KR102422763B1 - Reconfigurable reflective-metasurface antenna utilizing three quantized phases - Google Patents

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이정해
김용준
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이선규
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 있어서, 전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작하는 복수의 능동 메타표면과, 하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된 복수의 수동 메타표면을 포함하되, 상기 복수의 능동 메타표면과 복수의 수동 메타표면은 서로 격자 형태로 조합 배열되고, 외부로부터 입사된 빔을 설정 각도로 반사시켜 빔을 조향하는 반사형 능동 메타표면 안테나를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연속적인 위상 분포를 세 개의 값으로 양자화하여 위상 오차를 최소화할 수 있고 두 개의 양자화된 위상 값을 이용하는 기존 메타표면 안테나보다 개구면 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a reflective active metasurface antenna with three quantized phases. According to the present invention, in a reflective active metasurface antenna having three quantized phases, it is designed to have a reflection coefficient phase selected from among the two reflection coefficient phases according to electrical control, so that some operates as the first reflection coefficient phase and the other comprises a plurality of active metasurfaces operating with a second reflection coefficient phase and a plurality of passive metasurfaces designed to have one fixed third reflection coefficient phase, wherein the plurality of active metasurfaces and the plurality of passive metasurfaces include Provided is a reflective active metasurface antenna that is arranged in combination in a lattice form and steers the beam by reflecting a beam incident from the outside at a set angle.
According to the present invention, the phase error can be minimized by quantizing the continuous phase distribution into three values, and the aperture efficiency can be improved compared to the conventional metasurface antenna using two quantized phase values.

Description

세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나{Reconfigurable reflective-metasurface antenna utilizing three quantized phases}Reconfigurable reflective-metasurface antenna utilizing three quantized phases

본 발명은 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자화된 위상 값을 세 개로 확장하여 개구면 효율을 향상시킬 수 있는 반사형 능동 메타표면 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a reflective active metasurface antenna having three quantized phases, and more particularly, to a reflective active metasurface antenna capable of improving the aperture efficiency by extending the quantized phase value to three. .

반사형 안테나는 입력 안테나에서 입사되는 전자기파를 평면파로 변환하여 한쪽 방향으로 강하게 전송할 수 있는 고지향성 안테나이다. A reflective antenna is a highly directional antenna that can convert an electromagnetic wave incident from an input antenna into a plane wave and transmit it strongly in one direction.

반사형 안테나는 높은 지향성을 갖는 장점을 바탕으로 장거리 신호 전송이 필수적인 통신 중계기 및 위성 통신용 안테나, 군사용 및 기상 관측용 레이더 등 광범위한 용도로 활용되고 있다. Reflective antennas are being used for a wide range of applications, such as communication repeaters, satellite communication antennas, and military and weather observation radars that require long-distance signal transmission based on their high directivity.

포물선형 반사판을 사용하는 기존 반사형 안테나의 경우 반사판에 곡률이 존재하여 부피가 큰 한계를 갖는다. 이를 해결하기 위한 대안으로 평면형 패턴을 이용하여 반사되는 전자기파의 위상 조절을 통해 다양한 방향으로 빔을 형성할 수 있는 메타표면 안테나가 주목받고 있다. In the case of a conventional reflective antenna using a parabolic reflector, there is a curvature in the reflector, which has a large limitation in volume. As an alternative to solving this problem, a metasurface antenna that can form a beam in various directions through phase control of reflected electromagnetic waves using a planar pattern is attracting attention.

하지만 금속 패턴으로 구성된 수동형 메타표면의 경우 방사되는 방향이 고정되는 한계를 가지므로 반사파 위상 제어를 통해 빔을 조향할 수 있는 반사형 능동 메타표면 안테나 연구가 활발히 진행되고 있다.However, in the case of a passive metasurface composed of a metal pattern, there is a limitation in that the radiation direction is fixed, so research on a reflective active metasurface antenna that can steer a beam through reflected wave phase control is being actively conducted.

그 중 대표 사례로 PIN 다이오드를 결합한 반사형 능동 메타표면 안테나가 제시되었다. PIN 다이오드의 on/off 제어를 통해 0°와 180°의 반사 위상을 구현할 수 있는 메타표면을 0°와 180°로 양자화된 반사파의 위상 분포에 대입할 경우, 다양한 방향으로의 빔 제어가 가능해진다. Among them, a reflective active metasurface antenna combined with a PIN diode was presented as a representative example. 0° and 180° of on/off control of PIN diode When the metasurface that can implement the reflection phase is substituted into the phase distribution of the reflected wave quantized to 0° and 180°, beam control in various directions becomes possible.

그런데 이와 같이 0°와 180°의 두 가지 경우로 위상 값을 근사시킬 경우 위상 오차가 크게 발생하여 안테나 방사 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 이와 같이, 종래의 반사형 능동 메타표면 안테나는 연속적인 위상 분포를 두 개의 위상으로 양자화하면서 효율이 낮아지는 한계를 갖는다.However, in this way, 0° and 180° When the phase value is approximated in two cases, a large phase error occurs, resulting in a problem in that the antenna radiation efficiency is lowered. As such, the conventional reflective active metasurface antenna has a limitation in that efficiency is lowered while quantizing a continuous phase distribution into two phases.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2114632호(2020.05.25 공고)에 개시되어 있다.The technology that is the background of the present invention is disclosed in Korean Patent No. 10-2114632 (notice on May 25, 2020).

본 발명은 능동 메타표면 사이에 고정된 위상 값을 갖는 반사형 메타표면을 배치하여 세 개의 양자화된 위상을 갖도록 메타표면을 구성하여 양자화에 따른 위상 오차를 최소화시킴으로써 안테나 방사 효율을 높일 수 있는 반사형 능동 메타표면 안테나를 제공하는데 목적이 있다.The present invention is a reflective type that can increase the antenna radiation efficiency by minimizing the phase error due to quantization by configuring the metasurface to have three quantized phases by disposing a reflective metasurface having a fixed phase value between the active metasurfaces. An object of the present invention is to provide an active metasurface antenna.

본 발명은, 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 있어서, 전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작하는 복수의 능동 메타표면과, 하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된 복수의 수동 메타표면을 포함하되, 상기 복수의 능동 메타표면과 복수의 수동 메타표면은 서로 격자 형태로 조합 배열되고, 외부로부터 입사된 빔을 설정 각도로 반사시켜 빔을 조향하는 반사형 능동 메타표면 안테나를 제공한다.In the present invention, in a reflective active metasurface antenna having three quantized phases, it is designed to have a reflection coefficient phase selected among two reflection coefficient phases according to electrical control, so that some operates as the first reflection coefficient phase and the rest a plurality of active metasurfaces operating in a second reflection coefficient phase, and a plurality of passive metasurfaces designed to have one fixed third reflection coefficient phase, wherein the plurality of active metasurfaces and the plurality of passive metasurfaces are mutually exclusive. Provided is a reflection-type active metasurface antenna that is arranged in combination in a lattice form and steers the beam by reflecting a beam incident from the outside at a set angle.

또한, 상기 제1 반사 계수 위상은 120°이고 제2 반사 계수 위상은 -120°이고, 상기 수동 메타표면은, 상기 제3 반사 계수 위상이 0°인 완전 자기 도체로 구성될 수 있다.In addition, the first reflection coefficient phase is 120°, the second reflection coefficient phase is -120°, and the passive metasurface may be composed of a perfect magnetic conductor having the third reflection coefficient phase of 0°.

또한, 상기 수동 메타표면은, 제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되며, 상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된 구조를 가질 수 있다.In addition, the passive metasurface is formed with a metal pattern of a quadrangular, cruciform or quadrangular fractal shape with a metal ground plane coupled to a lower surface based on the first dielectric and an empty center region on the upper surface, and the metal pattern and the A ground via hole connecting the ground planes may be formed through the first dielectric, and the second dielectric may be coupled to a lower portion of the ground plane.

또한, 상기 능동 메타표면은, 상기 수동 메타표면의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 상기 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고, 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성될 수 있다.In addition, the active metasurface is based on the structure of the passive metasurface, but the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from that of the passive metasurface, and the top of the ground via hole is a point of the metal pattern and a PIN It is connected through a diode and a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, so that a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line may be formed through the first and second dielectrics.

또한, 상기 제1 반사 계수 위상은 60°이고 제2 반사 계수 위상은 -60°이고, 상기 수동 메타표면은, 상기 제3 반사 계수 위상이 180°인 완전 도체로 구성될 수 있다.In addition, the first reflection coefficient phase is 60°, the second reflection coefficient phase is -60°, and the passive metasurface may be composed of a complete conductor having the third reflection coefficient phase 180°.

또한, 상기 수동 메타표면은, 구리, 금, 은, 알루미늄 중에서 선택된 하나의 금속 재질을 갖는 판상형의 도체일 수 있다.In addition, the passive meta surface may be a plate-shaped conductor having one metal material selected from copper, gold, silver, and aluminum.

또한, 상기 능동 메타표면은, 제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되되, 상기 접지 비아홀의 상단이 상기 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고, 상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합되되, 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된 구조를 가질 수 있다.In addition, the active metasurface has a metal pattern of a quadrangular, cruciform or quadrangular fractal shape with a metal ground plane coupled to a lower surface based on the first dielectric and an empty center region on the upper surface, and the metal pattern and the A ground via hole for connecting the ground planes is formed through the first dielectric, an upper end of the ground via hole is connected to a point of the metal pattern through a PIN diode, and a second dielectric is coupled to the lower portion of the ground plane. , A feed line is formed on a lower surface of the second dielectric, and a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics may have a structure.

또한, 상기 수동 메타표면은, 상기 제3 반사 계수 위상이 0°와 180° 사이 값을 갖는 인덕티브 특성의 표면으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 반사 계수 위상은 상기 제3 반사 계수 위상보다 120° 큰 값과 120° 작은 값일 수 있다.In addition, the passive metasurface is composed of a surface having an inductive characteristic in which the third reflection coefficient phase has a value between 0° and 180°, and the first and second reflection coefficient phases are higher than the third reflection coefficient phase. It can be a large value of 120° and a small value of 120°.

또한, 상기 수동 메타표면은, 제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되며, 상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된 구조를 가질 수 있다.In addition, the passive metasurface is formed with a metal pattern of a quadrangular, cruciform or quadrangular fractal shape with a metal ground plane coupled to a lower surface based on the first dielectric and an empty center region on the upper surface, and the metal pattern and the A ground via hole connecting the ground planes may be formed through the first dielectric, and the second dielectric may be coupled to a lower portion of the ground plane.

또한, 상기 능동 메타표면은, 상기 수동 메타표면의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 상기 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고, 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성될 수 있다.In addition, the active metasurface is based on the structure of the passive metasurface, but the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from that of the passive metasurface, and the top of the ground via hole is a point of the metal pattern and a PIN It is connected through a diode and a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, so that a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line may be formed through the first and second dielectrics.

또한, 상기 수동 메타표면은, 상기 제3 반사 계수 위상이 180°와 360° 사이의 값을 갖는 캐패시티브 특성의 표면으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 반사 계수 위상은 상기 제3 반사 계수 위상보다 120° 큰 값과 120° 작은 값일 수 있다.In addition, the passive metasurface is composed of a surface of a capacitive property in which the third reflection coefficient phase has a value between 180° and 360°, and the first and second reflection coefficient phases are the third reflection coefficients. It can be a value 120° larger than the phase and a value 120° smaller than the phase.

또한, 상기 캐패시티비 특성을 갖는 수동 메타표면은, 제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되며, 상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된 구조를 가질 수 있다.In addition, in the passive metasurface having the capacity ratio characteristic, a metal pattern of a quadrangular, cruciform, or quadrangular fractal shape is formed on the upper surface of the passive metasurface having a metal ground plane coupled to the lower surface with respect to the first dielectric and having an empty center region. and a ground via hole connecting the metal pattern and the ground plane is formed through a first dielectric, and a second dielectric is coupled to a lower portion of the ground plane.

