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KR101700403B1 - 3d 빔 형성을 위한 안테나 - Google Patents

3d 빔 형성을 위한 안테나 Download PDF

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KR101700403B1
KR101700403B1 KR1020160013155A KR20160013155A KR101700403B1 KR 101700403 B1 KR101700403 B1 KR 101700403B1 KR 1020160013155 A KR1020160013155 A KR 1020160013155A KR 20160013155 A KR20160013155 A KR 20160013155A KR 101700403 B1 KR101700403 B1 KR 101700403B1
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KR
South Korea
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antenna
stacked
radiator
beamforming
forming
Prior art date
Application number
KR1020160013155A
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Inventor
이병제
이현석
문병귀
윤용현
이현우
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 3D 빔 형성을 위한 안테나에 관한 것으로, 27.875~28.125 GHz 대역의 기본 안테나에서 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체로 된 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체; 상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체가 위치하는 전면부의 기판1; 개구 결합 급전을 위한 복수의 슬롯들이 뚫려있는 그라운드 판; 전면부와 후면부의 기판1과 그라운드 판과 기판3을 부착하고 각 층별 독립적인 전기적 환경 구성을 위한 기판2; 상기 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에 대향되어 되어 그라운드 판에 형성되며, NxN개의 배열 방사체에 개구 결합 급전 슬롯들; 안테나의 배열 소자에 급전 인가를 위한 전력 분배기; 3D 빔 형성을 위한 급전 인가를 위한 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조를 가진 위상조절부 인 버틀러 매트릭스; 상기 전력 분배기 및 상기 버틀러 매트릭스 상에 위치하는 후면부의 기판3; 및 3D 빔 형성을 위해 4개의 급전을 위한 적층형 3D 빔형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4를 포함하며,
위상 지연기(Phase shifter)를 대신하여 버틀러 매트릭스와 전력 분배기를 사용하고 4개의 위상 변화를 주도록 RF 회로설계 시뮬레이션과 EM 시뮬레이션을 통해 급전 라인을 설계하여 통합된 구조의 안테나를 제공한다.

Description

3D 빔 형성을 위한 안테나{3D beamforming antenna}
본 발명은 3D 빔 형성을 위한 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밀리미터파 대역의 5G 통신 기지국 안테나 등에 최적화될 수 있도록 구조를 소형화, 단순화하여 축소된 크기로 3D 빔 형성을 위한 적층형 구조의 통합적인 안테나를 제공하는, 3D 빔 형성을 위한 안테나에 관한 것이다.
이동통신 시장은 최근 모바일뿐만 아니라 스마트 워치, 스마트 글래스, 웨어러블 기기, 태블릿등 많은 통신기기들이 증가하고 있다. 따라서, data traffic, cloud traffic과 같은 문제가 계속해서 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해 지금의 4 세대 통신 기술보다 한 단계 높은 5 세대 통신기술이 필요한 상황이다. 5 세대 통신기술을 만족하기 위해 7가지 지표(Peak data rate[Gbps], Cell edge data rate[Mbps], Cell spectral efficiency[bps/Hz], Mobility[km/h], Cost efficiency[Bits/$], Simultaneous connection[104/km2], Latency[msec]에 대해서 4세대 보다 적게는 10배, 많게는 1000배 이상의 성능을 만족해야 한다. 세계의 여러 대기업들은 자신들만의 기술로 5G 표준화를 위해 활발하게 연구를 진행하고 있다.
세계의 여러 기업들은 자신들만의 기술로 5G 표준화를 위해 활발하게 연구를 진행하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 몇 가지 5G 기술에 대해 소개하면, 밀리미터파 기술(mmWave Technology)-Case1, 3D 빔 형성 기술(3D Beamforming)-Case2, M2M(Machine to Machine)-Case3, D2D(Device to Device)-Case4가 있다. 하드웨어적으로는 밀리미터파 기술과 3D 빔 형성기술을 융합하여 5G 기지국 안테나 설계를 진행 중에 있다. 현재까지 연구되고 있는 5G 안테나의 경우 방사체와 급전부가 각각 독립적으로 존재하고, 3D 빔 형성을 위한 방사체의 위상을 위상 변화기(Phase shifter)로 조절하고 있다. 위상 변화기는 매우 고가의 특성을 가져 가격 절감을 위해 이를 대체하거나 가격 경쟁력을 확보하기 위한 연구가 필요하다.
