KR101986048B1 - 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치 - Google Patents

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diode
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박규환
김진수
최종호
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치가 개시된다. 상기 마이크로파 공간변조장치는 전자기파를 반사하는 반사판과, 상기 반사판의 상부면에 어레이 형태로 구성되고, 각각이 상기 반사판에 대하여 수직 방향으로 세워서 배열된 단위 셀들의 어레이를 포함하고, 각 단위 셀은 상기 전자기파의 위상을 독립적으로 제어한다.

Description

메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치{A SPATIAL MICROWAVE MODULATING DEVICE USING ACTIVE METASURFACE}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 마이크로파 공간변조장치에 관한 것으로, 특히 메타표면을 기반으로 하는 마이크로파 공간변조장치에 관한 것이다.
마이크로파의 공간분포제어(spatial microwave modulation)는 특정 공간으로 마이크로파 에너지를 집중시키거나 분산시킬 수 있는 기술을 의미한다. 공간분포제어는 특정위치에 마이크로파를 집중시켜 원거리의 해당위치로 에너지를 전송할 수 있는 무선 전력 전송이나, 반대로 특정 위치에 마이크로파가 전달되지 않도록 하여 무선통신정보가 새어나가지 않도록 할 수 있는 무선 통신 보안 등의 기본 원리이다.
원거리로 방사되는 마이크로파의 파면(wavefront)을 조종하여 원하는 방향으로 전자기파를 방사하는 기술로 위상 배열 안테나(phased array antenna) 기술이 있다. 이 기술은 여러 안테나를 평면 위에 배치하고 각 안테나로부터 방사되어 나오는 전자기파의 위상과 크기를 방사되기 전에 각 안테나의 위치에 따라 위상과 크기를 다르게 제어하여 방사하도록 하는 기술이다. 각 안테나의 위치에 따라 위상과 크기를 다르게 제어함으로써 위상 배열 안테나 평면에서 형성되는 전자기파는 원하는 방향으로 방사될 수 있다.
그러나, 상기 위상 배열 안테나는 각 안테나로부터 방사되는 전자기파 파장의 절반정도의 거리를 두도록 안테나들을 배열하여 제작한다. 왜냐하면 위상 배열 안테나가 활용되는 분야가 원거리 전자기파 제어를 목적으로 하는 분야이기 때문이다.
최근에는 메타표면(metasurface)으로 마이크로파 공간변조장치를 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 메타표면은 위상 배열 안테나와 달리 표면 구조체와 전자기파가 상호작용하여 변조되므로, 위상 배열 안테나에서 사용되는 전자기파의 위상과 크기의 변조장치가 부가적으로 필요 없다. 따라서, 메타표면을 활용하여 마이크로파 공간변조장치를 구현하면 비용이 절감되고 용이하게 구현할 수 있다.
선행논문 "Shaping complex microwave fields in reverberating media with binary tunable metasurfaces"에는 메타표면을 이용하여 마이크로파 필드를 형성하는 발명이 개시되어 있다.
그러나, 상기 선행기술문헌은 위상 배열 안테나 기술과 동일하게 안테나들 사이의 거리가 전자기파 파장의 절반을 유지하고 있어 여전히 부피가 크다는 문제점이 있다.
N. Kaina et al., Scientific Reports volume 4, Article number: 6693 (2014) "Shaping complex microwave fields in reverberating media with binary tunable metasurfaces"(2014.10.21)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치는 레조네이터(resonator)에 해당하는 단위 셀들 사이의 거리가 전자기파 파장의 절반보다 좁은 메타표면을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치는 전자기파를 반사하는 반사판과, 상기 반사판의 상부면에 어레이 형태로 구성되고, 각각이 상기 반사판에 대하여 수직 방향으로 세워서 배열된 단위 셀들;을 포함하고, 각 단위 셀은 상기 전자기파의 위상을 독립적으로 제어한다.
