S-대역 레이다용 소형 다기능 투과형 메타표면 단위셀 설계 및 검증

Ⅰ. 서 론

최근에 차량용 레이다, 기상 관측 및 위성 통신과 같은 원거리 전파 탐지에 대한 관심이 증가함에 따라, 다양한 분야에 응용될 수 있는 다기능 빔 스캐닝(beam scanning)이 가능한 배열 안테나에 대해 많은 연구가 진행 중이다^[1]. 널리 사용되는 빔 스캐닝 안테나로는 능동 위상 배열 안테나(active phased array)와 투과 배열 안테나(transmitarray antenna), 반사 배열 안테나(reflectarray antenna) 그리고 통상적인 기계 회전식 접시형 반사기(dish reflector)가 있으며, 그 중 메타표면 개념을 사용하는 투과 배열 안테나 및 반사 배열 안테나는 능동 위상 배열 안테나와 기계식 회전식 접시형 반사기의 단점을 극복할 수 있어서 크게 주목받고 있다. 통상적으로 사용하는 기계 회전식 접시형 반사기는 구조가 단순하다는 장점이 있지만, 반사판에 의해 구조가 크고 빔 스캔이 빠르지 않다는 단점이 있고^[1], 능동 위상 배열 안테나의 경우 유연하고 빠른 빔 스캐닝이 가능하지만, 송수신 모듈과 급전 시스템 구조에 의한 활용 가능한 전력 크기의 한계와 상대적으로 시스템이 복잡하다는 단점이 있다^[2]. 이에 반해 메타표면 개념에 입각한 투과 배열 안테나 혹은 반사 배열 안테나^[3]~[8]는 능동 위상 배열 안테나보다 시스템의 복잡도가 낮고 빔조향 시 적은 전력을 소모한다는 장점이 있다. 이러한 특징을 가지는 메타표면 기반 투과/반사 배열 안테나 기술은 군사 기술 응용과 위성 통신 등의 분야에서 많은 주목을 받고 있다^[9].

투과형 메타표면은 동일한 단위셀이 반복적으로 배열된 형태로 구성되며, 빔 스캐닝이 가능하기 위해서는 각 단위셀마다 위상 제어가 가능해야 한다. 회로 제작에 용이한 PCB(printed circuit board) 기술과 SMT(surface mount technology)로 투과 배열 안테나를 설계할 때, 일반적으로 PIN 다이오드 또는 버렉터(varactor)를 이용한 위상 천이기(phase shifter)가 각 단위셀에 존재하게 된다. 이때, 넓은 위상 범위를 가지는 아날로그 위상 천이기를 구현하기 위해 주로 하이브리드 커플러(hybrid coupler) 구조를 가진 반사형 위상 천이기(reflection-type phase shifter)를 활용한다.

통상적인 반사형 위상 천이기는 하이브리드 커플러의 1/4 파장 전송선로 구조에 의해 필연적으로 큰 물리적인 공간을 필요로 한다. 여러 개의 커플러를 사용하여 위상 천이기를 설계하는 경우 더욱 넓은 공간을 차지하게 되고, 이러한 위상 천이기로 투과 배열 안테나를 설계하게 되면 투과 배열 안테나 크기 역시 매우 커지게 된다. 따라서 메타표면 기반 투과 배열 안테나의 소형화를 위해서는 위상 천이기의 크기 줄여 소형화된 단위셀을 구현하는 것이 매우 중요하다.

