KR102483220B1 - 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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KR102483220B1
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홍원빈
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 개시(disclosure)는 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 것으로, 통신 장치는, 신호의 방향을 결정하고, 상기 결정된 방향에 기반하여 복수의 유닛 셀(unit cell)들을 제어하는 적어도 하나의 프로세서와, 상기 신호를 생성하고, 상기 신호를 안테나를 통해 방사하는 송수신부와, 상기 복수의 유닛 셀들이 배치되는 회절 플레이트(diffraction plate)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서의 제어에 따라 상기 결정된 방향으로 상기 신호를 조향하기 위한 임피던스 배치를 형성하는 조향부를 포함하고, 상기 신호는, 상기 조향부에 포함되는 상기 회절 플레이트를 통과하여 상기 방향으로 조향되며, 상기 임피던스 배치는, 상기 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿(slit)들을 형성한다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR STEERING BEAM IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 무선 통신 서비스의 수요 급증 및 전송되는 데이터 요구량의 증가로 인하여 원형 편파의 이용이 검토되고 있다. 원형 편파는 서로 수직하는 선형 편파들로 이루어져 있으므로, 하나의 주파수에서 원형 편파를 구성하는 선형 편파 각각을 통해 데이터를 송수신할 수 있어, 전송되는 데이터의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 원형 편파는 장애물 및 잡음에 강하여 건물 투과성이 높고 다중 반사 간섭에 강하므로, 도시 환경에서의 무선 통신 서비스에 이용 가능한 전자기파의 형태로 고려되고 있다.
또한, 무선 통신 시스템에서의 통신 속도 증가, 서비스 영역 확대를 위해 빔포밍(beamforming, 또는 빔 형성) 기술이 활용되고 있다. 따라서, 원형 편파 형태의 신호 역시 빔포밍 기술을 활용하여 송수신 되어야 하며, 원형 편파의 빔포밍을 위해 전자기파의 조향을 제어하는 것이 요구될 수 있다. 원형 편파의 조향을 위해, 기계적으로 제어되는 렌즈 또는 거울과 같은 광학 장치가 활용될 수 있다. 또는, 원형 편파의 조향을 위해 전기적으로 제어되는 위상 배열 안테나가 활용될 수 있다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 무선 통신 시스템에서 빔을 효과적으로 조향하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 회절 플레이트(diffraction plate)를 이용하여 빔을 조향하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 회절 플레이트를 이용하여 원형 편파 특성을 가진 빔을 조향하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿들을 형성하기 위해 회절 플레이트에 인가되는 전압을 제어하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 통신 장치는, 신호의 방향을 결정하고, 상기 결정된 방향에 기반하여 복수의 유닛 셀(unit cell)들을 제어하는 적어도 하나의 프로세서와, 상기 신호를 생성하고, 상기 신호를 안테나를 통해 방사하는 송수신부와, 상기 복수의 유닛 셀들이 배치되는 회절 플레이트(diffraction plate)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서의 제어에 따라 상기 결정된 방향으로 상기 신호를 조향하기 위한 임피던스 배치를 형성하는 조향부를 포함하고, 상기 신호는, 상기 조향부에 포함되는 상기 회절 플레이트를 통과하여 상기 방향으로 조향되며, 상기 임피던스 배치는, 상기 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿(slit)들을 형성한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 통신 장치의 동작 방법은, 신호의 방향을 결정하는 과정과, 상기 결정된 방향에 기반하여 복수의 유닛 셀들을 제어하는 과정과, 상기 신호를 생성하는 과정과, 상기 신호를 안테나를 통해 방사하는 과정과, 상기 복수의 유닛 셀들은 회절 플레이트에 배치되고, 상기 제어에 따라 상기 결정된 방향으로 상기 신호를 조향하기 위한 임피던스 배치를 형성하는 과정을 포함하고, 상기 신호는, 상기 회절 플레이트를 통과하여 상기 방향으로 조향되며, 상기 임피던스 배치는, 상기 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿(slit)들을 형성한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 근거리장(near-field)에서 동작하는 회절 플레이트(diffraction plate)를 이용하여 원형 편파를 조향함으로써, 안테나와의 거리를 감소시켜 시스템 전체의 부피가 감소될 수 있도록 한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 하나의 버랙터(varactor)가 배치된 복수의 유닛 셀들로 구성된 회절 플레이트를 이용하여 원형 편파를 조향함으로써, 저전력으로 빔의 방향을 제어할 수 있도록 한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 버랙터의 커패시턴스를 조절하여 유닛 셀의 수직 임피던스 및 수평 임피던스를 동시에 조절함으로써, 회절 플레이트가 원형 편파 형태를 유지하면서 빔의 방향을 제어할 수 있도록 한다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 통신 장치의 구성을 도시한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신 장치에 의해 조향된 전자기파가 원형 편파의 형태를 유지하기 위한 조건을 도시한다.
도 4는 FZP(fresnel zone plate)가 전파를 조향하는 원리를 도시한다.
도 5는 FZP에서 원하는 빔 방향에 대해 회절 무늬의 폭을 결정하는 구성을 도시한다.
도 6은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신 장치의 흐름도를 도시한다.
도 7a 및 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 구조를 도시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 바이어스 라인의 배치 형태를 도시한다.
도 9는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 구조들의 평면도들을 도시한다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 버랙터(varactor)의 극성을 도시한다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 임피던스가 공기와 임피던스 매칭이 되는 경우를 도시한다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 임피던스가 공기와 임피던스 미스매칭이 되는 경우를 도시한다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 동작 주파수에서 버랙터의 커패시턴스(capacitance)에 따른 반사 계수를 도시한다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀들로 구성된 8×8 배열 구조의 회절 플레이트를 도시한다.
도 15는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀들의 배열을 포함하는 회절 플레이트의 임피던스 배치를 위한 일 예를 도시한다.
도 16은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀들의 배열을 포함하는 회절 플레이트의 임피던스 배치를 위한 다른 예를 도시한다.
도 17은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀들의 배열을 포함하는 회절 플레이트의 임피던스 배치를 위한 또 다른 예를 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라 빔의 방향을 조절하기 위한 유닛 셀들의 크기를 도시한다.
도 19a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 회절 플레이트 및 원형 편파 안테나를 이용한 원형 편파의 빔 조향을 도시한다.
도 19b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 회절 플레이트, 선형 편파 안테나, 및 원형 편파 변환기를 이용한 원형 편파의 빔 조향을 도시한다.
도 20은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기 구조의 윗면(top face)을 도시한다.
도 21은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기 구조의 아랫면(bottom face)을 도시한다.
도 22a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기에 의해 생성된 원형 편파의 수평 편파 및 수직 편파의 비를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 22b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기에 의해 생성된 원형 편파의 수평 편파 및 수직 편파의 위상차를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 23는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기에 의해 생성된 원형 편파의 형태를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 24는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용한 예시적인 원형 편파의 빔 조향을 도시한다.
도 25a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용하여 조향된 원형 편파의 수평 편파 및 수직 편파의 크기를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 25b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용하여 조향된 원형 편파의 형태와 원형 편파 변환기에서 생성된 원형 편파의 형태를 비교하는 그래프를 도시한다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 본 개시는 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 무선 통신 시스템에서 회절 플레이트(diffraction plate)를 이용하여 빔을 조향하기 위한 기술을 설명한다. 이하 설명에서 사용되는 다양한 용어들은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템 100을 도시한다. 도 1은 무선 통신 시스템에서 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 통신 장치 A 110, 통신 장치 B 120을 예시한다.
도 1을 참고하면, 통신 장치 A 110은 통신 장치 B 120에게 신호를 송신할 수 있다. 다시 말해서, 통신 장치 B 120은 통신 장치 A 110로부터 신호를 수신할 수 있다. 통신 장치 A 110은 신호의 송수신을 위해 빔을 형성할 수 있고, 빔을 이용하여 통신 장치 B 120으로 신호를 송신할 수 있다. 또한, 통신 장치 A 110은 빔을 이용하여 통신 장치 B 120으로부터 신호를 수신할 수 있다. 통신 장치 A 110은 빔 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치 A 110은 회절 플레이트를 포함할 수 있고, 빔이 회절 플레이트를 통과하도록 제어하여 빔 방향을 제어할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 회절 플레이트는 FZP(fresnel zone plate)일 수 있다.
