KR101937820B1 - 다중 빔 배열 안테나 장치 - Google Patents

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KR101937820B1
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황금철
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임홍준
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Abstract

본 발명은 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는, 무선 신호를 복수의 출력 포트 중 어느 하나로 선택 출력하는 빔 스위칭부와, 복수의 지향성 커플러와, 복수의 교차 선로 및 위상 지연 선로로 이루어져, 상기 빔 스위칭부의 복수의 출력 포트에 각각 연결된 복수의 입력 포트로 입력된 무선 신호로부터 서로 다른 위상의 복수의 무선 신호를 생성하는 버틀러 매트릭스 급전부와, 상기 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 선형 배열 안테나 소자로 이루어져, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받아 소정 방향의 빔을 생성하는 안테나 어레이부를 포함하고, 상기 버틀러 매트릭스 급전부는, 복수의 입력 포트 간의 격리도를 향상시키도록 접지면에 하나 이상의 H 슬롯이 형성하고, 방위각(Azimuth) 평면에서의 부엽준위를 감소시키기 위한 하나 이상의 감쇄기를 상기 버틀러 매트릭스 급전부의 출력측에 구비하며, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 수직방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 버틀러 매트릭스 급전부와 평행하게 형성되어, 버틀러 매트릭스 급전부의 복사 전계를 차폐시키는 쉴드부를 형성할 수 있다.

Description

다중 빔 배열 안테나 장치{Multi-beam array antenna}
본 발명은 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)를 이용하여 복수의 안테나 소자에 일정한 위상 차를 갖는 무선 신호를 급전하는 구조에서의 안테나 특성을 향상시키기 위한 다중 빔 배열 안테나 장치에 관한 것이다.
5 세대(5-Generation, 이하 5G라 함) 이동 통신은 현재의 4 세대(4G) 이동통신 대비 천 배 이상의 무선 용량 지원과 전송 에너지 절감 및 디바이스 수용을 요구하고 있다. 이러한 무선 용량 증대 및 전송 에너지 효율의 향상을 위해서는 소형 셀 중심의 망으로 진화할 필요가 있으며, 이에 소형 셀 들의 효과적인 연동을 위해서 무선 백홀 망의 구성 및 소형 셀 들간의 간섭 제어 기술이 필요하며, 주파수 효율과 에너지 효율을 높이기 위하여 다수의 안테나 활용 기술, 빔포밍(Beam forming) 기술 등이 주목 받고 있다.
빔포밍(Beam forming)은 다수 안테나의 송신 또는 수신 신호를 처리하는 기술로서, 신호 처리 영역에 따라 디지털 빔포밍과 아날로그(또는 RF, Radio Frequency) 빔포밍으로 구분할 수 있다.
디지털 빔포밍 방식은 디지털 신호에 가중치(weight)를 곱하여 선형적인(또는 비선형적인) 신호 처리를 통해 빔포밍을 수행하는 것으로서, 아날로그-디지털 변환기/디지털-아날로그 변환기, 디지털 가변 감쇄기 및 위상 천이기를 이용하기 때문에, 시스템의 복잡도가 다소 높고 전력소모가 크다는 단점이 있다.
아날로그 빔포밍은 아날로그 신호에 가중치를 곱하여 선형적인(또는 비선형적인) 신호 처리를 RF 단에서 수행하는 방식으로서, 아날로그-디지털 변환기/디지털-아날로그 변환기, 디지털 가변 감쇄기, 및 위상 천이기 대신에 빔 스위칭 회로를 통해 배열 안테나(Antenna array)의 빔포밍을 구현하기 때문에, 디지털 빔포밍 기술에 비해 시스템의 복잡도가 낮다.
배열 안테나 이론에 의하면, 배열된 안테나 소자 간의 위상차이를 조절하면 원하는 방향으로 빔을 조향할 수 있으며, 특정 각도 θ로 빔을 형성하기 위한 각 안테나 소자 간의 위상 차(α)는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112017107535889-pat00001
수학식 1에서, k는 전파상수이고, d는 복사 소자 즉, 배열 안테나의 안테나 소자 간의 간격이다.
상기 이론에 따르면, 복수의 안테나 소자가 배열된 배열 안테나에서 다중 빔을 형성하기 위해서는 원하는 빔의 방향에 따라 복수의 안테나 소자에 상기 수학식 1에 따른 위상 차를 갖는 신호가 급전되어야 하며, 이를 위해서 버틀러 매트릭스를 이용한다.
