4축 어레이 구조를 사용한 5G 안테나 빔포밍에 관한 연구

Ⅰ. 서 론

일반적으로 이동통신 적용 안테나로 다이폴 구조가 많이 쓰고 있지만, 지향 방향 제어가 필요한 경우에는 별도의 모터 구동 장치가 필요하며 안테나 전체 구조물을 쉽게 장착하기가 어렵다. 모터를 사용하여 방향 제어가 가능한 일반 다이폴 안테나는 천정용으로 개발되어 4G 및 5G 안테나로 사용되고 있으나 기능과 성능 대비 고가이기 때문에 모터를 사용하지 않는 지향 방향 제어가 가능한 멀티빔 안테나 기술 및 시스템이 요구된다[1].

3.5∼3.8GHz 5G 이동통신용 안테나의 가장 핵심 요소 기술은 안테나를 통한 전파 장거리 송출 기술과 함께 모터를 사용하지 않는 빔포밍(Beamforming) 혹은 빔 방향 제어기능이 요구된다. 따라서 국내에서도 여러 개의 안테나를 사용하지 않고 어레이(Array) 안테나로 지향 방향의 빔을 처리할 수 있는 기술을 확보할 필요가 있다[2][3].

본 연구에서도 모터를 사용하지 않고 빔포밍을 할 수 있는 기술에 대하여 연구하였다. 여러 개의 축을 갖는 어레이 형태의 지향성 안테나를 구성한 다음 각 축 방향으로 가해지는 신호를 감쇠기(Attenuator)를 통하여 조절함으로써 빔포밍 및 빔방향 제어가 가능하게 하였다.

Ⅱ. 다중안테나 시스템

스마트폰 등 이동통신기기의 고속, 고품질의 데이터를 전송하기 위하여 다중안테나 기술이 각광을 받고 있다. 그 대표적인 예로써 MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템이 있으며, 어레이 안테나를 이용하는 레이더 기술이나 무선통신 시스템의 빔포밍 기법 등이 이 기술에 속한다. 편파(Polarized wave)를 사용하는 어레이형 편파 안테나 시스템은 복잡한 다중안테나의 구조를 단순한 형태로 실현할 수 있는 장점이 있으므로 현재 많은 연구가 진행되고 있다[4]. 또한 위상변환기(Phase shifter)나 신호감쇠기를 이용하여 빔포밍을 하는 안테나 기술도 꾸준히 연구되고 있다[5][6]. 빔포밍을 위한 기술로는 위상변환기를 이용하는 방법이 많이 쓰이고 있으나 이 방법은 안테나의 사이즈가 커지고 정밀한 제어를 요하는 단점이 있다. 이에 비해 감쇠기를 이용한 빔포밍은 감쇠기 자체 소모로 인한 전력손실은 있으나 건물 내외나 기지국 등 특정용도로 이용할 경우에는 큰 문제가 없을 것으로 예상되며, 특히 안테나의 부피를 대폭 줄일 수 있으므로 설치에 매우 유리한 장점이 있다[6]. 그밖에 아날로그와 디지털 방식을 혼합하여 시스템을 구성함으로써 효율적인 안테나와 송수신시스템을 구현하기 위한 방법도 많은 연구가 진행 중이다[6]-[8].

Ⅲ. 5G용 간편하고 효율적인 안테나의 구성

천정에 주로 장착하는 일반 다이폴 안테나는 지향방향이 없이 주어진 공간 내에 존재하는 모든 가입자를 수용하는 반면 도달거리가 짧아서 먼 거리에 있는 가입자의 신호를 포착하기에는 어려움이 있다. 특히 대용량 데이터를 사용하는 기업과 같은 특별 가입자(VIP)의 경우는 일반 다이폴 안테나로는 수용에 한계가 있다. 따라서 원활한 5G 통신을 위해서는 일반 가입자와 함께 멀리 있거나 대용량의 데이터를 사용하는 특별 가입자를 동시에 수용하기 위한 특수한 형태의 안테나가 필요하다.

