WO2023113486A1 - 가변 구조형 메타표면 안테나 - Google Patents

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WO2023113486A1
WO2023113486A1 PCT/KR2022/020421 KR2022020421W WO2023113486A1 WO 2023113486 A1 WO2023113486 A1 WO 2023113486A1 KR 2022020421 W KR2022020421 W KR 2022020421W WO 2023113486 A1 WO2023113486 A1 WO 2023113486A1
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WO
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unit
variable
metasurface
antenna
radiators
Prior art date
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PCT/KR2022/020421
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French (fr)
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최종호
박규환
김진수
Original Assignee
주식회사 엑스픽
재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H01Q1/46—Electric supply lines or communication lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices

Definitions

  • the present invention relates to a variable geometry metasurface antenna.
  • antenna beam steering performance is very important in communication with satellites far from the ground.
  • a phased array antenna forms a desired shape of a wavefront by radiating electromagnetic waves of different phases and different magnitudes from a plurality of radiators on the surface. At this time, the intensity of the radiated electromagnetic wave and the steering direction vary according to the formed wavefront, which is determined by the number of radiators, the phase range of the electromagnetic wave that each radiator can modulate, and the intensity of the electromagnetic wave.
  • a phased array antenna basically feeds electromagnetic waves of the same magnitude and phase to all radiators on the surface of the antenna. And after modulating the phase, it is amplified to an appropriate size to form a wavefront of the steering beam.
  • the most recent beam steering antenna of the preceding method is an antenna using a variable structure metasurface. It is the same as a phased array antenna in that the antenna surface is wavefront modulated to steer the beam in a desired direction, but the specific wavefront modulation method is different.
  • a phased array antenna electromagnetic waves of the same phase and the same magnitude are fed to each radiator, but a variable structure metasurface antenna is fed in space like a typical leaky wave antenna. Since the magnitudes and phases of the electromagnetic waves supplied to each radiator are all different, the beam is controlled by operating only the radiator capable of creating a beam steering wavefront in a desired direction.
  • a representative current variable structure metasurface antenna for satellite communication includes liquid crystal in each emitter of the metasurface, and the liquid crystal operates variably according to an electric signal to turn the emitter on or off.
  • the range of antenna gain and steering angle is suitable for use for satellite communication, but the operating speed is very slow at the ms level because liquid crystal is used. Because of this slow operating speed, there are many situations in which it cannot be utilized in some cases.
  • the present invention is to provide a variable structure metasurface antenna.
  • the present invention is to provide a variable structure type metasurface antenna capable of freely steering a beam without using a phase modulator and an RF amplifier.
  • the present invention is to provide a variable structure type metasurface antenna capable of freely steering an electromagnetic wave beam while overcoming the disadvantages of the phased array antenna technology in a method different from that of the phased array antenna technology without using a mechanical drive unit.
  • the present invention is to provide a variable structure metasurface antenna in which problems such as slow operation speed and manufacturing complexity are improved by applying a circuit method that is relatively easy to manufacture instead of the liquid crystal used in the existing variable structure metasurface antenna.
  • variable structure metasurface antenna is provided.
  • a power supply unit for receiving electromagnetic waves and propagating them in the form of concentric waves; and a variable meta that is located on top of the power supply unit, has a plurality of unit radiators, and emits electromagnetic waves transmitted from the power supply unit to have different phase and polarization components according to a combination of activated unit radiators among the plurality of unit radiators.
  • a variable structure metasurface antenna including a surface portion may be provided.
  • the plurality of unit radiators are formed in a circular ring shape, a metal slot shape, a metal I-shaped slot shape, and a metal circular slot shape, respectively, and the plurality of unit radiators are formed on the upper or lower surface of the variable meta-surface portion, respectively.
  • the plurality of unit radiators may be formed in different shapes and sizes, respectively.
  • Each of the plurality of unit radiators includes at least one active electronic device, wherein the active electronic device is formed on the same surface as the bias line or on a surface facing the bias line, and when formed on the facing surface, the bias through a via hole line can be connected.
  • the active electronic device connects the inner center and the outside isolated by the circular ring shape
  • a via hole for transmitting an electrical signal controlling activation of the plurality of unit radiators may be formed at inner centers of the plurality of unit radiators.
  • a plurality of bias lines may be formed on an upper surface of the variable meta-surface portion, and one end of each bias line may be connected to each unit radiator through the via hole.
  • a portion of each bias line connected to each unit radiator through the via hole may be formed perpendicular to a virtual direction line of each unit radiator.
  • the virtual direction line is a virtual line connecting the center of the variable meta-surface portion and the via hole of each unit radiator.
  • each bias line is connected to a connector for applying an electrical signal, and activation of each unit radiator may be determined by an electrical signal applied through the bias line.
  • the positions of the plurality of unit emitters are determined by the following equation,
  • i represents the index of each unit emitter
  • ( ) denotes the center frequency wavelength
  • (ratio) denotes the ratio to the spacing distance between each unit emitter.
  • the power supply unit has a lower space and an upper space partitioned by a separator formed therein or has a single space forming a single plane without the separator, but the inside is divided into a lower space and an upper space by the separator ,
  • a waveguide coupler receiving electromagnetic waves is located in the center of the lower space, and an RF absorber for absorbing the electromagnetic waves is located in the center of the upper space, and the electromagnetic waves are reflected from the lower space to the upper space, Electromagnetic waves may propagate in different directions in space and the upper space.
  • a waveguide coupler receiving electromagnetic waves is located at the center of the inner space, and electromagnetic waves are formed concentrically spreading outward from the center, forming the concentric circle to the outside.
  • An absorber for absorbing the electromagnetic wave spread out may be positioned outside the waveguide in a form surrounding the antenna.
  • the present invention is different from the phased array antenna technology without using a mechanical drive unit, and overcomes the disadvantages of the phased array antenna technology, enabling free electromagnetic beam steering.
  • the present invention can improve problems such as slow operation speed and manufacturing complexity by applying a circuit method that is relatively easy to manufacture instead of the liquid crystal used in the existing variable structure metasurface antenna.
  • the present invention has a simpler structure than conventional antennas, and has advantages of easy maintenance, low manufacturing cost, and high operating speed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
  • variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention
  • variable geometry metasurface antenna is a bottom view of a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a variable geometry metasurface antenna according to a first embodiment of the present invention.
  • variable meta-surface part is a bottom view of the variable meta-surface part according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the unit radiator of FIG. 6;
  • FIG. 8 is a top view of a variable meta-surface unit according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged view of a part of the bias line of FIG. 8;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a variable geometry metasurface antenna according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a top view of a variable meta-surface unit according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a bottom view of a variable meta-surface according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a top view of a variable meta-surface unit according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a bottom view of a variable meta-surface according to a third embodiment of the present invention.
  • variable geometry metasurface antenna 15 is a cross-sectional view of a variable geometry metasurface antenna according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 16 is a top view of a variable meta-surface unit according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 17 is a bottom view of a variable meta-surface according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a top view of a variable meta-surface unit according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a bottom view of a variable meta-surface according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 20a to 20f are diagrams illustrating beam steering results varying according to switching states of a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a diagram showing a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a side view of the variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a bottom view of a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a variable geometry metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a bottom view of a variable meta-surface according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is an enlarged view of the unit radiator of Figure 6
  • Figure 8 is a variable meta-surface according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is an enlarged view of a part of the bias line of FIG. 8
  • FIG. 10 is a view showing a beam steering result that varies depending on a switching state of a variable structure metasurface antenna according to an embodiment of the present invention.
  • a variable structure metasurface antenna 100 includes a feeding unit 110 and a variable metasurface unit 120 .
  • the power supply unit 110 and the variable meta-surface unit 120 may be disposed in a structure in contact with each other. That is, the variable structure type metasurface antenna may be formed such that the upper surface of the power feeding unit 110 and the lower surface of the variable metasurface unit 120 come into contact with each other.