버틀러 매트릭스는 입력 포트로 전달된 RF 신호를 통해서 각각 다른 위상을 갖는 복수의 출력 신호를 생성하고, 이 출력 신호를 배열 안테나의 복수 안테나 소자에 각각 입력하여 원하는 각도의 다중 빔을 형성한다.
따라서, 배열 안테나의 복사 패턴은 버틀러 매트릭스에서 출력되는 출력신호 들의 위상 차이에 따라 달라진다.
그런데, 상기와 같은 버틀러 매트릭스는, 출력단에서 반사되는 전력이 입력 포트로 되돌아 가기 때문에 버틀러 매트릭스의 입력 단에서 각 입력 포트간의 격리도가 다소 높다는 단점이 있다.
또한, 밀리미터파 대역에서는 버틀러 매트릭스 구조 자체의 복사가 배열 안테나의 복사패턴에 영향을 미치는데, 특히, 버틀러 매트릭스로 인해 Elevation 평면에서 다중 빔 배열 안테나의 주빔의 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상이 발생한다.
또한, 일반적인 버틀러 매트릭스는 출력단의 위상차를 형성할 수 있지만 출력단의 전력 크기를 서로 다르게 형성할 수 없기 때문에, 일반적인 버틀러 매트릭스 구조를 통해 빔포밍을 구현할 경우, 방위각(Azimuth) 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 다소 높게 형성된다는 단점이 있다.
Azimuth 평면에서의 높은 부엽준위는 이동통신시스템에서 다중 빔을 형성하여 통신하고자 하였을 때, 서로 다른 셀의 신호를 오염시킬 우려가 있다
한국공개특허 제10-2016-0148712호, 2016년 12월 26일 공개 (명칭: 다중 빔 안테나 시스템 및 그 위상 조정 방법, 그리고 이중 편파 안테나 시스템)
이에, 본 발명은 버틀러 매트릭스를 이용한 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치를 구현하는데 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 버틀러 매트릭스의 출력단에서 반사되어 입력 포트로 되돌아오는 신호에 의해 상호 간섭을 감소시켜 입력 포트 간 격리도를 향상시킬 수 있는 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공하고자 한다.
더하여, 본 발명은 버틀러 매트릭스의 복사 특성을 차폐시켜, 버틀러 매트릭스로 인해 다중 빔 배열 안테나의 주빔의 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상을 개선한 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 버틀러 매트릭스를 통해 빔포밍을 구현할 때 Azimuth 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 높아지는 문제를 해결할 수 있는 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결 하기 위한 수단으로서, 무선 신호를 복수의 출력 포트 중 어느 하나로 선택 출력하는 빔 스위칭부; 복수의 지향성 커플러와, 복수의 교차 선로 및 위상 지연 선로로 이루어져, 상기 빔 스위칭부의 복수의 출력 포트에 각각 연결된 복수의 입력 포트로 입력된 무선 신호로부터 서로 다른 위상의 복수의 무선 신호를 생성하는 버틀러 매트릭스 급전부; 및 상기 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 선형 배열 안테나 소자로 이루어져, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받아 소정 방향의 빔을 생성하는 안테나 어레이부를 포함하고, 상기 버틀러 매트릭스 급전부는, 복수의 입력 포트 간의 격리도를 향상시키도록 접지면에 형성된 하나 이상의 H 슬롯을 더 포함하는 다중 빔 배열 안테나 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 상기 버틀러 매트릭스 급전부를 형성하는 지향성 커플러와 교차 선로의 출력 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 상기 버틀러 매트릭스 급전부는 방위각(Azimuth) 평면에서의 부엽준위를 감소시키기 위한 출력 포트에 형성되는 하나 이상의 감쇄기를 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 감쇄기는 원형으로 형성되며, 4개의 포트를 구비하여, 두 개의 포트는 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트와 지향성 커플러의 출력 포트 사이에 각각 연결되고, 한 개의 포트는 접지면에 연결되고, 하나의 포트는 외부 부하로 연결될 수 있다.
더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 수직방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 버틀러 매트릭스 급전부와 평행하게 형성되어, 버틀러 매트릭스 급전부의 복사 전계를 차폐시키는 쉴드부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 지향성 커플러와 교차 선로 아래 접지면에 H 슬롯을 형성함으로써, 지향성 커플러와 교차 선로 상호 간의 간섭을 감소시키고, 그 결과 입력 포트 간 격리도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부에서 안테나 어레이부와 연결되는 복수의 출력 포트, 특히, 양 끝단의 두 출력 포트에 감쇄기를 더 구비함으로써, Azimuth 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 높아지는 문제를 해결하였다.
