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KR101698131B1 - 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나 - Google Patents

메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나 Download PDF

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KR101698131B1
KR101698131B1 KR1020150147351A KR20150147351A KR101698131B1 KR 101698131 B1 KR101698131 B1 KR 101698131B1 KR 1020150147351 A KR1020150147351 A KR 1020150147351A KR 20150147351 A KR20150147351 A KR 20150147351A KR 101698131 B1 KR101698131 B1 KR 101698131B1
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KR
South Korea
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antenna
radiator
meta
circularly polarized
present
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KR1020150147351A
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English (en)
Inventor
박익모
선 쑤어 따
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아주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부 기판, 상기 하부 기판의 상부에 적층되는 상부 기판, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 위치하며, 대향하는 모서리가 삼각형 형태로 제거되어 두 개의 삼각 제거부가 형성된 사각 패치 형상을 가지되, 상기 삼각 제거부 중 하나의 삼각 제거부의 빗변 일단으로부터 소정 너비와 길이를 가지도록 연장되며 내부에 급전 홀이 형성된 연장 스트립을 포함하는 방사체 및 상기 상부 기판의 상부면에 형성되며, 복수의 단위 셀을 구비하는 메타표면을 포함하며, 로우 프로파일, 광대역 원형편파 특성, 높은 이득 특성 등을 나타내는 성능이 향상된 원형편파 안테나에 관한 것이다.

Description

메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나{BROADBAND CIRCULARLY POLARIZED ANTENNA USING WITH METASURFACE}
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메타표면과 접지면 사이에 위치하는 방사체를 이용한 광대역 원형편파 안테나에 관한 것이다.
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.
안테나는 많은 응용분야에서 선형편파보다 원형편파 특성이 요구되는데, 원형편파는 공간상의 전파장애 및 패러데이 로테이션으로 인한 편파왜곡이 우려되는 통신환경에 강하고, 선형편파에 비하여 다중경로 페이딩을 완화시킬 수 있는 등의 장점이 있기 때문이다.
이러한 원형편파 특성을 위해, 단일 급전 원형편파 마이크로스트립 패치 안테나가 많은 주목을 받고 있지만, 임피던스 매칭과 축비에 있어서 대역폭이 5% 미만으로 좁은 단점이 있다.
종래에는 이러한 단일급전 원형편파 마이크로스트립 패치 안테나의 대역폭을 증가시키기 위해 두꺼운 기판 사용, L형상 스트립 급전과 단락핀 적재, 적층 패치 구조 등을 사용하는 시도가 있었다. 그러나, 이러한 구조들의 대부분은 안테나 높이가 0.1λo 또는 더 두꺼운 수준으로 요구되는 문제가 있었다.
최근에는, 전체 크기 축소 및 대역폭 확장 등 안테나의 성능을 향상시키기 위해 원형편파 패치 안테나에 메타물질이 사용되는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직까지는 낮은 안테나 높이와 적정 수준 이상의 대역폭을 동시에 만족하면서 메타물질이 사용된 원형편파 안테나는 개발되지 않은 실정이다.
대한민국공개특허 제2013-0091603호 "메타물질을 이용한 이중대역 원형 편파 패치 안테나"(2013년 8월 19일 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 안테나의 방사체가 접지면과 메타표면 사이에 샌드위치되는 구조를 통해 로우 프로파일, 광대역 원형편파 특성, 높은 이득 특성 등을 나타내는 성능이 향상된 원형편파 안테나를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나는 하부 기판, 상기 하부 기판의 상부에 적층되는 상부 기판, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 위치하며, 대향하는 모서리가 삼각형 형태로 제거되어 두 개의 삼각 제거부가 형성된 사각 패치 형상을 가지되, 상기 삼각 제거부 중 하나의 삼각 제거부의 빗변 일단으로부터 소정 너비와 길이를 가지도록 연장되며 내부에 급전 홀이 형성된 연장 스트립을 포함하는 방사체 및 상기 상부 기판의 상부면에 형성되며, 복수의 단위 셀을 구비하는 메타표면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연장 스트립은 상기 방사체의 일측에서 수직 방향으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 두 개의 삼각 제거부는 상기 방사체의 중심으로부터 서로 대칭적인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 상기 방사체의 급전 홀과 연결되어 신호를 전달하는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 상기 하부 기판의 하부면에 접지면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 급전부의 내측부는 상기 하부 기판을 관통하여 상기 방사체의 급전 홀과 전기적으로 연결되며, 상기 급전부의 외측부는 상기 