WO2022019385A1

WO2022019385A1 - 5g 밀리미터파 시스템을 위한 메타 서피스 기반 단일층 광대역 원형 편파 안테나

Info

Publication number: WO2022019385A1
Application number: PCT/KR2020/015794
Authority: WO
Inventors: 김남; 권기철; 후세인니아마트; 임영태
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-01-27
Also published as: KR102323334B1

Abstract

본 발명은 광대역 원형 편파 안테나에 관한 것으로서, 정사각형 형태의 인쇄기판, 상기 인쇄기판 상에 위치한 패치로서, 대향하는 꼭짓점 부분이 삼각형 형태로 절단된 정사각형 형태이고, 급전 홀이 형성되어 있는 패치 및 상기 인쇄기판 상에서 상기 패치 주위에 격자 구조로 형성되어 있는 메타서피스 어레이를 포함한다. 본 발명에 의하면, 5G 밀리미터파 대응을 위한 단일 레이어를 가진 제안된 평면 안테나는 메타서피스의 장점을 제공하며, 고이득 및 광대역 특성을 갖는다는 효과가 있다.

Description

5G 밀리미터파 시스템을 위한 메타 서피스 기반 단일층 광대역 원형 편파 안테나

본 발명은 광대역 원형 편파 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 5G(Generation) 밀리미터파(millimeter-wave) 통신 시스템을 위한 광대역 동작을 갖는 메타서피스(metasurface) 기반의 단일 층 소형(로우 프로파일) 원형 편파 안테나 설계 및 구현에 관한 것이다.

[규칙 제91조에 의한 정정 11.06.2021]
본 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의
대학ICT연구센터지원 사업(과제고유번호: 1711035200/1711103307) 및 Grand
ICT연구센터 지원사업(과제고유번호: 1711120023)의 연구결과로 수행되었음.

일반적으로 안테나는 무선통신에서 통신 목적을 달성하기 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나, 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유기시키기 위해 공중에 가설한 도선으로서, 송수신을 위해 전자파를 공간으로 보내거나 받기 위한 장치이다.

안테나 중 마이크로스트립 패치 안테나는 소형 크기, 고효율, 광대역, 다중대역, 특정 방사 패턴, 제조와 통합의 용이성, 및 저비용 등의 장점으로 인해 현재 무선 통신 시스템에서 널리 사용되고 있다.

5G 통신의 새로운 라디오(New Radio) 기술은 26 / 28GHz 대역의 밀리미터파의 파장을 선정하여 사용하고 있다. 이는 파장이 짧아지고 거리가 멀어짐에 따라 송신과 수신 안테나간 경로손실이 크기 때문에 5G 시스템에는 고 이득 안테나가 필요하다.

선형 편파(LP, linear polarization) 안테나는 단일 방향으로만 송신하는 반면, 원형 편파(CP, circular polarization) 안테나는 동일한 신호 강도로 2 개의 직교 방향으로 전파되어 밀리미터파 주파수에서 현저한 전파 손실, 간섭 및 다중 경로 왜곡에 대한 내성을 제공한다. 따라서, 원형 편파 기술을 위성/무선 통신(RFID 태그, 센서, 추적 장치 등)에 적용할 수 있다. 또한 CP 안테나는 메타서피스(metasurface, MS)로 알려진 서브 파장 2 차원 주기 구조의 표면파 공진을 이용하여, 안테나의 성능 향상을 위해 널리 사용되기 때문에, 5G 밀리미터파 통신 시스템을 위한 광대역 동작을 갖는 MS 기반의 단일 계층 로우 프로파일 원형 편파 안테나 기술이 필요하다.

기본적으로 MS는 높은 이득과 광대역 작동을 위해 라디에이터 위 또는 아래의 최적의 위치에 배치된다. 이때, 라디에이터와 MS 층 사이의 갭으로 인한 문제가 발생하는 것을 방지하고, 안테나의 평면 구조를 유지하는 성능을 향상시키기 위해 에어 갭없이 MS 층과 접지면 사이에 라디에이터가 삽입된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 구성은 인쇄 기판(MS 층 및 라디에이터 층)의 다층 구조라는 결정적인 결점을 가지며, 이는 제조 비용 및 복잡한 설계 구조를 증가시킨다는 문제가 있다. 또한, 대부분의 안테나 설계는 마이크로파 주파수내에서 이루어지므로, 고성능의 단일 기판 층에 설계된 안테나가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 5 G 밀리미터파 통신 시스템을 위한 고이득, 광대역 특성을 갖는 메타서피스 기반 단일층 광대역 원형 편파 안테나의 설계 및 구현 방식을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광대역 원형 편파 안테나에 관한 것으로서, 정사각형 형태의 인쇄기판, 상기 인쇄기판 상에 위치한 패치로서, 대향하는 꼭짓점 부분이 삼각형 형태로 절단된 정사각형 형태이고, 급전 홀이 형성되어 있는 패치 및 상기 인쇄기판 상에서 상기 패치 주위에 격자 구조로 형성되어 있는 메타서피스 어레이를 포함한다.

c는 광속이고, f _r은 공진주파수이고, ε _eff는 인쇄기판의 유효 유전 상수일 때, 상기 패치의 폭은,

일 수 있다.