도 5는 5G 통신서비스를 위해 개발되고 있는 기술들을 나타낸다. 도 5의 Case1의 Millimeter-wave technology는 기존에 사용하던 30~300GHz의 millimeter 대역을 사용함으로써 주파수 재사용률을 높이고 넓은 대역폭을 사용하여 높은 Peak Data Rate를 가질 수 있는 장점을 가지고 있다. Case2의 3D 빔 형성 기술은 기존에 상용화 되어 있는 기지국보다 좁은 빔 폭을 가지고 그 빔을 사용자들에게 빔 형성을 통해 직접적으로 보내어 통신속도를 높이고 신뢰성을 높이는 방법이다. Case 3의 M2M(Machine to Machine) 기술은 기계와 기계간의 통신을 통하여 데이터의 속도를 높이는 방법이다. Case4의 D2D(Device to Device) 기술은 기존에는 기지국을 이용하여 모바일 단말기 간에 통신이 이루어졌지만 이 방식은 기지국을 거치지 않고 직접적으로 사용자간의 모바일 단말기 간의 통신을 하는 방식이다. Case3과 Case4는 시스템적으로 해결해야 한다. 본 발명에서 제안하는 안테나는 하드웨어적으로 구현이 가능한 Case1, Case2의 기술을 사용하여 millimeter 대역에서 동작하는 3D 빔 형성 기술을 사용하여 통신이 이루지도록 한다.
3D 빔 형성 안테나는 주로 마이크로스트립 패치 안테나 구조를 사용한다. 마이크로스트립 패치 안테나는 소형화, 경량화가 가능한 구조를 기반으로 하여 3D 빔 형성 기법에 많은 연구와 개발이 되고 있다. 그러나, 마이크로스트립 안테나는 소형, 박형, 경량 등과 같은 장점을 가지고 있지만 대역폭 확장에 한계가 있으며, 높은 입력 임피던스에 의해 급전 구조의 복잡성이 문제가 된다. 이에 따라 기존에 연구가 되고 있는 3D 빔 형성 안테나의 경우 방사체와 급전구조를 독립적으로 가져가고, 3D 빔 형성을 위한 위상 지연기(Phase Shifter)를 사용하면서 높은 가공비를 가지게 된다. 이에 따라 마이크로스트립 패치 안테나의 장점을 살리는 어려움과 효율적인 가성비 확보의 어려움이 있었다.
새로운 통신기기들의 발전에 따라 많은 문제점들이 대두되고 있다. 이에 따라서 현재 사용되고 있는 통신 기술보다 더 빠르고 신뢰성 있는 5G 기술이 요구되고 있다. 기존의 통신 방식은 기지국에서 정해져 있는 넓은 섹터를 한번에 처리하는 방식이였으나 5G 기술 중 3D 빔 형성 기술을 사용하게 되면 좁은 섹터내에서 많은 사용자들에게 빠르고 신뢰성 있는 데이터를 제공할 수 있다.
또한, 현재 운용되고 있는 주파수보다 높은 주파수를 사용함으로써 재사용률을 높이고 속도를 높이는 방식이 개발중에 있다. 기존의 3D 빔 형성 기술은 위상 지연기(Phase shifter)를 사용하여 방사체와 급전구조를 독립적으로 가져가게 된다. 이는 물리적인 크기가 커질 뿐만 아니라 단가가 높아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 안테나의 방사체와 급전구조를 소형의 크기 안에서 통합하여 3D 빔 형성 특성을 가질 수 있도록 적층형 개구 결합 급전 안테나를 제공하는 밀리미터파 대역의 3D 빔 형성을 위한 5G 기지국 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다. 제안된 안테나는 3D 빔 형성 동작을 위한 버틀러 매트릭스, 전력 분배기, 개구 결합 급전 방식을 이용하여 27.875~28.125(BW: 250 MHz)에서 이득값 12dBi 이상을 만족하고 3D 빔 형성이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 5G 통신 환경의 기지국 안테나에 최적화될 수 있도록 구조를 소형화, 단순화하면서 축소된 크기로 3D 빔 형성을 할 수 있는 통합적인 안테나를 제공한다.
본 발명의 3D 빔 형성 안테나는 기존의 구조인 방사체와 급전구조를 독립적으로 가지는 큰 크기, 위상 지연기를 사용함으로써 높은 단가의 단점을 보완하면서 앞으로 개발하게 될 기지국 시스템을 위한 배열 안테나의 문제점을 개선하도록 3D 빔 형성이 가능한 통합적인 안테나를 제안한다.
제안된 안테나는 5G 이동통신에서 국내외적으로 사용 가능한 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 대역에서 동작 가능한 특징을 가진다. 제안된 안테나는 36 x 44.6 x 0.706 mm3의 전체적인 크기를 가지고 27.875~28.125 GHz에서 -10dB 이하 (VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족한다. 안테나의 이득은 동작 주파수 대역내에서 12 dBi 이상을 만족하였고, 3D 빔 형성을 통해 4개의 state로 구분된 전체의 빔은 horizontal 방향으로 -20°~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20°~ 20°를 만족하였다. 각 state들의 horizontal, vertical 반전력 빔폭(HPBW)은 22°, 21°를 각각 만족한다.
