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표제지

목차

논문요약 11

제1장 서론 12

1. 연구목적 12

제2장 관련 연구 13

2.1. Phased array 기반 빔포밍 기술 13

A. 아날로그 빔포밍 방식 14

B. 디지털 빔포밍 방식 15

C. 하이브리드 빔포밍 방식 16

2.2. 위상 변위기 구현 방식 18

A. Switched-line 위상 변위기 18

B. 부하 선로형(load-line) 위상 변위기 19

C. I/Q Vector modulation 위상 변위기 20

D. 반사형(Reflective load) 위상 변위기 21

2.3. 버틀러 매트릭스를 활용한 빔포밍 안테나 시스템 22

A. Switched 빔포밍 안테나 시스템 22

B. 4x4 버틀러 매트릭스 구조 23

제3장 광대역 버틀러 매트릭스 소형 설계 24

3.1. PCB 스택 업 및 주요 신호 정보 24

3.2. 3 dB Broad-side 커플러 및 Cross-over 회로 설계 26

3.3. 4x4 버틀러 매트릭스의 구현 30

3.4. 송수신 패치 안테나 설계 33

A. 송신용 패치 안테나 설계 33

B. 수신용 패치 안테나 설계 35

제4장 측정 결과 37

4.1. 반사 손실 및 삽입 손실 측정 결과 37

4.2. 출력 포트 별 위상 차 측정 결과 39

4.3. 버틀러 매트릭스 안테나 측정 시험 결과 41

제5장 결론 46

참고 문헌 47

ABSTRACT 49

표목차

표 3-1. PCB 층수 별 상세 신호 정보 25

표 4-1. 4x4 버틀러 매트릭스 포트 별 위상 차 평균 값 40

표 4-2. 포트별 빔 조향 각도 측정 결과 44

표 4-3. 이전 관련 연구 결과들과 비교 45

그림목차

그림 2-1. 다양한 종류의 빔포밍 구성도 17

그림 2-2. Switched-line 위상 변위기 18

그림 2-3. 부하 선로형(load line) 위상 변위기 19

그림 2-4. I/Q Vector modulation 위상 변위기 20

그림 2-5. 반사형(Reflective load)방식 위상 변위기 21

그림 2-6. Switched 기반 빔포밍 안테나 시스템 22

그림 2-7. 4x4 버틀러 매트릭스 23

그림 3-1. PCB 4층 기판 스택 업(Stack-up) 상세 정보 24

그림 3-2. Stub length Sweep 위상 차 결과 27

그림 3-3. Stub location Sweep 위상 차 결과 27

그림 3-4. 3 dB Broad-side 커플러 레이아웃 28

그림 3-5. 3 dB Broad-side 커플러 S-파라미터 결과 29

그림 3-6. 4x4 버틀러 매트릭스 레이아웃 정보 31

그림 3-7. 제작된 4x4 버틀러 매트릭스 외관 32

그림 3-8. E-shape 송신용 패치 안테나 레이아웃 34

그림 3-9. 제작된 E-shape 송신용 패치 안테나 외관 사진 34

그림 3-10. E-shape 수신용 패치 안테나 레이아웃 35

그림 3-11. 제작된 E-shape 수신용 패치 안테나 외관 사진 36

그림 4-1. 4x4 버틀러 매트릭스 입출력 반사 손실 측정 결과 38

그림 4-2. 4x4 버틀러 매트릭스 입출력 삽입 손실 측정 결과 38

그림 4-3. 4x4 버틀러 매트릭스 위상 차 측정 결과 39

그림 4-4. 빔 조향 각도 및 위상 차이 값 41

그림 4-5. 버틀러 매트릭스와 송신용 안테나 사진 42

그림 4-6. 주파수별 안테나 배열 빔 패턴 실측 결과 및 모의실험 결과 43

초록보기

 본 논문에서는 5G NR(3~4.5 GHz)에서 광대역 성능을 가진 4x4 버틀러 매트릭스의 소형화 설계를 제안하였다. 광대역 특성을 위해 기존 커플러 구조를 Broad-side 형태로 구현하기 위한 최적의 파라미터를 도출하였고, 소형화를 위해 FR-4 4층 기판구조에서 Strip line으로 주요 회로를 구현하였다. 측정 결과 3~4.5 GHz 범위 내에서 평균 구현 손실(Implementation loss)은 -1.5 dB, 반사 손실은 15 dB 이상으로 측정되었고, 인접 출력 포트의 평균 위상 차 성능의 경우 이상적인 값 대비 최대 ±3° 수준의 오차를 확인하였다. 안테나를 실장 후 측정한 빔 조향 성능의 경우 계산 값 대비 ± 2.5° 미만의 오차를 가지며 10.29 ± 1°, -32.41 ± 1.5°, 32.41° ± 1.1°, -10.29 ± 2.5°로 측정되었다. 제작된 버틀러 매트릭스의 크기는 40x38.6x1.2 ㎣이며 동일 주파수를 사용하는 기존 버틀러 매트릭스 대비 30% 수준의 크기 감소와 2.54배 수준의 대역폭 개선을 이루었다. Ansys HFSS Tool을 활용해 시뮬레이션을 진행하였고 실측과 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 설계된 버틀러 매트릭스는 5G NR 광대역 빔포밍 시스템 소형화에 활용될 수 있을 것이다.

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