KR102037227B1 - 메타표면을 갖는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 슬롯 안테나는, 기판 집적 도파관 구조를 가지며 상면에 적어도 하나의 슬롯이 형성되어, 전자기파가 상기 기판 집적 도파관 구조에 의해 가이드되어 상기 슬롯으로 방사되는 하부기판; 및 상기 하부기판 상에 형성되며, 복수의 단위셀이 소정 간격으로 배열된 메타표면을 갖고, 상기 슬롯을 통해 급전된 전자기파가 상기 메타표면에 의해 재방사되는 상부기판을 포함한다.

Description

메타표면을 갖는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나{SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE SLOT ANTENNA WITH METASURFACE}
본 발명은 기판 집적 도파관 슬롯 안테나에 관한 것에 관한 것으로, 특히 메타표면을 포함함으로써 향상된 이득 및 대역폭을 갖는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나에 관한 것이다.
최근 소형 안테나가 두께가 작고 집적이 용이할 뿐 아니라, 비용이 적게 들고 제작기간이 짧은 이점으로 인하여 널리 사용되고 있다.
종래는 중·대형 위성 위주의 위성 산업이 발달했다. 중·대형 위성의 경우 크기에 따라 제작기간 및 제작비용이 다르지만 최소 1천억 원 이상의 비용과 5년 이상의 긴 제작기간이라는 단점을 갖고 있다. 종래의 중·대형 위성의 비용 및 기간에 대한 단점을 해결하면서, 일부 역할을 대체할 위성으로 소형 위성 및 큐브위성이 우주 산업 기술에서 주목 받고 있다. 큐브 위성에서는 목적에 따라서 다양한 안테나가 사용되고, 보통 안테나의 크기는 10×10×10㎤ 이하로 제한된다. 이러한 큐브위성의 모양인 육면체에 장착이 쉬운 패치 안테나가 많이 이용되고 있다. 그러나, 패치 안테나는 낮은 이득과 좁은 대역폭의 한계가 있다.
전술한 패치 안테나로서 기판 집적 도파관 구조를 이용한 안테나가 이용될 수 있다. 기판 집적 도파관 구조의 안테나는 기판에 집적되어 얇은 두께와 소형 설계가 가능하며 도파관과 같은 구조의 장점을 갖는다. 그러나, 기판 집적 도파관 구조를 갖는 안테나는 주로 슬롯을 통하여 방사하는 형태를 가지며 이러한 기판 집적 도파관 슬롯 안테나는 높은 Q인자를 갖기 때문에 여전히 좁은 대역폭을 갖는다.
본 발명의 실시예는 전술한 기판 집적 도파관 구조의 안테나의 낮은 이득과 좁은 대역폭의 한계를 극복한 메타표면을 갖는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 슬롯 안테나는, 기판 집적 도파관 구조를 가지며 상면에 적어도 하나의 슬롯이 형성되어, 전자기파가 상기 기판 집적 도파관 구조에 의해 가이드되어 상기 슬롯으로 방사되는 하부기판; 및 상기 하부기판 상에 형성되며, 복수의 단위셀이 소정 간격으로 배열된 메타표면을 갖고, 상기 슬롯을 통해 급전된 전자기파가 상기 메타표면에 의해 재방사되는 상부기판을 포함한다.
상기 하부기판은, 제1층; 상기 제1층 상에 위치하며, 상기 슬롯이 형성된 제2층; 및 각각이 수직방향으로 연장되어 상기 제1층과 상기 제2층을 연결하며, 소정의 간격으로 배열되어 전자기파를 가이드하는 복수의 비아를 포함할 수 있다.
상기 하부기판은, 상기 복수의 비아가 배열되는 방향의 일측에 형성되어 전자기파를 도입하는 도입부를 더 포함할 수 있다.
상기 메타표면은 소정의 형상을 갖는 복수의 금속 도체가 일정 간격으로 주기를 갖고 배열된 것일 수 있다.
상기 메타표면은 사각형 형상의 복수의 금속 도체가 이차원 평면상에서 일정 간격으로 배열된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 슬롯 안테나는, 기판 집적 도파관 구조를 가지며 상면에 적어도 하나의 슬롯이 형성된 하부기판; 및 상기 하부기판 상에 형성되며, 복수의 단위셀이 소정 간격으로 배열된 메타표면을 갖는 상부기판을 포함한다.
