Phase gradient metasurface는 표면을 입사하는 전파의 위상을 조정하여 전파의 방향과 파장을 제어하는 메타표면을 말한다^[2]. 전파가 메타표면에 입사했을 때 단위 셀의 형상/모양에 따라 투과/반사 위상이 달라지는 특성을 가지는 단위 셀을 배열하여 목적에 맞게 제어가 가능하다. PGMS는 기존 대비 비교적 단순한 구조로 beam steering, beam focusing 등의 다양한 기능을 구현할 수 있다는 장점이 있다^[3]. 균일한 표면의 경우 스넬의 법칙에 의해 전파가 모든 면에 대해 동일한 투과/반사각을 갖지만, 불균일한 표면의 경우, 스넬의 법칙이 더 이상 성립되지 않고 이상반사 및 이상굴절이 일어난다. 이런 표면의 불균일함을 통해 투과/반사 위상을 조절하여 전파를 원하는 방향으로 제어할 수 있다^[4]. PGMS 설계는 메타표면의 전자기적 특성을 결정하는 ‘단위 셀 설계’와 이를 목적에 맞게 ‘배열’하는 과정으로 이루어진다. 단위 셀 설계 단계에서는 원하는 주파수 대역에서 높은 투과/반사계수를 가지고 전파의 위상을 원활하게 제어할 수 있도록 단위 셀을 구성하는 모양의 길이/형태에 따라 360°의 위상 변위를 가지도록 설계하여야 한다. 단위 셀을 설계한 뒤에는 단위 셀을 조합하여 원하는 특성을 나타내도록 배열하는 단계를 거친다.

슬롯 형태의 투과형 FSS에서 슬롯의 크기 및 위치에 따라 다른 주파수에서 높은 투과계수를 가지는 원리를 활용하여 이를 PGMS에 적용하였다^[5]. FSS에서 슬롯 형태의 구조는 band-pass 구조를 가진다. 슬롯의 두께, 길이에 따라 L과 C값이 바뀌며, 이 L, C값이 같아지는 공진점에서 평형 상태를 이루게 된다. 이때가 공진 주파수이며, 전파의 투과가 일어난다^[6]. 슬롯의 크기 및 위치에 따라 L, C의 크기가 변할 때, 위상 또한 변하게 된다. 이런 위상 변화 특성에 따라 슬롯의 위치와 길이를 조절하여 높은 투과계수를 가지며, 위상 차이가 있는 단위 셀을 만들 수 있다^[7]. 대부분의 단위 셀은 단위 셀을 구성하는 일부분의 구조 및 형태가 변하면 L, C 특성이 변함에 따라 공진 주파수와 위상이 전체적으로 변하게 되지만, 일부 이중대역(공진 주파수를 2개 가지는) 단위 셀은 일부분의 구조가 변하더라도 서로 다른 공진점에는 영향을 미치지 않는 단위 셀이 존재한다^[8,9]. 이런 특성을 활용하면 이중대역에서 band-pass 또는 band-stop을 구현할 수 있다. 언급한 단위 셀들은 lower band에서 반응하는 가운데 구역과 higher band에서 반응하는 가장자리 구역으로 나뉘어져 있으며 구역의 형상에 따라 mutual coupling이 일어나지 않는 범위 내에서 각각의 주파수 대역에서 전파의 특성을 조절할 수 있다. 앞에서 언급한 것처럼 슬롯의 위치가 변함에 따라 pass 하는 band 가 변화하게 되고, 단위 셀 구역별 구조의 형상에 따라 서로 독립적인 이중대역의 특성을 보이기 때문에 서로 다른 두 가지 형태의 직사각형 슬롯을 통해 이중대역에서 band-pass 주파수 및 위상 조절을 구현할 수 있다. 하지만 슬롯 간격에 따른 mutual coupling effect와 layer 추가에 따른 여러 요소로 인해 운용주파수에 따른 슬롯 크기에 대한 명확한 관계를 규정하기에는 제한적이므로, 목표 주파수에 따른 개략적인 슬롯 위치와 크기를 설정하고 그 수치를 기반으로 시뮬레이션을 활용, parameter sweep을 통해 원하는 조건을 가지는 슬롯의 위치와 크기를 확인하고 설계하여야 한다.

