KR101306502B1 - Near-field mimo antenna array and method, system and computer-readable recording medium for estimating channel characteristics of near-field mimo communication using the same - Google Patents

Abstract

본 발명은 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 전기 쌍극자(electric dipole)로 구현된 제1 안테나 요소, 및 상기 전기 쌍극자와 원점(origin)이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치될 수 있는 자기 쌍극자(magnetic dipole)로 구현된 제2 안테나 요소를 포함하되, 상기 제1 및 제2 안테나 요소를 통해 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 안테나 배열이 제공된다. 본 발명에 의하면, 근접장 다중입출력 통신 환경에 적용이 가능하면서도 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있는 근접장 다중입출력 안테나 배열을 제공할 수 있게 되는 효과가 달성되고, 근접장 다중입출력 통신의 전송 특성(transmission characteristics)과 안테나 배열에서 발생하는 상호 커플링 효과(mutual coupling effect)를 용이하게 산출하여 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성(channel characteristics)을 효과적으로 추정할 수 있으며, 나아가, 이러한 추정 결과를 이용하여 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)을 쉽게 산출해 낼 수 있게 되는 효과가 달성된다.The present invention relates to a method and system for estimating channel characteristics of near-field MIMO communications. According to one aspect of the present invention, there is provided a first antenna element embodied as an electric dipole, and a magnet which may be arranged in any direction at an arbitrary distance from the origin of the electric dipole and at an arbitrary distance. An antenna arrangement is provided that includes a second antenna element implemented with a dipole, and performs near-field MIMO communication through the first and second antenna elements. Advantageous Effects of Invention According to the present invention, an effect of providing a near-field multi-input / output antenna array that can be applied to a near-field multi-input communication environment and easily estimates channel characteristics can be achieved, and transmission characteristics of near-field multi-input communication can be achieved. Channel characteristics of near-field multi-input / output communication can be estimated effectively by easily calculating the mutual coupling effect in the array and antenna array. The effect of being able to easily calculate the channel capacity of the communication is achieved.

Description

근접장 다중입출력 안테나 배열 및 이를 이용한 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{NEAR-FIELD MIMO ANTENNA ARRAY AND METHOD, SYSTEM AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM FOR ESTIMATING CHANNEL CHARACTERISTICS OF NEAR-FIELD MIMO COMMUNICATION USING THE SAME}NEAR-FIELD MIMO ANTENNA ARRAY AND METHOD, SYSTEM AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM FOR ESTIMATING CHANNEL CHARACTERISTICS OF NEAR -FIELD MIMO COMMUNICATION USING THE SAME}

본 발명은 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 안테나 배열 및 이를 이용한 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소형 전기 쌍극자(short electric dipole)와 소형 솔레노이드 루프(small solenoidal loop)(즉, 소형 자기 쌍극자(short electric dipole)) 혹은 서로 수직한 방향으로 배치되는 복수의 소형 전기 쌍극자를 안테나 요소로서 포함하는 근접장 다중입출력 안테나 배열에 관한 것이고, 이렇게 구현된 안테나 배열에 의하여 구현되는 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 모드-기반의 방법론에 의하여 용이하게 추정할 수 있도록 하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to near-field MIMO antenna arrays, and to methods, systems, and computer-readable recording media for estimating channel characteristics of near-field multi-input communications using the same, and more particularly, to a small electric dipole (short). A near field multiple input and output antenna arrangement comprising as antenna elements an electric dipole and a small solenoidal loop (ie, a short electric dipole) or a plurality of small electric dipoles arranged in a direction perpendicular to each other. The present invention relates to a method, a system and a computer readable recording medium for enabling easy estimation of channel characteristics of near field multi-input and output communication implemented by such an antenna array.

무선 정보 전송 필요성이 폭발적인 증대됨에 따라 이를 지원하기 위하여 다양한 무선 통신 기술이 제안되어 왔다. 특히, 제한된 무선 리소스만을 이용하여 데이터 전송률을 획기적으로 증가시킬 수 있는 다중입출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 기술이 개발되었다. 여기서, 다중입출력 통신은 신호를 송신하거나 수신하기 위해 여러 개의 안테나를 사용하는 통신 기술을 의미한다. 다중입출력 통신 이론에 따르면, 송신 및 수신 안테나 배열을 이용함으로써 무선 채널이 부분적으로 병렬화될 수 있고, 이에 따라 공간-시간 멀티플렉싱(multiplexing)을 이용함으로써 채널의 용량이 증가될 수 있게 된다.As the necessity of wireless information transmission has explosively increased, various wireless communication technologies have been proposed to support this. In particular, a multiple input multiple output (MIMO) communication technology has been developed that can dramatically increase the data rate using only limited radio resources. Here, the multi-input and output communication refers to a communication technique that uses a plurality of antennas for transmitting or receiving a signal. According to the multiple input and output communication theory, the use of transmit and receive antenna arrangements allows the wireless channels to be partially parallelized, thus allowing the capacity of the channels to be increased by using space-time multiplexing.

먼저, 송신 및 수신 안테나 배열의 안테나 요소들이 넓은 공간에 걸쳐 배치되는 종래의 원거리 다중입출력 통신에서는, 충분한 다중-경로 환경에 의하여 채널이 멀티플렉싱될 수 있으므로 채널 특성이 채널의 분산 특성(scattering property)에 의하여 결정되게 된다. 이와는 달리, 송신 및 수신 안테나 배열의 안테나 요소들이 좁은 공간 내에 배치되는 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신에서는, 안테나 요소들 사이의 공간에 저장된 반응 에너지가 안테나 요소들의 방사 에너지보다 더 지배적이게 될 정도의 근접장 영역에 송신 및 수신 안테나 배열이 위치하게 될 수도 있고, 이 경우 다중-경로 환경이 없이도 채널이 멀티플렉싱될 수 있게 된다.First, in a conventional long distance multi-input communication in which antenna elements of a transmitting and receiving antenna array are arranged over a large space, the channel characteristics may be multiplexed by the channel's scattering property because a channel may be multiplexed by a sufficient multipath environment. Is determined by. In contrast, in near-field MIMO communications where the antenna elements of the transmit and receive antenna arrays are placed in a narrow space, the reaction energy stored in the space between the antenna elements will be more dominant than the radiated energy of the antenna elements. Transmit and receive antenna arrays may be located in the near-field region of a degree, in which case the channels may be multiplexed without a multi-path environment.

종래의 연구에서는, 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성이 전-파장(full-wave) 시뮬레이션에 의하여 분석되었고, 안테나 배열의 각 고유모드가 개별적이고도 독립적인 채널로서 고려될 수 있다는 것이 입증된 바 있다. 이러한 종래기술로서, H. Hirayama 외 3인이 저술하고 Proc. 4th Eur. Conf. Antennas Propag.에 수록된 "Improvement of channel capacity of near-field MIMO"라는 논문을 예로 들 수 있다.In previous studies, the channel characteristics of near-field multi-input and output communication have been analyzed by full-wave simulation, and it has been demonstrated that each eigenmode of the antenna array can be considered as a separate and independent channel. As such prior art, H. Hirayama et al. 4th Eur. Conf. For example, the paper entitled "Improvement of channel capacity of near-field MIMO" contained in Antennas Propag.

이에, 본 발명자는 서로 직교하는 신호를 지배적으로 발생시키는 안테나 배열을 고안하고, 이러한 안테나 배열에 의하여 구현된 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정하는 방법 및 시스템을 고안하였다.Accordingly, the present inventors have devised an antenna arrangement for dominantly generating orthogonal signals, and devised a method and system for estimating channel characteristics of near field multi-input / output communication implemented by such an antenna arrangement.

본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to solve all the problems described above.

또한, 본 발명은 서로 원점이 다르고 임의의 거리를 두고 임의의 방향으로 배치되어 있는 소형 전기 쌍극자와 소형 자기 쌍극자로 구성되어 서로 직교하도록 편파(orthogonal polarization)되는 신호를 지배적으로 발생시킴으로써 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신에 사용될 수 있는 안테나 배열을 구현하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention is composed of a small electric dipole and a small magnetic dipole which are different in origin and are arranged in an arbitrary direction at an arbitrary distance, thereby dominantly generating signals that are orthogonal polarized to be orthogonal to each other. Another object is to implement an antenna arrangement that can be used for near-field MIMO) communications.

또한, 본 발명은 서로 임의의 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되어 있는 복수의 소형 전기 쌍극자로 구성되어 서로 직교하도록 편파되는 신호를 지배적으로 발생시킴으로써 근접장 다중입출력 통신에 사용될 수 있는 안테나 배열을 구현하는 것을 다른 또 목적으로 한다.In addition, the present invention consists of a plurality of small electric dipoles arranged in a vertical direction at any distance from each other to dominantly generate a signal polarized to be orthogonal to each other to implement an antenna array that can be used for near-field multi-input communication For another purpose.

또한, 본 발명은 소형 전기 쌍극자(short electric dipole)와 소형 솔레노이드 루프(small solenoidal loop)(즉, 소형 자기 쌍극자(short electric dipole)) 혹은 서로 수직한 방향으로 배치되는 복수의 소형 전기 쌍극자를 안테나 요소로서 포함하여 서로 직교하도록 편파되는 신호를 지배적으로 발생시키는 안테나 배열에 의하여 구현되는 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 모드-기반의 방법론에 의하여 용이하게 추정할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention provides an antenna element comprising a small electric dipole and a small solenoidal loop (i.e., a short electric dipole) or a plurality of small electric dipoles arranged in a direction perpendicular to each other. It is another object of the present invention to enable a channel-based methodology to easily estimate channel characteristics of a near field multi-input / output communication implemented by an antenna array dominantly generating signals that are orthogonally polarized to each other.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.In order to accomplish the above object, a representative structure of the present invention is as follows.

본 발명의 일 태양에 따르면, 전기 쌍극자(electric dipole)로 구현된 제1 안테나 요소, 및 상기 전기 쌍극자와 원점(origin)이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치될 수 있는 자기 쌍극자(magnetic dipole)로 구현된 제2 안테나 요소를 포함하되, 상기 제1 및 제2 안테나 요소를 통해 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 안테나 배열이 제공된다.According to one aspect of the present invention, there is provided a first antenna element embodied as an electric dipole, and a magnet which may be arranged in any direction at an arbitrary distance from the origin of the electric dipole and at an arbitrary distance. An antenna arrangement is provided that includes a second antenna element implemented with a dipole, and performs near-field MIMO communication through the first and second antenna elements.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 방법으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 서로 원점이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치될 수 있는 전기 쌍극자(electric dipole) 및 자기 쌍극자(magnetic dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - , (a) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 전송 매트릭스(transmission matrix)을 산출하고, 상기 산출된 송신 신호값, 수신 신호값 및 전송 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링(mutual coupling) 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스(channel matrix)를 산출하는 단계, (b) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스(coupling matrix) 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 단계, 및 (c) 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating channel characteristics of near-field MIMO communication, wherein the near-field multi-input / output communication has different origins and has arbitrary distances in arbitrary directions. Performed between a transmit antenna array and a receive antenna array, each comprising an electric dipole and a magnetic dipole, which may be disposed, as antenna elements, (a) transmitted from each antenna element of the transmit antenna array Calculates a transmission signal value and a reception signal value received at each antenna element of the reception antenna array, calculates a transmission matrix of the near field multiple input / output communication using an addition theorem, and calculates the transmission matrix A mutual kernel of the near field multiple input / output communication with reference to a transmission signal value, a reception signal value and a transmission matrix. Calculating a first channel matrix before the mutual coupling effect is reflected, (b) a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the transmitting antenna array; And calculating a reception terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the reception antenna array, and performing mutual impedance and load impedance of each antenna element included in the transmission antenna array and the reception antenna array. load impedance) and calculates a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix of the near-field multi-input / output communication with reference to the calculated transmission terminal voltage vector, receiving terminal voltage vector, mutual impedance, and load impedance. And (c) the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix and the transmission coupling By sequentially multiplying the matrix, there is provided a method comprising calculating a second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multiple input and output communication.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 시스템으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 서로 원점이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치되어 있는 전기 쌍극자(electric dipole) 및 자기 쌍극자(magnetic dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - , 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 전송 매트릭스(transmission matrix)을 산출하고, 상기 산출된 송신 신호값, 수신 신호값 및 전송 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링(mutual coupling) 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스(channel matrix)를 산출하는 전송 특성 분석부, 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스(coupling matrix) 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 상호 커플링 분석부, 및 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 채널 매트릭스 산출부를 포함하는 시스템이 제공된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a system for estimating channel characteristics of near-field MIMO communication, wherein the near-field multi-input and output communication has different origins and is arranged in arbitrary directions at arbitrary distances. Performed between a transmit antenna array and a receive antenna array, each comprising an electric dipole and a magnetic dipole arranged as antenna elements, the transmit signal value being transmitted from each antenna element of the transmit antenna array. And calculate a received signal value received at each antenna element of the receive antenna array, calculate a transmission matrix of the near field multiple input / output communication using an addition theorem, and calculate the calculated transmit signal value. Of the near field multiple input / output communication with reference to a received signal value and a transmission matrix. A transmission characteristic analyzer for calculating a first channel matrix before the mutual coupling effect is reflected, and a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the transmitting antenna array. And calculating a reception terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the reception antenna array, and performing mutual impedance and load impedance of each antenna element included in the transmission antenna array and the reception antenna array. load impedance) and calculates a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix of the near-field multi-input / output communication with reference to the calculated transmission terminal voltage vector, receiving terminal voltage vector, mutual impedance, and load impedance. The mutual coupling analyzer, and the calculated transmission coupling matrix and a first channel The system includes a channel matrix calculator for calculating a second channel matrix, the mutual coupling effects of the near-field MIMO communication reflected is provided by multiplying the matrix and the transmission coupling matrix sequentially.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 전기 쌍극자(electric dipole)로 구현된 제1 안테나 요소, 및 상기 전기 쌍극자와 임의의(arbitrary) 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되는 전기 쌍극자로 구현된 제2 안테나 요소를 포함하되, 상기 제1 및 제2 안테나 요소를 통해 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 안테나 배열이 제공된다.According to another aspect of the invention, a first antenna element implemented with an electric dipole and a second antenna implemented with an electric dipole arranged in a vertical direction at an arbitrary distance from the electric dipole. An antenna arrangement is provided that includes an element, wherein near-field MIMO communication is performed through the first and second antenna elements.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 방법으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 임의의(arbitrary) 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되는 복수의 전기 쌍극자(electric dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - , (a) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하고 상기 산출된 송신 신호값, 수신 신호값 및 전송 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스를 산출하는 단계, (b) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 단계, 및 (c) 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating channel characteristics of near-field MIMO communication, wherein the near-field multi-input communication is arranged in a vertical direction at an arbitrary distance. Performed between a transmit antenna array and a receive antenna array, each comprising an electric dipole of the antenna element as an antenna element, (a) a value of a transmit signal transmitted from each antenna element of the transmit antenna array and each of the receive antenna arrays; Computing the received signal value received at the antenna element, using an addition theorem, and reflecting the mutual coupling effect of the near-field multi-input / output communication with reference to the calculated transmit signal value, received signal value and transmission matrix. Calculating a first channel matrix prior to being established, (b) mutual coupling of each antenna element of the transmit antenna array A terminal voltage vector reflecting a ring effect and a receiving terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the receiving antenna array, and calculating a terminal terminal voltage vector A mutual impedance and a load impedance of the antenna element are calculated, and the transmission couple of the near field multiple input / output communication is referred to with reference to the calculated transmission terminal voltage vector, receiving terminal voltage vector, mutual impedance and load impedance. Calculating a ring matrix and a reception coupling matrix, and (c) sequentially multiplying the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix, and the transmission coupling matrix to reflect the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication. Providing a method comprising calculating a second channel matrix The.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 시스템으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 임의의(arbitrary) 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되는 복수의 전기 쌍극자(electric dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - , 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하고 상기 산출된 송신 신호값, 수신 신호값 및 전송 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스를 산출하는 전송 특성 분석부, 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 상호 커플링 분석부, 및 (c) 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 채널 매트릭스 산출부를 포함하는 시스템이 제공된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a system for estimating channel characteristics of near-field MIMO communication, wherein the near-field multi-input communication is arranged in a vertical direction at an arbitrary distance. Performed between a transmit antenna array and a receive antenna array each containing an electric dipole of as antenna element, at each antenna element of the transmit antenna array and the transmit signal value transmitted from each antenna element of the transmit antenna array. Calculate a received received signal value, use an addition theorem, and refer to the calculated transmit signal value, received signal value, and transmission matrix to reflect the mutual coupling effect of the near field multiple input / output communication. A transmission characteristic analyzer for calculating a one-channel matrix, for each antenna element of the transmit antenna array A terminal voltage vector reflecting a call coupling effect and a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the receiving antenna array are calculated and included in the transmitting antenna array and the receiving antenna array. Calculating the mutual impedance and the load impedance of each antenna element, and referring to the calculated transmission terminal voltage vector, receiving terminal voltage vector, mutual impedance and load impedance, A mutual coupling analysis unit for calculating a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix, and (c) sequentially multiplying the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix, and the transmission coupling matrix to determine the near field multi-input / output communication. Channel for calculating second channel matrix reflecting the mutual coupling effect The system comprises matrix calculating unit is provided.

