KR102655796B1 - 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법 - Google Patents

위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102655796B1
KR102655796B1 KR1020220063082A KR20220063082A KR102655796B1 KR 102655796 B1 KR102655796 B1 KR 102655796B1 KR 1020220063082 A KR1020220063082 A KR 1020220063082A KR 20220063082 A KR20220063082 A KR 20220063082A KR 102655796 B1 KR102655796 B1 KR 102655796B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
terminal
feeder
circuit
antenna
millimeter wave
Prior art date
Application number
KR1020220063082A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230073070A (ko
Inventor
이재영
홍원빈
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Publication of KR20230073070A publication Critical patent/KR20230073070A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102655796B1 publication Critical patent/KR102655796B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H01Q1/46—Electric supply lines or communication lines

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 발명은 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법에 관한 것으로, 밀리미터파 대역에 해당하는 기설정된 유전손실과 기설정된 전극 제조 해상도 수준에 제약된 단층 FR-4 PCB(Printed Circuit Board) 공정 기반 급전부 회로를 설계하는 단계, 상기 급전부 회로의 전력 흐름을 분석하는 단계 및 상기 급전부 회로를 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하고, 상기 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능을 분석하는 단계를 포함하는, 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법이 개시된다.

Description

위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법{METHOD FOR VERIFYING FEEDING NETWORK OF PHASED ARRAY ANTENNA}
본 발명은 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법에 관한 것이다.
종래기술로서 60 GHz 트랜시버 구현을 위해 다층 FR-4 캐리어 보드에 RFIC 칩셋과 AiP (Antenna-in-Package) 장치 및 검증 방법이 고안된 바 있다. 종래기술에 따른 안테나 장치는 전파 극한환경의 재료 플랫폼(예: 다층 FR-4 PCB 공정 기반 안테나, 온칩 안테나 등) 기반에서 저손실 급전부 회로 검증 기술과 패치 배열(2x4) 소자를 접목하여 60 GHz에서 구동하는 위상배열 안테나로 시연한 사례가 있다.
그러나 종래기술의 경우 11층 FR-4 PCB 공정(최소 선폭: 50 um, 유전율: 3.92±0.13, 손실계수: 0.027±0.007)을 활용하여 60 GHz에서 3차원 전이구조를 가진 저손실 급전부(M12 => M4로 RF 전력 공급되는 급전부 회로이며 단위길이당 0.55 dB/mm 손실)와 이를 포함한 위상배열 안테나를 구현하였을 뿐, 제조 해상도 및 유전 재료손실이 열악한 단층 FR-4 PCB 공정에서(최소 선폭: 100 um, 손실계수: 0.032) 구동할 수 있는 위상배열 안테나에 대한 연구 사례는 없었다.
또한 종래기술은 3차원 전이구조에 비아 펜스 유무에 따른 저손실 급전부 회로를 측정된 산란계수 및 시뮬레이션 결과(전기장 분포, 방사패턴)로 검증한 바 있으나 비아 펜스의 유무에 따른 급전부 회로가 반영된 광각 빔캐닝용 소형 배열 안테나 소자와 이를 단말 기구물에 적용한 안테나의 성능 검증에 대한 연구 선례가 없었다.
W. Hong, K. Baek and A. Goudelev, "Grid Assembly-Free 60-GHz Antenna Module Embedded in FR-4 Transceiver Carrier Board," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 4, pp. 1573-1580, April 2013, doi: 10.1109/TAP.2012.2232635.
