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KR101952765B1 - Hybrid antenna based on substrate integrated waveguide beamforming array antenna for 5g coexisting with lte - Google Patents

Hybrid antenna based on substrate integrated waveguide beamforming array antenna for 5g coexisting with lte Download PDF

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KR101952765B1
KR101952765B1 KR1020170181489A KR20170181489A KR101952765B1 KR 101952765 B1 KR101952765 B1 KR 101952765B1 KR 1020170181489 A KR1020170181489 A KR 1020170181489A KR 20170181489 A KR20170181489 A KR 20170181489A KR 101952765 B1 KR101952765 B1 KR 101952765B1
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KR
South Korea
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siw
integrated waveguide
array antenna
hybrid
substrate integrated
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KR1020170181489A
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Korean (ko)
Inventor
강승택
박희준
이창형
캄란 카탁 무하마드
한다정
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
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    • HELECTRICITY
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE의 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나는 5G를 위한 광대역 및 낮은 삽입손실의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나; 및 상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나의 상단 및 하단에 소정 거리 이격되어 배치된 복수의 LTE MIMO 안테나를 포함하여, 격리도 특성이 우수하고 큰 MIMO 용량이 가능하며 저비용과 고수율 공정에 기반하여 시장 경쟁력 확보가 가능하고 스마트폰이나 소형 중계기에 5G 통신 모드와 LTE 통신 모드를 공유할 수 있다.A hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention includes a broadband and low insertion loss substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna ; And a plurality of LTE MIMO antennas disposed at a predetermined distance from an upper end and a lower end of the substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna, wherein the plurality of LTE MIMO antennas are excellent in isolation characteristics, It can secure market competitiveness based on high yield process and share 5G communication mode and LTE communication mode to smart phone or small repeater.

Description

5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나{HYBRID ANTENNA BASED ON SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE BEAMFORMING ARRAY ANTENNA FOR 5G COEXISTING WITH LTE}[0001] HYBRID ANTENNA BASED ON SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE BEAMFORMING ARRAY ANTENNA FOR 5G COEXISTING WITH LTE [0002] BACKGROUND OF THE INVENTION [0003]

본 발명은 5G와 LTE 공존을 위한 광대역 및 저손실형 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid antenna based on broadband and low loss substrate integrated waveguide beamforming array antennas for 5G and LTE coexistence.

무선 통신 디바이스의 크기는 기술의 진보로 날마다 축소되고 있다. 상기 디바이스들은 블루투스, Wi-Fi, Zig-bee, 4G/5G 등 이기종 서비스를 위해 혼성 네트워크에 연결해야 한다. 다중 모드, 다중 대역 안테나는 현재 및 미래의 통신 디바이스들의 기본 요건이다. MIMO 안테나에서 밀접하게 배치된 안테나 요소로 인하여 발생하는 높은 상호 결합 때문에 안테나 성능이 크게 저하될 수 있다. 최신 무선 디바이스의 축소로 인해 안테나가 서로 근접해 있더라도 안테나 성능이 향상되어야만 한다.The size of wireless communication devices has been shrinking day by day with advances in technology. The devices must be connected to the hybrid network for heterogeneous services such as Bluetooth, Wi-Fi, Zig-bee, and 4G / 5G. Multi-mode, multi-band antennas are a fundamental requirement of current and future communication devices. The antenna performance may be significantly degraded due to the high mutual coupling caused by the closely spaced antenna elements in the MIMO antenna. Due to the shrinking of the latest wireless devices, antenna performance must be improved even if the antennas are close to each other.

상이한 주파수 대역에서 MIMO 통신을 위한 다양한 다중 모드 안테나 모듈이 제안되었다. 소형 MIMO 모듈의 단점 중 하나는 입력 포트와 안테나 요소 사이에 상호 결합이 있어 격리도가 감소하여 안테나의 성능이 저하되는데 최근에는 상호 결합을 줄이고 격리도를 증가시킴으로써 MIMO 안테나의 성능을 향상시키는 기술이 도입되었다.Various multi-mode antenna modules for MIMO communication in different frequency bands have been proposed. One of the disadvantages of the small MIMO module is that there is a mutual coupling between the input port and the antenna element, and the performance of the antenna is lowered due to the decrease of the isolation degree. Recently, a technique of improving the performance of the MIMO antenna by reducing mutual coupling and increasing the isolation degree has been introduced .

인접한 안테나들을 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)과 같이 구현한다면 밀리미터파 통신 디바이스간의 격리도를 높일 수 있다.If the adjacent antennas are implemented with a substrate integrated waveguide (SIW), the degree of isolation between the millimeter wave communication devices can be increased.

[1] Y. Ban, C. Li, C. Sim, G. Wu and K. Wong, “4G/5G Multiple antennas for future multi-mode smartphone applications,” IEEE Access, Vol. 4, pp. 2981-2988, 2016. [1] Y. Ban, C. Li, C. Sim, G. Wu and K. Wong, "4G / 5G Multiple antennas for future multi-mode smartphone applications," IEEE Access, Vol. 4, pp. 2981-2988, 2016. [2] T. Ohishi, N. Oodachi, S. Sekine and H. Shoki, “A method to improve the correlation coefficient and the mutual coupling for diversity antenna,” IEEE Antenna Propag. Soc. Int. Symp. Dig., Washington, DC. USA, Jul. 2005. [2] T. Ohishi, N. Oodachi, S. Sekine and H. Shoki, "A method to improve the correlation coefficient and the mutual coupling for diversity antenna," IEEE Antenna Propag. Soc. Int. Symp. Dig., Washington, DC. USA, Jul. 2005. [3] Y.-J. Cheng, Substrate Integrated Antennas and Arrays, CRC Press Taylor & Francis Group, 2016. [3] Y.-J. Cheng, Substrate Integrated Antennas and Arrays, CRC Press Taylor & Francis Group, 2016. [4] M. K. Khattak, S. Kahng, et al., “ A low profile wideband and high gain beam-steering antenna for 5G mobile communication,” IEEE APS 2017, San Diego, USA. [4] M. K. Khattak, S. Kahng, et al., "A low profile wideband and high gain beam-steering antenna for 5G mobile communication," IEEE APS 2017, San Diego, USA. [5] K. Jang, M. K. Khattak, et al., “Handheld beamforming antennas adoptable to 5G wireless connectivity,” iWAT, Korea, 2015. [5] K. Jang, M. K. Khattak, et al., "Handheld beamforming antennas adoptable to 5G wireless connectivity," iWAT, Korea, 2015. [6] S. Yamamoto, S. Hirokawa and M. Ando, “A 26 GHz band witching beam slot array with a 4-way butler matrix installed in a single layer post-wall waveguide,” IEICE Technical ED2001-148, MW 2002-208.[6] S. Yamamoto, S. Hirokawa and M. Ando, "A 26 GHz band witching beam slot array with a 4-way butler matrix installed in a single layer post-wall waveguide," IEICE Technical ED2001-148, MW 2002 -208.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 격리도 특성이 우수하고 큰 MIMO 용량이 가능하며 저비용과 고수율 공정에 기반하여 시장 경쟁력 확보가 가능하고 스마트폰이나 소형 중계기에 5G 통신 모드와 LTE 통신 모드를 공존시킬 수 있는, 5G와 LTE 공존을 위한 광대역이면서 저손실인 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나 설계 기술을 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a mobile communication system in which a 5G communication mode and an LTE communication mode coexist in a smart phone or a small repeater, with excellent isolation characteristics, large MIMO capacity, low cost and high- Integrated antenna waveguide array antenna for 5G and LTE coexistence, which can be used for a wide range of applications.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나는,According to an embodiment of the present invention, there is provided a substrate integrated waveguide beamforming array antenna based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence,

