KR102127201B1 - Nonlinear metasurface for compensating scan loss at designed angle - Google Patents

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KR102127201B1 KR1020190083315A KR20190083315A KR102127201B1 KR 102127201 B1 KR102127201 B1 KR 102127201B1 KR 1020190083315 A KR1020190083315 A KR 1020190083315A KR 20190083315 A KR20190083315 A KR 20190083315A KR 102127201 B1 KR102127201 B1 KR 102127201B1
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    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 메타표면은, 2차원으로 배열된 복수개의 유닛 셀들로 구성되고, 상기 복수개의 유닛 셀들 중 일부는 상기 배열 안테나의 빔 조향에 의해 특정 각도에서 발생하는 이득 손실을 보상하기 위해 비선형적인 구조로 배치되는 것을 특징으로 한다. 실시예에 따르면 배열 안테나의 빔 조향에 따른 손실이 비교적 크게 발생하는 메타표면의 가장자리 부분에 유닛 셀들을 비선형적으로 배치함으로써, 특정 각도에서의 빔 조향 손실을 보상하여 전체적인 안테나의 이득을 향상시킬 수 있다.A non-linear meta surface according to an embodiment of the present invention is composed of a plurality of unit cells arranged in two dimensions, and some of the plurality of unit cells are configured to reduce gain loss generated at a specific angle by beam steering of the array antenna. It is characterized by being arranged in a non-linear structure to compensate. According to an embodiment, by arranging the unit cells non-linearly at the edge portion of the meta surface where loss due to beam steering of the array antenna is relatively large, beam steering loss at a specific angle can be compensated to improve the overall antenna gain. have.

Description

특정 각도에서 빔 조향 손실을 보상하기 위한 비선형 메타표면{NONLINEAR METASURFACE FOR COMPENSATING SCAN LOSS AT DESIGNED ANGLE}Non-linear metasurface to compensate for beam steering loss at a specific angle{NONLINEAR METASURFACE FOR COMPENSATING SCAN LOSS AT DESIGNED ANGLE}

본 발명은 메타표면(meta-surface)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메타표면을 구성하는 복수개의 유닛 셀들 중 일부를 비선형적으로 배열함으로써 특정 각도에서 발생하는 안테나 이득의 열화현상을 막기 위한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a meta-surface, and more particularly, to a technique for preventing deterioration of antenna gain occurring at a specific angle by non-linearly arranging some of the plurality of unit cells constituting the meta-surface. It is about.

배열 안테나(array antenna)는 복수개의 안테나 소자를 배열하여 각 소자의 여진 전류의 위상을 조절하고 안테나를 특정 방향과 동일한 위상으로 하여 주 빔을 형성하도록 구성된 안테나이다. 이와 같이 안테나 소자를 배열형으로 구성하면 어느 특정한 방향으로 최대 방사가 되거나, 불필요한 방향으로는 방사가 최소가 되도록 조정할 수 있다. 안테나로 얻을 수 있는 최대 이득은 소자의 성능과 배열에 따라 정해지며, 이를 넘어 이득을 향상시켜 줄 수 있는 기술이 메타표면이다. An array antenna is an antenna configured to form a main beam by arranging a plurality of antenna elements to adjust the phase of the excitation current of each element and make the antenna the same phase as a specific direction. When the antenna elements are configured in an array as described above, it is possible to adjust the maximum radiation in a specific direction or the minimum radiation in an unnecessary direction. The maximum gain that can be obtained by the antenna is determined by the performance and arrangement of the device, and the technology that can improve the gain beyond this is the meta surface.

메타표면(meta-surface)이란 일반적으로 2차원 박막의 패턴을 이용하여 광학적인 기능을 수행하도록 만든 평면구조를 의미한다. 안테나 기술분야에서 활용되는 메타표면은 2차원으로 배열된 복수개의 유닛 셀들(unit cells)로 구성되는데, 각각의 유닛 셀은 3~5층의 금속층과 유전체층으로 이루어져 있다. 이 유닛 셀들은 공진회로처럼 동작하여 안테나로부터 방사되는 빔의 원하는 위상을 통과시킬 수 있는 공간 필터로서의 역할을 수행한다. 메타표면을 통과하는 구형파는 각각의 지점에서 위상이 보상되어 평면파로 변형되며 결과적으로 이득이 향상될 수 있다.The meta-surface generally means a planar structure made to perform an optical function using a pattern of a two-dimensional thin film. The meta surface used in the antenna technology field is composed of a plurality of unit cells arranged in two dimensions, and each unit cell is composed of a metal layer and a dielectric layer of 3 to 5 layers. These unit cells act as a resonant circuit and serve as a spatial filter capable of passing a desired phase of a beam emitted from an antenna. The square wave passing through the meta surface is transformed into a plane wave by compensating the phase at each point, and as a result, the gain can be improved.

