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KR102854557B1 - Method and apparatus for transmitting and receiving signal in a wireless communication system - Google Patents
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KR102854557B1 - Method and apparatus for transmitting and receiving signal in a wireless communication system - Google Patents

Method and apparatus for transmitting and receiving signal in a wireless communication system

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KR102854557B1
KR102854557B1 KR1020200086441A KR20200086441A KR102854557B1 KR 102854557 B1 KR102854557 B1 KR 102854557B1 KR 1020200086441 A KR1020200086441 A KR 1020200086441A KR 20200086441 A KR20200086441 A KR 20200086441A KR 102854557 B1 KR102854557 B1 KR 102854557B1
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Abstract

본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 무선 통신 시스템에서 전자 장치는, 송수신부; 및 적어도 하나의 프로세서; 를 포함하고, 상기 송수신부는, 안테나부 및 메타표면부를 포함하고, 상기 안테나부는 복수의 안테나들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고, 상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면부에게 전송하고, 상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고, 상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하고, 상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다.The present disclosure relates to a method and device for transmitting and receiving a signal in a wireless communication system, wherein the electronic device in the wireless communication system includes a transceiver; and at least one processor; wherein the transceiver includes an antenna unit and a metasurface unit, the antenna unit includes a plurality of antennas, and the at least one processor generates first beams for each of the plurality of antennas, transmits the first beams from the plurality of antennas to the metasurface unit, generates second beams based on the first beams through the metasurface unit, and transmits the second beams to another electronic device, and the metasurface unit can be arranged to receive the first beams generated for each of the plurality of antennas.

Description

무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING SIGNAL IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING SIGNAL IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM

본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method and device for transmitting and receiving a signal in a wireless communication system.

5G(5th generation) 이후의 6G(6th generation) 이동 통신 시스템에서는, 부족한 대역폭을 확보하기 위해 밀리미터 파(Millimeter Wave) 대역 또는 테라 헤르츠(Terahertz) 대역의 초고주파 대역이 활용될 수 있다. 초고주파 대역에서는 전파의 경로 감쇄(Path Loss)로 인한 손실이 크고, 반사 또는 투과되는 전파의 크기는 이전 이동 통신용 주파수(UHF(Ultra High Frequency), VHF(Very High Frequency) 대역 등의 6 GHz 이하 주파수)와 대비하여 급격히 떨어질 수 있다. 이러한 전파의 경로 손실을 완화하고, 전파의 수신 거리를 증가시키기 위해 다수의 안테나를 활용한 빔 형성(beamforming)(이하, 빔포밍) 기법이 운용될 수 있다. 단말 또는 기지국은 다수 안테나에 추가적으로 아날로그 및 디지털 신호 처리 기법을 이용하여 특정 방향으로 빔 방향을 지향 시킬 수도 있다. 다만, 빔의 지향 각도를 조절하기 위해서는 위상 천이기(phase shifter), 전력 증폭기 (power amplifier), 믹서 (mixer)와 같은 추가적인 고주파 신호 처리 구성 요소가 필요하다. 이러한 고주파 신호 처리 구성 요소는 그 자체로 전력을 소모하므로, 결국 안테나 별 고주파 신호 처리 구성 요소가 증가할수록, 빔 형성 및 빔 지향을 위해 추가적으로 많은 에너지가 소모되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라, 메타물질(metamaterial)에 대한 연구가 진행되고 있다.In the 6th generation (6G) mobile communication system following 5G ( 5th generation), ultra-high frequency bands such as millimeter wave (MW) or terahertz (THz) bands may be utilized to secure insufficient bandwidth. In the UHF band, the loss due to path loss of radio waves is large, and the amplitude of reflected or transmitted radio waves can drop sharply compared to the previous mobile communication frequencies (frequencies below 6 GHz, such as UHF (Ultra High Frequency) and VHF (Very High Frequency) bands). To mitigate this path loss of radio waves and increase the reception range of radio waves, beamforming (hereinafter, beamforming) techniques utilizing multiple antennas may be utilized. A terminal or base station can also direct a beam in a specific direction using analog and digital signal processing techniques in addition to multiple antennas. However, to adjust the beam's direction angle, additional high-frequency signal processing components such as a phase shifter, a power amplifier, and a mixer are required. These high-frequency signal processing components themselves consume power. Consequently, as the number of high-frequency signal processing components per antenna increases, additional energy consumption for beamforming and beam directing can arise. Consequently, research into metamaterials is underway.

상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 효과적으로 송수신할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.Based on the discussion described above, the present disclosure provides a device and method capable of effectively transmitting and receiving signals in a wireless communication system.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 전자 장치는, 송수신부; 및 적어도 하나의 프로세서; 를 포함하고, 상기 송수신부는, 안테나부 및 메타표면부를 포함하고, 상기 안테나부는 복수의 안테나들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고, 상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면부에게 전송하고, 상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고, 상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하고, 상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, in a wireless communication system, an electronic device includes a transceiver; and at least one processor; wherein the transceiver includes an antenna unit and a metasurface unit, the antenna unit includes a plurality of antennas, and the at least one processor generates first beams for each of the plurality of antennas, transmits the first beams from the plurality of antennas to the metasurface unit, generates second beams based on the first beams through the metasurface unit, and transmits the second beams to another electronic device, and the metasurface unit can be arranged to receive the first beams generated for each of the plurality of antennas.

또는, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 전자 장치의 동작 방법은, 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하는 단계; 상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 메타표면부에게 전송하는 단계; 상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하는 단계; 및 상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하는 단계; 를 포함할 수 있고, 상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다.Alternatively, according to one embodiment of the present disclosure, a method of operating an electronic device in a wireless communication system may include: generating first beams for each of a plurality of antennas; transmitting the first beams from the plurality of antennas to a metasurface unit; generating second beams based on the first beams through the metasurface unit; and transmitting the second beams to another electronic device; wherein the metasurface unit may be arranged to receive the first beams generated for each of the plurality of antennas.

도 1은 메타표면(metasurface)과 관련된 반사(reflection) 및 굴절(refraction)의 예시를 도시하는 도면이다.
도 2는 메타표면 활용의 2가지 예시들을 도시하는 도면이다.
도 3은 위상 어레이(phased array) 빔포밍(beamforming) 및 메타표면 빔포밍의 예시를 도시하는 도면이다.
도 4는 광학 렌즈(optical lens)에 기초한 RF(radio frequency) 프론트-앤드(front-end)구조와 단일 레이어(single-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어(multi-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 구체적인 예시를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로(linearly) 배열된(arrayed)안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.
도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 10a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로(radially) 배열된 안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.
도 10b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타 채널을 포함하는 시스템을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 채널 모델의 예시를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면으로 인한 빔포밍의 결과를 도시하는 도면이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 방사 패턴을 측정하기 위한 설정을 도시하는 도면이다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 어레이와 메타표면의 빔포밍 이득을 도시하는 도면이다.
도 16a는 본 개시의 일 실시예에 따른 선형 비 초점 피드 안테나(linear non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.
도 16b는 본 개시의 일 실시예에 따른 방사형 비 초점 피드 안테나(radial non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 패턴을 도시하는 도면이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표켠으로 인한 평균 UE(user equipment) 용량(capacity)을 도시하는 도면이다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 송수신부의 구성을 도시한 블록도이다.
Figure 1 is a diagram illustrating an example of reflection and refraction associated with a metasurface.
Figure 2 is a diagram illustrating two examples of metasurface utilization.
FIG. 3 is a diagram illustrating examples of phased array beamforming and metasurface beamforming.
FIG. 4 is a diagram illustrating examples of an optical lens-based radio frequency (RF) front-end structure and a single-layer metasurface RF front-end structure.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a multi-layer metasurface RF front-end structure according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of a multi-layer metasurface RF front-end structure according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a metasurface RF front-end structure according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of operating an electronic device according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 9A is a diagram illustrating an example of linearly arrayed antennas on a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 9b is a diagram illustrating the measurement results of beamforming gain for linearly arranged antennas on a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 10A is a diagram illustrating an example of antennas arranged radially about a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 10b is a diagram illustrating the measurement results of beamforming gain for antennas radially arranged with respect to a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 11 is a diagram illustrating a system including a meta channel according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a channel model using a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 13 is a diagram illustrating the result of beamforming due to a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 14 is a diagram illustrating a setup for measuring a radiation pattern using a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 15 is a diagram illustrating beamforming gain of an antenna array and a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 16A is a diagram illustrating the gain as a function of angle of a linear non-focal feed antenna according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 16b is a diagram illustrating the gain as a function of angle of a radial non-focal feed antenna according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 17 is a diagram illustrating an antenna pattern according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 18 is a diagram illustrating an average UE (user equipment) capacity due to a meta table according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 19 is a block diagram illustrating a configuration of an electronic device according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of a transceiver unit of an electronic device according to one embodiment of the present disclosure.

이하, 본 개시의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings. Furthermore, detailed descriptions of related known functions or configurations will be omitted if they are deemed to unnecessarily obscure the gist of the present disclosure. Furthermore, the terms described below are defined based on their functions in the present disclosure and may vary depending on the intent or custom of the user or operator. Therefore, their definitions should be based on the overall content of this specification.

본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 개시의 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present disclosure, and methods for achieving them, will become clearer with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present disclosure is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. These embodiments are provided solely to ensure that the disclosure of the present disclosure is complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present disclosure is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.At this time, it will be understood that each block of the processing flowchart drawings and combinations of the flowchart drawings can be performed by computer program instructions. These computer program instructions can be installed in a processor of a general-purpose computer, a special-purpose computer, or other programmable data processing equipment, so that the instructions executed by the processor of the computer or other programmable data processing equipment create a means for performing the functions described in the flowchart block(s). These computer program instructions can also be stored in a computer-available or computer-readable memory that can direct a computer or other programmable data processing equipment to implement the functions in a specific manner, so that the instructions stored in the computer-available or computer-readable memory can also produce a manufactured item that includes an instruction means for performing the functions described in the flowchart block(s). Since the computer program instructions may be installed on a computer or other programmable data processing device, a series of operational steps may be performed on the computer or other programmable data processing device to create a computer-executable process, and the instructions that cause the computer or other programmable data processing device to perform the steps for performing the functions described in the flowchart block(s) may also provide steps for performing the functions described in the flowchart block(s).

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예를 들면, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.Additionally, each block may represent a module, segment, or portion of code that contains one or more executable instructions for performing a specific logical function(s). It should also be noted that in some alternative implementation examples, the functions described in the blocks may occur out of order. For example, two blocks depicted in succession may actually be executed substantially concurrently, or the blocks may sometimes be executed in reverse order, depending on their respective functions.

이때, 본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한 실시예에서 ‘~부’는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.Here, the term '~ part' used in this embodiment means software or hardware components such as FPGA (Field Programmable Gate Array) or ASIC (Application Specific Integrated Circuit), and the '~ part' performs certain roles. However, the '~ part' is not limited to software or hardware. The '~ part' may be configured to be on an addressable storage medium or may be configured to play one or more processors. Therefore, as an example, the '~ part' includes components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functions provided within the components and '~ parts' may be combined into a smaller number of components and '~ parts' or further separated into additional components and '~ parts'. Additionally, the components and '~parts' may be implemented to activate one or more CPUs within a device or secure multimedia card. Furthermore, in an embodiment, the '~part' may include one or more processors.

하기에서 본 개시를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예를 설명하기로 한다.In the following description of the present disclosure, detailed descriptions of related known functions or configurations will be omitted if they are deemed to unnecessarily obscure the gist of the present disclosure. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the attached drawings.

이하 설명에서 사용되는 접속 노드(node)를 식별하기 위한 용어, 망 객체(network entity, 네트워크 엔티티)들을 지칭하는 용어, 메시지들을 지칭하는 용어, 망 객체들 간 인터페이스를 지칭하는 용어, 다양한 식별 정보들을 지칭하는 용어 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 대상을 지칭하는 다른 용어가 사용될 수 있다.The terms used in the following description to identify connection nodes, terms referring to network entities, terms referring to messages, terms referring to interfaces between network entities, terms referring to various identification information, etc. are provided as examples for convenience of explanation. Therefore, the present disclosure is not limited to the terms described below, and other terms referring to objects with equivalent technical meanings may be used.

이하 설명에서, 물리 채널(physical channel)과 신호(signal)는 데이터 혹은 제어 신호와 혼용하여 사용될 수 있다. 예를 들어, PDSCH(physical downlink shared channel)는 데이터가 전송되는 물리 채널을 지칭하는 용어이지만, PDSCH는 데이터를 지칭하기 위해서도 사용될 수 있다. 즉, 본 개시에서, '물리 채널을 송신한다'는 표현은 '물리 채널을 통해 데이터 또는 신호를 송신한다'는 표현과 동등하게 해석될 수 있다.In the following description, the terms "physical channel" and "signal" may be used interchangeably with data or control signals. For example, while PDSCH (physical downlink shared channel) refers to a physical channel through which data is transmitted, PDSCH can also be used to refer to data. That is, in the present disclosure, the expression "transmitting a physical channel" can be interpreted equivalently to the expression "transmitting data or a signal through a physical channel."

이하 본 개시에서, 상위 시그널링은 기지국에서 물리 계층의 하향링크 데이터 채널을 이용하여 단말로, 또는 단말에서 물리 계층의 상향링크 데이터 채널을 이용하여 기지국으로 전달되는 신호 전달 방법을 뜻한다. 상위 시그널링은 RRC(radio resource control) 시그널링 또는 MAC(media access control) 제어 요소(control element, CE)로 이해될 수 있다.Hereinafter, in the present disclosure, upper signaling refers to a signal transmission method in which a base station transmits a signal to a terminal using a downlink data channel of the physical layer, or a terminal transmits a signal to a base station using an uplink data channel of the physical layer. Upper signaling can be understood as radio resource control (RRC) signaling or a media access control (MAC) control element (CE).

이하 설명의 편의를 위하여, 본 개시는 3GPP NR(3rd Generation Partnership Project NR (New Radio)) 규격에서 정의하고 있는 용어 및 명칭들을 사용한다. 하지만, 본 개시가 상기 용어 및 명칭들에 의해 한정되는 것은 아니며, 다른 규격에 따르는 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다. 본 개시에서 gNB는 설명의 편의를 위하여 eNB와 혼용되어 사용될 수 있다. 즉 eNB로 설명한 기지국은 gNB를 나타낼 수 있다. 또한 단말이라는 용어는 핸드폰, MTC 기기, NB-IoT 기기, 센서뿐만 아니라 또 다른 무선 통신 기기들을 나타낼 수 있다. For the convenience of explanation below, this disclosure uses terms and names defined in the 3rd Generation Partnership Project NR (New Radio) standard. However, this disclosure is not limited by the above terms and names, and can be equally applied to systems conforming to other standards. In this disclosure, gNB may be used interchangeably with eNB for the convenience of explanation. That is, a base station described as an eNB may represent a gNB. In addition, the term terminal may refer to other wireless communication devices as well as mobile phones, MTC devices, NB-IoT devices, and sensors.

이하, 기지국은 단말의 자원할당을 수행하는 주체로서, gNode B (gNB), eNode B (eNB), Node B, BS (Base Station), 무선 접속 유닛, 기지국 제어기, 또는 네트워크 상의 노드 중 적어도 하나일 수 있다. 단말은 UE (User Equipment), MS (Mobile Station), 셀룰러폰, 스마트폰, 컴퓨터, 또는 통신기능을 수행할 수 있는 멀티미디어시스템을 포함할 수 있다. 물론 상기 예시에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the base station is an entity that performs resource allocation of a terminal, and may be at least one of a gNode B (gNB), an eNode B (eNB), a Node B, a BS (Base Station), a wireless access unit, a base station controller, or a node on a network. The terminal may include a UE (User Equipment), an MS (Mobile Station), a cellular phone, a smartphone, a computer, or a multimedia system capable of performing a communication function. Of course, the present invention is not limited to the above examples.

무선 통신 시스템의 세대(generations)는 급증하는(soaring) 데이터 속도(data rate)에 대한 요구를 충족시키기 위하여 마이크로파(microwave) 및 밀리미터파(millimeter wave, mmWave)로부터 테라헤르츠(terahertz, THz) 대역과 같이 더 높은 주파수(higher operating frequencies) 대역으로 이동하고 있다. 3GPP에는 4G LTE 시스템에서는 고려되지 않은 5G NR 사양(specification)을 위하여 24, 26, 28 및 39GHz 대역이 포함되었다. 특히, 0.1 THz 내지 10 THz로 확장되는 테라헤르츠 대역에서, 약 200GHz 더 많은 대역폭이 발굴될(excavate) 가능성이 있다. 결과적으로, 이러한 고주파 대역은 무선 통신 분야의 몇몇 회사들을 끌어들이고(attracting several companies) 있다. Generations of wireless communication systems are moving from microwave and millimeter wave (mmWave) frequencies to higher operating frequencies, such as the terahertz (THz) band, to meet the demands of soaring data rates. The 3GPP has included the 24, 26, 28, and 39 GHz bands in the 5G NR specification, which were not considered for 4G LTE systems. In particular, the terahertz band, which extends from 0.1 THz to 10 THz, has the potential to excavate approximately 200 GHz more bandwidth. Consequently, these high-frequency bands are attracting several companies in the wireless communications industry.

고주파의 명백한 장점에도 불구하고, 현재 대역(current bands)과 비교하여 셀룰러 네트워크(cellular networks)에서 이러한 높은 대역을 사용하기 위해서 해결 되어야 할 문제점들이 있으며, 해당 문제점들은 다음과 같다.Despite the obvious advantages of high frequencies, there are challenges that must be addressed to use these higher bands in cellular networks compared to current bands, including:

1)비효율적인 RF 컴포넌트(Inefficient RF components): 테라헤르츠(THz) 대역에서는 효율적인 RF 컴포넌트가 사용될 수 없기 때문에 오랫동안 활용률이 낮았다(under-utilized). 특히, 전력 증폭기(power amplifier, PA)를 개발하기 위해 CMOS 및 SiGe와 같은 반도체 프로세싱 기술은 충분한 이득(gain)과 효율을 제공할 수 없었다. 마이크로파와 적외선 영역(infrared region) 사이의 테라헤르츠 대역을 대상으로 하는 실질적인 RF 컴포넌트가 제공되지 않아 소위 THz 밴드 갭(THz band gap)이 발생하였다.1) Inefficient RF components: The terahertz (THz) band has long been underutilized due to the lack of efficient RF components. In particular, semiconductor processing technologies such as CMOS and SiGe have not been able to provide sufficient gain and efficiency for power amplifier (PA) development. The lack of practical RF components targeting the terahertz band, between the microwave and infrared regions, has created the so-called THz band gap.

2)RF 전송 라인에서 높은 손실(High loss in RF transmission line): 일반적인(typical) 트랜시버에서, 신호를 방사하거나(radiate) 수신하기 위해, RF 컴포넌트들과 안테나 요소들(antenna elements) 간에 RF 신호들을 전달하기 위해 전송 라인이 필요하다. 주파수가 증가함에 따라, 파장은 더 짧아지고, 따라서 더 많은 에너지가 전송 라인에 의해 소실(dissipated)될 수 있다. 테라헤르츠 대역에 대한 전송 라인의 새로운 설계가 없는 경우, 안테나 요소는 링크 버짓(link budget)을 관리하기 위해 신호를 방출할 만큼 충분한 전력을 수신할 수 없을 수 있다.2) High loss in RF transmission lines: In a typical transceiver, transmission lines are required to carry RF signals between RF components and antenna elements to radiate or receive signals. As frequencies increase, wavelengths become shorter, and thus more energy can be dissipated through the transmission lines. Without new transmission line designs for the terahertz band, antenna elements may not be able to receive enough power to radiate signals to manage the link budget.

