KR102413884B1 - 반사형 irs 연성 기판 - Google Patents

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최계원
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Abstract

본 발명은, 연성 필름 및 상기 연성 필름 상에 형성된 복수의 단위셀을 포함하고, 상기 복수의 단위셀 각각은, 반사 위상 조정을 위한 IC, 상기 IC를 구동시키기 위한 라인 패턴 및 상기 IC 또는 상기 라인 패턴을 기준으로 서로 대칭되게 형성된 제1, 2 안테나 패턴을 포함하는 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판을 제공한다.
본 발명은 한국전력공사의 2018년 선정 기초연구개발과제(과제번호: R18XA06-15) 연구비에 의해 지원되어 개발된 기술입니다.

Description

반사형 IRS 연성 기판{Reflective Intelligent Reflecting Surfaces flexible board}
본 발명은 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 IRS 활용 초고주파 대역 통신의 기술적 한계를 해소할 수 있는 초경량, 유연, 저가 인쇄 IRS 기술을 적용한 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판에 관한 것이다.
현재 상용화 진행중인 5G 셀룰러 통신의 가장 주요한 혁신으로서 28GHz 등의 밀리미터파 대역 통신을 들수 있으며, 향후 6G 통신에서는 대역폭 확보를 위해 이보다 높은 테라헤르츠파 대역의 도입을 고려할 것으로 예상된다.
초고대역 통신은 포화된 마이크로파 대역을 넘어 초광대역 스펙트럼을 활용할 수 있는 잠재력이 있으나, 높은 경로 손실, 통신 음영 지역과 같은 문제로 인해 본격적인 상용화가 지연되고 있다.
초고대역에서는 매우 짧은 파장에 따른 작은 유효 안테나 개구면으로 신호를 수신하여 높은 경로 손실을 가지므로 원거리 통신에 부적합하고, 매우높은 직진성으로 인해 고체에 대한 투과율이 낮아 LOS(line of sight)가 유지되지 않는 장소는 통신 음영 지역으로 간주된다.
최근 산업계와 학계에서는 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surfaces, IRS) 기술 도입을 통해 상기 초고대역 문제를 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
5G 이동통신에서는 대규모 MIMO나 하이브리드 빔포밍을 활용해 초고대역의 경로 손실을 만회하나 다수의 RF 체인이나 위상천이기로 인해 복잡도 및 비용이 크게 증가한다.
IRS는 각 단위셀을 PCB의 패턴과 PIN 다이오드 등 단순한 제어 요소로 구현하고 피딩 네트워크를 제외함으로서 매우 낮은 비용으로 대형 개구면을 형성하여 고이득 빔을 생성할 수 있다.
반사형 IRS의 경우, 각 단위셀로 입사된 전자기파의 위상을 변환함으로서 전자기파를 원하는 방향으로 반사하는 빔포밍이 가능하므로, IRS 릴레이는 대면적으로 신호를 수신하여 기존 릴레이보다 경로 손실에 강하며 수동 소자로 구성되어 낮은 복잡도 및 전력 소비의 강점을 가진다.
그러나, IRS 활용 초고주파 대역 통신에도 분명한 기술적 난제가 존재하고 그 중 상용화의 관점에서 크게 두드러지는 것이 제작 비용 및 설치의 어려움이다.
기존의 IRS은 PCB에 수동 소자를 장착하여 제작하므로 비용은 동일 안테나 수를 가진 대규모 MIMO 등에 비해 현저히 낮으나 전파경로 형성을 위해서 다수의 IRS을 설치해야 하며 수만개 이상의 단위셀을 구성해야하므로 비용이 크게 증가할 수 있다.
또한 대면적의 IRS은 벽면에 설치가 까다롭고 미관을 해칠 수 있으므로 보편적인 환경에 적용이 어려울 수 있다.
