KR20210125019A - 하나 또는 그 이상의 메타물질 구조에 기초하는 안테나 어레이 - Google Patents

Abstract

메타물질 구조를 구비하는 베이스 층; 인쇄 회로 기판(PCB) 층; RF IC(들)로부터 PCB 층의 반대 측에 배치된 피드 층; 및 복수의 방사 요소를 포함하는 피드 층 위에 배치된 방사 층을 포함하는 층상 구조로 되어 있으며, 상기 메타물질 구조는 주파수 대역에서 적어도 2개의 인접하는 도파관들 사이에서 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배치된 안테나 어레이가 개시된다.

Description

하나 또는 그 이상의 메타물질 구조에 기초하는 안테나 어레이

본 개시는 안테나 어레이, 특히 위상 어레이 안테나 및 빔 스티어링 안테나에 관한 것이다. 안테나 어레이는 예를 들어 전기통신 및 레이더 트랜스시버에 사용하기에 적합하다.

위상 배열 안테나(phased array antenna)는 예를 들어 자동차 레이더 애플리케이션 및 전자통신의 레이더 시스템에서 자주 사용된다. 안테나 어레이의 설계는 예를 들어 도파관에서 누출되는 전자기 복사의 손실을 고려해야 할 필요성으로 인해 종종 방해를 받는다.

위상 배열 안테나의 안테나 요소들은 설계 상 종종 작동 주파수에서 전자기 복사 파장의 절반 이상의 거리로 분리된다. 그 결과, 작동 주파수가 증가하면 파장 감소로 인해 안테나 어레이가 더 작아질 수 있다. 이는 특히 공간이 제한된 애플리케이션(예를 들어, 자동차 통신 및 센서 안테나)에서 여러 가지 장점이 있다. 그러나 크기의 감소는 예를 들어 안테나 어레이를 따른 전자기파 전파를 통해 서로 다른 어레이 요소들이 상호 작용할 위험도 증가시킨다. 이 위험도 관리해야 한다.

US 8,803,638 B2호는 전자기파가 바람직하지 않은 방향으로 전파되는 것을 막기 위해 돌출 포스트가 사용된 도파관 구조를 개시하고 있다.

그러나, 손실이 감소된 개선된 안테나 어레이가 여전히 필요하다.

본 개시의 목적은 콤팩트하고, 손실이 작은 안테나 어레이를 제공하는 것이다.

이 목적은 주파수 대역에서 작동하기 위한 안테나 어레이에 의해 획득된다. 안테나 어레이는 메타물질 구조를 갖는 베이스 층을 포함하는 층상 구조를 가지는데, 여기서 메타물질 구조는 주파수 대역에서 상기 베이스 층을 따라 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된다. 안테나 어레이는 또한 베이스 층의 상부에 배열된 인쇄회로기판(PCB) 층을 포함하는데, PCB 층은 베이스 층을 향하는 PCB의 측면에 배열된 적어도 하나의 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC)를 포함한다. PCB는 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽으로 RF 신호를 전송하기 위한 하나 이상의 피드(feed)를 추가로 포함한다.

추가로, 안테나 어레이는 하나 이상의 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽에 배열된 피드 층을 포함한다. 이 피드 층은 PCB로부터 멀어지는 쪽을 향하는 피드 층의 측면에 배열된 적어도 하나의 도파관을 포함하고, 각각의 이러한 도파관은 전자기파가 전도되는 릿지를 포함할 뿐만 아니라, 하나 이상의 메타물질 구조를 포함한다. 메타물질 구조는 주파수 대역에서 도파관을 따라 전파되는 것 이외의 다른 방향으로 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된다. 예를 들어, 메타물질 구조는 인접한 도파관 사이의 전파를 감쇠시켜 누설을 완화하도록 구성될 수 있다. 안테나 어레이는 또한 피드 층 위에 배치된 방사 층을 포함하고, 그 방사 층은 RF 신호들을 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소를 포함한다.

설명된 안테나 어레이는 콤팩트하지만, 원하지 않는 방향으로 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키는 메타물질 구조의 존재로 인해 여전히 낮은 손실을 유지한다. 예를 들어, 피드 층에 메타물질을 배치하면 인접한 도파관 사이의 상호 작용이 최소로 되어, 인접한 안테나 요소들 사이의 상호 작용이 최소로 된다. 이러한 상호 작용은 신호 품질을 저하시킬 수 있다. 메타물질 구조를 사용하지 않으면서, 신호 품질을 유지하려면 도파관 사이에 더 큰 간격이 필요했을 것이다.

디자인을 단순화하는 메타물질 구조 이외의 차폐 요소가 필요하지 않다는 점에서 유리하다. 또한 고정밀 동축 케이블 커넥터와 같은 고급 커넥터가 필요하지 않으며, 이는 장점이 된다.

