60 GHz 초고속 근접통신을 위한 광대역 밀리미터파 안테나 설계에 관한 연구 Study on broadband millimeter-wave antenna design for high rate close proximity communications at 60 GHz원문보기
본 논문은 60 GHz 초고속 근접통신을 위한 광대역밀리미터파 안테나 설계에 관한 연구를 담고 있다. 최근 60 GHz 주파수 대역의 밀리미터파 기술은 주파수 재사용, 소형화, 기가급 초고속 통신 등의 이점이 있어 주목을 받고 있다. 특히, ...
본 논문은 60 GHz 초고속 근접통신을 위한 광대역밀리미터파 안테나 설계에 관한 연구를 담고 있다. 최근 60 GHz 주파수 대역의 밀리미터파 기술은 주파수 재사용, 소형화, 기가급 초고속 통신 등의 이점이 있어 주목을 받고 있다. 특히, 5G 기술 중 하나인 초고속 근접 모바일 서비스의 IEEE 802.15.3e 초고속 근접통신(High Rate Close Proximity, HRCP) 기술 연구가 대두되고 있다. HRCP 시스템은 초고속 데이터 전송, 빠른 연결, 직관적인 사용자 인터페이스를 통해 대용량의 데이터를 순간 전송 할 수 있다. 초고속 근접통신 기술은 10 cm 이내의 거리에서 전원을 가지고 있는 대용량 미디어 기기에서 무선 전원 공급을 하면서 기가급의 데이터 순간 전송이 가능하며, 특히 100 mW 이하의 저 전력 소모로 3.5 Gbps 이상의 통신 속도를 제공한다. 따라서 초고속 근접통신 기술을 활용하면 대용량 멀티미디어 파일을 Touch and Get 방식으로 순간 전송이 가능하다. 기존의 60 GHz 대역 안테나들은 대부분 적층 구조 형태의 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 공정을 통해 구현하였다. LTCC 공정 기술은 60 GHz 대역에서 RF/Microwave 관련 부품의 광대역 특성, 고 정밀 패턴, 저 손실 등의 이점이 있다. 하지만 LTCC 공정을 구현하는데 안테나 제작의 복잡성 및 높은 공정비용으로 인하여 상용화에 한계가 있다. 따라서 5G 모바일 단말기기에 내장 및 상용화를 위한 HRCP 시스템은 기존 LTCC 공정을 일반 PCB 공정으로 대체하면서 60 GHz 통신이 가능한 패키지용 소형, 저 손실, 광대역 안테나 기술이 필요하다. 하지만 60 GHz 대역에서 일반 PCB 공정을 통하여 59∼64 GHz의 광대역 임피던스대역폭 및 원형편파, 고 이득 등의 안테나 성능을 만족하는 것은 어려우며, 이와 관련된 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 초고속 근접통신 시스템의 상용화를 위한 60 GHz/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 광대역 60 GHz 안테나 설계와 WPT 안테나 설계에 관한 연구를 진행하였다. 첫 번째 연구는, 새로운 60 GHz 안테나 구조의 Type 1, 2, 3, 4 안테나를 제안하였다. Type 1과 Type 2의 안테나는 Teflon 기판과 FR-4 기판의 이종접합 기술을 적용한 적층과 단층 구조다. 패키지 구조에서 광대역 원형편파 특성을 만족하기 위하여, Type 1은 새로운 광대역 원형 마이크로스트립 패치 안테나 구조를 제안하였으며, Type 2는 Cross 구조를 갖는 광대역 진행파 안테나를 제안하였다. 또한 Type 3과 Type 4의 안테나는 저가 FR-4 기판으로만 적용된 상용 PCB 패키지 구조에서 각각 광대역 Cavity-backed 원형편파 안테나와 진행파 안테나를 제안하였으며, 밀리미터파대역에서 유전체 손실로 인한 임피던스 대역폭과 이득 감소의 단점을 개선하는 구조로 요구된 목표 성능을 모두 만족하였다. 본 논문의 두 번째 연구는, HRCP 시스템의 무 전원 데이터 순간전송을 위하여 60 GHz/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 WPT 안테나 구조를 제안하였다. PCB Type에서도 WPT의 Qi 규정에서 요구하는 Q 값을 만족하고자 새로운 WPT 안테나인 Modified-parallel 12 turn 구조(양면)를 설계하였다. 제안된 WPT 구조는 병렬 양면 구조를 형성함으로써 RDC 값을 현저히 낮추고 Ls 값은 동일한 값을 유지하도록 하였으며, Q = 109 이상을 확보하여 목표 성능(Q = 77)을 충분히 만족하고, 50 % 이상의 시스템 효율을 갖는다. 또한 듀얼 모드 동작 시 상호 영향을 최소화 시킬 수 있는 60 GHz 안테나 및 WPT 안테나의 구조 배치 연구와 두 안테나가 패키지 시 듀얼 모드 동작이 가능하도록 Case study를 진행 하였다. 본 논문에서 60 GHz 초고속 근접통신을 위한 4가지 Type의 60 GHz 안테나와 60 GHz/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 WPT 안테나 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 실제 PCB 공정을 따라 제작 및 검증이 되었기 때문에 60 GHz 초고속 근접통신 시스템을 위한 다양한 모바일 단말기기에 충분히 적용 가능할 것이라고 판단된다.
