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KR102251287B1 - 5g beamforming antenna over a wide-band miniaturized by segmenting the substrate-integrated-waveguide structure into layers and stacking them - Google Patents

5g beamforming antenna over a wide-band miniaturized by segmenting the substrate-integrated-waveguide structure into layers and stacking them Download PDF

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KR102251287B1
KR102251287B1 KR1020190169779A KR20190169779A KR102251287B1 KR 102251287 B1 KR102251287 B1 KR 102251287B1 KR 1020190169779 A KR1020190169779 A KR 1020190169779A KR 20190169779 A KR20190169779 A KR 20190169779A KR 102251287 B1 KR102251287 B1 KR 102251287B1
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KR
South Korea
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siw
butler matrix
antenna
shows
phase shifter
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Active
Application number
KR1020190169779A
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Korean (ko)
Inventor
강승택
박희준
이창형
Original Assignee
인천대학교 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.)
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Publication date
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided are a 5G small terminal using zigzag stacking technique after separating a substrate integrated structure into segments which are element functions, and area-reduced beamforming antennas for repeaters, which are broadband beamforming antennas covering all frequency bands from 26.5GHz to 28.9GHz planned for 5G communication service and are miniaturized beamforming antenna structures which greatly reduce the overall size of the antenna by applying an unprecedented folded structure which stacks layers back and forth (in zigzag) between an input port and an output port rather than a signal flow direction.

Description

기판집적도파관 구조를 세그먼트 분리하여 층으로 할당하고 적층하는 방식의, 5G 소형 단말기 및 중계기용 광대역 빔 포밍 안테나 면적 축소법{5G BEAMFORMING ANTENNA OVER A WIDE-BAND MINIATURIZED BY SEGMENTING THE SUBSTRATE-INTEGRATED-WAVEGUIDE STRUCTURE INTO LAYERS AND STACKING THEM}5G BEAMFORMING ANTENNA OVER A WIDE-BAND MINIATURIZED BY SEGMENTING THE SUBSTRATE-INTEGRATED-WAVEGUIDE STRUCTURE INTO LAYERS AND STACKING THEM}

본 발명은 빔 포밍 안테나 시스템의 기능과 구조를 진일보시키는 것으로서, 보다 상세하게는 5G 통신 서비스용으로 계획된 26.5GHz로부터 28.9GHz까지 모든 주파수 대역에서 동작하는 광대역 빔 포밍 안테나이며, 마이크로스트립과 같은 일반적인 위상 배열이 아닌 방사손실이 작은 적층기판형 급전 빔 포밍 안테나에 대해, 단층이면 면적이 큰 단점이 있어 전체 기능을 유지하되 기능별 요소인 세그먼트로 나누고 층으로 분리 후 쌓은 전례없는 위상 배열 급전 빔 포밍 안테나에 폴디드 구조를 적용하여 안테나의 전체 크기를 대폭 축소시킨 빔 포밍 안테나 구조를 제시하는 방안에 관한 것이다.The present invention advances the function and structure of a beamforming antenna system, and more particularly, is a broadband beamforming antenna operating in all frequency bands from 26.5GHz to 28.9GHz planned for 5G communication service, and is a general phase such as microstrip. For multilayered board-type feed beamforming antennas with low radiation loss rather than arrays, a single layer has a large area, so it maintains the entire function, but is divided into segments, which are functional elements, and then stacked into unprecedented phased array feed beamforming antennas. The present invention relates to a method to propose a beamforming antenna structure in which the overall size of the antenna is significantly reduced by applying a folded structure.

이동 통신 기술은 수년에 걸쳐 발전해 왔다. 1 세대 무선 통신 네트워크는 아날로그 기술을 기반으로 하며, 2 세대 통신은 GSM 및 CDMA와 같은 표준을 사용하는 디지털 기술을 도입했다. 성능 측면에서 2G는 기본 텍스트 전송과 제한된 무선 데이터 기능 및 음성 서비스를 추가했다. 그러나 2G 모바일 장치로 자유롭게 웹 서핑을하기가 어려운 문제가 있었다.Mobile communication technology has evolved over the years. The first generation wireless communication network is based on analog technology, and the second generation communication introduces digital technology using standards such as GSM and CDMA. In terms of performance, 2G added basic text transmission and limited wireless data capabilities and voice services. However, it was difficult to surf the web freely with 2G mobile devices.

3 세대 통신 네트워크인 3G는 W-CDMA를 사용하여 고속 데이터 통신 기능을 추가함으로써 비디오와 같은 작은 크기의 데이터를 전송할 수 있게 되었다. 그러나 스트리밍 비디오와 같은 높은 데이터 속도는 대부분의 사용자가 비교하는 Wi-Fi 또는 무선 LAN보다 느린 문제가 있었다. 3G, a third-generation communication network, is able to transmit small-sized data such as video by adding a high-speed data communication function using W-CDMA. However, high data rates, such as streaming video, suffered from slower problems than Wi-Fi or wireless LANs that most users compare to.

LTE(Long Term Evolution) 기반의 4G 통신은 3G에 비해 데이터 볼륨 측면에서 크게 개선되었으며 최대 10 배의 최고 데이터 속도를 제공한다. 또한 모바일 서비스 제공 업체는 이론적으로 LTE 속도를 두 배로 늘릴 수 있는 LTE-A를 구현했다.LTE (Long Term Evolution)-based 4G communication is significantly improved in terms of data volume compared to 3G, and provides a maximum data rate of up to 10 times. In addition, mobile service providers have implemented LTE-A, which can theoretically double the LTE speed.

2015년 ITU-R(International Telecommunication Union-Radiocommunication)에서는, 5 세대 이동 통신의 공식 명칭으로서 IMT-2020(International Mobile Telemcommunications-2020)을 결정하고, 목표 성능과 5G 서비스 시나리오가 제안되었다.In 2015, ITU-R (International Telecommunication Union-Radiocommunication) determined IMT-2020 (International Mobile Telemcommunications-2020) as the official name of 5G mobile communication, and a target performance and 5G service scenario were proposed.

도 1은 IMT-Advanced (4G)와 IMT-2020 (5G)의 주요 기능 대비를 도시한다. 1 shows a comparison of the main functions of IMT-Advanced (4G) and IMT-2020 (5G).

도 1에서 보는 바와 같이, ITU-R에서 제안한 5G 기술 성능 요구 사항은 20Gbps의 최고 데이터 속도, 1ms 이내의 대기 시간, 500km/h의 최대 이동성, IMT-Advanced의 4G보다 3배 높은 스펙트럼 효율, 1km2 당 100만개의 연결 밀도, 100Mbps 이상의 사용자 경험 전송 속도 등이 향상됨을 알 수 있다.As shown in Figure 1, the 5G technical performance requirements proposed by ITU-R are the highest data rate of 20Gbps, latency within 1ms, maximum mobility of 500km/h, spectrum efficiency 3 times higher than that of 4G of IMT-Advanced, 1km. It can be seen that the connection density of 1 million per 2 and the user experience transmission speed of 100 Mbps or more are improved.

빔 포밍(beamforming)은 5G 무선 통신의 핵심 기술 중 하나로서, 도 1에 제시된 기술적 성능을 만족시키기 위해서는 전파 전송 효율과 주파수 재사용성이 필수적이다. 이러한 특성을 향상 시키려면 안테나에 지향성 방사 패턴을 사용해야 하며 빔 포밍 기능을 제공해야 한다.Beamforming is one of the core technologies of 5G wireless communication, and radio wave transmission efficiency and frequency reusability are essential to satisfy the technical performance shown in FIG. 1. To improve this characteristic, a directional radiation pattern should be used for the antenna and a beamforming function should be provided.

빔 포밍 안테나는 지향성 및 이득이 양호해야 하고 에너지 전달 효율이 양호해야 한다. 따라서 전 세계적으로 효율적인 빔 포밍 시스템이 연구되고 있으며 개선된 성능 결과가 발표되고 있다.The beamforming antenna should have good directivity and gain, and should have good energy transfer efficiency. Therefore, efficient beamforming systems are being researched around the world, and improved performance results are being published.

도 2는 4개 요소의 LTE MIMO 안테나로 작동되는 통합 28GHz 어레이(배열)를 나타낸다.2 shows an integrated 28 GHz array (array) operated with a four element LTE MIMO antenna.

상기 도 2는 5G 및 LTE-A 통신 모드의 하이브리드화를 위한 소형 크기의 안테나를 나타내는데, 이 안테나는 평면 기판 집적 도파관 버틀러 매트릭스(flat substrate Integrated waveguide Butler matrix) 빔 포밍 안테나의 측면에서 LTE-A를 위해 동작하는 4 개의 다중 입력 다중 출력 칩 안테나이다.FIG. 2 shows a small-sized antenna for hybridization of 5G and LTE-A communication modes. The antenna is LTE-A from the side of a flat substrate Integrated waveguide Butler matrix beamforming antenna. It is a four multi-input multi-output chip antenna that works for.

도 3은 듀얼 레이어 멀티 빔 안테나를 나타내며, 기존 구조와 같이 신호흐름방향을 유지하면서 포트1과 포트 4 계열의 흐름을 위아래로 나눈 구조이다. 비록 이층이지만 구조의 면적 특히 길이는 기존 구조와 다름이 없어 크기축소의 효과는 미미하다. 이에 반해, 본 발명은 신호흐름방향을 요소로 나누어 그 세그먼트들을 층으로 분리하고, 입력포트와 출력포트 방향을 왔다갔다하는(지그재그) 방식으로 층을 쌓고 전기적 연결하여 길이와 면적이 대폭 축소되어, 큰 차별점이 있다. 궁극에는 이런 구조가 반복되는 중계기에 대해, 다른 기법들은 따라올 수 없을 정도의 크기 축소가 가능한 것이다. 3 shows a dual-layer multi-beam antenna, and is a structure in which the flow of the port 1 and port 4 series is divided up and down while maintaining the signal flow direction as in the conventional structure. Although it is a two-story structure, the size reduction effect is insignificant because the area, especially the length, of the structure is the same as that of the existing structure. In contrast, in the present invention, the signal flow direction is divided into elements, the segments are separated into layers, and the length and area are drastically reduced by stacking the layers and electrically connecting the input port and the output port direction back and forth (zigzag), There is a big difference. Ultimately, for a repeater that repeats this structure, it is possible to reduce the size to a degree that other techniques cannot match.

도 4는 5G 빔 포밍 안테나용 플랫 Rotman 렌즈를 나타낸다.4 shows a flat Rotman lens for a 5G beamforming antenna.

상기 도 4는 설계의 주요 단계에서, Rotman 렌즈의 입력 및 출력 포트의 아크(arc)는 광선 경로의 개념에 따라 결정된다. 삼중 초점 접근 방식을 준수하면서 세 초점으로부터의 광선은 솔루션이 입력 및 출력 곡선을 형성하는 방정식에 따른다. 이들 아크(arc)와 함께, 지연 라인들에 대한 기하학적 정보는 고, 중 및 저의 3 개의 각도를 가리키는 빔을 생성하도록 결정된다.4, in the main stage of the design, the arcs of the input and output ports of the Rotman lens are determined according to the concept of the light path. Adhering to the trifocal approach, the rays from the three focal points follow the equation in which the solution forms the input and output curves. Together with these arcs, the geometric information for the delay lines is determined to generate a beam pointing to three angles: high, medium and low.

이러한 통신 기술의 발달에 따라 무선 통신 서비스 가입자 수가 빠른 속도로 증가하고 있고, 고품질 및 광대역 데이터 통신에 대한 사용자 요구가 증가함에 따라 이러한 요구를 충족시키기 위한 기술 중 하나로써 mmWave 기술이 제시되고 있는데, mmWave 기술은 현재 상용이동통신에 사용되는 주파수 대역을 뛰어넘는 초고주파 광대역을 활용하는 기술이다.With the development of such communication technology, the number of wireless communication service subscribers is rapidly increasing, and as user demands for high-quality and broadband data communication increase, mmWave technology is being proposed as one of the technologies to meet these demands. The technology is a technology that utilizes an ultra-high frequency broadband that exceeds the frequency band currently used for commercial mobile communication.

이러한 mmWave 기술이 적용되는 하드웨어는 소형화가 필연적으로 요구되므로, 안테나로서의 기본적인 주파수 대역의 특성을 충족시키면서 더욱 소형화시킬 수 있는 안테나 설계 기법이 요구되고 있다.Since the hardware to which the mmWave technology is applied is inevitably required to be miniaturized, an antenna design technique that can be further miniaturized while satisfying the characteristics of a basic frequency band as an antenna is required.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 5G 통신 서비스용으로 계획된 26.5GHz로부터 28.9GHz까지 주파수 대역을 모두 포함하는 광대역이면서 소형인 빔 포밍 안테나를 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and to provide a broadband and compact beamforming antenna including all frequency bands from 26.5GHz to 28.9GHz planned for 5G communication service.

특히, 방사손실이 작지만 단층이라 면적이 큰 기판집적형 위상 배열 급전 빔 포밍 안테나에 대해, 신호의 흐름방향으로 요소를 세그먼트화하고 이를 입력포트와 출력 포트 사이에서 왔다갔다하는 지그재그 방식으로 층을 쌓고 슬롯을 통해 결합하여 광대역에도 도움이 되고 빔 포밍 기능을 유지하는 전례없는 폴디드 구조를 제안하여 안테나의 전체 크기를 대폭 축소시킨 소형화된 빔 포밍 안테나를 제시하고자 한다.In particular, for a substrate-integrated phased array feed beamforming antenna with a small radiation loss but a large area due to a single layer, the elements are segmented in the direction of signal flow, and the layers are stacked in a zigzag method that moves back and forth between the input port and the output port. We propose an unprecedented folded structure that is conjoined through a slot to help broadband and maintains the beamforming function, thereby presenting a miniaturized beamforming antenna that significantly reduces the overall size of the antenna.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 세그먼트 분리 지그재그형 폴디드 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나는,An area reduction beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structural segment separation zigzag folded stacking technique according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem,

기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)을 기반으로 형성된, 직각 커플러(Quadrature Coupler), 크로스 오버(Cross over) 및 위상 쉬프터(Phase Shifter)를 포함하는 SIW 버틀러 매트릭스(Butler matrix)의 신호 전달 부분을 기준으로 적어도 2개 이상의 부분으로 분할(세그먼트)되어 입력포트와 출력포트 사이에서 왔다갔다 지그재그 방식으로 접힌 형태로 적층됨으로써 복수의 레이어로 구성된 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스; 및The signal transmission part of the SIW Butler matrix including a quadrature coupler, a cross over, and a phase shifter, formed based on a substrate integrated waveguide (SIW). A folded SIW Butler matrix consisting of a plurality of layers by being divided (segmented) into at least two parts based on the reference and stacked in a zigzag folded form between the input port and the output port; And

상기 SIW 버틀러 매트릭스의 일측 끝단의 출력 포트에 연결된 방사체를 포함한다.And a radiator connected to an output port at one end of the SIW Butler matrix.

