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문제 정의
- 본 논문은 밀리미터파 5세대 이동통신을 위한 스위치 28GHz 대역 스위치 빔포밍 안테나 시스템을 구현하였다. 빔포밍 시스템은 8×8 버틀러 매트릭스와 8-배열 안테나로 구성하였다.
- 본 연구에서는 밀리미터파 5G 이동통신에 응용하기 위한 스위칭 빔포밍 안테나 시스템을 설계하였다. 본 연구팀에서 기존에 발표한 2.
제안 방법
- 1mm2이다. 또한, 마이크로스트립 선로에 의한 기생 방사 효과를 확인하여 스트립라인 구조의 버틀러 매트릭스로 구현하였다.
- 버틀러 매트릭스 출력 단자에서 최대 위상차 값인 157.5° 일 때 가장 외각에 빔이 형성되기 때문에 4R의 입력 단자를 이용하여 157.5° 위상차로 고정하고, 안테나의 간격을 조절하여 배열지수를 계산하였다.
- 버틀러 매트릭스에 연결할 단일 패치 안테나를 설계하고 특성을 확인하였다. 안테나의 동작 중심주파수는 28GHz이며 대역폭 300MHz 이상이 되도록 설계하였다.
- 버틀러 매트릭스에 의해 발생하는 상대적인 위상차는 앞선 설계과정에서 이미 고정되었으므로, 본 단계에서는 배열안테나 사이의 간격을 조정하여 최종 설계 목표인 빔 조향 범위 ±40°를 얻을 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 이렇게 제작된 1×8 배열안테나 기반 2차원 빔포밍 시스템을 4층으로 쌓아서 4×8 배열안테나 구조로 까지 제작하였다.
- 버틀러 매트릭스에 연결할 단일 패치 안테나를 설계하고 특성을 확인하였다. 안테나의 동작 중심주파수는 28GHz이며 대역폭 300MHz 이상이 되도록 설계하였다. 아래 식들은 안테나 설계에 사용된 기본 이론식들이다[7~8].
- 우리는 이러한 요구에 맞게 ±40° 이상의 스캔범위와 8-방향의 빔조향이 가능한 8×8 버틀러 매트릭스 기반 스위칭 빔포밍 시스템을 설계하였다.
- 전자파 신호가 이와 같이 큰 버틀러 매트릭스라는 구조물을 통과하면서 버틀러 매트릭스 자체를 통한 원하지 않는 기생 방사 (Parasitic Radiation)도 전체 빔 방사 패턴에 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 기생방사를 전자파 해석 툴을 이용하여 확인하였다. 그림 10(a)는 버틀러 매트릭스를 마이크로 스트립라인 구조로 구성하였을 때 버틀러 매트릭스 자체에 의해서 방사되는 빔 패턴을 시뮬레이션 한 것이다.
- 이렇게 설계된 안테나와 버틀러매트릭슬 포함한 전체 시스템의 방사패턴을 확인하였다. 그 결과는 그림 7과 같다.
- 입력에 따라 6°, -40°, 28°, -17°, 17°, -28°, 40°, -6°의 방사방향을 갖는 것을 확인할 수 있다. 좀 더 정확한 방사패턴을 확인하기 위해 3차원 방사패턴 확인하였다. 그림 8은 3차원 방사패턴의 시뮬레이션 결과이다.
대상 데이터
- 그림 11은 스트립라인 구조 기반 버틀러매트릭스를 적용한 스위칭 빔포밍 회로를 실제 구현한 사진이다. 보드의 크기는 61x50 mm2이다. 버틀러 매트릭스가 스트립라인 구조로 제작되어 외부로는 보이지 않는다.
- 이렇게 일정한 위상차를 갖는 8개의 신호는 8개의 배열안테나로 입력되어, 최종적으로 8개의 가능한 빔 중 하나의 빔으로 출력되게 된다. 본 연구에서 사용된 기판은 Rogers사의 RO3003 (유전율=3, 기판 높이=5mil)이고, Keysight사의 전자파해석 툴인 Momentum을 사용하여 설계했다.
- 이 시스템의 전체 사이즈는 55.8×51.1mm2이다.
- 전체 시스템의 크기는 55.8×55.1mm2이고, 이중에서 버틀러 매트릭스의 크기는 55.8×42.3mm2이다.
데이터처리
- 3mm2이다. 빔포밍 성능을 평가하기 위해 우선 버틀러 매트릭스 출력 신호의 위상과 삽입손실을 전자파해석을 통해 확인하였고, 그림 5에 그 결과를 보였다. 그림 5(a)는 8개의 입력 신호에 따른 인접 출력단자간의 위상 차이를 표시한 것이다.
성능/효과
- 본 논문의 결과 값은 8x8 버틀러 매트릭스의 입력 신호 1R/2R/3R/4R/4L /3L/2L/1L 일 때, 위상차의 평균값은 23.5°/68.4°/113.2°/158.4°/ 201.6°/247.0°/291.9°/336.4°이고, RMS 오차는 14.4/11.9/ 14.1/9.7/11.3/16.7/8.6/13.5 이다.
- 향후 이에 대한 추가 연구를 진행하여 측정을 진행할 예정이다. 본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여 8-방향 빔포밍 안테나 시스템의 성능을 확인할 수 있었다.
- 본 연구팀에서 기존에 발표한 2.4GHz 스위칭 빔포밍 안테나 설계[6]는 주파수 대역이 낮아서 밀리미터파 5G 응용에 적합하지 않고, 28GHz 대역 5G 스위칭 빔포밍 안테나 시스템[7]은 스캔범위가 ±30° 정도로 제한되고 4×4 버틀러 매트릭스를 이용하여서 4-방향 빔조향만 가능하였다.
- 그림 6은 설계 된 안테나의 형상과 반사손실 시뮬레이션 결과이다. 안테나의 대역폭은 27.82GHz에서 28.20GHz까지 380MHz을 얻었음을 확인하였다.
- 이상적인 경우에 9 dB의 삽입손실을 갖게 되는 구조이므로 최대 3.8 dB의 추가적인 삽입손실이 발생한 것을 확인하였다.
- 전자파해석을 통해 실제 위상천이 값은 45.03°, 67.47°, 22.54° 임을 확인할 수 있었다.
- 그림 5(b)는 출력단자의 삽입손실이다. 최소 9.7 dB에서 최대 12.8 dB임을 확인하였다. 이상적인 경우에 9 dB의 삽입손실을 갖게 되는 구조이므로 최대 3.
후속연구
- 본 연구에서 설계된 빔포밍 시스템의 실제 방사패턴 측정을 위해서는 주변의 구동회로가 적절히 추가 구성되어야 한다. 향후 이에 대한 추가 연구를 진행하여 측정을 진행할 예정이다. 본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여 8-방향 빔포밍 안테나 시스템의 성능을 확인할 수 있었다.
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