KR102445291B1

KR102445291B1 - 5g 듀얼 포트 빔포밍 안테나

Info

Publication number: KR102445291B1
Application number: KR1020200149089A
Authority: KR
Inventors: 김기진; 안광호; 이한림
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2040-11-10
Also published as: US12088018B2; US20230025634A1; WO2022102862A1; KR20220063357A

Abstract

5G 듀얼 포트 빔포밍 안테나가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나는, 다수의 패치 안테나들을 포함하고, 패치 안테나는 상부에 위치하는 제1 패치, 제1 패치의 하부 좌측에 위치하며 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치, 제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치, 제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치를 포함한다. 이에 의해, 5G 이동통신 시스템, 군용 레이더 등에 사용될 안테나에서 3D 광각 빔포밍을 가능하게 한다.

Description

5G 듀얼 포트 빔포밍 안테나{5G dual port beamforming antenna}

본 발명은 안테나 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차세대 이동통신으로 준비 중인 밀리미터웨이브 5G 이동통신 시스템에 활용가능한 빔포밍 안테나에 관한 것이다.

5G 밀리미터주파수에서 사용되는 대부분의 안테나는 패치(patch) 안테나로써, 대역폭이 상대적으로 좁다. 5G 주파수에서는 10% 이상의 대역폭을 이용하고 있기 때문에 기존에 많은 연구들은 패치안테나의 대역폭을 넓히는 구조에 관한 연구가 주를 이뤄왔다.

도 1은 기본 패치 안테나를 이용하여 안테나 대역폭을 넓히는 구조이다. 하지만, 5G 밀리미터주파수에서는 28GHz 이상의 높은 주파수를 사용하기 때문에, 도 2에 나타난 바와 같이 전파 전송손실이 크다.

따라서, 이를 보상하기 위한 빔포밍 기법이 반드시 적용되어야 한다. 도 3은 빔포밍 안테나 구조를 설명하고 있다.

빔포밍 안테나는 여러 개의 배열 안테나 방사체가 있고 이 안테나 각각에 Phase shifter라는 블록이 붙어 있어, 안테나에서 출력/입력되는 신호의 전파 위상을 특정방향(θ)으로 정렬시켜 방사패턴을 조절할 수 있다.

도 4는 가장 많이 사용되고 있는 2x2 패치 안테나의 구성을 보여준다. 5G 시스템 구성을 고려했을 때 패치 안테나 구조가 가장 빔포밍에 적합한 것으로 알려져 있다.

도 5와 도 6에는 패치 안테나 16개를 4x4로 구현하여 빔포밍하였을 때 나타나는 시뮬레이션 결과를 도시하였다. 도 5는 main lobe가 0도 일 때 방사 패턴이고, 도 6은 main lobe가 55도 일 때 방사 패턴이다.

도시된 바와 같이, 빔포밍 안테나를 구성하였을 때 방사 패턴과 side lobe의 level을 고려하면 보통 안테나 방사 각도가

50 정도이다. 이런 특성은 X-Z 평면 뿐만 아니라, Y-Z 평면에서도 똑같이 보여야 3D 빔포밍을 완벽하게 수행할 수 있을 것이다.

하지만, 동시에 5G의 넓은 대역폭에서 이런 빔포밍 특성을 만족시키는 것은 어려운 문제이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 5G 이동통신 시스템에 사용될 안테나로써 3D 광각 빔포밍을 가능하게 하기 위한 방안으로, 듀얼 포트 빔포밍 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 빔포밍 안테나는, 다수의 패치 안테나들;을 포함하고, 패치 안테나는, 상부에 위치하는 제1 패치; 제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치; 제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치; 제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함한다.

제2 패치는, 상부에 형성된 제1 급전 포트; 및 하부에 형성된 제2 급전 포트;를 포함하고, 제1 급전 포트와 제2 급전 포트에는, 선택적으로 급전이 이루어질 수 있다.

제1 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면으로 방사각이 넓어질 수 있다.

제2 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면에 수직인 제2 평면으로 방사각이 넓어질 수 있다.

제1 패치와 제2 패치는, 제3 패치와 제4 패치 보다 면적이 넓고, 제3 패치와 제4 패치는, 형상이 동일할 수 있다.

제2 패치, 제3 패치 및 제4 패치에는, 그라운드 비아가 형성되어 있을 수 있다.

제2 패치는, 좌측 영역에 그라운드 비아가 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 제3 패치와 제4 패치는, 우측 영역에 그라운드 비아가 형성되어 있을 수 있다.

