A Wideband Narrow Beam 1x6 Linear Antenna Array for Automotive Radar and 5G Millimetre-Wave Applications

기술 요약: 자동차 레이더 및 5G 밀리미터파 응용을 위한 광대역 좁은 빔 1x6 선형 안테나 어레이

문제 제기
밀리미터파 (mm-wave) 주파수 (24–300 GHz) 는 5G 네트워크, 자동차 레이더, 차량 - 모든 것 (V2X) 통신과 같은 고용량, 저지연 시스템에 필수적입니다. 그러나 이러한 신호는 심각한 자유 공간 경로 손실과 다중 경로 페이딩을 겪으며, 종종 높은 등방성 복사 전력 (EIRP) 을 필요로 합니다. 송신 전력을 높이는 것은 하나의 옵션이지만, 특히 자동차 및 의료 환경에서 전자기장 (EMF) 노출에 대한 규제 제한으로 인해 이 접근 방식은 제한됩니다. 따라서 좁은 빔과 높은 지향성을 가진 어레이를 통해 안테나 이득을 향상시키는 것이 선호되는 해결책입니다.

기존 문헌에는 누설파 안테나, 기판 통합 도파관 (SIW) 급전, 그리고 다층 구조를 포함한 다양한 고이득 솔루션이 제시되어 있습니다. 그러나 이러한 설계들은 종종 상당한 구조적 복잡성, 높은 제조 비용, 그리고 두꺼운 프로파일을 초래합니다. furthermore, 단순한 평면 아키텍처를 사용하여 밀리미터파 주파수에서 소형 크기, 광대역 임피던스 대역폭, 그리고 좁은 빔 방사라는 조합을 달성하는 것은 여전히 과제이며, 특히 상호 결합으로 인해 빔 스쿼트와 비균일 전력 분포를 초래할 수 있는 시리즈 급전 어레이의 경우 더욱 그렇습니다.

방법론
저자들은 28 GHz 에서 작동하도록 설계된 소형 단일 층 1×6 선형 마이크로스트립 패치 안테나 어레이를 제안합니다. 이 설계는 신호 감쇠를 최소화하기 위해 Rogers RO3003 기판 (두께 1.574 mm, $\epsilon_r$ = 3.0, tan $\delta$ = 0.0013) 을 사용합니다.

• 구조: 어레이는 선형으로 배열된 여섯 개의 직사각형 방사 패치로 구성됩니다.
• 급전 메커니즘: 시리즈 급전 토폴로지가 사용됩니다. 주 패치는 마이크로스트립 급전선 (0.5 mm 폭, 1.5 mm 길이) 을 통해 여기됩니다. 나머지 다섯 개의 패치는 효과적인 전력 분배를 촉진하기 위해 초광대역 마이크로스트립 전송선 (0.1 mm 폭, 0.5 mm 길이) 을 통해 상호 연결됩니다.
• 최적화: 요소 간 간격은 1.9 mm 로 최적화되었습니다. 이 간격은 상호 결합을 최소화하면서도 광각 방향에서 보강 간섭을 보장하여 좁은 빔을 달성하는 데 중요합니다.
• 시뮬레이션 및 제작: 설계는 25–35 GHz 범위에서 CST Studio Suite(시간 영역 솔버) 를 사용하여 시뮬레이션되었습니다. 물리적 프로토타입은 Rogers 기판에 전자 밀링 공정을 통해 제작되었으며, 이어 구리 불규칙성을 수동으로 수정하고 SMA 커넥터를 납땜했습니다.

주요 기여
이 작업의 주요 신규성은 복잡한 다층 구조나 SIW 급전 없이 광대역 임피던스 대역폭, 좁은 빔 방사, 그리고 높은 지향성 이득을 동시에 달성하는 소형 단일 층 시리즈 급전 1×6 마이크로스트립 어레이를 실현한 데 있습니다.

