KR102615794B1 - Reconfigurable metasurface antenna - Google Patents

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최종호
박규환
김진수
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Abstract

가변 구조형 메타표면 안테나가 개시된다. 가변 구조형 메타표면 안테나는, 전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및 상기 급전부의 상단에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지고, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 상이한 위상 및 편파 성분을 가지도록 상기 급전부에서 전달된 전자기파를 방사하는 가변 메타표면부를 포함한다. A variable structure metasurface antenna is disclosed. The variable structure metasurface antenna includes a feeding part that receives electromagnetic waves and propagates them in the form of concentric waves; and a variable meta located at the top of the feeder, having a plurality of unit radiators, and radiating electromagnetic waves transmitted from the feeder to have different phases and polarization components depending on the combination of unit radiators activated among the plurality of unit radiators. Includes surface portion.

Description

가변 구조형 메타표면 안테나{Reconfigurable metasurface antenna}{Reconfigurable metasurface antenna}

본 발명은 가변 구조형 메타표면 안테나에 관한 것이다. The present invention relates to a variable structure metasurface antenna.

전자기파의 효율적인 송수신을 위해서는 안테나의 방사패턴을 고려하여 지향 방향을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 특히 지상에서 멀리 떨어져 있는 인공위성과의 통신에서 안테나 빔조향 성능이 매우 중요하다. 안테나의 전자기파 빔조향 방향제어를 위한 방법으로 크게 두 가지가 있는데, ① 안테나를 모터 등을 이용하여 기계적으로 직접 움직여서 원하는 방향으로 조준하거나, ② 안테나 표면에서 방사되는 전자기파의 파면을 변조하여 원하는 방향으로 전자기파가 조향 되어 나갈 수 있도록 하는 것이다. 후자의 경우 안테나를 직접 움직일 필요가 없으며, 이를 구현한 대표적인 기술로 위상배열 안테나 기술이 있다. In order to efficiently transmit and receive electromagnetic waves, the direction must be effectively controlled by considering the radiation pattern of the antenna. In particular, antenna beam steering performance is very important in communication with artificial satellites located far from the ground. There are two main methods for controlling the electromagnetic wave beam steering direction of an antenna: ① moving the antenna directly mechanically using a motor, etc. to aim it in the desired direction, or ② modulating the wavefront of the electromagnetic wave radiated from the antenna surface to aim it in the desired direction. This allows electromagnetic waves to be steered. In the latter case, there is no need to move the antenna directly, and a representative technology that implements this is phased array antenna technology.

위상배열 안테나는 표면에 있는 다수의 방사체에서 각기 다른 위상 및 다른 크기의 전자기파를 방사하여 원하는 형태의 파면을 형성한다. 이때 방사되는 전자기파는 그 세기 및 조향 방향이 형성된 파면에 따라 달라지는데, 이는 방사체의 수, 각 방사체가 변조할 수 있는 전자기파의 위상 범위 및 전자기파의 세기에 따라 결정된다. 위상배열 안테나는 기본적으로 안테나 표면의 모든 방사체에 크기와 위상이 같은 전자기파를 급전한다. 그리고 위상을 변조한 후, 적당한 크기로 증폭시켜 조향 빔의 파면을 형성한다. A phased array antenna radiates electromagnetic waves of different phases and sizes from multiple radiators on the surface to form a wavefront of a desired shape. At this time, the intensity of the radiated electromagnetic wave and the steering direction vary depending on the wave front formed, which is determined by the number of radiators, the phase range of the electromagnetic wave that each radiator can modulate, and the intensity of the electromagnetic wave. A phased array antenna basically feeds electromagnetic waves of the same size and phase to all radiators on the antenna surface. After modulating the phase, it is amplified to an appropriate size to form the wavefront of the steering beam.

한편, 최근 전자기파를 원하는 형태로 비교적 자유롭게 제어하는 메타물질/메타표면 기술들이 등장하고 발전해 가고 있다. 그리고 이 기술이 안테나 분야에도 접목이 되면서 홀로그래픽 안테나 기술 등으로 발전되고 있고, 가변형 회로와 함께 접목되면서 많은 가능성을 보여주고 있다. 가장 최근 앞선 방식의 빔 조향 안테나는, 가변 구조형 메타표면을 활용한 안테나인데, 원하는 방향으로의 빔 조향을 위해서 안테나 표면의 파면 변조를 한다는 면에서는 위상배열 안테나와 같지만, 구체적인 파면 변조 방법은 다르다. 위상배열안테나의 경우 동일 위상, 동일한 크기의 전자기파가 각 방사체로 급전되지만, 가변 구조형 메타표면 안테나는 보통 누설파 안테나 (leaky wave antenna)와 마찬가지로 공간 급전 된다. 개별 방사체에 급전되는 전자기파의 크기 및 위상이 모두 다르므로, 원하는 방향의 빔 조향 파면을 만들 수 있는 방사체만을 작동시켜 빔을 제어한다.Meanwhile, metamaterial/metasurface technologies that relatively freely control electromagnetic waves in a desired form have recently emerged and are developing. And as this technology is applied to the antenna field, it is being developed into holographic antenna technology, and is showing many possibilities as it is combined with variable circuits. The most recent advanced beam steering antenna is an antenna utilizing a variable-structured metasurface. It is similar to a phased array antenna in that it modulates the wavefront of the antenna surface to steer the beam in the desired direction, but the specific wavefront modulation method is different. In the case of a phased array antenna, electromagnetic waves of the same phase and size are fed to each radiator, but the variable-structure metasurface antenna is fed spatially like a regular leaky wave antenna. Since the size and phase of electromagnetic waves fed to individual radiators are all different, the beam is controlled by operating only the radiators that can create a beam steering wavefront in the desired direction.

현재의 대표적인 위성통신용 가변 구조형 메타표면 안테나는, 메타표면의 각 방사체에 액정을 포함한 형태로 액정 (liquid crystal)이 전기 신호에 따라 가변적으로 작동하여 방사체를 키거나 끈다. 안테나 이득 및 조향각 범위는 위성통신용으로 이용하기에는 적합하지만, 액정을 이용하기 때문에 작동속도가 ms 수준으로 매우 느린 편이다. 이러한 느린 동작속도 때문에, 경우에 따라서 활용할 수 없는 상황이 많이 생긴다.The current representative variable-structure metasurface antenna for satellite communication contains liquid crystal in each radiator of the metasurface, and the liquid crystal operates variably according to electrical signals to turn on or off the radiator. The antenna gain and steering angle range are suitable for use in satellite communication, but because liquid crystal is used, the operating speed is very slow at the ms level. Because of this slow operation speed, there are many situations in which it cannot be used.

