Ⅰ. 서 론
최근 자동차 산업의 기술 동향은 IT 산업과의 협업을 통한 자동차-IT 융합 산업이 급속도로 발전하고 있 는 추세이다. 이에 맞춰, 자동차 환경에서 IT 관련 기기 및 부품의 비중이 증가하고, 이동통신 기술과 모바일 기기의 발전으로 차량 내에서의 인터넷을 사용하는 소비자의 욕구가 반영되어 편의성이 증진되고 있다 (Future Automotive Research Association, 2018).
발전하는 기술과 복잡하고 다양해지는 자동차 전장품 환경에서 전장품에 의해 발생할 수 있는 불필요한 전자기파 환경에 대한 전자기적 오작동을 검증하는 전자기파 내성 검증은 급발진과 같은 전자기적 요인에 의한 사고를 예방할 수 있다는 점에서 중요한 사안이다.
자동차-IT 융합 산업의 발전으로 차량 내부, 외부에서 사용 빈도수가 급증하고 있는 이동통신 기술은 최근 4G LTE 기술에서 5G 이동통신 기술로 변화하고 있다. 이러한 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증을 규제하고 있는 국제 표준(ISO, 2012a)에서는 독일 ‘Schwarzbeck’ 사의 420NJ with SBA 9113 안테나를 이용하 여 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증을 수행할 것을 권장하고 있다(ISO, 2012b;Frazier, 2015a).
국제 표준에서 제안하는 bow-tie 형태의 420NJ with SBA 9113 안테나는 0.36 ~ 2.7 GHz 주파수 대역의 광대역 특성을 갖고 있어, 한 번에 넓은 주파수 대역에 대한 전자기파 내성 검증이 가능하다. 하지만, 최근 발전하고 있 는 5G 이동통신 기술의 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz의 주파수 대역을 포함하지 못한다는 점과 더불어 안테나 전체 적으로 알루미늄 재질로 되어 있어 무게가 무겁고, 제작에 있어 시간과 비용이 많이 소요 된다는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인하여, 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증에 있어 평가 효율성이 떨어지고, 5G 이동 통신 기술의 주파수 대역을 검증하지 못함으로써 발생할 수 있는 평가 신뢰성의 의문을 제기할 수 있다.
이에 근거하여, 본 논문에서는 5G 이동통신 기술의 주파수 대역에서 전자기파 내성을 검증할 수 있는 인 쇄형 bow-tie 안테나를 제안하고, 시뮬레이션 및 제작을 통해 안테나 성능을 검증하였다. 이를 본론 및 결론 에서 기술하고자 한다.
Ⅱ. 본 론
1. 국제 표준에서 제안하는 기존 평가용 bow-tie 안테나
일반적으로 제작이 용이하고, 소형, 경량, 저비용의 장점을 갖고 있는 마이크로스트립 패치 안테나를 많이 사용하지만, 대역폭이 협소하다는 단점이 있기 때문에, 광대역 특성을 갖기 위해서는 복잡한 설계와 부피가 증가한다는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 이유로, 국제 표준에서는 <Fig. 1>과 같은 bow-tie 형태의 광대역 특성을 갖는 420NJ with SBA 9113 안테나를 이용하여 이동통신에 대한 전자기파 내성 검증을 권장하고 있다.
Bow-tie 형태의 안테나는 광대역 특성을 갖는다는 장점도 있지만, 안테나의 형태가 평평한 면을 갖고 있는 특징이 있다. 이러한 특징은 국제 표준에서 제안하는 시험 대상품과 안테나 사이의 거리 (50 ± 5) mm의 일 정한 거리를 유지하면서 평가를 수행할 수 있다는 장점도 있다. 그러나 해당 안테나는 설계 특성상 0.36 ~ 2.7 GHz의 주파수 대역만을 검증할 수 있기 때문에 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz 주파수 대역에 대한 전자기파 내성 검증이 불가능하다. 이와 더불어, <Fig. 2>의 S11의 측정 결과를 통해 확인할 수 있듯이 설계 주파수 대역에서 -10 dB 대역폭을 만족하는 범위가 27 % 수준으로 안테나 특성이 우수하지 못함을 확 인할 수 있다. 또한, 전제적으로 알루미늄 재질로 안테나가 구성되어 있어 제작이 어렵고 중량, 고비용의 문 제점이 있다. 이렇듯, 국제 표준에서 제안하고 있는 420NJ with SBA 9113 안테나는 광대역 특성을 갖는 장점 도 있지만 경제적인 측면과 평가 효율성, 신뢰성 측면에서 개선의 필요성이 있다.
2. 개선된 인쇄형 bow-tie 안테나
본 논문을 통해 제안하는 안테나의 형태는 <Fig. 3>, <Table 1>과 같다. 알루미늄 재질의 안테나를 제작함에 있어 비용과 시간이 많이 소요된다는 단점을 보완하기 위해, 두께 1.6 mm, 유전율 4.5의 특성을 갖는 FR4 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나를 제작하였다. FR4 PCB 기판을 통해 제작된 안테나는 알루미늄 재질보다 가볍고, 에칭으로 쉽게 제작이 가능하면서 방사 소자 지지를 위한 별도의 지지대가 없어도 된다는 장점이 있다.
PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나로 제작한 이유는 <Fig. 4>를 통해 확인할 수 있다. PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나의 시뮬레이션 결과가 -10 dB 대역폭을 만족하는 주파수 대역이 2.7 ~ 5.1 GHz로, PCB 기판 윗부분과 아랫부분에만 패치 형태를 갖는 안테나보다 S11 특성이 우수한 결과를 나타내었 기 때문에 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나로 설계를 진행하였다. 그러나 PCB 기판 양면에 부착 된 패치는 알루미늄과 같은 완전 도체가 아니기 때문에 기판 양면의 물리적인 연결을 보강하기 위해 반지름 0.25 mm의 비아 홀을 이용하여 연결하였다.
비아 홀의 위치나 개수에 따라서 안테나 특성 변화에는 큰 영향이 없었지만, 안테나에서 방사되는 E-field 레 벨의 최대치가 변화함을 확인하였고 이를 통하여 최적화 된 안테나 구조에서는 각 방사 소자 면에 142개의 비아 홀을 배치하였다. 결과적으로 안테나에서 방사되는 E-field 레벨의 시뮬레이션 결과는 최대 3 GHz에서 127 V/m, 4 GHz에서 143 V/m, 5 GHz에서 108 V/m를 나타내었으며, 해당 시뮬레이션 결과는 <Fig. 5>에 나타내었다.
3. 안테나 제작 및 측정 결과
시뮬레이션 결과를 통하여 최종 제작된 안테나의 형태는 <Fig. 6>, <Table 2>와 같다. 제작된 안테나의 특 성은 ‘Keysight’ 사의 E5071C 네트워크 아날라이져를 통해 측정하였으며, 시뮬레이션 및 측정 결과의 S11과 VSWR 특성 비교 결과는 <Fig. 7>에 나타내었다. 측정 장비의 설정된 주파수 범위인 2 ~ 6 GHz에서 S11 특성 이 -10 dB 대역폭을 만족하는 범위가 2.75 ~ 6 GHz로 시뮬레이션 결과 대비 126 % 우수한 결과를 보였다.
또한, 전자기파 내성 검증용 안테나의 VSWR 특성이 좋지 않다면 전자기파 내성 검증을 진행함에 있어 RF 증폭기 출력단자에서 방출되는 에너지가 안테나를 통하여 제대로 방사 되지 않고, RF 증폭기로 다시 되 돌아가 RF 증폭기, 파워 센서와 같은 RF 장비가 소손되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제로 인하여 국 제 표준에서도 안테나에 대한 VSWR 특성이 4:1 이하일 것을 제안하고 있다(ISO, 2012c;Frazier, 2015;Balanis, 2005b). 본 논문을 통해 제안된 안테나의 VSWR 특성은 <Fig. 7>에서 확인할 수 있듯이 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ∼ 5 GHz 주파수 대역에서는 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 비슷한 2.1 이하의 특성을 보 였으나 5 GHz 이상 대역에서는 측정 결과가 더 우수한 결과를 보였다.
제안된 안테나의 주파수별 E-filed 최대 레벨의 시뮬레이션 및 측정 결과는 <Table 3>에 나타내었다.
5G 이동통신 주파수 대역 안테나에 대한 E-Filed 최대 레벨의 측정 결과는 3 GHz 주파수 대역에서 116 V/m, 4 GHz 주파수 대역에서 110 V/m, 5 GHz 주파수 대역에서 82 V/m로 시뮬레이션 결과 대비하여 각각 91 %, 77 %, 76 % 수준으로 다소 낮은 결과를 보였는데, 이러한 결과의 차이는 시뮬레이션을 통해 설계된 안테나를 실제 제작함에 있어 1 mm 이하의 단위까지 맞출 수 없는 한계와 실제 측정 환경이 시뮬레이션에 서와 같은 이상적인 환경이 아니기에 이와 같은 오차가 발생한 것으로 판단된다.
주파수별 안테나 이득의 시뮬레이션 및 측정 결과는 <Fig. 8>, <Table 4>에 나타내었고, 주파수별 방사 패 턴에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과는 <Fig. 9>에 나타 내었다.
시뮬레이션 결과를 통한 안테나의 이득은 3 ~ 5 GHz의 주파수 대역에서 전체적으로 4 dBi 이상의 우수한 결과를 보였지만, 실제 제작된 안테나에 대한 안테나 이득의 측정 결과는 4 GHz 주파수 대역에서 5.71 dBi (64°), 5 GHz 주파수 대역에서 5.67 dBi (58°)로 시뮬레이션 결과 대비하여 각각 118 %, 140 %의 우수한 결과 를 보였으나 3 GHz 주파수 대역에서는 2.26 dBi (113°)로 시뮬레이션 결과 대비 53 % 수준의 결과를 보였다. 이는 E-field 최대 레벨과 마찬가지로, 제작 및 측정 환경의 차이로 인한 오차로 판단된다.