이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 안테나 배열, 방법, 시스템, 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다.In addition, there is further provided a computer readable recording medium for recording another antenna arrangement, method, system, and computer program for executing the method for implementing the present invention.

본 발명에 의하면, 전기 쌍극자와 자기 쌍극자로 구성되어 서로 직교하도록 편파(orthogonal polarization)되는 신호를 지배적으로 발생시키고 위치와 방향이 임의적으로 설정될 수 있는 안테나 요소를 이용하여 일반적인 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신 환경에 적용이 가능하면서도 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있는 근접장 다중입출력 안테나 배열을 제공할 수 있게 되는 효과가 달성된다.According to the present invention, a general near field multi-input and output (near- The effect of providing a near field multi-input / output antenna array which can be applied to a field MIMO) communication environment and can easily estimate channel characteristics is achieved.

또한, 본 발명에 의하면, 서로 수직으로 배치되는 복수의 전기 쌍극자만으로 구성되어 서로 직교하도록 편파되는 신호를 지배적으로 발생시키는 안테나 요소를 이용하여 근접장 다중입출력 통신 환경에 적용이 가능하면서도 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있는 근접장 다중입출력 안테나 배열을 제공할 수 있게 되는 효과가 달성된다.According to the present invention, it is possible to apply to near field multi-input / output communication environment by using an antenna element composed of only a plurality of electric dipoles arranged perpendicularly to each other and dominantly generating signals polarized to be orthogonal to each other. The effect of being able to provide an estimated near field multiple input and output antenna arrangement is achieved.

또한, 본 발명에 의하면, 근접장 다중입출력 통신의 전송 특성(transmission characteristics)과 안테나 배열에서 발생하는 상호 커플링 효과(mutual coupling effect)를 용이하게 산출하여 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성(channel characteristics)을 효과적으로 추정할 수 있으며, 나아가, 이러한 추정 결과를 이용하여 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)을 쉽게 산출해 낼 수 있게 되는 효과가 달성된다.In addition, according to the present invention, the channel characteristics of the near-field multi-input communication by calculating the transmission characteristics of the near-field multi-input communication and the mutual coupling effect occurring in the antenna array easily. It is possible to estimate effectively, and furthermore, the effect of making it possible to easily calculate the channel capacity of the near field multi-input / output communication using this estimation result is achieved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 안테나 배열의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성 추정 시스템(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 2에 도시된 안테나 배열의 구조로 이루어진 송신 안테나 배열(310)과 수신 안테나 배열(320)의 상대적인 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3에 도시된 송신 안테나 배열(410)과 수신 안테나 배열(420) 사이의 관계를 등가적으로 기술하는 등가 회로(400)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션에 사용된 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션을 수행한 결과를 그래프로서 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 근접장 다중입출력 안테나 배열의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성 추정 시스템(800)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 7에 도시된 안테나 배열의 구조로 이루어진 송신 안테나 배열(910)과 수신 안테나 배열(920)의 상대적인 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 3에 도시된 송신 안테나 배열(1010)과 수신 안테나 배열(1020) 사이의 관계를 등가적으로 기술하는 등가 회로(1000)를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 본 시뮬레이션에 사용된 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열에 포함되는 안테나 요소의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 본 시뮬레이션에 사용된 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열의 위치 관계를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 각각 제1 및 제2 시뮬레이션을 수행한 결과를 그래프로서 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a near-field MIMO antenna array according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a channel characteristic estimation system 200 for near field multiple input / output communication according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a relative positional relationship between a transmitting antenna array 310 and a receiving antenna array 320 having the structure of the antenna array shown in FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an equivalent circuit 400 equivalently describing the relationship between the transmit antenna array 410 and the receive antenna array 420 shown in FIG. 3 in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of a transmission antenna array and a reception antenna array used in a simulation according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a result of performing a simulation according to an embodiment of the present invention as a graph.
7 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of a near field multiple input / output antenna array according to another exemplary embodiment of the present invention.
8 is a diagram schematically illustrating a configuration of a channel characteristic estimation system 800 for near field multiple input / output communication according to another embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a relative positional relationship between a transmitting antenna array 910 and a receiving antenna array 920 having the structure of the antenna array shown in FIG. 7 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an equivalent circuit 1000 equivalently describing the relationship between the transmit antenna array 1010 and the receive antenna array 1020 shown in FIG. 3 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of antenna elements included in a transmission antenna array and a reception antenna array used in this simulation according to another embodiment of the present invention.
12 is a diagram exemplarily illustrating a positional relationship between a transmitting antenna array and a receiving antenna array used in this simulation according to another embodiment of the present invention.
13 and 14 are graphs showing the results of performing the first and second simulations, respectively, according to another embodiment of the present invention.

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 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하에서는, 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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

본 명세서에 있어서, 도면 및 수학식에 기재된 Tx#1 및 Tx#2은 각각 송신 안테나 배열의 제1 및 제2 안테나 요소를 가리키고, Rx#1 및 Rx#2는 각각 수신 안테나 배열의 제1 및 제2 안테나 요소를 가리키는 것으로 이해되어야 한다.
In the present specification, Tx # 1 and Tx # 2 described in the figures and equations refer to the first and second antenna elements of the transmit antenna array, respectively, and Rx # 1 and Rx # 2 respectively represent the first and the second of the receive antenna array. It should be understood to refer to the second antenna element.

전기 쌍극자와 자기 쌍극자를 포함하는 Containing electric dipole and magnetic dipole 근접장Near field 다중입출력 안테나 배열의 구성 Multi-input antenna array configuration

본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 원점이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치되어 있는 소형 전기 쌍극자(short electric dipole) 및 소형 자기 쌍극자(short magnetic dipole)를 안테나 요소로서 포함하는 근접장 다중입출력 안테나 배열이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, as an antenna element, a small electric dipole and a short magnetic dipole, which are originated from each other and are arranged in an arbitrary direction at an arbitrary distance, are included. A near field multiple input and output antenna arrangement is provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 안테나 배열의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a near-field MIMO antenna array according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나 배열(100)은 소형 전기 쌍극자(110)를 제1 안테나 요소로서 포함할 수 있고, 소형 전기 쌍극자(110)로부터 임의의 거리만큼 떨어진 위치(소형 전기 쌍극자의 중심을 원점으로 하는 구면 좌표계에서 (r₀, θ₀, φ₀)에 해당하는 위치)에 임의의 방향(Z'축 방향으로 θ₁, X'축 방향으로 φ₁ 등)으로 배치되는 소형 자기 쌍극자(120)를 제2 안테나 요소로서 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 자기 쌍극자(120)는 소형 솔레노이드 루프(small solenoidal loop)에 의하여 구현될 수 있는데, 본 발명에 따른 소형 자기 쌍극자(120)가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 변경될 수 있음을 밝혀 둔다.Referring to FIG. 1, the near field multi-input and output antenna array 100 according to one embodiment of the present invention may include a small electric dipole 110 as a first antenna element, and may be any distance from the small electric dipole 110. by a position apart by (in the spherical coordinate system to the center of the compact electric dipole as the origin _{(r 0, θ 0, φ} 0) the position on) the axial direction, θ _1, X in the axial direction, any direction (Z in φ a small magnetic dipole 120 is arranged in the _first, and so on) may include a second antenna element. For example, the small magnetic dipole 120 according to the embodiment of the present invention may be implemented by a small solenoidal loop, but the small magnetic dipole 120 according to the present invention is not limited thereto. It is to be understood that it can be changed as many as possible within the scope that can achieve the object of the present invention.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 쌍극자(110)의 크기는 전기 쌍극자(110)에서 발생되는 신호 중 TM₁₀ 모드의 신호의 비중이 기설정된 수준 이상이 될 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있고, 자기 쌍극자(120)의 크기는 자기 쌍극자(120)에서 발생되는 신호 중 TE₁₀ 모드의 신호의 비중이 기설정된 수준 이상이 될 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 쌍극자(110) 및 자기 쌍극자(120)의 크기는 신호의 파장(λ)을 2π로 나눈 값보다 충분히 작게 결정될 수 있을 것이다.More specifically, the size of the electric dipole 110 according to an embodiment of the present invention to be determined within the range that the specific gravity of the signal of the TM ₁₀ mode of the signal generated from the electric dipole 110 can be more than a predetermined level. The size of the magnetic dipole 120 may be determined within a range in which the specific gravity of the TE ₁₀ mode signal among the signals generated from the magnetic dipole 120 may be equal to or greater than a predetermined level. For example, the size of the electric dipole 110 and the magnetic dipole 120 according to an embodiment of the present invention may be determined to be sufficiently smaller than the value of the wavelength (λ) of the signal divided by 2π.

본 발명의 일 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나 배열(100)의 제1 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(110)는 TM₁₀ 모드의 구면파 신호만을 지배적으로(dominantly) 발생시키고 제2 안테나 요소인 소형 자기 쌍극자(120)는 TE₁₀ 모드의 구면파 신호만을 지배적으로 발생시키며 위와 같이 발생된 TM₁₀ 모드의 구면파 신호와 TE₁₀ 모드의 구면파 신호는 서로 직교(orthogonal)하도록 편파(orthogonal polarization)되어 독립적으로 멀티플렉싱(multiplexing)된 채널로서 취급될 수 있기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나 배열(100)을 이용하여 근접장 다중입출력 통신 환경을 용이하게 구축할 수 있게 된다.
The small electric dipole 110, which is the first antenna element of the near field multi-input / output antenna array 100 according to an embodiment of the present invention, generates dominantly only the spherical wave signal of the TM ₁₀ mode and the small magnetic element is the second antenna element. The dipole 120 predominantly generates only the TE ₁₀ mode spherical wave signal, and the TM ₁₀ mode spherical wave signal and the TE ₁₀ mode spherical wave signal are orthogonally polarized to be orthogonal to each other and independently multiplexed ( Since it can be treated as a multiplexed channel, it is possible to easily establish a near field multiple input / output communication environment by using the near field multiple input / output antenna array 100 according to an embodiment of the present invention.

전기 쌍극자와 자기 쌍극자를 포함하는 Containing electric dipole and magnetic dipole 근접장Near field 다중입출력 안테나 배열에 대한 채널 특성 추정 시스템의 구성 Configuration of Channel Characteristic Estimation System for Multiple Input and Output Antenna Arrays

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성 추정 시스템(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a channel characteristic estimation system 200 for near field multiple input / output communication according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 채널 특성 추정 시스템(200)은 전송 특성(transmission characteristics) 분석부(210), 상호 커플링(mutual coupling) 분석부(220) 및 채널 매트릭스(channel matrix) 산출부(230)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전송 특성 분석부(210), 상호 커플링 분석부(220) 및 채널 매트릭스 산출부(230)는 그 중 적어도 일부가 외부 시스템(미도시됨)과 통신하는 프로그램 모듈들일 수 있다. 이러한 프로그램 모듈들은 운영 시스템, 응용 프로그램 모듈 및 기타 프로그램 모듈의 형태로 채널 특성 추정 시스템(200)에 포함될 수 있으며, 물리적으로는 여러 가지 공지의 기억 장치 상에 저장될 수 있다. 또한, 이러한 프로그램 모듈들은 채널 특성 추정 시스템(200)과 통신 가능한 원격 기억 장치에 저장될 수도 있다. 한편, 이러한 프로그램 모듈들은 본 발명에 따라 후술할 특정 업무를 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 실행하는 루틴, 서브루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포괄하지만, 이에 제한되지는 않는다.Referring to FIG. 2, the channel characteristic estimation system 200 includes a transmission characteristics analyzer 210, a mutual coupling analyzer 220, and a channel matrix calculator 230. It may include. According to an embodiment of the present invention, the transmission characteristic analyzer 210, the mutual coupling analyzer 220 and the channel matrix calculator 230 is a program in which at least some of them communicate with an external system (not shown). May be modules. Such program modules may be included in the channel characteristic estimation system 200 in the form of an operating system, an application module, and other program modules, and may be physically stored on various known storage devices. In addition, these program modules may be stored in a remote storage device that can communicate with the channel characteristic estimation system 200. These program modules include, but are not limited to, routines, subroutines, programs, objects, components, data structures, etc. that perform particular tasks or implement particular abstract data types as described below in accordance with the present invention.

