KR102403320B1 - 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체 - Google Patents

폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체 Download PDF

Info

Publication number
KR102403320B1
KR102403320B1 KR1020200103895A KR20200103895A KR102403320B1 KR 102403320 B1 KR102403320 B1 KR 102403320B1 KR 1020200103895 A KR1020200103895 A KR 1020200103895A KR 20200103895 A KR20200103895 A KR 20200103895A KR 102403320 B1 KR102403320 B1 KR 102403320B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit cell
folded dipole
surface structure
meta
metal arm
Prior art date
Application number
KR1020200103895A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220022666A (ko
Inventor
최상조
나심 알 이슬람
Original Assignee
울산대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산대학교 산학협력단 filed Critical 울산대학교 산학협력단
Priority to KR1020200103895A priority Critical patent/KR102403320B1/ko
Publication of KR20220022666A publication Critical patent/KR20220022666A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102403320B1 publication Critical patent/KR102403320B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 10GHz에서 불필요한 고조파 반사를 줄이면서도 약 50°이상의 반사각도로 입사파를 반사하는 폴디드 다이폴 타입을 가지는 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체를 제안한다. 본 발명의 메타 표면 구조체는, 금속 접지면을 가지는 소정 크기의 유전체 기판과 상기 유전체 기판에 형성된 폴디드 다이폴 형상의 안테나 스트립을 포함하여 구성되는 단위 셀이 일정 간격으로 배열되는 구조이다. 그리고 상기 안테나 스트립은, 제1 금속 암과, 상기 제1 금속 암과 일정 간격 이격되며 대칭되는 제2 금속 암, 상기 제1 금속 암과 제2 금속 암을 연결하는 연결 트레이스를 포함하여 구성된다.

Description

폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체{Metasurface structure based on folded dipole unit cell}
본 발명은 메타 표면(Metasurface) 구조체에 관한 것으로, 특히 10GHz에서 불필요한 고조파 반사를 줄이면서 높은 각도(대략 50°이상)에서 효율적인 반사가 가능하도록 설계된 폴디드 다이폴 타입을 가지는 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체에 관한 것이다.
메타 표면은 2차원적인 주기구조를 갖는 금속패턴을 이용하여 빔 성형기능을 수행하도록 만든 평면구조를 의미한다. 이러한 메타 표면은 전자기파에 대해 상대적인 위상차를 가지는 단위 셀들을 공간적으로 설계함으로써 원하는 파면을 생성할 수 있으며, 전송 어레이, 반사 어레이, 빔 포커스렌즈, 와류 빔 발생기 등과 같은 다양한 분야에 이용되고 있다. 만약 메타 표면이 안테나 기술분야에서 활용되면, 상기 메타표면은 2차원으로 배열된 복수 개의 단위 셀들로 구성될 수 있으며 각각의 단위 셀은 안테나로부터 방사되는 빔을 원하는 위상만큼 지연시킬 수 있는 공간필터로서의 기능을 수행하게 된다.
메타 표면의 효율적인 이용은 원하는 각도에서 효율적인 반사각을 보여줘야 한다. 하지만 높은 반사각을 필요로 하는 경우 메타 표면의 효율이 감소하게 되는 여러 문제점에 직면하였다. 그래서 종래에도 완벽한 반사 효율의 메타 표면을 실현하기 위해 다양한 방법들이 제안된 바 있다. 예를 들면 inhomogeneous active and lossy elements, leaky-wave antennas, and coding-based metasurface 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 이론적으로 정립된 방법들에 불과하며 실제 적용된 케이스는 없었다. 무엇보다 높은 각도에서 완벽한 반사를 위해 표면파가 필요하다고 가정하고 전기적으로 큰 메타 표면 구조체를 사용하는 방안이 제안되기도 했지만, 상기 표면파는 메타 표면 구조체의 가장자리에서 산란이 발생하게 되는 문제가 있었다.
또 active elements는 메타 표면 구조를 불안정하게 만들고, 메타 표면의 상부표면과 하부표면 사이의 auxiliary evanescent surface waves의 간섭을 제어하면 설계 프로세스가 복잡해지는 문제가 있다.
다른 방법으로 누설파 패치형 안테나 유닛에 의한 메타 표면 구조체가 제안되기도 했다. 이 방법은 흡수된 전력을 채널링하고 표면파를 통해 셀 주기 내에서 전력을 재 방사하도록 설계된다. 하지만 근거리 결합이 누설파의 안테나 요소들에 영향을 미치기 때문에 안테나 구조를 최적으로 설계해야 하는 어려움이 있다. 또 다른 방법으로 패치형 단위 셀을 비선형 위상분포로 배열하여 메타 표면을 설계함으로써 원하는 각도에서 효율적인 반사를 제시한 경우도 있었지만, 상당한 양의 기생 반사(parasitic reflections)를 피할 수 없었다. 즉 높은 반사각을 위해 설계된 메타 표면의 경우 단위 셀 어레이의 단위 셀들간의 간격이 매우 좁아 커플링(coupling) 현상이 초래되기 때문이다. 이러한 방법들은 대체적으로 높은 반사각도를 위해 설계된 메타 표면의 경우 단위 셀들 사이의 짧은 거리로 인해 낮은 기생 반사를 유지하는 것이 어렵다는 것을 의미한다. 다시 말해 아주 가깝게 위치한 단위 셀은 강한 근거리 커플링의 영향을 받게 되며, 단위 셀의 최적화가 필요한 문제가 있었다.
