KR20200006933A - 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면 및 이의 제조방법 - Google Patents

입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시에에 따른 메타표면은, 입사파의 편파에 대해 서로 상이한 위상 지연 특성을 갖도록 설계된 복수개의 공간필터들로 구성된다. 구체적으로, 메타표면을 구성하는 공간필터 각각의 설계변수, 예를 들어 금속패치의 x축방향길이 및/또는 y축방향길이, 금속그리드의 x축방향폭 및/또는 y축방향 폭을 비대칭적으로 설계함으로써, 정사각형 구조의 공간필터로 구성된 기존의 메타표면과 달리 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성과 기능을 갖는 메타표면을 구현할 수 있다.

Description

입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면 및 이의 제조방법{METASURFACE HAVING DIFFERENT BEAM SHAPING CHARACTERISTIC DEPENDING ON POLARIZATION OF INCIDENT WAVE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 메타표면(meta-surface)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 가지고 서로 다른 기능을 구현할 수 있도록 구성되는 메타표면과 이의 제조방법에 관한 것이다.
배열 안테나(array antenna)는 복수개의 안테나 소자를 배열하여 각 소자의 여진 전류의 위상을 조절하고 안테나를 특정 방향과 동일한 위상으로 하여 주 빔을 형성하도록 구성된 안테나이다. 이와 같이 안테나 소자를 배열형으로 구성하면 어느 특정한 방향으로 최대 방사가 되거나, 불필요한 방향으로는 방사가 최소가 되도록 조정할 수 있다. 안테나로 얻을 수 있는 최대 이득은 소자의 성능과 배열에 따라 정해지므로 이를 넘어 이득을 향상시키기 위해서는 추가적인 구성요소가 필요하다.
종래에는 안테나로부터 방사되는 입사파의 이득을 향상시키기 위해 안테나의 전면에 볼록렌즈 형태의 유전체 렌즈(dielectric lens)를 설치하였으나, 최근에는 서로 다른 위상 지연 특성을 갖는 복수개의 공간필터들을 결합한 초박막형 메타표면(meta-surface)이 이용되고 있다.
메타표면이란 일반적으로 2차원적인 주기 구조를 갖는 금속 패턴을 이용하여 빔 성형 기능을 수행하도록 만든 평면구조를 의미한다. 안테나 기술분야에서 활용되는 메타표면은 2차원으로 배열된 복수개의 유닛 셀들(unit cells)로 구성되는데, 각각의 유닛 셀은 안테나로부터 방사되는 빔을 원하는 위상만큼 지연시킬 수 있는 공간필터로서의 기능을 수행한다. 메타표면을 통과하는 구형파는 각각의 지점에서 위상이 보상되어 평면파로 변형되며 결과적으로 이득이 향상될 수 있다.
도 1은 공간필터의 예시적인 구성을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 메타표면(10)을 구성하는 각각의 공간필터(10)는, 제1 금속패치(11), 제1 절연층(12), 금속그리드(13), 제2 절연층(14), 제2 금속패치(15)가 적층된 구조로 구성될 수 있다. 다만, 이러한 구성은 하나의 예시일 뿐이며 장치의 목적과 필요에 따라 추가적인 소자층을 포함하거나 제외할 수 있다. 예를 들어, 각 공간필터는 5개 이상의 금속층을 포함하거나 금속그리드를 제외하도록 구성될 수도 있다.
도 2는 도 1의 공간필터의 구성을 전기회로로 모델링한 것이다. 여기서 각각의 금속패치(11, 15)는 커패시턴스 C patch 를 갖는 커패시터로, 금속그리드(13)는 인덕턴스 L grid 를 갖는 인덕터로 모델링되며, 절연층(12, 14) 기판의 인덕턴스 L substrate 와 결합하여 대역통과필터 네트워크로서 동작하게 된다. 설계자는 각각의 공간필터를 구성하는 금속층 및/또는 절연층의 두께, 길이, 폭, 구성물질 등을 조정함으로써 원하는 위상 지연 특성을 구현할 수 있다. 이와 같이 원하는 위상 지연 특성을 갖도록 구성된 여러 개의 공간필터를 안테나의 위상 프로파일에 맞게 배열함으로써 구형파를 평면파로 변환하거나 이득을 향상시키는 기능을 수행하는 하나의 메타표면을 만들 수 있다.