  • variable structure metasurface antenna may be formed in a circular shape. This is only one example, and may be formed in other shapes in addition to the circular shape depending on the implementation method.
  • the power supply unit 110 is a means for receiving an electromagnetic wave signal radiated through the variable structure type metasurface antenna 100 and transferring it to the variable metasurface unit 120 located at the top. That is, the power supply unit 110 may transmit electromagnetic waves in the form of concentric waves to the variable metasurface unit 120 after receiving the electromagnetic wave signal to be radiated to the antenna through the cable.
  • the power supply unit 110 receives electromagnetic wave signals from the center of the variable structure metasurface antenna 110, propagates them to the outer (outside) in the shape of concentric waves, reflects them from the side walls, and then propagates them back to the upper space. In transmitting the electromagnetic waves to the variable meta-surface part 120, the power supply unit 110 may transmit the electromagnetic waves in a two-layer structure.
  • the power supply unit 110 may be partitioned into a lower space and an upper space.
  • the lower space and the upper space may be partitioned by a separation membrane located inside the power feeding unit 110 .
  • a waveguide coupler for receiving electromagnetic waves is positioned in a lower space of the power supply unit 110, and an RF absorber may be positioned in an upper space.
  • the waveguide coupler and the RF absorber may be respectively positioned at the center of the power supply unit 110 .
  • the waveguide coupler located in the lower space of the power supply unit 110 may be connected to a cable to receive an electromagnetic wave signal and propagate it outward from the center of the lower space. In this way, the propagated electromagnetic wave is reflected from the sidewall of the power supply unit 110 and is transmitted to the upper space partitioned by the separator, and the electromagnetic wave transmitted to the upper space is propagated from the outside to the center again, and can be collected in the RF absorber.
  • the waveguide coupler is located in the center of the lower space and the feeder 110 itself (that is, the variable structure metasurface antenna) is formed in a circular shape, the electromagnetic waves propagated from the waveguide feeder 110 are fed from the center in the form of concentric waves. Front 110 may propagate toward the outside.
  • Electromagnetic waves propagating outward from the lower space of the power feeding unit 110 may be reflected toward the upper space by the inner reflector located at the outer periphery of the lower space.
  • a portion of the inner reflector may be inclined at a predetermined angle.
  • a portion of the inner reflector may be inclined at a predetermined angle, and the remaining portion may be formed perpendicular to the bottom surface of the lower space so as to be parallel to the sidewall.
  • an inner reflector may be formed on the outer periphery of the upper space of the power supply unit 110 .
  • the inner reflector of the upper space may be formed in an inclined shape such that an upper portion has an inclination of a predetermined angle.
  • Electromagnetic waves reflected into the upper space of the power feeding unit 110 are propagated in the form of concentric waves from the periphery to the center of the power feeding unit 110, and are gathered toward the RF absorber formed in the center of the upper space.
  • the waveguide coupler located in the lower space may have a diameter of about 10.4 mm and a height of 6.8 mm.
  • the heights (h d , h u ) of the lower space and the upper space may be formed to be 10.0 mm, respectively.
  • the thickness of the separation membrane partitioning the lower space and the upper space of the power feeding unit 110 may be 1.0 mm, and the gap between the separation membrane and the inner circumference of the power feeding unit 110 may be 5.7 mm, respectively.
  • electromagnetic waves may propagate from the center to the periphery in the form of concentric waves.
  • the feeder is not divided into a lower space and an upper space by the separator, and the inside of the feeder has a single space forming a single plane.
  • a waveguide coupler receiving electromagnetic waves is located at the center of a single space inside the power supply unit 110, and electromagnetic waves spreading outward in a concentric circle from the center may be formed.
  • an absorber for absorbing an electromagnetic wave spreading outward by forming a corresponding concentric circle may be positioned on the outer portion of the variable structure type metasurface antenna 100 .
  • the inclined portion of the inner reflector of the lower space may have a height of 6.0 mm and a length of 8.4 mm.
  • the inclined portion of the inner reflector of the upper space may have a height of 4.8 mm and a length of 7.5 mm.
  • the description is centered on the assumption that the inner reflectors of the lower space and the upper space are formed differently from each other, but the inner reflectors of the lower space and the upper space have the same length and the same height and have the same angle. It may be formed to have an inclination. In addition, the height and length may vary according to the number of frequency domains and center frequencies used.
  • the power feeding unit 110 is partitioned into a lower space and an upper space by a separation membrane, and the waveguide coupler located at the center of the lower space couples the electromagnetic waves fed through the cable without reflection to form uniform concentric waves from the center of the lower space to the outside. can be propagated at a single density.
  • the electromagnetic wave propagated by the waveguide coupler is reflected by the inner reflector formed on the outer periphery of the lower space and transmitted to the upper space. It gathers into the formed RF absorber.
  • the electromagnetic wave forms a concentric wave form with respect to the center of the antenna and propagates inside, and this concentric wave form can play an important role in beam steering of the variable structure metasurface antenna.
  • Electromagnetic waves traveling in a circular shape are the sum of plane waves traveling in all directions, and among them, the variable metasurface part 120 at the top can extract only the components constituting the beam in the direction to be steered.
  • a variable meta-surface part 120 is disposed above the power supply part 110 .
  • the top surface of the power supply unit 110 and the bottom surface of the variable meta-surface unit 120 may be disposed to contact each other. Accordingly, the electromagnetic waves traveling while converging from the top surface of the power supply unit 110 to the center interact with the activated unit emitters of the variable meta-surface unit 120 to emit some energy to the outside.
  • the phase and polarization components of electromagnetic waves emitted from the variable metasurface portion 120 may vary depending on the combination of activated unit emitters. That is, the phase and polarization components of electromagnetic waves emitted from the variable meta-surface portion 120 may vary according to the position, shape, and angle of the activated unit emitter.
  • variable meta-surface unit 120 is located above the power supply unit 110 and is a means for receiving electromagnetic waves from the power supply unit 110 and radiating them to the outside.
  • variable meta-surface unit 120 is a partial cross-sectional view of the variable meta-surface unit 120 according to the first embodiment of the present invention.
  • electromagnetic waves supplied through the optical waveguide 520 meet and interact with patterns formed on the bottom of the variable meta-surface part 120 (ie, each unit radiator), and as a result, each unit radiator Radiation patterns and efficiencies are determined.
  • the bias line and each unit radiator may be formed using copper foil.
  • the upper surface 530 of the variable meta-surface portion 120 is as shown in FIG. 7 and the bottom surface 540 is as shown in FIG. 6 .
  • the variable meta-surface portion 120 includes a plurality of unit radiators.
  • the plurality of unit radiators may be arranged in a sunflower array form as shown in FIG. 6 .
  • a plurality of unit radiators of the variable meta-surface part 120 may be formed on the lower surface of the variable meta-surface part 120 .
  • each of the plurality of unit radiators may be formed in a circular ring shape as shown in FIG. 7 .
  • each unit radiator is formed in a circular ring shape, an isolated region (referred to as an inner center for convenience) 705 may be formed in the central portion of the unit radiator by each unit radiator.
  • An electrical signal for controlling activation of each unit radiator may be provided through a via hole penetrating from an inner center of the unit radiator to an upper surface thereof.
  • the diameter of each unit radiator may be, for example, 9.3 mm.
  • the diameter of each unit radiator is limited to 9.3 mm, but the diameter of each unit radiator may be modified according to the frequency at which the antenna is used. In addition, the diameter of each unit radiator may be modified in inverse proportion to the size of the permittivity of the PCB board used for the variable metasurface antenna. Based on the most commonly used FR4 substrate, when the antenna utilization frequency is, for example, Ku band, 12 to 18 GHz, the diameter of each unit radiator may have various sizes from 1 mm to 12 mm. In addition, when the diameter of each unit radiator has a size of 1 mm to 12 mm, the size of the circular ring-shaped gap of each unit radiator may be formed to 0.1 to 11 mm. Here, the gap represents the difference between the outer radius of the circular ring shape of each unit radiator and the radius of the isolated region (ie, the inner center).