접지면과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 단위 셀은 금속 플레이트로 구성되며, 상기 금속 플레이트가 소정 크기의 간극을 두고 주기성을 가지도록 배열되는 격자 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 메타표면은, 상기 메타표면을 따라 전파되는 표면파가 가진되어 반사계수 프로파일에서의 공진 주파수와 축비 프로파일에서의 최소 축비 지점을 적어도 하나 이상 추가적으로 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 격자 구조는 상기 단위 셀이 4 x 4로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 상기 단위 셀의 개수가 증가할수록 표면파에 의해 발생되는 최소 축비 지점이 저주파 영역으로 이동하는 경향을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사체는 상기 하부 기판의 상부면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 안테나는 방사체가 메타표면과 접지면과 사이에 샌드위치된 구조를 이용함에 따라 방사체에 의해 발생되는 공진, 최소 축비 지점과 메타표면에 의해 발생되는 추가적 공진 및 최소 축비 지점을 통해 광대역 임피던스 매칭과 원형편파 특성이 동시에 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나를 설명하기 위해 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 방사패치를 설명하기 위해 도시한 평면도이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 1에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 비교예 2에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 비교예 3에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 8a는 실시예와 비교예 1 내지 3에 따른 안테나의 반사계수 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8b는 실시예와 비교예 1 내지 3에 따른 안테나의 축비 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9a는 메타표면을 이용한 안타나에서 표면파가 전파되는 것을 도시한 개념도이다.
도 9b는 공진하는 단위 셀에 대한 분산 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에서 단위 셀의 개수에 따라 변화되는 반사계수 특성의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에서 안테나에서 단위 셀의 개수에 따라 변화되는 축비 특성의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에서 단위 셀의 개수에 따라 변화되는 브로드사이드 이득 특성의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프이다.
도 13a 내지 13d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 안테나의 평면도, 방사체, 배면도 및 측면도를 나타내는 사진이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 반사계수의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 축비의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 5.1 GHz에서 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴이고,
도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 5.9 GHz에서 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나를 설명하기 위해 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 방사패치를 설명하기 위해 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나는 하부 기판(100), 상부 기판(200), 방사체(300) 및 메타표면(400) 등을 포함할 수 있다.
상부 기판(200) 및 하부 기판(100)은 유전 소재로 형성된 유전체 기판을 사용할 수 있으며, 바람직하게 유전율이 높은 소재로 형성될 수 있다.
유전체 기판의 재료로는 에폭시(epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC, 에어폼 등을 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 유전체 기판 재료를 모두 포함할 수 있다.
상부 기판(200)과 하부 기판(100)은 서로 간의 상대적인 위치에 따라 분류되는 것이며, 동일 재질 혹은 이종 재질로 형성될 수 있으나, 평면상의 형상과 면적은 동일한 것이 바람직하다.
도면상에서는 상부 기판(200)과 하부 기판(100)이 가로, 세로 및 높이를 가지고, 높이와 비교하여 가로 및 세로가 크며, 가로 및 세로의 길이가 동일한 정사각기둥 형상을 가지며, 이때 상부 기판(200)의 높이는 h1, 하부 기판(100)의 높이는 h2로 도시되어 있다.
다만, 기판의 형상과 크기는 이에 한정되지 않으며, 원기둥, 직사각기둥, 다각기둥 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상부 기판(200)은 낮은 안테나 높이와 용이한 제조를 위해 공기 갭(air gap) 없이 하부 기판(100)의 상부면에 적층되는 것이 바람직하다.
방사체(300)는 마이크로스트립 패치 형태의 유도 패치(driven patch)로 사용될 수 있으며, 상부 기판(200)과 하부 기판(100)의 사이에 위치할 수 있고, 바람직하게 하부 기판(100)의 상부면에 형성될 수 있다.
기본적인 방사체(300)의 형상은 사각형, 바람직하게 정사각형이다. 도면상에서 방사체(300)의 가로 및 세로의 길이는 Wp로 도시되어 있으며, 방사체(300)의 중심은 이러한 방사체(300)의 기본 형상을 기준으로 결정될 수 있다.
