5G 빔포밍 시스템을 위한 광대역 버틀러 매트릭트 소형화 설계 (Design of Miniaturized Broadband Butler Matrix for 5G Beamforming System)

서지정보

· 발행기관 : 한국전자파학회
· 수록지 정보 : 한국전자파학회 논문지 / 34권 / 8호 / 591 ~ 598페이지
· 저자명 : 정진영, 김병성

초록

본 논문에서는 5G NR(3 GHz∼4.5 GHz)에서 광대역 성능을 가진 4×4 버틀러 매트릭스의 소형화 설계를 제안하였다. 광대역 특성을 위해 기존 커플러 구조를 broad-side 형태로 구현하기 위한 최적의 파라미터를 도출하였고, 소형화를 위해FR-4 4층 기판구조에서 strip line으로 주요 회로를 구현하였다. 측정 결과, 3 GHz∼4.5 GHz 범위에서 평균 구현 손실은−1.5 dB, 반사 손실은 15 dB 이상으로 측정되었고, 출력포트의 평균 위상차 성능의 경우 이상적인 값 대비 최대 ±3° 수준의 오차를 확인하였다. 안테나를 실장 후 측정한 빔 조향 성능의 경우 계산값 대비 ±2.5° 미만의 오차를 가지며10.29° ± 1°, −32.41° ± 1.5°, 32.41° ± 1.1°, −10.29° ± 2.5°로 측정되었다. 제작된 버틀러 매트릭스의 크기는 40×38.6×1.2 mm3이며, 동일 주파수를 사용하는 기존 버틀러 매트릭스 대비 30 % 수준의 크기 감소와 2.54배 수준의 대역폭 개선을이루었다. Ansys HFSS Tool을 활용해 시뮬레이션을 진행하였고 실측과 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 설계된 버틀러매트릭스는 5G 대역의 광대역 빔포밍 시스템 소형화에 활용될 수 있을 것이다.

영어초록

This paper proposes a compact 4 × 4 Butler matrix (BM) with broadband characteristics within the 5G NR frequency range (3 GHz ~4.5 GHz). To achieve broadband performance, 3 dB broad-side coupler with optimal parameters was implemented, and the circuit was designed with a strip line based on the FR-4 four-layer structure to reduce the size. The average implementation loss was measured as −1.5 dB, and the reflection coefficient was measured as over 15 dB across the entire frequency range. Phase differences of −45°, 135°, −135°, and 45° were confirmed, with an average phase error of ±3°. When the antenna was mounted, beam steering angles were measured as 10.29° ± 1°, −32.41° ± 1.5°, 32.41° ± 1.1°, and −10.29° ± 2.5°. The size of the manufactured compact BM was 40×38.6×1.2 mm3 , and it achieved a size reduction of 30% and a bandwidth improvement of 2.54 times compared with the legacy BM using the same frequency. Ansys HFSS was used to design and simulate the BM, and the results suggested that this wideband compact BM could be used for the miniaturization of 5G beamforming systems.

참고자료

· 없음