KR20220159708A - Dual band multi-beam antenna apparauts with frequency divider/combiner and multi-beam antenna for 5g mobile communication - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 5세대(5G) 이동 통신용 밀리미터파 대역 도파관 여파기(Filter) 개발 분야, 5G 이동 통신용 밀리미터파 중계기, 밀리미터파 단말기, 밀리미터파 안테나 시스템 분야, 그리고 5G 이동 통신용 밀리미터파 주파수와 동일하거나 가까운 밀리미터파 대역의 위성통신 안테나, 국방 무선통신 안테나, 항공통신 안테나, 자율주행차량 레이다와 안테나 분야, 또한 밀리미터파 안테나와 회로 성능 측정장비 및 측정법 수립 분야에 관한 것으로, 특히 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 관한 것이다.The present invention is a millimeter wave band waveguide filter development field for 5G mobile communication, a millimeter wave repeater for 5G mobile communication, a millimeter wave terminal, a millimeter wave antenna system field, and a millimeter wave frequency equal to or close to the millimeter wave frequency for 5G mobile communication. Wave band satellite communication antenna, defense wireless communication antenna, aviation communication antenna, autonomous vehicle radar and antenna field, millimeter wave antenna and circuit performance measurement equipment and measurement method establishment field, especially frequency distribution and combiner for 5th generation mobile communication and a dual-band multi-beam antenna device including a multi-beam antenna.
5세대 이동 통신에서 원거리를 둔 송신자와 수신자를 잇는 무선통신과 이동 통신 기술은 Sub-6GHz 대역인 3.5GHz 와 28GHz와 같은 고주파 대역을 사용한다. 고주파 신호의 전력은 공간에서 전파할 때, 그 감쇠가 거리 제곱에 비례, 파장 제곱에 반비례하여 매우 큰 손실이 불가피한만큼, 이동 통신 시스템 내에서의 전력 손실을 최소화하여야 한다.In 5th generation mobile communication, wireless communication and mobile communication technology that connects a long-distance sender and receiver use high-frequency bands such as 3.5 GHz and 28 GHz, which are Sub-6 GHz bands. When the power of a high-frequency signal propagates in space, its attenuation is proportional to the square of the distance and inversely proportional to the square of the wavelength, so a very large loss is unavoidable. Therefore, power loss in the mobile communication system must be minimized.
5G 이동 통신의 등장으로, 기존에 사용하는 주파수 대역에서 많은 변화들이 생겨났다. 5G 이동 통신용 Sub-6GHz 대역과 밀리미터파(mm-Wave) 대역이 대표적으로 5G 이동 통신에 사용되는 주파수 대역으로 나눠진다. 이 중에서도 밀리미터파(mm-Wave) 대역은 28GHz 대역과 38GHz 대역이 사용되는데, 이 두 주파수 대역은 기존에 사용되던 주파수 대역과 비교하였을 때, 높은 주파수 대역이기 때문에 손실에 대한 부분과 감쇠에 대한 부분을 고려하여 RF 부품들이 설계되어야 하기 때문에, 설계가 비교적 까다롭다.With the advent of 5G mobile communication, many changes have occurred in the frequency bands used in the past. Sub-6 GHz band and mm-Wave band for 5G mobile communication are typically divided into frequency bands used for 5G mobile communication. Among them, the mm-Wave band uses the 28 GHz band and the 38 GHz band. Compared to the previously used frequency band, these two frequency bands are high frequency bands, so the part for loss and the part for attenuation Since RF components must be designed in consideration of , the design is relatively difficult.
또한, 28GHz 대역과 38GHz 대역에서 동시에 동작하는 안테나가 요구되는데, 두 주파수 대역에서 간섭이 적고 각각의 주파수 대역에 최적화된 배열 안테나의 간격 및 특성을 유지하기 위해서는 주파수 분배 및 결합기가 결합된 안테나가 요구된다.In addition, an antenna that operates simultaneously in the 28 GHz band and the 38 GHz band is required. In order to maintain the spacing and characteristics of array antennas optimized for each frequency band with less interference in the two frequency bands, an antenna in which a frequency divider and combiner are combined is required. do.
밀리미터파(mm-Wave) 대역에서는 공간에서의 손실이 매우 크기 때문에, 단위 안테나를 배열화하여 고이득 안테나로 설계하는 것이 일반적이다. 이렇게 설계된 고이득 안테나의 라인-오브-사이트(Line-of-sight)를 유지하기 위한 기술로 빔-포밍, 빔-스티어링, 멀티-빔 안테나 기술 등이 요구된다.Since loss in space is very large in the mm-wave band, it is common to design a high-gain antenna by arranging unit antennas. Beam-forming, beam-steering, multi-beam antenna technology, etc. are required as technologies for maintaining the line-of-sight of the high-gain antenna thus designed.
또한, 수 GHz 대역에서 무선 통신 회로들은 일반적으로 손실이 발생하는 마이크로스트립 라인 형태로 만들어지는데 저가로 대량 생산에 용이하여 지금까지 통용되어 왔다. 그러나, 5G와 같이 주파수가 밀리미터파 대역에 들어오면서 마이크로스트립 라인 회로에서는 손실이 급증하여 가격 경쟁력의 논리는 힘을 잃게 된다.In addition, wireless communication circuits in a band of several GHz are generally made in the form of a lossy microstrip line, which has been used so far because it is easy to mass-produce at low cost. However, as the frequency enters the millimeter wave band, such as 5G, losses in microstrip line circuits soar, and the logic of price competitiveness loses power.
통신 품질을 높이고 대용량 데이터 전송에 대한 요구를 만족시키며 경제적 이윤을 추구하는 상황이라서, 개방형(방사공간에 노출된)인 적층 기판(Printed Circuit Board) 대신, 금속 벽으로 갇힌 구조이며 적층 기판 공정을 사용할 수 있는 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)에 기반하는 손실이 거의 없는 회로들이나 안테나가 필요하다.In order to improve communication quality, satisfy the demand for large-capacity data transmission, and pursue economic profits, it is possible to use a laminated board process with a structure confined by a metal wall instead of an open (exposed to radiation space) laminated board (Printed Circuit Board). There is a need for near lossless circuits or antennas based on Substrate Integrated Waveguides (SIWs).
5G 뿐만 아니라, 밀리미터파 신호를 송수신하는 Ka 대역 위성통신, 항공통신, 국방 무선통신, 차량충돌 방지용 레이다의 RF단에서는 도파관 회로와 부품들이 주류를 이룬다.In addition to 5G, waveguide circuits and components form the mainstream in the RF stage of Ka-band satellite communication, aviation communication, defense wireless communication, and vehicle collision avoidance radar that transmits and receives millimeter wave signals.
따라서, 기판 집적 도파관을 기반으로 한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치가 요구된다.Therefore, a dual-band multi-beam antenna device including a multi-beam antenna and a frequency divider/combiner for 5G mobile communication based on a substrate integrated waveguide is required.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 5G 밀리미터파 대역에서 기판 집적 도파관(SIW)을 기본 골격으로 하고, 5G 이동 통신 28GHz 및 38GHz 대역의 이중 대역 신호를 송수신할 수 있으며 다중빔 기능을 수행하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is a substrate integrated waveguide (SIW) as a basic framework in the 5G millimeter wave band, capable of transmitting and receiving dual-band signals in the 5G mobile communication 28GHz and 38GHz bands, and performing a multi-beam function. It is to provide a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for generation mobile communication and a multi-beam antenna.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치는,A dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner and a multi-beam antenna for 5th generation mobile communication according to an embodiment of the present invention for solving the above problems,
급전부를 통해 입력된 신호 중 제1 대역의 신호를 제1 출력부를 통해 통과시키기 위한 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 기반의 제1 대역통과여파기 및 상기 급전부를 통해 입력된 신호 중 상기 제1 대역보다 높은 제2 대역의 신호를 제2 출력부를 통해 통과시키기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 대역통과여파기를 포함하는, 기판 집적 도파관 기반의 주파수 분배 및 결합기;A substrate integrated waveguide (SIW)-based first bandpass filter for passing signals of a first band among signals input through the power supply through the first output, and among the signals input through the power supply, the above A substrate integrated waveguide-based frequency divider and combiner including a substrate-integrated waveguide-based second band pass filter for passing a signal of a second band higher than the first band through the second output unit;
상기 제1 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나; 및a substrate-integrated waveguide-based first multi-beam antenna for radiating signals output from the first bandpass filter in vertical and horizontal directions; and
상기 제2 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나를 포함하고,A second multi-beam antenna based on a substrate integrated waveguide for radiating signals output from the second bandpass filter in vertical and horizontal directions;
상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각은, 상기 급전부와의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제1 슬롯을 포함한다.Each of the first band pass filter and the second band pass filter includes a first slot for adjusting a coupling coefficient representing signal coupling strength with the feeder.