본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나는, 상기 SIW 버틀러 매트릭스의 타측 끝단의 입력 포트에 형성되되, 마이크로웨이브 커넥터와의 접속을 위한 마이크로스트립-SIW 트랜지션을 더 포함할 수 있다.An area-reduced beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention is formed at an input port of the other end of the SIW Butler matrix, It may further include a strip-SIW transition.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스는,In addition, in the reduced-area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the folded SIW Butler matrix,

상기 복수의 레이어 중 수직으로 인접한 2개의 레이어의 분리된 부분들을 전기적으로 결합하는 복수의 SIW-SIW 수직 트랜지션을 포함할 수 있다. 참고로 각 층의 Via(금속핀)들은 다른 층의 Via들과 얼라인먼트가 맞지 않아도 전체 기능을 수행하는데 지장이 없도록 한 것이 본 발명의 특징이기도 한다.It may include a plurality of SIW-SIW vertical transitions electrically coupling separated portions of two vertically adjacent layers among the plurality of layers. For reference, it is also a feature of the present invention that Vias (metal pins) of each layer do not interfere with performing the entire function even if they are not aligned with Vias of other layers.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 SIW 버틀러 매트릭스는, 8×8 SIW 버틀러 매트릭스일 수 있다.In addition, in the area reduction beamforming antenna for 5G small terminals and repeaters using the structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the SIW Butler matrix may be an 8×8 SIW Butler matrix.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 방사체는 마이크로스트립 패치 안테나를 포함하고,In addition, in the reduced-area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the radiator includes a microstrip patch antenna,

상기 마이크로스트립 패치 안테나는,The microstrip patch antenna,

상기 복수의 레이어 중 최상층 레이어에 형성된 변형 E 자형 패치 안테나 패턴; 및A modified E-shaped patch antenna pattern formed on an uppermost layer of the plurality of layers; And

상기 복수의 레이어중 최하층 레이어에 형성되어 SIW 전송라인에 연결된 SIW-마이크로스트립 트랜지션을 포함하며,And a SIW-microstrip transition formed on a lowermost layer of the plurality of layers and connected to the SIW transmission line,

상기 변형 E 자형 패치 안테나 패턴은 상기 SIW-마이크로스트립 트랜지션을 통한 간접 커플링으로 급전될 수 있다.The modified E-shaped patch antenna pattern may be fed by indirect coupling through the SIW-microstrip transition.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 마이크로스트립-SIW 트랜지션은, 테이퍼형 마이크로스트립 라인을 포함할 수 있다.In addition, in the reduced-area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the microstrip-SIW transition may include a tapered microstrip line.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 SIW-SIW 수직 트랜지션은,In addition, in the area reduction beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the SIW-SIW vertical transition,

상기 복수의 레이어 중 수직으로 인접한 2개의 레이어 중 상층 레이어와 상기 상층 레이어의 하부에 있는 하층 레이어에 위치하는 비아 벽; 및A via wall positioned in an upper layer of two vertically adjacent layers of the plurality of layers and a lower layer below the upper layer; And

상기 비아 벽으로부터 소정 거리 이격되어 상기 상층 레이어와 상기 하층 레이어 간의 금속 클래드에 형성된 슬롯을 포함할 수 있다. 이 슬롯은 본 발명에서 매우 중요한 요소로서, 일반적인 SIW 버틀러 매트릭스 구조에서 한 층에 요소기능들이 모여있어 면적축소가 불가능한 것을 본 발명은 이를 세그먼트로 나눠 지그재그 방식(보통의 폴디드 또는 적층 방식은 신호의 방향대로 쌓아, 길이를 줄일 수 없거나 한 층의 출력을 다른 층의 입력에 연결하기 위한 FPCB의 선들과 공정단계가 필요하여 비용이 치솟음)으로 쌓는데, 이 때 층간의 전자기적 결합에 무엇보다도 광대역 특성(부분 및 전체 구조의 임피던스 정합과 요구되는 위상값을 만족하도록)을 유지하면서 층간을 이어주는 매우 중요한 역할을 한다. 슬롯의 모습은 상황에 따라 변할 수도 있다. A slot may be spaced apart from the via wall by a predetermined distance and formed in the metal clad between the upper layer and the lower layer. This slot is a very important element in the present invention, and in the general SIW Butler matrix structure, element functions are gathered in one layer, so that area reduction is impossible. It is stacked according to the direction, and the length cannot be shortened, or the cost increases due to the need for FPCB lines and process steps to connect the output of one layer to the input of the other layer). It plays a very important role in connecting the layers while maintaining the broadband characteristics (to satisfy the impedance matching and required phase value of the partial and entire structure). The shape of the slot may change depending on the situation.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 위상 쉬프터는,In addition, in the reduced-area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the phase shifter,

67.5° 위상 쉬프터, 22.5° 위상 쉬프터 및 45° 위상 쉬프터를 포함하며,Including 67.5° phase shifter, 22.5° phase shifter and 45° phase shifter,

상기 위상 쉬프터는 타임 어드밴스 시프트(time advance shift)할 수 있다.The phase shifter may perform a time advance shift.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스는 상기 SIW 버틀러 매트릭스의 중단을 기준으로 분리되어 겹쳐짐으로써 상층 레이어와 하층 레이어로 구성되고,In addition, in the area reduction beamforming antenna for 5G small terminals and repeaters using the structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention, the folded SIW Butler matrix is separated and overlapped based on the interruption of the SIW Butler matrix. It consists of an upper layer and a lower layer,

상기 SIW 버틀러 매트릭스는, 상기 직각 커플러 위치를 두 부분으로 나누어서 중단을 기준으로 분리될 수 있다..The SIW Butler matrix may be separated based on an interruption by dividing the position of the right angle coupler into two parts.

이와 같은 본 발명에 의하면, 5G 통신을 위한 로우 프로파일 빔 포밍 안테나 시스템을 제공할 수 있다. 안테나 빔은 8×8 버틀러 매트릭스 빔포밍 네트워크에 의해 8가지 방향으로 형성된다. 본 발명의 안테나는 기판 집적 도파관(SIW)을 기반으로 제작될 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a low profile beamforming antenna system for 5G communication. The antenna beam is formed in 8 directions by an 8×8 Butler matrix beamforming network. The antenna of the present invention may be manufactured based on a substrate integrated waveguide (SIW).

본 발명에서 적용하는 SIW 구조는 RF 컴포넌트 설계에 장점이 있다. 기존 도파관에 비해 인쇄 회로 기판(PCB) 기술을 사용하여 제작될 수 있으며, 기존 도파관은 금형 기술을 사용하여 제작되었기 때문에 이에 비해 본 발명에 따른 SIW 구조는 제작 비용이 저렴하고 무게가 가벼운 이점이 있다. 또한 마이크로스트립 구조에 비해 전기 손실이 적다.The SIW structure applied in the present invention has an advantage in RF component design. Compared to the conventional waveguide, it can be manufactured using a printed circuit board (PCB) technology, and since the existing waveguide is manufactured using a mold technology, the SIW structure according to the present invention has the advantage of low manufacturing cost and low weight. . In addition, the electrical loss is less than that of the microstrip structure.

본 발명의 안테나는 필요한 구성 요소로서 직각 커플러, 크로스 오버 및 위상 쉬프터를 제시하고, 이러한 구성 요소를 결합하여 8 입력 및 8 출력을 갖는 버틀러 매트릭스를 제공할 수 있다. 특히 밀리미터파(mmWave) 영역에서 정교한 위상 조정의 필요성을 충족시키기 위해서 본 발명에서는 각 SIW 위상 쉬프터는 정교하게 최적화시켰으며, 또한 위상 쉬프터의 면적을 최소화하며 곡선 패턴이 아닌 직선 패턴에서만 필요한 위상 시프트를 충족하도록 제공할 수 있다.The antenna of the present invention provides a right angle coupler, a crossover, and a phase shifter as necessary components, and by combining these components, a Butler matrix having 8 inputs and 8 outputs can be provided. In particular, in order to meet the necessity of precise phase adjustment in the millimeter wave (mmWave) domain, each SIW phase shifter is precisely optimized in the present invention, and also minimizes the area of the phase shifter, and provides a phase shift required only for a straight pattern, not a curved pattern. Can be provided to satisfy.

일반적인 직선형 8×8 버틀러 매트릭스의 크기를 최소화하기 위해 본 발명에서는 세그먼트 분리 후 층으로 할당하고 지그재그 방식으로 쌓은 폴디드 구조를 제시하는데, 폴디드 구조는 SIW-SIW 수직 트랜지션을 사용하여 적용된다. SIW-SIW 수직 트랜지션은 인접한 상층 레이어와 하층 레이어에 형성된 폐쇄 금속 비아(포스트) 벽과 비아 벽으로부터 소정 거리 이격되어 상층 레이어와 하층 레이어 간의 금속 클래드에 형성된 전기적 결합 및 임피던스 매칭 및 위상 만족을 위한 슬롯으로 구성되어 상층 레이어와 하층 레이어를 전기적으로 연결하여, 에너지를 전달하고 싶은 주파수 대역이 전달되도록 한다. 이러한 처리 결과, SIW 구조 길이를 대폭 감소시킬 수 있다.In order to minimize the size of a general linear 8×8 Butler matrix, the present invention proposes a folded structure that is allocated as a layer after segment separation and stacked in a zigzag manner, and the folded structure is applied using a SIW-SIW vertical transition. The SIW-SIW vertical transition is a slot for electrical coupling and impedance matching and phase satisfaction formed in the metal clad between the upper and lower layers by a predetermined distance from the closed metal via (post) wall formed on the adjacent upper and lower layers and the via wall. It is composed of and electrically connects the upper layer and the lower layer so that the frequency band to which energy is to be transmitted is transmitted. As a result of this treatment, the length of the SIW structure can be drastically reduced.

또한 본 발명에서는 E 자형 패치 안테나를 적용함으로써, 크기 축소뿐만 아니라 좁은 대역을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나로부터의 격리 문제를 해결할 수 있다. E 자형 패치 안테나는 2.4GHz 이상에서 작동 주파수 대역이 더 넓다. 따라서 본 발명에서는 제안하는 구조는 26.5GHz부터 28.9GHz까지의 높은 안테나 빔 균일성을 갖는 이점이 있다.In addition, in the present invention, by applying the E-shaped patch antenna, it is possible to solve the problem of isolation from a microstrip patch antenna having a narrow band as well as a size reduction. The E-shaped patch antenna has a wider operating frequency band above 2.4GHz. Therefore, the structure proposed in the present invention has the advantage of having a high antenna beam uniformity from 26.5 GHz to 28.9 GHz.

도 1은 IMT-Advanced (4G)와 IMT-2020 (5G)의 주요 기능 대비를 도시하며,
도 2는 4개 요소의 LTE MIMO 안테나로 작동되는 통합 28GHz 어레이를 나타내며,
도 3은 듀얼 레이어(길이축소효과 없음) 멀티 빔 안테나를 나타내며,
도 4는 5G 빔 포밍 안테나용 플랫 Rotman 렌즈를 나타내며,
도 5는 마이크로스트립 전송 라인의 기하학적 구조를 나타내며,
도 6은 직사각형 도파관 구조를 나타내며,
도 7은 기판 집적 도파관(SIW)의 구조를 나타내며,
도 8은 두 개의 쌍극자로 구성된 어레이 안테나를 나타내며,
도 9는 4개의 입력과 4개의 출력을 갖는 버틀러 매트릭스의 토폴로지를 나타내며,
도 10은 마이크로스트립의 직각 커플러에 대한 예시를 나타내며,
도 11은 포트 1의 신호 입력에 따른 직각 커플러의 회로의 동작을 나타내며,
도 12는 짝수 모드에서 직각 커플러의 분리된 회로를 도시하며,
도 13은 홀수 모드에서 직각 커플러의 분리된 회로를 도시하며,
도 14는 8×8 버틀러 매트릭스의 토폴로지를 나타내며,
도 15은 마이크로스트립 패치 안테나의 예시를 도시하며,
도 16은 마이크로스트립 라인의 전자기장을 나타내며,
도 17은 프린징 효과를 갖는 패치 안테나의 실질적 길이를 나타내며,
도 18은 모델링된 SIW 전송 라인을 나타내며,
도 19는 비아 간격에 따른 직선 패턴 SIW 전송 라인의 S-파라미터들을 나타내며,
도 20은 파라미터 s에 따른 SIW 전송 라인의 전자기장 분포를 나타내며,
도 21은 도파관 폭에 따른 직선 패턴 SIW 전송 라인의 S-파라미터들을 나타내며,
도 22는 파라미터 a에 따른 SIW 전송 라인의 전자기장 분포를 나타내며,
도 23은 본 발명에서 제안하는 SIW 직각 커플러를 나타내며,
도 24는 상기 도23의 SIW 직각 커플러의 S-파라미터를 나타내며,
도 25는 28GHx에서 제안하는 직각 커플러의 전자기장 분포를 나타내며,
도 26은 본 발명에서 제안하는 SIW 크로스 오버를 나타내며,
도 27은 상기 도 26의 크로스 오버에 대한 S-파라미터와 전자기장 분포를 나타내며,
도 28은 본 발명에서의 67.5° SIW 위상 쉬프터를 나타내며,
도 29는 상기 도 28의 67.5° SIW 위상 쉬프터에 대한 S-파라미터를 나타내며,
도 30은 본 발명에서의 22.5° SIW 위상 쉬프터를 나타내며,
도 31은 상기 도 30의 22.5° SIW 위상 쉬프터에 대한 S-파라미터를 나타내며,
도 32는 상기 도 28의 67.5° SIW 위상 쉬프터와 상기 도 30의 22.5° SIW 위상 쉬프터의 전자기장 분포를 나타내며,
도 33은 본 발명에서의 외부에 위치한 45° 위상 쉬프터를 나타내며,
도 34는 상기 도 33의 45° 위상 쉬프터에 대한 S-파라미터를 나타내며,
도 35는 전자기장 프로파일을 나타내며,
도 36은 본 발명에서 마이크로스트립-도파관 트랜지션을 나타내며,
도 37은 상기 도 36의 S-파라미터를 나타내며,
도 38은 본 발명에 따른 SIW 각 구성의 조합된 구조를 나타내며,
도 39 (a) 내지 도 39 (h)는 상기 도 28의 실시예에 대한 각 포트별 S-파라미터를 나타내며,
도 40은 상기 도38의 8×8 SIW 버틀러 매트릭스의 전자기장 분포를 나타내며,
도 41은 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시하며,
도 42는 상기 도 41의 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 반사 손실과 3D 방사 패턴을 나타내며,
도 43은 본 발명에 따른 트랜지션 기능을 갖는 버틀러 매트릭스 구조를 적용한 패치 안테나 어레이를 도시하며,
도 44는 상기 도 43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 적용한 안테나의 S-파라미터를 나타내며,
도 45는 상기 도43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 적용한 안테나의 각 포트에서 전자기장 분포를 나타내며,
도 46은 상기 도43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스의 3D 빔 패턴을 나타내며,
도 47은 상기 도43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스의 원거리 이득(far field gain)을 나타내고,
도 48은 본 발명에서 제안하는 안테나 소형화 기법의 개념을 도시하며,
도 49는 본 발명에 따른 SIW-SIW 수직 트랜지션 구조를 나타내며,
도 50은 상기 도 49에 대한 파라미터를 나타내며,
도 51은 상기 도 50에 따른 SIW-SIW 수직 트랜지션의 반사 손실 및 삽입 손실을 나타내며,
도 52는 본 발명의 일 실시예에 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나에 따른 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 구조를 나타내며,
도 53은 상기 도 52의 실시예에 따른 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 각 포트별 S-파라미터를 나타내며,
도 54는 본 발명에 따른 변형 E 자형 패치 안테나를 도시하며,
도 55는 상기 도 54의 변형 E 자형 패치 안테나의 반사 손실을 나타내며,
도 56은 상기 도 54의 실시예에 따른 변형 E 자형 패치 안테나의 원거리 방사 패턴을 나타내며,
도 57은 본 발명에 따른 변형 E 자형 안테나와 합성된 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스를 나타내며,
도 58은 본 발명에 따른 변형 E 자형 안테나와 합성된 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 구조를 나타내며,
도 59는 상기 도 57의 실시예에 대한 S-파라미터를 나타내며,
도 60은 상기 도 58의 실시예에 대한 3D 빔 패턴을 나타내며,
도 61은 상기 도 60에 대한 가장 낮은 주파수부터 가장 높은 주파수까지의 안테나 빔 패턴의 균일성을 나타내며,
도 62는 본 발명에서 제안하는 바에 따라 제작한 8×8 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 구현예를 나타내며,
도 63은 본 발명에서 제안하는 바에 따라 제작한 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 구현예를 나타내며,
도 64는 상기 도 62의 구현예와 상기 도 63의 구현예에 대한 크기 대비를 나타내며,
도 65는 상기 62의 구현예에 대한 S-파라미터 측정 결과를 나타내고,
도 66은 상기 도 62의 구현예에 대한 원거리 방사 패턴을 측정한 결과를 나타내며,
도 67은 상기 63의 구현예에 대한 S-파라미터 측정 결과를 나타내고,
도 68은 상기 도 63의 구현예에 대한 원거리 방사 패턴을 측정한 결과를 나타내며,
도 69는 상기 63의 구현예에 대한 주파수별 원거리 방사 패턴을 측정한 결과를 나타내고,
도 70은 본 발명에서 제안하는 안테나 소형화 기법의 일반적인 개념을 도시하며,
도 71은 도 70의 안테나 소형화 기법에 따라 각각 2개의 부분 및 3개의 부분으로 분할하여 적층한 실제 제작한 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 구현예를 나타낸다.
1 shows the main function contrast of IMT-Advanced (4G) and IMT-2020 (5G),
Figure 2 shows an integrated 28GHz array operated with a four-element LTE MIMO antenna,
3 shows a dual layer (no length reduction effect) multi-beam antenna,
4 shows a flat Rotman lens for a 5G beamforming antenna,
5 shows the geometry of the microstrip transmission line,
6 shows a rectangular waveguide structure,
7 shows a structure of a substrate integrated waveguide (SIW),
8 shows an array antenna composed of two dipoles,
9 shows the topology of a Butler matrix having 4 inputs and 4 outputs,
10 shows an example of a right angle coupler of the microstrip,
11 shows the operation of the circuit of the right angle coupler according to the signal input of port 1,
12 shows a separate circuit of the right angle coupler in the even mode,
13 shows a separate circuit of the right angle coupler in odd mode,
14 shows the topology of an 8×8 Butler matrix,
15 shows an example of a microstrip patch antenna,
16 shows the electromagnetic field of the microstrip line,
17 shows the actual length of a patch antenna having a fringing effect,
18 shows a modeled SIW transmission line,
19 shows S-parameters of a linear pattern SIW transmission line according to a via spacing,
20 shows the electromagnetic field distribution of the SIW transmission line according to the parameter s,
21 shows S-parameters of a linear pattern SIW transmission line according to a waveguide width,
22 shows the electromagnetic field distribution of the SIW transmission line according to the parameter a,
23 shows a SIW right angle coupler proposed in the present invention,
24 shows the S-parameters of the SIW right angle coupler of FIG. 23,
25 shows the electromagnetic field distribution of the right angle coupler proposed by 28GHx,
26 shows the SIW crossover proposed in the present invention,
27 shows the S-parameter and electromagnetic field distribution for the crossover of FIG. 26,
28 shows a 67.5° SIW phase shifter in the present invention,
29 shows S-parameters for the 67.5° SIW phase shifter of FIG. 28,
30 shows a 22.5° SIW phase shifter in the present invention,
31 shows S-parameters for the 22.5° SIW phase shifter of FIG. 30,
FIG. 32 shows electromagnetic field distributions of the 67.5° SIW phase shifter of FIG. 28 and the 22.5° SIW phase shifter of FIG. 30,
33 shows an externally located 45° phase shifter in the present invention,
34 shows S-parameters for the 45° phase shifter of FIG. 33,
35 shows the electromagnetic field profile,
36 shows a microstrip-waveguide transition in the present invention,
37 shows the S-parameter of FIG. 36,
38 shows a combined structure of each SIW configuration according to the present invention,
39 (a) to 39 (h) show S-parameters for each port in the embodiment of FIG. 28,
40 shows the electromagnetic field distribution of the 8×8 SIW Butler matrix of FIG. 38,
41 shows a microstrip patch antenna according to the present invention,
FIG. 42 shows the reflection loss and 3D radiation pattern of the microstrip patch antenna according to the embodiment of FIG. 41,
43 shows a patch antenna array to which a Butler matrix structure having a transition function according to the present invention is applied,
44 shows S-parameters of an antenna to which the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43 is applied,
FIG. 45 shows the distribution of electromagnetic fields at each port of the antenna to which the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43 is applied,
46 shows a 3D beam pattern of the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43,
FIG. 47 shows the far field gain of the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43,
48 shows the concept of an antenna miniaturization scheme proposed in the present invention,
49 shows a SIW-SIW vertical transition structure according to the present invention,
50 shows the parameters for FIG. 49,
51 shows the return loss and insertion loss of the SIW-SIW vertical transition according to FIG. 50,
FIG. 52 shows a structure of an 8×8 folded SIW Butler matrix according to a reduced area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention.
FIG. 53 shows S-parameters for each port of the 8×8 folded SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 52,
54 shows a modified E-shaped patch antenna according to the present invention,
55 shows the return loss of the modified E-shaped patch antenna of FIG. 54,
56 shows a far-field radiation pattern of the modified E-shaped patch antenna according to the embodiment of FIG. 54,
57 shows an 8×8 folded SIW Butler matrix synthesized with a modified E-shaped antenna according to the present invention,
58 shows the structure of an 8×8 folded SIW Butler matrix synthesized with a modified E-shaped antenna according to the present invention,
59 shows the S-parameters for the embodiment of FIG. 57,
60 shows a 3D beam pattern for the embodiment of FIG. 58,
61 shows the uniformity of the antenna beam pattern from the lowest frequency to the highest frequency for FIG. 60,
62 shows an implementation example of an 8×8 SIW Butler matrix beamforming antenna fabricated according to the present invention,
63 shows an implementation example of an 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna fabricated according to the present invention,
FIG. 64 shows a size contrast between the embodiment of FIG. 62 and the embodiment of FIG. 63,
65 shows the S-parameter measurement result for the embodiment of 62,
66 shows a result of measuring a far-field radiation pattern for the embodiment of FIG. 62,
67 shows the S-parameter measurement result for the embodiment of 63,
68 shows a result of measuring a far-field radiation pattern for the embodiment of FIG. 63,
69 shows a result of measuring a far-field radiation pattern for each frequency for the embodiment of 63,
70 shows a general concept of an antenna miniaturization scheme proposed in the present invention,
FIG. 71 shows an implementation example of an actually manufactured 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna that is divided into two parts and three parts, respectively, and stacked according to the antenna miniaturization technique of FIG. 70.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to explain the present invention and the operational advantages of the present invention and the object achieved by the implementation of the present invention, the following describes a preferred embodiment of the present invention and looks at with reference thereto.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.First, the terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention, and expressions in the singular may include a plurality of expressions unless the context clearly indicates otherwise. In addition, in the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the existence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other It should be understood that the presence or addition of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude the possibility of preliminary exclusion.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명은, 5G 통신을 위한 밀리미터파(mmWave) 빔 포밍 안테나 시스템 및 이를 위해 소형화된 안테나 구조를 제안한다. 본 발명에 따른 안테나는 하기 [표 1]의 요건을 충족하도록 제안되었으며, 5G 통신 서비스용으로 계획된 26.5GHz로부터 28.9GHz까지의 주파수 대역을 모두 포함하는 광대역 빔 포밍 안테나 시스템이다. 또한 소형화된 빔 포밍 안테나 구조로서 신호흐름 기능을 세그먼트로 나누고 입력포트와 출력포트 사이를 지그재그 방식으로 층을 쌓는 폴디드 구조를 적용하여 크기를 대폭 축소시킬 수 있다.The present invention proposes a millimeter wave (mmWave) beamforming antenna system for 5G communication and a miniaturized antenna structure for the same. The antenna according to the present invention has been proposed to meet the requirements of the following [Table 1], and is a broadband beamforming antenna system including all frequency bands from 26.5GHz to 28.9GHz planned for 5G communication service. In addition, as a compact beamforming antenna structure, the size can be significantly reduced by applying a folded structure in which the signal flow function is divided into segments and layers are stacked in a zigzag manner between the input port and the output port.