5G를 위한 광대역이면서 낮은 삽입손실의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나; 및Wideband Low insertion loss SiW (Substrate Integrated Waveguide) beamforming array antenna for 5G; And

상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나의 상단 및 하단에 소정 거리 이격되어 배치된 복수의 LTE 서비스용 MIMO 안테나를 포함한다.And a plurality of MIMO antennas for LTE services arranged at a predetermined distance from the upper and lower ends of the substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 있어서, 상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나는 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나를 포함할 수 있다.Further, in the hybrid antenna based on the substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention, the substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna is a substrate integrated waveguide SIW: Substrate Integrated Waveguide) Butler matrix beam-forming array antenna.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 있어서, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나는 SIW 버틀러 매트릭스 구조체와 방사체를 포함하고,In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array for 5G and LTE coexistence, the SIW Butler matrix beamforming array antenna including a SIW Butler matrix structure and a radiator,

상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체와 방사체는 테이퍼 형태의 광대역 전이구조 및 일정 선폭을 갖는 마이크로스트립 라인에 의해 연결될 수 있다.The SIW Butler matrix structure and the radiator may be connected by a microstrip line having a tapered wide band transition structure and a constant line width.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 있어서, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 방사체는 상기 마이크로스트립 라인으로부터 소정 거리 이격되고 상기 방사체로부터 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체 방향으로 소정 길이만큼 연장되며 상기 마이크로스트립 라인과 평행하게 형성되고 상기 마이크로스트립 라인을 기준으로 대칭 형태로 형성된 임피던스 정합 구조체를 포함할 수 있다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE, wherein a radiator of the SIW Butler matrix beamforming antenna is spaced a predetermined distance from the microstrip line, And an impedance matching structure extending from the radiator in the direction of the SIW Butler matrix structure by a predetermined length and formed in parallel with the microstrip line and formed symmetrically with respect to the microstrip line.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 있어서, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체는,Further, in the hybrid antenna based on the substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention, the SIW Butler matrix structure includes:

SIW 기반의 제1 및 제2 하이브리드 커플러;First and second hybrid couplers based on SIW;

상기 제1 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제1 45°위상 천이기, 상기 제1 및 제2 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제1 크로스오버 커플러, 및 상기 제2 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제2 45°위상 천이기; 및A first SIW-based first 45 ° phase shifter coupled to the first hybrid coupler, a first SIW-based crossover coupler coupled to the first and second hybrid couplers, and a second SIW-based second crossover coupler coupled to the second hybrid coupler. 45 ° phase shifter; And

상기 제1 45°위상 천이기와 상기 제1 크로스오버 커플러에 연결된 SIW 기반의 제3 하이브리드 커플러, 및 상기 제1 크로스오버 커플러와 상기 제2 45°위상 천이기에 연결된 SIW 기반의 제4 하이브리드 커플러를 포함할 수 있다.A SIW based third hybrid coupler coupled to the first 45 ° phase shifter and the first crossover coupler and a SIW based fourth hybrid coupler coupled to the first crossover coupler and the second 45 ° phase shifter can do.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 있어서, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체는,Further, in the hybrid antenna based on the substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention, the SIW Butler matrix structure includes:

상기 제3 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제1 보정용 위상 천이기;A first phase shifter for correction based on SIW connected to the third hybrid coupler;

상기 제3 및 제4 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제2 크로스오버 커플러; 및A second SIW-based crossover coupler coupled to the third and fourth hybrid couplers; And

상기 제4 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제2 보정용 위상 천이기를 더 포함할 수 있다.And a second phase shifter for correction based on SIW connected to the fourth hybrid coupler.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 있어서, 상기 SIW 기반의 제1 내지 제4 하이브리드 커플러의 커플링부, 상기 SIW 기반의 제1 및 제2 위상 천이기 및 제1 및 제2 보정용 위상 천이기의 위상 천이부 및 상기 SIW 기반의 제1 및 제2 크로스오버 커플러의 커플링부의 비아 홀들은 광대역 특성을 가지도록 하기 위하여 급격한 각을 갖지 않도록 곡면 형태로 배열될 수 있다.Further, in accordance with an embodiment of the present invention, there is provided a substrate integrated waveguide beamforming array antenna based hybrid antenna for coexistence of 5G and LTE, wherein the SIW-based first to fourth hybrid coupler coupling parts, 1 and the phase shifter of the second phase shifter and the first and second correction phase shifters and the via-holes of the coupling portion of the SIW-based first and second crossover couplers have a sharp angle In a curved surface shape.

본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 의하면, 기판 집적 도파관(SIW) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나의 도파관 구조로 인하여 LTE MIMO 안테나와의 신호 간섭이 거의 없어 안테나들 간의 격리도 특성이 우수하고 큰 MIMO 용량이 가능하며 저비용과 고수율 공정에 기반하여 시장 경쟁력 확보가 가능하고 스마트폰이나 소형 중계기에 5G 통신 모드와 LTE 통신 모드를 공유할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a substrate integrated waveguide beamforming array antenna-based hybrid antenna for coexistence of 5G and LTE has a structure in which a waveguide structure of a substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beamforming array antenna is combined with an LTE MIMO antenna It is possible to secure market competitiveness based on the low-cost and high-yield process and to share 5G communication mode and LTE communication mode to smart phone or small-sized repeater. .

