KR102611737B1

KR102611737B1 - 위상 배열 안테나를 이용한 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법

Info

Publication number: KR102611737B1
Application number: KR1020210057275A
Authority: KR
Inventors: 권오기
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2021-05-03
Publication date: 2023-12-08
Also published as: KR20210152381A

Abstract

본 개시는 위상 배열 안테나를 이용한 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다. 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치는, RF 신호들을 송수신하는 RF 프론트엔드, 및 RF 신호에 기초하여, 복수의 채널들마다 시간 지연을 보상 또는 형성하는 광학식 빔포머를 포함하되, 광학식 빔포머는, RF 신호들을 광 신호들로 변환하도록 구성되는 E/O 컨버터들, RF 입력 신호에 기초하여 광 변조 신호를 생성하는 선형 변조기, 입력 광 신호들의 시간 지연 정도를 보상한 광 컴바인드 신호를 출력하거나, 광 변조 신호를 분배하여 각 채널별로 시간 지연을 형성한 출력 광 신호들을 출력하는 TTD 어레이, 광 컴바인드 신호에 기초하여 RF 백엔드로의 RF 출력 신호를 생성하는 광 검출기, 및 광 신호들을 RF 신호들로 변환하도록 구성되는 E/O 컨버터들을 포함한다. 본 개시에 따르면, 대역폭에 무관하게 빔포밍이 가능한 광학식 빔포밍 장치를 제공한다.

Description

위상 배열 안테나를 이용한 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법{OPTICAL BEAMFORMING DEVICE USING PHASED ARRAY ANTENNA AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 개시는 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, TTD 방식으로 각 채널마다 시간 지연을 형성 또는 보상하는, 위상 배열 안테나를 이용한 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.

최근 발전하고 있는 5G+ 무선통신 기술에서 초대역, 초저지연, 초연결의 확대를 위해 위상 배열 안테나(phase array antenna)에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 위상 배열 안테나는 복수의 안테나들간 위상 차를 전기적으로 제어해서, 빔(beam)을 다양한 방향으로 주사(scanning)할 수 있는 안테나이다. 빔포밍(beamforming) 내지 빔성형(beamshaping)은 빔의 파면을 형성 내지 성형함으로써 위상 차를 전기적으로 제어하는 기능을 의미한다. 빔포밍 내지 빔성형 기능을 수행하는 빔포머(beamformer) 내지 빔쉐이퍼(beamshaper)는 빔의 방향을 빠르고 안정적으로 주사할 수 있어, 통신용 및 군사용 레이더에 활용되어 왔고, 최근 스마트 안테나에도 활용되고 있다.

빔포밍 기능을 구현하는 방식은, 위상 천이(phase shifting; 이하 PS) 방식과 실시간 지연(true time delay; 이하 TTD) 방식으로 나눌 수있다. PS 방식은 주파수에 따라 달라지는 분산(dispersion) 특성으로 인한 빔 편이(beam squint) 현상이 발생하여 광대역 동작 및 급격한 주파수 변화가 요구되는 분야에 적용하기 어려운 문제가 있다.

TTD 방식은 신호의 시간 지연 차이를 이용하여 위상의 시작점을 다르게 하여 위상 차이를 형성하는 방식이다. 일반적인 TTD 방식에 의한 빔포밍 장치의 구성은 링 공진기(ring resonator)기반의 구성, 및 다파장 광원과 WDM 방식을 활용한 분산 구성으로 구분할 수 있다. 링 공진기 기반의 구성은 대역폭이 수 GHz로 제한되고, 지연 시간이 수 ns로 상대적으로 짧은 문제가 있다. 다파장 광원과 WDM 방식을 활용한 분산 구성은 구조가 복잡하여 집적화가 어렵고, 생산 비용이 높은 문제가 있다.

본 개시의 목적은, 대역폭에 무관하게 빔포밍이 가능하고 그 구성과 동작이 단순한, 위상 배열 안테나를 이용한 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.

