KR20200018945A - 평면 렌즈를 포함하는 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는, 기판층과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체(radiating conductor)를 포함하는 소스 안테나(source antenna)와, 상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈(planar lens)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 안테나 장치는 실시예에 따라 다양할 수 있다.

Description

평면 렌즈를 포함하는 안테나 장치 {ANTENNA DEVICE INCLUDING PLANAR LENS}
본 발명의 다양한 실시예는 안테나 장치에 관한 것으로서, 예를 들면, 안테나의 방사 방향에 배치된 평면 렌즈를 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다.
무선 통신 기술이 발달하면서, 최근에는 스트리밍 서비스를 통해 초고화질 영상을 실시간으로 시청할 수 있게 되었다. 예컨대, 단문 메시지 전송이나 음성 통화 기능을 제공했던 초기의 무선 통신 서비스가 점차 발달하여, 대용량의 영상을 실시간으로 전송, 시청할 수 있는 환경이 조성되고 있다. 무선 통신을 통해 이러한 초고속, 대용량 정보를 전송함에 있어서는 높은 이득과 전력 효율을 가진 안테나 장치가 요구될 수 있다. 예컨대, 높은 이득과 충분한 전송 거리를 가지면서도, 소모 전력이 낮은 안테나 장치가 요구될 수 있다.
안테나 장치에는 반사기 또는 렌즈 등이 배치되어, 안테나 장치의 지향 방향이나 빔폭을 제어하고 부엽 레벨(side lobe level)을 억제함으로써, 이득이나 전송 거리, 소모 전력 등을 개선할 수 있다. 크기 등 안테나 장치 설계에 제한 사항이 적다면, 반사기 또는 렌즈의 설계 자유도가 높아지고, 이득이나 소모 전력이 충분히 향상된 안테나 장치를 제작할 수 있다.
하지만, 안테나 장치의 높은 이득, 충분한 전송 거리, 낮은 소모 전력 등의 요건을 만족하기 위해서는 더 높은 제조 비용이 요구될 수 있으며, 실제 설치 환경의 제약에 의해, 예를 들면, 소형화가 요구되는 사용자 장치(예: 이동통신 단말기)에 적합한 크기로 안테나 장치를 제작하기 어려울 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 높은 이득을 구현하면서 낮은 소모 전력으로 작동하는 안테나 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 높은 이득, 낮은 소모 전력 특성을 가지면서도 소형화가 용이한 안테나 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는, 기판층과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체(radiating conductor)를 포함하는 소스 안테나(source antenna)와, 상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈(planar lens)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는, 기판층과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체를 포함하는 소스 안테나(source antenna); 및 상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈로서, 도전체(conductive material)로 형성된 복수의 제1 유닛 셀(first unit cell)로 이루어진 제1 메타 표면을 포함하며 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제1 유전체 층과, 도전체로 형성된 복수의 제2 유닛 셀로 이루어진 제2 메타 표면 포함하며 상기 제1 유전체 층을 사이에 두고 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제2 유전체 층을 포함하는 상기 평면 렌즈를 포함하고,
상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00001
여기서, 'n(φ)'는 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'n(0)'는 상기 방사 도체와 함께 상기 법선 상에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 't'는 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 각각의 두께 및 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 사이의 간격을 포함하는 두께일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치는, 메타 표면을 포함하는 평면 렌즈를 이용하여 유사 구면파를 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환함으로써, 지향 방향에서의 이득을 향상시킬 수 있다. 한 실시예에서, 메타 표면을 형성하는 유닛 셀의 형상에 따라, 부엽 레벨을 억제할 수 있으며, 이를 통해 안테나 장치의 전력 효율이 개선될 수 있다. 다른 실시예에서, 평면 렌즈는 실질적으로 소스 안테나와 평행하게 배치됨으로써, 안테나 장치가 커지는 것을 억제, 완화하면서도 이득을 향상시킴과 아울러 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 소스 안테나를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 평면 렌즈의 제1 유전체 층을 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 유닛 셀의 설계 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 소스 안테나와 평면 렌즈 사이의 거리에 따른 유닛 셀(들)의 굴절율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 평면 렌즈를 배치하기 전, 후의 S 파라미터를 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 평면 렌즈를 배치하기 전, 후의 E 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치의 평면 렌즈를 배치하기 전, 후의 H 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 유닛 셀의 변형 예를 나타내는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 유닛 셀의 변형 전, 후의 E 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 유닛 셀의 변형 전, 후의 H 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 평면 렌즈의 배치 전, 후의 이득을 측정하여 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 일부 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나" 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. '제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 안테나 장치(100)는 소스 안테나(101)와 평면 렌즈(102)를 포함할 수 있다. 상기 소스 안테나(101)는 방사 도체(radiating conductor)를 이용하여 예를 들면, 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic wave)를 방사하며, 상기 평면 렌즈(102)는 상기 소스 안테나(101)로부터 방사된 전자기파(예: 유사 구면파)를 평면파(planar lens)로 변환할 수 있다. 예컨대, 전자기파의 방사 방향에서 상기 평면 렌즈(planer lens)(102)는 상기 소스 안테나(101)의 전방에서 실질적으로 상기 소스 안테나(101)과 평행하게 배치될 수 있다. 이는 도 2를 통해 좀더 상세하게 살펴보게 될 것이다.
