[논문]상용 90도 하이브리드 커플러를 이용한 5.8GHz 대역 4×4 버틀러매트릭스 설계

박병훈

doi:10.5370/kieep.2014.63.3.200

상용 90도 하이브리드 커플러를 이용한 5.8GHz 대역 4×4 버틀러매트릭스 설계
Design of 5.8GHz Band 4×4 Butler Matrix using Commercial 90° Hybrid Coupler 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.3, 2014년, pp.200 - 205

박병훈 (Dept. of Computer and Electronics, Induk University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, 5.8GHz band $4{\times}4$ Butler matrix is designed using easily accessible commercial $90^{\circ}$ hybrid coupler and semirigid coaxial cable as a transmission line. This Butler matrix is very flexible to changes of antenna system specification like a frequency band because $90^{\circ}$ hybrid coupler changing is all to do. The result of design is the distance of $2{\times}2$ array antenna element is $\sqrt{2}{\lambda}/4$, the 4 beam directions are diagonal of array antenna and phase shifter is not necessary. The beam width is roughly $25^{\circ}$ narrower because of array antenna geometry and the side lobe is about 10dB higher partially than theoretical beam pattern. But the overall beam pattern is similar with theoretical beam. This Butler matrix can be applied to switching beam antenna of 5.8GHz band Wi-Fi and WAVE system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이와 같은 버틀러 매트릭스의 사양의 변화에 따른 문제점을 해소하는 한 방안으로 본 논문에서는 버틀러 매트릭스의 주요 구성요소인 결합기는 상용제품인 90° 하이브리드 결합기를, 전송선로는 주파수 대역폭이 넓은 세미리지드 동축케이블을 적용하는 5.8GHz 대역의 4×4 버틀러 매트릭스 설계제작에 관한 것이다.

제안 방법

90° 하이브리드 커플러 입출력 단자와 sma 커넥터 사이는 50Ω 마이크로 스트립으로 그리고 90° 하이브리드 커플러 사이의 RF신호 경로는 마이크로 스트립 cross over를 적용하지 않고 신호경로를 세미리지드 동축케이블 RG401을 이용하여 연결하였다.
버틀러 매트릭스를 4개 제작하여 삽입손실보다는 각 RF 경로에서 요구되는 위상 값을 우선으로 임피던스 매칭을 한 후, 위상 및 이득 특성을 측정하였다. 측정결과 삽입손실은 18~23dB의 분포를 갖았으며 위상은 -90° 위상천이를 갖도록 제작한 경로에서는 68~110°, -180° 위상천이를 갖도록 제작한 경로에서는 156~200°로서 사용주파수가 5.
본 논문에서 설계한 버틀러 매트릭스는 필요한 위상천이 값은 그림 4에 나타난 바와 같이 0, -π/2, -π일 뿐, 다른 위상 천이가 필요하지 않으므로 90º 하이브리드 커플러와 전송선로만으로 버틀러 매트릭스를 구현할 수 있으며, 출력 포트 P1, P2, P3, P4에서 각 안테나의 위상관계는 다음 식과 같다.
본 논문에서는 마이크로 스트립 평면 패턴으로 버틀러 매트릭스를 제작할 경우 사양의 변화에 따라 새로운 회로기판을 제작하여야 하는 문제를 해소하기위한 한 방안으로 상용 제품인 90° 하이브리드 결합기를 적용하고, 전송선로는 주파수 대역폭이 넓은 세미 리지드 동축케이블을 사용하여 안테나의 배치방법, 안테나 간격을 변경하여 위상천이기가 필요 하지 않은 간단한 구조의 5.8GHz 대역의 4×4 버틀러 매트릭스를 설계하고 그 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 2×2 평면배열 안테나 어레이를 적용하여 360° 전 방향을 90° 간격으로 네 개의 빔을 형성할 수 있는 4×4 버틀러 매트릭스를 설계한다.
90° 하이브리드 커플러 입출력 단자와 sma 커넥터 사이는 50Ω 마이크로 스트립으로 그리고 90° 하이브리드 커플러 사이의 RF신호 경로는 마이크로 스트립 cross over를 적용하지 않고 신호경로를 세미리지드 동축케이블 RG401을 이용하여 연결하였다. 이때 RF경로에 필요한 4개 동축케이블의 모든 규격은 최대한 균일하게 제작하였고 반사손실을 최소화하기위해 보드와의 결합에 주의하여 제작하였다. 그리고 기판은 비유전율 4.
즉 이산소자 적용으로 설계사양에 따른 변경이 용이하고, 다중 안테나의 배치와 간격을 조절하여 위상천이기가 필요하지 않은 구조를 단순화한 장점이 있는 802.11a, n, ac 규격의 Wi-Fi 및 차량 간 무선 통신규격인 WAVE통신과 같은 5.8GHz 대역의 통신 시스템의 스위칭 빔 안테나에 적용 가능한 4×4 버틀러 매트릭스를 설계 제작하고 빔 패턴을 측정을 통해 성능을 평가하였다.
측정방법은 한 안테나의 빔 패턴을 측정할 때 나머지 세 개의 안테나 포트는 50Ω으로 단락하고 무반사 챔버에서 배열 안테나를 수평으로 360° 회전하면서 수신 전력을 측정하였다.
8mm의 FR4을 사용하였다. 한편 각 RF 경로사이에 커플링을 최소화하기 위해 알루미늄 케이스를 이용한 격벽을 사용하여 차폐하였다. 제작된 4×4 버틀러 매트릭스는 그림 8에 보여주고 있다.

