KR20210044729A - 액정 기반 주파수 가변 prs 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템은, 가변 주파수의 전파를 출력하는 패치 안테나; 상기 패치 안테나와 동일 평면 상에 배치되는 스크린; 상기 스크린 및 상기 패치 안테나로부터 정해진 거리만큼 이격되어 위치하며, 인가된 전압에 따라 유전율이 변화하는 액정을 포함하는 부분 반사 표면(PRS); 및 상기 부분 반사 표면에 전압을 인가하여 상기 액정의 유전율을 조정하기 위한 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 전파의 주파수 변화에 따라 상기 스크린과 상기 부분 반사 표면 사이의 거리가 공진 길이가 되도록 상기 액정의 유전율을 조정하는 것을 특징으로 한다. 실시예에 따르면, 주파수 변화에 대응하여 액정의 유전율 및 PRS의 반사 계수를 조정함으로써 다중 주파수에 대해서 동작 가능하며 안정적인 빔 출력과 고 이득 특성을 갖는 안테나 시스템을 구현할 수 있다.

Description

액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템{LIQUID CRYSTAL BASED FREQUENCY RECONFIGURABLE PRS ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 안테나 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액정 기반 PRS(Partial Reflective Surface)를 적용하여 다중 주파수에서 동작 가능한 고 이득 안테나 시스템에 관한 것이다.

최근 화두가 되고 있는 5G 통신 기술은 밀리미터파 대역 사용으로 eMBB(enhanced Mobile Broad Band), URLLC(Ultra Reliable and Low Latency Communication), mMTC(massive Machine Type Communications) 등의 특성을 달성할 것으로 예측된다. 하지만 이러한 밀리미터파 대역의 전파는 높은 직진성으로 인한 큰 경로 손실(Path Loss)을 가지므로 이를 극복하기 위해 고 이득 특성이 요구된다.

안테나의 이득은 방사되어 진행하는 전파가 큰 실효 방사 면적을 갖고 진행 단면에서 위상이 일정할수록 높다. 이러한 원리에 기초하여 안테나의 이득을 높이기 위해서 사용되는 방법으로는, 다수의 배열 안테나의 보강 간섭 배치를 이용하는 방법, 접시 형태의 반사경이나 렌즈를 통해 방사 진행 단면의 위상을 맞춰 주는 방법, 또는 PRS 구조를 이용해 안테나의 실효 방사 면적을 넓히는 방법 등이 존재한다.

PRS 안테나는 패치 안테나 위에 부분 반사 표면(Partial Reflecting Surface)을 배치하여 반복적인 반사가 일어나도록 하고 반사파의 위상을 매칭시켜 실효 방사 면적을 넓힐 수 있다. 이러한 시스템은 단일 패치 안테나와 공진 구조를 활용하므로 보다 낮은 복잡도를 가지면서 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 공진 구조를 활용하기 때문에 전파의 주파수가 조금만 달라져도 출력 특성이 크게 저하되는 단점이 있다.

PRS 안테나의 협대역 특성(미리 설계된 주파수 이외의 주파수를 활용하기 어려운 특성)을 극복하고 대역폭을 확장하기 위해 다층 구조의 PRS를 활용하거나 그라운드를 테이퍼링(Tapering)하는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방식들은 PRS 안테나의 장점(소형화 구조와 낮은 복잡도 등)을 상쇄시킨다. 따라서 기존의 장점을 유지하면서도 주파수 가변 특성을 갖는 PRS 안테나 시스템이 요구된다.

