KR100976087B1 - 4중 편파 안테나 모듈 및 이를 포함하는 무선 송수신 장치 - Google Patents

4중 편파 안테나 모듈 및 이를 포함하는 무선 송수신 장치 Download PDF

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Abstract

4중 편파 안테나 모듈 및 이를 포함하는 무선 송수신 장치가 개시된다. 본 발명에 따르면, 방사 소자 및 상기 방사 소자에 급전을 행하는 급전부를 포함하는 안테나 모듈로서, 상기 급전부는, 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4)와 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8), 제1 입력 포트(P1) 및 제2 입력 포트(P2)를 입력 단자로 하며 2 개의 출력 단자(A, B)를 갖는 90°하이브리드 커플러(410), 제3 입력 포트(P3) 및 상기 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(A)를 입력 단자로 하며 제1 출력 포트(P5) 및 제3 출력 포트(P7)를 출력 단자로 갖는 제1 180°하이브리드 커플러(431), 및 제4 입력 포트(P4) 및 상기 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(B)를 입력 단자로 하며 제2 출력 포트(P6) 및 제4 출력 포트(P8)를 출력 단자로 갖는 제2 180°하이브리드 커플러(433)를 포함하되, 상기 안테나 모듈은 상기 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4) 중 어느 하나에 신호를 입력함에 따라 우수원형편파, 좌수원형편파, 수평편파 및 수직편파 중 어느 하나를 발생시키는 것을 특징으로 하는 4중 편파 안테나 모듈이 제공된다.
하이브리드 커플러, 4중 편파, RFID, 안테나

Description

4중 편파 안테나 모듈 및 이를 포함하는 무선 송수신 장치{QUADRUPLE POLARIZED ANTENNA MODULE AND WIRELESS TRANSCEIVER COMPRISING THE SAME}
본 발명은 4중 편파 안테나 모듈 및 이를 포함하는 무선 송수신 장치에 관한 것으로, 복수 개의 하이브리드 커플러를 이용하여 방사체의 급전 구조를 형성하여, 경우에 따라 서로 다른 4 가지 형태의 편파를 선택적으로 발생시킬 수 있도록 하는 4중 편파 안테나 모듈 및 이를 포함하는 무선 송수신 장치에 관한 것이다.
최근, 유비쿼터스 컴퓨팅 개념을 실현시키는 데 있어서 주요 수단들 중 하나인 RFID(Radio Frequency IDentification) 기술에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
통상적으로 RFID 시스템은 각종 식별 정보를 담고 있는 태그(tag)와 이러한 태그를 인식하는 리더기로 구성된다. 상기 리더기에는 태그와의 정보 송수신을 위한 안테나 모듈이 포함되는데, 안테나의 방사 형태는 그 급전 구조 또는 안테나의 형상 등에 따라 다양한 형태로 구현된다.
이렇게 다양한 형태의 편파 특성을 갖는 안테나는 경우에 따라 다르게 이용될 수 있다. 예를 들어, 장애물이 많거나 인식해야 할 태그의 방향이 일정하지 않은 환경 하에서는 원형편파를 발생시키는 안테나가 이용될 수 있고, 장애물이 없는 공간에서는 인식 거리가 긴 선형편파 안테나를 이용할 수 있다.
그러나, RFID 시스템이 구현되는 공간에서는 다양한 환경이 공존할 수 있기 때문에, 다양한 형태의 편파를 발생시키는 안테나가 필요하다.
이 때문에, 종래의 RFID 시스템의 리더기에는 다양한 형태의 편파를 발생시키는 안테나가 복수 개 포함되었었다. 즉, 안테나는 한가지 형태의 편파 밖에 발생시키지 못하기 때문에, 이를 복수 개 구비하여, 경우에 따라 서로 다른 안테나를 사용하였었다.