3)높은 전파 감쇄(High propagation attenuation): 고주파(high frequency)를 갖는 전자기파는, 주파수의 제곱에 반비례하는 고유한 FSPL(free space path loss)을 겪을 수 있다. 이는 1.8GHz의 동작 주파수와 180GHz의 THz 주파수가 비교되는 경우, FSPL은 LTE 대역보다 40dB 높으며, 이는 약 10,000배의 심각한 감쇄를 의미할 수 있다. 고주파에서 동작하는 것과 관련된 환경 감쇄 또한 증가할 수 있다. 예를 들어, 60GHz 파형의 대기 흡수(atmospheric absorption)로 인한 감쇄는 10dB/km 이상이며, 700MHz 파형에 대해서는 약 0.01dB/km의 감쇄가 나타날 수 있다. 이러한 전자기파의 높은 감쇄는 테라헤르츠 통신 시스템을 실현하는데 주요한 장애물 중 하나로 간주될 수 있다.3) High propagation attenuation: High-frequency electromagnetic waves can experience inherent free space path loss (FSPL), which is inversely proportional to the square of the frequency. For example, when comparing an operating frequency of 1.8 GHz with a THz frequency of 180 GHz, the FSPL is 40 dB higher than that of the LTE band, which can represent a significant attenuation of approximately 10,000 times. Environmental attenuation associated with operating at high frequencies can also increase. For example, the attenuation due to atmospheric absorption of a 60 GHz waveform can exceed 10 dB/km, while a 700 MHz waveform can experience an attenuation of approximately 0.01 dB/km. This high attenuation of electromagnetic waves can be considered a major obstacle to realizing terahertz communication systems.

상술된 문제점들을 극복하고, 높은 스펙트럼을 완전히 활용하기 위해서는 고효율 송신기(transmitter, TX) 및 수신기(receiver, RX)가 개발될 필요가 있다. 이에 따라, 원하는 방식(desired manner)으로 전자기파를 제어할 수 있는 마이크로 또는 나노스케일 구조들을 갖는 인공 물질(artificial substances)인 메타물질을 활용하려는 여러 시도가 있었다. To overcome the aforementioned challenges and fully utilize the high spectrum, highly efficient transmitters (TX) and receivers (RX) must be developed. Accordingly, several attempts have been made to utilize metamaterials, artificial substances with micro- or nanoscale structures capable of controlling electromagnetic waves in a desired manner.

전자기적으로(electromagnetically) 보이지않는(invisible) 클럭(cloak)은, 우선 마이크로 주파수 대역에 걸쳐 설계된 메타물질에 의해 구현되었다. 또한, 예루살렘 십자형 단위 셀들(Jerusalem cross-shaped unit cells)로 구성된 평면 메타 물질은, 위상-그레디언트(phase-gradient) 메타물질을 이용한 높은 이득 및 낮은 프로파일 렌즈 안테나를 설계하도록 도입되었다. 또한, 프라이머리 빔(primary beam)을 원하는 빔으로 재형성(reshape)하도록 설계된 위상 시프트 구조들(phase shift structures, PSSs)로 구성된 메타물질의 사용에 기초한 빔 형성 기술이 도입되었다. 빔은 광선 튜브(ray tubes)의 세트로 간주될 수 있고, 그 굴절 특성은 원하는 모양의 빔을 형성하기 위하여 일반화된 굴절의 법칙에 기초하여, PSSs에 의하여 수정될 수 있다. 또한, 고 이득 지향성 빔 패턴들(high-gain directive beam patterns) 및 메타물질의 빔 지향성이 연구되고 있다. 또한, 반사를 최소화하고 로우 프로파일을 유지하면서 원하는 렌즈 효과를 수행할 수 있는 호이겐스(Huygens)의 원리를 적용한 메타물질 렌즈 디자인이 연구되었다.An electromagnetically invisible cloak has been implemented using metamaterials designed to span the microwave band. Furthermore, a planar metamaterial composed of Jerusalem cross-shaped unit cells has been introduced to design a high-gain, low-profile lens antenna using phase-gradient metamaterials. Furthermore, a beamforming technique based on the use of metamaterials composed of phase-shift structures (PSSs) designed to reshape a primary beam into a desired beam has been introduced. The beam can be considered as a set of ray tubes, and their refractive properties can be modified by the PSSs based on the generalized laws of refraction to form a beam of a desired shape. Furthermore, high-gain directive beam patterns and the beam directivity of metamaterials are being studied. Additionally, metamaterial lens designs applying Huygens' principle have been studied to achieve desired lens effects while minimizing reflections and maintaining a low profile.

상술된 기존의 메타물질 기술은 내장된(embedded) 전방향(omnidirectional) 소스로부터의 방사(radiation)가, 임의의 방향들로 지시된 임의의 원하는 수의 고도의 지향성 빔으로 변환될 수 있음을 보여준다. 특히, 스플릿 링 공진기(split ring resonators) 또는 V 형(V shaped) 안테나들과 같은 단위 셀들로 구성된 평면(planar) 메타물질 구조인 메타표면은 반사 또는 흡수(absorption) 손실이 적은 입사 파(incident wave)를 굴절시킴으로써 파동(wave) 전파(propagation)를 제어할 수 있다.The existing metamaterial technology described above demonstrates that radiation from an embedded omnidirectional source can be converted into any desired number of highly directional beams directed in arbitrary directions. In particular, metasurfaces, which are planar metamaterial structures composed of unit cells such as split ring resonators or V-shaped antennas, can control wave propagation by refracting incident waves with low reflection or absorption loss.

메타표면에 대한 연구들은 단일 레이어 전송 시나리오에서 얼마나 많은 빔 포밍 이득이 달성될 수 있는지에 대하여 초점이 맞추어져 있었다. 다만, 이러한 연구들은 MIMO 동작의 효율성이나, 베이스밴드 시스템 설계(baseband system design)에 미치는 영향을 고려하지는 않았다. 이러한 관점에서, 본 개시는 메타표면을 이용한 MIMO 동작을 가능하게 하는 새로운 메타표면 RF 프론트-앤드(RF front-end) 디자인을 제안한다. 구체적으로, 본 개시에 따른 잘 설계된(well-designed) 큰 개구경(large aperture) 메타표면은 초점(focal point)에 위치한 단일 피드 안테나(single feed antenna)뿐만 아니라, 비 초점들(non-focal points)에 적절하게(properly) 위치한 다른 피드 안테나들에 대해서도 상당한 빔포밍 이득을 달성할 수 있음을 보여준다.Studies on metasurfaces have focused on how much beamforming gain can be achieved in single-layer transmission scenarios. However, these studies have not considered the efficiency of MIMO operation or its impact on baseband system design. In this regard, the present disclosure proposes a novel metasurface RF front-end design that enables MIMO operation using metasurfaces. Specifically, we demonstrate that a well-designed, large-aperture metasurface according to the present disclosure can achieve significant beamforming gain not only for a single feed antenna located at the focal point, but also for other feed antennas properly located at non-focal points.

추가적으로, 본 개시에서 제안되는 RF 프론트-앤드 설계를 통해 메타표면과 안테나 배열을 적절히 활용함으로써 높은 시스템 용량(system capacity)과 빔포밍 이득이 획득될 수 있다. 따라서, 본 개시의 메타표면을 이용한 새로운 RF 프론트-앤드 설계는 향후 6G 무선 통신을 위하여 사용될 수 있다. 특히, 본 개시에 따른 RF 프론트-앤드 설계가 도입되는 경우, 고주파 대역에서 장치 효율과 관련된 문제점이 개선될 수 있다. 이하 본 개시의 실시예들에 적용될 수 있는 메타물질이 설명된다.Additionally, the RF front-end design proposed in this disclosure can achieve high system capacity and beamforming gain by appropriately utilizing the metasurface and antenna array. Therefore, the novel RF front-end design utilizing the metasurface of this disclosure can be used for future 6G wireless communications. In particular, when the RF front-end design according to this disclosure is introduced, problems related to device efficiency in high-frequency bands can be improved. Metamaterials applicable to embodiments of this disclosure are described below.

본 개시에서 메타물질(metamaterial)이란, 인공적인 구조로 배치된 물성들의 기하학적 특성으로 인해, 특정 전자기학 특성을 유도하도록 만들어진 물질을 의미할 수 있다. 또한, 메타표면(metasurface)은 메타 물질을 2차원 평면 구조로 만든 물체를 통칭할 수 있다. 통신 시스템에서, 메타표면은 렌즈 안테나를 구성하는 요소로 연구되고 있다. 구체적으로, 메타표면은, 안테나에서 방사되는 전파의 파장보다 짧은 거리에 단위 구조체(unit cell)를 평면 형태로 균일 또는 불 균일하게 배치함으로써, 메타표면의 단위 구조체에 입사되는 전파에 위상 차를 발생시킬 수 있다. 그리고, 메타표면은 이러한 위상 차를 이용하여, 메타표면의 단위 구조체에 입사되는 전파를 재 방사할 수 있다. 따라서, 적절한 위치에 단위 구조체들이 설계 및 배치되는 경우, 안테나에서 방사되는 전파를 모아주는 빔 형성 기능이 이용될 수 있고, 빔 지향 각이 조절될 수 있다. 따라서, 특정 안테나에서 방사되는 전파를 메타표면을 이용하여 모아주는 메타물질 표면의 구조가 설계되는 경우, 고 주파수 대역에서의 전파 경로 손실을 완화시키는 장치로 활용될 수 있다. 이와 같이, 본 개시에서 메타물질 표면을 이용하여 고 주파수 대역에서의 전파 경로 손실을 완화시키는 장치는, 메타표면(metasurface), 메타물질 렌즈(metamaterial lens) 또는 메타표면 렌즈(metasurface lens)라고 지칭될 수 있다. 이하, 본 개시에서는 메타표면(metasurface)으로 지칭된다. 메타표면이 안테나와 함께 사용되는 경우, 안테나만이 사용될 때보다 더 높은 빔 이득(beam gain)이 획득될 수 있다.In the present disclosure, a metamaterial may refer to a material designed to induce specific electromagnetic properties due to the geometric characteristics of materials arranged in an artificial structure. In addition, a metasurface may collectively refer to an object made of a metamaterial in a two-dimensional planar structure. In communication systems, metasurfaces are being studied as components of lens antennas. Specifically, a metasurface can generate a phase difference in a radio wave incident on a unit cell of the metasurface by uniformly or non-uniformly arranging unit cells in a planar shape at a distance shorter than the wavelength of the radio wave emitted from the antenna. In addition, the metasurface can re-radiate the radio wave incident on the unit cell of the metasurface by utilizing this phase difference. Therefore, when the unit cells are designed and arranged at appropriate locations, a beam forming function that gathers the radio waves emitted from the antenna can be utilized, and the beam direction angle can be adjusted. Therefore, when a structure of a metamaterial surface that collects radio waves radiated from a specific antenna using a metasurface is designed, it can be utilized as a device that alleviates propagation path loss in a high frequency band. In this way, the device that alleviates propagation path loss in a high frequency band using a metamaterial surface in the present disclosure may be referred to as a metasurface, a metamaterial lens, or a metasurface lens. Hereinafter, it is referred to as a metasurface in the present disclosure. When a metasurface is used together with an antenna, a higher beam gain can be obtained than when the antenna alone is used.

메타물질은 원하는 방식으로(desired manner) 전자기파(EM(electromagnetic) waves)를 제어할 수 있는 마이크로(micro) 또는 나노스케일(nanoscale) 구조(structure)를 갖는 인공 물질(artificial substance)을 의미한다. 평면 메타 물질 구조(planar metamaterial structure)인 메타표면에 입사하는(incident on a metasurface) 전자기파는 서브파장-스케일(subwavelength-scale) 유닛 셀들(unit cells)에 따라 상이한 위상 시프트(phase shifts)를 경험할 수 있다. 잘 설계된(well-designed) 메타표면의 위상 시프트는 전례 없는(unprecedented) 빔포밍 이득을 가져올 수 있다. 다만, 메타표면을 활용한(utilizing) 다중 입력 다중 출력(multi-input and multi-output, MIMO) 운영 체계(operation schemes)는 아직 논의되지 아니하였다.Metamaterials are artificial substances with micro- or nanoscale structures that can control electromagnetic (EM) waves in a desired manner. Electromagnetic waves incident on a metasurface, a planar metamaterial structure, can experience different phase shifts depending on the subwavelength-scale unit cells. The phase shifts of a well-designed metasurface can lead to unprecedented beamforming gains. However, multi-input, multi-output (MIMO) operation schemes utilizing metasurfaces have not yet been discussed.

이에 따라, 본 개시는, 상술된 메타표면을 활용한 MIMO 운영 체계와 관련된 RF(Radio Frequency) 프론트-앤드(front-end) 구조(structure)를 제안한다. 본 개시에 따른 RF 프론트 앤드 구조가 사용되는 경우, 빔포밍 이득뿐만 아니라 메타표면에 의한 시스템 용량(system capacity) 또한 증가할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 메타표면은 6G 무선 통신을 위한 고주파 대역에서(high frequency band)에서 MIMO 운영(operation)을 용이하게 할 수 있다. 먼저 본 개시에 따른 메타표면의 원리는 후술되는 도 1 및 도 2에서 설명된다.Accordingly, the present disclosure proposes a Radio Frequency (RF) front-end structure related to a MIMO operating system utilizing the metasurface described above. When the RF front-end structure according to the present disclosure is used, not only beamforming gain but also system capacity due to the metasurface can be increased. Furthermore, the metasurface according to the present disclosure can facilitate MIMO operation in a high frequency band for 6G wireless communications. First, the principle of the metasurface according to the present disclosure is explained with reference to FIGS. 1 and 2 described below.

도 1은 메타표면(metasurface)과 관련된 반사(reflection) 및 굴절(refraction)의 예시를 도시하는 도면이다.Figure 1 is a diagram illustrating an example of reflection and refraction associated with a metasurface.

도 1을 참조하면, 메타표면의 개념은 반사 및 굴절에 대한 법칙을 통해 표현될 수 있다. 예를 들어, 메타표면에 적용될 수 있는 굴절의 법칙의 경우, 1차원 메타표면이 z 축(z-axis)을 따라 임계치 이하의 무시할 수 있는 두께(negligible thickness)를 가지고, 메타표면의 단위 셀들이 x 축을 따라 의 위상 불연속성(phase discontinuity)을 갖는다고 가정될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서 메타표면의 굴절의 법칙에 따른 각 파라미터들 간의 관계는 아래의 <수학식 1>과 같다.Referring to Fig. 1, the concept of a metasurface can be expressed through the laws of reflection and refraction. For example, in the case of the laws of refraction that can be applied to a metasurface, a one-dimensional metasurface has a negligible thickness below a critical value along the z-axis, and the unit cells of the metasurface are arranged along the x-axis. It can be assumed that the metasurface has a phase discontinuity. For example, the relationship between each parameter according to the law of refraction of the metasurface in Fig. 1 is as shown in <Mathematical Formula 1> below.

<수학식 1>에서, , , , 는 각각 투과(transmitted) 및 입사(incident) 매질(medium)의 각도들 및 굴절률들을 의미할 수 있다. 예를 들어, 는 메타표면으로부터 매질 2로 진행하는 전자기파의 변칙 굴절에 대한 투과 각도(transmitted angle) 또는 굴절 각도를 의미할 수 있고, 는 매질 1로부터 메타표면으로 진행하는 전자기파의 입사 각도(incident angle)를 의미할 수 있다. 그리고, 는 매질 2의 굴절률을 의미할 수 있고, 는 매질 1의 굴절률을 의미할 수 있다. 또한, 는 파장을 의미할 수 있다. 메타표면에 의해 도입된 위상 불연속성이 없는 경우(즉, ), 상술된 <수학식 1>은 스넬의 기하학적 광학 법칙(Snell's law of geometric optics)과 동일할 수 있다. <수학식 1>은 굴절파가 임의의 방향 를 가질 수 있음을 암시할 수 있다. 그리고, 인터페이스를 따라 위상 불연속의 그레디언트가 도 1과 같이 적절하게 구현될 수 있다. 또한, 도 1을 참조하면, 매질 1로부터 메타표면으로 진행하는 전자기파의 입사에 대하여 변칙 반사도 일어날 수 있다.In <Mathematical Formula 1>, , , , may represent the angles and refractive indices of the transmitted and incident medium, respectively. For example, may refer to the transmitted angle or refraction angle for the anomalous refraction of electromagnetic waves traveling from the metasurface to the medium 2, can mean the incident angle of the electromagnetic wave traveling from medium 1 to the metasurface. And, can mean the refractive index of medium 2, can mean the refractive index of medium 1. Also, can mean the wavelength. In the absence of phase discontinuity introduced by the metasurface (i.e., ), the above-described <Mathematical Expression 1> can be identical to Snell's law of geometric optics. <Mathematical Expression 1> is the law of geometric optics in which the refracted wave is oriented in an arbitrary direction. It can be implied that there is a possibility of having a phase discontinuity gradient along the interface, as shown in Fig. 1. In addition, referring to Fig. 1, anomalous reflection can also occur for the incident electromagnetic wave traveling from medium 1 to the metasurface.

서브-파장(sub-wavelength) 금속 유닛 셀들을 기판(substrate) 상에 주기적으로 프린팅함으로써, 단일 또는 다중-계층(multi-layer)의 평면 메타물질로 구성된 별개의(discrete) 위상 불연속성 메타표면이 구현될 수 있다. 메타표면을 구성하는 각각의 유닛 셀은 피드 안테나 요소로부터 입사 전자기파를 수신할 수 있고, 이후 위상 지연된(phase-delayed) 전자기파를 방사할 수 있다.Discrete phase-discontinuous metasurfaces composed of single or multi-layer planar metamaterials can be realized by periodically printing sub-wavelength metallic unit cells onto a substrate. Each unit cell constituting the metasurface can receive an incident electromagnetic wave from a feed antenna element and subsequently radiate a phase-delayed electromagnetic wave.

Huygens-Fresnel 원리에 따르면, 등위 파면(equiphase wave fronts)은 유닛 셀들로부터 나오는 위상 지연 구형 파들(phase-delayed spherical waves)을 건설적으로(constructive) 결합함으로써 생성될 수 있다. 소위 평면파(plane wave)와 같은 등위 파면을 방사하는 메타표면을 설계함으로써, 전파의 진폭(amplitude of wave)이 전파 방향(propagation direction)을 따라 보존되어(preserved) 높은 빔포밍 이득이 얻어질 수 있다.According to the Huygens-Fresnel principle, equiphase wavefronts can be generated by constructively combining phase-delayed spherical waves from unit cells. By designing a metasurface that radiates equiphase wavefronts, such as so-called plane waves, the amplitude of the wave is preserved along the propagation direction, resulting in high beamforming gain.

도 2는 메타표면 활용(application)의 2가지 예시들을 도시하는 도면이다.Figure 2 is a diagram illustrating two examples of metasurface applications.

도 2를 참조하면, 도 2의 좌측 그림은, 피드 안테나에서 방출된 구면파(spherical wave)가 메타표면에 의해 지시(directive) 평면파(plane wave)로 재배열될 수 있음을 나타낸다. 이러한 빔 제어(controllability)는 안테나, 및 메타표면의 중심을 통한 초점 축(focal axis)까지의 방사상의 거리(radial distance)에 따라 위상 오프셋이 다른 유닛 셀들에 기인(attributed to unit cells with different phase offsets)할 수 있다.Referring to Fig. 2, the left picture of Fig. 2 shows that a spherical wave emitted from a feed antenna can be rearranged into a plane wave directed by the metasurface. This beam controllability can be attributed to unit cells with different phase offsets depending on the radial distance from the antenna to the focal axis through the center of the metasurface.

