통신 표준이 밀리미터파와 같은 고주파 대역으로 이동하면서 안테나 배열은 차세대 무선통신 시스템의 핵심 요소가 되고 있습니다.
고주파 대역에서는 경로 손실이 커지기 때문에 단일 안테나만으로 충분한 이득과 커버리지를 확보하기 어렵습니다. 여러 안테나 소자를 배열로 구성하면 더 높은 이득과 좁은 빔폭을 구현할 수 있으며, 특정 방향으로 전파 에너지를 집중해 통신 성능을 높일 수 있습니다.
그러나 안테나 소자의 수가 늘어날수록 전력과 위상 조합에 따라 생성되는 방사 패턴은 더욱 복잡해집니다. 소자가 몇 개뿐인 소형 배열도 가능한 모든 동작 조건을 파악하기 쉽지 않으며, 수십 개 또는 수백 개의 소자로 구성된 대형 배열은 전문적인 해석 도구가 필요합니다.
XFdtd® 전자기 시뮬레이션 소프트웨어는 빔포밍과 빔 스티어링을 위한 안테나 배열의 성능을 빠르게 분석할 수 있는 기능을 제공합니다. 중첩, 배열 최적화, EIRP 누적 분포 분석을 활용하면 다양한 전력 및 위상 조건에서 배열의 동작과 커버리지를 효율적으로 검토할 수 있습니다.
밀리미터파 시스템에서 안테나 배열이 필요한 이유
밀리미터파 대역은 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있지만, 낮은 주파수 대역보다 전파 경로 손실이 큽니다. 장애물에 의한 차단과 감쇠의 영향도 상대적으로 크게 받을 수 있습니다.
안테나 배열은 여러 소자에서 방사되는 신호의 위상과 전력을 조절해 특정 방향에서 신호가 강하게 합성되도록 합니다. 이를 통해 높은 안테나 이득과 좁은 지향성 빔을 형성할 수 있습니다.
배열의 최종 성능은 다음과 같은 요소에 따라 달라집니다.
- 안테나 소자의 수와 배치
- 소자 간격
- 포트별 입력 전력
- 소자 사이의 위상 차이
- 배열의 크기와 형상
- 목표 빔 방향
- 안테나와 주변 구조물의 전자기적 상호작용
이러한 조건을 모두 고려하려면 단순한 수식 계산만으로는 한계가 있습니다. 특히 실제 기기 구조에 안테나가 통합되는 경우에는 전자기 시뮬레이션을 통해 전체 배열의 성능을 검증해야 합니다.
XFdtd 중첩 기능을 활용한 빠른 배열 분석
XFdtd의 중첩 기능은 개별 안테나 포트에 대해 계산된 전자기 데이터를 복소 스케일링 방식으로 결합해 전체 배열의 성능을 계산합니다.
먼저 각 안테나 소자 또는 포트에 대해 전자기 시뮬레이션을 수행하고 다음 데이터를 계산합니다.
- S-파라미터
- 안테나 효율
- 원거리장 방사 데이터
이 데이터는 한 번만 계산하면 됩니다. 이후 사용자는 각 포트에 적용되는 전력과 위상을 변경해 여러 배열 상태를 후처리 단계에서 빠르게 합성할 수 있습니다.
중첩을 통해 계산할 수 있는 주요 결과는 다음과 같습니다.
- 전체 배열의 방사 패턴
- 능동 S-파라미터
- 배열 효율
- 빔 방향
- 안테나 이득
- 유효 등방성 복사 전력
포트의 전력과 위상 조건이 미리 정해진 경우에는 전체 전자기 시뮬레이션을 반복하지 않고도 해당 조건의 원거리장 패턴을 즉시 계산할 수 있습니다.
이는 많은 수의 빔 조건을 비교해야 하는 위상 배열 안테나 설계에서 분석 시간을 줄이는 데 유용합니다.
28GHz 1×8 선형 배열의 빔 스티어링
첫 번째 사례는 28GHz 패치 안테나 소자 8개로 구성된 1×8 선형 배열입니다.
