1. Introduction

통신 네트워크에서 일대일은 물론 일대다 연결 후 이뤄지는 정보의 교환에 있어 용량과 속도는 끊임없이 상승하고 있다. 문자와 음성 데이터의 전달에 국한된 초기 무선통신 시대에 비해, 동영상 전달과 업무 다중화가 가능한 수백 Mbps의 속도를 사용자들은 누리고 있으며, 새로운 통신 세대에서는 1 Gbps를 달성하기 위해 다각적인 방법들이 개발되고 있다. 5G 모바일 통신 서비스는 초고속 통신은 물론 사용자들을 선택하고 링크를 집중하는 것을 모토로 삼고 있다^[1]. 제4세대 무선통신까지는 송신의 역할을 맡고 있는 장치가 임무 영역에 있는 다수의 수신자들을 향해 위치에 상관없이 균일한 분포에 가까운 링크를 만드는 것이 일반적인 것이었다. 그런데, NR이라고 불리는 제5세대 무선통신을 기획하면서 초연결과 함께 초고속은 물론 초집중이 화두가 되며, 무선링크 분포가 달라지게 되었다. 송신자인 무선 중계기는 수신자마다 개별의 링크를 만들기 위해 빔 형성이 필요하다고 한다. 이는 빔 형성을 위한 배열 안테나가 도입되어야 한다는 것인데, 예전 주파수로는 빔 형성의 효율이 낮아지고 큰 몸집의 안테나로 귀결되기 때문에, K와 Ka-대역을 포함하는 밀리미터파 대역이 제시되기에 이르렀다.

높은 주파수인 상기 두 대역들은 파장이 작아 기존의 수 GHz의 안테나의 지향성과 유사한 목표라면, 배열 안테나들을 만들어도 크기가 태블릿 정도의 크기면 된다. 그런데, 저주파 대역의 안테나의 방사특성과 달리, 높은 주파수 대역의 RF 신호들은 배열 안테나의 개구면을 떠나자마자 백미터 거리에 있는 수신자에 닿기도 전에 급격히 약해진다. 6G 무선통신에서 추구하는 위성 연동 과제에서는 걸림돌이 된다. 통달거리를 줄여도 의미있는 신호강도를 전달하려면, 배열 안테나의 크기를 더욱 증가시켜야 한다. 파장이 짧아진 장점이 무색하게 몸집이 큰 배열 안테나는 다른 문제를 만나게 된다. 배열 안테나는 전력 분배기를 가지며, 배열 크기가 클수록 전력 분배기는 복잡해지고 입력부로부터 코너의 요소들까지의 거리는 길어진다. 이 전송선 구조는 도체, 유전체 손실이 길어질수록 주파수가 높을수록 심각해진다^[2-4]. 이득 증가를 위해 기존 배열형이 아닌 방안이 모색되어야 한다.

배열 안테나의 요소들에 전력 분배기의 간선들로 급전하는 대신 공간으로 발산하는 전기자기파를 집속시키는 방안이 있다. 그것은 메타재질 구조의 한 종류로 소스 안테나로부터의 전기자기파를 입력으로 받아 통과시키면서 투과파를 하나의 방향으로 모이도록 한다^[5-7]. 투과파의 집속을 이용하는 대신 반사시키면서 전기자기파를 집속하는 방안도 있다^[8]. 현재의 참고문헌 이외에도 제법 많은 수의 논문들이 메타재질투과 구조들을 설계하고 그 결과를 보고하고 있는데, 본 논문에 인용하는 자료와 같은 계통에 속한다. 소스인 혼 안테나 전면부에 위치하여 단위 셀이 4층보다 더 많은 층들로 쌓여있거나 층마다의 금속 패턴이 복잡하여 PCB 에칭 공정으로 구현하기 위해서는 관리 포인트들이 늘어나고 단락핀이 들어가 높은 공정비를 투입하고도 오차가 생길 확률이 증가한다. 또한, 목표 동작 주파수가 5G 무선통신을 뒤이은 6G 무선통신의 대상인 위성통신의 주파수와는 거리가 있다.

본 논문에서는 위성통신 대역인 K-대역에 대한 이득 증가용 메타재질 구조를 제안한다. 에칭 공정에 용이한 복수의 오픈 링 결합 단위 셀과 100 mm×100 mm의 평면 렌즈로 소스인 단일 패치의 이득을 19.5 GHz에서 10dB 이상 향상시키는 효과가 있다. 제안구조의 특장점을 전기자기 모의시험과 시제품을 제작한 뒤 시험을 통해 확인한다.