이하에서는, 채널 특성 추정 시스템(200)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 살펴봄으로써 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정하는 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of estimating channel characteristics of near field multi-input / output communication by looking at each component of the channel characteristic estimation system 200 in detail will be described in detail.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전송 특성 분석부(210)는 안테나 배열 내에 안테나 요소로서 포함되는 전기 쌍극자(electric dipole)와 솔레노이드 루프(solenoid loop)(즉, 자기 쌍극자(magnetic dipole))로부터 발생되는 TM₁₀ 모드의 신호와 TE₁₀ 모드의 신호를 분석함으로써 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과(mutual coupling effect)를 고려하기 전의 제1 채널 매트릭스를 산출하는 기능을 수행한다.First, according to an embodiment of the present invention, the transmission characteristic analyzer 210 includes an electric dipole and a solenoid loop (ie, a magnetic dipole) included as antenna elements in an antenna array. By analyzing the signal of the TM ₁₀ mode and the TE ₁₀ mode generated from the function to calculate the first channel matrix before considering the mutual coupling effect (mutual coupling effect) of the near-field multi-input and output communication.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 주변 공간의 전자기장은 서로 직교하는 구면파들(spherical waves)의 조합으로서 기술될 수 있다. 덧셈 정리(addition theorem)에 따르면, 송신 안테나로부터 송신되어 나온 구면파들은 수신 안테나에서 수신되어 들어오는 구면파들의 다른 조합으로 변환될 수 있다. 따라서, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 상호작용은 덧셈 정리를 이용함으로써 추정될 수 있다. 또한, 전기적으로 작은 안테나는 TM₁₀ 또는 TE₁₀ 모드의 신호를 지배적으로 발생시키기 때문에 수신 안테나와 송신 안테나 사이의 상호작용은 보다 단순화될 수 있을 것이다.According to one embodiment of the invention, the electromagnetic field in the space around the antenna can be described as a combination of spherical waves orthogonal to each other. According to the addition theorem, the spherical waves transmitted from the transmitting antenna may be converted to another combination of the spherical waves received and received at the receiving antenna. Thus, the interaction between the transmit and receive antennas can be estimated by using addition theorem. In addition, since the electrically small antenna predominantly generates a signal in the TM ₁₀ or TE ₁₀ mode, the interaction between the receiving antenna and the transmitting antenna may be simplified.

본 명세서에서 언급되는 덧셈 정리와 관련하여서는, W. K. Kahn 외 1인이 공동으로 저술하고 1966년 Proc. Symp. On Generalized Networks, vol. 16에 수록된 "Coupling, Radiation and Scattering by Antennas"라는 논문(이하, "논문 1"이라고 함), 이재천 외 1인이 공동으로 저술하고 2010년 IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58에 수록된 "Fundamental aspects of near-field coupling antennas for wireless power transfer"라는 논문(이하, "논문 2"라고 함) 및 탁윤도 외 1인이 공동으로 저술하고 2011년 Antennas and Propagation, IEEE Transactions on에 수록된 "Extended Mode-based Bandwidth Analysis for Asymmetric Near-Field Communication Systems"라는 논문(이하, "논문 3"이라고 함)을 참조할 수 있을 것이다(상기 논문 1 내지 논문 3의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 물론, 본 발명에 적용 가능한 덧셈 정리 관련 기술이 상기 논문에 기재된 내용에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.Regarding the addition theorem referred to herein, it was co-authored by W. K. Kahn et al. And published in Proc. Symp. On Generalized Networks, vol. 16, "Coupling, Radiation and Scattering by Antennas" (hereinafter referred to as "Paper 1"), co-authored by Lee Jae-cheon and one other person, published in 2010 by IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. The article "Fundamental aspects of near-field coupling antennas for wireless power transfer" contained in 58 (hereinafter referred to as "Paper 2") and Tak Yoon-do et al. Co-authored in 2011 and published in Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Reference may be made to the paper entitled "Extended Mode-based Bandwidth Analysis for Asymmetric Near-Field Communication Systems" (hereinafter referred to as "Paper 3"). Should be considered merged). Of course, the addition theorem-related technology applicable to the present invention is not limited to the contents described in the above paper, and various modifications may be applied to implement the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 안테나 배열의 구조로 이루어진 송신 안테나 배열(310)과 수신 안테나 배열(320)의 상대적인 위치 관계를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a relative positional relationship between a transmitting antenna array 310 and a receiving antenna array 320 having the structure of the antenna array shown in FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3에 도시된 송신 안테나 배열(410)과 수신 안테나 배열(420) 사이의 관계를 등가적으로 기술하는 등가 회로(400)를 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating an equivalent circuit 400 equivalently describing the relationship between the transmit antenna array 410 and the receive antenna array 420 shown in FIG. 3 in accordance with one embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열이 소형 전기 쌍극자(short electric dipole)인 안테나 요소(110)와 소형 솔레노이드 루프(small solenoidal loop)(즉, 소형 자기 쌍극자(short magnetic dipole))(120)인 안테나 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 논문 2 및 논문 3의 내용에 기초하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 안테나 배열(310)과 수신 안테나 배열(320)에 포함된 안테나 요소들(311, 312, 321, 322)의 상대적인 위치 관계는 도 3과 같이 기술될 수 있으며, 나아가 그 등가 회로는 도 4와 같이 기술될 수 있다.According to one embodiment of the invention, as shown in FIG. 1, the antenna element 110 and the small solenoidal loop (i.e. It may include an antenna element that is a short magnetic dipole 120. Also, based on the contents of the papers 2 and 3, the antenna elements 311, 312, 321, and 322 included in the transmit antenna array 310 and the receive antenna array 320 according to an embodiment of the present invention. The relative positional relationship of can be described as shown in FIG. 3, and the equivalent circuit can be described as shown in FIG.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 안테나 배열(310, 410)에서 소형 전기 쌍극자로 이루어진 제1 안테나 요소(311, 411)는 TM₁₀ 모드의 신호만을 지배적으로 발생시키고 소형 솔레노이드 루프(즉, 소형 자기 쌍극자)로 이루어진 제2 안테나 요소(312, 412)는 TE₁₀ 모드의 신호만을 지배적으로 발생시키기 때문에, 송신 안테나 배열의 제1 및 제2 안테나 요소로부터 송신된 신호는 각각 아래의 수학식 1과 같이 단일 출력 구면파(single outgoing spherical wave)에 의하여 간단하게 기술될 수 있게 된다.
According to one embodiment of the invention, the first antenna element 311, 411 consisting of small electric dipoles in the transmit antenna arrays 310, 410 dominantly generates signals only in TM ₁₀ mode and has a small solenoid loop (i.e. small Since the second antenna elements 312 and 412 consisting of magnetic dipoles predominantly generate signals only in TE ₁₀ mode, the signals transmitted from the first and second antenna elements of the transmit antenna array are respectively Likewise, it can be simply described by a single outgoing spherical wave.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 안테나 배열(310, 410)에서와 마찬가지로, 수신 안테나 배열(320, 420)의 제1 및 제2 안테나 요소에서 수신되는 신호는 각각 아래의 수학식 2와 같이 단일 입력 구면파(single incoming spherical wave)에 의하여 간단하게 기술될 수 있다.
Further, according to an embodiment of the present invention, as in the transmit antenna arrays 310 and 410, the signals received at the first and second antenna elements of the receive antenna arrays 320 and 420 are respectively represented by Equation 2 below. It can be simply described by a single incoming spherical wave.

상기 수학식 1 및 2에 있어서, V_a 및 Z_a는 각각 해당 안테나 요소의 단자 전압(terminal voltage) 및 임피던스(impedance)를 가리킨다.In Equations 1 and 2, V _a and Z _a denote terminal voltage and impedance of the corresponding antenna element, respectively.

덧셈 정리로부터 도출된 상기 논문 2 및 논문 3의 분석 결과에 기초하면, 소형 전기 쌍극자 및 소형 자기 쌍극자로 구성된 안테나 배열에 의하여 구현되는 근접장 2x2 다중입출력 통신의 전송 매트릭스(transmission matrix) T는 아래의 수학식 3과 같이 기술될 수 있으며, 수학식 3에서 사용된 파라미터는 아래의 수학식 4 및 5와 같이 기술될 수 있다.
Based on the analysis results of the papers 2 and 3 derived from the addition theorem, the transmission matrix T of the near field 2x2 multi-input / output communication implemented by an antenna array composed of small electric dipoles and small magnetic dipoles is Equation 3 may be described, and the parameters used in Equation 3 may be described as Equations 4 and 5 below.

상기 수학식 4 및 5에서, k는 전파 상수(propagation constant)를 가리키고, η_a는 각 안테나의 효율을 가리키고, h_n ⁽²⁾(x)는 제2종 구면 항켈 함수(spherical hankel function of the second kind)를 가리키며, P_n ^m(x)는 제1종 부 르장드르 함수(associated legendre function)를 가리킨다.In Equations 4 and 5, k denotes a propagation constant, η _a denotes the efficiency of each antenna, and h _n ⁽²⁾ (x) is a spherical hankel function of the second type. second kind), and P _n ^m (x) indicates an associated legendre function of the first kind.

결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 특성 분석부(210)는, 상기 수학식 1 및 2로부터 도출되는 구면파 형태의 송신 신호값 및 수신 신호값과 단자 전압 사이의 관계와 수학식 3으로부터 도출되는 전송 매트릭스를 참조하여, 근접장 2x2 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과를 고려하지 않기 전의 제1 채널 매트릭스(channel matrix) H _ω 를 아래의 수학식 6과 같이 산출할 수 있다.
As a result, the transmission characteristic analysis unit 210 according to an embodiment of the present invention, the relationship between the transmission signal value and the received signal value of the spherical wave form derived from the equations (1) and (2) and the terminal voltage and With reference to the derived transmission matrix, the first channel matrix H _ω before not considering the mutual coupling effect of the near field 2 × 2 multiple input / output communication may be calculated as shown in Equation 6 below.

한편, 도 1에 도시된 안테나 배열(100)의 각 안테나 요소(110, 120)는 서로 다른 구면파 모드를 발생시키기 때문에, 근접장 다중입출력 통신의 채널은 서로 다른 구면파 모드의 편파 다이버시티(polarization diversity)에 기초하여 멀티플렉싱(multiplexing)된 것으로 기술될 수 있으며, 따라서, 각 구면파 모드는 독립적인 채널로서 여겨질 수 있다.On the other hand, since each of the antenna elements 110 and 120 of the antenna array 100 shown in FIG. 1 generates different spherical wave modes, the channels of near-field multi-input / output communication have polarization diversity of different spherical wave modes. It can be described as multiplexed on the basis of each other, and therefore each spherical wave mode can be considered as an independent channel.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상호 커플링 분석부(220)는 송신 안테나 배열의 각 안테나에 실제로 인가되는 송신 단자 전압 벡터와 수신 안테나 배열의 각 안테나에서 수신되는 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance)를 산출하며, 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터 및 상호 임피던스를 참조로 하여 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스(coupling matrix) 및 수신 커플링 매트릭스를 산출함으로써, 제한된 공간 내에서 가깝게 배치된 안테나 요소 사이의 상호 커플링 효과를 분석하는 기능을 수행한다.Next, according to an embodiment of the present invention, the mutual coupling analyzer 220 may determine a transmission terminal voltage vector actually applied to each antenna of the transmission antenna array and a reception terminal voltage vector received at each antenna of the reception antenna array. Calculating a mutual impedance of each antenna element included in the transmitting antenna array and the receiving antenna array, and transmitting couples of the near field multi-input / output communication with reference to the transmitting terminal voltage vector, the receiving terminal voltage vector, and the mutual impedance. By calculating a coupling matrix and a reception coupling matrix, a function of analyzing the mutual coupling effect between antenna elements disposed in close proximity in a limited space is performed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 배열이 제한된 공간 내에 구현됨에 따라 안테나 배열 내의 안테나 요소들이 서로 가까운 거리에 위치하게 되므로, 안테나 배열 내의 안테나 요소들이 상호 커플링될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the antenna elements in the antenna array are located at close distances to each other as the antenna array is implemented in a limited space, the antenna elements in the antenna array may be mutually coupled.

먼저, 송신 안테나 배열과 관련하여 살펴보면 다음과 같다. 송신 안테나 배열 내의 한 안테나 요소로부터 발생되어 방사된 전자기장이 해당 송신 안테나 배열 내의 다른 안테나 요소에 의하여 수신될 수 있다. 따라서, 송신 안테나 배열 내의 특정 안테나 요소에 실제로 인가되는 전압값은 특정 안테나 요소에 처음 인가되었던 전압값과 달라지게 된다.First, the transmission antenna array will be described as follows. Electromagnetic fields generated and radiated from one antenna element in the transmit antenna array may be received by other antenna elements in the transmit antenna array. Thus, the voltage value actually applied to a particular antenna element in the transmit antenna array is different from the voltage value initially applied to the particular antenna element.

본 발명의 일 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(220)는 송신 안테나 배열이 n개의 안테나 요소로 구성되는 경우에 발생하게 되는 상호 커플링 효과를 고려하여 각 안테나 요소에 실제로 인가되는 송신 단자 전압 벡터 v를 아래의 수학식 7과 같이 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 아래의 수학식 7의 산출 결과와 함께 후술할 안테나 요소의 부하 임피던스 및 안테나 요소 사이의 상호 임피던스의 산출 결과를 참조하면, 송신 안테나 배열에서의 송신 커플링 매트릭스 C _TX 를 산출할 수 있게 된다.
The mutual coupling analyzer 220 according to an exemplary embodiment of the present invention considers the mutual coupling effect generated when the transmitting antenna array is composed of n antenna elements, and thus transmit terminal voltage actually applied to each antenna element. The vector v may be calculated as in Equation 7 below. Further, according to an embodiment of the present invention, referring to the calculation result of the load impedance of the antenna element and the mutual impedance between the antenna elements to be described later together with the calculation result of Equation 7 below, the transmission coupling in the transmission antenna array The matrix C _TX can be calculated.

상기 수학식 7에서, v _s 는 소스 전압 벡터를 가리키고, Z ^T 는 송신단에서의 임피던스 매트릭스를 가리키고, Z _S 는 각 송신기의 소스 임피던스 Z_sm을 성분으로 갖는 대각선 매트릭스를 가리키며, C _T 은 [C_T]_mn = (Z^T _nn + Z_sn)/Z^T _nn을 성분으로 갖는 대각선 매트릭스를 가리킨다.In Equation 7, v _s denotes a source voltage vector, Z ^T denotes an impedance matrix at a transmitting end, Z _S denotes a diagonal matrix having the source impedance Z _sm of each transmitter, and C _T denotes [C _T ] _mn = (Z ^T _nn + Z _sn ) / indicates a diagonal matrix having Z ^T _nn as a component.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 위와 같이 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터를 산출하기 위하여, R. Janaswamy가 저술하고 2002년 IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 1에 수록된 "Effect of Element Mutual Coupling on the Capacity of Fixed Length Linear Arrays"라는 논문(이하, "논문 4"라고 함)을 참조할 수 있을 것이다(상기 논문의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 물론, 본 발명에 적용 가능한 상호 커플링 분석 기술이 상기 논문에 기재된 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.According to one embodiment of the present invention, in order to calculate the transmission terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect as described above, written by R. Janaswamy and in 2002 IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., Vol. Reference may be made to a paper entitled "Effect of Element Mutual Coupling on the Capacity of Fixed Length Linear Arrays" (hereinafter referred to as "Paper 4") contained in 1 (the contents of the paper are incorporated herein in their entirety. Should be considered). Of course, the mutual coupling analysis technique applicable to the present invention is not limited to the method described in the above paper, and various modifications may be applied to implement the present invention.