예를 들어, 하향링크 통신 시, 통신 장치 A 110은 기지국(base station), 통신 장치 B 120은 단말(terminal)일 수 있다. 다른 예로, 상향링크 통신 시, 통신 장치 A 110은 단말, 통신 장치 B 120은 기지국일 수 있다. 또한, D2D(device to device) 통신 시, 통신 장치 A 110은 단말, 통신 장치 B 120은 다른 단말일 수 있다. 여기서, D2D 통신은 사이드링크(sidelink) 통신으로 지칭될 수 있다. 또한, 통신 장치 A 110은 기지국, 통신 장치 B 120은 다른 기지국일 수 있다. 나열된 예시들 외에, 통신 장치 A 110 및 통신 장치 B 120은 다른 다양한 장치들일 수 있다.
통신 장치 A 110 및 통신 장치 B 120은 적어도 하나의 안테나를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 통신 장치 A 110 및 통신 장치 B 120은 단일 안테나를 포함할 수 있고, 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 장치 A 110 및 통신 장치 B 120 각각이 복수의 안테나들을 포함하는 경우, 통신 장치 A 110이 복수의 송신 안테나들을 통해 신호를 송신하고, 통신 장치 B 120이 복수의 수신 안테나들을 통해 신호를 수신하는 시스템은 '다중 입출력(multiple-input multiple output, MIMO) 시스템' 으로 지칭될 수 있다.
이하 도 2 내지 도 26b에서 설명의 편의를 위해 동작의 주체가 통신 장치 A 110인 것으로 설명되나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 장치의 기능들이 명칭에 의해 한정되지 않는다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 통신 장치의 구성을 도시한다. 도 2에 예시된 구성은 통신 장치 A 110의 구성으로서 이해될 수 있다. 이하 사용되는 '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2를 참고하면, 통신 장치는 통신부 210, 저장부 220, 제어부 230, 안테나 240 및 빔 조향부 250을 포함할 수 있다.
통신부 210은 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부 210은 시스템의 물리 계층 규격에 따라 기저대역 신호 및 비트열(bit sequence) 간 변환 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어 정보 송신 시, 통신부 210은 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 변조 심볼들을 생성할 수 있다. 또한, 데이터 수신 시, 통신부 210은 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원할 수 있다. 또한, 통신부 210은 기저대역 신호를 RF(radio frequency) 대역 신호로 상향변환한 후 안테나 240을 통해 송신하고, 안테나 240을 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환할 수 있다. 예를 들어, 통신부 210은 디코더(decoder), 복조기(demodulator), ADC(analog to digital convertor), 수신 필터, 증폭기, 믹서(mixer), 및 오실레이터(oscillator) 등을 포함할 수 있다. 또한, 통신부 210이 신호를 송신하는 경우, 인코더(encoder), 변조기(modulator), DAC(digital to analog convertor), 및 송신 필터 등을 추가적으로 포함할 수 있다.
도 2는 하나의 안테나 240을 도시하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 통신부 210은 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 통신부 210은, 복수의 안테나들 각각을 통해 복수의 스트림들을 수신할 수 있다. 또한, 통신부 210은 다수의 RF 체인들을 포함할 수 있다. 나아가, 통신부 210은 빔포밍(beamforming)을 수행할 수 있다. 빔포밍은 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 포함할 수 있다.
통신부 210은 상술한 바와 같이 신호를 송신 및 수신한다. 이에 따라, 통신부 210의 전부 또는 일부는 송신기(transmitter), 수신기(receiver) 또는 송수신기(transceiver)로 지칭될 수 있다. 또한, 이하 설명에서 무선 채널을 통해 수행되는 송신 및 수신은 통신부 210에 의해 상술한 바와 같은 처리가 수행되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
저장부 220은 통신 장치의 동작을 위한 기본 프로그램, 응용 프로그램, 설정 정보 등의 데이터를 저장할 수 있다. 저장부 220은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다. 그리고, 저장부 220은 제어부 230의 요청에 따라 저장된 데이터를 제공할 수 있다.
제어부 230은 통신 장치의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부 230은 통신부 210를 통해 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 또한, 제어부 230은 저장부 220에 데이터를 기록하고(write), 읽을 수 있다(read). 그리고, 제어부 230은 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제어부 230은 적어도 하나의 프로세서(processor) 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부로 구성될 수 있다. 제어부 230은 빔 조향부 250을 개별적으로 제어할 수 있다.
안테나 240은 신호를 송신하기 위해 전자기파를 방사(radiate)할 수 있다. 전자기파는 안테나 240을 통해 빔 형태로 방사될 수 있다. 안테나 240로부터 방사된 빔은 빔 조향부 250을 통해 방향이 제어될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 안테나 240은 선형 편파 안테나 또는 원형 편파 안테나일 수 있다. 안테나 240이 선형 편파 안테나일 경우, 도 2에 도시되지 않았지만, 선형 편파를 원형 편파로 변환하는 원형 편파 변환기가 추가적으로 포함될 수 있다. 또한, 안테나 240이 원형 편파 안테나일 경우, 안테나 240은 원형 편파 형태의 전자기파를 방사할 수 있다.
빔 조향부 250은 빔 조향부 250에 입사된 빔의 방향을 변경할 수 있다. 예를 들어, 빔 조향부 250은 회절 플레이트를 포함하며, 회절 플레이트를 통과하는 전파의 회절 정도를 변경시킴으로써 빔의 방향을 변경할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 회절 플레이트는 FZP일 수 있다. 또한, 회절 플레이트는 복수의 유닛 셀(unit cell)들을 포함할 수 있다. 복수의 유닛 셀들 각각은 가변의 임피던스를 가질 수 있으며, 안테나 240로부터 빔 조향부 250에 입사된 빔의 방향은 복수의 유닛 셀들 각각의 임피던스 배치에 따라 결정될 수 있다.
여기서, 도 2의 구성이 기지국의 구성인 경우, 통신 장치는 백홀(backhaul) 망과 통신을 수행하기 위한 인터페이스를 제공하는 백홀 통신부를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신 장치에 의해 조향된 전자기파가 원형 편파의 형태를 유지하기 위한 조건을 도시한다. 원형 편파의 사시도 300을 참조하면, 원형 편파는 서로 직교하는 수평 편파 301 및 수직 편파 303에 의하여 원형 궤적 305를 형성하면서 전파된다. 또한, 원형 편파의 사시도 300의 x축 정면 방향에서 바라본 원형 편파의 정면도 320을 참고하면, 전자기파가 원형 편파의 형태를 유지하기 위한 조건은 원형 궤적 305의 정면 방향 형상 325의 축비(axial ratio, AR)에 기반하여 정의될 수 있다. 즉, 조향되는 전자기파는 원형 편파의 축비 조건을 만족해야 한다. 축비는 <수학식 1>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00001
<수학식 1>에서, AR은 원형 궤적 305의 정면 방향 형상 325의 축비,
Figure 112018086721052-pat00002
는 수평 편파 301의 정면 방향 형상 321의 벡터,
Figure 112018086721052-pat00003
는 수직 편파 303의 정면 방향 형상 323의 벡터,
Figure 112018086721052-pat00004
는 수평 편파 301의 정면 방향 형상 321의 벡터 및 수직 편파 303의 정면 방향 형상 323의 벡터가 이루는 각도,
Figure 112018086721052-pat00005
는 원형 편파가 FZP를 통과할 때 발생하는 수평 편파 301 및 수직 편파 303 각각의 위상 지연의 차이를 의미한다.
조향된 전자기파가 원형 편파의 형태를 유지하기 위하여, 수평 편파 301의 정면 방향 형상 321 및 수직 편파 303의 정면 방향 형상 323 사이의 각도는
Figure 112018086721052-pat00006
로 유지되어야 하며, FZP를 통과하는 수평 편파 301 및 수직 편파 303의 위상 지연은 동일해야 한다. 또한, 원형 궤적 305의 정면 방향 형상 325에 대한 축비는 임계치(예: 3db(decibel)) 이하로 유지되어야 한다.
도 4는 FZP가 전파를 조향하는 원리를 도시한다. FZP는 근거리장(near-field)에서 전자기파의 회절을 이용하여 전자기파를 조향한다. 전자기파들 401, 403, 405는 복수의 슬릿(slit)들을 포함하는 플레이트 421을 통과하면서 회절되고, 각각 각도
Figure 112018086721052-pat00007
만큼 회절된 후 진행한다. 회절된 전자기파들 411, 413, 415는 서로 간에 보강 간섭 또는 상쇄 간섭을 발생시키며, 보강 간섭과 상쇄 간섭에 의하여 회절 무늬가 결정된다. 이 경우, 전자기파의 조향을 원하는 방향으로 보강 간섭이 발생한다. 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의해 결정된 회절 무늬 420은 보강 간섭 무늬 440 및 상쇄 간섭 무늬 460을 포함한다. 보강 간섭 무늬 440 및 상쇄 간섭 무늬 460은 슬릿의 폭 또는 슬릿의 간격에 따라 조절될 수 있다.
