KR102219219B1 - 원형편파 안테나의 축비 유지 및 이득 향상을 위한 Fabry-Perot 공진기용 메타표면 덮개 설계 방법 및 이를 이용하여 제조된 원형편파 안테나 - Google Patents

원형편파 안테나의 축비 유지 및 이득 향상을 위한 Fabry-Perot 공진기용 메타표면 덮개 설계 방법 및 이를 이용하여 제조된 원형편파 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 원형편파 안테나는, 패치 안테나 및 상기 패치 안테나와 소정의 간격을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀을 포함하는 메타표면 덮개를 포함하며, 상기 복수의 단위 셀의 각각은, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 소정의 값 이내이다.

Description

원형편파 안테나의 축비 유지 및 이득 향상을 위한 Fabry-Perot 공진기용 메타표면 덮개 설계 방법 및 이를 이용하여 제조된 원형편파 안테나{METHOD FOR DESIGNING THE METASURFACE SUPERSTRATE FOR FABRY-PEROT RESONATOR TO MAINTAIN THE AXIAL RATIO AND IMPROVE THE GAIN OF CIRCULARLY POLARIZED ANTENNA AND CIRCULARLY POLARIZED ANTENNA MANUFACUTURED USING THEREOF}
본 발명은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공진 구조를 갖는 원형편파 안테나에 관한 것으로, 특히 패브리-페롯 공진 구조의 원형편파 안테나에서 원형편파 특성이 저해되지 않는 메타표면 덮개를 설계하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 원형편파 안테나에 관한 것이다.
패브리-페롯 공진 구조를 이용한 안테나는 다중 반사를 통해 투과전력이 최대가 되는 지점에 유전체 덮개나 메타표면 덮개를 얹음으로써 이득을 향상시키는 구조이다. 종래의 Fabry-Perot 공진 구조를 이용한 안테나는 주로 선형편파 안테나의 성능을 향상시키는 목적으로 사용했으며, 원형편파 안테나의 경우 주기구조를 가진 메타표면에서 선형 편파 특성이 강하게 나타나기 때문에 메타표면을 이용한 구조는 이용되고 있지 않다.
이와 관련하여, 등록특허 제10-1920046호는, 플라즈몬 메타표면 구조체에 있어서, 상기 플라즈몬 메타표면 구조체는 직육면체로 형성된 메타표면 단위 셀들의 평면 배열 집합체로 형성되며, 상기 메타표면 단위 셀은, 금속물질의 기판층; 상기 기판층 상부에 형성되는 절연체층; 및 상기 절연체층 상부에 형성되는 금속물질로 이루어진 사다리꼴 형상의 나노 안테나 스트립; 을 포함하되, 상기 플라즈몬 메타표면 구조체에서, y 방향으로 편광된 전기장과 함께 입사된 입사광이 상기 메타표면 단위 셀에 의해 반사된 반사광의 위상은, 상기 나노안테나 스트립 폭의 선형적 변화에 따라, x 방향에 따른 위치에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 파장에　무관하게　위상 구배가 가능한 플라즈몬 메타표면 구조체를 개시한다.
그러나, 상기 특허문헌은 메타표면에 대해서 개시하고는 있으나 Febry-Perot 공진 구조에 관한 것이 아니며 원형편파 특성의 개선을 위한 것도 아니다.
등록특허 제10-1920046호 (2018.11.13)
본 발명은 패브리-페롯 공진 구조에 메타표면 덮개를 사용함에도 원형편파 특성이 저해되지 않는 원형편파 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 원형편파 안테나는, 패치 안테나 및 상기 패치 안테나와 소정의 간격을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀을 포함하는 메타표면 덮개를 포함하며, 상기 복수의 단위 셀의 각각은, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 소정의 값 이내이다.
상기 복수의 단위 셀의 각각에서, 상기 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이는 20°이하일 수 있다.
상기 복수의 단위 셀은, 평면상에서 규칙적으로 배열된 상태에서 일부의 단위 셀이 제거된 배열 형태를 가질 수 있다.
상기 복수의 단위 셀은, 직사각형 형상의 단위 셀이 가로 방향 및 세로 방향으로 규칙적으로 배열된 상태에서 일부의 단위 셀이 제거된 배열 형태를 가질 수 있다.
상기 메타표면 덮개는, 복수의 고정핀을 통해 상기 패치 안테나의 상방에 배치될 수 있다.
상기 원형편파 안테나는, 공진주파수가 S 대역으로 2GHz~4GHz 사이일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 메타표면 덮개 제조 방법은, 패치 안테나 및, 상기 패치 안테나와 소정의 간격을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀을 포함하는 메타표면 덮개를 포함하는 원형편파 안테나의 메타표면 덮개 제조 방법으로서, 평면 상에서 규칙적으로 배열된 복수의 단위 셀 각각의 표면 전류를 추출하는 단계; 상기 표면 전류의 방향(θd) 및 위상(θp)을 계산하는 단계; 및 상기 표면 전류의 방향(θd) 및 위상(θp)에 기초하여, 상기 복수의 단위 셀 중 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 일부가 제거된 후 남은 복수의 단위 셀은, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 소정의 값 이내일 수 있다.
상기 일부가 제거된 후 남은 복수의 단위 셀은, 상기 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 20°이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 패브리-페롯 공진 구조에 메타표면 덮개를 사용함에도 원형편파 특성이 저해되지 않는 원형편파 안테나가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원형편파 안테나의 단면도이다.
도 2는 도 1의 원형편파 안테나 중 패치 안테나의 상면도 및 사시도이다.
도 3은 도 1의 메타표면 덮개의 단위 셀의 배열 상태를 나타내는 상면도이다.
도 4는 도 3의 단위셀의 상면도 및 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀의 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3의 (c)의 형태로 복수의 단위 셀이 배열된 경우, 단위 셀의 표면전류 특성 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3의 (a), (b), (c)의 경우 원형편파 안테나의 축비를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 3의 (c)의 경우 원형편파 안테나의 S 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 덮개 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
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.
본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 1~도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 원형편파 안테나의 구조에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원형편파 안테나의 단면도이고, 도 2는 도 1의 원형편파 안테나 중 패치 안테나의 상면도 및 사시도이고, 도 3은 도 1의 메타표면 덮개의 단위 셀의 배열 상태를 나타내는 상면도이고, 도 4는 도 3의 단위셀의 상면도 및 사시도이다.