한 실시예에서, 상기 소스 안테나(101)의 방사 도체는, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나 구조, 슬롯(slot) 안테나 구조, 다이폴(dipole) 안테나 구조, 표준 혼(standard horn) 안테나 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 후술할 실시예에서, 상기 방사 도체는 패치 안테나 구조가 예시될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 평면 렌즈(102)는 적어도 하나의 메타 표면(metasurface)을 포함할 수 있으며, 메타 표면은 상반 정리(reciprocity theorem)에 기반하여 상기 소스 안테나(101)에서 방사된 유사 구면파를 평면파로 변환할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 평면 렌즈(102)는 복수의 메타 표면을 포함함으로써, 상기 소스 안테나(101)만 배치되었을 때 보다 상기 안테나 장치(100)의 성능을 향상시킬 수 있다. 한 실시예에서, 상기 평면 렌즈(102)는 한 쌍의 메타 표면을 포함함으로써 지향 방향에서의 이득을 향상시킬 수 있다. 하기에서 살펴보겠지만, 상기 평면 렌즈(102)가 배치되기 전보다 상기 평면 렌즈(102)를 배치함으로써, 상기 안테나 장치(100)의 주엽(main lobe)에서의 이득이 7dB 정도 개선될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 평면 렌즈(102)에서 메타 표면을 형성하는 유닛 셀의 위치와 형상을 조절함으로써, 주엽의 이득을 유지하면서, 상기 안테나 장치(100)의 부엽 레벨(side lobe level)을 억제할 수 있다. 예컨대, 지향 방향에서의 통신 성능을 유지하면서도 부엽 레벨을 억제함으로써 상기 안테나 장치(100)의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 안테나 장치(100)의 구성에 관해 도 2를 참조하여 좀더 상세하게 살펴보기로 한다. 아울러, 도 2에 기반하여 상기 안테나 장치(100)의 구성을 살펴봄에 있어, 일부 더 구체적인 구성에 관해서는 도 3과 도 4가 필요에 따라 더 참조될 수 있다. 다양한 실시예를 설명함에 있어, 선행하는 실시예 또는 도면에 개시된 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 도면의 참조번호를 동일하게 부여하거나 생략하고, 그 상세한 설명 또한 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)를 나타내는 측면도이다. 도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)에서 소스 안테나(102)를 나타내는 평면도이다. 도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)에서 평면 렌즈(102)의 제1 유전체 층(121a)을 나타내는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 안테나 장치(100)는, 기판층(111)과 방사 도체(113)를 포함하는 소스 안테나(예: 도 1의 소스 안테나(101)), 다수의 유닛 셀(123a, 123b)이 각각 형성된 복수(예: 한 쌍)의 유전체 층(121a, 121b)을 포함하는 평면 렌즈(예: 도 1의 평면 렌즈(101))의 조합으로 이루어질 수 있다. 한 실시예에서, 상기 유닛 셀(123a, 123b)들은 각각의 상기 유전체 층(121a, 121b) 상에서 메타 표면(131, 132)을 형성할 수 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 상기 소스 안테나(101)는 기판층(111)과, 상기 기판층(111)에 배치되어 상기 기판층(111)의 일면(예: 도 2에서 상면)이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체(113)를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 방사 도체(113)는 상기 기판층(111)의 표면에 형성된 또는 상기 기판층(111)의 내부로 매립된 인쇄회로 패턴(예: 마이크로스트립(microstrip))으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 방사 도체(113) 또는 상기 방사 도체(113)를 형성하는 인쇄회로 패턴은 패치(patch) 안테나 구조, 슬롯(slot) 안테나 구조, 다이폴(dipole) 안테나 구조, 표준 혼(standard horn) 안테나 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도시되지는 않지만, 상기 기판층(111)에는 기준 전위를 제공하는 접지 평면 또는 상기 방사 도체(113)로 전력이나 무선 신호 등을 공급하는 집적회로 칩이 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 방사 도체(113)는 상기 기판층(111)에 배치된 또는 상기 기판층(111)과 전기적으로 연결된 집적회로 칩을 통해 급전 신호 등을 제공받아 유사 구면파를 방사할 수 있다.