본 논문은 60 GHz 초고속 근접통신을 위한 광대역 밀리미터파 안테나 설계에 관한 연구를 담고 있다. 최근 60 GHz 주파수 대역의 밀리미터파 기술은 주파수 재사용, 소형화, 기가급 초고속 통신 등의 이점이 있어 주목을 받고 있다. 특히, 5G 기술 중 하나인 초고속 근접 모바일 서비스의 IEEE 802.15.3e 초고속 근접통신(High Rate Close Proximity, HRCP) 기술 연구가 대두되고 있다. HRCP 시스템은 초고속 데이터 전송, 빠른 연결, 직관적인 사용자 인터페이스를 통해 대용량의 데이터를 순간 전송 할 수 있다. 초고속 근접통신 기술은 10 cm 이내의 거리에서 전원을 가지고 있는 대용량 미디어 기기에서 무선 전원 공급을 하면서 기가급의 데이터 순간 전송이 가능하며, 특히 100 mW 이하의 저 전력 소모로 3.5 Gbps 이상의 통신 속도를 제공한다. 따라서 초고속 근접통신 기술을 활용하면 대용량 멀티미디어 파일을 Touch and Get 방식으로 순간 전송이 가능하다. 기존의 60 GHz 대역 안테나들은 대부분 적층 구조 형태의 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 공정을 통해 구현하였다. LTCC 공정 기술은 60 GHz 대역에서 RF/Microwave 관련 부품의 광대역 특성, 고 정밀 패턴, 저 손실 등의 이점이 있다. 하지만 LTCC 공정을 구현하는데 안테나 제작의 복잡성 및 높은 공정비용으로 인하여 상용화에 한계가 있다. 따라서 5G 모바일 단말기기에 내장 및 상용화를 위한 HRCP 시스템은 기존 LTCC 공정을 일반 PCB 공정으로 대체하면서 60 GHz 통신이 가능한 패키지용 소형, 저 손실, 광대역 안테나 기술이 필요하다. 하지만 60 GHz 대역에서 일반 PCB 공정을 통하여 59∼64 GHz의 광대역 임피던스 대역폭 및 원형편파, 고 이득 등의 안테나 성능을 만족하는 것은 어려우며, 이와 관련된 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 초고속 근접통신 시스템의 상용화를 위한 60 GHz/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 광대역 60 GHz 안테나 설계와 WPT 안테나 설계에 관한 연구를 진행하였다. 첫 번째 연구는, 새로운 60 GHz 안테나 구조의 Type 1, 2, 3, 4 안테나를 제안하였다. Type 1과 Type 2의 안테나는 Teflon 기판과 FR-4 기판의 이종접합 기술을 적용한 적층과 단층 구조다. 패키지 구조에서 광대역 원형편파 특성을 만족하기 위하여, Type 1은 새로운 광대역 원형 마이크로스트립 패치 안테나 구조를 제안하였으며, Type 2는 Cross 구조를 갖는 광대역 진행파 안테나를 제안하였다. 또한 Type 3과 Type 4의 안테나는 저가 FR-4 기판으로만 적용된 상용 PCB 패키지 구조에서 각각 광대역 Cavity-backed 원형편파 안테나와 진행파 안테나를 제안하였으며, 밀리미터파대역에서 유전체 손실로 인한 임피던스 대역폭과 이득 감소의 단점을 개선하는 구조로 요구된 목표 성능을 모두 만족하였다. 본 논문의 두 번째 연구는, HRCP 시스템의 무 전원 데이터 순간전송을 위하여 60 GHz/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 WPT 안테나 구조를 제안하였다. PCB Type에서도 WPT의 Qi 규정에서 요구하는 Q 값을 만족하고자 새로운 WPT 안테나인 Modified-parallel 12 turn 구조(양면)를 설계하였다. 제안된 WPT 구조는 병렬 양면 구조를 형성함으로써 RDC 값을 현저히 낮추고 Ls 값은 동일한 값을 유지하도록 하였으며, Q = 109 이상을 확보하여 목표 성능(Q = 77)을 충분히 만족하고, 50 % 이상의 시스템 효율을 갖는다. 또한 듀얼 모드 동작 시 상호 영향을 최소화 시킬 수 있는 60 GHz 안테나 및 WPT 안테나의 구조 배치 연구와 두 안테나가 패키지 시 듀얼 모드 동작이 가능하도록 Case study를 진행 하였다. 본 논문에서 60 GHz 초고속 근접통신을 위한 4가지 Type의 60 GHz 안테나와 60 GHz/WPT 듀얼 모드 동작이 가능한 WPT 안테나 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 실제 PCB 공정을 따라 제작 및 검증이 되었기 때문에 60 GHz 초고속 근접통신 시스템을 위한 다양한 모바일 단말기기에 충분히 적용 가능할 것이라고 판단된다.