  • Each unit emitter includes at least one active device 710 since electromagnetic characteristics such as resonance must be modulated according to an electrical signal.
  • the active electronic device may be a PIN diode or a varactor diode.
  • each of the plurality of unit radiators is formed in a circular ring shape, and the current flow is turned on or off by the potential difference between the inside and outside of the plurality of unit radiators by the active electronic device. It can be.
  • the active electronic device may perform a role of connecting electrical signals or changing the phase of electromagnetic waves.
  • the shape of the variable meta-surface portion 120 can be variously changed according to desired characteristics by the active electronic device. For example, it may have various shapes such as a square shape, a dumbbell shape, a circle shape, a triangle shape, a bow tie shape, an ellipse shape, and the like.
  • bias lines electrical signal lines
  • electrical signals applied through each bias line are transmitted through via holes to each unit radiator formed on the lower surface.
  • Ends of the plurality of bias lines are bundled and connected to a connector, and electrical signals may be supplied through the corresponding connector.
  • the other ends of the plurality of bias lines are connected to via holes connected to respective unit radiators so as to affect electromagnetic waves interacting with each unit radiator.
  • each of the plurality of unit radiators may be connected to each bias line formed on the upper surface of the variable meta-surface portion 120 through a via hole at the center. That is, the via hole formed in the center of each unit radiator is connected to the bias line formed on the upper surface of the variable meta-surface portion 120, and the electrical signal applied through the bias line can be transmitted to each unit radiator through the via hole.
  • a potential difference is generated inside and outside each unit radiator formed in a circular ring shape, and current flows to the active electronic element formed to connect the inner center and the outside of each unit radiator formed in a circular ring shape. This may be on or off.
  • the bias line for electronically controlling each unit radiator is perpendicular to the virtual direction line connecting the via formed at the center of each unit radiator and the center of the variable metasurface in order to minimize the influence on the interaction between the supplied electromagnetic wave and each unit radiator. It can be formed to (see Fig. 9).
  • the virtual direction line is a virtual line connecting the via hole formed at the center of each unit radiator and the center of the variable meta-surface portion, and the virtual direction line may also be formed differently according to the position of each unit radiator. .
  • the virtual direction line is only for explanation, and is not a line formed on the actual variable metasurface portion 120 .
  • each bias line connected to the via hole communicating with the center of each unit radiator may be bent perpendicular to the virtual direction line (ie, 90 degrees) and connected to the via.
  • the bias line is connected to the via so that the virtual direction line corresponding to each unit radiator and a portion of each bias line are perpendicular to each other, there is an advantage in that interference can be minimized.
  • Each bias line of a portion corresponding to the area of each unit radiator is bent perpendicularly to each unit radiator and connected to a via, and after extending out of the area of each unit radiator, the bias line is bent in an outer direction and connected to a connector. there is.
  • the line width of each bias line may be formed between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • Each unit emitter of the variable metasurface portion 120 is positioned in a sunflower array, and the location can be determined as in Equation 1.
  • i represents the index of each unit emitter
  • (ratio) denotes the ratio to the spacing distance between each unit emitter.
  • (ratio) is 0.35.
  • (ratio) is not necessarily limited to a fixed value of 0.35, and it is natural that the size of (ratio) may be modified according to the number or size of each unit emitter at 0.1 or more. That is, the size of (ratio) may be modified according to the range of the index i of each unit emitter.
  • variable meta-surface part 120 The active electronic device (PIN diode) included in each unit emitter of the variable meta-surface part 120 is placed where the current flow can react sensitively, but in one embodiment of the present invention, the variable meta-surface part 120 Active electronic devices of each unit radiator may be positioned toward the center.
  • PIN diode PIN diode
  • Two-dimensional beam steering is possible according to electrical signal control to each unit radiator of the variable meta-surface portion formed as described above.
  • a metal substrate 1030 may be positioned on the variable meta-surface portion 120 according to the second embodiment of the present invention.
  • each metal slot structure having a rectangular shape may be formed on the metal substrate 1030 .
  • each unit radiator is formed on the bottom surface of the variable meta-surface portion 120 corresponding to each metal slot structure, and an active electronic device may be formed on each unit radiator.
  • each unit radiator formed on the bottom surface 530 of the variable meta-surface part 120 is formed as a metal substrate is placed on the upper surface of the variable meta-surface part 120 to form a square-shaped metal slot.
  • a bias line may be formed on the same side (see FIG. 13).
  • each unit radiator may be positioned on the lower surface of the variable meta-surface portion 120 corresponding to the corresponding metal slot structure.
  • the unit radiator according to the second embodiment is formed at a position corresponding to the metal slot structure formed on the upper surface, and each unit radiator may be formed in a rectangular shape, and an active electronic device (PIN diode) is placed in the metal slot structure in the rectangular shape. It may be located at a position corresponding to the center of.
  • the active electronic device PIN diode
  • the active electronic device may be located on the same plane on which the bias line is formed, and whether to activate it may be determined according to an electrical signal provided through the bias line.
  • Each unit radiator is connected to each bias line formed on the bottom of the variable meta-surface unit, and an electrical signal for activation can be transmitted through each bias line.
  • a metal slot may be formed on an upper surface of the variable meta-surface unit according to the second embodiment, and an individual radiation pattern of each unit radiator may be determined by the metal slot.
  • the shape of the slot formed on the upper surface of the variable meta-surface unit according to the third embodiment may be implemented as a metal I-shaped slot structure.
  • Each unit radiator 1410 formed in a quadrangular shape on the bottom of the variable meta-surface portion may be formed to correspond to the position of the metal I-shaped slot structure.
  • each unit radiator 1410 includes an active electronic device, and may receive an electrical signal through a bias line. Compared to the second embodiment, only the shape of the slot is different, but the rest of the configuration is the same, so redundant description will be omitted.
  • a metal substrate is positioned on the upper surface of the variable meta-surface portion, an I-shaped slot may be formed in the metal substrate, and each unit radiator 1530 is disposed in the metal I-shaped slot. can be located (see Fig. 16).
  • a bias line and a via hole for transmitting an electrical signal to each corresponding unit radiator may be formed on the bottom of the variable meta-surface portion corresponding to the position of each unit radiator ( see Figure 17). Accordingly, an electric signal supplied through a bias line formed on a bottom surface of the variable meta-surface part may be transferred to each unit radiator positioned on an upper surface of the variable meta-surface part through a via hole.
  • the metal slot formed on the upper surface of the variable meta-surface portion is formed in a circular shape, and each unit radiator may be positioned in the corresponding metal circular slot.
  • an active electronic element is positioned, and as each unit radiator is formed in a circular metal slot formed on the upper surface of the variable metasurface portion, as in the fourth embodiment, electricity is transmitted to the active electronic element included in each unit radiator.
  • a signal may be transmitted through a via hole and a bias line formed on a bottom surface.
  • each unit radiator according to an embodiment of the present invention may be formed on the lower surface of the variable meta-surface portion.
  • the supplied electromagnetic wave may first encounter each unit radiator and then be radiated outward through the substrate dielectric layer.
  • each unit radiator when each unit radiator is formed on the upper surface of the variable meta-surface unit, the supplied electromagnetic wave passes through the substrate dielectric layer and then each unit radiator on the upper surface of the variable meta-surface unit. It can be emitted outward by interacting with it.
  • each unit radiator may be variously formed, such as a simple rectangular shape, an I-shape, a circular shape, and the like, and more diverse geometries may be formed through a combination thereof.