상기 어레이는 복수의 열들을 포함하고, 상기 복수의 열들 사이의 간격은 일정한 크기를 가진다.
상기 간격은 상기 전자기파의 파장의 절반보다 작다.
상기 각 단위 셀의 길이는 상기 전자기파의 파장의 절반보다 작다.
상기 단위 셀은 상기 단위 셀 내에 배치된 다이오드와, 상기 다이오드를 중심으로 양쪽에 배치된 제1 인덕터와 제2 인덕터와, 상기 제1 인덕터와 연결된 저항을 포함한다.
상기 제1 인덕터와 상기 저항을 통해 상기 단위 셀로 전압이 인가되고, 상기 제2 인덕터는 접지와 연결되고, 상기 단위 셀은 상기 저항의 저항 값과 상기 단위 셀 내의 다이오드에 인가되는 전압의 크기에 따라 상기 전자기파의 위상을 제어한다.
상기 단위 셀은, 상기 단위 셀 내에 배치된 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치는 레조네이터에 해당하는 단위 셀들 사이의 거리가 전자기파 파장의 절반보다 좁은 메타표면을 제공함으로써 좁은 영역에 많은 수의 단위 셀을 집적시킬 수 있다. 따라서, 마이크로파 공간변조장치의 부피가 줄어듦에도 불구하고 특정 공간에 전자기파를 제어(집중 또는 분산 등)할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 마이크로파 공간변조장치는 3차원 공간을 활용함으로써 높은 밀도의 메타표면을 구현할 수 있다. 따라서, 상기 마이크로파 공간변조장치는 작은 부피로 근접장 제어가 가능하므로, 실내 공간에서 마이크로파 공간변조가 필요한 경우에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기장의 공명 현상을 이용한 단위 셀의 구조를 나타낸다.
도 3의 (a)는 도 2의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 반사도의 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 3의 (b)는 도 2의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 위상 변화의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장의 공명 현상을 이용한 단위 셀의 구조를 나타낸다.
도 5의 (a)는 도 4의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 반사도의 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5의 (b)는 도 4의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 위상 변화의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (a)는 마이크로파 공간변조장치, 안테나, 및 스캐닝 영역을 위에서 내려다 본 도면이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 공간변조 능력을 설명하기 위한 측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 공간변조장치의 위치에 따른 전력 이득을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예 및 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상술한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 마이크로파 공간변조장치(10)는 반사판(100)과 메타표면(200)을 포함한다. 실시 예에 따라, 마이크로파 공간변조장치(10)는 제어장치(300)를 더 포함할 수 있다.
반사판(100)은 전자기파를 반사시킬 수 있는 도체로 형성될 수 있다.
메타표면(metasurface, 200)은 반사판(100)의 상부면(x-y 평면)에 복수의 단위 셀들(unit cells) 각각이 패터닝되어 형성된다. 각 단위 셀(210)은 공진 현상을 이용해서 전자기파의 위상을 조절하는 레조네이터(resonator)일 수 있다.
복수의 단위 셀들은 반사판(100)의 상부면에 어레이 형태로 구성되고, 상기 어레이는 복수의 열들을 포함하고, 상기 복수의 열들 사이의 간격은 일정한 크기를 가질 수 있다.
특히, 본 발명은 각 단위 셀(210)을 반사판(100)에 대하여 수직 방향(z 방향)으로 세워서 3차원 형태의 메타표면(200)을 형성할 수 있다. 따라서, x-방향의 패턴 사이의 간격은 복수의 단위 셀들이 패터닝 된 기판의 두께만을 고려하면 되므로 메타표면(200)을 구성하는 단위 셀들의 밀도를 높일 수 있다.
제어장치(300)는 각 단위 셀(210)을 독립적으로 제어할 수 있다. 예컨대, 제어장치(300)는 각 단위 셀에 전압(예컨대, 5V 또는 0V)을 인가하여 원하는 특정 공간으로 전자기파가 집중되도록 수 있다.