도 2와 도 4를 참조하면, 상기 평면 렌즈(102)는, 상기 소스 안테나(101)와 마주보게 배치된 제1 유전체 층(121a)과, 상기 제1 유전체 층(121a)을 사이에 두고 상기 소스 안테나(101)와 마주보게 배치된 제2 유전체 층(121b)을 포함할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 제1 유전체 층(121a)은 도전체(conductive material)로 형성된 복수의 제1 유닛 셀(123a, 423)을 포함할 수 있다. 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들은 예를 들면, 5*5 매트릭스 형태로 배열될 수 있으며, 그 수나 배열 형태는 실시예에 따라 다양할 수 있다. 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들 중 하나(예: 참조번호 '423'으로 지시된 제1 유닛 셀)는, 상기 방사 도체(113)를 지나는 법선(예: 도 2의 법선(N)) 상에 배치되어 상기 방사 도체(113)와 직접 마주보게 배치될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들은 상기 제1 유전체 층(121a)의 일면에 형성되어 상기 소스 안테나(101)와 마주보게 배치될 수 있으며, 상기 제1 유전체 층(121a)의 일면에서 제1 메타 표면(131)을 형성할 수 있다. 이하의 상세한 설명에서는 '제1 유닛 셀(들)'에 대하여 대체로 참조번호 '123a'를 병기하여 설명할 것이나, 필요에 따라 '상기 법선(N) 상에 배치된 제1 유닛 셀'에 대해서는 참조번호 '423'이 병기될 수 있으며, '기준이 되는 제1 유닛 셀'이라 칭할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들의 일부는 다른 일부에 대하여 서로 다른 위상 변위 각(phase shift angle)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들 중 일부는 나머지 제1 유닛 셀과 다른 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 도 4에서, 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들은 대체로 십자가 형상을 가진 제1 도체 패턴(423a)과, 상기 제1 도체 패턴(423a)이 형성된 영역의 적어도 일부분을 둘러싸게 형성된 제2 도체 패턴(423b)을 포함할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)의 위치에 따라 상기 제1 도체 패턴(423a)의 크기가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 유전체 층(121a)의 일면에서 중앙부에 위치된 제1 유닛 셀(예: 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423))의 제1 도체 패턴(423a)은 다른 제1 유닛 셀(123a)들의 제1 도체 패턴(423a)보다 더 큰 폭 또는 더 큰 길이로 형성될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 제1 유전체 층(121a)의 일면에서 가장자리를 따라 배열된 제1 유닛 셀(123a)들은 서로 동일한 형상과 크기를 가지고 있지만, 나머지의 제1 유닛 셀(123a, 423)보다는 작은 크기의 제1 도체 패턴(423a)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 제1 유닛 셀(123a, 423) 또는 후술할 제2 유닛 셀(123b)들은 형상 또는 크기에 따라 입사된 전자기파에 대한 굴절율이 다를 수 있으며, 따라서 입사된 전자기파의 위상을 변경할 수 있다. 예컨대, 상기와 같은 유닛 셀(예: 상기 제1 유닛 셀(123a, 423) 또는 후술할 제2 유닛 셀(123b))들을 적절하게 배치함으로써, 상기 안테나 장치(100)(또는 상기 평면 렌즈(102))는 메타 표면(들)을 포함할 수 있으며, 상기와 같은 메타 표면(들)은 상기 소스 안테나(101)에서 방사된 유사 구면파를 평면파로 변환함으로써, 상기 안테나 장치(100)의 이득이나 부엽 레벨 등을 개선할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 유전체 층(121b)은 도전체로 형성된 복수의 제2 유닛 셀(123b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 유닛 셀(123b)들은 상기 제2 유전체 층(121b)의 일면에 형성되어 제2 메타 표면(132)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 유닛 셀(123b)들은 상기 소스 안테나와 대향하는(opposite to) 방향에서 상기 제2 메타 표면(132)을 형성할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 제2 유닛 셀(123b)들은 각각 상기 제1 유닛 셀(123a)들 중 하나와 상응하게 위치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 유닛 셀(123b)들 중 하나는 상기 방사 도체(113) 또는 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)과 함께 상기 법선(N) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 유닛 셀(123b)들의 형상이나 배열 등은 상기 제1 유닛 셀(123a)과 실질적으로 동일할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 평면 렌즈(102)는 공기층(air gap)(125)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 유전체 층(121a)과 상기 제2 유전체 층(121b)은 일정 정도의 간격을 두고 배치될 수 있으며, 상기 제1 유전체 층(121a)과 상기 제2 유전체 층(121b) 사이에 상기 공기층(125)이 형성될 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 평면 렌즈(102)는 상기 소스 안테나(101)로부터 적정한 거리 d(일반적으로, '초점 거리(focal length)')에 배치됨으로써, 상기 방사 도체(113)를 통해 생성된 유사 구면파를 평면파로 변환할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 소스 안테나(101)(예: 상기 기판층(111))가 지름 D를 가진 평판 형상이라 할 때, 상기 거리 d에 대한 지름 D의 비율은 2 이상, 3 이하의 범위를 만족할 수 있다. 예컨대, 상기 평면 렌즈(102)는 상기 소스 안테나(101)로부터 대략 D/2.25의 거리 d에 위치될 수 있다. 후술하겠지만, 51.7mm의 지름 D를 가진 소스 안테나와, 소스 안테나로부터 20~25mm의 거리 d에 평면 안테나를 배치한 시료를 제작하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 상기 안테나 장치(100))의 성능 등을 측정하였다. 어떤 실시예에서 상기 소스 안테나(101)는 대체로 한 변의 길이가 D인 정사각형 형상일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 메타 표면(131) 또는 제2 메타 표면(132)을 형성하는 유닛 셀(예: 상기 제1 유닛 셀(123a, 423) 또는 제2 유닛 셀(123b))은 상기 방사 도체(113)에 대한 상대적인 위치가 서로 다를 수 있다. 따라서 각각의 유닛 셀은 그 상대적인 위치에 따라 입사된 전자기파에 대하여 서로 다른 굴절율을 가짐으로써, 상기 평면 렌즈(102)가 유사 구면파를 평면파로 변환할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 메타 표면(예: 상기 제1 메타 표면(131) 또는 상기 제2 메타 표면(132))을 형성하기 위해, 각 유닛 셀은 입사된 전자기파에 대하여 다음의 [수학식 1]을 만족하는 굴절율을 가질 수 있다.
Figure pat00002
여기서, 'n(0)'는 상기 방사 도체(113)와 함께 상기 법선(N) 상에 위치하는 제1 유닛 셀, 예를 들면, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)의 굴절율이고, 'n(r)'은 상기 제1 메타 표면(131)에서, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)로부터 거리 r만큼 이격된 위치에 배치된 제1 유닛 셀(123a)의 굴절율이며, 'd'는 상기 소스 안테나(101)(예: 상기 기판층(111))과 상기 평면 안테나(102)(예: 상기 제1 유전체 층(121a)) 사이의 거리이고, 't'는 상기 평면 렌즈(102)의 두께로서, 예를 들면, 상기 제1 유전체 층(121a), 상기 제2 유전체 층(121b) 및 상기 공기층(125)의 두께의 합을 의미한다.