사각형 형상의 방사체(300)는 4개의 꼭지점을 가지고 있으며, 대향하는 꼭지점 쌍은 두 개이다. 방사체(300)는 대향하는 두 꼭지점에서 외측부가 삼각형 형태로 제거되거나 대향하는 모서리가 삼각형 형태로 제거되어 두 개의 삼각 제거부(310, 311)가 형성된 사각 패치 형상을 가질 수 있다.
삼각 제거(310, 311)부는 다양한 형태를 가질 수 있는데, 예를 들어 대향하는 꼭지점 쌍을 대칭 구조로 형성하고, 직각에 이웃하는 각 변의 길이를 동일하게 할 수 있다. 두 개의 삼각 제거부(310, 311)는 방사체(300)의 중심으로부터 서로 대칭으로 형성되는 것이 바람직하며 도면상에서 직각에 이웃하는 각 변의 길이는 Lc로 도시되어 있다.
방사체(300)는 상기 삼각 제거부(310, 311) 중 하나의 삼각 제거부(310)의 빗변 일단으로부터 소정 너비와 길이를 가지도록 연장되며 내부에 급전 홀(321)이 형성된 연장 스트립(320)을 포함할 수 있다.
연장 스트립(320)은 임피던스 매칭(impedance matching)을 향상시킬 수 있으며, 상기 방사체(300)의 일측에서 수직 방향으로 돌출되도록 형성되는 것이 바람직하다. 도면상에서 연장 스트립(320)의 길이는 Lf, 너비는 Wf, 방사체(300) 중심에서 급전 홀(321)까지의 거리는 Fy로 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나는 방사체(300)의 급전 홀(321)과 연결되어 신호를 전달하는 급전부(500)와, 하부 기판(100)의 하부면에 형성된 접지면(110)을 더 포함할 수 있다.
급전부의 내측부(510)는 하부 기판(100)을 관통하여 방사체(300)의 급전 홀(321)과 전기적으로 연결되고, 급전부의 외측부(520)는 접지면(110)과 전기적으로 연결될 수 있다.
메타표면(metasurface, 400)은 상부 기판(200)의 상부면에 형성되며, 메타물질(metamaterials)로 이루어진 복수의 단위 셀(unit cell, 410)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.
본 발명의 일 실시예에 따라 각각의 단위 셀(410)은 금속 플레이트(metal plate)로 구성되며, 상기 금속 플레이트가 소정 크기의 간극을 두고 주기성(P)을 가지도록 배열되는 격자 구조를 형성할 수 있다. 도면상에서 인접한 금속 플레이트 간의 간극은 g로 도시되어 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나는 5.5GHz의 중심 주파수를 가지도록 설계되며, 낮은 프로파일(low profile)과 광대역 임피던스 매칭 및 원형편파 특성을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조할 때, 본 발명에 따른 안테나는 g가 0.5mm, P가 8mm, h1 및 h2가 1.524mm, Wp는 13mm, Wf는 3mm, Lf는 4mm, Lc는 7mm, Fy는 8.5mm일 때 최적화된 특성을 나타냄을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 메타표면(400)의 존재 하에 대향하는 모서리가 절단된 방사체(300) 구조를 통해 종래 원형편파 패치 안테나와 비교하여 대역폭이 확장될 수 있으며, 이는 다음과 같이 다른 구조의 패치 안테나와 비교시험을 통해 확인할 수 있다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 1에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이고, 도 6a 및 도 6b는 각각 비교예 2에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이고, 도 7a 및 도 7b는 각각 비교예 3에 따른 안테나를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 앞서 설명한 바와 같다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 비교예 1에 따른 안테나는 위 실시예 구조에서 상부 기판(200)에 형성된 메타표면이 없는 구조를 가진다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 비교예 2에 따른 안테나는 상부 기판(200)과 하부 기판(100)이 아닌 하나의 기판(10)으로 형성되며, 기판(10)의 상부면에 위 실시예 및 비교예 1과 동일한 방사체(300)가 형성된 구조를 가진다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 비교예 3에 따른 안테나는 위 비교예 2 구조에서 방사체(300)의 형상만 다르고, 실시예에 따른 안테나와 유사한 중심 주파수(5.5 GHz)를 가지도록 설계되며 방사체(300)의 대향하는 모서리가 절단된 구조를 가진다.
정확한 비교를 위해 상기 비교예 1 내지 3에 따른 안테나는 상기 실시예에 따른 안테나와 동일한 크기, 기판(Rogers RO4003), SMA 커넥터 등을 가지도록 설계하였다.
