate inter-beam spacing compared to the antenna system shown in FIG. 3, and in particular, it is possible to minimize an area in which beams having different dual polarizations overlap each other, which affects SINR performance. there is.
  • FIGS. 6B to 6D diagrams are provided to explain the structure of an antenna panel in which heterogeneous dual-polarized antenna units are arranged and usefulness of the structure employed in the antenna system of FIG. 6A .
  • FIG. 6B is a plan view of an exemplary antenna panel 600 that may be employed in the antenna system of FIG. 6A.
  • +45°/-45° dual-polarization antenna units 601 are arranged on the left half side 610 of the antenna panel 600, and the right half side 620 of the antenna panel 600 H/V dual-polarized antenna units 602 are arranged in .
  • the RF signal applied to the dual-polarization antenna units having the same polarization characteristics A pair of spatially multiplexed beam patterns as illustrated in (b) of FIG. 6c can be obtained by placing a phase difference between them.
  • the left side 610 of the antenna panel 600 and the right side 620 of the antenna panel form a predetermined obtuse angle ( ⁇ ) (refer to the front view of FIG. -
  • a pair of beam patterns as illustrated in (b) of FIG. 6D can be obtained without adjusting the phase of the RF signal applied to the polarization antenna units.
  • ⁇ obtuse angle
  • FIG. 6E illustrates a configuration in which subarrays of the same polarization located in different columns are connected to the RF chain 630 through RF paths of different lengths.
  • FIG. 7A shows an antenna panel 700 in which heterogeneous dual-polarized antenna units are arranged, bent in the longitudinal direction and also bent in the width direction, according to another embodiment of the present invention.
  • bending in the longitudinal direction (x) divides the antenna panel into left and right regions, and bending in the width direction (y) further divides the antenna panel into upper and lower regions.
  • the antenna panel on which the antenna elements are arranged is divided into four areas (faces) facing in different directions.
  • the +/-45° antenna elements 701 and the V/H antenna elements 702 are arranged in four areas so that antenna elements having the same dual polarization are not disposed on two adjacent horizontal or vertical sides of the antenna panel. Note that the fields (faces) are arranged alternately.
  • V/H dual-polarization antenna units 702 are arranged on the upper left side of the antenna panel
  • +/-45° dual-polarization antenna units 701 are arranged on the upper right side
  • Dual-polarized antenna units 701 of +/ ⁇ 45° are arranged on the bottom surface
  • dual-polarized antenna units 702 of V/H are arranged on the right bottom surface.
  • each area (surface) of the antenna panel 700 illustrated in FIG. can form them.
  • subarrays located in different columns having the same polarization may be connected to each other in the RF domain. That is, a pair of subarrays located in different columns for each polarization in a given area (surface) of the antenna panel 700 may be coupled to each other in the RF domain so as to be connected to one RF chain.
  • the antenna system using the antenna panel 700 illustrated in FIG. 7A can support 8T8R.
  • dual-polarized antenna units 701 of +/-45° arranged on the upper and lower left surfaces of the antenna panel 700 are connected to a pair of RF chains, and the upper left and right surfaces of the antenna panel are connected to each other.
  • the dual-polarized antenna units 702 of V/H arranged on the bottom surface may be connected to another pair of RF chains. Accordingly, an antenna system using the antenna panel 700 illustrated in FIG. 7A may support 4T4R.
  • the +/-45° dual-polarized antenna units 701 arranged on the upper right side form a first beam with +45°/-45° orthogonal polarization
  • the V/H dual-polarized antenna units 701 arranged on the upper left side are +45°/-45°
  • the polarized antenna units 702 form a second beam having V/H orthogonal polarization
  • the +/-45° dual-polarized antenna units 701 arranged on the left side are +45°/-45°
  • a third beam with orthogonal polarization is formed
  • the V/H dual-polarized antenna units arranged on the right bottom surface form a fourth beam with V/H orthogonal polarization.
  • Each of the spatial directions directed by the first to fourth beams coincides with a spatial direction toward which corresponding surfaces of the antenna panel are viewed.
  • the first to fourth beams are formed in spatial directions different from each other.
  • the third beam and the fourth beam formed by the dual-polarized antenna units arranged in the lower left and lower right areas are antenna elements arranged in the upper right and left areas. It is possible to cover a shaded area not covered by the first beam and the second beam formed by the. Accordingly, fewer dual-polarized antenna units can be arranged in the lower left and lower right regions than in the upper right and upper left regions (which provide the main coverage of the antenna system).

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Abstract

사중 편파 다이버시티(quadri-polarization diversity) 안테나 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 안테나 시스템은 이중-편파(dual-polarized) 안테나 유닛들의 제1 열과 이중-편파 안테나 유닛들의 제2 열을 포함하는 안테나 어레이를 포함한다. 상기 이중-편파 안테나 유닛들 각각은 서로 수직교차하는 제1 안테나 소자와 제2 안테나 소자를 구비한다. 각 열에서, 상기 제1 안테나 소자들은 전도적으로 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, 상기 제2 안테나 소자들은 전도적으로 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 안테나 시스템은 RF 입력 신호들의 위상을 선택적으로 조정하여, 상기 서브어레이들에 제공되는 RF 출력 신호들을 생성하는 RF 매트릭스를 더 포함한다. 상기 RF 출력 신호들이 상기 이중-편파 안테나 유닛들에 의해 방사될 때, +/-45° 편파(polrizations)를 가진 제1 빔 및 0°/90° 편파를 가진 제2 빔이 형성되며, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔은 서로 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성된다.

Description

사중 편파 다이버시티 안테나 시스템
본 발명은 공간적으로 인접한 빔들이 서로 상이한 이중-편파(dual-polarization) 특성을 가지도록 빔들의 편파를 조정함으로써, 무선 채널의 직교성을 향상시켜 시스템의 채널 용량을 증대시킬 수 있는 사중 편파 다이버시티 안테나 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
안테나의 편파는 지구 표면에 대한 전파의 전기장(E-평면) 방향을 말하며, 안테나 소자의 물리적 구조와 방향에 적어도 부분적으로 의존하여 결정된다. 예컨대, 간단한 직선형 안테나 소자는 수직으로 장착될 때 하나의 편파를 가지며 수평으로 장착될 때 다른 편파를 갖는다. 전파의 자기장은 전기장과 직각을 이루지만 관례적으로 안테나 소자의 편파는 전기장의 방향을 가리키는 것으로 이해된다.
이동통신에서, MIMO(multiple-input multiple-output) 안테나는 다중 경로에 의한 페이딩(fading) 영향을 감소시키고, 편파 다이버시티(diversity) 기능을 수행하기 위해 이중-편파 안테나(dual-polarized antenna)로 설계되는 것이 일반적이다. 그러나 다중 빔을 사용하는 Massive MIMO 시스템에서는 서로 인접하는 빔들 간 간섭으로 인하여 무선 채널의 상관계수가 높아지고, 이로 인해 공간 자원을 효율적으로 사용하기 어렵다.