도 5는 FZP에서 원하는 빔 방향에 대해 회절 무늬의 폭을 결정하는 구성을 도시한다. 전자기파를 방사하는 안테나는 FZP와 거리 F만큼 이격되어 배치될 수 있다. FZP는 회절 무늬 500을 형성함으로써, 안테나로부터 방사된 전자기파를 z 축에 대하여 각도
Figure 112018086721052-pat00008
의 방향으로 조향할 수 있다. FZP가 z 축에 대하여 각도
Figure 112018086721052-pat00009
의 방향으로 전자기파를 조향하기 위한 회절 무늬는 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 발생하는 영역의 길이를 결정함으로써 형성될 수 있다.
먼저, 전자기파를 방사하는 안테나 개구면(antenna aperture)으로부터 FZP까지의 위상은 <수학식 2>와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00010
<수학식 2>에서,
Figure 112018086721052-pat00011
는 안테나 개구면으로부터 FZP까지의 위상, k는 상수, x는 중심으로부터의 거리, F는 안테나 개구면과 FZP 간의 거리를 의미한다.
한편, 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00012
의 방향으로 조향하기 위하여 필요한 위상은 <수학식 3>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00013
<수학식 3>에서,
Figure 112018086721052-pat00014
는 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00015
의 방향으로 조향하기 위하여 필요한 위상, k는 상수, x는 중심으로부터의 거리,
Figure 112018086721052-pat00016
는 전자기파의 조향 각도를 의미한다.
따라서, 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00017
의 방향으로 조향하기 위하여 안테나에서 발생시켜야 하는 전자기파의 위상은 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00018
<수학식 4>에서,
Figure 112018086721052-pat00019
는 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00020
의 방향으로 조향하기 위하여 안테나에서 발생시켜야 하는 전자기파의 위상,
Figure 112018086721052-pat00021
는 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00022
의 방향으로 조향하기 위하여 필요한 위상,
Figure 112018086721052-pat00023
는 안테나 개구면으로부터 FZP까지의 위상을 의미한다.
<수학식 4>에서 중심으로부터의 거리를 FZP의 회절 무늬 500의 n번째 영역의 중심으로 놓으면, 전자기파의 위상은 <수학식 5>와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00024
<수학식 5>에서,
Figure 112018086721052-pat00025
은 FZP 회절 무늬의 n번째 영역의 중심,
Figure 112018086721052-pat00026
는 n번째 영역의 중심에서 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00027
의 방향으로 조향하기 위하여 안테나에서 발생시켜야 하는 전자기파의 위상,
Figure 112018086721052-pat00028
는 n번째 영역의 중심에서 전자기파를 각도
Figure 112018086721052-pat00029
의 방향으로 조향하기 위하여 필요한 위상,
Figure 112018086721052-pat00030
는 안테나 개구면으로부터 n번째 영역의 중심까지의 위상을 의미한다. 구성 520을 참고하면,
Figure 112018086721052-pat00031
은 첫번째 영역의 중심이며,
Figure 112018086721052-pat00032
는 두번째 영역의 중심을 의미한다.
<수학식 2> 내지 <수학식 4>를 <수학식 5>에 대입하여 정리하면, FZP 회절 무늬 500의 n번째 영역의 길이는 <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00033
<수학식 6>에서,
Figure 112018086721052-pat00034
은 FZP 회절 무늬 500의 n번째 영역의 길이, F는 안테나 개구면과 FZP 간의 거리,
Figure 112018086721052-pat00035
은 FZP 회절 무늬의 n번째 영역의 중심,
Figure 112018086721052-pat00036
는 전자기파의 조향 각도, k는 상수를 의미한다.
도 6은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신 장치의 흐름도를 도시한다. 도 6은 통신 장치 A 110의 동작을 예시한다.
도 6을 참고하면, 601 단계에서, 통신 장치는 빔의 방향을 결정한다. 빔의 방향은 FZP를 통과한 빔의 방향을 의미한다. 예를 들어, 통신 장치는 통신 장치에 대한 다른 통신 장치(예: 통신 장치 B 120)의 상대적 위치에 따라 빔의 방향을 결정할 수 있다. 다른 예로, 통신 장치는 다른 통신 장치의 위치와 무관하게 빔 방향을 미리 정해진 패턴에 따라 결정할 수 있다.
603 단계에서, 통신 장치는 결정된 빔의 방향에 기반하여, 회절 플레이트의 임피던스 배치를 결정할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 회절 플레이트는 FZP일 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 회절 플레이트 및 안테나 간의 거리가 주어진 경우, 회절 플레이트 및 안테나 간의 거리, 조향 각도, 및 회절 무늬를 구성하는 각 영역의 중심에 기반하여 보강 간섭 및 상쇄 간섭 영역 각각의 길이를 결정할 수 있다. 다시 말해서, 보강 간섭 및 상쇄 간섭 영역 각각의 길이는 <수학식 6>을 이용하여 결정될 수 있다. 통신 장치는, 회절 플레이트가 <수학식 6>에 의해 결정된 길이를 가지는 보강 간섭 및 상쇄 간섭 영역으로 회절 무늬를 형성하도록 하기 위하여, 회절 플레이트의 임피던스 배치를 결정할 수 있다.
605 단계에서, 통신 장치는 결정된 임피던스 배치에 따라 회절 플레이트에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 601 단계에서 결정된 방향으로 빔을 조향하기 위하여 603 단계에서 결정된 임피던스 배치에 따라, 회절 플레이트에 포함된 복수의 유닛 셀들 각각에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 결정된 임피던스 배치에 따라 제어된 회절 플레이트에 원형 편파 특성을 가지는 신호가 입사되면, 신호는 601 단계에서 결정된 방향으로 조향된다. 즉, 통신 장치는 원형 편파 특성을 가지는 신호를 생성하고, 신호를 회절 플레이트에 통과시킴으로써, 원형 편파 특성을 가지는 신호를 601 단계에서 결정된 방향으로 송신할 수 있다.
상술한 바와 같이, 회절 플레이트를 이용하여, 원형 편파 특성을 가지는 신호, 즉, 빔을 조향할 수 있다. 여기서, 회절 플레이트는 의도된 임피던스 배치를 형성할 수 있는 구조를 가진다. 이를 위해, 회절 플레이트는 다수의 유닛 셀(unit cell)들을 포함하며, 유닛 셀들은 제어에 따라 특정 값의 임피던스를 형성할 수 있다. 이하 도 7a 및 7b, 도 8, 도 9 및 도 10을 참고하여, 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀의 구조가 설명된다.
도 7a 및 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 구조를 도시한다. 도 7a는 유닛 셀 700의 평면도, 도 7b는 유닛 셀 700의 측면도이다. 이하, 도 7a 및 도 7b에서 하나의 유닛 셀 700의 구조가 설명되나, 빔 조향부 250에 포함되는 회절 플레이트의 다른 유닛 셀들 또한 하기에서 설명되는 유닛 셀 700의 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다.
도 7a를 참고하면, 유닛 셀 700은 가변 유전체 701, 가변 유전체의 커패시턴스를 제어하기 위해 바이어스 전압이 인가되는 전극 부재들 703 및 705, 전극 부재들 703 및 705와 연결되어 x축의 바이어스 전압이 인가되는 도전성 부재들 713, 717, 및 723, 및 전극 부재들 703 및 705와 연결되어 y축의 바이어스 전압이 인가되는 도전성 부재들 711, 715, 및 721을 포함할 수 있다. 여기에서 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 소자는 버랙터(varactor)가 될 수 있다. 또한, 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705, 도전성 부재들 711, 713, 715, 717, 721, 및 723은 PCB(printed circuit board) 기판에 배치될 수 있다. 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 소자는 유닛 셀 700의 기판의 중앙에 위치될 수 있으며, 이 경우, 전극 부재들 703 및 705가 적어도 하나의 기판의 모서리에 평행하지 않도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 전극 부재들 703 및 705은 유닛 셀 700의 경계들과 0°이상의 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 즉, 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 소자는, 제1 전극 부재 703이 x축의 바이어스 전압을 전달하는 도전성 부재 713 및 y축의 바이어스 전압을 전달하는 도전성 부재 711에 연결되고, 또한, 제2 전극 부재 705가 x축의 바이어스 전압을 전달하는 도전성 부재 717 및 y축의 바이어스 전압을 전달하는 도전성 부재 715에 연결되도록, 배치될 수 있다. 예를 들어, 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 소자는, 기판의 중앙에서 y=x에 대해 대칭이 되도록 배치될 수 있다.
도전성 부재들 711 및 717은 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 소자에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다. 또한, 도전성 부재들 713 및 715는 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 소자에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다.