도 1a는 종래기술의 메타표면의 유무에 따른 안테나의 이득을 나타낸 그래프이다. 도 1a를 참조하면, 위상변이가 0도일 때를 기준으로 안테나 상에 메타표면을 구비한 경우의 이득이 메타표면을 구비하지 않은 경우의 이득에 비해 약 3.8dB만큼 향상되었음을 알 수 있다.1A is a graph showing the gain of an antenna according to the presence or absence of a meta surface in the prior art. Referring to FIG. 1A, it can be seen that the gain when the meta surface is provided on the antenna is improved by about 3.8 dB compared to the gain when the meta surface is not provided based on when the phase shift is 0 degrees.

그러나 메타표면을 적용한 배열 안타나의 경우, 빔 조향 시 특정 각도에서 빔의 간섭에 따라 이득이 열화되는 현상이 발생한다. 도 1b는 종래기술의 메타표면을 구비한 안테나의 이득을 위상(0 , 45 , 90 , 135 )에 따라 나타낸 시뮬레이션/측정치 그래프이다. 도 1b에서 위상 오프셋(Phase Offset)이 90도인 그래프(PO=90 )를 참조하면, 이득이 최대가 되는 지점(조향 각도 Theta가 약 26deg 인 지점)에서 안테나 이득이 비교적 크게 감소한다는 것을 알 수 있다. However, in the case of an array antenna with meta-surfaces, when the beam is steered, a phenomenon in which a gain deteriorates due to interference of a beam at a specific angle occurs. 1B is a simulation/measurement graph showing the gain of an antenna having a meta surface of the prior art according to phases (0 Hz, 45 Hz, 90 Hz, and 135 Hz). Referring to the graph (P = 90  ) in which the phase offset (Phase Offset) is 90 degrees in FIG. 1B, it can be seen that the antenna gain is relatively largely reduced at the point where the gain is maximized (the point where the steering angle Theta is about 26deg). .

배열 안테나에서는 이와 같이 빔 조향 시 특정 각도에서 이득이 열화되는 현상이 발생하는데, 밀리미터파에서 빔 조향은 매우 중요한 부분 중 하나이기 때문에 상기 문제점을 해결할 수 있는 기술이 요구된다.In the array antenna, when the beam is steered, the gain deteriorates at a specific angle. Since the beam steer is one of the very important parts in the millimeter wave, a technique capable of solving the above problem is required.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0030213호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0030213 대한민국 등록특허공보 제10-1202339호Republic of Korea Registered Patent Publication No. 10-1202339

T. Hongnara, S. Chaimool, P. Akkaraekthalin and Y. Zhao, "Design of Compact Beam-Steering Antennas Using a Metasurface Formed by Uniform Square Rings," in IEEE Access, vol. 6, pp. 9420-9429, 2018T. Hongnara, S. Chaimool, P. Akkaraekthalin and Y. Zhao, "Design of Compact Beam-Steering Antennas Using a Metasurface Formed by Uniform Square Rings," in IEEE Access, vol. 6, pp. 9420-9429, 2018 J. Oh, "Millimeter-Wave Thin Lens Employing Mixed-Order Elliptic Filter Arrays," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 7, pp. 3222-3227, July 2016.J. Oh, "Millimeter-Wave Thin Lens Employing Mixed-Order Elliptic Filter Arrays," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 7, pp. 3222-3227, July 2016.

전술한 바와 같이, 종래의 밀리미터파 선형 메타표면은 특정 각도에서 이득이 현저하게 저하되는 문제점 때문에 빔 조향 시 충분한 이득을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.As described above, the conventional millimeter wave linear meta-surface has a problem in that a sufficient gain cannot be obtained during beam steering due to a problem in that the gain is significantly lowered at a specific angle.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 배열 안테나의 빔 조향 시 발생하는 특정 각도에서의 이득 손실을 보상할 수 있도록 종래의 선형적인 구조의 메타표면과는 차별화되는 비선형 구조의 메타표면을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve this problem, and a meta-surface of a non-linear structure that is different from a meta-surface of a conventional linear structure to compensate for gain loss at a specific angle that occurs when beam steering of the array antenna is compensated. It aims to provide.

