[논문]LS밴드 역지향성 능동배열 안테나의 제작

전중창; 김태수

LS밴드 역지향성 능동배열 안테나의 제작
Design of a Retrodirective Active Array Antenna in the LS band 원문보기

전중창 (진주산업대학교 전자공학과) , 김태수 (위덕대학교 정보통신공학부)

본 논문에서는 2 GHz LS 대역에서 동작하는 역지향성 능동배열 안테나를 설계 제작하였다. 역지향성 안테나는 임의의 방향에서 입사하는 전파를 그 방향으로 되돌려 복사시키는 안테나 배열 시스템으로서, 반사파가 입사 반대방향으로 파면(wave front)을 갖도록 하기 위한 공액 위상변위기가 포함된 능동 안테나 배열로 구성된다. 본 연구에서는 RF/IF 신호포트와 LO 포트로 이루어진 2-포트게이트 HEMT 혼합기와 1/4파장 모노폴 안테나 배열(1${\times}$4)을 사용하여 역지향성 능동배열 안테나를 구현하였다. -45도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대한 역지향 특성을 실험 측정하였으며, 본 연구결과는 무선 이동통신 및 RFID 등의 기지국 장치에 적용 가능하다.

In this paper, we have developed a retrodirective active array operating in the 2 GHz LS band. The retrodirective array has the property of re-directing any electromagnetic wave back to the incoming direction without any priory informations. The system is consisted of frequency mixers and antenna array. The mixer is acting as a phase conjugator. In this research, 2-port gate mixers using pHEMT and 1${\times}$4 monopole array have been used. The retrodirective array developed in this research can be applied in the base station facilities for the wireless mobile communications and RFID transponders.

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문제 정의

[5],[6]따라서 입력 신호를 합성하기 위한 다이플렉서(diplexer) 및 입력단 임피던스 정합이 어렵고, 출력단에서 RF 누설신호의 제거가 쉽지 않게 된다. 본 논문에서는 2 GHz의 RF 신호를 처리할 수 있는 역지향성 안테나에 적용될 수 있는 공액 위상변위기를 설계 제작하였다. 비선형 소자로는 HEMT를 사용하였으며, 다이플렉서, 여파기, 임피던스 정합 회로 등의 설계에는 ADS 소프트웨어를 사용하였다.
따라서 Gate 혼합기 구조는 LO 및 RF 신호를 결합하기 위한 다이플렉서(diplexer) 및 입력단 임피던스 정합이 용이하지 않은 단점이 있다. 본 논문에서는 RF신호와 IF신호를 Drain 단에서 공통으로 사용하는 게이트 혼합기 구조를 채택하여 이 문제점을 극복하였다.[5]
본 연구에서는 역지향성 배열을 개발하기 위한 공액 위상변위기와 안테나 배열 설계기술이 연구 되었다. 4.

제안 방법

본 연구에서는 역지향성 배열을 개발하기 위한 공액 위상변위기와 안테나 배열 설계기술이 연구 되었다. 4.0 GHz의 LO 신호를 사용하여, Down link 및 Up link의 중심주파수가 각각 1.99 GHz 및 2.01 GHz인 능동 역지향성 안테나 배열 을 제작 실험하였다. 공액 위상변위기로 사용된 HEMT 혼합기는 -15 dBm의 1-dB 억압점과 변 환손실 -1 dB를 갖는 것으로 측정되었다.
역지향성 배열 안테나의 PCB 패턴을 그림 8에 도시하였다. 배열 안테나의 역지향성(retrodirectivity)을 측정하기 위해 송수신 안테나 사이의 거리를 80 cm로 놓고, ETS 3115 표준 이득 안테나를 사용하여 -45°, 0°, 45° 방향으로 입사된 입사전파에 대한 반사파의 크기를 λ/4 모 노폴 안테나로써 측정하였다. 측정 결과는 그림 9에서 상대적 반사파의 크기를 도시하였다.
역지향성 배열에서는 LO 주파수가 RF 주파수의 두 배가 되므로 결합기 및 입력 임피던스 정합이 매우 어려워지게 된다. 본 논문에서는 2-Port 구조를 채택함으로써 이 문제를 해결하였다. 혼합기 설계는 바이어스 전압이 인가된 상태에서 입력임피던스 정합과 출력단 RFAF 임피던스 정합회로를 차례로 설계한다.
본 논문에서는 위상공액 변위기로 사용하기 위해서 p-HEMT를 사용하여 2 GHz의 RF 신호를 처리할 수 있는 게이트 흔합기가 설계 제작되었으며, [6] 1/4파장 모노폴 안테나 배열(1x4)을 사용하여 역지향성 능동배열 안테나를 구현하였다. 역지향 특성을 검증하기 위해서, -45도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대한 역지향 특성을 실험 측정하였다.
본 연구에서 설계된 혼합기 회로구성을 그림 3에 보였으며, L0 신호를 게이트에 인가하고 RF 신호와 IF 신호를 드레인 단에서 취하는 게이트 혼합기로 설계되었다. 혼합기의 동작 주파수 대역은 RF 주파수가 2.
본 논문에서는 2 GHz의 RF 신호를 처리할 수 있는 역지향성 안테나에 적용될 수 있는 공액 위상변위기를 설계 제작하였다. 비선형 소자로는 HEMT를 사용하였으며, 다이플렉서, 여파기, 임피던스 정합 회로 등의 설계에는 ADS 소프트웨어를 사용하였다.
본 논문에서는 위상공액 변위기로 사용하기 위해서 p-HEMT를 사용하여 2 GHz의 RF 신호를 처리할 수 있는 게이트 흔합기가 설계 제작되었으며, [6] 1/4파장 모노폴 안테나 배열(1x4)을 사용하여 역지향성 능동배열 안테나를 구현하였다. 역지향 특성을 검증하기 위해서, -45도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대한 역지향 특성을 실험 측정하였다. 본 연구결과는 무선 이동통신 및 RFID 등의 기지국 장치에 적용 가능하다.
본 논문에서는 2-Port 구조를 채택함으로써 이 문제를 해결하였다. 혼합기 설계는 바이어스 전압이 인가된 상태에서 입력임피던스 정합과 출력단 RFAF 임피던스 정합회로를 차례로 설계한다. 바이어스 회로의 RF 영향을 배제하기 위한 RF choke coil과 불필요한 발진을 막기 위한 저항이 사용되었으며, 설계 결과를 그림 4에 보였다.

