5G 통신으로 인해 전 세계 사용자의 이동통신 경험이 향상되고 있습니다. 효율적인 고성능 안테나는 빠르고 지속적인 통신 링크를 보장하기 위한 핵심 요소입니다.

성능과 안전 규정 준수의 균형을 맞추려면 전자파 뿐만 아니라 물리적 분야 전반에 걸쳐 안테나, 전화 및 사용자에 대한 정확한 모델링과 시뮬레이션이 필요합니다.

오늘은 모바일 폰에 대한 5G 안테나 설계를 소개합니다.

 

5G Antenna Design for Mobile Phones

 

Dassault Systemes

 

 

5G가 다가오고 있습니다. 고속 데이터 통신을 위한 더 빠른 속도와 실시간 상호 작용을 위한 더 짧은 대기 시간에 대한 약속은 사용자에게 매혹적입니다. 이 조합은 360도 비디오와 같은 새로운 비디오 형식을 제공할 뿐만 아니라(비디오 트래픽은 2023년까지 모든 모바일 데이터 트래픽의 73%를 차지할 것으로 예상됨) 자율 주행, 증강 혹은 가상 현실 상호 작용, 산업 자동화 및 운송 시스템에서 의료, 교육 및 게임에 이르는 분야의 응용 프로그램을 갖춘 촉각 인터넷과 같은 새로운 기술을 가능하게 합니다.

휴대폰용 안테나 설계는 항상 엔지니어에게 어려운 주제였으며 새로운 5G 주파수 대역을 지원하는 안테나 설계는 기준을 더욱 높일 것입니다. 두 가지 주파수 범위가 가장 중요합니다. 6GHz 미만 대역 통신용 주파수 범위 1과 24GHz 이상의 밀리미터(mm)파 주파수 통신용 주파수 범위 2입니다. 일부 대역은 아직 논의 중이며 정확한 주파수 지정은 지리적으로 다를 것입니다. 초기 전화 통합은 6GHz 이하 안테나에 초점을 맞추었고 전 세계 수백만 명의 가입자가 이미 5G 휴대전화 계약을 체결했습니다. mm-Wave 지원은 초기에 가정이나 기타 고정 인프라에 대한 광대역 링크를 제공하는데 사용되었지만 점차 휴대폰에도 적용되고 있습니다.

 

설계 과제

시뮬레이션은 일반적으로 안테나 설계, 특히 소형 모바일 장치에서 볼 수 있는 고도로 맞춤화된 개별 맞춤형 안테나 설계에서 근본적인 역할을 합니다. 그러나 두 주파수 범위의 과제는 다릅니다.

 

Sub 6GHz 안테나

Sub 6GHz 안테나는 디자인 팀에서 지정한 폼 팩터에 밀집되어 있는 다른 모든 구성 요소 중에서 사용 가능한 모든 공간에 맞게 소형 휴대폰의 맥락에서 설계되어야 합니다. 물론 5G 지원 안테나만 필요한 것은 아닙니다. 5G는 기존 4G, 3G 및 Wi-Fi 통신 채널과 함께 사용됩니다. 이것은 특히 대부분의 이러한 표준이 MIMO(Massive Input Massive Output) 다중 안테나 작동에 대한 지원도 포함하기 때문에 전화기에 통합할 안테나의 수를 증가시킵니다. 개별 요소가 서로 다른 표준을 동시에 충족할 수 있더라도 최소한 대여섯 개의 안테나를 수용해야 한다는 요구 사항은 여전히 있습니다.

그림1. 안테나를 위한 공간을 찾는 것이 어려운 조밀하게 포장된 소형 전화기

 

안테나는 전통적인 의미에서 독립형 안테나로 기능할 뿐만 아니라 나머지 휴대폰과 강력한 상호 작용이 있습니다. 안테나가 에너지를 자연 전화 공진에 연결하기 때문에 전화의 공진 동작을 이해하는 것이 중요합니다. 이는 내부 구조의 정확한 구성에 크게 의존하며 설계 주기에 따라 변경될 수 있습니다. 따라서 충분한 충실도로 모델링된 재료, 구성 요소 및 이들 간의 연결을 사용하여 전체 전화기의 맥락에서 안테나를 설계하는 것이 중요합니다.