따라서, 복수의 안테나의 필요 없이, 경우에 따라 여러가지 형태의 편파를 발생시킬 수 있는 안테나 모듈에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 4개의 입력 포트를 통해 입력되는 신호에 따라 서로 다른 형태의 편파를 발생시킴으로써, 하나의 방사 소자만으로도 4가지 형태의 편파를 선택적으로 발생시킬 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방사 소자 및 상기 방사 소자에 급전을 행하는 급전부를 포함하는 안테나 모듈로서, 상기 급전부는, 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4)와 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8), 제1 입력 포트(P1) 및 제2 입력 포트(P2)를 입력 단자로 하며 2 개의 출력 단자(A, B)를 갖는 90°하이브리드 커플러(410), 제3 입력 포트(P3) 및 상기 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(A)를 입력 단자로 하며 제1 출력 포트(P5) 및 제3 출력 포트(P7)를 출력 단자로 갖는 제1 180°하이브리드 커플러(431), 및 제4 입력 포트(P4) 및 상기 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(B)를 입력 단자로 하며 제2 출력 포트(P6) 및 제4 출력 포트(P8)를 출력 단자로 갖는 제2 180°하이브리드 커플러(433)를 포함하되, 상기 안테나 모듈은 상기 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4) 중 어느 하나에 신호를 입력함에 따라 우수원형편파, 좌수원형편파, 수평편파 및 수직편파 중 어느 하나를 발생시키는 것을 특징으로 하는 4중 편파 안테나 모듈이 제공된다.
상기 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8)는 상기 방사 소자에 배치되어 급전 단자로서 기능할 수 있다.
상기 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4) 중 적어도 하나의 입력 포트를 선택하기 위한 스위치부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 특징을 갖는 안테나 모듈을 포함하는 무선 송수신 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 4개의 입력 포트를 통해 입력되는 신호에 따라 서로 다른 형태의 편파를 발생시킴으로써, 하나의 방사 소자만으로도 4가지 형태의 편파를 선택적으로 발생시킬 수 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된 다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
하이브리드 커플러( Hybrid Coupler )
먼저, 본 발명의 주요 구성에 포함되는 하이브리드 커플러에 대해 간단히 설명하기로 한다.
하이브리드 커플러란, RF 회로 또는 통신 회로에 널리 사용되는 수동 소자로서, 입력 전력을 동일한 전력을 갖는 복수 개의 신호로 분리하는 방향성 커플러의 일종이다. 하이브리드 커플러에 의해 분리되는 복수 개의 신호는 동일한 크기의 전력을 가지나, 서로 다른 위상을 갖는다.
도 1 및 도 2는 이러한 하이브리드 커플러의 일례를 나타내는 도면이다. 먼저, 도 1은 90°하이브리드 커플러의 입력과 출력의 패턴을 나타내는 것이고, 도 2는 180°하이브리드 커플러의 입력과 출력의 패턴을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 90°하이브리드 커플러 및 180°하이브리드 커플러는 모두 2개씩의 입출력 포트를 갖는다.
먼저, 도 1을 참조하여 90°하이브리드 커플러의 동작에 대해 설명하기로 한다. 도 1a를 참조하면, 90°하이브리드 커플러의 입력 포트(P1)에 신호가 인가될 때에는, 출력 포트(P3, P4)에 각각 0° 및 90° 위상을 갖는 신호가 출력된다. 이때, 출력 포트(P3, P4)로 출력되는 신호는 동일한 전력을 갖게 된다. 반대로, 도 1b를 참조하면, 90°하이브리드 커플러의 입력 포트(P2)에 신호가 인가될 때에는, 출력 포트(P3, P4)에 각각 90° 및 0° 위상을 갖는 신호가 출력된다.
다음으로, 도 2를 참조하여 180°하이브리드 커플러의 동작에 대해 설명하기로 한다. 도 2a를 참조하면, 180°하이브리드 커플러의 입력 포트(P5)에 신호가 인가될 때에는, 출력 포트(P7, P8)에 각각 0° 및 180° 위상을 갖는 신호가 출력된다. 이때 역시, 출력 포트(P7, P8)로 출력되는 신호는 동일한 전력을 갖게 된다. 반대로, 도 2b를 참조하면, 180°하이브리드 커플러의 입력 포트(P6)에 신호가 인가될 때에는, 출력 포트(P7, P8)에 각각 180° 및 0° 위상을 갖는 신호가 출력된다.
