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학위논문
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(홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수
이정해
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홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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본 학위논문은 메타표면 기반의 고효율 1비트 재구성 가능한 반사배열 안테나를 제안한다. PIN 다이오드 기반의 1비트 재구성 가능한 반사배열 안테나는 이득, 무게, 크기, 비용, 제작공정, 제어장치의 간소화, 빠른 온/오프 스위칭 속도의 다양한 측면에서 엄청난 이점을 가지고 있어 기존 위상 배열 안테나의 대안으로서 잠재력을 갖고 있다.
1장에서는 간단한 메타표면의 간략한 역사, 배경, 특성화가 소개된다. 수동형 및 재구성 가능한 반사배열 안테나의 단위 셀을 비교하여 특성을 검토하고, 본 학위논문의 범위를 PIN 다이오드 기반의 재구성 가능한 반사배열 안테나로 제시한다.
2장에서는 높은 개구면 효율을 갖는 재구성 가능한 반사배열 안테나의 설계 원리를 소개한다. 여기서 개구면 효율은 spillover, illumination, element, quantization, others의 요소로 분리되어 분석된다. 높은 개구면 효율을 달성하기 위해, 급전의 구성, 위상 제어 가능한 단위 셀, 위상 양자화를 통한 빔조향에 관한 정교한 연구들이 수행된다.
3장에서는 소형화된 방사소자를 기반으로 한 광각 및 고효율의 재구성 가능한 반사배열 안테나를 제시한다. 광각 빔조향은 배열 안테나 이론을 기반으로 광각 소자 패턴을 가진 소형 링 패치 소자를 사용하여 달성된다. 이 재구성 가능한 반사배열 안테나는 로우 프로파일 급전 구성으로 설계되며, 기준 위상과 비대칭 위상 차를 고려하여 양자화 효율이 극대화된다.
4장에서는 대칭적으로 회전된 하위배열을 기반으로 한 이중편파 재구성 가능한 반사배열 안테나가 제시된다. 순수한 단일 편파를 발생시키도록 하기 위해 소형화된 직사각형 단위 셀이 설계되며, 이를 교대로 배열하여 이중편파 메타표면이 설계된다. 또한, 대칭적으로 회전된 하위배열은 교차 편파 레벨을 크게 억제하고 최대이득을 약간 향상시킨다.
본 논문에서 제안한 고효율 재구성 가능한 반사배열 안테나들은 레이더, 위성통신, 5G 또는 6G 통신 기지국 등과 같은 분야에서 위상 배열안테나의 응용의 대안으로써 잠재력이 있을 것으로 기대된다.
#메타표면 #안테나 #능동소자 #고효율 #로우프로파일 #PIN다이오드

목차

  1. Chapter 1. Introduction 1
    1.1 Overview of Metasurfaces 2
    1.1.1 From Metamaterials to Metasurfaces 2
    1.1.2 Scope and Characterization 3
    1.1.3 Phase Gradient Metasurfaces 6
    1.2 Reflectarray Antenna Based on Metasurfaces 8
    1.2.1 Passive Reflectarray Antennas 8
    1.2.2 Reconfigurable Reflectarray Antennas 13
    Chapter 2. Principle of Reconfigurable Reflectarray Antenna 17
    2.1 Aperture Efficiency Analysis 18
    2.1.1 Aperture Efficiency Factors 18
    2.1.2 Feeding Efficiency Analysis 20
    2.2 Design of Reconfigurable Reflectarray Antenna 25
    2.2.1 1-Bit Phase-Controllable Reflective Unit Cell 25
    2.2.2 Unit Cell Measurement Using Waveguide Simulator 34
    2.2.3 Beam Steering with 1-Bit Phase Quantization 41
    Chapter 3. Wide-Angle and High-Efficiency Reconfigurable Reflectarray Antenna 48
    3.1 Introduction 49
    3.2 Metasurface Design 50
    3.2.1 Miniaturized Unit Cell 50
    3.2.2 Low-Profile Feed Configuration 54
    3.3 Fabrication and Experiment 56
    3.3.1 Fabrication of Prototype 56
    3.3.2 Experiment Setup 59
    3.3.3 Results 61
    3.4 Discussion: Asymmetric Phase Difference 69
    3.5 Conclusion 73
    Chapter 4. High-Efficiency and Dual-Polarized Reconfigurable Reflectarray Antenna 74
    4.1 Introduction 75
    4.2 Metasurface Design 77
    4.2.1 Purely Single-Polarized Miniaturized Unit Cell 77
    4.2.2 Feed Optimization 79
    4.2.3 Symmetrically Rotated Sub-array 82
    4.3 Fabrication and Experiment 85
    4.3.1 Fabrication of Prototype 85
    4.3.2 Results 88
    4.4 Examples of Simultaneous Beam Control 93
    4.5 Discussion 98
    4.6 Conclusion 100
    Chapter 5. Dissertation Summary 101
    Appendix A. Low-Profile TM Incident Retrodirective Metasurface 104
    A.1 Introduction 105
    A.2 Modeling of Unit Cell 107
    A.3 Low-Profile TM Incident Unit Cell and Super Cell 112
    A.4 Fabrication and Experiment 115
    A.5 Conclusion 117
    Appendix B. Azimuthal Six-Channel Retrodirective Metasurface 118
    B. 1 Introduction 119
    B. 2 Design of Metagrating 121
    B. 3 Simulation 126
    B. 4 Fabrication and Experiment 129
    B. 5 Conclusion 131
    Bibliography 132
    국문 초록 145
    감사의 글 147

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