ALCAN Systems

세상이 점점 더 연결됨에 따라 5G와 위성 광대역은 이전에는 접근할 수 없었던 지역과 환경에 무선 연결을 제공합니다. 이러한 기술은 거의 모든 곳에서 고속 데이터를 허용함으로써 통신과 엔터테인먼트부터 산업, 물류, 의료에 이르기까지 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대되며, 2028년까지 5G로만 최대 6,640억 달러 규모의 서비스가 가능할 것으로 예상됩니다[1]. 이러한 잠재력을 활용하려면 새로운 도전 과제를 해결할 수 있는 새로운 종류의 안테나가 필요합니다.

ALCAN Systems는 액정 기반의 위상 배열 안테나를 개발하는 스타트업입니다. 이 안테나는 작고 가벼운 패키지에서 고성능 전자식 빔 스티어링을 가능하게 합니다. 이를 통해 지상 기반 단말기가 하늘을 가로지르는 위성을 추적하거나 5G 디바이스가 기지국과 계속 연결될 수 있습니다. ALCAN Systems는 SIMULIA CST Studio Suite로 전자기 시뮬레이션을 수행하여 안테나를 설계 및 모델링하고 성능을 최적화합니다.
 

이전 세대의 모바일 기술은 전방향성 안테나 및 이와 유사한 설계를 사용하여 가능한 한 많은 방향에서 커버리지를 제공하는 경향이 있었습니다. 그러나 이러한 설계는 위성 광대역 및 밀리미터파 5G의 미래에는 적합하지 않습니다. 위성 인터넷이 제대로 작동하려면 지상, 이동 중인 자동차나 보트, 심지어 항공기에 있는 최종 사용자가 위성을 지속적으로 볼 수 있어야 합니다. 위성 자체는 하늘을 가로질러 이동하며, 사용자는 위성에서 위성으로 반복해서 옮겨 다닐 수 있습니다. 지상에서 위성까지의 거리는 과도한 전력 사용 없이 접촉을 유지하기 위해 매우 높은 지향성과 게인(gain)이 필요함을 의미합니다.

5G의 문제도 유사합니다. 이전 세대에서 사용되는 전방향 접근 방식은 특히 밀리미터파 5G에서 사용되는 매우 높은 주파수에 적합하지 않습니다. 24GHz에서 53GHz에 이르는 이러한 주파수에서 공기 및 기타 물질을 통과하는 파동의 손실은 훨씬 더 높습니다. 다시 말하지만 전력 소비를 너무 높이지 않고 이를 보상하려면 매우 높은 게인(gain)이 필요합니다. ALCAN Systems의 최고 기술 책임자인 Ahmed Akgiray 씨는 말합니다. "... 주파수를 10배로 하면 공기 손실이 100배가 됩니다. 이러한 손실을 극복하기 위해서는 게인(gain)이 필요합니다. 즉, 빔 스티어링이 필요합니다. 지향성이 높은 게인(gain) 빔이 필요하지만 위치를 변경할 수 있어야 합니다.” 접시형 안테나를 기계적으로 조정하는 것은 이러한 수준의 게인(gain) 및 빔 조정을 달성하기 위한 한 가지 방법이기는 하지만, 무겁고 부피가 큽니다. 전자식 빔 스티어링은 더 작은 안테나 배열을 사용하는 대안입니다. 서로 다른 안테나 요소의 위상을 정밀하게 조정하면 필드를 조밀한 빔으로 형성하는 간섭이 발생합니다.

ALCAN Systems는 2016년에 셀룰러 및 위성 통신을 위한 저비용 스마트 안테나 시스템을 만드는 사명을 가지고 설립되었습니다. 그들은 액정 디스플레이(LCD) 기술을 사용하여 요소 간의 시간 지연과 위상 편이를 정밀하게 제어하는 위상 배열 안테나를 사용하는 혁신적이고 새로운 접근 방식을 개발했습니다. LCD 기술은 기존 위상 배열보다 훨씬 더 컴팩트하고 효율적이며 저렴하게 만들 수 있으며 LCD TV와 동일한 생산 라인에서 제조할 수 있습니다. "보통은 킬로와트는 아니더라도 수백 와트에 달하고, 비용은 그 이상은 아니더라도 수만 달러에 달할 것입니다. 우리가 하려는 것은 1,000달러 이하로 낮추고 20~30와트 정도의 전력 소비를 목표로 하고 있습니다."라고 Akgiray 씨는 말합니다.
 

