KR102411670B1 - Transmitarray antenna and radar with the same - Google Patents

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KR102411670B1
KR102411670B1 KR1020200185287A KR20200185287A KR102411670B1 KR 102411670 B1 KR102411670 B1 KR 102411670B1 KR 1020200185287 A KR1020200185287 A KR 1020200185287A KR 20200185287 A KR20200185287 A KR 20200185287A KR 102411670 B1 KR102411670 B1 KR 102411670B1
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dielectric layer
antenna
unit cell
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meta
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KR1020200185287A
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이재곤
박정현
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경남대학교 산학협력단
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
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    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems

Abstract

투과 안테나 및 이를 구비하는 레이더가 개시된다. 개시되는 일 실시예에 따른 투과 안테나는, 소스 안테나, 소스 안테나의 상부에 소스 안테나와 일정 거리 이격되어 마련되고 메타 표면을 가지는 단위 셀 어레이, 및 소스 안테나와 단위 셀 어레이 사이에 마련되는 전도체 벽을 포함한다.A transmission antenna and a radar having the same are disclosed. A transmission antenna according to an embodiment of the present disclosure includes a source antenna, a unit cell array spaced apart from the source antenna by a predetermined distance on top of the source antenna, and a unit cell array having a meta surface, and a conductor wall provided between the source antenna and the unit cell array. include

Description

투과 안테나 및 이를 구비하는 레이더{TRANSMITARRAY ANTENNA AND RADAR WITH THE SAME}Transmissive antenna and radar having the same

본 발명의 실시예는 투과 안테나와 관련된다. An embodiment of the present invention relates to a transmissive antenna.

투과 안테나는 고이득 안테나 설계 시 급전부에서 발생하는 손실이 상대적으로 적어 위성 또는 레이더 등과 같은 고이득 안테나가 요구되는 곳에 사용된다. 투과 안테나는 소스 안테나와 입사파의 파면을 조절할 수 있는 구조로 구성된다. 투과 안테나는 입사파의 크기와 위상을 조절할 수 있는 구조를 이용하여 빔 조향, 빔 집속, 및 편파 제어 등 여러 분야에 활용할 수 있다. Transmissive antennas are used where high-gain antennas such as satellites or radars are required because the loss occurring in the power supply is relatively small when designing high-gain antennas. The transmission antenna is composed of a structure that can control the wavefront of the source antenna and the incident wave. The transmitted antenna can be used in various fields such as beam steering, beam focusing, and polarization control by using a structure in which the size and phase of an incident wave can be adjusted.

도 1은 일반적인 투과 안테나의 방사 모델을 나타낸 것으로, 투과 안테나(10)는 소스 안테나(12)와 메타 표면(Meta-surface)(14)으로 구성될 수 있다. 메타 표면(14)은 평면 배열을 형성하는 공간 주기성을 갖는 여러 개의 단위 셀로 구성될 수 있다. 1 shows a radiation model of a general transmission antenna, the transmission antenna 10 may be composed of a source antenna 12 and a meta-surface (Meta-surface) (14). The metasurface 14 may be composed of several unit cells with spatial periodicity forming a planar arrangement.

한편, 고효율 투과 안테나의 설계를 위해서는 Spillover Efficiency, Taper Efficiency, 및 Transmit Efficiency가 주로 영향을 주는데 기존에는 Transmit Efficiency를 높이는데 중점을 두고 연구가 진행되었다.Meanwhile, Spillover Efficiency, Taper Efficiency, and Transmit Efficiency mainly affect the design of a high-efficiency transmitting antenna.

한국등록특허공보 제10-2130312호(2020.07.08)Korean Patent Publication No. 10-2130312 (2020.07.08)

본 발명의 실시예는 개구 효율을 높일 수 있는 투과 안테나 및 이를 구비하는 레이더를 제공하기 위한 것이다. An embodiment of the present invention is to provide a transmission antenna capable of increasing aperture efficiency and a radar having the same.

개시되는 일 실시예에 따른 투과 안테나는, 소스 안테나; 상기 소스 안테나의 상부에 상기 소스 안테나와 일정 거리 이격되어 마련되고 메타 표면을 가지는 단위 셀 어레이; 및 상기 소스 안테나와 상기 단위 셀 어레이 사이에 마련되는 전도체 벽을 포함한다.Transmissive antenna according to an embodiment of the disclosure, the source antenna; a unit cell array provided on an upper portion of the source antenna and spaced apart from the source antenna by a predetermined distance and having a meta surface; and a conductor wall provided between the source antenna and the unit cell array.