한편, 5세대 이동통신용 기지국 안테나, 레이더용 안테나 등 높은 이득을 필요로 하면서도 다중 편파를 사용하는 기술분야에서는 편파에 따라 다른 기능을 수행할 수 있는 메타표면이 필요한데, 종래의 메타표면 관련기술들은 대부분 입사파의 편파 특성을 변형하는데 초점을 맞추고 있어 입사파의 편파에 따른 반응은 서로 동일하였다. 따라서, 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 가질 수 있는 새로운 형태의 메타표면이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0118889호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0083296호
C. Pfeiffer and A. Grbic, "Millimeter-Wave Transmitarrays for Wavefront and Polarization Control," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 12, pp. 4407-4417, Dec. 2013.
이에, 본 발명의 실시예는 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성과 기능을 구현할 수 있도록 구성된 메타표면과 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖도록 구성되는 일 실시예에 따른 메타표면은, 상기 메타표면은 각각의 위상 지연 특성을 갖는 복수개의 공간필터들로 구성되고, 각각의 공간필터는, 제1 금속패치; 상기 제1 금속패치 상에 위치한 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 위치한 금속그리드; 상기 금속그리드 상에 위치한 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 위치한 제2 금속패치를 포함하되, 상기 공간필터의 위상 지연 특성은 설계변수에 따라 달라지며, 상기 설계변수는 상기 메타표면이 입사파의 편파에 따라 상이한 기능을 수행하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공간필터의 설계변수는, 상기 공간필터의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 제1 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 제2 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 금속그리드의 x축방향폭과 y축방향폭 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공간필터의 설계변수는, 상기 메타표면이 상기 입사파의 x축 편파에 대해서는 안테나 이득을 향상시키는 특성을 가지고, 상기 입사파의 y축 편파에 대해서는 안테나 이득을 일정한 범위 내로 유지하는 특성을 갖도록 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면의 제조방법은, 안테나 소스로부터 소정의 거리에 대해서 위상 프로파일을 캡쳐하는 단계; 상기 캡쳐된 위상 프로파일에 기초하여, 각 공간필터가 입사파의 편파에 따라 상이한 위상 지연 특성을 갖도록 공간필터의 설계변수를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 설계변수에 따라 각각의 공간필터를 설계 및 배열하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 각각의 공간필터를 설계 및 배열하는 단계는, 제1 금속패치를 배치하는 단계; 상기 제1 금속패치 상에 제1 절연층을 배치하는 단계; 상기 제1 절연층 상에 금속그리드를 배치하는 단계; 상기 금속그리드 상에 제2 절연층을 배치하는 단계; 및 상기 제2 절연층 상에 제2 금속패치를 배치하는 단계를 포함하되, 상기 금속패치들과 금속그리드의 길이 및 폭은 상기 결정된 설계변수에 기초한다.
본 발명의 실시예에 따르면 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면을 구현할 수 있다. 이를 위해, 메타표면을 구성하는 각 공간필터가 2차원적으로 비대칭이 되도록 설계변수를 조정하여 입사파의 편파에 따라 상이한 위상 지연 특성을 갖도록 한다.
실시예에 따른 메타표면은 편파에 따라 서로 다른 커버리지를 제공하므로 다중 편파를 사용하는 여러 응용 분야들, 특히 MIMO(Multiple Input Multiple Output)나 다이버시티를 위해 이중 편파를 사용하는 무선통신시스템이나 레이더 분야에 폭넓게 적용될 수 있다. 또한 편파 모드를 나누어 사용하는 레이더의 경우 편파에 따라 거리와 FOV를 다르게 사용할 수 있는데, 예를 들면 동일한 스펙을 지닌 이중편파 레이더용 안테나에 실시예에 따른 메타표면을 적용하면, 수평편파는 근거리 레이더로, 수직편파는 장거리 레이더로 동작하도록 구현하는 것이 가능하다.
도 1은 메타표면을 구성하는 공간필터의 예시적인 구조를 나타낸다.
도 2는 도 1의 공간필터의 구성요소를 모델링한 회로를 나타낸다.
도 3a 및 3b은 종래기술에 따른 공간필터의 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간필터의 구조를 나타낸다.
도 5 및 6은 또 다른 실시예에 따른 공간필터의 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 설계하는 시뮬레이션 과정을 나타낸다.