본 발명의 목적은 단층형 FR-4 PCB 기판 내에 고임피던스 표면(일차원 EBG와 비아벽)을 구비한 소형 배열 안테나 소자(0.39λ0 배열 간격)와 고임피던스 표면 특성의 비아 펜스가 있는 저손실 급전부 회로를 함께 적용하여 음영지역 없이 단말 안테나에서 요구되는 광대역에서 광각 커버리지 특성을 제공할 수 있는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3가지 급전부 회로의 성능 분석을 통해 누설전력이나 불요방사 없이 최적화된 급전부 회로를 도출하는 설계 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3가지 급전부 회로를 단말용 안테나에 적용하여 단말 기구에 의한 안테나 성능 왜곡이 최소화되는 급전부 회로를 검증하는 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법은 밀리미터파 대역에 해당하는 기설정된 유전손실과 기설정된 전극 제조 해상도 수준에 제약된 단층 FR-4 PCB(Printed Circuit Board) 공정 기반 급전부 회로를 설계하는 단계; 상기 급전부 회로의 전력 흐름을 분석하는 단계; 및 상기 급전부 회로를 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하고, 상기 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능을 분석하는 단계를 포함하는, 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법이 제공될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 급전부 회로는 커넥터 패드를 포함한 대칭 형태로 구성되고, 상기 급전부 회로의 전력 흐름을 분석하는 단계는, 상기 급전부 회로의 총 손실 비율 및 상기 급전부 회로의 누설 전력 비율을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 총 손실 비율은 측정된 2포트 S-파라미터 값에서 입력 대비 반사계수와 투과계수를 제외한 전력 비율에 의해 결정될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 누설 전력 비율은 시뮬레이션에서 상기 급전부 회로의 총 손실 전력 대비 누설 전력에 의해 결정될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 급전부 회로는 단층 PCB 공정 제약 조건 및 기판 재료의 기설정된 유전 손실 특성에서 기설정된 표면 임피던스 값 이상의 높은 표면 임피던스 특성의 비아펜스를 구비한 GCPW(grounded coplanar waveguide) 급전부 회로로 구성되고, 비아펜스가 구비되지 않은 GCPW 급전부 회로 및 CPW(coplanar waveguide) 급전부 회로보다 누설 전력 및 불요 방사를 억제할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 급전부 회로를 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하고, 상기 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능을 분석하는 단계는, 단말 환경에서 방사 왜곡 없이 최적화된 밀리미터파 급전부 회로를 도출하기 위해 폴리카보네이트 캐리어 인접 유무에 따른 안테나의 측정된 종방향 방사 이득, 측정된 주편파-교차편파 간 이득 편차, 시뮬레이션된 기설정된 커버리지 효율 대비 실현 이득을 비교할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 급전부 회로는 평행판 도파관 모드 및 개구면라인 모드에 의한 누설 전력 및 불요 방사를 억제하기 위해 기설정된 표면 임피던스 값 이상의 높은 표면 임피던스 특성의 비아 펜스를 구비한 GCPW 급전부 회로로 구성되고, 단말 환경에서 인접한 폴리카보네이트 캐리어와 급전부 회로 간의 전자기 상호 결합이 비아펜스가 구비되지 않은 GCPW 급전부 회로 및 CPW 급전부 회로보다 최소화되며, 단말 환경에서 밀리미터파 위상배열 안테나의 고이득 특성 및 부엽 레벨 억제를 유지할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단말향 밀리미터파 안테나 장치에 따르면, 단층형 FR-4 PCB 기판 내에 고임피던스 표면 (일차원 EBG와 비아벽)을 구비한 소형 배열 안테나 소자 (0.39λ0 배열 간격)와 고임피던스 표면 특성의 비아 펜스가 있는 저손실 급전부 회로를 함께 적용하여 음영지역 없이 단말 안테나에서 요구되는 광대역에서 광각 커버리지 특성을 제공할 수 있다. 특히 3가지 급전부 회로의 성능 분석을 통해 누설전력이나 불요방사 없이 최적화된 급전부 회로를 도출하는 설계 기술을 고안하였다. 또한 3가지 급전부 회로를 단말용 안테나에 적용하여 단말 기구에 의한 안테나 성능 왜곡이 최소화되는 급전부 회로를 검증하는 방법을 제시하였다. 따라서 고안된 안테나는 단말에서 초단가의 밀리미터파 5G 로밍 서비스를 제공하기 위한 유망한 설계 및 검증 기술로 예상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법의 순서도이다.
도 2는 대칭 형태의 커넥터 접촉 패드가 포함된 3가지 타입 급전부 회로의 형상을 도시한다.
도 3은 전송선로 길이가 10 mm 일 때의 급전부 전력 흐름 분석 결과를 도시한다.
도 4는 전송선로 길이가 20 mm 일 때의 급전부 전력 흐름 분석 결과를 도시한다.
도 5는 고안된 단말 형태의 밀리미터파 위상배열을 도시한다.