상기 투과 안테나는, 상기 소스 안테나가 형성되는 기판을 더 포함하고, 상기 전도체 벽은, The transmitting antenna further includes a substrate on which the source antenna is formed, the conductive wall comprising:

상기 기판과 상기 단위 셀 어레이 사이에 마련될 수 있다.It may be provided between the substrate and the unit cell array.

상기 전도체 벽은, 상기 기판의 각 테두리와 상기 단위 셀 어레이의 각 테두리를 연결하며 마련될 수 있다.The conductive wall may be provided by connecting each edge of the substrate and each edge of the unit cell array.

상기 소스 안테나에서 방출되는 전자기파는 상기 전도체 벽에 의해 외부로 누설이 방지되고 상기 단위 셀 어레이로 전달될 수 있다. The electromagnetic wave emitted from the source antenna may be prevented from leaking to the outside by the conductive wall and transmitted to the unit cell array.

상기 전도체 벽은, PEC(Perfect Electric Conductor)로 이루어질 수 있다.The conductor wall may be made of a Perfect Electric Conductor (PEC).

상기 단위 셀 어레이는, 복수 개의 단위 셀이 배열되어 마련되고, 상기 단위 셀은, 하나 이상의 유전체층; 및 상기 유전체층에 마련되는 하나 이상의 메타 표면을 포함할 수 있다.The unit cell array is provided by arranging a plurality of unit cells, and the unit cell includes: one or more dielectric layers; and one or more meta surfaces provided on the dielectric layer.

상기 유전체층은 복수 개가 적층되어 마련되고, 상기 메타 표면은, 상기 적층된 유전체층의 각 표면에 마련될 수 있다.A plurality of the dielectric layers may be stacked and provided, and the meta surface may be provided on each surface of the stacked dielectric layers.

상기 유전체층은, 제1 유전체층; 상기 제1 유전체층의 상부에 적층되는 제2 유전체층; 상기 제2 유전체층의 상부에 적층되는 제3 유전체층; 및 상기 제3 유전체층의 상부에 적층되는 제4 유전체층을 포함하고, 상기 메타 표면은, 상기 제1 유전체층의 하면에 마련되는 제1 메타 표면; 상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층 사이에 마련되는 제2 메타 표면; 상기 제2 유전체층과 상기 제3 유전체층 사이에 마련되는 제3 메타 표면; 상기 제3 유전체층과 상기 제4 유전체층 사이에 마련되는 제4 메타 표면; 및 상기 제4 유전체층의 상면에 마련되는 제5 메타 표면을 포함할 수 있다.The dielectric layer may include a first dielectric layer; a second dielectric layer stacked on top of the first dielectric layer; a third dielectric layer stacked on top of the second dielectric layer; and a fourth dielectric layer stacked on top of the third dielectric layer, wherein the meta surface includes: a first meta surface provided on a lower surface of the first dielectric layer; a second meta surface provided between the first dielectric layer and the second dielectric layer; a third meta surface provided between the second dielectric layer and the third dielectric layer; a fourth meta surface provided between the third dielectric layer and the fourth dielectric layer; and a fifth meta surface provided on the upper surface of the fourth dielectric layer.

상기 복수 개의 단위 셀의 메타 표면의 크기는 각 단위 셀의 배열된 위치에 따라 다르게 형성될 수 있다.The size of the meta surface of the plurality of unit cells may be formed differently according to an arrangement position of each unit cell.

개시되는 실시예에 의하면, 기판과 단위 셀 어레이 사이에 전도체 벽을 형성함으로써, 소스 안테나에서 방출되는 전자기파가 외부로 누설되는 것을 차단하고 전력이 그대로 단위 셀 어레이로 전달될 수 있으며, 그로 인해 투과 안테나의 스필오버 효율 및 개구 효율을 최대화 할 수 있게 된다.According to the disclosed embodiment, by forming a conductive wall between the substrate and the unit cell array, electromagnetic waves emitted from the source antenna are prevented from leaking to the outside, and power can be transmitted to the unit cell array as it is, thereby the transmission antenna It becomes possible to maximize the spillover efficiency and opening efficiency of