KR 10-2013-0098098

이에 본 발명은 액정 기반 PRS를 적용하여 소형화의 장점을 가지는 동시에 다중 주파수에서 동작 가능한 고 이득 안테나 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일 실시예에 따른 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템은, 가변 주파수의 전파를 출력하는 패치 안테나; 상기 패치 안테나와 동일 평면 상에 배치되는 스크린; 상기 스크린 및 상기 패치 안테나로부터 정해진 거리만큼 이격되어 위치하며, 인가된 전압에 따라 유전율이 변화하는 액정을 포함하는 부분 반사 표면(PRS); 및 상기 부분 반사 표면에 전압을 인가하여 상기 액정의 유전율을 조정하기 위한 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 전파의 주파수 변화에 따라 상기 스크린과 상기 부분 반사 표면 사이의 거리가 공진 길이가 되도록 상기 액정의 유전율을 조정하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 부분 반사 표면의 제1 부분은 상기 패치 안테나로부터 출력된 전파의 일부를 통과시키고 일부를 상기 스크린을 향해 반사하며, 상기 스크린은 상기 반사된 전파를 상기 부분 반사 표면의 제2 부분을 향해 반사하도록 구성되고, 이러한 반복적인 반사를 통해 안테나의 이득을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 부분 반사 표면은 이차원 배열된 복수의 유닛 셀들로 구성되며, 각각의 유닛 셀은 적어도 하나의 금속층 사이에 배치된 액정 및 상기 액정을 둘러싼 스페이서로 구성된 액정층을 포함하고, 상기 액정은 상기 금속층에 인가된 전압에 따라 유전율이 변화하는 유전율 이방성을 가질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 공진 길이는 상기 부분 반사 표면을 통과하는 각 전파 간 경로차에 의한 위상차가 0이 될 때의 스크린과 부분 반사 표면 사이의 거리를 나타낸다.

일 실시예에 따르면, 상기 스크린과 상기 부분 반사 표면 간의 거리는 제1 유전율을 갖는 액정층과 제1 주파수를 갖는 전파에 대해 공진 길이가 되도록 정해지고, 상기 전파의 주파수가 제2 주파수로 변경될 경우, 상기 제어부는 상기 액정층의 유전율을 제2 유전율로 조정하여 상기 거리가 제2 주파수에 대해 공진 길이가 되도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 액정층의 제1 유전율은 전압이 인가되지 않았을 때의 유전율을 나타낸다.

일 실시예에 따르면, 상기 부분 반사 표면의 반사 계수는 상기 액정층의 유전율에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 액정 기반 부분 반사 표면(PRS)을 적용하여 다중 주파수에서 동작 가능한 안테나 시스템이 제공된다. 기존의 PRS 안테나는 최초 설계시에 설정된 공진 길이를 기반으로 작동하므로 안테나의 출력 주파수가 조금만 변화해도 이득이 크게 저하되기 때문에 다른 주파수에서 동작하기 어려웠다. 실시예의 액정 기반 PRS 안테나 시스템에 따르면, 주파수 변화에 대응하여 액정의 유전율 및 PRS의 반사 계수를 조정함으로써 가변 주파수 환경에서도 안정적인 빔 출력과 고 이득 특성을 가질 수 있다. 또한, 단일 층의 PRS를 활용하는 구조이므로 낮은 복잡도를 가지면서 소형화가 가능하다.

도 1은 PRS 안테나 시스템의 기본적인 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 PRS에 금속 스트립과 평행한 방향의 전계가 입사하는 모습을 3차원 구조로 나타낸 것이며, 도 2b는 이를 등가회로 모델링하여 나타낸 것이다.
도 3a는 PRS에 금속 스트립과 수직한 방향의 전계가 입사하는 모습을 3차원 구조로 나타낸 것이며, 도 3b는 이를 등가회로 모델링하여 나타낸 것이다.
도 4a는 기존의 PRS 안테나 시스템에서 공진 길이와 매칭되는 주파수 대역에서의 안테나 빔 형태를 나타내며, 도 4b는 공진 길이와 매칭되지 않는 인접 주파수 대역에서의 안테나 빔 형태를 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
도 5a는 실시예에 따른 액정 기반 PRS를 구성하는 유닛 셀의 구조를 나타낸 것이고, 도 5b는 이를 등가회로 모델링하여 나타낸 것이다.
도 6a는 실시예에 따른 액정 기반 PRS 안테나 시스템에서 제1 유전율에서 공진 길이와 매칭되는 주파수 대역에서의 안테나 빔 형태를 나타내며, 도 6b는 제2 유전율에서 공진 길이와 매칭되는 인접 주파수 대역에서의 안테나 빔 형태를 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 실시예에 따른 액정 기반 PRS를 적용한 안테나 시스템의 구조를 나타낸 것이다.