Figure 112019130982164-pat00001
Figure 112019130982164-pat00001

본 발명에 따른 빔 포밍 안테나 시스템을 설명하기에 앞서서 본 발명의 각 구성들을 이해하기 위한 기반 기술을 먼저 설명하고 이후 본 발명에 따른 빔 포밍 안테나 시스템의 각 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Prior to describing the beamforming antenna system according to the present invention, a base technology for understanding each configuration of the present invention will be first described, and then each configuration of the beamforming antenna system according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 안테나 설계에 대한 기반 기술로서, 1.1. 전송 라인(Transmission Line), 1.2. 위상 어레이 안테나(Phased Array Antenna), 1.3. 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)를 먼저 살펴보기로 한다.As a base technology for the antenna design of the present invention, 1.1. Transmission Line, 1.2. Phased Array Antenna, 1.3. Let's first look at the Butler Matrix.

1.1. 전송 라인1.1. Transmission line

1.1.1. 마이크로스트립 전송라인1.1.1. Microstrip transmission line

안테나에는 경제성을 위해 마이크로스트립 전송 라인이 종종 사용되며, 마이크로스트립 전송 라인은 유전체 기판과 금속 패턴으로 구성된다. 금속 스트립은 PCB 기술을 사용하여 인쇄되기 때문에 비교적 저렴하고 제조가 용이하다.Microstrip transmission lines are often used in antennas for economical efficiency, and microstrip transmission lines consist of a dielectric substrate and a metal pattern. Because the metal strip is printed using PCB technology, it is relatively inexpensive and easy to manufacture.

도 5는 마이크로스트립 전송 라인의 기하학적 구조를 나타낸다.5 shows the geometry of the microstrip transmission line.

너비가 W인 스트립은 두께가 d이고 상대 유전율이 εr인 기판에 인쇄된다. 전자기장은 유전체 기판 내부와 접지면 사이에 주로 분포한다. 위상 속도 및 전파 상수는 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.A strip of width W is printed on a substrate with a thickness d and a relative permittivity ε r. The electromagnetic field is mainly distributed inside the dielectric substrate and between the ground plane. The phase velocity and propagation constant may be defined as in [Equation 1] and [Equation 2] below.

Figure 112019130982164-pat00002
Figure 112019130982164-pat00002

Figure 112019130982164-pat00003
Figure 112019130982164-pat00003

1.1.2. 직사각형 도파관1.1.2. Rectangular waveguide

직사각형 도파관은 마이크로파 영역에서 주로 전송 라인으로 사용된다. 최근에는 마이크로스트립과 같은 평면 전송 라인이 축소 및 통합 추세에 따라 도파관 대신에 사용되고 있다. 그러나 고출력 및 정교한 테스트를 처리하는 시스템의 경우에는 여전히 도파관이 효과적으로 사용되고 있다. 직사각형 도파관은 표준 도파관 주파수 대역에 의해 상용화될 수 있다.Rectangular waveguides are mainly used as transmission lines in the microwave region. In recent years, flat transmission lines such as microstrips are being used instead of waveguides according to the trend of reduction and integration. However, for systems that handle high power and sophisticated tests, waveguides are still used effectively. Rectangular waveguides can be commercialized by standard waveguide frequency bands.

도 6은 직사각형 도파관 구조를 도시한다.6 shows a rectangular waveguide structure.

상기 도 6에서 보는 바와 같이 일반적으로 도파관은 x축 방향의 길이가 y축보다 길게 형성된다. 직사각형 도파관 구조에서는 TM 및 TE 모드가 존재하며 TEM 모드는 존재할 수 없다. 차단 주파수보다 낮은 주파수의 경우, 전파 상수가 허수 값이 되고 전파가 진행되지 않는다. TEmn 모드에서 E 필드의 x축 및 y축 성분은 하기 [수학식 3]과 [수학식 4]로 정의될 수 있다.As shown in FIG. 6, in general, the waveguide has a length in the x-axis direction longer than the y-axis. In the rectangular waveguide structure, TM and TE modes exist, and TEM modes cannot exist. For frequencies lower than the cutoff frequency, the propagation constant becomes an imaginary value and propagation does not proceed. In the TE mn mode, the x-axis and y-axis components of the E field may be defined by the following [Equation 3] and [Equation 4].

Figure 112019130982164-pat00004
Figure 112019130982164-pat00004

Figure 112019130982164-pat00005
Figure 112019130982164-pat00005

그리고 TEmn 모드에서 H 필드의 x축과 y축 성분은 하기 [수학식 5]와 [수학식 6]으로 정의될 수 있다.In addition, in the TE mn mode, the x-axis and y-axis components of the H field may be defined by the following [Equation 5] and [Equation 6].

Figure 112019130982164-pat00006
Figure 112019130982164-pat00006

Figure 112019130982164-pat00007
Figure 112019130982164-pat00007

여기서 전파상수 β는 하기 [수학식 7]로 산출될 수 있고, kc는 차단 파수(cutoff wavenumber)를 의미하며 하기 [수학식 8]로 표현될 수 있다.Here, the propagation constant β may be calculated by the following [Equation 7], k c denotes a cutoff wavenumber, and may be expressed by the following [Equation 8].

Figure 112019130982164-pat00008
Figure 112019130982164-pat00008

Figure 112019130982164-pat00009
Figure 112019130982164-pat00009

전자파가 전파되기 위해서는 파수가 k > kc가 되어야 하기 때문에, 차단 주파수 fcmn은 하기 [수학식 9]에 따라 산출될 수 있다.Since the wave number must be k> k c in order for the electromagnetic wave to propagate, the cutoff frequency fc mn can be calculated according to the following [Equation 9].

Figure 112019130982164-pat00010
Figure 112019130982164-pat00010

따라서 주 모드(dominant mode)인 TE10 모드에서 차단 주파수는 하기 [수학식 10]과 같이 될 수 있다. Therefore, in TE 10 mode, which is a dominant mode, the cutoff frequency may be as shown in [Equation 10] below.

Figure 112019130982164-pat00011
Figure 112019130982164-pat00011

1.1.3. 기판 집적 도파관(Substrate Integrated Waveguide)1.1.3. Substrate Integrated Waveguide

마이크로스트립 라인, 스트립 라인 및 동일 평면 도파관과 같은 종래의 평면 전송 라인은 동일한 처리 기술에서 기판 집적 회로(SIC) 구조로 구현될 수 있다.Conventional planar transmission lines such as microstrip lines, strip lines, and coplanar waveguides can be implemented with a substrate integrated circuit (SIC) structure in the same processing technique.

기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)도 SIC 범주에 속한다. SIW는 기판 상에 스루 홀 금속 비아를 사용하여 도파관 구조를 구현하는 기술이다.Substrate Integrated Waveguide (SIW) also belongs to the SIC category. SIW is a technology that implements a waveguide structure using through-hole metal vias on a substrate.

도 7은 기판 집적 도파관(SIW)의 구조를 나타낸다. 7 shows the structure of a substrate integrated waveguide (SIW).

기판의 양면에는 금속 클래드(metallic clads)(10, 20)와 클래드(clads)를 연결하는 금속 비아(metallic vias)(30)가 있다.On both sides of the substrate, there are metallic clads 10 and 20 and metallic vias 30 connecting the clads.

SIW의 설계를 위해, 기판 두께 h, 비유전율(relative permittivity) εr은 상수로 간주되고, 작용 및 효과를 결정하는 3 가지 주요 파라미터로서 상기 도 7에서 SIW는 너비 a, 금속 비아의 직경 d 및 금속 비아 간의 거리 s를 갖는다. 일반적으로 너비 a를 갖는 SIW는 기판 두께 h로 차단 주파수(cutoff frequency)가 결정된다. For the design of the SIW, the substrate thickness h and the relative permittivity ε r are considered constant, and as three main parameters determining the action and effect, the SIW in FIG. 7 is the width a, the diameter d of the metal via, and It has a distance s between metal vias. In general, for SIW having a width a, the cutoff frequency is determined by the thickness h of the substrate.

이러한 SIW는 비표준 도파관이지만 직사각형 도파관은 표준 치수를 가지고 있으며 횡단 자기 TM 모드의 전파를 지원하지 않고 TEn0 모드의 전파만 허용한다. 이는 두 개의 측벽을 따라 흐르는 전류가 존재하지 않기 때문이다.These SIWs are non-standard waveguides, but the rectangular waveguides have standard dimensions and do not support transverse magnetic TM mode propagation, but only allow propagation in TE n0 mode. This is because there is no current flowing along the two sidewalls.

차단 주파수는 하기 [수학식 11]에 따른 최소 제곱 접근법에 의해 얻어질 수 있으며, 여기서 c0는 자유 공간에서의 광속이다. The cutoff frequency can be obtained by the least squares approach according to the following [Equation 11], where c 0 is the speed of light in free space.

Figure 112019130982164-pat00012
Figure 112019130982164-pat00012

두께는 Q 팩터(Q-factor)에만 영향을 미친다. SIW 구조는 동일한 폭 w를 사용하여 동일한 기판으로 채워진 직사각형 도파관으로 분석될 수 있다. 기본 등가 너비 w는 하기 [수학식 12]에 의해 얻을 수 있지만 보다 정확히는 하기 [수학식 13]에 의해 얻을 수 있다. 여기에는 직경 대 너비 비율의 영향이 포함되지 않기 때문이다.The thickness only affects the Q-factor. The SIW structure can be analyzed with a rectangular waveguide filled with the same substrate using the same width w. The basic equivalent width w can be obtained by the following [Equation 12], but more precisely, it can be obtained by the following [Equation 13]. This is because this does not include the effect of the diameter-to-width ratio.

Figure 112019130982164-pat00013
Figure 112019130982164-pat00013

Figure 112019130982164-pat00014
Figure 112019130982164-pat00014

금속 비아 사이의 거리 s는 관심 대역을 넘는 밴드 갭이 없도록 설정해야 한다. s가 하기 [수학식 14]의 조건을 만족하면 밴드 갭이 발생하지 않는다.The distance s between the metal vias should be set so that there is no band gap beyond the band of interest. When s satisfies the condition of [Equation 14], a band gap does not occur.

Figure 112019130982164-pat00015
Figure 112019130982164-pat00015

SIW Z0의 임피던스는 하기 [수학식 15]로 표현될 수 있으며, 여기서 η가 유전 물질의 비유전율 εr을 갖는 고유 임피던스로서 하기 [수학식 16]으로 나타낼 수 있다.The impedance of SIW Z 0 can be expressed by the following [Equation 15], where η is an intrinsic impedance having a relative dielectric constant ε r of a dielectric material, and can be expressed by the following [Equation 16].

Figure 112019130982164-pat00016
Figure 112019130982164-pat00016

Figure 112019130982164-pat00017
Figure 112019130982164-pat00017

Z0을 변경하는 것은 다른 파라미터들의 공차(tolerances)와 관련이 있으며, 최악의 동작은 하기 [수학식 17]과 같이 계산할 수 있다.Changing Z 0 is related to the tolerances of other parameters, and the worst operation can be calculated as shown in [Equation 17] below.

Figure 112019130982164-pat00018
Figure 112019130982164-pat00018

상기 [수학식 17]에서, △a, △h, △εr, △s 및 d는 각각 a, h, εr, s 및 d에 대한 최대 오차이다. 또한, Sz 0은 임피던스 감도 파라미터이다. SIW 임피던스에서 a, h 및 εr 의 공차 효과는 s 및 d의 효과보다 크다.In the equation 17], △ a, △ h , △ ε r, △ s and d is the maximum error for each of a, h, ε r, s and d. In addition, S z 0 is an impedance sensitivity parameter. In SIW impedance, the tolerance effect of a, h and ε r is greater than that of s and d.

1.2. 위상 배열 안테나(Phased Array Antenna)1.2. Phased Array Antenna

1.2.1. 안테나 어레이1.2.1. Antenna array

단일 방사 요소의 방사 패턴은 일반적으로 큰 빔폭 및 낮은 지향성을 갖는다. 이를 보완함으로써 지향성이 높은 방사 패턴을 얻기 위해, 복수의 방사 소자를 배치함으로써 이득을 증가시킬 수 있다. 여러 개의 방사 소자가 배열된 안테나를 어레이 안테나라고 하며, 어레이 안테나의 총 방사 시스템은 각 방사 요소의 방사 벡터 합이다. 어레이는 선형, 평면 및 원형과 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다.The radiation pattern of a single radiating element generally has a large beamwidth and low directivity. By compensating for this, in order to obtain a radiation pattern with high directivity, it is possible to increase a gain by arranging a plurality of radiation elements. An antenna in which several radiating elements are arranged is called an array antenna, and the total radiating system of the array antenna is the sum of the radiation vectors of each radiating element. The array can be implemented in various shapes such as linear, flat and circular.

도 8은 두 개의 쌍극자로 구성된 어레이 안테나를 나타내며, 상기 도 8의 (a)는 무한 쌍극자 배열을 나타내고, (b)는 원방장근사(Far field approximation)를 나타낸다.Figure 8 shows an array antenna composed of two dipoles, Figure 8 (a) shows an infinite dipole array, (b) shows a far field approximation.