도 2의 우측 그림은, 피드 안테나 어레이로부터 생성된 평면파에 대한 예시와 반대 현상(reverse phenomenon)을 나타낸다. 예를 들어, 우측 그림의 메타표면은 좌측 그림의 예시와 반대 위상 오프셋을 채택함으로써(adopting) 집중된(concentrated) 전자기파를 생성할 수 있다. 고주파 대역의 고유 감쇄(intrinsic attenuation)를 완화(mitigate)하기 위해, 시준 파(collimated waves)의 진폭 향상을 활용하기 위해, 분산 구형 파(dispersive spherical wave)로부터 집중(concentrated) 평면파에 이르는 사례들이 연구될 수 있다. 또한, 도 2는 좌측 그림 및 우측 그림 각각에 대하여, 위상 변이에 따른 방사상의 거리(radial distance)를 나타내는 그래프를 도시한다.The right figure of Fig. 2 illustrates an example of a plane wave generated from a feed antenna array and the reverse phenomenon. For example, the metasurface in the right figure can generate a concentrated electromagnetic wave by adopting an opposite phase offset to the example in the left figure. To mitigate the intrinsic attenuation in the high-frequency band and to utilize the amplitude enhancement of collimated waves, cases ranging from dispersive spherical waves to concentrated plane waves can be studied. In addition, Fig. 2 shows graphs showing the radial distance according to the phase shift for the left and right figures, respectively.

도 3은 위상 어레이(phased array) 빔포밍(beamforming) 및 메타표면 빔포밍의 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating examples of phased array beamforming and metasurface beamforming.

도 3을 참조하면, 위상 어레이(phase array) 빔포밍(310) 및 메타표면 빔포밍(320)의 예시가 도시되어 있다. 위상 어레이 빔포밍(310)에서는, 아날로그 빔포밍이 수행될 수 있다. 즉, 복수의 RF 위상 천이기(RF phase shifter) 간의 위상 조절로 빔 방향이 조절될 수 있다. 또한, 위상 어레이 빔포밍(310)에서는 MIMO 동작이 가능할 수 있다. 이에 따라, 공간 다중화 이득(spatial multiplexing gain)이 얻어질 수 있다. 다만, 위상 어레이 빔포밍(310)에서는 복수의 RF 위상 천이기로 인하여 RF 프론트-앤드의 구조가 복잡할 수 있고, 복수의 RF 위상 천이기를 동작시키기 위한 전력 소모가 클 수 있다. 즉, 안테나 요소들 각각에 대한 전력 소모가 발생할 수 있다. 이에 따라, 위상 어레이 빔포밍(310)에서는, RF 위상 천이기를 이용한 빔 방향 조절 시 RF 손실이 발생할 수 있다.Referring to FIG. 3, examples of phased array beamforming (310) and metasurface beamforming (320) are illustrated. In the phased array beamforming (310), analog beamforming can be performed. That is, the beam direction can be controlled by adjusting the phase between a plurality of RF phase shifters. In addition, the phased array beamforming (310) can perform MIMO operation. Accordingly, a spatial multiplexing gain can be obtained. However, in the phased array beamforming (310), the structure of the RF front-end can be complicated due to the plurality of RF phase shifters, and the power consumption for operating the plurality of RF phase shifters can be high. That is, power consumption can occur for each antenna element. Accordingly, in the phased array beamforming (310), RF loss can occur when controlling the beam direction using the RF phase shifter.

메타표면 빔포밍(320)의 경우, 단일 안테나 요소를 통한 빔포밍이 가능한 장점이 있다. 다만, 일반적인 메타표면 빔포밍의 경우, 빔 스티어링(steering)이 수행될 수 없었고, MIMO 이득이 얻어질 수 없었다. 이에 본 개시에서는 빔 스티어링을 가능하게 할 뿐만 아니라, 효율적인 MIMO 이득을 획득할 수 있는 메타표면 RF 프론트-앤드 구조가 제안된다. 이하, 도 4 및 도 5는 광학 렌즈 또는 단일 레이어를 갖는 메타표면 구조와, 본 개시에서 제안되는 다중 레이어 메타표면 구조의 차이점을 설명한다.Metasurface beamforming (320) has the advantage of enabling beamforming through a single antenna element. However, in the case of general metasurface beamforming, beam steering could not be performed and MIMO gain could not be obtained. Therefore, the present disclosure proposes a metasurface RF front-end structure that not only enables beam steering but also obtains efficient MIMO gain. Hereinafter, FIGS. 4 and 5 explain the differences between a metasurface structure having an optical lens or a single layer and the multi-layer metasurface structure proposed in the present disclosure.

도 4는 광학 렌즈(optical lens)에 기초한 RF(radio frequency) 프론트-앤드(front-end)구조와 단일 레이어(single-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다. FIG. 4 is a diagram illustrating examples of an optical lens-based radio frequency (RF) front-end structure and a single-layer metasurface RF front-end structure.

도 4을 참조하면, 광학 렌즈 기반(optical lens-based) RF 프론트-앤드(410) 구조의 예시와, 단일 레이어 메타표면(single-layer metasurface) RF 프론트-앤드(420) 구조의 예시가 도시된다.Referring to FIG. 4, an example of an optical lens-based RF front-end (410) structure and an example of a single-layer metasurface RF front-end (420) structure are illustrated.

도 4에서, 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조는, 전력 증폭기(power amplifier, PA) 및 안테나 어레이를 연결하는 피드 라인과, 안테나 어레이 및 광학 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조는, 전자기파를 지정된 지점(designated point)으로 집중시킬 수 있는 광학 렌즈 안테나를 포함할 수 있다. 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조는, 광학 렌즈는 안테나와 렌즈 사이의 초점 거리(focal distances)와, 광선(rays)을 굴절시키기 위한 두께가 필요하므로, 부피가 크고(bulky) 평탄하지 않은(non-flat) 단점이 있다.In Fig. 4, the optical lens-based RF front-end (410) structure may include a feed line connecting a power amplifier (PA) and an antenna array, and an antenna array and an optical lens. In addition, the optical lens-based RF front-end (410) structure may include an optical lens antenna capable of focusing an electromagnetic wave to a designated point. The optical lens-based RF front-end (410) structure has the disadvantage of being bulky and non-flat because the optical lens requires focal distances between the antenna and the lens and a thickness for refracting rays.

도 4에서, 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조는, 전력 증폭기, 안테나 어레이 및 메타표면을 포함할 수 있다. 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조는 메타표면-안테나 쌍(metasurface-antenna pair)을 나타낸다. 메타표면은 광학 렌즈에 비해 초점 거리가 짧기 때문에, 광학 렌즈와 비교하여 안테나 어레이와 가깝게 배치될 수 있다. 다만, 도 4의 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조에서는, 하나의 메타표면-안테나 쌍에 대해 단일 데이터 스트림만이 전송될 수 있으므로, MIMO 시스템의 공간 다중화 이득이 달성될 수 없다. 이에 따라, 본 개시는 도 4에 도시된 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조와 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조의 단점을 극복하기 위하여, 도 5에서 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조를 제안한다.In FIG. 4, a single-layer metasurface RF front-end (420) structure may include a power amplifier, an antenna array, and a metasurface. The single-layer metasurface RF front-end (420) structure represents a metasurface-antenna pair. Since the metasurface has a shorter focal length than an optical lens, it can be placed closer to the antenna array than the optical lens. However, in the single-layer metasurface RF front-end (420) structure of FIG. 4, only a single data stream can be transmitted for one metasurface-antenna pair, so the spatial multiplexing gain of the MIMO system cannot be achieved. Accordingly, the present disclosure proposes a multi-layer metasurface RF front-end structure in FIG. 5 to overcome the shortcomings of the optical lens-based RF front-end (410) structure and the single-layer metasurface RF front-end (420) structure illustrated in FIG. 4.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어(multi-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a multi-layer metasurface RF front-end structure according to one embodiment of the present disclosure.

도 5를 참조하면, 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(500) 시스템은, MIMO 메타표면 RF 프론트-앤드 시스템으로 지칭될 수 있다. 이에 따라, MIMO 메타표면 RF 프론트-앤드 시스템은, 다중 피드 안테나들과, 지정된 방향으로 모든 파들(waves)을 굴절시키는 큰 개구경(large-metasurface) 메타표면으로 구성될 수 있다. 즉, 도 5에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(500) 구조는, 각 레이어(예: 레이어 1, 레이어 2, 레이어 3)에 대하여 프리코딩이 수행되고, 각 포트(예: 포트 1, 포트 2, 포트 3)의 전력 증폭기(PA)를 통해 전력이 증폭된 신호가 입력되는, 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)를 포함할 수 있고, 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)로부터 각각 방출되는 빔들을 수용할 수 있는 메타표면(540)을 포함할 수 있다. 메타표면(540)은 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)로부터 각각 방출되는 빔들을 이용하여 특정 방향의 빔들을 형성할 수 있다. 즉, 메타표면(540)을 통하여 멀티 스트림 빔포밍(550)이 수행될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 레이어 별로 데이터 스트림이 형성되는 것으로 간주될 수 있다. 즉, 3개의 레이어에 대하여 3개의 데이터 스트림이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the multi-layer metasurface RF front-end (500) system may be referred to as a MIMO metasurface RF front-end system. Accordingly, the MIMO metasurface RF front-end system may be composed of multiple feed antennas and a large-aperture metasurface that refracts all waves in a designated direction. That is, the multi-layer metasurface RF front-end (500) structure according to FIG. 5 may include a first antenna array (510), a second antenna array (520), and a third antenna array (530), in which precoding is performed for each layer (e.g., layer 1, layer 2, layer 3) and a signal whose power is amplified is input through a power amplifier (PA) of each port (e.g., port 1, port 2, port 3), and may include a metasurface (540) capable of receiving beams emitted from the first antenna array (510), the second antenna array (520), and the third antenna array (530), respectively. The metasurface (540) may form beams in a specific direction using the beams emitted from the first antenna array (510), the second antenna array (520), and the third antenna array (530), respectively. That is, multi-stream beamforming (550) can be performed through the metasurface (540). According to one embodiment, it can be considered that data streams are formed for each layer. That is, three data streams can be formed for three layers.

도 5에 개시된 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(500) 구조는 도 4에 도시된 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조와 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조와 비교하여, 1) MIMO 동작의 기능(capability of MIMO operation), 2) 큰 개구경을 통한 높은 빔포밍 이득(higher beamforming gain), 3) 빔 스티어링의 기능(capability of beam steering) 및 4) 광학 렌즈 안테나와 비교하여 작은 폼 팩터(form factor)와 같은 이점을 가질 수 있다.The multi-layer metasurface RF front-end (500) structure disclosed in FIG. 5 can have advantages such as 1) capability of MIMO operation, 2) higher beamforming gain through a large aperture, 3) capability of beam steering, and 4) small form factor compared to the optical lens antenna, compared to the optical lens-based RF front-end (410) structure and the single-layer metasurface RF front-end (420) structure illustrated in FIG. 4.

메타표면에 대한 연구는 단지 단일 안테나-단일 렌즈 쌍의 빔포밍 이득에 초점이 맞추어져 있으나, 본 개시에 따른 실시예는 향상된 빔포밍 이득과 시스템 용량을 모두 달성할 수 있는 다중 안테나 단일 메타표면 구조를 제안한다. While research on metasurfaces has focused solely on the beamforming gain of a single antenna-single lens pair, embodiments according to the present disclosure propose a multi-antenna single metasurface structure that can achieve both enhanced beamforming gain and system capacity.

본 개시에서 제안된 RF 프론트-앤드 설계를 설명하기 위하여, <표 1>과 같이 지오메트리(geometry)와 파라미터들이 설정될 수 있다. 그리고, 파라미터들은 <표 1>과 같이 3개의 그룹들로 분류될 수 있다. 예를 들어, 3개의 그룹들은 일반 파라미터들(general parameters), 피드 안테나(feed antenna)와 관련된 파라미터들 및 메타표면과 관련된 파라미터들로 분류될 수 있다.To illustrate the RF front-end design proposed in this disclosure, the geometry and parameters can be set as shown in Table 1. Furthermore, the parameters can be categorized into three groups, as shown in Table 1. For example, the three groups can be categorized into general parameters, parameters related to the feed antenna, and parameters related to the metasurface.

<표 1>을 참조하면, 일반 파라미터들에서, 는 주파수를 의미할 수 있다. 는 파장을 의미할 수 있다. 는 안테나로부터 메타표면까지의 거리를 의미할 수 있다. 는 채널 행렬을 의미할 수 있다. 은 다중경로(multipath)의 개수/인덱스를 의미할 수 있다. 은 서브패스들(sub-paths)의 개수를 의미할 수 있다. 는 기지국 각도 스프레드(angular spread)를 의미할 수 있다. 는 MS(mobile station)의 각도 스프레드를 의미할 수 있다. 는 출발각(Angle of departure, AoD)을 의미할 수 있고, 는 도착각(Angle of arrival, AoA)을 의미할 수 있다. 는 파수(wavenumber)를 의미할 수 있다.Referring to <Table 1>, in the general parameters, can mean frequency. can mean wavelength. can mean the distance from the antenna to the metasurface. can mean a channel matrix. can mean the number/index of multipath. can mean the number of sub-paths. may refer to the base station angular spread. may refer to the angular spread of MS (mobile station). can mean the Angle of departure (AoD), may mean Angle of arrival (AoA). can mean wavenumber.

또한, 피드 안테나와 관련된 파라미터들에서, 는 수신 안테나의 개수/인덱스를 의미할 수 있다. 는 송신 안테나의 개수/인덱스를 의미할 수 있다. 는 BS안테나 어레이 간의 거리를 의미할 수 있다. 는 MS 안테나 어레이 간의 거리를 의미할 수 있다. 는 송신 안테나의 방사 패턴을 의미할 수 있다. 는 수신 안테나의 방사 패턴을 의미할 수 있다.Also, in the parameters related to the feed antenna, may mean the number/index of receiving antennas. may mean the number/index of transmitting antennas. may refer to the distance between BS antenna arrays. may refer to the distance between MS antenna arrays. may refer to the radiation pattern of a transmitting antenna. may refer to the radiation pattern of a receiving antenna.

또한, 메타표면과 관련된 파라미터들에서, 는 RX 메타 요소들의 개수/인덱스를 의미할 수 있다. 는 송신 메타 요소들의 개수/인덱스를 의미할 수 있다. 는 메타 요소의 개수를 의미할 수 있다. 는 메타 요소 간의 거리를 의미할 수 있다. 는 송신 메타 요소의 방사 패턴을 의미할 수 있다. 는 수신 메타 요소의 방사 패턴을 의미할 수 있다.Also, in the parameters related to the metasurface, may mean the number/index of RX meta elements. may mean the number/index of transmitted meta elements. can mean the number of meta elements. can mean the distance between meta elements. may refer to the radiation pattern of the transmitting meta element. may refer to the radiation pattern of the receiving meta element.

기하학적 편의를 위해, 안테나 어레이와 메타표면에 대한 2차원 공간 채널이 고려될 수 있다. 또는, 안테나 어레이와 메타표면에 대한 공간 채널은 3차원으로 확장될 수도 있다.For geometric convenience, two-dimensional spatial channels for the antenna array and metasurface can be considered. Alternatively, the spatial channels for the antenna array and metasurface can be extended to three dimensions.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 구체적인 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of a multi-layer metasurface RF front-end structure according to one embodiment of the present disclosure.

도 6을 참조하면, 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는, 송신 안테나들(610)을 포함할 수 있고, 도 6의 실시예에서 송신 안테나들(610)은 3개의 송신 안테나들(예: 제1 안테나(612), 제2 안테나(614) 및 제3 안테나(616))을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 3개의 안테나들은 각각 방사 패턴을 형성할 수 있다. 그리고, 각 안테나에 대한 방사 패턴에 기초하여 메인 빔의 방향이 결정될 수 있다. 다만, 도 6에는 3개의 송신 안테나들(610)만이 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 따르면, 도 6의 제1 안테나(612), 제2 안테나(614) 및 제3 안테나(616))는 도 5의 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)에 각각 대응될 수 있다.Referring to FIG. 6, the multi-layer metasurface RF front-end structure may include transmit antennas (610), and in the embodiment of FIG. 6, the transmit antennas (610) may include three transmit antennas (e.g., a first antenna (612), a second antenna (614), and a third antenna (616)). Each of these three antennas may form a radiation pattern. The direction of the main beam may be determined based on the radiation pattern for each antenna. However, although only three transmit antennas (610) are illustrated in FIG. 6, the present invention is not limited thereto. In one embodiment, the first antenna (612), the second antenna (614), and the third antenna (616) of FIG. 6 may correspond to the first antenna array (510), the second antenna array (520), and the third antenna array (530) of FIG. 5, respectively.

일 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는 다수의 송신 안테나들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는 제4 안테나(622), 제5 안테나(624), 제6 안테나(626), 제7 안테나(628), 제8 안테나(630) 및 제9 안테나(632)를 포함할 수 있다. 그리고, 각 송신 안테나들은 하나 이상의 안테나 요소들(antenna elements)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the multi-layer metasurface RF front-end structure according to the present disclosure may further include a plurality of transmit antennas. For example, the multi-layer metasurface RF front-end structure of FIG. 6 may include a fourth antenna (622), a fifth antenna (624), a sixth antenna (626), a seventh antenna (628), an eighth antenna (630), and a ninth antenna (632). In addition, each of the transmit antennas may include one or more antenna elements.

일 실시예들에 따라, 송신 안테나들(610)에 포함된 안테나들은, 안테나들 간의 간격(640)에 따라 배치될 수 있다. 그리고, 송신 안테나들(610)과 메타표면은 송신 안테나들(610)과 메타표면 간의 간격(642)에 따라 배치될 수 있다. 그리고, 메타표면은 복수의 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 그리고, 메타표면에 포함된 복수의 유닛 셀들은, 복수의 유닛 셀들 간 간격(644)에 따라 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 유닛 셀들 간 간격(644)은, 안테나들 간의 간격(640) 또는 송신 안테나들(610)과 메타표면 간의 간격(642) 등에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 안테나 어레이의 중심에 대하여, 메타표면은 대칭으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 안테나 어레이의 중심으로부터 메타표면의 끝까지의 거리(646)는, 안테나 어레이의 중심으로부터 메타표면의 좌측과 우측에 대하여 동일할 수 있다.According to one embodiment, the antennas included in the transmitting antennas (610) may be arranged according to the spacing (640) between the antennas. And, the transmitting antennas (610) and the metasurface may be arranged according to the spacing (642) between the transmitting antennas (610) and the metasurface. And, the metasurface may include a plurality of unit cells. And, the plurality of unit cells included in the metasurface may be arranged according to the spacing (644) between the plurality of unit cells. According to one embodiment, the spacing (644) between the plurality of unit cells may be determined based on the spacing (640) between the antennas or the spacing (642) between the transmitting antennas (610) and the metasurface. In addition, the metasurface may be arranged symmetrically with respect to the center of the antenna array. For example, the distance (646) from the center of the antenna array to the end of the metasurface may be the same for the left and right sides of the metasurface from the center of the antenna array.

일 실시예에 따라, 송신 안테나들의 개수가 증가하는 경우, 증가하는 송신 안테나들에 의해 형성되는 빔들을 모두 수용하기 위하여, 안테나 어레이의 중심으로부터 메타표면의 끝까지의 거리(646)가 증가할 수 있다. 즉, 메타표면의 사이즈가 커질 수 있다. 후술되는 도 7은 도 5에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조로부터, 안테나들과 메타표면의 구조를 보다 일반화한 예시를 나타낸다.In one embodiment, when the number of transmit antennas increases, the distance (646) from the center of the antenna array to the end of the metasurface may increase to accommodate all beams formed by the increasing number of transmit antennas. That is, the size of the metasurface may increase. FIG. 7, described below, shows an example that generalizes the structure of antennas and the metasurface from the multi-layer metasurface RF front-end structure according to FIG. 5.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a metasurface RF front-end structure according to one embodiment of the present disclosure.

도 7을 참조하면, 본 개시에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는, 전자 장치의 송수신부에 포함될 수 있다. 이때, 전자 장치는 단말, 기지국 또는 다른 통신 노드를 의미할 수 있다. 또한, 본 개시에서 안테나 어레이(antenna array), 안테나 패널(antenna panel)은 모두 안테나로 지칭될 수 있다.Referring to FIG. 7, the metasurface RF front-end structure according to the present disclosure may be included in a transceiver section of an electronic device. In this case, the electronic device may refer to a terminal, a base station, or another communication node. Furthermore, in the present disclosure, both an antenna array and an antenna panel may be referred to as an antenna.

