무선 응용을 위한 AMC 반사경이 장착된 CRLH-TL-힐베르트 구조 영감을 받은 안테나의 성능

요약

본 연구는 5G 6GHz 이하 응용을 위한 힐버트 프랙탈 EBG와 인공 자기 반사체와 통합된 고이득 CRLH 전송선 안테나를 제시합니다. 이 설계는 20 dBi 이득, 2.1 GHz 대역폭, 개선된 전후 비율, 그리고 재구성 가능성을 위한 빛 의존 저항을 이용한 제한된 광학 빔 조향을 달성합니다.

초록

본 연구는 5G-sub6 GHz 통신망을 위한 새로운 재구성 가능 안테나 설계를 제시하며, 복합 우측/좌측 전송선(CRLH-TL), 힐버트 곡선 전자기 밴드갭(EBG) 구조, 인공 자기전도체(AMC) 반사체의 시너지 통합을 통해 상당한 이득 향상과 빔 조향 능력을 달성합니다. 안테나는 17개의 CRLH TL 단위 셀과 3차 힐베르트 프랙탈 EBG로 구성되어 기존의 비아 홀을 제거하고 표면파 손실을 최소화합니다. AMC 반사경이 없을 때, 안테나는 5.6 GHz에서 최대 16 dbi의 이득을 달성합니다. 반사 위상이 0인 7× 10개의 육각형 AMC 반사경 배열을 통합하면 5.6 GHz에서 순방향 이득이 20 dbi로 증가하여 4dB 향상을 나타내고, 백 로브를 억제하고 단방향 방사 패턴을 생성합니다. 재구성 가능성과 빔 스캐닝은 빛 의존 저항기(LDR)를 사용하는 광학 스위칭 메커니즘을 통해 5 GHz에서 이득 변화와 ±5° 빔 조향을 달성합니다. 설계는 2.1 GHz 임피던스 대역폭(S11 < –10 dB)과 78%의 방사선 효율을 달성합니다. 이전 CRLH-TL 안테나와 비교했을 때, 이 연구는 4dB 이득 향상을 보여주었고, 비아 기반 제조 복잡성 없이 광 재구성 가능성을 도입했습니다. 시뮬레이션과 측정 결과가 매우 일치하여 설계 방법론을 검증합니다. 제안된 안테나는 적응형 5G 기지국, 위성 통신, 빔 조향 레이더 시스템에 적합합니다.

서론

5세대(5G) 무선 통신 시스템에서 적응형 고성능 안테나에 대한 수요 증가는 메타물질(MTM) 기반 설계 연구를 가속화했습니다 ^1,2. 메타물질은 음의 유전율과 투과율 등 독특한 전자기 특성을 제공하여 복합 우측/좌측 전송선(CRLH-TL) 구조에서 0차 공진을 가능하게 하여 안테나 소형화를 크게 촉진합니다 ^3,4. 하지만 기존 MTM 안테나는 종종 저이득, 좁은 임피던스 대역폭, 그리고 ^{5,6번 소홀} 요구사항으로 인한 제작 복잡성을 겪습니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 전자기 밴드갭(EBG) 구조와 인공 자기(AMC) 반사체가 통합되어 표면파 전파를 억제하고 임피던스 매칭을 개선하며 순방향 이득을 향상시켰습니다 ^7,8. 최근 연구에서는 AMC 반사경을 이중 및 다중 밴드 구성(⁹⁻¹⁸)에서 2–6 dB의 이득 향상이 입증되었습니다. 예를 들어, Jwair 등은 5.5 GHz에서 14 dBi 이득을 달성한 메타서피스 안테나를, Ali 등^은 12.5 dBi 이득을 가진 힐베르트 프랙탈 MIMO 배열을 시연했습니다. 이러한 발전에도 불구하고, 기존 설계는 이득 제한(일반적으로 12–16 dBi)을 보이며, 재구성 가능성이 부족하거나 복잡한 비아 기반 제작이 필요합니다.