상기 패치의 한 변으로부터 상기 급전 홀이 형성된 급전 포인트까지의 거리를 w _F라고 할 때, 공진주파수 f _r에 따라 최적의 임피던스 대역폭이 되도록 상기 w 및 w _F를 조정할 수 있다.

상기 패치의 한 변에서 절단된 부분의 길이를 t _c라고 할 때, 미리 설정된 축 비율 대역폭에 최적화되도록 상기 t _c를 조정할 수 있다.

상기 메타서피스 어레이는 상기 패치 주위에 정사각형 금속판 형태의 P 주기를 갖고 형성된 유닛 셀로 구성되며, 임피던스 대역폭과 축 비율 대역폭에 최적화되면서 최고 이득을 갖도록, 상기 P, 유닛 셀 사이의 거리(g) 및 유닛 셀의 수를 조정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 5G 밀리미터파 대응을 위한 단일 레이어를 가진 제안된 평면 안테나는 메타서피스의 장점을 제공하며, 고이득 및 광대역 특성을 갖는다는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 광대역 원형 편파 안테나는 동작 대역폭이 5G 애플리케이션을 위해 설계된 5G NR 밴드를 포함하고, 컴팩트한 크기와, 5G 스마트 장치, 최소의 어셈블리 부품으로 단일 층의 기판에 설계된 매우 낮은 프로파일 등의 특성으로 인해, RFID 태그의 실제 응용 제품에 대한 저비용 및 대량 생산에 적합하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 원형 편파 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 원형 편파 안테나의 설계 및 최적화 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 원형 편파 안테나의 디자인 과정을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에서 실제 제작된 메타서피스 기반 단일층 5G 안테나의 사진이다.

도 5는 본 발명의 실험을 위해 제작된 광대역 원형 편파 안테나에 대한 시뮬레이션 측정 결과 중 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실험을 위해 제작된 광대역 원형 편파 안테나에 대한 시뮬레이션 측정 결과 중 축비 및 이득을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실험을 위해 제작된 광대역 원형 편파 안테나에 대한 시뮬레이션 측정 결과 중 다른 주파수에서의 안테나 방사 패턴을 도시한 그래프이다.

본 발명은 광대역 원형 편파 안테나에 관한 것으로서, 정사각형 형태의 인쇄기판, 상기 인쇄기판 상에 위치한 패치로서, 대향하는 꼭짓점 부분이 삼각형 형태로 절단된 정사각형 형태이고, 급전 홀이 형성되어 있는 패치 및 상기 인쇄기판 상에서 상기 패치 주위에 격자 구조로 형성되어 있는 메타서피스 어레이를 포함한다.

일 수 있다.

본 명세서에서 개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시예는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 5G 밀리미터파 시스템을 위한 메타 서피스 기반 단일층 광대역 원형 편파 안테나에 대한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 원형 편파 안테나의 구조를 도시한 것이다. 도 1에서 (a)는 측면도이고, (b), (c)는 위에서 바라 본 평면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 광대역 원형 편파 안테나는 인쇄기판(10), 패치(110), 메타서피스(metasurface) 어레이(array)(120)를 포함한다.

인쇄기판(10)은 정사각형 형태로 구현된다. 도 1에서 인쇄기판(10)의 한 변의 길이가 A, 두께가 h로 표시되어 있다.

패치(110)는 인쇄기판(10) 상에 위치한 패치로서, 대향하는 꼭짓점 부분이 삼각형 형태로 절단된 정사각형 형태이고, 급전 홀(Feed hole)이 형성되어 있다.

메타서피스 어레이(120)는 인쇄기판(10) 상에서 패치(110) 주위에 격자 구조로 형성되어 있다.

도 1에서 보는 바와 같이, 패치(110)는 대향하는 꼭짓점 부분이 삼각형 형태로 절단된 정사각형 형태이고, 급전 홀이 형성되어 있으며, 한 변의 길이가 w로 표시되어 있다.

그리고, 패치(110)의 한 변으로부터 급전 홀이 형성된 급전 포인트(Feed point)(130)까지의 거리가 w _F로 표시되어 있다.

그리고, 패치(110)의 한 변에서 절단된 부분의 길이가 t _c로 표시되어 있다.