도 8a는 실시예와 비교예 1 내지 3에 따른 안테나의 반사계수 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이고, 도 8b는 실시예와 비교예 1 내지 3에 따른 안테나의 축비 특성을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
안테나로 동작 가능하기 위해서는 반사계수가 -10 dB 이하인 것이 바람직하며, -10 dB 를 초과하면 안테나의 성능이 떨어지는 것이 일반적이다. 이때, 반사계수가 -10 dB 이하에 해당되는 주파수 대역에서 축비가 3 dB 이하이면 원형편파 특성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 메타표면이 없는 구조 즉 비교예 1 내지 3에 따른 안테나는 두 개의 공진과 한 개의 최소 축비 지점을 가지는 것으로 나타났다.
구체적으로, 비교예 1에 따른 안테나는 5.5 GHz와 8.65 GHz에서 공진이 발생되었으며, 최소 축비 지점은 5.75 GHz에서 17.4 dB로 측정되었다.
비교예 2에 따른 안테나는 5.5 GHz와 8.15 GHz에서 공진이 발생되었으며, 최소 축비 지점은 5.85 GHz에서 10.8 dB로 측정되었다.
비교예 3에 따른 안테나는 넓은 임피던스 매칭 대역을 가지며 5.5 GHz에서 원형편파 특성을 나타내는 것으로 확인되었다.
구체적으로, 비교예 3에 따른 안테나는 5.4 GHz와 5.8 GHz에서 공진이 발생되었으며 -10 dB 이하 반사계수 대역폭이 5.20-6.05 GHz(15%)로 측정되었고, 최소 축비 지점이 5.5 GHz에서 0.24 dB를 가지며 3 dB 이하 축비 대역폭이 5.4-5.6 GHz(3.6%)로 측정되었다.
본 발명의 실시예에 따른 안테나는 여러 주파수에서 공진이 발생되었으며, -10 dB 이하 반사계수 대역폭이 4.70-7.35 GHz(44%)로 측정되었고, 5.1 GHz에서 최소 축비 0.91 dB, 5.9 GHz에서 최소 축비 0.53 dB를 가지며 3 dB 이하 축비 대역폭이 4.9-6.15 GHz(22.6%)로 측정되었다.
위와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 메타표면(400)이 존재함에 따라 임피던스 매칭과 원형편파 특성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 형성된 메타표면(400)은 RIS(Reactive Impedance Substrate) 구조인데, 일반적으로 RIS 구조는 유전체 기판 위에 형성된 사각 금속 플레이트 격자로 구성된다.
본 발명에서는 안테나의 높이를 낮추기 위해 안테나의 방사체(300)가 접지면(110)과 메타표면(400) 사이에 샌드위치되는 구조를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 원형편파 안테나가 대역폭이 크게 증가하는 것은 한정된 크기의 RIS 기반 안테나에서 전파되는 표면파의 효과로 설명할 수 있다.
즉, 특정 주파수에서 표면파에 의한 추가 공진이 발생되어 결과적으로 안테나의 성능이 향상되는 것이다.
RIS 기반 안테나에서 표면파 공진(surface wave resonance)의 분석과 모델링은 이론적으로 그리고 계산적으로 알려져 있다.
도 9a는 메타표면을 이용한 안타나에서 표면파가 전파되는 것을 도시한 개념도이다.
표면파 공진에서 RIS 패널의 전체 길이는 RIS를 따라 이동되는 표면파의 공진 길이와 동일하다.
따라서, 표면파 공진은 도 9a의 캐피티(cavity)와 같이 한정된 크기의 메타표면을 고려함으로써 아래 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015102701315-pat00001
여기서, βsw는 앞서 언급한 표편파 공진의 전파 상수를 나타내고, Lcav는 메타표면 구조의 전체 길이를 나타내는데, Lcav는 아래 수학식 2에 의해 주어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015102701315-pat00002
여기서, N은 단위 셀의 가로 방향 혹은 세로 방향의 개수를 나타내고, P는 메타표면의 주기(periodicity)를 나타낸다.
도 9b는 도 9a의 안테나에서 공진하는 단위 셀에 대한 분산 다이어그램(dispersion diagram)을 나타낸 것이다.
도 9b를 참조하면, TM(transverse magnetic wave) 모드와 TE(transverse electric) 모드가 도시되어 있으며, 표면파 공진은 상기 수학식 1의 우측 값을 나타내는 수직선과, 분산 곡선 사이의 교점에 의해 구할 수 있다.