S-대역(2~4 GHz)은 일상에서 많이 사용되는 Wi-Fi, 전자레인지부터 기상 관측, 위성 통신, 각종 군사 목적의 레이다까지 폭 넓게 응용되고 있다. S-대역 레이다는 대기 중에 손실이 적고 빔 폭이 넓은 특성 있어 같은 출력으로 더 먼 거리의 표적을 탐지할 수 있다는 장점이 있다^[10]. 이러한 이유로 본 논문에서는 S-대역 레이다용 편파/위상변환이 가능한 다기능 투과형 메타표면을 구성하는 소형화된 단위셀(unit cell) 구조를 제안한다. 설계를 위해 Ansys사의 유한요소 해석툴인 HFSS 2021 R1 프로그램을 사용하였다. 그림 1은 본 논문에서 제안하는 투과형 메타표면을 나타내며, 그림 1(a)는 제안하는 단위셀의 블록도를 나타낸다. 수신(Rx) 안테나로부터 입력된 RF 신호는 소형화된 하이브리드 커플러를 활용한 반사형 위상천이기(reflection-type phase shifter)에 의해 위상이 천이된 후, 편파를 선택하는 PIN 다이오드 스위치를 지나 송신(Tx) 이중편파 안테나를 통해서 방출된다. 단위셀은 비유전율(ε_r) 4.4, 손실 탄젠트(tan δ) 0.025인 FR4 기판으로 제작되었으며, 소형화된 반사형 위상 천이기를 활용하여 단위셀의 크기를 0.4 λ₀×0.4 λ₀(40 mm×40 mm)의 크기로 소형화하였다(그림 1(b)). 그림 1(c), 그림 1(d)와 같이 설계된 단위셀을 이용하여 배열로 확장할 수 있다.

그림 1. | Fig. 1. 제안하는 투과형 메타표면: 단위셀 | Proposed transmissive meta-surface: Unit cell.

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Ⅱ. 단위셀 설계

2-1 소형화된 반사형 위상 천이기

그림 2는 통상적인 하이브리드 커플러와 소형화된 하이브리드 커플러의 (a) 회로 레이아웃과 (b) 산란계수(S-parameter)를 나타낸다. 소형화된 하이브리에서 커플러는 통상적인 커플러의 1/4파장 브랜치 라인(branch line)을 slow-wave 특성의 전송선로 구조로 대체하여^[11], 기존 0.14 λ₀×0.14 λ₀ 커플러 면적대비 36 % 줄어든 0.08 λ₀× 0.09 λ₀로 소형화되었다. 소형화된 커플러의 산란계수(|S_{11_mini}|, |S_{21_mini}|, |S_{31_mini}|, |S_{41_mini}|)와 기존 커플러의 산란계수(|S₁₁|, |S₂₁|, |S₃₁|, |S₄₁|)를 비교해 보면 S-대역에서 동일하게 동작함을 확인할 수 있다.

그림 2. | Fig. 2. 하이브리드 커플러 모의실험 비교 | Hybrid coupler simulation comparison.

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그림 3(a)는 본 논문의 반사형 위상 천이기의 회로도를 나타낸다. 크게 소형화된 하이브리드 커플러와 커플러 오른쪽 위아래 단자에 각각 연결된 리액티브 부하(reactive load)로 구성되며, 리액티브 부하는 두 개의 버랙터(varactor)와 그 사이에 인덕티브한 특성을 가지는 1/4파장 전송선로가 직렬로 연결된 구조이다. 버랙터에 인가되는 0~10 V 사이의 DC 바이어스 전압 값에 따라 버랙터의 커패시턴스 값이 결정되므로, 전압 제어를 통해 리액티브 부하의 반사 계수 위상을 제어한다.

그림 3. | Fig. 3. 소형화된 반사형 위상 천이기 | Miniaturized reflection-type phase shifter.

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위상 천이기의 이론적인 반사 계수(식 (1))와 그에 따른 삽입 손실(식 (2)) 및 위상 천이(식 (3))를 아래 식과 같이 표현할 수 있다^[12].

$$\Gamma ={\left(\frac{\left(2r_Z{R}_s{R}_p-R_s{Z}_0-R_p{Z}_0\right)+j{X}_L\left(2r_Z{R}_p-Z_0\right)}{\left(2r_Z{R}_s{R}_p+R_s{Z}_0+R_p{Z}_0\right)+j{X}_L\left(2r_Z{R}_p+Z_0\right)}\right)}^2$$

(1)

$$I{L}_{(dB)}=40\times {\log }_{10}\left|\frac{Z_0+\sqrt{Z_0^2+16r_Z^2{R}_s^2}-4r_Z{R}_s}{Z_0+\sqrt{Z_0^2+16r_Z^2{R}_s^2}+4r_Z{R}_s}\right|$$

(2)

$$\Delta {\varphi }_{\max }=8{\tan }^{-1}\left[\frac{r_Z\Delta X_L}{Z_0}\frac{Z_0\left(Z_0+\sqrt{Z_0^2+16r_Z^2{R}_s^2}+4r_Z{R}_s\right)}{\left(Z_0+2r_Z{R}_s\right)\left(Z_0+\sqrt{Z_0^2+16r_Z^2{R}_s^2}\right)+8r_Z^2{R}_s^2}\right]$$