메타서피스(metasurface) 어레이(120)는 인쇄기판(10)의 상부면에 형성되며, 메타물질(metamaterials)로 이루어진 복수의 유닛 셀(unit cell)을 구비할 수 있다.

메타물질이란 자연에서 일반적으로 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성이 있도록 인공적으로 설계된 물질 또는 전자기적 구조를 의미하는 것으로, 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)이 모두 음수인 물질 또는 그러한 전자기적 구조를 의미한다.

이러한 물질 또는 구조는 두 개의 음수 파라미터를 가진다는 의미에서 더블네거티브(double negative; DNG) 물질이라 불리기도 하고, 음의 유전율 및 투자율에 의해 음의 반사계수를 가지며, 그에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고도 불린다.

위와 같은 특성에 의하여 메타물질 내에서 전자기파는 플레밍의 오른손 법칙을 따르지 않고 왼손 법칙에 의해 전달된다. 즉, 전자기파의 위상 전파 방향(위상 속도)과 에너지 전달 방향(군 속도)이 반대가 되어, 메타물질을 통과하는 신호는 음의 위상 지연을 갖게 된다. 이에 따라, 메타물질을 LHM(Left-handed Material)이라고도 한다.

메타물질에서는 β(위상 상수)와 ω(주파수)의 관계가 비선형일 뿐만 아니라, 그 특성 곡선이 좌표 평면의 좌반면에도 존재하는 특성을 보인다. 이러한 비선형 특성에 의하여 메타물질에서는 주파수에 따른 위상차가 작아 광대역 회로의 구현이 가능하며, 위상 변화가 전송 선로의 길이에 비례하지 않으므로 소형의 회로를 구현할 수 있다.

메타서피스 어레이(120)는 패치 주위에 정사각형 금속판 형태의 P 주기를 갖고 형성된 다수의 유닛 셀(Unit cell)로 구성된 격자 구조로 형성되어 있다.

그리고, 유닛 셀 사이의 거리가 g로 표시되어 있다.

패치(110)에 형성된 급전 홀을 통해 SMA 커넥터와 연결될 수 있다.

본 발명에서 패치(110)의 한 변의 길이 w는 다음 식에 의해 산출될 수 있다.

(1)

여기서, c는 광속이고, f _r은 공진주파수이고, ε _eff는 인쇄기판의 유효 유전 상수이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 광대역 원형 편파 안테나의 설계 및 최적화 과정을 설명하면 다음과 같다.

w×w인 정사각형 패치가 식 (1)에 기초하여 선택된다.

그리고, 공진주파수 f _r에 따라 최적의 임피던스 대역폭(Bandwidth)(| S11 | BW)이 되도록 w 및 w _F를 조정한다(S210, S220).

그리고, 패치(110)의 꼭짓점 부분을 절단하는데, 이때 미리 설정된 축 비율 대역폭(Axial ratio bandwidth, AR BW)에 최적화되도록 t _c를 조정한다(S230, S240).

그리고, 임피던스 대역폭과 축 비율 대역폭에 최적화되면서 최고 이득을 갖도록, p, 유닛 셀 사이의 거리 g 및 유닛 셀의 수를 조정한다(S250, S260, S270). 본 발명에서 메타서피스 및 광대역 방사선을 따라 표면파가 빠져나감에 따라 광대역 동작 및 이득 향상에 최적화되도록 유닛 셀의 수를 조정한다. 그리고, 패치(110) 주위에 정사각형 금속판 형태로 구성된 메타서피스 어레이가 패턴화된다.

이때, 최적의 성능을 위해, 인쇄기판(10)에 메타서피스(120)를 로드한 후, 다시 한 번 설정된 축 비율 대역폭(Axial ratio bandwidth)에 최적화되도록 t _c를 조정할 수 있다.

이러한 과정을 통해 본 발명에서 제안하는 메타서피스 기반 단일층 광대역 원형 편파 안테나의 디자인이 완료된다.

본 발명에서 제안하는 단일층 광대역 원형 편파 안테나를 시뮬레이션한 결과와 실제 측정 결과는 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 안테나에 대한 실험을 위해, 인쇄 기판에 패치를 형성한다(step-1). 그리고, 패치의 대향하는 꼭짓점 부분을 절단한다(step-2). 그리고, 패치 주위에 메타서피스 어레이를 패턴화한다(step-3).

도 4에서 본 발명의 실험을 위해 제안된 단일층 광대역 원형 편파 안테나의 프로토 타입은 0.05mm의 높은 정밀도 수준으로, 포토 리소그래피를 통해 고주파 기판(Roger 5880, 두께 = 0.51mm, 유전상수 εr = 2.0, 손실 탄제트 tanδ = 0.0009)에서 제조되고, 측정 결과에 대해 테스트된다. 여기서, 패치는 0.65mm 직경의 구멍을 통해 SMA 커넥터의 핀을 확장하여 인셋 피드로 공급되며 아웃 도체는 접지로 연결되는 구조이다.