인접 소자 사이의 위상 차이를 -90도부터 +90도까지 30도 간격으로 변경하면 총 7개의 서로 다른 빔이 생성됩니다. 이 빔들은 약 -30도에서 +30도 범위 사이로 팬 빔을 조향합니다.
이 사례는 안테나 배열을 물리적으로 회전하지 않고도 각 소자의 위상 조건을 변경해 주 빔의 방향을 전자적으로 제어할 수 있음을 보여줍니다.
동일한 8개 소자 배열은 두 개의 인접한 1×4 서브어레이로 분할해 운용할 수도 있습니다.
이 경우 XFdtd의 중첩 기능을 이용해 두 서브어레이의 방사 패턴을 각각 계산하고, 서로 다른 전력 및 위상 조건에서의 성능을 비교할 수 있습니다.
이러한 방식은 하나의 배열을 여러 통신 경로에 활용하거나, 배열의 일부만 독립적으로 동작시키는 설계를 검토할 때 도움이 됩니다.
목표 빔 방향을 기준으로 한 배열 최적화
중첩 기능은 포트의 전력과 위상 조건이 알려져 있을 때 해당 조건에서 생성되는 빔을 계산하는 데 적합합니다.
반대로 원하는 빔 방향은 알고 있지만, 그 방향으로 빔을 형성하기 위한 포트 설정이 알려져 있지 않은 경우에는 배열 최적화 기능을 사용할 수 있습니다.
XFdtd 배열 최적화는 사용자가 지정한 방향에서 EIRP가 최대가 되도록 각 안테나 소자의 전력과 위상 조건을 계산합니다.
이를 통해 설계자는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.
- 목표 방향에 필요한 포트 위상 계산
- 포트별 전력 조건 확인
- 여러 방향에 대한 빔 설정 생성
- 배열의 스캔 가능 범위 분석
- 빔 코드북 구성을 위한 기본 데이터 확보
이 기능은 특히 소자 수가 많고 빔폭이 좁은 2차원 위상 배열 분석에 적합합니다.
28GHz 8×8 패치 배열 분석
28GHz에서 동작하는 8×8 패치 안테나 배열은 총 64개의 소자로 구성됩니다. 이러한 대형 2차원 배열은 매우 좁은 빔을 형성할 수 있으며, 배열 위쪽의 넓은 각도 범위로 빔을 조향할 수 있습니다.
28GHz 8×8 배열에서는 방위각 방향으로 15도 간격의 목표 빔을 설정하고, 배열 법선 방향에서 30도 내려간 고도각을 적용합니다.
배열 최적화 도구는 각 목표 방향의 빔을 계산하고, 여러 빔의 최대값을 결합한 맥스 홀드 패턴을 생성합니다. 계산이 완료되면 각 빔을 형성하기 위해 필요한 소자별 포트 전력과 위상 조건도 확인할 수 있습니다.
이 분석은 대형 배열이 목표 각도 범위를 얼마나 효과적으로 커버하는지 평가하는 데 활용됩니다. 또한 특정 방향에서 빔 이득이 낮아지는 영역이나 배열의 조향 한계를 파악하는 데도 도움이 됩니다.
대형 배열을 여러 서브어레이로 분할하기
대형 안테나 배열은 하나의 전체 배열로만 사용할 필요가 없습니다. 배열을 여러 개의 작은 서브어레이로 나누면 각 서브어레이를 독립적으로 제어할 수 있습니다.
하나의 8×8 배열을 네 개의 4×4 서브어레이로 분할하고, 각 서브어레이의 독립 동작을 비교할 수 있습니다.
각 4×4 서브어레이는 자체적인 전력 및 위상 조건을 사용하며, 서로 다른 수신기와 통신하기 위한 독립적인 빔을 생성합니다.
XFdtd의 배열 분석 기능을 이용하면 각 서브어레이를 별도로 정의하고 다음 특성을 검토할 수 있습니다.
- 서브어레이별 방사 패턴
- 빔 조향 방향
- 포트 전력과 위상
- 개별 서브어레이의 효율
- 여러 서브어레이가 동시에 동작할 때의 배열 특성
이러한 구성은 하나의 안테나 구조를 이용해 여러 방향으로 동시에 통신해야 하는 시스템에 적용할 수 있습니다.
