Implementation of Beamforming Antenna for UWB Radar using Butler Matrix

Abstract

기존의 UWB 레이더의 단일 안테나는 비교적 좁은 빔폭으로 인해 넓은 공간에 위치한 사물을 추적하는데 어려움이 있었다. 본 논문에서는 안테나의 빔을 전자적으로 제어함으로써 넓은 공간에 위치한 사물의 정보를 추적할 수 있는 빔 포밍 안테나를 제안하였다. 제안한 빔 포밍 안테나는 선형으로 배열된 1 × 4 배열 안테나와 4 × 4 버틀러 매트릭스를 연결하여 제작하였다. 4 × 4 버틀러 매트릭스에 사용된 기판은 유전율 4.5, 손실 탄젠트 0.0035, 두께 0.61 ㎜를 갖는 2개의 TRF-45 기판에 적층으로 제작되었으며, 전체 크기는 70.65 × 62.6 × 1.22 ㎣이다. 4 × 4 버틀러 매트릭스의 위상차 측정 결과는 각각 –45°, 135°, -135°, 45°에서 ±10°의 오차가 관찰되었다. 따라서, 제작된 4 × 4 버틀러 매트릭스는 각 포트마다 적절한 위상차의 특성을 갖으며, 출력된 위상은 선형으로 배열된 1 × 4 배열안테나의 입력포트에 인가된다. 제작된 1 × 4 배열 안테나의 이격 거리는 30 ㎜이다. 테이퍼드 슬롯 안테나는 유전율 2.2, 손실 탄젠트 0.0009, 두께 1.52 ㎜를 갖는 Taconic TLY 기판에 제작되었으며, 전체 크기는 140 × 90 × 1.52 ㎣이다. 안테나의 임피던스 대역폭은 1.46 ∼ 5.78 ㎓ 대역에서 –10 ㏈ S11 및 VSWR≤2를 만족하여 4.32 ㎓의 넓은 대역폭을 형성하였다. 또한, 안테나의 방사패턴은 특정 방향에 대한 감도가 높아지는 지향성의 방사패턴이 관찰되었다. 이를 통해, 4 × 4 버틀러 매트릭스에 출력된 급전신호는 1 × 4 배열 안테나의 입력 포트에 인가되며, 4개의 빔 조향 각을 갖는다. 제작된 빔 포밍 안테나의 빔 조향 범위는 3 ㎓ 대역에서 115°, 4 ㎓ 대역에서 최대 90°, 5 ㎓ 대역에서 최대 80°를 갖는다. |The single antenna of conventional ultra-wideband radars has difficulty tracking objects over a wide range because of the relatively narrow beamwidth. This thesis is to prposed a beamforming antenna that can track objects over a wide range by electronically controlling the beam of the antenna. The proposed beamforming antenna was fabricated by connecting a 1 × 4 linear array antenna and a 4 × 4 Butler matrix. The 4 × 4 Butler matrix was fabricated in a laminated substrate using two TRF-45 substrates, which have a relative permittivity of 4.5, loss tangent of 0.0035, and thickness of 0.61 ㎜; the overall size is 70.65 × 62.6 × 1.22 ㎣. The phase difference results of the 4 × 4 Butler matrix had an error of ± 10° at –45°, 135°, −135°, and 45°. Therefore, the fabricated 4 × 4 Butler matrix has the characteristic of constant phase difference, and the output phase was fed into the input ports of the 1 × 4 array antenna. The distance between each antenna in the fabricated 1 × 4 array is 30 ㎜. The proposed tapered-slot antenna was fabricated on a Taconic TLY substrate, which has a relative permittivity of 2.2, loss tangent of 0.0009, and thickness of 1.52 ㎜; the overall size is 140 × 90 × 1.52 ㎣. The impedance bandwidth of the antenna was achieved in the wide bandwidth of 4.32 ㎓ by satisfying -10 ㏈ S11 and VSWR ≤ 2 in the 1.45 ∼ 5.78 ㎓ band. Furthermore, the fabricated antenna has directional radiation patterns, which was found to be a suitable characteristic for location tracking in a certain direction. Therefore, the signal generated by the 4 × 4 Butler matrix was fed into the input ports of the 1 × 4 array antenna, and the fabricated beamforming antenna has four beamforming angles. The beamforming range of the fabricated antenna has maximum values of 115°, 90°, and 80° in the 3 ㎓, 4 ㎓, and 5 ㎓band, respectively.