한 실시예에 따르면, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)으로부터 거리 r만큼 이격된 위치의 제1 유닛 셀(123a)이, 상기 방사 도체(113)에서 바라볼 때, 상기 법선(N)에 대하여 각도 φ 방향에 위치한다면, 거리 r은 d*tanφ로 산출될 수 있다. 예컨대, 각 유닛 셀(예: 상기 제1 유닛 셀(123a))은 입사된 전자기파에 대하여 다음의 [수학식 2]를 만족하는 굴절율을 가질 수 있다.
Figure pat00003
여기서, 'n(φ)'는 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀(123a)의 굴절율을 의미하며, 이상적인(ideal) 평면 렌즈 또는 메타 표면이라면, 입사된 전자기파에 대하여 기준이 되는 유닛 셀(예: 상기 제1 유닛 셀(423))의 굴절율은 '1'일 수 있다. 예컨대, 이상적인 평면 렌즈에서, 상기한 [수학식 1] 또는 [수학식 2]에서 'n(0)'는 '1'일 수 있으며, 따라서 각도 φ 방향에 위치하는 각 유닛 셀은 입사된 전파에 대하여 다음의 [수학식 3]을 만족하는 굴절율을 가질 수 있다.
Figure pat00004
예컨대, 상기 안테나 장치(100)에서 요구되는 조건을 만족하기 위해, 예를 들어, 유사 구면파를 평면파로 변환하는 평면 렌즈를 구현하기 위해, 각 유닛 셀은 그 위치에 따라 입사된 전자기파에 대한 굴절율 또는 위상이 서로 다르게 결정될 수 있다. 각 유닛 셀의 S-파라미터에 따라 이러한 굴절율의 요구 조건을 만족할 수 있다. 예를 들어, 각 유닛 셀의 굴절율은 다음의 [수학식 4]를 만족할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, 'k0'는 동작 주파수 f와 광속 c에 기반하여 산출되는 파수(wavenumber)로서,
Figure pat00006
이고, 'X'는 유닛 셀의 S-파라미터에 기반하여 산출되는 값으로서,
Figure pat00007
이다.
[수학식 4]를 만족하도록 유닛 셀의 S-파라미터가 결정되며, 이러한 S-파라미터에 기반하여 각각의 유닛 셀이 설계 또는 제작될 수 있다. S-파라미터가 결정되면, 유닛 셀의 설계 또는 제작은 다음과 같은 [수학식 5, 6, 7]을 만족하는 경계조건(periodic boudaaries condition) 하에서 이루어질 수 있다. 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치에서 유닛 셀의 설계 환경을 설명하기 위한 도면으로서, 아래 [수학식 5, 6, 7]에 따른 경계조건이 부여된 측정 환경 또는 시뮬레이션 환경을 나타내는 구성도이다.
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
다양한 실시예에 따르면, 상기 평면 렌즈(102), 예를 들어, 상기 제1 메타 표면(131) 또는 상기 제2 메타 표면(132)은, 상술한 [수학식 1, 2, 3]에 기반하여, 각 메타 표면(131, 132)에 포함되는 유닛 셀(예: 도 2의 제1 유닛 셀(123a)과 제2 유닛 셀(123b))들의 굴절율을 각각 결정한 후, [수학식 4]에 기반하여 각 유닛 셀의 굴절율을 만족하는 S-파라미터가 산출될 수 있다. 산출된 S-파라미터를 만족하는 유닛 셀의 형상이나 크기 등은 [수학식 5, 6, 7]에 기반한 경계조건 하에서 설계 또는 제작될 수 있다.
다른 실시예에서, 각기 다른 S-파라미터를 가진 유닛 셀들이 우선 설계 또는 제작된 상태에서, 상기 안테나 장치(100)의 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))가 설계될 수 있다. '평면 렌즈를 설계한다'라 함은 메타 표면을 형성하는 각 유닛 셀의 굴절율을 결정하는 과정을 포함하는 의미일 수 있다. 예컨대, 평면 렌즈를 설계하는 동안 상기 안테나 장치(100)에서 요구되는 조건에 따라 개별 유닛 셀의 굴절율이 결정될 수 있다. 메타 표면을 형성하는 개별 유닛 셀의 굴절율이 결정되면, 기 제작된 유닛 셀들(예: 각기 다른 S-파라미터를 가지는 유닛 셀들) 중에서 결정될 굴절율을 만족하는 유닛 셀을 선택하여 평면 렌즈 또는 유전체 층(예: 도 2의 제1 유전체 층(121a) 또는 제2 유전체 층(121b))에 배치하여 메타 표면을 형성할 수 있다.
이러한 과정을 통해 완성된 안테나 장치에 대하여, 최초 설계된 안테나 장치의 성능을 만족하는지 여부를 결정하기 위한 성능 측정이 이루어질 수 있다. 한 실시예에서, 성능 측정 결과, 요구된 조건 또는 성능을 만족하지 못한다면, 안테나 장치에 요구되는 성능을 만족할 때까지 상기와 같은 설계, 제작 또는 수정하는 과정이 반복될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))에서 소스 안테나와 평면 렌즈 사이의 거리에 따른 유닛 셀(들)의 굴절율을 나타내는 그래프이다.