또한, 상기 능동 메타표면은, 상기 수동 메타표면의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 상기 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고, 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성될 수 있다.In addition, the active metasurface is based on the structure of the passive metasurface, but the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from that of the passive metasurface, and the top of the ground via hole is a point of the metal pattern and a PIN It is connected through a diode and a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, so that a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line may be formed through the first and second dielectrics.

또한, 각각의 급전선에 인가되는 전기 신호에 따라 상기 복수의 능동 메타표면 중 일부는 PIN 다이오드가 턴온되고 나머지는 PIN 다이오드가 턴오프되어, 상기 제1 반사 계수 위상 또는 제2 반사 계수 위상로 동작할 수 있다.In addition, according to an electrical signal applied to each feed line, a PIN diode is turned on for some of the plurality of active metasurfaces and a PIN diode is turned off for the rest to operate as the first reflection coefficient phase or the second reflection coefficient phase. can

또한, 상기 반사형 능동 메타표면 안테나를 구성하는 서로 다른 n개의 각 단위셀의 위치에서 필요로 하는 위상 값은 아래 수학식으로 계산되며, n개의 각 단위셀 별로 계산된 반사 계수의 위상 값에 따라 해당 단위셀의 위치에 세 가지 유형-수동메타 표면, PIN 다이오드가 온 상태인 능동 메타표면, PIN 다이오드가 오프 상태인 능동 메타 표면을 포함- 중 어느 한 유형의 메타표면 단위 셀이 배치될 수 있다.In addition, the phase value required at the positions of each of n different unit cells constituting the reflective active metasurface antenna is calculated by the following equation, and according to the phase value of the reflection coefficient calculated for each n unit cells Any one of the three types of metasurface unit cells can be placed at the location of the unit cell: a passive metasurface, an active metasurface with a PIN diode on, and an active metasurface with a PIN diode off. .

Figure 112021029887630-pat00001
Figure 112021029887630-pat00001

여기서, Output과 Input은 미리 설계되는 값으로, Output은 설정 각도의 빔 조향을 위해 안테나에서 방사되어야 하는 최종전계성분, Input은 급전안테나로부터 인가되어 각 단위셀의 메타표면에 도달한 전계 성분, Γ는 빔 조향을 위해 필요한 안테나 반사 계수,

Figure 112021029887630-pat00002
및
Figure 112021029887630-pat00003
은 전체 n개 중 k번째 단위셀의 인가 및 방사 전계성분,
Figure 112021029887630-pat00004
은 k번째 단위셀의 반사 계수,
Figure 112021029887630-pat00005
은 k번째 단위셀의 반사 계수의 위상 값을 나타낸다.Here, Output and Input are pre-designed values, Output is the final electric field component that must be radiated from the antenna for beam steering of a set angle, Input is the electric field component that is applied from the feed antenna and reaches the metasurface of each unit cell, Γ is the antenna reflection coefficient required for beam steering,
Figure 112021029887630-pat00002
and
Figure 112021029887630-pat00003
is the applied and radiated electric field component of the k-th unit cell out of the total of n,
Figure 112021029887630-pat00004
is the reflection coefficient of the k-th unit cell,
Figure 112021029887630-pat00005
denotes the phase value of the reflection coefficient of the k-th unit cell.

본 발명에 따르면, 연속적인 위상 분포를 세 개의 값으로 양자화하여 위상 오차를 최소화할 수 있고 두 개의 양자화된 위상 값을 이용하는 기존 메타표면 안테나보다 개구면 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the phase error can be minimized by quantizing the continuous phase distribution into three values, and the aperture efficiency can be improved compared to the conventional metasurface antenna using two quantized phase values.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 반사 계수 위상 0°인 완전 자기 도체 특성을 갖도록 설계된 수동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 2는 도 1의 완전 자기 도체의 반사 계수를 복소 평면에 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 1에 도시된 수동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 120°와 -120°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 반사형 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 특정 방향의 빔 조향을 위해 도 1의 단위셀과 도 4의 단위셀을 조합 배열한 제1 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.
도 7은 도 6의 반사형 능동 메타표면 안테나를 이용하여 (θ,

Figure 112021029887630-pat00006
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00007
)=(30°, 0°) 방향으로 빔을 조향한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 반사 계수 위상이 180°인 완전 도체로 된 수동 메타표면 단위셀의 측면도 및 복소 평면의 반사 계수 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따라 60°와 -60°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 반사형 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 특정 방향의 빔 조향을 위하여 도 8의 단위셀과 도 9의 단위셀을 조합 배열한 제2 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.
도 12는 도 11의 반사형 능동 메타표면 안테나를 이용하여 (θ,
Figure 112021029887630-pat00008
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00009
)=(30°, 0°) 방향으로 빔을 조향한 시뮬레이션 결과이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따라 반사 계수의 위상이 90°로 설계된 인덕티브 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 14는 도 13의 인덕티브 메타표면의 반사 계수를 복소 평면에 나타낸 모식도이다.
도 15는 도 13에 도시된 인덕티브 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따라 -30°와 210°(-150°)의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 17은 도 16에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 18은 특정 방향의 빔 조향을 위하여 도 13의 단위셀과 도 16의 단위셀을 조합 배열한 제3 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.
도 19는 본 발명의 제4 실시예에 따라 반사 계수의 위상이 -90°(270°)로 설계된 캐패시티브 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 20은 도 19의 캐패시티브 메타표면의 반사 계수를 복소 평면에 나타낸 모식도이다.
도 21은 도 19에 도시된 캐패시티브 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 22는 본 발명의 제4 실시예에 따라 -210° (150°)와 30°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.
도 23은 도 22에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.
도 24는 특정 방향의 빔 조향을 위하여 도 19의 단위 셀과 도 22의 단위셀을 조합 배열한 제4 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.1 is a side view and a front view of a passive metasurface unit cell designed to have a perfect magnetic conductor characteristic with a reflection coefficient phase of 0° according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the reflection coefficient of the perfect magnetic conductor of FIG. 1 on a complex plane.
3 is a simulation result of the magnitude and phase of the reflection coefficient for the passive metasurface unit cell shown in FIG. 1 .
4 is a side view and a front view of a reflective active metasurface unit cell designed to operate with a reflection coefficient phase of 120° and -120° according to a first embodiment of the present invention.
5 is a simulation result of the magnitude and phase of the reflection coefficient for the active metasurface unit cell shown in FIG. 4 .
6 is an exemplary view of a reflective active metasurface antenna according to the first embodiment in which the unit cell of FIG. 1 and the unit cell of FIG. 4 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.
7 shows (θ,
Figure 112021029887630-pat00006
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00007
)=(30°, 0°) is the simulation result of steering the beam.
8 is a side view and a complex plane reflection coefficient schematic diagram of a passive metasurface unit cell made of a perfect conductor having a reflection coefficient phase of 180° according to a second embodiment of the present invention.
9 is a side view and a front view of a reflective active metasurface unit cell designed to operate with a reflection coefficient phase of 60° and -60° according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a simulation result of the magnitude and phase of reflection coefficients for the active metasurface unit cell shown in FIG. 9 .
11 is an exemplary view of a reflective active metasurface antenna according to the second embodiment in which the unit cell of FIG. 8 and the unit cell of FIG. 9 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.
12 shows (θ,
Figure 112021029887630-pat00008
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00009
)=(30°, 0°) is the simulation result of steering the beam.
13 is a side view and a front view of an inductive metasurface unit cell designed to have a phase of a reflection coefficient of 90° according to a third embodiment of the present invention.
14 is a schematic diagram showing the reflection coefficient of the inductive metasurface of FIG. 13 in a complex plane.
FIG. 15 is a simulation result of magnitude and phase of reflection coefficients for the inductive metasurface unit cell shown in FIG. 13 .
16 is a side view and a front view of an active metasurface unit cell designed to operate with reflection coefficient phases of -30° and 210° (-150°) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a simulation result of magnitude and phase of reflection coefficients for the active metasurface unit cell shown in FIG. 16 .
18 is an exemplary diagram of a reflective active metasurface antenna according to a third embodiment in which the unit cell of FIG. 13 and the unit cell of FIG. 16 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.
19 is a side view and a front view of a capacitive metasurface unit cell designed to have a reflection coefficient phase of -90° (270°) according to a fourth embodiment of the present invention.
20 is a schematic diagram showing the reflection coefficient of the capacitive metasurface of FIG. 19 in a complex plane.
FIG. 21 is a simulation result of magnitude and phase of reflection coefficients for the capacitive metasurface unit cell shown in FIG. 19 .
22 is a side view and a front view of an active metasurface unit cell designed to operate with reflection coefficient phases of -210° (150°) and 30° according to a fourth embodiment of the present invention.
23 is a simulation result of the magnitude and phase of the reflection coefficient for the active metasurface unit cell shown in FIG. 22 .
24 is an exemplary diagram of a reflective active metasurface antenna according to a fourth embodiment in which the unit cell of FIG. 19 and the unit cell of FIG. 22 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Then, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. . Also, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명은 양자화된 위상 값을 세 개로 확장할 수 있는 반사형 능동 메타표면 안테나에 관한 것으로 연속적인 위상 분포를 세 개의 값으로 양자화하여 위상 오차를 최소화하고 개구면 효율을 높일 수 있는 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나 구조를 제안한다.The present invention relates to a reflective active metasurface antenna that can expand the quantized phase value to three, and quantizes the continuous phase distribution to three values to minimize the phase error and increase the aperture efficiency. A reflective active metasurface antenna structure with phase is proposed.

구체적으로, 본 발명은 PIN 다이오드의 on/off 스위칭에 따라 두 개의 양자화된 반사 계수 위상 중 하나의 위상으로 동작하는 능동 메타표면 단위셀과 하나의 고정된 반사 계수 위상으로 동작하는 수동 메타표면 단위셀을 조합 배열하여 세 개의 양자화된 위상을 갖는 안테나를 구현하고, 이를 통하여 양자화에 따른 오차를 최소화하고 방사 효율을 향상시킨다.Specifically, the present invention relates to an active metasurface unit cell operating in one of two quantized reflection coefficient phases according to on/off switching of a PIN diode and a passive metasurface unit cell operating in one fixed reflection coefficient phase. to implement an antenna having three quantized phases by combining and arranging , thereby minimizing errors due to quantization and improving radiation efficiency.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나는, 복수의 능동 메타표면과, 복수의 수동 메타표면을 포함하며, 이들이 서로 동일 평면에서 격자 형태로 조합 배열되는 구조를 가진다.As such, the reflective active metasurface antenna according to an embodiment of the present invention includes a plurality of active metasurfaces and a plurality of passive metasurfaces, and has a structure in which they are combined and arranged in a lattice form on the same plane.

능동 메타표면은 전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어, 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작한다. 또한, 수동 메타표면은 하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된다.The active metasurface is designed to have a reflection coefficient phase selected from among two reflection coefficient phases according to electrical control, so that some operate as a first reflection coefficient phase and others operate as a second reflection coefficient phase. In addition, the passive metasurface is designed to have one fixed third reflection coefficient phase.

본 발명의 실시예에서, 능동 메타표면에서 제어 가능한 두 가지 반사 계수 위상 값은 수동 메타표면의 반사 계수 위상 값을 기준으로 각각 120°큰 값과 120° 작은 값으로 설계된다. In an embodiment of the present invention, the two controllable reflection coefficient phase values in the active metasurface are designed to be 120° large and 120° small, respectively, based on the reflection coefficient phase value of the passive metasurface.

또한, 본 발명의 실시예는 적용되는 수동 메타표면의 위상 특성에 따라 네 가지 실시예로 구분된다. In addition, the embodiment of the present invention is divided into four embodiments according to the phase characteristics of the applied passive metasurface.

제1 실시예는 반사 계수 위상이 0°인 완전 자기 도체 특성의 수동 메타표면을 적용한 것이고, 제2 실시예는 반사 계수 위상이 180°인 완전 도체 특성의 수동 메타표면을 적용한 것이다.The first embodiment applies a passive metasurface having a perfectly magnetic conductor characteristic with a reflection coefficient phase of 0°, and the second embodiment applies a passive metasurface having a perfect conductor characteristic with a reflection coefficient phase of 180°.