본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 메타표면은 2차원으로 배열된 복수개의 유닛 셀들로 구성되고, 상기 복수개의 유닛 셀들 중 일부는, 상기 배열 안테나의 빔 조향에 의해 특정 각도에서 발생하는 이득 손실을 보상하기 위해 비선형적인 구조로 배치된다.A non-linear meta surface according to an embodiment of the present invention is composed of a plurality of unit cells arranged in two dimensions, and some of the plurality of unit cells are configured to reduce gain loss generated at a specific angle by beam steering of the array antenna. It is arranged in a non-linear structure to compensate.

일 실시예에서, 상기 비선형적인 구조는, 상기 유닛 셀들이 소정의 진폭과 주기를 가지고 반복되는 정현파(sinusoidal) 형태로 배치되는 구조일 수 있다.In one embodiment, the non-linear structure may be a structure in which the unit cells are arranged in a sinusoidal form that repeats with a predetermined amplitude and period.

일 실시예에서, 상기 메타표면의 표면임피던스 및 변조율에 기초하여 표면에서의 분산관계(dispersion relation)가 정의되고, 상기 정현파에서 소정의 진폭과 주기는 상기 분산관계에 기초하여 결정될 수 있다.In one embodiment, a dispersion relation on the surface is defined based on the surface impedance and modulation rate of the meta surface, and a predetermined amplitude and period in the sinusoidal wave may be determined based on the dispersion relation.

일 실시예에서, 상기 메타표면의 모서리 부분에서는 상기 유닛 셀들이 비선형적인 구조로 배치되며, 상기 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에서는 상기 유닛 셀들이 선형적인 구조로 배치될 수 있다.In one embodiment, the unit cells may be arranged in a non-linear structure at the edge portion of the meta surface, and the unit cells may be arranged in a linear structure except for the edge portion.

일 실시예에서, 각각의 유닛 셀은 금속층 및 절연층을 포함하며, 안테나로부터 출력되는 전파의 위상을 변조하기 위한 저역통과필터 또는 대역통과필터로서 동작한다.In one embodiment, each unit cell includes a metal layer and an insulating layer, and operates as a low-pass filter or band-pass filter for modulating the phase of radio waves output from the antenna.

본 발명의 실시예에 따른 비선형 메타표면과, 상기 비선형 메타표면과 소정의 거리를 두고 배치되는 배열 안테나; 및 상기 배열 안테나로부터 출력되어 상기 비선형 메타표면을 통과한 전파를 수신하기 위한 수신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비선형 메타표면을 이용한 안테나 송수신 시스템이 제공될 수 있다.A non-linear meta surface according to an embodiment of the present invention, and an array antenna arranged at a predetermined distance from the non-linear meta surface; And a receiving antenna for receiving radio waves output from the array antenna and passing through the non-linear meta-surface. An antenna transmission/reception system using a non-linear meta-surface may be provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면은, 배열 안테나의 빔 조향에 따른 이득 손실이 비교적 크게 발생하는 가장자리 부분의 유닛 셀들이 비선형적으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 특정 각도에서의 빔 조향 손실을 보상하여 전체적인 안테나의 이득을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서 제안하는 구조의 비선형 메타표면은 빔 조향이 중요시되는 기지국, 중계기용 안테나 및 레이더 분야에 폭넓게 활용될 수 있다.The meta surface according to an embodiment of the present invention is characterized in that unit cells in an edge portion in which gain loss due to beam steering of the array antenna is relatively large are arranged non-linearly. According to this, it is possible to improve the overall antenna gain by compensating for beam steering loss at a specific angle. The non-linear meta-surface of the structure proposed in the present invention can be widely used in base stations, repeater antennas and radar fields where beam steering is important.