  • each unit radiator may be formed in a different size as well as formed in a different shape.
  • each unit emitter is individually activated as a emitter is determined by an electrical signal.
  • the electrical signal can position the active electronic device on the upper or lower surface of the variable meta-surface portion, and the electrical signal to the active electronic device is It may be transmitted through a bias line formed on the same surface or transmitted to another surface through a via hole.
  • Resonance characteristics of each unit radiator may be adjusted by adjusting an angle at which the bias lines begin to extend from each unit radiator.
  • 20A to 20F are diagrams showing the result of varying the beam steering according to the switching of each unit radiator of the variable meta-surface unit 120. It can be seen that the variable structure type metasurface antenna is capable of beam free steering for satellite communication uplink, and beam free steering is also possible for downlink if the structures are changed according to the 14.25 GHz band.
  • variable structure metasurface antenna may vary depending on the number of unit radiators constituting the metasurface and the width of the antenna radiation surface.
  • the intensity of radiated electromagnetic wave energy can be predicted based on dipole modeling, and there is a proportional relationship between the energy intensity of the steering beam and the number of emitters of each unit.
  • the antenna gain may increase in proportion to various factors such as the number of units and antenna radius.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

가변 구조형 메타표면 안테나가 개시된다. 가변 구조형 메타표면 안테나는, 전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및 상기 급전부의 상단에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지고, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 상이한 위상 및 편파 성분을 가지도록 상기 급전부에서 전달된 전자기파를 방사하는 가변 메타표면부를 포함한다.

Description

가변 구조형 메타표면 안테나
본 발명은 가변 구조형 메타표면 안테나에 관한 것이다.
전자기파의 효율적인 송수신을 위해서는 안테나의 방사패턴을 고려하여 지향 방향을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 특히 지상에서 멀리 떨어져 있는 인공위성과의 통신에서 안테나 빔조향 성능이 매우 중요하다. 안테나의 전자기파 빔조향 방향제어를 위한 방법으로 크게 두 가지가 있는데, ① 안테나를 모터 등을 이용하여 기계적으로 직접 움직여서 원하는 방향으로 조준하거나, ② 안테나 표면에서 방사되는 전자기파의 파면을 변조하여 원하는 방향으로 전자기파가 조향 되어 나갈 수 있도록 하는 것이다. 후자의 경우 안테나를 직접 움직일 필요가 없으며, 이를 구현한 대표적인 기술로 위상배열 안테나 기술이 있다.
위상배열 안테나는 표면에 있는 다수의 방사체에서 각기 다른 위상 및 다른 크기의 전자기파를 방사하여 원하는 형태의 파면을 형성한다. 이때 방사되는 전자기파는 그 세기 및 조향 방향이 형성된 파면에 따라 달라지는데, 이는 방사체의 수, 각 방사체가 변조할 수 있는 전자기파의 위상 범위 및 전자기파의 세기에 따라 결정된다. 위상배열 안테나는 기본적으로 안테나 표면의 모든 방사체에 크기와 위상이 같은 전자기파를 급전한다. 그리고 위상을 변조한 후, 적당한 크기로 증폭시켜 조향 빔의 파면을 형성한다.
한편, 최근 전자기파를 원하는 형태로 비교적 자유롭게 제어하는 메타물질/메타표면 기술들이 등장하고 발전해 가고 있다. 그리고 이 기술이 안테나 분야에도 접목이 되면서 홀로그래픽 안테나 기술 등으로 발전되고 있고, 가변형 회로와 함께 접목되면서 많은 가능성을 보여주고 있다. 가장 최근 앞선 방식의 빔 조향 안테나는, 가변 구조형 메타표면을 활용한 안테나인데, 원하는 방향으로의 빔 조향을 위해서 안테나 표면의 파면 변조를 한다는 면에서는 위상배열 안테나와 같지만, 구체적인 파면 변조 방법은 다르다. 위상배열안테나의 경우 동일 위상, 동일한 크기의 전자기파가 각 방사체로 급전되지만, 가변 구조형 메타표면 안테나는 보통 누설파 안테나 (leaky wave antenna)와 마찬가지로 공간 급전 된다. 개별 방사체에 급전되는 전자기파의 크기 및 위상이 모두 다르므로, 원하는 방향의 빔 조향 파면을 만들 수 있는 방사체만을 작동시켜 빔을 제어한다.
현재의 대표적인 위성통신용 가변 구조형 메타표면 안테나는, 메타표면의 각 방사체에 액정을 포함한 형태로 액정 (liquid crystal)이 전기 신호에 따라 가변적으로 작동하여 방사체를 키거나 끈다. 안테나 이득 및 조향각 범위는 위성통신용으로 이용하기에는 적합하지만, 액정을 이용하기 때문에 작동속도가 ms 수준으로 매우 느린 편이다. 이러한 느린 동작속도 때문에, 경우에 따라서 활용할 수 없는 상황이 많이 생긴다.
본 발명은 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 위상 변조기, RF 증폭기를 쓰지 않고 빔 자유 조향이 가능한 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기계식 구동부를 이용하지 않고 위상배열 안테나 기술과 다른 방법으로 위상배열 안테나 기술의 단점을 극복하면서 자유로운 전자기파 빔 조향이 가능한 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기존의 가변 구조형 메타표면 안테나에서 사용한 액정 대신 비교적 제작이 용이한 회로 방식을 적용하여 문제점이었던 느린 동작속도, 제조의 복잡성 등을 개선한 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 가변 구조형 메타표면 안테나가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및 상기 급전부의 상단에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지고, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 상이한 위상 및 편파 성분을 가지도록 상기 급전부에서 전달된 전자기파를 방사하는 가변 메타표면부를 포함하는 가변 구조형 메타표면 안테나가 제공될 수 있다.
상기 복수의 유닛 방사체는, 각각 원형 고리 형상, 금속 슬롯 형상, 금속 I-형태 슬롯 형상, 금속 원형 슬롯 형상으로 각각 형성되되, 상기 복수의 유닛 방사체는 상기 가변 메타표면부의 상면 또는 저면에 각각 형성될 수 있다. 또한, 복수의 유닛 방사체는 서로 다른 형상 및 서로 다른 크기로 각각 형성될 수도 있다.
상기 복수의 유닛 방사체는 각각 적어도 하나의 능동전자소자를 포함하되, 상기 능동전자소자는 바이어스 라인과 동일한 면에 형성되거나 대면하는 면에 형성되되, 상기 대면하는 면에 형성되는 경우 비아홀을 통해 상기 바이어스 라인과 연결될 수 있다.
상기 원형 고리 형상으로 상기 복수의 유닛 방사체가 형성되는 경우, 상기 능동전자소자에 의해 상기 원형 고리 형상에 의해 격리된 내측 중심부와 외부가 연결되되,
상기 복수의 유닛 방사체의 내측 중심부에는 상기 복수의 유닛 방사체의 활성화 여부를 제어하는 전기 신호 전달을 위한 비아홀(via hole)이 형성될 수 있다.
상기 가변 메타표면부의 상면에는 복수의 바이어스 라인이 형성되되, 각 바이어스 라인의 일단은 상기 비아홀을 통해 각 유닛 방사체와 연결될 수 있다.
상기 비아홀을 통해 상기 각 유닛 방사체와 연결되는 상기 각 바이어스 라인의 일부분은 상기 각 유닛 방사체의 가상 방향선과 수직하게 형성될 수 있다.
상기 가상 방향선은 상기 가변 메타표면부의 중심과 상기 각 유닛 방사체의 비아홀을 연결하는 가상의 선이다.
상기 각 바이어스 라인의 타단은 전기신호를 인가하는 커넥터와 연결되되, 상기 바이어스 라인을 통해 인가되는 전기신호에 의해 상기 각 유닛 방사체의 활성화 여부가 결정될 수 있다.
