(11) 공개번호 10-2015-0005295 (43) 공개일자 2015년01월14일

(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)

(11) 공개번호 10-2015-0005295 (43) 공개일자 2015년01월14일

H04B 7/04

H01Q 21/00

(22) 출원일자 2013년07월05일 심사청구일자 없음

(71) 출원인

한국전자통신연구원

대전광역시 유성구 가정로 218 (가정동) (72) 발명자

윤소현

대전광역시 서구 청사로 254 둥지아파트 103-1304 엄만석

대전광역시 유성구 가정로 65 대림두레아파트 10 2동 506호

(뒷면에 계속)

특허법인이지 전체 청구항 수 : 총 19 항

(54) 발명의 명칭 다중 빔 안테나 시스템 및 이의 출력 전력 제어 방법 (57) 요 약

다중 빔 안테나 시스템 및 이의 출력 전력 제어 방법을 공개한다. 본 발명은 빔으로 출력하고자 하는 복수개의 입력 신호를 수신하고, 수신된 복수개의 입력 신호 각각을 복수개로 분할하고, 분할된 복수개의 입력 신호 각각 의 크기 및 위상을 조절하고 결합하여 복수개의 여기 신호를 출력하는 빔 포밍 네트워크, 빔 포밍 네트워크부에 서 인가되는 복수개의 여기 신호 중 대응하는 여기 신호들을 수신하고, 수신된 여기 신호의 출력 전력을 통신량 에 따라 제어하는 복수개의 MPA를 구비하는 MPA부, 및 MPA부에서 인가되는 여기 신호의 크기 및 위상에 따라 여 기되어 다중 빔을 방출하는 복수개의 급전 소자를 구비하는 배열 소자부를 포함한다.

대 표 도 - 도4

(72) 발명자 이홍열

충청북도 청주시 상당구 월평로 189 현대1차아파트 102동 1201호

곽창수

대전광역시 유성구 가정로 65 대림두레아파트 108 동 906호

염인복

대전 유성구 갑동로 14 유성 레지던스 A-102

특허청구의 범위 청구항 1

빔으로 출력하고자 하는 복수개의 입력 신호를 수신하고, 수신된 상기 복수개의 입력 신호 각각을 복수개로 분 할하고, 분할된 상기 복수개의 입력 신호 각각의 크기 및 위상을 조절하고 결합하여 복수개의 여기 신호를 출력 하는 빔 포밍 네트워크;

상기 빔 포밍 네트워크부에서 인가되는 상기 복수개의 여기 신호 중 대응하는 여기 신호들을 수신하고, 상기 수 신된 여기 신호의 출력 전력을 통신량에 따라 제어하는 복수개의 MPA를 구비하는 MPA부; 및

상기 MPA부에서 인가되는 여기 신호의 크기 및 위상에 따라 여기되어 다중 빔을 방출하는 복수개의 급전 소자를 구비하는 배열 소자부;를 포함하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 2

제1 항에 있어서, 상기 빔 포밍 네트워크는

상기 복수개의 입력 신호에 대응하는 개수로 구비되고, 상기 복수개의 입력 신호 중 대응하는 입력 신호를 수신 하여, 상기 대응하는 입력 신호를 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)에 대응하여 분배하는 복수개의 분배기;

상기 복수개의 분배기에서 분배된 입력 신호 중 대응하는 입력 신호를 수신하여 상기 분배된 입력 신호의 이득 을 조절하는 복수개의 가변 감쇄기;

상기 복수개의 감쇄기에 대응하여 구비되고, 상기 복수개의 감쇄기 중 대응하는 감쇄기에서 인가되는 크기 조절 된 입력 신호의 위상을 조절하는 복수개의 가변 위상 변위기; 및

상기 복수개의 급전 소자의 개수에 대응하여 구비되고, 상기 복수개의 가변 변위기에서 출력되는 복수개의 크기 및 위상 조절된 입력 신호 중 하나의 급전 소자가 빔 형성에 기여할 수 있는 빔 개수(Nw)의 입력 신호를 수신하 여 결합하여 상기 여기 신호를 출력하는 복수개의 결합기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 3

제2 항에 있어서, 상기 빔 포밍 네트워크는

상기 복수개의 분배기를 상기 입력 신호의 개수(Nb)와 동일한 개수로 구비하고,

상기 복수개의 가변 감쇄기 및 상기 복수개의 가변 위상 변위기를 각각 상기 입력 신호의 개수(Nb) * 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)의 개수로 구비하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 4

제1 항에 있어서, 상기 MPA부는

N개의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 구비하는 MPA를 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc) 또 는 급전 소자 개수(Ne)/출력포트 수(N) 중 큰 값만큼의 개수로 구비하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 5

제4 항에 있어서, 상기 MPA부는

부스트 빔이 필요하지 않은 정상 상태에서, 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 따라 상기 복수개의 MPA의 출력포 트와 상기 복수개의 급전 소자에 연결하는 적어도 하나의 연결 구성을 획득하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 6

제5 항에 있어서, 상기 MPA부는

상기 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하도록, 하나의 빔을 형성하기 위해 선택 되는 상기 급전 소자들이 각각이 상기 복수개의 MPA 중 서로 다른 MPA와 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 배 열 안테나 시스템.

청구항 7

제6 항에 있어서, 상기 MPA부는

상기 복수개의 MPA 각각의 출력 전력이 기설정된 전력 오차이내가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 위상 배 열 안테나 시스템.

청구항 8

제7 항에 있어서, 상기 MPA부는

부스트 빔이 필요한 부스트 상태에서는 부스트 크기와 상기 복수개의 입력 신호 중 부스트 빔이 필요한 입력 신 호를 식별하고, 상기 부스트 크기로 빔을 부스트 시키기 위해 요구되는 복수개의 MPA 각각의 부스트 MPA 전력을 계산하며, 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하지 않는다면 크기 최적화 기법(AO)에 따 라 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 9

제8 항에 있어서, 상기 MPA부는

상기 크기 최적화 기법(AO)에 따라 제어된 상기 복수개의 MPA의 출력 전력에 의해 생성되는 빔의 EOC(Edge Of Coverage) 이득이 요구 EOC 이득을 만족하는지 판별하고, 요구 EOC 이득을 만족하지 못하면, 위상 최적화 기법 (PO)을 적용하여 EOC 이득을 높이는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 10

제9 항에 있어서, 상기 MPA부는

상기 부스트 상태에서, 상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하는 것으로 판별되면, 획득된 상기 적어도 하나의 연결 구성 중 다른 연결 구성으로 상기 복수개의 MPA의 출력포트와 상기 복수개의 급전 소자에 연결한 후, 상기 크기 최적화 기법(AO) 에 따라 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템.

청구항 11

복수개의 분배기, 복수개의 가변 감쇄기, 복수개의 가변 위상 변위기 및 복수개 결합기를 구비하는 빔 포밍 네 트워크, 복수개의 MPA를 구비하는MPA부 및 복수개의 급전 소자를 구비하는 배열 소자부를 포함하는 위상 배열

안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법에 있어서, 상기 위상 배열 안테나 시스템은

부스트 빔이 필요하지 않은 정상 상태에서의 복수개의 빔을 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 따라 각 빔의 EOC(Edge Of Coverage) 이득이 최대화 되도록 상기 급전 소자를 선택하고, 선택된 상기 급전 소자에 요구되는 전력을 계산하는 빔 설계 단계;

상기 선택된 상기 급전 소자에 요구되는 전력을 기초로 상기 복수개의 MPA와 상기 복수개의 급전 소자의 연결을 최적화하는 단계; 및

상기 부스트 빔이 필요한 부스트 상태에서 상기 복수개의 빔 중 상기 부스트 빔이 필요한 빔을 크기 최적화 기 법(AO) 에 따라 설계하여, 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계; 를 포함하는 위상 배열 안테나 시 스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 12

제11 항에 있어서, 상기 빔 설계 단계는 안테나의 형태를 분석하는 단계;