이하에서는, 본 발명의 주요 구성상 특징인 4중 편파 안테나 모듈의 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 편파 안테나 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 4중 편파 안테나 모듈은, 방사 소자(300) 및 상기 방사 소자(300)에 전력을 공급하는 하는 급전부(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 방사 소자(300)는 통상적인 방사체일 수 있으며, 도면 상에서는 사각형 형태인 것으로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 삼각형, 원형 등 으로도 구성될 수 있음은 물론이다. 또한 각 출력포트(P5, P6, P7, P8)에 개별적으로 연결된 4개의 개별소자의 배열안테나 형태로도 가능하다.
한편, 급전부(400)는 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4)와 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8)를 포함하며, 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8)가 방사 소자(300)의 급전 단자로서 기능한다. 이러한 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8)는 방사 소자(300)에 반시계 방향 또는 시계 방향으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 급전부(400)는 1 개의 90°하이브리드 커플러(410)와, 2개의 180°하이브리드 커플러(431, 433)를 포함한다.
90°하이브리드 커플러(410)는 입력 포트(P1, P2)를 입력 단자로 하며 2 개의 출력 단자(A, B)를 갖는다.
한편, 제1 180°하이브리드 커플러(431)는 입력 포트(P3) 및 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(A)를 입력 단자로 하며, 출력 포트(P5, P7)를 출력 단자로 갖는다. 또한, 제2 180°하이브리드 커플러(433)는 입력 포트(P4) 및 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(B)를 입력 단자로 하며 출력 포트(P6, P8)를 출력 단자로 갖는다.
본 발명의 안테나 모듈에서 급전부(400)는 각 입력 포트(P1, P2, P3, P4)에의 신호 입력에 따라 서로 다른 형태의 편파를 발생시킨다. 즉, 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4)에 대해 서로 다른 형태의 편파를 발생시키므로, 4중 편파 안테나 모듈의 구성을 갖게 되는 것이다.
이하에서는, 본 발명의 안테나 모듈에 포함되는 각 입력 포트(P1, P2, P3, P4)에 대한 신호 입력 시의 편파 발생 형태에 대해 설명하기로 한다.
동작예
도 4는 각 입력 포트(P1, P2, P3, P4)에 신호를 인가하였을 때의 편파 발생 형태를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 4a를 참조하여, 입력 포트(P1)에 신호를 인가하였을 경우의 편파 발생 형태에 대해 설명하기로 한다. 입력 포트(P1)에 신호가 인가되면, 90°하이브리드 커플러에 의해 90°의 위상차를 보이는 두 가지 신호로 분리된다. 즉, 90°하이브리드 커플러의 출력 단자(A)에서는 최초 입력 신호에 대해 0°, 출력 단자(B)에서는 90°의 위상을 갖는 신호가 출력된다. 한편, 출력 단자(A, B)로 출력된 신호는 각각 제1 180°하이브리드 커플러(431)와 제2 180°하이브리드 커플러(433)로 입력된다. 제1 180°하이브리드 커플러(431)로 입력되는 신호는 최초의 입력 신호에 대해 0°의 위상차를 갖는 신호이므로, 각각 최초 입력 신호에 대해 0°및 180°의 위상차를 갖는 신호로 분리되어 출력된다. 이때, 최초 입력 신호에 대해 0°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P7)로 출력되고, 최초 입력 신호에 대해 180°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P5)로 출력된다. 반면, 제2 180°하이브리드 커플러(433)로 입력되는 신호는 최초의 입력 신호에 대해 90°의 위상차를 갖는 신호이므로, 180°하이브리드 커플러(433)에 의해, 각각 최초 입력 신호에 대해 90°및 270°의 위상차를 갖는 신호로 분리되어 출력된다. 이때, 최초 입력 신호에 대해 90°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P8)로 출력되고, 최초 입력 신호에 대해 270°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P6)로 출력된다. 각 출력 포트(P5, P6, P7, P8)가 방사 소자(300)에 반시계 방향으로 형성된 경우를 가정하면, 도면에 도시되는 바와 같이, 반시계 방향으로 0°, 90°, 180°, 270°의 위상을 갖는 신호가 방사 소자(300)에 공급되므로, 방사 소자(300)는 우수원형편파(RHCP)를 발생시키게 된다.