본 개시는 안테나의 이득을 높이기 위해, 각기 상이한 편파를 가지는 빔들을 통해 공간(혹은 섹터)를 분리하는 데에 적합한 안테나 어레이, 안테나 어레이들이 배열된 안테나 패널의 구성과 이를 이용한 빔들의 공간 다중화를 제시하고자 한다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 시스템은 이중-편파 안테나 유닛들의 제1 열과 이중-편파 안테나 유닛들의 제2 열을 포함하는 안테나 어레이를 포함한다. 상기 이중-편파 안테나 유닛들 각각은 서로 수직교차하는 제1 안테나 소자와 제2 안테나 소자를 구비한다. 각 열에서, 상기 제1 안테나 소자들은 전도적으로 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, 상기 제2 안테나 소자들은 전도적으로 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 안테나 시스템은 RF 입력 신호들의 위상을 선택적으로 조정하여, 상기 서브어레이들에 제공되는 RF 출력 신호들을 생성하는 RF 매트릭스를 더 포함한다. 상기 RF 출력 신호들이 상기 이중-편파 안테나 유닛들에 의해 방사될 때, +/-45° 편파를 가진 제1 빔 및 0°/90° 편파를 가진 제2 빔이 형성되며, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔은 서로 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성된다.
상기 RF 매트릭스는 PCB에 형성된 쿼드러쳐 하이브리드 커플러(quadrature hybrid coupler: QHC)들로 구현될 수 있다. 상기 RF 매트릭스는, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔을 형성하기 위한 위상 차이와 상기 제1 빔과 상기 제2 빔의 편파를 결정하는 위상 차이에 기초하여, 상기 복수의 분기 신호들의 위상을 선택적으로 조정하도록 구성될 수 있다.
상기 RF 입력 신호들 중에서, 상기 제1 빔에 의해 전파되는 한 쌍의 RF 입력 신호에 대해 상기 RF 매트릭스 회로에 의해 조정된 위상은 상기 제1빔이 형성되는 원하는 공간 방향을 위해 정의한다. 상기 RF 입력 신호들 중에서, 상기 제2 빔에 의해 전파되는 한 쌍의 RF 입력 신호에 대해 상기 RF 매트릭스 회로에 의해 조정된 위상은 상기 제2빔이 형성되는 원하는 공간 방향 및 편파 합성을 위해 정의된다.
상기 이중-편파 안테나 유닛들은 +/-45° 편파 특성을 가지며, 상기 제2 빔의 0°/90° 편파는 편파 합성(Polarization Synthesis)에 의해 얻어진다.
도 1는 +45°/-45°의 이중-편파 안테나 어레이를 이용하는 종래의 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템을 보인다.
도 2는 도 1의 안테나 시스템에 의해 형성될 수 있는 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.
도 3은 +/-45°의 이중-편파 안테나 어레이를 이용하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템을 보인다.
도 4a은 설명의 편의를 위해, 도 3의 안테나 시스템의 RF 도메인을 간략히 표현한 개념도이다.
도 4b는 도 3의 안테나 시스템이 형성할 수 있는 한 쌍의 빔과 이들 빔 형성에 관여된 입력 신호들을 예시한다.
도 4c는 도 4b에 보인 한 쌍의 빔을 형성하기 위해 입력 신호들(T1, T2, T3, T4)이 RF 매트릭스를 거쳐 안테나 어레이의 서브 어레이들에 도달하는 동안에 겪게 되는 위상 변이를 나타내는 테이블이다.
도 5a는, 본 개시의 일 측면에 따른, 쿼드러쳐 하이브리드 커플러(quadrature hybrid coupler: QHC)을 이용하여 구현한 RF 매트릭스의 일 예이다.
도 5b는 도 5a에 예시된 RF 매트릭스(500)를 이용하여 형성될 수 있는 빔들의 패턴과 빔들의 이중편파 특성을 보인다.
도 6a는 이종(heterogeneous)의 이중-편파 안테나 유닛들을 포함하는 안테나 어레이를 이용하는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템을 보인다.
도 6b는 도 6a의 안테나 시스템에서 채용될 수 있는 예시적인 안테나 패널의 평면도(top view)이다.
도 6c 및 도 6d는 도 6b의 안테나 패널의 구조를 보이는 정면도(front view)이다.
도 6e는 서로 상이한 열에 위치한 동일 편파의 서브어레이들이 상이한 길이의 RF 경로로 RF 체인에 연결된 구성을 보인다.
도 7a는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 이종(heterogeneous)의 이중-편파 안테나 유닛들이 배열된 안테나 패널을 보인다.
도 7b는 도 7a에 예시된 안테나 패널을 이용하여 커버될 수 있는 메인 커버리지와 서브 커버리지를 보인다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시는 안테나의 이득을 높이기 위해, 각기 상이한 편파를 가지는 빔들을 통해 공간(섹터)를 분리하는 데에 적합한 편파 다이버시티 안테나 시스템에 관한 것이다.
제안된 기술들의 기술적 유용성을 더 잘 이해시키기 위해, 이중-편파 안테나 어레이를 이용하는 안테나 시스템에서, 상이한 편파 특성을 가지는 빔들을 형성하기 위해 고려될 수 있는 솔루션에 대한 설명으로 시작하는 것이 유용할 수 있다.
도 1는 +45°/-45°의 이중-편파 안테나 어레이를 이용하는 종래의 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템을 도시한다. 도 1의 안테나 시스템은 디지털 도메인에서의 편파 합성을 통해 4중 편파 다이버시티를 달성할 수 있다. 도 2는 도 1의 안테나 시스템에 의해 형성될 수 있는 공간 다중화된 빔 패턴을 보인다.
도 1을 참조하면, 안테나 시스템에 채용된 안테나 어레이는 이중-편파 안테나 유닛들의 2개의 열들로 구성된다. 각 이중-편파 안테나 유닛은 +45° 편파의 제1 안테나 소자(101a) 및 -45° 편파의 제2 안테나 소자(101b)를 포함한다. 즉, +45°의 선형 방사 소자와 -45°의 선형 방사 소자를 포함하는 이중-편파 안테나 유닛들의 2개의 열들이 안테나 어레이를 형성한다. 각 열에서, 안테나 소자들(101a, 101b)이 편파 별로 피더 라인(feeder line; 111a, 111b)에 연결된다. 즉, 각 열에서, +45° 편파의 제1 안테나 소자들(101a)이 제1 피더 라인(111a)에 전도적으로 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, -45° 편파의 제2 안테나 소자들(101b)이 제2 피더 라인(111b)에 전도적으로 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 따라서, 도 1에 도시된 이중-편파 안테나 어레이에서, 안테나 소자들(101a, 101b)은 4개의 서브어레이로 분할된다.
