Design of V-Band Waveguide Slot Sub-Array Antenna for Wireless Communication Back-haul

In this paper, the study of a waveguide aperture-coupled feed-structured antenna has been conducted for the purpose of applying it to a wireless back-haul system sufficient for high-capacity gigabits-per-second data rates. For this study, a $32{\times}32$ waveguide slot sub-array antenna with a corporate-feed structure was designed and produced. Also, this antenna is used at 57 GHz to 66 GHz in the V-band. The construction of the antenna is a laminated form with radiating parts (outer groove and slot, cavity), a coupled aperture, and feeds in each. The antenna was designed with HFSS, which is based on 3D-FEM, produced with aluminum processed by a precision-controlled milling machine, and assembled after a silver-plating process. The measurement result from analysis of the characteristics of the antenna shows that return loss is less than -12 dB, VSWR < 2.0, and a wide bandwidth ranges up to 16%. An overall first side lobe level is less than -12.3 dB, and a 3 dB beam width is narrow at about $1.85^{\circ}$. Also, antenna gain is 38.5 dBi, offering high efficiency exceeding 90%.

무선통신 백-홀용 V-밴드 도파관 슬롯 서브-배열 안테나의 설계

본 논문은 고 용량, Gbps급 데이터 전송을 만족하는 무선 백-홀 시스템에 적용하기 위한 도파관 개구 결합 급전 구조 안테나에 관한 내용으로 V-대역인 57GHz~66GHz 주파수 대역에서 사용 할 공동-급전 구조를 갖는 $32{\times}32$ 도파관 슬롯 서브-배열 안테나를 설계, 제작 하였다. 안테나 구성은 적층 형태로 되어있으며, 각각 복사 부(외부 홈과 슬롯, 캐비티), 개구 결합 부, 급전 부로 이루어져 있다. 안테나 설계는 3차원 유한 요소 법(FEM)을 기반으로 하는 HFSS를 이용 하였고, 안테나 제작은 알루미늄 재질로 정밀도 높은 밀링 머신을 사용하여 각 층을 가공 한 후 은(Ag)-도금 과정을 거쳐 조립하였다. 측정을 통해서 안테나의 특성을 분석한 결과 목표했던 적용 주파수 대역에서의 반사 손실은 전반적으로 -12dB이하 손실 특성을 나타냈으며, VSWR < 2.0기준으로 약 16 %에 달하는 광 대역 주파수 특성을 보였다. 측정된 안테나 복사패턴의 1차 부엽 레벨은 -12.3 dB미만 이고, 3 dB 빔 폭은 약 $1.85^{\circ}$ 로 좁은 빔 폭을 갖는다. 또한, 안테나 이득은 평균 38.5 dBi이상, 효율은 약 90% 이상으로 높은 효율을 얻었다.