본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치는, 복수의 채널들을 갖는 위상 배열 안테나를 이용하여 복수의 RF 안테나 입력 신호들을 수신하거나 복수의 RF 안테나 출력 신호들을 송신하는 RF 프론트엔드, 및 상기 복수의 RF 안테나 입력 신호들 또는 RF 백엔드로부터의 RF 입력 신호에 기초하여, 상기 복수의 채널들마다 시간 지연을 보상 또는 형성하는 광학식 빔포머를 포함하되, 상기 광학식 빔포머는, 상기 복수의 RF 안테나 입력 신호들을 복수의 입력 광 신호들로 변환하도록 구성되는 복수의 E/O 컨버터들, 상기 RF 백엔드로부터의 RF 입력 신호에 기초하여 광 변조 신호를 생성하는 선형 변조기, 상기 입력 광 신호들의 시간 지연 정도를 보상한 광 컴바인드 신호를 출력하거나, 상기 광 변조 신호를 분배하여 각 채널별로 시간 지연을 형성한 출력 광 신호들을 출력하는 TTD 어레이, 상기 광 컴바인드 신호에 기초하여 RF 백엔드로의 RF 출력 신호를 생성하는 광 검출기, 및 상기 출력 광 신호들을 상기 복수의 RF 안테나 출력 신호들로 변환하도록 구성되는 복수의 E/O 컨버터들을 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치의 동작 방법은, 선형 변조기가 RF 백엔드로부터 수신한 RF 안테나 입력 신호에 기반하여 상기 RF 안테나 입력 신호를 광 신호로 선형 변조하는 단계, TTD 어레이가 파워 스플리터를 이용하여, 상기 광 신호를 각 채널에 대한 복수의 TTD 소자들로 분배한 복수의 광 분배 신호들을 생성하는 단계, 상기 TTD 어레이가 전기 제어 신호에 기반하여, 상기 복수의 광 분배 신호들을 상기 각 채널에서 요구되는 지연 시간만큼을 실시간 지연시킨 출력 광 신호들을 생성하는 단계, 복수의 O/E 컨버터들이 상기 출력 광 신호들을 각각 RF 안테나 출력 신호들로 변환하는 단계, 그리고 복수의 안테나 요소들이 상기 RF 안테나 출력 신호들을 외부로 방사하는 단계를 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치의 동작 방법은, 개별 안테나들이 외부로부터 각 채널 별로 각 RF 안테나 입력 신호들을 수신하는 단계, 복수의 E/O 컨버터들이 상기 RF 안테나 입력 신호들을 각각 입력 광 신호들로 변환하는 단계, TTD 어레이가 전기 제어 신호에 기반하여, 상기 입력 광 신호들이 지연된 시간만큼을 보상한 광 보상 신호들을 생성하는 단계, 상기 TTD 어레이가 파워 컴바이너를 이용하여, 광 보상 신호들을 컴바이닝한 광 컴바인드 신호를 생성하는 단계, 그리고 균형 검출기가 상기 광 컴바인드 신호에 기반하여 RF 백엔드로의 RF 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 개시에 의하면, 빔의 파장 내지 주파수와 무관하게 광 경로와 시간 지연이 정해지므로 대역폭 제한이 없는 빔포밍을 수행할 수 있다.

본 개시의 실시 예에 따르면, TTD 소자를 구성하는 유닛 셀마다 동일한 시간 지연으로 그 동작과 제어가 용이하고, 칩 형태로 구현되어 주변 소자와 집적이 가능하다.

도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 빔포밍 개념도이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 TTD 어레이(1240)의 구성을 좀 더 상세하게 보여주는 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 TTD 어레이(1240)의 일 실시 예에 따른 구성을 보여주는 구성도이다.
도 5는 도 2 내지 도 3에 도시된 TTD 소자를 구성하는 유닛 셀을 보여주는 구성도이다.
도 6은 도 2 내지 도 3에 도시된 TTD 소자의 구성을 좀 더 상세하게 보여주는 구성도이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 방법에서 위상 배열 안테나가 신호를 송신하는 경우의 예시적인 순서도이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 방법에서 위상 배열 안테나가 신호를 수신하는 경우의 예시적인 순서도이다.

아래에서는, 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 쉽게 실시할 수 있을 정도로, 본 개시의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.

도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 빔포밍 개념도이다. 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치(1000)는 선형 위상 배열 안테나(phased array antenna; PAA)를 이용할 수 있다. 광학식 빔포밍 장치(1000)는 RF 백엔드(radio frequency back-end; RF_BE)로부터의 입력 신호에 기반하여 출력 신호를 송신하거나, 외부로부터 수신한 입력 신호에 기반하여 RF 백엔드(RF_BE)로 출력 신호를 전달할 수 있다. 설명의 편의를 위해, RF 백엔드(radio frequency back-end; RF_BE)로부터의 입력 신호에 기반하여 출력 신호를 송신하는 경우를 가정하여 이하 설명한다.

예를 들어, 선형 위상 배열 안테나는 n개의 안테나 요소들을 포함할 수 있다. 여기서, n은 2 이상의 자연수이다. n개의 안테나 요소들은 각 채널들을 형성할 수 있다. 예를 들어, 선형 위상 배열 안테나가 10개의 안테나 요소들을 포함하는 경우, 10개의 채널이 형성될 수 있다. 광학식 빔포밍 장치(1000)는 RF 백엔드(RF_BE)로부터 전달받은 전기 신호 형태의 입력 신호에 기반하여, 각 채널들을 통해 원하는 방향으로 전자기파 형태의 출력 신호를 방사할 수 있다. 예를 들어, 광학식 빔포밍 장치(1000)는 실시간 지연(true time delay; 이하 TTD) 방식을 이용하여 각 채널들의 지연 시간들을 다르게 설정할 수 있다. 광학식 빔포밍 장치(1000)는 각 채널의 지연 시간에 따른 위상 시작점 차이를 이용하여 선형 위상 배열 안테나의 방사 방향을 변경할 수 있다.

광학식 빔포밍 장치(1000)의 출력 신호는 특정 위상 면(phase front)을 갖는 상태일 수 있다. 예를 들어, 특정 위상 면을 갖는 상태는 선형 위상 배열 안테나의 방사 각도에 따라 State 0, State 1, ··· , State k에 대응될 수 있으며, 도 1에 도시된 방사 각도에 한정되지 않는다. 여기서, k는 0 또는 임의의 자연수이다. 예를 들어, 광학식 빔포밍 장치(1000)의 출력 신호가 State 0일 때, 출력 신호의 위상 면(Phase front at State 0)은 D2 방향에 수직인 면일 수 있고, 신호의 방사 방향은 위상 면에 수직한 D2 방향일 수 있다. 여기서, D1 방향은 임의의 평면상의 임의의 벡터의 방향이다. 광학식 빔포밍 장치(1000)의 출력 신호가 State 1일 때, 출력 신호의 위상 면(Phase front at State 1)은 D1 방향과 시계 방향 또는 반시계 방향으로 α₁만큼의 각도 차이를 갖는 방향에 평행할 수 있고, 신호의 방사 방향은 위상 면에 수직한 방향일 수 있다. 같은 원리로, 광학식 빔포밍 장치(1000)의 출력 신호가 State k일 때, 출력 신호의 위상 면(Phase front at State k)은 D1 방향과 시계 방향 또는 반시계 방향으로 α_k만큼의 각도 차이를 갖는 방향에 평행할 수 있고, 신호의 방사 방향은 위상 면에 수직한 방향일 수 있다.