상기 복수의 유닛 방사체는 하기 수학식에 의해 위치가 결정되되,
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000001
여기서, i는 각 유닛 방사체의 인덱스를 나타내고,
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000002
는 골든 앵글(
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000003
)을 나타내고,
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000004
는 중심주파수 파장을 나타내며, (ratio)는 각 유닛 방사체 간의 간격 거리에 대한 비율을 나타낸다.
상기 급전부는 내부에 형성되는 분리막에 의해 구획되는 하부 공간과 상부 공간을 가지거나 상기 분리막 없이 단일 평면을 형성하는 단일 공간을 가지되, 상기 내부가 상기 분리막에 의해 하부 공간과 상부 공간으로 구획되는 경우, 상기 하부 공간의 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 상기 상부 공간의 중심부에는 상기 전자기파를 흡수하는 RF흡수체가 위치되되, 상기 전자기파는 상기 하부 공간에서 상기 상부공간으로 반사되되, 상기 하부 공간과 상기 상부 공간에서 전자기파는 서로 상이한 방향으로 전파될 수 있다.
상기 급전부가 상기 분리막 없이 상기 단일 공간을 가지는 경우, 상기 내부 공간의 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 상기 중심부에서부터 동심원을 이루며 바깥 방향으로 퍼져나가는 전자기파가 형성되되, 상기 동심원을 이루며 바깥으로 퍼져나간 전자기파를 흡수하는 흡수체가 상기 도파로 바깥쪽에 안테나를 감싸는 형태로 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나를 제공함으로써, 발명은 기계식 구동부를 이용하지 않고 위상배열 안테나 기술과 다른 방법으로 위상배열 안테나 기술의 단점을 극복하면서 자유로운 전자기파 빔 조향이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 가변 구조형 메타표면 안테나에서 사용한 액정 대신 비교적 제작이 용이한 회로 방식을 적용하여 문제점이었던 느린 동작속도, 제조의 복잡성 등을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 안테나보다 더 단순한 구조로 유지 보수가 용이하고 제작 비용이 낮으며, 동작 속도가 빠른 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 상면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 저면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도.
도 7은 도 6의 유닛 방사체의 확대도.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도.
도 9는 도 8의 바이어스 라인의 일부를 확대한 도면.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 단면도.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도.
도 13는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 단면도.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도.
도 18은 본 발명의 제5 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도.
도 19는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도.
[규칙 제91조에 의한 정정 15.02.2023]
도 20a 내지 20f는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 스위칭 상태에 따라 달라지는 빔 조향 결과를 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 상면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 저면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 메타표면부의 저면도이며, 도 7은 도 6의 유닛 방사체의 확대도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면도이고, 도 9는 도 8의 바이어스 라인의 일부를 확대한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나의 스위칭 상태에 따라 달라지는 빔 조향 결과를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나(100)는 급전부(110) 및 가변 메타표면부(120)를 포함하여 구성된다.
도 1 내지 도 2에서 보여지는 바와 같이, 급전부(110)와 가변 메타표면부(120)는 서로 맞닿는 구조로 배치될 수 있다. 즉, 급전부(110)의 상면과 가변 메타표면부(120)의 저면이 서로 맞닿도록 가변 구조형 메타표면 안테나가 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 4에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조형 메타표면 안테나는 원형으로 형성될 수 있다. 이는 일 실시예일 뿐이며, 원형 이외에도 구현 방법에 따라 다른 형상으로 형성될 수도 있다.
급전부(110)는 가변 구조형 메타표면 안테나(100)를 통해 방사되는 전자기파 신호를 공급받아 상부에 위치한 가변 메타표면부(120)로 전달하기 위한 수단이다. 즉, 급전부(110)는 케이블을 통해 안테나로 방사해야 할 전자기파 신호를 공급받은 후 동심원 파동 형태의 전자기파를 가변 메타표면부(120)로 전달할 수 있다.
급전부(110)는 가변 구조형 메타표면 안테나(110)의 중심부에서 전자기파 신호를 급전받은 후 동심원 파동 형상으로 외곽(바깥)으로 전파하며, 측벽에서 반사시킨 후 이를 상부 공간으로 다시 전파시킬 수 있다. 전자기파를 가변 메타표면부(120)로 전달함에 있어, 급전부(110)는 2층 구조로 전자기파를 전달할 수 있다.
이를 위한 구조를 간략히 설명하면 다음과 같다. 급전부(110)는 하부 공간과 상부 공간으로 구획될 수 있다. 여기서, 하부 공간과 상부 공간의 구획은 급전부(110) 내부에 위치한 분리막에 의해 구획될 수 있다.
급전부(110)의 하부 공간에는 전자기파를 급전받기 위한 도파로 커플러가 위치되며, 상부 공간에는 RF 흡수체가 위치될 수 있다. 도파로 커플러와 RF 흡수체는 각각 급전부(110)의 중심부에 위치될 수 있다.
급전부(110)의 하부 공간에 위치된 도파로 커플러는 케이블과 연결되어 전자기파 신호를 공급받은 후 이를 하부 공간의 중심부에서 바깥으로 전파시킬 수 있다. 이와 같이, 전파된 전자기파는 급전부(110)의 측벽에서 반사되며 분리막에 의해 구획된 상부 공간으로 전달되며, 상부 공간으로 전달된 전자기파는 바깥에서 다시 중심부로 전파되며, RF 흡수체로 모일 수 있다.
도파로 커플러가 하부 공간의 중심부에 위치하며, 급전부(110) 자체(즉, 가변 구조형 메타표면 안테나)가 원형으로 형성되므로, 도파로 급전부(110)에서 전파되는 전자기파는 동심원 파동 형태로 중심부에서 급전부(110) 외곽을 향해 전파될 수 있다.
급전부(110)의 하부 공간에서 바깥으로 전파되는 전자기파는 하부 공간의 외주연에 위치한 내측 반사부에 의해 상부 공간으로 반사될 수 있다. 급전부(110)의 하부 공간에서 상부 공간으로 전자기파를 반사시키기 위해 내측 반사부의 일부분은 소정 각도의 경사로 기울어진 형태로 형성될 수 있다. 내측 반사부의 일부분은 소정 각도의 경사로 기울어진 형태이며, 나머지 부분은 측벽과 평행하도록 하부 공간의 바닥면에서 수직하게 형성될 수 있다.
또한, 급전부(110)의 상부 공간의 외주연에도 내측 반사부가 형성될 수 있다. 상부 공간의 내측 반사부는 상부 일부분이 소정 각도의 경사를 가지도록 기울어진 형태로 형성될 수 있다.
급전부(110)의 상부 공간으로 반사된 전자기파는 급전부(110)의 외곽에서 중심으로 동심원 파동 형태로 전파되며, 상부 공간의 중심부에 형성된 RF 흡수체를 향해 모이게 된다. 예를 들어, 하부 공간에 위치된 도파로 커플러는 지름이 약 10.4mm이고, 높이가 6.8mm일 수 있다. 또한, 하부 공간과 상부 공간의 높이(hd, hu)는 각각 10.0mm로 형성될 수 있다. 급전부(110)의 하부 공간과 상부 공간을 구획하는 분리막의 두께는 1.0mm일 수 있으며, 분리막과 급전부(110) 내주연간의 갭(gap)은 각각 5.7mm일 수 있다.
다른 예를 들어, 전자기파는 중심에서 외곽으로 동심원 파동 형태로 전파될 수도 있다. 이를 위해, 급전부는 분리막에 의해 하부 공간과 상부 공간으로 구획되지 않고, 급전부 내부는 단일 평면을 형성하는 단일 공간을 가진다. 이와 같은 경우, 급전부(110)의 내부에 단일 공간 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 해당 중심부에서부터 동심원을 이루어 바깥 방향으로 퍼져나가는 전자기파가 형성될 수 있다. 또한, 가변 구조형 메타표면 안테나(100) 외각 부분에 해당 동심원을 이루어 바깥 방향으로 퍼지는 전자기파를 흡수하는 흡수체가 위치될 수 있다.
