KR102565450B1 - 낮은 높이를 갖는 tm 편파 역 반사 메타표면 안테나 - Google Patents

낮은 높이를 갖는 tm 편파 역 반사 메타표면 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 낮은 높이를 갖는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 제1 유전체를 기준으로 상면에 TM 편파 송수신을 위한 개구면 구조의 상부 패턴이 형성된 상부층과, 상기 상부층의 하부에 적층되며 제2 유전체를 기준으로 상면 패치와 하면의 접지면이 비아홀로 연결된 구조의 하부층으로 이루어진 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀이 복수개 배열된 수퍼셀 구조로 설계되어 특정 입사각에 대해 역반사 특성을 가지는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 제공한다.
본 발명에 따르면, 등가 회로 해석을 사용한 최적화 기법을 통하여 낮은 높이의 기판에서 고효율로 동작하는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 설계할 수 있다.

Description

낮은 높이를 갖는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나{Low-profile TM incident retrodirective metasurface antenna}
본 발명은 낮은 높이를 갖는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 높이의 기판으로 고효율로 동작할 수 있는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나에 관한 것이다.
역반사 장치는 반사 광선을 입사 광선과 평행하게 하는 것으로, 최근에는 에너지 빔 포밍 시스템에서의 산란이 불충분한 타겟에 대한 레이더 반사 단면적(RCS; Radar Cross Section) 개선 및 신호 처리 시간 단축의 장점에 따라 마이크로파 및 밀리미터파의 응용 분야에 적용되고 있다.
이러한 역반사 장치는 무인자동차, 마이크로파 방식의 무선전력전송, 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 합성 개구면 레이다(synthetic aperture radar, SAR) 등에 응용될 수 있다.
그런데 종래의 역반사 구조물은 주로 3차원 구조를 갖고 있어 부피가 크고 한 방향으로만 동작하는 단점이 있다.
최근에는 고이득 안테나의 경량화/소형화 제작을 위해 메타표면(metasurface) 이라는 메타물질의 2D 버전의 물질을 인공적으로 만들어 내는 연구가 진행되었다. 이러한 메타표면은 반사파 및 투과파의 파면(wavefront)를 조절하여 임의의 방향으로 진행하는 전자기파를 발생시킬 수 있다.
이러한 특성 중에 반사특성을 응용한 역 반사기는 입사각과 반사각이 동일한 특성을 지닌 장치이며, 반복되는 구조의 주기에 의해 동작하는 각도(채널)가 결정된다. 이러한 주기는 반사 위상이 2π 마다 반복되는 것에 대응되며, 이러한 특성을 지닌 단위셀의 설계가 요구된다.
종래의 TM 편파로 동작하는 역 반사기는 높은 높이의 기판의 높이에서만 반사 위상이 2π 마다 반복되어 고효율 설계가 가능했다. 하지만 여러 응용 분야들에 적용하기 위해서는 경량화 및 제작비용 절감이 필수적이며, 이를 위해 낮은 높이에서도 반사 위상이 2π 마다 반복되어 고효율로 동작하는 역 반사 메타표면의 설계가 필수적으로 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0004330호(2019. 01. 11. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은, 인공자기도체의 특성을 갖는 메타표면을 접지면으로 사용하여 낮은 높이의 기판에서 고효율로 동작하는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 제1 유전체를 기준으로 상면에 TM 편파 송수신을 위한 개구면 구조의 상부 패턴이 형성된 상부층과, 상기 상부층의 하부에 적층되며 제2 유전체를 기준으로 상면 패치와 하면의 접지면이 비아홀로 연결된 구조의 하부층으로 이루어진 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀이 복수개 배열된 수퍼셀 구조로 설계되어 특정 입사각에 대해 역반사 특성을 가지는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 하부층은, 반사 계수의 크기는 1이고 위상은 0°로 설계된 인공자기도체 구조물, 유도성 표면(inductive surface), 용량성 표면(capacitive surface) 중 선택된 하나를 포함한 전반사 표면 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 단위셀은, 상기 개구면의 크기에 따라 특정 반사 계수 위상을 가지며, 상기 수퍼셀은, 360° 범위의 반사 계수 위상을 커버하도록, 상기 개구면의 크기가 서로 상이한 복수의 단위셀이 연속 배열된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 복수의 단위셀은, W(가로)×L(세로) 크기의 사각형의 개구면을 갖되 가로 길이(W)는 동일하고 세로 길이(L)가 서로 상이하며, 가로 방향으로 서로 연속 배열될 수 있다.