도 1은 일반적인 투과 안테나의 방사 모델을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 안테나를 개략적으로 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 안테나를 개략적으로 나타낸 분해 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀 어레이에서 메타 표면의 투과도 및 투과 위상을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 셀을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 안테나에서 전체 파면을 0°, 90°, 180°, 270°로 각각 동위상을 만들기 위한 메타 표면의 투과도를 나타낸 도면1 is a view showing a radiation model of a general transmission antenna;
2 is a perspective view schematically showing a transmission antenna according to an embodiment of the present invention;
3 is an exploded perspective view schematically showing a transmission antenna according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing a unit cell according to an embodiment of the present invention;
5 is a graph showing the transmittance and transmittance phase of a meta surface in a unit cell array according to an embodiment of the present invention;
6 is a view showing a unit cell according to another embodiment of the present invention;
7 is a view showing the transmittance of the meta-surface for making the entire wavefront 0°, 90°, 180°, and 270° respectively in-phase in the transmission antenna according to an embodiment of the present invention;

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following detailed description is provided to provide a comprehensive understanding of the methods, devices, and/or systems described herein. However, this is merely an example, and the present invention is not limited thereto.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. And, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification. The terminology used in the detailed description is for the purpose of describing embodiments of the present invention only, and should in no way be limiting. Unless explicitly used otherwise, expressions in the singular include the meaning of the plural. In this description, expressions such as “comprising” or “comprising” are intended to indicate certain features, numbers, steps, acts, elements, some or a combination thereof, one or more other than those described. It should not be construed to exclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, acts, elements, or any part or combination thereof.

한편, 상측, 하측, 일측, 타측 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.Meanwhile, directional terms such as upper side, lower side, one side, the other side, etc. are used in connection with the orientation of the disclosed drawings. Since components of embodiments of the present invention may be positioned in various orientations, the directional terminology is used for purposes of illustration and not limitation.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Also, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 안테나를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 안테나를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.Figure 2 is a perspective view schematically showing a transmission antenna according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an exploded perspective view schematically showing a transmission antenna according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 투과 안테나(100)는 소스 안테나(102), 메타 표면(Meta-Surface)을 가지는 단위 셀 어레이(Unit Cell Array)(104), 및 전도체 벽(106)을 포함할 수 있다. 2 and 3 , the transmissive antenna 100 includes a source antenna 102 , a unit cell array having a meta-Surface 104 , and a conductive wall 106 . can do.

소스 안테나(102)는 단위 셀 어레이(104)와 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 소스 안테나(102)는 기 설정된 주파수 대역의 전자기파를 방출하도록 마련될 수 있다. 소스 안테나(102)에서 방출되는 전자기파는 단위 셀 어레이(104)로 전달될 수 있다. The source antenna 102 may be disposed to be spaced apart from the unit cell array 104 by a predetermined distance. The source antenna 102 may be provided to emit electromagnetic waves of a preset frequency band. The electromagnetic wave emitted from the source antenna 102 may be transmitted to the unit cell array 104 .

소스 안테나(102)는 기판(108) 상에 마련될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 소스 안테나(102)는 기판(108)의 중심부에 배치될 수 있다. 소스 안테나(102)는 기판(108)의 상면 중앙에 마련될 수 있고, 기판(108)의 하면에는 접지(Ground)가 마련될 수 있다. The source antenna 102 may be provided on the substrate 108 . In an exemplary embodiment, the source antenna 102 may be disposed in the center of the substrate 108 . The source antenna 102 may be provided at the center of the upper surface of the substrate 108 , and a ground may be provided on the lower surface of the substrate 108 .

예를 들어, 소스 안테나(102)는 패치 형태로 마련될 수 있으나, 소스 안테나(102)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(108)은 유전 재질로 이루어지는 유전체 기판이 사용될 수 있다. 기판(108)은 단위 셀 어레이(104)의 전체 면적과 대응되는 크기로 마련될 수 있다. For example, the source antenna 102 may be provided in the form of a patch, but the form of the source antenna 102 is not limited thereto. The substrate 108 may be a dielectric substrate made of a dielectric material. The substrate 108 may have a size corresponding to the total area of the unit cell array 104 .

단위 셀 어레이(Unit Cell Array)(104)는 소스 안테나(102)의 상부에서 소스 안테나(102)와 이격되어 마련될 수 있다. 여기서는, 기판(108) 및 단위 셀 어레이(104)가 사각형 형상인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 이외의 다양한 형상으로 마련될 수 있다. The unit cell array 104 may be provided above the source antenna 102 to be spaced apart from the source antenna 102 . Here, the substrate 108 and the unit cell array 104 are illustrated as having a rectangular shape, but the present invention is not limited thereto and may be provided in various other shapes.

