Design of a Millimeter-Wave Sequential Fed Patch Array Antenna for 5G Mobile Communication

Lee, Moon-Hee; Lee, Joo-Ho; Son, Taeho

doi:10.5515/KJKIEES.2020.31.9.827

J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci. 2020; 31(9):827-830

pISSN: 1226-3133, eISSN: 2288-226X

DOI: https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2020.31.9.827

단편논문/SHORT PAPER

5G 이동통신용 시퀀셜 급전 밀리미터파 패치 배열안테나 설계

이문희^*^,^**

, 이주호^*

, 손태호^*^,^†

Design of a Millimeter-Wave Sequential Fed Patch Array Antenna for 5G Mobile Communication

Moon-Hee Lee^*^,^**

, Joo-Ho Lee^*

, Taeho Son^*^,^†

Author Information & Copyright ▼

^*순천향대학교 정보통신공학과

^**한국천문연구원

^*Department of Information and Communication, Soonchunhyang University

^**Korea Astronomy and Space Science Institute

^†Corresponding Author: Taeho Son (e-mail: thson@sch.ac.kr)

© Copyright 2019 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Jul 17, 2020; Revised: Aug 24, 2020; Accepted: Sep 26, 2020

Published Online: Sep 30, 2020

요약

본 논문에서는 28 GHz 대역 5G 이동통신 소형 기지국용 8×8 패치 배열안테나를 설계하고, 이를 제작하였다. 축비대역폭이 넓은 우회전원편파(RHCP)특성을 얻기 위하여 2×2 기본 배열소자에 시퀀셜 급전하였다. PTFE 기판에 제작한 안테나를 측정한 결과, 반사계수 −10 dB 기준으로 2.02 GHz(7.25 %BW) 주파수대역폭을 가진다. 측정 축비는 0도에서 2.71 dB의 특성을, 축비대역폭은 3 dB 기준으로 1.18 GHz(4.24 %BW)의 대역폭을 보였다. 안테나의 이득은 중심주파수 28 GHz에서 15.9 dBic(x-z면), 15.06 dBic(y-z면)로 측정되었다.

Abstract

In this study, an 8×8 patch array antenna for a 28-GHz-band 5G mobile communication small base station was designed and implemented. To increase the right-hand circular polarization axial ratio(AR) bandwidth, a 2×2 subarray element was set to a sequential feed. Measurement results for the implemented antenna on a polytetrafluoroethylene substrate show a frequency bandwidth of 2.02 GHz(7.246 %BW) based on a reflection coefficient of −10 dB. The measured AR at 0° was 2.71 dB, while the 3-dB AR bandwidth was 1.18 GHz(4.24 %BW). The gains of the antenna were measured to be 15.9 dBic(x-z plane) and 15.06 dBic(y-z plane) at a center frequency of 28 GHz.

Keywords: Sequential Feeding; Array Antenna; 5G Communication; Millimeter Wave; Circular Polarization

Ⅰ. 서 론

현재 5G 이동통신에서는 빠른 전송 속도와 신호 처리를 위해서 28 GHz 밀리미터파 대역에 대한 연구가 활발히 진행되어 조만간 적용될 것으로 예상되고 있다. 5G 밀리미터파 이동통신은 원편파를 사용한다. 원편파를 위한 안테나 중 truncated, slot, stub 등을 이용한 일반적인 마이크로스트립 패치안테나는 주파수대역폭 및 축비대역폭 모두 좁다^[1],[2]. 이들의 패치 배열안테나를 설계할 경우 통신대역폭을 만족하지 못하게 된다. 따라서 대역폭을 넓히기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다^[3]～[7].

본 논문에서는 정사각형 패치에 시퀀셜 급전으로 5G 밀리미터파 이동통신 대역인 27.5∼28.5 GHz에서 동작하는 8×8 배열안테나를 설계하고 이를 구현한다. 제안한 안테나는 2×2 배열안테나를 기본 소자로 구성한다. 기본소자 각 패치의 위상차가 90도 나도록 같은 크기로 급전하고, 이들 소자를 4개씩 균일 급전한다^[8],[9]. 제작을 위해 PTFE 기판을 사용한다. 설계 및 이론적 결과를 위한 시뮬레이션 툴은 HFSS를 이용하고, 제작된 안테나의 측정은 Agilent사 네트워크 분석기 E8363B와 전자파기술원의 ORBIT사 전자파 무반사실에서 측정한다.