도 6과 아울러, 도 4를 더 참조하면, 유닛 셀(예: 제1 유닛 셀(123a, 423))들 중, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)을 중심으로 나머지의 상기 제1 유닛 셀(123a)들이 상기 제1 유닛 셀(423) 주위에 배열되어 상술한 메타 표면(예: 도 2의 제1 메타 표면(131)과 제2 메타 표면(132))이 형성될 수 있다. 한 실시예에서, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)과 상기 메타 표면(131, 132)에서 가장자리를 따라 배열된 제1 유닛 셀(123a)(들)은 서로 다른 위상 변위 각(phase shift angle)을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)과 실질적으로 접하게 배치된 또 다른 제1 유닛 셀(123a)(들)은 또 다른 위상 변위 각을 가질 수 있다.
이러한 위상 변위 각 특성을 가지는 유닛 셀들의 조합으로 완성된 메타 표면 또는 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))의 위상 변위 각 분포는 다음의 [수학식 8]을 만족하는 포물선 프로파일(parabolic profile)을 가질 수 있다.
Figure pat00011
여기서, 'Φ(x, y)'는 원점으로부터 x 거리, y 거리에 위치한 제1 유닛 셀(123a)의 위상 변위 각(phase shift angle)이고, 'λ'는 동작 주파수 f의 파장이며, 'd'는 상기 기판층(111)과 상기 제1 유전체 층(121a) 사이의 간격이고, 'Φ0'는 기준이 되는 제1 유닛 셀(423)의 위상 변위 각을 의미할 수 있다.
아울러, [수학식 8]에서, '원점'이라 함은, 도 4에서, 상기 제1 유닛 셀(123a, 423)들이 배열된 평면에서 형성된 직교 좌표계의 원점을 의미할 수 있으며, 본 실시예에서 상기 원점은 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)이 위치된 지점을 의미할 수 있다. 아울러, 'x 거리'라 함은 상기 직교 좌표계에서 수평 축(X) 방향에서 상기 원점으로부터 지정된 유닛 셀까지의 거리를, 'y 거리'라 함은 상기 직교 좌표계에서 수직 축(Y) 방향에서 상기 원점으로부터 지정된 유닛 셀까지의 거리를 각각 의미할 수 있다. 한 실시예에 따르면, '
Figure pat00012
'는 실질적으로 상기 방사 도체(예: 도 2의 방사 도체(113))로부터 지정된 유닛 셀까지의 직선 거리를 의미할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))의 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))를 배치하기 전, 후의 S 파라미터를 측정하여 나타내는 그래프이다. 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))의 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))를 배치하기 전, 후의 E 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))의 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))를 배치하기 전, 후의 H 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))를 배치하기 전, 후의 S-파라미터, 예를 들면, 반사 계수에 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 예컨대, 상기 평면 렌즈(102)가 상기 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))의 동작 주파수에 미치는 영향은 미미할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 평면 렌즈(102)를 배치함으로써, 주엽(main lobe)에서의 이득은 대략 7dB 정도 향상될 수 있다. 이는, 상기 소스 안테나(101)의 지름 D에 대하여 상기 소스 안테나(101)와 상기 평면 렌즈(102)(예: 상기 제1 유전체 층(121a) 사이의 거리의 비율(ratio)이 0.44(예: D=51.7mm, d=23mm))로 설계된 안테나 장치의 성능을 측정한 것이다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 평면 렌즈(102)가 배치됨으로써, E-평면의 방사 패턴에서, 부엽 레벨(side lobe level)이 최대 14dB까지 증가함을 알 수 있다. 이러한 부엽 레벨의 증가는 다른 전자 부품이나 통신 장치(예: 안테나)와의 간섭을 유발할 수 있으며, 상기 안테나 장치(100)의 전력 효율을 저하시킬 수 있다. 메타 표면에서 영역 별로 위상 분포(phase distribution)나 진폭 분포(amplitude distribution)를 조절함으로써 이러한 부엽 레벨의 증가를 억제할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 더 참조하면, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)이 배치된 영역을 제1 영역이라 하고, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)과 실질적으로 접하는 제1 유닛 셀(123a)들이 배치된 영역을 제2 영역이라 하며, 메타 표면의 가장자리를 따라 제1 유닛 셀(123a)들이 배열된 영역을 제3 영역이라 할 때, 상기 제1 내지 제3 영역 중 선택된 영역에서 유닛 셀들의 위상 분포나 진폭 분포를 조절함으로써, 부엽 레벨의 증가를 억제할 수 있다. 이러한 위상 분포나 진폭 분포의 조절을 위해 유닛 셀(예: 도 4의 제1 유닛 셀(123a, 423a))의 형상을 변경할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))에서 유닛 셀(예: 도 4의 제1 유닛 셀(123a, 423))의 변형 예(1023)를 나타내는 평면도이다.
