Design of a Dual Beam Steering System based on the Phase Gradient Metasurface for Satellite Communication = 위성 통신용 위상 기울기 메타표면 기반 이중 빔 조향 시스템 설계

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 Ku 대역 14GHz 에서 작동하는 위상 경사 메타표면 (Phase Gradient Metasurface) 기반 이중 빔 조향 안테나 시스템과 설계절차 제시하고 시뮬레이션, 제작, 측정으로 이를 검증한다. 제안하는 시스템의 구조는 얇은 기판과 금속 패턴으로 구성된 이중 빔 트랜스밋어레이(Transmitarray) 안테나와 위상 경사 메타표면으로 구성되며, 단일 급전과 두 메타표면의 회전 동작만으로 이차원 빔 조향을 수행한다. 작동원리는 트랜스밋어레이에서 서로 반대 방향의 위상 기울기를 갖는 두 고이득 빔을 생성하면 위상 경사 메타표면은 추가적인 선형 위상 기울기를 제공함으로써 두 위상 기울기와 회전의 벡터합으로 최종 빔 조향이 이루어진다. 이는 기존 위성통신용 다중 빔 조향 기술로 사용되는 위상 배열 안테나의 전자식 위상 변이 장치나 복잡한 RF 체인 없이도 간단하게 빔 조향이 가능하다는 이점이 있다. 제안하는 이중 빔 트랜스밋어레이와 위상 경사 메타표면은 동일한 단위 셀 구조로 입사각 0-30°범위에서 -2 dB 이하의 전송 손실과 51.4°의 위상 차이를 달성하여 각각 24°의 위상 기울기를 생성하도록 설계되었다. 이를 통해 7-단계의 단위 셀은 각 메타표면의 위상분포에 맞춰 육각 격자로 배열되며 회전에 따른 조향 성능은 CST Micro Wave
Studio 소프트웨어로 확인되었다. 시제품은 TLY-5 기판을 사용하여 각각 1.6mm 의 두께로 제작되었으며, 측정 결과는 회전 조합에 따라 방위각 0°~360°및 고도각 0°~54°범위에서 두개의 주엽이 형성되었다. 두개의 주엽은 각각 평균 피크 이득이 약 16dBi/15dBi 로 측정되었으며, 전체 조향 범위에서 이득 변동은 ±2dBi 이내, 각도 오차는 ±3°로 측정 빔 궤적이 이론적 계산과 시뮬레이션 결과와 유사하게 형성됨을 확인하였다. 이러한 결과는 제안된 이중 빔 조향 안테나 시스템이 차세대 위성 통신 시스템에 적합한 다중 빔 기능과 광각 빔 조향 기능을 제공하면서도 기존 위상 배열에 비해 저비용, 저전력 및 구조적 단순화를 실현하는 대안임을 입증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents the phase gradient metasurface-based dual-beam steering antenna system operating at 14 GHz in the Ku-band, along with its design procedure. It verifies the system through simulation, fabrication, and measurement. The proposed system structure consists of a dual-beam transmitarray (TA) antenna, which is a thin substrate with metal patterns, and the phase gradient metasurface (PGM). It performs 2-D beam steering using only a single feed and the rotation of the two metasurfaces. The operating principle is that when the TA generates two high-gain beams with opposite phase gradients, the PGM provides an additional linear phase gradient. The final beam steering is achieved through the vector sum of these two-phase gradients and rotation. This offers the advantage of simple beam steering without requiring the electronic phase shift devices or complex RF chains typically used in phased array antennas for existing satellite communication multi- beam steering technologies. The proposed dual-beam TA and PGM are designed with the same unit cell structure to achieve transmission loss below -2 dB and a phase difference of 51.4° over an incident angle range of 0-30°, generating a phase gradient of 24° each. Through this, the 7-state unit cells are arranged in a hexagonal lattice according to the phase distribution of each metasurface, and the steering performance with rotation was verified via CST Microwave Studio software. The prototype was fabricated using TLY-5 substrate with a thickness of 1.6 mm. Measurement results confirmed the formation of two main lobes over azimuth 0°–360° and elevation 0°– 54°, depending on the rotation combination. The two main lobes were measured to have average peak gains of approximately 16dBi and 15dBi, respectively. Gain variation was within ±2dB across the entire steering range, and angle error was measured at ±3°. The measured beam trajectory was confirmed to form similarly to theoretical calculations and simulation results. These results confirm that the proposed dual-beam steering antenna system provides a low cost, low power and structural simplification alternative to conventional phased arrays, while offering multi-beam capability and wide-angle beam steering suitable for next-generation satellite communication systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Theory 4
• 2.1. Antenna Theory [25] 4
• 2.1.1. Parameter of Antennas 4
• 2.1.2. Plane Wave [26], [27] 5
• 2.1.3. Microstrip Patch Antenna 8
• 2.2. Transmitarray Antenna Theory [8], [13] 11
• 2.2.1. Principle of Transmitarray Antennas 11
• 2.2.2. Phase Distribution and Compensation 12
• 2.2.3. Focal Distance Ratio 16
• 2.2.4. Multibeam Transmitarray Antenna 18
• 2.3. Phase Gradient Metasurface [21], [23] 20
• 2.4. Beam Steering Using a Pair of the Turning Metasurfaces [24], [31] .. 23
• Chapter 3. Design of Antenna 27
• 3.1. Source Antenna 27
• 3.2. Transmitarray Antenna 30
• 3.2.1. Unit Cell Design 30
• 3.2.2. Transmitarray Antenna Design 35
• 3.2.3. Dual-Beam Transmitarray Antenna Design 38
• 3.3. Phase Gradient Metasurface Design 43
• 3.3.1. Unit Cell Design 43
• 3.3.2. Super Cell Design 45
• 3.4. Dual-Beam Steering Antenna 47
• Chapter 4. Fabrication and Measurement Results 59
• Chapter 5. Conclusion 73
• Reference 75
• 국문 초록 79
• Acknowledgement 81