1. 서 론

고주파 대역을 활용하면 더 많은 데이터를 수용할 수 있어 전송속도가 증가시킬 수 있기에, 차세대 무선통신 기술에서는 그 주파수 대역이 점차 높아지고 있다. 그러나 높은 주파수의 전자기파는 회절이 어려워 도심 건축물에 의해 전파의 진행이 차단되는 음영 효과(shadowing)와 다중 경로로부터 발생되는 페이딩(fading)과 같은 현상을 통해 신호원에서 사용자에게 도달하는 전파를 방해하거나 신호의 품질을 저하시킨다^{[1- 2]}. 이러한 제한점은 더욱 복잡하게 변화하는 현대 도시 환경에서 통신장애를 유발할 수 있다. 위와 같은 문제점을 완화하기 위해 다양한 해결방안^{[3- 7]}이 제시되고 있고, 그중 RIS(Reconfigurable Intelligence Surface)와 같은 메타표면을 통한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다^{[6- 7]}.

메타물질은 기존 물질에서 나타나지 않는 음(negative)의 유전율 및 투자율을 실현한 인공물질이다^[8]. 이러한 특성을 활용하면, 기존의 자연에서 발생하는 전자기적 특성과는 다른 특성을 구현할 수 있게 된다. 그 예로 전파의 분할, 집중, 조향 등을 수행할 수 있다^{[9- 11]}. 메타표면은 메타물질의 2차원 구조 형태로 최근 많은 연구가 진행되었다. 입사되는 전파를 다방면으로 분산하여 반사시키는 전파분할 메타표면은 기존 연구들에서 ±30°~±45°의 분할 범위 성능으로 보고되었으나^{[11- 14]}, 더 나은 개선을 위해서는 더 넓은 분할 각과 정반사 억제 성능이 요구되고 있다.

본 논문에서는 그림 1에 제시된 바와 같이 음영영역과 페이딩으로 인한 통신 품질 저하를 개선 하는데 활용될 수 있는 반사형 메타표면을 설계하였다. 기존의 전파분할 표면 선행연구사례^[11-14]보다 넓은 광각으로 분할 하여 반사 시킬 수 있으며, 정반사 억제가 뛰어나기 때문에, 복잡해지는 도심 환경 속에서의 통신 장애를 개선하는 데에 기여될 것으로 기대된다.

그림 1. 제안하는 반사형 메타표면 및 활용예시

Fig. 1. Suggested reflective metasurface and its application.

2. 반사형 전파분할 메타표면 설계와 시뮬레이션

파동이 특정 경계면에서 진행할 때, 입사각과 굴절각의 관계는 그림 2와 같이 일반화된 스넬의 법칙을 통해 식 (1)로 정리할 수 있다^[15].

위 식에서 $n_{refr}$와 $n_{inc}$는 굴절률, m은 굴절 차수, d는 격자 간격(grating period)을 의미한다. 일반화된 스넬의 법칙은 굴절 뿐만 아니라 반사에서도 적용할 수 있고 본 연구에서는 반사표면으로 적용하였다. 일반적으로 모든 위치에서 경계조건이 동일한 균일 경계면에서는 입사각과 반사각이 같지만, 위치에 따른 경계조건이 다른 불균일 경계면에서는 수식 (1)에 근거하여 반사각이 변화한다.

그림 2. 반사에서의 일반화된 스넬의 법칙

Fig. 2. Generalized Snell's law of reflection

제안하는 메타표면은 유전체 기판에 금속 박막 패턴을 배열하여 불균일 경계면을 형성한다. 서로 다른 패턴의 배열로 인해 위치에 따른 반사 위상 계수가 다르게 되며, 이러한 패턴들의 규칙적인 배열은 전체적인 반사 방향을 조절할 수 있게 된다. 식 (1)에서 굴절률 n은 자유공간으로 n = 1로 가정할 수 있다. 또한 굴절 차수 m은 정수로 존재하며, 이때 1차 굴절이 가장 많이 발생하기 때문에 ±1로 계산할 수 있다. 굴절 차수의 부호는 반사각의 부호에 따라 변한다. 수직 입사환경에서 입사각은 0°로 계산하면 식 (2)와 같이 간략화된다.

