KR101859867B1 - 밀리미터파 안테나 장치 및 렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

밀리미터파 안테나 장치는 동일한 방사 패턴의 빔을 각각 방사하는 복수의 안테나 및 상기 복수의 안테나가 방사하는 빔을 각각 굴절하여 방사하는 복수의 안테나 렌즈를 포함한다. 상기 복수의 안테나 렌즈는 서로 다른 굴절 특성을 갖는다.

Description

밀리미터파 안테나 장치 및 렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법{ANTENNA APPARATUS FOR MILLIMETER WAVE AND BEAM GENERATING METHOD USING LENS}
이하 설명하는 기술은 패턴/편파 이득을 갖는 안테나 장치에 관한 것이다.
이동통신망을 이용하는 서비스가 증가하고 있고, 향후 현재보다 매우 많은 트래픽이 발생할 것으로 예상된다. 2020년에는 2010년 대비 모바일 트래픽이 1,00배 이상 증가할 것이라는 전망도 있다. 현재 4G 이동통신은 이와 같이 폭발적으로 증가하는 모바일 트래픽을 수용하기 어려울 수 있다. 이를 극복하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있고, 밀리미터파(mmWave)를 이용한 통신 기술도 주목받고 있다. 밀리미터파는 일반적으로 EHF(Extremely High Frequency) 대역으로 불리는 30 ~ 300GHz 대역 주파수로 그 파장 길이가 1cm ~ 1mm를 갖는 대역을 일컫는다. 예컨대, 밀리미터파를 기반으로 하여 3D 빔 형성하고자 하여 매크로 셀과 스몰 셀에 자원을 할당하는 기술이 연구되고 있다.
한국등록특허 제10-0953923호
이하 설명하는 기술은 렌즈를 사용하여 서로 다른 방사 패턴을 갖는 복수의 빔을 방사하는 기법을 제공하고자 한다.
밀리미터파 안테나 장치는 동일한 방사 패턴의 빔을 각각 방사하는 복수의 안테나 및 상기 복수의 안테나가 방사하는 빔을 각각 굴절하여 방사하는 복수의 안테나 렌즈를 포함한다. 상기 복수의 안테나 렌즈는 서로 다른 굴절 특성을 갖는다.
렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법은 복수의 안테나가 각각 동일한 방사 패턴의 빔을 방사하는 단계, 복수의 안테나 렌즈가 상기 빔을 수신하고, 각각 서로 다른 방사 패턴을 갖는 빔을 방사하는 단계를 포함한다. 상기 안테나 렌즈는 서로 다른 굴절 특성을 갖는다.
이하 설명하는 기술은 밀리미터파(mmWave) 대역에서 RF 소자를 이용한 조정 없이 다중 안테나 이득을 얻을 수 있다. 이하 설명하는 기술은 종래의 안테나 구조를 크게 변경하지 않고도 패턴/편파 이득을 갖는 안테나 장치를 제공한다.
도 1은 TEM 파의 전기장 성분을 도시한 예이다.
도 2는 패턴/편파 이득을 갖는 안테나 장치에 대한 예이다.
도 3은 종래 다중 혼 안테나 배치 구조를 도시한 예이다.
도 4는 종래 다중 안테나 배치 구조를 도시한 다른 예이다.
도 5는 렌즈를 이용한 다중 안테나 배치 구조를 도시한 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 빔 분할 다중 접속 통신(Beam Division Multiple Access: BDMA) 시스템에서 단말에 빔을 제공하는 기법에 사용될 수 있다. 이하 설명하는 기술은 패턴 및 편파를 통해 추가적인 다이버시티(diversity)를 부여하는 기술이다. 이하 설명하는 기술은 BDMA 등에서 패턴/편파 다이버시티를 부여하는 안테나 장치에 관한 것이다.
먼저 패턴 이득과 편파 이득에 대해 설명한다. 기존 셀룰러 대역에서 다중 안테나 구조에 패턴/편파 기술을 적용하여 채널 용량을 늘릴 수 있는 방안이 제시되었다. 패턴/편파 이득은 안테나 방사 패턴이 가지는 고유한 특성을 이용하여 같은 방향을 향하는 신호를 간섭의 영향 없이 분리 가능함으로써 얻을 수 있는 신호의 양을 늘릴 수 있는 이득을 나타낸다.