도 1은 마이크로스트립 라인 전송 선로를 도시한 도면.
도 2는 마이크로스트립 라인 전송 선로의 S 파라미터 특성을 도시한 도면.
도 3은 기판 집적 도파관(SIW) 전송 선로를 도시한 도면.
도 4는 기판 집적 도파관(SIW) 전송 선로의 S 파라미터 특성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 6은 도 5의 안테나 구조에 따라 실제 제작된 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 포함된 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 8은 테이퍼 형태의 광대역 전이구조, 일정 선폭을 갖는 마이크로스트립 라인 및 방사체를 도시한 도면.
도 9는 4×4 버틀러 매트릭스의 블록도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 포함된 SIW 기반의 하이브리드 커플러의 구조를 도시한 도면.
도 11은 도 10에 도시된 SIW 기반의 하이브리드 커플러의 S 파라미터(크기) 특성을 도시한 도면.
도 12는 도 10에 도시된 SIW 기반의 하이브리드 커플러의 S 파라미터(위상) 특성을 도시한 도면.
도 13은 도 10에 도시된 SIW 기반의 하이브리드 커플러의 E-필드를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 포함된 SIW 기반의 크로스오버 커플러의 구조를 도시한 도면.
도 15는 도 14에 도시된 SIW 기반의 크로스오버 커플러의 S 파라미터(크기) 특성을 도시한 도면.
도 16은 도 10에 도시된 SIW 기반의 크로스오버 커플러의 S 파라미터(위상) 특성을 도시한 도면.
도 17은 도 10에 도시된 SIW 기반의 크로스오버 커플러의 E-필드를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에 포함된 SIW 기반의 위상 천이기의 구조를 도시한 도면.
도 19는 도 18에 도시된 SIW 기반의 위상 천이기의 S 파라미터(크기) 특성을 도시한 도면.
도 20은 도 18에 도시된 SIW 기반의 위상 천이기의 S 파라미터(위상) 특성을 도시한 도면.
도 21은 도 7에 도시된 배열 안테나의 반사 손실을 도시한 도면.
도 22는 도 7에 도시된 배열 안테나의 2차원 원거리장 방사 패턴을 도시한 도면.
도 23은 칩 안테나를 도시한 도면.
도 24A 및 도 24B는 각각 칩 안테나의 상면도 및 저면도를 도시한 도면.
도 25는 도 23에 도시된 칩 안테나의 시뮬레이션 및 실측 원거리장 방사 패턴을 도시한 도면.
도 26은 도 23에 도시된 칩 안테나의 시뮬레이션 및 실측 반사 손실을 도시한 도면.
도 27 내지 도 29는 도 5 및 도 6에 도시된 5G와 LTE를 위한 기판 집적 도파관 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나의 시뮬레이션 결과 및 실측 결과를 도시한 도면으로, 도 27은 칩 안테나 포트들의 시뮬레이션 반사 손실, 도 28은 칩 안테나 포트들의 측정된 반사 손실, 도 29는 포트 1을 기준으로 하는 시뮬레이션 격리도 및 측정된 격리도를 도시한 도면.
도 30 및 도 31은 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나의 측정된 결과를 도시한 도면.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나에서 사용되는 다른 예시적인 SIW 버틀러 매트릭스 구조체의 구조를 도시한 도면.
도 33은 도 32에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 구조체를 사용하는 경우의 안테나의 각 포트별 격리도를 도시한 도면.
도 34는 도 32에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 구조체를 사용한 기판 집적 도파관 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 35는 도 34의 안테나 구조에 따라 실제 제작된 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나를 도시한 도면.
도 36은 도 34 및 도 35에 도시된 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나의 시뮬레이션 반사 손실 및 실측 반사 손실을 도시한 도면.
도 37은 도 34 및 도 35에 도시된 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나의 각 포트별 시뮬레이션 방사 패턴 및 실측 방사 패턴을 도시한 도면.
1 shows a microstrip line transmission line.
2 is a view showing S-parameter characteristics of a microstrip line transmission line;
3 shows a substrate integrated waveguide (SIW) transmission line;
4 is a diagram showing S parameter characteristics of a substrate integrated waveguide (SIW) transmission line;
5 is a view illustrating a structure of a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention, which is actually manufactured according to the antenna structure of FIG. 5;
FIG. 7 illustrates a structure of a substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beam-forming array antenna included in a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention. FIG.
8 is a view showing a tapered wide band transition structure, a microstrip line having a constant line width, and a radiator.
9 is a block diagram of a 4x4 Butler matrix.
10 is a diagram illustrating a structure of a SIW-based hybrid coupler included in a substrate integrated waveguide beamforming array antenna based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing S parameter (size) characteristics of the SIW-based hybrid coupler shown in FIG. 10;
12 is a diagram showing S parameter (phase) characteristics of the SIW-based hybrid coupler shown in FIG. 10; FIG.
13 is a view showing an E-field of the SIW-based hybrid coupler shown in FIG. 10;
14 is a diagram illustrating a structure of a SIW-based crossover coupler included in a substrate integrated waveguide beamforming array antenna-based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention.
15 shows S parameter (size) characteristics of the SIW-based crossover coupler shown in Fig. 14; Fig.
16 illustrates S-parameter (phase) characteristics of the SIW-based crossover coupler shown in FIG. 10;
17 illustrates an E-field of a SIW-based crossover coupler shown in FIG. 10; FIG.
18 is a diagram illustrating a structure of a SIW-based phase shifter included in a substrate integrated waveguide beamforming array antenna-based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 shows S parameter (size) characteristics of the SIW-based phase shifter shown in FIG. 18; FIG.
20 shows S parameter (phase) characteristics of the SIW-based phase shifter shown in FIG. 18; FIG.
FIG. 21 is a view showing the return loss of the array antenna shown in FIG. 7; FIG.
FIG. 22 is a view showing a two-dimensional far-field radiation pattern of the array antenna shown in FIG. 7; FIG.
23 shows a chip antenna;
24A and 24B are a top view and a bottom view of a chip antenna, respectively.
Fig. 25 is a view showing a simulated and measured far-field radiation pattern of the chip antenna shown in Fig. 23. Fig.
Fig. 26 is a diagram showing simulation and actual reflection loss of the chip antenna shown in Fig. 23. Fig.
FIGS. 27 to 29 are simulation results and actual measurement results of hybrid antennas based on a 5G and 5E substrate integrated waveguide Butler matrix beam-forming array antenna shown in FIG. 5 and FIG. 6. FIG. Fig. 28 shows measured return loss of chip antenna ports, Fig. 29 shows simulation isolation and measured isolation based on port 1, Fig.
FIGS. 30 and 31 are diagrams illustrating measured results of a substrate integrated waveguide beamforming array antenna based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention. FIG.
32 illustrates a structure of another exemplary SIW Butler matrix structure used in a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention;
Fig. 33 is a view showing an isolation diagram of each port of the antenna when the SIW Butler matrix structure shown in Fig. 32 is used; Fig.
34 is a diagram showing the structure of a substrate integrated waveguide Butler matrix beam-forming array antenna using the SIW Butler matrix structure shown in FIG. 32;
FIG. 35 illustrates a substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beamforming array antenna actually fabricated according to the antenna structure of FIG. 34; FIG.
36 is a diagram showing simulation reflection loss and actual reflection loss of the substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beam-forming array antenna shown in Figs. 34 and 35. Fig.
FIG. 37 is a view showing a simulated radiation pattern and an actual radiation pattern for each port of the substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beam-forming array antenna shown in FIGS. 34 and 35; FIG.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objectives, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention Should be construed in accordance with the principles and the meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.It should be noted that, in the present specification, the reference numerals are added to the constituent elements of the drawings, and the same constituent elements are assigned the same number as much as possible even if they are displayed on different drawings.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.Also, the terms "first", "second", "one side", "other side", etc. are used to distinguish one element from another, It is not.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, a detailed description of known arts which may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예는 미래의 무선 통신 디바이스 및 특히 스마트폰을 위한 하이브리드 다중 모드 안테나 모듈을 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나 모듈은 Wi-Fi, 블루투스 등의 응용에서 2.4㎓의 동작 주파수를 갖는 4개의 MIMO 칩 안테나와 5G 응용에서 27㎓ ~ 29㎓의 광대역에서 동작하는 4×4 기판 집적 도파관(SIW) 버틀러 매트릭스(Butler Matrix) 빔포밍(Beamforming) 배열 안테나(BFN-A)를 포함한다. 또한 본 발명의 제안된 8 포트 모듈의 성능이 관찰된다. 모든 8개의 포트의 반사 손실 및 격리도뿐만 아니라 이득 및 원거리장(farfield) 방사 패턴의 시뮬레이션 결과 및 측정 결과가 논의된다.One embodiment of the present invention proposes a hybrid multi-mode antenna module for future wireless communication devices and in particular smart phones. The antenna module according to an embodiment of the present invention includes four MIMO chip antennas having an operating frequency of 2.4 GHz in applications such as Wi-Fi and Bluetooth, and 4 × 4 antennas operating in a wide band of 27 GHz to 29 GHz in 5 G applications And an integrated waveguide (SIW) Butler Matrix beamforming array antenna (BFN-A). The performance of the proposed 8-port module of the present invention is also observed. Simulation results and measurement results of gain and farfield radiation patterns as well as return loss and isolation for all eight ports are discussed.