크기 및 위상 최적화 기법(A&P)을 이용하여 분석된 안테나의 형태에 대응하는 각 빔의 EOC 이득이 최대가 되도 록, 상기 복수개의 급전 소자 중 상기 복수개의 빔 각각의 형성에 기여하는 급전 소자를 선택하는 단계;

상기 복수개의 빔 각각의 요구 전력을 계산하는 단계; 및

상기 복수개의 빔 각각에 대응하여 선택된 상기 급전 소자 각각에 요구되는 전력을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 13

제12 항에 있어서, 상기 복수개의 빔 각각의 요구 전력을 계산하는 단계는

상기 빔 요구 전력(Pbeam)은 요구 EIRP(effective isotropically radiated power)(EIRPbeam)와 최적화에 의한 안 테나 EOC 이득(GEOC)에 의해 수학식

와 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 14

제13 항에 있어서, 상기 급전 소자 각각에 요구되는 전력을 계산하는 단계는

개별 급전 소자에 요구되는 전력이 MPA에 포함된 고출력 증폭기의 출력 전력(PHPA)와 동일하므로, 각 빔을 형성 하기 위한 급전 소자들 각각의 여기 신호크기(Aexi)와 각 빔의 요구 전력(Pbeam)으로 수학식

와 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 15

제14 항에 있어서, 상기 연결을 최적화하는 단계는

N개의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 구비하는 상기 복수개의 MPA 각각의 상기 출력 포트들이 상기 복수개의 급전 소자들과 연결될 수 있는 모든 조합을 분석하는 단계;

상기 분석된 모든 조합 중 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하는 조합을 획득하는 단계;

상기 획득된 조합의 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 전력이 기설정된 전력 오차 이내인지 판별하는 단계; 및 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 전력이 상기 전력 오차 이내인 것으로 판별되는 조합을 선택하여 상기 복수개의 MPA 각각의 상기 출력 포트들과 상기 복수개의 급전 소자들을 연결하는단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 16

제15 항에 있어서, 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계는

상기 복수개의 빔 중 부스트해야 하는 빔 및 상기 부스트 해야하는 빔의 부스트 크기를 판별하는 단계;

상기 부스트 크기로 상기 빔을 부스트 하기 위해 대응하는 MPA에 요구되는 부스트 MPA 전력을 계산하는 단계;

상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하는지 판별하는 단계; 및

상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하지 않으면, 크기 최적화 기법(AO)을 이용하여 상기 대응하는 MPA의 전력을 제어하여 빔을 부스트하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 17

제16 항에 있어서, 상기 MPA의 전력을 제어하여 빔을 부스트하는 단계는

상기 복수개의 빔의 패턴과 성능을 유지하기 위해 여기 계수는 변경하지 않는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안 테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 18

제15 항에 있어서, 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계는

상기 빔을 부스트하는 단계 이후, 상기 부스트된 빔의 상기 EOC 이득을 재계산하는 단계;

상기 부스트된 빔의 상기 EOC 이득이 요구 EOC 이득을 이상인지 판별하는 단계;

상기 부스트된 빔의 상기 EOC 이득이 요구 EOC 미만이면, 위상 최적화 기법(PO)을 추가로 적용하여 상기 MPA의 전력을 제어하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법.

청구항 19

제18 항에 있어서, 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계는

상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하는 것으로 판별되면, 획득된 조합 중 현재 선 택된 조합과 다른 조합으로 복수개의 MPA의 출력포트와 상기 복수개의 급전 소자에 연결하는 단계; 및

상기 크기 최적화 기법(AO)에 따라 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 다시 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특 징으로 하는 위상 배열 안테나 시스템 의 출력 전력 제어 방법.

명 세 서

기 술 분 야

본 발명은 다중 빔 안테나 시스템 및 이의 출력 전력 제어 방법에 관한 것으로, 특히 빔의 형태를 재구성하지 [0001]

않고, 출력 전력을 제어하여 빔의 세기를 조절할 수 있는 다중 빔 안테나 시스템 및 이의 출력 전력 제어 방법 에 관한 것이다.

배 경 기 술

현재 많은 종류의 통신 시스템들이 자원의 낭비를 막고 시스템 성능을 최적화하기 위해 빔 포밍(Beamforming) [0002]

기술을 이용하고 있으며, 빔 포밍 기술은 다중 빔 안테나 시스템을 활용하여 구현된다. 다중 빔은 급전소자 (feed)들 각각이 개별적으로 하나의 빔을 형성하는 SFPB (Single Feed per Beam) 시스템으로 용이하게 구현할 수 있지만, SFPB는 이득이 적어 원거리 통신에 적합한 성능을 획득하기 어렵다. 그에 비해 복수개의 급전 소자 가 서로 중첩(overlapping)되어 다중 빔 서비스 영역을 갖는 시스템의 경우, 빔의 지향성과 이득을 크게 향상시 킬 수 있는 장점이 있는데 비해, 상황 변화에 따른 빔을 재구성이 어렵다. 이러한 빔의 재구성 기능을 강화하 기에는 위상 배열 안테나가 적합하다. 다중 빔을 형성하기 위한 위상 배열 안테나는 하나의 빔을 만들기 위해 다수 개의 급전 소자를 사용하고, 중첩되는 빔들이 있기 때문에 하나의 급전 소자가 여러 개의 빔 형성에 관여 하기도 한다. 위상 배열 안테나로 빔을 형성하려면 급전 소자에 적절한 신호 크기와 위상을 여기시켜야 하기 때문에 최적화 과정이 필요하다. 여기 계수 최적화는 급전 소자의 신호 크기와 위상을 모두 최적화 하는 방법 (Amplitude & Phase Optimization : A&P), 위상만 최적화 하는 방법(Phase Optimization : PO), 크기만 최적화 하는 방법(Amplitude Optimization : AO)이 있다.

최근의 위상 배열 안테나 시스템은 빔 포밍 네트워크부(beam-forming network : 이하 BFN), 다중 포트 증폭기 [0003]

(Multi-Port Amplifier : 이하 MPA) 및 배열 소자부를 포함한다. BFN은 빔을 형성하는 빔 형성부로서, 가변 감쇄기와 가변 위상 변위기를 구비하여 여기 신호의 크기와 위상을 최적화한다. 그리고 MPA는 다수의 빔으로 형성된 서비스 영역의 통신량에 따라 출력 전력을 제어한다. MPA는 BFN과 배열 소자부 사이에 위치하고, 입력 매트릭스, 고출력 증폭기, 출력 매트릭스를 포함한다. BFN에서의 출력 신호는 MPA의 입력 매트릭스로 인가되어 MPA 내 고출력 증폭기에 의해 출력이 증폭된 여기 신호가 배열 소자부의 위상 급전 소자로 여기된다. MPA는

"An adaptive multiple beam system concept"(S.Egami, M, Kawai, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, Vol. SAC-5, No. 4, May 1987)에 공개되어 있다.

도1 은 종래의 위상 배열 안테나 시스템의 일예를 나타낸다.

[0004]

도1 에 도시된 위상 배열 안테나 시스템은 미국 등록 특허 제5,115,248호 "Multibeam antenna feed device"에 [0005]

개시된 위상 배열 안테나 시스템으로 상기한 바와 같이 복수개의 BFN(100), MPA(200) 및 배열 소자부(300)을 포 함한다. 도1 에서 BFN(100)은 분배부(101), 가변 위상 변위부(102) 및 결합부(104)를 포함한다. 그리고 MPA(200)는 입력 메트릭스(202), 고출력 증폭기(203), 출력 메트릭스(204)를 구비한다.