이 연구는 5G 6GHz 이하 응용을 위한 3차 힐베르트 곡선 EBG와 제로 위상 AMC 반사체를 통합한 새로운 CRLH-TL 안테나를 제안합니다. 주요 혁신에는 (i) 힐베르트 기반 EBG 통합을 통한 기존 비아의 제거, 삽입 손실 및 제작 복잡성 감소; (ii) 기준선 설계 대비 4 dB 이득 향상, 5.6 GHz에서 20 dBi 달성—이전 CRLH-TL 안테나(보통 12–16 dBi)에 비해 크게 개선됨; (iii) LDR을 이용한 광학 재구성으로 전기 바이어스 라인 없이 빔 조향과 이득 변화를 가능하게 함; 그리고 (iv) 직접 진폭 변조 능력. 이러한 발전들은 기존 MTM 안테나 설계에서 이득, 재구성 가능성, 제조 복잡성 등 중요한 한계를 해결합니다.

프로토콜

안테나 설계 및 시뮬레이션 설정
안테나는 유한 적분 기법(FIT)¹⁰을 기반으로 한 상업용 3D 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 설계되었습니다. 시뮬레이션 매개변수는 다음과 같이 구성되었습니다: (i) 해석기 유형: 육면체 메시를 가진 시간 영역 해석기; (ii) 주파수 범위: 4–7 GHz; (iii) 메시 밀도: 파장당 20라인, 정확도 임계값 –30 dB로 적응형 메시 정제가 가능; (iv) 경계 조건: 구조물로부터 최소 거리 λ/4인 모든 방향으로 열려 있는 공간 추가; (v) 파필드 모니터: 주파수 대역에 걸쳐 0.1 GHz 간격으로 구성; (vi) 포트 여기: 50 Ω 임피던스의 웨이브가이드 포트. 로저스 RT/듀로이드 8550이 선택되었으며, 상대 유전율(εr)은 2.55, 두께는 1.5mm, 손실 접선(탄 δ)은 0.0033이었습니다. 시각적 체크포인트: 모델 기하학이 완료되면 그림 1에 보이는 안테나 구조가 명확하게 정의된 CRLH 유닛셀, 디지털 간 커패시터, T-스텁 인덕터가 나타나야 합니다.

CRLH-TL 안테나 제작
안테나는 비대칭 공면형 파도관(CPW) 공급 구조를 사용했습니다. 직렬 정전용량은 인터디지털 커패시터를 사용해 구현되었으며, 션트 인덕턴스는 T-스텁 인덕터를 사용하여 구현되었으며, 모든 기하학적 치수는 그림 2A에 표시된 레이아웃에 따라 정의되었습니다. 션트 인덕턴스는 T-스텁 인덕터(스템 폭: 0.5 mm, 스템 길이: 15 mm, 스텁 폭: 6.0 mm, 스텁 길이: 6.0 mm)를 통해 구현되었습니다. 기존의 비아 홀 대신, 기판 뒷면에 3차 힐베르트 곡선 구조(외부 치수: 7.87 mm × 7.87 mm; 트레이스 폭: 0.48 mm; 간격: 1.19 mm; 그림 2B에 나타난 2.39 mm, 1.43 mm, 3.10 mm 추가 세그먼트 길이)가 기판 뒷면에 포함되어 유도 하중을 제공하면서 방사 손실을 최소화했습니다¹¹. 17단위 셀은 1× 17개의 선형 배열로 배치되었으며, 셀 간 간격은 8.5mm(약 λg/4, 5.6 GHz)였습니다. 인터디지털 커패시터와 T-스텁 인덕터 치수는 매개변수적으로 최적화되었으며; 최종 설계는 그림 2에 나타난 것처럼 최대 이득과 최소 S11을 제공하는 구성에 해당합니다.

EBG 구조 구현
기판 뒷면에는 17× 1개의 3차 힐베르트 곡선 구조 배열이 인쇄되었으며, 각 T-스텁 인덕터와 동심원으로 정렬되었다. 각 힐베르트 요소는 7.87 mm × 7.87 mm 면적을 차지했으며, T-스텁 인덕터는 이 영역 중앙에 위치해 유도 결합¹²를 극대화했습니다. EBG 배열은 종축이 CRLH-TL 배열의 중심선과 일치하도록 배치되었으며, 포토리소그래피 시 광학 정렬 마크를 이용해 정규가 이루어졌습니다. 힐베르트 EBG는 표면파 전파를 억제하고 임피던스 매칭을 향상시킵니다.¹³. 시각적 체크포인트: EBG 구현에 사용되는 3차 힐베르트 프랙탈 기하학은 그림 2B에 표시되어 있습니다.