도 1a는 종래기술의 메타표면의 유무에 따른 안테나의 이득을 나타낸 그래프이다.
도 1b는 종래기술의 메타표면을 구비한 안테나의 이득을 위상 변이에 따라 나타낸 시뮬레이션/측정치 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배열 안테나와 메타표면의 배치 구조를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 메타표면을 구성하는 유닛 셀의 다양한 구조를 나타낸다.
도 4a 및 4b는 각각 도 3의 유닛 셀을 구성하는 금속 패치와 그리드의 크기에 따른 삽입 손실과 위상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 6b는 종래기술에 따른 선형 메타표면을 나타낸다.
도 7a 및 7b는 일 실시예에 따른 비선형 메타표면을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 비선형 메타표면을 구비한 안테나 송수신 시스템의 구성을 나타낸다.
1A is a graph showing the gain of an antenna according to the presence or absence of a meta surface in the prior art.
1B is a simulation/measurement graph showing the gain of an antenna having a meta surface of the prior art according to a phase shift.
2 illustrates an arrangement structure of an array antenna and a meta surface according to an embodiment.
3 shows various structures of a unit cell constituting a meta surface according to an embodiment.
4A and 4B are graphs showing insertion loss and phase change according to the size of the grid and the metal patch constituting the unit cell of FIG. 3, respectively.
5 is a diagram illustrating the structure of an array antenna according to an embodiment.
6A and 6B show a linear metasurface according to the prior art.
7A and 7B show a nonlinear metasurface according to one embodiment.
8 illustrates a configuration of an antenna transmission/reception system having a nonlinear meta surface according to an embodiment.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings and contents described in the accompanying drawings, but the scope to be claimed is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.The terminology used in the present specification has been selected as a general terminology that is currently widely used while considering functions, but this may be changed according to intentions or customs of technicians in the field or the appearance of new technologies. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description of the corresponding specification. Therefore, the terms used in the present specification are intended to clarify that the terms should be interpreted based on the actual meaning of the terms and the contents of the present specification rather than simply the names of the terms.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 일 실시예에 따른 배열 안테나와 메타표면의 배치 구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 것처럼 메타표면(30)은 배열안테나(10)로부터 일정한 거리에 떨어진 상단부에 배치된다. 배열 안테나(array antenna)는 복수개의 안테나 소자를 배열하여 각 소자의 여진 전류의 위상을 조절하고 안테나를 특정 방향과 동일한 위상으로 하여 주 빔을 형성하도록 구성된 안테나로서, 이와 같이 안테나 소자를 배열형으로 구성하면 어느 특정한 방향으로 최대 방사가 되거나, 불필요한 방향으로는 방사가 최소가 되도록 조정할 수 있다.2 illustrates an arrangement structure of an array antenna and a meta surface according to an embodiment. As shown in FIG. 2, the meta surface 30 is disposed at an upper end spaced a certain distance from the array antenna 10. An array antenna is an antenna configured to form a main beam by arranging a plurality of antenna elements to adjust the phase of the excitation current of each element and make the antenna the same phase as a specific direction, and thus the antenna elements are arrayed. If configured, it can be adjusted so that the maximum radiation in any particular direction, or the minimum radiation in the unnecessary direction.

메타표면(meta-surface)이란 일반적으로 2차원 박막의 패턴을 이용하여 광학적인 기능을 수행하도록 만든 평면구조를 의미하며, 2차원으로 배열된 복수개의 유닛 셀들의 위상변이를 이용하여 메타표면을 통과하는 구형파를 평면파로 변환하고 결과적으로 안테나의 이득을 향상시킬 수 있다. 도 1a를 참조하여 설명하였듯이, 위상변이가 0도일 때를 기준으로 안테나 상에 메타표면을 구비한 경우의 이득이 메타표면을 구비하지 않은 경우의 이득에 비해 약 3.8dB만큼 향상되었음을 알 수 있다.A meta-surface is a planar structure made to perform an optical function by using a pattern of a two-dimensional thin film, and passes through the meta-surface using phase shifts of a plurality of unit cells arranged in two dimensions. The square wave can be converted to a plane wave, and as a result, the antenna gain can be improved. As described with reference to FIG. 1A, it can be seen that the gain when the meta surface is provided on the antenna is improved by about 3.8 dB, compared to the gain when the meta surface is not provided, based on when the phase shift is 0 degrees.

그러나 도 1b를 참조하여 전술하였듯이, 특정 각도에서, 예를 들어 위상 변이가 90도인 경우(PO=90 ) 이득이 최대가 되는 지점(실제 조향 각도 Theta가 약 26deg인 지점)에서 안테나 이득이 비교적 크게 감소한다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 배열 안테나에서 빔 조향 시 특정 각도에서 이득이 열화되는 현상이 발생할 수 있는데, 밀리미터파에서 빔 조향은 매우 중요한 부분 중 하나이기 때문에 상기 문제점을 해결할 수 있는 기술이 요구된다.However, as described above with reference to FIG. 1B, at a certain angle, for example, when the phase shift is 90 degrees (PO=90 ), the antenna gain is relatively large at the point where the gain is maximized (the point where the actual steering angle Theta is about 26deg). It can be seen that it decreases. As described above, when the beam is steered in the array antenna, a phenomenon in which the gain is deteriorated at a specific angle may occur. Since the beam steer is one of the very important parts in the millimeter wave, a technique capable of solving the above problem is required.