2.4㎓에서 동작하는 4개의 칩 안테나와 통합된 28㎓에서 동작하는 로우 프로파일 및 고 이득 4×4 버틀러 매트릭스(BM) 기반 빔포밍 네트워크 배열 안테나(BFN-A)를 포함하는 평면 및 로우 프로파일 하이브리드 안테나 모듈이 본 발명에서 제시된다.Low profile and high gain 4 × 4 Butler matrix (BM) based beamforming network array antenna (BFN-A) with 28 GHz integrated with 4 chip antennas operating at 2.4 GHz Modules are presented in the present invention.

본 발명의 일 실시예에 의한 안테나 모듈은 총 8개의 포트로 구성된다. 4개의 포트는 BFN-A에 연결되는 반면에, 4개의 포트는 BFN-A의 상단 및 하단에 배치된 4개의 개별 칩 안테나에 연결된다. 인접 포트들 간의 격리도 수준뿐만 아니라 모든 포트에서 시뮬레이션된 반사 손실 및 측정된 반사 손실이 조사되고 제시된다. 시뮬레이션된 3차원 원거리장 방사 패턴과 2.4㎓와 28㎓에서의 안테나 모듈의 이득이 논의된다.The antenna module according to an embodiment of the present invention has a total of eight ports. Four ports are connected to BFN-A, while four ports are connected to four separate chip antennas located at the top and bottom of BFN-A. Simulated return loss and measured return loss at all ports as well as isolation levels between adjacent ports are examined and presented. The simulated three-dimensional far-field radiation pattern and the gain of the antenna module at 2.4 GHz and 28 GHz are discussed.

도 1에 도시된 마이크로스트립 전송 선로는 도 2에 도시된 바와 같이 커버하는 대역폭이 상당히 좁은 반면에, 도 3에 도시된 기판 집적 도파관(SIW) 기판의 전송 선로는 도 4에 도시된 바와 같이 커버하는 대역폭이 상당히 넓다.2, the transmission line of the substrate integrated waveguide (SIW) substrate shown in FIG. 3 is formed to have a narrow band width as shown in FIG. 4, while the bandwidth of the microstrip transmission line shown in FIG. Bandwidth is quite wide.

도 3에 도시된 바와 같이 기판 집적 도파관(SIW)은 금속 구형 도파관의 양측 벽면을 주기적인 비아 홀로 대체함으로써 근사적으로 구현한 도파관이다. 일반적으로 도파관은 하이패스 응답 특성을 갖고 컷오프 주파수를 지나면 대역폭이 넓어지는 특성을 갖는다. 따라서, 기판 집적 도파관(SIW) 기반의 전송 선로는 도 4에 도시된 바와 같이 광대역 특성을 갖는다.As shown in FIG. 3, the substrate integrated waveguide (SIW) is a waveguide approximated by replacing both sidewalls of a metal spherical waveguide with periodic via holes. Generally, a waveguide has a characteristic of having a high-pass response characteristic and widening the bandwidth beyond the cutoff frequency. Therefore, the transmission line based on the substrate integrated waveguide (SIW) has a wide band characteristic as shown in FIG.

도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나는, 5G를 위한 광대역이면서 낮은 삽입손실의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500) 및 상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)의 상단 및 하단에 소정 거리 이격되어 배치된 복수의 즉 4개의 LTE MIMO 안테나(502)를 포함한다.The hybrid antenna based on the substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 5 includes a broadband low insertion loss substrate integrated waveguide (SIW) ) And a plurality of four LTE MIMO antennas (not shown) spaced a predetermined distance apart from the upper and lower ends of the Butler matrix beam-forming array antenna 500 and the substrate integrated waveguide (SIW) (502).

