원형 편파 스위칭 기능이 있는 재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나

Ⅰ. 서 론

재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나^[1]~[3]는 전자적 빔 조향을 위해 고가의 위상천이기 대신 PIN 다이오드와 같은 능동 부품을 사용하므로 시스템의 저비용, 경량화의 장점이 있어서 무선 통신, 위성 통신, 레이다에 응용될 수 있는 차세대 안테나로 주목받고 있다. 일부 응용에서는 편파 불일치로 인한 전송효율 감소를 방지하기 위해 원형 편파 안테나가 이용되고 있으며, 더 안정적인 통신을 위해 RHCP(right-handed circular polarization)와 LHCP(left-handed circular polarization)를 스위칭하여 사용하기도 한다.

이전 연구에서는 원형 편파 재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나^[3]~[6]가 보고되었다. 그러나 대부분의 안테나^[4]~[6]는 단위 셀에서 x 및 y 편파를 독립적으로 제어할 수 없어서 원형 편파 스위칭이 불가능했다. 한편, 이중 편파 재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나^[3]는 단위 셀에서 x 및 y 편파를 독립적으로 제어 가능하였고, 두 편파를 같은 방향으로 동시에 빔 조향함으로써 원형 편파로 합성할 수 있었다. 그러나 가상의 원형 편파 급전 안테나를 사용하여 한 가지 원형 편파에 대해 시뮬레이션에서만 제한적으로 검증하였다는 한계가 있었다.

본 논문에서는 이중 편파 메타표면^[3]을 기반으로 원형 편파 스위칭 기능이 있는 재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나를 제안한다. 급전 안테나로 LHCP 패치 안테나를 설계하고 메타표면에 결합하여 xz 및 yz 평면에 대해 원형 편파 빔 조향을 측정하였다. 여기서 기존의 이중 편파 메타표면이 x 및 y 편파 단위 셀을 독립적으로 제어할 수 있다는 점을 이용하여, 각 편파의 기준 위상을 동위상이나 반대 위상으로 설정함으로써 RHCP 또는 LHCP로 편파를 스위칭하는 방법을 제안한다. 또한, 두 편파의 기준 위상을 이동시킴으로써 축비를 향상하는 방법을 제안한다.

Ⅱ. 안테나 구조

반사형 능동 메타표면 안테나는 그림 1(a)와 같이 급전 안테나와 능동 메타표면^[3]으로 구성되어 있다. 여기서 설계된 LHCP 패치 급전 안테나의 구조는 그림 1(b)와 같으며, 9.9 GHz에서 반사 계수는 −14 dB, 최대 이득은 6.66 dBi, 축비는 0.86 dB로 측정되었다. 급전 안테나의 위치는 스필오버(spillover) 효율이 69 %, 테이퍼(taper) 효율이 78 %로, 둘의 곱이 최대가 되는 지점으로 선택하였고, 이때 F/D=0.32이다. 여기서 F는 급전 안테나와 개구면 사이의 거리로 40 mm, D는 개구면 한 변의 길이로 126 mm이다.

그림 1. | Fig. 1. 제안된 안테나 구조 | Structure of proposed RRA.

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능동 메타표면은 그림 1(c)와 같이 x 및 y 편파에 대해 각각 82개의 단위 셀이 교차로 배열되어 있는 구조이다. 여기서 x 또는 y 편파를 선택하고 grating lobe를 방지하기 위해 소형화된 직사각형 링 패치 모양의 단위 셀이 채택되었다. 각 단위 셀^[3]은 PIN 다이오드를 on/off함에 따라 링 패치의 전기적 길이가 달라져 반사 계수의 위상을 180°로 가변 할 수 있도록 설계되었다. 단위 셀의 치수는 P=9 mm, Lx=3.6 mm, Ly=7.9 mm, 그리고 W=0.75 mm이다. 또한, 원하지 않는 직교 편파의 영향을 상쇄하기 위해 대칭적으로 회전된 부배열 구조가 채택되었다.

Ⅲ. 원형 편파 스위칭 및 축비 보정 원리

능동 메타표면 안테나의 빔 조향 원리^[7]는 배열 안테나의 어레이 팩터(array factor) 이론을 기반으로 메타표면 반사파의 파면을 조작함으로써 빔의 방향을 제어할 수 있다. 빔 조향을 위한 반사파의 위상은 급전 안테나로부터 메타표면에 구면파 형태로 도달한 입사파의 위상과 단위 셀의 반사 계수의 위상에 의해 다음 식과 같이 계산될 수 있다^[3],[7].