제3 실시예는 반사 계수 위상이 0°과 180° 사이인 인덕티브 특성의 수동 메타표면을 적용한 것이고, 제4 실시예는 반사 계수 위상이 180°와 360°(-180°와 0°) 사이인 캐패시티브 특성의 수동 메타표면을 적용한 것이다.The third embodiment applies a passive metasurface with an inductive characteristic with a reflection coefficient phase between 0° and 180°, and the fourth embodiment applies a reflection coefficient phase between 180° and 360° (-180° and 0°). A passive metasurface with in-capacitive properties is applied.

각각의 실시예에 사용된 능동 메타표면의 기본 구조와 금속 패턴의 형태는 서로 유사한데, 필요로 하는 두 가지 위상 값은 실시예 별로 상이하므로, 해당 위상 규격을 만족하기 위하여 금속 패턴의 사이즈는 서로 달리 설계됨을 이해하여야 한다.The basic structure of the active metasurface used in each embodiment and the shape of the metal pattern are similar to each other, and since the two phase values required are different for each embodiment, the size of the metal pattern is different from each other in order to satisfy the phase specification. It should be understood that they are designed differently.

이하에서는 각 실시예를 보다 상세히 설명한다. 각각의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 설계 주파수 9.5 GHz인 안테나를 대표 예시로 하지만, 설계되는 안테나의 동작 주파수 대역이 반드시 이에 한정되지 않는다.Hereinafter, each embodiment will be described in more detail. In each embodiment, an antenna having a design frequency of 9.5 GHz is taken as a representative example for convenience of description, but the operating frequency band of the designed antenna is not necessarily limited thereto.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나를 설명한다. First, a reflective active metasurface antenna according to a first embodiment of the present invention will be described.

제1 실시예의 경우, 반사 계수 위상 0°인 완전 자기 도체(Perfect Magnetic Conductor; PMC) 특성을 갖도록 설계된 수동 메타표면과, 이와 ±120°위상차에 해당하는 120°와 -120°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면이 서로 조합 배열된 안테나로, 이를 통해 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나가 구성된다.In the case of the first embodiment, a passive metasurface designed to have a perfect magnetic conductor (PMC) characteristic with a reflection coefficient phase of 0°, and a reflection coefficient phase of 120° and -120° corresponding to a phase difference of ±120° therefrom. An antenna in which active metasurfaces designed to operate are arranged in combination with each other to construct a reflective active metasurface antenna with three quantized phases.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 반사 계수 위상 0°인 완전 자기 도체 특성을 갖도록 설계된 수동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다. 정면도는 설계 사이즈를 나타낸다.1 is a side view and a front view of a passive metasurface unit cell designed to have a perfect magnetic conductor characteristic with a reflection coefficient phase of 0° according to a first embodiment of the present invention. The front view shows the design size.

도 1의 수동 메타표면(110)은 제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성된다. 본 실시예의 경우, 가운데 영역이 비어있는 십자각형의 금속 패턴을 대표 예시로 한다. In the passive metasurface 110 of FIG. 1 , a metal ground plane is coupled to the lower surface based on the first dielectric material, and a quadrangular, cruciform or quadrangular fractal-shaped metal pattern is formed on the upper surface with an empty center region. In this embodiment, a cross-shaped metal pattern in which the center region is empty is taken as a representative example.

그리고 금속 패턴과 접지면 간을 연결하기 위한 전도성 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되고, 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된다. A conductive ground via hole for connecting the metal pattern and the ground plane is formed through the first dielectric, and the second dielectric is coupled to the lower portion of the ground plane.

이와 같이 도 1의 수동 메타표면(110)은 서로 적층된 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며, 금속 패턴은 전도성 접지 via 홀을 통해 접지면과 연결된 구조를 가지며, 완전 자기 도체(PMC) 특성을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 각 구성요소들의 두께, 패턴 사이즈 등의 조정을 통하여 9.5 GHz 동작 주파수에서 완전 자기 도체 특성을 갖는 메타표면이 설계된다.As such, the passive metasurface 110 of FIG. 1 includes a metal ground plane between the first dielectric and the second dielectric stacked on each other, a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern forms a conductive ground via hole. It has a structure connected to the ground plane through it and is designed to have perfect magnetic conductor (PMC) characteristics. For example, a metasurface with perfect magnetic conductor characteristics at 9.5 GHz operating frequency is designed through adjustment of the thickness and pattern size of each component.

도 2는 도 1의 완전 자기 도체의 반사 계수를 복소 평면에 나타낸 모식도이다. 도 2와 같이, 완전 자기 도체는 반사 계수 크기가 1이고 그 위상(Phase)이 0°을 나타낸다.FIG. 2 is a schematic diagram showing the reflection coefficient of the perfect magnetic conductor of FIG. 1 on a complex plane. As shown in FIG. 2 , the perfect magnetic conductor has a reflection coefficient of 1 and a phase of 0°.

도 3은 도 1에 도시된 수동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다. 3 is a simulation result of the magnitude and phase of the reflection coefficient for the passive metasurface unit cell shown in FIG. 1 .

도 3은 완전 자기 도체 특성을 갖도록 최적 설계된 메타표면인 도 1의 시뮬레이션 결과로서, 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로 반사 계수 크기는 -0.15 dB (입력 파워 96.6% 반사)로 확인되었으며, 반사 계수 위상은 -0.7°로 확인되었다. 3 is a simulation result of FIG. 1, which is a metasurface optimally designed to have perfect magnetic conductor characteristics. Based on the design frequency of 9.5 GHz, the reflection coefficient magnitude was confirmed to be -0.15 dB (reflection of 96.6% of input power), and the reflection coefficient phase was It was confirmed to be -0.7°.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 120°와 -120°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 반사형 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다. 4 is a side view and a front view of a reflective active metasurface unit cell designed to operate with a reflection coefficient phase of 120° and -120° according to a first embodiment of the present invention.

이러한 도 4는 도 1의 완전 자기 도체 특성을 갖는 메타표면의 반사 계수의 위상을 기준으로 120°와 -120° 위상차를 갖도록 최적 설계된 반사형 능동 메타표면을 나타낸 것이다.4 shows a reflective active metasurface optimally designed to have a phase difference of 120° and -120° based on the phase of the reflection coefficient of the metasurface having the perfect magnetic conductor property of FIG. 1 .

도 4의 능동 메타표면(120)은 상술한 수동 메타표면(110)의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결된다. 그리고, 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하기 위한 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된다.The active metasurface 120 of FIG. 4 is based on the structure of the passive metasurface 110 described above, but the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from that of the passive metasurface, and the top of the ground via hole is a metal pattern. It is connected through a pin diode to one point of In addition, a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, and a feed via hole for connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics.

구체적으로, 도 4의 능동 메타표면(120)은 서로 적층된 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며, 금속 패턴은 전도성 급전 via 홀과 RF choke를 통해 급전 선에 연결되는 구조를 갖는다. 그리고, 한쪽 끝은 제1 유전체 상면의 사각 금속 패치와 연결되고 다른 한쪽은 제1 유전체 하면의 접지면과 연결되는 전도성 접지 via 홀을 포함하며, 사각 금속 패치와 금속 패턴 사이에는 PIN 다이오드가 연결된다. Specifically, the active metasurface 120 of FIG. 4 includes a metal ground plane between a first dielectric and a second dielectric stacked on each other, a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern is a conductive feed via hole. It has a structure that is connected to the feed line through the RF choke. In addition, one end includes a conductive ground via hole connected to the square metal patch on the upper surface of the first dielectric and the other end is connected to the ground plane on the lower surface of the first dielectric, and a PIN diode is connected between the square metal patch and the metal pattern. .

이때, 급전 선의 전압을 on/off 제어함으로써 PIN 다이오드를 동작시킬 수 있고, 이에 따라 반사 계수 위상이 120° 또는 -120°로 제어된다. 예를 들어, 급전 선에 1.2V 전원 인가시 다이오드는 턴 온, 0V 전원 인가시 다이오드는 턴 오프 되고 이에 따라 반사 계수 위상이 120°또는 -120°로 선택 제어된다.At this time, it is possible to operate the PIN diode by controlling the voltage of the feed line on/off, and accordingly, the phase of the reflection coefficient is controlled to 120° or -120°. For example, when 1.2V power is applied to the power supply line, the diode is turned on, and when 0V power is applied, the diode is turned off. Accordingly, the reflection coefficient phase is selectively controlled to 120° or -120°.

도 5는 도 4에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.5 is a simulation result of the magnitude and phase of the reflection coefficient for the active metasurface unit cell shown in FIG. 4 .

시뮬레이션 결과 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로, 급전 선에 전압을 인가한 경우 (On state) 반사 계수의 크기는 -0.263 dB (입력 파워 94.1% 반사)로 확인되었으며, 반사 계수의 위상은 127.3°로 확인되었다. 또한 전압을 인가하지 않은 경우 (Off state) 반사 계수 크기는 -0.197 dB (입력 파워 95.6% 반사)로 확인되었으며, 위상은 -108.3°로 확인되었다. As a result of the simulation, based on the design frequency of 9.5 GHz, when voltage was applied to the feed line (On state), the magnitude of the reflection coefficient was confirmed to be -0.263 dB (reflection of 94.1% of input power), and the phase of the reflection coefficient was confirmed to be 127.3° became In addition, when no voltage is applied (Off state), the reflection coefficient magnitude was confirmed to be -0.197 dB (reflection of 95.6% of the input power), and the phase was confirmed to be -108.3°.

도 6은 특정 방향의 빔 조향을 위해 도 1의 단위셀과 도 4의 단위셀을 조합 배열한 제1 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.6 is an exemplary view of a reflective active metasurface antenna according to the first embodiment in which the unit cell of FIG. 1 and the unit cell of FIG. 4 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.

도 6은 급전 혼으로 입력되는 전자기파를 (θ,

Figure 112021029887630-pat00010
)=(0°, 0°) 또는 (θ,
Figure 112021029887630-pat00011
)=(30°, 0°) 방향으로 조향하기 위하여 도 1의 완전 자기 도체 특성을 갖는 수동 메타표면 단위셀과 도 4의 능동 메타표면 단위 셀을 서로 조합 배치한 능동 메타표면 안테나(100)를 나타낸다. 여기서, 100-1은 (θ,
Figure 112021029887630-pat00012
)=(0°, 0°) 방향으로 설계된 상태이고, 100-2는 (θ,
Figure 112021029887630-pat00013
)=(30°, 0°) 방향으로 설계된 상태를 나타낸다.6 is an electromagnetic wave input to the feeding horn (θ,
Figure 112021029887630-pat00010
)=(0°, 0°) or (θ,
Figure 112021029887630-pat00011
) = (30 °, 0 °) to steer in the direction of the passive metasurface unit cell having the perfect magnetic conductor characteristics of Figure 1 and the active metasurface unit cell of Figure 4 in combination with each other arranged active metasurface antenna 100 indicates. where 100-1 is (θ,
Figure 112021029887630-pat00012
)=(0°, 0°) direction, 100-2 is (θ,
Figure 112021029887630-pat00013
) = (30°, 0°) indicates the designed state.

반사형 능동 메타표면 안테나(100)는 복수의 수동 메타표면(110)과 복수의 능동 메타표면(120)이 혼합 배열된 구조를 기본으로 하며, 복수의 능동 메타표면(120)은 각 급전선에 인가되는 전압 레벨에 따라 PIN 다이오드가 턴온 상태의 제1 유형의 능동 메타표면(120A)과 턴오프 상태의 제2 유형의 능동 메타표면(120A)으로 구분된다. The reflective active metasurface antenna 100 is based on a structure in which a plurality of passive metasurfaces 110 and a plurality of active metasurfaces 120 are mixed and arranged, and a plurality of active metasurfaces 120 is applied to each feed line. According to the voltage level used, the PIN diode is divided into a first type of active metasurface 120A in a turned-on state and a second type of active metasurface 120A in a turned-off state.

