[논문 리뷰] Empirical Evaluation of a 28 GHz Antenna Array on a 5G Mobile Phone Using a Body Phantom

Lauri Vähä-Savo, Christian Cziezerski외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 14.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 33인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 5G 모바일 핸드셋에서 28 GHz 밀리미터파 안테나 어레이의 반복 가능한 경험적 평가를 위한 정육면체 형태의 물리적 인간 신체 껍질을 제시한다. 실제 인간 모델을 사용한 수치 시뮬레이션과 측정된 실현 이득 패턴을 비교함으로써, 이 연구는 껍질이 구형 커버리지 통계를 정확히 재현함을 검증하였으며, 반복 측정 시 1 dB 이내의 변동을 보이며, 실제 신체 효과를 고려한 견고한 안테나 어레이 테스트에 적합함을 확인한다.

ABSTRACT

Implementation of an antenna array on a 5G mobile phone chassis is crucial in ensuring the radio link quality especially at millimeter-waves. However, we generally lack the ability to design antennas under practical operational conditions involving body effects of a mobile user in a repeatable manner. We developed numerical and physical phantoms of a human body for evaluation of mobile handset antennas at 28 GHz. While the numerical phantom retains a realistic and accurate body shape, our physical phantom has much simpler hexagonal cross-section to represent a body. Gains of the phased antenna array configuration on a mobile phone chassis, called co-located array is numerically and experimentally evaluated. The array is formed by placing two sets of 4-element dual-polarized patch antenna arrays, called two modules, at two locations of a mobile phone chassis. Modules are intended to collect the maximum amount of energy to the single transceiver chain. Spherical coverage of the realized gain by the array shows that the experimental statistics of the realized gains across entire solid angles agree with numerical simulations. We thereby demonstrate that our antenna evaluation method reproduces the reality and our phantom serves repeatable tests of antenna array prototypes at 28 GHz.

연구 동기 및 목표

• 실제 인간 신체 효과 하에서 5G mmWave 안테나 성능 평가를 위한 반복 가능하고 표준화된 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 28 GHz에서 인간 신체의 전자기 산란을 정확히 재현할 수 있도록 단순화된 정육면체 횡단면을 가진 물리적 신체 껍질을 개발하기 위해.
• 실제 인간 모델을 사용한 수치 시뮬레이션과의 실험 측정 비교를 통해 껍질의 정확도를 검증하기 위해.
• 자기장 및 신체 영향 조건에서 물리적 껍질을 사용한 안테나 어레이 측정의 반복성과 신뢰성을 입증하기 위해.
• mmWave 주파수에서 장치의 적합성 테스트 및 안테나 어레이 설계 간 비교 평가를 위한 실용적 테스트 프레임워크 수립을 위해.

제안 방법

• CST Microwave Studio에서 표면 임피던스를 사용해 28 GHz에서 피부를 표현하는 수치적 인간 신체 모델 개발, FTDT 및 표면 적분 방정식 해법기구 사용.
• 실제 인간 피부를 모의하기 위한 유전율 물질 층을 가진 물리적 정육면체 신체 껍질 제작. 이는 수치 모델의 전자기 산란 특성을 일치시키기 위해 설계됨.
• 모바일 핸드셋 크기의 케이스에 2×4 요소 이중 극성 패치 안테나 어레이를 공통 장착하여 공간 다양성을 극대화함.
• 안테나 피드와 신체 상호작용의 시뮬레이션을 분리하기 위해 등가 근접장 소스를 도입하여 정확한 산란장 계산 가능.
• 캘리브레이션된 프로브 안테나를 사용한 원거리 측정 설정. 3D 측정 타워를 활용해 2048개의 합성 빔 패턴을 통해 구형 커버리지의 실현 이득을 측정.
• 측정 데이터에서 피드 라인 손실을 제거하여 시뮬레이션된 이득과 직접 비교 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순화된 정육면체 형태의 물리적 신체 껍질이 28 GHz에서 실제 인간 신체의 구형 커버리지 특성을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ2 물리적 껍질을 사용한 실험 측정 결과가 전체 3D 인간 모델을 사용한 수치 시뮬레이션과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 물리적 신체 껌질 영향 하에서 안테나 어레이 측정의 반복성은 어떠한가?
• RQ4 타워 그림자 효과 및 위상 중심 이격과 같은 측정 불확실성 요소들이 구형 커버리지 통계 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 신체 껌질 존재 시 안테나 어레이의 최대 실현 이득 및 커버리지 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자기장 조건에서 측정된 안테나 어레이의 구형 커버리지 CDF는 시뮬레이션 CDF와 0.7 이상 확률 수준에서 일치하며, 자유공간에서 0.1 장애 수준에서 2.2 dB의 차이를 보이며, 주로 측정 시 흡수재 사용으로 인한 것임.
• 신체 껌질이 존재할 경우 중앙값 실현 이득은 4.5 dBi 이상 유지되며, 측정 및 시뮬레이션 CDF 간 차이는 피크 이득에서 0.3 dB, 0.1 장애 수준에서 3 dB 이내임.
• 신체 껌질을 사용한 두 번의 반복 측정에서 CDF 전역에 걸쳐 1 dB 이내의 차이를 보이며, 높은 측정 반복성 확인.
• 물리적 껌질은 수치 모델 대비 φ = 270° 부근에서 약 7° 더 넓은 그림자 영역을 유도함. 이는 껌질의 폭 차이로 인한 것으로 보임.
• θ = 135° 및 θ = ±180° 근처의 측정 이득은 안테나 이격 및 타워 그림자로 인해 시뮬레이션보다 낮게 나타나, 최대 0.6 dB의 진폭 불확실성 기여.
• 본 연구는 정육면체 형태의 신체 껌질이 mmWave 안테나 어레이에 대해 반복 가능하고 정확하며 신뢰할 수 있는 평가를 가능하게 하며, 시뮬레이션과 실험 간 양호한 일치도를 확인함.