상기 기판 집적 도파관 구조에 도입된 전자기파는 상기 기판 집적 도파관 구조에 의해 가이드되어 상기 슬롯으로 방사되며, 상기 슬롯을 통해 방사된 전자기파는 상기 상부기판의 메타표면을 통해 재방사될 수 있다.
상기 하부기판은, 제1층; 상기 제1층 상에 위치하며, 상기 슬롯이 형성된 제2층; 및 각각이 수직방향으로 연장되어 상기 제1층과 상기 제2층을 연결하며, 소정의 간격으로 배열되어 전자기파를 가이드하는 복수의 비아를 포함할 수 있다.
상기 하부기판은, 상기 복수의 비아가 배열되는 방향의 일측에 형성되어 전자기파를 도입하는 도입부를 더 포함할 수 있다.
상기 메타표면은 소정의 형상을 갖는 복수의 금속 도체가 이차원 평면상에서 일정 간격으로 배열된 것일 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 의하면, 기판 집적 도파관 구조를 갖는 하부 기판에 메타표면의 상부 기판을 포함하기 때문에 대역폭 및 이득이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 하부 기판의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 하부 기판의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 하부 기판의 기판 집적 도파관 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상부기판의 메타표면을 형성하는 단위셀의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 상부기판의 메타표면을 형성하는 단위셀의 상면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 S 파라미터를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 이득을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 전기장 분포를 나타내는 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 상면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 분해 사시도이다.
도 1~도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)는, 기판 집적 도파관 구조를 가지며 상면에 적어도 하나의 슬롯(110)이 형성된 하부기판(100); 및 상기 하부기판(110) 상에 적층되며, 복수의 단위셀(210)이 소정 간격으로 배열된 메타표면이 형성된 상부기판(200)을 포함한다.
다음으로, 도 4~도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 하부 기판(100)에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 하부 기판(100)의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 하부 기판(100)의 상면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하부기판(100)에는 도입부(120)가 형성되고, 하부기판(100)의 상면에는 적어도 하나의 슬롯(110)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 도입부(120)를 통해 급전된 전자기파는 하부기판(100)의 기판 집적 도파관 구조에 의해 가이드되어 슬롯(110)을 통해 방사된다. 도입부(120)는 마이크로스트립 선로로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5에는 슬롯(110)이 3개인 것으로 도시하였지만, 상이한 개수의 슬롯이 형성될 수도 있다. 또한, 하부기판(100)의 y 방향의 일측에 도입부(120)이 형성되고, 복수의 슬롯(110)이 y 방향으로 배열된 것으로 도시하였지만, 도입부(120)의 위치 및 슬롯(110)의 배열 방향 등은 상이할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 하부 기판(100)의 기판 집적 도파관 구조를 설명하기 위한 도면으로, 하부 기판(100)의 일부에 해당한다. 도 6에 슬롯과 도입부는 도시되어 있지 않으며, 복수의 비아(150) 중 일부만을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 하부기판(100)은, 금속으로 형성된 제1층(130); 상기 제1층(130) 상에 위치하며, 상기 슬롯(110)이 형성된 제2층(140); 및 각각이 수직방향으로 연장되어 상기 제1층(130)과 상기 제2층(140)을 연결하며, 소정의 간격으로 배열되어 전자기파를 가이드하는 복수의 비아(150)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 제1층(130)과 제2층(140)은 접지될 수 있다. 제1층(130)과 제2층(140)의 사이는 유전물질이 채워져 있을 수 있다.
이러한 구조를 갖는 기판 집적 도파관 구조의 하부 기판에 의해 포트 1로 도입된 전자기파는 복수의 비아에 의해 가이드되어 포트 2로 출력될 수 있다.
다시 도 4로 돌아가면, 본 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나(1)의 하부 기판(100)에서, 복수의 비아(150)는 y 방향으로 2열로 배열되며, y 방향의 단부측에 x 방향으로 배열될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 비아는 "ㄷ"자 형상으로 배열되며, "ㄷ"자 형상의 개구부에 도입부가 연결될 수 있다. 또한, 하부 기판(100)의 제2층(140)에는 슬롯(110)이 형성된다. 이에 따라, 도입부(120)를 통해 도입된 전자기파가 복수의 비아(150)에 의해 가이드되어 슬롯(110)으로 출력될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상부기판(200)의 메타표면을 형성하는 단위셀(210)의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 상부기판(200)의 메타표면을 형성하는 단위셀(210)의 상면도이다.