다음으로, 수신 안테나 배열과 관련하여 살펴보면 다음과 같다. 전자기장이 수신 안테나 배열에서 수신될 때, 수신 안테나 배열 내의 한 안테나 요소에서 수신된 전자기장은 다시 방사되어 해당 수신 안테나 배열 내의 다른 안테나 요소에서 수신될 수 있다. 이러한 과정을 거치면서 수신 안테나 배열 내의 안테나 요소의 단자에서 최종적으로 수신되는 전압은 최초로 수신되는 전압과 다르게 바뀔 수 있다.Next, the reception antenna array will be described. When an electromagnetic field is received at the receiving antenna array, the electromagnetic field received at one antenna element in the receiving antenna array may be radiated back and received at another antenna element in the receiving antenna array. Through this process, the voltage finally received at the terminal of the antenna element in the receiving antenna array may be different from the voltage initially received.

본 발명의 일 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(220)는 수신 안테나 배열이 n개의 안테나 요소로 구성되고 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에 최초로 수신된 전자기장에 의해 발생되는 전압 벡터가 x로 주어지는 경우에, 상호 커플링 효과를 포함하는 수신 단자 전압 벡터 v _r 을 아래의 수학식 8과 같이 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 아래의 수학식 8의 산출 결과와 함께 후술할 안테나 요소의 부하 임피던스 및 안테나 요소 사이의 상호 임피던스의 산출 결과를 참조하면, 수신 안테나 배열에서의 수신 커플링 매트릭스 C _RX 를 산출할 수 있게 된다.
According to an embodiment of the present invention, the mutual coupling analyzer 220 includes a receiving antenna array having n antenna elements, and a voltage vector generated by an electromagnetic field first received at each antenna element of the receiving antenna array is given by x . In this case, the reception terminal voltage vector v _r including the mutual coupling effect may be calculated as in Equation 8 below. Further, according to an embodiment of the present invention, referring to the calculation result of the load impedance of the antenna element and the mutual impedance between the antenna elements described below together with the calculation result of Equation 8 below, the reception coupling in the reception antenna array The matrix C _RX can be calculated.

상기 수학식 8에서, Z_lm은 각 안테나 요소의 부하 임피던스를 가리키며, Z_ij는 i번째 안테나와 j번째 안테나 요소 사이의 상호 임피던스를 가리킨다.In Equation 8, Z _lm denotes a load impedance of each antenna element, and Z _ij denotes a mutual impedance between the i-th antenna and the j-th antenna element.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 위에서 언급한 바와 같이 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하기 위하여, H. Lui 외 1인이 공동으로 저술하고 2009년 IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 51, no. 5에 수록된 "A Note on the Mutual-Coupling Problems in Transmitting and Receiving Antenna Arrays"라는 논문(이하, "논문 5"라고 함)을 참조할 수 있을 것이다(상기 논문의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 논문 5에는, 수신 모드에서의 커플링 경로가 송신 모드에서의 커플링 경로와 다르기 때문에 수신 안테나 배열에서의 커플링 매트릭스도 달라질 필요가 있다는 내용이 개시되어 있다. 물론, 본 발명에 적용 가능한 상호 커플링 분석 기술이 상기 논문에 기재된 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.According to an embodiment of the present invention, in order to calculate the reception terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect as mentioned above, H. Lui et al. Co-authored in 2009 and published in IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 51, no. Reference may be made to a paper entitled "A Note on the Mutual-Coupling Problems in Transmitting and Receiving Antenna Arrays" (hereinafter referred to as "Paper 5") contained in 5 (the contents of the paper are incorporated herein in their entirety). Should be considered). Paper 5 discloses that since the coupling path in the receive mode is different from the coupling path in the transmit mode, the coupling matrix in the receive antenna arrangement also needs to be different. Of course, the mutual coupling analysis technique applicable to the present invention is not limited to the method described in the above paper, and various modifications may be applied to implement the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상호 커플링 분석부(220)는 모드-기반 분석법을 이용하여 서로 커플링된 두 개의 소형 안테나 요소 사이의 상호 임피던스를 용이하게 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열이 도 1에 도시된 안테나 배열과 같이 구현되어 있고, 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열 내의 각 안테나 요소가 서로의 안테나 구면이 서로 겹쳐지지 않도록 충분히 분리되어 있다면, 송신 안테나 배열 내의 각 안테나 요소 사이의 상호 임피던스와 수신 안테나 배열 내의 각 안테나 요소 사이의 상호 임피던스는 각각 아래의 수학식 9 및 10과 같이 산출될 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the mutual coupling analyzer 220 may easily estimate the mutual impedance between two small antenna elements coupled to each other using a mode-based analysis method. More specifically, if the transmitting antenna array and the receiving antenna array are implemented as the antenna array shown in Fig. 1, and each antenna element in the transmitting antenna array and the receiving antenna array is sufficiently separated so that the antenna spheres of each other do not overlap each other. The mutual impedance between each antenna element in the transmitting antenna array and the mutual impedance between each antenna element in the receiving antenna array may be calculated as shown in Equations 9 and 10, respectively.

또한, 송신 안테나 배열의 안테나 요소들이 동시에 매칭되는 경우에는 실현 가능한 매칭 임피던스(realizable matching impedance)가 아래의 수학식 11과 같이 산출될 수 있다.
In addition, when the antenna elements of the transmitting antenna array are matched at the same time, a realizable matching impedance may be calculated as in Equation 11 below.

상기 수학식 11에서 언급된 α1, α2 및 Δ는 아래의 수학식 12 내지 14와 같이 표현될 수 있다.
Α1, α2, and Δ mentioned in Equation 11 may be expressed as Equations 12 to 14 below.

또한, 수신 안테나 배열에 있어서도, 매칭 부하 임피던스 Z_l1 및 Z_l2가 동일한 방법에 의하여 산출될 수 있다.Also in the receiving antenna array, the matching load impedances Z _l1 and Z _l2 can be calculated by the same method.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(220)는 위와 같이 산출된 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 수학식 7의 송신 커플링 매트릭스 C _TX 및 상기 수학식 8의 수신 커플링 매트릭스 C _RX 를 산출할 수 있게 된다.That is, the mutual coupling analyzer 220 according to an embodiment of the present invention receives the transmission coupling matrix C _TX of Equation 7 and Equation 8 with reference to the mutual impedance and load impedance calculated as described above. Coupling matrix C _RX can be calculated.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 채널 매트릭스 산출부(230)는 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스와 더불어 송신 커플링 매트릭스 및 수신 커플링 매트릭스를 참조로 하여, 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 기능을 수행한다.Next, according to an embodiment of the present invention, the channel matrix calculator 230 refers to the transmission coupling matrix and the reception coupling matrix together with the first channel matrix before the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication is reflected. In this case, the second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication is performed.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 매트릭스 산출부(230)는 앞서 산출된 수신 커플링 매트릭스 C _RX 의 역매트릭스와 제1 채널 매트릭스 H _ω 를 곱하고 여기에 다시 송신 커플링 매트릭스 C _TX 를 순차적으로 곱함으로써 근접장 2x2 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 고려된 제2 채널 매트릭스를 산출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 제2 채널 매트릭스 H는 아래의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
Accordingly, the channel matrix calculator 230 according to an embodiment of the present invention multiplies the inverse matrix of the received coupling matrix C _RX by the first channel matrix H _ω and sequentially multiplies the transmission coupling matrix C _TX . By multiplying by, the second channel matrix considering the mutual coupling effect of the near field 2x2 multi-input / output communication can be calculated. The second channel matrix H calculated according to an embodiment of the present invention can be expressed by Equation 15 below.

즉, 수학식 15를 참조하면, 개별적인 안테나의 특성과 시스템의 기하학적 파라미터가 주어지는 경우 본 발명에서 제안된 방법에 따라 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 매트릭스를 산출함으로써 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있게 된다.That is, referring to Equation 15, when the characteristics of the individual antenna and the geometrical parameters of the system are given, the channel characteristics of the near-field 2x2 multi-input / output communication are facilitated by calculating the channel matrix of the near-field 2x2 multi-input / output communication according to the method proposed in the present invention. Can be estimated.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 매트릭스 산출부(230)는 위와 같이 산출된 제2 채널 매트릭스 H를 참조로 하여 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)을 산출할 수 있다. 섀넌 정리(Shannon Theorem)에 따르면, 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량은 아래의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
Furthermore, the channel matrix calculator 230 according to an embodiment of the present invention may calculate channel capacity of the near field 2x2 multi-input / output communication with reference to the second channel matrix H calculated as described above. According to Shannon Theorem, the channel capacity of the near-field 2x2 multi-input / output communication may be expressed by Equation 16 below.

상기 수학식 16에서, λ_i는 매트릭스 H ^H H의 i번째 고유값(eigenvalue)을 가리키고, γ₀는 신호 대 잡음 비를 가리킨다.In Equation 16, λ _i denotes the i-th eigenvalue of the matrix H ^H H , and γ ₀ denotes the signal-to-noise ratio.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, H ^H H의 고유값은 아래의 수학식 17에 의하여 산출될 수 있다.
Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the eigenvalue of H ^H H may be calculated by Equation 17 below.

전기 쌍극자와 자기 쌍극자를 포함하는 Containing electric dipole and magnetic dipole 근접장Near field 다중입출력 안테나 배열에 대한 시뮬레이션 방법 및 결과 Simulation Methods and Results for Multiple Input and Output Antenna Arrays

이하에서는, 본 발명에 따른 채널 특성 추정 시스템(100)을 이용한 채널 특성 추정에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the results of the simulation of the channel characteristic estimation using the channel characteristic estimation system 100 according to the present invention will be described with reference to the drawings.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 시뮬레이션에 사용된 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 시뮬레이션에서 사용된 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열에 제1 안테나 요소로서 포함되는 전기 쌍극자의 길이는 5cm이고, 제2 안테나 요소로서 포함되는 솔레노이드 루프의 반지름은 10cm이며, 전기 쌍극자와 솔레노이드 루프는 15cm의 거리를 두고 대각선으로 배치되었다. 또한, 본 시뮬레이션에서는, 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열의 솔레노이드 루프는 y축을 중심으로 하여 시계 반대 방향으로 π/4만큼 회전되도록 설정되었고, 동작 주파수는 13.56MHz로 설정되었으며, 각 안테나의 임피던스 특성 Z_a는 MOM 기반의 EM 시뮬레이터(MOM-based EM simulator)에 의해 분석되었다. 한편, 도 5의 (a)는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열이 평행하게 배치되도록 구현되어 있는 경우(in a parallel configuration)를 가리키고, 도 5의 (b)는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열이 대각선 방향으로 배치되도록 구현되어 있는 경우(in a diagonal configuration)를 가리킨다.5 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of a transmission antenna array and a reception antenna array used in the simulation according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the length of the electric dipole included as the first antenna element in the transmitting antenna array and the receiving antenna array used in this simulation is 5 cm, and the radius of the solenoid loop included as the second antenna element is 10 cm. The dipoles and solenoid loops were placed diagonally at a distance of 15 cm. In addition, in this simulation, the solenoid loops of the transmitting antenna array and the receiving antenna array are set to rotate by π / 4 counterclockwise about the y axis, and the operating frequency is set to 13.56 MHz, and the impedance characteristic Z of each antenna _a was analyzed by MOM-based EM simulator. Meanwhile, FIG. 5A illustrates a case in which a transmitting antenna array and a receiving antenna array are arranged in parallel, and FIG. 5B illustrates a diagonal line between the transmitting antenna array and the receiving antenna array. Refers to a case in which a diagonal configuration is arranged.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 본 시뮬레이션을 수행한 결과를 그래프로서 나타내는 도면이다. 참고로, 도 6은 동일한 양의 총 전송 전력으로 균등한 전력이 할당된 상태에서 전송 신호 대 잡음 비가 30dB로 주어지는 경우에, 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량을 산출한 결과를 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이의 거리에 따라 그래프로서 나타낸 것이다.6 is a graph showing the results of performing this simulation according to an embodiment of the present invention. For reference, FIG. 6 shows the result of calculating the channel capacity of the near-field 2x2 multi-input / output communication when the transmission signal-to-noise ratio is given as 30 dB with equal power being allocated with the same amount of total transmission power. It is shown graphically according to the distance between antenna arrays.

도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의하여 추정된 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량이 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이의 거리가 짧아짐에 따라 증가하는 것으로 나타났고, 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이의 거리가 0.03λ 이내인 경우에는 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량이 단일입출력(SISO: Single Input Single Output) 통신의 채널 용량에 비하여 높게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이상의 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나에 의하면 다중입출력 통신의 특성을 구현해 낼 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 특성 추정 방법에 의하면 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량을 비롯한 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있게 된다.6 (a) and 6 (b), it is shown that the channel capacity of the near field 2x2 multi-input communication estimated by the method according to the present invention increases as the distance between the transmitting antenna array and the receiving antenna array becomes shorter. If the distance between the transmitting antenna array and the receiving antenna array is within 0.03λ, it can be seen that the channel capacity of the near field 2x2 multi-input communication is higher than the channel capacity of the single input single output (SISO) communication. . As can be seen from the simulation results, the near field multi-input / output antenna according to an embodiment of the present invention can realize the characteristics of the multi-input / output communication, and according to the channel characteristic estimation method according to the embodiment of the present invention, Channel characteristics, including channel capacity of 2x2 multi-input / output communication, can be easily estimated.

이상에서 살펴본 바와 같이, 소형 전기 쌍극자와 소형 솔레노이드 루프로 구성된 안테나 배열을 사용하게 되면 소형 전기 쌍극자 및 소형 솔레노이드 루프로부터 각각 발생되어 서로 직교하도록 편파되는 TM₁₀ 모드 및 TE₁₀ 모드가 독립적인 채널을 제공하기 때문에 근접장 2x2 다중입출력 통신 시스템이 구축될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구면파들의 덧셈 정리를 이용하여 소형 전기 쌍극자나 소형 솔레노이드 루프와 같은 소형 안테나들의 상호작용을 간단하게 계산할 수 있기 때문에 근접장 다중입출력 통신의 전송 특성을 모드-기반 기법을 이용하여 용이하게 추정할 수 있고, 수신 안테나 배열과 송신 안테나 배열에서 발생하는 상호 커플링 효과 역시 유사한 방법을 이용하여 용이하게 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 안테나 배열 내의 안테나 요소 사이에서 상호 커플링 효과가 발생하는 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정할 수 있으며, 나아가, 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량도 효과적으로 산출할 수 있게 된다.
As described above, the use of an antenna array consisting of a small electric dipole and a small solenoid loop provides independent channels for the TM ₁₀ mode and the TE ₁₀ mode, which are respectively generated from the small electric dipole and the small solenoid loop and polarized to be orthogonal to each other. Therefore, a near field 2x2 multi-input / output communication system can be constructed. According to an embodiment of the present invention, since the interaction of small antennas such as small electric dipoles or small solenoid loops can be easily calculated using the addition theorem of the spherical waves, the mode-based technique for transmitting the characteristics of near-field multi-input communication is proposed. It can be easily estimated using the same, and the mutual coupling effect occurring in the receiving antenna array and the transmitting antenna array can also be easily calculated using a similar method. Therefore, according to an embodiment of the present invention, it is possible to estimate the channel characteristics of the near-field multi-input communication with mutual coupling effect between the antenna elements in the antenna array, and also to calculate the channel capacity of the near-field multi-input communication effectively You can do it.