4개의 서브 어레이는 피더 라인들(111a, 111b)을 통해 4개의 안테나 포트에 각각 연결된다. 각 안테나 포트에는 각각의 RF 체인(130)이 연결된다. RF 체인(130) 각각은 LNA(low noise amplifier) 및 PA(power amplifier), 필터 등의 RF 소자들을 포함하며, RF 송신 경로와 RF 수신 경로를 제공한다. 따라서 도 1의 안테나 시스템은 4T4R이다.
동일한 편파 특성을 가진 안테나 소자들 사이의 간격 거리는 0.5λ인 것이 일반적이며, 여기서 λ는 안테나 어레이의 주파수 대역의 중심 주파수 지점의 파장이다. 약한 상관 관계를 보장하기 위해 간격 거리는 클수록 더 좋다. 즉, 도시된 도면에서, 인접한 열들 사이의 간격 거리는 0.5λ ~ 1λ일 수 있다.
도 1의 안테나 시스템은, 신호들(T1~T4)에 대한 편파 합성과 원하는 빔 방향을 위한 디지털 도메인(예를 들어, 디지털 유닛(120))에서의 위상 조정을 통해, 이중-편파 안테나 어레이로부터, 서로 상이한 이중-편파 특성을 가진 2개의 빔들(즉, +/-45° 직교 편파(orthogonal polarizations)의 제1 빔과 V/H 직교 편파를 가진 제2 빔)을 상이한 공간 방향으로 형성할 수 있다.
도 2에 예시된 것과 같이, 수평면을 기준으로 약 40°의 빔폭을 갖는 빔들이 서로 상이한 공간 방향(spatial direction; 도 2에서는 10시 방향과 2시 방향)을 향해 형성될 수 있다. 10시 방향의 빔과 2시 방향의 빔들의 이중-편파 특성은 서로 상이하다. 특히, 이들 빔들은 상당한 사이드로브(sidelobe)를 가질 수 있다.
도 2에서 각 빔의 이중-편파 특성을 나타내기 위해 표기된 ±45°는 그 빔이 +45° 선형 편파와 -45° 선형 편파로 구성된 2개의 직교 편파를 가지는 것을 나타내며, V/H는 그 빔이 90°(V) 선형 편파와 0°(H) 선형 편파로 구성된 2개의 직교 편파를 가지는 것을 나타낸다. 예컨대, 10시 방향을 향해 형성된 빔은 +45° 편파의 전파(radio wave)와 -45° 편파의 전파(radio wave)를 가지며, 2시 방향을 향해 형성된 빔은 90° 편파의 전파와 0° 편파의 전파를 가진다. 이는 다른 도면들에서도 동일하다. 다만, 엄밀히 말해, "10시 방향으로 +/-45° 직교 편파의 빔이 형성된다"는 것은 +45°선형 편파의 빔과 -45° 선형 편파의 빔이 10시 방향을 향해 형성된다는 것을 의미하며, "2시 방향으로 V/H 직교 편파의 빔이 형성된다"는 것은 90°(V) 선형 편파의 빔과 0°(H) 선형 편파의 빔이 2시 방향을 향해 형성된다는 것을 의미한다.
도 2에서 +/-45° 직교 편파의 10시 방향의 빔은, 상이한 위상을 가진 T1 신호들을 제1 안테나 포트와 제3 안테나 포트에 제공하고 상이한 위상을 가진 T2 신호들을 제2 안테나 포트와 제4 안테나 포트에 제공함으로써 형성된다.
도 2에서 V/H 직교 편파의 2시 방향의 빔은, 상이한 위상을 가진 T3 신호들과 상이한 위상을 가진 T4 신호들을 제1 내지 제4 안테나 포트들에 제공함으로써 형성된다. 상이한 위상을 가진 T3 신호들이 안테나 어레이의 4개의 서브어레이들로부터 방사되면, 편파 합성의 결과로서 90°(V) 편파가 형성된다. 유사하게, 상이한 위상을 가진 T4 신호들이 안테나 어레이의 4개의 서브어레이들로부터 방사되면, 편파 합성의 결과로서 0°(H) 편파가 형성된다.
도 2에 예시된 것과 반대로, 10시 방향의 빔이 V/H 직교 편파를, 2시 방향의 빔이 +/-45° 직교 편파를 가지도록 디지털 유닛에서의 위상 조정이 이루어질 수도 있음에 유의한다.
도 1에 도시된 안테나 시스템은, RRH(Remote Radio Head)가 통합된 안테나 시스템인, AAS(Active Antenna System) 혹은 RRA(Remote Radio Antenna) 시스템에, 디지털 도메인에서 편파 분리/합성 및 빔포밍을 수행하기 위한 디지털 프로세싱 기능을 추가함으로써 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 안테나 시스템은 디지털 도메인에서 수행되는 빔포밍과 편파의 합성/분리를 구현하기 위한 하드웨어가 요구되며, 그에 따라 발열이 증가할 수 있다. 디지털 도메인(예를 들어, 디지털 유닛)에서의 위상 조정을 통해, 이중-편파 안테나 어레이로부터 +/-45° 직교 편파와 V/H 직교 편파를 가진 빔들을 형성하는 구체적인 방법은, 예를 들어, 본원 출원인에 의해 2020년 04월 16일자로 출원된 한국특허출원번호 제10-2020-0046256호에 개시되어 있다.
도 3은 +/-45°의 이중-편파 안테나 어레이를 이용하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템을 도시한다. 도 3에 도시된 안테나 시스템은, RF 도메인에서의 신호들에 대한 위상 조정을 포함하는 RF 신호 처리를 통해, 상이한 공간방향으로 2개의 독립된 빔들(즉, +/-45° 직교 편파를 가진 빔과 V/H 직교 편파를 가진 빔)을 생성할 수 있다.
도 3의 안테나 시스템에 채용된 안테나 어레이는 도 1의 안테나 시스템에 채용된 안테나 어레이와 실질적으로 동일하다. 즉, 도 3에서 안테나 어레이는 이중-편파 안테나 유닛들의 2개의 열들로 구성된다. 각 이중-편파 안테나 유닛은 +45° 편파의 제1 안테나 소자(301a) 및 -45° 편파의 제2 안테나 소자(301b)를 포함한다. 각 열에서, 안테나 소자들(301a, 301b)이 편파 별로 피더 라인(feeder line; 311a, 311b)에 연결된다. 따라서, 도 3에 도시된 이중-편파 안테나 어레이에서, 안테나 소자들(301a, 301b)은 4개의 서브어레이로 분할된다.
디지털 유닛(320)으로부터 송신 신호들(T1, T2, T3, T3)가 4개의 RF 체인들(330)에 공급되고, RF 체인들(330)로터 출력된 RF 신호들은 RF 매트릭스(RF matrix; 340)에서의 신호 처리를 거친 후, 안테나 어레이의 4개의 서브 어레이에 공급된다. 따라서 도 3의 안테나 시스템은 4T4R이다.
