차량 내부에서 5G 이동통신의 향상을 위한 메타표면 삽입형 접합유리

Abstract

본 논문에서 제안하고 있는 메타표면 렌즈 삽입형 접합유리는 두 가지 주요 특성을 가지고 있다. 첫 번째 특성은 주파수 선택적 표면 특성(frequency selective surface)이다. 밀리미터파 대역에서 5G 이동통신에 사용되는 38.5Ghz 대역에서 기존의 접합 유리에 비하여 높은 투과 손실을 갖는다. 두 번째 특성은 위상보상을 통한 전자파의 조향이다. 즉 이는 위상 PSS(phase shifting surface)특성을 말한다. 본 논문에서 렌즈 어레이 안테나에 사용되는 단위 셀의 크기는 가로, 세로 2.5mm이며, 단위 셀은 실제 접합유리의 구조를 기반으로 설계되었다. 유리의 투명도를 유지하기 위하여 PET 필름 위에 메타표면을 쌓아 올리고 접합유리에 삽입한 구조이다. 한 단위 셀 당 예루살렘 구조의 패턴이 차지하는 면적은 약 10%로 매우 적은 면적을 차지하여 가시성을 최대한 낮추었다. 시뮬레이션 결과 기존의 접합유리 대비하여 제안하고 있는 모델은 특정 위치에서 최고 6.3dB(38.5GHz)의 이득의 향상을 보여주고 있다. 기존의 접합유리로 인해 발생하는 5dB(38.5GHz)의 손실은 충분히 커버하며 유리가 존재하지 않을 때보다도 더 향상된 효과를 보여주었다. 실제 제작을 통해 측정할 결과 또한 시뮬레이션 결과와 거의 일치하였다. 또한 Matlab 기반으로 만들어진 Ray tracing 시뮬레이션을 이용하여 자동차 실내 환경에서 반사 및 투과를 고려하였을 때 제안하고 있는 모델이 내부 전파 환경에 미치는 영향을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 차량 내부에서도 제안하고 있는 모델은 기존 접합유리 대비 특정위치에서 5dB 정도의 이득을 보이며 통신 성능을 향상시키는 특성을 보였다. 이는 향후 접합유리가 사용되는 다양한 분야에서 높은 활용도를 보일 것으로 예상된다.

The laminated glass with the meta-surface embedded as proposed in this paper has two main properties. The first characteristic is the Frequency selective surface(FSS). In the millimeter wave band, the 38.5Ghz band used for 5G mobile communication has a higher transmission loss compared to conventional laminated glass. The second characteristic is beam shaping function through phase compensation. This refers to phase shifting surface (PSS) characteristics. In this paper, the size of unit cells used in transmit array antennas is 2.5mm in length and width, and unit cells are designed based on the structure of actual laminated glass. Metasurface patterned on top of PET film is a structure inserted into laminated glass to maintain glass transparency. The area of the pattern of the Jerusalem structure per unit cell accounted for about 10 percent of the area, which is very small, thus reducing visibility of patterns as much as possible. Simulation results show improvements of up to 6.3 dB (38.5 GHz) in certain locations in the proposed model against conventional laminated glass. The loss of 5 dB (38.5 GHz) due to conventional laminated glass was sufficiently covered and the effect was improved than when the glass did not exist. The results to be measured from the actual fabrication were also almost consistent with the simulation results. The effects of the proposed model on the automotive interior propagation environment were also analyzed using a lay-tracing simulation based on a Matlab. The simulation results showed that the model proposed even inside the vehicle showed a 5 dB gain in a particular location compared to the conventional laminated glass and improved communication performance. This is expected to show high utilization in various areas where laminated glass is used in the future.