상기 도 8과 같이 z축에 수평으로 배치된 두 개의 작은 쌍극자로 구성된 어레이 안테나를 가정하면 그에 대한 전기장의 합은 하기 [수학식 18]로 표현될 수 있다.Assuming an array antenna composed of two small dipoles arranged horizontally on the z-axis as shown in FIG. 8, the sum of the electric fields for them can be expressed by the following [Equation 18].

Figure 112019130982164-pat00019
Figure 112019130982164-pat00019

여기서 β는 두 요소 사이의 위상차이다. 두 쌍극자의 입력 진폭은 동일하다. 상기 도 8에서 원방장근사(far-field approximation)의 조건은 하기 [수학식 19] 내지 [수학식 22]이다.Where β is the phase difference between the two elements. The input amplitude of the two dipoles is the same. In FIG. 8, the conditions of the far-field approximation are the following [Equation 19] to [Equation 22].

Figure 112019130982164-pat00020
Figure 112019130982164-pat00020

Figure 112019130982164-pat00021
Figure 112019130982164-pat00021

Figure 112019130982164-pat00022
Figure 112019130982164-pat00022

Figure 112019130982164-pat00023
Figure 112019130982164-pat00023

하기 [수학식 23]에 따라 어레이의 총 방사 필드는 단일 요소의 방사 필드에 어레이 팩터(AF)를 곱한 것과 동일하다. 여기서 어레이 팩터(AF)는 하기 [수학식 24]로 표현될 수 있다.According to the following [Equation 23], the total radiation field of the array is equal to the multiplication of the radiation field of a single element by the array factor (AF). Here, the array factor AF may be expressed by the following [Equation 24].

Figure 112019130982164-pat00024
Figure 112019130982164-pat00024

Figure 112019130982164-pat00025
Figure 112019130982164-pat00025

1.2.2. 아날로그 급전 시스템.1.2.2. Analog feeding system.

위상 배열 안테나는 많은 방사 요소로 구성되며, 방사 요소에 순차적으로 급전되고 위상 쉬프터(Phase Shifter)를 사용한다. 또한 패턴 형성을 위해 가변 진폭 제어가 때때로 제공된다.The phased array antenna is composed of many radiating elements, which are sequentially fed to the radiating elements and use a phase shifter. Also, variable amplitude control is sometimes provided for pattern formation.

안테나 빔은, 각각의 빔을 의도된 방향으로 조종하기 위해 보강, 상쇄 간섭을 제공하여 방사 요소로부터 EM 웨이브의 위상을 시프트함으로써 형성된다. 따라서, 위상 배열 안테나는 물리적으로 고정된 안테나의 빔을 전기적으로 제어한다.The antenna beam is formed by shifting the phase of the EM wave from the radiating element by providing constructive, destructive interference to steer each beam in the intended direction. Accordingly, the phased array antenna electrically controls the beam of the physically fixed antenna.

급전 시스템은 라디에이터(radiators)에 안테나 입력을 연결하는 네트워크이다. 이는 안테나 요소에 전력을 전송하거나 안테나 요소로부터 신호를 수집하는 것이다. 필요한 방사 성능을 위해 필요한 위상 및 진폭의 여기(excitation)가 유지되면서 급전이 수행되어야 한다.A power supply system is a network that connects antenna inputs to radiators. This is to transmit power to the antenna element or to collect a signal from the antenna element. Feeding must be performed while the excitation of the phase and amplitude required for the required radiating performance is maintained.

또한 급전 네트워크는, 빔을 스캐닝하거나, 상이한 안테나 빔 형상들 중에서 선택을 하거나, 활성 섹터들간의 스위칭을 하기 위해 스위치나 다른 장치를 포함할 수 있다. In addition, the power supply network may include a switch or other device to scan the beam, select among different antenna beam shapes, or switch between active sectors.

1.3. 버틀러 매트릭스(Butler Matrix)1.3. Butler Matrix

1.3.1. 4×4 버틀러 매트릭스1.3.1. 4×4 Butler Matrix

버틀러 매트릭스(Butler Matrix)는 N 개의 요소를 갖는 배열에서 N 개의 연속 안테나 빔을 형성한다. The Butler Matrix forms N consecutive antenna beams in an array of N elements.

종래의 버틀러 매트릭스는 대칭 3dB 방향성 커플러의 배열에 의해 형성된다. 네트워크에 적절한 위상 쉬프터를 추가함으로써 버틀러 빔 형성기가 실현될 수 있다. The conventional Butler matrix is formed by an arrangement of symmetric 3dB directional couplers. By adding an appropriate phase shifter to the network, a Butler beamformer can be realized.

버틀러 매트릭스는 2P 입력과 2P 출력을 가지고 있다. N개의 요소가 있는 어레이에 필요한 방향성 결합기의 수는

Figure 112019130982164-pat00026
이다.Butler matrix has the input 2 P 2 and P output. The number of directional couplers required for an array with N elements is
Figure 112019130982164-pat00026
to be.

단 하나의 평면을 갖는 평면 구조 버틀러 매트릭스를 구현하기 위해, 크로스오버 커플러(cross over couplers)가 필요하다. 도 9는 4개의 입력과 4개의 출력을 갖는 버틀러 매트릭스의 토폴로지를 나타낸다.In order to implement a planar structure Butler matrix having only one plane, cross over couplers are required. 9 shows the topology of a Butler matrix with 4 inputs and 4 outputs.

90° 직각 커플러(quadrature coupler)는 90° 하이브리드 커플러라고도 불린다. 이는 2개의 출력 포트에서 90° 위상차를 갖는 4개의 포트가 있는 방향성 커플러이며, 도 10과 같은 마이크로스트립 또는 스트립 라인으로 구현될 수 있다. 신호가 포트 1에 입력되면 신호는 포트 2의 절반 전력(3dB)으로 되고, 출력 위상의 차이는 90°가 된다. 한편 포트 4는 격리(Isolated)되어 있다.The 90° quadrature coupler is also called a 90° hybrid coupler. This is a directional coupler having four ports having a phase difference of 90° at the two output ports, and may be implemented as a microstrip or strip line as shown in FIG. 10. When the signal is input to port 1, the signal is at half the power (3dB) of port 2, and the difference in output phase is 90°. Meanwhile, port 4 is isolated.

하기 [수학식 25]는 직각 커플러의 매트릭스를 나타낸다. 직각 커플러는 모든 포트를 입력 포트로 사용할 수 있으므로 대칭 구조를 갖는다.[Equation 25] below represents a matrix of a right angle coupler. The right angle coupler has a symmetrical structure because all ports can be used as input ports.

Figure 112019130982164-pat00027
Figure 112019130982164-pat00027

도 11은 포트 1에 진폭 A1 = 1인 신호가 입력될 때 직각 커플러의 회로를 나타낸다. 이 회로는 짝수 모드와 홀수 모드로 별도 분석할 수 있다. 11 shows a circuit of a right-angle coupler when a signal with amplitude A 1 = 1 is input to port 1. This circuit can be analyzed separately in even mode and odd mode.

도 12는 짝수 모드에서 직각 커플러의 분리된 회로를 도시하고, 도 13은 홀수 모드에서 직각 커플러의 분리된 회로를 도시한다. 상기 도 12와 상기 도 13의 회로가 합성되면 상기 도 11과 같이 회로의 상태가 되며, 짝수 모드와 홀수 모드의 공급에 대한 응답 특성의 합이 된다.12 shows a separate circuit of the right angle coupler in even mode, and FIG. 13 shows a separate circuit of the right angle coupler in odd mode. When the circuits of FIG. 12 and FIG. 13 are combined, the state of the circuit is obtained as shown in FIG. 11, and the response characteristics to supply of the even mode and the odd mode are summed.

직각 커플러의 각 포트에서 신규파(emerging wave)의 진폭은 하기 [수학식 26] 내지 [수학식 29]로 표현될 수 있다.The amplitude of the emerging wave at each port of the right-angled coupler may be expressed by the following [Equation 26] to [Equation 29].

Figure 112019130982164-pat00028
Figure 112019130982164-pat00028

Figure 112019130982164-pat00029
Figure 112019130982164-pat00029

Figure 112019130982164-pat00030
Figure 112019130982164-pat00030

Figure 112019130982164-pat00031
Figure 112019130982164-pat00031

여기서 Гe,o 및 Te,o는 두 포트 네트워크에 대한 짝수와 홀수 모드 반사 및 전송 계수이다. 짝수 모드 회로에서 Гe 및 Te는 하기 [수학식 30] 내지 [수학식 32]에 따라 ABCD 매트릭스를 곱함으로써 얻어질 수 있다.Where Г e,o and T e,o are the even and odd mode reflection and transmission coefficients for the two port networks. In the even mode circuit, Г e and T e can be obtained by multiplying the ABCD matrix according to the following [Equation 30] to [Equation 32].

Figure 112019130982164-pat00032
Figure 112019130982164-pat00032

Figure 112019130982164-pat00033
Figure 112019130982164-pat00033

Figure 112019130982164-pat00034
Figure 112019130982164-pat00034

동일한 방식으로 Гo 및 To는 하기 [수학식 33] 내지 [수학식 35]를 통해 얻을 수 있다.In the same way, Г o and T o can be obtained through the following [Equation 33] to [Equation 35].

Figure 112019130982164-pat00035
Figure 112019130982164-pat00035

Figure 112019130982164-pat00036
Figure 112019130982164-pat00036

Figure 112019130982164-pat00037
Figure 112019130982164-pat00037

그리고 상기 [수학식 26] 내지 [수학식 28]에 Гe,o 및 Te,o를 대입하여 하기 [수학식 36] 내지 [수학식 39]의 값을 얻을 수 있다.In addition, values of the following [Equation 36] to [Equation 39] can be obtained by substituting Г e,o and T e,o in [Equation 26] to [Equation 28].

Figure 112019130982164-pat00038
Figure 112019130982164-pat00038

Figure 112019130982164-pat00039
Figure 112019130982164-pat00039

Figure 112019130982164-pat00040
Figure 112019130982164-pat00040

Figure 112019130982164-pat00041
Figure 112019130982164-pat00041

1.3.2. 8×8 버틀러 매트릭스1.3.2. 8×8 Butler Matrix

배열 요소 수를 늘리면 버틀러 매트릭스 급전 네트워크가 더 복잡해진다. 예를 들어, 64개의 요소를 가진 급전 네트워크에는 192개의 방향성 커플러와 160개의 고정 위상 쉬프터가 필요하게 된다. 8개의 요소를 갖는 네트워크의 경우 12개의 방향성 커플러와 8개의 고정 위상 쉬프터를 사용하게 된다. Increasing the number of elements in the array makes the Butler matrix feeding network more complex. For example, a feed network with 64 elements would require 192 directional couplers and 160 fixed phase shifters. For a network with 8 elements, 12 directional couplers and 8 fixed phase shifters are used.

도 14는 8×8 버틀러 매트릭스의 토폴로지를 나타낸다.14 shows the topology of an 8×8 Butler matrix.

고정 위상 쉬프터에 의해 요구되는 위상 변이는 67.5°, 22.5° 및 45°가 된다. 하기 [표 2]는 이상적인 8×8 버틀러 매트릭스의 위상 출력을 나타낸다. 포트 1에 신호가 입력되면 인접한 각 출력 포트의 위상차는 -22.5 가 된다. 각 포트 2, 3 및 4에 신호가 입력되면 인접한 각 출력 포트 간의 위상차는 각각 +157.5°, -112.5° 및 +67.5°가 된다. 포트 5, 6, 7 및 8에 각각 신호가 입력된 결과는 하기 [표 2]와 같이 입력이 포트 1, 2, 3 및 4 일 때 각 출력에 대한 반대 결과를 나타낸다.The phase shifts required by the fixed phase shifter are 67.5°, 22.5° and 45°. Table 2 below shows the phase output of an ideal 8×8 Butler matrix. When a signal is input to port 1, the phase difference of each adjacent output port becomes -22.5. When signals are input to each port 2, 3, and 4, the phase difference between each adjacent output port is +157.5°, -112.5° and +67.5°, respectively. The results of inputting signals to ports 5, 6, 7 and 8 respectively indicate opposite results for each output when the inputs are ports 1, 2, 3, and 4 as shown in Table 2 below.

Figure 112019130982164-pat00042
Figure 112019130982164-pat00042

1.4. 마이크로스트립 패치 안테나1.4. Microstrip patch antenna

마이크로스트립 패치 안테나는 절연체의 양쪽에 평행한 금속 표면이 있는 구조를 갖는다. 일반적으로 하나의 넓은 면이 접지면으로 사용되고 다른 패턴은 도 15에 도시된 것처럼 방사 요소로 사용된다.The microstrip patch antenna has a structure with parallel metal surfaces on both sides of the insulator. In general, one wide surface is used as a ground plane and the other pattern is used as a radiating element as shown in FIG. 15.

마이크로스트립 패치 안테나는 PCB 인쇄 기술을 사용하므로 상대적으로 얇고 제조가 쉽고 비용이 저렴하다. 또한 방사 소자의 패턴에 따라 모드를 선택하여 공진 주파수, 편광, 임피던스 등을 다양하게 구현할 수 있으며, 버랙터 다이오드(varactor diode)와 같은 능동 소자를 결합하여 안테나 파라미터를 변경할 수 있다.Microstrip patch antennas use PCB printing technology, so they are relatively thin, easy to manufacture, and inexpensive. In addition, resonant frequency, polarization, impedance, etc. can be variously implemented by selecting a mode according to the pattern of the radiating element, and an antenna parameter can be changed by combining an active element such as a varactor diode.

마이크로스트립 패치 안테나 설계에 사용되는 절연 기판의 유형은 유전 상수, 경도 및 손실 특성에 따라 상이하다. 일반적으로 기판의 유전 상수가 낮고 두께가 클 때, 안테나 대역폭이 넓고 효율이 개선된다. 그러나 비용이 많이 들고 무게와 부피가 증가하게 된다. 반대로, 유전율이 높고 얇은 기판을 사용하면 대역폭이 좁아지고 효율이 저하된다. 그러나 안테나 요소의 크기를 줄일 수 있으므로 안테나의 사용 환경에 따라 안테나를 적절하게 구성시키는 것이 중요하다.The type of insulating substrate used in the microstrip patch antenna design differs depending on the dielectric constant, hardness and loss characteristics. In general, when the dielectric constant of the substrate is low and the thickness is large, the antenna bandwidth is wide and the efficiency is improved. However, it is expensive and the weight and volume increase. Conversely, if a substrate having a high dielectric constant and a thin substrate is used, the bandwidth becomes narrower and the efficiency decreases. However, since the size of the antenna element can be reduced, it is important to properly configure the antenna according to the use environment of the antenna.

마이크로스트립 패치 안테나 중 정사각형 패치가 가장 널리 사용되는 패턴이다. 정사각형 패치 안테나를 분석하기 위해 적절한 전송 라인 모델을 사용할 수 있다. 전송 라인 모델은 임피던스가 낮은 특정 길이의 전송 라인으로 분리된 2개의 슬롯으로 마이크로스트립 안테나를 나타낸다.Among the microstrip patch antennas, the square patch is the most widely used pattern. An appropriate transmission line model can be used to analyze a square patch antenna. The transmission line model represents a microstrip antenna with two slots separated by a transmission line of a specific length with low impedance.

직사각형 패치 안테나는 폭 W, 길이 L, 높이 h를 가진 유한 구조물이기 때문에 구조물 끝에서 프린징 효과(fringing effect)가 발생한다. 프린징 효과는 패치의 크기, 기판의 높이 및 유전 상수 εr에 의해 결정된다. 패치 안테나의 공진 주파수는 프린징 효과에 따라 달라진다.Since the rectangular patch antenna is a finite structure with a width W, a length L, and a height h, a fringing effect occurs at the end of the structure. The fringing effect is determined by the size of the patch, the height of the substrate, and the dielectric constant ε r. The resonant frequency of the patch antenna depends on the fringing effect.

도 16은 마이크로스트립 라인의 전자기장을 나타낸다.16 shows the electromagnetic field of the microstrip line.

상기 도 16에서 보는 바와 같이 전자기장은 거의 기판의 중앙에 나타난다. 전파의 일부가 기판으로 전파되고, 전파의 다른 일부가 공기 중으로 전파되기 때문에, 실효 유전 상수 εreff는 라인의 프린징 때문에 전파를 계산하는데 사용된다. 실효 유전 상수의 정적 값은 하기 [수학식 40]을 통해 얻어질 수 있다.As shown in FIG. 16, the electromagnetic field appears almost in the center of the substrate. Since part of the radio wave propagates to the substrate and another part of the radio wave propagates into the air, the effective dielectric constant ε reff is used to calculate the propagation due to fringing of the line. The static value of the effective dielectric constant can be obtained through the following [Equation 40].

Figure 112019130982164-pat00043
Figure 112019130982164-pat00043

프린징 효과로 인해 패치의 크기는 실제 물리적 크기보다 전기적으로 더 크다. 따라서 도 17과 같이 실제 물리적 패치 길이를 더하여 계산한다. 실효 길이는 하기 [수학식 41]과 같다.Due to the fringing effect, the size of the patch is electrically larger than its actual physical size. Therefore, as shown in FIG. 17, it is calculated by adding the actual physical patch length. The effective length is as shown in [Equation 41] below.

Figure 112019130982164-pat00044
Figure 112019130982164-pat00044

그리고 L은 유효 유전 상수, 패치의 폭 및 기판의 높이와 관련이 있으며, 하기 [수학식 42]와 같이 나타낼 수 있다.In addition, L is related to the effective dielectric constant, the width of the patch, and the height of the substrate, and can be expressed as Equation 42 below.

