A Study on the Phased Array Antenna System Using Switched-Type Phase Shifter with Low Insertion Loss through Asymmetry Structure

Abstract

The stage-reduced switched type phase shifter (STPS) based low loss and unequal phased array architecture without any power consumption is described. Since phase difference between channels (β) in β ≤ -90° and β ≥ 90° range is rarely used in practice because the side-lobe of the antenna increases, phase shifter units are unequally designed for each channel so as to use only the -90°≤ β ≤ 90° region, which is a region with a small side-lobe. In practice, this stage-reduced STPS structure is generalized to be applied to n-stage 1×4 beamforming architecture. As an example, a 4-bit conventional phase shifter with 22.5° resolution is implemented using only 3-bits in 0.15- µm GaAs pHEMT for 28 GHz 5G n257 band. Compared to the conventional structure, insertion loss is improved thanks to removing 0°/180° stage revealing the highest insertion loss among the conventional 4 stages. The average insertion loss of the stage-reduced phase shifter is -4.17 dB and -3.17 dB for channels 1 and 4, and channels 2 and 3, respectively. The side-lobe of the proposed phased array is also improved as much as 1.6dB than that of conventional phased array architecture since the insertion loss of channels 1 and 4 located on the edge side is 1dB higher than that of channels 2 and 3. The proposed stage-reduced phase shifter reveals figure of merit lower than -1 dB without using any power consumption. To the best of the authors’ knowledge, this STPS achieves the lowest insertion loss among the published GaAs/CMOS STPS over a similar frequency. |비대칭 구조를 통해 스테이지를 감소시킨 스위치형 위상천이기에 대해 설명한다. Stage가 감소됨에 따라 낮은 삽입손실과, 스위치형 위상천이기 특성 상 전력소모가 없도록 구현되었다. 또한, 이 위상천이기를 이용하여 비 균등한 구조의 1×4 채널의 위상 배열 구조를 구현하였다. β ≤ -90° 및 β ≥ 90° 범위의 채널 간 위상차(β)는 안테나의 사이드 로브가 증가하여 실제로 거의 사용되지 않는다. 따라서 사이드 로브가 작은 영역인 -90°≤ β ≤ 90° 만을 사용하도록, 채널별로 위상 천이기를 다르게 설계하였다. 스테이지를 감소시킨 스위치형 위상천이기 구조는 1×4 빔포밍 구조에 적용될 수 있도록, n-stage 까지 일반화하였다. 기존의 스위치형 위상천이기 구조를 사용하면 22.5° 해상도를 가지기 위하여 4개 스테이지의 스위치형 위상천이기가 요구되지만, 본 논문에서 제시한 스테이지를 감소시킨 스위치형 위상천이기는 3개의 stage로 22.5° 해상도를 가질 수 있고, 해당 위상천이기는 0.15- µm GaAs pHEMT 공정을 통하여 5G n257 대역 (26.5 – 29.5 GHz)에 동작하도록 설계 및 제작되었다. 또한 기존구조의 위상천이기 중 삽입손실이 가장 큰 0°/180° 스테이지를 제거하여 삽입 손실이 개선되었다. 제안한 위상천이기의 평균 삽입손실은 채널 1과 4, 채널 2와 3에 대해 각각 -4.17 dB, -3.17 dB로 측정되었다. 또한, 제안한 위상천이기를 사용한 위상배열 송신기는 끝 쪽에 위치한 채널 1과 4의 삽입손실이 채널 2와 3의 삽입손실보다 1 dB 높다. 따라서 기존구조에 대비하여 사이드 로브가 1.6 dB 향상되었다. 제안된 위상 천이기는 전력 소모 없이, -1 dB 보다 높은 성능 지수를 나타낸다.