또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 상부에 쉴드부를 더 형성시킴으로써, 버틀러 매트릭스 급전부로부터 안테나 어레이부로 복사되는 전계를 차폐시켜, 버틀러 매트릭스로 인해 다중 빔 배열 안테나 장치의 주빔 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 적용되는 버틀러 매트릭스의 기본 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 버틀러 매트릭스에 적용되는 지향성 커플러의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 버틀러 매트릭스에 적용되는 교차 선로의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 버틀러 매트릭스 급전부의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 쉴드부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 버틀러 매트릭스 급전부 및 안테나 어레이부를 포함하는 전체 형상을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 다중 빔 안테나 장치의 안테나 어레이부를 형성하는 선형 배열 안테나 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제1 입력포트(port 1)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 산란 계수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제1 입력포트(port 1)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트 위상을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제2 입력포트(port 2)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 산란 계수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 제2 입력포트(port 1)로 급전 시, 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 신호 위상을 나타낸 그래프이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 안테나 어레이부에 배치되는 선행 배열 안테나 소자의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 19는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치의 신호 특성을 나타낸 그래프이다.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, H슬롯의 유무에 따른 신호 특성 변화를 비교한 그래프이다.
도 22는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 감쇄기의 유무에 따른 신호 특성 변화를 비교한 그래프이다.
도 23 및 도 24는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 있어서, 쉴드부의 유무에 따른 신호 특성 변화를 비교한 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용하는 것으로, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 뿐, 상기 구성요소들을 한정하기 위해 사용되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
더하여, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급할 경우, 이는 논리적 또는 물리적으로 연결되거나, 접속될 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속되어 있을 수 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있으며, 간접적으로 연결되거나 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 배열 안테나(Arrary Antenna)로 구현된다. 배열 안테나는 여러 개의 안테나 소자를 배열하여 방사되는 빔의 모양이나 방향을 조절함으로써, 안테나에서 복사된 에너지가 공간에서 특정한 방향에 집중되도록 하는 안테나 또는 안테나 구성 방법이다. 배열 안테나의 복사패턴은 안테나 소자들의 공간적 배치(선형, 평면형, 원형 등), 각 안테나 소자 간의 거리, 및 각 안테나 소자의 급전 크기 및 위상 그리고 단일 안테나 소자의 패턴에 의해 결정된다.
상기 배열 안테나로 배치되는 각 안테나 소자는, 마이크로스트립 패치 안테나로 구현된다.
참고로, 마이크로스트립 패치 안테나는 통신 분야 및 레이다 센서 안테나로서 널리 사용되어 온 것으로서, 기본적으로 접지 면이 있는 유전체 기판 상에 복수의 안테나 소자를 형성한 후, 각 안테나 소자의 가장자리에 마이크로스트립 급전 선로를 연결하거나, 기판의 뒷면에 동축 선로를 연결하여 급전시키는 구조로 형성된다.
마이크로스트립 패치 안테나에서 특정 빔 패턴을 형성하는 복사 특성은 각 안테나 소자에 공급되는 전류의 크기와 위상, 그리고 안테나 소자 간의 간격과 안테나 소자의 수를 조절함으로써 실현 가능하다.
마이크로스트립 패치 안테나는 급전 방식에 따라 직렬 또는 병렬 구조로 나눌 수 있다. 직렬 급전 배열 구조는 급전 길이를 최소화할 수 있어 안테나의 효율을 저감시키는 급전선로에 의한 손실과 누설복사를 줄일 수 있다. 또한, 배열된 안테나 소자간의 상호간섭을 줄일 수 있어 안테나 소자 각각의 전류 분포를 비교적 정확히 예측할 수 있다.
이하의 실시 예에서 상기 마이크로스트립 패치 구조로 형성되는 배열 안테나 구조를 예로 들어, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치의 기본 구성에 대하여 설명한다.
도 1은 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 아날로그 빔포밍을 위한 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는, 빔 스위칭부(110)과, 버틀러 매트릭스 급전부(120)와, 안테나 어레이부(130)로 이루어진다.
빔 스위칭부(110)는 송신할 무선(RF: Radio Frequency) 신호를 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수의 입력 포트 중 어느 하나로 선택 입력하기 위한 구성으로서, 무선 신호가 입력되는 하나의 입력 포트와 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수 입력 포트에 각각 연결된 복수의 출력 포트를 구비하고, 외부로부터 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 하나의 입력 포트를 복수의 출력 포트 중 어느 하나에 연결함으로써, 상기 무선 신호를 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수 입력 포트 중 해당 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에서 생성하고자 하는 빔의 방향에 대응하는 입력 포트로 전달한다.
