As mobile devices, such as smartphones and tablet PCs, occupy an increasing proportion in personal life, various functions and technologies are being integrated into mobile devices. In particular, recently, attention has been focused on applications using virtual reality such as VR HMD and AR Glass. High-speed wireless communication is essential for the utilization of mobile devices that process high-capacity data. To this end, since high-speed data communication is possible with a wide bandwidth of 9 GHz and the size of the system can be reduced with a high frequency, various attempts are being made to apply wireless communication using a 60 GHz band to mobile systems. In particular, it is necessary to research a 60 GHz beamforming system for transmission in a desired direction and for use in a non-line-of-sight communication environment. Among them, research on array antenna technology has many difficulties due to the problem of deterioration in efficiency and coverage due to the high frequency and shortened wavelength of the millimeter wave band. Therefore, this paper proposes and verifies an optimal array antenna structure for an antenna-in-package that emits a beam with a spherical coverage and a beamforming algorithm suitable for the mobile communication environment of the 60 GHz band.This thesis consists of a total of 4 chapters. Chapter 2 proposes a 60 GHz beamforming algorithm that finds the optimal beam for transmission and reception using an antenna-in-package. The beamforming algorithm is largely composed of an “initial beam selection” part and a “beam tracking” part. The “Initial Beam Selection” part is the process of finding the initial beam when AR Glass is turned on. The “initial beam selection” part proceeds in the order of the “array antenna selection” process to find a pair between the transmit and receive array antennas, the “receive beam selection” process, and the “transmit beam selection” process. The “beam tracking” part is the process of tracking the beam according to the user's movement while using AR Glass. The “beam tracking” part consists of a “pre-inspection” process that checks whether beams at the same location meet the requirements over time, and a “nearest Find the beam” process in order. Chapter 3 proposes a new array antenna to improve the spherical radiation pattern of the antenna-in-package introduced in Chapter 2. In the previous antenna-in-package, the beam radiation pattern is generally elliptical, and there is a “weak spot” problem in which the gain is formed low in the portion where different array antennas are stitched together. Therefore, in this paper, the center axis of the dipole array antenna and the center axis of the patch array antenna are alternately arranged to create an improvement effect that offsets the “weak spot”. In addition, by adjusting the distance between the elements of the patch array antenna, the overall elliptical beam radiation pattern was modified to be nearly spherical as a whole. Finally, Section 4 summarizes and concludes the thesis.
스마트폰과 태블릿 PC와 같은 모바일 디바이스가 개인의 삶에 차지하는 비중이 점점 커지면서 다양한 기능 및 기술이 모바일 기기로 통합되고 있다. 특히 최근에는 VR HMD와 AR Glass와 같은 가상현실을 활용한 응용분야로 관심이 집중되고 있다. 고용량 데이터를 처리하는 모바일 기기의 활용을 위해서는 고속 무선통신이 반드시 필요하다. 이를 위해 9 GHz의 넓은 대역폭으로 고속 데이터 통신이 가능하고 높은 주파수로 시스템의 크기를 줄일 수 있기 때문에 60 GHz 대역을 이용한 무선 통신을 모바일 시스템에 적용하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 특히 원하는 방향으로의 전송과 비가시거리 통신환경에서 사용하기 위한 60 GHz 빔포밍 시스템의 연구가 필요하다. 그 중 어레이 안테나 기술의 연구는 밀리미터파 대역의 높은 주파수와 짧아진 파장으로 인해 효율 및 커버리지 저하의 문제로 많은 어려움이 있다. 따라서 본 논문은 60 GHz 대역의 모바일 통신 환경에 적합한 빔포밍 알고리즘과 구형 커버리지로 빔을 방사하는 안테나 인 패키지의 최적의 어레이 안테나 구조를 제안하고 검증한다.본 논문은 총 4개의 챕터로 구성되어 있다. 2장에서는 안테나 인 패키지를 이용하여 송수신하기 위한 최적의 빔을 찾아내는 60GHz 빔포밍 알고리즘을 제안한다. 빔포밍 알고리즘은 크게 “초기빔선택” 파트와 “빔트래킹” 파트로 구성된다. “초기빔선택” 파트는 AR Glass를 켰을 때 초기 빔을 찾아내는 과정이다. “초기빔선택” 파트는 송수신 어레이 안테나간 쌍을 찾는 “어레이 안테나 선택” 과정과 “수신 빔 선택” 과정 그리고 “송신 빔 선택” 과정 순으로 진행된다. “빔트래킹” 파트는 AR Glass 사용 중에 사용자의 움직임에 따라 빔을 추적해가는 과정이다. “빔트래킹” 파트는 시간이 경과함에 따라 동일한 위치에서의 빔이 요구조건을 충족시키는지 점검하는 “사전 점검”과정과 요구조건을 충족시키지 못했을 때 빔트래킹을 진행할 가장 가까운 빔을 찾는 “가장 가까운 빔 찾기” 과정 순서로 진행된다. 3장에서는 2장에서 소개한 안테나 인 패키지의 구형방사패턴을 개선하기 위한 새로운 어레이 안테나를 제안한다. 이전의 안테나 인 패키지에서는 빔방사패턴이 전체적으로 타원형이고 서로 다른 어레이 안테나들끼리 스티칭되는 부분에서 이득이 낮게 형성되는 “Weak spot” 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 다이폴 어레이 안테나의 중심축과 패치 어레이 안테나의 중심축을 엇갈리게 배치함으로써 “Weak spot”을 상쇄시키는 개선 효과를 만들었다. 또한 패치 어레이 안테나의 요소들간 거리를 조정하여 전체적으로 타원형이었던 빔방사패턴을 전체적으로 구 모양에 가깝게 수정하였다. 마지막으로 4장에서 논문 내용을 요약하고 마무리한다.