신호의 위상 면을 특정하기 위해서, 광학식 빔포밍 장치(1000)의 채널들의 지연 시간들이 서로 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 단위 지연 시간을 Δτ로 정의했을 때, 채널 n의 실시간 지연(TTD_CHn)은 수학식 1의 관계를 따를 수 있다.

수학식 1을 참고하면, n은 각 채널의 연속적인 순서로 정의되고, t_n은 n 번째 채널인 채널 n의 지연 시간으로 정의된다. k는 광학식 빔포밍 장치(1000)의 출력 신호의 특정 상태(예컨대, State 0, State 1, ··· , State k)로 정의된다. Δτ는 단위 지연 시간으로 정의된다. 예를 들어, 채널 n의 실시간 지연(TTD_CHn)은 수학식 1에 따라 k*(n-1)*Δτ로 결정될 수 있다. 예를 들어, 채널 2의 실시간 지연(TTD_CH2)은 k*1*Δτ로 결정될 수 있다. 결과적으로, 광학식 빔포밍 장치(1000)는 각 채널의 연속적인 실시간 지연에 기반하여 특정 위상 면을 갖는 출력 신호를 방사할 수 있다.

광학식 빔포밍 장치(1000)는 도 1에 도시된 것과 같이 이산적인 시간 지연을 갖도록 위상 면을 선형적으로 회전시킬 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, 광학식 빔포밍 장치(1000)는 출력 신호의 미세한 조정을 위해 각 채널의 시간 지연을 비선형적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 도시되지 않았지만, 광학식 빔포밍 장치(1000)는 시간 지연의 비선형적 제어를 위해 위상 튜너(phase tuner; PT)를 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 광학식 빔포밍 장치(1000)는 RF 프론트엔드(radio frequency front-end)(1100), 및 광학식 빔포머(1200)를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치(1000)는 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 따라서, 광학식 빔포밍 장치(1000)는 도 2에 도시된 것과 같이, 각 안테나 요소들에서 송신 기능과 수신 기능을 모두 수행하도록 구성될 수 있다. 다만, 도시되지 않았지만 광학식 빔포밍 장치(1000)는 각 안테나 요소들이 송신 기능 및 수신 기능 중 적어도 어느 하나를 수행하도록 구성될 수 있다.

RF 프론트엔드(1100)는 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n), 제1 순환기들(1120_1 내지 1120_n), LNA들(1130_1 내지 1130_n), 및 PA들(1140_1 내지 1140_n)을 포함할 수 있다. RF 프론트엔드(1100)는 복수의 채널들을 갖는 위상 배열 안테나를 이용하여 외부로 출력 신호를 송신하거나, 외부로부터 입력 신호를 수신할 수 있다. 나아가, RF 프론트엔드(1100)는 외부로 출력 신호를 송신하기 전에 전력을 증폭시키거나, 외부의 입력 신호를 수신한 이후 신호의 잡음을 최소화하면서 증폭시킬 수 있다.

각 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n)은 전기 신호 형태의 각 RF 안테나 출력 신호(RF_{out_1} 내지 RF_{out_n})에 기반하여 전자기파를 외부로 방사하거나, 외부의 전자기파에 기반하여 전기 신호 형태의 RF 안테나 입력 신호들(RF_{in_1} 내지 RF_{in_n})을 수신할 수 있다. 제1 순환기들(1120_1 내지 1120_n)은 3포트 비가역적 전자장치로서, 각 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n)이 외부로부터 수신한 각 RF 안테나 입력 신호들(RF_{in_1} 내지 RF_{in_n})을 LNA들(low noise amplifiers)(1130_1 내지 1130_n)로 전달하거나, PA들(power amplifiers)(1140_1 내지 1140_n)로부터의 각 RF 안테나 출력 신호들(RF_{out_1} 내지 RF_{out_n})을 각 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n)로 전달할 수 있다. LNA들(1130_1 내지 1130_n)은 각 RF 안테나 입력 신호들(RF_{in_1} 내지 RF_{in_n})의 잡음을 최소화하면서 증폭시킬 수 있다. PA들(1140_1 내지 1140_n)은 외부 송신을 위해 RF 신호를 증폭시킨 각 RF 안테나 출력 신호들(RF_{out_1} 내지 RF_{out_n})을 생성할 수 있다.

광학식 빔포머(1200)는 E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n), O/E 컨버터들(1220_1 내지 1220_n), 제2 순환기들(1230_1 내지 1230_n), TTD 어레이(1240), 제3 순환기(1260), 광 검출기(1270), 및 선형 변조기(1280)를 포함할 수 있다. 광학식 빔포머(1200)는 RF 신호를 광 신호로 변환하고, 광 신호를 TTD 방식으로 실시간 지연시켜 각 채널마다 신호의 위상 시작점 차이를 형성시키거나 보상할 수 있다.

