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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최재훈
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수8
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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이동통신기술의 발달에 의한 다양한 통신 서비스의 출현과 이에 따른 다양한 사용자의 요구사항을 충족시키기 위해, 고속의 멀티미디어 데이터 통신이 가능한 새로운 네트워크 환경에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 국내외에서는 초광대역의 주파수 대역폭 확보가 가능한 밀리미터파 기반의 5세대 이동통신에 대한 연구를 2019년 상용화를 목표로 현재 진행하고 있다.
차세대 이동통신에서는 주파수가 높아지고, 밀리미터 대역으로 올라감에 따라, 해결해야 하는 많은 문제들이 발생하게 된다. 안테나 관점에서는 안테나의 유효방사면적이 작아지고, 자유공간상의 송수신단 사이 손실이 커짐에 따라 배열 안테나를 이용한 빔포밍 기술이 요구되고 있다. 버틀러 매트릭스와 같은 스위칭 빔포밍 방식은 미리 정해진 빔을 선택하여 사용하는 구조로써, 다양한 빔형성이 어렵고, 부엽레벨 제어가 불가능 하다. 하지만, 위상배열 기반 빔포밍 방식에 비해 구성이 간단하고, 비용이 저렴하며, 시스템의 이해가 비교적 쉽기 때문에, 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
본 논문에서는 광대역 버틀러 매트릭스와 위상천이기를 이용한 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템을 제안하고, 이를 설계 및 측정하였다. 4×4 버틀러 매트릭스를 이용하면, 4개의 제한된 빔패턴을 제공하게 되므로, 좀 더 다양한 빔형성과 고이득을 위해서는 8×8 버틀러 매트릭스가 요구된다. 그러나 8×8 버틀러 매트릭스 설계에서 크로스오버 구조가 매우 복잡해짐에 따라, 비아홀을 통해 양면 패턴으로 구현해야한다. 양면 패턴구조는 시스템 기구와의 연결에 어려움이 있고, 비아홀 개수의 증가는 전송선로의 손실로 이어지며, 이러한 손실문제는 주파수가 높아질수록 더욱 심각해지게 된다.
이러한 단점을 극복하고자, 본 논문에서 제안한 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템은 비아홀 손실로 인한 성능 열화를 최소화하기 위해 단면 패턴으로 구조를 단순화하였다. 또한, 두 개의 위상천이기를 추가함으로써, 다양한 빔패턴을 제공할 수 있도록 설계 하였다. 이 시스템의 성능을 검증하기 위해, 5.8 GHz대역에서 시스템을 설계하였고, 대표적인 16개의 방사패턴을 위한 입력조합을 선정하여, 모의실험과 측정치를 비교하였다. 이를 통해, 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있었으며, 측정결과로써 ?50°~ +52°의 빔조향 각도에서 10 dBi 이상의 방사이득을 얻을 수 있었다.
또한, 이 시스템에 사용하기 위해 5.8 GHz대역에서 동작하며, 이중편파를 갖는 이중급전 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 일반적인 패치 안테나에 비해 36 % 넓어진 10 dB 대역폭을 가지며, 격리도 특성이 5.2 dB 향상되었음을 측정을 통해 확인하였다.
차세대 이동통신에서는 주파수가 높아지고, 밀리미터 대역으로 올라감에 따라, 해결해야 하는 많은 문제들이 발생하게 된다. 안테나 관점에서는 안테나의 유효방사면적이 작아지고, 자유공간상의 송수신단 사이 손실이 커짐에 따라 배열 안테나를 이용한 빔포밍 기술이 요구되고 있다. 버틀러 매트릭스와 같은 스위칭 빔포밍 방식은 미리 정해진 빔을 선택하여 사용하는 구조로써, 다양한 빔형성이 어렵고, 부엽레벨 제어가 불가능 하다. 하지만, 위상배열 기반 빔포밍 방식에 비해 구성이 간단하고, 비용이 저렴하며, 시스템의 이해가 비교적 쉽기 때문에, 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
본 논문에서는 광대역 버틀러 매트릭스와 위상천이기를 이용한 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템을 제안하고, 이를 설계 및 측정하였다. 4×4 버틀러 매트릭스를 이용하면, 4개의 제한된 빔패턴을 제공하게 되므로, 좀 더 다양한 빔형성과 고이득을 위해서는 8×8 버틀러 매트릭스가 요구된다. 그러나 8×8 버틀러 매트릭스 설계에서 크로스오버 구조가 매우 복잡해짐에 따라, 비아홀을 통해 양면 패턴으로 구현해야한다. 양면 패턴구조는 시스템 기구와의 연결에 어려움이 있고, 비아홀 개수의 증가는 전송선로의 손실로 이어지며, 이러한 손실문제는 주파수가 높아질수록 더욱 심각해지게 된다.
이러한 단점을 극복하고자, 본 논문에서 제안한 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템은 비아홀 손실로 인한 성능 열화를 최소화하기 위해 단면 패턴으로 구조를 단순화하였다. 또한, 두 개의 위상천이기를 추가함으로써, 다양한 빔패턴을 제공할 수 있도록 설계 하였다. 이 시스템의 성능을 검증하기 위해, 5.8 GHz대역에서 시스템을 설계하였고, 대표적인 16개의 방사패턴을 위한 입력조합을 선정하여, 모의실험과 측정치를 비교하였다. 이를 통해, 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있었으며, 측정결과로써 ?50°~ +52°의 빔조향 각도에서 10 dBi 이상의 방사이득을 얻을 수 있었다.
또한, 이 시스템에 사용하기 위해 5.8 GHz대역에서 동작하며, 이중편파를 갖는 이중급전 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 일반적인 패치 안테나에 비해 36 % 넓어진 10 dB 대역폭을 가지며, 격리도 특성이 5.2 dB 향상되었음을 측정을 통해 확인하였다.
목차
국 문 요 약 iABSTRACT iii목 차 v그림목차 vii표 목차 xi약어 및 약어 해설 xii제 1 장 서 론 11.1 연구의 필요성 11.2 연구의 목표 71.3 논문의 구성 8제 2 장 이론적 배경 102.1 버틀러 매트릭스 102.1.1 버틀러 매트릭스 이론 102.1.2 하이브리드 버틀러 매트릭스 142.2 전송선로 및 전력분배기 212.2.1 마이크로스트립 전송선로 212.2.2 하이브리드 커플러 242.2.3 전력분배기(Wilkinson divider) 272.3 패치 안테나 312.3.1 기본 구조 312.3.2 급전 방식 342.3.3 패치 안테나의 방사패턴 382.4 배열 안테나 43제 3 장 설계 및 구현 483.1 지연 선로 및 전력 분배기 483.1.1 지연선로 483.1.2 3 dB 커플러 543.1.3 0 dB Crossover coupler 593.1.4 Directional Coupler 643.1.5 Power divider 663.2 마이크로스트립 패치 안테나 683.2.1 일반적인 마이크로 스트립 패치 안테나 설계 683.2.2 이중급전 마이크로스트립 패치 안테나 설계 733.3 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템 803.3.1 버틀러 매트릭스 설계 및 성능분석 803.3.2 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템 설계 및 성능분석 92제 4 장 결론 105참고 문헌 107
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