본 명세서에서는 0V 또는 5V의 전압을 인가하는 것으로 단위 셀의 상태를 제어하도록 도시하고 설명하였으나, 단위 셀로 인가되는 전압의 크기를 변화시켜 메타표면에서 마이크로파의 공진 시 생성되는 전류의 양을 조절함으로써 방출되는 마이크로파의 크기도 제어될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기장의 공명 현상을 이용한 단위 셀의 구조를 나타낸다. 도 1과 도 2를 참조하면, 메타표면(200)을 구성하는 단위 셀(210)은 지름 d의 반원 형태의 전자기파 공명구조이고, 구리 도선으로 형성될 수 있다. 단위 셀(210)을 휘도록 설계함으로써 반사판(100)의 y-방향의 간격을 좁힐 수 있다.
안테나의 크기(d)는 사용하는 전파의 파장(λ)에 따라 정해지는데 본 발명의 단위 셀은 지름(d)이 λ/2 보다 작은 값(예컨대, λ/6)으로 구현될 수 있다. 또한, 단위 셀 어레이에 포함된 복수의 열들 사이의 간격을 반파장(λ/2) 보다 줄일 수 있다.
본 명세서에서는 반원 형태의 단위 셀을 도시하고 설명하였으나, 단위 셀의 형상이 이에 한정되는 것은 아니고, 입사하는 전자기파의 파면 형태를 변조할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
단위 셀(210)은 다이오드(230), 제1 인덕터(250), 제2 인덕터(270)를 포함한다. 실시 예에 따라 단위 셀(210)은 저항(290)을 더 포함할 수 있다. 다이오드(230)는 단위 셀(210) 내에 배치되고, 제1 인덕터(250)와 제2 인덕터(270)는 다이오드(230)를 중심으로 양쪽에 배치된다. 저항(290)은 다이오드(230)에 인가되는 전압의 크기를 변화시키는데 사용된다. 저항(290)은 제 1 인덕터(250)와 제어장치(300) 사이 또는 제 2 인덕터(270)와 제어장치(300) 사이에 연결되고, 저항(290)은 제어장치(300)으로부터 전압을 공급받는다. 저항(290)이 제 1 인덕터(250)와 제어장치(300) 사이에 연결될 때 제2 인덕터(270)는 접지와 연결된다.
전자기파가 단위 셀(210)에 입사되면 전자기파는 단위 셀(210)과 상호작용하면서 교류 전류가 유도된다. 제1 인덕터(250)와 제2 인덕터(270)는 제어장치(300)와 접지로 전자기파에 의해 유도된 교류 전류가 흐르지 못하도록 차단하는 역할을 한다.
다이오드(230)는 단위 셀(210)의 구리 도선을 끊거나 연결시기는 역할을 한다. 예컨대, 제어장치(300)로부터 제1 인덕터(250)와 저항(290)을 통해 단위 셀(210)로 전압(예컨대, 5V)이 공급되면, 다이오드(230)는 단위 셀(210)의 구리 도선을 연결시키고(즉, 단위 셀(210)의 상태가 온(on) 상태가 되고) 다이오드(230)에 전류가 흐른다. 단위 셀(210)로 입사하는 전자기파는 단위 셀(210)과 상호작용하여 입사된 전자기파의 위상이 변조되어 반사된다.
반대로, 제어장치(300)로부터 단위 셀(210)로 전압이 공급되지 않으면 다이오드(230)는 단위 셀(210)의 구리 도선을 끊고(즉, 단위 셀(210)의 상태가 오프(off) 상태가 되고) 다이오드(230)에 전류가 흐르지 않는다. 단위 셀(210)로 입사되는 전자기파는 위상이 변조되지 않고 반사된다.
따라서, 각 단위 셀(210)은 저항(290)의 저항 값과 단위 셀(210) 내의 다이오드에 인가되는 전압의 크기에 따라 입사되는 전자기파의 위상을 개별적으로 변조할 수 있다.