E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)은 LNA들에 의해 증폭된 각 RF 안테나 입력 신호들(RF_{in_1} 내지 RF_{in_n})과 제1 광 기준 신호(OF_LD1)에 기반하여 각 출력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})을 생성할 수 있다. 여기서, 제1 광 기준 신호(OF_LD1)는 제1 레이저 다이오드(LD1, 미도시)가 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저 다이오드(LD1)는 외부에 위치할 수 있다. 이 경우, 제1 레이저 다이오드(LD1)는 LD1 노드(N_LD1)에 연결되어 E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)에 제1 광 기준 신호(OF_LD1)를 전달할 수 있다. 그러나, 도시된 것과 달리 제1 레이저 다이오드(LD1)는 광학식 빔포밍 장치(1000)에 포함되어 E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)에 제1 광 기준 신호(OF_LD1)를 전달할 수 있다.

예를 들어, E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)은 제1 광 기준 신호(OF_LD1)를 이용하여 각 RF 안테나 입력 신호들(RF_{in_1} 내지 RF_{in_n})을 광 변조(optical modulation)함으로써 전기-광 변환(electro-optic transformation)을 수행할 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)은 전기 신호의 광 변조를 위해 마흐젠더 변조기들(Mach-Zehnder modulators; MZM)을 포함할 수 있다. 결과적으로, E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)은 각 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})을 생성할 수 있다.

O/E 컨버터들(1220_1 내지 1220_n)은 각 출력 광 신호들(OF_{out_1} 내지 OF_{out_n})에 기반하여 각 RF 안테나 출력 신호들(RF_{out_1} 내지 RF_{out_n})을 생성할 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, O/E 컨버터들(1220_1 내지 1220_n)은 광 신호의 전기 변조를 위해 광 검출기(photo detector; PD)를 포함할 수 있다. 여기서, 광 검출기는 도 2에 도시된 광 검출기(1270)와는 별개의 구성이다.

제2 순환기들(1230_1 내지 1230_n)은 각 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})을 E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)로부터 TTD 어레이(1240)로 전달하거나, 각 출력 광 신호들(OF_{out_1} 내지 OF_{out_n})을 TTD 어레이(1240)로부터 O/E 컨버터들(1220_1 내지 1220_n)로 전달할 수 있다.

TTD 어레이(1240)는 복수의 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n}) 중 적어도 일부에 기반하여 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD})를 생성하거나, 광 변조 신호(OF_{in_TTD})에 기반하여 각 출력 광 신호들(OF_{out_1} 내지 OF_{out_n})을 생성할 수 있다. 예를 들어, TTD 어레이(1240)는 전기 제어 신호(ECS)에 의해 제어되고, 각 채널의 송수신 신호에 기초하여 시간 지연을 보상하거나 형성시킬 수 있다. 따라서, TTD 어레이(1240)는 각 채널마다 실시간 지연 정도를 다르게 하여 위상 시작점 차이를 보상하거나 형성시킬 수 있다. TTD 어레이(1240)의 구체적인 구성 및 동작은 도 3 내지 도 4를 통하여 설명될 것이다.

전기 제어기(1250)는 TTD 어레이(1240)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전기 제어기(1250)는 TTD 어레이(1240)에 전기 제어 신호(ECS)를 송신함으로써 TTD 어레이(1240)에 포함되는 광학 스위치(optical switch; 이하 OSW)를 제어할 수 있다. 전기 제어기(1250)는 OSW를 제어함으로써 TTD 어레이(1240)가 형성하는 실시간 지연 정도를 조절할 수 있다. 전기 제어기(1250)의 구체적인 동작은 도 5 내지 도 6을 통하여 설명될 것이다.

제3 순환기(1260)는 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD})를 TTD 어레이(1240)로부터 광 검출기(1270)로 전달하거나, 광 변조 신호(OF_{in_TTD})를 선형 변조기(1280)로부터 TTD 어레이(1240)로 전달할 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, 광학식 빔포머(1200)는 단측파대 밴드 필더(single side band filter; 이하 SSBF)를 더 포함할 수 있다. SSBF는 TTD 어레이(1240)와 광 검출기(1270) 사이, 및/또는 TTD 어레이(1240)와 선형 변조기(1280) 사이에 위치할 수 있다. SSBF는 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD}) 및/또는 광 변조 신호(OF_{in_TTD})를 필터링함으로써 신호 왜곡을 억제할 수 있다.

광 검출기(1270)는 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD}) 및 제1 광 기준 신호(OF_LD1)에 기반하여 백엔드로의 RF 출력 신호(RF_{out_B})를 생성할 수 있다. 광 검출기(1270)는 백엔드로의 RF 출력 신호(RF_{out_B})를 RF 백엔드와 연결된 백엔드 입력 노드(N_B1)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(1270)는 포토 다이오드(photo diode; PD)로 구성될 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, 광 검출기(1270)는 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD}) 및 제1 광 기준 신호(OF_LD1)로부터 차동 증폭(differential amplification)을 통해 상관 잡음(correlated noise)을 제거함으로써, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 개선시키는 균형 검출(balanced detection)을 수행할 수 있다.