본 발명은 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a variable structure metasurface antenna.

또한, 본 발명은 위상 변조기, RF 증폭기를 쓰지 않고 빔 자유 조향이 가능한 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is intended to provide a variable-structure metasurface antenna capable of free beam steering without using a phase modulator or RF amplifier.

또한, 본 발명은 기계식 구동부를 이용하지 않고 위상배열 안테나 기술과 다른 방법으로 위상배열 안테나 기술의 단점을 극복하면서 자유로운 전자기파 빔 조향이 가능한 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is intended to provide a variable-structure metasurface antenna capable of free electromagnetic wave beam steering while overcoming the disadvantages of the phased array antenna technology using a method different from the phased array antenna technology without using a mechanical drive unit.

또한, 본 발명은 기존의 가변 구조형 메타표면 안테나에서 사용한 액정 대신 비교적 제작이 용이한 회로 방식을 적용하여 문제점이었던 느린 동작속도, 제조의 복잡성 등을 개선한 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is intended to provide a variable structure metasurface antenna that improves problems such as slow operation speed and manufacturing complexity by applying a circuit method that is relatively easy to manufacture instead of the liquid crystal used in the existing variable structure metasurface antenna.

본 발명의 일 측면에 따르면 가변 구조형 메타표면 안테나가 제공된다. According to one aspect of the present invention, a variable structure metasurface antenna is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및 상기 급전부의 상단에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지고, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 상이한 위상 및 편파 성분을 가지도록 상기 급전부에서 전달된 전자기파를 방사하는 가변 메타표면부를 포함하는 가변 구조형 메타표면 안테나가 제공될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a power supply unit that receives electromagnetic waves and propagates them in the form of concentric waves; and a variable meta located at the top of the feeder, having a plurality of unit radiators, and radiating electromagnetic waves transmitted from the feeder to have different phases and polarization components depending on the combination of unit radiators activated among the plurality of unit radiators. A tunable metasurface antenna including a surface portion may be provided.

상기 복수의 유닛 방사체는, 각각 원형 고리 형상으로 형성되며, 능동전자소자에 의해 상기 원형 고리 형상에 의해 격리된 내측 중심부와 외부가 연결될 수 있다. The plurality of unit radiators are each formed in a circular ring shape, and the inner center isolated by the circular ring shape may be connected to the outside by an active electronic element.

상기 복수의 유닛 방사체의 내측 중심부에는 상기 복수의 유닛 방사체의 활성화 여부를 제어하는 전기 신호 전달을 위한 비아홀(via hole)이 형성될 수 있다. A via hole for transmitting an electrical signal that controls whether or not the plurality of unit radiators are activated may be formed in the inner center of the plurality of unit radiators.

상기 능동전자소자는 상기 가변 메타표면부의 중심을 향하도록 배치될 수 있다. The active electronic device may be arranged to face the center of the variable metasurface portion.

상기 복수의 유닛 방사체는 상기 복수의 유닛 방사체는 각각 상기 급전부와 맞닿는 상기 가변 메타표면부의 저면에 형성될 수 있다. The plurality of unit radiators may each be formed on a bottom surface of the variable metasurface portion that contacts the power feeder.

상기 가변 메타표면부의 상면에는 복수의 바이어스 라인이 형성되되, 각 바이어스 라인의 일단은 상기 비아홀을 통해 각 유닛 방사체와 연결될 수 있다. A plurality of bias lines are formed on the upper surface of the variable metasurface portion, and one end of each bias line may be connected to each unit radiator through the via hole.

상기 비아홀을 통해 상기 각 유닛 방사체와 연결되는 상기 각 바이어스 라인의 일부분은 상기 각 유닛 방사체의 가상 방향선과 수직하게 형성될 수 있다. A portion of each bias line connected to each unit radiator through the via hole may be formed perpendicular to a virtual direction line of each unit radiator.

상기 가상 방향선은 상기 가변 메타표면부의 중심과 상기 각 유닛 방사체의 비아홀을 연결하는 가상의 선이다. The virtual direction line is a virtual line connecting the center of the variable metasurface portion and the via hole of each unit radiator.

상기 각 바이어스 라인의 타단은 전기신호를 인가하는 커넥터와 연결되되, 상기 바이어스 라인을 통해 인가되는 전기신호에 의해 상기 각 유닛 방사체의 활성화 여부가 결정될 수 있다. The other end of each bias line is connected to a connector for applying an electrical signal, and whether or not each unit radiator is activated can be determined by the electrical signal applied through the bias line.

상기 복수의 유닛 방사체는 하기 수학식에 의해 위치가 결정되되, The positions of the plurality of unit radiators are determined by the following equation,

여기서, i는 각 유닛 방사체의 인덱스를 나타내고, 는 골든 앵글()을 나타내고, 는 중심주파수 파장을 나타내며, 는 각 유닛 방사체 간의 간격 거리에 대한 비율을 나타낸다. Here, i represents the index of each unit emitter, is the golden angle ( ), represents the center frequency wavelength, represents the ratio of the spacing distance between each unit radiator.

상기 급전부는 내부에 형성된 분리막에 의해 구획되는 하부 공간과 상부 공간을 가지되, 상기 하부 공간의 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 상기 상부 공간의 중심부에는 상기 전자기파를 흡수하는 RF 흡수체가 위치되되, 상기 전자기파는 상기 하부 공간에서 상기 상부 공간으로 반사될 수 있다. The feeder has a lower space and an upper space partitioned by a separation membrane formed therein, and a waveguide coupler that receives electromagnetic waves is located in the center of the lower space, and an RF absorber that absorbs the electromagnetic waves is located in the center of the upper space. When positioned, the electromagnetic waves may be reflected from the lower space to the upper space.

상기 전자기파는 상기 하부 공간과 상기 상부 공간에서 서로 상이한 방향으로 전파될 수 있다. The electromagnetic waves may propagate in different directions in the lower space and the upper space.

본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공함으로써, 발명은 기계식 구동부를 이용하지 않고 위상배열 안테나 기술과 다른 방법으로 위상배열 안테나 기술의 단점을 극복하면서 자유로운 전자기파 빔 조향이 가능하도록 할 수 있다. By providing a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention, the invention enables free electromagnetic wave beam steering while overcoming the disadvantages of the phased array antenna technology and a method different from the phased array antenna technology without using a mechanical drive unit. You can.