측면들에 따르면, 안테나 어레이 내 메타물질 구조는 적어도 2개의 요소 유형을 포함할 수 있는데, 제1 유형의 요소는 전기 전도성 재료를 포함하고, 제2 유형의 요소는 전기 절연 재료를 포함하며, 주파수 대역의 전자기 복사가 메타물질 구조에 의해 감쇠되도록, 주파수 대역에서 전자기 복사의 파장보다 물리적인 크기가 작은 제1 및 제2 유형의 요소들이 서로 인터리빙(interleaving) 되어 있다.

이러한 유형의 메타물질은 재료의 전자기 밴드 갭이라고도 하는 주파수 대역에서 전자기 복사를 감쇠시키면서, 동시에 콤팩트하고 제조하기 쉬운 것으로 관찰되었다.

예를 들어 피드 층에서 메타물질 구조를 실현할 수 있는 다양한 방법이 있다.

일부 측면에 따르면, 제1 유형의 요소는 돌출 피처들 포함할 수 있고, 제2 유형의 요소는 돌출 피처들 사이의 공간을 차지하도록 구성된다. 돌출 피처들 사이의 공간을 차지하는 요소들은 진공 또는 공기, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 유전체 재료, 또는 플라스틱 또는 FR-4 유리 에폭시와 같은 인쇄회로기판(PCB) 재료와 같은 다른 절연 재료를 포함할 수 있다. 돌출 피처들은 예를 들어 금속 포스트, 금속화 된 플라스틱 또는 PTFE 포스트와 같은 전도성 재료의 포스트, 또는 본질적으로 전도성이 있는 폴리머(ICP)와 같은 일부 전도성 폴리머 재료로 만들어진 포스트를 포함할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 제1 유형의 요소는 복수의 공동을 포함하는 전기 전도성 재료를 포함할 수 있고, 제2 유형의 요소는 상기 공동을 적어도 부분적으로 차지하도록 구성된다. 제1 및 제2 유형의 요소는 병진, 회전 또는 활공 대칭 중 임의의 것을 특징으로 하는 패턴 또는 주기적, 준 주기적 또는 불규칙한 패턴으로 배열 될 수 있다. 다시, 공동을 차지하는 요소는 진공 또는 공기, PTFE와 같은 유전체 재료, 또는 FR-4 유리 에폭시와 같은 PCB 재료와 같은 일부 다른 절연 재료를 포함할 수 있다. 제1 유형의 요소는 일체로 형성된 요소로 구성되거나 별도의 요소들로 구성될 수 있다. 제1 유형의 요소는 금속 요소, 금속화 된 플라스틱 또는 PTFE 요소 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 예를 들어 본질적으로 전도성이 있는 중합체와 같은 일부 전도성 중합체 재료로 된 요소를 포함할 수 있다.

측면들에 따르면, 안테나 어레이는 또한 PCB와 피드 층 사이에 배치된 필터 층을 포함한다. 선택적으로, 필터 층은 서로 인접하게 배열된 적어도 2개의 도파관을 포함한다. 필터 층의 도파관은 하나 이상의 메타물질 구조를 포함할 수 있으며, 메타물질 구조는 주파수 대역에서 적어도 2개의 인접한 도파관 사이에서 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된다.

메타물질 구조는 필터 층 내의 손실을 낮추고, 인접한 도파관에서 RF 신호 사이의 간섭을 방해할 것이라는 점에서 유리하다.

측면들에 따르면, 필터 층은 간섭 신호를 감쇠시키거나 신호의 잡음을 감소시키도록 배열될 수 있다.

측면들에 따르면, 방사 층의 방사 요소는 방사 층을 통해 연장되는 슬롯 개구이고, 바람직하게는 직사각형 슬롯 개구이다.

측면들에 따르면, 방사 층의 방사 요소는 보타이 안테나(bowtie antenna)이다. 보타이 안테나는 제조가 용이하다는 점에서 유리하다.

측면들에 따르면, 방사 층의 방사 요소는 자기-전기 다이폴 안테나이다. 유리하게는, 자기-전기 다이폴 안테나는 제조가 용이하고, 넓은 대역폭을 제공하면서 손실이 적다는 점에서 유리하다.

측면들에 따르면, PBC 상의 피드는 피드 층의 대응하는 개구에 연결된 관통 홀이거나, 필터 층이 존재하는 경우, 필터 층에서, PCB의 관통 홀은 마이크로 스트립 라인에 의해 공급된다.