또한, 상기 수퍼셀은, 서로 설정 각도 간격의 반사 계수 위상을 갖는 M개(M은 3 이상의 정수)의 단위셀을 포함하며, 상기 설정 각도는 360°/ M일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 유전체는, 1/16 내지 4/16λg 범위(λg는 동작 주파수의 파장) 이내에서 서로 동일한 높이로 설계될 수 있다.
또한, 상기 개구면 구조의 상부층의 임피던스 특성은, Babinet 원리에 따른 TE 편파에 동작하는 패치 구조의 임피던스 특성 및 GSTCs 기반의 등가 회로모델 해석으로부터 계산되고, 상기 상부 패턴 보다 아래에 위치한 나머지 요소에 의한 임피던스 특성과 상부 패턴의 임피던스 특성 간의 병렬 연결로 계산될 수 있다.
본 발명에 따르면, TM 편파 동작을 위한 역 반사 메타표면을 설계함에 있어 등가 회로 해석을 사용한 최적화 기법을 기반으로 인공자기도체 특성의 메타표면을 접지면으로 사용하는 단위셀 구조를 도출하여 낮은 높이(두께)의 기판으로도 고효율로 동작하는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명은 고효율의 역 반사 성능을 가지면서 기존의 TM 편파 역 반사 메타표면 보다 50% 얇은 두께로 제작 가능하여 제품의 소형화 및 경량화가 가능하다.
도 1은 기존의 TM 편파 동작을 위한 역 반사 메타표면 단위 셀 구조 및 그 등가 회로 모델을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 높이가 소형화된 역 반사 메타표면 단위 셀 구조 및 등가 회로 모델을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 등가 회로 해석에 의한 단위 셀의 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 인공자기도체가 적용된 단위셀 구조 및 수퍼셀 구조의 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 10×7 수퍼셀이 배열된 전체 메타표면의 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 실험환경 및 제작물의 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 역반사 결과를 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 GSTCs(generalized sheet transition conditions) 기반의 등가 회로해석 해석을 통해 인공자기도체(artificial magnetic conductor, AMC)의 특성을 갖는 메타표면을 접지면으로 사용하는 메타표면 단위셀 구조를 도출하여 기존보다 얇은 두께의 기판으로도 고효율로 동작하는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 제공한다.
기존의 TM 편파 동작을 위한 역 반사 메타표면은 높은 높이(두께)의 기판에서만 고효율로 설계가 가능했지만, 본 발명에서는 등가 회로모델을 사용한 최적화 방법으로 기판의 높이를 감소시키고자 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 등가 회로모델을 사용하여 낮은 높이의 기판을 사용하기 위한 설계 조건을 계산하고, 결과적으로 인공자기도체의 특성을 갖는 메타표면을 접지면으로 사용하여 낮은 높이의 기판에서 고효율로 동작하는 역 반사 메타표면을 제공한다.
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 기판의 높이가 높은 기존의 TM 편파 동작을 위한 메타표면 단위셀 구조에 관하여 설명한다.
도 1은 기존의 TM 편파 동작을 위한 역 반사 메타표면 단위 셀 구조 및 그 등가 회로 모델을 설명하는 도면이다.