이때, 모드(mode)란 어떤 구조물에서 특정 주파수의 에너지가 집중되는 형태를 의미하며, 공진기에서의 모드라면 공진주파수와 공진형태를 의미한다. TE파는 진행 방향에 전기장만 수직이며, TM파는 진행 방향에 자기장만 수직인 경우에 해당된다.
TM파와 TE파의 공진 주파수와 관련하여, N이 3인 경우 각각 7.48 GHz 및 7.94 GHz이고, N이 4인 경우 각각 6.67 GHz 및 6.96 GHz이고, N이 5인 경우 각각 5.8 GHz 및 6.1 GHz이고, N이 6인 경우 각각 5.27 GHz 및 5.88 GHz이다.
도 8b에서 알 수 있듯이, 비교예 3에 따라 대향하는 모서리가 절단된 사각 패치 안테나는 두 개의 공진과 하나의 최저 축비 지점을 나타내었는데, 본 발명에 따른 표면파 공진의 존재로 추가적 공진과 최저 축비 지점들이 나타나는 것이다.
즉, 상기 메타표면(400)은, 상기 메타표면(400)을 따라 전파되는 표면파가 가진되어 반사계수 프로파일(profile)에서의 공진 주파수와, 축비 프로파일(profile)에서의 최소 축비 지점을 적어도 하나 이상 추가적으로 발생시킨다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에서 단위 셀의 개수에 따라 변화되는 반사계수 특성의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프이다.
구체적으로, 단위 셀이 3 x 3, 4 x 4, 5 x 5, 6 x 6으로 배치되어 형성된 안테나를 비교하고 있다.
도 10을 참조하면, 메타표면을 이용하는 원형편파 패치 안테나의 모든 구조가 두 개보다 많은 공진 주파수를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해서도, 메타 표면에서 전파되는 표면파가 가진되어 안테나 시스템에 추가적인 공진을 발생시키는 것을 알 수 있다.
저주파 영역에서의 두 개의 공진은 방사체(300)에 의해 발생되는데 반해 고주파 영역에서의 추가적인 공진들은 표면파에 의해 발생된다.
따라서, TM 및 TE 표면파에 의해 발생되는 공진들은 대략 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 3번째 및 4번째의 공진 주파수로 정의될 수 있다.
이러한 공진 주파수는 반사계수 프로파일을 통해 결정될 수 있지만, 입력 임피던스(Z11)의 허수부가 거의 0에 가까운 주파수들을 관측함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안테나를 다양한 단위 셀의 개수에 따라 시뮬레이션한 결과 TM파와 TE파의 공진과 관련하여 단위 셀이 3 x 3인 경우 각각 7.2 GHz 및 7.8 GHz이고, 4 x 4인 경우 각각 6.15 GHz 및 6.6 GHz이고, 5 x 5인 경우 각각 5.4 GHz 및 5.7 GHz이고, 6 x 6인 경우 각각 5.1 GHz 및 5.65 GHz로 측정되었다.
도 9b의 결과와 비교하면, 방사체(300)가 메타표면과 강하게 결합되기(coupled) 때문에, 약간의 주파수 전이가 발생되는 것을 알 수 있다.
이러한 결과들로부터, 반사계수 프로파일에서 발생되는 추가적인 공진들은 단위 셀의 개수에 의해 결정될 수 있으며, 이를 통해 안테나의 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에서 단위 셀의 개수에 따라 변화되는 축비 특성의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프이다.
도 8b에서 알 수 있듯이, 방사체(300) 자체는 오직 하나의 최저 축비 지점을 발생시키는데, 도 11을 참조하면 이와 대조적으로 메타표면을 이용하는 원형편파 패치 안테나의 모든 구조는 여러 최저 축비 지점들을 나타냄을 알 수 있다.
이를 통해 메타 표면에서 전파되는 표면파가 추가적인 원형편파 방사를 발생시키는 것을 알 수 있다. 반사계수 프로파일과 유사하게, 가장 낮은 주파수를 나타내는 최저 축비 지점은 유도 패치에 의해 발생되고 더 높은 주파수들은 표면파에 의해 발생된다.
단위 셀의 개수가 증가할수록 유도 패치에 의해 발생되는 최저 축비 지점은 약간씩 변화되는데 표면파에 의해 발생되는 최소 축비 지점이 저주파 영역으로 이동되는 것을 알 수 있다.