도1 의 위상 배열 안테나 시스템의 복수개의 BFN(100)은 각각 빔으로 출력될 입력 신호들(B1 ~ BNb)에 대응하는 [0006]

개개수로 구비되고, 복수개의 BFN(100) 각각의 분배부(101)는 복수개의 입력 신호(B1 ~ BNb) 중 대응하는 입력 신호를 급전 소자의 개수(Ne)로 분배하고, 결합부(104)는 Ne개로 분배되어 Ne 개의 가변 위상 변위기에 의해 위 상이 조절된 입력 신호를 수신 및 결합하여 여기 신호로서 MPA(200)로 전달한다. 도1 의 위상 배열 안테나 시 스템은 가변 위상 변위기(102)를 구비하지만, 가변 감쇄기를 구비하지 않도록 구성되어 위상 최적화 기법(PO)으 로만 다중빔을 형성할 수 있도록 하고 있다. 그리고 MPA(200)는 복수개의 BFN(100)으로부터 인가되는 여기 신 호를 입력 매트릭스(202)에서 신호 증폭도에 따라 재분배하여 복수개의 고출력 증폭기(203) 중 대응하는 고출력 증폭기로 전송하고, 출력 매트릭스(204)가 복수개의 고출력 증폭기(203) 각각에서 인가되는 증폭된 여기 신호를 수신하여 복수개의 급전 소자(301) 중 대응하는 급전 소자에 인가함으로서 대응하는 급전 소자를 여기시킨다.

위상 최적화 기법(PO)은 안테나 이득은 다소 저하되지만 고출력 증폭기(203)의 출력을 변경하지 않아도 되기 때 [0007]

문에 증폭기 종류를 줄일 수 있고 전력 사용 효율을 높일 수 있다. 반면, 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)은 안 테나 이득 최적화에 유리하나, 전력 사용 효율 및 DC 전력 소모가 커서 시스템 측면에서 불리하기 때문에 배열 안테나의 최적화는 위상 최적화 기법(PO)이 주로 사용된다. 이때 개별 빔에 대해 완벽한 재구성 빔을 형성하기 위해 가변 위상 변위기(102)는 빔의 개수(Nb)와 급전 소자의 총 개수(Ne)를 곱한 개수만큼 요구된다. 하지만 가 변 감쇄기(103)없이 가변 위상 변위기(102)만을 사용하기 때문에 도1 의 위상 배열 안테나 시스템은 안테나 이

득을 최적화하는 데 한계가 있다.

또한 도1 의 위상 배열 안테나 시스템은 BFN(100)가 빔 개수(입력 신호 개수)만큼 구비되고, 각각의 BFN(100)이 [0008]

급전 소자의 개수만큼 입력 신호를 여기 신호로 분배 및 결합 함으로서 빔 형성의 자유도가 높으나, 다수개의 가변 위상 변위기(102)가 필요하고, 분배기(101) 및 결합기(104)의 포트 수가 많아져서 구현이 어렵고 제조비용 이 상승하는 문제가 있다.

한편 "Flexible payload architecture for multibeam shaped-beam coverage from a S-DMB Geostationary [0009]

satellite system", (Piero G., Nicola G., and Piero A., Antenna and Propagation, EuCAP, Nov., 2006, pp.

1-6)은 안테나 이득 최적화와 전력 효율 사이의 트레이드오프(tradeoff)에 대해 설명하였다. 상기의 논문은 S 대역(2㎓ ~ 4㎓)에서 동작하는 반사판과 배열 소자부를 사용하여 위상 최적화 기법(PO)이 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 비해 0.5 ~ 1.8 dB 최소 EOC(Edge Of Coverage) 이득이 열화 됨을 보였다. 하지만 EOC 이득이 열 화 됨에도 불구하고 고출력 증폭기(203)의 포화 전력과 DC 전력 소비를 고려하여 위상 최적화 기법(PO)을 선택 하는 것이 효율적임을 제안하였다. 이와 같이 일반적으로 위성의 출력 전력을 제어하는 다중 빔 안테나 시스템 은 MPA(200) 내 고출력 증폭기(203)의 동작점을 동일하게 하기 위해서 여기 신호의 위상만 제어하는 위상 최적 화 기법(PO)을 주로 사용한다.

도2 는 크기 및 위상 최적화 기법과 위상 최적화 기법에 따른 빔 패턴과 EOC의 이득을 나타낸다.

[0010]

도2 는 Ka 대역(20 ~ 30GHz)에서 동작하는 반사판과 급전 소자를 이용하였으며, (a)는 크기 및 위상 최적화 기 [0011]

법(A&P)을 적용한 경우를, (b)는 위상 최적화 기법(PO)을 적용한 경우를 각각 도시하였다. 그리고 도2 의 (a) 및 (b)에서 점선은 통신 서비스가 요구되는 영역을 나타내고, 실선은 최적화에 의한 최소 EOC 이득 윤곽을 나타 낸다. 도2 에 도시된 바와 같이 Ka 대역에서 위상 최적화 기법(PO)은 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 비해 불필요한 영역에 까지 빔이 방사됨으로서 빔 패턴이 열화 되고, 최소 EOC 이득이 0.5 dB ~ 1.4 dB 저하되었다.

도2 에서는 비록 Ka 대역에 대한 이득을 나타내었으나, 주파수에 상관없이 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)가 위 상 최적화 기법(PO)보다 안테나 최소 EOC 이득을 약 1 dB 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 상기한 바와 같이, 전력 사용 효율 및 DC 전력 소모 문제로 인해 EOC 이득이 열화됨에도 불구하고 위상 최적화 기법 (PO)이 여전히 주로 사용되고 있다.

발명의 내용

해결하려는 과제

본 발명의 목적은 크기 및 위상 최적화 기법으로 안테나 이득을 최적화하여 빔을 구성하고, 위상 최적화 기법으 [0012]

로 빔의 형태를 재구성하지 않고 개별 빔의 출력 전력을 유연하게 조절함으로서 가변 위상 변위기와 가변 감쇄 기의 개수를 줄일 수 있으며, 효율적으로 자원을 활용하고, 성능을 최적화 할 수 있는 다중 빔 안테나 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 다중 빔 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법을 제공하는데 [0013]

있다.

과제의 해결 수단

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 다중 빔 안테나 시스템은 빔으로 출력하고자 하는 복수개의 [0014]

입력 신호를 수신하고, 수신된 상기 복수개의 입력 신호 각각을 복수개로 분할하고, 분할된 상기 복수개의 입력 신호 각각의 크기 및 위상을 조절하고 결합하여 복수개의 여기 신호를 출력하는 빔 포밍 네트워크; 상기 빔 포 밍 네트워크부에서 인가되는 상기 복수개의 여기 신호 중 대응하는 여기 신호들을 수신하고, 상기 수신된 여기 신호의 출력 전력을 통신량에 따라 제어하는 복수개의 MPA를 구비하는 MPA부; 및 상기 MPA부에서 인가되는 여기 신호의 크기 및 위상에 따라 여기되어 다중 빔을 방출하는 복수개의 급전 소자를 구비하는 배열 소자부;를 포함 한다.

상기 빔 포밍 네트워크는 상기 복수개의 입력 신호에 대응하는 개수로 구비되고, 상기 복수개의 입력 신호 중 [0015]

대응하는 입력 신호를 수신하여, 상기 대응하는 입력 신호를 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수 (Nc)에 대응하여 분배하는 복수개의 분배기; 상기 복수개의 분배기에서 분배된 입력 신호 중 대응하는 입력 신 호를 수신하여 상기 분배된 입력 신호의 이득을 조절하는 복수개의 가변 감쇄기; 상기 복수개의 감쇄기에 대응 하여 구비되고, 상기 복수개의 감쇄기 중 대응하는 감쇄기에서 인가되는 크기 조절된 입력 신호의 위상을 조절 하는 복수개의 가변 위상 변위기; 및 상기 복수개의 급전 소자의 개수에 대응하여 구비되고, 상기 복수개의 가 변 변위기에서 출력되는 복수개의 크기 및 위상 조절된 입력 신호 중 하나의 급전 소자가 빔 형성에 기여할 수 있는 빔 개수(Nw)의 입력 신호를 수신하여 결합하여 상기 여기 신호를 출력하는 복수개의 결합기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔 포밍 네트워크는 상기 복수개의 분배기를 상기 입력 신호의 개수(Nb)와 동일한 개수로 구비하고, 상기 [0016]

복수개의 가변 감쇄기 및 상기 복수개의 가변 위상 변위기를 각각 상기 입력 신호의 개수(Nb) * 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)의 개수로 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 MPA부는 N개의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 구비하는 MPA를 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자 [0017]

의 개수(Nc) 또는 급전 소자 개수(Ne)/출력포트 수(N) 중 큰 값만큼의 개수로 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 MPA부는 부스트 빔이 필요하지 않은 정상 상태에서, 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 따라 상기 복수개의 [0018]

MPA의 출력포트와 상기 복수개의 급전 소자에 연결하는 적어도 하나의 연결 구성을 획득하는 것을 특징으로 한 다.