소스 안테나(102)에서 방출되는 전자기파는 단위 셀 어레이(104)를 투과하여 외부로 방사되게 된다. 이때, 소스 안테나(102)에서 단위 셀 어레이(104)로 입사되는 입사파는 단위 셀 어레이(104)를 통과하면서 단위 셀 어레이(104)의 메타 표면 특성에 따라 크기 및 방향 등이 변경되어 진행될 수 있다. The electromagnetic wave emitted from the source antenna 102 passes through the unit cell array 104 and is radiated to the outside. In this case, an incident wave incident from the source antenna 102 to the unit cell array 104 may proceed while passing through the unit cell array 104 and change in size and direction according to meta-surface characteristics of the unit cell array 104 . .

단위 셀 어레이(104)는 복수 개의 단위 셀(104a)을 포함한다. 단위 셀 어레이(104)는 복수 개의 단위 셀(104a)이 배열되어 마련될 수 있다. 각 단위 셀(104a)은 메타 표면을 포함할 수 있다. 메타 표면은 메타 물질(Metamaterial)로 이루어질 수 있다. 메타 물질이란 일반적인 자연에서는 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성을 갖도록 인공적으로 설계된 물질 또는 전자기적 구조를 말하는 것으로, 유전율(Permitivity) 및 투자율(Permeability) 중 하나 이상이 음수(Negative)인 물질 또는 전자기적 구조를 포함한다.The unit cell array 104 includes a plurality of unit cells 104a. The unit cell array 104 may be provided in which a plurality of unit cells 104a are arranged. Each unit cell 104a may include a meta surface. The meta surface may be made of a meta material. Metamaterial refers to a material or electromagnetic structure artificially designed to have special electromagnetic properties that cannot be found in general nature. includes

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 단위 셀(104a)은 유전체층(111) 및 메타 표면(113)을 포함할 수 있다. 여기서, 유전체층(111)은 복수 개의 유전체층이 적층되어 마련될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(111)은 제1 유전체층(111-1), 제2 유전체층(111-2), 제3 유전체층(111-3), 및 제4 유전체층(111-4)을 포함할 수 있다. 제1 유전체층(111-1), 제2 유전체층(111-2), 제3 유전체층(111-3), 및 제4 유전체층(111-4)은 순차적으로 적층되어 마련될 수 있다. 4 is a diagram illustrating a unit cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , the unit cell 104a may include a dielectric layer 111 and a meta surface 113 . Here, the dielectric layer 111 may be provided by stacking a plurality of dielectric layers. For example, the dielectric layer 111 may include a first dielectric layer 111-1, a second dielectric layer 111-2, a third dielectric layer 111-3, and a fourth dielectric layer 111-4. . The first dielectric layer 111-1, the second dielectric layer 111-2, the third dielectric layer 111-3, and the fourth dielectric layer 111-4 may be sequentially stacked.

또한, 메타 표면(113)은 유전체층(111)의 표면에 마련될 수 있다. 메타 표면(113)은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 메타 표면(113)은 유전체층(111)의 표면 면적보다 작은 면적으로 마련될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 메타 표면(113)이 원형의 형상으로 이루어질 수 있다. 이때, 메타 표면(113)의 투과 특성은 메타 표면(113)의 반지름(a)으로 조절할 수 있다. 여기서는, 메타 표면(113)이 원형의 형상을 갖는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 이외의 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. In addition, the meta surface 113 may be provided on the surface of the dielectric layer 111 . The meta surface 113 may be made of a metal material. The meta surface 113 may be provided with an area smaller than the surface area of the dielectric layer 111 . In an exemplary embodiment, the meta surface 113 may be formed in a circular shape. In this case, the transmission characteristics of the meta-surface 113 can be controlled by the radius (a) of the meta-surface 113 . Here, although the meta surface 113 is illustrated as having a circular shape, it is not limited thereto and may be formed in various other shapes.

메타 표면(113)은 각 유전체층의 표면에 마련될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 메타 표면(113)은 제1 메타 표면(113-1), 제2 메타 표면(113-2), 제3 메타 표면(113-3), 제4 메타 표면(113-4), 및 제5 메타 표면(113-5)를 포함할 수 있다. The meta surface 113 may be provided on the surface of each dielectric layer. In an exemplary embodiment, the meta surface 113 includes a first meta surface 113 - 1 , a second meta surface 113 - 2 , a third meta surface 113 - 3 , and a fourth meta surface 113 - 4 ), and a fifth meta surface 113 - 5 .