하부 공간의 내측 반사부의 기울어진 부분은 높이가 6.0mm이며, 길이가 8.4mm일 수 있다. 상부 공간의 내측 반사부의 기울어진 부분은 높이가 4.8mm이고, 길이가 7.5mm로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 하부 공간과 상부 공간의 내측 반사부가 서로 상이하게 형성되는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하고 있으나, 하부 공간과 상부 공간의 내측 반사부는 동일한 길이와 동일한 높이를 가지며 동일한 각도의 경사를 가지도록 형성될 수도 있다. 또한 활용되는 주파수 영역 및 중심주파수 개수에 따라 상기의 높이와 길이는 달라질 수 있다.
급전부(110)는 분리막에 의해 하부 공간과 상부 공간으로 구획되며, 하부 공간의 중심에 위치한 도파로 커플러는 케이블을 통해 급전된 전자기파를 반사 없이 커플시켜 하부 공간의 중심부에서 바깥으로 동심원 파동 형태로 균일한 밀도로 전파시킬 수 있다.
도파로 커플러에 의해 전파된 전자기파는 하부 공간의 외주연에 형성된 내측 반사부에 의해 반사되어 상부 공간으로 전달되며, 상부 공간으로 전달된 전자기파는 바깥에서 중심부로 동심원 파동 형태로 전파되어 상부 공간의 중심부에 형성된 RF 흡수체로 모이게 된다.
즉, 전자기파는 안테나 중심부를 기준으로 동심원 파동 형태를 이루며 내부에서 전파되며, 이러한 동심원 파동 형태가 가변 구조형 메타표면 안테나의 빔 조향에 중요한 역할을 수행할 수 있다.
원형 형태로 진행하는 전자기파는 모든 방향으로 진행하는 평면파의 합이고, 이들 중 상단의 가변 메타표면부(120)는 조향하고자 하는 방향의 빔을 구성하는 성분들만 뽑아낼 수 있다.
급전부(110)의 상부에는 가변 메타표면부(120)가 배치된다. 전술한 바와 같이, 급전부(110)의 상단면과 가변 메타표면부(120)의 저면은 서로 맞닿도록 배치될 수 있다. 이에 따라 급전부(110)의 상단면에서 중심으로 모이면서 진행하는 전자기파는 가변 메타표면부(120)의 활성화된 유닛 방사체들과 상호 작용하여 일부 에너지를 외부로 방출할 수 있다. 가변 메타표면부(120)에서 방출되는 전자기파의 위상 및 편파 성분은 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 달라질 수 있다. 즉, 활성화되는 유닛 방사체의 위치, 형태 및 각도에 따라 가변 메타표면부(120)에서 방출되는 전자기파의 위상 및 편파 성분이 달라질 수 있다.
급전부(110) 내부의 전자기파는 가변 메타표면부(120)의 비활성화된 유닛 방사체를 지날때는 특별한 상호 작용 없이 진행하던 방향으로 나아갈 수 있다.
가변 메타표면부(120)는 급전부(110)의 상부에 위치되며, 급전부(110)로부터 전자기파를 공급받아 외부로 방사시키기 위한 수단이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 메타표면부(120)의 단면도 일부가 도시되어 있다. 가변 메타표면부(120)는 광도파로(520)을 통해 급전되는 전자기파가 가변 메타표면부(120)의 저면에 형성된 패턴(즉, 각 유닛 방사체)을 만나 상호작용하고, 그 결과 각 유닛 방사체의 방사 패턴 및 효율이 정해진다. 여기서, 바이어스 라인과 각 유닛 방사체는 각각 동박을 이용하여 형성될 수 있다.
즉, 가변 메타표면부(120)의 상면(530)은 도 7에 도시된 바와 같고, 저면(540)는 도 6에 도시된 바와 같다.
가변 메타표면부(120)는 복수의 유닛 방사체를 포함한다. 여기서, 복수의 유닛 방사체는 도 6에서 보여지는 바와 같이, 선플라워(sunflower) 어레이 형태로 배열될 수 있다.
보다 상세하게, 가변 메타표면부(120)의 복수의 유닛 방사체는 가변 메타표면부(120)의 저면에 형성될 수 있다. 또한, 복수의 유닛 방사체는 각각 도 7에 도시된 바와 같이, 원형 고리 형태로 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 원형 고리 형태로 각 유닛 방사체가 형성됨에 따라 유닛 방사체 내부 중심부에는 각 유닛 방사체에 의해 고립된 영역(편의상 내측 중심부라 칭하기로 함)(705)가 형성될 수 있다. 각 유닛 방사체의 활성화 여부를 제어하는 전기 신호는 유닛 방사체의 내측 중심부에서 상면으로 관통하는 비아홀을 통해 제공될 수 있다. 각 유닛 방사체의 지름은 예를 들어, 9.3mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 각 유닛 방사체의 지름이 9.3mm인 것으로 한정하여 설명하고 있으나, 각 유닛 방사체의 지름은 안테나가 활용되는 주파수에 따라 변형될 수 있다. 또한, 각 유닛 방사체의 지름은 가변메타표면 안테나에 사용되는 PCB 기판의 유전율 크기에 따라 반비례하여 변형될 수도 있다. 가장 일반적으로 쓰이는 FR4 기판을 기준으로 안테나 활용 주파수가 예를 들어, Ku밴드, 12~18GHz인 경우, 각 유닛 방사체의 지름은 1mm부터 12mm까지 다양한 크기를 가질 수 있다. 또한, 각 유닛 방사체의 지름이 1mm ~ 12mm의 크기를 가지는 경우, 각 유닛 방사체의 원형 고리 형태의 갭(Gap)의 크기는 0.1 ~ 11mm까지 형성될 수 있다. 여기서, 갭은 각 유닛 방사체의 원형 고리 형상의 바깥 반지름과 고립 영역(즉, 내측 중심부)의 반지름의 차이를 나타낸다.
각 유닛 방사체는 전기 신호에 따라 공명 등 전자기적인 특성이 변조되어야 하므로 적어도 1개 이상의 능동전자소자(active device)(710)를 포함한다. 여기서, 능동전자소자는 PIN diode, varactor diode일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 유닛 방사체는 각각 원형 고리 형태로 형성되며, 능동전자소자에 의해 복수의 유닛 방사체의 내부 및 외부의 전위차에 의해 전류 흐름이 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있다.
능동전자소자는 전기신호를 이어주거나 전자기파의 위상을 바꾸는 역할을 수행할 수 있다. 능동전자소자에 의해 가변 메타표면부(120)는 그 형태가 원하는 특성에 따라 다양하게 변할 수 있다. 예를 들어, 사각형 모양, 아령 모양, 원 모양, 삼각형 모양, 나비넥타이 모양, 타원 모양 등 다양한 모양을 가질 수 있다.
가변 메타표면부(120)의 상면의 일부분을 확대한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 가변 메타표면부(120)의 상면에는 복수의 바이어스 라인(전기신호선)이 형성되며, 각 바이어스 라인을 통해 인가된 전기 신호가 비아홀을 통해 저면에 형성된 각 유닛 방사체로 전달될 수 있다.
복수의 바이어스 라인의 일단은 묶음으로 정리되어 커넥터로 연결되며, 해당 커넥터를 통해 전기신호를 공급받을 수 있다. 또한, 복수의 바이어스 라인의 타단은 각각의 유닛 방사체와 상호작용하는 전자기파에 영향을 줄 수 있도록 각 유닛 방사체와 연결된 비아홀과 각각 연결된다.