AMC 반사경 설계
7× 10 AMC 반사체 배열은 육각형 단위 셀(변 길이: 5.2 mm; 주기성: 9.0 mm)을 사용해 설계되었습니다. 각 유닛 셀은 패치 중앙에 120° 간격으로 배열된 세 개의 직사각형 슬롯(길이: 3.5 mm; 너비: 0.4 mm)을 특징으로 하여 5.6 GHz에서 반사 위상이 0로 되도록 했습니다. 배열은 동일한 로저스 RT/듀로이드 기판 위에 제작되었으며, 안테나 접지면에서 8.0mm(약 λ0/6.7, 5.6 GHz) 아래에 위치했습니다. 인접한 육각형 간 요소 간격은 0.5mm로 유지되어 총 배열 크기는 200mm× 100mm였습니다. AMC 배열의 안테나 대비 정렬은 마이크로미터 조절 단계가 있는 기계식 고정장치를 사용해 ±0.1 mm 위치 정확도를 보장했습니다. 시각적 체크포인트: AMC 반사체 유닛-셀 기하학과 전체 배열 배치는 그림 3에 해당해야 합니다.

광 스위치 통합
표면 장착형 광 의존 저항기(LDR)가 각 CRLH 유닛 셀의 T-섹션에 통합되었습니다. 각 LDR은 T-스텁 인덕터 스템의 0.5mm 간격을 가로질러 스텁 접합부에서 3.0mm 떨어진 곳에 위치했습니다. LDR 부착은 80°C에서 경화된 전도성 에폭시를 사용하여 30분간 수행되었습니다. 외부 635nm 적색 레이저 다이오드(광출력 5 mW; 빔 직경: 3 mm)가 광원으로 사용되었습니다. 레이저 빔은 컴퓨터 제어 갈바노미터 미러 시스템을 통해 유도되어, 개별 LDR 또는 여러 LDR 그룹을 선택적으로 조명할 수 있었습니다. 오프 상태 특성 분석을 위해 각 LDR 위에 부착된 불투명한 검은색 폴리염화비닐(PVC) 커버(두께: 1.5 mm; 치수: 10 mm × 15 mm)를 사용하여 조명을 차단했습니다. 시각적 체크포인트: T 스텁 구조 내 LDR 통합 지점은 그림 1에 보이는 대로 보여야 합니다.

제작 및 측정 공정
안테나 제작은 습식 화학 식각 공정을 사용했습니다. 기판 패널은 이소프로필 알코올로 세척한 후 60°C에서 10분간 건조된 후 양성 포토레지스트(AZ 4562, 3000rpm에서 30초간 스핀 코팅, 100°C에서 90초간 소프트베이킹)로 적층되었습니다¹⁴. 자외선 노출(350 nm, 12 mW/^{cm 2}, 25초)은 포토마스크를 통해 수행되었고, 이후 AZ 400K 현상액에서 현상(탈이온수와 1:4 희석, 45초)을 진행했습니다¹⁵. 구리 부식은 염화철 용액(FeCl₃, 40% w/v, 40°C, 8분)을 사용하여 수행되었습니다¹⁶. 잔여 포토레지스트는 아세톤으로 제거한 후 탈이온수로 세척하고 질소 건조를^{했습니다.} 시각적 체크포인트: 그림 4에 보이는 제작된 안테나 프로토타입.

측정은 RF 차폐 챔버 내부(크기: 4.5m × 3.0m × 2.5m; 1–12 GHz 차단 > 90 dB 격리)에서 수행되었습니다. 시험 대상 안테나(AUT)는 컴퓨터 제어 방위각/고도 포지셔너(회전 정확도: ±0.1°; 각도 범위: 방위각 360°, ±고도 90°)에 장착되었습니다. 광대역 듀얼 리지 혼 안테나(1–12 GHz)가 기준 안테나로 사용되었습니다. S 파라미터 측정은 완전한 2포트 SOLT(쇼트 오픈로드 스루) 보정 키트로 보정된 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 수행되었습니다. 원거리 이득은 알려진 이득의 표준 이득 혼(5.6 GHz에서 8.2 dBi)을 사용하여 이득 전달법을 사용해 결정했습니다. 모든 측정은 실험실 환경(온도: 22 ± 1 °C; 상대 습도: 45 ± 5%)에서 수행되었습니다.