여기서 ${\varphi }_{x\text{ or }y}^{\text{out}\text{. }},{\varphi }_{x\text{ or }y}^{\text{in}\text{. }},{\varphi }_{x\text{ or }y}^{\text{ree}\text{. }},{\varphi }_{x\text{ or }y}^{\text{ref}\text{. }}$는 각각 메타표면 내 x 또는 y 편파 단위 셀에서 출력, 입력, 요구, 기준 위상^[3],[7]을 나타낸다. 출력 위상은 원하는 방향으로 빔 조향을 하기 위해 필요한 위상으로 어레이 팩터를 통해 구할 수 있고 연속적인 위상 변화를 갖는다. 입력 위상은 급전 안테나로부터 메타표면의 각 단위 셀에 도달한 전파의 위상 지연이며 요구 위상은 단위 셀의 반사 위상으로 출력 위상과 입력 위상으로부터 계산되고, 마찬가지로 연속적인 위상 변화를 갖는다. 하지만 PIN 다이오드를 on/off하여 빔조향을 수행하는 1비트 메타표면의 경우 요구 위상을 0° 또는 180°로 양자화하는 과정을 겪으며, 연속적인 위상 분포에 비해 필연적으로 양자화 효율의 열화가 발생한다. 이때 양자화 효율을 최대로 하기 위해 메타표면 전체 단위 셀에 동일한 기준 위상을 더해주는 기법이 적용될 수 있다^[3],[7]. 여기서 180° 위상차로 양자화하였으므로 양자화 효율이 최대가 되는 기준 위상은 180°마다 반복된다. 따라서 x 및 y 편파에 대해 양자화 효율이 최대가 되는 기준 위상은 동위상 또는 반대 위상(180°)의 경우가 있다.

한편, 이상적인 RHCP 및 LHCP 빔을 생성하기 위해 능동 메타표면의 출력파의 크기는 동일하고, 위상은 식 (2) 및 식 (3)과 같이 설정되어야 한다.

여기서 식 (2) 및 식 (3)은 각각 RHCP 및 LHCP 빔 조향을 위한 직교 편파의 위상 조건에 해당한다. 이 조건은 식 (1)로부터 x 및 y 편파의 기준 위상을 동위상 또는 반대 위상으로 설정함으로써 설정할 수 있다. LHCP 급전 안테나를 가정하였으므로, x 및 y 편파의 기준 위상을 같게 한 동위상 반사의 경우, 입사파의 방향과 메타표면의 반사파 진행 방향이 반대가 되므로 식 (2)와 같은 조건이 되어 RHCP 빔이 생성된다. 반대로 기준 위상에 180° 차이를 준 반대 위상(180°)의 경우, 식 (3)과 같은 조건이 되어 LHCP 빔이 생성된다.

이러한 원리를 적용한 예제로 (θ,ϕ)=(0°, 0°) 방향으로 RHCP와 LHCP 빔 조향 시 메타표면의 PIN 다이오드 on/off 제어 상태를 그림 2에 나타내었다. x 및 y 편파의 양자화 효율이 최대가 되는 기준 위상이 같도록 설정된 경우, 그림 2(a)와 같이 두 편파는 유사한 on/off 분포를 갖게 되어 RHCP 빔이 생성된다. 반대로 x 및 y 편파의 양자화 효율이 최대가 되는 기준 위상에 180° 차이를 설정하면, 그림 2(b)와 같이 두 편파가 반전된 on/off 분포를 갖게 되고 LHCP 빔이 생성된다.

그림 2. | Fig. 2. 전면 방향에서 RHCP/LHCP 빔의 예시 | Examples for RHCP/LHCP beam at boresight direction.

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그러나 실제 메타표면 안테나는 급전 안테나 구조, 메타표면의 모서리 회절, 측정에 사용된 지그에 의한 산란 효과에 의해 이상적인 원형 편파 조건을 벗어나게 되어 축비 성능이 열화 될 수 있다. 본 논문에서 제안하는 축비 최적화 방법은 직교 편파의 기준 위상을 양자화 효율이 최대가 되는 조건인 식 (2) 또는 식 (3)에서 약간 이동시킴으로써 양자화 효율, 출력 위상을 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 이상적인 원형 편파 조건에 가깝게 최적화할 수 있다. 그 방법은 식 (4) 및 식 (5)와 같이 표현된다.