상기 MPA부는 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하도록, 하나의 빔을 형성 [0019]

하기 위해 선택되는 상기 급전 소자들이 각각이 상기 복수개의 MPA 중 서로 다른 MPA와 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 MPA부는 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 전력이 기설정된 전력 오차이내가 되도록 설정되는 것을 특징으로 [0020]

한다.

상기 MPA부는 부스트 빔이 필요한 부스트 상태에서는 부스트 크기와 상기 복수개의 입력 신호 중 부스트 빔이 [0021]

필요한 입력 신호를 식별하고, 상기 부스트 크기로 빔을 부스트 시키기 위해 요구되는 복수개의 MPA 각각의 부 스트 MPA 전력을 계산하며, 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하지 않는다면 크기 최적 화 기법(AO)에 따라 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 MPA부는 상기 크기 최적화 기법(AO)에 따라 제어된 상기 복수개의 MPA의 출력 전력에 의해 생성되는 빔의 [0022]

EOC(Edge Of Coverage) 이득이 요구 EOC 이득을 만족하는지 판별하고, 요구 EOC 이득을 만족하지 못하면, 위상 최적화 기법(PO)을 적용하여 EOC 이득을 높이는 것을 특징으로 한다.

상기 MPA부는 상기 부스트 상태에서, 상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하는 것으 [0023]

로 판별되면, 획득된 상기 적어도 하나의 연결 구성 중 다른 연결 구성으로 상기 복수개의 MPA의 출력포트와 상 기 복수개의 급전 소자에 연결한 후, 상기 크기 최적화 기법(AO) 에 따라 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제 어하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 다중 빔 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법은 복수 [0024]

개의 분배기, 복수개의 가변 감쇄기, 복수개의 가변 위상 변위기 및 복수개 결합기를 구비하는 빔 포밍 네트워 크, 복수개의 MPA를 구비하는MPA부 및 복수개의 급전 소자를 구비하는 배열 소자부를 포함하는 위상 배열 안테 나 시스템의 출력 전력 제어 방법에 있어서, 상기 위상 배열 안테나 시스템은 부스트 빔이 필요하지 않은 정상 상태에서의 복수개의 빔을 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 따라 각 빔의 EOC(Edge Of Coverage) 이득이 최대 화 되도록 상기 급전 소자를 선택하고, 선택된 상기 급전 소자에 요구되는 전력을 계산하는 빔 설계 단계; 상기 선택된 상기 급전 소자에 요구되는 전력을 기초로 상기 복수개의 MPA와 상기 복수개의 급전 소자의 연결을 최적 화하는 단계; 및 상기 부스트 빔이 필요한 부스트 상태에서 상기 복수개의 빔 중 상기 부스트 빔이 필요한 빔을 크기 최적화 기법(AO) 에 따라 설계하여, 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계; 를 포함한다.

상기 빔 설계 단계는 안테나의 형태를 분석하는 단계; 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)을 이용하여 분석된 안테 [0025]

나의 형태에 대응하는 각 빔의 EOC 이득이 최대가 되도록, 상기 복수개의 급전 소자 중 상기 복수개의 빔 각각 의 형성에 기여하는 급전 소자를 선택하는 단계; 상기 복수개의 빔 각각의 요구 전력을 계산하는 단계; 및 상기 복수개의 빔 각각에 대응하여 선택된 상기 급전 소자 각각에 요구되는 전력을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연결을 최적화하는 단계는 N개의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 구비하는 상기 복수개의 MPA 각각의 상기 [0026]

출력 포트들이 상기 복수개의 급전 소자들과 연결될 수 있는 모든 조합을 분석하는 단계; 상기 분석된 모든 조 합 중 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하는 조합을 획득하는 단계; 상기 획득된 조합의 상기 복수개의 MPA 각각의 출력 전력이 기설정된 전력 오차 이내인지 판별하는 단계; 및 상기 복 수개의 MPA 각각의 출력 전력이 상기 전력 오차 이내인 것으로 판별되는 조합을 선택하여 상기 복수개의 MPA 각 각의 상기 출력 포트들과 상기 복수개의 급전 소자들을 연결하는단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계는 상기 복수개의 빔 중 부스트해야 하는 빔 및 상기 부스트 해 [0027]

야하는 빔의 부스트 크기를 판별하는 단계; 상기 부스트 크기로 상기 빔을 부스트 하기 위해 대응하는 MPA에 요 구되는 부스트 MPA 전력을 계산하는 단계; 상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하는 지 판별하는 단계; 및 상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 초과하지 않으면, 크기 최적화 기법(AO)을 이용하여 상기 대응하는 MPA의 전력을 제어하여 빔을 부스트하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 MPA의 전력을 제어하여 빔을 부스트하는 단계는 상기 복수개의 빔의 패턴과 성능을 유지하기 위해 여기 계 [0028]

수는 변경하지 않는 것을 특징으로 한다.

상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계는 상기 빔을 부스트하는 단계 이후, 상기 부스트된 빔의 상기 [0029]

EOC 이득을 재계산하는 단계; 상기 부스트된 빔의 상기 EOC 이득이 요구 EOC 이득을 이상인지 판별하는 단계;

상기 부스트된 빔의 상기 EOC 이득이 요구 EOC 미만이면, 위상 최적화 기법(PO)을 추가로 적용하여 상기 MPA의 전력을 제어하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 제어하는 단계는 상기 계산된 부스트 MPA 전력이 기설정된 최대 MPA 전력을 [0030]

초과하는 것으로 판별되면, 획득된 조합 중 현재 선택된 조합과 다른 조합으로 복수개의 MPA의 출력포트와 상기 복수개의 급전 소자에 연결하는 단계; 및 상기 크기 최적화 기법(AO)에 따라 상기 복수개의 MPA의 출력 전력을 다시 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

따라서, 본 발명의 다중 빔 안테나 시스템 및 이의 출력 전력 제어 방법은 빔의 형태를 재구성하지 않고, 출력 [0031]

전력 레벨을 상승시킴으로써 특정 지역의 빔을 부스트할 수 있다. 즉 빔의 형태 재구성이 불필요하여 BFN 내 가변 위상 변위기와 가변 감쇄기의 개수를 줄일 수 있으므로, 시스템을 단순화시켜 구현이 용이하도록 하며, 개 발 비용을 절감할 수 있다. 또한 MPA의 개수가 하나의 빔 형성에 관여하는 급전 소자의 개수보다 크거나 같게 설정함으로써 MPA 출력 포트의 주파수 직교성을 얻을 수 있으며, MPA의 전력을 허용 오차 범위 내로 제한하여 급전 소자와 적절히 조합함으로써 자원의 효율적인 사용과 동시에 안테나 성능 최적화의 효과를 얻을 수 있다.

그러므로 비교적 낮은 출력 전력의 고출력 증폭기를 사용하여 성능저하와 자원 낭비 없이 부스트 빔을 형성할 수 있도록 한다.

도면의 간단한 설명

도1 은 종래의 위상 배열 안테나 시스템의 일예를 나타낸다.

[0032]

도2 는 크기 및 위상 최적화 기법과 위상 최적화 기법에 따른 빔 패턴과 EOC의 이득을 나타낸다.

도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 배열 안테나 시스템을 나타낸다.

도4 는 도3 의 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법의 일예를 나타낸다.

도5 는 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템을 이용한 빔 패턴과 EOC의 이득을 나타낸다.

도6 은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 복수개의 급전 소자 각각의 요구 전력을 나타낸다.

도7 은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 부스트 빔 형성을 위해 요구되는 MPA 전력을 나타낸다.

도8 은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 개별 빔의 EOC에서 최소 지향성을 나타낸다.