제1 메타 표면(113-1)은 제1 유전체층(111-1)의 하면에 마련될 수 있다. 제2 메타 표면(113-2)은 제1 유전체층(111-1)과 제2 유전체층(111-2) 사이에 마련될 수 있다. 제3 메타 표면(113-3)은 제2 유전체층(111-2)과 제3 유전체층(111-3) 사이에 마련될 수 있다. 제4 메타 표면(113-4)은 제3 유전체층(111-3)과 제4 유전체층(111-4) 사이에 마련될 수 있다. 제5 메타 표면(113-5)은 제4 유전체층(111-4)의 상면에 마련될 수 있다. The first meta surface 113 - 1 may be provided on the lower surface of the first dielectric layer 111-1 . The second meta surface 113 - 2 may be provided between the first dielectric layer 111-1 and the second dielectric layer 111 - 2 . The third meta surface 113 - 3 may be provided between the second dielectric layer 111 - 2 and the third dielectric layer 111-3 . The fourth meta surface 113 - 4 may be provided between the third dielectric layer 111-3 and the fourth dielectric layer 111-4 . The fifth meta surface 113 - 5 may be provided on the upper surface of the fourth dielectric layer 111-4 .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀 어레이에서 메타 표면의 투과도 및 투과 위상을 나타낸 그래프이다. 여기서, 투과 안테나의 주파수 대역은 5.8GHz이고, 단위 셀(104a)의 크기는 20mm×20mm이며, 각 유전체층(111)의 유전율(εr)은 2.2 이고, 각 유전체층(111)의 두께는 3.2mm로 하였다. 5 is a graph showing transmittance and transmittance phase of a meta surface in a unit cell array according to an embodiment of the present invention. Here, the frequency band of the transmission antenna is 5.8 GHz, the size of the unit cell 104a is 20 mm×20 mm, the dielectric constant ε r of each dielectric layer 111 is 2.2, and the thickness of each dielectric layer 111 is 3.2 mm was done with

여기서, 메타 표면(113)의 반지름(a)의 크기를 1mm에서 12mm까지 조절해가면서 투과도 및 투과 위상을 확인하였다. 메타 표면(113)의 반지름(a)이 1mm에서 9.1mm까지는 투과도가 0.8 이상이고, 투과 위상의 변화폭(Δ)이 400°임을 확인할 수 있다. Here, the transmittance and transmittance phase were checked while adjusting the size of the radius (a) of the meta surface 113 from 1 mm to 12 mm. From the radius (a) of the meta surface 113 to 1 mm to 9.1 mm, it can be seen that the transmittance is 0.8 or more, and the change width (Δ) of the transmission phase is 400°.

한편, 단위 셀 어레이(104)에서 각 단위 셀(104a)의 메타 표면(113)의 크기(예를 들어, 반지름(a))는 해당 단위 셀(104a)의 배열된 위치에 따라 서로 다르게 마련될 수 있다. Meanwhile, in the unit cell array 104 , the size (eg, the radius a) of the meta surface 113 of each unit cell 104a may be provided differently depending on the arrangement position of the unit cell 104a. can

또한, 여기서는 단위 셀(104a)이 복수 개의 유전체 층(111)이 적층되어 있고, 메타 표면(113)이 각 유전체 층(111) 사이에 마련된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 한 개의 유전체층의 표면에 메타 표면이 형성될 수도 있다. 또한, 메타 표면(113)이 원 형상인 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 셀을 나타낸 도면이다.In addition, although the unit cell 104a is illustrated as having a plurality of dielectric layers 111 stacked and a meta surface 113 provided between each dielectric layer 111, the present invention is not limited thereto. A meta surface may be formed on the surface. In addition, although it has been described that the meta surface 113 has a circular shape, it is not limited thereto. 6 is a diagram illustrating a unit cell according to another embodiment of the present invention.

전도체 벽(106)은 소스 안테나(102)와 단위 셀 어레이(104) 사이에 마련될 수 있다. 구체적으로, 전도체 벽(106)은 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이에 마련될 수 있다. 전도체 벽(106)은 기판(108)의 각 테두리를 따라 기판(108)의 상부에 마련될 수 있다. 전도체 벽(106)은 기판(108)의 각 테두리에서 기판(108)과 단위 셀 어레이(104)를 연결하며 마련될 수 있다. The conductive wall 106 may be provided between the source antenna 102 and the unit cell array 104 . Specifically, the conductor wall 106 may be provided between the substrate 108 and the unit cell array 104 . A conductive wall 106 may be provided on top of the substrate 108 along each edge of the substrate 108 . The conductor wall 106 may be provided to connect the substrate 108 and the unit cell array 104 at each edge of the substrate 108 .