모든 방사 요소가 단일 레이어로 인쇄되므로 소형 5G 스마트 장치에 적합한 안테나의 프로파일이 매우 낮다(0.51 mm ≒ 0.041 λ ₀). 이 안테나의 전체 크기는 12mm × 12mm × 0.51mm로서, 1.0λ ₀ × 1.0λ ₀ × 0.04λ ₀에 해당한다. 여기서 λ ₀은 가장 낮은 공진 주파수에서 자유 공간 파장을 나타낸다.

피드 포인트는 패치 중심에서 w _F 거리로 지정하며, f _r을 27.5 GHz로 선택한다. w 및 wF는 원하는 주파수(fr)에서 예상 임피던스 대역폭(| S11 | BW)을 달성하도록 최적화되어 있고, 패치 안테나의 임피던스 대역폭은 5% 미만으로 결정한다.

그리고, 본 실험을 위해 제작된 단일층 광대역 원형 편파 안테나는 3 % 미만의 축비 대역폭(AR BW)을 제공하는데, 잘린 모서리 패치 안테나는 2.5 %의 축비 대역폭(AR BW)으로 설계하였다.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 제안된 광대역 원형 편파 안테나는 24.5GHz 이하와, 31 GHz 이상의 광대역 주파수에 대해 임피던스 정합(| S11 |)이 -10dB 이하로 양호한 특성을 나타낸다. 이는 중앙 주파수에 대해 23.4 %의 분수 대역폭에 해당하며, 이러한 광대역 특성은 메타서피스에 의하여 달성된다.

도 6에서 (a)는 축비를 나타낸 그래프이고, (b)는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 6 (a)를 참조하면, 본 발명에서 제안된 광대역 원형 편파 안테나는 평탄한 이득 곡선과 95 % 이상의 높은 방사 효율로 25 ~ 29.6 GHz 범위의 다수의 최소 축비(AR) 포인트로 넓은 3dB 축비(AR) 대역폭(16.8 %)을 제공한다.

도 6 (b)를 참조하면, 측정된 이득은 5G 밀리미터파 통신 시스템의 높은 이득 요구 사항을 충족시키는 최소 변동으로 최대 11dBic의 값을 달성했다. 측정된 이득은 측정 중에 사용된 커넥터/케이블 손실로 인해 전체 주파수 범위에서 시뮬레이션 된 값보다 약간 낮지만, AR 대역폭이 | S11 | 안테나의 대역폭 및 공통 대역폭을 커버함으로써, 5G 시스템에 할당된 주파수 대역을 커버할 수 있다.

도 7에서 서로 다른 작동 주파수에서 E- 평면과 H- 평면에서 안테나의 방사 패턴이 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 광대역 원형 편파 안테나는 통과 대역에서 25, 28 및 31 GHz의 모든 주파수에서 낮은 사이드 로브 및 백 로브 레벨을 갖는 안정적이고 대칭적인 방사 패턴을 제공한다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

정사각형 형태의 인쇄기판;

상기 인쇄기판 상에 위치한 패치로서, 대향하는 꼭짓점 부분이 삼각형 형태로 절단된 정사각형 형태이고, 급전 홀이 형성되어 있는 패치; 및

상기 인쇄기판 상에서 상기 패치 주위에 격자 구조로 형성되어 있는 메타서피스 어레이

를 포함하는 광대역 원형 편파 안테나.
청구항 1에 있어서,

c는 광속이고, f _r은 공진주파수이고, ε _eff는 인쇄기판의 유효 유전 상수일 때,

상기 패치의 폭은,

인 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.
청구항 2에 있어서,

상기 패치의 한 변으로부터 상기 급전 홀이 형성된 급전 포인트까지의 거리를 w _F라고 할 때,

공진주파수 f _r에 따라 최적의 임피던스 대역폭이 되도록 상기 w 및 w _F를 조정하는 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.
청구항 3에 있어서,

상기 패치의 한 변에서 절단된 부분의 길이를 t _c라고 할 때,

미리 설정된 축 비율 대역폭에 최적화되도록 상기 t _c를 조정하는 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.
청구항 4에 있어서,

상기 메타서피스 어레이는 상기 패치 주위에 정사각형 금속판 형태의 P 주기를 갖고 형성된 유닛 셀로 구성되며,

임피던스 대역폭과 축 비율 대역폭에 최적화되면서 최고 이득을 갖도록, 상기 P, 유닛 셀 사이의 거리(g) 및 유닛 셀의 수를 조정하는 것을 특징으로 하는 광대역 원형 편파 안테나.