도 9는 도 8의 과정을 통해 설계된 메타표면의 전체 모습을 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따라 설계된 메타표면의 시뮬레이션 조건을 도시한다.
도 11은 도 10의 시뮬레이션 조건에 따른 빔 패턴 분석 결과를 나타낸 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 3a 및 3b은 종래기술에 따른 공간필터의 구조를 나타낸다. 도 3a에 도시된 것처럼, 공간필터(30)는 제1 금속패치(31), 제1 절연층(32), 금속그리드(33), 제2 절연층(34) 및 제2 금속패치(35)가 적층된 구조이다.
전술한 바와 같이, 사각형의 금속패치(31, 35)는 커패시터로 구현되며, 사각형의 내부가 개구되어 있는 띠 형태의 금속그리드(34)는 인덕터로 구현된다. 금속패치의 커패시턴스와 금속그리드의 인덕턴스는 각각의 기하학적 파라미터, 즉 설계변수인 D, s, w의 수치에 따라 결정된다. 상기 변수값 D, s, w에 따른 커패시턴스 C와 인덕턴스 L은 다음과 같이 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, D는 정사각형 공간필터(30)의 가로세로 길이를 나타내며, s는 금속패치(31, 35)의 가장자리로부터 공간필터(30)의 가장자리까지의 길이를 나타내고, w는 금속그리드(33)의 폭(즉, 바깥쪽 사각형의 가장자리로부터 안쪽 사각형의 가장자리까지의 길이인 w/2)의 두 배를 나타낸다.
설계자는 안테나 소스로부터 캡쳐한 위상 프로파일에 기초하여 각 포인트에 배치될 공간필터의 위상 지연 특성을 결정하고, 각각의 공간필터 설계 시 기하학적 파라미터인 D, s, w를 조정하여 원하는 위상 지연 특성을 갖는 대역통과필터를 구현할 수 있다. 설계된 공간필터는 각각의 포인트에서 안테나 빔의 위상을 보상하여 구형파를 평면파로 변환하고, 결과적으로 안테나의 이득을 향상시키게 된다.
도 3b에서 알 수 있듯이, 기존의 메타표면에서 공간필터(30), 금속패치(31, 35), 금속그리드(33)는 가로세로 길이가 동일한 정사각형 모양으로 설계되었으며, 따라서 각각의 x축과 y축 방향의 길이(여기서, x축과 y축은 메타표면과 수평인 2차원 평면에서 서로 직교하는 축을 가리킴)가 동일하였다. 이로 인해 입사파의 x축 편파(polarization)와 y축 편파에 대해 동일한 커패시턴스 및 인덕턴스 값을 나타내며, 다시 말해 편파에 대해 동일한 기능을 가질 수밖에 없었으므로, 다중 편파를 사용하는 기술분야에서 활용도가 떨어지는 단점이 있었다.
이에, 본 발명의 실시예는 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성과 기능을 구현할 수 있도록 설계된 메타표면 기술을 제시한다. 편파에 따라 다른 특성을 갖는 메타표면을 구현하기 위해서는 먼저 메타표면을 이루고 있는 유닛 셀(Unit Cell)인 공간필터가 편파에 따라 서로 다른 위상 지연 특성을 갖도록 설계되어야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간필터의 설계를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 공간필터(40)를 구성하는 금속패치(41, 45)와 금속그리드(43)의 길이 및 폭은 x축과 y축에 대해 서로 변수인 sx, sy, wx, wy 를 갖도록 설계된다. 따라서 실시예의 공간필터는 편파에 대해 동일한 s, w 값으로 설계된 기존의 공간필터와 달리 입사파의 편파에 따라 다른 커패시턴스값과 리액턴스값을 갖게 되며, 결과적으로 메타필터가 편파에 따라 상이한 기능을 수행할 수 있도록 한다.
도 5 및 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공간필터의 설계를 나타낸다.
