SIW Planar and Stacked Array Modular Antenna Structure Design for 38 GHz Millimeter Wave

기술 요약: 38 GHz 밀리미터파를 위한 SIW 평면 및 적층 배열 모듈형 안테나 구조 설계

문제 정의
차세대 무선 시스템(5G/B5G/6G)의 대역폭 수요 증가로 인해, 특히 38 GHz 대역과 같은 밀리미터파(mmWave) 주파수로의 전환이 필수적입니다. 그러나 고주파수에서는 심각한 전파 손실이 발생하므로, 이를 보상하기 위해 높은 이득과 높은 지향성을 가진 안테나가 필요합니다. 안테나 배열은 이득 향상과 빔 제어를 위한 표준적인 해결책이지만, 밀리미터파 대역에서의 설계는 제조 복잡성, 비용, 그리고 다양한 배열 크기 전반에서 성능 일관성을 유지할 수 있는 확장 가능하고 모듈화된 아키텍처가 필요하다는 과제를 안고 있습니다. 기존 솔루션들은 소형화, 균일한 전력 분배, 그리고 핵심 구성 요소를 재설계하지 않고도 소규모에서 대규모 배열로 쉽게 확장할 수 있는 능력 사이의 균형을 맞추는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다

방법론
본 연구는 기판 통합 도파관(Substrate Integrated Waveguide, SIW) 기술을 사용하는 38 GHz 선형 배열 안테나를 위한 모듈형 설계 방법론을 제안합니다. 본 연구는 두 가지 뚜렷한 아키텍처인 단일 계층 평면 설계와 모듈형 적층 설계를 중점적으로 다룹니다.

• 방사 소자: 핵심 방사 단위는 Rogers 880 기판($\epsilon_r = 2.2$, 두께 = 0.254 mm) 상에 제작된 팔각형 마이크로스트립 패치 안테나입니다. 설계는 임피던스 매칭을 최적화하기 위해 특정 급전선 오프셋을 활용합니다.
• 전력 분배: 균일한 전력 분배와 위상 일관성을 보장하기 위해 Y자형 SIW 전력 분배기가 사용됩니다. 본 연구는 1×2, 1×4, 1×8 전력 분배기를 설계 및 시뮬레이션하였으며, 전자기장을 가두고 고차 모드를 억제하기 위해 금속화 비아(via)를 활용합니다.
• 확장성: 저자는 1×2, 1×4, 1×8 선형 배열을 순차적으로 구축함으로써 설계를 검증합니다. 소자 간격은 상호 결합(mutual coupling)을 최소화하기 위해 38 GHz에서 약 반파장($\lambda/2 \approx 4.85$ mm)으로 설정되었습니다.
• 적층 아키텍처: 방사 기능과 급전 기능을 분리하기 위해 슬롯형 도파관 층간 전이 구조가 도입되었습니다. 이를 통해 SIW 전력 분배기(Layer 2)와 패치 안테나 배열(Layer 1)을 별도의 기판 위에 제작하고 수직으로 적층할 수 있습니다. 이러한 모듈형 접근 방식은 반복적인 제작과 유연한 재구성을 가능하게 합니다.
• 검증: 설계는 전계파 전자기 분석을 위해 HFSS를 사용하여 시뮬레이션되었습니다. 프로토타입은 표준 양면 PCB 공정을 사용하여 제작되었으며, 10 MHz에서 67 GHz 범위를 커버하는 Agilent PNA 네트워크 분석기(N5227A)를 사용하여 무선 무반사 챔버(anechoic chamber)에서 측정되었습니다.

주요 기여

1. 모듈형 확장성: 본 논문은 동일한 방사 소자와 급전 토폴로지를 사용하여 소자 치수의 변경 없이 1×2, 1×4, 1×8 배열을 구성하는 통합 설계 전략을 입증하며, 이를 통해 규모 변화에 따른 설계 일관성과 전자기적 예측 가능성을 보장합니다.
2. 이중 아키텍처 접근 방식: 본 연구는 저비용의 단일 계층 평면 솔루션과 고성능의 모듈형 적층 솔루션을 모두 제시합니다. 적층 설계는 특히 모듈식 확장을 용이하게 하기 위해 전력 분배기와 방사 소자의 기능적 분리를 활용합니다.
3. SIW 통합: Y자형 SIW 전력 분배기와 층간 전이 구조의 구현은 밀리미터파 응용 분야에 적합한 저손실, 고효율 급전 네트워크를 제공하며, 넓은 대역폭과 우수한 임피던스 매칭을 달성합니다.
4. 실험적 검증: 종합적인 실험 결과는 시뮬레이션 예측을 확인하며, 모듈형 적층 방식의 타당성과 선형 배열 구성에서 팔각형 패치 소자의 성능을 검증합니다.

결과

• 임피던스 매칭: 평면 및 적층 배열 모두 우수한 임피던스 매칭을 보였습니다. 1×8 평면 배열은 36.62 GHz에서 38.23 GHz까지 $S_{11} < -10$ dB를 유지했습니다. 1×8 적층 배열은 35.53 GHz에서 38.45 GHz까지 낮은 반사 특성을 보였습니다.
• 이득 성능:
  • 평면 배열: 측정된 실현 이득(realized gain)은 9.63 dBi (1×2)에서 15.27 dBi (1×8)로 증가했습니다.
  • 적층 배열: 1×8 적층 구성은 14.45 dBi의 피크 측정 이득을 달로 달성했습니다. 1×2 적층 배열은 최대 80%의 방사 효율과 함께 9.6 dBi에 도달했습니다.
• 효율: 1×8 적층 배열은 약 72%의 방사 효율을 보였으며, 1×8 평면 배열은 70%를 초과했습니다.
• 방사 패턴: 모든 구성은 빔 스퀸트(beam squint) 없이 안정적인 주 빔 방향을 표시했습니다. 배열 크기가 증가함에 따라 주 로브(main lobe)가 좁아지고 지향성이 개선되었으며, 부엽 레벨(sidelobe levels)은 제어된 상태를 유지했습니다.
• 비교: 기존 문헌과 비교했을 때, 제안된 배열은 표준 PCB 공정을 활용하면서도 경쟁력 있는 이득-개구면 비(gain-to-aperture ratio)와 대역폭 안정성을 제공하여 제조 비용을 낮추고 대량 생산 일관성을 높였습니다.

의의
본 논문은 제안된 SIW 모듈형 안테나 설계가 높은 이득, 넓은 대역폭, 소형화 및 표준 제조 공정 사이의 균형을 성공적으로 맞추었다고 주장합니다. 적층 아키텍처에서 방사 층과 급전 층을 분리함으로써, 설계는 반복 가능한 제작과 확장 가능한 모듈형 확장을 가능하게 하며, 이는 차세대 밀리미터파 통신 및 센싱 시스템에 매우 중요합니다. 본 연구는 통합된 모듈형 접근 방식이 표준 PCB 기술의 경제적 및 제조적 이점을 유지하면서도, 백 캐비티(back cavity)나 비표준 재료를 사용하는 더 복잡하거나 특수한 구조와 대등한 성능을 달시다 할 수 있음을 검증합니다. 결과는 이 아키텍처가 38 GHz 밀리미터파 시스템 배포를 위한 실행 가능하고 효율적인 솔루션임을 시사합니다.