즉, 전도체 벽(106)은 기판(108)의 각 테두리와 단위 셀 어레이(104)의 각 테두리를 연결하며 마련될 수 있다. 이에 따라, 전도체 벽(106)은 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이의 내부 공간을 폐쇄하는 역할을 하게 된다. 즉, 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이의 내부 공간은 전도체 벽(106)에 의해 사방이 막히게 된다. 전도체 벽(106)은 PEC(Perfect Electric Conductor)로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이에 전도체 벽(106)을 형성함으로써, 투과 안테나(100)의 개구 효율(Aperture Efficiency)을 향상시킬 수 있게 된다.That is, the conductor wall 106 may be provided by connecting each edge of the substrate 108 and each edge of the unit cell array 104 . Accordingly, the conductor wall 106 serves to close the internal space between the substrate 108 and the unit cell array 104 . That is, the inner space between the substrate 108 and the unit cell array 104 is blocked in all directions by the conductor wall 106 . Conductor wall 106 may be made of a Perfect Electric Conductor (PEC). As such, by forming the conductor wall 106 between the substrate 108 and the unit cell array 104 , it is possible to improve aperture efficiency of the transmission antenna 100 .

구체적으로, 개구 효율(Aperture Efficiency)은 메타 표면을 이용한 투과 안테나(100)의 중요한 지표이다. 개구 효율은 테이퍼 효율(Taper Efficiency), 스필오버 효율(Spillover Efficiency), 편파 효율, 전송 효율, 위상 효율, 및 랜덤 표면 오차 효율의 곱으로 산출될 수 있다. 여기서, 개구 효율에 중요한 영향을 미치는 요소로는 테이퍼 효율(Taper Efficiency), 스필오버 효율(Spillover Efficiency), 및 전송 효율이 있다.Specifically, the aperture efficiency (Aperture Efficiency) is an important indicator of the transmission antenna 100 using the meta surface. The aperture efficiency may be calculated as a product of a taper efficiency, a spillover efficiency, a polarization efficiency, a transmission efficiency, a phase efficiency, and a random surface error efficiency. Here, as factors that have a significant influence on the aperture efficiency, there are a taper efficiency, a spillover efficiency, and a transmission efficiency.

그 중에서 테이퍼 효율은 소스 안테나에서 메타 표면으로 전력이 전달될 때 메타 표면의 전체 영역에 전력이 얼마나 균일하게 전달되는지를 나타낸 것이고, 스필오버 효율은 소스 안테나에서 메타 표면까지 손실 없이 전력이 얼마나 전달되는지를 나타낸 것으로, 테이퍼 효율과 스필오버 효율은 트레이드 오프(Trade Off) 관계에 있게 된다. 예를 들어, 소스 안테나와 메타 표면 간의 거리가 가까우면 스필오버 효율은 높아지나 테이퍼 효율은 낮아지게 되고, 소스 안테나와 메타 표면 간의 거리가 멀어지면 스필오버 효율은 낮아지나 테이퍼 효율은 높아지게 된다.Among them, taper efficiency indicates how uniformly power is transmitted to the entire area of the metasurface when power is transferred from the source antenna to the metasurface, and spillover efficiency is how much power is transferred from the source antenna to the metasurface without loss. , the taper efficiency and the spillover efficiency have a trade-off relationship. For example, when the distance between the source antenna and the meta surface is short, the spillover efficiency is increased but the taper efficiency is decreased.

여기서, 테이퍼 효율은 컨트롤하기가 어려운 점이 있는 바, 개시되는 실시예에서는 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이에 전도체 벽(106)을 형성함으로써, 투과 안테나(100)의 스필오버(Spillover) 효율을 100%로 하여 투과 안테나(100)의 개구 효율을 높일 수 있게 된다. Here, the taper efficiency is difficult to control. In the disclosed embodiment, by forming the conductor wall 106 between the substrate 108 and the unit cell array 104 , the spillover of the transmitting antenna 100 is ), it is possible to increase the aperture efficiency of the transmission antenna 100 by setting the efficiency to 100%.

즉, 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이에 전도체 벽(106)을 형성하여 기판(108)과 단위 셀 어레이(104) 사이의 내부 공간을 폐쇄하게 되면, 소스 안테나(102)에서 방출되는 전자기파가 외부로 누설되지 못하게 되므로, 전자기파의 전력이 그대로 단위 셀 어레이(104)로 전달되며 그로 인해, 스필오버(Spillover) 효율이 100%에 달하게 된다. That is, when the conductor wall 106 is formed between the substrate 108 and the unit cell array 104 to close the internal space between the substrate 108 and the unit cell array 104 , the source antenna 102 emits light. Since the electromagnetic wave is not leaked to the outside, the power of the electromagnetic wave is transmitted to the unit cell array 104 as it is, and thus, the spillover efficiency reaches 100%.

