As interest in 5G($5^{th}$ generation) mobile communication has increased recently, research regarding new mobile communication technologies has been actively conducted. Among the various communication technologies, the system using beamforming technique is one of the leading technologies in the 5G. The beamforming technique is addressed in several topics as well as in radar as a way of transmitting or receiving the beam of the array antenna in one direction. South Korea’ 5G mobile telecommunication frequency band is 3.5GHz or millimeter-wave band, which is higher than the 3G and 4G. Because the higher the frequency band, the higher the linearity of the propagation, and the higher the loss in air, beamforming technique can be used to solve this and implement mobile communication. It is the key objective of the topic to precisely control the phase differences between the antennas, because the beamforming technique uses multiple antennas. This thesis discusses the proposed new signal calibration method and signal phase control system for the topic in the millimeter-wave band. The higher the frequency, the shorter the wavelength, so the phase of signal can be changed by several factors. For example, phase-stabilized systems may have different phases of the output signal, even though they have the same structure. In this case, even if the beamforming is applied, the beamforming system cannot implement a beam in a desired direction. Thus, the structure of a phase comparator and calibration system is necessary in the beamforming system. For signal phase detection, the phase difference between RF(Radio Frequency) signals can be measured up to 360° and the phase comparator with an error of less than 1° was implemented. The phase differences between millimeter-wave signals obtained through the phase comparator is synchronized with the DDS(Direct Digital Synthesizer), and a digital beam-steering system for controlling the phase of each system is proposed. Finally, the beamforming radiation pattern of the phase calibrated system is measured and compared to the simulation results using the proposed method. First, after stabilizing the system, the phase difference before the phase calibration is detected using the designed phase comparator and the radiation pattern is measured. As a result of synchronizing the phase using the signal calibration system and implementing beamforming with the digital beam-steering system, the measured radiation patterns have been verified that it is similar the simulated pattern. The digital beamforming system also showed that the main beam of radiation pattern can be implemented in the desired direction and the beam can be controlled at 1° intervals.
최근 5세대 이동통신에 대한 관심도가 높아지면서, 새로운 이동통신 기술과 관련한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 다양한 통신 기술 중에서, 빔 형성(beamforming) 기술을 이용한 시스템은 5세대 이동통신의 대표적인 기술 중 하나이다. 빔 형성 기술은 안테나의 빔을 한 방향으로 송신하거나 수신하는 방법으로 레이다 뿐만 아니라 여러 주제에서 다루어지고 있다. 한국의 5세대 이동통신 주파수 대역은 3, 4세대보다 높은 3.5GHz 혹은 밀리미터파 대역이다. 주파수 대역이 높을수록 전파의 직진성이 강하며, 공기 중에서의 손실이 높기 때문에 이를 해결하여 이동통신을 구현하기 위해 빔 형성 기술을 이용할 수 있다. 빔 형성 기술은 다수의 안테나를 이용하기 때문에 안테나 간의 위상 차이를 정확히 제어하는 것이 해당 주제의 핵심 목표이다. 본 논문에서는 밀리미터파 대역의 해당 주제를 위해 제안한 새로운 신호 보상 방법과 신호 위상 제어 시스템에 대해 다룬다. 주파수가 높을수록 파장이 짧기 때문에 신호의 위상은 여러가지 요인에 의해 바뀔 수 있다. 예를 들어, 위상이 안정화된 시스템들은 동일한 구조를 가지고 있더라도 출력 신호의 위상이 다를 수 있다. 이 경우, 빔 형성 기술을 적용하더라도 원하는 방향으로 빔을 형성할 수 없기 때문에 빔 형성 시스템은 신호 위상 검출 및 보상 구조가 필수적이다. 신호 위상 검출을 위해 무선 주파수(Radio Frequency) 신호 간의 위상 차이를 360° 까지 측정 가능하고 오차가 1° 미만인 위상 비교기를 구현하였다. 위상 비교기를 통해 얻은 밀리미터파 신호 간의 위상 차이는 직접 디지털 주파수 합성기(Direct Digital Synthesizer)을 이용하여 위상을 동기화하여 각 시스템의 위상을 제어하는 디지털 빔 제어 시스템을 제안한다. 최종적으로, 제안한 방법을 통해 위상 보상된 시스템의 빔 형성 방사 패턴을 측정하여 빔 형성 시뮬레이션과 비교한다. 먼저 시스템을 안정화 시킨 후, 설계한 위상 비교기를 이용하여 위상 보상 전의 위상 차이를 검출하고 방사 패턴을 측정한다. 이 후, 신호 보상 시스템을 이용하여 위상을 동기화하고 디지털 빔 제어 시스템으로 빔 형성을 구현한 결과, 시뮬레이션 방사 패턴과 거의 일치함을 검증하였다. 또한, 디지털 빔 형성 시스템은 원하는 방향으로 빔이 구현할 수 있으며, 1° 간격으로 빔 제어가 가능함을 보였다.
