60 GHz 대역 능동 안테나 모듈 설계

Active Antenna Module for 60 GHz Frequency Band

Abstract

본 논문에서는 상용 트랜스미터 칩과 패치 어레이 안테나를 결합하여 60 GHz 대역에서 동작하는 능동 안테나 모듈을 설계, 제작하였다. 설계된 모듈은 안테나 PCB와 트랜스미터 칩이 장착된 송신 모듈 PCB가 결합되는 구조로 하였다. 주파수 제어신호 및 바이어스 제어신호는 아두이노 키트를 사용하여 인가하였으며, 기저대역의 I/Q 신호가 트랜스미터 칩으로 인가될 수 있도록 하였다. 송신 모듈의 출력은 단일 출력으로 안테나에 연결되므로 차동 출력을 내는 트랜스미터 칩의 출력을 링 하이브리드 발룬에 전달하고, 이를 초소형 상용 커넥터로 $2{\times}4$ 마이크로스트립 패치 어레이 안테나 PCB로 전달되도록 하였다. 최종 출력되는 밀리미터파 신호의 방사패턴 측정을 통하여 시뮬레이션 결과와 비교하는 방식으로 확인하였다. 제작된 능동 안테나 모듈의 방사패턴 측정 결과, 3 dB 빔폭과 null 포인트의 위치가 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다.

In this paper, an active antenna module operating in the 60 GHz band is designed and fabricated by combining a commercial transmitter chip and patch array antenna. The designed module is composed of an antenna PCB and a PCB with a transmitter chip. The frequency-control and bias-control signals are applied to the transmitter chip, using an Arduino kit. A baseband I/Q signal is also applied to the chip. A ring hybrid balun converts the output of the transmitter module to a single output, which is the output of the transmitter chip that outputs a differential output. The output is delivered to the $2{\times}4$ microstrip patch array antenna PCB as a micro-computer connector. The radiation pattern of the millimeter-wave signal of the final output is compared with the simulation results. The measured radiation patterns of the fabricated active antenna module confirm that the positions of the 3 dB beam width and null point agree well with the simulation results.

그림 1. 능동 안테나 구조 Fig. 1. Active antenna structure.

그림 2. 상용 through pin의 위치 및 전달 특성 Fig. 2. Position and transfer characteristics of commercially available through pins.

그림 3. 설계되어 송신 모듈 PCB에 장착된 발룬 Fig. 3. Designed balun on the transmitter PCB.

그림 4. 설계 제작된 DC 바이어스 및 RF 제어 PCB Fig. 4. Designed PCB for DC bias and RF control.

그림 5. 제작 된 능동 안테나 모듈 Fig. 5. Fabricated active antenna module.

그림 6. 안테나 방사패턴 시뮬레이션 및 측정 결과 Fig. 6. Simulated and measured antenna radiation pattern.