본 발명은 밀리미터파 대역을 사용하여 3D 빔 형성을 통해 5G 통신 기술에 적용 가능한 기지국 안테나 및 이를 포함하는 장치에 있다. 위에서 언급했던 문제점을 해결하기 위해 전체적인 구조는 적층형의 특징을 가진다. 배열 안테나의 방사 소자와 신호를 주기 위한 급전부는 각각 전면부, 후면부에 설계함으로써 안테나의 소형화를 구현하였다. 위상 지연기(Phase shifter)를 대신하여 버틀러 매트릭스와 전력 분배기를 사용하고 4개의 위상 변화를 주도록 RF 회로설계 시뮬레이션과 EM 시뮬레이션을 통해 급전 라인을 설계하여 통합된 구조의 안테나 및 이를 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 3D 빔 형성을 위한 안테나는 3D 빔 형성 기지국 안테나에 있어서, 27.875~28.125 GHz 대역의 기본 안테나에서 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체로 된 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1); 상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)가 위치하는 전면부의 기판1(2); 개구 결합 급전을 위한 복수의 슬롯들이 뚫려있는 그라운드 판(3); 전면부와 후면부의 기판1(2)과 그라운드 판(3)과 기판3(5)을 부착하고 각 층별 독립적인 전기적 환경 구성을 위한 기판2(4); 상기 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에 대향되어 되어 그라운드 판(3)에 형성되며, NxN개의 배열 방사체에 개구 결합 급전 슬롯들(6); 안테나의 배열 소자에 급전 인가를 위한 전력 분배기(7); 3D 빔 형성을 위한 급전 인가를 위한 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조를 가진 위상조절부 인 버틀러 매트릭스(8); 상기 전력 분배기(7) 및 상기 버틀러 매트릭스(8) 상에 위치하는 후면부의 기판3(5); 및 3D 빔 형성을 위해 4개의 급전을 위한 적층형 3D 빔형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4(9~12)를 포함하며,
위상 지연기(Phase shifter)를 대신하여 상기 버틀러 매트릭스(8)와 상기 전력 분배기(7)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 상기 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에서, N=4인 경우, 5G 이동통신에서 사용 가능한 27.875~28.125 GHz의 LMDS 대역에서 28GHz 중심주파수를 기준으로 약 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 16개(4x4배열)의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 인 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 N=4 인 경우 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 마름모형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 원형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 중 어느 하나의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4로 전류가 급전된 후, 상기 전력 분배기(7)와 상기 버틀러 매트릭스(8)를 통하여 각각의 개구 결합 급전 슬롯(6)으로 전달되어 상기 안테나 방사체(1)이 동작하며, 각각의 Port는 각각의 정해진 방향으로 빔이 형성이 되도록 동작되는 것을 특징으로 한다.
상기 안테나는 5G 이동통신에서 국내외적으로 사용 가능한 27.875~28.125 GHz(250MHz)의 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 대역에서 -10dB 이하(VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족하며, Port 1과 4, Port 2와 3은 동일한 버틀러 매트릭스(8)의 위상차이와 전력 분배기(7)를 통과하여 동일한 S-parameters 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔 형성 안테나의 이득(Gain)은 동작 주파수 대역내에서 12 dBi 이상을 만족하며, 3D 빔 형성을 통해 4개의 state로 구분된 전체의 빔은 horizontal 방향으로 -20°~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20°~ 20°를 만족하며, 각 state들의 horizontal, vertical 반전력 빔폭(HPBW)은 22°, 21°를 각각 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔 형성 안테나는 36 x 44.6 x 0.706 mm3의 전체적인 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 버틀러 매트릭스(8)의 각각의 입력 Port에 급전을 주었을 경우 출력 Port에서 위상차이가 발생하며, 기존 빔 형성 안테나를 구현하기 위해 적용되는 상기 위상 지연기의 위상 조절을 버틀러 매트릭스 구조를 통해 대체하여 제공되는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔 형성 안테나는 5G 기술이 적용될 수 있는 LMDS 대역인 27.875~28.125 GHz의 시스템 대역에서 200m 내에서 통신할 수 있는 12dBi 이상의 안테나 이득을 확보하며, Port1과 4는 동일한 전류 진행과 동일한 구조를 가지는 방사체를 통해 동일한 이득 특성을 제공하며, Port 2와 3에서도 동일한 전류 진행과 동일한 구조를 가지는 방사체를 통해 동일한 이득 특성을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔 형성 안테나에서 27.875~28.125 GHz 대역에서 동작하는 안테나는 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전 Port1,2,3,4에서 급전된 전류가 상기 버틀러 매트릭스(8), 상기 전력 분배기(7), 상기 개구 급전 결합 슬롯들(6)의 구조를 통해 상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)로 전달되며, 전류가 통과 시에 임피던스 매칭을 통해 이득(Gain)을 확보하였고, 상기 적층형 3D 빔형성 안테나 방사체(1)의 배열을 기존에 사용하던 1/2파장보다 더 넓힌 0.7 파장으로 설정함에 따라 향상된 지향성(Directivity)과 이를 통해 향상된 이득(Gain)을 확보하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔 형성 안테나에서, 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나는 현재의 4포트 급전 구조가 아닌 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조의 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나는 2포트 급전 구조, 4포트 급전 구조, 6포트 급전 구조, 8포트 급전 구조, 10포트 급전 구조의 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 빔 형성을 위한 안테나는 상기한 바와 같이 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 방사체와 급전구조를 소형의 크기 안에서 통합하여 3D 빔 형성 특성을 가질 수 있도록 적층형 개구 결합 급전 안테나를 제공하는 밀리미터파 대역의 3D 빔 형성을 위한 5G 기지국 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다. 제안된 안테나는 3D 빔 형성 동작을 위한 버틀러 매트릭스, 전력 분배기, 개구 결합 급전 방식을 이용하여 27.875~28.125(BW: 250 MHz)에서 이득값 12dBi 이상을 만족하고 3D 빔 형성이 가능한 특징을 가진다.