도 7b를 참고하면, 유닛 셀 700의 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705, 도전성 부재들 711, 713, 715, 717, 721, 및 723은 PCB 기판으로 이루어진 서로 다른 레이어들에 포함될 수 있다. 예를 들어, 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705, 및 도전성 부재들 711, 713, 715, 및 717을 포함하는 패턴 731은 제1 레이어 741에 포함될 수 있다. 또한, y축의 바이어스 전압을 전달하는 도전성 부재 721은 제2 레이어 743에 포함되고, 도전성 부재 733을 통해 패턴 731과 연결될 수 있다. 또한, x축의 바이어스 전압이 인가되는 도전성 부재 723은 제3 레이어 745에 포함되고, 도전성 부재 735를 통해 패턴 731과 연결될 수 있다. 도전성 부재들 733 및 735는 비아(via)로 구현될 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 바이어스 라인의 배치 형태를 도시한다. 도 8은 유닛 셀 700의 적층 구조를 예시한다. 제1 레이어 741에, 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705, 및 도전성 부재들 711, 713, 715, 및 717을 포함하는 패턴 731이 배치될 수 있다. 한편, 제2 레이어 743 및 제3 레이어 745에, 바이어스 라인으로 사용되는 도전성 부재들 721 및 723이 각각 배치될 수 있다. 도전성 부재들 721 및 723은 인덕턴스(inductance) 성분을 포함하므로, 도전성 부재들 721 및 723은 인덕턴스 성분에 의한 유닛 셀의 성능 저하를 최소화하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도전성 부재 721은 제2 레이어 743 상에서 도전성 부재들 711 및 715와 겹치도록 배치될 수 있으며, 도전성 부재 723은 제3 레이어 745 상에서 도전성 부재들 713 및 717과 겹치도록 배치될 수 있다.
도 9는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 구조들의 평면도들을 도시한다. 도 9는 빔 조향부 209에 포함된 회절 플레이트를 구성하는 유닛 셀 구조의 다양한 실시 예들을 도시한다.
도 9를 참고하면, 구조 900과 같이, 유닛 셀은 가변 유전체 901 및 가변 유전체 901과 연결된 도전성 부재 903의 끝 부분이 사각 형태이며 가변 유전체 901에 대해 대칭적인 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 구조 920과 같이, 유닛 셀은 가변 유전체 921 및 가변 유전체 921과 연결된 도전성 부재 923이 원 형태이며 가변 유전체 921에 대해 대칭적인 구조를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 구조 940과 같이, 유닛 셀은 가변 유전체 941 및 가변 유전체 941과 연결된 도전성 부재 943이 두 개의 사각 형태를 이루며 가변 유전체 941에 대해 대칭적인 구조를 가질 수 있다.
도 9에 도시된 구조들 900, 920, 및 940은 예시적인 것으로서, 또 다른 구조의 유닛 셀들이 회절 플레이트를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도전성 부재가 가변 유전체에 대하여 대칭적인 구조를 만족하도록 회절 플레이트의 유닛 셀 구조에 대해 다양한 변경이 가능하다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 유닛 셀의 버랙터(varactor)의 극성을 도시한다. 도 10에 예시된 구성은 유닛 셀 700의 구성으로서 이해될 수 있다. 도 10에 따르면, 유닛 셀 700에 배치된 가변 유전체 701 및 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 구성은 가변 용량 다이오드인 버랙터 1001로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 전극 부재 703은 버랙터 1001의 양극(anode)로 동작할 수 있고, 전극 부재 705는 버랙터 1001의 음극(cathode)로 동작할 수 있으나, 이는 예시적인 것이며 전극 부재 703이 버랙터 1001의 음극, 전극 부재 705가 버랙터 1001의 양극으로 동작할 수도 있다.
도 10을 참고하면, 제어부 230는 버랙터 1001이 배치된 레이어와 다른 레이어들에 배치된 도전성 부재들 721 및 723을, 버랙터 1001의 커패시턴스(capacitance)를 조절하기 위한 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 라인으로 사용함으로써, 유닛 셀의 수직 임피던스 및 수평 임피던스를 동시에 조절할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 수직 임피던스는 <수학식 7>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00037
<수학식 7>에서,
Figure 112018086721052-pat00038
은 유닛 셀의 수직 임피던스,
Figure 112018086721052-pat00039
은 유닛 셀의 수직 임피던스의 저항(resistance) 성분,
Figure 112018086721052-pat00040
은 유닛 셀의 수직 임피던스의 컨덕턴스(conductance) 성분,
Figure 112018086721052-pat00041
은 유닛 셀의 수직 임피던스의 인덕턴스 성분,
Figure 112018086721052-pat00042
은 유닛 셀의 수직 임피던스의 커패시턴스 성분,
Figure 112018086721052-pat00043
는 유닛 셀의 동작 주파수를 의미한다.
이에 따라, 유닛 셀의 수직 반사 계수는 <수학식 8>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00044
<수학식 8>에서,
Figure 112018086721052-pat00045
은 공기에 대한 유닛 셀의 수직 반사 계수,
Figure 112018086721052-pat00046
은 유닛 셀의 수직 임피던스,
Figure 112018086721052-pat00047
는 공기의 임피던스를 의미한다.
또한, 유닛 셀의 수평 임피던스는 <수학식 9>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00048
<수학식 9>에서,
Figure 112018086721052-pat00049
은 유닛 셀의 수평 임피던스,
Figure 112018086721052-pat00050
은 유닛 셀의 수평 임피던스의 저항 성분,
Figure 112018086721052-pat00051
은 유닛 셀의 수평 임피던스의 컨덕턴스 성분,
Figure 112018086721052-pat00052
은 유닛 셀의 수평 임피던스의 인덕턴스 성분,
Figure 112018086721052-pat00053
은 유닛 셀의 수평 임피던스의 커패시턴스 성분,
Figure 112018086721052-pat00054
는 유닛 셀의 동작 주파수를 의미한다.
이에 따라, 유닛 셀의 수평 반사 계수는 <수학식 10>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086721052-pat00055
<수학식 10>에서,
Figure 112018086721052-pat00056
은 공기에 대한 유닛 셀의 수평 반사 계수,
Figure 112018086721052-pat00057
은 유닛 셀의 수평 임피던스,
Figure 112018086721052-pat00058
는 공기의 임피던스를 의미한다.
상술한 구조를 가지는 유닛 셀들로 구성된 회절 플레이트를 제어함으로써 빔의 조향을 위한 임피던스 배치가 형성될 수 있다. 유닛 셀들 각각은 바이어스 전압에 의해 둘 이상의 상태들을 가질 수 있으며, 상태들은 공기와의 임피던스 매칭 여부에 따라 구분될 수 있다. 유닛 셀들 각각의 상태에 따른 특성은 이하 도 11 및 도 12와 같다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 임피던스가 공기와 임피던스 매칭이 되는 경우를 도시한다. 예를 들어, 유닛 셀에 전자기파 1101이 입사되고, 가변 유전체 701, 전극 부재 703(예를 들어, 다이오드의 양극), 및 전극 부재 705(예를 들어, 다이오드의 음극)로 이루어진 버랙터의 커패시턴스가 C=C1이 되도록 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 이 경우, <수학식 7>을 이용하여 얻어진 유닛 셀의 수직 임피던스는
Figure 112018086721052-pat00059
=377
Figure 112018086721052-pat00060
으로, 공기의 임피던스
Figure 112018086721052-pat00061
=377
Figure 112018086721052-pat00062
와 동일한 값을 가진다. 이에 따라, <수학식 8>을 이용하여 얻어진 공기에 대한 유닛 셀의 수직 반사 계수는
Figure 112018086721052-pat00063
=0이 된다.
또한, <수학식 9>을 이용하여 얻어진 유닛 셀의 수평 임피던스는
Figure 112018086721052-pat00064
=377
Figure 112018086721052-pat00065
으로, 공기의 임피던스
Figure 112018086721052-pat00066
=377
Figure 112018086721052-pat00067
와 동일한 값을 가진다. 이에 따라, <수학식 10>을 이용하여 얻어진 공기에 대한 유닛 셀의 수평 반사 계수는
Figure 112018086721052-pat00068
=0이 된다. 즉, 유닛 셀의 수직 임피던스 및 수평 임피던스는 공기와 임피던스 매칭이 될 수 있다. 이에 따라, 입사된 전자기파 1101은 유닛 셀을 통과하여 진행하고(전자기파 1103), 유닛 셀에서 반사되는 전자기파가 발생하지 않는다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 임피던스가 공기와 임피던스 미스매칭이 되는 경우를 도시한다. 예를 들어, 유닛 셀에 전자기파 1201이 입사되고, 가변 유전체 701, 전극 부재 703(예를 들어, 다이오드의 양극), 및 전극 부재 705(예를 들어, 다이오드의 음극)로 이루어진 버랙터의 커패시턴스가 C=C2가 되도록 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 이 경우, <수학식 7>을 이용하여 얻어진 유닛 셀의 수직 임피던스는
Figure 112018086721052-pat00069
=0
Figure 112018086721052-pat00070
으로, 금속의 임피던스와 유사한 값을 가진다. 이에 따라, <수학식 8>을 이용하여 얻어진 공기에 대한 유닛 셀의 수직 반사 계수는
Figure 112018086721052-pat00071
=-1이 된다.