도 4의 제1 유닛 셀(123a, 423)은 제2 도체 패턴(423b)이 대체로 폐곡선을 이루는 형상을 가질 수 있다. 한 실시예에 따르면, 메타 표면의 제1 영역, 제2 영역 또는 제3 영역에서 위상 분포나 진폭 분포의 조절을 위해 유닛 셀이 변형될 수 있다. 도 10을 참조하면, 유전체 층(1021a)(예: 도 2의 제1 유전체 층(121a) 또는 제2 유전체 층(121b))에 형성된 상기 유닛 셀(1023)은 제1 도체 패턴(1023a)과, 상기 제1 도체 패턴(1023a)이 형성된 영역의 적어도 일부분을 둘러싸는 제2 도체 패턴(1023b)을 포함할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 제2 도체 패턴(1023b)은 적어도 하나의 슬롯(1025a)과, 적어도 하나의 도체부(1025b)를 포함하며, 상기 슬롯(1025a)과 상기 도체부(1025b)가 상기 제1 도체 패턴(1023a)이 형성된 영역을 둘러싸는 폐곡선 궤적을 따라 배열될 수 있다. 상기 슬롯(1025a)과 상기 도체부(1025b)가 각각 복수로 형성된다면, 서로 번갈아가며 배열될 수 있다. 도 10에서, 상기 도체부(1025b)의 한 단부와, 그에 인접하는 도체부(1025b)의 단부 사이에 약 0.5mm의 간격이 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 슬롯(1025a)의 폭이 대략 0.5mm일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유닛 셀(1023)은 도 4의 제1 유닛 셀(123a, 423)들 중 적어도 하나를 대체할 수 있다. 예를 들어, 제2 영역에서 위상 분포 또는 진폭 분포를 조절하고자 한다면, 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)과 실질적으로 접하는 제1 유닛 셀(123a)은 도 10의 유닛 셀(1023)로 대체될 수 있다. 위상 분포 또는 진폭 분포를 조절하고자 하는 영역 또는 유닛 셀은 제작된 안테나 장치의 동작 특성(예: E 평면 또는 H 평면에서의 방사 패턴)에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 본 실시예에서 개시하는 상기 제1 도체 패턴(1023a)이나 상기 제2 도체 패턴(1023b)의 형상이나 위치 관계가 본 발명을 한정하지 않음에 유의한다. 예를 들어, 상기 제1 도체 패턴(1023a)이나 상기 제2 도체 패턴(1023b)의 형상이나, 상기 슬롯(1025a) 또는 상기 도체부(1025b)의 수는 원하는 영역의 위상 분포나 진폭 분포를 고려하여 다양하게 설계 또는 제작될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))에서 유닛 셀의 변형 전, 후의 E 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))에서 유닛 셀의 변형 전, 후의 H 평면 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))에서 평면 렌즈의 배치 전, 후의 이득을 측정하여 나타내는 그래프이다.
다양한 실시예에 따르면, 도 10의 유닛 셀(1023)을, 예를 들어, 도 4에서 제2 영역에 배치된 제1 유닛 셀(예: 기준이 되는 상기 제1 유닛 셀(423)과 실질적으로 접하게 배치된 제1 유닛 셀(123a))을 대체하여 위상 분포 또는 진폭 분포를 조절할 수 있으며, 이를 통해 부엽 레벨의 증가를 억제할 수 있다. 도 11과 도 12를 참조하면, 변형된 유닛 셀(예: 도 10의 유닛 셀(1023))을 이용하여 메타 표면의 선택된 영역에서 위상 분포나 진폭 분포를 최적화함으로써, 부엽 레벨이 개선되고, 반치 빔폭(half power beam width)이 개선됨을 알 수 있다. 예를 들어, 메타 표면의 선택된 영역에서 위상 분포나 진폭 분포를 최적화함으로써, 부엽 레벨은 최대 25dB까지 개선었고, E 평면에서의 반치 빔폭은 94도 각도에서 37도 각도로, H 평면에서의 반치 빔폭은 93도 각도에서 38도 각도로 감소됨을 확인할 수 있었다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 평면 렌즈(예: 도 2의 평면 렌즈(102))를 배치함으로써 상기 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))의 이득이 대략 7dB까지 개선됨을 알 수 있다. 예컨대, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(100)는, 평면 렌즈(102)를 이용하여 주엽에서의 이득을 향상시키면서, 평면 렌즈(102)의 유닛 셀(예: 도 2의 제1 유닛 셀(123a)과 제2 유닛 셀(123b))을 이용하여 위상 분포나 진폭 분포의 최적화를 통해, 전력 효율이나 지향성 등을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치(예: 도 2의 안테나 장치(100))는, 기판층(예: 도 2의 기판층(111))과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체(radiating conductor)(예: 도 2의 방사 도체(113))를 포함하는 소스 안테나(source antenna)(예: 도 2의 소스 안테나(101))와, 상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈(planar lens)(예: 도 2의 평면 렌즈(102))를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 평면 렌즈는, 도전체(conductive material)로 형성된 복수의 제1 유닛 셀(first unit cell)(예: 도 2의 제1 유닛 셀(123a))을 포함하며 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제1 유전체 층(예: 도 2의 제1 유전체 층(121a))과, 도전체로 형성된 복수의 제2 유닛 셀(예: 도 2의 제2 유닛 셀(123b))을 포함하며 상기 제1 유전체 층을 사이에 두고 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제2 유전체 층(예: 도 2의 제2 유전체 층(121b))을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 평면 렌즈는, 상기 제1 유전체 층과 상기 제2 유전체 층 사이에 형성된 공기층(air gap)(예: 도 2의 공기층(125))을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 유닛 셀들은 상기 제1 유전체 층에서 상기 소스 안테나와 마주보는 면에 배치되어 메타 표면(metasurface)(예: 도 2의 제1 메타 표면(131))을 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 유닛 셀들은 상기 제2 유전체 층에서 상기 소스 안테나와 대향하는(opposite to) 면에 배치되어 메타 표면(예: 도 2의 제2 메타 표면(132))을 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 유닛 셀들은 각각 상기 제1 유닛 셀들 중 하나에 상응하게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선(예: 도 2의 법선(N))에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00013
여기서, 'n(φ)'는 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'n(0)'는 상기 방사 도체와 함께 상기 법선 상에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 't'는 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 각각의 두께 및 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 사이의 간격을 포함하는 두께를 의미할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00014
여기서, 'k0'는 동작 주파수 f와 광속 c에 기반하여 산출되는 파수(wavenumber)로서,
Figure pat00015
이고, 'X'는 제1 유닛 셀의 S-파라미터에 기반하여 산출되는 값으로서,
Figure pat00016
이다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 유닛 셀들 중 적어도 일부는 나머지 제1 유닛 셀과는 다른 위상을 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 유닛 셀들이 배열된 평면에 형성된 직교 좌표계로서, 기준이 되는 제1 유닛 셀을 원점으로 하는 상기 직교 좌표계에서, 상기 원점으로부터 수평 축 방향으로 x 거리, 수직 축 방향으로 y 거리에 위치한 제1 유닛 셀의 위상은 아래의 [조건식]을 만족하며,
상기 기준이 되는 제1 유닛 셀은 상기 방사 도체를 지나는 법선 상에 위치될 수 있다.