선형 변조기(linear modulator)(1280)는 백엔드로부터의 RF 입력 신호(RF_{in_B}) 및 제2 광 기준 신호(OF_LD2)에 기반하여 광 변조 신호(OF_{in_TTD})를 생성할 수 있다. 선형 변조기(1280)는 RF 백엔드와 연결된 백엔드 출력 노드(N_B2)에 연결되어, RF 백엔드의 출력 신호인 백엔드로부터의 RF 입력 신호(RF_{in_B})를 전달받을 수 있다. 또한, 선형 변조기(1280)는 제2 레이저 다이오드(LD2)와 연결된 LD2 노드(N_LD2)에 연결되어, 제2 광 기준 신호(LD2)를 전달받을 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, 제2 레이저 다이오드(LD2)는 외부에 위치하거나, 도시된 것과 달리 광학식 빔포밍 장치(1000)에 포함될 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면, 선형 변조기(1280)는 단측파대 동작(single-side band operation)을 수행할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 TTD 어레이(1240)의 구성을 좀 더 상세하게 보여주는 구성도이다. TTD 어레이(1240)는 파워 스플리터/컴바이너(1241), 및 TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)을 포함할 수 있다.

파워 스플리터/컴바이너(power splitter/combiner)(1241)는 광 변조 신호(OF_{in_TTD})를 입력받았을 때 파워 스플리터로 동작할 수 있다. 이 경우, 파워 스플리터/컴바이너(1241)는 광 변조 신호(OF_{in_TTD})에 기반하여, 각 채널(예컨대, 채널 1(도 1, CH1)) 포트들(PA1 내지 PAn)에 연결되는 각 TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)로 각 광 분배 신호들(OF_{in_TTD_1}내지 OF_{in_TTD_n})을 전달할 수 있다. 나아가, 파워 스플리터/컴바이너(1241)는 복수의 광 보상 신호들(OF_{out_TTD_1}내지 OF_{out_TTD_n})을 입력받았을 때 파워 컴바이너로 동작할 수 있다. 이 경우, 파워 스플리터/컴바이너(1241)는 복수의 광 보상 신호들(OF_{out_TTD_1}내지 OF_{out_TTD_n}) 중 적어도 일부에 기반하여, TTD 어레이(1240)의 출력 포트(PB)로 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD})를 전달할 수 있다.

예를 들어, 파워 스플리터/컴바이너(1241)는 광섬유(optical fiber) 또는 광도파로(optical waveguide)의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 파워 스플리터/컴바이너(1241)가 광도파로의 형태일 경우, 파워 스플리터/컴바이너(1241)는 실리카(silica; SiO₂), 실리콘(silicon; Si), 어몰포스 실리콘(amorphous silicon), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; SiNx), 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride; SiON) 등의 물질로 구현될 수 있다.

TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)은 각 채널 포트들(PA1 내지 PAn)로부터 의 각 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})에 기반하여 각 광 보상 신호들(OF_{out_TTD_1}내지 OF_{out_TTD_n})을 생성하거나, 각 광 분배 신호들(OF_{in_TTD_1}내지 OF_{in_TTD_n})에 기반하여 각 출력 광 신호들(OF_{out_1} 내지 OF_{out_n})을 생성하여 각 채널 포트들(PA1 내지 PAn)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 각 TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)은 입력 받은 신호들에 대해 실시간 지연 정도를 다르게 하여 위상 시작점 차이를 보상하거나 형성시켜 출력할 수 있다. 전기 제어기(1250)는 각 전기 제어 신호들(ECS₁ 내지 ECS_n)을 통해 각 TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)에 입력된 신호들의 실시간 지연 정도를 조절할 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시 예에 따르면,전기 제어 신호(ECS)(예컨대, ECS₁)는 복수의 제어 신호들을 포함할 수 있다. 각 TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)의 구체적인 구성 및 동작은 도 5 내지 도 6을 통하여 설명될 것이다.

도 4는 도 3에 도시된 TTD 어레이(1240)의 일 실시 예에 따른 구성을 보여주는 구성도이다. 도 4는 도 3에 도시된 TTD 어레이(1240)에서 일부 구성들이 부가된 것으로, 도시의 간략화를 위해, 도 4에서 신호 표기들은 생략한다. 본 개시의 실시 예에 따른 TTD 어레이(1240)는 증폭기들(1243_1 내지 1243_n), 및 감쇠기들(1244_1 내지 1244_n)을 더 포함할 수 있다. 증폭기들(1243_1 내지 1243_n), 및 감쇠기들(1244_1 내지 1244_n)은 TTD로 입력/출력되는 신호들의 세기를 증폭하거나 감쇠시킬 수 있다. 증폭기들(1243_1 내지 1243_n), 및 감쇠기들(1244_1 내지 1244_n)은 도 4에 도시된 연결관계에 한정되지 않고, TTD 어레이(1240)로 입력 또는 출력되는 신호들의 세기를 증폭하거나 감쇠시키는 한, TTD 어레이(1240) 내에서 임의적으로 위치할 수 있다. 도시되지 않았지만, TTD 어레이(1240)는 비선형적 미세 위상 조정을 위해 위상 튜너(phase tuner; PT)를 더 포함할 수 있다.

도 5는 도 2 내지 도 3에 도시된 TTD 소자를 구성하는 유닛 셀을 보여주는 구성도이다. 각 TTD 소자들(도 3, 1242_1 내지 1242_n)은 복수의 유닛 셀들(1242_u)로 구성될 수 있다. TTD 소자의 유닛 셀(1242_u)는 1x2 광 스위치(optical switch; 이하 OSW), 및 2x1 광 컴바이너(optical combiner; 이하 OC)를 포함할 수 있다. 예를 들어, OSW는 인듐 포스파이드(indium phosphide; InP), 또는 갈륨 비소(gallium arsenide; GaAs) 등과 같은 화합물 반도체 물질로 구현되거나, 폴리머(polymer) 전반사(total internal reflection; TIR) 스위치의 형태로 구현될 수 있다.