이전에도 상기한 사각형상의 패치형 단위 셀 대신에 V-형상, H-형상, 원형 패치 형상(circular patch shape), 키랄 형상(chiral shapes)과 같은 다양한 형상의 단위 셀이 메타 표면에 적용되기도 하였지만, 패치 형상과 비교하면 상대적으로 부피가 커져 밀도가 높은 어레이 내부에 적합하지 않았다.
이와 같이 일반적으로 반사각이 낮은 메타 표면 구조체의 경우 일반적인 사각형상의 패치구조로도 설계가 가능하였지만, 높은 반사각(예컨대 θr > 50°이상)을 필요로 하는 경우에는 충분한 효율을 가지는 메타 표면을 설계하는데 어려움이 있었던 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폴디드 다이폴 단위 셀을 기반으로 하여 메타 표면을 설계함으로써, 비교적 높은 반사각도에서도 불필요한 고조파 반사를 줄이면서 효율적인 반사 성능이 가능하도록 한 메타 표면 구조체를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속 접지면을 가지는 소정 크기의 유전체 기판; 상기 유전체 기판에 형성된 폴디드 다이폴 형상의 안테나 스트립을 포함하는 단위 셀이고, 상기 안테나 스트립은, 제1 금속 암; 상기 제1 금속 암과 일정 간격 이격되며 대칭되는 제2 금속 암; 및 상기 제1 금속 암과 제2 금속 암을 연결하는 연결 트레이스를 포함하여 구성되는 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체를 제공한다.
상기 메타 표면 구조체는, 입사각에 대해 제1 반사각도 및 제2 반사각도의 반사각을 제공하며, 제1 반사각도는 56°, 제2 반사각도는 70°이다.
상기 제1 반사각도를 위한 단위 셀의 치수(ls × Ws × h)는 12mm × 4mm × 2.5mm이고, 상기 제2 반사각도를 위한 단위 셀의 치수(ls × Ws × h)는 12mm × 3.5mm × 2.5mm이다.
상기 연결트레이스의 폭(Wt)은 0.15mm, 상기 제1 금속 암과 제2 금속 암 사이의 간격(g)은 0.2mm이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수 개의 단위 셀들이 일정 간격 배열되어 형성되는 메타 표면 구조체에 있어서, 상기 단위 셀은, 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 서로 마주보며 일정 간격 이격되면서 대칭되는 제1 금속 암 및 제2 금속 암; 상기 제1 금속 암과 제2 금속 암의 끝단에서 각각 연장되어, 상기 제1 금속 암과 제2 금속 암을 연결하는 연결 트레이스를 포함하여 구성되는 메타 표면 구조체를 제공한다.
상기 단위 셀들의 사이즈는 모두 상이하게 형성된다.
상기 메타 표면 구조체는, 정상 입사파를 50°이상의 반사각으로 반사한다.
이상과 같은 본 발명의 폴디드 다이폴 단위셀 기반의 메타 표면 구조체에 따르면, 비교적 작은 사이즈(~40λ2)에서도 50°이상의 반사각도에서 낮은 고조파 레벨을 가지는 특징을 제공할 수 있다.