본 연구에서는 간편하고 효율적인 5G 안테나를 구현하기 위하여 1개의 다이폴형 옴니(Omni) 안테나와 4개의 패치(Patch)형 어레이 안테나를 조합한 다중 안테나를 구성하며, 패치 안테나에 각각 연결된 4개의 감쇠기에 의해서 빔포밍을 구현한다. 옴니 안테나로는 일반용 무지향성 빔 패턴을 형성하며, 4개의 패치 안테나의 4축 제어를 통하여 빔포밍과 지향방향을 조정하여 특정 방향 VIP용 빔 패턴을 형성함으로써 안테나의 효율을 높인다.

그림 1은 본 연구에서 구상한 일반용 빔 패턴과 특정 방향 VIP용 빔 패턴을 동시 형성하게 하는 안테나로써 1개의 수직(+Y)방향 무지향성 다이폴 안테나(P0)와 4개의 수평(+X, -X, +Z, -Z)방향 지향성 패치 안테나(P1∼P4)로 구성된다. 4개의 패치 안테나는 그림 2와 같이 각각 90°의 간격으로 배치된다. 안테나의 재질은 비교적 높은 4.6의 유전률 값을 갖는 FR4이며, 전체의 직경은 15cm이다. 각 패치의 패턴 길이 L은 식 (1)에 따라 3.5~3.8GHz의 5G 주파수를 원활하게 송수신할 수 있는 3.68cm 길이로 설계하였다. 여기서 c는 빛의 속도, f는 전파의 주파수, ϵ_r은 재료의 유전율을 나타내며, 2Δl은 양쪽 가장자리에 의해 나타나는 fringe 효과를 고려한 것이다.

Fig. 1.

5G mobile communication antenna block diagram

Fig. 2.

5G mobile communication antenna block diagram

그림 3은 제어보드를 포함한 안테나 시스템 전체의 구성을 나타낸 것으로 안테나와 분배기(Divider), 감쇠기로 구성된다. 1:2 분배기는 입력된 RF 신호를 무지향성 다이폴 안테나와 지향성 패치 안테나에 반반씩 분배하여 공급하는 구실을 하며, 1:4 분배기는 지향성 패치 안테나로 분배된 RF 신호를 다시 4등분하여 P1~P4 각각의 안테나로 전력을 분할하여 공급하는 역할을 한다. 감쇠기는 분할된 각각의 RF 신호를 적당한 크기로 감쇠시켜 90°이웃한 신호와 결합시킴으로써 신호에 대한 빔포밍을 하는 동시에 빔 방향을 결정하는 역할을 한다.

Fig. 3.

5G mobile communication antenna control board block diagram

Ⅳ. 5G 안테나의 빔포밍 제어방법

그림 2의 P0 수직방향 무지향성 다이폴 안테나와 P1~P4 4개의 수평방향 지향성 패치 안테나를 이용하여 전계강도에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. P1~P4 축방향 이외의 특정방향으로의 빔포밍 및 빔방향 제어를 위하여 0∼31.5dBm의 감쇠비를 갖는 감쇠기를 사용하여 90°이웃한 두 축 방향으로의 전력을 각각 조절하여 빔제어 가능성에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

그림 4는 P0(+Y), P1 방향(+X)으로만 감쇠를 시키지 않고, 나머지 P2~P4는 모두 31.5dB 최대 감쇠를 시켰을 때의 전계강도로써 빔포밍은 P1 방향으로만 이루어짐을 알 수 있다.

Fig. 4.

Single pole controlled beam pattern

그림 5는 P0, P1, P2 방향(+Z) 방향은 감쇠를 시키지 않고, 나머지 P3~P4는 31.5dB 최대 감쇠를 시켰을 때의 전계강도로써 P1과 P2 사이 방향으로 집중되어 빔포밍이 이루어짐을 알 수 있다.

Fig. 5.

Double pole controlled beam pattern

따라서 이웃한 두 축의 신호 전력에 대한 감쇠 값을 적당히 조절하면 90°내의 방향으로 빔포밍을 할 수 있음을 알 수 있다. 또한 두 그림에서 내부의 동심원 부분은 P0에 의한 전계를 나타내고 있다. 이 결과를 적용하면 P1∼P4 안테나의 신호 전력을 각각 적당한 크기로 조절함으로써 빔 형태 및 방향을 조정할 수 있음을 알 수 있다.

