[논문 리뷰] Millimeter Wave Multi-Beam-Switching Antenna

Vedaprabhu Basavarajappa, Beatriz Bedia Exposito외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 07.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 14 GHz에서 2 GHz 대역폭을 갖는 고이득 종방향 인쇄 안테나를 제안하며, 밀리미터파 Massive MIMO 시스템에 통합된 3x3 서브어레이로 구성된다. 간단한 두 벡터 흥화 행렬을 사용하여 동시에 빔 스위칭과 빔 스위칭을 가능하게 하여 고직도 및 컴팩트한 형상으로 5G 응용 분야에 적합하며, 층상 구조 덕분에 열 관리가 향상되었다.

ABSTRACT

The paper introduces a high gain end-fire printed antenna operating at 14 GHz with a bandwidth of 2 GHz. The 3x3 antenna sub-array formed of this element is used to present its beam steering and multi-beam-switching capabilities for millimeter wave Massive MIMO antenna arrays of 5G networks. The co-existence of these two techniques in a Massive MIMO sub-array, aided by the use of a simple two vector excitation matrix technique, is shown in this paper. The high gain and small form factor of the antenna is useful in applications, like 5G arrays, where space is premium and the inherent layered structure also aids to the better cooling of the antenna front end.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 5G Massive MIMO 시스템을 위한 컴팩트하고 고이득 종방향 안테나를 개발하기 위해.
• 단일 안테나 서브어레이에서 동시에 빔 스위칭과 다중 빔 스위칭을 가능하게 하기 위해.
• 간단한 흥화 기법을 사용하여 빔 포밍과 빔 스위칭 기능을 통합하기 위해.
• 층상 구조를 통해 고직도 및 효율적인 열 관리 성능을 향상시키기 위해.
• 14 GHz에서 3x3 서브어레이 구성에서 다중 빔 작동의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 14 GHz에서 2 GHz 대역폭을 갖는 고이득 종방향 인쇄 안테나의 설계.
• 제안된 복사 요소를 사용한 3x3 안테나 서브어레이 구성.
• 빔 방향 제어 및 스위칭을 위한 두 벡터 흥화 행렬의 구현.
• 단일 어레이 구성에서 빔 스위칭과 다중 빔 스위칭을 동시에 달성하기 위해 서브어레이 활용.
• 열 방출 향상과 컴팩트한 형상 확보를 위해 어레이의 층상 구조 활용.
• 시뮬레이션 및 어레이 패턴 분석을 통한 빔 패턴과 직향성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴팩트하고 고이득 종방향 안테나는 밀리미터파 Massive MIMO 시스템에서 다중 빔 스위칭을 지원할 수 있는가?
• RQ2 빔 스위칭과 빔 스위칭은 단일 3x3 서브어레이에 얼마나 효과적으로 공존할 수 있는가?
• RQ3 두 벡터 흥화 행렬이 빔 방향 제어 및 스위칭에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 층상 구조는 열 관리 및 컴팩트함에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 제안된 안테나 요소 및 서브어레이의 실현 가능한 직향성과 대역폭은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 종방향 안테나는 중심 주파수 14 GHz와 2 GHz 대역폭을 확보하여 광대역 작동이 가능하다.
• 3x3 서브어레이는 두 벡터 흥화 행렬을 사용하여 성공적으로 빔 스위칭과 다중 빔 스위칭을 구현하였다.
• 종방향 복사 패턴과 3x3 구성에 기인한 어레이 이득 덕분에 고직도를 달성하였다.
• 층상 구조는 열 관리에 유리하여 고출력 밀리미터파 응용 분야에서 신뢰성을 향상시켰다.
• 컴팩트한 형상과 고이득 특성 덕분에 공간 제약이 있는 5G mmWave 시스템에 적합하다.
• 시뮬레이션 및 어레이 패턴 분석을 통해 단일 서브어레이 내에서 빔 포밍과 빔 스위칭의 통합이 검증되었다.