도 6은 제작된 위상배열 시료가 단말기 형상의 상하단에 실장 및 방사패턴 성능 검증을 위한 측정 환경을 도시한다.
도 7은 제작된 위상배열 시료가 자유 공간상 또는 단말기 형상에 장착되었을 시 측정된 주파수 대비 종방향(+y) 방사 이득을 도시한다.
도 8은 단말 목업 환경하 빔조향 검증을 위한 제작된 위상배열의 측정된 방사패턴을 도시한다(주편파, 26 GHz).
도 9는 단말 목업 환경하 빔조향 검증을 위한 제작된 위상배열의 측정된 방사패턴을 도시한다(주편파, 28 GHz).
도 10은 단말 목업 환경하 빔조향 검증을 위한 제작된 위상배열의 측정된 방사패턴을 도시한다(주편파, 30 GHz).
도 11은 단말 목업 환경하 빔조향 검증을 위한 제작된 위상배열의 측정된 방사패턴을 도시한다(주편파, 32 GHz).
도 12는 단말 목업 환경하 빔조향 검증을 위한 제작된 위상배열의 측정된 방사패턴을 도시한다(주편파, 34 GHz).
도 13은 단말 목업 환경하 빔조향 검증을 위한 제작된 위상배열의 측정된 방사패턴을 도시한다(주편파, 36 GHz).
도 14는 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴을 도시한다(26 GHz).
도 15는 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴을 도시한다(28 GHz).
도 16은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴을 도시한다(30 GHz).
도 17은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴을 도시한다(32 GHz).
도 18은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴을 도시한다(34 GHz).
도 19는 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴을 도시한다(36 GHz).
도 20은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 커버리지 효율을 도시한다(26-36 GHz).
도 21은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 동작 주파수 대역(26-36 GHz) 내에서 시뮬레이션된 커버리지 효율의 통계 수치를 도시한다.
도 22는 3가지 타입의 급전부 회로를 포함한 위상배열 안테나의 성능 비교표이다.
도 23은 이동 단말기의 상하단에 실장된 최근 밀리미터파 위상배열의 성능 비교표이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 명확하고 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 단계 S101에서, 급전부 회로를 설계한다. 도 2 내지 도 23을 참조하여 후술하는 바와 같이, 본 명세서에서는 3가지의 급전부 회로를 설계하여 비교하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
단계 S103에서, 급전부 회로의 전력 흐름을 분석한다. 여기서, 전력 흐름 분석은 총 손실 비율의 분석 및 누설 전력의 분석을 포함할 수 있다.
단계 S105에서, 급전부 회로의 총 손실 비율 및 누설 전력이 최소화되는지 판단한 후 최소화되지 않는다면 단계 S101로 되돌아가고, 최소화된다면 단계 S107로 진행한다.
단계 S107에서, 급전부회로를 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하고, 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능을 분석한다. 여기서, 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하는 것은 급전부 회로를 상하단에 폴리카보네이트 캐리어를 구비하는 단말 목업 장치에 장착하는 것일 수 있다. 방사 성능의 분석은 단말향 밀리미터파 안테나의 광각 빔조향, 원거리장 방사 성능, 근거리장 내에 폴리카보네이트 캐리어가 인접할 때의 전파 왜곡 효과, 전체 빛 스캔 패턴 및 커버리지 효율 특성, 실현 이득 대비 커버리지 효율 중 적어도 하나를 분석하는 것을 포함한다.
단계 S109에서, 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능 분석 결과, 종방향 방사 및 50% 커버리지 안테나 이득이 최대화되는지 판단한 후 최대화되지 않는다면 단계 S101로 돌아간다.
이하에서는 도 2 내지 도 23을 참조하여, 3가지 급전부 회로를 예시로 들어 도 1의 급전부 회로의 검증 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 대칭 형태의 커넥터 접촉 패드가 포함된 3가지 타입 급전부 회로의 형상을 도시한다.