EIRP CDF를 이용한 공간 커버리지 분석
일반적인 방사 패턴은 특정 방향에서의 안테나 이득을 자세히 보여줍니다. 그러나 전체 공간에서 얼마나 넓은 영역을 안정적으로 커버하는지 한눈에 판단하기는 어렵습니다.
XFdtd는 EIRP의 누적 분포 함수인 CDF를 이용해 안테나 배열의 공간 커버리지를 통계적으로 분석합니다.
EIRP는 유효 등방성 복사 전력을 의미하며, 특정 방향에서 안테나가 얼마나 강한 전력을 방사하는지를 나타냅니다.
EIRP CDF는 주어진 입력 전력에서 원거리장 구면의 어느 정도 비율이 특정 EIRP 수준을 확보하는지를 보여주는 1차원 함수입니다.
이를 통해 사용자는 다음 내용을 비교할 수 있습니다.
- 단일 배열의 전체 공간 커버리지
- 두 개 이상 배열을 조합했을 때의 커버리지
- 인접 배열과 반대편 배열의 차이
- 주어진 입력 전력에서 양의 이득을 확보하는 방향의 비율
EIRP CDF는 여러 배열이 서로 다른 방향을 향하도록 배치된 모바일 기기 분석에 특히 유용합니다.
5G 스마트폰의 다중 안테나 배열
5G 밀리미터파 스마트폰은 기기의 방향과 사용 환경에 따라 특정 안테나가 가려지거나 통신 방향이 달라질 수 있습니다.
이 문제를 줄이기 위해 스마트폰의 여러 가장자리에 복수의 안테나 배열을 배치할 수 있습니다.
스마트폰의 좌측, 우측, 상단, 하단에 총 네 개의 1×4 패치 안테나 배열을 배치합니다.
각 배열은 네 개의 패치 소자로 구성되며, 배열 면에 수직인 방향을 중심으로 넓은 영역을 커버하는 조향 가능 빔을 생성합니다.
각 배열이 서로 다른 방향을 향하고 있기 때문에 여러 배열을 함께 사용하면 단일 배열보다 넓은 각도 범위를 커버할 수 있습니다.
스마트폰 안테나 배열의 EIRP 커버리지 결과
EIRP CDF 분석 결과, 하나의 배열만 사용할 경우 일반적인 23dBm 입력 전력에서 전체 방향의 약 66%에 대해 양의 이득을 제공하는 것으로 나타났습니다.
스마트폰 모서리에 인접한 두 배열을 함께 사용하면 커버리지가 약 90%까지 향상됩니다.
또한 스마트폰의 서로 반대편에 위치한 배열을 함께 사용하면 분석된 조건에서 전체 방향에 대한 커버리지를 확보할 수 있습니다.
EIRP CDF 그래프는 다음과 같은 배열 조합을 비교합니다.
- 좌측 배열
- 우측 배열
- 상단 배열
- 하단 배열
- 좌측과 상단 배열
- 우측과 하단 배열
- 좌측과 하단 배열
- 우측과 상단 배열
- 좌측과 우측 배열
- 상단과 하단 배열
- 네 개 배열 전체
이 결과는 단순히 배열의 수를 늘리는 것뿐 아니라 배열이 배치된 방향과 조합도 전체 커버리지에 중요한 영향을 미친다는 점을 보여줍니다.
XFdtd 안테나 배열 분석의 주요 장점
반복 시뮬레이션 감소
각 포트의 기본 전자기 데이터를 한 번 계산한 후 다양한 전력과 위상 조합을 후처리에서 합성할 수 있습니다.
빠른 빔 스티어링 검토
소자 간 위상 차이를 변경하면서 빔 방향과 방사 패턴이 어떻게 달라지는지 빠르게 비교할 수 있습니다.
목표 방향 기반 포트 설정 계산
원하는 빔 방향을 지정하면 해당 방향에서 EIRP를 높이기 위한 포트별 전력과 위상 조건을 계산할 수 있습니다.
능동 배열 성능 평가
방사 패턴뿐 아니라 능동 S-파라미터, 효율, 원거리장 성능을 함께 분석할 수 있습니다.