도9 는 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 개별 빔의 EOC에서 최소 EIRP를 나타낸다.

도10 은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 부스트 빔을 갖는 다중 빔의 EIRP 3차원 패턴의 일예를 나 타낸다.

도11 은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 부스트 빔을 갖는 다중 빔의 2차원 윤곽을 나타낸다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 [0033]

발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러 [0034]

나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재 임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다 [0035]

른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기 재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 배열 안테나 시스템을 나타낸다.

[0036]

도3 에 도시된 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템도 도2 의 위상 배열 안테나 시스템과 마찬가지로, [0037]

BFN(10), MPA부(20) 및 배열 소자부(30)를 포함한다.

본 발명의 위상 배열 안테나 시스템은 도1 과 달리 입력 신호 각각을 위한 BFN(100)을 별도로 두지 않고, 복수 [0038]

개의 입력 신호(B1 ~ BNb)를 인가받는 하나의 BFN(10)을 구비한다. 복수개의 입력 신호(B1 ~ B8)를 수신하여 빔을 형성하는 BFN(10)은 복수개의 분배기(11), 복수개의 가변 감쇄기(12), 복수개의 가변 위상 변위기(13) 및 복수개의 결합기(14)를 포함한다. 여기서 입력 신호(B1 ~ B8)는 신호가 빔으로 출력된 빔의 크기 및 위상 정보 가 포함되어 있다. 복수개의 분배기(11)는 위상 배열 안테나 시스템이 출력하고자 하는 빔의 개수(Nb)만큼 구 비되고, 각각 대응하는 입력 신호(B1 ~ B8)를 수신하여 대응하는 가변 감쇄기(12)로 분배한다. 이때 복수개의 분배기(11) 각각은 대응하는 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)에 대응하여 입력 신호를 분배한다.

즉 복수개의 분배기(11) 각각은 인가되는 입력 신호를 대응하는 급전 소자의 개수(Nc)만큼 1 : Nc 로 분배한다.

본 발명에서는 복수개의 빔 각각에 대해 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)가 7개인 것으로 가정한 다. 그리고 빔의 개수(Nb)는 8개인 것으로 가정하여 설명한다. 따라서 도3 에서 분배기(11)는 8개가 구비된다.

복수개의 가변 감쇄기(12)는 대응하는 분배기(110)에서 분배된 입력 신호를 수신하여 적정한 레벨의 전력을 갖 [0039]

도록 이득을 조절하며, 복수개의 분배기(11) 중 대응하는 분배기에 대해 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)로 구비된다. 분배기(11)의 개수가 빔의 개수에 대응하여 구비되므로, 복수개의 가변 감쇄기 (12)는 빔의 개수(Nb) * 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc)의 개수로 구비된다. 그리고 복 수개의 가변 위상 변위기(13)는 복수개의 가변 감쇄기(12)에 1:1 대응하여 구비되고, 복수개의 가변 감쇄기(12) 중 대응하는 가변 감쇄기(12)로부터 이득이 조절된 입력 신호를 수신하여, 수신된 입력 신호의 위상을 가변한다. 따라서 가변 위상 변위기(13) 또한 Nb * Nc 의 개수로 구비된다. 복수개의 결합기(14)는 복수개의 가변 위상 변위기(13) 중 대응하는 가변 위상 변위기로부터 위상이 조절된 입력 신호를 수신하여 결합하고, 결 합된 입력 신호를 MPA부(20)로 전달한다. 복수개의 결합기(14)는 급전 소자(31)의 개수(Ne)에 대응하여 구비되 며, 급전 소자(31)의 개수(Ne) 이하(도3 에서는 Ne-2개)로 구비될 수 있다. 복수개의 결합기(14)는 급전 소자 의 개수(Ne)와 동일한 개수로 구비될 수도 있으나, 도3 에 도시된 바와 같이, 위상 조절된 입력 신호 중 일부가 MPA부(20)로 바로 전송되도록 설정되는 경우에는 급전 소자(31)의 개수(Ne) 이하로 구비될 수 있다. 복수개의 결합기(14)는 각각은 복수개의 급전 소자(31) 하나의 빔을 형성하는데 기여할 수 있는 빔 개수(Nw) 만큼, 대응 하는 가변 위상 변위기(13)로부터 위상이 조절된 입력 신호를 수신하므로, Nw : 1로 결합하게 된다. 즉 복수개 의 결합기(14) 각각은 Nc개의 위상 조절된 입력 신호를 수신하여 결합한 후, 하나의 여기 신호를 출력한다.

상기한 바와 같이 본 발명에서 BFN(10)이 Nb * Nc 의 개의 가변 감쇄기(12) 및 가변 위상 변위기(13)만을 구비 [0040]

할 수 있는 것은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템이 통신 서비스 상태에 따라 빔을 재구성하지 않기 때 문이다. 상기한 종래의 위상 배열 안테나 시스템은 통신 서비스 상태에 따라 빔을 수시로 재구성하여야 하며, 이를 위해서는 입력 신호들이 다양한 조합의 급전 소자들(31) 전달될 수 있어야 한다. 즉 복수개의 입력 신호 에 대한 복수개의 급전 소자들(31) 각각의 조합이 모두 가능하도록 구성되어야 한다. 이에 도1 에 도시된 종래 의 위상 배열 안테나 시스템은 가변 위상 변위기가 Nb * Ne(Nb개의 BFN 각각에 NE개가 필요)개로 필요하였다.

만일 급전 소자(31)의 개수가 32개이고 빔으로 출력되어야 할 입력 신호의 개수가 8개이면, 도2 의 위상 배열 안테나 시스템은 8 * 32= 256개의 가변 위상 변위기가 필요한 반면, 본 발명의 위상 배열 안테나 시스템은 7개 의 급전 소자(31)가 1개의 빔을 형성한다고 가정하였으므로, 8 * 7 = 64 개의 가변 위상 변위기만이 필요하므로 가변 위상 변위기의 개수를 크게 줄일 수 있다. 비록 도2 의 위상 배열 안테나 시스템은 위상 최적화 기법(P O)을 이용하므로, 가변 감쇄기를 사용하지 않지만, 크기 및 위상 최적화 기법(A&P) 또는 크기 최적화 기법(AO) 를 이용하는 위상 배열 안테나 시스템인 경우에 필요로 하는 가변 감쇄기의 개수 또한 가변 위상 변위기와 마찬 가지이므로, 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템은 가변 감쇄기(12)의 개수 또한 크게 줄일 수 있게 된다.

더불어 본 발명의 복수개의 분배기(11) 각각은 입력 신호에 대응하는 급전 소자들(31)의 개수가 고정되므로, 1 [0041]

개의 입력포트와 Nc개(도3 에서는 7개)의 출력포트만을 구비하여도 무방하며, 유사하게 복수개의 결합기(14) 각 각은 Nc개의 입력 포트와 1개의 출력 포트만을 구비하면 된다. 이는 입력 신호와 급전 소자들의 다양한 조합이 가능하도록 종래의 위상 배열 안테나 시스템에서 분배기가 Ne개(도3 의 경우 32개)의 출력 포트를 구비하고, 결 합기가 Ne개의 입력 포트를 구비해야 하는데 비해 포트의 개수를 크게 줄일 수 있게 됨에 따라 분배기(11) 및 결합기(14)를 용이하게 구현할 수 있도록 한다.

그리고 도3 의 위상 배열 안테나 시스템은 하나의 MPA를 구비하는 도1 의 위상 배열 안테나 시스템과 달리 복수 [0042]

개의 MPA(21)를 포함하는 MPA부(20)는 구비하고, 복수개의 MPA(21) 각각은 복수개의 결합기(14)에서 결합된 입 력 신호들 중 대응하는 입력 신호를 수신하여 출력 전력을 제어하여 배열 소자부(30)의 복수개의 급전 소자(31) 중 대응하는 급전 소자를 여기시킨다. 복수개의 MPA 각각은 N개의 입력 포트와 N개의 출력포트를 구비하는 N

× N MPA(21)로 구성된다. 본 발명에서는 복수개의 MPA(21) 각각의 입력 포트 및 출력 포트의 개수가 4개 인 것으로 가정한다. MPA부(20)의 복수개의 MPA(21)의 개수는 급전 소자(31)의 개수와 MPA(21)의 출력 포트의 개 수에 따라 결정된다. 도3 에서는 급전 소자(31)가 32개이고, MPA(21)의 출력 포트의 개수가 4개이므로 MPA부 (30)는 31 / 4 = 8 개로 구비되었다.