이때, 제1 및 제2 유형 중 어느 한 유형은 제1 반사 계수 위상으로, 나머지 한 유형은 제2 반사 계수 위상으로 동작한다. 도 6에서는 제1 유형의 능동 메타표면(120A)은 120°의 반사 계수 위상으로, 제2 유형의 능동 메타표면(120B)은 -120°의 반사 계수 위상으로 동작하는 것을 예시한다.In this case, one of the first and second types operates as the first reflection coefficient phase, and the other type operates as the second reflection coefficient phase. 6 illustrates that the first type of active metasurface 120A operates with a reflection coefficient phase of 120° and the second type of active metasurface 120B operates with a reflection coefficient phase of -120°.

여기서, 원하는 빔 조향 각도에 따라 능동 메타표면(120A,120B)의 배열 상태(패턴)는 달라진다. 이는 곧 각 능동 메타표면(120A,120B)의 급전선에 인가되는 전압을 달리 제어하는 것을 통해 두 가지 유형의 능동 메타표면(120A,120B)의 배열 상태가 달라지게 되고 빔 조향 각도가 조정되는 것을 나타낸다.Here, the arrangement state (pattern) of the active metasurfaces 120A and 120B varies according to the desired beam steering angle. This indicates that the arrangement state of the two types of active metasurfaces 120A and 120B is changed and the beam steering angle is adjusted by controlling the voltage applied to the feed line of each active metasurface 120A and 120B differently. .

따라서, 본 발명에서 반사형 능동 메타표면 안테나(100)는 완전 자기 도체 특성의 수동 메타표면(110), PIN 다이오드 ON 상태인 능동 메타표면(120A), 그리고 PIN 다이오드 OFF 상태인 능동 메타표면(120B)의 조합으로 구성된다. 또한, 각각의 능동 메타표면(120)의 급전선의 전압 인가/미인가를 개별 제어하면 두 가지 유형의 능동 메타표면(120A,120B)의 배열이 달라지고 빔 조향 각도 변경이 가능하다.Therefore, in the present invention, the reflective active metasurface antenna 100 is a passive metasurface 110 with perfect magnetic conductor characteristics, an active metasurface 120A in a PIN diode ON state, and an active metasurface 120B in a PIN diode OFF state. ) is a combination of In addition, if the voltage application/non-application of the feed line of each active metasurface 120 is individually controlled, the arrangement of the two types of active metasurfaces 120A and 120B is changed and the beam steering angle can be changed.

본 발명의 실시예에서, 안테나(100)를 구성하는 수동 메타표면의 단위 셀(110)과 반사형 능동 메타표면의 단위셀(120)의 배치는 아래의 수학식 1을 기반으로 이루어진다. In an embodiment of the present invention, the arrangement of the unit cell 110 of the passive metasurface constituting the antenna 100 and the unit cell 120 of the reflective active metasurface is made based on Equation 1 below.

Figure 112021029887630-pat00014
Figure 112021029887630-pat00014

여기서, Output과 Input은 미리 설계되는 값으로, Output은 설정 각도의 빔 조향을 위해 안테나에서 방사되어야 하는 최종전계성분, Input은 급전안테나로부터 인가되어 각 단위셀의 메타표면에 도달한 전계 성분, Γ는 빔 조향을 위해 필요한 안테나 반사 계수,

Figure 112021029887630-pat00015
및
Figure 112021029887630-pat00016
은 전체 n개 중 k번째 단위셀의 인가 및 방사 전계성분,
Figure 112021029887630-pat00017
과
Figure 112021029887630-pat00018
은 각각 k번째 셀에 인가 및 방사된 전계 성분에 대한 위상 값,
Figure 112021029887630-pat00019
은 k번째 단위셀의 반사 계수,
Figure 112021029887630-pat00020
은 k번째 단위셀의 반사 계수의 위상값, 단위셀의 인덱스 k={1,2,…,n}이다. n개의 각 항의 지수는 위상 성분에 해당함을 알 수 있다.Here, Output and Input are pre-designed values, Output is the final electric field component that must be radiated from the antenna for beam steering of a set angle, Input is the electric field component that is applied from the feed antenna and reaches the metasurface of each unit cell, Γ is the antenna reflection coefficient required for beam steering,
Figure 112021029887630-pat00015
and
Figure 112021029887630-pat00016
is the applied and radiated electric field component of the k-th unit cell out of the total of n,
Figure 112021029887630-pat00017
class
Figure 112021029887630-pat00018
is the phase value for the electric field component applied and radiated to the k-th cell, respectively,
Figure 112021029887630-pat00019
is the reflection coefficient of the k-th unit cell,
Figure 112021029887630-pat00020
is the phase value of the reflection coefficient of the k-th unit cell, the index of the unit cell k = {1,2,… ,n}. It can be seen that the exponent of each of the n terms corresponds to the phase component.

이때, 수학식 1의 Output과 Input은 목표로 하는 빔 조향 각도에 맞게 미리 설계되는 값이므로, 이를 이용하면 서로 다른 n개의 각 단위셀의 위치에서 필요로 하는 반사 계수의 위상 값(

Figure 112021029887630-pat00021
)을 역으로 계산할 수 있다.At this time, since the Output and Input of Equation 1 are values designed in advance to match the target beam steering angle, when using them, the phase value (
Figure 112021029887630-pat00021
) can be calculated inversely.

즉, 본 발명의 실시예에서는 반사형 능동 메타표면 안테나를 구성하는 n개의 각 단위셀의 위치에서 필요로 하는 위상 값을 수학식 1을 통해 계산한다.That is, in the embodiment of the present invention, the phase value required at the position of each n unit cells constituting the reflective active metasurface antenna is calculated through Equation 1.

또한, n개의 각 단위셀 별로 수학식 1을 통해 계산된 반사 계수의 위상 값에 따라 해당 단위셀의 위치에 세 가지 유형(수동메타 표면, PIN 다이오드가 온 상태인 능동 메타표면, PIN 다이오드가 오프 상태인 능동 메타 표면) 중 어느 한 유형의 메타표면 단위 셀이 배치되게 된다.In addition, according to the phase value of the reflection coefficient calculated through Equation 1 for each n unit cells, there are three types (passive metasurface, active metasurface with PIN diode on, and pin diode off) at the location of the unit cell. A metasurface unit cell of any one type (active metasurface) is placed.

예를 들어, 임의 위치의 k번째 단위셀에 대하여 계산된 반사 계수의 위상 값이 제1 범위(-60°이상 60° 미만)에 속하면 해당 단위셀의 위치에는 도 1의 완전 자기 도체 특성을 나타내는 메타표면(110)이 배치되고, 제2 범위(60° 이상 180° 미만)에 속하면 도 4의 능동형 메타표면(120) 단위셀을 배치하되 PIN 다이오드는 on 상태로 설정되어 제1 유형의 능동 메타표면(120A)이 배치되고, 제3 범위(-180° 이상 -60° 미만)에 속하면 도 4의 능동형 메타표면(120) 단위셀을 배치하되 PIN 다이오드는 off 상태로 설정되어 제2 유형의 능동 메타표면(120B)이 배치된다.For example, if the phase value of the reflection coefficient calculated for the k-th unit cell at any location falls within the first range (-60° or more and less than 60°), the perfect magnetic conductor characteristic of FIG. 1 is applied to the position of the unit cell. When the metasurface 110 representing is disposed, and falls within the second range (more than 60° and less than 180°), the active metasurface 120 of FIG. 4 is disposed with the unit cell, but the PIN diode is set to the on state, so that the first type of An active metasurface 120A is disposed, and a third extent (-180° or greater -60° less), the active metasurface 120 of FIG. 4 is disposed, but the PIN diode is set to an off state, so that the second type of active metasurface 120B is disposed.

물론, 수학식 1의 원리는 후술하는 제2 내지 제4 실시예의 안테나(200,300,400) 설계에서도 동일한 원리로 적용된다. 따라서 나머지 실시예의 경우 상술한 수학식 1의 설명을 생략한다.Of course, the principle of Equation 1 is also applied in the same principle to the design of the antennas 200, 300, and 400 of the second to fourth embodiments to be described later. Therefore, in the case of the remaining embodiments, the description of Equation 1 described above will be omitted.

도 7은 도 6의 반사형 능동 메타표면 안테나를 이용하여 (θ,

Figure 112021029887630-pat00022
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00023
)=(30°, 0°) 방향으로 빔을 조향한 시뮬레이션 결과이다.7 shows (θ,
Figure 112021029887630-pat00022
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00023
)=(30°, 0°) is the simulation result of steering the beam.

도 7과 같이, (θ,

Figure 112021029887630-pat00024
)=(0°, 0°) 방향으로 조향한 경우에는 최대 16.03 dBi의 안테나 이득으로 확인되었고, (θ,
Figure 112021029887630-pat00025
)=(30°, 0°) 방향으로 조향한 경우에는 최대 14.92 dBi 의 안테나 이득이 확인되었다. 시뮬레이션 결과로부터 각각의 경우에 대해 (θ,
Figure 112021029887630-pat00026
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00027
)=(30°, 0°) 방향으로 빔 조향이 가능하며 높은 안테나 이득을 얻을 수 있음을 검증하였다. 7, (θ,
Figure 112021029887630-pat00024
) = (0°, 0°) direction, it was confirmed that the maximum antenna gain was 16.03 dBi, and (θ,
Figure 112021029887630-pat00025
) = (30°, 0°) direction, the maximum antenna gain of 14.92 dBi was confirmed. From the simulation results, for each case (θ,
Figure 112021029887630-pat00026
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00027
) = (30°, 0°) direction beam steering is possible and it is verified that high antenna gain can be obtained.

다음, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나를 설명한다. Next, a reflective active metasurface antenna according to a second embodiment of the present invention will be described.

제2 실시예의 경우, 반사 계수 위상 180°인 완전 도체 특성의 수동 메타표면과, 이보다 120°도 작은 값과 큰 값인 60°와 -60°(300°)의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면이 서로 조합 배열된 안테나로, 이를 통해 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나가 구성된다.In the case of the second embodiment, a passive metasurface with full conductor properties with a reflection coefficient phase of 180°, and an active metasurface designed to operate with reflection coefficient phases of 60° and -60° (300°), which are 120° smaller and larger than this, A reflective active metasurface antenna with three quantized phases is constructed as an antenna in which surfaces are arranged in combination with each other.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 반사 계수 위상이 180°인 완전 도체(Perfect Electric Conductor; PEC)로 이루어진 수동 메타표면 단위셀의 측면도 및 복소 평면의 반사 계수 모식도이다. 8 is a side view and a complex plane reflection coefficient schematic diagram of a passive metasurface unit cell made of a perfect electric conductor (PEC) having a reflection coefficient phase of 180° according to a second embodiment of the present invention.

도 8과 같이, 완전 자기 도체 특성을 갖는 수동 메타표면(210)은 구리, 금, 은, 알루미늄 중에서 선택된 하나의 금속 재질을 갖는 판상형 도체로 이루어질 수 있다. 또한 우측의 복소 평면 그림과 같이 완전 자기 도체는 반사 계수 크기가 1이고 그 위상(Phase)이 180°을 나타낸다. As shown in FIG. 8 , the passive metasurface 210 having perfect magnetic conductor characteristics may be made of a plate-shaped conductor having one metal material selected from among copper, gold, silver, and aluminum. Also, as shown in the complex plane figure on the right, a perfect magnetic conductor has a reflection coefficient of 1 and a phase of 180°.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따라 60°와 -60°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 반사형 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.9 is a side view and a front view of a reflective active metasurface unit cell designed to operate with a reflection coefficient phase of 60° and -60° according to a second embodiment of the present invention.

이러한 도 9는 도 8의 완전 도체의 반사 계수 위상인 180°를 기준으로 위상차가 120°와 -120°가 되도록 최적 설계된 반사형 능동 메타표면을 나타낸 것이다.9 shows a reflective active metasurface optimally designed so that the phase difference is 120° and -120° based on 180°, which is the reflection coefficient phase of the perfect conductor of FIG. 8 .

