완전 3D 프린팅 광대역 메타표면 폴드형 반사 배열 안테나

본 논문은 차세대 mmWave 통신에 적합한 고이득, 넓은 대역폭, 저프로파일 안테나를 구현하기 위해 완전 3D 프린팅 기반 메타표면 폴드형 반사 배열 안테나(MFRA)를 설계·제작·시험하였다. 서론에서는 기존 PCB 기반 반사 배열(FRA)이 평면 설계에 제한되어 대형 apertures에서 손실·비용·확장성 문제가 발생함을 지적하고, 3D 적층 제조가 제공하는 자유도와 저비용성을 강조한다. MFRA는 세 가지 핵심 부품으로 구성된다. 첫째, 바닥에 배치된 편광 회전 메타표면(RMS)은 교차형 파라렐립형 유닛 셀을 채택하고, 가로·세로(Lx, Ly)와 높이(hu) 3자유도를 통해 400° 이상의 위상 범위를 제공한다. HIPS(εr = 2.49, tan δ = 8.4×10⁻⁴)와 은잉크 전도층(σ = 1×10⁵ S/m)으로 제작되며, 전면 접지 구조이므로 전송은 억제되고 Rxy·Ryx 교차 반사 계수를 최적화해 y→x 편광 회전을 90° 달성한다. 둘째, 상단에 위치한 편광 선택 그리드(MPG)는 0.5 mm 폭, 1 mm 간격의 은잉크 스트립으로 구성돼 y‑편광을 반사하고 x‑편광을 투과시킨다. 이는 RMS에서 회전된 x‑편광이 자유 공간으로 방출될 때 추가 손실 없이 통과하도록 설계되었다. 셋째, MFRA 내부에 통합된 소형 헬릭스형 호른 피드는 LP(선형 편광) 소스를 제공하며, 피드와 RMS 사이의 거리와 각도를 최적화해 효율적인 전력 전달을 보장한다. 설계 단계에서는 CST Microwave Studio를 이용해 유닛 셀 파라미터(Lx, Ly, hu, W1, W2)를 스윕하고, 교차 반사 위상·크기 특성을 매핑했다. 특히 Lx와 Ly를 0.1 mm~5.2 mm 범위로 변조하고, hu를 0.2 mm·0.4 mm 두 단계로 배치해 연속적인 2π 위상 제어를 구현하였다. RMS 전체는 192 mm × 192 mm(≈17.9 λ) 크기로, 4개의 사분면에 16 × 31 유닛 셀을 배열해 총 1984개의 셀을 구성하였다. 시뮬레이션 결과, 26–32 GHz 대역에서 −10 dB 임피던스 대역폭이 20.7%이며, 28.2 GHz에서 실현 이득이 31.1 dBi, HPBW가 평균 3.7°, 사이드로브 레벨이 −20 dB 이하, 교차편광이 −30 dB 이하임을 확인했다. 또한 H/D 비율이 0.20으로, 전통적인 FRA 대비 절반 이하의 높이만으로 동일한 빔 성능을 달성했다. 제조는 저비용 FDM 3D 프린터를 사용해 HIPS 소재와 은잉크를 적층했으며, 동일 설계의 상용 RMS는 Nano Dimension의 DragonFly IV 시스템으로 제작했다. 두 버전 모두 동일한 전자기 특성을 보였으며, 측정된 S11 및 이득 곡선은 시뮬레이션과 1 dB 이내의 오차만을 나타냈다. 이는 제안된 설계가 제조 공정 변화에 강인함을 의미한다. 실험에서는 안테나 전체를 안테나 측정실에서 회전시켜 x‑z, y‑z 평면의 방사 패턴을 측정했으며, 결과는 시뮬레이션과 일치했다. 특히 28 GHz에서 31.1 dBi의 실현 이득과 −20 dB 이하의 사이드로브, −30 dB 이하의 교차편광을 달성해 고지향성 및 고순도 편광 특성을 확인했다. 결론적으로, 본 연구는 3D 프린팅을 통한 볼류메트릭 메타셀 설계와 편광 회전·선택 메타표면의 결합, 그리고 폴드형 구조를 통해 저비용·고성능·초저프로파일 mmWave 안테나를 구현했다. 이러한 MFRA는 5G/6G 고속 무선 전송, 고정 무선 접속(FWA), 근거리 통신(NFC), 빔 포커싱 등 다양한 차세대 통신 및 레이더 응용에 바로 적용 가능하며, 향후 설계 자유도 확대와 다중밴드·다중편광 확장에도 유망한 플랫폼으로 기대된다.