즉, 복수의 유닛 방사체 각각은 중심에 비아홀을 통해 가변 메타표면부(120)의 상면에 형성된 각 바이어스 라인과 연결될 수 있다. 즉, 각 유닛 방사체의 중심에 형성된 비아홀을 통해 가변 메타표면부(120)의 상면에 형성된 바이어스 라인과 연결되며, 바이어스 라인을 통해 인가된 전기신호가 비아홀을 통해 각 유닛 방사체로 전달될 수 있다.
비아홀을 통해 전달된 전기신호에 따라 원형 고리 형태로 형성된 각 유닛 방사체의 내부 및 외부에 전위차가 발생하며, 원형 고리 형태로 형성된 각 유닛 방사체의 내부 중심부와 외부를 연결하도록 형성된 능동전자소자로 전류 흐름이 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있다.
또한, 각 유닛 방사체를 전자 제어하기 위한 바이어스 라인은 급전되는 전자기파와 각 유닛 방사체간의 상호작용에 영향을 최소화하기 위해 각 유닛 방사체의 중심에 형성된 비아와 가변 메타표면부의 중심을 잇는 가상 방향선에 수직하도록 형성될 수 있다(도 9 참조).
도 9에 도시된 바와 같이, 가상 방향선은 각 유닛 방사체의 중심에 형성된 비아홀과 가변 메타표면부의 중심을 잇는 가상의 선으로, 각 유닛 방사체의 위치에 따라 가상 방향선 또한 상이하게 형성될 수 있다. 가상 방향선은 설명을 위한 것일 뿐, 실제 가변 메타표면부(120)에 형성되는 선은 아니다.
예를 들어, 유닛 방사체의 가상 방향선이 도 9에 도시된 바와 같다고 가정하기로 한다. 각 유닛 방사체의 중심부와 연통되는 비아홀과 연결되는 각 바이어스 라인의 일부분은 가상 방향선과 수직(즉, 90도)을 이루도록 꺾여서 비아와 연결될 수 있다. 이와 같이, 각 유닛 방사체에 상응하는 가상 방향선과 각 바이어스 라인의 일부분이 수직을 이루도록 바이어스 라인이 비아와 연결됨으로써 간섭을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
각 유닛 방사체의 영역에 상응하는 부분의 각 바이어스 라인이 각 유닛 방사체에 대해 수직하게 꺾여서 비아와 연결되며, 각 유닛 방사체 영역 밖으로 뻗어 나온 후에는 바이어스 라인이 외각 방향으로 꺾여서 커넥터로 연결되도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 가변 구조형 메타표면 안테나의 실시예는 위성통신용으로 사용할 수 있는 Ku밴드에서 작동하는 안테나를 가정하면, 각 바이어스 라인들의 선폭은 0.1mm ~ 0.5mm 사이에서 형성될 수 있다.
가변 메타표면부(120)의 각 유닛 방사체들은 선 플라워 어레이로 위치시키는 데, 그 위치는 수학식 1과 같이 정해질 수 있다.
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000005
여기서, i는 각 유닛 방사체의 인덱스를 나타내고,
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000006
는 골든 앵글(
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000007
)을 나타내고,
Figure PCTKR2022020421-appb-img-000008
는 중심주파수 파장을 나타내며, (ratio)는 각 유닛 방사체 간의 간격 거리에 대한 비율을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서는 (ratio)가 0.35인 것을 가정하기로 한다. 그러나, (ratio)가 반드시 고정된 0.35값으로 제한되는 것은 아니며, (ratio)의 크기는 0.1 이상으로 각 유닛 방사체의 개수나 크기 등에 따라 변형될 수 있음은 당연하다. 즉, 각 유닛 방사체의 인덱스 i의 범위에 따라 (ratio)의 크기가 변형될 수도 있다.
가변 메타표면부(120)의 각 유닛 방사체에 포함된 능동전자소자(PIN 다이오드)는 전류 흐름이 민감하게 반응할 수 있는 곳에 위치시키되, 본 발명의 일 실시예에서는 가변 메타표면부(120)의 중심을 향하도록 각 유닛 방사체의 능동전자소자를 위치시킬 수 있다.
가변 메타표면부(120)의 중심을 원점(0,0)으로 설정하고, 처음 몇 개(i=1 ~ 5)개는 제외하고 가변 메타표면부(120)를 만들 수 있다.
상술한 바와 같이 형성된 가변 메타표면부의 각 유닛 방사체로의 전기 신호 제어에 따라 2차원 빔 조향이 가능하다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 메타표면부(120)에는 금속 기판(1030)이 위치될 수 있다. 이러한 금속 기판(1030)에는 도 11에 도시된 바와 같이, 각각 사각 형상의 금속 슬롯 구조가 형성될 수 있다. 또한, 각 금속 슬롯 구조에 대응하는 가변 메타표면부(120)의 저면에는 도 12에 도시된 바와 같이, 각 유닛 방사체가 형성되되, 각 유닛 방사체에는 능동전자소자가 형성될 수 있다. 제1 실시예와는 달리, 가변 메타표면부(120)의 상면에 금속 기판이 위치되어 사각 형상의 금속 슬롯이 형성됨에 따라 가변 메타표면부(120)의 저면(530)에 형성된 각 유닛 방사체와 동일한 면에 바이어스 라인이 형성될 수 있다(도 13 참조).
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 해당 금속 슬롯 구조에 대응하는 가변 메타표면부(120)의 저면에 각 유닛 방사체가 위치될 수 있다. 제2 실시예에 따른 유닛 방사체는 상면에 형성된 금속 슬롯 구조에 대응하는 위치에 형성되며, 각 유닛 방사체는 사각 형상으로 형성될 수 있으며, 해당 사각 형상내에 능동전자소자(PIN 다이오드)가 금속 슬롯 구조의 중심에 대응하는 위치에 위치될 수 있다. 또한, 능동전자소자(PIN 다이오드)는 바이어스 라인이 형성된 동일면에 위치될 수 있으며, 해당 바이어스 라인을 통해 제공되는 전기 신호에 따라 활성화 여부가 결정될 수 있다. 각 유닛 방사체는 가변 메타표면부의 저면에 형성된 각 바이어스 라인과 연결되며, 해당 각 바이어스 라인을 통해 활성화를 위한 전기 신호가 전달될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면에는 금속 슬롯이 형성될 수 있으며, 해당 금속 슬롯에 의해 각 유닛 방사체의 개별 방사 패턴이 결정될 수 있다.
도 13 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 제3 실시예에 따른 가변 메타표면부의 상면에 형성되는 슬롯의 형태가 금속 I-형상 슬롯 구조로 구현될 수도 있다. 이와 같은 가변 메타표면부의 저면에 사각 형상으로 형상되는 각 유닛 방사체(1410)는 금속 I-형상 슬롯 구조의 위치에 대응하여 형성될 수 있다. 또한, 각 유닛 방사체(1410)는 능동전자소자를 각각 포함하며, 바이어스 라인을 통해 전기 신호를 전달받을 수 있다. 제2 실시예와 비교하여 슬롯의 형태가 상이할 뿐 나머지 구성은 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제4 실시예에 따르면, 가변 메타표면부의 상면에는 금속 기판이 위치되며, 해당 금속 기판에는 I-형상 슬롯이 형성될 수 있으며, 금속 I-형상 슬롯내에는 각 유닛 방사체(1530)이 위치될 수 있다(도 16 참조).