도 9의 능동 메타표면(220)은 제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성된다. In the active metasurface 220 of FIG. 9 , a metallic ground plane is coupled to the lower surface with respect to the first dielectric material, and a quadrangular, cruciform, or quadrangular fractal-shaped metal pattern is formed on the upper surface with an empty center region.

그리고 금속 패턴과 접지면 간을 연결하는 전도성 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되는데, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결된다. A conductive ground via hole connecting the metal pattern and the ground plane is formed through the first dielectric, and an upper end of the ground via hole is connected to a point of the metal pattern through a PIN diode.

그리고, 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된다. 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되고, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된다.And, the second dielectric is coupled to the lower portion of the ground plane. A feed line is formed on a lower surface of the second dielectric, and a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics.

이와 같이, 도 9의 능동 메타표면(220)은 적층된 서로 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며, 금속 패턴은 전도성 via 홀과 RF choke를 통해 급전 선에 연결되는 구조를 갖는다. 그리고, 한쪽 끝은 사각 금속 패치와 연결되고 다른 한쪽은 제1 유전체 하면의 접지면과 연결되는 전도성 접지 via 홀을 포함하며, 사각 금속 패치와 금속 패턴 사이에는 PIN 다이오드가 연결된다. As such, the active metasurface 220 of FIG. 9 includes a metal ground plane between the first dielectric and the second dielectric stacked to each other, a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern is formed with conductive via holes and It has a structure connected to the feed line through the RF choke. And, one end is connected to the square metal patch and the other end includes a conductive ground via hole connected to the ground plane of the lower surface of the first dielectric, and a PIN diode is connected between the square metal patch and the metal pattern.

또한, 급전 선을 통해 전압을 on/off 제어함으로써 PIN 다이오드를 동작시킬 수 있고, 이에 따라 반사 계수 위상이 60° 또는 -60°로 제어된다. 예를 들어, 급전 선에 1.2V 또는 0V 전원 인가에 따라 반사 계수 위상이 60°또는 -60°로 제어된다.In addition, it is possible to operate the PIN diode by controlling the voltage on/off through the feed line, so that the reflection coefficient phase is controlled to 60° or -60°. For example, the reflection coefficient phase is controlled to 60° or -60° depending on the application of 1.2V or 0V power to the feed line.

도 10은 도 9에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.FIG. 10 is a simulation result of the magnitude and phase of reflection coefficients for the active metasurface unit cell shown in FIG. 9 .

시뮬레이션 결과 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로 전압을 인가한 경우 (On state) 반사 계수 크기는 -0.554 dB (입력 파워 88% 반사)로 확인되었으며, 반사 계수 위상은 67.8°로 확인되었다. 또한 전압을 인가하지 않은 경우 (Off state) 반사 계수 크기는 -0.131 dB (입력 파워 97% 반사)로 확인되었으며, 위상은 -53.11°로 확인되었다.As a result of the simulation, when a voltage was applied based on the design frequency of 9.5 GHz (on state), the reflection coefficient size was confirmed to be -0.554 dB (reflection of 88% of the input power), and the reflection coefficient phase was confirmed to be 67.8°. In addition, when no voltage was applied (Off state), the reflection coefficient was confirmed to be -0.131 dB (reflection of 97% of the input power), and the phase was confirmed to be -53.11°.

도 11은 특정 방향의 빔 조향을 위하여 도 8의 단위셀과 도 9의 단위셀을 조합 배열한 제2 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.11 is an exemplary view of a reflective active metasurface antenna according to the second embodiment in which the unit cell of FIG. 8 and the unit cell of FIG. 9 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.

도 11은 급전 혼으로 입력되는 전자기파를 (θ,

Figure 112021029887630-pat00028
)=(0°, 0°) 또는 (θ,
Figure 112021029887630-pat00029
)=(30°, 0°) 방향으로 조향하기 위하여 도 8의 완전 도체 단위셀과 도 9의 반사형 능동 메타표면 단위 셀을 서로 조합 배치한 능동 메타표면 안테나(200)를 나타낸다. 도 11에서는 제1 유형의 능동 메타표면(220A)은 60°의 반사 계수 위상으로, 제2 유형의 능동 메타표면(220B)은 -60°의 반사 계수 위상으로 동작하는 것을 예시한다.11 is an electromagnetic wave input to the feeding horn (θ,
Figure 112021029887630-pat00028
)=(0°, 0°) or (θ,
Figure 112021029887630-pat00029
) = (30°, 0°) shows an active metasurface antenna 200 in which the perfect conductor unit cell of FIG. 8 and the reflective active metasurface unit cell of FIG. 9 are arranged in combination with each other in order to steer in the direction. 11 illustrates that the first type of active metasurface 220A operates with a reflection coefficient phase of 60° and the second type of active metasurface 220B operates with a reflection coefficient phase of -60°.

도 6과 마찬가지로 도 11의 메타표면 안테나(200)의 경우 역시 수학식 1을 통해 계산된 n개의 각 단위셀 위치의 반사 계수의 위상 값을 이용하여 해당 단위셀의 위치에 세 가지 유형(수동메타 표면, PIN 다이오드가 온 상태인 능동 메타표면, PIN 다이오드가 오프 상태인 능동 메타 표면) 중 어느 한 유형의 메타표면 단위 셀이 배치되게 된다.As in FIG. 6, in the case of the metasurface antenna 200 of FIG. 11, three types (manual meta A surface, an active metasurface with a PIN diode on, an active metasurface with a PIN diode off) a metasurface unit cell of any one type is disposed.

예를 들어, 임의 위치의 k번째 단위셀에 대하여 계산된 반사 계수의 위상 값이 제1 범위(120° 이상 -120°(240°) 미만)에 속하면 해당 단위셀의 위치에는 180° 위상을 갖는 도 8의 완전 도체 메타표면(210)이 배치된다. For example, if the phase value of the reflection coefficient calculated for the k-th unit cell at an arbitrary location falls within the first range (more than 120° and less than -120° (240°)), a 180° phase is set at the position of the unit cell. The full conductor metasurface 210 of FIG. 8 with

또한, 계산된 반사 계수의 위상 값이 제2 범위(-120°이상 0°미만)에 속하면 도 9의 능동형 메타표면(220) 단위셀을 배치하되 PIN 다이오드가 off 상태로 설정된 제2 유형의 능동 메타표면(220B)이 배치되고, 제3 범위(0° 이상 120° 미만)에 속하면 도 9의 능동형 메타표면(220)을 배치하되 PIN 다이오드가 on 상태로 설정된 제1 유형의 능동 메타표면(220A)이 배치된다.In addition, if the phase value of the calculated reflection coefficient falls within the second range (-120° or more and less than 0°), the active metasurface 220 unit cell of FIG. 9 is disposed, but the PIN diode is set to the off state. An active metasurface 220B is disposed, and a third extent (not less than 0° and 120° less), the active metasurface 220 of FIG. 9 is disposed, but the first type of active metasurface 220A with the PIN diode set to on is disposed.

도 12는 도 11의 반사형 능동 메타표면 안테나를 이용하여 (θ,

Figure 112021029887630-pat00030
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00031
)=(30°, 0°) 방향으로 빔을 조향한 시뮬레이션 결과이다.12 shows (θ,
Figure 112021029887630-pat00030
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00031
)=(30°, 0°) is the simulation result of steering the beam.

도 12와 같이, (θ,

Figure 112021029887630-pat00032
)=(0°, 0°) 방향으로 조향한 경우 안테나 이득이 최대 19.17 dBi로 확인되었으며 (θ,
Figure 112021029887630-pat00033
)=(30°, 0°) 방향으로 조향한 경우 최대 15.12 dBi의 안테나 이득이 확인되었다. 시뮬레이션 결과로부터 각각의 경우에 대해 (θ,
Figure 112021029887630-pat00034
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00035
)=(30°, 0°) 방향으로 빔 조향이 가능하며 높은 안테나 이득을 얻을 수 있음을 검증하였다. 12, (θ,
Figure 112021029887630-pat00032
) = (0°, 0°) direction, the antenna gain was found to be up to 19.17 dBi (θ,
Figure 112021029887630-pat00033
) = (30°, 0°), an antenna gain of up to 15.12 dBi was confirmed. From the simulation results, for each case (θ,
Figure 112021029887630-pat00034
)=(0°, 0°), (θ,
Figure 112021029887630-pat00035
) = (30°, 0°) direction beam steering is possible and it is verified that high antenna gain can be obtained.

다음, 본 발명의 제3 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나를 설명한다. Next, a reflective active metasurface antenna according to a third embodiment of the present invention will be described.

제3 실시예의 경우, 반사 계수 위상 0°와 180° 사이 값을 갖는 인덕티브 특성을 갖도록 설계된 수동 메타표면과, 이보다 120°큰 값과 120° 작은 값의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면이 서로 조합 배열된 안테나로, 이를 통해 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나가 구성된다.For the third embodiment, a passive metasurface designed to have an inductive characteristic with a reflection coefficient phase between 0° and 180°, and an active metasurface designed to operate with a reflection coefficient phase of 120° larger and 120° smaller than this. With these antennas arranged in combination with each other, a reflective active metasurface antenna with three quantized phases is constructed.

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따라 반사 계수의 위상이 90°로 설계된 인덕티브 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이고, 도 14는 도 13의 인덕티브 메타표면의 반사 계수를 복소 평면에 나타낸 모식도이다.13 is a side view and a front view of an inductive metasurface unit cell designed to have a phase of a reflection coefficient of 90° according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a reflection coefficient of the inductive metasurface of FIG. 13 in a complex plane. It is a schematic diagram shown.

도 13은 적층된 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며 금속 패턴은 전도성 접지 via 홀을 통해 접지면과 연결되는 인덕티브 특성을 나타내는 메타표면 측면도를 나타낸다. 13 shows an inductive characteristic that includes a metal ground plane between the stacked first and second dielectrics, a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern is connected to the ground plane through a conductive ground via hole; A metasurface side view is shown.

이러한 도 13의 수동 메타표면(310)의 구조는 앞서 제1 실시예에 따른 수동 메타표면(110)과는 기본적인 구성이 동일하고 설계 사이즈만 상이하므로, 중복된 설명은 생략한다. The structure of the passive metasurface 310 of FIG. 13 has the same basic configuration as that of the passive metasurface 110 according to the first embodiment, and only the design size is different, so a duplicate description will be omitted.

인턱티브 메타표면은 도 14와 같이 반사 계수 위상이 0° 보다 크고 180° 보다 작은 특성을 나타내며, 반사 계수 크기는 1에 가깝게 설계된다. The inductive metasurface exhibits a characteristic in which the reflection coefficient phase is greater than 0° and less than 180° as shown in FIG. 14, and the reflection coefficient magnitude is designed close to 1.

그 중 도 13은 대표적으로 반사 계수의 위상이 90°가 되도록 최적 설계된 인덕티브 메타표면을 예시한다. 이 경우 능동 메타표면(320)은 90°를 기준으로 120°작은 값과 120° 큰 값에 해당하는 -30°와 210°(-150°)의 반사 위상 계수를 갖도록 설계된다.Among them, FIG. 13 exemplifies an inductive metasurface optimally designed so that the phase of the reflection coefficient is typically 90°. In this case, the active metasurface 320 is designed to have reflection phase coefficients of -30° and 210° (-150°) corresponding to values 120° small and 120° large with respect to 90°.

도 15는 도 13에 도시된 인덕티브 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과로부터 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로 반사 계수 크기는 -0.043 dB (입력 파워 99% 반사)로 확인되고, 반사 계수 위상은 90.8°로 확인되었다. FIG. 15 is a simulation result of magnitude and phase of reflection coefficients for the inductive metasurface unit cell shown in FIG. 13 . From the simulation results, the magnitude of the reflection coefficient was confirmed to be -0.043 dB (reflection of 99% of the input power) based on the design frequency of 9.5 GHz, and the phase of the reflection coefficient was confirmed to be 90.8°.

도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따라 -30°와 210°(-150°)의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다. 16 is a side view and a front view of an active metasurface unit cell designed to operate with reflection coefficient phases of -30° and 210° (-150°) according to a third embodiment of the present invention.