유닛 셀(1242_u)은 전기 제어기(1250)로부터의 전기 제어 신호(ECS)에 기반하여 유닛 셀의 입력 포트(P_{in_u})로 입력되는 신호 대비 유닛 셀의 출력 포트(P_{out_u})로 출력되는 신호를 단위 지연 시간(Δτ)만큼 지연시키거나 지연시키지 않을 수 있다. 여기서, 전기 제어 신호(ECS)는, 복수의 TTD 소자들(도 3, 1242_1 내지 1242_n) 중 어느 하나에 입력되는 복수의 전기 제어 신호들(도 3, ECS₁ 내지 ECS_n) 중 어느 하나를 구성하는 각 유닛 셀들에 입력되는 각 전기 제어 신호를 의미한다. 예를 들어, 채널 2의 TTD 소자(도 3, 1242_2)에 입력되는 전기 제어 신호는 ECS₂이고, ECS₂는 TTD 소자 내의 각 유닛 셀(1242_u)에 입력되는 각 전기 제어 신호들로 구성된다. 유닛 셀(1242_u)은 유닛 셀의 입력 포트(P_{in_u})와 유닛 셀의 출력 포트(P_{out_u})에 대해 비가역적(non-reciprocal)으로 구성되므로, 신호는 유닛 셀의 입력 포트(P_{in_u})로부터 유닛 셀(1242_u)로 입력되어야 한다.

유닛 셀의 입력 포트(P_{in_u})로부터 입력되는 신호가 OSW의 x 노드(N_x)에 입력될 경우, OSW는 전기 제어기(1250)의 전기 제어 신호(ECS)의 on/off 상태에 따라 y1 노드(N_y1) 또는 y2 노드(N_y2)를 x 노드(N_x)와 연결할 수 있다. 여기서, 전기 제어 신호(ECS)의 on/off 상태는 신호에 대한 단위 지연 시간(Δτ)만큼의 지연 여부를 결정한다. 예를 들어, 전기 제어 신호(ECS)가 off 상태라면, 전기 제어 신호(ECS)가 시간 지연을 지시하지 않는것이고, 이 경우, OSW의 x 노드(N_x)는 제1 경로와 연결된 y1 노드(N_y1)와 연결된다. 반면, 전기 제어 신호(ECS)가 on 상태라면, 전기 제어 신호(ECS)가 시간 지연을 지시하는 것이고, OSW는, 단위 지연 시간(Δτ)만큼 지연되도록 제1 경로보다 긴 제2 경로와 연결된 y2 노드(N_y2)로 스위칭할 수 있다. 다만, 전기 제어 신호(ECS)의 on/off 상태에 따른 OSW의 연결관계는 설명한 것에 한정되지 않고, 그에 상반되는 관계(예컨대, 전기 제어 신호(ECS)가 off된 경우, y2 노드에 연결되고, 전기 제어 신호(ECS)가 on된 경우, y1 노드에 연결)를 따를 수 있다. OC는 제1 경로와 제2 경로를 연결하도록 구성될 수 있다.

도 6은 도 2 내지 도 3에 도시된 TTD 소자의 구성을 좀 더 상세하게 보여주는 구성도이다. 도 5와 함께, 도 6을 참조하면, TTD 소자(1242)는 복수의 유닛 셀(Unit Cell)(1242_u)들로 구성될 수 있다. 도 5의 유닛 셀(1242_u)과 도 6의 유닛 셀(Unit Cell)은 실질적으로 동일하기 때문에, 도시의 간략화를 위해 도 6의 유닛 셀(Unit Cell)의 참조번호 내지 신호 표기는 생략한다. TTD 소자(1242)를 구성하는 각 유닛 셀(Unit Cell)은 전기 제어기(1250)로부터의 복수의 전기 제어 신호(ECS)들에 의해 제어될 수 있다. 전기 제어 신호(ECS)가 on상태에 있는 경우, 유닛 셀(Unit Cell)이 단위 지연 시간(Δτ)만큼 신호를 지연시킨다고 가정하여 이하 설명한다. on 상태의 전기 제어 신호(ECS)를 받은 OSW의 개수를 M으로 정의하면, TTD 소자(1242)에 의한 신호의 총 지연 시간은 M*Δτ로 계산할 수 있다 여기서, TTD 소자(1242) 내부의 OSW의 개수를 m, 채널의 개수를 n이라 정의하면, m은 n-1보다 크거나 같고, M은 0~m 사이의 임의의 정수에 대응될 수 있다.

유닛 셀(Unit Cell)은 유닛 셀의 입력 포트(P_{in_u})와 유닛 셀의 출력 포트(P_{out_u})에 대해 비가역적(non-reciprocal)으로 구성되므로, 복수의 유닛 셀(Unit Cell)들로 구성되는 TTD 소자(1242) 역시 입력 포트(P_in) 및 출력 포트(P_out)에 대해 비가역적으로 구성된다. 따라서, 도시되지 않았지만, 본 개시의 예시적인 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 장치(1000)는 송신용 및 수신용 TTD 소자를 다르게 구성한다. 예를 들어, 송신용 TTD 소자는 입력 포트(P_in)로부터 각 광 분배 신호들(OF_{in_TTD_1}내지 OF_{in_TTD_n})을 입력 받고, 출력 포트(P_out)로 각 출력 광 신호들(OF_{out_1} 내지 OF_{out_n})을 출력할 수 있다. 예를 들어, 수신용 TTD 소자는 입력 포트(P_in)로부터 각 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})을 입력 받고, 출력 포트(P_out)로 각 광 보상 신호들(OF_{out_TTD_1}내지 OF_{out_TTD_n})을 출력할 수 있다.