RF 매트릭스(340)는, RF 체인들(330)로터 입력된 RF 신호들에 대해, 신호 분기 및 위상 조정을 포함하는 신호 처리를 수행하도록 구성된다. RF 매트릭스(340)는 하이브리드 커플러, 방향성 결합기, 위상 시프터와 같은 수동소자들에 의해 구현될 수 있다. RF 매트릭스(340)로부터 출력된 신호처리된 RF 신호들은, 안테나 어레이의 4개의 서브 어레이를 통해 공간상으로 방사되며, 그 결과, 도 2에 예시된 것과 같은, 상이한 공간방향으로 2개의 독립된 빔들(즉, +/-45° 직교 편파를 가진 빔과 V/H 직교 편파를 가진 빔)이 생성될 수 있다. 도 2에 예시된 것과 반대로, 10시 방향의 빔이 V/H 직교 편파를, 2시 방향의 빔이 +/-45° 직교 편파를 가지도록 RF 매트릭스(340)에서의 위상 조정이 이루어질 수도 있음에 유의한다.
도 3의 안테나 시스템은, RF 매트릭스(340)가 형성된 RF 회로를 가진 AAS/RRA 시스템으로 구현될 수 있을 뿐만 아니라, RF 매트릭스(340)가 형성된 RF 회로 기판을 legacy Antenna 시스템과 RRH 사이에 배치하는 형태로 구현될 수도 있다. 따라서, 기존의 legacy Antenna 시스템도 4중 편파 다이버시티를 지원하도록 쉽게 변경될 수 있다. 다만, RF 매트릭스(340)로 인한 RF 손실이 수반되며, 정확한 빔간 간격 유지가 어려울 수 있다.
한편, 도 3에 예시된 안테나 어레이는 이중-편파 안테나 유닛들의 2개의 열(column)을 가지고 있으나, 다른 구현에서 더 많은 빔들을 형성하기 위해 혹은 더 좁은 빔폭을 형성하기 위해 안테나 어레이는 더 많은 열들을 가질 수도 있다.
이제, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하여, 도 3의 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템에서 편파 합성 및 원하는 빔 방향을 위해 RF 매트릭스(340)가 RF 신호들에 제공하여야 위상 변이를 포함한 신호 처리를 설명한다.
도 4a은 설명의 편의를 위해, 도 3의 안테나 시스템의 RF 도메인을 간략히 표현한 개념도이다. 도 4b는 도 3의 안테나 시스템이 형성할 수 있는 한 쌍의 빔과 이들 빔 형성에 관여된 입력 신호들을 예시한다. 도 4c의 표는 도 4b에 보인 한 쌍의 빔을 형성하기 위해 입력 신호들(T1, T2, T3, T4)이 RF 매트릭스(340)를 거쳐 안테나 어레이의 서브 어레이들에 도달하는 동안에 겪게 되는 위상 변이를 보인다.
도 4a와 도 4b를 참조하면, 입력 신호들(T1, T2)는 RF 매트릭스(340)를 거쳐 +/-45° 직교 편파를 가진 제1빔을 형성하며, 입력 신호들(T3, T4)는 RF 매트릭스(340)를 거쳐 V/H 편파를 가진 제2빔을 형성한다. 위 2개의 빔은 상이한 공간 방향을 가진다. 도 4b에는 +/-45° 직교 편파를 가진 제1빔이 10시 방향을 향하고 있으며, V/H 직교 편파를 가진 빔이 2시 방향을 향하고 있다.
이러한 도 4b에 예시된 빔 패턴을 형성하기 위해, RF 매트릭스(340)가 입력 신호들(T1, T2, T3, T4)에 대해 수행하는 신호처리, 다시 말해, 입력 신호들(T1, T2, T3, T4)이 RF 매트릭스(340)를 통해 안테나 어레이의 서브어레이들에 도달하는 동안 겪게 되는 위상 변이(phase shift)는 다음과 같다.
입력 신호 T1의 타겟 편파는 +45° 편파이며, RF 매트릭스(340)를 거쳐 제1열(C1; 좌측 열)의 +45° 편파 안테나 소자들의 서브어레이(이는 도 4b의 테이블에서 "C1 +45"로 표기됨)와 제2열(C2; 우측 열)의 +45° 편파 안테나 소자들의 서브어레이(이는 도 4b의 테이블에서 "C2 +45"로 표기됨)에 제공된다.
입력 신호 T2의 타겟 편파는 -45° 편파이며, RF 매트릭스(340)를 거쳐 제1열(C1)의 -45° 편파 안테나 소자들의 서브어레이(이는 도 4b의 테이블에서 "C1 -45"로 표기됨)와 제2열(C2)의 -45° 편파 안테나 소자들의 서브어레이(C2 -45)에 제공된다.
입력 신호 T3의 타겟 편파는 H 편파이며, 입력 신호 T4의 타겟 편파는 V 편파이다. 입력 신호 T3과 입력 신호 T4는 RF 매트릭스(340)를 거쳐 이중-편파 어레이의 4개의 서브어레이들(C1 +45; C1 -45; C2 +45; C2 -45)에 각각 제공된다.
입력 신호 T1는, RF 매트릭스(340)에 의해, 2개의 분기 신호로 분기되어, 하나의 분기 신호는 위상 변이 없이 제1열의 +45° 편파를 가진 서브어레이(C1 +45)에 도달하고 다른 하나의 분기 신호는 -90°의 위상 변이를 겪은 후 제2열의 +45° 편파를 가진 서브어레이(C2 +45)에 도달한다. 입력 신호 T1의 타겟 편파는 +45° 편파이므로, -90°의 위상 변이는 오직 빔포밍(beamforming)을 위한 것이다. 입력신호 T1에 대응하는 2개의 분기 신호는, 서로 -90°의 위상 차를 가진 채로 서브어레이들(C1 +45, C2 +45)에 의해 방사되므로, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 좌측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 +45° 편파를 가진 빔을 형성한다.
입력 신호 T2는, RF 매트릭스(340)에 의해, 2개의 분기 신호로 분기되어, 하나의 분기 신호는 위상 변이 없이 제1열의 -45° 편파를 가진 서브어레이(C1 -45)에 도달하고 다른 하나의 분기 신호는 -90°의 위상 변이를 겪은 후 제2열의 -45° 편파를 가진 서브어레이(C2 -45)에 도달한다. 입력 신호 T2의 타겟 편파는 -45° 편파이므로, -90°의 위상 변이는 오직 빔포밍(beamforming)을 위한 것이다.
입력신호 T2에 대응하는 2개의 분기 신호는, 서로 -90°의 위상 차를 가진 채로 서브어레이들(C1 -45, C2 -45)에 의해 방사되므로, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 좌측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 -45° 편파를 가진 빔을 형성한다.