Fig. 2는 본 연구를 통해 제안하는 메타표면 단위 셀 구조를 나타낸다. Fig. 2(a)는 메타표면 단위 셀 구조를 구성하는 단일 layer의 구조로, 이중대역에서 독립적인 특성 확보를 위해 L1, L2의 서로 다른 길이를 갖는 폭 W의 직사각형 슬롯이 슬롯 간의 거리 g만큼 떨어져 있는 구조이다. 이러한 단위셀은 15 mm 간격으로 좌우로 배열되며, 이는 목표 대역인 10 GHz 기준 반 파장 거리로 위상 변화를 구현하기 위한 L1의 길이를 최대한 확보하면서 전체 array의 성능 열화가 일어나지 않도록 설정하였다. Fig. 2(b)는 Fig. 2(a)의 layer가 네 층으로 배열된 메타표면 단위 셀의 전체 구조를 나타낸다. Fig. 2(a)의 단일 layer로는 360도의 위상 변화를 구현할 수 없기 때문에, 동일한 layer를 네 층 적층하여 0도에서 360도의 위상 변화를 구현하며, 이중대역 동작을 위해 10 GHz와 16 GHz의 중간 대역인 12.5 GHz 기준 /4에 해당하는 6 mm 간격으로 적층하였다.

Fig. 3에서 볼 수 있는 것처럼 직사각형 슬롯의 길이에 따라 투과되는 주파수 대역이 변경되는 것을 알 수 있다. 또한 Fig. 4와 같이 직사각형 슬롯 L1이 변화함에 따라 10 GHz 대역 부근에서 투과 계수와 위상이 변하지만, 두 번째 주파수 대역(16 GHz 부근)은 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있다. L1에 대한 시뮬레이션과 마찬가지로, 단위 셀 구조의 주요 파라미터인 L2, g, W에 대한 parametric study를 진행하였으며, 직사각형 슬롯 길이 L2가 변화하면 따라 16 GHz 대역 부근에서 투과 계수와 위상이 변하고, 첫 번째 주파수 대역(10 GHz 부근)은 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, L1과 L2를 조절함에 따라 10 GHz와 16 GHz에서의 위상 변화를 독립적으로 조절할 수 있고 이를 이중 대역에서 동작하는 focusing PGMS의 단위 셀로 활용할 수 있음을 검증하였다. L1 이외에 단위 셀을 구성하는 변수인 L2, g, W에 대한 parametric study 결과는 부록에 정리하였다.

근거리장 측정은 IOT 기술지원센터 소재 near-field scanner를 이용하여 수행되었고, 평면파가 방사되는 배열안테나를 이용하여 PGMS에 전파를 투과시킨 이후 거리별 near-field를 측정하였으며, PGMS 기준 5 cm, 10 cm, 12 cm, 15 cm, 18 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm 이격하여 측정을 수행하였다. 측정 환경 및 범위는 Fig. 12와 같다.

근거리장 측정 결과, Fig. 14와 같이 설계시 설정한 focal length에 가까워질수록 한 점으로 집중되는 현상을 확인할 수 있다. 이를 통해 PGMS에 투과된 전파가 focal point에서 집중됨을 알 수 있으며, PGMS를 이용하여 신호를 집중시켜 국부적으로 강한 신호를 유도할 수 있음을 확인할 수 있다.

원거리장 측정은 교내 anechoic chamber을 활용하여 측정하였다. 측정 환경은 Fig. 15(a), (b)와 같이 설정하였으며, 측정 사진은 Fig. 16과 같다.

원거리장 측정 시 PGMS 적용 전, 후의 이득은 Fig. 17과 같이 변화한다. 안테나의 최대 이득은 10 GHz와 16 GHz에서 각각 8.2 dBi, 10.54 dBi 향상되는 현상을 확인하였으며, 정리한 결과는 Table 3과 같다.

이처럼 제안하는 메타표면을 spherical wave source로 동작하는 안테나와 함께 사용하였을 경우, Fig. 6(b)와 같이 원거리장에서의 안테나 이득 특성을 크게 개선할 수 있음을 시뮬레이션과 측정을 통해 교차 검증하였다. Fig. 18은 시뮬레이션과 측정 결과를 비교한 그래프이다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과 간의 오차 발생 원인으로는 측정을 위해 추가된 아크릴 측정 지그에 의해 발생하는 안테나 개구면 효율 감소가 있을 수 있으며, 10 GHz 대비 16 GHz에서 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 차이가 큰 이유는 10 GHz에서는 혼 안테나를 활용하였지만, 16 GHz에서는 얇은 두께의 패치 안테나에 의한 제작 오차와 측정 오차가 개구면 효율을 더욱 크게 낮추기 때문이다. 하지만, PGMS 적용 전, 후 안테나의 이득이 상대적으로 크게 증가했음이 유의미하다. Table 4는 이러한 결과를 정리한 표이다.