반사각 $\theta_{refl}$는 격자간격 d에 대한 함수로 볼 수 있다. 주파수가 5.8 GHz이고 수직입사에 대한 반사각을 ±60°로 설정할 때, 격자간격은 60 mm로 계산된다. 계산된 격자간격으로 180°의 위상차를 가지는 단위 유닛을 구성할 때 그 길이가 반 파장에 비해 크다. 이와 같은 구조는 원하지 않은 grating lobe 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점 해결을 위해 1개의 단위 유닛의 크기를 2개로 분할 한 크기인 15 mm를 선정하였다. 그림 3은 설계한 단위 셀의 구조와 구체적인 크기를 보여준다. 입사하는 전파를 균등하게 분할 하기 위해 대칭구조의 Dogbone 형태의 단위 셀을 선정하였으며, 180°의 위상차를 가지는 2개의 단위 셀을 설계하였다. Dogbone 형태의 셀은 전자기 쌍극자 구조의 형태가 배열되어 전자기적 공진을 통해 위상변화를 만들 수 있다. 또한 좌우 대칭적인 구조로 설계하는 균등 분할 메타표면에 활용하였다^[16]. 사용된 기판은 Rogers 4003이며 두께가 1.6 mm, 유전율이 3.55, tan δ는 0.0027이다. 그림 3(b)와 같이, 격자간격 내에 설계된 2개의 단위 셀을 2번씩 반복하여 배치함으로써 2π의 위상변화량을 충족하였다.

그림 3. (a)단위 셀 구조, (b)격자간격 내의 단위 셀 배열

Fig. 3. (a)Configuration of unitcell, (b)unitcell-array in grating period

그림 4는 HFSS를 통해 단위 셀 시뮬레이션을 진행하는 과정의 설정과 반사파 위상의 시뮬레이션 결과를 보여준다. Floquet port와 Master&Slave 형태의 경계조건 설정을 활용하여 단위 셀 상에서의 반사계수의 위상을 확인하였다. 단위 유닛의 파라메터를 선정하기 위해 먼저 a를 우선적으로 선정하고 이후 b, c의 최적화 과정을 거치는 방법을 택하였다. 파라메터 a의 경우 Dogbone 형태의 단위 유닛의 전체 크기에 영향을 미치고 이는 공진주파수를 결정하는 요소로 작용한다. a가 커질수록 L, C값이 동시에 커져 공진주파수는 낮아지게 된다. 공진주파수를 목표한 5.8GHz에 맞춰 파라메터 a를 설정한 후 파라메터 b는 L에 비례하여 변화하고 파라메터 c는 C에 비례하여 변화한다 이를 0.1mm 간격으로 최적화 과정을 거쳐 단위유닛의 파라메터값을 선정하였다.

그림 4. 단위 셀 시뮬레이션; (a)Floquet port 시뮬레이션 설정, (b)반사계수 위상

Fig. 4. Unitcell simulation; (a)HFSS floquet port simulation setup of unit cell and (b)reflection phase

그림 4(b)를 통해, 설계된 2개의 단위 셀의 반사파 위상은 5.8 GHz에서 75°와 –105°로 180°의 위상차가 있음을 확인할 수 있다. 회색선은 0.1mm 간격으로 단위유닛 최적화 과정을 거친 결과이고, 설계된 2개의 단위 셀의 반사계수는 적색선과 청색선으로 표시하였다.

그림 5는 제작을 위해 설계된 메타표면의 전체모습을 나타내며, 총 7 × 15의 격자구조가 배열로 구성되었고 전체 크기는 420mm × 255mm이다. 메타표면을 구성함에 있어 단위 유닛의 배열은 위상의 변화방향과 전계 방향을 일치하게 구성하여 TE 편파에 맞춰 설계하였고, 자계 방향으로는 위상변화가 발생하지 않게 설계하였다.

그림 5. 제안된 전파분할 메타표면

Fig. 5. Suggested beam-splitting metasurface

그림 6. 원거리장 시뮬레이션; (a)입사 평면파의 전계, (b)반사파 전계 분포, (c)3D 산란패턴

Fig. 6. Far field simulation; (a)E-field intensity of incident plane-wave, (b)E-field intensity of reflected wave, (c)3D scattered pattern

HFSS를 이용해 설계된 메타표면에서의 반사파 특성을 확인하는 원거리장 시뮬레이션 작업을 수행하였다. 그림 6(a)는 메타표면에 수직 입사하는 평면파를 나타내며, 그림6(b)와 (c)는 반사파의 전기장 분포를 보여준다. 시뮬레이션 결과를 통해서도 알 수 있듯이, 메타표면에 입사되는 전파의 전력이 양방향으로 분산되어 반사됨을 확인할 수 있다.