본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각은, 상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각의 차단 특성을 향상시키기 위한 교차 결합(cross coupling)을 위한 전송 영점부를 포함할 수 있다.In the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, each of the first band pass filter and the second band pass filter is A transmission zero point for cross-coupling to improve the blocking characteristics of each of the first band pass filter and the second band pass filter may be included.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각은, 상기 출력부와의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제2 슬롯을 포함할 수 있다.In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first band pass filter and the second band pass filter, respectively, It may include a second slot for adjusting a coupling coefficient representing signal coupling strength with the output unit.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 전송 영점부는, "
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 다중빔 안테나는,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first multi-beam antenna,
상기 제1 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제1 슬롯배열안테나부; 및a substrate-integrated waveguide-based first slot array antenna unit for radiating signals output from the first band-pass filter in a vertical direction; and
상기 제1 슬롯배열안테나부를 통해 진행하는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 제1 비발디 안테나부를 포함하고,A first Vivaldi antenna unit for radiating a signal traveling through the first slot array antenna unit in a horizontal direction;
상기 제2 다중빔 안테나는,The second multi-beam antenna,
상기 제2 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 슬롯배열안테나부; 및a substrate-integrated waveguide-based second slot array antenna unit for radiating signals output from the second band-pass filter in a vertical direction; and
상기 제2 슬롯배열안테나부를 통해 진행하는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 제2 비발디 안테나부를 포함하며,A second Vivaldi antenna unit for radiating a signal traveling through the second slot array antenna unit in a horizontal direction;
상기 제1 다중빔 안테나 및 상기 제2 다중빔 안테나 각각은, 상기 슬롯배열안테나부와 상기 비발디 안테나부의 결합 구조로서 다중빔을 형성할 수 있다.Each of the first multi-beam antenna and the second multi-beam antenna may form multi-beams as a combination structure of the slot array antenna unit and the Vivaldi antenna unit.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 슬롯배열안테나부는,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first slot array antenna unit,
기판 집적 도파관 기반의 제1 전력 분배기; 및a first power divider based on a substrate integrated waveguide; and
상기 기판 집적 도파관 기반의 제1 전력 분배기에서 분배되는 신호를 각각 수직 방향으로 방사하기 위한 복수의 제1 슬롯배열안테나를 포함하고,A plurality of first slot array antennas for radiating signals distributed from the substrate-integrated waveguide-based first power divider in a vertical direction, respectively;
상기 제2 슬롯배열안테나부는,The second slot array antenna unit,
기판 집적 도파관 기반의 제2 전력 분배기; 및a second power divider based on a substrate integrated waveguide; and
상기 기판 집적 도파관 기반의 제2 전력 분배기에서 분배되는 신호를 각각 수직 방향으로 방사하기 위한 복수의 제2 슬롯배열안테나를 포함하며,It includes a plurality of second slot array antennas for radiating signals distributed from the substrate-integrated waveguide-based second power divider in a vertical direction, respectively,
상기 제1 비발디 안테나부는, 상기 복수의 제1 슬롯배열안테나와 하나의 구조로 배치되는 복수의 제1 비발디 안테나를 포함하며,The first Vivaldi antenna unit includes a plurality of first Vivaldi antennas arranged in one structure with the plurality of first slot array antennas;
상기 제2 비발디 안테나부는, 상기 복수의 제2 슬롯배열안테나와 하나의 구조로 배치되는 복수의 제2 비발디 안테나를 포함할 수 있다.The second Vivaldi antenna unit may include a plurality of second Vivaldi antennas arranged in one structure with the plurality of second slot array antennas.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 급전부는,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the power supply unit,
입력 포트에 연결된 급전 선로;feed line connected to the input port;
상기 급전 선로와 상기 제1 대역통과여파기를 결합하는 제1 분기; 및a first branch coupling the feed line and the first band pass filter; and
상기 급전 선로와 상기 제2 대역통과여파기를 결합하는 제2 분기를 포함하고,A second branch coupling the feed line and the second band pass filter;
상기 급전 선로의 종단부는 단락핀을 통해 접지부에 단락될 수 있다.An end of the feed line may be short-circuited to a ground through a shorting pin.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 대역통과여파기 및 상기 제2 대역통과여파기 각각은, SIW 기반의 제1 공진기, SIW 기반의 제2 공진기, SIW 기반의 제3 공진기 및 SIW 기반의 제4 공진기를 포함하고,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first band pass filter and the second band pass filter, respectively, A first resonator based on SIW, a second resonator based on SIW, a third resonator based on SIW, and a fourth resonator based on SIW,
상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기, 상기 제2 공진기와 상기 제3 공진기, 및 상기 제3 공진기와 상기 제4 공진기는 서로 아이리스 커플링에 의해 포지티브 커플링되며,The first resonator and the second resonator, the second resonator and the third resonator, and the third resonator and the fourth resonator are positively coupled to each other by iris coupling,
상기 제1 공진기와 상기 제4 공진기는 상기 전송 영점부(transmission zero)에 의해 네거티브 커플링될 수 있다.The first resonator and the fourth resonator may be negatively coupled by the transmission zero.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 공진기는,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first resonator,
상기 급전 선로에 연결된 분기에 연결된 직사각형 형상의 제1 금속 패턴; 및a first metal pattern having a rectangular shape connected to a branch connected to the feed line; and
상기 제1 금속 패턴의 4개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 접지부와 상기 제1 금속 패턴을 연결하는 복수의 제1 금속 비아를 포함하며,a plurality of first metal vias formed as grounding portions along four sides of the first metal pattern at predetermined intervals and connecting the grounding portion and the first metal pattern;
상기 제2 공진기와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제2 공진기와 아이리스 커플링되는 상기 제1 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제1 금속 비아가 형성되지 않고,For iris coupling with the second resonator, the first metal via is not formed in a middle portion of one side of the first resonator that is iris-coupled with the second resonator,
상기 제2 공진기는,The second resonator,
상기 제1 공진기와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제2 금속 패턴; 및a second metal pattern having a rectangular shape connected to a side coupled to the first resonator and the iris; and
상기 제2 금속 패턴의 4개의 변 중 상기 제1 공진기와 아이리스 커플링되는 변을 제외한 3개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제2 금속 패턴을 연결하는 복수의 제2 금속 비아를 포함하며,A plurality of ground portions formed at predetermined intervals along three sides of the second metal pattern, excluding the side coupled to the first resonator and iris coupling among the four sides, and connecting the ground portion and the second metal pattern. a second metal via;
상기 제3 공진기와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제3 공진기와 아이리스 커플링되는 상기 제2 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제2 금속 비아가 형성되지 않고,For iris coupling with the third resonator, the second metal via is not formed in a middle portion of one side of the second resonator that is iris-coupled with the third resonator,
상기 제3 공진기는,The third resonator,
상기 제2 공진기와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제3 금속 패턴; 및a third metal pattern having a rectangular shape connected to a side coupled to the second resonator and the iris; and
상기 제3 금속 패턴의 4개의 변 중 상기 제2 공진기와 아이리스 커플링되는 변을 제외한 3개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제3 금속 패턴을 연결하는 복수의 제3 금속 비아를 포함하며,A plurality of ground portions formed at predetermined intervals along three sides of the third metal pattern, excluding the side coupled to the second resonator and the iris coupling among the four sides, and connecting the ground portion and the third metal pattern. a third metal via;
상기 제4 공진기와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제4 공진기와 아이리스 커플링되는 상기 제3 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제3 금속 비아가 형성되지 않고,For iris coupling with the fourth resonator, the third metal via is not formed at a middle portion of one side of the third resonator that is iris-coupled with the fourth resonator,
상기 제4 공진기는,The fourth resonator,
상기 제3 공진기와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제4 금속 패턴; 및a fourth metal pattern having a rectangular shape connected to an iris-coupled side of the third resonator; and
상기 제4 금속 패턴의 4개의 변 중 상기 제3 공진기와 아이리스 커플링되는 변 및 상기 제1 공진기와 접하는 변을 제외한 2개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제4 금속 패턴을 연결하는 복수의 제4 금속 비아를 포함하며,Of the four sides of the fourth metal pattern, a ground portion is formed at a predetermined interval along two sides excluding a side coupled to the third resonator and a side in contact with the first resonator, and the ground portion and the first resonator It includes a plurality of fourth metal vias connecting 4 metal patterns,
상기 제4 공진기의 신호가 출력되도록 상기 제4 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제4 금속 비아가 형성되지 않고, 상기 제4 공진기의 한 변의 중간 부분은 출력부에 연결되며,The fourth metal via is not formed at a middle portion of one side of the fourth resonator so that a signal of the fourth resonator is output, and the middle portion of one side of the fourth resonator is connected to an output unit.
상기 제1 공진기와 상기 제4 공진기가 네거티브 커플링되도록, 상기 전송 영점부는, 상기 제1 공진기와 상기 제4 공진기가 접하는 변에 형성된 상기 복수의 제1 금속 비아 사이에 형성된 소정 형태의 슬롯을 포함할 수 있다.The transmission zero point part includes a slot of a predetermined shape formed between the plurality of first metal vias formed on a side where the first resonator and the fourth resonator come into contact so that the first resonator and the fourth resonator are negatively coupled. can do.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 슬롯은, 상기 제1 금속 패턴에 소정 길이와 소정 폭을 갖는 "ㅡ" 형태로 형성되고,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first slot has a predetermined length and a predetermined length in the first metal pattern. It is formed in a "ㅡ" shape with a width,
상기 제2 슬롯은, 상기 제4 금속 패턴에 소정 길이와 소정 폭을 갖는 "ㅡ" 형태로 형성될 수 있다.The second slot may be formed in a “-” shape having a predetermined length and a predetermined width in the fourth metal pattern.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제1 대역은 28GHz 대역을 포함하고, 상기 제2 대역은 38GHz 대역을 포함할 수 있다.In addition, in the dual-band multi-beam antenna apparatus including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first band includes a 28 GHz band, and the second band It may include the 38 GHz band.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 제2 대역통과여파기는 상기 제1 대역통과여파기보다 입력 포트에 더 근접하여 배치될 수 있다.In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the second band pass filter has an input port rather than the first band pass filter. It can be placed closer to .