첨부된 도면을 참조하여 본 개시를 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시에 따른 안테나 어레이를 예시하는 도면이다.
도 2는 메타물질 구조를 예시하는 도면이다.
도 3은 다른 메타물질 구조를 예시하는 도면이다.
도 4는 제3의 메타물질 구조를 예시하는 도면이다.
도 5는 4가지 유형의 메타물질 요소 배열을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 개시에 따른 필터 층을 갖는 안테나 어레이를 예시하는 도면이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 예시적인 자기-전기 다이폴 안테나의 상이한 각도를 도시한다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 자기-전기 다이폴 안테나에 대한 예시적인 피드 층의 일부의 상이한 각도를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 다양한 예시적인 자기-전기 다이폴 안테나를 도시한다.
도 10은 예시적인 자기-전기 다이폴 안테나를 도시한다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 자기-전기 다이폴 안테나의 예시적인 어레이의 다양한 각도를 도시한다.

이하에서 본 발명 사상의 특정 실시형태가 도시된 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 사상을 보다 완전하게 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 사상은 여러 가지 상이한 형태로 구체화 될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시형태에 한정되지 않는다. 오히려 이러한 실시형태들은 본 개시가 철저하고 완전하며, 본 발명의 사상의 범위를 통상의 기술자에게 완전히 전달할 수 있도록 하는 예시로서 제공된다. 설명 전체에서 동일한 도면번호는 동일한 요소를 나타낸다. 점선으로 표시된 모든 단계 또는 피처는 선택 사항으로 간주되어야 한다.

도 1은 주파수 대역에서 무선 주파수(RF) 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 안테나 어레이(100)를 도시한다. 주파수 대역은 낮은 컷오프 주파수와 높은 컷오프 주파수 사이의 주파수 간격이다. 안테나 어레이는 층상 구조(layered structure)를 가지고 있다.

층상 구조는 층으로 지칭되는 평면 요소를 복수 개 포함하는 구조이다. 각 요소에는 두 개의 사이드 또는 면이 있으며, 이들은 두께와 연관된다. 두께는 면의 치수보다 훨씬 작다. 즉, 층은 편평한 요소이다. 일부 측면에 따르면, 층은 직사각형 또는 정사각형이다. 그러나 원형 또는 타원형 디스크 모양을 포함하여 보다 일반적인 형상도 적용할 수 있다.

층상 구조는 층들이 기본 층에서 시작하여 서로의 위에 배열된다는 의미에서 스택되어 있다. 제1 층의 상부에 배열된 제2 층은 제1 층보다 베이스 층으로부터 더 멀리 위치한다. 즉, 층상 구조는 베이스 층에서 한 방향으로 만들어진 샌드위치 구조이다.

도 1에 도시된 층 구조(100)는 베이스 층(110)을 포함한다. 여기서 베이스 층은 베이스 층을 따라 전파하는 주파수 대역에서 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된 메타물질 구조(111)를 포함한다. 여기서 감쇠는 무선 주파수 신호와 같은 전자기 복사의 진폭 또는 파워를 현저히 감소시키는 것으로 해석된다. 감쇠는 바람직하게는 완전하고, 이 경우 감쇠와 차단은 동등하지만, 그러한 완전한 감쇠가 항상 달성될 수 있는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 어쨌든 메타물질 구조는 베이스 층을 따른 전자기 복사의 전파를 통해 발생하는 에너지 손실을 최소화하도록 배열된다.

주파수 대역에서 전자기 복사를 감쇠시키는 메타물질은 일반적으로 전자기 밴드갭 물질(EBM: electromagnetic bandgap material)로 알려져 있다. 다양한 EBM 종류가 존재한다. 일반적으로 EBM은 유전 특성이 대조되는 재료로 구성된 다양한 유형의 요소로 구성된다. 여기서, 대조적인 유전 특성(contrasting dielectric properties)은 재료 간의 유전 특성의 차이가 주어진 주파수 대역에서 전자기파의 회절이 발생할 만큼 충분히 크다는 것을 의미하는 것으로 해석된다. 일 예시에 따르면, EBM은 두 가지 재료로 구성될 수 있는데, 제1 재료는 공기와 유사한 유전 특성을 갖고, 제2 재료는 실리카 유리와 유사한 유전 특성을 갖는다. 즉, 제1 재료는 1에 가까운 굴절률을 갖고, 제2 재료는 1.5에 가까운 굴절률을 갖는다.

EBM의 요소들은 도 5와 관련하여 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 1차원, 2차원 또는 3차원에서 주기적인 패턴 또는 준-주기적 패턴으로 배열된다.