입력 신호 T3는, RF 매트릭스(340)에 의해, 4개의 분기 신호로 분기되어, 제1 분기 신호는 위상 변이 없이 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 도달하고, 제2 분기 신호, 제3 분기 신호 및 제4 분기 신호는 각각 180°, 90°및 270°의 위상 변이를 겪은 후에 제1열의 서브어레이(C1 -45), 제2열의 서브어레이(C2 +45) 및 제2열의 서브어레이(C2 -45)에 도달한다. 제2 분기신호의 위상 변이(180°)는 오직 편파 합성을 위한 것이고, 제3 분기 신호의 위상 변이(90°)는 오직 빔포밍을 위한 것이며, 제4 분기 신호의 위상 변이(270°)는 빔포밍을 위한 위상 변이(90°)와 편파 합성을 위한 위상 변이(180°)의 합이다.
입력신호 T3에 대응하는 제1 분기 신호와 제2 분기 신호는 180°의 위상 차를 가진 채로 제1열(C1)의 서브어레이들(C1 +45, C1 -45)에 의해 방사되므로, 0°(H) 편파를 가진 빔을 형성한다(즉, 편파 합성이 발생한다). 제3 분기 신호와 제4 분기 신호는 180°의 위상 차를 가진 채로 제1열(C1)의 서브어레이들(C1 +45, C1 -45)에 의해 방사되므로, 0°(H) 편파를 가진 빔을 형성한다(즉, 편파 합성이 발생한다). 또한, 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 의해 방사되는 제1 분기 신호와 제2열의 서브어레이(C2 +45)에 의해 방사되는 제3 분기 신호는 서로 +90°의 위상 차를 가지고, 제1열의 서브어레이(C1 -45)에 의해 방사되는 제2 분기 신호와 제2열의 서브어레이(C2 -45)에 의해 방사되는 제4 분기 신호는 서로 +90°의 위상 차를 가지므로, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 우측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 0°(H) 편파를 가진 빔을 형성한다.
입력 신호 T4는, RF 매트릭스(340)에 의해, 4개의 분기 신호로 분기되어, 제1 분기 신호는 위상 변이 없이 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 도달하고, 제2 분기 신호, 제3 분기 신호 및 제4 분기 신호는 각각 180°, 90°및 270°의 위상 변이를 겪은 후에 제1열의 서브어레이(C1 -45), 제2열의 서브어레이(C2 +45) 및 제3열의 서브어레이(C2 -45)에 도달한다.
입력신호 T4에 대응하는 제1 분기 신호와 제2 분기 신호는 0°의 위상 차를 가진 채로 제1열(C1)의 서브어레이들(C1 +45, C1 -45)에 의해 방사되므로, 90°(V) 편파를 가진 빔을 형성한다(즉, 편파 합성이 발생한다). 제3 분기 신호와 제4 분기 신호는 0°의 위상 차를 가진 채로 제1열(C1)의 서브어레이들(C1 +45, C1 -45)에 의해 방사되므로, 90°(V) 편파를 가진 빔을 형성한다(즉, 편파 합성이 발생한다). 또한, 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 의해 방사되는 제1 분기 신호와 제2열의 서브어레이(C2 +45)에 의해 방사되는 제3 분기 신호는 서로 +90°의 위상 차를 가지고, 제1열의 서브어레이(C1 -45)에 의해 방사되는 제2 분기 신호와 제2열의 서브어레이(C2 -45)에 의해 방사되는 제4 분기 신호는 서로 +90°의 위상 차를 가지므로, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 우측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 90° 편파를 가진 빔을 형성한다.
도 5a는, 본 개시의 일 측면에 따른, 쿼드러쳐 하이브리드 커플러(quadrature hybrid coupler: QHC)을 이용하여 구현한 RF 매트릭스(500)의 일 예이다. QHC는 "브랜치 라인 커플러(branch-line coupler)" 혹은 "90° 하이브리드 커플러(90° Hybrid coupler)"로도 지칭된다. 도 5b는 도 5a에 예시된 RF 매트릭스(500)를 이용하여 형성될 수 있는 빔들의 패턴과 빔들의 이중편파 특성을 보인다. 도 5b에 예시된 빔들의 편파 특성은 도 4b에 보인 편파 특성이 반대임에 유의한다. 즉, 도 4b에서는 10시 방향의 빔이 +45°/-45°직교 편파를 가지며, 도 5b에서는 2시 방향의 빔이 +45°/-45°직교 편파를 가진다. 도 2와 관련하여 언급한 것과 같이, 엄밀히 말해, 2시 방향으로 +/-45° 직교 편파의 빔이 형성된다"는 것은 +45°선형 편파의 빔과 -45° 선형 편파의 빔이 2시 방향을 향해 형성된다는 것을 의미하며, "10시 방향으로 V/H 직교 편파의 빔이 형성된다"는 것은 90°(V) 선형 편파의 빔과 0°(H) 선형 편파의 빔이 10시 방향을 향해 형성된다는 것을 의미한다.
도 5a에 예시된 RF 매트릭스(500)는 PCB상에 4개의 입력 포트(흰색 원으로 표시됨)와, 도전성 스트립들로 형성된 3개의 QHC(510a, 510b, 510c)와, 4개의 출력 포트(검은색 원으로 표시됨)를 가진다.
도 5a의 확대도와 같이, 각 QHC(510a, 510b, 510c)는 4개의 암(arm)(즉, 제1암 내지 제4암)를 가지며, 제1암에 신호가 입력되면 제2암과 제3암에 출력이 나타나고, 제4암에는 출력이 나타나지 않는다. 또한, 제2암과 제3암의 출력신호 간에는 90°(즉, λ/4)의 위상차가 존재한다. QHC(510a, 510b, 510c)는 상하/좌우 대칭인 형태를 하고 있으며, 제2암에 신호를 입력하면 제1암과 제4암에 출력이 나타나고, 제3암에서는 출력되지 않는다. 즉, 완전대칭구조로 동작한다.
입력 신호 T1은, "제1 입력 포트 - 제1 QHC(510a)의 제1암 - 제1 QHC(510a)의 제2암 - 제1 출력 포트"를 거쳐, 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 도달한다. 또한, 입력 신호 T1은, "제1 입력 포트 - 제1 QHC(510a)의 제1암 - (90°의 위상지연) - 제1 QHC(510a)의 제3암 - 제3 출력 포트"를 거쳐, 제2열의 서브어레이(C2 +45)에 도달한다. 따라서, 입력 신호 T1 관점에서, 제1열의 서브어레이(C1 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제2열의 서브어레이(C2 +45)로부터 방사된 무선신호는 90°의 위상지연을 가지며, 도 5b에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 우측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 +45° 편파를 가진 빔이 형성된다.