• 단순성: 이 설계는 다층 기판, 금속 비아, 또는 코퍼레이트 급전 네트워크의 복잡성을 피하고 초광대역 인터커넥트가 있는 단순한 평면 구조를 활용합니다.
• 성능 균형: 저자들은 정밀한 간격과 좁은 인터커넥트를 통해 시리즈 급전 어레이의 일반적인 문제들 (예: 빔 스쿼트 및 대역폭 제한) 을 성공적으로 완화하여 작동 대역 전반에 걸쳐 안정적인 방사 성능을 유지한다고 주장합니다.
• 실험적 검증: 많은 이론적 연구와 달리, 이 작업은 무반향실에서의 안테나 물리적 제작과 실험적 테스트를 포함합니다.

결과
실험 및 시뮬레이션 결과는 안테나가 28 GHz 응용에 적합함을 보여줍니다:

• 임피던스 정합: 측정된 반사 계수 ($S_{11}$) 는 28.8 GHz 에서 약 –33 dB 의 깊은 널 (null) 을 보입니다. –10 dB 임피던스 대역폭은 1.2 GHz(27.5 GHz 에서 28.7 GHz) 에 걸쳐 있으며, 목표 5G 및 자동차 레이더 대역을 포괄합니다.
• VSWR: 전압 정재파 비 (VSWR) 는 작동 대역 전체에서 2.0 미만이며, 28.8 GHz 에서 최소 1.06 을 기록합니다.
• 이득 및 지향성: 28 GHz 에서 약 9.9 dBi 의 최대 실현 이득이 관측되었습니다.
• 방사 패턴: 어레이는 지향성 팬빔 특성을 보입니다. $\phi = 0^\circ$ 평면에서 주 빔은 $\theta \approx 40^\circ$ 방향으로 조향되며 (3 dB 빔 폭 86.3°), $\phi = 90^\circ$ 평면은 좁고 매우 지향적인 빔을 보여줍니다. 부엽 레벨은 –3.1 dB 및 –4.7 dB 로 측정되어 효과적인 억제를 나타냅니다.
• 전류 분포: 표면 전류 분석은 모든 여섯 개의 요소에 걸쳐 균일한 여기가 이루어짐을 확인시켜 주며, 시리즈 급전 설계의 유효성과 상당한 전류 불연속의 부재를 검증합니다.
• 불일치: 시뮬레이션 결과와 측정 결과 사이에 약간의 주파수 이동이 관찰되었으며, 이는 제조 공차, 기판 유전율 변동, 그리고 SMA 커넥터의 기생 성분으로 인한 것으로, 이는 밀리미터파 구현에서 흔히 발생하는 것으로 지적됩니다.

의의 및 주장
이 논문은 이 설계를 차세대 무선 시스템을 위한 실용적이고 저비용의 솔루션으로 위치시킵니다. 저자들은 이 안테나가 지능형 교통 (예: 차선 변경 감지, 사각지대 모니터링) 과 5G 밀리미터파 통신 (예: 포인트 투 포인트 백홀) 에서의 소형 고성능 빔포밍 시스템에 대한 유망한 대안을 제공한다고 주장합니다.

이 작업의 의의는 단순한 단일 층 제조 공정을 사용하여 높은 이득과 광대역폭을 제공할 수 있는 능력에 초점을 맞추고 있으며, 이는 자율 주행 차량 및 IoT 장치와 같은 공간이 제한된 플랫폼에 적합합니다. 저자들은 자동차 레이더와 5G 응용을 모두 대상으로 하는 1×6 시리즈 급전 어레이에 대한 광대역 성능, 좁은 빔 방사, 그리고 단순한 평면 제조의 이러한 특정 조합은 이전에 보고된 바가 없다고 명시합니다. 향후 작업은 커버리지와 민첩성을 더욱 향상시키기 위해 어레이 통합 및 빔포밍 기술에 집중할 것으로 제안됩니다.