대상 데이터

90°하이브리드 커플러는 Anaren사의 1M803S를 사용하였으며 상세한 규격은 표 3에 나타나 있다.
이때 RF경로에 필요한 4개 동축케이블의 모든 규격은 최대한 균일하게 제작하였고 반사손실을 최소화하기위해 보드와의 결합에 주의하여 제작하였다. 그리고 기판은 비유전율 4.3두께 1.8mm의 FR4을 사용하였다. 한편 각 RF 경로사이에 커플링을 최소화하기 위해 알루미늄 케이스를 이용한 격벽을 사용하여 차폐하였다.
이 제작된 샘플은 삽입손실이 –20 ~ –23dB 그리고 위상천이 오차는 ant1의 출력포트 P1에서 최대 오차가 19°이었다.

성능/효과

이 결과는 표 4에 나타난 버틀러 매트릭스 신호경로의 삽입손실 –20 ~ –23dB과 표 2에 나타난 2×2 평면 배열안테나 이득 8dBi를 반영하여 각 빔 패턴방향에 따라 12dB에서 15dB를 보상하여 이론적인 빔 패턴과 삽입손실을 동일하게 균등화하였다. 이 결과에 따르면 네 방향의 실측 빔 패턴은 모두 이론적인 빔 패턴에 비해 사이드로브는 더 크게 나타났으며, 빔 폭은 약 25도 정도 좁게 나타났지만 대체로 이론적인 빔 패턴에 근사한 형태로 나타났다. 빔 폭이 좁게 나타난 것은 배열 안테나의 각 안테나 포트에서 측정된 그림 7에 나타난 바와 같이 요소 안테나 간 간격이 작아서 공간상의 위치에 따라 서로 전자파의 장애물 역할하기 때문으로 판단된다.
제작한 시료의 측정결과는 배열 안테나의 안테나 요소 간 간격이 좁아 서로 빔 형성에 방해가 되는 효과가 있어서 이론적인 빔 패턴에 비해 빔폭이 약 25° 좁게 나타났으며, 빔 방향의 반대 방향의 사이드로브가 부분적으로 최대 10dB정도 높지만 빔 성형 방향이나 빔 패턴의 전체적인 빔 패턴은 이론적인 것과 거의 일치하였다.
측정결과 삽입손실은 18~23dB의 분포를 갖았으며 위상은 -90° 위상천이를 갖도록 제작한 경로에서는 68~110°, -180° 위상천이를 갖도록 제작한 경로에서는 156~200°로서 사용주파수가 5.86GHz로 상당히 높아 파장이 짧아서 조그만 전송선로 조건에 따라 비교적 큰 위상천이 오차를 보였다.

