LTE로 대표되는 4G 이동통신 서비스 시작 후 약 10년, 초고속(20Gbps), 초연결(100만개/km2) 그리고 초저지연(1ms)의 차세대 5G 모바일 통신 시스템 기술의 도래는 IoT, Mobile Cloud, V2X 등 다양한 분야에 활용되면서 일상 생활에 많은 변화를 가져올 것으로 예상된다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 스펙 Release 15[1]에서 5G NR(New Radio)은 6GHz 이하 대역 FR1(Frequency Range1)과 24.25GHz 이상 대역 FR2로 정의되며 표 1과 같다. 5G 대역 FR1은 3.3GHz ~ 5GHz이고 FR2는 표 2로 정리하였다.
n258(24.25GHz) 이상의 밀리미터파 대역에서는 전자기파의 직진성이 강하고 짧은 파장에 의한 회절 한계로 장애물(산, 건물)을 피해 전파(Propagation)하지 못한다. 또한, 자유공간 경로 손실(FSPL: Free-Space Path Loss)이 크기 때문에 각각의 기지국이 전력을 송수신할 수 있는 범위도 좁다. 예를 들면, 100m 이격거리에서 39GHz 신호를 측정할 시 약 100dB(100억배) 신호 감쇄가 발생할 것을 이론적으로 예측할 수 있다.
여기서 R은 통신 거리, f는 주파수, Pout은 기지국 송신 전력, PRx(100m)은 100m 이격거리에서의 수신 전력을 나타낸다. 따라서 송수신 에너지 효율을 높이기 위한 빔포밍(Beamforming) 기술이 요구된다. 이 기술은 여러 안테나 소자를 이용해 특정 방향으로 전력을 집중시켜 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)을 높이고 좁은 빔 패턴으로 상호 간섭을 최소화하는 기술이다. 따라서, legacy LTE 안테나 설계와는 성능평가지표가 상이하며 설계의 복잡도 또한 매우 높아진다. CST STUDIO SUITE은 복잡한 위상배열 안테나를 쉽게 설계하고 5G 스펙 Release 15를 기반한 성능을 평가할 수 있는 솔루션을 제공하고 있다. 설계 절차는 그림 1과 같다.
그림 1. 5G 위상배열 안테나 설계 절차
위상배열 안테나 설계
Antenna Magus를 이용한 마이크로스트립 패치 안테나 설계
Antenna Magus (AM)는 우주항공, 모바일, 자동차 산업 등 다양한 분야에 활용되는 안테나를 쉽게 설계할 수 있는 350개 이상의 안테나 데이터베이스를 구축하고 적용 분야에 적합한 최적의 솔루션을 제공하고 있다. 또한 설계된 안테나 모델을 CST Microwave Studio(MWS)로 내보낼 수 있어 최단시간으로 3차원 Full-Wave 해석과 성능 최적화가 가능하다. 따라서 안테나 엔지니어는 AM을 이용해 안테나 설계의 효율성을 높일 수 있다. 그림 1은 AM를 이용해 설계한 마이크로스트립 패치 안테나 형상과 성능을 나타낸 것이다. 중심 주파수는 28GHz, 포트 임피던스는 100Ω, 기판은 Rogers 4350B( εr=3.48)을 사용하였다.
(a) 마이크로스트립 패치 안테나 (b) 방사 특성 그림 2. Antenna Magus를 이용한 마이크로스트립 패치 안테나 설계
설계된 마이크로스트립 패치 안테나 모델은 Export Model 기능을 이용해 CST MWS로 그림 3과 같이 3차원 해석을 위해 내보낼 수 있다. 또한, AM으로부터 Import된 안테나 모델은 Solver, Port, Field Monitor 그리고 Mesh가 자동으로 설정되기 때문에 시뮬레이션을 즉시 진행 할 수 있다.
그림 3. CST MWS 시뮬레이션 설정
시뮬레이션 결과 반사 계수는 -5.5dB, 방사 이득은 5.6dBi로 중심 주파수에서 안테나 성능 최적화가 요구됨을 확인 할 수 있다. 한편, 안테나 성능 최적화는 CST MWS Simulation 리본 Solver에서 Optimizer를 이용해 최적화 작업을 진행할 수 있다.