이러한 도 16은 도 13의 인덕티브 특성을 갖는 메타표면을 기준(반사 계수의 위상= 90°)으로 반사 계수의 위상차가 120°와 -120°가 되도록 최적 설계된 반사형 능동 메타표면을 나타낸다. 16 shows a reflective active metasurface optimally designed so that the phase difference of the reflection coefficient is 120° and -120° based on the metasurface having the inductive characteristic of FIG. 13 (the phase of the reflection coefficient = 90°).

도 16의 능동 메타표면(320)은 앞서 제1 실시예에 따른 도 4의 능동 메타표면(120)과는 기본적인 구성이 동일하고 설계 사이즈만 상이하다. The active metasurface 320 of FIG. 16 has the same basic configuration as the active metasurface 120 of FIG. 4 according to the first embodiment, but differs only in design size.

도 16의 능동 메타표면(320) 역시, 적층된 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며, 금속 패턴은 전도성 급전 via 홀과 RF choke를 통해 급전 선에 연결되는 구조를 갖는다. The active metasurface 320 of FIG. 16 also includes a metal ground plane between the stacked first and second dielectrics, and a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern includes conductive feed via holes and RF chokes. It has a structure that is connected to the feed line through

또한, 한쪽 끝은 사각 금속 패치와 연결되고 다른 한쪽은 접지면과 연결되는 전도성 접지 via 홀을 포함하며, 사각 금속 패치와 금속 패턴 사이에는 PIN 다이오드가 연결된다. 급전 선을 통해 전압을 on/off 제어함으로써 PIN 다이오드를 동작시킬 수 있고, 이에 따라 반사 계수 위상이 -30° 또는 210°(-150°)로 스위칭 제어된다.In addition, one end includes a conductive ground via hole connected to the square metal patch and the other end is connected to the ground plane, and a PIN diode is connected between the square metal patch and the metal pattern. The PIN diode can be operated by controlling the voltage on/off through the feed line, so that the reflection coefficient phase is switched to -30° or 210° (-150°).

도 17은 도 16에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.FIG. 17 is a simulation result of magnitude and phase of reflection coefficients for the active metasurface unit cell shown in FIG. 16 .

시뮬레이션 결과 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로 전압을 인가한 경우 (On state) 반사 계수 크기는 -1.538 dB (입력 파워 70.2% 반사)로 확인되었으며, 반사 계수 위상은 4.54°로 확인되었다. 또한 전압을 인가하지 않은 경우 (Off state) 반사 계수 크기는 -0.037 dB (입력 파워 99.2% 반사)로 확인되었으며, 위상은 -153.7°로 확인되었다. As a result of the simulation, when a voltage was applied based on the design frequency of 9.5 GHz (on state), the reflection coefficient size was confirmed to be -1.538 dB (reflection of 70.2% of the input power), and the reflection coefficient phase was confirmed to be 4.54°. In addition, when no voltage was applied (Off state), the reflection coefficient was confirmed to be -0.037 dB (reflection of 99.2% of the input power), and the phase was confirmed to be -153.7°.

도 18은 특정 방향의 빔 조향을 위하여 도 13의 단위셀과 도 16의 단위셀을 조합 배열한 제3 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.18 is an exemplary diagram of a reflective active metasurface antenna according to a third embodiment in which the unit cell of FIG. 13 and the unit cell of FIG. 16 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.

이러한 도 18은 급전 혼으로 입력되는 전자기파를 (θ, φ)=(0°, 0°), (θ, φ)=(15°, 0°), (θ, φ)=(30°, 0°), (θ, φ)=(45°, 0°) 방향으로 조향하기 위해 도 13의 인턱티브 메타표면 단위 셀과 도 16의 반사형 능동 메타표면 단위 셀을 서로 조합 배치한 능동 메타표면 안테나(300; 300-1, 300-2, 300-3, 300-4)의 도면을 나타낸다. 18 shows that (θ, φ)=(0°, 0°), (θ, φ)=(15°, 0°), (θ, φ)=(30°, 0) °), (θ, φ) = (45°, 0°) active metasurface antenna in which the inductive metasurface unit cell of FIG. 13 and the reflective active metasurface unit cell of FIG. 16 are arranged in combination with each other to steer in the direction (300; 300-1, 300-2, 300-3, 300-4).

도 18에서는 제1 유형의 능동 메타표면(320A)은 -30°의 반사 계수 위상으로, 제2 유형의 능동 메타표면(320B)은 -150°(210°)의 반사 계수 위상으로 동작하는 것을 예시한다.18 illustrates that the first type of active metasurface 320A operates with a reflection coefficient phase of -30°, and the second type of active metasurface 320B operates with a reflection coefficient phase of -150° (210°). do.

도 6, 도 11과 마찬가지로 도 18의 메타표면 안테나(300)의 경우도 수학식 1을 통해 계산된 n개의 각 단위셀 위치의 반사 계수의 위상 값을 이용하여 해당 단위셀의 위치에 세 가지 유형(수동메타 표면, PIN 다이오드가 온 상태인 능동 메타표면, PIN 다이오드가 오프 상태인 능동 메타 표면) 중 어느 한 유형의 메타표면 단위 셀이 배치되게 된다.As in FIGS. 6 and 11 , in the case of the metasurface antenna 300 of FIG. 18 , using the phase values of the reflection coefficients of the positions of n unit cells calculated through Equation 1, three types are located at the position of the unit cell. (Passive metasurface, active metasurface with PIN diode on, active metasurface with PIN diode off) Any one type of metasurface unit cell is disposed.

예를 들어, 임의 위치의 k번째 단위셀에 대하여 계산된 반사 계수의 위상 값이 제1 범위(30° 이상 150°미만)에 속하면 해당 단위셀의 위치에는 90° 위상을 갖는 도 13의 인덕티브 메타표면(310)이 배치된다. For example, if the phase value of the reflection coefficient calculated for the k-th unit cell at an arbitrary position falls within the first range (30° or more and less than 150°), the induct of FIG. 13 has a 90° phase at the position of the unit cell. A TV metasurface 310 is disposed.

또한, 계산된 반사 계수의 위상 값이 제2 범위(150° 이상 -90°(270°) 미만)에 속하면 도 16의 능동형 메타표면(320)을 배치하되 PIN 다이오드가 off 상태로 설정된 제2 유형의 능동 메타표면(320B)이 배치되고, 제3 범위(-90°(270°) 이상 30° 미만)에 속하면 도 16의 능동형 메타표면(320) 단위셀을 배치하되 PIN 다이오드가 on 상태로 설정된 제1 유형의 능동 메타표면(320A)이 배치된다.In addition, when the phase value of the calculated reflection coefficient falls within the second range (more than 150° and less than -90° (270°)), the active metasurface 320 of FIG. 16 is disposed, but the PIN diode is set to the off state. If an active metasurface 320B of type 320B is disposed, and falls within the third range (-90° (270°) or more and less than 30°), place the active metasurface 320 unit cell of FIG. 16 with the PIN diode on A first type of active metasurface 320A set to is disposed.

인덕티브 메타표면 보다 구조가 단순한 도 6의 완전 자기 도체, 그리고 도 11의 완전 도체를 이용하여 각각 도 7과 도 12와 같이 메타표면 안테나의 빔 조향 특성을 검증하였으므로, 본 명세서에서는 상대적으로 복잡한 형상으로 인해 컴퓨터 메모리를 많이 필요로 하는 인덕티브 메타표면을 이용한 빔 조향 시뮬레이션은 생략한다. Since the beam steering characteristics of the metasurface antenna were verified as shown in FIGS. 7 and 12, respectively, using the perfect magnetic conductor of FIG. 6 and the perfect conductor of FIG. 11, which have a simpler structure than the inductive metasurface, in the present specification, a relatively complex shape Therefore, the beam steering simulation using the inductive metasurface, which requires a lot of computer memory, is omitted.

마지막으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나를 설명한다. Finally, a reflective active metasurface antenna according to a fourth embodiment of the present invention will be described.

제4 실시예의 경우, 반사 계수 위상 180°와 360° 사이(-180°와 0°사이) 의 값을 갖는 캐패시티브 특성을 갖도록 설계된 수동 메타표면과, 이보다 120°큰 값과 120° 작은 값의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면이 서로 조합 배열된 안테나로, 이를 통해 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나가 구성된다.In the case of the fourth embodiment, a passive metasurface designed to have a capacitive characteristic with a reflection coefficient phase between 180° and 360° (between -180° and 0°), with values 120° larger and 120° smaller than this. Antenna with active metasurfaces designed to operate with a reflection coefficient phase of

도 19는 본 발명의 제4 실시예에 따라 반사 계수의 위상이 -90°(270°)로 설계된 캐패시티브 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다. 19 is a side view and a front view of a capacitive metasurface unit cell designed to have a reflection coefficient phase of -90° (270°) according to a fourth embodiment of the present invention.

도 13과 마찬가지로 도 19는 적층된 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며 금속 패턴은 전도성 접지 via 홀을 통해 접지면과 연결되는 캐패시티브 특성을 나타내는 메타표면 측면도를 나타낸다. Like FIG. 13 , FIG. 19 includes a metal ground plane between the stacked first and second dielectrics, a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern is a capacitor connected to the ground plane through a conductive ground via hole. A metasurface side view showing the civ properties is shown.

이러한 도 19의 수동 메타표면(320)의 구조 또한 앞서 제1 및 제3 실시예에 따른 수동 메타표면(110,310)과는 기본적인 구성이 동일하고 설계 사이즈만 상이하므로, 중복된 설명은 생략한다. The structure of the passive metasurface 320 of FIG. 19 also has the same basic configuration as the passive metasurfaces 110 and 310 according to the first and third embodiments, and differs only in design size, so a duplicate description will be omitted.

도 20은 도 19의 캐패시티브 메타표면의 반사 계수를 복소 평면에 나타낸 모식도이다. 도 20과 같이 캐패시티브 특성을 나타내는 반사형 메타표면은 반사 계수 위상이 0°보다 작고 -180°보다 큰 특성을 나타내며, 반사 계수 크기는 1에 가깝게 설계된다. 20 is a schematic diagram showing the reflection coefficient of the capacitive metasurface of FIG. 19 in a complex plane. As shown in FIG. 20, the reflective metasurface exhibiting capacitive characteristics exhibits a reflection coefficient phase of less than 0° and greater than -180°, and a reflection coefficient magnitude is designed close to 1.

그 중 도 19는 캐패시티브 특성 중 대표적으로 반사 계수의 위상이 -90°가 되도록 최적 설계된 반사형 메타표면을 예시한다. 이 경우 능동 메타표면(420)은 -90°를 기준으로 120 작은 값과 120° 큰 값에 해당하는 -210°(150°)와 30°의 반사 위상 계수를 갖도록 설계된다.Among them, FIG. 19 exemplifies a reflective metasurface that is optimally designed so that the phase of the reflection coefficient becomes -90° among the capacitive characteristics. In this case, the active metasurface 420 is designed to have reflection phase coefficients of -210° (150°) and 30° corresponding to 120 small values and 120° large values with respect to -90°.

도 21은 도 19에 도시된 캐패시티브 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로 반사 계수 크기는 -0.174 dB (입력 파워 96.1% 반사)로 확인되었으며, 반사 계수 위상은 -93.4°로 확인되었다. FIG. 21 is a simulation result of magnitude and phase of reflection coefficients for the capacitive metasurface unit cell shown in FIG. 19 . As a result of the simulation, the magnitude of the reflection coefficient was confirmed to be -0.174 dB (reflection of 96.1% of the input power) based on the design frequency of 9.5 GHz, and the phase of the reflection coefficient was confirmed to be -93.4°.

도 22는 본 발명의 제4 실시예에 따라 -210° (150°)와 30°의 반사 계수 위상으로 동작하도록 설계된 능동 메타표면 단위셀의 측면도 및 정면도이다.22 is a side view and a front view of an active metasurface unit cell designed to operate with reflection coefficient phases of -210° (150°) and 30° according to a fourth embodiment of the present invention.