위 결과를 통해 원형편파 특성을 나타내는 대역 범위를 구할 수 있으며, 도 11을 참조하면 격자구조에서 단위 셀이 4 x 4로 배치될 때 3 dB 이하의 축비 대역폭을 고려할 때 최상의 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나에서 단위 셀의 개수에 따라 변화되는 보로드사이드(broadeside) 이득 특성의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 메타표면을 이용하는 원형편파 패치 안테나의 모든 구조가 저주파 영역에서 우수한 이득 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 하지만, 고주파 영역에서는 이득이 크게 떨어지므로 안테나 응용 시 이러한 점을 고려할 필요가 있다.
도 13a 내지 13d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 안테나의 평면도, 방사체, 배면도 및 측면도를 나타내는 사진이다.
구체적으로, 방사체와 메타표면은 Rogers RO4003 시트를 이용하여 제조하였으며, 전체 크기는 32 x 32 x 3.048 mm3(5.5 GHz에서 0.58λo x 0.58λo x 0.56λo)이다.
상기 안테나의 반사계수를 측정하기 위해 Agilent N5230A 네트워크 분석기와 3.5mm 동축 캘리브레이션 표준 GCS35M을 사용하였다.
상기 안테나의 방사패턴을 측정하기 위해 15.2m(W) x 7.9m(L) x 7.9m(H) 수치를 가지는 무향실(anechoic chamber)을 사용하였다.
방사패턴을 측정하기 위해, 표준 광대역 원형편파 혼 안테나를 송신용으로, 본 발명에 따른 안테나를 수신용으로 사용하였으며, 두 안테나의 거리는 10m로 설정하였다.
상기 혼 안테나는 고정시키고, 본 발명에 따른 안테나는 탐지 각도는 1도, 속도는 초당 3도로 하여 -180도에서 180도로 회전시켰다. 축비 값은 θ가 0도, φ가 0도에서 측정되었다. 방사 효율은 3D 방사패턴 측정을 위한 장치를 이용하여 측정하였다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 반사계수의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 측정된 -10 dB 이하의 반사계수 대역폭은 4.70-7.48 GHz(45.6%)으로 나타났으며, 시뮬레이션된 -10 dB 이하의 반사계수 대역폭은 4.70-7.35 GHz(44%)으로 나타났는바, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 상당히 일치함을 알 수 있다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 축비의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 측정된 3 dB 이하의 축비 대역폭은 4.90-6.20 GHz(23.4%)으로 나타났으며, 시뮬레이션된 3 dB 이하의 축비 대역폭은 4.9-6.1 GHz(22%)으로 나타났는바, 역시 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 상당히 일치함을 알 수 있다.
측정 결과, 두 개의 최저 축비 지점이 발생되었으며, 각각 5.10 GHz에서 1.26 dB, 5.95 GHz에서 0.70 dB로 측정되었다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 5.1 GHz에서 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴이고, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 5.9 GHz에서 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴이다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 상당히 일치함을 알 수 있으며, 방사패턴은 좌편파이며 x-z 평면과 y-z 평면 모두 다소 대칭적인 것을 알 수 있다.
5.1 GHz에서 상기 측정된 원형편파 안테나의 이득은 7.03 dBic, 전후방비는 25.4 dB, 반치빔폭은 x-z 평면에서 82도, y-z평면에서 85도로 나타났다.
5.90 GHz에서 상기 측정된 원형편파 안테나의 이득은 7.4 dBic, 전후방비는 20.1 dB, 반치빔폭은 x-z 평면에서 68도, y-z평면에서 71도로 나타났다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나의 브로드사이드 이득을 시뮬레이션 및 측정된 결과를 비교한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 안테나의 측정 및 시뮬레이션 결과 모두 ±0.3 dBic 수준의 작은 이득 변화를 나타내었다.
원형편파 방사 대역폭 내에서, 측정된 브로드사이드 이득은 7.0-7.6 dBic이고, 시뮬레이션된 브로드사이드 이득은 7.2-7.7 dBic였다.
측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면, 3 dB 축비 대역폭 내에서 측정 결과는 안테나 효율이 90 %를 넘었고, 시뮬레이션 결과는 안테나 효율이 94 %를 넘는 것으로 나타났다.
