빔포밍이란?

빔포밍은 무선 신호와 같은 전자기 빔을 형성하고 방향을 조절하여 안테나의 공간적 다양성을 생성하는 과정입니다. 빔포밍은 안테나 수신기 시스템에서 빔을 생성하고 제어하여 특정 방향으로 에너지를 수신기에 집중시키고 다른 곳으로 에너지가 새어나가지 않도록 하는 기술입니다.

빔포밍이 없으면 무선 주파수와 같은 전자기 신호는 송신기에서 모든 방향으로 제어 없이 퍼져 나갑니다. 이로 인해 수신 지점에서 정확도가 떨어지고 신호 대 잡음비가 낮아집니다.

빔포밍은 빔스티어링과 밀접한 관련이 있습니다. 이 두 용어는 대개 혼용되지만, 빔포밍은 연필 모양의 빔을 형성하여 특정 방향으로 빔을 밀어내는 반면, 빔스티어링은 수신 장치를 따라가고 환경 변화에 반응하도록 빔 특성을 지속적으로 업데이트합니다.

빔포밍은 안테나 배열 전반에 걸쳐 여러 신호원의 위상과 진폭을 제어하여 하나의 집중된 빔 또는 여러 개의 동시 빔을 생성합니다.

위상과 진폭은 각 신호 스트림의 수준에 적용되며, 이는 개별 안테나 또는 여러 안테나가 결합되어 하위 배열을 형성하는 지점에 적용될 수 있습니다.

빔을 특정 방향으로 집중시키기 위해, 독립적인 신호원(안테나)에서 방출되는 신호의 에너지를 원하는 방향으로 중첩시키도록 설정합니다. 이 과정에서 다른 방향에는 null이 생성됩니다. Null은 에너지가 거의 방출되지 않는 방향, 즉 수신 배열의 감도가 거의 0에 가까운 방향을 나타냅니다.

빔을 구성하고 집중시키는 데에는 세 가지 주요 요소가 있습니다.

• 공간 신호 처리: 초기 신호의 공간 특성과 상대적 위상을 분석합니다.
• 신호 조정: 초기 분석을 기반으로 각 안테나의 게인과 위상을 동적으로 조정합니다.
• 신호 결합: 각 안테나 요소의 신호를 결합하여 수신기를 향하는 집중된 빔을 생성합니다. 이 단계에서 다른 방향의 간섭도 제거할 수 있습니다.

송신기와 수신기는 함께 작동하므로 수신기는 신호 수신 방식과 시점에도 중요한 역할을 합니다. 수신기를 사용하면 배열 내 각 안테나에 도달하는 개별 신호의 시간 지연을 조절하여 안테나 시스템의 감도 패턴을 제어할 수 있습니다. 신호의 시간 지연을 제어하는 ​​것은 위상을 제어하는 ​​것과 동일한데, 주파수 영역에서의 위상이 시간 영역에서의 시간 지연에 해당하기 때문입니다. 시간 지연/위상을 제어하면 파면을 원하는 방향으로 변경하고 파면의 결합을 최대화할 수 있습니다.

또한 수신 신호의 진폭을 조절하여 각 안테나 요소를 제어(강하게 또는 약하게)함으로써, 배열 패턴의 사이드로브를 억제하여 의도하지 않은 방향으로 전달되는 에너지를 줄여 원하는 방향으로 최대한의 신호를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 원하는 방향의 신호 강도와 품질을 향상시키고, 원하지 않는 방향의 신호는 감소시킬 수 있습니다. 따라서 송신 모드에서 다른 RF 시스템과의 간섭 가능성을 줄이고, 의도한 신호원과 다른 방향에 있는 잠재적 간섭원에 대한 민감도를 낮출 수 있습니다. 이는 다수의 안테나를 사용하는 대규모 위상 배열 시스템에서 매우 중요합니다. 이러한 시스템에서는 여러 개의 빔을 사용하여 여러 무선 사용자 및 통신 시스템을 추적하고 관리합니다.

집중된 에너지 빔을 생성, 제어 및 지시하기 위해 다양한 빔포밍 기술이 사용됩니다.

협대역 빔포밍

협대역 빔포밍은 비교적 간단한 기술 중 하나입니다. 특정 단일 주파수를 사용하여 모든 안테나 요소에서 중심 주파수가 동일하다고 가정되는 적절히 정의된 빔을 생성합니다. 일반적으로 수중 음파 탐지기 기술 및 협대역 통신 시스템에 사용됩니다.