(a) S-파라미터 (b) 방사 특성 그림 4. Antenna Magus를 이용한 마이크로스트립 패치 안테나 설계
안테나 최적화
CST MWS에서는 전자기 시스템 및 기기에 대한 자동 최적화 루틴을 제공하고 있다. 안테나 모델은 구조와 물성 값을 매개변수로 정의하여 매개변수 변화에 따른 안테나 성능을 확인 할 수 있고 최적의 설계 매개변수를 찾을 수도 있다. 최적화 알고리즘은 그림 5와 같이 다수의 자동 최적화 알고리즘을 포함하고 있다. Local 알고리즘은 국부적인 해석 구조에서 최상의 솔루션을 제공하고 빠른 수렴을 보장한다. 반면, Global 알고리즘은 전체 해석 구조에서 최상의 솔루션을 제공하기 때문에 일반적으로 더 많은 해석 시간을 요한다. 따라서 해석 복잡도에 따라 적절한 알고리즘을 선택해 효율적인 최적화 작업을 진행할 수 있다.
그림 5. 자동 최적화 알고리즘
단일 마이크로스트립 안테나 성능 개선을 위해 Trust Region Framework Optimizer를 이용해 최적화 작업을 진행 하였다. 매개변수는 feed line length/width, matching line length/width, patch length/width로 정의 하였으며, 성능 목표는 27GHz~29GHz 대역에서 반사 계수 -10dB 이하가 될 수 있도록 그림 6과 같이 설정 하였다.
그림 6. 최적화 알고리즘 설정
그림 7은 최적화 전후 안테나 구조에 따는 성능을 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 중심 주파수 에서 반사 계수는 -20.5dB(파란 점선), 방사 이득은 7dBi(파란 점선)로 최적화를 통해 안테나 성능이 개선 되었음을 확인할 수 있다. 한편, 최적화 계수는 Optimizer Info를 통해 확인할 수 있다.
(a) S-파라미터 (b) 방사 특성 그림 7. 시뮬레이션 결과 비교
지금까지 CST STUDIO SUITE에서 제공하는 AM과 MWS를 이용한 단일 마이크로스트립 패치 안테나 설계 및 성능 최적화 방법에 대해 살펴보았다. 휴대 단말용 5G 위상배열 안테나는 다수의 안테나 소자를 이용해 특정 방향으로 전력을 집중시키는 빔포밍 기술이 필요하다. 따라서, MWS Array Task를 이용해 4-by-1 위상배열 안테나를 쉽게 구현하는 방법에 대해 살펴보겠다.
Array Task를 이용한 4-by-1 위상배열 안테나 구현
4-by-1 위상배열 안테나는 Home 리본 Simulation Project에서 Array Task를 이용해 쉽게 구현할 수 있다. 배열 형태는 Shape 탭에서 Custom, Diamond, Hexagon, Octagon, Circle, Ellipse로 사용자의 필요에 따라 선택해 사용할 수 있다.
그림 8. Array Task 시뮬레이션 설정
그림 9는 Array Task를 이용해 구현한 4-by-1 위상배열 안테나를 나타낸다. 배열 안테나는 단일 안테나 소자로 얻을 수 없는 방사 패턴이 요구될 때 설계되며 안테나 소자 증가에 따른 방사 이득은 아래 수식을 이용해 이론적으로 계산할 수 있다.
여기서 N은 안테나 수를 나타낸다. 4개의 마이크로스트립 패치 안테나 소자를 이용해 설계된 위상배열 안테나는 6dBi의 배열 이득을 갖는다. 따라서 설계된 위상배열 안테나는 13dBi의 방사 이득 얻을 수 있음을 이론적으로 예측할 수 있다(단일 이득(7dBi) + 배열 이득(6dBi)). 그림에서 dc 는 배열 소자의 간격이다.
그림 9. 4-by-1 위상배열 안테나
시뮬레이션은 Post-Processing을 이용한 빔 조향(Beam Steering)의 편의성을 위해 Simulation settings에서 Source type을 All Ports로 설정 후 실행하였다. 안테나의 물리적 구조(상호 결합 효과)에 의해 S-파라미터 결과는 S11(=S44), S22(=S33), S21(=S43), S32로 그림 10 (a)에서 확인할 수 있다. 또한, 그림 10 (b)에서 Bore-sight 방사 이득은 10.8dBi로 이론 예측값과 약 2dB 오차를 보인다. 이는 입력 전력의 반사 손실, 기판의 유전체 손실, 도체 손실 등에 의해 발생되는 오차이다.
(a) S-파라미터 (b) 방사 특성 그림 10. 시뮬레이션 결과
빔 조향(Beam Steering)
배열 소자의 간격은 빔 조향 범위와 Grating lobe(방해 빔) 영역을 결정하게 된다. 이때 임계 요소 간격(Critical Element Spacing)은 아래 수식으로 계산된다. 앞서 설계된 위상배열 안테나는 28GHz(λ=10.7mm)에서 Grating lobe가 없는 최대 허용 조향 범위를 ±60°로 설정하였다. 이 조건을 만족하는 배열 소자의 간격 dc 는 5.3mm이다.