다음으로, 도 4b를 참조하여, 입력 포트(P2)에 신호를 인가하였을 경우의 편파 발생 형태에 대해 설명하기로 한다. 입력 포트(P2)에 신호가 인가되면, 90°하이브리드 커플러에 의해 90°의 위상차를 보이는 두 가지 신호로 분리된다. 즉, 90°하이브리드 커플러의 출력 단자(B)에서는 최초 입력 신호에 대해 0°, 출력 단자(A)에서는 90°의 위상을 갖는 신호가 출력된다. 한편, 출력 단자(A, B)로 출력된 신호는 각각 제1 180°하이브리드 커플러(431)와 제2 180°하이브리드 커플러(433)로 입력된다. 제1 180°하이브리드 커플러(431)로 입력되는 신호는 최초의 입력 신호에 대해 90°의 위상차를 갖는 신호이므로, 각각 최초 입력 신호에 대해 90°및 270°의 위상차를 갖는 신호로 분리되어 출력된다. 이때, 최초 입력 신호에 대해 90°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P7)로 출력되고, 최초 입력 신호에 대해 270°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P5)로 출력된다. 반면, 제2 180°하이브리드 커플러(433)로 입력되는 신호는 최초의 입력 신호에 대해 0°의 위상차를 갖는 신호이므로, 180°하이브리드 커플러(433)에 의해, 각각 최초 입력 신호에 대해 0°및 180°의 위상차를 갖는 신호로 분리되어 출력된다. 이때, 최초 입력 신호에 대해 0°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P8)로 출력되고, 최초 입력 신호에 대해 180°의 위상차를 갖는 신호는 출력 포트(P6)로 출력된다. 각 출력 포트(P5, P6, P7, P8)가 방사 소자(300)에 반시계 방향으로 형성된 경우를 가정하면, 도면에 도시되는 바와 같이, 시계 방향으로 0°, 90°, 180°, 270°의 위상을 갖는 신호가 방사 소자(300)에 공급되므로, 방사 소자(300)는 좌수원형편파(LHCP)를 발생시키게 된다.
다음으로, 도 4c를 참조하여, 입력 포트(P3)에 신호를 인가하였을 경우의 편파 발생 형태에 대해 설명하기로 한다. 입력 포트(P3)로 입력되는 신호는 제1 180°하이브리드 커플러(431)만을 거쳐 바로 방사 소자(300)로 공급된다. 입력 신호는 제1 180°하이브리드 커플러(431)에 의해 각각 입력 신호에 대해 0°및 180°의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리되어 출력된다. 즉, 출력 포트(P5) 및 출력 포트(P7)를 통해서 각각 0°및 180°의 위상차를 갖는 신호가 출력되어 방사 소자(300)에 공급된다. 출력 포트(P5, P6, P7, P8)가 방사 소자(300)에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성되는 경우를 가정하면, 출력 포트(P5, P7)가 방사 소자(300)에 수평적으로 배치되게 되므로, 이 경우에는, 방사 소자(300)가 수평 편파를 발생시키게 된다.