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.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

기본적인 PRS 안테나 시스템의 구조

도 1은 PRS 안테나 시스템의 기본적인 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 시스템은 패치 안테나(10), 상기 패치 안테나(10)와 동일 평면 상에 배치되는 스크린(20), 그리고 상기 패치 안테나(10)와 스크린(20)으로부터 일정 거리만큼 이격되어 위치한 부분 반사 표면(Partial Reflective Surface; PRS)(30)으로 구성된다. 패치 안테나(10)로부터 방사되는 전계는

로 표현될 수 있고, 여기서

는 엘리멘트 패턴(element pattern)이다. 전파가 방사되어 부분 반사 표면(30)에 도달하게 되면 일부는 반사되고 일부는 투과하게 된다. 반사된 전파는 스크린(20)에 의해 다시 부분 반사 표면(30)을 향해 반사되며 또 다시 일부는 투과하고 일부는 반사되는 과정이 반복된다. 이 과정이 무한 평면 상에서 반복된다고 가정하면 도 1의

… 와 같이 다중 반사(multiple reflection)가 형성된다. 이 경우, 부분 반사 표면(PRS)의 반사 계수는

로 표현되고, PRS를 투과한 각 전계들은 수학식 1로 표현될 수 있다. 또한 이들의 합은 수학식 2로 표현 가능하다.

이 때 반사 계수의 크기는 1보다 작기 때문에 부분 반사 표면(PRS)을 투과한 전계들의 합

은

로 나타낼 수 있고, 따라서 전체 방사 구조의 이득은 수학식 3과 같이 표현 가능하다.

소스(패치 안테나)로부터 방사되는 전파가 보어사이트(Boresight) 방향(즉

)일 때 상기 수학식 3의 cos항이 1이 되며 최대의 이득(Gain) 향상이 이루어질 수 있다. 이러한 최대 이득 향상을 만드는 스크린(20)과 부분 반사 표면(30) 사이의 거리를 공진 길이(

)라 하고 수학식 4와 같이 표현할 수 있다. (N = 0, 1, 2, 3 )

공진 길이는 PRS 반사 계수의 위상에 의해 결정되며 최대 이득은 PRS 반사 계수의 크기에 따라 결정된다. 따라서 구조 설계를 위해서는 PRS 반사 계수의 위상과 크기 (

)가 결정되어야 하며 이는 PRS 표면의 패턴을 통해 조절된다.

금속 스트립의 임피던스 모델링은 잘 알려진 이론이다. 도 2a는 PRS에 금속 스트립과 평행한 방향의 전계가 입사하는 모습을 나타낸다. w, p는 각각 금속 스트립의 폭과 주기를 나타낸다. 만약 도 2a와 같이 두께가 0이고 무한히 배열된 금속 스트립과 평행한 방향으로 입사각 0도의 전계가 입사한다고 가정하면, 금속 스트립은 도 2b와 같은 등가 회로로 모델링 된다. 여기서 등가 회로 모델의 임피던스 값은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

이러한 등가 회로를 통해 반사 계수를 계산할 수 있고 수학식 6으로 나타낼 수 있다. 여기서,

이다.

도 3a는 PRS에 금속 스트립과 수직한 방향의 전계가 입사하는 모습을 나타낸다. d, p는 각각 금속 스트립의 간격과 주기를 나타낸다. 만약 도 3a와 같이 두께가 0이고 무한히 배열된 금속 스트립과 수직 방향으로 입사각 0도의 전계가 입사하게 된다면, 금속 스트립은 도 3b와 같은 등가 회로로 모델링 될 수 있다. 여기서 등가 회로 모델의 어드미턴스 값은 수학식 7와 같이 표현될 수 있다.

이러한 등가 회로를 통해 반사 계수를 계산할 수 있고 수학식 8로 나타낼 수 있다. 여기서,

이다.

수학식 6 및 수학식 8을 통해 특정 최대 이득과 공진 길이를 위한 PRS 패턴의 기하학적 파라미터들을 결정할 수 있다.

이와 같이 PRS 안테나 시스템에서는 다중 반사 전파들의 경로차에 의한 위상차를 0으로 만드는 공진 길이가 되도록 패치 안테나와 스크린, 부분 반사 표면(PRS)을 배치하며, 특정 주파수의 전파에 대해 최대 이득 향상을 달성할 수 있게 된다. 이러한 시스템은 단일 패치 안테나와 공진 구조를 활용하므로 보다 낮은 복잡도를 가지면서 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 주파수에 따라 PRS의 반사 계수와 공진 길이가 달라지기 때문에 전파의 주파수가 조금만 달라져도 출력 특성이 크게 저하되는 단점이 있다.