패치 안테나들은, Wire bonding 또는 Bumping 형태로 연결되어 있을 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 패치 안테나는, 상부에 위치하는 제1 패치; 제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치; 제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치; 제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통신 시스템은, 다수의 패치 안테나들을 포함하는 빔포밍 안테나; 송신 신호를 생성하여 빔포밍 안테나를 통해 송신하고, 빔포밍 안테나를 통해 신호를 수신하는 통신 모듈;을 포함하고, 패치 안테나는, 상부에 위치하는 제1 패치; 제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치; 제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치; 제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통신 방법은, 통신 모듈이, 송신 신호를 생성하는 단계; 통신 모듈이, 생성한 송신 신호를 다수의 패치 안테나들을 포함하는 빔포밍 안테나를 통해 송신하는 단계; 통신 모듈이, 빔포밍 안테나를 통해 신호를 수신하는 단계;를 포함하고, 패치 안테나는, 상부에 위치하는 제1 패치; 제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치; 제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치; 제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 듀얼 포트 빔포밍 안테나로 X-Z 평면 뿐만 아니라 Y-Z 평면에 대해서도 광각 특성을 구현할 수 있으므로, 5G 이동통신 시스템, 군용 레이더 등에 사용될 안테나에서 3D 광각 빔포밍을 가능하게 한다.

도 1은 기본 패치 안테나를 이용하여 안테나 대역폭을 넓히는 구조,
도 2는, 도 1에 도시된 안테나의 주파수 대역폭,
도 3은 빔포밍 안테나 구조,
도 4은 2x2 패치 안테나의 구성,
도 5와 도 6은, 4x4 패치 안테나의 빔포밍에 대한 시뮬레이션 결과,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 포트 패치 안테나의 구조,
도 8은, 도 7에서 급전 포트-1을 통해 급전이 이루어진 경우에 대한 시뮬레이션 결과,
도 9는, 도 7에서 급전 포트-2를 통해 급전이 이루어진 경우에 대한 시뮬레이션 결과,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 안테나의 구조,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템의 블럭도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 듀얼 포트 빔포밍 안테나를 제시한다. 듀얼 포트 빔포밍 안테나는 밀리미터웨이브 통신, 군용 레이더 등에서 3D 빔포밍을 가능하게 하기 위해 급전 포트를 듀얼로 운용한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 포트 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 포트 패치 안테나는 급전 포트를 듀얼로 구성함으로써 3D 빔포밍을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에 따른 듀얼 포트 패치 안테나는, 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 패치들, 구체적으로, 패치-1(110), 패치-2(120), 패치-3(130), 패치-4(140)를 포함하여 구성된다.

패치-1(110)은 듀얼 포트 패치 안테나의 상부에 위치하며, 좌우 폭이 상하 폭 보다 긴 형상이다. 패치-1(110)의 좌우 폭은, 후술할 다른 패치들(120,130,140)의 좌우 폭 보다 2배 이상 길다.

패치-2(120)는 패치-1(110)의 하부 좌측에 위치하며, 상하 폭이 좌우 폭 보다 긴 형상이다. 패치-2(120)의 상하 폭은, 패치-3(130)과 패치-4(140)의 상하 폭 보다 2배 이상 길다.

패치-3(130)은 패치-2(120)의 우측 상부에 위치하며, 패치-4(140)는 패치-2(120)의 우측 하부에 위치한다. 패치-3(130)과 패치-4(140)은 동일한 형상으로 구현 가능하다.

패치-3(130)과 패치-4(140)의 좌우 폭은 패치-1(110) 보다 짧고, 상하 폭은 패치-2(120) 보다 짧아, 전체적인 크기/면적이 패치-1(110)과 패치-2(120) 보다 작다.

패치-2(120), 패치-3(130) 및 패치-4(140)에는, 그라운드 비아(Ground Via)가 형성되어 있다. 패치 상에서 그라운드 비아가 형성되는 영역은 패치 마다 차이가 있다.

구체적으로, 패치-2(120)에는 좌측 영역에 그라운드 비아(123)가 형성되어 있지만, 패치-3(130)와 패치-4(140)에는 우측 영역(131,141)에 그라운드 비아가 형성되어 있다.

한편, 패치-2(120)에는 2개의 급전 포트(121,122)가 형성되어 있다. 급전 포트-1(121)은 패치-2(120)의 상부에 형성되어 있고, 급전 포트-2(122)는 패치-2(120)의 하부에 형성되어 있다.

급전 포트-1(121)과 급전 포트-2(122)에는 선택적으로 급전이 이루어진다. 즉, 급전 포트-1(121)을 통해 급전이 이루어지거나 급전 포트-2(122)를 통해 급전이 이루어질 수 있는 것이다.