도 1의 단위셀은 유전체(2)와 메타표면 패턴(1) 및 완전전기도체(perfect electric conductor, PEC) 접지면(3)으로 구성된다.
메타표면 패턴(1)은 유전체(2)의 상면에 결합된 상부 패턴으로, TM 편파의 동작을 위해 중앙이 비어있는 개구면 구조의 상부 패턴이 사용되었다.
일반적으로 알려진 이론인 Babinet의 원리에 의하면, 개구면 구조는 패치 구조의 상호보완적인 구조로 알려져 있다. 패치 구조의 경우 TE 편파에 동작하는 대표적 예시이고, 개구면 구조의 경우 TM 편파에 동작하는 대표적 예시이다.
여기서, TE 편파는 파의 진행 방향으로 전계가 존재하지 않는 파로 정의되며, TM 편파는 파의 진행 방향으로 자계가 존재하지 않는 파로 정의된다.
도 1의 (B)는 (A)에 대한 등가 회로 해석 모델로, 메타표면 패턴에 의한 임피던스, 기판의 재질 및 높이(h1)에 의한 효과, 완전전기도체 접지면의 임피던스 등을 고려한 것이다.
도 1에서 Zg는 접지면(3)의 임피던스, ZS는 메타표면 패턴(1)의 임피던스이다. 도 1의 경우 완전전기도체 접지면이므로 Zg=0이다.
Zin'는 유전체(2)와 접지면(3)에 대한 임피던스이고, Zin은 전체 요소(1,2,3)를 모두 고려한 도 1의 단위셀의 총 임피던스를 나타낸다. 여기서, Z0, β0은 각각 자유 공간의 특성임피던스 및 전파상수이고, Zd, βd는 각각 유전체 기판의 특성임피던스 및 전파상수이며, Γ은 입사 후 반사되는 빔의 반사 계수를 나타낸다.
고효율의 역 반사를 발생시키기 위해서는 반사계수의 위상이 0° ~ 360°의 범위로 설계 가능해야 하는데, 도 1의 단위셀 구조는 기판의 두께(h1)가 12.8mm(=0.37λg; λg는 동작 주파수)인 경우에 해당 위상 범위를 만족했다. 따라서 도 1과 같은 기존의 역 반사 메타표면은 높은 높이의 기판에서만 고효율로 설계가 가능한 단점이 있다.
하지만 본 발명의 실시예의 경우, 등가 회로 모델을 사용한 최적화 방법을 통하여 낮은 두께에서도 고효율의 TM 편파 동작이 가능한 역 반사 메타표면을 설계할 수 있으며, 이를 통해 기존 대비 50% 감소된 6.4mm(=0.18λg)의 기판 두께로 고효율 역 반사 메타표면을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 높이가 소형화된 역 반사 메타표면 단위셀 구조 및 등가 회로 모델을 설명하는 도면이다.
도 2의 (A)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 역 반사 메타표면 단위셀(100)은 서로 적층된 상부층(110) 및 하부층(120)을 포함한 2개의 층으로 이루어진다.
상부층(110)은 TM 편파 송수신을 위한 패턴이 형성되고, 하부층(120)은 그에 대한 접지면을 형성한다. 이때, 하부층(120)은 버섯 구조로 이루어진 인공 구조물(Artificial surface structure)에 의한 접지면에 해당한다.
구체적으로, 상부층(110)은 제1 유전체(111)를 기준으로 상면에 TM 편파 송수신을 위한 개구면 구조의 상부 패턴(112)이 형성된 구조를 가진다. 하부층(120)은 제2 유전체(121)를 기준으로 상면 패치(정사각 패치)(122)와 하면의 접지면(123)이 전도성 비아홀(124)로 연결된 구조를 갖는다.
제1 및 제2 유전체(121)의 높이는 1/16 내지 4/16λg 범위(λg는 동작 주파수의 파장) 이내에서 서로 동일한 높이로 설계될 수 있다. 본 발명의 실시예의 경우 각 유전체의 높이는 h1=h2=3.2mm로서, 단위 셀(100)의 총 높이는 6.4mm를 갖는다.