복수의 전기 쌍극자를 포함하는 Comprising a plurality of electrical dipoles 근접장Near field 다중입출력 안테나 배열의 구성 Multi-input antenna array configuration

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 임의의 거리를 두고 서로 수직한 방향으로 배치되어 있는 복수의 소형 전기 쌍극자를 안테나 요소로서 포함하는 근접장 다중입출력 안테나 배열이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a near field multiple input and output antenna arrangement comprising as antenna elements a plurality of small electric dipoles arranged in a direction perpendicular to each other at an arbitrary distance from each other.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 근접장 다중입출력 안테나 배열의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.7 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of a near field multiple input / output antenna array according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나 배열(700)은 소형 전기 쌍극자(710)를 제1 안테나 요소로서 포함할 수 있고, 제1 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(710)로부터 임의의 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되는 소형 전기 쌍극자(720)를 제2 안테나 요소로서 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the near field multi-input / output antenna array 700 according to another embodiment of the present invention may include a small electric dipole 710 as a first antenna element, and the small electric dipole 710 which is the first antenna element. May comprise as a second antenna element a small electric dipole 720 disposed in a vertical direction at any distance from

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(710)와 제2 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(720)는 서로 원점이 동일하게 배치될 수 있는데, 이러한 경우에는 제1 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(710)와 제2 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(720) 사이에 상호 커플링 효과가 발생하지 않을 수 있다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, the small electric dipole 710 as the first antenna element and the small electric dipole 720 as the second antenna element may have the same origin in each other, in this case the first The mutual coupling effect may not occur between the small electric dipole 710 which is the antenna element and the small electric dipole 720 which is the second antenna element.

보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 쌍극자(710)의 크기는 전기 쌍극자(710)에서 발생되는 신호 중 TM₁₀ 모드의 신호의 비중이 기설정된 수준 이상이 될 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 쌍극자(710)의 크기는 신호의 파장(λ)을 2π로 나눈 값보다 충분히 작게 결정될 수 있을 것이다.More specifically, the size of the electric dipole 710 according to another embodiment of the present invention to be determined within the range that the specific gravity of the signal of the TM ₁₀ mode of the signal generated from the electric dipole 710 can be more than a predetermined level. Can be. For example, the size of the electric dipole 710 according to another embodiment of the present invention may be determined to be sufficiently smaller than the wavelength (λ) of the signal divided by 2π.

본 발명의 다른 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나 배열(700)의 제1 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(710)와 제2 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(720)는 각각 TM₁₀ 모드의 구면파 신호만을 지배적으로(dominantly) 발생시키고 서로 수직한 방향으로 배치되어 있기 때문에, 제1 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(710)로부터 발생된 TM₁₀ 모드의 구면파 신호와 제2 안테나 요소인 소형 전기 쌍극자(720)로부터 발생된 TM₁₀ 모드의 구면파 신호는 서로 직교(orthogonal)하여 독립적으로 멀티플렉싱(multiplexing)된 채널로서 취급될 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 다른 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나 배열(700)을 이용하여 근접장 다중입출력 통신 환경을 용이하게 구축할 수 있게 된다.
The small electric dipole 710 which is the first antenna element and the small electric dipole 720 which is the second antenna element of the near-field multi-input / output antenna array 700 according to another embodiment of the present invention dominate only spherical wave signals of TM ₁₀ mode. Are generated from the TM ₁₀ mode spherical wave signal generated from the small electric dipole 710 which is the first antenna element and the small electric dipole 720 which is the second antenna element because it is dominantly generated and arranged in a direction perpendicular to each other. The spherical wave signal of TM ₁₀ mode can be treated as orthogonal and independently multiplexed with each other, and accordingly, the near field multiple input and output antenna array 700 according to another embodiment of the present invention is used. It is possible to easily establish a multi-input and output communication environment.

복수의 전기 쌍극자를 포함하는 Comprising a plurality of electrical dipoles 근접장Near field 다중입출력 안테나 배열에 대한 채널 특성 추정 시스템의 구성 Configuration of Channel Characteristic Estimation System for Multiple Input and Output Antenna Arrays

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성 추정 시스템(800)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.8 is a diagram schematically illustrating a configuration of a channel characteristic estimation system 800 for near field multiple input / output communication according to another embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 채널 특성 추정 시스템(800)은 전송 특성(transmission characteristics) 분석부(810), 상호 커플링(mutual coupling) 분석부(820) 및 채널 매트릭스(channel matrix) 산출부(830)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전송 특성 분석부(810), 상호 커플링 분석부(820) 및 채널 매트릭스 산출부(830)는 그 중 적어도 일부가 외부 시스템(미도시됨)과 통신하는 프로그램 모듈들일 수 있다. 이러한 프로그램 모듈들은 운영 시스템, 응용 프로그램 모듈 및 기타 프로그램 모듈의 형태로 채널 특성 추정 시스템(800)에 포함될 수 있으며, 물리적으로는 여러 가지 공지의 기억 장치 상에 저장될 수 있다. 또한, 이러한 프로그램 모듈들은 채널 특성 추정 시스템(800)과 통신 가능한 원격 기억 장치에 저장될 수도 있다. 한편, 이러한 프로그램 모듈들은 본 발명에 따라 후술할 특정 업무를 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 실행하는 루틴, 서브루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포괄하지만, 이에 제한되지는 않는다.Referring to FIG. 8, the channel characteristic estimation system 800 includes a transmission characteristics analyzer 810, a mutual coupling analyzer 820, and a channel matrix calculator 830. It may include. According to another embodiment of the present invention, the transmission characteristic analyzer 810, the mutual coupling analyzer 820 and the channel matrix calculator 830 is a program in which at least some of them communicate with an external system (not shown). May be modules. Such program modules may be included in the channel characteristic estimation system 800 in the form of operating systems, application modules, and other program modules, and may be physically stored on various known storage devices. In addition, these program modules may be stored in a remote storage device capable of communicating with the channel characteristic estimation system 800. These program modules include, but are not limited to, routines, subroutines, programs, objects, components, data structures, etc. that perform particular tasks or implement particular abstract data types as described below in accordance with the present invention.

이하에서는, 채널 특성 추정 시스템(800)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 살펴봄으로써 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정하는 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of estimating channel characteristics of near field multiple input / output communication by looking at each component of the channel characteristic estimation system 800 in detail will be described in detail.

먼저, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전송 특성 분석부(810)는 안테나 배열 내에 안테나 요소로서 포함되는 복수의 전기 쌍극자로부터 각각 발생되는 TM₁₀ 모드의 신호를 분석함으로써 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과(mutual coupling effect)를 고려하기 전의 제1 채널 매트릭스를 산출하는 기능을 수행한다.First, according to another embodiment of the present invention, the transmission characteristic analyzer 810 analyzes signals of TM ₁₀ modes generated from a plurality of electric dipoles included as antenna elements in an antenna array, thereby mutually coupling the near field multi-input / output communication. A function of calculating a first channel matrix before considering a mutual coupling effect is performed.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 안테나 주변 공간의 전자기장은 서로 직교하도록 편파되는 구면파들(spherical waves)의 조합으로서 기술될 수 있다. 덧셈 정리(addition theorem)에 따르면, 송신 안테나로부터 송신되어 나온 구면파들은 수신 안테나에서 수신되어 들어오는 구면파들의 다른 조합으로 변환될 수 있다. 따라서, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 상호작용은 덧셈 정리를 이용함으로써 추정될 수 있다. 또한, 전기적으로 작은 안테나는 TM₁₀ 모드의 신호를 지배적으로 발생시키기 때문에 수신 안테나와 송신 안테나 사이의 상호작용은 보다 단순화될 수 있을 것이다.According to another embodiment of the invention, the electromagnetic field in the space around the antenna can be described as a combination of spherical waves polarized so as to be orthogonal to each other. According to the addition theorem, the spherical waves transmitted from the transmitting antenna may be converted to another combination of the spherical waves received and received at the receiving antenna. Thus, the interaction between the transmit and receive antennas can be estimated by using addition theorem. In addition, the interaction between the receiving antenna and the transmitting antenna may be simplified because the electrically small antenna predominantly generates a signal in the TM ₁₀ mode.

본 명세서에서 언급되는 덧셈 정리와 관련하여서는, 앞서 본 발명의 일 실시예와 관련하여 살펴본 논문 1, 논문 2 및 논문 3의 내용을 참조할 수 있을 것이다(상기 논문 1 내지 논문 3의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 물론, 본 발명에 적용 가능한 덧셈 정리 관련 기술이 상기 논문에 기재된 내용에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.Regarding the addition theorem referred to in the present specification, reference may be made to the contents of Papers 1, 2, and 3, which have been previously described in relation to an embodiment of the present invention. Should be considered to be incorporated herein). Of course, the addition theorem-related technology applicable to the present invention is not limited to the contents described in the above paper, and various modifications may be applied to implement the present invention.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 7에 도시된 안테나 배열의 구조로 이루어진 송신 안테나 배열(910)과 수신 안테나 배열(920)의 상대적인 위치 관계를 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating a relative positional relationship between a transmitting antenna array 910 and a receiving antenna array 920 having the structure of the antenna array shown in FIG. 7 according to another embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 9에 도시된 송신 안테나 배열(910)과 수신 안테나 배열(920) 사이의 관계를 각각 도면부호 1010과 1020으로 등가적으로 기술하는 등가 회로(1000)를 나타내는 도면이다.FIG. 10 is an equivalent circuit 1000 equivalently describing the relationship between the transmit antenna array 910 and the receive antenna array 920 shown in FIG. 9, respectively, according to another embodiment of the invention at 1010 and 1020. FIG. It is a figure which shows.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열은 도 7에 도시된 바와 같은 소형 전기 쌍극자로 구현된 두 개의 안테나 요소(710, 720)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 논문 2 및 논문 3의 내용에 기초하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 안테나 배열(910)과 수신 안테나 배열(920)에 포함된 안테나 요소들(911, 912, 921, 922)의 상대적인 위치 관계는 도 9와 같이 기술될 수 있으며, 나아가 그 등가 회로는 도 10과 같이 기술될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the transmit antenna array and the receive antenna array may include two antenna elements 710, 720 implemented with a small electric dipole as shown in FIG. 7. Also, based on the contents of the papers 2 and 3, the antenna elements 911, 912, 921, and 922 included in the transmitting antenna array 910 and the receiving antenna array 920 according to another embodiment of the present invention. Relative positional relationship of can be described as shown in Figure 9, the equivalent circuit can be described as shown in FIG.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 송신 안테나 배열(910, 1010)에서 소형 전기 쌍극자로 이루어진 제1 안테나 요소(911, 1011)와 제2 안테나 요소(912, 1012)는 TM₁₀ 모드의 신호만을 지배적으로 발생시키기 때문에, 송신 안테나 배열의 제1 및 제2 안테나 요소로부터 송신된 신호는 각각 아래의 수학식 18과 같이 단일 출력 구면파(single outgoing spherical wave)에 의하여 간단하게 기술될 수 있게 된다.
According to another embodiment of the invention, the first antenna element 911, 1011 and the second antenna element 912, 1012, which consist of small electric dipoles in the transmit antenna array 910, 1010, dominate only signals in the TM ₁₀ mode. The signal transmitted from the first and second antenna elements of the transmit antenna array can be simply described by a single outgoing spherical wave, respectively, as shown in Equation 18 below.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 송신 안테나 배열(910, 1010)에서와 마찬가지로, 수신 안테나 배열(920, 1020)의 제1 및 제2 안테나 요소에서 수신되는 신호는 각각 아래의 수학식 19와 같이 단일 입력 구면파(single incoming spherical wave)에 의하여 간단하게 기술될 수 있다.
Further, according to another embodiment of the present invention, as in the transmit antenna arrays 910 and 1010, the signals received at the first and second antenna elements of the receive antenna arrays 920 and 1020 are respectively represented by Equation 19 below. It can be simply described by a single incoming spherical wave.

상기 수학식 18 및 19에 있어서, V 및 R은 각각 해당 안테나 요소의 단자 전압 및 임피던스를 가리킨다.In Equations 18 and 19, V and R denote terminal voltages and impedances of corresponding antenna elements, respectively.

덧셈 정리로부터 도출된 상기 논문 2 및 논문 3의 분석 결과에 기초하면, 소형 전기 쌍극자 및 소형 전기 쌍극자로 구성된 안테나 배열에 의하여 구현되는 근접장 2x2 다중입출력 통신의 전송 매트릭스 T(즉, 제1 채널 매트릭스)는 아래의 수학식 20과 같이 기술될 수 있으며, 수학식 20에서 사용된 파라미터는 아래의 수학식 21과 같이 기술될 수 있다.
Based on the analysis results of the papers 2 and 3 derived from the addition theorem, the transmission matrix T (i.e., the first channel matrix) of the near field 2x2 multi-input / output communication implemented by an antenna array composed of a small electric dipole and a small electric dipole. May be described as in Equation 20 below, and the parameters used in Equation 20 may be described as in Equation 21 below.

상기 수학식 21에서, k는 전파 상수를 가리키고, h_n ⁽²⁾(x)는 제2종 구면 항켈 함수를 가리키며, P_n ^m(x)는 제1종 부 르장드르 함수를 가리킨다.In Equation 21, k indicates a propagation constant, h _n ⁽²⁾ (x) indicates a second type spherical Hankel function, and P _n ^m (x) indicates a first kind of Beaux-Genre function.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소는 서로 수직한 방향으로 배치되어 서로 직교하도록 편파되는 구면파 모드를 발생시키기 때문에, 근접장 다중입출력 통신의 채널은 위와 같은 서로 다른 구면파 모드의 편파 다이버시티에 기초하여 멀티플렉싱된 것으로 기술될 수 있으며, 따라서, 각 구면파 모드는 독립적인 채널로서 여겨질 수 있다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, since each antenna element of the transmitting antenna array and the receiving antenna array generates a spherical wave mode that is arranged in a direction perpendicular to each other and is polarized to be orthogonal to each other, the channels of the near field multiple input / output communication It can be described as multiplexed based on the polarization diversity of the same different spherical wave mode, and therefore, each spherical wave mode can be considered as an independent channel.