Figure 112019130982164-pat00045
Figure 112019130982164-pat00045

모드 TM010에서, 패치 안테나의 공진 주파수는 하기 [수학식 43]을 통해 얻을 수 있다.In the mode TM 010 , the resonant frequency of the patch antenna can be obtained through the following [Equation 43].

Figure 112019130982164-pat00046
Figure 112019130982164-pat00046

프린징 효과를 고려할 때, 상기 [수학식 43]은 하기 [수학식 44]와 같이 다시 표현될 수 있다.When considering the fringing effect, [Equation 43] may be expressed again as [Equation 44] below.

Figure 112019130982164-pat00047
Figure 112019130982164-pat00047

상기 [수학식 44]에 가중치를 곱하면 하기 [수학식 45]와 같이 나타낼 수 있다.When [Equation 44] is multiplied by a weight, it can be expressed as [Equation 45] below.

Figure 112019130982164-pat00048
Figure 112019130982164-pat00048

그리고 상기 q는 하기 [수학식 46]으로 표현될 수 있다.And, q may be expressed by the following [Equation 46].

Figure 112019130982164-pat00049
Figure 112019130982164-pat00049

q는 프린징 인자(friinging factor)라고 하며, 기판의 두께가 증가하면 프린징이 증가하고 유효 길이가 증가하여 공진 주파수가 낮아진다.q is called a fringing factor, and as the thickness of the substrate increases, fringing increases and the effective length increases, so that the resonance frequency decreases.

상기에서 살펴본 기반 기술에 기초하여 본 발명에서는 각각의 안테나 요소를 제시하고 이를 결합하여 빔 포밍 안테나 시스템을 구현하는데, 본 발명에서 제시하는 안테나 요소를 살펴보고 이후 이를 종합하여 결합한 본 발명에 따른 빔 포밍 안테나 시스템에 대하여 살펴보기로 한다.In the present invention, based on the above-described base technology, each antenna element is presented and combined to implement a beamforming antenna system. After looking at the antenna elements proposed in the present invention, the beamforming according to the present invention is combined and combined. Let's take a look at the antenna system.

먼저, 본 발명에서 제시하는 안테나 요소를 살펴보는데, 본 발명에서 제시하는 안테나 요소들은 앞서 설명한 기판 집적형 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)을 기반으로 하는 안테나 요소이다.First, an antenna element proposed in the present invention will be described. The antenna elements proposed in the present invention are antenna elements based on the substrate integrated waveguide (SIW) described above.

2.1. SIW 전송 라인(Transmission Line)2.1. SIW Transmission Line

마이크로파 영역에서, 전송 라인은 성공적인 회로 설계의 핵심이다. 기본 직선 패턴 SIW 전송 라인은 소프트웨어 CST 마이크로웨이브 스튜디오 2016(CST-MWS)을 통해 모델링될 수 있다. 본 발명의 실시예에 적용된 Rogers duroid RT5880은 두께가 0.254mm인 기판이 사용되며, 유전 상수 및 손실 탄젠트(loss tangent)는 각각 2.2 및 0.0009이다.In the microwave domain, transmission lines are key to a successful circuit design. The basic straight pattern SIW transmission line can be modeled through software CST Microwave Studio 2016 (CST-MWS). Rogers duroid RT5880 applied in the embodiment of the present invention uses a substrate having a thickness of 0.254 mm, and dielectric constant and loss tangent are 2.2 and 0.0009, respectively.

도 18은 모델링된 SIW 전송 라인을 나타내며, 하기 [표 3]은 SIW 전송 라인의 직선 패턴에 대한 디자인 목표를 나타낸다.18 shows a modeled SIW transmission line, and Table 3 below shows a design target for a straight line pattern of the SIW transmission line.

Figure 112019130982164-pat00050
Figure 112019130982164-pat00050

금속성 비아의 직경은 0.5mm로 설정되어 일반 PCB 제조에서도 쉽게 사용할 수 있다.The diameter of the metallic via is set to 0.5mm, so it can be easily used in general PCB manufacturing.

도 19는 비아 간격에 따른 직선 패턴 SIW 전송 라인의 S-파라미터들을 나타낸다. 19 shows S-parameters of a linear pattern SIW transmission line according to a via spacing.

28GHz 대역에서 밴드 갭을 방지하기 위해 비아 간의 간격 s가 최적화되며, 파라미터 s를 선택하기 위해 금속 비아 간격에 따라 S-파라미터가 변경되는 것을 볼 수 있다. 밴드 갭은, 간격이 1.5㎜이고 선택한 s 값이 0.75㎜인 경우, 관측된 주파수 모두에서 반사 손실이 -30dB 미만인 것으로 나타난다.In the 28GHz band, the spacing s between vias is optimized to prevent a band gap, and it can be seen that the S-parameter changes according to the metal via spacing to select the parameter s. The band gap appears to have a return loss of less than -30dB at both observed frequencies when the spacing is 1.5 mm and the selected s value is 0.75 mm.

도 20은 파라미터 s에 따른 SIW 전송 라인의 전자기장 분포를 나타낸다. 상기 도 20에서 (a)는 파라미터 s가 1.5㎜인 경우이고, (b)는 파라미터 s가 0.75㎜인 경우이다.20 shows the electromagnetic field distribution of the SIW transmission line according to the parameter s. In FIG. 20, (a) is a case where the parameter s is 1.5 mm, and (b) is a case where the parameter s is 0.75 mm.

도 21은 도파관 폭에 따른 직선 패턴 SIW 전송 라인의 S-파라미터들을 나타내고, 도 22는 파라미터 a에 따른 SIW 전송 라인의 전자기장 분포를 나타낸다. 상기 도 22에서 (a)는 파라미터 a가 5.0인 경우이고, (b)는 파라미터 a가 6.0인 경우이다.21 shows S-parameters of a linear pattern SIW transmission line according to a waveguide width, and FIG. 22 shows an electromagnetic field distribution of a SIW transmission line according to a parameter a. In FIG. 22, (a) is a case where a parameter a is 5.0, and (b) is a case where a parameter a is 6.0.

도파관 a의 너비는 SIW 전송 라인의 차단 주파수를 결정한다. 상기 [수학식 9]에 따라 차단 주파수가 파라미터 a에 따라 변경되는 것으로 관찰된다. 파라미터 a는 6.0㎜로 선택되며 차단 주파수는 모든 목표 주파수 대역에서 반사 손실이 -30dB 미만으로 나타났다. 후속 부품 설계의 편의를 위해 차단 주파수는 충분히 낮은 차단 주파수로 설정되는 것이 바람직하다.The width of waveguide a determines the cutoff frequency of the SIW transmission line. It is observed that the cutoff frequency is changed according to the parameter a according to [Equation 9]. The parameter a was selected as 6.0mm, and the cutoff frequency showed that the return loss was less than -30dB in all target frequency bands. It is desirable that the cutoff frequency be set to a sufficiently low cutoff frequency for the convenience of subsequent component design.

본 발명의 실시예에서 금속 비아의 직경과 간격 및 도파관의 폭의 최종 선택된 값은 각각 0.5㎜, 0.75㎜, 6.0㎜이다. 최종적으로 선택된 값을 갖는 구조물의 반사 손실과 삽입 손실은 목표 주파수 대역에서 각각 -33dB 미만과 -0.06dB 이상으로 나타났다.In an embodiment of the present invention, the final selected values of the diameter and spacing of the metal via and the width of the waveguide are 0.5 mm, 0.75 mm, and 6.0 mm, respectively. The return loss and insertion loss of the structure with the finally selected value were found to be less than -33dB and more than -0.06dB in the target frequency band, respectively.

2.2. SIW 직각 커플러(Quadrature Coupler)2.2. SIW Quadrature Coupler

SIW 직각 커플러는 4개의 포트가 있는 방향성 커플러 유형이다. 입력 신호가 90°의 차이를 갖는 절반 전력의 두 신호로 나뉘는 특성이 있다. 그리고 다른 포트는 분리된 포트가 된다. The SIW right angle coupler is a type of directional coupler with 4 ports. There is a characteristic that the input signal is divided into two signals of half power with a difference of 90°. And the other ports become separate ports.

도 23은 본 발명에서 제안하는 SIW 직각 커플러를 나타낸다. 23 shows a SIW right angle coupler proposed in the present invention.

상기에서 살펴본 전송 라인을 기반으로 상기 도 23의 (b)와 같은 파라미터 qv 및 qh를 갖는 개구 부분(aperture)을 최적화시켰다. 본 발명의 실시예에서는 파라미터 qv 및 qh를 각각 10.4㎜ 및 7.7㎜로 설정하였다.Based on the above-described transmission line, an aperture having parameters qv and qh as shown in (b) of FIG. 23 was optimized. In the embodiment of the present invention, parameters qv and qh were set to 10.4 mm and 7.7 mm, respectively.

반사 손실은 -28.5dB 미만이고 S2,1 및 S3,1은 대상 주파수 전체에서 동일한 전력 분배로 약 -3dB로 나타났다. 출력 포트 간의 위상차는 28GHz에서 90.15°이다. The return loss was less than -28.5dB, and S 2,1 and S 3,1 were found to be about -3dB with the same power distribution across the target frequency. The phase difference between the output ports is 90.15° at 28GHz.

도 24는 상기 도23의 SIW 직각 커플러의 S-파라미터를 나타낸다. 상기 도 24에서 S4,1은 두 입력 간 절연 레벨을 나타낸다. 도 25는 28GHz에서 제안하는 직각 커플러의 전자기장 분포를 나타낸다. 상기 도 25에서 보는 바와 같이 전력 분배가 양호하고 절연이 높다는 것을 알 수 있다.24 shows the S-parameters of the SIW right angle coupler of FIG. 23. In FIG. 24, S 4,1 denotes an insulation level between two inputs. 25 shows the electromagnetic field distribution of a right angle coupler proposed at 28GHz. As shown in FIG. 25, it can be seen that power distribution is good and insulation is high.

2.3. SIW 크로스오버(Cross over)2.3. SIW Cross over

버틀러 매트릭스의 이상적인 토폴로지에서 크로스 오버 구성 요소는 위상 매트릭스에 영향을 미치지 않는다. 그러나 버틀러 매트릭스, 특히 평면형 구현을 위해서는 입력 신호가 겹치지 않고 반대편으로 갈 수 없기 때문에 크로스 오버(cross over)가 필요하다. In the ideal topology of the Butler matrix, the crossover component does not affect the phase matrix. However, for a Butler matrix, especially a planar implementation, crossover is required because the input signals do not overlap and cannot go to the opposite side.

본 발명에서 SIW 크로스 오버는 4 개의 포트가 있는 커플러로서, 입력 신호를 대각선 출력 포트로 전달한다. 도 26은 본 발명에서 제안하는 SIW 크로스 오버를 나타낸다. 상기 도 26의 SIW 크로스 오버는 상기에서 살펴본 SIW 전송 라인을 기반으로 하며. 상기 도 26의 (b)에 도시된 바와 같은 파라미터 ch 및 cv로 구성된 커플 영역을 갖는다. 본 발명의 실시예에서는 ch와 cv의 값을 각각 9㎜와 12㎜로 설정하였다.In the present invention, the SIW crossover is a four-port coupler, and transmits an input signal to a diagonal output port. 26 shows the SIW crossover proposed by the present invention. The SIW crossover of FIG. 26 is based on the SIW transmission line discussed above. It has a couple region composed of parameters ch and cv as shown in (b) of FIG. 26. In the embodiment of the present invention, the values of ch and cv were set to 9 mm and 12 mm, respectively.

도 27은 상기 도 26의 크로스 오버에 대한 S-파라미터와 전자기장 분포를 나타낸다.FIG. 27 shows S-parameters and electromagnetic field distributions for the crossover of FIG. 26.

상기 도 27의 (a)에서 보는 바와 같이 주파수 대역 26.5GHz 내지 29.75GHz에서 반사 손실이 -25dB 미만임을 알 수 있다. 삽입 손실(insertion loss)을 의미하는 S3,1의 최소값은 -0.24dB이다. 상기 도 27의 (b)는 28GHz에서 제안하는 크로스 오버의 기능을 보여준다.As shown in (a) of FIG. 27, it can be seen that the return loss is less than -25dB in the frequency band 26.5GHz to 29.75GHz. The minimum value of S 3,1 , which means insertion loss, is -0.24dB. (B) of FIG. 27 shows a function of a crossover proposed in 28GHz.

2.4. SIW 위상 쉬프터(Phase Shifter)2.4. SIW Phase Shifter

상기 도 14와 같은 8×8 버틀러 매트릭스의 토폴로지의 경우 위상 쉬프터(Phase Shifter)의 수는 8개이다.In the case of the topology of the 8×8 Butler matrix as shown in FIG. 14, the number of phase shifters is eight.

버틀러 매트릭스 급전 네트워크가 이상적인 경우, 크로스 오버에는 위상 변이가 없다. 그러나 실제 버틀러 매트릭스에서는 크로스 오버가 고정 위상 변위를 갖는다. 따라서 크로스 오버의 위상 변이를 고려하여 각 위상 쉬프터를 최적화해야 한다.If the Butler matrix feeding network is ideal, there is no phase shift in the crossover. However, in the actual Butler matrix, the crossover has a fixed phase shift. Therefore, it is necessary to optimize each phase shifter in consideration of the phase shift of the crossover.

2.4.1. 67.5° 위상 쉬프터2.4.1. 67.5° phase shifter

도 28은 본 발명에서의 67.5° SIW 위상 쉬프터를 나타내고, 도 29는 상기 도 28의 67.5° SIW 위상 쉬프터에 대한 S-파라미터를 나타낸다.FIG. 28 shows the 67.5° SIW phase shifter in the present invention, and FIG. 29 shows the S-parameters for the 67.5° SIW phase shifter of FIG. 28.

상기 도 28의 SIW 위상 쉬프터는, SIW 전송 라인을 기반으로 설계하였다. 또한 상기 도 28의 (b)에서 비아 p1의 거리는 출력 위상을 미세 조정하도록 조정된다. 본 발명의 실시예에서 파라미터 a는 6.0㎜이고 p1은 6.5㎜로 설정하였다.The SIW phase shifter of FIG. 28 is designed based on a SIW transmission line. In addition, in (b) of FIG. 28, the distance of the via p1 is adjusted to finely adjust the output phase. In the embodiment of the present invention, parameter a was set to 6.0 mm and p1 was set to 6.5 mm.

도 29는 상기 도 28의 67.5° 위상 쉬프터에 대한 S 파라미터를 나타낸다.29 shows S parameters for the 67.5° phase shifter of FIG. 28.

2.4.2. 22.5° 위상 쉬프터2.4.2. 22.5° phase shifter

본 발명에서 제안하는 위상 쉬프터는 타임 어드밴스 시프트(time advance shift)를 위해 설계되었다. 타임 딜레이 쉬프터 유형과 비교하여, 전체 길이를 늘릴 필요가 없으므로 더 많은 물리적 공간이 필요하지 않게 된다. 비록 대역폭이 상대적으로 좁지만 요구되는 대역폭을 여전히 만족시키는 경우에는 충분히 적용될 수 있다.The phase shifter proposed in the present invention is designed for time advance shift. Compared to the time delay shifter type, there is no need to increase the overall length, so more physical space is not required. Although the bandwidth is relatively narrow, it can be sufficiently applied when the required bandwidth is still satisfied.

도 30은 본 발명에서의 22.5° SIW 위상 쉬프터를 나타낸다.30 shows a 22.5° SIW phase shifter in the present invention.

본 발명에서는 상기 도 30의 (b)에서 위상 쉬프터의 파라미터 a, pb1, pb2를 각각 5.25㎜, 6.0㎜ 및 5.8㎜로 설정하였다. In the present invention, parameters a, pb1, and pb2 of the phase shifter in FIG. 30(b) were set to 5.25 mm, 6.0 mm and 5.8 mm, respectively.

도 31에서 (a)는 상기 도 30의 22.5° SIW 위상 쉬프터에 대한 S-파라미터를 나타내고, (b)는 상기 도 28의 67.5° SIW 위상 쉬프터와 상기 도 30의 22.5° SIW 위상 쉬프터 간의 위상 차이를 나타낸다.In FIG. 31 (a) shows the S-parameter for the 22.5° SIW phase shifter of FIG. 30, and (b) is the phase difference between the 67.5° SIW phase shifter of FIG. 28 and the 22.5° SIW phase shifter of FIG. 30 Represents.

상기 도 31의 (a)에서 보는 바와 같이 S1,1은 -30dB 미만이고 S2,1은 25.5GHz에서 30.3GHz까지 -0.073dB를 초과한다. 그리고 상기 도 31의 (b)에서 보는 바와 같이 67.5° SIW 위상 쉬프터와 22.5° SIW 위상 쉬프터의 위상 차이는 45°로 나타난다.As shown in (a) of FIG. 31, S 1,1 is less than -30dB and S 2,1 exceeds -0.073dB from 25.5GHz to 30.3GHz. And, as shown in (b) of FIG. 31, the phase difference between the 67.5° SIW phase shifter and the 22.5° SIW phase shifter is 45°.

도 32는 상기 도 28의 67.5° SIW 위상 쉬프터와 상기 도 30의 22.5° SIW 위상 쉬프터의 전자기장 분포를 나타내는데, 좌측이 67.5° SIW 위상 쉬프터의 전자기장 분포를 나타내고, 우측이 22.5° SIW 위상 쉬프터의 전자기장 분포를 나타낸다.FIG. 32 shows the electromagnetic field distribution of the 67.5° SIW phase shifter of FIG. 28 and the 22.5° SIW phase shifter of FIG. 30, the left side shows the electromagnetic field distribution of the 67.5° SIW phase shifter, and the right side shows the electromagnetic field of the 22.5° SIW phase shifter Shows the distribution.