본 발명에 따른 3D 빔 형성 안테나는 종래의 방사체와 급전 구조가 분리되어 있는 안테나들의 큰 크기와 위상 지연기를 사용에 의한 높은 단가의 문제점을 보완하면서도 통합된 구조에서 적용된 이점으로 작은 크기를 가지면서, 3D 빔 형성 특성을 제공하는 단순한 구조이다. 따라서, 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 5G 기지국 안테나 시스템에 효과적인 적용이 가능하다.
구조도에서 28GHz 대역의 적층형 개구 결합 급전 슬롯들의 구조, 버틀러 매트릭스, 전력 분배기 그리고 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체를 사용하여 동작하고, 이는 요구 대역에 따라 변형 가능한 특징을 제공한다.
방사체의 길이나 크기, 기판을 조절하여 주파수 변화가 가능하고 방사체의 배열을 통해 이득값도 조절이 가능하다. 버틀러 매트릭스, 전력 분배기, 개구 결합 급전 구조의 내외부 구조체의 변형을 통하여 임피던스 조절을 통해 임피던스 매칭이 가능한 특징을 가진다.
본 발명에서 제안된 안테나 구조는 위상 지연기를 사용하지 않고 버틀러 매트릭스, 전력 분배기만을 사용하여 3D 빔 형성 안테나 동작 성능을 확보하였다. 버틀러 매트릭스의 위상차이를 변화시켜 여러 각도의 3D 빔을 형성하여 앞으로 개발될 5G 기지국 안테나에 적용 가능한 장점을 가지고 있다. 기존의 개발중인 3D 빔 형성 안테나와 차별화를 두어 적층형 구조와 개구 결합 급전 슬롯들의 구조를 사용하여 통합된 구조 내에서 안테나와 급전 구조를 배치하여 공간 활용성을 증대하였다.
도 1은 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 상하로 분리된 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 평면도[YZ면] 및 측면도[XY면]이다.
도 3은 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 후면부[YZ면]를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 상하로 분리된 개구 결합 급전 내부 구조도이다.
도 5는 5G 통신 서비스를 위해 개발되고 있는 기술[Case1(mmWave Technology), Case2(3D Beamforming), Case3(M2M), Case4(D2D)]을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 버틀러 매트릭스(8)에서 Port1~4으로 급전이 된 후 전류가 전달되는 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 버틀러 매트릭스(8)의 각각의 입력 Port에 급전을 주었을 경우 출력 Port에서 생기는 위상차이를 나타낸 도면이다.
도 8은 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 이득(Gain) 특성을 나타낸 도면이다.
도 10은 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 28GHz 중심 주파수에서 정규화된 contour 방사 패턴의 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 제안된 안테나의 2D 방사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 12는 제안된 안테나의 2D 방사 패턴 scanning range를 나타낸 도면이다.
도 13은 변형 가능한 배열 안테나 구조의 예를 나타낸 도면이다.
도 14의 본 발명의 실시예에 따른 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 상하로 분리된 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 평면도[YZ면] 및 측면도[XY면]이다.
도 3은 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 후면부[YZ면]를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 상하로 분리된 개구 결합 급전 내부 구조도이다.
본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나는 적층형 3D 빔 형성 안테나 방사체(1), 기판 1(Taconic-RF30,εr = 3)(2), 그라운드 판(3), 기판 2(Pre-preg, εr = 3.79)(4), 기판 3(Taconic-RF30,εr = 3)(5), 개구 결합 급전 슬롯들(6), 전력 분배기(7), 버틀러 매트릭스(8), 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치1(Port1)(9), 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치2(Port2)(10), 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치3(Port3)(11), 및 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치4(Port4)(12)를 포함한다.
