5G 밀리미터파 안테나의 혁신적 설계: 듀얼 대역 듀얼 편파 평면 안테나
5G 기술의 상용화와 함께, 높은 데이터 전송 속도를 요구하는 밀리미터파(mmWave) 대역에서의 효율적인 안테나 설계가 핵심 과제가 되고 있습니다. 이에 따라 연구자들은 듀얼 대역 듀얼 편파 평면 안테나를 개발하여, 24GHz에서 40GHz에 이르는 주파수 대역에서 안정적인 성능을 발휘하는 설계를 제안하였습니다. 이 설계는 안테나 패키지(Antenna-in-Package, AiP) 요건을 충족하며, 5G 밀리미터파 기지국 안테나 배열에 적합한 솔루션으로 평가받고 있습니다.
설계 특징
- 이중 대역 설계: 하위 대역(24.25-29.5GHz)과 상위 대역(37-40GHz)을 커버하기 위해 고유한 스택된 링 패치 구조가 채택되었습니다. 이는 주파수 대역 간 방사 패턴이 안정적이고 필터와 같은 응답 특성을 제공합니다.
- 편파 특성: 듀얼 편파 설계는 수직 및 수평 편파를 모두 수용하여 데이터 전송 효율을 극대화합니다.
- 급전 구조: 개구 결합(aperture-coupled)과 스트립라인 급전(stripline-fed) 방식을 사용하여 설계가 단순화되었으며, PCB 제작 기술로 구현 가능합니다.
주요 성능
이 설계는 임피던스 매칭과 방사 패턴에서 높은 일치도를 보였으며, 실험 결과와 시뮬레이션 결과가 매우 유사하게 나타났습니다. 이득(realized gain)의 경우, 두 주파수 대역에서 균일한 이득을 보여 기지국 안테나에 적합한 성능을 입증하였습니다.
응용 가능성
이 안테나는 5G 밀리미터파 기지국 및 차세대 통신 시스템에서의 활용 가능성이 높습니다. 특히, 작은 패키지 크기로 고밀도 안테나 배열 설계가 가능하여 다양한 모바일 통신 환경에 적합합니다.
수식 설명
논문에 포함된 수식은 안테나 설계의 전기적 및 기하학적 특성을 정의합니다. 이를 통해 임피던스 매칭, 대역폭, 이득 등의 성능 지표를 계산하고 최적화합니다. 예를 들어, 패치 안테나의 공진 주파수는 다음과 같이 정의됩니다:
fr = c / (2L√εr)
여기서:
- fr: 공진 주파수
- c: 빛의 속도
- L: 안테나 길이
- εr: 기판의 유전율
위 수식은 특정 대역에서 최적의 성능을 발휘하도록 패치 안테나의 크기를 조정하는 데 사용됩니다.
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