2.4.3. 45° 위상 쉬프터2.4.3. 45° phase shifter

45° 위상 쉬프터를 설계할 때 몇 가지 고려 사항이 있다. 상기 도 14에 표시된 토폴로지에서 45° 위상 쉬프터는 동일한 것처럼 보이지만, 실제 버틀러 매트릭스에서 외부에 위치한 45° 위상 쉬프터와 다른 45° 위상 쉬프터는 물리적 길이가 다르다. 따라서 이를 고려하여 다른 방식으로 설계되어야 한다.There are several considerations when designing a 45° phase shifter. In the topology shown in FIG. 14, the 45° phase shifter appears to be the same, but the physical length of the 45° phase shifter different from the 45° phase shifter located outside in the actual Butler matrix is different. Therefore, it must be designed in a different way in consideration of this.

도 33은 본 발명에서의 외부에 위치한 45° 위상 쉬프터를 나타내며, 도 34는 상기 도 33의 45° 위상 쉬프터에 대한 S-파라미터를 나타낸다.FIG. 33 shows an externally located 45° phase shifter in the present invention, and FIG. 34 shows S-parameters for the 45° phase shifter of FIG. 33.

외부에 위치한 45° 위상 쉬프터의 길이는 3배의 크로스 오버 길이와 동일하다. 크로스 오버가 약간의 위상 변이를 갖기 때문에 45° 위상 변이뿐 아니라 실현된 구조에 따라 위상 변이를 조정해야 한다.The length of the externally located 45° phase shifter is the same as the crossover length of 3 times. Since the crossover has a slight phase shift, it is necessary to adjust the phase shift according to the realized structure as well as the 45° phase shift.

2.5. 마이크로스트립-SIW 트랜지션(Transition)2.5. Microstrip-SIW transition

SIW 구조와 마이크로웨이브 커넥터 간의 연결을 위해서는 트랜지션이 필요하다. 마이크로스트립 라인은 두 개의 서로 다른 구조의 전자기장이 거의 같은 방향을 향하고 있으며 도 35에 도시된 것과 같은 프로파일을 가지고 있기 때문에 도파관을 여기시키기에 적합하다.A transition is required for the connection between the SIW structure and the microwave connector. The microstrip line is suitable for exciting a waveguide because the electromagnetic fields of two different structures are oriented in substantially the same direction and have a profile as shown in FIG. 35.

도 36은 본 발명에서 마이크로스트립-도파관 트랜지션을 나타내며, 도 37은 상기 도 36의 S-파라미터를 나타낸다.36 shows the microstrip-waveguide transition in the present invention, and FIG. 37 shows the S-parameter of FIG. 36.

본 발명에서는 마이크로스트립의 입력 임피던스를 파라미터 w50로서 50Ω으로 설정하였다. 상기 도 36과 같이 본 발명에서 트랜지션 구조는 도파관 모드에서 파라미터 tap W 및 tap L을 갖는 테이퍼형 마이크로스트립 라인으로 형성된다. 테이퍼는 도파관에서 마이크로스트립 라인의 준 TEM 모드(quasi-TEM mode)를 TE10 모드로 변환하는 역할을 한다.In the present invention, the input impedance of the microstrip was set to 50 Ω as the parameter w50. As shown in FIG. 36, in the present invention, the transition structure is formed as a tapered microstrip line having parameters tap W and tap L in a waveguide mode. The taper serves to convert the quasi-TEM mode of the microstrip line into the TE 10 mode in the waveguide.

본 발명의 실시예에서 테이퍼형 마이크로스트립 라인 w50, tapW 및 tapL의 파라미터는 0.75㎜, 4.0㎜ 및 4.7㎜로 형성하였다. In the embodiment of the present invention, the parameters of the tapered microstrip lines w50, tapW and tapL were formed to be 0.75mm, 4.0mm and 4.7mm.

상기 도 37에서 보는 바와 같이 목표 주파수의 대역 모두에서 -20dB 미만의 반사 손실과 -0.26dB 이상의 삽입 손실이 나타난 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 37, it can be seen that a return loss of less than -20dB and an insertion loss of -0.26dB or more appeared in all bands of the target frequency.

다음으로 상기에서 살펴본 안테나 구성 요소의 어셈블리를 통해 SIW 빔포밍 네트워크를 구성하는 방안에 대하여 살펴보기로 한다.Next, a method of configuring a SIW beamforming network through the assembly of the antenna components described above will be described.

3.1. 8×8 SIW 버틀러 매트릭스3.1. 8×8 SIW Butler Matrix

SIW 버틀러 매트릭스 급전 네트워크는 앞서 살펴본 본 발명에서 제안하는 SIW 구성 요소의 어셈블리로 구현될 수 있다. The SIW Butler matrix feeding network may be implemented as an assembly of SIW components proposed in the present invention as discussed above.

상기 도 14에 도시된 토폴로지에 따라 각 설계된 구성 요소가 올바르게 위치되어야 한다. 버틀러 매트릭스 급전 네트워크는 대칭 구조이므로 SIW 구조도 대칭되도록 형성한다. 이상적인 경우, 버틀러 매트릭스 급전 네트워크는 무손실 네트워크이지만 버틀러 매트릭스의 모든 구성 요소에는 손실이 있기 때문에 항상 유한한 삽입 손실이 존재한다. Each designed component must be correctly positioned according to the topology shown in FIG. 14. Since the Butler matrix feeding network is a symmetrical structure, the SIW structure is also formed to be symmetrical. In the ideal case, the Butler matrix feeding network is a lossless network, but there is always a finite insertion loss because all components of the Butler matrix are lossy.

본 발명에서 8×8 SIW 버틀러 매트릭스는 하기 [표 4]의 설계 목표를 충족시키도록 제안되었다.In the present invention, an 8×8 SIW Butler matrix was proposed to meet the design goals of Table 4 below.

Figure 112019130982164-pat00051
Figure 112019130982164-pat00051

본 발명에서 SIW 버틀러 매트릭스는 반사 손실이 26.5GHz부터 28.9GHz까지 -15dB 미만을 목표로 한다. In the present invention, the SIW Butler matrix targets a return loss of less than -15dB from 26.5GHz to 28.9GHz.

도 38은 본 발명에 따른 SIW 각 구성의 조합된 구조를 나타낸다. 38 shows the combined structure of each SIW configuration according to the present invention.

버틀러 매트릭스의 이상적인 경우, 12개의 방향성 커플러와 16개의 크로스 오버가 있는 8 개의 고정 위상 쉬프터를 사용한다. 실제의 경우, 크로스 오버의 위상 변이로 인해 출력 포트들 이전에 6개의 위상 쉬프터가 추가된다.In the ideal case of the Butler matrix, we use 8 fixed phase shifters with 12 directional couplers and 16 crossovers. In the real case, 6 phase shifters are added before the output ports due to the phase shift of the crossover.

상기 도 38의 SIW 버틀러 매트릭스(100)는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 안테나 요소들을 어셈블리하여 구성되는데, 입력 포트(110), 직각 커플러(130)와 67.5° SIW 위상 쉬프터(140), 22.5° SIW 위상 쉬프터(160), 45° SIW 위상 쉬프터(150a, 150b), 추가 위상 쉬프터(170), 출력 포트(120)가 조합된 어셈블리로 구성된다.The SIW Butler matrix 100 of FIG. 38 is configured by assembling the antenna elements according to the present invention described above, an input port 110, a right angle coupler 130, a 67.5° SIW phase shifter 140, and a 22.5° SIW A phase shifter 160, a 45° SIW phase shifter 150a, 150b, an additional phase shifter 170, and an output port 120 are combined in an assembly.

기판은 앞서 살펴본 동일한 방식의 Rogers duroid RT5880로서 두께 0.254㎜의 기판을 적용하였다. 상기 도 38의 실시예에서는 전체 구조의 길이를 135.5㎜, 너비를 48.5㎜로 설정하였다.The substrate was Rogers duroid RT5880 of the same method as previously described, and a 0.254mm-thick substrate was applied. In the example of FIG. 38, the length of the entire structure is set to 135.5 mm and the width is set to 48.5 mm.

도 39 (a) 내지 도 39 (h)는 상기 도 28의 실시예에 대한 각 포트별 S-파라미터를 나타내며, 하기 [표 5]는 각 포트의 위상차 결과를 나타낸다. 39(a) to 39(h) show S-parameters for each port for the embodiment of FIG. 28, and Table 5 below shows the phase difference results of each port.

포트 4가 입력될 때 최대 위상 오류는 0.09λ이다. 포트 1 및 포트 8의 결과, 포트 2 및 포트 7의 결과, 포트 3 및 포트 6의 결과 및 포트 4 및 포트 5의 결과는 물리적 구조가 대칭이므로 대칭적으로 동일하다.When port 4 is input, the maximum phase error is 0.09λ. The results of ports 1 and 8, the results of ports 2 and 7, the results of ports 3 and 6, and the results of ports 4 and 5 are symmetrically the same because the physical structure is symmetric.

Figure 112019130982164-pat00052
Figure 112019130982164-pat00052

도 40은 상기 도 38의 8×8 SIW 버틀러 매트릭스의 전자기장 분포를 나타낸다. 상기 도 40의 (a)는 포트 1의 경우, (b)는 포트 2의 경우, (C)는 포트 3의 경우, (d)는 포트 4의 경우를 나타낸다.40 shows the electromagnetic field distribution of the 8×8 SIW Butler matrix of FIG. 38. 40A illustrates a case of port 1, (b) a case of port 2, (C) a case of port 3, and (d) a case of port 4. Referring to FIG.

3.2. 방사 요소와 급전 네트워크의 합성3.2. Synthesis of radiating elements and feeding networks

본 발명에서는 앞서 살펴본 버틀러 매트릭스에 방사 요소를 추가하여 안테나 빔 포밍 시스템으로 구현한다. In the present invention, an antenna beam forming system is implemented by adding a radiation element to the Butler matrix described above.

도 41은 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한다.41 shows a microstrip patch antenna according to the present invention.

상기 도 41에서는 마이크로스트립 패치 안테나를 방사 요소로 사용한다. 패치 안테나의 공명 주파수는 28GHz로 설정하였다. 상기 도 41의 실시예에서 패치 안테나의 설계 파라미터는 패치 모양이 정사각형이므로 patch_W 및 patch_L를 3.5㎜로 설정하였다. SIW와 마이크로스트립 간의 연결을 고려하여, 트랜지션을 적용하였다. 임피던스 매칭을 위한 파라미터 inset, tap_L 및 tap_W는 각각 1.2㎜, 3.0㎜ 및 3.0㎜로 설정하였다.In FIG. 41, a microstrip patch antenna is used as a radiating element. The resonant frequency of the patch antenna was set to 28 GHz. In the embodiment of FIG. 41, since the patch shape is square, patch_W and patch_L were set to 3.5 mm as the design parameter of the patch antenna. In consideration of the connection between the SIW and the microstrip, a transition was applied. The parameters inset, tap_L and tap_W for impedance matching were set to 1.2mm, 3.0mm and 3.0mm, respectively.

도 42는 상기 도 41의 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 반사 손실과 3D 방사 패턴을 나타낸다. 42 illustrates reflection loss and 3D radiation pattern of the microstrip patch antenna according to the embodiment of FIG. 41.

상기 도 42에서 보는 바와 같이 28GHz에서 -20dB 이하의 우수한 반사 손실이 나타나며, 안테나 게인은 28GHz에서 7.198dB로 확인되었다.As shown in FIG. 42, an excellent return loss of -20dB or less is exhibited at 28GHz, and the antenna gain was confirmed to be 7.198dB at 28GHz.

도 43은 본 발명에 따른 트랜지션 기능을 갖는 버틀러 매트릭스 구조를 적용한 패치 안테나 어레이를 도시한다.43 shows a patch antenna array to which a Butler matrix structure having a transition function according to the present invention is applied.

버틀러 매트릭스 구조를 적용한 패치 안테나 어레이(200)는 상기 도 38의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스(100)가 적용되며, 8 개의 출력 포트가 있으므로 패치 안테나 수도 8 개이다. 본 발명에서 제안하는 버틀러 매트릭스의 구조에 따라 패치 안테나 어레이의 모양은 상기 도 43에 도시된 바와 같이 선형으로 배열된다.In the patch antenna array 200 to which the Butler matrix structure is applied, the SIW Butler matrix 100 according to the embodiment of FIG. 38 is applied, and since there are 8 output ports, the number of patch antennas is 8. According to the structure of the Butler matrix proposed in the present invention, the shape of the patch antenna array is linearly arranged as shown in FIG. 43.

상기 도 38의 실시예의 구현시 실제 제품과 측정의 유사성을 비교하기 위해 도체 재료를 PEC에서 구리로 변경하였고 안테나를 출력 포트에 연결시켰다. 또한 마이크로스트립-SIW 트랜지션(210)이 마이크로파 커넥터 연결을 위한 입력 포트에 추가되며, 급전을 위해 상기에서 살펴본 마이크로스트립 패치 안테나(250)를 출력 포트에 설치하였다. 상기 도 43의 실시예에서 전체 길이 L_m1은 214㎜, 너비 W_m1은 72.9㎜로 설정하였다.In the implementation of the embodiment of FIG. 38, in order to compare the similarity between the actual product and the measurement, the conductor material was changed from PEC to copper, and the antenna was connected to the output port. In addition, the microstrip-SIW transition 210 is added to the input port for connecting the microwave connector, and the microstrip patch antenna 250 described above is installed at the output port for power supply. In the example of FIG. 43, the total length L_m1 is set to 214 mm, and the width W_m1 is set to 72.9 mm.

도 44는 상기 도 43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 적용한 안테나의 S-파라미터를 나타내며, 도 45는 상기 도 43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 적용한 안테나의 각 포트에서 전자기장 분포를 나타내며, 도 46은 상기 도43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스의 3D 빔 패턴을 나타내며, 도 47은 상기 도 43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스의 원거리 이득(far field gain)을 나타낸다.FIG. 44 shows the S-parameters of the antenna to which the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43 is applied, and FIG. 45 shows the electromagnetic field distribution at each port of the antenna to which the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43 is applied, FIG. 46 shows a 3D beam pattern of the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43, and FIG. 47 shows a far field gain of the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43.

하기 [표 6]는 상기 도 43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 적용한 안테나의 28GHz에서 게인을 나타내고, 하기 [표 7]은 메인 로브 방향의 결과를 나타낸다.Table 6 below shows the gain at 28 GHz of the antenna to which the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43 is applied, and Table 7 below shows the results in the main lobe direction.

Figure 112019130982164-pat00053
Figure 112019130982164-pat00053

Figure 112019130982164-pat00054
Figure 112019130982164-pat00054

상기 도 43의 실시예에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 적용한 안테나는 가장 바깥 쪽 메인 빔의 각도가 ±49°이므로 빔 포밍 안테나의 커버리지 범위는 98°가 된다.In the antenna to which the SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 43 is applied, since the angle of the outermost main beam is ±49°, the coverage range of the beamforming antenna is 98°.

이와 같이 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 안테나는 98° 전방 범위를 커버할 수 있는 8방향 빔을 보여주며, 5G 통신을 위한 중계기에 충분히 적용할 수 있음을 알 수 있다.As described above, the beamforming antenna proposed by the present invention shows an 8-direction beam capable of covering a 98° front range, and it can be seen that it can be sufficiently applied to a repeater for 5G communication.

나아가서 본 발명에서는 모바일 장치에 적용하기 위해 크기를 더욱 축소시키고 대역폭을 광대역으로 확장하면서도 모든 대상 주파수에서 반사 손실을 줄일 수 있는 안테나를 제시하는데, 이에 대하여 하기의 실시예를 통해 살펴보기로 한다.Further, the present invention proposes an antenna capable of reducing return loss at all target frequencies while further reducing the size and extending the bandwidth to a broadband for application to a mobile device. This will be described with reference to the following embodiments.

4.1. SIW-SIW 수직 트랜지션(Vertical Transition)4.1. SIW-SIW Vertical Transition

안테나 소형화는 항상 엄청난 조정과 도전의 문제가 되고 있다. 안테나 소형화를 위한 많은 설계 기술이 제시된 바 있지만, 일반적으로 소형화가 수행될 때 대역폭이 좁아지거나 성능이 저하된다는 단점이 있다.Antenna miniaturization has always been a matter of tremendous coordination and challenge. Although many design techniques have been proposed for miniaturization of antennas, in general, there is a disadvantage in that the bandwidth is narrowed or performance is degraded when miniaturization is performed.

상기에서 살펴본 본 발명에 따른 SIW 버틀러 매트릭스를 최소화하기 위해 본 발명에서 제시하는 안테나 설계 기법은 안테나의 구조를 분할하고 재구성하는 것이다. 이와 관련하여 도 48은 본 발명의 일 실시예 의한 구조 분리 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나를 제공하기 위하여 제안하는 안테나 소형화 기법의 개념을 도시한다.In order to minimize the SIW Butler matrix according to the present invention described above, the antenna design technique proposed in the present invention is to divide and reconstruct the antenna structure. In this regard, FIG. 48 illustrates a concept of an antenna miniaturization technique proposed to provide an area-reduced beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure separation and stacking technique according to an embodiment of the present invention.

상기 도 48의 (a)에 도시된 바와 같이 SIW 버틀러 매트릭스 구조를 Part 1과 Part 2의 영역으로 분할하고, 상기 도 48의 (b)에 도시된 바와 같이 분할된 부분을 접어 다층 구조의 안테나로 재구성하게 된다.As shown in (a) of FIG. 48, the SIW Butler matrix structure is divided into areas of Part 1 and Part 2, and as shown in (b) of FIG. 48, the divided portion is folded to form a multi-layered antenna. You will be reconstructed.