또한, 본 발명은 기존의 가변 구조형 메타표면 안테나에서 사용한 액정 대신 비교적 제작이 용이한 회로 방식을 적용하여 문제점이었던 느린 동작속도, 제조의 복잡성 등을 개선할 수 있다. In addition, the present invention can improve problems such as slow operation speed and manufacturing complexity by applying a circuit method that is relatively easy to manufacture instead of the liquid crystal used in the existing variable structure metasurface antenna.

또한, 본 발명은 종래의 안테나보다 더 단순한 구조로 유지 보수가 용이하고 제작 비용이 낮으며, 동작 속도가 빠른 이점이 있다. In addition, the present invention has the advantages of a simpler structure than a conventional antenna, easy maintenance, low manufacturing cost, and fast operation speed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 상면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 저면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도이며, 도 7은 도 6의 유닛 방사체의 확대도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도.
도 9는 도 8의 바이어스 라인의 일부를 확대한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 스위칭 상태에 따라 달라지는 빔 조향 결과를 도시한 도면.1 is a diagram illustrating a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a side view of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a top view of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a bottom view of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a cross-sectional view of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a bottom view of a variable metasurface portion according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an enlarged view of the unit radiator of FIG. 6.
Figure 8 is a top view of a variable metasurface portion according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an enlarged view of a portion of the bias line of FIG. 8.
FIG. 10 is a diagram illustrating beam steering results that vary depending on the switching state of a variable-structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may be included in the specification. It may not be included, or it should be interpreted as including additional components or steps. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 상면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 저면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도이며, 도 7은 도 6의 유닛 방사체의 확대도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도이고, 도 9는 도 8의 바이어스 라인의 일부를 확대한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 스위칭 상태에 따라 달라지는 빔 조향 결과를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a diagram showing a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention. Figure 4 is a top view of a variable structure metasurface antenna according to an example, Figure 4 is a bottom view of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention, and Figure 5 is a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention. is a cross-sectional view, Figure 6 is a bottom view of the variable metasurface portion according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is an enlarged view of the unit radiator of Figure 6, and Figure 8 is a variable metasurface according to an embodiment of the present invention. It is a top view of the portion, FIG. 9 is an enlarged view of a portion of the bias line of FIG. 8, and FIG. 10 is a view showing beam steering results that vary depending on the switching state of the variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention. am.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나(100)는 급전부(110) 및 가변 메타표면부(120)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, the variable structure metasurface antenna 100 according to an embodiment of the present invention includes a power feeder 110 and a variable metasurface portion 120.

도 1 내지 도 2에서 보여지는 바와 같이, 급전부(110)와 가변 메타표면부(120)는 서로 맞닿는 구조로 배치될 수 있다. 즉, 급전부(110)의 상면과 가변 메타표면부(120)의 저면이 서로 맞닿도록 가변 구조형 메타표면 안테나가 형성될 수 있다. As shown in FIGS. 1 and 2, the power supply unit 110 and the variable metasurface unit 120 may be arranged in a structure that contacts each other. That is, a variable-structure metasurface antenna may be formed so that the upper surface of the power feeder 110 and the lower surface of the variable metasurface unit 120 contact each other.

도 1 내지 도 4에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나는 원형으로 형성될 수 있다. 이는 일 실시예일 뿐이며, 원형 이외에도 구현 방법에 따라 다른 형상으로 형성될 수도 있다. As shown in FIGS. 1 to 4, the variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention may be formed in a circular shape. This is only an example, and in addition to the circular shape, it may be formed into other shapes depending on the implementation method.

급전부(110)는 가변 구조형 메타표면 안테나(100)를 통해 방사되는 전자기파 신호를 공급받아 상부에 위치한 가변 메타표면부(120)로 전달하기 위한 수단이다. 즉, 급전부(110)는 케이블을 통해 안테나로 방사해야 할 전자기파 신호를 공급받은 후 동심원 파동 형태의 전자기파를 가변 메타표면부(120)로 전달할 수 있다. The power feeder 110 is a means for receiving electromagnetic wave signals radiated through the variable metasurface antenna 100 and transmitting them to the variable metasurface portion 120 located at the top. That is, the power feeder 110 can receive an electromagnetic wave signal to be radiated to an antenna through a cable and then transmit the electromagnetic wave in the form of a concentric wave to the variable metasurface unit 120.

급전부(110)는 가변 구조형 메타표면 안테나(110)의 중심부에서 전자기파 신호를 급전받은 후 동심원 파동 형상으로 외곽(바깥)으로 전파하며, 측벽에서 반사시킨 후 이를 상부 공간으로 다시 전파시킬 수 있다. 전자기파를 가변 메타표면부(120)로 전달함에 있어, 급전부(110)는 2층 구조로 전자기파를 전달할 수 있다. 이를 위한 구조는 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. The feeder 110 receives the electromagnetic wave signal from the center of the variable structure metasurface antenna 110 and then propagates it to the outside (outside) in a concentric wave shape. After reflecting it from the side wall, it can propagate it back to the upper space. In transmitting electromagnetic waves to the variable metasurface unit 120, the power feeder 110 can transmit electromagnetic waves in a two-layer structure. The structure for this will be described with reference to FIG. 5.

도 5에 도시된 바와 같이, 급전부(110)는 하부 공간(501)과 상부 공간(502)으로 구획될 수 있다. 여기서, 하부 공간(501)과 상부 공간(502)의 구획은 급전부(110) 내부에 위치한 분리막(520)에 의해 구획될 수 있다. As shown in FIG. 5, the power supply unit 110 may be divided into a lower space 501 and an upper space 502. Here, the lower space 501 and the upper space 502 may be divided by a separator 520 located inside the power feeder 110.

급전부(110)의 하부 공간(501)에는 전자기파를 급전받기 위한 도파로 커플러(510)가 위치되며, 상부 공간(502)에는 RF 흡수체(530)가 위치될 수 있다. 도파로 커플러(510)와 RF 흡수체(530)는 각각 급전부(110)의 중심부에 위치될 수 있다. A waveguide coupler 510 for receiving electromagnetic waves may be located in the lower space 501 of the power supply unit 110, and an RF absorber 530 may be located in the upper space 502. The waveguide coupler 510 and the RF absorber 530 may each be located at the center of the power feeder 110.