최근들어, 상기 IRS 활용 초고주파 대역 통신의 기술적 한계를 해소할 수 있는 초경량, 유연, 저가 인쇄 IRS 기술을 적용할 수 있는 연구를 진행하고 있다.
본 발명은 한국전력공사의 2018년 선정 기초연구개발과제(과제번호: R18XA06-15) 연구비에 의해 지원되어 개발된 기술입니다.
본 발명의 목적은, IRS 활용 초고주파 대역 통신의 기술적 한계를 해소할 수 있는 초경량, 유연, 저가 인쇄 IRS 기술을 적용한 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판을 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판은, 연성 필름 및 상기 연성 필름 상에 형성된 복수의 단위셀을 포함하고, 상기 복수의 단위셀 각각은, 반사 위상 조정을 위한 IC, 상기 IC를 구동시키기 위한 라인 패턴 및 상기 IC 또는 상기 라인 패턴을 기준으로 서로 대칭되게 형성된 제1, 2 안테나 패턴을 포함할 수 있다.
상기 라인 패턴 및 상기 제1, 2 안테나 패턴은, 상기 연성 필름 상에 전도성 잉크 및 기능성 인크 중 적어도 하나로 인쇄될 수 있다.
상기 라인 패턴은, 상기 IC가 실장되는 그라운드 라인, 시리얼 라인, 클럭 라인 및 전원 라인을 포함할 수 있다.
상기 제1, 2 안테나 패턴은, 상기 IC의 동작에 따라 입사된 제1 RF 신호를 위상 조정하여 제2 RF 신호를 반사시킬 수 있다.
상기 제1, 2 안테나 패턴은, 다각형 형상일 수 있다.
상기 제1, 2 안테나 패턴 각각의 인접한 변들 사이의 끼임각은, 90°내지 150°일 수 있다.
상기 라인 패턴은, 상기 IC가 실장되는 그라운드 라인, 시리얼 라인, 클럭 라인 및 전원 라인을 포함하고, 상기 IC는, 상기 그라운드 라인에 연결된 PIN 다이오드, 상기 PIN 다이오드, 상기 시리얼 라인 및 클럭 라인에 연결되며, 상기 PIN 다이오드의 온/오프 동작시키는 D-플립플롭 및 상기 전원 라인에 연결되며, 상기 전원 라인을 통해 상기 IC로 입력되는 DC 전원에 RF 신호의 인입을 차단하기 위한 RF 초크를 포함할 수 있다.
상기 RF 초크는, LC 회로로 이루어진 저역 통과 필터일 수 있다.
본 발명에 따른 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판은, 전도성 잉크와 기능성 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅으로 IRS 단위셀을 설계 및 구현하고, 롤러 형태로 표면을 구성하여 가위로 종이를 자르거나 붙이는 것처럼 쉽게 자르고 확장할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판을 나타낸 간략 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 ISR 단위셀을 확대한 확대도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 IC의 연결구조를 나타낸 도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 ISR 단위셀의 등가회로도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 ISR 단위셀에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 6는 도 2에 나타낸 ISR 단위셀의 전계 분포를 나타낸 도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판을 나타낸 간략 사시도, 도 2는 도 1에 나타낸 ISR 단위셀을 확대한 확대도 및 도 3은 도 2에 나타낸 IC의 연결구조를 나타낸 도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 반사형 IRS 연성 기판(100)은 연성 기판(110) 및 복수의 ISR 단위셀(120, 이하, '단위셀'로 칭함)을 포함할 수 있다.
여기서, 연성 필름(110)는 0.1mm 정도의 두께를 가지는 플렉서블(Flexible)한 투명 필름일 수 있다.
실시 예에서, 연성 필름(110)는 적어도 2 이상의 필름이 서로 겹쳐진 상태일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
즉, 연성 필름(110)은 복수의 단위셀(120)이 형성되는 베이스 필름(미도시) 및 복수의 단위셀(120)를 보호하도록 베이스 필름 상에 적층되는 커버 필름(미도시)을 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
연성 필름(110) 상에는 절단선(105)이 표시될 수 있으며, 복수의 단위셀(120)을 사용 목적에 부합되게 연성 필름(110) 상에 절단하여 사용할 수 있다.
