Ⅰ. 서 론
최근 밀리미터파 대역 신호를 사용한 광대역 무선전송 시스템 개발에 대한 관심이 증대되고 있다. 밀리미터파 대역 중 60 GHz 대역은 국내외에서 비 면허 주파수 대역(57～64 GHz)이며, 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있기에 근거리 초고속 데이터 전송이 용이하다는 장점이 있다[1]. 그러나 이러한 주파수 대역을 활용하기 위해서는 짧은 파장으로 인한 원치 않는 기생 성분을 줄이기 위하여 초소형으로 회로 및 시스템을 개발하여야 한다. 따라서 안테나 시스템도 소형화된 능동 안테나를 사용하는 것이 유리하다[2].
이러한 밀리미터파 송수신 시스템과 부품을 모듈화하여 시스템을 설계, 제작하는 방안에 대한 논의가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다[3]. 또한 밀리미터파 신호를 활용하기 위한 통신시스템에서 능동 안테나를 신호의 송수신에 사용하고 있다.
본 논문에서는 이러한 밀리미터파 대역에서 초소형의 능동 안테나 모듈을 안테나 PCB와 송신 모듈 PCB를 별도로 제작하여 두 PCB를 결합하는 형태로 설계하는 방법을 제시한다.
Ⅱ. 설 계
먼저 트랜스미터 칩으로는 기저대역 I/Q 신호를 입력으로 하고, 밀리미터 대역신호로 출력을 내어주는 칩을 선택하였다. 안테나는 수평면에서 60도 정도의 커버리지를 갖는 마이크로스트립 배열 안테나로 제작하였다. 2×4 패치가 이러한 성능을 만족하였다. 안테나 PCB와 트랜스미터 PCB는 그 두께가 5 mil로 surface wave mode가 발생하지 않도록 하였으며, 안정적인 두 PCB의 결합을 위하여 그림 1에서와 같이 30 mil 두께의 결합용 PCB를 통하여 연결되도록 하였다.
즉, 안테나와 트랜스미터 회로는 서로 다른 기판 위에 장착하되, 그림 2와 같이 트랜스미터 최종 출력단과 안 테나 입력단 간의 연결은 50옴 특성 임피던스를 갖는 상용 through pin(미국 South west(社) 제품)으로 연결하였다. 상용 through pin은 그림 2(a)에서와 같이 두 기판 사이에 있는 결합용 PCB를 통하여 결합시킨다. 이렇게 제안된 연결 구조를 HFSS 프로그램으로 55～65 GHz 대역에서의 전달특성을 시뮬레이션 한 결과, 그림 2(b)와 같이 삽입손실은 3.4 dB, 반사손실은 21.5 dB를 얻었다.
트랜스미터 칩의 출력은 차동 출력이므로 단일 출력으로 변환하기 위하여 발룬이 필요하다. 본 연구에서는 링 하이브리드를 발룬으로 사용하였으며, 그 구조와 ADS 시뮬레이션 결과는 그림 3과 같다. 본 링 하이브리드의 출력을 안테나에 전달되도록 하였다. 이렇게 제안된 연결 구조를 ADS 프로그램으로 60 GHz 대역에서의 전달특성을 시뮬레이션 한 결과, 그림 3(b)와 같이 약 3 dB 이상의 반사손실을 확인하였다.
Ⅲ. 제 작
트랜스미터 모듈 PCB에 장착된 상용 트랜스미터 칩(HMC6300/Analog & Device(社))에 입력해야 하는 바이어스 제어신호, 주파수 제어신호와 기저대역의 I/Q 데이터 신호를 인가해 주기 위하여 DC 바이어스 및 RF 제어 PCB를 설계, 제작하였다(그림 4). 트랜스미터 모듈 PCB와 본 컨트롤 PCB는 그림 5에서와 같이 FPCB(Flexible line PCB)로 연결하였다. 그림 4의 중앙에 위치한 소켓으로 FPCB를 연결하였다.
트랜스미터 칩과 발룬이 탑재되는 기판인 트랜스미터 모듈 PCB는 Taconic(社)의 두께가 5 mil인 TLY 재질의 기판을 사용하여 크기가 39.4 mm×20.4 mm로(그림 5(a)), 안테나가 탑재되는 기판은 동일한 재질과 두께로서 14 mm×10 mm 크기로 각각 설계하였다(그림 5(b)). 설계된 제어용 소프트웨어를 아두이노 키트를 통해 상용 트랜스미터 칩에 인가함으로써 바이어스 전압 공급 및 주파수 합성기 제어가 가능토록 하였다.
Ⅳ. 측정 결과
안테나 방사패턴은 Anritsu(社)의 스펙트럼 분석기(MS 2760A)로 측정하였다. 소프트웨어를 사용하여 트랜스미터 모듈의 출력을 10 dBm으로 설정한 후 안테나 방사패턴의 측정하였다. 측정결과는 그림 6에 제시되었다. 상용 트랜스미터 칩의 35 dBi 이득과 2×4 패치 어레이 안테나의 17 dBi 이득은 각각 이론값에 부합하는 결과를 보였다. 수평, 수직 방향의 경우 주로브의 3 dB 빔폭(BW)은 각각 40°, 20°이었으며, 첫 번째 부로브와 주로브 사이 최저 신호 세기를 갖는 null point는 각각 ±50°, ±21°이었다. 이는 빔폭의 경우 시뮬레이션 결과와 거의 일치하였다. Null point의 경우 그림 6(a)와 같이 수평 방향에서 시뮬레이션 결과에 비하여 약 3.9 %의 오차율을, 그림 6(b)와 같이 수직 방향에서 약 4.55 %의 오차율을 보였다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 상용 트랜스미터 칩과 2×4 패치 어레이 안테나를 결합하여 60 GHz 대역에서 동작하는 능동 안테나 모듈을 설계, 제작하였다. 설계된 모듈은 안테나 PCB와 트랜스미터 칩이 장착된 PCB가 상용 through pin으로 결합되는 구조로 설계, 제작하였다. 개발된 주파수 제어 및 바이어스 제어 소프트웨어를 사용하여 생성된 신호를 아두이노 키트를 통해서 칩에 인가하였다. 동시에 기저대역의 I/Q 신호가 트랜스미터 칩으로 인가되도록 하였다. 방사패턴 측정 결과, 3 dB 빔폭은 수평 및 수직 방향 모두 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 보였다. 첫 번째 부 로브와 주 로브 사이 최저 신호 세기를 갖는 null point의 결과 역시 시뮬레이션 결과와 거의 일치하였다.
모듈을 다층 기판화하여 소형화 한다면 초소형 모듈화가 가능하여 향후 밀리미터파 대역 능동형 massive MIMO에 접목 가능하리라 예상된다.