본 명세서에서, 준-주기적 패턴은 국부적으로는 주기적이지만, 장거리 질서(long-range order)를 나타내지 않는 패턴을 의미하는 것으로 해석된다. 준-주기적 패턴은 1차원, 2차원 또는 3차원으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 준-주기적 패턴은 요소 간격의 10배 미만의 길이 스케일에서는 주기적일 수 있지만, 요소 간격의 100배를 초과하는 길이 스케일에서는 그렇지 않다. 다른 예로서, 준-주기적 패턴은 비주기적 프로토타일 세트에 의해 생성된 비-주기적 타일링의 예를 구성하는 펜로즈 타일링(Penrose tiling)일 수 있다. 프로토타일의 비주기성은 타일링의 이동된 사본이 원본과 일치하지 않음을 의미한다. 펜로즈 타일링은 반사 대칭과 5중 회전 대칭을 모두 나타내도록 구성될 수 있다. 펜로즈 타일링은 비주기적이며, 이는 병진 대칭성(translational symmetry)이 없음을 의미한다. 자기 유사성이므로, 동일한 패턴이 더 크고 더 큰 규모로 발생한다. 따라서, 타일링은 "인플레이션"(또는 "디플레이션")을 통해 얻을 수 있으며, 타일링의 모든 유한 패치는 무한히 여러 번 발생한다. 이것은 준결정(quasicrystal)이다. 물리적 구조로 구현된 펜로즈 타일링은 브래그 회절을 생성하고, 회절도는 5중 대칭과 기본 장거리 순서를 모두 나타낸다.

EBM의 요소들에는 방사가 감쇠되는 주파수를 결정하는 크기 파라미터를 갖는다. 일 예시로, 요소가 슬래브, 즉 직사각형의 상자-형 요소인 경우, 크기 파라미터는 슬래브의 두께이다. 또 다른 예로, 요소가 단면이 원형인 막대인 경우, 크기 파라미터는 원형 횡단면의 지름이다. 적절한 전자기 밴드 갭을 얻으려면, 크기 파라미터가 주파수 대역의 전자기 복사 공기 중 파장을 2로 나눈 값에 가까워야 한다. 예를 들어 중심 주파수를 주파수 대역 중간의 주파수로 정의하면, 요소의 크기는 중심 주파수에서 방사 파장을 2로 나눈 값에 0.9에서 1.1 사이의 계수를 곱한 값일 수 있습니다. 이러한 유형의 EBM은 광결정(photonic crystal)이라고도 한다.

다른 예시에 따르면, EBM은 적어도 2개의 요소 유형을 포함할 수 있는데, 제1 유형의 요소는 전기 전도성 재료를 포함하고, 제2 유형의 요소는 전기 절연 재료를 포함한다. 제1 유형의 요소는 구리 또는 알루미늄과 같은 금속 또는 금 또는 구리와 같은 전도성 재료의 박층으로 코팅된 PTFE 또는 FR-4와 같은 비전도성 재료로 만들어질 수 있습니다. 제1 유형의 요소는 또한 탄소 나노구조체 또는 전도성 폴리머와 같은 금속과 유사한 전기 전도성을 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 제1 유형의 요소의 전기 전도도는 10³ S/m(Siemens per meter)을 상회할 수 있다. 제1 유형 요소의 전기 전도도는 10⁵ S/m을 상회하면 바람직하다. 즉, 제1 유형 요소의 전기 전도도는 전자기 복사가 요소에 전류를 유도할 수 있을 만큼 충분히 높고, 제2 유형 요소의 전기 전도도는 요소에 전류가 유도되지 않을 만큼 충분히 낮다.

제2 유형의 요소는 선택적으로 비전도성 폴리머, 진공 또는 공기일 수 있다. 이러한 비전도성 요소 유형의 예시에는 FR-4 PCB 재료, PTFE, 플라스틱, 고무 및 실리콘도 포함된다.

제2 유형 요소의 물리적 특성은 EBM을 지나치는 전자기 전파의 감쇠를 얻는 데 필요한 치수도 결정한다. 따라서 제2 유형의 재료가 공기와 다르게 선택되면, 제1 유형의 요소에 필요한 치수가 변경된다. 결과적으로, 제1 및 제2 유형의 요소에 대한 재료의 선택을 변경함으로써, 감소된 크기의 안테나 어레이를 얻을 수 있다. 감소된 크기의 안테나 어레이가 그러한 선택으로부터 얻어질 수 있다는 점에서 유리하다.

제1 예시에 따르면, 제1 유형의 요소는 약간의 간격을 두고 주기적인 패턴으로 배열된다. 제1 유형의 요소들 사이의 공백은 제2 유형의 요소들을 구성한다. 즉, 제1 유형의 요소들이 제2 유형의 요소들과 인터리브 된다. 제1 및 제2 유형 요소들의 인터리빙은 1차원, 2차원 또는 3차원으로 달성할 수 있다.

제1 또는 제2 유형 요소, 또는 제1 및 제2 유형 모두의 요소의 크기는 주파수 대역에서 전자기 복사의 공기 중에서의 파장보다 작다. 예를 들어, 중심 주파수를 주파수 대역 중간의 주파수로 정의하면, 요소 크기는 중앙 주파수에서 전자기 복사의 공기 중에서의 파장의 1/10 내지 1/50 사이이다. 이 유형의 메타물질은 인공 자기 전도체(AMC: artificial magnetic conductor)라고도 한다.