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 복수의 비발디 안테나 각각은,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, each of the plurality of Vivaldi antennas,
입력되는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 방사부; 및a radiation unit for radiating an input signal in a horizontal direction; and
상기 방사부에서 방사되는 신호의 지향성을 향상시키기 위한 유도기를 포함하며,Including an inductor for improving the directivity of the signal emitted from the radiating unit,
상기 유도기는, 상기 방사부로부터 소정 거리 이격되어 소정 간격을 두고 상기 방사부 전방으로 배치되며 소정의 길이 및 소정의 폭을 가질 수 있다.The induction machine may be spaced apart from the radiation part by a predetermined distance, disposed in front of the radiation part at a predetermined interval, and may have a predetermined length and a predetermined width.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 있어서, 상기 방사부의 제1 부분은 상기 제1 슬롯배열안테나 및 상기 제2 슬롯배열안테나 각각의 금속 패턴에 결합되고,In addition, in the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, the first part of the radiating part includes the first slot array antenna and the first slot array antenna. 2 slot array antenna is coupled to each metal pattern,
상기 방사부의 제2 부분은 상기 접지부에 결합될 수 있다.A second portion of the radiation portion may be coupled to the ground portion.
본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 의하면, 5G 이동 통신 밀리미터파 대역에서 28GHz 및 38GHz 대역을 나눠주어 각 주파수 격리도를 향상시킬 수 있고 동시에 하나의 구조에서 수직 및 수평 방향의 다중빔 특성을 만들어 내어 5G 이동 통신 시스템의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.According to the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, 28 GHz and 38 GHz bands are divided in the 5G mobile communication millimeter wave band to obtain each frequency isolation At the same time, it is possible to improve the performance and efficiency of the 5G mobile communication system by creating multi-beam characteristics in vertical and horizontal directions in one structure.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 의하면, 기판 직접 도파관 기반(SIW)의 대역통과여파기를 기반으로 설계된 주파수 분배 및 결합기를 이용하여 5세대 이동 통신 밀리미터파 주파수 대역인 28GHz와 38GHz 대역을 분배 및 결합한다.In addition, according to the dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention, a frequency designed based on a SIW-based bandpass filter Distributes and combines 28GHz and 38GHz bands, which are the 5th generation mobile communication millimeter wave frequency bands, using a divider and combiner.
이를 기판 집적 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나(Slot Array Antenna)와 비발디 안테나(Vivaldi Antenna)로 형성된 다중빔 안테나와 결합하여, 다중빔 특성을 갖는 안테나를 제공하며, 이로 인하여 28GHz 및 38GHz 대역에서 하나의 이동 통신사의 주파수 대역에 사용 가능한 1GHz의 대역폭을 만족함과 동시에 9dBi 이상의 수직 방향 및 수평 방향으로의 안테나 이득을 제공한다.By combining this with a multi-beam antenna formed of a substrate-integrated waveguide-based slot array antenna and a Vivaldi antenna, an antenna having multi-beam characteristics is provided, thereby providing one movement in the 28 GHz and 38 GHz bands. It satisfies the bandwidth of 1GHz available for the carrier's frequency band and provides antenna gain of more than 9dBi in the vertical and horizontal directions.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치를 도시한 도면.
도 2a는 도 1에 도시된 대역통과여파기를 설명하기 위한 개념도.
도 2b는 도 1에 도시된 대역통과여파기의 구성을 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 제1 대역통과여파기의 결과를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 제1 대역통과여파기의 제작된 구조 및 실측 결과를 도시한 도면.
도 4c 및 도 4d는 제2 대역통과여파기의 제작된 구조 및 실측 결과를 도시한 도면.
도 5a는 도 1에 도시된 주파수 분배 및 결합기를 설명하기 위한 개념도.
도 5b는 도 1에 도시된 주파수 분배 및 결합기의 구성을 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 주파수 분배 및 결합기의 제작된 구조를 도시한 도면.
도 6c는 제작된 주파수 분배 및 결합기의 실측 결과를 도시한 도면.
도 7은 도 1에 도시된 다중 빔 안테나를 설명하기 위한 개념도.
도 8a는 28GHz 다중빔 안테나인 제1 다중빔 안테나의 구성을 도시한 도면.
도 8b 내지 도 8d는 도 8a에 도시된 제1 다중빔 안테나의 전자기 모의시험 결과를 도시한 도면.
도 9a는 38GHz 다중빔 안테나인 제2 다중빔 안테나의 구성을 도시한 도면.
도 9b 내지 도 9d는 도 9a에 도시된 제2 다중빔 안테나의 전자기 모의시험 결과를 도시한 도면.
도 10a 내지 도 10c는 제1 다중빔 안테나의 제작된 모습 및 실측 결과를 도시한 도면.
도 11a 내지 도 11c는 제2 다중빔 안테나의 제작된 모습 및 실측 결과를 도시한 도면.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시예에 의한 이중 대역 다중빔 안테나의 모의시험 결과를 도시한 도면.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 의한 이중 대역 다중빔 안테나의 제작된 모습 및 실측 결과를 도시한 도면.1 is a diagram showing a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention.
2A is a conceptual diagram for explaining the band pass filter shown in FIG. 1;
FIG. 2B is a diagram showing the configuration of the band pass filter shown in FIG. 1;
3a and 3b are diagrams showing results of the first band pass filter;
4A and 4B are diagrams showing the fabricated structure and measurement results of the first band pass filter.
4c and 4d are diagrams showing the fabricated structure and measurement results of the second band pass filter.
5A is a conceptual diagram for explaining the frequency divider and combiner shown in FIG. 1;
FIG. 5B is a diagram showing the configuration of the frequency divider and combiner shown in FIG. 1;
6a and 6b show fabricated structures of a frequency divider and combiner;
Figure 6c is a diagram showing the actual measurement results of the fabricated frequency divider and combiner.
7 is a conceptual diagram for explaining the multi-beam antenna shown in FIG. 1;
8A is a diagram showing the configuration of a first multi-beam antenna that is a 28 GHz multi-beam antenna;
8B to 8D are views showing electromagnetic simulation test results of the first multi-beam antenna shown in FIG. 8A.
9A is a diagram showing the configuration of a second multi-beam antenna that is a 38 GHz multi-beam antenna.
9B to 9D are views showing electromagnetic simulation test results of the second multi-beam antenna shown in FIG. 9A.
10A to 10C are diagrams illustrating a manufactured state of a first multi-beam antenna and actual measurement results;
11A to 11C are diagrams illustrating a manufactured state of a second multi-beam antenna and actual measurement results;
12a to 12c are diagrams showing simulation test results of a dual-band multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention.
13A to 13D are diagrams illustrating a fabricated state and actual measurement results of a dual-band multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구항에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be interpreted in a conventional and dictionary sense, and the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his/her invention in the best way. Based on the principle, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the embodiment disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.
본 발명에서는 기판 집적 도파관을 기반으로 한 주파수 분배 및 결합기와 다중빔(Multi-beam) 안테나를 포함하는 이중 대역 안테나 장치를 제안한다.The present invention proposes a dual band antenna device including a frequency divider and combiner based on a substrate integrated waveguide and a multi-beam antenna.
제안하는 주파수 분배 및 결합기는 5세대 이동 통신 고주파 대역인 28GHz 및 38GHz 대역의 주파수를 분배 및 결합시키기 위해 각각의 대역통과여파기가 공통 선로와 결합되어 있으며, 이와 결합하기 위한 안테나로는, 28GHz와 38GHz에서 각각 동작가능한 다중빔 특성을 만들어 내기 위해, 기판 집적 도파관을 활용한 누설파 안테나인 슬롯 배열 안테나 및 비발디 안테나가 하나의 몸체에서 결합된 다중빔 안테나가 다중빔 특성을 만들어 낸다. 최종적인 구조로 주파수 분배 및 결합기와 결합된 다중빔 안테나를 통해 이중 대역(Dual-Band) 다중빔 안테나가 5G 밀리미터파 대역(mm-Wave band)에서 동작한다.In the proposed frequency divider and combiner, each band pass filter is combined with a common line to distribute and combine frequencies of 28 GHz and 38 GHz bands, which are the 5th generation mobile communication high-frequency bands. In order to create multi-beam characteristics operable in each, a multi-beam antenna combining a slot array antenna, which is a leaky wave antenna using a substrate integrated waveguide, and a Vivaldi antenna in one body creates multi-beam characteristics. As a final structure, a dual-band multi-beam antenna operates in the 5G mm-Wave band through a multi-beam antenna combined with a frequency divider and combiner.
가장 먼저 이중 대역으로 동작하기 위해 각 동작 주파수를 구분해 주는 주파수 분배 및 결합기가 요구된다. 이를 설계하기 위한 구성 요소로서 대역통과여파기(Bandpass Filter)가 선행되어야 한다. 본 발명에서의 대역통과여파기는 기판 집적 도파관(SIW) 구조 기반의 4개의 공진기(Resonator)로 구성되어 있으며, 4개의 공진기는 복수의 금속 비아(Metallic Via)로 형성된 금속 벽을 통해 각 공진기 간의 결합 계수(Coupling Coefficient)를 조절하여 주파수 응답을 만족시키도록 구성된다. 또한, 차단 특성을 좋게 하기 위하여 전송 영점(Transmission Zero)을 위한 교차 결합(Cross Coupling)을 슬롯(Slot)으로 만들어 내는 것이 중요한 발명이다.First of all, a frequency divider and combiner that distinguishes each operating frequency is required to operate in a dual band. As a component for designing this, a bandpass filter must be preceded. The band pass filter in the present invention is composed of four resonators based on a substrate integrated waveguide (SIW) structure, and the four resonators are coupled between each resonator through a metal wall formed of a plurality of metal vias. It is configured to satisfy the frequency response by adjusting the coefficient (Coupling Coefficient). In addition, it is an important invention to create cross coupling for transmission zero as a slot in order to improve blocking characteristics.