3. 실험 결과

설계된 메타표면의 제작을 진행하였고 반사파 패턴 측정을 위해 그림 7과 같이 실험 환경을 구성하였다. 2개의 피라미드 혼 안테나(LB-20180-NF, 이득 : 11dBi)를 각각 송신용(Tx)과 수신용(Rx) 안테나로 사용하였다. 송수신 안테나와 2-Port VNA (E5063A, Keysight)를 이용하여 S21(전이계수, Transmission coefficient)을 추출함으로써 메타표면에서 반사되는 전파의 특성을 확인하는 방법을 채택하였다. 메타표면은 스티로폼 테이블 위에 고정하였고, Tx 안테나는 바닥의 턴테이블을 통해 제작된 메타표면에 입사각 0°를 유지하며 회전한다. Rx 안테나는 고정된 상태로, 메타표면에서 반사되는 전파를 각도에 따라 수신한다. 측정구간(Theta, $\theta$)은 -90°에서 90°까지 2° 간격으로 측정하였다. 0°에서는 송수신 안테나가 동일선상에 위치하기에 측정의 오류가 발생할 수 있으므로, 6.8°의 고각을 주어 두 안테나의 높낮이를 서로 다르게 설정하였다. 실험은 전파 무반향 시설에서 진행되었고, 측정된 데이터는 Matlab을 통해 Time gating 기법을 이용하여 반사파 신호만을 Hamming 윈도우 함수로 gating 한 후, FFT를 활용하여 주파수 데이터로 복원하는 디임베딩 작업을 수행하였다.

그림 7. 반사파 패턴 측정을 위한 실험 환경 개요도

Fig. 7. Measurement setup for scattered pattern

그림 8. 제안된 메타표면의 정규화된 산란전력 시뮬레이션과 측정 결과 (5.8 GHz)

Fig. 8. Normalized scattered power of simulation and measurement at 5.8 GHz.

측정 결과(그림 8), 반사파의 주엽(main lobe)은 ±58°에서 측정되어 메타표면 중심을 기준으로 균등한 전력이 대칭 분할되었음을 알 수 있으며, 또한 시뮬레이션 결과와 유사한 분할각을 보임을 확인하였다. 메타표면으로 수직 입사된 전파는 스넬의 법칙에 따라 0°에서 정반사하지 않고, ±40°의 범위에 대해 0.1(-10 dB) 이하를 유지하여 정반사 억제 성능이 우수함을 알 수 있다. 가장 높은 부엽(side lobe)은 -52° ~ -42°, 42° ~ 52° 구간에서 측정되었다. 이는 제작된 메타표면이 420mm × 255mm의 크기로 비교적 크게 설계되어 기판의 평탄이 완벽하게 이뤄지지 않았고, 제작 오차로 인한 문제로 판단된다.

표1은 제안된 메타표면과 기존 연구사례의 성능 비교표를 보여준다. 본 논문에서 설계한 메타표면은 ISM 주파수 대역인 5.8GHz 에서 동작하고 있으며 전파 분할각은 기존보다 광각인 ±58°로 기존 연구사례들과 비교하였을 때 개선되었음을 확인할 수 있으며, 정반사 억제특성 또한 -11dB 이하로 달성하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 일반화된 스넬의 법칙을 활용하여 광각으로 전파를 분할 반사 시킬 수 있는 메타표면을 제안하고, 제작 및 측정을 통해 이론의 타당성을 입증하였다. 제작된 메타표면은 수직 입사하는 5.8 GHz의 전파를 ±58°로 균등 분할하는 메타표면으로 기존의 선행연구들에 비해 전파 분할각이 넓으면서 우수한 정반사 억제 성능을 보여준다. 다른 주파수 대역에 대해서도 제시된 이론을 통해 쉽게 설계할 수 있으며, 제안된 메타표면을 통해 도심 환경에서의 통신장애를 해소하는 데에 효율적인 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 정반사 억제 특성을 활용하여 전투기 또는 무인기 등의 RCS 감소에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.