적층형 로트만 렌즈를 활용한 28 GHz 대역 3차원 아날로그 빔포밍 시스템 구현

3차원 빔포밍 시스템을 구현하기 위한 위상천이기 대체용으로 로트만 렌즈를 사용하였다. 로트만 렌즈 설계는 Ansys사의 Designer를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 총 6개 및 2종류의 로트만 렌즈를 활용하여 3차원 빔포밍을 구현한다. 시스템 입력단의 로트만 렌즈는 그림 2와 같다. 로트만 렌즈는 비유전율 2.2의 10 mil 두께의 PCB기판으로 설계되었고, 크기는 60 mm×60 mm이다. 입력단 로트만 렌즈는 3개 입력 및 3개 출력과 총 8개의 더미포트로 구성된다.

그림 2. | Fig. 2. 3×3 로트만 렌즈 시뮬레이션 | Simulation of 3×3 Rotman lens.

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입력포트 1, 2, 3에 따라 출력포트 4, 5, 6에서 각각 위상이 약 −20, 0, +20 차이가 발생할 수 있게 설계하였다. 그림 2, 3에서 S-parameter 시뮬레이션 결과를 그래프로 도시하였다. 입력포트 1, 2, 3의 반사계수는 모두 −10 dB 이하의 만족하였다. 입력포트 1, 2, 3 의 출력포트 4, 5, 6의 위상 시뮬레이션 결과는 그림 3 및 표 1과 같다. 입력포트 1의 경우, 출력포트 4, 5, 6 순으로 약 −70도의 위상 간격을 유지하였다. 이와 마찬가지로 입력포트 3 또한 약 +70도 간격 순으로 위상 결과를 보였다. 입력포트 2에서 동위상의 결과를 보여야 하지만, 미세하게 S₅₂가 −10도 차이를 확인하였지만 빔포밍 구현에 크게 영향을 미치지 않을 것이라 판단된다.

그림 3. | Fig. 3. 3×3 로트만 렌즈 시뮬레이션 위상 시뮬레이션 결과 | Simulation results of the phase of 3×3 Rotman lens.

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설계한 빔포밍 안테나는 입력의 3×3 로트만 렌즈 3개와 출력의 3×10 배열 안테나 3개를 직교로 연결되어 구성된다. 3×10 안테나 형상은 그림 4와 같다. 3×10 안테나는 비유전율 2.2의 두께 10mil PCB 기판으로 설계되었다. 시뮬레이션은 Ansys사의 Designer로 3차원 평면 형상을 설계하였고, HFSS로 3차원 통합 시뮬레이션을 진행하였다.

그림 4. | Fig. 4. 3×10 로트만 렌즈 및 배열 비발디 안테나 | 3×10 Rotman lens and array Vivaldi antenna.

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설계한 안테나는 기판 상부의 3개 입력과 10개 출력을 가진 로트만 렌즈와 기판 하부의 1×10 배열 비발디 안테나로 구성되며, 크기는 100 mm×120 mm이다. 10개의 비발디 안테나는 연결된 로트만 렌즈의 입력에 따라 일정한 차이의 위상 신호를 방사하여 빔포밍을 구현한다. 3×10의 로트만 렌즈의 구조는 3개의 입력포트와 10개의 출력포트 및 8개의 더미포트로 구성된다. 3×10의 로트만 렌즈의 시뮬레이션 결과는 그림 5 에 그래프로 도시하였다. 총 3개의 입력포트에 대해 각각 10개의 위상 결과를 보여준다. 각 포트 간의 위상 차이는 약 ±77이며, 중앙 포트 2는 평균 +20로 분석된다(표 2).

그림 5. | Fig. 5. 3×10 로트만 렌즈 시뮬레이션 위상 시뮬레이션 결과 | Simulation results of the phase of 3×10 Rotman lens.