다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상호 커플링 분석부(820)는 송신 안테나 배열의 각 안테나에 실제로 인가되는 송신 단자 전압 벡터와 수신 안테나 배열의 각 안테나에서 수신되는 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance)를 산출하며, 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터 및 상호 임피던스를 참조로 하여 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스 및 수신 커플링 매트릭스를 산출함으로써, 제한된 공간 내에서 가깝게 배치된 안테나 요소 사이의 상호 커플링 효과를 분석하는 기능을 수행한다.Next, according to another embodiment of the present invention, the mutual coupling analyzer 820 may determine a transmission terminal voltage vector actually applied to each antenna of the transmission antenna array and a reception terminal voltage vector received at each antenna of the reception antenna array. Calculating a mutual impedance of each antenna element included in the transmitting antenna array and the receiving antenna array, and transmitting couples of the near field multi-input / output communication with reference to the transmitting terminal voltage vector, the receiving terminal voltage vector, and the mutual impedance. By calculating the ring matrix and the receive coupling matrix, a function of analyzing the mutual coupling effect between antenna elements disposed in close proximity in a limited space is performed.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 안테나 배열이 제한된 공간 내에 구현됨에 따라 안테나 배열 내의 안테나 요소들이 서로 가까운 거리에 위치하게 되므로, 안테나 배열 내의 안테나 요소들이 상호 커플링될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, since the antenna elements in the antenna array are located at close distances to each other as the antenna array is implemented in a limited space, the antenna elements in the antenna array may be coupled to each other.

먼저, 송신 안테나 배열과 관련하여 살펴보면 다음과 같다. 송신 안테나 배열 내의 한 안테나 요소로부터 발생되어 방사된 전자기장이 해당 송신 안테나 배열 내의 다른 안테나 요소에 의하여 수신될 수 있다. 따라서, 송신 안테나 배열 내의 특정 안테나 요소에 실제로 인가되는 전압값은 특정 안테나 요소에 처음 인가되었던 전압값과 달라지게 된다.First, the transmission antenna array will be described as follows. Electromagnetic fields generated and radiated from one antenna element in the transmit antenna array may be received by other antenna elements in the transmit antenna array. Thus, the voltage value actually applied to a particular antenna element in the transmit antenna array is different from the voltage value initially applied to the particular antenna element.

본 발명의 다른 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(820)는 송신 안테나 배열이 n개의 안테나 요소로 구성되는 경우에 발생하게 되는 상호 커플링 효과를 고려하여 각 안테나 요소에 실제로 인가되는 송신 단자 전압 벡터 v를 아래의 수학식 22와 같이 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 아래의 수학식 22의 산출 결과와 함께 후술할 안테나 요소의 부하 임피던스 및 안테나 요소 사이의 상호 임피던스의 산출 결과를 참조하면, 송신 안테나 배열에서의 송신 커플링 매트릭스 C _TX 를 산출할 수 있게 된다.
The mutual coupling analysis unit 820 according to another embodiment of the present invention considers the mutual coupling effect generated when the transmit antenna array is composed of n antenna elements, and thus transmit terminal voltage actually applied to each antenna element. The vector v may be calculated as in Equation 22 below. Further, according to another embodiment of the present invention, referring to the calculation results of the following equation (22) and the calculation results of the load impedance of the antenna element and the mutual impedance between the antenna elements to be described later, the transmission coupling in the transmission antenna array The matrix C _TX can be calculated.

상기 수학식 22에서, v _s 는 소스 전압 벡터를 가리키고, Z ^T 는 송신단에서의 임피던스 매트릭스를 가리키고, Z _S 는 각 송신기의 소스 임피던스 Z_sm을 성분으로 갖는 대각선 매트릭스를 가리키며, C _T 은 [C_T]_mn = (Z^T _nn + Z_sn)/Z^T _nn을 성분으로 갖는 대각선 매트릭스를 가리킨다.In Equation 22, v _s denotes a source voltage vector, Z ^T denotes an impedance matrix at a transmitting end, Z _S denotes a diagonal matrix having the source impedance Z _sm of each transmitter, and C _T denotes [C _T ] _mn = (Z ^T _nn + Z _sn ) / indicates a diagonal matrix having Z ^T _nn as a component.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 위와 같이 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터를 산출하기 위하여, 앞서 본 발명의 일 실시예와 관련하여 언급된 논문 4의 내용을 참조할 수 있을 것이다(상기 논문의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 물론, 본 발명에 적용 가능한 상호 커플링 분석 기술이 상기 논문에 기재된 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.According to another embodiment of the present invention, in order to calculate the transmission terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect as described above, reference may be made to the contents of Paper 4 mentioned above in connection with an embodiment of the present invention. The content of the article should be considered to be incorporated in its entirety herein). Of course, the mutual coupling analysis technique applicable to the present invention is not limited to the method described in the above paper, and various modifications may be applied to implement the present invention.

다음으로, 수신 안테나 배열과 관련하여 살펴보면 다음과 같다. 전자기장이 수신 안테나 배열에서 수신될 때, 수신 안테나 배열 내의 한 안테나 요소에서 수신된 전자기장은 다시 방사되어 해당 수신 안테나 배열 내의 다른 안테나 요소에서 수신될 수 있다. 이러한 과정을 거치면서 수신 안테나 배열 내의 안테나 요소의 단자에서 최종적으로 수신되는 전압은 최초로 수신되는 전압과 다르게 바뀔 수 있다.Next, the reception antenna array will be described. When an electromagnetic field is received at the receiving antenna array, the electromagnetic field received at one antenna element in the receiving antenna array may be radiated back and received at another antenna element in the receiving antenna array. Through this process, the voltage finally received at the terminal of the antenna element in the receiving antenna array may be different from the voltage initially received.

본 발명의 다른 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(820)는 수신 안테나 배열이 n개의 안테나 요소로 구성되고 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에 최초로 수신된 전자기장에 의해 발생되는 전압 벡터가 x로 주어지는 경우에, 상호 커플링 효과를 포함하는 수신 단자 전압 벡터 v _r 을 아래의 수학식 23과 같이 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 아래의 수학식 23의 산출 결과와 함께 후술할 안테나 요소의 부하 임피던스 및 안테나 요소 사이의 상호 임피던스의 산출 결과를 참조하면, 수신 안테나 배열에서의 수신 커플링 매트릭스 C _RX 를 산출할 수 있게 된다.
According to another embodiment of the present invention, the mutual coupling analyzer 820 is configured such that a receiving antenna array is composed of n antenna elements, and a voltage vector generated by an electromagnetic field first received at each antenna element of the receiving antenna array is given by x . In this case, the reception terminal voltage vector v _r including the mutual coupling effect may be calculated as in Equation 23 below. In addition, according to another embodiment of the present invention, referring to the calculation result of the load impedance of the antenna element and the mutual impedance between the antenna elements to be described later together with the calculation result of Equation 23 below, the reception coupling in the receiving antenna array The matrix C _RX can be calculated.

상기 수학식 23에서, Z_lm은 각 안테나 요소의 부하 임피던스를 가리키며, Z_ij는 i번째 안테나와 j번째 안테나 요소 사이의 상호 임피던스를 가리킨다.In Equation 23, Z _lm denotes a load impedance of each antenna element, and Z _ij denotes a mutual impedance between the i-th antenna and the j-th antenna element.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 위에서 언급한 바와 같이 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하기 위하여, 앞서 본 발명의 일 실시예와 관련하여 언급된 논문 5의 내용을 참조할 수 있을 것이다(상기 논문의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 논문 5에는, 수신 모드에서의 커플링 경로가 송신 모드에서의 커플링 경로와 다르기 때문에 수신 안테나 배열에서의 커플링 매트릭스도 달라질 필요가 있다는 내용이 개시되어 있다. 물론, 본 발명에 적용 가능한 상호 커플링 분석 기술이 상기 논문에 기재된 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.According to another embodiment of the present invention, in order to calculate the reception terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect as mentioned above, reference may be made to the contents of the above-mentioned paper 5 mentioned in connection with an embodiment of the present invention. (The content of this article should be considered to be incorporated in its entirety). Paper 5 discloses that since the coupling path in the receive mode is different from the coupling path in the transmit mode, the coupling matrix in the receive antenna arrangement also needs to be different. Of course, the mutual coupling analysis technique applicable to the present invention is not limited to the method described in the above paper, and various modifications may be applied to implement the present invention.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상호 커플링 분석부(820)는 모드-기반 분석법을 이용하여 서로 커플링된 두 개의 소형 안테나 요소 사이의 상호 임피던스를 아래의 수학식 24와 같이 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열 내의 각 안테나 요소가 서로의 안테나 구면이 서로 겹쳐지지 않도록 충분히 분리되어 있다면, 송신 안테나 배열 내의 각 안테나 요소 사이의 상호 임피던스와 수신 안테나 배열 내의 각 안테나 요소 사이의 상호 임피던스는 아래의 수학식 24와 같이 산출될 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, the mutual coupling analyzer 820 may calculate the mutual impedance between two small antenna elements coupled to each other using a mode-based analysis method as shown in Equation 24 below. . More specifically, if each antenna element in the transmit antenna array and the receive antenna array is sufficiently separated so that the antenna spheres of each other do not overlap each other, the mutual impedance between each antenna element in the transmit antenna array and between each antenna element in the receive antenna array The mutual impedance of may be calculated as in Equation 24 below.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(820)는 수신 안테나 배열의 부하 임피던스를 동일한 방법에 의하여 산출할 수 있다. 부하 임피던스를 산출하는 구체적인 방법은 앞서 본 발명의 일 실시예와 관련하여 충분히 자세하게 설명하였으므로, 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.In addition, the mutual coupling analyzer 820 according to another embodiment of the present invention may calculate the load impedance of the receiving antenna array by the same method. Since the specific method for calculating the load impedance has been described in detail with reference to the embodiment of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

결과적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상호 커플링 분석부(820)는 위와 같이 산출된 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 수학식 22의 송신 커플링 매트릭스 C _TX 및 상기 수학식 23의 수신 커플링 매트릭스 C _RX 를 산출할 수 있게 된다.As a result, the mutual coupling analyzer 820 according to another embodiment of the present invention refers to the transmission coupling matrix C _TX of Equation 22 and Equation 23 with reference to the mutual impedance and the load impedance calculated as described above. It is possible to calculate the reception coupling matrix C _RX .

다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 채널 매트릭스 산출부(830)는 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스 T와 더불어 송신 커플링 매트릭스 C _TX 및 수신 커플링 매트릭스 C _RX 를 참조로 하여, 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 기능을 수행한다.Next, according to another embodiment of the present invention, the channel matrix calculator 830 transmits a transmission coupling matrix C _TX and a reception coupling together with the first channel matrix T before the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication is reflected. With reference to the matrix C _RX , a function of calculating a second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multiple input / output communication is performed.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 매트릭스 산출부(830)는 앞서 산출된 수신 커플링 매트릭스 C _RX 의 역매트릭스와 제1 채널 매트릭스 T를 곱하고 여기에 다시 송신 커플링 매트릭스 C _TX 를 순차적으로 곱함으로써 근접장 2x2 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 고려된 제2 채널 매트릭스를 산출할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따라 산출된 제2 채널 매트릭스 H는 아래의 수학식 25와 같이 나타낼 수 있다.
Accordingly, the channel matrix calculator 830 according to another embodiment of the present invention multiplies the inverse matrix of the received coupling matrix C _RX by the first channel matrix T and sequentially multiplies the transmission coupling matrix C _TX again. By multiplying, a second channel matrix considering the mutual coupling effect of the near field 2x2 multi-input / output communication may be calculated. The second channel matrix H calculated according to another embodiment of the present invention can be expressed by Equation 25 below.

즉, 수학식 25를 참조하면, 개별적인 안테나의 특성과 시스템의 기하학적 파라미터가 주어지는 경우 본 발명에서 제안된 방법에 따라 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 매트릭스를 산출함으로써 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있게 된다.That is, referring to Equation 25, when the characteristics of the individual antenna and the geometrical parameters of the system are given, the channel characteristics of the near-field 2x2 multi-input / output communication are facilitated by calculating the channel matrix of the near-field 2x2 multi-input / output communication according to the method proposed in the present invention. Can be estimated.

나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 매트릭스 산출부(830)는 위와 같이 산출된 제2 채널 매트릭스 H를 참조로 하여 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량을 산출할 수 있다. 섀넌 정리에 따르면, 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량은 아래의 수학식 26과 같이 나타낼 수 있다.
Furthermore, the channel matrix calculator 830 according to another embodiment of the present invention may calculate the channel capacity of the near field 2 × 2 multiple input / output communication with reference to the second channel matrix H calculated as described above. According to Shannon's theorem, the channel capacity of the near-field 2x2 multi-input / output communication may be expressed by Equation 26 below.

상기 수학식 26에서, λ_i는 매트릭스 H ^H H의 i번째 고유값을 가리키고, γ₀는 신호 대 잡음 비를 가리킨다.In Equation 26, λ _i denotes the i-th eigenvalue of the matrix H ^H H , and γ ₀ denotes the signal-to-noise ratio.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, H ^H H의 고유값은 아래의 수학식 27에 의하여 산출될 수 있다.
Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, the eigenvalue of H ^H H may be calculated by Equation 27 below.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따라 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 원점이 동일하고 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 원점이 동일한 경우에는, 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소 사이에 상호 커플링 효과가 발생하지 않고 수신 안테나 배열의 각 안테나 배열 사이에 상호 커플링 효과가 발생하지 않기 때문에 송신 커플링 매트릭스 C _TX 와 수신 커플링 매트릭스 C _RX 를 고려할 필요가 없게 된다. 따라서, 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 원점이 동일하고 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 원점이 동일한 경우에는, 근접장 2x2 다중입출력 통신의 제2 채널 매트릭스 H가 앞서 산출된 제1 채널 매트릭스 T 그 자체일 수도 있다.
On the other hand, when the origin of each antenna element of the transmit antenna array and the origin of each antenna element of the receive antenna array are the same according to another embodiment of the present invention, the mutual coupling effect between the antenna elements of the transmit antenna array It is not necessary to consider the transmission coupling matrix C _TX and the reception coupling matrix C _RX since it does not occur and the mutual coupling effect does not occur between the antenna arrays of the reception antenna array. Thus, if the origin of each antenna element of the transmit antenna array is the same and the origin of each antenna element of the receive antenna array is the same, the first channel matrix T itself, which is the previously calculated second channel matrix H of the near field 2x2 multi-input / output communication It may be.