또한, <수학식 9>을 이용하여 얻어진 유닛 셀의 수평 임피던스는
Figure 112018086721052-pat00072
=0
Figure 112018086721052-pat00073
으로, 금속의 임피던스와 유사한 값을 가진다. 이에 따라, <수학식 10>을 이용하여 얻어진 공기에 대한 유닛 셀의 수평 반사 계수는
Figure 112018086721052-pat00074
=-1이 된다. 즉, 유닛 셀의 수직 임피던스 및 수평 임피던스는 공기와 임피던스 미스매칭 되며, 특히 그 중에서도, 반사 계수가 -1이 될 수 있다. 이에 따라, 입사된 전자기파 1201은 유닛 셀에서 모두 반사되어 통과하지 못한다.
도 11 및 도 12에서 유닛 셀의 수직 임피던스 및 수평 임피던스가 공기와 임피던스 매칭 또는 공기와 완전히 임피던스 미스매칭이 되어 반사 계수가 -1이 되도록 버랙터의 특정 커패시턴스 값을 가지는 경우가 설명되었으나, 이는 예시적이고, 유닛 셀에 포함된 버랙터는 유닛 셀이 다양한 수직 임피던스 및 수평 임피던스 값을 가지도록 조절될 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀의 동작 주파수에서 버랙터의 커패시턴스(capacitance)에 따른 반사 계수를 도시한다. 도 13은 유닛 셀 700에서 가변 유전체 701, 전극 부재들 703 및 705를 포함하는 버랙터의 반사 계수를 예시한다. 예시적으로, 곡선 1301은 버랙터의 커패시턴스가 1.8pF인 경우의 유닛 셀의 반사 계수 곡선이고, 곡선 1303은 버랙터의 커패시턴스가 2.3pF인 경우의 유닛 셀의 반사 계수 곡선이다.
도 13에 따르면, 버랙터의 커패시턴스가 증가함에 따라 유닛 셀의 공진 주파수는 낮아질 수 있다. 예를 들어, 곡선 1301은 4.5GHz 이하에서 0에 가까운 반사 계수 S21 값을 가질 수 있다. 여기에서, 반사 계수 S21은 유닛 셀에 입사되는 전자기파의 크기 및 유닛 셀을 통과하여 전파되는 전자기파의 크기의 비를 의미한다. 구체적으로, 곡선 1301은 주파수 4GHz에서 S21=-0.61dB 값을 가지며, 이는 유닛 셀의 임피던스가 327
Figure 112018086721052-pat00075
인 것을 나타낸다. 또한, 곡선 1303은 곡선 1301인 경우의 공진 주파수보다 더 낮은 4GHz의 공진 주파수를 가진다. 곡선 1301은 4GHz에서 S21=-22.69dB 값을 가지며, 이는 유닛 셀의 임피던스가 13
Figure 112018086721052-pat00076
인 것을 나타낸다. 결국, 조향하고자 하는 전자기파의 주파수가 4GHz인 경우, 버랙터의 커패시턴스가 1.8pF일 때(비공진 점), 유닛 셀은 공기와 임피던스 매칭이 되어 입사되는 전자기파를 모두 통과시키며, 버랙터의 커패시턴스가 2.3pF일 때(공진 점), 유닛 셀은 금속의 임피던스와 유사한 값을 가짐으로써 입사되는 전자기파를 모두 반사시킬 수 있다.
도 13에서, 전자기파의 주파수 및 유닛 셀의 공진 주파수가 4GHz이고 버랙터의 커패시턴스가 1.8pF 및 2.3pF인 경우가 설명되었으나, 이는 예시적이고, 전자기파의 주파수 및 유닛 셀의 공진 특성은 다양하게 변경될 수 있다.
이상, 설명의 편의를 위해, 도 13에서 유닛 셀 700의 커패시턴스에 따른 임피던스 특성이 설명되었으나, 빔 조향부 250에 포함되는 회절 플레이트의 다른 유닛 셀 또한 위에서 설명한 바와 같은 임피던스 특성을 가질 수 있다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 유닛 셀들로 구성된 8×8 배열 구조의 회절 플레이트를 도시한다. 설명의 편의를 위해, 도 14는 유닛 셀 700의 8×8 배열 구조를 예시하지만, 다양한 실시 예들에 따라 다른 크기의 배열 구조가 적용될 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라, 회절 플레이트는 FZP일 수 있다.
도 14를 참고하면, y축 바이어스 라인 1401은 유닛 셀들에게 수직 방향 바이어스 전압을 인가하기 위한 구성으로써, 도 7에서 설명된 도전 부재 721의 배열이 될 수 있다. 또한, x축 바이어스 라인 1403은 유닛 셀들에게 수평 방향 바이어스 전압을 인가하기 위한 구성으로써, 도 7에서 설명된 도전 부재 723의 배열이 될 수 있다. 제어부 230은 y축 바이어스 라인 1401 및 x축 바이어스 라인 1403을 통해 유닛 셀들에 원하는 바이어스 전압을 인가하여 유닛 셀들의 임피던스 배치를 조절함으로써, 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿(slit)들을 형성하여, 원하는 방향으로 빔을 조향하기 위한 회절 무늬를 생성할 수 있다.
이에 따라, 수직 편파 및 수평 편파는 동일한 회절 무늬를 가진 회절 플레이트를 통과함으로써 동일한 각도로 회절되므로, 동일한 위상 지연을 가질 수 있다. 또한, 공기와 임피던스 매칭된 유닛 셀들은 수직 편파 및 수평 편파를 모두 통과시키므로, 수직 편파 및 수평 편파는 회절 플레이트를 통과하면서 크기 및
Figure 112018086721052-pat00077
의 각도 차이가 유지된다. 결국, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 회절 플레이트는 안테나로부터 방사된 원형 편파 신호를, 원형 편파의 형태를 유지하면서 조향할 수 있다.
이하 도 15 내지 도 17에서는 본 개시의 다양한 실시 예에 따라 복수의 유닛 셀들을 포함하는 회절 플레이트에서 빔의 방향에 따른 임피던스 배치를 형성하기 위한 바이어스 전압의 예들을 설명한다.
도 15는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀들의 배열을 포함하는 회절 플레이트의 임피던스 배치를 위한 일 예를 도시한다. 이하 설명의 편의를 위해, 도 15는 유닛 셀들로 구성된 12×12 배열 구조의 회절 플레이트의 임피던스 배치를 예시하지만, 회절 플레이트에 포함되는 유닛 셀들의 배열 구조는 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라, 회절 플레이트는 FZP일 수 있다.
예를 들어, 임피던스 배치 1500은 x축에 대해
Figure 112018086721052-pat00078
방향으로 빔을 조향하기 위한 임피던스 배치를 나타낸다. 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1503을 통해, 모든 유닛 셀들에게 접지된 DC(direct current) 전압을 수평 바이어스 전압으로써 제공할 수 있다. 한편, 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1501을 통해 유닛 셀들에게 각각 5V, 0V, 5V, 5V, 0V, 0V, 0V, 5V, 5V, 5V, 5V, 0V의 수직 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 수평 바이어스 전압 및 수직 바이어스 전압의 차이가 0V인 경우에 유닛 셀의 임피던스는 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지고, 수평 바이어스 전압 및 수직 바이어스 전압의 차이가 5V인 경우에 유닛 셀의 임피던스는 금속의 임피던스와 유사한 값을 가질 수 있다.
결국, 임피던스 배치 1500에서 1, 3, 4, 및 8 내지 11열들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1500에서 2, 5 내지 7, 및 12열들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 결국, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 2, 5 내지 7, 및 12열들에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 x축에 대해
Figure 112018086721052-pat00079
방향으로 진행될 수 있다.
다른 예로, 임피던스 배치 1520은 x축에 대해
Figure 112018086721052-pat00080
방향으로 빔을 조향하기 위한 임피던스 배치를 나타낸다. 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1523을 통해, 모든 유닛 셀들에게 접지된 DC 전압을 수평 바이어스 전압으로써 제공할 수 있다. 한편, 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1521을 통해 유닛 셀들에게 각각 5V, 0V, 0V, 5V, 5V, 5V, 0V, 0V, 0V, 0V, 5V, 5V의 수직 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 임피던스 배치 1520에서 1, 4 내지 6, 및 11 내지 12열들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1520에서 2 내지 3, 및 7 내지 10열들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 결국, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 2 내지 3, 및 7 내지 10열들에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 x축에 대해
Figure 112018086721052-pat00081
방향으로 진행될 수 있다.