언급된 방식과 같이 28GHz와 38GHz에서 동작하는 대역통과여파기를 설계한 뒤, 이를 공통 선로로 결합하여 주파수 분배 및 결합기로 확장시킨다. 주파수 분배 및 결합기로 확장시키기 위해서는 입력 단자(Input Port)와 높은 주파수 대역의 대역통과여파기와의 간격과 높은 주파수 대역통과여파기와 낮은 주파수 대역통과여파기 간의 간격이 주된 조율(Tuning) 요소이며, 낮은 주파수 대역통과여파기와 단락핀(Shorting-Pin) 간의 거리 또한 중요한 요소이다.After designing a band pass filter that operates at 28 GHz and 38 GHz as mentioned above, it is combined with a common line and expanded into a frequency divider and combiner. In order to expand the frequency divider and combiner, the main tuning factor is the distance between the input port and the high-frequency bandpass filter and between the high-frequency bandpass filter and the low-frequency bandpass filter. The distance between the bandpass filter and the shorting-pin is also an important factor.
다음으로, 각 주파수 대역 별 다중빔 안테나를 형성하기 위하여 SIW 기반의 슬롯 배열 안테나(Slot Array Antenna)와 비발디 안테나(Vivaldi Antenna)가 결합된다. 슬롯 배열 안테나는 SIW 기반의 2-분기 전력 분배기를 기반으로 2-by-8 슬롯을 구비한 배열 안테나로 구성되어 있다.Next, an SIW-based slot array antenna and a Vivaldi antenna are combined to form a multi-beam antenna for each frequency band. The slot array antenna is composed of an array antenna having 2-by-8 slots based on a 2-branch power divider based on SIW.
슬롯 배열 안테나는 기판에 대하여 수직(Vertical) 방향으로 신호를 방사하기 위한 요소이며, 일반적인 SIW 슬롯 배열 안테나와 달리, 수평(Horizontal) 방향으로 방사하기 위한 구조를 형성하기 위하여 슬롯 배열 안테나의 종단 지점에 비발디 안테나를 설계하여 다중빔 안테나를 설계하였다. 이렇게 설계된 다중빔 안테나 또한 중요한 발명이다. A slot array antenna is an element for radiating a signal in a vertical direction with respect to a substrate. Unlike a general SIW slot array antenna, a slot array antenna is installed at an end point of a slot array antenna to form a structure for radiating in a horizontal direction. A multi-beam antenna was designed by designing a Vivaldi antenna. The multi-beam antenna thus designed is also an important invention.
최종적으로 앞서 설계된 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나가 결합되어, 28GHz 대역에서는 28GHz의 대역통과여파기가 동작하는 경로로 전자파가 진행하여 대역통과여파기와 결합된 28GHz 다중빔 안테나로 인해 28GHz 대역의 신호가 수직 및 수평 방향으로 방사되며, 38GHz 대역에서는 38GHz의 대역통과여파기가 동작하는 경로로 전자파가 진행하여 대역통과여파기와 결합된 38GHz 다중빔 안테나로 인해 38GHz 대역의 신호가 수직 및 수평 방향으로 방사된다.Finally, the previously designed frequency divider and combiner and the multi-beam antenna are combined, and in the 28 GHz band, electromagnetic waves travel along the path where the 28 GHz band pass filter operates, and the 28 GHz band signal is generated due to the 28 GHz multi-beam antenna combined with the band pass filter. Radiated in vertical and horizontal directions, and in the 38 GHz band, electromagnetic waves travel along the path where the 38 GHz band pass filter operates, and signals in the 38 GHz band are radiated in vertical and horizontal directions due to the 38 GHz multi-beam antenna combined with the band pass filter.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치는 5G 밀리미터파 대역(28GHz 및 38GHz)에서 동작하는 이중 대역 및 다중빔 특성을 가진 안테나 구조를 제공한다.A dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention has dual-band and multi-beam characteristics operating in 5G millimeter wave bands (28 GHz and 38 GHz) antenna structure.
기존의 마이크로스트립 형태의 대역통과여파기 및 주파수 분배 및 결합기는 낮은 품질 계수(Quality Factor)를 가지기 때문에 높은 주파수 대역에 적용하기가 어렵다. 이러한 이유로 도파관(Waveguide) 형태로 대부분의 대역통과여파기 및 주파수 분배 및 결합기를 설계하는데, 이는 전반적으로 구조가 매우 커진다는 단점이 있다.Conventional microstrip type bandpass filters and frequency dividers and combiners have a low quality factor, making it difficult to apply them to high frequency bands. For this reason, most bandpass filters and frequency dividers and combiners are designed in the form of waveguides, which have a disadvantage in that the overall structure becomes very large.
본 발명은 기존의 마이크로스트립 기반에서 주로 사용되는 에지 결합 여파기(Edge Coupled Filer)나 링 공진기(Ring Resonator) 기반의 여파기는 높은 삽입손실 특성을 가지기 때문에 이를 극복하기 위하여 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 방식을 적용하여 상대적으로 높은 품질 계수(Quality Factor)를 가지는 대역통과여파기와 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)의 특성을 활용하여 공진 및 진행파(Traveling Wave), 즉, 위 두 가지 방식을 활용한 다중빔 안테나를 제안하여 5G 이동 통신 시스템의 효율을 증가시키는 방식을 제안한다.In the present invention, since the edge coupled filter or ring resonator-based filter, which is mainly used in the existing microstrip-based, has a high insertion loss characteristic, in order to overcome this, a substrate integrated waveguide (SIW) By applying the Waveguide method, a band pass filter with a relatively high quality factor and the characteristics of a Substrate Integrated Waveguide (SIW) are used to generate resonance and traveling waves, that is, the above two methods. We propose a method to increase the efficiency of a 5G mobile communication system by proposing a multi-beam antenna using
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치(100)는, 급전 선로(113)를 포함하는 급전부(112)를 통해 입력된 신호 중 제1 밀리미터파 대역인 28GHz 대역의 신호를 출력부(115)를 통해 통과시키기 위한 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 기반의 제1 대역통과여파기(108)와, 상기 급전부(112)를 통해 입력된 신호 중 상기 제1 밀리미터파 대역보다 높은 제2 밀리미터파 대역인 38 GHz의 신호를 출력부(117)를 통해 통과시키기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 대역통과여파기(110)를 포함하는 기판 집적 도파관 기반의 주파수 분배 및 결합기(102), 상기 제1 대역통과여파기(108)에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(104), 및 상기 제2 대역통과여파기(110)에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나(106)를 포함한다.The dual-band
상기 제1 대역통과여파기(108)와 상기 제2 대역통과여파기(110) 각각은, 상기 급전부(112)와의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제1 슬롯(도 2b의 216)을 포함하며, 상기 제1 대역통과여파기(108)와 상기 제2 대역통과여파기(110) 각각은, 상기 출력부(도 1의 115, 117, 도 2b의 214)와의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제2 슬롯(도 2의 218)을 포함한다.Each of the first
참조번호 114는 제1 대역통과여파기(108)와 제1 다중빔 안테나(104)를 연결하는 제1 연결부를 나타내고, 참조번호 116은 제2 대역통과여파기(110)와 제2 다중빔 안테나(106)를 연결하는 제2 연결부를 나타낸다.