도 6은 도 5의 안테나 구조에 따라 실제 제작된 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention, which is actually manufactured according to the antenna structure of FIG.

도 7에 도시된 바와 같이 상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)는, SIW 버틀러 매트릭스 구조체(700)와 방사체(702)를 포함하고, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(700)와 방사체(702)는 테이퍼 형태의 광대역 전이구조(704) 및 일정 선폭을 갖는 마이크로스트립 라인(706)에 의해 연결되어 있다.7, the SIW Butler matrix beamforming array antenna 500 includes a SIW Butler matrix structure 700 and a radiator 702, and the SIW Butler matrix structure 700 and the radiator 702 Tapered broadband transition structure 704 and a microstrip line 706 having a constant line width.

상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)는 26.5-29㎓의 광대역 동작 대역폭을 갖는 4×4 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나로서, 유전율이 2.2인 RT5880 기판 위에 제작되었다. 상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)의 측정된 반사 손실은 도 21에 도시되고, 3차원 원거리장 방사 패턴은 도 22에 도시된다.The SIW Butler matrix beamforming array antenna 500 is a 4x4 SIW Butler matrix beamforming array antenna with a broadband operating bandwidth of 26.5-29 GHz and was fabricated on an RT5880 substrate with a dielectric constant of 2.2. The measured return loss of the SIW Butler matrix beam-forming array antenna 500 is shown in FIG. 21 and the three-dimensional far field radiation pattern is shown in FIG.

상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)에 의해 약 75°의 전체 커버리지를 커버하도록 포트 2에서 포트 5까지 -38 °에서 +38°까지의 빔조향이 달성된다.Beam steering from port 2 to port 5 from -38 DEG to + 38 DEG is achieved by the SIW Butler matrix beamforming array antenna 500 to cover the entire coverage of about 75 DEG.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나(500)의 방사체(702)는 상기 마이크로스트립 라인(706)으로부터 소정 거리 이격되고 상기 방사체(702)로부터 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(700) 방향으로 소정 길이만큼 연장되며 상기 마이크로스트립 라인(706)과 평행하게 형성되고 상기 마이크로스트립 라인(706)을 기준으로 대칭 형태로 형성된 임피던스 정합 구조체(701, 703)를 포함한다.8, the radiator 702 of the SIW Butler matrix beamforming antenna 500 is spaced a predetermined distance from the microstrip line 706 and is spaced apart from the radiator 702 by the SIW Butler matrix structure 700 formed in parallel with the microstrip line 706 and formed symmetrically with respect to the microstrip line 706. The impedance matching structures 701,

상기 임피던스 정합 구조체(701, 703)는 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(700)와 방사체(702) 간의 임피던스를 정밀하게 정합시켜 반사 손실이 없도록 하여 최대의 전력이 전달되도록 하기 위한 것이다.The impedance matching structures 701 and 703 precisely match the impedance between the SIW Butler matrix structure 700 and the radiator 702 to prevent reflection loss so that maximum power is transmitted.

다시 도 7을 참조하면, 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(700)는, 도 9에 도시된 버틀러 매트릭스의 등가 회로에 따라 기판 집적 도파관(SIW) 기반으로 형성한 것으로서, SIW 기반의 제1 및 제2 하이브리드 커플러(708, 710), 상기 제1 하이브리드 커플러(708)에 연결된 SIW 기반의 제1 45°위상 천이기(712), 상기 제1 및 제2 하이브리드 커플러(708, 710)에 연결된 SIW 기반의 제1 크로스오버 커플러(714), 및 상기 제2 하이브리드 커플러(710)에 연결된 SIW 기반의 제2 45°위상 천이기(716), 및 상기 제1 45°위상 천이기(712)와 상기 제1 크로스오버 커플러(714)에 연결된 SIW 기반의 제3 하이브리드 커플러(718), 및 상기 제1 크로스오버 커플러(714)와 상기 제2 45°위상 천이기(716)에 연결된 SIW 기반의 제4 하이브리드 커플러(720)를 포함한다.Referring again to FIG. 7, the SIW Butler matrix structure 700 is formed on the substrate integrated waveguide (SIW) based on the equivalent circuit of the Butler matrix shown in FIG. 9, and includes first and second SIW- Coupler 708 and 710, a SIW-based first 45 ° phase shifter 712 connected to the first hybrid coupler 708, a SIW-based phase shifter 712 connected to the first and second hybrid couplers 708 and 710, 1 crossover coupler 714 and a SIW based second 45 ° phase shifter 716 coupled to the second hybrid coupler 710 and a second 45 占 phase shifter 716 based on the first 45 占 phase shifter 712, A SIW based third hybrid coupler 718 coupled to an overcoupler 714 and a SIW based fourth hybrid coupler 714 connected to the first crossover coupler 714 and the second 45 ° phase shifter 716 720).

제1 내지 제4 하이브리드 커플러(708, 710, 718, 720)는 도 10에 도시된 바와 같이 기판 집적 도파관(SIW) 기반으로 구성되며, 도 11의 S 파라미터(크기) 특성을 갖고, 도 12의 S 파라미터(위상) 특성을 갖는다. 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 하이브리드 커플러(708, 710, 718, 720)는 일반적으로 포트 1(Port 1)에 입력된 신호가 포트 2(Port 2)와 포트 3(Port 3)으로 분배되며, 포트 2(Port 2)와 포트 3(Port 3)의 신호의 위상차는 90도이다.The first through fourth hybrid couplers 708, 710, 718 and 720 are configured based on a substrate integrated waveguide (SIW) as shown in FIG. 10 and have the S parameter (size) characteristic of FIG. 11, S parameter (phase) characteristic. 13, the first through fourth hybrid couplers 708, 710, 718 and 720 generally transmit signals inputted to Port 1 through Port 2 and Port 3 ), And the phase difference between signals of Port 2 (Port 2) and Port 3 (Port 3) is 90 degrees.

또한, 도 10을 참조하면, 상기 SIW 기반의 제1 내지 제4 하이브리드 커플러(708, 710, 718, 720)의 커플링부(1000)의 비아 홀들(1002)은, 처리되는 신호의 특성이 도 11에 도시된 바와 같은 광대역 특성을 가지도록 하기 위하여 급격한 각을 갖지 않도록 곡면 형태로 배열된다.10, the via holes 1002 of the coupling portion 1000 of the SIW-based first through fourth hybrid couplers 708, 710, 718, So as not to have a sharp angle in order to have broadband characteristics as shown in FIG.

