최근 단말기뿐만 아니라 스마트 워치, 스마트 글래스, 웨어러블 기기, 태블릿 PC등 많은 통신기기들이 증가함에 따라 지금의 4세대 통신 기술보다 한 단계 높은 5세대 통신기술이 필요하다. 이에 따라 ...
최근 단말기뿐만 아니라 스마트 워치, 스마트 글래스, 웨어러블 기기, 태블릿 PC등 많은 통신기기들이 증가함에 따라 지금의 4세대 통신 기술보다 한 단계 높은 5세대 통신기술이 필요하다. 이에 따라 5G 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 5G기술 중에 밀리미터 기술과 3D 빔 형성기술의 융합을 통하여 밀리미터파 대역에서 동작할 수 있는 기지국 안테나가 개발 되어야 한다. 본 논문에서는 적층형구조가 적용된 5G 기지국용 3D 빔 형성 배열 안테나에 관한 연구를 담고 있다. 기존에는 3D 빔 형성을 위해 Phase shifter를 사용하여 단가가 높아지게 된다. 그리고 높은 이득을 위한 배열 구조의 방사 소자로 인해 물리적인 크기가 커지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 마이크로스트립 선로를 사용하여 버틀러 매트릭스(Butler matrix)와 전력 분배기(Power divider) 그리고 개구 결합 급전(Aperture coupled feed)방식을 사용하여 phase shifter를 대체하여 추가적인 소자 없이 원가를 절감 시키고, 적층형 구조를 제안하여 안테나의 소형화를 구현하였다. 5G 기지국 시스템에 적용하기 위하여 4 states로 구분하여 동작하는 안테나의 섹터, 빔폭, 그리고 3D 빔 형성 각에 대한 연구를 진행하였다. 제안된 안테나는 위상 지연기(Phase shifter) 없이 4×4 배열 소자, 버틀러 매트릭스(Butler matrix)와 전력 분배기(Power divider) 그리고 개구 결합 급전(Aperture coupled feed)방식을 이용하여 3D 빔 형성 시스템에 대해 연구 하였다. 최종적으로 제안된 안테나의 경우 접지면을 포함한 총 크기는 36.8 × 65.5 × 0.705mm3 이다. 상층부에는 방사 소자가 있고, 하층부에서는 급전 라인이 있다. 상층부와 하층부 사이에는 접지면과 개구 급전 결합을 위한 슬랏이 있다. 제안된 안테나는 27.875 ~ 28.125GHz(250MHz)에서 동작한다. 안테나의 이득은 동작 주파수 내에서 12dBi 이상을 만족하였고, 4개의 state는 horizontal 방향으로 -20° ~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20° ~ 20°를 만족하였다. 각각의 state의 horizontal, vertical 반전력 빔폭은 22°, 21°이다. 이러한 성능을 통해 앞으로 표준화가 될 5세대 통신을 지원하는 기지국 안테나를 설계하였다.
최근 단말기뿐만 아니라 스마트 워치, 스마트 글래스, 웨어러블 기기, 태블릿 PC등 많은 통신기기들이 증가함에 따라 지금의 4세대 통신 기술보다 한 단계 높은 5세대 통신기술이 필요하다. 이에 따라 5G 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 5G기술 중에 밀리미터 기술과 3D 빔 형성기술의 융합을 통하여 밀리미터파 대역에서 동작할 수 있는 기지국 안테나가 개발 되어야 한다. 본 논문에서는 적층형구조가 적용된 5G 기지국용 3D 빔 형성 배열 안테나에 관한 연구를 담고 있다. 기존에는 3D 빔 형성을 위해 Phase shifter를 사용하여 단가가 높아지게 된다. 그리고 높은 이득을 위한 배열 구조의 방사 소자로 인해 물리적인 크기가 커지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 마이크로스트립 선로를 사용하여 버틀러 매트릭스(Butler matrix)와 전력 분배기(Power divider) 그리고 개구 결합 급전(Aperture coupled feed)방식을 사용하여 phase shifter를 대체하여 추가적인 소자 없이 원가를 절감 시키고, 적층형 구조를 제안하여 안테나의 소형화를 구현하였다. 5G 기지국 시스템에 적용하기 위하여 4 states로 구분하여 동작하는 안테나의 섹터, 빔폭, 그리고 3D 빔 형성 각에 대한 연구를 진행하였다. 제안된 안테나는 위상 지연기(Phase shifter) 없이 4×4 배열 소자, 버틀러 매트릭스(Butler matrix)와 전력 분배기(Power divider) 그리고 개구 결합 급전(Aperture coupled feed)방식을 이용하여 3D 빔 형성 시스템에 대해 연구 하였다. 최종적으로 제안된 안테나의 경우 접지면을 포함한 총 크기는 36.8 × 65.5 × 0.705mm3 이다. 상층부에는 방사 소자가 있고, 하층부에서는 급전 라인이 있다. 상층부와 하층부 사이에는 접지면과 개구 급전 결합을 위한 슬랏이 있다. 제안된 안테나는 27.875 ~ 28.125GHz(250MHz)에서 동작한다. 안테나의 이득은 동작 주파수 내에서 12dBi 이상을 만족하였고, 4개의 state는 horizontal 방향으로 -20° ~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20° ~ 20°를 만족하였다. 각각의 state의 horizontal, vertical 반전력 빔폭은 22°, 21°이다. 이러한 성능을 통해 앞으로 표준화가 될 5세대 통신을 지원하는 기지국 안테나를 설계하였다.