광대역 빔포밍

광대역 빔포밍은 주파수 대역이 훨씬 넓어 단일 위상 변화 값으로도 신호 빔이 흐려지기 때문에 제어하기가 더 어렵습니다. 안테나로 들어가는 신호는 위상 또는 주파수를 변경하여 대역폭에 맞게 조정해야 합니다. 조정이 이루어지지 않으면 위상 배열의 요소 간 유효 간격에 영향을 미쳐 빔 스퀸트(빔이 의도치 않게 방향을 바꾸는 현상)가 발생할 수 있습니다. 송신단에서 대역폭을 제어할 수 없는 경우, 중심 주파수를 목표로 광대역 신호가 전송되고 수신단의 신호 처리 과정에서 넓은 주파수 대역을 보정해야 합니다. 광대역 빔포밍은 일반적으로 레이더 시스템 및 MU-MIMO 빔포밍 통신 시스템에 사용됩니다.

제로 포싱 빔포밍

제로 포싱 빔포밍은 null 스티어링을 중심으로 작동하며, 이는 다른 신호를 제거하여 간섭을 줄입니다. Null 위치는 적절한 빔포밍 채널 위상을 생성하는 데 사용되는 빔포밍 조건에 제약 조건으로 적용되며, 신호가 결합될 때 null 방향에 대한 합성 신호를 상쇄합니다. Null은 배열의 각 요소에 적용되는 모든 위상 조건에 통합됩니다. 일반적으로 GPS 신호 방해를 막는 데 사용되며, 특히 군사 및 방위 분야에서 많이 사용됩니다.

어댑티브 빔포밍

어댑티브 빔포밍은 위상 배열의 방향 패턴을 동적으로 조정하여 신호 전송을 향상시킵니다. 이를 통해 노이즈를 최소화하고 관심 신호를 최대화합니다. 이 빔포밍 기술은 5G 네트워크에서 널리 사용됩니다. 어댑티브 빔포밍을 사용하는 통신에서는 표준 신호가 합의되고, 수신기가 대역 전체에 걸쳐 채널 상태를 추정하는 동안 광대역 주파수 대역에서 일정한 간격(예: 매 밀리초)으로 파일럿 신호가 전송됩니다.

하이브리드 빔포밍

하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합입니다. 하이브리드 빔포밍은 대규모 배열의 일부로 아날로그 및 디지털 구성 요소를 모두 사용합니다. 또한 아날로그 송신기가 신호를 전송하고 디지털 수신기가 수신된 신호를 디지털 신호로 처리하는 5G 및 밀리미터파(mmWave) 통신 시스템에서 널리 사용됩니다. 하이브리드 빔포밍은 일정한 위치를 관측하는 하위 배열에 아날로그 빔포밍을 적용하고, 이 신호들을 더 적은 수의 디지털 수신기로 결합함으로써 디지털 처리 복잡성을 줄일 수 있습니다. 이러한 방식으로 시스템은 특정 공간 영역에 집중하는 디지털 수신기를 갖게 됩니다. 하이브리드 빔포밍 방식은 완전 디지털 빔포밍 시스템보다 낮은 비용과 복잡성으로 높은 데이터 전송률을 구현할 수 있습니다.

빔포밍은 많은 통신 및 센서 기반 응용 분야에서 매우 중요하지만, 다른 기술과 마찬가지로 장점과 단점이 있습니다.

빔포밍의 장점

• 에너지 낭비 없이(즉, 수신기가 없는 위치에서 낭비되는 에너지 없이) 빔 에너지 방향을 정밀하게 제어하는 ​​높은 공간 제어 기능을 제공합니다.
• 위상 배열에서 다중 빔 제어를 지원합니다.
• 다양한 통신 시스템에서 고속 및 저지연 연결을 구현하기 위해 무선 신호(무선 주파수)를 정밀하게 형성하고 방향을 지정합니다.
• 송신기가 사물 인터넷(IoT), 모바일 장치, 차량 등 다양한 장치로 빔을 집중시킬 수 있는 방법을 제공합니다.
• 군사 응용 분야에서 낮은 탐지율과 재밍 방지 기능을 제공합니다.
• 주파수 스펙트럼을 재사용하여 여러 빔을 형성할 수 있습니다.
• 다중 소스 배열 시스템에서 개별 송신기 또는 수신기 고장에 대한 복원력을 제공합니다.