마지막으로, 도 4d를 참조하여, 입력 포트(P4)에 신호를 인가하였을 경우의 편파 발생 형태에 대해 설명하기로 한다. 입력 포트(P4)로 입력되는 신호는 제2 180°하이브리드 커플러(433)만을 거쳐 바로 방사 소자(300)로 공급된다. 입력 신호는 제1 180°하이브리드 커플러(433)에 의해 각각 입력 신호에 대해 0°및 180°의 위상차를 갖는 두 개의 신호로 분리되어 출력된다. 즉, 출력 포트(P6) 및 출력 포트(P8)를 통해서 각각 0°및 180°의 위상차를 갖는 신호가 출력되어 방사 소자(300)에 공급된다. 출력 포트(P5, P6, P7, P8)가 방사 소자(300)에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성되는 경우를 가정하면, 출력 포트(P6, P8)가 방사 소자(300)에 수직적으로 배치되게 되므로, 이 경우에는, 방사 소자(300)가 수직 편파를 발생시키게 된다.
이러한 방식으로, 본 발명의 안테나 모듈은 각 입력 포트(P1, P2, P3, P4)를 통한 신호 입력에 따라 서로 다른 형태의 편파(우수원형편파, 좌수원형편파, 수평편파, 수직편파)를 발생시킬 수 있다.
따라서, 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4) 중 하나를 선택하여 신호를 입력함으로써, 경우에 따라 원하는 형태의 편파를 얻을 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 안테나 모듈은 입력 포트(P1, P2, P3, P4)의 전단에 스위치부(미도시됨)를 더 포함할 수 있고, 경우에 따라 하나의 입력 포트를 선택할 수 있다. 예를 들어, RFID 시스템에 있어서, 장애물이 많거나 인식해야 할 태그의 방향이 일정하지 않은 환경 하에서는 스위치부를 통해 입력 포트(P1) 또는 입력 포트(P2)를 선택함으로써 원형편파를 얻을 수 있고, 장애물이 없는 공간에서는 스위치부를 통해 입력 포트(P3) 또는 입력 포트(P4)를 선택함으로써 선형편파를 얻을 수 있다. 한편, 이러한 스위치부는 수동 또는 자동으로 구동될 수 있으며, 당업자의 필요에 따라 하드웨어적으로 또는 소프트웨어적으로 구성될 수 있음은 물론이다. 또한, 스위치부에는 현재 환경에 대한 데이터를 받아들여 이를 해석함으로써, 가장 적합한 형태의 편파를 발생시키기 위한 입력 포트를 선택할 수 있는 프로세 서(미도시됨)가 추가로 포함될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명 이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 90°하이브리드 커플러의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 180°하이브리드 커플러의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 동작예를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300: 방사 소자
400: 급전부
410: 90°하이브리드 커플러
431: 제1 180°하이브리드 커플러
433: 제2 180°하이브리드 커플러

Claims (4)

  1. 방사 소자 및 상기 방사 소자에 급전을 행하는 급전부를 포함하는 안테나 모듈로서,
    상기 급전부는,
    4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4)와 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8),
    제1 입력 포트(P1) 및 제2 입력 포트(P2)를 입력 단자로 하며 2 개의 출력 단자(A, B)를 갖는 90°하이브리드 커플러(410),
    제3 입력 포트(P3) 및 상기 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(A)를 입력 단자로 하며 제1 출력 포트(P5) 및 제3 출력 포트(P7)를 출력 단자로 갖는 제1 180°하이브리드 커플러(431), 및
    제4 입력 포트(P4) 및 상기 90°하이브리드 커플러(410)의 출력 단자(B)를 입력 단자로 하며 제2 출력 포트(P6) 및 제4 출력 포트(P8)를 출력 단자로 갖는 제2 180°하이브리드 커플러(433)를 포함하되,
    상기 안테나 모듈은 상기 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4) 중 어느 하나에 신호를 입력함에 따라 우수원형편파, 좌수원형편파, 수평편파 및 수직편파 중 어느 하나를 발생시키는 것을 특징으로 하는 4중 편파 안테나 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 출력 포트(P5, P6, P7, P8)는 상기 방사 소자에 배치되어 급전 단자로서 기능하는 것을 특징으로 하는 4중 편파 안테나 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 입력 포트(P1, P2, P3, P4) 중 적어도 하나의 입력 포트를 선택하기 위한 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 편파 안테나 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 4중 편파 안테나 모듈을 포함하는 무선 송수신 장치.
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