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광대역·광폭·초소형 ME-Dipole 안테나 개발
- 학부 연구생이 수업에서 얻은 아이디어를 토대로 제작 -
장태환 교수(한양대 전자공학부)
FCC(미국연방통신위원회)에서 5G 통신 대역을 Ka 대역(26.5 to 40 GHz)로 선언함에 따라, 휴대폰 측면에 장착하여 5G 기술 통신에 활용하려는 ME 다이폴 안테나가 개발되고 있다. 이 안테나는 Ka 대역을 만족시키고 높은 이득을 갖는다는 장점이 있지만, 좁은 Beamwidth(빔 폭)을 갖고 있어 송 수신에 많은 제약이 있다는 단점이 존재한다.
이를 해결하기 위해서 한양대학교 에리카 전자공학부 장태환 교수 및 학부연구생팀이 기존 장점은 유지한 체, 더 넓은 빔 폭 그리고 초소형 ME – 다이폴 안테나를 개발하였다.
상세 논문 내용은 다음과 같다.
대학생이 주도한 5G 통신 안테나 개발 성공
최근 5G(5세대 이동통신) 기술의 발전과 함께 더욱 빠르고 안정적인 데이터 전송이 요구되고 있다. 이러한 가운데, 장태환 교수가 지도하는 대학생 김준현 학생이 기존보다 크기가 작으면서도 성능이 우수한 새로운 밀리미터파(mmWave) 엔드파이어 ME 다이폴 안테나를 개발해 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 이 기술은 차세대 이동통신 시스템뿐만 아니라 사물인터넷(IoT)과 자율주행차 통신에도 활용될 전망이다.
김준현 연구원의 연구가 이루어낸 혁신
기존의 밀리미터파 안테나는 높은 주파수를 사용하지만 신호가 멀리 퍼지지 못하고 장애물에 취약하다는 단점이 있다. 이에 따라 안테나의 빔폭을 넓히고 효율성을 높이는 것이 중요한 과제가 되었다. 김준현 학생은 "각진(angled) 다이폴 구조"와 "확장된 접지(extended ground)" 설계를 통해 이 문제를 해결했다. 이를 통해 기존보다 넓은 범위를 커버할 수 있으면서도 크기가 줄어든 새로운 안테나를 개발하는 데 성공했다.
새로운 안테나의 특징과 성능
김준현 학생이 개발한 안테나는 기존 안테나와 비교했을 때 여러 가지 장점을 가진다.
넓은 빔폭: 기존 안테나의 빔폭이 약 50도였던 반면, 새로운 안테나는 약 128도의 빔폭을 가지며 2배 이상 증가했다.
작은 크기: 기존 안테나보다 3배 이상 크기를 줄이면서도 성능은 유지하였다.
우수한 신호 전송: 전류 흐름과 전자기파의 분포를 최적화하여 신호 전달의 효율을 높였다.
광범위한 적용 가능성: 5G 기지국, 스마트폰, IoT 기기, 자율주행차 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
안테나의 동작 원리
김준현 학생이 개발한 엔드파이어 ME 다이폴 안테나는 일반적인 다이폴 안테나와 달리 밀리미터파 대역에서 최적화된 구조를 갖추고 있다. 이 안테나의 동작 원리는 다음과 같다.
전자기파의 방출과 확산: 다이폴 안테나는 두 개의 전도성 요소로 구성되며, 여기에 고주파 전류를 인가하면 전자기파가 발생하여 특정 방향으로 방출된다. 엔드파이어 구조를 채택하여 신호가 안테나의 끝 부분을 따라 전파되도록 설계되었다.
각진 다이폴 구조의 역할: 기존 다이폴 안테나는 신호의 방사 패턴이 상대적으로 좁아 커버리지가 제한적이었다. 그러나 김준현 학생이 개발한 안테나는 다이폴 구조를 각진 형태로 배치하여 신호가 더 넓은 범위로 확산되도록 하였다.
확장된 접지의 역할: 안테나의 성능을 향상시키기 위해 확장된 접지를 추가하였다. 이 접지는 전자기파의 반사를 조절하고, 신호의 방향성과 이득(gain)을 증가시켜 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 돕는다.