제1 크로스오버 커플러(714)는 도 14에 도시된 바와 같이 기판 집적 도파관(SIW) 기반으로 구성되며, 도 15의 S 파라미터(크기) 특성을 갖고, 도 16의 S 파라미터(위상) 특성을 갖는다. 도 17에 도시된 바와 같이, 크로스오버 커플러(714)는 일반적으로 포트 1(Port 1)에 입력된 신호가 포트 3(Port 3)으로 통과되게 형성된다. 도 15의 크기 그래프 및 도 17을 참조하면, 포트 3(Port 3)에서만 신호가 출력됨을 확인할 수 있다.The first crossover coupler 714 is based on a substrate integrated waveguide (SIW) as shown in Fig. 14, has the S parameter (size) characteristic of Fig. 15, and has the S parameter (phase) characteristic of Fig. . As shown in FIG. 17, the crossover coupler 714 is formed such that a signal input to Port 1 is generally passed through Port 3. Referring to the magnitude graph of FIG. 15 and FIG. 17, it can be seen that a signal is output only at port 3 (Port 3).

또한 크로스오버 커플러(714)는 포트 4(Port 4)에 입력된 신호가 포트 2(Port 2)로 통과되게 형성된다. The crossover coupler 714 is formed so that a signal input to the port 4 is passed through the port 2.

또한, 도 14를 참조하면, 상기 SIW 기반의 크로스오버 커플러(714)의 커플링부(1400)의 비아 홀들(1402)은, 처리되는 신호의 특성이 도 15에 도시된 바와 같은 광대역 특성을 가지도록 하기 위하여 급격한 각을 갖지 않도록 곡면 형태로 배열된다.14, the via-holes 1402 of the coupling portion 1400 of the SIW-based crossover coupler 714 are formed such that the characteristic of the processed signal has a broadband characteristic as shown in FIG. 15 And are arranged in a curved shape so as not to have sharp angles.

제1 및 제2 위상 천이기(712, 716)는 도 18에 도시된 바와 같이 기판 집적 도파관(SIW) 기반으로 구성되며, 도 19의 S 파라미터(크기) 특성을 갖고, 도 20의 S 파라미터(위상) 특성을 갖는다. 제1 및 제2 위상 천이기(712, 716)는 일반적으로 포트 5(Port 5)에 입력된 신호가 포트 6(Port 6)으로 출력되거나 포트 7(Port 7)에 입력된 신호가 포트 8(Port 8)로 출력되며, 위상의 지연 특성만 가지게 된다. 중심 주파수인 28㎓에서 45도의 위상 천이를 확인할 수 있다.The first and second phase shifters 712 and 716 are configured based on a substrate integrated waveguide (SIW) as shown in FIG. 18 and have S parameter (size) characteristics of FIG. 19, Phase) characteristics. The first and second phase shifters 712 and 716 are generally configured such that a signal input to port 5 is output to port 6 or a signal input to port 7 is output to port 8 Port 8, and has only a phase delay characteristic. A phase shift of 45 degrees at the center frequency of 28 GHz can be confirmed.

또한, 도 18을 참조하면, 상기 SIW 기반의 제1 및 제2 위상 천이기(712, 716)의 위상 천이부(1800)의 비아 홀들(1802)은, 처리되는 신호의 특성이 도 19에 도시된 바와 같은 광대역 특성을 가지도록 하기 위하여 급격한 각을 갖지 않도록 곡면 형태로 배열된다.18, the via holes 1802 of the phase shifter 1800 of the SIW-based first and second phase shifters 712 and 716 have the characteristics of the processed signal as shown in FIG. 19 Are arranged in a curved shape so as not to have a sharp angle in order to have broadband characteristics as shown in Fig.

상기한 도 7에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)는 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이 반사 손실 및 2차원 원거리장 방사 패턴을 갖는다.The SIW Butler matrix beam-forming array antenna 500 shown in FIG. 7 has a return loss and a two-dimensional far-field radiation pattern as shown in FIGS. 21 and 22. FIG.

도 21에 도시된 바와 같이 커버하는 대역폭이 약 3㎓로 상당히 넓어 5G의 3개 대역을 커버할 수 있음을 확인할 수 있고, 또한 방사 패턴 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 21, it can be seen that the covering band width is considerably wide to about 3 GHz, covering 3 bands of 5G, and it is also confirmed that the radiation pattern is very excellent.

한편, 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나의 복수의 LTE MIMO 안테나(502)는 2.4㎓ 애플리케이션에서 사용되는 칩 안테나로서, 도 23, 도 24A 및 도 24B에 도시된 바와 같은 구조로 형성되며, 도 25의 방사 패턴 및 도 26의 S 파라미터(크기) 특성을 갖는다.Meanwhile, a plurality of LTE MIMO antennas 502 of a hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array for coexistence of 5G and LTE according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 23, 24A, and 24B, and has the radiation pattern of FIG. 25 and the S parameter (size) characteristic of FIG.

도 5 및 도 6에 도시된 5G와 LTE의 두 개의 상이한 통신 모드에서 동작하는 본 발명의 일 실시예에 의한 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나는, 도 27 내지 도 29에 도시된 바와 같은 결과를 보여준다.A hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for 5G and LTE coexistence according to an embodiment of the present invention, operating in two different communication modes of 5G and LTE shown in Figs. 5 and 6, The results are shown in Fig. 29.

도 27 내지 도 29를 참조하면, 포트 2에서 포트 5는 28㎓(5G)에서 빔조향을 위해 광대역의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)에 연결되고 포트 1. 6, 7 및 8은 2.4㎓에서 작동하도록 LTE MIMO 안테나(502)에 연결된다.27 to 29, port 5 at port 2 is connected to a broadband substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beamforming array antenna 500 for beam steering at 28 GHz (5 G) 1. 6, 7 and 8 are connected to the LTE MIMO antenna 502 to operate at 2.4 GHz.