도 16은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀들의 배열을 포함하는 회절 플레이트의 임피던스 배치를 위한 다른 예를 도시한다. 이하 설명의 편의를 위해, 도 16은 유닛 셀들로 구성된 12×12 배열 구조의 회절 플레이트의 임피던스 배치를 예시하나, 회절 플레이트에 포함되는 유닛 셀들의 배열 구조는 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라, 회절 플레이트는 FZP일 수 있다.
예를 들어, 임피던스 배치 1600은 y축에 대해
Figure 112018086721052-pat00082
방향으로 빔을 조향하기 위한 임피던스 배치를 나타낸다. 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1601을 통해, 모든 유닛 셀들에게 접지된 DC 전압을 수직 바이어스 전압으로써 제공할 수 있다. 한편, 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1603을 통해 유닛 셀들에게 각각 0V, 0V, 0V, 5V, 5V, 5V, 0V, 0V, 5V, 5V, 0V, 5V의 수평 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 수평 바이어스 전압 및 수직 바이어스 전압의 차이가 0V인 경우에 유닛 셀의 임피던스는 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지고, 수평 바이어스 전압 및 수직 바이어스 전압의 차이가 5V인 경우에 유닛 셀의 임피던스는 금속의 임피던스와 유사한 값을 가질 수 있다.
결국, 임피던스 배치 1600에서 4 내지 6, 9 내지 10, 및 12행들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1600에서 1 내지 3, 7 내지 8, 및 11행들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 결국, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 1 내지 3, 7 내지 8, 및 11행들에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 y축에 대해
Figure 112018086721052-pat00083
방향으로 진행될 수 있다.
다른 예로, 임피던스 배치 1620은 y축에 대해
Figure 112018086721052-pat00084
방향으로 빔을 조향하기 위한 임피던스 배치를 나타낸다. 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1621을 통해, 모든 유닛 셀들에게 접지된 DC 전압을 수직 바이어스 전압으로써 제공할 수 있다. 한편, 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1623을 통해 유닛 셀들에게 각각 0V, 5V, 0V, 0V, 0V, 5V, 5V, 0V, 0V, 5V, 5V, 5V의 수평 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 임피던스 배치 1620에서 2, 6 내지 7, 및 10 내지 12행들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1620에서 1, 3 내지 5, 및 8 내지 9행들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 결국, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 1, 3 내지 5, 및 8 내지 9행들에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 y축에 대해
Figure 112018086721052-pat00085
방향으로 진행될 수 있다.
도 15 및 도 16에 예시된 임피던스 배치는 x축 또는 y축의 바이어스들이 접지된 상황에서 형성된다. 하나의 축의 바이어스들이 접지된 상황 뿐 아니라, x축 및 y축의 바이어스들 각각에 일정 전압들이 인가됨으로써 형성되는 임피던스 배치도 사용될 수 있다. 이하 도 17을 참고하여, x축 및 y축의 바이어스들 각각에 일정 전압들이 인가되는 경우의 예가 설명된다.
도 17은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀들의 배열을 포함하는 회절 플레이트의 임피던스 배치를 위한 또 다른 예를 도시한다. 이하 설명의 편의를 위해, 도 17은 유닛 셀들로 구성된 3×3 배열 구조의 회절 플레이트의 임피던스 배치를 예시하나, 회절 플레이트에 포함되는 유닛 셀들의 배열 구조는 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라, 회절 플레이트는 FZP일 수 있다.
임피던스 배치 1700에서, 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1701을 통해 유닛 셀들에게 각각 5V, 5V, 5V의 수직 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 한편, 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1703을 통해 유닛 셀들에게 각각 0V, 5V, 0V의 수평 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 수평 바이어스 전압 및 수직 바이어스 전압의 차이가 0V인 경우에 유닛 셀의 임피던스는 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지고, 수평 바이어스 전압 및 수직 바이어스 전압의 차이가 5V인 경우에 유닛 셀의 임피던스는 금속의 임피던스와 유사한 값을 가질 수 있다. 결국, 임피던스 배치 1700에서 1 및 3행들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1700에서 2행에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 2행에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 진행될 수 있다.
임피던스 배치 1720에서, 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1721을 통해 유닛 셀들에게 각각 0V, -5V, 0V의 수직 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 한편, 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1723을 통해 유닛 셀들에게 각각 -5V, -5V, -5V의 수평 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 임피던스 배치 1720에서 1 및 3열들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1700에서 2열에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 2열에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 진행될 수 있다.
임피던스 배치 1740에서, 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1741을 통해 유닛 셀들에게 각각 5V, 5V, 5V의 수직 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 한편, 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1743을 통해 유닛 셀들에게 각각 5V, 5V, 0V의 수평 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 임피던스 배치 1740에서 3행에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1740에서 1행 및 2행들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 1행 및 2행들에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 진행될 수 있다.
임피던스 배치 1760에서, 제어부 230은 y축 바이어스 라인들 1761을 통해 유닛 셀들에게 각각 -3V, 2V, -3V의 수직 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 한편, 제어부 230은 x축 바이어스 라인들 1763을 통해 유닛 셀들에게 각각 -3V, -3V, -3V의 수평 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 임피던스 배치 1760에서 2열에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 금속의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 임피던스 배치 1760에서 1열 및 3열들에 배치된 유닛 셀들의 임피던스가 서로 동일하며 공기의 임피던스와 유사한 값을 가지도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 원형 편파는 공기와 임피던스 매칭된 1열 및 3열들에 배치된 유닛 셀들을 통과하여 진행될 수 있다.
도 15 내지 도 17에서, 임피던스 배치를 형성하기 위해 특정한 값의 바이어스 전압들이 인가되는 경우가 설명되었으나, 유닛 셀들의 배열에 대해 다양한 바이어스 전압들이 인가될 수 있다. 예를 들어, 조향되는 신호의 주파수 또는 버랙터로 사용되는 유전체의 종류에 따라, 유닛 셀들이 공기의 임피던스 또는 금속의 임피던스와 유사한 임피던스들을 가지도록 하는 다양한 바이어스 전압들이 인가될 수 있다.
상술한 회절 플레이트는 다중 슬릿 구조를 형성하기 위한 구성 요소로서, 도 4에서 설명된 바와 같이 전자기파의 회절 각도는 슬릿의 폭에 따라 조절될 수 있다. 결국, 슬릿의 폭이 작을수록 빔의 방향이 정밀하게 조절될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 회절 플레이트에서, 금속의 임피던스와 유사한 임피던스를 가지는 유닛 셀들이 슬릿과 같은 역할을 하고, 공기의 임피던스와 유사한 임피던스를 가지는 유닛 셀들은 슬릿 사이의 간격과 같은 역할을 할 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라 빔의 방향을 조절하기 위한 유닛 셀들의 크기를 도시한다. 도 18a 및 도 18b는 회절 플레이트에 포함된 유닛 셀 700들의 배열로 이해될 수 있지만, 이는 예시적이며, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 구조를 가진 유닛 셀들의 배열로 변경이 가능하다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라 회절 플레이트는 FZP일 수 있다.
도 18a에서 유닛 셀들의 배열 1800은 임피던스 배치들 1801 및 1803을 나타낼 수 있고, 도 18b에서 유닛 셀들의 배열 1820은 임피던스 배치들 1821, 1823, 및 1825를 나타낼 수 있다. 여기에서, 도 18a 및 도 18b의 유닛 셀들의 배열의 전체 길이는 동일하며, 유닛 셀들의 크기만 상이한 것으로 이해될 수 있다. 이 경우, 도 18a의 유닛 셀들의 크기가 도 18b의 유닛 셀들의 크기보다 크기 때문에, 유닛 셀들의 배열 1820의 슬릿이 유닛 셀들의 배열 1800의 슬릿보다 더 작은 폭의 슬릿을 가지게 된다. 결국, 도 18b의 유닛 셀들의 배열 1820이 빔의 방향을 더 정밀하게 조절할 수 있다.
상술한 다양한 실시 예들과 같이, 회절 플레이트를 이용하여 원형 편파 특성을 가지는 신호(이하, ‘원형 편파 신호’라 칭함)가 조향될 수 있다. 이를 위해, 통신 장치(예: 통신 장치 A 110)는 원형 편파 신호를 생성한다. 원형 편파 신호는 이하 도 19a 또는 도 19b와 같은 구조를 통해 생성될 수 있다.