도 1은 TEM 파의 전기장 성분을 도시한 예이다. 안테나에서 방사되는 TEM 파(Transverse Electro-Magnetic Wave)에 대해 전기장 신호는 진행방향에 대한 전기장 성분
Figure 112017017511300-pat00001
가 된다. 따라서 도 2과 같이 전기장 신호는
Figure 112017017511300-pat00002
,
Figure 112017017511300-pat00003
의 성분으로만 나타낼 수 있다. 예컨대,
Figure 112017017511300-pat00004
로 표현될 수 있다.
패턴 이득이란 안테나가 유사한 빔 패턴을 가지더라도 위상 정보가 다르기 때문에 얻을 수 있는 이득을 의미한다. 통상적으로 전자기파 신호는 복소수 신호이기 때문에 전기장 신호의 성분을 각각
Figure 112017017511300-pat00005
,
Figure 112017017511300-pat00006
와 같이 크기 및 위상을 따로 분리할 수 있다. 동일한 빔 패턴은 전기장 성분 중 크기 성분이 동일한 것이다. 전기장 성분 중 위상 성분이 다르다면, 서로 다른 위상 성분을 기준으로 빔 패턴을 구분할 수 있다. 이를 통해서 전송 용량을 추가적으로 얻을 수 있는 것을 패턴 이득이라 정의한다.
편파 이득은 안테나의 편파 성질에 기인한다. 송신단 및 수신단의 안테나가 내보내는 전자기파 신호의 방사각 및 입사각이 일치하더라도, 두 신호의 편파 방향이 일치하지 않으면 에너지 송수신이 되지 않는다. 즉, 편파 방향이라는 특성도 채널 용량을 증가시키는 특성이 될 수 있다. 편파가 서로 직교하는 두 안테나에서 동시에 송신할 때 각 편파 방향에 맞는 수신 안테나를 이용한다면, 빔 패턴이 일치하는 두 개의 신호를 분할하여 받는 것이 가능하다. 이를 편파 이득이라 부른다.
패턴/편파 이득을 얻고자 하는 방안이 기존에 셀룰러 대역에서 연구가 진행되었다. 이하 설명하는 기술은 새로이 개발되고 있는 주파수 대역인 mmWave에서도 패턴/편파 이득을 얻을 수 있는 안테나 구조를 제안한다.
예컨대, mmWave에서 28 GHz 대역에서는 안테나의 작동 주파수가 높아짐에 따라 그 크기가 감소하였다. 규모의 축소는 안테나 작동을 조절하는 RF단에서의 안테나 조절 문제를 야기할 수 있다. 즉, 안테나가 소형화됨에 따라 RF단의 소자를 집적하기 어려울 뿐 아니라, 에너지적인 측면에서 안테나에서 발생하는 손실 에너지가 RF 소자의 변형을 야기시킨다. 이하 설명하는 기술은 빔을 제어하는 RF 단을 사용하지 않는 단순한 구조의 안테나 장치를 제안한다.
도 2는 패턴/편파 이득을 갖는 안테나 장치(10)에 대한 예이다. 안테나 장치(10)는 복수의 안테나를 포함하는 안테나 어레이일 수 있다. 즉, 안테나 장치(10)는 복수의 단위 안테나를 포함할 수 있다. 도 3에서 하나의 단위 안테나를 'x'로 표시하였다. 여기서 복수의 단위 안테나는 서로 다른 방사 패턴을 갖는다고 가정한다.
안테나 장치(10)는 빔포밍을 통하여 N개의 섹터에 빔을 제공할 수 있다. 안테나 장치(10)는 섹터별로 유일한(unique) 가중치를 갖는 빔포머들을 이용하여 빔들을 공간적으로 빔섹터로 분리시킬 수 있다. 나아가 안테나 장치(10)는 동일한 빔 섹터에서 패턴/편파 특성이 다른 빔을 전송할 수 있다. 즉, 안테나 장치(10)는 동일한 AoD (Angle of Direction)를 갖는 복수의 빔들을 전송할 수 있다.
안테나 장치(10)는 동일한 섹터에서도 서로 특성이 다른 K개의 패턴/편파를 이용하여 K개의 빔을 전송할 수 있다. 안테나 장치(10)는 K개의 서로 다른 방사 패턴을 동시에 전송할 수 있다. 안테나 장치(10)는 서로 다른 방사 패턴을 이용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 전송이 가능하다.