급전부(110)의 하부 공간(501)에 위치된 도파로 커플러(510)는 케이블과 연결되어 전자기파 신호를 공급받은 후 이를 하부 공간(501)의 중심부에서 바깥으로 전파시킬 수 있다. 이와 같이, 전파된 전자기파는 급전부(110)의 측벽에서 반사되며 분리막에 의해 구획된 상부 공간(502)으로 전달되며, 상부 공간(502)으로 전달된 전자기파는 바깥에서 다시 중심부로 전파되며, RF 흡수체(530)로 모일 수 있다. The waveguide coupler 510 located in the lower space 501 of the power feeder 110 is connected to a cable and can receive an electromagnetic wave signal and then propagate it outward from the center of the lower space 501. In this way, the propagated electromagnetic wave is reflected from the side wall of the power feeder 110 and transmitted to the upper space 502 partitioned by the separator, and the electromagnetic wave transmitted to the upper space 502 propagates from the outside back to the center, and the RF It can be collected into the absorber 530.

도파로 커플러(510)가 하부 공간(501)의 중심부에 위치하며, 급전부(110) 자체(즉, 가변 구조형 메타표면 안테나)가 원형으로 형성되므로, 도파로 급전부(110)에서 전파되는 전자기파는 동심원 파동 형태로 중심부에서 급전부(110) 외곽을 향해 전파될 수 있다. Since the waveguide coupler 510 is located in the center of the lower space 501, and the feeder 110 itself (i.e., the variable structure metasurface antenna) is formed in a circular shape, the electromagnetic wave propagating from the waveguide feeder 110 is concentric. It may propagate from the center toward the outside of the power feeder 110 in the form of a wave.

급전부(110)의 하부 공간(501)에서 바깥으로 전파되는 전자기파는 하부 공간(501)의 외주연에 위치한 내측 반사부에 의해 상부 공간(502)으로 반사될 수 있다. 급전부(110)의 하부 공간(501)에서 상부 공간(502)으로 전자기파를 반사시키기 위해 내측 반사부의 일부분은 소정 각도의 경사로 기울어진 형태로 형성될 수 있다. 내측 반사부의 일부분은 소정 각도의 경사로 기울어진 형태이며, 나머지 부분은 측벽과 평행하도록 하부 공간(501)의 바닥면에서 수직하게 형성될 수 있다. Electromagnetic waves propagating outward from the lower space 501 of the power feeder 110 may be reflected into the upper space 502 by the inner reflector located on the outer periphery of the lower space 501. In order to reflect electromagnetic waves from the lower space 501 of the power feeder 110 to the upper space 502, a portion of the inner reflector may be formed to be inclined at a predetermined angle. A portion of the inner reflection portion may be inclined at a predetermined angle, and the remaining portion may be formed perpendicular to the bottom surface of the lower space 501 so as to be parallel to the side wall.

또한, 급전부(110)의 상부 공간(502)의 외주연에도 내측 반사부가 형성될 수 있다. 상부 공간(502)의 내측 반사부는 상부 일부분이 소정 각도의 경사를 가지도록 기울어진 형태로 형성될 수 있다. Additionally, an inner reflection part may be formed on the outer periphery of the upper space 502 of the power feeder 110. The inner reflection portion of the upper space 502 may be formed in an inclined form so that an upper portion thereof has an inclination of a predetermined angle.

급전부(110)의 상부 공간(502)으로 반사된 전자기파는 급전부(110)의 외곽에서 중심으로 동심원 파동 형태로 전파되며, 상부 공간(502)의 중심부에 형성된 RF 흡수체(530)를 향해 모이게 된다. The electromagnetic waves reflected into the upper space 502 of the power feeder 110 propagate in the form of concentric waves from the outside of the power feeder 110 to the center, and gather toward the RF absorber 530 formed in the center of the upper space 502. do.

예를 들어, 하부 공간(501)에 위치된 도파로 커플러(510)는 지름이 약 10.4mm이고, 높이가 6.8mm일 수 있다. 또한, 하부 공간(501)과 상부 공간(502)의 높이(hd, hu)는 각각 10.0mm로 형성될 수 있다. 급전부(110)의 하부 공간(501)과 상부 공간(502)을 구획하는 분리막의 두께는 1.0mm일 수 있으며, 분리막과 급전부(110) 내주연간의 갭(gap)은 각각 5.7mm일 수 있다. For example, the waveguide coupler 510 located in the lower space 501 may have a diameter of approximately 10.4 mm and a height of 6.8 mm. Additionally, the heights (h d , h u ) of the lower space 501 and the upper space 502 may each be 10.0 mm. The thickness of the separator dividing the lower space 501 and the upper space 502 of the power feeder 110 may be 1.0 mm, and the gap between the separator and the inner periphery of the power feeder 110 may be 5.7 mm, respectively. there is.

하부 공간(501)의 내측 반사부의 기울어진 부분은 높이가 6.0mm이며, 길이가 8.4mm일 수 있다. 상부 공간(502)의 내측 반사부의 기울어진 부분은 높이가 4.8mm이고, 길이가 7.5mm로 형성될 수 있다. The inclined portion of the inner reflection portion of the lower space 501 may have a height of 6.0 mm and a length of 8.4 mm. The inclined portion of the inner reflection portion of the upper space 502 may be formed to have a height of 4.8 mm and a length of 7.5 mm.

본 발명의 일 실시예에서는 하부 공간(501)과 상부 공간(502)의 내측 반사부가 서로 상이하게 형성되는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하고 있으나, 하부 공간(501)과 상부 공간(502)의 내측 반사부는 동일한 길이와 동일한 높이를 가지며 동일한 각도의 경사를 가지도록 형성될 수도 있다. 또한 활용되는 주파수 영역 및 중심주파수 개수에 따라 상기의 높이와 길이는 달라질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the description is centered on the assumption that the inner reflection parts of the lower space 501 and the upper space 502 are formed differently, but the inner reflection parts of the lower space 501 and the upper space 502 The reflective portion may be formed to have the same length, the same height, and be inclined at the same angle. Additionally, the height and length may vary depending on the frequency range utilized and the number of center frequencies.

도 5를 참조하여 다시 정리하면, 급전부(110)는 분리막에 의해 하부 공간(501)과 상부 공간(502)으로 구획되며, 하부 공간(501)의 중심에 위치한 도파로 커플러(510)는 케이블을 통해 급전된 전자기파를 반사 없이 커플시켜 하부 공간(501)의 중심부에서 바깥으로 동심원 파동 형태로 균일한 밀도로 전파시킬 수 있다. To summarize with reference to FIG. 5, the power feeder 110 is divided into a lower space 501 and an upper space 502 by a separator, and the waveguide coupler 510 located at the center of the lower space 501 connects the cable. Electromagnetic waves supplied through the electromagnetic waves can be coupled without reflection and propagated at a uniform density in the form of concentric waves from the center of the lower space 501 to the outside.