도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 방법에서 위상 배열 안테나가 신호를 송신하는 경우의 예시적인 순서도이다. 설명의 편의상, 도 1 내지 도 3의 도면 부호를 참조하여, 도 7이 설명된다.

S110 단계에서, 선형 변조기(1280)는 RF 백엔드로부터 수신한 백엔드로부터의 RF 입력 신호(RF_{in_B})와, 제2 광 기준 신호(OF_LD2)에 기반하여 백엔드로부터의 RF 입력 신호(RF_{in_B})를 광 신호로 선형 변조할 수 있다.

S120 단계에서, TTD 어레이(1240)는 파워 스플리터를 이용하여, 선형 변조된 광 신호인 TTD 입력 광 신호(OF_{in_TTD})를 각 채널에 대한 TTD 소자(1242_1 내지 1242_n)들로 분배하여 각 광 분배 신호들(OF_{in_TTD_1}내지 OF_{in_TTD_n})을 생성할 수 있다.

S130 단계에서, TTD 어레이(1240)는 전기 제어기(1250)로부터의 전기 제어 신호(ECS)에 기반하여, 각 광 분배 신호들(OF_{in_TTD_1}내지 OF_{in_TTD_n})을 각 채널(CH1 내지 CHn)에서 요구되는 지연 시간만큼 실시간 지연시킬 수 있다. 여기서, 각 채널(CH1 내지 CHn)에서 요구되는 지연 시간은 상술한 수학식 1의 관계를 따른다.

S140 단계에서, O/E 컨버터들(1220_1 내지 1220_n)은 각 채널들에 대하여 TTD 어레이(1240)가 출력한 각 출력 광 신호들(OF_{out_1} 내지 OF_{out_n})을 RF 신호로 변환할 수 있다.

S150 단계에서, 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n)은 변환된 RF 신호인 각 RF 안테나 출력 신호들(RF_{out_1} 내지 RF_{out_n})을 특정 상태(예컨대, State 0, State 1, ··· , State k)의 위상 면을 갖는 전자기파 형태의 신호를 외부로 방사할 수 있다.

도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 광학식 빔포밍 방법에서 위상 배열 안테나가 신호를 수신하는 경우의 예시적인 순서도이다. 설명의 편의상, 도 1 내지 도 3의 도면 부호를 참조하여, 도 8이 설명된다.

S210 단계에서, 위상 배열 안테나를 구성하는 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n)은 특정 상태(예컨대, State 0, State 1, ··· , State k)의 위상 면을 갖는 외부의 전자기파 형태의 신호를 RF 형태의 신호로 수신할 수 있다.

S220 단계에서, E/O 컨버터들(1210_1 내지 1210_n)은 안테나 요소들(1110_1 내지 1110_n)이 수신한 각 RF 안테나 입력 신호들(RF_{in_1} 내지 RF_{in_n})을 광 신호인 각 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})로 변환할 수 있다.

S230 단계에서, TTD 어레이(1240)는 전기 제어기(1250)로부터의 전기 제어 신호(ECS)에 기반하여, 각 입력 광 신호들(OF_{in_1} 내지 OF_{in_n})이 지연된 시간만큼을 보상할 수 있다. 여기서, 지연된 시간은 상술한 수학식 1의 관계를 따른다.

S240 단계에서, TTD 어레이(1240)는 파워 컴바이너를 이용하여 각 채널에 대한 TTD 소자들(1242_1 내지 1242_n)의 출력 신호들인 각 광 보상 신호들(OF_{out_TTD_1}내지 OF_{out_TTD_n})을 컴바이닝하여 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD})을 생성할 수 있다.

S250 단계에서, 균형 검출기(1270)는 광 컴바인드 신호(OF_{out_TTD}) 및 제1 광 기준 신호(OF_LD1)에 기반하여 RF 신호를 검출할 수 있다. 검출된 RF 신호인 백엔드로의 RF 출력 신호(RF_{out_B})는 RF 백엔드로 출력될 수 있다.

상술한 내용은 본 개시를 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 개시에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 개시에는 상술한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 개시의 범위는 위에서 설명한 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 본 개시의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

1000: 광학식 빔포밍 장치 1100: RF 프론트엔드
1110_1 내지 1110_n: 안테나 요소들
1120_1 내지 1120_n: 제1 순환기들
1130_1 내지 1130_n: LNA들
1140_1 내지 1140_n: PA들 1200: 광학식 빔포머
1210_1 내지 1210_n: E/O 컨버터들
1220_1 내지 1220_n: O/E 컨버터들
1230_1 내지 1230_n: 제2 순환기들
1240: TTD 어레이 1241: 파워 스플리터/컴바이너
1242: TTD 소자
1242_1 내지 1242_n: TTD 소자들 1242_u: 유닛 셀
1250: 전기 제어기 1260: 제3 순환기
1270: 광 검출기 1280: 선형 변조기