동일한 전송선로 임피던스를 가진 3가지 급전부 회로 중 최적화된 급전부 회로를 도출하고 급전부의 기초 전력 흐름 분석을 정교하게 하기 위해 도 2와 같이 FR-4 PCB 기판의 3가지 급전부 회로가 제작되었다. 이때 동일한 전송선로 임피던스를 얻기 위해 3가지 급전부 회로 (CPW 전송선로(TL), 비아 펜스가 없는 GCPW TL, 비아 펜스가 있는 GCPW TL)는 동일한 신호 라인 폭(W2), 신호 및 접지면 사이의 동일한 간격(S), 동일한 전송선로 라인 길이(L)로 설계되었다. 이때 소형 크기 내에서 PCB 설계 규칙에 부합되며 적절한 비교 분석이 되기 위해 50 Ω에 인접한 동일한 전송선로 임피던스 및 동일한 전기적 길이를 갖도록 3가지 급전부 회로가 설계되었다. 즉, 3가지 타입의 급전부 회로의 전송선로 임피던스는 65~69 Ω 사이로 매우 유사하도록 설계하였다. 비아 펜스는 평행판 도파관 모드 또는 표면파를 억제할 수 있는 고임피던스 표면으로 구동하도록 GCPW TL에 삽입되었다.
도 3은 전송선로 길이가 10 mm 일 때의 급전부 전력 흐름 분석 결과를 도시하고, 도 4는 전송선로 길이가 20 mm 일 때의 급전부 전력 흐름 분석 결과를 도시한다.
초고주파 공학의 기초 전송선로 이론에 따르면 전송선로의 총 손실은 기판 유전체 손실, 도체 손실, 누설 전력이 합산된 값이다. 즉, 2포트의 측정된 S-parameters 값을 통해 (1)과 같이 총 손실 비율(Total Loss Ratio, TLR = Leakage Power Ratio (LPR) + Internal Loss Ratio (ILR))을 쉽게 도출할 수 있다.
(1)
이때의 내부 손실 비율은 기판 유전체 손실, 도체 손실을 합산한 값이다. 기판 유전체 손실 및 도체 손실을 각각 FR-4 기판 재료 및 금속 전도체에서 발생한다. 그러나 여전히 총 손실에서 내부 손실을 제외한 누설 전력만 얻기는 2포트 S-parameters 결과만으로는 부족하다. 따라서 (2)와 같이 시뮬레이션을 활용하여 누설 전력 비율 (LPR)을 얻을 수 있다.
(2)
이 때의 누설 전력은 평행판 도파관 모드 또는 표면파 형태로 변환되어 전송선로의 외부 방향으로 신호가 누설되는 전력을 의미한다.
도 3의 (a) 및 도 4의 (a)에서 GCPW TL의 측정된 총 손실 비율은 다른 급전부 회로들 보다 더 많이 감소함을 확인하였다. 밀리미터파 스펙트럼의 총 손실은 FR-4 기판의 유전체 재료 특성에 따라 달라지므로 유전 손실을 쉽게 억제하기는 힘들다. 한편, 비아 펜스가 없는 GCPW TL은 평행판 도파관 모드가 유발될 수 있으며 CPW TL의 신호는 공기층과 유전층 사이의 측면 필드 분포를 통해 전파되고 있다. 즉, CPW TL의 유전 손실이 상대적으로 낮은 유효 유전율로 유도되어 비아 펜스가 없는 GCPW TL보다 더 많이 감소할 수 있음을 의미한다. 하지만 CPW TL에서 전기적으로 연결되지 않은 상면 두 개의 접지면 사이에 결합된 개구면라인 모드가 발생하여 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)와 같이 누설 전력 손실이 크게 증가된다. 따라서 고임피던스 표면을 특징으로 하는 비아 펜스가 포함된 GCPW TL의 경우 평행판 도파관 모드 억제가 가능하며 비아 펜스가 없는 GCPW TL에 비해 총 손실을 효율적으로 줄일 수 있다. 또한 비아 펜스를 통해 GCPW TL에서 상면 두 개의 접지면 사이에 동일한 전위를 유도시켜 결합된 개구면라인 모드에 의한 누설 전력 손실이 획기적으로 줄일 수 있고 결과적으로 CPW TL보다 더 많이 감소할 수 있다.