Ⅱ. 안테나 설계

제안한 안테나는 2×2배열을 기본 구조로 놓고 마이크로스트립 급전 선로의 위치를 90°씩 차이를 두어 4개의 패치 안테나가 각각 다른 위상을 가지도록 하고, RHCP로 동작하도록 하였다. 원형편파를 발생을 돕기 위해서 기판에서 안테나의 위치상 높이를 조금 차이를 두어 구조상 원형 편파가 발생되도록 유도하였다^[8]. 이러한 2×2배열 기본구조를 나열하여 8×8 배열구조로 하였다. 기판의 중앙에서 급전하여 각각의 안테나로 균일 분배를 하였다. 그림 1은 제안한 안테나의 전체적인 모습이다. 안테나의 전체크기는 100 mm(가로) × 100 mm(세로)로 비유전율 2.08, 두께 1 mm이고 손실탄젠트 0.0009의 PTFE 기판을 사용하였다. 안테나 급전은 기판의 후면 중앙 위치에 SMA 커넥터를 장착하여 전면으로 급전되도록 하였다.

그림 1. | Fig. 1. 제안한 배열안테나 | Proposed array antenna.

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그림 2는 2×2 기본소자 배열안테나를 나타낸 상세도이다. 선로의 길이와 폭은 중심주파수인 28 GHz에 맞추어 설정하였다. 그림에서 보듯이 각각의 안테나에 대한 급전 위치가 90°씩 차이가 나게 하며, 급전선의 길이를 1/4파장씩 늘리고 있다. A-F, B-C의 선로 임피던스는 100 Ω이며, A-B, C-D의 선로 임피던스는 150 Ω이다. D-E는 패치안테나와의 정합을 위해서 선로 임피던스를 170 Ω으로 하였다.각 구간의 선로 길이는 그림 2에 나타내었다. 패치안테나는 시퀀셜 급전 회로에 장착되어 28 GHz 대역에서 동작하도록 3.65 mm(가로) × 3.65 mm(세로) 크기의 정사각형 형태로 하였다. 안테나 사이의 간격은 1 파장이다.

그림 2. | Fig. 2. 배열안테나 상세도 | Detailed view of array antenna.

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배열안테나의 급전은 기판의 중앙에서 시작하여 균등하게 급전되도록 좌우를 대칭으로 설계하였다. 각각의 선로는 2×2 배열안테나에서 사용되었던 임피던스와 같이 100 Ω와 150 Ω을 이용하여 분배하였다. 기판 중앙에서 급전하여 2×2 배열안테나까지의 16개의 선로 끝지점까지 균일하게 급전이 되도록 하였다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 측정

그림 3은 시뮬레이션 설계를 바탕으로 제작한 안테나 사진이다. 제작은 Taconic사의 PTFE 기판을 사용하였다. 기판의 중앙에 급전을 위해서 후면에 SMA 커넥터를 장착하였다. 안테나는 두께 5mm인 AL 케이스에 장착되어 있다.

그림 3. | Fig. 3. 제작된 배열안테나 사진 | Photograph of the implemented array antenna.

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그림 4는 제안 안테나의 시뮬레이션과 측정한 반사손실 결과를 비교한 그림이다. 측정은 Agilent사의 네트워크 분석기를 이용하였다. 그리고 시뮬레이션과 달리 실제 측 정에서는 안테나의 고정을 위하여 알루미늄 재질의 케이스에 장착하였다. 측정 결과는 목표 대역인 27.5～28.5 GHz에서 반사손실이 −10 dB 이하로 전체적으로 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과가 유사하게 나타나고 있다.

그림 4. | Fig. 4. 배열안테나의 반사손실 결과 | Return loss result of array antenna.