주파수 분배 및 결합기Frequency divider and combiner
제1 대역통과여파기(108)와 제2 대역통과여파기(110)를 설명하기 위한 도 2a에 도시된 대역통과여파기의 개념도를 참조하면, 제1 공진기(1)와 제2 공진기(2), 제2 공진기(2)와 제3 공진기(3), 및 제3 공진기(3)와 제4 공진기(4)는, 아이리스(iris)(도 2b의 212_1, 212_2, 212_3)를 통한 아이리스 커플링에 의해 서로 포지티브 커플링되고, 제1 공진기(1)와 제4 공진기(4)는 전송 영점부(transmission zero)(도 2b의 208)에 의해 네거티브 커플링됨으로써, 원하는 대역의 신호를 통과시키는 대역통과여파기로 동작한다.Referring to the conceptual diagram of the band-pass filter shown in FIG. 2A for explaining the first band-
도 2b는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치(100)의 제1 대역통과여파기(108)와 제2 대역통과여파기(110)의 상세 구조를 도시한 도면이다.FIG. 2B shows a
제1 대역통과여파기(108)와 제2 대역통과여파기(110)는 각 부분의 치수만 서로 상이할 뿐, 그 구조는 동일하므로, 도 2b에 도시된 기판 집적 도파관 기반의 대역통과여파기(200)는, 제1 대역통과여파기(108)와 제2 대역통과여파기(110) 각각에 적용될 수 있다.Since the first
도 2b를 참조하면, 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 기반의 대역통과여파기(200)는, 유전체(202), 교차결합용 슬롯으로 형성된 전송 영점부(208), 급전 선로에 연결된 분기(204), 분기(204)와 제1 공진기(206_1)의 결합 슬롯인 제1 슬롯(216), 기판 집적 도파관 기반의 제1 내지 제4 공진기(206_1 내지 206_4), 복수의 제1 내지 제4 금속 비아(210_1 내지 210_4), 및 제4 공진기(206_4)와 출력부(214) 간의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제2 슬롯(218)을 포함한다.Referring to FIG. 2B, a substrate integrated waveguide (SIW)-based
상기 전송 영점부(208), 상기 분기(204), 상기 제1 슬롯(216), 상기 제1 내지 제4 공진기(206_1 내지 206_4), 및 상기 제2 슬롯(218)은, 상기 유전체(202) 상에 형성된다.The transmission zero
상기 복수의 제1 내지 제4 금속 비아(210_1 내지 210_4)는 금속 비아 벽을 형성하기 위하여, 상기 유전체(202)의 상부면에서 하부면을 관통하여 형성되며, 상기 복수의 제1 내지 제4 금속 비아(210_1 내지 210_4)의 상부면은 유전체(202)의 상부면에 형성된 제1 내지 제4 금속 패턴(MP1 내지 MP4)에 연결되어 있고, 상기 복수의 제1 내지 제4 금속 비아(210_1 내지 210_4)의 하부면은 유전체(202)의 하부면에 형성된 접지부(미도시)에 연결되어 있다.The plurality of first to fourth metal vias 210_1 to 210_4 are formed to penetrate from an upper surface to a lower surface of the dielectric 202 to form a metal via wall, and the plurality of first to fourth metal vias 210_1 to 210_4 Top surfaces of the vias 210_1 to 210_4 are connected to first to fourth metal patterns MP1 to MP4 formed on the top surface of the dielectric 202, and the plurality of first to fourth metal vias 210_1 to 210_4 ) is connected to a ground portion (not shown) formed on the lower surface of the dielectric 202.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 전송 영점부(208)는, 27GHz와 29GHz 부근의 차단 특성(28GHz 대역의 대역통과여파기인 경우) 또는 37GHz와 39GHz 부근의 차단 특성(38GHz 대역의 대역통과여파기인 경우)을 향상시키기 위하여, 제1 공진기(206_1)와 제4 공진기(206_4) 간의 교차 결합을 위한 '
본 발명의 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 대역통과여파기(200)는 기판 집적도파관 기반의 4개의 공진기(206_1 내지 206_4)를 아이리스(212_1 내지 212_3)를 통해 결합하여 적절한 결합계수(Coupling Coefficient)를 만족시키고, 동시에 급전 선로에 연결된 분기(204)와 제1 공진기(206_1)에 의한 결합 계수(Coupling Coefficient)를 만족시키도록 형성된다. 추가적으로 차단 특성을 향상시키기 위한 구조로 교차 결합용 슬롯인 전송 영점부(208)가 결합된 구조이다. 접지부(미도시)는 대역통과여파기(200) 하부의 유전체(202)의 하부면에 판상으로 형성된다.The
상기 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 대역통과여파기(200)의 설계 방식을 통해 각 목표 주파수 대역인 28GHz 및 38GHz 대역을 만족하는 공진기(206_1 내지 206_4)를 기반으로 하여 대역통과여파기를 형성한다. 상기 형성된 각 주파수 대역 별 대역통과여파기는 주파수 분배 및 결합기(도 1의 102, 도 5b의 500)를 위한 구성으로 활용된다.Through the design method of the
상기 제1 공진기(206_1)는, 상기 분기(204)에 연결된 직사각형 형상의 제1 금속 패턴(MP1) 및 상기 제1 금속 패턴(MP1)의 4개의 변을 따라 소정 간격을 두고 일렬로 형성되고, 접지부(미도시)와 상기 제1 금속 패턴(MP1)을 연결하는 복수의 제1 금속 비아(210_1)를 포함한다.The first resonators 206_1 are formed in a row at predetermined intervals along four sides of the rectangular first metal pattern MP1 connected to the
상기 제2 공진기(206_2)와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제2 공진기(206_2)와 아이리스 커플링되는 상기 제1 공진기(206_1)의 한 변의 중간 부분에는 상기 제1 금속 비아(210_1)가 형성되지 않고, 제1 아이리스(212_1)가 형성되어 있다.For iris coupling with the second resonator 206_2, a middle portion of one side of the first resonator 206_1 that is iris-coupled with the second resonator 206_2 has the first metal via 210_1 ) is not formed, and the first iris 212_1 is formed.
상기 제2 공진기(206_2)는, 상기 제1 공진기(206_1)와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제2 금속 패턴(MP2) 및 상기 제2 금속 패턴(MP2)의 4개의 변 중 상기 제1 공진기(206_1)와 아이리스 커플링되는 변을 제외한 3개의 변을 따라 소정 간격을 두고 일렬로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제2 금속 패턴(MP2)을 연결하는 복수의 제2 금속 비아(210_2)를 포함한다.The second resonator 206_2 includes a rectangular second metal pattern MP2 connected to an iris-coupled side of the first resonator 206_1 and the first of the four sides of the second metal pattern MP2. A plurality of second metal vias 210_2 formed in a row at predetermined intervals along three sides excluding the side coupled to one resonator 206_1 and iris-coupled, and connecting the ground portion and the second metal pattern MP2. ).
상기 제3 공진기(206_3)와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제3 공진기(206_3)와 아이리스 커플링되는 상기 제2 공진기(206_2)의 한 변의 중간 부분에는 상기 제2 금속 비아(210_2)가 형성되지 않고, 제2 아이리스(212_2)가 형성되어 있다.For iris coupling with the third resonator 206_3, a middle portion of one side of the second resonator 206_2 iris-coupled with the third resonator 206_3 includes the second metal via 210_2 ) is not formed, and the second iris 212_2 is formed.
상기 제3 공진기(206_3)는, 상기 제2 공진기(206_2)와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제3 금속 패턴(MP3) 및 상기 제3 금속 패턴(MP3)의 4개의 변 중 상기 제2 공진기(206_2)와 아이리스 커플링되는 변을 제외한 3개의 변을 따라 소정 간격을 두고 일렬로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제3 금속 패턴(MP3)을 연결하는 복수의 제3 금속 비아(210_3)를 포함한다.The third resonator 206_3 includes a rectangular third metal pattern MP3 connected to an iris-coupled side of the second resonator 206_2 and the first of the four sides of the third metal pattern MP3. A plurality of third metal vias 210_3 formed in a row at predetermined intervals along three sides excluding the side coupled with the second resonator 206_2 and connecting the ground portion and the third metal pattern MP3. ).
상기 제4 공진기(206_4)와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제4 공진기(206_4)와 아이리스 커플링되는 상기 제3 공진기(206_3)의 한 변의 중간 부분에는 상기 제3 금속 비아(210_3)가 형성되지 않고, 제3 아이리스(212_3)가 형성되어 있다.For iris coupling with the fourth resonator 206_4, a middle portion of one side of the third resonator 206_3 iris-coupled with the fourth resonator 206_4 is provided with the third metal via 210_3 ) is not formed, and the third iris 212_3 is formed.
상기 제4 공진기(206_4)는, 상기 제3 공진기(206_3)와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제4 금속 패턴(MP4) 및 상기 제4 금속 패턴(MP4)의 4개의 변 중 상기 제3 공진기(206_3)와 아이리스 커플링되는 변 및 상기 제1 공진기(206_1)와 접하는 변을 제외한 2개의 변을 따라 소정 간격을 두고 일렬로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제4 금속 패턴(MP4)을 연결하는 복수의 제4 금속 비아(210_4)를 포함한다.The fourth resonator 206_4 includes a rectangular fourth metal pattern MP4 connected to an iris-coupled side of the third resonator 206_3 and the first of the four sides of the fourth metal pattern MP4. 3 formed in a line at a predetermined interval along two sides excluding the side coupled to the resonator 206_3 and the side in contact with the first resonator 206_1, and the ground portion and the fourth metal pattern MP4 It includes a plurality of fourth metal vias 210_4 connecting the .
상기 제4 공진기(206_4)의 신호가 출력되도록 상기 제4 공진기(206_4)의 한 변의 중간 부분에는 상기 제4 금속 비아(210_4)가 형성되지 않고, 상기 제4 공진기(206_4)의 한 변의 중간 부분은 출력부(214)에 연결된다.The fourth metal via 210_4 is not formed in the middle of one side of the fourth resonator 206_4 so that the signal of the fourth resonator 206_4 is output, and the middle portion of one side of the fourth resonator 206_4 is connected to the
상기 제1 공진기(206_1)와 상기 제4 공진기(206_4)가 네거티브 커플링되도록, 상기 전송 영점부(208)는, 상기 제1 공진기(206_1)와 상기 제4 공진기(206_4)가 접하는 변에 형성된 상기 복수의 제1 금속 비아(210_1) 사이에 형성된 "
상기 제1 슬롯(216)은 상기 제1 금속 패턴(MP1)에 소정 길이와 소정 폭을 갖는 "ㅡ" 형태로 형성되고, 상기 제2 슬롯(218)은 상기 제4 금속 패턴(MP4)에 소정 길이와 소정 폭을 갖는 "ㅡ" 형태로 형성된다.The
도 3a 및 도 3b는 28GHz 대역의 신호를 통과시키는 제1 대역통과여파기(108)의 결과를 도시한 도면이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 기판 집적 도파관 기반의 제1 대역통과여파기(108)는 주파수 응답 및 차단 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.3A and 3B are diagrams showing results of the first
도 4a 및 도 4b는 제1 대역통과여파기(108)의 제작된 구조 및 실측 결과를 도시한 도면이고, 도 4c 및 도 4d는 제2 대역통과여파기(110)의 제작된 구조 및 실측 결과를 도시한 도면이다.4A and 4B are diagrams showing the fabricated structure and measurement results of the first band-
도 4b 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 기판 집적 도파관 기반의 제1 대역통과여파기(108) 및 제2 대역통과여파기(110)의 주파수 응답 및 차단 특성은 우수한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 4B and 4D , it can be seen that the frequency response and blocking characteristics of the
도 5a는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치의 기판 집적 도파관 기반의 주파수 분배 및 결합기(102)를 설명하기 위한 개념도이다.5a is a substrate integrated waveguide-based frequency divider and
도 5a를 참조하면, 주파수 분배 결합기(500)는 제1 대역통과여파기(502)를 통해 28GHz 대역의 신호를 통과시키고, 제2 대역통과여파기(504)를 통해 38GHz 대역의 신호를 통과시킨다. Referring to FIG. 5A, the
도 5b는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치의 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 주파수 분배 및 결합기(500)의 구성을 나타낸 도면이다.5B is a substrate integrated waveguide (SIW)-based frequency divider and combiner of a dual-band multi-beam antenna device including a 5th generation mobile communication frequency divider and combiner and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention shown in FIG. It is a diagram showing the configuration of 500.