복수의 단위셀(120) 각각은 라인 패턴(130), 제1, 2 안테나 패턴(142, 144) 및 IC(150)를 포함할 수 있다.
실시 예에서, IC(150)는 복수의 단위셀(120) 각각에 실장된 것으로 설명하지만 이에 한정을 두지 않는다.
먼저, 라인 패턴(130)은 그라운드 라인(132), 시리얼 라인(134), 클럭 라인(136) 및 전원 라인(138)을 포함할 수 있다.
이때, 그라운드 라인(132), 시리얼 라인(134), 클럭 라인(136) 및 전원 라인(138)은 0.mm의 두께로 형성될 수 있으며, 그라운드 라인(132), 시리얼 라인(134), 클럭 라인(136) 및 전원 라인(138) 각각의 사이 간격은 0.2mm일 수 있다.
라인 패턴(130) 및 제1, 2 안테나 패턴(142, 144)은 연성 필름(110) 상에 전도성 잉크 및 기능성 잉크 중 적어도 하나로 인쇄될 수 있다.
제1, 2 안테나 패턴(142, 144)은 IC(150)의 동작에 따라 입사된 제1 RF 신호를 위상 조정하여 제2 RF 신호를 반사시킬 수 있다.
여기서, 제1, 2 안테나 패턴(142, 144)은 다각형 형상일 수 있으며, 제1, 2 안테나 패턴(142, 144) 각각의 인접한 변들 사이의 끼임각은 90°내지 150°일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
제1, 2 안테나 패턴(142, 144)은 라인 패턴(130) 또는 IC(150)를 기준으로 서로 대칭되게 형성될 수 있다.
여기서, 제1, 2 안테나 패턴(142, 144)은 공진 특성을 기반으로 원하는 주파수에서 공진하며, 비용을 절감시킬 수 있다.
IC(150)는 PIN 다이오드(PIN-D), D-플립플롭(FF) 및 RF 초크(CH)를 포함할 수 있다.
PIN 다이오드(PIN-D)는 그라운드 라인(132)에 연결될 수 있다.
D-플립플롭(FF)은 PIN 다이오드(PIN-D), 시리얼 라인(134) 및 클럭 라인(136)에 연결되며, PIN 다이오드(PIN-D)의 온/오프 동작시킬 수 있다.
즉, D-플립플롭(FF)은 클럭 라인(136)을 내부에 연결해
Figure 112021060601549-pat00001
및 시리얼 라인(134)으로부터 출력되는 데이터 신호의 클럭 신호로 이용할 수 있다.
여기서, 상기 데이터 신호는 PIN 다이오드(PIN-D)로 출력되며 PIN 다이오드(PIN-D)의 음극과 IC(150)의 접지와 폐루프를 형성할 수 있다.
D-플립플롭(FF)은 기억 장치 및 전달 장치와 같은 역할을 하는 하나의 D-플립플롭으로 이루어져 있으며, 시리얼 단자(132)을 통해 제어 신호를 수신하고 저장하며, 저장된 데이터는 클럭 신호가 1이 될 때마다
Figure 112021060601549-pat00002
로부터 출력할 수 있다.
RF 초크(CH)는 입사되는 RF 신호와 전원 라인(138)에 흐르는 DC 전원 사이의 간섭을 최소화할 수 있다.
즉, RF 초크(CH)는 전원 라인(138)에 연결되며, 전원 라인(138)을 통해 IC(150)로 입력되는 DC 전원에 RF 신호의 인입을 차단할 수 있다.