도 7에 개시된 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는, 제1 안테나(710), 제2 안테나(720) 및 제3 안테나(730)를 포함할 수 있다. 다만, 본 개시에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조에 포함된 안테나의 개수가 본 예시에 따른 안테나의 개수에 한정되는 것은 아니다. 각 안테나들은 하나 이상의 안테나 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(710)는 제1 안테나 요소(712), 제2 안테나 요소(714), 제3 안테나 요소(716) 및 제4 안테나 요소(718)를 포함할 수 있고, 제2 안테나(720)는 제5 안테나 요소(722), 제6 안테나 요소(724), 제7 안테나 요소(726) 및 제8 안테나 요소(728)를 포함할 수 있고, 제3 안테나(730)는 제9 안테나 요소(732), 제10 안테나 요소(734), 제11 안테나 요소(736) 및 제12 안테나 요소(738)를 포함할 수 있다.The metasurface RF front-end structure disclosed in FIG. 7 may include a first antenna (710), a second antenna (720), and a third antenna (730). However, the number of antennas included in the metasurface RF front-end structure according to the present disclosure is not limited to the number of antennas according to the present example. Each antenna may include one or more antenna elements. For example, a first antenna (710) may include a first antenna element (712), a second antenna element (714), a third antenna element (716), and a fourth antenna element (718), a second antenna (720) may include a fifth antenna element (722), a sixth antenna element (724), a seventh antenna element (726), and an eighth antenna element (728), and a third antenna (730) may include a ninth antenna element (732), a tenth antenna element (734), an eleventh antenna element (736), and a twelfth antenna element (738).

일 실시예에 따르면, 복수의 안테나들 각각에 대하여 송신 빔이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(710)는 제1 빔들(740)을 형성할 수 있고, 제2 안테나(720)는 제2 빔들(750)을 형성할 수 있고, 제3 안테나(730)는 제3 빔들(760)을 형성할 수 있다.In one embodiment, a transmit beam may be formed for each of the plurality of antennas. For example, a first antenna (710) may form first beams (740), a second antenna (720) may form second beams (750), and a third antenna (730) may form third beams (760).

일 실시예에 따르면, 메타표면(770)은 하나 이상의 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타표면(770)은 제1 유닛 셀(772) 및 제2 유닛 셀(774)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 유닛 셀(772) 및 제2 유닛 셀(774)은 특정 간격(780)으로 배치될 수 있다.According to one embodiment, the metasurface (770) may include one or more unit cells. For example, the metasurface (770) may include a first unit cell (772) and a second unit cell (774). Additionally, the first unit cell (772) and the second unit cell (774) may be arranged at a specific interval (780).

일 실시예에 따르면, 메타표면(770)은 복수의 안테나들로부터 수신된 빔들에 기초하여, 다른 전자 장치에 전송하기 위한 송신 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 메타표면(770)은 제1 안테나(710)로부터 방출된 제1 빔들(740), 제2 안테나(720)로부터 방출된 제2 빔들(750) 및 제3 안테나(730)로부터 방출된 제3 빔들(760)에 기초하여, 다른 전자 장치에게 전송하기 위한 빔들(790)을 생성할 수 있다. 이때, 메타표면(770)은 복수의 안테나들로부터 방출되는 빔들(예: 제1 빔들(740), 제2 빔들(750) 및 제3 빔들(760))을 모두 수용할 수 있도록 배열될 수 있다. 이때, 메타표면(770)의 사이즈는 복수의 안테나들로부터 방출되는 빔들(예: 제1 빔들(740), 제2 빔들(750) 및 제3 빔들(760))을 모두 수용할 수 있을 정도로 클 수 있다.According to one embodiment, the metasurface (770) can generate a transmission beam for transmission to another electronic device based on beams received from a plurality of antennas. For example, the metasurface (770) can generate beams (790) for transmission to another electronic device based on first beams (740) emitted from a first antenna (710), second beams (750) emitted from a second antenna (720), and third beams (760) emitted from a third antenna (730). In this case, the metasurface (770) can be arranged to accommodate all of the beams emitted from the plurality of antennas (e.g., the first beams (740), the second beams (750), and the third beams (760)). At this time, the size of the metasurface (770) may be large enough to accommodate all beams emitted from multiple antennas (e.g., first beams (740), second beams (750), and third beams (760)).

본 개시에서 빔 이득, 빔포밍 이득 또는 이득은 복수의 안테나들(예: 제1 안테나(710), 제2 안테나(720) 및 제3 안테나(730))로부터 방사된 빔들(예: 제1 빔들(740), 제2 빔들(750) 및 제3 빔들(760)) 대비 메타표면(770)을 통해 방출된 빔들(790)의 이득을 의미할 수 있다.In the present disclosure, beam gain, beamforming gain, or gain may refer to the gain of beams (790) emitted through the metasurface (770) relative to beams (e.g., first beams (740), second beams (750), and third beams (760)) emitted from a plurality of antennas (e.g., first antenna (710), second antenna (720), and third antenna (730)).

도 7과 같이 메타표면 RF 프론트-앤드 구조가 형성되는 경우, 전자 장치의 동작 방법은 후술되는 도 8과 같다.When a metasurface RF front-end structure is formed as in Fig. 7, the operating method of the electronic device is as in Fig. 8 described below.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작 방법을 도시하는 흐름도이다.FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of operating an electronic device according to one embodiment of the present disclosure.

도 8을 참조하면, 801 단계에서, 전자 장치는 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 복수의 안테나들에 포함된 안테나 요소들을 이용하여, 송신 빔을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따라, 전자 장치는 메타표면에서 최종 생성될 빔의 방향을 고려하여, 안테나를 통해 빔을 생성할 수 있다. 또는, 전자 장치는 안테나를 통해 임의의 빔을 방출하고, 메타표면에 대하여 미리 설정된 제어를 통해 원하는 방향을 갖는 빔을 생성할 수 있다.Referring to FIG. 8, in step 801, the electronic device may generate first beams for each of the plurality of antennas. For example, the electronic device may generate a transmission beam using antenna elements included in the plurality of antennas. According to one embodiment, the electronic device may generate a beam through the antenna by considering the direction of the beam to be ultimately generated on the metasurface. Alternatively, the electronic device may emit an arbitrary beam through the antenna and generate a beam having a desired direction through preset control with respect to the metasurface.

803 단계에서, 전자 장치는 제1 빔들을 복수의 안테나들로부터 메타표면부에 전송할 수 있다. 즉, 복수의 안테나들로부터 방출된 빔들은 메타표면부에 수신될 수 있다. 이때, 메타표면부는 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 빔들을 모두 수용하도록 배열될 수 있다. 즉, 메타표면부의 사이즈는 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 빔들을 모두 수용하도록 결정될 수 있다. 본 개시에서 메타표면부는 메타표면을 포함하는 유닛을 의미할 수 있다.In step 803, the electronic device can transmit first beams from the plurality of antennas to the metasurface portion. That is, the beams emitted from the plurality of antennas can be received by the metasurface portion. At this time, the metasurface portion can be arranged to receive all beams generated for each of the plurality of antennas. That is, the size of the metasurface portion can be determined to receive all beams generated for each of the plurality of antennas. In the present disclosure, the metasurface portion can mean a unit including a metasurface.

805 단계에서, 전자 장치는 메타표면부를 통해 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 메타표면부에 포함된 유닛 셀들의 배치를 통해, 메타표면의 유닛 셀에 입사되는 전파의 위상 차를 발생시킬 수 있다. 그리고, 전자 장치는 발생된 위상 차를 이용하여 메타표면부의 유닛 셀들에 입사되는 전파를 재 방사할 수 있다. 이를 통해, 전자 장치는 메타표면부를 통해 안테나에서 방사되는 빔들을 특정 방향으로 모아줄 수 있다. 이때, 메타표면부에서 형성되는 빔들은 제2 빔들을 의미할 수 있다. In step 805, the electronic device can generate second beams based on the first beams through the metasurface. For example, the electronic device can generate a phase difference of radio waves incident on the unit cells of the metasurface through the arrangement of the unit cells included in the metasurface. Then, the electronic device can re-radiate the radio waves incident on the unit cells of the metasurface using the generated phase difference. Through this, the electronic device can focus the beams radiated from the antenna through the metasurface in a specific direction. At this time, the beams formed in the metasurface can mean the second beams.

807 단계에서, 전자 장치는 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치가 단말인 경우, 전자 장치는 다른 단말 또는 기지국에게 제2 빔들을 이용하여 신호를 전송할 수 있다. 또는, 전자 장치가 기지국인 경우, 전자 장치는 다른 기지국 또는 단말에게 제2 빔들을 이용하여 신호를 전송할 수 있다. At step 807, the electronic device can transmit the second beams to another electronic device. For example, if the electronic device is a terminal, the electronic device can transmit a signal using the second beams to another terminal or a base station. Alternatively, if the electronic device is a base station, the electronic device can transmit a signal using the second beams to another base station or a terminal.

후술되는 도 9a 내지 10b는 2개의 상이한 비 초점(non-focal) 피드 안테나들의 예시를 도시한다.Figures 9a to 10b described below illustrate examples of two different non-focal feed antennas.

도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로(linearly) 배열된(arrayed)안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 9A is a diagram illustrating an example of linearly arrayed antennas on a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 9a를 참조하면, 메타표면(950)에 대하여 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)가 배치될 수 있다. 이때, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 직렬로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)의 각 중심을 잇는 선과 메타표면(950)이 평행하게 배열될 수 있다. 또한, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(910) 및 제2 안테나(920)는 제1 간격(902)으로 배치될 수 있고, 제2 안테나(920) 및 제3 안테나(930)는 제2 간격(904)으로 배치될 수 있고, 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 제3 간격(906)으로 배치될 수 있다.Referring to FIG. 9A, a first antenna (910), a second antenna (920), a third antenna (930), and a fourth antenna (940) may be arranged on a metasurface (950). At this time, the first antenna (910), the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) may be arranged in series. For example, a line connecting the centers of the first antenna (910), the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) may be arranged parallel to the metasurface (950). In addition, the first antenna (910), the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) may be arranged at equal intervals. For example, the first antenna (910) and the second antenna (920) may be arranged at a first interval (902), the second antenna (920) and the third antenna (930) may be arranged at a second interval (904), and the third antenna (930) and the fourth antenna (940) may be arranged at a third interval (906).

일 실시예에서, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)로부터 메타표면의 중심(960)까지의 거리는 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 안테나(910)는 메타표면의 중심(960)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 있다. 이때, 제1안테나(910)는 초점 안테나(focal antenna)로 지칭될 수 있다. 반면, 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 메타표면의 중심(960)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 없을 수 있다. 이러한 경우, 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 비 초점 안테나(non-focal antenna)로 지칭될 수 있다.In one embodiment, the distances from the first antenna (910), the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) to the center (960) of the metasurface may be different. In one embodiment, the first antenna (910) may radiate a beam parallel to the center (960) of the metasurface. In this case, the first antenna (910) may be referred to as a focal antenna. On the other hand, the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) may not be able to radiate a beam parallel to the center (960) of the metasurface. In this case, the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) may be referred to as non-focal antennas.

즉, 도 9a는, 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940))은 메타표면(950)에 대하여 평행하게 배열될 수 있고, 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940))으로부터 메타표면의 중심(960)까지의 거리는 상이한 실시예를 도시한다. 상술된 도 9a와 같이 메타표면(950)에 대하여 선형으로 배열된 안테나들에 대하여, 측정된 빔포밍 이득은 후술되는 도 9b에 도시된다. That is, FIG. 9A illustrates an embodiment in which each of a plurality of antennas (e.g., a first antenna (910), a second antenna (920), a third antenna (930), and a fourth antenna (940)) can be arranged parallel to a metasurface (950), and the distance from each of the plurality of antennas (e.g., a first antenna (910), a second antenna (920), a third antenna (930), and a fourth antenna (940)) to the center (960) of the metasurface is different. For antennas arranged linearly with respect to the metasurface (950) as in FIG. 9A described above, the measured beamforming gain is illustrated in FIG. 9B described below.

도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.FIG. 9b is a diagram illustrating the measurement results of beamforming gain for linearly arranged antennas on a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 9b를 참조하면, 도 9b의 안테나는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이때, 도 9b의 안테나에 포함된 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는, 도 9a의 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)와 각각 대응될 수 있다. 그리고, 도 9b의 각 안테나들 간 간격은 도 9a의 간격들(예: 제1 간격(902), 제2 간격(904) 및 제3 간격(906))과 각각 대응될 수 있다. 또한, 도 9b의 메타표면은 도 9a의 메타표면(950)에 대응될 수 있다. 도 9b는 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나가 메타표면의 중심으로 빔을 방사하는 경우, 초점 안테나인 1번 안테나로부터의 위치에 따른 안테나 대비 메타표면의 빔 이득을 나타낸다.Referring to FIG. 9B, the antenna of FIG. 9B may include a plurality of antennas. At this time, the first antenna, the second antenna, the third antenna, and the fourth antenna included in the antenna of FIG. 9B may correspond to the first antenna (910), the second antenna (920), the third antenna (930), and the fourth antenna (940) of FIG. 9A, respectively. In addition, the intervals between the respective antennas of FIG. 9B may correspond to the intervals (e.g., the first interval (902), the second interval (904), and the third interval (906)) of FIG. 9A, respectively. In addition, the metasurface of FIG. 9B may correspond to the metasurface (950) of FIG. 9A. FIG. 9B shows the beam gain of the metasurface compared to the antennas according to the position from the first antenna, which is a focus antenna, when the first antenna, the second antenna, the third antenna, and the fourth antenna radiate beams to the center of the metasurface.

도 9b에서, 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는 각각 의 스위핑 각도(sweeping angle)를 두고 배치될 수 있다. 즉, 도 9b의 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는 각각 1cm 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 1cm는 28GHz 대역에 대하여 의 길이와 유사한 값을 의미할 수 있다. 즉, 도 9b는 간격으로 배치된 안테나들에 대하여, 메타표면의 중심을 지나는 평행선으로부터의 각 안테나의 위치에 따라, 안테나를 통해 방출되는 빔 대비 메타표면을 통해 방출되는 빔의 이득을 나타낸다.In Fig. 9b, antennas 1, 2, 3 and 4 are respectively can be arranged with a sweeping angle of . That is, antennas 1, 2, 3, and 4 of Fig. 9b can be arranged with an interval of 1 cm. In this case, 1 cm is for the 28 GHz band. It can mean a value similar to the length of . That is, Fig. 9b For antennas spaced apart, the gain of the beam emitted through the metasurface is represented relative to the beam emitted through the antenna, depending on the position of each antenna from a parallel line passing through the center of the metasurface.

도 9b에 도시된 실험에서는, 개구경(aperture)이 제한적이며, 메타표면이 적은 수의 단위 셀들을 포함할 수 있다. 다만, 도 9b의 실험 결과는 비 초점 피드 안테나(예: 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나)의 위치에서 방사되는 전자기파도 상당한 빔 이득 및 빔 스티어링(steering) 효과가 있음을 나타낸다.In the experiment illustrated in Fig. 9b, the aperture is limited and the metasurface may contain a small number of unit cells. However, the experimental results in Fig. 9b indicate that electromagnetic waves radiating from the positions of non-focused feed antennas (e.g., antennas 2, 3, and 4) also have significant beam gain and beam steering effects.

도 10a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로(radially) 배열된 안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 10A is a diagram illustrating an example of antennas arranged radially about a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 10a를 참조하면, 메타표면(1050)에 대하여 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)가 배치될 수 있다. 이때, 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)는 방사상으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)의 각 중심을 잇는 선은 원(1070)을 형성할 수 있고, 원(1070)의 중심은 메타표면의 중심(1060)일 수 있다.Referring to FIG. 10A, a first antenna (1010), a second antenna (1020), a third antenna (1030), and a fourth antenna (1040) may be arranged on a metasurface (1050). At this time, the first antenna (1010), the second antenna (1020), the third antenna (1030), and the fourth antenna (1040) may be arranged radially. For example, a line connecting the respective centers of the first antenna (1010), the second antenna (1020), the third antenna (1030), and the fourth antenna (1040) may form a circle (1070), and the center of the circle (1070) may be the center (1060) of the metasurface.

또한, 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040) 간에는 동일한 각도로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(1010) 및 제2 안테나(1020)는 로 배치될 수 있고, 제2 안테나(1020) 및 제3 안테나(1030)는 로 배치될 수 있고, 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040) 또한 로 배치될 수 있다.Additionally, the first antenna (1010), the second antenna (1020), the third antenna (1030) and the fourth antenna (1040) may be arranged at the same angle. For example, the first antenna (1010) and the second antenna (1020) can be arranged, and the second antenna (1020) and the third antenna (1030) can be arranged as a third antenna (1030) and a fourth antenna (1040) can be deployed as

일 실시예에서, 제1 안테나(1010)는 메타표면의 중심(1060)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 있다. 이때, 제1 안테나(1010)는 초점 안테나로 지칭될 수 있다. 반면, 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)는 메타표면의 중심(1060)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 없을 수 있다. 이러한 경우, 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)는 비 초점 안테나로 지칭될 수 있다.In one embodiment, the first antenna (1010) may radiate a beam parallel to the center (1060) of the metasurface. In this case, the first antenna (1010) may be referred to as a focusing antenna. On the other hand, the second antenna (1020), the third antenna (1030), and the fourth antenna (1040) may not be able to radiate a beam parallel to the center (1060) of the metasurface. In this case, the second antenna (1020), the third antenna (1030), and the fourth antenna (1040) may be referred to as non-focusing antennas.

즉, 도 10a는 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040))은 메타표면(1050)에 대하여 방사상으로, 또는 원형으로 배열될 수 있고, 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040))으로부터의 메타표면의 중심(1060)까지의 거리는 원(1070)의 반지름으로 동일한실시예를 도시한다. 상술된 도 10a와 같이 메타표면(1070)에 대하여 원형으로 배열된 안테나들에 대하여, 측정된 빔포밍 이득은 후술되는 도 10b에 도시된다.That is, FIG. 10A illustrates an embodiment in which each of a plurality of antennas (e.g., a first antenna (1010), a second antenna (1020), a third antenna (1030), and a fourth antenna (1040)) may be arranged radially or circularly with respect to a metasurface (1050), and the distance from each of the plurality of antennas (e.g., a first antenna (1010), a second antenna (1020), a third antenna (1030), and a fourth antenna (1040)) to the center (1060) of the metasurface is equal to the radius of a circle (1070). For antennas arranged circularly with respect to the metasurface (1070) as in FIG. 10A described above, the measured beamforming gain is illustrated in FIG. 10B described below.

도 10b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.FIG. 10b is a diagram illustrating the measurement results of beamforming gain for antennas radially arranged with respect to a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 10b를 참조하면, 도 10b의 안테나는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이때, 도 10b의 안테나에 포함된 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는, 도 10a의 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)와 각각 대응될 수 있다. 또한, 도 10b의 메타표면은 도 10a의 메타표면(1050)에 대응될 수 있다. 도 10b는 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나가 메타표면의 중심으로 빔을 방사하는 경우, 초점 안테나인 1번 안테나로부터의 각도에 따른 안테나 대비 메타표면의 빔 이득을 나타낸다.Referring to Fig. 10b, the antenna of Fig. 10b may include a plurality of antennas. At this time, the first antenna, the second antenna, the third antenna, and the fourth antenna included in the antenna of Fig. 10b may correspond to the first antenna (1010), the second antenna (1020), the third antenna (1030), and the fourth antenna (1040) of Fig. 10a, respectively. In addition, the metasurface of Fig. 10b may correspond to the metasurface (1050) of Fig. 10a. Fig. 10b shows the beam gain of the metasurface compared to the antenna according to the angle from the first antenna, which is a focus antenna, when the first antenna, the second antenna, the third antenna, and the fourth antenna radiate beams toward the center of the metasurface.

