1. 서 론

무선통신 세대가 계속 발전함에 따라 사용하는 사용 주파수는 점점 높아지고 있다. 고주파는 통신 양측 간에 더 많은 양의 데이터를 교환할 수 있는 문과 같이 동작하는 넓은 대역폭을 동반한다. 이것이 바로 이동 통신사와 기술 연구소가 타당성에 대해 연구하고 그에 대한 표준을 만들어 밀리미터파 주파수 대역을 사용하는 이유이다^[1]. 5G 모바일 서비스가 제공되고 있는 현재에도 밀리미터파 무선 시스템 개발에는 GSM, DGS, 무선랜, WiFi와 같은 저주파수와는 달리 여전히 많은 기술적 난제들이 있다. 그러한 난제들은 회로의 전송 라인과 안테나에서 수신기까지의 무선 경로에서 밀리미터파 전기자기파 전력 빠르게 감쇠하기 때문에 발생한다.

LTE-A 및 5G 통신을 위한 회로의 경우, 전송 라인과 부품은 구리로 금속화된 패턴이 형성된 기판으로 유전체 재료를 사용한다^[2-3]. 금속의 유한 전도성과 함께 유전체 재료의 손실 계수(loss tangent) 때문에 평면 회로와 안테나 피드의 손실이 증가한다. RT-5880, RT-4350B, TLY-5 등과 같은 고가의 기판을 사용하는 RF 디바이스는 한 포트에서 다른 포트로의 전송 계수가 떨어지게 된다. 밀리미터파에서 급격한 경로 손실을 보상하기 위해 마이크로스트립 패치를 주기적으로 배열하여 단일 패치의 안테나 이득을 높이는 경우가 거의 10건 중 9건에 이른다. 밀리미터파 주파수에서 목표를 설정하여 설계하고 CAD 프로그램에서 모의시험한 결과, 메인 로브(주엽)의 방사 전력 레벨이 유전체 손실이 없는 이상적인 경우보다 떨어지는 것으로 나타났다. 이 현상은 실험에서 더 심해졌다. 배열 안테나는 전송선으형태 분배기가 필요하며, 배열의 크기가 4X4에서 8☓8 이상으로 커질수록 안테나 이득은 포화 곡선처럼 천천히 증가하는 경향이 있다^[4]. 이런 단점을 극복하는 방안이 필요하다.

전력 분배기 공급 패치의 모든 부분에서 발생하는 손실은 메타물질을 사용하면 훨씬 감소한다^[5-7]. Metasurface 제조에 유전체 기판을 채택하였지만, 기존 배열 안테나보다 훨씬 단순한 형태의 1차 소스를 사용한다. 5G 모바일 연결을 위한 TX 및 RX 안테나 간의 전자기파 전력 전송을 향상하기 위해 세 가지 구성의 Metasurface로 새롭고 직관적인 방법을 제안한다. 구조 1은 1차 소스인 TX 안테나의 강도를 높이기 위한 정 방향(Bore-sight) Metasurface이다. 구조 2는 구조 1의 가장자리에서 새어 나오는 전기자기장을 붙잡기 위해 왼쪽에 우측 지향(Right-tilting) Metasurface와 오른쪽에 좌측 지향(Left-tilting) Metasurface, 그리고 그 사이에 구조 1의 Metasurface가 끼어 있는 모양을 취한다. 구조 2의 Metasurface를 두 개로 만들어, 신호 강도를 더 강화하기 위해 구조 3으로 하여 위아래로 고정하였다. 지그(Jig)용 3D 프린팅 조각으로 제작한 구조물 1, 2, 3을 대상으로 실험을 진행한다. 프로토타입으로서 시작품은 매우 투박하게 제작되었지만 밀리미터파 주파수인 28GHz에서 7.0X7.0X3.0cm3 및 21.0X7.0X6.5cm3 크기의 지그로서 수신 전력의 강도를 7~14 dB 증가시키는 것으로 관찰되었다. 이 방법은 무선통신 시스템의 구현과 적용에 있어서, 기능 및 예산 측면에서 매우 큰 이점을 제공한다.

2. Elements for Experiments of Metasurfaces

대안적인 접근 방식으로 전파 전달을 향상하고자 한다.