버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 안테나 어레이부(130)에 배치된 복수의 안테나 소자에 각각 서로 다른 위상을 갖는 무선 신호를 급전하기 위한 구성이다.
상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 복수의 입력 포트와 복수의 출력 포트를 구비하여, 상기 복수의 입력 포트 중 어느 하나로 입력된 무선 신호에 대응하여 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 무선 신호를 생성하여 복수의 출력 포트로 출력한다.
상기 안테나 어레이부(130)는 복수의 안테나 소자가 일정 간격으로 배열되어 이루어진 것으로서, 복수의 안테나 소자는 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력 포트에 각각 연결되고, 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)를 통해 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받는다. 따라서, 상기 안테나 어레이부(130)는 복수의 안테나 소자를 통해서 입력된 무선 신호를 소정 방향으로 방사하는데, 이때, 방사되는 빔은, 상기 수학식 1에 기반하여 상기 복수 안테나 소자 간 위상 차 α에 따른 방향 θ 으로 형성된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는 버틀러 매트릭스를 이용하여 이루어지는 것으로, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 버틀러 매트릭스의 기본 구조를 도 2 내지 도 4를 참조하여 먼저 설명한다.
일반적으로 버틀러 매트릭스는, 지향성 커플러(Directional coupler)와, 교차 선로(Crossover)와, 위상 지연 선로를 통해서 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 출력 신호를 생성한다.
도 2는 일반적인 4×4 버틀러 매트릭스의 기본 구조를 나타낸 블록도로서, 여기서, 부호 121a, 121b, 121c, 121d는 지향성 커플러를 나타내고, 122a, 122b는 교차 선로를 나타내고, 123a, 123b는 45° 위상 지연 선로를 나타낸다.
즉, 4×4 버틀러 매트릭스는 4개의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와, 2 개의 교차 선로(122a, 122b)와 2개의 45°위상 지연 선로(123a, 123b)가 상호 연결되어 구성되며, 이렇게 구성된 4×4 버틀러 매트릭스의 출력 포트 간 위상 차이는 다음의 표 1과 같이 나타난다. 예를 들어, port 1으로 무선 신호가 입력되면, 출력 포트 port 5, 6, 7, 8으로 각각 135°, 90°, 45°, 0° 위상의 무선 신호가 출력되는 것이다.
신호 입력 Port 5 Port 6 Port 7 Port 8
Port 1 135° 90° 45° 0°
Port 2 45° -180° -45° 90°
Port 3 90° -45° -180° 45°
Port 4 0° 45° 90° 135°
상기 4개의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)는 유전체 기판 위에 도 3과 같이 口 형상으로 형성된 마이크로스트립 패턴으로 구현되고, 2 개의 교차 선로(122a, 122b)는 유전체 기판 위에 도 4와 같이 형성되는 마이크로스트립 패턴에 의해 구현될 수 있다.
상기 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)는 총 4개의 입출력 포트를 구비하며, 각각 두 입력 포트(port11, port14) 중 어느 하나로 소정의 신호가 인가될 경우, 두 출력 포트(port11, port14)로 출력되는 신호가 서로 90°의 위상차를 갖는다.
상기 교차 선로(122a, 122b)는 口 형상의 지향성 커플러 2개를 겹쳐놓은 형상으로 이루어지며, 총 4개의 입출력포트를 가지며, 입력 포트 port21, port23 중 어느 하나로 입력된 신호는 그 대각선 방향에 위치한 출력 포트 port 24 또는 port 22로 출력된다.
더하여, 버틀러 매트릭스는 출력 포트 간의 위상차를 만족시키기 위하여 45도 위상 지연 선로(123a, 123b)를 추가 배치하여 이루어진다. 더 구체적으로, 상기 45도 위상 지연 선로(123a, 123b)는 지향성 커플러(121a, 121b)와 다른 지향성 커플러(121c, 121d) 사이에 배치된다.
본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는 상술한 구조의 버틀러 매트릭스를 이용하여 구현된다.
그런데, 상기 도 2와 같은 버틀러 매트릭스 구조에 의하면, 출력 포트(port 5, 6, 7, 8)에서 반사되는 전력이 입력 포트(port 1, 2, 3, 4)로 되돌아 갈 수 있으며, 이에 따라서 각 입력 포트(port 1, 2, 3, 4)간의 격리도가 높을 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는 입력 포트 간 격리도를 향상시키기 위하여, 버틀러 매트릭스의 접지면 상에 H-형상의 슬롯(이하, H 슬롯 이라 함)을 추가한다.