필요에 따라서, 공간필터의 길이 D 또한 x축, y축에 따라 D x , D y 로 나누어 설계할 수 있다. 수학식 1, 2를 참조하면 설계변수 s와 w에 비해 D가 공간필터의 커패시턴스 및 인덕턴스 값에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있는데, 이를 토대로 설계변수 D x , D y 를 조정함으로써 입사파의 x축 편파와 y축 편파 간의 더 큰 응답 차이를 유도할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 공간필터를 도 4의 공간필터를 비교하면 D x 값은 동일한데 비해 D y 값은 절반이 되는데, 이로 인해 x축 편파에 대한 커패시턴스 응답은 동일하지만 y축 편파에 대한 커패시턴스 응답은 절반으로 감소하게 된다. 또는 도 6과 같이 금속패치의 y축방향길이 D y 는 공간필터의 전체길이 D의 절반으로 설계하고, 금속그리드는 공간필터와 동일한 크기로 설계함으로써 도 5의 실시예와는 다른 결과를 얻을 수도 있다. 이와 같이 공간필터의 x축방향길이와 y축방향길이를 상이하게 구성하여 설계의 자유도를 높일 수 있다.
표 1은 도 6의 실시예에 따른 공간필터에서 설계변수를 조정하여 얻은 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, x축과 y축에 대해 분리된 파라미터인 sx, sy, wx, wy 를 이용하여 설계된 10개의 공간필터(UC 1 ~ UC 10)의 위상 변이 특성을 나타낸다.
UC# 제1 금속층 금속그리드 제2 금속층 y-pol 삽입손실
(dB) 		x-pol 삽입손실
(dB) 		y-pol
위상변이(°) 		x-pol
위상변이(°)
s x
(mm) 		s y
(mm) 		w x
(mm) 		w y
(mm) 		s x
(mm) 		s y
(mm)
1 0.9 0.4 0.4 0.6 0.9 0.4 0.097 0.938 -18.09 -3.037
2 0.9 0.4 0.4 0.5 1 0.4 0.082 0.125 -19.00 -20.15
3 1 0.4 0.4 0.4 0.9 0.4 0.077 0.405 -20.17 -40.90
4 0.6 0.3 0.5 0.8 0.6 0.3 0.06 0.81 -20.40 -64.97
5 0.6 0.3 0.5 0.8 0.5 0.3 0.132 0.820 -20.88 -81.32
6 0.5 0.3 0.5 0.8 0.5 0.3 0.147 0.535 -19.72 -99.14
7 0.5 0.3 0.5 0.8 0.4 0.3 0.199 0.676 -18.04 -116.04
8 0.4 0.3 0.5 0.8 0.4 0.3 0.182 0.454 -18.58 -147.47
9 0.4 0.3 0.5 0.1 0.4 0.3 0.093 0.225 -28.18 -157.44
10 0.3 0.5 0.3 0.1 0.3 0.5 0.056 0.503 -20.41 -173.28
본 실험예에서 제시하는 메타표면은 28GHz를 동작 주파수대역으로 하며, 안테나 소스는 λ/2 다이폴 안테나를 사용하였다. 메타표면은 3개의 금속층(2개의 금속패치와 1개의 금속그리드)을 포함한다. 기판은 Rogers 6010(t = 0.254 mm, εr = 10.2, tanδ = 0.0023)을 사용하였으며, 기판 사이의 접착층은 Rogers 2929(t = 0.04 mm, εr = 2.94, tanδ = 0.003)이 사용되었다.
표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, x축 편파에 대해서는 입사파의 위상 변화폭이 3~173° 까지 약 20°씩 증가하는데 비해, y축 편파에 대해서는 약 18~20° 내외로 일정한 범위의 위상 변이 값을 갖는다. 결과적으로 상기 공간필터들로 구성된 메타표면을 안테나에 적용하면, 입사파의 x축 편파에 대해서는 약 170°의 조정 가능 범위를 갖는 렌즈로 기능하여 안테나의 이득을 향상시킬 수 있고, y축 편파에 대해서는 위상에 영향을 주지 않고 통과시키는 투과성의 매질과 같은 기능을 하게 된다.
이와 같이 공간필터 각각의 변수를 x축, y축에 대해 비대칭적으로 설계함으로써, 입사파의 편파에 따라 상이한 위상 지연 특성과 빔 성형 특성을 갖는 메타표면을 구현할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 제조방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 안테나 소스로부터 소정의 거리에 대해서 위상 프로파일을 캡쳐하는 단계가 수행된다(S10). 메타표면과 안테나 간의 거리에 따라 메타표면의 각 포인트에 도달하는 입사파의 위상이 달라지므로, 먼저 메타표면이 위치하게 될 거리를 특정한 후 상기 거리에 대한 입사파의 위상 프로파일을 캡쳐한다.