배열 소자부(30)는 복수개의 급전 소자(31)를 구비하고, MPA부(20)의 복수개의 MPA(21) 중 대응하는 MPA로부터 [0043]

인가되는 출력 전력에 따라 여기됨으로써 빔을 방사한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 위상 배열 안테나 시스템은 하나의 BFN(10)이 복수개의 입력 신호(B1 ~ BNb)를 각 [0044]

각 Nc개로 분배하고, 분배된 입력 신호의 크기 및 위상을 조절한 여기 신호를 입력 신호와 별개로 Nw개씩 결합 하여 MPA부(20)로 전송한다. 그리고 MPA부(20)는 급전 소자(31)의 개수(Ne) 및 출력 포트수에 대응하는 복수개 의 MPA(21)를 구비하여, 여기 신호를 수신하여 통신량에 따라 증폭하여 대응하는 급전 소자를 여기시킨다.

도4 는 도3 의 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법의 일예를 나타낸다.

[0045]

도3 을 참조하여 도4 의 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법을 설명하면, 출력 전력 제어 방법은 [0046]

크게 3단계로 구성된다. 제1 단계(S100)는 부스트 빔(Boost beam)이 필요하지 않은 정상 상태를 위한 다중 빔 을 설계하는 단계이고, 제2 단계(S200)는 제1 단계에서 설계된 다중 빔을 기초로 복수개의 MPA(21)와 복수개의 급전 소자(31)의 연결을 최적화하는 단계이며, 제3 단계는 통신량이 급증하거나 강우에 의한 신호 감쇄가 커지 는 특정 지역이 발생한 경우 빔의 출력을 강화한 부스트 빔을 설계하는 단계(S300)이다.

정상 상태를 위한 다중 빔을 설계하는 제1 단계(S100)는 우선 안테나를 구성한다 (S110). 안테나는 하드웨어 [0047]

구성으로 추후 조절이 어려우므로 미리 형태가 결정되어야 한다. 그리고 안테나가 구성되면, 결정된 안테나 형 태에 따라 복수개의 급전 소자(31)의 여기 신호와 위상을 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)을 이용하여 각 빔의 EOC 이득을 최적화한다(S120). 각 빔의 EOC 이득을 최적화 과정에서 빔 형성에 기여하는 급전 소자(31)가 선택 되고, 개별 급전 소자에 요구되는 전력이 결정된다.

그리고 개별 급전 소자에 요구되는 전력을 결정하기 위해서는 먼저 복수개의 빔 각각의 요구 전력(Pbeam)을 우선 [0048]

계산해야 한다. 빔 요구 전력(Pbeam)은 요구 EIRP (effective isotropically radiated power)와 최적화에 의

한 안테나 EOC 이득(GEOC)에 의해 수학식 1과 같이 계산된다.

수학식 1 [0049]

개별 급전 소자에 요구되는 전력은 MPA에 포함된 고출력 증폭기의 출력 전력(PHPA)이고, 이는 하나의 빔을 형성 [0050]

하기 위한 급전 소자 클러스터(Cluster) 내 급전 소자 각각의 여기 신호 크기(Aexi)와 각 빔의 요구 전력(Pbeam) 으로 수학식 2와 같이 계산된다. 이때 고출력 증폭기와 각 빔의 요구 전력 단위는 W 이다.

수학식 2

[0051]

정상 상태에서의 빔 설계가 완료되면, 복수개의 MPA(21)와 복수개의 급전 소자(31)의 연결을 최적화 단계인 제2 [0052]

단계(S200)로서 우선 구현 가능한 MPA 조합을 분석한다(S210). 그리고 분석된 MPA 조합 각각에 대해 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하는지 판별한다(S220). 즉 하나의 빔을 형성하기 위해 선택되는 급전 소자들이 각각이 MPA부(20)의 복수개의 MPA(21) 중 서로 다른 MPA와 연결되어야 한다. 이는 여 기 계수 최적화의 설계 자유도를 높여 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)을 적용할 수 있도록 하며, 안테나 이득을 최적화 할 수 있도록 한다.

그리고 만일 출력 포트의 주파수가 서로 직교하는 것으로 판별되면, 개별 MPA의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전 [0053]

력 오차(Pdev) 이내인지 판별한다(S230). N × N MPA의 출력 전력은 MPA에 포함된 N개의 고출력 증폭기의 합과 같다. 따라서 개별 MPA의 전력이 유사하다면, MPA 내의 고출력 증폭기는 PMPA/N (W)로 동일하게 설정 가능하여 전력 효율과 DC 전력 소모를 효과적으로 운용할 수 있도록 한다.

판별 결과 개별 MPA의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전력 오차(Pdev) 이내인 것으로 판별되는 MPA 조합이 존재하면 [0054]

해당 MPA 조합을 복수개의 MPA(21)와 복수개의 급전 소자(31)의 연결이 최적화된 조합으로 판단하여 선택한다 (S240).

복수개의 MPA(21)와 복수개의 급전 소자(31)의 연결을 최적화 단계인 제2 단계(S200)의 각 단계를 상세하게 설 [0055]

정하면, 구현 가능한 MPA 조합을 분석하는 단계(S210)은 MPA의 조합을 위해 MPA를 매트릭스(Matrix) 형태로 표 현한다. m번째 MPA인 MPA(m)를 매트릭스 형태로 표현하면, 매트릭스의 크기는 N × (Nw+2) 로 표현될 수 있다.

여기서 매트릭스의 각 행은 MPA의 출력 포트에 대응한다. 그리고 매트릭스의 첫번째 열은 MPA의 출력 포트와 연결될 급전 소자에 대응하여 소자 번호(E1 ~ ENe)로 표시될 수 있다. MPA는 N개의 출력 포트를 구비하므로 MPA 의 매트릭스에 포함되는 급전 소자에 대응하는 소자 번호는 소자 번호(E1 ~ ENe) 중 N개로 선택되어 매트릭스의 1열에 기입된다. MPA 의 매트릭스가 Ne 개의 급전 소자 중 N개를 선택하여 출력 포트가 연결되어야 하므로, MPA 매트릭스의 조합의 개수는 NeCN 개로 계산될 수 있다.

그리고 MPA 매트릭스의 2열부터 (Nw+2)열은 급전 소자의 특성을 나타내며, 2열부터 (Nw+1)열은 선택된 급전 소 [0056]

자가 관여하는 주파수를 나타내고, (Nw+2)열은 선택된 급전 소자의 요구 전력을 나타낸다. 급전 소자가 관여하 는 주파수와 요구 전력은 다중 빔을 설계하는 제1 단계에서 미리 계산된다. 선택된 급전 소자가 관여하는 주파 수는 2열부터 (Nw+1)열까지 F1 ~ FNb 로 표시한다. 여기서, 급전 소자가 관여하는 빔의 개수는 하나의 소자가 기 여할 수 있는 빔의 개수(Nw) 보다 같거나 작다. 그리고 (Nw+2) 열은 수학식 2로 계산되는 개별 급전 소자의 요 구 전력(W)을 나타낸다.

도3 에 도시된 MPA부(20)의 복수개의 MPA(21)에 대한 매트릭스의 일예를 수학식 3으로 표시하였다.

[0057]

수학식 3

[0058]

도3 에서 4 × 4 MPA는 4 개의 배열 소자와 연결되므로, MPA 매트릭스의 가능한 조합 개수는 32개 급전 소자 중 [0059]

4 개를 중복 없이 임의로 선택하는 조합과 같다. 그 경우의 수는 32C4로 35,960 개이다.