금속 I-형상 슬롯내에 각 유닛 방사체가 각각 위치됨에 따라 가변 메타표면부의 저면에는 해당 각 유닛 방사체로 전기 신호를 전달하기 위한 바이어스 라인과 비아 홀이 각 유닛 방사체의 위치에 상응하여 형성될 수 있다(도 17 참조). 이로 인해, 가변 메타표면부의 저면에 형성된 바이어스 라인을 통해 공급되는 전기 신호는 비아 홀을 통해 가변 메타표면부의 상면에 위치된 각 유닛 방사체로 전달될 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따르면, 도 18에 도시된 바와 같이 가변 메타표면부의 상면에 형성되는 금속 슬롯은 원형으로 형성되며, 해당 금속 원형 형상 슬롯에 각 유닛 방사체가 위치될 수 있다. 해당 각 유닛 방사체는 능동전자소자가 위치되며, 제4 실시예와 마찬가지로, 가변 메타표면부의 상면에 형성된 원형 금속 슬롯내에 각 유닛 방사체가 형성됨에 따라, 각 유닛 방사체에 포함된 능동전자소자로의 전기 신호는 비아홀을 통해 저면에 형성된 바이어스 라인을 통해 전달될 수 있다.
제1 실시예 내지 제3 실시예를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 각 유닛 방사체는 가변 메타표면부의 저면에 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 가변 메타표면부의 저면에 각 유닛 방사체가 형성되는 경우 급전되는 전자기파는 각 유닛 방사체를 먼저 만난 후 기판 유전체층을 거쳐 바깥으로 방사될 수 있다.
또한, 제4 실시예 내지 제5 실시예를 참조하여 설명한 바와 같이, 가변 메타표면부의 상면에 각 유닛 방사체가 형성되는 경우, 급전되는 전자기파는 기판 유전체층을 거친 후 가변 메타표면부의 상면의 각 유닛 방사체와 상호작용하여 바깥으로 방사될 수 있다.
각 유닛 방사체의 형상은 상술한 바와 같이 단순 직사각형 형상, I-형상, 원형 등과 같이 다양하게 형성될 수 있으며, 이들의 조합을 통해 더 다양한 지오메트리 형성이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 각 유닛 방사체는 서로 다른 형상으로 형성될 뿐만 아니라 서로 다른 크기로 형성될 수도 있다.
또한, 각 유닛 방사체가 개별적으로 방사체로서의 활성화될지 여부는 전기 신호에 의해 결정되는데, 해당 전기 신호는 능동전자소자를 가변 메타표면부의 상면 또는 저면에 위치시킬 수 있으며, 능동전자소자로의 전기 신호는 동일한 면에 형성된 바이어스 라인을 통해 전달되거나, 비아홀을 통해 다른 면으로 전달될 수도 있다.
바이어스 라인들이 각 유닛 방사체로부터 뻗어나오기 시작하는 각도를 조절하여 각 유닛 방사체의 공진 특성을 조절할 수 있다.
[규칙 제91조에 의한 정정 15.02.2023]
도 20a 내지 도20f는 가변 메타표면부(120)는 각 유닛 방사체의 스위칭에 따라 빔 조향이 달라지는 결과를 도시한 도면이다. 가변 구조형 메타표면 안테나는 위성통신 업링크용으로 빔 자유조향이 가능하며, 구조들을 14.25 GHz 대역에 맞추어 변경하면 다운링크용으로도 빔 자유조향이 가능함을 알 수 있다.
또한, 가변 구조형 메타표면 안테나는 메타표면을 이루는 각 유닛 방사체의 수와 안테나 방사면의 넓이에 따라 그 성능이 달라질 수 있다. 방사되는 전자기파 에너지의 세기는 쌍극자 모델링을 기반으로 예측이 가능하며, 조향빔의 에너지 세기와 각 유닛 방사체의 수는 비례 관계가 있다.
예를 들어, 안테나 이득은 유닛의 수, 안테나 반지름 등의 다양한 요소에 비례하여 그 크기가 커질 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및
    상기 급전부의 상부에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지고, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체 조합에 따라 상기 급전부에서 전달된 전자기파를 방사하는 가변 메타표면부를 포함하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 유닛 방사체는,
    각각 원형 고리 형상, 금속 슬롯 형상, 금속 I-형태 슬롯 형상, 금속 원형 슬롯 형상으로 각각 형성되거나 서로 다른 형상이나 상기 형상들의 조합으로 형성되며, 서로 다른 크기로 형성되며,
    상기 복수의 유닛 방사체는 상기 가변 메타표면부의 상면 또는 저면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 유닛 방사체는 각각 적어도 하나의 능동전자소자를 포함하되, 상기 능동전자소자는 바이어스 라인과 동일한 면에 형성되거나 대면하는 면에 형성되되, 상기 대면하는 면에 형성되는 경우 비아홀을 통해 상기 바이어스 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 원형 고리 형상으로 상기 복수의 유닛 방사체가 형성되는 경우, 상기 능동전자소자에 의해 상기 원형 고리 형상에 의해 격리된 내측 중심부와 외부가 연결되되,
    상기 복수의 유닛 방사체의 내측 중심부에는 상기 복수의 유닛 방사체의 활성화 여부를 제어하는 전기 신호 전달을 위한 비아홀(via hole)이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 능동전자소자는 상기 가변 메타표면부의 중심을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 가변 메타표면부의 상면에는 복수의 바이어스 라인이 형성되되,
    각 바이어스 라인의 일단은 상기 비아홀을 통해 각 유닛 방사체와 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 비아홀을 통해 상기 각 유닛 방사체와 연결되는 상기 각 바이어스 라인의 일부분은 상기 각 유닛 방사체의 가상 방향선과 수직하게 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 가상 방향선은 상기 가변 메타표면부의 중심과 상기 각 유닛 방사체의 비아홀을 연결하는 가상의 선인 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 각 바이어스 라인의 타단은 전기신호를 인가하는 커넥터와 연결되되,
    상기 바이어스 라인을 통해 인가되는 전기신호에 의해 상기 각 유닛 방사체의 활성화 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 유닛 방사체는 하기 수학식에 의해 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
    Figure PCTKR2022020421-appb-img-000009
    여기서, i는 각 유닛 방사체의 인덱스를 나타내고,
    Figure PCTKR2022020421-appb-img-000010
    는 골든 앵글(
    Figure PCTKR2022020421-appb-img-000011
    )을 나타내고,
    Figure PCTKR2022020421-appb-img-000012
    는 중심주파수 파장을 나타내며, (ratio)는 각 유닛 방사체 간의 간격 거리에 대한 비율을 나타냄.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 급전부는 내부에 형성되는 분리막에 의해 구획되는 하부 공간과 상부 공간을 가지거나 상기 분리막 없이 단일 평면을 형성하는 단일 공간을 가지되, 상기 내부가 상기 분리막에 의해 하부 공간과 상부 공간으로 구획되는 경우, 상기 하부 공간의 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 상기 상부 공간의 중심부에는 상기 전자기파를 흡수하는 RF흡수체가 위치되되, 상기 전자기파는 상기 하부 공간에서 상기 상부공간으로 반사되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전자기파는 상기 하부 공간과 상기 상부 공간에서 서로 상이한 방향으로 전파되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 급전부가 상기 분리막 없이 상기 단일 공간을 가지는 경우, 상기 내부 공간의 중심부에 전자기파를 급전받는 도파로 커플러가 위치되며, 상기 중심부에서부터 동심원을 이루며 바깥 방향으로 퍼져나가는 전자기파가 형성되되, 상기 동심원을 이루며 바깥으로 퍼져나간 전자기파를 흡수하는 흡수체가 상기 도파로 바깥쪽에 가변 구조형 메타표면 안테나를 감싸는 형태로 위치되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
  14. 전자기파를 급전 받아 동심원 파동 형태로 전파하는 급전부; 및
    상기 급전부의 상부에 위치되며, 복수의 유닛 방사체를 가지되, 상기 복수의 유닛 방사체 중 활성화되는 유닛 방사체의 조합에 따라 상기 전자기파의 빔 조향이 달라지는 가변 메타표면부를 포함하되,
    상기 복수의 유닛 방사체는 각각 적어도 하나의 능동전자소자를 포함하되, 상기 능동전자소자에 의해 활성화 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조형 메타표면 안테나.
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