다음으로, 상기 캡쳐된 위상 프로파일에 기초하여 각 공간필터의 위상 지연 특성을 결정하는 단계가 수행된다(S20). 전술한 바와 같이, 각각의 공간필터는 제1 금속패치, 제1 절연층, 금속그리드, 제2 절연층 및 제2 금속패치가 순서대로 적층된 구조이며, 각각의 금속층이 커패시터 및 인덕터의 기능을 가지며 대역통과필터로서 동작하여 입사파의 위상을 변화시킨다. 메타표면의 각 포인트마다 공간필터가 가져야 할 위상 변이 특성이 다르므로, 상기 단계(S10)에서 캡쳐된 위상 프로파일에 기초하여 각 공간필터의 위상 지연 특성을 결정하게 된다.
다음으로, 상기 메타표면이 입사파의 편파에 따라 상이한 기능을 수행하도록 공간필터의 설계변수를 결정하는 단계가 수행된다(S30). 기존의 메타표면을 구성하는 공간필터는 x축, y축 방향에 대한 설계변수(공간필터의 x축방향길이와 y축방향길이, 제1 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 제2 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 금속그리드의 x축방향폭과 y축방향폭 등)가 동일하게 설정되어 각 방향의 편파에 대해 동일한 인덕턴스 및 커패시턴스 값을 가졌다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공간필터의 설계변수 D, s, w를 x축, y축에 대해 상이하게 설정함으로써, 메타표면이 각 방향의 편파에 대해 다른 기능을 수행하도록 할 수 있다. 이를 구현하기 위한 설계변수 값과 이에 따른 결과가 표 1에 나타나 있다.
마지막으로, 결정된 설계변수에 기초하여 각각의 공간필터를 설계 및 배열하는 단계가 수행된다(S40). 이에 따라 제조된 메타표면은, 예를 들어 x축 편파에 대해서는 안테나 이득을 향상시키는 특성을 가지고, 상기 입사파의 y축 편파에 대해서는 안테나 이득을 일정한 범위 내로 유지하는 특성을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 설계하는 시뮬레이션 과정을 나타낸다. 실험에 사용된 λ/2 다이폴 안테나는 전방향성 빔패턴을 갖기 때문에 1사분면에 대해서만 도시하였다. 도 8의 (a)는 메타표면의 설계를 위해 선택된 거리에서 캡쳐된 위상 프로파일을 나타내고, (b)는 변수 s, w에 따른 공간필터의 위상 지연 특성을 나타낸다(상기 표 1과 동일함). 도 (c)는 표 1의 공간필터 중 상기 위상 프로파일에 대응하는 위상 지연 특성을 갖는 공간필터를 선택하여 대응되는 번호를 표기한 것이다. 도 8의 (d)는 각 번호의 공간필터를 실제로 적용한 메타표면의 구조를 나타낸다.
도 9은 도 8의 과정을 통해 설계된 메타표면의 전체 모습을 나타낸다. 도시된 것처럼, 메타표면을 구성하는 각각의 공간필터는 x축, y축에 대해 비대칭적인 길이 및 폭을 갖도록 설계되므로, 기존의 대칭형 공간필터와 달리 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 구현할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따라 설계된 메타표면의 시뮬레이션 조건을 나타낸다. 메타표면의 동작을 위해 준 구형파 소스로 테스트용 λ/2 다이폴 안테나를 사용하였으며, 메타표면은 안테나로부터 20 mm 떨어진 거리에 위치시킨다. x축 편파와 y축 편파를 입사시키기 위해서 메타표면은 고정시킨 후 λ/2 다이폴 안테나를 90° 회전시켜 두 가지 경우에 대해 시뮬레이션을 진행하였다.
도 11은 도 10의 시뮬레이션에 조건에 따른 빔 패턴 분석 결과를 나타낸다. 도 11의 (a)는 테스트용 λ/2 다이폴 안테나의 빔 패턴, 즉 메타표면을 통과하지 않았을 때의 패턴을 나타내며, (b)는 y축 편파 입사파가 메타표면을 통과한 후의 빔 패턴을 나타내며, (c)는 x축 편파 입사파가 메타표면을 통과한 후의빔 패턴을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 실시예에 따른 메타표면은 입사파의 y축 편파에 대해서는 테스트용 λ/2 다이폴 안테나의 빔패턴과 유사한 형태와 이득을 나타내므로 마치 투명한 매질을 투과한 것과 같은 특성을 가지며, x축 편파에 대해서는 이득이 약 13 dB 향상되어 마치 볼록 렌즈를 투과하는 것과 같은 특성을 가진다.