3D 빔 형성 안테나는 2G, 3G, 4G, 5G 기지국 안테나, RFID 안테나, 레이더의 안테나에 적용될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 밀리미터파 대역의 3D 빔 형성을 위한 5G 기지국 안테나를 예를 들어 설명하며, 이에 한정하지 않고 다양하게 적용될 수 있다.
본 발명은 5G 통신 환경의 기지국 안테나에 최적화될 수 있도록 구조를 소형화, 단순화하면서 축소된 크기로 3D 빔 형성을 할 수 있는 통합적인 안테나를 제공하는, 밀리미터파 대역의 3D 빔 형성을 위한 5G 기지국 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 3D 빔 형성 안테나는 기존의 구조인 방사체와 급전구조를 독립적으로 가지는 큰 크기, 위상 지연기를 사용함으로써 높은 단가의 단점을 보완하면서 앞으로 개발하게 될 기지국 시스템을 위한 배열 안테나의 문제점을 개선하도록 3D 빔 형성이 가능한 통합적인 안테나를 제안한다.
제안된 안테나는 5G 이동통신에서 국내외적으로 사용 가능한 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 대역에서 동작 가능한 특징을 가진다. 제안된 안테나는 36 x 44.6 x 0.706 mm3의 전체적인 크기를 가지고 27.875~28.125 GHz에서 -10dB 이하 (VSWR < 2)의 반사손실(Return loss)을 만족한다. 안테나의 이득은 동작 주파수 대역내에서 12 dBi 이상을 만족하였고, 3D 빔 형성을 통해 4개의 state로 구분된 전체의 빔은 horizontal 방향으로 -20°~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20°~ 20°를 만족하고 있다. 각 state들의 horizontal, vertical 반전력 빔폭(HPBW)은 22°, 21°를 각각 만족한다.
본 발명은 3D 빔 형성 기지국 안테나에 관한 것으로, 3D 빔 형성을 위한 4x4배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체(27.875~28.125GHz)(1); 그라운드 판과 전기적으로 연결되며 방사체를 부착하는 구조체1; 개구 결합 급전 슬롯들이 뚫려있는 그라운드 판(3); 그라운드 판(3)과 전기적으로 연결되며 급전 구조를 부착하는 구조체2; 안테나의 방사체를 부착하는 구조체와 급전 구조를 부착하는 내부 구조체를 연결해주는 구조체; 3D 빔 형성에 적합한 급전 인가를 위한 버틀러 매트릭스(8); 안테나의 배열 소자에 급전 인가를 위한 전력 분배기(7)로 구성된다.
본 발명은 3D 빔 형성 기지국 안테나에 관한 것으로, 제안된 27.875~28.125 GHz 대역의 기본 안테나는 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열(예, 4x4배열) 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체(27.875~28.125GHz)(1)로써, 28GHz 중심 주파수를 기준으로 약 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 16개(4x4배열)의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1)로 된 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1); 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)가 위치하는 전면부의 기판1(2); 개구 결합 급전을 위한 복수의 슬롯들이 뚫려있는 그라운드 판(3); 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에 대향되어 그라운드 판(3)에 형성되며, NxN(N=4)개의 배열 방사체에 개구 결합 급전 슬롯들(6); 전면부와 후면부의 기판1(2)과 3(5)를 부착하고 각 층별 독립적인 전기적 환경 구성을 위한 기판2(4); 기판3 하부에 위치되며, 안테나의 배열 소자에 급전 인가를 위한 전력 분배기(7); 기판3 하부에 위치되며, 3D 빔 형성을 위한 급전 인가를 위한 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조를 가진 위상조절부 인 버틀러 매트릭스(8); 전력 분배기(7) 및 버틀러 매트릭스(8) 상에 위치하는 후면부의 기판3(5); 3D 빔 형성을 위해 4개의 급전을 위한 적층형 3D 빔형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4(9~12)로 구성되며,
위상 지연기(Phase shifter)를 대신하여 버틀러 매트릭스(8)와 전력 분배기(7)를 사용하고 4개의 위상 변화를 주도록 RF 회로설계 시뮬레이션과 EM 시뮬레이션을 통해 급전 라인을 설계하여 통합된 구조의 안테나를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 상기 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에서, N=4인 경우, 5G 이동통신에서 사용 가능한 27.875~28.125 GHz의 LMDS 대역에서 28GHz 중심주파수를 기준으로 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 16개(4x4배열)의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 인 것을 특징으로 한다.
상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 N=4 인 경우 정사각형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 마름모형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 원형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 중 어느 하나의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서는, 정사각형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1)를 예를 들어 설명한다.
