Band-Broadening Design of the Butler Matrix for V2X - 5.9 GHz Communication

V2X 차량 통신용 5.9 GHz 버틀러 매트릭스의 광대역화 설계

한다정

, 이창형

, 박희준

, 강승택

Band-Broadening Design of the Butler Matrix for V2X - 5.9 GHz Communication

Dajung Han, Changhyeong Lee, Heejun Park, Sungtek Kahng

요 약

본 논문에서는 5.9 GHz에서 동작하는 광대역의 Butler Matrix에 기반한 차량 간 통신(V2X)용 안테나의 설계법이 제시된다. V2X가, 교통 시스템의 지능화, 모바일 통신 기능의 다각화, 주파수 자원의 포화문제 해소, 신호 송수신의 효율성을 극대화를 위한 빔 형성 및 빔 조향 안테나를 필요로 함에 따라, 부피가 크지 않으면서 요구사항을 충족할 수 있는 Butler Matrix 급전부와 그에 연결된 방사체를 구현한다. 기본적인 Butler Matrix를 구성하는 협대역 부품들과 방사체가 먼저 설계된 다음, 안테나 시스템의 차량 장착 시에 발생될 주파수 천이에 대해 영향을 크게 받지 않기 위한 광대역용 Butler matrix의 구성품들이 설계된다. 협대역과 광대역 구조 들의 성능들이 서로 비교되어, 빔 형성 및 빔 조향의 공통된 성능을 보이는 동시에, 주파수 영역에서 대역폭 관점에서의 차별성이 도시된다.

Key Words : Butler matrix, Wideband, V2X communication, Phase-shift, Branch-line coupler, Crossover

ABSTRACT

In this paper, we suggest a design method of a wide-band Butler matrix working at 5.9 GHz for V2X communication antennas. Since V2X communication needs beam-forming and beam-steering antennas to make transportation systems, mobile comm platforms, saturated frequency-resources, and signal TX-and-RX smart, multi-functional, resolved, and efficient utmost, respectively, the proper Butler matrix and its radiating elements as a low-profile geometry are realized. The constitutive components of the basic Butler matrix of a narrow band are designed first. And then, it is extended to a wide-band version to make its frequency-shift less affected by the event of the antenna system being mounted on a car body. The beam-forming and beam-steering performance is presented as the common feature tagged along with the different bandwidths of the frequency responses as the comparison between the narrow- and wide-band cases.

*인천대학교 정보통신공학과 전파공학연구실 ([email protected])

※ 본 논문의 연구업무는 인천대학교 자체연구비 과제의 지원을 받음 접수일자 : 2016년 12월 23일, 최종게재확정일자 : 2016년 12월 27일

I. 서 론

사물인터넷이라는 단어가 낯설지 않게 느껴질 만큼 기술 은 빠른 속도로 발전하고 있다. 사물인터넷이란 모든 사물을 인터넷으로 연결할 수 있는 것을 의미한다. 또한 모바일 시 장과 교통수단의 지능화 분야 가파른 성장률을 보이면서 무 선통신분야에서는 신호의 송수신에 대한 효율성이 큰 이슈 중 하나로 대두되고 있다. 이러한 효율성 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나는 스마트 안테나를 사용하는 것이다[1-6].

스마트 안테나란, 배열안테나의 위상을 제어하여 원하는 방향으로 특정 신호를 송수신하는 안테나를 의미한다. 송수

신 간에 독립된 빔 패턴을 제공하여 전파의 양을 원하는 방 향으로 극대화하고, 다른 방향에는 극소화하여 수신 신호의 잡음을 최소화한다. 이렇게 함으로써 통화품질 향상과 통신 용량을 극대화할 수 있고 저전력 통화로 인한 배터리 수명 연장 등의 효과를 얻을 수 있다. 스마트 안테나의 여러 종류 중에서 방향성 안테나는 스마트 안테나의 가장 단순한 형태 이며, 이러한 목적으로 Butler Matrix는 레이더 및 위성 시스 템에서 수년 동안널리 사용되었다[7, 8]. Butler Matrix는 고 정된 다중 빔을 형성하는 방식으로 다른 기술에 비해 구현이 비교적 용이하고 필요한 요소들이 적다는 장점이 있다.

본 논문에서는 차량용 스마트 통신을 위해 5.9-GHz 4✕4

Butler Matrix를 설계한다. 기존의 Butler Matrix는 협대역 의 특성을 보여 환경변화에 따른 성능 열화 가능성이 점쳐졌 다. 그러한 점을 보완하기 위해 광대역의 Butler Matirx를 위 한 광대역 위상 천이기, 광대역 하이브리드 브랜치 라인 커 플러, 광대역 크로스오버, 이들의 결합체를 구현한다.