도 1, 도 2, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상부기판(200)의 메타표면은 단위셀(210)이 이차원 평면상에서 일정 간격으로 배열됨으로써 형성될 수 있다. 본 실시예에서 단위셀(210)은 사각형 형상의 도체를 포함할 수 있다. 도면에서 노란색의 사각형 테두리 형상이 단위셀(210)의 도체에 해당한다.
메타물질은 도체의 주기구조 배열을 통하여 자연계에서 존재하지 않는 유전 특성을 나타내는 것으로, 0에 근사한 굴절률 및 다양한 분산 특성을 나타내기 때문에 덮개로 사용할 경우 안테나의 대역폭 및 이득을 향상시킬 수 있다. 본 실시예는 하부기판(100) 상에 메타표면을 갖는 상부기판(200)을 적층하는 구조를 가짐으로써, 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나가 갖는 이득 및 대역폭의 한계를 극복할 수 있다.
도 9~도 11은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 S 파라미터를 나타낸다. 동작 주파수는 약 4.8GHz이며, 향상된 대역폭을 나타낸 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 이득을 나타내는 도면이다. 도 10에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나는 z 방향으로 높은 이득을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 슬롯 안테나의 전기장 분포를 나타내는 도면이다. 위로부터 아래로 차례로 0°, 90°, 180°, 270°를 나타낸다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 기판 집적 도파관 구조의 안테나는 위성뿐만 아니라 다른 분야, 예를 들어 무선통신 분야 등에도 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판 집적 도파관 구조를 가지며 상면에 적어도 하나의 슬롯이 형성되어, 전자기파가 상기 기판 집적 도파관 구조에 의해 가이드되어 상기 슬롯으로 방사되는 하부기판; 및
    상기 하부기판 상에 형성되며, 복수의 단위셀이 소정 간격으로 배열된 메타표면을 갖고, 상기 슬롯을 통해 급전된 전자기파가 상기 메타표면에 의해 재방사되는 상부기판;
    을 포함하고,
    상기 하부기판은,
    제1층;
    상기 제1층 상에 위치하며, 상기 슬롯이 형성된 제2층; 및
    각각이 수직방향으로 연장되어 상기 제1층과 상기 제2층을 연결하며, 소정의 간격으로 배열되어 전자기파를 가이드하는 복수의 비아;
    를 포함하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부기판은,
    상기 복수의 비아가 배열되는 방향의 일측에 형성되어 전자기파를 도입하는 도입부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면은 소정의 형상을 갖는 복수의 금속 도체가 일정 간격으로 주기를 갖고 배열된 것을 특징으로 하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메타표면은 사각형 형상의 복수의 금속 도체가 이차원 평면상에서 일정 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  6. 기판 집적 도파관 구조를 가지며 상면에 적어도 하나의 슬롯이 형성된 하부기판; 및
    상기 하부기판 상에 형성되며, 복수의 단위셀이 소정 간격으로 배열된 메타표면을 갖는 상부기판;
    을 포함하고,
    상기 하부기판은,
    제1층;
    상기 제1층 상에 위치하며, 상기 슬롯이 형성된 제2층; 및
    각각이 수직방향으로 연장되어 상기 제1층과 상기 제2층을 연결하며, 소정의 간격으로 배열되어 전자기파를 가이드하는 복수의 비아;
    를 포함하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판 집적 도파관 구조에 도입된 전자기파는 상기 기판 집적 도파관 구조에 의해 가이드되어 상기 슬롯으로 방사되며,
    상기 슬롯을 통해 방사된 전자기파는 상기 상부기판의 메타표면을 통해 재방사되는 것을 특징으로 하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 하부기판은,
    상기 복수의 비아가 배열되는 방향의 일측에 형성되어 전자기파를 도입하는 도입부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 메타표면은 소정의 형상을 갖는 복수의 금속 도체가 이차원 평면상에서 일정 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 기판 집적 도파관 슬롯 안테나.


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