적층형 3D 빔형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4(9~12)로 전류가 급전이 된 후 전력 분배기(7)와 버틀러 매트릭스(8)를 통하여 각각의 개구 결합 급전 슬롯들(6)로 전달되어 안테나 방사체(1)이 동작한다. 각각의 Port는 각각의 정해진 방향으로 빔이 형성이 되도록 동작된다.
도 6은 본 발명에서 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 버틀러 매트릭스(8)에서 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전 Port1~4로 급전이 된 후 전류가 전달되는 방법을 도식화 하였다.
도 7은 버틀러 매트릭스(8)의 각각의 입력 Port에 급전을 주었을 경우 출력 Port에서 생기는 위상차이를 나타낸 도면이다. 기존 빔 형성 안테나를 구현하기 위해 적용되는 위상 지연기의 위상 조절을 버틀러 매트릭스 구조를 통해 대체하여 가격 절감 등의 장점을 가진다.
도 8은 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 S-parameters 특성을 나타낸 도면이다.
제안된 안테나는 27.875~28.125 GHz(250MHz)의 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 대역에서 -10dB 이하(VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족하고 있다. Port 1과 4, Port 2와 3은 동일한 S-parameters 특성을 가지고 있으므로 도 8에서는 Port 1과 4, Port 2와 3에 대한 특성을 제시한다.
27.875~28.125 GHz 대역에서 동작하는 안테나(1)는 개구 결합 급전 슬롯들의 구조를 통해 향상된 광대역 특성을 확보하였고, 기존의 사용하던 위상 지연기(Phase shifter)를 대신하여 버틀러 매트릭스(8)와 전력 분배기(7)를 통하여 단가를 낮추고 가성비를 높였다. 또한, 적층형 구조를 통하여 방사체와 급전 구조를 독립적으로 가져가던 기존의 방식을 하나의 구조물 안에서 통합하여 물리적인 크기를 줄였다. 본 발명에서 제안된 안테나는 통합적으로 작은 공간 안에서 기존의 개발중인 기지국 안테나의 형태와 비교하여 크기를 확연하게 줄이면서 3D 빔 형성 특성을 확보하고 있다.
도 9는 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 이득(Gain) 특성을 나타낸 도면이다. 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나는 5G 기술이 적용될 수 있는 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 대역인 27.875~28.125 GHz의 시스템 대역에서 200m 내에서 통신할 수 있는 12 dBi 이상의 안테나 이득을 확보하고 있다. Port 1과 4는 동일한 전류 진행과 동일한 구조를 가지는 방사체를 통해 동일한 이득 특성을 나타내고, Port 2와 3에서도 동일한 전류 진행과 동일한 구조를 가지는 방사체를 통해 동일한 이득 특성을 제시한다.
27.875~28.125 GHz 대역에서 동작하는 안테나(1)는 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전 Port1~4에서 급전된 전류가 버틀러 매트릭스(8), 전력 분배기(7), 개구 결합 급전 슬롯들(6)의 구조를 통해 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)로 전달된다. 전류가 통과함에 있어서 정확한 임피던스 매칭을 통해 이득(Gain)을 확보하였고, 적층형 3D 빔형성 안테나 방사체(1)의 배열을 기존에 사용하던 1/2파장보다 더 넓힌 0.7 파장으로 설정함에 따라 향상된 지향성(Directivity)과 이를 통해 향상된 이득(Gain)을 확보하였다.
도 10은 제안된 적층형 3D 빔 형성 안테나의 28GHz 중심 주파수에서 정규화된 contour 방사 패턴의 특성을 나타낸 도면이다. 각각의 Port에 급전이 인가되었을 때 동작할 수 있는 4개의 State를 나타낸다. 빨강색에서부터 파랑색으로 갈수록 전기장의 세기는 약해진다. 제안된 안테나는 각각 State 1부터 State 4까지 horizontal 방향으로 -20°~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20°~ 20°를 만족하고 있다. 그리고 각 state들의 horizontal, vertical 반전력 빔폭(HPBW)은 22°, 21°를 각각 만족한다.
도 11은 제안된 안테나의 2D 방사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 10의 최대치의 단면을 나타낸 것과 같다. 상술한 바와 같이 각 State 별로 각각 State 1부터 State 4까지 horizontal 방향으로 -20°~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20°~ 20°를 만족한다.
도 12는 제안된 안테나의 2D 방사 패턴 scanning range를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에서 제안된 안테나의 3D 빔 형성 각을 나타낸다. 200m 이내에서 통신을 하기 위해 목표로 하였던 빔 형성 각과 반전력 빔폭을 만족하고 있음을 수치적으로 나타낸다.
도 13은 변형 가능한 배열 안테나 구조의 예를 나타낸 도면이다.
