국내 5G 통신 환경에 적용할 수 있는 주파수 선택적 라조버 설계

I. 서 론

지난 수십 년간 전자기기가 증가함에 따라 무선 통신 환경에서 동일채널, 인접채널 및 다중경로 전자파 간섭 등으로 인한 통신 성능저하가 발생하였다. 이러한 전자파 간섭 해결 방안으로 주파수 선택적 표면(FSS, frequency selective surface)이 연구되었다^[1]. FSS는 유전체 위에 일정한 패턴을 지닌 금속 패치의 단위 구조가 무한히 배열되어 표면에 입사하는 신호의 주파수를 선택적으로 차단 또는 투과하는 공간필터 기능을 수행한다. 하지만 동작 대역폭을 늘리기 위해서는 구조를 적층해야 할 뿐만 아니라 투과 대역 외 주파수는 반사하므로 인접채널에 간섭을 유발할 수 있다. 이를 보완하는 방안 중 하나로 표면에 입사된 신호를 흡수하는 FSS 기반 메타 표면 흡수체(MTA, metasurface absorber) 연구가 진행되었다^[2]. MTA는 기존 FSS에 저항소자와 RF 접지면을 추가하여 자유공간과의 임피던스 매칭을 통해 반사를 최소화 및 투과 특성 제거를 통해 흡수 성능을 향상한 구조이다. 하지만 동작 주파수 대역이 기지국과의 통신 대역에 위치할 때 통신이 불가능하다는 단점이 존재한다. 따라서 오늘날의 연구진들은 주파수 선택적 Rasorber(FSR, frequency selective rasorber) 연구를 진행하여 기존 문제점을 제거하고자 하였다^[3],[4]. FSR은 손실형 FSS, 공기층 그리고 무손실 FSS로 구성된다. 공기층을 가지므로 적층형 FSS 구조와 유사한 형태를 지니지만, FSR은 구조 하단부를 대역통과 FSS로 구성하여 투과 대역 외 주파수에서는 RF 접지면으로 동작한다. 따라서 주파수 흡수 기능과 투과 기능을 동시에 수행할 수 있다는 장점이 있으며, 동작 특성에 따라 A-T Rasorber^[5], T-A Rasorber^[6], A-T-A Rasorber^[7], T-A-T Rasorber^[8], A-T-A-T Rasorber^[9] 등으로 구분할 수 있다. 또한 FSR은 투과 특성 구현을 위해 인덕터와 커패시터 소자를 사용한 병렬 LC 공진 구조^[10], 금속 패치 간 병렬 LC 공진 구조^[11], 마이크로스트립 기반 병렬 LC 공진 구조^[12] 등으로 설계될 수 있다. 이러한 특징은 외부로부터 전자기기의 보호 및 간섭 억제와 통신이 필요한 분야에 적용될 수 있으므로, 본 논문에서는 국내 5G 통신 대역(3.42~3.7 GHz) 통신 환경에 적용할 수 있는 A-T-A 구조의 FSR를 제안하였다.

II. Rasorber 설계 및 측정

본 논문에서 제안한 손실형 FSS 구조는 사각링 패치 구조와 마이크로스트립 필터로 구성되었으며, 광대역 손실 특성 구현을 위해 4개의 220 Ω 칩 저항소자를 추가하였다. 흡수대역을 기준으로 설계하는 다른 특성의 FSR 구조와 달리, A-T-A 특성의 FSR은 투과 대역이 흡수대역의 중앙에 위치하므로 공기층의 두께는 투과주파수 3.55 GHz의 0.25 λ_T(21 mm)로 설계해야 하지만, 실제 FSR 구조는 전파의 전송경로상에서 공기층뿐만 아니라 유전체도 위치한다. 따라서 유전체의 전기적 길이를 고려한 공기층의 두께 감소와 C 밴드 흡수대역 향상을 목적으로 C 밴드의 0.25 λ_L 파장 길이(9.375~18.75 mm)에 부합하는 공기층의 두께 0.177 λ_T(15 mm)로 설계하였다. 설계한 FSR 구조와 설계 파라미터는 그림 1과 표 1에 나타내었다.

그림 1. | Fig. 1. 제안한 주파수 선택적 Rasorber 구조 | Proposed frequency selective rasorber structure.

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그림 1에 제안한 FSR은 3.55 GHz 대역 투과 특성과 투과 대역 외 주파수 흡수 특성 구현을 위해 구조 상단부에 손실형 FSS를, 구조 하단부에 무손실 FSS를 배치하였다. 따라서 FSR 구조에 전파가 입사하면 손실형 FSS를 통해 3.55 GHz 대역의 신호는 투과하고 투과 대역 외 신호는 손실을 지니며 무손실 FSS에 도달한다. 이때 무손실 FSS는 3.55 GHz 대역통과 특성이 있으므로 투과 대역 외 주파수에서 RF 접지면으로 동작한다. RF 접지면으로 동작하는 무손실 FSS는 신호를 손실형 FSS로 반사하므로 손실형 FSS 표면의 220 Ω 집적 저항소자를 통해 S, C 대역 흡수 특성을 구현할 수 있다. 표 1의 파라미터는 기본적인 마이크로스트립 LC 필터 기반 FSR^[12]과 사각링 공진 FSS^[13]의 공식을 기반으로 설계하였다. 구조의 대역 차단 특성은 사각링 구조 슬롯 길이에 영향을 받고, 대역통과 특성은 마이크로스트립 LC 필터 내부 금속 길이에 영향을 받는다.

