이번 블로그에서는 현재 차세대 무선 통신 기술인 5G 네트워크에서 사용되는 배열 안테나(Array Antenna)에 대하여 Ansys HFSS를 이용하여 어떻게 디자인을 하며 최적의 성능을 이끌어내기 위해 엔지니어는 무엇을 고려해야 하는지 알아보고자 합니다.
세계는 5G 네트워크에 대한 이야기로 가득 차 있습니다. 전문가들은 이 차세대 무선 통신 기술이 더 짧은 대기 시간(Low latency), 더 빠른 속도(Fast data rates) 그리고 장치간 폭발적인 연결 매개체로 각 분야에 제공 할 것이라고 말합니다.
엔지니어는 5G 네트워크의 증가 된 대역폭을 처리 할 수 있도록 배열 안테나를 완전히 재 설계해야 합니다.
Ansys HFSS의 도움으로 엔지니어는 5G 배열 안테나 설계를 8단계의 과정을 통해 아래와 같은 안테나 속성을 최적화하는데 도움을 줍니다.
Gain – 신호가 가장 강한 방향
Beam steering – 신호를 지향하는 방향으로 조정하는 기능
Return loss – 안테나 에서 소스로 반사되는 에너지의 양
Side lobe level – 원하지 않는 방향으로 보내지는 신호 양
Ansys HFSS를 통해 설계 프로세스가 끝나면 엔지니어는 지향방향으로 증폭되고 집중된 이득과 최소한의 반사손실 및 사이드 로브 레벨을 갖춘 조정이 가능한 최적환 된 배열 안테나를 디자인하게 될 것 입니다.
STEP 1: HFSS Antenna Toolkit을 사용하여 안테나 장치 템플릿 찾기
5G 어플리케이션을 위한 배열 안테나를 만드는 첫 번째 단계는 HFSS Antenna Toolkit을 사용하여 안테나 장치 템플릿을 만드는 것입니다. Toolkit을 이용한 안테나 디자인은 단일 안테나에 대하여 정의하며 배열 안테나 설계 시 단일 안테나를 복제하여 배열 안테나로 설정 할 수 있습니다.
엔지니어는 Toolkit의 라이브러리에서 원하는 안테나를 선택하고 동작 주파수와 속성을 입력해야 합니다. Toolkit은 엔지니어가 안테나 설정을 마침과 동시에 완성된 안테나 형상 및 속성을 제공합니다. 생성된 안테나 형상은 HFSS를 이용하여 장치의 이득 및 반사 손실을 계산 할 수 있습니다.
STEP 2: 안테나 장치를 배열로 가져오기
엔지니어에게 안테나 장치가 있으면 다음 단계는 이를 주기적 배열로 가져 오는 것입니다. 유닛을 중복 배열에 배치하면 이득을 높이는 데 도움이 됩니다.
첫 번째 단계에서는 안테나 장치가 자체적으로 평가되었습니다. 이제 무한 안테나 배열의 주기적 요소로 프로세스가 반복됩니다.
엔지니어는 이득, 반사 손실, 사이드 로브 및 빔 스티어링과 같은 속성이 배열에 있는 다른 안테나의 거리에 의해 영향을 받는다는 것을 알게 될 것입니다.
안테나의 방향을 변경함으로써 엔지니어는 이러한 속성을 최적화 할 수 있습니다.최적의 안테나 배열 방향이 선택되면 엔지니어는 무한 배열을 이상적인 유한 배열로 수정하는 배열 계수를 정의 할 수 있습니다.
이 예에서는 16×16 정사각형 안테나 배열이 시뮬레이션 됩니다.
STEP 3: Domain 분해 방법(DDM) 을 사용하여 유한 배열 안테나 설계
엔지니어는 5G 배열 안테나를 설계하기 위해 이상적인 모델이 필요합니다. 결과적으로 다음 단계는 안테나의 장치가 서로 상호 작용하고 배열의 가장자리와 상호 작용하는 방식을 더 잘 설명하는 시뮬레이션을 구축하는 것입니다.
HFSS는 배열안테나 해석 시 도메인 분해 방법 (DDM)을 사용하여 수행됩니다. DDM은 단일 요소의 메시를 복제하여 두 번째 단계에서 정의한 구조에 적용합니다. 각 메시의 경계는 인접한 메시와 함께 결합되어 엔지니어가 인근 안테나 어레이 장치의 결합을 평가할 수 있습니다.