본 명세서에서는 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 실시예로서, 배열 안테나의 빔 조향 시 발생하는 특정 각도에서의 이득 손실을 보상할 수 있는 비선형 구조의 메타표면을 제안한다.In this specification, as an embodiment for solving the problems of the prior art, a meta-surface of a nonlinear structure capable of compensating for a loss of gain at a specific angle that occurs during beam steering of an array antenna is proposed.

도 3은 일 실시예에 따른 메타표면을 구성하는 유닛 셀의 다양한 구조를 나타낸다. 도 3에 도시된 것처럼, 각각의 유닛 셀(21)은 금속층과 절연층이 적층된 다층구조로 구성될 수 있으며, 도 3의 (a), (b)와 같이 금속 패치와 절연층으로 구성되어 저역통과 필터로서 동작하거나, 도 3의 (c), (d)와 같이 금속 패치, 절연층 및 금속 그리드를 포함하도록 구성되어 대역통과 필터로서 동작할 수 있다. 3 shows various structures of a unit cell constituting a meta surface according to an embodiment. As illustrated in FIG. 3, each unit cell 21 may be formed of a multi-layered structure in which a metal layer and an insulating layer are stacked, and is composed of a metal patch and an insulating layer as shown in (a) and (b) of FIG. 3. It can be operated as a low-pass filter, or configured to include a metal patch, an insulating layer and a metal grid as shown in (c) and (d) of FIG. 3 to operate as a band-pass filter.

도 4a 및 4b는 도 3의 유닛 셀을 구성하는 금속 패치와 그리드의 크기에 따른 삽입 손실과 위상을 각각 나타낸 그래프이다. 유닛 셀의 삽입 손실은 유전체의 손실 탄젠트와 관련이 있는데, 저역통과필터와 효율이 좋은 대역통과필터를 적절하게 사용함으로써 삽입 손실 1.5dB 이내의 적절한 위상 변이 범위를 구현할 수 있다.4A and 4B are graphs respectively showing insertion loss and phase according to the size of the grid and the metal patch constituting the unit cell of FIG. 3. The insertion loss of the unit cell is related to the loss tangent of the dielectric, and an appropriate phase shift range within 1.5 dB of insertion loss can be realized by appropriately using a low-pass filter and an efficient band-pass filter.

도 5는 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 것처럼, 배열 안테나(10)는 복수개의 안테나 소자(11)가 2차원으로 배열된 형태이며, 각각의 안테나 소자(11)의 위상을 조정하여 출력되는 빔의 방향을 조향한다. 5 is a diagram illustrating the structure of an array antenna according to an embodiment. As shown in FIG. 5, the array antenna 10 has a form in which a plurality of antenna elements 11 are arranged in two dimensions, and adjusts the phase of each antenna element 11 to steer the direction of the output beam.

도 6a 및 6b는 종래기술에 따른 선형 메타표면을 나타낸다. 종래기술에 따르면, 메타표면을 구성하는 유닛 셀들은 안테나로부터 입사된 빔이 각 포인트에서 일정한 위상 값을 갖도록 보상하기 위해 선형적인 구조로 배열된다. 즉, 복수개의 유닛 셀들이 도 6b에 도시된 것처럼 상하좌우로 일정한 간격을 두고 배열된다. 이와 같은 구조에 따르면 빔 조향 시 특정 각도에서 안테나 이득이 열화되는 현상이 발생한다.6A and 6B show a linear meta surface according to the prior art. According to the prior art, the unit cells constituting the meta surface are arranged in a linear structure to compensate for the beam incident from the antenna to have a constant phase value at each point. That is, a plurality of unit cells are arranged at regular intervals up, down, left, and right as shown in FIG. 6B. According to such a structure, a phenomenon in which antenna gain is deteriorated at a specific angle during beam steering occurs.

도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 메타표면을 나타낸다. 도시된 것처럼, 메타표면(30)의 모서리 부분(A, B, C, D)에서 유닛 셀들이 비선형적인 구조로 배치되며, 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에서는 유닛 셀들이 선형적인 구조로 배치될 수 있다.7A and 7B show a non-linear meta surface according to an embodiment of the present invention. As shown, the unit cells are arranged in a non-linear structure at the corner portions A, B, C, and D of the metasurface 30, and the unit cells may be arranged in a linear structure except for the corner portions. .