도 4a는 기존의 PRS 안테나 시스템에서 공진 길이와 매칭되는 주파수 대역의 안테나 빔 형태를 나타내며, 도 4b는 공진 길이와 매칭되지 않는 인접 주파수 대역의 안테나 빔 형태를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 도 4a에 도시된 것처럼 공진 길이와 매칭되는 주파수에 대해서는 안정적인 형태의 빔 출력을 나타내지만, 도 4b에 도시된 것처럼 인접 주파수에 대해서는 빔 출력이 매우 불안정해지고 최대 이득도 21.0dB에서 13.6dB까지 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

다중 주파수에서 동작 가능한 액정 기반 PRS 안테나 시스템의 구조

도 5a는 일 실시예에 따른 액정 기반 PRS를 구성하는 유닛 셀의 구조를 나타낸 것이다.

도 5a를 참조하면, 실시예에 따른 유닛 셀(300)은 액정층(301)을 중심으로 금속층(302), 기판층(303), 금속 스트립층(304)이 샌드위치 형태로 적층된 구조를 갖는다. 이러한 구조는 예시적인 것에 불과하며 액정층, 금속층 등 필수적인 구성요소가 포함된다면 각 층의 두께, 배치 구조, 셀의 너비 등은 임의의 형태로 선택될 수 있다.

액정층(301)은 본 발명의 핵심적인 기능을 수행하는 구성요소로서, 인가된 전압에 따라 유전율이 변화하는 유전율 이방성을 갖는 액정(Liquid Crystal)과 유동적인 액정을 가둬두기 위한 스페이서(Spacer)로 구성될 수 있다. 기존의 PRS 안테나 시스템에 적용되는 부분 반사 표면(PRS)의 유닛 셀들은 액정을 포함하지 않아 주파수 변화에 대응하여 PRS의 반사 계수를 조정할 수 없었으나, 실시예에 의하면 주파수 변화에 대응하여 액정층의 유전율 및 PRS의 반사 계수를 조정함으로써 동작 가능한 주파수를 추가할 수 있다.

금속층(302)은 액정층(301)을 위 아래로 커버하는데 유닛 셀(300)에 전압이 인가되면 금속층(302)에 전류가 흐르게 되고 이에 따라 형성된 전기장에 의해 액정층(301)의 액정 유전율이 조정된다. 기판층(303)은 유닛 셀의 구조를 지지하며 유전체로 이루어진다.

도 5b는 도 5a의 유닛 셀을 등가회로 모델링하여 나타낸 것이다. 회로 모델의 각 소자 성분은 구조의 기하학적 파라미터들로 표현 가능하며 수학식 9, 10과 같이 나타낼 수 있다.

도 5b의 회로 모델을 이용해 각 주파수와 매칭되는(즉, 스크린과 PRS의 간격을 공진 길이로 만드는) 액정의 유전율과 기하학적 파라미터들을 결정할 수 있다.

도 6a는 실시예에 따른 액정 기반 PRS 안테나 시스템에서 제1 유전율에서 공진 길이와 매칭되는 주파수 대역에서의 안테나 빔 형태를 나타내며, 도 6b는 제2 유전율에서 공진 길이와 매칭되는 인접 주파수 대역에서의 안테나 빔 형태를 나타낸 시뮬레이션 결과이다.

기존의 PRS 유닛 셀과 달리, 실시예의 액정 기반 PRS 유닛 셀은 소스로부터 방사되는 전파의 주파수 변화에 따라 액정층에 전압을 인가하여 액정의 유전율과 PRS의 반사 계수를 조정한다. 즉, 최초의 PRS 안테나 시스템은 전압이 인가되지 않은 제1 유전율에 기초하여 설계되지만, 주파수 변화에 따라 액정의 유전율을 제2 유전율로 조정함으로써 안테나 이득의 손실을 최소화하고 안정적인 빔 출력이 가능하게 한다.

도 4b와 도 6b의 시뮬레이션 결과를 비교해보면, 최초 공진 길이와 매칭되는 주파수가 아닌 인접 주파수에 대해, 유전율 조정이 불가한 기존의 PRS 유닛 셀은 도 4b와 같이 빔 출력이 불안정해지고 최대 이득이 크게 감소하는 모습을 보였으나(21dB → 13.6dB), 실시예에 따른 액정 기반 PRS 유닛 셀은 도 6b와 같이 빔 출력이 안정적이며 최대 이득도 도 4b에 비해 크게 감소하지 않은 모습을 보여준다(21dB → 18.9dB).