Ⅱ.Butler Matrix의 위상 요구사항

Butler Matrix는 1961년, Jesse Butler와 Ralph Lowe의

‘Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas’이라는 논문에서 처음 제시되었다.

Butler Matrix는 빔이 스위치 되는 시스템에서 상호간 빔-형 성(Beam-Forming) 네트워크로 잘 알려져 있다. Butler Matrix는 수년 동안 레이더 및 위성 시스템에서 널리 사용되 어왔다. 또한 빔-형성 네트워크로써, 인가되는 입력의 개수 에 따라 안테나의 빔을 하나의 평면 내에서 다양한 방향으로 움직이도록 할 수 있다. 가장 이상적인 Butler Matrix는 고속 푸리에 변환(FFT) 및 직교 시스템과 동일 효과를 나타내는 아날로그 회로이다. 본 논문에서 설계될 구조의 개념도는 다 음과 같다.

그림 1. 4X4 Butler Matrix 구조

일반적으로, Butler Matrix는 N개의 입력포트와 N개의 출력포트를 가진다. 이는 N개의 안테나 소자의 배열을 구성 하는데 사용되며,  Hybrid coupler와  Phase shifter를 연결한 구조를 형성하게 된다. 그림1과 같이 4×4 Butler Matrix는 4개의 입력포트(1, 2, 3, 4)와 4개의 출력포 트(5, 6, 7, 8)를 가지며, Hybrid coupler 4개와 2개의 Crossover, 2개의 Phase shifter로 구성되어있다. 이 때 이상 적인 위상 출력은 다음 표1 과 같다.

Port5 Port6 Port7 Port8

Port1 45 -45 0 -90

Port2 -45 -135 90 0

Port3 0 90 -135 -45

port4 -90 0 -45 45

표 1. 4X4 Butler Matrix의 이상적인 위상 출력

포트 1번을 급전하면 출력들인 포트 5-포트 9번간에 45도, -45도, 0도, -90도 관계가 만들어지면서 빔이 특정방향으로

방사된다. 이를 포트 2, 포트 3, 포트 4의 순서로 적용하면 빔 이 조향되므로 이에 맞는 부품들인 위상 천이기, 커플러, 크 로스오버가 설계된다.

Ⅲ. Butler Matrix의 광대역화

3-dB hybrid coupler는 출력신호가  의 위상차를 갖 는 3dB 방향성 결합기이다. 이러한 종류의 hybrid는 microstrip이나 strip line으로 구성되며, Quadrature hybrid 로도 알려져 있다.

(a)

(b)

그림 2. 협대역과 광대역 3-dB hybrid coupler의 구조 비교 (a)협대역 3-dB hybrid coupler (b)광대역 hybrid coupler 협대역보다 광대역형 다단의 모습을 띄고 있다.

5.6 5.8 6.0 6.2

-50 -40 -30 -20 -10 0

S-parameter [dB]

Frequency [GHz]

S₁₁ S₂₁ S₃₁ S₄₁

(a)

5.6 5.8 6.0 6.2

-50 -40 -30 -20 -10 0

S-parameter [dB]

Frequency [GHz]

S₁₁ S21 S₃₁ S41

(b)

그림 3. 3-dB hybrid coupler의 산란계수 결과 비교 (a)협대 역 hybrid coupler (b)광대역 hybrid couple

광대역형은 협대역에 비해 산란계수 평탄도가 좋다.

5.6 5.8 6.0 6.2

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Phase [deg]

Frequency [GHz]

S₁₁ S₂₁ S31

S₄₁

(a)

5.6 5.8 6.0 6.2

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Phase [deg]

Frequency [GHz]

S11

S₂₁ S₃₁ S41

(b)

그림 4. 협대역과 광대역 3-dB hybrid coupler의 위상 (a)협 대역 3-dB hybrid coupler (b) 광대역 3-dB hybrid coupler

협대역과 광대역 공통적으로, 출력 간 위상차가 90도이다.

또 다른 구성요소인 crossover는 두 개의 3-dB Hybrid Coupler가 결합된 형태를 갖고 있다.

(a)

(b)

그림 5. 협대역과 광대역 crossover의 구조 비교 (a)5.9GHz 협대역 crossover (b)5.9GHz 광대역 crossover

크로스오버의 광대역화에도 다단구조의 모습이 보인다.

5.6 5.8 6.0 6.2

-50 -40 -30 -20 -10 0

S-parameter [dB]

Frequency [GHz]

S11

S₂₁ S₃₁ S41

(a)

5.6 5.8 6.0 6.2

-50 -40 -30 -20 -10 0

S-parameter [dB]

Frequency [GHz]

S11

S₂₁ S₃₁ S41

(b)

그림 6. crossover의 산란계수 결과 비교 (a)5.9GHz 협대역 crossover (b)5.9GHz 광대역 crossover

협대역에 비해, 광대역형은 좀 더 넓은 대역에서 평탄한 산란계수를 가져 적합하다고 할 수 있다.

