Design of Beam-Steerable Array Antennas for 5G Millimeter-Wave Applications

Abstract

본 논문에서는 밀리미터파 대역 5G 통신 응용을 위한 두 가지 형태의 빔조향 배열 안테나의 설계 및 구현에 대해서 제안하였다. 먼저, 금속 소재로 이루어진 5G 모바일 단말기를 위한 이중 동작 모드와 저감된 SAR 값을 갖는 28 GHz 빔조향 배열 안테나를 제시하였다. 금속 몸체를 갖는 휴대단말기에 밀리미터파 대역 배열 안테나를 배치하기 위해, 제안 구조에서 직육면체 모양의 회전 슬롯 방사체를 활용하였다. 제안한 배열 안테나는 단말기의 위쪽 측면과 후면에 두 개의 부배열로 나뉘어 배치되었으며 금속 하우징 플랫폼 상에서도 양호한 안테나 성능과 빔 조향 특성을 갖는다. 또한, 제안한 배열 안테나를 사용하여 저감된 SAR 값을 얻기 위해 단말기의 동작 시나리오에 따라 부배열을 선택적으로 활성화시키는 부배열 스위칭 기법을 적용하였다. 결과적으로, 제안한 배열 안테나는 27.2 – 28.2 GHz에 걸쳐 −10 dB 이하의 반사계수를 가지며 최대 −11.8 dB의 소자 간 상호 결합 성능을 제공한다. 제안한 안테나는 ±60° 이내의 여러 빔 스캔 각도에 대해 양호한 빔 조향 성능을 가지며 단말기 응용에 적합한 준반구형 빔 커버리지를 제공한다. 0°와 40°의 빔 스캔 각도에 대해 제안 구조로부터의 최대 SAR는 각각 0.53와 0.88 W/kg로 계산되었으며, 이를 부배열 스위칭 기법 없이 하나의 배열 안테나만 사용하는 경우와 비교하여 각각 최대 5.15 W/kg와 2.39 W/kg만큼 저감되었음을 확인하였다. 다음으로, 차량과 인프라 간 통신, 고속 열차 통신, 공대지 통신, 스몰셀 기지국 등의 밀리미터파 대역 5G 응용을 위한 단방향성의 반구형 빔 커버리지를 갖는 위상 배열 안테나 유닛을 제시한다. 단방향성의 완전한 반구형 빔 커버리지를 얻기 위해, 제안한 안테나 유닛은 4개의 부배열로 구성된다. 각 부배열에 대해 인공자기도체 반사판을 갖는 슬롯 배열 안테나를 설계 및 적용하였으며, 반사판과 슬롯 안테나 간의 이격거리를 최적화하여 θ 각에서 90°의 기울어진 넓은 빔폭을 얻어내었다. ϕ 각에 대해서는 4개의 부배열들의 빔 조향을 이용하여 360° 커버리지가 확보된다. 결과적으로, 설계한 부배열 안테나는 11.62 dBi의 최대 이득을 가지며 0° – 62°의 θ각에 대해 8 dBi 이상의 이득을 제공한다. 제안한 전체 배열 안테나 유닛의 커버리지 효율은 5, 8, 10 dBi의 임계 이득에 대해 각각 0.82, 0.71, 0.61이며, 이를 일반적인 패치 배열 안테나로 구성된 유닛과 비교하여 각각 0.04, 0.09, 0.13만큼 향상되었음을 확인하였다. 본 논문에서 제안된 빔조향 배열 안테나 기술은 5G 모바일 단말기 및 다양한 밀리미터파 대역 통신 시나리오에 적용될 수 있을 것으로 사료된다. |In this dissertation, I propose the design of beam-steerable array antennas for 5G mmWave applications. First, a SAR-reduced 28-GHz beam-steering array antenna with dual-mode operation for fully metal-covered 5G cellular handsets is presented. To design a mmWave antenna array that can be installed on a fully metal-covered mobile handset, the rotated parallelepiped-slot antenna elements are devised and employed in the proposed array design. The antenna elements are installed and arranged on the upper edge and back cover of the metal-casing handset and provide good antenna performances and beam steering characteristics even on the harsh metallic platform. Additionally, to obtain reduced SAR values using the proposed array, the subarray switching technique in which the designed arrays on the upper edge and the back cover are selected according to the operation scenario of the mobile handset is applied. As a result, the proposed array has reflection coefficients of less than –10 dB in the frequency band ranging from 27.2 to 28.2 GHz, and the mutual couplings between antenna elements are less than –11.8 dB. The proposed antenna array exhibits good beam-steering properties for several scan angles and provides a semi-hemispherical beam coverage suitable for mmWave 5G cellular handsets. The calculated peak SAR values on the head phantom by the proposed structure, for the beam scan angles of 0° and 40°, are 0.53 and 0.88 W/kg, respectively, when the input power of each subarray is 24 dBm. Next, a compact low-profile phased array antenna unit with unidirectional hemispherical beam-coverage for 5G mmWave applications is proposed. A four-subarray configuration is used in the proposed structure to achieve unidirectional hemispherical coverage in the boresight direction normal to the substrate. An AMC-backed slot antenna array with an optimal separation distance of 1.9 mm (corresponding to 0.31λ at 28 GHz) is proposed as a subarray. The proposed antenna has increased H-plane beamwidth with a measured peak gain of 11.62 dBi and provides the desired wide inclined beam pattern in the elevation plane. The proposed antenna also enables steered beams over the range within ±45° in the azimuth plane. The coverage efficiencies of the proposed phased array antenna unit are 0.82, 0.71, and 0.61 for threshold gains of 5 dBi, 8 dBi, and 10 dBi, respectively, for which the maximum solid angle is 2π steradians. The proposed design principles for the SAR-reduced beam-steering array antenna with dual-mode operation and the phased array antenna unit with unidirectional hemispherical beam coverage can be applied to antennas for various 5G mmWave applications.