본 논문에서는 펨토셀에서 기기 간의 상호 간섭을 해결하기 위해 2.6 GHz Wimax 밴드용 switched parasitic array(SPA) 안테나를 설계하였다. 설계한 SPA 안테나는 방사체(radiator)로 동작하는 단일 급전 ${\lambda}/4$모노폴 안테나가 중앙에 있고, 스위칭에 따라 반사체(reflector)와 유도체(director)로 동작하는 4개의 기생소자가 이를 둘러싸고 있으며, 이들 기생소자는 개방된 모노폴이 각각 둘러싸고 있다. 본 논문에서는 기존의 PIN 다이오드가 아닌 RF FET 스위치를 사용하여 빔 조향을 함으로써 간단한 구조의 저가, 저전력 안테나를 설계하였으며, 스위치의 특성에 따른 SPA 안테나의 성능을 분석하였다. 제작한 안테나의 크기는 반지름 65 mm, 높이 35 mm이고, 2.6 GHz에서 전후방비가 15 dB 이상이며, 스위칭에 따라서 8방향으로 빔 조향이 가능하다.
본 논문에서는 펨토셀에서 기기 간의 상호 간섭을 해결하기 위해 2.6 GHz Wimax 밴드용 switched parasitic array(SPA) 안테나를 설계하였다. 설계한 SPA 안테나는 방사체(radiator)로 동작하는 단일 급전 ${\lambda}/4$ 모노폴 안테나가 중앙에 있고, 스위칭에 따라 반사체(reflector)와 유도체(director)로 동작하는 4개의 기생소자가 이를 둘러싸고 있으며, 이들 기생소자는 개방된 모노폴이 각각 둘러싸고 있다. 본 논문에서는 기존의 PIN 다이오드가 아닌 RF FET 스위치를 사용하여 빔 조향을 함으로써 간단한 구조의 저가, 저전력 안테나를 설계하였으며, 스위치의 특성에 따른 SPA 안테나의 성능을 분석하였다. 제작한 안테나의 크기는 반지름 65 mm, 높이 35 mm이고, 2.6 GHz에서 전후방비가 15 dB 이상이며, 스위칭에 따라서 8방향으로 빔 조향이 가능하다.
In this paper, a 2.6 GHz switched parasitic array(SPA) antenna is designed to resolve the device interference in the femtocell. The designed SPA antenna structure consists of a central ${\lambda}/4$ monopole antenna as a radiator and surrounding four parasitic elements operating as a refl...
In this paper, a 2.6 GHz switched parasitic array(SPA) antenna is designed to resolve the device interference in the femtocell. The designed SPA antenna structure consists of a central ${\lambda}/4$ monopole antenna as a radiator and surrounding four parasitic elements operating as a reflector or a director depending on the switching state. In addition, open state monopoles around the parasitic elements are placed to improve the directivity. The designed antenna utilizes RF FETs as switching elements instead of conventional PIN diodes, which enables beam steering with a simple structure consuming low power. To select the proper FET switch, the performance of the SPA antenna depending on the switch characteristics is analyzed. The fabricated antenna has 65 mm radius and 35 mm height, which shows about 15 dB front-back-ratio(FBR) at 2.6 GHz and enables eight-directional beam steering.
In this paper, a 2.6 GHz switched parasitic array(SPA) antenna is designed to resolve the device interference in the femtocell. The designed SPA antenna structure consists of a central ${\lambda}/4$ monopole antenna as a radiator and surrounding four parasitic elements operating as a reflector or a director depending on the switching state. In addition, open state monopoles around the parasitic elements are placed to improve the directivity. The designed antenna utilizes RF FETs as switching elements instead of conventional PIN diodes, which enables beam steering with a simple structure consuming low power. To select the proper FET switch, the performance of the SPA antenna depending on the switch characteristics is analyzed. The fabricated antenna has 65 mm radius and 35 mm height, which shows about 15 dB front-back-ratio(FBR) at 2.6 GHz and enables eight-directional beam steering.
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문제 정의
본 논문에서는 2.6 GHz Wimax 대역에서의 펨토셀 용 SPA 안테나를 설계하였다. 설계된 SPA 안테나는 방사체로 동작하는 1개의 급전 소자와 반사체로 동작하는 4개의 기생소자, 그리고 이를 둘러싼 4개의 유도체로 구성되어 있으며, 반사체로 동작하는 각각의 기생소자는 RF FET 스위치로 제어된다.
제안 방법
3D 시뮬레이션의 모델은 PCB 기판, 모노폴, 기생소자, 임피던스 박스 등으로 구성되어 있다. PCB는 FR-4 기판을 사용하였으며, 모노폴의 급전부는 동축 케이블 커넥터를 포함하여 모델링하였고, 기생 소자들은 스위치 저항에 직렬로 연결하였다.
Ⅱ절에서는 SPA 안테나의 구조와 동작 원리에 대해 소개하고 이상적인 스위치를 가정한 시뮬레이션 결과를 보인다. Ⅲ절에서는 SPA 안테나의 이득과 전후방비에 큰 영향을 미치는 RF 스위치의 특성을 분석하였으며, Ⅳ절에서는 위의 내용을 바탕으로 최적화된 SPA를 제작하여 측정한 결과를 기술하였다. 그리고 Ⅴ절에서는 결론을 맺는다.