(3)

(Z₀= 50Ω, r_Z = 1, X_L = ωL_s-1/ωC_v, R_s and R_p : 버랙터 등가 회로 모델  리액턴스와 직렬/병렬 저항)

그림 3(b)는 제작된 위상 천이기의 DC 바이어스 전압에 따른 측정된 위상값과 삽입 손실을 나타낸다. 본 논문의 위상 천이기는 0°에서 330°까지의 위상이 제어 가능하도록 설계되었으므로 3-bit 위상 양자화가 가능하다.

2-2 고전력 운용을 위한 PIN 다이오드 스위치

그림 4(a)는 S-대역에서 동작하는 편파 선택이 가능한 SPDT(single pole double throw) PIN 다이오드 스위치의 회로도를 나타낸다. 한 다이오드의 양극(anode)과 다른 다이오드의 음극(cathode)이 맞닿도록 배치하는 일반적인 SPDT PIN 다이오드 스위치와는 다르게 본 논문에서 제안하는 PIN 다이오드 스위치는 두 다이오드의 양극이 맞닿게 배치된다. 두 다이오드는 양극에서 GND 단자를 공유하며, 각 다이오드의 바이어스는 음극의 DC 전압으로 제어된다. 순방향 바이어스는 1.35 V를 인가하고, 고전력 입력에도 역방향 바이어스를 유지할 수 있도록 −5 V의 큰 크기의 역방향 바이어스 전압을 인가한다. 그림 4(b)는 포트 2(P2) 다이오드를 ON, 포트 3(P3) 다이오드를 OFF시킨 상태에서의 산란계수를 보여준다. Fs-0.5~Fs+0.5GHz의 주파수 대역에서 입력 전력(0~20 dBm)에 따른 측정된 ON 상태의 반사 계수(|S₁₁|,|S₂₂|)의 값은 −15 dB 이하, 삽입 손실(|S₂₁|) 0.9 dB로 나타났으며, OFF 상태의 반사 계수(|S₃₃)는 0.7 dB, 출력 포트 2과 포트 3 간 격리도(|S₃₃|)는 25 dB 이상으로 측정되었다. 설계한 PIN 다이오드 스위치는 Tx 안테나와 결합하여 수평(H) 또는 수직(V) 편파 중 원하는 편파를 자유로이 선택할 수 있다.

그림 4. | Fig. 4. PIN 다이오드 스위치 | PIN diode switch.

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2-3 적층형 패치 안테나: 수신(Rx)/송신(Tx) 안테나

S-대역에서 동작하는 Rx 안테나와 Tx 안테나는 모두 작은 면적으로 높은 이득(gain)을 가질 수 있도록 커플링 급전 방식의 적층형 패치 안테나로 설계되었다. 그림 5는 제안하는 적층형 패치 안테나 구조를 나타낸다. 40 mm× 40 mm(가로×세로) 크기의 단위셀에서 Rx 안테나(그림 5(a))는 반사형 위상 천이기와 PIN 다이오드 스위치의 공간을 고려하여 단위셀의 절반에 해당하는 크기로 설계되었으며, Tx 안테나(그림 5(b))는 단위셀의 면적을 모두 활용하여 설계했다. Rx와 Tx 안테나 모두 커플링 급전을 위한 0.4 mm 두께의 마이크로스트립 전송선로 위에 한 층당 1 mm 두께의 방사 패치 세 층을 적층한 구조이다. Tx 안테나의 경우, PIN 다이오드 스위치로부터 선택된 편파를 방사할 수 있어야 하므로, 이중 편파로 동작하도록 설계되었다. 그림 6(a)와 그림 6(b)는 Rx 안테나의 이득과 산란계수 성능을 나타낸다. Fs 주파수에서 최대이득 3.8 dBi, 빔폭은 80°로 나타났으며, Fs-0.05~Fs+0.05GHz의 주파수 대역에서 반사 계수(|S₁₁|)의 값은 −10 dB 이하로 나타났다. Tx 안테나의 이득과 산란계수(그림 7(a), 그림 7(b))를 살펴보면, Fs 주파수에서 최대 이득 4.2 dBi, 빔폭은 80°로 나타났고 Fs-0.05~Fs+0.05GHz의 주파수 대역에서 반사 계수(|S₁₁|, |S₂₂|)의 값은 −15 dB 이하, 두 편파 간의 격리도(|S₂₁|)는 −20 dB 이하로 나타났다. Rx 안테나와 Tx 안테나 모두 모의실험값과 측정값이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

그림 5. | Fig. 5. 적층형 패치 안테나 구조 | Stacked patch antenna configuration.