결과

안테나 설계 및 시뮬레이션 설정
AMC 반사체 없는 기본 CRLH-TL 안테나에 대한 시뮬레이션 및 측정된 S11 파라미터는 3–6 GHz 주파수 대역에서 우수한 일치를 보여주었습니다. 안테나는 2.1 GHz(3.7–5.8 GHz)의 –10 dB 임피던스 대역폭을 보였으며, 최소 S11 대역폭은 5.6 GHz에서 –32 dB였습니다. 해당 VSWR은 전체 운영 대역폭에서 1.5 미만이었습니다. 매개변수 연구를 통해 디지털 간 커패시터 핑거 수를 1개에서 5개로 늘리면 임피던스 매칭이 점차 개선되었으며, 최적 매칭은 5핑거에서 달성되었습니다(그림 5). 이 개선은 향상된 정전용량 결합과 더 균형 잡힌 CRLH-TL 분산 특성 때문이라고 여겨집니다¹⁸. 이 결과들은 최적화된 인터디지털 커패시턴스가 비아가 없는 CRLH-TL 구조에서 광대역 임...

토론

이 연구는 손실 최소화를 위한 비아 없는 CRLH TL과 힐베르트 EBG, 이득 향상을 위한 제로 위상 AMC 반사기, 그리고 알 나이미²¹에서 영감을 받은 광 LDR 스위칭 등 세 가지 보완 기술을 시너지 내어 통합하여 평면 메타물질 안테나에서 고이득 재구성 가능한 복사를 달성하는 새로운 방법론을 제안합니다. 이 접근법은 기존 VIA 기반 CRLH-TL 구현과 관련된 제조 복잡성을 독특하게 제거하면서 무선 재구성 메커니즘을 도입합니다.

이 연구는 재구성 가능한 메타물질 안테나 분야를 네 가지 측면에서 발전시킨다. 첫째, 힐베르트 프랙탈 EBG 구조가 CRLH-TL 설계의 구멍을 통해 효과적으로 대체할 수 있음을 보여주며, 산업 채택을 위한 단순화된 제작 경로를 제공한다²³. 둘째, 평면 CR...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
기질	타코닉	www.taconic.co.kr/rf-43	로저스 RT/듀로이드 8550, 그리고 엡실론; r=2.55, h=1.5 mm
포토레지스트	미세화학	www.microchemicals.com/products/az-4562	AZ 4562 양성 포토레지스트
개발자	미세화학	www.microchemicals.com/products/az-400k	AZ 400K 현상액 농합
에챈트	시그마-올드리치	270290-1KG	염화철, 40% w/v
용매	시그마-올드리치	270725-1L	아세톤, 반도체 등급
용매	시그마-올드리치	278475-1L	이소프로필 알코올, 반도체 등급
전도성 에폭시	서킷웍스	www.chemtronics.com/cw2400	CW2400 전도성 에폭시
장거리 연애	어드밴스드 포토닉스	PDV-P8103	빛 의존 저항, 5-10 kΩ (빛) / 1 M&오메가; (어두움)
레이저 다이오드	토를랩	L635P5	635 nm, 5 mW, 타원 빔
갈바노미터	케임브리지 테크놀로지	6215H	광학 스캐닝 미러 시스템
VNA	키사이트	37347A	벡터 네트워크 분석기, 10 MHz-20 GHz
혼 안테나	ETS-린드그렌	3117	듀얼 리지 혼, 1-12 GHz
포지셔너	궤도/FR	AL-4163-4A	방위/고도 위치 측정 시스템
RF 챔버	ETS-린드그렌	사실-3	차폐된 인클로저, 4.5배; 3.0× 2.5m
시뮬레이션 소프트웨어	다소 시스트&그라브; MES	CST 스튜디오 스위트 2023	3D 전자기 시뮬레이터