표 1은 개시되는 실시예에 따른 투과 안테나에서 전도체 벽(106)을 형성하지 않은 경우와 전도체 벽(106)을 형성한 경우의 각종 효율 및 피크 게인(Peak Gain)을 비교한 표이다. Table 1 is a table comparing various efficiencies and peak gains of the case in which the conductor wall 106 is not formed and the case in which the conductor wall 106 is formed in the transmission antenna according to the disclosed embodiment.

Taper EfficiencyTaper Efficiency Spillover EfficiencySpillover Efficiency Transmit EfficiencyTransmit Efficiency Aperture EfficiencyAperture Efficiency Peak GainPeak Gain 전도체 벽 없는 경우Without conductive walls 67%67% 77%77% 94%94% 36%36% 18.3dBi18.3 dBi 전도체 벽 있는 경우If there is a conductive wall 65%65% 100%100% 95%95% 56%56% 20.2 dBi20.2 dBi

표 1에서 보는 바와 같이, 전도체 벽(106)을 형성하게 되면, 투과 안테나(100)의 스필오버(Spillover) 효율을 100%로 할 수 있으며, 그로 인해 개구 효율을 20%(36%→56%) 가량 높일 수 있게 된다.As shown in Table 1, when the conductive wall 106 is formed, the spillover efficiency of the transmitting antenna 100 can be made 100%, and thereby the aperture efficiency is increased by 20% (36%→56%) ) can be increased.

한편, 고이득의 투과 안테나를 설계하기 위해서는 투과 안테나(100)의 전체 파면(Wavefront)을 동위상으로 만들어야 한다. 이때, 투과 안테나(100)의 전체 파면을 0°, 90°, 180°, 및 270°의 위상으로 동위상을 만들 수 있다. 도 7에서는 투과 안테나(100)의 전체 파면을 0°, 90°, 180°, 270°로 각각 동위상을 만들기 위한 메타 표면의 투과도를 나타내었다. 여기서, 투과 안테나(100)의 전체 파면을 0°, 90°, 180°, 270°로 각각 동위상을 만들기 위한 메타 표면의 투과도가 서로 차이가 나는 것을 볼 수 있다. Meanwhile, in order to design a high-gain transmission antenna, the entire wavefront of the transmission antenna 100 should be made in phase. In this case, the entire wavefront of the transmitting antenna 100 may be in-phase with phases of 0°, 90°, 180°, and 270°. 7 shows the transmittance of the meta-surface for making the entire wavefront of the transmitting antenna 100 in phase at 0°, 90°, 180°, and 270°, respectively. Here, it can be seen that the transmittance of the meta-surface for making the entire wavefront of the transmitting antenna 100 in phase at 0°, 90°, 180°, and 270°, respectively, is different from each other.

이는 도 5에서 보는 바와 같이, 투과 안테나(100)의 투과도가 모든 투과 위상 범위에서 1이 아니기 때문이고, 모든 투과 위상 범위에서 투과도가 1인 메타 표면의 설계는 불가하기 때문이다. 따라서, 동위상을 생성하는 여러 가지 위상 중 메타 표면의 투과도가 가장 높은 위상을 선택하여 투과 안테나(100)를 설계함으로써, 투과 안테나(100)의 투과 효율을 높이면서 고이득의 안테나를 구현할 수 있게 된다.This is because, as shown in FIG. 5 , the transmittance of the transmitting antenna 100 is not 1 in all transmission phase ranges, and it is impossible to design a meta surface having transmittance of 1 in all transmission phase ranges. Therefore, by designing the transmissive antenna 100 by selecting a phase having the highest transmittance of the meta surface among various phases for generating an in-phase, it is possible to implement a high-gain antenna while increasing the transmittance efficiency of the transmissive antenna 100 do.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although representative embodiments of the present invention have been described in detail above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. . Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.

100 : 투과 안테나
102 : 소스 안테나
104 : 단위 셀 어레이
104a : 단위 셀
106 : 전도체 벽
108 : 기판
111 : 유전체 층
113 : 메타 표면100: transmitting antenna
102: source antenna
104: unit cell array
104a: unit cell
106: conductor wall
108: substrate
111: dielectric layer
113: meta surface

Claims (10)