본 논문에서 제안한 FSR 구조를 설계 및 해석하기 위해 FEM(finite element method) 기반 상업용 고주파 전자기 소프트웨어인 HFSS를 사용하였다. HFSS 시뮬레이터는 FSS 구조 해석을 위해 floquet port와 master & slave를 사용하여 단위구조 시뮬레이션이 진행됐으며, 실제 측정을 통해 시뮬레이션 결과의 정확성이 검증되었다^[14],[15]. 그림 2(a)의 손실형 FSS 시뮬레이션 결과 3.55 GHz 주파수에서 −0.58 dB의 삽입 손실과 투과 대역 외 주파수 1~9 GHz 대역에서 약 −1.5~5.8 dB의 손실을 확인하였다. FSR의 하부 구조는 무손실 FSS로 사각링 슬롯 구조로 설계하여 3.55 GHz 대역 주파수는 투과하며 투과 대역 외 주파수는 반사하는 대역통과 FSS 구조로 설계하였다. 그림 2(b)의 무손실 FSS 시뮬레이션 결과 3.54 GHz 대역에서 −0.51 dB의 삽입 손실과 −23.5 dB의 반사 손실값을 확인하였다.

그림 2. | Fig. 2. 손실형 FSS 및 무손실 FSS 시뮬레이션 결과 | Simulation results of lossy FSS and lossless FSS.

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그림 3은 두 FSS 구조를 결합하여 설계한 FSR 구조의 시뮬레이션 결과이다. FSR 구조의 시뮬레이션 결과 3.59 GHz 주파수에서 약 −1.04 dB의 삽입 손실과 −3 dB 대역폭으로 420 MHz(3.44~3.86 GHz)를 확인하였다. 또한 시뮬레이션 결과를 통해 그림 2(a)의 손실형 FSS에서 보이지 않던 차단 공진이 약 2.2 GHz 대역에서 발생함을 확인할 수 있다. 손실형 FSS에서는 저항값이 표면 임피던스 값에 영향을 주어 공진이 발생하지 않지만, FSR 구조에서는 투과 대역 외에서 RF 접지면 역할을 하는 무손실 FSS의 영향을 받아 차단 공진이 발생하게 된다.

그림 3. | Fig. 3. 제안한 FSR 구조의 시뮬레이션 결과 | Simulation results of proposed FSR structure.

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그림 2 및 그림 3의 시뮬레이션 결과는 무한주기 시뮬레이션 결과로, 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 설계한 FSR의 단위 구조를 20×20 배열(500×500 mm²)로 제작한 구조와 자유공간 환경에서 측정한 결과를 그림 4에 나타내었다. 실제 제작한 구조를 자유공간 측정법을 사용하여 측정한 결과 3.64 GHz 주파수에서 약 −1.18 dB의 삽입 손실과 −3 dB 대역폭으로 390 MHz(3.45~3.84 GHz)를 확인하였다. 시뮬레이션 대비 공진주파수가 약 50 MHz가량 증가하였으며, −3 dB 대역폭이 30 MHz가량 감소하였음을 확인할 수 있다.

그림 4. | Fig. 4. 제작한 FSR 구조 및 측정 결과 | Fabricated FSR structure and measurement results.

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그림 5는 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다. 4~6 GHz 대역에서 시뮬레이션 결과의 최저 흡수율 85 %에서 실제 측정 결과 흡수율이 최저 73 %까지 흡수 성능이 저하됨을 확인할 수 있다. 4~6 GHz 대역의 흡수 성능저하의 원인은 다음과 같다. FSR 제작 과정에서 발생한 손실형 FSS와 무손실 FSS의 투과 공진주파수 오차뿐만 아니라 FR4 기판의 얇은 두께로 인해 기판의 휨이 발생하여 중앙 부분의 두께가 증가하였다. 따라서 상대적으로 낮은 파장 길이를 갖는 C 밴드에서 최소 손실을 만족하는 공기층 두께가 증가함에 따라 반사 손실이 감소하여 시뮬레이션 결과 대비 낮은 흡수 성능을 보였다. 제안한 FSR 구조와 선행 연구된 FSR 구조의 성능 비교표를 표 2에 나타내었다.

그림 5. | Fig. 5. 측정 결과와 시뮬레이션 결과 비교 | Comparison of simulation and measurement results.

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III. 결 론

본 논문에서는 5G 통신 대역에 활용할 수 있는 FSR을 제안하였다. 시뮬레이션 결과 3.59 GHz 주파수에서 약 −1.04 dB의 삽입 손실을 보였으며, 검증을 위해 20×20 배열(500×500 mm²)로 제작하여 실제 자유공간 환경에서 측정을 진행하였다. 측정 결과 3.64 GHz 주파수에서 약 −1.18 dB의 삽입 손실로 시뮬레이션 결과 대비 50 MHz의 공진주파수 증가와 0.14 dB의 손실 차이를 확인하였다.