도 1~4에서 노란색은 금속과 같은 도전성 물질로 형성된 것을 나타내고, 파란색은 절연 물질로 형성된 것을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 원형편파 안테나는, 패치 안테나(100) 및 상기 패치 안테나(100)와 소정의 간격(h)을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀(220)을 포함하는 메타표면 덮개(200)를 포함하며, 상기 복수의 단위 셀(220)의 각각은, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 소정의 값 이내이다.
도 1~4를 참조하면, 원형편파 안테나는, 패치 안테나(100) 및 패치 안테나(100)와 소정의 간격(h)을 두고 상방에 배치된 메타표면 덮개(200)를 포함한다. 메타표면 덮개(200)는 복수의 단위 셀(220)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 패치 안테나(100)는 접지층(110), 접지층(110) 상에 형성된 절연층(120), 절연층(120) 상에 형성된 패치(130) 및 급전부(140)를 포함할 수 있다.
도 2에서 패치(130)는 직사각형 형태인 것으로 도시하였으나, 패치의 형태는 이에 한하지 않으며, 원형 등 다른 형상일 수도 있다.
메타표면 덮개(200)는 패치 안테나(100)와 소정의 간격(h)을 두고 상방에 배치된다. 즉, 본 실시예에 따른 원형편파 안테나는 패브리-페로 공진 구조를 갖는다. 메타표면 덮개(200)는 복수의 고정핀(300)을 통해 패치 안테나(100)의 상방에 배치될 수 있다. 고정핀(300)은 예를 들어 테플론 핀일 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 메타표면 덮개(200)는 복수의 단위 셀(220)을 포함한다. 메타표면 덮개(200)는 절연층(210)과, 절연층(210) 상에 배열된 복수의 단위 셀(220)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 단위 셀(220) 한 개의 형상을 나타내는 것으로, 단위 셀(220) 주변의 절연층(210)도 함께 나타낸다. 단위 셀(220)의 형상은 도 4의 형상에 한하지 않으며, 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 등 다양한 형상일 수 있다.
복수의 단위 셀(220)은, 평면 상에서 규칙적으로 배열된 상태(도 3의 (a)를 참조)에서, 일부의 단위 셀이 제거된 배열 형태(도 3의 (b) 및 (c)를 참조)를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단위 셀이 직사각형 형상인 경우, 복수의 단위 셀이 가로 방향 및 세로 방향으로 규칙적으로 배열된 상태에서 일부의 단위 셀이 제거된 배열 형태를 가질 수 있다.
그러나, 본 발명의 범위는 이에 한하지 않으며, 단위 셀이 육각형인 경우에는 복수의 단위 셀이 벌집 모양으로 배열된 상태에서 일부 단위 셀이 제거될 수 있는 등, 단위 셀의 형상 또는 배열 방법에 따라 단위 셀은 다양한 형태로 배열될 수 있다.
본 실시예에 따른 복수의 단위 셀의 각각은, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 소정의 값 이내, 예를 들어 20°이하일 수 있다. 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이란, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd) 중 어느 하나에서 다른 하나를 뺀 값의 절대값을 의미한다.
원형 편파를 이루는 단위 셀의 표면 전류는 다음의 식으로 표현될 수 있다. x축 전류와 y축 전류는 90도의 위상 차이를 가지고 있다.
Figure 112019135423619-pat00001
(1)
식 (1)은 식 (2) 및 식 (3)으로 분리하여 정리될 수 있다.
Figure 112019135423619-pat00002
(2)
Figure 112019135423619-pat00003
(3)
식 (2), (3)은 식 (4), (5)로 각각 변환될 수 있다.
Figure 112019135423619-pat00004
(4)
Figure 112019135423619-pat00005
(5)
Figure 112019135423619-pat00006
(6)
Figure 112019135423619-pat00007
(7)
이때, 표면 전류의 위상(θp) 및 표면 전류의 방향(θd)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112019135423619-pat00008
Figure 112019135423619-pat00009
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀의 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 파란색은 x축 방향의 표면 전류(Jx)와 y축 방향의 표면 전류(Jy)를 나타내며, 빨간색은 실수축의 표면 전류(Jreal)와 허수축의 표면 전류(Jimag)를 나타낸다. 설명의 편의를 위해 두 좌표축을 동시에 나타낸다.
본 실시예에서 단위 셀은 빨간색 화살표와 파란색 화살표가 이루는 각도의 값이 소정의 값 이내인 것을 충족한다.
이러한 기준을 충족하는 원형편파 안테나의 성능에 대해 도 6~도 8을 참조하여 설명한다.
도 6은 도 3의 (c)의 형태로 복수의 단위 셀이 배열된 경우, 단위 셀의 표면전류의 방향과 위상의 차(θcell)를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 3의 (a), (b), (c)의 경우 원형편파 안테나의 축비를 나타내는 그래프이고, 도 8은 도 3의 (c)의 경우 원형편파 안테나의 S 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 6에서 단위 셀의 표면전류의 방향과 위상의 차(θcell)는 다음의 식으로 정의된다.
Figure 112019135423619-pat00010
도 6의 단위 셀의 표면전류의 방향과 위상의 차(θcell)는 고주파 전자기장 해석 소프트웨어인 Ansys HFSS를 이용하여 분석되었으며, 본 실시예에 따른 원형편파 안테나의 표면 전류의 방향과 위상의 차는 -20도~20도의 사이에 분포하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 원형편파 안테나는 도 7의 (a) 및 (b)의 경우에 비해 축비가 매우 적어 양호한 원형 편파 특성을 나타내며, 도 8에 도시된 바와 같이 S 파라미터 역시 매우 양호한 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 덮개 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 패치 안테나 및, 상기 패치 안테나와 소정의 간격을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀을 포함하는 메타표면 덮개를 포함하는 원형편파 안테나의 메타표면 덮개 제조 방법은, 평면 상에서 규칙적으로 배열된 복수의 단위 셀 각각의 표면 전류를 추출하는 단계(S100); 상기 표면 전류의 방향(θd) 및 위상(θp)을 계산하는 단계(S200); 및 상기 표면 전류의 방향(θd) 및 위상(θp)에 기초하여, 상기 복수의 단위 셀 중 일부를 제거하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 일부가 제거된 후 남은 복수의 단위 셀은, 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 소정의 값 이내, 예를 들어 20°이하일 수 있다.
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.