도 10b에서, 메타표면의 중심과 피드 안테나 간의 거리는 초점 거리(focal distance) 2cm로 고정될 수 있다. 다만, 메타표면에 수직인 축에 대하여 안테나들의 각도는 각각 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 메타표면에 수직인 축은 메타표면의 중심과 초점 안테나(예: 1번 안테나)를 잇는 축을 의미할 수 있다. 예를 들어, 메타표면에 수직인 축으로부터 1번 안테나의 각도는 일 수 있고, 메타표면에 수직인 축으로부터 2번 안테나의 각도는 일 수 있고, 메타표면에 수직인 축으로부터 3번 안테나의 각도는 일 수 있고, 메타표면에 수직인 축으로부터 4번 안테나의 각도는 일 수 있다.In Fig. 10b, the distance between the center of the metasurface and the feed antenna can be fixed to a focal distance of 2 cm. However, the angles of the antennas with respect to the axis perpendicular to the metasurface can be different. In one embodiment, the axis perpendicular to the metasurface can mean the axis connecting the center of the metasurface and the focal antenna (e.g., antenna 1). For example, the angle of antenna 1 from the axis perpendicular to the metasurface is , and the angle of the second antenna from the axis perpendicular to the metasurface is , and the angle of the third antenna from the axis perpendicular to the metasurface is , and the angle of the 4th antenna from the axis perpendicular to the metasurface is It could be.

일 실시예에 따르면, 도 10b와 같이 피드 안테나가 방사상으로 배치되는 이유는, 피드 안테나로부터 메타표면까지의 신호 감쇄가, 피드 안테나로부터 메타표면 사이의 거리에 비례하기 때문이다. 즉, 피드 안테나로부터 메타표면까지의 신호 감쇄가, 피드 안테나로부터 메타표면 사이의 거리에 비례하기 때문에, 도 10a 및 도 10b의 방사상으로 배열된 안테나는, 도 9a 및 도 9b에서 설명된 선형으로 배열된 안테나들과 비교하여, 더 많은 이득을 얻을 수 있다.According to one embodiment, the reason why the feed antennas are radially arranged as in FIG. 10b is because the signal attenuation from the feed antenna to the metasurface is proportional to the distance between the feed antenna and the metasurface. That is, since the signal attenuation from the feed antenna to the metasurface is proportional to the distance between the feed antenna and the metasurface, the radially arranged antennas of FIGS. 10a and 10b can obtain more gain compared to the linearly arranged antennas described in FIGS. 9a and 9b.

도 9b 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 비 초점 안테나 위치로부터 방사되는 전자기파는, 상당한 빔포밍 이득 및 초점에 대하여 설계된 메타표면을 사용한 빔 스티어링 기능(beam steering capability with the metasurface designed for a focal point)을 경험할 수 있다. 일 실시예에 따르면, MIMO 동작을 고려한 메타표면의 빔포밍 이득을 충분히 이용하기 위하여, 개구경의 크기 및 유닛 셀의 개수는 비교적 작을 수 있다(relatively small). 이러한 이유로, 큰 개구경과 물리적으로 합리적인 도메인(physically reasonable domain)을 갖고, 밀집하여(densely) 통합된(integrated) 유닛 셀들을 갖는 다른 메타표면이 모델링될 수 있다. 이때, 후술되는 메타 채널 모델들에서 으로 표현된 메타표면 설계에 기초하여, 도 9b 및 도 10b에서 도시된 방사 패턴이 사용될 수 있다.As illustrated in FIGS. 9b and 10b, electromagnetic waves radiating from a non-focus antenna location can experience significant beamforming gain and beam steering capability with the metasurface designed for a focal point. In one embodiment, to fully utilize the beamforming gain of the metasurface considering MIMO operation, the size of the aperture and the number of unit cells can be relatively small. For this reason, other metasurfaces with large apertures, physically reasonable domains, and densely integrated unit cells can be modeled. In this case, in the metachannel models described below, and Based on the metasurface design expressed in , the radiation patterns shown in FIGS. 9b and 10b can be used.

본 개시는 메타표면을 이용한 채널 모델링을 제안한다. 본 개시에 따른 메타표면은 송신기(transmitter, Tx) 및 수신기(receiver, Rx) 안테나들 사이에 개입(intervene)할 수 있기 때문에, 상술된 도 5와 같은 구조를 사용하는 무선 통신 시스템의 전체 성능(overall performance)을 평가(evaluate)하기 위해서는 기존 공간 채널 모델이 수정되어야 할 필요가 있다. 일반적으로, MIMO 공간 채널 모델들은, 다양한 환경(various environments)에서 무선 전파 채널들(wireless propagation channels)을 시뮬레이션하고, 송신기 및 수신기 모두에서 다수의 안테나들에 대한 다이버시티의 개념을 적용하는데 사용될 수 있다.The present disclosure proposes channel modeling using metasurfaces. Since the metasurface according to the present disclosure can intervene between transmitter (Tx) and receiver (Rx) antennas, existing spatial channel models need to be modified to evaluate the overall performance of a wireless communication system using a structure such as that illustrated in FIG. 5 described above. In general, MIMO spatial channel models can be used to simulate wireless propagation channels in various environments and to apply the concept of diversity to multiple antennas at both the transmitter and receiver.

메타표면에 대한 연구에도 불구하고, 연구들은 메타표면 자체의 빔포밍 이득에만 초점을 맞출 뿐, 공간 채널 모델(spatial channel model)을 메타표면 빔포밍과 통합하기 위한 연구는 진행되지 않았다. 특히 메타표면 구조는 단일 계층 전송에 대해서만 간주되었기 때문에, 메타표면을 이용하기 위한 근본적인 한계가 존재하였다. 이는, 다중 데이터를 전송함으로써 공간 멀티플렉싱 이득을 이용하는 경향으로는 적절하지 않다.Despite research on metasurfaces, these studies have focused solely on the beamforming gains of metasurfaces themselves, and no research has been conducted to integrate spatial channel models with metasurface beamforming. In particular, metasurface structures have been considered only for single-layer transmission, posing fundamental limitations to their use. This is not appropriate for the trend toward utilizing spatial multiplexing gains by transmitting multiple data sets.

이에 따라, 본 개시는 MIMO 동작과 관련하여 메타표면 RF 프론트-앤드 구조를 통합하는 것을 제안한다. 예를 들어, 본 개시는 메타 채널이라는 전체 공간 채널 모델을 제안한다. 후술되는 도 11은 본 개시에 따라 형성될 수 있는 매타 채널의 개념을 도시한다.Accordingly, the present disclosure proposes integrating a metasurface RF front-end structure with MIMO operations. For example, the present disclosure proposes a full-space channel model called a metachannel. Figure 11, described below, illustrates the concept of a metachannel that can be formed according to the present disclosure.

도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타 채널을 포함하는 시스템을 도시하는 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating a system including a meta channel according to one embodiment of the present disclosure.

도 11을 참조하면, 메타 채널을 포함하는 시스템은, 송신 장치 및 수신 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 송신 장치는 송신 안테나들(예: 제1 안테나(1102), 제2 안테나(1104) 및 제3 안테나(1106))과 메타표면을 포함할 수 있다. 이때, 송신 안테나들과 메타표면 사이에 제1 채널(1120)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 11, a system including a metachannel may include a transmitting device and a receiving device. In one embodiment, the transmitting device may include transmitting antennas (e.g., a first antenna (1102), a second antenna (1104), and a third antenna (1106)) and a metasurface. In this case, a first channel (1120) may be formed between the transmitting antennas and the metasurface.

그리고, 이러한 메타표면은 유닛 셀들(예: 제1 유닛 셀(1122), 제2 유닛 셀(1124), 제3 유닛 셀(1126) 및 제4 유닛 셀(1128))을 포함할 수 있다. 그리고, 송신 장치에서, 제2 안테나(1104)는 메타표면의 유닛 셀들에 대하여 빔들을 방사할 수 있다. 이때, 빔들은 제1 빔(1112), 제2 빔(1114), 제3 빔(1116) 및 제4 빔(1118)을 포함할 수 있다. 다만, 도 11에서는 제2 안테나(1104)만이 빔들을 방사하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 안테나(1102) 또는 제3 안테나(1106) 또한 빔들을 방사할 수 있다.And, such a metasurface may include unit cells (e.g., a first unit cell (1122), a second unit cell (1124), a third unit cell (1126), and a fourth unit cell (1128)). And, in the transmitting device, the second antenna (1104) may radiate beams to the unit cells of the metasurface. At this time, the beams may include a first beam (1112), a second beam (1114), a third beam (1116), and a fourth beam (1118). However, in FIG. 11, only the second antenna (1104) is illustrated as radiating beams, but this is not limited thereto. That is, the first antenna (1102) or the third antenna (1106) may also radiate beams.

일 실시예에서, 수신 장치는 수신 안테나들(예: 제4 안테나(1152), 제5 안테나(1154) 및 제6 안테나(1156)) 및 메타표면을 포함할 수 있다. 그리고, 수신 장치의 메타표면과 수신 안테나들 상이에 제2 채널(1150)이 형성될 수 있다.In one embodiment, the receiving device may include receiving antennas (e.g., a fourth antenna (1152), a fifth antenna (1154), and a sixth antenna (1156)) and a metasurface. A second channel (1150) may be formed between the metasurface of the receiving device and the receiving antennas.

그리고, 이러한 메타표면은 유닛 셀들(예: 제5 유닛 셀(1132), 제6 유닛 셀(1134), 제7 유닛 셀(1136) 및 제8 유닛 셀(138))을 포함할 수 있다. 그리고, 수신 장치에서 메타표면으로부터 제5 안테나(1154)로 빔들이 전송될 수 있다. 이때, 빔들은 제5 빔(1142), 제6 빔(1144), 제7 빔(1146) 및 제8 빔(1148)을 포함할 수 있다. 다만, 도 11에서는 제5 안테나(1154)만이 빔들을 수신하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제4 안테나(1152) 또는 제6 안테나(1156) 또한 빔들을 수신할 수 있다.And, this metasurface may include unit cells (e.g., a fifth unit cell (1132), a sixth unit cell (1134), a seventh unit cell (1136), and an eighth unit cell (138)). And, beams may be transmitted from the metasurface to a fifth antenna (1154) in a receiving device. At this time, the beams may include a fifth beam (1142), a sixth beam (1144), a seventh beam (1146), and an eighth beam (1148). However, in FIG. 11, only the fifth antenna (1154) is illustrated as receiving the beams, but this is not limited thereto. That is, the fourth antenna (1152) or the sixth antenna (1156) may also receive the beams.

일 실시예에 따르면, 송신 장치의 메타표면과 수신 장치의 메타표면 사이에 메타 채널(1130)이 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메타 채널은 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각 또는 도착각, 및 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간의 거리에 기초하여 결정될 수 있다.According to one embodiment, a meta-channel (1130) may be formed between a meta-surface of a transmitting device and a meta-surface of a receiving device. According to one embodiment, the meta-channel may be determined based on a departure angle or an arrival angle determined between each of a plurality of antenna elements and each of a plurality of unit cells, and a distance between each of a plurality of antenna elements and each of a plurality of unit cells.

일 실시예에서, 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각은, 제2 안테나(1104)에 포함된 복수의 안테나 요소들 각각과, 송신 장치의 메타 표면에 포함된 복수의 유닛 셀들(예: 제1 유닛 셀(1122), 제2 유닛 셀(1124), 제3 유닛 셀(1126) 및 제4 유닛 셀(1128)) 각각 간 결정되는 출발각을 의미할 수 있다. In one embodiment, the departure angle determined between each of the plurality of antenna elements and each of the plurality of unit cells may mean a departure angle determined between each of the plurality of antenna elements included in the second antenna (1104) and each of the plurality of unit cells included in the meta surface of the transmitting device (e.g., the first unit cell (1122), the second unit cell (1124), the third unit cell (1126), and the fourth unit cell (1128)).

일 실시예에서, 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 도착각은 수신 장치의 메타 표면에 포함된 복수의 유닛 셀들(예: 제5 유닛 셀(1132), 제6 유닛 셀(1134), 제7 유닛 셀(1136) 및 제8 유닛 셀(138)) 각각과 제5 안테나(1154)에 포함된 복수의 안테나 요소들 각각 간 결정되는 도착각을 의미할 수 있다.In one embodiment, the arrival angle determined between each of the plurality of antenna elements and each of the plurality of unit cells may mean the arrival angle determined between each of the plurality of unit cells (e.g., the fifth unit cell (1132), the sixth unit cell (1134), the seventh unit cell (1136), and the eighth unit cell (138)) included in the meta surface of the receiving device and each of the plurality of antenna elements included in the fifth antenna (1154).

일 실시예에서, 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴은 출발각 또는 도착각에 기초하여 결정될 수 있다. 그리고, 복수의 안테나들과 메타표면 간의 채널은, 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴에 기초하여 결정될 수 있다.In one embodiment, the radiation patterns of the plurality of antenna elements can be determined based on departure angles or arrival angles. Furthermore, the channel between the plurality of antennas and the metasurface can be determined based on the radiation patterns of the plurality of antenna elements.

도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 채널 모델의 예시를 도시하는 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a channel model using a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 12를 참조하면, 메타 채널은 3개의 스테이지로 구성될 수 있다. 예를 들어, 3개의 스테이지는, 1)송신 안테나로부터 송신 메타 요소(유닛 셀)까지의 제1 스테이지, 2) 송신 메타 요소로부터 수신 메타 요소까지의 제2 스테이지 및 3) 수신 메타 요소로부터 수신 안테나까지의 제3 스테이지를 포함할 수 있다. 이러한 캐스케이딩(cascading) 채널 모델링은 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 빔포밍 이득과 빔 방향이 메타표면과 안테나 사이의 거리, 피드 안테나의 위치 및 메타 요소 간격과 같은 기하학적 파라미터와 완전히 다를 수 있기 때문에 필수적이고, 중요할 수 있다. 도 12의 (a)는 메타표면이 없는 경우, 또는 생략된 경우, 메타 채널을 도시하고, 도 12의 (b)는 송신 메타표면 및 수신 메타표면이 포함된 경우, 메타 채널의 구성을 도시한다.Referring to Fig. 12, a metachannel may be composed of three stages. For example, the three stages may include: 1) a first stage from a transmitting antenna to a transmitting metaelement (unit cell), 2) a second stage from a transmitting metaelement to a receiving metaelement, and 3) a third stage from a receiving metaelement to a receiving antenna. This cascading channel modeling may be essential and important because the beamforming gain and beam direction of the metasurface RF front-end structure may be completely different from geometric parameters such as the distance between the metasurface and the antenna, the position of the feed antenna, and the metaelement spacing. Fig. 12(a) illustrates a metachannel without a metasurface or when the metasurface is omitted, and Fig. 12(b) illustrates a configuration of a metachannel when a transmitting metasurface and a receiving metasurface are included.

또한, 실용적인 관점에서(in pragmatic point of view), 시스템 설계에서는 송신기와 수신기 모두에 메타표면이 있거나, 없는 전체 구조들이 개별적으로 고려되어야 할 필요가 있다. 일 실시예에서, 송신기와 수신기의 메타표면은 각각 다른 사양(different specifications)을 가질 수 있다. 예를 들어, 기지국에 대한 송신기의 메타표면에는, 더 넓은 커버리지에 적합하도록(more eligible for wider coverage) 더 큰 개구경 사이즈가 사용되어야 할 필요가 있다. 다만, 단말(mobile station, MS)에 대한 메타표면에 대해서는, 사각지대(blind spot)를 제거(eliminate)하기 위하여, 넓은 빔폭(wide beamwidth) 또는 다양한 빔 스티어링(diverse beam steering)이 고려되어야 할 필요가 있다.Furthermore, from a practical point of view, the overall structures with and without metasurfaces on both the transmitter and receiver need to be individually considered in system design. In one embodiment, the metasurfaces on the transmitter and receiver may have different specifications. For example, the metasurface on the transmitter for the base station (BS) may need to have a larger aperture size to be more eligible for wider coverage. However, the metasurface on the mobile station (MS) may need to consider a wide beamwidth or diverse beam steering to eliminate blind spots.

일 실시예에 따르면, 메타 채널과 관련되어 중요한 요소는, 메타표면이 없는 일반적인 위상 안테나 배열 이득(phased antenna array gain)에 비해, 메타표면이 충분한 이득을 달성하는지 여부일 수 있다. 이에 따라, 메타표면 RF 프론트-앤드의 세부적인 영향(detailed impact)을 파악하기 위해서는(in order to figure out), 일반적인 메타표면 기반 MIMO 채널 모델이 명확하게 정의되어야 할 필요가 있고, 각 시나리오도 채널 모델을 기준으로 분류되어야 할 필요가 있다. 이에 따라, 본 개시에서 전체 채널 행렬(channel matrix) 는 아래의 <수학식 2>와 같다.In one embodiment, an important factor related to the metachannel may be whether the metasurface achieves sufficient gain compared to the general phased antenna array gain without the metasurface. Accordingly, in order to figure out the detailed impact of the metasurface RF front-end, a general metasurface-based MIMO channel model needs to be clearly defined, and each scenario needs to be classified based on the channel model. Accordingly, in the present disclosure, the entire channel matrix is as shown in <Mathematical Formula 2> below.

<수학식 2>에서, 은 초과 지연(excess delay) 이 발생하는 n번째 다중경로 채널 행렬(multipath channel matrix)을 의미할 수 있다. 채널 행렬의 요소는 메타표면으로서 안테나 방식(antenna-wise)의 Tx-Rx 쌍으로 표현될 수 있다. 일 실시예에서, 메타 채널은 아래의 <수학식 3>과 같이 정의될 수 있다.In <Mathematical Formula 2>, is excess delay This may refer to the nth multipath channel matrix that occurs. The elements of the channel matrix may be represented as a metasurface and an antenna-wise Tx-Rx pair. In one embodiment, the metachannel may be defined as in <Mathematical Formula 3> below.

또한, 송신기(Tx) 안테나 요소 s로부터 수신기(Rx) 안테나 요소 u까지의 공간 메타 채널(spatial meta channel)은 아래의 <수학식 4>와 같이 정의될 수 있다.Additionally, the spatial meta channel from the transmitter (Tx) antenna element s to the receiver (Rx) antenna element u can be defined as in <Mathematical Equation 4> below.

<수학식 4>에서 , , 은 각각 수신기(Rx) 및 송신기(Tx)의 유닛 셀들의 개수와, 다중경로(multipath) n의 서브 경로를 의미할 수 있다. 또한, , , 는 각각 송신기 안테나, 송신기 유닛 셀, 수신기 유닛 셀 및 수신기 안테나의 방사 패턴들(radiation patterns)을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 각 안테나 및 메타표면 요소는 위치에 따라 상이한 방사 패턴을 가질 수 있다. 특히, 굴절된 파동(refracted waves)이 특정 방향(certain direction)으로의 평면파로 구성되도록, 피드 안테나로부터 방사되는(emanating) 전자기파의 위상 차(phase difference)를 보상하기(compensate) 위하여, 유닛 셀들은 상이한 위상 특성(phase characteristics)을 가질 수 있다. 은 각각 n 번째 다중경로(n-th multipath)에서 m 번째 서브경로(m-th sub-path)의 출발각(Angle of departure, AoD) 및 도착각(Angle of arrival, AoA)을 의미할 수 있다. 는 파수(wavenumber)를 의미할 수 있다. 그리고, , , , 은 각 요소에 대한 거리(distances to each element)를 의미할 수 있다.In <Mathematical Formula 4> , , may mean the number of unit cells of the receiver (Rx) and transmitter (Tx), respectively, and the sub-path of multipath n. In addition, , , and may respectively refer to the radiation patterns of the transmitter antenna, the transmitter unit cell, the receiver unit cell, and the receiver antenna. In one embodiment, each antenna and metasurface element may have different radiation patterns depending on its location. In particular, the unit cells may have different phase characteristics to compensate for the phase difference of the electromagnetic wave emanating from the feed antenna, such that the refracted waves are composed of plane waves in a certain direction. and may each mean the angle of departure (AoD) and the angle of arrival (AoA) of the m-th sub-path in the n-th multipath. can mean wavenumber. And, , , , can mean distances to each element.