이러한 도 22는 도 19의 캐패시티브 특성을 갖는 메타표면을 기준(반사 계수의 위상= -90°)으로 반사 계수의 위상차가 120°와 -120°가 되도록 최적 설계된 반사형 능동 메타표면을 나타낸다. 22 shows a reflective active metasurface that is optimally designed so that the phase difference of the reflection coefficient is 120° and -120° based on the metasurface having the capacitive property of FIG. 19 (the phase of the reflection coefficient = -90°) .

도 22의 능동 메타표면(420)은 앞서 제1 내지 제3 실시예에 따른 능동 메타표면(120,320,420)과는 기본적인 구성이 동일하고 설계 사이즈만 상이하다.The active metasurface 420 of FIG. 22 has the same basic configuration as the active metasurfaces 120 , 320 , and 420 according to the first to third embodiments, but differs only in design size.

도 22의 능동 메타표면(420) 역시, 적층된 제1 유전체와 제2 유전체 사이에 금속 접지면을 포함하고, 제1 유전체 상단에는 금속 패턴이 결합되며, 금속 패턴은 전도성 급전 via 홀과 RF choke를 통해 급전 선에 연결되는 구조를 갖는다. The active metasurface 420 of FIG. 22 also includes a metal ground plane between the stacked first and second dielectrics, and a metal pattern is coupled to the top of the first dielectric, and the metal pattern includes conductive feed via holes and RF chokes. It has a structure that is connected to the feed line through

또한, 한쪽 끝은 사각 금속 패치와 연결되고 다른 한쪽은 접지면과 연결되는 전도성 접지 via 홀을 포함하며, 사각 금속 패치와 금속 패턴 사이에는 PIN 다이오드가 연결된다. 급전 선을 통해 전압을 on/off 제어함으로써 PIN 다이오드를 동작시킬 수 있고, 이에 따라 반사 계수 위상이 30° 또는 150°로 스위칭 제어된다.In addition, one end includes a conductive ground via hole connected to the square metal patch and the other end is connected to the ground plane, and a PIN diode is connected between the square metal patch and the metal pattern. The PIN diode can be operated by controlling the voltage on/off through the feed line, so that the phase of the reflection coefficient is switched by 30° or 150°.

도 23은 도 22에 도시된 능동 메타표면 단위셀에 대한 반사 계수의 크기 및 위상 시뮬레이션 결과이다.23 is a simulation result of the magnitude and phase of the reflection coefficient for the active metasurface unit cell shown in FIG. 22 .

시뮬레이션 결과 설계 주파수 9.5 GHz를 기준으로 전압을 인가한 경우 (On state) 반사 계수 크기는 -0.145 dB (입력 파워 96.7% 반사)로 확인되었으며, 반사 계수 위상은 130.8°로 확인되었다. 또한 전압을 인가하지 않은 경우 (Off state) 반사 계수 크기는 -0.226 dB (입력 파워 94.9% 반사)로 확인되었으며, 위상은 34.18°로 확인되었다.As a result of the simulation, when a voltage was applied based on the design frequency of 9.5 GHz (on state), the magnitude of the reflection coefficient was confirmed to be -0.145 dB (reflection of 96.7% of the input power), and the phase of the reflection coefficient was confirmed to be 130.8°. In addition, when no voltage is applied (Off state), the reflection coefficient magnitude was confirmed to be -0.226 dB (reflection of 94.9% of input power), and the phase was confirmed to be 34.18°.

도 24는 특정 방향의 빔 조향을 위하여 도 19의 단위 셀과 도 22의 단위셀을 조합 배열한 제4 실시예에 따른 반사형 능동 메타표면 안테나의 예시도이다.24 is an exemplary view of a reflective active metasurface antenna according to a fourth embodiment in which the unit cell of FIG. 19 and the unit cell of FIG. 22 are combined and arranged for beam steering in a specific direction.

도 24는 급전 혼으로 입력되는 전자기파를 (θ, φ)=(0°, 0°), (θ, φ)=(15°, 0°), (θ, φ)=(30°, 0°), (θ, φ)=(45°, 0°) 방향으로 조향하기 위해 도 19의 캐패시티브 메타표면 단위 셀과 도 22의 반사형 능동 메타표면 단위 셀을 배치한 능동 메타표면 안테나(400; 400-1, 400-2, 400-3, 400-4)의 도면을 나타낸다.24 shows electromagnetic waves input to the feeding horn (θ, φ)=(0°, 0°), (θ, φ)=(15°, 0°), (θ, φ)=(30°, 0°) ), (θ, φ) = (45°, 0°) to steer in the direction of the capacitive metasurface unit cell of FIG. 19 and the reflective active metasurface unit cell of FIG. 22 disposed active metasurface antenna 400 ; 400-1, 400-2, 400-3, 400-4).

도 24에서는 제1 유형의 능동 메타표면(420A)은 150°의 반사 계수 위상으로, 제2 유형의 능동 메타표면(420B)은 30°의 반사 계수 위상으로 동작하는 것을 예시한다.24 illustrates that the first type of active metasurface 420A operates with a reflection coefficient phase of 150° and the second type of active metasurface 420B operates with a reflection coefficient phase of 30°.

도 6, 도 11, 도 18과 마찬가지로 도 24의 메타표면 안테나(400)의 경우도 수학식 1을 통해 계산된 n개의 각 단위셀 위치의 반사 계수의 위상 값을 이용하여 해당 단위셀의 위치에 세 가지 유형(수동메타 표면, PIN 다이오드가 온 상태인 능동 메타표면, PIN 다이오드가 오프 상태인 능동 메타 표면) 중 어느 한 유형의 메타표면 단위 셀이 배치되게 된다. 6, 11, and 18, in the case of the metasurface antenna 400 of FIG. 24, using the phase values of the reflection coefficients of the positions of n unit cells calculated through Equation 1, One of three types of metasurface unit cells (passive metasurface, active metasurface with PIN diode on, active metasurface with PIN diode off) is disposed.

예를 들어, 임의 위치의 k번째 단위셀에 대하여 계산된 반사 계수의 위상 값이 제1 범위(-150° 이상 -30°미만)에 속하면 해당 단위셀의 위치에는 -90° 위상을 갖는 도 19의 캐패시티브 메타표면(410)을 배치한다.For example, if the phase value of the reflection coefficient calculated for the k-th unit cell at any position falls within the first range (-150° or more and less than -30°), the position of the unit cell has a -90° phase. Place 19 capacitive metasurfaces 410 .

또한, 계산된 반사 계수의 위상 값이 제2 범위(-30° 이상 90°미만)에 속하면 도 22의 능동형 메타표면(420)을 배치하되 PIN 다이오드가 off 상태로 설정된 제2 유형의 능동 메타표면(420B)을 배치하고, 제3 범위(90° 이상 210°(-150°) 미만)에 속하면 도 22의 능동형 메타표면(420) 단위셀을 배치하되 PIN 다이오드가 on 상태로 설정된 제1 유형의 능동 메타표면(420A)을 배치한다. In addition, if the phase value of the calculated reflection coefficient falls within the second range (more than -30° and less than 90°), the active metasurface 420 of FIG. 22 is disposed, but the PIN diode is set to an off state. If the surface 420B is disposed, and belongs to the third range (more than 90° and less than 210° (-150°)), the active metasurface 420 unit cell of FIG. 22 is disposed but the PIN diode is set to the first Place a tangible active metasurface 420A.

본 명세서에서는 상대적으로 얇은 선폭으로 인해 컴퓨터 메모리를 많이 필요로하는 캐패시티브 메타표면을 이용한 빔 조향 시뮬레이션은 생략한다.In this specification, beam steering simulation using a capacitive metasurface that requires a lot of computer memory due to a relatively thin line width is omitted.

이와 같이, 본 발명에 따른 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나를 이용할 경우 두 개의 위상으로 양자화된 반사형 능동 메타표면 보다 위상 오차가 줄어들 수 있다. 예를 들어, 반사 계수의 위상이 180°인 완전 도체(Perfect electric conductor)를 능동 메타표면 사이에 배치하고 능동 메타표면의 반사 계수 위상을 60°와 -60°(또는 300°)로 설계할 경우 각각의 메타표면 사이에는 120° 위상 차가 발생할 수 있다. 따라서, 위상 차 180°를 갖는 기존 반사형 능동 메타표면과 비교하여 빔 조향을 위해 계산된 위상 분포를 불연속적인 위상으로 양자화시킬 때 그 오차를 획기적으로 줄일 수 있다. 더 나아가서 능동 메타표면과 120° 위상 차를 유지하면서 높은 반사 계수를 갖는 인덕티브 또는 커패시티브 메타표면을 배치할 경우 안테나 개구면 효율을 더욱 높일 수 있다. As such, when the reflective active metasurface antenna having three quantized phases according to the present invention is used, the phase error can be reduced compared to the reflective active metasurface quantized in two phases. For example, a perfect electric conductor with a phase of reflection coefficient of 180° is placed between the active metasurfaces and the phase of reflection coefficient of the active metasurface is set between 60° and -60° (or 300°), a 120° phase difference may occur between each metasurface. Therefore, compared with the existing reflective active metasurface having a phase difference of 180°, the error can be remarkably reduced when quantizing the phase distribution calculated for beam steering into a discontinuous phase. Furthermore, when an inductive or capacitive metasurface with a high reflection coefficient is disposed while maintaining a 120° phase difference with the active metasurface, the antenna aperture efficiency can be further increased.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 완전 자기 도체, 완전 도체뿐만 아니라 인턱티브, 캐패시티브 특성의 메타표면을 기준으로 위상차가 120°와 -120°가 되는 다양한 능동 메타표면 설계가 가능하므로 최적의 조합을 선택함으로써 기존 반사형 안테나보다 안테나 이득이 향상된 능동 빔 조향 안테나 구현이 가능하다. As described above, according to the present invention, it is possible to design various active metasurfaces with phase differences of 120° and -120° based on metasurfaces of inductive and capacitive properties as well as perfect magnetic conductors and perfect conductors. By selecting a combination, it is possible to implement an active beam steering antenna with improved antenna gain compared to the existing reflective antenna.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

100,200,300,400: 반사형 능동 메타표면 안테나
110,210,310,410: 수동 메타표면 120,220,320,420: 능동 메타표면100,200,300,400: reflective active metasurface antenna
110,210,310,410: passive metasurface 120,220,320,420: active metasurface

Claims (15)