Claims

복수의 채널들을 갖는 위상 배열 안테나를 이용하여, 복수의 RF 안테나 출력 신호들을 송신하는 RF 프론트엔드; 및
RF 백엔드로부터의 RF 입력 신호에 기초하여, 상기 복수의 채널들 각각에 대한 시간 지연을 형성하는 광학식 빔포머를 포함하되,
상기 광학식 빔포머는,
상기 RF 입력 신호에 기초하여 광 변조 신호를 생성하는 선형 변조기;
상기 광 변조 신호를 분배하여 상기 복수의 채널들 각각에 대한 시간 지연이 형성된 출력 광 신호들을 출력하는 TTD 어레이; 및
상기 출력 광 신호들을 상기 복수의 RF 안테나 출력 신호들로 각각 변환하도록 구성되는 복수의 O/E 컨버터들을 포함하고,
상기 TTD 어레이가 상기 복수의 채널들에 대하여 아래와 같은 수학식 1을 따르는 시간 지연 정도를 이산적으로 결정하는 광학식 빔포밍 장치.
수학식 1:
(단, n: 개별 채널의 연속적인 순서, tn: 채널 n의 지연 시간, k: 신호의 위상 면 회전 각도에 따른 상태 수치로, 0 보다 크거나 같은 정수, Δτ단위 지연 시간)
제 1 항에 있어서,
상기 RF 프론트엔드는,
상기 복수의 RF 안테나 출력 신호들을 각각 송신하는 복수의 안테나들; 및
상기 복수의 RF 안테나 출력 신호들을 각각 증폭시키는 복수의 증폭기들을 포함하는 광학식 빔포밍 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 TTD 어레이는,
복수의 광 분배 신호들에 기초하여 상기 복수의 채널들 각각에 대한 시간 지연을 형성하여 상기 복수의 출력 광 신호들을 각각 생성하는 복수의 TTD 소자들; 및
상기 광 변조 신호가 입력된 경우, 상기 복수의 광 분배 신호들을 생성하는 파워 스플리터를 포함하는 광학식 빔포밍 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 TTD 소자들 각각은 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
상기 복수의 유닛 셀들 각각은,
전기 제어 신호가 시간 지연을 지시하지 않는 경우, 제1 경로와 연결된 제1 노드로 스위칭하고, 상기 전기 제어 신호가 시간 지연을 지시하는 경우, 상기 제1 경로보다 긴 제2 경로와 연결된 제2 노드로 스위칭하는 광 스위치; 및
상기 제1 경로와 상기 제2 경로를 연결하는 광 컴바이너를 포함하는 광학식 빔포밍 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 TTD 어레이는,
상기 복수의 채널들과 각각 대응되는 복수의 감쇠기들 및 복수의 증폭기들을 더 포함하고,
상기 복수의 감쇠기들 및 상기 복수의 증폭기들은, 각각 상기 복수의 출력 광 신호들의 세기를 조정하도록 구성되는 광학식 빔포밍 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 TTD 어레이는,
상기 복수의 출력 광 신호들 중 하나의 위상을 비선형적으로 조정하는 위상 튜너를 더 포함하는 광학식 빔포밍 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 파워 스플리터는 광 섬유 또는 광 도파로로 구현되는 광학식 빔포밍 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 파워 스플리터가 상기 광 도파로로 구현되는 경우, 상기 파워 스플리터는, 실리카, 실리콘, 어몰포스 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 또는 실리콘 옥시나이트라이드 물질로 구현되는 광학식 빔포밍 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 광 컴바이너는 광 도파로 형태로 구현되는 광학식 빔포밍 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 광 스위치는 InP(indium phosphide) 또는 GaAs(gallium arsenide)를 포함하는 화합물 반도체 물질로 구현되는 광학식 빔포밍 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 광 스위치는 폴리머 전반사 스위치 형태로 구현되는 광학식 빔포밍 장치.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 TTD 어레이 및 상기 선형 변조기 사이에 연결된 단측파대 밴드필터(SSBF; single-side band filter)를 더 포함하는 광학식 빔포밍 장치.
RF 신호를 출력하는 광학식 빔포밍 장치의 동작 방법에 있어서,
선형 변조기가, RF 백엔드로부터 수신된 RF 안테나 입력 신호에 기초하여, 상기 RF 안테나 입력 신호를 광 신호로 선형 변조하는 단계;
TTD 어레이가, 파워 스플리터를 이용하여, 상기 광 신호를 복수의 채널들 각각에 대한 복수의 TTD 소자들로 분배하여 복수의 광 분배 신호들을 생성하는 단계;
상기 TTD 어레이가, 전기 제어 신호에 기초하여, 상기 복수의 광 분배 신호들을 상기 각 채널에 대해 요청되는 지연 시간만큼을 실시간 지연시켜 생성되는 출력 광 신호들을 생성하는 단계;
복수의 O/E 컨버터들이, 상기 출력 광 신호들을 RF 안테나 출력 신호들로 각각 변환하는 단계; 그리고
복수의 안테나 요소들이 상기 RF 안테나 출력 신호들을 상기 광학식 빔포밍 장치 외부로 방사하는 단계를 포함하고,
상기 TTD 어레이가 상기 복수의 채널들에 대하여 아래와 같은 수학식 1을 따르는 시간 지연 정도를 이산적으로 결정하는 방법.
수학식 1:
(단, n: 개별 채널의 연속적인 순서, tn: 채널 n의 지연 시간, k: 신호의 위상 면 회전 각도에 따른 상태 수치로, 0 보다 크거나 같은 정수, Δτ단위 지연 시간)
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