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그림 6. | Fig. 6. 적층형 패치 Rx 안테나 성능 | Stacked patch Rx antenna performance.

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그림 7. | Fig. 7. 적층형 패치 Tx 안테나 성능 | Stacked patch Tx antenna performance.

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Ⅲ. 단위셀 검증

단위셀의 기능(편파 변환과 빔조향 성능) 검증을 위해 1×2 배열 안테나를 제작하여 무반향실에서 안테나의 방사 패턴을 측정하였다. 제한적인 무반향실 환경 안에서 단위셀의 편파변환과 위상 변환 성능을 검증하기 위해서 Rx 안테나는 SMA 커넥터로 대체되었으며, 배열안테나의 급전을 위해 윌킨슨 전력분배기(Wilkinson power divider)를 사용하였다. 또한, 편파 및 위상 제어 DC 전압 제어를 위해 Arduino Mega 2560 보드와 1.5 V AA 건전지 4개를 직렬로 연결한 전원을 이용하여 전압 제어부를 구성하였다(그림 8(a)). 그림 9는 1×2 배열 안테나의 중심 주파수(Fs)에서 두 단위셀 간 위상 차이가 0°, +90°, −90°일 때, 정규화된 방사 패턴을 나타낸다. 모의실험에서 실험의 단순화를 위해 위상천이기 대신 각 단위셀 포트에 위상을 설정한 이유로 위상천이기의 삽입 손실이 반영되지 않았다. 이에 의해 측정값과 달리 위상차 0°보다 위상차 90°에서 최대 방사 패턴 값이 더 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 위상차 0°에서 측정된 최대이득은 수직 편파 −0.33 dBi, 수평 편파 −0.9 dBi이고, 조향 가능한 빔 각도는 수직 편파 −27°~27°, 수평 편파 −33°~13°로 나타났다. 수평 편파의 경우, 그림 8(b)에 나타난 것과 같이 방사를 위한 패치가 중앙과 오른쪽에 배치되어 있어서 접지판의 비대칭성 때문에 수직 편파와는 달리 빔조향이 비대칭적인 특징을 보인다.

그림 8. | Fig. 8. 1×2 배열 안테나 측정 환경 | 1×2 array antenna measurement.

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그림 9. | Fig. 9. 1×2 배열 안테나 정규화된 방사 패턴 | 1×2 array antenna normalized radiation pattern.

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Ⅳ. 결 론

본 논문은 S-대역 레이다용 편파변환과 빔조향이 자유로운 다기능 투과형 메타표면을 구성하는 소형화된 단위셀을 제안했다. 단위셀은 Rx 안테나와 빔조향이 가능하도록 위상을 제어하는 소형화된 반사형 위상천이기, 편파 선택이 가능한 PIN 다이오드 스위치, Tx 안테나로 구성된다. 반사형 위상 천이기는 0~10 V DC 바이어스 조건에서 0~330° 사이의 위상 제어가 가능했으며, 위상 천이기의 하이브리드 커플러는 기존 커플러 대비 36 % 면적으로 소형화되었다. PIN 다이오드 스위치는 1.35 V의 순방향 전압과 높은 전력의 입력에 동작 가능하도록 −5 V 역방향 전압을 인가한다. Rx과 Tx 안테나의 경우 작은 면적으로 높은 이득을 가지는 적층형 패치 안테나로 설계되었으며, Rx 안테나의 최대이득은 3.8 dBi, 빔폭 80°, Tx 안테나의 최대 이득은 4.2 dBi, 빔폭 80°로 나타났다. 단위셀 검증을 위해 1×2 배열을 설계하여 측정한 결과, 최대 이득은 수평 편파 −0.9 dBi, 수직 편파 −0.33 dBi로 나타났으며, 수평 편파, 수직 편파 모두 약 50° 범위의 빔조향이 가능했다.