또한, 복수의 단위 셀들 즉, 여러 채널의 단위 셀들(210)이 각각 개별적으로 온/오프 상태가 바뀌면, 마이크로파 공간변조장치(10)에 입사하는 전자기파는 공간적으로 단위 셀들과 상호작용하여 전자기파의 파면 형태가 변조된다(wavefront shaping). 따라서, 변조된 전자기파에 의해 마이크로파 공간변조장치(10)가 위치한 공간 내의 전자기파가 변조된다.
도 3의 (a)는 도 2의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 반사도의 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 3의 (b)는 도 2의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 위상 변화의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2 에서 단위 셀(210)의 전자기파 공명지점은 단위 셀(210)의 크기를 나타내는 d 값에 따라 바뀌므로, 도 2의 단위 셀(210)의 크기를 나타내는 d 값이 바뀌면 도 3의 단위 셀(210)의 특성을 나타내는 스펙트럼이 전체적으로 바뀐다. 예컨대, d 값이 커지면 스펙트럼이 모양이 거의 유지되면서 전체적으로 주파수 축상 왼쪽으로 옮겨가게 되고(redshift), d 값이 작아지면 스펙트럼이 모양이 거의 유지되면서 전체적으로 주파수 축상에서 오른쪽으로 옮겨가게 된다(blueshift).
단위 셀로 전압이 인가되는 경우(예컨대, 5V, 온 상태)와 인가되지 않는 경우(예컨대, 0V, 오프 상태)뿐만 아니라, 단위 셀로 인가되는 전압의 크기를 다양하게 변화시켜 반사되는 마이크로파의 크기도 제어할 수 있다. 단위 셀로 인가되는 전압의 크기를 변화시켜 메타표면에서 마이크로파의 공진 시 생성되는 전류의 양을 조절할 수 있기 때문이다.
따라서, 각 단위 셀을 디지털 ON/OFF 제어뿐만 아니라 아날로그 제어도 가능하도록 함으로써 마이크로파의 공간 분포를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
도 3의 (a)와 도 3의 (b)에 도시된 그래프는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상이 도면에 기재된 수치들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장의 공명 현상을 이용한 단위 셀의 구조를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 메타표면(200)을 구성하는 단위 셀(210')은 직사각형 링구조이고, 구리 도선으로 형성될 수 있다.
도 2의 전기장을 공명 현상을 이용한 단위 셀과 마찬가지로, 안테나의 크기(d)는 사용하는 전파의 파장(λ)에 대해 λ/2 보다 작은 값(예컨대, λ/6)으로 구현될 수 있다. 또한, 단위 셀 어레이에 포함된 복수의 열들 사이의 간격을 반파장(λ/2) 보다 줄일 수 있다.
단위 셀(210')은 다이오드(230'), 제1 인덕터(250'), 및 제2 인덕터(270')를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라, 단위 셀(210')은 저항(290')과 커패시터(280)를 더 포함할 수 있다. 단위 셀(210')의 구조가 직사각형 링구조이고, 단위 셀(210')이 커패시터(280)를 더 포함하는 것을 제외하면 도 4의 단위 셀의 원리는 도 2에서 도시되고 설명된 단위 셀의 원리와 실질적으로 동일 또는 유사하다.
커패시터(280)는 단위 셀(210)로 전압이 인가될때 다이오드(230)에 전압이 걸리도록 해준다.