또한, 도 2와 같은 구조의 버틀러 매트릭스를 통해 빔포밍을 구현할 경우, Azimuth 평면에서 복사 패턴의 부엽준위가 다소 높게 형성된다. 이러한 현상은, 다중 빔을 형성하여 통신하고자 할 때, 서로 다른 셀의 신호를 오염시킬 우려가 있다.
이에, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 버틀러 매트릭스의 일부 출력 포트에 감쇄기를 더 추가하여, 부엽 준위를 낮게 감쇄시키고자 한다.
도 5는 상술한 바와 같이, H 슬롯 및 감쇄기를 구비한 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 상세 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)는, 복수의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와, 복수의 교차 선로(122a, 122b)와 복수의 45°위상 지연 선로(123a, 123b)에 더하여, 하나 이상의 H슬롯(124a, 124b, 124c) 및 하나 이상의 감쇄기(125a, 125b)를 포함하여 구현된다.
상기 복수의 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와, 복수의 교차 선로(122a, 122b)와 복수의 45°위상 지연 선로(123a, 123b)는 앞서 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 구현되는 것이므로, 불필요한 중복 기재를 피하기 위해서 그에 대한 설명은 생략한다.
하나 이상의 H 슬롯(124a, 124b, 124c)은, 버틀러 매트릭스 구조에서, 입력 포트(port 1, port2, port3, port4) 간의 격리도 특성을 향상시키기 위해 접지면상에 구현되는 것이다. 더 구체적으로, 하나 이상의 H슬롯(124a, 124b, 124c)은, 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와 교차 선로(122a, 122b) 아래의 접지면에 위치하여, 상기 지향성 커플러(121a, 121b, 121c, 121d)와 교차 선로(122a, 122b) 사이의 상호 간섭을 감소시키며, 이를 통해 입력 포트(port 1, port2, port3, port4) 간의 격리도를 향상 시킨다. 특히, 도 5의 구조에서, 상기 H 슬롯(124a, 124b, 124c)은, 각각 지향성 커플러(121c, 121d)와, 교차 선로(122a) 아래의 접지면에 형성된다.
다음으로, 하나 이상의 감쇄기(125a, 125b)는, 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복수의 출력 포트 중 양 끝단에 위치한 두 출력 포트(port 5, port 8)에 구비되어, 상기 두 출력 포트(port 5, port 8)의 출력 신호의 크기에 가중치를 적용하며, 그 결과 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 대한 Azimuth 평면에서의 부엽 준위를 감소시킬 수 있다.
더 구체적으로, 상기 하나 이상의 감쇄기(125a, 125b)는 원형 형상으로 이루어지며 90도 간격으로 배치된 4개의 포트를 구비하며, 이 중 두 개의 포트는 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력 포트(port 5, port 8)와 지향성 커플러(121c, 121d)의 출력 포트에 연결되고, 나머지 하나의 포트는 접지단에 연결되며, 마지막 포트는 외부 포트(port 9, 10)으로 연결되어, 50Ω의 부하에 연결된다.
상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서, 출력 포트(port 5, 6, 7, 8) 간의 간격은 안테나 어레이부(130)의 안테나 소자간 간격을 고려하여, 중심 주파수의 0.5 파장으로 설정한다.
도 9의 (a) 및 (b)는 각각 도 5와 같이 구현된 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 입력 포트 port 1에 전력을 인가하였을 때의 산란계수 및 반사 계수를 측정하여 나타낸 것으로, 산란 계수는 관심 대역(27.925MHz) 내에서 -10 dB 이하이며 중심 주파수에서의 출력 포트에서의 전력은 도 9의 (b)와 같다.
도시된 그래프의 측정 결과를 기반으로, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 입력포트 port 1으로 급전 시, 출력 포트(port 5, 6, 7, 8) 간의 전력 비율을 정리하면 표 2와 같다.
port 5 port 6 port 7 port 8
전력 비율 0.90 1 0.95 0.78
다음으로, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서, 출력 포트의 위상은 도 10과 같이 측정되었으며, 입력포트 port 1으로 급전시의 출력 포트 간의 위상차를 정리하면 표 3과 같이 나타난다.