이와 같이, 메타표면을 구성하는 공간필터 각각의 설계변수를 조정하여 2차원적으로 비대칭이 되도록 설계함으로써, 입사파의 편파에 따라 상이한 위상 지연 특성과 빔 성형 특성을 갖는 메타표면이 제공된다. 종래의 메타표면 관련기술들은 대부분 입사파의 편파 특성을 변형하는데 초점을 맞추고 있으나, 실시예에 따른 메타표면은 편파에 따라 서로 다른 커버리지를 제공하므로 다중 편파를 사용하는 여러 응용 분야에서 폭넓게 적용될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 메타표면은 종래기술의 메타표면과 기능 및 특성에서 큰 차이가 있으나 규격 등 하드웨어적인 구성은 유사하므로, 기존의 편파 특성을 이용하는 안테나 플랫폼에 용이하게 적용이 가능하여 경제성이 매우 높다고 볼 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 통신분야(예를 들어, 기지국 중계기 안테나), 군사분야(예를 들어, 군사용 레이더), 자동차공학분야(차량용 레이더) 등 다양한 분야에 적용 가능하다.

Claims (7)

  1. 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면으로서,
    상기 메타표면은 각각의 위상 지연 특성을 갖는 복수개의 공간필터들로 구성되고,
    각각의 공간필터는, 제1 금속패치; 상기 제1 금속패치 상에 위치한 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 위치한 금속그리드; 상기 금속그리드 상에 위치한 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 위치한 제2 금속패치를 포함하되,
    상기 공간필터의 위상 지연 특성은 설계변수에 따라 달라지며, 상기 설계변수는 상기 메타표면이 입사파의 편파에 따라 상이한 기능을 수행하도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 메타표면.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공간필터의 설계변수는, 상기 공간필터의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 제1 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 제2 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 금속그리드의 x축방향폭과 y축방향폭 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 메타표면.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공간필터의 설계변수는, 상기 메타표면이 상기 입사파의 x축 편파에 대해서는 안테나 이득을 향상시키는 특성을 가지고, 상기 입사파의 y축 편파에 대해서는 안테나 이득을 일정한 범위 내로 유지하는 특성을 갖도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 메타표면.
  4. 입사파의 편파에 따라 상이한 빔 성형 특성을 갖는 메타표면의 제조방법으로서, 상기 메타표면은 각각의 위상 지연 특성을 갖는 복수개의 공간필터들로 구성되고,
    상기 제조방법은,
    안테나 소스로부터 소정의 거리에 대해서 위상 프로파일을 캡쳐하는 단계;
    상기 캡쳐된 위상 프로파일에 기초하여, 각 공간필터가 입사파의 편파에 따라 상이한 위상 지연 특성을 갖도록 공간필터의 설계변수를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 설계변수에 따라 각각의 공간필터를 설계 및 배열하는 단계를 포함하는, 메타표면의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각각의 공간필터를 설계 및 배열하는 단계는,
    제1 금속패치를 배치하는 단계;
    상기 제1 금속패치 상에 제1 절연층을 배치하는 단계;
    상기 제1 절연층 상에 금속그리드를 배치하는 단계;
    상기 금속그리드 상에 제2 절연층을 배치하는 단계; 및
    상기 제2 절연층 상에 제2 금속패치를 배치하는 단계를 포함하되,
    상기 금속패치들과 금속그리드의 길이 및 폭은 상기 결정된 설계변수에 기초하는 것을 특징으로 하는, 메타표면의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공간필터의 설계변수는, 상기 공간필터의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 제1 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 제2 금속패치의 x축방향길이와 y축방향길이, 상기 금속그리드의 x축방향폭과 y축방향폭 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 메타표면의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공간필터의 설계변수는, 상기 메타표면이 상기 입사파의 x축 편파에 대해서는 안테나 이득을 향상시키는 특성을 가지고, 상기 입사파의 y축 편파에 대해서는 안테나 이득을 일정한 범위 내로 유지하는 특성을 갖도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 메타표면의 제조방법.
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