그림 1. TX 안테나에서 RX 안테나로 전송 전력을 개선하는 메타표면구조

Fig. 1. Meta lenses in the course of improving the transmitted power from the TX to RX antennas

제안된 방법은 기본적으로 포인팅 각도 및 파동 이동 거리와 관련하여 전기자기 방사 링크의 개선을 의미한다. 작은 조리개를 가진 메타표면 렌즈에서 시작하여 그림 1과 같이 빔 조향의 점진적인 변화를 위해 계단식 메타표면 렌즈로 확장하고 위 아래로 배치한다. 위 아이디어는 VNA의 포트 1과 포트 2 사이에 하나씩 배치하는 실용적이고 통찰력 있는 현실적인 실험을 통해 검증이 된다. 수신된 신호의 강도는 테스트 장비의 S21으로 표현된다. 세 가지 메타표면 렌즈를 설명하기 전에 VNA의 포트1은 TX로 1X4 배열 안테나를 채택하였고, 포트 2는 RX로 단일 패치 안테나를 채택하였다는 점을 언급하며 다음 그림을 통해 묘사한다.

그림 2. CAD 및 구현된 TX, RX 안테나 (a) RX 프로브 패치 (b) (a)의 반사계수 S11 (c) TX 안테나 1X4 배열 (d) (c)의 반사계수 S11

Fig. 2. CAD and realized TX and RX antennas (a) A patch as the RX probe (b) S11 of (a) (c) A 1X4 array as the TX antenna (d) S11 of (c)

외부 전력 증폭기가 없는 경우, 출력 전력이 제한된 VNA의 RF 링크 생성을 보장하기 위해 1X4 배열 안테나를 1번 포트에 TX로 연결한다. 그림 2(a)와 그림 2(b)는 RX 안테나와 그 반사 계수 S22가 공진주파수로 28GHz로 나타내는 그림이다. 2.5☓2.5mm2의 금속 정사각형이 TLY-5에 인쇄되어 있다. RT5880에 구성된 3.5☓3.5mm2 크기의 정사각형 패치는 그림 2(c)에서와 같이 3.5 mm 간격으로 배열되어 있다. 그림 2(d)와 같이 28 GHz에서 공진하며, 이는 TX 및 RX 프로브가 모두 목표 5G 주파수에 맞춰 설계하였다는 것을 나타낸다. 포트 1에서 포트 2까지의 약한 무선 연결을 강화하기 위해 Metasurface를 개발하고 다음과 같은 금속 패턴과 기하학적 모양으로 구조 및 전기적 기능을 보강하였다. 크기가 급격히 커지는 것을 방지하는 것을 중요히 여겨 이 또한 고려하였다.

그림 3. 세 가지 구조에 사용되는 Metasurface building block (a) 정 방향(Bore-sight) 렌즈용 위상분포 함수 (b)설계변수와 위상값 (c)정 방향 Metasurface의 구현 및 단위 쎌 (d)우측 지향 Metasurface (e) 좌측 지향 Metasurface

Fig. 3. Metasurface building blocks to be used in the three structures (a) Mathematical aspect of the phase distribution of the bore-sight lens (b)Phase (c)Boresight metasurface and its unit cell (d) The metasurface as the tilted-to-the right (e) The metasurface as the tilted-to-the left

TX와 RX 사이의 직선 경로인 LoS(Line-of-Sight) 연결즉 직접 경로는 TX 안테나 위에 장착된 메타표면을 사용하여 더 강력하게 만들 수 있다. 그림 3(a)는 정방향으로 고지향화를 위한 위상의 분포이다. 그림 3(b)는 정방향 메타표면을 구성하는 단위 셀의 모습이다. 5☓5 mm2 크기의 금속 루프 내부에 3.5☓3.5 mm2 크기의 금속 사각형이 0.12mm 두께의 TLY-5에서 단위 셀을 구성하고 그림 3(b)는 치수와 위상값의 관계이다. 그림 3(c)는 빔을 정방향 그림 3(d)는 오른쪽으로 조향할 수 있고, 그림 3(e)는 입사 빔을 왼쪽으로 조향할 수 있는 Metasurface이다.

3. Full Geometries of Metasurfaces and Tests

LoS와 세 개의 메타표면 포함 안테나 구조1, 2, 3까지 다양한 구성으로 실험을 진행한다.