일 실시예에 따르면, 안테나 요소와 유닛 셀 사이의 모든 거리, 및 안테나 요소와 단위 셀 사이의 쌍방향 거리(pairwise distances)는 <표 1>에 명시된 바와 같이 파장(wavelength) 단위로 측정될 수 있다. 다만, 공간 채널 모델은 수백 미터에서 수 킬로미터까지 확장되는 원거리 전파를 가정하기 때문에(because spatial channel models assumes far-field propagation which extend from few hundreds of meters up to several kilometers), 메타표면과 클러스터(cluster or clutter) 사이의 거리는 미터 단위로 측정될 수 있다. 상술된 채널 모델에 기초하여, 도 5에 도시된 구조를 기반으로 한 공간 채널 모델링을 통해, 시스템 용량이 분석될 수 있다.According to one embodiment, all distances between antenna elements and unit cells, and pairwise distances between antenna elements and unit cells, can be measured in units of wavelengths, as specified in Table 1. However, because spatial channel models assume far-field propagation which extend from a few hundred of meters up to several kilometers, the distance between the metasurface and a cluster (or clutter) can be measured in units of meters. Based on the channel model described above, the system capacity can be analyzed through spatial channel modeling based on the structure illustrated in FIG. 5.

일 실시예에 따르면, 본 개시에서 제안된 메타 채널을 통하여, 다중 피드 안테나들에 대한 메타표면의 설계 파라미터들(design parameters)과, 전체 영향(overall impacts)을 설명할 수 있는 확장 가능하고(scalable) 분석적인(analytic) 조사가 수행될 수 있다.According to one embodiment, a scalable and analytical investigation can be performed to describe the design parameters and overall impacts of metasurfaces for multi-feed antennas via the metachannel proposed in the present disclosure.

도 12를 참조하면, 송신 안테나들과 송신 메타표면 사이에 채널 가 형성될 수 있다. 이때, 채널 는 도 11의 제1 채널(1120)을 의미할 수 있다. 송신 안테나들과 송신 메타표면 사이의 채널은 아래의 <수학식 5>와 같이 표현될 수 있다.Referring to Fig. 12, a channel is formed between the transmitting antennas and the transmitting metasurface. can be formed. At this time, the channel may refer to the first channel (1120) of Fig. 11. The channel between the transmitting antennas and the transmitting metasurface may be expressed as in <Mathematical Formula 5> below.

또한, 송신 메타표면과 수신 메타표면 사이에 채널 가 형성될 수 있다. 이때, 채널 는 도 11의 메타 채널(1130)을 의미할 수 있다. 송신 메타표면과 수신 메타표면 사이의 채널은 아래의 <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다.Additionally, a channel is formed between the transmitting metasurface and the receiving metasurface. can be formed. At this time, the channel may refer to the meta channel (1130) of Fig. 11. The channel between the transmitting meta surface and the receiving meta surface can be expressed as in <Mathematical Formula 6> below.

또한, 수신 메타표면과 수신 안테나들 사이에 채널 가 형성될 수 있다. 이때, 채널 는 도 11의 제2 채널(1150)을 의미할 수 있다. 수신 메타표면과 수신 안테나들 사이의 채널은 아래의 <수학식 7>과 같이 표현될 수 있다.Additionally, a channel is formed between the receiving metasurface and the receiving antennas. can be formed. At this time, the channel may refer to the second channel (1150) of Fig. 11. The channel between the receiving metasurface and the receiving antennas may be expressed as in <Mathematical Formula 7> below.

또한, 송신 안테나들로부터 수신 안테나들까지의 전체 채널은 로 표현될 수 있다. 이때, 전체 채널은 는 도 11의 제1 채널(1120), 메타 채널(1130) 및 제2 채널(1150)로 구성된 캐스케이딩 채널을 의미할 수 있다. 송신 안테나들로부터 수신 안테나들까지의 전체 채널은 아래의 <수학식 8>과 같이 표현될 수 있다.Also, the entire channel from the transmitting antennas to the receiving antennas is can be expressed as . At this time, the entire channel is may refer to a cascading channel composed of the first channel (1120), the meta channel (1130), and the second channel (1150) of Fig. 11. The entire channel from the transmitting antennas to the receiving antennas can be expressed as in <Mathematical Formula 8> below.

도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면으로 인한 빔포밍의 결과를 도시하는 도면이다.FIG. 13 is a diagram illustrating the result of beamforming due to a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 13은 안테나 어레이 설계와 비교한 메타표면의 빔포밍 효과를 도시한다. 메타표면은 안테아 어레이들로부터 전자기파를 수신할 수 있다. 그리고, 미리 결정된 위상 지연(phase delays)으로 방사할 수 있다. 위상 지연된(phase delayed) 전자기파는 서로 구성적으로(constructively) 간섭되어(interfered) 원하는 방향으로 더 높은 빔포밍 이득을 제공할 수 있다. 이러한 빔포밍 이득은 송신 메타표면 및 수신 메타표면의 원거리 방사 패턴(far-field radiation pattern) 를 각각 도출하는데 사용될 수 있다. 도 13을 참조하면, 안테나만 존재할 때보다, 안테나와 메타표면이 함께 존재하는 구조에서, 더 높은 빔포밍 이득이 얻어지는 것이 확인될 수 있다.Figure 13 illustrates the beamforming effect of a metasurface compared to an antenna array design. The metasurface can receive electromagnetic waves from antenna arrays and radiate them with predetermined phase delays. The phase-delayed electromagnetic waves can constructively interfere with each other to provide a higher beamforming gain in a desired direction. This beamforming gain is determined by the far-field radiation patterns of the transmitting metasurface and the receiving metasurface. and , respectively. Referring to Fig. 13, it can be confirmed that a higher beamforming gain is obtained in a structure in which an antenna and a metasurface exist together than when only an antenna exists.

일 실시예에서, 메타표면 설계가 고정되는(fixed) 경우, 메타표면-피드 안테나 쌍(metasurface-feed antenna pair)의 복합 방사 패턴(composite radiation pattern)은 방사 패턴, 피드 안테나들의 위치 및 메타 요소 특성과 같은 설계 파라미터들에 의해 결정될 수 있다.In one embodiment, when the metasurface design is fixed, the composite radiation pattern of the metasurface-feed antenna pair can be determined by design parameters such as the radiation pattern, the positions of the feed antennas, and the metaelement characteristics.

일 실시예에 따르면, 안테나와 메타표면 간의 거리, 메타표면 요소의 개수, 메타표면, 위상 특성이 결정될 수 있다. 이에 따라, 상술된 <수학식 4>의 송신 안테나 s로부터 수신 안테나 u로의 공간 메타 채널은 아래의 <수학식 9>와 같이 단순화될 수 있다.According to one embodiment, the distance between the antenna and the metasurface, the number of metasurface elements, the metasurface, and the phase characteristics can be determined. Accordingly, the spatial metachannel from the transmitting antenna s of the above-described <Mathematical Formula 4> to the receiving antenna u can be simplified as in <Mathematical Formula 9> below.

<수학식 9>에서, 는, 각각 송신기와 수신기의 지정된(designated) 안테나-메타표면 쌍들(antenna-metasurface pairs)로부터의 복합(composite) 방사 패턴을 의미할 수 있다.In <Equation 9>, and may refer to a composite radiation pattern from designated antenna-metasurface pairs of a transmitter and a receiver, respectively.

도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 방사 패턴을 측정하기 위한 설정을 도시하는 도면이다.FIG. 14 is a diagram illustrating a setup for measuring a radiation pattern using a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 14를 참조하면, 고정 안테나 어레이(fixed antenna array)로 메타표면의 실현 가능성(feasibility)을 검증하기 위해, 메타표면 RF 프론트-앤드 프로토타입이 설계 및 구현될 수 있다. 이에 따라, 도 14는 상술된 프로토타입에서의 측정 설정(setup)의 개략도(schematics)를 나타낸다. 도 14의 개략도는 피드 안테나, 메타표면, Jig, Horn 안테나 및 로테이터(rotator)를 포함할 수 있다.Referring to Fig. 14, a metasurface RF front-end prototype can be designed and implemented to verify the feasibility of the metasurface with a fixed antenna array. Accordingly, Fig. 14 shows schematics of the measurement setup in the above-described prototype. The schematic of Fig. 14 may include a feed antenna, a metasurface, a jig, a horn antenna, and a rotator.

실현 가능성을 검증하기 위해, 프로토타입 메타표면은 1.6 dBi 이득을 갖는 피드 다이폴 안테나(feed dipole antenna)로부터 2cm 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 또한, Horn 안테나는 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer)(Anritsu MS46122A)로 S21 파라미터들을 측정하기 위하여, 프로토타입 메타표면으로부터 25cm 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 프로토타입 메타표면의 개구경 사이즈는, 28 28 크기의 유닛 셀들로 이루어진 50.4mm 50.4 mm일 수 있다. 중심 주파수는 28GHz로 설정될 수 있다.To verify the feasibility, the prototype metasurface can be positioned 2 cm away from a feed dipole antenna with a gain of 1.6 dBi. In addition, a horn antenna can be positioned 25 cm away from the prototype metasurface to measure the S21 parameters using a vector network analyzer (Anritsu MS46122A). The aperture size of the prototype metasurface is 28 50.4mm consisting of 28 size unit cells It can be 50.4 mm. The center frequency can be set to 28 GHz.

도 4에서 상술한 바와 같이, 렌즈 안테나 또는 단일 레이어 메타표면은, 빔포밍 이득을 증가시키기 위하여 단일 초점을 통해 설계되었다. 다만, 단일 초점뿐만 아니라 초점면(focal plane), 렌즈 축(axis of a lens)에 수직인 평면이 있을 수 있으며, 해당 평면은 초점을 통과할 수 있다. 초점면에 위치한 안테나는 메타표면과 유사한 빔포밍 이득을 얻을 수 있다.As described above in Figure 4, the lens antenna or single-layer metasurface is designed with a single focus to increase beamforming gain. However, in addition to a single focus, there may be a focal plane, a plane perpendicular to the axis of a lens, which may pass through the focus. An antenna located in the focal plane can achieve beamforming gain similar to that of the metasurface.

도 5에서 상술한 바와 같이, 큰 개구경 메타표면으로 빔포밍 이득을 얻기 위해, 초점면에 다수의 안테나들이 배치될 수 있다. 안테나와 유닛 셀들의 개수, 안테나와 메타표면 간의 거리 및 안테나와 유닛 셀 간격과 같은 기하학적 파라미터를 추정하기 위하여 다양한 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 후술되는 도 15 내지 도 18은 본 개시에 따른 MIMO 메타표면 RF 프론트-앤드의 가능성을 보여주므로, 도 15 내지 도 18에 도시된 값들은 단지 예시일 뿐이다. 피드 안테나 특성 또는 메타표면의 진폭 및 위상 오프셋과 같은 다양한 설계 요소에 따라, 메타표면 RF 프론트-앤드 설계는 더 나은 특성을 가질 수 있다.As described above in FIG. 5, multiple antennas can be arranged in the focal plane to obtain beamforming gain with a large aperture metasurface. Various simulations can be performed to estimate geometric parameters such as the number of antennas and unit cells, the distance between the antennas and the metasurface, and the antenna and unit cell spacing. FIGS. 15 to 18 described below demonstrate the possibilities of the MIMO metasurface RF front-end according to the present disclosure, and therefore, the values illustrated in FIGS. 15 to 18 are merely examples. Depending on various design factors such as the feed antenna characteristics or the amplitude and phase offset of the metasurface, the metasurface RF front-end design may have better characteristics.

도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 어레이와 메타표면의 빔포밍 이득을 도시하는 도면이다.FIG. 15 is a diagram illustrating beamforming gain of an antenna array and a metasurface according to one embodiment of the present disclosure.

도 15는 서로 다른 수의 안테나를 갖는 안테나 어레이의 방사 패턴 및 이득과, 간격으로 위치한 단일 피드 안테나를 갖는 메타표면의 방사 패턴 및 이득을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 안테나 어레이 패턴과 비교하여 메타표면이 빔포밍 이득을 더 많이 얻을 수 있다. 도 15에 도시된 결과에서, 메타표면은 의 균일한 간격으로 구성된 151개의 유닛 셀들로 구성될 수 있다. 각 유닛 셀은 피드 안테나의 구형파로부터 등위 평면파(equiphase plane)를 구성하기 위해, 다른 위상 오프셋 값을 가질 수 있다. 도 15의 실시예에서, 안테나 어레이는 서로 떨어져 있을 수 있다. 도 15에서, N=1인 경우 단일 안테나의 방사 패턴이 도시되며, 이때, 빔 이득은 0dB이다. 또한, N=5인 경우 안테나의 방사 패턴이 도시되며, 이때, 조준(boresight)에 대한 빔 이득은 14.5 dB이다. 반면, 본 개시에 따른 메타표면 설계는, 22.9dB의 빔 이득을 가질 수 있다. 이는 N=5인 안테나의 빔 이득보다 8.4dB 더 높은 수치이다.Figure 15 shows the radiation pattern and gain of an antenna array having different numbers of antennas, The radiation pattern and gain of a metasurface with a single feed antenna positioned at intervals are shown. Referring to Fig. 5, the metasurface can obtain more beamforming gain compared to the antenna array pattern. In the results shown in Fig. 15, the metasurface It can be composed of 151 unit cells that are uniformly spaced. Each unit cell can have a different phase offset value to form an equiphase plane wave from the square wave of the feed antenna. In the embodiment of Fig. 15, the antenna array is can be separated. In Fig. 15, the radiation pattern of a single antenna is shown when N = 1, and the beam gain is 0 dB at this time. Also, the radiation pattern of the antenna is shown when N = 5, and the beam gain for boresight is 14.5 dB at this time. On the other hand, the metasurface design according to the present disclosure can have a beam gain of 22.9 dB. This is 8.4 dB higher than the beam gain of the antenna when N = 5.

안테나 어레이는 다중 안테나 요소들을 동시에 사용하여 빔 이득을 달성하기 위하여, 동일한 동위상(co-phased) 신호를 전송할 수 있다. 다만, 본 개시에 따른 메타표면을 이용한 구조는, 단일 안테나만을 필요로 하며, 메타표면의 개구경 사이즈에 따라 더 많은 빔포밍 이득이 달성될 수 있다.An antenna array can transmit the same co-phased signal to achieve beam gain by simultaneously utilizing multiple antenna elements. However, the structure using the metasurface according to the present disclosure requires only a single antenna, and can achieve greater beamforming gain depending on the aperture size of the metasurface.

반면, 본 개시에 따른 안테나 어레이 설계에서는 상대적으로 넓은 빔폭과 덜 심각한 사이드 로브(less severe side lobes)에 비해, 좁은 빔 폭과 기생하는(parasitic) 높은 사이드 로브(high side lobes)가 달성될 수 있다. 이러한 결과는, 위상 보상(phase compensations)을 갖는 균일하게 이격된(uniformly-spaced) 유닛 셀들로 구성된 메타표면의 설계에 기인할 수 있다.In contrast, the antenna array design according to the present disclosure can achieve a narrow beam width and parasitic high side lobes, compared to a relatively wide beam width and less severe side lobes. This result can be attributed to the design of the metasurface consisting of uniformly-spaced unit cells with phase compensations.

일 실시예에 따르면, 피드 안테나의 방사 패턴은 초기에 단일 지점에서 구형파를 방사하도록 초기 설정(initially set)될 수 있다.In one embodiment, the radiation pattern of the feed antenna may be initially set to radiate a square wave from a single point.

서로 다른 피드 안테나 설계와 패턴을 사용함으로써, 메타표면 안테나 쌍의 결과는 더 다양해질 수 있다. 따라서, 메타표면 프론트-앤드 설계는 피드 안테나와 메타표면 유닛 셀들 모두를 공동으로 설계함으로써 더 개선될 수도 있다. 후술되는 도 16a 및 도 16b에 도시된 결과는, 상이한 안테나 위치들의 빔포밍 이득을 도시한다.By utilizing different feed antenna designs and patterns, the results of the metasurface antenna pair can be more diverse. Therefore, the metasurface front-end design can be further improved by jointly designing both the feed antenna and the metasurface unit cells. The results shown in Figures 16a and 16b, described below, illustrate the beamforming gain at different antenna locations.

도 16a는 본 개시의 일 실시예에 따른 선형 비 초점 피드 안테나(linear non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.FIG. 16A is a diagram illustrating the gain as a function of angle of a linear non-focal feed antenna according to one embodiment of the present disclosure.

도 16a를 참조하면, 비 초점에 위치한 안테나들이 초점에 배치된 안테나와 비슷한 빔포밍 이득을 갖는 것이 도시되어 있다. 이는 MIMO 동작을 위한 메타표면 RF 프론트-앤드 설계의 유효성을 의미할 수 있다. MIMO 채널을 나타내기 위하여, 메타표면 이전에, 비 초점 피드 안테나의 방사 패턴을 파악하는 것이 필요할 수 있다. 그렇지 않으면, 메타표면은 단일 데이터 스트림만 전송하므로, 이 경우 공간 다중화가 이용되지 못할 수 있다.Referring to Figure 16a, it is shown that antennas positioned off-focus have similar beamforming gains to antennas positioned on-focus. This may indicate the effectiveness of the metasurface RF front-end design for MIMO operation. To represent the MIMO channel, it may be necessary to determine the radiation pattern of the off-focus feed antenna before the metasurface. Otherwise, the metasurface would only transmit a single data stream, and spatial multiplexing may not be utilized in this case.

도 16a의 그래프 내에 포함된 그림은 피드 안테나의 위치(검은색 원 모양)와 메타표면(직사각형 모양)을 개략적으로 도시한다. 이때, 메타표면은 메타표면의 중심에 정렬된 초점에서 나오는 구형파를 수집하도록 설계될 수 있다. 피드 안테나가 초점에서 더 멀리 위치할수록 빔포밍 이득이 줄어들 수 있다. 이는 다음과 같은 2가지 이유로 인하여 발생할 수 있다. 이유 1) 메타표면의 중심과 피드 안테나 사이의 거리가 증가하기 때문에, 메타표면을 향한 입사 전자기파의 진폭이 감소할 수 있다. 이유 2) 위상 보상은 비 초점 영역에 더 이상 유효하지 않게 될 수 있다. 이에 따라, 메타표면은 빔포밍 이득을 달성하는 지정된 방향(designated direction)으로 등각 파면(conformal wavefront)을 구성할 수 없을 수 있다.The diagram included in the graph of Fig. 16a schematically illustrates the location of the feed antenna (black circle) and the metasurface (rectangular shape). The metasurface can be designed to collect a spherical wave emanating from a focus aligned with the center of the metasurface. As the feed antenna is positioned further from the focus, the beamforming gain may decrease. This may occur for two reasons: Reason 1) As the distance between the center of the metasurface and the feed antenna increases, the amplitude of the incident electromagnetic wave toward the metasurface may decrease. Reason 2) Phase compensation may no longer be effective in the non-focus region. As a result, the metasurface may not be able to form a conformal wavefront in the designated direction to achieve beamforming gain.

도 16b는 본 개시의 일 실시예에 따른 방사형 비 초점 피드 안테나(radial non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.FIG. 16b is a diagram illustrating the gain as a function of angle of a radial non-focal feed antenna according to one embodiment of the present disclosure.

도 16b는 비 초점 피드 안테나의, 도 16a와 다른 빔포밍 결과를 도시한다. 도 16a와 도 16b의 차이점은, 피드 안테나의 위치가 메타표면의 중심으로부터 배향된(oriented) 각도 차이(angular difference)에 의해 결정된다는 것이다.Figure 16b illustrates a different beamforming result from Figure 16a for a non-focused feed antenna. The difference between Figures 16a and 16b is that the position of the feed antenna is determined by the angular difference oriented from the center of the metasurface.