세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 있어서,
전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작하는 복수의 능동 메타표면과,
하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된 복수의 수동 메타표면을 포함하되,
상기 복수의 능동 메타표면과 복수의 수동 메타표면은 서로 격자 형태로 조합 배열되고,
외부로부터 입사된 빔을 설정 각도로 반사시켜 빔을 조향하며,
상기 제1 반사 계수 위상은 120°이고 제2 반사 계수 위상은 -120°이고,
상기 수동 메타표면은,
상기 제3 반사 계수 위상이 0°인 완전 자기 도체로 구성되며,
상기 수동 메타표면은,
제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되며,
상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된 구조를 가지는 반사형 능동 메타표면 안테나.In the reflective active metasurface antenna having three quantized phases,
a plurality of active metasurfaces designed to have a reflection coefficient phase selected from among the two reflection coefficient phases according to electrical control, some operating as a first reflection coefficient phase and others operating as a second reflection coefficient phase;
a plurality of passive metasurfaces designed to have one fixed third reflection coefficient phase;
The plurality of active metasurfaces and the plurality of passive metasurfaces are arranged in combination in a lattice form with each other,
It steers the beam by reflecting the beam incident from the outside at a set angle,
the first reflection coefficient phase is 120° and the second reflection coefficient phase is -120°;
The passive metasurface is
It is composed of a perfect magnetic conductor having a phase of the third reflection coefficient of 0°,
The passive metasurface is
Based on the first dielectric, a metallic ground plane is coupled to the lower surface, and a rectangular, cruciform, or square fractal-shaped metal pattern is formed on the upper surface with an empty center region, and a ground via hole connecting the metal pattern and the ground plane is formed. formed through the first dielectric,
A reflective active metasurface antenna having a structure in which a second dielectric is coupled to a lower portion of the ground plane. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 능동 메타표면은,
상기 수동 메타표면의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 상기 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고,
제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된 반사형 능동 메타표면 안테나. The method according to claim 1,
The active metasurface is
Based on the structure of the passive metasurface, the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from the passive metasurface, and the upper end of the ground via hole is connected to a point of the metal pattern through a PIN diode,
A reflective active metasurface antenna in which a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, and a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics. 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 있어서,
전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작하는 복수의 능동 메타표면과,
하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된 복수의 수동 메타표면을 포함하되,
상기 복수의 능동 메타표면과 복수의 수동 메타표면은 서로 격자 형태로 조합 배열되고,
외부로부터 입사된 빔을 설정 각도로 반사시켜 빔을 조향하며,
상기 제1 반사 계수 위상은 60°이고 제2 반사 계수 위상은 -60°이고,
상기 수동 메타표면은,
상기 제3 반사 계수 위상이 180°인 완전 도체로 구성되며,
상기 능동 메타표면은,
제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되되, 상기 접지 비아홀의 상단이 상기 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고,
상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합되되, 제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된 구조를 가지는 반사형 능동 메타표면 안테나. In the reflective active metasurface antenna having three quantized phases,
a plurality of active metasurfaces designed to have a reflection coefficient phase selected from among the two reflection coefficient phases according to electrical control, some operating as a first reflection coefficient phase and others operating as a second reflection coefficient phase;
a plurality of passive metasurfaces designed to have one fixed third reflection coefficient phase;
The plurality of active metasurfaces and the plurality of passive metasurfaces are arranged in combination in a lattice form with each other,
It steers the beam by reflecting the beam incident from the outside at a set angle,
the first reflection coefficient phase is 60° and the second reflection coefficient phase is -60°,
The passive metasurface is
It is composed of a perfect conductor whose third reflection coefficient phase is 180°,
The active metasurface is
Based on the first dielectric, a metallic ground plane is coupled to the lower surface, and a rectangular, cruciform, or square fractal-shaped metal pattern is formed on the upper surface with an empty center region, and a ground via hole connecting the metal pattern and the ground plane is formed. It is formed through the first dielectric, and an upper end of the ground via hole is connected to a point of the metal pattern through a PIN diode,
A structure in which a second dielectric is coupled to a lower portion of the ground plane, a feed line is formed on a lower surface of the second dielectric, and a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics A reflective active metasurface antenna with 청구항 5에 있어서,
상기 수동 메타표면은,
구리, 금, 은, 알루미늄 중에서 선택된 하나의 금속 재질을 갖는 판상형의 도체인 반사형 능동 메타표면 안테나. 6. The method of claim 5,
The passive metasurface is
A reflective active metasurface antenna that is a plate-shaped conductor made of one metal material selected from copper, gold, silver, and aluminum. 삭제delete 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 있어서,
전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작하는 복수의 능동 메타표면과,
하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된 복수의 수동 메타표면을 포함하되,
상기 복수의 능동 메타표면과 복수의 수동 메타표면은 서로 격자 형태로 조합 배열되고,
외부로부터 입사된 빔을 설정 각도로 반사시켜 빔을 조향하며,
상기 수동 메타표면은,
상기 제3 반사 계수 위상이 0°와 180° 사이 값을 갖는 인덕티브 특성의 표면으로 구성되며,
상기 제1 및 제2 반사 계수 위상은 상기 제3 반사 계수 위상보다 120° 큰 값과 120° 작은 값이며,
상기 수동 메타표면은,
제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되며,
상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된 구조를 가지는 반사형 능동 메타표면 안테나. In the reflective active metasurface antenna having three quantized phases,
a plurality of active metasurfaces designed to have a reflection coefficient phase selected from among the two reflection coefficient phases according to electrical control, some operating as a first reflection coefficient phase and others operating as a second reflection coefficient phase;
a plurality of passive metasurfaces designed to have one fixed third reflection coefficient phase;
The plurality of active metasurfaces and the plurality of passive metasurfaces are arranged in combination in a lattice form with each other,
It steers the beam by reflecting the beam incident from the outside at a set angle,
The passive metasurface is
and the third reflection coefficient phase is composed of a surface of inductive characteristics having a value between 0° and 180°,
The first and second reflection coefficient phases are a value 120° larger and 120° smaller than the third reflection coefficient phase,
The passive metasurface is
Based on the first dielectric, a metallic ground plane is coupled to the lower surface, and a rectangular, cruciform, or square fractal-shaped metal pattern is formed on the upper surface with an empty center region, and a ground via hole connecting the metal pattern and the ground plane is formed. formed through the first dielectric,
A reflective active metasurface antenna having a structure in which a second dielectric is coupled to a lower portion of the ground plane. 삭제delete 청구항 8에 있어서,
상기 능동 메타표면은,
상기 수동 메타표면의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 상기 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고,
제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된 반사형 능동 메타표면 안테나. 9. The method of claim 8,
The active metasurface is
Based on the structure of the passive metasurface, the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from the passive metasurface, and the upper end of the ground via hole is connected to a point of the metal pattern through a PIN diode,
A reflective active metasurface antenna in which a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, and a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics. 세 개의 양자화된 위상을 갖는 반사형 능동 메타표면 안테나에 있어서,
전기적 제어에 따라 두 가지 반사 계수 위상 중 선택된 반사 계수 위상을 갖도록 설계되어 일부는 제1 반사 계수 위상으로 동작하고 나머지는 제2 반사 계수 위상으로 동작하는 복수의 능동 메타표면과,
하나의 고정된 제3 반사 계수 위상을 갖도록 설계된 복수의 수동 메타표면을 포함하되,
상기 복수의 능동 메타표면과 복수의 수동 메타표면은 서로 격자 형태로 조합 배열되고,
외부로부터 입사된 빔을 설정 각도로 반사시켜 빔을 조향하며,
상기 수동 메타표면은,
상기 제3 반사 계수 위상이 180°와 360° 사이의 값을 갖는 캐패시티브 특성의 표면으로 구성되며,
상기 제1 및 제2 반사 계수 위상은 상기 제3 반사 계수 위상보다 120° 큰 값과 120° 작은 값이며,
상기 캐패시티브 특성을 갖는 수동 메타표면은,
제1 유전체를 기준으로 하면에 금속 재질의 접지면이 결합되고 상면에는 가운데 영역이 비어 있는 사각형, 십자각형 또는 사각 프랙탈 형상의 금속 패턴이 형성되고 상기 금속 패턴과 상기 접지면 간을 연결하는 접지 비아홀이 제1 유전체를 관통하여 형성되며,
상기 접지면의 하부에는 제2 유전체가 결합된 구조를 가지는 반사형 능동 메타표면 안테나. In the reflective active metasurface antenna having three quantized phases,
a plurality of active metasurfaces designed to have a reflection coefficient phase selected from among the two reflection coefficient phases according to electrical control, some operating as a first reflection coefficient phase and others operating as a second reflection coefficient phase;
a plurality of passive metasurfaces designed to have one fixed third reflection coefficient phase;
The plurality of active metasurfaces and the plurality of passive metasurfaces are arranged in combination in a lattice form with each other,
It steers the beam by reflecting the beam incident from the outside at a set angle,
The passive metasurface is
wherein the third reflection coefficient phase is comprised of a surface of capacitive nature having a value between 180° and 360°;
The first and second reflection coefficient phases are a value 120° larger and 120° smaller than the third reflection coefficient phase,
The passive metasurface having the above capacitive properties,
Based on the first dielectric, a metallic ground plane is coupled to the lower surface, and a rectangular, cruciform, or square fractal-shaped metal pattern is formed on the upper surface with an empty center region, and a ground via hole connecting the metal pattern and the ground plane is formed. formed through the first dielectric,
A reflective active metasurface antenna having a structure in which a second dielectric is coupled to a lower portion of the ground plane. 삭제delete 청구항 11에 있어서,
상기 능동 메타표면은,
상기 수동 메타표면의 구조를 기반으로 하되, 제1 유전체 상면의 금속 패턴의 사이즈가 상기 수동 메타표면과는 상이하고, 접지 비아홀의 상단이 금속 패턴의 일 지점과 PIN 다이오드를 통해 연결되고,
제2 유전체의 하면에는 급전선이 형성되어, 금속 패턴의 다른 일 지점과 급전선 간을 연결하는 급전 비아홀이 제1 및 제2 유전체를 관통하여 형성된 반사형 능동 메타표면 안테나. 12. The method of claim 11,
The active metasurface is
Based on the structure of the passive metasurface, the size of the metal pattern on the upper surface of the first dielectric is different from the passive metasurface, and the upper end of the ground via hole is connected to a point of the metal pattern through a PIN diode,
A reflective active metasurface antenna in which a feed line is formed on the lower surface of the second dielectric, and a feed via hole connecting another point of the metal pattern and the feed line is formed through the first and second dielectrics. 청구항 4, 청구항 5, 청구항 10 및 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 급전선에 인가되는 전기 신호에 따라 상기 복수의 능동 메타표면 중 일부는 PIN 다이오드가 턴온되고 나머지는 PIN 다이오드가 턴오프되어, 상기 제1 반사 계수 위상 또는 제2 반사 계수 위상로 동작하는 반사형 능동 메타표면 안테나. 14. The method according to any one of claims 4, 5, 10 and 13,
The PIN diode is turned on for some of the plurality of active metasurfaces and the PIN diode is turned off for the rest according to an electrical signal applied to each feed line, so that the first reflection coefficient phase or the second reflection coefficient phase is operated. Active metasurface antenna. 청구항 4, 청구항 5, 청구항 10 및 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사형 능동 메타표면 안테나를 구성하는 서로 다른 n개의 각 단위셀의 위치에서 필요로 하는 위상 값은 아래 수학식으로 계산되며,
n개의 각 단위셀 별로 계산된 반사 계수의 위상 값에 따라 해당 단위셀의 위치에 세 가지 유형-수동메타 표면, PIN 다이오드가 온 상태인 능동 메타표면, PIN 다이오드가 오프 상태인 능동 메타 표면을 포함- 중 어느 한 유형의 메타표면 단위 셀이 배치되는 반사형 능동 메타표면 안테나:
Figure 112022056180738-pat00036

여기서, Output과 Input은 미리 설계되는 값으로, Output은 설정 각도의 빔 조향을 위해 안테나에서 방사되어야 하는 최종전계성분, Input은 급전안테나로부터 인가되어 각 단위셀의 메타표면에 도달한 전계 성분, Γ는 빔 조향을 위해 필요한 안테나 반사 계수,
Figure 112022056180738-pat00037
및
Figure 112022056180738-pat00039
은 전체 n개 중 k번째 단위셀의 인가 및 방사 전계성분,
Figure 112022056180738-pat00040
은 k번째 단위셀의 반사 계수,
Figure 112022056180738-pat00041
은 k번째 단위셀의 반사 계수의 위상 값을 나타낸다.14. The method according to any one of claims 4, 5, 10 and 13,
The phase value required at the positions of each n different unit cells constituting the reflective active metasurface antenna is calculated by the following equation,
According to the phase value of the reflection coefficient calculated for each n unit cells, three types-passive metasurface, active metasurface with PIN diode on, active metasurface with PIN diode off, are included at the location of the unit cell according to the phase value of the calculated reflection coefficient. - A reflective active metasurface antenna in which one type of metasurface unit cell is disposed:
Figure 112022056180738-pat00036

Here, Output and Input are pre-designed values, Output is the final electric field component that must be radiated from the antenna for beam steering of a set angle, Input is the electric field component that is applied from the feed antenna and reaches the metasurface of each unit cell, Γ is the antenna reflection coefficient required for beam steering,
Figure 112022056180738-pat00037
and
Figure 112022056180738-pat00039
is the applied and radiated electric field component of the k-th unit cell out of the total of n,
Figure 112022056180738-pat00040
is the reflection coefficient of the k-th unit cell,
Figure 112022056180738-pat00041
denotes the phase value of the reflection coefficient of the k-th unit cell.
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