도 5b를 참조하면, 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 주파수 분배 및 결합기(500)는, 유전체(516), 급전부(506), 기판 집적 도파관 기반의 제1 대역통과여파기(502), 기판 집적 도파관 기반의 제2 대역통과여파기(504), 및 유전체(516)의 하부면에 형성된 접지부에 연결된 단락핀(514)을 포함한다.Referring to FIG. 5B, a frequency divider and
상기 급전부(506)는, 급전 선로(508), 급전 선로(508)와 제2 대역통과여파기(502) 사이의 선로인 제1 분기(510) 및 급전 선로(508)와 제2 대역통과여파기(504) 사이의 선로인 제2 분기(512)를 포함하고, 상기 급전 선로(508)의 종단부는 단락핀(514)을 통해 접지부에 단락된다.The
제1 대역통과여파기(502) 및 제2 대역통과여파기(504)의 구조는 도 2b에 도시된 대역통과여파기의 구조와 동일하다.The structure of the first
도 5b에 도시된 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 주파수 분배 및 결합기(500)를 참조하면, 하나의 공통 유전체(516)를 기반으로, 공통된 급전 선로(508), 급전 선로(508)와 제1 대역통과여파기(502) 사이의 선로인 제1 분기(510), 급전 선로(508)와 제2 대역통과여파기(504) 사이의 선로인 제2 분기(512) 및 단락핀(514)이, 제1 대역통과여파기(502)와 제2 대역통과여파기(504)에 연결되어 있는 구조이다.Referring to the substrate integrated waveguide (SIW)-based frequency divider and
설계된 도 5b의 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 주파수 분배 및 결합기(500)의 주파수 응답을 만족시키기 위해서는, 급전 선로(508)의 시작되는 부분에서 제2 대역통과여파기(504)가 연결되는 지점의 선로의 길이와 폭(임피던스)의 최적화 작업이 완료되어야 한다.In order to satisfy the frequency response of the substrate integrated waveguide (SIW)-based frequency divider and
상기 최적화 작업이 완료되면, 제1 대역통과여파기(502)가 결합되었을 때의 주파수 응답을 고려하여 제2 대역통과여파기(504)와 제1 대역통과여파기(502) 사이의 선로와 단락핀(514)의 위치를 선로의 길이와 폭(임피던스)을 조절하여 원하는 주파수 응답을 얻기 위한 조정(Tuning) 작업이 요구된다.When the optimization operation is completed, the line between the second
도 6a 및 도 6b는 주파수 분배 및 결합기의 제작된 구조를 도시한 도면이고, 도 6c는 제작된 주파수 분배 및 결합기의 실측 결과를 도시한 도면이다.6a and 6b are diagrams showing the fabricated structure of the frequency divider and combiner, and FIG. 6c is a diagram showing the actual measurement results of the fabricated frequency divider and combiner.
다중빔 안테나multibeam antenna
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치(100)의 제1 다중빔 안테나(104) 및 제2 다중빔 안테나(106)를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 7 shows a first
도 7에 도시된 다중빔 안테나(704)는, 슬롯 배열 안테나(700)와 비발디 안테나(702)를 결합하여 구성된다.The
참조번호 700으로 표시된 슬롯 배열 안테나는 복수의 슬롯(710)이 상부에 형성된 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나이지만, 본 발명의 일 실시예에서는 소형화를 위하여, 도파관 대신에 기판 집적 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나(706)를 비발디 안테나(708)과 결합하여 다중빔 안테나(704)를 구성한다.The slot array antenna indicated by
참조번호 712는 유전체이고, 참조번호 714는 금속 패턴이며, 참조번호 716은 급전 선로이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 술롯 배열 안테나(706)는 수직 방향으로 신호를 방사하고, 비발디 안테나(708)는 수평 방향으로 신호를 방사한다.As shown in FIG. 7, the
도 8a는 28GHz 대역의 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하는 제1 다중빔 안테나(800)의 구성을 도시한 도면이다.8A is a diagram illustrating a configuration of a first
도 8a를 참조하면, 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(800)는, 기판 집적 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나부(802) 및 비발디 안테나부(804)를 포함한다.Referring to FIG. 8A , a first
기판 집적 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나부(802)는, 유전체(806), 입력되는 신호를 2개로 분배하기 위한 전력 분배기(810), 전력 분배기(810)에 의해 분배되는 신호를 수직 방향으로 방사하기 위한 복수의 슬롯(808), 복수의 금속 비아로 형성된 금속 비아 벽(812), 금속 패턴(814) 및 접지부(816)를 포함한다.The substrate-integrated waveguide-based slot
상기 전력 분배기(810), 복수의 슬롯(808) 및 금속 패턴(814)은 상기 유전체(806) 상부면에 형성되고, 상기 접지부(816)는 상기 유전체(806)의 하부면에 형성된다.The
상기 금속 비아 벽(812)을 형성하는 복수의 금속 비아는 유전체(806)를 관통하여 금속 패턴(814)을 접지부(816)에 연결한다.A plurality of metal vias forming the metal via
상기 비발디 안테나부(804)는, 입력되는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 방사부(818_1, 818_2) 및 상기 방사부(818_1, 818_2)에서 방사되는 신호의 지향성을 향상시키기 위한 유도기(820)를 포함한다.The
상기 유도기(820)는, 상기 방사부(818_1)로부터 소정 거리 이격되어 소정 간격을 두고 상기 방사부(818_1) 전방으로 배치되며 소정의 길이 및 소정의 폭을 갖는 복수의 금속 패턴을 포함한다.The
상기 방사부(818_1)는 금속 패턴(814)에 결합되어 있고, 상기 방사부(818_2)는 접지부(816)에 결합되어 있다.The radiation part 818_1 is coupled to the
도 8b 내지 도 8d는 도 8a에 도시된 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(800)의 전자기 모의시험 결과를 나타낸 것이다.8B to 8D show electromagnetic simulation results of the first
기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(800)는, 유전체(806) 상에 도파관 특성을 만들어 내기 위한 금속 비아 벽(812)과 금속 패턴(814)이 형성되어 있으며, 지향성을 향상시키기 위해 전력 분배기(810)를 사용하여 분기점을 만들어 다중분기화한 후, 금속 패턴(814)의 윗면에 복수의 슬롯(808)을 형성하여 수직 방향의 방사 패턴을 만들어 낸다.In the first
또한, 전자파 진행 방향으로 마지막 부분에 형성되어 있는 비발디 안테나부(804)를 통해 수평 방향의 방사 패턴 특성을 얻을 수 있으며, 지향성 향상을 위한 구조로 유도기(820)가 포함되어 있다.In addition, a radiation pattern characteristic in a horizontal direction can be obtained through the
상기 내용과 같이 구조를 설계한 뒤, 수직 방향과 수평 방향으로 진행하는 전자기파의 비율을 조정하여 수직 방향 및 수평 방향의 안테나 이득을 조절할 수 있다.After designing the structure as described above, it is possible to adjust the antenna gain in the vertical and horizontal directions by adjusting the ratio of the electromagnetic waves traveling in the vertical and horizontal directions.
도 9a는 38GHz 대역의 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하는 제2 다중빔 안테나(900)의 구성을 도시한 도면이다.9A is a diagram showing the configuration of a second
도 9a에 도시된 제2 다중빔 안테나(900)는, 각 부분의 치수만 상이할 뿐, 도 8a에 도시된 제1 다중빔 안테나(800)와 그 구성이 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the second
도 9b 내지 도 9d는 도 9a에 도시된 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나(900)의 전자기 모의시험 결과를 나타낸 것이다.9B to 9D show electromagnetic simulation results of the second
도 10a 내지 도 10c는 제1 다중빔 안테나(800)의 제작된 모습 및 실측 결과를 도시한 도면이고, 도 11a 내지 도 11c는 제2 다중빔 안테나(900)의 제작된 모습 및 실측 결과를 도시한 도면이다.10A to 10C are diagrams showing a manufactured state of the first
이중 대역 다중빔 안테나 장치Dual band multi-beam antenna device
다시, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치(100)는, 급전부(112), 기판 집적 도파관 기반의 제1 대역통과여파기(108) 및 기판 집적 도파관 기반의 제2 대역통과여파기(110)를 포함하는 주파수 분배 및 결합기(102), 상기 제1 대역통과여파기(108)에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(104), 상기 제2 대역통과여파기(110)에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나(106), 상기 제1 대역통과여파기(108)와 상기 제1 다중빔 안테나(104)를 연결하는 제1 연결부(114), 상기 제2 대역통과여파기(110)와 상기 제2 다중빔 안테나(106)를 연결하는 제2 연결부(116), 유전체(118), 및 접지부(120)를 포함한다.Again, referring to FIG. 1, the dual-band
상기 급전부(112), 상기 기판 집적 도파관 기반의 제1 대역통과여파기(108), 상기 기판 집적 도파관 기반의 제2대역통과여파기(110), 상기 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(104), 상기 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나(106), 상기 제1 연결부(114), 상기 제2 연결부(116)는 상기 유전체(118)의 상부면에 형성되고, 상기 접지부(120)는 상기 유전체(118)의 하부면에 형성된다.The
단락핀(122) 및 복수의 금속 비아(124, 126, 128, 130)는 유전체(118)를 관통하여 접지부(120에 연결된다.The shorting
본 발명의 최종화된 구조로서 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치(100)는, 도 5b에 도시된 기판 집적 도파관 기반의 주파수 분배 및 결합기(500)를 도 8a에 도시된 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나(800)와 도 9a에 도시된 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나(900)와 결합한 구조이다.As the finalized structure of the present invention, the dual-band
주파수 분배 및 결합기(102)를 제1 다중빔 안테나(104)와 제2 다중빔 안테나(106)와 결합하기 위하여, 상기 제1 대역통과여파기(108)와 상기 제1 다중빔 안테나(104)를 연결하는 제1 연결부(114) 그리고 상기 제2 대역통과여파기(110)와 상기 제2 다중빔 안테나(106)를 연결하는 제2 연결부(116)는, 대역통과여파기와 다중빔 안테나의 임피던스가 정합될 수 있도록 설계되어야 한다.To combine the frequency divider and
상기 작업이 완료되면, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 각 동작 주파수에 맞는 경로로 전기장 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있다.When the above operation is completed, as shown in FIGS. 12A and 12B , it can be confirmed that the electric field distribution appears along a path suitable for each operating frequency.
