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KR102332120B1 - 메타 구조 안테나 및 메타 구조 배열 - Google Patents

메타 구조 안테나 및 메타 구조 배열 Download PDF

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KR102332120B1
KR102332120B1 KR1020170052988A KR20170052988A KR102332120B1 KR 102332120 B1 KR102332120 B1 KR 102332120B1 KR 1020170052988 A KR1020170052988 A KR 1020170052988A KR 20170052988 A KR20170052988 A KR 20170052988A KR 102332120 B1 KR102332120 B1 KR 102332120B1
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이창현
박재현
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권상욱
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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{META-STRUCTURE ANTENNA AND META-STRUCTURE ARRAY ANTENNA}
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 (20)

  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);
    상기 원형 편파에 기반하여 전자기파를 방사하는, 상기 접지면과 평행하게 형성되는 패치면(patch plane);
    상기 메타 구조 안테나가 0차 공진을 형성하도록, 상기 접지면 및 상기 패치면 사이에 형성되는 복수의 비아(via)들; 및
    제1 덮개 및 상기 제1 덮개로부터 일정 간격 이격된 제2 덮개를 포함하는 수퍼스트레이트(superstrate)를 포함하고,
    상기 제1 덮개는 제1 패턴을 포함하고, 상기 제2 덮개는 상기 제1 패턴이 향하는 방향과 동일한 방향으로 향하는 제2 패턴을 포함하는 메타 구조 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 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. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비아의 개수는,
    3개, 4개 또는 5개인 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트는 상기 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하여 지향 방향의 이득이 향상된 전자기파를 방사하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트의 한 변의 길이는,
    상기 접지면의 한 변의 길이와 동일한 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 상기 방사된 전자기파의 위상 및 진폭을 조정하는 것을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴의 크기는 서로 다른 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은,
    원형인 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.

  11. 제8항에 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.
  12. 제8항에 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.
  13. 제1항에 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.
  14. 제1항에 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.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 패치면은,
    크로스 형태의 갭(gap)을 포함하는 것을
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 패치면의 크로스 형태의 갭은,
    상기 접지면의 크로스 형태의 개구에 대응하도록 위치하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 크로스 형태의 개구는,
    서로 직교하는 복수의 슬릿들을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿들은,
    원형 편파가 형성되도록 서로 다른 길이를 가지는 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 접지면은,
    사각의 평판형 구조인 것
    을 특징으로 하는 메타 구조 안테나.
  20. 메타 구조 배열 안테나에 있어서,
    메타 물질의 단위 셀들로 구성된 복수의 메타 구조 안테나들을 포함하고,
    상기 복수의 메타 구조 안테나들 각각은,
    신호를 급전하는 급전선(feed line);
    상기 신호에서 유도된 자기장에 기반하여 원형 편파를 형성하는, 크로스(cross) 형태의 개구(aperture)를 포함하는 접지면(ground plane);
    상기 원형 편파에 기반하여 전자기파를 방사하는, 상기 접지면과 평행하게 형성되는 패치면(patch plane);
    상기 복수의 메타 구조 안테나들 각각이 0차 공진을 형성하도록, 상기 접지면 및 상기 패치면 사이에 형성되는 복수의 비아(via)들; 및
    제1 덮개 및 상기 제1 덮개로부터 일정 간격 이격된 제2 덮개를 포함하는 수퍼스트레이트(superstrate)를 포함하고,
    상기 제1 덮개는 제1 패턴을 포함하고, 상기 제2 덮개는 상기 제1 패턴이 향하는 방향과 동일한 방향으로 향하는 제2 패턴을 포함하는 메타 구조 배열 안테나.

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