밀리미터파 5G 단말기에서 안정적인 링크예산과 넓은 커버리지를 실현하기 위해 위상배열은 고임피던스 표면을 구비한 안테나 (일차원 전자기 밴드갭 및 비아벽 구조물이 포함된 역-L형 안테나)가 8개 선형 배열로 구성되어 설계되었다. 이 때 활용된 고임피던스 표면을 구비한 안테나의 요소 간 간격은 0.39λ0 이고, 안테나 소자의 수치는 괄호 안과 같다(W A1 = 0.1 mm, W A2 = 0.1 mm, W A3 = 0.1 mm, W A4 = 0.3 mm, W A5 = 0.5 mm, L A1 = 1.8 mm, S A1 = 0.3 mm, S A2 = 0.25 mm, S A3 = 0.8 mm). 또한 3가지 유형의 급전부 회로를 기반으로 미리 결정된 위상지연 선로를 포함한 1by8 T자형 전력분배기를 설계하였다. 28 GHz에서 ±60° 빔 조향을 위한 T자형 전력분배기에서 120° 위상 지연을 달성하기 위해 각 인접 안테나 요소 사이의 위상 지연의 물리적 차이는 2 mm로 설정하였다. 광각 빔조향에 대한 검증을 하기 위해 각 빔조향 방향 (A: 동위상, B, C: ±60° 빔 조향을 위한 위상지연 선로가 반영된 회로)에서 3가지 유형의 급전부 회로 (CPW TL, 비아 펜스가 없는 GCPW TL, 비아 펜스가 있는 GCPW TL)를 포함하는 위상배열을 각각 3가지 샘플로 제작하였다. 또한 구형 커버리지 특성의 밀리미터파 대용량 MIMO 안테나 시스템을 구현하기 위해 도 5와 같이 단말 목업 장치 상하단의 폴리카보네이트 캐리어 (유전율: 3.0, 전도도: 0.075 S/m )에 각 2종씩 1x8 위상배열이 장착된다.
도 6은 제작된 위상배열 시료가 단말기 형상의 상하단에 실장 및 방사패턴 성능 검증을 위한 측정 환경을 도시한다. 단말 목업 장치의 상단 캐리어에 장착된 위상배열 측정시 신호를 인가하였으며 반대로 하단 캐리어에 장착된 위상배열은 50 Ω 부하로 종단시켰다. 제안된 단말기 위상배열의 방사 성능을 검증하기 위해 Ka 대역에서 동작하는 표준 이득 혼안테나를 사용하여 방사패턴을 측정하였다.
도 7은 제작된 위상배열 시료가 자유 공간상 또는 단말기 형상에 장착되었을 시 측정된 주파수 대비 종방향(+y) 방사 이득을 도시한다.
이동 단말기 장착을 위한 근거리장 내에 폴리카보네이트 캐리어가 인접할 때 전파 왜곡 효과를 조사하기 위해 종방향 방사 이득을 측정하고 3가지 유형의 동위상 T-자형 전력 분배기가 포함된 위상배열 간의 성능을 비교하였다. FR-4 기판 (0.4 mm 두께) 보다 두꺼운 폴리카보네이트 캐리어 (2.5 mm 두께)가 존재함에도 불구하고 도면 6에서 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함하는 안테나가 강인한 고성능의 종방향 방사 이득을 가짐을 확인하였다. 특히, 도면 6(b)에 도시된 바와 같이, 단말 목업 실장시 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함한 위상배열은 다른 급전부 회로를 포함한 위상배열보다 Ka 대역 및 종방향에서 3 dB 이상 향상됨을 실험으로 검증하였다. 따라서 고임피던스 표면이 적용된 비아 펜스는 누설 전력이나 불요 방사를 완화할 수 있기 때문에 폴리카보네이트 캐리어에 의한 방사왜곡 없이 자유공간에서와 비슷한 종방향 방사 특성을 얻었다.
도 8 내지 도 13은 각각 26, 28, 30, 32, 34, 36 GHz에서 미리 결정된 위상지연 선로를 갖는 안테나 시료를 사용하여 이동 단말기에서 각각 3가지 유형의 급전부 회로가 적용된 위상배열의 측정된 방사 패턴이다. 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함하는 안테나의 방사 패턴은 3 dB 스캔 손실 내에서 110° (±55°) 이상의 빔조향 범위를 얻었다. 또한 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함하는 안테나는 다른 급전부 회로를 포함하는 안테나보다 더 높은 지향성을 가지고 있다. 즉, GCPW TL의 비아 펜스는 누설 전력이나 불요방사를 감소시킬 수 있으므로 주 빔의 3 dB 빔 폭이 더 좁아지고 부엽 레벨이 감소하였다. 따라서 폴리카보네이트 캐리어와 약간의 전파 간섭이 발생함에도 불구하고 GCPW TL의 비아 펜스는 고임피던스 표면 특성으로 인해 10 GHz 대역폭 (26~36 GHz) 및 3 dB 스캔 손실 내에서 고이득 및 광각 스캐닝 기능이 여전히 보존되었다.