This dissertation presents studies on broadband millimeter-wave antennas for 60-GHz high rate close proximity applications. With the advancement of millimeter-wave technologies, short range communication applications of unlicensed 60-GHz frequency band become popular recently due to their advantages...
This dissertation presents studies on broadband millimeter-wave antennas for 60-GHz high rate close proximity applications. With the advancement of millimeter-wave technologies, short range communication applications of unlicensed 60-GHz frequency band become popular recently due to their advantages such as a frequency reuse, a minimizing interference, and a high data rate of gigabit-to-second (Gbps). High Rate Close Proximity (HRCP) wireless communications of IEEE 802.15.3e are considered as a strong candidate for 5th Generation (5G) in Korea, which continently exchange a lot of multimedia features, such as pictures, videos, and etc., due to high-speed data transfer, fast connection, and intuitive user interface. The HRCP communication technology can provide a peak data rate of multi-Gbps within a distance shorter than 10 cm. It also provides wireless power transmission to a device without a built-in power source. Especially, the HRCP system provides up to 3.5 Gbps data rate within 10 cm with a low power consumption under 100 mW. This enables transfer of very large files like multimedia videos in a very short duration of time. This technology makes possible "touch-and-go" transfer of large multimedia files. Typically, most of antennas used in these 60-GHz applications have been implemented with multi-layer structure in LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) process to obtain a wide bandwidth covering 60-GHz band, a high reliability pattern on each layers, and a low loss in designing RF/Microwave elements. However, the complexity of antenna fabrication and manufacturing cost can be increased due to the LTCC process. For commercialization and miniaturization, there have been very few studies on wideband antennas with a printed circuit board(PCB) fabrication process. Despite these challenges, it is difficult to obtain a wide impedance bandwidth, an wide axial ratio(AR) bandwidth, and a high gain in the 59 - 64 GHz band of unlicensed 60-GHz frequency range with the PCB fabrication process. In this dissertation, for commercialization of HRCP system, a novel broadband 60 GHz antennas and WPT antenna are designed to archive 60 GHz/WPT dual mode operation. First, the antennas, Type 1, 2, 3, and 4 of a novel 60 GHz antenna structure, are proposed for HRCP system. Type 1 is embedded within the multi-layer PCB fabrication process by using Teflon and FR-4 PCB substrates. Type 2 is printed by single-layer PCB fabrication process. To archive a wide circular polarization(CP) band with the PCB package structure, Type 1 and Type 2 are proposed by using a new broadband circular microstrip patch antenna structure and a traveling wave antenna, respectively. Type 3 and 4 are proposed to archive a wide CP band with only FR-4 PCB package structure. To obtain a broad bandwidth characteristic on the FR-4 substrate, Type 3 and Type 4 are proposed by using a cavity-backed broadband circular microstrip patch antenna structure and a traveling wave antenna, respectively. Moreover, the structures of antennas are proposed to improve impedance bandwidth and gain by considering the dielectric loss at the millimeter-wave band, so that a low-cost and high-reliability package solution is realized. Second, a novel WPT antenna is proposed to realize dual mode 60GHz/WPT operating for HRCP system. In order to meet specification of Qi standard, a modified-parallel 12 turn structure is proposed by using the PCB fabrication process. The proposed WPT antenna can be attached on the parallel double layer structure, which has the lower RDC and comparable Ls value than that of the conventional WPT antenna, to meet specification of the higher Q value (Q≥77) and the system efficiency of 50% in the WPT mode. Moreover, the dual mode 60 GHz and WPT antenna is proposed and studied to reduce influence on the 60 GHz antenna performance due to the WPT antenna when the simultaneous operation performs. This dissertation proposes new 60-GHz antennas of Type 1 to 4 structure and WPT antenna for simultaneous operation at dual mode 60 GHz and WPT antenna, which give better performance for covering the 60-GHz frequency band in HRCP system. This is verified by the measurement of fabricated antennas with real manufacturing PCB processes. It is noticed that the proposed 60-GHz antennas and WPT antenna can be applicable for mobile devices (smartphones, tablet PCs, and wearable devices) of the HRCP application.