여기서, RF 초크(CH)는 LC 회로로 이루어진 저역 통과 필터일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
도 4는 도 2에 나타낸 ISR 단위셀의 등가회로도, 도 5는 도 2에 나타낸 ISR 단위셀에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도 및 도 6는 도 2에 나타낸 ISR 단위셀의 전계 분포를 나타낸 도이다.
도 4는 단위셀(120)의 등가회로도로써, 라인 패턴(130) 및 제1, 2 안테나 패턴(140) 및 IC(150)에 대한 등가회로를 나타낸다.
도 5는 단위셀(120)에 대하니 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5(a)는 단위셀(120)의 온/오프 동작시 위상 응답을 나타낸 도이고, 도 5(b)는 단위셀(120)의 온/오프 동작시 크기 응답을 나타낸 도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 R-L-C 공진 회로와 같이 동작하며, 공진 지점에서 반사 위상은 -180˚에서 180˚로 바뀌며, PIN 다이오드(PIN-D)를 켜거나 끄면 패치의 공진 주파수를 변경하여 반사 위상 천이가 가능하며, PIN 다이오드(PIN-D)의 ON/OFF 상태 사이의 반사 위상과 크기의 시뮬레이션을 나타낸다.
도 6은 단위셀의 전계분포를 나타낸 도로써, PIN 다이오드(PIN-D)의 온/오프 동작시 제1, 2 안테나 패턴(142, 144)에서 발생되는 전계분포를 나타낸다.
도 4 내지 도 6에서 알 수 있듯이, PIN 다이오드(PIN-D)가 있는 단위 셀(120)의 OFF 상태 반사 위상은 목표 주파수에서 ON 상태에 있는 것보다 180도 앞선다.
반사 크기는 약 -3dB 정도로 확인되며, 손실은 PIN 다이오드(PIN-D)의 저항 또는 에너지를 저장하는 단위 셀(120)의 구조에 의해 발생할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 연성 필름; 및
    상기 연성 필름 상에 형성된 복수의 단위셀을 포함하고,
    상기 복수의 단위셀 각각은,
    반사 위상 조정을 위한 IC;
    상기 IC를 구동시키기 위한 라인 패턴; 및
    상기 IC 또는 상기 라인 패턴을 기준으로 서로 대칭되게 형성된 제1, 2 안테나 패턴을 포함하는,
    반사형 IRS(Intelligent Reflecting Surfaces) 연성 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인 패턴 및 상기 제1, 2 안테나 패턴은,
    상기 연성 필름 상에 전도성 잉크 및 기능성 잉크 중 적어도 하나로 인쇄된,
    반사형 IRS 연성 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인 패턴은,
    상기 IC가 실장되는 그라운드 라인, 시리얼 라인, 클럭 라인 및 전원 라인을 포함하는,
    반사형 IRS 연성 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 2 안테나 패턴은,
    상기 IC의 동작에 따라 입사된 제1 RF 신호를 위상 조정하여 제2 RF 신호를 반사시키는,
    반사형 IRS 연성 기판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 2 안테나 패턴은,
    다각형 형상인,
    반사형 IRS 연성 기판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 2 안테나 패턴 각각의 인접한 변들 사이의 끼임각은,
    90°내지 150°인,
    반사형 IRS 연성 기판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인 패턴은,
    상기 IC가 실장되는 그라운드 라인, 시리얼 라인, 클럭 라인 및 전원 라인을 포함하고,
    상기 IC는,
    상기 그라운드 라인에 연결된 PIN 다이오드;
    상기 PIN 다이오드, 상기 시리얼 라인 및 클럭 라인에 연결되며, 상기 PIN 다이오드의 온/오프 동작시키는 D-플립플롭; 및
    상기 전원 라인에 연결되며, 상기 전원 라인을 통해 상기 IC로 입력되는 DC 전원에 RF 신호의 인입을 차단하기 위한 RF 초크를 포함하는,
    반사형 IRS 연성 기판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 RF 초크는,
    LC 회로로 이루어진 저역 통과 필터인,
    반사형 IRS 연성 기판.
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