접지면(123)은 상면 패치(122)와 비아홀(124) 기둥을 통해 연결되어 버섯 구조를 가지며, 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 단위셀(100)에서는 실질적으로 이러한 버섯 구조의 접지면을 가진 하부층(120)이 상부 패턴(112)에 대한 접지면 역할을 하게 된다.
이와 같이, 도 2의 (A)에 도시된 단위 셀(100)은 도 1과 같은 기존의 완전전기도체 접지면 대신에, 인공적인 구조물을 이용한 접지면 구조가 포함된 것을 알 수 있다.
인공적인 구조물을 이용한 접지면은 도 2의 (C)에 나타난 것처럼 스미스 차트(smith chart) 원의 외곽선의 특성으로 나타낼 수 있으며, 이것은 반사계수의 크기는 1이면서 위상은 0°~360°을 가질 수 있는 구조에 해당한다.
인공적인 구조물을 이용한 접지면은 대표적 예시로서 완전전기도체(perfect electric conductor, PEC), 완전자기도체(perfect magnetic conductor, PMC), 인공자기도체(artificial magnetic conductor, AMC), 유도성 표면(inductive surface), 용량성 표면(capacitive surface) 등을 포함한 전반사 표면들을 예로 들 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단위셀(100)의 하부층(120)은 반사 계수의 크기는 1이고 위상은 0°로 설계된 인공자기도체 구조물에 해당할 수 있다.
도 2의 (B)는 (A)에 대한 등가 회로 모델이다. Zg는 접지면의 임피던스를 나타내는 변수로 Zg의 값에 따라 다양한 종류의 접지면이 고려될 수 있다. 나머지 파라미터(ZS, Zin', Zin, Z0, β0, Zd, βd, Γ)에 대한 정의는 앞서 설명한 바 있다.
실질적으로 본 발명의 실시예는 등가 회로 해석을 사용한 최적화 기법을 기반으로 인공자기도체(AMC) 특성의 메타표면을 접지면으로 사용하는 단위셀 구조를 도출하여 사용한다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
Babinet의 원리에 의해 패치 구조(개구면 없이 막힌 패턴)에 대한 임피던스 특성이 주어지면 개구면 구조에 대한 임피던스 특성을 역으로 계산할 수 있다.
먼저, 패치 구조의 임피던스 특성()은 GSTCs(generalized sheet transition conditions)에 의해 계산될 수 있음이 알려져 있으며, 아래의 수학식 1과 같이 계산된다.
여기서, 은 유효 특성 임피던스, 은 유효 전파상수, 은 유효 상대 유전율로, 각각 , , 로 정의된다. , 는 각각 전기 및 자기 분극률 밀도이고, k0는 전파상수, θi는 빔의 입사각을 나타낸다.
등가 회로 해석 모델에서 Zs는 개구면 구조의 상부 패턴(112)의 임피던스에 해당된다. 그리고 Zin'은 상부 패턴(112)을 제외한 나머지 요소에 따른 임피던스 값으로 이는 버섯 구조의 접지면을 갖는 하부층(120)과 제1 유전체(111) 부분을 포함한 임피던스 값에 해당한다.
Babinet의 원리에 의하면, 패치 구조의 상보 구조인 개구면 구조 메타표면(도 2의 상부 패턴(112))의 임피던스 Zs은 수학식 2와 같이 계산된다.
수학식 2의 Zs는 도 2의 상부 패턴(112)의 임피던스에 해당한다.
Zin'은 마이크로파 공학에서 보편적으로 알려진 입력 임피던스 식에 의해 계산되며 아래의 수학식 3과 같다.
