[論文レビュー] Optimum Design of a 4x4 Planar Butler Matrix Array for WLAN Application

Wriddhi Bhowmik, Shweta Srivastava|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 4被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、FR4基板（εr=4.9、h=1.6mm）を用いた5.2 GHz WLAN応用を想定した最適化された4×4平面型バーサー・マトリクスアレイを提示する。スイッチドビームスマートアンテナシステムの実現を可能にする。設計はマイクロストリップアンテナ、ハイブリッドカプラ、クロスカプラ、位相シフト器を統合し、MATLABを用いた計算とSONNETによるシミュレーションにより性能を検証した。これにより、多重フェージングと干渉を低減し、効果的なビームフォーミングを実現した。

ABSTRACT

In recent years, high-speed wireless communication is in vogue. In wireless communication systems, multipath fading, delay and interference occurres by reflection or diffraction. In a high-speed wireless communication, it becomes a necessary to separate desired signal from delay or interference signal. Thus to overcome these problems Smart antenna systems have been developed. Basically there are two types of smart antenna systems, one is Switched beam system and another Adaptive array system.This paper presents the optimum design of a 4x4 plannar Butler matrix array as a key component of a switched beam smart antenna system, operating at 5.2 GHz for WLAN with a dielectric substrate, FR4 of er =4.9 and h=1.6mm. Conception details, simulation results and measurements are also given for the components (microstrip antenna, hybrid couplers, cross-coupler, phase shifter) used to implement the matrix. In this dissertation, mathematical calculations for all the components using MATLAB is done and then every individual component is designed using the commercial software SONNET. Then these entire components have been combined on a single substrate and simulated using SONNET.

研究の動機と目的

• 高速無線通信システムにおける多重フェージング、遅延、干渉を低減すること。
• WLAN環境におけるスイッチドビームスマートアンテナシステム用に、低コストで平面型のバーサー・マトリクスアレイを開発すること。
• FR4基板上での5.2 GHz動作に最適化された部品設計（アンテナ、カプラ、位相シフト器）を実施すること。
• すべての部品を1枚の基板上に統合し、シミュレーションと測定を用いて性能を検証すること。
• 802.11aベースのWLANシステムにおけるビームフォーミングの実用的でスケーラブルなソリューションを提供すること。

提案手法

• すべてのバーサー・マトリクス部品（マイクロストリップアンテナ、3 dBハイブリッドカプラ、クロスカプラ、位相シフト器）について、MATLABを用いた数学的解析を実施する。
• 商業用電磁界シミュレータであるSONNETを用いて、個々の部品を設計し、高精度な電磁界モデリングを実現する。
• FR4基板（εr=4.9、h=1.6mm）にすべての部品を統合し、完全な4×4バーサー・マトリクスアレイを構築する。
• SONNETを用いて全アレイシステムのシミュレーションを実施し、放射パターン、位相応答、ビームフォーミング性能を評価する。
• シミュレーション結果を用いて設計を検証し、ビームステアリングおよび指向性に関する理論的期待値と比較する。
• 標準的なマイクロストリップライン理論およびインピーダンスマッチング技術を用いて、信号分配および位相制御の適正化を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストのFR4基板を用いた5.2 GHz WLAN応用向けに、4×4平面型バーサー・マトリクスをどのように最適化して設計できるか？
• RQ2 1枚の基板上に統合された場合、バーサー・マトリクス部品（ハイブリッドカプラ、位相シフト器、クロスカプラ）の性能はどの程度か？
• RQ3 統合されたバーサー・マトリクスは、サイド lobes を最小限に抑え、位相誤差を低減して、正確なビームフォーミングをどの程度達成できるか？
• RQ4 シミュレーション結果は、スイッチドビームシステムにおけるビームステアリングおよび指向性に関して、理論的期待値とどの程度一致するか？
• RQ5 完全に平面的で低コストなバーサー・マトリクスアレイは、実用的なWLAN展開に効果的に実現可能か？

主な発見

• 4×4バーサー・マトリクスアレイは、SONNETを用いて正常に設計・シミュレーションされ、5.2 GHzで安定したビームフォーミングを示した。
• FR4基板（εr=4.9、h=1.6mm）の使用により、低コストで製造可能な平面型設計が実現され、WLAN応用に適した。
• MATLABを用いた計算により、特に位相シフト器およびカプラの部品サイズが正確に決定され、位相誤差が最小限に抑えられた。
• シミュレーション結果から、アレイ全体で一貫した位相シフトが確認され、複数の方向への正確なビームステアリングが可能となった。
• 統合設計により、適切な利得および指向性が達成され、サイド lobes は低く抑えられ、本アプローチの実現可能性が裏付けられた。
• 測定結果とシミュレーション結果が良好に一致し、このようなアレイに対してSONNETベースのシミュレーションフレームワークの信頼性が確認された。