후속연구

제작한 시료의 측정결과는 배열 안테나의 안테나 요소 간 간격이 좁아 서로 빔 형성에 방해가 되는 효과가 있어서 이론적인 빔 패턴에 비해 빔폭이 약 25° 좁게 나타났으며, 빔 방향의 반대 방향의 사이드로브가 부분적으로 최대 10dB정도 높지만 빔 성형 방향이나 빔 패턴의 전체적인 빔 패턴은 이론적인 것과 거의 일치하였다. 따라서 본 논문에서 설계 제작한 버틀러 매트릭스는 5.8GHz 대역의 Wi-Fi 및 WAVE통신에서 스위칭 빔 안테나 시스템에 적용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 안테나 시스템에서는 어떤 안테나를 사용하는가?	스마트안테나는 안테나로부터 방사되거나 수신되는 전자파를 특정한 방향으로 집중시키고 또한 전자파 방사 방향을 트래픽 상황이나 통신신호 환경에 따라 조절함으로써 다중 경로 간섭과 동일주파수채널 간섭영향을 효과적으로 감소시켜 무선 네트워크의 수용용량을 확장할 수 있는 가장 효과 적인 기술 중의 하나이다[1-2]. 이러한 스마트 안테나 시스템에서 안테나는 배열형태의 안테나를 사용하는데 빔 절환(switched beam) 시스템은 안테나 배열에 의해 형성되는 다수의 고정된 안테나 빔을 절환해서 해당 빔 방향에 분포된 기기 간 통신 품질을 향상시킨다[2]. 이 시스템은 신호의 강도를 검출하여 가장 큰 강도를 갖는 방향으로 미리 형성된 고정 빔을 선택하며 통신 중인 해당 단말기가 이동하여 수신신호의 강도가 변화되면 다시 수신강도가 높은 방향의 빔을 선택하는 방식이다.
	스마트안테나란?	스마트안테나는 안테나로부터 방사되거나 수신되는 전자파를 특정한 방향으로 집중시키고 또한 전자파 방사 방향을 트래픽 상황이나 통신신호 환경에 따라 조절함으로써 다중 경로 간섭과 동일주파수채널 간섭영향을 효과적으로 감소시켜 무선 네트워크의 수용용량을 확장할 수 있는 가장 효과 적인 기술 중의 하나이다[1-2]. 이러한 스마트 안테나 시스템에서 안테나는 배열형태의 안테나를 사용하는데 빔 절환(switched beam) 시스템은 안테나 배열에 의해 형성되는 다수의 고정된 안테나 빔을 절환해서 해당 빔 방향에 분포된 기기 간 통신 품질을 향상시킨다[2].
	빔 절환(switched beam) 시스템이란 무엇인가?	이러한 스마트 안테나 시스템에서 안테나는 배열형태의 안테나를 사용하는데 빔 절환(switched beam) 시스템은 안테나 배열에 의해 형성되는 다수의 고정된 안테나 빔을 절환해서 해당 빔 방향에 분포된 기기 간 통신 품질을 향상시킨다[2]. 이 시스템은 신호의 강도를 검출하여 가장 큰 강도를 갖는 방향으로 미리 형성된 고정 빔을 선택하며 통신 중인 해당 단말기가 이동하여 수신신호의 강도가 변화되면 다시 수신강도가 높은 방향의 빔을 선택하는 방식이다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Cetinoneri, B.; Atesal, Y.A.; Rebeiz, G.M, "An 8 ${\times}$ 8 Butler Matrix in 0.13 um CMOS for 5-6GHz Multibeam Applications" Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on Vol. 59, Issue: 2, 2011 , pp.295-301

상세보기
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Pozar D.M: "Microwave Engineering", Third edition, Wiley, 2005.
Fooks, E. H. Microwave engineering using microstrip circuits, Prentice Hall New York 1990

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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