도 70은 본 발명에서 제안하는 안테나 소형화 기법의 일반적인 개념을 도시한 것으로, 도 70의 (a)에 도시된 바와 같이 SIW 버틀러 매트릭스 구조를 분할선을 기준으로 2개의 부분으로 분할하고, 도 70의 (b)에 도시된 바와 같이 분할된 부분들을 접어 적층하여 다층 구조의 안테나로 재구성하게 된다.FIG. 70 shows a general concept of an antenna miniaturization scheme proposed in the present invention. As shown in FIG. 70(a), the SIW Butler matrix structure is divided into two parts based on a dividing line, and FIG. As shown in (b), the divided portions are folded and stacked to reconstruct a multi-layered antenna.

또한, 도 70의 (b)에 도시된 바와 같이 SIW 버틀러 매트릭스 구조를 2개의 분할선을 기준으로 3개의 부분으로 분할하고, 도 70의 (b)에 도시된 바와 같이 분할된 부분들을 접어 적층하여 다층 구조의 안테나로 재구성하게 된다.In addition, as shown in (b) of FIG. 70, the SIW Butler matrix structure is divided into three parts based on two dividing lines, and the divided parts are folded and stacked as shown in Fig. 70(b). It is reconstructed with a multi-layered antenna.

상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조를 다수의 부분들로 분할하는 분할선들은 SIW 버틀러 매트릭스(Butler matrix) 구조를 다수의 부분으로 분할 시 SIW 버틀러 매트릭스(Butler matrix) 구조의 동작에 큰 영향을 미치지 않는 신호 전달 부분인 것이 바람직하다.The dividing lines for dividing the SIW Butler matrix structure into a plurality of parts are signal transmission parts that do not significantly affect the operation of the SIW Butler matrix structure when the SIW Butler matrix structure is divided into a plurality of parts. It is preferable to be.

도 71은 도 70의 안테나 소형화 기법에 따라 각각 2개의 부분 및 3개의 부분으로 분할하여 접어 적층한 실제 제작한 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 구현예를 나타낸다.FIG. 71 shows an implementation example of an actually fabricated 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna that is divided into two parts and three parts, respectively, folded and stacked according to the antenna miniaturization technique of FIG. 70.

도 71의 (a)는 접지 않은 8×8 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 도시한 것이고, 도 71의 (b)는 도 70의 (a)에 도시된 안테나 소형화 기법에 따라 8×8 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 한번 접어 적층한 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 도시한 것이고, 도 71의 (c)는 도 70의 (b)에 도시된 안테나 소형화 기법에 따라 8×8 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 두번 접어 적층한 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 도시한 것이다.(A) of FIG. 71 shows an ungrounded 8x8 SIW Butler matrix beamforming antenna, and (b) of FIG.71 is an 8x8 SIW Butler matrix according to the antenna miniaturization technique shown in (a) of FIG. Figure 71(c) shows an 8x8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna in which the beamforming antennas are folded once and stacked, and FIG.71(c) is an 8x8 SIW Butler according to the antenna miniaturization technique shown in FIG.70(b). It shows an 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna in which the matrix beamforming antenna is folded twice and stacked.

도 70 및 도 71에 도시된 바와 같이 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 많이 접을수록 크기를 더 작게 할 수 있다.As shown in FIGS. 70 and 71, the more the SIW Butler matrix beamforming antenna is folded, the smaller the size may be.

본 발명의 일 실시예에서는 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 한번 접어 적층하여 형성된 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나에 대해 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명은 한번 접어 적층된 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나에 한정되지 않고, 다수회 접어 적층된 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나를 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, an 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna formed by folding and stacking the SIW Butler matrix beamforming antenna once will be described. However, the present invention is not limited to an 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna that is folded and stacked once, and a folded SIW Butler matrix beamforming antenna that is folded and stacked a plurality of times may be provided.

앞서 살펴본 버틀러 매트릭스를 접으려면 두 개의 SIW 전송 라인을 수직으로 연결하여야 한다. 도 49는 본 발명에 따른 SIW-SIW 수직 트랜지션 구조를 나타낸다. SIW-SIW 수직 트랜지션은, 수직으로 인접한 2개의 레이어 중 상층 레이어와 상기 상층 레이어의 하부에 있는 하층 레이어에 위치하는 비아 벽 및 상기 비아 벽으로부터 소정 거리 이격되어 상기 상층 레이어와 상기 하층 레이어 간의 금속 클래드에 형성된 슬롯을 포함하여, 상층 레이어와 하층 레이어를 전기적으로 연결함으로써 상층 레이어와 하층 레이어 간에 에너지를 전달하고 싶은 주파수 대역이 전달되도록 한다. In order to fold the Butler matrix discussed above, two SIW transmission lines must be connected vertically. 49 shows a SIW-SIW vertical transition structure according to the present invention. The SIW-SIW vertical transition is a via wall positioned in an upper layer of two vertically adjacent layers and a lower layer under the upper layer, and a metal clad between the upper layer and the lower layer by being spaced a predetermined distance from the via wall. Including the slots formed in the upper layer and the lower layer, the frequency band to which energy is to be transmitted is transmitted between the upper layer and the lower layer by electrically connecting the upper layer and the lower layer.

도 50은 상기 도 49에 대한 파라미터를 나타내며, 상기 도 50에 도시된 바와 같이 슬롯의 길이, 너비 및 위치를 각각 Slot_L, Slot_W 및 Slot_O로 표시하였다. 본 발명의 실시예에서 Slot_L은 3㎜, Slot_W는 0.2㎜, Slot_O는 3.7㎜로 설정하였다. 슬롯의 위치(Slot_O)는 비아 벽으로부터 떨어져 있는 거리를 나타낸다.FIG. 50 shows the parameters for FIG. 49, and as shown in FIG. 50, the length, width, and position of the slot are indicated by Slot_L, Slot_W, and Slot_O, respectively. In the embodiment of the present invention, Slot_L is set to 3mm, Slot_W is set to 0.2mm, and Slot_O is set to 3.7mm. The location of the slot (Slot_O) represents the distance away from the via wall.

SIW-SIW 수직 트랜지션 구조의 슬롯의 길이(Slot_L), 너비(Slot_W) 및 위치(Slot_O)에 따라 슬롯을 통해 상층 레이어와 하층 레이어 간에 에너지를 전달하고 싶은 주파수 대역이 조정된다.According to the length (Slot_L), width (Slot_W), and position (Slot_O) of the slot of the SIW-SIW vertical transition structure, the frequency band in which energy is to be transferred between the upper layer and the lower layer through the slot is adjusted.

따라서, 상층 레이어와 하층 레이어 간에 에너지를 전달하고 싶은 목표 주파수 대역이 설정되면, 설정된 목표 주파수 대역에 따라 슬롯을 통해 에너지가 상층 레이어와 하층 레이어 간에 전달되도록, SIW-SIW 수직 트랜지션 구조의 슬롯의 길이(Slot_L), 너비(Slot_W) 및 위치(오프셋)(Slot_O)를 조정하면 된다.Therefore, when a target frequency band in which energy is to be transmitted between the upper layer and the lower layer is set, the length of the slot of the SIW-SIW vertical transition structure so that energy is transmitted between the upper layer and the lower layer through the slot according to the set target frequency band. Adjust (Slot_L), width (Slot_W) and position (offset) (Slot_O).

도 51은 상기 도 50에 따른 SIW 수직 트랜지션의 반사 손실 및 삽입 손실을 나타낸다.51 shows the return loss and insertion loss of the SIW vertical transition according to FIG. 50.

4.2. 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스4.2. 8×8 folded SIW Butler Matrix

소형화된 SIW 버틀러 매트릭스는 분리된 두 부분을 적층함으로써 구현될 수 있다. 도 52는 본 발명에서 제안하는 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸다. The miniaturized SIW Butler matrix can be implemented by stacking two separate parts. 52 shows the structure of an 8×8 folded SIW Butler matrix proposed in the present invention.

상기 도 52의 (a)에 도시된 바와 같이 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스(300)는 중심의 직각 커플러 위치를 두 부분으로 나누어 제1 부분(310)과 제2 부분(350)으로 분리한다.As shown in (a) of FIG. 52, the 8×8 folded SIW Butler matrix 300 divides the position of the right-angled coupler at the center into two parts and separates it into a first part 310 and a second part 350. .

그리고 상기 도 52의 (b)에 도시된 바와 같이 제1 부분(310)과 제2 부분(350)을 겹쳐서 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스(400)를 형성하는데, 이때 분리된 평면에는 비아 벽이 채워지고 상기에서 설명한 트랜지션이 적용된다. In addition, as shown in (b) of FIG. 52, the folded SIW Butler matrix 400 is formed by overlapping the first part 310 and the second part 350, wherein the separated plane is filled with a via wall. The transition described above is applied.

상기 도 52의 (c)에서 보는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 버틀러 매트릭스 급전 네트워크는 대칭이므로 SIW 구조도 대칭이 되도록 구성하였다.As shown in (c) of FIG. 52, since the Butler matrix feeding network proposed in the present invention is symmetric, the SIW structure is also configured to be symmetric.

본 발명에서 제시하는 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스는 하기 [표 8]에 제시된 반사 손실, 절연 및 위상 오류를 충족시킬 수 있도록 설계하였다.The 8×8 folded SIW Butler matrix presented in the present invention was designed to satisfy the return loss, insulation, and phase errors shown in Table 8 below.

Figure 112019130982164-pat00055
Figure 112019130982164-pat00055

도 53은 상기 도 52의 실시예에 따른 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 각 포트별 S-파라미터를 나타낸다.53 shows S-parameters for each port of the 8×8 folded SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 52.

상기 도 52의 실시예에 따른 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스에서 각 포트의 위상차 결과가 하기 [표 9]와 같이 나타났으며, 포트 4가 입력될 때 최대 위상 오류는 0.091λ이다.In the 8×8 folded SIW Butler matrix according to the embodiment of FIG. 52, the phase difference result of each port is shown in Table 9 below, and the maximum phase error is 0.091λ when port 4 is input.

Figure 112019130982164-pat00056
Figure 112019130982164-pat00056

4.3. 광대역을 위한 E 자형 패치 안테나4.3. E-shaped patch antenna for broadband

앞서 살펴본 마이크로스트립 패치 안테나는 좁은 대역을 가지고 모든 목표 주파수에 대하여 요건을 충족시키는 것은 아니므로, 단일층 설계에 따른 마이크로스트립 패치 안테나를 통해 광대역을 커버하기 어렵다. 그러나 PCB 레이어를 추가하여 이러한 문제를 향상시킬 수 있다.Since the microstrip patch antenna described above has a narrow band and does not satisfy the requirements for all target frequencies, it is difficult to cover a broadband through a microstrip patch antenna according to a single layer design. However, you can improve this problem by adding a PCB layer.

본 발명에서 제안하는 폴디드 버틀러 매트릭스 구조는 기본 버틀러 매트릭스 구조와 비교하여 다층 레이어 특성을 갖는다. 이러한 장점을 이용하여 본 발명에서 도 54에 도시된 E 자형 패치 안테나를 제안한다. The folded Butler matrix structure proposed in the present invention has a multi-layered characteristic compared to the basic Butler matrix structure. Using these advantages, the E-shaped patch antenna shown in FIG. 54 is proposed in the present invention.

하층 레이어(510)의 기판 상에는 SIW 전송 라인(520)과 SIW-마이크로스트립 트랜지션(530)이 형성되며, 상층 레이어(550)의 기판 상에는 E 자형 패치 안테나 패턴(560)이 형성된다.The SIW transmission line 520 and the SIW-microstrip transition 530 are formed on the substrate of the lower layer 510, and the E-shaped patch antenna pattern 560 is formed on the substrate of the upper layer 550.

E 형 패턴은 트랜지션으로부터 간접 커플링으로 급전이 이루어진다. 사용된 기판은 상기의 버틀러 매트릭스와 동일한 Rogers RT5880를 적용하였다. 하기 [표 10]은 광대역 안테나로서의 설계 목표를 나타내고, 하기 [표 11]은 본 발명에서 제안하는 E 자형 패치 안테나의 설계 파라미터를 나타낸다.The E-shaped pattern is fed by indirect coupling from the transition. As the substrate used, Rogers RT5880, which is the same as the above Butler matrix, was applied. [Table 10] below shows design targets for a broadband antenna, and [Table 11] shows design parameters of an E-shaped patch antenna proposed in the present invention.

Figure 112019130982164-pat00057
Figure 112019130982164-pat00057

Figure 112019130982164-pat00058
Figure 112019130982164-pat00058

도 55는 상기 도 54의 E 자형 패치 안테나의 반사 손실을 나타내며, 본 발명에 따른 패치 안테나는 반사 손실이 26.4GHz부터 29.1GHz까지의 대역에서 -10dB 미만을 만족하는 결과를 얻었다.FIG. 55 shows the return loss of the E-shaped patch antenna of FIG. 54, and in the patch antenna according to the present invention, a return loss of less than -10 dB was obtained in a band from 26.4 GHz to 29.1 GHz.

우수한 반사 손실뿐만 아니라 안테나 빔 균일도는 안테나 성능 평가의 중요한 특성인데, 도 56은 상기 도 54의 실시예에 따른 E 자형 패치 안테나의 원거리 방사 패턴을 나타낸다. 상기 도 54의 실시예에 따른 E 자형 패치 안테나에 대한 목표 주파수에 따른 방사 패턴 결과를 보면 모든 방사 패턴이 안테나 방사 패턴의 형성을 충족시키는 것을 알 수 있다.Excellent reflection loss as well as antenna beam uniformity are important characteristics of antenna performance evaluation. FIG. 56 shows a long-distance radiation pattern of the E-shaped patch antenna according to the embodiment of FIG. 54. Looking at the radiation pattern results according to the target frequency for the E-shaped patch antenna according to the embodiment of FIG. 54, it can be seen that all radiation patterns satisfy the formation of the antenna radiation pattern.

4.4. 방사 요소와 급전 네트워크의 합성4.4. Synthesis of radiating elements and feeding networks

도 57은 본 발명에 따른 E 자형 안테나와 합성된 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스를 나타내고, 도 58은 본 발명에 따른 E 자형 안테나와 합성된 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 구조를 나타낸다.FIG. 57 shows a folded SIW Butler matrix synthesized with an E-shaped antenna according to the present invention, and FIG. 58 shows a structure of an 8×8 folded SIW Butler matrix synthesized with an E-shaped antenna according to the present invention.

8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스의 구조를 살펴보면, 상기 도 57의 (a)는 전면 방향으로서, 상층 레이어 상에는 SIW 버틀러 매트릭스의 제1 부분(400a)과 패치 안테나(500a)가 형성되고, 상기 도 57의 (b)는 후면 방향으로서, 하층 레이어 상에는 SIW 버틀러 매트릭스의 제2 부분(400b)과 뒷면부로서 도시되지 않았으나 SIW 전송 라인과 SIW-마이크로스트립 트랜지션(500b)이 형성된다.Looking at the structure of the 8×8 folded SIW Butler matrix, (a) of FIG. 57 is a front direction, and a first part 400a and a patch antenna 500a of the SIW Butler matrix are formed on the upper layer. 57(b) is a rear direction, and a second part 400b and a rear part of the SIW Butler matrix are not shown on the lower layer, but the SIW transmission line and the SIW-microstrip transition 500b are formed.

상기 도 57의 실시예에서 안테나의 전체 길이 L_m2는 120㎜이고 너비는 72.9㎜로 형성되었다. 따라서 단층형 구조와 비교하여 폴디드 구조의 길이는 약 56 % 수준이다.In the embodiment of FIG. 57, the total length L_m2 of the antenna is 120 mm and the width is 72.9 mm. Therefore, compared to the single-layered structure, the length of the folded structure is about 56%.

도 59는 상기 도 57의 실시예에 대한 S-파라미터를 나타낸다.59 shows S-parameters for the embodiment of FIG. 57.

상기 도 59에서 볼 수 있듯이 동작 주파수 대역에서 반사 손실은 -15dB 미만이고 절연은 -10dB 미만으로 향상되었다.As shown in FIG. 59, in the operating frequency band, the return loss is less than -15dB and the insulation is improved to less than -10dB.

도 60은 상기 도 58의 실시예에 대한 3D 빔 패턴을 나타내며, 도 61은 상기 도 60에 대한 가장 낮은 주파수부터 가장 높은 주파수까지의 안테나 빔 패턴의 균일성을 나타낸다. 하기 [표 12]은 주파수별 각 포트에서의 안테나 게인을 나타낸다.FIG. 60 shows the 3D beam pattern for the embodiment of FIG. 58, and FIG. 61 shows the uniformity of the antenna beam pattern from the lowest frequency to the highest frequency for FIG. [Table 12] shows antenna gains at each port for each frequency.

Figure 112019130982164-pat00059
Figure 112019130982164-pat00059

상기 도 61에서 보는 바와 같이 상기 도 58의 실시예에 따른 안테나의 방사 패턴 균일성이 우수하게 나타났음을 알 수 있으며, 가장 낮은 주파수 26.5GHz에서 가장 높은 주파수 28.9GHz까지 안테나 빔이 변형되지 않은 결과를 얻었다.As shown in FIG. 61, it can be seen that the radiation pattern uniformity of the antenna according to the embodiment of FIG. 58 is excellent, and the antenna beam is not deformed from the lowest frequency of 26.5 GHz to the highest frequency of 28.9 GHz. Got it.