여기서, 요소 크기는 방사가 전파되는 방향의 요소 크기로 해석된다. 예를 들어, 원형 단면을 가진 수직 막대를 포함하고, 수평면에서 전자기 복사가 전파되는 요소의 경우, 요소의 크기는 막대의 단면의 길이이다.

도 2, 도 3 및 도 4는 제1 및 제2 유형의 요소가 AMC에서 배열되는 방법의 예를 보여준다. 도 2에 도시된 AMC(200) 유형은 전도성 기판 위에 전기 전도성 돌출부(201)를 포함한다. 돌출부(201)는 선택적으로 유전체 재료로 둘러싸일 수 있다. 도 2의 예에서, 전기 전도성 돌출부는 제1 유형의 요소를 구성하고, 선택적으로 비전도성 재료로 채워진 돌출부들 사이의 공간은 제2 유형의 요소를 구성한다. 돌출부(201)는 다양한 형상으로 형성될 수 있음을 이해해야 한다. 도 2는 돌출부가 정사각형 단면을 갖는 예를 보여 주지만, 돌출부는 원형, 타원형, 직사각형 또는 보다 일반적으로 형성된 단면 형상으로 형성될 수도 있다.

다른 예로서, 도 3에 도시된 유형의 AMC(300)는 안쪽으로 공동(302)이 도입된 전도성 재료의 단일 슬래브(301)로 구성된다. 공동은 공기로 채워지거나 비전 도성 재료로 채워질 수 있다. 공동은 상이한 형상으로 형성될 수 있다는 것으로 이해된다. 도 3은 타원형 단면 구멍이 형성된 예를 보여주지만, 구멍은 원형, 직사각형 또는 보다 일반적인 단면 형상으로 형성될 수도 있다. 도 3의 예에서, 슬래브(301)는 제1 유형의 요소를 구성하고, 구멍(302)은 제2 유형의 요소를 구성한다.

도 4는 선택적으로 막대 또는 슬래브인 신장된 전기 전도 요소들(401)이 복수 층으로 적층되되, 한 층의 막대들이 이전 층의 막대들과 일정 각도를 이루며 배치되어 있는 제3의 예시적인 유형의 AMC(400)를 개략적으로 도시한다. 도 4의 예시에서, 막대들은 제1 유형의 요소를 구성하고, 그 사이의 공간은 제2 유형의 요소를 구성한다. 도 4의 예시는 제1 유형과 제2 유형의 요소가 3차원으로 인터리빙 되는 AMC를 보여준다.

다시 도 1을 참조하면, 안테나 어레이(100)는 베이스 층(110)의 상부에 배열 된 인쇄 회로 기판(PCB) 층(120)을 추가로 포함하는데, 즉 베이스 층 위에 배열된 면을 가지며, 베이스 층을 향하는 PCB 측면에 배치된 적어도 하나의 RF IC를 포함한다. PCB는 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽으로 RF 신호를 전송하기 위한 하나 이상의 피드(121)를 추가로 포함한다.

일 예시에 따르면, PCB 층(120) 위의 피드(121)는 PCB 층(120)의 상부에 배열된 피드 층(130)의 대응하는 개구에 연결된 관통 홀이고, PCB 층(120)의 관통 홀은 마이크로스트립 라인에 의해 공급된다.

안테나 어레이는 또한 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽에 배열된 피드 층(130)을 포함하고, 피드 층은 PCB로부터 멀리 향하는 피드 층의 측면에 배열된 적어도 하나의 도파관을 포함한다. 각 도파관은 전자기파가 따라서 전도되는 릿지(131) 및 하나 이상의 메타물질 구조(132)를 포함한다. 메타물질 구조는 주파수 대역에서 도파관을 따라 전파되는 것과는 다른 방향으로 전파하는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된다. 메타물질 구조는 위에서 설명한 것과 같은 EBM이다.

유리하게는, 피드 층에서 EBM을 사용하면, 인접한 도파관들에서 RF 신호들 사이의 간섭뿐만 아니라 도파관으로부터의 손실도 감소시킨다. 그 결과, 피드 층에서 EBM의 사용 및 배치로 인해 더 높은 신호 대 노이즈 비율이 유지될 수 있다. 보다 유리하게는, 피드 층이 하나 이상의 메타물질 구조를 갖는 도파관을 포함하는 경우, PCB 층(120)상의 피드(121)로부터 도파관으로의 전이에서 고효율 커플링이 형성될 수 있으며, 이는 저 손실을 초래한다. 훨씬 더 유리하게도, 피드(121)로부터 도파관으로의 고효율 커플링은 슬롯 개구에서 1/4 파장의 쇼트의 사용을 방지하여 보다 콤팩트한 설계를 가능하게 한다.

안테나 어레이는 피드 층의 상부에 배치된 방사 층(140)을 더 포함하고, 방사 층은 RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소(141)를 포함한다.