구분 크기(λo 3) -10 dB 이하의 반사계수 대역폭 3 dB 이하의 축비 대역폭 이득(dBic)
실시예 0.58 x 0.58 x 0.056 45.6% 23.4% 7.6
비교예 4 0.62 x 0.62 x 0.150 42.3% 16.8% 6.7
비교예 5 0.80 x 0.80 x 0.090 31.5% 20.7% 8.6
비교예 6 0.77 x 0.77 x 0.060 11.4% 14.9% 5.7
비교예 7 0.78 x 0.80 x 0.096 48.6% 20.4% 6.5
비교예 8 1.00 x 1.00 x 0.068 25.7% 8.0% 8.0
상기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 종래 안테나의 특성을 비교한 표이다. 여기서 λo는 안테나 중심 주파수에 대한 자유 공간 파장을 의미한다.
(비교예 4: Q. Lin, H. Wong, X. Zhang, and H. Lai, “Printed meandering probe-fed circularly polarized patch antenna with wide bandwidth,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 13, pp. 654?657, 2014.
비교예 5: W. Yang, J. Zhou, Z. Yu, and L. Li, “Single-fed low profile broadband circularly polarized stacked patch antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 10, pp. 5406?5410, Oct. 2014.
비교예 6: L. Bernard, G. Chetier, and R. Sauleau, “Wideband circularly polarized patch antennas on reactive impedance substrates,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 10, pp. 1015?1018, 2011.
비교예 7: R. Nakamura and T. Fukusako, “Broadband design of circularly polarized microstrip patch antenna using artificial ground structure with rectangular unit cells,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 6, pp. 2103?2110, Jun. 2011.
비교예 8: H. Zhu, S. Cheung, K. Chung, and T. Yuk, “Linear-to-circular polarization conversion using metasurface,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 9, pp. 4615?4623, Sep. 2013.)
상기 표를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 메타표면을 이용한안테나는 종래 안테나와 비교하여 넓은 3 dB 이하의 축비 대역폭, 로우 프로파일, 작은 부피 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 앞서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 원형편파 안테나는 방사체에 의해 발생되는 공진과 최소 축비 지점과 메타표면에 의해 발생되는 추가적 공진 및 최소 축비 지점을 통해 광대역 임피던스 매칭과 원형편파 특성이 구현될 수 있다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 기판
100: 하부 기판
110: 접지면
200: 상부 기판
300: 방사체
310, 311: 삼각 제거부
320: 연장 스트립
321: 급전 홀
400: 메타표면
410: 단위 셀
500: 급전부
510: 급전부의 내측부
520: 급전부의 외측부

Claims (11)

  1. 하부 기판;
    상기 하부 기판의 상부에 적층되는 상부 기판;
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 위치하며, 대향하는 모서리가 삼각형 형태로 제거되어 두 개의 삼각 제거부가 형성된 사각 패치 형상을 가지되, 상기 삼각 제거부 중 하나의 삼각 제거부의 빗변 일단으로부터 소정 너비와 길이를 가지도록 연장되며 내부에 급전 홀이 형성된 연장 스트립을 포함하는 방사체; 및
    상기 상부 기판의 상부면에 형성되며, 복수의 단위 셀을 구비하는 메타표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연장 스트립은 상기 방사체의 일측에서 수직 방향으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 삼각 제거부는 상기 방사체의 중심으로부터 서로 대칭적인 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사체의 급전 홀과 연결되어 신호를 전달하는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부 기판의 하부면에 접지면이 형성되는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 급전부의 내측부는 상기 하부 기판을 관통하여 상기 방사체의 급전 홀과 전기적으로 연결되며, 상기 급전부의 외측부는 상기 접지면과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 금속 플레이트로 구성되며, 상기 금속 플레이트가 소정 크기의 간극을 두고 주기성을 가지도록 배열되는 격자 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메타 표면은, 상기 메타표면을 따라 전파되는 표면파가 가진되어 반사계수 프로파일에서의 공진 주파수와 축비 프로파일에서의 최소 축비 지점을 적어도 하나 이상 추가적으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 격자 구조는 상기 단위 셀이 4 x 4로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단위 셀의 개수가 증가할수록 표면파에 의해 발생되는 최소 축비 지점이 저주파 영역으로 이동하는 경향을 나타내는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방사체는 상기 하부 기판의 상부면에 형성되는 것을 특징으로 하는 메타표면을 이용한 광대역 원형편파 안테나.
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