[논문]4×4 버틀러 매트릭스 기반 28 GHz 스위치 빔포밍 안테나 시스템 설계

박성춘; 김승현; 손지훈; 신현철

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.10.876

초록
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본 논문에서는 5세대 이동통신을 위한 28 GHz 주파수 대역에서 스위치 빔포밍 안테나 시스템을 설계하였다. 본 빔포밍 시스템은 버틀러 매트릭스를 사용하였으며, 이는 다른 4 방향의 빔 조향을 할 수 있도록 각 출력단에 등간격의 위상을 생성한다. 배열 안테나는 28 GHz 주파수 대역에서 원하는 4개의 방향으로 조향할 수 있도록 설계하였다. 설계한 버틀러 매트릭스는 커플러와 지연선로로 구성되며, 그 동작에 대하여 설명하였다. 본 안테나 시스템은 유전율이 3이고, 5 mil의 높이를 가진 RO3003 기판을 이용하여 설계하였다. 설계한 버틀러 매트릭스의 사이즈는 $20.3{\times}13.0mm^2$이고, 배열 안테나의 사이즈는 $21.2{\times}19.9mm^2$이다. 본 시스템은 $-34^{\circ}{\sim}+33^{\circ}$까지 조향을 할 수 있고, Sidelobe level(SLL)의 최소값은 12.9 dB이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a switched beamforming antenna system at 28 GHz frequency band is described for $5^{th}$ generation wireless communication. The butler matrix is used as a beamforming system and it produces linear spaced phase difference at four output ports. Array antenna is designed that ...

In this paper, a switched beamforming antenna system at 28 GHz frequency band is described for $5^{th}$ generation wireless communication. The butler matrix is used as a beamforming system and it produces linear spaced phase difference at four output ports. Array antenna is designed that can be steered in desired 4 different directions 28 GHz frequency band. Operation of designed butler matrix that composed of couplers and feedline is explained. The antenna system is designed in RO3003 substrate that has a height of 5 mil and dielectric constant of 3. The size of butler matrix is $20.3{\times}13.0mm^2$ and size of array antenna is $21.2{\times}19.9mm^2$. This system can be steered from $-34^{\circ}$ to $33^{\circ}$ and minimum sidelobe level is 12.9 dB.

주제어

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문제 정의

본 논문에서 설계된 4×4 버틀러 매트릭스는 높은 데이터 전송률을 요구하는 5세대 이동통신을 위한 28 GHz 대역 스위치 빔포밍을 적용하기 위해 설계되었다.
본 연구에서는 밀리미터파 대역에서 시스템이 간단하고, 구현비용이 적은 시스템으로서, 28 GHz 스위치 빔포밍 안테나 시스템을 설계하였다.

가설 설정

본 논문은 상대적으로 상호 결합커플링의 영향이 낮으면서 빔 폭 줄이기 위한 이론적 간격인 λ/2으로 배치함으로써 커플링에 대한 영향을 낮추려 노력을 하였지만, 커플링이 발생함으로써 빔이 생성될 때 빔의 출력 파워, 폭, 방향성에 영향을 미칠 것이다.

제안 방법

1×4 배열안테나에 배열된 안테나는 앞서 설계한 단일패치 안테나보다 높은 이득을 얻기 위해 단일 패치 안테나를 4중으로 연결한 4중 직렬연결 안테나(4-element series-fed array)로 설계하였으며, 이 안테나를 출력단자가 4개인 버틀러 매트릭스에 연결하여 빔 조향을 하기 위해λ/2의 간격을 갖게 1×4로 배열하여 설계하였다[10],[11].
본 논문에서 설계한 스위치 빔포밍 안테나 시스템은4×4 버틀러 매트릭스 기반으로 구현하였고, 배열 안테나는 패치 안테나로 구현하였다[8].
그림 13은 각 입력단자를 기준으로 4개의 출력단자에서의 위상값을 시뮬레이션 한 것이다. 즉, 입력단자를 1번부터 4번까지 변화시키면서, 4개의 출력단자에 나타나는 위상을 시뮬레이션 한 것이다. 이때 신호가 인가되지 않는 입력단자는 50 ohm 매칭을 하였다, 그림 13의 결과에서28 GHz에서의 값들을 표 1에 정리하였다.