복수의 전기 쌍극자를 포함하는 Comprising a plurality of electrical dipoles 근접장Near field 다중입출력 안테나 배열에 대한 시뮬레이션 방법 및 결과 Simulation Methods and Results for Multiple Input and Output Antenna Arrays

이하에서는, 본 발명에 따른 채널 특성 추정 시스템(800)을 이용한 채널 특성 추정에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the results of the simulation of the channel characteristic estimation using the channel characteristic estimation system 800 according to the present invention will be described with reference to the drawings.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 본 시뮬레이션에 사용된 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열에 포함되는 안테나 요소의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.FIG. 11 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of antenna elements included in a transmission antenna array and a reception antenna array used in this simulation according to another embodiment of the present invention.

먼저, 도 11의 (a)를 참조하면, 본 시뮬레이션에서 사용된 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열에 제1 및 제2 안테나 요소로서 포함되는 두 개의 전기 쌍극자(1111, 1112)는 모두 길이가 5cm이고 원점이 공통되며 Y축을 중심으로 서로 수직한 방향으로 배치되도록 하였는데, 이로써 제1 및 제2 안테나 요소로서 포함되는 두 개의 전기 쌍극자(1111, 1112)가 상호 커플링되지 않도록 하였다(제1 시뮬레이션). 다음으로, 도 11의 (b)를 참조하면, 본 시뮬레이션에서 사용된 송신 안테나 배열 및 수신 안테나 배열에 제1 및 제2 안테나 요소로서 포함되는 두 개의 전기 쌍극자(1111, 1112)는 모두 길이가 5cm이고 서로 15cm 떨어진 위치에서 Y축을 중심으로 서로 수직한 방향으로 배치되도록 하였는데, 이로써 제1 및 제2 안테나 요소로서 포함되는 두 개의 전기 쌍극자(1111, 1112)가 상호 커플링되도록 하였다(제2 시뮬레이션).First, referring to FIG. 11A, the two electric dipoles 1111 and 1112 included in the transmission antenna array and the reception antenna array used as the first and second antenna elements in the simulation are 5 cm in length. The origin was arranged in a direction perpendicular to each other about the Y axis, thereby preventing two electric dipoles 1111 and 1112 included as first and second antenna elements from being mutually coupled (first simulation). Next, referring to FIG. 11B, the two electric dipoles 1111 and 1112 included in the transmission antenna array and the reception antenna array used in this simulation as the first and second antenna elements are 5 cm in length. And 15 cm away from each other, and are arranged in a direction perpendicular to each other about the Y axis, thereby allowing two electric dipoles 1111 and 1112 included as first and second antenna elements to be mutually coupled (second simulation). .

또한, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 본 시뮬레이션에 사용된 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열의 위치 관계를 예시적으로 나타내는 도면이다. 즉, 제1 시뮬레이션(도 11의 (a))과 제2 시뮬레이션(도 11의 (b))의 경우 모두에 있어서, 도 12의 (a)에서와 같이 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열이 평행하게 배치되도록 한 상태에서 채널 용량을 산출하고, 도 12의 (b)에서와 같이 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열이 대각선 방향으로 배치되도록 한 상태에서도 채널 용량을 산출하였다.12 is a diagram illustrating a positional relationship between a transmitting antenna array and a receiving antenna array used in this simulation according to another embodiment of the present invention. That is, in both the first simulation (FIG. 11A) and the second simulation (FIG. 11B), as in FIG. 12A, the transmit antenna array and the receive antenna array are parallel to each other. The channel capacity was calculated in the arranged state, and the channel capacity was calculated even when the transmit antenna array and the receive antenna array were arranged in the diagonal direction as shown in FIG.

한편, 본 시뮬레이션에서 각 안테나의 임피던스 특성은 MOM 기반의 EM 시뮬레이터(MOM-based EM simulator)에 의해 분석되었다.In this simulation, impedance characteristics of each antenna were analyzed by a MOM-based EM simulator.

도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 각각 제1 및 제2 시뮬레이션을 수행한 결과를 그래프로서 나타내는 도면이다. 참고로, 도 13및 도 14는 동일한 양의 총 전송 전력으로 균등한 전력이 할당된 상태에서 전송 신호 대 잡음 비가 30dB로 주어지는 경우에, 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량을 산출한 결과를 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이의 거리에 따라 그래프로서 나타낸 것이다.13 and 14 are graphs showing the results of performing the first and second simulations, respectively, according to another embodiment of the present invention. For reference, FIGS. 13 and 14 show the result of calculating the channel capacity of the near field 2x2 multi-input / output communication when the transmission signal-to-noise ratio is given to 30 dB with equal power being allocated with the same amount of total transmission power. It is shown graphically according to the distance between the array and the receiving antenna array.

먼저, 안테나 배열 내의 안테나 요소가 상호 커플링되지 않은 경우의 제1 시뮬레이션 결과를 나타낸 도 13의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의하여 추정된 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량이 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이의 거리가 짧아짐에 따라 증가하는 것으로 나타났고, 모든 거리 구간에 있어서 다중입출력 통신의 채널 용량이 단일입출력 통신의 채널 용량보다 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.First, referring to Figs. 13A and 13B which show the first simulation result when the antenna elements in the antenna array are not mutually coupled, the method of the near field 2x2 multiple input / output communication estimated by the method according to the present invention is shown. The channel capacity is increased as the distance between the transmitting antenna array and the receiving antenna array is shortened, and it can be seen that the channel capacity of the multi-input / output communication is higher than the channel capacity of the single input / output communication in all distance sections.

다음으로, 안테나 배열 내의 안테나 요소가 상호 커플링된 경우의 제2 시뮬레이션 결과를 나타낸 도 14의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의하여 추정된 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량이 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이의 거리가 짧아짐에 따라 증가하는 것으로 나타났고, 모든 거리 구간에 있어서 다중입출력 통신의 채널 용량이 단일입출력 통신의 채널 용량보다 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.Next, referring to FIGS. 14A and 14B, which show the second simulation result when the antenna elements in the antenna array are mutually coupled, the near field 2 × 2 multiple input / output communication estimated by the method according to the present invention. The channel capacity is increased as the distance between the transmitting antenna array and the receiving antenna array is shortened, and it can be seen that the channel capacity of the multi-input / output communication is higher than the channel capacity of the single input / output communication in all distance sections.

이상의 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 근접장 다중입출력 안테나에 의하면 다중입출력 통신의 특성을 구현해 낼 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 특성 추정 방법에 의하면 근접장 2x2 다중입출력 통신의 채널 용량을 비롯한 채널 특성을 용이하게 추정할 수 있게 된다.As can be seen from the simulation results, the near field multi-input and output antenna according to another embodiment of the present invention can realize the characteristics of the multi-input and output communication, and according to the channel characteristic estimation method according to another embodiment of the present invention, Channel characteristics, including channel capacity of 2x2 multi-input / output communication, can be easily estimated.

이상에서 살펴본 바와 같이, 서로 수직한 방향으로 배치된 복수의 소형 전기 쌍극자로 구성된 안테나 배열을 사용하게 되면 각각의 소형 전기 쌍극자로부터 각각 발생되어 서로 직교하도록 편파되는 TM₁₀ 모드가 독립적인 채널을 제공하기 때문에 근접장 2x2 다중입출력 통신 시스템이 구축될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 구면파들의 덧셈 정리를 이용하여 복수의 소형 전기 쌍극자 사이의 상호작용을 간단하게 계산할 수 있기 때문에 근접장 다중입출력 통신의 전송 특성을 모드-기반 기법을 이용하여 용이하게 추정할 수 있고, 수신 안테나 배열과 송신 안테나 배열에서 발생하는 상호 커플링 효과 역시 유사한 방법을 이용하여 용이하게 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 안테나 배열 내의 안테나 요소 사이에서 상호 커플링 효과가 발생하는 근접장 다중입출력 통신의 채널 특성을 추정할 수 있으며, 나아가, 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량도 효과적으로 산출할 수 있게 된다.As described above, when using an antenna array composed of a plurality of small electric dipoles arranged in a direction perpendicular to each other, the TM ₁₀ mode generated from each small electric dipole and polarized to be orthogonal to each other provides an independent channel. Therefore, near field 2x2 multi-input / output communication system can be constructed. In addition, according to another embodiment of the present invention, since the interaction between a plurality of small electric dipoles can be simply calculated using the addition theorem of the spherical waves, the transmission characteristics of the near-field multi-input / output communication can be easily obtained using a mode-based technique. In addition, the mutual coupling effect occurring in the receiving antenna array and the transmitting antenna array can be easily calculated using a similar method. Therefore, according to another embodiment of the present invention, it is possible to estimate the channel characteristics of the near-field multi-input communication with mutual coupling effect between the antenna elements in the antenna array, furthermore, to effectively calculate the channel capacity of the near-field multi-input communication You can do it.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The embodiments of the present invention described above can be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program commands, data files, data structures, and the like, alone or in combination. Program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be those specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for performing the processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.Although the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like, but the embodiments and the drawings are provided to assist in a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments. For those skilled in the art, various modifications and variations can be made from such descriptions.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, I will say.

100: 안테나 배열
110: 소형 전기 쌍극자
120: 소형 솔레노이드 루프 또는 소형 자기 쌍극자
200: 채널 특성 추정 시스템
210: 전송 특성 분석부
220: 상호 커플링 분석부
230: 채널 매트릭스 산출부
300, 400: 근접장 2x2 다중입출력 통신 안테나
310, 410, 510: 송신 안테나 배열
311, 411, 511: 송신 안테나 배열의 제1 안테나 요소
312, 412, 512: 송신 안테나 배열의 제2 안테나 요소
320, 420, 520: 수신 안테나 배열
321, 421, 521: 수신 안테나 배열의 제1 안테나 요소
322, 422, 522: 수신 안테나 배열의 제2 안테나 요소
700: 안테나 배열
710: 소형 전기 쌍극자
720: 소형 전기 쌍극자
800: 채널 특성 추정 시스템
810: 전송 특성 분석부
820: 상호 커플링 분석부
830: 채널 매트릭스 산출부
900, 1000: 근접장 2x2 다중입출력 통신 안테나
910, 1010, 1210: 송신 안테나 배열
911, 1011, 1111, 1113: 송신 안테나 배열의 제1 안테나 요소
912, 1012, 1112, 1114: 송신 안테나 배열의 제2 안테나 요소
920, 1020, 1220: 수신 안테나 배열
921, 1021, 1111, 1113: 수신 안테나 배열의 제1 안테나 요소
922, 1022, 1112, 1114: 수신 안테나 배열의 제2 안테나 요소100: antenna array
110: mini electric dipole
120: miniature solenoid loop or miniature magnetic dipole
200: channel characteristic estimation system
210: transmission characteristic analysis unit
220: mutual coupling analysis unit
230: channel matrix calculation unit
300, 400: near-field 2x2 multiple input / output communication antenna
310, 410, 510: transmit antenna array
311, 411, and 511: first antenna element of the transmit antenna array
312, 412, 512: second antenna element of the transmit antenna array
320, 420, 520: receive antenna array
321, 421, and 521: first antenna element of the receiving antenna array
322, 422, 522: second antenna element of the receiving antenna array
700: antenna array
710: miniature electric dipole
720: miniature electric dipole
800: channel characteristic estimation system
810: transmission characteristic analyzer
820: mutual coupling analysis unit
830: channel matrix calculator
900, 1000: near-field 2x2 multi-input and output communication antenna
910, 1010, 1210: transmit antenna array
911, 1011, 1111, 1113: first antenna element of the transmit antenna array
912, 1012, 1112, 1114: second antenna element of the transmit antenna array
920, 1020, 1220: receive antenna array
921, 1021, 1111, 1113: first antenna element of the receiving antenna array
922, 1022, 1112, 1114: second antenna element of the receiving antenna array

Claims (33)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 방법으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 서로 원점이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치될 수 있는 전기 쌍극자(electric dipole) 및 자기 쌍극자(magnetic dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - ,
(a) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 전송 매트릭스(transmission matrix)을 산출하고, 상기 산출된 송신 신호값, 수신 신호값 및 전송 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링(mutual coupling) 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스(channel matrix)를 산출하는 단계,
(b) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스(coupling matrix) 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 단계, 및
(c) 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 단계
를 포함하는 방법.A method of estimating channel characteristics of near-field MIMO communications, wherein the near-field multiple input / output communications are electric dipoles that can be arranged in any direction at different origins and at arbitrary distances. performed between a transmit antenna array and a receive antenna array, each containing a dipole and a magnetic dipole as antenna elements,
(a) calculating a transmission signal value transmitted from each antenna element of the transmission antenna array and a reception signal value received at each antenna element of the reception antenna array, and using the addition theorem to perform the near field multiple input / output communication. Calculate a transmission matrix of the first channel matrix before reflecting the mutual coupling effect of the near-field multi-input-output communication with reference to the calculated transmission signal value, the reception signal value and the transmission matrix. calculating a channel matrix,
(b) calculating a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the transmitting antenna array and a receiving terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the receiving antenna array; Calculating mutual impedance and load impedance of each antenna element included in the transmitting antenna array and the receiving antenna array, and calculating the calculated transmission terminal voltage vector, receiving terminal voltage vector, mutual impedance, and Calculating a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix of the near field multiple input / output communication with reference to a load impedance, and
(c) calculating a second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication by sequentially multiplying the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix, and the transmission coupling matrix.
≪ / RTI > 제6항에 있어서,
상기 전기 쌍극자의 크기는 상기 전기 쌍극자에서 발생되는 신호의 파장을 2π로 나눈 값보다 작은 범위 내에서 결정되고, 상기 자기 쌍극자의 크기는 상기 자기 쌍극자에서 발생되는 신호의 파장을 2π로 나눈 값보다 작은 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6,
The magnitude of the electric dipole is determined within a range smaller than the value of the signal generated by the electric dipole divided by 2π, and the size of the magnetic dipole is smaller than the value of the signal generated by the magnetic dipole divided by 2π. Characterized in that it is determined within the scope. 제6항에 있어서,
상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 위치 및 방향은 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 안테나 구면(antenna sphere)이 서로 겹쳐지지 않는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6,
The position and direction of each antenna element of the transmitting antenna array and the receiving antenna array are determined within the range that the antenna spheres of the transmitting antenna array and each antenna element of the receiving antenna array do not overlap each other. How to. 제6항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 송신 안테나 배열의 전기 쌍극자인 제1 송신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Tx#1)이고, 상기 송신 안테나 배열의 자기 쌍극자인 제2 송신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Tx#2)이고, 상기 수신 안테나 배열의 전기 쌍극자인 제1 수신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Rx#1)이고, 상기 수신 안테나 배열의 자기 쌍극자인 제2 수신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Rx#2)이고, 상기 전송 매트릭스는 T이고, 상기 제1 채널 매트릭스는 H_ω 일 때,

인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6,
In the step (a)
The impedance of the first transmit antenna element of the electrical dipole of the transmit antenna array is Z _{a (Tx # 1)} , the impedance of the second transmit antenna element of the magnetic dipole of the transmit antenna array is Z _{a (Tx # 2)} , The impedance of the first receiving antenna element which is the electrical dipole of the receiving antenna array is Z _{a (Rx # 1)} , the impedance of the second receiving antenna element which is the magnetic dipole of the receiving antenna array is Z _{a (Rx # 2)} , When the transmission matrix is T and the first channel matrix is H _ω ,