여기서 비선형적인 구조는, 예를 들어 유닛 셀들이 일정한 진폭과 주기를 가지고 반복되는 정현파(sinusoidal) 형태로 배치되는 구조일 수 있다. 이 때, 정현파의 진폭과 주기는 메타표면의 표면에서의 분산관계(dispersion relation)에 따라 결정될 수 있는데, 분산관계는 상기 메타표면의 표면임피던스 및 변조율에 기초하여 계산될 수 있다.Here, the non-linear structure may be, for example, a structure in which unit cells are arranged in a sinusoidal form that is repeated with a constant amplitude and period. At this time, the amplitude and period of the sinusoidal wave can be determined according to the dispersion relation at the surface of the meta surface, and the dispersion relation can be calculated based on the surface impedance and the modulation rate of the meta surface.

일반적으로, SMRS(Sinusoidally-Modulated Reactance Surface) 구조에서 표면임피던스는 아래의 식을 통해 계산할 수 있다.In general, surface impedance in a SMRS (Sinusoidally-Modulated Reactance Surface) structure can be calculated by the following equation.

Figure 112019070747807-pat00001
Figure 112019070747807-pat00001

여기서,

Figure 112019070747807-pat00002
은 표면 임피던스의 평균값이고, M은 변조율(modulation factor), a는 사인(sine) 곡선의 주기이다. 설계자는
Figure 112019070747807-pat00003
와 a를 조절하여 특정 방향에 대한 안테나 이득을 향상시킬 수 있다. 안테나로부터 출력되는 웨이브의 파수
Figure 112019070747807-pat00004
와 자유공간의 파수
Figure 112019070747807-pat00005
를 알면 표면에서의 분산관계를 계산할 수 있고, 이에 따라 SMRS 구조의 메타표면을 설계할 수 있다. 표면에서 분산관계는 다음의 식에 따라 표현될 수 있다.here,
Figure 112019070747807-pat00002
Is the average value of the surface impedance, M is the modulation factor, and a is the period of the sine curve. The designer
Figure 112019070747807-pat00003
By adjusting and a, antenna gain for a specific direction can be improved. The number of waves of the wave output from the antenna
Figure 112019070747807-pat00004
And free wave number
Figure 112019070747807-pat00005
By knowing, the dispersion relationship on the surface can be calculated, and accordingly, the metasurface of the SMRS structure can be designed. The dispersion relationship on the surface can be expressed according to the following equation.

Figure 112019070747807-pat00006
Figure 112019070747807-pat00006

Figure 112019070747807-pat00007
Figure 112019070747807-pat00007

수학식 2로부터 기존의 메타표면에서 빔 조향 시 이득이 열화되는 특정 각도에 적합한 정현파 구조의 주기를 계산하여 유닛 셀들의 배치에 적용할 수 있다. 이와 같이 메타표면의 가장자리 부분에서 유닛 셀들을 비선형적으로 배치하면, 특정 각도에서 발생하는 이득 손실을 보상하여 전체적인 안테나 이득을 향상시킬 수 있다. From Equation 2, a period of a sinusoidal structure suitable for a specific angle in which gain is deteriorated when steering a beam on a conventional meta surface can be calculated and applied to the arrangement of unit cells. When the unit cells are non-linearly arranged at the edge portion of the meta surface, the overall antenna gain can be improved by compensating for the gain loss occurring at a specific angle.

이상에서는 일정한 주기를 갖는 정현파 형태의 비선형 구조에 대해서 설명하였으나, 유닛 셀들의 배치구조는 이에 한정되지 아니하며, 특정 각도에서의 이득을 향상시키기 위해 실험적으로 입증된 비주기적인 비선형 구조를 가질 수도 있다.In the above, a non-linear structure of a sinusoidal shape having a constant period has been described, but the arrangement structure of the unit cells is not limited thereto, and may have an aperiodic non-linear structure that has been experimentally proven to improve gain at a specific angle.

도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예에 따른 효과를 알아보기 위해 종래기술에 따른 선형 메타표면과 실시예에 따른 비선형 메타표면을 각각 구비한 안테나 송수신 시스템의 구성을 나타낸다. 도시된 것처럼, 본 시스템은 배열 안테나(10), 상기 송신 아테나와 일정한 거리를 두고 배치되는 메타표면(20, 30), 상기 배열 안테나로부터 출력되어 상기 비선형 메타표면을 통과한 전파를 수신하기 위한 수신 안테나(40), 상기 메타표면(30)으로 인한 안테나 이득을 분석하기 위한 벡터 네트워크 분석기(50)를 포함한다. 8A and 8B show a configuration of an antenna transmission/reception system having a linear meta surface according to the prior art and a non-linear meta surface according to the embodiment, respectively, in order to investigate effects according to an embodiment of the present invention. As shown, the system includes an array antenna 10, meta-surfaces 20 and 30 disposed at a certain distance from the transmitting antenna, and reception for receiving radio waves output from the array antenna and passing through the non-linear meta-surface. An antenna 40, a vector network analyzer 50 for analyzing antenna gain due to the metasurface 30.