 

그림2. 안테나 위치에 따라 크게 달라지는 전화기 공진에 대한 커플링

 

전화기에서 안테나를 최적으로 배치하고 서로 상대적으로 배치하는 것이 성능에 매우 중요합니다. 몇 mm의 표지셔닝 변경으로 성능이 좋은 시스템과 성능이 좋지 않은 시스템이 달라집니다. 안테나 엔지니어는 설계 변경에 신속하게 대응할 수 있어야 합니다. 설계 변경 설명에 대한 즉각적인 액세스, 시뮬레이션 모델 설정을 위한 효율적인 워크플로우, 물론 효율적인 시뮬레이션 알고리즘은 짧은 장치 설계 주기의 빡빡한 시간 제약 내에서 우수한 안테나 설계를 달성하는 경우 모두 매우 중요합니다.

mm-Wave 안테나

모바일 데이터 트래픽의 수요가 증가함에 따라 6GHz 미만의 대량 MIMO를 보완하기 위해 mm-wave 통신이 필요합니다. 모바일 장치에 mm-wave 안테나 통합에 대한 연구가 잘 진행되고 있습니다. 28GHz 이상의 작은 물리적 크기의 안테나는 종종 4개의 요소를 포함하는 칩 통합 어레이를 흥미로운 옵션으로 만듭니다. 이 안테나는 이득이 높고 다중 빔을 지원하므로 전화기 주변의 모든 방향에서 고품질 데이터 링크를 제공하는 설계 목표를 충족합니다.

 

그림3. 플라스틱 커버 유무에 따른 방사 패턴 변화

 

그림4. 플라스틱 커버에 의한 필드 분포

 

이 경우 안테나 설계는 낮은 주파수에서처럼 전체 전화 구조에 단단히 결합되지 않습니다. 오히려 문제는 mm-wave 주파수에서 더 이상 전기적으로 얇지 않아 안테나의 방사 성능에 상당한 영향을 미치는 덮개 뒤의 장치에 안테나를 통합하는 것입니다. 항공우주 산업에서 레이돔 설계에 사용되는 기술은 여기에서 응용할 수 있습니다. 안테나는 국소적으로 렌즈 역할을 하도록 덮개 형상을 엔지니어링하여 플라스틱 또는 유리 덮개 뒤에 효율적으로 통합할 수 있으며, 아마도 주파수 선택 표면(FSS) 설계 원칙에 따라 전자기 창을 포함하여 금속 덮개 뒤에도 통합할 수 있습니다. 이 접근 방식은 방사 패턴을 크게 개선하고 스캐닝 동작을 개선합니다. 밀리미터파 주파수에서 안테나의 작은 물리적 크기로 가능해진 또 다른 옵션은 그림 5와 같이 전화기의 금속 테두리에 슬롯 기반 설계를 통합하는 것입니다.

 

그림5. 금속 하우징이 있는 전화기에 배치한 칩 및 슬롯 배열 안테나

 

성능과 안전의 균형

사람의 바로 근처에서 사용되는 모든 장비의 경우 사용자의 안전을 보장하는 것이 가장 중요합니다. 제품이 시장에 출시되기 전에 사람의 방사 필드 노출에 대한 인증 표준을 충족해야 합니다. 6GHz 이하 주파수에서는 기존 SAR(전자파 흡수율) 표준이 적용됩니다. 밀리미터파 주파수에서 인체에 대한 전계 침투는 매우 작습니다. 대부분의 에너지는 반사되고 신체에 들어가는 대부분의 필드는 표면의 3mm 이내에서 소멸되므로 SAR은 인체 노출의 적절한 측정이 아닙니다. 오히려 장치로부터 일정 거리에 있는 표면의 전력 흐름을 측정하는 것이 제안됩니다.

 

그림6. 표준 SAR 평가는 6GHz 미만의 주파수에서 사용할 수 있는 반면, mm파 주파수에서 필드 침투가 좋지 않으면 power flow 평가가 더 적합

 

결론

5G 통신은 전 세계 사용자의 이동 통신 경험을 향상시키고 있습니다. 효율적인 고성능 안테나는 빠르고 지속적인 통신 링크를 보장하기 위한 핵심 요소입니다. 성능과 안전 규정 준수의 균형을 맞추려면 전자파 뿐만 아니라 물리적 분야 전반에 걸쳐 안테나, 전화 및 사용자에 대한 정확한 모델링과 시뮬레이션이 필요합니다.

 

​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

• 원본 : 다쏘시스템