이동 단말기용 밀리미터파 안테나의 준등방성 구형 커버리지를 구현하기 위해서는 안테나 기판의 유전 재료 손실과 안테나 소자 간 상호 간섭에 의존적인 최대 실현 이득을 높여야 한다. 그러나 무엇보다 안정적인 구형 커버리지 특성을 실현시키기 위해 0% 커버리지 효율 (또는 100% CDF (Cumulative distribution function))에서의 실현 이득과 50% 커버리지 효율 (또는 50% CDF)에서의 실현 이득 간의 차이를 줄여야 한다. 본 발명에서는 이동 단말기에 단층 FR-4 PCB 기반 안테나 및 급전부 회로 설계 기술을 적용하였으며 시뮬레이션된 전체 빔 스캔 패턴 (TSP) 및 커버리지 효율에 대한 특성 분석하였다. 특히, 이동 단말기에서 최적화된 급전부 회로를 도출하기 위해 3가지 급전부 회로 (CPW TL, 비아 펜스가 없는 GCPW TL, 비아 펜스가 있는 GCPW TL가 포함된 위상배열 안테나의 성능을 비교하였다.
도 14 내지 도 19는 각각 26, 28, 30, 32, 34, 36 GHz에서 각 3가지 급전부 회로가 구비된 위상배열 안테나의 시뮬레이션된 TSP를 도식하였다. 모든 각도 분포 지점 (정조준 (0°), ±15°, ±30°, ±45°, ±60° 빔조향 시나리오별 급전부 회로가 포함된 안테나 설계안을 포함함)에서 실현된 최대 이득값을 추출함으로 TSP가 도식되었으며 이를 통해 실현 이득 대비 커버리지 효율도 도 20 및 도 21과 같이 계산되었다.
도 20은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 시뮬레이션된 커버리지 효율을 도시하고(26-36 GHz), 도 21은 단말 목업에 실장된 배열 안테나의 동작 주파수 대역(26-36 GHz) 내에서 시뮬레이션된 커버리지 효율의 통계 수치를 도시한다.
도 20을 참조하면, 36 GHz에서 T-자형 전력 분배기의 큰 내부 손실로 인해 보다 Beam squint가 발생하였기에 가장 작은 커버리지 효율 특성이 36 GHz에서 관찰되었다. 저손실 및 저누설 급전부 회로 구현을 위해 고임피던스 표면 특성의 비아 펜스가 있는 GCPW TL이 포함된 위상배열 안테나는 높은 실현 이득 내에서 준등방성 구형 커버리지를 달성하였다.
3가지 형태의 급전부 회로를 포함하는 위상배열 안테나에서 커버리지 효율과 Beam squint 영향을 보다 상세히 살펴보기 위해 도 21과 같이 동작 주파수 대역 (26~36 GHz) 이내서 통계 수치를 얻었다. 인접한 폴리카보네이트 캐리어 영향에도 불구하고 도 21의 (a)와 같이 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함한 안테나의 50% 커버리지 효율은 다른 급전부 회로를 포함하는 안테나보다 동작 주파수 내에서 실현 이득이 3 dB 이상 향상되었다. 도 21의 (b)에서 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함하는 안테나 커버리지 효율의 표준 편차는 2.5 dBi 실현 이득에서 20% 이상을 나타내었다. 이러한 표준 편차 값이 크게 발생한 원인은 손실이 큰 FR-4 PCB 유전체 기판으로 인해 급전부 회로의 큰 삽입손실과 36 GHz에서 Beam squint 영향으로부터 기인함을 알 수 있다.
도 22는 3가지 타입의 급전부 회로를 포함한 위상배열 안테나의 성능 비교표이고, 도 23은 이동 단말기의 상하단에 실장된 최근 밀리미터파 위상배열의 성능 비교표이다.