도파로 커플러(510)에 의해 전파된 전자기파는 하부 공간(501)의 외주연에 형성된 내측 반사부에 의해 반사되어 상부 공간(502)으로 전달되며, 상부 공간(502)으로 전달된 전자기파는 바깥에서 중심부로 동심원 파동 형태로 전파되어 상부 공간(502)의 중심부에 형성된 RF 흡수체(530)로 모이게 된다. The electromagnetic wave propagated by the waveguide coupler 510 is reflected by the inner reflector formed on the outer periphery of the lower space 501 and transmitted to the upper space 502, and the electromagnetic wave transmitted to the upper space 502 is transmitted from the outside to the center. It propagates in the form of concentric waves and gathers in the RF absorber 530 formed at the center of the upper space 502.

즉, 전자기파는 안테나 중심부를 기준으로 동심원 파동 형태를 이루며 내부에서 전파되며, 이러한 동심원 파동 형태가 가변 구조형 메타표면 안테나의 빔 조향에 중요한 역할을 수행할 수 있다. In other words, electromagnetic waves are propagated internally in the form of concentric waves based on the center of the antenna, and this concentric wave form can play an important role in beam steering of the variable structure metasurface antenna.

원형 형태로 진행하는 전자기파는 모든 방향으로 진행하는 평면파의 합이고, 이들 중 상단의 가변 메타표면부(120)는 조향하고자 하는 방향의 빔을 구성하는 성분들만 뽑아낼 수 있다. Electromagnetic waves traveling in a circular shape are the sum of plane waves traveling in all directions, and among these, the variable metasurface portion 120 at the top can extract only the components that make up the beam in the direction to be steered.

급전부(110)의 상부에는 가변 메타표면부(120)가 배치된다. 전술한 바와 같이, 급전부(110)의 상단면과 가변 메타표면부(120)의 저면은 서로 맞닿도록 배치될 수 있다. 이에 따라 급전부(110)의 상단면에서 중심으로 모이면서 진행하는 전자기파는 가변 메타표면부(120)의 활성화된 유닛 방사체들과 상호 작용하여 일부 에너지를 외부로 방출할 수 있다. 가변 메타표면부(120)에서 방출되는 전자기파의 위상 및 편파 성분은 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 달라질 수 있다. 즉, 활성화되는 유닛 방사체의 위치, 형태 및 각도에 따라 가변 메타표면부(120)에서 방출되는 전자기파의 위상 및 편파 성분이 달라질 수 있다. A variable metasurface unit 120 is disposed on the upper part of the power feeding unit 110. As described above, the top surface of the power feeder 110 and the bottom surface of the variable metasurface unit 120 may be arranged to contact each other. Accordingly, electromagnetic waves that collect and travel from the upper surface of the power feeder 110 to the center may interact with the activated unit radiators of the variable metasurface 120 and emit some energy to the outside. The phase and polarization components of electromagnetic waves emitted from the variable metasurface unit 120 may vary depending on the combination of unit radiators that are activated. That is, the phase and polarization components of the electromagnetic wave emitted from the variable metasurface unit 120 may vary depending on the position, shape, and angle of the activated unit radiator.

급전부(110) 내부의 전자기파는 가변 메타표면부(120)의 비활성화된 유닛 방사체를 지날때는 특별한 상호 작용 없이 진행하던 방향으로 나아갈 수 있다. When electromagnetic waves inside the power feeder 110 pass through the deactivated unit radiator of the variable metasurface 120, they can proceed in the same direction without any special interaction.

가변 메타표면부(120)는 급전부(110)의 상부에 위치되며, 급전부(110)로부터 전자기파를 공급받아 외부로 방사시키기 위한 수단이다. The variable metasurface unit 120 is located on the upper part of the power feeder 110 and is a means for receiving electromagnetic waves from the power feeder 110 and radiating them to the outside.

가변 메타표면부(120)는 복수의 유닛 방사체를 포함한다. 여기서, 복수의 유닛 방사체는 도 6에서 보여지는 바와 같이, 선플라워(sunflower) 어레이 형태로 배열될 수 있다. The variable metasurface portion 120 includes a plurality of unit radiators. Here, the plurality of unit radiators may be arranged in the form of a sunflower array, as shown in FIG. 6.

보다 상세하게, 가변 메타표면부(120)의 복수의 유닛 방사체는 가변 메타표면부(120)의 저면에 형성될 수 있다. 또한, 복수의 유닛 방사체는 각각 도 7에 도시된 바와 같이, 원형 고리 형태로 형성될 수 있다. In more detail, a plurality of unit radiators of the variable metasurface portion 120 may be formed on the bottom of the variable metasurface portion 120. Additionally, each of the plurality of unit radiators may be formed in a circular ring shape, as shown in FIG. 7 .

도 7에 도시된 바와 같이, 원형 고리 형태로 각 유닛 방사체가 형성됨에 따라 유닛 방사체 내부 중심부에는 각 유닛 방사체에 의해 고립된 영역(편의상 내측 중심부라 칭하기로 함)(705)가 형성될 수 있다. 각 유닛 방사체의 활성화 여부를 제어하는 전기 신호는 유닛 방사체의 내측 중심부에서 상면으로 관통하는 비아홀을 통해 제공될 수 있다. 각 유닛 방사체의 지름은 예를 들어, 9.3mm일 수 있다.As shown in FIG. 7, as each unit radiator is formed in a circular ring shape, an isolated area (for convenience, referred to as an inner center) 705 may be formed at the inner center of the unit radiator. An electrical signal that controls whether or not each unit radiator is activated may be provided through a via hole penetrating from the inner center of the unit radiator to the top surface. The diameter of each unit radiator may be, for example, 9.3 mm.