PIN 다이오드 스위치를 사용하면 스위치가 off 상태일 때 양 포트간의 격리도 특성이 좋은 장점이 있으나, 바이어스 회로에 RF 초크로 인덕터를 연결해야 하므로 비용이 증가하고, SPA 안테나와 같이 여러 개의 스위치를 사용해야 하는 경우에는 스위치 회로가 복잡해지고, 배치하기 어려운 단점이 있으며, 이는 안테나의 성능에 악영향을 끼칠 수 있다. 그래서 본 논문에서는 부가 회로의 구조가 간단하고, 인덕터가 필요 없는 FET 스위치를 사용하였다. FET 스위치는 PIN 다이오드와 달리 바이어스 전류를 소모하지 않으므로 저 전력으로 구동 가능한 장점이 있고, 추후에 부가 회로가 모두 포함된 CMOS IC로 설계해 제작한다면 PIN 다이오드를 사용했을 때보다 훨씬 저가로 SPA 안테나를 제작할 수 있을 것이다.
그림과 같이 상용화된 RF 스위치는 off 상태에서 50 Ω 종단되는 구조로 되어 있다. 그런데, SPA 안테나의 스위치는 off 상태에서 접지면으로 바로 연결되는 것이 바람직하므로 본 논문에서는 RFout 포트에 기생소자를 연결하고, RFin 포트를 접지면과 연결하여 구성하였다. PIN 다이오드를 사용한 그림 4와 비교하여 가장 큰 차이는 FET 스위치의 경우 그림 9의 A노드에 전압만 확보하면 되므로 인덕터가 필요하지 않은 것이다.
그리고 접지면은 일반적인 크기인 λ/2의 반경으로 설계하였다[13].
본 논문에서 제안한 FET 스위치로 제어되는 기생소자를 이용한 SPA 안테나는 저가, 저 전력 소모, 제작의 편이성 등의 이점을 가지고 있다.
그러나 SPA에서 스위치는 기생소자가 갖는 복소 임피던스와 접지면 사이를 격리하기 위한 것이기 때문에, 원하는 스위치의 격리도를 바로 구하기 어렵다. 본 논문에서는 1차적으로 원하는 전후방비를 얻는 적절한 off 저항 값을 찾고, 이를 기준으로 스위치의 필요한 격리도를 결정하였다. 필요한 저항값을 구하기 위해 Ansoft 社의 HFSS를 이용하여 그림 6과 같이 구성한 후, 시뮬레이션을 하였다.
그러나 PIN 다이오드는 2단자 소자로 스위칭 제어를 위해서는 RF 초크로 인덕터를 사용해야 해 단가가 높아지며, 바이어스 전류를 공급해야 하기 때문에 복잡한 구조를 갖는다. 본 논문에서는 간단한 구조로 스위칭을 할 수 있는 3단자 FET 스위치를 사용하였으며, 원하는 특성 구현에 필요한 스위치의 사양을 결정하기 위해 스위치의 특성에 따른 SPA 안테나의 성능을 분석하였다.
따라서 SPA를 구성하는 스위치는 임피던스에 대한 정확한 분석이 필요하다. 본 논문에서는 이 임피던스를 SPA 설계의 중요한 변수로 고려하였다.
이 식에서 나타낸 바와 같이 높은 이득을 얻으려면 반사 손실과 지향성을 동시에 최적화해서 설계해야 한다. 앞에서 기술하였듯이 SPA 안테나는 Yagi-Uda 안테나와 같은 형태를 가지므로 반사손실과 지향성에 초점을 맞추어 Yagi-Uda 안테나와 같은 방법으로 설계하였다.
대상 데이터
3D 시뮬레이션의 모델은 PCB 기판, 모노폴, 기생소자, 임피던스 박스 등으로 구성되어 있다. PCB는 FR-4 기판을 사용하였으며, 모노폴의 급전부는 동축 케이블 커넥터를 포함하여 모델링하였고, 기생 소자들은 스위치 저항에 직렬로 연결하였다.
6 GHz Wimax 대역에서의 펨토셀 용 SPA 안테나를 설계하였다. 설계된 SPA 안테나는 방사체로 동작하는 1개의 급전 소자와 반사체로 동작하는 4개의 기생소자, 그리고 이를 둘러싼 4개의 유도체로 구성되어 있으며, 반사체로 동작하는 각각의 기생소자는 RF FET 스위치로 제어된다.
제작된 SPA 안테나는 FR4 기판에 제작되었으며, 기판의 두께는 2 mm, 유전율 4.4, 손실 탄젠트는 0.02이다. 그리고 Ⅲ절에서 언급한 특성을 만족하는 스위치로 M/A com 社의 MASWSS0148 스위치를 사용하였는데, 이 스위치는 2.
또한, 부가적인 소자가 저항과 캐패시터 각 하나씩으로만 구성되어 있으므로 간단한 구조를 갖는다. 제작된 안테나는 밑판의 반지름 65 mm, 전체 높이 35 mm이다. 그림 10(a)에 실제 제작된 안테나의 사진을 나타내었다.