도 22에서, 비아 펜스의 고임피던스 표면 특성으로 인해 비아 펜스가 있는 GCPW TL은 대칭 구조로 검증시 적은 삽입 손실과 적은 누설 전력을 나타내었다. GCPW TL에서 비아 펜스의 고임피던스 표면 특성에 의해 결합 개구면라인 모드와 평행판 도파관 모드를 모두 억제함으로써 압축된 전력 분배기를 포함하는 급전부 회로는 인접한 급전 구조 사이의 결합 또는 누설 전력을 줄일 수 있었다. 결국 3가지 유형의 급전부 회로를 포함하는 위상배열 안테나 간의 이득 차이는 대칭 구조 검증시 보다 단말 목업 검증시에 더 크게 증가하였다. 또한, 단말 모형 테스트에서 인접한 폴리카보네이트 캐리어에도 불구하고 비아 펜스가 있는 GCPW TL을 포함하는 안테나는 비아 펜스의 고유한 전자기 특성으로 인해 다른 급전부 회로가 포함된 안테나보다 강인한 방사 성능을 얻었다. 또한 안테나는 높은 종방향 방사 이득, 주 편파와 교차 편파 사이의 높은 방사 강도, 50% 커버리지 효율에서 높은 실현 이득을 특성을 제공하였다.
도 23을 참조하면, 누설 전력 또는 불요방사를 줄이기 위해 고임피던스 표면을 특징으로 하는 비아 펜스와 함께 GCPW TL을 사용함으로써, 단층 FR-4 PCB를 기반으로 하는 소형 고임피던스 표면이 구비된 배열 안테나는 밀리미터파 단말기 응용을 위한 광대역에서 광각 스캐닝 기능을 달성하였다. 특히, 본 발명에서 제안한 안테나는 준등방성 구형 커버리지와 우수한 방사 성능을 가짐을 검증하였으며 제시된 최근 안테나에 비해 매우 낮은 생산 비용으로 구현 가능하다.
이상에서 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 밀리미터파 대역에 해당하는 기설정된 유전손실과 기설정된 전극 제조 해상도 수준에 제약된 단층 FR-4 PCB(Printed Circuit Board) 공정 기반 급전부 회로를 설계하는 단계;
    상기 급전부 회로의 전력 흐름을 분석하는 단계; 및
    상기 급전부 회로를 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하고, 상기 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능을 분석하는 단계를 포함하고,
    상기 급전부 회로는 커넥터 패드를 포함한 대칭 형태로 구성되고,
    상기 급전부 회로의 전력 흐름을 분석하는 단계는, 상기 급전부 회로의 총 손실 비율 및 상기 급전부 회로의 누설 전력 비율을 분석하는 단계를 포함하고,
    상기 총 손실 비율은 측정된 2포트 S-파라미터 값에서 입력 대비 반사계수와 투과계수를 제외한 전력 비율에 의해 결정되고,
    상기 누설 전력 비율은 시뮬레이션에서 상기 급전부 회로의 총 손실 전력 대비 누설 전력에 의해 결정되는, 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전부 회로는 단층 PCB 공정 제약 조건 및 기판 재료의 기설정된 유전 손실 특성에서 기설정된 표면 임피던스 값 이상의 높은 표면 임피던스 특성의 비아펜스를 구비한 GCPW(grounded coplanar waveguide) 급전부 회로로 구성되고,
    비아펜스가 구비되지 않은 GCPW 급전부 회로 및 CPW(coplanar waveguide) 급전부 회로보다 누설 전력 및 불요 방사를 억제하는, 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전부 회로를 단말향 밀리미터파 안테나에 적용하고, 상기 단말향 밀리미터파 안테나는 단말 장치 상하단의 폴리카보네이트 캐리어에 장착되고,
    상기 단말향 밀리미터파 안테나의 방사 성능을 분석하는 단계는,
    단말 환경에서 방사 왜곡 없이 최적화된 밀리미터파 급전부 회로를 도출하기 위해 폴리카보네이트 캐리어 인접 유무에 따른 안테나의 측정된 종방향 방사 이득, 측정된 주편파-교차편파 간 이득 편차, 시뮬레이션된 기설정된 커버리지 효율 대비 실현 이득을 비교하는, 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 급전부 회로는 평행판 도파관 모드 및 개구면라인 모드에 의한 누설 전력 및 불요 방사를 억제하기 위해 기설정된 표면 임피던스 값 이상의 높은 표면 임피던스 특성의 비아 펜스를 구비한 GCPW 급전부 회로로 구성되고,
    단말 환경에서 인접한 폴리카보네이트 캐리어와 급전부 회로 간의 전자기 상호 결합이 비아펜스가 구비되지 않은 GCPW 급전부 회로 및 CPW 급전부 회로보다 최소화되며,
    단말 환경에서 밀리미터파 위상배열 안테나의 고이득 특성 및 부엽 레벨 억제를 유지하는, 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법.