도시된 바와 같이, 패치 안테나가 X-Y 평면에 형성되어 있다고 할 때, 급전 포트-1(121)을 통해 급전이 이루어지면, 도 8의 시뮬레이션 결과에 나타낸 바와 같이, Y-Z 평면으로 방사각이 넓어지게 된다. 구체적으로, 도 8에 따르면, X-Z 평면으로의 방사각은 131.9도이지만, Y-Z 평면으로의 방사각은 153.9도로 넓어지게 된다.

반면, 급전 포트-2(122)를 통해 급전이 이루어지면, 도 9의 시뮬레이션 결과에 나타낸 바와 같이, X-Z 평면으로 방사각이 넓어지게 된다. 구체적으로, 도 9에 따르면, Y-Z 평면으로의 방사각은 134.9도이지만, X-Z 평면으로의 방사각은 154.9도로 넓어지게 된다.

빔포밍 제어 칩(미도시)에서 포트-1(121)과 포트-2(122)의 스위칭을 제어하여 X-Z 평면과 Y-Z 평면 모두에 대한 방사각을 광각으로 구현하면, 3D 빔포밍이 가능해진다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 안테나의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 안테나는 다수의 듀얼 포트 패치 안테나(100)를 포함하여 구성된다.

다수의 듀얼 포트 패치 안테나(100)는 Wire bonding 또는 Bumping 형태로 연결시킬 수 있다.

도 10에는 듀얼 포트 패치 안테나(100)를 8×8로 배열한 빔포밍 안테나를 제시하였지만, 배열 구조에 대한 제한은 없으므로, 듀얼 포트 패치 안테나(100)를 다른 형태로 배열할 수 있다.

도 10에 제시된 빔포밍 안테나에 대한 시뮬레이션 결과, 다수의 듀얼 포트 패치 안테나(100)에서 포트-1에 신호를 인가하는 경우 X-Z 축으로 138도의 빔 스캔닝이 가능하고, 포트-2에 신호를 인가하는 경우 Y-Z 축으로 138도의 빔 스캔닝이 가능한 것으로 나타났다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템의 블럭도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 시스템은, 도 11에 도시된 바와 같이, 빔포밍 안테나(100)와 통신 모듈(200)을 포함하여 구성된다.

빔포밍 안테나(100)의 구성에 대해서는 도 10을 통해 전술한 바 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

통신 모듈(200)은 송신 신호를 생성하여 빔포밍 안테나(100)를 통해 송신한다. 또한, 통신 모듈(200)은 빔포밍 안테나(100)를 통해 수신되는 신호에 대해 필요한 신호 처리를 수행한다.

나아가, 통신 모듈(200)은 빔포밍 안테나(100)에서 급전 포트를 제어할 수도 있다.

지금까지, 듀얼 포트 패치 안테나, 이들을 배열하여 구현한 빔포밍 안테나 및 이를 적용한 통신 시스템에 대해 바람직한 실시예들을 제시하면서 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에서는, 5G 이동통신 빔포밍 시스템에 사용될 안테나로써 특히 3D 광각 빔포밍을 위한 기술 구성을 제시하였으며, 광대역 특성을 모두 만족하면서 동시에 3D 빔포밍 특성 만족하는 효과를 가지고 있어 향후 밀리미터웨이브 5G 안테나에 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제시한 기술은 밀리미터웨이브 통신 및 레이더 부품, 모듈 및 시스템으로써, 차세대 이동통신으로 준비 중인 밀리미터웨이브 5 G 이동통신 빔포밍 시스템에 활용가능할 뿐만 아니라, 군용 레이더 및 탐색기에도 활용 가능하다.

본 발명의 실시예들에서 제시한 기술들에 대한 실시 범위에 대한 제한은 없다. 즉, 통신 시스템을 구현하는 경우와 빔포밍 안테나를 구현하는 경우는 물론이고, 듀얼 포트 패치 안테나 만을 구현하는 경우에도 본 발명의 기술적 범주에 포함될 수 있음은 물론이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 :
110,120,130,140 : 패치
121 : 급전 포트
122 : 급전 포트
123,131,141 : 그라운드 비아
200 : 통신 모듈