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시뮬레이션 결과는 그림 6 및 그림 7과 같다. 2-1의 3×3 로트만 렌즈 출력값을 3×10 배열 안테나 3개의 입력, 즉 총 9개의 입력포트의 진폭 및 위상 시뮬레이션 값을 각 포트에 입력하여 9개 방사패턴의 시뮬레이션 결과이다. 총 9개의 빔의 조향된 각을 간략하게 표 3로 작성하였다. 시뮬레이션 결과, 중심 빔 2, 5, 8 제외한 빔 1, 3, 4, 6, 7, 9 등은 앙각 약 ±20의 빔조향이 된다. 빔 4, 5, 6 의 경우, 정중앙의 0도 근처로 빔조향이 되지만, 그와 반대로 빔 2, 8은 앙각 5도의 오차로 빔조향이 된다. 또한 빔 2, 8의 경우, 주엽과 유사 이득인 부엽이 약 30도 근처에서 발생한다. 그림 7에서 3차원 방사패턴 시뮬레이션 결과를 참고하면, 9개의 빔에서 부엽이 발견되었고, 그중 빔 2와 8의 경우 주엽과 이득값이 유사하였다. 이처럼 부엽은 3×10 로트만 렌즈 시뮬레이션 결과에서 원인을 분석할 수 있다. 그림 5의 중앙 포트2의 출력포트들의 위상이 균일하지 않아 빔포트 2번 및 8번에서 큰 이득의 부엽이 발생한 것으로 추측된다.

그림 6. | Fig. 6. 2차원 방사패턴 시뮬레이션 결과 | The simulation results of 2-dimensional radiation pattern

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그림 7. | Fig. 7. 3차원 방사패턴 시뮬레이션 결과 | Simulation results of 3-dimensional radiation pattern.

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그림 8은 빔포밍 시스템 제작된 것을 촬영한 것이다. 제작된 빔포밍 시스템은 그림 9와 같이 구성된다. RF chain단의 입력 9개 중 한 개를 선택하기 위한 RF 스위치가 필요하다. 28 GHz 대역용 RF스위치 3개를 사용하였고, 그 이유는 RF 스위치는 1개 입력, 4개 출력을 가지고 있으며, 9개의 RF chain을 구성하기 위해 스위치 3개가 필요했다. RF 스위치를 작동하기 위해 라즈베리파이의 DC 출력원을 이용하였다. 라즈베리파이의 전력원은 휴대용 충전기를 이용하여 전원을 공급하였다. 라즈베리파이에 빔선택 코딩을 파이썬(python)으로 수행하였다. 와이파이 및 테더링으로 외부 기기로 접속하여 빔포밍을 제어한다.

그림 8. | Fig. 8. 3차원 아날로그 빔포밍 시스템 | The 3-dimensional analog beamforminag system.

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그림 9. | Fig. 9. 설계 및 제작된 빔포밍 시스템 구성도 | Simulation results of 3-dimensional beamforming antenna.

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제작한 빔포밍 시스템의 방사패턴을 측정하였다. 측정은 국립전파연구원 이천전파시험인증센터에서 지원한 고속측정 다중프로브 시스템을 활용하였다. 해당 시스템은 근역장 측정방식을 이용하며, 측정한 원역장값으로 변환한다. 해당 측정 시스템의 장점은 안테나의 전방향으로 전파를 스캔이 가능하며, 임의의 빔조향각을 정확하게 찾을 수 있다. 그림 10는 촬영한 다중프로브 측정 시스템을 이용한 측정한 장면을 보여주고 있다.

그림 10. | Fig. 10. 다중프로브 안테나 측정 시스템 | The system of antenna measurement using multiprobe.

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3차원 방사패턴 측정 결과, 그림 11과 같이 9개의 방사패턴을 측정하였다. 9개의 각 빔의 분석결과, 3차원 방사패턴 시뮬레이션 결과의 빔조향각처럼 방위각 및 앙각이 ±20도로 유사하게 일치하였다. 그럼에도 불구하고, 시뮬레이션의 이득값과 크게는 20 dB 이상, 작게는 13 dB 차이가 발견되었다. 시뮬레이션 결과는 3×10 로트만 렌즈의 입력에서 급전된 구조를 해석하였지만, 실제 측정결과는 RF스위치를 포함한 각 RF chain으로부터 발생된 손실에 의해 실제 이득이 저하된 것으로 판단된다(표 4).

그림 11. | Fig. 11. 3차원 방사패턴 측정 결과 | The results of the measured 3-dimensional radiation pattern

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