대상 데이터

λ/4 모노폴 안테나는 비교적 정합이 용이하며 전방향성 복사특성을 가지므로 대부분의 이동통신 단말기에 사용되고 있다. 본 연구에서는 길이가 35mm인 모노폴 안테 나를 사용하였으며, 입력반사는 RF신호 주파수인 2 GHz에서 S11 이 -27 dB로 우수한 임피던스 정합을 보인다. S21은 거리 40an에서 EMCO ETS 3115 표준이득 안테나와 함께 측정되었다.
99 GHz이다. 비선형 소자는 Agilent ATF-54143를 사용하였으며, Vds=3.0V, Vgs=0.3V의 차단영역에서 동작하도록 바이어스를 인가하였다. Agilent ATF-54143의 둥가 모델은 on-line 상에서 제공이 되며, Vds=3.
설계된 혼합기는 wet-etching 방법으로 유전율 6.15, 두께 25 mil의 기판에 제작되었으며, 그림 5에 회로 layout을 보였다. 혼합기의 측정에서 RF와 IF 신호를 분리하기 위해서 결합도가 10dB인 방향성 결합기를 사용하였다.
역지향성 배열 안테나는 Sin이e Ended 2-Port 혼합기와 λ/4 모노폴 안테나 조합 4개를 사용하여 제작되었다. 역지향성 배열 안테나의 PCB 패턴을 그림 8에 도시하였다.
15, 두께 25 mil의 기판에 제작되었으며, 그림 5에 회로 layout을 보였다. 혼합기의 측정에서 RF와 IF 신호를 분리하기 위해서 결합도가 10dB인 방향성 결합기를 사용하였다. 그림 8은 LO -10 dBm, RF -20 dBm을 인가하였을 때의 IF 출력 스펙트럼을 나타내며, 바이어스 전압은 V_GS=0.

성능/효과

역지향성 안테나의 핵심 원리는 입사 신호와 공액위상을 갖는 복사전파를 발생시키는 것으로 주파수 혼합기가 이 목적으로 사용된다.[4] 역지 향성 안테나의 주파수 혼합기는 일반적인 주파수 혼합기와 달리, RF 주파수의 2배인 LO 주파수를 가지며, IF 주파수는 RF 주파수와 비슷한 크기를 갖는다. 따라서 Gate 혼합기 구조는 LO 및 RF 신호를 결합하기 위한 다이플렉서(diplexer) 및 입력단 임피던스 정합이 용이하지 않은 단점이 있다.
01 GHz인 능동 역지향성 안테나 배열 을 제작 실험하였다. 공액 위상변위기로 사용된 HEMT 혼합기는 -15 dBm의 1-dB 억압점과 변 환손실 -1 dB를 갖는 것으로 측정되었다. 안테나 배열은 1x4 구조의 1/4파장 모노폴 배열로 구성 되었으며, V5도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대하여 역지향 특성을 갖는 것을 확인하였다.
안테나 배열은 1x4 구조의 1/4파장 모노폴 배열로 구성 되었으며, V5도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대하여 역지향 특성을 갖는 것을 확인하였다. 본 연구결과는 링크 이득과 빔 추적 기능이 중요한 무선 이동통신 및 RHD 등의 기지국 및 transponder 장치에 적용 가능하다.
공액 위상변위기로 사용된 HEMT 혼합기는 -15 dBm의 1-dB 억압점과 변 환손실 -1 dB를 갖는 것으로 측정되었다. 안테나 배열은 1x4 구조의 1/4파장 모노폴 배열로 구성 되었으며, V5도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대하여 역지향 특성을 갖는 것을 확인하였다. 본 연구결과는 링크 이득과 빔 추적 기능이 중요한 무선 이동통신 및 RHD 등의 기지국 및 transponder 장치에 적용 가능하다.

후속연구

역지향 특성을 검증하기 위해서, -45도, 0도, +45도 방향의 입사파에 대한 역지향 특성을 실험 측정하였다. 본 연구결과는 무선 이동통신 및 RFID 등의 기지국 장치에 적용 가능하다. 동작 주파수는 LO 4.

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