도 27 내지 도 29에서 시뮬레이션 결과 및 측정된 결과는 4개의 LTE MIMO 안테나 포트들 간의 양호한 반사 손실과 높은 격리도를 나타낸다. 이러한 결과는 LTE MIMO 안테나(502)의 성능이 밀리미터파 주파수에 대한 SIW 구조의 존재에 의해 영향을 받지 않으므로 SIW 구조의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(500)와 LTE MIMO 안테나(502) 사이의 높은 격리도를 보여줌을 확인할 수 있다.The simulation results and measured results in Figures 27 to 29 show good return loss and high isolation between the four LTE MIMO antenna ports. This result shows that the performance of the LTE MIMO antenna 502 is not influenced by the presence of the SIW structure with respect to the millimeter wave frequency. Therefore, the SIW structure Substrate Integrated Waveguide (SIW) Butler matrix beamforming array antenna 500 Lt; RTI ID = 0.0 > LTE < / RTI > MIMO antennas 502.

도 30 및 도 31은 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나의 측정된 원거리장 패턴을 도시한 것으로, 안테나의 성능은 약 8dBi의 피크 이득을 가지며 28㎓에서의 시뮬레이션 결과와 일치하고, 2.4㎓에서 E-필드 및 H-필드 방사 패턴은 SIW 금속 구조 근방에서 약 1dBi의 이득이 저하되나, 별문제는 아니다. 이득을 증가시키는 것 역시 까다롭지 않다.FIGS. 30 and 31 illustrate a measured far field pattern of an antenna according to an embodiment of the present invention. The performance of the antenna has a peak gain of about 8 dBi and is consistent with simulation results at 28 GHz. At 2.4 GHz The E-field and H-field radiation patterns decrease the gain of about 1 dBi near the SIW metal structure, but this is not a problem. Increasing the gain is also not tricky.

한편, 도 32는 도 7에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(700)에 제1 및 제2 보정용 위상 천이기(3202, 3206) 및 제2 크로스오버 커플러(3204)를 추가한 다른 예시적인 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(3200)를 도시한 것이다.32 shows another exemplary SIW Butler matrix with the first and second correction phase shifters 3202 and 3206 and the second crossover coupler 3204 added to the SIW Butler matrix structure 700 shown in FIG. 0.0 > 3200 < / RTI >

도 32에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(3200)는, 제3 하이브리드 커플러(718)에 연결된 SIW 기반의 제1 보정용 위상 천이기(3202), 상기 제3 및 제4 하이브리드 커플러(718, 720)에 연결된 SIW 기반의 제2 크로스오버 커플러(3204), 및 제4 하이브리드 커플러(720)에 연결된 SIW 기반의 제2 보정용 위상 천이기(3206)를 더 포함한다.The SIW Butler matrix structure 3200 shown in Fig. 32 includes a SIW-based first correction phase shifter 3202 connected to a third hybrid coupler 718, a third phase shifter 3202 connected to the third and fourth hybrid couplers 718 and 720 A second SIW based crossover coupler 3204 and a SIW based second phase shifter 3206 connected to the fourth hybrid coupler 720. [

상기 제1 및 제2 보정용 위상 천이기(3202, 3206) 및 제2 크로스오버 커플러(3204)가 없는 경우, 예를 들어, 포트 5, 6, 7, 8에서의 신호의 위상차가 45도라 할 때, 포트 5, 6, 7, 8에서의 각 신호의 위상은 0도, 90도, 45도, 135도로 포트 6과 포트 7의 위상이 뒤바뀌어져 있다.In the absence of the first and second correction phase shifters 3202 and 3206 and the second crossover coupler 3204, for example, when the phase difference of the signals at ports 5, 6, 7 and 8 is 45 degrees , And the phase of each signal at ports 5, 6, 7, and 8 is 0 degrees, 90 degrees, 45 degrees, 135 degrees. The phases of port 6 and port 7 are reversed.

따라서 크로스오버 커플러(3204)는 포트 6과 포트 7에서의 신호의 위상을 서로 바꾸기 위한 것으로서, 최종적으로 포트 5, 6, 7, 8에서의 각 신호의 위상이 0도, 45도, 90도, 135도가 되도록 한다.Therefore, the crossover coupler 3204 is used to switch the phases of the signals at the ports 6 and 7, and finally the phases of the signals at the ports 5, 6, 7 and 8 are 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 135 degrees.

또한, 제1 및 제2 보정용 위상 천이기(3202, 3206)는 제2 크로스오버 커플러(3204)의 추가로 인하여 포트 6과 포트 7에서 추가적으로 발생하는 위상 지연에 따라, 포트 5와 포트 8에서의 신호의 위상을 보정하기 위한 것이다,The first and second correcting phase shifters 3202 and 3206 are also used to compensate for the phase delay at ports 5 and 8 due to the phase delay additionally occurring at ports 6 and 7 due to the addition of the second crossover coupler 3204. [ This is for correcting the phase of the signal,

도 33은 도 32에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(3200)의 각 포트별 격리도를 나타낸다.FIG. 33 shows an isolation diagram for each port of the SIW Butler matrix structure 3200 shown in FIG.

도 34는 도 32에 도시된 SIW 버틀러 매트릭스 구조체(3200)를 사용한 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나(3400)의 구조를 도시한 것이고, 도 35는 이를 실제로 제작한 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나를 도시한 것이다.Fig. 34 shows the structure of a substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beam-forming array antenna 3400 using the SIW Butler matrix structure 3200 shown in Fig. 32, and Fig. 35 shows the structure of the SIW (SIW: Substrate Integrated Waveguide) Butler matrix beam-forming array antenna.

도 36은 도 34 및 도 35에 도시된 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나의 시뮬레이션 및 실측 반사 손실을 도시한 것이고, 도 37은 각 포트별 방사 패턴을 도시한 것이다.36 shows simulation and actual reflection losses of the substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beam-forming array antenna shown in Figs. 34 and 35, and Fig. 37 shows radiation patterns for each port .