Ⅴ. 빔방향 제어 안테나의 제작 및 측정 분석

그림 6은 설계 제작된 5G용 다중 안테나이며 중앙에 수직방향의 P0 무지향성 다이폴 안테나가, 수평방향으로는 P1~P4 4개의 지향성 패치 안테나가 90°간격으로 설치되어있다. 그림 7은 컨트롤 보드이며, 1:2, 1:4 분배기와 0~31.5dBm의 감쇠비를 갖는 4개의 감쇠기가 배치되어있다. 또한 P1~P4 4개의 지향성 패치 안테나를 제어하기 위한 마이크로프로세서 및 전원장치 등도 배치되어 있으며, 외부 기기와 연결하기 위한 제어 포트들도 배치되어 있다.

Fig. 6.

Fabricated 5G mobile antenna

Fig. 7.

Fabricated 5G antenna control board

제작된 빔포밍 5G 안테나에 대하여 전기적 특성을 측정한 다음 분석하였다. 그림 8은 제작된 안테나 P0에 대한 리턴로스(Return loss)이며, 3.5~3.8GHz 주파수 범위에서 –20~-29dB의 양호한 값을 나타내었다.

Fig. 8.

Fabricated antenna P0 return loss

그림 9는 P1에 대한 리턴로스 특성이며, 역시 -13~-20dB의 비교적 양호한 값을 나타내었다. 나머지 P2~P4도 P1과 비슷한 특성을 보였다.

Fig. 9.

Fabricated antenna P1 return loss

그림 10~ 11은 3.8GHz의 5G RF신호 입력전력이 0dBm일 때의 안테나에 대한 출력 특성을 측정한 것으로써 1:2 분배기를 거친 옴니 안테나의 출력에 해당하는 P0 안테나의 출력은 그림 10과 같이 1:2 분배했을 때의 이론치인 –9dBm보다 좀 더 낮은 –12.47dBm이 나타났다. 차이에 해당하는 3.5dB는 선로 손실로 볼 수 있다.

Fig. 10.

None attenuated output power of P0 antenna

Fig. 11.

None attenuated output power of P1 antenna

중앙포트 출력보다 1:4 분배기를 더 거친 P1 안테나의 출력은 그림 11과 같이 –12.47dBm에서 9dB 감쇠된 -21.47dBm보다 좀 더 낮은 -23.74dBm이 나타났다. 차이에 해당하는 2.3dB 역시 선로 손실에 해당한다. 감쇠기를 이용하여 4dB를 더 감쇠시킨 P1 안테나의 출력은 -28.06dBm으로 나타났으며, 16dB를 더 감쇠시킨 P1 안테나의 출력은 -43.70dBm으로 나타났다.

제작된 5G 안테나 시스템에 대하여 3.5GHz의 주파수에서의 빔포밍 및 빔 방향을 측정하였다. P1(X축 방향)과 P2(Z축 방향) 두 안테나에 대하여 감쇠기를 이용하여 각각 0, 8, 16, 31.5dBm의 감쇠를 준 다음 출력을 측정하였을 때 P1 안테나의 감쇠가 P2 안테나에 비하여 작을 경우에는 P1 축(0°)에 가까운 방향으로, P1 포트의 감쇠가 P2 포트와 같을 경우는 P1 - P2 축 중간(45°)에 가까운 방향으로, P1 포트의 감쇠가 P2 포트에 비하여 클 경우에는 P2 축(90°)에 가까운 방향으로 빔이 각각 형성되었다.

표 1은 측정 결과를 종합 정리한 것이다. 0∼90°사에서 11.2°간격으로 신호의 세기를 측정하였으며, 22.5°간격으로 신호의 세기를 표시하였다. 볼드체로 표시된 부분이 최대전력이 형성된 지점을 나타내고 있다. 일부 두 축의 감쇠비가 같을 경우(0, 8dB)에는 두 축(0°, 90°)과 그 중간부분(45°)에서 거의 같은 값의 최대치를 보였다.

Table 1.