데이터처리
본 논문에서는 1차적으로 원하는 전후방비를 얻는 적절한 off 저항 값을 찾고, 이를 기준으로 스위치의 필요한 격리도를 결정하였다. 필요한 저항값을 구하기 위해 Ansoft 社의 HFSS를 이용하여 그림 6과 같이 구성한 후, 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 상에서는 on, off 저항값만을 고려하여 필요한 격리도를 구하였으나, 실제 스위치의 구조는 그림 5와 같이 기생 캐패시턴스를 갖고 있기 때문에, 실제 격리도는 캐패시턴스에 의한 누설 효과를 포함한 격리도가 된다.
성능/효과
제작된 안테나는 FET 스위치의 on, off 상태를 조합하여 총 8개 방향으로 빔 조향이 가능하며, 이는 제작된 컨트롤 소프트웨어에 의해 작동된다. Wimax 대역에서 15 dB 이상의 전후방비를 보여 상용화를 위한 빔 조향 안테나의 성능 평가 항목을 만족한다.
시뮬레이션 결과에 따르면 모드 1의 경우, 스위치의 on 저항이 25 Ω 일 때, S21이 —28 dB보다 낮으면 SPA의 전후방비가 15 dB 근방으로 수렴하는 우수한 특성을 나타내고, 이보다 높으면 전후방비가 급격히 떨어지는데, 이는 스위치의 낮은 격리도 특성이 SPA의 전후방비 저하에 큰 원인이 됨을 보여준다.
위의 시뮬레이션 결과를 통해 보았을 때, 높은 전후방비를 갖는 SPA를 안정적으로 설계하기 위해서는 스위치의 on 저항이 25 Ω 이하, 곧 삽입 손실이 1.9 dB 이하이고, off 되었을 때 40 dB 이상의 격리도를 갖는 스위치가 필요하다.
위의 파라미터로 시뮬레이션한 결과, 반사 손실은 Wimax 전 대역(2.496～2.69 GHz)에서 대략 —10 dB 정도를 만족했고, 이상적인 스위치를 가정한 상태에서 각각의 기생소자를 단락, 개방함에 따라 여러 방향으로 빔 조향이 가능함을 확인하였으며, 결과를 그림 3에 나타내었다.
6 GHz에서 그림 11과 같은 빔 조향 패턴을 보인다. 제작된 소프트웨어를 이용해 PC를 통한 빔 조향이 가능하고, 15 dB 이상의 전후방비를 얻었다.
후속연구
그래서 본 논문에서는 부가 회로의 구조가 간단하고, 인덕터가 필요 없는 FET 스위치를 사용하였다. FET 스위치는 PIN 다이오드와 달리 바이어스 전류를 소모하지 않으므로 저 전력으로 구동 가능한 장점이 있고, 추후에 부가 회로가 모두 포함된 CMOS IC로 설계해 제작한다면 PIN 다이오드를 사용했을 때보다 훨씬 저가로 SPA 안테나를 제작할 수 있을 것이다. 사용된 FET 기반의 RF 스위치의 등가 모델은 그림 5와 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
fixed beamforming이란 무엇을 의미하는가?
SPA 안테나의 개념도를 그림 1에 나타내었다. 여기서 fixed beamforming이란 송/수신 신호에 고정된 가중치/위상지연 또는 스위칭 등을 이용하여 정해진 방향들로만 빔 조향이 가능한 시스템을 의미한다.
위상 배열 안테나는 어떤 문제가 있는가?
SDMA를 무선 시스템에 활용하기 위해서는 공간적으로 신호를 구분할 수 있는 안테나가 필요하며, 보통 전자적으로 빔 조향을 할 수 있는 위상 배열 안테나가 사용된다. 위상 배열 안테나는 각 소자들이 다른 위상으로 급전되어 빔 조향을 하게 되는데, 설계 과정이 복잡하고, 시스템 가격이 비싸기 때문에 널리 사용하는데 제한이 있고, 각 소자 간의 간격이 0.5 λ0 이상을 확보해야 하기 때문에 크기가 크다[2]. 이와 같은 문제를 해결하면서 SDMA를 구현하기 위해 SPA 안테나가 도입되었다[3]～[5].
SPA 안테나의 동작원리는?
동작 원리는 다음과 같다. 중앙의 급전 안테나는 스위칭되지 않고, 이 상태에서 급전 안테나를 둘러싸고 있는 기생소자의 스위치가 on 상태가 되어 접지면과 단락되면 이 기생소자는 반사체로 동작하고, off 상태가 되어 접지면과 개방되면 유도체로 동작한다. 그리고 최 외곽의 개방된 폴은 앞단의 폴이 반사체로 동작할 때는 효과가 거의 없는 반면, 유도체로 동작할 때는 2차 유도체 역할을 한다. Yagi-Uda 안테나와 같이 수직 편파를 하며, 기생소자와 급전 소자는 상호 근거리장 결합에 의해 방사 패턴을 형성한다. 따라서 스위치의 상태에 따라 빔 조향이 가능하게 된다.
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