그리고 본 발명에 따르면 메타 표면의 단위 셀로 사용되는 폴디드 다이폴 구조에 따른 폐 전류 루프에 의하여 단위 셀 시뮬레이션에서 계산된 반사 위상이 조밀한 배열에서도 유지되는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따르면 기존의 패치 기반의 메타 표면과 비교하면 낮은 기생 반사 레벨을 유지하며, 반사각이 70°이상에서도 비슷한 신호를 유지함을 알 수 있어 메타 표면의 효율 감소에 따른 문제를 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 조밀하고 컴팩트한 환경에서도 메타 표면이 폴디드 다이폴 단위 셀을 기반으로 하고 있어 고조파를 억제할 수 있으며, 이에 따라 밀리미터파 통신 링크를 위한 효율적인 반사 배열로 사용될 수 있는 효과도 있다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 메타 표면 구조체에 적용되는 폴디드 다이폴 단위 셀의 사시도
도 1b는 도 1a의 평면도
도 2는 길이(l) 및 폭(w) 변화와 함께 70°반사 각도(Ws = 3.5mm)에 대해 10GHz 대역에서 단위 셀의 2π 위상 범위를 나타낸 그래프
도 3a 및 도 4a는 반사각도가 56°및 70°의 메타 표면 구조체의 1 주기(Dx) 동안 9개의 단위 셀이 배열된 각각의 예시도면
도 3b 및 도 4b는 반사각도가 56°및 70°의 메타 표면에서 시뮬레이션 된 3D 방사 패턴
도 3c 및 도 4c는 φ=90°인 평면에서 2D 방사패턴을 나타낸 도면
도 5a는 본 발명과 비교하기 위한 패치기반의 반사각도 70°인 메타 표면 구조체의 형상, 도 5b는 7×9 어레이 구조에서의 원거리 3D 방사패턴, 도 5c는 폴디드 다이폴, 패치 형상의 메타 표면, 금속판(φ = 90°) 각각에 대한 10GHz에서 원거리 2D 방사 패턴을 비교한 그래프
도 6은 본 발명의 70°반사각에 대한 폴디드 다이폴 메타 표면에서의 단위 셀(a,b)과 기존의 패치 형상의 단위 셀(c,d) 내부의 전류 분포를 보인 도면
도 7은 본 발명의 폴디드 다이폴 기반의 단위 셀과 패치 타입 기반의 단위 셀에서의 전력 흐름을 나타낸 도면
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따라 폴디드 다이폴 기반의 메타 표면 구조체와 기존의 패치 타입 메타 표면 구조체의 사시도
도 8c은 도 8a 및 도 8b의 측정 조건
도 8d 및 도 8e는 도 8a 및 도 8b의 측정 결과
도 9 내지 도 11은 본 발명과 기존 메타 표면 구조체에 대한 투과계수 및 반사계수를 보인 실험결과 그래프들
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예는 10GHz 대역에서 작동하는 폴디드 다이폴 형상의 구조를 사용하여 메타 표면 구조체를 설계한 것으로 도 1을 참조하여 살펴본다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 메타 표면 구조체에 적용되는 폴디드 다이폴 단위 셀의 사시도, 도 1b는 도 1a의 평면도이다.
도 1a 및 도 1b는 메타 표면을 형성하는 단위 셀(10)을 나타내고 있는 것으로, 이러한 단위 셀(10)들이 이차원 평면상에서 일정 간격으로 배열되어 메타 표면을 형성하게 된다. 즉 메타 표면 구조체는 단위 셀(10)들의 평면 배열 집합체라 할 수 있다.
단위 셀(10)은, 금속 접지면을 가지는 소정 크기의 유전체 기판(100)과, 상기 유전체 기판(100)에 형성된 폴디드 다이폴 형상의 안테나 스트립(110)을 포함한다. 실시 예에서 상기 유전체 기판(100)은 두께(h)가 2.5mm인 'Rogers 6006'을 이용한다.
상기 안테나 스트립(110)은, 일정 간격(g) 이격된 제1 금속암(112) 및 제2 금속암(114)과, 상기 제1, 제2 금속암(112, 114)을 연결하는 연결 트레이스(116)를 포함한다.
이러한 상기 단위 셀(10)의 기하학적 치수를 살펴보면, 다음과 같다.
상기 메타 표면의 주기를 결정하기 위해 하기 수학식 1를 참조하면, 10GHz 대역에서 y-방향을 따라 반사각도가 56°및 70°의 메타 표면 구조체의 필요한 주기 길이(Dx)는 각각 36mm, 32mm임을 알 수 있다. 또 1 - 주기에 9개의 단위 셀이 있는 경우 56°및 70°에서의 너비(Ws)는 각각 4mm, 3.5mm가 된다. 56°및 70°각각의 메타 표면의 단위 셀의 길이(ls)는 2π반사 위상 범위에 대해 12mm로 고정된다.
따라서 하나의 단위 셀(10)의 치수(ls × Ws × h)는 56°및 70°반사각에 대해 12mm × 4mm × 2.5mm, 12mm × 3.5mm × 2.5mm가 된다.
Figure 112020087001776-pat00001
이러한 단위 셀(10)의 사이즈를 기반으로 하여 2π반사 위상을 달성하기 위하여 10GHz 대역에서 상기 금속 암(112, 114)의 폭(w)과 길이(l)를 변경할 수 있다. 여기서 연결 트레이스(116)의 폭(Wt)은 0.15mm, 금속 암(112, 114) 사이의 간격(g)은 0.2mm로 고정된다. 또 제1, 제2 금속 암(112,114)과는 0.4mm 라인으로 연결된다.