5.6 5.8 6.0 6.2

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Phase [deg]

Frequency [GHz]

S₁₁ S₂₁ S₃₁ S₄₁

(a)

5.6 5.8 6.0 6.2

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Phase [deg]

Frequency [GHz]

S₁₁ S₂₁ S₃₁ S₄₁

(b)

그림 7. 협대역과 광대역 crossover의 위상 (a)5.9GHz 협대역 crossover (b)5.9GHz 광대역 crossover

협대역과 광대역 공통적으로, 출력 간 위상차가 90도이면 서 크기는 0dB이다. 또 하나의 중요 요소인 45도 위상 천이 기는 전송선 그 자체이므로 대역폭에 크게 상관없다.

그림 8. 45phase shift의 구조 구조는 마이크로스트립 전송선로의 일부이다.

5.6 5.8 6.0 6.2

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

S-parameter [dB]

Frequency [GHz]

S₁₁ S₂₁

그림 9. 45phase shift의 산란계수 크기

5.6 5.8 6.0 6.2

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Phase [deg]

Frequency [GHz]

S11 S21

그림 10. 45phase shift의 위상 확인

입출력간의 위상차가 45도가 발생한다. 다음은 방사체를 두 급전구조에 연결하여 방사특성을 확인한다.

(a)

(b)

그림 11. 설계된 Butler Matrix의 구조(a)협대역 Butler Matrix (b)광대역 Butler Matrix

첫째로 협대역 급전구조와 마이크로스트립 방사체들이 연결된 것이며, 두 번째는 광대역 구조의 결합형이다.

(a)

(b)

그림 12. 설계된 Butler Matrix의 산란계수(a)5.9GHz 협대역 Butler Matrix (b)5.9GHz 광대역 Butler Matrix

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120

135 150 180 165 195 210 225 240 255 270

285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port2

Theta-cut(phi=180)

(a)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120

135 150 180 165 195 210 225 240 255 270

285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port4

Theta-cut(phi=180)

(b)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120 135 150 180 165 195 210 225 240 255 270 285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port1

Theta-cut(phi=180)

(c)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120

135 150 180 165 195 210 225 240 255 270

285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port3

Theta-cut(phi=180)

(d)

그림 13. 협대역형 Butler Matrix의 안테나 빔 패턴 (a) 포트2 (b) 포트4 (c) 포트1 (d) 포트3

입력포트 네 개 중 하나씩 선택함으로써, 빔의 방향이 네 개가 되고 이를 최좌측에서 최우측으로 조향할 수 있다.

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120

135 150 180 165 195 210 225 240 255 270 285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port2

Theta-cut(phi=180)

(a)

-20 -15 -10 -5 0 5

10 0 15

30 45

60 75

90

105 120

135 150 180 165 195 210 225 240 255 270 285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port4

Theta-cut(phi=180)

(b)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120 135 150 180 165 195 210 225 240 255 270

285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port1

Theta-cut(phi=180)

(C)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

0 15

30 45

60 75

90

105 120

135 150 180 165 195 210 225 240 255 270

285 300

315 330

345

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Port3

Theta-cut(phi=180)

(d)

그림 14. 설계된 광대역 Butler Matrix의 안테나 빔 패턴 (a) 포트2 (b) 포트4 (c) 포트1 (d) 포트3

광대역형에서도, 입력포트를 하나씩 선택함으로써, 빔을 형성하고 최좌측에서 최우측으로 조향할 수 있다. 협대역형 과 광대역형 안테나를 5.9 GHz에 대해서 빔 패턴을 관찰하 면 유사성이 보이는데, 이는 설계가 무리 없이 진행되었음을 보이는 근거가 될 수 있다. 다음은 두 안테나의 공통지점인 V2X 통신 주파수에 한해, 방사패턴을 측정한 결과이다.

(a)

(b)

(C)

(d)

그림 15. Butler Matrix의 안테나 3D 빔 패턴 측정결과 (a) 포 트2 (b) 포트4 (c) 포트1 (d) 포트3

제작된 안테나를 포트 2번에서 1, 4, 3번의 순서대로 급전 하면 3차원 원거리장 패턴을 측정하였다. 그 결과 빔이 모의 시험의 결과처럼 부드럽지는 않지만 전자장 분포의 최고점 이 네 개의 다름 방향에서 발생하고 있음을 확인할 수 있다.

주 빔 옆에 강도가 좀 더 낮은 부 빔들이 존재하는데, 이는 안테나 제작시 얇은 기판을 좀 더 넓은 금속 접지판에 장착 하고 측정 케이블을 차폐시키면 더 향상될 수 있는 부분이라 고 판단된다. 다음은 본 안테나를 차량에 장차하는 시나리오 이다.