본 발명의 일 실시예에서는 각 유닛 방사체의 지름이 9.3mm인 것으로 한정하여 설명하고 있으나, 각 유닛 방사체의 지름은 안테나가 활용되는 주파수에 따라 변형될 수 있다. 또한, 각 유닛 방사체의 지름은 가변메타표면 안테나에 사용되는 PCB 기판의 유전율 크기에 따라 반비례하여 변형될 수도 있다. 가장 일반적으로 쓰이는 FR4 기판을 기준으로 안테나 활용 주파수가 예를 들어, Ku밴드, 12~18GHz인 경우, 각 유닛 방사체의 지름은 1mm부터 12mm까지 다양한 크기를 가질 수 있다. 또한, 각 유닛 방사체의 지름이 1mm ~ 12mm의 크기를 가지는 경우, 각 유닛 방사체의 원형 고리 형태의 갭(Gap)의 크기는 0.1 ~ 11mm까지 형성될 수 있다. 여기서, 갭은 각 유닛 방사체의 원형 고리 형상의 바깥 반지름과 고립 영역(즉, 내측 중심부)의 반지름의 차이를 나타낸다. In one embodiment of the present invention, the diameter of each unit radiator is limited to 9.3 mm, but the diameter of each unit radiator may vary depending on the frequency at which the antenna is utilized. Additionally, the diameter of each unit radiator may be modified in inverse proportion to the dielectric constant of the PCB board used in the variable metasurface antenna. Based on the most commonly used FR4 substrate, if the antenna utilization frequency is, for example, Ku band, 12 to 18 GHz, the diameter of each unit radiator can vary in size from 1 mm to 12 mm. Additionally, when the diameter of each unit radiator is 1 mm to 12 mm, the size of the circular ring-shaped gap of each unit radiator may be 0.1 to 11 mm. Here, the gap represents the difference between the outer radius of the circular ring shape of each unit radiator and the radius of the isolated area (i.e., the inner center).

각 유닛 방사체는 전기 신호에 따라 공명 등 전자기적인 특성이 변조되어야 하므로 적어도 1개 이상의 능동전자소자(active device)(710)를 포함한다. 여기서, 능동전자소자는 PIN diode, varactor diode일 수 있다. Each unit radiator includes at least one active electronic device (active device) 710 because its electromagnetic properties, such as resonance, must be modulated according to the electrical signal. Here, the active electronic device may be a PIN diode or a varactor diode.

도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 유닛 방사체는 각각 원형 고리 형태로 형성되며, 능동전자소자에 의해 복수의 유닛 방사체의 내부 및 외부의 전위차에 의해 전류 흐름이 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있다. As shown in FIG. 7, the plurality of unit radiators are each formed in the shape of a circular ring, and the current flow is turned on or off by the potential difference between the inside and outside of the plurality of unit radiators by the active electronic device. It can be.

능동전자소자는 전기신호를 이어주거나 전자기파의 위상을 바꾸는 역할을 수행할 수 있다. 능동전자소자에 의해 가변 메타표면부(120)는 그 형태가 원하는 특성에 따라 다양하게 변할 수 있다. 예를 들어, 사각형 모양, 아령 모양, 원 모양, 삼각형 모양, 나비넥타이 모양, 타원 모양 등 다양한 모양을 가질 수 있다. Active electronic devices can connect electrical signals or change the phase of electromagnetic waves. The shape of the variable metasurface portion 120 can vary depending on desired characteristics due to the active electronic device. For example, it can have various shapes such as square shape, dumbbell shape, circle shape, triangle shape, bow tie shape, oval shape, etc.

가변 메타표면부(120)의 상면의 일부분을 확대한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 가변 메타표면부(120)의 상면에는 복수의 바이어스 라인(전기신호선)이 형성되며, 각 바이어스 라인을 통해 인가된 전기 신호가 비아홀을 통해 저면에 형성된 각 유닛 방사체로 전달될 수 있다. This is an enlarged view of a portion of the upper surface of the variable metasurface unit 120. As shown in FIG. 8, a plurality of bias lines (electrical signal lines) are formed on the upper surface of the variable metasurface unit 120, and the electric signal applied through each bias line is transmitted to each unit radiator formed on the bottom through the via hole. It can be delivered.

복수의 바이어스 라인의 일단은 묶음으로 정리되어 커넥터로 연결되며, 해당 커넥터를 통해 전기신호를 공급받을 수 있다. 또한, 복수의 바이어스 라인의 타단은 각각의 유닛 방사체와 상호작용하는 전자기파에 영향을 줄 수 있도록 각 유닛 방사체와 연결된 비아홀과 각각 연결된다. One end of the plurality of bias lines is bundled and connected to a connector, and an electrical signal can be supplied through the connector. Additionally, other ends of the plurality of bias lines are each connected to via holes connected to each unit radiator so as to affect electromagnetic waves interacting with each unit radiator.

즉, 복수의 유닛 방사체 각각은 중심에 비아홀을 통해 가변 메타표면부(120)의 상면에 형성된 각 바이어스 라인과 연결될 수 있다. 즉, 각 유닛 방사체의 중심에 형성된 비아홀을 통해 가변 메타표면부(120)의 상면에 형성된 바이어스 라인과 연결되며, 바이어스 라인을 통해 인가된 전기신호가 비아홀을 통해 각 유닛 방사체로 전달될 수 있다. That is, each of the plurality of unit radiators may be connected to each bias line formed on the upper surface of the variable metasurface portion 120 through a via hole at the center. That is, it is connected to a bias line formed on the upper surface of the variable metasurface portion 120 through a via hole formed at the center of each unit radiator, and an electrical signal applied through the bias line can be transmitted to each unit radiator through the via hole.

비아홀을 통해 전달된 전기신호에 따라 원형 고리 형태로 형성된 각 유닛 방사체의 내부 및 외부에 전위차가 발생하며, 원형 고리 형태로 형성된 각 유닛 방사체의 내부 중심부와 외부를 연결하도록 형성된 능동전자소자로 전류 흐름이 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있다.According to the electrical signal transmitted through the via hole, a potential difference is generated inside and outside each unit radiator formed in a circular ring shape, and current flows to the active electronic element formed to connect the inner center and the outside of each unit radiator formed in a circular ring shape. This can be turned on or off.

또한, 각 유닛 방사체를 전자 제어하기 위한 바이어스 라인은 급전되는 전자기파와 각 유닛 방사체간의 상호작용에 영향을 최소화하기 위해 각 유닛 방사체의 중심에 형성된 비아와 가변 메타표면부의 중심을 잇는 가상 방향선에 수직하도록 형성될 수 있다(도 9 참조). In addition, the bias line for electronic control of each unit radiator is perpendicular to the virtual direction line connecting the via formed at the center of each unit radiator and the center of the variable metasurface section to minimize the effect on the interaction between the supplied electromagnetic wave and each unit radiator. It can be formed to do so (see FIG. 9).

