한정된 주파수 자원, 이용효율 높인다
지구 공전시 특정궤도 착안, 전파 회전성질 실험 증명
동일 주파수 자원이용, 더 많은 데이터 전송 길 열어
궤도 각운동량 모드 응용, 안테나 기술 실용화 물꼬
국내 연구진에 의해 전파가 회전하며 겹겹이 쌓여진 채로 데이터를 보낼 수 있는 기술이 개발되었다. 향후 기존 대비 3배의 주파수 이용효율을 증대시키는 효과가 있어 한정된 주파수 자원 활용에 단비와 같은 소식이 기대된다.
ETRI(한국전자통신연구원)는 위성통신 지구국용으로 많이 쓰이는 안테나1를 이용하여 전파가 소용돌이처럼 회전하면서 전달되는 기술개발에 성공했다.
본 기술은 지구가 태양을 중심으로 공전하는 것처럼 전파도 특정궤도를 따라 움직인다는 점에서 착안하였다. 바로‘전파 궤도 각운동량’(OAM2) 모드3라는 원리다.
ETRI는 본 기술이 그동안 몰랐던 전파의 또 다른 속성을 이용하는 것이라고 설명했다. 즉 동일 주파수에서 각 전파에너지의 모양(모드)별로 서로 다른 데이터를 전달할 수 있어 주파수를 이용하는데 효율이 커진다는 것이다.
전파는 그동안 수직이나 수평방향으로만 움직인다고 생각했다. 따라서 그동안 데이터를 두 방향을 통해서만 전송했으나, 주파수 효율이 낮았다.
지난 2011년에 실험적으로 처음 입증된 전파 궤도 각운동량 모드는 전파의 회전수와 회전 방향을 달리해 모드를 만들 수 있다.
ETRI는 버틀러 매트릭스(Butler Matrix4, 2x2 혼(Horn) 급전부5, 고이득 카세그레인(Cassegrain) 반사판 안테나로 구성된 장치를 이용, 전파의 회전현상으로 주파수 이용효율을 높였다.
하나의 안테나에서 오른쪽, 왼쪽, 돌지 않는 세 개의 전파 궤도 각운동량 모드를 발생시키고, 연구진은 동일한 구조의 수신 장치로 세 개의 신호가 복원됨을 실험적으로 증명했다.
특히, 기존 수직, 수평 두 개의 편파6도 동시에 사용할 수 있으므로 세 개의 모드를 이용한다면 기존 기술 대비 추가적으로 최대 세 배의 주파수 이용효율을 증대시키는 효과가 있다.
ETRI는 본 기술이 미래 미개척 주파수 자원으로 불리는 밀리미터(mm)파 대역인 30GHz~300GHz에서 큰 장점을 가지고 있다고 밝혔다. 이로써 5G 이동통신 통합망 구축시 유망할 것으로 보인다.
현재 본 기술은 위성통신, 고해상도 레이더 등에 응용을 위한 연구가 전 세계적으로 치열하게 전개되고 있다. 상용화는 4년 내로 보고 있다.
본 기술은 미래창조과학부와 IITP(정보통신기술진흥센터)의 『모바일 빅뱅 시대의 주파수 효율 개선 핵심기술개발』 과제 지원으로 전파 이론 전문가인 목원대학교 조용희 교수와 협력해 개발했다.
연구진은 본 기술을 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports7) 등 SCI 저널 3편 게재를 비롯, 총 8편의 논문과 10여건의 국제특허를 출원했다고 밝혔다.
ETRI 변우진 전파자원연구그룹장은 “전파 궤도 각운동량 모드는 송·수신 거리가 멀어짐에 따라서 수신 안테나 크기가 커져야 하는 문제가 있다. 향후 이런 문제점을 해결하고 상용화를 위해 노력할 예정이다”고 밝혔다.
특히 본 기술은 5조원 규모8의 안테나 시장에 활용가능성이 매우 높다. 또한 확보된 기술을 통해 다수의 전파 궤도 각 운동량 모드도 쉽게 발생 시킬 수 있는 원천특허도 확보했다.
이에 따라 연구진은 원하는 개수의 전파 궤도 각운동량 모드를 발생시켜 주파수 이용효율을 더 증가시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
향후 ETRI는 확보된 원천 특허를 기반으로 평면 구조의 반사판 안테나, 대용량 데이터 통신 기술, 고해상도 레이더 기술 등에 단계적으로 상용화 기술을 개발할 예정이다.
[참고자료]
① OAM(Orbital Angular Momentum): 전파는 소용돌이치는 모양을 가지고 있으며, 마치 태양계 주위를 회전하는 지구가 공전하는 모습과 유사하다고 하여 궤도 각운동량 이라고 한다. 전파의 회전은 시계 방향으로, 시계 반대 방향으로 회전할 수 있으며, 회전 하는 전파의 수를 여러 개 만들 수 있다.
② 버틀러 매트릭스(Butler 매트릭스): 전파 신호를 위상이 다른 여러 개의 신호로 분리 또는 합성시키는 초고주파 회로
③ 카세그레인 안테나: 전파를 반사하는 금속 반사판(주 반사판, 부 반사판)을 사용하여 전파 에너지를 한 쪽 방향으로 집중시키는 안테나
④ 혼 급전부: 반사면에 전파 에너지를 보내기 위한 초고주파 회로
⑤ 편파: 에너지의 진행방향에 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 전파를 편파라고 한다. 편파에는 수직 편파와 수평 편파가 있다.
⑤ 모드: 안테나 등 구조물의 형태에 의해 결정되는 전파 에너지의 모양 또는 패턴. 여기서는 안테나 구조에 의해 회전하는 패턴과 회전하는 수가 결정되며, 그 각각의 패턴과 회전수를 모드라고 함
References
1 고이득 카세그레인(Cassegrain) 반사판 안테나 : 위성통신 지구국용으로 고이득, 저잡음 용으로 많이 사용
2 OAM: Orbital Angular Momentum의 약어로 전파는 소용돌이치는 모양을 가지며, 마치 태양계 주위를 회전하는 지구가 공전하는 모습과 유사하다고 하여 궤도 각운동량 이라고 한다.
3 모드 : 안테나 등 구조물의 형태에 의해 결정되는 전파 에너지의 모양 또는 패턴. 여기서는 안테나 구조에 의해 회전하는 패턴과 회전하는 수가 결정되며, 그 각각의 패턴과 회전수를 모드라고 함
4 버틀러 매트릭스 : 전파 신호를 위상이 다른 여러 개의 신호로 분리 또는 합성시키는 초고주파 회로
5 2x2 혼 급전부 : 반사면에 전파 에너지를 보내기 위한 초고주파 회로
6 편파 : 에너지의 진행방향에 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 전파. 편파에는 수직 편파와 수평 편파가 있음
8 시장분석기관 BCC Research, 2014 인용