빔포밍의 한계

• 복잡한 시스템에는 증폭기, 위상 변환기, 변환기, 디지털 신호 처리 장치 등 많은 하드웨어 구성 요소가 필요합니다.
• 빔포밍 기술(특히 디지털 빔포밍 기술)은 저렴하지 않지만 하드웨어 비용이 감소함에 따라 비용도 낮아지고 있습니다.
• 변화하는 환경에서 적응성 제약이 문제가 될 수 있습니다.
• 디지털 빔포밍의 고급 빔포밍 알고리즘은 계산 비용이 많이 들 수 있습니다.
• 작동 중에 빔 왜곡 및 자동 상쇄 현상이 발생할 수 있습니다.

현재 빛, 무선 주파수, 기타 전자기파 등 다양한 유형의 빔이 사용됨에 따라 빔포밍이 활용될 수 있는 산업 및 응용 분야는 매우 많습니다.

의료 응용 분야

자기공명영상(MRI)에 사용되는 빔포밍은 노이즈 감소로 인해 더욱 선명한 영상을 생성합니다. MRI에서는 개별 변환기가 환자 주위에 방사형으로 배치됩니다. 빔포밍 기술은 변환기의 신호를 결합하여 고해상도 영상을 생성합니다. 모든 변환기의 위치를 파악함으로써 시스템은 영상 환경과 선택적으로 상호 작용하여 최종 영상에 포함할 요소를 결정할 수 있습니다.

의료 영상 외에도 빔포밍은 암 환자를 치료하는 데 사용됩니다. 많은 암 치료법은 위상 배열로 생성된 방사선 빔(방사선 치료)을 사용합니다. 이러한 치료법은 배열에 여러 방사선원을 사용하여 입자 빔을 종양에 집중시킬 수 있습니다. 이러한 방식으로 좁고 집중된 빔은 주변의 건강한 세포를 손상시키지 않고 암세포를 사멸시킬 수 있습니다.

5G 및 NextG

빔포밍은 5G 통신에서 기지국과 모바일 장치 간의 무선 주파수 파동을 집중시키는 데 사용됩니다. 도심 환경에서는 지면과 건물에 반사되는 신호로 인해 반향과 잡음이 발생하여 수신기가 해석해야 하는 신호가 손상될 수 있습니다. 빔포밍은 신호가 모든 방향으로 송출되는 대신 환경에 관계없이 의도한 수신기에 빔을 집중시키는 데 도움이 됩니다. 또한 이를 통해 주파수 스펙트럼을 여러 사용자가 재사용할 수 있으므로 사용자에게 높은 데이터 전송률과 우수한 네트워크 적용 범위를 보장합니다.

위상 배열 안테나는 다양한 플랫폼과 패키지에 통합되어 특정 방향으로 에너지를 최대화하는 데 사용될 수 있습니다. 위의 애니메이션은 HFSS 소프트웨어로 구현된 동적 빔 조향 애니메이션이며, 안테나가 호스트 패키지의 다른 부분에 유도하는 전류도 보여줍니다.

광학 빔포밍

광학 빔포밍은 멀티플렉서에서 특정 방향으로 빔을 형성하여 신호를 전송하고 높은 데이터 전송률로 여러 방향으로 전환하는 데 사용됩니다. 또한 저궤도 위성에서 지상 기지국으로 광 빔을 매우 정밀하게 제어하여 전송하는 위성과 지상 간 광통신에도 사용되고 있습니다.

위상 배열 안테나는 위성 통신 및 레이더 응용 분야에서 기계식 조향의 필요성을 줄이면서 안테나 시스템의 유연성을 제공하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 HFSS 소프트웨어 시뮬레이션 애니메이션은 호스트 위성체와의 전자기 상호 작용을 포함하는 방사 패턴을 보여줍니다.

레이더

레이더 응용 분야에서 빔포밍은 이동하는 목표물에 초점을 맞추고 안테나 배열의 여러 안테나를 사용하여 변화에 적응하고 조정합니다. 레이더는 대개 목표물의 위치를 예측할 수 있으므로 목표물에 에너지를 집중시키기 위해 빔을 다른 지점으로 변경할 수 있습니다. 알고리즘과 피드백 루프는 목표물의 예상 궤적에 대한 과거 데이터를 사용하여 목표물을 추적합니다.