도 9에 도시된 바와 같이, 가상 방향선은 각 유닛 방사체의 중심에 형성된 비아홀과 가변 메타표면부의 중심을 잇는 가상의 선으로, 각 유닛 방사체의 위치에 따라 가상 방향선 또한 상이하게 형성될 수 있다. 가상 방향선은 설명을 위한 것일 뿐, 실제 가변 메타표면부(120)에 형성되는 선은 아니다. As shown in FIG. 9, the virtual direction line is a virtual line connecting the via hole formed at the center of each unit radiator and the center of the variable metasurface portion, and the virtual direction line may also be formed differently depending on the location of each unit radiator. . The virtual direction line is for illustration purposes only and is not a line formed on the actual variable metasurface portion 120.

예를 들어, 유닛 방사체의 가상 방향선이 도 9에 도시된 바와 같다고 가정하기로 한다. 각 유닛 방사체의 중심부와 연통되는 비아홀과 연결되는 각 바이어스 라인의 일부분은 가상 방향선과 수직(즉, 90도)을 이루도록 꺾여서 비아와 연결될 수 있다. 이와 같이, 각 유닛 방사체에 상응하는 가상 방향선과 각 바이어스 라인의 일부분이 수직을 이루도록 바이어스 라인이 비아와 연결됨으로써 간섭을 최소화할 수 있는 이점이 있다. For example, assume that the virtual direction line of the unit radiator is as shown in FIG. 9. A portion of each bias line connected to the via hole communicating with the center of each unit radiator may be bent to be perpendicular to the virtual direction line (i.e., 90 degrees) and connected to the via. In this way, there is an advantage in minimizing interference by connecting the bias lines to vias so that a portion of each bias line is perpendicular to the virtual direction line corresponding to each unit radiator.

각 유닛 방사체의 영역에 상응하는 부분의 각 바이어스 라인이 각 유닛 방사체에 대해 수직하게 꺾여서 비아와 연결되며, 각 유닛 방사체 영역 밖으로 뻗어 나온 후에는 바이어스 라인이 외각 방향으로 꺾여서 커넥터로 연결되도록 형성될 수 있다. Each bias line in the part corresponding to the area of each unit radiator is bent perpendicular to each unit radiator and connected to the via, and after extending out of the area of each unit radiator, the bias line can be bent outward and connected to a connector. there is.

예를 들어, 가변 구조형 메타표면 안테나의 실시예는 위성통신용으로 사용할 수 있는 Ku밴드에서 작동하는 안테나를 가정하면, 각 바이어스 라인들의 선폭은 0.1mm ~ 0.5mm 사이에서 형성될 수 있다. For example, assuming that the embodiment of the variable-structure metasurface antenna is an antenna operating in the Ku band that can be used for satellite communication, the line width of each bias line can be formed between 0.1 mm and 0.5 mm.

가변 메타표면부(120)의 각 유닛 방사체들은 선 플라워 어레이로 위치시키는 데, 그 위치는 수학식 1과 같이 정해질 수 있다. Each unit radiator of the variable metasurface unit 120 is positioned as a sunflower array, and the position can be determined as shown in Equation 1.

여기서, i는 각 유닛 방사체의 인덱스를 나타내고, 는 골든 앵글()을 나타내고, 는 중심주파수 파장을 나타내며, 는 각 유닛 방사체 간의 간격 거리에 대한 비율을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서는 (ratio)가 0.35인 것을 가정하기로 한다. 그러나, (ratio)가 반드시 고정된 0.35값으로 제한되는 것은 아니며, (ratio)의 크기는 0.1 이상으로 각 유닛 방사체의 개수나 크기 등에 따라 변형될 수 있음은 당연하다. 즉, 각 유닛 방사체의 인덱스 i의 범위에 따라 (ratio)의 크기가 변형될 수도 있다. Here, i represents the index of each unit emitter, is the golden angle ( ), represents the center frequency wavelength, represents the ratio of the spacing distance between each unit radiator. In one embodiment of the present invention, it is assumed that (ratio) is 0.35. However, (ratio) is not necessarily limited to a fixed value of 0.35, and the size of (ratio) is 0.1 or more and can naturally be modified depending on the number or size of each unit radiator. That is, the size of (ratio) may be changed depending on the range of the index i of each unit radiator.

가변 메타표면부(120)의 각 유닛 방사체에 포함된 능동전자소자(PIN 다이오드)는 전류 흐름이 민감하게 반응할 수 있는 곳에 위치시키되, 본 발명의 일 실시예에서는 가변 메타표면부(120)의 중심을 향하도록 각 유닛 방사체의 능동전자소자를 위치시킬 수 있다. The active electronic elements (PIN diodes) included in each unit radiator of the variable metasurface unit 120 are located in places where they can react sensitively to current flow, but in one embodiment of the present invention, the active electronic elements (PIN diodes) of the variable metasurface unit 120 The active electronic elements of each unit radiator can be positioned to face the center.

가변 메타표면부(120)의 중심을 원점(0,0)으로 설정하고, 처음 몇 개(i=1 ~ 5)개는 제외하고 가변 메타표면부(120)를 만들 수 있다. The center of the variable metasurface portion 120 can be set to the origin (0,0), and the variable metasurface portion 120 can be created excluding the first few (i=1 to 5) pieces.

상술한 바와 같이 형성된 가변 메타표면부의 각 유닛 방사체로의 전기 신호 제어에 따라 2차원 빔 조향이 가능하다.Two-dimensional beam steering is possible according to electrical signal control to each unit radiator of the variable metasurface formed as described above.

도 10은 가변 메타표면부(120)는 각 유닛 방사체의 스위칭에 따라 빔 조향이 달라지는 결과를 도시한 도면이다. 가변 구조형 메타표면 안테나는 위성통신 업링크용으로 빔 자유조향이 가능하며, 구조들을 14.25 GHz 대역에 맞추어 변경하면 다운링크용으로도 빔 자유조향이 가능함을 알 수 있다. FIG. 10 is a diagram illustrating results in which beam steering of the variable metasurface unit 120 varies depending on the switching of each unit radiator. The variable-structure metasurface antenna is capable of free beam steering for satellite communication uplink, and if the structures are changed to fit the 14.25 GHz band, free beam steering is also possible for downlink.