예를 들어, 방사 층(140)의 방사 요소(141)는 방사 층을 관통하는 슬롯 개구 일 수 있다. 슬롯 개구는 바람직하게는 직사각형이지만, 정사각형, 원형 또는 더 일반적인 형상과 같은 다른 형상도 가능하다. 슬롯 개구는 바람직하게는 방사 층(140)의 크기에 비해 작고, 방사 층(140) 상에 평행선으로 배열되지만, 다른 배열도 가능하다. 하나의 예시에 따르면, 슬롯 개구의 크기는 8개 내지 10개의 슬롯 개구가 방사 층(140) 상에 일렬로 배열될 수 있도록 한다. 다른 예에 따르면, 방사 층의 대부분 위에서 연장되는 하나의 큰 슬롯 개구가 사용된다.

다른 예로서, 방사 층의 방사 요소는 보타이 안테나일 수 있다. 제3의 예시로서, 방사 층의 방사 요소는 패치 안테나일 수 있다. 보타이 및 패치 안테나 모두 제조가 용이하다는 점에서 유리하다.

방사 요소의 또 다른 예는 자기-전기(ME) 쌍극 안테나이다(도 7a, 도 7b 및 도 7c 참조). ME 다이폴은 전기 다이폴 안테나와 동등한 자기 다이폴 안테나라는 두 가지 기본 방사 요소를 결합하는 원리를 기반으로 한다. ME-쌍극자는 전기 전도성 공동으로 둘러싸인 4개의 전기 전도성 핀을 사용하여 구현될 수 있으며, 여기서 핀은 슬롯 개구가 있는 전도성 표면에 배열된다. 이러한 ME 다이폴 안테나는 예를 들어 기존 밀링 기술을 사용하여 쉽게 제작할 수 있다. 또한 캐비티-기반 ME 다이폴 안테나는 넓은 대역폭을 제공하면서도 손실이 적다.

방사하는 동안, 피드 층(130)으로부터 오는 전자기 에너지는 슬롯(730)을 통해 방사 요소에 결합된다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c의 예에서, 슬롯은 세리프 서체로 대문자 "I"의 형태 즉 덤벨 모양이다. 직사각형, 보타이 모양 또는 난간이 있는 계단(staircase) 모양과 같은 다른 형상도 가능하다는 것을 알 수 있다. 슬롯은 방향 D2로 연장하고 작동 주파수에서 전자기 복사의 파장의 절반에 해당하는 연장 방향의 길이를 갖는다. 슬롯(730)은 제한된 간격에서 넓은 대역폭에 걸쳐 피드 층(130)으로부터 방사 요소로 결합된 에너지를 최대화하기 위해 사용된다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 도 7a, 도 7b 및 도 7c의 ME 다이폴 안테나 예에 대한 예시적인 피드 층(130)의 일부의 상이한 각도를 도시한다. 예시적인 피드 층 부분은 도 2의 돌출부(201)와 유사한 돌출 핀(810)을 포함한다. 도면은 또한 도파관 릿지(820)를 도시하며, 이 도파관 릿지(820)는 슬롯에 연결된 형태(830)가 슬롯(730)의 형태와 매치되도록 배열된다. 이 매칭은, 제한된 간격에 걸쳐 넓은 대역폭에 걸쳐 피드 층(130)으로부터 방사 요소로 결합된 에너지를 최대화하기 위해 사용된다. 돌출 핀(810)은 피드 층에서 가능한 메타물질 구조의 한 예일 뿐이다. 본 문헌의 앞부분에서 언급했듯이, 다른 많은 메타물질 구조가 가능하다.

도 7a, 도 7b 및 도 7c의 ME-다이폴 안테나는 4개의 전도성 핀(710)과, 이들을 둘러싸는 공동 벽(720)에 의해 실현된다. 핀들은 전도성 표면으로부터, 작동 주파수에서 전자기 복사 파장의 1/4에 해당하는 연장되는 길이를 갖는다. 도 7a에서, 4개의 핀은 직사각형 단면 형상을 가지며, 직사각형의 긴 변은 D2 방향으로 연장되고, 짧은 변은 D1 방향으로 연장된다. 제1 핀 쌍은 슬롯의 다른 측면에 있는 2개의 핀을 포함하며, 직사각형의 짧은 측면의 연장 방향과 일치한다. 제2 핀 쌍은 나머지 두 핀을 포함한다. 두 쌍의 핀들의 표면은 방향 D1을 따라 2개의 전기 쌍극자로 각각 기능한다. 3개의 동등한 자기 쌍극자는 방향 D2를 따라 전도성 핀들과 캐비티 벽 사이의 갭과, 방향 D2에서 4개의 핀 사이의 갭에 의해 달성된다. 핀들 단면의 형상은 원형(도 9a 참조), 타원형, 삼각형(도 9b 참조) 또는 보다 일반적인 모양과 다른 형상도 가능하다는 점에 주목해야 한다. 또한 ME 다이폴 안테나에 짝수 개의 핀, 즉 슬롯의 각 측면에 핀이 있는 핀 쌍을 가질 수 있다. 단일 핀 쌍의 예는 도 10을 참조하기 바란다.

