MMW 대역의 5G 통신 안테나 성능

5G는 26 GHz나 그 이상의 밀리미터파 웨이브(MMW, Millimeter Wave) 주파수 대역을 이용하는 통신이다.

5G는 기가비트급 또는 최대 20 Gbps에 이르는 데이터의 전송 속도와 시간 지연의 감소 그리고 원격 영역에서도 활용이 가능한 특징이 있다.

이러한 특징으로 인해 국방 산업 분야에서도 활용분야에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다.

 

여기서는 이러한 5G 안테나에 있어서 주요한 관심사항에 대해 정리하였다.

5G 기지국에서 사용되는 안테나는 주로 MMW(Millimeter Wave) 대역 위상 배열 안테나(Phased Array Antenna)이며, 이러한 안테나에 적용되는 몇 가지 공식과 규격에 대한 내용을 표로 정리하였다.

 

여기서의 내용은 “Journal of electronic defense” 에서의 내용을 참고하였다.

(위상 배열 안테나 이득)

 

다음은 위상 배열 안테나의 이득에 대한 공식이다.

 

G = (4 π A n)/ λ²

 

여기서,

위상 배열 안테나의 주 빔 이득 :  G(dBi),

안테나 배열 크기 : A(m)

안테나 효율 : n

파장 : λ(m)

 

아래의 표는 주파수와 어레이 엘리먼트 수, 면적에 따른 안테나 이득을 나타낸다.

면적은 안테나 어레이 엘리먼트간의 간격을 반파장이라고 가정하고 있다. 

주파수는 다르지만 각 주파수에서 엘리먼트 수와 안테나 이득은 같다.

대신 안테나의 면적이 주파수가 낮을 수록 크다는 것을 알 수 있다.

주파수	Element 수	면적	이득
28 GHz	64	1.83 cm²	19.0
	100	2.86 cm²	20.9
	144	4.12 cm²	22.5
	196	5.61 cm²	23.9
	256	7.33 cm²	25.0
60 GHz	64	0.40 cm²	19.0
	100	0.63 cm²	20.9
	144	0.90 cm²	22.5
	196	1.2 cm²	23.9
	256	1.6 cm²	25.0

(위상 배열 어레이 안테나의 빔 폭)

 

여기에서는 안테나 어레이는 사각형 배열이고 beam sharpening은 고려하지 않는다.

 

일반적으로 빔 폭은 3dB 빔 폭을 주로 의미하며 가로와 세로의 어레이 개수가 동일한 정사각형  위상 배열 안테나의 3dB 빔 폭을 구하는 수식은 다음과 같다.

 

BW = (.866 λ)/(Nd cos Θ)

 

여기서,

3 dB 빔 폭 : BW(radian)

신호의 파장 : λ(m),

어레이 엘리멘트간의 간격 : d(m),

보어사이트로부터 오프셋 된 각도 : Θ(degree)

 

아래의 표는 사각형으로 배치된 어레이의 한 쪽면의 어레이 개수와 보어사이트로부터의 오프셋 각도에 따른 빔 폭을 나타낸 것이다.

엘리멘트 간 간격은 한 파장의 절반이며 각도는 degree로 표현된 것이다.

 

한 면의 Elements 수	보아사이트	15˚ 오프셋	30˚ 오프셋	45˚ 오프셋	60˚ 오프셋
8	12.4˚	12.8˚	14.3˚	17.3˚	24.8˚
10	9.9˚	10.5˚	11.4˚	14.0˚	19.8˚
12	8.3˚	8.6˚	9.5˚	11.7˚	16.5˚
14	7.1˚	7.3˚	8.2˚	10.0˚	14.2˚
16	6.2˚	6.2˚	7.2˚	8.8˚	12.4˚

(안테나 오정렬로 인한 안테나 이득의 감소)

 

만약 송신 안테나가 수신 안테나를 정확히 지향하고 있지 않거나 반대로 수신 안테나가 송신 안테나를 정확히 지향하고 있지 않다면 다음의 수식에 의해 안테나의 이득이 감소한다.

 

ΔG = 12(Θ/α)²

 

여기서,

보어사이트로부터 감소된 이득 : ΔG(dB)

오프셋 각도 : Θ(degree)

빔 폭 : α(degree)

 

이 수식은 안테나의 조향에 있어서 정확도에 미치는 영향을 나타내기도 하므로 움직이는 플랫폼을 포함한 MMW 5G의 응용에 있어서 매우 중요한 부분이 된다. 

 

아래의 그림은 이러한 오정렬을 나타낸 것이다.

 

(빔 오정렬)

(안테나 부 엽(Side Lobes))

 

이동통신 분야에서는 송신 빔과 수신 빔간의 정렬 문제가 특별하지 않을 수 있다. 

아래의 그림은 송신 빔이 수신 안테나의 부엽을 향하고 있는 상황을 묘사하고 있다.

(부엽을 지형하고 있는 송신 빔)

 

또한 아래의 그림은 보어사이트 주 빔과 연속된 4개의 부엽의 크기를 나타낸다.

 

이러한 상황의 수신 안테나 신호 강도 또는 수신 안테나 출력은 다음의 수식으로 표현된다.

 

PR = PT + GT – L + GR

 

여기서,

수신 전력 : PR

송신기의 송신 전력 : PT

송신 안테나 이득 : GT

안테나 간 대기 중 전송 손실 : L

수신 안테나 이득 : GR

 

운용 주파수는 28 GHz이고 송신 링크의 거리는 25km로 가정하면 링크의 대기 중 손실은 149.3dB이 된다.

송신 안테나와 수신 안테나 모두 256개의 엘리멘트를 가지고 있으며 만약 송신 안테나가 수신기를 정면에서 지향하고 있다면 앞에서의 안테나 이득 표에서 알 수 있듯이 이득은 25 dBi가 된다.

만약 수신 안테나가 지향성이고 첫 번째 부엽이 송신기 쪽을 지향하고 있다면 표에서 알 수 있듯이 수신 안테나의 실제 이득은 보어사이트 이득에서 13.5dB 감소한 11.5 dBi가 된다.

송신 전력이 1Watt(30 dBm)이라면, 수신 파워는 다음과 같이 계산된다.

 

PR = 30 dBm + 25 dB - 149.3 dB + 11.5 dB = -82.8 dBm