최종적으로 도 2의 (B)에 나타낸 등가 회로 해석은 개구면 구조의 상부 패턴(112)의 임피던스(Zs)와, 그 나머지 요소인 유전체 및 접지면에 대한 임피던스(Zin') 간의 병렬 관계로 정리된다.
따라서, 도 2에 도시된 개구면 구조의 상부 패턴(112)을 포함하는 전체 메타표면 단위셀(100)의 임피던스(Zin)와 반사계수(Γ)는 각각 아래의 수학식 4와 같이 계산된다.
이와 같이, 개구면 구조의 상부 패턴(112)의 임피던스 특성(Zs)은, Babinet 원리에 따른 TE 편파에 동작하는 패치 구조의 임피던스 특성 및 GSTCs 기반의 등가 회로모델 해석으로부터 계산되는 것을 알 수 있다.
또한, 수학식 4를 통해, 단위셀(100)의 총 임피던스(Zin) 및 반사 계수(Γ)는 상부 패턴(112) 보다 아래에 위치한 나머지 요소에 의한 임피던스 특성(Zin')과 상부 패턴의 임피던스 특성(Zs)의 병렬 연결로 계산되는 것을 알 수 있다. 여기서 물론 반사 계수(Γ)의 경우는 단위셀(100)의 총 임피턴스(Zin)와 Z0을 통하여 연산됨을 알 수 있다.
상기 수학식 1~4의 방법은 TM 편파에 대해 전개하였으나 TE 편파 및 원형편파에도 간단한 수식을 추가하여 적용할 수 있다. 원평편파는 우측 원형 편파(right-hand circular polarization, RHCP), 좌측 원형 편파(left-hand circular polarization, LHCP) 등을 포함한다.
도 3은 본 발명의 등가 회로 해석에 의한 단위 셀의 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3의 (A)는 0°~360°의 위상 범위를 얻기 위한 단위 셀의 임피던스 값들을 나타낸다. 여기서 0°~360°의 위상 범위를 얻기 위해서는 임피던스가 병렬 공진의 형태가 되어야 함을 알 수 있다.
개구면 구조의 상부 패턴(112)의 임피던스(Zs)는 도 3의 (B)와 같이 유도성 임피던스(inductive impedance)의 값을 가진다. 따라서, 병렬 공진을 형성하기 위해서는 유전체 및 접지면에 대한 임피던스(Zin')가 용량성 임피던스(capacitive impedance)를 가져야 한다.
그런데, 본 발명의 실시예에 사용된 기판(Taconnic사의 TLY-5)을 포함한 통상적인 범위의 유전율 기판(유전체)의 경우에, 두께가 얇은 경우는 수학식 3으로 계산해 보면 유도성을 가진다. 병렬로 연결된 두 개의 유도성 임피던스는 병렬 공진을 형성하지 못하기 때문에, 0°~360°의 위상 범위를 얻을 수 없다.
도 3의 (C), (D)는 완전자기도체의 조건에서 기판의 높이가 1/16λg ~ 4/16λg 일 때의 Zin의 계산 결과를 나타낸다. 본 발명의 실시예는 Taconnic사의 TLY-5 기판의 조건에서, 단위 셀의 주기 P = λ0/4 = 12.9mm, 개구면 구조의 폭 W = 6.2mm을 사용하였다.
수학식 4의 결과로부터, 접지면의 임피던스가 용량형 임피던스가 되기 위해서는 다양한 접지면 조건이 존재하지만, 본 발명은 크게 두 가지의 선택지에 대해 선행연구를 진행하였다.
첫 번째로 완전전기도체 접지면(Zg=0)에서는 5/16λg ~ 8/16λg (=12.15mm ~ 19.44mm) 범위 두께의 기판을 사용하는 것이다. 이것은 통상적으로 사용하는 기판의 두께인 0.8mm~3.2mm를 크게 초과하는 기판의 두께를 나타내어 비용 증가, 제작공정의 어려움 등을 초래하므로 현실적이지 않다.