적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 5G 이동통신에서 사용 가능한 27.875 ~ 28.125 GHz(250MHz 대역폭)의 LMDS 대역에서 28GHz 중심 주파수를 기준으로 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 16개(4x4배열)의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1)이며, 정사각형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 마름모형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 원형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 중 어느 하나의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 정사각형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1)를 예를 들어 설명하였지만 이에 한정하지 않고, 다양하게 변형 가능한 배열 안테나의 구조를 적용할 수 있다.
도 14의 본 발명의 실시예에 따른 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
제1 실시예에서는 마이크로 스트립 패치 안테나 방사체(1)는 제1 방사체부(NxN 배열), 제2 방사체부(NxN 배열), 제3 방사체부(NxN 배열) 및 제4 방사체부(NxN 배열)가 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 현재의 4포트 급전 구조의 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있다.
제2 실시예에서는 마이크로 스트립 패치 안테나 방사체(1)는 제1 방사체부(NxN 배열) 및 제2 방사체부(NxN 배열)가 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 2포트 급전 구조의 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있다.
밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나는 현재의 4포트 급전 구조가 아닌 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조의 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있다.
예를들면, 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나는 2포트 급전 구조, 4포트 급전 구조, 6포트 급전 구조, 8포트 급전 구조, 10포트 급전 구조의 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 밀리미터파 대역의 3D 빔 형성을 위한 5G 기지국 안테나는 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 방사체와 급전구조를 소형의 크기 안에서 통합하여 3D 빔 형성 특성을 가질 수 있도록 적층형 개구 결합 급전 안테나를 제공하는 밀리미터파 대역의 3D 빔 형성을 위한 5G 기지국 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다. 제안된 안테나는 3D 빔 형성 동작을 위한 버틀러 매트릭스, 전력 분배기, 개구 결합 급전 방식을 이용하여 27.875~28.125(BW: 250 MHz)에서 이득값 12dBi 이상을 만족하고 3D 빔 형성이 가능한 특징을 가진다.
본 발명에 따른 3D 빔 형성 안테나는 종래의 방사체와 급전 구조가 분리되어 있는 안테나들의 큰 크기와 위상 지연기를 사용에 의한 높은 단가의 문제점을 보완하면서도 통합된 구조에서 적용된 이점으로 작은 크기를 가지면서, 3D 빔 형성 특성을 제공하는 단순한 구조이다. 따라서, 공간적으로 자유롭게 사용할 수 있으며 5G 기지국 안테나 시스템에 효과적인 적용이 가능하다.
구조도에서 28GHz 대역의 적층형 개구 결합 급전 구조, 버틀러 매트릭스, 전력 분배기 그리고 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체를 사용하여 동작하고, 이는 요구 대역에 따라 변형 가능한 특징을 제공한다.
방사체의 길이나 크기, 기판을 조절하여 주파수 변화가 가능하고 방사체의 배열을 통해 이득값도 조절이 가능하다. 버틀러 매트릭스, 전력 분배기, 개구 결합 급전 구조의 내외부 구조체의 변형을 통하여 임피던스 조절을 통해 임피던스 매칭이 가능한 특징을 가진다.
본 발명에서 제안된 안테나 구조는 위상 지연기를 사용하지 않고 버틀러 매트릭스, 전력 분배기만을 사용하여 3D 빔 형성 안테나 동작 성능을 확보하였다. 버틀러 매트릭스의 위상차이를 변화시켜 여러 각도의 3D 빔을 형성하여 앞으로 개발될 5G 기지국 안테나에 적용 가능한 장점을 가지고 있다. 기존의 개발중인 3D 빔 형성 안테나와 차별화를 두어 적층형 구조와 개구 결합 급전 구조를 사용하여 통합된 구조 내에서 안테나와 급전 구조를 배치하여 공간 활용성을 증대하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 적층형 3D 빔 형성 안테나 방사체
2: 기판 1(Taconic-RF30,εr = 3)
3: 그라운드 판
4: 기판 2(Pre-preg, εr = 3.79)
5: 기판 3(Taconic-RF30,εr = 3)
6: 개구 결합 급전 슬롯들
7: 전력 분배기
8: 버틀러 매트릭스
9: 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치1(Port1)
10: 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치2(Port2)
11: 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치3(Port3)
12: 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전위치4(Port4)

Claims (12)

  1. 3D 빔을 형성하는 안테나에 있어서,
    27.875~28.125 GHz 대역의 기본 안테나에서 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체로 된 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1);
    상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)가 위치하는 전면부의 기판1(2);