Arg(S61)-
Arg(S51)		 Arg(S71)-Arg(S61) Arg(S81)-Arg(S71) Ideal Max(error)
port1 - 36.34° -35.70° -57.00° -45° 9.30°
상기 측정 결과에 기반할 때, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 출력 포트(port 5, 6, 7, 8) 간의 위상차가 이상적인 값인 -45°에 가까움을 확인할 수 있다.
또한, 도 11과 도 12는 각각 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 입력 포트 port 2로 급전시의 출력 포트에 나타나는 산란계수 및 반사계수와, 위상을 측정하여 도시한 그래프이다.
상기 그래프의 측정 결과를 기반으로, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 입력 포트 port 2로 급전 시, 출력 포트간 전력 비율 및 위상 차를 정리하면 다음의 표 4 및 표 5와 같이 나타난다.
포트 5 포트 6 포트 7 포트 8
전력 비율 0.87 1.00 0.95 0.82
Arg(S62)-Arg(S52) Arg(S72)-Arg(S62) Arg(S82)-Arg(S72) Ideal Max(error)
port1 133.70° 130.75° 135.53° 135° 4.25°
즉, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 입력포트 port 2에 전력을 인가하였을 경우, 반사 계수는 관심 대역 내에서 -10dB 이하이며, 출력 포트 간의 위상 차가 이상적인 값인 135°에 가까움을 확인할 수 있다.
더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 복사되는 전계를 차폐시켜, 이에 따른 영향을 줄이기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 버틀러 매트릭스 급전부(120)를 차폐시키기 위한 쉴드부(140)를 더 구비한다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 쉴드부(140)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 쉴드부(140)는, 버틀러 매트릭스 급전부(120) 전체를 덮도록, 그 상부 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 평면으로부터 수직 방향으로 소정 거리 이격되어 형성된다.
상기 쉴드부(140)는 차폐 성능을 갖는 금속 재질이라면 어느 것으로도 구현될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄으로 구현될 수 있다.
이에 상기 쉴드부(140)는 버틀러 매트릭스 급전부(120)에서 그 상부면으로, 더 구체적으로는 안테나 어레이부(130) 측으로 복사되는 신호를 차폐시킬 수 있다.
이때, 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력 포트에 연결된 안테나 어레이부(130)의 신호 방사를 방해하지 않도록, 상기 쉴드부(140)가 상기 안테나 어레이부(130)를 덮지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 버틀러 매트릭스 급전부(120)로부터 복사되는 전계는 안테나 어레이부(130)의 Elevation 평면에서의 복사패턴에 영향을 미쳐 주빔의 형상을 변경시키거나 부엽준위를 높이는 역할을 할 수 있는데, 상기 쉴드부(140)에 의하여 복사되는 전계가 안테나 어레이부(130)에 영향을 미치지 않도록 차폐시킬 수 있게 된다.
다음으로, 도 7은 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)와 안테나 어레이부(130)의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 급전부(120)와 결합되는 마이크로스트립 기반의 안테나 어레이부(130)의 구현 예를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 상기 안테나 어레이부(130)는 45°편파를 형성하기 위해서 45°기울어진 사각 형상의 마이크로스트립 패치(배열 소자)를 traveling-wave array 구조로 직렬로 배치하여 하나의 선형 배열 안테나 소자를 구현한다. 여기서, 하나의 선형 배열 안테나 소자에 선형 배열을 구성하는 배열 소자의 개수는 7개이며 50?의 급전선로와의 임피던스 정합을 위해 트랜스포머를 추가하였다. 이와 같이 구현된 선형 배열 안테나 소자의 반사계수 특성은 도 13와 같이 측정되었으며, 중심 주파수에서 45° 편파의 Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 복사패턴은 도 14과 같이 나타난다. 이에 근거하면, 본 발명에 따른 안테나 어레이부(130)의 정면 방향에서의 이득은 15.5 dBi 이며, Elevation 평면에서의 부엽준위는 -17.3 dB 이고, Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 3 dB 빔폭은 각각 10°, 84.9°이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 어레이부(130)는 도 8과 같은 선형 배열 안테나 소자를 4개 병렬로 배치하여, 4 개의 빔을 형성하는 다중 빔 배열 안테나 장치를 구현한다.
참고로, 도 7의 예시에서, 버틀러 매트릭스 급전부(120)'와 안테나 어레이부(130)이 동일한 폭으로 형성되는 것으로 예시되어 있으나, 꼭 이에 한정되는 것이 아니며, 설정되는 주파수 대역에 따라서 상기 버틀러 매트릭스 급전부(120') 및 안테나 어레이부(130)의 크기와 형상은 달라질 수 있으며, 버틀러 매트릭스 급전부(120')의 변형에 따라서 그 상부에 형성되는 쉴드부(140)의 크기 및 형상도 달라질 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 신호 특성을 설명한다.