즉, 도 12a에 도시된 바와 같이 28GHz 대역의 신호는 기판 집적 도파관 기반의 제1 대역통과여파기(108)를 통과하여 제1 다중빔 안테나(104)를 통해 수직 방향 및 수평 방향으로 방사된다.That is, as shown in FIG. 12A, the signal of the 28 GHz band passes through the substrate integrated waveguide-based first
또한, 도 12b에 도시된 바와 같이 38GHz 대역의 신호는 기판 집적 도파관 기반의 제2 대역통과여파기(110)를 통과하여 제2 다중빔 안테나(106)를 통해 수직 방향 및 수평 방향으로 방사된다.In addition, as shown in FIG. 12B, the signal of the 38 GHz band passes through the substrate integrated waveguide-based second
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치(100)는, 도 12c에 도시된 바와 같이, 각 주파수 대역 별 격리도 특성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있으며, 각 주파수 대역 별로 경로가 나눠지기 때문에 하나의 입력 단자(Input Port)를 통해 이중 대역에서 동작하며 다중빔을 형성할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Through this, the dual-band
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 의한 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치의 제작된 모습 및 실측 결과를 도시한 도면이다.13A to 13D are diagrams showing fabrication and measurement results of a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited by the foregoing embodiments and accompanying drawings. It will be clear to those skilled in the art that the components according to the present invention can be substituted, modified, and changed without departing from the technical spirit of the present invention.
100 : 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치
102 : 기판 집적 도파관 기반 주파수 분배 및 결합기
104 : 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나
106 : 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나
108 : 제1 대역통과여파기
110 : 제2 대역통과여파기
112 : 급전부
113 : 급전 선로
114 : 제1 연결부
115, 117 : 출력부
116 : 제2 연결부
118 : 유전체
120 : 접지부
122 : 단락핀
124, 126, 128, 130 : 복수의 금속 비아
200 : 기판 집적 도파관 기반의 대역통과여파기
202 : 유전체
204 : 분기
206_1 내지 206_4 : 제1 내지 제4 공진기
208 : 전송 영점부
210_1 내지 210_4 : 복수의 제1 내지 제4 금속 비아
212_1 내지 212_3 : 제1 내지 제3 아이리스
214 : 출력부
216 : 제1 슬롯
218 : 제2 슬롯
500 : 주파수 분배 및 결합기
502 :제1 대역통과여파기
504 : 제2 대역통과여파기
506 : 급전부
508 : 급전 선로
510 : 제1 분기
512 : 제2 분기
700 : 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나
702, 708 : 비발디 안테나
704 : 다중빔 안테나
706 : 기판 집적 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나
710 : 슬롯
712 : 유전체
714 : 금속 패턴
716 : 급전 선로
800 : 제1 다중빔 안테나
802 : 기판 집적 도파관 기반의 슬롯 배열 안테나부
804 : 비발디 안테나부
806 : 유전체
808 : 슬롯
810 : 전력 분배기
812 : 금속 비아 벽
814 : 금속 패턴
816 : 접지부
818 : 방사부
820 : 유도기
900 : 제2 다중빔 안테나100: Dual-band multi-beam antenna device including frequency distribution and combiner for 5G mobile communication and multi-beam antenna
102: substrate integrated waveguide-based frequency divider and combiner
104: substrate integrated waveguide-based first multi-beam antenna
106: substrate integrated waveguide-based second multi-beam antenna
108: first band pass filter 110: second band pass filter
112: power supply unit 113: power supply line
114:
116: second connection portion 118: dielectric
120: grounding part 122: shorting pin
124, 126, 128, 130: plurality of metal vias
200: substrate-integrated waveguide-based bandpass filter
202: dielectric 204: branch
206_1 to 206_4: first to fourth resonators
208: transmission zero point
210_1 to 210_4: A plurality of first to fourth metal vias
212_1 to 212_3: first to third iris
214: output unit 216: first slot
218: second slot 500: frequency divider and combiner
502: first band pass filter 504: second band pass filter
506: power supply unit 508: power supply line
510: first branch 512: second branch
700: waveguide-based
704: multi-beam antenna
706: substrate-integrated waveguide-based slot array antenna
710: slot 712: dielectric
714: metal pattern 716: feed line
800: first multi-beam antenna
802: substrate-integrated waveguide-based slot array antenna unit
804: Vivaldi antenna unit 806: dielectric
808: slot 810: power divider
812: metal via wall 814: metal pattern
816: grounding part 818: radiation part
820: Inductor 900: Second multi-beam antenna
Claims (14)
상기 제1 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제1 다중빔 안테나; 및
상기 제2 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향 및 수평 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 다중빔 안테나를 포함하고,
상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각은, 상기 급전부와의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제1 슬롯을 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.A substrate integrated waveguide (SIW)-based first bandpass filter for passing signals of a first band among signals input through the power supply through the first output, and among the signals input through the power supply, the above A substrate integrated waveguide-based frequency divider and combiner including a substrate-integrated waveguide-based second band pass filter for passing a signal of a second band higher than the first band through the second output unit;
a substrate-integrated waveguide-based first multi-beam antenna for radiating signals output from the first bandpass filter in vertical and horizontal directions; and
A second multi-beam antenna based on a substrate integrated waveguide for radiating signals output from the second bandpass filter in vertical and horizontal directions;
Each of the first band pass filter and the second band pass filter includes a first slot for adjusting a coupling coefficient representing signal coupling strength with the feeder, and a 5G mobile communication frequency divider and combiner and multi-beam A dual band multi-beam antenna device comprising an antenna.
상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각은, 상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각의 차단 특성을 향상시키기 위한 교차 결합(cross coupling)을 위한 전송 영점부를 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 1,
Each of the first band pass filter and the second band pass filter includes a transmission zero point for cross coupling to improve the blocking characteristics of each of the first band pass filter and the second band pass filter. , A dual band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna.
상기 제1 대역통과여파기와 상기 제2 대역통과여파기 각각은, 상기 출력부와의 신호 결합 세기를 나타내는 결합 계수를 조절하기 위한 제2 슬롯을 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 1,
Each of the first bandpass filter and the second bandpass filter includes a second slot for adjusting a coupling coefficient representing signal coupling strength with the output unit, and a frequency distribution and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam A dual band multi-beam antenna device comprising an antenna.
상기 전송 영점부는, "
The transmission zero point unit, "
상기 제1 다중빔 안테나는,
상기 제1 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제1 슬롯배열안테나부; 및
상기 제1 슬롯배열안테나부를 통해 진행하는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 제1 비발디 안테나부를 포함하고,
상기 제2 다중빔 안테나는,
상기 제2 대역통과여파기에서 출력되는 신호를 수직 방향으로 방사하기 위한 기판 집적 도파관 기반의 제2 슬롯배열안테나부; 및
상기 제2 슬롯배열안테나부를 통해 진행하는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 제2 비발디 안테나부를 포함하며,
상기 제1 다중빔 안테나 및 상기 제2 다중빔 안테나 각각은, 상기 슬롯배열안테나부와 상기 비발디 안테나부의 결합 구조로서 다중빔을 형성하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 1,
The first multi-beam antenna,
a substrate-integrated waveguide-based first slot array antenna unit for radiating signals output from the first band-pass filter in a vertical direction; and
A first Vivaldi antenna unit for radiating a signal traveling through the first slot array antenna unit in a horizontal direction;
The second multi-beam antenna,
a substrate-integrated waveguide-based second slot array antenna unit for radiating signals output from the second band-pass filter in a vertical direction; and
A second Vivaldi antenna unit for radiating a signal traveling through the second slot array antenna unit in a horizontal direction;
Each of the first multi-beam antenna and the second multi-beam antenna includes a 5th generation mobile communication frequency divider and combiner and a multi-beam antenna for forming multi-beams as a combined structure of the slot array antenna unit and the Vivaldi antenna unit. Dual band multi-beam antenna device.
상기 제1 슬롯배열안테나부는,
기판 집적 도파관 기반의 제1 전력 분배기; 및
상기 기판 집적 도파관 기반의 제1 전력 분배기에서 분배되는 신호를 각각 수직 방향으로 방사하기 위한 복수의 제1 슬롯배열안테나를 포함하고,
상기 제2 슬롯배열안테나부는,
기판 집적 도파관 기반의 제2 전력 분배기; 및
상기 기판 집적 도파관 기반의 제2 전력 분배기에서 분배되는 신호를 각각 수직 방향으로 방사하기 위한 복수의 제2 슬롯배열안테나를 포함하며,
상기 제1 비발디 안테나부는, 상기 복수의 제1 슬롯배열안테나와 하나의 구조로 배치되는 복수의 제1 비발디 안테나를 포함하며,
상기 제2 비발디 안테나부는, 상기 복수의 제2 슬롯배열안테나와 하나의 구조로 배치되는 복수의 제2 비발디 안테나를 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 5,
The first slot array antenna unit,
a first power divider based on a substrate integrated waveguide; and
A plurality of first slot array antennas for radiating signals distributed from the substrate-integrated waveguide-based first power divider in a vertical direction, respectively;
The second slot array antenna unit,
a second power divider based on a substrate integrated waveguide; and
It includes a plurality of second slot array antennas for radiating signals distributed from the substrate-integrated waveguide-based second power divider in a vertical direction, respectively,
The first Vivaldi antenna unit includes a plurality of first Vivaldi antennas arranged in one structure with the plurality of first slot array antennas;
The second Vivaldi antenna unit includes a 5G mobile communication frequency divider and combiner including a plurality of second Vivaldi antennas arranged in one structure with the plurality of second slot array antennas, and a dual-band multiplexer including a multi-beam antenna. Beam antenna device.