입력 신호 T2는, "제2 입력 포트 - 제2 QHC(510b)의 제1암 - 제2 QHC(510b)의 제2암 - 제2 출력 포트"를 거쳐, 제1열의 서브어레이(C1 -45)에 도달한다. 또한, 입력 신호 T2는, "제2 입력 포트 - 제2 QHC(510b)의 제1암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제3암 - 제4 출력 포트"를 거쳐, 제2열의 서브어레이(C1 -45)에 도달한다. 따라서, 입력 신호 T2 관점에서, 제1열의 서브어레이(C1 -45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제2열의 서브어레이(C2 -45)로부터 방사된 무선신호는 90°의 위상지연을 가지며, 도 5b에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 우측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 +45° 편파를 가진 빔이 형성된다.
입력 신호 T3은, "제3 입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제4암 - (90°의 위상지연) - 제3 QHC(510c)의 제2암 - 제1 QHC(510a)의 제4암 - (90°의 위상지연) - 제1 QHC(510a)의 제2암 - 제1 출력 포트"를 거쳐, 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 도달한다. 또한, 입력 신호 T3은, "제3 입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제4암 - (90°의 위상지연) - 제3 QHC(510c)의 제2암 - 제1 QHC(510a)의 제4암 - 제1 QHC(510a)의 제3암 - 제3 출력 포트"를 거쳐, 제2열의 서브어레이(C2 +45)에 도달한다. 또한, 입력 신호 T3은, "제3입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제4암 - 제3 QHC(510c)의 제3암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제4암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제2암 - 제2 출력 포트"를 거쳐, 제1열의 서브어레이(C1 -45)에 도달된다. 또한, 입력 신호 T3은, "제3입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제4암 - 제3 QHC(510c)의 제3암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제4암 - 제2 QHC(510b)의 제3암 - 제4 출력 포트"를 거쳐, 제2열의 서브어레이(C2 -45)에 공급한다.
따라서, 입력 신호 T3 관점에서, 제1열의 서브어레이(C1 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C1 -45)로부터 방사된 무선신호는 0°의 위상지연을 가지며, 제2열의 서브어레이(C2 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C2 -45)로부터 방사된 무선신호는 0°의 위상지연을 가진다. 결과적으로, 90°(V) 편파를 가진 빔이 형성된다(즉, 편파 합성이 발생한다). 또한, 제2열의 서브어레이(C2 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C1 +45)로부터 방사된 무선신호는 90°의 위상지연을 가지며, 제2열의 서브어레이(C2 -45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C1 -45)로부터 방사된 무선신호는 90°의 위상지연을 가지므로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 좌측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 90°(V) 편파를 가진 빔이 형성된다.
입력 신호 T4는, "제4 입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제1암 - 제3 QHC(510c)의 제2암 - 제1 QHC(510a)의 제4암 - (90°의 위상지연) - 제1 QHC(510a)의 제2암 - 제1 출력 포트"를 거쳐, 제1열의 서브어레이(C1 +45)에 도달한다. 또한, 입력 신호 T4는, "제4 입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제1암 - 제3 QHC(510c)의 제2암 - 제1 QHC(510a)의 제4암 - 제1 QHC(510a)의 제3암 - 제3 출력 포트"를 거쳐, 제2열의 서브어레이(C2 +45)에 도달한다. 또한, 입력 신호 T4는, "제4 입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제1암 - (90°의 위상지연) - 제3 QHC(510c)의 제3암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제4암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제2암 - 제2 출력 포트"를 거쳐, 제1열의 서브어레이(C1 -45)에 도달된다. 또한, 입력 신호 T4는, "제4 입력 포트 - 제3 QHC(510c)의 제1암 - (90°의 위상지연) - 제3 QHC(510c)의 제3암 - (90°의 위상지연) - 제2 QHC(510b)의 제4암 - 제2 QHC(510b)의 제3암 - 제4 출력 포트"를 거쳐, 제2열의 서브어레이(C2 -45)에 공급한다.
따라서, 입력 신호 T4 관점에서, 제1열의 서브어레이(C1 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C1 -45)로부터 방사된 무선신호는 180°의 위상지연을 가지며, 제2열의 서브어레이(C2 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C2 -45)로부터 방사된 무선신호는 180°의 위상지연을 가진다. 결과적으로, 0°(H) 편파를 가진 빔가 형성된다(즉, 편파 합성이 발생한다). 또한, 제2열의 서브어레이(C2 +45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C1 +45)로부터 방사된 무선신호는 90°의 위상지연을 가지며, 제2열의 서브어레이(C2 -45)로부터 방사된 무선신호에 비해 제1열의 서브어레이(C1 -45)로부터 방사된 무선신호는 90°의 위상지연을 가지므로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이의 법선을 기준으로 좌측으로 약 30°기울어진 공간 방향으로 0°(H) 편파를 가진 빔이 형성된다.
도 6a는 이종(heterogeneous)의 이중-편파 안테나 유닛들을 포함하는 안테나 어레이를 이용하는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 4T4R 편파 다이버시티 안테나 시스템을 도시한다.
도 6a에 도시된 안테나 시스템은, 디지털 도메인이나 RF 도메인에서의 신호 처리를 요하지 않고, 이종의 이중-편파 안테나 유닛들을 이용하여 도 1 혹은 도 3과 유사한 공간 다중화된 직교 편파 빔들을 생성한다. 따라서, 도 6a에 표시된 Tx 신호들(T1, T2, T3, T4)이 디지털 도메인에서의 편파 합성이 적용되지 않은 신호이다. 유사하게, Rx 신호들에도 디지털 도메인에서의 편파 합성이 적용되지 않는다.
도 6a를 참조하면, 이종의 이중-편파 안테나 유닛들이 4개의 열들로 배열된 안테나 어레이가 도시되어 있다. 좌측의 2개의 열들은 +45°/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들로 구성되어 있으며, 우측의 2개의 열들은 V/H의 이중-편파 안테나 유닛들로 구성되어 있다.
각 열에서, 안테나 소자들(601a, 601b, 602a, 602b)이 편파 별로 피더 라인(611a, 611b, 612a, 612b)에 연결된다. 예를 들어, 첫 번째 열과 두 번째 열 각각에서, +45° 편파의 제1 안테나 소자들(601a)이 제1 피더 라인(611a)에 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, -45° 편파의 제2 안테나 소자들(601b)이 제2 피더 라인(611b)에 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 세 번째 열과 네 번째 열 각각에서, 90°(V) 편파의 제1 안테나 소자들(602a)이 제1 피더 라인(612a)에 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, 0°(H) 편파의 제2 안테나 소자들(602b)이 제2 피더 라인(612b)에 연결되어 제2 서브어레이를 형성한다. 따라서, 도 6a에 도시된 이중-편파 안테나 어레이에서, 안테나 소자들(601a, 601b, 602a, 602b)은 8개의 서브어레이로 분할된다.
도 6a에 예시된 안테나 어레이를 이용하여 각 편파 별로 빔을 형성하기 위해, 동일 편파를 가진 서브어레이들이 RF 도메인에서 서로 연결된다. 즉, 각 편파마다 한 쌍의 서브어레이들이 하나의 RF 체인(630)에 연결되도록 RF 도메인에서 서로 결합된다. 이로서 안테나 시스템은 4T4R이다. 서브어레이들의 결합은 RF 도메인 상에서 간단한 RF 컴바인너(combiner)을 구성함으로써 달성될 수 있다.