Claims (9)

  1. 패치 안테나 및
    상기 패치 안테나와 소정의 간격을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀을 포함하는 메타표면 덮개
    를 포함하며,
    상기 복수의 단위 셀의 각각에서 표면 전류의 위상(θp)과 표면 전류의 방향(θd)의 차이가 20°이하를 만족하도록, 상기 복수의 단위 셀은, 평면상에서 규칙적으로 배열된 상태에서 일부의 단위 셀이 제거된 배열 형태를 갖는 원형편파 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀은,
    직사각형 형상의 단위 셀이 가로 방향 및 세로 방향으로 규칙적으로 배열된 상태에서 일부의 단위 셀이 제거된 배열 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원형편파 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 덮개는, 복수의 고정핀을 통해 상기 패치 안테나의 상방에 배치되는 것을 특징으로 하는 원형편파 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    공진주파수가 S 대역으로 2GHz~4GHz 사이인 것을 특징으로 하는 원형편파 안테나.
  7. 패치 안테나 및, 상기 패치 안테나와 소정의 간격을 두고 상방에 배치되며, 복수의 단위 셀을 포함하는 메타표면 덮개를 포함하는 원형편파 안테나의 메타표면 덮개 제조 방법으로서,
    평면 상에서 규칙적으로 배열된 복수의 단위 셀 각각의 표면 전류를 추출하는 단계;
    상기 표면 전류의 방향(θd) 및 위상(θp)을 계산하는 단계; 및
    상기 복수의 단위 셀 각각에 대하여 상기 표면 전류의 방향(θd)과 위상(θp)의 차이가 20°이하를 만족하도록, 상기 복수의 단위 셀 중 일부를 제거하는 단계
    를 포함하는 원형편파 안테나의 메타표면 덮개 제조 방법.


  8. 삭제
  9. 삭제
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