이와 같은 설계 조건에서, 폴디드 다이폴 구조는 56°및 70°의 경우에 거의 단일 반사 크기를 가지면서 필요로 하는 위상 변화를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 단위 셀(10)의 치수를 변경하는 것이 가능하다. 실시 예는 9개의 단위 셀(10)을 이용한 메타 표면 구조체를 제시하였으며, 각 단위 셀(10)들은 정수 단위로 길이(l) 변경과 폴디드 다이폴 구조의 폭(w)을 미세 조정하여 R2의 위상에 따른 단위 셀을 제공하였다. 이러한 단위 셀(10)의 치수는 다음 [표 1]과 같다.
56°reflective structure 70°reflective structure
Unit Cell l(mm) w(mm) phase(degree) l(mm) w(mm) phase(degree)
1 6 0.9 -1° 7 0.3 -1°
2 7 0.6 -37° 7 0.5 -33°
3 8 0.3 -77° 7 0.8 -68°
4 8 1 -120° 8 0.5 -103°
5 11 0.5 -170° 11 0.5 -170°
6 3 0.7 142° 3 0.7 146°
7 5 0.2 108° 4 0.8 78°
8 5 0.5 74° 5 0.7 55°
9 6 0.5 38° 5 1 35°
도 2는 길이(l) 및 폭(w) 변화와 함께 70°반사 각도(Ws = 3.5mm)에 대해 10GHz 대역에서 단위 셀(10)의 2π 위상 범위를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 흰색 점이 70°반사성 메타 표면에 사용되는 최종 단위 셀의 치수를 나타낸다.
도 3a 및 도 4a는 반사각도가 56°및 70°의 메타 표면 구조체의 1 주기(Dx,도 3a 참조) 동안 9개의 단위 셀이 배열된 각각의 예시도면이다.
도면을 참조하면, 일반적인 입사 평면파로 메타 표면의 유한 배열을 여기하고, 원하는 각도에서 반사 빔을 제공하는 최소 배열 크기를 알 수 있다.
X축 및 Y축을 따라 7×9주기가 선택되면, 유한 메타 표면 사이즈는 56°및 70°에서 각각 252mm × 108mm(8.4λ×3.6λ), 220.5mm × 108mm(7.35λ × 3.6λ)가 된다. 여기서, 조밀한 배열에서 안정적인 위상 성능을 보장하기 위해 폴디드 다이폴 구조 내부의 폐 루프 전류를 기대할 수 있기 때문에 유한 배열의 단위 셀을 추가로 조정하지는 않았다.
상기 [표 1]를 참고하여 보면 도 3a 및 도 4a에는 서로 다른 크기를 가지는 단위 셀(10)들이 일정 간격으로 배열되어 메타 표면을 형성하고 있음을 알 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 폴디드 다이폴의 폭(w)과 길이(l)는 상이하지만, 모두 제1 금속 암(112) 및 제2 금속 암(114), 상기 제1 금속 암(112)과 제2 금속 암(114)을 연결하는 연결 트레이스(116)를 포함하여 구성되는 구조이다.
이처럼 폴디드 다이폴 구조를 이용하여 메타 표면을 형성하면 반사각을 높일 수 있어 원하는 방향으로 반사파를 보내는 것을 쉽게 구현할 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 반사각이 고각(대략 50°내지 70°)인 경우 널리 사용되는 패치 기반의 메타 표면에서는 단위 셀 간의 간격이 매우 좁기 때문에 커플링 현상이 발생하여 반사효율이 낮아지나, 본 발명의 메타 표면 구조체는 인접하는 단위 셀 간의 영향을 최소화할 수 있어 반사효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 3b 및 도 4b는 반사각도가 56°및 70°의 메타 표면에서 시뮬레이션 된 3D 방사 패턴이다. 모두 명확하게 이례적인 반사 빔이 나타나고 있는데, 그 중 70°의 메타 표면의 3D 방사 패턴은 -70°에서 원하지 않는 방향으로 빔이 반사되고 있다.
도 3c 및 도 4c는 φ=90°인 평면에서 2D 방사패턴을 나타낸 도면이다. 도 3c는 반사각도가 56°의 2D 방사패턴을 보여주고 있는 도면으로 θ= 0°의 무시할 수 있는 반사 레벨을 보여준다. 즉 θ= 0°은 θ = 56°의 레벨보다 대략 10dB 낮다. 반면 반사각도가 70°인 상태를 보인 도 4c를 보면 θ= 0°와 θ= -70°에서 중요한 신호 레벨을 보여준다. 상기 각도들은 반사파(nk0sinθr)의 접선 파수의 0 또는 -2π/Dx에 해당하는 n = 0과 n = -1의 바람직하지 않은 고조파 반사로 이해될 수 있다. 상기 반사각도 70°인 메타 표면으로부터의 고조파 레벨은 필요한 반사 위상이 실현되었더라도 패시브 폴디드 다이폴 소자를 통해 높은 각도(고각)에서 효율적인 반사에 필요한 네거티브 저항이 구현되지 않았기 때문에 발생한다. 그러나 도 4c를 보면 n = 0과 n = -1인 고조파 레벨은 각각 주피크(main peak)보다 대략 8dB, 5.3dB만큼 낮다. 이는 전력 수준이 모두 비정상적인 방향으로 방사되는 전력의 30% 미만임을 의미한다. 이러한 고조파 레벨은 θ= -70°에서의 레벨이 비정상 방사 레벨의 60%에 도달하는 기존의 패치 기반의 반사각도 70°인 메타 표면보다 낮은 것이다.