이하에서는, 실험예를 통해 비선형 구조의 메타표면(30)을 이용하여 특정 각도에서의 안테나 이득이 향상되었는지 여부를 살펴본다.Hereinafter, it is examined whether the antenna gain at a specific angle is improved by using the meta-surface 30 of the nonlinear structure through the experimental example.

본 실험예에서, 메타표면(20, 30)을 구성하는 각각의 유닛 셀은 유전율이 3.8인며 손실 탄젠트(loss tangent)는 0.03인 FR4 절연층 기판을 사용하였다. 본 발명의 실험예에서 사용된 배열 안테나의 성능, 즉 메타표면을 적용하지 않았을 때의 위상 변이에 따른 이득은 다음과 같다.In this experimental example, FR4 insulating layer substrates having a dielectric constant of 3.8 and a loss tangent of 0.03 were used for each unit cell constituting the meta surfaces 20 and 30. The performance of the array antenna used in the experimental example of the present invention, that is, the gain due to the phase shift when the meta surface is not applied is as follows.

위상 변이(deg)Phase shift (deg) 이득(dB)Gain (dB) 조향 각도(deg)Steering angle (deg) 00 19.519.5 00 -45-45 19.319.3 1414 -90-90 18.518.5 2828 -135-135 17.417.4 4545

도 8a, 8b에서, 배열 안테나(10)와 수신 안테나(40)는 3m 거리에 떨어져 있으며, 각각의 메타표면(20, 30)은 배열 안테나(10)로부터 3cm 떨어진 거리에 배치하였다. 종래기술에 따른 선형 메타표면(20)에 대한 결과값은 표 2와 같고, 실시예에 따른 비선형 메타표면(30)에 대한 결과값은 표 3과 같다.In FIGS. 8A and 8B, the array antenna 10 and the reception antenna 40 are separated at a distance of 3 m, and each meta surface 20 and 30 is disposed at a distance of 3 cm from the array antenna 10. The result values for the linear meta-surface 20 according to the prior art are shown in Table 2, and the result values for the non-linear meta-surface 30 according to the embodiment are shown in Table 3.

위상 변이(deg)Phase shift (deg) 이득(dB)Gain (dB) 조향 각도(deg)Steering angle (deg) 00 23.423.4 00 -45-45 23.323.3 13.513.5 -90-90 20.120.1 2626 -135-135 20.220.2 4545

위상 변이(deg)Phase shift (deg) 이득(dB)Gain (dB) 조향 각도(deg)Steering angle (deg) 시뮬Simu 측정Measure 시뮬Simu 측정Measure 00 23.223.2 23.423.4 00 00 -45-45 23.223.2 22.622.6 13.513.5 1313 -90-90 21.821.8 21.321.3 2727 2525 -135-135 20.220.2 19.519.5 4545 4545

표 1 내지 3을 참조하면, 종래기술에 따른 메타표면을 적용할 경우 모든 위상에 대해 안테나 이득의 향상을 얻을 수 있지만, -90도의 위상 변이에 대해서는 다른 각도에 비해 이득 상승폭이 낮다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 표 2를 살펴보면 0도, -45도, -135도의 위상 변이에 대해서는 이득이 최소 2 dB 에서 최대 3.9 dB 만큼 상승한 것에 비해, -90도에 대해서는 1.6dB 상승하였음을 확인할 수 있다.Referring to Tables 1 to 3, when applying the meta-surface according to the prior art, it is possible to obtain an improvement in antenna gain for all phases, but for a phase shift of -90 degrees, it can be seen that the gain increase is low compared to other angles. have. Specifically, referring to Table 2, it can be seen that for phase shifts of 0 degrees, -45 degrees, and -135 degrees, the gain increased by at least 2 dB to a maximum of 3.9 dB, while it increased by 1.6 dB for -90 degrees.

