3차원 빔포밍을 위한 입체형 Rotman 렌즈 배열 안테나 연구 = Study on Volumetric Rotman Lens Array Antenna for Three-Dimensional Beamforming

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As increasing the demand for frequency resources rapidly, the development of 5G mobile communication services is being promoted in worldwide. The disadvantage of millimeter band is that the coverage area is reduced due to shorter a wavelength than bands for LTE and 5G NR FR1. Femtocell communication technology managed cells as small as femto size and has advantages such as low power, ultra-low cost, and ultra-small. This paper propose the three-dimensional beamforming antenna for millimeter repeater or Femtocell. Rotman lens is designed for three-dimensional beamforming. Three-dimensional beamforming system wasis desinged by two method of using Rotman lens. One is to integate two differnet Rotman lens, the others is to design of volumetric Rotman lens. Especially, to design a volumetric Rotman lens is extended from previous Rotman lens, and It must be to propose a new fomular for design volumetric Rotman lens. First, two-stage Rotman lens with 3x3 and 3x10 Rotman lens is combineded for three-dimensional beamforming at 28 GHz. And RF switch and power supply was equipmented in order to control a beam. The different between nine beams of the fabricated system was measured. As a results, The nine beams was formed with from –20 to +20 angle, it can verify to implement three-dimensional beamforming. Second, a volumetric Rotman lens antenna operating at 28 GHz is proposed with new design formula. The six rectangular blocks are assembled using a metallic bolt. The input port consists of a waveguide, and the output port is made of an open-ended waveguide likes slot-aperture array antenna. The input and output waveguides are drilled in a flat conducting plate. The input and output port positions are optimised. Simulated and measured results show that the radiating beam is controlled almost exactly as calculated. Compared with the previous two-stage stacked Rotman lens antenna, the proposed Rotman lens antenna can dramatically decrease the antenna volume by approximately 75%.

국문 초록 (Abstract)

주파수 자원에 대한 수요가 급격히 증가하여, 전 세계적으로 5G 이동 통신 서비스의 개발이 촉진되고 있다. 밀리미터 대역의 단점은 파장이 상대적으로 짧아 LTE 및 5G NR FR1용 대역보다 통신 커버리지 영역이 감소하는 것이다. 펨토셀 통신 기술은 펨토 크기만큼 작은 셀을 운영하며 저전력, 초저비용, 초소형 등의 장점이 있다. 본 논문에서는 밀리미터 중계기 또는 펨토셀을 위한 3차원 빔포밍 안테나를 제안했다. 3차원 빔포밍을 위해 Rotman 렌즈를 설계했다. 3차원 빔포밍 시스템은 Rotman 렌즈를 두 가지 방법으로 설계했다. 하나는 두 개의 서로 다른 Rotman 렌즈를 통합하는 것이고, 다른 하나는 입체형 Rotman 렌즈를 설계하는 것이다. 특히 입체형 Rotman 렌즈를 디자인하기 위해서는 기존의 Rotman 렌즈보다 확장된 것으로, 입체형 Rotman 렌즈를 설계하기 위한 새로운 공식이 제안되어야 한다. 첫째, 28GHz에서 3차원 빔포밍을 위하여 3x3 및 3x10 Rotman 렌즈가 포함된 2단 Rotman 렌즈를 결합한다. 그리고 빔을 제어하기 위해 RF 스위치와 전원 공급 장치가 장착하였다. 제작된 시스템의 다른 9개 빔포밍을 측정하였다. 그 결과, 9개의 빔이 –20 ~ +20 각도로 빔포밍되었으며, 3차원 빔포밍 구현을 검증할 수 있었다. 둘째, 28GHz에서 작동하는 입체형 Rotman 렌즈 안테나를 새로운 설계 공식과 함께 제안한다. 6개의 직사각형 블록은 금속 볼트를 사용하여 조립한다. 입력 포트는 도파관으로 구성되며 출력 포트는 슬롯 개구면 배열 안테나와 같은 개방형 도파관으로 구성된다. 입력 및 출력 도파관은 평평한 금속판에 홀 가공하였다. 그리고, 입력 및 출력 포트 위치를 최적화하였다. 시뮬레이션 및 측정 결과는 방사 빔이 계산된 것과 유사하게 제어된다는 것을 보여준다. 이전의 2단 적층형 Rotman 렌즈 안테나와 비교하여, 제안된 Rotman 렌즈 안테나의 체적을 약 75%까지 극적으로 축소할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 3차원 빔포밍을 위한 기술 9
• 제1절 빔포밍(Beamforming) 개요 9
• 1. 안테나 이론 9
• 가. 위상 배열 안테나 9
• 나. 빔포밍 안테나 11
• 2. 빔포밍 구현 방법 분류 13
• 가. 아날로그 빔포밍(Analog beamforming) 13
• 나. 디지털 빔포밍(Digital beamforming) 14
• 다. 하이브리드 빔포밍(Hybrid beamforming) 16
• 제2절 Rotman 렌즈 17
• 1. Rotman 렌즈 원리 18
• 2. Rotman 렌즈 설계 방법 20
• 3. Rotman 렌즈 활용한 배열 안테나 사전 연구 24
• 제3장 적층형 Rotman 렌즈 방법 29
• 제1절 적층형 Rotman 렌즈 구조 설계 29
• 1. 입출력 33 Rotman 렌즈 설계 29
• 2. 입출력 310 Rotman 렌즈 설계 33
• 3. 3차원 빔포밍 시뮬레이션 결과 37
• 제2절 적층형 시스템 제작 및 측정 41
• 1. 빔포밍 시스템 제작 41
• 2. 3차원 빔포밍 측정 44
• 제4장 입체형 Rotman 렌즈 설계 및 검증 48
• 제1절 입체형 Rotman 렌즈 설계 48
• 1. 입체형 Rotman 렌즈 설계식 유도 48
• 2. 입출력 33 종방향 Rotman 렌즈 설계 53
• 3. 입체형 Rotman 렌즈 개략도 구조 시뮬레이션 58
• 4. 입체형 Rotman 렌즈 전체 구조 시뮬레이션 66
• 제2절 입체형 Rotman 렌즈 배열 안테나 제작 및 측정 73
• 1. 입체형 Rotman 렌즈 배열 안테나 제작 73
• 2. 입체형 Rotman 렌즈 배열 안테나 측정 및 성능 검증 75
• 제5장 결론 83
• Reference 86
• Research Achivements 97

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