4.5. 안테나 구현과 성능 측정4.5. Antenna implementation and performance measurement

도 62는 본 발명에서 제안하는 바에 따라 제작한 8×8 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 구현예를 나타낸다.62 shows an implementation example of an 8×8 SIW Butler matrix beamforming antenna fabricated according to the present invention.

상기 도 62의 구현된 안테나는 전체 길이가 214mm이고 너비가 72.9mm이다. K- 커넥터는 측정을 위해 마이크로스트립 트랜지션에 연결된다.The implemented antenna of FIG. 62 has a total length of 214 mm and a width of 72.9 mm. The K-connector is connected to the microstrip transition for measurement.

도 63은 본 발명에서 제안하는 바에 따라 제작한 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 구현예를 나타낸다.63 shows an implementation example of an 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna fabricated according to the present invention.

상기 도 63의 구현된 안테나는 전체 길이가 120mm이고 너비가 72.9mm이다.The implemented antenna of FIG. 63 has a total length of 120 mm and a width of 72.9 mm.

상기 도 62와 도 63의 구현예는 PCB 기술을 적용하여 구현하였다.62 and 63 are implemented by applying PCB technology.

도 64는 상기 도 62의 구현예(좌측 안테나)와 상기 도 63의 구현예(가운데 안테나)에 대한 크기 대비를 나타낸다.FIG. 64 shows the size comparison between the implementation example of FIG. 62 (left antenna) and the implementation example of FIG. 63 (center antenna).

상기 도 64에서 볼 수 있듯이 상기 도 62의 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 직선 패턴은 휴대 전화 크기를 초과하지만 상기 도 63의 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 폴디드 구조는 휴대 전화보다 작게 제작될 수 있다.As shown in FIG. 64, the straight pattern of the Butler matrix beamforming antenna of FIG. 62 exceeds the size of the mobile phone, but the folded structure of the Butler matrix beamforming antenna of FIG. 63 may be made smaller than that of the mobile phone.

도 65는 상기 62의 구현예에 대한 S-파라미터 측정 결과를 나타내고, 도 66은 상기 도 62의 구현예에 대한 원거리 방사 패턴을 측정한 결과를 나타낸다. 하기 [표 13]는 상기 62의 구현예에 대한 게인 측정 결과를 나타낸다.65 shows a result of measuring the S-parameter for the embodiment of 62, and FIG. 66 shows the result of measuring a far-field radiation pattern for the embodiment of FIG. 62. Table 13 below shows the gain measurement results for the embodiment of 62.

Figure 112019130982164-pat00060
Figure 112019130982164-pat00060

상기 도 65에서 보는 바와 같이 직선 패턴 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 측정된 반사 손실은, 목표 주파수 대역에서 -10 dB 미만의 양호한 반사 손실을 나타내는 것을 알 수 있다. 상기 도 66에서 보는 바와 같이 측정된 원거리 방사 패턴은 각 대칭 입력 포트에서 결과가 유사하다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 65, it can be seen that the measured return loss of the linear pattern SIW Butler matrix beamforming antenna exhibits a good return loss of less than -10 dB in the target frequency band. As shown in FIG. 66, it can be seen that the measured far-field radiation patterns have similar results at each symmetric input port.

도 67은 상기 63의 구현예에 대한 S-파라미터 측정 결과를 나타내고, 도 68은 상기 도 63의 구현예에 대한 원거리 방사 패턴을 측정한 결과를 나타낸다. 하기 [표 14]는 상기 도 63의 구현예에 대한 안테나 게인 측정 결과를 나타낸다.67 shows the results of measuring the S-parameter for the embodiment of 63, and FIG. 68 shows the results of measuring the far-field radiation pattern for the embodiment of FIG. 63. Table 14 below shows the antenna gain measurement results for the embodiment of FIG. 63.

Figure 112019130982164-pat00061
Figure 112019130982164-pat00061

나아가서 도 69는 상기 도 63의 구현예에 대한 주파수별 원거리 방사 패턴을 측정한 결과이며, 하기 [표 15]은 주파수별 안테나 게인 측정 결과를 나타낸다.Further, FIG. 69 is a result of measuring a far-field radiation pattern for each frequency for the embodiment of FIG. 63, and Table 15 below shows the result of measuring an antenna gain for each frequency.

Figure 112019130982164-pat00062
Figure 112019130982164-pat00062

상기 도 69에서 볼 수 있듯이 본 발명에 따른 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나가 직선 구조에 비해 상대적으로 안테나 빔 균일성이 우수한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 69, it can be seen that the 8×8 folded SIW Butler matrix beamforming antenna according to the present invention has relatively superior antenna beam uniformity compared to the linear structure.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 5G 통신을 위한 로우 프로파일 빔 포밍 안테나 시스템을 제시한다. 안테나 빔은 8×8 버틀러 매트릭스 빔포밍 네트워크에 의해 8가지 방향으로 형성된다. 본 발명의 안테나는 기판 집적 도파관(SIW)을 기반으로 제작될 수 있다.As described above, the present invention proposes a low profile beamforming antenna system for 5G communication. The antenna beam is formed in 8 directions by an 8×8 Butler matrix beamforming network. The antenna of the present invention may be manufactured based on a substrate integrated waveguide (SIW).

SIW 구조는 RF 컴포넌트 설계에 장점이 있다. 기존 도파관에 비해 인쇄 회로 기판(PCB) 기술을 사용하여 제작될 수 있으며, 기존 도파관은 금형 기술을 사용하여 제작되었기 때문에 제작 비용이 많이 드는데 반해 본 발명에 따른 SIW 구조는 제작 비용이 저렴하고 무게가 가벼운 이점이 있다. 또한 마이크로스트립 구조에 비해 전기 손실이 적다.The SIW structure has an advantage in RF component design. Compared to conventional waveguides, it can be manufactured using a printed circuit board (PCB) technology, and since the existing waveguides are manufactured using mold technology, manufacturing costs are high, whereas the SIW structure according to the present invention has a low manufacturing cost and low weight. There is a light advantage. In addition, the electrical loss is less than that of the microstrip structure.

본 발명의 안테나는 필요한 구성 요소로서 직각 커플러, 크로스 오버 및 위상 쉬프터를 제시하고, 이러한 구성 요소를 결합하여 8 입력 및 8 출력을 갖는 버틀러 매트릭스를 제시한다. 8×8 버틀러 매트릭스가 제대로 작동하려면 특히 mmWave 영역에서 정교한 위상 조정이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 각 SIW 위상 쉬프터는 정교하게 최적화시켰다. 또한 위상 쉬프터의 면적을 최소화하며 곡선 패턴이 아닌 직선 패턴에서만 필요한 위상 시프트를 충족하도록 제안하였다.The antenna of the present invention presents a right angle coupler, a crossover, and a phase shifter as necessary components, and combines these components to present a Butler matrix having 8 inputs and 8 outputs. For the 8x8 Butler matrix to work properly, it requires precise phase adjustment, especially in the mmWave region. Therefore, in the present invention, each SIW phase shifter is precisely optimized. In addition, it is proposed to minimize the area of the phase shifter and satisfy the required phase shift only in a straight pattern, not a curved pattern.

일반적인 직선형 8×8 버틀러 매트릭스의 크기를 최소화하기 위해 본 발명에서는 폴디드 구조를 제시하며, 여기서 폴디드 구조는 SIW 수직 트랜지션을 사용하여 적용된다. SIW 수직 트랜지션은 폐쇄 금속 포스트 벽과 임피던스 매칭 슬롯으로 구성되어 상층 레이어와 하층 레이어를 연결한다. 이러한 처리 결과, SIW 구조 길이를 214㎜에서 120㎜로 44 % 감소시켰다.In order to minimize the size of a general linear 8×8 Butler matrix, the present invention proposes a folded structure, where the folded structure is applied using a SIW vertical transition. The SIW vertical transition consists of a closed metal post wall and an impedance matching slot connecting the upper and lower layers. As a result of this treatment, the length of the SIW structure was reduced by 44% from 214 mm to 120 mm.

또한 본 발명에서는 E 자형 패치 안테나를 적용함으로써, 크기 축소뿐만 아니라 좁은 대역을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나로부터의 격리 문제가 해결된다. E 자형 패치 안테나는 2.4GHz 이상에서 작동 주파수 대역이 더 넓다. 따라서 본 발명에서는 제안하는 구조는 26.5GHz부터 28.9GHz까지의 높은 안테나 빔 균일성을 갖는다.In addition, in the present invention, by applying the E-shaped patch antenna, not only the size reduction but also the isolation problem from the microstrip patch antenna having a narrow band is solved. The E-shaped patch antenna has a wider operating frequency band above 2.4GHz. Therefore, the structure proposed in the present invention has a high antenna beam uniformity from 26.5GHz to 28.9GHz.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

10, 20 : 금속 클래드,
30 : 금속 비아,
40 : 유전체 기판,
100 : SIW 버틀러 매트릭스,
110 : 입력포트,
120 : 출력포트,
130 : 직각 커플러,
140 : 67.5° SIW 위상 쉬프터,
150a, 150b : 45° SIW 위상 쉬프터,
160 : 22.5° SIW 위상 쉬프터,
170 : 추가 위상 쉬프터,
200 : 패치 안테나 어레이,
210 : 마이크로스트립-SIW 트랜지션,
250 : 마이크로스트립 패치 안테나,
300 : 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스,
310 : 제1 부분,
350 : 제2 부분,
400 : 8×8 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스,
400a : SIW 버틀러 매트릭스의 제1 부분,
400b : SIW 버틀러 매트릭스의 제2 부분,
500a : 패치 안테나,
500b : SIW-마이크로스트립 트랜지션,
510 : 하층 레이어,
520 : SIW 전송라인,
530 : SIW-마이크로스트립 트랜지션,
550 : 상층 레이어,
560 : E 자형 패치 안테나 패턴.
10, 20: metal clad,
30: metal via,
40: dielectric substrate,
100: SIW Butler Matrix,
110: input port,
120: output port,
130: right angle coupler,
140: 67.5° SIW phase shifter,
150a, 150b: 45° SIW phase shifter,
160: 22.5° SIW phase shifter,
170: additional phase shifter,
200: patch antenna array,
210: microstrip-SIW transition,
250: microstrip patch antenna,
300: 8×8 folded SIW Butler matrix,
310: the first part,
350: second part,
400: 8×8 folded SIW Butler matrix,
400a: the first part of the SIW Butler matrix,
400b: the second part of the SIW Butler matrix,
500a: patch antenna,
500b: SIW-microstrip transition,
510: lower layer,
520: SIW transmission line,
530: SIW-microstrip transition,
550: upper layer,
560: E-shaped patch antenna pattern.

Claims (9)

기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)을 기반으로 형성된, 직각 커플러(Quadrature Coupler), 크로스 오버(Cross over) 및 위상 쉬프터(Phase Shifter)를 포함하는 SIW 버틀러 매트릭스(Butler matrix)의 신호 전달 부분을 기준으로 적어도 2개 이상의 부분으로 분할되어 접힌 형태로 적층됨으로써 복수의 레이어로 구성된, 즉 신호흐름상의 요소기능을 세그먼트화하고 입력출력 포트 사이에서 지그재그 방식으로 쌓아 성능 유지, 크기 축소되는, 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스; 및
상기 SIW 버틀러 매트릭스의 일측 끝단의 출력 포트에 연결된 방사체를 포함하고,
상기 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스는,
상기 복수의 레이어 중 수직으로 인접한 2개의 레이어의 분리된 부분들을 광대역에서 임피던스 매칭과 출력간 위상관계 만족하는 슬롯으로써 전기적으로 결합하는 복수의 SIW-SIW 수직 트랜지션을 포함하며,
상기 SIW-SIW 수직 트랜지션은,
상기 복수의 레이어 중 수직으로 인접한 2개의 레이어 중 상층 레이어와 상기 상층 레이어의 하부에 있는 하층 레이어에 위치하는 비아 벽; 및
상기 비아 벽으로부터 소정 거리 이격되어 상기 상층 레이어와 상기 하층 레이어 간의 금속 클래드에 형성된 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The signal transmission part of the SIW Butler matrix including a quadrature coupler, a cross over, and a phase shifter, formed based on a substrate integrated waveguide (SIW). Folded SIW consisting of multiple layers by dividing into at least two or more parts and stacking them in a folded form, that is, segmenting the signal flow element functions and stacking them in a zigzag manner between input and output ports to maintain performance and reduce size. Butler Matrix; And
Including a radiator connected to an output port of one end of the SIW Butler matrix,
The folded SIW Butler matrix,
And a plurality of SIW-SIW vertical transitions electrically coupling separated portions of two vertically adjacent layers among the plurality of layers as slots satisfying a phase relationship between impedance matching and output in a broadband,
The SIW-SIW vertical transition,
A via wall positioned in an upper layer of two vertically adjacent layers among the plurality of layers and a lower layer below the upper layer; And
And a slot formed in a metal clad between the upper layer and the lower layer by being spaced a predetermined distance from the via wall.
제 1 항에 있어서,
상기 SIW 버틀러 매트릭스의 타측 끝단의 입력 포트에 형성되되,
마이크로웨이브 커넥터와의 접속을 위한 마이크로스트립-SIW 트랜지션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The method of claim 1,
It is formed in the input port of the other end of the SIW Butler matrix,
An area reduction beamforming antenna for 5G small terminals and repeaters using a structure-separated zigzag stacking technique, further comprising a microstrip-SIW transition for connection with a microwave connector.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 SIW 버틀러 매트릭스는,
8×8 SIW 버틀러 매트릭스인 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The method of claim 1,
The SIW Butler matrix,
An area-reduced beamforming antenna for 5G small terminals and repeaters using a structure-separated zigzag stacking technique, which is an 8×8 SIW Butler matrix.
제 1 항에 있어서,
상기 방사체는 마이크로스트립 패치 안테나를 포함하고,
상기 마이크로스트립 패치 안테나는,
상기 복수의 레이어 중 최상층 레이어에 형성된 변형 E 자형 패치 안테나 패턴; 및
상기 복수의 레이어중 최하층 레이어에 형성되어 SIW 전송라인에 연결된 SIW-마이크로스트립 트랜지션을 포함하며,
상기 변형 E 자형 패치 안테나 패턴은 상기 SIW-마이크로스트립 트랜지션을 통한 간접 커플링으로 급전되는 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The method of claim 1,
The radiator includes a microstrip patch antenna,
The microstrip patch antenna,
A modified E-shaped patch antenna pattern formed on an uppermost layer of the plurality of layers; And
And a SIW-microstrip transition formed on a lowermost layer among the plurality of layers and connected to the SIW transmission line,
The modified E-shaped patch antenna pattern is fed by indirect coupling through the SIW-microstrip transition.
제 2 항에 있어서,
상기 마이크로스트립-SIW 트랜지션은,
테이퍼형 마이크로스트립 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The method of claim 2,
The microstrip-SIW transition,
An area-reduced beamforming antenna for 5G small terminals and repeaters using a structure-separated zigzag stacking technique, comprising a tapered microstrip line.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 위상 쉬프터는,
67.5° 위상 쉬프터, 22.5° 위상 쉬프터 및 45° 위상 쉬프터를 포함하며,
상기 위상 쉬프터는 타임 어드밴스 시프트(time advance shift)하는 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The method of claim 1,
The phase shifter,
Including 67.5° phase shifter, 22.5° phase shifter and 45° phase shifter,
The phase shifter is a reduced-area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure-separated zigzag stacking technique, characterized in that the phase shifter performs a time advance shift.
기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)을 기반으로 형성된, 직각 커플러(Quadrature Coupler), 크로스 오버(Cross over) 및 위상 쉬프터(Phase Shifter)를 포함하는 SIW 버틀러 매트릭스(Butler matrix)의 신호 전달 부분을 기준으로 적어도 2개 이상의 부분으로 분할되어 접힌 형태로 적층됨으로써 복수의 레이어로 구성된, 즉 신호흐름상의 요소기능을 세그먼트화하고 입력출력 포트 사이에서 지그재그 방식으로 쌓아 성능 유지, 크기 축소되는, 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스; 및
상기 SIW 버틀러 매트릭스의 일측 끝단의 출력 포트에 연결된 방사체를 포함하며,
상기 폴디드 SIW 버틀러 매트릭스는 상기 SIW 버틀러 매트릭스의 중단을 기준으로 분리되어 겹쳐짐으로써 상층 레이어와 하층 레이어로 구성되고,
상기 SIW 버틀러 매트릭스는, 상기 직각 커플러 위치를 두 부분으로 나누어서 중단을 기준으로 분리된 것을 특징으로 하는 구조 분리 지그재그 적층 기법에 의한 5G 소형 단말기 및 중계기용 면적 축소 빔 포밍 안테나.
The signal transmission part of the SIW Butler matrix including a quadrature coupler, a cross over, and a phase shifter, formed based on a substrate integrated waveguide (SIW). Folded SIW consisting of multiple layers by dividing into at least two or more parts and stacking them in a folded form, that is, segmenting the signal flow element functions and stacking them in a zigzag manner between input and output ports to maintain performance and reduce size. Butler Matrix; And
And a radiator connected to an output port of one end of the SIW Butler matrix,
The folded SIW Butler matrix consists of an upper layer and a lower layer by being separated and overlapped based on the interruption of the SIW Butler matrix,
The SIW Butler matrix is a reduced area beamforming antenna for a 5G small terminal and a repeater using a structure-separated zigzag stacking technique, characterized in that the position of the right-angle coupler is divided into two parts and separated based on an interruption.
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