도 5a는 본 발명과 비교하기 위한 패치기반의 반사각도 70°인 메타 표면 구조체의 형상, 도 5b는 7×9 어레이 구조에서의 원거리 3D 방사패턴, 도 5c는 폴디드 다이폴, 패치 형상의 메타 표면, 금속판(φ = 90°) 각각에 대한 10GHz에서 원거리 2D 방사 패턴을 비교한 그래프이다.
본 발명과 비교하기 위해 동일한 위상 분포(R2)에서 반사각 70°를 가지는 패치 형태의 메타 표면 구조체를 설계하였고, θ = +70°, 0°, -70°에서 반사레벨을 비교하였다. 조건으로 메타 표면 구조체의 단위 셀의 크기는 12mm × 3.5mm이고, 패치의 길이는 패치 폭(W)이 2.4mm로 정해진 상태에서 1mm ~ 11mm에서 변경하였다. 또한 패치형 메타 표면 구조체는 12mm 길이의 단위 셀로부터 246°(-180° ~ + 66°)의 반사 위상만을 커버하였다. 따라서 공진 주파수를 낮추기 위하여 단위 셀의 길이를 15mm 까지 증가시켰고, 10GHz에서 2π위상 변화를 달성했다.
도 5a에서 보듯이 70°반사각에 대해 패치타입의 메타 표면 구조체의 1주기 내에서 단위 셀의 치수를 알 수 있다. 본 발명의 폴디드 다이폴 기반 메타 표면 구조체와 비교를 위해 패치형 메타 표면 구조체도 x 및 y축을 따라 7×9 주기로 배열하였고, 결과적으로 70°굽힘 각도용 최종 패치기반의 메타 표면 구조체는 220.5mm × 120mm(7.35λ×4λ)가 된다. 본 발명의 폴디드 다이폴 메타 표면 구조체의 220.5mm × 108mm(7.35λ × 3.6λ)보다 사이즈가 약간 크다.
그리고 도 5b의 3D 방사 패턴을 보면 70°에서 비정상 반사가 나타난다. 그러나 폴디드 다이폴 기반의 메타 표면 구조체와 비교하면 0°와 -70°에서 반사 빔은 더 높게 나타난다.
도 5c를 살펴보면, 폴디드 다이폴, 패치 형상의 메타 표면, 금속판(φ = 90°)의 모든 구조에서 70°에서 가장 높은 반사 피크를 보여주며, 패치 형상의 메타 표면의 반사 레벨이 폴디드 다이폴 메타 표면의 반사 레벨보다 약 1dB 더 높게 나타나고 있다. 그러나, -70°(n = -1)에서 1.13dB, 0°(n = 0)에서 5dB만큼 기생 반사가 더 높게 나타난다. 이를 보면 본 발명의 실시 예에 따른 폴디드 다이폴 메타 표면 구조체가 패치 형상의 메타 표면 구조체보다 고조파 레벨이 더 낮게 나타난다고 할 수 있고 이는 70°이상의 반사각에서 원하는 반사 위상이 조밀한 배열에서도 불안하지 않는다는 것을 의미할 수 있다.
도 6은 본 발명의 70°반사각에 대한 폴디드 다이폴 메타 표면에서의 단위 셀(a,b)과 기존의 패치 형상의 단위 셀(c,d) 내부의 전류 분포를 보인 도면으로, 도 6의 (a) 및 (c)는 단위 셀의 시뮬레이션 결과, 도 6의 (b) 및 (d)는 유한 배열 시뮬레이션에서 1 주기 결과 도면이다. 시뮬레이션 조건은 평면파 여기(E = 1V/m)를 사용하여 동일한 입사파가 인가되도록 하였다. 도 6의 (a) 및 (b)를 보면 폐 전류 루프가 폴디드 다이폴 단위 셀의 금속 암 내부에서 여기됨을 알 수 있다. 이는 인접한 단위 셀들 사이의 근거리 커플링이 강하지 않고, 단위 셀 시뮬레이션으로부터 결정된 위상이 셀 어레이 내부에서 유지될 수 있음을 나타낸다고 할 것이다.