두 번째로는 완전자기도체 접지면에서는 1/16λg ~ 4/16λg (=2.43mm~9.72mm) 범위 두께의 기판을 사용하는 것이다. 그러나 완전자기도체(Zg=∞)는 자연계에 존재하지 않는 전기적 특성을 가지는 물질이므로, 인공자기도체로 대체할 수 있다.
인공자기도체는 특정 주파수 대역에서 인공자기도체와 유사한 동작을 하는 구조물로 알려져 있다. 이 외에도 본 등가 회로해석 방법은 실시 예에는 제시하지 않았지만 유도성 표면(Zg=+jZd)과 용량성 표면(Zg=-jZd) 등을 사용하여 계산하는 방법 등이 표함될 수 있다.
도 3의 (D)에서 0°~360°의 위상 범위를 가지기 위한 기판의 두께는 1/16 λg (=2.43mm) 이상이 되어야 된다.
본 발명의 실시 예에서는 얇은 두께 및 상용기판 조건을 모두 고려하여 제작에는 3.2mm의 기판(h1=h2=3.2mm)을 선택하였으며, 이경우 전체 기판 높이는 6.4mm (=0.18λg)를 갖는다. 이에 따라, 종래보다 기판 높이를 50% 정도 낮출 수 있어 역 반사 메타표면 안테나의 소형화 및 경량화를 도모할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나는 도 2의 단위셀(100)이 복수개 배열된 수퍼셀 구조로 설계되어, 특정 입사각에 대해 역반사 특성을 가진다. 단위셀(100)이 복수개 배열된 수퍼셀 구조는 후술하는 도 4의 (B) 및 (C)를 참조한다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 인공자기도체가 적용된 단위셀 구조 및 수퍼셀 구조의 도면이다.
도 4의 (A)는 본 발명의 실시예에 따른 인공자기도체를 포함한 역 반사 메타표면 단위 셀의 구조이며, 이는 도 2의 (A)에 대한 분해도에 해당한다.
얇은 두께 및 제작의 용이성을 고려하여 인공자기도체의 기판 두께 h2=3.2mm, 정사각형 패치의 길이 m=11.3mm로 선택되었다. 따라서 단위 셀(100)은 h1=h2=3.2mm이며, 단위 셀(100)의 총 높이(두께)는 h=6.4mm로 설계되었다(h=h1+h2).
도 4의 (B)는 본 발명의 실시예에 사용된 인공자기도체를 포함하는 수퍼 셀 구조와 동작 원리를 나타내며, (C)는 이를 위에서 바라본 평면도를 나타낸다.
수퍼 셀은 도 4의 (B)에 나타낸 것과 같이 역 반사를 위해 요구되는 파면 (wave front)을 형성하기 위한 위상을 통해 선정되었다. 파면의 균일도는 반사의 효율에 직접적인 관련성 있으며, 0°~360°의 위상 범위를 갖도록 설정되어야 한다.
도 4의 (B),(C)는 4개의 단위셀(100; 100-1,100-2,100-3,100-4)을 연속 배열하여 구성한 슈퍼 셀을 예시한 도면이다.
각 단위 셀(100-1,100-2,100-3,100-4)은 파면의 균일도를 증가시키기 위해 0°~360°의 위상 범위 내 4가지 상태의 위상인 0°, 90°, 180°, 270°을 포함한다.
본 발명의 실시예에서 수퍼셀을 구성한 복수의 단위셀(100-1,100-2,100-3,100-4)은 개구면의 크기에 따라 특정 반사 계수 위상을 가지도록 설계된다. 수퍼셀은 360° 범위의 반사 계수 위상을 커버하도록, 개구면의 크기가 서로 상이한 복수의 단위셀이 연속 배열된 구조를 가지게 된다.
여기서 복수의 단위셀(100-1,100-2,100-3,100-4)은 W(가로)×L(세로) 크기의 사각형의 개구면을 갖되 가로 길이(W)는 동일하고 세로 길이(L)가 서로 상이하며, 각각의 단위셀은 가로 방향으로 서로 연속 배열된다.