Increasing the capacity of communication service systems, such as mobile phone, smart watch, smart glass, wearable device, and tablet PC, requires the 5G communication technology beyond the 4G recently. The 5G base station antenna, which can be operated at millimeter-wave band, is therefore required...
Increasing the capacity of communication service systems, such as mobile phone, smart watch, smart glass, wearable device, and tablet PC, requires the 5G communication technology beyond the 4G recently. The 5G base station antenna, which can be operated at millimeter-wave band, is therefore required by developing through the convergence of millimeter-wave technology and the 3D beamforming technology. In this thesis, The stacked structure of a 3D beamforming array antenna for the 5G base station has been studied. The 3D beamforming with a conventional array antenna has been achieved by using the phase shifts, so that it has the disadvantages of the cost and PCB volume for each element. A base station antenna is supposed to have high gain with array elements, so that it result in the larger volume to design the entire array antenna structure. The proposed antenna is designed with the Butler matrix, power divider, and aperture coupled feed in the stacked structure without the phase shifters, so that it can reduce the cost, additional components, and antenna size. To apply the proposed array antenna on the 5G base station system, it has been studied for the sector, beamwidth, and 3D beamforming angle with 4 operating states. The proposed antenna consists of the 4 × 4 array elements, Butler matrix, power divider, and aperture coupled feed for the 3D beamforming system without the phase shifters. The antenna dimension is 36.8 × 65.5 × 0.705 mm3 including the ground plane. The radiating elements are designed on the top layer, and the feeding structure is placed on the bottom layer. The ground plane with slots for the aperture coupled feed structure is mounted between the top and bottom layer. The proposed antenna is operated at 27.875 ~ 28.125GHz (250MHz), and its gain is higher than 12dBi for the entire operating frequency band. It has the 4 states with Butler matrix, and its targeting sector is horizontally -20° ~ 20° and vertically -20° ~ 20°. The each states achieves 22° and 21°of HPBW in horizontal and vertical directions, respectively. 3D beamforming antenna in the millimeter-wave band in this thesis can be applied for the 5G communication systems.
Increasing the capacity of communication service systems, such as mobile phone, smart watch, smart glass, wearable device, and tablet PC, requires the 5G communication technology beyond the 4G recently. The 5G base station antenna, which can be operated at millimeter-wave band, is therefore required by developing through the convergence of millimeter-wave technology and the 3D beamforming technology. In this thesis, The stacked structure of a 3D beamforming array antenna for the 5G base station has been studied. The 3D beamforming with a conventional array antenna has been achieved by using the phase shifts, so that it has the disadvantages of the cost and PCB volume for each element. A base station antenna is supposed to have high gain with array elements, so that it result in the larger volume to design the entire array antenna structure. The proposed antenna is designed with the Butler matrix, power divider, and aperture coupled feed in the stacked structure without the phase shifters, so that it can reduce the cost, additional components, and antenna size. To apply the proposed array antenna on the 5G base station system, it has been studied for the sector, beamwidth, and 3D beamforming angle with 4 operating states. The proposed antenna consists of the 4 × 4 array elements, Butler matrix, power divider, and aperture coupled feed for the 3D beamforming system without the phase shifters. The antenna dimension is 36.8 × 65.5 × 0.705 mm3 including the ground plane. The radiating elements are designed on the top layer, and the feeding structure is placed on the bottom layer. The ground plane with slots for the aperture coupled feed structure is mounted between the top and bottom layer. The proposed antenna is operated at 27.875 ~ 28.125GHz (250MHz), and its gain is higher than 12dBi for the entire operating frequency band. It has the 4 states with Butler matrix, and its targeting sector is horizontally -20° ~ 20° and vertically -20° ~ 20°. The each states achieves 22° and 21°of HPBW in horizontal and vertical directions, respectively. 3D beamforming antenna in the millimeter-wave band in this thesis can be applied for the 5G communication systems.
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