후술하는 바와 같이, +45°/-45° 편파를 가진 안테나 유닛들이 배열된 안테나 패널(antenna panel)의 제1영역(혹은 제1면)과 V/H 편파를 가진 안테나 유닛들이 배열된 안테나 패널의 제2영역(혹은 제2면)이 소정의 둔각(90°<θ < 180°)을 이루도록, 안테나 패널이 형성된다. 제1영역과 제2영역은, 예컨대, 120°를 이룰 수 있다. 따라서, 길이 방향으로 절곡된 안테나 패널로 인해, +45°/-45°의 이중-편파 안테나 어레이와 H/L의 이중-편파 안테나 어레이들은 공간적으로 상이한 방향을 지향하도록 배열된다. 이러한 구조에서, +45°/-45° 편파를 가진 빔과 V/H 편파를 가진 빔은 안테나 패널의 2개의 영역이 바라보는 공간 방향으로 기계적으로 스티어링(steering) 되며, 따라서 안테나 패널의 2개의 영역이 이루는 각도(θ)를 적절히 조정함으로써 도 6a의 안테나 시스템은 도 1 혹은 도 3과 유사한 공간 다중화된 직교 편파 빔들을 생성할 수 있다.
도 6a의 안테나 시스템은 공간 다중화된 빔 패턴의 형성에 RF 컴바인너(combiner)와 같은 단순한 RF 컴포넌트들이 요구될 뿐, (도 1의 안테나 시스템에서 요구되는) 디지털 도메인에서의 신호처리를 위한 하드웨어가 요구되지 않으며 그에 따른 발열 문제도 개선될 수 있다. 또한, 도 6a의 안테나 시스템은 도 3에 도시된 안테나 시스템에 비해 정확한 빔간 간격 유지가 가능하며, 특히, SINR 성능에 영향을 미치는, 상이한 이중-편파를 가지는 빔들이 서로 오버랩되는 영역을 최소화할 수 있다.
도 6b 내지 도 6d를 참조하여, 도 6a의 안테나 시스템에서 채용되는, 이종(heterogeneous)의 이중-편파 안테나 유닛들이 배열된 안테나 패널의 구조 및 그 구조의 유용성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 도 6a의 안테나 시스템에서 채용될 수 있는 예시적인 안테나 패널(600)의 평면도이다. 도 6b를 참조하면, 안테나 패널(600)의 좌반면(610)에 +45°/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들(601)이 배열되고, 안테나 패널(600)의 우반면(620)에 H/V의 이중-편파 안테나 유닛들(602)이 배열되어 있다.
만약, 좌반면(610)과 우반면(620)이 하나의 평평한 면을 이룬다면(도 6c의 (a)의 정면도 참조), 동일한 편파 특성을 가지는 이중-편파 안테나 유닛들에 인가되는 RF 신호들 간에 위상 차이를 둠으로써 도 6c의 (b)에 예시된 것과 같은 공간 다중화된 한 쌍의 빔 패턴이 얻어질 수 있다. 반면, 안테나 패널(600)의 좌측면(610)과 안테나 패널의 우측면(620)이 소정의 둔각(θ)을 이룬다면(도 6d의 (a)의 정면도 참조), 동일한 편파 특성을 가지는 이중-편파 안테나 유닛들에 인가되는 RF 신호의 위상 조정 없이도, 도 6d의 (b)에 예시된 것과 같은 한 쌍의 빔 패턴이 얻어질 수 있다. 도 6c의 (b)의 빔 패턴에서는 메인로브 주변에 상당한 사이드로브(sidelobe)들이 존재하지만, 도 6d의 (b)의 빔 패턴에서는 무시할만한 사이드로브들이 존재한다. 즉, 도 6d의 (a)와 같은 안테나 패널의 구조 및 이종(heterogeneous)의 이중-편파 안테나 유닛들의 배열이 공간적인 편파 다중화에 상대적으로 유용함을 알 수 있다.
나아가, 도 6d의 (a)와 같은 안테나 패널(600)의 구조와 RF 빔포밍을 결합하여, 안테나 패널의 2개의 영역이 이루는 각도(θ)에 의해 제공되는 공간 방향보다 더 큰 공간 방향들으로 빔들을 지향시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 6d의 (a)에 예시된 안테나 패널(600)의 좌반면(610)에서, 첫 번째 열의 서브어레이로부터 RF 체인들(630)까지의 RF 경로들이 두 번재 열의 서브어레이들로부터 RF 체인들(630)까지의 RF 경로들보다 더 길도록 함으로써, 안테나 패널(600)의 좌반면(610)이 바라보는 공간 방향보다 더 왼쪽을 향해 +45°/-45° 직교 편파를 가진 빔이 형성될 수 있다. 따라서 도 6d의 (a)에 예시된 안테나 패널(600)의 구조와 RF 빔포밍을 결합함으로써, 안테나 패널(600)의 좌반면(610)과 우반면(620)이 이루는 각도(θ)를 더 크게(즉, 180°에 가깝게) 할 수도 있다. 이러한 맥락에서, 도 6e에는 서로 상이한 열에 위치한 동일 편파의 서브어레이들이 상이한 길이의 RF 경로로 RF 체인(630)에 연결된 구성이 예시되어 있다.
도 7a는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 길이 방향으로 절곡되고 너비 방향으로도 절곡된, 이종(heterogeneous)의 이중-편파 안테나 유닛들이 배열된 안테나 패널(700)을 도시한다.
도 7a를 참조하면, 길이 방향(x)으로의 절곡은 안테나 패널을 좌측 영역과 우측 영역으로 구분하며, 너비 방향(y)으로의 절곡은 안테나 패널을 상측 영역과 하측 영역으로 더 구분한다. 다시 말해, 안테나 소자들이 배열되는 안테나 패널은 서로 상이한 방향을 바라보는 4개의 영역들(면들)로 구분된다.
동일한 이중편파를 가진 안테나 소자들이 안테나 패널의 수평 방향 혹은 수직 방향의 인접한 두 면들에 배치되지 않도록, +/-45°안테나 소자들(701)과 V/H 안테나 소자들(702)이 4개의 영역들(면들)에 교대로 배열되어 있음에 주목한다. 예를 들어, 안테나 패널의 좌상면에는 V/H의 이중-편파 안테나 유닛들(702)이 배열되며, 우상면에는 +/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들(701)이 배열되며, 좌하면에는 +/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들(701)이 배열되며, 우하면에는 V/H의 이중-편파 안테나 유닛들(702)이 배열된다.