기지국과 같은 AP 장치는 전술한 안테나 장치(10)를 포함할 수 있다. AP 장치는 이동통신의 매크로셀을 구성하는 기지국, 이동통신의 스몰 셀(small cell)을 구성하는 AP 장치, WiFi의 AP 장치, ZigBee와 같은 근거리 통신을 위한 AP 장치 등을 포함한다. 안테나 장치(10)는 빔을 통해 단말에 통신 서비스를 제공한다.
도 3은 종래 다중 안테나 배치 구조를 도시한 예이다. 안테나 장치(100)는 복수의 안테나(110A, 110B, 110C)를 포함한다. 예컨대, 안테나(110A, 110B, 110C)는 혼(Horn) 안테나일 수 있다. 혼 안테나는 효율 및 안테나 이득이 높으며 대역폭이 넓고 지향성이 강하기 때문에 mmWave 대역의 안테나로써 적합하다. 도 3과 같은 다중 안테나 배치 구조에서 각각의 안테나(110A, 110B, 110C)는 동일한 조향 각도(Look Direction)을 가지며, 같은 방사 패턴을 갖는 빔을 방사한다. 도 3의 안테나(100)는 개별적인 안테나를 제어할 수 없어 빔 내에서의 다중 이득을 얻기 어렵다.
도 4는 종래 다중 안테나 배치 구조를 도시한 다른 예이다. 안테나 장치(200)는 복수의 안테나(210A, 210B, 210C) 및 RF 제어단(220)을 포함한다. 안테나(210A, 210B, 210C)는 동일한 조향 각도(Look Direction)을 가지며, 같은 방사 패턴을 갖는 빔을 방사한다. 안테나 장치(200)는 다중 안테나를 이용한 이득을 얻기 위하여 RF 제어단(220)을 사용한다. RF 제어단(220)은 위상 변환기(Phase shifter), 감쇠기(Attenuator)와 같은 빔 형성을 위한 소자를 포함할 수 있다. RF 제어단(220)은 각 안테나(210A, 210B, 210C)를 개별적으로 제어하여 안테나(210A, 210B, 210C)가 방사하는 빔의 위상, 크기 등을 제어할 수 있다. 이를 통해 안테나 장치(200)는 다중 안테나 이득을 얻을 수 있다. 예컨대, 안테나(210A, 210B, 210C) 각각이 방시하는 빔은 서로 패턴/편파 특성이 다를 수 있다.
셀룰러 대역에서는 도 4와 같은 안테나 장치(200)를 이용하여 빔을 형성할 수 있다. 다만 mmWave 대역에서 사용되는 안테나는 셀룰러 대역에서 사용되는 안테나보다 크기가 작다. 또한 mmWave 대역의 안테나는 셀룰러 대역의 안테나와 같은 효율을 가지더라도 절대적인 에너지 손실이 더 크게 발생한다. 한편 발생된 손실 에너지가 안테나에 인접한 RF 소자에 전달되면 소자 특성의 변성을 일으켜 안테나 기능의 저하를 가져올 수 있다.
도 5는 렌즈를 이용한 다중 안테나 배치 구조를 도시한 예이다. 안테나 장치(300)는 도 4의 안테나 장치(200)와 달리 RF 제어단을 사용하지 않으면서 다중 안테나 이득을 얻기 위한 것이다. 안테나 장치(300)는 복수의 안테나(310A, 310B, 310C) 및 안테나 렌즈(330A, 330B, 330C)를 포함한다. 안테나 장치(300)는 복수의 안테나를 포함하는 안테나 어레이에 해당한다. 도 5는 설명의 편의를 위해 3개의 안테나(330A, 330B, 330C)만을 도시한 것이다. 안테나 장치(300)는 매우 많은 단위 안테나를 포함할 수 있다. 안테나(330A, 330B 또는 330C)가 단위 안테나에 해당한다.
안테나(310A, 310B, 310C)는 동일한 조향 각도(Look Direction)을 가지며, 같은 방사 패턴을 갖는 빔을 방사할 수 있다. 안테나(310A, 310B, 310C)는 혼(Horn) 안테나일 수 있다. 물론 안테나(310A, 310B, 310C)는 혼 안테나가 아닌 다른 종류의 안테나일 수도 있다. 안테나(310A, 310B, 310C)는 기본적으로 동일한 방사 패턴을 갖는 빔을 생성한다고 가정한다.