Claims

다수의 패치 안테나들;을 포함하고,
패치 안테나는,
상부에 위치하는 제1 패치;
제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치;
제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치;
제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함하고,
제2 패치는,
상부에 형성된 제1 급전 포트; 및
하부에 형성된 제2 급전 포트;를 포함하고,
제1 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면으로 방사각이 넓어지며,
제2 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면에 수직인 제2 평면으로 방사각이 넓어지고,
제1 급전 포트는,
제2 패치의 우측 상부에 형성되어 있으며,
제2 급전 포트는,
제2 패치의 우측 하부에 형성되어 있고,
제2 패치의 우측 단으로부터 제1 급전 포트까지의 거리는,
제2 패치의 우측 단으로부터 제2 급전 포트까지의 거리와 동일하며,
제1 급전 포트와 제2 급전 포트의 배열 방향은,
제2 패치에 형성된 그라운드 비아들의 배열 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나.
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
제1 패치와 제2 패치는,
제3 패치와 제4 패치 보다 면적이 넓고,
제3 패치와 제4 패치는,
형상이 동일한 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나.
청구항 1에 있어서,
제2 패치, 제3 패치 및 제4 패치에는,
그라운드 비아가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나.
청구항 6에 있어서,
제2 패치는,
좌측 영역에 그라운드 비아가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나.
청구항 7에 있어서,
제3 패치와 제4 패치는,
우측 영역에 그라운드 비아가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나.
청구항 1에 있어서,
패치 안테나들은,
Wire bonding 또는 Bumping 형태로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나.
상부에 위치하는 제1 패치;
제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치;
제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치;
제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함하고,
제2 패치는,
상부에 형성된 제1 급전 포트; 및
하부에 형성된 제2 급전 포트;를 포함하고,
제1 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면으로 방사각이 넓어지며,
제2 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면에 수직인 제2 평면으로 방사각이 넓어지고,
제1 급전 포트는,
제2 패치의 우측 상부에 형성되어 있으며,
제2 급전 포트는,
제2 패치의 우측 하부에 형성되어 있고,
제2 패치의 우측 단으로부터 제1 급전 포트까지의 거리는,
제2 패치의 우측 단으로부터 제2 급전 포트까지의 거리와 동일하며,
제1 급전 포트와 제2 급전 포트의 배열 방향은,
제2 패치에 형성된 그라운드 비아들의 배열 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
다수의 패치 안테나들을 포함하는 빔포밍 안테나;
송신 신호를 생성하여 빔포밍 안테나를 통해 송신하고, 빔포밍 안테나를 통해 신호를 수신하는 통신 모듈;을 포함하고,
패치 안테나는,
상부에 위치하는 제1 패치;
제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치;
제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치;
제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함하고,
제2 패치는,
상부에 형성된 제1 급전 포트; 및
하부에 형성된 제2 급전 포트;를 포함하고,
제1 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면으로 방사각이 넓어지며,
제2 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면에 수직인 제2 평면으로 방사각이 넓어지고,
제1 급전 포트는,
제2 패치의 우측 상부에 형성되어 있으며,
제2 급전 포트는,
제2 패치의 우측 하부에 형성되어 있고,
제2 패치의 우측 단으로부터 제1 급전 포트까지의 거리는,
제2 패치의 우측 단으로부터 제2 급전 포트까지의 거리와 동일하며,
제1 급전 포트와 제2 급전 포트의 배열 방향은,
제2 패치에 형성된 그라운드 비아들의 배열 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
통신 모듈이, 송신 신호를 생성하는 단계;
통신 모듈이, 생성한 송신 신호를 다수의 패치 안테나들을 포함하는 빔포밍 안테나를 통해 송신하는 단계;
통신 모듈이, 빔포밍 안테나를 통해 신호를 수신하는 단계;를 포함하고,
패치 안테나는,
상부에 위치하는 제1 패치;
제1 패치의 하부 좌측에 위치하며, 다수의 급전 포트가 형성된 제2 패치;
제2 패치의 우측 상부에 위치하는 제3 패치;
제2 패치의 우측 하부에 위치하는 제4 패치;를 포함하고,
제2 패치는,
상부에 형성된 제1 급전 포트; 및
하부에 형성된 제2 급전 포트;를 포함하고,
제1 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면으로 방사각이 넓어지며,
제2 급전 포트로 급전이 이루어지면, 제1 평면에 수직인 제2 평면으로 방사각이 넓어지고,
제1 급전 포트는,
제2 패치의 우측 상부에 형성되어 있으며,
제2 급전 포트는,
제2 패치의 우측 하부에 형성되어 있고,
제2 패치의 우측 단으로부터 제1 급전 포트까지의 거리는,
제2 패치의 우측 단으로부터 제2 급전 포트까지의 거리와 동일하며,
제1 급전 포트와 제2 급전 포트의 배열 방향은,
제2 패치에 형성된 그라운드 비아들의 배열 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 통신 방법.