상기 급전부는,
입력 포트에 연결된 급전 선로;
상기 급전 선로와 상기 제1 대역통과여파기를 결합하는 제1 분기; 및
상기 급전 선로와 상기 제2 대역통과여파기를 결합하는 제2 분기를 포함하고,
상기 급전 선로의 종단부는 단락핀을 통해 접지부에 단락되는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.According to claim 1 or claim 2,
The power supply unit,
feed line connected to the input port;
a first branch coupling the feed line and the first band pass filter; and
A second branch coupling the feed line and the second band pass filter;
A dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner and a multi-beam antenna for 5th generation mobile communication, wherein the terminal end of the feed line is short-circuited to the ground through a short-circuit pin.
상기 제1 대역통과여파기 및 상기 제2 대역통과여파기 각각은, SIW 기반의 제1 공진기, SIW 기반의 제2 공진기, SIW 기반의 제3 공진기 및 SIW 기반의 제4 공진기를 포함하고,
상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기, 상기 제2 공진기와 상기 제3 공진기, 및 상기 제3 공진기와 상기 제4 공진기는 서로 아이리스 커플링에 의해 포지티브 커플링되며,
상기 제1 공진기와 상기 제4 공진기는 상기 전송 영점부(transmission zero)에 의해 네거티브 커플링되는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 2,
Each of the first bandpass filter and the second bandpass filter includes a SIW-based first resonator, an SIW-based second resonator, an SIW-based third resonator, and an SIW-based fourth resonator,
The first resonator and the second resonator, the second resonator and the third resonator, and the third resonator and the fourth resonator are positively coupled to each other by iris coupling,
The first resonator and the fourth resonator are negatively coupled by the transmission zero, a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5G mobile communication and a multi-beam antenna.
상기 제1 공진기는,
상기 급전 선로에 연결된 분기에 연결된 직사각형 형상의 제1 금속 패턴; 및
상기 제1 금속 패턴의 4개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 접지부와 상기 제1 금속 패턴을 연결하는 복수의 제1 금속 비아를 포함하며,
상기 제2 공진기와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제2 공진기와 아이리스 커플링되는 상기 제1 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제1 금속 비아가 형성되지 않고,
상기 제2 공진기는,
상기 제1 공진기와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제2 금속 패턴; 및
상기 제2 금속 패턴의 4개의 변 중 상기 제1 공진기와 아이리스 커플링되는 변을 제외한 3개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제2 금속 패턴을 연결하는 복수의 제2 금속 비아를 포함하며,
상기 제3 공진기와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제3 공진기와 아이리스 커플링되는 상기 제2 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제2 금속 비아가 형성되지 않고,
상기 제3 공진기는,
상기 제2 공진기와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제3 금속 패턴; 및
상기 제3 금속 패턴의 4개의 변 중 상기 제2 공진기와 아이리스 커플링되는 변을 제외한 3개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제3 금속 패턴을 연결하는 복수의 제3 금속 비아를 포함하며,
상기 제4 공진기와의 아이리스 커플링(iris coupling)을 위해, 상기 제4 공진기와 아이리스 커플링되는 상기 제3 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제3 금속 비아가 형성되지 않고,
상기 제4 공진기는,
상기 제3 공진기와 아이리스 커플링되는 변에 연결된 직사각형 형상의 제4 금속 패턴; 및
상기 제4 금속 패턴의 4개의 변 중 상기 제3 공진기와 아이리스 커플링되는 변 및 상기 제1 공진기와 접하는 변을 제외한 2개의 변을 따라 소정 간격을 두고 접지부로 형성되고, 상기 접지부와 상기 제4 금속 패턴을 연결하는 복수의 제4 금속 비아를 포함하며,
상기 제4 공진기의 신호가 출력되도록 상기 제4 공진기의 한 변의 중간 부분에는 상기 제4 금속 비아가 형성되지 않고, 상기 제4 공진기의 한 변의 중간 부분은 출력부에 연결되며,
상기 제1 공진기와 상기 제4 공진기가 네거티브 커플링되도록, 상기 전송 영점부는, 상기 제1 공진기와 상기 제4 공진기가 접하는 변에 형성된 상기 복수의 제1 금속 비아 사이에 형성된 소정 형태의 슬롯을 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 8,
The first resonator,
a first metal pattern having a rectangular shape connected to a branch connected to the feed line; and
a plurality of first metal vias formed as grounding portions along four sides of the first metal pattern at predetermined intervals and connecting the grounding portion and the first metal pattern;
For iris coupling with the second resonator, the first metal via is not formed in a middle portion of one side of the first resonator that is iris-coupled with the second resonator,
The second resonator,
a second metal pattern having a rectangular shape connected to a side coupled to the first resonator and the iris; and
A plurality of ground portions formed at predetermined intervals along three sides of the second metal pattern, excluding the side coupled to the first resonator and iris coupling among the four sides, and connecting the ground portion and the second metal pattern. a second metal via;
For iris coupling with the third resonator, the second metal via is not formed in a middle portion of one side of the second resonator that is iris-coupled with the third resonator,
The third resonator,
a third metal pattern having a rectangular shape connected to a side coupled to the second resonator and the iris; and
A plurality of ground portions formed at predetermined intervals along three sides of the third metal pattern, excluding the side coupled to the second resonator and the iris coupling among the four sides, and connecting the ground portion and the third metal pattern. a third metal via;
For iris coupling with the fourth resonator, the third metal via is not formed at a middle portion of one side of the third resonator that is iris-coupled with the fourth resonator,
The fourth resonator,
a fourth metal pattern having a rectangular shape connected to an iris-coupled side of the third resonator; and
Of the four sides of the fourth metal pattern, a ground portion is formed at a predetermined interval along two sides excluding a side coupled to the third resonator and a side in contact with the first resonator, and the ground portion and the first resonator It includes a plurality of fourth metal vias connecting 4 metal patterns,
The fourth metal via is not formed at a middle portion of one side of the fourth resonator so that a signal of the fourth resonator is output, and the middle portion of one side of the fourth resonator is connected to an output unit.
The transmission zero point part includes a slot of a predetermined shape formed between the plurality of first metal vias formed on a side where the first resonator and the fourth resonator come into contact so that the first resonator and the fourth resonator are negatively coupled. A dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner and a multi-beam antenna for 5G mobile communication.
상기 제1 슬롯은, 상기 제1 금속 패턴에 소정 길이와 소정 폭을 갖는 "ㅡ" 형태로 형성되고,
상기 제2 슬롯은, 상기 제4 금속 패턴에 소정 길이와 소정 폭을 갖는 "ㅡ" 형태로 형성되는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 3,
The first slot is formed in a “ㅡ” shape having a predetermined length and a predetermined width in the first metal pattern,
The second slot is formed in a "-" shape having a predetermined length and a predetermined width in the fourth metal pattern, a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna.
상기 제1 대역은 28GHz 대역을 포함하고, 상기 제2 대역은 38GHz 대역을 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 1,
The first band includes a 28 GHz band, and the second band includes a 38 GHz band.
상기 제2 대역통과여파기는 상기 제1 대역통과여파기보다 입력 포트에 더 근접하여 배치되는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 1,
The second band pass filter is disposed closer to the input port than the first band pass filter, a dual-band multi-beam antenna device including a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multi-beam antenna.
상기 복수의 비발디 안테나 각각은,
입력되는 신호를 수평 방향으로 방사하기 위한 방사부; 및
상기 방사부에서 방사되는 신호의 지향성을 향상시키기 위한 유도기를 포함하며,
상기 유도기는, 상기 방사부로부터 소정 거리 이격되어 소정 간격을 두고 상기 방사부 전방으로 배치되며 소정의 길이 및 소정의 폭을 갖는 복수의 금속 패턴을 포함하는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 6,
Each of the plurality of Vivaldi antennas,
a radiation unit for radiating an input signal in a horizontal direction; and
Including an inductor for improving the directivity of the signal emitted from the radiating unit,
The inductor is spaced apart from the radiating unit at a predetermined distance and disposed in front of the radiating unit at a predetermined interval, and includes a plurality of metal patterns having a predetermined length and a predetermined width, and a frequency divider and combiner for 5th generation mobile communication and a multiplexer. A dual-band multi-beam antenna device comprising a beam antenna.
상기 방사부의 제1 부분은 상기 제1 슬롯배열안테나 및 상기 제2 슬롯배열안테나 각각의 금속 패턴에 결합되고,
상기 방사부의 제2 부분은 상기 접지부에 결합되는, 5세대 이동 통신용 주파수 분배 및 결합기와 다중빔 안테나를 포함하는 이중 대역 다중빔 안테나 장치.The method of claim 13,
A first portion of the radiation portion is coupled to a metal pattern of each of the first slot array antenna and the second slot array antenna,
A dual-band multi-beam antenna device comprising a frequency divider and combiner and a multi-beam antenna for 5G mobile communication, wherein the second part of the radiation unit is coupled to the ground unit.
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| KR102479577B1 (en) | 2022-12-21 |
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