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그림 5는 대역의 중심 주파수인 28 GHz에서의 방사패턴 측정 결과를 나타낸 것이다. x-z 면에 대한 RHCP 이득은 시뮬레이션 및 측정 시 각각 15.81 dBic 및 15.9 dBic이었다. y-z 면의 경우는 각각 14.29 dBic 및 15.06 dBic의 시뮬레이션 및 측정 이득이 나타났다. 알루미늄 케이스 장착으로 인해 접지 조건이 향상되어 약간의 차이가 있지만 측정결과는 시뮬레이션과 대체로 잘 맞는 결과를 보이고 있다.

그림 5. | Fig. 5. 안테나의 방사패턴 | Radiation patterns of antenna.

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그림 6은 중심 주파수인 28 GHz에서 안테나의 축비 결과이다. 0°에서의 시뮬레이션 및 측정 축비는 각각 2.41dB와 2.71dB로서 3dB이하의 특성을 만족하고 있다. 그림 7은 시뮬레이션을 통해 얻은 축비대역폭 결과를 나타낸 것으로 27.4～28.58 GHz에서 3 dB 이하로써 설계대역을 포함하고 있다.

그림 6. | Fig. 6. 배열안테나의 축비 결과(28 GHz) | Axial ratio of array antenna(28 GHz).

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그림 7. | Fig. 7. 배열안테나의 주파수별 축비 결과 | Axial ratio of array antenna depend on the frequency.

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 8×8 배열안테나를 이용한 5G 통신 소형 기지국용 안테나를 설계하고 이를 구현하였다. 안테나는 2×2 시퀀셜 급전 안테나를 기본 소자로 하여 8×8 배열안테나가 되도록 하였다. 기판을 포함한 안테나의 전체크기는 100 mm(가로) × 100 mm(세로)이며, 사용된 기판은 두께 1mm, 비유전율 2.08, 손실탄젠트 0.0009인 PTFE 기판을 사용하였다. 측정결과, 주파수대역폭으로는 반사계수 −10 dB 기준으로 26.6～28.62 GHz로 2.02 GHz, 축비대역폭으로는 3 dB 기준으로 27.4～28.58 GHz로 1.18 GHz의 넓은 대역특성을 보였다. RHCP 이득은 중심주파수 28 GHz에서 15.9(x-z면) dBic 및 15.06 dBic(y-z면)로 측정되었다.

Acknowledgements

이 연구는 순천향대학교 학술연구비의 지원으로 수행하였음.

REFERENCES

[1].

K. L. Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, New York, NY, John Wiley & Sons, 2002.

[2].

G. Kumar, K. Ray, Broadband Microstrip Antennas, Boston, MA, Artech House, 2003.

[3].

J. S. Yoo, H. Jo, H. Cho, and J. Yu, “Compact meander slot magnetic dipole antenna for wide-angle scanning,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 30, no. 10, pp. 799-802, Oct. 2019.

[4].

C. K. Park, K. S. Min, “Broadband dual polarization dipole antenna with feeding structure of PCB coupling,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 28, no. 3, pp. 163-169, Mar. 2017.

[5].

H. Xia, T. Zhang, L. Li, and F. Zheng, “A low-cost dual-polarized 28 GHz phased array antenna for 5G communications,” in 2018 International Workshop on Antenna Technology(iWAT), Nanjing, 2018, pp. 1-4.

[6].

M. H. Dahri, M. H. Jamaluddin, M. Khalily, M. I. Abbasi, R. Selvaraju, and M. R. Kamarudin, “Polarization diversity and adaptive beam steering for 5G reflect arrays: A review,” IEEE Access, vol. 6, pp. 19451-19464, 2018.

[7].

K. Klionovski, A. Shamim, and M. S. Sharawi, “5G antenna array with wide-angle beam steering and dual linear polarizations,” in 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, pp. 1469-1470, 2017.

[8].

J. Huang, “A Ka-band circularly polarized high-gain microstrip array antenna,” IEEE Transactions on Antenna and Propagation, vol. 43, no. 1, pp. 113-116, Jan. 1995.

[9].

S. K. Lin, Y. C. Lin, “A compact sequential-phase feed using uniform transmission lines for circularly polarized sequential-rotation arrays,” IEEE Transactions on Antenna and Propagation, vol. 59, no. 7, pp. 2721-2724, Jul. 2011.