    개구 결합 급전을 위한 복수의 슬롯들이 뚫려있는 그라운드 판(3);
    상기 3D 빔 형성을 위한 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에 대향되어 그라운드 판(3)에 형성되며, NxN개의 배열 방사체에 개구 결합 급전 슬롯들(6);
    전면부와 후면부의 기판1(2)과 그라운드 판(3)과 기판3(5)을 부착하고 각 층별 독립적인 전기적 환경 구성을 위한 기판2(4);
    안테나의 배열 소자에 급전 인가를 위한 전력 분배기(7);
    3D 빔 형성을 위한 급전 인가를 위한 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조를 가진 위상조절부 인 버틀러 매트릭스(8);
    상기 전력 분배기(7) 및 상기 버틀러 매트릭스(8) 상에 위치하는 후면부의 기판3(5); 및
    3D 빔 형성을 위해 4개의 급전을 위한 적층형 3D 빔형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4(9~12)를 포함하며,
    위상 지연기(Phase shifter)를 대신하여 상기 버틀러 매트릭스(8)와 상기 전력 분배기(7)를 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 상기 NxN 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 방사체에서, N=4인 경우, 5G 이동통신에서 사용 가능한 27.875~28.125 GHz의 LMDS 대역에서 28GHz 중심주파수를 기준으로 1/2 파장(λ)의 길이를 가지는 16개(4x4배열)의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 인 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)는 N=4 인 경우 정사각형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 마름모형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1), 원형 4x4배열의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체(1) 중 어느 하나의 마이크로스트립 패치 안테나 방사체를 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전 포트1,2,3,4로 전류가 급전된 후, 상기 전력 분배기(7)와 상기 버틀러 매트릭스(8)를 통하여 각각의 개구 결합 급전 슬롯들(6)로 전달되어 상기 안테나 방사체(1)이 동작하며, 각각의 Port는 각각의 정해진 방향으로 빔이 형성이 되도록 동작되는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔 형성 안테나는 5G 이동통신에서 국내외적으로 사용 가능한 27.875~28.125 GHz(250MHz)의 LMDS(Local Multipoint Distribution Service) 대역에서 -10dB 이하(VSWR<2)의 반사손실(Return loss)을 만족하며, Port 1과 4, Port 2와 3은 동일한 버틀러 매트릭스(8)의 위상차이와 전력 분배기(7)를 통과하여 동일한 S-parameters 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 안테나의 이득(Gain)은 동작 주파수 대역내에서 12 dBi 이상을 만족하며, 3D 빔 형성을 통해 4개의 state로 구분된 전체의 빔은 horizontal 방향으로 -20°~ 20° 그리고 vertical 방향으로 -20°~ 20°를 만족하며, 각 state들의 horizontal, vertical 반전력 빔폭(HPBW)은 22°, 21°를 각각 만족하는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔 형성 안테나는 36 x 44.6 x 0.706 mm3의 전체적인 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 버틀러 매트릭스(8)의 각각의 입력 Port에 급전을 주었을 경우 출력 Port에서 위상차이가 발생하며, 기존 빔 형성 안테나를 구현하기 위해 적용되는 상기 위상 지연기의 위상 조절을 버틀러 매트릭스 구조를 통해 대체하여 제공되는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔 형성 안테나는 5G 기술이 적용될 수 있는 LMDS 대역인 27.875~28.125 GHz의 시스템 대역에서 200m 내에서 통신할 수 있는 12dBi 이상의 안테나 이득을 확보하며, Port1과 4는 동일한 전류 진행과 동일한 구조를 가지는 방사체를 통해 동일한 이득 특성을 제공하며, Port 2와 3에서도 동일한 전류 진행과 동일한 구조를 가지는 방사체를 통해 동일한 이득 특성을 제공하는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔 형성 안테나에서,
    27.875~28.125 GHz 대역에서 동작하는 안테나는 적층형 3D 빔 형성 안테나의 급전 Port1,2,3,4에서 급전된 전류가 상기 버틀러 매트릭스(8), 상기 전력 분배기(7), 상기 개구 결합 급전 슬롯들(6)의 구조를 통해 상기 적층형 3D 빔형성 안테나의 방사체(1)로 전달되며, 전류가 통과 시에 임피던스 매칭을 통해 이득(Gain)을 확보하였고, 상기 적층형 3D 빔형성 안테나 방사체(1)의 배열을 기존에 사용하던 1/2파장보다 더 넓힌 0.7 파장으로 설정함에 따라 향상된 지향성(Directivity)과 이를 통해 향상된 이득(Gain)을 확보하는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 3D 빔 형성 안테나에서,
    밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나는 현재의 4포트 급전 구조가 아닌 2포트 급전 구조나 그 이상의 급전 구조의 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나는 2포트 급전 구조, 4포트 급전 구조, 6포트 급전 구조, 8포트 급전 구조, 10포트 급전 구조의 위상조절부(버틀러 매트릭스)와 연결되어 밀리미터파 대역의 3D 빔형성을 위한 5G 기지국 안테나를 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 빔 형성을 위한 안테나.
KR1020160013155A 2016-02-02 2016-02-02 3d 빔 형성을 위한 안테나 KR101700403B1 (ko)

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