도 4의 (C)와 같이, 수퍼셀 내 단위셀(100; 100-1,100-2,100-3,100-4)은 반사 계수 위상 0°, 90°, 180°, 270°에 각각 대응되도록 개구면 길이(L; L1,L2,L3,L4)가 각각 달리 설정된 것을 알 수 있으며, 구체적인 스펙은 도 4의 하단 테이블에 나타내었다.
결과적으로 수퍼셀 내의 각 단위셀의 L 값은 도 4의 (C)에 나타난 것처럼 오른쪽으로 갈수록 점차적으로 작아지는 분포를 갖게 된다.
본 발명의 실시예에서 수퍼셀은, 서로 설정 각도 간격의 반사 계수 위상을 갖는 M개(M은 3 이상의 정수)의 단위셀을 포함하며, 설정 각도는 360°/ M에 해당한다.
도 4의 경우 수퍼셀이 4개의 단위셀로 구성된 경우이므로, 반사 계수의 위상이 서로 90도 간격을 갖는 것을 알 수 있다.
물론 본 발명의 실시예에서 수퍼셀은 적어도 3개의 단위셀을 연속 배열하여 구성 가능하다. 도 4의 하단 테이블의 경우 입사각 -20°, -30°, -40°으로 입사한 빔을 역 반사하도록 설계된 수퍼셀에 대한 규격을 나타낸 것으로, 입사각 -20°, -30°인 경우는 4개의 단위셀로 구성된 수퍼셀에 대한 설계 값이고, 입사각 -40°인 경우는 3개의 단위셀로 구성된 수퍼셀에 대한 설계 값을 나타낸다.
물론, 모든 경우에 있어, 수퍼셀을 구성한 각 단위셀에 대한 개구면의 가로 길이(W)를 모두 고정한 상태에서 세로 길이(L)를 가변하는 것을 통해 단위셀 간 반사 계수 위상 간격을 조절할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예의 경우, 수퍼 셀을 구성하는 단위 셀의 수에 관계 없이 역 반사가 형성되는 파면을 생성할 수 있다. 또한, 단위 셀의 수가 많을수록 파면의 균일도가 증가하여 역 반사 효율이 증가하는 특징이 있다.
도 4의 (D)는 메타표면 안테나의 전체 구조 및 동작을 나타낸 도면이다. 설계된 메타표면은 TM 편파에 대해 거울 반사(specular reflection)는 제거되고 대부분 역 반사(retro reflection)로 동작한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 10×7 수퍼셀이 배열된 전체 메타표면의 도면이다.
도 5의 (A)는 위에서 내려다본 전체 메타표면 안테나의 구조를 나타낸다. 전체 메타표면 안테나는 10×7의 수퍼 셀로 구성되어 있으며 각 수퍼 셀은 도 4의 (B)에 나타낸 것처럼 파면을 형성하기 위한 구조이다. 따라서 메타표면은 총 280개의 단위 셀로 구성된다.
도 5의 (B)는 옆에서 바라본 전체 메타표면의 구조를 나타낸다. 메타표면의 총 길이는 129mm × 361mm이며, 단위 셀의 전체 높이와 동일하게 6.4mm로 설계되었다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 실험환경 및 제작물의 도면이다.
도 6의 (A)와 같이 송신 안테나(Tx)는 고정된 채 수신안테나(Rx)의 각도를 변화시키면서 시뮬레이션 및 측정을 진행하였다. 실험에는 회로망 분석기(network analyzer)가 사용되었다. 고정된 송신안테나의 |S11|2을 확인하여 역 반사의 전력의 크기를 측정하고, 송신안테나와 수신안테나에 의한 전력전송 비율 |S21|2을 확인하여 거울 반사 및 다른 방향으로의 반사를 측정하였다.