구현 가능한 MPA가 매트릭스 형태로 표현되면, 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직 [0060]

교하는지 판별하는 단계(S220)는 복수개의 MPA 각각의 매트릭스 내에 중복되는 주파수가 없는지 중복성을 검사 하여 수행될 수 있다. 즉 수학식 3의 매트릭스의 2 열 ~ 4열에서 동일한 주파수가 있는지 확인한다. 수학식 3 에서는 2개 주파수 (F3, F6)가 중복되어 포트 간 주파수 직교성이 성립하지 않는다.

수학식 4 의 MPA 매트릭스는 주파수 직교성을 갖는 MPA 출력 포트와 급전 소자의 연결의 일예를 나타낸다.

[0061]

수학식 4

[0062]

그리고 상기한 32C4로 35,960 개의 MPA 매트릭스 중 주파수 직교성을 갖는 MPA 매트릭스의 개수는 4,617개이다.

[0063]

이때 5 열은 상기한 바와 같이 개별 급전 소자의 요구 전력 (PHPA)이고 이들의 합 19.93 W (= 0.58 + 7.78 + 6.73 + 0.91)가 MPA 전력 (PMPA)이다.

MPA(m) 내에 중복되는 주파수가 없다면, MPA(m)은 주파수 직교성을 갖는 것으로 판별할 수 있다. 여기서 급전 [0064]

소자가 관여하는 빔의 개수가 Nw보다 작으므로, 경우에 따라서는 대응하는 주파수가 없는 경우가 있다. 이렇게 해당 주파수가 없는 경우는 F0로 표시하고, 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하 는지 판별하는 단계(S220)의 중복성 검사에서 제외한다.

개별 MPA의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전력 오차(Pdev) 이내인지 판별하는 단계(S230)에서는 MPA의 전력(PMPA)이 [0065]

Ptot/Ne × N 이라면, 모든 MPA의 전력이 동일하고, MPA 내 고출력 증폭기의 전력 또한 동일하게 요구되어 전력 효율 및 DC 전력 소모가 최적화될 수 있는 것으로 판단한다. 즉 개별 MPA의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전력 오차(Pdev) 이내인지 판별한다. 여기서 Ptot는 개별 소자 전력의 총 합이다. 기설정된 범위의 전력 오차(Pdev, 예를 들면 2%)를 허용하여 수학식 5을 만족하는 MPA를 판별한다.

수학식 5

[0066]

만일 도3 의 위상 배열 안테나 시스템의 개별 MPA의평균 전력이 21.5 W (= Ptot / Ne × N)인경우, 2 % 오차 범 [0067]

위(Pdev) 에 대해 수학식 5를 만족하는 MPA는 214 개이다.

이에 복수개의 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립적으로 직교하는지 판별하는 단계(S220) 및 개별 MPA [0068]

의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전력 오차(Pdev)이내인지 판별하는 단계(S230)를 만족하는 MPA 조합을 선택한다 (S240). 즉 매트릭스 형태로 표현되는 NeCN 개의 MPA 조합 중에서 MPA 각각의 출력 포트의 주파수가 서로 독립 적으로 직교하고, 개별 MPA의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전력 오차(Pdev) 이내인 MPA의 매트릭스를 선택함으로 서, 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 의한 최적화를 만족하는 MPA를 도출할 수 있다. 이때 선택되는 MPA의 요 구 개수(NMPA)는 주파수 직교성을 위해 하나의 빔을 형성하는데 필요한 급전 소자의 개수(Nc, 도3 에서는 7개)보 다 크거나 같아야 하고, MPA부(20)를 구성하기 위해 Ne/N(도3 에서는 8) 보다 크거나 같아야 한다. 이에 도3 에서는 MPA부(20)가 최소의 MPA 개수로서 Ne/N 와 같은 8개의 MPA(21)를 구비한다. 더불어 MPA부(20) 내의 복 수개의 MPA(21)들은 서로 급전 소자가 중복되지 않도록 구성되어야 한다. 상기한 조건을 만족하고 32개의 출력 포트가 32개의 배열 소자와 중복 없이 연결되는 8개의 MPA를 갖는 MPA 조합의 경우의 수는 3가지로 계산된다.

즉 본 발명의 위상 배열 안테나 시스템은 3가지 MPA 조합 중 하나를 선택하여 구성될 수 있다. 여기서 MPA 조 합의 개수는 기설정되는 전력 오차(Pdev)에 따라 달라질 수 있다.

도5 는 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템을 이용한 빔 패턴과 EOC의 이득을 나타내고, 도6 은 본 발명에 [0069]

따른 위상 배열 안테나 시스템의 복수개의 급전 소자 각각의 요구 전력을 나타낸다.

도5 및 도6 은 도3 의 위상 배열 안테나 시스템에 대한 빔 패턴과 EOC의 이득과 급전 소자 각각의 요구 전력을 [0070]

도시하였다.

도5 에 도시된 바와 같이 다중 빔 서비스 영역은 8 개의 빔 (Nb = 8)으로 구성되며, 정상 상태일 때 개별 빔의 [0071]

요구 EIRP는 59 dBW이고 4 × 4 MPA (N = 4)를 사용한다고 가정하였다. Ka 대역에서 동작하는 안테나 형상은 2.8m 반사판 안테나와 32개의 급전 소자 (Ne = 32)로 구성하여 설계되었다. 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)에 의해 설계된 다중 빔은 빔 형성에 6~7개의 소자가 관여하고 (Nc = 6~7), 총 전력(Ptot)은 172 W 이다.

크기 및 위상 최적화 기법(A&P)을 수행하였기 때문에 개별 소자의 전력 범위가 크고, 이는 시스템의 효율을 저 [0072]

하시키고 구현 비용을 증가시키는 요인이 된다. 여기에 MPA를 사용하면 여기 계수를 재조합 할 수 있다.

다시 도4 의 위상 배열 안테나 시스템의 출력 전력 제어 방법을 설명하면,부스트 빔을 설계하는 단계(S300)는 [0073]

끊김없는 통신 서비스를 제공하기 위해 각각의 빔을 어느 정도 부스트 시켜야 하는지를 나타내는 빔 별 부스트 크기(level)를 입력받아 입력된 부스트 크기가 0(dB)을 초과하는지 판별한다(S310). 그리고 부스트 크기가 0 이상이면, 부스트 크기가 0을 초과하는 빔 번호를 식별한다(S315). 여기서는 일예로 부스트 크기가 3 dB이고 부스트될 빔 번호가 6번인 것으로 가정한다. 그리고 특정 지역 빔을 입력된 부스트 크기로 부스트 시키기 위해 요구되는 개별 MPA의 부스트 MPA 전력을 계산한다(S320). 그 지역 빔을 형성하는 급전 소자의 요구 전력을 증 가시켜야 하고, 이는 MPA 전력에 영향을 미친다. 따라서 빔을 부스트 하기 위해서는 먼저 부스트 MPA 전력을 계산한다. 그리고 부스트 MPA 전력이 계산되면, 계산된 부스트 MPA 전력이 최대 MPA 전력을 초과하는지 판별한 다(S325). MPA 전력의 증가는 MPA 내의 고출력 증폭기의 출력 전력을 증가시켜야 가능하다. 그러나 높은 출력 전력을 갖는 고출력 증폭기는 개발 비용과 DC 전력 소모가 증가된다. 또한 고출력 증폭기의 출력 전력을 증가 시키면, 부스트 빔이 필요없는 정상 상태에서 고출력 증폭기의 성능을 100% 활용하지 못하는 결과를 초래한다.

이를 방지하기 위해 고출력 증폭기의 최대 전력을 정상 상태 요구 전력으로 결정하여 최대 MPA 출력 전력을 제 한하는 경우가 빈번하다. 만일 부스트 MPA 전력이 최대 MPA 전력을 초과한다면, 빔을 부스트 할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.

그러므로 부스트 빔 형성을 위해 요구되는 개별 MPA의 요구 전력이 최대 MPA 전력을 초과하지 않아야 한다. 그 [0074]

러나, 부스트 MPA 전력이 최대 MPA 전력을 초과하지 않는다면, MPA의 고중력 증폭기의 출력 전력을 증가 시킬 수 있으므로, 여기 신호의 크기 최적화 기법(AO)을 이용하여 빔을 부스트한다(S330). 이때 다중 빔의 패턴과 성능을 유지하기 위해 여기 계수는 변경하지 않고 고정한다.