≪ / RTI > 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
전압 소스로부터 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소에 인가되는 소스 전압 벡터가 v_s 이고, 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 송신단에서의 임피던스 매트릭스가 Z^T 이고, 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 소스 임피던스를 성분으로 갖는 대각선 매트릭스는 Z_S 이고, [C_T]_mn = (Z^T _nn + Z_sn)/Z^T _nn을 성분으로 갖는 대각선 매트릭스는 C_T 이고, 상기 송신 단자 전압 벡터는 v이고, 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스가 C_TX 일 때,

인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6,
In the step (b)
The source voltage vector applied from the voltage source to each antenna element of the transmit antenna array is v _s , the impedance matrix at the transmit end of each antenna element of the transmit antenna array is Z ^T , and the The diagonal matrix having the source impedance as a component is Z _S , the diagonal matrix having [C _T ] _mn = (Z ^T _nn + Z _sn ) / Z ^T _nn as the component is C _T , and the transmission terminal voltage vector is v When the transmission coupling matrix of the near field multiple input / output communication is C _TX ,

≪ / RTI > 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 최초로 수신되는 전자기장 벡터가 x이고, 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 최종적으로 수신되는 단자 전압 벡터가 v _r 이고, 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 부하 임피던스가 Z_ㅣm이고, 상기 수신 안테나 배열의 i 번째 안테나 요소와 j 번째 안테나 요소 사이의 상호 임피던스가 Z_ij이고, 상기 근접장 다중입출력 통신의 수신 커플링 매트릭스가 C _RX 일 때,

인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6,
In the step (b)
The electromagnetic field vector first received at each antenna element of the receive antenna array is x , the terminal voltage vector finally received at each antenna element of the receive antenna array is v _r , and the load impedance of each antenna element of the receive antenna array is Is Z _{| m} , the mutual impedance between the i th antenna element and the j th antenna element of the reception antenna array is Z _ij , and the reception coupling matrix of the near field multiple input / output communication is C _RX ,

≪ / RTI > 제6항에 있어서,
(d) 상기 제2 채널 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)를 산출하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6,
(d) calculating channel capacity of the near field multiple input / output communication with reference to the second channel matrix;
≪ / RTI > 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 시스템으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 서로 원점이 다르고 임의의(arbitrary) 거리를 두고 임의의 방향으로 배치되어 있는 전기 쌍극자(electric dipole) 및 자기 쌍극자(magnetic dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - ,
상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 전송 매트릭스(transmission matrix)을 산출하고, 상기 산출된 송신 신호값, 수신 신호값 및 전송 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링(mutual coupling) 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스(channel matrix)를 산출하는 전송 특성 분석부,
상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스(coupling matrix) 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 상호 커플링 분석부, 및
상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 채널 매트릭스 산출부
를 포함하는 시스템.A system for estimating channel characteristics of near-field MIMO communications, wherein the near-field multi-input communications are electric dipoles arranged in arbitrary directions with different origins and arbitrary distances from each other. Is performed between a transmit antenna array and a receive antenna array, each including a magnetic dipole and a magnetic dipole as antenna elements, respectively.
Calculating transmission signal values transmitted from each antenna element of the transmission antenna array and reception signal values received at each antenna element of the reception antenna array, and using addition theorem, a transmission matrix of the near field multiple input / output communication a transmission matrix, and a first channel matrix before reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication with reference to the calculated transmission signal value, the reception signal value, and the transmission matrix. Transmission characteristic analysis unit for calculating
Calculating a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the transmitting antenna array and a receiving terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the receiving antenna array, and transmitting Computing the mutual impedance and load impedance of each antenna element included in the antenna array and the receiving antenna array, and calculates the calculated transmit terminal voltage vector, receive terminal voltage vector, mutual impedance and load impedance A mutual coupling analysis unit for calculating a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix of the near-field multi-input / output communication by reference, and
A channel matrix calculator for calculating a second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication by sequentially multiplying the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix, and the transmission coupling matrix
/ RTI > 제13항에 있어서,
상기 전기 쌍극자의 크기는 상기 전기 쌍극자에서 발생되는 신호의 파장을 2π로 나눈 값보다 작은 범위 내에서 결정되고, 상기 자기 쌍극자의 크기는 상기 자기 쌍극자에서 발생되는 신호의 파장을 2π로 나눈 값보다 작은 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.The method of claim 13,
The magnitude of the electric dipole is determined within a range smaller than the value of the signal generated by the electric dipole divided by 2π, and the size of the magnetic dipole is smaller than the value of the signal generated by the magnetic dipole divided by 2π. The system, characterized in that determined within the scope. 제13항에 있어서,
상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 위치 및 방향은 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 안테나 구면(antenna sphere)이 서로 겹쳐지지 않는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.The method of claim 13,
The position and direction of each antenna element of the transmitting antenna array and the receiving antenna array are determined within the range that the antenna spheres of the transmitting antenna array and each antenna element of the receiving antenna array do not overlap each other. System. 제13항에 있어서,
상기 채널 매트릭스 산출부는, 상기 제2 채널 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)를 산출하는 것을 특징으로 하는 시스템.The method of claim 13,
The channel matrix calculator is configured to calculate a channel capacity of the near field multiple input / output communication with reference to the second channel matrix. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 방법으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 임의의(arbitrary) 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되는 복수의 전기 쌍극자(electric dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - ,
(a) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하고 상기 산출된 송신 신호값 및 수신 신호값을 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스를 산출하는 단계,
(b) 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 단계, 및
(c) 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 단계
를 포함하는 방법.A method for estimating channel characteristics of near-field MIMO communications, the antenna comprising: a plurality of electrical dipoles arranged in a vertical direction at an arbitrary distance with an antenna; Is performed between a transmitting antenna array and a receiving antenna array, each of which comprises as an element
(a) calculating a transmission signal value transmitted from each antenna element of the transmission antenna array and a reception signal value received at each antenna element of the reception antenna array, using an addition theorem, and calculating the calculated transmission signal Calculating a first channel matrix before reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication with reference to a value and a received signal value;
(b) calculating a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the transmitting antenna array and a receiving terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the receiving antenna array; Calculating mutual impedance and load impedance of each antenna element included in the transmitting antenna array and the receiving antenna array, and calculating the calculated transmission terminal voltage vector, receiving terminal voltage vector, mutual impedance, and Calculating a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix of the near field multiple input / output communication with reference to a load impedance, and
(c) calculating a second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication by sequentially multiplying the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix, and the transmission coupling matrix.
≪ / RTI > 제22항에 있어서,
상기 전기 쌍극자의 크기는 상기 전기 쌍극자에서 발생되는 신호의 파장을 2π로 나눈 값보다 작은 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 22,
And the magnitude of the electric dipole is determined within a range less than a value obtained by dividing the wavelength of the signal generated by the electric dipole by 2π. 제22항에 있어서,
상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 위치 및 방향은 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 안테나 구면(antenna sphere)이 서로 겹쳐지지 않는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 22,
The position and direction of each antenna element of the transmitting antenna array and the receiving antenna array are determined within the range that the antenna spheres of the transmitting antenna array and each antenna element of the receiving antenna array do not overlap each other. How to. 제22항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 송신 안테나 배열의 전기 쌍극자인 제1 송신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Tx#1)이고, 상기 송신 안테나 배열의 전기 쌍극자인 제2 송신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Tx#2)이고, 상기 수신 안테나 배열의 전기 쌍극자인 제1 수신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Rx#1)이고, 상기 수신 안테나 배열의 전기 쌍극자인 제2 수신 안테나 요소의 임피던스가 Z_a(Rx#2)이고, 전파 상수는 k이고, 제2종 구면 항켈 함수는 h_n ⁽²⁾(x)이고, 제1종 부 르장드르 함수는 P_n ^m(x)이고, 상기 제1 채널 매트릭스는 T일 때,

인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 22,
In the step (a)
The impedance of the first transmit antenna element of the electrical dipole of the transmit antenna array is Z _{a (Tx # 1)} , the impedance of the second transmit antenna element of the electrical dipole of the transmit antenna array is Z _{a (Tx # 2)} , The impedance of the first receiving antenna element which is the electrical dipole of the receiving antenna array is Z _{a (Rx # 1)} , the impedance of the second receiving antenna element which is the electrical dipole of the receiving antenna array is Z _{a (Rx # 2)} , When the propagation constant is k , the second type spherical Hankel function is h _n ⁽²⁾ (x), the first kind of Beaux-Genre function is P _n ^m (x), and the first channel matrix is T ,

≪ / RTI > 제22항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
전압 소스로부터 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소에 인가되는 소스 전압 벡터가 v_s 이고, 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 송신단에서의 임피던스 매트릭스가 Z^T 이고, 상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 소스 임피던스를 성분으로 갖는 대각선 매트릭스는 Z_S 이고, [C_T]_mn = (Z^T _nn + Z_sn)/Z^T _nn을 성분으로 갖는 대각선 매트릭스는 C_T 이고, 상기 송신 단자 전압 벡터는 v이고, 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스가 C_TX 일 때,

인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 22,
In the step (b)
The source voltage vector applied from the voltage source to each antenna element of the transmit antenna array is v _s , the impedance matrix at the transmit end of each antenna element of the transmit antenna array is Z ^T , and the The diagonal matrix having the source impedance as a component is Z _S , the diagonal matrix having [C _T ] _mn = (Z ^T _nn + Z _sn ) / Z ^T _nn as the component is C _T , and the transmission terminal voltage vector is v When the transmission coupling matrix of the near field multiple input / output communication is C _TX ,

≪ / RTI > 제22항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 최초로 수신되는 전자기장 벡터가 x이고, 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 최종적으로 수신되는 단자 전압 벡터가 v _r 이고, 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 부하 임피던스가 Z_ㅣm이고, 상기 수신 안테나 배열의 i 번째 안테나 요소와 j 번째 안테나 요소 사이의 상호 임피던스가 Z_ij이고, 상기 근접장 다중입출력 통신의 수신 커플링 매트릭스가 C _RX 일 때,

인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 22,
In the step (b)
The electromagnetic field vector first received at each antenna element of the receive antenna array is x , the terminal voltage vector finally received at each antenna element of the receive antenna array is v _r , and the load impedance of each antenna element of the receive antenna array is Is Z _{| m} , the mutual impedance between the i th antenna element and the j th antenna element of the reception antenna array is Z _ij , and the reception coupling matrix of the near field multiple input / output communication is C _RX ,

≪ / RTI > 제22항에 있어서,
(d) 상기 제2 채널 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)를 산출하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 22,
(d) calculating channel capacity of the near field multiple input / output communication with reference to the second channel matrix;
≪ / RTI > 근접장 다중입출력(near-field MIMO) 통신의 채널 특성을 추정하는 시스템으로서 - 상기 근접장 다중입출력 통신은, 임의의(arbitrary) 거리를 두고 수직한 방향으로 배치되는 복수의 전기 쌍극자(electric dipole)를 안테나 요소로서 각각 포함하는 송신 안테나 배열과 수신 안테나 배열 사이에서 수행됨 - ,
상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소로부터 송신되는 송신 신호값과 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소에서 수신되는 수신 신호값을 산출하고, 덧셈 정리(addition theorem)를 이용하고 상기 산출된 송신 신호값 및 수신 신호값을 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영되기 전의 제1 채널 매트릭스를 산출하는 전송 특성 분석부,
상기 송신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 송신 단자 전압 벡터(terminal voltage vector) 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 상호 커플링 효과가 반영된 수신 단자 전압 벡터를 산출하고, 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열에 포함된 각 안테나 요소의 상호 임피던스(mutual impedance) 및 부하 임피던스(load impedance)를 산출하고, 상기 산출된 송신 단자 전압 벡터, 수신 단자 전압 벡터, 상호 임피던스 및 부하 임피던스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 송신 커플링 매트릭스 및 수신 커플링 매트릭스를 산출하는 상호 커플링 분석부, 및
(c) 상기 산출된 송신 커플링 매트릭스, 제1 채널 매트릭스 및 송신 커플링 매트릭스를 순차적으로 곱함으로써 상기 근접장 다중입출력 통신의 상호 커플링 효과가 반영된 제2 채널 매트릭스를 산출하는 채널 매트릭스 산출부
를 포함하는 시스템.A system for estimating channel characteristics of near-field MIMO communications, the antenna comprising: a plurality of electric dipoles arranged in a vertical direction at an arbitrary distance with an antenna; Is performed between a transmitting antenna array and a receiving antenna array, each of which comprises as an element
Calculate a transmission signal value transmitted from each antenna element of the transmission antenna array and a reception signal value received at each antenna element of the reception antenna array, use an addition theorem, and calculate the calculated transmission signal value and reception A transmission characteristic analyzer for calculating a first channel matrix before reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication with reference to a signal value;
Calculating a terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the transmitting antenna array and a receiving terminal voltage vector reflecting the mutual coupling effect of each antenna element of the receiving antenna array, and transmitting Computing the mutual impedance and load impedance of each antenna element included in the antenna array and the receiving antenna array, and calculates the calculated transmit terminal voltage vector, receive terminal voltage vector, mutual impedance and load impedance A mutual coupling analysis unit for calculating a transmission coupling matrix and a reception coupling matrix of the near field multi-input / output communication by reference, and
(c) a channel matrix calculator for calculating a second channel matrix reflecting the mutual coupling effect of the near field multi-input / output communication by sequentially multiplying the calculated transmission coupling matrix, the first channel matrix, and the transmission coupling matrix.
/ RTI > 제29항에 있어서,
상기 전기 쌍극자의 크기는 상기 전기 쌍극자에서 발생되는 신호의 파장을 2π로 나눈 값보다 작은 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.30. The method of claim 29,
Wherein the magnitude of the electrical dipole is determined within a range less than the wavelength of the signal generated at the electrical dipole divided by 2π. 제29항에 있어서,
상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 위치 및 방향은 상기 송신 안테나 배열 및 상기 수신 안테나 배열의 각 안테나 요소의 안테나 구면(antenna sphere)이 서로 겹쳐지지 않는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.30. The method of claim 29,
The position and direction of each antenna element of the transmitting antenna array and the receiving antenna array are determined within the range that the antenna spheres of the transmitting antenna array and each antenna element of the receiving antenna array do not overlap each other. System. 제29항에 있어서,
상기 채널 매트릭스 산출부는, 상기 제2 채널 매트릭스를 참조로 하여 상기 근접장 다중입출력 통신의 채널 용량(capacity)를 산출하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.30. The method of claim 29,
The channel matrix calculator may calculate a channel capacity of the near field multiple input / output communication with reference to the second channel matrix.
≪ / RTI > 제6항 내지 제12항 및 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.29. A computer readable recording medium having recorded thereon a computer program for executing the method according to any one of claims 6 to 12 and 22 to 28.

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