KR20230144405A - 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치 및 방법 - Google Patents

메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면; 및 상기 메타표면에 배치되는 소스안테나;를 포함하고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀 각각은 정사각형이고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀은 체스보드 배치되어 상기 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 후 위상이 복수로 되어 다중 빔 집속이 이루어지도록 하는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치가 제공된다.

Description

메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치 및 방법{MULTI BEAM FOCUSING APPARATUS AND METHOD USING CHESSBOARD ARRANGEMENT OF METASURFACE UNIT CELL}
본 발명의 실시예들은 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치 및 방법에 관한 것이다.
근거리장 통신(Near Field Communication; NFC)은 낮은 송신 전력, 짧은 통신 거리 및 높은 보안성 때문에, NFC는 물류, 결제, 재정 및 창고 관리 및 기타 등등과 같은 산업 분야에서 널리 이용되어 왔지만 원거리장 통신을 하려면 모듈을 추가하여 활용해야 하는 문제점이 있다.
또한, 정보통신의 발전으로 많은 양의 데이터가 무선기반을 활용하여 사용되고 있으며, 마이크로파 무선전력 전송기술이나 5G 무선통신기술에서는 고이득을 위하여 점점 더 안테나의 크기를 키움에 따라 형성되는 자기장의 크기가 증가하게 되었다.
이에 따라, 안테나의 동작범위는 근거리장 영역과 원거리장 영역이 동시에 모두 존재하게 되었다.
이를 위하여 동시에 다중 빔 집속하는 장치의 개발이 필요한데 종래의 경우에는 다중 빔 집속을 위하여 복잡한 투과위상 계산이 필요하며 원거리 및 근거리에 따른 종방향으로 다중 빔 집속은 가능했지만 횡방향으로 다중 빔 집속을 하는 것은 불가능하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0092074호 (2019.08.07.)
본 발명의 실시예들은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 유닛셀의 단순 배치를 통해 다중 빔 집속을 할 수 있는 다중 빔 집속 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 종방향 뿐만 아니라 횡방향 다중 빔 집속도 가능한 다중 빔 집속 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면; 및 상기 메타표면에 배치되는 소스안테나;를 포함하고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀 각각은 정사각형이고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀은 체스보드 배치되어 상기 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 후 위상이 복수로 되어 다중 빔 집속이 이루어지도록 하는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치가 제공된다.
상기 다중 빔 집속은 횡방향 듀얼(dual) 빔 집속이고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀은 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 제 2 군의 메타표면 유닛셀을 포함하며, 상기 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 상기 제 2 군의 메타표면 유닛셀은 서로 교차배치될 수 있다.
상기 다중 빔 집속은 종방향 듀얼 빔 집속이고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀은 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 제 2 군의 메타표면 유닛셀을 포함하며, 상기 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 상기 제 2 군의 메타표면 유닛셀은 서로 교차배치될 수 있다.
상기 다중 빔 집속은 횡방향 트리플(triple) 빔 집속이고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀은 제 1 군의 메타표면 유닛셀, 제 2 군의 메타표면 유닛셀 및 제 3 군의 메타표면 유닛셀을 포함하며, 상기 제 1 군의 메타표면 유닛셀, 상기 제 2 군의 메타표면 유닛셀 및 상기 제 3 군의 메타표면 유닛셀은 서로 교차배치될 수 있다.
상기 메타표면 유닛셀은, 정사각형의 유전체 및 상기 유전체 내에 형성되는 도전체를 포함할 수 있다.
상기 메타표면 유닛셀에서의 투과안테나의 투과 후 위상은 상기 도전체의 회전 각도에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면에 소스안테나의 전파를 투과시켜 다중 빔 집속이 이루어지고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀 각각은 정사각형이고, 상기 복수의 메타표면 유닛셀은 체스보드 배치되어 상기 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 위상이 복수로 되어 다중 빔 집속이 이루어지도록 하는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유닛셀의 단순 배치를 통해 다중 빔 집속을 할 수 있는 다중 빔 집속 장치 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 종방향 뿐만 아니라 횡방향 다중 빔 집속도 가능한 다중 빔 집속 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 메타표면을 이용한 빔 제어 방식을 나타내는 도면
도 2는 기존의 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 후 위상과 빔집속의 위치 관계(도 2(a)) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 체스보드 배치된 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 후 위상과 빔집속 위치 간의 관계(도 2(b), 도 2(c))를 나타내는 도면
도 3은 메타표면을 구성하는 메타표면 유닛셀을 나타내는 도면
도 4는 종방향 듀얼 빔 집속을 위하여 설계된 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(도 4(a)), 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상(도 4(b)) 및 메타표면 주위의 전기장 분포(도 4(c))를 나타내는 도면
도 5는 횡방향 듀얼 빔 집속을 위하여 설계된 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(도 5(a)), 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상(도 5(b)) 및 메타표면 주위의 전기장 분포 (도 5(c))를 나타내는 도면
도 6은 횡방향 트리플 빔 집속을 위하여 설계된 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(도 6(a)), 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상(도 6(b)) 및 메타표면 주위의 전기장 분포 (도 6(c))를 나타내는 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔 집속 장치를 나타내는 도면
도 8은 도 6(a)의 메타표면에 의해 형성된 횡방향 트리플 빔 집속에 대한 시뮬레이션 값과 실제 측정값을 비교한 그래프
이하, 도면을 참조하여 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 개시되는 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 개시되는 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 개시되는 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 메타표면을 이용한 빔 제어 방식을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 소스안테나의 전파 파면(20)이 메타표면을 투과하여 투과안테나의 전파 파면(30)이 제어될 수 있다. 예를 들어, 소스안테나의 전파 파면(20)이 볼록한 형상을 가지고, 메타표면이 오목한 위상(10)을 가지게 되면 투과안테나의 전파 파면(30)은 이들이 결합된 결과에 따른 형상을 가질 수 있다. 도 1(a)는 원거리 고이득 안테나를 설계하도록 하기 위하여 소스안테나의 전파 파면(20)과 메타표면의 위상(10)이 동위상을 갖도록 설계된 것을 도시화한 것이며, 도 1(b)는 이러한 원거리 고이득 안테나의 전기장을 나타낸 도면이다. 도 1(c)는 근거리 빔집속 안테나를 설계하기 위하여 소스안테나의 전파 파면(20a)와 메타표면의 위상(10a)을 조절하여 투과안테나의 전파 파면(30a)이 포물선의 형상을 가지고 빔 집속(35)이 발생하게 되는 것을 도시화한 도면이고, 도 1(d)는 이러한 근거리 빔집속 안테나의 전기장을 나타낸 도면이다.
메타표면를 투과한 투과안테나의 투과위상과 빔집속 위치의 관계는 아래의 식 1과 같다.
[식 1]
여기에서 λ는 동작주파수의 파장이고, f는 빔집속 위치, x와 y는 메타표면을 구성하는 유닛셀의 위치를 의미할 수 있다.
도 2는 기존의 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 후 위상과 빔집속의 위치 관계(도 2(a)) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 체스보드 배치된 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 후 위상과 빔집속 위치 간의 관계(도 2(b), 도 2(c))를 나타내는 도면이다.
도 2(a)에서는 메타표면이 단일(single) 빔 집속을 행하기 때문에 메타표면(100)을 투과하여 생성되는 투과 후 위상(110)에 따른 빔집속(120)은 싱글 포인트에서 이루어지게 될 수 있다. 이에 대하여, 다중 빔 집속을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 메타표면을 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하도록 구성하고 복수의 메타표면 유닛셀을 체스보드 배치를 하여 서로 다른 위치에서 복수의 빔이 집속될 수 있도록 설계하는 방식을 제안한다.
도 2(b)는 횡방향 듀얼(dual) 빔 집속을 위한 메타표면 유닛셀(200a, 200b)을 포함하는 메타표면(200)과 이에 따른 투과 후 위상(210a, 210b) 및 빔집속(220a, 220b)을 나타낸다. 복수의 메타표면 유닛셀(200a, 200b)는 제 1 군의 메타표면 유닛셀(200a) 및 제 2 군의 메타표면 유닛셀(200b)을 포함할 수 있다. 제 1 군의 메타표면 유닛셀(200a)과 제 2 군의 메타표면 유닛셀(200b)은 서로 교차 배치되며, 각각이 서로 다른 빔 집속을 행할 수 있다. 그에 따라서, 제 1 군의 메타표면 유닛셀(200a)을 투과하여 발생하는 투과 안테나의 투과 후 위상(210a) 및 빔집속(220a)과 제 2 군의 메타표면 유닛셀(200b)을 투과하여 발생하는 투과 안테나의 투과 후 위상(210b) 및 빔집속(220b)은 횡방향에 따라 서로 다르게 발생할 수 있다.
이와 같이, 횡방향 듀얼 빔 집속이 발생하는 원리에 대해서 설명하였지만, 메타표면 유닛셀의 위상 설계에 따라서 종방향 듀얼 빔 집속을 행하는 것도 가능하다. 도 4는 종방향 듀얼 빔 집속을 위하여 설계된 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(600)(도 4(a)), 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상(도 4(b)) 및 메타표면 주위의 전기장 분포(도 4(c))를 나타내는 도면이다. 특히, 도 4(c)에서 나타나는 바와 같이 메타표면(600)을 투과한 투과 안테나에서 종방향으로 듀얼 빔 집속이 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 5는 횡방향 듀얼 빔 집속을 위하여 설계된 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(700)(도 5(a)), 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상(도 5(b)) 및 메타표면 주위의 전기장 분포 (도 5(c))를 나타내는 도면이다. 특히, 도 5(c)에서 나타나는 바와 같이 메타표면(700)을 투과한 투과 안테나에서 횡방향으로 듀얼 빔 집속이 이루어지는 것을 알 수 있다. 이는 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상을 설계함으로써 앞선 도 4에서의 종방향 듀얼 빔 집속과 달리 횡방향 듀얼 빔 집속을 행할 수 있다.
다시 도 2로 돌아가면, 도 2(c)는 횡방향 트리플(triple) 빔 집속을 위한 메타표면 유닛셀(300a, 300b, 300c)을 포함하는 메타표면(300)과 이에 따른 투과 후 위상(310a, 310b, 310c) 및 빔집속(320a, 320b, 320c)을 나타낸다. 복수의 메타표면 유닛셀(300a, 300b, 300c)는 제 1 군의 메타표면 유닛셀(300a), 제 2 군의 메타표면 유닛셀(300b) 및 제 3 군의 메타표면 유닛셀(300c)을 포함할 수 있다. 앞선 듀얼 빔 집속과 유사하게, 제 1 군의 메타표면 유닛셀(300a), 제 2 군의 메타표면 유닛셀(300b), 제 3 군의 메타표면 유닛셀(300c)은 서로 교차 배치되며, 각각이 서로 다른 빔 집속을 행할 수 있다. 그에 따라서, 제 1 군의 메타표면 유닛셀(300a)을 투과하여 발생하는 투과 안테나의 투과 후 위상(310a) 및 빔집속(320a)과 제 2 군의 메타표면 유닛셀(300b)을 투과하여 발생하는 투과 안테나의 투과 후 위상(310b) 및 빔집속(320b)과 제 3 군의 메타표면 유닛셀(300c)을 투과하여 발생하는 투과 안테나의 투과 후 위상(310c) 및 빔집속(320c)은 횡방향에 따라 서로 다르게 발생할 수 있다.
도 6은 횡방향 트리플 빔 집속을 위하여 설계된 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(800)(도 6(a)), 복수의 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상(도 6(b)) 및 메타표면 주위의 전기장 분포 (도 6(c))를 나타내는 도면이다. 특히, 도 6(c)에서 나타나는 바와 같이 메타표면(800)을 투과한 투과 안테나에서 횡방향으로 트리플 빔 집속이 이루어지는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 8에서 도시되는 바와 같이 복수의 메타표면 유닛셀을 체스보드 배치한 메타표면을 이용하는 경우 횡방향 트리플 빔 집속이 발생하는 것에 대한 시뮬레이션 값과 실제 측정값을 비교하여 확인할 수 있다.
도 3은 메타표면을 구성하는 메타표면 유닛셀(500)을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 메타표면 유닛셀(500)은 정사각형 형상의 유전체(510) 및 유전체(510) 내에 패턴 형성되는 도전체(520)를 포함할 수 있다. 도전체(520)는 메타표면 유닛셀(500)을 투과하는 전파의 위상을 변경하여 투과 안테나에서 투과 후 위상을 형성하고 그에 따라 빔 집속이 이루어지도록 할 수 있다. 투과 후 위상에서의 위상 변화는 도전체(520)가 유전체(510) 내에서의 회전되는 정도에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 현재 도 3에서 도시된 상태가 투과 안테나에서의 위상 변화가 0°인 경우, 도전체(520)가 10°만큼 회전하면 투과 안테나의 위상 변화가 20°로 될 수 있다. 즉, 도전체(520)의 회전 각도의 2배 만큼 투과 안테나의 위상 변화가 발생할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔 집속 장치를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 다중 빔 집속 장치는 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면(1200) 및 메타표면(1200) 하에 배치되는 소스안테나(1100)를 포함할 수 있다. 소스안테나(1100)와 메타표면(1200) 간의 간격을 유지하기 위하여 간격유지부재(1300)가 그 사이에 위치할 수 있다. 소스안테나(1100)에서의 전파가 메타표면(1200)을 투과하면 메타표면(1200)의 상측에서 투과 안테나가 생성되고 투과 안테나에서 다중 빔 집속이 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200, 300 : 메타표면
110, 210a, 210b, 310a, 310b, 310c : 투과 후 위상
120, 220a, 220b, 320a, 320b, 320c : 빔집속
500 : 메타표면 유닛셀
510 : 유전체
520 : 도전체
600, 700, 800 : 메타표면
1100 : 소스안테나
1200 : 메타표면
1300 : 간격유지부재

Claims (7)

  1. 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면; 및
    상기 메타표면에 배치되는 소스안테나;를 포함하고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀 각각은 정사각형이고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀은 체스보드 배치되어 상기 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 위상이 복수로 되어 다중 빔 집속이 이루어지도록 하는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중 빔 집속은 횡방향 듀얼(dual) 빔 집속이고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀은 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 제 2 군의 메타표면 유닛셀을 포함하며,
    상기 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 상기 제 2 군의 메타표면 유닛셀은 서로 교차배치되는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중 빔 집속은 종방향 듀얼 빔 집속이고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀은 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 제 2 군의 메타표면 유닛셀을 포함하며,
    상기 제 1 군의 메타표면 유닛셀과 상기 제 2 군의 메타표면 유닛셀은 서로 교차배치되는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중 빔 집속은 횡방향 트리플(triple) 빔 집속이고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀은 제 1 군의 메타표면 유닛셀, 제 2 군의 메타표면 유닛셀 및 제 3 군의 메타표면 유닛셀을 포함하며,
    상기 제 1 군의 메타표면 유닛셀, 상기 제 2 군의 메타표면 유닛셀 및 상기 제 3 군의 메타표면 유닛셀은 서로 교차배치되는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메타표면 유닛셀은,
    정사각형의 유전체 및 상기 유전체 내에 형성되는 도전체를 포함하는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 메타표면 유닛셀에서의 투과안테나의 투과 위상은 상기 도전체의 회전 각도에 의해 결정되는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 장치.
  7. 복수의 메타표면 유닛셀을 포함하는 메타표면에 소스안테나의 전파를 투과시켜 다중 빔 집속이 이루어지고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀 각각은 정사각형이고,
    상기 복수의 메타표면 유닛셀은 체스보드 배치되어 상기 메타표면을 투과한 투과안테나의 투과 위상이 복수로 되어 다중 빔 집속이 이루어지도록 하는, 메타표면 유닛셀의 체스보드 배치를 이용한 다중 빔 집속 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190092074A (ko) 2018-01-30 2019-08-07 홍익대학교 산학협력단 근거리장 및 원거리장에 존재하는 복수의 타겟에 동시 다중 빔을 전송하기 위한 송신 장치

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KR20190092074A (ko) 2018-01-30 2019-08-07 홍익대학교 산학협력단 근거리장 및 원거리장에 존재하는 복수의 타겟에 동시 다중 빔을 전송하기 위한 송신 장치

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