2. Purposes and Design of the Antenna

제안하는 구조는 서론에서 언급하였듯이 배열 안테나를 쓰지 않고 메타렌즈를 통해 높은 안테나의 이득의 방사특성을 만들어야 한다. 렌즈와 결합된 안테나 설계를 다루는 문헌들의 일부는 곡면 유전체를 보여주고, 광학 렌즈에 결부시키는데, 본 논문은 다른 접근법을 사용하므로 다음의 그림으로서 방향을 설명할 수 있다.

그림 1. 기본형 안테나로부터의 입사파를 메타렌즈로 집속함 (a) 기본 안테나 (b) 곡면 렌즈 안테나 (c) 평면 렌즈 안테나

Fig. 1. Conversion from the diverging wave to the directional wave via the metamaterial lens (a) Ordinary antenna (b) Curved lens (c) Flat lens

그림 1(a)는 안테나 심볼이 주어진 구조로부터 전기자기파가 방사되는 것을 광선(Ray)로 표시한 것이다. 안테나가 다이폴이나 마이크로스트립 패치 단일형이라 공진 주파수에서 방사상의 광선으로서 발산하는 모습이다. 광선의 수직이 파면인데, 구면파와 유사한 모습이다. 이 때, 빔폭이 넓고 이득은 낮아, 이동통신의 무선 라우터와 같이 근처의 넓은 방향으로 고른 무선전력이 전달된다. 이런 무지향성은 이득이 낮아 원거리 통신에 적합하지 않기 때문에, 주기적 구조인 배열 안테나의 요소로 참여하여 원거리의 하나의 방향에서 보강간섭으로서 이득을 증가시킨다. 그림 1(b)는 광학 곡면 렌즈로서 광선들의 진행 길이를 다르게 주어 투과 시, 방향성을 유도한다. 그림 1 (c)는 평면 집속 구조인 메타렌즈이다. 구조 전체의 구동원인 소스 안테나에 대해 살펴보자.

그림 2. 소스인 패치 안테나 (a) 구조 (b) 입력포트 반사 계수 (S11) (c) 3차원 방사패턴

Fig. 2. Patch (a) Geometry (b) S11 (c) Beam-Pattern

그림 2(a)의 패치 안테나는 0.3mm 두께의 RT 기판 상에 4.9 mm×4.9 mm 의 크기인 구조이다. 메타렌즈의 소스 안테나로 일반적으로 혼 안테나가 사용되는데 간격이 매우 커져 결국 부피가 커지는 반면, 평면형 안테나를 소스로 사용하면 구현과 장착, 작은 간격의 장점을 가지게 된다. 이 안테나는 19.4~19.5 GHz에서 S₁₁이 –10 dB 이하가 되어 입력포트 임피던스 정합이 이뤄진다. 그림 2(b)의 공진 주파수에서 전기자기파 방사가 그림 2(c)와 같이 일어난다. 안테나 이득은 7 dBi로서 원거리 통신에 바로 사용할 수 없다. 방사 소스로부터 발산하는 전자파를 메타재질로 모아주는, 위상이 중심으로부터 외곽으로 증가하는 모습이다.

그림 3. 소스 안테나 위상과 메타렌즈의 위상 (a) 발산 빔의 위상 (b) 보상용 위상 (c) 렌즈 위상 1비트 표현

Fig. 3. Phases of the source and lens (a) Phase of the diverging wave (b) Compensation phase of the lens (c) 1-bit discretized phase of the lens

그림 3(a)는 단일 패치 안테나와 같이 발산하는 방사형 전기자기파를 메타렌즈를 둘 높이에서 위상을 표현한 것이다. 소스 안테나의 수직으로 위인 정방향 지점은 위상이 최소이고, 가장자리로 갈수록 지연이 증가하여 위상도 커지는 모습이다. 이것이 발산형 전기자기파의 위상이라면, 집속을 위해서는 메타렌즈는 그 위상을 보상해야 하므로, 그림 3(b)처럼 위상이 중심으로부터 가장자리로 갈수록 낮아져야 한다. 그림 3(a)와 (b)는 연속적인 위상분포인테, 메타재질을 만들기 위해서 단위 셀 즉 픽셀 상에 위상을 주기성을 고려한 이산화 버전으로 변환한다. 특히, 1-bit로 표현하면 그림 3(c)가 된다. 단위 셀을 먼저 다루겠다. 그림 4(a)는 구조, 그림 4(b)는 투과계수와 반사계수, 그림 (c)는 위상에 대한 모의시험 결과이다.

그림 4. 메타렌즈의 단위 셀 (a) 중추가 되는 구조 (b) 반사계수(S11)과 투과계수 (S21) 크기 (c) 위상 (d) 갭 크기 대 위상 (e) 단위 셀 기하 구조 결정 프로세스

Fig. 4. Unit cell (a) Geometry (b) Magnitudes of S11 and S21 (c) Phases of S11 and S21 for 180° and 0° cases (d) Gap vs. phase (e) Physical size determination

그림 4(a)는 결합된 복수의 오픈 링들로 된 단위 셀의 모습이다. 단위 셀의 모의시험은 두 개의 전기벽과 자기벽으로 둘러싸인 직육면체 박스 내에 위치시키고 앞쪽에 포트 1번 뒤쪽에 포트 2번을 두어 평면파 입사 구조를 구현하여 투과 위상을 구한다. 층간에 3.5 mm 이내에 들어오는 공극의 적층 구조로서 RT 기판의 오픈 링들이 각 층에서는 주로 용량성 결합과 층간에는 주로 유도성 결합을 통해 1번 포트로 입사된 전기자기파가 투과하면 2번 포트에서 필요한 위상을 만들어 낸다. 얇은 기판의 단층으로 180도의 위상을 만들 수가 없어 위상을 누적하여 얻기 위해 기판 3층과 공극 2층으로 구성한다. 모든 층의 금속 링이 전류흐름을 끊게 되면 0도, 링이 전류흐름이 개통되면 180도로서, 각각 입사파는 위상지연이 줄거나 최대가 되고, 그림 4(d)를 통해 알 수 있다. 그림 4(b)는 두 경우 투과계수 (S₂₁)의 크기로 K-대역에서 높아 잘 통과함을 의미한다. 그림 4(c)는 두 경우의 S₂₁ 위상으로 렌즈 위상의 1-bit 이산화가 PCB 저가가공에 적합하다. 이것으로 그림 3(c)를 만든다. 그림 5는 메타표면 구조와 3차원 및 2차원 방사전계가 도시된다.

그림 5. 메타렌즈 (a) 구조 (b)(c) 갭=33 mm의 빔패턴 (d)(e) 갭=40 mm의 빔패턴 (f)(g) 갭=45 mm의 빔패턴

Fig. 5. Metamaterial lens (a) Geometry (b)(c) Beam-pattern & Gap=33 mm (d)(e) Beam-pattern with Gap=40 mm (f)(g) Beam-patterm & Gap= 45 mm

그림 5(a)는 단위 셀인 그림 4(a)를 보상용 위상분포의 이산화된 값에 맞춰 배정한 구조로 메타렌즈이다. 100 mm × 100 mm의 면적에 7.7 mm 간격으로, 0도에 해당되는 노란색 위상 지점에는 닫힌 링을, 180도에 해당되는 파란색 위상 지점에는 개방형 링이 들어가 있다. 전체 구조에 대해서는 1-bit로 표현된 평면을 단위 셀 구조로 채우고, 아래에 소스 안테나를 방사원으로 두고, 시뮬레이션한다. 소스 안테나와 메타렌즈의 간격인 갭(Gap)을 구조가 적당한 크기가 되고 소스와 가깝게 지향성 좋은 세 경우를 고려하여 최적의 빔 패턴을 발생시키는 것으로 결정한다. 갭이 33 mm이면 그림 5(b)와 (c)로, 40 mm이면 그림 5(d)와 (e)로, 45 mm이면 그림 5(f)와 (g)의 방사파 패턴들을 발생시킨다. 이득이 20 dBi이면서 Phi=0° 와 Phi=90° 평면에서의 빔 패턴이 같아 대칭성이 좋은 갭 45 mm를 선택한다.

3. Fabrication and Measurement of the Structure

소스 안테나를 제작하여 주파수 응답특성을 측정한다.

그림 6. 소스인 패치 안테나 (a) 모습 (b) 입력포트 반사계수 (S11) (c) Phi=0° 빔 패턴 (d) Phi=90° 빔 패턴

Fig. 6. Patch antenna (a) Shape (b) S11 (c) Beam-pattern at Phi=0° (d) Beam-pattern at Phi=90°

패치 안테나가 PCB 에칭 공정을 통해 그림 6(a)와 같이 제작되었다. 그림 6(b)에서 모의시험과의 오차는 있지만, 벡터 회로망 분석기에 안테나 포트를 연결하여 잰 반사계수 측정값은 -10 dB 이하로 만족한다. 무반사실 원거리장 시험기를 사용하여 그림 6(c)(d)의 K 대역에서 측정된 방사 패턴은 모의시험의 곡선과 유사하지만, 얇아서 약간 휘어 Phi=90°에서 오차가 생긴다. 이득이 5 dBi 내외이다. 소스 안테나에 다음의 메타렌즈를 46.882 mm 띄운 상태로 결합하여 관찰한다.

그림 7. 메타렌즈 안테나 (a) 제작 모습 (b) 입력포트 반사계수 (S11) (c) Phi=0° 빔 패턴 (d) Phi=90° 빔 패턴

Fig. 7. Metamaterial lens (a) Shape (b) S11 (c) Beam-pattern at Phi=0° (d) Beam-pattern at Phi=90°

메타렌즈가 그림 7(a)와 같이 제작되어, 그림 6(a)의 소스 안테나와 결합되어, 성능이 향상되는지 확인된다. 결합된 구조의 방사 특성을 측정하는 과정은, 첫째 방사 소스의 입력 포트를 케이블에 연결하고, 둘째 메타렌즈를 소스 안테나 앞에 거치하고, 셋째 턴테이블 위에 올리고, 넷째 원거리에 있는 혼 안테나로 공간상의 전자기파 강도를 얻는다. 메타렌즈와 같은 수퍼스트레이트가 잘못 구현되지만 않는다면, 입력포트의 반사계수는 소스 안테나의 반사계수에서 크게 벗어나지 않는데, 그림 7(b)와 같이 19.45~19.5 GHz에서 임피던스 정합이 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다. 광빔폭을 갖는 소스 안테나는 주파수 상에서 천이가 생겨도 방사패턴에는 변화가 거의 없는데, 메타렌즈가 만드는 고지향성의 경우에는 주파수 상의 변이가 방사패턴의 변이로 이어지므로, 확인을 위해, 중심 주파수를 포함하여 주변의 주파수들에 대한 방사패턴들을 측정하였다. 목표 주파수인 19.45~19.5 GHz에서는 모의시험에서 예측된 것과 같이 이득이 최고점에 도달한다. 그림 7(c)와 (d)에서, 이득은 모의시험의 20 dBi보다 줄어든 17.5 dBi로 파악되었다. 표 1은 장착 시 발생할 수 있는 오차의 하나인 메타표면과 소스 안테나의 갭의 오차가 방사패턴의 오차를 만드는 가능성을 보여주기 위해 작성되었다.

갭의 미세한 오차가 이득의 변화를 표 1처럼 만들어 내듯이, 모의시험의 방사패턴이 제작 및 시험 시에도 달라질 수 있음을 예상할 수 있다. 또한, 소스 안테나 장착 시 표면의 휨에 의한 이득 저하는 물론 메타 표면의 평평함에 다소의 결함이 있어, 물리적 구현에서는 다소 낮아졌다. 물론 이산화 과정에서 3-bit가 아닌 1-bit로 낮은 이산화를 하는 경우, 오차가 발생하는데, PCB 저가가공에 적합하게 하다보니 성능에도 오차가 발생한다. 그럼에도 불구하고, 10 dB를 넘는 안테나 이득의 상승이 실험적으로도 확인되었다. 전체 구조의 각각의 부분을 정확하게 잡아주는 고정용 부품이 준비된다면, 제안된 안테나에 의한 이득 향상율은 더 올라갈 것이다. 그리고 기존에 발표된 논문들 상의 안테나와 성능을 비교하여 본 구조의 특징을 살펴본다.

^[9]와 제안구조는 같은 주파수에 대한 것으로 크기가 유사한 반면 제안구조의 이득 향상도가 더 높음을 알 수 있다. 더 높은 주파수인 60 GHz에서 동작하는 메타표면을 가진 ^[10]의 성능과 비교하면 절대적 이득 값은 다르지만 제안구조에 의해 약 4 dB가 더 높은 성능 향상을 알 수 있다. 본 구조에 비해 ^[11]은 더 적은 소자 개수를 사용하여 이득 증가량이 현저히 낮다. ^[12]은 X대역에서 동작하는 메타표면으로 본 구조와 단위 셀 개수가 같은 상황에서 이득 증가량이 낮아 제안한 방법이 더 좋은 안테나 이득을 취하고 있음을 알 수 있다.

4. Conclusions

제6세대 무선통신에서 지상망과 연결 대상인 위성통신은 물론 군집위성 프로그램이 요구하는 소형경량이면서도 통신성능이 보장되는 요구사항에 부응하는 안테나 설계 기술을 제안하였다. 배열 안테나 대신 K-대역의 소형의 소스 안테나를 쓰면서 낮은 이득의 문제를 극복하기 위해, 상층부에 두는 메타렌즈를 설계하고 제작하였다. 모의시험은 물론 회로망 분석기와 무반사실 안테나 시험장치에 놓은 제안한 안테나의 시제품의 성능을 확인 한 결과, 평면 적층구조이면서도 안테나의 이득을 10 dB 이상 올려주는 고지향성의 결과를 얻었다. 배열 안테나의 다소 복잡하고 누적 손실이 발생하는 급전부를 쓰지 않고 평평한 전기자기파 집속 장치를 씀으로서 부피 축소와 경량화에 도움이 되는 위성통신용 안테나 시스템에 대한 방안으로 해석될 수 있다.