고성능 컴퓨팅 (HPC)에 액세스 할 수 있는 사용자를 위해 DDM은 각 안테나 유닛 메시의 계산 부하를 분산 할 수 있도록 다중 코어를 사용하여 병렬로 계산됩니다.
메쉬가 생성되면 HFSS를 사용하여 2 단계보다 더 정확하게 안테나의 이득, 반사 손실, 사이드 로브 및 빔 스티어링을 평가하고 최적화 할 수 있습니다.
STEP 4: 유한 안테나 어레이의 빔 각도 계산
엔지니어가 신호가 가는 곳을 제어 할 수 없다면 안테나는 거의 사용되지 않습니다. 이러한 엔지니어는 HFSS의 유한 어레이 빔 각도 계산기를 사용하여 신호 주파수 및 스캔 / 위상 각도를 기반으로 빔을 특정 방향으로 조정하는 데 필요한 위상 변화를 결정할 수 있습니다. 이러한 각도는 배열을 구형 좌표로 배치하는 데 사용됩니다.
계산기는 세 번째 단계에서 생성 된 메시를 기반으로 어레이의 안테나와 빔의 특정 스캔 각도 간의 관계를 결정합니다.
STEP 5: 배열 안테나 회로 설계
다음 단계는 어레이 전체에 전력이 분배되는 방식을 설계하는 것입니다. 엔지니어는 먼저 목표 위상 관계와 진폭을 결정해야합니다.
그런 다음 이 목표를 달성 할 때까지 HFSS 내에서 전력 공급 네트워크를 설계하고 반복합니다.
엔지니어는 안테나 어레이의 배전 회로를 반복하면서 진폭 및 위상 관계에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다.
각 어레이를 연결하고 설정을 최적화하면 모든 작업을 하나의 시뮬레이션으로 연결하여 배열 안테나를 설계 할 수 있습니다.
STEP 6: 모든 배열 안테나 모델을 하나의 시뮬레이션으로 연결
엔지니어는 빔 각도 계산 (4 단계) 및 전력 공급 네트워크 (5 단계)와 유한 요소 모델 (3 단계)을 연결할 수 있습니다.
신호를 제어하기 위해 Phase shifter가 추가됩니다.
Phase shifter 는 4 단계에서 계산 된 위상 각도를 기반으로 구성 요소 라이브러리에서 선택됩니다.
다음으로 엔지니어는 선형 네트워크 분석 (LNA)을 수행하여 거의 완료된 시뮬레이션의 반사 손실을 평가할 수 있습니다.
STEP 7: HFSS 를 이용한 배열 안테나 급전
엔지니어는 LNA의 급전 결과를 HFSS로 들여와야 합니다.
피드 네트워크의 손실 불일치는 크기 및 위상 값으로 HFSS에 전달됩니다.
그런 다음 결과는 시스템 이득으로 표시됩니다.
이 이득은 모든 방향에서 안테나의 성능을 보다 사실적으로 반영합니다.
STEP 8: 해당 환경에서 5G 안테나 테스트
마지막 단계는 환경의 맥락에서 설계된 안테나 성능을 평가하는 것입니다.
이를 위해서는 HFSS 광학수치해석 기법인 슈팅 및 바운싱 레이 (SBR) 기술을 사용하여 시스템 수준 연구를 수행해야합니다. 이 연구는 도시 블록과 같은 대규모 환경 내에서 신호를 송수신하는 안테나의 기능을 테스트합니다.
이번 블로그를 통해 HFSS를 이용하여 5G 배열 안테나 설계가 어떻게 진행되는지 알아봤습니다. HFSS는 5G 네트워크 환경에서 없어서는 안될 안테나 설계에 대하여 정확하고 빠른 솔루션을 제공하고 실제 환경에서 어떻게 적용 할 수 있는지 이 블로그를 통해 알아 볼 수 있습니다.
더 많은 정보를 얻고 싶으시면 Ansys 5G simulation solution 페이지 또는 안테나 디자인 솔루션 페이지를 참고하세요.
출처 : Ansys How to Design an Antenna Array for 5G Networks & Applications
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