여기서 ${\varphi }_x^{\text{out}\text{.com}\text{. }},{\varphi }_y^{\text{out}\text{.com}\text{. }}$는 각각 x 또는 y 편파의 보정된 출력 위상으로 기준 위상 ${\varphi }_x^{\text{ref}\text{.com}\text{. }},{\varphi }_y^{\text{ref}\text{.com}\text{. }}$을 임의로 설정하여 보정할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면 표 1에 나타낸 것과 같이 보정 전후에서 이득은 유지되면서 축비는 시뮬레이션에서 0.39 dB, 측정에서 2.22 dB 더 낮게 최적화되었다.

Ⅳ. 측정 및 시뮬레이션 결과

그림 3은 제작된 안테나의 실물 사진이다. 설계된 능동 메타표면 안테나는 제어부, 급전 안테나를 지그에 결합한 구조로 제작되었으며 pc 프로그램과 제어회로를 통해 메타표면의 각 다이오드에 전력을 공급함으로써 빔 조향이 가능하다. 해당 안테나는 측정거리 7 m의 무반사실에서 측정되었다^[3]. 그림 4 및 그림 5는 각각 RHCP와 LHCP의 빔 조향 결과를 나타낸다. 두 원형 편파 모두 xz 및 yz 평면에서 최대 45°까지 빔 조향 되는 것을 확인했다. 여기서 메타표면은 대칭 구조이므로 한쪽 방향에 대해서만 측정하였다. RHCP 빔의 최대 이득은 13.89 dBic, 개구면 효율은 15.52 %로 측정되었으며, LHCP 빔의 최대 이득은 14.12 dBic, 개구면 효율은 14.19 %로 측정되었다. 축비는 LHCP & yz 평면의 θ=45°를 제외하고 모든 조향각에서 3 dB 이하로 유지되었다. 측정 결과의 오차는 제작된 급전 안테나의 성능 오차, 제작 공차, 조립 오차, 지그의 영향 등에 의한 것으로 사료된다.

그림 3. | Fig. 3. 제작된 안테나 | Fabricated antenna.

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그림 4. | Fig. 4. RHCP 빔 조향 결과 | RHCP beam steering results.

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그림 5. | Fig. 5. LHCP 빔 조향 결과 | LHCP beam steering results.

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표 2는 본 논문의 연구결과를 원형 편파 급전 안테나를 사용한 기존 반사형 능동 메타표면 안테나 사례^[4]~[6]와 비교한 것이다. 기존 안테나들은 x 및 y 편파를 제어하기 위한 PIN 다이오드가 하나의 바이어스 선로에 연결되어 있기 때문에 다이오드의 상태가 종속적으로 제어되어 한 가지 원형 편파로만 빔 조향이 가능한 한계가 있다. 반면에 제안된 안테나는 x 및 y 편파 단위 셀을 각각 설계함으로써 독립적으로 제어되어 편파 스위칭 빔 조향이 가능하다. 본 논문의 안테나는 기존 논문의 안테나에 비해 이득이 작은 급전 안테나를 사용하기 때문에 작은 값의 F/D를 갖는다^[8].

표 2. | Table 2. 원형 편파 재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나의 비교 | Comparison of CP RRAs.

	This work	Ref. [4]	Ref. [5]	Ref. [6]
CP switching	O	X	X	X
Unit cell design
Frequency	9.9 GHz	9.5 GHz	10.25 GHz	9.5 GHz
Peak gain [dBic]	13.89(RHCP)/14.12(LHCP)	21.8	20.4	24.5
F/D	0.32	0.99	1.05	1.02

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Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 설계된 LHCP 패치 급전 안테나를 이용하여 원형 편파 스위칭 기능이 있는 재구성 가능한 반사형 메타표면 안테나를 설계하였다. x 및 y 편파의 기준 위상을 동위상 또는 반대 위상으로 설정함으로써 RHCP 또는 LHCP로 편파 스위칭하는 방법을 제안하였고, 축비를 개선하기 위해 기준 위상을 이동시키는 최적화 방법을 제안하였다. 제안된 안테나의 원형 편파 스위칭 빔 조향은 측정을 통해 xz 평면과 yz 평면에서 낮은 축비로 최대 45°까지 가능한 것을 확인하였다.