KR1020220063082A 2021-11-18 2022-05-23 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법 KR102655796B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210159790 2021-11-18
KR20210159790 2021-11-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230073070A KR20230073070A (ko) 2023-05-25
KR102655796B1 true KR102655796B1 (ko) 2024-04-09

Family

ID=86542071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220063082A KR102655796B1 (ko) 2021-11-18 2022-05-23 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102655796B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012091366A2 (en) 2010-12-30 2012-07-05 Lg Hausys, Ltd. Eco-friendly foaming sheet

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100649495B1 (ko) * 2004-09-06 2006-11-24 삼성전기주식회사 안테나 모듈 및 이를 구비한 전자 장치
KR101057092B1 (ko) * 2008-12-04 2011-08-17 (주)가람솔루션 미모/다이버시티 내장형 안테나 시스템
KR20100134182A (ko) * 2009-06-15 2010-12-23 알파웨이브(주) 후방 방사 억압용 이중 안테나 구조
KR101856084B1 (ko) * 2011-11-18 2018-05-10 삼성전기주식회사 유전체 캐비티 안테나

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012091366A2 (en) 2010-12-30 2012-07-05 Lg Hausys, Ltd. Eco-friendly foaming sheet

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230073070A (ko) 2023-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. A meta-surface decoupling method for two linear polarized antenna array in sub-6 GHz base station applications
US10854994B2 (en) Broadband phased array antenna system with hybrid radiating elements
Arand et al. Design of a phased array in triangular grid with an efficient matching network and reduced mutual coupling for wide-angle scanning
Sonkki et al. Wideband dual-polarized cross-shaped Vivaldi antenna
Yu et al. Investigation of patch phase array antenna orientation at 28 GHz for 5G applications
CA3096346C (en) Array antenna apparatus and communication device
Lee et al. A dual-polarized 1-D tightly coupled dipole array antenna
Ahmed et al. On the design of a reject band filter for antennas mutual coupling reduction
Kim et al. A cost-effective antenna-in-package design with a 4× 4 dual-polarized high isolation patch array for 5G mmWave applications
El-Din et al. SIGW based MIMO antenna for satellite down-link applications
KR102655796B1 (ko) 위상배열 안테나의 급전부 회로의 검증 방법
Baharom et al. Dual-element of high-SHF PIFA MIMO antenna for future 5G wireless communication devices
US11955733B2 (en) Millimeter-wave end-fire magneto-electric dipole antenna
Jang et al. 60-GHz wideband L-probe circular slotted E-shaped patch antenna array
Tanyer-Tigrek et al. A CPW-fed printed loop antenna for ultra-wideband applications, and its linear-array performance
Sokunbi et al. Dual-layer dual-patch EBG structure for isolation enhancement and correlation reduction in MIMO antenna arrays
Ssorin et al. Compact 2.5–2.7 GHz two element MIMO antenna system for modern USB dongle
US7265727B2 (en) Top loaded disk monopole antenna
KR102123976B1 (ko) 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하는 안테나 장치
KR102563772B1 (ko) 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나
Moharram et al. Contactless Wheeler cap concept for antenna radiation efficiency measurements
Park et al. Isolation Improvement Technique in Dual-Polarized Antenna for Sub-THz Antenna-in-Package
Ssorin et al. Compact MIMO microstrip antennas for USB dongle operating in 2.5–2.7 GHz frequency band
Harrabi et al. Theoretical approach for the design of a new wideband Ku-band printed antenna
Lee et al. Performance enhancement of mm-Wave phased arrays for mobile terminals through grounded coplanar waveguide feeding networks with via fences

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant