WO2018199549A1 - 메타 구조 안테나 및 메타 구조 배열 - Google Patents

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WO2018199549A1
WO2018199549A1 PCT/KR2018/004537 KR2018004537W WO2018199549A1 WO 2018199549 A1 WO2018199549 A1 WO 2018199549A1 KR 2018004537 W KR2018004537 W KR 2018004537W WO 2018199549 A1 WO2018199549 A1 WO 2018199549A1
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박재석
이정해
박재현
엄귀섭
유영호
이창현
권상욱
박성범
이재곤
지상욱
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삼성전자 주식회사
홍익대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present disclosure relates to an array antenna including a meta structure antenna and a plurality of meta structure antennas for steering performance and antenna gain improvement.
  • 5G communication technology is considered as a communication band from the millimeter wave band of at least 5GHz to 30GHz or more.
  • the steering performance and antenna gain of the array antenna to determine the communication range can be used as an important performance indicator.
  • the wireless power transmission method using microwaves can transmit remote power up to several meters.
  • the transmission efficiency may be directly related to the gain of the antenna.
  • steering performance may be an important performance index in antenna design for wireless power transmission.
  • the technical problem of the present disclosure is to minimize the gain deterioration due to the steering angle appearing in the existing antenna design, and to design an antenna having a high gain in a wide steering range.
  • the technical problem of the present disclosure is to extend the operating range of the 5G communication and radio power transmission system and improve the transmission efficiency by using the antenna of the novel structure.
  • the meta-structure antenna of the present disclosure includes a ground plane including a feed line for feeding a signal and a cross-shaped aperture forming a circular polarization based on a magnetic field derived from the fed signal. ground plane), and a patch plane formed parallel to the ground plane, which emits electromagnetic waves based on circular polarization.
  • the meta structure antenna may further include a plurality of vias formed between the ground plane and the patch plane to produce zero order resonance in the meta structure antenna.
  • the number of at least one via formed between each of the plurality of partial patch surfaces and the ground surface may be the same. In this case, the number of at least one via may be three, four or five.
  • the meta-structure antenna may further include a superstrate for adjusting the phase and amplitude of the radiated electromagnetic waves to radiate the electromagnetic waves with improved gain in the directing direction.
  • the superstrate may include a first cover and a second cover spaced apart from the first cover by a predetermined distance. The length of one side of the superstrate may be equal to the length of one side of the ground plane.
  • the first cover and the second cover may include a first pattern and a second pattern for adjusting the phase and amplitude of the radiated electromagnetic wave, respectively. The size of the first pattern and the second pattern may be different from each other, and in particular, the first pattern and the second pattern may be circular.
  • the size of the first pattern and the second pattern is determined in consideration of the magnitude of the reflection coefficient with respect to the superstrate and the phase of the reflection wave, or in consideration of the magnitude of the transmission coefficient with respect to the superstrate and the phase of the transmission wave.
  • the gap between the first cover and the second cover may be determined in consideration of the magnitude of the reflection coefficient and the phase of the reflected wave with respect to the superstrate, or may be determined in consideration of the magnitude of the transmission coefficient and the phase of the transmission wave with respect to the superstrate.
  • the patch surface may include a cross shaped gap.
  • the cross gap may be located to correspond to the cross opening of the ground plane.
  • the cross-shaped opening of the ground plane may be a plurality of slits orthogonal to each other, and the plurality of slits may have different lengths so that circular polarization is formed.
  • the ground plane may be a rectangular flat structure.
  • the meta-structured array antenna of the present disclosure includes a plurality of meta-structure antennas composed of unit cells of meta-materials, wherein the meta-structure antenna is derived from a feed line that feeds a signal, a fed signal A ground plane including a cross-shaped aperture that forms a circular polarization based on a magnetic field, and a patch plane formed parallel to the ground plane that radiates electromagnetic waves based on the circular polarization ( patch plane).
  • a meta structure antenna formed of a unit cell of meta material compared with an array antenna composed of a conventional microstrip patch antenna, gain deterioration during steering may be reduced.
  • the gain of the array antenna can be further improved.
  • the wireless power transmission efficiency is maximized, and the 5G communication range can be extended, so that the antenna structure of the present disclosure can be actively utilized in technologies in which antenna gain and steering performance are important.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a wireless power transmission system according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a meta structure antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating steering characteristics of a meta-structure array antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating steering characteristics according to the number of arrays of the meta-structure array antenna according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a meta structure antenna including a superstrate according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • 6A to 6F are diagrams showing a reflection coefficient and a transmission coefficient according to the structure of the superstrate according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a meta-structure array antenna to which a superstrate according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating steering characteristics of a metastructure array antenna to which a superstrate according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • “configured to” is modified to have the ability to “suitable,” “to,” “to,” depending on the context, for example, hardware or software. Can be used interchangeably with “made to”, “doing”, or “designed to”.
  • the expression “device configured to” may mean that the device “can” together with other devices or components.
  • the phrase “processor configured (or configured to) perform A, B, and C” may be implemented by executing a dedicated processor (eg, an embedded processor) to perform its operation, or one or more software programs stored in a memory device. It may mean a general purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing the corresponding operations.
  • An array antenna device having an array antenna for transmitting wireless power may include, for example, a smartphone, a tablet PC, a mobile phone, a video phone, an e-book reader, a desktop PC, a laptop PC, It may include at least one of a netbook computer, workstation, server, PDA, portable multimedia player (PMP), MP3 player, medical device, camera, or wearable device.
  • Wearable devices may be accessory (e.g. watches, rings, bracelets, anklets, necklaces, eyeglasses, contact lenses) or head-mounted-devices (HMD), fabric or apparel integral (e.g. electronic clothing), And at least one of a body-attachable (eg, skin pad) or bio implantable circuit.
  • the array antenna device is a television, digital video disk (DVD) player, audio, refrigerator, air conditioner, cleaner, oven, microwave oven, washing machine, air purifier, set top box, home automation control panel, security It may include at least one of a control panel, a media box, a game console, an electronic dictionary, an electronic key, a camcorder, or an electronic picture frame.
  • DVD digital video disk
  • the array antenna device can be a variety of medical devices (e.g., various portable medical devices (such as blood glucose meters, heart rate monitors, blood pressure meters, or body temperature meters), magnetic resonance angiography (MRA), magnetic resonance imaging (MRI)). , Computed tomography (CT), cameras, or ultrasounds), navigation devices, global navigation satellite systems (GNSS), event data recorders (EDR), flight data recorders (FDR), automotive infotainment devices, ship electronics Equipment (e.g.
  • various portable medical devices such as blood glucose meters, heart rate monitors, blood pressure meters, or body temperature meters
  • MRA magnetic resonance angiography
  • MRI magnetic resonance imaging
  • CT Computed tomography
  • GNSS global navigation satellite systems
  • EDR event data recorders
  • FDR flight data recorders
  • automotive infotainment devices ship electronics Equipment (e.g.
  • an array antenna device may be a part of a furniture, building / structure or automobile, an electronic board, an electronic signature receiving device, a projector, or a variety of measurement devices (eg, water, electricity, etc.). , Gas, or radio wave measuring instrument).
  • the array antenna device may be flexible or a combination of two or more of the various devices described above.
  • the array antenna device according to the embodiment of the present disclosure is not limited to the above-described devices.
  • the term user may refer to a person using an array antenna device or a device (eg, an artificial intelligence electronic device) using the array antenna device.
  • FIG. 1 illustrates a conceptual diagram of a wireless power transmission system according to various embodiments of the present disclosure.
  • the array antenna device 100 may wirelessly transmit power to the at least one electronic device 150 or 160.
  • the array antenna device 100 may include a plurality of patch antennas 111 to 126.
  • the patch antennas 111 to 126 are not limited as long as they are antennas capable of generating electromagnetic waves.
  • Electromagnetic waves may include, for example, millimeter waves (or millimeter waves) that are radio waves (RF), microwaves (or microwaves), or 5G communication bands. At least one of the amplitude and phase of the electromagnetic waves emitted by the patch antennas 111 to 126 may be adjusted by the wireless power transmitter 100.
  • the electromagnetic waves generated by each of the patch antennas 111 to 126 are referred to as sub electromagnetic waves.
  • the patch antenna may include a meta structure antenna including a patch for radiating electromagnetic waves according to the present disclosure.
  • the array antenna device 100 may adjust at least one of an amplitude and a phase of each of the sub electromagnetic waves generated by the patch antennas 111 to 126. Meanwhile, the sub electromagnetic waves may interfere with each other. For example, at one point the sub electromagnetic waves may constructively interfere with each other, and at another point the sub electromagnetic waves may cancel each other.
  • the array antenna device 100 may detect that the electronic device 150 is disposed at the first points x1, y1, and z1.
  • the position of the electronic device 150 may be, for example, a point where the power reception antenna of the electronic device 150 is located.
  • the array antenna device 100 may control the patch antennas 111 to 126 such that the sub-electromagnetic waves are constructive interference with each other at the first points x1, y1, and z1.
  • controlling the patch antennas 111 to 126 controls the magnitude of the signal input to the patch antennas 111 to 126 or adjusts the phase (or delay) of the signal input to the patch antennas 111 to 126. It can mean controlling. More specifically, the array antenna device 100 controls at least one of an amplifier and a phase shifter included in or connected to the patch antennas 111 to 126, so that at least one of a magnitude and a phase of a signal input to the patch antennas 111 to 126 is controlled. You can control one. On the other hand, those skilled in the art will readily understand beam forming, which is a technique for controlling the RF wave to constructively interfere at a specific point. In addition, there is no limitation on the type of beam-forming used in the present invention.
  • the electromagnetic wave 130 formed by the sub electromagnetic waves may have a maximum amplitude at the first points x1, y1, and z1, and thus the electronic device 150 may receive wireless power with high efficiency.
  • the array antenna device 100 may detect that the electronic device 160 is disposed at the second points x2, y2, and z2.
  • the array antenna device 100 may control the patch antennas 111 to 126 such that the sub electromagnetic waves are constructive interference at the second points x2, y2, and z2 to charge the electronic device 160.
  • the electromagnetic wave 131 formed by the sub electromagnetic waves may have a maximum amplitude at the second points x2, y2, and z2, and the electronic device 160 may receive wireless power with high efficiency.
  • the electronic device 150 may be disposed on the right side.
  • the array antenna device 100 may apply a larger delay to sub electromagnetic waves formed from patch antennas (eg, 114, 118, 122, and 126) disposed on the right side. That is, after the sub electromagnetic waves formed from the patch antennas (for example, 111, 115, 119, 123) disposed on the left side are first formed, the sub electromagnetic waves are generated from the patch antennas (for example 114, 118, 122, 126) arranged on the right side after a predetermined time passes. Can be. Accordingly, the sub electromagnetic waves may simultaneously meet at a point on the right side, that is, the sub electromagnetic waves may constructively interfere at a point on the right side.
  • the array antenna device 100 may be substantially aligned with the patch antennas on the left (eg, 111, 115, 119, 123) and the patch antennas on the right (eg, 114, 118, 122, 126). The same delay can be applied.
  • the array antenna device 100 is larger than the patch antenna on the right side (eg, 114, 118, 122, 126) to the patch antenna on the left side (eg, 111, 115, 119, 123). Delay can be applied.
  • the array antenna device 100 may oscillate sub-electromagnetic waves substantially simultaneously at the entire patch antennas 111 to 126, and perform beam-forming by adjusting a phase corresponding to the delay described above. It may be.
  • the array antenna device 100 may determine the positions of the electronic devices 150 and 160 and cause the sub-electromagnetic waves to be constructive interference at the determined position, thereby performing wireless charging with high transmission efficiency.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a meta-structure antenna 200 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the meta structure antenna 200 unlike a microstrip patch antenna that forms an electromagnetic wave based on the physical length of a conventional transmission line, has a composite right of CRLH (composite right) composed of unit cells of a meta material structure having a gap.
  • the antenna may be designed based on a left-handed transmission line, an epsilon negative transmission line, or a mu negative transmission line.
  • the meta-material antenna forms electromagnetic waves according to the zeroth-order resonance characteristic having infinite wavelength at a specific frequency when both ends of the unit cell are shorted to the ground plane irrespective of the physical length of the transmission line. Therefore, it has a very advantageous advantage in miniaturization of the antenna.
  • the meta structure antenna 200 of the present disclosure may include a feed line 210, a ground plane 220, and a patch plane 230.
  • the feed line 210 may transmit a signal to a radiator for signal radiation.
  • the feed line 210 may have a stripline structure, a microstrip structure, or an embedded coplanar waveguide structure, but is not limited to the above-described example.
  • the feed line 210 may be provided on a substrate, and the substrate may have a laminated structure including a plurality of layers as a collection of planar dielectrics or insulators.
  • the substrate may be a component that enables electrical connection between electronic components with high density, low cost, high reliability, and high productivity.
  • the substrate may include a printed circuit board (PCB).
  • the feeder 210 may supply a signal through a coupling feeder or a direct feeder.
  • the ground plane 220 may form a circular polarization based on the supplied signal. For example, when fed according to a coupling feeding method, the ground plane 220 may form a circular polarization based on a magnetic field induced in a signal. In this case, the ground plane 220 may include an aperture 221 of a cross shape (or cross shape) to form a circular polarization.
  • the cross opening 221 may be a plurality of slits that are linear thin rectangles orthogonal to each other.
  • the lengths of the plurality of slits may have different lengths to form circular polarizations. That is, the lengths of the plurality of slits may be designed asymmetrically.
  • the ground plane 220 may have a square flat structure, but may be variously modified as necessary.
  • the patch plane 230 may radiate electromagnetic waves as a portion corresponding to the patch of the antenna.
  • the patch surface 230 may be formed in equilibrium with the ground surface 220.
  • the patch surface 230 may include a gap 231 in the form of a cross. If the patch surface 230 is composed of a plurality of partial patch surfaces 230a, 230b, 230c, 230d, the partial patch surfaces 230a, 230b, 230c, 230d may have a gap 231 therebetween. And may be formed adjacent to each other. In this case, as the width of the gap decreases, the value of the series capacitance of the equivalent circuit of the meta structure antenna 200 increases, and accordingly, the resonance frequency of the meta structure antenna 200 may increase.
  • the cross-shaped gap 231 of the patch surface 230 may be positioned to correspond to the cross-shaped opening 221 of the ground surface 220. That is, the center of the cross-shaped gap 231 of the patch surface 230 may be located on the same vertical line as the center of the cross-shaped opening 221 of the ground surface 220, and the patch surface 230 Assuming that the cross-shaped gap of the cross section extends into the vertical plane, the vertical plane may extend through the cross-shaped opening 221 of the ground plane 220.
  • a plurality of vias 240 may be formed between the patch surface 230 and the ground surface 220 to generate zero order resonance in the meta structure antenna 200.
  • the plurality of vias 240 may connect a portion of the patch surface 230 and a portion of the ground surface 220 to each other to form a short-ended state.
  • the patch surface 230 is composed of a plurality of partial patch surfaces 230a, 230b, 230c, 230d, each of the plurality of partial patch surfaces 230a, 230b, 230c, 230d and the ground surface 220
  • the number of at least one via formed may be equal to each other.
  • three, four, or five vias may be formed between one of the plurality of partial patch surfaces 230a, 230b, 230c, and 230d and the ground surface 220.
  • the parallel inductance value of the equivalent circuit of the meta structure antenna 200 decreases, and as the distance between the plurality of vias decreases, the equivalent circuit of the meta structure antenna 200 becomes smaller.
  • the parallel inductance value of may increase.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating steering characteristics of a meta-structure array antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 shows a comparison result of a steering gain between a meta structure array antenna and a conventional microstrip array antenna.
  • the meta structure array antenna refers to an antenna having a structure in which the above described meta structure antenna of FIG. 2 is used as a unit antenna.
  • the microstrip array antenna refers to an antenna having a structure in which the existing microstrip patch antenna is arranged as a unit antenna.
  • the meta structure antenna of various arrangements using the meta structure antenna of FIG. 2 as a unit antenna can be designed.
  • the meta structure array antenna may include a plurality of meta structure antennas arranged linearly of 1 ⁇ A, plane of A ⁇ B, 3D or circular array of A ⁇ B ⁇ C.
  • the x axis represents the steering angle and the y axis represents the steering gain of the array antenna.
  • the dotted line graph 301 shows the change in the steering gain according to the steering angle of the microstrip array antenna in which the existing microstrip patch antennas are arranged in 1 ⁇ 8.
  • the graph 302 of the solid line shows the change in the steering gain according to the steering angle of the meta-structured array antenna in which the meta-structured antennas of the present disclosure are arranged in 1 ⁇ 8.
  • the steering angle in which the gain is reduced by -3 dB may be 63 degrees in the case of the meta-structure array antenna, and 55.5 degrees in the case of the microstrip patch antenna.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating steering characteristics according to the number of arrays of the meta-structure array antenna according to the embodiment of the present disclosure.
  • the graph 401 of the quadrangular mark shows a change in steering gain according to steering angle, which is an array antenna having four array numbers.
  • the graph 402 of the original marker is an array antenna having five array numbers
  • the graph 403 of the triangular marker is an array antenna having six array numbers
  • the graph 404 of the inverted triangle marker is an array antenna having seven array numbers.
  • the graph 405 of the rhombus mark shows the change of the steering gain which differs in the steering angle of the array antenna of 8 array numbers, respectively.
  • the number of arrays may encompass meta-structure array antennas having the same number of unit antennas on one axis (eg, x-axis) of the meta-structure array antenna.
  • the meta-structure antennas arranged in a structure of 4 X 1, 4 X 2, 4 X 3, etc., which exhibit the same characteristics when normalized to a center gain, are all included in the array antenna having 4 arrays. May be included.
  • the size of the antenna is inevitably determined in consideration of the operating frequency.
  • the gap of the patch surface and the via structure may be determined. Therefore, the size of the antenna can be drastically reduced since the resonance frequency can be adjusted.
  • FIG. 5 illustrates a meta structure antenna 500 including a superstrate in accordance with an embodiment of the present disclosure.
  • feed line 510, ground plane 520, patch surface 530, and plurality of vias 540 are shown in FIG. 2, feed line 210, ground plane 220, patch surface 230, and plurality of vias 540.
  • the overlapping description corresponding to the vias 240 will be omitted.
  • a superstrate 550 may be provided on the patch surface 530 to adjust the phase and amplitude of the electromagnetic wave radiated from the patch surface 530 to radiate the electromagnetic wave having the improved gain in the directing direction. That is, the superstrate 550 may improve degradation of antenna gain caused by interference between electromagnetic waves radiated from the patch surface 530.
  • the superstrate 550 may include two layers and include a first cover 551 and a second cover 552 spaced apart from the first cover 551 by a predetermined distance. In this case, the phase and amplitude of the electromagnetic waves radiated from the patch surface 530 may be adjusted according to the distance between the second cover 551 and the second cover 552.
  • a first pattern 551a and a second pattern 552a may be formed in each of the first cover 551 and the second cover 552.
  • the phase and amplitude of the electromagnetic wave radiated from the patch surface 530 may be adjusted according to the shape of the pattern and the size of the pattern.
  • the first pattern 551a and the second pattern 552a may be formed of, for example, copper foil.
  • the first pattern 551a and the second pattern 552a have a circular shape in FIG. 5, the first pattern 551a and the second pattern 552a may be designed in various shapes such as a square, an ellipse, a grating, and a spiral in consideration of the phase and amplitude of the electromagnetic wave to be radiated.
  • shapes and sizes of the first pattern 551a and the second pattern 552a may be designed differently.
  • the length of one side of the superstrate 550 may be designed to be equal to the length of one side of the metastructure antenna 500.
  • the length of one side of the superstrate 550 may be approximately equal to the length of one side of the ground plane 520.
  • a plurality of meta structure antennas 500 are formed to form a meta structure array antenna, a plurality of superstrate patterns are repeatedly formed, and thus the superstrate of the present disclosure may be referred to as a superstrate having a periodic structure.
  • 6A to 6F illustrate reflection coefficients and transmission coefficients according to structures of superstrates according to embodiments of the present disclosure.
  • the superstrate When the superstrate is provided to adjust the phase and amplitude of the electromagnetic wave, the superstrate may be designed in consideration of the measured values of the reflection coefficient and the transmission coefficient with respect to the superrate.
  • the size of the formed pattern can be determined respectively.
  • 6A to 6F show changes in reflection coefficient, transmission coefficient, and phase with respect to the unit superstrate measured assuming that the superstrate has an infinite periodic structure.
  • FIGS. 6A and 6B show changes in reflection coefficients and transmission coefficients for a superstrate according to a separation distance between a first cover and a second cover of the superstrate.
  • the x axis of FIG. 6A represents h (h of FIG. 5), which is a separation distance between the first cover and the second cover, the y axis on the left represents the magnitude of the reflection coefficient for the superstrate, and the y axis on the right represents the phase of the reflected wave for the superstrate. Indicates.
  • the graph 601 of the solid line shows the change of the magnitude of the reflection coefficient according to the separation distance
  • the graph 602 of the dotted line shows the phase change of the reflected wave according to the separation distance
  • the x-axis of Figure 6b represents the separation distance between the first cover and the second cover
  • the y-axis on the left shows the magnitude of the transmission coefficient for the superstrate
  • the y-axis on the right shows the phase of the transmission wave for the superstrate.
  • the solid line graph 611 shows the change of the magnitude of the transmission coefficient according to the separation distance
  • the dotted line graph 612 shows the phase change of the transmission wave according to the separation distance
  • h which is a separation distance between the first cover and the second cover, has a small change in the magnitude of the reflection coefficient, and a large change in phase of the transmitted wave is 0.3 ⁇ 0. To 0.6 ⁇ 0 It can be determined among the range values.
  • 6C and 6D also show changes in reflection and transmission coefficients for the superstrate according to the size of the first cover located on top of the superstrate.
  • the x-axis of FIG. 6C represents r1 (r1 of FIG. 5), which is the size of the radius of the pattern formed on the first cover, the y-axis on the left is the magnitude of the reflection coefficient for the superstrate, and the y-axis on the right is the phase of the reflection wave for the superstrate. Indicates.
  • the solid line graph 621 shows the change in the magnitude of the reflection coefficient according to the size of the radius
  • the dotted line graph 622 shows the phase change of the reflected wave according to the size of the radius.
  • the x-axis of Figure 6d represents the size of the radius formed on the first cover
  • the y-axis on the left shows the magnitude of the transmission coefficient for the superstrate
  • the y-axis on the right shows the phase of the transmission wave for the superstrate.
  • the solid line graph 631 shows the change of the magnitude of the transmission coefficient according to the separation distance
  • the dotted line graph 632 shows the phase change of the transmission wave according to the separation distance
  • r1 which is the size of the radius of the pattern formed on the first cover, has a large change in the reflection coefficient and the transmission coefficient and a small change in the phase of the transmission wave, ranging from 0.1 ⁇ 0 to 0.2 ⁇ 0. Can be determined.
  • 6E and 6F also show changes in reflection coefficient and transmission coefficient for the superstrate according to the size r2 (r2 of Fig. 5) of the radius of the pattern formed on the second cover located below the superstrate.
  • the second cover may be a cover located closer to the patch surface among the first cover and the second cover of the straight plate.
  • the x-axis of FIG. 6E represents the magnitude of the radius of the second cover
  • the y-axis on the left represents the magnitude of the reflection coefficient with respect to the superstrate
  • the y-axis on the right represents the phase of the reflected wave with respect to the superstrate.
  • the solid line graph 641 shows the change in the magnitude of the reflection coefficient according to the size of the radius
  • the dotted line graph 642 shows the phase change of the reflected wave according to the size of the radius.
  • the x-axis of FIG. 6F represents the magnitude of the radius of the second cover
  • the y-axis on the left represents the magnitude of the transmission coefficient with respect to the superstrate
  • the y-axis on the right represents the phase of the transmission wave with respect to the superstrate.
  • the solid line graph 651 shows the change of the magnitude of the transmission coefficient according to the separation distance
  • the dotted line graph 652 shows the phase change of the transmission wave according to the separation distance
  • r2 which is the size of the radius of the pattern formed on the second cover, has a large change in the reflection coefficient and a transmission coefficient and a small change in the phase of the transmitted wave in the range of 0.1 ⁇ 0 to 0.2 ⁇ 0. Can be determined.
  • FIG. 7 illustrates a meta-structure array antenna to which a superstrate according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • the aforementioned meta structure antennas 701, 702, 703, and 704 may be provided in a 2 ⁇ 2 array structure.
  • the superstrate 710 is positioned above the meta-structure antennas 701, 702, 703 and 704, so that the amplitude and phase of the radiation pattern formed by the interference of sub-electromagnetic waves of each of the meta-structure antennas 701, 702, 703 and 704 may be adjusted.
  • the superstrate meta-structure array antenna may include a plurality of meta-structure antennas linearly arranged in 1 ⁇ A, planar in A ⁇ B, 3D or circularly arranged in A ⁇ B ⁇ C.
  • the distance between each of the plurality of meta-structure antennas and the superstrate may be determined under, for example, a condition that the phases of the transmitted waves are the same.
  • FIG. 8 illustrates steering characteristics of a metastructure array antenna to which a superstrate according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • the solid line graph 801 shows the steering gain according to the steering angle of the meta structure array antenna to which the superstrate is not applied
  • the dotted line graph 802 shows the steering according to the steering angle of the meta structure array antenna to which the superstrate is applied. Indicates gain.
  • the metastrate array antenna to which the superstrate is applied may have a structure in which wavefronts of electromagnetic waves radiated through the superstrate are equilibrated by adjusting the phase and amplitude of the reflected wave reflected on the superstrate.
  • the steering gain of the superstructured metastructured array antenna is improved in performance by about 2.39 dBi compared to the steering gain of the metastructured array antenna to which the superstrate is not applied.

Abstract

다양한 실시예에서, 메타 구조 안테나는 신호를 급전하는 급전선(feed line), 급전된 신호에서 유도된 자기장에 기반하여 원형 편파를 형성하는 크로스(cross) 형태의 개구(aperture)를 포함하는 접지면(ground plane), 및 원형 편파에 기반하여 전자기파를 방사하는 접지면과 평행하게 형성되는 패치면(patch plane)을 포함할 수 있다.

Description

메타 구조 안테나 및 메타 구조 배열
본 개시는 조향 성능 및 안테나 이득 개선을 위한, 메타 구조 안테나 및 복수의 메타 구조 안테나들을 포함하는 배열 안테나에 관한 것이다.
최근에는, 5G 통신 기술 및 마이크로파 무선전력 전송 기술 분야에서 장거리 통신 및 무선전력 전송의 실현을 위한 고효율의 배열 안테나 설계 기술이 요구되고 있다. 특히, 기존의 3GHz 이하의 주파수 대역을 이용한 4G 통신 기술과 달리, 5G 통신 기술에서는 최소 5GHz 부터 30GHz 이상의 밀리미터파 대역까지 통신 대역으로 고려된다.
이에 따라, 높은 주파수 사용에 따른 대기 중의 전송 손실의 극복을 위하여 통신 범위를 조정하는 배열 안테나의 사용이 필수적으로 요구될 수 있다. 이 경우, 통신 범위를 결정하는 배열 안테나의 조향 성능 및 안테나 이득은 중요한 성능 지표로서 이용될 수 있다.
예로, 기존의 자기유도 방식 또는 자기공진 방식과 달리 마이크로파를 이용한 무선전력 전송 방식은 수 m에 이르는 원거리 전력 전송이 가능하다. 이 경우, 전송 효율은 안테나의 이득과 직결될 수 있다. 또한, 충전 기기의 위치를 추적하여 충전을 수행하는 경우, 조향 성능은 무선전력 전송을 위한 안테나 설계에 있어 중요한 성능 지표가 될 수 있다.
이에 따라, 조향 성능 및 안테나 이득을 개선시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 개시의 기술적 과제는, 기존의 안테나 설계 시에 나타나는 조향각에 따른 이득 열화를 최소화하고, 넓은 조향 범위에서 고이득을 갖는 안테나를 설계하는데 목적이 있다.
또한, 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나들 간의 간섭으로 인하여 발생되는 이득의 열화를 개선하는데 목적이 있다.
또한, 배열 안테나의 면적에 따라 이론적으로 결정되는 이득의 한계를 극복하는 고이득 안테나를 제시하는데 목적이 있다.
즉, 본 개시의 기술적 과제는, 신규 구조의 안테나를 이용하여, 5G 통신 및 무전전력 전송 시스템의 운용 범위를 확장하고, 전송 효율을 향상시키는데 있다.
그밖에, 본 개시에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
본 개시의 메타 구조 안테나는, 신호를 급전하는 급전선(feed line), 급전된 신호에서 유도된 자기장에 기반하여 원형 편파를 형성하는, 크로스(cross) 형태의 개구(aperture)를 포함하는 접지면(ground plane), 및 원형 편파에 기반하여 전자기파를 방사하는, 접지면과 평행하게 형성되는 패치면(patch plane)을 포함한다.
다양한 실시예로, 메타 구조 안테나는, 메타 구조 안테나에 0차 공진을 생성하기 위하여, 접지면 및 패치면 사이에 형성되는 복수의 비아(via)들을 더 포함할 수 있다. 패치면이 복수의 부분 패치면들로 구분되는 경우, 복수의 부분 패치면들 및 접지면 사이 각각에 형성된 적어도 하나의 비아의 개수는 서로 동일할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 비아의 개수는, 3개, 4개 또는 5개인 것을 특징으로 할 수 있다.
다양한 실시예로, 메타 구조 안테나는, 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하여 지향 방향의 이득이 향상된 전자기파를 방사하는 수퍼스트레이트(superstrate)를 더 포함할 수 있다. 수퍼스트레이트는 제1 덮개 및, 제1 덮개로부터 일정 간격 이격된 제2 덮개를 포함할 수 있다. 수퍼스트레이트의 한 변의 길이는, 접지면의 한 변의 길이와 동일할 수 있다. 또한, 제1 덮개 및 제2 덮개는 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하기 위한 제1 패턴 및 제2 패턴을 각각 포함할 수 있다. 제1 패턴 및 제2 패턴의 크기는 서로 다를 수 있으며, 특히, 제1 패턴 및 제2 패턴은 원형일 수 있다. 이 경우, 제1 패턴 및 상기 재2 패턴의 크기는, 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기 및 반사파의 위상을 고려하여 결정되거나, 또는 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기 및 투과파의 위상을 고려하여 결정될 수 있다. 제1 덮개 및 상기 제2 덮개 간의 간격은, 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기 및 반사파의 위상을 고려하여 결정되거나, 또는 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기 및 투과파의 위상을 고려하여 결정될 수 있다.
다양한 실시예로, 패치면은, 크로스 형태의 갭(gap)을 포함할 수 있다. 크로스 형태의 갭은, 접지면의 크로스 형태의 개구에 대응하도록 위치할 수 있다.
다양한 실시예로, 접지면의 크로스 형태의 개구는 서로 직교하는 복수의 슬릿들일 수 있으며, 복수의 슬릿들은 원형 편파가 형성되도록 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 이 때, 접지면은 사각의 평판형 구조일 수 있다.
또한, 본 개시의 메타 구조 배열 안테나는, 메타 물질의 단위 셀들로 구성된 복수의 메타 구조 안테나들을 포함하고, 이 때, 메타 구조 안테나는 신호를 급전하는 급전선(feed line), 급전된 신호에서 유도된 자기장에 기반하여 원형 편파를 형성하는 크로스(cross) 형태의 개구(aperture)를 포함하는 접지면(ground plane), 및 원형 편파에 기반하여 전자기파를 방사하는, 접지면과 평행하게 형성되는 패치면(patch plane)을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 메타 물질의 단위 셀로 형성된 메타 구조 안테나를 이용하는 경우, 기존의 마이크로스트립 패치 안테나로 구성된 배열 안테나와 비교하여, 조향 시의 이득 열화가 감소될 수 있다. 또한, 메타 구조 안테나에 2층의 덮개를 가지는 수퍼스트레이트(superstrate) 구조를 추가하는 경우, 배열 안테나의 이득이 더욱 개선될 수 있다.
이에, 무선전력 전송 효율이 극대화되고, 5G 통신 범위의 확대가 가능하여, 안테나 이득 및 조향 성능이 중요한 기술들에 본 개시의 안테나 구조가 적극 활용될 수 있다.
또한, 2층의 덮개를 갖는 수퍼스트레이트(superstrate)가 구비되는 경우, 투과 계수와 반사 계수의 위상과 크기의 조절이 용이하기 때문에, 반사판 및 렌즈 등과 같은 투과 계수 및 반사 계수의 정밀한 조절이 요구되는 분야에서 폭넓은 활용이 가능할 수 있다.
그 밖에, 본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 송신 시스템의 개념도를 도시한다.
도 2는, 본 개시의 실시예에 따른 메타 구조 안테나를 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 개시의 실시예에 따른 메타 구조 배열 안테나의 조향 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 개시의 실시예에 따른 메타 구조 배열 안테나의 배열 개수에 따른 조향 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트를 포함하는 메타 구조 안테나를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트의 구조에 따른 반사계수 및 투과계수를 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트를 적용한 메타 구조 배열 안테나를 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트를 적용한 메타 구조 배열 안테나의 조향 특성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 개시의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 개시에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 개시에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다. 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따른 무선 전력을 송신하는 배열 안테나를 구비한 배열 안테나 장치는, 예를 들면, 스마트폰, 태블릿 PC, 이동 전화기, 영상 전화기, 전자책 리더기, 데스크탑 PC, 랩탑 PC, 넷북 컴퓨터, 워크스테이션, 서버, PDA, PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 의료기기, 카메라, 또는 웨어러블 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 웨어러블 장치는 액세서리형(예: 시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈) 또는 머리 착용형 장치(head-mounted-device(HMD)), 직물 또는 의류 일체형(예: 전자 의복), 신체 부착형(예: 스킨 패드), 또는 생체 이식형 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 배열 안테나 장치는, 텔레비전, DVD(digital video disk) 플레이어, 오디오, 냉장고, 에어컨, 청소기, 오븐, 전자레인지, 세탁기, 공기 청정기, 셋톱 박스, 홈 오토매이션 컨트롤 패널, 보안 컨트롤 패널, 미디어 박스, 게임 콘솔, 전자 사전, 전자 키, 캠코더, 또는 전자 액자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 배열 안테나 장치는, 각종 의료기기(예: 각종 휴대용 의료측정기기(혈당 측정기, 심박 측정기, 혈압 측정기, 또는 체온 측정기 등), MRA(magnetic resonance angiography), MRI(magnetic resonance imaging), CT(computed tomography), 촬영기, 또는 초음파기 등), 네비게이션 장치, 위성 항법 시스템(GNSS(global navigation satellite system)), EDR(event data recorder), FDR(flight data recorder), 자동차 인포테인먼트 장치, 선박용 전자 장비(예: 선박용 항법 장치, 자이로 콤파스 등), 항공 전자기기(avionics), 보안 기기, 차량용 헤드 유닛(head unit), 산업용 또는 가정용 로봇, 드론(drone), 금융 기관의 ATM, 상점의 POS(point of sales), 또는 사물 인터넷 장치 (예: 전구, 각종 센서, 스프링클러 장치, 화재 경보기, 온도조절기, 가로등, 토스터, 운동기구, 온수탱크, 히터, 보일러 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 배열 안테나 장치는 가구, 건물/구조물 또는 자동차의 일부, 전자 보드(electronic board), 전자 사인 수신 장치(electronic signature receiving device), 프로젝터, 또는 각종 계측 기기(예: 수도, 전기, 가스, 또는 전파 계측 기기 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 배열 안테나 장치는 플렉서블(flexible)하거나, 또는 전술한 다양한 장치들 중 둘 이상의 조합일 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 배열 안테나 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다. 본 개시에서, 사용자라는 용어는 배열 안테나 장치를 사용하는 사람 또는 배열 안테나 장치를 사용하는 장치(예: 인공지능 전자 장치)를 지칭할 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 송신 시스템의 개념도를 도시한다.
배열 안테나 장치(100)는 적어도 하나의 전자장치(150,160)에게 무선으로 전력을 송신할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예에서, 배열 안테나 장치(100)는 복수 개의 패치 안테나(patch antenna)들(111~126)을 포함할 수 있다. 패치 안테나(111~126)는 각각이 전자기파를 발생시킬 수 있는 안테나라면 제한이 없다. 전자기파는 예로, 라디오파(RF), 마이크로파(또는, 마이크로웨이브) 또는 5G 통신 대역인 밀리미터파(또는, 밀리미터웨이브)를 포함할 수 있다. 패치 안테나(111~126)가 방사하는 전자기파의 진폭 및 위상 중 적어도 하나는 무선 전력 송신기(100)에 의하여 조정될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 패치 안테나(111~126) 각각이 발생시키는 전자기파를 서브 전자기파라 명명하도록 한다. 여기서, 패치 안테나는, 본 개시에 따른 전자기파를 방사하기 위한 패치를 포함하는 메타 구조 안테나를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에서, 배열 안테나 장치(100)는 패치 안테나(111~126)에서 발생되는 서브 전자기파 각각의 진폭 및 위상 중 적어도 하나를 조정할 수 있다. 한편, 서브 전자기파들은 서로 간섭될 수 있다. 예를 들어, 어느 한 지점에서는 서브 전자기파들이 서로 보강 간섭될 수 있으며, 또 다른 지점에서는 서브 전자기파들이 서로 상쇄 간섭될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예에 의한 배열 안테나 장치(100)는 제 1 지점(x1,y1,z1)에서 서브 전자기파들이 서로 보강 간섭될 수 있도록, 패치 안테나(111~126)가 발생하는 서브 전자기파의 진폭 및 위상 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.
예를 들어, 배열 안테나 장치(100)는 제 1 지점(x1,y1,z1)에 전자장치(150)가 배치된 것을 감지할 수 있다. 여기에서, 전자장치(150)의 위치는, 예를 들어 전자장치(150)의 전력 수신용 안테나가 위치한 지점일 수 있다. 전자장치(150)가 높은 효율로 무선으로 전력을 수신하기 위하여서는, 제 1 지점(x1,y1,z1)에서 서브 전자기파들이 보강 간섭되어야 한다. 이에 따라, 배열 안테나 장치(100)는 제 1 지점(x1,y1,z1)에서 서브 전자기파들이 서로 보강 간섭이 되도록 패치 안테나(111~126)를 제어할 수 있다. 여기에서, 패치 안테나(111~126)를 제어한다는 것은, 패치 안테나(111~126)로 입력되는 신호의 크기를 제어하거나 또는 패치 안테나(111~126)로 입력되는 신호의 위상(또는 딜레이)을 제어하는 것을 의미할 수 있다. 더욱 상세하게, 배열 안테나 장치(100)는 패치 안테나(111~126)에 포함되거나 연결된 증폭기 및 위상 쉬프터 중 적어도 하나를 제어하여, 패치 안테나(111~126)로 입력되는 신호의 크기 및 위상 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 한편, 특정 지점에서 RF 웨이브가 보강 간섭되도록 제어하는 기술인 빔-포밍(beam forming)에 대해서는 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 아울러, 본 발명에서 이용되는 빔-포밍의 종류에 대하여 제한이 없음 또한 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
서브 전자기파들에 의하여 형성된 전자기파(130)는 제1 지점(x1,y1,z1)에서 진폭이 최대가 될 수 있으며, 이에 따라 전자장치(150)는 높은 효율로 무선 전력을 수신할 수 있다. 한편, 배열 안테나 장치(100)는 제2 지점(x2,y2,z2)에 전자장치(160)가 배치된 것을 감지할 수도 있다. 배열 안테나 장치(100)는 전자장치(160)를 충전하기 위하여 서브 전자기파들이 제2 지점(x2,y2,z2)에서 보강 간섭이 되도록 패치 안테나(111~126)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 서브 전자기파들에 의하여 형성된 전자기파(131)는 제2 지점(x2,y2,z2)에서 진폭이 최대가 될 수 있으며, 전자장치(160)는 높은 효율로 무선 전력을 수신할 수 있다.
더욱 상세하게, 전자장치(150)는 상대적으로 우측에 배치될 수 있다. 이 경우, 배열 안테나 장치(100)는 상대적으로 우측에 배치된 패치 안테나들(예로,114,118,122,126)로부터 형성되는 서브 전자기파들에 상대적으로 더 큰 딜레이를 적용할 수 있다. 즉, 상대적으로 좌측에 배치된 패치 안테나(예로,111,115,119,123)로부터 형성되는 서브 전자기파들이 먼저 형성된 이후에, 소정의 시간이 흐른 후에 상대적으로 우측에 배치된 패치 안테나(예로,114,118,122,126)로부터 서브 전자기파가 발생될 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 우측의 지점에서 서브 전자기파들이 동시에 만날 수 있으며, 즉 상대적으로 우측의 지점에서 서브 전자기파들이 보강 간섭될 수 있다. 만약, 상대적으로 중앙의 지점에 빔-포밍을 수행하는 경우에는, 배열 안테나 장치(100)는 좌측의 패치 안테나(예를 들어, 111,115,119,123)와 우측의 패치 안테나(예를 들어, 114,118,122,126)와 실질적으로 동일한 딜레이를 적용할 수 있다. 또한, 상대적으로 좌측의 지점에 빔-포밍을 수행하는 경우에는, 배열 안테나 장치(100)는 좌측의 패치 안테나(예를 들어, 111,115,119,123)에 우측의 패치 안테나(예를 들어, 114,118,122,126)보다 더 큰 딜레이를 적용할 수 있다. 한편, 다른 실시예에서는, 배열 안테나 장치(100)는 패치 안테나(111~126) 전체에서 서브 전자기파들을 실질적으로 동시에 발진시킬 수 있으며, 상술한 딜레이에 대응되는 위상을 조정함으로써 빔-포밍을 수행할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 배열 안테나 장치(100)는 전자장치(150,160)의 위치를 결정하고, 결정된 위치에서 서브 전자기파들이 보강 간섭이 되게 하여, 높은 송신 효율로 무선 충전을 수행할 수 있다.
도 2는, 본 개시의 실시예에 따른 메타 구조 안테나(200)를 나타내는 도면이다.
메타 구조 안테나(200)는, 기존의 전송 선로의 물리적인 길이에 기반하여 전자기파를 형성하는 마이크로스트립 패치 안테나와 달리, 주기적으로 갭(gap)을 가진 메타 물질 구조의 단위 셀들로 구성된 CRLH(Composite right/left-handed) 전송 선로, ENG(epsilon negative) 전송 선로 또는 MNG(mu negative) 전송 선로에 기반하여 설계된 안테나일 수 있다. 메타 물질 안테나는 전송 선로의 물리적인 길이와는 상관없이 단위 셀의 양단이 접지면과 단락되는 경우, 특정 주파수에서 무한 파장을 갖는 영차 모드 공진(zeroth-order resonance) 특성에 따라 전자기파를 형성하기 때문에, 안테나의 소형화에 매우 유리한 장점을 가지고 있다.
도 2에서, 본 개시의 메타 구조 안테나(200)는 급전선(210), 접지면(220) 및 패치면(230)을 포함할 수 있다.
급전선(feed line)(210)은 신호 방사를 위한 방사체로 신호를 전달할 수 있다. 급전선(210)은, 스트립 라인(stripline) 구조, 마이크로스트립(microstrip) 구조, 또는 매립-동일 평면형 전송선(embedded coplanar waveguide) 구조 등을 가질 수 있으며, 전술한 예에 제한되지 않는다.
급전선(210)은 기판에 마련될 수 있으며, 기판은 평면형 유전체 또는 절연체의 집합으로서 다수의 층들을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다. 기판은 전자 부품 들 간의 전기적 연결을 고밀도, 저비용, 고신뢰성, 높은 생산성으로 구현할 수 있는 구성요소일 수 있다. 예로, 기판은 PCB(printed circuit board)를 포함할 수 있다.
급전선(210)은 커플링 급전 방식 또는 직접 급선 방식을 통하여 신호를 공급할 수 있다.
접지면(ground plane)(220)(ground plane)은 공급된 신호에 기반하여, 원형 편파를 형성할 수 있다. 예로, 커플링 급전 방식에 따라 급전되는 경우, 접지면(220)은 신호에서 유도된 자기장에 기반하여 원형 편파를 형성할 수 있다. 이 때, 접지면(220)은 원형 편파를 형성하도록 크로스(cross) 형태(또는, 십자 형태)의 개구(aperture)(221)를 포함할 수 있다.
크로스 형태의 개구(221)는 서로 직교하는 선형의 가는 직사각형인 복수의 슬릿들일 수 있다. 이 경우, 복수의 슬릿들의 길이는 원형 편파를 형성할 수 있도록 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 즉, 복수의 슬릿들의 길이는 비대칭으로 설계될 수 있다.
접지면(220)은 사각의 평판형 구조를 가질 수 있으나 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
패치면(patch plane)(230)은 안테나의 패치에 해당하는 부분으로서 전자기파를 방사할 수 있다. 패치면(230)은 접지면(220)과 평형하게 형성될 수 있다.
패치면(230)은 크로스 형태의 갭(gap)(231)을 포함할 수 있다. 패치면(230)은 복수의 부분 패치면들(230a,230b,230c,230d)로 구성되는 경우, 부분 패치면들(230a,230b,230c,230d)은 갭(gap)(231)을 사이에 두고 서로 인접하게 형성될 수 있다. 이 경우, 갭의 폭이 작아질수록 메타 구조 안테나(200)의 등가 회로의 직렬 캐패시턴스의 값은 커지고, 이에 따라 메타 구조 안테나(200)의 공진 주파수는 높아질 수 있다.
패치면(230)의 크로스 형태의 갭(231)은 접지면(220)의 크로스 형태의 개구(221)에 대응되도록 위치할 수 있다. 즉, 패치면(230)의 크로스 형태의 갭(231)의 중심은 접지면(220)의 크로스 형태의 개구(221)의 중심과 동일한 수직선 상에 위치할 수 있으며, 또한, 패치면(230)의 크로스 형태의 갭이 수직면으로 확장된다고 가정할 때 상기 수직면은 접지면(220)의 크로스 형태의 개구(221)를 경유하여 확장될 수 있다.
복수의 비아(via)(240)는 메타 구조 안테나(200)에 0차 공진을 생성하기 위하여 패치면(230) 및 접지면(220) 사이에 형성될 수 있다. 복수의 비아(240)는 패치면(230)의 일부와 접지면(220)의 일부를 서로 연결하여, 쇼트 엔디드(short-ended) 상태를 형성할 수 있다.
패치면(230)이 복수의 부분 패치면들(230a,230b,230c,230d)로 구성되는 경우, 복수의 부분 패치면들(230a,230b,230c,230d) 및 접지면(220) 사이 각각에 형성된 적어도 하나의 비아의 개수는 서로 동일할 수 있다.
또한, 복수의 부분 패치면들(230a,230b,230c,230d) 중 일 패치면 및 접지면(220) 사이에는 3개, 4개 또는 5개의 비아들이 형성될 수 있다. 이 경우, 복수의 비아들 사이의 간격이 커질수록 메타 구조 안테나(200)의 등가 회로의 병렬 인덕턴스 값은 작아지고, 복수의 비아들 사이의 간격이 작아질수록 메타 구조 안테나(200)의 등가 회로의 병렬 인덕턱스 값은 증가할 수 있다.
도 3은, 본 개시의 실시예에 따른 메타 구조 배열 안테나의 조향 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 메타 구조 배열 안테나와 기존의 마이크로스트립 배열 안테나 간의 조향 이득의 비교 결과를 나타낸다.
메타 구조 배열 안테나는 전술한 도 2의 메타 구조 안테나를 단위 안테나로 하여 배열한 구조의 안테나를 의미한다. 또한, 마이크로스트립 배열 안테나는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나를 단위 안테나로 하여 배열한 구조의 안테나를 의미한다.
이 때, 도 2의 메타 구조 안테나를 단위 안테나로 이용하는 다양한 배열 구조의 메타 구조 안테나가 설계될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 메타 구조 배열 안테나는 1 x A의 선형, A x B의 평면, A x B x C의 3D 또는 원형 배열된 복수의 메타 구조 안테나들을 포함할 수 있다.
도 3에서, x축은 조향 각도를 나타내고, y축은 배열 안테나의 조향 이득을 나타낸다.
이 경우, 점선의 그래프(301)는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나들이 1X8로 배열된 마이크로스트립 배열 안테나의 조향 각도에 따른 조향 이득의 변화를 나타낸다. 또한, 실선의 그래프(302)는 본 개시의 메타 구조 안테나들이 1X8로 배열된 메타 구조 배열 안테나의 조향 각도에 따른 조향 이득의 변화를 나타낸다.
도 3에 따르면, 조향 각도가 증가할 수록, 실선의 그래프(302)에 대응하는 메타 구조 배열 안테나의 조향 이득의 감소 폭이 점선의 그래프(301)에 대응하는 마이크로스트립 배열 안테나의 조향 이득의 감소 폭과 비교하여 완만한 기울기를 갖는 것이 확인된다.
예로, -3dB 만큼의 이득이 감소되는 조향 각도는, 메타 구조 배열 안테나의 경우는, 63˚가 될 수 있고, 마이크로스트립 패치 안테나의 경우에는 55.5˚가 될 수 있다.
도 4는, 본 개시의 실시예에 따른 메타 구조 배열 안테나의 배열 개수에 따른 조향 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는, 제한된 공간인 0.7λ0 x 2.8λ0의 크기를 갖는 접지면에서 메타 구조 배열 안테나의 배열 개수의 증가에 따른 조향 이득의 비교 결과를 나타내다. 여기서, λ0는 파장의 길이로서, 빛의 속도/주파수가 될 수 있다. 예로, 빛의 속도가 300,000,000[m/s] 이고, 주파수가 5.8[GHz]인 경우, λ0 = 300,000,000[m/s]/5,800,000,000[1/s] = 약 5.172cm가 될 수 있다.
도 4에서, 사각 표식의 그래프(401)는 배열 개수가 4개인 배열 안테나인 조향 각도에 따른 조향 이득의 변화를 나타낸다. 마찬가지로, 원 표식의 그래프(402)는 배열 개수가 5개인 배열 안테나, 삼각 표식의 그래프(403)는 배열 개수가 6개인 배열 안테나, 역삼각 표식의 그래프(404)는 배열 개수가 7개인 배열 안테나, 마름모 표식의 그래프(405)는 배열 개수가 8개인 배열 안테나의 조향 각도에 다른 조향 이득의 변화를 각각 나타낸다.
여기서, 배열 개수는, 메타 구조 배열 안테나의 일 축(예로, x축)의 단위 안테나들의 개수가 동일한 메타 구조 배열 안테나들을 아우를 수 있다. 예로, 센터 게인(center gain)으로 노멀라이즈(normalize)하는 경우 동일한 특성이 나타나는 4 X 1, 4 X 2, 4 X 3 등의 구조로 배열된 메타 구조 안테나들은 배열 개수가 4개인 배열 안테나에 모두 포함될 수 있다.
도 4의 측정 결과에 따르면, 제한된 공간 내에서 단위 안테나들의 개수를 증가시키는 경우에도, 조향 성능이 향상되는 것이 확인될 수 있다.
즉, 기존의 마이크로스트립 배열 안테나의 경우에는 동작 주파수를 고려하여 안테나의 크기가 결정될 수 밖에 없으나, 본 개시의 메타 구조 배열 안테나의 안테나에서는 동작 주파수와 무관하게 패치면의 갭 및 비아의 설계 구조에 따라 공진 주파수의 조절이 가능하기 때문에 안테나의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.
도 5는, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트(superstrate)를 포함하는 메타 구조 안테나(500)를 도시한다.
도 5에서, 급전선(510), 접지면(520), 패치면(530) 및 복수의 비아(540)는 도 2의 급전선(210), 접지면(220), 패치면(230) 및 복수의 비아(240)에 각각 대응되어 중복되는 설명은 생략한다.
도 5에서, 패치면(530)의 위에는 패치면(530)에서 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하여 지향 방향의 이득이 향상된 전자기파를 방사하는 수퍼스트레이트(550)가 마련될 수 있다. 즉, 수퍼스트레이트(550)는 패치면(530)에서 방사된 전자기파들 간의 간섭에 의하여 발생되는 안테나 이득의 열화를 개선할 수 있다.
수퍼스트레이트(550)는 2층으로 구성되어, 제1 덮개(551) 및 제1 덮개(551)로부터 일정 간격 이격된 제2 덮개(552)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 덮개(551) 및 제2 덮개(552) 간의 간격에 따라 패치면(530)에서 방사된 전자기파의 위상 및 진폭이 조절될 수 있다.
또한, 제1 덮개(551) 및 제2 덮개(552) 각각에는 제1 패턴(pattern)(551a) 및 제2 패턴(552a)가 형성될 수 있다. 이 경우, 패턴의 형태 및 패턴의 크기에 따라 패치면(530)에서 방사된 전자기파의 위상 및 진폭이 조절될 수 있다.
제1 패턴(551a) 및 제2 패턴(552a), 예로, 동박으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 패턴(551a) 및 제2 패턴(552a)은 도 5에서는, 원형을 가지나, 방사될 전자기파의 위상 및 진폭을 고려하여 사각, 타원, 격자, 나선 등 다양한 형태로 설계될 수 있음은 물론이다. 또한, 제1 패턴(551a) 및 제2 패턴(552a)의 형태 및 크기는 각각 다르게 설계될 수도 있다.
다양한 실시예로, 수퍼스트레이트(550)의 한 변의 길이는 메타 구조 안테나(500)의 한 변의 길이와 동일하게 설계될 수 있다. 예로, 수퍼스트레이트(550)의 한 변의 길이는 접지면(520)의 한 변의 길이와 대략 동일할 수 있다.
또한, 메타 구조 안테나(500)가 복수 개로 구성되어 메타 구조 배열 안테나를 형성하는 경우, 수퍼스트레이트의 패턴은 복수 개가 반복 형성되기 때문에, 본 개시의 수퍼스트레이트를 주기 구조의 수퍼스트레이트로 칭할 수도 있다.
도 6a 내지 도 6f는 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트의 구조에 따른 반사계수 및 투과계수를 나타낸다.
전자기파의 위상 및 진폭을 조절하기 위하여 수퍼스트레이트가 마련되는 경우, 수퍼트레이트에 대한 반사 계수 및 투과 계수의 측정 값을 고려하여 수퍼스트레이트가 설계될 수 있다.
즉, 원하는 반사 계수 및 투과 계수를 갖는 안테나 설계를 위하여, 도 6a 내지 도 6f의 측정 결과에 따라 수퍼스트레이트를 구성하는 제1 덮개 및 제2 덮개 간의 이격 간격 및, 제1 덮개 및 제2 덮개에 형성된 패턴의 크기가 각각 결정될 수 있다.
도 6a 내지 도 6f은, 수퍼스트레이트가 무한한 주기 구조를 갖는 것으로 가정하고 측정한 단위 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수, 투과 계수, 위상의 변화를 나타낸다.
먼저, 도 6a 및 도 6b는 수퍼스트레이트의 제1 덮개 및 제2 덮개 간의 이격 간격에 따른 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수 및 투과 계수의 변화를 나타낸다.
도 6a의 x축은 제1 덮개 및 제2 덮개 간의 이격 거리인 h(도 5의 h)를 나타내고, 좌측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기, 우측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 반사파의 위상을 나타낸다.
이 경우, 실선의 그래프(601)는 상기 이격 거리에 따른 반사 계수의 크기의 변화를 나타내고, 점선의 그래프(602)는 상기 이격 거리에 따른 반사파의 위상 변화를 나타낸다
또한, 도 6b의 x축은 제1 덮개 및 제2 덮개 간의 이격 거리를 나타내고, 좌측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기, 우측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 투과파의 위상을 나타낸다.
이 경우, 실선 그래프(611)는 상기 이격 거리에 따른 투과 계수의 크기의 변화를 나타내고, 점선 그래프(612)는 상기 이격 거리에 따른 투과파의 위상 변화를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 덮개 및 제2 덮개 간의 이격 거리인 h는 반사 계수의 크기의 변화는 적고, 투과파의 위상 변화는 큰 0.3λ0 내지 0.6λ0 범위 값 중에서 결정될 수 있다.
또한, 도 6c 및 도 6d는 수퍼스트레이트의 상부에 위치한 제1 덮개의 크기에 따른 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수 및 투과 계수의 변화를 나타낸다.
도 6c의 x축은 제1 덮개에 형성된 패턴의 반지름의 크기인 r1(도 5의 r1)을 나타내고, 좌측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기, 우측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 반사파의 위상을 나타낸다.
이 경우, 실선 그래프(621)는 상기 반지름의 크기에 따른 반사 계수의 크기의 변화를 나타내고, 점선 그래프(622)는 상기 반지름의 크기에 따른 반사파의 위상 변화를 나타낸다
또한, 도 6d의 x축은 제1 덮개에 형성된 반지름의 크기를 나타내고, 좌측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기, 우측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 투과파의 위상을 나타낸다.
이 경우, 실선 그래프(631)는 상기 이격 거리에 따른 투과 계수의 크기의 변화를 나타내고, 점선 그래프(632)는 상기 이격 거리에 따른 투과파의 위상 변화를 나타낸다
도 6c 및 도 6d를 참조하면, 제1 덮개에 형성된 패턴의 반지름의 크기인 r1은 반사 계수 및 투과 계수의 크기의 변화는 크고, 투과파의 위상 변화는 작은 0.1λ0 내지 0.2λ0 범위 값 중에서 결정될 수 있다.
또한, 도 6e 및 도 6f는 수퍼스트레이트의 하부에 위치한 제2 덮개에 형성된 패턴의 반지름의 크기 r2(도 5의 r2)에 따른 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수 및 투과 계수의 변화를 나타낸다. 이 때, 제2 덮개는 수펴스트레이트의 제1 덮개 및 제2 덮개 가운데, 패치면에 더 가까이 위치한 덮개가 될 수 있다.
도 6e의 x축은 제2 덮개의 반지름의 크기를 나타내고, 좌측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기, 우측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 반사파의 위상을 나타낸다.
이 경우, 실선 그래프(641)는 상기 반지름의 크기에 따른 반사 계수의 크기의 변화를 나타내고, 점선 그래프(642)는 상기 반지름의 크기에 따른 반사파의 위상 변화를 나타낸다
또한, 도 6f의 x축은 제2 덮개의 반지름의 크기를 나타내고, 좌측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기, 우측의 y축은 수퍼스트레이트에 대한 투과파의 위상을 나타낸다.
이 경우, 실선 그래프(651)는 상기 이격 거리에 따른 투과 계수의 크기의 변화를 나타내고, 점선 그래프(652)는 상기 이격 거리에 따른 투과파의 위상 변화를 나타낸다
도 6e 및 도 6f를 참조하면, 제2 덮개에 형성된 패턴의 반지름의 크기인 r2는 반사 계수 및 투과 계수의 크기의 변화는 크고, 투과파의 위상 변화는 작은 0.1λ0 내지 0.2λ0 범위 값 중에서 결정될 수 있다.
도 7은, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트를 적용한 메타 구조 배열 안테나를 나타낸다.
도 7의 메타 구조 배열 안테나(700)는, 전술한 메타 구조 안테나들(701,702,703,704)이 2X2 배열 구조로 마련될 수 있다.
이 경우, 메타 구조 안테나들(701,702,703,704)의 상부에는 수퍼스트레이트(710)가 위치하여, 메타 구조 안테나들(701,702,703,704) 각각의 서브 전자기파의 간섭으로 형성되는 방사 패턴의 진폭 및 위상을 조절할 수 있다.
한편, 도 7은 일 예에 불과하며, 다양한 배열 구조의 수퍼스트레이트가 적용된 메타 구조 안테나가 설계될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 수퍼스트레이트가 메타 구조 배열 안테나는 1 x A의 선형, A x B의 평면, A x B x C의 3D 또는 원형 배열된 복수의 메타 구조 안테나들을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 메타 구조 안테나들 각각과 수퍼스트레이트 간의 간격은, 예로, 투과파의 위상이 동일한 조건으로 결정될 수 있다.
도 8은, 본 개시의 실시예에 따른 수퍼스트레이트를 적용한 메타 구조 배열 안테나의 조향 특성을 나타낸다.
도 8에서, 실선 그래프(801)는 수퍼스트레이트가 적용되지 않은 메타 구조 배열 안테나의 조향 각도에 따른 조향 이득을 나타내고, 점선 그래프(802)는 수퍼스트레이트가 적용된 메타 구조 배열 안테나의 조향 각도에 따른 조향 이득을 나타내난다.
이 때, 수퍼스트레이트가 적용된 메타 구조 배열 안테나는 수퍼스트레이트에 대하여 반사되는 반사파의 위상과 진폭을 조절하여 수퍼스트레이트를 통하여 방사되는 전자기파의 파면을 등위상으로 구현한 구조일 수 있다.
이 경우, 수퍼스트레이트가 적용된 메타 구조 배열 안테나의 조향 이득이, 수퍼스트레이트가 적용되지 않은 메타 구조 배열 안테나의 조향 이득과 비교하여 약 2.39dBi만큼 성능이 개선된 것이 확인될 수 있다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
210: 급전선
220: 접지면
230: 패치면

Claims (15)

  1. 메타 구조 안테나에 있어서,
    신호를 급전하는 급전선(feed line);
    상기 신호에서 유도된 자기장에 기반하여 원형 편파를 형성하는, 크로스(cross) 형태의 개구(aperture)를 포함하는 접지면(ground plane); 및
    상기 원형 편파에 기반하여 전자기파를 방사하는, 상기 접지면과 평행하게 형성되는 패치면(patch plane)
    을 포함하는 메타 구조 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타 구조 안테나는,
    상기 메타 구조 안테나에 0차 공진을 생성하기 위하여, 상기 접지면 및 상기 패치면 사이에 형성되는 복수의 비아(via)들을 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패치면이 복수의 부분 패치면들로 구분되는 경우,
    상기 복수의 부분 패치면들 및 상기 접지면 사이 각각에 형성된 적어도 하나의 비아의 개수는 서로 동일한 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하여 지향 방향의 이득이 향상된 전자기파를 방사하는 수퍼스트레이트(superstrate)를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트는,
    제1 덮개 및, 상기 제1 덮개로부터 일정 간격 이격된 제2 덮개를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 덮개 및 제2 덮개는,
    상기 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하기 위한 제1 패턴(pattern) 및 제2 패턴을 각각 포함하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은,
    원형인 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴의 크기는,
    상기 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기 및 반사파의 위상을 고려하여 결정된 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴의 크기는,
    상기 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기 및 투과파의 위상을 고려하여 결정된 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 덮개 및 상기 제2 덮개 간의 간격은,
    상기 수퍼스트레이트에 대한 반사 계수의 크기 및 반사파의 위상을 고려하여 결정된 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 덮개 및 상기 제2 덮개 간의 간격은,
    상기 수퍼스트레이트에 대한 투과 계수의 크기 및 투과파의 위상을 고려하여 결정된 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 패치면은,
    크로스 형태의 갭(gap)을 포함하는 것을
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 패치면의 크로스 형태의 갭은,
    상기 접지면의 크로스 형태의 개구에 대응하도록 위치하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 크로스 형태의 개구는,
    서로 직교하는 복수의 슬릿들을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿들은,
    원형 편파가 형성되도록 서로 다른 길이를 가지는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
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