바람직하게는, 방사 층의 인접한 ME-다이폴 안테나는 격자 로브를 피하기 위해 작동 주파수에서 전자기 방사 파장의 절반 미만의 간격을 가져야 한다. 도 11a, 도 11b 및 도 11c는 방사 층(140)을 구성할 수 있는 ME-다이폴 안테나의 예시적인 어레이의 상이한 각도를 도시한다.

요약하면, 도 1은 주파수 대역에서 작동하도록 구성된 안테나 어레이(100)를 도시하는데, 이 안테나 어레이는 주파수 대역에서 상기 베이스 층을 따라 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된 메타물질 구조를 갖는 베이스 층(110)을 포함하는 층상 구성을 가지며, 여기서 메타물질 구조는 복수의 돌출 포스트를 포함하지 않는다. 안테나 어레이(100)는 또한 베이스 층(110)의 상부에 배열되고, 베이스 층(110)을 향하는 PCB 층(120)의 측면 상에 배열된 적어도 하나의 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC)를 포함하는 PCB 층(120)을 포함한다. PCB 층(120)은 RF IC(들)로부터 PCB 층(120)의 반대 측으로 RF 신호를 전송하기 위한 하나 이상의 피드(121)를 추가로 포함한다.

안테나 어레이는 RF IC(들)로부터 PCB 층(120)의 반대쪽에 배열된 적어도 하나의 피드 층(130)을 추가로 포함하고, 피드 층은 PCB로부터 멀리 향하는 피드 층의 측면에 배열된 적어도 하나의 도파관을 포함한다. 각 도파관은 전자기파가 전도되는 릿지(131)와, 하나 이상의 메타물질 구조(132)를 포함하며, 이 메타물질 구조는 주파수 대역에서 도파관을 따라 전파되는 것과는 다른 방향으로 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된다. 메타물질 구조는 복수의 돌출 포스트를 포함하지 않는다.

즉, 본 명세서에는, 메타물질 구조(들)가 주파수 대역에서 도파관을 따르는 방향이 아닌 다른 방향으로 전파하는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된 EBM을 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조를 포함하는 안테나 어레이가 개시되며, 여기서 EBM은 돌출 포스트 이외의 유형의 요소들을 포함한다.

안테나 어레이는 또한 적어도 하나의 피드 층(130) 상에 배열된 방사 층(140)을 포함하고, 이 방사 층은 RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소(141)를 포함한다.

도 6을 참조하면, 안테나 어레이(100)는 PCB 층(120)과 피드 층(130) 사이에 배열된 필터 층(150)을 또한 포함할 수 있다. 필터 층(150)은 RF 신호를 필터링하도록 배열된다. 일 예시에 따르면, 필터 층(150)은 컷오프 주파수를 상회하는 신호 성분만을 전송하고, 컷오프 주파수보다 낮은 신호 성분을 필터링하도록 배열된다. 다른 예시에 따르면, 필터 층(150)은 더 낮은 컷오프 주파수보다는 높고 더 높은 컷오프 주파수보다는 낮은 신호 성분만을 전송하도록 배열된다.

필터 층(150)은 적어도 하나의 도파관을 포함한다. 필터 층 내의 도파관은 하나 이상의 메타물질 구조를 포함할 수 있으며, 메타물질 구조(들)는 주파수 대역에서 도파관을 따르는 것 이외의 다른 방향으로 전파하는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배열된 EBM들을 포함한다. 유리하게는, 필터 층의 도파관에 하나 이상의 메타물질 구조를 통합시키면, 기존 도파관에 비해 손실을 낮출 뿐만 아니라, 인접한 도파관들 사이의 간섭을 방지할 것이다.

전반적으로, 층상 구조는 E-대역에서 약 80㎓의 무선 주파수 신호와 같은 고주파 전자기 신호의 송수신을 위한 효율적인 수단을 제공한다.

전송을 위한 신호는 PCB 층(120)의 일 측에 배열된 RF IC(들)에 의해 생성된다. 신호는 피드(121)로 전도된다. 베이스 층(110) 상의 메타물질 구조(111)는 이 단계 동안 손실을 감소시킨다. 피드(121)를 통해, 신호는 피드 층(130)으로 전달되고, 피드 층에서 릿지(131)를 따르게 된다. 이 단계에서, 메타물질 구조(132)는 인접한 도파관들에서 신호들 간의 손실 및 상호 작용을 감소시킨다. 그 후 신호는 방사 층(140)의 방사 요소(141)를 통해 전송된다.

