As mobile communication systems move from 4G to the 5G/6G era, new antenna technologies are being developed. In 5G/6G, multiple-input and multiple-output (MIMO) technology using multiple antennas, which can prevent power loss in the air as frequency bands increase, is key. Representative technologies of MIMO include beamforming and multibeam. Beamforming enables flexible network configuration by controlling the angle of the antenna's main beam. Multibeam can secure wide beam coverage by transmitting/receiving multiple beams at the same time. Various antenna technologies that implement beamforming and multibeam are being developed, and a new antenna measurement system is required to determine the accurate performance of the antenna.
In this paper, we conduct research on hybrid multibeamforming system technology for 5G/6G mobile communication and an antenna 3D radiation pattern measurement system with calibration technique. First, the architecture of hybrid multibeamforming system based on analog and digital beamforming system structure is described. The conventional hybrid beamforming system combines an RF-based analog and a baseband-based digital system structure. However, we propose a new hybrid multibeamforming system structure and construct analog and digital beams by performing analog and digital beamformers independently. The generated analog and digital beam can be used simultaneously or selectively. In addition, the angle of each beam can be individually controlled.
As mobile communication frequency bands increase, the performance of RF modules becomes more sensitive to temperature. In particular, for antenna measurement systems in the millimeter-wave band, a calibration technique is essential to maintain the performance of measurement system in order to extract accurate antenna performance. In this paper, we introduce an antenna 3D radiation pattern measurement system with calibration technique. The antenna measurement system consists of a vector network analyzer and frequency extension modules capable of extracting real-time feedback signals. The proposed system with calibration technique was verified by analyzing the simulation and measurement results of the antenna radiation pattern.
The antenna spacing of an array antenna is an important factor in determining the radiation pattern. If the distance between element antennas is more than half a wavelength, a grating lobe occurs. This may confuse in mobile communication because the grating lobe of the array factor of the array antenna has the same power as the main lobe. In this paper, in order to reduce the power of the grating lobes, the optimized spacing between array antenna is presented using the Markov Chain Monte Carlo algorithm. The performance of the proposed algorithm is verified by analyzing the radiation pattern of the array antenna.
이동통신 체계는 4G를 넘어 5G/6G 시대가 되면서 새로운 안테나 기술이 발전되고 있다. 5G/6G 에서는 주파수 대역이 높아지면서 공기 중 전파 손실을 방지할 수 있는 다중 안테나를 이용한 다중입력-다중인출(Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO) 기술이 핵심적이다. MIMO의 대표 기술은 빔포밍과 멀티빔이 있다. 빔포밍은 안테나의 주엽(Main beam) 각도를 제어함으로써 유연한 망 구성을 가능하게 한다. 멀티빔은 동시에 여러 빔을 송/수신하여 넓은 빔 커버리지를 확보할 수 있다. 빔포밍과 멀티빔을 구현하는 다양한 안테나 기술이 개발되고 있으며 안테나의 정확한 성능을 파악하기 위해서는 새로운 안테나 측정 시스템이 요구된다.
본 논문에서는 5G/6G 이동통신을 위한 하이브리드 멀티빔포밍 시스템 기술과 이를 측정할 수 있는 보상 기법이 포함된 안테나 3차원 방사패턴 측정 시스템에 대한 연구를 수행한다. 우선적으로, 아날로그와 디지털 멀티빔 및 빔포밍 시스템 구조를 기반으로 한 하이브리드 시스템 구조도가 제시된다. 기존의 하이브리드 멀티빔포밍 시스템은 RF 기반의 아날로그 구조와 Baseband 기반의 디지털 구조를 결합된 형태이다. 이는 아날로그와 디지털 구조를 직렬적으로 연결하여 하나의 빔을 구성하는데 사용되었다. 그러나 본 논문에서는 새로운 하이브리드 구조도를 제안하며, 아날로그와 디지털 빔포머를 독립적으로 수행하여 개별적인 아날로그 빔과 디지털 빔을 구성하였다. 생성된 아날로그 빔과 디지털 빔은 동시에 혹은 선택적으로 생성되고 빔 각도 제어가 가능하다.
이동통신 주파수 대역이 높아짐에 따라 RF 모듈의 성능은 온도에 더욱 더 민감하다. 특히 밀리미터파 대역의 안테나 측정 시스템은 정확한 안테나의 성능을 추출하기 위해 측정 시스템의 성능 유지를 위한 보상 기법이 필수적이다. 본 논문에서는 보상 기법이 포함된 안테나 3차원 방사패턴 측정 시스템에 대해 고찰하고자 한다. 안테나 측정 시스템은 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer, VNA)와 실시간 신호 추출이 가능한 주파수 확장 모듈(Extension Module)로 구성된다. 26.5 GHz 의 안테나는 제안된 시스템을 이용하여 방사패턴이 측정되었다. 방사패턴의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 분석함으로써 제안된 보상 기법이 검증되었다.
추가적으로, 배열 안테나의 안테나 간격은 방사패턴을 결정하는데 중요한 요소이다. 안테나 간의 간격이 반 파장 이상이면 격자엽(Grating lobe)이 발생한다. 이는 배열 안테나의 배열 계수(Array Factor, AF)에서 안테나의 주엽과 동일한 크기를 가지기 때문에 이동 통신에 혼선을 야기할 수 있다. 본 논문에서는 격자엽의 크기를 감소시키기 위해, 마코브 체인 몬테 카를로(Markov Chain Monte Carlo) 알고리즘을 이용하여 최적화된 배열 안테나 간의 간격을 제시한다. 최종 배열 안테나의 방사패턴을 분석함으로써 제안된 알고리즘의 성능을 검증한다.