또한, 가변 구조형 메타표면 안테나는 메타표면을 이루는 각 유닛 방사체의 수와 안테나 방사면의 넓이에 따라 그 성능이 달라질 수 있다. 방사되는 전자기파 에너지의 세기는 쌍극자 모델링을 기반으로 예측이 가능하며, 조향빔의 에너지 세기와 각 유닛 방사체의 수는 수학식 2와 같은 비례 관계가 있다.Additionally, the performance of a variable-structure metasurface antenna may vary depending on the number of each unit radiator forming the metasurface and the area of the antenna radiation surface. The intensity of radiated electromagnetic wave energy can be predicted based on dipole modeling, and the energy intensity of the steering beam and the number of radiators in each unit have a proportional relationship as shown in Equation 2.

예를 들어, 가변 메타표면부(120)의 각 유닛 방사체의 개수가 3000개 이상이고, 안테나 지름이 80cm인 경우, 조향각은 방위각(azimuthal angle)에 무관하게 극각 , 안테나 이득은 30dBi 수준에 이를 수 있다. For example, if the number of radiators in each unit of the variable metasurface unit 120 is 3000 or more and the antenna diameter is 80 cm, the steering angle is the polar angle regardless of the azimuthal angle. , the antenna gain can reach the level of 30dBi.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been examined focusing on its embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.

100: 가변 구조형 메타표면 안테나
110: 급전부
120: 가변 메타표면부100: Variable structure metasurface antenna
110: Power feeder
120: Variable metasurface portion

Claims (12)

전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및
상기 급전부의 상단에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지고, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 상이한 위상 및 편파 성분을 가지도록 상기 급전부에서 전달된 전자기파를 방사하는 가변 메타표면부를 포함하되,
상기 복수의 유닛 방사체는,
각각 원형 고리 형상으로 형성되며, 능동전자소자에 의해 상기 원형 고리 형상에 의해 격리된 내측 중심부와 외부가 연결되되,
상기 가변 메타표면부의 상면에는 복수의 바이어스 라인이 형성되되, 각 바이어스 라인의 일단은 상기 내측 중심부에 형성된 비아홀을 통해 각 유닛 방사체와 연결되되, 상기 비아홀을 통해 상기 각 유닛 방사체와 연결되는 상기 각 바이어스 라인의 일부분은 상기 각 유닛 방사체의 가상 방향선과 수직하게 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
A power supply unit that receives electromagnetic waves and spreads them in the form of concentric waves; and
A variable metasurface located at the top of the feeder, having a plurality of unit radiators, and radiating electromagnetic waves transmitted from the feeder to have different phases and polarization components depending on the combination of unit radiators activated among the plurality of unit radiators. Including wealth,
The plurality of unit radiators,
Each is formed in a circular ring shape, and the inner center isolated by the circular ring shape is connected to the outside by an active electronic element,
A plurality of bias lines are formed on the upper surface of the variable metasurface portion, one end of each bias line is connected to each unit radiator through a via hole formed in the inner center, and each bias line is connected to each unit radiator through the via hole. A variable structure metasurface antenna, wherein a portion of the line is formed perpendicular to the virtual direction line of each unit radiator.
 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 복수의 유닛 방사체의 내측 중심부에는 상기 복수의 유닛 방사체의 활성화 여부를 제어하는 전기 신호 전달을 위한 비아홀(via hole)이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
According to claim 1,
A variable structure metasurface antenna, characterized in that a via hole for transmitting an electrical signal that controls whether or not to activate the plurality of unit radiators is formed in the inner center of the plurality of unit radiators.
 제1 항에 있어서,
상기 능동전자소자는 상기 가변 메타표면부의 중심을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
According to claim 1,
A metasurface antenna with a variable structure, characterized in that the active electronic element is arranged to face the center of the variable metasurface portion.
 제1 항에 있어서,
상기 복수의 유닛 방사체는 상기 복수의 유닛 방사체는 각각 상기 급전부와 맞닿는 상기 가변 메타표면부의 저면에 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
According to claim 1,
The variable structure metasurface antenna, wherein the plurality of unit radiators are respectively formed on the bottom of the variable metasurface portion in contact with the power feeder.
 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 가상 방향선은 상기 가변 메타표면부의 중심과 상기 각 유닛 방사체의 비아홀을 연결하는 가상의 선인 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
According to claim 1,
The variable structure metasurface antenna, characterized in that the virtual direction line is a virtual line connecting the center of the variable metasurface portion and the via hole of each unit radiator.
 제1 항에 있어서,
상기 각 바이어스 라인의 타단은 전기신호를 인가하는 커넥터와 연결되되,
상기 바이어스 라인을 통해 인가되는 전기신호에 의해 상기 각 유닛 방사체의 활성화 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
According to claim 1,
The other end of each bias line is connected to a connector that applies an electrical signal,
A variable structure metasurface antenna, characterized in that whether or not each unit radiator is activated is determined by an electrical signal applied through the bias line.
 제1 항에 있어서,
상기 복수의 유닛 방사체는 하기 수학식에 의해 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.

여기서, i는 각 유닛 방사체의 인덱스를 나타내고, 는 골든 앵글()을 나타내고, 는 중심주파수 파장을 나타내며, 는 각 유닛 방사체 간의 간격 거리에 대한 비율을 나타냄.
According to claim 1,
A variable structure metasurface antenna, wherein the positions of the plurality of unit radiators are determined by the following equation.

Here, i represents the index of each unit emitter, is the golden angle ( ), represents the center frequency wavelength, represents the ratio of the spacing distance between each unit emitter.
 제1 항에 있어서,
상기 급전부는 내부에 형성된 분리막에 의해 구획되는 하부 공간과 상부 공간을 가지되,
상기 하부 공간의 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 상기 상부 공간의 중심부에는 상기 전자기파를 흡수하는 RF 흡수체가 위치되되,
상기 전자기파는 상기 하부 공간에서 상기 상부 공간으로 반사되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
According to claim 1,
The power feeder has a lower space and an upper space partitioned by a separation membrane formed therein,
A waveguide coupler that receives electromagnetic waves is located in the center of the lower space, and an RF absorber that absorbs the electromagnetic waves is located in the center of the upper space,
A variable structure metasurface antenna, characterized in that the electromagnetic waves are reflected from the lower space to the upper space.
 제11 항에 있어서,
상기 전자기파는 상기 하부 공간과 상기 상부 공간에서 서로 상이한 방향으로 전파되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.

According to claim 11,
A variable structure metasurface antenna, characterized in that the electromagnetic waves propagate in different directions in the lower space and the upper space.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102002161B1 (en) * 2010-10-15 2019-10-01 시리트 엘엘씨 Surface scattering antennas
KR102288277B1 (en) * 2016-09-14 2021-08-11 카이메타 코퍼레이션 Impedance matching of aperture antenna

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