안테나 장치(300)는 RF 제어단을 이용하지 않고, 안테나 렌즈(330A, 330B, 330C)를 각 안테나(310A, 310B, 310C) 전면부에 배치한다. 안테나 렌즈를 포함하는 안테나를 렌즈 안테나라고 명명하기도 한다.
안테나 렌즈(330A, 330B, 330C)는 각각의 안테나 빔 패턴의 성질을 다르게 만들어 줄 수 있는 구조이다. 복수의 안테나 렌즈(330A, 330B, 330C)는 서로 다른 굴절 특성을 가질 수 있다. 복수의 안테나 렌즈(330A, 330B, 330C)를 동일한 종류의 안테나에 적용하면 서로 다른 크기 내지 위상 성질을 가진 방사 패턴을 갖는 빔을 생성할 수 있다. 즉 안테나 장치(300)는 안테나 렌즈(330A, 330B, 330C)를 이용하여 패턴/편파 이득을 갖는 빔을 방사할 수 있다.
안테나 장치(300)는 RF 제어단을 사용하지 않고도 다중 이득을 얻을 수 있다. 안테나 장치(300)는 복잡한 RF 제어단을 사용하지 않으면서 동시에 에너지 손실에 따른 변성을 회피하여 안테나 시스템의 원활한 동작을 도모할 수 있다.
안테나 장치(300)는 도 2에서 설명한 하나의 섹터에 대한 빔을 제공하는 장치에 해당할 수 있다. 즉 안테나 장치(300)는 BDMA 시스템에 사용될 수 있다. 다만 안테나 장치(300)가 BDMA에만 이용될 수 있는 것은 아니다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 : 안테나 장치
100 : 안테나 장치
110A, 110B, 110C : 안테나
200 : 안테나 장치
210A, 210B, 210C : 안테나
220 : RF 제어단
300 : 안테나 장치
310A, 310B, 310C : 안테나
330A, 330B, 330C : 안테나 렌즈

Claims (9)

  1. 동일한 방사 패턴의 빔을 각각 방사하는 복수의 송신 안테나; 및
    상기 복수의 송신 안테나가 방사하는 복수의 빔이 통과하는 복수의 안테나 렌즈를 포함하되,
    상기 복수의 안테나 렌즈는 서로 다른 굴절 특성을 갖고, 상기 복수의 빔은 서로 다른 안테나 렌즈를 통과하고, 상기 복수의 안테나 렌즈를 통과한 빔은 서로 다른 방사 패턴을 갖고, 상기 복수의 송신 안테나는 상기 서로 다른 방사 패턴을 갖는 신호로 다중 이득을 구현하는 밀리미터파 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 렌즈를 통과한 복수의 빔은 각각 크기 및 위상 중 적어도 하나가 상이한 밀리미터파 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 혼(horn) 안테나인 밀리미터파 안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 렌즈를 통과한 복수의 빔은 패턴 특성 및 편파 특성 중 적어도 하나가 상이한 밀리미터파 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 렌즈는 상기 빔의 진행 방향인 상기 안테나의 전면부에 위치하는 밀리미터파 안테나 장치.
  6. 복수의 안테나가 각각 동일한 방사 패턴의 빔을 방사하는 단계; 및
    상기 복수의 안테나가 방사하는 복수의 빔이 각각 복수의 안테나 렌즈를 통과하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 안테나 렌즈는 서로 다른 굴절 특성을 갖고, 상기 복수의 빔은 서로 다른 안테나 렌즈를 통과하고, 상기 복수의 안테나 렌즈를 통과한 복수의 빔은 서로 다른 방사 패턴을 갖고,
    상기 복수의 송신 안테나는 상기 서로 다른 방사 패턴을 갖는 신호로 다중 이득을 구현하는 렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 렌즈를 통과한 복수의 빔은 패턴 특성 및 편파 특성 중 적어도 하나가 상이한 렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 렌즈를 통과한 복수의 빔은 각각 크기 및 위상 중 적어도 하나가 상이한 렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 안테나는 혼(horn) 안테나인 렌즈를 이용하여 빔을 생성하는 방법.
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