광대역 버틀러 매트릭스와 위상 천이기를 이용한 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템 설계

Abstract

본 논문에서는 광대역 버틀러 매트릭스와 위상 천이기를 이용한 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템을 제안하고, 이를설계 및 측정하였다. 기존 4×4 버틀러 매트릭스는 4개의 빔패턴과 낮은 이득 때문에, 8×8 버틀러 매트릭스를 사용하게된다. 이 때 복잡한 구조로 인해 적층 및 양면 패턴으로 설계하게 되며, 이는 비아홀 및 Cross-over 구조에 의한 손실로성능이 열화되게 된다. 이러한 단점을 극복하고자 제안된 하이브리드 빔포밍 안테나 시스템의 경우, 비아홀 손실로 인한성능 열화를 최소화하기 위해 단면 패턴으로 구조를 단순화하였다. 또한, 두 개의 위상 천이기를 추가함으로써, 다양한빔패턴을 제공할 수 있도록 설계하였다. 제안한 안테나 시스템을 이용하여, 16개의 입력조합으로 ±45°의 빔조향 각도에서 10 dBi 이상의 방사이득을 얻을 수 있었다.

In this paper, a hybrid beamforming antenna system using broadband butler matrix and phase shifter is proposed. In the previous works, an 8×8 butler matrix is used to overcome a drawback of the 4×4 butler matrix based switched beamforming which provides only 4 beam patterns. However the 8×8 butler matrix should be designed on the bi-layered substrate using via holes due to its complex structure. It causes performance degradation. To overcome these problems, the proposed hybrid beamforming antenna system is designed on the single side of the substrate for simple structure. By addition of two phase shifter, it provide various beam patterns. The proposed antenna system provides more than 10 dBi radiation gain in the ±45° scanning range by 16 input combinations.