도 19a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 회절 플레이트 및 원형 편파 안테나를 이용한 원형 편파의 빔 조향을 도시한다. 회절 플레이트 1903을 이용한 원형 편파 신호의 조향을 위해, 원형 편파 안테나 1901에서 생성된 원형 편파가 회절 플레이트 1903에 입사될 수 있다. 회절 플레이트 1903은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라 유닛 셀들의 임피던스 배치를 조절하여 빔의 방향을 조절할 수 있다.
도 19b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 회절 플레이트, 선형 편파 안테나, 및 원형 편파 변환기를 이용한 원형 편파의 빔 조향을 도시한다. 도 19a의 경우와 달리, 선형 편파 안테나 1921에서 방사되는 선형 편파는 원형 편파 변환기 1923에서 원형 편파로 변환되고, 변환된 원형 편파는 회절 플레이트 1925에 입사될 수 있다. 회절 플레이트 1925는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라 유닛 셀들의 임피던스 배치를 조절하여 빔의 방향을 조절할 수 있다.
이하, 도 20 및 도 21을 참고하여, 선형 편파를 이용하여 원형 편파를 생성하는 원형 편파 변환기 1923의 구조가 구체적으로 설명된다.
도 20은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기 구조의 윗면(top face)을 도시한다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기는 메타 물질로 구성될 수 있으며, 수직 편파 및 수평 편파 간의 위상 차를
Figure 112018086721052-pat00086
만큼 발생시키기 위한 구조를 가질 수 있다.
원형 편파 변환기의 윗면 2000에서, 메타 물질들 2001 및 2003과 메타 물질들 2005 및 2007은 각각 Gh만큼 이격되어 배치되고, 메타 물질들 2001 및 2007과 메타 물질들 2003 및 2005은 각각 Gv만큼 이격되어 배치된다. 각 이격 거리 Gh 및 Gv 간의 차이에 의해, 원형 편파 변환기의 윗면 2000은 등가 회로 2020 또는 등가 회로 2040으로 표현될 수 있다.
원형 편파 변환기에 입사되는 선형 편파가 등가 회로 2020에서 출력되는 경우 수직 편파가 생성되고, 선형 편파가 등가 회로 2040에서 출력되는 경우 수평 편파가 생성된다. 그러나, 등가 회로 2020 및 등가 회로 2040 간에는 커패시턴스 Cv 및 Ch의 차이만 존재하므로, 원형 편파 변환기의 윗면 2000만으로는 수직 편파 및 수평 편파의 위상 차가
Figure 112018086721052-pat00087
가 되지는 않는다. 이하, 후술되는 원형 편파 변환기의 아랫면의 구조에 의해 수직 편파 및 수평 편파의 위상 차가
Figure 112018086721052-pat00088
가 될 수 있다.
도 21은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기 구조의 아랫면(bottom face)을 도시한다. 원형 편파 변환기의 아랫면 2100에서, 메타 물질들 사이로 배치되는 도전성 부재 2101에 의해 인덕턴스(inductance) 성분이 추가될 수 있다. 추가되는 인덕턴스 성분에 의해 원형 편파 변환기는 등가 회로 2120 또는 등가 회로 2140으로 표현될 수 있다.
원형 편파 변환기에 입사되는 선형 편파가 등가 회로 2120에서 출력되는 경우 수직 편파가 생성되고, 선형 편파가 등가 회로 2140에서 출력되는 경우 수평 편파가 생성된다. 여기에서, 수평 편파가 생성되기 위한 등가 회로 2140은 도 20의 등가 회로 2040에 인덕턴스 Lm 성분이 추가된 회로이다. 인덕턴스 Lm의 추가로 인하여, 수직 편파 및 수평 편파 간의 위상 차는
Figure 112018086721052-pat00089
가 될 수 있다. 결국, 원형 편파 변환기는 윗면의 메타 물질들 간의 이격 거리 Gh 및 Gv 및 아랫면의 도전성 부재로 인한 인덕턴스 Lm에 의해 원형 편파를 생성할 수 있다.
이하 도 22a 내지 도 23에서, 원형 편파 변환기에 의해 생성되는 원형 편파에 대한 구체적인 측정 결과들이 설명된다.
도 22a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기에 의해 생성된 원형 편파의 수평 편파 및 수직 편파의 비를 나타내는 그래프를 도시한다. 도 22a를 참고하면, 수평 편파 및 수직 편파의 비, 즉 축비의 측정 결과 곡선 2203은 시뮬레이션 결과를 나타내는 곡선 2201과 높은 일치도를 보인다. 또한, 곡선들 2201 및 2203은 원형 편파 변환기의 동작 주파수 대역에서 3dB 이하의 축비 값을 나타냄으로써, 원형 편파 변환기가 동작 주파수 전대역에서 원형 편파를 생성하는 것이 확인된다.
도 22b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기에 의해 생성된 원형 편파의 수평 편파 및 수직 편파의 위상차를 나타내는 그래프를 도시한다. 도 22b를 참고하면, 원형 편파 변환기에서 생성된 수평 편파 및 수직 편파 간의 위상차를 측정한 곡선 2223은 시뮬레이션 결과를 나타내는 곡선 2221과 높은 일치도를 보인다. 또한, 곡선들 2221 및 2223은 원형 편파 변환기의 동작 주파수 대역에서 약 90
Figure 112018086721052-pat00090
의 위상차를 나타냄으로써, 원형 편파 변환기가 동작 주파수 전대역에서 원형 편파를 생성하는 것이 확인된다.
도 23는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 원형 편파 변환기에 의해 생성된 원형 편파의 형태를 나타내는 그래프를 도시한다. 도 23을 참고하면, 복수의 동작 주파수들(예: 28GHz, 30GHz, 32GHz, 39GHz, 및 40GHz)에서 원형 편파 변환기가 생성한 원형 편파의 궤적들의 형태들이 확인될 수 있다. 각 동작 주파수에서, 원형 편파의 궤적 형태를 시뮬레이션한 결과와 원형 편파의 궤적 형태를 측정한 결과는 높은 일치도를 보인다. 결국, 원형 편파 변환기가 다양한 동작 주파수들에서 원형 편파를 생성하는 것이 확인된다.
도 24는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용한 예시적인 원형 편파의 빔 조향을 도시한다. 도 24에 따르면, 송신기 (transmitter, TX) 2401은 수신기(receiver, RX) 2407에 대해, 원형 편파 변환기 2403 및 FZP 2405를 이용하여 빔포밍을 수행할 수 있다.
원형 편파 변환기 2403은 송신기(transmitter, TX) 2401에서 500mm만큼 이격되어 배치되고, 송신기 2401로부터 송신된 선형 편파를 원형 편파로 변환하여 출력할 수 있다. 또한, FZP 2405는 원형 편파 변환기 2403에서 50mm만큼 이격되어 배치될 수 있고, 수신기 2407은 FZP에서 550mm만큼 이격되어 위치할 수 있다. 이 경우, FZP는 복수의 유닛 셀들의 배열의 임피던스 배치를 조절함으로써, 수신기 2407가 위치한 방향으로 원형 편파를 조향할 수 있다.
설명의 편의를 위해, 도 24에서 송신기 및 원형 편파 변환기 간의 거리, 원형 편파 변환기 및 FZP 간의 거리, 및 FZP 및 수신기 간의 거리가 특정되었으나, 이는 예시적이며, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
이하 도 25a 및 도 25b에서, 도 24에서 예시적으로 설명된 원형 편파의 빔 조향의 결과가 설명된다.
도 25a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용하여 조향된 원형 편파의 수평 편파 및 수직 편파의 크기를 나타내는 그래프를 도시한다. 그래프 2500의 원형 편파는, FZP 2405에 의해
Figure 112018086721052-pat00091
내지
Figure 112018086721052-pat00092
의 범위에서 조향된다. 원형 편파를 구성하는 수직 편파의 크기 2501 및 수평 편파의 크기 2503은 조향 범위 내에서 높은 일치도를 보인다. 결국, 도 24에서 설명된 FZP 2405는 원형 편파 변환기 2403에서 생성된 원형 편파의 형태를 유지하면서 수신기에게 조향할 수 있다.