도 16b를 참조하면, 의 오프셋 각도를 증가시킴으로써, 방사 패턴도 유사한 방위 이동 패턴(azimuth shifted pattern)을 나타낼 수 있다. 상술된 도 16a와 비교하여, 도 16b에 도시된 예시에서 빔 형성 이득이 덜 감소(less diminished)할 수 있다. 예를 들어, 도 16b에서 입사각이 인 오프셋의 방사 패턴과, 도 16a에서 인 오프셋의 방사 패턴은, 동일한 입사각을 가짐에도 불구하고, 서로 다른 빔포밍 이득과 패턴을 나타낼 수 있다.Referring to Fig. 16b, By increasing the offset angle of the radiation pattern, the radiation pattern can also exhibit a similar azimuth shifted pattern. Compared to the above-described Fig. 16a, the beam forming gain can be less diminished in the example shown in Fig. 16b. For example, in Fig. 16b, the incident angle is The radiation pattern of the offset and in Fig. 16a The radiation patterns of the offsets may exhibit different beamforming gains and patterns even though they have the same incident angle.

상술한 바와 같이, 메타표면과 피드 안테나 사이의 거리는 빔포밍 이득 및 방사 패턴과 같은 두 특성과 밀접한 관련이 있을 수 있다. 비 초점 안테나들은 도 16b의 메타표면과 동일하게 이격되어 있기 때문에, 피드 안테나의 입사 전력(incident power)은 방사형 비 초점 안테나의 구조는 선형 비 초점 피드 안테나 구조보다 덜 감쇄될 수 있다.As described above, the distance between the metasurface and the feed antenna can be closely related to two characteristics, such as beamforming gain and radiation pattern. Since the non-focused antennas are equally spaced from the metasurface of Fig. 16b, the incident power of the feed antenna can be attenuated less in the structure of a radial non-focused antenna than in the structure of a linear non-focused feed antenna.

일 실시예에 따르면, 도 16a와 도 16b의 구조 모두 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 16a의 경우, 안테나 어레이는 선형적이고 균일한 갭(uniform gap)을 갖기 때문에, 평평한 기판(flat substrate) 상에 인쇄될 수 있으며, 이에 따라 도 16a 구조의 제조가 용이해질 수 있다. 또한, 비 균일(non-uniform) 피드 안테나 또는 아날로그 빔포밍과 같은 진보된(advanced) 빔포밍 기법을 이용함으로써, 초점 피드 안테나와 비교하여 비 초점 안테나의 빔 포밍 이득 손실이 완화될 수 있다. 한편, 도 16b에 도시된 구조의 경우, 굴절 빔 방향(refracted beam direction)이 입사 빔 방향(incident beam direction)과 잘 정렬되어 있어(well-aligned) 기하학적인 모델링이 훨씬 용이할 수 있다.In one embodiment, both the structures of FIGS. 16A and 16B may have advantages. For example, in the case of FIG. 16A, since the antenna array has a linear and uniform gap, it can be printed on a flat substrate, which may facilitate the manufacturing of the structure of FIG. 16A. Furthermore, by utilizing advanced beamforming techniques such as non-uniform feed antennas or analog beamforming, the beamforming gain loss of a non-focused antenna may be mitigated compared to a focused feed antenna. Meanwhile, in the case of the structure illustrated in FIG. 16B, the refracted beam direction is well-aligned with the incident beam direction, which may make geometric modeling much easier.

또한, 방사상으로 배치된 비 초점 안테나는 초점 안테나에 비해 상당한 빔포밍 이득을 달성할 수 있다. 이에 따라, 메타표면 기반 RF 구조를 이용하기 위해 추가적인 빔포밍 구조가 필요하지 않을 수 있다. 이는, 시스템 설계자(system designer)가 초기에 위상 변이기(phase shifters) 없이 메타표면 RF 프론트-앤드 구조를 활용하는데 도움이 될 수 있다.Furthermore, radially arranged, non-focused antennas can achieve significant beamforming gains compared to focused antennas. Therefore, additional beamforming structures may not be required to utilize metasurface-based RF structures. This could help system designers initially utilize metasurface RF front-end structures without phase shifters.

일 실시예에 따라, 메타표면의 용량 이득(capacity gain)이 고려될 수 있다. 예를 들어, ITU-R M.2135에 기초하여, <수학식 9>에서 설명된 공간 채널 모델을 사용하여, 수정된(modified) MIMO 공간 채널 모델이 실험될 수 있다(simulated).In one embodiment, the capacity gain of the metasurface may be considered. For example, based on ITU-R M.2135, a modified MIMO spatial channel model may be simulated using the spatial channel model described in Equation 9.

예를 들어, 도시 매크로 셀(urban macrocell) 시나리오가 고려될 수 있다. 평가를 위해, 3GPP 공간 채널 모델의 3 섹터(3-sector) BS(base station) 안테나 패턴이 사용될 수 있고, 일반적인 방사 패턴을 갖는 메타표면 안테나 어레이의 결과와 비교될 수 있다. 3 섹터 시나리오의 경우, 각 섹터에 사용되는 안테나 패턴은 아래의 <수학식 10>과 같이 정의될 수 있다.For example, an urban macrocell scenario can be considered. For evaluation, a 3-sector BS (base station) antenna pattern from the 3GPP spatial channel model can be used and compared with the results of a metasurface antenna array with a typical radiation pattern. For the 3-sector scenario, the antenna pattern used for each sector can be defined as in <Mathematical Formula 10> below.

<수학식 10>에서, 일 수 있고, 은 20dB일 수 있다. 3 섹터 안테나()에 대한 이득은 14dBi로 설정될 수 있다. 이에 따라, 3 섹터 안테나 방사 패턴 은, 기준 채널 구현(reference channel realizations)을 추출(extract)하는데 사용될 수 있다.In <Mathematical Formula 10>, Is It can be, can be 20dB. 3 sectors antenna( ) can be set to 14dBi. Accordingly, the 3-sector antenna radiation pattern , can be used to extract reference channel realizations.

도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 패턴을 도시하는 도면이다. 즉, 도 17은 기준 안테나(reference antenna)의 전체적인(overall) 방사 패턴, 선형 안테나 배치 및 방사형 안테나 배치를 갖는 메타표면 방사 패턴을 각각 나타낸다. 일 실시예에 따르면, 메타표면 방사 패턴에는 피드 안테나 빔 스티어링이 포함되어 있지는 않으나, RF 위상 변이기를 사용하는 효율적인 아날로그 빔 스티어링 기술로 더욱 향상될 수 있다.FIG. 17 is a diagram illustrating an antenna pattern according to one embodiment of the present disclosure. That is, FIG. 17 illustrates the overall radiation pattern of a reference antenna, a metasurface radiation pattern having a linear antenna arrangement, and a radial antenna arrangement, respectively. According to one embodiment, the metasurface radiation pattern does not include feed antenna beam steering, but can be further enhanced with an efficient analog beam steering technique using an RF phase shifter.

일 실시예에 따르면, 패스트 페이딩 채널 행렬(fast fading channel matrices) 는 메타표면의 방사 패턴을 변경함으로써, 그리고, 시스템 용량(system capacity)을 평가하기 위해 다른 모든 일반 파라미터들을 고정함으로써, 생성될 수 있다.According to one embodiment, fast fading channel matrices can be generated by changing the radiation pattern of the metasurface and fixing all other general parameters to evaluate the system capacity.

일 실시예에 따르면, 성능 메트릭(performance metric)으로서, MIMO 동작의 공간 다중화 이득을 위한 ergodic 용량이 고려될 수 있다. 송신 안테나들과 상관없는(uncorrelated) 송신 신호 벡터에 걸쳐 동일한 전력 할당(allocation)이 가정되는 경우, 순간 용량(instantaneous capacity)은 아래의 <수학식 11>과 같이 정의될 수 있다. In one embodiment, the ergodic capacity for spatial multiplexing gain of MIMO operation may be considered as a performance metric. Assuming equal power allocation across uncorrelated transmit signal vectors across transmit antennas, the instantaneous capacity may be defined as in <Mathematical Formula 11> below.

<수학식 11>에서, 은 디터미넌트(determinant)를 의미하고, 단위 행렬(unit matrix)를 의미하고, 는 송신 전력과 수신 전력 간의 비율(송신 SNR)을 의미할 수 있다. ergodic 용량은, 많은 채널 실현에 대한 순간 용량의 평균을 취하여 획득될 수 있다.In <Mathematical Formula 11>, means determinant, Is It means unit matrix, can mean the ratio between the transmit power and the receive power (transmit SNR). The ergodic capacity can be obtained by taking the average of the instantaneous capacities for many channel realizations.

일 실시예에 따르면, 평가에서 MS는 1000번 떨어뜨리고(drop), 각 드롭의 지속 시간(time duration)은 0.1초 동안 지속(last)될 수 있다. 드롭의 시간 프레임은 1ms로 설정될 수 있다. 은 공간 다중화에 의한 용량 향상을 보여주기 위해, , , 로 설정될 수 있다. 캐리어 주파수(carrier frequency)는 3GPP 채널 모델을 반영했을 때 로 설정될 수 있다. 다른 채널 모델을 적용하면 캐리어 주파수는 100 GHz 이상으로 설정될 수 있다. UE는 0에서 30dB 사이의 다른 값으로 드롭될 수 있다. 메타표면에 의한 용량 이득을 관찰하기 위해, 동일한 UE 구조 및 통계적 파라미터들(geometries and statistical parameters)을 위해 메타표면이 BS에 채택될 수 있다. UE 장치는 등방성(isotropic) 방사 패턴을 갖도록 설정될 수 있다. BS 및 MS에서 이웃 요소들(neighboring elements) 간의 거리는 각각 로 각각 떨어져(apart respectively) 있을 수 있다.In one embodiment, the MS may be dropped 1000 times in the evaluation, with each drop lasting 0.1 seconds. The time frame of the drop may be set to 1 ms. To demonstrate the capacity improvement by spatial multiplexing, , , and can be set to . The carrier frequency reflects the 3GPP channel model. can be set to . If a different channel model is applied, the carrier frequency can be set to 100 GHz or higher. The UE can set different can be dropped to the value. To observe the capacity gain by the metasurface, the metasurface can be adopted to the BS for the same UE geometry and statistical parameters. The UE device can be configured to have an isotropic radiation pattern. The distance between neighboring elements in the BS and MS is respectively and They can be apart from each other.

도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표켠으로 인한 평균 UE(user equipment) 용량(capacity)을 도시하는 도면이다.FIG. 18 is a diagram illustrating an average UE (user equipment) capacity due to a meta table according to one embodiment of the present disclosure.

도 18을 참조하면, 메타표면으로 인하여 평균 UE 용량(capacity)이 향상될 수 있다. 이는 메타표면 RF 프론트-앤드 설계 및 이에 따른 MIMO 동작에 의해 전체 채널 용량(overall channel capacity)이 개선됨(improved)을 나타낼 수 있다. 예를 들어, Tx 및 Rx 안테나 구성에서, 가 20dB로 설정되는 경우, 방사형 안테나 배치(radial antenna deployment)의 용량은 160.4bps/Hz를 달성할 수 있고, 선형 안테나 배치(linear antenna deployment)의 용량은 143.2bps/Hz를 달성할 수 있다. 반면, 3 섹터 안테나의 용량은 100.3bps/Hz 만을 달성할 수 있다. 이러한 결과는, 방사형 및 선형 안테나 배치 모두, 3 섹터 안테나보다 빔포밍 이득이 높은 것에 기인할 수 있다.Referring to Figure 18, the average UE capacity can be improved due to the metasurface. This can indicate that the overall channel capacity is improved by the metasurface RF front-end design and the resulting MIMO operation. For example, In Tx and Rx antenna configuration, When the gain is set to 20 dB, the capacity of the radial antenna deployment can achieve 160.4 bps/Hz, and the capacity of the linear antenna deployment can achieve 143.2 bps/Hz. On the other hand, the capacity of the 3-sector antenna can only achieve 100.3 bps/Hz. This result can be attributed to the fact that both the radial and linear antenna deployments have higher beamforming gains than the 3-sector antenna.

대부분의 경우 상술한 이유와 동일한 이유가 적용될 수 있다. 즉, 빔포밍 이득이 높은 경우, 더 높은 채널 용량이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 방사형 안테나 배치는 도 17에 도시된 바와 같이 선형 안테나 배치보다 방사 패턴이 약간 더 높다는 점에서, 선형 안테나 배치보다 더 많은 용량을 달성할 수 있다. 즉, 방사형 안테나 배치의 빔포밍 이득이 선형 안테나 배치의 빔포밍 이득보다 약간 더 높으므로, 방사형 안테나 배치는 선형 안테나 배치보다 더 높은 채널 용량을 얻을 수 있다.In most cases, the same reason as described above may apply. That is, when the beamforming gain is high, a higher channel capacity can be obtained. For example, a radial antenna arrangement can achieve a higher capacity than a linear antenna arrangement because its radiation pattern is slightly higher than that of a linear antenna arrangement, as illustrated in FIG. 17. In other words, since the beamforming gain of a radial antenna arrangement is slightly higher than that of a linear antenna arrangement, a radial antenna arrangement can achieve a higher channel capacity than a linear antenna arrangement.

일 실시예에서, 공간 채널을 이용하기 위한 방사 패턴을 향상시키는 하이브리드 빔포밍 기술이 부족할 수 있다. 다만, 도 17에서 설명된 바와 같이, 메타표면 RF 프론트-앤드는 다중 피드 안테나의 안테나 어레이와 비교하여 단일 피드 안테나로 달성될 수 있다(the metasurface RF front-end can achieve with the single feed antenna compared to the antenna array of multiple feed antenna). 그러므로, 하이브리드 빔포밍 측면에서, 메타표면 구조가 사용될 경우, 더 나은 성능(better performance)이 달성될 수 있다.In one embodiment, a hybrid beamforming technique that enhances the radiation pattern for utilizing spatial channels may be lacking. However, as illustrated in FIG. 17, the metasurface RF front-end can achieve a single feed antenna compared to an antenna array of multiple feed antennas. Therefore, in terms of hybrid beamforming, better performance can be achieved when a metasurface structure is used.

일 실시예에 따르면, 본 개시에서 제안된 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 장점은, 설계에서 이들을 활용하기 위한 추가 요구 사항(additional requirement)이 없다는 것이다. 일 실시예에 따르면, 메타표면의 이득은 분산파(dispersive wave)가 전례없는 물질 자체로 지정된 방향에 집중될 수 있다는 점에서, 전자기파의 고유 특성에 기인할 수 있다(The gain of metasurface may be attributed from the intrinsic properties of EM waves in that the dispersive wave can be focused on the designated direction with unprecedent material itself).In one embodiment, an advantage of the metasurface RF front-end structures proposed in the present disclosure is that there are no additional requirements for utilizing them in designs. In one embodiment, the gain of the metasurface may be attributed to the intrinsic properties of EM waves in that the dispersive wave can be focused on the designated direction with the unprecedented material itself.

도 18에서, 3 섹터 안테나에 대한 실험 결과와, 메타물질에 대한 실험 결과의 차이점은, 전파 채널(propagation channel)을 제어하기 위하여 Tx와 Rx 사이에 메타표면을 설계 및 배치할 수 있는지 여부를 의미할 수 있다.In Fig. 18, the difference between the experimental results for the 3-sector antenna and the experimental results for the metamaterial may imply whether a metasurface can be designed and placed between the Tx and Rx to control the propagation channel.

도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 구성을 도시한 블록도이다.FIG. 19 is a block diagram illustrating a configuration of an electronic device according to one embodiment of the present disclosure.

도 19에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 전자 장치는 프로세서(1930), 송수신부(1910), 메모리(1920)를 포함할 수 있다. 다만 전자 장치의 구성 요소가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전자 장치는 전술한 구성 요소보다 더 많은 구성 요소를 포함하거나 더 적은 구성 요소를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 프로세서(1930), 송수신부(1910) 및 메모리(1920)가 하나의 칩(Chip) 형태로 구현될 수도 있다.As illustrated in FIG. 19, the electronic device of the present disclosure may include a processor (1930), a transceiver (1910), and a memory (1920). However, the components of the electronic device are not limited to the examples described above. For example, the electronic device may include more or fewer components than the components described above. In addition, the processor (1930), the transceiver (1910), and the memory (1920) may be implemented in the form of a single chip.

일 실시예에 따르면, 프로세서(1930)는 상술한 본 개시의 실시 예에 따라 전자 장치가 동작할 수 있는 일련의 과정을 제어할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 실시 예에 따르는 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하도록 전자 장치의 구성요소들을 제어할 수 있다. 프로세서(1930)는 복수 개일 수 있으며, 프로세서(1930)는 메모리(1920)에 저장된 프로그램을 실행함으로써 전술한 본 개시의 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 동작을 수행할 수 있다. According to one embodiment, the processor (1930) may control a series of processes that enable an electronic device to operate according to the embodiments of the present disclosure described above. For example, the processor may control components of the electronic device to transmit and receive signals in a wireless communication system according to an embodiment of the present disclosure. There may be multiple processors (1930), and the processors (1930) may perform operations for transmitting and receiving signals in the wireless communication system of the present disclosure described above by executing a program stored in the memory (1920).

일 실시예에 따르면, 전자 장치가 단말인 경우, 송수신부(1910)는 기지국과 신호를 송수신할 수 있다. 기지국과 송수신하는 신호는 제어 정보와, 데이터를 포함할 수 있다. 송수신부(1910)는 송신되는 신호의 주파수를 상승 변환 및 증폭하는 RF 송신기와, 수신되는 신호를 저 잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF 수신기 등으로 구성될 수 있다. 다만, 이는 송수신부(1910)는 일 실시예일뿐이며, 송수신부(1910)의 구성요소가 RF 송신기 및 RF 수신기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 송수신부(1910)는 무선 채널을 통해 신호를 수신하여 프로세서(1930)로 출력하고, 프로세서(1930)로부터 출력된 신호를 무선 채널을 통해 전송할 수 있다.According to one embodiment, when the electronic device is a terminal, the transceiver (1910) can transmit and receive signals with a base station. The signals transmitted and received with the base station can include control information and data. The transceiver (1910) can be configured with an RF transmitter that up-converts and amplifies the frequency of a transmitted signal, an RF receiver that low-noise amplifies the received signal and down-converts the frequency, etc. However, the transceiver (1910) is only one embodiment, and the components of the transceiver (1910) are not limited to the RF transmitter and the RF receiver. In addition, the transceiver (1910) can receive a signal through a wireless channel, output it to the processor (1930), and transmit the signal output from the processor (1930) through the wireless channel.

또는, 일 실시예에 따르면, 전자 장치가 기지국인 경우, 송수신부(1910)는 단말과 신호를 송수신할 수 있다. 단말과 송수신하는 신호는 제어 정보와, 데이터를 포함할 수 있다. 송수신부(1910)는 송신되는 신호의 주파수를 상승 변환 및 증폭하는 RF 송신기와, 수신되는 신호를 저 잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF 수신기 등으로 구성될 수 있다. 다만, 이러한 송수신부(1910)는 일 실시예일뿐이며, 송수신부(1910)의 구성요소가 RF 송신기 및 RF 수신기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 송수신부(1910)는 무선 채널을 통해 신호를 수신하여 프로세서(1930)로 출력하고, 프로세서(1930)로부터 출력된 신호를 무선 채널을 통해 전송할 수 있다.Alternatively, according to one embodiment, when the electronic device is a base station, the transceiver (1910) can transmit and receive signals with the terminal. The signals transmitted and received with the terminal can include control information and data. The transceiver (1910) can be configured with an RF transmitter that up-converts and amplifies the frequency of a transmitted signal, an RF receiver that low-noise amplifies the received signal and down-converts the frequency, etc. However, the transceiver (1910) is only one embodiment, and the components of the transceiver (1910) are not limited to the RF transmitter and the RF receiver. In addition, the transceiver (1910) can receive a signal through a wireless channel and output it to the processor (1930), and transmit a signal output from the processor (1930) through the wireless channel.