Results of beamforming measurement

이 실험을 통하여 감쇠기를 이용한 2축 제어 안테나의 경우에는 0∼90°내에서 빔포밍을 할 수 있으며, 4축(+X, -X, +Z, -Z) 제어를 모두 활용하면 360°모든 방향으로 빔포밍을 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

다만 측정된 값이 -47dBm 이하로 낮은 값이어서 최대치를 형성하는 정확한 각도를 찾는 데는 어려움이 있었다. 이는 5G에 사용되는 전파(3.5~3.8GHz)가 더 높은 주파수의 마이크로웨이브에 비해 직진성이 떨어지기 때문에 나타나는 결과로 해석된다. 이러한 문제는 안테나의 축을 현재 4축(90°간격)에서 6축(60°간격) 또는 8축(45°간격)으로 늘여서 제작한다면 좀 더 정밀하게 빔포밍 및 빔 방향 제어를 할 수 있는 다중안테나를 구현할 수 있을 것으로 본다.

VI. 결 론

본 연구에서는 모터를 사용하지 않고 빔포밍 및 빔방향 제어를 할 수 있는 5G 이동통신용 지향성 안테나 기술을 구현하였다. 5G 이동통신용 안테나의 빔포밍 및 빔방향 제어는 여러 개의 축을 갖는 어레이 형태의 지향성 안테나를 설계한 다음 이웃한 두 축 방향으로 가해지는 신호의 전력을 감쇠기에 의해 각각 조절함으로써 가능하게 하였다. 실제 4축 어레이 안테나를 제작하여 측정을 해 봄으로써 안테나에서 발생하는 신호 전력의 빔포밍을 확인할 수 있었으며, 빔 방향을 360°제어할 수 있음을 알 수 있었다. 향후에는 안테나의 축을 6축 또는 8축으로 늘여서 더 정밀하게 빔포밍을 할 수 있는 다중안테나를 구현할 예정이다.

Acknowledgments

본 연구는 2019년도 중소벤처기업부의 재원으로 산학연 Collabo 사업(S2740327)의 연구수행 결과이며, IDEC의 일부 CAD tool 지원을 받았음.

본 연구를 위하여 도움을 주신 (주)블루웨이브텔에 진심으로 감사드립니다.

References

• In-kyung Choi, Chung-il Yae, Young-suk Song, Sung-jun Lee, and Dong-sung Kwon, "Trend of multiple transmit and receive antenna transmission technology for mobile communication", ETRI, Electronic Communication Trend Analysis, Vol. 21, No. 3, pp. 46-58, Jun. 2006.
• Gil-won Lee, Young-cheol Sung, Jeong-ho So, and Jun-young Seo, "Research trends for 5G massive MIMO", The Magazine of IEIE, Vol. 42, No. 10, pp. 858-876, Oct. 2015.
• Kwang-hyun Jeon, Hoe-bing, Kyung-hee Jang, Hyung-sook Park, and Yun-ok Park, "Beyond 4G technology trends; polarized antenna technology", The Magazine of IEIE, Vol. 39, No. 3, pp. 200-207, Mar. 2012.
• M.A. Jensen and J.W. Wallace, "A review of antennas and propagation for MIMO wireless communications", IEEE trans. Antennas Propagation., Vol. 52, pp. 2810-2824, Nov. 2004. [https://doi.org/10.1109/TAP.2004.835272]
• Octavian Manu, Mihai Dimian, and Adrian Graur, "Analysis of beamforming in phased antenna arrays", Proceedings of the 10th International Conference on Development and Application Systems, Suceava, Romania, pp. 294-298, May 2010.
• Ju-yong Lee, Jong-won Lee, Jong-ho Lyu, Sung-won Kum, and Sung-chul Hong, "All digital beamforming technology for B5G mobile communication", IITP, Weekly Technology Trend, No. 1847, pp. 2-15, May 2018.
• Seong-joon Shim, Won-seok Lee, Seul-gi Lee, and Hyoung-kyu Song, "Hybrid beamforming technique for improving performance in MU-MISO system", Proceedings of IEIE Summer Conference, Jeju, South Korea, pp. 399-401, Jun. 2019.
• Seong-hwan Kim, "Performance evaluation of analog-digital beamforming for uplink multi-user millimeter wave systems", J. of Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 21, No. 1, pp. 29-34, Jan. 2017. [https://doi.org/10.6109/jkiice.2017.21.1.29]