도 6a에 보인 안테나 패널(600)과 유사하게, 도 7a에 예시된 안테나 패널(700)의 각 영역(면)마다, 각 열의 안테나 소자들이 편파 별로 피더 라인(feeder line)에 연결되어, 서브어레이들을 형성할 수 있다. 또한, 동일 편파를 가진 상이한 열에 위치한 서브어레이들이 RF 도메인에서 서로 연결될 수 있다. 즉, 안테나 패널(700)의 주어진 영역(면)에서 각 편파마다 상이한 열에 위치한 한 쌍의 서브어레이들이 하나의 RF 체인에 연결되도록 RF 도메인에서 서로 결합될 수 있다. 이로서 도 7a에 예시된 안테나 패널(700)을 이용한 안테나 시스템은 8T8R을 지원할 수 있다.
대안적으로, 안테나 패널(700)의 우상면 및 좌하면에 배열된 +/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들(701)이 한 쌍의 RF 체인에 연결되고, 안테나 패널의 좌상면 및 우하면에 배열된 V/H의 이중-편파 안테나 유닛들(702)이 다른 한 쌍의 RF 체인에 연결될 수도 있다. 이로서 도 7a에 예시된 안테나 패널(700)을 이용한 안테나 시스템은 4T4R을 지원할 수도 있다.
우상면에 배열된 +/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들(701)은 +45°/-45° 직교 편파를 가진 제1빔을 형성하고, 좌상면에 배열된 V/H의 이중-편파 안테나 유닛들(702)은 V/H 직교 편파를 가진 제2빔을 형성하고, 좌하면에 배열된 +/-45°의 이중-편파 안테나 유닛들(701)은 +45°/-45° 직교 편파를 가진 제3빔을 형성하고, 우하면에 배열된 V/H의 이중-편파 안테나 유닛들은 V/H 직교 편파를 가진 제4빔을 형성을 형성한다. 제1 내지 제4빔이 향하는 각각의 공간 방향은 안테나 패널의 대응하는 면들이 바라보는 공간 방향과 일치한다. 따라서, 제1 내지 제4빔이 서로 상이한 공간 방향으로 형성된다.
한편, 도 7b에 예시된 바와 같이, 좌하측 영역 및 우하측 영역에 배열된 이중-편파 안테나 유닛들에 의해 형성된 제3빔과 제4빔은 우상측 영역 및 좌상측 영역에 배열된 안테나 소자들에 의해 형성된 제1빔과 제2빔에 의해 커버되지 않는 음영 지역을 커버할 수 있다. 따라서 좌하측 영역 및 우하측 영역에는 (안테나 시스템의 주된 커버리지를 제공하는) 우상측 영역 및 좌상측 영역보다 더 적은 수의 이중-편파 안테나 유닛들이 배열될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예들의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION]
본 특허출원은, 본 명세서에 그 전체가 참고로서 포함되는, 2021년 9월 27일자로 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2021-0127532호 및 2022년 9월 1일자로 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2022-0110163호에 대해 우선권을 주장한다.

Claims (10)

  1. 이중-편파 안테나 유닛들의 제1 열과 이중-편파 안테나 유닛들의 제2 열을 포함하는 안테나 어레이, 여기서 상기 이중-편파 안테나 유닛들 각각은 서로 수직교차하는 제1 안테나 소자와 제2 안테나 소자를 구비하고, 각 열에서, 상기 제1 안테나 소자들은 전도적으로 연결되어 제1 서브어레이를 형성하고, 상기 제2 안테나 소자들은 전도적으로 연결되어 제2 서브어레이를 형성함; 및
    RF 입력 신호들 각각을 복수의 분기 신호로 분기하고 상기 복수의 분기 신호들의 위상을 선택적으로 조정하여, 상기 제1열의 상기 제1 서브어레이, 상기 제1열의 상기 제2 서브어레이, 상기 제2열의 상기 제1 서브어레이, 및 상기 제2열의 상기 제2 서브어레이에 제공되는 RF 출력 신호들을 생성하는 RF 매트릭스
    를 포함하고,
    상기 RF 출력 신호들이 상기 이중-편파 안테나 유닛들에 의해 방사될 때, +/-45° 편파를 가진 제1 빔 및 0°/90° 편파를 가진 제2 빔이 형성되며, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔은 서로 공간적으로 상이한 방향을 향해 형성되는, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 RF 매트릭스는 PCB에 형성된 쿼드러쳐 하이브리드 커플러(quadrature hybrid coupler: QHC)들로 구현된, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 RF 매트릭스는,
    제1 QHC, 제2 QHC 및 제3QHC;
    상기 제1 QHC의 제1암에 연결된 제1 입력 포트, 상기 제2 QHC의 제1암에 연결된 제2 입력 포트, 상기 제3 QHC의 제4암에 연결된 제3 입력 포트, 그리고 상기 제3 QHC의 제2암에 연결된 제4 입력 포트; 및
    상기 제1 QHC의 제2암에 연결된 제1 출력 포트, 상기 제1 QHC의 제3암에 연결된 제2 출력 포트, 상기 제2 QHC의 제2암에 연결된 제3 출력 포트, 그리고 상기 제2 QHC의 제3암에 연결된 제4 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 제3 QHC의 제2암은 상기 제1 QHC의 제4암에 연결되고, 상기 제3 QHC의 제3암은 상기 제2 QHC의 제4암에 연결된, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 입력 포트, 상기 제2 입력 포트, 상기 제3 입력 포트, 및 상기 제4 입력 포트는 상기 제1열의 상기 제1 서브어레이, 상기 제2열의 상기 제1 서브어레이, 상기 제1열의 상기 제2 서브어레이, 및 상기 제2열의 상기 제2 서브어레이에 각각 연결된, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 입력 포트, 상기 제2 입력 포트, 상기 제3 입력 포트, 및 상기 제4 입력 포트는 상기 RF 입력 신호들을 공급하는 RF 체인들에 각각 연결된, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 RF 매트릭스는,
    상기 제1 빔 및 상기 제2 빔을 형성하기 위한 위상 차이와 상기 제1 빔과 상기 제2 빔의 편파를 결정하는 위상 차이에 기초하여, 상기 복수의 분기 신호들의 위상을 선택적으로 조정하는, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 RF 입력 신호들 중에서, 상기 제1 빔에 의해 전파되는 한 쌍의 RF 입력 신호에 대해 상기 RF 매트릭스 회로에 의해 조정된 위상은 상기 제1빔이 형성되는 원하는 공간 방향을 달성하기 위해 정의된 것인, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 RF 입력 신호들 중에서, 상기 제2 빔에 의해 전파되는 한 쌍의 RF 입력 신호에 대해 상기 RF 매트릭스 회로에 의해 조정된 위상은 상기 제2빔이 형성되는 원하는 공간 방향 및 편파 합성을 달성하기 위해 정의된 것인, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 이중-편파 안테나 유닛들은 +/-45° 편파 특성을 가지는, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 빔의 0°/90° 편파는 편파 합성(Polarization Synthesis)에 의해 얻어진 것인, 편파 다이버시티 안테나 시스템.
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