대상 데이터

본 설계는 Rogers 사의 RO3003 기판을 기반으로 단층으로 설계하였으며, 본 기판의 유전율(εr) 값은 3이고, 기판의 높이(h)는 5 mil 이다.
설계에 사용된 3-dB 커플러는 총 4개의 단으로 구성되어 있으며, 하나의 입력단자과 2개의 출력단자 그리고 하나의 Isolation 단자으로 구성되어 있다. 출력은 입력 대비3-dB 만큼 감쇄되어 두 개의 출력에 각각 인가되며, 두 출력의 위상은 90°의 차이를 갖게 설계되었다.

데이터처리

이는 그림 12에 보이는 출력단자들에 연결된 지연선로 손실들의 차이 값으로 인해그림 15와 같이 빔의 출력 차이를 발생시켰다. 이를 확인하기 위해 버틀러 매트릭스의 입력단에 대한 출력단에서의 출력을 확인하는 그림 16 S-파라미터 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과, 각 출력단자에 전달된 출력의 차이를 통해 지연선로에 의한 손실을 알 수 있다.

성능/효과

Port 2, 3에 대한 출력단에서의 지연선로로 인한 손실로 출력단의출력이 —7.1 dB에서 —6.6 dB의 최대 0.5 dB의 차이를 갖고, Port 1, 4에 대한 출력단에서의 지연선로로 인한 손실로 출력단의 출력이 —7.5 dB에서 —6.5 dB의 최대 1.0 dB의 차이를 가졌다.
본 안테나 시스템의 설계 결과 —34°에서 33°까지 빔 조향이 가능하며, Sidelobe level(SLL)은 최소값은 12.9 dB이다.
이를 확인하기 위해 버틀러 매트릭스의 입력단에 대한 출력단에서의 출력을 확인하는 그림 16 S-파라미터 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과, 각 출력단자에 전달된 출력의 차이를 통해 지연선로에 의한 손실을 알 수 있다. Port 2, 3에 대한 출력단에서의 지연선로로 인한 손실로 출력단의출력이 —7.
표 1의 IdealGap은 이상적인 상황에서 출력단자 간의 위상 차이를 나타낸 것이다. 실제 시뮬레이션 결과 값에서의 Gap을 IdealGap과 비교하면 최대 7%의 오차 내에서 일치함을 알 수 있다. 이 일정한 위상 간격을 갖는 출력단의 위상값의 차이는 Array factor를 통하여 계산하면 빔의 방향성을 알아 낼 수 있다^[15].
그림 3은 설계된 안테나의 S-para- meter 시뮬레이션 결과이다. 안테나의 대역폭은 27.82 GHz에서 28.20 GHz까지 380 MHz이고, 반사손실이 28 GHz에서 최소값을 가지도록 설계됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 설계한 스위치 빔포밍 안테나 시스템의 배열 안테나는 어떻게 설계되었는가?	본 빔포밍 시스템은 버틀러 매트릭스를 사용하였으며, 이는 다른 4 방향의 빔 조향을 할 수 있도록 각 출력단에 등간격의 위상을 생성한다. 배열 안테나는 28 GHz 주파수 대역에서 원하는 4개의 방향으로 조향할 수 있도록 설계하였다. 설계한 버틀러 매트릭스는 커플러와 지연선로로 구성되며, 그 동작에 대하여 설명하였다.
	본 논문에서 설계한 스위치 빔포밍 안테나 시스템의 본 빔포밍 시스템은 어떤 매트릭스를 사용하였는가?	본 논문에서는 5세대 이동통신을 위한 28 GHz 주파수 대역에서 스위치 빔포밍 안테나 시스템을 설계하였다. 본 빔포밍 시스템은 버틀러 매트릭스를 사용하였으며, 이는 다른 4 방향의 빔 조향을 할 수 있도록 각 출력단에 등간격의 위상을 생성한다. 배열 안테나는 28 GHz 주파수 대역에서 원하는 4개의 방향으로 조향할 수 있도록 설계하였다.
	스위칭 빔포밍 기술을 많은 빔포밍 시스템에서 이용하는 이유는?	한편, RF 빔포밍 방식에는 위상배열 기반 빔포밍과 스위치 빔포밍 방식이 있는데, 위상배열 기반의 빔포밍은 출력단에 진폭과 위상을 변화시켜 빔포밍하는 방식으로 N개의 안테나 element에 N개 이상의 위상천이기가 필요하며, 각각 감쇄기를 이용하여 설계되어진다. 스위치 빔포밍 방식은 출력단 진폭의 변화 없이 빔포밍 회로를 구현하여 출력의 위상만 변화시키는 구조로 위상배열방식에 비해 시스템의 이해가 쉽고, 구현비용 측면에서도 이점이 있다. 이러한 장점들로 인해 스위칭 빔포밍 기술을 많은 빔포밍 시스템에서 이용하고 있다[4]～[7].