This dissertation presents studies on broadband millimeter-wave antennas for 60-GHz high rate close proximity applications. With the advancement of millimeter-wave technologies, short range communication applications of unlicensed 60-GHz frequency band become popular recently due to their advantages such as a frequency reuse, a minimizing interference, and a high data rate of gigabit-to-second (Gbps). High Rate Close Proximity (HRCP) wireless communications of IEEE 802.15.3e are considered as a strong candidate for 5th Generation (5G) in Korea, which continently exchange a lot of multimedia features, such as pictures, videos, and etc., due to high-speed data transfer, fast connection, and intuitive user interface. The HRCP communication technology can provide a peak data rate of multi-Gbps within a distance shorter than 10 cm. It also provides wireless power transmission to a device without a built-in power source. Especially, the HRCP system provides up to 3.5 Gbps data rate within 10 cm with a low power consumption under 100 mW. This enables transfer of very large files like multimedia videos in a very short duration of time. This technology makes possible "touch-and-go" transfer of large multimedia files. Typically, most of antennas used in these 60-GHz applications have been implemented with multi-layer structure in LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) process to obtain a wide bandwidth covering 60-GHz band, a high reliability pattern on each layers, and a low loss in designing RF/Microwave elements. However, the complexity of antenna fabrication and manufacturing cost can be increased due to the LTCC process. For commercialization and miniaturization, there have been very few studies on wideband antennas with a printed circuit board(PCB) fabrication process. Despite these challenges, it is difficult to obtain a wide impedance bandwidth, an wide axial ratio(AR) bandwidth, and a high gain in the 59 - 64 GHz band of unlicensed 60-GHz frequency range with the PCB fabrication process. In this dissertation, for commercialization of HRCP system, a novel broadband 60 GHz antennas and WPT antenna are designed to archive 60 GHz/WPT dual mode operation. First, the antennas, Type 1, 2, 3, and 4 of a novel 60 GHz antenna structure, are proposed for HRCP system. Type 1 is embedded within the multi-layer PCB fabrication process by using Teflon and FR-4 PCB substrates. Type 2 is printed by single-layer PCB fabrication process. To archive a wide circular polarization(CP) band with the PCB package structure, Type 1 and Type 2 are proposed by using a new broadband circular microstrip patch antenna structure and a traveling wave antenna, respectively. Type 3 and 4 are proposed to archive a wide CP band with only FR-4 PCB package structure. To obtain a broad bandwidth characteristic on the FR-4 substrate, Type 3 and Type 4 are proposed by using a cavity-backed broadband circular microstrip patch antenna structure and a traveling wave antenna, respectively. Moreover, the structures of antennas are proposed to improve impedance bandwidth and gain by considering the dielectric loss at the millimeter-wave band, so that a low-cost and high-reliability package solution is realized. Second, a novel WPT antenna is proposed to realize dual mode 60GHz/WPT operating for HRCP system. In order to meet specification of Qi standard, a modified-parallel 12 turn structure is proposed by using the PCB fabrication process. The proposed WPT antenna can be attached on the parallel double layer structure, which has the lower RDC and comparable Ls value than that of the conventional WPT antenna, to meet specification of the higher Q value (Q≥77) and the system efficiency of 50% in the WPT mode. Moreover, the dual mode 60 GHz and WPT antenna is proposed and studied to reduce influence on the 60 GHz antenna performance due to the WPT antenna when the simultaneous operation performs. This dissertation proposes new 60-GHz antennas of Type 1 to 4 structure and WPT antenna for simultaneous operation at dual mode 60 GHz and WPT antenna, which give better performance for covering the 60-GHz frequency band in HRCP system. This is verified by the measurement of fabricated antennas with real manufacturing PCB processes. It is noticed that the proposed 60-GHz antennas and WPT antenna can be applicable for mobile devices (smartphones, tablet PCs, and wearable devices) of the HRCP application.
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