5G 안테나 (빔포밍)
5G beamforming antenna
5G 기지국은 어떻게 전파를 손전등 빛처럼 내 폰 쪽으로 모아 보낼까요?
무슨 일이 일어났나
안테나 여러 개가 같은 전파를 함께 보내면, 전파가 겹치며 어떤 방향에서는 마루끼리 만나 세지고 어떤 방향에서는 마루와 골이 만나 약해집니다. 시뮬레이터에서 두 파원 간격이 반 파장(20 mm · 파장 40.0 mm)이면 넓은 한 줄기가, 80 mm 로 벌리면 여러 갈래 줄기가 생깁니다.
안테나마다 보내는 신호의 박자(위상)를 조금씩 늦추거나 당기면 센 줄기의 방향을 돌릴 수 있습니다. 교토 대학의 MU 레이더(1984)는 세 소자 야기 안테나 475 개의 위상을 전자식으로 조절해 빔 방향을 1 초에 2,500 번까지 바꿨습니다(IEEE 기록).
NIST 에 따르면 5G 이후 통신은 밀리미터파(30~300 GHz)를 쓰기 시작했고, 이 전파의 큰 손실은 안테나 수십~수백 개로 메웁니다. 안테나가 많을수록 더 센 송신 전력을 얻는 이 기법을 빔포밍이라 합니다.
많은 안테나를 한꺼번에 쓰는 «매시브 MIMO» 배열은 여러 사람에게 동시에 보내는 양도 늘립니다(NIST). 시뮬레이터의 두 파원은 수많은 안테나를 둘로 줄여 보인 모형입니다.
📸 진짜 모습
불러오는 중…📸 사진NASA 글렌 연구 센터가 항공 통신용으로 만든 위상 배열 안테나를 탄소 섬유 모형 동체에 붙인 모습입니다.
출처: NASA/GRC/Marvin Smith · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗
💡 생활 속 예시
- 공연장처럼 폰이 아주 많은 곳에서 기지국이 여러 사람에게 동시에 보내는 양을 늘리는 데 매시브 MIMO 배열이 쓰입니다(NIST).
- 연못에 돌 두 개를 동시에 던지면 물결이 겹쳐 출렁이는 줄과 잔잔한 줄이 번갈아 생기는데, 빔포밍은 이 겹침을 전파로 일부러 만드는 것입니다.
어떤 부품이 무엇을 하나
- 안테나 배열 — 작은 안테나 수십~수백 개를 판 하나에 바둑판처럼 늘어놓습니다.
- 위상 조절기 — 안테나마다 보내는 신호의 박자를 조금씩 바꿉니다.
- 신호 처리기 — 폰이 어느 쪽에 있는지 셈해 알맞은 박자 차이를 정합니다.
- 송수신 회로 — 밀리미터파 전파를 만들고 받아들입니다.
- 기지국이 폰에서 온 신호로 폰이 있는 방향을 알아냅니다.
- 신호 처리기가 그 방향으로 전파가 모이도록 안테나마다 박자 차이를 정합니다.
- 모든 안테나가 정해진 박자로 보내면 그 방향에서만 마루끼리 겹쳐 센 줄기(빔)가 됩니다.
- 폰이 움직이면 박자 차이를 바꿔 빔 방향을 따라 돌립니다.
확인된 값
- 5G 이후 통신이 쓰기 시작한 밀리미터파 대역
- 30–300 GHz 출처
- 안테나가 많을수록 더 센 송신 전력을 얻는다
- more antennas → more power 출처
- 그 기법의 이름 — 빔포밍
- beamforming 출처
- 밀리미터파의 큰 전파 손실은 안테나 수십~수백 개로 메운다
- tens to hundreds of antennas 출처
- 매시브 MIMO 안테나 배열 — 동시에 보내는 양을 늘린다
- massive MIMO 출처
- NIST 의 시험용 안테나 배열 — 83 GHz 에서 도는 안테나 16 개
- 16 출처
- 교토 대학 MU 레이더 — 2 차원 능동 위상 배열 안테나의 큰 대기 레이더 (1984)
- 1984 출처
- 안테나마다 보내는 신호의 위상을 낮은 전력에서 전자식으로 조절
- phase per antenna 출처
- MU 레이더가 빔 방향을 바꿀 수 있는 빠르기 — 1 초에 2,500 번까지
- 2500 1/s 출처
- MU 레이더의 안테나 수 — 세 소자 야기 안테나 475 개
- 475 출처
교육과정에서는
- 한국 2022 · 통합과학1 · 과학의 기초 [10통과1-01-04]
출처
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