도 15은, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 입력 포트 port1에 급전하였을 때의 산란계수를 나타낸다. 산란 계수는 -15 dB 이하를 만족하며, 입력 포트간의 격리도는 관심 대역폭 내에서 -12 dB 이하를 만족한다.
도 16은, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 중심 주파수에서 45° 편파의 Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 복사패턴을 나타낸다. Azimuth 방향에서 주빔의 방향은 14°이고, 최대 이득은 19.7 dBi 이며, Elevation 평면에서의 부엽준위는 -18 dB 이다. Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 3 dB 빔폭은 10.4°, 25.6°이다.
도 17은, 입력 포트 port 2에 급전하였을 때 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 산란계수를 나타낸다. 이를 참조하면, 반사 계수는 -20 dB 이하를 만족하며, 입력 포트간의 격리도는 관심 대역폭 내에서 -13.5 dB 이하를 만족함을 알 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 중심 주파수에서 45° 편파의 Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 복사패턴은 나타낸다. 도시된 바와 같이, Azimuth 방향에서 주빔의 방향은 -42° 이고, 정면 방향에서의 이득은 18 dBi 이며, Elevation 평면에서의 부엽준위는 -16.2 dB 이다. 또한, Elevation 평면과 Azimuth 평면에서의 3 dB 빔폭은 10.2°, 32.6°이다.
도 19는 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, 입력 포트에 따른 Azimuth 방향에서 다중 빔 배열 안테나의 복사 패턴 특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에서 형성된 다중 빔은 -60° ~ 60° 각도 내에서 15 dBi 이상의 이득을 만족하며 각 빔의 부엽준위는 -10 dB 이하를 만족함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 있어서, H슬롯(124a, 124b, 124c)는 지향성 커플러(121c, 121d)와 교차 선로(122a) 아래 접지면에 위치하여 상호 간섭을 감소시켜 입력 포트(port1,2,3,4) 간의 격리도를 향상 시킨다. 이는 도 20 및 도 21의 시뮬레이션 그래프로부터 확인할 수 있다.
상기 도 20 및 21는 각각 입력 포트 port 1과 port 2에 급전 하였을 때, H-슬롯(124a, 124b, 124c)의 유무에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 산란계수 특성을 비교한 것으로서, 좌측의 (a) 그래프는 H-슬롯(124a, 124b, 124c)이 없는 경우의 산란 계수 특성을 도시한 것이고, 우측의 (b) 그래프는 H-슬롯(124a, 124b, 124c)이 존재할 때의 산란 계수 특성을 도시한 것이다.
도 20과 도 21의 (a) 및 (b)에 각각 도시된 각 입력포트 간 격리도(S21, S31, S41) 특성 변화를 비교할 때, H-슬롯(124a, 124b, 124c)이 추가됨으로 인해 격리도 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)는, 버틀러 매트릭스 급전부(120)의 출력포트에 감쇄기(125a, 125b)는 Azimuth 방향(x-방향)에서 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 부엽준위 감소를 위해 적용된 것으로서, 그 효과는 도 22로부터 확인할 수 있다.
도 22는 감쇄기(125a, 125b)의 존재 유/무에 따른 중심 주파수에서 각 입력 포트(port 1, 2, 3, 4)에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 Azimuth 평면에서의 복사패턴 특성을 비교한 그래프로서, (a) 그래프는 감쇄기(125a, 125b)가 존재하지 않는 경우의 복사패턴 특성 그래프이고, (b) 그래프는 감쇄기(125a, 125b)가 존재하는 경우의 복사패턴 특성 그래프이다. 상기 (a) 그래프와 (b) 그래프를 비교하면, 감쇄기 감쇄기(125a, 125b)를 적용함에 따라서 각 빔의 부엽준위가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
더하여, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치(100)에 적용한 쉴드부(140)는 버틀러 매트릭스 급전부(120)로부터 복사되는 전계를 차폐하기 위해 적용된 것으로서, 도 23, 24에 도시된 그래프로부터 쉴드부(140)의 유/무에 따른 Elevation 평면에서의 복사 패턴 특성을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 23은 입력포트 port 1에 급전하였을 때 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 Elevation 평면에서 복사패턴 특성으로서, (a) 그래프는 쉴드부(140)가 없는 경우, (b) 그래프는 쉴드부(140)가 있는 경우를 각각 나타낸다. 상기 도 23의 (a) 그래프와 (b) 그래프를 비교할 때, 쉴드부(140)가 존재함으로 인해 주빔 방향에서 이득이 낮아지는 현상이 개선됨을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 24는 입력포트 port 2에 급전하였을 때, 다중 빔 배열 안테나 장치(100)의 Elevation 평면에서 복사패턴 특성을 보인 것으로서, (a) 그래프는 쉴드부(140)가 없는 경우의 복사 패턴 특성을 나타내고, (b) 그래프는 쉴드부(140)가 있는 경우의 복사 패턴 특성을 나타낸다.