일 실시예에 따르면, 메모리(1920)는 전자 장치의 동작에 필요한 프로그램 및 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(1920)는 전자 장치가 송수신하는 신호에 포함된 제어 정보 또는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(1920)는 롬(ROM), 램(RAM), 하드디스크, CD-ROM 및 DVD 등과 같은 저장 매체 또는 저장 매체들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 메모리(1920)는 복수 개일 수 있다 일 실시예에 따르면, 메모리(1920)는 전술한 본 개시의 실시예들인 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 동작을 수행하기 위한 프로그램을 저장할 수 있다.According to one embodiment, the memory (1920) can store programs and data necessary for the operation of the electronic device. In addition, the memory (1920) can store control information or data included in signals transmitted and received by the electronic device. The memory (1920) can be configured as a storage medium or a combination of storage media, such as a ROM, a RAM, a hard disk, a CD-ROM, and a DVD. In addition, the memory (1920) can be plural. According to one embodiment, the memory (1920) can store a program for performing an operation of transmitting and receiving a signal in a wireless communication system, which are embodiments of the present disclosure described above.

도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 송수신부의 구성을 도시한 블록도이다.FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of a transceiver unit of an electronic device according to one embodiment of the present disclosure.

도 20을 참조하면, 도 19의 송수신부(1910)는 안테나부(2010) 및 메타표면부(2020)를 포함할 수 있다. 다만 송수신부(1910)의 구성요소가 이에 한정되는 것은 아니며, 안테나부(2010) 또는 메타표면부(2020)가 송수신부(1910)와 별도로 구성될 수도 있다. Referring to FIG. 20, the transceiver (1910) of FIG. 19 may include an antenna unit (2010) and a metasurface unit (2020). However, the components of the transceiver (1910) are not limited thereto, and the antenna unit (2010) or the metasurface unit (2020) may be configured separately from the transceiver (1910).

일 실시예에 따르면, 안테나부(2010)는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 안테나들 각각은 안테나 어레이 또는 피드 안테나 등으로 지칭될 수 있다. 그리고, 복수의 안테나들 각각은 복수의 안테나 요소들(antenna elements)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메타표면부(2020)는 복수의 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 그리고, 메타표면부(2020)는 메타표면을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the antenna unit (2010) may include a plurality of antennas. Each of the plurality of antennas may be referred to as an antenna array or a feed antenna. Each of the plurality of antennas may include a plurality of antenna elements. According to one embodiment, the metasurface unit (2020) may include a plurality of unit cells. And, the metasurface unit (2020) may include a metasurface.

일 실시예에 따르면, 도 19의 프로세서(1930)는, 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고, 제1 빔들을 복수의 안테나들로부터 메타표면부(2020)에게 전송하고, 메타표면부(2020)를 통해, 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고, 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송할 수 있다. 이때, 메타표면부(2020)는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다. 즉, 메타표면부(2020)에 포함된 메타표면의 크기는, 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 제1 빔들의 수용과 관련된 임계치보다 클 수 있다. 이때, 제1 빔들의 수용과 관련된 임계치는, 메타표면이 제1 빔들을 충분히 수용할 수 있는 사이즈를 의미할 수 있다.According to one embodiment, the processor (1930) of FIG. 19 may generate first beams for each of a plurality of antennas, transmit the first beams from the plurality of antennas to a metasurface unit (2020), generate second beams based on the first beams through the metasurface unit (2020), and transmit the second beams to another electronic device. At this time, the metasurface unit (2020) may be arranged to receive the first beams generated for each of the plurality of antennas. That is, the size of the metasurface included in the metasurface unit (2020) may be larger than a threshold related to receiving the first beams generated for each of the plurality of antennas. At this time, the threshold related to receiving the first beams may mean a size at which the metasurface can sufficiently receive the first beams.

본 개시에서는, 메타표면을 활용한 새로운 RF 프론트-앤드 설계가 제안되었다. 잘 설계된(well-designed) 메타표면 및 다중 안테나들을 채택함으로써, 본 개시에서 제안된 설계는, 메타표면이 없는 현재의 RF 프론트-앤드 설계보다 더 높은 빔포밍 이득 및 용량 이득을 달성할 수 있다. 메타표면을 시스템 용량 이득과 관련시키는 연구는 없었다. 본 개시는 공간 채널 모델링의 새로운 접근법을 통해, 빔포밍 이득과 전체 시스템 측면(system-aspect) 용량 이득에 대한 메타표면에서의 독립적인 연구를 연결하였다(concatenate). 이는 메타표면이 단일 레이어 전송에 사용된다는 고정관념(stereotypes)을 깨뜨리는 것이다.In this disclosure, a novel RF front-end design utilizing metasurfaces is proposed. By employing well-designed metasurfaces and multiple antennas, the proposed design can achieve higher beamforming gain and capacity gain than current RF front-end designs without metasurfaces. There has been no research linking metasurfaces to system capacity gain. This disclosure concatenates independent metasurface studies on beamforming gain and overall system-aspect capacity gain through a novel approach to spatial channel modeling. This breaks the stereotype that metasurfaces are used for single-layer transmission.

빔포밍 이득에 관한 측정 및 시뮬레이션 결과에서 보여지는 바와 같이, 비 초점 안테나들은 빔포밍 이득이 적고, 불규칙한 방사 패턴을 겪을 수 있으나, 초점 안테나를 위해 설계된 메타표면으로부터 상당한 이득을 얻을 수 있다.As shown in the measured and simulated results on beamforming gain, non-focused antennas may have low beamforming gain and experience irregular radiation patterns, but can obtain significant gain from metasurfaces designed for focused antennas.

대역폭의 부족(shortage of bandwidth)에도 불구하고, 이동 통신 제한 하드웨어(mobile communications limited hardware), 높은 감쇄(high attenuation) 및 RF 손실(RF loss) 때문에, 더 높은 주파수를 사용하기 어려운 이유는 분명하다. 이러한 역경들(adversities)로 인해, 모바일 네트워크 사업자들(mobile network operators)은 셀룰러 네트워크에서 더 높은 대역폭을 사용하는 것을 주저하였고, 이에 따라 6G의 도래가 지연되었다. 이러한 이유로, 메타표면 RF 프론트-앤드는 현재 시스템의 만성 한계(chronic limits)를 넘어서는 효과적인(effective) 솔루션이 될 수 있다. Despite the shortage of bandwidth, the limited hardware of mobile communications, high attenuation, and RF loss make higher frequencies difficult to utilize. These challenges have hindered mobile network operators from adopting higher bandwidths in cellular networks, delaying the advent of 6G. For this reason, metasurface RF front-ends can be an effective solution for overcoming the chronic limitations of current systems.

또한, 단위 셀들의 크기가 전자기파의 파장에 대응할 수 있기 때문에, 주파수가 증가함에 따라 더 많은 단위 셀들이 메타표면의 동일한 개구경 내에 내장될 수 있고, 결과적으로 링크 버짓이 증가할 수 있다.Additionally, since the size of the unit cells can correspond to the wavelength of the electromagnetic wave, as the frequency increases, more unit cells can be embedded within the same aperture of the metasurface, resulting in an increase in the link budget.

위상 변이 특성(phase shifting properties)을 적응적으로 변경할 수 있는 프로그래밍 가능한(programmable) 메타표면이 도입될 수 있다. 예를 들어, 프로그래밍 가능한 메타표면을 얻는 한 가지 방법은 단위 셀에 버랙터(varactors)를 도입하는 것이다. 인가된 DC 전압(applied DC voltage)은, 버랙터를 조정 가능한(adjustable) 커패시터(capacitor)로 작동시킬 수 있고, 공명(resonance)에 영향을 미침으로써, 유효 굴절률(effective refractive index)을 제어할 수 있다.Programmable metasurfaces with adaptive phase-shifting properties can be introduced. For example, one way to achieve a programmable metasurface is to introduce varactors into the unit cell. An applied DC voltage can act as an adjustable capacitor, influencing resonance and thus controlling the effective refractive index.

프로그래밍 가능한 메타표면은, 도 5에서 제안된 RF 프론트-앤드 구조를 기반으로, MIMO 동작뿐만 아니라 빔 스티어링을 위한 새로운 자유도(new degree of freedom)를 제공할 수 있다. 이에 따라, 고주파 대역에서 장치 효율을 높이는 또 다른 효율적인 방법이 제공될 수 있다. 본 개시에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 설계는 미래의 셀룰러 네트워크를 위하여 사용될 수 있다. The programmable metasurface, based on the RF front-end structure proposed in FIG. 5, can provide a new degree of freedom for beam steering as well as MIMO operation. This provides another efficient method for increasing device efficiency in high-frequency bands. The metasurface RF front-end design according to the present disclosure can be used for future cellular networks.

본 개시의 청구항 또는 발명의 설명에 기재된 실시예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다. The methods according to the embodiments described in the claims or description of the present disclosure may be implemented in the form of hardware, software, or a combination of hardware and software.

소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다. When implemented in software, a computer-readable storage medium or computer program product storing one or more programs (software modules) may be provided. The one or more programs stored in the computer-readable storage medium or computer program product are configured for execution by one or more processors within an electronic device. The one or more programs include instructions that cause the electronic device to execute methods according to the embodiments described in the claims or specification of the present disclosure.

이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(Read Only Memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(Compact Disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(Digital Versatile Discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다. These programs (software modules, software) may be stored in random access memory, non-volatile memory including flash memory, read only memory (ROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), magnetic disc storage device, compact disc ROM (CD-ROM), digital versatile discs (DVDs) or other forms of optical storage device, magnetic cassette. Or, they may be stored in memories composed of some or all of these combinations. In addition, each configuration memory may be included in multiple numbers.

또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(Local Area Network), WLAN(Wide LAN), 또는 SAN(Storage Area Network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크 상의 별도의 저장 장치가 본 개시의 실시예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.Additionally, the program may be stored on an attachable storage device that is accessible via a communication network such as the Internet, an intranet, a local area network (LAN), a wide local area network (WLAN), a storage area network (SAN), or a combination thereof. Such a storage device may be connected to a device implementing an embodiment of the present disclosure via an external port. Additionally, a separate storage device on the communication network may be connected to a device implementing an embodiment of the present disclosure.

본 개시에서, 용어 "컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)" 또는 "컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(computer readable medium)"는 메모리, 하드 디스크 드라이브에 설치된 하드 디스크, 및 신호 등의 매체를 전체적으로 지칭하기 위해 사용된다. 이들 "컴퓨터 프로그램 제품" 또는 "컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체"는 본 개시에 따른 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법에 제공하는 수단이다. In this disclosure, the term "computer program product" or "computer-readable medium" is used to collectively refer to media such as memory, a hard disk installed in a hard disk drive, and signals. These "computer program products" or "computer-readable mediums" are means provided for transmitting and receiving signals in a wireless communication system according to the present disclosure.

상술한 본 개시의 구체적인 실시예들에서, 본 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.In the specific embodiments of the present disclosure described above, components included in the present disclosure are expressed singularly or plurally, depending on the specific embodiment presented. However, the singular or plural expressions are selected to suit the presented situation for convenience of explanation, and the present disclosure is not limited to singular or plural components. Components expressed in plural may be composed of singular elements, or components expressed in singular may be composed of plural elements.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 개시의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 개시의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 개시의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 개시의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 일 실시예와 다른 일 실시예의 일부분들이 서로 조합되어 기지국과 단말이 운용될 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예들은 다른 통신 시스템에서도 적용 가능하며, 실시예의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들 또한 실시 가능할 것이다. 예를 들면, 실시예들은 LTE 시스템, 5G, NR 시스템 또는 6G 시스템 등에도 적용될 수 있다.Meanwhile, the embodiments of the present disclosure disclosed in this specification and drawings are merely specific examples to easily explain the technical contents of the present disclosure and to help the understanding of the present disclosure, and are not intended to limit the scope of the present disclosure. In other words, it will be apparent to those skilled in the art that other modified examples based on the technical idea of the present disclosure are possible. In addition, the above-mentioned respective embodiments can be combined and operated with each other as needed. For example, parts of one embodiment of the present disclosure and another embodiment can be combined with each other to operate a base station and a terminal. In addition, the embodiments of the present disclosure can be applied to other communication systems, and other modified examples based on the technical idea of the embodiments can also be implemented. For example, the embodiments can be applied to an LTE system, a 5G system, a NR system, or a 6G system.

또한, 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Furthermore, while the detailed description of this disclosure has described specific embodiments, it should be understood that various modifications are possible without departing from the scope of this disclosure. Therefore, the scope of this disclosure should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the claims described below, but also by equivalents thereof.

Claims (16)

무선 통신 시스템에서 전자 장치에 있어서,
송수신기; 및
적어도 하나의 프로세서;를 포함하고,
상기 송수신기는, 복수의 안테나 모듈들 및 메타표면 모듈을 포함하며,
상기 복수의 안테나 모듈들은 복수의 안테나들을 포함하고,
상기 복수의 안테나 모듈들은 복수의 레이어들로부터 신호가 입력되며,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 복수의 안테나들에 대하여 제1 빔들을 생성하고,
상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면 모듈에게 전송하고,
상기 메타표면 모듈에 의해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고,
상기 제2 빔들을 상기 메타표면 모듈로부터 다른 전자 장치에게 전송하되,
상기 제2 빔들은 상기 복수의 레이어들 별로 형성되고,
상기 메타표면 모듈은, 상기 복수의 안테나들에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열되는 전자 장치.
In an electronic device in a wireless communication system,
Transmitter and receiver; and
comprising at least one processor;
The above transceiver includes a plurality of antenna modules and a metasurface module,
The above plurality of antenna modules include a plurality of antennas,
The above multiple antenna modules receive signals from multiple layers,
At least one processor,
Generate first beams for the plurality of antennas,
Transmitting the first beams from the plurality of antennas to the metasurface module,
By the above metasurface module, second beams are generated based on the first beams,
Transmitting the second beams from the metasurface module to another electronic device,
The above second beams are formed by the plurality of layers,
The metasurface module is an electronic device arranged to receive the first beams generated for the plurality of antennas.
제1항에 있어서,
상기 복수의 안테나들은 상기 메타표면 모듈에 대하여 평행하게 배열되고,
상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면 모듈의 중심까지의 거리는 상이한 전자 장치.
In the first paragraph,
The above plurality of antennas are arranged parallel to the metasurface module,
An electronic device in which the distance from the plurality of antennas to the center of the metasurface module is different.
제1항에 있어서,
상기 복수의 안테나들은 상기 메타표면 모듈에 대하여 원형으로 배열되고,
상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면 모듈의 중심까지의 거리는 동일한 전자 장치.
In the first paragraph,
The above plurality of antennas are arranged in a circular shape with respect to the metasurface module,
An electronic device in which the distance from the plurality of antennas to the center of the metasurface module is the same.
제1항에 있어서,
상기 메타표면 모듈은, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
상기 복수의 유닛 셀들 간의 간격은, 상기 복수의 안테나들 사이의 간격 또는 상기 복수의 안테나 요소들 사이의 간격 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 전자 장치.
In the first paragraph,
The above metasurface module comprises a plurality of unit cells,
Each of the plurality of antennas includes a plurality of antenna elements,
An electronic device wherein the spacing between the plurality of unit cells is determined based on at least one of the spacing between the plurality of antennas or the spacing between the plurality of antenna elements.
제1항에 있어서,
상기 메타표면 모듈은, 단일 메타표면을 포함하는 전자 장치.
In the first paragraph,
The above metasurface module is an electronic device including a single metasurface.
제1항에 있어서,
상기 메타표면 모듈의 크기는, 상기 복수의 안테나들에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하는 영역과 관련된 임계치보다 큰 전자 장치.
In the first paragraph,
An electronic device in which the size of the metasurface module is greater than a threshold value related to an area that receives the first beams generated for the plurality of antennas.
제1항에 있어서,
상기 메타표면 모듈은, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면 모듈 간의 채널은,
상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA), 및 상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간의 거리에 기초하여 결정되는 전자 장치.
In the first paragraph,
The above metasurface module comprises a plurality of unit cells,
Each of the plurality of antennas includes a plurality of antenna elements,
The channel between the plurality of antennas and the metasurface module is
An electronic device determined based on an angle of departure (AoD) or an angle of arrival (AoA) determined between each of the plurality of antenna elements and each of the plurality of unit cells, and a distance between each of the plurality of antenna elements and each of the plurality of unit cells.
제7항에 있어서,
상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴은, 상기 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA)에 기초하여 결정되고,
상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면 모듈 간의 채널은 상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴에 기초하여 결정되는 전자 장치.
In paragraph 7,
The radiation pattern of the plurality of antenna elements is determined based on the departure angle (AoD) or arrival angle (AoA),
An electronic device wherein a channel between the plurality of antennas and the metasurface module is determined based on the radiation patterns of the plurality of antenna elements.
무선 통신 시스템에서 전자 장치의 동작 방법에 있어서,
복수의 안테나들에 대하여 제1 빔들을 생성하는 단계;
상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 메타표면 모듈에게 전송하는 단계;
상기 메타표면 모듈에 의해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하는 단계; 및
상기 제2 빔들을 상기 메타표면 모듈로부터 다른 전자 장치에게 전송하는 단계;를 포함하고,
상기 제2 빔들은 복수의 레이어들 별로 형성되고,
상기 메타표면 모듈은, 상기 복수의 안테나들에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열되는 방법.
In a method of operating an electronic device in a wireless communication system,
A step of generating first beams for a plurality of antennas;
A step of transmitting the first beams from the plurality of antennas to the metasurface module;
A step of generating second beams based on the first beams by the metasurface module; and
a step of transmitting the second beams from the metasurface module to another electronic device;
The above second beams are formed by a plurality of layers,
A method wherein the metasurface module is arranged to receive the first beams generated for the plurality of antennas.
제9항에 있어서,
상기 복수의 안테나들은 상기 메타표면 모듈에 대하여 평행하게 배열되고,
상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면 모듈의 중심까지의 거리는 상이한 방법.
In paragraph 9,
The above plurality of antennas are arranged parallel to the metasurface module,
The distance from the plurality of antennas to the center of the metasurface module is different.
제9항에 있어서,
상기 복수의 안테나들은 상기 메타표면 모듈에 대하여 원형으로 배열되고,
상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면 모듈의 중심까지의 거리는 동일한 방법.
In paragraph 9,
The above plurality of antennas are arranged in a circular shape with respect to the metasurface module,
The distance from the plurality of antennas to the center of the metasurface module is the same.
제9항에 있어서,
상기 메타표면 모듈은, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
상기 복수의 유닛 셀들 간의 간격은, 상기 복수의 안테나들 사이의 간격 또는 상기 복수의 안테나 요소들 사이의 간격 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 방법.
In paragraph 9,
The above metasurface module comprises a plurality of unit cells,
Each of the plurality of antennas includes a plurality of antenna elements,
A method in which the spacing between the plurality of unit cells is determined based on at least one of the spacing between the plurality of antennas or the spacing between the plurality of antenna elements.
제9항에 있어서,
상기 메타표면 모듈은, 단일 메타표면을 포함하는 방법.
In paragraph 9,
The above metasurface module is a method including a single metasurface.
제9항에 있어서,
상기 메타표면 모듈의 크기는, 상기 복수의 안테나들에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하는 영역과 관련된 임계치보다 큰 방법.
In paragraph 9,
A method wherein the size of the metasurface module is greater than a threshold value related to an area that receives the first beams generated for the plurality of antennas.
제9항에 있어서,
상기 메타표면 모듈은, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면 모듈 간의 채널은,
상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA), 및 상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간의 거리에 기초하여 결정되는 방법.
In paragraph 9,
The above metasurface module comprises a plurality of unit cells,
Each of the plurality of antennas includes a plurality of antenna elements,
The channel between the plurality of antennas and the metasurface module is
A method determined based on an angle of departure (AoD) or an angle of arrival (AoA) determined between each of the plurality of antenna elements and each of the plurality of unit cells, and a distance between each of the plurality of antenna elements and each of the plurality of unit cells.
제15항에 있어서,
상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴은, 상기 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA)에 기초하여 결정되고,
상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면 모듈 간의 채널은 상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴에 기초하여 결정되는 방법.
In Article 15,
The radiation pattern of the plurality of antenna elements is determined based on the departure angle (AoD) or arrival angle (AoA),
A method in which a channel between the plurality of antennas and the metasurface module is determined based on the radiation patterns of the plurality of antenna elements.
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