표 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 비선형 메타표면을 적용한 경우, -90도의 위상 변이에 대한 안테나의 이득은 총 3.3 dB로서, 종래기술의 선형 메타표면에 비해 1.7dB만큼 더 향상되어 특정 각도에 대한 빔 조향 손실을 크게 완화시켰음을 알 수 있다.Referring to Table 3, when applying a non-linear meta surface according to an embodiment, the gain of the antenna for a phase shift of -90 degrees is a total of 3.3 dB, which is improved by 1.7 dB compared to a linear meta surface of the prior art to a specific angle It can be seen that the beam steering loss for is greatly reduced.

이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 배열 안테나의 이득을 향상시키기 위한 메타표면에 있어서 빔 조향에 따른 손실이 비교적 크게 발생하는 메타표면의 가장자리 부분에 유닛 셀들을 비선형적으로 배치함으로써, 특정 각도에서의 빔 조향 손실을 보상하여 전체적인 안테나의 이득을 향상시킬 수 있다. According to the embodiments described above, in the meta surface for improving the gain of the array antenna, by disposing unit cells non-linearly at the edge portion of the meta surface where loss due to beam steering is relatively large, at a specific angle It is possible to improve the gain of the overall antenna by compensating for beam steering loss.

본 발명에서 제안하는 구조의 비선형 메타표면은 빔 조향이 중요시되는 기지국, 중계기용 안테나 및 레이더 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 소형화가 용이하여 차량용 레이더 분야에도 적용이 가능하다.The non-linear meta-surface of the structure proposed in the present invention can be widely used in the field of base stations, repeaters, antennas, and radars where beam steering is important, and can be easily applied to a vehicle radar field due to its easy miniaturization.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand.

Claims (6)

배열 안테나의 빔 조향 손실을 보상하기 위한 비선형 메타표면으로서,
상기 메타표면은 2차원으로 배열된 복수개의 유닛 셀들로 구성되고,
상기 복수개의 유닛 셀들 중 일부는, 상기 배열 안테나의 빔 조향에 의해 특정 각도에서 발생하는 이득 손실을 보상하기 위해, 상기 유닛 셀들이 소정의 진폭과 주기를 가지고 반복되는 정현파(sinusoidal) 형태의 비선형적인 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는, 비선형 메타표면.
A non-linear meta surface for compensating beam steering loss of an array antenna,
The meta surface is composed of a plurality of unit cells arranged in two dimensions,
Some of the plurality of unit cells, the sinusoidal (sinusoidal) of the unit cells are repeated with a predetermined amplitude and period, in order to compensate for the gain loss occurring at a specific angle by the beam steering of the array antenna non-linear sinusoidal (sinusoidal) form Non-linear meta-surface characterized by being arranged in a structure.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메타표면의 표면임피던스 및 변조율에 기초하여 표면에서의 분산관계(dispersion relation)가 정의되고,
상기 정현파에서 소정의 진폭과 주기는 상기 분산관계에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 비선형 메타표면.
According to claim 1,
The dispersion relation on the surface is defined based on the surface impedance and modulation rate of the meta surface,
In the sinusoidal wave, a predetermined amplitude and period are determined based on the dispersion relation.
제1항에 있어서,
상기 메타표면의 모서리 부분에서는 상기 유닛 셀들이 비선형적인 구조로 배치되며,
상기 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에서는 상기 유닛 셀들이 선형적인 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는, 비선형 메타표면.
According to claim 1,
In the edge portion of the meta surface, the unit cells are arranged in a non-linear structure,
Non-linear metasurface, characterized in that the unit cells are arranged in a linear structure except for the edge portion.
제1항에 있어서,
각각의 유닛 셀은 금속층 및 절연층을 포함하며, 안테나로부터 출력되는 전파의 위상을 변조하기 위한 저역통과필터 또는 대역통과필터로서 동작하는 것을 특징으로 하는, 비선형 메타표면.
According to claim 1,
Each unit cell includes a metal layer and an insulating layer, and is characterized by operating as a low-pass filter or a band-pass filter for modulating the phase of the radio wave output from the antenna.
제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 비선형 메타표면;
상기 비선형 메타표면과 소정의 거리를 두고 배치되는 배열 안테나; 및
상기 배열 안테나로부터 출력되어 상기 비선형 메타표면을 통과한 전파를 수신하기 위한 수신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비선형 메타표면을 이용한 안테나 송수신 시스템
The non-linear meta surface according to any one of claims 1 and 3 to 5;
An array antenna disposed at a predetermined distance from the non-linear meta surface; And
And a receiving antenna for receiving radio waves output from the array antenna and passing through the non-linear meta-surface.
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