구형 안테나에 비해 위상 배열 안테나는 훨씬 더 복잡합니다. ALCAN Systems의 RF 엔지니어링 책임자인 Arshad Mehmood 씨는 설명합니다. “펜과 종이 또는 간단한 방정식을 사용하여 설계할 수 있는 간단한 안테나는 더 이상 존재하지 않습니다. 그것들은 정말 복잡한 시스템입니다. 그리고 위상 배열 안테나를 개발하려면 단순한 시뮬레이션이 아니라 광범위한 시뮬레이션이 필요합니다.”

이러한 복잡성을 관리하고 효과적인 배열 안테나를 개발하기 위해 ALCAN Systems는 SIMULIA 전자기 시뮬레이션 툴인 SIMULIA CST Studio Suite를 선택했습니다. “RF 설계에 있어서, 우리는 컴포넌트 수준 설계를 하지만, 다른 컴포넌트들도 함께 모여 원하는 특정 방식으로 작동해야 합니다. CST Studio Suite에는 다양한 수준, 컴포넌트 수준 또는 시스템 수준에서도 사용할 수 있는 이러한 모든 솔버가 포함되어 있습니다.”라고 Mehmood 씨가 설명합니다. "다른 소프트웨어가 그렇게 광범위한 솔버를 제공하는지 모르겠습니다." Akgiray 씨는 말합니다. “위상 배열 안테나 영역에서 우리는 기본적으로 툴을 최대 한계까지 밀어붙입니다. 맞죠? 그리고 여기 SIMULIA와 함께 작업할 수 있다는 것은 놀라운 일이었습니다. 우리는 SIMULIA와 정말 좋은 협력 관계를 맺고 있는데, '이 정도는 할 수 있지만 그 이상을 하고 싶다'고 말할 수 있을 정도입니다. 그리고 그들은 일반적으로 매우 반응이 좋습니다.”

CST Studio Suite의 결과는 정확했으며, ALCAN Systems 엔지니어들에게 신뢰할 수 있는 인사이트를 제공했습니다. "엔지니어는 툴에서 시뮬레이션하는 대상과 툴에서 얻은 결과에 대한 확신을 가져야 합니다."라고 Akgiray 씨는 계속 이어갑니다. "우리는 애플리케이션, 구조, 우리가 하려는 일에 대해 검증된 결과를 얻었습니다. 신뢰할 수 있는 결과를 제공하기 때문에 항상 스스로 추측할 필요가 없습니다."

ALCAN Systems는 시뮬레이션을 통해 LCD 기술을 기반으로 한 위상배열 안테나 제품을 개발하였고 마케팅에 주력하고 있습니다. “스타트업은 시간이 한정되어 있습니다. 자금이 제한되어 있습니다. 인적 자원에 한계가 있습니다. 그래서 항상 더 많은 것을 원합니다. 우리는 하나의 제품에 집중하고 시장에 출시하고 있지만 분명히 다양한 사용 사례를 해결하기 위한 로드맵이 있습니다."라고 Akgiray 씨가 말합니다.

시뮬레이션은 설계 과정에서 문제를 해결하고 발생한 문제의 근본 원인을 파악하는 데 도움이 되었습니다. "모든 위상 배열 또는 복잡한 RF 시스템의 설계 단계에는 많은 도전 과제가 있습니다."라고 Mehmood 씨는 설명합니다. “또한 시뮬레이션에 적용하면 더 많은 것을 이해할 수 있는 예상치 못한 결과도 보았습니다. 당신은 그 뒤에 숨은 이유를 알고 있습니다. 아마도 어떤 손실이나 공명 또는 다른 현상일 것입니다. 확인하는 쉬운 방법은 실제로 시뮬레이션으로 돌아가서 좀 더 깊이 들어가서 일부 파라미터를 변경하고 문제를 발견하는 것입니다.”