도 6의 (c) 및 (d)는 표면 전류 분포를 나타낸 도면인데, 특히 패치 형상의 단위 셀의 표면 전류 분포 시뮬레이션 중 6번째 및 7번째 단위 셀을 보면 순환 전류를 생성하고 있고, 3번째 및 8번째 단위 셀은 서로 다른 전류 분포를 나타내고 있다. 이는 패치 형상의 단위 셀의 경우 셀 어레이에서 강한 근거리 커플링이 존재함을 의미한다고 할 수 있다. 그 결과 패치 기반 메타 표면 구조체 내부의 반사 위상이 교란되는 것이고, 따라서 바람직하지 않은 고조파 레벨이 발생하게 된다.
이러한 전류 분포는 반사된 전력 흐름에 영향을 미치게 되는데, 이를 평가하기 위해 z-directed Poynting vertor를 시뮬레이션하였고, 도 7에 나타냈다. 참고로 포인팅 벡터(Poynting vertor)는 메타 표면상의 순 전력 흐름과 입사 전력의 방사 및 흡수되는 위치를 보여주는 벡터이다.
도 7에서 (a)은 본 발명의 폴디드 다이폴 기반의 단위 셀에서의 전력 흐름, (b)는 패치 타입 기반의 단위 셀에서의 전력 흐름을 나타낸다. 모두 z = 4.5mm(λ/6.67)에 위치한 평면에서 반사된 전력 흐름이다. (a)를 보면 전력밀도의 주기적인 분포를 알수 있다. 효율적인 변칙 반사에 대한 요구사항을 보장하도록 표면의 절반은 활성화되고, 나머지 절반은 손실된다. 반면 (b)를 보면 활성 영역의중심 부근의 방사전력이 인접한 손실부분으로 누설되고 있다. 이는 단위 셀들 사이의 근접장 커플링이 전력 분배를 교란시킨다는 것을 의미한다. 앞서 설명한 바와 같이 이러한 교란된 반사전력의 흐름은 바람직하지 않은 고조파를 발생시키게 된다.
다음에는 본 발명의 실험 및 측정 결과를 통해 공지된 패치 타입 기반의 메타 표면과 비교해보기로 한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따라 7×9 주기를 가지는 폴디드 다이폴 기반의 메타 표면 구조체, 7×8 주기를 가지는 패치 타입 메타 표면 구조체이다. 사이즈는 각각 224mm(폭) × 108mm(길이), 224mm(폭) × 127mm(길이)이고, 2.5mm 두께와 35㎛의 구리 두께를 가지는 표준 사이즈의 'Rogers 6006' 기판을 사용하였다.
이들에 대한 측정을 위한 조건은 도 8c에 도시한 바와 같이 세 방향 각도(θ=-70°, 0°, 70°)에서 반사성능을 검증하였다. 또한 측정 설정으로 송신 혼 안테나는 4m 거리를 두고 메타 표면 앞에 0°로 고정하였고, 수신 안테나는 2개의 목표 각도(-70°, 70°)로 메타 표면에서 2m에 장착하였다. 그리고 산업용 정렬 레이저인 'Easy-Laser 22152'를 사용하여 메타 표면과 혼 안테나 사이의 정렬 및 각도를 확인하였고, 혼 안테나들은 모두 네트워크 분석기인 'Anritsu MS46122B'에 연결하여, 반사된 신호를 측정하였다. 또한 네트워크 분석기로부터 광대역 주파수 도메인 데이터(5GHz ~ 15GHz)를 1601 샘플링 포인트로 수집하였고, IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 사용하여 주파수 도메인 신호를 시간 도메인 신호로 변환하였다.
측정 결과를 살펴보면, 도 8d 및 도 8e는 각각 폴디드 다이폴과 패치 기반 메타 표면으로부터 θ=70°에서 측정된 S21에 대한 시간 도메인 신호(ns)를 나타낸다. 도면에서 알 수 있듯이 폴디드 다이폴 구조는 22ns에서 금속 플레이트와 같은 시간에 반사된 신호 피크가 나타남을 알 수 있고, 이는 시간 지연없이 직접 반사되는 것을 나타낸다. 이는 폴디드 다이폴 구조가 안테나 구조 내부에서 여기된 필드를 이용하기 때문에 직접 반사가 가능한 것이다. 반면 도 8b와 같이 패치 타입 구조에서는 22.2ns에서 주요 피크가 나타나고 있고, 이는 직접 반사와 비교하면 약 0.2ns 지연이 발생하고 있다. 시간 지연이 나타나는 이유는 패치 타입 구조의 경우 메타 표면에서의 최대 반사가 주기 내의 유도파에 의한 것이기 때문이다. 또한 폴디드 다이폴 메타 표면 구조는 유도파 때문에 0.2ns후에 또 다른 피크가 발생하고 있는데, 이는 메인 피크 이후에 약한 후속 반사 피크를 포함한 것이다.