안테나 이득은 시뮬레이션과 측정 결과가 특정 주파수 대역에서 오차가 발생하였지만, <Fig. 9>에서 확인 할 있듯이 안테나의 방사 패턴 대한 시뮬레이션과 측정 결과는 매우 유사하게 안정된 패턴을 보이면서 broadside한 형태를 갖고 있음을 확인할 수 있다.
마지막으로, 안테나가 실제 5G 이동통신 주파수 대역에서 전자기파 내성 검증을 수행할 수 있는지에 대한 성능 검증의 결과는 <Table 5>에 나타내었다.
안테나의 성능 검증은 실제 5G 이동통신 주파수 대역에서 전자기파 내성 검증을 수행할 수 있는지 확인 하기 위해, 국제 표준에 제시되어 있는 2 GHz 이상 대역의 평가 레벨을 참고하여 진행하였다(ISO, 2012d). <Table 5>에서 확인할 수 있듯이, RF 증폭기의 출력단자에서 방출되는 에너지의 레벨을 나타내는 ‘Forward Power’ 값과 안테나에서 방출 되는 에너지의 레벨 값을 보여주는 ‘Net Power’ 값이 국제 표준에서 요구하는 1 W 레벨을 문제없이 형성하였고, VSWR 값 또한 <Fig. 7>에서 확인할 수 있는 VSWR 측정 결과와 유사한 2.1 이하의 값이 형성됨을 확인할 수 있다.
상기 측정된 결과를 통해 확인할 수 있듯이, 본 논문에서 제안하는 인쇄형 bow-tie 안테나는 S11 특성이 5G 이동통신 주파수 대역을 만족하고 VSWR 특성과 성능 검증 결과가 국제 표준에서 요구하는 조건을 충족하 였다. 이러한 결과를 통하여, 제안된 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나는 향후 5G 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 전자기파 내성 검증 적용
기존 자동차 전장품에 대한 전자기파 내성 검증의 기준을 제시하고 있는 대표적인 국제 표준(ISO, 2019)에 서는 80 MHz ~ 18 GHz의 주파수 대역에서 CW, AM, PM 변조를 통한 평가를 수행할 것을 제안하고 있다. 해당 국제 표준에는 5G 이동통신 주파수 대역이 포함되어 있지만, 이동통신 환경에서의 통신 신호와는 차이 가 있으며 <Fig. 10>과 같은 혼 안테나를 이용하여 5G 이동통신 주파수 대역에서 자동차 전장품이 이동통신 기기에 노출 될 수 있는 near-field 영역에서의 평가가 아닌 far-field 영역에서의 평가 기준을 제시하고 있다.
이러한 국제 표준의 기준은 광범위한 전자기파 내성 검증을 수행할 수 있다는 장점이 있지만, 최근 발전하고 있는 이동통신 환경에서의 전자기파 내성 검증을 수행함에 있어서는 통신 신호의 차이로 인한 문제점과 near-field 영역에서의 검증이 어렵다는 단점이 있다. 때문에, <Fig. 11>에서 확인할 수 있는 자동차 계기판과 인포테인먼 트 시스템, 센터페시아 등의 자동차 내부에서 이동통신 기기가 영향을 미칠 수 있는 대표적인 자동차 전장품을 대상으로 near-field 영역에서의 5G 이동통신 환경에 대한 전자기파 내성 검증을 위해 본 논문에서 제안하는 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나 적용을 통하여 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
Ⅲ. 결 론
본 논문에서는 5G 이동통신 주파수 대역에서 자동차 전장품에 대한 전자기파 내성 검증에 사용하는 표준 안테나의 문제점을 제기하였다. 해당 표준 안테나는 전체적으로 알루미늄 재질로 구성되어 있기 때문에 경 제적이지 못하고, 5G 이동통신 주파수 대역을 포함하고 있지 못하는 신뢰성 측면에서의 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 FR4 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz 대역을 포함하는 2.75 ~ 6 GHz 주파수 대역에서 -10 dB 대역폭을 만족하였고, 공진 주파수 대역에서 S11 특성이 -16.2 dB 이하의 결과 를 보였다. 또한, 국제 표준에서 규제하고 있는 휴대용 무선기기에 대한 전자기파 내성 검증에 있어 중요한 요소인 VSWR 특성도 5G 이동통신 주파수 대역에서 2.1 이하의 우수한 값을 나타내었으며, 제안된 안테나를 이용하여 실제 5G 휴대용 무선기기 주파수 대역에서의 전자기파 내성 검증을 수행함에 있어서도 국제 표준 에서 제안하는 1 W의 레벨을 문제없이 형성하였다.
이러한 결과를 통하여, 안테나 제작 과정에서 설계 오차와 주변 환경에 따른 변화를 줄임으로써, 안테나 이득을 높이고 E-field 레벨 변화를 줄일 수 있도록 개선한다면 향후 5G 이동통신 주파수 대역에서 전자기파 내성 검증에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