[조건식]
Figure pat00017
여기서, 'Φ(x, y)'는 상기 원점으로부터 x 거리, y 거리에 위치한 제1 유닛 셀의 위상 변위 각, 'λ'는 동작 주파수의 파장, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 'Φ0'는 기준이 되는 제1 유닛 셀의 위상 변위 각을 의미할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 도체는, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나 구조, 슬롯(slot) 안테나 구조, 다이폴(dipole) 안테나 구조, 표준 혼(standard horn) 안테나 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 기판층은 원형 또는 정사각형이며, 상기 기판층의 지름 또는 한 변의 길이가 D라 할 때, 상기 기판층과 상기 평면 렌즈 사이의 간격 d는 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00018
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 장치는, 기판층과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체를 포함하는 소스 안테나(source antenna); 및 상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈로서, 도전체(conductive material)로 형성된 복수의 제1 유닛 셀(first unit cell)로 이루어진 제1 메타 표면을 포함하며 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제1 유전체 층과, 도전체로 형성된 복수의 제2 유닛 셀로 이루어진 제2 메타 표면 포함하며 상기 제1 유전체 층을 사이에 두고 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제2 유전체 층을 포함하는 상기 평면 렌즈를 포함하고,
상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00019
여기서, 'n(φ)'는 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'n(0)'는 상기 방사 도체와 함께 상기 법선 상에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 't'는 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 각각의 두께 및 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 사이의 간격을 포함하는 두께일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00020
여기서, 'k0'는 동작 주파수 f와 광속 c에 기반하여 산출되는 파수(wavenumber)로서,
Figure pat00021
이고, 'X'는 제1 유닛 셀의 S-파라미터에 기반하여 산출되는 값으로서,
Figure pat00022
이다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 기판층은 원형 또는 정사각형이며, 상기 기판층의 지름 또는 한 변의 길이가 D라 할 때, 상기 기판층과 상기 평면 렌즈 사이의 간격 d는 아래의 [조건식]을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00023
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 메타 표면은 상기 소스 안테나를 바라보게 배치되고, 상기 제2 메타 표면은 상기 제1 메타 표면과 반대 방향을 바라보게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방사 도체는, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나 구조, 슬롯(slot) 안테나 구조, 다이폴(dipole) 안테나 구조, 표준 혼(standard horn) 안테나 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 유닛 셀 또는 상기 제2 유닛 셀은, 제1 도체 패턴과, 상기 제1 도체 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부분을 둘러싸게 형성된 제2 도체 패턴을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 도체 패턴은 상기 제1 도체 패턴이 형성된 영역을 둘러싸는 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 도체 패턴은, 적어도 하나의 슬롯과 적어도 하나의 도체부를 포함하며, 상기 슬롯과 상기 도체부는 상기 제1 도체 패턴이 형성된 영역을 둘러싸는 폐곡선 궤적을 따라 배열될 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100: 안테나 장치 101: 소스 안테나
102: 평면 렌즈 113: 방사 도체
121a: 제1 유전체 층 121b: 제2 유전체 층
123a: 제1 유닛 셀 123b: 제2 유닛 셀
131: 제1 메타 표면 132: 제2 메타 표면

Claims (20)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    기판층과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체(radiating conductor)를 포함하는 소스 안테나(source antenna); 및
    상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈(planar lens)를 포함하는 안테나 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 평면 렌즈는,
    도전체(conductive material)로 형성된 복수의 제1 유닛 셀(first unit cell)을 포함하며 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제1 유전체 층; 및
    도전체로 형성된 복수의 제2 유닛 셀을 포함하며 상기 제1 유전체 층을 사이에 두고 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제2 유전체 층을 포함하는 평면 렌즈를 포함하는 안테나 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 평면 렌즈는, 상기 제1 유전체 층과 상기 제2 유전체 층 사이에 형성된 공기층(air gap)을 더 포함하는 안테나 장치.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 제1 유닛 셀들은 상기 제1 유전체 층에서 상기 소스 안테나와 마주보는 면에 배치되어 메타 표면(metasurface)을 형성하는 안테나 장치.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 제2 유닛 셀들은 상기 제2 유전체 층에서 상기 소스 안테나와 대향하는(opposite to) 면에 배치되어 메타 표면을 형성하는 안테나 장치.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 제2 유닛 셀들은 각각 상기 제1 유닛 셀들 중 하나에 상응하게 배치된 안테나 장치.
  7. 제2 항에 있어서, 상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 다음의 [조건식 1]을 만족하는 안테나 장치.
    [조건식 1]
    Figure pat00024

    여기서, 'n(φ)'는 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'n(0)'는 상기 방사 도체와 함께 상기 법선 상에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 't'는 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 각각의 두께 및 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 사이의 간격을 포함하는 두께.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 다음의 [조건식 2]를 만족하는 안테나 장치.