도 9는 θ=70°에서의 투과계수(Transmission coefficient)를 나타낸 도면들이다. 도 9a 및 도 9b는 3구조(폴디드 다이폴, 패치타입, gating function)에 대해 θ=70°에서 측정된 S21의 시간 도메인 신호와 2.8ns와 4.6ns 폭의 gating functions을 보여준다. 도 9c 및 도 9d는 각 구조에 대한 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프로서, 특히 도 9d를 참조하면 패치 타입의 메타표면 구조는 10.5 ~ 11GHz 에서 경사가 심하게 신호 강하현상이 발생하고 있다.
반면 본 발명인 폴디드 다이폴 메타표면 구조는 동일한 대역에서 리플 현상만 나타나고 있다. 이는 패치 타입의 메타표면 구조체가 셀 어레이간의 강한 커플링 현상에 의하여 시뮬레이션 결과보다 더 많은 편차를 발생시키는 것이고, 반면 폴디드 다이폴 메타 표면 구조체는 고밀도 어레이에서 더 안정적인 반사 성능을 제공하는 것을 의미한다.
도 10은 도 9와 마찬가지로 θ=70°에서의 투과계수(Transmission coefficient)를 나타낸 도면들이지만, 다만 θ=70°에서 측정된 S21의 시간 도메인 신호와 2.4ns와 4.6ns 폭의 gating functions을 보여주고 있다. 그리고 도 10은 원하지 않은 고조파에서 반사레벨을 확인하기 위하여 폴디드 다이폴 구조와 패치타입 구조에 대해 θ=-70°(n=-1) 및 θ=0°(n=0)의 측정 결과를 분석한 그래프라 할 수 있다.
도면들을 살펴보면, 패치타입 메타 표면 구조는 측정된 고조파 레벨이 높을수록 제조 불확실성(예컨대 기판의 기생효과 및 유전상수 변동)으로 인하여 더 강한 유도파 및 에지 산란을 일으키게 됨을 알 수 있다. 그러나 폴디드 다이폴 메타 표면 구조는 유도판 대신에 안테나 구조의 내부 전류 여기를 사용하는 다른 반사 메커니즘때문에 시뮬레이션 결과와 더 상관관계가 있는 반사 레벨을 제공하고 있다.
도 11은 θ=0°에서의 반사계수(Reflection coefficient)를 나타낸 도면들이다. 위에서 설명한 θ=70°와는 다르게, 모든 구조의 주요 반사피크는 동시에 발생하고 있음을 알 수 있다. 그리고 도면을 보면, 폴디드 다이폴 메타 표면 구조는 대부분의 직접 반사된 전력이 비정상적인 방향(θ=70°)으로 전달되기 때문에 정상 방향에서의 반사가 다른 구조보다 낮음을 알 수 있다.
또 폴디드 다이폴 구조 및 패치 타입 구조 모두 -20dB 미만의 고조파 억제 최소 범위가 9.6GHz 근처에서 발생함을 효과적으로 나타낸다. 상기 주파수는 최대 반사가 70°인 주파수 범위와 일치한다. 또 주파수 범위 9.6 ~ 10GHz를 따라서 폴디드 다이폴 기반의 메타 표면 구조체는 패치 타입의 메타 표면 구조체와 비교하면 최소 5dB 낮은 반사 레벨을 유지한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 폴디드 다이폴 기반의 단위 셀들을 일정 간격 배열하여 메타 표면 구조체를 형성함으로써, 입사각도에 대해 50° ~ 70°이상의 반사각으로 반사하면서도 불필요한 고조파 반사를 최소화할 수 있어 반사효율을 개선할 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 단위 셀
100: 유전체 기판
112: 제1 금속 암
114: 제2 금속 암
116: 연결 트레이스

Claims (8)

  1. 입사각에 대해 제1 반사 각도 및 제2 반사 각도를 제공하기 위한 메타 표면 구조체에 있어서,
    금속 접지면을 가지는 소정 크기의 유전체 기판;
    상기 유전체 기판에 형성된 폴디드 다이폴 형상의 안테나 스트립을 포함하며,
    상기 안테나 스트립은,
    제1 금속 암;
    상기 제1 금속 암과 일정 간격 이격되며 대칭되는 제2 금속 암; 및
    상기 제1 금속 암과 제2 금속 암을 연결하는 연결 트레이스를 포함하여 구성되는 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 반사각도는 56°, 상기 제2 반사각도는 70°인 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 반사각도를 위한 단위 셀의 치수(ls × Ws × h)는 12mm × 4mm × 2.5mm이고,
    상기 제2 반사각도를 위한 단위 셀의 치수(ls × Ws × h)는 12mm × 3.5mm × 2.5mm인 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결트레이스의 폭(Wt)은 0.15mm,
    상기 제1 금속 암과 제2 금속 암 사이의 간격(g)은 0.2mm인 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
  5. 복수 개의 단위 셀들이 일정 간격 배열되어 형성되는 메타 표면 구조체에 있어서,
    상기 단위 셀은 폴디드 다이폴 형상을 기반으로 설계되고,
    소정 크기의 유전체 기판;
    상기 유전체 기판상에 서로 마주보며 일정 간격 이격되면서 대칭되는 제1 금속 암 및 제2 금속 암; 그리고
    상기 제1 금속 암과 제2 금속 암의 끝단에서 각각 연장되어, 상기 제1 금속 암과 제2 금속 암을 연결하는 연결 트레이스를 포함하여 구성되고,
    상기 단위 셀들의 사이즈는 모두 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 메타 표면 구조체는,
    정상 입사파를 50°이상의 반사각으로 반사하는 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 메타 표면 구조체는, 40λ2 이하의 크기를 가지는 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체.