투과 안테나로서,
기판 상에 마련되는 소스 안테나;
상기 소스 안테나의 상부에 상기 소스 안테나와 일정 거리 이격되어 마련되고 메타 표면을 가지는 단위 셀 어레이; 및
상기 기판의 각 테두리와 상기 단위 셀 어레이의 각 테두리를 연결하여 마련되며, 상기 기판과 상기 단위 셀 어레이 사이의 내부 공간을 폐쇄하는 전도체 벽을 포함하고,
상기 소스 안테나에서 방출되는 전자기파는 상기 단위 셀 어레이의 메타 표면을 투과하여 외부로 방사되며,
상기 메타 표면은, 원형 패치 형태로 이루어지고, 상기 메타 표면의 투과도가 0.8 ~ 1 사이의 값을 가지는 고투과 메타 표면이 되도록 상기 원형 패치의 반지름의 크기가 결정되며,
상기 투과 안테나의 전체 파면을 동위상으로 하는 위상들 중 상기 메타 표면의 투과도가 가장 높은 위상이 선택되어 설계되는, 투과 안테나.
A transmissive antenna comprising:
a source antenna provided on the substrate;
a unit cell array provided on an upper portion of the source antenna and spaced apart from the source antenna by a predetermined distance and having a meta surface; and
and a conductor wall provided by connecting each edge of the substrate and each edge of the unit cell array and closing an internal space between the substrate and the unit cell array;
The electromagnetic wave emitted from the source antenna is radiated to the outside through the meta surface of the unit cell array,
The meta surface is made in the form of a circular patch, and the size of the radius of the circular patch is determined so that the meta surface has a high transmittance meta surface having a value between 0.8 and 1.
Among the phases with the entire wavefront of the transmitting antenna in phase, a phase having the highest transmittance of the meta surface is selected and designed.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 전도체 벽은,
PEC(Perfect Electric Conductor)로 이루어지는, 투과 안테나.
The method according to claim 1,
the conductor wall,
Transmissive antenna made of PEC (Perfect Electric Conductor).
 청구항 1에 있어서,
상기 단위 셀 어레이는, 복수 개의 단위 셀이 배열되어 마련되고,
상기 단위 셀은,
하나 이상의 유전체층; 및
상기 유전체층에 마련되는 하나 이상의 메타 표면을 포함하는, 투과 안테나.
The method according to claim 1,
The unit cell array is provided by arranging a plurality of unit cells,
The unit cell is
one or more dielectric layers; and
and one or more meta-surfaces provided on the dielectric layer.
 청구항 6에 있어서,
상기 유전체층은 복수 개가 적층되어 마련되고,
상기 메타 표면은, 상기 적층된 유전체층의 각 표면에 마련되는, 투과 안테나.
7. The method of claim 6,
The dielectric layer is provided by stacking a plurality,
The meta surface is provided on each surface of the laminated dielectric layer, the transmission antenna.
 청구항 6에 있어서,
상기 유전체층은,
제1 유전체층;
상기 제1 유전체층의 상부에 적층되는 제2 유전체층;
상기 제2 유전체층의 상부에 적층되는 제3 유전체층; 및
상기 제3 유전체층의 상부에 적층되는 제4 유전체층을 포함하고,
상기 메타 표면은,
상기 제1 유전체층의 하면에 마련되는 제1 메타 표면;
상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층 사이에 마련되는 제2 메타 표면;
상기 제2 유전체층과 상기 제3 유전체층 사이에 마련되는 제3 메타 표면;
상기 제3 유전체층과 상기 제4 유전체층 사이에 마련되는 제4 메타 표면; 및
상기 제4 유전체층의 상면에 마련되는 제5 메타 표면을 포함하는, 투과 안테나.
7. The method of claim 6,
The dielectric layer is
a first dielectric layer;
a second dielectric layer stacked on top of the first dielectric layer;
a third dielectric layer stacked on top of the second dielectric layer; and
a fourth dielectric layer stacked on top of the third dielectric layer;
The meta surface is
a first meta surface provided on a lower surface of the first dielectric layer;
a second meta surface provided between the first dielectric layer and the second dielectric layer;
a third meta surface provided between the second dielectric layer and the third dielectric layer;
a fourth meta surface provided between the third dielectric layer and the fourth dielectric layer; and
A transmissive antenna comprising a fifth meta surface provided on the upper surface of the fourth dielectric layer.
 청구항 6에 있어서,
상기 복수 개의 단위 셀의 메타 표면의 크기는 각 단위 셀의 배열된 위치에 따라 다르게 형성되는, 투과 안테나.
7. The method of claim 6,
The size of the meta surface of the plurality of unit cells is formed differently depending on the arrangement position of each unit cell, the transmission antenna.
 청구항 1, 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 기재된 투과 안테나를 포함하는 레이더.A radar comprising the transmission antenna according to any one of claims 1 and 5 to 9.
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