상기 도 24의 (a) 그래프와 (b) 그래프를 비교하면, 앞서의 경우와 마찬가지로, 쉴드부(140)로 인하여, 주빔 방향에서 이득이 낮아지는 현상을 개선하였을 뿐만 아니라 부엽준위가 약 8 dB 감소됨을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으나, 여기에 개시된 실시 예외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
본 발명은 5G 이동통신시스템의 기지국에 적용 가능한 다중 빔 배열 안테나 장치로서, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 지향성 커플러와 교차 선로 아래 접지면에 H 슬롯을 형성함으로써, 지향성 커플러와 교차 선로 상호 간의 간섭을 감소시키고, 그 결과 입력 포트 간 격리도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부에서 안테나 어레이부와 연결되는 복수의 출력 포트, 특히, 양 끝단의 두 출력 포트에 감쇄기를 더 구비함으로써, Azimuth 평면에서 복사패턴의 부엽준위가 높아지는 문제를 해결하였다.
또한, 본 발명에 따른 다중 빔 배열 안테나 장치는, 버틀러 매트릭스 급전부의 상부에 쉴드부를 더 형성시킴으로써, 버틀러 매트릭스 급전부로부터 안테나 어레이부로 복사되는 전계를 차폐시켜, 버틀러 매트릭스로 인해 다중 빔 배열 안테나 장치의 주빔 형상이 달라지거나, 부엽준위가 높아지는 현상을 개선할 수 있다.
100: 다중 빔 배열 안테나 장치
110: 빔 스위칭부
120: 버틀러 매트릭스 급전부
121a, 121b, 121c, 121d: 지향성 커플러
122a, 122b: 교차 선로(Crossover)
123a, 123b: 위상 지연 선로
124a, 124b, 124c: H슬롯
125a, 125b: 감쇄기
130: 안테나 어레이부

Claims (7)

  1. 무선 신호를 복수의 출력 포트 중 어느 하나로 선택 출력하는 빔 스위칭부;
    복수의 지향성 커플러와, 복수의 교차 선로 및 위상 지연 선로로 이루어져, 상기 빔 스위칭부의 복수의 출력 포트에 각각 연결된 복수의 입력 포트로 입력된 무선 신호로부터 서로 다른 위상의 복수의 무선 신호를 생성하는 버틀러 매트릭스 급전부; 및
    상기 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 선형 배열 안테나 소자로 이루어져, 상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 서로 다른 위상의 무선 신호를 입력받아 소정 방향의 빔을 생성하는 안테나 어레이부를 포함하고,
    상기 버틀러 매트릭스 급전부는, 복수의 입력 포트 간의 격리도를 향상시키도록 접지면에 형성된 하나 이상의 H 슬롯을 포함하여 이루어지며,
    상기 하나 이상의 H 슬롯은
    상기 버틀러 매트릭스 급전부에 포함된 지향성 커플러의 접지면 및 교차 선로의 접지면 중 적어도 한 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버틀러 매트릭스 급전부는 방위각(Azimuth) 평면에서의 부엽준위를 감소시키기 위한 하나 이상의 출력 포트에 연결되는 하나 이상의 감쇄기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 감쇄기는
    원형으로 이루어지고, 4개의 포트를 구비하여, 그 중 두 개의 포트는 버틀러 매트릭스 급전부의 출력 포트와 지향성 커플러의 출력 포트 사이에 각각 연결되고, 하나의 포트는 접지면에 연결되고, 하나의 포트는 외부 부하로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버틀러 매트릭스 급전부로부터 수직방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 버틀러 매트릭스 급전부와 평행하게 형성되어, 버틀러 매트릭스 급전부의 복사 전계를 차폐시키는 쉴드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쉴드부는 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 안테나 어레이부에 구비된 복수의 선형 배열 안테나 소자는, 45도 편파를 형성하도록 45도 기울어진 사각형의 배열 소자가 선형으로 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 빔 배열 안테나 장치.
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