신호 효율성 개선: 일반적인 안테나는 높은 주파수에서 손실이 커지지만, 개발된 안테나는 전류 경로를 최적화하여 에너지 손실을 최소화하였다. 이를 통해 24.6GHz에서 39.7GHz까지의 넓은 주파수 대역에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다.
이러한 동작 원리를 통해 김준현 학생이 개발한 안테나는 5G 환경에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있으며, 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있는 가능성을 보이고 있다.
연구 과정과 검증
김준현 학생은 새로운 안테나 설계의 효과를 입증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 진행했다. 전문 소프트웨어(HFSS)를 사용하여 안테나의 전자기파 분포와 전류 흐름을 분석했고, 실험실에서 직접 제작한 후 성능을 측정했다. 그 결과, 주파수 범위(24.6GHz~39.7GHz) 내에서 안정적인 신호 전송이 가능하며 기존 모델보다 성능이 뛰어난 것으로 확인되었다.
실험은 무반사실(anechoic chamber)에서 진행되었으며, 다양한 각도에서 신호 강도를 측정하였다. 측정된 데이터를 분석한 결과, 새로운 안테나의 빔폭과 신호 전달 효율이 기존 모델을 크게 뛰어넘는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 논문으로 발표되었으며, 무선통신 및 전자기파 관련 학회에서도 큰 관심을 받고 있다.
김준현 연구원의 도전과 비전
이번 연구는 5G 및 차세대 통신기술 발전에 중요한 이정표가 될 것으로 평가받고 있다. 연구를 주도한 김준현 학생은 "이번 연구를 통해 무선통신 시스템의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 열었다"며 "향후 실용화를 위한 추가 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다.
특히, 이 기술은 5G 네트워크의 신호 전달 효율을 높이고, IoT 기기의 연결성을 강화하며, 자율주행차 통신의 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 또한, 안테나 크기를 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어, 휴대전화 및 웨어러블 기기에도 적용될 가능성이 크다.
김준현 학생은 이번 연구를 통해 5G 통신의 한계를 뛰어넘는 동시에, 차세대 안테나 기술 개발의 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 연구에서는 대량 생산을 고려한 설계를 추가로 진행하고, 산업체와 협력하여 상용화 단계를 준비할 계획이다.
5G 안테나 기술의 미래
김준현 학생이 개발한 새로운 밀리미터파 엔드파이어 ME 다이폴 안테나는 기존 안테나의 한계를 극복하는 혁신적인 기술로 평가받고 있다. 높은 성능과 작은 크기를 동시에 갖춘 이 안테나는 5G 이동통신뿐만 아니라 다양한 첨단 기술 분야에서도 활용될 전망이다. 향후 이 기술이 실제 제품으로 상용화된다면, 보다 빠르고 안정적인 무선 통신 환경을 구축하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.
향후 연구는 산업계와 협력하여 대량 생산 가능성을 검토하는 단계로 나아갈 예정이다. 이를 통해 실용화 및 상용화를 더욱 가속화하여 글로벌 통신 산업에서 중요한 역할을 수행할 것으로 예상된다. 김준현 학생의 혁신적인 연구는 차세대 통신 시장에서 큰 변화를 불러올 중요한 기술적 성과로 평가받고 있다.
김준현 학생을 지도하여 교신저자로써 논문을 출판한 장 교수는 "이번 연구 개발된 안테나는 기존 사이즈 대비 1/3로 줄이면서 5G 주파수 대역을 모두 커버가 가능하도록 설계되어 실제 휴대폰 등에 장착되어 모바일 어플리케이션에 활용될 수 있다."고 언급하였다.
연구팀은 한국연구재단과 정보통신기획평가원에 지원을 받아 23년 12월 국제학술지 「IEEE Antenna and Wireless Propagation Letter」에 게재를 승인받았다. 해당 논문은 한양대 에리카 장태환 교수의 지도하, 학부연구생 김준현, 오승욱 한양대 에리카 학생들이 각각 1저자, 공저자로 참여하였다.