그림 4. 5G 주파수 운용을 위한 안테나 구조 (a) 모든 실험의 기준이 되는 LoS (b) Metasurface 구조 1 (c) 구조 2 (d) 구조 3

Fig. 4. Antenna structures for 5G frequency operation (a) LoS as the reference to all the experiments (b) Metasurface structure 1 (c) Structure 2 (d) Structure 3

방금 언급했듯이 첫 번째 실험 구성은 그림 4(a)와 같이 직선 경로를 통한 무선 전송이다. 그림 3(a)의 Bore-sight Metasurface는 그림 4(b)에서와 같이 구조 1로 LoS에 삽입이 된다. 그림 3에서 세 개의 Metasurface는 그림 4(c)에서와 같이 1X4 배열 안테나 위에 왼쪽, 가운데, 오른쪽으로 직렬 형태로 배치된 구조를 갖고 이것이 구조 2이다. 그림 4(c)와 같은 일련의 메타표면은 그림 4(d)와 같이 mm-Wave신호 세기를 더 향상하기 위해 구조 3으로서 복사되어 최상층에 배치한다. 이러한 구성을 통한 실험 결과는 다음과 같은 효과가 나타났다.

그림 5. 수신기에서의 안테나 신호 개선 (a) LoS에서의 S21, (b) 구조 1의 전달계수 S21 (c) 구조 2의 S21 (d), 구조 3의 S21, (e) 신호 세기 측면에서 급등을 보여주는 비교

Fig. 5. Improvement in the antenna signals at the receiver (a) S21 of the LoS case (b) S21 of structure 1 (c) S21 of Structure 2 (d) S21 of Structure 3 (e) Comparison showing the jumps in terms of the signal strength

그림 5(a), (b), (c), (d)는 관측 평면층의 중심으로부터송수신기 쌍의 위치에 따른 S21의 곡선을 보여주고 모든 경우의 신호 강도를 비교한다. 안테나 성능은 제안된 메타표면 구조를 사용하여 21.0☓7.0☓6.5cm3의 작은 부피에서 7 dB, 9 dB, 14 dB 향상 되었다. 그림 5(e)는 세 가지 기하구조의 장점을 28 GHz에서 S21대 위치로 요약한 것이다. 여기서, LoS는 송수신기가 바로 연결된 경우, All TA는 구조2, Dobule Meta는 구조3을 의미합니다. 하나의 Metamaterial lens는 기준 안테나에서 수신기로 전달되는 전력의 레벨을 높이는 데 효과적이며, 전계 다발을 더 집중시키는 Metasurface lens를 연결하면 신호 강도가 더 커지는 것으로 나타났다. 이러한 해석은 전자기장 스캐닝이라는 또 다른 종류의 실험을 통해 뒷받침한다.

그림 6. 구조물 위의 테스트 평면에서 스캔된 필드 (a) 필드 스캔 설정 (b) 기준 안테나 (c) 구조 1 (d) 구조 2 (e) 구조 3

Fig. 6. Fields scanned on the test plane above the structures (a) Field-scanning setup (b) Reference antenna (c) Structure 1 (d) Structure 2 (e) Structure 3

그림 6(a)는 실험 설정을 보여준다. AUT는 전기장 스캐닝 프로브의 끝에서 9 cm 떨어져있다. 그림 6(b)는 1X4 배열 기준 안테나의 측정 평면에서 감지된 전계를 나타낸다. 이 필드 패턴과 비교하면 그림 6(c)의 구조 1에서 그림 6(d)의 구조 2를 거쳐 그림 6(e)의 구조 3으로 갈수록 평면의 중심이 더욱 강해지고 전체 그리드 중앙 영역의 빔 폭이 좁아진다. 이러한 실험을 통해 Metamaterial lens와 적절한 조합을 사용하면 수신기가 있는 상태에서 무선 시스템의 송신기가 지향하는 방향으로 mm-Wave 안테나의 전자기장을 모을 수 있으며, 전력 증폭기의 수를 늘리지 않고 신호 강도를 향상할 수 있는 방법을 밝혀낼 수 있다.

4. 결 론

5G 및 6G 모바일 서비스를 목표 삼아 TX 안테나에서 RX 안테나로 전송되는 무선 전력의 세기를 향상시키는 새로운 방법을 제안하였다. 특히 세 개의 Metasurface 구조는 RF 연결의 양측 사이의 주 경로로 전자기장 밀도를 증가 시킬 수 있었다. Metasurface구조는 상대적으로 작은 구조로도 밀리미터파 신호 강도를 크게 향상할 수 있도록 제작 및 실험 되었다.