안테나 빔스티어링은 실제 응용 분야에서 차량의 움직임을 보정하기 위해 신호 게인 방향을 업데이트하는 데 적용될 수 있습니다. 이 HFSS 소프트웨어 애니메이션은 안테나의 빔포밍에 대한 전자기 결합과 차량 움직임 보정 기능을 보여줍니다.

이상적인 상황에서 엔지니어는 최종 제품이 출시되기 전에 물리적 테스트를 최소한으로 줄일 것입니다. 시뮬레이션은 안테나와 안테나가 사용될 작동 환경을 가상으로 시뮬레이션함으로써 필요한 물리적 반복 개발 주기를 단축할 수 있습니다. 이를 통해 안테나를 매우 정밀하게 설계할 수 있어 하나의 프로토타입만 제작하면 되므로 실패한 프로토타입에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 물리적 테스트만으로는 얻을 수 없는 설계 관련 질문에 대한 답을 더 많이 얻을 수 있습니다.

시뮬레이션은 다음과 같은 이점을 제공합니다.

• 의도된 공정 기술에 맞춰 안테나 설계를 테스트합니다.
• 잠재적인 제조 오류를 테스트합니다.
• 데스 밸리나 우주와 같은 극한 환경 및 군용 항공기에 안테나를 장착하여 성능을 모니터링하거나 도시에 설치하여 다양한 위치에서 무선 네트워크 적용 범위를 테스트하는 등의 실제 적용 시나리오를 포함하여 실제 환경에서 안테나 성능을 분석합니다.
• 다양한 조건에서 기본 재료의 물리적 특성과 속성을 테스트합니다.
• 개별 채널의 오류 발생 시 안테나 시스템의 성능 저하가 원활하게 이루어지는지 테스트합니다. 이를 통해 운영 시스템에 미치는 영향을 최소화하는 수리 전략을 수립하고 일정을 계획할 수 있습니다.

Ansys의 다양한 툴을 사용하여 이러한 질문에 대한 답을 찾을 수 있습니다.

• Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어: 장치 및 통합 수준에서 고주파 기술을 설계하고, 특정 방향으로 빔을 집중시키기 위해 필요한 모든 가중치를 계산하는 위상 배열을 설계하는 데 사용됩니다.
• Ansys Icepak 전자 장치 냉각 시뮬레이션 소프트웨어: 안테나 시스템 주변의 열 대류를 측정하고 응용 분야에 적합한 냉각 시스템을 개발하도록 설계되었습니다.
• Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어: 유체, 공기 및 수냉식 시스템을 모델링하여 최적의 작동을 지원하고 트랜지스터 및 칩의 소손을 방지하는 데 사용됩니다.
• Ansys RF Channel Modeler 고정밀 무선 채널 모델링 소프트웨어: 안테나 시스템 디지털 트윈과 대규모 환경 디지털 트윈을 결합하여 실제 시나리오에서 RF 배열의 작동 방식을 분석하도록 설계되었습니다.

현재 빔포밍 기술은 많은 안테나 시스템의 성능을 크게 향상시키고 있지만, 차세대 통신 기술은 디지털 빔포밍의 발전에 의해 주도되고 있습니다.

신호를 최대한 빠르게 디지털 형식으로 변환한 후, 고속 디지털 프로세서가 원하는 방향을 탐색하기 위해 여러 개의 빔을 생성하기 때문입니다. 충분한 기저대역 처리 능력을 확보하면 위상과 진폭을 모든 사용자에게 적용할 수 있으므로 각 사용자는 고유한 빔을 가질 수 있습니다.

현재 5G가 빔포밍 기술의 이점을 누리고 있지만, 디지털 빔포밍은 6G 기술, 더욱 발전된 레이더 시스템, 다중 사용자의 다중 입력 및 다중 출력(mu-MIMO) 빔포밍, 홀로그래픽 빔포밍 등을 구현하는 데에도 기여할 것입니다.

다양한 빔포밍 방식을 활용하여 더욱 발전된 안테나 배열 및 통신 시스템을 설계하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 지금 Ansys 기술 팀에 문의하십시오.

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