참고문헌 (18)

W. Roh et al., "Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications", IEEE Communications Magazine, vol. 52, pp. 106-113, Feb. 2014.
T. Rappaport et al., "Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!", IEEE Access, vol. 1, pp. 335-349, May 2013.

상세보기
신현철, "5G 이동통신을 위한 밀리미터파 대역 빔포밍 기술 개발 동향", 대한전자공학회 하계종합학술대회, pp. 2027-2028, 2014년 6월.
K. Wincza et al., "Reduced sidelobe four-beam antenna array fed by modified Butler matrix", Electronics Letters, vol. 42, pp. 508-509, Apr. 2006.

상세보기
W. R. Li et al., "Switched-beam antenna based on modified Butler matrix with low sidelobe level", Electronics Letters, vol. 40, pp. 290-292, Mar. 2004.

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R. A. Alhalabi et al., "High-gain yagi-uda antennas for millimeter-wave switched-beam systems", IEEE Transactions on Antenna and Propagation, vol. 57, pp. 3672-3676, Nov. 2009.

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H. Wang, "A switched beam antenna with shaped radiation pattern and interleaving array architecture", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, pp. 2914-2921, Apr. 2015.

상세보기
박성춘, 김승현, 손지훈, 신현철, "밀리미터파 기반의 배열 안테나를 포함한 4 $\times$ 4 빔포밍 회로 설계", 마이크로파 및 전파전파 학술대회, p. 51, 2015년 6월.
M. M. Alam, "Microstrip antenna array with four port butler matrix for switched beam base station application", 12th International Conference on Computers and Information Technology, 2009. ICCIT '09.CCIT, pp. 531-536, Dec. 2009.
M. M. Alam et al., "Design and performance analysis of microstrip array antenna", Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings, pp. 1837-1842, Aug. 2009.
M. T. I. Huque et al., "Design and performance analysis of microstrip array antennas with optimum parameters for X-band applications", International Journal of Advanced Computer Science and Applications, vol. 2, pp. 81-87, 2011.
J. S. Wight et al., "A microstrip and stripline crossover structure", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 24, p. 270, May 1976.

상세보기
N. S. A. Archad et al., "0 dB coupler employing slot technique on planar microstrip", 2014 International Conference on Computer, Communications, and Control Technology(I4CT), pp. 294-299, Sep. 2014.
T. A. Denidni et al., "Wide band four-port butler matrix for switched multibeam antenna arrays", 14th IEEE Proceedings on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, vol. 3, pp. 2461-2464, Sep. 2003.
W. L. Stuzman et al., G. A. Thiele, Antenna Theory and Design 3rd Edition, pp. 316-326, May 2012.
LG Electronics Inc., "안테나 배열에서 빔 형성 방법 및 장치", PCT, 공개번호 WO2014204070A1(2014. 12. 24)
H. Steyskal et al., "Mutual coupling compensation in small array antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 38, pp. 1971-1975, Dec. 2014.
민경식, 김동진, 박철근, 문영민, 김영일, "평면 배열 안테나의 소자간 상호 결합 억압 설계", 한국전자파학회논문지, 16(8), pp. 803-809, 2005년 8월.

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