    [조건식 2]
    Figure pat00025

    여기서, 'k0'는 동작 주파수 f와 광속 c에 기반하여 산출되는 파수(wavenumber)로서,
    Figure pat00026
    이고, 'X'는 제1 유닛 셀의 S-파라미터에 기반하여 산출되는 값으로서,
    Figure pat00027
    .
  9. 제2 항에 있어서, 상기 제1 유닛 셀들 중 적어도 일부는 나머지 제1 유닛 셀과는 다른 위상을 가지는 안테나 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제1 유닛 셀들이 배열된 평면에 형성된 직교 좌표계로서, 기준이 되는 제1 유닛 셀을 원점으로 하는 상기 직교 좌표계에서, 상기 원점으로부터 수평 축 방향으로 x 거리, 수직 축 방향으로 y 거리에 위치한 제1 유닛 셀의 위상은 다음의 [조건식 3]을 만족하며,
    상기 기준이 되는 제1 유닛 셀은 상기 방사 도체를 지나는 법선 상에 위치된 안테나 장치.
    [조건식 3]
    Figure pat00028

    여기서, 'Φ(x, y)'는 상기 원점으로부터 x 거리, y 거리에 위치한 제1 유닛 셀의 위상 변위 각(phase shift angle), 'λ'는 동작 주파수의 파장, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 'Φ0'는 기준이 되는 제1 유닛 셀의 위상 변위 각.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 방사 도체는, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나 구조, 슬롯(slot) 안테나 구조, 다이폴(dipole) 안테나 구조, 표준 혼(standard horn) 안테나 구조 중 적어도 하나를 포함하는 안테나 장치.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 기판층은 원형 또는 정사각형이며, 상기 기판층의 지름 또는 한 변의 길이가 D라 할 때, 상기 기판층과 상기 평면 렌즈 사이의 간격 d는 다음의 [조건식 4]를 만족하는 안테나 장치.
    [조건식 4]
    Figure pat00029

  13. 안테나 장치에 있어서,
    기판층과, 상기 기판층에 배치되어 상기 기판층의 일면이 향하는 방향으로 전자기파를 방사하는 방사 도체를 포함하는 소스 안테나(source antenna); 및
    상기 소스 안테나에서 방사된 유사 구면파(quasi spherical electromagnetic waves)를 평면파(plane wave)로 변환하는 평면 렌즈로서,
    도전체(conductive material)로 형성된 복수의 제1 유닛 셀(first unit cell)로 이루어진 제1 메타 표면을 포함하며 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제1 유전체 층; 및
    도전체로 형성된 복수의 제2 유닛 셀로 이루어진 제2 메타 표면 포함하며 상기 제1 유전체 층을 사이에 두고 상기 소스 안테나와 마주보게 배치된 제2 유전체 층을 포함하는 상기 평면 렌즈를 포함하고,
    상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 다음의 [조건식 5]를 만족하는 안테나 장치.
    [조건식 5]
    Figure pat00030

    여기서, 'n(φ)'는 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'n(0)'는 상기 방사 도체와 함께 상기 법선 상에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율, 'd'는 상기 기판층과 상기 제1 유전체 층 사이의 간격, 't'는 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 각각의 두께 및 상기 제1 유전체 층과 제2 유전체 층 사이의 간격을 포함하는 두께.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 방사 도체에서 바라볼 때, 상기 제1 유닛 셀들 중 상기 방사 도체를 지나는 법선에 대하여 각도 φ 방향에 위치하는 제1 유닛 셀의 굴절율은 다음의 [조건식 6]을 만족하는 안테나 장치.
    [조건식 6]
    Figure pat00031

    여기서, 'k0'는 동작 주파수 f와 광속 c에 기반하여 산출되는 파수(wavenumber)로서,
    Figure pat00032
    이고, 'X'는 제1 유닛 셀의 S-파라미터에 기반하여 산출되는 값으로서,
    Figure pat00033
    .
  15. 제14 항에 있어서, 상기 기판층은 원형 또는 정사각형이며, 상기 기판층의 지름 또는 한 변의 길이가 D라 할 때, 상기 기판층과 상기 평면 렌즈 사이의 간격 d는 다음의 [조건식 7]을 만족하는 안테나 장치.
    [조건식 7]
    Figure pat00034

  16. 제15 항에 있어서, 상기 제1 메타 표면은 상기 소스 안테나를 바라보게 배치되고, 상기 제2 메타 표면은 상기 제1 메타 표면과 반대 방향을 바라보게 배치된 안테나 장치.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 방사 도체는, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나 구조, 슬롯(slot) 안테나 구조, 다이폴(dipole) 안테나 구조, 표준 혼(standard horn) 안테나 구조 중 적어도 하나를 포함하는 안테나 장치.
  18. 제13 항에 있어서, 상기 제1 유닛 셀 또는 상기 제2 유닛 셀은,
    제1 도체 패턴; 및
    상기 제1 도체 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부분을 둘러싸게 형성된 제2 도체 패턴을 포함하는 안테나 장치.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 제2 도체 패턴은 상기 제1 도체 패턴이 형성된 영역을 둘러싸는 폐곡선 형상으로 형성된 안테나 장치.
  20. 제18 항에 있어서, 상기 제2 도체 패턴은, 적어도 하나의 슬롯과 적어도 하나의 도체부를 포함하며, 상기 슬롯과 상기 도체부는 상기 제1 도체 패턴이 형성된 영역을 둘러싸는 폐곡선 궤적을 따라 배열된 안테나 장치.
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