여기서 θmax는 최대 조향 각(Maximum steerable angle), λ는 파장을 나타낸다. 빔 조향은 Post-Processing 리본 Combine Results를 이용해 그림 11과 같이 쉽게 제어할 수 있다. 아래의 설정은 30o 빔 조향 각도에 대한 위상값들이다. 또한, 빔 조향 각도에 따른 위상변화 ∆ϕ는 2π dc sin(θ)/λ로 정의되며 표 3에 정리하였다.
그림 11. 빔 조향 각 설정
그림 12는 Combine Results를 이용해 빔 조향 각도에 따른 방사 특성을 나타낸 것이다. 빔 조향 각도가 60o 이상에서 Grating lobe가 발생함을 확인할 수 있고 빔 조향 각도가 증가하여 90o일 경우 특정 방향으로 전력을 집중시키지 못하고 분산됨을 확인할 수 있다. 따라서 위상배열 안테나 설계 시 소자 간 임계 요소 간격은 빔 조향 각도 범위를 결정함에 있어 중요한 요소가 된다.
그림 12. 조향 각에 따른 방사 특성
성능 평가
FR1에서 기존 Legacy 안테나 성능은 TRP(Total Radiated Power)/TIS(Total Isotropic Sensitivity)를 통해 평가하였다. 반면, FR2에서는 빔포밍을 통한 Spherical Coverage로 조향 각도 별 모든 Peak EIRP(Equivalent Isotropic Radiated Power)를 합성하여 누적분포함수(CDF: Cumulative Distribution Function)로 안테나 성능을 평가한다. 휴대 단말기에 배치되는 안테나 모듈 개수가 증가함에 따라 Spherical Coverage는 넓어지고 송수신 확률이 더 높아진다. 그림 13과 같이 조향 각도 별 패턴은 AC Combine Results Task를 통해 얻은 Far-field 결과들을 합성하는 Total Scan Pattern 기능을 이용해 확인 할 수 있으며 CDF는 Total Scan Pattern의 결과를 이용해 확인할 수 있다.
그림 13. 시뮬레이션 설정
그림 14은 휴대 단말기 측면에 안테나 모듈을 배치하고 CDF를 이용해 성능을 평가를 나타낸 것이다. 5G 스펙 Release 15에 정의된 CDF 50%에서 휴대 단말기가 충족해야 하는 최소 EIRP는 28GHz 대역에서 11.5dBm, 39GHz 대역에서 8dBm이다. 따라서 성능평가지표를 만족하는 조건을 찾기 위해 모듈 개수와 위치에 따른 최적화하는 작업이 요구된다. CST MWS는 일련의 작업을 쉽게 수행할 수 있는 솔루션을 제공한다.
(a) Spherical Coverage (b) CDF 그림 14. 시뮬레이션 결과
맺음말
지금까지 CST STUDIO SUITE을 이용한 5G 위상배열 안테나 설계 방법에 대해 알아보고 예제를 통해 해석 결과를 살펴 보았다. 5G 위상배열 안테나는 송신용 전력 증폭기(PA: Power Amp.), 수신용 저잡음 전력 증폭기(LNA: Low Noise Amp.), 위상 변환기(Phase Shifter) 등으로 구성되며 전송 선로에 의한 전력 손실을 최소화 하기 위해 RFIC로 설계된다. 따라서 구조의 복잡성과 휴대 단말에 부착 시 발생할 수 있는 복합적인 해석(Back Cover Loss, Hand Effect 등)이 필요하다. 전자기장 해석에 검증된 CST STUDIO SUITE은 안테나 시스템 설계 시 발생할 수 있는 다양한 문제점을 사전에 파악하고 최적의 솔루션을 찾는 목적으로 유용하게 활용될 것이다.
참고문헌
[1] User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception; Part 2: Range 2 Standalone (Release 15), document TS38.101-2 v15.0.0, Jun. 2018.
작성자
하상규
2011년 2월: 아주대학교 전자공학부 (공학사)
2017년 8월: 한양대학교 전자컴퓨터통신공학과 (공학박사)
2017년 7월 ~ 2019년 8월: LG전자 선임 연구원
2019년 9월 ~ 현재: 다쏘시스템코리아 솔루션 컨설턴트
[주 관심분야] 전자파 수치해석(FDTD), 복합 물질 전자파 모델링, Non-Foster 안테나, 위상배열 안테나