본 명세서에서는 직사각형 링구조의 단위 셀을 도시하고 설명하였으나, 단위 셀의 형상이 이에 한정되는 것은 아니고, 입사하는 전자기파의 파면 형태를 변조할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
도 5의 (a)는 도 4의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 반사도의 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5의 (b)는 도 4의 단위 셀에 대한 전압 변화에 따른 위상 변화의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2의 단위 셀과 마찬가지로 도 4의 단위 셀은 다이오드 정방향에 인가되는 전압 (forward bias)이 변함에 따라 다이오드에 흐르는 전류가 달라진다. 또한, 자기장의 공명 현상을 이용한 단위 셀의 경우에도, 단위 셀 내의 다이오드로 인가되는 전압을 다양하게 변화시켜 반사되는 마이크로파의 크기도 제어할 수 있다. 따라서, 각 단위 셀을 아날로그 제어도 가능하도록 함으로써 마이크로파의 공간 분포를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
도 5의 (a)와 도 5의 (b)에 도시된 그래프는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상이 도면에 기재된 수치들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
도 6의 (a)는 마이크로파 공간변조장치, 안테나, 및 스캐닝 영역을 위에서 내려다 본 도면이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 공간변조 능력을 설명하기 위한 측정 결과이다.
도 6의 (b)는 도 6의 (a)의 스캐닝 영역(SA)에서 전자기파의 세기를 측정하여 전자기파가 공간적으로 어떠한 분포를 가질 수 있는 지를 나타낸다. 즉 안테나에서 전자기파가 방사되어 마이크로파 공간변조장치(10)와 상호작용을 하여 변조된 마이크로파가 공간에서 진행할 때 그 공간 분포를 측정하였다.
도 6의 (b)는 공간 분포의 측정 결과를 대표적인 3가지의 경우로 나타낸다. 예컨대, 마이크로파가 가운데로 가장 많이 방사되록 하거나(beaming), 마이크로파가 한쪽 방향으로 치우치게 하거나(steering), 또는 마이크로파가 가운데 영역을 제외한 양쪽으로 방사되어 공간적으로 갈라져서 퍼지도록할 수 있다(splitting).
마이크로파 공간변조장치(10)에서 흑색으로 표시된 단위 셀은 오프 상태를 나타내고, 백색으로 표시된 단위 셀은 온 상태를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 공간변조장치의 위치에 따른 전력 이득을 나타내는 그래프이다. 본 발명의 마이크로파 공간변조장치의 각각의 단위 셀들에는 모두 독립적으로 개별 전압이 인가 될 수 있다. 도 7에서는 원거리로 마이크로파 에너지를 송신 시에, 마이크로파 공간변조장치에 전압이 인가되지 않는 경우(OFF), 및 단위 셀들 각각에 개별 전압이 인가될 때 최악의 경우(WORST)와 최적의 경우(BEST)에 가질 수 있는 이득을 예로서 표현하였다.
도 7에 도시된 그래프는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상이 도면에 기재된 수치들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10; 마이크로파 공간변조장치
100; 반사판
200; 메타표면
300; 제어장치

Claims (7)

  1. 전자기파를 반사하는 반사판; 및
    상기 반사판의 상부면에 어레이 형태로 구성되고, 각각이 상기 반사판에 대하여 수직 방향으로 세워서 배열된 단위 셀들;을 포함하고,
    각 단위 셀은 상기 전자기파의 위상을 독립적으로 제어하며,
    상기 단위 셀은,
    상기 단위 셀 내에 배치된 다이오드;
    상기 다이오드를 중심으로 양쪽에 배치된 제1 인덕터와 제2 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터와 연결된 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어레이는 복수의 열들을 포함하고, 상기 복수의 열들 사이의 간격은 일정한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 간격은 상기 전자기파의 파장의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 단위 셀의 길이는 상기 전자기파의 파장의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 저항을 통해 상기 단위 셀로 전압이 인가되고,
    상기 제2 인덕터는 접지와 연결되고,
    상기 단위 셀은 상기 저항의 저항 값과 상기 단위 셀 내의 다이오드에 인가되는 전압의 크기에 따라 상기 전자기파의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은,
    상기 단위 셀 내에 배치된 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치.
KR1020180046334A 2018-04-20 2018-04-20 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치 KR101986048B1 (ko)

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