요즘들어 안테나 어레이에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
최근에 레이더 관련 주제로 기업 과제에 참여하면서 안테나 어레이 관련된 내용을 다루게 되었는데, 안테나 어레이에 관한 기초가 없다보니 많이 헤맸던거 같다. 관련된 기초 공부를 틈틈히 해야할 것 같다.

예전에는 국방이나 우주 같은 분야에서만 안테나 array를 사용했는데 이제는 민수에서도 array를 많이 사용하고, 이제는 핸드폰 안에도 빔포밍 어레이가 들어가려고 한다고 한다.

안테나 어레이

안테나 어레이의 특징은 다음과 같다.

• array는 한 방향으로 에너지를 집속하기 때문에 높은 gain으로 에너지 보낼 수 있다.
• unit cell들이 모여서 만들어진 시스템이기 때문에 각각의 element를 어떻게 조합하느냐에 따라서 signal processing의 개념으로 빔을 조향하거나 여러가지 용도로 사용이 가능하다. (beam steering, beamforming 가능)
• array를 이용해 filtering이나 suppression이나 tracking도 가능하다.

같은 footprint에서의 높은 Gain 특성

• 2.5$\lambda$ 안테나 1개 -> 0.5$\lambda$ 안테나 5개로
  만약에 2.5$\lambda$의 큰 안테나를 설치 할 수 있는 공간이 있다면, 같은 주파수 사용하되 5개로 나눠 0.5$\lambda$로 만들고,
  각각의 element에 phase를 다르게 feeding 함으로써 똑같은 공간을 가지고도 여러가지 기능을 할 수 있게 된다.
  
  이미지 참고: Kottkamp, M., & Rowell, C. (2016). Antenna Array Testing-Conducted and Over the Air: The Way to 5G. White Pap, 1-30.

• antenna array의 특성
  (왼)Patch antenna 3GHz 이면 wavelength가 10cm
  (오)Array antenna 30GHz 이면 wavelength가 1cm 로, 10분의 1이 차이가 난다.
  

똑같은 footprint에서 왼쪽은 하나의 안테나를 설계한 것이고, 오른쪽의 30GHz에서는 더 작게 설계를 할 수 있는데,
아래의 패턴에서 알 수 있듯이 30GHz 안테나에서는 더 빔폭을 좁게해서 gain을 늘릴 수 있다.

(3GHz) Patch antenna
(30GHz) Array antenna

이미지 참고: Roh, W., Seol, J. Y., Park, J., Lee, B., Lee, J., Kim, Y., ... & Aryanfar, F. (2014). Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: Theoretical feasibility and prototype results. IEEE communications magazine, 52(2), 106-113.

Beam Steering

안테나 어레이의 가장 기본적인 기능은 빔조향을 하는것이다.
각각의 안테나 element들을 급전할 때 phase를 서로 다르게 급전함으로써, 원하는 방향으로 tilting 할 수 있다.

$I_n = A_n e^{j\phi_n}$ 에서 phase인 $\phi$를 점진적으로 shift 시킨다

참고사이트: https://www.rfcafe.com/references/electrical/ew-radar-handbook/frequency-phase-effects-antennas.htm