도 25b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용하여 조향된 원형 편파의 형태와 원형 편파 변환기에서 생성된 원형 편파의 형태를 비교하는 그래프를 도시한다. 도 25b를 참고하면, 동작 주파수 28GHz에서, 원형 편파 변환기에서 생성된 원형 편파의 궤적 2521 및 FZP 및 원형 편파 변환기를 이용하여 조향된 원형 편파의 궤적 2523은 높은 일치도를 보인다. 결국, 도 24에서 설명된 FZP 2405는 원형 편파 변환기 2403에서 생성된 원형 편파의 형태를 유지하면서 수신기에게 조향할 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (30)

  1. 무선 통신 시스템에서 통신 장치에 있어서,
    신호의 방향을 결정하고, 상기 결정된 방향에 기반하여 복수의 유닛 셀(unit cell)들을 제어하는 적어도 하나의 프로세서와,
    상기 신호를 생성하고, 상기 신호를 안테나를 통해 방사하는 송수신부와,
    상기 복수의 유닛 셀들이 배치되는 회절 플레이트(diffraction plate)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서의 제어에 따라 상기 결정된 방향으로 상기 신호를 조향하기 위한 임피던스 배치를 형성하는 조향부를 포함하고,
    상기 신호는, 상기 조향부에 포함되는 상기 회절 플레이트를 통과하여 상기 방향으로 조향되며,
    상기 임피던스 배치는, 상기 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿(slit)들을 형성하고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각은,
    제1 전극 부재, 및 상기 제1 전극 부재로부터 기 설정된 간격으로 이격된 제2 전극 부재;
    상기 제1 전극 부재 및 상기 제2 전극 부재를 연결하는 가변 유전체;
    상기 가변 유전체에 제1 전압을 전달하는 제1 제어 배선 및 상기 가변 유전체에 제2 전압을 전달하는 제2 제어 배선; 및
    상기 제1 전극 부재 및 상기 제1 제어 배선과 연결되는 제1 도전성 부재 및 상기 제2 전극 부재 및 상기 제2 제어 배선과 연결되는 제2 도전성 부재를 포함하는 통신 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 유닛 셀들 각각은 적어도 하나의 층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 층은, 상기 제1 전극 부재, 상기 제2 전극 부재, 및 상기 가변 유전체를 포함하는 복합체, 상기 제1 도전성 부재, 및 상기 제2 도전성 부재가 배치되는 제1 층을 포함하고,
    상기 복합체는 상기 제1 층의 중앙에서, 상기 제1 전극 부재 및 상기 제2 전극 부재가 적어도 하나의 상기 제1 층의 모서리에 평행하지 않도록 배치되는 통신 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 적어도 하나의 층은,
    상기 제1 제어 배선이 배치되는 제2 층; 및
    상기 제2 제어 배선이 배치되는 제3 층을 더 포함하는 통신 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 도전성 부재 및 상기 제2 도전성 부재는 상기 복합체를 기준으로 서로 대칭 형태인 통신 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 제어 배선 또는 상기 제2 제어 배선 중에서 적어도 하나는 상기 제1 도전성 부재의 패턴 또는 상기 제2 도전성 부재의 패턴 중에서 적어도 하나와 겹치도록 배치되는 통신 장치.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 제어 배선 및 상기 제2 제어 배선은 서로 수직인 방향으로 배치되는 통신 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 부재, 상기 제2 전극 부재, 및 상기 가변 유전체를 포함하는 복합체의 커패시턴스는 상기 전압에 기반하여 결정되고,
    상기 커패시턴스에 따라, 상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제1 임피던스 및 제2 임피던스가 결정되는 통신 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 임피던스 및 상기 제2 임피던스는 서로 수직인 방향의 임피던스인 통신 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 유닛 셀들은 제1 유닛 셀을 포함하고,
    상기 제1 유닛 셀에 포함된 복합체의 커패시턴스가 제1 커패시턴스인 경우, 상기 제1 유닛 셀은 비공진 특성을 가지고,
    상기 제1 유닛 셀에 포함된 복합체의 커패시턴스가 제2 커패시턴스인 경우, 상기 제1 유닛 셀은 공진 특성을 가지는 통신 장치.
  11. 청구항 4에 있어서,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제1 층은 서로 연결되고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제2 층은 서로 연결되고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제3 층은 서로 연결되고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제1 제어 배선과 상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제2 제어 배선은 서로 수직인 방향으로 배치되는 통신 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 슬릿들은, 상기 결정된 방향에 대응하는 상기 회절 플레이트의 회절 무늬를 구성하는 통신 장치.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 회절 플레이트는 FZP(fresnel zone plate)인 통신 장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 신호는 원형 편파 특성을 가지는 신호인 통신 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 간의 차이에 기반하여 상기 유닛 셀의 전압이 결정되는 통신 장치.
  16. 무선 통신 시스템에서 통신 장치의 동작 방법에 있어서,
    신호의 방향을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 방향에 기반하여 복수의 유닛 셀(unit cell)들을 제어하는 과정과,
    상기 신호를 생성하는 과정과,
    상기 신호를 안테나를 통해 방사하는 과정과,
    상기 복수의 유닛 셀들은 회절 플레이트(diffraction plate)에 배치되고,
    상기 제어에 따라 상기 결정된 방향으로 상기 신호를 조향하기 위한 임피던스 배치를 형성하는 과정을 포함하고,
    상기 신호는, 상기 회절 플레이트를 통과하여 상기 방향으로 조향되며,
    상기 임피던스 배치는, 상기 회절 플레이트 상에 복수의 슬릿(slit)들을 형성하고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각은,
    제1 전극 부재, 및 상기 제1 전극 부재로부터 기 설정된 간격으로 이격된 제2 전극 부재;
    상기 제1 전극 부재 및 상기 제2 전극 부재를 연결하는 가변 유전체;
    상기 가변 유전체에 제1 전압을 전달하는 제1 제어 배선 및 상기 가변 유전체에 제2 전압을 전달하는 제2 제어 배선; 및
    상기 제1 전극 부재 및 상기 제1 제어 배선과 연결되는 제1 도전성 부재 및 상기 제2 전극 부재 및 상기 제2 제어 배선과 연결되는 제2 도전성 부재를 포함하는 방법.
  17. 삭제
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 복수의 유닛 셀들 각각은 적어도 하나의 층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 층은, 상기 제1 전극 부재, 상기 제2 전극 부재, 및 상기 가변 유전체를 포함하는 복합체, 상기 제1 도전성 부재, 및 상기 제2 도전성 부재가 배치되는 제1 층을 포함하고,
    상기 복합체는 상기 제1 층의 중앙에서, 상기 제1 전극 부재 및 상기 제2 전극 부재가 적어도 하나의 상기 제1 층의 모서리에 평행하지 않도록 배치되는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 적어도 하나의 층은,
    상기 제1 제어 배선이 배치되는 제2 층; 및
    상기 제2 제어 배선이 배치되는 제3 층을 더 포함하는 방법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 제1 도전성 부재 및 상기 제2 도전성 부재는 상기 복합체를 기준으로 서로 대칭 형태인 방법.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 제1 제어 배선 또는 상기 제2 제어 배선 중에서 적어도 하나는 상기 제1 도전성 부재의 패턴 또는 상기 제2 도전성 부재의 패턴 중에서 적어도 하나와 겹치도록 배치되는 방법.
  22. 청구항 19에 있어서, 상기 제1 제어 배선 및 상기 제2 제어 배선은 서로 수직인 방향으로 배치되는 방법.
  23. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 전극 부재, 상기 제2 전극 부재, 및 상기 가변 유전체를 포함하는 복합체의 커패시턴스는 상기 전압에 기반하여 결정되고,
    상기 커패시턴스에 따라, 상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제1 임피던스 및 제2 임피던스가 결정되는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 제1 임피던스 및 상기 제2 임피던스는 서로 수직인 방향의 임피던스인 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 복수의 유닛 셀들은 제1 유닛 셀을 포함하고,
    상기 제1 유닛 셀에 포함된 복합체의 커패시턴스가 제1 커패시턴스인 경우, 상기 제1 유닛 셀은 비공진 특성을 가지고,
    상기 제1 유닛 셀에 포함된 복합체의 커패시턴스가 제2 커패시턴스인 경우, 상기 제1 유닛 셀은 공진 특성을 가지는 방법.
  26. 청구항 19에 있어서,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제1 층은 서로 연결되고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제2 층은 서로 연결되고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제3 층은 서로 연결되고,
    상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제1 제어 배선과 상기 복수의 유닛 셀들 각각의 제2 제어 배선은 서로 수직인 방향으로 배치되는 방법.
  27. 청구항 16에 있어서, 상기 복수의 슬릿들은, 상기 결정된 방향에 대응하는 상기 회절 플레이트의 회절 무늬를 구성하는 방법.
  28. 청구항 16에 있어서, 상기 회절 플레이트는 FZP(fresnel zone plate)인 방법.
  29. 청구항 16에 있어서, 상기 신호는 원형 편파 특성을 가지는 신호인 방법.
  30. 청구항 16에 있어서, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 간의 차이에 기반하여 상기 유닛 셀의 전압이 결정되는 방법.
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