그림 16. 차량에 부착된 Butler Matrix

V2X는 차량이 통신 플랫폼이므로 차체에 안테나 방사체 가 부착된다. 이 때, 차체는 넓은 금속 접지판 역할을 하며, 급전부와 케이블을 차에 하부에 숨는 구조가 될 것 이리고 예상된다. 이런 환경에서 안테나는 네 개의 방향으로 빔을 방사하여 전방의 –45도-45도 사이의 차량의 V2X 수신기로 신호를 보낼 수 있게 된다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 V2X 차량 통신용 Butler matrix 안테나 시 스템의 시제품을 구현하였다. 특히 구성요소인 위상 천이기, 하이브리드 브랜치 커플러, 크로스오버를 광대역화 함으로 써 차체에 실장 할 경우 생기는 주파수 천이에 강한 특성을 가질 수 있을 것으로 기대된다. 설계된 Butler matrix를 5.9 GHz 공진용 방사체에 연결하여 산란계수와 안테나 빔 특성 을 확인하였다. 특히, 제작 후 측정을 통해 빔이 최좌측으로 부터 최우측으로 조향될 수 있음을 보였다. 본 안테나는 차 량용 탑재 빔 조향 안테나 설계의 기본 설계 자료로 활용될 것으로 생각된다.

V. Acknowledgment

본 논문의 연구업무는 인천대학교 자체연구비 과제의 지 원을 받았습니다.

참 고 문 헌

[1] S. Shladover, “Automated Vehicles for Highway Operations (Automated Highway Systems),” Proc. Inst.

Mechanical Engineers, Part I: J. Systems and Control Engineering, vol. 219, 2005, pp. 53–75.

[2] A. Festag, “Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS) Standards in Europe,” IEEE Commun. Mag., vol. 12, no. 52, Dec. 2014, pp. 166–72.

[3] J. Kunisch and J. Pamp, "Wideband Car-to-Car Radio Channel Measurements and Model at 5.9 GHz," in IEEE Vehicular Technology Conference. VTC 2008-Fall, Calgary, Canada, Sept. 2008.

[4] M. Gallo, S. Bruni, M. Pannozzo, and D. Zamberlan,

"Performance Evaluation of C2C antennas on Car Body,"

Antennas and Propagation (EuCAP) Proceedings of the 7th European Conference, Gothenburg, Sweden, April 2013.

[5] M. K. Khattak, and S. Kahng, “Enhanced gain metamaterial- based Leaky-wave beam-forming antenna for the V2X communication,” Proc. of 2015 IEEE International Conference on Emerging Technologies (ICET), 19-20 Dec. 2015.

[6] S. Kahng et al, “Design of a dual-band LTE MIMO antenna to be embedded in automotives,” Proc. of 2015 International Symposium on antennas and Propagation(ISAP), 9-12 Nov. 2015.

[7] D. Eom, “Miniaturization of Dual-band Beamforming Antenna Feeds using the Metamaterial Resonators and Phase-Shift Lines,”Master of Science Degree Thesis, Incheon National University, February 2013

[8] J. Butler, and R. Lowe, “Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas”, Electronic Design, volume 9, pp.170-173, April 12, 1961

저자

한 다 정(Dajung Han) 비회원

․2016년 2월 : 인천대학교 전자공학과 (공학사)

․2016년 3월 ∼ 현재 : 인천대학교 정보 통신공학과 석사과정

<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조 이론 및 응용

이 창 형(Changhyeong Lee) 비회원

․2016년 2월 : 인천대학교 전자공학과 (공학사)

․2016년 3월 ∼ 현재 : 인천대학교 정보 통신공학과 석사과정

<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조 이론 및 응용

박 희 준(Heejun Park) 비회원

․2010년 3월 ∼ 현재 ： 인천대학교 정 보통 신공학과 학사과정

<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조 이론 및 응용

강 승 택(Sungtek kahng) 정회원

․2000년 2월：한양대학교 전자통신 공 학박사

․2000년 4월：한양대학교 산업과학연구 소 연구원

․2004년 2월：한국전자통신연구원통신 위성개발센터선임연구원

․2004년 ∼ 현재：인천대학교 정보통신공학과 교수

․2007년 ∼ 현재：송도국방벤처 자문교수

․2007년 ∼ 현재：한국통신학회 마이크로파 및 전파연구회 간사∼위원장, 한국전자파학회 편집위원, 국제이사

․2014년 12월 대한전기학회 학술상 수상 광파 및 전자파분야

<관심분야> : 전자파 수치해석 및 응용, EMI/EMC 대책, 초

고주파 부품 및 안테나설계, 메타재질구조 이론 및 응용>