도 6의 (B), (C)는 θi=30° 조건에서 제작된 메타표면의 2층 구조(상부층)와 1층 구조(하부층)를 서로 분리하여 각각 나타낸 도면이다. 2층 구조(상부층)는 개구면 구조의 상부 패턴(112)을 포함하며, 1층 구조는 인공자기도체(AMC)의 구조를 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 역반사 결과를 나타낸 도면이다.
도 7의 그래프에 표시된 수치는 반사파를 입사파의 최대 전력에 대해 정규화한 값을 나타낸다. 성능 검증을 위하여, θi=-20°, -30°, -40°에 대한 시뮬레이션 계산 결과(HFSS)를 함께 도시하였다. 도 6의 방법으로 θi=-30°에 대한 제작 및 측정을 진행한 결과(Mesurement(θi=-30°))를 보면, 시뮬레이션 결과(HFSS(θi=-30°))와 거의 동일하게 도출된 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, TM 편파 동작을 위한 역 반사 메타표면을 설계함에 있어 등가 회로 해석을 사용한 최적화 기법을 기반으로 인공자기도체 특성의 메타표면을 접지면으로 사용하는 단위셀 구조를 도출하여 낮은 높이(두께)의 기판으로도 고효율로 동작하는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명은 고효율의 역 반사 성능을 가지면서 기존의 TM 편파 역 반사 메타표면 보다 50% 얇은 두께로 제작 가능하여 제품의 소형화 및 경량화가 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 역 반사 메타표면 단위셀 110: 상부층
111: 제1 유전체 112: 상부 패턴
120: 하부층 121: 제2 유전체
122: 상면 패치 123: 접지면
124: 전도성 비아홀

Claims (7)

  1. 제1 유전체를 기준으로 상면에 TM 편파 송수신을 위한 개구면 구조의 상부 패턴이 형성된 상부층과, 상기 상부층의 하부에 적층되며 제2 유전체를 기준으로 상면 패치와 하면의 접지면이 비아홀로 연결된 구조의 하부층으로 이루어진 단위셀을 포함하며,
    상기 단위셀이 복수개 배열된 수퍼셀 구조로 설계되어 특정 입사각에 대해 역반사 특성을 가지며,
    상기 하부층은,
    반사 계수의 크기는 1이고 위상은 0°로 설계된 인공자기도체 구조물, 유도성 표면(inductive surface), 용량성 표면(capacitive surface) 중 선택된 하나를 포함한 전반사 표면 구조로 형성된 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은,
    상기 개구면의 크기에 따라 특정 반사 계수 위상을 가지며,
    상기 수퍼셀은,
    360° 범위의 반사 계수 위상을 커버하도록, 상기 개구면의 크기가 서로 상이한 복수의 단위셀이 연속 배열된 구조를 가지는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은,
    W(가로)×L(세로) 크기의 사각형의 개구면을 갖되 가로 길이(W)는 동일하고 세로 길이(L)가 서로 상이하며,
    가로 방향으로 서로 연속 배열되는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 수퍼셀은,
    서로 설정 각도 간격의 반사 계수 위상을 갖는 M개(M은 3 이상의 정수)의 단위셀을 포함하며,
    상기 설정 각도는 360°/ M인 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유전체는,
    1/16 내지 4/16λg 범위(λg는 동작 주파수의 파장) 이내에서 서로 동일한 높이로 설계되는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구면 구조의 상부 패턴의 임피던스 특성은,
    Babinet 원리에 따른 TE 편파에 동작하는 패치 구조의 임피던스 특성 및 GSTCs 기반의 등가 회로모델 해석으로부터 계산되고,
    상기 상부 패턴 보다 아래에 위치한 나머지 요소에 의한 임피던스 특성과 상부 패턴의 임피던스 특성 간의 병렬 연결로 계산되는 TM 편파 역 반사 메타표면 안테나.
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