정상 상태의 총 전력(Ptot)과 부스트 빔이 있는 경우의 총 전력(Pboost)의 비는 전력 사용 효율(Peff, %)로 수학식 [0075]

6과 같이 계산될 수 있다.

수학식 6

[0076]

여기 신호의 크기 최적화 기법(AO)을 이용하여 빔을 부스트하면, MPA의사용 전력이 최대 MPA 전력에 근접하게 [0077]

되어 전력 사용 효율이 증가된다.

그러나 크기 최적화 기법(AO)에 의해 변경된 여기 신호의 크기는 안테나 패턴과 이득 성능을 저하 시킬 수 [0078]

있다. 이에 EOC 이득을 재계산하여 요구 이득을 만족하는지 판별한다(335). 만일 EOC 이득을 만족하면, 크기 최적화 기법(AO)만을 적용한다. 그러나 만일 EOC 이득을 만족하지 못하면, 위상 최적화 기법(PO)을 적용하여 EOC 이득을 높이도록 한다(S340). 이후 빔의 부스트 크기가 입력된 부스트 크기, 즉 요구 부스트의 크기 이상 인지 판별한다(S345). 만일 빔의 부스트 크기가 요구 부스트 크기 이상이면, 위상 배열 안테나 시스템은 부스 트 빔을 출력한다(S350).

그러나 부스트 크기가 요구 부스트 크기 미만이면, 현재 선택된 MPA 조합으로는 요구 부스트 크기를 제공할 수 [0079]

없으므로, MPA 조합을 재선택한다(S355). 이때 재선택되는 MPA 조합은 포트별 주파수가 직교하고, 개별 MPA의 출력 전력(PMPA)이 기설정된 전력 오차(Pdev) 이내로 판별된(S230) MPA 이다. 그리고 재선택된 MPA를 이용하여 다시 부스트 빔 설계 단계(S300)을 수행하여 부스트 빔을 출력할 수 있도록 한다.

결과적으로, 도7 에서 Boosted, w/ full power capability 로 나타난 바와 같이 최대 MPA 전력을 거의 모두 활 [0080]

용할 수 있도록 한다.

비록 도시하지 않았으나, 선택 가능한 모든 MPA에 대해 부스트 빔 설계 단계(S300)를 수행하여도 요구하는 수준 [0081]

의 부스트 빔을 제공할 수 없는 경우가 발생하는 경우, 전력 오차(Pdev)를 증가시켜 MPA 조합을 새로이 획득한 후 부스트 빔 설계 단계(S300)를 다시 수행할 수도 있다.

즉 본 발명은 위상 배열 안테나 시스템이 서비스 초기에 크기 및 위상 최적화 기법(A&P)를 수행하고, 이후 부스 [0082]

트 빔이 필요한 경우에는 크기 최적화 기법(AO)만을 이용하거나, 크기 최적화 기법(AO)과 위상 최적화 기법을 활용하여 부스트 빔을 제공할 수 있도록 한다. 이는 빔의 형태를 재구성하지 않고 빔을 부스트 할 수 있도록 함으로서 위상 배열 안테나 시스템의 구성을 간단하게 할 뿐만 아니라 자원 효율을 높일 수 있도록 한다.

기존 기술들은 여전히 고출력 증폭기 문제를 갖고 있어, 크기 및 위상 최적화 기법(A&P) 보다는 위상 최적화 기 [0083]

법(A&P)을 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 도3 에 도시된 바와 같이 MPA 개수가 Ne/N 보다 크거나 같고, Nc보다도 크거나 같은 8 개로 함으로서, 기존 기술에 비해 여기 계수 설계에 대한 자유도가 높아졌기 때문에 모 든 최적화 기법(A&P, AO, PO)을 적용할 수 있다.

도7 은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 부스트 빔 형성을 위해 요구되는 MPA 전력을 나타낸다.

[0084]

도7 에서 Noraml case 는 정상 상태에서 요구되는 개별 MPA의 요구 전력을 나타내고, Boosted, w/ oversize [0085]

MPA는 부스트 빔 형성을 위해 요구되는 개별 MPA의 요구 전력이 최대 MPA 전력을 초과하는 경우를 나타낸다.

그리고 Boosted, w/ MPA bleow power limit 은 부스트 빔 형성을 위해 요구되는 개별 MPA의 요구 전력이 최대 MPA 전력을 초과하지 않는 경우를 나타낸다.

도7 의 Boosted, w/ MPA bleow power limit 와 같이 만일 부스트 MPA 전력이 최대 MPA 전력을 초과하지 않는다 [0086]

면, 전력 한계 조건을 만족하는 MPA는 EIRP 성능을 악화시켜 aEIRP(aggregated EIRP) 손실이 발생한다. 상기한 가정에서 정상 상태에서의 위상 배열 안테나 시스템의 aEIRP는 68 dBW( = 59 dBW + 10 * log10(Nb))이고, 부스 트 빔의 경우 4.8 dB의 aEIRP 손실이 발생해야 전력 한계를 초과하지 않는 MPA 구현이 가능하다. 다중 빔의 패 턴과 이득 성능을 유지하기 위해 여기 계수는 변화시키지 않았기 때문에 aEIRP 손실 는 수학식 6의 전력 효율을 감소시킨다. 4.8 dB aEIRP 손실은 85%의 전력 사용 효율을 초래한다. 즉, 15%의 전력이 낭비되는 것이다.

자원 낭비를 막으면서 빔 패턴과 이득 성능 열화를 최소화하기 위해 본 발명은 여기 신호의 크기 최적화(AO)를 수행한다. 이에 따라 전력 효율을 100 %까지 설계 가능하며 그 결과는 도7 에 도시된 갈색 막대 그래프 (Boosted, w/ full power capability)와 같다.

여기 신호 크기의 변화로 열화된 안테나 이득 성능은 여기 신호의 위상만 최적화 (PO)를 통해 개선하였으며 전 [0087]

력 효율은 최적 상태를 유지하도록 할 수 있다.

도8a 내지 도8d 는 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 시스템의 빔 부스트 성능을 나타내는 시뮬레이션 결과를 [0088]

나타낸다.

도8a 는 개별 빔의 EOC에서 최소 지향성을 나타내고, 도8b 는 개별 빔의 EOC에서 최소 EIRP를 나타낸다. 그리 [0089]

고 도8c 및 도8d 는 각각 시스템의 부스트 빔을 갖는 다중 빔의 EIRP 3차원 패턴 및 부스트 빔을 갖는 다중 빔 의 2차원 윤곽을 나타낸다.

도8c 및 도8d 에 도시된 바와 같이 6번 지역 빔의 EIRP가 62 dBW로 3 dB 부스트 되었음이 검증되었다.

[0090]

본 발명은 MPA 출력 포트와 배열 소자의 최적 연결을 통해 여기 계수 설계의 자유도를 높이고, 이를 통해 크기 [0091]

및 위상 최적화 기법(A&P), 크기 최적화 기법(AO) 및 위상 최적화 기법(PO) 의 단계적인 최적화를 수행할 수 있 다. 그 결과 본 발명에 따른 출력 전력을 제어할 수 있는 위상 배열 안테나 시스템은 일 예로 정상 상태일 때 59 dBW의 EIRP와 68 dBW의 aEIRP를 가지며, 3dB 부스트가 필요한 경우, 6 번 지역 빔의 ERIP는 62 dBW, 타 지 역은 57.8 dBW이상의 EIRP 특성을 가지도록 하여 aEIRP는 67.9 dBW가 되도록 할 수 있다. 즉 단지 0.1 dB의 aEIRP 손실만 가지면서도 100 % 전력 사용 효율 특성으로 자원의 낭비 없이 시스템을 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능 [0092]

하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종 류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또 한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽 을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 [0093]

지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

[0094]

도면 도면1

도면2

도면3

도면4

도면5

도면6

도면7

도면8a

도면8b

도면8c

도면8d