유연 안테나 배열의 곡률을 이용한 6G 2차원 빔 정렬 실현

초록

본 논문은 100 GHz 이상 주파수를 사용하는 6G 시스템에서 유연 마이크로스트립 패치 안테나 배열을 굽혀 곡률을 조절함으로써 2‑차원 빔 정렬을 구현하고, 삽입 손실을 최소화하면서도 이득, 임피던스, SNR·BER 성능을 분석·시뮬레이션한 연구이다.

상세 분석

본 연구는 97.5–102.5 GHz 대역에서 동작하는 4 × 4 마이크로스트립 패치 안테나 배열을 대상으로, 곡률(굽힘) 각도에 따른 전자기 특성을 정량적으로 해석하였다. 먼저 각 안테나 소자의 전기장 Eθ, Eφ를 구하고, 굽힘에 의해 발생하는 3차원 회전 행렬 Rx, Ry, Rz를 적용해 전역 좌표계로 변환함으로써 전체 전기장 E_tot을 합산하였다. 이때 γij와 ρij를 작은 각도 근사( sin γ≈γ, cos ρ≈1 )하여 총 복사 전력 P_tot과 복사 임피던스 R_rad을 간단히 표현하였다. 곡률이 증가하면 각 소자의 위치와 위상이 변해 배열 간섭 패턴이 바뀌고, 시뮬레이션 결과는 이론식과 5 % 이내의 오차로 일치함을 확인하였다. 특히 굽힘 각도가 60° 이하일 때는 이득 감소가 0.5 dBi 미만이며, 입력 저항 R_ant은 50 Ω에서 70 Ω 사이로 선형적으로 증가한다. 반면 90° 이상에서는 파괴적 간섭으로 이득이 급격히 감소하고, 입력 리액턴스 X_ant도 ±5 Ω 범위를 벗어나지 않아 임피던스 매칭에 큰 영향을 주지 않는다.

통신 시스템 측면에서는 Friis 전파 손실식을 이용해 수신 전력 P_r을 계산하고, 이를 기반으로 SNR과 QAM 변조에 따른 BER을 추정하였다. 굽힘에 의해 안테나 이득이 변함에도 불구하고, 4‑QAM·16‑QAM에서는 0 dB~3 dB 정도의 SNR 감소만으로도 목표 BER(10⁻⁶ 수준)을 유지할 수 있었다. 64‑QAM의 경우 작은 굽힘(≤30°)에서는 BER이 10⁻² 수준으로 유지되지만, 각도가 60°를 초과하면 BER이 급격히 상승한다. 이는 고차 변조에서 요구되는 SNR이 20 dB 이상 필요하기 때문이다. 또한, 시뮬레이션과 분석식 간 차이는 전기장 근사와 복소 임피던스 무시, EVM 근사식 사용에서 비롯된 것으로, 실제 구현 시에는 정밀한 전자기 해석이 필요함을 강조한다.

패키징 측면에서는 65 nm CMOS 트랜시버와 유연 폴리이미드(ε_r = 3.1, tan δ = 0.003) 기판을 이용한 이중 레벨 통합 방식을 제안한다. 기판 두께 250 µm에서 최소 굽힘 반경이 3 mm 수준이며, 25 mm 길이의 보드에서는 330°까지 굽힘이 가능하다. 이러한 물리적 제약을 고려한 설계 파라미터(굽힘 각도, 기판 두께 등)를 기반으로 전자기 시뮬레이션을 수행했으며, 결과는 이론적 모델과 일치한다.

결론적으로, 유연 안테나 배열의 곡률을 활용하면 전통적인 위상 변조기 없이도 2‑차원 빔 스티어링이 가능하고, 삽입 손실을 크게 줄일 수 있다. 특히 60° 이하의 굽힘에서는 빔 스퀴트가 거의 발생하지 않아 고정밀 빔 정렬이 요구되는 6G 통신·레이다에 적합하다.