KR20220030883A

KR20220030883A - 스마트폰 안테나용 메타표면 및 이를 구비한 스마트폰 장치

Info

Publication number: KR20220030883A
Application number: KR1020210107229A
Authority: KR
Inventors: 오정석; 정재백
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2022-03-11

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰 안테나용 메타표면은, 스마트폰 커버 케이스와 패치형 배열 안테나 사이에 위치하며, 복수의 직사각형 개구부가 형성된 이차원 격자 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 실시예에 따른 메타표면을 스마트폰 장치에 삽입함으로써, 5G 기술에서 요구하는 대역폭을 만족시키면서 안테나의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

스마트폰 안테나용 메타표면 및 이를 구비한 스마트폰 장치{METASURFACE FOR SMARTPHONE ANTENNA AND SMARTPHONE DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 스마트폰 안테나용 메타표면 및 이를 구비한 스마트폰 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스마트폰에 내장된 5G 밀리미터파 패치 안테나의 이득을 증가시키기 위해 비균일 그리드 형태로 설계된 메타표면과 상기 메타표면이 내장된 스마트폰 장치에 관한 것이다.

5G 기술이란 4세대 이동통신의 다음 단계 기술로서, 저속 광역망인 6GHz 이하 주파수 대역과 초고속 근거리망에 사용되는 24GHz 이상의 주파수 대역을 사용하는 통신 기술로 분류될 수 있다. 현재는 24GHz 이상의 주파수 대역을 사용하는 FR2 서비스는 아직 상용화되지 않았으며 6GHz 이하 주파수 대역을 사용하는 Sub-6GHz가 서비스되고 있다.

밀리미터파 대역에서는 기존 5G 주파수(26.5-28.9GHz)에 추가적인 대역폭 확대 상용화를 계획하는 '5G플러스' 프로젝트가 진행되고 있는데, 밀리미터파 5G의 경우 Sub-6GHz 대비 손실이 매우 크고 빔이 얇아 커버리지 확보가 어렵다. 반면 동작 대역폭과 커버리지를 위한 요구사항은 점점 높아지고 있어 글로벌 IT 기업들은 안테나 온 패키지 신기술 개발에 몰두하고 있다.

한편, 메타표면(meta-surface)은 최대 성능이 고정된 안테나의 이득을 증가시키거나 최소한의 손실로 빔을 조향하기 위해 적용된 기술로서, 이 분야에서는 주로 유전체와 금속 패치로 구성된 단위 셀이 기판 위에 2차원으로 배열된 평면 구조체로 설계된다. 드론 또는 차량용 레이더에서 활용되는 10GHz 이상의 주파수 대역에서 메타표면 기술을 적용한 사례들은 다수 존재하나, 밀리미터파 5G 스마트폰 안테나에 이러한 메타표면을 적용한 사례는 드문 실정이다.

스마트폰 내장 안테나로부터 출력된 전파 신호는 공기 중으로 바로 방사되지 않고 안테나를 보호하는 유전체와 강화 유리 성분의 커버 케이스를 거쳐 방사되는데, 기존의 통신 주파수에 비해 고주파인 밀리미터파의 특성상 유전체와 강화 유리가 안테나 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 기존의 스마트폰 안테나와 동작 환경이 상이하여 메타표면 구조의 설계가 쉽지 않다.

따라서 밀리미터파 5G 스마트폰 안테나에 메타표면 기술을 적용하기 위해서는 유전체와 강화 유리 재질의 커버 케이스의 구조를 고려하여 설계 안테나와 실제 안테나의 성능 차이를 최소화할 필요가 있다.

KR

10-2016-0010264

A

본 발명의 목적은, 스마트폰에 내장된 5G 밀리미터파 패치 안테나의 이득을 증가시키기 위해 스마트폰의 유전체와 강화 유리 커버 케이스를 고려하여 설계된 메타표면 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 메타표면을 구비함으로써 설계 안테나와 실제 안타네 사이의 성능 차이를 줄이고, 5G 기술에서 요구하는 대역폭을 만족시키면서 안테나의 성능이 향상된 스마트폰 장치를 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 스마트폰 안테나용 메타표면은, 스마트폰 커버 케이스와 패치형 배열 안테나 사이에 위치하며, 상기 안테나의 이득을 증가시키고, 복수의 직사각형 개구부가 형성된 이차원 격자 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수의 직사각형 개구부 각각은, 가로 및 세로 길이가 서로 다른 비대칭 구조로 설계될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 패치형 배열 안테나를 구성하는 안테나 소자들은 각각 서로 다른 능동 반사 계수를 가지고, 상기 직사각형 개구부의 가로 및 세로 길이는, 각각의 개구부 아래에 위치한 안테나 소자들의 특성에 따라 결정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 메타표면의 두께는 15 ㎛ 이하로 설정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 안테나의 동작 대역폭은 26.1GHz 내지 29.6GHz로 설정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 메타표면과 상기 패치형 배열 안테나 사이에는 유전체가 위치하며, 상기 스마트폰 커버 케이스는 강화 유리 성분을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 안테나는 상기 유전체와 상기 스마트폰 커버 케이스의 구성 물질 및 두께에 따른 전파의 반사 및 굴절 경로를 고려하여 설계될 수 있다.

일 실시예에 따른 안테나용 메타표면을 구비한 스마트폰 장치는, 스마트폰 본체; 상기 스마트폰 본체의 일면에 내장된 패치형 배열 안테나; 상기 패치형 배열 안테나 상에 위치한 유전체; 상기 유전체 상에 위치한 스마트폰 안테나용 메타표면; 및 상기 메타표면을 덮은 채로 상기 스마트폰 본체에 고정되는 커버 케이스를 포함하며, 상기 메타표면은 복수의 직사각형 개구부가 형성된 이차원 격자 구조를 가지며, 상기 안테나의 이득을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스마트폰에 내장된 5G 밀리미터파 패치 안테나의 이득을 증가시키기 위해 스마트폰의 유전체와 강화 유리 커버 케이스를 고려하여 설계된 메타표면이 제공될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 스마트폰의 유전체와 강화 유리를 고려하여 설계된 안테나 및 메타표면 구조를 통해 5G 기술에서 요구하는 대역폭을 만족시키면서 안테나의 성능이 향상된 스마트폰 장치가 제공될 수 있다.

본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 도면의 일부 구성요소들에 대한 표현이 과장되거나 생략될 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 메타표면이 실장된 스마트폰 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 메타표면이 실장된 스마트폰 장치의 후면으로부터 신호가 방사되는 모습을 도식화한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 메타표면, 패치 안테나, 유전체 및 스마트폰 커버 케이스의 결합 구조를 측면에서 바라본 것이다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 패치형 배열 안테나의 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이차원 격자 구조를 갖는 메타표면과 그 아래에 위치한 패치형 배열 안테나를 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 패치형 배열 안테나에 있어서 안테나 소자 별로 능동 반사 계수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 메타표면이 실장되지 않은 스마트폰 장치의 안테나 이득을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 일 실시예에 따른 메타표면이 실장된 스마트폰 장치의 안테나 이득을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

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 밝혀 두고자 한다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 스마트폰 안테나용 메타표면 및 이를 구비한 스마트폰 장치의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.

도 1a는 일 실시예에 따른 메타표면이 실장된 스마트폰 장치의 구조를 나타낸 것이다. 실시예에 따른 스마트폰 장치는, 스마트폰 본체(1), 상기 스마트폰 본체(1)의 일면에 내장된 패치형 배열 안테나(2), 상기 패치형 배열 안테나(2) 상에 위치한 유전체(3), 상기 유전체(3) 상에 위치한 스마트폰 안테나용 메타표면(4), 및 상기 메타표면(4)을 덮은 채로 상기 스마트폰 본체(1)에 고정되는 커버 케이스(5)를 포함한다.

도 1b는 일 실시예에 따른 메타표면이 실장된 스마트폰 장치의 후면으로부터 신호가 방사되는 모습을 도식화한 것이다. 도시된 것처럼, 스마트폰에 내장된 안테나로(2)부터 출력된 신호는 유전체(3), 메타표면(4), 그리고 커버 케이스(5)를 통과한 후 공기 중으로 방사된다.

스마트폰 본체(1)는 무선 통신이 가능한 기기로서 내장된 안테나를 통해 외부기기와 통신하여 신호 및 데이터를 주고받을 수 있다. 신호의 송수신을 위한 안테나와 통신 모듈을 구비하며, 안테나를 통해 전파 신호를 스마트폰의 외부로 신호를 방사하거나 외부로부터 신호를 수신할 수 있다.

본 명세서에서는 스마트폰(smartphone)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 특정 형태의 기기나 전화기만을 의미하는 것은 아니며, 안테나와 통신 모듈을 이용하여 외부기기와 무선 통신이 가능한 모든 형태의 전자기기를 포함한다. 예컨대, 5G 밀리미터파 통신이 가능한 태블릿 PC, 랩톱 PC, 웨어러블 디바이스 등 다양한 형태의 통신 단말기가 스마트폰의 개념에 포함될 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 스마트폰 장치의 일부 구성요소들을 측면에서 바라본 분해도다. 도시된 것처럼 패치 안테나(2), 유전체(3), 메타표면(4) 및 스마트폰 커버 케이스(5)가 차례로 결합된다.

도 3a는 일 실시예에 따른 패치형 배열 안테나의 구조를 나타낸 것이다. 패치형 배열 안테나(2)는 복수의 안테나 소자들(21, 22, 23, 24)이 얇은 기판 위에 배열된 형태의 안테나로서, 각각의 안테나 소자들이 상이한 능동 반사 계수를 갖는 비대칭 구조로 설계될 수 있다. 도 3a는 1x4 배열 안테나를 도시하고 있으나 이는 예시에 불과하며 이보다 많거나 적은 수의 안테나 소자가 1차원 또는 2차원 구조로 배열될 수 있다.

도 3b는 일 실시예에 따른 패치형 배열 안테나(2)의 구조를 위에서 바라본 것이다. 실시예에 따르면, 전체 안테나의 면적은 4 x 22 mm², 두께는 약 0.78 mm로 설정될 수 있다. 게인(Gain) 특성을 향상시키기 위하여 배열 안테나 형식으로 안테나 단을 설계할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 패치 안테나의 동작 대역폭은 약 26.1GHz 내지 29.6GHz 로서, 5G 밀리미터파 주파수 대역인 24.5 내지 29.5GHz 이내에서 3GHz 이상을 만족하는 사양으로 설정될 수 있다.

또한, 안테나 소자들(21, 22, 23, 24)은 각각 유전체(3)와 스마트폰 커버 케이스(5)의 구성 물질 및 두께에 따른 전파의 반사 및 굴절 경로를 고려하여 설계될 수 있다.

유전체(3)는 유전 물질로 구성된 층으로서 패치 안테나 위에 배치되어 안테나를 보호한다. 통상적인 스마트폰 본체의 두께가 약 7 mm 정도인 것을 고려하여, 유전체(3)는 약 1 mm정도의 두께로 설정될 수 있다.

메타표면(4)은 안테나(2)로부터 출력된 전파와의 상호작용을 통해 안테나의 이득을 향상시키기 위한 구성요소로서, 유전체(3)와 커버 케이스(5) 사이에 위치한다. 도 2에 도시된 것처럼, 다른 구성요소에 비해 매우 얇은 두께로 설계될 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 이차원 격자 구조를 갖는 메타표면과 그 아래에 위치한 패치형 배열 안테나를 나타낸다. 도시된 것처럼 메타표면(4)은 복수의 직사각형 개구부(41)가 형성된 이차원 격자(grid) 구조로 설계될 수 있고, 유도성(inductive) 격자 구조를 이용해 안테나의 이득을 향상시키도록 기능한다. 실시예에 따른 이차원 메타표면을 삽입할 경우 안테나 이득이 동작 주파수 내 최고 12.4 dB을 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

도 4를 참조하면, 메타표면(4)은 패치 배열 안테나의 안테나 소자들 바로 위에 위치하며, 격자의 개구부(41)의 가로 길이(l ₁), 세로 길이(l ₃), 인접한 격자의 가로 길이(l ₂), 격자의 폭(s) 등 설계 파라미터의 크기가 서로 다른 비균일(비대칭) 구조로 제작될 수 있다. 배열 안테나가 아닌 단일 안테나일 경우 메타표면의 구조를 균일한 형태로 설계할 수 있지만, 주파수 대역에 따라 패치간 거리가 일반적으로 지정되어 있는 배열 안테나의 경우 패치간 거리를 고려하면 도 4와 같이 비균일한 구조로 될 수 있다. 또한, 각 개구부의 가로 및 세로 길이는 각각의 개구부 아래에 위치한 안테나 소자들의 특성을 고려하여 결정될 수 있다.

메타표면은 단일 편파의 패치 안테나뿐 아니라 원형 편파를 가지는 원형 모양의 패치 안테나, 이중 편파의 패치 안테나에도 적용이 되므로 실용성이 매우 높다. 따라서 격자 구조의 메타표면뿐만 아니라 다양한 패턴을 가지는 메타표면을 적용함으로써 다양한 종류의 패치 안테나의 성능을 개선하는 것이 가능하다.

커버 케이스(5)는 스마트폰 본체(1)에 삽입된 안테나(2)와 메타표면(4)을 덮어 보호하며, 강화 유리와 같이 전파에 대해 투과성을 가지면서도 강도가 높은 물질로 구성될 수 있다. 스마트폰 안테나로부터 출력되는 신호는 유전체뿐만 아니라 강화 유리 재질의 커버 케이스를 통과하는데, 이는 5G 밀리미터파와 같은 고주파 신호의 전파에 큰 영향을 미칠 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 패치형 배열 안테나(1x4 배열 안테나)에 있어서 안테나 소자 별로 능동 반사 계수를 나타낸 그래프이다. 그래프를 통해 알 수 있듯이, 패치 #1, #4는 패치 #2, #3과 비대칭적 구조이므로 능동 반사 계수 값이 서로 다르다. 여기서, 안테나의 동작 대역폭은 능동 반사 계수의 값이 모두 -10 dB 이하일 경우의 주파수 대역으로 설정하였으며, 도 5의 그래프를 통해 알 수 있는 안테나 동작 대역폭은 26.1 내지 29.6GHz 로서 5G 밀리미터파 주파수 대역인 24.5 내지 29.5GHz 이내에서 3GHz 이상을 만족한다.

도 6은 메타표면이 실장되지 않은 스마트폰 장치의 안테나 이득을 나타낸 시뮬레이션 결과이며, 도 7은 일 실시예에 따른 메타표면이 실장된 스마트폰 장치의 안테나 이득을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.

각각의 시뮬레이션 결과로부터 동작 대역 내의 주파수인 26.5GHz, 28GHz, 29.5GHz 에서의 최대 이득(Max Gain) 값을 비교할 수 있다. 도 6의 (a)와 도 7의 (a)를 비교하면, 26.5GHz 대역에서는 10.1 dB에서 10.7 dB로 0.6 dB의 이득 향상이 있음을 알 수 있고, (b)를 비교하면 28GHz 대역에서는 10.47 dB에서 11.6 dB로 1.13 dB의 이득 향상이 있음을 알 수 있으며, (c)를 비교하면 29.5GHz 대역에서는 9.7 dB에서 12.4 dB로 2.7 dB의 이득 향상이 있음을 알 수 있다. 즉, 실시예에 따른 이차원 메타표면을 삽입함으로써 안테나 이득이 동작 주파수 내 최고 12.4 dB로 증가하며, 성능이 향상됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 실시예에 따르면, 스마트폰에 내장된 5G 밀리미터파 패치 안테나의 이득을 증가시키기 위해 스마트폰의 유전체와 강화 유리 커버 케이스를 고려하여 설계된 메타표면이 제공된다. 또한, 스마트폰의 유전체와 강화 유리를 고려하여 설계된 안테나 및 메타표면 구조를 통해 5G 기술에서 요구하는 대역폭을 만족시키면서 안테나의 성능이 향상된 스마트폰 장치가 제공된다.

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.

1: 스마트폰 본체
2: 패치형 배열 안테나
3: 유전체
4: 메타표면
5: 스마트폰 커버 케이스
21, 22, 23, 24: 안테나 소자

Claims

스마트폰 커버 케이스와 패치형 배열 안테나 사이에 위치하며,
상기 안테나의 이득을 증가시키고,
복수의 직사각형 개구부가 형성된 이차원 격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
제1항에 있어서,
상기 복수의 직사각형 개구부 각각은, 가로 및 세로 길이가 서로 다른 비대칭 구조인 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
제2항에 있어서,
상기 패치형 배열 안테나를 구성하는 안테나 소자들은 각각 서로 다른 능동 반사 계수를 가지고,
상기 직사각형 개구부의 가로 및 세로 길이는, 각각의 개구부 아래에 위치한 안테나 소자들의 특성에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
제1항에 있어서,
상기 메타표면의 두께는 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
제1항에 있어서,
상기 안테나의 동작 대역폭은 26.1GHz 내지 29.6GHz 인 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
제1항에 있어서,
상기 메타표면과 상기 패치형 배열 안테나 사이에는 유전체가 위치하며,
상기 스마트폰 커버 케이스는 강화 유리 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
제6항에 있어서,
상기 안테나는 상기 유전체와 상기 스마트폰 커버 케이스의 구성 물질 및 두께에 따른 전파의 반사 및 굴절 경로를 고려하여 설계된 것을 특징으로 하는, 스마트폰 안테나용 메타표면.
안테나용 메타표면을 구비한 스마트폰 장치로서,
스마트폰 본체;
상기 스마트폰 본체의 일면에 내장된 패치형 배열 안테나;
상기 패치형 배열 안테나 상에 위치한 유전체;
상기 유전체 상에 위치한 스마트폰 안테나용 메타표면; 및
상기 메타표면을 덮은 채로 상기 스마트폰 본체에 고정되는 커버 케이스를 포함하며,
상기 메타표면은 복수의 직사각형 개구부가 형성된 이차원 격자 구조를 가지며, 상기 안테나의 이득을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 안테나용 메타표면을 구비한 스마트폰 장치.