선택적으로, 필터 층(150)이 포함된 경우, 신호는 피드(121)로부터 필터 층(150)으로 전달되고, 여기서 신호가 필터링 된다. 이어서, 신호는 피드 층(130)으로 전도되고, 방사 층(140)의 방사 요소를 통해 전송된다.

수신된 신호는 방사 층(140)의 방사 요소를 통해 입력된다. 신호는 피드 층의 도파관으로 들어가, PCB 층(120)의 피드(121)로 전도된다. 피드로부터 신호는 RF IC(들)로 전도된다. 대안적으로, 필터 층(150)이 포함된 경우, 신호는 PCB 층(120)에 들어가기 전에 필터 층(150)에 의해 필터링 된다.

Claims (14)

1. 주파수 대역에서 작동하기 위한 안테나 어레이(100)로, 상기 안테나 어레이는,
   메타물질 구조를 구비하는 베이스 층(110)으로, 상기 메타물질 구조는 주파수 대역에서 상기 베이스 층을 따라 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배치된, 베이스 층(110);
   인쇄 회로 기판(PCB) 층(120)으로, 상기 PCB 층은 상기 베이스 층(110) 위에 배치되어 있고, 상기 베이스 층(110)을 향하는 PCB 층(120)의 측면 위에 배치된 적어도 하나의 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC)를 포함하며, 상기 RF IC(들)로부터 상기 PCB 층(120)의 반대편으로 RF 신호를 전달하기 위한 하나 또는 그 이상의 피드(121)를 포함하는, PCB 층(120);
   RF IC(들)로부터 PCB 층(120)의 반대 측면 위에 배치된 적어도 하나의 피드 층(130)으로, 상기 피드 층은 상기 PCB 층(120)으로부터 멀리 향하는 피드 층의 측면 위에 적어도 하나의 도파관을 포함하되, 각 도파관은 전자기파들이 따라서 전도되는 릿지(131)를 포함하고, 각 도파관은 하나 또는 그 이상의 메타물질 구조(132)를 추가로 포함하되, 상기 메타물질 구조는 주파수 대역에서 도파관을 따르는 방향 이외의 방향으로 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배치된, 적어도 하나의 피드 층(130); 및
   상기 적어도 하나의 피드 층(130) 위에 배치되며, RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소(141)를 포함하는 방사 층(140);을 포함하는 층상 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
2. 제1항에 있어서,
   메타물질 구조들(111, 131) 중 적어도 하나는 적어도 2개의 유형의 요소를 포함하되, 제1 유형의 요소는 전기 전도성 재료를 포함하고, 제2 유형의 요소는 전기 절연성 재료를 포함하고, 제1 유형 요소는 제2 유형 요소와 인터리브 되어 있으며, 주파수 대역에서 전자기 복사가 메타물질 구조에 의해 감쇠되도록, 제1 유형 및 제2 유형의 요소들의 물리적 크기가 주파수 대역에서 전자기 복사의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
3. 제2항에 있어서,
   제1 유형의 요소는 돌출 피처(201)를 포함하고, 제2 유형의 요소는 상기 돌출 피처들 사이의 공간을 점유하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
4. 제2항에 있어서,
   제1 유형의 요소는 복수의 공동(302)을 포함하는 전기 전도성 재료(301)를 포함하고, 제2 유형의 요소는 상기 공동을 점유하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
5. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서,
   제1 유형의 요소 및 제2 유형의 요소는, 병진(501), 회전(502), 또는 활공 대칭(503), 또는 준 주기적 패턴을 특징으로 하는 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
6. 제1항에 있어서,
   메타물질 구조들 중 적어도 하나는 대조적인 유전 특성을 갖는 재료들의 주기적 또는 준 주기적 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   PCB 층과 피드 층 사이에 배치된 필터 층(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
8. 제7항에 있어서,
   필터 층(150) 내의 도파관은 하나 또는 그 이상의 메타물질 구조를 포함하되, 상기 메타물질 구조는 주파수 대역에서 적어도 2개의 인접하는 도파관들 사이에서 전파되는 전자기 복사를 감쇠시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 PCB 층(120) 상의 피드(121)는 피드 층(130) 내의 대응 개구에 연결된 관통 홀이고, 또는 필터 층이 존재하는 경우에는, 필터 층(150) 내에서, 마이크로스트립 라인에 의해 공급되는 PCB의 관통 홀인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    방사 요소 중 적어도 하나는 방사 층을 관통하여 연장하는 슬롯 개구인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    방사 요소 중 적어도 하나는 보타이 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    방사 요소 중 적어도 하나는 패치 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    방사 요소 중 적어도 하나는 전자기 다이폴 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이.
14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 안테나 어레이를 포함하는 레이더 및/또는 통신 분야에 사용하기 위한 트랜스시버.

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