독립 서브어레이 분석
하나의 대형 배열을 여러 개의 작은 서브어레이로 나누고 각각의 빔과 동작 특성을 평가할 수 있습니다.
다중 배열 커버리지 검증
EIRP CDF를 이용해 단일 배열과 여러 배열 조합의 공간 커버리지를 정량적으로 비교할 수 있습니다.
주요 활용 분야
XFdtd 안테나 배열 시뮬레이션 기능은 다음과 같은 시스템에 활용할 수 있습니다.
- 5G 밀리미터파 스마트폰
- 위상 배열 안테나
- 기지국 안테나 시스템
- 다중 빔 통신 장비
- 다중 사용자 통신 시스템
- 대형 패치 안테나 배열
- 서브어레이 기반 통신 시스템
- 고주파 무선 단말기
이러한 시스템에서는 배열 자체의 성능뿐 아니라 실제 기기 구조와 주변 물체가 방사 특성에 미치는 영향도 함께 검토해야 합니다.
결론
밀리미터파 통신 시스템의 성능 요구가 높아지면서 대형 안테나 배열과 복잡한 빔 스티어링 조건을 효율적으로 분석할 수 있는 도구의 중요성이 커지고 있습니다.
XFdtd는 개별 안테나 포트의 전자기 시뮬레이션 결과를 중첩해 다양한 전력 및 위상 조합을 빠르게 평가할 수 있도록 지원합니다.
또한 배열 최적화 기능을 이용해 목표 방향에 필요한 포트 설정을 계산하고, 대형 배열을 여러 서브어레이로 나누어 각각의 동작 특성을 분석할 수 있습니다.
EIRP CDF 분석은 단일 배열과 다중 배열 구성의 공간 커버리지를 정량적으로 비교하는 데 유용합니다. 특히 스마트폰처럼 여러 방향에 안테나 배열이 배치되는 기기에서 배열 조합에 따른 커버리지 차이를 명확하게 확인할 수 있습니다.
이러한 기능을 활용하면 실제 하드웨어 제작 전에 안테나 배열의 빔 조향 성능과 전체 커버리지를 검증하고, 고주파 통신 시스템의 설계 효율을 높일 수 있습니다.
자주 묻는 질문
XFdtd의 중첩 기능은 무엇인가요?
개별 안테나 포트에서 계산된 S-파라미터, 효율, 원거리장 데이터를 전력과 위상 조건에 따라 결합해 전체 배열의 성능을 계산하는 기능입니다.
전력과 위상을 변경할 때마다 전자기 시뮬레이션을 다시 해야 하나요?
중첩에 필요한 기본 데이터가 계산되어 있다면 포트 전력과 위상 조합을 변경할 때마다 전체 시뮬레이션을 반복할 필요가 없습니다. 후처리 단계에서 새로운 배열 패턴을 계산할 수 있습니다.
XFdtd에서 목표 빔 방향에 필요한 위상값을 계산할 수 있나요?
배열 최적화 기능을 사용하면 지정된 방향에서 EIRP를 최대화하기 위한 포트별 전력과 위상 조건을 계산할 수 있습니다.
8×8 배열을 여러 개의 서브어레이로 나눌 수 있나요?
가능합니다. 하나의 8×8 배열을 네 개의 4×4 서브어레이로 나누고, 각각 독립적인 전력과 위상 조건으로 동작하도록 구성할 수 있습니다.
EIRP CDF는 무엇을 보여주나요?
주어진 입력 전력에서 원거리장 구면의 어느 정도 비율이 특정 EIRP 수준을 확보하는지를 보여줍니다. 이를 통해 안테나 배열의 전체 공간 커버리지를 비교할 수 있습니다.
스마트폰에 여러 안테나 배열을 배치하는 이유는 무엇인가요?
서로 다른 방향을 향하는 여러 배열을 사용하면 단일 배열보다 넓은 공간 커버리지를 확보할 수 있습니다. 또한 기기의 방향이 바뀌거나 일부 안테나가 가려지는 상황에 대응하는 데 도움이 됩니다.
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