도 7은 일 실시예에 따른 액정 기반 PRS를 적용한 안테나 시스템의 구조를 나타낸 것이다. 가변 주파수의 전파를 출력하는 패치 안테나(10)가 배치되고, 상기 패치 안테나(10)와 동일 평면 상에 반사를 위한 스크린(20)이 배치된다. 스크린의 가로세로 길이는 예컨대 72mm x 72mm로 설정될 수 있다. 부분 반사 표면(30)은 스크린(20)과 일정 거리만큼(예컨대, 7.38mm) 이격되어 위치하며, 액정층을 포함하는 유닛 셀들(300)의 이차원 배열로 구성된다.

제어부(40)는 부분 반사 표면(30)에 전압을 인가하여 상기 액정의 유전율을 조정하며, 상기 전파의 주파수 변화에 따라 스크린(20)과 상기 부분 반사 표면(30) 사이의 거리가 공진 길이가 되도록 액정의 유전율을 조정하도록 구성된다. 제어부(40)는 주파수 변화에 따라 안테나 이득이 최대가 되도록 자동으로 전압의 크기를 조정하도록 구성되거나, 사용자가 임의로 전압의 크기를 제어할 수도 있다.

이러한 구조의 PRS 안테나 시스템에 의하면, 주파수 변화에 대응하여 액정의 유전율 및 PRS의 반사 계수를 조정함으로써 가변 주파수 환경에서도 안정적인 빔 출력과 고 이득 특성을 가질 수 있다. 또한, 단일 층의 PRS를 활용하는 구조이므로 낮은 복잡도를 가지면서 소형화가 가능한 안테나 시스템을 설계할 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.

10: 패치 안테나
20: 스크린
30: 부분 반사 표면(PRS)
40: 제어부
300: 액정 기반 유닛 셀
301: 액정층
302: 금속층
303: 기판층
304: 금속 스트립층

Claims (7)

1. 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템으로서,
   가변 주파수의 전파를 출력하는 패치 안테나;
   상기 패치 안테나와 동일 평면 상에 배치되는 스크린;
   상기 스크린 및 상기 패치 안테나로부터 정해진 거리만큼 이격되어 위치하며, 인가된 전압에 따라 유전율이 변화하는 액정을 포함하는 부분 반사 표면(PRS); 및
   상기 부분 반사 표면에 전압을 인가하여 상기 액정의 유전율을 조정하기 위한 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는 상기 전파의 주파수 변화에 따라 상기 스크린과 상기 부분 반사 표면 사이의 거리가 공진 길이가 되도록 상기 액정의 유전율을 조정하는 것을 특징으로 하는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 부분 반사 표면의 제1 부분은 상기 패치 안테나로부터 출력된 전파의 일부를 통과시키고 일부를 상기 스크린을 향해 반사하며, 상기 스크린은 상기 반사된 전파를 상기 부분 반사 표면의 제2 부분을 향해 반사하도록 구성되고, 이러한 반복적인 반사를 통해 안테나의 이득을 향상시키는 것을 특징으로 하는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 부분 반사 표면은 이차원 배열된 복수의 유닛 셀들로 구성되며,
   각각의 유닛 셀은 적어도 하나의 금속층 사이에 배치된 액정 및 상기 액정을 둘러싼 스페이서로 구성된 액정층을 포함하고,
   상기 액정은 상기 금속층에 인가된 전압에 따라 유전율이 변화하는 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 공진 길이는 상기 부분 반사 표면을 통과하는 각 전파 간 경로차에 의한 위상차가 0이 될 때의 스크린과 부분 반사 표면 사이의 거리를 나타내는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 스크린과 상기 부분 반사 표면 간의 거리는 제1 유전율을 갖는 액정층과 제1 주파수를 갖는 전파에 대해 공진 길이가 되도록 정해지고,
   상기 전파의 주파수가 제2 주파수로 변경될 경우, 상기 제어부는 상기 액정층의 유전율을 제2 유전율로 조정하여 상기 거리가 제2 주파수에 대해 공진 길이가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 액정층의 제1 유전율은 전압이 인가되지 않았을 때의 유전율인 것을 특징으로 하는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 부분 반사 표면의 반사 계수는 상기 액정층의 유전율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 액정 기반 주파수 가변 PRS 안테나 시스템.

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