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is clear that the present invention can be modified or improved.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

300 : 비아 홀
500 : 5G를 위한 기판 집적 도파관(SIW) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나
502 : LTE MIMO 안테나 700 : SIW 버틀러 매트릭스 구조체
701, 703 : 임피던스 정합 구조체
702 : 방사체 704 : 테이퍼 형태의 광대역 전이구조
706 : 마이크로스트립 라인 708, 710, 718, 720 : 하이브리드 커플러
712. 716 : 위상 천이기 714 : 크로스오버 커플러
1000, 1400 : 커플링부 1002, 1402, 1802 : 비아 홀
1800 : 위상 천이부 3200 : SIW 버틀러 매트릭스 구조체
3202, 3204 : 보정용 위상 천이기
3206 : 크로스오버 커플러
3400 : 기판 집적 도파관(SIW) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나
300: via hole
Integrated Integrated Waveguide (SIW) for 500: 5G Butler Matrix Beam Forming Array Antenna
502: LTE MIMO antenna 700: SIW Butler matrix structure
701, 703: Impedance matching structure
702: emitter 704: tapered broadband transition structure
706: Microstrip line 708, 710, 718, 720: Hybrid coupler
712. 716: Phase shifter 714: Crossover coupler
1000, 1400: coupling portion 1002, 1402, 1802: via hole
1800: Phase shifter 3200: SIW Butler matrix structure
3202, 3204: phase shifter for correction
3206: Crossover coupler
3400: Integrated Integrated Waveguide (SIW) Butler Matrix Beam Forming Array Antenna

Claims (7)

5G를 위한 광대역이면서 낮은 삽입손실의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나; 및
상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나의 상단 및 하단에 소정 거리 이격되어 배치된 복수의 LTE MIMO 안테나를 포함하고,
상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나는 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나를 포함하며,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나는 SIW 버틀러 매트릭스 구조체와 방사체를 포함하고,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체와 방사체는 테이퍼 형태의 광대역 전이구조 및 일정 선폭을 갖는 마이크로스트립 라인에 의해 연결되며,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔 포밍 안테나의 방사체는 상기 마이크로스트립 라인으로부터 소정 거리 이격되고 상기 방사체로부터 상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체 방향으로 소정 길이만큼 연장되며 상기 마이크로스트립 라인과 평행하게 형성되고 상기 마이크로스트립 라인을 기준으로 대칭 형태로 형성된 임피던스 정합 구조체를 포함하는, 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나.
Wideband Low insertion loss SiW (Substrate Integrated Waveguide) beamforming array antenna for 5G; And
And a plurality of LTE MIMO antennas disposed at a predetermined distance from the upper and lower ends of the substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna,
The substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna includes a substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beamforming array antenna,
Wherein the SIW Butler matrix beam-forming array antenna comprises a SIW Butler matrix structure and a radiator,
The SIW Butler matrix structure and the radiator are connected by a microstrip line having a tapered wide band transition structure and a constant line width,
The radiator of the SIW Butler matrix beamforming antenna is spaced a predetermined distance from the microstrip line and extends from the radiator in the direction of the SIW Butler matrix structure by a predetermined length and is formed in parallel with the microstrip line, Integrated waveguide beamforming array antenna based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence, including an impedance matching structure formed in a symmetric shape.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 5G를 위한 광대역이면서 낮은 삽입손실의 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나; 및
상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나의 상단 및 하단에 소정 거리 이격되어 배치된 복수의 LTE MIMO 안테나를 포함하고,
상기 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 빔포밍 배열 안테나는 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나를 포함하며,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 빔포밍 배열 안테나는 SIW 버틀러 매트릭스 구조체와 방사체를 포함하고,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체와 방사체는 테이퍼 형태의 광대역 전이구조 및 일정 선폭을 갖는 마이크로스트립 라인에 의해 연결되며,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체는,
SIW 기반의 제1 및 제2 하이브리드 커플러;
상기 제1 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제1 45°위상 천이기, 상기 제1 및 제2 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제1 크로스오버 커플러, 및 상기 제2 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제2 45°위상 천이기; 및
상기 제1 45°위상 천이기와 상기 제1 크로스오버 커플러에 연결된 SIW 기반의 제3 하이브리드 커플러, 및 상기 제1 크로스오버 커플러와 상기 제2 45°위상 천이기에 연결된 SIW 기반의 제4 하이브리드 커플러를 포함하는, 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나.
Wideband Low insertion loss SiW (Substrate Integrated Waveguide) beamforming array antenna for 5G; And
And a plurality of LTE MIMO antennas disposed at a predetermined distance from the upper and lower ends of the substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna,
The substrate integrated waveguide (SIW) beamforming array antenna includes a substrate integrated waveguide (SIW) Butler matrix beamforming array antenna,
Wherein the SIW Butler matrix beam-forming array antenna comprises a SIW Butler matrix structure and a radiator,
The SIW Butler matrix structure and the radiator are connected by a microstrip line having a tapered wide band transition structure and a constant line width,
The SIW Butler matrix structure includes:
First and second hybrid couplers based on SIW;
A first SIW-based first 45 ° phase shifter coupled to the first hybrid coupler, a first SIW-based crossover coupler coupled to the first and second hybrid couplers, and a second SIW-based second crossover coupler coupled to the second hybrid coupler. 45 ° phase shifter; And
A SIW based third hybrid coupler coupled to the first 45 ° phase shifter and the first crossover coupler and a SIW based fourth hybrid coupler coupled to the first crossover coupler and the second 45 ° phase shifter A Hybrid Antenna Based on a PCB Integrated Waveguide Beamforming Array for 5G and LTE Coexistence.
청구항 5에 있어서,
상기 SIW 버틀러 매트릭스 구조체는,
상기 제3 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제1 보정용 위상 천이기;
상기 제3 및 제4 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제2 크로스오버 커플러; 및
상기 제4 하이브리드 커플러에 연결된 SIW 기반의 제2 보정용 위상 천이기를 더 포함하는, 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나.
The method of claim 5,
The SIW Butler matrix structure includes:
A first phase shifter for correction based on SIW connected to the third hybrid coupler;
A second SIW-based crossover coupler coupled to the third and fourth hybrid couplers; And
Further comprising a second phase shifting phase shifter based on a SIW coupled to the fourth hybrid coupler. The substrate integrated waveguide beamforming array antenna based hybrid antenna for 5G and LTE coexistence.
청구항 6에 있어서,
상기 SIW 기반의 제1 내지 제4 하이브리드 커플러의 커플링부, 상기 SIW 기반의 제1 및 제2 위상 천이기 및 제1 및 제2 보정용 위상 천이기의 위상 천이부 및 상기 SIW 기반의 제1 및 제2 크로스오버 커플러의 커플링부의 비아 홀들은 광대역 특성을 가지도록 하기 위하여 급격한 각을 갖지 않도록 곡면 형태로 배열되는, 5G와 LTE 공존을 위한 기판 집적 도파관 빔포밍 배열 안테나 기반의 하이브리드 안테나.
The method of claim 6,
The SIW-based first to fourth hybrid couplers, the SIW-based first and second phase shifters, the first and second phase shifters for correction, and the SIW-based first and second SIW- A hybrid antenna based on a substrate integrated waveguide beamforming array antenna for coexistence of 5G and LTE, wherein the via - holes of the coupling part of the crossover coupler are arranged in a curved shape so as not to have a sharp angle in order to have broadband characteristics.
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