KR1020200103895A 2020-08-19 2020-08-19 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체 KR102403320B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200103895A KR102403320B1 (ko) 2020-08-19 2020-08-19 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200103895A KR102403320B1 (ko) 2020-08-19 2020-08-19 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220022666A KR20220022666A (ko) 2022-02-28
KR102403320B1 true KR102403320B1 (ko) 2022-06-02

Family

ID=80497426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200103895A KR102403320B1 (ko) 2020-08-19 2020-08-19 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102403320B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114859536B (zh) * 2022-05-10 2023-03-10 南京大学 一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线
CN116073127B (zh) * 2023-04-07 2023-06-06 微网优联科技(成都)有限公司 一种超表面加载基站天线

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101698131B1 (ko) 2015-10-22 2017-01-19 아주대학교 산학협력단 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나
JP2017028566A (ja) 2015-07-24 2017-02-02 日本無線株式会社 電磁波反射装置
WO2017157217A1 (zh) * 2016-03-16 2017-09-21 深圳光启高等理工研究院 吸波超材料、天线罩和天线系统
KR102113089B1 (ko) 2019-03-22 2020-05-20 홍익대학교 산학협력단 편파 독립 역지향성 표면 안테나

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130117226A (ko) * 2012-04-18 2013-10-25 재단법인대구경북과학기술원 메타물질을 이용한 안테나

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017028566A (ja) 2015-07-24 2017-02-02 日本無線株式会社 電磁波反射装置
KR101698131B1 (ko) 2015-10-22 2017-01-19 아주대학교 산학협력단 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나
WO2017157217A1 (zh) * 2016-03-16 2017-09-21 深圳光启高等理工研究院 吸波超材料、天线罩和天线系统
KR102113089B1 (ko) 2019-03-22 2020-05-20 홍익대학교 산학협력단 편파 독립 역지향성 표면 안테나

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220022666A (ko) 2022-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6766180B2 (ja) アンテナアレイ内の相互結合を低減するための装置および方法
Ranjan et al. SIW-based leaky-wave antenna supporting wide range of beam scanning through broadside
Zhao et al. Broadband low-RCS metasurface and its application on antenna
Iluz et al. Microstrip antenna phased array with electromagnetic bandgap substrate
JP7500172B2 (ja) メタサーフェス反射板および該メタサーフェスを備えた信号機
Liu et al. Wideband and polarization-independent radar cross section reduction using holographic metasurface
US8451189B1 (en) Ultra-wide band (UWB) artificial magnetic conductor (AMC) metamaterials for electrically thin antennas and arrays
KR100976858B1 (ko) 저 레이더 반사면적의 평면 패치 안테나와 평면 패치어레이 안테나
de Lera Acedo et al. Study and design of a differentially-fed tapered slot antenna array
KR102403320B1 (ko) 폴디드 다이폴 단위 셀 기반의 메타 표면 구조체
CN115084843A (zh) 天线装置
Zhao et al. Broadband metamaterial surface for antenna RCS reduction and gain enhancement
US20230036066A1 (en) An antenna arrangement with a low-ripple radiation pattern
Wang et al. Low RCS transmitarray employing phase controllable absorptive frequency-selective transmission elements
Reddy et al. High gain and low cross-polar compact printed elliptical monopole UWB antenna loaded with partial ground and parasitic patches
Kato et al. D-band perfect anomalous reflectors for 6G applications
Patil et al. Gain improvement of lower UWB monopole antenna using FSS layer
Hou et al. Dual-beam periodic leaky-wave antenna with reduced beam squinting
CN105762528A (zh) 一种高口径效率反射阵天线
Susanti et al. MIMO antenna with cross polarisation printed yagi elements for MIMO router
Joseph et al. Series-fed millimeter-wave antenna array based on microstrip line structure
CN115621742A (zh) 基于三维频率选择结构的低雷达散射截面反射阵天线
KR102565450B1 (ko) 낮은 높이를 갖는 tm 편파 역 반사 메타표면 안테나
Zhang et al. Isolation Enhancement for Vivaldi Antennas Using Hyperbolic Metasurface
Nguyen et al. Surface wave suppression for improved isolation and bore-sight gain based on dipole moment conversion

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right